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单晶硅作为一种重要的半导体材料,是集成电路(IC)常见的衬底材料,其加工质量又会影响产品的使用性能和寿命。而单晶硅在加工中,不可避免地会产生损伤结构。因此明确加工过程中损伤的产生过程,对于采取措施控制损伤进而提高加工质量有着重要意义。磨削加工作为单晶硅加工过程中一个重要的环节,对加工质量有很大影响。目前,对于单晶硅磨削过程中损伤的形成和变化过程还没有明确的解释,使用实验研究方法又无法动态观测晶体内部结构的变化。本文采用了分子动力学方法对单晶硅磨削过程进行了仿真。 首先,通过大规模单颗磨粒刻划过程明确了单晶硅内部典型区域内应力、结构、温度等的变化过程和相变以及一些参数,如加工晶向、磨粒半径等对加工过程的影响;其次,进行了多颗磨粒刻划的仿真,探究了两颗磨粒共同作用下应力、结构等的变化过程和不同磨粒间距的影响;最后,进行了单晶硅多次刻划过程的仿真和纳米压痕实验,探究了多次刻划过程中损伤的变化和控制,明确了目前的仿真和实验之间的差距,并分析了产生的原因及需要进行的改进。 单颗磨粒刻划过程中,研究了单晶硅中相对于磨粒前方以及前下方区域的应力变化过程,并通过配位数分析明确了在应力作用下不同区域内结构的变化过程。对比了不同磨粒半径下研究区域内的应力状态,从应力的角度解释了相同的加工深度下,使用较小磨粒半径能够获得损伤较小的表面。 多颗磨粒刻划过程中,重点探究了磨粒中间区域的应力、温度变化及应力作用下的结构变化过程以及损伤的分布情况。磨粒间距小,则磨粒中间区域受到的应力较大,并且温度较高,磨粒间距大,加工后表面中间区域的隆起较高,表面的平整性较差。 初次刻划后的表面主要由非晶结构构成,其硬度和弹性模量降低,对后续的加工会造成影响。仿真数据和纳米压痕实验测得数据存在一定的差距,为了使仿真更加接近实际的情况,需要进一步扩大仿真的尺度。通过控制再次刻划的深度,已加工表面的损伤层可以稳定的去除并且不引起新的损伤结构,从而对损伤进行控制。