微钻—单晶硅切削工具

樊信龙++秦学敏

摘 要：微钻单晶硅切削工具用于制造三维微形状工件。微钻是一个D形横截面，切削刃的半径为0.5μm的电磨工具（WEDG）。结果表明：实现切割延性域切削深度为0.1μm，间隙角大于0°，以防止在孔入口处断裂。最小的机加工的孔直径为6.7μm，这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钻孔。对半导体单晶硅滚磨加工技术是很好的促进。

关键词：微钻 微型刃具 单晶硅

中图分类号：TH161 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（b）-0008-02

单晶硅的加工过程，一般包括研磨，抛光，光刻和蚀刻，可实现非常小的，高精确度的功能，但是所得到的尺寸是有限的平面形状，难以制造三维微的形状实现所需微型感应微型致动的应用[1]。

使用可靠的机械制造工艺及工具实现复杂的三维特征，但是使用时，由于在加工中产生的脆性断裂的过程，使加工的脆性材料（如单晶硅，加工精度和表面粗糙度）的质量差[2]。当工件很小，由于加工力很大就很容易加工具有高的纵横比工件。考虑到这些事实，微型超声波加工方法只需要小的加工力，开发用于制造三维微形硬而脆的材料，包括单晶硅。虽然微细孔的直径为5μm，电加工（EDM）也被用于单晶硅的微细加工，因为施加到工件上的加工力小。但电阻高的硅存在可以不进行机械加工和表面质量差的问题。

众所周知，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]。到现在为止，许多研究已报告了这些材料在延性域切削。当韧性处于主导，硬脆材料有望实现像金属材料那样可加工。而且已加工表面是高质量的无裂纹和有小的亚表面损伤。

尽管如此，在延性域切削加工力可以是小的，因为是小的切削深度，从而可使用坚硬的微型刀具。硬而脆的材料，例如用D形横截面的微型工具对单晶硅和玻璃的切断。微铣削可在硅上实现宽度为20μm，厚25μm的槽。微钻单晶硅切削结果表明，在加工孔入口处有大裂缝，预防断裂进行可通过使刀具间隙角大于0°。

1 实验过程

图1（左）显示了实验中所用的微型工具，是一个带有直槽形状的正方形端铣刀。图1（右）是17μm直径的微型刀具扫描电子显微镜（SEM）照片。图（b）及（c）为切削刃的特写画面。间隙角和尖端半径分别为20°和0.5μm。在工具表面由于放电，切削刃的前刀面和后刀面的相交线所产生破口具有亚微米级的表面粗糙度。虽然既不是尖锐也不直链，市售的切削工具可以实现延性域切削。

2 单晶硅进行微钻加工

2.1 刀具后角的影响

图2示出直径为10μm的微细孔的SEM照片，图2（a）及（b）分别以0.05μm/s的进给速率钻取的间隙角为20°和5°的孔。虽然观察到少的碎屑，但入口边缘没有任何断裂。表明是在延性域进行钻探的。此外没有任何毛刺，边缘很锋利。然而图2（c）为间隙角为0°进给速率为0.05μm/s时钻取的孔，入口处断裂明显。即使在间隙角为0°很低的进给速率0.03μm/s时断裂明显，如图2（d）。这些结果表明，间隙角大于0°是必要造成断裂。

2.2 可加工孔直径

所得到的刀具直径旋转运行，在电火花加工过程中线电极之间的主要间隙的波动是有限的。可以制造并使用约6 μm直径的微型工具，但是它不可能获得比这更薄的一个半圆柱形的形状的钻头。使用直径6μm的刀具，进料速率为0.03μm/s时微钻得到的孔眼的直径和深度分别为6.7和10μm。当一个工具长于本实验中使用，通常会导致刀具破损。然而，通过降低进料速率可以防止刀具破损，但钻孔质量差，晃动的工具扩大了入口使周围断裂。

2.3 刀具磨损

当进给速率为0.1μm/s，切割总深度为60μm时，直径为20μm的刀具会出现明显的刀面磨损现象。在第2.1节中给出的结果，预期的裂缝和磨损将在刀具进行钻孔入口处时产生，其中的间隙角为约0℃。使用直径为20μm的钻头以进料速率为0.1μm/s钻取深5μm的孔时，钻孔的入口完全断裂，符合预期。磨损的钻头必须重塑以备下次使用。

2.4 提高加工速度

另外，在上述实验中，为了防止断裂和刀具破损，进给速度没有超过0.1μm/s，这是相当缓慢的。为确定最快的进给速率、提高了加工速度进行另一项实验，即以不同的进给速率进行钻孔。

钻孔进给速率分别设定为0.2，0.3，和0.4μm/s。工具直径为20μm和长50μm。钻孔后其尖端重塑后再进行钻孔。在进料速率为0.2和0.3μm/s的入口处没有任何断裂，钻孔质量好，但是进给速率为0.4μm/s的钻孔出现了大裂缝。因为该工具使用之前都经过重塑，可以得出结论：高进给速度为0.4μm/s侧面引起的裂纹。

因此，与刀具直径为20μm，长度为50μm，进给速度可以提高到0.3μm/s时在孔的入口不会造成断裂。在实验过程中，该工具没有高进给速度为了防止刀具破损的发生。

3 结语和结论

微钻可用电火花加工制造钻头，所制造的工具有一个D形横截面和切削刃的半径为0.5μm。实验结果表明，取得的最小刀具直径约为6μm，可实现延性域钻孔并使孔直径6.7μm。加工直径为20μm的和长度为50μm的孔，进给速度可以提高到0.3μm/s时，而不会造成在孔入口处的刀具破损或破裂。

微钻的成功可使单晶硅在加工中可以避免脆性断裂，间接为单晶硅滚磨提供依据。

参考文献

[1] 闫占辉.硅晶片超精密加工的研究现状[J].半导体技术，2005（11）.

[2] 张磊.硬脆材料异性面超声微精加工工艺研究[D].扬州：扬州大学，2010.

[3] 霍凤伟.硅片延性域磨削机理研究[D].大连，大连理工大学，2006.

[4] 史兴宽，滕霖，李雅卿，等.硬脆材料延性域磨削的临界条件[J].航空精密制造技术，1996（4）.endprint