·344 工程科学学报，第41卷，第3期 KEY WORDS single-erystal silicon:brittle-ductile transition;online observation:crystal orientation:tool edge radius 单晶硅以其独特的物理性质和化学性质，被广 口半径对单晶硅脆塑转变行为有着重要影响.此 泛应用于光电子领域和微机电系统中，如热成像透 外，Zhu等通过大尺度分子动力学模拟研究了椭 镜、太阳能电池等.纳米切削作为先进制造技术 圆振动辅助条件下的单晶硅材料的塑性/脆性去除 的重要手段得到了极大发展，已经实现了通过切削 模式，根据切削过程中原子排列情况分析得出，相比 的方式加工脆性材料从而获得超光滑表面的可能. 于传统的纳米切削，采用椭圆振动辅助切削更有利 然而，由于单晶硅易脆的自然特性，在超精密切削中 于单晶硅材料的塑性模式去除，而且切削过程所需 存在着解理脆裂B)、加工性能各向异性5-等系列 能量更小 问题.严格控制切削参数可实现单晶硅的塑性去 综上所述，目前对单晶硅脆塑转变行为的研究 除，但控制切削参数的同时，加工效率将受到影响 中，采用的金刚石刀具刃口半径通常较大，而且缺少 倘若能够清楚地了解单晶硅脆塑转变的临界厚度， 了有效的高分辨率在线观测与表征环节，这是阻碍 明确其脆裂的根源及脆塑转变的影响因素，进而可 相关机理研究的瓶颈问题.本文旨在基于扫描电子 以提高单晶硅超精密加工的表面质量和加工效率， 显微镜在线观测的纳米切削平台，实时观察单晶硅 对超精密切削技术水平的提升起到积极推动作用. 纳米切削过程中的切屑去除行为，研究不同晶向、刀 近年来，国内外学者针对单晶硅脆塑转变机理 具刃口半径等因素对单晶硅纳米切削脆塑转变临界 开展了大量的研究工作，取得了令人瞩目的研究成 厚度的影响，进而指导切削加工参数的选择，以减少 果.Lee)利用原子力显微镜(AFM)探针对(1O0) 解理破坏的可能 晶面的单晶硅进行了刻划实验，通过扫描电子显微 镜观察了刻划深度对单晶硅切屑形态的影响，发现 1单晶硅纳米切削实验 材料的变形方式为“弹性恢复一耕型现象一切削现 1.1实验平台 象一断裂”的过程，并得出单晶硅最小切屑厚度为 单晶硅纳米切削实验研究对切削平台提出了极 l5nm.Wu与Melkote同样通过探针刻划实验进 高的要求.首先，在满足刚度的基础上需要纳米级 一步研究了晶体取向对单晶硅塑型模式切削的影 运动分辨率和定位精度，以满足纳米切削的工艺要 响，发现(111)晶面比(110)晶面表现出更好的塑 求.同时，为清晰观察单晶硅纳米切削材料去除行 性，在相同的晶面内刻划时011]晶向比100]晶向 为，明确其脆塑转变临界厚度，对切削环境也提出了 表面有更好的塑性.王明海回通过仿真的方法研究 苛刻的条件.本文采用作者前期研制的纳米切削实 了(111)、(100)、(110)晶面的加工表面质量的各向 验平台叨，在扫描电子显微镜高真空环境下开展单 异性.结果表明，以(111)面为被切削表面时，该晶 晶硅纳米切削脆塑转变临界厚度的实验研究.图1 面上发生的位错量远多于(100)面和(110)面.当 所示为实验平台的原理图及实物图.平台采用压电 切削厚度减小到与刀具刃口半径相当或更小时，刀 陶瓷纳米移动台对金刚石刀具实现纳米级精度定位 具刃口半径对切削过程的尺寸效应0将显现出 及切削运动.由于在单晶硅切削实验中，切削厚度 来.Han等)认为刃口半径越小越有利于抑制脆 在2m以下，因此，金刚石刀具与单品硅样品之间 性裂纹产生，然而Li山等却认为较大的刀具刃口 的精确对刀是实验需要解决的关键问题.首先，手 对切削质量及脆塑转变厚度有促进作用.不难发 动旋转扫描电子显微镜多维微动台的x、y、:三个方 现，在刀具刃口对脆性材料脆塑转变厚度影响方面 向使样品移至距刀尖小于3μm的位置.然后，保持 存在着分歧，主要因为不同的研究学者所研究的刃 样品静止并通过压电陶瓷纳米移动台控制刀具缓慢 口半径范围不尽相同.在切削加工过程中，刀具磨 靠近样品。当刀尖即将接触到样品表面时，通过扫 损会造成刃口半径的变化，随着实验的进行，刀具刃 描电子显微镜的实时图像反馈可以观察到样品表面 口往往与最初的刃口半径大小有偏差.Mi等的采 出现刀尖阴影，阴影的产生是由于刀具遮挡了部分 用数值模拟与实验相结合的方法研究了金刚石刀具 从样品激发出的二次电子成像.对刀过程如图2所 磨损对单晶硅脆塑转变的影响，发现随着刀具磨损 示，随着刀尖与样品逐渐靠近，阴影部分与刀尖逐渐 量的增大，单晶硅切削过程从塑性模式逐渐过渡到 趋于重合，很容易通过扫描电子显微镜判断刀尖是 脆性模式，刀具磨损越严重，单晶硅脆裂越明显.刀 否接触到样品 具磨损实际上是改变了刀具的刃口半径，即刀具刃 为验证上述二次电子阴影成像对刀法的可靠工程科学学报，第 41 卷，第 3 期 KEY WOＲDS single-crystal silicon; brittle--ductile transition; online observation; crystal orientation; tool edge radius 单晶硅以其独特的物理性质和化学性质，被广 泛应用于光电子领域和微机电系统中，如热成像透 镜、太阳能电池等［1--2］． 纳米切削作为先进制造技术 的重要手段得到了极大发展，已经实现了通过切削 的方式加工脆性材料从而获得超光滑表面的可能． 然而，由于单晶硅易脆的自然特性，在超精密切削中 存在着解理脆裂［3--4］、加工性能各向异性［5--6］等系列 问题． 严格控制切削参数可实现单晶硅的塑性去 除，但控制切削参数的同时，加工效率将受到影响． 倘若能够清楚地了解单晶硅脆塑转变的临界厚度， 明确其脆裂的根源及脆塑转变的影响因素，进而可 以提高单晶硅超精密加工的表面质量和加工效率， 对超精密切削技术水平的提升起到积极推动作用． 近年来，国内外学者针对单晶硅脆塑转变机理 开展了大量的研究工作，取得了令人瞩目的研究成 果． Lee ［7］利用原子力显微镜( AFM) 探针对( 100) 晶面的单晶硅进行了刻划实验，通过扫描电子显微 镜观察了刻划深度对单晶硅切屑形态的影响，发现 材料的变形方式为“弹性恢复―耕犁现象―切削现 象―断裂”的过程，并得出单晶硅最小切屑厚度为 15 nm． Wu 与 Melkote ［8］同样通过探针刻划实验进 一步研究了晶体取向对单晶硅塑型模式切削的影 响，发现( 111) 晶面比( 110) 晶面表现出更好的塑 性，在相同的晶面内刻划时［111］晶向比［100］晶向 表面有更好的塑性． 王明海［9］通过仿真的方法研究 了( 111) 、( 100) 、( 110) 晶面的加工表面质量的各向 异性． 结果表明，以( 111) 面为被切削表面时，该晶 面上发生的位错量远多于( 100) 面和( 110) 面． 当 切削厚度减小到与刀具刃口半径相当或更小时，刀 具刃口半径对切削过程的尺寸效应［10--12］将显现出 来． Han 等［13］认为刃口半径越小越有利于抑制脆 性裂纹产生，然而 Liu 等［14］却认为较大的刀具刃口 对切削质量及脆塑转变厚度有促进作用． 不难发 现，在刀具刃口对脆性材料脆塑转变厚度影响方面 存在着分歧，主要因为不同的研究学者所研究的刃 口半径范围不尽相同． 在切削加工过程中，刀具磨 损会造成刃口半径的变化，随着实验的进行，刀具刃 口往往与最初的刃口半径大小有偏差． Mir 等［15］采 用数值模拟与实验相结合的方法研究了金刚石刀具 磨损对单晶硅脆塑转变的影响，发现随着刀具磨损 量的增大，单晶硅切削过程从塑性模式逐渐过渡到 脆性模式，刀具磨损越严重，单晶硅脆裂越明显． 刀 具磨损实际上是改变了刀具的刃口半径，即刀具刃 口半径对单晶硅脆塑转变行为有着重要影响． 此 外，Zhu 等［16］通过大尺度分子动力学模拟研究了椭 圆振动辅助条件下的单晶硅材料的塑性/脆性去除 模式，根据切削过程中原子排列情况分析得出，相比 于传统的纳米切削，采用椭圆振动辅助切削更有利 于单晶硅材料的塑性模式去除，而且切削过程所需 能量更小． 综上所述，目前对单晶硅脆塑转变行为的研究 中，采用的金刚石刀具刃口半径通常较大，而且缺少 了有效的高分辨率在线观测与表征环节，这是阻碍 相关机理研究的瓶颈问题． 本文旨在基于扫描电子 显微镜在线观测的纳米切削平台，实时观察单晶硅 纳米切削过程中的切屑去除行为，研究不同晶向、刀 具刃口半径等因素对单晶硅纳米切削脆塑转变临界 厚度的影响，进而指导切削加工参数的选择，以减少 解理破坏的可能． 1 单晶硅纳米切削实验 1. 1 实验平台 单晶硅纳米切削实验研究对切削平台提出了极 高的要求． 首先，在满足刚度的基础上需要纳米级 运动分辨率和定位精度，以满足纳米切削的工艺要 求． 同时，为清晰观察单晶硅纳米切削材料去除行 为，明确其脆塑转变临界厚度，对切削环境也提出了 苛刻的条件． 本文采用作者前期研制的纳米切削实 验平台［17］，在扫描电子显微镜高真空环境下开展单 晶硅纳米切削脆塑转变临界厚度的实验研究． 图 1 所示为实验平台的原理图及实物图． 平台采用压电 陶瓷纳米移动台对金刚石刀具实现纳米级精度定位 及切削运动． 由于在单晶硅切削实验中，切削厚度 在 2 μm 以下，因此，金刚石刀具与单晶硅样品之间 的精确对刀是实验需要解决的关键问题． 首先，手 动旋转扫描电子显微镜多维微动台的 x、y、z 三个方 向使样品移至距刀尖小于 3 μm 的位置． 然后，保持 样品静止并通过压电陶瓷纳米移动台控制刀具缓慢 靠近样品． 当刀尖即将接触到样品表面时，通过扫 描电子显微镜的实时图像反馈可以观察到样品表面 出现刀尖阴影，阴影的产生是由于刀具遮挡了部分 从样品激发出的二次电子成像． 对刀过程如图 2 所 示，随着刀尖与样品逐渐靠近，阴影部分与刀尖逐渐 趋于重合，很容易通过扫描电子显微镜判断刀尖是 否接触到样品． 为验证上述二次电子阴影成像对刀法的可靠 · 443 ·