第1章 绪论

现代电子领域和医学领域大量使用带有微结构功能表面的零件^[1]，而单晶硅是集成电路芯片和医学用芯片的基础材料。例如电子领域中，在硅片表面制备抗腐蚀的掩膜，制作生物传感器，制作具有纳米尺度导线的电子芯片；在医学领域制作生物芯片等。受这些应用需求的驱动，人们对硅片的应用潜能做了大量研究，近几年来已开展了对这一材料的表面改性的研究工作。随着国内外学者对表面微结构的加工制造技术研究不断深入，出现了多种加工技术。在众多微结构的加工方法中，金刚石超精密切削显示出了特有的优势：加工零件的表面质量好；可方便地在单晶硅表面制备一层掩膜，对单晶硅进行表面改性；可在硅表面设计和构筑具有特定功能的纳米结构；加工效率高^[2]。

单晶硅表面的微纳米加工，其加工方法可以分为逐渐去除（自上而下）和逐渐堆积（自下而上）两种。本书所研究的机械-化学方法首先通过金刚石刀具刻划，使单晶硅表面的化学键如Si—O、Si—H或Si—Si键断裂，形成硅的自由基，以引发它们与溶液中含有的有机分子共价键结合进而形成微纳结构。这种方法将“自上而下”的刻蚀技术和“自下而上”的化学自组装结合起来，实现了机械刻划和表面微结构组装一步完成^[3]。机械-化学方法加工效率高，可以降低成本，而且又可以简单易行地按照人的意志来制备形状和位置高度可控的功能性自组装微纳结构。另外，金刚石超精密切削和加工微结构功能表面的过程中，除了各项指标要求较高的高精度加工机床等设备对切削过程的影响外，车削工艺中所用的刀具参数和切削参数等因素，对硅表面微结构的加工也有很大影响。本书主要研究对金刚石刀具超精密切削过程模拟仿真进行参数优化，以及对单晶硅进行表面改性和刻划单晶硅表面，以得到高精度的微结构进行建模仿真，也就是对单晶硅在溶液中“自上而下”的加工过程进行有限元仿真。

由于表面微结构的尺寸在微米级甚至纳米级，其切削参数的选择与传统表面的切削加工有很大不同^[4]。切削参数的变化，导致切削过程的不稳定，将会改变单晶硅硅的表面质量，或者在硅基底边缘产生毛刺。金刚石超精密切削加工的研究是耗资巨大的课题，如果整个加工过程全部通过实验完成，需要很高的成本，甚至有时某些加工条件或者切削参数（比如飞刀切削需要极大的速度等），通过实验是不可能实现的。近年来，计算机技术高速发展，可以使用计算机软件实现对超精密切削过程的模拟仿真。有限元模拟是一种具有普遍的实用性，且与实际加工情况较一致的仿真工具^[5]。这种方法使该领域的研究变得比较简单易行，并大幅度降低了研究经费，为实现单晶硅的表面改性，以及在其上刻划特定功能的微纳结构提供了有效工具。

本书以材料力学、弹性力学、塑性力学、热力学、超精密加工等学科为理论基础，建立单晶硅超精密切削的有限元模型。通过对切削过程进行有限元仿真，综合分析优化切削参数以及确定刀具参数，得到较高质量的单晶硅衬底，为加工高质量的微纳结构提供一定的依据。本研究可以帮助人们根据本书建立的有限元模型选择恰当的切削参数和刀具参数，对成功获得单晶硅表面改性和高精度的微纳结构，对更好地进行机械-化学加工实验有一定的指导意义。