РОЗДІЛ 2
ХАРАКТЕРИСТИКА МАТЕРІАЛІВ, ЩО ЗВАРЮЮТЬСЯ,
АПАРАТУРА, МЕТОДИКИ ДОСЛІДЖЕНЬ
2.1. Характеристика матеріалів, що зварюються
Структуру кремнію можна представити у вигляді просторової кубічної решітки алмазу із тетраедричною координацією атомів [71]. Будь-який атом оточений чотирма найближчими сусідами, які займають рівновіддалені положення у вершинах правильного тетраедра. Елементарна ланка кремнію містить вісім атомів, половина з яких розміщується у вузлах та на гранях ланки. Решітка кремнію складається із двох вставлених одна в одну гранецентрованих решіток. Стала решітки дорівнює довжині ребра куба ланки і рівна 0,543072 нм при 273 К [72].
Кристалічна структура кремнію характеризується жорсткими ковалентними sp3-зв'язками кожного атому з чотирма найближчими сусідами. Зв'язки розміщені між собою під кутами 109028/ і симетричні відносно напрямків [111].
Кристали кремнію мають свої певні кристалографічні напрямки та площини, умовне позначення яких представлене на рис. 2.1 [71].
Використання в якості чутливих елементів кремнієвих мембран обумовлене високим коефіцієнтом чутливості (50...150), що на два порядки вище, ніж у металевих чутливих елементів. Оскільки матеріал, що використовується в датчику, повинен мати лінійну залежність між відносною деформацією та зміною опору в якомога ширшому діапазоні, для виготовлення чутливого елементу використовують напівпровідниковий елемент n-типу, котрий має більш лінійну характеристику при стисненні, ніж напівпровідниковий елемент p-типу [15]. Тому в роботі всі досліди проводились із використанням кремнію, легованому фосфором, марки КЕФ-4,5/0,1, вирізаного в кристалографічній площині (100), оскільки легований кремній n-типу (100) має найбільшу чутливість [15].
Рис. 2.1. Форма пластин з різною кристалографічною орієнтацією, які вирізані із злитку, вирощеного в напрямку [111] [71]
Кремній у чистому вигляді має чотири валентних електрони. Кожний атом у кристалічній решітці зв'язаний ковалентними зв'язками з чотирма сусідніми атомами. При легуванні фосфором, який має п'ять валентних електронів, відбувається заміщення атома кремнію. При цьому чотири електрони атома фосфору йдуть на здійснення хімічного зв'язку з чотирма найближчими сусідами, а п'ятий електрон залишається вільним і може перейти в зону провідності. Таким чином, фосфор, маючи більшу валентність в порівнянні з кремнієм, може давати електрони в зону провідності, що і визначає його як елемент донорного типу.
Спосіб вирощування кристалів і орієнтація осі росту суттєво впливають на механічну міцність пластин при інших постійних умовах. Пластини, орієнтовані в площині (111), вирізані із монокристалів, отриманих по методу Чохральського, на 11% міцніші за пластини із монокристалів, орієнтованих в площині (100), отримані тим же методом [73].
В процесі виготовлення кристалів і мембран із кремнієвих пластин їх піддають різній механічній, хімічній та термічній дії, яка включає: шліфування, полірування, дифузійне насичення домішками, розділення на заготовки, напилення тензорезистивних схем та захисних покрить. При цьому в кремнієвих елементах і структурах виникають дефекти, що знижують їх механічну міцність.
Незважаючи на те, що кремній має найбільш досконалу структуру з усіх відомих твердих тіл, у нього також, як у металів та скла, спостерігається невідповідність між теоретичною та реальною міцністю при руйнуванні. Теоретична міцність для кремнію складає 17...34 ГПа [74].
Окрім поведінки дефектів кристалічної структури в зоні механічних напружень, на процес руйнування кремнію здійснюють вплив і температурні умови. Феноменологічно розрізняють два основних типи руйнувань - пластичне і крихке. Особливістю крихкого руйнування являється некероване спонтанне розповсюдження тріщин у кремнії зі швидкістю приблизно 103 м/с.
Температурна межа переходу пластичного руйнування в крихке детально вивчена. Напруження руйнування являється функцією температури та ступеня дефектності структури кремнію, тобто визначається наявністю різноманітних концентраторів напружень, таких як мікро- та макротріщини, включення часток другої фази, наприклад, фосфору. Численні досліди, огляд яких наведений у роботі [75], дозволили встановити характер деформацій та руйнувань монокристалічного кремнію в широкому діапазоні температур (від 73 К до температур, близьких до точки плавлення). Було встановлено, що деформація кремнію при температурі 1073 К призводить до пластичної течії, яка супроводжується механічним зміцненням.
Високотемпературними дослідами встановлено, що кремній може витримати, як і метали, значні макродеформації при температурах, які перевищують 873...923 К.
При більш низьких температурах пластична течія кремнію незначна. Вказана температура умовно вважається точкою переходу від крихкого до пластичного руйнування. При кімнатній температурі монокристалічний кремній звичайно деформується пружно аж до руйнування сколом [76].
Вся інформація про реальну міцність кремнію базується на основі результатів випробувань на згин. При випробуванні на поперечний вигин (трьохточковий), авторами роботи [76] визначено сильний вплив крайових дефектів зразків на граничні напруження. Автори віддають перевагу вирізанню зразків алмазним скрайбуванням, оскільки цей спосіб дозволяє контролювати якість обробки поверхні кремнію, дозволяє оцінити величину дефектів, які вносяться при цьому на їх краї і, як наслідок, оптимізувати умови вирізання зразків із пластин.
В роботі [77] при випробуванні зразків кремнію в діапазоні температур 293...723 К методом осесиметричного вигину встановлено, що до 673 К міцність зразків не змінюється з ростом температури. Деформація зразків чисто пружна. Вище 673 К з'являється пластична деформація і руйнівне напруження зменшується з ростом температури.
Окрім розглянутих факторів, які впливають на міцність кремнієвих мембран, суттєву роль відіграють фактори, пов'язані з технологічними процесами їх виготовлення. Найбільш важливою для кремнієвих елементів