O limite superior do raio da aresta da ferramenta para corte em modo dúctil em nanoescala de bolacha de silício

  1. Introdução

  Foi relatado [1–11] que materiais frágeis, como material de bolacha de silício, podem ser usinados em um modo dúctil sob certas condições de formação de cavacos. Tais condições são dominadas pelas condições de estresse na formação de cavacosregião, que pode ser gerada por certas geometrias da ferramenta e condições de corte - ou seja, a espessura do cavaco não -formada, bem como a relação entre a espessura do cavaco não deformada e o raio da aresta de corte da ferramenta. Foi descoberto [12] que no cortede materiais frágeis, como carboneto de tungstênio e wafer de silício, a formação de cavacos de modo dúctil pode ser alcançada na medida em que a espessura do cavaco indeformado é menor do que o raio da aresta de corte da ferramenta e o raio da aresta de corte da ferramenta é pequenoo suficiente, no qual para o corte no modo dúctil de carboneto de tungstênio e wafer de silício, o raio da borda da ferramenta foi encontrado em escala micrométrica e escala nanométrica, respectivamente. Considerando a aplicação do corte no modo dúctil na indústria,como na indústria de fabricação de wafer, em que alta taxa de produção é sempre necessária, para ter alta taxa de remoção de material no modo dúctil de corte, seria esperado que o raio da borda de corte da ferramenta fosse tão grande quanto possíveldesde que a formação do chip permaneça no modo dúctil. Portanto, é necessário determinar o limite superior do raio da aresta de corte da ferramenta para o corte no modo dúctil de um material frágil. Neste estudo, os experimentos de corte foramconduzido para determinar o limite superior do raio da aresta da ferramenta no corte em modo dúctil de material de silício cristalino único. Os resultados mostraram que o limite superior do raio da borda da ferramenta para o modo dúctil de corte de silício é entre 700a 800 nm.

  Detalhes experimentais

  Máquinas, ferramentas e peças de trabalho

  Experimentos de viragem de face de wafer de silício foram realizados em um torno de ultra precisão (Toshiba ULG-100C) com resolução de posicionamento de 10 nm usando ferramentas diamantadas. A Figura 1 exibe a configuração para experiência de giro de face de precisãomentos. Silício (111) wafers de 100 mm de diâmetro, 0,5 mm de espessura e com acabamento lapidado foram utilizados como espécimes. As pastilhas foram coladas em placas de alumínio usando uma cola amolecida pelo calor e, em seguida, foram lançadas a vácuo no fuso da máquina. Enquanto oa camada de cola pode não estar uniformemente espalhada, os cortes frontais (pré-corte) foram realizados antes do início dos experimentos para garantir que a superfície do silício fosse extremamente plana. O corte foi realizado utilizando ferramentas de diamante monocristalinoseis raios de aresta de corte diferentes. Seus parâmetros de geometria estão listados na Tabela 1.

  Geometria de corte

  A Figura 2 mostra esquematicamente uma visão ortogonal da formação de cavacos no modo dúctil de corte de materiais frágeis com uma ferramenta com um ângulo de ataque negativo grande e uma aresta de corte de arco, onde DE é a face de inclinação da ferramenta, BD é o corte de arcoborda, BC é a face do flanco da ferramenta, K é um ponto no arco 656 Direção do corteA aresta de corte BD, O é o centro da aresta de corte BD, AB é um plano de corte curvo, γ é o ângulo de inclinação da ferramenta, β é o ângulo de atrito médio entre o cavaco e a ferramenta, γk é o ângulo de inclinação local no ponto K na vanguardaBD, r é o raio da aresta da ferramenta, ac é a espessura do cavaco não deformada, o é a espessura do cavaco, Fr é a força resultante da ferramenta, Fc é a força de corte, Ft é a força de empuxo, Fs é a força de cisalhamento avião, Fns é oforça normal no plano de cisalhamento, Ff é a força de atrito na face da ferramenta e Fn é a força normal na face da ferramenta. Ambos γ e γk estão em grandes valores negativos.

  Condições de corte

  As condições de corte do torneamento de faces de precisão

  Fig. 2 Diagrama esquemático da formação de cavacos no corte dúctil da barra de liga de alumínio com ranhuras e rotação do material frágil, que era mantida por um mandril de torno CNC. Diferentes raios de ponta de diamante podem ser alcançados controlando-setempo de lapidação.

  Os chips foram coletados usando uma fita dupla face, que foi colocada na face de ataque da ferramenta de diamante. A textura da superfície da peça usinada e as formações dos cavacos foram examinadas por meio de microscópio eletrônico de varredura (MEV) (JEOL JSM-5500).

  A topografia da superfície da peça usinada foi examinada usando um microscópio de força atômica (AFM). A rugosidade superficial das bolachas de silício usinadas foi examinada usando um Formtracer (Mitutoyo CS-5000).

  As experiências estão listadas na Tabela 2. Por favor, note que a fim de Para estudar apenas o efeito do raio da aresta da ferramenta na formação de cavacos, a relação entre a espessura do cavaco sobformada e o raio da aresta da ferramenta foi mantida praticamente constante em todos os testes de corte. O corte a seco foi realizado com a finalidade deColetando os chips de corte.

  Medição

  O raio da aresta de corte da ferramenta diamantada foi medido pelo método de indentação [13] usando um microscópio de força atômica (AFM) (SEIKO-II, SPA-500). O raio inicial da borda de corte foi de 23 nm. Para conseguir uma ferramenta de diamante granderaio de corte, um processo especial de lapidação foi projetado como mostrado na Fig. 3.

  Resultados e discussão

Fratura na superfície usinada

  Fotografias SEM e AFM das superfícies de bolacha de silício usinadas obtidas no corte de bolachas de silício utilizando ferramentas de diamante com diferentes raios de aresta a uma velocidade de corte de 150 m / min são mostradas nas Figs. 4 e 5, respectivamente. Para oraio da ferramenta de diamante de 23, 202, 490, 623 e 717 nm, um teste foi conduzido sob a condição de que a espessura do cavaco não deformada fosse menor que o raio da aresta da ferramenta e o outro teste fosse conduzido sob a condição de que oa espessura do cavaco não deformada era maior que o raio da aresta da ferramenta. Para o raio da aresta da ferramenta de diamante de 807 nm, ambos os testes foram realizados sob a condição de que a espessura do cavaco não deformada fosse menor que o raio da aresta da ferramenta.

  Ambas as observações SEM e AFM indicaram que quando o raio da aresta de corte da ferramenta não era maior que 807 nm e a espessura do cavaco não deformada era menor que o raio da aresta de corte da ferramenta, as superfícies usinadas da peça eram muito lisas emarcas de alimentação foram claramente exibidas nas superfícies, como mostrado nas Figs. 4 e 5, que mostram que o corte foi realizado sob modo dúctil. Por outro lado, quando a espessura do cavaco não deformada era maior que a tabela 2 cortecondições657 de testes de corte de precisão Não. Raio da aresta da ferramenta r ​​(nm) Velocidade de corte Taxa de avanço f (μm / rev) Profundidade de corte ao UCT ac (nm)

o raio da aresta de corte da ferramenta, as superfícies usinadas da peça de trabalho eram muito ásperas e fraturadas,que mostrou que o corte foi conduzido sob o modo frágil. No entanto, quando o raio da aresta de corte da ferramenta atingiu 807 nm e mesmo a espessura do cavaco não deformada foi muito menor do que o raio da aresta de corte da ferramenta, a peça de trabalho usinadaas superfícies foram muito rugosas e fraturadas, o que mostra que o corte foi realizado em um modo frágil sob as condições de corte. Era provável que o raio de corte da ferramenta de 807 nm fosse um limite superior para o modo dúctilcorte de material de bolacha de silício. Como resultado, para obter um corte no modo dúctil do material de bolacha de silício, duas condições devem ser satisfeitas: (1) o raio da aresta da ferramenta de diamante deve ser menor que 807 nm e (2) o não-formadoA espessura do cavaco deve ser menor que o raio da aresta da ferramenta.

  Formação de fichas

  Fotografias de SEM de aparas formadas no corte de pastilhas de silício utilizando ferramentas diamantadas com diferentes raios de aresta a uma velocidade de corte de 150 m / min são mostradas na Fig. 6. Os testes foram conduzidos sob as condições mencionadas na Sect. 2.3.

Barra de liga de alumínio com ranhuras rotativas

  Verificou-se que quando o raio da aresta da ferramenta não era maior que 807 nm e a espessura do cavaco não deformada era menor que o raio da aresta da ferramenta, a formação do cavaco estava no modo dúctil, que pode ser identificado de acordo com olascas, como mostrado na Fig. 6. Como mencionado anteriormente, tais aparas contínuas obtidas eram semelhantes à formação de aparas durante o corte de materiais dúcteis, em que a formação de aparas é dominada por deslocamento. Por outro lado, quando oA espessura do cavaco não deformada foi maior do que o raio da aresta da ferramenta, os cavacos obtidos parecem ser formados em formas irregulares, mostrando que os cavacos provavelmente se formaram no modo frágil. No entanto, quando o raio de corte da ferramenta atingiu807 nm e mesmo a espessura do chip não deformada era muito menor do que o raio da aresta de corte da ferramenta, os cavacos obtidos mostram que o corte foi realizado de um modo quebradiço sob as condições de corte. Acreditava-se que o corte da ferramentaO raio da aresta de 807 nm deve ser um limite superior para alcançar o corte no modo dúctil do material de bolacha de silício, que também foi mostrado na topografia da superfície da peça usinada. Portanto, duas condições devem ser satisfeitas paracorte em modo dúctil de material de bolacha de silício: (1) o raio da aresta da ferramenta de diamante deve ser menor que 807 nm e (2) a espessura do cavaco não deformado deve ser menor que o raio da aresta de corte da ferramenta.

Rugosidade da superfície usinada

 Ferramenta de diamante

 Fig. 3 Diagrama esquemático do polimento para a aresta de corte da ferramenta diamantada

Pasta de diamante

  A rugosidade superficial da peça usinada foi examinada usando o Formtracer. A Figura 7 mostra o efeito do raio da aresta de corte da ferramenta diamantada nos valores de rugosidade superficial Ra das pastilhas de silício usinadas. Quando o raio da borda da ferramenta nãomaiores que 807 nm, os valores Ra apenas aumentaram ligeiramente com o aumento do raio da aresta da ferramenta. Isto pode ser devido ao aumento da taxa de alimentação da ferramenta nos testes de corte, como pode ser visto na Fig. 4. Verificou-se que uma superfície muito boaa integridade foi obtida sob corte no modo dúctil quando as duas condições foram satisfeitas. No entanto, quando o raio da borda da ferramenta atingiu 807 nm, o valor de rugosidade da superfície Ra aumentou drasticamente, mostrando que esse raio da borda eralimite superior para alcançar658

Fig. 4 Fotografias de MEV de superfícies de pastilhas de silício usinadas sob diferentes espessuras de cavacos não deformadas com diferentes superfícies planas de raio com bordas afiadas. A principal razão é que o corte em modo frágil foi obtido sob essas condições. queé o modo de corte tem um efeito significativo sobre os valores de rugosidade da superfície Ra.

Fig. 5 Fotografias AFM de superfícies de pastilhas de silício usinadas sob diferentes espessuras de cavacos não deformadas com diferentes raios de borda da ferramenta

  Discussão

  Foi relatado [14] que a condição chave para a formação de cavacos de modo dúctil no corte de materiais frágeis é atensão de compressão extremamente grande, que é tão grande que a propagação de trinca de materiais defeitos preexistentes é peneirada e a formação de cavacos é dominada pela emissão de deslocamento. A tensão compressiva média normal, σc atuando naárea de contato entre a ferramenta de corte e peça de wafer de silício, Ac pode ser expressa．

Fig. 6 Fotografias SEM de aparas formadas no corte de pastilhas de silício sob diferentes espessuras de cavacos indeformadas com diferentes raios de arestas da ferramenta

Fig. 7 O efeito do raio da aresta de corte da ferramenta diamantada na rugosidade da superfície das pastilhas de silício usinadas obtidas

  Fig. 8 Relação entre a força de corte resultante Fr; área de contato da peça de ferramenta, Ac; tensão compressiva média normal σc e o raio da aresta de corte da ferramenta, ronde rc ¼ ac = ao é a taxa de corte, e kAB é a tensão de fluxo de cisalhamento ao longo da superfície de cisalhamento curva AB.

  No corte de materiais frágeis, como o silício, a formação de cavacos no modo dúctil pode ser obtida quando a espessura indefinida do cavaco é menor do que o raio da aresta da ferramenta. Assim, para o corte dúctil de materiais frágeis, o resultanteforça de corte

  Monotonamente com o raio de corte da ferramenta r. Eq. 4 indica que a área de contato Ac da peça de trabalho aumenta monotonamente com o raio da aresta de corte da ferramenta r. Correspondendo à força de corte resultante Fr e ao ferramentalárea de contato da peça Ac, a tensão compressiva normal média σc como na Eq. 1 inicialmente diminui gradualmente com o raio da aresta da ferramenta r, e depois diminui rapidamente com r quando a Ac aumenta rapidamente com r.deve ser o menor, melhor, e deve haver um limite superior do raio da borda da ferramenta para cada material da peça de trabalho, acima do qual o corte não está no modo dúctil. Nos experimentos do presente estudo, este limite superior de ferramenta.

Considere a área de contato ferramenta-peça Ac = f (r, ac R, γ), pois para uma determinada ferramenta de corte de diamante cristalino, o raio do canto da ferramenta, R e o ângulo de inclinação γ são constantes, raio da aresta de corte no dúctil corte de modo debolacha de silício foi mostrada como 807 nm.

  4. Conclusões

  Neste estudo, o efeito do raio da aresta de corte da ferramenta na formação de cavacos e na superfície usinada da peça de trabalho no corte dúctil em nanoescala de material de bolacha de silício foi investigado. Os resultados mostram que existe um limite superiorvalor para o raio da aresta de corte da ferramenta, acima do qual o modo de formação de cavacos muda de dúctil para quebradiço mesmo que a espessura do cavaco indeformado permaneça menor do que o raio da aresta da ferramenta. Isto pode ser devido à diminuição doo estresse de compressão na zona de formação de cavacos, como discutido na seção. 3.4. Como resultado da mudança do modo de corte de dúctil para quebradiço quando o raio da aresta da ferramenta é maior que o valor do limite superior, a superfície usinada da peça de trabalhoserá fraturado, causando aumento significativo na rugosidade da superfície usinada. Nos testes de corte deste estudo, o valor do limite superior para o corte de material de bolacha de silício com uma única ferramenta de diamante de cristal foi encontrado entre700 a 800 nm.