[发明专利]一种单颗金刚石磨粒超声振动刻划硅片的实验装置及方法

说明书

一种单颗金刚石磨粒超声振动刻划硅片的实验装置及方法。装置包括测力仪、斜面平台、金刚石尖状刀具、条状刀盘、键、第二螺钉、第一螺钉、第三螺钉、刀柄、动平衡刀具、超声振子夹具、超声振子、弧形压板、直线滑轨、滑块和连接板；本发明可灵活地调整刻划条纹的间距和深度，一次实验可以完整地得到深度阶梯变化的划痕，从而快速、准确地获取各种刻划深度分级的数据。在同样刻划条件下实现深度分级，避免了实验过程中的不稳定因素，节省了实验次数。

技术领域

本发明属于材料性能测试加工技术领域，特别是涉及一种单颗金刚石磨粒超声振动刻划硅片的实验装置及方法。

背景技术

硅片是制造半导体芯片的基本材料，在半导体领域具有重要的应用。硅片的机械加工以磨削和研磨为主。在硅片磨削加工过程中，砂轮的实际磨削过程可以看作是砂轮表面大量排列的参差不齐、分布不规则和形状各异的单颗磨粒共同作用的切削过程。在实验材料的磨削加工机理研究中,通常把复杂的磨粒综合作用过程抽象成一种简化的单颗粒刻划过程来探究本质的磨粒切削问题。因此单一磨粒的切削作用是磨削加工的基础,单颗磨粒的刻划、耕犁、切削作为磨削加工的基本模式,已成为认识复杂磨削过程的重要手段。

现有的单颗磨粒的划擦、耕犁、切削行为的测试手段主要有四种形式：直线刻划、楔面刻划、球盘刻划和单摆刻划。对已有的大量文献和公开专利分析发现,四种测试方法存在相应的不足。直线刻划和楔面刻划测试的刻划速度远低于磨削的砂轮线速度,因此很难模拟磨粒真实加工过程。球盘刻划测试实际上是一种典型的摩擦学测试方法,材料去除方式与磨粒加工有很大不同。单摆刻划测试被认为是最接近磨粒去除材料过程的一种测试手段,但是测试稳定性差,微米以下的划痕较短，且划痕变化剧烈，划痕深度大多在几十甚至几百微米,而这与实际的单颗磨粒作用深度极为不同。总之,上述方法均无法保持磨粒与工件间始终处于高精度的稳定接触状态,因此难以实现稳定刻划。上述问题极大地制约了单颗磨粒刻划试验技术的进步。

另外,针对硅片材料磨削加工时的材料损伤演化，脆性—延性转变和磨粒临界磨削深度研究,单颗磨粒刻划沟槽深度在几十微米以上的部分几乎没有实际意义,只有在微米和微米以下的部分才是所要重点观察、测量和分析的对象。为了对硅片的磨削性能进行全面的分析,要求单颗磨粒磨削所生成的沟槽深度在微米和微米以下的部分足够长,且变化平稳，否则很难观察到实验材料磨削加工时材料脆性—延性转变过程中局部细节特征。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种单颗金刚石磨粒超声振动刻划硅片的实验装置及方法。

为了达到上述目的，本发明提供的单颗金刚石磨粒超声振动刻划硅片的实验装置包括测力仪、斜面平台、金刚石尖状刀具、条状刀盘、键、第二螺钉、第一螺钉、第三螺钉、刀柄、动平衡刀具、超声振子夹具、超声振子、弧形压板、直线滑轨、滑块和连接板；其中，所述的测力仪连接声发射系统；超声振子夹具包括底板和两个支撑座，底板利用第一螺钉固定在测力仪的顶面上，两个支撑座的下端间隔安装在底板的顶面一侧；直线滑轨沿左右方向安装在底板的顶面另一侧；滑块以滑动的方式安装在直线滑轨上；斜面平台的边缘利用螺钉固定在连接板的顶面上，连接板的底面固定在滑块上，因此连接板连同斜面平台和滑块一起能够沿直线滑轨左右移动，斜面平台的顶面用于放置试样且顶面上靠近支撑座的一端低于另一端的高度；条状刀盘的底面一端从外向内依次凹陷形成有第一至第三螺孔，另一端凹陷形成有多个相对应的刀具安装孔，中部沿垂直方向形成有一个贯通孔，贯通孔的上端口处安装一个卡环；金刚石尖状刀具的上端螺纹连接在条状刀盘上第一至第三螺孔中的任一螺孔内，并且实验时下端的刀尖接触在试样的表面；动平衡刀具的上端固定在条状刀盘上一个与金刚石尖状刀具安装位置相对应的刀具安装孔内，并且金刚石尖状刀具下端的刀尖伸出长度大于动平衡刀具下端的刀尖伸出长度；刀柄的下端插入在卡环内并利用从下向上贯穿贯通孔的第三螺钉固定住，两侧下部分别利用键和第二螺钉固定在卡环的两侧部位，上端固定在数控机床的主轴端面上；超声振子的中部利用弧形压板固定在斜面平台的支撑座上，并且一端螺纹连接在斜面平台的侧面上。