半导体晶体材料表面进电特性及电火花铣削加工研究

论文摘要

半导体诸如硅、锗因其具有对光、热、电、磁等外界因素变化十分敏感而独特的电学性质,已成为尖端科学技术中应用最为活跃的先进材料之一。然而其硬度高、脆性很大,传统机械加工方法很难加工。因此,迫切需要探索新的加工方法。本课题组利用电火花线切割技术进行了加工试验。由于半导体的特殊电学特性,进电表面存在接触电阻、钝化等现象。本文在理论研究和试验的基础上,研究了接触电阻、钝化产生的原因,并提出切实可行的进电方式,在此基础上进行了半导体电火花铣削加工的初步研究。主要研究内容如下:(1)针对硅材料从理论上分析了产生接触电阻的原因,建立了切割回路中的导电原理模型。分析了与接触电阻有关的几个因素,如进电方式、进电材料、接触压力对接触电阻的影响。实验结果表明:选择进电材料时,进电材料的功函数与所要加工的半导体的功函数尽量接近;选择接触形式,两个材料接触时要形成面接触,同时在允许的范围内尽量增大接触压力来减小接触间隙,这样会得到更小的接触电阻。(2)实验模拟锗晶体电火花线切割加工过程,提出“钝化膜”这个概念。通过理论分析、观察实验现象、运用XRD技术分析新生成物质,确定这种新生成的物质为电解的锗离子与氢氧根离子反应生成的半导体氧化物。然后对硅材料也进行“钝化”实验,发现硅的电解现象非常弱,所以其钝化现象非常弱,几乎可以忽略。针对锗的钝化,提出了两种钝化预防与消除方法,通过实验比较,确定“涂抹法”是预防钝化的有效措施。利用这种方法进行了实验验证与实际加工,与原来的加工方法进行实验对比,发现切割效率、稳定性得到很大的提高与改善。(3)设计了三维铣削工作平台及其电源装置。以空载电压、脉宽、占空比等几个因素为出发点,利用该实验设备进行了硅的铣削加工实验,加工出了深槽、“U”和“L”形槽,证明利用电火花铣削技术加工硅的可行性。这是将电火花铣削技术应用到半导体加工领域,有必要对该技术继续进行深入的研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 图、表清单
• 注释表
• 第一章 绪论
• 1.1 半导体性质、分类及其应用
• 1.2 半导体的加工方法
• 1.2.1 外内圆切割
• 1.2.2 线锯切割
• 1.2.3 超精密成型加工
• 1.2.4 电火花线切割
• 1.3 研究背景及意义
• 1.4 研究内容
• 第二章 实验材料设备与装置设计
• 2.1 实验材料与设备
• 2.2 实验原理与方法
• 2.2.1 接触电阻的试验方法
• 2.2.2 钝化实验方法
• 2.3 铣削装置的设计
• 2.3.1 电源的设计
• 2.3.2 铣削机械装置的设计
• 2.4 小结
• 第三章 半导体放电加工中的接触电阻
• 3.1 理论基础
• 3.1.1 价带、导带和电子与空穴
• 3.1.2 费米能级
• 3.1.3 功函数
• 3.2 接触电阻的定义
• 3.2.1 研究接触电阻的意义
• 3.2.2 减小接触电阻原则
• 3.3 影响接触电阻的因素及其实验方案
• 3.3.1 试验方案与原理
• 3.3.2 导电原理
• 3.3.3 影响因素——进电方式
• 3.3.4 影响因素——进电材料
• 3.3.5 影响因素——接触压力
• 3.4 小结
• 第四章 半导体放电加工中的表面钝化问题
• 4.1 钝化现象
• 4.1.1 钝化现象及其影响
• 4.1.2 钝化的原因
• 4.2 钝化预防与消除
• 4.3 切割实验验证
• 4.4 小结
• 第五章 半导体的电火花铣削加工试验
• 5.1 电火花铣削技术的发展与特点
• 5.2 电火花铣削加工中的电极损耗及其加工速度
• 5.2.1 影响电极损耗的主要因素
• 5.2.2 对电极损耗采取的措施
• 5.2.3 影响加工工艺的主要参数
• 5.2.4 加工效果
• 5.3 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文完成的主要工作
• 6.2 创新点
• 6.3 后续研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文