单晶硅纳米级压痕过程分子动力学仿真

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1、第48卷第2期大连理工大学学报Vo1．48，No．22008年3月JournalofDalianUniversityofTechnologyMar．2008文章编号：i000-8608(2008)02—0205—05单晶硅纳米级压痕过程分子动力学仿真郭晓光，郭东明，康仁科，金洙吉(大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室．辽宁大连116024)摘要：对内部无缺陷的单晶硅纳米级压痕过程进行了分子动力学仿真，从原子空间角度分析了单晶硅纳米级压痕过程的瞬间原子位置、作用力和势能等变化，解释了压痕过程．研究表明：磨粒逐渐向单晶硅片的逼进和压入．使得磨粒下

2、方的硅晶格在磨粒的作用下发生了剪切挤压变形．磨粒作用产生的能量以晶格应变能的形式贮存在单晶硅的晶格中(即硅原子问势能)．因此硅原子问势能随着力的增加而不断增加，当超过一定值且不足以形成位错时。硅的原子键就会断裂，形成非晶层，堆积在金刚石磨粒的下方．当磨粒逐渐离开单晶硅片时，非晶层原子进行重构，释放部分能量。从而达到新的平衡状态．关键词：压痕过程；分子动力学仿真；单晶硅中图分类号：TG580．1文献标志码：A0引言析L4]．压痕断裂力学模型把磨削中磨粒与工件的相互作用看做小规模的压痕现象．从加工过程中单晶硅不仅是半导体器件、高密度信息存储所需能量角度

3、来看，由于产生塑性变形所需要的装置以及高分辨率热像仪等系统中非常重要的硬能量小于产生脆性断裂的，当磨削深度很小时，加脆材料，同时也是微电子器件和微电子机械系统工所需的能量就很小，塑性加工就成为可能，因而(MEMS)中常用的基底材料，它具有很高的弹性控制磨削深度可实现延性域加工．模量、良好的热传导性和较高的抗疲劳等方面的本文应用分子动力学方法模拟压痕过程，通特性．另外，高纯度的单晶硅材料也较容易获得．过对纳米级金刚石压痕过程的分子动力学仿真，随着大直径单晶硅片的研制成功，有关的加来分析材料的变形、相变等，研究超精密磨削加工工制造技术再次引起国内外同行

4、的关注，尤其是机理中的一些重要问题．单晶硅的纳米级磨削技术．根据日本科研人员的预测，未来的硅片制造技术将是以磨削为主体的1分子动力学仿真制造技术，在最终精磨阶段可实现完全意义上的1．1单晶硅压痕过程分子动力学模型延性域磨削，不但能够完全取代研磨和化学腐蚀，单晶硅压痕过程二维和三维分子动力学模型还可以部分取代化学机械抛光，这样大大地提高如图1所示．压头为金刚石原子，仿真中认为压头了单晶硅片的精度和加工效率]．为绝对刚性的，即不因外力作用而变形磨损．工件单晶硅超精密磨削技术和装备都已发展到了为单晶硅原子，分为牛顿层、恒温层和固定边界相当高的水平，但对超

5、精密磨削机理的研究还没层．牛顿层的原子运动可由牛顿方程来描述；恒温有完全的认识，这在一定程度上影响了超精密磨层的引入是为了使磨削过程中产生的热量及时传削技术的发展，故开展单晶硅超精密磨削机理的导出去，该层原子需要被标度以保持该区域温度研究具有非常重要的意义．目前研究硬脆材料磨恒定；固定边界层的原子始终保持不动，减小边界削过程时，一般都采用压痕断裂力学模型来分效应和保证晶格的对称性，可不参与计算．收稿日期；2006一O1—15；修回日期：2008一O1一O8．基金项目：国家自然科学基金资助项目(重大项目50390061)；国家杰出青年科学基金资助项目

6、(50325518)．作者简介：郭晓光(1976一)，女，博士；郭东明(1959一)，男，教授，博士生导师．大连理工大学学报第48卷金刚石磨粒If运动方向——————＼●}单晶硅——(a)．维模型Co)三维模型图1金刚石一硅系统压痕过程分子动力学仿真模型Fig．1MDmodelingofdiamond-siliconnanometricindentation1．2势函数的选择和力的计算b一(1+)，一∑f(r)g(Oo)，单晶硅是金刚石型晶体结构，对硅原子势能k~i,j的计算应考虑多原子价键之间的相互影响因素，g(Oo一+丢一F{，一故采用多原子系

7、统的Tersoff势函数对单晶11Si-Si和金刚石CmC以及Si-C进行计算，公专(+，)，一专+)，Ao一~／AA，瓦则hB一，R—~RiRj一，S一v~／Sj一()一厂c()[厂r()+厂a(rfJ)](1)上述式中：为原子与原子之间的势函数，其中厂c()为截断函数，厂r(，)为排斥项函数，为厂r()===Axp(一)低价函数，厂a()为吸引项函数，为原子与原厂a()一一Bxp(一子之间的距离，其他参数的值见表1．，fh≤R势函数确定以后，原子之间的作用力就可以厂c()一{【1十1c0s(曼’三三)；R≤≤s通过势函数对rfJ求导得出，即。；

8、sF一一表lTersoff势函数参数Tab．1TheparametersofTersoffpotential注；c—c=1