单晶硅材料作为优异的衬底材料被大量应用于半导体产业中。单晶硅材料的超精密磨削技术是半导体芯片衬底平坦化加工和背面减薄加工的核心技术。由于单晶硅材料超精密磨削时使用了基于自旋转原理的单晶硅超精密磨削机床。其运动形式与普通平面磨床存在显著区别,而且单晶硅材料的力学特性也与不同于其它材料,再加上我国基于工件自旋转原理的单晶硅材料超精密磨削机床仍处于试制阶段,单晶硅材料的超精密磨削技术方面仍有大量问题未得到解决。单晶硅材料超精密磨削机理的研究对完善材料加工理论,提高我国高超精密磨削技术水平,促进电子信息产业的发展具有重要意义。本文通过数学建模、理论分析及实验验证,系统的研究了单晶硅材料的超精密磨削机理：首先,研究了基于自旋转原理的超精密磨削机床的运动学规律。本文利用数学矩阵的方法,建立了基于自旋转磨削原理的磨粒相对于单晶硅的运动轨迹模型,并首次建立了磨粒相对运动速度的数学模型。编制了单晶硅材料超精密磨削运动的二维及三维仿真程序,计算机仿真分析了超精密磨削运动规律,最后通过单晶硅材料的自旋转磨削实验,验证了数学模型及运动学规律的正确性。其次,根据超精密磨削运动原理,理论推导了单晶硅材料超精密磨削加工时磨削力的数学模型以及金刚石磨粒与单晶硅材料接触的应力模型,在此基础上分析了单晶硅材料的塑性变形及脆性断裂对单晶硅材料性质的影响规律,创新性地确定了单晶硅材料的塑性／脆性去除的力的理论阈值。研究认为单晶硅材料发生塑性变形的理论阈值为σP-N,而发生脆性断裂的理论阈值为σcr。同时单晶硅材料发生塑性变形后,晶格常数减小,单晶硅的晶相发生了改变,单晶硅材料的力学性质也发生了变化。而单晶硅材料发生脆性断裂时,微裂纹的产生降低了单晶硅材料的断裂强度。再次,通过在线刀具制造技术制造了微细金刚石砂轮,利用测力仪及Labview设计了磨削力的在线测量系统,并对单晶硅材料进行了微细金刚石砂轮和杯型金刚石砂轮磨削实验,重点研究了磨削力的变化规律以及磨削力与磨削后硅片表面质量的关系,验证了单晶硅材料塑性阂值及脆性阈值的理论。微细金刚石砂轮磨削实验研究表明：微细金刚石砂轮磨削时,单晶硅材料以塑性去除为主。在较小的磨削力作用下,单晶硅料发生了塑性流动,同时部分单晶硅材料以塑性切屑的形式从单晶硅材料表面去除。而在较大的磨削力作用下,单晶硅材料大部分仍以塑性去除为主。但在加工区域的边界位置,应力场过大,易出现破碎；微细磨削时,单晶硅材料塑性去除时的法向磨削力阈值ZP-N和脆性去除时的法向磨削力阈值FZCr分别为200mN和300mN。杯型金刚石砂轮磨削实验表明：磨削力随磨削时间的变化呈现出磨削开始阶段、稳定磨削阶段、光磨阶段以及磨削结束阶段等四个不同的阶段。使用600#金刚石磨削单晶硅片,当磨削力在.50N-70N范围内,单晶硅材料主要以塑性去除形式为主,硅片表面出现大量塑性切除留下的磨痕沟槽,但同时伴随有少部分材料发生脆性断裂；而当磨削力大于70N时,大部分单晶硅材料以脆性去除为主,单晶硅表面出现大量的脆性裂纹,伴随大量棱角分明的脆性切屑。使用2000#金刚石磨削单晶硅片,在较小的磨削力下(35N-60N),单晶硅材料以塑性去除的形式为主,硅片表面出现大量光滑而细小的磨痕,同时伴随出现塑性流动现象；而当磨削力较大时(超过80N),单晶硅材料的去除形式以塑性疲劳的形式为主,硅片表面的质量较差。实验条件下,使用600#及2000#金刚石砂轮磨削单晶硅材料时,磨削力阈值分别为120N与60N。最后,利用微纳米力学综合测量系统及硅片自旋转超精密磨床,开展了单颗磨粒划痕实验及自旋转磨削实验,实验研究了单晶硅材料的超精密磨削机理。研究认为：5gm半径的金刚石磨粒划痕实验时,塑性加工阈值和脆性加工阈值分别为10mN和120mN。2μm半径的金刚石磨粒划痕实验时,塑性加工阈值和脆性加工阈值分别为5mN和30mN。单晶硅材料塑性、脆性加工对象存在本质的区别,单晶硅材料塑性磨削时,磨削去除的单晶硅材料的主要以Si-Ⅲ和Si-Ⅰ为主。单晶硅材料脆性磨削时,磨削去除的单晶硅材料以未发生晶相转变的Si-Ⅰ为主。600#金刚石砂轮在较大的进给速度下磨削单晶硅材料时,单晶硅材料以脆性去除为主,以塑性去除为辅。2000#金刚石砂轮,在较小的进给速度下磨削单晶硅材料时,单晶硅材料以塑性去除为主,以脆性去除为辅。塑性流动现象主要发生于光磨阶段。本文对单晶硅材料的超精密磨削机理进行了大量的基础性研究,理论分析结论与实验研究结果是一致的。研究成果为单晶硅材料超精密磨削装备、磨削力控制系统的研制以及高效无损伤加工工艺的研发提供了理论依据。