一种碳化硅衬底研磨表面残余应力动态仿真预测方法

本发明涉及半导体材料精密加工，尤其涉及一种碳化硅衬底研磨表面残余应力动态仿真预测方法。

背景技术：

1、单晶碳化硅作为第三代半导体中的典型材料，具有禁带宽度大、击穿电场高、饱和电子漂移速率高和热导率高等特点，常用于制造5g射频器件和高电压功率器件。为了获得优异的表面平整度和光洁度，通常需要采用研磨抛光进行平坦化加工。然而，单晶碳化硅具有较低的断裂韧性和较高的硬度，属于典型的难加工材料，导致其在加工过程中不可避免地产生表面残余应力，显著影响材料性能和器件的可靠性。准确预测碳化硅研磨表面残余应力，对提升碳化硅研磨生产质量和可靠性具有重要意义。

2、在残余应力预测方面，基于有限元仿真的模拟建模方法因能够细致刻画磨粒与材料相互作用的微观过程而受到关注，该类方法通常采用jh-2本构模型描述碳化硅的力学响应，并通过建立单磨粒划痕的有限元模型来仿真磨削力、表面应力和裂纹损伤。然而，现有的仿真方法存在如下不足：（1）jh-2本构模型参数通常直接沿用经验取值或文献值，未针对具体研磨工况校准，导致仿真结果与真实加工之间存在系统性偏差；（2）现有研究主要基于单颗磨粒的压入/划擦模型，通过分析单次接触的力学响应来估算残余应力分布，未考虑实际研磨中磨粒运动轨迹之间的干涉效应，难以真实反映残余应力分布；（3）在研磨过程中，设备性能、研磨垫磨损、磨粒状态等均随加工时间动态演变，表现出时变、复杂的特性；然而，传统的仿真模型多依赖实验与静态验证的方式获得模型参数，难以有效描述时变特性，导致建模存在不完整不精准的问题。上述问题均导致预测精度有所下降。

3、因此，亟需一种预测精度更高的仿真模型建模方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种碳化硅衬底研磨表面残余应力动态仿真预测方法，旨在解决背景技术中预测精度不高问题。

2、为了达到上述的目的，本发明提供了一种碳化硅衬底研磨表面残余应力动态仿真预测方法，其包括以下步骤：s1、本构模型修正与仿真结果库建立：采用贝叶斯优化方法对碳化硅的本构模型进行修正，以修正后的本构模型执行单磨粒划痕和双磨粒干涉划痕的abaqus显式动力学仿真，建立仿真结果库，仿真结果库的仿真因素包括磨粒直径、磨粒速度、磨粒加载深度和干涉角度，仿真结果库的仿真结果包括单磨粒残余应力和双磨粒干涉残余应力；s2、游离磨粒离散轨迹点建模：根据研磨工艺参数，基于行星差动轮系运动学建立游离磨粒相对于碳化硅衬底的运动轨迹模型，引入研磨随机系数以表征游离磨粒的随机漂移特性，对运动轨迹模型进行多次重复运行，逐帧采样有效磨粒相对于衬底坐标系的时序位置并取统计均值，以统计均值集成得到有效磨粒在研磨过程中相对于衬底坐标系的离散轨迹点集，每个离散轨迹点对应1次磨粒加载；s3、残余应力静态映射：对碳化硅衬底表面进行网格单元划分，网格单元划分的标准需满足使任一网格单元内的磨粒加载次数n不大于2且所有网格单元的外接圆尺寸需小于相邻的离散轨迹点的间距，根据离散轨迹点集赋予每个网格单元在研磨过程中的磨粒加载次数n，将所有网格单元进行分类并分别映射残余应力：n=0的为未接触单元，赋值零残余应力或初始残余应力；n=1的为单次加载单元，提取该单次加载单元内的单颗磨粒的磨粒直径、磨粒速度和磨粒加载深度，在仿真结果库的单磨粒残余应力结果数据中插值得到该单次加载单元对应的残余应力并赋值；n=2的为干涉加载单元，追溯该干涉加载单元内的两次磨粒加载事件，根据两次磨粒加载事件所对应的磨粒运动方向计算干涉角度，提取两颗磨粒的磨粒直径、磨粒速度、磨粒加载深度并取均值，结合干涉角度，在仿真结果库的双磨粒残余应力结果数据中插值得到该干涉加载单元对应的残余应力并赋值；随后对整个研磨表面的残余应力场进行高斯平滑处理，获得静态仿真预测结果；s4、残差补偿模型建立：对碳化硅衬底进行研磨实验，测量得到残余应力的实验测量值；以研磨实验的工艺参数开展步骤s1至s3的模拟仿真，得到残余应力的实验静态仿真预测值；采集实验过程中的声发射信号和振动信号，对声发射信号和振动信号进行预处理与特征提取，筛选出与残余应力具有高敏感性的敏感特征，以工艺参数和敏感特征构成输入向量，以实验测量值与实验静态仿真预测值的残差为输出标签，构建训练样本集，并以灰狼优化算法寻优高斯过程回归模型的核函数超参数，训练得到gwo-gpr残差补偿模型；s5、研磨在线动态仿真预测：在对碳化硅衬底进行产线研磨生产时，以研磨生产的工艺参数开展步骤s1至s3的模拟仿真，得到在线静态仿真预测值，同步采集生产过程中的声发射信号和振动信号，通过gwo-gpr残差补偿模型输出残差，对在线静态仿真预测值进行残差叠加补偿，得到在线动态仿真预测结果。

3、进一步地，在步骤s1中，碳化硅的本构模型采用jh-2，被修正的参数包括b、m、d1和d2，贝叶斯优化方法采用metropolis-hastings采样策略对参数的后验分布进行优化，并以纳米压痕实验获得的力学数据作为校准依据。

4、进一步地，在步骤s1中，仿真结果库的建立方法为，取磨粒直径、磨粒速度、磨粒加载深度和干涉角度作为四个输入因子，各个输入因子设置为五个水平，采用l25正交试验表编排完成仿真结果库的建立。

5、进一步地，在步骤s1中，仿真结果库的输入因子水平分别设置为：磨粒直径∈{2,4,6,8,10}μm、磨粒速度∈{0.2,0.4,0.6,0.8,1.0}m/s、磨粒加载深度∈{0.2,0.4,0.6,0.8,1.0}μm、干涉角度∈{0°,30°,45°,60°,90°}。

6、进一步地，在步骤s2中，研磨随机系数取γ∈[0,1]，γ=0表示磨粒严格贴合研磨垫运动，γ=1表示磨粒完全游离随机漂移。

7、进一步地，在步骤s2中，对运动轨迹模型进行重复运行的次数不少于50次。

8、进一步地，在步骤s3中，对碳化硅衬底表面进行网格单元划分的方法为，以网格单元的外接圆尺寸小于相邻的离散轨迹点的间距0.01mm为基准，每次减少0.01mm的方式递减试算，当某一级尺寸下全部网格单元的磨粒加载次数n不大于2时，将该级尺寸固定为划分尺度。

9、进一步地，在步骤s3中，对碳化硅衬底表面进行网格单元划分的方法为，先以网格单元的外接圆尺寸小于相邻的离散轨迹点的间距0.01mm进行初始划分，然后判断各网格单元的磨粒加载次数n是否不大于2，对于磨粒加载次数n大于2的网格单元则对其作进一步划分，直至所有网格单元的磨粒加载次数n均不大于2。

10、进一步地，在步骤s3中，磨粒直径取实际研磨液中金刚石的平均粒度；磨粒速度由运动轨迹模型进行求解；磨粒加载深度根据压痕硬度原理计算得到；干涉角度通过计算两颗磨粒所对应的两条划痕朝向之间的夹角得到。

11、进一步地，在步骤s4中，构成输入向量的工艺参数包括研磨压力、研磨液浓度、研磨盘转速和太阳轮转速，构成输入向量的敏感特征包括z轴振动信号的波形因子、峰值因子、峭度因子和重心频率以及声发射信号的波形因子、峰值因子、峭度因子和重心频率。

12、本发明所提供的一种碳化硅衬底研磨表面残余应力动态仿真预测方法，相比于现有技术，其具有以下好处：

13、（1）其利用贝叶斯优化方法对本构模型进行修正，消除了经验参数带来的系统性偏差，使仿真结果更贴近真实；

14、（2）其基于行星差动轮系运动学建立游离磨粒离散轨迹点集，并通过网格单元的加载次数对衬底表面进行了不同加载情况下的分类，各类网格单元采用不同方式映射残余应力，充分考虑了实际研磨中磨粒轨迹的干涉效应，显著提升了残余应力预测的真实性与精度；

15、（3）其引入了声发射信号和振动信号的在线特征，建立gwo-gpr残差补偿模型，对静态仿真预测结果进行动态残差叠加补偿，有效描述了研磨过程的时变特性，实现了从静态仿真预测到动态仿真预测的跨越，满足产线实时预测需求。