Ränikarbiidi (SiC) substraate saab kasutada toiteseadmete, RF-seadmete ja tuvastusseadmete ettevalmistamiseks, mis taluvad kõrgeid temperatuure, kõrgeid pingeid ja kiirgust. Need leiavad ulatuslikke rakendusi olmeelektroonikas, uutes energiasõidukites, raudteetranspordis ja muudes valdkondades, pakkudes laialdasi rakendusvõimalusi ja olulist strateegilist tähtsust. Ühe-kristallilise ränikarbiidi vahvlite tootmisprotsess hõlmab peamiselt valuplokkide tõmbamist, valuplokkide viilutamist ja muid protsessietappe, eesmärgiga saada kindla paksusega kvaliteetseid-sikarbiidiplaate.
Kuid ränikarbiidi ülikõrge kõvadus, rabedus ja hea keemiline stabiilsus muudavad selle töötlemise keeruliseks. Sellest tulenevalt on ränikarbiidi lõikamise tehnoloogiast saanud praegune uurimistöö koht. Praegu hõlmavad ühe-kristallilise ränikarbiidiga vahvlite peamised lõikamismeetodid teemantketassae tera lõikamist, traadi elektrilahendusega töötlemist (WEDM), traatsaagide lõikamist, lasertermilise pingega-kontrollitud murdude lõikamist (laser termiline krakkimine) ja laseriga varjatud kuubikuteks lõikamist.
Tera kuubikuteks lõikamine (saagimine)
Terade lõikamisel kasutatakse vahvlite lõikamiseks{0}}täpset kuubikuteks saagi. Näidis kinnitatakse sinise kile külge ja suurel kiirusel{2}}pöörlev teemanttööriist lihvib vastu ränikarbiidi proovi. Mehaaniline pinge põhjustab materjalis rabeda purunemise, saavutades eraldumise. Lõikamise ajal pöörleb tööriist väga suurel kiirusel (tavaliselt 30 000–50 000 p/min) aksiaalse etteandesurvega. Tööriist koosneb tavaliselt teemantteradest ja sidemaatriksist, mille pind on kaetud mikronisuuruste teemandiosakestega. Need osakesed tekitavad ränikarbiidi pinnaga kokkupuutel äärmiselt suure lokaalse pinge, põhjustades materjali sees mikropragusid. Kui tööriist liigub edasi, levivad need mikropraod mööda kindlaid kristallitasandeid ja ühenduvad, moodustades lõpuks makroskoopilisi murde, mis lõpetavad lõike. Lõikamise kvaliteeti mõjutavad paljud tegurid: tööriista pöörlemiskiirus, etteandekiirus ja jahutusvedeliku kasutamine mõjutavad oluliselt kuubikuteks lõikamise tulemust.
Veejoaga lõikamine
Veejoaga lõikamine on kõrgsurveveejoal põhinev töötlemismeetod. Vesi survestatakse ülikõrgele tasemele ja juhitakse läbi väikese avaga düüsi, moodustades suure kiirusega joa, mis seejärel materjali lõikab. Selle tehnika võib jagada puhtaks veejoaga lõikamiseks ja abrasiivseks veejoaga lõikamiseks. Abrasiivne veejoaga lõikamine segab abrasiivseid osakesi (nt granaati või alumiiniumoksiidi) veejoaga, parandades oluliselt selle võimet töödelda kõvasid materjale.
Veejoaga lõikamine pakub märkimisväärseid eeliseid: selle külmtöötluse iseloom väldib kuumusest mõjutatud alasid, mistõttu sobib see kuumatundlike materjalide jaoks; see pakub suurt paindlikkust keerukate geomeetriate lõikamiseks; ja see on saastevaba ja madala müratasemega. Kuid vesilõikamisel on ka piirangud: suhteliselt aeglane lõikamiskiirus, suur alginvesteering seadmetesse, piiratud efektiivsus ülikõvade materjalide (nt SiC) töötlemisel ja kalduvus põhjustada rabedaid pragusid.
Veejoaga juhitav laserlõikus
Veejoaga juhitava laserlõikamise põhimõte on kasutada laserkiire ülekandevahendina veejuga. Veejuga on suunatud materjali pinnaga risti. Kui laserkiir edastatakse veejoa sees, toimub õhujoa liideses täielik sisepeegeldus. Pärast mitut peegeldust muutub laseri energiajaotus Gaussi profiililt tasapinnaliseks profiiliks, enne kui see toimib tooriku pinnale.
Veejoaga juhitav laserlõikamine vähendab tõhusalt laseri termilist mõju. See tehnika nõuab aga mikroveejoa kasutuselevõttu, mis suurendab seadmete keerukust ja maksumust. Veelgi enam, laseri ja mikroveejoa vahelist stabiilset sidet on raske saavutada, mis toob kaasa lühikese stabiilse tööaja, kõrged hoolduskulud ja keerulise töö, mis piirab selle praktilisust. Arvestades selle vähest praktilisust ja madalat töötlemise efektiivsust, ei leia see meetod vahvlite kuubikuteks laialdast kasutuselevõttu.
Laser-ablatsioon lõikamine
Laserablatsiooni lõikamise tööpõhimõte on laserkiire fokuseerimine materjali pinnale. Materjal neelab laserenergiat, põhjustades kristallvõres aatomite sundvibratsiooni, kiirendades soojusliikumist ja tekitades soojust. Kui sisendenergia ületab materjali ablatsiooniläve, materjal sulab ja aurustub, eemaldades seeläbi. Praegu võib laserablatsiooni lõikamise maksimaalne skaneerimiskiirus ulatuda 1000 mm/s, pakkudes suurt töötlemiskiirust. See meetod tugineb siiski materjali eemaldamisele, mis nõuab materjali täielikku aurustamist laseriga skannitavas piirkonnas. Liigne soojussisend põhjustab sageli suuri kuumusest mõjutatud alasid, termilisi pragusid ja muid termilisi kahjustusi, mis vähendab lõikekvaliteeti.
Laser varjatud kuubikuteks lõikamine
Laseri varjatud kuubikuteks lõikamine põhineb kindla lainepikkusega poolläbipaistva laserkiire fokuseerimisel läbi optilise teravustamissüsteemi täpsesse kohta vahvli sees, moodustades modifitseeritud kihi. Tehnoloogia hõlmab kahte peamist etappi: modifitseeritud kihi moodustamine ja laastude eraldamine. Laseri kuubikuteks lõikamise etapis valitakse laseri lainepikkus vastavalt töödeldava materjali füüsikalistele omadustele. Protsessi parameetrite optimeerimisega luuakse vahvli sisse modifitseeritud kiht. Modifitseeritud kihi moodustumisega kaasnevad mikropraod, mis ulatuvad vahvli esi- ja tagapinna poole. Teatud paksusega vahvlite puhul on laserfookus reguleeritud skaneerima mitmel sügavusel, võimaldades muudetud kihtidel omavahel ühendada ja moodustada tervikliku võrgu. Pärast laservormitud modifitseeritud kihi loomist tuleb vahvel mehaanilise jõuga eraldada. Tavaliselt rakendatakse rullpressimist või venitamist, et levitada modifitseeritud kihist mikropraod läbi kogu vahvli paksuse, saavutades täieliku laastu eraldamise. Mehaanilise eraldamisetapi ajal on muudetud kihi ühtlus ja pragude kontroll kriitilise tähtsusega, et vältida materjali lõhenemist.