（机械制造及其自动化专业论文）硅晶体放电加工电阻特性及穿孔工艺基础研究.pdf

零 n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i e sa n d a s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo fm e c h a n i c a la n d e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g b a s i cr e s e a r c ho nr e s i s t a n c ep r o p e r t i e so fs i l i c o nc r y s t a l a n d p i e r c i n gb y e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g a t h e s i si n m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g b y b iy o n g a d v i s e db y p r o f e s s o rh u a n gy i n - h u i s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g j a n u a r y , 2 0 1 0 ， 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日期： 毕自 o1 0 ，3 i 甚 南京航空航天人学硕士学位论文 摘要 半导体材料因其独特的物理、电学性能，已成为尖端科学技术中应用最为活跃的先进材 料，特别是在航空航天、光学及电子领域中具有十分重要的作用。其中，以晶体硅和晶体锗的 应用最为广泛。大多数半导体材料都属于硬脆材料，加工过程中易断裂，导致加工性能极差， 传统的加工方法已不能满足其加工工艺要求，如何解决其高效精密加工( 如切割、穿孔、成形 等) 已成为国内外研究的热点难题。本课题采用电火花加工技术对半导体硅进行了放电加工研 究，根据半导体材料特有的物理性质和电特性，研究了半导体p 型硅材料放电加工过程中的极 间电阻特性和单向导通特性，探讨提高其放电加工能力的方法。并在此基础上，通过建立半导 体硅电火花穿孔放电加工模型，利用数控电火花穿孔加工实验平台对p 型硅进行了电火花穿孔 工艺试验。 本文的主要工作： 1 、从进电方式方面对半导体硅放电过程中的极间电阻进行了理论和试验研究，分析了极 间电阻特性对放电加工的影响，利用试验分别从点、线、面三种进电方式进行了研究，发现面 进电是进电效果最好的进电方式，为了改善加工条件，合理的选择了放电加工的进电方式。认 识到改善进电方式( 例如增大进电有效接触面积) 可以减小极间电阻，提高放电电流。 2 、通过分析半导体与进电金属材料接触形成的肖特基接触势垒，建立了半导体p 型硅的 放电穿孔加工原理模型和d r 等效电路原理图，从放电通道、进电端接触、放电端接触、体电 阻四个模型进行了详细阐述。 3 、讨论了p n 结和肖特基结的单向导通特性，利用试验研究了半导体硅在放电加工中体 现出来的单向导通特性，合理的选择了其放电加工极性。发现正极性加工方式可以提高p 型 硅的放电加工电流，为提高其放电加工能力奠定了基础。 4 、设计了数控电火花穿孔加工实验平台和一套简易实用的穿孔装置，合理的选择了p 型 硅定位、夹紧、进电方式、加工极性及工作液循环系统，对半导体硅进行了电火花穿孔加：亡工 艺试验，研究了不同工艺参数对穿孔速度和电极损耗的影响规律，随后进行了小孔加工精度和 放电加工电流波形研究，为研究其它半导体材料的放电加工和探讨半导体放电加工机理奠定了 基础。 关键词：电火花加工，极问电阻，硅，进电方式，穿孔，单向导通特性 硅晶体放电加工电阻特性及穿孑l 基础研究 a b s t r a c t s e m i c o n d u c t o rh a sb e c o m et h em o s ta c t i v em a t e r i a li na p p l i c a t i o no fa d v a n c e dt e c h n o l o g yf o ri t s u n i q u ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，e s p e c i a l l y i n a e r o s p a c ei n d u s t r y 、o p t i c s a r e aa n d e l e c t r o n i ca r e a a m o n gt h e m , s i l i c o na n dg e r m a n i u ma r et h em o s tw i d e l yu s e dc r y s t a l s h o w e v e r , m o s to ft h es e m i c o n d u c t o r sa l eh a r d - b r i t t l em a t e r i a l sw h i c ha r ee a s yt ob r e a ki np r o c e s s i n g ，t h i s c a u s e st h ep o o rp r o c e s s a b i l i t yo ft h e m t h u s ，t r a d i t i o n a lm a c h i n i n gc o u l dn o tm e e ti t st e c h n o l o g i c a l r e q u i r e m e n t s h o wt oa c h i e v et h eh s cp r o c e s so ft h e m ( c u t t i n g 、p i e r c i n g 、f o r m i n ge t a l ) i sat o p i c f o rh e a t e dr e s e a r c h t h es u b j e c tr e s e a r c ht h ee d mo fs e m i c o n d u c t o rs i l i c o n b a s e dt h ed i f f e r e n t p h y s i c a lp r o p e r t i e sa n de l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fc o n d u c t o ra n ds e m i c o n d u c t o r , t h ei n t e r - e l e c t r o d e r e s i s t a n c ep r o p e r t i e sa n dt h eo n e - w a yc o n d u c t i v i t yo fp - t y p es i l i c o ns e m i c o n d u c t o ri ne l e c t r i c a l d i s c h a r g em a c h i n i n gw e r es t u d i e d ，t h e nd i s c u s s s e dt h em e t h o do fi m p r o v i n gt h ed i s c h a r g ec a p a c i t yo f s i l i c o nu n d e re d m b a i s e do nt h i s ，t h r o u g ht h ee s t a b l i s ho ft h ee d mm o d e lo fs e m i c o n d u c t o rs i l i c o n ， t h ee d m p i e r c i n gt e s to fp - t y p es i l i c o nw a sc o n d u c t e du n d e rd i s c h a r g ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r m m a i no ft h i ss u b j e c t ： 1 、r e s e a r c hi n t e r - e l e c t r o d er e s i s t a n c ei ne l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n gb a s i n go na n dt h e e f f e c t so nm a c h i n i n g ，a n dp u tf o r w a r ds e m i c o n d u c t o re m dp r o c e s s i n gi no r d e rt oi m p r o v ep r o c e s s c o n d i t i o n s t h ec o n d u c t i o nm o d ei ss t u d i e df r o mp o i n t 、l i n ea n ds u r f a c eb a s e do nt h et e s t i n g ，a n d s u r f a c ei sf o u n dt ob et h eb e s tw a y f r o mi tw ek n o wi m p r o v i n gt h ec o n d u c t i o nm o d e ( s u c ha s i n c r e a s i n gt h e e f f e c t i v ec o n t a c ta r e ao fc o n d u t i o n ) c a nr e d u c et h ei n t e r - e l e c t r o d e r e s i s t a n c ea n d i m p r o v et h ed i s c h a r g ec u r r e n t 2 、b ya n a l y z i n gt h es c h o t t k yc o n t a c tb a r r i e rw h i c hw a sf o r m e db e t w e e ns e m i c o n d u c t o ra n d m e t a lm a t e r i a l s ，t h ed i s c h a r g ep i e r c i n gm a c h i n i n gp r i n c i p l em o d e lo f p t y p es i l i c o na n dt h ee q u i v a l e n t c i r c u i td i a g r a mo ft h ed rw a se s t a b l i s h e d t h e nm o d e lw a si n t r o d u c e df r o mt h ed i s c h a r g ec h a n n e l ， t h ee l e c t r i c a ls i d ec o n t a c t ，d i s c h a r g es i d ec o n t a c t ，b o d yr e s i s i t a n c e 3 、t h et h eo n e - w a yc o n d u c t i v i t yc h a r a c t e r i s t i c so fp nj u n c t i o na n ds c h o t t k yj u n c t i o nw a s d i s c u s s e d t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s ，o n e - w a yc o n d u c t i v i t yc h a r a c t e r i s t i c so fs e m i c o n d u c t o rs i l i c o ni n t h ed i s c h a r g em a c h i n i n gw a ss t u d i e da n di t sd i s c h a r g em a c h i n i n gp o l a r i t yw a ss e l e c t e dr e a s o n a b l y i t i sf o u n dt h a tp o s i t i v ep o l a r i t yp r o c e s s i n gm e t h o dc a ni m p r o v et h ep - t y p es i l i c o ne d mc u r r e n t s ，w h i c h w i l ll a yaf o u n d a t i o nf o ri m p r o v i n gi t se d mc a p a c i t y 4 d e s i g nad i s c h a r g ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r ma n dap r a g m a t i cp i e r c i n gd e v i c e ，a n dc h o o s et h e i i 南京航空航天大学硕十学位论文 r e a s o n a b l ep - t y p es i l i c o nl o c a t i o n 、c l a m p i n g ，c o n d u c t i o nm o d e 、m a c h i n i n gp o l a r i t ya n dw o r k i n g l i q u i dc i r c u l a t i o ns y s t e m ，t h e nt h ee d mp i e r c i n gt e s to fp - t y p es i l i c o nw a sc o n d u c t e dw h i c h r e s e a r c h e dt h ei n f l u e n c eo fe l e c t r i c a lp a r a m e t e ro np i e r c i n gs p e e da n dt h ee l e c t r o d ew e a r t h e nt h e m a c h i n i n ga c c u r a c ya n dc u r r e n tw a v ew e r es t u d i e d ，w h i c hw i l ll a yf o u n d a t i o nf o rt h es t u d yo ft h e d i s c h a r g ep r o c e s so fo t h e rs e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l sa n dt h em e c h a n i s mo fe l e c t r i c a ld i s c h a r g e m a c h i n i n go fs e m i c o n d u c t o r k e y w o r d s ：e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g , i n t e r - e l e c t r o d er e s i s t a n c e ，s i l i c o n ，c o n d u c t i o nm o d e ， p i e r c i n g ，o n e - w a yc o n d u c t i v i t y i i i 硅晶体放电加工电阻特性及穿孔基础研究 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录 图、表清单。v i i 第一章绪论1 1 1 半导体硅材料的应用1 1 2 半导体材料硬脆特性和常用加工方法一2 1 2 1 超精密切削2 1 2 2 超精密磨削。2 1 2 3 超精密研磨一3 1 2 4 抛光加工3 1 2 5 超精密特种加工一3 1 3 小孔加工技术4 1 。4 本课题的研究意义和研究内容。7 1 4 1 研究意义7 1 4 2 研究内容7 第二章半导体硅放电加工极间电阻探讨8 2 1 放电极间电阻定义。8 2 2 体电阻定义8 2 2 1 点面接触体电阻计算9 2 2 1 1 计算模型9 2 2 1 2 各部分电阻计算1 0 2 2 1 3 计算结果与分析1 2 。 2 3 接触电阻定义1 3 2 4 放电回路极间电阻的理论模型及基础研究1 3 2 4 1 回路极间电阻理论模型1 3 2 4 2 试验方法1 4 2 4 3 放电实验验证1 7 2 5 小结1 8 i v 南京航空航天大学硕+ 学位论文 第三章半导体硅放电穿孔加工模型和单向导通特性研究1 9 3 1 金属半导体接触和肖特基势垒1 9 3 2 硅的放电穿孔加工模型2 0 3 - 3 硅的单向导通特性研究2 2 3 3 1 半导体p n 结的单向导通性2 2 3 3 2 肖特基结的单向导通性2 4 3 3 3 单向导通特性试验部分2 5 3 4d 、结2 7 第四章半导体硅电火花穿孔工艺试验研究2 8 4 1 硅电火花穿孔加工脉冲电源设计2 8 4 2 硅电火花穿孔实验平台和穿孔装置设计2 9 4 3 硅电火花穿孔加工工艺特点。3 0 4 3 1 工作液的选取3 0 4 3 2 电极材料的选取3 0 4 3 3 工作液喷液方式3 l 4 3 4 导向孔的采用3 1 4 4 硅电火花穿孔加工工艺试验研究3 1 4 4 1 试验选用的各种材料及仪器3 2 4 4 2 试验原理及装置图3 2 4 4 3 试验内容及结果讨论3 3 4 4 3 1 平均电压对硅穿孔加工速度的影响3 3 4 4 3 2 脉冲宽度对硅穿孔加工速度的影响3 4 4 4 3 3 占空比对硅穿孔加工速度的影响3 5 4 4 3 4 硅电火花穿孔加工精度试验研究3 6 4 4 3 5 平均电压对硅电火花穿孔加工电极损耗影响的试验研究3 7 4 4 3 6 脉冲宽度对硅电火花穿孔加工电极损耗影响的试验研究3 8 4 4 3 7 占空比对硅电火花穿孔加工电极损耗影响的试验研究3 9 4 4 3 8 硅电火花穿孔加工后的小孔形貌和波形分析3 9 4 5 j 、结4 1 第五章总结和展望4 2 5 1 论文完成的主要工作4 2 5 2 后续研究工作展望4 3 v 硅晶体放电加工电阻特性及穿孔基础研究 参考文献一4 4 致谢4 8 攻读硕士期间发表的学术论文4 9 v i 南京航宅航天大学硕十学位论文 图、表清单 图清单 图1 1 超声波电火花复合小孔加工原理图5 图1 2电火花高速小孔加工原理示意图6 图2 1 面面进电电阻计算模型9 图2 2 点面进电电阻计算模型1 0 图2 3电阻计算微小单元图示l o 图2 4 厂似的函数图像1 1 图2 5 多点面接触电阻示意图1 3 图2 6 试验电路模型1 4 图2 7 试验装置示意图1 4 图2 8 三种面接触方式1 5 图2 9 不同面接触下的电流电压曲线一1 5 图2 1 0 三种线接触方式1 5 图2 1 1 不同线接触下的电流电压曲线1 6 图2 1 2 点接触方式1 6 图2 1 3点接触时的电流电压曲线1 6 图2 1 4p 型硅放电切割实验1 7 图2 1 5 放电加工波形( a ) 电压( b ) 电流1 8 图3 1金属和半导体功函数示意图1 9 图3 2 紧密接触的肖特基能带结构图2 0 图3 3p 型硅正极性穿孔加工原理图及等效电路图2 l 图3 4 形成p n 结前的载流子情况2 3 图3 5p 型n 型半导体结合界面处形成p n 结2 3 图3 6 理想p n 结的伏安曲线2 4 图3 7 金属半导体接触形成肖特基结2 4 图3 8肖特基结伏安曲线2 5 图3 9 单向导通性试验原理图2 5 图3 1 0 单向导通性试验曲线图2 6 图3 11 p 型硅正负极性穿孔对比一2 6 v n 硅晶体放电加工电阻特性及穿孔基础研究 图3 1 2 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 图4 图4 图4 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 n 型硅正负极性穿孔对比2 6 放电；o n - r 脉冲电源原理2 8 脉冲电源实物及空载波形2 9 硅电火花穿孑l j j t 工平台2 9 工作液循环系统示意图2 9 穿孔装置三维图2 9 工作液强迫循环方式3 1 硅电火花穿孔试验示意图3 2 。 平均电压与硅穿孔速度的关系曲线图3 3 脉冲宽度与硅穿孔加工速度关系曲线图3 4 占空比与硅穿孔加工速度关系曲线图3 6 平均电压与硅穿孔加工电极相对损耗关系曲线图3 8 脉冲宽度与硅穿孔加工电极相对损耗关系曲线图3 8 占空比与硅穿孑l j j n 工电极相对损耗关系曲线图3 9 p 型硅的正极性放电穿孔加工实验及小孔实物图4 0 半导体硅穿孔加工放电波形。4 0 半导体硅放电加工的几种放电状态4 1 表清单 表1 1 几种常用d , 孑l 3 0 t 工方法对照表4 表2 1 实验工艺参数1 7 表2 2 实验进电方式1 7 表3 1p s i 和n s i 单向导通特性试验参数2 5 表4 1 平均电压对硅电火花穿孑l ；o n 工速度影响试验3 3 表4 2 脉冲宽度对硅电火花穿孑l ；o n 工速度影响试验3 4 表4 3 平均电压为1 1 5v 时，占空比对硅电火花穿孔加：r 速度影响试验3 5 表4 4 平均电压为1 3 9v 时，占空比对硅电火花穿孔加：r = 速度影响试验3 5 表4 5 平均电压为1 5 0v 时，占空比对硅电火花穿孔加工速度影响试验3 5 表4 6 小孔电火花加工尺寸精度试验记录3 6 表4 7 平均电压对硅电火花穿孔i j t - r 电极损耗影响试验3 7 表4 8 脉冲宽度对硅电火花穿孔；o n i 电极损耗影响试验3 8 表4 9占空比对硅电火花穿孔加工电极损耗影响试验3 9 v i i i 南京航空航天火学硕十学位论文 表4 1 0 放电穿孔加工工艺参数4 0 i x 南京航空航天大学硕十学伊论文 第一章绪论 1 1 半导体硅材料的应用 半导体材料是指电阻率在1 0 6 1 0 7 t l - m 、导电能力介于金属和绝缘体之间的材料。它是制 作晶体管、集成电路、电力电子器件和光电子器件的重要基础材料，支撑着通信、计算机、信 息家电与网络技术等电子信息产业的发展。其中，硅又是最重要、应用最广泛的半导体材料， 单晶硅由于具有良好的耐高温和抗辐射性能已经成为大规模集成电路产业的基础，9 0 以上的 大规模集成电路、超大规模集成电路都是制作在高纯优质的硅抛光片和外延片上，被称为现代 信息社会的基石【1 2 1 。集成电路技术是推动国民经济和社会信息化发展最主要的高新技术，也 是改造和提升传统产业的核心技术 3 j 。 半导体工业是信息产业的基础和核心，是国民经济现代化与信息化建设的先导与支柱产 业，是改造和提升传统产业及众多高新技术的核心技术。而半导体硅材料则是半导体工业的最 重要的主体功能材料，是第一大功能电子材料，至今全球硅材料的使用仍占半导体材料总量的 9 5 以上，而且国际集成电路( i c ) 芯片及各类半导体器件的9 5 以上也是用硅片制造的。硅材 料、硅器件和硅集成电路的发展与应用水平早已成为一个国家的国力、国防、国民经济现代化 及人民生活水平的重要标志。 随着地球上矿物能源的加速消耗所造成的“能源危机”不断加剧及传统能源消耗所产生的 二氧化碳等温室气体对环境压力的不断加重，开发新能源、可再生能源、绿色能源已成为人类 社会今后的重大课题。其中，利用太阳能发电的硅太阳能电池的研究与生产是最具前途的科技 前沿之一。因此，半导体硅材料的研究与生产又进入了新的发展期。经过掺杂的晶体硅( 电阻 率0 5 3 q c m ) 的一个重要用途是用于制作高效率太阳能电池，近年来，利用太阳能电池的 光伏效应发电，已给人类展示了一幅非常广阔的前景，并已开始影响人类的工业生产和日常生 活，且必将更迸一步渗透到人类社会生活的诸多领域。目前世界太阳能电池装机容量的年增长 率超过3 0 n ，根据所用材料的不同，太阳能电池可分以下几种【5 】：l 、硅太阳能电池；2 、 以无机盐如砷化镓- v 化合物、硫化镉等多元化合物为材料的电池；3 、功能高分子材料制备 的太阳能电池；4 、纳米晶太阳能电池等。但迄今为止，晶体硅仍是最理想的太阳能电池材 料，其中单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最成熟，光电转换效率最高可达2 3 3 【5 】。 利用晶体硅生产的太阳能电池市场占有率约为9 0 ，并且晶体硅作为基体的太阳能电池材料 的状况在今后2 0 年中也不会发生根本转变【9 1 。作为一种取之不尽的清洁能源，太阳能的开发 利用正引起人类前所未有的极大关注【1 0 】。 硅晶体放电加工电阻特性及穿孔基础研究 1 2 半导体材料硬脆特性和常用加工方法 随着现代科学技术的发展，硬脆材料在现代高技术行业的诸多领域，特别是在航空航天、 光学及电子领域中具有十分重要的作用，而且这些材料往往对工件的加工精度和表面质量有非 常高的要求。但是到目前为止，硬脆材料的加工仍然是一件困难的事情，因为它们最突出的一 个特性就是材料的脆性高，断裂韧性低，材料的弹性极限和强度非常接近。当材料所承受的载 荷超过弹性极限时就发生断裂破坏，在已加工表面产生裂纹和凹坑，严重影响其表面质量和性 能，所以硬脆材料的可加工性极差。硬脆材料种类繁多，在高新技术领域应用广泛，常见的有 单晶硅、单晶锗、z n s e 、z n s 、铌酸锂( l i n b 0 3 ) 和k d p 等。 大多数半导体材料都属于硬脆材料，单晶硅、锗等半导体晶体具有脆性大、断裂强度和屈 服强度比较接近的特点，在常温下加工，往往在塑性变形前即产生裂纹，很难获得高质量的加 工表面，1 2 】。通常采用研磨和抛光的方法进行加工，生产效率和加工型面精度均较低，加工 精度不易保证，加工过程不易实现计算机控制，对于非球曲面等复杂的工件表面甚至无法加工 【1 3 1 4 1 。利用超精密加工方法加工单晶硅、锗等脆性半导体晶体的技术也逐步发展起来。普通 加工方式加工半导体晶体时，材料去除是通过脆性断裂的方式实现的，被加工表面很容易产生 应力集中点形成裂纹1 5 ，1 6 1 ，而超精密加工的原理是脆性材料在超精密的加工条件下断裂方式 可以由脆性断裂转变为塑性断裂从而避免裂纹的产生f 1 7 1 8 1 。这种9 h i 方式的进给量非常低， 一般小于5 0 加“”j 。 1 2 1 超精密切削 超精密切削加工的特点是采用金刚石刀具，金刚石刀具与有色金属亲和力小，其硬度、耐 磨性以及导热性都非常优越，且能刃磨得非常锋利，可加工出优于r a 0 0 1 脚的表面粗糙度。 此外，超精密切削加工还采用了高精度的基础元部件( 如空气轴承、气浮导轨等) 、高精度的定 位检测元件( 如光栅、激光检测系统等) 以及高分辨率的微量进给机构。机床本身采取恒温、防 振以及隔振等措施，还要有防止污染工件的装置。机床必须安装在洁净室内，进行超精密切削 加工的零件材料必须质地均匀，没有缺陷。在这种情况下加工无氧铜，表面粗糙度可超硬脆材 料的超精密加工技术研究达到r a o 0 0 5 肛m ，加工8 0 0 r a m 的非球面透镜，形状精度可达0 2 肛m 。 1 2 2 超精密磨削 超精密磨削技术是近期发展起来的一种新的加工光学器件方法，它是在高刚度超精密磨床 上，用金刚石砂轮对材料表面迸行磨削加工。实现对光学器件的超精密磨削，其加工的关键是 使光学器件以塑性变形方式去除。在磨粒的作用下，材料表面刚好产生微裂纹时磨粒切入的厚 度叫临界切削厚度( 又称为临界切削深度) 。 2 南京航空航天大学硕十学位论文 超精密磨削的生产效率及加工表面质量均很高。但这种加工技术也存在以下问题：如何保 证砂轮上的磨粒分布均匀、高度一致；由于磨屑堵塞砂轮而导致磨削力增加，在工件表面易产 生裂纹。这些关键问题还有待进一步解决。 1 2 3 超精密研磨 超精密研磨包括机械研磨、化学机械研磨、浮动研磨、弹性发射加工以及磁力研磨等加工 方法。超精密研磨加工出的球面度可达0 0 2 5 | i m ，表面粗糙度可达r z 0 0 0 3 3 # m 。利用弹性发射 加工可加工出无变质层的镜面，表面粗糙度可达r a 0 5 n m 。最高精度的超精密研磨可加工出平 面度为) 、2 0 0 的零件。超精密研磨的关键条件是几乎无振动的研磨运动、精密的温度控制、洁 净的环境以及细小而均匀的研磨剂。此外高精度检测方法也必不可少。 1 2 4 抛光加工 抛光加工方法是超精密加工脆性光学材料的一种传统方法，有着很古老的历史。它是通过 在作相对运动的抛光模与工件间加入抛光粉，使抛光磨粒对工件进行刮擦、挤压以及抛光液与 被加工材料间发生的化学反应来实现的。因为工件材料是在很大的加工面积内用极小的磨粒以 极低的速率去除的，所以尽管材料很脆，加工表面也是处于塑性域加工，其表面不会产生裂 纹。抛光加工方法有很多缺点：首先是生产效率低，加工过程主要依靠人的因素，不易精确控 制，难以实现生产过程的自动化控制；其次，它只能力d j - - 简单的表面，如平面、球面或简单的 非球曲面，而对于有着非常广泛应用的抛物面、高次曲面等非球曲面表面则无法n i ；最后， 由于抛光液和材料表面的化学作用对材料表面产生腐蚀，造成表面污染，影响了表面材料的物 理特性。 1 2 5 超精密特种加工 电子束加工是指在真空中将阴极( 电子枪) 不断发射出来的负电子向正极加速，并聚焦成 极细的、能量密度极高的束流，高速运动的电子撞击到工件表面，动能转化为势能，使材料熔 化、汽化并在真空中被抽走。控制电子束的强弱和偏转方向，配合工作台x y 方向的数控位 移，可实现打孑l 、成形切割、刻蚀、光刻曝光等工艺。 离子束加工是指在真空将离子源产生的离子加速、聚焦使之撞击工件表面。由于离子是 带正电荷且质量比电子大数千万倍，加速以后可以获得更大的动能，它是靠微观的机械撞击能 量而不是靠动能转化为热能来加工的，可用于表面刻蚀、超净清洗，实现原子、分子级的切削 加工。 激光束加工是指由激光发生器将高能量密度的激光进一步聚焦后照射到工件表面，光能 被吸收瞬时转化为热能。根据能量密度的高低，可实现打孔、精密切割、加工精微防伪标志 3 硅晶体放电加工电阻特性及穿孔基础研究 等。 微细电火花加工是指在绝缘的工作液中通过工具电极和工件间脉冲火花放电产生的瞬时 局部高温来熔化和汽化去除金属的。加工过程中工具与工件间没有宏观的切削力，只要精密地 控制单个脉冲放电能量并配合精密微量进给就可实现极微细的金属材料的去除，可加工微细 轴、孔、窄缝、平面以及曲面等。 微细电解加工是指导电的工作液中水离解为氢离子和氢氧根离子，工件作为阳极，其表 面的金属原子成为金属正离子溶入电解液而被逐层地电解下来，随后即与电解液中的氢氧根离 子发生反应形成金属氮氧化物沉淀，而工具阴极并不损耗，加工过程中工具与工件间也不存在 宏观的切削力，只要精细地控制电流密度和电解部位，就可实现纳米级精度的电解加工，而且 表面不会产生加工应力。常用于镜面抛光、精密减薄以及一些需要无应力加工的场合。 复合加工是指采用几种不同能量形式、几种不同的工艺方法，互相取长补短、复合作用 的加工技术，例如电解研磨、超声电解加工、超声电解研磨、超声电火花、超声切削加工等， 可比单一加工方法更有效，适用范围更广。 ( i ) l 1 g a ( l f i h o g r p a h i cg a l v n a o f i n m i ga b o f m r n i g ) 技术是最新发展的光刻、电铸和模铸复合 微细加工技术。它采用深层同步辐射x 射线光刻，可以制造微型器件最大高度为1 0 0 0 j 【m ，高 宽比为2 0 0 的立体微结构，加工精度可达0 1 # m 。 s 1 m ( 扫描隧道显微镜) 技术主要是指c b i n n i n g 和h r b o e r r 发明的扫描隧道显微镜不但使 人们可以以单个原予的分辨率来观测物体的表面结构，而且也可为以单个原子为单位的纳米级 加工提供了理想途径，应用扫描隧道显微镜技术可以进行原子级操作、装配和改型。 1 3 小孔加工技术 表1 1 几种常用小孔加工方法对照表 孔加工是机械加工中所占比例较大的一种重要加工工序。据统计，孔加工约占机械加工总 量的三分之一。在孔加工中，尤其以小孔、深孔的加工最为困难。特别是近年来随着产品对材 4 南京航空航天大学硕十学伊论文 料性能的要求越来越高，经常需要在一些高硬度、高强度的难加工材料( 如模具钢、硬质合 金、陶瓷材料和聚晶金刚石等) 及一些硬脆材料( 硅、锗、碳化硅等) 上进行小孔、深孔加 工。这些小孔用一般的传统加工方法加工效率很低或者就根本无法加工。随着现代科学技术和 工业生产的发展，对难加工材料上的小孑l 加工技术提出了迫切的需求。目前，国内外对于难加 工材料上的小孔加工主要采用特种加工的方法。这些小孔的特种加工方法主要包括电火花加 工、电解加工、激光加工、超声波加工、电子束加工等。 目前，电火花加工已可以加工直径为l o # m 甚至更小的小孔。虽然该方法在小孔加工方面 有着其它方法无可比拟的优越性，但是由于加工小孔时工具电极截面积小，可用的加工电规准 小，爆炸力弱，使得电蚀产物在孔底难以排出。随着加工的进行，放电间隙的电蚀产物浓度越 来越高，容易在间隙中搭桥，造成短路，使加工不稳定，而且二次放电的几率越来越高。这些 不仅使生产率下降，还使得加工质量受到很大影响，如加工的孔存在严重的喇叭口等。因此采 用一般的电火花加工方法加工小孔，不仅效率低，质量差，而且加工深度受到一定的限制，一 般深径比不大于2 0 。严重阻碍了该加工方法在深小孔加工方面的应用，目前该方法在深小孔加 工中的比例小于5 。 为了改善电火花小孔加工过程中的排屑，以提高加工效率和加，在普通电火花小孔加工的 基础上，又发展起来了超声波电火花复合小孔加工、高速电火花小孔加工和微细电火花加工等 新的电火花小孔加工工艺。超声波电火花复合小孔加工是指在电火花加工中，将超声波振动加 在工具电极上，使 - = 具电极端面在伺服进给的同时作超声振动，使小孔加工中的排屑状况得到 改善，以提高加工的稳定性和生产率。图1 1 是超声波电