線切割法加工半導體材料的發展現狀

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

關鍵詞：電火花線切割；半導體材料；接觸式放電；接觸勢壘

半導體材料是指常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的一類材料，這類材料的電導率對雜質和外界因素（光、熱、磁等）高度敏感，當人為的引導摻入特定雜質元素時，可以控制材料的導電性能；此外在光照和熱輻射條件下，其導電性也有明顯的變化。當今社會發展迅速，如今絕大部分的電子產品，如計算機、智能手機、多媒體終端的核心單元都和半導體材料有著密切的關聯，因此，半導體材料的加工方法一直是機械行業的熱門話題。半導體材料多數為典型的脆硬材料，利用傳統的機械加工方式加工時，會在加工表面造成崩碎和裂紋，嚴重影響其表面質量和性能。這也是半導體材料共有的一個特性，制約著半導體材料更廣泛的應用。電火花線切割的加工原理是通過放電過程中產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體硅時，發現了“接觸式放電現象”：電火花線切割方法加工傳統導體時，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。但在加工半導體材料時，由于半導體特殊的電阻特性，電極絲已經被工件嚴重頂彎的情況下依然可以產生火花放電， 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下提高加工效率的方法，研究認為主要是由于脈沖放電本身利用效率的提高和側邊放電幾率的降低這兩個原因導致整體切割效率的提高[1]。

邱明波對半導體材料的進電特性和接觸勢壘進行了研究，并提出了半導體材料放電加工的等效電路模型，其中半導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體的電阻也在發生變化，故用可變電阻R等效，由于半導體自身有體電阻，半導體與進電金屬、半導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給系統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，實際加工中要考慮到除了間隙電壓之外，還存在半導體材料體電阻壓降和接觸勢壘壓降的因素， 所以嚴重影響了該了該伺服系統的準確性。

辛彬[3]在研究單晶 Si的電火花加工時，使用了滿意度函數方法找出了最佳放電參數：當峰值電流為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在電火花成型機床上做重復實驗，測得P型單晶硅的平均加工速度可達到73. 86 mm3 /min。函數預測數據與最佳放電參數下的實驗結果平均值相對誤差僅為3.2%。

比利時KU Leuven和美國The University of Nebraska的學者采用慢走絲線切割機床對半導體硅片進行加工并研究了最佳加工工藝，實驗結果表明：當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的學者使用類似快走絲電火花線切割機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，達到了93.3 mm2/ min的切割效率[6]。此外美國 NASA的 Arnold、美國Utah State University的學者 Rakwal和 Bamberg均用電火花線切割技術研究了半導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，半導體材料的加工依舊是機械行業的一個難題，即便是采用電火花線切割的加工方法，也會因為半導體電阻率比金屬材料高出3～4個數量級，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。

參考文獻：

[1]潘慧君. 半導體電火花線切割微接觸式放電高效切割機理研究[J]. 人工晶體學報， 2013， 42（7）： 1336-1342

[2]黃賽娟，劉志東，邱明波，田宗軍，潘慧君.半導體硅電火花成形持續加工條件研究[J].電加工與模具，2014，（第2期）.

[3]辛彬，李淑娟，李玉璽.單晶硅電火花成形加工試驗研究與工藝參數優化[J].兵工學報，2017，（第9期）.

[4]Luis C J， Puertas I， Villa G. Material removal rate and electrode wear study on the EDM of silicon carbide. Journal of Materials Processing Technology， 2005， （164）： 889-896.

[5]Miller S F， Kao C C， Shih A J，etal. Investigation of wire electrical discharge machining of thin cross-sections and compliant mechanisms.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2005，45（15）： 1717-1725.

[6]Kunieda M， Ojima S. Improvement of EDM efficiency of silicon single crystalthrough ohmic contact. Precision engineering， 2000， 24（3）： 185-190.

[7]Arnold W A， Matthiesen D， Bennett R J， etal. An innovativemethod for preparing semiconductor charges used in crystal growth and shearcell diffusion experiments. Journal of crystal growth， 1997， 172（3）： 450-454.

[8]Rakwal D， Bamberg E. Slicing， cleaning and kerf analysis of germanium wafers machined by wire electrical discharge machining. Journal of materials processing technology，2009，209（8）： 3740-3751.

作者簡介：

周世乾（1990-），男，民族：漢族，籍貫：湖北武漢，當前職務：教師，當前職稱：初級，學歷：碩士，研究方向：半導體線切割。