Атомарные инсайты в скользящую деформацию и нанометрическую обрабатываемость 6H-SiC

Аннотация

Понимание атомарно-масштабной деформации и удаления материала 6H-SiC необходимо для производства ультра-гладких, бездефектных поверхностей с атомарными ступенями. Поскольку прямое наблюдение наномасштабной зоны обработки выходит за пределы современных экспериментальных возможностей, мы использовали большие молекулярно-динамические симуляции для захвата ключевых явлений: дилокационного скольжения, фазовых переходов и разделения материала. Это исследование систематически исследует, как кристаллическая анизотропия влияет на скользящую деформацию и нанометрическую обрабатываемость, продвигая фундаментальные знания, необходимые для точной обработки 6H-SiC.

Введение

Кремний карбид (SiC) — краеугольный камень полупроводников третьего поколения, ценный за широкий зазор, высокое пробое поле, превосходную радиационную стойкость, высокую насыщенную скорость носителей, исключительную теплопроводность, низкую диэлектрическую постоянную и надежную химическую стабильность. Эти атрибуты делают SiC незаменимым в высокотемпературных, высокочастотных, высокомощных, антирадиационных и коротковолновых оптоэлектронных приложениях, включая Шоттки-выпрямители, тиристоры и MOSFET.

Среди политипов SiC наиболее широко используются 3C, 4H и 6H. Конвенциональная обработка — шлифовка, лаппирование и полировка — остается основным путем fabricación односложных SiC. Однако отношение твердости алмаза и SiC (~2:1 для глубин обработки <50 нм) ниже рекомендуемого 5:1, что ведет к ускоренному износу инструмента и подповерхностным повреждениям, ухудшающим качество вейферов. Обширные исследования 3C-SiC прояснили механизмы пластической деформации, износа инструмента, трения, анизотропии и температурных эффектов при резании. В отличие от этого, 6H-SiC со своим сложным упакованием ABCACB и зазором 3 эВ получил меньше внимания, несмотря на превосходную технологическую зрелость и промышленное распространение.

Для улучшения целостности поверхности и подповерхностного слоя 6H-SiC критично определить оптимальную кристаллическую плоскость (обрабатываемая поверхность) и ориентацию (направление обработки), минимизирующие повреждения и максимизирующие эффективность удаления. Эксперименты по царапанию и симуляции — стандартные инструменты для зондирования удаления материала в наномасштабе, дающие инсайты для абразивной обработки. Здесь мы используем молекулярно-динамические симуляции царапания для анализа влияния кристаллической анизотропии на нанометрическую обрабатываемость 6H-SiC.

Методология

Все симуляции резания выполняли в LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator). Визуализация модели и идентификация дефектов — OIVTO и алгоритм обнаружения алмазной структуры. Рабочее тело и инструмент моделировали как полностью деформируемые тела, позволяя фиксировать эволюцию износа во время царапания. Каждая модель включала граничный слой, термостатируемый слой и ньютоновскую область. Атомы граничного слоя внизу и справа рабочего тела были зафиксированы; остальные подчинялись второму закону Ньютона. Периодические граничные условия применяли по направлению y. Перед царапанием 50 пс NVE-релаксации с термостатом Berendsen обеспечивали устойчивое энергетическое состояние.

Абразивный кончик представлял собой сферическую корону треугольной пирамиды с углом 90° между ребрами. Выбрали три наиболее распространенные плоскости 6H-SiC — базальную (a-плоскость), призматическую (m-плоскость) и c-плоскость — как обрабатываемые поверхности. Учитывая симметрию кристалла, рассмотрели шесть комбинаций поверхность/ориентация: (0001)/[2-1-10], (0001)/[10-10], (01-10)/[2-1-10], (01-10)/[0001], (11-20)/[1-100], (11-20)/[0001]. Параметры симуляции в табл. 1. Перед царапанием абразив позиционировали на 50 Å ниже верхней поверхности, 30 Å от рабочего тела, за пределами радиуса отсечения межатомного потенциала. Абразив двигался вдоль +x для завершения царапания.

Для описания Si–Si, C–C и Si–C взаимодействий выбран аналитический потенциал порядка связи (ABOP), разработанный Erhart и Albe, благодаря его доказанной точности для механических свойств и механизмов удаления SiC. Параметры в табл. 2.

Результаты и обсуждение

Анализ нанометрической обрабатываемости

Рис. 3 и 4 демонстрируют, что анизотропия 6H-SiC сильно влияет на нанометрическую обрабатываемость — глубину обработки, режим удаления, объем удаления и глубину подповерхностного повреждения (SSD). Классифицируя обрабатываемую плоскость и направление относительно базальной плоскости/оси c, выделяют три группы режимов: (i) базальная плоскость как обрабатываемая поверхность; (ii) базальная плоскость перпендикулярна поверхности, ось c перпендикулярна направлению обработки; (iii) ось c параллельна направлению обработки.

Ключевые наблюдения:

1. Режимы (0001)/[2-1-10] и (0001)/[10-10] дали похожую обрабатываемость, но второй способствовал хрупкому режиму удаления.
2. Режимы (01-10)/[2-1-10] и (11-20)/[1-100] достигли большей глубины обработки и скорости удаления. Для теоретической глубины 5 нм (11-20)/[1-100] удалил в 3,4 раза больше материала, чем (01-10)/[0001], с отношением удаление/износ 10,1, хотя SSD был в 2,3 раза больше, чем (0001)/[10-10]. Этот режим подходит для высокопроизводительной наногрубной обработки, где подповерхностные повреждения допустимы. Напротив, (01-10)/[0001] дает сопоставимую скорость удаления, но только 50 % SSD, давая более гладкую, механически надежную грубу — идеально для точной обработки.
3. Когда направление обработки совпадает с осью c, кончик абразива сильно изнашивается на ранней стадии, что ведет к низким скоростям удаления (~1,0) и высокому SSD. Хотя эти режимы показывают отличную износостойкость, они не рекомендованы для микро-нано грубования, но могут быть ценны для проектирования передних граней режущих инструментов.

Анализ скольжения и распределения подповерхностных повреждений

Распределение фактора Шмида в процессе царапания

Гексагональный SiC обладает базальными, призматическими и пирамидальными системами скольжения. Склонность к скольжению зависит от обобщенной энергии стекингового разлома и фактора Шмида. Базальное скольжение обычно происходит на наборе <11-20> shuffle, призматическое активируется вдоль направлений и . Рис. 5 и 6 иллюстрируют соответствующие системы скольжения и факторы Шмида для каждого направления нагрузки.

Разрешающая сдвиговая напряженность τ_ss на скользящей плоскости: τ_ss = σ_cont·m, где σ_cont — контактное напряжение, m — фактор Шмида. Глобальная система координат фиксирована, локальная следует за кристаллической ориентацией.

Во время царапания передняя грань доминирует в контакте до сильного износа кончика, когда основной контакт смещается на композит передней грани и вершины кончика, меняя направление нагрузки. Направления нагрузки: f₁=(1,0,−√2) для передней грани и f₂=(0,0,−1) для вершины кончика.

Используя кристаллические параметры (c/a≈4,901), базальное скольжение требует меньшее критическое сдвиговое напряжение, чем призматическое. Таким образом, при обработке базальной плоскости (0001)/[2-1-10] или (0001)/[10-10] базальное скольжение инициируется первым. Для ориентаций (01-10)/[2-1-10] и (11-20)/[1-100] базальное скольжение подавлено, доминирует призматическое. В осе c-параллельных режимах сильный износ кончика повышает влияние f₂, ведуя к симметричному призматическому скольжению через плоскость YZ.

Распределение поверхностных/подповерхностных повреждений

Рис. 6a,b показывают, что для (0001)/[2-1-10] и (0001)/[01-10] скольжение в основном происходит на (0001)/<11-20>, производя нанокристаллические зерна и решетчатые искажения, распространяющиеся в подповерхностный слой. Аморфная фаза покрывает всю обработанную поверхность, глубина дилокаций совпадает со слоем решетчатых искажений.

Для (01-10)/[2-1-10], несмотря на нулевой фактор Шмида для базального скольжения, 5,3° несоответствие между нагрузкой и направлением скольжения <11-20> активирует базальное скольжение по обе стороны V-грубы до призматического. В (11-20)/[1-100] более крупные несоответствия (24,7° и 35,3°) подавляют базальное скольжение, доминирует призматическое на <1-2-10>, что приводит к более глубоким подповерхностным повреждениям и выраженному sp³→sp² переходу.

Когда направление обработки совпадает с осью c, сильный износ кончика ведет к призматическому скольжению при стабильном царапании. В (01-10)/[0001] симметричное крестообразное скольжение на <1-2-10> и <-1-1-20> (разделенные на 60°) зажимает скольжение, ограничивая SSD < h_t·tanθ/2·cotα/2. В (11-20)/[0001] неравномерный износ кончика снижает скольжение до одной системы.

В целом, подповерхностные повреждения состоят главным образом из дилокаций, решетчатых искажений (кручения/скольжения) и аморфной фазы. Скользящая деформация, некристаллизация и неравномерные решетчатые искажения управляют механическим откликом 6H-SiC при наномашинировании.

Заключительные замечания

Мы определили механизмы деформации и нанометрическую обрабатываемость 6H-SiC по различным комбинациям кристаллических поверхностей/направлений. Основные выводы:

1. Ответ 6H-SiC на наногребение управляется комбинацией аморфного фазового перехода, решетчатых искажений и дилокационного скольжения. Глубина дилокационной линии определяет подповерхностные повреждения.
2. Базальное и призматическое скольжение доминируют в скользящей деформации при царапании. Фактор Шмида дает надежный предсказатель активации скольжения.
3. Режим обработки (01-10)/[2-1-10] дает высокую скорость удаления с минимальным износом абразива, идеально для поверхностной обработки. И наоборот, базальная плоскость и ось c представляют наиболее сложные грани и направления, дающие руководство для проектирования режущих инструментов.