單晶硅納米級(jí)磨削過(guò)程的分子動(dòng)力學(xué)仿真研究.pdf

1、超精密磨削技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域的前沿課題，是未來(lái)發(fā)展我國(guó)微電子產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)。在超精密磨削過(guò)程中，特別是進(jìn)行納米級(jí)加工時(shí)，材料以離散的數(shù)個(gè)原子或原子層的方式去除，因此加工過(guò)程中的能量分配、已加工表面的形成、材料的去除等都與常規(guī)加工存在巨大差別。因而對(duì)加工過(guò)程采用建立在傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)基礎(chǔ)上的切削理論來(lái)解釋顯然是不合適的，并且難于應(yīng)用儀器對(duì)微觀現(xiàn)象進(jìn)行觀察和測(cè)量。而分子動(dòng)力學(xué)仿真是在理論上研究超精密加工過(guò)程的一種非常有效的方法，它提供了

2、一條從系統(tǒng)的微觀細(xì)節(jié)探索實(shí)驗(yàn)過(guò)程宏觀特性的捷徑，其具有可實(shí)驗(yàn)性、安全性、可進(jìn)行超前研究、減少實(shí)驗(yàn)量等特點(diǎn)，目前在物理、化學(xué)、生物、醫(yī)藥以及材料等多個(gè)研究領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并逐漸滲透到機(jī)械加工領(lǐng)域。 對(duì)分子動(dòng)力學(xué)基本理論和方法進(jìn)行了深入研究，將固體物理學(xué)中的Debye模型引入到單晶硅原子動(dòng)能和溫度之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，建立了適合于單晶硅納米級(jí)磨削過(guò)程的分子動(dòng)力學(xué)仿真模型。研究了分子動(dòng)力學(xué)并行算法，提出了基于區(qū)域分解法的區(qū)域二次劃分的

3、分子動(dòng)力學(xué)并行算法、原子親屬表的概念和基于“永久序號(hào)”的消息傳遞策略，這些算法和策略的應(yīng)用大大簡(jiǎn)化了編程，減小了程序出錯(cuò)的概率，同時(shí)也有效節(jié)省了通信開(kāi)銷和仿真時(shí)間。借助于聯(lián)想深騰1800高性能服務(wù)器編制了分子動(dòng)力學(xué)并行化仿真程序，進(jìn)行了計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：并行化仿真程序相對(duì)串行仿真程序，模擬規(guī)模由幾千個(gè)原子提高到數(shù)十萬(wàn)個(gè)原子，計(jì)算時(shí)間至少縮短了十倍，并且該程序具有很好的加速比、并行效率和擴(kuò)展性。 對(duì)單晶硅納米級(jí)磨削過(guò)程進(jìn)行計(jì)算

4、機(jī)仿真，從磨削過(guò)程中瞬間原子位置、磨削力、原子間勢(shì)能、損傷層深度等角度分析了納米級(jí)磨削加工的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)硅原子間勢(shì)能的變化是導(dǎo)致單晶硅亞表面損傷的重要原因，在原子量級(jí)條件下單晶硅亞表面損傷層深度主要指沿磨削深度方向原子發(fā)生不規(guī)則排列的原子層的最大厚度。分子動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果還發(fā)現(xiàn)：?jiǎn)尉Ч杓{米級(jí)磨削過(guò)程產(chǎn)生的亞表面損傷的主要形式是非晶結(jié)構(gòu)，無(wú)明顯的位錯(cuò)產(chǎn)生；磨粒原子與硅原子之間有粘附現(xiàn)象發(fā)生，這是由于納米尺度磨粒的表面效應(yīng)產(chǎn)生的。 應(yīng)用

5、分子動(dòng)力學(xué)方法，從理論上研究了磨粒鈍圓半徑、磨削深度和磨削速度對(duì)單晶硅納米級(jí)磨削機(jī)理和工件亞表面損傷的影響，研究表明：磨粒鈍圓半徑、磨削深度和磨削速度對(duì)單晶硅納米級(jí)磨削的機(jī)理幾乎沒(méi)有影響，只是在磨削力、能量和損傷層深度等方面有些差異。在磨削深度和磨削速度相同情況下，隨著磨粒鈍圓半徑的增加，單晶硅亞表面損傷層變厚，這時(shí)與宏觀實(shí)際情況一致。對(duì)于相同磨粒鈍圓半徑和磨削速度條件下的仿真結(jié)果表明：隨著磨削深度的增大，單晶硅表面和亞表面質(zhì)量惡化。在

6、磨削深度和磨粒鈍圓半徑相同的情況下，在20～200m/s范圍內(nèi)，磨削速度對(duì)單晶硅亞表面損傷影響很小，說(shuō)明分子動(dòng)力學(xué)仿真對(duì)磨削速度的變化不敏感，因此可以適當(dāng)提高仿真速度，從而縮短仿真時(shí)間和擴(kuò)大仿真規(guī)模。為了進(jìn)一步擴(kuò)大分子動(dòng)力學(xué)仿真的規(guī)模，開(kāi)發(fā)了數(shù)百萬(wàn)粒子規(guī)模單晶硅超精密磨削的分子動(dòng)力學(xué)并行化仿真軟件。提出了數(shù)據(jù)“挖空”過(guò)濾算法，結(jié)合球形繪圖法實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模粒子仿真結(jié)果的可視化。最后應(yīng)用該軟件對(duì)單晶硅超精密磨削過(guò)程進(jìn)行了仿真計(jì)算，將仿真結(jié)果與