CC BY
84
19. Свойства сплошных протяженных лазерных искр в газах пониженного давления / А.И. Кобылянский [и др.]. // ИВТАН. Препринт №5264. М., 1989. 59 с.
20. Пятницкий Л.Н., Коробкин В.В. Волновые пучки с компенсированной дифракцией и протяженные плазменные каналы на их основе // Тр. Института общей физики РАН. 2000. Т. 57.
21. Измерение электропроводности плазмы бесселева пучка / С.С. Бычков [и др.]. // ИФТПЭ ОИВТ РАН.
22. Кайе Г., Лаби Т. Физические и химические константы. М.: Энергоатомиздат, 1978. 102 с.
23. Создание в вакууме протяженного плазменного канала при воздействии квазибесселева пучка на мишень / В.М. Батенин [и др.]. // Квантовая электроника. Т. 31. № 5. 2001.
24. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке RU № 2009113481/02. Способ обработки токопроводящих материалов. Любимов В.В., Сабинин Е.А. Заявлено 13.04.2009.
V. Lubimov, E. Sabinin
Enhancemet of technological capabilities and justification of new technological schemes of electromachining techniques
Enhancement of technological capabilities and justification of new technological schemes of electromachining techniques on the example of laser machining were examined. Possibility of replacing the tool electrode with plasma channels was justified.
Key words: electromachining, nonsolid-state tool, nanosecond laser radiation, plasma channel.
Получено 28.12.10 г.
УДК 621.9.048
А.Р. Абитов, асп. (4872) 35-24-52, abitov-andrey@ya.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ФАСОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ПЛАСТИНАХ КРЕМНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ
Методом электроэрозионной обработки получены фасонные элементы различного профиля на поверхностях кремниевых пластин. Произведены исследования влияния рабочих жидкостей, материалов электродов инструментов и технологических параметров обработки на производительность, точность формообразования и качество поверхностей полученных элементов.
Ключевые слова: кремний, электроэрозия, разряд, фасонный элемент.
Введение. Одним из основных материалов для изготовления изделий микромеханики, интегральных микросхем и микросистем является кремний. Помимо общеизвестных полупроводниковых свойств, кремний
обладает хорошими прочностными и упругими свойствами, а также относится к числу пьезоэлектрических материалов. Кремниевые подложки с изготовленными на их поверхностях фасонными полостями используются в качестве инструмента (пресс-форм) для изготовления полимерных микролинз в технологии литья под давлением [6].
Формирование фасонных микроэлементов (полостей) различного профиля в кремниевых подложках является сложной технологической операцией. В настоящее время такие элементы изготавливаются методами травления (в основном, химического и плазменного) [5]. Использование этих методов требует создания маски на обрабатываемой поверхности. Одновременно с промышленным внедрением вышеуказанных методов разрабатываются «безмасковые» методы формообразования в кремнии. Одним из таких методов является метод электроэрозионной обработки (ЭЭО). Точность формообразования в данном случае достигается за счет использования фасонных электродов-инструментов. Однако в литературе практически отсутствуют сведения о технологических режимах, производительности обработки, рабочих средах, точности формообразования и качестве поверхностей получаемых элементов.
По сравнению с ЭЭО металлов электроэрозионная обработка полупроводников имеет ряд особенностей:
1) необходимость корректировки полярности в соответствии с типом легирования кремния;
2) отсутствие влияния кристаллографического направления полупроводниковой пластины на процесс ЭЭО [3];
3) отсутствие загрязнения поверхностных слоев кремния материалами электродов-инструментов и диэлектрических жидкостей [1,2];
4) полупроводники обладают меньшим по сравнению с металлами коэффициентом эрозионной стойкости, и, как следствие, на практике наблюдаются более высокие скорости обработки (в 2 раза выше по сравнению с металлами) и меньший износ электродов-инструментов (в 3 - 4 раза по сравнению с металлами) [3].
Основным недостатком метода является возможность возникновения в поверхностных слоях полупроводника микротрещин и структурных изменений, что требует введения дополнительных операций для восстановления исходных свойств (химического травления и восстановительного отжига).
Цель работы. Целью работы является исследование процесса элек-троэрозионного формообразования фасонных элементов в пластинах кремния.
Условия проведения экспериментов. В работе использовался кремний со следующими параметрами: р+Б1, <100>, 0=0.01-0.1 Ом-см, 0100^0,525 мм.
Обработка кремния осуществлялась в деионизированной воде, керосине осветительном КО-30 ГОСТ 4753-68 и индустриальном масле И - 10А ГОСТ 20799-88. Обработка кремния производилась при использовании импульсного напряжения (длительность импульсов т = 1 мкс, частота следования импульсов Г = 100 кГц, скважность q = 10, амплитуда импульсов и = 20...60 В). Межэлектродный зазор устанавливался равным 10 мкм.
Схема обработки представлена на рис. 1.
7
Рис. 1. Схема ЭЭО кремния:
1 - электрод-инструмент (катод); 2 - пластина кремния (анод);
3 - прижим; 4 - емкость; 5 - рабочая жидкость; 6 - токоподвод анода
Для проведения исследований электроды-инструменты круглого, квадратного сечения изготавливались методом электроэрозионной вырезки; сферические - методом электрохимической обработки, конические -гальванического выращивания. Рабочая часть электродов-инструментов была отполирована электрохимическим способом (И=5 В, 1=60 с, электролит - Н3Р04 (800 г/л) + н-С4Н9ОН (80 г/л) до шероховатости поверхности Яа = 0,1 мкм.
Результаты и их анализ. Произведена оценка производительности электроэрозионного формообразования при обработке кремния в различных рабочих жидкостях в зависимости от амплитуды рабочих импульсов.
Максимальная производительность обработки (рис. 2) кремния зафиксирована в деионизированной воде при амплитуде импульсов 60 В. С увеличением вязкости среды эвакуация продуктов эрозии улучшается. Однако при обработке в вязкой жидкости при малых межэлектродных зазорах (5.10 мкм) эвакуация продуктов эрозии затруднительна, поэтому при обработке кремния в индустриальном масле отмечена самая низкая производительность. Установлено, что увеличение диаметра электрода-инструмента от 0,5 до 1 мм влияет на производительность обработки незначительно.
Рис. 2. Зависимости производительности ЭЭО в различных средах от амплитуды рабочих импульсов:
1 - керосин; 2 - вода деонизированная; 3 - масло индустриальное
Проведено исследование влияния материала электродов-инструментов на производительность обработки. Для этого были изготовлены электроды-инструменты диаметром 1 мм из следующих материалов:
1) медь М0 ГОСТ 859-2001;
2) молибден (Проволока МК-15 ГОСТ 18905-73);
3) сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72;
4) латунь Л63 ГОСТ 15527-2004.
В пластине кремния изготавливались цилиндрические отверстия глубиной 350 мкм, и фиксировалось время обработки. Эксперименты проводились в деионизированной воде.
250
\о
V© х О 5 Л I
Б > ? 5
200
150
235,5
<и ^ 100 -
т
х
о
о.
с
50 -
92 115,5 3
2
235.5
Материал электрода - инструмента
Рис.3. Производительность ЭЭО в зависимости от материала электродов-инструментов:
1 - Медь М0 ГОСТ 859-2001; 2 - Молибден ГОСТ 18905-73;
3 - Сталь 12Х18Н10ТГОСТ 5632-72; 4 - Латунь Л63 ГОСТ 15527-2004
Материал электрода-инструмента значительно влияет на производительность обработки. При обработке кремния медными и латунными электродами зафиксирована самая высокая производительность процесса (рис. 3). Однако при обработке кремния электродами из нержавеющей стали и молибдена время обработки увеличивается в два и три раза соответственно, т.е. производительность процесса уменьшается.
Произведена оценка погрешности обработки в различных рабочих жидкостях в зависимости от амплитуды рабочих импульсов.
0,035 0,034
| 0,033
i 0,032
J 0,031
(Z
*g 0,03
è 0,029
0
X
э 0,028
О)
О.
1 0,027 0,026 0,025
20 40 60
Амплитуда импульсов U, В
Рис. 4. Зависимости погрешности ЭЭО при обработке в различных средах от амплитуды рабочих импульсов:
1 - керосин; 2 - вода деонизированная; 3 - масло индустриальное
Оценка проводилась по следующей формуле:
д = ( D - d )
2 ’
где D - диаметр полученного отверстия, d - диаметр электрода-инструмента.
Наименьшая погрешность формообразования достигнута при обработке кремния в деионизированной воде при амплитуде импульсов 20 В (рис. 4). При увеличении вязкости среды (обработка в керосине и индустриальном масле) погрешность обработки возрастает, т.е. точность формообразования уменьшается.
Проведены измерения шероховатости обработанных поверхностей Ra, образованных при обработке в различных рабочих жидкостях в зависимости от амплитуды рабочих импульсов. Шероховатость поверхности измерялась на профилографе - профилометре Surf Corder 1400а.
Наименьшая шероховатость поверхности Ra = 0,8 мкм достигнута при обработке кремния в деионизированной воде при амплитуде импуль-
сов 20 В (рис. 5). При увеличении амплитуды рабочих импульсов шероховатость поверхности возрастает и достигает максимального значения Яа = 1,87 мкм при обработке кремния в керосине при амплитуде импульсов 60 В.
Рис. 5. Зависимости шероховатости поверхности Яа при ЭЭО в различных средах от напряжения на электродах:
1 - масло индустриальное; 2 - керосин; 3 - вода деонизированная
Для демонстрации возможностей метода ЭЭО в кремнии изготовлены фасонные элементы различного профиля. На рис. 6 представлены результаты фасонного формообразования в кремнии - фасонные элементы прямоугольного, сферического и конического профилей.
а
б
200 мкм
1 / 1
2Ь0 мкм
/ У
310 м км
/
ж
Рис. 6. Фасонные элементы в кремнии различного профиля: а - изображения элементов с оптического микроскопа; б - профилограммы поверхностей элементов
На рис. 7 представлены фасонные элементы в кремнии сложного (комбинированного) профиля.
а
б
300 мкм
к
"•—
Рис. 7. Фасонные элементы в кремнии комбинированного профиля: а - изображения элементов с оптического микроскопа; в - профилограммы поверхностей элементов
На рис. 8 представлено изображение изготовленной кремниевой пресс-формы для изготовления полимерных микролинз методом литья под давлением (диаметр элементов 1,5 мм, глубина 0,25 мм, шероховатость поверхностей элементов Яа=0,18 мкм).
Рис. 8. Кремниевая пресс-форма
Для достижения указанной шероховатости поверхности производилось механическое полирование поверхностей элементов.
Выводы. В результате экспериментов изготовлены фасонные элементы в кремнии различной конфигурации. Произведено исследование производительности обработки, точности формообразования и шероховатости поверхностей полученных элементов в зависимости от сред обработки, материалов электродов-инструментов и технологических параметров процесса. Предпочтительной средой для обработки кремния является деионизированная вода, т.к. при обработке в данной среде установлены наи-
большая производительность, точность и минимальная шероховатость (Ra = 0,8 мкм) поверхностей получаемых элементов.
Исследования выполнены в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 гг. (государственный контракт № 14.740.11.0484).
Список литературы
1. D. Reynaerts, P.H. Heeren, H. Van Brussel. Micro structuring of silicon by electro discharge machining (EDM). Part I: theory. Sensors and Actuators. A 60 (1997). P. 212-218.
2. D. Reynaerts, W. Meeusen, H. Van Brussel. Machining of threedimensional microstructures in silicon by electro discharge machining (EDM). Part II: applications. Sensors and Actuators. A 67 ( 1998). P. 379-386.
3. G. Staufert, A. Dommann, D. Lauger. Behavior of a silicon spring fabricated by wire electro-discharge machining // J. Micromech. Microeng. 3 (1993). P. 232-235.
4. Luo Y.F., Chert C.G. and Tong Z.F. Investigation of silicon wafering by wire EDM // J. Mater. Sci.. 27 (1992). P. 5805-5810.
5. Huster R., Kovacs A., Mescheder U. 3-D Micro Free-Form Manufacturing in Silicon. Micro System Technologies 2005. Munchen, October 5-6,2005, P. 55-62.
A. Abitov
Forming of the shaped elements on the silicon’s sheets by electro discharge machining
The shaped elements of the different profiles was made on the sheets of the silicon by electro discharge machining. Study of the effect of the working fluids and technological processing parameters was carried out on the efficiency of the process, accuracy and surface roughness of the elements.
Key words: silicon, electroerrosion, charge, shaped element.
Получено 28.12.10 г.
