Wawasan Skala Atom tentang Deformasi Geser dan Keakinan Mekanis Nanometri 6H-SiC
Abstrak
Memahami deformasi skala atom dan penghapusan materi 6H-SiC sangat penting untuk menghasilkan permukaan halus ultra, bebas kerusakan, dengan langkah atom. Karena pengamatan langsung zona mesin nano adalah di luar jangkauan eksperimental saat ini, kami menggunakan simulasi dinamis molekuler skala besar untuk menangkap fenomena kunci seperti geser dislokasi, transisi fase, dan pemisahan materi. Studi ini secara sistematis mengeksplorasi bagaimana anisotropi kristalografik mempengaruhi deformasi geser dan keakinan mekanis nanometri, memperkaya pengetahuan dasar yang diperlukan untuk pemrosesan presisi 6H-SiC.
Pendahuluan
Karba silikon (SiC) adalah sumbu teknologi semikonduktor generasi ketiga, dihargai karena bandgap lebar, medan breakdown tinggi, toleransi radiasi yang baik, saturasi kecepatan pembawa muatan yang tinggi, konduktivitas termal yang luar biasa, konstanta dielektrik rendah, dan stabilitas kimia yang kuat. Atribut ini membuat SiC tidak tergantikan dalam aplikasi optoelektronik suhu tinggi, frekuensi tinggi, daya tinggi, anti-radiasi, dan panjang gelombang pendek, termasuk rettifier Schottky, thyratron, dan MOSFET.
Di antara politipe SiC, 3C, 4H, dan 6H adalah yang paling banyak digunakan. Pemesinan konvensional—gerinda, pelapisan, dan pengupasan—tetap menjadi jalur pembuatan utama untuk SiC kristal tunggal. Namun, rasio kekerasan antara berlian dan SiC (~2:1 untuk kedalaman pemrosesan <50 nm) kurang dari rasio yang direkomendasikan 5:1, yang mengakibatkan aus alat yang dipercepat dan kerusakan subsurface yang mengurangi kualitas wafer. Penelitian luas pada 3C-SiC telah menjelaskan mekanisme deformasi plastik, aus alat, perilaku gesekan, anisotropi, dan efek suhu selama pemotongan. Sebaliknya, 6H-SiC, dengan tumpukan ABCACB yang kompleks dan bandgap 3 eV, telah mendapat perhatian yang relatif lebih sedikit, meskipun maturitas teknologis yang superior dan prevalensi industri.
Untuk meningkatkan integritas permukaan dan subsurface 6H-SiC, sangat penting untuk mengidentifikasi permukaan kristal (permukaan pemesinan) dan orientasi (arah pemesinan) yang optimal yang meminimalkan kerusakan sambil memaksimalkan efisiensi pengapusan. Eksperimen garis dan simulasi adalah alat standar untuk menyelidiki pengapusan materi pada skala nano, memberikan wawasan yang memandu pemesinan abrasif. Di sini, kami menggunakan simulasi gerakan molekuler untuk membedah pengaruh anisotropi kristalografik terhadap keakinan mekanis nanometri 6H-SiC.
Metodologi
Semua simulasi pemotongan dilakukan dengan Large-Scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator (LAMMPS). Visualisasi model dan identifikasi cacat menggunakan OIVTO dan algoritma deteksi struktur berlian. Benda kerja dan alat dimodelkan sebagai tubuh yang dapat berubah bentuk sepenuhnya, memungkinkan kami untuk menangkap evolusi aus selama gerakan. Setiap model terdiri dari lapis batas, lapis termostat, dan wilayah Newtonian. Atom dalam lapis batas di bawah dan kanan benda kerja diperbaiki; sisa atom mematuhi hukum kedua Newton. Batas periodik diterapkan sepanjang arah y. Sebelum gerakan, relaksasi NVE 50 ps dengan termostat Berendsen memastikan keadaan energi yang stabil.
Ujung abrasif adalah piramida segitiga mahkoma bola dengan sudut tepi-ke-tepi 90°. Kami memilih tiga permukaan 6H-SiC paling umum—basal (a-plane), prismatik (m-plane), dan c-plane—sebagai permukaan pemesinan. Mempertimbangkan simetri kristal, kami memeriksa enam kombinasi permukaan/orientasi: (0001)/[2‑1‑1‑0], (0001)/[10‑1‑0], (01‑1‑0)/[2‑1‑1‑0], (01‑1‑0)/[0001], (11‑2‑0)/[1‑1‑00], dan (11‑2‑0)/[0001]. Parameter simulasi tercantum dalam Tabel 1. Sebelum gerakan, abrasif ditempatkan 50 Å di bawah permukaan atas, 30 Å dari benda kerja, di luar radius potensi interatomik. Abrasif bergerak ke arah +x untuk menyelesaikan gerakan.
a Model MD simulasi gerakan nano. b Morfologi alat. c Struktur model. d Arah sumbu
Diagram skema proses gerakan, di mana a–f sesuai dengan (0001)/[2‑1‑1‑0], (0001)/[10‑1‑0], (01‑1‑0)/[2‑1‑1‑0], (01‑1‑0)/[0001], (11‑2‑0)/[1‑1‑00], dan (11‑2‑0)/[0001] masing-masing
Potensi urutan ikatan analitik (ABOP) yang dikembangkan oleh Erhart dan Albe dipilih untuk mendeskripsikan interaksi Si–Si, C–C, dan Si–C karena akurasinya yang terbukti untuk properti mekanis dan mekanisme pengapusan SiC. Parameter diberikan dalam Tabel 2.
Hasil dan Pembahasan
Analisis Keakinan Mekanis Nanometri
Gambar 3 dan 4 menunjukkan bahwa anisotropi 6H-SiC secara kuat mempengaruhi keakinan mekanis nanometri—kedalaman pemesinan, mode pengapusan, jumlah materi yang diapus, dan kedalaman kerusakan subsurface (SSD). Dengan menghubungkan permukaan pemesinan dan arah ke bidang basal/sumbu c, kami mengklasifikasikan mode pemrosesan menjadi tiga grup: (i) bidang basal sebagai permukaan pemesinan; (ii) bidang basal tegak lurus terhadap permukaan dengan sumbu c tegak lurus terhadap arah pemesinan; dan (iii) sumbu c sejajar dengan arah pemesinan.
Topografi permukaan pemesinan di bawah berbagai kondisi bidang kristal/orientasi, di mana a–f sesuai dengan (0001)/[2‑1‑1‑0], (0001)/[10‑1‑0], (01‑1‑0)/[2‑1‑1‑0], (01‑1‑0)/[0001], (11‑2‑0)/[1‑1‑00], dan (11‑2‑0)/[0001]
Keakinan mekanis nanometri di bawah berbagai kondisi bidang kristal/orientasi. a menunjukkan pengaruh anisotropi terhadap kedalaman pemesinan dan kedalaman kerusakan; b mengilustrasikan jumlah pengapusan, aus, dan rasio pengapusan. Angka 1–6 sesuai dengan metode pemrosesan yang tercantum di atas. Kedalaman lapis kerusakan mewakili kedalaman maksimum defek kristal internal yang disebabkan oleh gerakan. Kedalaman teoretis adalah kedalaman pengapusan yang diatur, sementara kedalaman pemesinan adalah kedalaman sisa setelah gerakan. Jumlah pengapusan adalah jumlah atom yang diapus dari benda kerja, dan jumlah aus adalah perbedaan jumlah atom abrasif sebelum dan setelah gerakan.
Observasi kunci:
Mode (0001)/[2‑1‑1‑0] dan (0001)/[10‑1‑0] menghasilkan keakinan mekanis yang serupa, tetapi yang terakhir mendukung mode pengaprus rapuh.
Mode (01‑1‑0)/[2‑1‑1‑0] dan (11‑2‑0)/[1‑1‑00] mencapai kedalaman pemesinan dan tingkat pengapusan yang lebih tinggi. Untuk kedalaman teoretis 5 nm, (11‑2‑0)/[1‑1‑00] menghapus materi 3,4 × lebih banyak daripada (01‑1‑0)/[0001], dengan rasio pengapusan-terhadap-aus sebesar 10,1, meskipun SSD 2,3 × lebih besar daripada (0001)/[10‑1‑0]. Mode ini cocok untuk pemrosesan nanogroove dengan throughput tinggi di mana kerusakan subsurface dapat diterima. Sebaliknya, (01‑1‑0)/[0001] menawarkan tingkat pengapusan yang dapat dibandingkan tetapi hanya 50 persen SSD, menghasilkan groove yang lebih halus dan lebih kuat secara mekanis—ideal untuk pemesinan presisi.
Ketika arah pemesinan sejajar dengan sumbu c, ujung abrasif aus parah pada awalnya, yang mengakibatkan tingkat pengapusan lebih rendah (≈1,0) dan SSD lebih tinggi. Meskipun mode ini menunjukkan daya tahan aus yang baik, mereka tidak direkomendasikan untuk pembuatan groove mikro-nano tetapi dapat berharga untuk mendesain muka serap alat pemotong.
Analisis Gerakan Geser dan Distribusi Kerusakan Subsurface
Senggaman geser τ_ss pada bidang geser adalah τ_ss=σ_cont·m, di mana σ_cont adalah senggaman kontak dan m adalah faktor Schmid. Sistem koordinat global tetap sementara sistem lokal mengikuti orientasi kristal.
Selama gerakan, muka serap mendominasi kontak sampai aus parah ujung menggeser kontak utama menjadi komposit dari muka serap dan atas ujung, mengubah arah beban. Arah beban adalah f₁=(1,0,−√2) untuk muka serap dan f₂=(0,0,−1) untuk atas ujung.
Gambar 6a dan 6b menunjukkan bahwa, untuk (0001)/[2‑1‑1‑0] dan (0001)/[01‑1‑0], geser terutama terjadi pada (0001)/<11‑20>, menghasilkan kristal nano dan distorsi jaringan yang meluas ke subsurface. Fase amorf mencakup seluruh permukaan pemesinan, dengan kedalaman dislokasi yang cocok dengan lapis distorsi jaringan.
Potongan lintang area pemesinan: D dislokasi, A fase amorf, SCF bentuk kristal tunggal, O cacat lainnya. Label a–f sesuai dengan enam mode pemrosesan.
Ketika arah pemesinan sejajar dengan sumbu c, aus ujung yang parah mendorong geser prismatik selama gerakan stabil. Dalam (01‑1‑0)/[0001], geser silang simetris pada <1‑2‑10> dan <−1‑1‑20> (60° terpisah) meminjam geser, membatasi SSD ke
Secara keseluruhan, kerusakan subsurface terutama terdiri dari dislokasi, distorsi jaringan (torsi/geser), dan fase amorf. Deformasi geser, tidak kristalisasi, dan distorsi jaringan tidak teratur mengatur respons mekanis 6H-SiC selama pemesinan nano.
Distribusi kerusakan permukaan/subsurface yang diproses. a potongan lintang xy. b potongan lintang xz
Kesimpulan
Kami telah menggambarkan mekanisme deformasi dan keakinan mekanis nanometri 6H-SiC di berbagai kombinasi permukaan/arah kristal. Temuan utama kami adalah:
Respons gerakan nano 6H-SiC dikendalikan oleh kombinasi transisi fase amorf, distorsi jaringan, dan geser dislokasi. Kedalaman garis dislokasi menentukan kerusakan subsurface.
Mode pemrosesan (01‑1‑0)/[2‑1‑1‑0] memberikan tingkat pengapusan yang tinggi dengan aus alat yang minimal, menjadikannya ideal untuk pemesinan permukaan. Sebaliknya, bidang basal dan sumbu c mewakili permukaan dan arah yang paling sulit, yang memberikan panduan untuk desain alat pemotong.
Ketersediaan Data dan Bahan
Semua data yang dihasilkan atau dianalisis selama studi ini disertakan dalam artikel.
Singkatan
A:
Fase amorf
ABOP:
Potensi urutan ikatan analitik
D:
Dislokasi
d:
Ketebalan chip yang tidak terbentuk
GSF:
Energi kesalahan tumpukan umum
LAMMPS:
Simulator paralel massal skala besar atom/molekul
MD:
Dinamika molekuler
MOSFET:
Transistor efek lapangan logam-oksida-semikonduktor
