книги / Разрушение твердых тел

ХРУПКОЕ РАЗРУШЕНИЕ ГЕРМАНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Гриффитс [1] рассчитал, что в континууме, имеющем модуль упругости Е и поверхностную энергию у, при действии растяги­ вающего напряжения а, величина которого превышает критиче­ ское значение

микротрещина длиной L начинает распространяться.

Пирсон с сотрудниками [2] изучали ползучесть и разрушение усов кремния и германия, а также небольших стержней, выре­ занных из массивного материала. Они нашли, что средняя проч­ ность образцов кремния сечением < 1 0 “3 мм2 составляет около 1960 Мн/м2 (200 кГ/мм2), но с увеличением сечения постепенно

с беспорядочным распределением зародышевых дефектов. При­

1 О. W. Johnson, Р G. Gibbs.

Брейдт с сотрудниками [4] сообщают о повышении разрушаю­ щего напряжения германия от 68,6 Мн/м2 (7 кГ/мм2) на воздухе

творенного вещества не играют роли в повышении прочности». Они также указывают, что удаление травителя промывкой в во­ де сохраняет упрочнение, но последующая выдержка на воздухе снижает прочность образцов.

Дэш [5] пришел к заключению, что механическое состояние поверхности играет важную роль в процессе разрушения крем­ ния. Была получена упругая деформация 2% [напряжение 3724,0 Мн!м2 (380 кГ/мм2)] на протравленных образцах и не об­ наружено признаков разупрочнения или следов пластического течения в результате выдержки образцов на воздухе. Получен­ ные Дэшем данные были подтверждены в его более поздней ра­ боте, в которой также отмечается явное разупрочнение протрав­ ленных кристаллов кремния при воздействии HF. Дэш предпо­ ложил, что это разупрочнение может быть связано с механизмом коррозии под напряжением, развивающейся в результате удале­ ния с поверхности слоя S i0 2.

Эйзер [7] сообщил о пластическом течении в кремниевых усах, подвергавшихся кручению при комнатной температуре. Усы диаметром более 3 мкм деформировались пластически на 0,15% [напряжение 274,4 Мн/м2 (28 кГ/мм2)].

Влияние кислотной среды на прочность германия было изу­ чено Джонстоном с сотр. [3]. Они нагружали образцы постоян­ ной нагрузкой (изгибом по трехточечной схеме) и протравли­ вали их до тех пор, пока уменьшение поперечного сечения не приводило к разрушению. Средняя величина разрушающего на­ пряжения оказалась равной примерно 2940,0 Мн/м2 (300 кГ/мм2) для протравливаемых образцов и 68,6 Мн/м2 (7 кГ/мм2) для механически притираемых и испытываемых на воздухе. Повы­ шение прочности было приписано быстрому травлению (в рас­ творе СР-4). При переносе образцов в HF их прочность снижа-

123

лась в 14 и более раз, что, по-видимому, связано с уменьшением поверхностной энергии. Джонстон с сотрудниками, основываясь на изучении процессов травления, доказали, что в участках об­ разца, где напряжение достигает величины порядка 343 Мн/м? (35 кГ/мм2), при комнатной температуре происходит генериро­ вание и движение дислокаций.

Робели и Аллен [8], измерявшие поверхностные электриче­ ские свойства кремния, описали некоторые интересные наблю­ дения скола. Для кристаллов, испытываемых на изгиб (по схе­ ме трехточечного нагружения) было найдено, что их поверх­ ность разрушения на растягиваемой стороне образца носит характер скола. Разрушение, очевидно, начинается на растяну­ той стороне у дефектов, от которых радиально расходятся сту­ пени скола или следы отрыва. Было установлено, что разруше­ ние протравленного кристалла может быть вызвано прикосно­ вением к растягиваемой поверхности твердым заостренным предметом. При деформировании растяжением следы скола распространяются на всю поверхность разрушения. Электронные микрофотографии угольных реплик с поверхности скола пока­ зывают, что участки этой поверхности между ступенями скола

о

являются плоскими с точностью до 50 А. Изучение дифракции электронов указывает на высокую степень совершенства в пре­ делах нескольких атомных слоев, прилегающих к поверхности образца. Признаков пластической деформации авторы не обна­ ружили.

Аллен [9] дал анализ процесса развития «дислокационных трещин» (по его терминологии) в антимониде индия. Эти трещи­ ны возникали при ударе стального шарика по гладко протрав­ ленной поверхности. До травления трещины были оптически не­ различимы, но после травления для выявления дислокаций они обнаружились в виде борозд или «каналов», обычно следующих по кристаллографическим направлениям и оканчивающихся ря­ дом точек, не отличимых от обычных ямок травления на дисло­ кациях. Аллен предположил, что эти следы образуются, когда импульсы напряжения приводят к возникновению небольших трещин скола, вероятно, по механизму Гриффитса. Трещина за­ тем «залечивается», прежде чем становится возможным окисле­ ние или загрязнение поверхности. При «залечивании» следует ожидать небольшого несовпадения атомных плоскостей или «выхода их из регистра», приводящего к образованию дислока­ ционных стенок.

По данным Аллена, имеются определенные доказательства образования «дислокационных трещин» в германии и некоторых полупроводниковых соединениях.

Гилмен [10] определял поверхностную энергию некоторых кристаллов, измеряя работу скола. Такие измерения, проведен-

124

ные на кремнии при температуре жидкого азота, показали от­ сутствие пластической деформации, несмотря на очень большие локальные напряжения у вершины трещины.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Образцы испытывали на изгиб при нагружении по трехто­ чечной схеме. Напряжение быстро доводили до заданного зна­ чения и затем поддерживали на постоянном уровне некоторое время, после чего снова повышали его, т. е. применяли ступенча­ тое нагружение, в отличие от более распространенного метода по­ стоянной скорости деформирования или постоянной скорости по­ вышения напряжения. Опорные и нагружающий ножи были из А120 3, что позволяло проводить испытания в различных сре­ дах. Размеры образцов варьировались в зависимости от требо­ ваний, но обычно поперечное сечение было 0,7 X 1,5 мм. Рас­ стояние между опорными ножами составляло 7,0 мм.

Образцы изготавливали из различных материалов. Кристал­ лы поставляли компании Eagle — Picher Со, Sylvania Electric Products Co, Motorola, Inc., и Bell Telephone Laboratories.

Исследованные материалы обладали удельным электросо­

дальнейшем методы получения кристаллов не принимали во внимание. Плотности дислокаций лежали в пределах 103— 104 см~2, причем эти различия также не влияли на прочностные свойства. Были использованы кристаллы с различной ориента­ цией. Расчеты предсказывают заметное влияние ориентации на свойства кристаллов. Однако наблюдавшееся влияние на проч­ ность оказалось небольшим по сравнению с влиянием других факторов. Следует, правда, отметить, что для изучения ориента­ ционной зависимости данных было не вполне достаточно. По­ этому далее ориентация в большинстве случаев не указывается. Однако в каждой серии испытаний выбирали по возможности образцы с одинаковой ориентацией, а детальное сопоставление проводили только между сериями образцов с одинаковой ори­ ентацией.

Было установлено, что одним из наиболее важных факторов является способ изготовления образцов. На механические свой­ ства образцов большое влияние оказывает зернистость абрази­ вов, используемых при механической полировке (притирке), по­ этому для получения воспроизводимых результатов абразивы тщательно сортировали.

В качестве стандартной рассматривается следующая методи­ ка механической полировки исследуемых образцов. После уста­ новления ориентации заготовки с помощью рентгеновского ана­ лиза из нее вырезают образцы быстрорежущим алмазным

125

РЕ-1 дает микроскопически гладкую поверхность {111} с весьма незначительными скруглениями по углам. Пятна или бороздки встречаются на этих поверхностях весьма редко и, в частности, отсутствуют ямки травления у выходов дислокаций. Скорость травления составляет около 10 мкм/мин.

Состав травителей (в частях):

тельно. Наилучшие результаты получаются при использовании ледяной ванны.

Хрупкие кристаллы, разрушающиеся при высоких напряже­ ниях, имеют в обычных условиях тенденцию рассыпаться на множество мелких фрагментов [3] К

Возможно, именно в связи с этой причиной до сих пор отсут­ ствуют публикации исследований изменения характера поверх­

ных кристаллов разрушение кристаллов проводили в жидкой среде. Вакуумное масло (типа Welch Duo-Seal) имеет достаточ­ ную вязкость для сохранения (удержания) достаточно больших кусков кристаллов, пригодных для последующего микроскопи­ ческого исследования. Эта среда не оказывает заметного влия­

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Влияние состояния поверхности и среды

Было найдено, что приготовленные путем обычной притирки образцы разрушаются (при комнатной температуре на воздухе), когда средняя величина максимального растягивающего напря­ жения в наиболее нагруженном (внешнем) слое составляет 278,3 Мн/м2 (28,4 кГ/мм2) (как показывает простой расчет по

1 См. также данные Дэша.

2 О. В. Джонстон. Диссертация, 1962.

который нашел, что большая часть механических напряжений, создаваемых притиркой или шлифовкой кристалла кремния по существу полностью снимается при стравливании слоя толщи­ ной 0,7 мкм. Эти наблюдения показывают, что резание или шли­ фование могут вызывать повреждения совершенно различных типов.

Удаление слоя толщиной 24 мкм посредством травления поз­ воляет получать кристаллы со средним значением прочности 2067,8 Мн/м2 (211 кГ/мм2). Максимальная прочность (для об­ разцов, протравленных на несколько большую глубину) достига­ ла 3762,4 Мн/м2 (388 кГ/мм2). Данные о пластичности, вызван­ ной освещением образцов [13], и об уменьшении прочности в ре­ зультате выдержки на воздухе после травления [3, 4], не под­ твердились.

Из данных литературы о прочности массивных образцов гер­ мания к результатам настоящего исследования приближаются только результаты работы Джонстона с сотрудниками [3]. Ана­ лиз его данных показывает, что образцы протравливались на глубину около 180 мкм (если считать, что скорость травления не зависела от напряжения). Сообщения о весьма низкой проч­ ности кремния и германия даже после значительного травления [2, 4] могут быть объяснены предположением о неожиданно большой глубине проникновения отдельных поверхностных по­ вреждений.

Большое число образцов изготавливали посредством разрез­ ки (как описано выше), и последующей шлифовки до оконча­ тельного размера с нанесенным на поверхность алмазным порошком зернистостью 150 меш. Прочность таких образцов со­ ставляла около 441,0 Мн/м2 (45 кГ/мм2) при среднем отклоне­ нии более 20%. Общий характер поверхности образцов дает некоторое представление о процессе абразивной обработки. По­ верхность, обработанная путем высокоскоростного шлифования, обладает значительно большей отражающей способностью, чем поверхность притертых образцов, несмотря на то, что абразив, применяемый для притирки, значительно мельче алмазного по­ рошка круга. Притертая поверхность имеет матовый вид и не содержит царапин, если только абразив не был загрязнен, в то время как на шлифованной поверхности имеются хорошо разли­ чимые царапины. Исследования под микроскопом показывают, что в процессе притирки с поверхности образца срезаются тон­ чайшие стружки без каких бы то ни было признаков пластиче­ ской деформации. При шлифовании же поверхность становится весьма гладкой и даже царапины оказываются скругленными, что несомненно указывает на локальный нагрев, имеющий место даже при охлаждении струей воды. Это объяснение подтверж­ дается экспериментом; после отжига 48 ч при 750° С в вакууме прочность притертых образцов возрастает и приблизительно до-

стигает прочности шлифованного образца, в то время как отжиг не влияет сколько-нибудь заметно на свойства шлифованных образцов. Отжиг при более высоких температурах не дает даль­ нейшего повышения прочности ни в каких условиях. Доказа­ тельства локального нагрева поверхности приводятся в много­ численной литературе, посвященной исследованию природы тре­ ния [14].

Некоторые сведения о возможной природе разупрочнения кристаллов были получены посредством создания «искусствен­ ных» поверхностных повреждений. Полированный пламенем сапфировый шарик (с радиусом закругления около 2 мм) вдав­ ливали в протравленную поверхность кристалла германия с си­ лой около 9,8 н (1 кГ). При последующем разрушении такого образца обычным способом, в случае расположения описанного искусственного повреждения на растягиваемой стороне образца разрушение неизменно зарождалось именно в этой точке при напряжении намного меньшем ожидаемого для протравленного образца. Предварительные результаты показывают на существо­ вание некоторой статистической корреляции между силой, при­ ложенной к индентору, и прочностью образца при последующем разрушении.

До травления никакие повреждения не выявлялись даже при самых больших увеличениях, получаемых на световом микроско­ пе. Однако при действии травителя для выявления дислокаций в точке контакта обнаруживаются повреждения определенного типа (рис. 2).

Достаточные сведения о глубине проникновения этих по­ вреждений можно получить, используя травитель, предназначен­ ный для выявления дислокаций; травление следует вести до тех пор, пока у рядов ямок или канавок, показанных на рис. 2, не появится плоское дно; это указывает на то, что в данном месте поврежденный материал удален. Этот метод дает достаточную точность в случае применения травителя DE-2, так как скорость травления поврежденного материала (например, в области дис­ локаций) значительно выше, чем основного материала, если по­ верхность, подвергающаяся травлению, совпадает с плоскостью {111}, что и имело место во всех испытываемых образцах. Глу­ бина повреждений, определенная описанным способом, совпада­ ет с полученной для притертых образцов, имеющих такую же прочность.

Результаты многочисленных наблюдений показывают, что глубина повреждений должна быть 30—50 мкм, чтобы вызвать снижение прочности протравленных кристаллов германия до 272,4 Мн/м2 (28 кГ/мм2)> т. е. до уровня, обычно наблюдаемого у притертых образцов. Максимальная прочность не может быть достигнута, пока с поверхности, испытывающей растягивающие напряжения не будет стравлен слой указанной толщины. Сред-

130