나노 절삭 공정 중 단결정 질화 갈륨(GaAs)은 다양한 표면/표면하 변형과 손상에 직면하며, 이는 제품 성능에 중대한 영향을 미칩니다. 본 논문에서는 질화 갈륨 나노 절삭에 대한 분자 동역학(MD) 시뮬레이션을 수행해 표면 및 표면하 변형 메커니즘을 조사했습니다. 가공 표면하에서 전위가 발견되었습니다. 상전이와 비정질화는 배위수를 통해 연구했습니다. 절삭 공정 중 배위수 5의 중간상 존재가 드러났습니다. 다양한 절삭 속도 모델로 전위에 미치는 영향을 조사했습니다. 결정 이방성이 전위 유형과 밀도에 미치는 영향은 다양한 절삭 방향 모델로 연구했습니다. 또한 표면하 응력도 분석했습니다.
질화 갈륨(GaAs)은 전형적인 III-V 화합물로, 가장 중요한 반도체 물질 중 하나입니다. 직접 밴드갭, 높은 전자 이동도, 높은 저항률 등 우수한 특성으로 단결정 질화 갈륨은 적외선 광학 소자, 마이크로파 소자 등 다양한 분야에 널리 응용됩니다[1]. 생산 기술 지속 발전으로 표면 거칠기, 표면 형상 정밀도, 표면하 손상에 대한 엄격한 요구가 증가하고 있습니다. 나노 절삭 기술은 질화 갈륨 광학 소자 성능 향상과 응용 분야 확대에 이롭습니다. 질화 갈륨 결정 나노 절삭 공정은 취성 균열, 이방성, 기타 표면하 손상 등 많은 어려움에 직면합니다. 따라서 질화 갈륨 나노 절삭 메커니즘 연구는 가공 문제 해결, 질화 갈륨 표면 품질 향상, 관련 나노미터 가공 기술 개발에 큰 의의가 있습니다.
많은 연구가 질화 갈륨 나노스케일 실험 수행. Fang 등[1] 질화 갈륨과 실리콘 나노인덴테이션, 나노스크래치 특성 비교. Taylor 등[2] 큐브 코너 팁으로 질화 갈륨(100) 초저하중 나노인덴테이션 조사. Bradby 등[3] 구형 인덴테이션에서 질화 갈륨 팝인 이벤트 발견. Fang 등[4, 5] 연성 취성 반도체 가공 특성 조사, 다이아몬드 터닝으로 최초 질화 갈륨 거울 표면 획득. 질화 갈륨 인덴테이션과 물리적 특성 연구 다수 보고되었으나, 나노 절삭 공정과 손상 형성 메커니즘은 거의 알려지지 않았습니다. 이는 실험 수행과 후속 특성 분석 어려움 때문. 한편, 나노미터 스케일과 고속 절삭으로 온라인 측정으로 나노 절삭 공정 검사와 나노미터 데이터 측정 거의 불가능. 다른 한편, 나노미터 가공과 측정 실험 시리즈 수행 비용 고가.
분자 동역학(MD) 시뮬레이션은 나노미터 가공 메커니즘 탐구에 가장 효율적 방법 중 하나. Shimada 등[6, 7] MD 시뮬레이션이 나노미터 가공 공정 기술 효과적 방법 입증. Komanduri 등[8] MD 시뮬레이션으로 나노 절삭 공정 실리콘 구조 전이 현상 발견. Pei 등[9] 대규모 MD 모델 나노미터 가공으로 구리 전위 형성 연구. Lai 등[10] 임계 경사각 효과와 게르마늄 나노미터 절삭 물질 변형 연구, 추가 중첩 나노 절삭 공정 조사[11]. 또한 다중 스케일 모델링 접근법 초정밀 가공 분야 크게 발전[12-14]. 다중 스케일 시뮬레이션은 나노스케일 MD 모델, 나노/마이크로 스케일 FE 모델 등 다른 스케일 시뮬레이션 방법 결합해 가공 공정 더 포괄적, 현실적 연구[15]. 본 논문은 표면하 변형 메커니즘 초점, MD 시뮬레이션 연구 방법 선정.
연구 물질 측면, 나노미터 가공 MD 시뮬레이션 연구 대부분 원소 반도체(실리콘, 게르마늄)나 금속(구리, 알루미늄) 초점. 질화 갈륨 나노 절삭 수치 해석 연구 적게 보고. Fan 등[16] MD 시뮬레이션과 터닝 실험으로 질화 갈륨 연성 반응 조사. Yi 등[17] MD 시뮬레이션으로 나노스크래치 공정 질화 갈륨 상전이와 이방성 연구. 본 논문에서는 단결정 질화 갈륨 나노 절삭 공정 연성 변형 조사 위해 일련 3차원 MD 시뮬레이션 수행. 절삭 속도, 절삭 방향 등 공정 매개변수 효과도 체계적 연구.
나노 절삭 공정 취성 결정 질화 갈륨 변형 거동 연구 위해 MD 시뮬레이션 모델 구축. 3차원 MD 시뮬레이션 모델 Fig. 1. 공작물은 단결정 질화 갈륨, Ga와 As 원자가 두 FCC 부격자 점유하는 아연블렌드 격자 결정화. 공작물 크기 85 nm × 30 nm × 35 nm. 공작물 모델 세 층: 경계층, 정온층, 뉴턴층. 경계층으로 공작물 고정, 정온층 293 K 일정 온도 설정해 실제 가공 열 방산 모방. 뉴턴층은 나노 절삭 공정 메커니즘 드러낼 절삭 영역. 뉴턴층 원자 운동 고전 뉴턴 제2법칙 준수. 실제 절삭 공정 다이아몬드 공구 모방 위해 공구 날 반경 10 nm 반구 다이아몬드 공구 모델 구축, 절삭 깊이 4 nm 설정. 다이아몬드 공구 특정 속도로 공작물 절입. 계산 자원 한계로 모델 축소, 단순화했으나 나노미터 스케일 연성 변형, 손상 형성 설명 여전히 설득력. 다이아몬드 공구 반구 단순화해 수평 방향 연성 제거 거동 연구(공구 양측 사이드 플로우, 파일업은 3차원 시뮬레이션 중요 특성). 공정 매개변수 효과 연구 위해 다른 절삭 속도, 방향 모델 구축. Table 1 모델 매개변수 나열.
MD 시뮬레이션 모델
포텐셜은 원자 간 힘, 에너지 계산 기초이자 MD 시뮬레이션 가장 중요한 설정 중 하나. 선행 연구[18]에서 질화 갈륨과 다이아몬드 공구 모델 시뮬레이션 위해 세 종류 포텐셜 구성 포텐셜 시스템 결정. 이 시스템에서 Tersoff-Brenner 포텐셜로 Ga, As 간 상호작용 기술, 좋은 시뮬레이션 효과[19]. 양자 화학법으로 다이아몬드 공구-질화 갈륨 공작물 간 상호작용 기술 위해 지수 반발 포텐셜 수립, 단순화 Born-Mayer 포텐셜 형태[18]. 다이아몬드 공구에 Tersoff-ZBL 포텐셜 사용. 포텐셜 시스템 Fig. 2 요약.
모델 포텐셜 시스템
LAMMPS로 MD 시뮬레이션 수행, 시각화와 분석 OVITO로 전위 분석(DXA), 응력 계산, 배위 분석 포함. 공작물 완화 NPT 앙상블 설정해 시스템 에너지 최소화, 자유 표면 안정화. 나노 절삭 공정 NVE 앙상블 설정. 시뮬레이션 적분 타임스텝 1.0 fs.
Fig. 3과 같이 질화 갈륨 공작물 절삭 거리 60 nm, 절삭 속도 400 m/s, (010) 면 [1̄00] 방향 가공. 공작물 원자 y-방향 변위 색상 표시. 공구 앞 원자들 위로 흐르며 압출돼 칩 형성. 다량 원자 하향 흐름 가공 표면 형성. 가공 홈 양측 원자들 공구 압출, 쟁기질로 2 nm 높이 파일업 형성. 결과 취성 질화 갈륨 결정 변형, 제거가 나노미터 스케일에서 연성 거동 나타냄. 시뮬레이션 공정 중 가공 표면에 소량 비소 클러스터 침전 명백. 이 연구 어닐링 후 비소 침전 존재 드러냄[20]. Tersoff-Brenner 포텐셜 비소 클러스터 침전 시뮬레이션 가능[19]. 절삭 공정 중 표면 물질 절삭열로 가열 후 어닐링, 비소 클러스터 형성. 그러나 이 침전은 나노 절삭 공정 주요 관심사 아님. 따라서 후속 분석에서 이 원자들 숨김.
원자 y-방향 변위 색상 나노 절삭 시뮬레이션 결과
가공 공정 중 절삭력 곡선 비교 Fig. 4. 초기 공구 공작물 절입 시 접선력, 법선력 상승. 측방력 z-방향 힘 상쇄로 0 주변 변동. 힘 안정화 시 법선력, 접선력 각각 ~1700 nN, ~700 nN 주변 변동. 모델 제시된 다이아몬드 공구 큰 유효 음 경사각으로 y-방향 힘이 절삭 공정 지배적임 발견. 음 경사각 큰 압축 응력 야기, 절삭 공정 높은 법선력 원인.
나노 절삭 공정 절삭력
표면하 손상 형성은 나노 절삭 메커니즘 연구 중요한 부분. 가공 중 질화 갈륨 손상 형성 메커니즘 파악해 가공 매개변수 추가 최적화 필요. 결정은 원자 구조 이방성 가지며, 가공 공정 가장 심각한 문제 중 하나로 다른 방향에서 공정 성능 영향.
가공 표면하 전위 분포 Fig. 5, 공구 운동 (010)[1̄00] 절삭 방향. 가공 홈 주변 전위 관찰, 약 8 nm 전위층 형성. 가공 표면하 두 주요 전위 유형 존재. 1/2[110] 전위 주로 가공 홈 두 측벽 활주, 1/6[112] 전위 홈 바닥 아래 분포. 1/2[110], 1/6[112] 전위 각각 완전 전위(파란 선), 부분 전위(초록 선)임 입증. 전위 형성은 국소 원자 전이 운동 의미, 변형, 제거가 연성 상태임 의미. 취성 물질도 충분히 작은 스케일에서 연성 상태 나타냄 입증.
가공 표면하 전위 분포 원근도: a y-방향, b x-방향
전단 응력 성분 포함 계산 폰 미제스 응력, 보통 전위 형성 결정에 사용. Fig. 6 전위, 폰 미제스 응력 분포 단면도. 고응력 영역 공구 압출로 공구 아래 집중. 공구 가한 응력 공작물 재료 항복 강도 초과 시 물질 미끄럼면 따라 슬립, 슬립 물질 상대 운동 전위 야기. 따라서 가공 영역 고응력으로 전위 핵생성, 단결정 내 연장. 국소 에너지 원자 운동으로 방출.
나노 절삭 모델 표면하 a 전위 분포, b 폰 미제스 응력 분포
취성, 연성 물질 전위 크게 다름. 질화 갈륨 전형적 취성 결정, 전위 가공 표면 근처 집중. 그러나 구리 등 연성 물질 전위 공작물 깊숙이 연장, 슬립해 절삭 공정 중 고밀도 전위 클러스터 형성[21](Fig. 7a). 전위 물질 연성 변형 결과. 연성 물질 전위 클러스터 연장 넓은 범위 연성 변형, 확산 응력 야기. 그러나 질화 갈륨 등 취성 물질 전위 국소화는 연성 변형 표면 근처만 발생, 응력 완전 방출 아님 의미. 응력 임계값 집중 시 상전이, 균열 등 다른 손상 나타날 수 있음. 선행 연구[18] 질화 갈륨 균열 형성 연구, 절삭 속도 증가 시 제거 모드 전위 형성 연성 모드서 균열 형성 취성 모드 변화 발견. 전위 형성 방출 응력 균열 개시 원인, 이 경우 변형 모드 취성 대신 연성 경향.
다른 단결정 재료 나노 절삭 전위: a 구리[21], b 질화 갈륨
Fig. 8 가공 표면하 발견 적층 결함. 공작물 원자 배위수 기준 색상. 편의상 원래 아연블렌드 구조 4배위 원자 숨김. 가공 표면하 주기적 3배위 원자 존재 관찰. 홈 바닥 아래 발견 부분 전위와 결합, 주로 결정립계, 자유 표면서 방출 부분 전위 적층 결함이나 쌍정 형성 원인[22, 23]. 모델 적층 결함 완전 전위된 원자 평면 아님, 단결정, 비정질층 경계 여러 작은 영역, 따라서 부분 전위 적층 결함 경계 존재. 실제 가공 표면하에도 적층 결함 존재 추론 가능.
가공 표면하 적층 결함
나노 절삭 중 고응력으로 물질 격자 구조 변화 가능. 상전이 공정 연구로 질화 갈륨 절삭 더 잘 이해, 공정 매개변수 최적화나 나노 절삭 전 사전 처리 실험 설계에 유용.
단결정 질화 갈륨 상온 상압 아연블렌드 구조. 그러나 압축 응력 17 GPa 도달 시 6배위 GaAs-II 구조 변화[24]. 응력 60 GPa 초과 시 뷔르츠라이트 구조로 상전이 종료[25].
Fig. 9a 절삭 속도 400 m/s, (010)[1̄00] 방향 모델 구조 변화. 가공 영역 약 6 nm 두께 비정질 구조층 관찰, 결정 특성 구조 없음.
a 고배위 원자, 5배위 구조 분포, b 정수압 응력 분포
가공 위치 하부 일부 원자 5배위 구조 전환 명백. 압축 응력 하 실리콘 결정 bct-5 구조 형성과 유사, 이 5배위 구조는 6배위 GaAs-II 형성 중간상 고려. 공구 절삭으로 정수압 응력 증가, 격자 왜곡. 그러나 Fig. 9b 정수압 응력 분포 최대 17 GPa, GaAs-I→GaAs-II 전이 임계값 겨우 도달. 정수압 응력 17 GPa 초과 표면하 영역 매우 작고, 공작물 대부분 영역 전이 임계값 아래 정수압 응력. 결과적으로 6배위 구조 큰 조각 원자 발견 어렵고, 5배위 구조는 GaAs-I→GaAs-II 중간상.
Fig. 10 절삭 공정 선택 영역 방사 분포 함수 곡선, 다이아몬드 공구 아래 영역. 가공 전, 중, 후 방사 분포 함수 곡선 계산. 공작물 시작 시 정렬된 아연블렌드 구조, 규칙적 피크 곡선. 다이아몬드 공구 선택 영역 도달 시 방사 분포 함수 단거리, 장거리 모두 무질서 상태. 이는 영역 내 원자 무질서 배열 강한 비정질화 의미. 그러나 가공 표면하 곡선 구조 단거리 정렬, 장거리 무질서로 회복 의미. 응력 방출로 물질 최소 에너지 상태 구조 변화. 중간상 원자 비정질 또는 다른 상태 변화. 따라서 안정적 가공 상태, 비정질 질화 갈륨 나타내는 곡선. 가공 공정 중 3.3 Å 사이드 피크 발견, 공구 떠날 때 피크 사라짐. 이 현상 중간상 형성, 소멸 드러내며 절삭 공정 탄성 변형 간주 가능. 공구 힘 없이 일부 원자 아연블렌드 구조 회복, 다른 원자 다른 안정 상 또는 비정질 상태 변화, 영구 연성 변형 나타냄.
선택 영역 방사 분포 함수: a 선택 영역; b 대응 방사 분포 함수 곡선
표면/표면하 손상 형성 여러 요인 영향, 다른 절삭 매개변수 전위 형성 영향.
Fig. 11a-c 다른 절삭 속도 전위 분포 비교. 전위 밀도 절삭 속도 증가 따라 점진적 감소. 절삭 속도 200 m/s 낮을 때 가공 표면하 전위 풍부 공급. 고변형률 공정 시 전위 핵생성, 전파 충분 시간 없어 전위 감소, 전위 유도 연성 변형 덜 지배적. 물질 급속 변형, 무질서화, 회복 시간 짧음, 비정칙 구조 비정질 원자 형성 용이. 따라서 높은 절삭 속도 전위 형성 억제 방법. Fig. 11d-f 세 해당 모델 폰 미제스 응력 분포 단면도. 높은 절삭 속도 공구 근처 물질 응력 상대적 높음(큰 절삭 에너지). 세 모델 비교, 800 m/s 모델 공구 앞 더 높은 응력 집중, 가공 표면하 더 연속적 고응력 영역. 반대로 저속 모델 전위 형성으로 응력 방출. 전위 유도 연성 변형 국소 변형 에너지, 격자 굽힘, 탄성 변형 유발 응력 방출. 따라서 높은 절삭 속도 공작물 전위 부족으로 응력 상태 심각, 절삭 공정 균열 형성 용이.
다른 절삭 속도 200 m/s(a, d), 400 m/s(b, e), 800 m/s(c, f) 모델 원근도 전위 분포, 폰 미제스 응력 분포
이방성은 결정 나노 절삭 공정 심각한 문제[26, 27], 단결정 질화 갈륨 포함. 단결정 구조로 질화 갈륨 결정 각 결정 방향서 독특 특성 보임. 세 모델 다른 절삭 면, 방향으로 이방성 연구. 절삭 방향 (010)[1̄00], (1̄10)[1̄1̄0], (2̄11)[1̄1̄1̄]. Fig. 12a-f 전위 분포 큰 차이 반영. 위 언급 (010)[1̄00] 모델 두 종류 전위 존재. 절삭 방향 (1̄10)[1̄1̄0] 방향 시 대부분 전위 가공 홈 바닥, 일부 클러스터 전위 공구 앞 표면 연장. 양측 측벽 전위 거의 없음 Fig. 12b. (2̄11)[1̄1̄1̄] 절삭 방향 중앙서 양측 연장 나무형 전위 관찰, 가공 표면하 덮음 Fig. 12c. 그러나 첫 모델과 달리 (1̄10)[1̄1̄0], (2̄11)[1̄1̄1̄] 모델 부분 전위 거의 없음, 대부분 [110] 방향 완전 전위. 유사하게 적층 결함 (1̄10)[1̄1̄0], (2̄11)[1̄1̄1̄] 모델 가공 영역서 발견 안됨, 부분 전위 부재 대응. 이 또한 물질 이방성 효과 입증.
절삭 방향 (010)[1̄00](a, d), (1̄10)[1̄1̄0](b, e), (2̄11)[1̄1̄1̄](c, f) 모델 전위 분포 원근도
Fig. 13a-f 세 모델 다른 절삭 방향 전위 분포, 폰 미제스 응력 분포 비교. 결정 방향 응력 전파 명백 영향. (010)[1̄00], (2̄11)[1̄1̄1̄] 모델 공구 앞 응력 집중, 연장 방향 다름. 그러나 (1̄10)[1̄1̄0] 모델 집중 응력 영역 더 넓고, 공구 앞 고응력 영역 표면 연장. 결정 방향 차이로 슬립 방향 응력 성분 달라져 전위 다른 출현. 응력 방향, 미끄럼면 각도 작을 때 슬립 더 쉽게 발생, 물질 연성 모드 변형. 반대로 인장 응력(면 방향 수직)/전단 응력(슬립면 방향) 비율 증가 시 균열, 취성 파단 개시 경향.
절삭 방향 (010)[1̄00](a, d), (1̄10)[1̄1̄0](b, e), (2̄11)[1̄1̄1̄](c, f) 모델 폰 미제스 응력 분포, 전위 분포
응력, 전위 분포 비교, 더 높은 전위 밀도 모델 가공 표면하 더 낮은 응력 가질 수 있음. Fig. 13e (1̄10)[1̄1̄0] 모델 표면하 더 두꺼운 비정질 손상층, 다른 모델 밀집 전위 영역 대응. 이 현상 이방성 손상 유형 영향 가능성 시사. (1̄10)[1̄1̄0] 모델 집중 응력 전위 형성 적어 방출 어려움. 결과 원자 배열 심각한 응력 상태서 교란. 가공 표면하 응력 범위 더 넓고 잔류 응력 더 높음. 반대로 (2̄11)[1̄1̄1̄] 모델 더 큰 전위 밀도로 가공 표면하 더 얇은 응력층. 절삭 공정 중 전위 형성 일부 응력 방출. 선행 연구[18] 연성 손상 모드 전위→비정질화 전환 시 가공 표면하 심각한 응력 상태, 비정질 손상 나타냄. 표면하 균열 비정질, 단결정 경계서 더 쉽게 형성. 절삭 방향 (1̄10)[1̄1̄0] 방향일 때 균열 더 쉽게 발생 추론 가능. 전위 형성 취성 손상 형성 감소 가능. 이방성이 균열 형성 영향 미치는 이유 중 하나, 면 절단 메커니즘 추가.
절삭 공정 중 공구 근처 물질 고응력, 심한 압축 받아 상전이, 비정질화 등 물질 구조 변화 야기. 비정질층 아래 더 넓은 영역 슬립 발생, 광범위 응력 효과로 단결정 내 전위 형성. 이들이 질화 갈륨 나노 절삭 주요 연성 변형. 다른 절삭 조건 국소 응력 상태, 전위 형성 용이성 영향. 높은 가공 속도나 이방성으로 전위 생성 어려울 때 연성 변형 모드 비정질 지배적 경향(미방출 응력 비정질화 유발). 이 상황 균열도 쉽게 형성. 반대로 조건 물질 슬립 적합 시 전위 연성 변형 주성분.
MD 시뮬레이션으로 질화 갈륨 결정 나노 절삭 공정 손상 형성 메커니즘 연구. 공정 원자 운동, 절삭력 분석. 전위, 적층 결함, 상전이를 주요 표면/표면하 손상으로 연구. 결론 요약:
현재 연구 중 생성/분석된 데이터세트는 진행 중인 연구 일부도 형성해 공개되지 않으나, 합리적 요청 시 교신저자로부터 제공 가능.
나노물질
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