基於FPGA考慮缺陷的單晶矽磨削過程微觀機理研究

《基於FPGA考慮缺陷的單晶矽磨削過程微觀機理研究》是依託大連理工大學,由郭曉光擔任醒目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於FPGA考慮缺陷的單晶矽磨削過程微觀機理研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：郭曉光

項目摘要

本項目根據積體電路製造對單晶矽片加工精度、表面質量和加工效率的苛刻要求，針對目前矽片加工表面/亞表面損傷和加工效率的突出矛盾問題，系統研究考慮缺陷的單晶矽超精密磨削機理。提出建立考慮缺陷的單晶矽超精密磨削過程分子動力學仿真模型的新方法，開發基於FPGA（可程式邏輯陣列）的分子動力學並行計算新平台和亞微米級矽晶體磨削過程仿真軟體，提出採用單顆金剛石磨粒超精密磨削試驗和金剛石壓頭微劃痕試驗驗證理論仿真結果的新方法。將理論仿真與超精密加工試驗相結合，研究單晶矽超精密磨削過程中磨削力場、溫度場、能量場耦合作用機理，揭示材料微觀去除機理、超光滑表面形成機理、亞表面損傷機理以及磨削參數對磨削過程的影響規律，獲得最佳化的單晶矽超精密磨削工藝參數，為實現具有自主智慧財產權的高效低損傷單晶矽片的超精密磨削奠定理論基礎。本項目的研究對於豐富超精密加工理論，提高我國超精密加工技術水平，具有重要理論意義和實用價值。

結題摘要

基於第一性原理、位錯晶格理論和矽結構特點，提出並驗證了包含空位缺陷和位錯缺陷的單晶矽納米級磨削過程的分子動力學仿真模型，系統研究考慮缺陷的單晶矽超精密磨削機理。研究表明：磨削過程中，工件原子晶陣在受到磨粒的推擠作用下發生原子鍵斷裂，同時受到磨粒前下方的壓力的擠壓導致晶格變形、晶格重構和非晶相變。由於磨粒不斷前移，處在磨粒下方的非晶層原子在壓力的作用下與已加工表層斷裂的原子鍵結合，重構形成已加工表面變質層。而處在磨粒前方的原子在磨粒的推擠作用下，被去除掉形成切屑，因此磨粒的推擠作用對材料的去除起到了決定性作用。目前的仿真結果表明：空位缺陷對單晶矽加工過程幾乎沒有影響，而位錯缺陷則使損傷層厚度增加。開發了基於 FPGA（可程式邏輯陣列）的分子動力學並行計算新平台和大規模分子動力學仿真軟體，基本達到預期的效果。 對單晶矽進行了壓劃痕實驗，研究了單晶矽的力學性能。研究結果表明，單晶矽（100）晶面存在各向異性，[100]方向為單晶矽理想加工方向，較低速度可以產生良好的去除效果，但速度與切深不呈線性關係。 納米壓痕實驗表明：單晶矽(100)晶面的彈性模量和納米硬度存在明顯的尺寸效應。彈性模量增加是由於載荷增加使硬脆材料內部塑性變形、變形能等增加所致；納米硬度減小是由於載荷-深度曲線斜率變化平緩和加工硬化減小所致。壓痕過程沒有產生明顯pop-in現象，說明材料只發生剪下滑移變形，並得出彈塑轉變臨界深度為140nm左右。實驗還發現，卸載過程中，最大載荷越大，黏附效應越明顯。套用單顆磨粒超精密磨削加工實驗和單晶矽片納米級劃痕實驗結果驗證了分子動力學仿真結果，結果表明：理論仿真結果與實驗結果在單晶矽磨削後溝槽深度、材料堆積高度、表面形貌等方面都比較接近，證明分子動力學仿真結果是有效可靠的。最後，進行了單晶矽片的超精密磨削工藝實驗，選擇砂輪轉速、矽片轉速、砂輪進給速度等主要因素進行了正交試驗，分別針對不同的單項磨削工藝指標最佳化了磨削工藝。