La limite supérieure du rayon de l'outil pour la coupe en mode ductile à l'échelle nanométrique d'une plaquette de silicium

  1. Introduction

  Il a été rapporté [1–11] que des matériaux fragiles, tels que des plaquettes de silicium, peuvent être usinés de manière ductile dans certaines conditions de formation de copeaux. Ces conditions sont dominées par les conditions de stress dans la formation de copeauxrégion pouvant être générée par certaines géométries d’outil et certaines conditions de coupe, à savoir l’épaisseur de copeaux non déformée ainsi que le rapport entre l’épaisseur des copeaux non déformés et le rayon du tranchant de l’outil. Il a été constaté [12] que, lors de la coupePour les matériaux fragiles, tels que le carbure de tungstène et la plaquette de silicium, la formation de copeaux en mode ductile peut être obtenue dans la mesure où l'épaisseur de copeau non déformé est inférieure au rayon de l'arête de coupe de l'outil et au rayon de pointe de l'outilassez, dans lequel, pour une coupe en mode ductile de carbure de tungstène et de plaquette de silicium, le rayon de bord de l’outil s’est révélé être à l’échelle micrométrique et à l’échelle nanométrique, respectivement. Considérant l'application de la coupe en mode ductile dans l'industrie,comme dans l’industrie de la fabrication de plaquettes, dans laquelle un taux de production élevé est toujours requis, pour obtenir un taux élevé d’enlèvement de matière lors d’une coupe en mode ductile, le rayon du tranchant de l’outil devrait être aussi grand que possible.tant que la formation de copeaux reste en mode ductile. Par conséquent, il est nécessaire de déterminer la limite supérieure du rayon du tranchant de l'outil pour la coupe en mode ductile d'un matériau fragile. Dans cette étude, des expériences de coupe ont étémenée pour déterminer la limite supérieure du rayon de la bordure de l'outil lors de la coupe en mode ductile d'un matériau de silicium monocristallin. Les résultats ont montré que la limite supérieure du rayon du tranchant de l'outil pour la coupe du silicium en mode ductile est comprise entre 700à 800 nm.

  Les détails expérimentaux

  Machines, outils et pièces

  Des expériences de retournement de face d'une tranche de silicium ont été effectuées sur un tour ultra-précis (Toshiba ULG-100C) avec une résolution de positionnement de 10 nm à l'aide d'outils diamantés. La figure 1 illustre la configuration pour les expériences de tournage de visage ultra-précisment. Des plaquettes de silicium (111) de 100 mm de diamètre, de 0,5 mm d'épaisseur et présentant une finition rodée ont été utilisées comme spécimens. Les plaquettes ont été collées sur des flans d'aluminium à l'aide d'une colle ramollie à la chaleur, puis insérées sous vide sur la broche de la machine. Comme lecouche de colle peut ne pas être étalée de manière uniforme, des coupes de parement (pré-coupe) ont été effectuées avant le début des expériences pour assurer une surface extrêmement plane en silicium. La découpe a été réalisée à l’aide d’outils diamantés monocristallins desix rayons de coupe différents. Leurs paramètres de géométrie sont répertoriés dans le tableau 1.

  Géométrie de coupe

  La figure 2 montre schématiquement une vue orthogonale de la formation de copeaux lors du découpage en mode ductile de matériaux fragiles avec un outil ayant un grand angle de coupe négatif et un tranchant en arc, où DE est la face de coupe de l'outil, BD est le découpage en arc.le bord, BC est la face de l'outil, K est un point sur l'arc 656 Direction de coupetranchant BD, O est le centre de l'arc tranchant BD, AB est un plan de cisaillement incurvé, γ est l'angle de coupe de l'outil, β est l'angle de frottement moyen entre la puce et l'outil, γk est l'angle de coupe local au point K sur le tranchantBD, r est le rayon du tranchant de l'outil, ac est l'épaisseur de copeau non déformée, ao est l'épaisseur de copeau, Fr est la force résultante de l'outil, Fc est la force de coupe, Ft est la force de poussée, Fs est la force de cisaillement sur le cisaillement avion, Fns est leforce normale sur le plan de cisaillement, Ff est la force de friction sur la face de l'outil et Fn est la force normale sur la face de l'outil. Γ et γk ont ​​des valeurs négatives élevées.

  Conditions de coupe

  Les conditions de coupe du tournage ultra précis

  Fig. 2 Schéma de la formation de copeaux lors de la coupe ductile de barres d'alliage d'aluminium rainurées et rotatives en matériau fragile, maintenues par un mandrin de tour à commande numérique. Différents rayons d’arête de coupe diamantés peuvent être obtenus en contrôlanttemps de rodage.

  Les copeaux ont été collectés à l'aide d'un ruban adhésif double face, placé sur la face de coupe de l'outil diamanté. La texture de surface de la pièce usinée et les formations de copeaux ont été examinées à l'aide d'un microscope électronique à balayage (MEB) (JEOL JSM-5500).

  La topographie de la surface de la pièce usinée a été examinée à l'aide d'un microscope à force atomique (AFM). La rugosité de surface des plaquettes de silicium usinées a été examinée à l'aide d'un Formtracer (Mitutoyo CS-5000).

  Les expériences sont répertoriées dans le tableau 2. Veuillez noter que pour étudier uniquement l’effet du rayon des arêtes de l’outil sur la formation de copeaux, le rapport entre l’épaisseur des copeaux sous-formés et le rayon des arêtes de l’outil a été maintenu presque constant dans tous les tests de coupe. La coupe à sec a été réalisée dans le but deramasser les copeaux de coupe.

  La mesure

  Le rayon du tranchant de l'outil diamant a été mesuré par la méthode d'indentation [13] à l'aide d'un microscope à force atomique (AFM) (SEIKO-II, SPA-500). Le rayon du bord de coupe initial était de 23 nm. Pour réaliser un gros outil diamantérayon de l’arête de coupe, un procédé de rodage spécial a été conçu, comme illustré à la Fig. 3.

  résultats et discussion

Fracture sur une surface usinée

  Les photographies SEM et AFM des surfaces de plaquettes de silicium usinées obtenues lors de la découpe de plaquettes de silicium à l'aide d'outils diamantés avec différents rayons d'arête de coupe à une vitesse de coupe de 150 m / min sont présentées aux Fig. 4 et 5, respectivement. Pour lerayon de tranchant de l’outil diamant de 23, 202, 490, 623 et 717 nm, un essai a été réalisé à la condition que l’épaisseur de la puce non déformée soit inférieure au rayon de tranchant de l’outil etl'épaisseur de copeaux non déformée était plus grande que le rayon du bord de l'outil. Pour le rayon de tranchant de l'outil diamanté de 807 nm, les deux tests ont été réalisés à condition que l'épaisseur de la puce non déformée soit inférieure au rayon de tranchant de l'outil.

  Les observations SEM et AFM ont indiqué que lorsque le rayon de l’arête de coupe de l’outil n’était pas supérieur à 807 nm et que l’épaisseur de la puce non déformée était inférieure au rayon de l’arête de coupe de l’outil, les surfaces des piècesles marques d'alimentation étaient clairement affichées sur les surfaces, comme indiqué sur les Fig. 4 et 5, qui montrent que la découpe a été réalisée en mode ductile. D’autre part, lorsque l’épaisseur de la puce non déformée est supérieure à la Table 2conditions657 des tests de coupe ultra-précis No. Rayon de l'outil r (nm) Vitesse de coupe Débit d'alimentation f (μm / tour) Profondeur de coupe, en UCT ac (nm)

le rayon de l’arête de coupe de l’outil, les surfaces des pièces usinées étaient très rugueuses et fracturées,qui a montré que la coupe a été effectuée en mode fragile. Toutefois, lorsque le rayon de l’arête de coupe de l’outil atteint 807 nm et que même l’épaisseur de la puce non déformée est bien inférieure au rayon de l’arête de coupe de l’outil, la pièce usinéeles surfaces étaient très rugueuses et fracturées, ce qui montre que la coupe a été effectuée de manière fragile dans les conditions de coupe. Il était probable que le rayon du bord de coupe de l'outil de 807 nm devrait être une limite supérieure pour le mode ductiledécoupe de matériau de plaquette de silicium. Par conséquent, afin de réaliser une coupe en mode ductile du matériau de la tranche de silicium, deux conditions doivent être remplies: (1) le rayon du bord de l’outil en diamant doit être inférieur à 807 nm et (2) la position non déformée.L'épaisseur des copeaux doit être inférieure au rayon du tranchant de l'outil.

  Formation de copeaux

  Des photographies au MEB de copeaux formés lors du découpage de plaquettes de silicium à l'aide d'outils diamantés avec différents rayons d'arête de coupe à une vitesse de coupe de 150 m / min sont présentées à la Fig. 6. Les tests ont été réalisés dans les conditions mentionnées à la Sect. 2.3.

Barre d'alliage d'aluminium rainurée rotative

  Il a été constaté que lorsque le rayon de l’arête de coupe de l’outil n’était pas supérieur à 807 nm et que l’épaisseur de copeau non déformé était inférieure au rayon de l’arête de coupe de l’outil, la formation de copeaux était en mode ductile, ce qui peut être identifié en fonction de lacopeaux, comme le montre la figure 6. Comme mentionné précédemment, de tels copeaux continus étaient similaires à la formation de copeaux lors de la coupe de matériaux ductiles, où la formation de copeaux est dominée par la dislocation. D'autre part, lorsque leL'épaisseur des copeaux non déformés étant supérieure au rayon du bord de coupe de l'outil, les copeaux obtenus semblent être de forme irrégulière, ce qui montre que les copeaux sont probablement formés de manière fragile. Cependant, lorsque le rayon du tranchant de l'outil atteintL'épaisseur des copeaux à 807 nm et même non déformée était bien inférieure au rayon du bord de coupe de l'outil. Les copeaux obtenus montrent que la coupe a été effectuée de manière fragile dans les conditions de coupe. On croyait que l'outil de coupele rayon de bord de 807 nm doit être une limite supérieure pour la coupe en mode ductile du matériau de la tranche de silicium, ce qui a également été montré dans la topographie de la surface de la pièce usinée. Par conséquent, deux conditions doivent être remplies pour obtenirDécoupe en mode ductile du matériau de la plaquette de silicium: (1) le rayon du tranchant de l'outil diamant doit être inférieur à 807 nm et (2) l'épaisseur de la puce non déformée doit être inférieure au rayon du tranchant de l'outil.

Rugosité de la surface usinée

 Outil diamant

 Fig. 3 Schéma de rodage pour le tranchant d'un outil en diamant

Boue de diamant

  La rugosité de surface de la pièce usinée a été examinée à l'aide du Formtracer. La figure 7 montre l’effet du rayon de l’arête de coupe de l’outil en diamant sur la rugosité de surface des valeurs Ra des tranches de silicium usinées. Lorsque le rayon de l'outil n'était passupérieur à 807 nm, les valeurs de Ra n’augmentent que très légèrement avec l’augmentation du rayon des arêtes de l’outil. Cela pourrait être dû à l'augmentation du débit d'alimentation de l'outil dans les tests de coupe, comme le montre la figure 4. Il a été constaté qu'un très bon état de surfaceL'intégrité a été obtenue en mode de coupe ductile lorsque les deux conditions ont été remplies. Cependant, lorsque le rayon du bord de l’outil atteignait 807 nm, la rugosité de surface Ra augmentait considérablement, ce qui montrait que ce rayon étaitborne supérieure pour atteindre658

Fig. 4 Photographies au MEB de surfaces de plaquettes de silicium usinées sous différentes épaisseurs de puces non déformées avec différentes surfaces lisses à rayon tranchant. La raison principale est que la coupe en mode fragile a été réalisée dans ces conditions. CetteCe mode de coupe a un effet significatif sur les valeurs de rugosité de surface Ra.

Fig. 5 Photographies AFM de surfaces de plaquettes de silicium usinées sous différentes épaisseurs de puces non déformées avec un rayon de bord d'outil différent

  Discussion

  Il a été rapporté [14] que la condition essentielle pour la formation de copeaux en mode ductile lors du découpage de matériaux fragiles est laune contrainte de compression extrêmement importante, qui est si importante que la propagation des fissures de matériaux sur des défauts préexistants est filtrée et que la formation de copeaux est dominée par l'émission de dislocation. La contrainte de compression normale moyenne, σc agissant sur lesurface de contact entre l'outil de coupe et la pièce à usiner en silicium, Ac peut être exprimée

Fig. 6 Photographies au MEB de puces formées lors du découpage de plaquettes de silicium sous différentes épaisseurs de puces non déformées avec un rayon différent de l'outil

Fig. 7 Effet du rayon d'arête de l'outil diamanté sur la rugosité de surface des plaquettes de silicium usinées obtenues

  Fig. 8 Relation entre la force de coupe résultante Fr; zone de contact de la pièce à usiner, Ac; contrainte normale de compression σc, et rayon de tranchant de l'outil, roù rc ¼ ac = ao est le rapport de coupe, et kAB est la contrainte d'écoulement sous cisaillement le long de la surface de cisaillement incurvée AB.

  Lors de la découpe de matériaux fragiles, tels que le silicium, la formation d'une puce en mode ductile peut être obtenue lorsque l'épaisseur de la puce non déformée est inférieure au rayon du bord de l'outil. Ainsi, pour la coupe ductile de matériaux fragiles, le résultatforce de coupe

  Monotone avec le rayon de l'arête de coupe de l'outil r. Éq. 4 indique que la zone de contact Ac de la pièce à usiner Ac augmente de façon monotone avec le rayon du tranchant de l'outil r. Correspondant à la force de coupe résultante Fr ainsi qu'à l'outilsurface de contact de la pièce Ac, la contrainte de compression normale moyenne σc comme dans Eq. 1 diminue initialement avec le rayon de la pointe de l'outil r, puis diminue rapidement avec r, car Ac augmente rapidement avec r.devrait être la plus petite possible, et il devrait y avoir une limite supérieure du rayon du bord de l’outil pour chaque matériau de pièce, au-dessus de laquelle la coupe n’est pas en mode ductile. Dans les expériences de la présente étude, cette limite supérieure d’outil.

Considérez la zone de contact outil-pièce Ac = f (r, ac R, γ), car pour un outil de coupe au diamant monocristallin donné, le rayon du coin de l'outil, R et l'angle de coupe γ sont constants, le rayon de l'arête de coupe dans le canal mode de coupe dela plaquette de silicium était indiquée à 807 nm.

  4. Conclusions

  Dans cette étude, l’effet du rayon de l’arête de coupe de l’outil sur la formation de copeaux et la surface de la pièce usinée lors de la coupe en mode ductile à l’échelle nanométrique du matériau de la tranche de silicium a été étudié. Les résultats montrent qu'il existe une limite supérieurevaleur du rayon du tranchant de l'outil, au-dessus de laquelle le mode de formation de copeaux passe de ductile à fragile, même si l'épaisseur de copeau non déformé reste inférieure au rayon du tranchant de l'outil. Cela pourrait être dû à la diminution dela contrainte de compression dans la zone de formation de copeaux, comme indiqué dans la Sect. 3.4. En raison du passage du mode de coupe de ductile à fragile lorsque le rayon du bord de l’outil est supérieur à la valeur limite supérieure, la surface de la pièce usinéesera fracturé, entraînant une augmentation significative de la rugosité de la surface usinée. Lors des tests de découpe de cette étude, il a été constaté que la valeur limite supérieure pour la découpe de plaquettes de silicium avec un outil diamant monocristallin était comprise entre700 à 800 nm.