1.1 单晶硅超精密切削加工的发展现状

1.1.1 单晶硅脆塑性转变机理研究的国内外现状

单晶硅具有脆性大、断裂韧度低、断裂强度和屈服强度比较接近等特性，属于硬脆性材料。在常温下对其进行普通加工时，极易发生断裂脆性破坏，已加工表面易产生微小裂纹和凹坑等缺陷，严重影响了单晶硅的表面质量和使用性能，对在其表面上进一步加工的微纳结构也产生很大影响。如今，人们对单晶硅等脆性材料的加工做了很多深入研究，国内外学者普遍认为在切削加工硬脆性材料过程中存在脆-塑性转变。其机理可以描述为：当切削深度很小，达到或者小于某一临界值时，硬脆性材料主要是以塑性变形方式去除。目前，金刚石刀具和超精密加工机床等设备的制造技术也都已经发展到了极高的水平，为实现对硬脆性材料在塑性域进行超精密的切削加工提供了可能性。与过去一直沿用古老的研磨、抛光工艺相比较，用金刚石刀具对硬脆性材料进行超精密加工方法具有生产效率高、生产过程易于计算机控制，而且可加工出曲面等形状复杂的工件等优势。因此，金刚石的超精密切削加工成为学者们研究的热点问题，有着十分广阔的应用前景^[6-8]。

最近，众多学者对硅、锗、玻璃和陶瓷等脆性材料的脆塑性转变机理开展了更深入的实验、仿真及理论研究。通过研究发现，在对硬脆性材料的切削加工过程中存在一个临界的切削深度。当对硬脆性材料进行超精密切削时，切削层材料的厚度小于该临界切削深度时，硬脆性材料以塑性方式去除；切削层厚度大于该临界切削深度时，材料以脆性断裂的方式去除。所以获得高质量加工表面的关键是实现硬脆性材料的塑性域加工。

最早对硬脆性材料进行超精密切削实验研究的是美国卡罗莱那州立大学的学者Blake和Scattergood等人^[9]。1987年，他们对单晶锗进行了一连串的超精密切削的实验研究，加工后的表面粗糙度Ra达到8nm，成功完成了硬脆性材料的塑性超精密车削。Blake等人在本次实验研究中，使用圆弧刃金刚石刀具切削硬脆性材料时，首次提出了切削截面的几何形状和临界切削深度之间的关系。还提出了脆性材料在塑性域车削时，在超精密切削过程中并不是整个切削层材料都是以塑性方式去除，大部分材料仍然以脆性断裂的方式被切除，仅仅在靠近切削刃附近的一部分材料的去除是以塑性变形方式完成的。这是硬脆性材料在塑性域切削加工的一个很重要的特征。随后Blackey等人又对单晶锗和单晶硅两种不同的硬脆性材料进行了一系列超精密切削实验，其研究结果表明裂纹扩展的深度约为临界切削深度的3～10倍。

1990年，日本学者Nakasuji等^[10]对硬脆性材料超精密车削过程中的脆-塑性转变展开了研究。他们也是在相同的切削条件下，通过改变切削深度对硬脆性材料进行超精密切削加工。其研究脆塑转变的临界切削深度方法和得到的结果与Blackey等人的结果基本吻合。Patten等^[11]用有限元软件模拟单点金刚石超精密切削单晶硅的过程，并对这个过程进行了实验的验证研究，证明硬脆性材料能在塑性状态下被切除。

我国的超精密切削加工技术在20世纪70年代末期有了很大的进步，80年代中期出现了具有世界水平的超精密加工机床和部件。哈尔滨工业大学精密工程研究所在金刚石超精密切削、金刚石微粉砂轮电解的在线修整技术以及金刚石刀具晶体的定向和刃磨等方面进行了行之有效的研究^[12]。河北工业大学的李世杰和河北建筑工程学院的张兰娣^[13]等人在有静压轴承主轴的超精密车床上进行切削单晶体硅实验，考察切削深度对脆性材料延性域切削的影响。随着进给量的增加，加工方式从延性加工变为脆性加工。他们对单晶体硅的各向异性的影响也做了相应的研究，结果表明：在脆性域沿不同的晶向，切削力变化非常大。在塑性域加工，与切削力的幅值相比，晶向引起的切削力的变化非常小。当切削深度特别小时，晶向对切削力的影响不明显。

1996年，哈尔滨工业大学已经开始对单晶硅、锗等硬脆性材料的超精密车削加工进行了大量的实验研究。将其加工后的单晶硅、锗等硬脆性材料表面，通过原子力显微镜（AFM）对其进行观察，车削加工后的表面粗糙度Ra在0.01µm以下，可以看出是以塑性方式车削的^[6]。哈尔滨工业大学王明海和卢泽生^[14]通过分析单晶硅的纳米印压实验结果以及显微压痕透射电镜观察结果，并结合尺度效应理论，得出单晶硅的脆塑性转变源于位错运动，位错运动受阻是材料硬化的内在物理机制。他们首次基于理论分析的方式给出了比较精确的单晶硅脆塑转变的临界切削深度，提出了沿晶面（111）切削时临界切削深度即单晶硅产生尺度效应时的材料长度应为110nm，建立了宏微观相结合的单晶硅超精密切削模型。切削实验在自行研制的超精密复合机床上进行。实验结果显示，当切削深度小于110nm时，单晶硅切削加工后的表面质量较高；而当切削深度大于110nm时，随着切削深度的增加，单晶硅的加工表面破坏越严重，表面缺陷越多，质量越差。

综上所述，硬脆性材料的超精密切削过程实质是金刚石刀具的尖端插入工件材料内部，将切削层材料去除的过程，也即刀具在材料表面的刻划过程。采用圆弧刃金刚石刀具时，车刀圆弧半径为一常数，切削深度很小的地方不会产生微裂纹，此处材料表面主要是以塑性变形方式去除。当切削深度较大时，材料表面会产生裂纹，发生脆性断裂破坏，在加工后的表面残留下凹坑。由于产生的裂纹长度取决于切削深度，因此可以认为切削深度存在一个临界值，当超精密切削时的切削深度大于此临界值时，产生的裂纹影响到已加工表面的质量；当切削深度小于该临界值时，也就是说在刀尖附近是塑性变形去除材料，即使存在脆性切削，产生的裂纹也不会影响已加工表面，此时仍可得到高质量的表面^[15]。但是对于单晶硅的塑性域的切削机理，众多学者还没有形成统一的认识。其中被普遍接受的有两种主流理论：一种是滑移位错理论，另一种是晶态向非晶态转变理论。但是有关脆塑性转变这种现象的研究已经相当成熟，学者们一致认为硬脆性材料可以实现在塑性域进行切削。本书基于脆-塑性转变理论对单晶硅超精密加工进行研究。

1.1.2 金刚石刀具的超精密加工现状

本课题研究的微/纳米级切削技术通常是指用于微电子技术中的基于半导体材料的加工技术，如各种光刻技术、三束加工技术和传统的超精密车削加工技术。前两种微加工技术都是基于物理作用而形成的结构或零件，而采用超精密机床及微小的刀具来实现微小尺寸零件的加工，没有采用高能量束加工方法，因此在获得高的加工表面质量和精度方面有很大的优势。超精密车削加工便于计算机控制，可以方便可控地在硅表面设计和构筑具有特定功能的微纳结构。

金刚石具有无内部晶界的均匀晶体结构，金刚石做成的刀具刃口在理论上可以达到原子级别的平直度与锋利度，切削时有很强的切薄能力、高加工精度、切削力小，可以进行超精密的切削加工。而且金刚石刀具有很高的硬度及良好的耐磨性、耐蚀性和化学稳定性等，可保证刀具有超长使用寿命，从而可以实现长时间的连续切削，并可降低因刀具磨损对零件加工精度的影响；其高导热系数可减小切削热对切削过程的影响和降低零件的受热变形^[16]。金刚石刀具的这些优良特性可以满足精密及超精密切削对刀具材料的诸多要求，是最理想的超精密切削加工使用的刀具材料。

天然金刚石刀具是二战以后为满足手表的精密零部件的加工、在装饰及首饰上加工、雕刻花和纹图案等需求而发展起来的。金刚石车削技术的研究起始于20世纪60年代初期。1975年的随后几年里，当时根据社会需求，要加工大量高精度软质金属反射镜，要求其加工后的光学表面质量达到超精密加工镜面水平。受这个需求的影响，金刚石刀具的镜面超精密加工开始迅猛发展起来。20世纪80年代末，微型机器人开始采用金刚石机械加工，当时使金刚石的超精密加工进入这个新型领域而到了一个新的发展阶段。目前该加工技术已经在光学元件的加工和电子工业上得到了广泛的应用，主要是应用于加工有色金属（如铜、铝及其合金材料）和硬脆性材料（如硅、锗等），以获得超高质量的加工表面^[17]。

对金刚石刀具质量的评定，首先是要能加工出高质量的超光滑表面，其次是要求刀具能长时间保持切削刃的锋利度，即具有较长的工作寿命。在超精密切削时，材料去除量极小（一般在微米量级以下），切削时是刀具的刀尖部分与工件相互作用，此时刀具切削部分是指实际参加切削的刀尖几何形状部分。金刚石刀具依据需要可以加工成不同的刀尖几何形状，直线切削刃就是直线修光刃，圆弧切削刃就是圆弧修光刃。在不同刀尖几何形状的金刚石刀具中，尖刃金刚石刀具、多棱刃金刚石刀具都难以加工出超精密表面；圆弧切削刃刀具虽然易安装，且加工残留面积较小，但刃磨困难（目前，除哈尔滨工业大学外，我国圆弧切削刃金刚石刀具刃磨技术的总体水平都不高）；在精确安装的前提下，直线切削刃刀具的加工残留面积最小，但加工表面质量最高。

半导体加工在多个环节、多个工序中都要使用金刚石工具，这种需求给金刚石工具的发展提供了相当大的潜在市场。使用单晶金刚石刀具在超精密机床上进行超精密切削，可以加工出光洁度极高的镜面。能够满足在塑性域对硬脆性材料单晶硅表面进行刻划加工，得到高精度的微纳结构和超高质量的加工表面。但是金刚石工具属于超精密的加工工具，其技术门槛高，加工难度也非常大，目前我国加工半导体的金刚石刀具还主要依靠进口。目前，我国使用的半导体加工中用金刚石工具主要来自：日本的Asahi、DISCO公司，韩国的EHWA和Shinhan公司，美国的Abrasive Technology和Diamond Wire Technology公司，法国的Saintgobain公司以及我国台湾的KINIK公司和Hongia公司^[19]。