答辩博士：周飘

指导老师：朱永伟教授

论文题目：固结磨料抛光单晶SiC的纳米尺度材料去除 

答辩委员会：

主席：沈湘黔 教授  江苏大学

委员：孙序泉 研究员 南京数控机床有限公司

     宋胜利 教授  陆军工程大学

左敦稳 教授  南京航空航天大学

     卢文壮 教授  南京航空航天大学

孙玉利 教授  南京航空航天大学

朱永伟 教授  南京航空航天大学

秘书：李 军 教授  南京航空航天大学

答辩时间：2021年01月21日15：00

答辩地点：南航明故宫校区15#341

学位论文简介：

碳化硅(SiC)作为第三代宽禁带半导体材料，因具有优良的物化特性，被广泛应用于集成电路、新能源汽车、航空航天等领域。高的加工质量是SiC基器件保持优良特性的保障。但SiC晶片的高硬脆性与强化学惰性特点，使其获得光滑无损表面倍显困难。为了实现SiC晶片的高效低损伤加工，固结磨料抛光技术是不二之选，而目前基于其的理论研究尚不完善。本文提出采用分子动力学（MD）模拟方法从纳米尺度研究固结磨料抛光的去除及磨粒磨损特性，探究磨粒分布、晶片缺陷及抛光环境的变化对SiC加工质量及去除的影响规律，阐述最小切削厚度及跨尺度极限加工特性，制备微纳刻划的新工具并验证MD模拟仿真结果的正确性。MD模拟为完善超精密纳米尺度加工理论及指导抛光工艺提供新的方法。

论文完成的主要工作和取得的成果如下：

（1）系统性研究了SiC晶片与金刚石磨粒相互作用过程中，SiC晶片表层微区结构变化、去除特性及磨粒磨损类型；探讨了选用ABOP势函数的金刚石磨粒发生石墨化磨损的临界温度。揭示了纳米刻划过程中SiC晶片的去除特性及金刚石磨粒的磨损特性。

（2）分析了纳米刻划过程中磨粒有序排布下晶片表面质量、亚表面损伤及去除效率的变化规律；研究了磨粒随机分布对材料表面质量及亚表面损伤的影响；阐述了磨粒在重复刻划区域的相互作用机制。获得了不同磨粒排布对材料加工效率及加工质量的影响规律。

（3）探究了空位、台阶等原生缺陷及划痕等加工缺陷的存在对晶片表层微区结构相变、去除特性及磨粒石墨化磨损的影响。获得了不同缺陷的存在对材料加工效率及加工质量的影响规律。

（4）研究了水膜厚度和外载荷变化对材料表面不平度、亚表面损伤及去除效率的影响规律；分析了机械作用下固-液界面的变化情况。揭示了机械作用下SiC晶片与水膜层界面间的演化特性。

（5）研究了最小切削厚度与磨粒粒径的相关关系，创新性地提出树脂固结金刚石线锯的实验方法实现不同出露高度磨粒的单次刻划，验证了分子动力学模拟仿真结果的正确性。另外，获得了磨粒跨尺度极限加工的材料变形特性。

主要创新点：

（1）建立了基于分子动力学模拟方法的固结磨料抛光加工评价体系。

（2） 提出了不同磨粒分布状态对晶片表层微区结构损伤和去除的影响规律。研究内容更接近抛光实际，为固结磨料抛光垫的设计及优化提供了理论基础。

（3）揭示了不同缺陷类型的存在对SiC晶片去除及磨粒磨损的影响规律。完善了纳米精度加工理论。实现了基于分子动力学模拟方法研究水润滑环境中SiC晶片纳米刻划去除过程中的界面结构演化及机械去除特性。丰富了研究超硬脆材料在介质环境中纳米加工特性的新方法。

（4）提出了新的验证分子动力学模拟纳米加工的新方法。制备树脂固结金刚石线锯的新工具，实现多磨粒单次纳米刻划的目标。实现了磨粒的跨尺度极限加工。阐明了跨尺度极限加工的去除特性，为固结磨料抛光的高效无损加工提供了理论指导。