微鉆—單晶硅切削工具

樊信龍++秦學(xué)敏

摘 要：微鉆單晶硅切削工具用于制造三維微形狀工件。微鉆是一個D形橫截面，切削刃的半徑為0.5μm的電磨工具（WEDG）。結(jié)果表明：實現(xiàn)切割延性域切削深度為0.1μm，間隙角大于0°，以防止在孔入口處斷裂。最小的機(jī)加工的孔直徑為6.7μm，這是最小的不只是在本研究中，也是迄今使用的最小切削工具鉆孔。對半導(dǎo)體單晶硅滾磨加工技術(shù)是很好的促進(jìn)。

關(guān)鍵詞：微鉆 微型刃具 單晶硅

中圖分類號：TH161 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）09（b）-0008-02

單晶硅的加工過程，一般包括研磨，拋光，光刻和蝕刻，可實現(xiàn)非常小的，高精確度的功能，但是所得到的尺寸是有限的平面形狀，難以制造三維微的形狀實現(xiàn)所需微型感應(yīng)微型致動的應(yīng)用[1]。

使用可靠的機(jī)械制造工藝及工具實現(xiàn)復(fù)雜的三維特征，但是使用時，由于在加工中產(chǎn)生的脆性斷裂的過程，使加工的脆性材料（如單晶硅，加工精度和表面粗糙度）的質(zhì)量差[2]。當(dāng)工件很小，由于加工力很大就很容易加工具有高的縱橫比工件?？紤]到這些事實，微型超聲波加工方法只需要小的加工力，開發(fā)用于制造三維微形硬而脆的材料，包括單晶硅。雖然微細(xì)孔的直徑為5μm，電加工（EDM）也被用于單晶硅的微細(xì)加工，因為施加到工件上的加工力小。但電阻高的硅存在可以不進(jìn)行機(jī)械加工和表面質(zhì)量差的問題。

眾所周知，用小的切削深度，甚至是硬而脆的材料可在延性域切割[3，4]。到現(xiàn)在為止，許多研究已報告了這些材料在延性域切削。當(dāng)韌性處于主導(dǎo)，硬脆材料有望實現(xiàn)像金屬材料那樣可加工。而且已加工表面是高質(zhì)量的無裂紋和有小的亞表面損傷。

盡管如此，在延性域切削加工力可以是小的，因為是小的切削深度，從而可使用堅硬的微型刀具。硬而脆的材料，例如用D形橫截面的微型工具對單晶硅和玻璃的切斷。微銑削可在硅上實現(xiàn)寬度為20μm，厚25μm的槽。微鉆單晶硅切削結(jié)果表明，在加工孔入口處有大裂縫，預(yù)防斷裂進(jìn)行可通過使刀具間隙角大于0°。

1 實驗過程

圖1（左）顯示了實驗中所用的微型工具，是一個帶有直槽形狀的正方形端銑刀。圖1（右）是17μm直徑的微型刀具掃描電子顯微鏡（SEM）照片。圖（b）及（c）為切削刃的特寫畫面。間隙角和尖端半徑分別為20°和0.5μm。在工具表面由于放電，切削刃的前刀面和后刀面的相交線所產(chǎn)生破口具有亞微米級的表面粗糙度。雖然既不是尖銳也不直鏈，市售的切削工具可以實現(xiàn)延性域切削。

2 單晶硅進(jìn)行微鉆加工

2.1 刀具后角的影響

圖2示出直徑為10μm的微細(xì)孔的SEM照片，圖2（a）及（b）分別以0.05μm/s的進(jìn)給速率鉆取的間隙角為20°和5°的孔。雖然觀察到少的碎屑，但入口邊緣沒有任何斷裂。表明是在延性域進(jìn)行鉆探的。此外沒有任何毛刺，邊緣很鋒利。然而圖2（c）為間隙角為0°進(jìn)給速率為0.05μm/s時鉆取的孔，入口處斷裂明顯。即使在間隙角為0°很低的進(jìn)給速率0.03μm/s時斷裂明顯，如圖2（d）。這些結(jié)果表明，間隙角大于0°是必要造成斷裂。

2.2 可加工孔直徑

所得到的刀具直徑旋轉(zhuǎn)運(yùn)行，在電火花加工過程中線電極之間的主要間隙的波動是有限的。可以制造并使用約6 μm直徑的微型工具，但是它不可能獲得比這更薄的一個半圓柱形的形狀的鉆頭。使用直徑6μm的刀具，進(jìn)料速率為0.03μm/s時微鉆得到的孔眼的直徑和深度分別為6.7和10μm。當(dāng)一個工具長于本實驗中使用，通常會導(dǎo)致刀具破損。然而，通過降低進(jìn)料速率可以防止刀具破損，但鉆孔質(zhì)量差，晃動的工具擴(kuò)大了入口使周圍斷裂。

2.3 刀具磨損

當(dāng)進(jìn)給速率為0.1μm/s，切割總深度為60μm時，直徑為20μm的刀具會出現(xiàn)明顯的刀面磨損現(xiàn)象。在第2.1節(jié)中給出的結(jié)果，預(yù)期的裂縫和磨損將在刀具進(jìn)行鉆孔入口處時產(chǎn)生，其中的間隙角為約0℃。使用直徑為20μm的鉆頭以進(jìn)料速率為0.1μm/s鉆取深5μm的孔時，鉆孔的入口完全斷裂，符合預(yù)期。磨損的鉆頭必須重塑以備下次使用。

2.4 提高加工速度

另外，在上述實驗中，為了防止斷裂和刀具破損，進(jìn)給速度沒有超過0.1μm/s，這是相當(dāng)緩慢的。為確定最快的進(jìn)給速率、提高了加工速度進(jìn)行另一項實驗，即以不同的進(jìn)給速率進(jìn)行鉆孔。

鉆孔進(jìn)給速率分別設(shè)定為0.2，0.3，和0.4μm/s。工具直徑為20μm和長50μm。鉆孔后其尖端重塑后再進(jìn)行鉆孔。在進(jìn)料速率為0.2和0.3μm/s的入口處沒有任何斷裂，鉆孔質(zhì)量好，但是進(jìn)給速率為0.4μm/s的鉆孔出現(xiàn)了大裂縫。因為該工具使用之前都經(jīng)過重塑，可以得出結(jié)論：高進(jìn)給速度為0.4μm/s側(cè)面引起的裂紋。

因此，與刀具直徑為20μm，長度為50μm，進(jìn)給速度可以提高到0.3μm/s時在孔的入口不會造成斷裂。在實驗過程中，該工具沒有高進(jìn)給速度為了防止刀具破損的發(fā)生。

3 結(jié)語和結(jié)論

微鉆可用電火花加工制造鉆頭，所制造的工具有一個D形橫截面和切削刃的半徑為0.5μm。實驗結(jié)果表明，取得的最小刀具直徑約為6μm，可實現(xiàn)延性域鉆孔并使孔直徑6.7μm。加工直徑為20μm的和長度為50μm的孔，進(jìn)給速度可以提高到0.3μm/s時，而不會造成在孔入口處的刀具破損或破裂。

微鉆的成功可使單晶硅在加工中可以避免脆性斷裂，間接為單晶硅滾磨提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 閆占輝.硅晶片超精密加工的研究現(xiàn)狀[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2005（11）.

[2] 張磊.硬脆材料異性面超聲微精加工工藝研究[D].揚(yáng)州：揚(yáng)州大學(xué)，2010.

[3] 霍鳳偉.硅片延性域磨削機(jī)理研究[D].大連，大連理工大學(xué)，2006.

[4] 史興寬，滕霖，李雅卿，等.硬脆材料延性域磨削的臨界條件[J].航空精密制造技術(shù)，1996（4）.endprint