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　　【摘要】利用纳米压痕仪和原子力显微镜，分别对单晶娃Si(100)、Si(110)、Si(111)三种晶面取 向的表面进行微纳米尺度下的切削性能进行了实验研究。实验结果表明：在定载荷下，刻划速度的大小 对单晶娃Si(100)、Si(110)晶面取向的切削力、摩擦系数的大小影响较小，但对单晶娃Si(111)晶体取向 影响较大；在较低载荷下，单晶硅各晶面取向表面划痕细小，深度较浅且不明显，切削力大小无明显变化 规律。随着载荷的逐渐增大，划痕宽度及深度也逐渐增大，切削力也相应增大，但并非呈线性增长。当 载荷增大到一定值后，单晶硅各表面发生严重的塑性变形，变形积累一定程度后，沟槽两侧及探针前端 形成明显的切屑堆积。
　　【关键词】微纳米尺度；单晶硅；切削特性；刻划实验1 前言
　　随着超精密加工技术的发展，微机械、微机电系 统得到了广泛的应用，尤其在航天航空、生物、医疗等 领域具有广阔的应用前景[1]。因此，对微构件零件的需求越来越多。然而由于微构件尺寸效应和表面效应 的影响，对微机械、微构件的设计、制造及使用性能提 出了很高的要求。对于微机械、微构件的加工制造，纳 米级切削加工是重要的方法之_，它是制造纳米级表 面精度和亚微米成型精度的一种机械加工方法2。 晶体硅、晶体锗等材料具有优越的物理和化学性质，在制造微机械、微纳米构件中得到广泛应用3。特 别是单晶硅材料，是非常优良的红外窗口材料，常用 作光学系统中的滤光片、红外窗口以及基底材料和衬 底材料，并且在微电子和光电子技术领域有着广泛的 应用4。目前针对单晶硅材料加工机理也有一定的研 究，Y. H. Chen，F. Z. Fang[5]等利用分子动力学研究 了单晶硅在纳米切削过程中切削力的变化，得出在同 样的切削厚度下，切削力随着刀具前角的增大而减小 以及当有切屑形成并在刀具前刃面堆积时，切削力逐 渐增加等结论；赵宏伟[]等人利用纳米压痕技术对单 晶硅（100)晶面进行了纳米压痕实验测试。实验发现， 在载荷为1000mN时，晶体硅表面出现了明显的裂纹 和脆性断裂；而在载荷低于80mN的情况下，晶体硅则 表现出延性特性。毕勇等人[]提出了_种基于复合工 作液的以电火花放电加工技术对半导体硅材料进行切 割的新方法，研制了标准太阳能级硅切割专用夹具；由 于硅腐蚀是硅微机械加工中的关键技术，储清梅等人[8] 对单晶硅Si(100)在碱性氟化物溶液中的腐蚀行为进行 了研究。然而，由于单晶硅原子沿不同晶向排列的周期 性和疏密程度不同，导致单晶硅的力学性能呈现各向异 性，不同的晶向切削行为和切屑的形成机制具有很大差 异，而且材料的性能又直接影响到材料变形行为。因 此，有必要研究单晶硅各向异性对纳米机械加工的影 响，对单晶硅不同晶体取向进行纳米刻划实验研究，为 微机械、微构件的纳米级加工提供理论依据。
　　本文利用纳米压痕仪和原子力显微镜，在不同载 荷和刻划速度下，对单晶硅（100)、（110)、（111)三种晶 向的表面进行微纳米尺度下的刻划实验，以研究单晶 硅各向异性表面在不同载荷和刻划速度下的切削特 性。通过研究单晶硅各晶向表面在不同条件下的切削 特性，为微机械、微构件的纳米加工制造优选切削晶体 取向提供理论依据和实验基础。
　　2微纳米尺度刻划实验理论基础
　　微纳米划痕测试过程中，载荷和划入深度是重要 的参数，而且残余划痕形貌（残余深度、宽度、凸起高 度）在研究接触压力和实际摩擦中也是重要的参数。 当对探针施加的法向载荷大于试件的硬度值时，试件 的表面会产生_定的塑性变形，法向载荷越大，塑性变 形越严重，此时探针会在试件表面产生沟槽状划痕，沟 槽的深度和宽度随法向载荷的增加而增大。
　　划痕过程的示意图如1所示，法向力凡通过探针 尖端作用在样品表面，探针沿着平行于表面的方向有一 定的运动速度V，通过记录的划痕深度^和切向力等参数，可以计算被测样品的划痕硬度和表面摩擦系 数；结合原子力显微镜、光学显微镜等设备对样品的划 痕表面进行观测分析，可以研究材料的微观变形机制。
　　在纳米刻划实验过程中，纳米压痕仪可以给出切 削力（侧向力）、法向载荷及摩擦系数等参数随刻划距 离、时间连续变化的数据。在不同法向载荷、刻划速度 下，作出切削作用力^立移曲线，研究单晶硅材料各向 异性表面的切削特性。其中摩擦系数可定义为：
　　_ Ft()
　　式中，n为摩擦系数；F为切向载荷；F?为法向载荷。
　　3纳米刻划实验过程
　　3. 1不同刻划速度的单晶硅各晶面取向刻划实验 纳米刻划实验设备采用美国Aglent公司生产的 Nano indenter G200 纳米压痕仪，其负载分辨率 10nN，位移分辨率小于0. 01卩m，压头采用曲率半径为 50nm的Berkovich金刚石探针，分别取单晶硅三个不 同晶向试件汾（100)、汾（110)、没（111)，探针的刻划速 度为50jum/s、100jum/s，刻划距离为70j^m，法向载荷 5mN。划痕结束后，采用Veeco公司生产的 Dimension3100原子力显微镜表征单晶硅各晶面的划 痕形貌。
　　3.2不同载荷的单晶硅各晶面取向刻划实验
　　在本实验中，所采用的仪器与上述实验一样。划 痕实验所采取的法向载荷为500卩N、5mN。刻划距离 为yOjum，刻划速度为10(^111/^。刻划实验结束后，单 晶硅表面的划痕形貌由原子力显微镜表征。
　　4纳米刻划实验结果与分析
　　4.1不同刻划速度下单晶硅表面切削特性分析
　　由图2(a)、（b)、（c)单晶硅表面划痕形貌图可以 看出，在载荷为5mN，刻划速度为100pm/s的条件下 划痕，发现Si(100)、Si(110)、Si(111)表面的划痕呈现 沟槽状，Si (100 )表面划痕沟槽一侧有明显的切屑堆积现象，而且Si (100)表面划痕沟槽相对较宽、较 深，Si (110)次之，Si (111)最小。可以得出单晶硅 Si(100)、Si(110)、Si(111)三个典型晶面的显微硬度为■H!。。〈 Wn。〈。
　　通过划痕仪上的传感器测得划痕过程中刻划位移 和切削作用力的数据，从而作出切削力与位移关系曲线。图 3(a)和（b)为 Si (100)、Si (110)、Si (111)在 5mN载荷下刻划速度为5(Vm/s、10(Vm/s时的切削 力^位移曲线图。0?10^m和60?70^m之间分别是 探针准备接触压入和脱离的阶段，10?60卩m是接触 刻划阶段，从图中可以看到，加载到5mN以后开始滑 动，切削作用力迅速增大并发生了波动，这可能与单晶 硅在切削过程中从晶态向非晶态的相位转变[10]有关， 当载荷增大到_定值后，单晶硅表面发生严重的塑性 变形，当塑性变形积累到一定的程度，形成切屑，发生 了材料的去除，并导致沟槽切屑堆积。