Il limite superiore del raggio del bordo dell'utensile per il taglio in modalità duttile su nanoscala del wafer di silicio

  1. Introduzione

  È stato riportato [1-11] che materiali fragili, come il materiale in wafer di silicio, possono essere lavorati in modo duttile in determinate condizioni di formazione del truciolo. Tali condizioni sono dominate dalle condizioni di stress nella formazione del trucioloregione, che può essere generata da determinate geometrie degli utensili e condizioni di taglio, ovvero lo spessore del truciolo non deformato, nonché il rapporto tra lo spessore del truciolo non deformato e il raggio del tagliente dell'utensile. È stato trovato [12] quello nel tagliodi materiali fragili, come il carburo di tungsteno e il wafer di silicio, è possibile ottenere la formazione di chip in modo duttile per quanto lo spessore del truciolo non deformato è inferiore al raggio del tagliente dell'utensile e il raggio del tagliente dell'utensile è piccoloabbastanza, in cui per il taglio in modo duttile del carburo di tungsteno e del wafer di silicio il raggio del tagliente dell'utensile è risultato essere a scala micrometrica e scala nanometrica, rispettivamente. Considerando l'applicazione del taglio in modo duttile nell'industria,ad esempio nell'industria della fabbricazione di wafer, in cui è sempre richiesto un alto tasso di produzione, per ottenere un'elevata velocità di asportazione del materiale nel taglio in modo duttile, il raggio del tagliente dell'utensile dovrebbe essere il più ampio possibilefinché la formazione del truciolo rimane in modalità duttile. Pertanto, è necessario determinare il limite superiore del raggio del tagliente dell'utensile per il taglio in modalità duttile di un materiale fragile. In questo studio, sono stati fatti esperimenti di tagliocondotto per determinare il limite superiore del raggio del tagliente nel taglio in modo duttile di un singolo materiale di silicio cristallino. I risultati hanno mostrato che il limite superiore del raggio del tagliente per il taglio in modalità duttile del silicio è tra 700a 800 nm.

  Dettagli sperimentali

  Macchine, utensili e pezzi

  Esperimenti di face siliconatura su wafer di silicio sono stati effettuati su un tornio ultra-preciso (Toshiba ULG-100C) con risoluzione di posizionamento di 10 nm utilizzando utensili diamantati. La Figura 1 mostra l'impostazione per esperienza di tornitura del volto ultraprecisamenti. Come campioni sono stati usati wafer di silicio (111) di diametro 100 mm, spessi 0,5 mm e con finitura lappata. Le cialde sono state incollate su grezzi di alluminio usando una colla termo-ammorbidita e poi sono state depositate sotto vuoto sul mandrino della macchina. Come illo strato di colla non può essere distribuito uniformemente, i tagli di fronte (pre-taglio) sono stati eseguiti prima dell'inizio degli esperimenti per assicurare che la superficie di silicio fosse estremamente piatta. Il taglio è stato eseguito utilizzando utensili diamantati a cristallo singolo disei diversi raggi del tagliente. I loro parametri geometrici sono elencati nella Tabella 1.

  Taglio della geometria

  La figura 2 mostra schematicamente una vista ortogonale della formazione di trucioli nel taglio in modo duttile di materiali fragili con un utensile avente un ampio angolo di spoglia negativo e un arco di taglio, dove DE è la faccia di spoglia dell'utensile, BD è il taglio dell'arcobordo, BC è la faccia del fianco dell'utensile, K è un punto dell'arco 656 Direzione di taglioil tagliente BD, O è il centro del tagliente dell'arco BD, AB è un piano di taglio curvo, γ è l'angolo di inclinazione dell'utensile, β è l'angolo di attrito medio tra il chip e l'utensile, γk è l'angolo di spogliatura locale nel punto K all'avanguardiaBD, r è il raggio del tagliente dell'utensile, ac è lo spessore del truciolo non deformato, ao è lo spessore del truciolo, Fr è la risultante forza dell'utensile, Fc è la forza di taglio, Ft è la forza di spinta, Fs è la forza di taglio sul taglio aereo, Fns è ilforza normale sul piano di taglio, Ff è la forza di attrito sulla faccia dello strumento e Fn è la forza normale sulla faccia dello strumento. Sia γ che γk sono in grandi valori negativi.

  Condizioni di taglio

  Le condizioni di taglio della tornitura di faccia ultraprecisa

  Fig. 2 Schema schematico della formazione di trucioli nel taglio duttile di materiale fragile scanalato e barra in lega di alluminio ruotata, che è stato tenuto da un mandrino del tornio CNC. Diversi raggi del tagliente diamantato possono essere ottenuti controllando iltempo di lappatura.

  I chip sono stati raccolti utilizzando un nastro biadesivo, che è stato impostato sulla faccia di rastrello dello strumento diamantato. La tessitura superficiale del pezzo lavorato e le formazioni di truciolo sono state esaminate mediante microscopio elettronico a scansione (SEM) (JEOL JSM-5500).

  La topografia della superficie del pezzo lavorato è stata esaminata utilizzando un microscopio a forza atomica (AFM). La rugosità superficiale dei wafer di silicio lavorati è stata esaminata utilizzando un Formtracer (Mitutoyo CS-5000).

  Gli esperimenti sono elencati nella Tabella 2. Si prega di notare che in ordine per studiare solo l'effetto del raggio del tagliente sulla formazione del truciolo, il rapporto tra lo spessore del truciolo sottosquadro e il raggio del tagliente è stato mantenuto pressoché costante in tutte le prove di taglio. Il taglio a secco è stato effettuato allo scopo diraccogliere i trucioli di taglio.

  misurazione

  Il raggio del tagliente dell'utensile diamantato è stato misurato attraverso il metodo di indentazione [13] utilizzando un microscopio a forza atomica (AFM) (SEIKO-II, SPA-500). Il raggio del tagliente iniziale era di 23 nm. Al fine di ottenere un grande utensile diamantatoraggio del tagliente, un processo di lappatura speciale è stato progettato come mostrato in Fig. 3.

  risultati e discussione

Frattura sulla superficie lavorata

  Le fotografie SEM e AFM delle superfici lavorate al wafer di silicio ottenute nel taglio di wafer di silicio utilizzando utensili diamantati con diversi raggi del tagliente con una velocità di taglio di 150 m / min sono mostrate nelle Figg. 4 e 5, rispettivamente. Per ilraggio del tagliente dell'utensile diamantato di 23, 202, 490, 623 e 717 nm, un test è stato condotto a condizione che lo spessore del truciolo non deformato fosse inferiore al raggio del tagliente dell'utensile e che l'altro test fosse condotto a condizione che illo spessore del truciolo non deformato era maggiore del raggio del tagliente dell'utensile. Per il raggio del tagliente dell'utensile diamantato di 807 nm, entrambi i test sono stati condotti a condizione che lo spessore del truciolo non deformato fosse inferiore al raggio del tagliente dell'utensile.

  Sia le osservazioni SEM che quelle AFM hanno indicato che quando il raggio del tagliente dell'utensile non superava 807 nm e lo spessore del truciolo non deformato era più piccolo del raggio del tagliente dell'utensile, le superfici lavorate del pezzo erano molto lisce ei contrassegni di alimentazione erano chiaramente visualizzati sulle superfici come mostrato nelle Figg. 4 e 5, che mostrano che il taglio è stato effettuato in modalità duttile. D'altra parte, quando lo spessore del truciolo non deformato era maggiore del Taglio da tavola 2condizioni657 di test di taglio ultraprecisi No. Raggio dell'utensile r (nm) Velocità di taglio Velocità di avanzamento f (μm / giro) Profondità di taglio a UCT ac (nm)

il raggio del tagliente dell'utensile, le superfici lavorate del pezzo erano molto ruvide e fratturate,che ha dimostrato che il taglio è stato condotto in modalità fragile. Tuttavia, quando il raggio del tagliente dell'utensile ha raggiunto 807 nm e anche lo spessore del truciolo non deformato era molto più piccolo del raggio del tagliente dell'utensile, il pezzo in lavorazionele superfici erano molto ruvide e fratturate, il che dimostra che il taglio è stato effettuato in modo fragile nelle condizioni di taglio. Era probabile che il raggio del tagliente dell'utensile di 807 nm fosse un limite superiore per la modalità duttiletaglio di materiale di wafer di silicio. Di conseguenza, per ottenere il taglio in modo duttile del materiale in wafer di silicio, è necessario soddisfare due condizioni: (1) il raggio del bordo dell'utensile del diamante deve essere inferiore a 807 nm e (2) il non deformatolo spessore del truciolo deve essere inferiore al raggio del tagliente dell'utensile.

  Formazione di trucioli

  Le fotografie SEM di trucioli formati nel taglio di wafer di silicio utilizzando utensili diamantati con diversi raggi del tagliente alla velocità di taglio di 150 m / min sono mostrati in Fig. 6. I test sono stati condotti nelle condizioni menzionate nella Sez. 2.3.

Barra in lega di alluminio scanalata

  Si è constatato che quando il raggio del tagliente dell'utensile non era maggiore di 807 nm e lo spessore del truciolo non deformato era inferiore al raggio del tagliente dell'utensile, la formazione del truciolo era in modalità duttile, che può essere identificata in base alchip, come mostrato in Fig. 6. Come menzionato in precedenza, tali chip continui ottenuti erano simili alla formazione di trucioli durante il taglio di materiali duttili, in cui la formazione del truciolo è dominata dalla dislocazione. D'altra parte, quando illo spessore del truciolo non deformato era maggiore del raggio del tagliente dell'utensile, i trucioli ottenuti sembravano formati in forme irregolari, a dimostrazione del fatto che i trucioli si sarebbero formati in modo fragile. Tuttavia, raggiunto il raggio del tagliente dell'utensile807 nm e persino lo spessore del truciolo non deformato era molto più piccolo del raggio del tagliente dell'utensile, i trucioli ottenuti mostrano che il taglio è stato eseguito in modo fragile nelle condizioni di taglio. Si credeva che il taglio degli utensiliil raggio del bordo di 807 nm dovrebbe essere un limite superiore per il taglio in modo duttile del materiale in wafer di silicio, che è stato anche mostrato nella topografia della superficie del pezzo lavorato. Pertanto, si devono soddisfare due condizioni per otteneretaglio in modo duttile del materiale in wafer di silicio: (1) il raggio del tagliente dell'utensile diamantato deve essere inferiore a 807 nm e (2) lo spessore del truciolo non deformato deve essere inferiore al raggio del tagliente dell'utensile.

Rugosità della superficie lavorata

 Strumento di diamante

 Fig. 3 Schema schematico della lappatura per il tagliente dell'utensile diamantato

Liquami di diamante

  La rugosità della superficie del pezzo lavorato è stata esaminata utilizzando il Formtracer. La Figura 7 mostra l'effetto del raggio del tagliente dell'utensile diamantato sulla rugosità della superficie. Valori Ra dei wafer di silicio lavorati. Quando il raggio del bordo dello strumento non lo eramaggiore di 807 nm, i valori di Ra sono leggermente aumentati con l'aumento del raggio del tagliente dell'utensile. Ciò potrebbe essere dovuto all'aumento della velocità di avanzamento dell'utensile nelle prove di taglio, come si può vedere dalla figura 4. Si è constatato che una superficie molto buonal'integrità è stata ottenuta con il taglio in modalità duttile quando le due condizioni erano soddisfatte. Tuttavia, quando il raggio del tagliente dell'utensile ha raggiunto 807 nm, il valore Ra della rugosità superficiale è aumentato notevolmente, mostrando che questo raggio del bordo era unlimite superiore per il raggiungimento658

Fig. 4 Fotografie al microscopio elettronico di superfici di wafer di silicio lavorate con diverso spessore del truciolo non deformato con diversa superficie liscia del raggio del tagliente dell'utensile. La ragione principale è che il taglio in modalità fragile è stato ottenuto in queste condizioni. Quelloè la modalità di taglio ha un effetto significativo sui valori Ra di rugosità superficiale.

Fig. 5 Fotografie AFM di superfici di wafer di silicio lavorate con diverso spessore del truciolo non deformato con raggio del tagliente diverso

  Discussione

  È stato riportato [14] che la condizione chiave per la formazione di chip in modalità duttile nel taglio di materiali fragili è lasforzo di compressione estremamente grande, che è così grande che viene proiettata la propagazione delle crepe dei difetti preesistenti e che la formazione del truciolo è dominata dall'emissione di dislocazione. La normale pressione media di compressione, σc che agisce sularea di contatto tra utensile da taglio e pezzo di wafer di silicio, Ac può essere espressa.

Fig. 6 Fotografie al microscopio elettronico di trucioli formati nel taglio di wafer di silicio con diverso spessore del truciolo non deformato con diverso raggio del tagliente dell'utensile

Fig. 7 L'effetto del raggio del tagliente dell'utensile diamantato sulla ruvidità della superficie dei wafer di silicio lavorati ottenuti

  Fig. 8 Relazione tra la forza di taglio risultante Fr; area di contatto dell'utensile, Ac; media tensione di compressione normale σc e raggio del tagliente dell'utensile, rdove rc ¼ ac = ao è il rapporto di taglio, e kAB è lo sforzo del flusso di taglio lungo la superficie di taglio curva AB.

  Nel taglio di materiali fragili, come il silicio, la formazione di trucioli in modalità duttile può essere ottenuta quando lo spessore del truciolo non deformato è inferiore al raggio del tagliente dell'utensile. Pertanto, per il taglio duttile di materiali fragili, il risultanteforza di taglio

  Monotonamente con il raggio del tagliente dell'utensile r. Eq. 4 indica che l'area di contatto Ac del pezzo in lavorazione aumenta in modo monotono con il raggio del tagliente dell'utensile r. Corrispondente alla forza di taglio risultante Fr e allo strumento-area di contatto del pezzo in lavorazione Ac, la tensione di compressione media normale σc come in Eq. 1 diminuisce inizialmente gradualmente con il raggio del bordo dell'utensile r, quindi diminuisce rapidamente con r quando Ac aumenta rapidamente con r.dovrebbe essere il più piccolo, meglio è, e ci deve essere un limite superiore del raggio del tagliente per ogni materiale del pezzo, al di sopra del quale il taglio non è in una modalità duttile. Negli esperimenti del presente studio, questo limite superiore dello strumento.

Considerare l'area di contatto utensile-pezzo Ac = f (r, ac R, γ), poiché per un dato utensile da taglio diamantato singolo, il raggio dell'angolo utensile, R e l'angolo di spoglia γ sono costanti, raggio del tagliente nel duttile modalità di taglio diil wafer di silicio è stato mostrato come 807 nm.

  4. Conclusioni

  In questo studio, è stato studiato l'effetto del raggio del tagliente dell'utensile sulla formazione del truciolo e sulla superficie lavorata del pezzo in lavorazione in modo nanometrico di taglio duttile del materiale in wafer di silicio. I risultati mostrano che esiste un limite superiorevalore per il raggio del tagliente dell'utensile, al di sopra del quale la modalità di formazione del truciolo passa da duttile a fragile anche se lo spessore del truciolo non deformato rimane inferiore al raggio del tagliente dell'utensile. Ciò potrebbe essere dovuto alla diminuzione dilo sforzo di compressione nella zona di formazione del truciolo, come discusso in Sez. 3.4. Come conseguenza del cambio di modalità di taglio da duttile a fragile quando il raggio del bordo dell'utensile è maggiore del valore limite superiore, la superficie del pezzo lavoratosarà fratturato, causando un aumento significativo della rugosità della superficie lavorata. Nelle prove di taglio di questo studio, il valore limite superiore per il taglio del materiale di wafer di silicio con uno strumento di diamante monocristallino è stato trovato traDa 700 a 800 nm.