半导体材料线切割技术研究现状.

半导体材料线切割技术研究现状1•半导体材料的性能与应用•放电切割加工研究现状•半导体材料的电火花切割•电火花线切割的伺服控制•半导体放电切割加工设备及检测装置的设计•半导体放电特性研究2一、半导体材料的性能与应用目前定义半导体为导电性能介于金属和绝缘体之间，并且具有负的电阻温度系数的物质。一般意义上认为半导体具有五大特性：掺杂性，热敏性，光敏性，负电阻率温度特性，整流特性。掺杂性是指在半导体材料中掺入特定的杂质元素，材料的导电性能具有可控性；热敏性和光敏性是指半导体材料受到光照和热辐射，材料的导电性能会有变化；负电阻率温度特性是指半导体材料随着温度的升高，电阻率反而下降；整流特性是指半导体材料的单向导通性。由于这些特殊性质，半导体材料已经在航空航天、国防工业、通讯、电子工业、照明和太阳能等领域得到了广泛的应用，成为了不可或缺的基础材料。3二、放电切割加工研究现状2.1半导体材料的电火花切割半导体材料难加工是因为它具有高脆性,低断裂韧性以及相近的弹性极限和强度的特点,当其所承受的载荷超过弹性极限时就发生断裂破坏,在已加工表面产生裂纹,严重影响其表面质量和性能。因此,若使用传统加工方法对半导体进行加工,其可加工性极差。半导体晶体具有一定的导电性能,不需要形成辅助电极就能适应放电加工。但由于半导体晶体的电阻率较高,并且具有许多的特殊电特性,利用电火花线切割方法在半导体方面的加工具有很高的技术难度,目前这一技术吸引了国外学者的大量关注。表1.1列举了半导体材料的几种切割方式452.2电火花线切割的伺服控制2.2.1伺服系统伺服系统就是用来控制被控对象的某种状态,使其能自动地、连续地、精确地呈现输入信号的变化规律;伺服控制技术则是要求系统精确地跟踪控制指令、实现理想运动控制的过程，如图1.7所示。62.2.2线切割伺服进给控制系统调节原理如图1.8所示,其中测量环节为系统检测得到的间隙平均电压信号,执行机构为步进电机,调节对象为电极丝与工件之间的距离;检测得到的间隙平均电压信号通过与给定值的信号进行比较,然后将差值经过放大环节和压频转换电路,使得将差值电压信号转为一定频率的脉冲而控制步进电机的进给。7三、半导体放电切割加工设备及检测装置的设计3.1试验加工设备本文介绍的是杭州华方数控机床有限公司生产的HF400D摇摆锥度快走丝电火花数控线切割机床(图2.1)进行切割试验,其各项指标如表2.1所示，硅片放电切割加工系统原理如图2.2所示。893.2检测装置的设计弯丝过冲信号检测装置如图2.3所示,通过固定端螺钉固定于机床喷液装置上下方,调节固定端螺钉的位置,可以调节电极丝与检测电极前后距离,以适应不同的加工条件;调节检测电极则可以改变与电极丝之间的左右距离,调整检测精度。信号线从检测电极尾端引出,便于信号的采集处理。实物图如图2.4所示。1011四、半导体放电特性研究半导体放电切割原理主要基于金属放电切割原理,具有一定的相似性,但存在不同之处,以P型晶体硅的正极性放电加工为例,其原理示意图可见图3.3。切割工件为P型晶体硅,电极丝接脉冲电源负极,进电金属接电源正极,如果工件表面能够形成放电通道,则电流从电源正极分别经过进电金属、间隙工作液、硅、放电通道、电极丝和限流电阻流入电源负极而构成回路;当机床伺服控制系统控制电极丝进给,当其与晶体硅工件达到一定的极间间隙时,形成放电通道,产生火花放电。根据火花放电蚀除机理,放电过程中放电通道内形成高温热源区域,在该区域的局部电丝及硅表面同时被加热,使局部硅材料熔化、气化;由于加热过程短暂,因此硅材料的熔化、气化及工作液的汽化都具有爆炸力,在爆炸力的作用下将蚀除的硅材料抛出,最终达到加工目的。同样,原理图中限流电阻主要是为了对过大放电电流的限制,防止电源功率元件的烧毁。12放电过程中半导体晶体材料具有一定的体电阻,并且受到温度等因素的影响使得该电阻值在放电过程中发生变化;半导体与进电金属接触可产生较高的接触电阻,因此P型晶体硅放电切割加工原理可由图3.4P型硅正极性放电加工等效电路模型表示。13在塑性裂缝自愈机制模式切割硅Onthecracksself-healingmechanismatductilemodecuttingofsilicon韧性模式切割加工硅已成为一项新兴技术,最初脆性材料由其被加工时产生塑性流动去除,产生韧性部位,因此留下了一个无裂口的光滑表面。然而,硅的韧性模式切割几乎只有在仔细选择工艺参数的情况下才能实现。实验表明，只有在部分韧性模式下，微裂缝，微裂纹和小剥落缺陷腔的自愈才更容易由金属硅填满实现。14研究发现，在硅被挤压时，半导体晶体的金相转变,是韧性模式切割硅的物理基础。在金刚石工具(或硬度计压头)压入硅这一阶段，会发生金相的转变。卸压后,金相转换为无定形的阶段,选择最佳的金刚石刀具和切削参数,使得硅的切削表面光滑,并被涂上一层薄薄的无定形层（20-100nm）。在这种情况下，材料表面没有缺陷。这是因为,切割过程中形成韧性部分，硅的塑性变形填补了微裂纹、微裂缝。1516Surfacecharacteristicsanddamageofmonocrystallinesiliconinducedbywire-EDM电火花线切割后单晶硅表面特征和损伤情况电火花线切割表现出与传统加工半导体材料过程的不同：不存在显著的碎屑。然而,电极丝和硅之间密集的电火花会有危害：影响表层和次表层的微观和纳米结构层面。本文介绍了电火花线切割过程中，主要工艺参数对切割面特征的影响和破坏。一个n型单晶硅晶片在不同能量密度、占空比和介质冲洗速度下切割，当火花能量密度低、小占空比和低介质冲洗速度导致切割面质量差，电极材料沉积多。此外,低能量密度下，非晶态硅的晶体结构缺陷是明显的。电火花线切割参数对切割面特征的影响，可能对电火花加工技术的进一步发展有意义，并能得到良好表面特征的半导体材料。本文旨在清晰的表明电火花工艺参数对硅表面形态和硅破坏的影响1718N型单晶硅晶片厚度：508微米电阻率：0.001——0.005Ω/厘米电火花切割设备：250μm铜丝电极开路电压、切割模式和介质冲洗速率是不同的1920•小占空比和低火花能量密度，回引发诱导陨石坑、小孔和裂缝，表面粗糙度高；•高能量密度，低介质冲洗速度，电极丝上铜和锌剥离速度快，对丝的损耗大；•在本论文的实验当中，10%的碳和12%的氧会沉积在切割的表面；•WEDM加工后，表面形成非晶硅和有缺陷的晶体结构。当低能量密度时，表现的更加明显。•本研究的意义在于：选择适当的加工参数，最大化提高表面质量，减少硅加工过程中的的损害。结论：21在陶瓷材料模具上，制作三维微观结构,如微凹坑,微沟槽和微通道,制造超硬材料的刀具是关键的一步。在这个工作中,微放电加工(EDM)被用来制造高精度的多晶金刚石铣刀。通过利用电火花诱导石墨化的金刚石颗粒在极低的放电能量下加工，精度和边缘锐度在一个微米级别。在碳化钨硬质合金模具上加工微沟槽和微小凹坑来检查刀具的切削性能。结果表明,使用EDM制造的刀具,在韧性模式下加工碳化钨，其表面粗糙度可达2nm,与抛光类似。Micro-cuttingcharacteristicsofEDMfabricatedhigh-precisionpolycrystallinediamondtools微细电化学加工制造多晶金刚石刀具2223高能量密度低能量密度2425•在EDM加工过程中，PCD上的金刚石逐步石墨化，而不是整个颗粒脱落,这对于提高锐度和加工表面质量是必不可少的；•使用RC电路的分布电容可以实现极低的放电能量,而不是使用蓄电器。•在优化条件下，用EDM加工得到的微米级精度和边缘锐度的金刚石工具,其加工面表面粗糙度与细磨的类似。•EDM加工得到的铣刀可以应用于在碳化钨上制造高精度微小凹坑和沟槽。表面粗糙度可达2nm,与塑性加工后经抛光处理差不多。•用EDM加工PCD刀具是很多加工效果的综合作用,刀具前刀面影响切削,刀具后刀面影响研磨。•加工碳化钨的时候，PCD铣刀的边缘微碎片明显少于单晶金刚石刀具。结论：26Effectofmetalcoatingonmachinabilityofhighpuritygermaniumusingwireelectricaldischargemachining金属涂层对使用WEDM加工高纯锗的切削加工性能的影响用WEDM切削n型高纯锗。WEDM需要工件有足够的电导率使放电发生。由于高纯锗的电阻率非常高，使得WEDM效率低下。为了暂时提高传导率，在高纯锗的1或2面溅射沉积不同厚度(1.0,2.0,and3.0μm)的金属(铝和镍)。这减小了高纯锗与和线切割放电丝之间的电导率，也可以触发放电。通过各种放电能量(电压:150、200、250和300V和电容:1,3.3,5.5,9.9和21.4nF)的实验，确定切削速度与不同局部镀层高纯锗之间的关系。结果如下,铝涂层最大切割速度是7.7平方毫米/分钟(2面镀,1.0微米厚度)，高能量密度(300V,21.4nF),是没有镀层高纯锗的27倍。在没有微裂纹的情况下，最快切削速度为1.12平方毫米/分钟，能量密度(150V,9.9nF)。还进行其他切削实验，在反极性(正极性丝和负极性工件)，条件为：150V和各种电容大小。实验证明,在金属镀层表面存在整流接触。实验发现，在相同的EDM设备下,高速切割由于横向放电能量更少，还显示减少切口大小。使用扫描电子显微镜(SEM),能量色散x射线能谱(EDS)和X射线光电子能谱(XPS)来研究微裂隙并分析表面杂质。272829303132•在高纯锗的外表面涂镀金属层，制造了一个较短的放电电流的传导路径，有效增加材料的传导率。提高了切割的效率与速度。•高速电极丝进给会造成频繁断丝，提高机床的不稳定性。在这种情况下，应该使用更高强度和融化温度的电极丝。通过涂覆金属层提高切割速度是非常有意义的一件事情。•切口的大小随着电压与电容的增大而增大。同样的放电能量密度，切割速度的提高可以有效的减小切口的大小。结论：33Assessmentofabrasion-assistedmaterialremovalinwireEDM图中钢丝线和工件之间的间隙是可以伺服控制的，并且钢丝芯是导电的，固结磨料是不导电的。金刚石磨料突出的高度ph要比电火花工作间隙大。电火花产生在钢丝芯和工件之间，并且通过电腐蚀去出材料，同时金刚石磨料也磨削工件。材料去除的范围由gw和ph决定，这两者是随机变化的，并且跟金刚石磨料的分布有关。34加工速度和表面质量一直都是当前电火花线切割研究中的焦点。这篇文章中，用概念验证的方式对电火花线切割复合不带电的固结磨料线切割进行研究。材料去除不仅有电腐蚀，并且其主要作用的是二体磨削。这对材料的去除率是一个很大的进步与改善，并且产生了一个很小的重铸材料表面。35Comparisonofslicing-induceddamageinhexagonalSiCbywiresawingwithlooseabrasive,wiresawingwithfixedabrasive,andelectricdischargemachining36图2、切片时4H-SIC在g/3g弱束暗场条件下的横截面图像。左上角图像展示了透射电子显微镜的测量放样。相同区域固结磨料线切割在(a)g¼1100and(b)g=0001条件下观察。右上角展示了游离磨料线切割4H-SIC时的横截面图解。图（c）是用游离磨料切割时的横截面图像。在明亮场中半环式条纹束能够被观察到。图d和e是在g¼1100and(e)g=0004的条件下弱电子书暗场下观察到的半环式条纹。SIC的晶体损伤用透射电子显微镜和拉曼散射展示出来。游离磨料线切割导致堆叠断层、分散的三角晶体无序区和位置错乱的半环式条纹束。固结磨料线切割导致堆叠断层、晶体层错乱和位置错乱的半环式条纹束。电火花线切割最主要的就是通过6H-SIC的分解形成3C-SIC、硅和碳。切片机制产生的晶体损伤在文中有特性描述。37Effectof