单晶硅微铣削表面粗糙度实验研究

许顺杰，曹自洋，王浩杰

（1.苏州科技大学 机械工程学院，江苏 苏州215009；2.苏州市高效与精密加工技术重点实验室，江苏 苏州215009）

单晶硅是一种硬而脆的材料[1]，由于其独特的物理化学性能，被广泛应用于微电子领域[2]。某些应用通常把单晶硅制造成几十甚至几百微米的复杂结构[3]，并且要求很高的制造精度和表面质量，典型的光刻技术、化学蚀刻等加工仅能加工平面2维或2.5维结构[4-5]，相比之下，微铣削能够制造出3维微结构，同时具有高精度、高表面光洁度，且机械装夹简单[6]，相比于光刻机设备成本低廉。

常温下，单晶硅属于脆性材料，去除材料以崩碎为主，只有在合适的切削参数条件下才能够实现延性切削[7-9]，从而降低表面粗糙度。Choong Z J,Huo D等学者通过力、表面形貌和边缘质量来表征微铣削单晶硅的加工质量[4]；Dehong H等学者采用方差分析的方式，进一步解析了切削速度Vc、进给量f和轴向切削深度ap等切削参数的变化,确定了这些因素对铣削单晶硅表面粗糙度的影响[10]；周云光利用微磨削技术手段，通过单晶硅表面粗糙度的数值分析，优化了磨削工艺参数[11]；Liu B等学者研究了单晶硅在脆性、延性模式下的材料去除过程，得出延性模式下切削有更少的裂纹和破损[12-14]。虽然国内外学者对单晶硅表面质量进行了很多方面的研究，但是针对其影响机制依旧需要进一步深入探讨。

本文从正交试验出发，研究切削三要素（每齿进给量、主轴转速和轴向切削深度）对单晶硅微铣削表面粗糙度的影响规律，观察其表面形貌，结合未变形切削厚度来研究延性切削，进而研究对表面粗糙度的影响。

1 单晶硅微铣削实验

1.1 实验材料及设备

实验材料为单晶硅，选取（100）单晶硅片并沿[100]晶向进行全槽铣削，本实验将直径4英寸硅片切割成长约100 cm、宽约25 cm，利用AB胶稳固地黏贴在黄铜条上，在贴合单晶硅前，需修整黄铜表面，使黄铜表面光洁无划痕，确保贴合的精度（见图1（a））。使用便携式数码显微镜（见图1（b））来进行对刀。本实验设备采用美国哈斯三轴联动数控加工中心（见图1（c）），三轴的工作行程为305 mm×254 mm×305 mm，采用全闭环控制，主轴的最高转速为30 000 r/min。微铣刀采用台湾HC公司的直径为0.5 mm的金刚石涂层2刃平头立铣刀（见图1（d）），加工中心及微铣刀的详细技术指标如表1所列。采用VHX-5000超景深三维显微镜（见图1（e））观测其表面形貌，通过Contour GT-K0白光干涉仪（见图1（f））对加工后的单晶硅微槽底面进行粗糙度数值的测量。

图1 微铣削实验材料及设备

表1 微铣削加工系统技术指标

1.2 实验方案

单晶硅微铣削加工采用水基切削液进行冷却。选择每齿进给量fz、主轴转速n、轴向切削深度ap三个主要因素，采用标准的三因素四水平正交表L16（43）来设计单晶硅微铣削实验，见表2。铣削微槽尺寸为A=5 mm，B=3 mm，C=0.5 mm，如图2所示。机床加工示意图，如图3所示。

表2 因素水平表

图2 微槽尺寸示意图

图3 加工示意图

2.1 切削三要素分析

铣削加工后，采用Contour GT-K0白光干涉仪进行粗糙度测量，选择微槽底部的前中后三部分测量，并取其平均值为微槽底面粗糙度数值，数据详见表3。通过极差和方差分析，来研究切削因素要素对表面粗糙度的影响程度，详见表4。

表3 正交实验表

表4 表面粗糙度分析结果

由表4绘制极差图和方差图，如图4所示，根据柱形图可以看出极差和方差的大小依次是:每齿进给量、主轴转速、轴向切深，即R1＞R2＞R3，V1＞V2＞V3。由此可知，切削参数每齿进给量fz、主轴转速n、轴向切削深度ap对单晶硅微铣削表面粗糙度的影响程度关系是：每齿进给量fz＞主轴转速n＞轴向切削深度ap。

图4 极差图和方差图

为了更好的探讨每齿进给量fz、主轴转速n、轴向切削深度ap的影响状况，分别对三个要素进行分析。

图5 fz、n、ap对Ra的影响

由图5（a）可知，表面粗糙度Ra随着每齿进给量fz的增加而增加，每齿进给量的增加使得单位时间内去除单晶硅余量增大，增大了微铣削的切削力，加快了单晶硅表面的裂纹破损和微铣刀的磨损，使得其表面粗糙度上升，表面质量降低。由图6不同每齿进给量加工后的图片可以看出，当每齿进给量增加时，铣刀刀齿纹路间距增大，单晶硅表面破损加剧，导致单晶硅表面粗糙度Ra值变大。

从图5（b）中可以看出，随着主轴转速n的增加，表面粗糙度先上升后降低，这是因为随着主轴转速n的提高，切削刃和工件接触区的温度也会随之增高，切削液不能很好的带走热量，导致了切削刃及刀尖前刀面上易发生粘结现象，生成积屑瘤[3-4]，当转速达到一定后，切削进入稳定去除阶段，表面粗糙度得到降低。另外随着主轴转速的提高和切削速度的提高，切削力会降低[15]，也使得其表面粗糙度下降。

图6 不同每齿进给量加工表面

从图5（c）中可以看出，折线趋势呈缓慢上升，即轴向切深ap增加，表面粗糙度数值上升变化不大，极差图、方差图也印证了轴向切深ap对单晶硅表面粗糙度的影响不显著。

2.2 表面形貌分析

当切削单晶硅这类脆性工件时，表面易产生破损和凹坑，最大未变形切削厚度是评价微铣削加工的一个重要指标[16]，能够通过计算最大未变形切削厚度来初步判断单晶硅的加工状态[7-8，17]。

微铣削加工时，由于f很小，R很大，本实验中f最大是0.4μm/z，而R是13.8μm,如图7所示，符合图7（b），按照公式（2）可以计算出最大未变形切削厚度，见表5。根据脆塑转变临界的切削厚度公式[18]可以得出单晶硅的临界切削厚度约为110 nm，从表5中可以看出序号1至4共四组最大未变形切削厚度小于单晶硅的临界切削厚度，在这四组的切削参数条件下是可以实现塑性切削。从图8中也可以看出序号1实现了塑性切削，表面很光滑，没有破损、凹坑，序号2至4由于主轴转速的提高，刀具振动加剧[17]，并没有形成如序号1一样的光滑表面，存在凹坑和破损，但局部可实现塑性切削，这对降低表面粗糙度起到至关重要的作用。根据表5绘制最大未变形切削厚度对Ra的影响图，如图9所示，根据拟合数据点的趋势线，随着最大未变形切削厚度的增加，粗糙度总体呈现上升趋势。

图7 最大未变形切削厚度示意图

表5 最大未变形切削厚度计算结果

图8 单晶硅加工后形貌图

图9 最大未变形切削厚度对Ra的影响

3 结束语

本研究从正交实验出发，明确了每齿进给量、主轴转速和轴向切深对表面粗糙度的影响规律，分析了最大未变形切削厚度和刀痕对表面粗糙度的影响，得到以下结论：

（1）通过正交实验分析，得出单晶硅微铣削表面粗糙度影响最显著要素是每齿进给量，其次是主轴转速、轴向切削深度。在实验参数fz=0.05～0.4μm/z，n=10 000～30 000 r/min，ap=5～15μm，获得的最优工艺参数为fz=0.05μm/z，n=10 000 r/min，ap=5μm,此时Ra=0.138μm。

（2）表面粗糙度数值随着最大未变形切削厚度的增大而增大。最大未变形切削厚度小于单晶硅脆塑性转变临界厚度时，可实现延性切削。