1纳米切削装置原理及工作过程
本文所研究的纳米切削装置是利用直线刃金刚石刀具按照设定的控制指令对试件进行纳米量级的切削，并通过SEM在线观测纳米切削过程，分析材料去除方式及表面质量。纳米切削装置在硬件方面主要涉及纳米级驱动定位和在线观测功能两大关键技术。传统切削实验在大气环境即可操作，而本课题实验环境为SEM空腔体，真空度为10-4Pa，且铁磁性材料会干扰SEM成像，因此该实验装置所有组件必须为无磁材料。1—基座；2—SEM极靴；3—刀柄及金刚石刀具；4—压电陶瓷纳米移动台；5—隔离板；6—切削样品；7—样品托；8—粗动台基座采用SEM设备固有工作台为整套装置提供支撑，保证刚度的同时又具有隔震功能。三维纳米移动台采用具有纳米级分辨率的压电陶瓷驱动器，闭环分辨力为0.6nm，行程为7μm，能够实现金刚石刀具在x-y方向的精确定位与切削运动。金刚石刀具采用聚焦离子束（focusedionbeam，FIB）将尖刀加工成直线刃，刃长10μm，前角0o、后角8o，刃口半径约为20～30nm。图2为基于FIB修锐的金刚石刀具SEM图像。FIB双束系统工作台具有X、Y、Z、R及T轴5个自由度，方便对刀时的大行程调整，快速将试件移动到距离金刚石刀具7μm以内的待加工区域，而且T轴旋转功能能够实现SEM对纳米切削过程不同角度的在线观测。该装置的工作过程如图3所示，主要包括以下6个步骤。(1)将金刚石刀具通过刀柄安装在纳米移动台上，被加工试件安装在粗动工作台上，调整粗动台使试件接近金刚石刀尖，通过SEM观察对刀过程，使二者之间距离d=2～3μm为最佳位置，如图3（a）所示。此时由于SEM放大倍数仅为2000倍，金刚石刀具呈锋利状。(2)通过纳米移动台控制器控制金刚石刀具缓慢向试件表面移动，当SEM观察到刀具与试件有相互接触时，停止切入并记录此时刀具位置。(3)将刀具移动到试件待加工起始点，再根据试件表面粗糙度值，控制刀具在切深方向进一步移动一定距离。(4)对试件表面预切削，以保证金刚石的直线刃与试件表面平行，便于精确控制实际切削深度。而且，预切削能够有效减小材料表面氧化层，更有利于材料纳米切削机理的研究。(5)保持切深方向不动，将预切削后的刀具回退到试件待加工起始点。控制刀具在切深方向进给一定切深（10nm、50nm、150nm等），并将SEM放大倍数增大到100000倍。(6)通过纳米移动台控制器控制金刚石刀具对试件进行纳米级切削，并利用SEM对整个切削过程进行在线观测。纳米移动台具有XYZ三自由度，并能够实现联动控制。纳米切削过程可以实现不同速度切削、斜。
2装置运动精度测试
笔者研究的纳米切削装置将压电陶瓷纳米移动台集成于SEM中，用于实现直线刃金刚石刀具对不同材料的纳米切削实验。压电陶瓷存在自身蠕变的特点，虽然在闭环控制系统能够抑制陶瓷蠕变，但是在切削厚度达到纳米量级时，这种蠕变会对切削结果造成很大的影响。因此，有必要对纳米切削装置的运动精度进行分析评价。首先使用金刚石刀具切削单晶铜样品，将其加工成深度不同的台阶状结构，再对两次切削所得的表面①和表面②进行高度差测量，如图4所示。通过白光干涉仪三维表征手段，测试装置运动精度和稳定性。图5为利用白光干涉仪对材料3组阶梯面之间高度差（输出切深）的测量结果。切削用时均为15～20s。通过对比得出输入切深分别为50nm、100nm和150nm时，输出切深分别为59.3nm、115.1nm和161.2nm，这是由于压电陶瓷移动台自身的蠕变反应造成的。切深为100nm时存在较大偏差是由于该切深下，切削速度较慢导致的。输入切深与输出切深相差分别为9.3nm、15.1nm和11.2nm。由于切削用时为15～20s，因此计算得出压电陶瓷蠕变造成漂移速率小于1nm/s，对纳米切削实验的影响较小，运动精度基本满足实验需求。通过后续的蠕变漂移分析及有效控制，有望实现稳定切削厚度的纳米切削。
3典型单晶材料纳米切削实验
3.1单晶铜纳米切削实验
利用研制的纳米切削装置对单晶铜和单晶硅材料进行了纳米切削实验。采用美国Moore公司的超精密车床Moore350将单晶铜样品加工成宽度为10μm的凸台结构，如图6所示。该结构能够避免非参与切削的铜材料与金刚石侧刀面相接触对切削结果造成的影响。图7为单晶铜的低速纳米切削过程中某一时刻的SEM图片，预设切削深度为50nm。切削过程中通过SEM在线观察，发现切削开始时材料以推挤的方式在前刀面呈现出丘陵状；随着切削距离的增加，切屑沿前刀面流出，呈卷曲状。当切削完成退刀时，有部分切屑残留在前刀面。通过SEM测量切屑厚度为73.2nm。
3.2单晶硅纳米切削实验
利用研制的纳米切削装置，利用金刚石刀具对单晶硅进行了斜切实验。切削过程中背吃刀量从0连续增加到1μm，实验结果如图8（a）所示。可以看到，图片下方由于背吃刀量较小，使此区域的切削厚度小于单晶硅脆塑转变临界厚度，表面没有脆性裂纹，此区域为塑性去除区。图片上方由于背吃刀量增大到超过脆塑转变临界厚度，材料表面产生了脆性裂纹，此区域为脆性去除区。图8（b）为切削厚度为2μm时的脆性切削结果。切削开始时，材料表面萌生裂纹；随着切削进行，裂纹逐渐扩大甚至产生脆性剥离，形成凹坑。凹坑的大小与切削厚度有关，切削厚度越大，脆裂凹坑的尺寸也越大。而且，从SEM在线观测结果看出切屑的二次电子成像明显亮于硅片基底，结合已有相关文献[15-16]，推测可能是由于材料发生了明显的相变所致。上述实验分析结果表明，利用该装置研究纳米切削机理，区别于利用AFM刻划及超精密极限切削实验对纳米切削机理的研究，有利于实现材料纳米切削的在线高分辨率观测和表征，结合电子束背散射衍射EBSD及能谱EDX等功能可以开展对纳米切削制造的亚表面损伤等制造完整性分析和评价。
4结论
针对目前纳米切削实验中无法有效在线高分辨率观测的难题，提出了一套旨在用扫描电子显微镜在线观测研究纳米切削机理的实验装置。（1）利用该装置研究了纳米切削机理，与已有的研究方法相比，能够更直观地分析研究纳米切削过程中材料去除机理、切屑形态以及材料表面质量等。（2）通过白光干涉仪测量方法，对比金刚石刀具的设定切深与实际切深，对纳米切削装置进行了运动精度的分析评价，得出纳米移动台的蠕变漂移率不超过1nm/s。（3）对单晶铜和单晶硅进行了纳米切削实验研究，切削过程清晰可见，分辨力高，有利于对纳米切削机理进行更直观的研究。
作者：刘冰 徐宗伟 兀伟 王志强 单位：天津大学机械工程学院 天津大学精密测试技术与仪器国家重点实验室