微鉆—單晶硅切削工具

樊信龍++秦學敏

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）。結果表明：實現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。對半導體單晶硅滾磨加工技術是很好的促進。

關鍵詞：微鉆 微型刃具 單晶硅

中圖分類號：TH161 文獻標識碼：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所需微型感應微型致動的應用[1]。

使用可靠的機械制造工藝及工具實現復雜的三維特征，但是使用時，由于在加工中產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）的質量差[2]。當工件很小，由于加工力很大就很容易加工具有高的縱橫比工件。考慮到這些事實，微型超聲波加工方法只需要小的加工力，開發用于制造三維微形硬而脆的材料，包括單晶硅。雖然微細孔的直徑為5μm，電加工（EDM）也被用于單晶硅的微細加工，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行機械加工和表面質量差的問題。

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]。到現在為止，許多研究已報告了這些材料在延性域切削。當韌性處于主導，硬脆材料有望實現像金屬材料那樣可加工。而且已加工表面是高質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寬度為20μm，厚25μm的槽。微鉆單晶硅切削結果表明，在加工孔入口處有大裂縫，預防斷裂進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延性域切削。

2 單晶硅進行微鉆加工

2.1 刀具后角的影響

圖2示出直徑為10μm的微細孔的SEM照片，圖2（a）及（b）分別以0.05μm/s的進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°很低的進給速率0.03μm/s時斷裂明顯，如圖2（d）。這些結果表明，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運行，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。當一個工具長于本實驗中使用，通常會導致刀具破損。然而，通過降低進料速率可以防止刀具破損，但鉆孔質量差，晃動的工具擴大了入口使周圍斷裂。

2.3 刀具磨損

當進給速率為0.1μm/s，切割總深度為60μm時，直徑為20μm的刀具會出現明顯的刀面磨損現象。在第2.1節中給出的結果，預期的裂縫和磨損將在刀具進行鉆孔入口處時產生，其中的間隙角為約0℃。使用直徑為20μm的鉆頭以進料速率為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，進給速度沒有超過0.1μm/s，這是相當緩慢的。為確定最快的進給速率、提高了加工速度進行另一項實驗，即以不同的進給速率進行鉆孔。

鉆孔進給速率分別設定為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行鉆孔。在進料速率為0.2和0.3μm/s的入口處沒有任何斷裂，鉆孔質量好，但是進給速率為0.4μm/s的鉆孔出現了大裂縫。因為該工具使用之前都經過重塑，可以得出結論：高進給速度為0.4μm/s側面引起的裂紋。

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

3 結語和結論

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。實驗結果表明，取得的最小刀具直徑約為6μm，可實現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。

參考文獻

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

[2] 張磊.硬脆材料異性面超聲微精加工工藝研究[D].揚州：揚州大學，2010.

[3] 霍鳳偉.硅片延性域磨削機理研究[D].大連，大連理工大學，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，1996（4）.endprint