半导体单晶硅电火花型孔加工及变质层去除研究

发布时间：2020-11-21 23:17

　　 随着科技发展,各种形状的半导体晶体材料零件在无损检测、太空谱线检测、高能光源冷却通道等方面的需求日益增多。然而对于这些特殊结构的半导体晶体,无论采用传统机械加工还是特种加工方法都十分困难,尤其对半导体晶体的型腔、型孔加工就更加困难,并且加工完成后还需要去除其表面变质层,以增强构件结构稳定性,同时起到保障加工表面单晶结构的作用。电火花成形加工作为单晶硅型腔及型孔加工的一种必要加工手段,国内外对其研究还很少。围绕单晶硅的电火花型孔加工技术及变质层去除工艺,本文主要研究内容如下:1.构建了单晶硅电火花型孔加工实验系统。该套系统主要包括专用脉冲电源、伺服控制系统以及工作液冷却循环系统,实现了持续、稳定的单晶硅电火花型孔加工。2.建立了基于能量转换的单晶硅电火花型孔加工蚀除计算模型,定量表征了微观尺度下材料特性对单晶硅放电蚀除过程的影响规律;建立了单晶硅电火花型孔加工等效电路模型,为实现单晶硅电火花型孔加工的稳定持续进行提供了理论依据。针对单晶硅在放电加工中由于具有接触电阻及体电阻从而导致固定的进电位置会在型孔加工中由于放电能量的衰减而产生锥度的问题,提出了采用变能量加工方法减小加工锥度,提高了单晶硅电火花型孔加工的尺寸精度。3.发现了单晶硅在电火花加工过程中出现反向脉冲波形的规律,完善了单晶硅电火花加工机理。对比分析了晶体管电源与RC电源在单晶硅电火花加工中的放电特性,以labview数据采集系统和matlab波形分析系统为研究工具,研究了单晶硅电火花型孔加工过程中的脉冲波形,发现了仅在使用RC电源时会出现反向脉冲,并且它能够提高加工效率,但会降低工件表面质量,增大电极损耗。4.提出了一种基于脉冲概率检测与周期性抬刀相结合的伺服控制方法。设计并构建了以ARM为主控制单元,以电流脉冲概率检测为核心控制思路,能够实时调节电极进给回退的伺服控制系统。正常加工过程中,当采样的电流脉冲概率小于设定值时,电极按预设的进给速度进给,并通过周期性抬刀进行极间工作介质的更新;一旦加工过程中检测到采样电流脉冲概率大于设定值,则立刻进行电极回退操作,通过冲液排出极间蚀除产物,改善极间加工状况,当采样的脉冲概率小于设定值后停止回退并继续进行正常加工。5.提出了一种通过一维驱动实现多维运动的加工模式,该方法能够根据加工需求借助三维打印技术快速制备不同夹具,以实现不同弧度的单晶硅电火花弯孔加工。该方法规避了采用多轴数控电火花机床进行弯孔加工所带来的复杂编程和高成本问题,实现了单晶硅电火花弯孔加工。6.提出了基于布拉格衍射原理的回摆曲线法单晶硅变质层厚度检测技术。实现了对单晶硅电火花型孔加工后工件表面变质层厚度的测定,以及对复合抛光后变质层去除效果的检验。7.提出了基于硅材料下F~-离子催化效应的电解磨料复合抛光技术。该项技术相较通用的平面硅片抛光的化学机械抛光方法,实现了单晶硅电火花型孔加工表面的变质层去除。构建了电解磨料复合抛光实验系统;研制了以氟化钠为添加剂的适用于硅材料抛光的专用电解液;通过电场仿真找到能够保证电场均匀分布的进电位置以解决电解抛光过程中单晶硅从进电处到抛光区域因为体电阻所造成的电势差;设计了与单晶硅型孔形状相同的阴极,在保证电极侧面与型孔表面平行的基础上,开发了基于虚拟仪器的PID实时电解间隙控制系统以保证两电极间维持合适的间隙,保障电解液和磨料在电极和型孔间隙之间快速流动而进行复合抛光,获得了无变质层的单晶硅电火花型孔加工表面。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O613.72
【部分图文】：

第一章 绪论1.1 研究意义及目的当今世界上，同步辐射光源已成为数量最多的在线运行大型科学装置。同步辐射拥有平滑的光谱，高度的准直性，高辐射功率，高亮度，偏振性，可计算性。基于这些优秀性能的同步辐射正在为诸多学科前沿研究和高新技术开发应用提供不可替代的实验研究手段，逐渐得到社会和各国政府的认同[1]。同步辐射一代光源是寄生在高能物理环上的，普遍采用弯铁作为光源；第二代光源指的是同步辐射专用环，采用弯铁和少量的插入件作为光源；采用更高性能的具有专用储存环的第三代光源普遍采用插入件作为光束线的光源（欧洲同步辐射装置 ESRF、美国 APS 光源、日本SPring-8、上海同步辐射光源等）。上述三代同步辐射光源之间的差别，主要体现在电子束斑尺寸以及电子发射度的差异。我国即将启动预先研究[2]的高能同步辐射光源（High Energy PhotonSource，缩写 HEPS）将建设能量为 5~6GeV，束流发射度为 0.05~0.1nm·rad 的第三代同步辐射光源（如图 1.1 所示），高于世界上目前正在运行和建设的同步辐射装置。

有必要从全新的角度开展冷却理论及应用研究。冷却结构的设计及应用方案是多种多样的，图1.5 为欧洲同步辐射装置侧边冷却示意图。图 1. 5 欧洲同步辐射装置 ESRF 侧边冷却示意图根据热传导的速率方程：qx‖=-k（dT/dx） (1-1)其中，qx‖—热流密度(W/m2)，k—导热系数 W/(m·K)，dT/dx—温度梯度。一维平壁的稳态第一晶体旋转轴中心第二晶体

为了减小温度梯度 ΔT，就必须减小热沉 1.6 所示的功率密度分布曲线。由图 1.6图 1. 6 光束功率密度分布曲线[4]环境中，晶体水冷通道需要留出真空密近热源。θ(mrad)
【参考文献】

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本文编号：2893752