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微磨料水射流切割多晶硅的实验研究

作　者: 郭宗环
导　师: 雷玉勇
学　校: 西华大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 微磨料水射流切割多晶硅切割深度断面粗糙度 Matlab
分类号: TN305.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

目前,大规模的集成电路在迅速发展，硅材料作为迄今最常用、最重要的半导体材料,正在被广泛应用于集成电路中,但是,在机械加工中,硅片的切割凸现出如加工效率低、表面完整性差、加工成本高及加工损伤等制造的技术难题，制约硅材料在工业中的应用。微磨料水射流（Micro Abrasive Water Jet，MAWJ）技术是指射流束径在微米级和亚微米级的磨料水射流。微磨料水射流技术是在磨料水射流技术基础上改进、创新发展起来的，它继承和深化了后者的优点，扩展了其应用范围。本文应用微磨料水射流这一新的复合加工技术对多晶硅进行切割加工，依据实验数据建立了多晶硅切割的实验模型，研究出切割过程中切割力及材料损伤层与切削条件间的关系，并分析了不同切割条件下微磨料射流的切割加工参数对加工能力和加工质量的影响。论文应用流体力学基本方程、能量守恒定律以及动量定理等基本理论研究了水射流的速度、流量和其他基本射流参数，得到了微磨料水射流切割的基本理论依据，建立了微磨料水射流切割多晶硅的理论模型；论文运用Fluent软件中的DPM（Discrete PhaseModel）模型，仿真了喷嘴内轮廓结构对磨料轨迹和速度的影响，根据实验室现有的设备选取了最优喷嘴结构，进行了微磨料水射流的切割加工实验，分析了微磨料水射流切割多晶硅时各个工艺参数对材料的加工能力和加工质量产生的影响。论文实验研究了射流压力、靶距、喷嘴的移动速度和磨料流量对多晶硅切割时切割深度和切割断面粗糙度的影响。结果表明，射流压力增加，射流的速度、冲击力和磨料的动能都随之增大，材料被破坏程度加深，切割深度呈线性的关系增大，切割断面粗糙度值明显减小。但在最佳的靶距范围之内，射流靶距增大，射流的能量将会扩散，微磨料水射流将带动磨料颗粒沿射流的轴线冲蚀多晶硅材料，使多晶硅的切割断面粗糙度值减小；在射流的靶距超过切割的最佳值后，靶距再增加，将使加工深度迅速减小,而粗糙度会逐渐增大。喷嘴的移动速度越小，导致微磨料水射流对材料的冲击时间越长，切割深度便会越大，随着喷嘴的移动速度的变大，在单位时间内微磨粒对被切割的材料的反复冲击次数减少，切割的加工深度会明显减小。当喷嘴的移动速度增加到一定值时，加工深度的减小就变得不明显，并且会最终稳定在某一个切割加工深度上，然而切割后断面的粗糙度会随着射流移动速度的增加而增大。磨料流量的变化与切深呈线性关系。随着磨料流量一直增大，切深将变得平缓的增加，而断面粗糙度的减小变化并不明显。论文应用正交实验法和极差分析法对微磨料水射流切割多晶硅进行实验研究和分析。切割的加工深度极差分析的结果表明，射流压力的影响效果最明显，其次是靶距。依据本次实验参数的水平和优化的结果得到在喷嘴的移动速度为5mm/min、靶距为3mm、射流压力为230MPa、磨料流量为95.8g/min时为较优的水平组合；切割断面的粗糙度的极差分析后发现射流压力对结果作用最为明显，其次是磨料流量和喷嘴的移动速度，最后依据本次实验的参数水平以及优化的结果得到在射流压力为230MPa、射流靶距为7mm、喷嘴的移动速度为10mm/min、磨料流量为95.8g/min时为较优水平组合。论文运用Matlab语言和多元回归的分析方法，对微磨料水射流在切割加工多晶硅材料时的切割加工深度（H）以及切割断面的粗糙度（Ra）预测模型。切割的加工深度H具体的预测模型为H=4.609×10^-4P^1.8814S^-0.1684V^-0.2015Q_m^0.1759；切割断面表面的粗糙度Ra的预测模型为Ra=2.008×10⁸P^-3.1430S^-0.011V^0.016Q_m^0.1438。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-26
  1.1 选题背景  11-15
    1.1.1 目的和意义  11
    1.1.2 硅的基本性质  11-13
    1.1.3 多晶硅的生产工艺  13-14
    1.1.4 硅片切割技术  14-15
  1.2 磨料水射流技术概述  15-21
    1.2.0 水射流技术的发展和现状  15-16
    1.2.1 磨料水射流技术的发展动态  16-18
    1.2.2 磨料水射流的产生方法和装置  18-21
  1.3 微磨料水射流特种加工技术  21-24
    1.3.1 微磨料水射流特种加工技术的优点  21-22
    1.3.2 微磨料水射流特种加工技术的不足  22-24
    1.3.3 微磨料水射流特种加工技术应用  24
  1.4 课题提出的背景及研究内容  24-26
2 微磨料水射流切割加工多晶硅的理论研究  26-39
  2.1 流体动力学基本方程  26-27
  2.2 微磨料水射流固液两相流动原理  27-30
    2.2.1 磨粒的沉降运动速度  27-28
    2.2.2 微磨料水射流的动力粘度  28
    2.2.3 两相流动的滑移速度与速度松弛过程  28-30
  2.3 微磨料水射流固液两相流的物理特性  30-31
    2.3.1 两相流体的密度  30
    2.3.2 两相流体的粘度  30-31
    2.3.3 两相流体的可压缩性  31
  2.4 微磨料水射流的结构  31-32
  2.5 微磨料水射流切割材料机理  32-38
    2.5.1 水射流的喷嘴冲击模型  33-36
    2.5.2 微磨料水射流切割理论模型  36-38
  2.6 本章小结  38-39
3 微磨料水射流喷嘴内流场数值模拟  39-47
  3.1 磨料喷嘴的有限元模型  39-46
    3.1.1 磨料喷嘴的物理模型  39-40
    3.1.2 喷嘴内液相水的数学模型  40-41
    3.1.3 喷嘴内固相混合磨粒的数学模型  41
    3.1.4 喷嘴轮廓边界条件及网格划分  41-42
    3.1.5 喷嘴内流场仿真的结果与分析  42-46
    3.1.6 优化结果与实验所用喷嘴的选取  46
  3.2 本章小结  46-47
4 微磨料水射流切割多晶硅的实验研究  47-57
  4.1 微磨料水射流切割加工系统的组成  47-49
  4.2 实验的条件  49-51
    4.2.1 微磨料水射流磨料的选择  49-50
    4.2.2 切割加工参数的选择  50-51
  4.3 实验结果分析  51-56
    4.3.1 射流压力对切割深度的影响  52
    4.3.2 靶距对切割加工深度的影响  52-53
    4.3.3 喷嘴的移动速度对切割深度的影响  53
    4.3.4 磨料流量对切割深度的影响  53-54
    4.3.5 射流压力对切割断面粗糙度的影响  54
    4.3.6 靶距对切割断面粗糙度的影响  54-55
    4.3.7 喷嘴的移动速度对切割断面粗糙度的影响  55
    4.3.8 磨料流量对切割断面粗糙度的影响  55-56
  4.4 本章小结  56-57
5 微磨料水射流切割多晶硅加工质量的回归分析  57-66
  5.1 微磨料水射流切削参数的优化实验设计  57-59
    5.1.1 建立实验的数据及优化目标  57-58
    5.1.2 建立工艺参数优化正交表  58-59
  5.2 优化结果及极差分析  59-60
    5.2.1 实验数据的极差分析  59-60
    5.2.2 确定出影响因素的主次顺序与最优水平组合  60
  5.3 微磨料水射流切割多晶硅实验的回归方程  60-62
    5.3.1 微磨料水射流切割的一般模型  60-61
    5.3.2 微磨料水射流切割多晶硅的回归方程  61-62
  5.4 微磨料水射流切割多晶硅回归方程的误差分析  62-65
    5.4.1 预测回归方程的验证  63
    5.4.2 预测回归方程的误差分析  63-65
  5.5 本章小结  65-66
6 结论与建议  66-68
  6.1 主要工作结论  66-67
  6.2 展望与建议  67-68
参考文献  68-71
攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果  71-72
致谢  72-73

微磨料水射流切割多晶硅的实验研究

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