切削液對金剛石線鋸切割β-Ga2O3晶片表面質(zhì)量的影響

王曉龍，高鵬程，檀柏梅，杜浩毓，王方圓

(1.河北工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300130；2.天津市電子材料與器件重點實驗室，天津 300130；3.中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津 300220)

隨著信息化社會的不斷發(fā)展，電子信息技術(shù)已融入各行各業(yè)。但隨著器件集成度逐漸提高，硅的禁帶寬度窄、擊穿場強低等問題已逐漸無法滿足高頻、高功率器件領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，研發(fā)具有更寬禁帶寬度、良好光電特性的新型半導(dǎo)體材料具有重要意義。與第三代半導(dǎo)體材料SiC、GaN等相比[1-2]，β-氧化鎵(β-Ga2O3)具有更高的禁帶寬度(4.8 eV)和較高的巴利加優(yōu)值，尤其是β-Ga2O3(010)晶面的晶面間距最小，這使得(010)面晶片具有最高的同質(zhì)外延速率。并且(010)晶面具有良好的漏電流夾斷特性，是制造氧化鎵MOSFET器件效果最好的晶面[3-4]。此外，β-Ga2O3在日盲探測器、透明導(dǎo)電薄膜、LED基板以及氣敏傳感器等方向同樣具有很好的應(yīng)用前景[5-9]。

晶圓切片工藝是半導(dǎo)體加工制造的第一步，與研磨和拋光工藝相比，它具有更強的機械作用。由于β-Ga2O3(010)晶面原子結(jié)合能低，晶片機械強度低，導(dǎo)致在金剛石線鋸切割β-Ga2O3(010)面晶片時，過強的機械作用會在晶片表面造成較大的幾何誤差和損傷層，甚至導(dǎo)致晶體在切割過程中出現(xiàn)裂紋，從而影響后續(xù)的研磨加工效率及成品率[10-11]。此外，β-Ga2O3(010)晶面具有較強的各向異性，降低晶體切片過程中解理開裂也是β-Ga2O3單晶切片所要解決的問題[12-13]。

在晶圓切割過程中切削液主要起到冷卻和潤滑的作用，防止晶圓在切割過程中受損。研究人員對切削液在切割單晶硅或陶瓷等硬脆性材料的影響和作用機制進(jìn)行了研究。劉玉嶺等[14]分析了切削液的作用機制并對其最佳成分選擇進(jìn)行了研究，制成的水基切削液可以提高單晶硅的切片質(zhì)量。KUMAR和MELKOTE[15]研究了切削液對金剛石線鋸切割單晶硅過程中材料去除方式的影響，通過劃線過程模擬金剛石線鋸時磨料與工件的相互作用，發(fā)現(xiàn)金剛石線鋸過程中水基切削液不僅起到潤滑和冷卻作用，也能促進(jìn)延性模式材料的去除。SHYAM等[16]比較了植物基綠色切削液(GCF)和石油基商業(yè)礦物油(MO)對銑削碳纖維增強碳化硅(Cf/SiC)陶瓷基復(fù)合材料表面粗糙度和表面完整性的影響。結(jié)果表明，相比于MO，使用GCF可以獲得更低的刀具-切片界面摩擦、更好的導(dǎo)熱能力和更高的比容積蓄熱能力。AMELI KALKHORAN等[17]研究發(fā)現(xiàn)含切削油和蠟的混合切削液不但可以增加單晶硅微溝槽表面粗糙度的均勻性，還可以進(jìn)一步擴大其韌性和可加工性。切削液在提高切割材料表面質(zhì)量的同時，還可以降低切削刀具的損耗。IMREK和ORAL[18]研究發(fā)現(xiàn)在恒進(jìn)給車削和變進(jìn)給車削過程中，相比于干式加工，添加切削液均可明顯降低刀具磨損至29.20%～71.64%和34.80%～74.40%。

目前，國內(nèi)外關(guān)于切削液在線鋸切割β-Ga2O3晶體過程中對其表面質(zhì)量影響的報道較少。因此，本文作者研究不同切削液對β-Ga2O3(010)晶面潤濕性的影響，對比了線鋸切割中水基、乳化切削液對晶片切割表面質(zhì)量的影響，分析了作用機制，并得出了更適用于β-Ga2O3晶片切割的切削液。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

試驗所用晶錠為導(dǎo)模法生長的(100)面β-Ga2O3單晶晶錠，尺寸為8 mm×6 mm×40 mm，如圖1(a)所示，采用沈陽科晶自動化設(shè)備有限公司生產(chǎn)的STX-605B型切割機切割成8 mm×6 mm×1 mm的(010)晶面方片，工作原理如圖1(b)所示。

圖1 (100)面β-Ga2O3單晶(a)、STX-605B往復(fù)單線切割機示意(b)、金剛石線鋸表面SEM圖(c)

為降低試驗過程中鋸絲磨損、振動、彎曲等變量對測試結(jié)果的影響，文中采用直徑為350 μm的金剛石線，可以很好地提供切削力。圖1(c)所示為電鍍金剛石鋸絲表面SEM圖像，其鋼絲內(nèi)芯直徑為260 μm，金剛石顆粒大小為45 μm，鋸絲破斷張力為180 N，金剛石顆粒密度約為350 顆/mm2，可視為均勻分布。

試驗中分別采用去離子水、表面活性劑以及精制礦物油為切削液成分；選用非離子表面活性劑脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO-9)作為表面活性劑，因其既具有親水基團(tuán)，又具有親油基團(tuán)，在提高液體潤濕性的同時，還可以使溶液具有潤滑、浸濕、增溶、滲透、分散、洗滌等多重作用[19]。其化學(xué)結(jié)構(gòu)式如圖2所示。

圖2 脂肪醇聚氧乙烯醚分子結(jié)構(gòu)式

將AEO-9與去離子水配成體積分?jǐn)?shù)為0.1%～0.5%的水基切削液，以及體積分?jǐn)?shù)分別為10%的AEO-9與20%～50%的精制礦物油、余量為去離子水的乳化切削液。

1.2 β-Ga2O3晶片加工及切入方向選擇

文中分別以鋸絲速度vs和進(jìn)給速度vf為工藝參數(shù)，研究了不同配比切削液在工藝參數(shù)下對切割晶片表面質(zhì)量的影響。設(shè)置vs范圍為2.0～5.0 m/s(步長為0.50 m/s)，vf范圍為0.20～0.50 mm/min(步長為0.05 mm/min)，鋸絲張力為80 N，鋸絲長度為150 m；切削液從晶體正上方滴落注入，流量為600 mL/min。

β-Ga2O3是具有各向異性的脆性材料，被切割晶面上同時具有2個解理面，應(yīng)盡量使切入方向遠(yuǎn)離每一個解理方向[20]。β-Ga2O3(010)晶面上兩解理面的(100)與(001)晶面夾角為76.2°[21]，如圖3(a)所示。但兩晶面的晶面間結(jié)合力強度不同，(100)晶面的面間結(jié)合力遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于(001)晶面，因此在切割(010)面晶片時取平行于(100)面與(010)面相交線的方向作為切片方向，如圖3(b)所示。

圖3 β-Ga2O3(010)晶面解理面分布(a)和切割方向(b)示意

1.3 β-Ga2O3晶片表征

使用JC2000D型接觸角測量儀(上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司)測量切削液的表面張力及接觸角，通過將液體滴落在(010)面β-Ga2O3拋光片表面進(jìn)行接觸角測量。為了保證測量的準(zhǔn)確性，測試前對晶片進(jìn)行5 min超聲清洗，并用氮氣吹干后測量。

晶片切片后表面粗糙度(Ra)是反映切片工藝對晶片質(zhì)量影響的重要指標(biāo)之一，切割后的β-Ga2O3晶片Ra采用日本三豐株式會社生產(chǎn)的SJ-210型表面粗糙度測量儀測量，取樣長度為0.8 mm，測試范圍為(300±150)μm，選擇同方向連續(xù)5點進(jìn)行測量。

總厚度變化是衡量晶片表面平整度的參數(shù)之一，是晶片表面厚度最大值與最小值的差值，由于β-Ga2O3晶片尺寸較小，試驗時在切片上選取5個區(qū)域，如圖4所示，采用NTM-150型非接觸式測厚儀對每個區(qū)域的5點進(jìn)行測厚表征。

圖4 測量總厚度變化時點位選取示意

由于較多且深的中位裂紋會導(dǎo)致晶片切割產(chǎn)生破碎等問題，因此中位裂紋的長度是衡量切片亞表面損傷層深度好壞的主要因素。文中采用顯微截面法[22-23]對(010)晶面β-Ga2O3切片的亞表面損傷進(jìn)行測量，試驗方法如圖5所示，使用黏合劑將兩片表面粗糙度低于1 nm的單面拋光片的拋光面粘合并使其盡量貼合緊密，垂直于兩晶片中線進(jìn)行切割。切割后，加熱融化黏合劑將兩晶片分離，并置于清洗液中超聲清洗5 min。以上所有測量試驗均重復(fù)3次，取每組測量結(jié)果的平均值作為實際試驗數(shù)據(jù)。

圖5 測量亞表面損傷的黏合界面切片技術(shù)示意

2 結(jié)果與討論

2.1 不同切削液對β-Ga2O3晶片表面潤濕性的影響

圖6所示為去離子水和精制礦物油在β-Ga2O3(010)晶面上的接觸角。去離子水在β-Ga2O3(010)表面的接觸角為50.1°，精制礦物油的接觸角為8°。測得去離子水和精制礦物油表面張力分別為72.256、39.352 mN/m?？梢?。精制礦物油的表面張力及接觸角都遠(yuǎn)小于去離子水，使用精制礦物油作為切削液對切割(010)面晶片的潤濕能力較強，切削液更容易進(jìn)入切縫。

圖6 去離子水(a)和精制礦物油(b)在β-Ga2O3(010)晶面的接觸角

將去離子水和表面活性劑AEO-9以不同體積分?jǐn)?shù)配制成水基切削液，見表1中#1～#5切削液。由于表面活性劑及其體積分?jǐn)?shù)占比對油和水的乳化起到關(guān)鍵作用[24-25]，所以文中在AEO-9體積分?jǐn)?shù)為10%的前提下將去離子水和精制礦物油以不同體積分?jǐn)?shù)配制成乳化切削液，見表1中#6～#9切削液。測量了各切削液在晶面的表面張力和接觸角，結(jié)果如表1所示。

表1 不同配比切削液對β-Ga2O3(010)晶面的接觸角和表面張力

由表1可見，在去離子水中加入表面活性劑AEO-9可顯著降低接觸角大小，且隨著AEO-9體積分?jǐn)?shù)的增大接觸角逐漸降低；表面張力在加入0.1%體積分?jǐn)?shù)的AEO-9后就會發(fā)生驟降，但隨AEO-9體積分?jǐn)?shù)的增加變化不明顯。接觸角的降低表明加入表面活性劑AEO-9后液滴的內(nèi)聚力和對晶片表面的附著力發(fā)生了改變。表面活性劑的加入降低了液滴內(nèi)分子間的作用力，使晶片表面對液體的附著力大于液體內(nèi)聚力，從而使液滴受附著力的作用向晶片表面鋪展，接觸角降低。

由表1可見，與精制礦物油相比，油水混合形成的乳化切削液的接觸角在精制礦物油的體積分?jǐn)?shù)占比為20%～40%之間逐漸降低，而當(dāng)精制礦物油的體積分?jǐn)?shù)為50%時出現(xiàn)凝膠現(xiàn)象，從而導(dǎo)致相分離(即破乳)并出現(xiàn)絮狀物[26]。根據(jù)乳化切削液接觸角變化可知，乳化切削液接觸角隨油水占比變化而變化，從而改變?nèi)榛邢饕旱臐櫥Ч屠鋮s效果。

通過對比以上各組切削液對(010)面β-Ga2O3的潤濕能力可知，在去離子水中加入表面活性劑AEO-9或者配成乳化切削液均可有效提高對晶片表面的潤濕能力，在鋸切過程中可使切削液更易進(jìn)入切縫，提高切削液對被切表面的潤滑和冷卻作用。

因此，文中選取編號為#5、#8的兩組切削液，加入少許消泡劑及防腐劑等配置成水基和乳化切削液，并以去離子水為對照組，探究不同工藝參數(shù)下切削液成分對晶片表面質(zhì)量的影響，試驗過程中切削液流速為600 mL/min。

2.2 切削液對切削表面質(zhì)量的影響

對于硬脆性單晶材料，鋸絲表面金剛石磨粒運動產(chǎn)生的劃痕，以及鋸絲往復(fù)運動時形成的線痕是影響晶片Ra的主要因素。圖7所示為以去離子水為切削液，使用粗糙度測量儀測量分別沿切入方向(垂直于線痕)和鋸絲運動方向(平行于線痕)切割β-Ga2O3(010)面晶片后Ra隨鋸絲速度vs和進(jìn)給速度vf變化的測量值。從圖7(a)可見，隨著vs增大，晶片Ra逐漸減小，表明切割表面的微觀峰谷的不平度越小，斷裂凹坑的體積和數(shù)量均減小。由圖7(b)可知，與vs增大造成的影響相反，Ra隨vf升高而增大，表明此時鋸絲表面金剛石磨粒對切縫處材料的荷載增大，使晶片表面產(chǎn)生斷裂凹坑的情況更嚴(yán)重。但是無論在vs或是vf變化下，沿切入方向測量得到的Ra均高于沿鋸絲運動方向的測量值。由于線鋸切割對晶片表面造成的損傷越小，切割后所測量的Ra值受劃痕和線痕的影響更大。因此，鋸絲運動方向可以更直接地反映出鋸絲本身運動所造成的影響，后續(xù)的粗糙度測量方向均為鋸絲運動方向。

圖7 去離子水為切削液時β-Ga2O3(010)晶片表面粗糙度隨工藝參數(shù)的變化

對于vs和vf對晶片表面粗糙度的影響，其原因可根據(jù)線鋸切割時材料去除機制解釋。當(dāng)vf固定時，ST為沿切縫截面排列的斷裂凹坑面積總和，則單位時間內(nèi)切縫處任意橫截面被去除材料的總體積VT為固定值。而在微觀結(jié)構(gòu)上，單位時間Δt內(nèi)通過此截面處的全部磨粒數(shù)量為N，每個磨粒的去除量為VS，材料去除的總體積可表示為

VT=vf·Δt·ST

(1)

VT=vs·Δt·N·VS

(2)

可見，當(dāng)vs增大時，單個磨粒的去除量將會減小，根據(jù)壓痕斷裂力學(xué)描述，材料以脆性斷裂去除時，壓頭荷載下方產(chǎn)生的橫向裂紋擴展至材料表面形成切屑并留下斷裂凹坑。金剛石線鋸切割硬脆性材料過程可認(rèn)為是鋸絲表面單個金剛石顆粒荷載下材料斷裂累積的結(jié)果，根據(jù)MARSHALL等[27]以及LAMBROPOULOS等[28]的研究，單個磨粒造成的橫向裂紋長度CL、深度HL可表示為

CL=α·[(cotφ)5/6(E/H)3/4/(KIC·H1/4)]1/2·p5/8

(3)

HL=α·(sinφ)1/2(cotφ)1/3·(E1/2·p1/2/H)

(4)

式中：α為無量綱常數(shù)；E為材料彈性模量；H為材料顯微硬度；KIC為材料斷裂韌度；p為金剛石壓頭荷載；φ為金剛石壓頭半頂角。

與金剛石荷載下硬脆性陶瓷材料產(chǎn)生的圓形凹坑不同，β-Ga2O3(010)晶面在金剛石荷載下裂紋形貌為矩形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)且存在長、短2種裂紋，表明(010)晶面的斷裂韌度KIC由2種裂紋疊加而得，因此單個磨粒去除量VS可表示為

VS=CL1·CL2·HL

(5)

式中：CL1和CL2分別表示長、短裂紋所對應(yīng)的不同斷裂韌度下的橫向裂紋長度。

根據(jù)公式(1)—(4)可知，當(dāng)vs提高時，單個磨粒造成的材料去除量減小，磨粒對晶片的荷載降低，晶片表面的凹坑體積減小，因此晶片表面粗糙度降低。同理，當(dāng)vs固定時，提高vf將使金剛石磨粒的荷載增大，在晶片表面造成的斷裂凹坑體積增大，使晶片表面粗糙度升高。

圖8所示為不同切削液作用下β-Ga2O3(010)晶片表面粗糙度隨工藝參數(shù)的變化?？梢姡煌邢饕鹤饔孟戮琑a隨vs和vf變化的變化趨勢并未發(fā)生改變，但隨著工藝參數(shù)的變化，可以發(fā)現(xiàn)不同切削液的性能有所區(qū)別。由圖8(a)可以看出，當(dāng)vs為2.0 m/s時，使用#8組乳化切削液時晶片Ra值最小；隨著vs增大，使用#8組乳化切削液時的晶片Ra值逐漸成為3種切削液中最大。由圖8(b)可知，當(dāng)vf為0.2 mm/min時，使用#8組乳化切削液時效果仍最差，其Ra值為0.680 μm；隨著vf逐漸增大到0.5 mm/min，使用#8組乳化切削液的效果略強于#5組水基切削液。相比之下，在vf為0.2 mm/min時，單加入AEO-9的#5組水基切削液Ra值僅為0.607 μm，且對表面質(zhì)量的提升幅度更加穩(wěn)定，隨工藝參數(shù)變化的波動更小。

圖8 不同切削液作用下β-Ga2O3(010)晶片表面粗糙度隨工藝參數(shù)的變化

圖9所示為不同工藝參數(shù)下使用#8組乳化切削液和#5組水基切削液切削后的晶片表形貌。從圖9(a)和(b)可知，當(dāng)vs=3.0 m/s和vf=0.5 mm/min時，使用#8組乳化切削液切削后的晶片表面形貌較為平整且有規(guī)則分布的線痕。而從圖9(c)和(d)可以看出，在vs=3.0 m/s和vf=0.2 mm/min時，使用#5組水基切削液后的晶片表面斷裂形貌相對較少，線痕更加細(xì)密完整，且線痕邊緣有輕微的延展痕跡，顯著改善了晶片的表面形貌。

圖9 不同工藝參數(shù)下使用不同切削液時切片表面形貌的SEM圖像

綜上所述，降低vs、增大vf均會增大金剛石的荷載強度，降低晶片的表面質(zhì)量。使用#8組乳化切削液時效果最好的切割工藝參數(shù)均是vs較低且vf較大時，在該參數(shù)下切削熱較低但切削力較強，這是因為#8組乳化切削液中的表面活性劑成分及精制礦物油都具有良好的潤滑效果，故而對晶片表面的優(yōu)化能力更強。#5組水基切削液在具備水良好冷卻效果的前提下提高了水對晶片的潤濕性以及潤滑能力，因此在對Ra值降低效果明顯且顯著改善晶片表面形貌的同時，隨vs增大的波動不大。

2.3 切削液對總厚度變化的影響

如果鋸絲彎曲程度增大，晶片受到金剛石磨粒的荷載增大，對晶片表面造成的破壞更加嚴(yán)重，鋸絲易沿較大的斷裂凹坑位置恢復(fù)形變，從而導(dǎo)致鋸絲出現(xiàn)橫向滑移，導(dǎo)致總厚度變化增大。因此，總厚度變化可以反映鋸切過程中是否出現(xiàn)鋸絲的橫向滑移，而過高的總厚度變化值會對后續(xù)的加工造成負(fù)面影響甚至導(dǎo)致樣品報廢。

圖10所示為不同切削液時晶片總厚度變化(TTV)隨工藝參數(shù)的變化。vs提高時切削液對降低TTV的效果如圖10(a)所示，結(jié)果表明，使用去離子水時，鋸絲在vs較高時振動現(xiàn)象極其明顯[29]，使得局部區(qū)域的切縫更寬，從而影響TTV值。雖然使用#5組水基切削液效果更好，但下降幅度不明顯，表明鋸絲對晶片切削力較弱時，TTV升高的主要因素并非切削液的潤滑、冷卻作用，而應(yīng)是鋸絲對切口的反復(fù)切割和振動。

圖10 使用不同切削液時β-Ga2O3(010)晶片總厚度變化(TTV)隨工藝參數(shù)的變化

相反，由圖10(b)可見，在vf為0.5 mm/min時切削液對TTV的影響最明顯，相比于去離子水，#8組乳化切削液和#5組水基切削液分別使TTV值從6.464 μm降低至4.270和4.864 μm。原因是較高的vf下鋸絲彎曲程度增大[30-31]使鋸絲張力增大，鋸絲振動現(xiàn)象被抑制，此時對TTV影響最大的因素是切削力，而2種切削液相較于去離子水都具有良好的潤滑效果，可有效降低金剛石磨粒對晶片的摩擦力及軸向切削力，減少鋸絲的橫向滑移，從而降低晶片TTV值。

2.4 不同切削液對亞表面損傷的影響

使用切削液對切割工藝的優(yōu)化主要體現(xiàn)于降低荷載的切向分量、摩擦力、對切縫的清洗作用以及切削熱，而造成亞表面損傷(SSD)的主要因素中位裂紋的擴展受切向荷載和摩擦力的影響較小[32]。

圖11為鋸絲鋸切(010)面β-Ga2O3過程中鋸絲與切縫接觸位置的任意截面鋸絲表面磨粒分布模型示意圖。以點O為原點，鋸絲中心到晶片表面的距離為切槽半徑R0，圖中N1～N4為任意位置角處磨粒荷載下的裂紋擴展系統(tǒng)，對于位于θi處的磨粒Ni，其造成的損傷層深度SSD為

圖11 鋸切(010)面β-Ga2O3過程中鋸絲與切縫接觸位置任意截面磨粒分布模型

HD=(R0+HL+CMi)sinθi-R0

(6)

ONi=R0+gi

(7)

式中：CMi表示任意位置角θi處金剛石荷載下中位裂紋長度；gi表示位置角θi處金剛石壓頭的壓入深度。

根據(jù)LAWN等[33]的研究，中位裂紋長度CM可由式(8)計算：

(8)

p=0.5πH(g·tanφ)2

(9)

其中φ為維氏壓頭半頂角，角度約為50°，g為金剛石壓頭壓入表面深度。根據(jù)式(1)可知，單位時間Δt內(nèi)切縫處去除材料總量為

VT=vf·Δt·ST

(10)

切縫截面單位時間內(nèi)的材料去除量ST應(yīng)為

ST=4π2g·tanφ·R0

(11)

結(jié)合式(2)—(4)以及式(10)—(11)，根據(jù)高玉飛[36]的研究可知，可將壓頭的壓入深度g以鋸絲速度和進(jìn)給速度表示：

vf·Δt·4π2g·tanφ·R0=vs·Δt·N·CL1·CL2·HL

(12)

gi=

(13)

式中：ε為切/法向荷載比例系數(shù)，ε=1.1；壓痕系數(shù)αn為0.12，維氏壓頭無量綱相關(guān)常數(shù)α0為2；KIC表示(010)晶面的斷裂韌度；Ns為單位時間內(nèi)參與切割的有效磨粒數(shù)，由于鋸絲表面金剛石顆粒大小及露出鍍層高度隨機，可認(rèn)為參與晶片切割的磨 粒數(shù)量符合正態(tài)分布：

(14)

根據(jù)式(6)—(13)可知，在鋸切過程中β-Ga2O3的材料性質(zhì)與切割過程各系數(shù)均為定值，可計算在不同切削液下亞表面損傷(SSD)隨工藝參數(shù)的變化。

圖12所示為使用不同切削液時(010)面晶片亞表面損傷(SSD)深度受鋸切工藝參數(shù)變化的影響。測量結(jié)果表明，使用#8組乳化切削液時，在vs達(dá)到3.0 m/s時與去離子水效果差異不大，雖然在vs增大至5.0 m/s時SSD值降為2.031 μm，但明顯效果更差。這是由于乳化切削液對鋸絲在高速磨削晶片時產(chǎn)生的切削熱傳導(dǎo)效果較差，且氧化鎵本身較差的熱傳導(dǎo)性，晶片熱應(yīng)力沿中位裂紋釋放而導(dǎo)致SSD值較大。另一方面，vf在0.2～0.4 mm/min范圍內(nèi)時，#8組乳化切削液對降低SSD值效果較差，而在0.5 mm/min時最好，原因可能是乳化切削液黏度較高，雖然沖洗能力較差，但在晶片和鋸絲接觸位置形成了具有一定彈性的緩沖層，在金剛石的法向荷載較大時對晶片的緩沖作用更明顯。

圖12 使用不同切削液時β-Ga2O3(010)晶片亞表面損傷層(SSD)深度隨工藝參數(shù)的變化

相比于#8組乳化切削液，使用#5組水基切削液的SSD值在vs為5.0 m/s時進(jìn)一步降低至1.233 μm。且#5組水基切削液SSD值始終小于去離子水，但下降幅度較低，原因可能是表面活性劑的加入增強了潤濕效果，使切削液通過切縫的流量增大從而提高了對切屑的清洗能力，減弱了鋸絲擠壓切屑刻劃晶片而造成的二次損傷。

3 結(jié)論

(1)通過接觸角和表面張力測試驗證了去離子水中加入AEO-9或制成乳化切削液均能明顯增強對晶片表面的潤濕能力。

(2)相比于乳化切削液，使用水基切削液的晶片Ra在vs為3.0 m/s以及vf為0.20 mm/min的工藝參數(shù)下由0.680 μm降低至0.607 μm，SSD值在vs為5.0 m/s以及vf為0.30 mm/min的工藝參數(shù)下由2.031 μm降低至1.233 μm。這表明乳化切削液在vs較低且vf較大的工藝參數(shù)下效果好，而水基切削液的使用效果隨vs增大的波動不大。

(3)水基切削液和乳化切削液均能提高晶片表面質(zhì)量，但乳化切削液的使用效果隨工藝參數(shù)變化波動較大；水基切削液在提高潤滑性和冷卻能力的同時，可提高晶片表面質(zhì)量，且隨工藝參數(shù)變化比較穩(wěn)定。因此，水基切削液更適于線鋸切割β-Ga2O3單晶。