摘要
随着现代科学和技术在微电子学、精密光学等领域中快速发展进步以及云计算、大数据和物联网等产业的快速兴起，具有特殊性能的单晶硅零件需求与日俱增。集成电路中的单晶硅衬底要求晶体完整、高质量、高精度、表面超光滑;强光光学系统中也常用单晶硅来做质量要求高、外观呈镜面或超镜面效果的光学元件。化学机械抛光(CMP)技术是目前最广泛应用的单晶硅片平坦化工艺，但是CMP仍然存在去除率低、高污染、机理不明确等许多问题，目前迫切需求开发高精度、高效率、低成本和无污染或低污染并且适用大多数脆硬材料的抛光新技术。 本文基于分子动力学仿真方法，结合化学机械抛光、超声振动抛光等理论，在CMP技术中引入超声振动外部能量场辅助单晶硅抛光，从微观原子和宏观角度来分析研究单晶硅抛光纳米级表面的变化特性和加工机理。研究工作主要对超声振动辅助抛光单晶硅分子动力学模拟和实验研究，有以下几个方面: (1)总结国内外化学机械抛光以及超声振动抛光模型和材料去除机理研究现状，在磨粒磨损模型和原子/分子模型材料去除机理基础上，引出超声振动对单颗磨粒材料去除机理以及侵入理论模型，为开展相关研究构建基础。 (2)本文结合分子动力学模拟基本原理方法确定了仿真模拟流程图;选取了模拟真实环境体系的系综、势能函数等，设置边界条件和积分步长等仿真条件;基于MaterialsStudio(MS)和LAMMPS软件分别构建了SiO2磨粒和不同晶面单晶硅基体模型，编制in文件模拟程序;对构建的超声振动辅助抛光单晶硅模型，弛豫分析系统势能变化和温度变化，确定弛豫时间和系统平衡条件。 (3)借助分子动力学模拟方法，从原子角度探究了超声振动辅助抛光单晶硅过程中的加工变形机理。比较了有、无超声振动条件下CMP和UV-CMP仿真加工工件表面创成、系统势能和切削力变化，分析和揭示了超声振动过程的影响;在相同的条件下研究改变振幅大小、划擦速度和压入深度等因素对表面创成、材料去除、系统势能和切削力的变化规律;在相同抛光条件下，研究了超声振动辅助对单晶硅(100)面、(110)面和(111)面抛光加工的影响。 (4)通过实验研究，从宏观角度研究超声振动对抛光单晶硅的影响;借助单因素试验方法研究振幅、转速以及压力对材料去除率以及表面粗糙度的影响规律;借助正交试验方法，对影响抛光结果的因素做了七因素二水平试验，并同时采用极差分析和综合法分析得出最优参数组合。
NETL