论文-单晶硅超精密加工技术.docVIP

单晶硅超精密加工技术是电子信息产业发展的根本保障，超精密磨削技术是单晶硅 超精密加工技术的前沿。运用分子动力学仿真研究超精密加工过程，能够解决传统切削 理论难以解释纳米级超精密加工机理的问题，同时用数值计算代替加工实验克服了超精 密加工实验难以实现和测控的困难。并行计算能够解决串行分子动力学仿真计算时间 长、仿真规模小的局限，使运用分子动力学仿真方法研究单晶硅超精密磨削过程具有了 更加现实的意义。 针对单晶硅超精密磨削过程的分子动力学并行仿真，首先建立了磨削过程的三维分 子动力学仿真模型，分析了单晶硅超精密磨削的过程特点和分子动力学仿真串行程序， 研究了分子动力学并行仿真的可行性和并行化策略。然后介绍了并行算法研究现状，运 用PCAM设计方法学并结合计算要求和仿真对象特点，设计了以区域分解法为基础的 基于区域二次划分的分子动力学仿真的并行算法，并且针对具体仿真模型的不同，衍生 出不同特点的基于区域二次划分的并行算法。接着对原子信息的逐个传递和捆绑传递进 行了性能对比分析，设计了捆绑传递的消息传递策略和基于“永久序号”的原子信息存 储调用策略。另外，阐述了原子近邻表的列表方法，在此基础上提出原子亲属表概念， 节省了计算时间并简化了程序结构。最后设计了断点保存和程序重启运行技术，保证程 序在非正常中止情况下能够在断点处继续运行。同时编写了可视化程序，对磨削过程中 模型的形貌进行了可视化处理。 通过和串行程序结果的对比分析，从瞬间原子位置图和系统能量等方面验证了并行 程序结果的正确性。在并行计算机4个结点情况下运行程序，获得了.35的加速比，并 行效率达87.5%，证明本论文中的分子动力学并行程序具有良好的并行效率。通过优化 模型的划分和增加结点数，并行计算将原子规模从串行的千级提高到了十万级，将计算 时间缩短了十多倍。在同时增加结点数并适当增加仿真规模的情况下，程序运行结果显 ing mehcnaismnadultar一PrecisiongrindingexPerimentsarediffiuclttobeca币edoutnad measuredowingtos让e11而tations.Moleuclardynmaiessimulation(MDS)15abletosimulate hteultar一PreCisionhgndingPoreessonatomiesealenadthePoreessingParmaetesrareeasyto . 1课题来源及研究的目的和意义 课题来源于国家自然科学重大基金项目一“先进电子制造技术中的重要科学问题” 的子课题“超精抛光中的纳米粒子行为和化学作用及平整化原理与技术”(项目编号:和国家高技术研究发展计划863项目一“面向下一代CI的大直径硅片超精 密磨削技术与装备研究”(项目号:2002AA421230)。 课题目的是为单晶硅超精密磨削的分子动力学仿真设计并行算法并编写出并行计 算程序，以节省计算时间、提高计算效率从而提高仿真规模和精确度，从而深入分析单 晶硅超精密磨削过程的加工机理。课题的意义是深远的，因为单晶硅即硅片的制造水平 是半导体产业的根本。 众所周知，从20世纪后期直至现在，以硅片为基础材料的半导体集成电路产业是 发展最快的产业，从智能玩具到机器人、从计算器到巨型计算机、从家用电器到大型工 业装备等等，半导体集成电路都是其中的核心部分。2001年，由硅片生产的半导体产品 (又称微芯片或芯片)全球销售额超过2000亿美元。现在，半导体占个人电脑成本的 30%到40%，每一部手机中的半导体约占100美元的价值，每辆汽车含有价值140美元 的芯片]ll。可见，半导体产业将会在社会的发展过程中扮演越来越重要的角色，这同时 也意味着对硅片的加工质量要求也会越来越苛刻。 硅片制造(waefrmnuaafcut血g)的传统工艺过程是:切片一倒圆角一研磨~化学腐 蚀一抛光~清洗。在“研磨一化学腐蚀~抛光”过程中，研磨损伤层厚度达20~3伽m， 而且化学机械抛光是压力作用下的材料去除过程，会降低硅片的平整度。传统的硅片制 造工艺能够满足尺寸较小、表面质量和平整度要求不高的硅片制造要求。随着硅片尺寸 的增大，表面质量和平整度要求越来越高，而且伴随着激烈的市场竞争，硅片的价格越 来越低，降低制造成本是必然选择，传统的硅片制造工艺的弊端日益显现。上个世纪90 年代中期，日本首先将磨削技术移植到硅片制造中，先后开发出了多种硅片磨床，如: 单面磨床、反转两面磨床、双端面磨床等，并且己经应用在硅片生产线上，根据磨床的 精度和加工要求，实现了多种工艺组合方式，部分的取代了研磨和化学腐蚀甚至化学机 械抛光。价-sl 目前，对硅片的超精密磨削的实验研究己略有成果，但对其加工机理的研究仍然相