高阻半導體硅振動式深小孔放電加工研究

曹銀風 劉志東 邱明波 田宗軍 黃因慧

南京航空航天大學，南京，210016

0 引言

半導體材料因其獨特的物理、電學性能已成為尖端科學技術中應用最為常見的材料。然而，大多數半導體都屬于硬脆材料，加工中易發生崩裂，或者斷裂，可加工性能差，現有的加工方法很難滿足其加工工藝要求。很多場合下，需要在半導體上加工高深徑比的深小孔，由于受到工件脆性以及工具剛性的影響，對傳統加工工藝提出了很大的挑戰。

電火花高速加工深小孔是近十年來發展起來的新技術。它主要采用管狀電極，加工時電極旋轉，管電極內通入高壓工作液，可將電蝕產物迅速排除，但受空心管電極結構的限制，一般只能用于φ0．3 mm以上的小孔加工［1］。電火花超聲復合加工是在電火花加工的基礎上施加軸向超聲微振動，從而實現硬脆材料加工的方法［2］。為了避免工具端面和工件瞬時接觸頻繁短路，超聲振幅不宜大，故其雖能改善排屑，但很難實現高深徑比的小孔加工。因此，尋找實現高阻半導體上深小孔加工的方法倍受世人矚目。為了充分發揮振動改善排屑的優點，本文通過增加機械振動，并分別通過改變振幅和頻率的方法對高阻半導體硅進行穿孔放電加工。同時，為了克服因工具電極旋轉只能加工圓孔的難題，方便異形孔的加工，本試驗采用工具電極不旋轉的方法對高阻半導體硅進行振動式放電加工研究，探討了機械振動對高阻半導體硅放電加工穿孔效率的影響規律。

1 試驗原理及方法

1．1 放電原理

電火花加工是在電極與工件之間加上脈沖電壓，極間介質產生放電擊穿的瞬間，釋放大量熱能，使工件表面的材料產生熔化、氣化，同時伴隨著極間介質爆炸，將工件表面材料帶出工件體外蝕除，形成放電凹坑，達到加工的目的［3］。與機械加工相比，放電加工中不存在宏觀力，它利用電能去除材料，可以加工任何硬度、強度、韌性、脆性的導電材料，且專長于加工復雜、微細表面和低剛度零件，故其比較適合對半導體進行深小孔加工［4］。

1．2 試驗原理與裝置

為了選擇合理的加工方法，分別采用圖1所示的正立與倒立加工裝置進行對比試驗。

圖1 硅片穿孔試驗系統示意圖

正立加工裝置如圖1a所示，將工具電極固定在伺服機構上，加工時工具電極在伺服機構的帶動下自上向下進給，工件固定在工作臺上。倒立加工裝置如圖1b所示，將工具電極固定在工作臺上，工件在伺服機構的帶動下自上向下進給。試驗時通過在伺服機構上安裝偏心輪的方法獲得振動源，并分別通過改變偏心距或調節轉速改變振動的振幅和頻率。正立與倒立加工均采用振幅為56μm，頻率為300 Hz的振動進行加工。在試驗的整個加工過程中，硅及工具電極均浸在水中。為了解決因工具電極旋轉只能加工圓孔的難題，兩試驗裝置中工具電極均不旋轉，方便了異形孔的加工。試驗中的其他工藝參數如表1所示。圖2所示為記錄的正常加工時的放電波形。

1．3 試驗方法及參數

為了研究機械振動對高阻半導體硅穿孔放電效率的影響，分別在無機械振動及附加機械振動的條件下對硅進行穿孔放電加工。首先固定頻率，研究不同振幅下的加工效率；其次固定振幅，研究不同頻率下的加工效率。

半導體硅放電加工時，由于自來水具有微弱的導電性能，以及半導體接觸面的接觸勢壘的存在［5］，會在進電接觸區域形成局部的陰陽電極對，發生電化學反應，產生不導電的鈍化膜，使接觸電阻陡然增加，阻礙放電能量的輸入。因此，試驗之前，先將硅表面在體積分數為5%的KOH溶液中清洗，然后再用蒸餾水清洗后吹干，最后在其表面均勻涂覆一層約10μm厚的碳漿，在200℃的烘箱中烘30 min。

表1 電火花加工工藝參數

圖2 正常加工時的放電波形

2 試驗結果與分析

2．1 正立與倒立加工效率的對比及其分析

采用FA1004型電子天平稱重測量硅的放電加工效率，試驗過程中記錄的數據如表2所示。由表2可見，倒立加工時的加工效率明顯高于正立加工時的加工效率。原因在于正立加工時，工具電極為實心鉬絲，無法像管狀電極一樣實現管內沖液，且工具電極不旋轉，故硅的蝕除產物在重力的作用下易堆積在微孔底部［6］。隨著深度的增加，堆積現象越來越嚴重，最終導致排屑困難，加工效率降低，如圖3a所示。與正立加工相比，采用倒立加工方式進行加工時，由于重力的存在，部分蝕除產物可從小孔側面排出，有利于放電加工的進行，提高了加工效率，如圖3b所示。以上試驗結果表明：倒立加工優于正立加工。因此，以下試驗均采用倒立加工。

表2 正立加工與倒立加工時的加工效率

圖3 重力對蝕除產物的影響

2．2 無振動時倒立加工現象及分析

為了研究機械振動對高阻半導體硅放電穿孔效率的影響，首先在無振動條件下，分別對表面未涂碳漿和涂碳漿的高阻半導體硅進行倒立穿孔放電加工。

試驗中發現，兩種情況下試驗現象都是：硅與工具電極剛接觸時，兩極之間產生正常火花放電；但是幾秒鐘之后，兩極之間無放電火花，且工具電極被壓彎，加工難以延續。

分析認為，開始加工時，由于放電狀態良好，極間介質迅速電離、擊穿，形成放電通道，并達到蝕除工件的目的［5］。幾秒之后，由于蝕除產物不能及時排出小孔且容易在兩極間搭橋［7］（圖4），造成工具電極與硅之間形成短路接觸，此時硅若繼續向下進給，必然導致工具電極被壓彎。

圖4 蝕除產物堆積在放電間隙內

2．3 附加振動后的倒立加工現象及分析

在硅上附加振幅為56μm，頻率為300 Hz的振動，對高阻半導體硅進行倒立穿孔放電加工。試驗中發現，硅和工具電極之間能穩定產生火花放電。與無振動時的加工現象對比，附加振動有利于火花放電的產生。原因在于振動有利于極間蝕除產物的排出，提高了工作液的流動性，改善了極間狀態［8］，有效地避免了短路接觸的形成。

（1）硅的振動提高了極間蝕除產物的分散度。硅上下振動時，與深小孔底部的蝕除產物碰撞產生沖擊力，在重力的綜合作用下，迅速將蝕除產物拋離深小孔的底部。與此同時，硅振動時與小孔側面的蝕除產物之間產生摩擦力，從而促進了小孔側面的蝕除產物的迅速排出。振動時沖擊力和摩擦力對蝕除產物的影響如圖5所示。

蝕除產物的SEM照片如圖6所示。由圖6可見，蝕除產物的尺寸范圍較大，且形狀為

小球形和較大的瓜子形，說明蝕除產物是由硅高溫熔化后再凝固形成的球形以及受到振動沖擊和應力剝落產生瓜子形產物組成的，因此其體現出的“放電間隙”也應該比單純放電產生的間隙大。

圖5 振動時沖擊力及摩擦力對蝕除產物的影響

圖6 蝕除產物的微觀形貌

（2）硅的振動提高了極間間隙內的水的流動性。當硅向上振動時，極間間隙變大，水迅速進入極間間隙內，實現了迅速冷卻硅和工具電極的加工表面的目的；而當硅向下振動時，對極間間隙內的水產生向下的擠壓作用，可以迅速將蝕除產物隨水一起帶出小孔，最終達到改善極間狀態的效果［9］。

（3）硅的振動可以有效降低短路率，提高火花放電率。硅振動后，一旦因極間產物搭橋造成兩極之間形成短路接觸，硅的振動可以迅速使硅和工具電極彈開，結合振動的排屑作用，最終實現了火花放電狀態穩定出現。此外，需要指出的是：由于振動的存在，硅的放電加工屬于間歇式放電加工［10］。

2．4 倒立加工時不同振幅下加工效率及分析

為了探討振幅對穿孔放電加工效率的影響，取振動頻率為300 Hz，分別在振幅為8μm、12μm、27μm、56μm、90μm等條件下進行半導體硅放電穿孔試驗。振幅與加工速度的曲線圖如圖7所示。

由圖7可以看出，相同電參數下，當振幅小于56μm（D點所對應的振幅）時，隨著振幅的增大，加工效率不斷提高；當振幅大于56μm時，隨著振幅的增大，加工效率不斷降低。因此，振幅為56μm時，加工效率最高。同時，由圖7可以看出，當振幅趨近于零時，加工速度也趨向于零，也就是說，無振動時幾乎無法對硅進行加工，這與前述試驗現象相符。

圖7 振幅－加工速度曲線圖

分析認為，當振幅小于56μm時，隨著振幅的增大，極間間隙內水的流動性不斷改善，排屑效果提高，因此，短路率下降，火花放電率提高，加工效率升高。當振幅大于56μm時，硅易與工具電極直接碰撞上，不僅無法滿足火花放電的放電間隙要求，且容易打彎工具電極，最終導致火花放電率降低，加工效率下降。據此，本試驗中硅的振動式穿孔放電加工放電間隙確定為56μm左右。

在顯微鏡下測得高阻半導體硅振動式穿孔放電加工實例中深小孔的直徑為0．3 mm，試驗所用工具電極的直徑為0．18 mm，顯然可見，硅的振動式穿孔放電加工放電間隙為60μm，這與上述放電間隙的分析結果相一致。

2．5 倒立加工時不同頻率下加工效率及分析

由圖8所示可以看出，相同電參數下，隨著振動頻率的增大，加工效率不斷升高。硅的振動式放電加工屬于間歇式放電加工，即火花放電率由振動源的振動頻率決定，且振動頻率越高，脈沖利用率越高，火花放電率越高，加工效率越高。因此，隨著振動頻率的增大，放電加工效率逐漸升高。

圖8 頻率－加工速度曲線圖

3 高阻半導體硅穿孔放電加工實例

采用振幅為56μm，頻率為300 Hz的機械振動對高阻半導體硅進行加工，試驗中的其他工藝參數如表1所示。在電阻率為2．1Ω·c m的P型半導體硅上，實現了直徑為0．3mm、深徑比為25．3的深小孔的放電加工（圖9），并使用邊長為0．77 mm的正三角形電極實現了異形孔的加工（圖10）。

圖9 小孔實物圖

圖10 三角形小孔實物圖

4 結論

（1）對高阻半導體硅的振動式穿孔放電加工進行了研究，著重研究了機械振動對高阻半導體穿孔放電加工效率的影響，試驗表明：隨著振幅的增大，放電加工效率先提高后降低，且振幅為56μm時放電效率最高；結合高阻半導體硅穿孔放電加工實例中深小孔的直徑可知，本文試驗中硅的振動式穿孔放電加工放電間隙為56μm左右；另外，隨著頻率的增大，放電加工效率逐漸升高。

（2）在簡易的試驗裝置上進行了大量的穿孔加工試驗，采用工具電極不旋轉的方法實現了邊長為0．9 mm的三角形孔的加工，并在電阻率為2．1Ω·c m的P型半導體硅上實現了邊長為0．3 mm、深徑比為25．3的深小孔的加工。

（3）高阻半導體硅的振動式穿孔放電加工試驗表明，合理地選擇振動源的振動參數可以有效改善極間放電狀態，提高放電加工的效率，從而為高阻半導體上高深徑比的小孔放電加工技術的進一步發展提供很好的參考。

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