專利名稱：粒子束輔助單晶脆性材料超精密加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于利用表面改性進(jìn)行超精密切削加工的新技術(shù)，具體涉及粒子束輔助脆性材料 超精密加工方法。
背景技術(shù)：
超精密加工是為了適應(yīng)國(guó)防及國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的需求而發(fā)展起來(lái)的高精度加工技術(shù)。 超精密加工包括超精密車削、超精密磨削及研磨和拋光等。對(duì)于單晶脆性材料(如單晶硅) 的超精密加工中，由于材料的硬脆特點(diǎn)，被加工表面呈脆裂狀態(tài)，嚴(yán)重影響加工質(zhì)量和精度。
如何減小或消除脆性材料加工過(guò)程中的脆裂現(xiàn)象，提高超精密加工的加工精度和表面粗 糙度， 一直是超精密加工領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提出一種基于粒子束照射靶材表面改性輔 助加工的超精密加工技術(shù)，能顯著提高超精密加工脆性材料的加工精度和表面粗糙度，大幅 度降低刀具的磨損。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是包括下列步驟
a) 利用仿真軟件按照切深、表面粗糙度或其他加工要求對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行模擬；
b) 使用粒子束轟擊或照射待加工單晶脆性材料表面，施以模擬結(jié)果所得的能量和劑量；
c) 利用超精密切削技術(shù)對(duì)粒子束轟擊后的單晶材料進(jìn)行超精密切削加工；
d) 測(cè)試表征加工后的材料表面質(zhì)量，對(duì)比加工表面質(zhì)量改善情況。 其中模擬使用的軟件是SRIM具有仿真功能的軟件。
_粒子束為質(zhì)子束或He氦離子束。
所述的切削加工深度小于粒子束轟擊或照射的深度。 所述的單晶脆性材料是單晶硅或單晶鍺。 所述的超精密加工方法為超精密切削加工法。 本發(fā)明可以帶來(lái)以下效果
首先，本發(fā)明使用一定劑量粒子束轟擊(照射)時(shí)間待加工表面一定時(shí)間，在粒子束的 作用下，表面待加工層的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使材料表面的塑性性能提高，有效減少加工中脆裂 現(xiàn)象的發(fā)生，從而達(dá)到了提高超精密加工表面的加工精度和表面粗糙度、降低刀具磨損的目 的。這種方法靈活、方便，可以從加工機(jī)理上根本性減小超精密加工脆性材料時(shí)表面脆裂對(duì) 加工表面粗糙度的影響，提高表面質(zhì)量，并減小刀具磨損。
其次，這種方法靈活、方便?？梢愿鶕?jù)加工深度和加工材料，適當(dāng)選擇粒子束轟擊(照 射)的劑量和時(shí)間。


圖1質(zhì)子束(H+)對(duì)脆性材料轟擊(照射)(a)未進(jìn)行質(zhì)子束轟擊(照射)的脆性材 料(b)進(jìn)行質(zhì)子束轟擊(照射)后的脆性材料(c)刀具加工未進(jìn)行質(zhì)子束轟擊(照射)的 脆性材料，產(chǎn)生裂紋(d)刀具加工進(jìn)行質(zhì)子束轟擊(照射)后的脆性材料，未產(chǎn)生裂紋。
圖2質(zhì)子束轟擊(照射)的SRIM仿真，使用質(zhì)子轟擊硅基底，采用相同劑量的質(zhì)子。 從仿真結(jié)果可以看出，質(zhì)子束轟擊(照射)程度、深度等是可控的。(a)加速電壓200KeV (b)加速電壓50KeV。
具體實(shí)施例方式
加工單晶脆性材料(如單晶硅)。首先，依據(jù)理論研究及仿真分析對(duì)質(zhì)子轟擊不同加工參 數(shù)(質(zhì)子束的劑量、施加電壓值、轟擊(照射)時(shí)間)進(jìn)行研究，獲得最優(yōu)化參數(shù)。其次， 將樣品置于質(zhì)子發(fā)生器中，使用質(zhì)子束轟擊(照射)待加工表面，按照加工要求(切深等)， 施以一定的質(zhì)子劑量及轟擊(照射)時(shí)間。在質(zhì)子束的作用下，表面待加工層的單晶結(jié)構(gòu)發(fā) 生變化，產(chǎn)生由單晶向多晶甚至非晶形態(tài)的轉(zhuǎn)變，使材料表面的塑性性能提高，有效減少加 工中脆裂現(xiàn)象的發(fā)生，從而達(dá)到了提高超精密加工表面的加工精度和表面粗糙度的目的。
單晶脆性材料的單晶向多晶甚至非晶形態(tài)的轉(zhuǎn)變，降低了材料的脆性，也降低了刀具的 磨損。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
本發(fā)明使用質(zhì)子束轟擊(照射)工件表面輔助加工以獲得超光滑表面的超精密加工技
術(shù)，包括下列步驟
(1) 利用仿真軟件按照加工要求(切深等)對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行模擬；
(2) 使用質(zhì)子束轟擊(照射)待加工單晶脆性材料表面，施以模擬結(jié)果所得的劑量；
(3) 使用單晶金剛石刀具對(duì)質(zhì)子束轟擊(照射)后的單晶脆性材料進(jìn)行切削加工；
(4) 測(cè)試加工表面質(zhì)量等。
所述的使用質(zhì)子束轟擊(照射)工件表面輔助加工以獲得超光滑表面的超精密加工技 術(shù)，其中的步驟(1)中，使用的軟件是SRIM或其他具有類似仿真功能的軟件。
所述的使用質(zhì)子束轟擊(,照射)工件表面輔助加工以獲得超光滑表面的超精密加工技 術(shù)，其中的步驟(2)說(shuō)采用的是質(zhì)子束，其劑量和加工時(shí)間是可控的，并且這種技術(shù)不僅 局限于質(zhì)子，也可以使用其他粒子(例如He離子等)實(shí)現(xiàn)。
其中的步驟(3)中，所述的切削加工深度小于質(zhì)子束轟擊(照射)深度。
所述的待加工材料為單晶脆性材料，如單晶硅，單晶鍺等。
本實(shí)施例單晶脆性材料釆用單晶硅。
(1) 利用SRIM仿真軟件按照加工要求(切深等)對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果質(zhì) 子束的轟擊劑量lOVcm2、施加電壓值2MeV， SRIM見(jiàn)http:〃www.srim.org/。
(2) 使用質(zhì)子束轟擊(照射)待加工表面，施以模擬結(jié)果所得的劑量1016/(^2及施加電 壓值2MeV
(3) 使用單晶金剛石刀具對(duì)質(zhì)子束轟擊(照射)后的單晶硅Si材料進(jìn)行切削加工，切 削深度3um，進(jìn)給速度0. 5mm/min，切削速度50m/min。單晶硅也可為單晶鍺。(4)測(cè)得經(jīng)過(guò)超精密切削加工的單晶Si表面粗糙度Ra約為10nm。 以上實(shí)施步驟僅為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)思想及特點(diǎn)，使本技術(shù)能更容易理解并加以實(shí)施， 但本發(fā)明的范圍并不局限與上述的具體實(shí)施步驟，即凡依照本發(fā)明所揭示的精神所做的同等 變化或修飾，仍涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、一種粒子束輔助單晶脆性材料超精密加工方法，其特征是，包括下列步驟a)利用仿真軟件按照切深、表面粗糙度或其他加工要求對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行模擬；b)使用粒子束轟擊或照射待加工單晶脆性材料表面，施以模擬結(jié)果所得的能量和劑量；c)利用超精密切削技術(shù)對(duì)粒子束轟擊后的單晶材料進(jìn)行超精密切削加工；d)測(cè)試表征加工后的材料表面質(zhì)量，對(duì)比加工表面質(zhì)量改善情況。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種粒子束輔助脆性材料超精密加工方法，其特征是，其中模擬使 用的軟件是SRIM具有仿真功能的軟件。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種粒子束輔助脆性材料超精密加工方法，其特征是，粒子束為質(zhì) 子束或He氦離子束。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種粒子束輔助脆性材料超精密加工方法，其特征是，所述的切削 加工深度小于粒子束轟擊或照射的深度。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種粒子束輔助脆性材料超精密加工方法，其特征是，所述的單晶 脆性材料是單晶硅或單晶鍺。
全文摘要
本發(fā)明屬于利用表面改性進(jìn)行超精密切削加工的新技術(shù)，具體講涉及質(zhì)子束輔助脆性材料超精密加工方法。本發(fā)明一種基于質(zhì)子束照射靶材表面改性輔助加工的超精密加工技術(shù)，能顯著提高超精密加工脆性材料的加工精度和表面粗糙度，大幅度降低刀具的磨損。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是包括下列步驟a)利用仿真軟件按照切深、表面粗糙度或其他加工要求對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行模擬；b)使用粒子束轟擊或照射待加工單晶脆性材料表面，施以模擬結(jié)果所得的能量和劑量；c)利用超精密切削技術(shù)對(duì)粒子束轟擊后的單晶材料進(jìn)行超精密切削加工；d)測(cè)試表征加工后的材料表面質(zhì)量，對(duì)比加工表面質(zhì)量改善情況。本發(fā)明主要用于單晶脆性材料的加工。
文檔編號(hào)B28D5/00GK101559627SQ200910069010
公開(kāi)日2009年10月21日 申請(qǐng)日期2009年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月25日
發(fā)明者仇中軍, 代騰飛, 張效棟, 徐宗偉, 房豐洲, 胡小唐, 陳耘輝 申請(qǐng)人:天津大學(xué)