單晶硅微尺度側(cè)磨削邊緣崩裂影響因素試驗(yàn)研究

畢長(zhǎng)波，田川川，李紅陽(yáng)，周云光

（東北大學(xué)秦皇島分校控制工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

單晶硅作為一種優(yōu)秀的半導(dǎo)體材料，廣泛應(yīng)用于集成電路、國(guó)防科技、醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域。僅2020 年，全球半導(dǎo)體行業(yè)產(chǎn)值就已達(dá)到4 260 億美元。近年來(lái)，微電子行業(yè)的興起對(duì)精密微型零部件的需求日益增大。對(duì)我國(guó)而言，實(shí)現(xiàn)單晶硅及其微型零部件的高精度加工有著重大戰(zhàn)略意義。單晶硅的共價(jià)鍵為類(lèi)金剛石結(jié)構(gòu)，使其成為一種典型的硬脆材料，機(jī)械加工時(shí)不可避免地出現(xiàn)表面/亞表面損傷，影響零部件的表面質(zhì)量和使用壽命。

微磨削方法主要是指采用直徑小于1 mm 的微磨棒對(duì)材料進(jìn)行機(jī)械加工從而獲得所需微結(jié)構(gòu)。該方法憑借其加工表面質(zhì)量高、形狀精度高等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。對(duì)以單晶硅為代表的硬脆材料而言，微磨削可以有效抑制毛刺等缺陷的產(chǎn)生，提高表面質(zhì)量。因而，相關(guān)專(zhuān)家在單晶硅等硬脆材料的微磨削及亞表面損傷領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究。如Aurich 等［1］研發(fā)了一種新型微磨削設(shè)備，研究了磨削工藝參數(shù)和刀具參數(shù)對(duì)單晶硅加工表面質(zhì)量的影響；Cheng等［2］通過(guò)對(duì)鈉鈣玻璃進(jìn)行微磨削試驗(yàn)，提出了硬脆材料微磨削最大未變形切屑厚度的計(jì)算模型；Cheng 等［3］在分析微磨削未變形切屑厚度的基礎(chǔ)上，提出了單晶硅微磨削力的預(yù)測(cè)模型，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定了單晶硅微磨削延脆性轉(zhuǎn)變的臨界切深；Wang 等［4］對(duì)單晶硅進(jìn)行金剛石壓痕試驗(yàn)，分析了劃刻速度對(duì)單晶硅表面形貌和材料去除方式的影響；Choi 等［5］對(duì)單晶硅進(jìn)行納米壓痕試驗(yàn)，從力的角度分析了加工過(guò)程中材料去除方式的改變；Yao等［6］對(duì)BK玻璃進(jìn)行磨削試驗(yàn)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析，建立磨削表面粗糙度與亞表面損傷之間的關(guān)系；Li 等［7］對(duì)單晶硅進(jìn)行干磨和濕磨試驗(yàn)，在綜合考慮材料去除模式、磨削熱、晶體取向等因素的基礎(chǔ)上，建立了表面粗糙度解析模型；Zhang等［8］在斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)上，建立了單晶硅自旋轉(zhuǎn)磨削的亞表面損傷深度的預(yù)測(cè)模型，并討論了磨削工藝參數(shù)等因素對(duì)單晶硅亞表面損傷的影響；周云光等［9］對(duì)單晶硅進(jìn)行微尺度磨削，分析并得出了主軸轉(zhuǎn)速、磨削深度和進(jìn)給速度對(duì)表面質(zhì)量的影響關(guān)系；程軍等［10］分析了硬脆材料微磨削過(guò)程中表面形成機(jī)理，并建立了相應(yīng)的表面粗糙度預(yù)測(cè)模型；高尚等［11］采用不同粒度的砂輪磨削石英玻璃，研究了砂輪粒度對(duì)材料表面形貌的影響，并建立了石英玻璃磨削表面粗糙度與亞表面損傷之間的關(guān)系。

同時(shí)，在檢索相關(guān)文獻(xiàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)專(zhuān)家對(duì)單晶硅等硬脆材料磨削加工的表面粗糙度及亞表面損傷等方面進(jìn)行了大量研究，建立起相對(duì)完整的理論模型和評(píng)價(jià)體系。在單晶硅等硬脆材料的微磨削過(guò)程中，由于邊緣應(yīng)力釋放等因素［10］，材料已加工表面出現(xiàn)邊緣崩裂現(xiàn)象，影響單晶硅微型零部件的可靠性和使用壽命，但對(duì)加工時(shí)邊緣崩裂現(xiàn)象的研究相對(duì)較少?；诖耍疚姆治隽藛尉Ч璨牧衔⒛ハ骷庸r(shí)邊緣崩裂的成因，并對(duì)單晶硅進(jìn)行正交試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析，得出了磨削加工參數(shù)對(duì)邊緣碎裂影響主次關(guān)系。其次，通過(guò)單因素試驗(yàn)，分析了磨削參數(shù)對(duì)邊緣碎裂的影響規(guī)律，進(jìn)一步完善了以單晶硅為代表的硬脆材料加工質(zhì)量評(píng)價(jià)體系。

1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

試驗(yàn)機(jī)床為JX-1A 型精密微尺度磨削機(jī)床，其最大轉(zhuǎn)速為60 000 r/min。試驗(yàn)刀具：表層電鍍500#磨粒，磨頭直徑為0.9 mm，刀柄直徑為3 mm的微磨棒。測(cè)試儀器：放大倍數(shù)為500～5 000 的日本VHX 超景深顯微鏡，法國(guó)STIL 公司生產(chǎn)的MICROMEASUR 三維輪廓儀，德國(guó) FC-k3d60 型測(cè)力儀。試驗(yàn)材料：晶向?yàn)椋?00）的單面拋光P 型單晶硅。試驗(yàn)設(shè)備如圖1和圖2所示。

圖1 精密微尺度磨削機(jī)床及微磨棒Fig.1 Precision micro-grinding machine and tools

圖2 VHX超景深顯微鏡Fig.2 VHX microscope with super wide depth of field

1.1 試驗(yàn)方案

首先，設(shè)計(jì)了三因素五水平正交試驗(yàn)，研究了磨削參數(shù)，即主軸轉(zhuǎn)速（ng）、進(jìn)給速度（vw）和磨削深度（ap）對(duì)單晶硅微尺度側(cè)磨削邊緣崩裂影響的主次關(guān)系；其次，通過(guò)設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)研究了單一磨削參數(shù)對(duì)單晶硅微磨削加工邊緣崩裂的影響規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

表1 中c為邊緣崩裂長(zhǎng)度值，計(jì)算時(shí)采用多位置測(cè)量取平均值。在實(shí)際測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，微磨削后的表面會(huì)存在偶發(fā)性大邊緣崩裂，這可能是由于微磨棒表面磨粒突出高度分布不均或材料本身缺陷引起的。為減少誤差，將遠(yuǎn)偏于平均值的數(shù)據(jù)剔除，保證準(zhǔn)確性。

表1 單晶硅微磨削試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experimental result of micro-grinding silicon

極差的計(jì)算數(shù)值反映了某一因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度，計(jì)算數(shù)值越大，說(shuō)明該因素改變時(shí)，對(duì)最終的試驗(yàn)結(jié)果影響越大。根據(jù)表2 中的極差計(jì)算數(shù)據(jù)，得出磨削參數(shù)對(duì)單晶硅微磨削邊緣崩裂影響的順序依次為進(jìn)給速度、磨削深度、主軸轉(zhuǎn)速。表中可見(jiàn)，ng=40 000 r/min、vw=20 μm/s、ap=3 μm的方案最優(yōu)。

表2 單晶硅微磨削邊緣崩裂長(zhǎng)度c極差分析Tab.2 Range analysis on c value of micro-grinding edge crack of single crystal silicon

極差分析簡(jiǎn)單易行，但缺乏對(duì)數(shù)據(jù)全面的分析。因此，在極差分析的基礎(chǔ)上，對(duì)表1 數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，取分辨系數(shù)P=0.5，進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析，其結(jié)果如表3所示。

表3 單晶硅微磨削邊緣崩裂長(zhǎng)度c灰色關(guān)聯(lián)分析Tab.3 Grey relational analysis on c value of microgrinding edge crack of single crystal silicon

灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)反映了某一因素對(duì)系統(tǒng)發(fā)展的影響程度，灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)的值越大，說(shuō)明該因素對(duì)系統(tǒng)發(fā)展的影響越大。如表3 所示，進(jìn)給速度對(duì)單晶硅微磨削邊緣崩裂的影響最大，而對(duì)主軸轉(zhuǎn)速影響相對(duì)較小。這與極差分析所得結(jié)果一致，對(duì)單晶硅微磨削工藝參數(shù)的優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義。

2.2 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)單晶硅微磨削邊緣崩裂的影響

微尺度側(cè)磨削單晶硅時(shí)邊緣崩裂量和磨削力隨主軸轉(zhuǎn)速的變化情況如圖3 所示。試驗(yàn)條件為vw=100 μm/s，ap=15 μm。 從 圖 3 可 知 ，當(dāng)ng從20 000 增加到60 000 r/min 時(shí)，邊緣崩裂長(zhǎng)度度呈先下降后上升的趨勢(shì)，在ng=40 000 r/min時(shí)達(dá)到最小值。同時(shí)，微磨削力也呈現(xiàn)相似的變化趨勢(shì)。

圖3 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)邊緣崩裂長(zhǎng)度及微磨削力的影響Fig.3 Effect of spindle speed on edge crack width and micro grinding force

微磨削最大未變形切屑厚度的計(jì)算模型如下［10］：

式中：L為相鄰磨粒之間的有效距離；vs為砂輪線(xiàn)速度；ds為砂輪直徑；Md為表征微尺度綜合影響因素。

當(dāng)ng較低時(shí)，砂輪線(xiàn)速度vs的值較低。從式（1）可知，當(dāng)微磨削最大未變形切削厚度較大時(shí)，材料以脆性去除為主。同時(shí)，微磨削力較大，在材料內(nèi)部產(chǎn)生大量位錯(cuò)并不斷累積，位錯(cuò)密度增大，進(jìn)而限制了位錯(cuò)的滑移速度。這使得位錯(cuò)之間極易相互纏結(jié)形成位錯(cuò)群，進(jìn)一步阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)［12］，導(dǎo)致應(yīng)力集中，裂紋形核開(kāi)始萌生。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)材料的斷裂極限時(shí)，微裂紋出現(xiàn)。而位錯(cuò)在纏結(jié)、累積的過(guò)程中存儲(chǔ)了大量能量，當(dāng)微裂紋出現(xiàn)時(shí)，累積的能量在微裂紋尖端得以迅速釋放，微裂紋大量產(chǎn)生并擴(kuò)展，在材料已加工表面產(chǎn)生大尺寸鱗片狀邊緣崩裂以及大量脆性去除特征，導(dǎo)致表面質(zhì)量較差，如圖4（a）所示。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速ng逐漸提高時(shí)，砂輪線(xiàn)速度vs的值較大。同時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速的提高意味著單位時(shí)間參與磨削的有效磨粒數(shù)增大，使得單顆最大未變形切屑厚度降低，切屑變薄。此時(shí)，材料已加工表面質(zhì)量有所提高，如圖4（b）所示，加工表面存在塑性溝槽、材料塑性流動(dòng)形成的隆起以及連續(xù)性脆性斷裂，整體呈現(xiàn)脆塑性去除共存的狀態(tài)，且邊緣崩裂也由鱗片狀大尺寸邊緣崩裂轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)性的小邊緣崩裂。不同于脆性去除、塑性去除階段，磨屑的形成主要依賴(lài)于位錯(cuò)在晶體內(nèi)部的滑移。由于位錯(cuò)的滑移對(duì)裂紋形核及裂紋的萌生有一定的屏蔽作用［12-13］，產(chǎn)生微裂紋的可能性降低。同時(shí)，從圖5 可知，此時(shí)微磨削力較小，刺激微裂紋生長(zhǎng)的因素減弱。綜合上述原因，材料邊緣崩裂長(zhǎng)度有所減小。隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，逐漸接近機(jī)床的最高轉(zhuǎn)速，由于機(jī)床本身振動(dòng)等因素的影響，邊緣崩裂的長(zhǎng)度值有所上升。因此，對(duì)于單晶硅微磨削而言，適當(dāng)提高主軸轉(zhuǎn)速可以降低邊緣崩裂長(zhǎng)度值，提高加工質(zhì)量。

圖4 不同主軸轉(zhuǎn)速下的微磨削表面形貌和邊緣崩裂Fig.4 Micro-grinding surface and edge crack at different feed speeds

圖5 進(jìn)給速度對(duì)邊緣崩裂長(zhǎng)度和微磨削力的影響Fig.5 Effect of feed rate on edge crack width and micro grinding force

2.3 進(jìn)給速度對(duì)單晶硅微磨削邊緣崩裂的影響

單晶硅微尺度側(cè)磨削時(shí)，進(jìn)給速度對(duì)邊緣崩裂長(zhǎng)度及微磨削力的影響如圖5 所示，試驗(yàn)條件為ng=30 000 r/min，ap=15 μm。從圖 5 可知，邊緣崩裂長(zhǎng)度和微磨削力隨進(jìn)給速度vw的提高均呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。

不同進(jìn)給速度下單晶硅加工后的表面形貌和邊緣崩裂如圖6所示。相比于圖6（b）、圖6（a）的邊緣崩裂長(zhǎng)度值較小，且磨削加工的邊緣較為完整。同時(shí)，就微觀形貌而言，圖6（a）中磨削紋理較為清晰，分布著由磨粒留下的較淺且連續(xù)的劃痕，以及少量脆性斷裂，整體上以塑性去除為主，加工質(zhì)量較好。而在圖6（b）中，劃痕變短、變深，同時(shí)磨削紋理變得模糊，出現(xiàn)大量脆性斷裂以及凹坑，表面質(zhì)量下降，說(shuō)明此時(shí)材料去除方式以脆性去除為主?，F(xiàn)對(duì)這種情況進(jìn)行分析。

圖6 不同進(jìn)給速度下的微磨削表面形貌和邊緣崩裂Fig.6 Micro-grinding surface and edge crack at different feed rate

根據(jù)Griffith 能量準(zhǔn)則，微裂紋擴(kuò)展所需能量超過(guò)材料抗力時(shí)，微裂紋才能得以擴(kuò)展［14～15］，公式如下：

式中：Gc為單位面積上微裂紋擴(kuò)展所需的能量；Gc0為抵抗微裂紋擴(kuò)展的材料屬性。

Qu 等［15］指出對(duì)于硬脆材料而言，Gc0取決于表面能。實(shí)際上，硬脆材料在微磨削過(guò)程中，塑性變形的表面能要遠(yuǎn)大于脆性斷裂的表面能。

在單因素實(shí)驗(yàn)中，主軸轉(zhuǎn)速和磨削深度一定，當(dāng)進(jìn)給速度vw較小時(shí)，結(jié)合式（1）可知，此時(shí)單晶硅的最大未變形切削厚度較小，塑性去除占據(jù)主導(dǎo)，結(jié)合上文的分析可知，此時(shí)Gc0值較高，微裂紋擴(kuò)展較為困難，使得邊緣崩裂長(zhǎng)度值較小。同時(shí)，進(jìn)給速度較低也意味著在單位時(shí)間內(nèi)，磨粒對(duì)工件的磨削次數(shù)增多，磨粒加工留下的劃痕可以被后續(xù)磨粒磨削，降低了已加工表面上相鄰峰谷之間的高度差，進(jìn)一步提高表面質(zhì)量。隨著進(jìn)給速度的提高，材料的去除量增大，參與磨削的有效磨粒數(shù)減小，根據(jù)式（1），材料最大未變形切削厚度增大，去除方式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈匀コ秊橹鳌Ｔ诖嘈匀コＪ较?，Gc0值較低，結(jié)合圖6，此時(shí)微磨削力增大，微磨棒與材料之間的擠壓作用增強(qiáng)，同時(shí)，過(guò)高的進(jìn)給速度使得磨削熱大部分由切屑帶走，導(dǎo)致材料變脆。綜合以上原因，此時(shí)微裂紋更易擴(kuò)展，進(jìn)而材料的斷裂強(qiáng)度降低，導(dǎo)致大面積的脆性去除。當(dāng)微裂紋擴(kuò)展到材料表面時(shí)，材料從已加工表面剝落，導(dǎo)致大尺寸邊緣崩裂現(xiàn)象的出現(xiàn)。

同時(shí)，當(dāng)進(jìn)給速度從 20 μm/s 升高到 300 μm/s時(shí)，邊緣崩裂長(zhǎng)度變化了7.83 μm，遠(yuǎn)大于圖4 中邊緣崩裂的變化范圍。這主要是砂輪線(xiàn)速度變化范圍小，盡管主軸轉(zhuǎn)速?gòu)?0 000上升到60 000 r/min，但對(duì)于直徑為0.9 mm 的微磨棒而言，所提供的線(xiàn)速度范圍為0.94～2.82 m/s，因此，進(jìn)給速度對(duì)邊緣崩裂長(zhǎng)度的影響更為明顯。

2.4 磨削深度對(duì)單晶硅微磨削邊緣崩裂的影響

單晶硅微尺度側(cè)磨削時(shí)，磨削深度的變化對(duì)邊緣崩裂長(zhǎng)度及微磨削力的影響如圖7 所示，試驗(yàn)條件為ng=30 000 r/min，vw=100 μm/s。從圖 8 中可知，隨著磨削深度的增大，邊緣崩裂和微磨削力均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。對(duì)比圖8 可得，當(dāng)磨削深度的值較小時(shí)，加工表面形貌主要由溝槽、塑性隆起和連續(xù)脆性斷裂組成，邊緣崩裂長(zhǎng)度值較低。而磨削深度較大時(shí)，加工表面存在大量凹坑和脆性斷裂，同時(shí)，邊緣崩裂的長(zhǎng)度值也有所增大，現(xiàn)對(duì)這種情況進(jìn)行分析。

圖7 磨削深度對(duì)邊緣崩裂長(zhǎng)度和微磨削力的影響Fig.7 Effect of grinding depth on edge crack width and micro-grinding force

在單因素試驗(yàn)中，主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度均為定值，當(dāng)磨削深度ap的值較低時(shí)，由式（1）可知，此時(shí)未變形切削厚度較小，材料以塑性去除為主。在上文的分析中，單晶硅塑性去除階段由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)對(duì)微裂紋擴(kuò)展的屏蔽作用，微裂紋很難擴(kuò)展到已加工表面，進(jìn)而使得此時(shí)邊緣崩裂的長(zhǎng)度值較小。同時(shí)，在塑性去除階段，材料的去除可以視為磨粒對(duì)材料的剪切作用，在這個(gè)過(guò)程中需要較大的磨削力。而從圖7 中可知，此時(shí)微磨削力的數(shù)值較小，導(dǎo)致材料的去除量較小，切屑較薄，磨粒在材料表面的劃痕較淺，加工質(zhì)量相對(duì)較好，如圖8（a）所示。隨著磨削深度的逐漸增大，未變形切屑厚度值增大，材料的去除方式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈匀コ秊橹?，在單晶硅材料?nèi)部萌生大量微裂紋。同時(shí)，從圖7 中可知，此時(shí)微磨削力增大，導(dǎo)致應(yīng)力集中出現(xiàn)，微裂紋大量擴(kuò)展，邊緣崩裂長(zhǎng)度急劇增大。此外，試驗(yàn)所用的微磨棒直徑為0.9 mm，剛性相對(duì)較差。當(dāng)磨削深度增大時(shí)，微磨棒尖端徑向偏移量增大［16］，導(dǎo)致加工質(zhì)量變差，原有塑性去除的紋理變得模糊，加工表面出現(xiàn)明顯的脆性去除特征，如圖8（b）所示。

圖8 不同磨削深度下的微磨削表面形貌和邊緣崩裂Fig.8 Micro-grinding surface and edge crack at different grinding depth

3 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，采用磨頭直徑為0.9 mm、表層鍍層為500#磨粒的微磨棒對(duì)單晶硅進(jìn)行微磨削加工。通過(guò)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出影響單晶硅邊緣崩裂的主次因素：進(jìn)給速度影響最大，磨削深度次之，主軸轉(zhuǎn)速最小。并得出了較優(yōu)的加工工藝參數(shù)組合為ng=40 000 r/min，vw=20 μm/s，ap=3 μm。

（2）通過(guò)單因素試驗(yàn)，可以得出：隨著主軸轉(zhuǎn)速增大，單晶硅邊緣崩裂長(zhǎng)度先減小后增大。隨著磨削深度和進(jìn)給速度的增大，單晶硅邊緣崩裂長(zhǎng)度也隨之增大。同時(shí)，微磨削力也呈現(xiàn)相似的變化趨勢(shì)。因此，在單晶硅的實(shí)際加工中，可以選擇較低的磨削深度和進(jìn)給速度、適當(dāng)?shù)闹鬏S轉(zhuǎn)速，以此來(lái)獲得較好的加工質(zhì)量。