線切割法加工半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀

摘 要：介紹了電火花線切割法加工半導(dǎo)體材料的優(yōu)勢、加工原理和難點(diǎn)；引出線切割法加工半導(dǎo)體材料時的"接觸式放電現(xiàn)象"和等效電路；介紹了半導(dǎo)體單晶Si線切割加工的最佳放電參數(shù)。簡單概括了國外該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和面臨的問題。

關(guān)鍵詞：電火花線切割；半導(dǎo)體材料；接觸式放電；接觸勢壘

半導(dǎo)體材料是指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的一類材料，這類材料的電導(dǎo)率對雜質(zhì)和外界因素（光、熱、磁等）高度敏感，當(dāng)人為的引導(dǎo)摻入特定雜質(zhì)元素時，可以控制材料的導(dǎo)電性能；此外在光照和熱輻射條件下，其導(dǎo)電性也有明顯的變化。當(dāng)今社會發(fā)展迅速，如今絕大部分的電子產(chǎn)品，如計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)、多媒體終端的核心單元都和半導(dǎo)體材料有著密切的關(guān)聯(lián)，因此，半導(dǎo)體材料的加工方法一直是機(jī)械行業(yè)的熱門話題。半導(dǎo)體材料多數(shù)為典型的脆硬材料，利用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式加工時，會在加工表面造成崩碎和裂紋，嚴(yán)重影響其表面質(zhì)量和性能。這也是半導(dǎo)體材料共有的一個特性，制約著半導(dǎo)體材料更廣泛的應(yīng)用。電火花線切割的加工原理是通過放電過程中產(chǎn)生的瞬時高溫來蝕除材料，因此對加工材料的硬度、脆性等物理特性沒有限制，理論上十分適合用來加工半導(dǎo)體這類高脆性、高硬度材料。

潘慧君在研究電火花線切割方法加工半導(dǎo)體硅時，發(fā)現(xiàn)了“接觸式放電現(xiàn)象”：電火花線切割方法加工傳統(tǒng)導(dǎo)體時，放電瞬間電極絲與工件之間有很小的放電間隙，是典型的的非接觸式加工。但在加工半導(dǎo)體材料時，由于半導(dǎo)體特殊的電阻特性，電極絲已經(jīng)被工件嚴(yán)重頂彎的情況下依然可以產(chǎn)生火花放電， 并且蝕除

工件材料。（如圖1，2）同時研究了微接觸式放電狀態(tài)下提高加工效率的方法，研究認(rèn)為主要是由于脈沖放電本身利用效率的提高和側(cè)邊放電幾率的降低這兩個原因?qū)е抡w切割效率的提高[1]。

邱明波對半導(dǎo)體材料的進(jìn)電特性和接觸勢壘進(jìn)行了研究，并提出了半導(dǎo)體材料放電加工的等效電路模型，其中半導(dǎo)體材料與金屬接觸的部分可以用二極管等效（D1，D2），由于加工過程中半導(dǎo)體的電阻也在發(fā)生變化，故用可變電阻R等效，由于半導(dǎo)體自身有體電阻，半導(dǎo)體與進(jìn)電金屬、半導(dǎo)體與電極絲之間均有接觸勢壘，用RL等效[2]，如圖3。但邱明波研究的自動伺服進(jìn)給系統(tǒng)是基于金屬電火花加工中的平均電壓檢測法和峰值電壓檢測法得到的，實(shí)際加工中要考慮到除了間隙電壓之外，還存在半導(dǎo)體材料體電阻壓降和接觸勢壘壓降的因素， 所以嚴(yán)重影響了該了該伺服系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

辛彬[3]在研究單晶 Si的電火花加工時，使用了滿意度函數(shù)方法找出了最佳放電參數(shù)：當(dāng)峰值電流為18.5 A、脈沖寬度為358.62μ s、脈沖間隔為20μ s時，滿意度為0.912，此時材料去除率的最大值為76.26 mm3/ min。使用這一系列的放電參數(shù)在電火花成型機(jī)床上做重復(fù)實(shí)驗(yàn)，測得P型單晶硅的平均加工速度可達(dá)到73. 86 mm3 /min。函數(shù)預(yù)測數(shù)據(jù)與最佳放電參數(shù)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果平均值相對誤差僅為3.2%。

比利時KU Leuven和美國The University of Nebraska的學(xué)者采用慢走絲線切割機(jī)床對半導(dǎo)體硅片進(jìn)行加工并研究了最佳加工工藝，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)單晶硅或多晶硅的電阻率≦20Ω？ cm時具備較好的加工可行性[4～5]。日本Okayama University的學(xué)者使用類似快走絲電火花線切割機(jī)床和去離子水作為工作液，研究了單晶硅棒的電火花線切割加工的最佳工藝參數(shù)，達(dá)到了93.3 mm2/ min的切割效率[6]。此外美國 NASA的 Arnold、美國Utah State University的學(xué)者 Rakwal和 Bamberg均用電火花線切割技術(shù)研究了半導(dǎo)體鍺材料的加工工藝， 并取得了不錯的加工效果[7～8]。

到目前為止，半導(dǎo)體材料的加工依舊是機(jī)械行業(yè)的一個難題，即便是采用電火花線切割的加工方法，也會因?yàn)榘雽?dǎo)體電阻率比金屬材料高出3～4個數(shù)量級，且其電特性十分特殊等原因，一般都局限在較低電阻率范圍，對于電阻率較高的材料，加工難度依舊很大。

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[3]辛彬，李淑娟，李玉璽.單晶硅電火花成形加工試驗(yàn)研究與工藝參數(shù)優(yōu)化[J].兵工學(xué)報(bào)，2017，（第9期）.

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作者簡介：

周世乾（1990-），男，民族：漢族，籍貫：湖北武漢，當(dāng)前職務(wù)：教師，當(dāng)前職稱：初級，學(xué)歷：碩士，研究方向：半導(dǎo)體線切割。