De bovengrens van de radius van de gereedschapsranden voor het op nanoschaal nodulair snijden van siliciumwafer

  1. Inleiding

  Er is gerapporteerd [1-11] dat brosse materialen, zoals siliciumwafelmateriaal, machinaal kunnen worden bewerkt in een ductiele modus onder bepaalde omstandigheden voor de vorming van chips. Dergelijke omstandigheden worden gedomineerd door de stressomstandigheden in de chipformatieregio, die kan worden gegenereerd door bepaalde gereedschapsgeometrie en snijomstandigheden, namelijk de onvervormde spaandikte en de verhouding tussen onvervormde spaandikte en radius van snijkant van het gereedschap. Het is gevonden [12] dat bij het snijdenvan brosse materialen, zoals wolfraamcarbide en siliciumwafel, ductiele modus kan chipvorming worden bereikt voor zover de onvervormde spaandikte kleiner is dan de snijkantstraal van het gereedschap en de snijkantstraal van het gereedschap klein isgenoeg, waarbij voor het knabbelen van wolfraamcarbide en siliciumwafer de randradius van het gereedschap op micrometerschaal en nanometerschaal respectievelijk werd gevonden. Gezien de toepassing van ductiele modus snijden in de industrie,zoals in de wafervervaardigingindustrie, waarbij een hoge productiesnelheid altijd vereist is, om een ​​hoge mate van materiaalverwijdering te hebben bij kneedbaar snijden, zou de straal van de snijkant van het gereedschap naar verwachting zo groot mogelijk zijn,zolang de chipvorming in de ductiele modus blijft. Daarom is er een behoefte om de bovengrens van de straal van de snijkant van het gereedschap te bepalen voor het snijden van een bros materiaal in de ductiele modus. In deze studie zijn snij-experimenten geweestuitgevoerd om de bovengrens te bepalen van de gereedschapsrandradius in ductiele modus snijden van enkel kristallijn siliciummateriaal. De resultaten toonden aan dat de bovengrens van de radius van de gereedschapsranden voor het snijden van silicium in de ductiele modus tussen 700 ligttot 800 nm.

  experimentele details

  Machines, gereedschap en werkstuk

  Gezichtsdraaiende experimenten van siliciumwafer werden uitgevoerd op een ultraprecieze draaimachine (Toshiba ULG-100C) met 10 nm positioneringsresolutie met behulp van diamantgereedschappen. Figuur 1 toont de opstelling voor uiterst nauwkeurige face-turning experimentengen. Silicium (111) wafers met een diameter van 100 mm, een dikte van 0,5 mm en met een overlappende afwerking werden als monsters gebruikt. Wafels werden gehecht op aluminium blanco's met behulp van een door warmte verweekte lijm en vervolgens vacuüm op de machinedas gelopen. Als deDe lijmlaag kan niet gelijkmatig worden uitgesmeerd, tegenover de sneden (voorsnoeien) werden uitgevoerd vóór het begin van de experimenten om ervoor te zorgen dat het siliciumoppervlak extreem vlak was. Snijden werd uitgevoerd met behulp van eenkristal diamantgereedschappen vanzes verschillende snijkantradii. Hun geometrieparameters zijn opgesomd in Tabel 1.

  Snijden geometrie

  Figuur 2 toont schematisch een orthogonaal aanzicht van spaanvorming in ductiele modus snijden van brosse materialen met een gereedschap met een grote negatieve spaanhoek en een boogsnijkant, waarbij DE het gereedschapspoorvlak is, BD de boogsnijder isrand, BC is het gereedschapsflankvlak, K is een punt op de boog 656 Snijrichtingsnijkant BD, O is het centrum van de boogsnijkant BD, AB is een gebogen afschuifvlak, y is de harkhoek van het gereedschap, β is de gemiddelde wrijvingshoek tussen de chip en het gereedschap, γk is de lokale hellingshoek op het punt K op de snijrandBD, r is de snijkantradius van het gereedschap, ac is de onvervormde spaandikte, oa de spaandikte, Fr is de resulterende gereedschapskracht, Fc is de snijkracht, Ft is de drukkracht, Fs is de dwarskracht op de schaar vliegtuig, Fns is hetnormale kracht op het afschuifvlak, Ff is de wrijvingskracht op het gereedschapsoppervlak en Fn is de normaalkracht op het gereedschapsoppervlak. Zowel γ als γk hebben grote negatieve waarden.

  Snijomstandigheden

  De snijomstandigheden van het uiterst nauwkeurige gezicht draaien

  Fig. 2 Schematisch diagram van spaanvorming bij het ductiel snijden van een gegroefde en geroteerde staaf van bros materiaal, die werd vastgehouden door een CNC draaibankopname. Verschillende diamanten snijkantradii kunnen worden bereikt door delek tijd.

  De chips werden verzameld met behulp van een dubbelzijdige tape, die op het harkvlak van het diamantgereedschap werd geplaatst. De bewerkte werkstukoppervlaktetextuur en chipformaties werden onderzocht met behulp van scanning-elektronenmicroscoop (SEM) (JEOL JSM-5500).

  De bewerkte topografie van het werkstukoppervlak werd onderzocht met behulp van een atomic force micro-scope (AFM). De oppervlakteruwheid van bewerkte siliciumwafels werd onderzocht met behulp van een Formtracer (Mitutoyo CS-5000).

  Experimenten worden vermeld in tabel 2. Let op dat in volgorde om alleen het effect van de gereedschapsrandstraal op de spaanvorming te bestuderen, werd de verhouding van de ondergevormde spaandikte tot de gereedschapsrandstraal bij alle snijtests vrijwel constant gehouden. Droog zagen werd uitgevoerd ten behoeve vanhet verzamelen van de snij-chips.

  Meting

  De snijkantradius van het gereedschap van het diamantgereedschap werd gemeten door middel van de inkepingsmethode [13] met behulp van een atomic force microscope (AFM) (SEIKO-II, SPA-500). De initiële snijrandstraal was 23 nm. Om een ​​groot diamantgereedschap te krijgensnijkantradius, werd een speciaal lepproces ontworpen zoals getoond in Fig. 3.

  resultaten en discussie

Breuk op bewerkt oppervlak

  SEM- en AFM-foto's van de machinaal bewerkte siliciumwafeloppervlakken die worden verkregen bij het snijden van siliciumwafels met behulp van diamantgereedschappen met verschillende snijkantradii bij een snijsnelheid van 150 m / min worden getoond in de fign. 4 en 5, respectievelijk. Voor deDiamant gereedschap randstraal van 23, 202, 490, 623 en 717 nm, één test werd uitgevoerd onder de voorwaarde dat de onvervormde spaandikte minder was dan de gereedschapsrandradius en de andere test werd uitgevoerd onder de voorwaarde dat dede onvervormde spaandikte was groter dan de randradius van het gereedschap. Voor de randstraal van het diamantgereedschap van 807 nm werden beide tests uitgevoerd onder de voorwaarde dat de onvervormde spaandikte minder was dan de gereedschapsrandradius.

  Zowel SEM- als AFM-waarnemingen gaven aan dat wanneer de snijkantradius van het gereedschap niet groter was dan 807 nm en de onvervormde spaandikte kleiner was dan de snijkantstraal van het gereedschap, de bewerkte werkstukoppervlakken zeer glad waren eninvoermarkeringen werden duidelijk weergegeven op de oppervlakken zoals getoond in Fig. 4 en 5, die tonen dat het snijden werd uitgevoerd onder ductiele modus. Aan de andere kant, wanneer de onvervormde spaandikte groter was dan TABLE 2 Cuttingvoorwaarden657 van uiterst nauwkeurige snijtests Nr. Randstraal gereedschap r (nm) Snijsnelheid Aanvoersnelheid f (μm / omw) Snijdiepte oa UCT ac (nm)

de snijkantstraal van het gereedschap, de bewerkte werkstukoppervlakken waren erg ruw en gebroken,waaruit bleek dat het snijden werd uitgevoerd onder brosse modus. Toen de snijkantradius van het gereedschap echter 807 nm bereikte en zelfs de onvervormde spaandikte veel kleiner was dan de snijkantradius van het gereedschap, het bewerkte werkstukoppervlakken waren zeer ruw en gebroken, wat aantoont dat het snijden onder broedomstandigheden in een brosse toestand werd uitgevoerd. Het is waarschijnlijk dat de snijkantstraal van het gereedschap van 807 nm een ​​bovengrens moet zijn voor de ductiele modussnijden van silicium wafelmateriaal. Dientengevolge moet, om kneedbaar snijden van siliciumwafelmateriaal te bereiken, aan twee voorwaarden worden voldaan: (1) de randradius van het diamantgereedschap moet kleiner zijn dan 807 nm en (2) de onvervormdede spaandikte moet kleiner zijn dan de snijkantradius van het gereedschap.

  Chip formatie

  SEM-foto's van chips gevormd bij het snijden van siliciumwafels met behulp van diamantgereedschappen met verschillende snijkantradii bij een snijsnelheid van 150 m / min worden getoond in Fig. 6. De testen werden uitgevoerd onder de omstandigheden genoemd in Sectie. 2.3.

Roterende, gegroefde aluminiumlegering

  Er werd gevonden dat wanneer de snijkantradius van het gereedschap niet groter was dan 807 nm en de onvervormde spaandikte kleiner was dan de snijkantradius van het gereedschap, de chipvorming in de ductiele modus was, die kan worden geïdentificeerd volgens dechips, zoals getoond in Fig. 6. Zoals eerder vermeld, waren dergelijke verkregen continue chips vergelijkbaar met de chipvorming tijdens het snijden van ductiele materialen, waarbij chipvorming wordt gedomineerd door dislocatie. Aan de andere kant, wanneer deonvervormde spaandikte was groter dan de snijkantradius van het gereedschap, de verkregen spanen schijnen te zijn gevormd in onregelmatige vormen, hetgeen aantoont dat de spaanders waarschijnlijk in brosse modus werden gevormd. Wanneer de snijkantradius van het gereedschap echter is bereikt807 nm en zelfs onvervormde spaandikte was veel kleiner dan de snijkantstraal van het gereedschap, de verkregen chips laten zien dat het snijden in een brosse modus onder de snijomstandigheden werd uitgevoerd. Men geloofde dat het gereedschap snijdende randradius van 807 nm moet een bovengrens zijn voor het bereiken van het nodulair snijden van siliciumwafelmateriaal, dat ook werd getoond in de bewerkte topografie van het werkstukoppervlak. Daarom moet aan twee voorwaarden worden voldaan om te worden verkregenductiele modus snijden van silicium wafermateriaal: (1) de randradius van het diamantgereedschap moet kleiner zijn dan 807 nm en (2) de onvervormde spaandikte moet kleiner zijn dan de snijrandstraal van het gereedschap.

Ruwheid van het bewerkte oppervlak

 Diamant gereedschap

 Fig. 3 Schematische weergave van de snijkant van diamantgereedschap

Diamond slurry

  De oppervlakteruwheid van het bewerkte werkstuk werd onderzocht met behulp van de Formtracer. Figuur 7 toont het effect van de snijrandradius van het diamantgereedschap op Ra-waarden van de oppervlakteruwheid van de bewerkte siliciumwafels. Wanneer de randradius van het gereedschap dat niet wasgroter dan 807 nm, namen de Ra-waarden slechts licht toe met de toename van de gereedschapsradius. Dit kan te wijten zijn aan de toename van de gereedschapstoevoer bij de snijtests, zoals te zien is in Fig. 4. Er werd gevonden dat een zeer goed oppervlakintegriteit werd bereikt onder ductiele modus snijden wanneer aan de twee voorwaarden was voldaan. Toen de randradius van het gereedschap echter 807 nm bereikte, nam de Ra-waarde van de oppervlakteruwheid dramatisch toe, wat aantoont dat deze randradius eenbovengrens voor bereiken658

Fig. 4 SEM-foto's van bewerkte siliciumwaferoppervlakken onder verschillende onvervormde spaandikte met verschillend gereedschapsrandradius glad oppervlak. De belangrijkste reden is dat onder deze omstandigheden bros modussnijden werd bereikt. Datheeft de snijmodus een significant effect op de Ra-waarden van de oppervlakteruwheid.

Fig. 5 AFM-foto's van bewerkte siliciumwafeloppervlakken onder verschillende onvervormde spaandikte met verschillende gereedschapsrandradius

  Discussie

  Er werd gerapporteerd [14] dat de belangrijkste voorwaarde voor de spaanvorming in ductiele modus bij het snijden van brosse materialen deextreem grote samendrukkende spanning, die zo groot is dat scheurpropagatie van materialen die al bestaande gebreken vertonen wordt gescreend en de chipvorming wordt gedomineerd door dislocatie-emissie. De gemiddelde normale drukspanning, σc die inwerkt op decontactoppervlak tussen snijgereedschap en siliciumwafelwerkstuk, Ac kan worden uitgedrukt.

Fig. 6 SEM-foto's van chips gevormd bij het snijden van siliciumwafels onder verschillende onvervormde spaandikte met verschillende gereedschapsrandradius

Fig. 7 Het effect van de snijrandradius van het diamantgereedschap op de oppervlakteruwheid van bewerkte siliciumwafels

  Fig. 8 Verband tussen resulterende snijkracht Fr; werkstuk-werkstuk contactvlak, Ac; gemiddelde normale druksterkte σc en de snijkantstraal van het gereedschap, rwaarbij rc ¼ ac = ao de snijverhouding is en kAB de schuifstroomspanning langs het gebogen afschuifoppervlak AB is.

  Bij het snijden van brosse materialen, zoals silicium, ductiele modus kan chipvorming worden bereikt wanneer de niet gevormde chipdikte kleiner is dan de gereedschapsrandradius. Dus voor het ductiel snijden van brosse materialen, het resulterendesnijkracht Fr.

  Monotoon met de snijkantradius r van het gereedschap. Eq. 4 geeft aan dat het contactgebied Ac van het gereedschap / werkstuk monotoon toeneemt met de snijkantradius r van het gereedschap. Dit komt overeen met de resulterende snijkracht Fr, evenals de tool-werkstuk contactoppervlak Ac, de gemiddelde normale drukspanning σc zoals in Vgl. 1 neemt aanvankelijk geleidelijk af met de gereedschapsrandradius r en neemt vervolgens snel af met r, aangezien Ac snel toeneemt met r.hoe kleiner hoe beter, en er moet een bovengrens zijn van de gereedschapsrandradius voor elk werkstukmateriaal, waarboven het snijden niet in een ductiele modus is. In de experimenten van de huidige studie, deze bovengrens van het gereedschap.

Overweeg het contactgebied tussen het gereedschap en het werkstuk Ac = f (r, ac R, γ), omdat voor een bepaald gereedschap voor het snijden met een enkel kristallijn diamant de straal van de gereedschapshoek R en de hellingshoek γ constant zijn, de snijkantradius in het ductiel modus snijden vansiliciumwafer werd getoond als 807 nm.

  4. Conclusies

  In deze studie is het effect van de snijkantradius van het gereedschap op de spaanvorming en het bewerkte werkstukoppervlak op nanoschaal ductiele wijze, het snijden van siliciumwafermateriaal onderzocht. De resultaten tonen aan dat er een bovengrens iswaarde voor de snijkantstraal van het gereedschap, waarboven de chipvormingsmodus verandert van ductiel naar bros, ook al blijft de onvervormde spaandikte kleiner dan de gereedschapsrandradius. Dit kan te wijten zijn aan de afname vande drukspanning in de chipvormingszone, zoals besproken in Sectie. 3.4. Als gevolg van de snijmodus die van ductiel naar broos verandert wanneer de randradius van het gereedschap groter is dan de bovengrenswaarde, het bewerkte werkstukoppervlakbreekt, waardoor de bewerkte oppervlakteruwheid aanzienlijk toeneemt. In de snijtests van deze studie bleek de bovengrenswaarde voor het snijden van siliciumwafermateriaal met een monokristallijn diamantgereedschap tussen700 tot 800 nm.