微磨料水射流切割多晶硅的實驗研究.pdf

1、目前,大規(guī)模的集成電路在迅速發(fā)展，硅材料作為迄今最常用、最重要的半導(dǎo)體材料,正在被廣泛應(yīng)用于集成電路中,但是,在機(jī)械加工中,硅片的切割凸現(xiàn)出如加工效率低、表面完整性差、加工成本高及加工損傷等制造的技術(shù)難題，制約硅材料在工業(yè)中的應(yīng)用。
　　微磨料水射流(MicroAbrasiveWaterJet，MAWJ)技術(shù)是指射流束徑在微米級和亞微米級的磨料水射流。微磨料水射流技術(shù)是在磨料水射流技術(shù)基礎(chǔ)上改進(jìn)、創(chuàng)新發(fā)展起來的，它繼承和深化了后者

2、的優(yōu)點，擴(kuò)展了其應(yīng)用范圍。本文應(yīng)用微磨料水射流這一新的復(fù)合加工技術(shù)對多晶硅進(jìn)行切割加工，依據(jù)實驗數(shù)據(jù)建立了多晶硅切割的實驗?zāi)Ｐ停芯砍銮懈钸^程中切割力及材料損傷層與切削條件間的關(guān)系，并分析了不同切割條件下微磨料射流的切割加工參數(shù)對加工能力和加工質(zhì)量的影響。
　　論文應(yīng)用流體力學(xué)基本方程、能量守恒定律以及動量定理等基本理論研究了水射流的速度、流量和其他基本射流參數(shù)，得到了微磨料水射流切割的基本理論依據(jù)，建立了微磨料水射流切割多晶硅的

3、理論模型；論文運(yùn)用Fluent軟件中的DPM（DiscretePhaseModel）模型，仿真了噴嘴內(nèi)輪廓結(jié)構(gòu)對磨料軌跡和速度的影響，根據(jù)實驗室現(xiàn)有的設(shè)備選取了最優(yōu)噴嘴結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了微磨料水射流的切割加工實驗，分析了微磨料水射流切割多晶硅時各個工藝參數(shù)對材料的加工能力和加工質(zhì)量產(chǎn)生的影響。
　　論文實驗研究了射流壓力、靶距、噴嘴的移動速度和磨料流量對多晶硅切割時切割深度和切割斷面粗糙度的影響。結(jié)果表明，射流壓力增加，射流的速度、沖擊

4、力和磨料的動能都隨之增大，材料被破壞程度加深，切割深度呈線性的關(guān)系增大，切割斷面粗糙度值明顯減小。但在最佳的靶距范圍之內(nèi)，射流靶距增大，射流的能量將會擴(kuò)散，微磨料水射流將帶動磨料顆粒沿射流的軸線沖蝕多晶硅材料，使多晶硅的切割斷面粗糙度值減小；在射流的靶距超過切割的最佳值后，靶距再增加，將使加工深度迅速減小,而粗糙度會逐漸增大。噴嘴的移動速度越小，導(dǎo)致微磨料水射流對材料的沖擊時間越長，切割深度便會越大，隨著噴嘴的移動速度的變大，在單位時間

5、內(nèi)微磨粒對被切割的材料的反復(fù)沖擊次數(shù)減少，切割的加工深度會明顯減小。當(dāng)噴嘴的移動速度增加到一定值時，加工深度的減小就變得不明顯，并且會最終穩(wěn)定在某一個切割加工深度上，然而切割后斷面的粗糙度會隨著射流移動速度的增加而增大。磨料流量的變化與切深呈線性關(guān)系。隨著磨料流量一直增大，切深將變得平緩的增加，而斷面粗糙度的減小變化并不明顯。
　　論文應(yīng)用正交實驗法和極差分析法對微磨料水射流切割多晶硅進(jìn)行實驗研究和分析。切割的加工深度極差分析的結(jié)

6、果表明，射流壓力的影響效果最明顯，其次是靶距。依據(jù)本次實驗參數(shù)的水平和優(yōu)化的結(jié)果得到在噴嘴的移動速度為5mm/min、靶距為3mm、射流壓力為230MPa、磨料流量為95.8g/min時為較優(yōu)的水平組合；切割斷面的粗糙度的極差分析后發(fā)現(xiàn)射流壓力對結(jié)果作用最為明顯，其次是磨料流量和噴嘴的移動速度，最后依據(jù)本次實驗的參數(shù)水平以及優(yōu)化的結(jié)果得到在射流壓力為230MPa、射流靶距為7mm、噴嘴的移動速度為10mm/min、磨料流量為95.8g/