分子動力学シミュレーションから見た砒化ガリウムナノ切削のサブサーフェス変形メカニズム

概要

ナノ切削プロセスにおいて、単結晶砒化ガリウム（GaAs）は様々な表面/サブサーフェス変形と損傷に直面し、製品性能に大きく影響します。本論文では、GaAsナノ切削の分子動力学（MD）シミュレーションを行い、表面およびサブサーフェス変形メカニズムを調査しました。加工サブサーフェスに転位が見出されました。配位数を用いて相転移とアモルファス化を研究し、切削プロセス中に配位数5の中間相が存在することを明らかにしました。異なる切削速度モデルで転位への影響を、異なる切削方位モデルで結晶異方性の転位タイプと密度への影響を調査しました。さらにサブサーフェス応力も解析しました。

はじめに

砒化ガリウム（GaAs）は典型的なIII-V族化合物であり、最も重要な半導体材料の一つです。直接遷移型バンドギャップ、高い電子移動度、高抵抗率など優れた特性により、赤外光学デバイスやマイクロ波デバイスなど幅広い分野で単結晶GaAsが利用されています。生産技術の発展に伴い、表面粗さ、形状精度、サブサーフェス損傷への厳しい要求が高まっています。ナノ切削技術はGaAs光学素子の性能向上と応用分野拡大に有益です。しかし、GaAs結晶ナノ切削は脆性割れ、異方性、その他サブサーフェス損傷といった困難を伴います。したがって、GaAsナノ切削メカニズムと損傷形成メカニズムの研究は、加工問題解決、表面品質向上、関連ナノ加工技術開発において極めて重要です。

GaAsナノスケール実験研究は多数報告されています。FangらはGaAsとシリコンのナノインデンテーションとナノスクラッチ特性比較、TaylorらはキューブコーナーチップによるGaAs(100)超低荷重ナノインデンテーション、Bradbyらは球状インデンテーションでのGaAsポップイン現象発見、Fangらは軟脆性半導体の加工特性研究しダイヤモンド旋削でGaAs鏡面加工初実現。しかし、インデンテーションと物理的特性研究は多いものの、ナノ切削プロセスと損傷形成メカニズムについてはほとんど知られていません。主な理由は、ナノスケールと高切削速度のためオンライン計測がほぼ不可能、ナノ加工・測定実験系列実施に高コストがかかるためです。

分子動力学（MD）シミュレーションはナノメトリック加工メカニズム探求に最も効率的な手法の一つです。ShimadaらはMDシミュレーションがナノメトリック加工プロセス記述に有効であることを証明。KomanduriらはMDシミュレーションでシリコンナノ切削時の構造転移現象発見。Peiらは大規模MDモデルで銅ナノ切削転位形成研究。Laiらはゲルマニウムナノ切削の臨界すくい角と材料変形、部分重なりナノ切削研究。さらにマルチスケールモデリングが超精密加工分野で発展。マルチスケールシミュレーションはナノスケールMDモデルとマイクロスケールFEモデル等を組合せ、より包括的・現実的に加工プロセス研究可能。本論文ではサブサーフェス変形メカニズムに焦点を当て、MDシミュレーションを研究手法として選択しました。

研究材料として、ナノメトリック加工MD研究の多くはシリコン、ゲルマニウム等の元素半導体や銅、アルミニウム等の金属に焦点。GaAsナノ切削数値解析報告は少ない。FanらはMDシミュレーションと旋削実験でGaAs延性応答研究。YiらはMDシミュレーションでGaAsナノスクラッチプロセス相転移と異方性研究。本論文では、単結晶GaAsナノ切削プロセスにおける延性変形調査のため、一連の三次元MDシミュレーション実施。切削速度、切削方位等のプロセスパラメータ効果も体系的に研究。

手法

脆性結晶GaAsナノ切削プロセス変形挙動研究のためMDシミュレーションモデル構築。三次元MDシミュレーションモデル（図1）。ワークピースは亜鉛鉱構造単結晶GaAs、GaとAs原子が2つのFCCサブ格子占有。ワークピースサイズ85 nm × 30 nm × 35 nm。境界層、恒温層、ニュートン層の3層構造。境界層で固定、恒温層293 K一定で実加工熱放散模擬。ニュートン層が切削領域でナノ切削メカニズム解明。ニュートン層原子運動は古典的ニュートン第二法則従う。実切削ダイヤモンド工具模擬のため、工具先端半径10 nm半球ダイヤモンド工具モデル構築、切込み深さ4 nm設定。ダイヤモンド工具を特定速度でワークピース切削。計算資源制限でモデル縮小簡略化だが、ナノメトリックスケール延性除去挙動と損傷形成説明に十分説得力。ダイヤモンド工具を半球簡略化し、水平方向延性除去挙動（側方流動、工具両側パイルアップ）研究、三次元シミュレーション重要特性。プロセスパラメータ効果研究のため、異なる切削速度、方位モデル構築。表1にモデルパラメータ一覧。

ポテンシャルは原子間力・エネルギー計算基盤であり、MDシミュレーション最重要設定。先行研究でGaAsとダイヤモンド工具モデルシミュレーション用に3種ポテンシャル系決定。Ga-As間相互作用にTersoff-Brennerポテンシャル使用、良好シミュレーション効果。ダイヤモンド工具-GaAsワークピース間相互作用に指数型反発ポテンシャル確立、量子化学手法で簡略化Born-Mayer型。ダイヤモンド工具内部にTersoff-ZBLポテンシャル使用。ポテンシャル系まとめ図2。

MDシミュレーション実行にLAMMPS使用、可視化・解析にOVITO使用（転位解析DXA、応力計算、配位数解析）。ワークピース緩和はNPTアンサンブル（系エネルギー最小化、自由表面安定化）、ナノ切削プロセスはNVEアンサンブル。シミュレーション積分タイムステップ1.0 fs。

結果と考察

一般的記述

図3に示す通り、GaAsワークピースを切削速度400 m/s、切削距離60 nm、(010)[1̄00]方向で加工。原子をy方向変位で着色。工具前方原子が押出しにより上方流動しチップ化。多数原子が下方流動し加工面形成。加工溝両側で原子が工具押出し・プラウにより高さ2 nmパイルアップ。脆性GaAs結晶がナノメトリックスケール加工で延性挙動示すこと明らか。シミュレーション過程で少量砒素クラスタが加工面析出明確。アニーリング後砒素析出存在報告あり。Tersoff-Brennerポテンシャルで砒素クラスタ析出シミュレーション可能。切削プロセスで表面材料が切削熱で加熱されアニーリング、砒素クラスタ形成。しかしこの析出はナノ切削プロセス主要懸念でないため、後続解析では非表示。

加工プロセス切削力曲線比較（図4）。初期、工具切り込みに伴い接線力と法線力上昇。側方力はz方向力相殺で0付近変動。力安定化後、法線力約1700 nN、接線力約700 nN付近変動。y方向力が切削プロセス支配的、モデル提示大負すくい角による大きな圧縮応力が高法線力もたらす。

転位とスタッキングフォルト

サブサーフェス損傷形成はナノ切削メカニズム研究重要部分。GaAs加工時損傷形成メカニズム解明し、加工パラメータ最適化必要。結晶は原子構造異方性持ち、加工プロセス最深刻問題、異方位でプロセス性能影響。

加工サブサーフェス転位分布（図5）、工具運動方向(010)[1̄00]。加工溝周辺に約8 nm転位層形成。主に2タイプ転位存在。1/2[110]転位が溝両側壁主滑り、1/6[112]転位が溝底下分布。1/2[110]は完全転位（青線）、1/6[112]は部分転位（緑線）。転位形成は局所原子並進運動意味し、変形除去が延性状態。脆性材料も十分小スケールで延性状態示すこと証明。

フォンミーゼス応力（せん断応力成分含む）は転位形成判定に常用。図6は転位とフォンミーゼス応力分布断面図。高応力領域工具下押出しで集中。工具応力がワークピース降伏強度超えると材料滑り面沿い滑り、滑り材料相対運動で転位生成。したがって高応力加工領域で転位核生成・単結晶内延伸。局所エネルギー原子運動で放出。

脆性・延性材料転位大きく異なる。GaAs典型脆性結晶、転位加工表面近傍集中。延性材料銅では転位深く延伸・高密度転位クラスタ形成（図7a）。転位は材料延性変形結果。延性材料転位クラスタ延伸は広範囲延性変形と拡散応力導く。脆性材料GaAs転位局在化は延性変形表面近傍のみ、応力完全解放なし示唆。応力閾値集中時、相転移やクラック等他損傷出現可能。先行研究でGaAsクラック形成研究、切削速度増加で除去モードが転位形成延性モードからクラック脆性モードへ変化発見。転位形成は応力解放しクラック発生抑制、変形モード延性傾向。

スタッキングフォルト（図8）：原子配位数着色、利便性で元来亜鉛鉱構造4配位原子非表示。加工サブサーフェスに周期的3配位原子存在観察。溝底下部分転位と合わせ、部分転位が粒界/自由表面から主放出されスタッキングフォルト/ツイニング形成原因。モデルスタッキングフォルトは完全転位原子面でなく単結晶-アモルファス層境界小領域、部分転位スタッキングフォルト境界存在。実加工サブサーフェスにもスタッキングフォルト存在推測。

相転移とアモルファス化

ナノ切削高応力で材料格子構造変化可能。相転移プロセス研究でGaAs切削理解深化、プロセスパラメータ最適化やナノ切削前事前実験設計有用。

単結晶GaAsは常圧常温で亜鉛鉱構造。圧縮応力17 GPa到達で6配位GaAs-II構造変化、60 GPa超でウルツ鉱構造へ相転移完了。

図9a：切削速度400 m/s、(010)[1̄00]方位モデル構造変化。加工領域層約6 nmアモルファス構造観察、結晶特徴構造なし。

工具下一部原子5配位構造変化明確。シリコン圧縮応力下bct-5構造形成類似、この5配位構造は6配位GaAs-II形成中間相と見なされる。工具切削で静水圧応力増大、格子歪み生成。図9b静水圧応力分布：最大静水圧応力17 GPa、GaAs-I→GaAs-II転移臨界値ちょうど到達。静水圧応力17 GPa超領域極小、大部分ワークピース領域転移閾値以下。結果、6配位構造大塊発見困難、5配位構造がGaAs-I→GaAs-II中間相。

図10：切削プロセス選択領域（ダイヤモンド工具直下）径分布関数曲線。加工前・中・後で算出。初期有序亜鉛鉱構造、規則的ピーク曲線。工具到達時、短距離・長距離とも無秩序状態、強いアモルファス化（原子無秩序配列）示唆。しかし加工サブサーフェス曲線は短距離有序・長距離無秩序回復、応力解放で最小エネルギー状態構造変化。中間相原子アモルファス或他安定相変化。安定加工状態アモルファスGaAs示す曲線。加工中3.3 Å側ピーク存在、工具離れると消失。中間相形成消滅現象、切削プロセス弾性変形と見なせる。工具力なしで一部原子亜鉛鉱構造回復、他は他安定相或アモルファス状態変化、永久延性変形表す。

切削速度と方位がサブサーフェス変形に及ぼす影響

表面/サブサーフェス損傷形成は多因子影響、異なる切削パラメータで転位形成影響受ける。

異なる切削速度転位分布比較（図11a-c）。切削速度増加で転位密度漸減。200 m/s低速で加工サブサーフェス転位豊富。高歪速度下、転位核生成・伝播時間不足、転位少、転位誘起延性変形非優位。材料急速変形・無秩序化、回復時間短、非規則構造アモルファス原子形成容易。高切削速度は転位形成抑制手段。図11d-f：対応3モデルフォンミーゼス応力分布断面図。高切削速度で工具付近材料応力相対的高値（大き切削エネルギー）。3モデル比較：800 m/sモデル工具前方高応力集中、加工サブサーフェス連続高応力領域呈示。低速モデルでは転位形成で応力解放。転位誘起延性変形が局所歪エネルギーと格子曲げ・弾性変形応力解放。したがって高切削速度ワークピースでは転位欠如で応力状態深刻、切削プロセスクラック形成容易。

異方性は結晶ナノ切削深刻問題、単結晶GaAsも異結晶方位で顕著異特性示す。3切削面・方位モデル構築し異方性研究。切削方位：(010)[1̄00]、(1̄10)[1̄1̄0]、(2̄11)[1̄1̄1̄]。図12a-fで転位分布顕著差反映。前述通り(010)[1̄00]モデルに2種転位存在。(1̄10)[1̄1̄0]方向では大部分転位加工溝底、一部クラスタ転位工具前方表面延伸、側壁少数（図12b）。(2̄11)[1̄1̄1̄]方位では中央から両側延伸樹木状転位観察、加工サブサーフェス覆う（図12c）。しかし第1モデル異なり、(1̄10)[1̄1̄0]と(2̄11)[1̄1̄1̄]モデル部分転位少数、大部分[110]方向完全転位。同様スタッキングフォルトも(1̄10)[1̄1̄0]と(2̄11)[1̄1̄1̄]モデル加工領域見出されず、部分転位欠如対応。これも材料異方性効果証明。

図13a-f：3異方位モデル転位分布とフォンミーゼス応力分布比較。結晶方位は応力伝播に顕著影響。(010)[1̄00]と(2̄11)[1̄1̄1̄]モデルで応力工具前方集中、延伸方向異なる。(1̄10)[1̄1̄0]モデル集中応力領域幅広、工具前方高応力領域表面延伸。結晶方位差で滑り方向応力成分異なり、転位出現様相異なる。応力方向と滑り面角度小さいと滑り生起易く延性変形モード。逆に垂直面引張応力/滑り面せん断応力比増大でクラック・脆性破壊発生傾向。

応力・転位分布比較：高転位密度モデルほど加工サブサーフェス応力低傾向。図13e：(1̄10)[1̄1̄0]モデルサブサーフェス厚いアモルファス損傷層、他モデル高密度転位領域対応。異方性が損傷タイプ影響示唆。(1̄10)[1̄1̄0]モデルでは集中応力転位少なく解放困難、原子配列激しい応力下攪乱。応力範囲広く残留応力高。(2̄11)[1̄1̄1̄]モデルは転位密度大で薄い応力層、切削中転位形成で応力一部解放。先行研究で延性損傷モード転位→アモルファス化転移時、サブサーフェス深刻応力状態とアモルファス損傷呈示、アモルファス-単結晶境界でサブサーフェスクラック発生容易。したがって(1̄10)[1̄1̄0]方位切削でクラック発生しやすい推測。転位形成は脆性損傷形成低減。劈開機構に加え、異方性でクラック形成影響受ける理由。

切削プロセスで工具付近材料高応力・強圧縮受け、相転移・アモルファス化等構造変化生起。アモルファス層下で広範囲滑り発生、広範囲応力効果で単結晶内転位形成。これら主ナノ切削GaAs延性変形。異切削条件で局所応力状態と転位形成容易さ変化。高加工速度や異方性で転位生成困難時、未解放応力によるアモルファス化優位で延性変形モードアモルファス主導傾向、クラックも形成容易。逆に条件適切で材料滑り容易時、転位が延性変形主成分。

結論

MDシミュレーションでGaAs結晶ナノ切削プロセス損傷形成メカニズム研究。原子運動と切削力も解析。転位、スタッキングフォルト、相転移を主表面/サブサーフェス損傷として研究。結論まとめ：

1. GaAsナノ切削では、転位と構造変化が加工サブサーフェス主変形メカニズム。
2. 加工サブサーフェス溝に転位とスタッキングフォルト観察、スタッキングフォルト形成と部分転位形成整合。
3. 工具前方に5配位中間相存在（静水圧応力17 GPa転移閾値近く未満）。加工サブサーフェスにアモルファス層形成。
4. 切削速度増加で高歪速度のため転位密度減少。異方性は転位タイプ・密度に大き影響。(010)[1̄00]モデルで部分転位形成容易。(1̄10)[1̄1̄0]モデルで転位密度低く深刻アモルファス化。