进电方式对高阻半导体硅放电加工影响研究

刘志东 曹银风 邱明波 田宗军 黄因慧

南京航空航天大学，南京，210016

0 引言

半导体材料具有独特的物理性能，已成为尖端科学技术中应用最为广泛的材料之一［1］。然而，大多数半导体材料具有脆性大、抗拉强度小以及剪切强度远远小于抗拉强度等特殊的机械性能，加工时易发生崩裂或者断裂，因此，传统的机械加工方法很难完全满足其加工工艺要求［2－3］。

电火花加工是一种非接触式加工，用其对半导体材料进行加工具有可行性［4］。然而，由于半导体材料的电阻率较高（比金属高3～4个数量级）［5］，对半导体硅进行电火花加工时，如果进电金属与半导体材料的接触面不变，随着加工时间的延续，半导体表面将生成钝化膜，并且随着进电点与加工点两极间距离的变化，极间的体电阻也会产生变化，这些因素都会影响半导体放电加工的持续进行［6－7］。本文对比了固定、旋转、随动等三种进电方式下半导体硅放电铣削过程中的脉冲放电电压和电流波形，分析了放电回路的体电阻、进电金属与半导体硅接触面的接触电阻的变化规律及对持续放电加工的影响，为半导体稳定放电加工进电方式提供了选择的方法及依据。

1 实验装置及参数

分别采用图1所示的三种进电方式进行高阻半导体硅放电铣削对比实验。进电铜刷均依靠弹簧的压力与半导体硅表面保持一定的接触压力。图1a所示为固定进电方式，进电铜刷压紧在工件硅上，进电铜刷不旋转且接触位置不变，机床向右进给，两极间距离不断减小；图1b所示为旋转进电方式，加工时机床向左进给，两极间距离不断增大，进电铜刷与工件硅的接触位置不变且不断旋转；图1c所示为随动进电方式，加工时机床向右进给，进电铜刷旋转且随工具电极与机床一起运动，与工具电极间的相对位置始终保持不变。

实验加工参数如表1所示。

图1 硅片铣削实验系统示意图

表1 电火花铣削加工工艺参数

2 实验结果与分析

2.1 进电方式对体电阻的影响

P型硅正极性放电加工简化模型——二极管和电阻DR（diode－resistance）电路模型如图2所示。其中，RL为回路限流电阻，起过载后保护回路器件的作用；DC为极间放电维持电压，由极间介质特性决定，其大小为20V左右，因此可以将其看成常数［8］；DSC为放电通道与半导体硅形成的接触势垒，在回路中处于正向偏置，分压很小，可以忽略；DSM为进电铜刷与半导体硅的接触电阻，与进电材料、接触面积、接触方式及压力等因素有关［9］；RS为放电回路体电阻，在相同的半导体放电加工条件下，它随着极间距离的改变而变化。根据欧姆定律可知，回路中的电流与半导体放电加工过程中极间的电阻成反比关系。

图2 P型硅正极性放电加工DR电路原理图

图3 旋转进电方式下不同时刻的放电波形

为了研究不同进电方式下高阻半导体硅放电加工回路中体电阻的变化规律，分别采用旋转、随动进电方式对工件硅进行放电铣削加工并记录两种进电方式下加工开始、加工5min、加工10min三个时间点的放电电流波形（图3、图4）。分别对比图1b、1c可知，两种进电方式下进电铜刷与工件硅的接触方式相同，因此接触电阻相同。然而，随着加工的延续，工具电极与进电铜刷之间的距离发生了变化，即随动进电方式下两者之间的距离D3始终不变；在旋转进电方式下，放电开始时，两者之间距离D2＝D3，随着加工时间的延续，D2不断增大。

图4 随动进电方式下不同时刻的放电波形

观察图3、图4中的放电电流波形可知，两种进电方式开始加工时的最高放电峰值电流相等，均为8A。旋转进电方式下，随着极间距离的增大，放电峰值电流持续减小；随动进电方式下，放电峰值电流基本恒定，放电加工稳定性较好。因此，在进电方式相同的情况下，半导体硅放电加工的峰值电流主要取决于进电金属与工具电极之间的距离。采用随动进电方式进行放电铣削加工时，由于两电极之间距离始终不变，所以维持回路的体电阻不变，因此放电加工的峰值电流不变，放电加工稳定性较好。

2.2 进电方式对接触电阻的影响

分别采用固定、随动进电方式对高阻半导体硅进行放电铣削加工实验，以分析进电方式对接触电阻的影响规律。开始时极间距离D1＝D3，随着加工的延续，固定进电方式下工具电极与进电铜刷之间的距离D1不断减小，用示波器记录开始加工、加工5min、加工10min三个时间点放电回路中的电流情况（图4、图5）。分别对比图1a、图1c可知，固定进电方式下，进电铜刷压紧在工件硅表面但不旋转且D1不断减小；随动进电方式下，工具电极与进电铜刷之间的距离恒为D3，且进电铜刷旋转。

图5 固定进电方式下不同时刻的放电波形

由图5可知，采用固定进电方式对工件硅进行放电铣削加工，开始加工时的放电峰值电流为8A，随着加工的延续，峰值电流逐步减小至加工10min后的4A。

固定进电方式下，随着放电加工的延续，D1不断减小，因此，回路中体电阻不断减小。然而，由图5可知，回路中的放电峰值电流仍在不断减小，说明回路中总电阻在增加，因此可知回路中工件硅与进电铜刷之间的接触电阻在不断增大，且其增大幅度大于极间体电阻的减小幅度。其原因在于：随着放电加工的延续，进电铜刷与工件硅在脉冲电压的作用下不断发生电化学反应，使得工件硅和进电铜刷的表面产生电阻率很高的钝化膜［10］，导致工件硅与进电铜刷之间的接触电阻增大（图6）。随着加工的延续，工件硅表面的钝化膜越来越厚，进电铜刷与工件硅之间的接触电阻越来越大，最终将导致整个放电回路中的电流越来越小，加工无法继续。因此，在加工时间较短的情况下，如采用固定的进电方式，就必须通过在进电接触点涂覆碳浆的方法，阻止工作液进入进电区域，延缓钝化膜的产生，使在一定时间内进电接触区尽可能做到仍然维持欧姆接触。而在随动进电方式下，进电铜刷不断旋转，及时刮除工件硅表面形成的钝化膜，从而保持进电金属与工件硅表面良好的进电接触。

图6 钝化膜对半导体硅与进电金属接触面的影响

2.3 接触电阻、体电阻的对比

观察图3和图5可知：旋转进电方式下，接触电阻基本处于恒定状况，影响放电回路中电流的主要因素为工件硅的体电阻。由于在放电时随着放电通道的形成，热量向通道周围的半导体材料扩散，从而导致极间的体电阻迅速减小，因此放电电流爬坡梯度较大（图3）［11］。固定进电方式下，接触电阻和体电阻均会影响回路中的放电电流。由于工件硅表面进电点形成的高电阻率的钝化膜消耗了输入的电能，放电时通道内的能量减弱，热量对通道周围半导体的加热作用减弱，因此对极间体电阻的降低作用减弱，从而导致放电电流的爬坡梯度较缓（图5）。同时，随着钝化膜的不断形成，最终导致工件硅与进电金属被绝缘钝化膜隔开，使电能无法输入，放电加工无法进行。

3 结语

由固定、旋转、随动进电方式下半导体硅的放电铣削加工实验研究结果可知：随动进电方式的进电效果最好，放电加工稳定性较好。其原因在于：随动进电方式下，进电金属能及时刮除工件硅表面的钝化膜并能保持两极之间的距离不变，因此接触电阻及极间体电阻始终稳定且维持在一个较低的水平上，放电加工稳定性较好。

［1］Peng W Y，Liao Y S.Study of Electrical Discharge Machining Technology for Slicing Silicon Ingots［J］.Journal of Materials Processing Technology，2003，140（1／3）：274－279.

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