【摘要】：超精密拋光加工技術己經成為實現集成電路特征尺寸跨入納米級精度的關鍵技術和工藝，在這樣的納米量級加工過程中，材料的變形機理與宏觀加工過程存在顯著的不同，材料的變形與去除僅僅發生在幾個至幾百個原子層上，通過實驗方法研究超精密拋光加工中工件材料的變形與去除機理變得十分困難。分子動力學是以離散介質力學理論方法為基礎的仿真手段，，通過高效的分析方法可以模擬納米量級的微觀加工過程，發現規律并解釋機理，已成為目前研究超精密加工技術的主要方法之一。 在超精密拋光加工研究方面，國內外學者普遍采用在面心立方晶體結構的單晶銅表面作用的磨粒二體接觸拋光模型，但是由于二體接觸拋光從本質上說相當于劃痕過程的簡化，沒有準確的描述真實的拋光加工過程，進而難以深入分析拋光中材料的變形與去除機理。故本文建立了旋轉金剛石納米磨粒的三體接觸拋光模型，通過對模擬結果的分析，研究了旋轉磨粒對超精密拋光加工過程中材料的變形與除機理、材料內部缺陷的形成與運動、加工表面質量等方面的影響。本文具體就以下幾個方面開展了研究： 首先分析了旋轉磨粒作用下的單晶銅工件內部形成的缺陷的種類與性質，探討了超精密拋光加工中材料的變形與去除機理，即單晶銅工件在拋光深度由淺至深的變化中，材料的變形與去除機理依次為無磨損、壓實和犁溝去除模式，大變形切削模式在磨粒有旋轉速度時未見發生。單晶銅在外部載荷作用下，由表面原子堆積、內部多種缺陷的產生等方式來協調塑性變形，其中最重要的缺陷是位錯，位錯在激活產生后以滑移的形式沿特定的方向運動至工件表面或者底部，釋放能量并且留下臺階變形。位錯在運動中相互作用或與其它類型缺陷作用與影響，構成工件微觀變形機理的基礎。此外，本文還定性研究了拋光載荷-位移曲線波動的振幅、頻率與材料內部兩種重要的位錯環的產生及運動間的關聯和影響，即切向力的變化與單晶銅工件內部的表面滑移位錯環的產生及運動相關，法向力的變化與體內滑移位錯環的產生及運動相關。 本文接下來進一步研究了拋光加工中旋轉磨粒參數對工件變形和去除機理的影響，通過設計不同的旋轉磨粒參數如磨粒旋轉速度、旋轉角度、拋光深度以及半徑大小，對加工中的材料內部缺陷的產生、運動以及加工后的表面質量進行了對比研究。當旋轉磨粒速度增大時，工件內部各類缺陷的數量及作用范圍變大至一定波峰時呈現降低的趨勢；當磨粒的旋轉方向與前進方向不一致時，在其旋轉方向同側的工件內部會比另一側產生更多的位錯缺陷；當拋光深度增加時，工件內部各類缺陷出現的數量和頻率增多；當磨粒尺寸增大時，相對拋光深度減小，各類位錯數量增多，作用范圍變大。 此外本文采用不同的超精密拋光工藝參數，如旋轉磨粒加工方向、加工晶面以及系統溫度，對加工中的材料內部缺陷情況以及加工后的表面質量進行了對比研究。在旋轉磨粒作用下，直接決定材料內部位錯運動和表面形貌的因素是工件晶體結構的屬性。為協調變形而于工件內部產生的位錯的運動方向是特定的，沿著工件晶體結構類型所屬的滑移系運動，多數位錯的滑移方向會指向或接近工件的加工方向，少數位錯沿著其它滑移方向。隨著溫度增加，單晶銅工件內部的空位類缺陷、各類滑移位錯環以及不動位錯數量明顯增多。 本文的研究工作既是對拋光加工中單晶銅材料的變形與去除機理的進一步深化，也是為更好的確定超精密拋光工藝參數而做的擴展補充。本文有關超精密拋光加工中材料變形與去除機理的研究和分析，將為超精密拋光加工技術提供更好的理論指導。
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【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN305.2

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本文編號：2378341