单晶硅作为微电子及微机电系统的基底材料, 被广泛应用于航空航天设备及其他电子设备中.对我国来说, 实现单晶硅微型零件及微结构的高精度加工具有较大的战略意义.而微磨削作为微加工的最后一道工序, 其表面质量的好坏直接影响着微型零件的使用寿命.微磨削主要是指使用直径小于1 mm的微型磨棒对零件表面进行磨削加工.国内外很多学者对微尺度磨削和单晶硅的机械加工进行了研究, 如:巩亚东等^[1]从理论上介绍了微磨削表面形成机理, 并探讨了磨削深度、主轴转速和工件进给速度对塑性金属材料微磨削表面质量的影响.Ma等^[2]研究了可加工陶瓷材料点磨削过程中的磨削表面质量.程军等^[3]分析了微磨削工艺参数对单晶硅槽磨加工表面粗糙度的影响规律; 李萍^[4]揭示了微加工工艺条件对微磨削表面粗糙度的作用机理.Aurich等^[5-6]分析了磨粒尺寸、磨粒浓度和工艺参数对微磨削单晶硅材料去除机理、磨削力、表面质量和表面精度的影响, 获得了较低表面粗糙度的磨削表面.Cheng等^[7]揭示了单晶硅微磨削过程的脆塑转变过程.Zhou等^[8]采用化学机械抛光法加工单晶硅, 获得了较高的形状精度和表面质量.Huo等^[9]对单晶硅片磨削表面磨纹的产生机理进行了研究, 提出了抑制磨纹产生的工艺策略.Abdur-Rasheed等^[10]采用田口方法对砂轮进给速度、硅片转速、砂轮转速和砂轮粒度对磨削单晶硅表面粗糙度的影响进行了试验研究.Shibata等^[11]发现沿不同晶向车削单晶硅时亚表面损伤深度不同.Zhang等^[12-13]通过透射电镜分析了单晶硅滑擦区域亚表面的变化, 发现在切屑形成前亚表面就出现了非晶层.

国内外学者对单晶硅的加工进行了大量的研究.但就目前检索到的文献看, 关于单晶硅微尺度侧磨的研究还比较少.因此, 本文对单晶硅的微尺度侧磨进行了研究; 优化出了微磨削单晶硅(100) 晶面的优秀工艺; 分析了工艺参数对磨削表面质量的影响.

多晶材料的断裂方式有晶内断裂和晶间断裂.随着磨削过程的进行, 晶界吸收位错将导致晶界迁移、滑移和断裂, 从而形成剪切滑移带和磨屑.而单晶材料整体由一个晶粒组成, 材料内部不存在晶界.单晶硅在磨削过程中受到磨削力的作用而在晶格内部产生位错, 大量位错的累积、扩展和交叉而形成磨屑.

单晶硅的晶格如图 1所示, 为面心立方晶胞结构, 其晶格常数a=0.543 nm.单晶硅常用的3个晶面为(100), (110) 和(111) 晶面, 见图 2.晶格滑移断裂遇到多种阻力, 其中最基本的固有阻力是晶格阻力, 其大小直接由晶面间距和原子间距决定, 而晶体中晶间指数不同的晶面, 其晶面间距也各不相同.对于以密勒指数(hkl)表示的晶面来说, 其面间距d_hkl的计算公式如式(1)^[14]所示.当h, k, l均为奇数时, 当且仅当h=k=l=1时, d_hkl最大为; 若h, k, l有奇有偶时, 当h, k, l中有且只有一个1, 其余为0时, d_hkl最大为a/2, 则(111) 相对于(110) 和(100) 是面间距最大的, 因此成为解理面.

(1)

图 1(Fig. 1)

图 1 单晶硅晶胞质点模型 Fig.1 Crystal cell model of single crystal silicon

图 2(Fig. 2)

图 2 单晶硅常用晶面 Fig.2 Common lattice plane of single crystal silicon

试验机床为JX-1A型精密微尺度磨削机床, 其最大转速为60 000 r/min.试验刀具:表层电镀500#金刚石磨粒，磨头直径为0.9 mm，刀柄直径为3 mm的微型磨棒, 见图 3a.磨削方式为侧磨, 磨削加工过程如图 3b所示.测试仪器:放大倍数为500~5 000倍的日本VHX超景深显微镜, 法国STIL公司生产的MICROMEASURE三维轮廓仪.试验材料:晶向为(100) 的单面抛光P型单晶硅片.

图 3(Fig. 3)

图 3 试验条件 Fig.3 Experimental conditions (a)—微磨棒；(b)—微侧磨加工示意图.

本文采用三因素五水平正交表设计的正交试验方案及所测得的表面粗糙度值如表 1所示, 考察的3个因素为主轴转速(v_s)、进给速度(v_w)和磨削深度(a_p).

表 1(Table 1)

表 1 单晶硅微磨削正交试验表 Table 1 Orthogonal table of micro grinding silicon 编号 vs/(r·min-1) vw/(μm·s-1) ap/μm Ra/nm 1 20 000 20 3 831 2 20 000 70 6 892 3 20 000 120 9 1 090 4 20 000 170 12 1 210 5 20 000 220 15 1 490 6 30 000 20 6 710 7 30 000 70 9 897 8 30 000 120 12 992 9 30 000 170 15 1 010 10 30 000 220 3 918 11 40 000 20 9 782 12 40 000 70 12 943 13 40 000 120 15 1 060 14 40 000 170 3 723 15 40 000 220 6 999 16 50 000 20 12 571 17 50 000 70 15 826 18 50 000 120 3 639 19 50 000 170 6 691 20 50 000 220 9 806 21 60 000 20 15 778 22 60 000 70 3 586 23 60 000 120 6 694 24 60 000 170 9 902 25 60 000 220 12 1 180

表 1 单晶硅微磨削正交试验表 Table 1 Orthogonal table of micro grinding silicon

对表 1中单晶硅微磨削正交试验的R_a值进行极差分析, 极差分析数据见表 2.A_i为表 1中该列的对应因素取第i水平时所对应的R_a平均值; K为每一列不同A_i值间的最大差的绝对值, 如式(2) 所示.它的大小表示该因素对表面粗糙度的影响大小.

(2)

表 2(Table 2)

表 2 单晶硅微侧磨正交试验Ra值极差分析 Table 2 Range analysis on Ra of micro side grinding single crystal silicon in orthogonal experiment 因素 vs vw ap A1 1 102.6 734.4 739.4 A2 905.4 828.8 797.2 A3 901.4 895.0 895.4 A4 706.6 907.2 979.2 A5 828.0 1 078.6 1 032.8 K 396.0 344.2 293.4

表 2 单晶硅微侧磨正交试验Ra值极差分析 Table 2 Range analysis on Ra of micro side grinding single crystal silicon in orthogonal experiment

由表 2可知, 在单晶硅的微尺度磨削试验中, v_s对R_a的影响最大, v_w次之; 当v_s=50 000 r/min, v_w=20 μm/s和a_p=3 μm时, R_a最小.对此优化的试验方案进行试验验证, 图 4为优化方案磨削表面形貌及对应的截面图.通过比较可知, 该方案下的R_a最小, 为468 nm.

图 4(Fig. 4)

图 4 优化方案下的磨削表面及对应的截面图 Fig.4 Grinding surface and corresponding section under the optimized experiment (a)—磨削表面；(b)—对应的截面图.

由图 5知, 随着主轴转速的增大, 微尺度顺磨和逆磨单晶硅表面粗糙度值基本呈减小趋势, 且逆磨表面粗糙度值高于顺磨表面.但主轴转速过大时, 单晶硅表面粗糙度出现小幅增加趋势.图 6为单晶硅在不同主轴转速下的磨削表面三维形貌, 可知，图 6b的三维形貌比图 6a和图 6c光滑; 在其他磨削条件固定的情况下, v_s=50 000 r/min时的磨削表面粗糙度值低于v_s=20 000 r/min和v_s=60 000 r/min时的磨削表面粗糙度值.

图 5(Fig. 5)

图 5 主轴转速对单晶硅表面粗糙度的影响 Fig.5 Effect of spindle speed on the grinding surface roughness

图 6(Fig. 6)

图 6 不同主轴转速磨削表面的三维形貌 Fig.6 Three-dimensional topography of microgrinding surface with different spindle speed (a)—vs=2×104 r/min；(b)—vs=5×104 r/min; (c)—vs=6×104 r/min.

分析其原因:主轴转速增大, 砂轮表面磨粒的线速度增大, 微磨棒上单位时间内参与磨削的磨粒数增加, 单颗磨粒的实际切削厚度减小.这使得微磨棒所受的法向磨削力和切向磨削力均减小, 砂轮磨损程度降低, 磨削热的产生及功率的消耗减小, 材料主要以塑性去除的方式成屑, 见图 7b.当主轴转速低时, 单晶硅主要以脆性方式断裂, 磨削表面质量较差, 表面脆性断裂凹坑较多, 见图 7a.而当主轴转速增大时, 微磨削表面微破碎及凹坑的占比显著减小, 见图 7b.图 7b中磨削纹理变得更加清晰, 磨削表面粗糙度值变小.转速过高时磨削表面出现部分振痕, 见图 7c.因此, 对于单晶硅的微尺度磨削, 可以适当提高主轴转速, 但主轴转速不宜过高, 否则机床主轴可能会出现振动, 影响表面质量.

图 7(Fig. 7)

图 7 不同主轴转速的磨削表面 Fig.7 Microgrinding surface with different spindle speed (a)—vs=2×104 r/min；(b)—vs=5×104 r/min; (c)—vs=6×104 r/min.

由图 8知, 在单晶硅磨削过程中, 逆磨时的粗糙度值高于顺磨时的粗糙度值.这主要是因为:逆磨过程中单颗磨粒进入磨削区域后的切削厚度由小到大, 磨粒滑擦和耕犁作用明显大于顺磨.随着逆磨时滑擦的进行, 逆磨时磨粒对材料的挤压作用增强, 材料形变量加大, 使材料更容易发生脆性断裂, 导致逆磨时的粗糙度值较大.

图 8(Fig. 8)

图 8 进给速度对单晶硅表面粗糙度的影响 Fig.8 Effect of feeding rate on the grinding surface roughness

由图 8和图 9知, v_w增大时, R_a增大, 且增大趋势明显.图 9b的三维形貌颜色深于图 9a, 表明图 9b的三维形貌高度差大于图 9a, R_a值也大于图 9a.分析其原因:随着v_w的增大, 微磨棒上磨粒参与磨削的频率降低, 单颗磨粒的实际切削厚度增大, 磨削表面微破碎及凹坑数量增多; 单晶硅主要是以脆性断裂去除为主, 脆性断裂留下的凹坑深度明显深于磨粒产生的划痕深度, 磨削纹理变得模糊, 见图 10b.当进给速度较低时, 材料以塑性方式被去除, 磨削表面主要是由塑性去除的微沟槽组成, 见图 10a, 磨削表面粗糙度值较小.

图 9(Fig. 9)

图 9 不同进给速度磨削表面的三维形貌 Fig.9 Three-dimensional topography of microgrinding surface with different feeding rate (a)—vw=70 μm/s；(b)—vw=170 μm/s.

图 10(Fig. 10)

图 10 不同进给速度的磨削表面 Fig.10 Microgrinding surface with different feeding rate (a)—vw=70 μm/s；(b)—vw=170 μm/s.

由图 11知, 随着磨削深度的减小, 单晶硅逆磨及顺磨的表面粗糙度值减小.随着a_p的减小, 单颗磨粒的实际切削厚度减小, 切屑的横截面积变小.切屑变薄, 单颗磨粒的切削载荷降低, 同时微磨削材料去除率降低, 磨粒及磨粒结合剂与工件之间的滑擦作用减小.这使得微磨削表面的微观不平度降低, 即降低了微磨削表面粗糙度, 见图 12a和图 13a, 磨削表面纹理清晰.增大磨削深度时, 单颗磨粒的最大未变形切削厚度增大, 磨粒及结合剂同工件之间的滑擦作用增强, 并且磨削区弧长增大.这些导致磨削热不易扩散, 磨削力增大, 砂轮的磨损加重.同时由于单晶硅为典型的硬脆材料, 磨削深度增大时, 微磨削过程中的材料主要是以脆性断裂的形式被去除, 磨削表面出现脆性断裂坑、磨削表面质量变差、磨削表面粗糙度值增大, 见图 12b和图 13b.在微磨削中, 为了提高加工表面精度应适当选取较小的磨削深度.

图 11(Fig. 11)

图 11 磨削深度对单晶硅表面粗糙度的影响 Fig.11 Effect of grinding depth on the grinding surface roughness

图 12(Fig. 12)

图 12 不同磨削深度的磨削表面 Fig.12 Microgrinding surface with different grinding depth (a)— ap=6 μm；(b)—ap=12 μm.

图 13(Fig. 13)

图 13 不同磨削深度磨削表面的三维形貌 Fig.13 Three-dimensional topography of microgrinding surface with different grinding depth (a)— ap=6 μm；(b)—ap=12 μm.

在不同工艺参数的磨削加工表面中, 每个表面基本都会看到极个别的脆性断裂凹坑, 这和表面缺陷特性与磨削工艺参数之间的影响规律有些不符, 此种现象的发生主要是由微型磨棒在制作过程中砂轮表面存在个别尺寸较大的磨粒造成的, 并不影响对单晶硅微磨削过程的分析.

1) 单晶硅微尺度磨削(100) 晶面过程中, 单晶硅的晶格内部的主要解理面为{111}晶面族.

2) 通过单晶硅微尺度磨削正交试验的极差分析, 在微尺度磨削的主要影响因素中, v_s对单晶硅微磨削表面R_a值影响最大.优化出了获得微磨削单晶硅(100) 晶面最小R_a值的工艺组合, 即v_s=50 000 r/min，v_w=20 μm/s和a_p=3 μm时, 单晶硅微磨削表面粗糙度最小, 即R_a=468 nm.

3) 通过单晶硅微磨削单因素试验, 可以得出:随着进给速度和磨削深度的增大, 单晶硅微磨削表面粗糙度值增大; 随着主轴转速的提高, 单晶硅微磨削表面粗糙度基本呈减小趋势.因此, 在单晶硅微零件的实际加工中, 适当选取小的a_p及v_w, 适度提高v_s.