易解理氧化鎵晶體微尺度力學(xué)行為試驗(yàn)研究

徐亞萌 周 海 張杰群 任相璞 張春偉

鹽城工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，鹽城，224051

0 引言

單晶氧化鎵晶體(β-Ga2O3)是新一代備受關(guān)注的半導(dǎo)體材料，禁帶寬度為4.9eV，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)和深紫外波段透射率，被廣泛應(yīng)用于高頻、高效率、大功率微電子器件及高電壓設(shè)備[1-3]，市場(chǎng)潛力巨大。其中，(100)和(010)晶面為氧化鎵晶體的主要晶面，但氧化鎵晶體具有強(qiáng)烈的各向異性、硬脆、易解理等特性，目前屬于難加工材料之一，因此，對(duì)氧化鎵晶體易加工晶面以及易加工方向的研究迫在眉睫。

壓痕試驗(yàn)是傳統(tǒng)的研究材料力學(xué)特性的方法之一[4]。通過壓痕試驗(yàn)，可以得到材料的硬度、彈性模量以及斷裂韌性等絕大多數(shù)力學(xué)性能。目前，針對(duì)氧化鎵晶體力學(xué)性能方面的研究還停留在基礎(chǔ)階段。周海等[5]通過納米壓痕試驗(yàn)得到氧化鎵晶體(010)和(100)晶面塑性域加工切削深度范圍；WU等[6]通過微柱壓縮試驗(yàn)研究了氧化鎵晶體(200)、(001)和(010)晶面的平均斷裂應(yīng)力和應(yīng)變。但是，目前針對(duì)氧化鎵晶體的各向異性力學(xué)性能的詳細(xì)研究尚未見報(bào)道，而針對(duì)其他硬脆晶體各向異性力學(xué)性能的研究相對(duì)比較透徹，對(duì)研究氧化鎵晶體的各向異性力學(xué)性能具有一定的借鑒意義。曹先鎖等[7]在250 mN的加載力下對(duì)磷酸二氫鉀(KDP)晶體(001)晶面0～90°范圍內(nèi)的五個(gè)方向進(jìn)行壓痕試驗(yàn)，得到[110]方向硬度值最小，斷裂韌度最大，最易發(fā)生塑性變形，而[100]方向硬度最大，沿該方向最不易發(fā)生塑性變形；王棟等[8]采用Berkovich金剛石壓頭在壓深為1000 nm的情況下對(duì)KDP晶體THG晶面的0°、45°和90°三個(gè)方向進(jìn)行壓痕試驗(yàn)，得到KDP晶體三倍頻晶面上具有強(qiáng)烈的各向異性的結(jié)論，其中90°方向硬度最小，斷裂韌性最大，是THG晶面超精密加工的優(yōu)選切削方向。

相比于壓痕試驗(yàn)，劃痕試驗(yàn)更加接近實(shí)際的加工情況，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到材料的變形行為以及摩擦學(xué)性能研究中[9]。近年來，許多學(xué)者通過劃痕試驗(yàn)研究了材料的變形行為和脆塑轉(zhuǎn)變機(jī)理。王亞霽等[10]采用球形金剛石壓頭在載荷為0～1200 mN的線性加載范圍內(nèi)以不同速度對(duì)單晶硅(100)晶面進(jìn)行劃痕試驗(yàn)，得到劃痕速度增大會(huì)增加材料的彈塑性去除率的結(jié)論。但目前對(duì)氧化鎵晶體的力學(xué)性能的研究相對(duì)較少。

本文通過對(duì)氧化鎵晶體(100)及(010)晶面不同方向進(jìn)行納米壓痕試驗(yàn)及劃痕試驗(yàn)，分析不同晶面不同方向上的力學(xué)性能及各向異性，比較不同晶面方向上脆塑轉(zhuǎn)變的差異和規(guī)律，并預(yù)測(cè)氧化鎵晶體的易切削晶面和易切削方向，為氧化鎵晶體的超精密加工提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)樣品采用北京鎵族科技有限公司通過導(dǎo)模法制備的單晶氧化鎵晶體(β-Ga2O3)，(100)和(010)晶面為其主要晶面，樣品的尺寸大小為10 mm×10 mm×1 mm，氧化鎵晶體(100)和(010)晶面的正面經(jīng)過化學(xué)機(jī)械拋光處理后，用三維形貌儀對(duì)樣品表面進(jìn)行檢測(cè)，表面粗糙度Ra分別為4.8 nm和5.2 nm，如圖1所示。

(a)(100)晶面 (b)(010)晶面圖1 經(jīng)化學(xué)機(jī)械拋光后的氧化鎵樣品Fig.1 Gallium oxide sample after chemical mechanical polishing

1.2 硬度、彈性模量測(cè)試試驗(yàn)

首先在氧化鎵晶體上標(biāo)記一塊測(cè)試區(qū)域，在樣品標(biāo)記區(qū)域表面每隔15°進(jìn)行一次劃分，如圖2所示。試驗(yàn)采用Berkovich金剛石壓頭沿著不同的劃分線的方向進(jìn)行壓痕試驗(yàn)，對(duì)壓頭施加100 mN的壓入載荷，加載、保載和卸載的時(shí)間都為15 s。每個(gè)方向上兩個(gè)壓痕點(diǎn)的間距為200 μm，每組試驗(yàn)分別進(jìn)行三次，取平均值作為最后的結(jié)果。

(a)氧化鎵晶體 (b)氧化鎵晶體 (100)晶面示意圖 (010)晶面示意圖

(c)壓劃痕試驗(yàn)位置示意圖(單位：μm)圖2 樣品以及壓劃痕試驗(yàn)位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of sample and scratch test position

納米壓痕試驗(yàn)的加載—保載—卸載過程如圖3所示，在載荷的作用下，壓頭被豎直壓入樣品中，樣品表面主要經(jīng)歷彈性變形—彈塑性變形—?dú)堄嘧冃稳齻€(gè)過程。

圖3 壓痕截面示意圖Fig.3 Schematic diagram of indentation section

圖3中，hs為材料表面未接觸壓頭部分的凹陷程度；hc為材料與壓頭的接觸深度；φ為壓頭的等效半錐角，其中，Berkovich壓頭的等效半錐角為70.32°[11]；R為塑性變形區(qū)的接觸半徑；h為加載階段的最大深度；hf為卸載之后壓痕的深度。

樣品的硬度H可以根據(jù)下式求出：

(1)

(2)

圖4 卸載段初始點(diǎn)斜率(接觸剛度)示意圖Fig.4 Schematic diagram of initial point slope (contact stiffness) of unloading section

樣品的彈性模量E可以根據(jù)下式求出：

(3)

式中，Ei、νi分別為壓頭的彈性模量和泊松比，金剛石壓頭彈性模量為1141 GPa，泊松比為0.07；ν為樣品材料的泊松比，氧化鎵晶體泊松比為0.27；Er為樣品材料的折合模量。

折合模量與錐形壓頭壓入的卸載階段滿足：

(4)

式中，β為與壓頭的幾何形狀有關(guān)的常數(shù)，對(duì)于Berkovich金剛石壓頭，β=1.034[12]。

1.3 斷裂韌度測(cè)試試驗(yàn)

斷裂韌度測(cè)試試驗(yàn)采用的是美國(guó)安捷倫科技有限公司的 G200型納米壓痕儀，壓頭是Cube金剛石壓頭。壓痕加載載荷為100 mN，加載、保載以及卸載的時(shí)間為15 s，壓痕方向如圖2所示。

對(duì)于Cube金剛石壓頭，斷裂韌度KIC的經(jīng)驗(yàn)公式[13]如下：

(5)

其中，δ為與壓頭相關(guān)的常數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[12]，式(5)中的Cube金剛石壓頭常數(shù)δ=0.036；c為樣品表面裂紋到壓痕中心線的距離。圖5中，a為壓痕中心到壓痕邊角的距離，l為試樣表面裂紋尖端到壓痕邊角的距離。

圖5 壓痕表面徑向裂紋擴(kuò)展示意圖Fig.5 Schematic diagram of radial crack propagation on indentation surface

1.4 納米劃痕試驗(yàn)

納米劃痕試驗(yàn)采用的是美國(guó)安捷倫科技有限公司的 G200型納米壓痕儀，壓頭是Cube金剛石壓頭，劃痕方向與壓痕方向一致。劃痕試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 劃痕試驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Scratch test parameters

在納米劃痕試驗(yàn)結(jié)束以后，利用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)劃痕表面進(jìn)行形貌觀測(cè)。

在氧化鎵晶體材料去除過程中，達(dá)到彈塑變形臨界載荷之后，材料發(fā)生塑性去除，塑性去除階段，材料表面碎屑呈現(xiàn)細(xì)小的顆粒狀；隨著載荷的繼續(xù)增大，塑性去除向脆性去除轉(zhuǎn)變，材料表面碎屑顆粒逐漸變大；在脆性去除階段，表面碎屑呈現(xiàn)較大塊狀顆粒，材料表面破壞嚴(yán)重。因此，為了超精密加工的順利進(jìn)行，控制類似于氧化鎵晶體這樣的硬脆晶體材料的脆塑轉(zhuǎn)變成為重中之重。

在劃痕試驗(yàn)中，存在一個(gè)臨界的切削深度hmin，當(dāng)壓頭或者刀具壓入深度超過臨界切削深度時(shí)，材料將產(chǎn)生脆性破壞；當(dāng)壓頭或者刀具壓入深度不超過臨界切削深度時(shí)，材料只產(chǎn)生塑性變形。硬脆材料脆塑轉(zhuǎn)變臨界切削深度與材料的模量、硬度及斷裂韌度存在如下關(guān)系[14]：

(6)

其中，hmin為材料脆塑轉(zhuǎn)變臨界深度；ψ為與加工工藝以及磨粒幾何參數(shù)有關(guān)的量綱一常數(shù)；HV為維氏硬度，其中，維氏硬度與Berkovich納米壓痕測(cè)出的玻氏硬度H存在如下關(guān)系：

HV=0.323+0.473H

(7)

由式(6)可以看出脆塑轉(zhuǎn)變臨界深度hmin與(E/HV)(KIC/HV)2的數(shù)值成正比關(guān)系，因此，通過計(jì)算各方向上(E/HV)(KIC/HV)2的數(shù)值大小，便可以得到氧化鎵晶體各方向上脆塑轉(zhuǎn)變臨界深度的變化趨勢(shì)，從而進(jìn)一步得到材料的易切削方向。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能各向異性

在壓痕試驗(yàn)中，沿不同方向進(jìn)行的壓痕試驗(yàn)，其硬度、彈性模量以及斷裂韌度都隨方向的變化而變化。各項(xiàng)參數(shù)通過納米壓痕儀實(shí)時(shí)記錄在EXCEL文檔中，通過Orgin軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到不同晶面上硬度、彈性模量以及斷裂韌度隨方向變化規(guī)律，如圖6所示。

(a)不同晶面上硬度-方向變化規(guī)律

(b)不同晶面上彈性模量-方向變化規(guī)律

(c)不同晶面上斷裂韌度-方向變化規(guī)律圖6 不同晶面上力學(xué)性能隨方向的變化規(guī)律Fig.6 Variation of mechanical properties with direction on different crystal planes

由圖6a可以看出，在氧化鎵晶體(100)晶面，45°方向上硬度最大，60°方向上硬度最小，即在45°方向最不容易產(chǎn)生塑性變形，在60°方向最容易產(chǎn)生塑性變形。硬度最大值為11.541 GPa，最小值為10.076 GPa，硬度值的變化為1.465 GPa，硬度值的變化幅度為14.5%。在氧化鎵晶體(010)晶面，在0°(360°)方向上硬度最大，在285°方向上硬度最小，即在0°(360°)方向最不容易產(chǎn)生塑性變形，在285°方向最容易產(chǎn)生塑性變形。硬度最大值為10.582 GPa，最小值為6.647 GPa，硬度值的變化為3.935 GPa，硬度值的變化幅度達(dá)到59.2%。

由圖6b可以看出，在氧化鎵晶體(100)晶面，165°方向上彈性模量值最大，255°方向上彈性模量值最小，即在165°方向最不容易產(chǎn)生彈性變形，剛度較大；在255°方向最容易產(chǎn)生彈性變形，剛度較小。彈性模量最大值為180.112 GPa，最小值為171.317 GPa，彈性模量值的變化為8.795 GPa，彈性模量值的變化幅度為5.1%。在氧化鎵晶體(010)晶面，在75°方向上彈性模量值最大，在210°方向上彈性模量值最小，即在75°方向最不容易產(chǎn)生彈性變形，在210°方向最容易產(chǎn)生彈性變形。彈性模量最大值為196.55 GPa，最小值為168.48 GPa，彈性模量值的變化為28.07 GPa，彈性模量值的變化幅度達(dá)到16.7%。

由圖6c可以看出，在氧化鎵晶體(100)晶面，0°(360°)方向上斷裂韌度值最大，330°方向上斷裂韌度值最小，即在0°(360°)方向最不容易產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展，不利于材料去除；在330°方向最容易產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展，利于材料去除。斷裂韌度最大值為1.48 MPa·m1/2，最小值為0.79 MPa·m1/2，斷裂韌度值的變化為0.69 MPa·m1/2，斷裂韌度值的變化幅度為87.3%。在氧化鎵晶體(010)晶面，在165°方向上斷裂韌度值最大，在210°方向上斷裂韌度值最小，即在165°方向最不容易產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展，不利于材料去除；在210°方向最容易產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展，利于材料去除。斷裂韌度值最大值為0.96 MPa·m1/2，最小值為0.56 MPa·m1/2，斷裂韌度值的變化為0.40 MPa·m1/2，斷裂韌度值的變化幅度達(dá)到71.4%。

由圖6可以看出，氧化鎵晶體各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)都表現(xiàn)出一定的各向異性，并且在彈塑性變形階段，相對(duì)于(100)晶面，(010)晶面的各向異性更為強(qiáng)烈。由圖6a可知，氧化鎵晶體(100)晶面硬度大于(010)晶面硬度，因此，相比于氧化鎵晶體(100)晶面，(010)晶面的去除方式更容易傾向于塑性去除，結(jié)合氧化鎵晶體(100)晶面作為主解理面，在加工過程中易于解理，很難實(shí)現(xiàn)完美的塑性域加工，并且硬度以及斷裂韌度都偏大[15]，所以氧化鎵晶體的易加工晶面為(010)晶面。

2.2 脆塑轉(zhuǎn)變臨界深度理論分析

式(6)給出了劃痕脆塑轉(zhuǎn)變最小臨界切削深度的計(jì)算公式，現(xiàn)定義(E/HV)(KIC/HV)2為相對(duì)脆塑轉(zhuǎn)變臨界切削深度hcr,即

(8)

則有

ψ=hmin/hcr

(9)

將壓痕試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)代入式(8)和式(9)中，得到相對(duì)脆塑轉(zhuǎn)變臨界切削深度hcr在不同方向上數(shù)值的變化，如圖7所示。由圖7可以看出，在氧化鎵晶體(100)晶面120°方向上，hcr的值最大，即相對(duì)脆塑轉(zhuǎn)變臨界切削深度最大，在330°方向上相對(duì)脆塑轉(zhuǎn)變臨界切削深度最??；在氧化鎵晶體(010)晶面105°方向上，hcr的值最大，即相對(duì)脆塑轉(zhuǎn)變臨界切削深度最大，在315°方向上相對(duì)脆塑轉(zhuǎn)變臨界切削深度最小。

圖7 不同晶面上(E/HV)(KIC/HV)2隨方向的變化規(guī)律Fig.7 Variation of (E/HV)(KIC/HV)2 with direction on different crystal planes

2.3 劃痕特性及脆塑去除轉(zhuǎn)變

沿不同方向進(jìn)行的劃痕試驗(yàn)同樣表現(xiàn)出了氧化鎵晶體各向異性的結(jié)果，以氧化鎵晶體(010)晶面90°方向?yàn)槔?下文若未明確指出均為該條劃痕)，劃痕前預(yù)掃描、劃痕過程中以及劃痕后掃描所得的深度-劃痕距離如圖8所示，圖9為劃痕過程中摩擦因數(shù)-劃痕距離曲線，圖10和圖11為劃痕過程中的局部掃描電鏡分析圖。

圖8 深度-劃痕距離曲線圖Fig.8 Depth-scratch distance curve

圖9 摩擦因數(shù)-劃痕距離曲線圖Fig.9 Friction coefficient-scratch distance curve

圖10 劃痕掃描電鏡形貌圖(彈塑性區(qū))Fig.10 SEM morphology of scratch(elastic-plastic zone)

圖11 劃痕掃描電鏡形貌圖(脆塑性區(qū))Fig.11 SEM morphology of scratch(brittle plastic zone)

劃痕初始階段，劃入表面深度比較淺，氧化鎵晶體表面首先發(fā)生彈塑性變形，如圖10所示，在這個(gè)階段，晶體表面主要發(fā)生彈性變形以及塑性變形，隨著壓入深度的增大，表面還會(huì)出現(xiàn)較小的碎屑，分布都比較均勻；隨著壓入深度的進(jìn)一步增大，去除方式從塑性去除向脆性去除轉(zhuǎn)變，碎屑逐漸增大并且伴隨著徑向裂紋的產(chǎn)生，如圖11所示。由平穩(wěn)的塑性去除向劇烈的脆性崩碎去除轉(zhuǎn)變的過程中，劃入深度和摩擦因數(shù)也相應(yīng)地發(fā)生突變，如圖8、圖9所示，Ⅰ區(qū)域?yàn)樗苄宰冃我约八苄匀コA段，Ⅱ區(qū)域?yàn)榇嘈员浪殡A段，Ⅰ階段與Ⅱ階段交界處為脆塑轉(zhuǎn)變階段。

2.4 劃痕脆塑轉(zhuǎn)變臨界深度

基于劃痕試驗(yàn)得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析不同方向上的劃痕特性，并將不同晶面不同方向上劃痕發(fā)生脆塑轉(zhuǎn)變的臨界深度與相對(duì)臨界深度關(guān)系記錄于表2、表3中。

表2 氧化鎵晶體(100)晶面不同劃痕方向上臨界深度與相對(duì)臨界深度的值Tab.3 Values of critical depth and relative critical depth in different scratch directions on the crystal surface of gallium oxide crystal(100)

表3 氧化鎵晶體(010)晶面不同劃痕方向上臨界深度與相對(duì)臨界深度的值Tab.3 Values of critical depth and relative critical depth in different scratch directions on the crystal surface of gallium oxide crystal(010)

由表2可以得出，在氧化鎵晶體(100)晶面中，根據(jù)劃痕數(shù)據(jù)分析，在0°、30°和120°三個(gè)方向上的脆塑轉(zhuǎn)變臨界深度較大，分別為523 nm、516 nm和623 nm，與圖7中理論分析的脆塑轉(zhuǎn)變深度有較高的一致性，并且劃痕試驗(yàn)與理論分析的結(jié)果都是在120°方向取得最大值，因此，氧化鎵晶體(100)晶面比較容易的加工晶向?yàn)?20°方向，適合作為超精密加工的主要加工方向，在該方向的脆塑轉(zhuǎn)變臨界載荷為29.4 mN。

由表3可以得出，在氧化鎵晶體(010)晶面中，90°、105°和165°三個(gè)方向上的脆塑轉(zhuǎn)變臨界深度較大，分別為591 nm、686 nm和570 nm，與圖7中理論分析的脆塑轉(zhuǎn)變深度有較好的一致性，并且劃痕試驗(yàn)與理論分析的結(jié)果都是在105°方向取得最大值，因此，氧化鎵晶體(010)晶面比較容易的加工晶向?yàn)?05°方向，適合作為超精密加工的主要加工方向，在該方向的脆塑轉(zhuǎn)變臨界載荷為20.0 mN。

綜上所述，氧化鎵晶體(010)晶面105°方向?yàn)椴牧系囊准庸し较?，即為超精密加工的?yōu)選加工方向。

2.5 劃痕脆塑轉(zhuǎn)變臨界深度預(yù)測(cè)模型

在(100)晶面對(duì)ψ取平均值，得到ψ=0.285，在(010)晶面對(duì)ψ取平均值，得到ψ=0.301。因此，對(duì)于氧化鎵晶體而言，在Cube壓頭刻劃的工況下，與加工工藝以及磨粒幾何參數(shù)有關(guān)的ψ取平均值為0.293。脆塑轉(zhuǎn)變臨界深度公式為

(10)

因此，在對(duì)氧化鎵晶體各晶面進(jìn)行超精密加工時(shí)，可以參考式(10)，計(jì)算得出大致的脆塑轉(zhuǎn)變臨界深度，結(jié)果可對(duì)加工過程起到一定的指導(dǎo)作用，大幅提高加工質(zhì)量。

3 結(jié)論

(1)通過對(duì)比壓痕試驗(yàn)得出氧化鎵晶體(100)晶面以及(010)晶面的力學(xué)參數(shù)，得到在氧化鎵晶體不同晶面上都存在一定的各向異性，并且相比于(100)晶面，在彈塑性階段，(010)晶面的各向異性更顯著。

(2)氧化鎵晶體(010)晶面任意方向的硬度均比(100)晶面的硬度低，適合塑性域加工，并且氧化鎵晶體(100)晶面為主解理面，解理現(xiàn)象比較嚴(yán)重，不宜作為優(yōu)選加工面，因此，氧化鎵晶體(010)晶面為易加工晶面。

(3)由氧化鎵晶體(100)晶面相對(duì)脆塑轉(zhuǎn)變臨界深度隨方向變化規(guī)律可以看出，在120°方向?yàn)樽畲蟮南鄬?duì)脆塑轉(zhuǎn)變臨界深度，相對(duì)于整個(gè)晶面而言，在這個(gè)方向上容易進(jìn)行塑性域加工，對(duì)比不同方向下劃痕試驗(yàn)，綜合得到120°方向是氧化鎵晶體(100)晶面的易加工方向，此處的實(shí)際脆塑轉(zhuǎn)變臨界切深為623 nm左右，此時(shí)的脆塑轉(zhuǎn)變臨界載荷為29.4 mN。

(4)由氧化鎵晶體(010)晶面相對(duì)脆塑轉(zhuǎn)變臨界深度隨方向變化規(guī)律可以看出，最大的相對(duì)脆塑轉(zhuǎn)變臨界深度在105°方向，相對(duì)于整個(gè)晶面而言，在這個(gè)方向上容易進(jìn)行塑性域加工，對(duì)比不同方向下劃痕試驗(yàn)，綜合得到105°方向是氧化鎵晶體(010)晶面的易加工方向，此處的實(shí)際脆塑轉(zhuǎn)變臨界切深為626 nm左右，此時(shí)的脆塑轉(zhuǎn)變臨界載荷為20.0 mN。

(5)通過對(duì)比不同方向上臨界切削深度與相對(duì)臨界深度的值，得到氧化鎵晶體在Cube壓頭下的加工工藝以及磨粒幾何參數(shù)有關(guān)的ψ取值為0.293，為氧化鎵晶體實(shí)際超精密加工提供了參考依據(jù)。