РОЗДІЛ 2
Матеріали, методи досліджень та випробувань
2.1 Властивості матеріалів
Основою напівпровідникових приладів та датчиків тиску є напівпровідниковий
кристал чи мембрана, в одній площині якої створюють електричну схему. При
виробництві широко використовується монокристалічний кремній, структура якого
представляє просторову кубічну гратку алмаза з тетраедричною координацією
атомів [78].
Кристали кремнію мають свої визначені кристалографічні напрямки та площини.
Тому для одержання пластин з заданою площиною орієнтації зливки кремнію
вирощують таким чином, щоб їх осі збігалися з одним із напрямків [111] або
[100] [13].
Під час виготовлення кремнієвих кристалів і мембран зі зливків вони знаходяться
під дією різних хімічних, механічних та термічних впливів, які пов’язані із
операціями шліфування, полірування, поділу на частини, напилювання
тензорезистивних схем та захисних покриттів і т.п. Все це призводить до
виникнення дефектів у кремнієвих елементах і структурах, що суттєво знижує їх
механічну міцність [13].
Крім того, кремній належить до крихких матеріалів, для нього характерною є
велика різниця між теоретичною та реальною міцністю при руйнуванні. Теоретична
міцність кремнію складає 10-1·Е, що відповідає 17-34 ГПа [79].
Вся інформація про реальну міцність монокристалічного кремнію базується на
основі результатів випробувань на згин, що містяться в роботі [80]. Автор
роботи [13] в результаті випробувань [81] зразків з кремнію марки КЭФ-4,5/0,1,
вирізаних методом алмазного скрайбування з пластини з орієнтацією [100],
встановив, що величина середньої міцності складає 412 МПа (Рис. 2.1). Це
значення міцності наближається до міцності кремнію з обробленими торцями,
визначеної за методикою, яка наведена в роботі [81].
Рис. 2.1 Вплив способів обробки торців кремнієвих пластин на міцність при
випробуваннях на поперечний згин [13]
Суттєвою є залежність міцності від розмірів зразка. З результатів випробувань
кремнієвих зразків видно, що міцність їх зменшується зі збільшенням розмірів
[82], що пов’язано зі зростанням кількості дефектів (рис. 2.2). Розрахунки
показали, що середня величина напруження руйнування кремнієвих пластин складає
309,6 МПа.
Автором [26] досліджено вплив швидкості охолодження після нагрівання на
міцність та встановлено, що міцність на осесиметричний згин майже не залежить
від температури обробки та швидкості охолодження (рис. 2.3). При чому середнє
значення міцності для обох випадків температурної дії складає 280-290 МПа.
Рис. 2.2 Вплив площі зразків на міцність при випробуваннях на поперечний згин
[82]
Рис. 2.3 Залежність міцності кремнієвих зразків з орієнтацією [100] при
випробуваннях на осесиметричний згин від температури обробки [13]
Цікавою виявляється поведінка кремнію при випробуваннях в різних температурних
умовах. В області низьких температур він руйнується крихко, а високих –
пластично. В роботі [83] показано, що перехід від крихкого до пластичного
руйнування відбувається в діапазоні 873-923°К. При 923°К спостерігається
максимум напружень крихкого руйнування (100 МПа).
Температурну залежність міцності кремнію в діапазоні 293-723°К наведено в
роботі [84]. Випробування проводили шляхом осесиметричного згину зразків
діаметром (26-45)·10-3 м, товщиною (0,1-1)·10-3 м. Міцність зразків після
хімічного полірування склала 2-4 ГПа. Було встановлено, що до температури 623°К
міцність не змінюється зі зростанням температури і знаходиться на рівні 2 ГПа.
Деформація при цьому чисто пружна. Вище за 623°К з’являється пластична
деформація, й руйнівне напруження зменшується зі зростанням температури.
Аналізуючи наведені вище дані, а також дані авторів [81,85,86], можна
припустити, що всі операції, які відносяться до планарної технології
виготовлення напівпровідникових елементів, повинні ще більше впливати на
зменшення міцності. В роботі [13] випробуванням при осесиметричному згині
піддавали мембрани тензометричних перетворювачів тиску товщиною (0,25-1,0)·10-3
м та діаметром 6·10-3 м. Результати досліджень показали середню величину
міцності 77,9-149,0 МПа. Причому найбільші значення міцності отримано для
мембран товщиною 0,25·10-3 м. Таким чином, можна зробити висновок про те, що
міцність напівфабрикатів кремнієвих пластин знижується у 2-3 рази в порівнянні
з міцністю вихідних кремнієвих зразків.
Скло також відноситься до крихких матеріалів, для яких спостерігається суттєва
різниця між потенціальною міцністю скла (теоретично 10-25 ГПа) та реальною
міцністю – найбільше припустиме напруження розтягу складає 10-20 МПа [87,88].
Фізичний механізм руйнування скла до цього часу не достатньо вивчений. Нині
широко використовується схема Гриффітса для пояснення характеристик міцності
скла. Гіпотеза полягає в наявності у склі мікротріщин, атермічного механізму
руйнування [89]. Автори роботи [90] роблять висновки про відсутність
закономірності щодо кількості, глибини та розташування тріщин в об’ємі скла,
вважаючи причиною появи тріщин механічні ушкодження поверхні, що накопичуються
під час виробництва, транспортування та експлуатації скляних виробів. Все це є
причиною суттєвої різниці статистичних параметрів міцності скла навіть однієї
марки, але різних партій виготовлення.
Поряд із гіпотезою Гриффітса застосування знаходить термофлюктаційна концепція
руйнування, яку сформульовано школою академіка С.М. Журкова у минулому сторіччі
та в розрахунково-теоретичному плані розглянуто Г.М. Бартенєвим [88].
Руйнування розглядається як кінетичний процес послідовного розриву міжатомних
зв’язків тепловими флуктуаціями. Роль напружень у цьому процес
- Київ+380960830922