進(jìn)電方式對高阻半導(dǎo)體硅放電加工影響研究

劉志東 曹銀風(fēng) 邱明波 田宗軍 黃因慧

南京航空航天大學(xué)，南京，210016

0 引言

半導(dǎo)體材料具有獨(dú)特的物理性能，已成為尖端科學(xué)技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的材料之一［1］。然而，大多數(shù)半導(dǎo)體材料具有脆性大、抗拉強(qiáng)度小以及剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度等特殊的機(jī)械性能，加工時(shí)易發(fā)生崩裂或者斷裂，因此，傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法很難完全滿足其加工工藝要求［2－3］。

電火花加工是一種非接觸式加工，用其對半導(dǎo)體材料進(jìn)行加工具有可行性［4］。然而，由于半導(dǎo)體材料的電阻率較高（比金屬高3～4個(gè)數(shù)量級）［5］，對半導(dǎo)體硅進(jìn)行電火花加工時(shí)，如果進(jìn)電金屬與半導(dǎo)體材料的接觸面不變，隨著加工時(shí)間的延續(xù)，半導(dǎo)體表面將生成鈍化膜，并且隨著進(jìn)電點(diǎn)與加工點(diǎn)兩極間距離的變化，極間的體電阻也會產(chǎn)生變化，這些因素都會影響半導(dǎo)體放電加工的持續(xù)進(jìn)行［6－7］。本文對比了固定、旋轉(zhuǎn)、隨動等三種進(jìn)電方式下半導(dǎo)體硅放電銑削過程中的脈沖放電電壓和電流波形，分析了放電回路的體電阻、進(jìn)電金屬與半導(dǎo)體硅接觸面的接觸電阻的變化規(guī)律及對持續(xù)放電加工的影響，為半導(dǎo)體穩(wěn)定放電加工進(jìn)電方式提供了選擇的方法及依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及參數(shù)

分別采用圖1所示的三種進(jìn)電方式進(jìn)行高阻半導(dǎo)體硅放電銑削對比實(shí)驗(yàn)。進(jìn)電銅刷均依靠彈簧的壓力與半導(dǎo)體硅表面保持一定的接觸壓力。圖1a所示為固定進(jìn)電方式，進(jìn)電銅刷壓緊在工件硅上，進(jìn)電銅刷不旋轉(zhuǎn)且接觸位置不變，機(jī)床向右進(jìn)給，兩極間距離不斷減小；圖1b所示為旋轉(zhuǎn)進(jìn)電方式，加工時(shí)機(jī)床向左進(jìn)給，兩極間距離不斷增大，進(jìn)電銅刷與工件硅的接觸位置不變且不斷旋轉(zhuǎn)；圖1c所示為隨動進(jìn)電方式，加工時(shí)機(jī)床向右進(jìn)給，進(jìn)電銅刷旋轉(zhuǎn)且隨工具電極與機(jī)床一起運(yùn)動，與工具電極間的相對位置始終保持不變。

實(shí)驗(yàn)加工參數(shù)如表1所示。

圖1 硅片銑削實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

表1 電火花銑削加工工藝參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 進(jìn)電方式對體電阻的影響

P型硅正極性放電加工簡化模型——二極管和電阻DR（diode－resistance）電路模型如圖2所示。其中，RL為回路限流電阻，起過載后保護(hù)回路器件的作用；DC為極間放電維持電壓，由極間介質(zhì)特性決定，其大小為20V左右，因此可以將其看成常數(shù)［8］；DSC為放電通道與半導(dǎo)體硅形成的接觸勢壘，在回路中處于正向偏置，分壓很小，可以忽略；DSM為進(jìn)電銅刷與半導(dǎo)體硅的接觸電阻，與進(jìn)電材料、接觸面積、接觸方式及壓力等因素有關(guān)［9］；RS為放電回路體電阻，在相同的半導(dǎo)體放電加工條件下，它隨著極間距離的改變而變化。根據(jù)歐姆定律可知，回路中的電流與半導(dǎo)體放電加工過程中極間的電阻成反比關(guān)系。

圖2 P型硅正極性放電加工DR電路原理圖

圖3 旋轉(zhuǎn)進(jìn)電方式下不同時(shí)刻的放電波形

為了研究不同進(jìn)電方式下高阻半導(dǎo)體硅放電加工回路中體電阻的變化規(guī)律，分別采用旋轉(zhuǎn)、隨動進(jìn)電方式對工件硅進(jìn)行放電銑削加工并記錄兩種進(jìn)電方式下加工開始、加工5min、加工10min三個(gè)時(shí)間點(diǎn)的放電電流波形（圖3、圖4）。分別對比圖1b、1c可知，兩種進(jìn)電方式下進(jìn)電銅刷與工件硅的接觸方式相同，因此接觸電阻相同。然而，隨著加工的延續(xù)，工具電極與進(jìn)電銅刷之間的距離發(fā)生了變化，即隨動進(jìn)電方式下兩者之間的距離D3始終不變；在旋轉(zhuǎn)進(jìn)電方式下，放電開始時(shí)，兩者之間距離D2＝D3，隨著加工時(shí)間的延續(xù)，D2不斷增大。

圖4 隨動進(jìn)電方式下不同時(shí)刻的放電波形

觀察圖3、圖4中的放電電流波形可知，兩種進(jìn)電方式開始加工時(shí)的最高放電峰值電流相等，均為8A。旋轉(zhuǎn)進(jìn)電方式下，隨著極間距離的增大，放電峰值電流持續(xù)減小；隨動進(jìn)電方式下，放電峰值電流基本恒定，放電加工穩(wěn)定性較好。因此，在進(jìn)電方式相同的情況下，半導(dǎo)體硅放電加工的峰值電流主要取決于進(jìn)電金屬與工具電極之間的距離。采用隨動進(jìn)電方式進(jìn)行放電銑削加工時(shí)，由于兩電極之間距離始終不變，所以維持回路的體電阻不變，因此放電加工的峰值電流不變，放電加工穩(wěn)定性較好。

2.2 進(jìn)電方式對接觸電阻的影響

分別采用固定、隨動進(jìn)電方式對高阻半導(dǎo)體硅進(jìn)行放電銑削加工實(shí)驗(yàn)，以分析進(jìn)電方式對接觸電阻的影響規(guī)律。開始時(shí)極間距離D1＝D3，隨著加工的延續(xù)，固定進(jìn)電方式下工具電極與進(jìn)電銅刷之間的距離D1不斷減小，用示波器記錄開始加工、加工5min、加工10min三個(gè)時(shí)間點(diǎn)放電回路中的電流情況（圖4、圖5）。分別對比圖1a、圖1c可知，固定進(jìn)電方式下，進(jìn)電銅刷壓緊在工件硅表面但不旋轉(zhuǎn)且D1不斷減??；隨動進(jìn)電方式下，工具電極與進(jìn)電銅刷之間的距離恒為D3，且進(jìn)電銅刷旋轉(zhuǎn)。

圖5 固定進(jìn)電方式下不同時(shí)刻的放電波形

由圖5可知，采用固定進(jìn)電方式對工件硅進(jìn)行放電銑削加工，開始加工時(shí)的放電峰值電流為8A，隨著加工的延續(xù)，峰值電流逐步減小至加工10min后的4A。

固定進(jìn)電方式下，隨著放電加工的延續(xù)，D1不斷減小，因此，回路中體電阻不斷減小。然而，由圖5可知，回路中的放電峰值電流仍在不斷減小，說明回路中總電阻在增加，因此可知回路中工件硅與進(jìn)電銅刷之間的接觸電阻在不斷增大，且其增大幅度大于極間體電阻的減小幅度。其原因在于：隨著放電加工的延續(xù)，進(jìn)電銅刷與工件硅在脈沖電壓的作用下不斷發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，使得工件硅和進(jìn)電銅刷的表面產(chǎn)生電阻率很高的鈍化膜［10］，導(dǎo)致工件硅與進(jìn)電銅刷之間的接觸電阻增大（圖6）。隨著加工的延續(xù)，工件硅表面的鈍化膜越來越厚，進(jìn)電銅刷與工件硅之間的接觸電阻越來越大，最終將導(dǎo)致整個(gè)放電回路中的電流越來越小，加工無法繼續(xù)。因此，在加工時(shí)間較短的情況下，如采用固定的進(jìn)電方式，就必須通過在進(jìn)電接觸點(diǎn)涂覆碳漿的方法，阻止工作液進(jìn)入進(jìn)電區(qū)域，延緩鈍化膜的產(chǎn)生，使在一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)電接觸區(qū)盡可能做到仍然維持歐姆接觸。而在隨動進(jìn)電方式下，進(jìn)電銅刷不斷旋轉(zhuǎn)，及時(shí)刮除工件硅表面形成的鈍化膜，從而保持進(jìn)電金屬與工件硅表面良好的進(jìn)電接觸。

圖6 鈍化膜對半導(dǎo)體硅與進(jìn)電金屬接觸面的影響

2.3 接觸電阻、體電阻的對比

觀察圖3和圖5可知：旋轉(zhuǎn)進(jìn)電方式下，接觸電阻基本處于恒定狀況，影響放電回路中電流的主要因素為工件硅的體電阻。由于在放電時(shí)隨著放電通道的形成，熱量向通道周圍的半導(dǎo)體材料擴(kuò)散，從而導(dǎo)致極間的體電阻迅速減小，因此放電電流爬坡梯度較大（圖3）［11］。固定進(jìn)電方式下，接觸電阻和體電阻均會影響回路中的放電電流。由于工件硅表面進(jìn)電點(diǎn)形成的高電阻率的鈍化膜消耗了輸入的電能，放電時(shí)通道內(nèi)的能量減弱，熱量對通道周圍半導(dǎo)體的加熱作用減弱，因此對極間體電阻的降低作用減弱，從而導(dǎo)致放電電流的爬坡梯度較緩（圖5）。同時(shí)，隨著鈍化膜的不斷形成，最終導(dǎo)致工件硅與進(jìn)電金屬被絕緣鈍化膜隔開，使電能無法輸入，放電加工無法進(jìn)行。

3 結(jié)語

由固定、旋轉(zhuǎn)、隨動進(jìn)電方式下半導(dǎo)體硅的放電銑削加工實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果可知：隨動進(jìn)電方式的進(jìn)電效果最好，放電加工穩(wěn)定性較好。其原因在于：隨動進(jìn)電方式下，進(jìn)電金屬能及時(shí)刮除工件硅表面的鈍化膜并能保持兩極之間的距離不變，因此接觸電阻及極間體電阻始終穩(wěn)定且維持在一個(gè)較低的水平上，放電加工穩(wěn)定性較好。

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