论文部分内容阅读
随着集成电路集成度的不断提高,单晶硅太阳能电池转换效率的升高以及微纳机电系统的微型化、智能化、多功能化,单晶硅广泛应用于各个领域并且对其表面质量要求也越来越高。传统加工工艺存在加工效率低、控制难度大,研磨工序对工件表面划伤较严重等缺点,而对单晶硅等硬脆材料具有良好磨削表现的高速磨削正逐步成为硅片的主流加工技术。但是磨削加工过程不可避免给硅片造成加工损伤,这会影响后续抛光工序的时间和效率。目前,对硅片高速磨削亚表层损伤机制的研究还不够完善,深入研究硅片高速磨削亚表层损伤机制对最终实现硅片高光洁度、高平整度、低损伤的高效加工有着重要的指导意义。从理论上讲,分子动力学仿真是研究高速磨削加工过程的一种有效、可靠的方法,通过该方法能够从系统微观细节探索宏观特性。本文通过对国内外分子动力学切削、磨削仿真进行分析,了解到高速磨削下单晶硅的延性域加工特性,从而对高速磨削下单晶硅材料去除和亚表层损伤机制进行了系统的仿真和实验研究。主要研究内容和结论如下:(1)建立了单颗磨粒高速磨削单晶硅的分子动力学模型,将单晶硅模型分为牛顿层、恒温层和固定边界层。简要介绍了原子运动方程、系综的选择和能量最小化的计算,并选取了适合的仿真参数以提高计算效率。(2)运用分子动力学理论,依据建立的单晶硅高速磨削三维分子动力学仿真模型,研究高速磨削中系统的配位数和等效应力,从磨削力、摩擦系数、势能以及平均温度的角度分析了切屑的形成过程、磨削表面形成机理。高速磨削加工过程中,磨粒对单晶硅产生挤压、剪切作用,释放的能量作为晶格应变能储存在晶格中。当应变能超过一定值时,硅原子键断裂,磨粒前端硅原子产生堆积形成了切屑,即完成了材料的去除过程。(3)基于分子动力学方法建立的单晶硅高速磨削仿真模型,对单晶硅高速磨削过程亚表层损伤厚度的变化进行定量分析。首先分析了材料的晶体缺陷及晶体结构识别方法的优缺点,讨论了采用共近邻分析方法检测单晶硅亚表面损伤的优越性。单晶硅亚表层损伤的深度随磨削速度的升高首先减小然后再增大。磨削速度小于150 m/s时,增加磨削速度,原子晶格重排的时间会减短,产生的非晶结构例如位错减少,亚表面的损伤深度减小。磨削速度大于150 m/s时,加工区的高温是促使位错形核和运动的主导因素,亚表面的损伤深度由此增加。综上所述,磨削温度与变形时间之间的竞争机制对单晶硅亚表层的损伤深度有影响,磨削速度则决定了磨削温度和变形时间的竞争关系。(4)基于搭建的实验平台进行了不同速度下单颗金刚石磨粒划擦单晶硅片实验。最后将分子动力学仿真结果与实验结果结合起来,从划痕两侧材料堆积高度、表面形貌进行了对比分析。结果表明随着划擦速度的升高,划痕两侧材料堆积高度逐渐减小。一定范围内磨削速度升高和磨削厚度的减小,单晶硅脆性材料以塑性变形的形式产生切屑为主,脆性断裂的形式减少,从而提高了表面质量。(5)分子动力学仿真结果与实验结果存在一定的差异,例如仿真过程中没有微裂纹和脆性剥落。主要原因是仿真与实验尺度有差距,但不存在理论与原理上的错误。在划痕表面形貌、材料堆积方面模拟结果与实验结果都比较相近,从而验证了本文建立的分子动力学模型以及模拟结果是有效、可靠的,适合于高速磨削加工机理的研究。