摘要：單晶硅應用廣泛，應用的領域均涉及微小機構，這使得單晶硅的微細加工至關重要。目前，有眾多對單晶硅微細磨削的研究，但缺少對單晶硅微細銑削方面的研究。因此本文基于切削三要素：主軸轉速n、每齒進給量fz和切削深度ap，沿著單晶硅(100)的[100]方向加工，采用三因素四水平的正交試驗，通過觀察加工后單晶硅表面形貌和比較表面粗糙度數值，來研究單晶硅微細銑削表面質量，從而優化微細銑削工藝參數。實驗表明：微銑刀的磨損和振動對單晶硅加工形貌影響嚴重，在實驗所取的參數范圍內，當fz=0.1(um/z)、n=10000(r/min)、ap=10(um)時，表面粗糙度數值最小，即表面質量最優。

　　關鍵詞:微細銑削;單晶硅;表面粗糙度;表面形貌

　　0 前言

　　單晶硅被廣泛用于半導體元器件，在手機、電腦、計算器、芯片等都以單晶硅作為原材料[1-2]，其應用領域以微小結構為主，而微細制造技術加工效率高，精度高，因此成為研究的熱點[3]。

　　微細銑削技術通常指采用直徑不大于1mm的微型刀具，并特征尺寸范圍在0.01～0.1mm的微小型化零件切削的加工技術。

　　在加工尺度上，微細銑削并非是簡單的尺寸縮小，在微尺度下，存在最小切削厚度和尺寸效應，這是微尺度加工和宏觀加工的最大區別，從材料學角度對尺寸效應的研究發現存在三個特征：1.工件材料的去除從連續去除變為斷續去除，宏觀尺度下的每齒進給量一般都大于0.1mm，而微尺度下的銑削的每齒進給量一般都小于1um。2.工件材料會從宏觀的各向同性轉化為微尺度下的各向異性，在微尺度下的切削，與晶粒的大小和方向都有很大關系。3.材料去除形式不同，脆性材料要實現塑性域切削，脆塑性臨界切削厚度是主要研究對象。對力、切削比能、刀具切削刃鈍圓半徑，切削比能、最小切削厚度等的研究都涉及尺寸效應[4-6]。因此研究微細銑削的加工工藝參數是有必要的。

　　另外，光刻機等化學刻蝕[7]的加工手段只能加工出2維或者2.5維的結構，而微細銑削加工成本低，適用于對小零件進行微尺寸加工，它在各個方面的獨特優勢使其在微米和中規模機械制造領域中獨樹一幟。微銑削技術還可以完成微模具的批量生產[8-9]，所以微細銑削是一種較具優勢的可代替性的加工手段。

　　現已有眾多對單晶硅的微細磨削進行研究的論文，但鮮有論文對單晶硅微細銑削進行研究。本文基于不同的工藝參數針對微銑削單晶硅加工后的表面粗糙度數值和表面形貌進行研究。

　　表面粗糙度是微觀的幾何形狀誤差，形容的是表面微小峰谷之間的不平度。通過測量表面粗糙度的數值可以更直觀的看出表面不平度的情況，因此需要研究微細銑削的表面粗糙度。

　　通常，Ra的理論估計值如下[10]：當立銑刀銑削微凹槽時，每次進刀后，刀具都會在凹槽的底面形成類似半圓形的銑刀走刀痕跡，因此凹槽的底面將呈扇形。槽底的表面粗糙度Ra的理論估計為

　　上式中：Z是刃數; R是刀尖圓弧半徑; fz是每齒的進給量; 正號代表逆銑，負號代表順銑;Ra是表面粗糙度數值[11]。本文基于研究主軸轉速n、每齒進給量fz和切削深度ap三因素對單晶硅加工表面質量的影響，以探究出相對最優的工藝參數，采用正交法進行實驗設計。

　　1實驗條件與方案

　　1.1 實驗材料及設備

　　本實驗選取(100)單晶硅片，沿[100]晶向進行全槽銑削，單晶硅是具有各向異性的八面體金剛石晶體結構，切削單晶硅(100)晶面時，由于切面的位錯數量多，且分布相對均勻，因此切割(100)晶體平面可獲得低硬度和好的表面質量。

　　本實驗采用哈斯加工中心數控機床(圖1a)，機床主軸轉速最高為30000 r /min;微銑刀采用鎢鋼基體金剛石涂層的雙刃微立銑刀，刀具直徑為0.5mm。

　　ContourGT-K0白光干涉儀(圖1b)具有出色的抗噪特性，可以實現校準測量的可重復性和可重復性，并且適用于各種復雜而精確的零件形狀的高精度質量管理，它可以精確地測量表面形貌，臺階高度和表面粗糙度等。結合先進的64位多核操作和分析和處理軟件，獲得專利的用于光學輪廓儀的白光干涉儀(WLI)硬件和前所未有的易操作性，具有大尺寸視場范圍從亞埃到毫米垂直測量范圍，樣品安裝靈活，并具有業界最高的測量重復性。

　　性能升級的新一代超景深3D顯微系統該系統具有以下優點：1.只需要拍攝要觀察的位置，可獲得針對整個視場的“全屏對焦圖像”。2.使用單波長光進行超清晰觀察，從不同曝光的圖像獲得拍攝高灰度圖像的HDR。3.具有“簡易模式”功能，只需選擇要使用的觀察方法，顯微鏡系統就會自動最佳設置。4.超過20種2D測量菜單和超過10種3D測量菜單可以數字化目標的所有部分。

　　1.2 實驗方案

　　實驗前選取銅塊作為固定單晶硅片的基體，對銅塊表面進行銑削處理以獲得較高平面度。將單晶硅片貼合于基體上，使用黏合劑粘牢并壓平，保證加工表面平整從而實現銑削加工前的表面找平。采用正交實驗表L16(43)來設計實驗，三因素分別為主軸轉速 n、每齒進給量 fz、軸向切深 ap。

　　各因素進行微銑削實驗，每次加工一個長度為 5 mm寬度為0.5mm 的直槽。加工完后使用超聲波清洗機清洗，然后晾干，接著使用VHX-5000超景深顯微鏡和ContourGT-K0白光干涉儀觀察表面形貌和測量表面粗糙度。

　　2 實驗結果及分析

　　2.1對表面粗糙度的分析

　　每齒進給量fz的極差最大，其次是主軸轉速n，軸向切削深度ap的極差最小。因此可以得出，對微銑削單晶硅表面粗糙度，因素影響關系是：每齒進給量fz >主軸轉速n >軸向切深ap。

　　每齒進給量的影響

　　從圖2和圖3可知，fz的影響是最顯著的，這一點在宏觀和微觀是一樣的。當每齒進給量 fz變大時，不難發現表面粗糙度數值會逐漸增大，但是當每齒進給量逐漸減小至一定數值后，表面粗糙度會突然上升，這是由于微尺度下加工存在尺寸效應，當每齒進給量減小到小于或者等于刀具切削刃鈍圓半徑時，切削刀具的前角為負，此時工件所受的法向力增大，使得切削刃與單晶硅表面擠壓和摩擦加劇[11]，從而使得工件材料和切削刃極易發生粘結現象，隨著粘結的積屑瘤不斷的增大和破損，會帶走刀具表面的金剛石微粒，從而裸露基體，導致了加工表面的質量變差。綜上，每齒進給量顯著影響著表面粗糙度，微細銑削時并非取越小的每齒進給量，表面就越光滑。因此，需要對每齒進給量進行優化從而獲得最佳的表面質量。

　　主軸轉速的影響

　　從圖3可以看出當n=10000-20000 r/min時，Ra隨著轉速升高而增加，此時高轉速下溫度不易散失是導致Ra上升的主要原因，但當n>20000 r/min時，轉速越高Ra越小，是由于在高轉速下切削力較小，減少了粘結現象發生，從而降低了粗糙度，提高了表面質量。總體來看，主軸轉速n相對于每齒進給量fz對單晶硅表面粗糙度影響較小。

　　軸向切深的影響

　　從圖3可以看出，軸向切削深度對于單晶硅表面粗糙度的影響程度不大。

　　在實驗參數范圍內，當fz=0.1(um/z)、n=10000(r/min)、ap=10(um)時，表面粗糙度數值最小，即表面質量最優。

　　2.2對表面形貌的分析

　　使用超景深顯微鏡觀察后獲得的圖像。可看出加工后的微槽有較多凹坑和破損，粗糙度較高，分析發現在使用該組參數進行加工時，加工表面處于脆性區域，主要是脆性加工。脆性加工時，由于材料具有較高脆性，切屑呈崩碎狀，嚴重影響表面質量，處于脆性域中的單晶硅彈性極限較低，當承受超過彈性極限的載荷時，表面極易發生斷裂。[12]

　　單晶硅的脆性對加工后的表面粗糙度有較大影響，因此微銑削時選擇合適的切削參數使加工發生在塑性域尤為重要。可以看出下部的表面質量明顯優于上部，上部有明顯的凹坑，而下部較為平整。是由于加工時主軸轉向導致的，實驗中主軸正轉即順時針旋轉，加工微槽上端時，工件進給方向和刀具轉向相同，此時為順銑加工，同理可得，下部為逆銑。在逆銑中切削厚度是從零逐漸增加的，所以下端逆銑的表面質量比上端的順銑表面質量好。[13]

　　加工后的直槽越接近邊沿表面粗糙度更高。一方面原因是，在長時間加工中刀具刃口越靠近刀尖的部分磨損越嚴重，加工中會導致邊緣部分質量變差。另一方面，刀尖部分在加工中存在積屑瘤和振動影響，使槽底邊沿表面形貌相比中間部分較差。

　　機械論文投稿刊物：《機械工程學報》(半月刊)創刊于1953年，是由中國機械工程學會主辦、機械工業信息研究院承辦的機械工程類高學術水平期刊。本刊是中國機械工程領域的頂級學術刊物，主要報道機械工程領域及其交叉學科、新興學科、邊緣學科等領域具有創新性及重要意義的前沿基礎研究、應用研究的最新科研成果。

　　4 結論

　　(1)微細銑削加工中，對單晶硅表面質量影響因素大小依次是每齒進給量、主軸轉速、軸向切削深度。

　　(2)在實驗參數范圍內，當fz=0.1(um/z)、n=10000(r/min)、ap=10(um)時，表面粗糙度數值最小，即表面質量最優。

　　(3)加工過程中銑刀的刀尖磨損和振動對加工后的微槽表面形貌影響嚴重，由于主軸轉向和工件進給方向，使得微槽下部表面質量優于微槽上部。

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　　[8]Chang C K, Lu H S. Design optimization of cutting parameters for side milling operations with multiple performance characteristics[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2007, 32(5): 18-26.

　　作者：顧曉偉 1，曹自洋 1,2,*，許順杰 1,2，趙航宇 1