半導(dǎo)體硅電火花成形持續(xù)加工條件研究

黃賽娟，劉志東，邱明波，田宗軍，潘慧君

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

半導(dǎo)體硅電火花成形持續(xù)加工條件研究

黃賽娟，劉志東，邱明波，田宗軍，潘慧君

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

采用紫銅電極進(jìn)行半導(dǎo)體硅電火花成形加工時，加工表面經(jīng)常會生成黑點(diǎn)物質(zhì)，導(dǎo)致加工無法進(jìn)行。分析表明，該黑點(diǎn)物質(zhì)為不具有導(dǎo)電性的銅氧化物。為避免該物質(zhì)的產(chǎn)生，首先通過選用石墨電極改變電極材料，并選用不含有氧元素的工作介質(zhì)，杜絕非導(dǎo)電金屬氧化物形成的條件；其次，通過增加電極的附加振動或旋轉(zhuǎn)，使極間的洗滌、冷卻能力增強(qiáng)，改善了極間的排屑條件，從而使半導(dǎo)體硅電火花成形加工得以穩(wěn)定順利地進(jìn)行。

半導(dǎo)體；硅；電火花加工；氧化物；穩(wěn)定加工

半導(dǎo)體硅在常溫下的導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間，因其特殊的物理和電學(xué)特性，已成為電子工業(yè)不可或缺的基體材料[1]。由于半導(dǎo)體硅屬于典型的硬脆性材料，具有硬度高、脆性大、斷裂韌性低等特點(diǎn)，其機(jī)械可加工性很差。采用傳統(tǒng)機(jī)械加工方式對其進(jìn)行加工，易出現(xiàn)崩碎和裂紋，影響加工質(zhì)量[2]。而電火花加工不存在宏觀加工力，非常適合硬脆性材料的加工。通常，電火花加工主要用于導(dǎo)電材料的加工，但相關(guān)研究已表明：采用電火花加工方法對一定電阻率范圍的半導(dǎo)體材料進(jìn)行加工是可行的[3]；通過對半導(dǎo)體電火花線切割加工機(jī)理及工藝方法等進(jìn)行的系統(tǒng)研究，形成了一套相對完整的加工理論體系及工藝方法[4-6]。

目前，金屬材料的電火花成形加工的研究已較完善，但對半導(dǎo)體硅的電火花成形加工的研究鮮有報道。本文搭建了半導(dǎo)體硅電火花成形加工的實(shí)驗系統(tǒng)，并對保障其持續(xù)加工的條件進(jìn)行了研究。

1 系統(tǒng)構(gòu)建

為了對半導(dǎo)體硅的電火花成形加工機(jī)理進(jìn)行研究，搭建了實(shí)驗平臺及相應(yīng)的伺服控制系統(tǒng)，其原理見圖1，成形系統(tǒng)實(shí)驗裝置見圖2。

圖1 半導(dǎo)體硅電火花成形加工原理示意圖

圖2 成形系統(tǒng)實(shí)驗裝置圖

由于常規(guī)基于金屬電火花加工的伺服系統(tǒng)在半導(dǎo)體電火花加工中完全失效，故本實(shí)驗采用專用的基于電流脈沖概率檢測的半導(dǎo)體電火花伺服控制系統(tǒng)[7]，其伺服控制原理見圖3。電流脈沖概率是指產(chǎn)生電流的脈沖 （包括正常放電和短路脈沖）個數(shù)占總脈沖個數(shù)的百分比。當(dāng)采樣電流脈沖概率大于設(shè)定值時，則進(jìn)行抬刀操作，通過沖液排出極間蝕除產(chǎn)物，獲得較好的極間加工環(huán)境；當(dāng)采樣電流脈沖概率小于設(shè)定值時，則按設(shè)定的進(jìn)給速度進(jìn)行電火花成形加工，進(jìn)給速度可在線修改。在保證加工過程中的實(shí)際電流脈沖概率不大于設(shè)定電流脈沖概率的同時，設(shè)定盡量高的進(jìn)給速度，以獲得較高的加工效率。根據(jù)一般電火花放電加工中較理想的正常放電概率為80%、短路及空載各占10%的經(jīng)驗，實(shí)驗中伺服控制系統(tǒng)的設(shè)定電流脈沖概率為90%，即當(dāng)電流脈沖概率大于90%時，就進(jìn)行抬刀回退。

圖3 基于電流脈沖概率的伺服控制方法

實(shí)驗采用的加工工藝參數(shù)見表1。半導(dǎo)體硅電火花成形加工實(shí)驗開始后的一段時間里，加工正常進(jìn)行，電流脈沖概率維持在50%～60%（圖4a）。當(dāng)實(shí)驗進(jìn)行一段時間后，電流脈沖概率突然急劇下降（圖4b）。根據(jù)上述伺服控制方法，此時伺服控制系統(tǒng)會繼續(xù)以1.5 μm/s的進(jìn)給速度向下進(jìn)給，但電流脈沖概率并不會再次提高，反而會下降到0，并維持不變（圖4c）。該狀態(tài)維持一段時間后，電流脈沖概率瞬時上升到100%，達(dá)到短路狀態(tài)（圖4d），說明工件與電極相接觸，形成了完全短路狀態(tài)，此時電極就回退，直到電流脈沖概率為0；而后又繼續(xù)進(jìn)給到電流脈沖概率為100%。電極在這兩個狀態(tài)間來回循環(huán)，但一直無法繼續(xù)加工。

表1 單晶硅電火花成形加工工藝條件

圖4 不同階段的電流電壓波形圖

停機(jī)后人工抬刀，對加工表面進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)：在加工表面產(chǎn)生明顯的黑點(diǎn)。圖5是利用紫銅電極進(jìn)行單晶硅電火花成形加工時，在加工表面生成的黑點(diǎn)物質(zhì)。經(jīng)測量，該物質(zhì)的電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于半導(dǎo)體硅基體的電阻率，不具有導(dǎo)電性或?qū)щ娦詷O差，使電火花加工無法繼續(xù)進(jìn)行。

圖5 加工區(qū)域的黑色物質(zhì)

若此時暫停加工，去除該黑點(diǎn)物質(zhì)后，電火花成形加工又能繼續(xù)進(jìn)行。所以半導(dǎo)體電火花成形加工過程中產(chǎn)生的黑點(diǎn)物質(zhì)是阻礙加工持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行的關(guān)鍵因素，有必要對其成分和形成機(jī)理進(jìn)行研究和分析。

2 黑點(diǎn)產(chǎn)物的成分及形成機(jī)理分析

2.1 成分分析

圖6和圖7是以去離子水作為工作液進(jìn)行電火花加工時形成的黑點(diǎn)物質(zhì)的SEM微觀形貌和元素分析圖?？煽闯觯邳c(diǎn)表面呈松散的多孔狀，含有硅、氧、銅3種元素，其含量見表2。從表2可看出，銅原子和氧原子的原子含量基本相等，可構(gòu)成氧化銅，而氧化銅是不導(dǎo)電的黑色化合物，所以可認(rèn)為該絕緣產(chǎn)物的大部分是氧化銅。

圖6 去離子水工作液中黑點(diǎn)物質(zhì)的微觀形貌圖

圖7 去離子水工作液中黑點(diǎn)物質(zhì)的元素分析圖

表2 去離子水工作液中黑點(diǎn)物質(zhì)的元素含量

2.2 形成機(jī)理分析

加工開始階段，電火花加工正常進(jìn)行，紫銅電極和半導(dǎo)體硅之間形成放電通道，進(jìn)行放電蝕除（圖8a），此時電流脈沖概率維持在50%～60%，說明此放電加工條件下的極間放電狀況并沒有達(dá)到常規(guī)電火花加工的理想放電概率，但仍能維持正常的電火花放電加工。

隨著加工的進(jìn)行，由于極間不能很好地進(jìn)行冷卻及消電離，極間蝕除產(chǎn)物開始逐步堆積；同時，蝕除產(chǎn)物在放電高溫作用下不斷被熔化甚至氣化，從而形成松散的空洞結(jié)構(gòu)（圖8b）。當(dāng)絕緣物堆積到一定程度后，其堆積高度已超出了極間的放電間隙，且極間電場強(qiáng)度無法將其擊穿，電流脈沖概率將急速下降至0，即極間逐步呈現(xiàn)出空載狀態(tài)（圖4b、圖4c）。根據(jù)本系統(tǒng)的伺服控制方法，出現(xiàn)空載時，電極將以設(shè)定的進(jìn)給速度向下進(jìn)給，最終導(dǎo)致電極與黑點(diǎn)物質(zhì)相碰撞，且相互擠壓，部分黑點(diǎn)產(chǎn)物被壓碎進(jìn)入工作液中，部分會粘結(jié)在工件表面（圖8c）。

當(dāng)黑點(diǎn)物質(zhì)受擠壓部分脫離加工區(qū)域后，電極與工件產(chǎn)生直接接觸（圖8d）。此時，兩極處于短路狀態(tài)，電流脈沖概率瞬時提高到100%，而后就在短路與開路之間往復(fù)循環(huán)。但因為極間仍存在松散的不導(dǎo)電產(chǎn)物，所以導(dǎo)致放電不能繼續(xù)。

圖8 半導(dǎo)體電火花成形加工短路微觀過程示意圖

3 預(yù)防措施

為了避免黑點(diǎn)物質(zhì)的生成，保證半導(dǎo)體電火花成形加工持續(xù)穩(wěn)定地進(jìn)行，可從3個方面進(jìn)行考

慮，即首先采用合適的工具電極材料，其次選用合適的工作介質(zhì)，最后需改善排屑條件，從而避免絕緣產(chǎn)物在極間的生成。

3.1 電極材料的選擇

影響電火花成形加工持續(xù)進(jìn)行的黑點(diǎn)絕緣物質(zhì)為不具有導(dǎo)電性的銅氧化物。高溫下，金屬材料易與氧氣反應(yīng)生成金屬氧化物，大部分金屬氧化物都是不導(dǎo)電的。為了預(yù)防該類物質(zhì)的生成，可選用導(dǎo)電的非金屬材料或惰性金屬材料作為工具電極（如石墨或鎢）。

采用表1所示的加工工藝，將紫銅電極更換為直徑12 mm的石墨電極，在去離子水工作液中對硅材料進(jìn)行電火花成形加工，加工后獲得的型腔見圖9。此時，電火花加工能持續(xù)穩(wěn)定地進(jìn)行，沒有出現(xiàn)不放電的狀態(tài)，即沒有產(chǎn)生阻礙加工的非導(dǎo)電金屬氧化物。

圖9 石墨電極電火花成形加工的硅型腔

3.2 工作介質(zhì)的選擇

在電火花加工過程中，工作液是參與放電蝕除過程的重要因素，其種類、成分和性質(zhì)會影響加工工藝指標(biāo)。目前采用的主要工作介質(zhì)是油類、乳化液、水及水基工作液，典型的有火花油、煤油、去離子水、自來水及各種水溶性工作液等。為了避免黑點(diǎn)絕緣物質(zhì)的生成，可考慮選用不含有氧元素的油類工作介質(zhì)（如煤油）。

采用表1所示的加工工藝，將工作介質(zhì)更換為煤油，進(jìn)行P型硅半導(dǎo)體的電火花成形加工實(shí)驗，加工獲得的工件表面見圖10。實(shí)驗表明電火花加工可持續(xù)進(jìn)行，沒有出現(xiàn)不放電的狀態(tài)，即沒有產(chǎn)生阻礙加工的黑點(diǎn)非導(dǎo)電金屬氧化物。所以選用油類工作介質(zhì)是保障半導(dǎo)體電火花成形加工持續(xù)進(jìn)行的一種有效方法。但在油類工作介質(zhì)中進(jìn)行放電加工會產(chǎn)生大量的碳，在半導(dǎo)體電火花成形加工過程中極易形成碳沉積，如果極間洗滌、排屑性能不好，極易在工件表面產(chǎn)生燒傷，影響加工質(zhì)量。

圖10 煤油工作液電火花成形加工的硅型腔

3.3 排屑條件的改善

由上述分析可知，黑點(diǎn)物質(zhì)的生成使硅電火花加工不能持續(xù)進(jìn)行，而采用油類介質(zhì)加工后的硅表面產(chǎn)生燒傷的一個很重要的原因是極間不能及時進(jìn)行排屑、冷卻和消電離，因此，必須通過改善排屑條件、及時將加工生成的蝕除產(chǎn)物排出極間，來避免其在加工區(qū)域堆積而阻礙加工進(jìn)行的狀況。改善電火花成形加工的排屑條件一般可采用強(qiáng)制冷卻或加強(qiáng)極間相對運(yùn)動的方式。由于實(shí)驗所用的循環(huán)冷卻泵的壓力不夠，所以采用附加振動和旋轉(zhuǎn)的加工方式來提高極間的排屑性能。

采用表1所示的加工工藝，在加工時給主軸附加振動，振動頻率為133 Hz，振幅為25 μm，加工后的型腔見圖11?？煽闯?，附加振動后，型腔質(zhì)量完好，加工表面十分均勻。其原因主要是因為在電極正常向下進(jìn)給的同時，附加振動會對蝕除產(chǎn)物有一個高壓推出作用，將其推出極間；而當(dāng)電極振動向上運(yùn)動時，極間又形成一個空化作用，將干凈的介質(zhì)吸入極間；同時，極間介質(zhì)的高低壓往復(fù)沖擊作用，阻止了氧化銅在極間某個區(qū)域堆積的條件，大大改善了極間的放電狀態(tài)，從而保證了極間正常、穩(wěn)定、持續(xù)的放電。

圖11 電極附加振動后加工的硅型腔

但由于附加振動方法的振幅不能太大，所以當(dāng)電極直徑增加到一定值后或加工到一定深度后，電極中的蝕除產(chǎn)物排出極間的難度會加大，兩極間的中心區(qū)域仍有可能會生成不導(dǎo)電的黑點(diǎn)物質(zhì)，阻礙加工的持續(xù)進(jìn)行。此時可采用工具電極低速旋轉(zhuǎn)的方法，增強(qiáng)極間的排屑能力，以維持硅半導(dǎo)體電火花成形加工的持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行。

在表1所示的加工工藝下，采用30 r/min的附加旋轉(zhuǎn)后，加工的型腔見圖12?？煽闯?，加工表面均勻、細(xì)膩，是幾種加工方法中最好的。其原因在于，采用旋轉(zhuǎn)方法后，極間放電狀態(tài)得以改進(jìn)，脈沖的有效利用率會大幅提高；其次，由于電極的相互運(yùn)動，會形成放電通道的轉(zhuǎn)移，在一定程度上分散了單個脈沖的放電能量，尤其是在型腔的外圈，由于電極相對運(yùn)動線速度的提高，使脈沖能量更分散，從而使加工表面質(zhì)量得到大大改善。

圖12 電極附加旋轉(zhuǎn)后加工的硅型腔

附加振動或旋轉(zhuǎn)電極的方式，其本質(zhì)就是要改善極間排屑條件，有效防止黑點(diǎn)絕緣氧化物在極間堆積而影響半導(dǎo)體硅電火花成形加工的持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行。綜合以上分析可知，要對半導(dǎo)體硅進(jìn)行穩(wěn)定持續(xù)的電火花成形加工，首先必須杜絕絕緣金屬氧化物生成的條件，其次必須保障極間處于充分的冷卻、排屑及消電離狀態(tài)。

4 結(jié)論

（1）采用紫銅工具電極，在去離子水工作液中進(jìn)行半導(dǎo)體硅電火花成形加工時，加工表面極易生成不導(dǎo)電的黑點(diǎn)物質(zhì)，阻礙加工持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行。經(jīng)檢測分析認(rèn)為，該物質(zhì)為不導(dǎo)電的氧化銅物質(zhì)。

（2）實(shí)驗研究表明，通過選用石墨電極和不含氧元素的煤油工作液，來避免金屬元素和氧元素，防止電火花加工過程中生成不導(dǎo)電的黑點(diǎn)物質(zhì)，是保障加工持續(xù)進(jìn)行的有效方法。

（3）通過在成形系統(tǒng)裝置上附加振動和旋轉(zhuǎn)的方式，可改善極間排屑及消電離狀態(tài)，避免蝕除產(chǎn)物的堆積，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體硅電火花成形加工持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行。

[1] 王占國，鄭有炓.半導(dǎo)體材料研究進(jìn)展（第一卷）[M].北京：高等教育出版社，2012.

[2] Willeke G P.Thin crystalline silicon solar cells[J].Solar Energy Materials&Solar Cells，2002，72：191-200．

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[4] 邱明波.半導(dǎo)體晶體材料放電加工技術(shù)研究 [D].南京：南京航空航天大學(xué)，2009.

[5] 劉志東，汪煒，邱明波，等．單晶硅高速走絲電火花線切割試驗研究 [J]．南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2008，40（6）：758-762.

[6] 劉志東，邱明波，汪煒，等．太陽能硅片切割技術(shù)的研究[J]．電加工與模具，2009（3）：61-64.

[7] 潘慧君，劉志東，黃賽娟，等．半導(dǎo)體電火花線切割加工電流脈沖概率特性及伺服控制研究[J]．電加工與模具，2013（4）：28-31.

Study on Continuous Processing Conditions for Monocrystalline Silicon EDM

Huang Saijuan，Liu Zhidong，Qiu Mingbo，Tian Zongjun，Pan Huijun
（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

During forming monocrystalline silicon with copper electrode by EDM，the black spots generated on the machining surface，and the process was forced to stop.The analysis shows that the black spots are of copper oxide without electroconductibility.In order to avoid the generating of black spots，graphite electrode is adopted to change the electrode material and choose working fluid containing oxygen as little as possible.This way is not good for generating the metal oxide without electroconductibility.On the other hand，the vibration or the rotation of electrode are added to improve the conditions of washing，cooling and chip removing between the electrodes，the electric spark forming of monocrystalline silicon can run stably with these mentioned methods above.

semiconductor；silicon；EDM；oxide；stable machining

TG661

A

1009－279X（2014）02－0005-05

2013-12-12

國家自然科學(xué)基金資助項目（51175256，51205197）第一作者簡介：黃賽娟，女，1988年生，碩士研究生。