[发明专利]一种薄基片厚度方向残余应力分布获取方法

说明书

本发明涉及一种薄基片厚度方向残余应力分布获取方法，包括：建立磨粒磨削分子动力学初始构型，得到三维尺寸分子动力学仿真模型；确定仿真参数，完成系统环境设置；对分子动力学模型进行散热处理，输出散热各个时刻粒子的位置与应力信息；选取规避边界的区域粒子，计算该区域各个粒子的等效应力，表征粒子残余应力；对所选区域残余应力进行厚度方向上的分析，将所选区域沿厚度方向分成多个层段，求解每个层段的残余应力，获得残余应力在厚度方向上的分布，得到残余应力最大值位置。本发明在分子动力学模拟磨粒磨削结束后进行了散热处理，消除了仿真磨削过程中热应力对残余应力的影响，可以直接准确得到粒子残余应力计算的相关信息。

技术领域

本发明涉及残余应力测试技术领域，尤其是一种薄基片厚度方向残余应力分布获取方法。

背景技术

残余应力是指物体在不受外力作用状态下或受外力卸载后，物体内部存在的保持自相平衡的应力系统。薄基片为力学中的薄板，其厚度尺寸远小于平面尺寸，如集成电路制造中的大直径超薄硅片，即直径大于200毫米，厚度小于2微米。在薄基片超精密磨削过程中，不可避免地产生残余应力，而残余应力是薄基片变形的直接原因，残余应力的存在严重影响了薄基片的使用性能和使用寿命，因此，有效地测量薄基片的残余应力及其分布具有重要意义。目前，残余应力的测量主要有检测法与计算法。

检测法主要有高分辨率的x射线衍射分析法和显微拉曼光谱法。高分辨率的x射线衍射分析法是将高分辨率的X射线入射到晶体中，基于布拉格定律，通过对比在有无残余应力时的晶格间距的变化值，结合结晶学理论计算残余应力大小。显微拉曼光谱法是基于非弹性散射原理的拉曼效应，将入射光聚焦到样品上，通过入射光与拉曼散射光频率之间的差值(即拉曼频移)来确定分子结构与应力状态。计算法最常用的是基于薄基片整体变形求解薄基片残余应力，该方法独立于薄基片厚度和直径，计算获得损伤层厚度与残余应力的乘积值，表征的是损伤和残余应力的综合作用。

薄基片残余应力的计算法建立在损伤层残余应力均匀分布的前提下，检测法的应力也是一定厚度层的平均应力。实际上，超精密磨削后薄基片的损伤层构成复杂，在厚度方向上残余应力是非均匀分布的。现阶段，薄基片厚度方向上残余应力分布的探究很少，主要是结合薄基片表面层检测法与分步腐蚀或切块的有损方式。北京工业大学孙敬龙采用分步腐蚀与显微拉曼光谱仪测量相结合的方法测量薄基片厚度方向上不同位置的残余应力，但结果反映的是加工损伤的微观组织结构变化，不同位置的测量值波动比较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够快速获得薄基片在厚度方向上残余应力分布，同时获得最大应力的位置的薄基片厚度方向残余应力分布获取方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种薄基片厚度方向残余应力分布获取方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)建立磨粒磨削分子动力学初始构型，得到三维尺寸分子动力学仿真模型，所述磨粒磨削分子动力学初始构型包括磨粒粒子与工件粒子；

(2)确定仿真参数，完成系统环境设置，其中系统环境包括系统温度、系综、工件粒子初始速度、粒子初始位置、势函数、边界条件、数值积分算法、积分时间步长和模型晶向；进行磨粒磨削分子动力学模拟，并对模拟输出信息进行后处理；

(3)磨粒磨削结束后对分子动力学模型进行散热处理，输出散热各个时刻粒子的位置与应力信息；

(4)根据散热输出的粒子信息，截取单时间步的粒子信息，选取规避边界的区域粒子，计算该区域各个粒子的等效应力，表征粒子残余应力；

(5)对所选区域残余应力进行厚度方向上的分析，将所选区域沿厚度方向分成多个层段，求解每个层段的残余应力，获得残余应力在厚度方向上的分布，并得到残余应力最大值位置。

在步骤(1)中，所述工件粒子由牛顿层，固定层，恒温层组成。

在步骤(2)中，所述进行磨粒磨削分子动力学模拟，并对模拟输出信息进行后处理具体包括以下步骤：