单晶硅纳米级磨削过程的分子动力学仿真研究

论文摘要

超精密磨削技术是先进制造技术领域的前沿课题,是未来发展我国微电子产业的关键技术。在超精密磨削过程中,特别是进行纳米级加工时,材料以离散的数个原子或原子层的方式去除,因此加工过程中的能量分配、已加工表面的形成、材料的去除等都与常规加工存在巨大差别。因而对加工过程采用建立在传统连续介质力学基础上的切削理论来解释显然是不合适的,并且难于应用仪器对微观现象进行观察和测量。而分子动力学仿真是在理论上研究超精密加工过程的一种非常有效的方法,它提供了一条从系统的微观细节探索实验过程宏观特性的捷径,其具有可实验性、安全性、可进行超前研究、减少实验量等特点,目前在物理、化学、生物、医药以及材料等多个研究领域得到了广泛应用,并逐渐渗透到机械加工领域。对分子动力学基本理论和方法进行了深入研究,将固体物理学中的Debye模型引入到单晶硅原子动能和温度之间的转换过程中,建立了适合于单晶硅纳米级磨削过程的分子动力学仿真模型。研究了分子动力学并行算法,提出了基于区域分解法的区域二次划分的分子动力学并行算法、原子亲属表的概念和基于“永久序号”的消息传递策略,这些算法和策略的应用大大简化了编程,减小了程序出错的概率,同时也有效节省了通信开销和仿真时间。借助于联想深腾1800高性能服务器编制了分子动力学并行化仿真程序,进行了计算机实验,结果表明:并行化仿真程序相对串行仿真程序,模拟规模由几千个原子提高到数十万个原子,计算时间至少缩短了十倍,并且该程序具有很好的加速比、并行效率和扩展性。对单晶硅纳米级磨削过程进行计算机仿真,从磨削过程中瞬间原子位置、磨削力、原子间势能、损伤层深度等角度分析了纳米级磨削加工的机理,发现硅原子间势能的变化是导致单晶硅亚表面损伤的重要原因,在原子量级条件下单晶硅亚表面损伤层深度主要指沿磨削深度方向原子发生不规则排列的原子层的最大厚度。分子动力学仿真结果还发现:单晶硅纳米级磨削过程产生的亚表面损伤的主要形式是非晶结构,无明显的位错产生;磨粒原子与硅原子之间有粘附现象发生,这是由于纳米尺度磨粒的表面效应产生的。应用分子动力学方法,从理论上研究了磨粒钝圆半径、磨削深度和磨削速度对单晶硅纳米级磨削机理和工件亚表面损伤的影响,研究表明:磨粒钝圆半径、磨削深度和磨削速度对单晶硅纳米级磨削的机理几乎没有影响,只是在磨削力、能量和损伤层深度等方面有些差异。在磨削深度和磨削速度相同情况下,随着磨粒钝圆半径的增加,单晶硅亚表面损伤层变厚,这时与宏观实际情况一致。对于相同磨粒钝圆半径和磨削速度条件下的仿真结果表明:随着磨削深度的增大,单晶硅表面和亚表面质量恶化。在磨削深度和磨粒钝圆半径相同的情况下,在20～200m/s范围内,磨削速度对单晶硅亚表面损伤影响很小,说明分子动力学仿真对磨削速度的变化不敏感,因此可以适当提高仿真速度,从而缩短仿真时间和扩大仿真规模。为了进一步扩大分子动力学仿真的规模,开发了数百万粒子规模单晶硅超精密磨削的分子动力学并行化仿真软件。提出了数据“挖空”过滤算法,结合球形绘图法实现了大规模粒子仿真结果的可视化。最后应用该软件对单晶硅超精密磨削过程进行了仿真计算,将仿真结果与单颗磨粒超精密磨削加工实验和单晶硅片纳米级刻划加工实验结果进行了对比分析,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、表面形貌以及主切削力方面都比较接近,证明分子动力学仿真结果是有效可靠的,可以应用到纳米级机械加工的机理研究中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的、意义
• 1.2 超精密加工机理的研究方法及国内外研究现状
• 1.2.1 扫描探针显微镜（SPM）实验研究及国内外研究现状
• 1.2.2 超精密加工实验
• 1.2.3 有限元方法（FEM）及国内外研究现状
• 1.2.4 分子动力学仿真（MDS）及国内外研究现状
• 1.3 分子动力学并行仿真计算研究
• 1.3.1 硬件环境
• 1.3.2 软件环境
• 1.3.3 并行算法
• 1.3.4 分子动力学并行仿真计算的发展现状
• 1.4 论文研究思路和主要研究内容
• 2 单晶硅纳米级磨削过程分子动力学基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 分子动力学方法基本思想和理论基础
• 2.3 仿真模型的建立
• 2.3.1 单晶硅磨削过程分子动力学仿真模型
• 2.3.2 温度转换模型
• 2.3.3 仿真模型边界条件的确定
• 2.4 势函数的选取
• 2.4.1 对偶势
• 2.4.2 Tersoff势函数
• 2.4.3 嵌入原子法（Embedded Atom Method）
• 2.5 初始条件的设定
• 2.5.1 初始位置和速度
• 2.5.2 时间步长的确定
• 2.6 趋于平衡过程的计算
• 2.7 系统的基本运动方程
• 2.8 有限差分算法
• 2.8.1 Verlet算法
• 2.8.2 Velocity Verlet算法
• 2.8.3 Leap-frog算法
• 2.8.4 Beeman算法
• 2.8.5 Gear算法
• 2.8.6 Rahman算法
• 2.9 分子间作用力的计算
• 2.9.1 截断半径法
• 2.9.2 邻域列表法
• 2.9.3 链格法
• 2.9.4 邻域—链格列表法
• 2.10 分子动力学串行仿真程序设计
• 2.11 分子动力学并行仿真程序设计
• 2.11.1 并行计算环境
• 2.11.2 并行算法分析
• 2.11.3 并行程序设计
• 2.11.4 算法流程描述
• 2.11.5 仿真结果可视化
• 2.12 分子动力学串、并行仿真结果分析
• 2.12.1 仿真条件
• 2.12.2 串行和并行程序仿真结果分析
• 2.12.3 并行程序的并行效率分析
• 2.12.4 并行程序的可扩展性
• 2.13 本章小结
• 3 单晶硅纳米级磨削过程的机理研究
• 3.1 引言
• 3.2 磨削过程分子动力学仿真
• 3.2.1 磨削过程的分子动力学仿真模型
• 3.2.2 原子间相互作用力
• 3.2.3 温度转换模型
• 3.2.4 仿真条件
• 3.2.5 磨削力分析
• 3.2.6 能量分析
• 3.2.7 材料去除和已加工表面形成机理
• 3.2.8 磨削力对单晶硅原子间势能的影响
• 3.2.9 损伤层深度分析
• 3.3 本章小结
• 4 磨削参数对单晶硅磨削机理影响的理论分析
• 4.1 引言
• 4.2 磨粒钝圆半径对单晶硅纳米级磨削过程的影响
• 4.2.1 磨粒钝圆半径对硅原子间势能和磨削力的影响
• 4.2.2 磨粒钝圆半径对损伤层深度的影响
• 4.2.3 磨粒钝圆半径对单晶硅纳米级磨削理的影响
• 4.3 磨削深度对单晶硅纳米级磨削过程的影响
• 4.3.1 磨削深度对硅原子间势能和磨削力的影响
• 4.3.2 磨削深度对损伤层深度的影响
• 4.3.3 磨削深度对单晶硅纳米级磨削机理的影响
• 4.4 磨削速度对单晶硅纳米级磨削过程的影响
• 4.4.1 磨削速度对硅原子间势能和磨削力的影响
• 4.4.2 磨削速度对损伤层深度的影响
• 4.4.3 磨削速度对单晶硅纳米级磨削机理的影响
• 4.5 本章小结
• 5 数百万粒子规模分子动力学并行仿真研究及其实验验证
• 5.1 引言
• 5.2 数百万粒子规模分子动力学并行仿真软件的设计
• 5.2.1 并行计算环境
• 5.2.2 并行算法的实现
• 5.2.3 仿真结果可视化
• 5.3 单晶硅超精密磨削过程理论分析和实验验证
• 5.3.1 单晶硅超精密磨削过程分子动力学仿真条件
• 5.3.2 单颗磨粒超精密磨削实验和单晶硅片纳米级刻划实验设计
• 5.3.3 实验和检测设备
• 5.3.4 实验条件
• 5.3.5 磨粒钝圆半径的计算
• 5.3.6 结果与讨论
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 进一步工作展望
• 参考文献
• 创新点摘要
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢