Silikon karbür (SiC) alt tabakalar, yüksek sıcaklıklara, yüksek voltajlara ve radyasyona dayanıklı güç cihazları, RF cihazları ve algılama cihazları hazırlamak için kullanılabilir. Bunlar tüketici elektroniği, yeni enerji araçları, demiryolu taşımacılığı ve diğer alanlarda geniş uygulama olanakları bulacak ve önemli stratejik öneme sahip olacak. Tek-kristal SiC levhalara yönelik üretim süreci, belirli bir kalınlıkta yüksek-kaliteli SiC levhalar elde etme hedefiyle temel olarak külçe çekme, külçe dilimleme ve diğer işlem adımlarını içerir.
Ancak SiC'nin son derece yüksek sertliği, kırılganlığı ve iyi kimyasal stabilitesi işlenmesini zorlaştırmaktadır. Sonuç olarak, SiC kesme teknolojisi güncel bir araştırma noktası haline geldi. Şu anda, tek kristalli SiC levhalar için ana kesme yöntemleri arasında elmas daire testere bıçağıyla kesme, telli elektrik deşarjlı işleme (WEDM), tel testereyle kesme, lazer termal stres-kontrollü kırık kesme (lazer termal çatlama) ve lazer gizli dilimleme yer alır.
Bıçak Dilimleme (Testere Kesim)
Bıçaklı dilimleme, ince dilimleri kesmek için-yüksek hassasiyetli bir dilimleme testeresi kullanır. Numune mavi bir filme tutturulur ve yüksek-hızda dönen bir elmas alet, SiC numunesine karşı taşlama yapar. Mekanik stres malzemede gevrek kırılmaya neden olur ve ayrılma sağlanır. Kesme sırasında takım, eksenel besleme basıncı uygulanarak çok yüksek hızlarda (tipik olarak 30.000-50.000 rpm) döner. Alet tipik olarak mikron boyutunda elmas parçacıklarıyla kaplı bir yüzeye sahip elmas taneciklerinden ve bir bağ matrisinden oluşur. Bu parçacıklar SiC yüzeyiyle temas ettiğinde son derece yüksek yerel gerilim oluşturarak malzemenin içinde mikro çatlaklara neden olur. Alet ilerlemeye devam ettikçe, bu mikro çatlaklar belirli kristal düzlemleri boyunca yayılır ve birbirine bağlanır, sonunda kesmeyi tamamlayan makroskobik kırıklar oluşturur. Kesme kalitesi birçok faktörden etkilenir: takım dönüş hızı, ilerleme hızı ve soğutma sıvısı kullanımı, küp şeklinde kesme sonucunu önemli ölçüde etkiler.
Su Jetiyle Kesim
Su jeti ile kesme, yüksek basınçlı su jetine dayalı bir işleme yöntemidir. Su, ultra yüksek seviyelere kadar basınçlandırılır ve yüksek hızlı bir jet oluşturmak için küçük bir delikli ağızlıktan geçirilir ve daha sonra malzemeyi keser. Bu teknik saf su jeti ile kesme ve aşındırıcı su jeti ile kesme olarak ikiye ayrılabilir. Aşındırıcı su jeti ile kesme, aşındırıcı parçacıkları (örneğin garnet veya alüminyum oksit) su jetine karıştırarak sert malzemeleri işleme yeteneğini büyük ölçüde artırır.
Su jeti ile kesme dikkate değer avantajlar sunar: Soğuk işleme yapısı ısıdan etkilenen bölgeleri ortadan kaldırır, bu da onu ısıya duyarlı malzemeler için uygun hale getirir; karmaşık geometrilerin kesilmesi için yüksek esneklik sağlar; kirlilik içermez ve düşük gürültülüdür. Ancak su jeti ile kesmenin sınırlamaları da vardır: nispeten yavaş kesme hızı, yüksek başlangıç ekipman yatırımı, SiC gibi ultra sert malzemelerin işlenmesinde sınırlı verimlilik ve gevrek çatlamaya neden olma eğilimi.
Su Jeti Kılavuzlu Lazer Kesim
Su jeti yönlendirmeli lazer kesimin prensibi, lazer ışını için iletim ortamı olarak su jeti kullanmaktır. Su jeti malzeme yüzeyine dik olarak yönlendirilir. Lazer ışını su jeti içerisinde iletildiğinde, hava jeti arayüzünde toplam iç yansıma meydana gelir. Çoklu yansımalardan sonra lazerin enerji dağılımı, iş parçası yüzeyine etki etmeden önce Gaussian'dan düz tepeli profile dönüşür.
Su jeti yönlendirmeli lazer kesim, lazerin termal etkilerini etkili bir şekilde azaltır. Ancak bu teknik, ekipmanın karmaşıklığını ve maliyetini artıran bir mikro su jetinin kullanılmasını gerektirir. Üstelik lazer ile mikro su jeti arasında stabil bağlantının sağlanması zordur, bu da kısa stabil çalışma sürelerine, yüksek bakım maliyetlerine ve zorlu çalışmaya yol açarak pratikliğini sınırlandırır. Düşük pratikliği ve düşük işleme verimliliği göz önüne alındığında, bu yöntemin gofret dilimlemede yaygın olarak benimsenmesi pek olası değildir.
Lazer Ablasyon Kesim
Lazer ablasyonlu kesimin çalışma prensibi, bir lazer ışınını malzeme yüzeyine odaklamaktır. Malzeme lazer enerjisini emerek kristal kafesteki atomların zorlanmış titreşimlerine neden olur, termal hareketi hızlandırır ve ısı üretir. Giriş enerjisi malzemenin ablasyon eşiğini aştığında malzeme eritilir ve buharlaştırılır, böylece uzaklaştırılır. Şu anda lazer ablasyonlu kesim için maksimum tarama hızı 1000 mm/s'ye ulaşabiliyor ve bu da yüksek işlem hızı sunuyor. Ancak bu yöntem hala malzemenin lazerle taranan alanda tamamen buharlaştırılmasını gerektiren malzemenin çıkarılmasına dayanmaktadır. Aşırı ısı girişi genellikle ısıdan etkilenen büyük bölgelere, termal çatlaklara ve diğer termal hasarlara yol açarak kesim kalitesini düşürür.
Lazer Gizli Dilimleme
Lazerle gizli dilimleme, belirli bir dalga boyundaki yarı şeffaf lazer ışınının optik bir odaklama sistemi aracılığıyla plakanın içindeki kesin bir konuma odaklanarak değiştirilmiş bir katman oluşturmasına dayanır. Teknoloji iki temel adımı içeriyor: değiştirilmiş katmanın oluşturulması ve talaş ayrılması. Lazer dilimleme aşamasında lazer dalga boyu, işlenen malzemenin fiziksel özelliklerine göre seçilir. Proses parametrelerinin optimize edilmesiyle levhanın içinde değiştirilmiş bir katman oluşturulur. Modifiye edilmiş katmanın oluşumuna, levhanın ön ve arka yüzeylerine doğru uzanan mikro çatlaklar eşlik eder. Belirli bir kalınlığa sahip levhalar için, lazer odağı birden fazla derinlikte tarama yapacak şekilde ayarlanarak, değiştirilmiş katmanların birbirine bağlanmasına ve eksiksiz bir ağ oluşturmasına olanak sağlanır. Lazerle şekillendirilmiş değiştirilmiş katman oluşturulduktan sonra levhanın mekanik kuvvet kullanılarak ayrılması gerekir. Tipik olarak, mikro çatlakları değiştirilmiş katmandan tüm levha kalınlığı boyunca yaymak ve talaşların tamamen ayrılmasını sağlamak için silindirle presleme veya germe uygulanır. Mekanik ayırma adımı sırasında, değiştirilmiş katmanın tekdüzeliği ve çatlak kontrolü, malzemenin ufalanmasını önlemek için kritik öneme sahiptir.