微磨料水射流切割多晶硅的實(shí)驗(yàn)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(jí)和亞微米級(jí)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(lái)的，它繼承和深化了后者

2、的優(yōu)點(diǎn)，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(duì)多晶硅進(jìn)行切割加工，依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了多晶硅切割的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，研究出切割過(guò)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(duì)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(dòng)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(duì)磨料軌跡和速度的影響，根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，分析了微磨料水射流切割多晶硅時(shí)各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)材料的加工能力和加工質(zhì)量產(chǎn)生的影響。
　　論文實(shí)驗(yàn)研究了射流壓力、靶距、噴嘴的移動(dòng)速度和磨料流量對(duì)多晶硅切割時(shí)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(dòng)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(huì)擴(kuò)散，微磨料水射流將帶動(dòng)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??；在射流的靶距超過(guò)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(huì)逐漸增大。噴嘴的移動(dòng)速度越小，導(dǎo)致微磨料水射流對(duì)材料的沖擊時(shí)間越長(zhǎng)，切割深度便會(huì)越大，隨著噴嘴的移動(dòng)速度的變大，在單位時(shí)間

5、內(nèi)微磨粒對(duì)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(huì)明顯減小。當(dāng)噴嘴的移動(dòng)速度增加到一定值時(shí)，加工深度的減小就變得不明顯，并且會(huì)最終穩(wěn)定在某一個(gè)切割加工深度上，然而切割后斷面的粗糙度會(huì)隨著射流移動(dòng)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(shí)驗(yàn)法和極差分析法對(duì)微磨料水射流切割多晶硅進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)參數(shù)的水平和優(yōu)化的結(jié)果得到在噴嘴的移動(dòng)速度為5mm/min、靶距為3mm、射流壓力為230MPa、磨料流量為95.8g/min時(shí)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(duì)結(jié)果作用最為明顯，其次是磨料流量和噴嘴的移動(dòng)速度，最后依據(jù)本次實(shí)驗(yàn)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(dòng)速度為10mm/min、磨料流量為95.8g/