动力学蒙特卡罗法体硅湿法刻蚀工艺仿真的研究与开发

对比分析了BKL、二叉树搜索以及树状结构搜索算法(KLS) 3种动力学蒙特卡罗法的实现过程,讨论了它们在MEMS各向异性湿法刻蚀工艺仿真计算中的应用,阐述了应用特点.使用树状结构搜索算法实现了加工仿真程序,以(111)晶面的原子移除过程为例,解释了蒙特卡罗法在刻蚀中的计算特点.开发的系统模拟了(311)晶面在KOH刻蚀中表面形貌的演化过程,刻蚀面能够很好地再现出表面的微观特征.基于KLS的方法能对湿法硅微结构工艺进行仿真计算,不同刻蚀阶段的微结构能与实验结果相一致,较为合理准确.     

动力学蒙特卡罗法体硅湿法刻蚀工艺仿真的研究与开发

对比分析了BKL、二叉树搜索以及树状结构搜索算法（KLS）3种动力学蒙特卡罗法的实现过程,讨论了它们在MEMS各向异性湿法刻蚀工艺仿真计算中的应用,阐述了应用特点。使用树状结构搜索算法实现了加工仿真程序,以（111）晶面的原子移除过程为例,解释了蒙特卡罗法在刻蚀中的计算特点。开发的系统模拟了（311）晶面在KOH刻蚀中表面形貌的演化过程,刻蚀面能够很好地再现出表面的微观特征。基于KLS的方法能对湿法硅微结构工艺进行仿真计算,不同刻蚀阶段的微结构能与实验结果相一致,较为合理准确。     

单晶锗各向异性对加工表面粗糙度的影响

为了减少锗组件加工时易发生断裂破坏和加工表面质量不均一问题,从单晶锗结构的各向异性特征出发,研究了单晶锗材料解理面和滑移面上的应力变化;给出晶体取向对切屑脆-韧去除方式影响程度的判据;建立了单晶锗任意晶面的解理面和滑移面上应力计算模型;分析了单晶锗车削表面粗糙度以及切削力的各向异性分布规律。并对典型晶面及任意晶面的切屑脆-韧去除方式和晶向之间关系进行了计算。通过切削试验,验证了模型和判据的正确性。     

基于分子动力学的原子力显微镜表面成像

基于非接触式原子力显微镜针尖扫描成像机理,应用分子动力学方法采用非刚性针尖-表面原子团簇相互作用模型,模拟超低温环境下,非接触式原子力显微镜单晶硅针尖扫描单晶硅(111)-(7×7)表面成像过程.仿真计算采用两种原子间经验势函数描述针尖-表面原子间相互作用,两种晶向针尖末端模型都实现了对单晶硅(111)-(7×7)表面原子级分辨率仿真成像,在某些超原子级分辨率仿真图像中在单晶硅(111)-(7×7)表面Adatom原子位置出现了的双月牙峰形结构,模拟计算与成像试验文献中得到的图像基本一致.同时对采用确定的势函数及确定的晶向针尖末端,实现稳定成像的扫描针尖-表面距离进行讨论.扫描过程中针尖和被测表面形貌轻微改变,对扫描成像结果影响不大.     

反应离子刻蚀的模型及仿真

介绍了反应离子刻蚀的二维模型,模型包括各项同性刻蚀和各向异性刻蚀两部分.为模拟反应离子刻蚀过程中材料的表面轮廓,采用线算法和元胞算法的混合算法,用C++编写计算机模拟软件.模型中的参数随反应离子刻蚀工艺参数的变化而变化,由实验提取.软件可以模拟任意起始条件下不同材料的刻蚀形貌.给出的模拟结果与实验结果吻合.     

KDP晶体三倍频晶面微观力学行为及加工性能

为了揭示磷酸二氢钾(KDP)晶体三倍频晶面微观弹塑性力学行为及加工性能,开展了纳米压痕研究。建立了KDP晶体三倍频晶面各向异性力学模型,基于光滑粒子流体动力学(SPH)方法对纳米压痕进行了数值仿真并完成了纳米压痕测试实验。实验结果表明:实验与仿真计算的载荷-压入深度关系曲线的相关系数为0.996 328,吻合度较高,验证了力学模型的正确性,得出KDP晶体三倍频晶面的屈服强度为240MPa。数值仿真结果显示:由于材料的各向异性,工件内部应力呈不规则圆弧状分布;载荷大小与等效应力影响深度呈近似线性递增关系;材料表面等效塑性应变分布形状与压头投影面几何形状相类似,存在复映效果。当载荷小于2mN时,各压头的残余应力深度差异性较小(小于0.2μm);随着载荷逐渐增大,这种差异不断扩大。得到的结果为实现KDP晶体三倍频晶面的高效低损伤加工提供了理论支撑。     

单晶硅多晶面表面波波速曲线超声测量方法

随着晶体材料在航空航天、交通、电子电气工程、能源和环保等领域的广泛应用,对材料特殊性能的研究和检测工作也提出了新的要求。基于声波在材料中传播特性与材料力学性能之间的本构关系,建立单晶硅弹性常数矩阵与表面波波速之间关系的声弹性理论模型,并利用晶面的转换矩阵得到不同晶面下,表面波波速随角度变化的理论曲线。基于线聚焦超声换能器、高精度散焦测量系统和V(f,z)分析法获得单晶硅三个晶面沿不同角度的表面波波速变化曲线,试验测量结果与理论曲线相吻合,表明超声显微镜技术在各向异性材料表面波波速测量方面具有很高的精确度和可靠性。同时,论文还研究了单晶硅的晶体结构与表面波波速之间内在对应关系,为单晶硅等各向异性材料的性能检测与评价奠定了理论与试验基础。     

环保型缓蚀剂壳寡糖对304不锈钢化学机械抛光的影响

为研究环保型缓蚀剂壳寡糖对304不锈钢化学机械抛光过程和抛光效果的影响,探讨其在抛光过程中与金属表面的作用方式及吸附机制,采用化学机械抛光试验、接触角测量、扫描电子显微镜(SEM)和X-射线色散能谱仪(EDS)分析等方法,研究壳寡糖有机分子对304不锈钢化学机械抛光的影响,采用量子化学计算研究壳寡糖分子的全局反应参数,分析计算反应活性位点,采用分子动力学模拟有机分子在金属表面的吸附并分析活性原子的径向分布。结果表明：CMP抛光过程中添加壳寡糖能够通过吸附作用在304不锈钢表面形成一层疏水性的薄膜,抑制氧化剂对不锈钢表面的刻蚀,提高抛光后的表面质量;在壳寡糖质量浓度为400 mg/L时得到表面粗糙度为1.65 nm的最佳表面质量。量子化学研究表明,壳寡糖的活性反应位点主要为O原子,能够在金属表面形成多中心吸附。分子动力学模拟表明,壳寡糖有机分子能够平行吸附在金属表面,有机分子中的O原子能够与铁原子形成配位键,在吸附中占据主导地位。     

复合湿法腐蚀工艺制备硅基三维曲面

提出了将各向异性湿法腐蚀与各向同性湿法腐蚀相结合的复合工艺,通过控制刻蚀工艺参数进行体硅加工,成功刻蚀了硅基材料三维曲面回转体结构.在各向同性腐蚀过程中,由各向异性刻蚀得到的多面体结构的表面垂直腐蚀速率与刻蚀液浓度呈指数关系,而搅拌使得多面体结构表面峰值与谷底的刻蚀液存在流速差,基于此原理可得到光滑的三维曲面.刻蚀过程中,通过各向异性湿法腐蚀控制结构深度,通过各向同性湿法腐蚀"抛光"结构曲面.最后,采用实验优化湿法腐蚀过程的工艺参数,基于直径为600～1 000 μm的圆形掩模板,在硅材料表面制备得到了高度为100～200μm的三维曲面回转结构.提出的工艺简单、有效且便于操作,有望用于制作不同曲面形状的三维硅结构及聚合物光学器件模具.     

各向异性湿法刻蚀z切石英后结构侧壁形貌的预测

基于石英晶体各晶面的湿法刻蚀速率,研究了石英微结构侧壁形貌的预测方法,讨论了各向异性湿法刻蚀石英的规律.首先,总结了石英各主要晶面的相对刻蚀速率,分别绘制了x、y族刻蚀速率矢量图.然后,在掩模层的边缘处,通过绘制相应的晶面刻蚀速率矢量图,得到各速率矢量的晶面线,晶面线所围成的最小轮廓即是石英微结构的刻蚀形貌.最后,利用该方法预测了x向和y向石英梁的侧壁形貌.在70℃的氢氟酸和氟化铵混合溶液内刻蚀5h,制作了厚度均为500μm的x向和y向两种石英微梁.结果显示,y向梁的-x向侧壁有一均匀整齐的晶棱,棱高210 μm,而+z向侧壁平滑.x向梁的侧壁均有晶棱,+y向晶棱较大,棱高为450 μm,-y向晶棱棱高为240 μm.所制作梁的侧壁形貌与预测结论基本吻合,验证了预测方法的正确性.基于该方法可在石英微结构的设计阶段,通过引入工艺因素对微结构进行优化.