湿抛光垫纳米压痕分子动力学研究

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1、校代码：10255学号：2160757湿抛光垫纳米压痕分子动力学研究STUDYONNANO-INDENTATIONOFWETPOLISHINGPADBYMOLECULARDYNAMICSSIMULATION作者姓名：王喆学科专业：机械工程指导教师：陈入领答辩日期：2018年5月23日东华大学硕士学位论文东华大学硕士学位论文答辩委员会成员名单姓名职称职务工作单位备注上海镕天信息科技有限冯天兵高级工程师答辩委员会主席公司彭倚天教授/博导答辩委员会委员东华大学机械工程学院戴惠良副教授答辩委员会委员东华大学机械工程学院闫如忠副教授答辩委员会委员东华大学机械工程学院邹鲲副研究员答辩委员会委员东华大学机

2、械工程学院邓吉楠讲师答辩委员会秘书东华大学机械工程学院东华大学硕士学位论文东华大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日东华大学硕士学位论文东华大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查

3、阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本版权书。本学位论文属于不保密□。学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月东华大学硕士学位论文摘要湿抛光垫纳米压痕分子动力学研究摘要化学机械抛光（ChemicalMechanicalPolishing，CMP）加工过程中，抛光垫（Pad）含水后弹性模量会发生改变，进而对CMP加工过程中的材料去除率产生很大的影响。但是，受实验研究手段所限，抛光垫含水后，其弹性模量发生变化的机理尚未完全清楚。因此，本文以分子动力学仿真（Mo

4、lecularDynamicsSimulation,MD）方法为研究手段，建立干、湿抛光垫纳米压痕/划痕模型和湿抛光垫表面覆盖水膜层的纳米压痕模型，研究了抛光垫中不同含水量对抛光垫的弹性模量以及摩擦过程的影响机制。首先，基于接近真实CMP的抛光垫的分子动力学仿真模型，研究了干、湿抛光垫的纳米压痕过程。仿真结果表明：（1）当Pad含水量在0%~1.5%时，Pad与压头之间的作用力由排斥力发生反转变成吸引力，使得压头受到的载荷减小，导致湿Pad的弹性模量小于干Pad的弹性模量；且随含水量的增大，Pad弹性模量逐渐减小；（2）当Pad含水量超过1.5%时，Pad对压头吸引力逐渐增大，至7%时达到最

5、大。之后，随着含水量增大，吸引力逐渐减小。同时，由于Pad和压头之间受限水膜的密度以及压力增大，使得水膜对压头的排斥力随含水量的增大而逐渐增大。由此，在水膜和Pad的共同作用下，Pad含水量在1.5%~10%时，Pad的弹性模量随含水量的增加而逐渐增大，但依然小于干Pad的弹性模量（这与CMP真实工况结果一致）；（3）当Pad含水量大于10%后，受限水膜密度增大且大于。因此，受限水膜“固化”使得Pad的弹性模量大于干I东华大学硕士学位论文摘要Pad的弹性模量，并且随着Pad含水量的增加而增大（这与生物软组织材料的纳米压痕结果相吻合）。上述结果对研究CMP材料去除机理、以及生物软组织的机械性能

6、等均有重要意义。其次，在湿Pad纳米压痕仿真基础上，模拟了湿Pad表面覆盖不同厚度水膜层的纳米压痕过程。结果表明：（1）当水膜层厚度小于10Å时，由于Pad对压头的吸引力在含水量2.5%时达到最大；同时，受限水膜密度的增大使得水膜对压头的排斥力逐渐增大。因此，在水膜和Pad的共同作用下，随着含水量的增加，Pad的弹性模量相应地先逐渐减小，在含水量2.5%之后再增大。上述变化规律与水膜层厚度为0Å时Pad弹性模量的变化规律相一致，这表明只要Pad表面覆盖的水膜厚度小于10Å，则Pad的弹性模量随含水量的变化趋势是相同的。（2）当水膜层厚度大于10Å时，由于受限水膜“固化”，使得Pad的弹性模量

7、随含水量的增加而逐渐增大。最后，在干、湿抛光垫纳米压痕仿真的基础上，研究了干、湿抛光垫的划痕过程，结果表明：（1）在干抛光垫划痕中，压头与压头前方Pad的间隙小于压头与压头后方Pad的间隙，且（：Pad对压头的作用力为0时，压头与Pad之间的间隙），压头前方的Pad对压头的作用力，压头后方的压头前方Pad对压头的作用力，二者均表现为排斥力，且压头后方。因此，Pad对压头的作用力整体表现压头前方压头后方为摩擦阻