单晶硅超精密加工技术仿真

单晶硅超精密加工技术仿真技术，有效解决工艺参数弊端，显著降低实验成本，明显提高加工效率

单晶硅作为一种典型的硬脆半导体材料，广泛应用于微电子领域。超精密加工技术可以实现硅表面的高质量加工，但加工方法需要很高的实验条件和工作成本。本书以材料力学、超精密加工等学科为理论基础，建立单晶硅超精密车削的有限元和分子动力学模型，优化切削参数以及刀具参数，解决传统研究中只能通过大量实验来确定*优工艺参数的弊端，降低实验成本，提高加工效率。
本书适合从事超精密加工技术研究的科研工作者、工程技术人员或高校教师、本科生、研究生阅读，也可以作为科普读物，加深读者对这一领域的了解。

目 录
前 言
第1章 绪论………………………………………………………………………………………………………………………1
1.1　单晶硅超精密切削加工的发展现状……………………………………………………………………………2
1.1.1　单晶硅脆塑性转变机理研究的国内外现状…………………………………………………………..2
1.1.2　金刚石刀具的超精密加工现状…………………………………………………………………………….4
1.2　切削的有限元仿真发展现状………………………………………………………………………………………6
1.2.1　有限元软件的选择和简介……………………………………………………………………………………6
1.2.2　有限元超精密切削的仿真研究现状……………………………………………………………………..7
1.3　单晶硅超精密切削的分子动力学仿真发展现状………………………………………………………….9
第2章 超精密切削有限元理论研究及模型建立………………………………………………………12
2.1　切削的基本理论………………………………………………………………………………………………………12
2.1.1　切削变形区……………………………………………………………………………………………………….12
2.1.2　超精密切削机理及最小切削深度……………………………………………………………………….13
2.2　有限元法的概述………………………………………………………………………………………………………16
2.3　非线性有限元基础与求解方法…………………………………………………………………………………17
2.3.1　非线性问题的分类…………………………………………………………………………………………….17
2.3.2　非线性有限元的求解方法及迭代的收敛判据……………………………………………………..21
2.4　Marc超精密切削的有限元建模………………………………………………………………………………..23
2.4.1　建立超精密切削的几何模型………………………………………………………………………………24
2.4.2　建立刀具和工件的材料模型………………………………………………………………………………24
2.4.3　建立接触摩擦模型…………………………………………………………………………………………….25
2.4.4　边界条件的定义………………………………………………………………………………………………..27
2.4.5　建立切屑的分离模型…………………………………………………………………………………………27
2.4.6　热机耦合…………………………………………………………………………………………………………..29
2.5　本章小结…………………………………………………………………………………………………………………30
第3章 单晶硅二维精密切削过程的有限元仿真和结果分析…………………………………31
3.1　切屑形状的研究………………………………………………………………………………………………………31
3.1.1　切屑形成机理的研究…………………………………………………………………………………………31
3.1.2　刀具几何参数对切屑形状的影响……………………………………………………………………….32
3.1.3　切削参数对切屑形状的影响………………………………………………………………………………34
3.2　单晶硅精密切削中切削力的研究……………………………………………………………………………..35
3.2.1　切削力随时间的变化规律………………………………………………………………………………….35
3.2.2　刀具几何参数对切削力的影响…………………………………………………………………………..37
3.2.3　切削参数对切削力的影响………………………………………………………………………………….38
3.3　单晶硅精密切削中的应力场分析……………………………………………………………………………..38
3.3.1　单晶硅应力场的分布…………………………………………………………………………………………38
3.3.2　刀具几何参数对应力的影响………………………………………………………………………………39
3.3.3　切削参数对应力的影响……………………………………………………………………………………..41
3.4　单晶硅精密切削中的温度场分析……………………………………………………………………………..43
3.4.1　单晶硅超精密切削的切削温度场……………………………………………………………………….43
3.4.2　刀具几何参数对切削温度的影响……………………………………………………………………….45
3.4.3　切削参数对切削温度最大值的影响……………………………………………………………………46
3.5　本章小结…………………………………………………………………………………………………………………47
第4章 单晶硅超精密切削实验及有限元模型的验证……………………………………………..48
4.1　超精密切削系统的建立……………………………………………………………………………………………48
4.1.1　超精密加工系统组成…………………………………………………………………………………………48
4.1.2　超精密加工系统原理…………………………………………………………………………………………50
4.2　超精密切削的实验研究……………………………………………………………………………………………50
4.3　本章小结…………………………………………………………………………………………………………………53
第5章 单晶硅纳米加工的三维仿真…………………………………………………………………………..54
5.1　三维有限元建模………………………………………………………………………………………………………54
5.2　单晶硅晶面的选择…………………………………………………………………………………………………..57
5.3　单晶硅微纳结构的加工……………………………………………………………………………………………60
5.4　本章小结…………………………………………………………………………………………………………………63
第6章 单晶硅超精密切削的分子动力学建模………………………………………………………….64
6.1　分子动力学仿真方法……………………………………………………………………………………………….64
6.1.1　分子动力学仿真的基本思想和理论……………………………………………………………………64
6.1.2　周期性边界条件………………………………………………………………………………………………..65
6.1.3　分子动力学系统的运动方程………………………………………………………………………………67
6.1.4　积分算法与势函数…………………………………………………………………………………………….68
6.1.5　系综概念…………………………………………………………………………………………………………..71
6.1.6　时间步长…………………………………………………………………………………………………………..73
6.2　分子动力学仿真步骤……………………………………………………………………………………………….74
6.3　仿真模型的建立………………………………………………………………………………………………………76
6.4　本章小结…………………………………………………………………………………………………………………77
第7章 硅表面超精密切削的分子动力学仿真与分析……………………………………………..78
7.1　单晶硅切削过程的仿真……………………………………………………………………………………………78
7.1.1　仿真模拟参数设定…………………………………………………………………………………………….78
7.1.2　弛豫分析…………………………………………………………………………………………………………..79
7.2　切削物理参数分析…………………………………………………………………………………………………..80
7.2.1　原子间势能分析………………………………………………………………………………………………..80
7.2.2　切削力分析……………………………………………………………………………………………………….81
7.3　单晶硅纳米切削机理分析………………………………………………………………………………………..83
7.4　本章小结…………………………………………………………………………………………………………………84
第8章 加工参数对硅表面切削过程的影响………………………………………………………………85
8.1　切削深度对仿真结果的影响…………………………………………………………………………………….85
8.2　切削速度对仿真结果的影响…………………………………………………………………………………….87
8.3　刀具前角对仿真结果的影响…………………………………………………………………………………….89
8.4　刀尖形状对仿真结果的影响…………………………………………………………………………………….92
8.5　本章小结…………………………………………………………………………………………………………………94
参考文献…………………………………………………………………………………………………………………………..95

前 言
超精密加工技术是评价一个国家制造技术水平高低的标准。随着技术的进步，国防、航空及其他高新技术领域对加工材料高表面质量的需求越来越迫切。通过研究超精密加工和纳米加工，利用新的理论来提高加工精度，将是未来的研究趋势和热点。
单晶硅是半导体集成电路产业的载体，其应用领域极为广泛。研究表明，半导体器件的表面质量会影响其使用性能。单晶硅的超精密加工过程以及纳米切削过程不能再用传统切削理论来诠释加工机理，而是要从原子或分子的角度来分析研究。使用传统方法研究纳米加工过程时，需要进行大量的加工实验，对加工设备和加工环境的要求极为严格，而且当切削深度仅为若干个原子层时，不仅会加大实验本身的难度，同时也会增加实验时间和成本。本书提出采用有限元和分子动力学模拟方法来仿真单晶硅超精密切削过程，可以避免上述困难。
本书共分8章，每一章的内容前后呼应，总体叙述了利用有限元和分子动力学两种仿真技术分析硬脆单晶硅材料的超精密加工过程，并建立超精密加工系统进行实验，进而对有限元的仿真结果进行验证，既有基本原理和公式的阐述，也有对该领域国内外现状的分析介绍。书中数据是著者本人及所带研究生研究工作的汇集，同时对一些科学现象加以挖掘，对一些基本原理进行深入浅出的解释。
各章题目和内容简介如下：第1章绪论，介绍单晶硅超精密加工及其仿真技术的发展现状，提出利用有限元和分子动力学对加工过程进行模拟分析的优势；第2章超精密切削有限元理论研究及模型建立，介绍了金刚石超精密切削单晶硅的切削机理、有限元法的基本思想和计算流程，利用大型商业有限元软件Marc，建立了金刚石超精密切削单晶硅的二维有限元仿真模型；第3章单晶硅二维精密切削过程的有限元仿真和结果分析，运用大型有限元分析软件Marc对平面应变状态下的单晶硅塑性域加工下的超精密切削模型进行了分析研究，分析刀具几何参数和切削参数对切屑形成的影响，预测切削力、切削温度以及应力受刀具几何参数和切削参数改变的影响；第4章单晶硅超精密切削实验及有限元模型的验证，建立了一套微加工系统，由于实验条件和加工成本的限制，本实验主要研究了刀具前角和切削刃钝圆半径对超精密切削加工表面质量的影响；第5章单晶硅纳米加工的三维仿真，基于前面二维有限元Marc超精密切削模型得到的结论，使用优化后的切削加工参数对单晶硅的三维正交超精密切削过程进行研究；第6章单晶硅超精密切削的分子动力学建模，对分子动力学模拟方法进行了简单介绍，讨论确定了模拟的初始条件，并建立了单晶硅纳米切削的三维仿真模型；第7 章硅表面超精密切削的分子动力学仿真与分析，使用LAMMPS 软件并借助分子动力学方法来进行仿真计算，在三维图像中从原子瞬时位置、温度和原子间势能等方面探讨单晶硅切削过程中材料去除方式与已加工表面的成形机理；第8 章加工参数对硅表面切削过程的影响，主要研究切削
深度、切削速度、刀尖几何形状和刀具前角等几方面因素的影响。
本书得到了国家自然科学基金委员会、浙江省自然科学基金委员会（项目编号Y20E050069）、先进水利装备浙江省工程研究中心、浙江省农村水利水电资源配置与调控关键技术重点实验室，以及著者的工作单位浙江水利水电学院机械与汽车工程学院的支持，在此一并表示感谢！
尽管著者为本书付出了十分的心血和努力，但书中难免存在一些疏漏和欠妥之处，敬请广大读者批评指正。
史立秋
2020 年4 月