日志
硅、锗的超精密车削表面微观形貌
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应用AFM研究单晶硅、锗的超精密车削表面微观形貌
韩红玉 董申 赵奕
摘 要：单晶硅、锗的超精密车削表面存在明暗相间的分布特征。本文主要对该现象的产生原因进行了研究，认为车削过程中垂直解理面的切削分力的连续变化是产生这种分布特征的主要因素，用AFM对加工表面微观形貌的检测结果充分地证明了该观点的正确性。
关键词：超精密车削，单晶硅，单晶锗，AFM，表面形貌
关键词：超精密车削，单晶硅，单晶锗，AFM，表面形貌
Study on the Ultraprecision Turning Surface Microtopo-graphy
of Single Crystal Silicon and Germanium
of Single Crystal Silicon and Germanium
Han Hongyu
Abstract：The diamond turning surface of single crystal silicon and germanium appears distribution feature alternate with brightness and darkness. The reason of this phenomenon is studied. Continuous changes of cutting component force perpendicular to cleavage plane are found to be main causes of this phenomenon. The measurement result of machined surface microtopography by AFM is shown to be a good agreement with this viewpoint.
Keywords：Diamond turning，Single crystal silicon，Single crystal germanium，AFM，Surface microtopograghy▲
Keywords：Diamond turning，Single crystal silicon，Single crystal germanium，AFM，Surface microtopograghy▲
1 引言
单晶硅、锗是重要的半导体材料，在大规模集成电路中被用来制作基片。随着电子行业的飞速发展，对单晶硅、锗的加工方法及性能的研究显得更为迫切。
单晶硅、锗具有韧性低、脆性及硬度较高的特性，在常温下加工，往往在塑性变形前即产生裂纹，很难获得高质量的加工表面。通常采用研磨与抛光的方法进行加工，生产率和加工型面精度均较低，无法满足设计要求。随着超精密加工机床的制造技术与金刚石刀具刃磨技术的日趋完善，利用超精密车削加工单晶硅、锗等脆性材料的技术也逐步发展起来。在金刚石车削过程中由于单晶材料的各向异性，表面将出现扇形区，导致表面质量的不一致，尤其在进给量大、切削深度大的粗车加工时，扇形区更为明显，当进给量、切削深度逐渐减小时，扇形区变得模糊，用肉眼很难分辨出来。
本文应用AFM对超精密车削单晶硅、锗的表面进行多点检测，得到在单晶硅、锗表面粗糙度小于30nm时，表面粗糙度、微裂纹等随切削方向与解理面夹角的变化而变化的特征，为进一步研究脆塑性转变的临界条件以及脆性材料的超精密车削机理提供了实验基础。
单晶硅、锗具有韧性低、脆性及硬度较高的特性，在常温下加工，往往在塑性变形前即产生裂纹，很难获得高质量的加工表面。通常采用研磨与抛光的方法进行加工，生产率和加工型面精度均较低，无法满足设计要求。随着超精密加工机床的制造技术与金刚石刀具刃磨技术的日趋完善，利用超精密车削加工单晶硅、锗等脆性材料的技术也逐步发展起来。在金刚石车削过程中由于单晶材料的各向异性，表面将出现扇形区，导致表面质量的不一致，尤其在进给量大、切削深度大的粗车加工时，扇形区更为明显，当进给量、切削深度逐渐减小时，扇形区变得模糊，用肉眼很难分辨出来。
本文应用AFM对超精密车削单晶硅、锗的表面进行多点检测，得到在单晶硅、锗表面粗糙度小于30nm时，表面粗糙度、微裂纹等随切削方向与解理面夹角的变化而变化的特征，为进一步研究脆塑性转变的临界条件以及脆性材料的超精密车削机理提供了实验基础。
2 单晶硅、锗的晶体结构与性质
单晶硅、锗是典型的脆性材料，具有各向异性和解理现象，在各个晶面上所表现的物理机械性能差别很大。因此，了解单晶硅、锗的晶体结构及特性是很必要的。
单晶硅、锗的晶体结构与金刚石相同，其最小单元是由五个原子构成的一个正四面体（见图1）。正四面体的每个角顶原子，又为相邻四个四面体所共有，这样由许多个结构最小单元构成单位晶胞（见图2），单位晶胞共有18个原子，正方形晶胞的8个顶角和6个面的中心均有原子，晶胞内部还有四个原子。单位晶胞有秩序地排列成为晶体。
单晶硅、锗的晶体结构与金刚石相同，其最小单元是由五个原子构成的一个正四面体（见图1）。正四面体的每个角顶原子，又为相邻四个四面体所共有，这样由许多个结构最小单元构成单位晶胞（见图2），单位晶胞共有18个原子，正方形晶胞的8个顶角和6个面的中心均有原子，晶胞内部还有四个原子。单位晶胞有秩序地排列成为晶体。
图1 硅结构的最小单元示意 图2 硅的单位晶胞 Si、Ge原子之间的相互结合力是共价键类型的，每个原子可以提供四个未配对电子和四个sp3杂化轨道形成四个共价键，根据量子力学理论，这四个等性杂化轨道的角度分布最大值分别指向正四面体顶点，因此这种共价键具有严格的方向性，这就使单晶硅、锗具有晶体各向异性的特点。 解理现象是单晶硅、锗的一个重要特性。解理现象是晶体特有的，所谓解理是指晶体受到定向的机械力作用时，可以沿平行于某个平面平整地劈开。要加工使用单晶硅、锗，必须熟悉了解其解理现象。 单晶硅、锗在空间有四个不同方向的解理面，如图3所示。在解理面上原子密度最大，原子之间结合力最强，但其面间距也最大，面间原子结合力最弱。因此晶体变形和破坏最易发生在解理面上。单晶硅、锗的解理面和滑移面均为｛111｝晶面。 |
图3 单晶硅、锗的解理面 3 切削方向与解理面的夹角 当连续切削时，切削方向相对晶体的结晶方向是连续变化的，因此，切削方向与解理面的夹角也是连续变化的。车削单晶硅、锗三个典型晶面｛100｝，｛110｝，｛111｝时，切削方向相对于单位晶胞的位置关系如图4所示。 |
图4 切削方向与单位晶胞的相对位置 设切削方向的方向余弦为（lmn），假设初始晶向分别为〈010〉〈 10〉〈 10〉，切削方向与初始晶向的夹角为θ，逆时针为正，则车削{100}{110}{111}晶面时，切削方向的方向余弦（lmn）分别为： 上式中θ＝0°～360°。解理面的方向矢量为（AiBiCi），设切削方向与解理面夹角为φi，则切削方向与解理面的方向矢量的夹角为90°－φi，则 将切削方向的方向余弦（lmn）代入公式中，即可得到切削方向与解理面的夹角φi，如图5所示，φi实际上也代表了主切削力在垂直于解理面方向上的切削分力的大小。图中曲线的峰值所对应的切削方向是车削过程中最容易产生断裂破坏的方向。 |
(a)车削｛100｝ |
(b)车削｛110｝ |
(c)车削｛111｝ 图5 切削方向与解理面的夹角 4 实验验证 金刚石车削单晶硅、锗的实验在HCM-1亚微米超精密车床上进行，该车床是由哈尔滨工业大学超精密加工研究所自行研制的。刀具为金刚石车刀，α0＝5°，γ0＝-25°，R=1.5mm。工件为{100}晶面单晶硅和{111}晶面单晶锗。车削工件端面，车削参数为n=1440r/min，f=2.5μm/r，d=3μm。 加工后，首先对单晶锗{111}晶面和单晶硅{100}晶面的端面圆进行粗略分度，分4点测量，方法如图6所示。表面微观形貌用美国Di公司的Dimension 3100型SPM进行检测，采用氮化硅SPM探针接触模式的AFM侧向力扫描，扫描范围分别是10μm×10μm（单晶锗）和20μm×20μm（单晶硅）。 |
(a) 单晶锗｛111｝晶面的测量位置 |
(b) 单晶硅｛100｝晶面的测量位置 图6 晶面测量位置 由单晶锗微观形貌图象中可清晰地看到从0°～60°表面微裂纹的变化，在0°附近单晶锗的切削变形为塑性变形，而在60°附近表面则布满微裂纹，存在明显的脆性断裂。所测表面粗糙度值也呈规律性变化，即从0°～60°表面粗糙度的值越来越大。图7所示为详细的检测结果图片。 |
(a) 0° |
(b) 20° |
(c) 40° |
(d) 60° 图7 单晶锗｛111｝晶面的AFM检测表面微观形貌图 图8所示为单晶硅{100}晶面的测试结果，由图可看出在0°附近区域的表面质量最好，微裂纹很少，一般为塑性变形，而在45°附近区域，表面质量很差，微裂纹多，表面粗糙度值比其它位置大，符合上节所述的规律。表1所列为单晶锗、硅不同位置所对应的表面粗糙度值。 |
(a) 0° |
(b) 15° |
(c) 30° |
(d) 45° 图8 单晶硅{100}晶面AFM检测微观形貌图 表1 单晶锗｛111｝晶面和单晶硅｛100｝晶面表面粗糙度检测结果 |
锗｛111｝晶面检测位置 | Ra（nm） | 硅｛100｝晶面检测位置 | Ra（nm） |
0° | 6.623 | 0° | 18.295 |
20° | 7.385 | 15° | 19.973 |
40° | 9.248 | 30° | 21.156 |
60° | 13.296 | 45° | 26.576 |
5 结论 AFM检测单晶硅、锗的超精密车削加工表面的微观形貌为开展脆性材料超精密车削机理的研究提供了强有力的工具。通过对单晶硅、锗加工表面的测量，可以得到如下结论：单晶硅、锗的超精密切削过程是切削力在各解理面（滑移面）上的分力对材料产生解理破坏和剪切滑移交替作用的过程。切削方向与解理面的夹角越大，垂直于解理面的切削分力越大，越易形成解理破坏，致使表面粗糙度增大，微裂纹多；反之，则材料趋向剪切滑移，表面粗糙度减小，表面质量相对好得多。当降低进给量和切削深度时，表面扇形区域很难分辨出来，但检测结果仍与上述规律一致。 编辑：石 明■ 基金项目：国家自然科学基金资助项目 作者单位：韩红玉(哈尔滨工业大学精密工程研究所 150001) 董申(哈尔滨工业大学精密工程研究所 150001) 赵奕(哈尔滨工业大学精密工程研究所 150001) 参考文献： ［1］T Nakasuji，S Hara et al. Diamond turning of brittle materials for optical components. Annals of the CIRP,1990,39(1):89～92 ［2］Blackey W S，Scattergood R O. Ductile-regime grinding a new technology for machining brittle materials. ASME Joural of engineering for industry,1991,133:184～189 ［3］史国权,于骏一等.金刚石车削单晶硅和锗.长春光学精密机械学院学报,1996,19(1) ［4］周明.超精密切削影响切削变形和加工表面质量若干因素的研究.博士学位论文,1993 |
