Die Obergrenze des Werkzeugkantenradius für das Schneiden im nanoskaligen duktilen Modus von Siliziumwafern

  1. Einleitung

  Es wurde berichtet [1–11], dass spröde Materialien, wie z. B. Siliziumwafer, unter bestimmten Spanbildungsbedingungen duktil bearbeitet werden können. Solche Bedingungen werden von den Spannungsbedingungen bei der Spanbildung beherrschtBereich, der durch bestimmte Werkzeuggeometrie und Schnittbedingungen erzeugt werden kann - nämlich die nicht verformte Spanstärke sowie das Verhältnis von nicht verformter Spanstärke zum Radius der Werkzeugschneide. Es wurde gefunden, dass beim SchneidenBei spröden Materialien, wie Wolframkarbid und Siliziumwafer, kann eine Spanformung aus duktilem Modus erreicht werden, sofern die Dicke des nicht verformten Spans geringer ist als der Radius der Werkzeugschneide und der Radius der Werkzeugschneidegenug, bei dem für das Schneiden von Wolframkarbid und Siliziumwafer im duktilen Modus der Radius der Werkzeugkante im Mikrometerbereich bzw. im Nanometerbereich gefunden wurde. In Anbetracht der Anwendung des duktilen Schneidens in der IndustrieB. in der Waferherstellungsindustrie, in der immer eine hohe Produktionsrate erforderlich ist, um eine hohe Materialabtragsrate beim Schneiden im duktilen Modus zu erreichen, würde erwartet, dass der Radius der Werkzeugschneidkante so groß wie möglich istsolange die Spanbildung im duktilen Modus bleibt. Daher besteht die Notwendigkeit, die Obergrenze des Radius der Werkzeugschneidkante für das Schneiden im duktilen Modus eines spröden Materials zu bestimmen. In dieser Studie wurden Schnittversuche durchgeführtdurchgeführt, um die Obergrenze des Werkzeugkantenradius beim Schneiden von einkristallinem Siliziummaterial im duktilen Modus zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Obergrenze des Werkzeugkantenradius beim Schneiden von Silizium im duktilen Modus zwischen 700 liegtbis 800 nm.

  Experimentelle Details

  Maschinen, Werkzeug und Werkstück

  Mit einer Diamantschleifmaschine wurden auf einer Ultrapräzisionsdrehmaschine (Toshiba ULG-100C) mit 10 nm Positionsauflösung Experimente zum Drehen von Siliziumscheiben durchgeführt. Abbildung 1 zeigt das Setup für ultrapräzise Gesichtsdreherfahrungenmungen. Silicium (111) -Wafer mit einem Durchmesser von 100 mm, einer Dicke von 0,5 mm und einem überlappenden Finish wurden als Proben verwendet. Die Wafer wurden mit einem durch Wärme erweichten Klebstoff auf Aluminiumrohlinge geklebt und anschließend auf der Maschinenspindel vakuumgespannt. Als dieDie Klebeschicht ist möglicherweise nicht gleichmäßig verteilt. Vor Beginn der Experimente wurden Verkleidungsschnitte (Pre-Trimmen) durchgeführt, um sicherzustellen, dass die Siliziumoberfläche extrem flach ist. Das Schneiden wurde unter Verwendung von Einkristall-Diamantwerkzeugen durchgeführtsechs verschiedene Schneidenradien. Ihre Geometrieparameter sind in Tabelle 1 aufgeführt.

  Geometrie schneiden

  Fig. 2 zeigt schematisch eine orthogonale Ansicht der Spanbildung beim duktilen Schneiden von spröden Materialien mit einem Werkzeug mit einem großen negativen Spanwinkel und einer Bogenschneidkante, wobei DE die Werkzeugspanfläche ist, BD das Bogenschneiden istKante, BC ist die Werkzeugflankenfläche, K ist ein Punkt auf dem Bogen 656 SchneidrichtungSchneidkante BD, O ist die Mitte der Bogenschneidkante BD, AB ist eine gekrümmte Scherebene, γ ist der Spanwinkel des Werkzeugs, β ist der mittlere Reibungswinkel zwischen Span und Werkzeug, γk ist der lokale Spanwinkel am Punkt K an der SchneideBD, r ist der Werkzeugschneidenradius, ac ist die nicht verformte Spandicke, ao ist die Spandicke, Fr ist die resultierende Werkzeugkraft, Fc ist die Schneidkraft, Ft ist die Schubkraft, Fs ist die Scherkraft auf die Scherung Flugzeug ist Fns dasNormalkraft auf die Scherebene, Ff ist die Reibungskraft auf der Werkzeugfläche und Fn ist die Normalkraft auf die Werkzeugfläche. Sowohl γ als auch γk weisen große negative Werte auf.

  Schnittbedingungen

  Die Schnittbedingungen für das hochpräzise Plandrehen

  Abb. 2 Schematische Darstellung der Spanbildung beim duktilen Schneiden von spröden, gerilltem und gedrehtem Aluminiumlegierungsstab, der von einem CNC-Drehfutter gehalten wurde. Unterschiedliche Diamantschneidenradien können durch die Steuerung von erreicht werdenRundenzeit.

  Die Chips wurden mit einem doppelseitigen Klebeband gesammelt, das auf die Spanfläche des Diamantwerkzeugs aufgebracht wurde. Die bearbeitete Oberflächenstruktur der Oberfläche und die Spanformationen wurden unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops (REM) (JEOL JSM-5500) untersucht.

  Die bearbeitete Werkstückoberflächentopographie wurde mit einem Atomic Force Microscope (AFM) untersucht. Die Oberflächenrauheit von bearbeiteten Siliziumwafern wurde unter Verwendung eines Formtracers (Mitutoyo CS-5000) untersucht.

  Die Versuche sind in Tabelle 2 aufgeführt. Bitte beachten Sie dies in Reihenfolge Um nur die Auswirkung des Werkzeugkantenradius auf die Spanbildung zu untersuchen, wurde das Verhältnis von unterformter Spanstärke zu Werkzeugkantenradius in allen Schneideversuchen nahezu konstant gehalten. Trockenschneiden wurde zu dem Zweck durchgeführtSammeln der Schneidspäne.

  Messung

  Der Radius der Diamantschneide wurde durch das Eindruckverfahren [13] unter Verwendung eines Atomic-Force-Mikroskops (AFM) (SEIKO-II, SPA-500) gemessen. Der anfängliche Schnittkantenradius betrug 23 nm. Um ein großes Diamantwerkzeug zu erreichenSchneidenradius wurde ein spezieller Läppprozess wie in Abb. 3 gezeigt entworfen.

  Resultate und Diskussion

Bruch auf der bearbeiteten Oberfläche

  SEM- und AFM-Photographien der bearbeiteten Siliziumwaferoberflächen, die beim Schneiden von Siliziumwafern unter Verwendung von Diamantwerkzeugen mit unterschiedlichen Schneidkantenradien bei einer Schneidgeschwindigkeit von 150 m / min erzielt wurden, sind in den Fig. 3 und 4 gezeigt. 4 bzw. 5. Für dieDiamantwerkzeugkantenradius von 23, 202, 490, 623 und 717 nm wurde ein Test unter der Bedingung durchgeführt, dass die Dicke des nicht verformten Spants geringer als der Werkzeugkantenradius war, und der andere Test wurde unter der Bedingung durchgeführt, dass dasDie nicht verformte Spanstärke war größer als der Werkzeugkantenradius. Für den Diamantwerkzeugkantenradius von 807 nm wurden beide Tests unter der Bedingung durchgeführt, dass die Dicke der unverformten Späne geringer war als der Werkzeugkantenradius.

  Sowohl SEM- als auch AFM-Beobachtungen zeigten, dass, wenn der Radius der Werkzeugschneidkante nicht größer als 807 nm war und die Dicke der nicht verformten Späne geringer war als der Radius der Werkzeugschneidkante, die bearbeiteten Werkstückoberflächen sehr glatt warenVorschubmarken wurden deutlich auf den Oberflächen angezeigt, wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt. Die 4 und 5 zeigen, dass das Schneiden im duktilen Modus durchgeführt wurde. Andererseits, wenn die Dicke der unverformten Späne größer war als bei Tabelle 2 SchneidenBedingungen657 von ultrapräzisen schneidetests Werkzeugkantenradius r (nm) Schnittgeschwindigkeit Vorschubgeschwindigkeit f (μm / Umdrehung) Schnitttiefe ua UCT ac (nm)

der Schneidenradius des Werkzeugs, die bearbeiteten Werkstückoberflächen waren sehr rau und gebrochenwas zeigte, dass das Schneiden im spröden Modus durchgeführt wurde. Als jedoch der Werkzeugschneide-Radius 807 nm erreichte, war sogar die Dicke der nicht verformten Späne viel kleiner als der Werkzeugschneide-Radius des bearbeiteten WerkstücksDie Oberflächen waren sehr rau und brachen, was zeigt, dass das Schneiden unter den Schneidbedingungen spröde durchgeführt wurde. Es war wahrscheinlich, dass der Werkzeugkantenradius von 807 nm eine obere Grenze für den duktilen Modus sein sollteSchneiden von Siliziumwafermaterial. Um das Schneiden von Siliziumwafer mit duktilem Modus zu erreichen, sollten daher zwei Bedingungen erfüllt sein: (1) der Diamantwerkzeugkantenradius muss kleiner als 807 nm sein und (2) der unverformteDie Spanstärke muss kleiner sein als der Schneidenradius des Werkzeugs.

  Chipbildung

  SEM-Aufnahmen von Chips, die beim Schneiden von Siliziumwafern mit Diamantwerkzeugen mit unterschiedlichen Schneidkantenradien bei einer Schneidgeschwindigkeit von 150 m / min gebildet wurden, sind in Fig. 6 gezeigt. Die Tests wurden unter den in Abschn. 2.3.

Rotierende gerillte Al-Legierungsstange

  Es wurde festgestellt, dass, wenn der Radius der Werkzeugschneidkante nicht größer als 807 nm war und die Dicke der nicht verformten Späne geringer war als der Radius der Werkzeugschneidkante, sich die Spanbildung im duktilen Modus befand, was anhand des Verfahrens identifiziert werden kannSpäne, wie in Fig. 6 gezeigt. Wie zuvor erwähnt, waren solche erhaltenen kontinuierlichen Späne der Spänebildung während des Schneidens von duktilen Materialien ähnlich, wo die Spänebildung durch Versetzung dominiert wird. Auf der anderen Seite, wenn dieWenn die Dicke der nicht verformten Späne größer war als der Radius der Werkzeugschneidkante, scheinen die erhaltenen Späne unregelmäßige Formen zu haben, was zeigt, dass die Späne wahrscheinlich im spröden Modus gebildet wurden. Wenn jedoch der Schneidenradius des Werkzeugs erreicht ist807 nm und sogar die Dicke der nicht verformten Späne war viel kleiner als der Radius der Werkzeugschneidkante. Die erhaltenen Späne zeigen, dass das Schneiden unter den Schneidbedingungen in einem spröden Modus ausgeführt wurde. Es wurde geglaubt, dass das Werkzeug schneidetEin Kantenradius von 807 nm sollte eine obere Grenze sein, um das Schneiden von Siliziumwafer mit duktilem Modus zu erreichen, was auch in der bearbeiteten Werkstückoberflächentopographie gezeigt wurde. Daher sollten zwei Bedingungen erfüllt sein, um erhalten zu werdenSchneiden im duktilen Modus von Siliziumwafermaterial: (1) der Radius der Diamantwerkzeugkante muss kleiner als 807 nm sein und (2) die nicht verformte Spanstärke muss kleiner sein als der Radius der Werkzeugschneidkante.

Rauheit der bearbeiteten Oberfläche

 Diamantwerkzeug

 Abb. 3 Schematische Darstellung des Läppens der Diamantwerkzeugschneide

Diamantschlamm

  Die Oberflächenrauheit des bearbeiteten Werkstücks wurde mit dem Formtracer untersucht. Abbildung 7 zeigt die Auswirkung des Diamantwerkzeug-Schneidenradius auf die Ra-Werte der bearbeiteten Siliziumwafer. Wenn der Werkzeugkantenradius nicht wargrößer als 807 nm sind die Ra-Werte mit zunehmendem Werkzeugkantenradius nur geringfügig gestiegen. Dies könnte auf die Erhöhung der Werkzeugvorschubgeschwindigkeit bei den Schneideversuchen zurückzuführen sein, wie aus Fig. 4 ersichtlich ist. Es wurde eine sehr gute Oberfläche gefundenIntegrität wurde unter duktilem Schneiden erreicht, wenn die beiden Bedingungen erfüllt waren. Als der Werkzeugkantenradius jedoch 807 nm erreichte, stieg der Ra-Wert der Oberflächenrauigkeit dramatisch an, was zeigt, dass dieser Kantenradius ein warobere Grenze zum Erreichen658

Abb. 4 REM-Aufnahmen von bearbeiteten Silizium-Waferoberflächen unter unterschiedlicher, nicht verformter Spanstärke mit unterschiedlichem Werkzeugkantenradius und glatter Oberfläche. Der Hauptgrund ist, dass unter diesen Bedingungen ein Sprödschnitt ausgeführt wurde. DasDies bedeutet, dass der Schneidmodus einen signifikanten Einfluss auf die Ra-Werte der Oberflächenrauheit hat.

Abb. 5 AFM-Aufnahmen von bearbeiteten Silizium-Waferoberflächen unter unterschiedlicher, unverformter Spanstärke mit unterschiedlichem Werkzeugkantenradius

  Diskussion

  Es wurde berichtet [14], dass die Schlüsselbedingung für die Spanbildung mit duktilem Modus beim Schneiden von spröden Materialien die istextrem große Druckspannung, die so groß ist, dass Rissausbreitung von Materialien, die bereits vorhandene Defekte aufweisen, abgeschirmt wird und die Spanbildung von Versetzungsemissionen dominiert wird. Die mittlere normale Druckspannung, auf die wirktKontaktfläche zwischen Schneidwerkzeug und Silizium-Wafer-Werkstück, Ac kann ausgedrückt werden．

Fig. 6 REM-Photographien von Chips, die beim Schneiden von Siliciumwafern unter verschiedenen, nicht verformten Chipdicken mit unterschiedlichem Werkzeugkantenradius gebildet wurden

Abb. 7 Die Wirkung des Diamantwerkzeug-Schneidradius auf die Oberflächenrauheit von bearbeiteten Siliziumwafern

  Fig. 8 Beziehung zwischen der resultierenden Schneidkraft Fr; Werkzeug-Werkstück-Kontaktfläche, Ac; mittlere normale Druckspannung σc und der Radius der Werkzeugschneide rwobei rc ¼ ac = ao das Schneidverhältnis ist und kAB die Scherströmungsspannung entlang der gekrümmten Scherfläche AB ist.

  Beim Schneiden von spröden Materialien, wie z. B. Silizium, kann eine Spanformung aus duktilem Modus erreicht werden, wenn die Dicke der nicht verformten Späne geringer als der Radius der Werkzeugkante ist. Somit ergibt sich für das duktile Schneiden spröder Materialien das ErgebnisSchneidkraft Fr．

  Monoton mit dem Werkzeugschneideradius r. Gl. 4 zeigt an, dass die Werkzeug-Werkstück-Kontaktfläche Ac mit dem Radius r der Werkzeugschneide monoton zunimmt. Entsprechend der resultierenden Schnittkraft Fr sowie der Werkzeug-Werkstückkontaktfläche Ac, die mittlere normale Druckspannung σc wie in Gl. 1 nimmt zunächst allmählich mit dem Werkzeugkantenradius r ab und nimmt dann schnell mit r ab, wenn Ac schnell mit r zunimmt.sollte kleiner sein, desto besser, und es muss für jedes Werkstückmaterial eine Obergrenze des Werkzeugkantenradius bestehen, oberhalb derer sich der Schnitt nicht in einem duktilen Modus befindet. In den Experimenten der vorliegenden Studie wurde diese obere Grenze des Werkzeugs.

Man betrachte die Werkzeug-Werkstück-Kontaktfläche Ac = f (r, ac R, γ), da für ein gegebenes Einkristall-Diamantschneidwerkzeug der Radius der Werkzeugecke, R und der Spanwinkel γ konstant sind, der Schneidkantenradius in der Sphärie Modus Schneiden vonDer Siliziumwafer wurde als 807 nm gezeigt.

  4. Schlussfolgerung

  In dieser Studie wurde die Auswirkung des Werkzeugschneidenradius auf die Spanbildung und die bearbeitete Werkstückoberfläche beim Schneiden im duktilen Modus im Nanomaßstab von Siliziumwafermaterial untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass es eine obere Schranke gibtWert für den Werkzeugschneidenradius, ab dem der Spanbildungsmodus von duktil zu spröde wechselt, obwohl die nicht verformte Spanstärke kleiner als der Werkzeugkantenradius bleibt. Dies könnte auf den Rückgang in zurückzuführen seindie Druckspannung in der Spanbildungszone, wie in Abschn. 3.4. Infolge des Schneidemodus ändert sich von duktil zu spröde, wenn der Werkzeugkantenradius größer als der obere Grenzwert ist, die bearbeitete Werkstückoberflächewird gebrochen, wodurch die bearbeitete Oberflächenrauheit signifikant erhöht wird. In den Schneideversuchen dieser Studie wurde der obere Grenzwert für das Schneiden von Siliziumwafermaterial mit einem Einkristall-Diamantwerkzeug zwischen gefunden700 bis 800 nm.