·348 工程科学学报，第41卷，第3期 刀具 开始产生脆四坑 性表面 别性切屑 性坑变大 脆性切府 4μm 图10不同切削厚度(110)面011]向的单品硅己切削表面形貌.(a)40nm:(b)70nm:(c)100nm Fig.10 Surface morphology of machined silicon along [111]orientation on (110)plane with different cutting depths:(a)40nm:(b)70 nm:(c) 100nm 此外，在同一晶面上，001]晶向明显比111]晶向 表2刀具刃口半径对表面质量及脆塑转变临界厚度的影响 的脆塑转变临界厚度小，说明切削方向对单晶硅的 Table 2 Effect of tool edge radius on surface quality and critical thick- ness of brittle-ductile transition 塑性切削有显著影响. 刃口半径/nm 脆塑转变厚度/nm 表面粗糙度/nm 表1单品硅不同晶向脆塑转变临界厚度 40 40 4.62 Table 1 Critical thickness of brittle-ductile transition of single-crystal 50 55 6.56 silicon in different orientations 花 云 7.81 脆塑转变临界厚度/nm 晶面 晶向 第1次 第2次 第3次平均值 001] 40 45 45 43.3 3 结论 (110) 011] 70 70 65 68.3 (1)在所研究的晶体取向范围内，在(111)晶面 001] 55 50 55 53.3 (111) 上沿几11]晶向进行切削时，单品硅最容易以塑性 011] 80 75 85 80.0 模式被去除，脆塑转变临界厚度约为80nm,说明在 (111)晶面上提高塑性切削的可能.此外，在同一晶 2.2刀具刃口半径对脆塑转变厚度的影响 面上，001]晶向明显比011]晶向的脆塑转变临界 除了晶体取向对单晶硅脆塑转变临界厚度的影 厚度小，说明切削方向对单晶硅的塑性切削有显著 响外，刀具刃口半径对其的影响也不可忽略。本文 影响. 基于聚焦离子束技术对刀具的纳米精度加工及对刃 (2)在切削参数一致的前提下，单晶硅脆塑转 口半径的有效控制，研究刀具刃口半径对单晶硅脆 变临界厚度和己加工表面质量随着刀具刃口半径的 塑转变临界厚度的影响.实验采用刀具的刃口半径 变化而不同.刀具刃口半径越小，单晶硅在纳米切 分别约为40、50和60nm.切削厚度同样从20nm开 削过程中越容易发生脆性断裂，当刀具刃口半径为 始，每次增加5nm.为避免材料各向异性对实验结 40nm时，脆塑转变临界厚度约为40nm.然而刀具 果的影响，切削实验均在(110)晶面111]晶向上完 刃口半径减小的同时，己加工表面质量有所提高，即 成.此外，利用原子力显微镜对切削厚度为20m 刀具越锋利越容易获得表面质量高的塑性表面 时的塑性已切削表面进行表面粗糙度测量，实验结 果如表2所示.结果表明，在相同的晶面晶向上，刀 参考文献 具前后角及切削速度一致的前提下，单晶硅脆塑转 [1]Arif M,Rahman M,San W Y.A state-oftthe-art review of ductile 变厚度和表面粗糙度随着刀具刃口半径的变化而不 cutting of silicon wafers for semiconductor and microelectronics in- 同.刀具刃口半径越大，脆塑转变厚度越大，即较大 dustries.Int J Ade Manuf Technol,2012,63(5-8):481 的刃口半径有利于抑制单晶硅发生脆裂.然而，刀 2] Zhou M,Wang X J,Ngoi B K A,et al.Brittle-ductile transition in the diamond cutting of glasses with the aid of ultrasonic vibra- 具刃口半径增加的同时己加工表面粗糙度值也有所 tion.J Mater Process Technol,2002.121(23):243 增加，即刀具越锋利越容易获得表面质量高的塑性 B]Zhao H W,Yang B H,Zhao H J,et al.Test of nanomechanical 表面 properties of single crystal silicon.Opt Precis Eng,2009,17(7):工程科学学报，第 41 卷，第 3 期 图 10 不同切削厚度( 110) 面［111］向的单晶硅已切削表面形貌． ( a) 40 nm; ( b) 70 nm; ( c) 100 nm Fig． 10 Surface morphology of machined silicon along［111］orientation on ( 110) plane with different cutting depths: ( a) 40 nm; ( b) 70 nm; ( c) 100 nm 此外，在同一晶面上，［001］晶向明显比［111］晶向 的脆塑转变临界厚度小，说明切削方向对单晶硅的 塑性切削有显著影响． 表 1 单晶硅不同晶向脆塑转变临界厚度 Table 1 Critical thickness of brittle-ductile transition of single-crystal silicon in different orientations 晶面 晶向 脆塑转变临界厚度/ nm 第 1 次 第 2 次 第 3 次 平均值 ( 110) ［001］ 40 45 45 43. 3 ［111］ 70 70 65 68. 3 ( 111) ［001］ 55 50 55 53. 3 ［111］ 80 75 85 80. 0 2. 2 刀具刃口半径对脆塑转变厚度的影响 除了晶体取向对单晶硅脆塑转变临界厚度的影 响外，刀具刃口半径对其的影响也不可忽略． 本文 基于聚焦离子束技术对刀具的纳米精度加工及对刃 口半径的有效控制，研究刀具刃口半径对单晶硅脆 塑转变临界厚度的影响． 实验采用刀具的刃口半径 分别约为40、50 和60 nm． 切削厚度同样从20 nm 开 始，每次增加 5 nm． 为避免材料各向异性对实验结 果的影响，切削实验均在( 110) 晶面［111］晶向上完 成． 此外，利用原子力显微镜对切削厚度为 20 nm 时的塑性已切削表面进行表面粗糙度测量，实验结 果如表 2 所示． 结果表明，在相同的晶面晶向上，刀 具前后角及切削速度一致的前提下，单晶硅脆塑转 变厚度和表面粗糙度随着刀具刃口半径的变化而不 同． 刀具刃口半径越大，脆塑转变厚度越大，即较大 的刃口半径有利于抑制单晶硅发生脆裂． 然而，刀 具刃口半径增加的同时已加工表面粗糙度值也有所 增加，即刀具越锋利越容易获得表面质量高的塑性 表面． 表 2 刀具刃口半径对表面质量及脆塑转变临界厚度的影响 Table 2 Effect of tool edge radius on surface quality and critical thick￾ness of brittle--ductile transition 刃口半径/ nm 脆塑转变厚度/ nm 表面粗糙度/ nm 40 40 4. 62 50 55 6. 56 60 70 7. 81 3 结论 ( 1) 在所研究的晶体取向范围内，在( 111) 晶面 上沿［111］晶向进行切削时，单晶硅最容易以塑性 模式被去除，脆塑转变临界厚度约为 80 nm，说明在 ( 111) 晶面上提高塑性切削的可能． 此外，在同一晶 面上，［001］晶向明显比［111］晶向的脆塑转变临界 厚度小，说明切削方向对单晶硅的塑性切削有显著 影响． ( 2) 在切削参数一致的前提下，单晶硅脆塑转 变临界厚度和已加工表面质量随着刀具刃口半径的 变化而不同． 刀具刃口半径越小，单晶硅在纳米切 削过程中越容易发生脆性断裂，当刀具刃口半径为 40 nm 时，脆塑转变临界厚度约为 40 nm． 然而刀具 刃口半径减小的同时，已加工表面质量有所提高，即 刀具越锋利越容易获得表面质量高的塑性表面． 参 考 文 献 ［1］ Arif M，Ｒahman M，San W Y． A state-of-the-art review of ductile cutting of silicon wafers for semiconductor and microelectronics in￾dustries． Int J Adv Manuf Technol，2012，63( 5-8) : 481 ［2］ Zhou M，Wang X J，Ngoi B K A，et al． Brittle--ductile transition in the diamond cutting of glasses with the aid of ultrasonic vibra￾tion． J Mater Process Technol，2002，121( 2-3) : 243 ［3］ Zhao H W，Yang B H，Zhao H J，et al． Test of nanomechanical properties of single crystal silicon． Opt Precis Eng，2009，17( 7) : · 843 ·