單晶硅納米級磨削過程的分子動力學仿真研究.pdf

1、超精密磨削技術是先進制造技術領域的前沿課題，是未來發(fā)展我國微電子產(chǎn)業(yè)的關鍵技術。在超精密磨削過程中，特別是進行納米級加工時，材料以離散的數(shù)個原子或原子層的方式去除，因此加工過程中的能量分配、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。因而對加工過程采用建立在傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)力學基礎上的切削理論來解釋顯然是不合適的，并且難于應用儀器對微觀現(xiàn)象進行觀察和測量。而分子動力學仿真是在理論上研究超精密加工過程的一種非常有效的方法，它提供了

2、一條從系統(tǒng)的微觀細節(jié)探索實驗過程宏觀特性的捷徑，其具有可實驗性、安全性、可進行超前研究、減少實驗量等特點，目前在物理、化學、生物、醫(yī)藥以及材料等多個研究領域得到了廣泛應用，并逐漸滲透到機械加工領域。 對分子動力學基本理論和方法進行了深入研究，將固體物理學中的Debye模型引入到單晶硅原子動能和溫度之間的轉換過程中，建立了適合于單晶硅納米級磨削過程的分子動力學仿真模型。研究了分子動力學并行算法，提出了基于區(qū)域分解法的區(qū)域二次劃分的

3、分子動力學并行算法、原子親屬表的概念和基于“永久序號”的消息傳遞策略，這些算法和策略的應用大大簡化了編程，減小了程序出錯的概率，同時也有效節(jié)省了通信開銷和仿真時間。借助于聯(lián)想深騰1800高性能服務器編制了分子動力學并行化仿真程序，進行了計算機實驗，結果表明：并行化仿真程序相對串行仿真程序，模擬規(guī)模由幾千個原子提高到數(shù)十萬個原子，計算時間至少縮短了十倍，并且該程序具有很好的加速比、并行效率和擴展性。 對單晶硅納米級磨削過程進行計算

4、機仿真，從磨削過程中瞬間原子位置、磨削力、原子間勢能、損傷層深度等角度分析了納米級磨削加工的機理，發(fā)現(xiàn)硅原子間勢能的變化是導致單晶硅亞表面損傷的重要原因，在原子量級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。分子動力學仿真結果還發(fā)現(xiàn)：單晶硅納米級磨削過程產(chǎn)生的亞表面損傷的主要形式是非晶結構，無明顯的位錯產(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產(chǎn)生的。 應用

5、分子動力學方法，從理論上研究了磨粒鈍圓半徑、磨削深度和磨削速度對單晶硅納米級磨削機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單晶硅納米級磨削的機理幾乎沒有影響，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，這時與宏觀實際情況一致。對于相同磨粒鈍圓半徑和磨削速度條件下的仿真結果表明：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)，磨削速度對單晶硅亞表面損傷影響很小，說明分子動力學仿真對磨削速度的變化不敏感，因此可以適當提高仿真速度，從而縮短仿真時間和擴大仿真規(guī)模。為了進一步擴大分子動力學仿真的規(guī)模，開發(fā)了數(shù)百萬粒子規(guī)模單晶硅超精密磨削的分子動力學并行化仿真軟件。提出了數(shù)據(jù)“挖空”過濾算法，結合球形繪圖法實現(xiàn)了大規(guī)模粒子仿真結果的可視化。最后應用該軟件對單晶硅超精密磨削過程進行了仿真計算，將仿真結果與