崔 杰,楊曉京,李云龍,張高贊,李宗睿

(昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,昆明 650500)

0 引 言

得益于芯片等半導(dǎo)體元器件的應(yīng)用,計(jì)算機(jī)、通信工具、醫(yī)療器械等產(chǎn)品不斷朝著集成化、智能化方向發(fā)展。單晶硅作為半導(dǎo)體元器件最常用的襯底材料,在微電子和集成電路領(lǐng)域運(yùn)用廣泛,其尺寸和精度需要借助超精密切削技術(shù)來(lái)完成。超精密切削技術(shù)是指在微米,甚至納米尺度[1-3]下對(duì)材料進(jìn)行機(jī)械加工,從而制造出極高精密度零件的技術(shù)。單晶硅的超精密切削技術(shù)水平一定程度上決定了集成電路的線寬和元件數(shù),直接影響微電子工業(yè)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,因此世界各國(guó)都非常重視該項(xiàng)技術(shù)[4-6],并將其作為先進(jìn)制造技術(shù)中的優(yōu)先發(fā)展內(nèi)容。Song等[7]研究了超精密切削中摩擦力與最小切削厚度的關(guān)系,提出了一種超精密切削模型,模型中刀具刃口半徑越小,摩擦系數(shù)越高,切削深度越薄。Guo等[8]發(fā)現(xiàn)單晶銅在弱磁場(chǎng)中超精密切削時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁塑性效應(yīng),此時(shí)亞晶體成型度低,抑制了切削中工件表面褶皺結(jié)構(gòu)的形成。真實(shí)的超精密切削加工實(shí)驗(yàn)成本高、周期長(zhǎng),因此隨著仿真軟件發(fā)展的日趨成熟,越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始嘗試用分子動(dòng)力學(xué)(MD)模擬材料的超精密切削過(guò)程[9-11]。Li等[12]采用MD模擬了閃鋅礦氮化鎵(B3-GaN)在不同半徑球形壓痕下的壓痕過(guò)程,發(fā)現(xiàn)位錯(cuò)和非晶化擴(kuò)展是導(dǎo)致B3-GaN晶體塑性變形的主要原因。且隨著壓頭半徑增大,彈塑性轉(zhuǎn)化臨界載荷增大,材料硬度逐漸降低,原子位移和Von Mises應(yīng)力增大,最終促進(jìn)了位錯(cuò)在滑移體系中的成核與擴(kuò)展,加劇了B3-GaN晶體的塑性變形。馬世澤等[13]利用LAMMPS軟件模擬了單晶硅納米切削過(guò)程,研究了V形微溝槽結(jié)構(gòu)對(duì)金剛石刀具切削性能的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)微溝槽深度為0.75 nm時(shí)金剛石刀具切削效果最好。受計(jì)算機(jī)算力限制,MD只能完成小規(guī)模尺度下的模擬,不能完全反映實(shí)際切削情況。納米壓痕與劃痕實(shí)驗(yàn)在形式上更加接近于實(shí)際的超精密切削加工,對(duì)材料的脆塑轉(zhuǎn)變過(guò)程和切削特性有著更直觀的表現(xiàn)[14-16]。楊曉京等[17]對(duì)單晶鍺<100>、<110>、<111>三個(gè)不同晶面進(jìn)行納米劃痕實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)單晶鍺具有強(qiáng)烈的各向異性,即在不同晶面脆塑轉(zhuǎn)變的臨界載荷以及臨界深度有顯著差異。郜偉等[18]通過(guò)6H-SiC表面的多次納米劃痕實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)間隔較小的劃痕之間會(huì)產(chǎn)生干涉,且非順序下的劃痕比順序劃痕更易得到高質(zhì)量加工表面。目前,通過(guò)將納米壓痕與納米劃痕實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,研究單晶硅超精密切削特性的成果并不多見(jiàn)。

因此,本文首先對(duì)單晶硅<100>晶面進(jìn)行納米壓痕實(shí)驗(yàn),分析實(shí)驗(yàn)中載荷-位移曲線不連續(xù)及產(chǎn)生“pop-out”現(xiàn)象的原因,推測(cè)出單晶硅脆塑轉(zhuǎn)變臨界載荷的大致范圍;后用變載荷納米劃痕實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了推測(cè)結(jié)果,并得到單晶硅脆塑轉(zhuǎn)變臨界載荷與臨界深度的精確值;但變載荷納米劃痕實(shí)驗(yàn)由于速率變化實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)出現(xiàn)偏差,進(jìn)而又設(shè)計(jì)了恒載荷納米劃痕實(shí)驗(yàn)觀察塑性域內(nèi)不同載荷大小下的劃痕特性,并綜合考慮材料彈性回復(fù)對(duì)加工的影響,以期為單晶硅實(shí)際超精密切削加工提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 微納尺度壓痕與劃痕實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)

圖1(a)是壓痕過(guò)程中金剛石壓頭與工件表面接觸的示意圖。P是壓頭施加的垂直于材料表面的法向載荷,hmax是壓頭壓入的最大深度,hf是壓頭卸載后的殘余深度。若被壓材料為彈塑性材料,壓痕接觸邊緣會(huì)發(fā)生材料堆積,導(dǎo)致壓頭有一個(gè)下沉量hs,卸載時(shí)壓頭在下沉量這段距離上與材料不發(fā)生接觸,發(fā)生接觸的階段為接觸深度hc。圖1(b)是壓痕后所得的載荷-位移曲線,曲線由加載和卸載兩部分組成,S是壓頭剛開(kāi)始卸載時(shí)卸載曲線切線的斜率。通過(guò)該曲線可以觀察整個(gè)壓痕過(guò)程中壓頭施加載荷與壓入深度之間的變化關(guān)系,并且可以計(jì)算被壓材料的納米硬度和彈性模量。

圖1 納米壓痕過(guò)程示意圖(a)與壓痕后所得的載荷-位移曲線(b)Fig.1 Schematic diagram of process for nanoindentation (a) and load-displacement curves after nanoindentation (b)

Oliver與Pharr[19]提出了一種Oliver-Pharr模型,該模型從彈性接觸理論出發(fā),給出了描述納米壓痕卸載曲線的經(jīng)驗(yàn)公式:

P=α(h-hf)m

(1)

式中:α和m是與壓頭幾何參數(shù)及壓頭工件各自彈性模量、泊松比相關(guān)的擬合參數(shù)。

接觸深度的計(jì)算公式為

(2)

式中:ε是與金剛石壓頭幾何形狀相關(guān)的系數(shù),錐形壓頭取0.72,旋轉(zhuǎn)拋物面形壓頭取0.75,平壓頭取1。

壓頭與材料接觸面積A由面積函數(shù)確定。

(3)

納米壓痕硬度(H)計(jì)算公式為

(4)

彈性模量(Er)計(jì)算公式為

(5)

被壓材料的彈性模量可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。

(6)

式中:Etip和νtip是金剛石壓頭的彈性模量和泊松比,分別取1 141 GPa和0.07;Esample和νsample分別是被壓材料的彈性模量和泊松比。

根據(jù)公式(2)～(6),結(jié)合實(shí)驗(yàn)所得載荷-位移曲線可以計(jì)算單晶硅的納米硬度和彈性模量。

納米劃痕實(shí)驗(yàn)示意圖如圖2所示,壓頭施加法向載荷P同時(shí)以速度V向前方移動(dòng),通過(guò)控制載荷大小與滑動(dòng)速度可以模擬不同參數(shù)條件下單晶硅的切削加工。與劃痕方向一致的切向力Ft,是實(shí)際對(duì)材料表面產(chǎn)生切削作用并迫使材料變形的作用力。通過(guò)記錄法向載荷P和切削力Ft,可以計(jì)算與表面粗糙度有關(guān)的摩擦系數(shù)f,定義為

圖2 納米劃痕實(shí)驗(yàn)過(guò)程示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental process for nano scratch

(7)

以上是單晶硅超精密切削加工的主要參數(shù),合理選擇這些參數(shù)可以大大提高工件表面的加工精度。

單晶硅是典型的脆硬性材料,這種材料的去除通常分為三個(gè)階段:彈塑性去除階段、塑性去除階段,以及脆性去除階段。塑性去除階段和脆性去除階段之間存在一個(gè)臨界狀態(tài),這個(gè)狀態(tài)被稱(chēng)為脆塑轉(zhuǎn)變點(diǎn)。彈塑性去除階段施加載荷較小,劃入深度較淺,彈性變形對(duì)切削過(guò)程有較為顯著的影響,此時(shí)切屑呈微小均勻的粉末狀;隨著施加載荷的不斷增大,劃痕深度也持續(xù)增加,但小于臨界深度,此時(shí)為塑性去除階段,切屑呈細(xì)小帶狀,該階段加工表面光滑、平整,是較為理想的加工狀態(tài);當(dāng)劃痕深度隨著載荷的增加持續(xù)加深,直至超過(guò)臨界深度后,刻劃進(jìn)入脆性去除階段,切屑呈大塊狀,并出現(xiàn)裂紋,樣品表面遭到破壞。實(shí)際切削加工中應(yīng)盡量避免到達(dá)脆性去除階段,盡量在塑性域內(nèi)進(jìn)行材料去除以保證加工表面的精度。

1.2 實(shí)驗(yàn)原材料和制備方法

實(shí)驗(yàn)試樣為用直拉法制備,且單面拋光的<100>晶面單晶硅樣片,拋光面粗糙度小于2 nm,樣片尺寸為10 mm×10 mm×0.5 mm。實(shí)驗(yàn)前先準(zhǔn)備好圓柱形金屬底座,在表面涂上熱熔膠水并放在加熱臺(tái)上加熱至160 ℃放置實(shí)驗(yàn)樣片,待冷卻到室溫后材料樣片固定在圓柱形底座上。觀察樣品表面是否有污漬,用棉棒蘸取乙醇溶液輕輕擦拭樣品表面,烘干備用。

1.3 性能測(cè)試與表征

納米壓痕與劃痕的實(shí)驗(yàn)采用美國(guó)Aglient公司生產(chǎn)的Nano indenter G200納米壓痕儀,配合曲率半徑為20 nm的Berkovich金剛石壓頭進(jìn)行。壓頭負(fù)載分辨率為10 nN,位移分辨率小于0.01 μm。壓痕儀配有位移傳感器和力傳感器,實(shí)驗(yàn)中可實(shí)時(shí)記錄劃入深度、劃痕長(zhǎng)度、法向載荷、切削力等參數(shù)的變化。劃痕實(shí)驗(yàn)結(jié)束后通過(guò)JSM-6700F型號(hào)的掃描電子顯微鏡(SEM)觀察恒載荷刻劃后的單晶硅表面形貌。

納米壓痕實(shí)驗(yàn)的加載和卸載時(shí)間各設(shè)置為15 s,保載5 s,其中保載是為了消除材料在加載過(guò)程中因內(nèi)應(yīng)力而產(chǎn)生的蠕變現(xiàn)象。納米劃痕實(shí)驗(yàn)中每條劃痕的長(zhǎng)度均為140 μm,其中0～20和120～140 μm分別是壓頭以極小的法向作用力垂直于材料表面預(yù)劃入和劃出的過(guò)程,該階段壓頭對(duì)材料表面不產(chǎn)生力的作用,為壓痕儀掃描、檢查材料表面。20～120 μm是壓頭真正參與刻劃單晶硅材料表面的階段,這一階段中,變載荷劃痕實(shí)驗(yàn)的法向力從0 mN逐漸增加到100 mN(載荷加載速度為1 mN/s),恒載荷劃痕實(shí)驗(yàn)則保持設(shè)定的載荷不變。自始至終,壓頭的移動(dòng)速度均為1 μm/s。此外,為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性與可重復(fù)性,每組壓痕與劃痕實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3次。

2 結(jié)果與討論

2.1 單晶硅納米壓痕實(shí)驗(yàn)

納米壓痕實(shí)驗(yàn)中,載荷-位移曲線可以完整、直觀地反映壓痕全過(guò)程,是研究納米壓痕實(shí)驗(yàn)的重要手段[20-21]。一些學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)在壓頭加載過(guò)程中載荷-位移曲線存在明顯的不連續(xù)[22],這種現(xiàn)象被定義為“pop-in”現(xiàn)象;但也有些學(xué)者記錄了僅在卸載過(guò)程中載荷-位移曲線存在突變的情況[23],稱(chēng)為“pop-out”現(xiàn)象。這兩種現(xiàn)象與高壓相變引起的單晶硅密度變化有關(guān)。加載過(guò)程中,金剛石壓頭不斷迫使單晶硅轉(zhuǎn)變?yōu)槊芏雀蟮木w結(jié)構(gòu),某一時(shí)刻下材料體積被壓縮的速率突然增大,會(huì)導(dǎo)致“pop-in”現(xiàn)象的發(fā)生。相反,卸載時(shí)晶格破壞導(dǎo)致材料體積突然增加,在短時(shí)間內(nèi)膨脹到相對(duì)低密度的結(jié)構(gòu),因此卸載曲線會(huì)出現(xiàn)“pop-out”現(xiàn)象。無(wú)論加載還是卸載過(guò)程中,曲線發(fā)生位移不連續(xù)現(xiàn)象說(shuō)明材料在該載荷大小的壓痕下發(fā)生了體積突變,可以推斷此時(shí)材料有裂紋產(chǎn)生,發(fā)生了脆性斷裂變形。

本實(shí)驗(yàn)在10、30和50 mN載荷下對(duì)單晶硅表面進(jìn)行納米壓痕,圖3是三次壓痕實(shí)驗(yàn)的載荷-位移曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)三次壓痕的加載曲線均沒(méi)有“pop-in”現(xiàn)象發(fā)生,但卸載曲線則表現(xiàn)出明顯不同的特征。當(dāng)最大壓痕載荷為10 mN時(shí),曲線表現(xiàn)出良好的連續(xù)性;將最大壓痕載荷增加到30 mN,卸載曲線在壓痕深度為200 mN附近產(chǎn)生微小波動(dòng);而在最大壓痕載荷為50 mN時(shí),卸載曲線部分出現(xiàn)了明顯的“pop-out”現(xiàn)象,該現(xiàn)象發(fā)生在壓痕深度為330 nm左右。對(duì)比三種不同載荷下壓痕的載荷-位移曲線,10 mN載荷材料完全處于彈塑性變形階段,增加到30 mN后可能超出材料脆塑轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn),而50 mN載荷下材料發(fā)生脆性斷裂,即單晶硅脆塑轉(zhuǎn)變的臨界載荷在10～50 mN,且略小于30 mN。卸載結(jié)束后,三次壓痕實(shí)驗(yàn)的卸載曲線均沒(méi)有回到原點(diǎn),說(shuō)明都產(chǎn)生了不可逆的塑性變形。卸載終點(diǎn)與原點(diǎn)間的距離被稱(chēng)為壓痕殘余深度,并且隨著載荷的增加,產(chǎn)生塑性變形的原子更多,殘余深度也更大。由圖3可以觀察到,10、30和50 mN載荷下的殘余深度分別為79、158和226 nm。使用上一節(jié)中的Oliver-Pharr模型結(jié)合本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)單晶硅樣片的納米硬度為11.17 GPa,彈性模量為150.51 GPa,與葛夢(mèng)然等[24]論文中的實(shí)測(cè)納米硬度值(12.22 GPa)和彈性模量值(173.09 GPa)相差不大,誤差率分別為8.59%和12.98%。因此,納米壓痕結(jié)果在預(yù)測(cè)單晶硅等脆硬性材料的納米硬度和彈性模量時(shí)具有一定指導(dǎo)意義。

圖3 10(a)、30(b)與50 mN(c)載荷下納米壓痕實(shí)驗(yàn)的載荷-位移曲線Fig.3 Load-displacement curves of nanoindentation experiments under 10 (a), 30 (b) and 50 mN (b) loads

2.2 單晶硅變載荷納米劃痕實(shí)驗(yàn)

圖4是單晶硅變載荷納米劃痕實(shí)驗(yàn)的劃入深度-劃痕長(zhǎng)度曲線。從圖中可以看出:Ⅰ階段曲線較為平緩,此時(shí)材料去除方式為塑性去除,壓頭施加的載荷較小,劃入深度較淺,劃入深度平穩(wěn)增加但不超過(guò)臨界深度;Ⅰ階段與Ⅱ階段交界處曲線出現(xiàn)了小幅波動(dòng),表明此時(shí)材料處于由塑性去除轉(zhuǎn)為脆性去除的臨界狀態(tài),該臨界狀態(tài)稱(chēng)為材料的脆塑轉(zhuǎn)變點(diǎn);進(jìn)入Ⅱ階段后曲線起伏波動(dòng)不斷增加,此時(shí)去除方式為完全的脆性去除,劃入深度超過(guò)臨界深度,樣品表面被破壞,開(kāi)始有裂紋出現(xiàn)。觀察圖4可以得出Ⅰ階段載荷為0～27 mN,Ⅱ階段載荷為27～100 mN。

圖4 變載荷納米劃痕實(shí)驗(yàn)的劃入深度-劃痕長(zhǎng)度曲線Fig.4 Scratch depth-scratch length curve for variable load nano scratch experiment

因此得到單晶硅<100>晶面的脆塑轉(zhuǎn)變臨界法向載荷為27 mN,對(duì)應(yīng)的臨界深度為392 nm。

2.3 單晶硅恒載荷納米劃痕實(shí)驗(yàn)

變載荷劃痕實(shí)驗(yàn)中,每個(gè)載荷的作用時(shí)間都較短,為避免載荷速率變化對(duì)刻劃的影響,本文又設(shè)計(jì)了恒載荷劃痕實(shí)驗(yàn)。圖5分別是在5、10、20 mN載荷下刻劃深度以及刻劃結(jié)束后劃痕槽深度相對(duì)于劃痕長(zhǎng)度的曲線。對(duì)比三種不同載荷下的曲線圖可以發(fā)現(xiàn),隨著載荷增加,刻劃深度以及劃痕槽深度都在不斷加深,曲線的波動(dòng)也越大?？虅澤疃扰c劃痕槽深度之間的距離可以定義為劃痕彈性回復(fù),實(shí)際加工中彈性回復(fù)對(duì)零件的加工精度和加工效率有重要影響。彈性回復(fù)深度與刻劃深度的比值定義為彈性回復(fù)率,經(jīng)計(jì)算本實(shí)驗(yàn)中5、10、20 mN載荷下的平均彈性回復(fù)率分別為88.1%、64.6%、51.2%。載荷為5 mN時(shí)壓頭劃入深度很淺,彈性變形在刻劃過(guò)程中占主導(dǎo)地位,僅有較少的塑性變形產(chǎn)生,因此彈性回復(fù)率相對(duì)較大。隨著載荷增加,塑性變形起到越來(lái)越重要的作用,彈性回復(fù)率逐步降低。

圖5 5(a)、10(b)和20 mN(c)載荷下劃痕深度及劃痕槽深度相對(duì)于劃痕長(zhǎng)度的曲線Fig.5 Curves of scratching press in depth and scratch groove depth relative to the scratch length under 5 (a), 10 (b) and 20 mN (c) loads

圖6為塑性域內(nèi)三種恒力刻劃下切削力、摩擦系數(shù)與劃痕長(zhǎng)度間的關(guān)系曲線。從圖中可以看出,切削力隨著載荷的增加而增加,5、10、20 mN載荷下對(duì)應(yīng)的平均切削力分別為0.362、1.444、2.439 mN,這是因?yàn)檩d荷越大,刻劃深度越深,在針尖前方堆積的材料越多,阻礙了針尖的運(yùn)動(dòng)從而導(dǎo)致切削力增加。而摩擦系數(shù)隨著載荷增加先增加,后有微小回落,三種不同載荷下平均摩擦系數(shù)分別為0.072 4、0.144 4和0.122 0。這是因?yàn)檩d荷為5 mN時(shí)刻劃深度非常淺,材料主要發(fā)生彈性變形,此時(shí)壓頭對(duì)材料的擠壓和耕犁作用會(huì)間歇性取代切削作用,因此摩擦系數(shù)較小;隨著載荷大小增加到10 mN切削深度增加,壓頭對(duì)材料轉(zhuǎn)為連續(xù)切削,已加工表面的彈性變形回復(fù)會(huì)對(duì)壓頭后方產(chǎn)生擠壓,壓頭需要同時(shí)克服材料彈性回復(fù)和塑性變形,導(dǎo)致摩擦系數(shù)增大;當(dāng)施加載荷為20 mN,此時(shí)已接近單晶硅脆塑轉(zhuǎn)變的臨界載荷,彈性變形減小,材料幾乎全部以產(chǎn)生帶狀切屑的塑性方式去除,此時(shí)摩擦系數(shù)相較于10 mN略有下降。

圖6 不同載荷下切削力(a)、摩擦系數(shù)(b)相對(duì)于劃痕長(zhǎng)度的關(guān)系曲線Fig.6 Curves of cutting force (a) and friction coefficient (b) relative to scratch length under different loads

圖7(a)～(e)是在低真空環(huán)境下加工后的單晶硅的SEM照片。施加載荷在5、10、20 mN時(shí)為塑性域內(nèi)刻劃,如圖7(a)～(c)所示,此時(shí)樣品表面去除方式為塑性去除,去除表面質(zhì)量較好,沒(méi)有崩碎顆粒出現(xiàn)。另以一條100 mN載荷下的劃痕作為對(duì)比(見(jiàn)圖7(d)),此時(shí)施加載荷已經(jīng)超過(guò)了脆塑轉(zhuǎn)變的臨界載荷,觀察放大后的裂紋細(xì)節(jié)圖(見(jiàn)圖7(e))可以發(fā)現(xiàn),材料去除方式為完全的脆性去除,去除表面有大量側(cè)向裂紋出現(xiàn)。

3 納米劃痕實(shí)驗(yàn)在金剛石磨粒線鋸切割單晶硅領(lǐng)域的應(yīng)用

磨粒線鋸切割是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ某芗庸し绞?廣泛應(yīng)用于藍(lán)寶石、SiC等晶體的切片,并逐步用于芯片制造行業(yè)的單晶硅切片加工。線鋸加工的刀具通常采用嵌有金剛石磨粒的鋸絲,柔性鋸絲易發(fā)生磨損,降低了加工效率和加工精度,且制備和更換成本較高。同時(shí),單晶硅材料的切削特性也會(huì)影響其切片表面質(zhì)量。研究發(fā)現(xiàn)[25],合理選擇線鋸工藝參數(shù)對(duì)減小鋸絲磨損,提高單晶硅切片表面質(zhì)量有重要影響。本文納米劃痕實(shí)驗(yàn)所用壓頭為金剛石Berkovich壓頭,幾何形狀呈正三角金字塔形,尖端為球形冠,中心線與面的角度為65.3°,中心線與脊的角度為77°,脊與脊的角度為115°。大部分線鋸金剛石磨粒的尖端也是三角形金字塔狀,中心線-面磨料尖的平均角度為66°,中心線-脊角度為76°,脊-脊角度為112°[26],與Berkovich壓頭參數(shù)極為相似?？梢?jiàn)本文開(kāi)展的納米劃痕實(shí)驗(yàn),可以比較好地模擬線鋸切割單晶硅的實(shí)際加工過(guò)程,得到的單晶硅超精密切削特性對(duì)線鋸加工單晶硅參數(shù)的選取也具有一定的參考價(jià)值。

圖8(a)是金剛石線鋸切割單晶硅的過(guò)程圖,圖中工件以一定的速度做進(jìn)給運(yùn)動(dòng),而金剛石鋸絲則垂直于工件進(jìn)給方向做往復(fù)切割運(yùn)動(dòng)獲得成品單晶硅片。納米劃痕實(shí)驗(yàn)中的金剛石壓頭半徑可用來(lái)模擬金剛石鋸絲表面磨粒半徑;切片加工時(shí)需對(duì)鋸絲施加張力產(chǎn)生切割作用,該張力可對(duì)應(yīng)劃痕實(shí)驗(yàn)中壓頭所加載荷;工件相對(duì)鋸絲的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)壓頭相對(duì)實(shí)驗(yàn)樣件的進(jìn)給運(yùn)動(dòng),從而產(chǎn)生切削力切割工件。切割的截面圖如圖8(b)所示,實(shí)際對(duì)工件產(chǎn)生切割作用的并非鋸絲本身,而是鋸絲上的金剛石磨粒。由變載荷納米劃痕實(shí)驗(yàn)結(jié)論可知,單晶硅脆塑轉(zhuǎn)變的臨界載荷為27 mN,臨界深度為392 nm,因此可通過(guò)控制鋸絲張力、弓角以及選擇半徑不超過(guò)臨界深度的磨粒在塑性域內(nèi)切割材料,得到表面光滑平整且無(wú)裂紋的單晶硅切片。

圖8 金剛石線鋸切割單晶硅示意圖Fig.8 Schematic diagram of diamond wire saw cutting single silicon

4 結(jié) 論

1)通過(guò)納米壓痕實(shí)驗(yàn)分析單晶硅壓痕變形機(jī)理,對(duì)材料施加載荷為30 mN時(shí),卸載曲線不再連續(xù)并產(chǎn)生微小波動(dòng),推測(cè)單晶硅脆塑轉(zhuǎn)變的臨界載荷略小于30 mN;載荷為50 mN時(shí),卸載曲線在330 nm壓痕深度附近發(fā)生“pop-out”現(xiàn)象,說(shuō)明單晶硅在由高密度向低密度卸載時(shí)有突然的體積變化,推測(cè)50 mN載荷下單晶硅產(chǎn)生顯著脆性斷裂變形;根據(jù)三次壓痕結(jié)果計(jì)算得到單晶硅的納米硬度和彈性模量,與實(shí)測(cè)值的誤差率分別為8.59%和12.98%,驗(yàn)證了壓痕結(jié)果數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2)由變載荷納米劃痕實(shí)驗(yàn)分析單晶硅的脆塑轉(zhuǎn)變機(jī)理,材料去除分為彈塑性去除和脆性去除兩個(gè)階段,實(shí)驗(yàn)得出脆塑轉(zhuǎn)變的臨界載荷為27 mN,對(duì)應(yīng)的臨界深度為392 nm,驗(yàn)證了壓痕實(shí)驗(yàn)中的結(jié)論。因此在超精密加工領(lǐng)域切削單晶硅時(shí),施加載荷應(yīng)盡量選擇在27 mN以內(nèi),易得到光滑平整的加工表面。

3)通過(guò)恒載荷納米劃痕實(shí)驗(yàn)分析切削力、摩擦系數(shù)、彈性回復(fù)等切削參數(shù),發(fā)現(xiàn)在塑性域內(nèi)壓頭所受的切削力隨著載荷的增加而增加,且載荷越大切削力的波動(dòng)范圍也越大。摩擦系數(shù)則是隨著載荷增加先增加后又微小回落。劃痕結(jié)束后材料表面會(huì)因?yàn)閺椥宰冃位謴?fù)部分深度,且不同載荷下彈性回復(fù)率有較大差異,因此在加工時(shí)不僅要考慮載荷大小的選擇,也要注意彈性回復(fù)對(duì)實(shí)際加工的影響。

4)對(duì)比發(fā)現(xiàn)本文實(shí)驗(yàn)所用Berkovich金剛石壓頭形貌與線鋸切割單晶硅金剛石磨粒形貌非常相似,因此本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果可用于模擬金剛石磨粒線鋸切割單晶硅的加工過(guò)程,對(duì)加工參數(shù)選取具有一定參考價(jià)值。