基于FPGA考虑缺陷的单晶硅磨削过程微观机理研究

本项目根据集成电路制造对单晶硅片加工精度、表面质量和加工效率的苛刻要求，针对目前硅片加工表面/亚表面损伤和加工效率的突出矛盾问题，系统研究考虑缺陷的单晶硅超精密磨削机理。提出建立考虑缺陷的单晶硅超精密磨削过程分子动力学仿真模型的新方法，开发基于FPGA（可编程逻辑阵列）的分子动力学并行计算新平台和亚微米级硅晶体磨削过程仿真软件，提出采用单颗金刚石磨粒超精密磨削试验和金刚石压头微划痕试验验证理论仿真结果的新方法。将理论仿真与超精密加工试验相结合，研究单晶硅超精密磨削过程中磨削力场、温度场、能量场耦合作用机理，揭示材料微观去除机理、超光滑表面形成机理、亚表面损伤机理以及磨削参数对磨削过程的影响规律，获得优化的单晶硅超精密磨削工艺参数，为实现具有自主知识产权的高效低损伤单晶硅片的超精密磨削奠定理论基础。本项目的研究对于丰富超精密加工理论，提高我国超精密加工技术水平，具有重要理论意义和实用价值。

基于第一性原理、位错晶格理论和硅结构特点，提出并验证了包含空位缺陷和位错缺陷的单晶硅纳米级磨削过程的分子动力学仿真模型，系统研究考虑缺陷的单晶硅超精密磨削机理。研究表明：磨削过程中，工件原子晶阵在受到磨粒的推挤作用下发生原子键断裂，同时受到磨粒前下方的压力的挤压导致晶格变形、晶格重构和非晶相变。由于磨粒不断前移，处在磨粒下方的非晶层原子在压力的作用下与已加工表层断裂的原子键结合，重构形成已加工表面变质层。而处在磨粒前方的原子在磨粒的推挤作用下，被去除掉形成切屑，因此磨粒的推挤作用对材料的去除起到了决定性作用。目前的仿真结果表明：空位缺陷对单晶硅加工过程几乎没有影响，而位错缺陷则使损伤层厚度增加。开发了基于 FPGA（可编程逻辑阵列）的分子动力学并行计算新平台和大规模分子动力学仿真软件，基本达到预期的效果。.对单晶硅进行了压划痕实验，研究了单晶硅的力学性能。研究结果表明，单晶硅（100）晶面存在各向异性，[100]方向为单晶硅理想加工方向，较低速度可以产生良好的去除效果，但速度与切深不呈线性关系。 纳米压痕实验表明：单晶硅(100)晶面的弹性模量和纳米硬度存在明显的尺寸效应。弹性模量增加是由于载荷增加使硬脆材料内部塑性变形、变形能等增加所致；纳米硬度减小是由于载荷-深度曲线斜率变化平缓和加工硬化减小所致。压痕过程没有产生明显pop-in现象，说明材料只发生剪切滑移变形，并得出弹塑转变临界深度为140nm左右。实验还发现，卸载过程中，最大载荷越大，黏附效应越明显。应用单颗磨粒超精密磨削加工实验和单晶硅片纳米级划痕实验结果验证了分子动力学仿真结果，结果表明：理论仿真结果与实验结果在单晶硅磨削后沟槽深度、材料堆积高度、表面形貌等方面都比较接近，证明分子动力学仿真结果是有效可靠的。最后，进行了单晶硅片的超精密磨削工艺实验，选择砂轮转速、硅片转速、砂轮进给速度等主要因素进行了正交试验，分别针对不同的单项磨削工艺指标优化了磨削工艺。