الحد الأعلى من نصف قطر أداة حافة لنمط الدكتايل النانوي قطع رقاقة السيليكون

  1 المقدمة

  وقد تم الإبلاغ عن [1-11] أن المواد الهشة ، مثل مادة رقاقة السيليكون ، يمكن تشكيلها في وضع الدكتايل تحت ظروف تكوين شريحة معينة. هذه الشروط تهيمن عليها ظروف الإجهاد في تشكيل الرقائقالمنطقة ، والتي يمكن أن تتولد عن طريق هندسة معينة وظروف قطع معينة ، وهي سماكة الشريحة غير المُشَكلة إلى جانب نسبة سمك الشريحة غير المُشَكلة إلى نصف قطر أداة القطع المتطورة. وقد وجد [12] أنه في القطعمن مواد هشة ، مثل كربيد التنغستن والرقاقات السيليكونية ، يمكن تحقيق تشكيل رقاقة الوضع الدكتايل بقدر ما تكون سماكة الشريحة غير المُشكلة أصغر من نصف قطر حافة القطع للأداة ويكون نصف قطر حافة القطع صغيربما فيه الكفاية ، حيث أنه بالنسبة لوضعية الدكتايل من كربيد التنغستن والرقاقات السليكونية ، فقد وجد أن نصف قطر حافة الأداة يكون على مقياس ميكرومتر ومقياس النانومتر ، على التوالي. النظر في تطبيق قطع طريقة الدكتايل في الصناعة ،كما هو الحال في صناعة تصنيع رقائق الويفر ، والتي يكون فيها معدل الإنتاج المرتفع مطلوبًا دائمًا ، بحيث يكون معدل إزالة المواد مرتفعًا في تقطيع وضع الدكتايل ، فيُتوقع أن يكون نصف قطر حافة القطع أداة كبيرة قدر الإمكانطالما أن تشكيل الرقاقة يبقى في وضع الدكتايل. لذلك ، هناك حاجة إلى تحديد الحد الأعلى لنصف قطر حافة أداة القطع في طريقة القطع القابل للامتداد من مادة هشة. في هذه الدراسة ، تم قطع التجاربأجريت لتحديد الحد الأعلى لنصف حافة الأداة في طريقة القطع القابل للسحب من مادة السيليكون البلورية المفردة. أظهرت النتائج أن الحد الأعلى لنصف حافة أداة القطع لقطع السليكون يكون بين 700إلى 800 نانومتر.

  تفاصيل تجريبية

  الآلات والأدوات والشغل

  أجريت تجارب تحول الوجه من رقاقة السليكون على مخرطة فائقة الدقة (توشيبا ULG-100C) مع دقة 10 نانومتر لتحديد المواقع باستخدام أدوات الماس. يعرض الشكل 1 الإعداد الخاص بتجربة تحويل الوجه فائقة الدقةالإدلاء بالبيانات. تم استخدام رقائق السليكون (111) بقطر 100 مم وقطر 0.5 مم ولها تشطيب كاختراق كعينات. تم ربط الرقاقات على صفائح الألومنيوم باستخدام غراء مرن بالحرارة ثم تفريغه على مغزل الماكينة. كماقد لا تتوزع طبقة الغراء بشكل متساوٍ ، حيث يتم إجراء القطع (ما قبل التشذيب) قبل بدء التجارب للتأكد من أن سطح السليكون مسطح للغاية. تم تنفيذ القطع باستخدام أدوات الماس الكريستال واحد منستة شعاع مختلفة القطع. يتم سرد المعلمات الهندسية في الجدول 1.

  قطع الهندسة

  يبين الشكل 2 تخطيطًا رأسيًا لتكوين الرقاقة في طريقة القطع القابل للامتداد من المواد القابلة للكسر باستخدام أداة لها زاوية أشعّة سلبيّة كبيرة وحافة قطع قوسية ، حيث يكون DE هو وجه أشعل الأداة ، BD هو قطع القوسحافة ، BC هو الوجه الأداة الوجه ، K هو نقطة على الاتجاه 656 قوسحافة القطع BD ، O هي مركز حافة القطع المقطوعة BD ، AB هي مستوى القص المنحني ، γ هي زاوية أشعل الأداة ، β هي متوسط ​​زاوية الاحتكاك بين الشريحة والأداة ، γk هي زاوية أشعل النار المحلية في النقطة K على حافة القطعدينار بحريني ، ص هو أداة دائرة نصف قطرها حافة ، AC هو سمك رقاقة unedformed ، Ao هو سمك رقاقة ، الاب هو قوة أداة الناتجة ، Fc هو قوة القطع ، FT هي قوة الدفع ، Fs هو قوة القص على القص الطائرة ، FNS هوالقوة العادية على مستوى القص ، Ff هي قوة الاحتكاك على وجه الأداة ، و Fn هي القوة الطبيعية على وجه الأداة. كل من γ و arek في قيم سلبية كبيرة.

  شروط القطع

  ظروف القطع من تحول الوجه فائقة الدقة

  الشكل 2: رسم تخطيطي لتشكيل الرقاقة في قطع مرن من شريط من سبائك الألمنيوم المحززة والقابلة للدوران الممزوج ، والذي تم عقده بواسطة مخرطة CNC. ويمكن تحقيق مختلف قطع الماس قطع الشعاع عن طريق التحكم فيوقت اللف.

  تم جمع الرقائق باستخدام شريط مزدوج الوجهين ، تم ضبطه على وجه أشعل الماس. تم فحص الملمس السطحي للشكل الميكانيكي وتشكيلات الرقاقة باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) (JEOL JSM-5500).

  تم فحص طبوغرافية سطح الشغل الآلية باستخدام نطاق دقيق للقوة الذرية (AFM). تم فحص خشونة السطح من رقائق السيليكون تشكيل باستخدام Formtracer (Mitutoyo CS - 5000).

  يتم سرد التجارب في الجدول 2. يرجى ملاحظة أن في النظام لدراسة تأثير نصف قطر حافة الشعاع فقط على تشكيل الرقاقة ، فقد تم الحفاظ على نسبة سماكة الشريحة المكبوحة إلى نصف قطر حافة الحافة على نحو ثابت تقريباً في جميع اختبارات القطع. تم إجراء القطع الجاف لغرضجمع رقائق القطع.

  قياس

  تم قياس نصف قطر حافة الماس أداة من خلال طريقة المسافة البادئة [13] باستخدام مجهر القوة الذرية (AFM) (SEIKO-II، SPA-500). كان نصف قطر حافة القطع الأولي 23 نانومتر. من أجل تحقيق أداة الماس كبيرةنصف قطر القطع ، تم تصميم عملية اللف الخاصة كما هو موضح في الشكل 3.

  النتائج والمناقشة

كسر على سطح تشكيله

  يتم عرض صور SEM و AFM الخاصة بأسطح رقاقة السيليكون المصنعة في قطع رقائق السيليكون باستخدام أدوات الماس بأقطار رادية مختلفة عند سرعة القطع 150 م / دقيقة في Figs. 4 و 5 ، على التوالي. لوقد تم إجراء اختبار نصف قطر الحافة الماسية بمقدار 23 و 202 و 490 و 623 و 717 نانومتر ، بشرط أن يكون سمك الشريحة غير المُشكلة أقل من نصف قطر الحافة للأداة وأن الاختبار الآخر تم إجراؤه بشرط أنكان سمك الشريحة غير المبلغة أكبر من نصف قطر حافة الأداة. بالنسبة إلى نصف قطر حافة أداة الماس البالغ 807 نانومتر ، تم إجراء كلا الاختبارين بشرط أن يكون سمك الشريحة غير المُشكلة أقل من نصف قطر حافة الأداة.

  أشارت كل من SEM و AFM إلى أنه عندما لا يكون قطر نصف القطر للأداة أكبر من 807 نانومتر ، وكانت سماكة الشريحة غير المُشَكَّلة أصغر من نصف قطر حافة القطع للأداة ، كانت أسطح قطعة العمل المشغلة ناعمة للغايةتم عرض علامات التلقيم بوضوح على الأسطح كما هو موضح في الأشكال. 4 و 5 ، مما يدل على أن القطع تم في إطار وضع الدكتايل. من ناحية أخرى ، عندما كان سمك رقاقة غير مبين أكبر من الجدول 2 القطعالظروف657 من اختبارات القطع فائقة الدقة لا. أداة حافة الشعاع r (nm) سرعة القطع معدل التغذية f (/m / rev) عمق القطع ao UCT ac (nm)

أداة الشعاع المتطورة ، كانت أسطح قطع العمل المشغولة خشنة ومكسورة للغاية ،والتي أظهرت أن القطع تم إجراؤه تحت نمط هش. ومع ذلك ، عندما بلغ نصف قطر حافة القطع للأداة 807 نانومتر ، وكان سمك الشريحة غير المُصحَح أصغر بكثير من نصف قطر أداة القطع ، وهي قطعة العمل المشغلةكانت الأسطح قاسية جداً ومكسورة ، مما يدل على أن القطع قد تم في وضع هش تحت ظروف القطع. كان من المحتمل أن يكون الحد الأقصى لقطعة أداة 807 نانومتر هو الحد الأعلى لنمط الدكتايلقطع من مادة رقاقة السيليكون. ونتيجة لذلك ، من أجل تحقيق القطع القابل للامتداد من مادة رقاقة السيليكون ، يجب استيفاء شرطين: (1) يجب أن يكون نصف قطر حافة الماس أداة أصغر من 807 نانومتر و (2) غير مفهومةيجب أن يكون سمك الشريحة أصغر من دائرة الشعاع حافة القطع.

  تشكيل رقاقة

  تم توضيح صور SEM للرقائق المتكونة في قطع رقائق السيليكون باستخدام أدوات الماس بأقطار رادية مختلفة عند سرعة القطع 150 م / دقيقة في الشكل 6. وقد أجريت الاختبارات في الظروف المذكورة في Sect. 2.3.

تدوير شريط سبائك Alle مخدد

  تم العثور على أنه عندما لا يكون قطر الشعاع المتطاير للأداة أكبر من 807 نانومتر ، وكانت سماكة الشريحة غير المُشَكَّلة أصغر من نصف قطر حافة القطع للأداة ، فإن تشكيل الرقاقة كان في وضع قابلية الدك ، والتي يمكن تحديدها وفقًاالرقاقات ، كما هو موضح في الشكل 6. كما ذكرنا سابقًا ، كانت هذه الرقاقات المستمرة التي تم الحصول عليها مماثلة لتشكيل الشريحة أثناء قطع مواد الدكتايل ، حيث يهيمن على تكوين الرقاقات الخلع. من ناحية أخرى ، عندماكانت سماكة الشريحة غير المُشَكَّلة أكبر من نصف قطر أداة القطع ، يبدو أن الرقاقات التي تم الحصول عليها تتشكل في أشكال غير منتظمة ، مما يدل على أن الرقائق تكونت على الأرجح في وضع هش. ومع ذلك ، عندما وصلت إلى دائرة نصف قطرها حافة القطعكان 807 نانومتر وحتى سماكة رقاقة غير مُشَكَّل أصغر بكثير من نصف قطر أداة القطع ، تظهر الرقاقات التي تم الحصول عليها أن القطع تم في وضع هش تحت ظروف القطع. كان يعتقد أن أداة القطعيجب أن يكون نصف قطر حافة 807 نانومتر كحد أعلى لتحقيق قطع طريقة الدكتايل لمواد رقاقة السيليكون ، والتي تم توضيحها أيضًا في طبوغرافية سطح الشغل الآلية. ولذلك ، ينبغي استيفاء شرطين للحصول عليهاتقطيع وضع الدكتايل لمواد رقاقة السيليكون: (1) يجب أن يكون نصف قطر حافة أداة الماس أصغر من 807 نانومتر و (2) يجب أن تكون سماكة الشريحة غير المُشكلة أصغر من نصف قطر حافة القطع للأداة.

خشونة السطح الميكانيكي

 أداة الماس

 الشكل 3 رسم تخطيطي لطريقة القطع لأداة الماس

الطين الماس

تم فحص خشونة السطح لقطع العمل المشغلة باستخدام Formtracer. ويبين الشكل 7 تأثير دائرة نصف قطرها حافة الماس أداة على خشونة السطح قيم را من رقائق السيليكون تشكيله. عندما لم يكن نصف قطر حافة الأداةأكبر من 807 نانومتر ، وقيم Ra فقط زيادة طفيفة مع زيادة نصف قطر حافة أداة. قد يرجع ذلك إلى زيادة معدل تغذية الأداة في اختبارات القطع ، كما يتبين من الشكل 4. وقد تبين أن سطحًا جيدًا جدًاتم تحقيق النزاهة في ظل قطع طريقة الدكتايل عند استيفاء الشرطين. ومع ذلك ، عندما يصل نصف قطر حافة الأداة إلى 807 نانومتر ، تزداد قيمة خشونة السطح Ra بشكل كبير ، مما يدل على أن نصف قطر الحافة هذا كانالحد الأعلى لتحقيقه658

التين. 4 صور SEM لسطح رقاقة الويفر المشغولة تحت سماكة رقاقة غير مشوّهة مختلفة مع سطح أملس مختلف الشعاع ذو أداة. السبب الرئيسي هو أن القطع الهش قد تم تحقيقه في ظل هذه الظروف. أنهو أن أسلوب القطع له تأثير كبير على قيم خشونة السطح Ra.

صورة 5 صور AFM لأسطح رقاقة السيليكون المشكَّلة تحت سماكة رقاقة غير مُشَكَّلة مختلفة مع نصف قطر حافة أداة مختلفة

  نقاش

  وأفادت [14] أن الشرط الرئيسي لتشكيل رقاقة الدكتايل في قطع المواد الهشة هوالإجهاد المضغوط الكبير للغاية ، وهو كبير جدا بحيث يتم فحص انتشار تشققات المواد العيوب الموجودة مسبقا ويهيمن على تشكيل الرقاقة بسبب انبعاث الخلع. متوسط ​​الضغط الانضغاطي الطبيعي ، σc تعمل علىمنطقة الاتصال بين أداة القطع والسيليكون رقاقة الشغل ، ويمكن التعبير عن Ac．

صورة 6 صور SEM للرقائق المتكونة في قطع رقائق السليكون تحت سماكة رقاقة غير مشوّهة مختلفة مع دائرة نصف قطرها مختلف الشعاع

التين. 7 تأثير دائرة نصف قطرها قطع الماس أداة على خشونة السطح من رقائق السيليكون تشكيله الحصول عليها

  صورة 8 العلاقة بين قوة القطع الناتجة Fr؛ منطقة اتصال الشغل أداة ، ac ؛ يعني الضغط الانضغاطي الطبيعي σc ، وأداة الشعاع حافة القطع ، صحيث rc ¼ ac = ao هي نسبة القطع ، و kAB هي إجهاد تدفق القص على طول سطح القص المنحني AB.

  عند قطع مواد هشة ، مثل السليكون ، يمكن تحقيق تكوين شرائح وضع الدكتايل عندما تكون سماكة الشريحة غير المشكلة أقل من نصف قطر حافة الأداة. وهكذا ، بالنسبة للقطع الدقيق للمواد الهشة ، ينتج ذلكقوة القطع

  Monotonously مع أداة الشعاع حافة القطع المتتالية. مكافئ. 4 يشير ذلك إلى أن منطقة التلامس لأداة الشغل -أآلة AC- تزداد بشكل رتيب مع نصف القطر لأداة القطع. المقابلة للقوة الناتجة الناتجة Fr وكذلك الأداةمنطقة العمل الشغل Ac ، متوسط ​​الضغط الضاغط العادي σc كما في Eq. 1 يتناقص بشكل تدريجي في البداية مع نصف قطر حافة الأداة r ، ثم ينخفض ​​بسرعة مع r كلما زاد AC بسرعة مع r.يجب أن يكون أصغر كلما كان ذلك أفضل ، ويجب أن يكون هناك حد أعلى لنصف حافة الأداة لكل مادة قطعة عمل ، فوقها لا يكون القطع في وضع قابل للدك. في تجارب هذه الدراسة ، هذا الحد الأعلى للأداة.

  ضع في اعتبارك منطقة التلامس لأداة الشغل Ac = f (r، ac R، γ) ، لأن أداة قطع الماس البلورية المفردة ، يكون نصف قطر زاوية الأدوات ، R ، و rake angle γ هما ثابت ، نصف القطر المتطاير في الدكتايل وضع قطع منتم عرض رقاقة السيليكون في شكل 807 نانومتر.

  4 - نتائج

في هذه الدراسة ، تم دراسة تأثير أداة نصف القطر المتطورة للأداة على تشكيل الرقاقة و سطح الشغل الميكانيكي في طريقة القطع القابل للامتداد النانوي لمواد رقاقة السيليكون. تظهر النتائج أن هناك حد أعلىقيمة لنصف القطر أداة القطع ، أعلاه الذي يتغير وضع تشكيل رقاقة من الدكتايل إلى هش حتى على الرغم من سمك رقاقة غير مقيدة يبقى لتكون أصغر من دائرة نصف قطرها حافة أداة. قد يكون هذا بسبب الانخفاض فيالإجهاد الانضغاطي في منطقة تكوين الرقاقة ، كما تمت مناقشته في Sect. 3.4. نتيجة لخفض نمط القطع من قابلية التعديل إلى الهشاشة عندما يكون نصف قطر حافة الأداة أكبر من قيمة الحد الأعلى ، فإن سطح قطعة العمل المشغلةسيتم كسر ، مما تسبب في زيادة كبيرة في خشونة السطح تشكيله. في اختبارات القطع لهذه الدراسة ، وجد أن أعلى قيمة مربعة لقطع مادة رقاقة السيليكون مع أداة بلورية مفردة من الماس700 إلى 800 نانومتر.