4H-SiC晶体各向异性对纳米切削机制的原子尺度研究及其在超精密加工中的应用

本文通过分子动力学(MD)模拟系统研究了4H-SiC（第三代半导体材料）在纳米切削过程中的晶体各向异性效应。研究构建了6种不同晶向的切削模型，揭示了(0001)晶面<1–100>晶向具有最优切削稳定性（切向力降低15%、法向力波动幅度减小20%），并首次发现(1000)晶面亚表面缺陷厚度存在显著各向异性（差异达30%），为半导体功率器件超精密加工（表面粗糙度<1nm）提供了重要理论指导。

　　

Highlight

• 4H-SiC单晶纳米切削显著受晶体各向异性影响。在相同切削深度下，Z组<1–100>晶向展现出更小的平均切向力和法向力（降幅达18%），且切削力波动幅度最低，表现出最优异的切削稳定性。

Cutting force（切削力）

当研究4H-SiC晶体各向异性对切削力的影响时，由于刀具两侧原子力的相互抵消，侧向力F_y始终在0N附近波动。因此本文重点分析了晶体各向异性对切向力F_x和法向力F_z的影响。不同切削深度下各晶向的切向力和法向力对比表明：在a_p=4nm深度时，<2-1-10>晶向产生的切削力波动最为剧烈，而<1–100>晶向则展现出"平滑如丝"的切削力曲线。

Conclusions（结论）

1. 1.

   4H-SiC单晶纳米切削具有显著的各向异性特征。(0001)晶面<1–100>晶向在切削稳定性方面表现最佳，堪称"纳米切削的黄金方向"；

2. 2.

   在a_p=4nm切削深度时，<2-1-10>晶向实现了最小的极限切削深度（较其他晶向降低25%），其产生的切屑分离层更接近加工表面；

3. 3.

   (1000)晶面在亚表面缺陷厚度方面展现出"令人惊讶"的各向异性差异（最大相差3个原子层），这为控制加工损伤提供了新思路。