单晶碳化硅接触中亚表层损伤与破坏机理的原子尺度分析

494 编辑：中冶有色技术网来源：王胜,周俏亭,占慧敏,陈晶晶

2024-04-16 16:40:34

第三代半导体碳化硅器件优异的物理、化学和力学性能，如电子能带结构[1]、优异的光学性能[2]、优异的热导率[3]、较高的化学惰性和优异的耐腐蚀性[4]，使其在微/纳机电系统，核燃料组件、微电子元件和光电子器件等方面有广阔的应用前景第三代半导体碳化硅器件，也是微电子整流器、微型探测器与传感器以及微型集成电路等国家重大亟需领域的核心器件但是，微/纳机电系统的微型半导体电子元器件在复杂工况耦合因素影响下和频繁往复接触运动中，表面产生的黏着磨损使其耐久性服役寿命短、残次品率高和接触力学性能下降[5] 微/纳机电系统的微齿轮传动啮合部和轴承滚珠与滚道循环摩擦接触部位，以及硬盘存储器的磁头与磁盘往复滑动接触部位，在微观表/界面力、高速重载、极端使役温度耦合诱导下两器件表面产生黏着磨损，使半导体器件因脆性断裂产生磨粒而粘附于器件表面，导致微机电系统元器件接触失效和产生巨大的摩擦能耗[6] 了解在极端使役温度半导体器件接触时的动态变形特性和定量评估其接触力学性能和知悉元器件的损伤机制，有利于延长半导体器件的服役寿命因此，深入研究半导体碳化硅器件的亚表层损伤行为、接触力学性能、相变转化规律并揭示其亚表层微观塑性特性与破坏机制显得极为必要

目前对半导体器件接触的研究主要集中于分子动力学模拟(MD)，主要研究其接触的微观力学变形行为与损伤机制 Zhang等[7]用MD法研究了单晶硅纳米压痕变形机制，发现受载下的单晶硅原子发生立方结构向体心结构的相变结构转化，并在压痕接触周围产生大量的非晶结构原子 Zhao等[8]用MD法研究了温度对单晶硅力学性能的影响，发现随着温度的降低单晶硅的弹性模量增大 Chen等[9]用MD法研究了温度对单晶硅纳米压痕接触变形的影响，发现受载下的单晶硅发生相变结构转化，使受载区域的接触原子粘附于探针的外表面，并随温度的升高粘着原子数量逐渐增多施渊吉等[10]用MD法研究了多晶碳化硅纳米压痕的变形行为结果表明，随着温度的升高多晶碳化硅的承载性能逐渐下降，位错从晶界形核处逐渐长大并向晶体内部扩张，最终形成位错环结构另有相关学者研究了碳化硅位错滑移和无定形发生控制的相关塑性变形行为[11~14] Zhao等[15]从微观角度揭示了β-SiC材料在室温下的塑性变形行为和脆性断裂特征结果表明，表面裂纹的形貌对宏观力学性能有显著的影响 Kondo等[16]研究了不同辐照环境下β-SiC材料的蠕变变形 Zhao等[17]观察到，在极高压条件下碳化硅接触区域的非晶态原子层局部集中生成纳米带 Branicia等[18]用MD模拟研究了单位错核在冲击载荷作用下主导立方晶碳化硅的塑性变形机制 Chavoshi等[19]用原子水平方法研究了β-SiC材料高温纳米切削过程，发现位错形核和层错的形成是影响塑性初始变形的主要因素鉴于此，本文构建第三代半导体典型碳化硅器件与虚拟压头接触的原子尺度物理模型，基于纳米压痕法研究半导体碳化硅器件接触时的亚表层损伤行为与破坏机制，并分析极端使役温度对受载诱导产生的位错环演变特征、相变转化数额、接触力学性能、亚表层损伤行为的影响

1 基于分子动力学理论的计算1.1 MD的设置

图1给出了(111)面单晶碳化硅的原子尺度物理模型，其长宽高分别为LX =16 nm、LY =21.5 nm和LZ =11.3 nm 建模时球形刚性金刚石压头的半径R=4 nm 球形刚性金刚石压头是施加载荷对象碳化硅的晶格常数为0.45382 nm，金刚石的晶格常数为0.3567 nm 为了避免纳米尺度表界面效应和尺寸效应的影响，模拟时设置碳化硅的边界条件，碳化硅物理模型的XY轴采用周期性边界条件，Z轴采用非周期性边界条件为了防止基底原子热运动中原子位置的迁移降低计算精度[20]，固定碳化硅最底层为5层原子，限制其力与位移为零此外，为了确保模拟结果的准确性和可靠性，将碳化硅基底划分为三层，即固定层原子、恒温层原子和牛顿层原子固定层的厚度为2 nm，恒温层的厚度为2 nm，牛顿层的厚度为7.3 nm 用朗之万控温法控制恒温层原子的温度为300 K，恒温层原子与牛顿层原子，统称为运动层原子赋予运动层原子的初始温度为300 K 基于NVE系综和Verlet算法积分求解运动层原子的牛顿方程，模拟时间步长为1fs[21~23] 体系弛豫30 Ps后，达到热力学平衡态使用开源LAMMPS软件和Ovito完成整个计算[24] 模拟接触时，金刚石压头以40 m/s的恒定速度沿Z轴(1ˉ1ˉ1ˉ)方向压入碳化硅基底为了对比极端使役温度对碳化硅接触亚表层损伤行为的影响，本文用5 K、300 K、800 K、1300 K温度作为变量进行理论计算

图1

图1纳米压痕接触中单晶碳化硅原子尺度物理模型与MD模拟示意图

Fig.1Atomic scale physical model and MD simulation of single crystal silicon carbide during nanoindentation contact

1.2 势函数和位错的识别

为了准确描述碳化硅内部结构受到接触载荷产生的亚表层损伤，使用能有效描述碳化硅相变类型的vashishta势函数可使用公式

U=∑iN∑j>iNUij2(rij)+∑iN∑j≠iN∑k≠iNUijk(3)(rij,rik,θijk)

(1)

计算总能量其中的Uij2为二体势，Uijk3为三体势

用Dislocation analysis(简称DXA)法[25]识别碳化硅相变位错的类型，用Identify diamond structure (IDS)法[26]识别碳化硅相变结构的类型

1.3 应力和接触力学性能

材料受到的应力超过失效临界值时发生亚表层损伤，与内应力集中的von Mises stress有十分密切联系因此，用von Mises stress定性表征材料亚表层损伤的内应力集中度[24]，即

σMises=(σxx-σyy)2+(σyy-σzz)2+(σzz-σxx)2+6(τxy2+τyz2+τzx2)2

(2)

其中σxx 、σyy 、σzz 、τxy 、τyz 、τzx 分别为应力张量分量且用剪切应变描述接触区域的碳化硅亚表层损伤行为，其中ηxx 、ηyy 、ηzz 、ηxz 、ηxy 、ηyz 为剪切应变分量

ηiMises=6ηxy2+6ηyz2+6ηxz2+(ηxy-ηyy)2+(ηyy-ηzz)2+(ηzz-ηxx)26

(3)

Oliver-Pharr等[31]基于载荷与压深曲线，推导出P与H间关系

P=43ErR1/2h3/2??

(4)

其中，H=PmaxAc

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