팁 기반 나노 가공에 대한 분자 역학 연구:검토

시뮬레이션 결과 분석

절단력 분석

절삭력은 절삭 현상을 이해하는 데 중요한 물리적 매개변수인 재료 제거 프로세스 및 진화의 결함을 명확하게 반영할 수 있습니다[19, 63, 64]. 또한 절삭력은 절삭력 및 공구 수명과 밀접한 관련이 있어 TBN 가공 공정에서 지침을 제공할 수 있다[65]. TBN 공정에서 절삭력은 주로 힘 보정 방법으로 평가되지만 이 방법으로는 횡력을 구할 수 없었다[66, 67]. 분자 역학 기술을 사용하여 횡력과 접선력을 포함한 절삭력의 변화를 전체 공정에서 실시간으로 관찰할 수 있습니다[68]. 또한 MD 시뮬레이션 방법을 통해 평균 힘과 합력을 구할 수도 있습니다.

절삭력 변동을 분석하더라도 다양한 재료 구조의 차이와 가공 매개변수가 TBN 공정에 미치는 영향을 반영할 수 있습니다. Li et al. 단결정 Cu에 비해 다결정 Cu에 대한 스크래치에 대한 더 높은 힘이 발견된 것은 팁이 다른 결정 방향의 한 입자에서 다른 입자로 이동할 때 표면 입자의 이방성이 공작물과 팁 사이에 거의 영향을 미치지 않는다는 사실에 기인합니다. 안정적인 소성 흐름은 단일 배향 시스템으로 인해 단결정 Cu의 재료 제거에서 나타납니다[25]. 또한 나노스크래칭 속도가 높을수록 더 많은 칩이 생성되기 때문에 다른 결정 구조에 대한 절단력이 절단 속도의 증가에 따라 증가한다는 것이 밝혀졌습니다[69]. 반대로, 절삭력의 변화는 SiC의 긁힘 공정에서 불리한 거동을 나타냅니다. 그 이유는 더 높은 속도가 더 많은 비정질 결정 구조 원자를 생성할 수 있고, 이는 SiC 재료를 더 연성 및 제거하기 쉽게 만들기 때문입니다[70]. Yanet al. MD 시뮬레이션 방법을 사용하여 Cu/Ni 이중층의 가공성을 조사하고 Ni-Cu 이중층의 힘이 Cu, Ni 및 Cu-Ni 이중층에 비해 더 높다는 것을 발견했습니다. 전파의 장벽으로 [71]. 비정질 폴리머의 경우 가공 특성은 다음과 같이 3가지 측면에서 스크래치 속도에 영향을 받습니다[72]. 첫째, 더 높은 속도에서 생성된 팁 전면의 더 큰 파일업 높이가 더 많은 마찰로 인해 더 큰 접선력으로 이어집니다. 팁에 대한 저항. 그런 다음, 더 높은 속도는 더 높은 변형률로 이어져 재료의 변형 경화를 유발할 수 있습니다. 이것은 또한 절삭 부하의 증가로 이어집니다. 마지막으로 속도가 증가함에 따라 열 연성 효과로 인해 공작물을 보다 쉽게 ​​가공할 수 있어 접선력과 수직력이 감소합니다. 폴리머의 가공 공정에서 절삭력은 속도가 증가함에 따라 증가하는데, 이는 파일업 및 변형률 경화 효과가 긁힘력을 결정하는 데 더 중요한 역할을 함을 나타냅니다. 공작물 재료의 영향 외에도 팁 형상은 가공 공정에서 중요한 역할을 합니다[18, 73, 74]. Ren et al. 원뿔 모양의 팁을 사용하여 절삭 부하에 대한 팁 각도의 영향을 조사했습니다. 팁과 공작물 재료 사이의 접촉 면적 증가로 인해 반정단각이 증가함에 따라 힘이 증가하는 것으로 밝혀졌습니다[21]. 또한 마찰계수는 준첨단부에서 강하게 감소하는 반면 경도는 증가한다[75].

일부 학자들은 또한 특정 가공 조건에서 절삭력의 변화를 조사했습니다. Ren et al. 수층의 두께와 긁힘력의 상관관계를 분석하였다. 수층 두께의 변화에 ​​따른 긁힘력의 변화를 Fig. 3에 나타내었다. 수층이 주로 윤활과 절삭력 감소의 역할을 하는 거대 긁힘 공정과 달리 윤활 효과에 비해 수층의 저항이 지배적이며, 더 두꺼운 수층은 더 큰 총 절삭 부하로 이어집니다[60]. 또한 팁 경사의 영향은 경도(원자당 수직력) 및 마찰 계수의 분석에 의해 논의됩니다[59]. 결과는 일반 경도가 전후 방향에 비해 더 민감하고 팁 측면 기울기의 영향을 무시할 수 있음을 보여줍니다. 또한 수직력에 대한 기울기 효과는 마찰 계수의 변화에 ​​대한 주요 원인이며 스크래치 힘에 대한 기울기 효과는 수직력에 대한 영향보다 훨씬 적습니다.

아 수층 두께의 변화에 ​​따른 평균 긁힘력의 변화:a 접선력 및 b 법선력 [60]

정적 쟁기와 동적 쟁기의 절삭력을 비교하면 메커니즘의 차이가 드러날 수 있습니다. 다이내믹 쟁기 리소그래피의 절삭력은 다이아몬드 팁을 주기적으로 두드리면 크게 진동하지만 정적 쟁기질에서는 약간의 변동이 관찰됩니다. 더욱이, 동적 쟁기의 평균 가공력은 정적 쟁기의 절반보다 작아 동적 쟁기 리소그래피에서 팁 마모가 적음을 나타냅니다[19]. 동적 쟁기질 공정에서 팁 방향은 절삭력에 큰 영향을 미칩니다. Yanet al. 홈 깊이와 쟁기력을 결합하여 가공 효율성을 비교했습니다. 결과는 팁의 측면 전방이 팁의 앞면을 향한 방향과 유사한 쟁기력을 가지지만 동시에 홈 깊이의 2배 이상이기 때문에 최고의 효율성을 보여줍니다[63]. 절삭력 분석을 통해 다양한 소재와 가공 조건에 따른 TBN 가공의 메커니즘을 보다 자세히 설명할 수 있었다. 또한 다양한 가공 모드에서 절삭력을 비교하면 TBN 방식의 공정 최적화를 위한 지침을 제공할 수 있습니다.

물질 제거 상태 분석

물질 제거 상태 분석은 또한 TBN 접근법의 메커니즘을 밝히는 데 필수적인 방법입니다. 일반적으로 주사전자현미경(SEM)과 원자현미경(AFM)을 통해 가공공정에서 재료의 제거와 형상을 관찰한다. 그러나 홈 형태 및 제거 상태는 처리 후에만 감지할 수 있으며 재료 제거 프로세스를 동적으로 이해할 수 없습니다. 최근 Zhang et al. 재료 절단에서 칩 형성 과정을 보기 위해 SEM에 직접 연결된 선형 절단 도구를 사용했지만 이 방법은 복잡하고 SEM을 수정해야 합니다[76]. 따라서 이 방법은 일반화하기 어렵다. 실험 방법에 비해 MD 시뮬레이션 방법은 나노 스케일의 재료 제거 메커니즘 및 표면 생성을 탐색하는 데 쉽게 사용할 수 있으며 MD 방법을 통해 실시간으로 가공 과정을 관찰할 수 있습니다.

TBN 공정의 MD 시뮬레이션 결과 변형상태는 경운상태와 절단상태로 구분되는 것으로 알려져 있다. 팁의 움직임에 따라 팁 앞의 공작물 재료 원자가 압착된 다음 축적되어 절단 상태에서 연속적인 칩을 형성합니다. 동시에, 팁이 통과한 후 가공된 홈의 왼쪽과 오른쪽에 일부 공작물 재료 원자가 쌓이는 경우도 있습니다[57]. 절단 상태와 비절삭 상태의 비율을 비교하여 다양한 팁 반경을 사용하여 다양한 긁힘 깊이에서 긁을 때 절단 상태 또는 쟁기 상태가 지배적인 부분을 차지하는지 알 수 있습니다[77]. 지난 몇 년 동안 많은 학자들이 재료 제거 상태에 대한 재료 특성을 추가로 조사했습니다. 예를 들어, 단결정 물질은 TBN 공정에서 이방성을 나타내어 물질 제거에 큰 영향을 미친다[20]. 단결정 재료와 비교하여 결정립계는 다결정 재료의 기계적 특성에 중요한 영향을 미칩니다. Gao et al. Grain 크기보다 Grain 방향이 또한 파일업의 프로파일을 결정하는 데 지배적이라는 것을 발견했습니다[78]. 또한 팁 형상은 재료 제거에 강한 영향을 미칩니다. 팁의 세 가지 유형(원추형, 삼각형 피라미드 및 반구형 팁)이 재료 제거 상태에 대한 팁 형상의 영향을 나타내기 위해 선택되었습니다. 원뿔형 팁의 경우 반 정점 각도에 대한 명확한 의존성이 있습니다. 팁의 절반 정점 각도가 클수록 칩 부피가 증가하고 긁힘 표면의 평활도가 향상되지만 더 높은 긁힘력이 필요하고 공작물에 더 큰 마찰 계수와 더 높은 온도가 발생하며 표면 아래 손상이 증가합니다[40]. Alhafez는 또한 파일업 형성에 대한 반정각의 영향을 조사했습니다[75]. 팁의 작은 반정각으로 긁는 경우 파일업은 대부분 전방으로 누적되는 반면, 팁의 큰 반정각의 가공조건에서는 측면 파일업이 우세함을 알 수 있다. 일부 연구는 AFM 기반 가공 공정에서 팁의 실제 형상과 일치하는 삼각형 피라미드 팁에 초점을 맞췄습니다[19, 20, 63, 79]. 에지 포워드, 페이스 포워드, 측면 포워드의 3가지 가공 방향을 주로 비교하였다. SiC의 가공 공정에서 공구의 긁힘 방향을 조정하여 재료 제거 상태를 간단하게 제어할 수 있습니다. edge-forward 긁는 방향은 보다 안정적인 프로세스를 제공할 수 있으며, 이는 획득한 홈의 크기 정확도와 일관성을 향상시킬 수 있습니다[79]. 그러나 폴리머의 물질 제거 상태는 금속이나 반도체 물질에 비해 온도에 더 민감합니다. 스크래칭 과정에서 스크래칭 영역의 국부 온도는 유리 전이 온도보다 높으며 이는 스크래칭 영역의 공작물이 연성 방식으로 제거될 수 있음을 나타냅니다[72]. Zhan et al. 비정질 폴리스티렌의 미세한 마찰 메커니즘을 조사했습니다. 그들은 분자 사슬의 유연성이 온도가 증가함에 따라 증가하여 분자 사슬이 더 쉽게 말려 원래 상태로 돌아갈 수 있다는 것을 발견했습니다[56]. Du et al. 가공 속도가 폴리스티렌의 가공 결과에 큰 영향을 미친다는 것을 발견했습니다. 체인 내 변화는 가공 속도가 작을 때 폴리스티렌 시편의 영구 변형을 지배하는 반면, 체인 간 슬라이딩은 가공 속도가 클 때 더 두드러집니다[80].

위의 논의에서 알 수 있듯이 대부분의 연구는 주로 액체가 아닌 건조한 상태에 중점을 두었습니다. 그러나, 도구 앞에 축적된 원자는 감소하고 홈을 따라 버는 수층의 높은 두께로 명확하지 않으며 표면 거칠기가 눈에 띄게 감소하여 비교적 매끄러운 표면을 초래합니다. 수층은 윤활제 역할을 하여 공구와 새로 형성된 칩 표면 사이의 점착 영역을 줄이고 칩-공구 표면 경계에서 나타나는 항력을 감소시키는 것으로 설명할 수 있습니다. 직접적인 결과는 표면 품질이 크게 향상된다는 것입니다. 수층의 두께가 증가함에 따라 표면 품질이 점진적으로 향상될 수 있습니다[60]. 일부 새로운 가공 접근 방식에서 Shockly et al. 진동 보조 나노충격 가공에서 매개변수(충격 속도, 충격 각도 및 작동 온도)가 나노공동 형성에 미치는 영향을 조사한 결과, 작동 매개변수가 그림 3과 같이 생성된 나노공동의 깊이와 너비에 실질적인 영향을 미친다는 것을 발견했습니다. 4 [61]. Xiao et al. 동적 쟁기 공정에서 홈의 깊이와 너비가 정적 쟁기 공정보다 작다는 것을 발견했습니다. 게다가, 치수 홈은 동적 쟁기 공정에서 구동 진폭 비율에 의해 제어될 수 있으며, 이는 홈의 제작도 제어할 수 있음을 보여줍니다[19].

a에 대한 다중 선형 회귀 플롯 나노 공동의 깊이(충격 속도, 충격 각도 및 작동 온도) 및 b 나노공동의 너비(충격 속도, 충격 각도 및 작동 온도) [61]

재료 제거 프로세스 중에 팁에 마모 거동이 존재합니다. 대부분의 선행 연구에서는 팁을 강체로 정의하여 공구 마모 현상을 직접 관찰할 수 없었다[13]. 많은 학자들이 재료 제거 상태, 응력 및 온도 분포를 연구하여 도구 마모를 조사했습니다[70, 77]. 가공 과정에서 팁의 실제 마모 ​​현상을 반영하기 위해 Meng et al. 팁을 변형 가능한 몸체로 설정하고 가공 과정에서 팁의 마모 거동을 발견했습니다[81]. 결과는 다이아몬드 연마재 마모의 형태가 초기 단계에서 주로 접착 마모 및 가공 안정 단계에서 원자 대 원자 마모이며 연마재의 원자 대 원자 속성 마모량은 절삭 속도의 영향을 덜 받는 것으로 나타났습니다. 81]. 팁의 마모 거동에 대한 보고가 상대적으로 적습니다. 팁의 변형 가능한 몸체를 사용하는 것이 나노가공 공정 동안 팁 마모 거동에 대한 조사를 더욱 촉진할 것으로 기대됩니다.

재료 제거 상태 분석은 가공 공정의 실시간 모니터링을 위한 효과적인 지원을 제공합니다. 그러나 위에서 언급한 길이 스케일의 한계로 인해 가공된 표면의 형태와 재료 제거 공정은 정성적 비교를 통해서만 분석할 수 있었습니다. It is difficult to predict the accurate processing results.

Defect Evolution Process Analysis

To obtain the information about the defects generated during the scratching process, TEM is usually employed after the FIB sample preparation techniques, which has several disadvantages, such as relatively complicated operation, high cost, and strong material dependence.

The MD simulation method can obtain the defects generated beneath the sample surface easily. Moreover, the defect evolution process during the scratching could also be observed by using the MD simulation approach, which could not be obtained by experimental method. Many available algorithms to extract defect types were presented, including common neither analysis (CNA) [82], centro-symmetry parameter (CSP) [83], slip vector analysis [84], Ackland-Jones analysis [85], etc. However, these methods are not suitable for tracing the propagation of dislocations, especially when a large number of dislocations are generated by tip scratching along certain direction, and we can no longer investigate what is going on inside the specimen using these methods [86]. Chen et al. presented slipping analysis for visualizing the atomic slipping process for material deformation, which could filter out those atoms that have slipped relative to its neighbor atoms during a specified period of time in the condition with large numbers of atoms [86]. By using this method, Xiao et al. investigated the slipping process during dynamic and static ploughing lithography [19]. The relationship between the cutting force and slipping process is shown in Fig. 5. It could be seen that for dynamic ploughing, the sample material mainly flows downwards and sidewards, whereas no obvious downwards material flow is observed in static ploughing process. In addition, the propagation of the dislocation is dependent on the orientation of the tip, leading to the various morphologies of the grooves. Dislocation extraction algorithm (DXA) is also a useful dislocation analysis tool to identify the lattice dislocation and to determine their Burger vector [87]. By using this method, Gao et al. investigated the behavior of the nanoscratching of iron. They found that a distinct reorganization of the dislocation network. At the beginning, the plastic zone grows linearly with the scratching length along the path. Then, the dislocation density decreases rapidly after some length dislocation reactions. Plastic activity then is concentrated only on the scratch front. Only few dislocations remain in the middle of the scratch. Vacancies in this zone are created by dislocation reactions. It is also found that point defects vacancies generated by dislocation reactions and deformation twining [88].

Slipping processes in a dynamic ploughing and b static ploughing [19]

For the polycrystalline materials, the deformation mechanism was mediated by dislocation nucleation within grain interior as well as grain boundary dislocations in polycrystalline material [43]. While the dislocation propagation is associated with the formation of nanovoids and interstitial clusters in the case of larger grain size, and the formation of twins at the grain boundary was dominating for smaller clusters. This behavior was attributed to the transition of dislocation movement from smooth (larger grain) to rough (smaller grain) during scratching process. Li further concluded the difference of material deformation mechanism about single crystal Cu, polycrystalline Cu, and NT polycrystalline Cu. The results show that the plastic deformation is mainly affected by the interaction between dislocations during scratching process in single crystal Cu; while for polycrystalline Cu both dislocations and GB dominate the plastic deformation; and the plastic deformation is controlled by the interactions of the dislocation, grain boundary (GB), and twin boundary (TB) accompanied with twinning/detwinning [25].

Furthermore, many studies focused on the MD simulation of the TBN process on the semiconductor materials, such as silicon, silicon carbide, gallium arsenide, and aluminum nitride. To investigate these brittle materials, phase transformation is also an important deformation mode in addition to dislocation slip [89]. The interaction between dislocation and phase transformation varies with the crystal orientation. The results indicate that prior to the “Pop-In” event, Si (010) undergoes inelastic deformation accompanied by the phase transformation from the Si-I to the Si-III/ Si-XII, which is not occurred in Si (110) and Si (111). While, the phase transformation from the Si-I to the bct-5 is the dominant mechanism of incipient plasticity for each crystallographic orientation, and dislocation nucleation is also an operating deformation mode in the elastic-plastic transition of Si (010). Dai et al. investigated the subsurface damage mechanism on single crystal silicon during TBN process. It is found that the evolution of crystalline phases is consistent with the distribution of hydrostatic stress and temperature [40]. SiC is also a kind of important semiconductor material, which has the similar property as silicon. The SiC material removal process is achieved through the phase transfer from zinc blended to amorphous structure with few hexagonal diamond structures. Higher scratching speed generates more amorphous structure atoms, fewer hexagonal diamond atoms, and fewer dislocation atoms due to larger impaction and less rearrangement time [90]. While Meng et al. found when the phase transition is not the dominant deformation mechanism, the Schmidt coefficient method can effectively predict the sliding motion of 3C-SiC during the TBN process (elastic sliding motion and dislocation slip motion) [79]. Moreover, Meng et al. further studied on the strain rate and heat effect on the removal mechanism of SiC. They found that the strain rate effect and the thermal softening effect directly affect the material removal amount and form of the subsurface damage (SSD). The influence of the thermal softening effect on the stress in the processing region under the condition of high strain rate exceeds that of the decrease in the growth rate of the dislocation generation speed. The polycrystalline SiC removal process is dominated by the amorphous phase transition. Furthermore, several hexagonal diamond structure atoms and dislocations are found in the GBs during the scratching. Higher scratching speed and larger depth of cut promotes more atoms to transfer into the amorphous structure due to larger impaction [81]. Compared with monocrystalline SiC, the microstructure in polycrystalline makes the SiC more soften by generating less normal scratching force and amorphous structure phase transition and thinner plastic deformation induced SSD [91]. Dislocation propagation and phase transition analysis could explain the mechanism in machining process. However, most researches focused on single crystalline materials and the materials with complex structure are rarely reported, which should be further studied.