行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
具電化學作用之混合式磨拋系統研發(II)
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC91-2212-E-110-017- 執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日 執行單位： 國立中山大學機械與機電工程學系(所) 計畫主持人： 蘇耀藤 計畫參與人員： 國立中山大學機電所 歐家慶 邱逸宏 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 92 年 10 月 22 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
具電化學作用之混合式磨拋系統研發(II)
計畫編號：NSC 91-2212-E-110-017
執行期限：91 年 8 月 1 日至 92 年 7 月 31 日
主持人：國立中山大學機電所 蘇耀藤
計畫參與人員：國立中山大學機電所 歐家慶 邱逸宏
摘要 本研究計畫的終極目的在於試圖發展 一種可結合電化學加工（electrochemical machining）與混合磨拋（hybrid grinding） 的加工法，以期對硬脆材料加工出低破壞 層、高光滑度與高精度的表面。而本年度 計畫的重點有三。其一，在於研製適於混 合磨拋使用的刀具；其二，在於尋求可改 變 工 件 表 面 能 或 工 件 與 磨 粒 吸 附 能 （adhesive energy）的方法；最後，則應用 分子動力學分析法，掌握工件表面能對於 所能拋光出之最佳粗度（稱之為終極粗度） 的影響為何。做法上，則是透過各種實作 方法來製作刀具，並以實驗方法觀察在工 件表面上建立電場對拋光行為的影響，來 推演該電場對表面能或工件與磨粒吸附能 的影響。其結果顯示，有效製作一軟性輪 磨刀具仍有相當大的困難，其主要的難處 在於不易令磨粒與軟性刀具能強而有力的 結合。至於電場的效應，研究中得知對於 某些的工件與磨粒材料的搭配，會產生重 大的影響；刀具或工件的磨耗率會因電場 的施加而產生明顯的變化。而分子動力學 的模擬顯示工件表面的表面能與工件和磨 粒間的吸附能會影響到終極粗度的值。當 表面能越低，終極粗度會越大；而工件和 磨粒間的吸附能越大，終極粗度亦會越大。 關鍵詞：混合磨拋、終極粗度、變質層 AbstractThis project is aimed to develop a machining method that combines the electro-chemical effect and hybrid-grinding principle in the machining process. The developed method is designed to obtain a ultra-smooth surface
with high precision and low damaged surface layer for a brittle material. The main goals of the study in this year are as follows. First, a manufacturing procedure for the specific tool used in the machining method will be evaluated. A proper mean in varying the surface energy of work or the adhesive strength between abrasive particles and work is tested. Finally, the effects of surface energy and adhesive strength on the ultimate surface roughness by the molecular dynamic simulation method are investigated. For the tool manufacturing, several approaches were tested to make the abrasive particles strongly adhesive to tool with soft tissue inside. To change the surface characteristics of work, an electric field was applied to the work surface. Several sets of experiments were then
conducted to evaluate the effectiveness of the approach for various materials. The study indicated that the manufacture of desired tool is not successful. The effect of electric field on changing the surface properties of work is profound for some materials. On the other hand, its effect is negligible for other
materials. The molecular dynamics simulations revealed that the surface roughness of work was affected by the surface energy of work and the adhesive strength between work and abrasive particles. A smoother surface may be obtained when the surface energy is high or the adhesive strength is low.
Keywords: hybrid grinding, ultimate surface roughness, damaged layer
一、緣由與目的
由於應用科技的進步，所使用元件的 種種要求日益嚴格，以致在元件加工技術
方面，也被要求具有低破壞層（變質層）、 高光滑度與高精度的加工特質或能力。譬 如，在半導體產業的素晶圓製造方面，為 了線寬的進一步減少以及應付後段製程溫 度環境的起伏變化，所加工出的素晶圓的 表面需擁有高光滑度、高平坦度以及無變 質層的品質。而在資料儲存產業方面，亦 有類似的要求。又如，在精密模具方面（例 如，精度要求優於 0.1 µm，且粗度優於 10 nm），由於在後續的應用過程（如，射出 成型）中，因疲勞破壞，會導致變質層剝 落而破壞模具之形狀精度或光滑度。因 此，模具之加工除了需滿足精度與粗度的 要求，其表面的變質層亦需極小，以提高 使用之壽命。 基於此，本計畫的原始目的在於嘗試 發展一個能結合延性加工[1-3]、拋光加工 與電化學效應的加工法，以提昇對脆硬材 料的加工特性。然而，工件之表面粗度與 變質層的形成，是使用傳統加工法（如輪 磨加工）所必然產生之結果[4]。此乃因傳 統加工法令材料移除的手段，是透過塑性 變形或破裂的方式，逼使表層材料剝離原 表面。該過程亦同時使得新的表面遭受塑 性變形或破裂的影響，而殘留微裂痕或其 它破壞於其中。尤其，對硬脆材料而言， 低延展性的特性將使得破裂（fracture）成 為材料移除的主要或唯一機制，以致元件 極為容易於加工過程中整體破裂或在表面 上殘留甚厚的破壞層。因此，如何能獲得 高的材料移除率，並同時對硬脆材料加工 而得到完整的表面（低破壞層、高光滑度、 高精度）成為一深具挑戰的問題。 本 計 畫 試 圖從兩個方向來探討本問 題。其一，是設計一個軟性的輪磨刀具， 來減少加工過程中細微磨粒壓入工件表面 的深度，以實現延性加工的目的。其二， 是改變工件表面之表面能或工件與磨粒間 之吸附能大小，以圖提昇材料之移除率。 其中採用輪磨之加工方式是希望能擁有較 高的材料移除率，而以軟性刀具取代硬性 刀具的用意，是要減緩或避免因刀具與硬 脆工件間振動所引發之工件表面微破裂的 問題。 本計畫為三年期計畫的第二年計畫， 在第一年計畫中已完成部分機台的設計與 製作，並透過簡單的實驗證實採用軟性刀 具的確可得到比使用硬質刀具更光滑且破 裂較少的表面。不過該軟性刀具的製作並 不嚴謹，僅可用於粗步的實驗，並不適合 於實際之應用。因此，本年度計畫的首要 挑戰便是先發展一實用的軟性刀具。 二、研究方法及結果 本年度的工作重點有三；其一是發展 一實用的軟性輪磨刀具﹔其二是探討改變 工件表面能以及磨粒與工件間吸附能的方 法﹔最後則是應用分子動力學法粗步了解 工件的表面能對拋光所能獲得之終極粗度 大小的影響。 軟性輪磨刀具的製作 製作軟性輪磨刀具的關鍵在於能否令 磨粒與軟性刀具的材料緊密結合，且刀具 的材料具耐磨性。做法上本計畫採三種方 法嘗試之。第一個做法是使用橡膠材料為 刀具之基礎，在橡膠的製作過程中將磨粒 混入一起攪拌﹔隨後再以熱壓法將橡膠成 型（為滾筒狀），等待橡膠成熟後再以輪 磨的方式獲得刀具的精確尺寸。該法的主 要問題有三﹔其一，攪入橡膠的磨粒僅有 極少數分布在刀具表面，而表面上的磨粒 為實際參與工件材料移除的磨粒，以致磨 粒的真正使用效率極為不理想。其二，磨 粒雖然混入橡膠之中，但磨粒與橡膠之結 合力卻不高，使得磨粒會輕易地在輪磨過 程中剝落。基於此，第一種製作方法並無 法作為實用刀具的做法。
第二個做法是先將磨粒與液態黏著劑 混合，在將其混合劑塗抹在橡膠刀具上， 待混合劑凝固即成型。該法的主要問題在 於磨粒總是被凝固的黏著劑完全包圍，使 得在輪磨過程磨粒無法對工件加工而失去 功能，經十數種黏著劑的嘗試皆無法克服 該困擾，以致第二種做法亦為無效。 第三種做法是先在橡膠表面上形成一 層薄金屬，再以傳統製作砂輪的方式將極 薄的一層磨粒黏附在金屬上。在此，使用 金屬層的目的是要方便在金屬工件表面與 金屬間能形成電場而發生電解的行為類似 電解的現象，並作為中間介質使磨粒層能 黏附在刀具上。而要求金屬以及磨粒層的 厚度甚薄的原因是令刀具整體而言仍保持 容易變形的特性。觀念上來說，這樣的規 劃是合理的，不過，至目前為止，本研究 團隊經多次嘗試仍有困難將其實現。 由此，本計畫在軟性輪磨刀具的製作 上並未完成所預定的目標。 表面能與吸附能的改變 由於合適的刀具未能完成，原先擬採 行的類似電解作用以改變金屬工件表面能 的方法便無法進行。因此，本計畫在此修 正做法，改以在非金屬與金屬的工件表面 上施加電場，透過觀察工件與刀具在拋光 過程中磨耗率的變化，來評估表面電場對 工件表面能以及工件與磨粒吸附能的影 響。 實驗的做法如圖一所示。將兩個電極 以一定的寬度置放在工件上，並控制施加 在電極兩端的電壓或電流。隨後令拋光刀 具以一定的負載與轉速，在電極兩端的中 間處拋光一定的時間。最後再用表面量測 儀量測工件與刀具拋光後的形狀，以評估 工件與刀具之磨耗率（或材料移除率）。 實驗分兩個部分進行。一個是針對三 種非金屬材料進行實驗，其材料包括矽晶 圓、石英以及硼玻璃。另一組實驗對象則 為金屬材料，其材料包括銀、銅與鋁。第 一組的實驗採用 Al2O3 磨粒，而第二組實 驗使用的磨粒包括 Al2O3與 SiC。對於第一 組實驗，電極兩端的狀態有二，分為無電 壓差以及電壓差為 15 V。而電極再第二組 實驗的狀態有三，計為無電流、100 mA 電 流以及 200 mA 電流三種狀態。實驗時，刀 具轉速與負載各為 3000 rpm 與 4 N，並在 一定的區域反覆進行拋光加工。而每一次 加工的時間皆定為 10 分鐘。另外，每一個 實驗條件都做了三次的重複性實驗。加工 後，工件以及刀具上拋光區域的形狀與尺 寸皆被加以量測，以評估其材料的平均移 除率。 其實驗結果如表一至表三所示。由表 一得知，施加電場與否，並不會對矽與石 英兩種材料的加工率或刀具移除率有明顯 的影響。反之，在未加電場時，加工硼玻 璃時所產生之刀具磨耗，將遠高於施加電 場時的加工結果；另外，施加電場時，硼 玻璃的工件移除率亦有明顯降低的現象。 由過去的拋光研究得知[5, 6]，會導致硼玻 璃加工現象的發生應是磨粒與工件的吸附 力因電場的增加而明顯地弱化，並因其弱 化作用，而可能強化了硼玻璃表面原子與 其次原子的結合力（或其表面能）。而電 場的施加，對於矽與石英的表面能或與磨 粒的吸附力並無明顯的影響。 由表二與表三得知，施加電場對使用 SiC 磨粒於金屬工件的材料移除率有顯著 的影響。當電流越大，金屬工件的材料移 除率呈現變大的趨勢，不過，刀具的磨耗 率並無甚改變。根據拋光特性的研究，該 現象的產生可能是電場的施加導致了金屬 材表面能的降低，但並未明顯改變磨粒與 金屬材的吸附力。若磨粒換為 Al2O3 時， 電場的施加的確令鋁、銅與銀的材料移除
率以及其刀具的磨耗率產生不同程度的變 化，但不同材料的變化趨勢並不一致。 吸附力對終極粗度的可能影響 由過去的研究得知，雖然磨粒在拋光過 程中旨在降低工件之表面粗度，但當磨粒 在工件表面運動時，亦會干擾工件表面原 子的排列，而引發原子級尺寸之粗度的形 成。對於追求極光滑表面的拋光過程中， 該粗度的大小絕對難以忽略。而掌握工件 之表面能以及磨粒與工件間吸附力之大小 對該粗度的影響將具有實質的意義。 由於所欲掌握的問題牽涉到原子與原 子間的作用，因此，本計畫應用分子動力 學法來模擬磨粒在工件表面滾動的影響。 為了方便分子動力學法的模擬，本研究作 了數個假設。首先，忽略重力對原子的影 響，並不考慮水分子及空氣的存在。並假 設磨粒為一圓球鋼體，磨粒與工件之原子 皆以鑽石立方結構的方式堆疊。而 X 軸的 正方向為磨粒之滾動方向。另模擬中每步 積分的時間選定為 1 × 10-15 sec，並以 Tersoff [7]所提出的位勢能函數當模擬的 位勢能函數。 為了呈現表面能與吸附力的效應，模擬 中以鑽石碳（磨粒材料）與矽（工件材料） 的材料特性作為位勢能函數中各個參數的 標準值。當要了解位能或吸附能的影響， 在位勢能函數中將決定位能或吸附力大小 的參數值乘以一個不為 1 之常數，即可模 擬位能或吸附力的效應。 其模擬結果如表四與表五所示。其結果 顯示，當工件的表面能越大，磨粒在工件 上滾動所引發之粗度會越小。反之，當磨 粒與工件間之吸附力越大，工件之表面粗 度會越小。圖二至圖五為不同條件下磨粒 滾過工表面後其表面原子的排列情形。 三、討論 由上面的實驗得知，在工件表面上施 加電場僅能對某些工件材料改變其表面 能，並影響磨粒與工件間之吸附力。以硼 玻璃為例，矽基材中加入三價的硼，可能 會令其原子結構形成帶正電虛擬的 hole； 該 hole 會吸引磨粒與表面原子以較強的凡 得瓦力結合。當磨粒與表面原子的結合力 較大，表示表面原子中之電子傾向於朝磨 粒方向分布，以致表面原子與次層原子之 結合力會降低。因此，在拋光過程中，刀 具之磨耗率甚大（因磨粒與工件結合力強） 且工件之加工率亦大（因表面能低）。當 電極間施加電場時，負電極可提供電子與 帶正極的 hole 結合，以減少 hole 的數目， 使得磨粒與工件之結合力（吸附力）下降， 並恢復表面原子與次層原子之原有結合力 （或自由表面能）。以致在拋光過程中， 刀具之磨耗率急劇減少，而工件之加工率 亦有所降低。由於矽晶圓與石英之結構中 並不存在 hole，因此，外加電場並不會有 明顯的效應。而外加電場對金屬材料的效 應並不一致，其原因至目前為止仍未明； 值得未來進一步的探討。 至於表面能與吸附力對引發粗度的影 響，可以由工件表面原子在外力作用下是 否容易偏移來說明。當工件原子間的結合 力愈弱（表面能低）或工件表面與磨粒的 吸附力越強，工件原子愈容易被運動的磨 粒所牽動，故工件表面原子更容易脫離原 來的位置，而導致工件的表面粗度會愈大。 四、結論 本計畫的研究成果顯示，在工件表面 施加電場對某些工件與磨粒材料的確會產 生影響，其會造成工件表面能或磨粒與工 件吸附力改變，以致工件之加工率或刀具 之磨耗率產生極為明顯的變化。此一結果
對於提昇工件材料之移除率以及降低刀具 之磨耗率方面，提供了一個新的方法與思 考方向。另外，研究中亦顯示較低的工件 表面能或較大的吸附力（磨粒與工件間）， 在磨粒滾過工件表面後，都會殘留較大的 表面粗度。由此，經由降低表面能來提昇 加工率並不是一個最佳的操作選擇，因其 會造成較大的工件表面粗度。可能較為理 想的做法是降低磨粒與工件間之吸附力 （可降低表面粗度，但可能會降低工件之 加工率），並同時提高磨粒與刀具間之吸 附力（可降低刀具之磨耗率並提高工件之 加工率）。 參考文獻
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【7】 J. Tersoff, “ Modeling solid-state chemistry：Interatomic potentials for multicomponent systems,”Phys. Rev. B, Vol.39, No.8, pp.5566-5568, 1989. 圖表整理 圖 1 在工件上施加電場方法之示意圖 rolling direction 圖 2 工件原子表面能較低時，當磨粒滾過 工件表面後，工件表層原子之排列情形
rolling direction 圖 3 工件原子表面能較高時，當磨粒滾過 工件表面後，工件表層原子之排列情形 rolling direction 圖 4 工件與磨粒吸附力較低時，當磨粒滾 過工件表面後，工件表層原子之排列情形 rolling direction 圖 5 工件與磨粒吸附力較高時，當磨粒滾 過工件表面後，工件表層原子之排列情形 材料 電場電 壓(V) 工件加工 率(µm) 刀具磨耗 率(µm) 0 0.97 1.06 Si-wafer 15 1.28 0.99 0 0.61 1.13 Quartz-glass 15 0.59 1.16 0 2.35 19.34 Boron-glass 15 1.08 1.22 表 1 電場對非金屬材料加工行為之影響
