專利名稱：粒子束輔助單晶脆性材料超精密加工方法
技術領域：
本發明屬于利用表面改性進行超精密切削加工的新技術，具體涉及粒子束輔助脆性材料 超精密加工方法。
背景技術：
超精密加工是為了適應國防及國民經濟快速發展的需求而發展起來的高精度加工技術。 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，被加工表面呈脆裂狀態，嚴重影響加工質量和精度。
如何減小或消除脆性材料加工過程中的脆裂現象，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域的研究焦點。
發明內容
為克服現有技術的不足，本發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，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。本發明采用的技術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加工參數進行模擬；
b) 使用粒子束轟擊或照射待加工單晶脆性材料表面，施以模擬結果所得的能量和劑量；
c) 利用超精密切削技術對粒子束轟擊后的單晶材料進行超精密切削加工；
d) 測試表征加工后的材料表面質量，對比加工表面質量改善情況。 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。 本發明可以帶來以下效果
首先，本發明使用一定劑量粒子束轟擊(照射)時間待加工表面一定時間，在粒子束的 作用下，表面待加工層的結構發生變化，使材料表面的塑性性能提高，有效減少加工中脆裂 現象的發生，從而達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，可以從加工機理上根本性減小超精密加工脆性材料時表面脆裂對 加工表面粗糙度的影響，提高表面質量，并減小刀具磨損。
其次，這種方法靈活、方便。可以根據加工深度和加工材料，適當選擇粒子束轟擊(照 射)的劑量和時間。
圖1質子束(H+)對脆性材料轟擊(照射)(a)未進行質子束轟擊(照射)的脆性材 料(b)進行質子束轟擊(照射)后的脆性材料(c)刀具加工未進行質子束轟擊(照射)的 脆性材料，產生裂紋(d)刀具加工進行質子束轟擊(照射)后的脆性材料，未產生裂紋。
圖2質子束轟擊(照射)的SRIM仿真，使用質子轟擊硅基底，采用相同劑量的質子。 從仿真結果可以看出，質子束轟擊(照射)程度、深度等是可控的。(a)加速電壓200KeV (b)加速電壓50KeV。
具體實施例方式
加工單晶脆性材料(如單晶硅)。首先，依據理論研究及仿真分析對質子轟擊不同加工參 數(質子束的劑量、施加電壓值、轟擊(照射)時間)進行研究，獲得最優化參數。其次， 將樣品置于質子發生器中，使用質子束轟擊(照射)待加工表面，按照加工要求(切深等)， 施以一定的質子劑量及轟擊(照射)時間。在質子束的作用下，表面待加工層的單晶結構發 生變化，產生由單晶向多晶甚至非晶形態的轉變，使材料表面的塑性性能提高，有效減少加 工中脆裂現象的發生，從而達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的轉變，降低了材料的脆性，也降低了刀具的 磨損。
下面結合附圖和實施例進一步說明本發明。
本發明使用質子束轟擊(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，包括下列步驟
(1) 利用仿真軟件按照加工要求(切深等)對加工參數進行模擬；
(2) 使用質子束轟擊(照射)待加工單晶脆性材料表面，施以模擬結果所得的劑量；
(3) 使用單晶金剛石刀具對質子束轟擊(照射)后的單晶脆性材料進行切削加工；
(4) 測試加工表面質量等。
所述的使用質子束轟擊(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，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，其中的步驟(2)說采用的是質子束，其劑量和加工時間是可控的，并且這種技術不僅 局限于質子，也可以使用其他粒子(例如He離子等)實現。
其中的步驟(3)中，所述的切削加工深度小于質子束轟擊(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)對加工參數進行模擬，模擬結果質 子束的轟擊劑量lOVcm2、施加電壓值2MeV， SRIM見http:〃www.srim.org/。
(2) 使用質子束轟擊(照射)待加工表面，施以模擬結果所得的劑量1016/(^2及施加電 壓值2MeV
(3) 使用單晶金剛石刀具對質子束轟擊(照射)后的單晶硅Si材料進行切削加工，切 削深度3um，進給速度0. 5mm/min，切削速度50m/min。單晶硅也可為單晶鍺。(4)測得經過超精密切削加工的單晶Si表面粗糙度Ra約為10nm。 以上實施步驟僅為說明本發明的技術思想及特點，使本技術能更容易理解并加以實施， 但本發明的范圍并不局限與上述的具體實施步驟，即凡依照本發明所揭示的精神所做的同等 變化或修飾，仍涵蓋在本發明的保護范圍。
權利要求
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加工參數進行模擬；b)使用粒子束轟擊或照射待加工單晶脆性材料表面，施以模擬結果所得的能量和劑量；c)利用超精密切削技術對粒子束轟擊后的單晶材料進行超精密切削加工；d)測試表征加工后的材料表面質量，對比加工表面質量改善情況。
2、 根據權利要求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、 根據權利要求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 子束或He氦離子束。
4、 根據權利要求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、 根據權利要求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
本發明屬于利用表面改性進行超精密切削加工的新技術，具體講涉及質子束輔助脆性材料超精密加工方法。本發明一種基于質子束照射靶材表面改性輔助加工的超精密加工技術，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。本發明采用的技術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加工參數進行模擬；b)使用粒子束轟擊或照射待加工單晶脆性材料表面，施以模擬結果所得的能量和劑量；c)利用超精密切削技術對粒子束轟擊后的單晶材料進行超精密切削加工；d)測試表征加工后的材料表面質量，對比加工表面質量改善情況。本發明主要用于單晶脆性材料的加工。
文檔編號B28D5/00GK101559627SQ200910069010
公開日2009年10月21日 申請日期2009年5月25日 優先權日2009年5月25日
發明者仇中軍, 代騰飛, 張效棟, 徐宗偉, 房豐洲, 胡小唐, 陳耘輝 申請人:天津大學