분자 동역학 기반 팁 나노가공 메커니즘 분석: 최신 연구 동향 종합

요약

팁 기반 나노가공(TBN)은 미세 구조 제작에 강력한 기술로 입증되었습니다. 실험만으로는 완전히 규명하기 어려운 나노가공 메커니즘을 탐구하기 위해 분자 동역학(MD) 시뮬레이션이 널리 활용되고 있습니다. 본 논문은 TBN 공정의 MD 시뮬레이션 분야에서 최근의 과학적 진전을 종합적으로 검토합니다. 먼저 다양한 재료에 대한 시뮬레이션 모델 구축 방법을 소개하고, 절삭력 분석, 재료 제거 메커니즘 분석, 서브표면 결함 분석 등 가공 메커니즘 분석 내용을 다룹니다. 마지막으로 MD 시뮬레이션에서 TBN 기법의 현재 한계점과 향후 연구 전망을 제시하여 후속 연구에 참고자료를 제공하고자 합니다.

서론

미세·나노 제조 기술은 환경, 에너지, 생물학, 의학, 국방 등 다양한 분야에서 널리 활용되며 국가 발전과 사회적 진보에 중요한 역할을 하고 있습니다. 고정밀 나노 가공을 실현하기 위해 원자력 현미경(AFM) 프로브 기반의 기계적 가공 방식인 TBN은 장비가 간단하고 조작이 용이하며, 나노 수준의 가공 정밀도를 갖추고 환경 요구 사항이 낮아 미세 구조 제작에 강력한 수단으로 입증되었습니다. 현재까지 나노 도트, 선/홈, 2차원/3차원 구조, 심지어 곡면상의 나노구조 등 나노 소자의 주요 구성 요소들이 TBN 방법으로 성공적으로 제작되었습니다.

더 높은 정밀도의 나노구조를 제작하기 위해서는 TBN 공정의 심층적 이해가 필수적입니다. 많은 학자들이 금속, 반도체, 고분자 등 다양한 재료에서 실험을 통해 TBN 메커니즘을 연구해왔습니다. 그러나 실험만으로는 TBN 공정의 내부 메커니즘을 추가로 규명하기 어렵습니다. 분자 동역학(MD) 시뮬레이션은 실험으로 완전히 밝힐 수 없는 나노가공 공정을 탐구하는 강력한 도구로 입증되었습니다. 실험적 방법과 비교해 MD 방법은 절삭력, 응력 상태, 에너지 소산, 표면 형상 분석을 통해 미세 규모의 재료 제거 및 표면 생성 메커니즘을 더 잘 설명할 수 있습니다.

과거 여러 학자들이 MD 시뮬레이션으로 TBN 공정을 연구했습니다. Fang 등은 스크라이빙 이송 속도와 원뿔 각도가 나노 리소그래피 공정에 미치는 영향을 조사했습니다. Isono와 Tanaka는 니켈 금속의 온도, 가공성, 원자 간 힘의 영향을 분석했습니다. Yan 등은 AFM 기반 리소그래피에서 팁 형상의 영향을 연구했습니다. 최근에는 새로운 TBN 공정이 MD 시뮬레이션으로 연구되고 있습니다. Xiao 등은 정적 쟁기질법과 동적 쟁기질법을 비교해 동적 쟁기질법으로 더 작은 나노구조 제작이 가능함을 밝혔습니다. Geng 등은 프로브에 일정한 수직 하중을 직접 가하는 하중 제어 나노 스크래칭 MD 시뮬레이션을 수행했습니다. 더 높은 밀도의 나노그루브 제작을 위해 최소 이송량(MF) 연구가 필요하며, Ren 등은 MD 시뮬레이션을 활용한 조잡한 것에서 정밀한 것으로의 기준을 통해 MF를 결정하는 새로운 접근법을 제시했습니다. 그러나 기존 리뷰 논문들에서는 이러한 MD 시뮬레이션 기술의 새로운 진전이 포함되지 않았습니다. 따라서 본 리뷰에서는 TBN 방법에 대한 MD 시뮬레이션의 최신 연구 현황에 초점을 맞춥니다. 다양한 재료의 모델링 기술과 새로운 가공 방법을 먼저 논의하고, 절삭력 분석, 재료 제거 분석, 서브표면 결함 분석 등 TBN 메커니즘을 검토합니다. 마지막으로 MD 시뮬레이션에서 TBN의 남은 과제와 미래 전망을 제시합니다.

시뮬레이션 방법

MD 모델 구축

정확한 예측 결과를 얻기 위해서는 시뮬레이션 모델과 가공 조건을 최적화해야 합니다. 시뮬레이션 모델은 주로 원자 구성과 포텐셜 함수로 구성됩니다. 원자 구성은 결정질과 비정질 구조로 나뉩니다. 구리, 철, 실리콘 등 결정질 재료의 원자는 규칙적으로 배열되며, 고분자 같은 비정질 재료는 불규칙한 분자 사슬로 구성됩니다. 나노 규모의 재료 거동은 MD 시뮬레이션에서 포텐셜 함수를 통해 표현되며, 원자 시뮬레이션에서 재료 거동을 모사하기 위해 다양한 포텐셜 함수가 제안되어 사용되고 있습니다. 또한 가공 조건도 고려해야 합니다.

결정질 재료의 내부 원자 구성은 다양합니다. 구리(면심입방), 철(체심입방), 티타늄(조밀육방), 실리콘(다이아몬드 구조) 등이 대표적입니다. 대부분의 결정질 재료는 단결정과 다결정 구조로 존재합니다. 단결정 고체는 결함 없이 전체 부피에 걸쳐 원자 구조가 주기적으로 반복됩니다. 단위 세포를 3차원 공간 방향으로 복제하면 단결정 모델을 쉽게 구축할 수 있습니다. 원자 MD 모델 구축 시 다양한 표면 방향을 고려해야 하며, 이는 공작물의 가공 특성에 영향을 미칩니다. 다결정 구조는 다양한 결정립 크기를 가지며, 보로노이 테셀레이션(Voronoi tessellation) 방법으로 구축됩니다. 나노쌍정(NT) 재료는 초고강도, 양호한 연성, 높은 파괴 인성 등 뛰어난 기계적 특성으로 중요한 연구 대상이 되었습니다. 본 리뷰에서는 NT 다결정 Cu 구축 방법을 예로 들어 설명합니다. 먼저 동일한 두께의 단결정 Cu 다층을 구축하고 인접 층 사이에 쌍정 경계(TB)를 형성합니다. 다음으로 각 결정립의 각도를 계산하고, 보로노이 구축을 통해 주기적 경계 조건을 가진 NT 다결정을 생성합니다.

고분자 모델링에는 일반적으로 거친입자 모델이 사용됩니다. 예를 들어 폴리에틸렌(PE) 모델 구축 과정은 다음과 같습니다: (i) 몬테카를로 자기회피 랜덤 워크 알고리즘으로 10개 분자 사슬의 초기 PE 시스템을 얻고, (ii) 각 사슬의 첫 원자를 격자의 가용 위치에 삽입한 후 결합 길이와 셀 내 미점유 위치를 기반으로 확률적 단계 방식으로 분자 사슬을 성장시키며, (iii) 초기 밀도가 주어지면 시뮬레이션 박스 크기가 결정됩니다. 본 시뮬레이션에서 10개 PE 사슬 시스템의 초기 시뮬레이션 박스 크기는 약 80.06 × 80.06 × 80.06 ų입니다.

팁 형상은 원뿔형, 삼각뿔형, 반구형(둔한 형상) 등 복잡하고 다양하며 TBN 공정에서 중요한 역할을 합니다. 특히 MD 모델에서 피라미드형 공구 형상은 AFM 가공 공정의 형상과 일치하고, 구형 공구는 연마 공정의 연마 입자와 일치하므로 시뮬레이션 결과를 실험 결과와 비교해 가공 메커니즘을 더 잘 설명할 수 있습니다. 대부분의 경우 팁은 무한히 강체로 간주되며, 이는 원자들의 상대적 위치를 일정하게 유지하고 일정한 속도로 이동시켜 구현합니다.

시뮬레이션 결과의 신뢰성을 결정하는 적절한 포텐셜 에너지 함수 선택도 매우 중요합니다. EAM(매립 원자법)은 금속계에 적합한 다체 포텐셜로, 금속 결합을 더 현실적으로 기술하고 부피 의존성에 내재된 모호성을 회피해 구리, 철 등 금속 원자 간 상호작용 기술에 사용됩니다. Tersoff와 Stillinger-Weber(SW) 포텐셜은 다이아몬드 입방 구조 재료 모델링에 특히 적합함이 입증되었습니다. TBN 공정에서 Si의 메커니즘을 연구하기 위해 전위 미끄러짐과 상 전이를 관찰해야 합니다. Tersoff 포텐셜과 비교해 SW 포텐셜은 다양한 실리콘 구성을 기술할 충분한 유연성을 가지며, 결함 없는 실리콘에서 ab initio 전위 핵생성 결과와 가장 잘 일치합니다. 따라서 SW 포텐셜 함수가 실리콘 원자 간 상호작용 기술에 더 적합할 수 있습니다. 해석적 결합차수 포텐셜(ABOP), 반응성 경험적 결합차수(REBO), 적응형 분자간 반응성 경험적 결합차수(AIREBO) 포텐셜은 결합 근사치에 따라 Tersoff 포텐셜을 확장한 계열로 기본 양에 의존합니다. ABOP 포텐셜은 실리콘과 탄소 원자 간 상호작용에 이상적이며 SiC 공정에서 재료 변형과 제거 거동 연구에 사용됩니다. REBO 포텐셜은 탄소와 탄소나노튜브 시뮬레이션에 특히 널리 쓰입니다. AIREBO 모델은 REBO 포텐셜의 결함을 극복하고 더 정확한 근사치를 제공하며 더 복잡한 상호작용 모델링 기능을 추가했습니다. 폴리스티렌 시편의 분자 간 및 분자 내 상호작용은 잘 정립된 AIREBO 포텐셜로 기술됩니다.

대부분의 MD 시뮬레이션은 LAMMPS(Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator)를 사용해 수행되었습니다. 다결정 및 나노쌍정 다결정 재료 같은 복잡한 공작물 모델은 Atomsk로 구축할 수 있습니다. 고분자 구축에 필요한 원자, 결합, 각도, 비자유도 및 그 유형은 Material Studio(MS)에서 생성된 데이터 파일에서 얻습니다. OVITO(Open Visualization Tool)와 VMD(Visual Molecular Dynamics)는 모델이나 가공 과정을 시각화하는 유용한 도구입니다.

MD 시뮬레이션으로 다양한 재료 모델을 효과적으로 구축할 수 있지만, 대부분의 공작물 모델 크기가 50 nm × 50 nm × 50 nm 미만으로 실제 결과와의 편차가 발생할 수 있습니다. 또한 GaAs, Lu₂O₃ 같은 일부 재료를 효과적으로 기술할 포텐셜 함수가 아직 부족합니다. 따라서 MD 모델과 관련 포텐셜 함수는 시뮬레이션 공정을 더 정확히 기술하기 위해 지속적으로 최적화되어야 합니다.

가공 조건 설정

TBN 실험에서는 일반적으로 팁에 일정한 수직 하중을 가하는 하중 제어 모드로 수행됩니다. 이 모드는 경사면이나 곡면에서의 나노가공 시 더 높은 정밀도를 보임이 입증되었습니다. 그러나 많은 TBN 공정의 MD 시뮬레이션은 변위 제어 모드로 수행되어 시뮬레이션과 실험 간 차이가 발생할 수 있습니다. 이에 일부 학자들은 프로브에 직접 일정한 수직 하중을 가하는 하중 제어 나노 스크래칭 공정의 MD 시뮬레이션을 수행했습니다. 가공 공정은 이완 단계, 침투 단계, 스크래칭 단계로 나눌 수 있습니다. 또한 AFM의 빔 굽힘, 기판의 기울기 각도, 시편 표면 거칠기 등으로 팁이 공작물에 완전히 수직이지 않으므로 팁 기울기 효과를 간과할 수 없습니다. Liu 등은 다양한 기울기 각도의 팁을 선택해 기울기가 가공 결과에 미치는 영향을 조사했습니다. 또한 팁 마모는 가공 공정의 핵심 요소로 가공 품질에 큰 영향을 미칩니다. 수층 윤활 나노 스크래칭은 팁 마모를 줄여 공구 수명을 늘리고 가공 품질을 보장할 수 있습니다. 그러나 수층 윤활이 가공 메커니즘에 미치는 영향은 아직 잘 이해되지 않았습니다. 이를 해결하기 위해 Ren 등은 단결정 구리에서 수층 윤활이 가공 결과에 미치는 영향을 MD 시뮬레이션으로 연구했습니다.

단일 스크래칭 공정은 나노그루브 제작에 쉬운 방법이지만 그루브 크기에 한계가 있습니다. 다중 패스 스크래칭 방법은 나노그루브 크기를 확대하기 위해 제안되었습니다. Geng 등은 단일 패스와 다중 패스 접근법의 차이를 MD 시뮬레이션과 실험 결과로 연구했습니다. 단일 패스와 다중 패스 모두 AFM 시스템의 접촉 모드로 수행되는 정적 쟁기 리소그래피로 간주됩니다. 그러나 정적 쟁기 리소그래피는 장거리 스크래칭 공정 시 무시할 수 없는 팁 마모를 유발할 수 있습니다. 태핑 모드 기반 가공 기술은 동적 쟁기 리소그래피로 불리며 팁 마모 감소 잠재력을 가집니다. 그림 2는 단결정 구리에서 정적 및 동적 쟁기 리소그래피의 개략도를 보여줍니다. 정적 쟁기질에서는 다이아몬드 팁이 먼저 아래로 이송된 후 음의 x축 방향으로 쟁기질을 시작하고, 완료 후 원래 수직 위치로 위로 인출됩니다. 동적 쟁기질 공정에서는 다이아몬드 팁이 뾰족한 피크-밸리 진폭과 주기를 가진 정현파 곡선을 따라 이동합니다. 태핑 모드 기반 가공 원리에 따라 Sundaram 등은 AFM을 플랫폼으로 사용하고 실리콘 공작물과 AFM 팁의 진동 사이에 나노 연마제를 슬러리 형태로 주입하는 새로운 나노가공 방법인 VANILA(Vibration-Assisted Nano Impact machining by Loose Abrasives)를 개발했습니다. 이 방법에서 연마제의 운동 에너지는 AFM 팁의 진동으로 생성되며 결과적으로 시편의 나노 규모 재료 제거를 초래합니다.

시뮬레이션 결과 분석

절삭력 분석

절삭력은 재료 제거 공정과 결함 진화를 명확히 반영하며 절삭 현상 이해에 중요한 물리적 매개변수입니다. 또한 절삭력은 절삭 동력 및 공구 수명과 밀접하게 관련되어 TBN 가공 공정 가이드라인을 제공할 수 있습니다. TBN 공정에서 절삭력은 주로 힘 교정법으로 평가되지만, 이 방법으로는 횡력을 얻을 수 없습니다. 분자 동역학 기술을 사용하면 전체 공정에서 횡력과 접선력을 포함한 절삭력의 변화를 실시간으로 관찰할 수 있습니다. 또한 평균 힘과 합력도 MD 시뮬레이션으로 파악할 수 있습니다.

절삭력 변화 분석을 통해 다양한 재료 구조의 차이와 가공 매개변수가 TBN 공정에 미치는 영향을 반영할 수 있습니다. Li 등은 다결정 Cu 스크래칭 시 단결정 Cu보다 더 높은 힘이 발생하는 이유가 팁이 서로 다른 결정 방향의 결정립 사이를 이동할 때 표면 결정립의 이방성이 팁과 공작물 사이에 거의 영향을 미치지 않기 때문이며, 단결정 Cu는 단일 방향 시스템으로 인해 안정적인 소성 흐름을 보임을 밝혔습니다. 또한 다양한 결정 구조에서 절삭력은 나노 스크래칭 속도 증가에 따라 증가하는데, 이는 더 높은 속도가 더 많은 칩을 생성하기 때문입니다. 반대로 SiC 스크래칭 공정에서는 절삭력 변화가 정반대 행동을 보입니다. 더 높은 속도는 더 많은 비정질 결정 구조 원자를 생성해 SiC 재료를 더 연성적으로 만들어 제거하기 쉽게 만듭니다. Yan 등은 MD 시뮬레이션으로 Cu/Ni 이중층의 가공성을 조사하고 Ni-Cu 이중층의 힘이 Cu, Ni, 이중층 Cu-Ni보다 높음을 발견했습니다. 이는 이중층의 계면이 전위 전파의 장벽 역할을 해 전위 이동을 방해하기 때문입니다. 비정질 고분자의 경우 가공 특성이 스크래칭 속도에 세 가지 측면에서 영향을 미칩니다: 첫째, 더 높은 속도에서 팁 앞쪽에 더 큰 파일업 높이가 생성돼 팁에 대한 저항이 커져 접선력이 증가합니다. 둘째, 더 높은 속도는 더 높은 변형률을 초래해 재료의 변형 경화를 유발할 수 있으며 이 또한 절삭력 증가로 이어집니다. 셋째, 속도 증가에 따른 열연화 효과는 공작물을 더 쉽게 가공하게 해 접선력과 법선력을 감소시킵니다. 고분자 가공에서 절삭력은 속도 증가에 따라 증가하므로, 파일업과 변형률 경화 효과가 스크래칭 힘 결정에 더 지배적 역할을 합니다. 공작물 재료 외에도 팁 형상도 가공 공정에서 중요한 역할을 합니다. Ren 등은 원뿔형 팁의 팁 각도가 절삭력에 미치는 영향을 조사했습니다. 반정점 각도 증가에 따라 힘이 증가하는 것은 팁과 공작물 재료 간 접촉 면적 증가 때문입니다. 또한 마찰 계수는 반정점 각도에 따라 강하게 감소하는 반면 경도는 증가합니다.

일부 학자들은 특정 가공 조건에서 절삭력 변화를 연구했습니다. Ren 등은 수층 두께와 스크래칭 힘의 상관관계를 분석했습니다. 그림 3은 수층 두께 변화에 따른 스크래칭 힘 변화를 보여줍니다. 거시 스크래칭에서 수층은 주로 윤활 및 절삭력 감소 역할을 하지만, 나노 규모에서는 수층의 저항이 윤활 효과보다 지배적이며 더 두꺼운 수층이 더 큰 총 절삭력을 유도합니다. 또한 경도(원자당 법선력)와 마찰 계수 분석을 통해 팁 기울기 효과도 논의되었습니다. 결과는 법선 경도가 전후 방향에서 더 민감하며 팁 기울기의 측면 효과는 무시할 수 있음을 보여줍니다. 또한 법선력에 대한 기울기 효과가 마찰 계수 변화의 주원인이며, 스크래칭 힘에 대한 기울기 효과는 법선력에 대한 효과보다 훨씬 작습니다.

정적 쟁기질과 동적 쟁기질의 절삭력 비교를 통해 메커니즘 차이를 규명할 수 있습니다. 동적 쟁기 리소그래피에서 절삭력은 다이아몬드 팁의 주기적 태핑에 따라 급격히 진동하는 반면, 정적 쟁기질에서는 미세한 변동만 관찰됩니다. 또한 동적 쟁기질의 평균 가공 힘은 정적 쟁기질의 절반 미만으로, 동적 쟁기 리소그래피에서 팁 마모가 적음을 나타냅니다. 동적 쟁기질 공정에서 팁 방향은 절삭력에 큰 영향을 미칩니다. Yan 등은 그루브 깊이와 쟁기질 힘을 결합해 가공 효율을 비교했습니다. 결과는 팁의 측면 전진(sideface-forward) 방향이 가장 좋은 효율을 보임을 나타냈습니다. 이는 정면 전진(face-forward) 방향과 비슷한 쟁기질 힘을 가지면서 동시에 2배 이상의 그루브 깊이를 얻기 때문입니다. 절삭력 분석을 통해 다양한 재료와 가공 조건에서의 TBN 가공 메커니즘을 더 자세히 설명할 수 있으며, 다양한 가공 모드의 절삭력 비교는 TBN 접근법의 공정 최적화에 지침을 제공할 수 있습니다.

재료 제거 상태 분석

재료 제거 상태 분석은 TBN 접근법의 메커니즘을 규명하는 필수적 방법입니다. 가공 공정에서 재료 제거와 형상은 일반적으로 SEM과 AFM으로 관찰하지만, 그루브 형상과 제거 상태는 가공 후에만 감지 가능하며 재료 제거 공정을 동적으로 이해하기 어렵습니다. 최근 Zhang 등은 SEM에 직접 연결된 선형 절삭 공구를 사용해 재료 절삭 시 칩 형성 공정을 관찰했으나, 이 방법은 복잡하고 SEM 개조가 필요해 일반화하기 어렵습니다. 실험적 방법과 비교해 MD 시뮬레이션은 나노 규모에서 재료 제거 메커니즘과 표면 생성을 쉽게 탐구할 수 있으며, 가공 공정을 실시간으로 관찰할 수 있습니다.

TBN 공정의 MD 시뮬레이션 결과에 따르면 변형 상태는 쟁기질 상태와 절삭 상태로 분류됩니다. 팁 이동에 따라 팁 앞쪽의 공작물 재료 원자가 압착돼 연속 칩을 형성하는 절삭 상태가 발생합니다. 동시에 일부 공작물 재료 원자는 팁 통과 후 제작된 그루브의 좌우 양쪽에 파일업됩니다. 다양한 팁 반경과 스크래칭 깊이에서 절삭 상태와 비절삭 상태의 비율을 비교하면 어느 상태가 지배적인지 알 수 있습니다. 최근 여러 학자들이 재료 특성이 제거 상태에 미치는 영향을 추가로 연구했습니다. 예를 들어 단결정 재료는 TBN 공정에서 이방성을 보여 재료 제거에 큰 영향을 미칩니다. 단결정 재료와 비교해 결정립 계계는 다결정 재료의 기계적 특성에 중요한 영향을 미칩니다. Gao 등은 결정립 크기보다는 결정립 방향이 파일업 프로파일 결정에 지배적임을 발견했습니다. 또한 팁 형상도 재료 제거에 강한 영향을 미칩니다. 원뿔형, 삼각뿔형, 반구형 팁 세 가지 유형을 선택해 팁 형상이 재료 제거 상태에 미치는 영향을 규명했습니다. 원뿔형 팁의 경우 반정점 각도에 명확한 의존성이 있습니다. 더 큰 반정점 각도는 더 많은 칩 부피와 더 매끄러운 스크래칭 표면을 가져오지만 더 높은 스크래칭 힘, 더 큰 마찰 계수, 공작물의 더 높은 온도, 더 큰 서브표면 손상을 유발합니다. Alhafez도 반정점 각도가 파일업 형성에 미치는 영향을 연구했습니다. 작은 반정점 각도로 스크래칭 시 파일업이 주로 전진 방향으로 축적되는 반면, 큰 반정점 각도에서는 측면 파일업이 지배적입니다. 일부 연구는 AFM 기반 가공 공정의 실제 팁 형상과 일치하는 삼각뿔형 팁에 초점을 맞췄습니다. 주로 모서리 전진(edge-forward), 정면 전진(face-forward), 측면 전진(sideface-forward) 세 가지 가공 방향을 비교했습니다. SiC 가공 공정에서 공구의 스크래칭 방향 조정만으로 재료 제거 상태를 간단히 제어할 수 있습니다. 모서리 전진 스크래칭 방향은 더 안정적인 공정을 제공해 더 나은 크기 정확도와 일관된 그루브를 얻을 수 있습니다. 그러나 고분자의 재료 제거 상태는 금속이나 반도체 재료보다 온도에 더 민감합니다. 스크래칭 공정 중 스크래칭 영역의 국부 온도가 유리 전이 온도보다 높아 스크래칭 영역의 공작물이 연성 방식으로 제거될 수 있음을 나타냅니다. Zhan 등은 비정질 폴리스티렌의 미시적 마찰 메커니즘을 연구했습니다. 온도 증가에 따라 분자 사슬의 유연성이 증가해 분자 사슬이 더 쉽게 말리고 원래 상태로 돌아갈 수 있음을 발견했습니다. Du 등은 가공 속도가 폴리스티렌 가공 결과에 큰 영향을 미침을 발견했습니다. 가공 속도가 작을 때는 사슬 내 변화가 폴리스티렌 시편의 영구 변형을 지배하는 반면, 가공 속도가 클 때는 사슬 간 미끄러짐이 더 두드러집니다.

위 논의에서 볼 수 있듯 대부분의 연구는 건조 조건에 초점을 맞췄으며 유체 조건은 적게 다뤘습니다. 그러나 높은 두께의 수층에서는 공구 앞쪽에 축적된 원자가 감소하고 그루브를 따라 형성된 버가 눈에 띄지 않으며 표면 거칠기가 눈에 띄게 감소해 상대적으로 매끄러운 표면이 됩니다. 이는 수층이 공구와 새로 형성된 칩 표면 사이의 부착 영역을 줄이고 칩-공구 면 경계에서 나타나는 항력을 감소시키는 윤활제 역할을 함을 설명합니다. 직접적인 결과로 표면 품질이 크게 향상됩니다. 수층 두께가 증가함에 따라 표면 품질이 점진적으로 개선될 수 있습니다. 일부 새로운 가공 접근법에서 Shockly 등은 진동 보조 나노 임팩트 가공에서 임팩트 속도, 임팩트 각도, 작동 온도 등 매개변수가 나노캐비티 형성에 미치는 영향을 조사했습니다. 작동 매개변수가 생성된 나노캐비티의 깊이와 너비에 실질적 영향을 미침을 그림 4에서 확인할 수 있습니다. Xiao 등은 동적 쟁기질 공정에서 그루브의 깊이와 너비가 정적 쟁기질 공정보다 작음을 발견했습니다. 이는 동적 쟁기 리소그래피를 통해 작은 특징을 가진 나노구조 제작이 가능함을 의미합니다. 또한 그루브 치수는 동적 쟁기질 공정에서 구동 진폭 비율로 제어 가능하며, 이는 그루브 제작이 제어 가능함을 보여줍니다.

재료 제거 공정 중 팁에는 마모 거동이 존재합니다. 대부분의 선행 연구에서 팁은 강체로 정의돼 공구 마모 현상을 직접 관찰할 수 없었습니다. 많은 학자들이 재료 제거 상태, 응력, 온도 분포 연구를 통해 공구 마모를 조사했습니다. 가공 공정 중 팁의 실제 마모 현상을 반영하기 위해 Meng 등은 팁을 변형 가능체로 설정해 가공 공정 중 팁 마모 거동을 관찰했습니다. 결과에 따르면 다이아몬드 연마제의 마모 형태는 초기 단계에서 주로 접착 마모이며, 공정 안정 단계에서는 원자 단위 마모입니다. 연마제의 원자 단위 마모량은 절삭 속도에 덜 영향을 받습니다. 팁 마모 거동에 대한 보고는 상대적으로 적습니다. 변형 가능체 팁 사용이 나노가공 공정 중 팁 마모 거동 연구를 더욱 촉진할 것으로 기대됩니다.

재료 제거 상태 분석은 가공 공정의 실시간 모니터링에 효과적 지원을 제공합니다. 그러나 앞서 언급한 길이 규모의 한계로 인해 가공 표면 형상과 재료 제거 공정은 정성적 비교 분석만 가능하며 정확한 가공 결과를 예측하기 어렵습니다.

결함 진화 공정 분석

스크래칭 공정 중 생성된 결함 정보를 얻기 위해 일반적으로 FIB 시편 제조 기술 후 TEM을 사용합니다. 그러나 이는 조작이 복잡하고 비용이 높으며 재료 의존성이 강하다는 단점이 있습니다.

MD 시뮬레이션 방법은 시편 표면 아래 생성된 결함을 쉽게 얻을 수 있습니다. 또한 스크래칭 중 결함 진화 공정도 MD 시뮬레이션으로 관찰할 수 있는데, 이는 실험적 방법으로는 얻을 수 없습니다. 결함 유형을 추출하는 여러 알고리즘이 제시되었습니다: 공통 이웃 분석(CNA), 중심대칭 매개변수(CSP), 미끄러짐 벡터 분석, Ackland-Jones 분석 등. 그러나 이러한 방법은 전위 전파 추적에 적합하지 않습니다. 특히 팁이 특정 방향으로 스크래칭해 많은 전위가 생성되면 이러한 방법으로는 시편 내부에서 무슨 일이 일어나는지 더 이상 조사할 수 없습니다. Chen 등은 원자 미끄러짐 공정을 시각화하기 위한 미끄러짐 분석을 제시했습니다. 이 방법은 지정된 기간 동안 이웃 원자 상대적으로 미끄러진 원자들을 필터링해 다수 원자 조건에서도 작동합니다. 이 방법을 사용해 Xiao 등은 동적 및 정적 쟁기 리소그래피 중 미끄러짐 공정을 조사했습니다. 절삭력과 미끄러짐 공정의 관계는 그림 5에 나와 있습니다. 동적 쟁기질에서는 시편 재료가 주로 아래쪽과 옆으로 흐르는 반면, 정적 쟁기질에서는 명확한 아래쪽 재료 흐름이 관찰되지 않습니다. 또한 전위 전파는 팁 방향에 의존해 다양한 그루브 형상을 초래합니다. 전위 추출 알고리즘(DXA)도 격자 전위를 식별하고 버거스 벡터를 결정하는 유용한 전위 분석 도구입니다. 이 방법을 사용해 Gao 등은 철의 나노 스크래칭 거동을 조사했습니다. 전위 네트워크의 뚜렷한 재구성이 발견되었습니다. 처음에는 소성 영역이 스크래칭 경로를 따라 길이에 비례해 성장합니다. 그런 다음 일부 길이에서 전위 반응 후 전위 밀도가 급격히 감소합니다. 소성 활동은 스크래칭 전면에만 집중됩니다. 스크래칭 중간에는 소수의 전위만 남습니다. 이 영역의 공공(vacancies)은 전위 반응에 의해 생성됩니다. 전위 반응과 변형 쌍정에 의해 점 결함 공공이 생성됨이 밝혀졌습니다.

다결정 재료의 경우 변형 메커니즘은 결정립 내부에서의 전위 핵생성과 다결정 재료의 결정립계 전위에 의해 매개됩니다. 전위 전파는 더 큰 결정립 크기에서는 나노공공과 간격 클러스터 형성과 연관되며, 더 작은 클러스터에서는 결정립계에서의 쌍정 생성이 지배적입니다. 이 거동은 스크래칭 공정 중 전위 이동이 매끄러운 것(큰 결정립)에서 거친 것(작은 결정립)으로 전이됨에 기인합니다. Li는 단결정 Cu, 다결정 Cu, NT 다결정 Cu의 재료 변형 메커니즘 차이를 추가로 정리했습니다. 결과에 따르면 단결정 Cu에서는 스크래칭 공정 중 전위 간 상호작용이 소성 변형을 주로 지배합니다. 다결정 Cu에서는 전위와 결정립계(GB) 모두 소성 변형을 지배합니다. NT 다결정 Cu에서는 전위, 결정립계(GB), 쌍정계(TB) 간 상호작용이 쌍정화/탈쌍정과 동반돼 소성 변형을 제어합니다.

또한 많은 연구가 실리콘, 탄화규소, 갈륨비소, 질화알루미늄 등 반도체 재료의 TBN 공정 MD 시뮬레이션에 초점을 맞췄습니다. 이러한 취성 재료를 연구하기 위해 전위 미끄러짐 외에 상 전이도 중요한 변형 모드입니다. 전위와 상 전이 간 상호작용은 결정 방향에 따라 달라집니다. 결과에 따르면 '팝인(Pop-In)' 사건 이전에 Si(010)는 Si-I에서 Si-III/Si-XII로의 상 전이를 동반한 비탄성 변형을 겪으며, 이는 Si(110)과 Si(111)에서는 발생하지 않습니다. 반면 Si-I에서 bct-5로의 상 전이는 각 결정학적 방향에서 초기 소성의 지배적 메커니즘이며, 전위 핵생성도 Si(010)의 탄성-소성 전이에서 작동하는 변형 모드입니다. Dai 등은 TBN 공정 중 단결정 실리콘의 서브표면 손상 메커니즘을 조사했습니다. 결정상의 진화가 정수압 응력 및 온도 분포와 일관됨을 발견했습니다. SiC도 실리콘과 유사한 특성을 가진 중요한 반도체 재료입니다. SiC 재료 제거 공정은 아연 혼합 구조에서 비정질 구조로의 상 전이를 통해 이루어지며 소수의 육방정 다이아몬드 구조도 포함됩니다. 더 높은 스크래칭 속도는 더 큰 충격과 더 적은 재배열 시간으로 인해 더 많은 비정질 구조 원자, 더 적은 육방정 다이아몬드 원자, 더 적은 전위 원자를 생성합니다. Meng 등은 상 전이가 지배적 변형 메커니즘이 아닐 때 슈미트 계수 방법이 TBN 공정 중 3C-SiC의 미끄러짐 운동(탄성 미끄러짐 운동과 전위 미끄러짐 운동)을 효과적으로 예측할 수 있음을 발견했습니다. 또한 Meng 등은 변형률 속도와 열 효과가 SiC 제거 메커니즘에 미치는 영향을 추가로 연구했습니다. 변형률 속도 효과와 열연화 효과가 재료 제거량과 서브표면 손상(SSD) 형태에 직접 영향을 미침을 발견했습니다. 높은 변형률 속도 조건에서 열연화 효과가 전위 생성 속도 증가율 감소보다 가공 영역 응력에 미치는 영향이 더 큽니다. 다결정 SiC 제거 공정은 비정질 상 전이가 지배적입니다. 또한 스크래칭 중 결정립계에서 여러 육방정 다이아몬드 구조 원자와 전위가 발견됩니다. 더 높은 스크래칭 속도와 더 큰 절삭 깊이는 더 큰 충격으로 인해 더 많은 원자가 비정질 구조로 전이되도록 촉진합니다. 단결정 SiC와 비교해 다결정의 미세구조는 더 적은 법선 스크래칭 힘, 비정질 상 전이, 더 얇은 소성 변형 유도 SSD를 생성해 SiC를 더 연화시킵니다. 전위 전파와 상 전이 분석은 가공 공정 메커니즘을 설명할 수 있습니다. 그러나 대부분의 연구가 단결정 재료에 초점을 맞췄으며 복잡한 구조의 재료는 드물게 보고되어 추가 연구가 필요합니다.

향후 연구 방향 및 과제

현재 MD 시뮬레이션을 통한 TBN 공정 연구가 널리 보고되고 있지만 여전히 몇 가지 한계점이 존재합니다. 이에 본 리뷰에서는 향후 연구 방향을 논의합니다.

1. TBN 방법의 발전에 따라 이 분야에서 몇 가지 새로운 기술이 제안되었습니다. 예를 들어 AFM 팁 기반 나노 밀링 공정은 뛰어난 가공 성능과 크기 제어 특성으로 광범위한 전망을 가집니다. 그러나 검출 장비의 한계로 나노 밀링 메커니즘이 완전히 이해되지 않았습니다. MD 시뮬레이션을 활용하면 팁 회전 공정 중 절삭력 변화, 결함의 동적 변화, 공작물 재료의 제거 상태를 밝힐 수 있을 것으로 기대됩니다. 또한 시편 진동 보조 나노 스크래칭 방법은 아직 보고되지 않았습니다. MD 시뮬레이션 접근법이 초기 단계에서 의미 있는 가이드라인을 제공할 수 있을 것입니다.

2. 길이와 시간 규모의 한계로 MD 방법은 실험 공정을 정량적으로 완전히 기술할 수 없습니다. 실험과 MD 시뮬레이션을 결합한 일부 연구에서 MD 시뮬레이션은 실험 현상을 정성적으로만 설명할 수 있었습니다. 특히 고분자 같은 시간 의존성 재료의 경우 프로브 속도가 고분자의 제거 상태에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 실험 공정을 정확히 예측하고 실험 결과를 정량적으로 분석하기 위해서는 알고리즘과 컴퓨팅 능력의 개선이 필수적입니다.

3. TBN 방법을 사용해 고분자 재료에서 많은 나노구조가 달성되었습니다. 특히 TBN 방법 기반 고분자 재료의 기계적 가공 공정은 일정한 수직 하중을 유지해 나노구조 가공 정밀도를 보장합니다. 그러나 현재까지 고분자의 TBN 공정 MD 시뮬레이션 보고는 제한적입니다. 게다가 고분자에서 열 스캐닝 프로브 리소그래피가 발전하고 있어 TBN 공정의 가공 정밀도 향상 잠재력을 가집니다. 기계-열 효과로 나노 스크래칭 공정 수행 시 고분자 재료의 재료 제거 메커니즘을 규명할 필요가 있습니다.

결론

MD 시뮬레이션 기술이 나노가공 공정에서 지금까지 알려지지 않은 현상을 규명하는 데 점점 더 중요한 역할을 함은 부인할 수 없습니다. 본 리뷰는 TBN 방법의 MD 시뮬레이션 분야에서 최근 진전을 종결했으며 주요 내용은 다음과 같습니다:

1. 다양한 재료의 MD 모델 구축과 관련 포텐셜 함수가 요약되었습니다. 특히 NT 다결정 재료와 비정질 고분자의 모델링 공정이 논의되었습니다. MD 모델의 정확성은 후속 시뮬레이션 결과에 매우 중요합니다.

2. 다중 스크래칭, 동적 쟁기질, VANILA 등 TBN 방법의 새로운 기술들이 소개되었습니다. MD 시뮬레이션의 도움으로 이러한 방법의 메커니즘을 더 잘 이해할 수 있습니다. 특히 정적 쟁기질과 동적 쟁기질의 본질적 차이가 내부 결함, 형상, 절삭력 측면에서 MD 방법으로 규명되었습니다.

3. TBN 공정의 MD 시뮬레이션 분석(절삭력, 재료 제거 상태, 결함 분석)도 요약되었습니다. 미끄러짐 분석 같은 새로운 분석 방법도 소개되었습니다. 이러한 방법들로 TBN 접근법 기반의 가공 메커니즘이 검토되었으며, 이는 TBN 가공 공정의 재료 의존성을 보여줍니다.