[发明专利]粒子束辅助单晶脆性材料超精密加工方法

说明书

技术领域

本发明属于利用表面改性进行超精密切削加工的新技术，具体涉及粒子束辅助脆性材料 超精密加工方法。

背景技术

超精密加工是为了适应国防及国民经济快速发展的需求而发展起来的高精度加工技术。 超精密加工包括超精密车削、超精密磨削及研磨和抛光等。对于单晶脆性材料(如单晶硅) 的超精密加工中，由于材料的硬脆特点，被加工表面呈脆裂状态，严重影响加工质量和精度。

如何减小或消除脆性材料加工过程中的脆裂现象，提高超精密加工的加工精度和表面粗 糙度，一直是超精密加工领域的研究焦点。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于：提出一种基于粒子束照射靶材表面改性辅 助加工的超精密加工技术，能显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 度降低刀具的磨损。本发明采用的技术方案是：包括下列步骤：

a)利用仿真软件按照切深、表面粗糙度或其他加工要求对加工参数进行模拟；

b)使用粒子束轰击或照射待加工单晶脆性材料表面，施以模拟结果所得的能量和剂量；

c)利用超精密切削技术对粒子束轰击后的单晶材料进行超精密切削加工；

d)测试表征加工后的材料表面质量，对比加工表面质量改善情况。

其中模拟使用的软件是SRIM具有仿真功能的软件。

粒子束为质子束或He氦离子束。

所述的切削加工深度小于粒子束轰击或照射的深度。

所述的单晶脆性材料是单晶硅或单晶锗。

所述的超精密加工方法为超精密切削加工法。

本发明可以带来以下效果：

首先，本发明使用一定剂量粒子束轰击(照射)时间待加工表面一定时间，在粒子束的 作用下，表面待加工层的结构发生变化，使材料表面的塑性性能提高，有效减少加工中脆裂 现象的发生，从而达到了提高超精密加工表面的加工精度和表面粗糙度、降低刀具磨损的目 的。这种方法灵活、方便，可以从加工机理上根本性减小超精密加工脆性材料时表面脆裂对 加工表面粗糙度的影响，提高表面质量，并减小刀具磨损。

其次，这种方法灵活、方便。可以根据加工深度和加工材料，适当选择粒子束轰击(照 射)的剂量和时间。

附图说明

图1质子束(H⁺)对脆性材料轰击(照射)(a)未进行质子束轰击(照射)的脆性材 料(b)进行质子束轰击(照射)后的脆性材料(c)刀具加工未进行质子束轰击(照射)的 脆性材料，产生裂纹(d)刀具加工进行质子束轰击(照射)后的脆性材料，未产生裂纹。

图2质子束轰击(照射)的SRIM仿真，使用质子轰击硅基底，采用相同剂量的质子。 从仿真结果可以看出，质子束轰击(照射)程度、深度等是可控的。(a)加速电压200KeV (b)加速电压50KeV。

具体实施方式

加工单晶脆性材料(如单晶硅)。首先，依据理论研究及仿真分析对质子轰击不同加工参 数(质子束的剂量、施加电压值、轰击(照射)时间)进行研究，获得最优化参数。其次， 将样品置于质子发生器中，使用质子束轰击(照射)待加工表面，按照加工要求(切深等)， 施以一定的质子剂量及轰击(照射)时间。在质子束的作用下，表面待加工层的单晶结构发 生变化，产生由单晶向多晶甚至非晶形态的转变，使材料表面的塑性性能提高，有效减少加 工中脆裂现象的发生，从而达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。

单晶脆性材料的单晶向多晶甚至非晶形态的转变，降低了材料的脆性，也降低了刀具的 磨损。

下面结合附图和实施例进一步说明本发明。

本发明使用质子束轰击(照射)工件表面辅助加工以获得超光滑表面的超精密加工技 术，包括下列步骤：

(1)利用仿真软件按照加工要求(切深等)对加工参数进行模拟；

(2)使用质子束轰击(照射)待加工单晶脆性材料表面，施以模拟结果所得的剂量；

(3)使用单晶金刚石刀具对质子束轰击(照射)后的单晶脆性材料进行切削加工；

(4)测试加工表面质量等。

所述的使用质子束轰击(照射)工件表面辅助加工以获得超光滑表面的超精密加工技 术，其中的步骤(1)中，使用的软件是SRIM或其他具有类似仿真功能的软件。