CN116968200A - 一种脆性材料电极微孔加工方法 - Google Patents

一种脆性材料电极微孔加工方法 Download PDF

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CN116968200A CN202311164974.9A CN202311164974A CN116968200A CN 116968200 A CN116968200 A CN 116968200A CN 202311164974 A CN202311164974 A CN 202311164974A CN 116968200 A CN116968200 A CN 116968200A
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Abstract

本申请涉及脆性材料钻孔技术领域，具体公开一种脆性材料电极微孔加工方法。设需要钻的微孔直径为D，0.2≤D≤1mm。微孔的深度为H，H:D=(20~100):1。本加工方法包括：使用第一钻头进行第一次钻孔，孔深为h1，直径为d1；h1<2d1；使用第二钻头沿着第一次钻孔的方向进行第二次钻孔，孔深度为h2，0.2H<h2<0.5H；第二钻头的直径为d2，有效长度为l2，5<l2/d2<10；|d1‑d2|<0.1mm；使用第三钻头沿着第二次钻孔的方向进行第三次钻孔，第三次钻孔至底部留存0.3~0.5mm的厚度；第三钻头的直径为d3，0.02mm≤d3‑d2≤0.1mm；对留存层进行双面研磨贯通。本方法使用直径比第三钻头略小、长径比较小的第二钻头进行钻孔，加工时刀具振动小，孔在轴向基本不发生偏位，孔径均匀性好，减小了孔的双面位置度。

Description

一种脆性材料电极微孔加工方法
技术领域
本申请涉及脆性材料钻孔技术领域，更具体地说，涉及一种脆性材料电极微孔加工方法。
背景技术
硅电极是半导体行业设备，如等离子刻蚀机上关键零部件。硅电极上开设多个微孔，在刻蚀过程中，反应体气体通过该多个微孔均匀进入反应腔体内，对晶圆进行刻蚀。微孔尺寸、分布和孔内壁质量对刻蚀产品电学性能有直接的影响。硅电极表面分布有几百到上千个微孔，硅电极一般厚度为10mm，由于微孔规格不同，打孔时常用的金刚石钻头直径d在0.4mm到0.7mm之间，钻头有效长度L一般在11mm左右，以常用的直径0.45mm的钻头为例，长径比L/d＝24.44:1，这就导致钻头加工时刚性差，尤其是前段部分，会因为钻头振动大导致定心不准，造成深孔加工后小孔倾斜，出孔面位置度差等问题。
目前的钻孔方案有：
(1)双面打孔：先从一面打一半深度的孔，再从另一面打另一半深度的孔，能缩短一半的长径比。
(2)参数分段式打孔：同一把钻头，前段部分参数降低(进给速度减小，吃刀量减小)，中间参数增加(进给速度加快，吃刀量增加)，后段参数降低。
以加工直径0.45mm微孔为例，常规打孔工艺，由于刀具长径比较大，钻头加工时振动大，导致孔倾斜，出孔面的小孔位置度大，位置度一般在0.2mm以上，同时刀具寿命差，孔尺寸均匀性差。
双面打孔能够改善出孔面位置度大和孔径均匀性差的状况，但是双面打孔对治具精度或者翻面后小孔定位要求比较高，两面相接位置容易出现接痕，孔内壁质量不稳定。
参数分段式打孔是通过降低前段加工进给速度等参数来提高定心准确性，但没有弱化或改善长径比这个关键影响因素，依然存在振刀问题，导致孔尺寸均匀性差。
发明内容
针对常规打孔工艺存在打孔倾斜、出孔面的小孔位置度大、刀具寿命差、孔尺寸均匀性差的状况，双面打孔存在的两面相接位置容易出现接痕的状况，参数分段式打孔存在的孔尺寸均匀性差的状况，本申请提供一种打孔方法，旨在改善由于刀具长径比大导致孔位偏心、刀具寿命差的状况，并使得钻孔后的微孔尺寸均匀性好，孔直，出孔面的小孔位置度小。
一种脆性材料电极微孔加工方法，需要钻的微孔直径为D，0.2≤D≤1mm，所述微孔穿透所述脆性材料电极；所述微孔的深度为H，H:D＝(20～100):1；所述加工方法包括：引钻：使用第一钻头进行第一次钻孔，第一次钻孔的深度为h1；所述第一钻头的径向尺寸为d1；d1/2<h1<2d1；
定心：使用第二钻头沿着第一次钻孔的方向进行第二次钻孔，第二次钻孔的深度为h2，h2包含了h1这段孔的深度，0.2H<h2<0.5H；所述第二钻头的直径为d2，有效长度为l2，5<l2/d2<10；|d1-d2|<0.1mm；
深钻：使用第三钻头沿着第二次钻孔的方向进行第三次钻孔，第三次钻孔至底部留存0.3～0.5mm的厚度时停止前进并进行原位钻孔1秒以上；所述第三钻头的直径为d3，0.02mm≤d3-d2≤0.1mm，|d3-D|≤0.01mm；
贯通：对于第三次钻孔后的底部留存层，进行双面研磨，使孔贯通。
由于H:D＝(20～100):1，可知该微孔为深度远大于直径的深微孔。通过采用上述技术方案：(1)先引钻以进行孔定位，使钻孔面小孔的位置度较小，设计d1/2<h1<2d1，有利于快速引钻，钻出有利于定心的孔。(2)再定心，第二次钻孔用长径比l2/d2为5～10的钻头，长径比较小，并且可有适当的钻孔深度，使得孔在轴向基本不发生偏位；第二次钻孔的深度为h2，0.2H<h2<0.5H，减小了第三钻头(主钻头)在前段加工的切削量，在由于使用长径比较大的第三钻头加工前段部分振动较大，极易造成偏心和加剧刀具磨损，因而使用长径比较小的第二钻头振动小，不易造成偏心，可降低出孔面的小孔位置度，也能提升第三钻头的寿命；设置|d1-d2|<0.1mm，使得二次定心准确，若d1和d2相差过大很可能引起钻头定心不准，孔偏位。(3)接着深钻，第三次钻孔至底部留存0.3～0.5mm的厚度时停止前进并进行原位钻孔1秒以上，例如是1～2秒，降低底部崩裂的概率，其中0.02mm≤d3-d2≤0.1mm，若d2与d3直径相差小于0.02mm，d3在前段钻孔时可能会存在孔壁无法全部切削到的问题，造成孔壁缺陷和孔尺寸均一度差等问题，若相差过大，则无法充分发挥d2段的定心作用；|d3-D|≤0.01mm，以满足钻孔的尺寸要求。(4)最后对于第三次钻孔后的底部留存层，进行双面研磨，使孔贯通，双面研磨磨削了留存层，又不容易留下两面相接位置的接痕。
采用上述方案，所钻出的微孔竖直、钻孔面和出孔面的小孔位置度小、刀具寿命长、孔尺寸均匀性好，钻孔质量佳。
作为该脆性材料电极微孔加工方法的一种可选方式，所述脆性材料电极为硅电极。
通过采用上述技术方案，硅电极是半导体行业设备，如等离子刻蚀机上关键零部件，硅电极质地脆，采用该加工方法，孔尺寸均匀性好，钻孔面和出孔面的小孔位置度小，相比于常规打孔工艺、双面打孔工艺、参数分段式打孔工艺，打孔质量有显著提升。
作为该脆性材料电极微孔加工方法的一种改进，0.4≤D≤0.5mm，H:D＝(20～25):1。
通过采用上述技术方案，本加工方法对于该直径和长径比的微孔，具有良好的制作效果，钻出的孔尺寸均匀性好，刀具整体使用寿命长。
作为该脆性材料电极微孔加工方法的一种改进，所述第一钻头具有球形或半球形(两者比较，两实施例)的研磨头，所述球形或半球形的研磨头的直径为所述d1，使用所述球形或半球形的研磨头来进行第一次钻孔。
通过采用上述技术方案，使用球形或半球形的研磨头进行引钻，引钻孔形状规则，基本不产生裂纹等不良状况，并且有h1>d1/2使得球形或半球形的研磨头至少有半球钻入电极材料中，使得第一次钻孔的孔径等于d1，提升引钻孔径的均一性和可控性。
作为该脆性材料电极微孔加工方法的一种改进，h1＝0.7*d1～0.8*d1。
通过采用上述技术方案，引钻孔径均一可控，引钻效率高，孔尺寸规则，基本无裂纹等不良状况。
作为该脆性材料电极微孔加工方法的一种改进，0.04mm<D-d1<0.06mm。
通过采用上述技术方案，d1比D小约0.5mm，该差值有利于第二钻头的同步定心。
作为该脆性材料电极微孔加工方法的一种改进，0.04mm<D-d2<0.06mm。
通过采用上述技术方案，d2比D小约0.5mm，该差值有利于第三钻头的定心和磨削孔内壁，使得最终的孔尺寸稳定。
作为该脆性材料电极微孔加工方法的一种改进，0.04mm<d3-d2<0.06mm。
通过采用上述技术方案，该d2与d3的直径差值范围，第二次钻孔后的孔壁可以被切削到，孔尺寸均一度好，同时d2段的定心作用较好，以满足钻孔的尺寸要求和外观要求。
作为该脆性材料电极微孔加工方法的一种改进，所述第三钻头的有效长度为l3，0.2mm<l3-H<1.5mm。
通过采用上述技术方案，控制第三钻头的长径比不至于过大，又具有钻孔至材料底部留存0.3～0.5mm的厚度的能力。
作为该脆性材料电极微孔加工方法的一种改进，0.3mm<l2-h2<0.7mm。
通过采用上述技术方案，在需要的孔深h2下，控制l2不过大，以控制较小的长径比，控制l2不过小，以能钻孔至h2深度，并和材料电极保持足够的距离。
综上所述，本申请的脆性材料电极微孔加工方法具有如下有益效果：本加工方法主要依靠长径比小，直径比主钻头(第三钻头)略小的钻头，进行引孔定心，来防止主钻头加工时偏位，保证两面孔位置度在较小范围。主钻头长径比高，在加工前段部分振动较大，极易造成偏心和加剧刀具磨损。因此通过使用直径比主钻头略小、长径比小于10的钻头进行二次引钻，孔在轴向基本不发生偏位，同时也减小了主钻头在前段加工的切削量，既保证了孔的位置度，也能提升了刀具的使用寿命。
附图说明
图1为使用两侧的研磨刀对硅电极的余量厚度层进行双面研磨的示意图。
图2为采用参数分段式打孔方法和采用本申请钻孔方法所钻的第500个微孔的孔壁形态对比图。
图3为采用参数分段式打孔方法和采用本申请钻孔方法所钻的第1000个微孔的孔壁形态对比图。
图4为采用参数分段式打孔方法和采用本申请钻孔方法所钻的第1500个微孔的孔壁形态对比图。
图5为采用参数分段式打孔方法和采用本申请钻孔方法所钻的第2000个微孔的孔壁形态对比图。
图6为采用参数分段式打孔方法和采用本申请钻孔方法所钻的第2500个微孔的孔壁形态对比图。
图7为采用参数分段式打孔方法和采用本申请钻孔方法所钻的第3000个微孔的孔壁形态对比图。
图8为采用参数分段式打孔方法和采用本申请钻孔方法所钻的第3500个微孔的孔壁形态对比图。
图9为采用参数分段式打孔方法和采用本申请钻孔方法所钻的第5000个微孔的孔壁形态对比图。
具体实施方式
以下结合附图对本申请的脆性材料电极微孔加工方法进行具体实施说明。
一种脆性材料电极微孔加工方法，对脆性材料电极进行钻孔。脆性材料电极可以为硅电极，硅电极是半导体行业设备，如等离子刻蚀机上关键零部件，硅电极质地脆，本加工方法对于脆性材料电极所钻的孔尺寸均匀性好，钻孔面和出孔面的小孔位置度小，相比于常规打孔工艺、双面打孔工艺、参数分段式打孔工艺，打孔质量有显著提升。本加工方法尤其适用于深微孔的钻孔。
设需要钻的微孔直径为D，0.2≤D≤1mm，例如0.4≤D≤0.5mm，微孔穿透脆性材料电极。本加工方法对于该直径的微孔，具有良好的制作效果。
设微孔的深度为H，H:D＝(20～100):1，例如H:D＝(20～25):1。深径比较大。本加工方法对于该长径比的微孔，钻出的孔尺寸均匀性好，孔位置度小。本方法适用于该深径比较大的深微孔的钻孔，同样也适用于深径比较小，如小于20:1的微孔的钻孔。
本加工方法包括引钻、定心、深钻和贯通等步骤，具体如下：
(1)引钻：使用第一钻头进行第一次钻孔，第一次钻孔的深度为h1。第一钻头的径向尺寸为d1。先引钻以进行孔定位，使钻孔面小孔的位置度较小，设计d1/2<h1<2d1，优选h1<d1，有利于快速引钻。设计0.02mm<D-d1<0.15mm，d1比D略小，有利于定位和后续精细切削。优选0.04mm<D-d1<0.06mm，d1比D小约0.5mm，该差值有利于第二钻头的同步定心。
(2)定心：使用第二钻头沿着第一次钻孔的方向进行第二次钻孔，第二次钻孔的深度为h2，h2包含了h1这段孔的深度。第二钻头的直径为d2，有效长度为l2。第二次钻孔用长径比l2/d2为5～10的钻头，长径比较小，并且可有适当的钻孔深度，使得孔在轴向基本不发生偏位。设置0.2H<h2<0.5H，减轻了后续使用的第三钻头(主钻头)在前段加工的切削工作量，由于使用长径比较大的第三钻头加工前段部分振动较大，极易造成偏心和加剧刀具磨损，因而使用长径比较小的第二钻头来加工前段部分振动小，不易造成偏心，可降低出孔面的小孔位置度，也能提升第三钻头的寿命。设置|d1-d2|<0.1mm，使得二次定心准确，若d1和d2相差过大很可能引起钻头定心不准，孔偏位。设置0.02mm<D-d2<0.10mm，留有适当孔壁量供后段制程再进行切削，使第三钻头插入孔中具有一定紧实度，提高第三钻头的定心精准度。优选0.04mm<D-d2<0.06mm，d2比D小约0.5mm，该差值有利于第三钻头的定心和磨削孔内壁，使得最终的孔尺寸稳定。可以设置0.3mm<l2-h2<0.7mm，在需要的孔深h2下，控制l2不过大，以控制较小的长径比，控制l2不过小，以能钻孔至h2深度，并和材料电极保持足够的距离。
(3)深钻：使用第三钻头沿着第二次钻孔的方向进行第三次钻孔，第三次钻孔至底部留存0.3～0.5mm的厚度时停止前进并进行原位钻孔1秒以上，例如是1～2秒，降低底部崩裂的概率。第三钻头的直径为d3，设置0.02mm≤d3-d2≤0.1mm，若d2与d3直径相差小于0.02mm，d3在前段钻孔时可能会存在孔壁无法全部切削到的问题，造成孔壁缺陷和孔尺寸均一度差等问题，若相差过大，则无法充分发挥d2段的定心作用。优选0.04mm<d3-d2<0.06mm，该d2与d3的直径差值范围，第二次钻孔后的孔壁可以被切削到，孔尺寸均一度好，同时d2段的定心作用较好，以满足钻孔的尺寸要求和外观要求。设置|d3-D|≤0.01mm，优选d3＝D，以满足钻孔的尺寸要求。第三钻头的有效长度为l3，可设计0.2mm<l3-H<1.5mm，控制第三钻头的长径比不至于过大，又具有钻孔至材料底部留存0.3～0.5mm的厚度的能力。
(4)贯通：对于第三次钻孔后的底部留存层，进行双面研磨，使孔贯通，双面研磨磨削了留存层，又不容易留下两面相接位置的接痕。
以上加工方法钻出的微孔竖直、钻孔面和出孔面的小孔位置度小、刀具寿命长、孔尺寸均匀性好，钻孔质量佳。
第一钻头的一个改进实施例为，第一钻头具有球形的研磨头，球形的研磨头的直径为d1，使用球形或半球形的研磨头来进行第一次钻孔，h1>d1/2，使用球形的研磨头进行引钻，引钻孔形状规则，基本不产生裂纹等不良状况，设置h1>d1/2使得球形的研磨头至少有半球钻入电极材料中，使得第一次钻孔的孔径等于d1，提升引钻孔径的均一性和可控性。
第一钻头的另一个改进实施例为，第一钻头具有半球形的研磨头，半球形朝外，半球形的研磨头的直径为d1，使用球形或半球形的研磨头来进行第一次钻孔，h1>d1/2，设置h1>d1/2使得半球形的研磨头至少有半球钻入电极材料中，使得第一次钻孔的孔径等于d1。由于半球形的研磨头完全钻入材料电极之中后，后半段对称半球面的承接研磨，导致钻出的孔字深度方向上有略微的偏移，其形状规整度差于球形的研磨头所钻出的孔。
对于上述球形或半球形的研磨头方案，优选h1＝0.7*d1～0.8*d1，研磨头未完全钻入材料电极之中，既减少钻孔时长，又使得引钻孔径在深度方向上更为均一可控，孔尺寸规则，基本无裂纹等不良状况。
以下以10mm厚度硅电极为需要钻孔的元件，加工0.45mm直径的微孔为例：
步骤一：使用直径0.4mm(d1)金刚石球刀作为引钻，加工0.3mm(h1)深。其中h1＞d1/2。
步骤二：使用直径0.4mm(d2)，有效长度l2为3.5mm的金刚石钻头，加工3mm深。
步骤三：使用直径0.45mm(d3)，有效长度11mm的金刚石钻头，加工全程钻孔深度但不贯穿工件，底部留0.3-0.5mm余量厚度层，防止底部崩裂。
步骤四：步骤三的d3直径钻头在孔底暂停1-2秒，使孔底切削完整。
步骤五：参考图1，硅电极微孔底部留0.3-0.5mm余量厚度层两侧，分别使用左研磨刀1和右研磨刀2，对硅电极3的余量厚度层31进行双面研磨，使余量厚度层被研磨穿透，使孔贯通。
步骤六：对硅电极进行清洗。
以上举例的钻孔方法中：
1.引钻d1钻头使用的是金刚石球刀，|d1-d2|＜0.1mm，引钻直径d2过大或过小都可能引起钻头定心不准，孔偏位。
2.d2钻头应比d3钻头直径小0.02mm到0.1mm，d2如果与d3直径相差小于0.02mm，d3在前段钻孔时可能会存在孔壁无法全部切削到的问题，造成孔壁缺陷；如果相差过大，则无法充分发挥d2定心的作用。
3.步骤四在孔底暂停，进行充分切削，能够提升出孔面孔径均匀性。
以上主钻头(第三钻头)长径比高，达到25左右，在加工前段部分振动较大，极易造成偏心和加剧刀具磨损。因此通过使用直径比主钻头略小、长径比小于10的第二钻头进行二次引钻，加工时刀具振动小，引孔位置度好，使得孔在轴向基本不发生偏位，孔径均匀性好，同时也减小了主钻头在前段加工的切削量，既减小了孔的双面位置度，也能提升主钻头的使用寿命，如下两项测试结果所示。
(1)主钻头寿命的提升
对于上述10mm厚度硅电极加工0.45mm直径的微孔，采用上述的步骤一到步骤六的本申请钻孔方法，以及采用背景技术所述的参数分段式打孔方法，分别钻5000个微孔，分别剖开第500、1000、1500、2000、2500、3000、3500、5000个微孔，用光学显微镜观测孔壁形态，结果如下表1的描述以及如图2～图9的对比图片所示。
表1两种钻孔方法的孔壁形态对比
图2～图9中，标记带“旧”的分图为采用参数分段式打孔方法，依次所钻的第500、1000、1500、2000、2500、3000、3500、5000个微孔的孔壁形态图。
图2～图9中，标记带“新”的分图为采用本申请的打孔方法，依次所钻的第500、1000、1500、2000、2500、3000、3500、5000个微孔的孔壁形态图。
从表1的记载以及如图2～图9的对比图片可以看出，采用本申请的钻孔方法延缓了刀具磨损进度，当加工第5000个孔时，采用参数分段式方法的钻头已经失去切削能力，孔壁明显是切削刃挤压出来的形态，而本申请的钻孔方式，钻头依然具备切削能力。表明采用本申请的钻孔方法，能提升主钻头的使用寿命。
(2)微孔精度的提升
对于上述10mm厚度硅电极加工0.45mm直径的微孔，采用上述的步骤一到步骤六的本申请钻孔方法，以及采用背景技术所述的参数分段式打孔方法，分别钻5000个微孔。
评价微孔精度的指标主要有两个：1.孔径均匀性，指所加工的一组微孔孔直径的极差值，即最大孔径和最小孔径的孔径差值；2.孔位置度，出孔面孔位置度最能反映出钻孔过程是否出现偏斜，出孔面指的是非钻孔面，即需要磨透的那一面。
测试前面的500个、1000个、1500个、2000个、2500个、3000个、3500个、5000个微孔的孔径均匀性和出孔面位置度。其中，孔位置度是指孔偏离标准位置的距离的2倍值，表2中的孔位置度数值是被测组所有孔中位置度最大的一个值。孔位置度数据由AOI影像测量仪检测获取，测试结果如表2所示，表2中的孔位置度单位均为inch。
表2孔位置度测试数据
从表2的结果对比可以看出，本申请所钻孔的孔径均匀性有所提升，尤其是加工到5000个孔时，参数分段法所使用的刀具磨损严重，孔均匀性为0.0006inch，而本申请所钻孔的孔径均匀性为0.0003inch。采用本申请钻孔法，孔位置度也明显改善。
以上仅是本申请的一些实施例，本申请的保护范围并不局限于上述实施例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创意设计前提下的若干改进和润饰，也应落入本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种脆性材料电极微孔加工方法，其特征在于，需要钻的微孔直径为D，0.2≤D≤1mm，所述微孔穿透所述脆性材料电极；所述微孔的深度为H，H:D=(20~100):1；所述加工方法包括：
引钻：使用第一钻头进行第一次钻孔，第一次钻孔的深度为h1；所述第一钻头的径向尺寸为d1；d1/2<h1<2d1；
定心：使用第二钻头沿着第一次钻孔的方向进行第二次钻孔，第二次钻孔的深度为h2，h2包含了h1这段孔的深度，0.2H<h2<0.5H；所述第二钻头的直径为d2，有效长度为l2，5<l2/d2<10；|d1-d2|<0.1mm；
深钻：使用第三钻头沿着第二次钻孔的方向进行第三次钻孔，第三次钻孔至底部留存0.3~0.5mm的厚度时停止前进并进行原位钻孔1秒以上；所述第三钻头的直径为d3，0.02mm≤d3-d2≤0.1mm，|d3-D|≤0.01mm；
贯通：对于第三次钻孔后的底部留存层，进行双面研磨，使孔贯通。
2.根据权利要求1所述的脆性材料电极微孔加工方法，其特征在于，所述脆性材料电极为硅电极。
3.根据权利要求1所述的脆性材料电极微孔加工方法，其特征在于，0.4≤D≤0.5mm，H:D=(20~25):1；。
4.根据权利要求1所述的脆性材料电极微孔加工方法，其特征在于，所述第一钻头具有球形或半球形的研磨头，所述球形或半球形的研磨头的直径为所述d1，使用所述球形或半球形的研磨头来进行第一次钻孔。
5.根据权利要求1或4所述的脆性材料电极微孔加工方法，其特征在于，h1=0.7*d1~0.8*d1。
6.根据权利要求1所述的脆性材料电极微孔加工方法，其特征在于，0.04mm<D-d1<0.06mm。
7.根据权利要求1所述的脆性材料电极微孔加工方法，其特征在于，0.04mm<D-d2<0.06mm。
8.根据权利要求1所述的脆性材料电极微孔加工方法，其特征在于，0.04mm<d3-d2<0.06mm。
9.根据权利要求1所述的脆性材料电极微孔加工方法，其特征在于，所述第三钻头的有效长度为l3，0.2mm<l3-H<1.5mm。
10.根据权利要求1所述的脆性材料电极微孔加工方法，其特征在于，0.3mm<l2-h2<0.7mm。
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