线切割法加工半导体材料的发展现状

摘 要：介绍了电火花线切割法加工半导体材料的优势、加工原理和难点；引出线切割法加工半导体材料时的"接触式放电现象"和等效电路；介绍了半导体单晶Si线切割加工的最佳放电参数。简单概括了国外该领域的研究现状和面临的问题。

关键词：电火花线切割；半导体材料；接触式放电；接触势垒

半导体材料是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的一类材料，这类材料的电导率对杂质和外界因素（光、热、磁等）高度敏感，当人为的引导掺入特定杂质元素时，可以控制材料的导电性能；此外在光照和热辐射条件下，其导电性也有明显的变化。当今社会发展迅速，如今绝大部分的电子产品，如计算机、智能手机、多媒体终端的核心单元都和半导体材料有着密切的关联，因此，半导体材料的加工方法一直是机械行业的热门话题。半导体材料多数为典型的脆硬材料，利用传统的机械加工方式加工时，会在加工表面造成崩碎和裂纹，严重影响其表面质量和性能。这也是半导体材料共有的一个特性，制约着半导体材料更广泛的应用。电火花线切割的加工原理是通过放电过程中产生的瞬时高温来蚀除材料，因此对加工材料的硬度、脆性等物理特性没有限制，理论上十分适合用来加工半导体这类高脆性、高硬度材料。

潘慧君在研究电火花线切割方法加工半导体硅时，发现了“接触式放电现象”：电火花线切割方法加工传统导体时，放电瞬间电极丝与工件之间有很小的放电间隙，是典型的的非接触式加工。但在加工半导体材料时，由于半导体特殊的电阻特性，电极丝已经被工件严重顶弯的情况下依然可以产生火花放电， 并且蚀除

工件材料。（如图1，2）同时研究了微接触式放电状态下提高加工效率的方法，研究认为主要是由于脉冲放电本身利用效率的提高和侧边放电几率的降低这两个原因导致整体切割效率的提高[1]。

邱明波对半导体材料的进电特性和接触势垒进行了研究，并提出了半导体材料放电加工的等效电路模型，其中半导体材料与金属接触的部分可以用二极管等效（D1，D2），由于加工过程中半导体的电阻也在发生变化，故用可变电阻R等效，由于半导体自身有体电阻，半导体与进电金属、半导体与电极丝之间均有接触势垒，用RL等效[2]，如图3。但邱明波研究的自动伺服进给系统是基于金属电火花加工中的平均电压检测法和峰值电压检测法得到的，实际加工中要考虑到除了间隙电压之外，还存在半导体材料体电阻压降和接触势垒压降的因素， 所以严重影响了该了该伺服系统的准确性。

辛彬[3]在研究单晶 Si的电火花加工时，使用了满意度函数方法找出了最佳放电参数：当峰值电流为18.5 A、脉冲宽度为358.62μ s、脉冲间隔为20μ s时，满意度为0.912，此时材料去除率的最大值为76.26 mm3/ min。使用这一系列的放电参数在电火花成型机床上做重复实验，测得P型单晶硅的平均加工速度可达到73. 86 mm3 /min。函数预测数据与最佳放电参数下的实验结果平均值相对误差仅为3.2%。

比利时KU Leuven和美国The University of Nebraska的学者采用慢走丝线切割机床对半导体硅片进行加工并研究了最佳加工工艺，实验结果表明：当单晶硅或多晶硅的电阻率≦20Ω？ cm时具备较好的加工可行性[4～5]。日本Okayama University的学者使用类似快走丝电火花线切割机床和去离子水作为工作液，研究了单晶硅棒的电火花线切割加工的最佳工艺参数，达到了93.3 mm2/ min的切割效率[6]。此外美国 NASA的 Arnold、美国Utah State University的学者 Rakwal和 Bamberg均用电火花线切割技术研究了半导体锗材料的加工工艺， 并取得了不错的加工效果[7～8]。

到目前為止，半导体材料的加工依旧是机械行业的一个难题，即便是采用电火花线切割的加工方法，也会因为半导体电阻率比金属材料高出3～4个数量级，且其电特性十分特殊等原因，一般都局限在较低电阻率范围，对于电阻率较高的材料，加工难度依旧很大。

参考文献：

[1]潘慧君. 半导体电火花线切割微接触式放电高效切割机理研究[J]. 人工晶体学报， 2013， 42（7）： 1336-1342

[2]黄赛娟，刘志东，邱明波，田宗军，潘慧君.半导体硅电火花成形持续加工条件研究[J].电加工与模具，2014，（第2期）.

[3]辛彬，李淑娟，李玉玺.单晶硅电火花成形加工试验研究与工艺参数优化[J].兵工学报，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.

作者简介：

周世乾（1990-），男，民族：汉族，籍贯：湖北武汉，当前职务：教师，当前职称：初级，学历：硕士，研究方向：半导体线切割。