Влияние температуры от 20 до 100 °С на удельную поверхностную энергию и вязкость разрушения пластин кремния

Проведены исследования влияния температуры в диапазоне от 20 до 100 °С на удельную поверхностную энергию и вязкость разрушения стандартных пластин кремния трёх ориентаций (100), (110) и (111). Пластины кремния нагревали на специальной термоплатформе с автономным контроллером нагрева, которую устанавливали под образцы. При каждой температуре образцы выдерживали в течении 10 мин. Удельная поверхностная энергия γ после воздействия температуры определялась методом атомно-силовой микроскопии (АСМ). Вязкость разрушения во время и после воздействия температуры определялась методом индентирования с последующей визуализацией области деформации методом АСМ. Установлено, что удельная поверхностная энергия γ пластин кремния ориентации (100) и (111) увеличивается с увеличением температуры от 20 до 100 °С, у ориентации (110) – увеличивается при температурах от 20 до 80 °С, а затем снижается. Длина диагонали d отпечатков индентирования, выполняемых как в процессе нагрева, так и после нагрева, уменьшается с увеличением температуры от 20 до 100 °С. Длина трещин c уменьшается на пластинах кремния при индентировании во время нагрева от 20 до 100 °С, а после воздействия температуры длина увеличивается. Во время воздействия температуры на пластины вязкость разрушения K_IC увеличивается с увеличением температуры: для ориентации (100) – 1,61 ± 0,08 MПa·м^1/2, для (110) – до 1,60 ± 0,08 MПa·м^1/2 и для (111) – до 1,66 ± 0,04 MПa·м^1/2. Установлена прямая корреляция K_IC, измеренной во время воздействия температуры, и обратная корреляция K_IC, измеренной после воздействия температуры, c удельной поверхностной энергией для ориентаций (100) и (111). Обратная корреляция K_IC с γ получена на ориентации (110) при воздействии температур 20–40 и 80–100 °С, а после воздействия – прямая корреляция. При 60 °С корреляции нет. Полученные результаты могут быть использованы для улучшения механических свойств кремниевых пластин, используемых в солнечных элементах и микроэлектромеханических системах (работающих при температурах до 100 °С).

1. Tilli M, Paulasto-Kröckel M, Petzold M, Theuss H, Motooka T, Lindroos V. Handbook of Silicon Based MEMS Materials and Technologies. Elsevier, 2020.636 p.

2. Masolin A, Bouchard PO, Martini R, Bernacki M. Thermo-mechanical and fracture properties in singlecrystal silicon, Journal of Materials Science. 2013;48: 979-988. DOI: 10.1007/s10853-012-6713-7

3. Hashimov AM, Hasanli ShM. Influence the heat treatment on the mechanical characteristics of silicon plates, Fizika. 2004;CILD X №4:71-73.

4. Courtney TH. Mechanical Behavior of Materials: Second Edition. Waveland Press;2005. 733 p.

5. Lauener CM, Petho L, Chen M, Xiao Y, Michler J, Wheeler JM. Fracture of Silicon: Influence of rate, positioning accuracy, FIB machining, and elevated temperatures on toughness measured by pillar indentation splitting. Materials & Design. 2018;142:340-349. DOI: 10.1016/j.matdes.2018.01.015

6. Gdoutos EE. Fracture Mechanics. Cham: Springer. 2020; XIX, 477 p. DOI: 10.1007/1-4020-3153-X

7. McLaughlin JC, Willoughby AFW. Fracture of silicon wafers. Journal of Crystal Growth. 1987;85:83-90. DOI: 10.1016/0022-0248(87)90207-7

8. Mohamed Cherif Ben Romdhane, Hatem Mrad, Fouad Erchiqui, Ridha Ben Mrad. Thermomechanical Study and Fracture Properties of Silicon Wafer under Effect of Crystal Orientation. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2019;521, article № 012004. DOI: doi:10.1088/1757-899X/521/1/012004

9. Tanaka M, Higashida K, Nakashima H, Takagi H, Fujiwara M. Orientation dependence of fracture toughness measured by indentation methods and its relation to surface energy in single crystal silicon. International Journal of Fracture. 2006;139:383-394. DOI: 10.1007/s10704-006-0021-7

10. Ebrahimi F, Kalwani L. Fracture anisotropy in silicon single crystal. Materials Science and Engineering: A. 1999;268:116-126. DOI: 10.1016/S0921-5093(99)00077-5

11. Tanaka M, Higashida K, Nakashima H, Takagi H, Fujiwara M. Fracture toughness evaluated by indentation methods and its relation to surface energy in silicon single crystals. Materials Transactions. 2003;44(4):681684. DOI: 10.2320/matertrans.44.681

12. Yang C, Pham J. On the Fracture Toughness Measurement of Thin Film Coated Silicon Wafers. Silicon. 2015;7:27-30. DOI: 10.1007/s12633-014-9215-1

13. Lapitskaya VA, Kuznetsova TA, Chizhik SA, Warcholinski B. Methods for Accuracy Increasing of Solid Brittle Materials Fracture Toughness Determining. Devices and Methods of Measurements. 2022;13(1):4049. DOI: 10.21122/2220-9506-2022-13-1-40-49

14. Lapitskaya VA, Kuznetsova TA, Khudoley AL, Khabarava AV, Chizhik SA, Aizikovich SM, Sadyrin EV. Influence of polishing technique on crack resistance of quartz plates. International Journal of Fracture. 2021;231(1):61-77. DOI: 10.1007/s10704-021-00564-5

15. Lapitskaya VA, Kuznetsova TA, Khabarava AV, Chizhik SA, Aizikovich SM, Sadyrin EV, Mitrin BI, Weifu Sun. The use of AFM in assessing the crack resistance of silicon wafers of various orientations. Engineering Fracture Mechanics. 2022;259, Article №. 107926. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2021.107926

16. Wang QJ, Chung YW. Encyclopedia of Tribology. Boston: Springer. 2013. 4192 p. DOI: 10.1007/978-0-387-92897-5

17. Shigeki Nakao, Taeko Ando, Mitsuhiro Shikida, Kazuo Sato. Effect of temperature on fracture toughness in a single-crystal-silicon film and transition in its fracture mode. Journal of micromechanics and microengineering. 2008;18, article № 015026 (7 pp). DOI: 10.1088/0960-1317/18/1/015026