周航

（長春理工大學(xué)，吉林長春 130000）

單晶鍺各向異性力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)

周航

（長春理工大學(xué)，吉林長春 130000）

單晶鍺作為一種重要的半導(dǎo)體材料，在我國機(jī)電系統(tǒng)發(fā)展以及電路系統(tǒng)的優(yōu)化升級中扮演著關(guān)鍵性的角色。為了充分發(fā)揮單晶鍺在推動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展，滿足社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求方面的作用，需要相關(guān)科技工作者對單晶鍺（100）（110）（111）的各向異性力學(xué)性能進(jìn)行全面的試驗(yàn)探究，對其實(shí)用性與加工性進(jìn)行分析，促進(jìn)單晶鍺在實(shí)踐中的有序使用。基于此，以納米壓痕實(shí)驗(yàn)為主要試驗(yàn)手段，對單晶鍺（100）（110）（111）在試驗(yàn)過程中所表現(xiàn)出來的硬度及彈性模量等進(jìn)行記錄，以期為其力學(xué)性在實(shí)踐中的應(yīng)用提供理論參考。

單晶鍺；各向異性；納米壓痕實(shí)驗(yàn)；力學(xué)性能

隨著科技的不斷進(jìn)步，人們對材料的研發(fā)與應(yīng)用能力不斷增強(qiáng)，新的材料不斷涌現(xiàn)，并被應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)與生活中。鍺作為IV族金屬，呈現(xiàn)出金剛石的結(jié)構(gòu)特性，具有良好的物理與化學(xué)性征。單晶鍺作為一種重要的工業(yè)原料，憑借著自身的材料優(yōu)勢，在汽車制造、航天領(lǐng)域、計算機(jī)通訊、醫(yī)療衛(wèi)生及生態(tài)環(huán)境保護(hù)等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著積極作用，與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料相比，有著更為廣闊的應(yīng)用前景與發(fā)展空間。隨著計算機(jī)領(lǐng)域中芯片與晶體管的微型化，傳統(tǒng)意義上的硅基材料越來越難以滿足微型化的發(fā)展需求，試驗(yàn)證明單晶鍺的物理化學(xué)性質(zhì)能夠在很大程度上取代單晶硅的作用，進(jìn)一步推進(jìn)晶體管技術(shù)的發(fā)展，提升摩爾定律的實(shí)踐性能［1］。在這一背景下，為了進(jìn)一步滿足社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對于單晶鍺的使用需求，滿足納米電子元器件的開發(fā)需求，將單晶硅的材料尺寸控制在納米量級，通過在一量級下的操作，實(shí)現(xiàn)各種組件體積的集約化，增強(qiáng)其實(shí)用性與使用場景。但是，必須看到單晶鍺在納米量級下，物質(zhì)表面在摩擦力、外界磨損以自身表面張力的作用下，受到的力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其體積受到慣性力與電磁力，這就使得單晶鍺表面力成為影響其實(shí)際使用性能與力學(xué)性能試驗(yàn)的核心要素?；诖耍趯ζ溥M(jìn)行各向異性力學(xué)試驗(yàn)的過程中，需要將表面力作為考察與研究的重點(diǎn)，探究單晶鍺的面塑性、硬度及彈性模量特征。

1 納米壓痕實(shí)驗(yàn)原理

1.1 單晶鍺各向異性力學(xué)試驗(yàn)的必要性

晶體在原子排列組合方面存在著一定的規(guī)律性，并且在不同的方位、不同的表面上，其原子排列的方式及密集程度有著較為明顯的差異，原子排列方面的不同使得晶體在不同的方向上表現(xiàn)出不同的物理性質(zhì)與化學(xué)特征。也就是說，在不同的方向，同一晶體會表現(xiàn)出各向異性。鍺作為一種稀有金屬元素，以金剛石結(jié)構(gòu)存在，雖然與其他晶體在物理化學(xué)性質(zhì)上有著極為明顯的差別，但單晶鍺依舊表現(xiàn)出各向異性。為了對單晶鍺各向異性的具體表現(xiàn)形式預(yù)計數(shù)據(jù)信息有著較為全面的掌控，需要相關(guān)科技人員充分利用現(xiàn)有的試驗(yàn)條件，使用必要的技術(shù)手段與試驗(yàn)方案，對單晶鍺不同表面的面塑性、硬度及彈性模量進(jìn)行測算，以提升人們對于單晶鍺各向異性的認(rèn)知程度，進(jìn)而為其在實(shí)踐中的科學(xué)高效使用奠定基礎(chǔ)。

1.2 納米壓痕實(shí)驗(yàn)理論

為了保證單晶鍺各向異性力學(xué)實(shí)驗(yàn)的科學(xué)高效開展，將納米壓痕實(shí)驗(yàn)引入其中，借助于納米壓痕實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性及可操作性，實(shí)現(xiàn)對單晶鍺各向異性中面塑性、硬度及彈性模量力學(xué)性質(zhì)的全面分析，對相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集與研究。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要相關(guān)技術(shù)人員立足于納米壓痕實(shí)驗(yàn)開展實(shí)際要求，對其測試?yán)碚撨M(jìn)行必要研究，從而為其在單晶鍺各向異性力學(xué)試驗(yàn)中的有序應(yīng)用創(chuàng)造必要條件。

納米壓痕實(shí)驗(yàn)一般將金剛石作為壓頭，使其在正向負(fù)載的力學(xué)作用下，在垂直方向上對所測試的材料施加一定的重力作用，在這一過程中組織專門人員對壓頭壓入過程中，壓痕實(shí)驗(yàn)中加載力與測試材料壓入深度進(jìn)行準(zhǔn)確記錄，并將納米壓痕實(shí)驗(yàn)過程中加載與卸載過程中，探究加載力與壓入深度之間的關(guān)系，并以數(shù)學(xué)模型的形式對其進(jìn)行表現(xiàn)［2］。根據(jù)二者之間的關(guān)系，繪制載荷-位移曲線，其中hf表示卸載過程中受測試材料的壓痕深度變化情況，hmax則表示納米壓痕實(shí)驗(yàn)過程中壓痕的最大深度，pmax表示納米壓痕實(shí)驗(yàn)過程中被測試材料所受的最大載荷，S則表示卸載曲線頂部的斜率，代表著納米壓痕實(shí)驗(yàn)體系中的接觸剛度，如圖1所示。

從納米壓痕實(shí)驗(yàn)的測試原理來看，其與傳統(tǒng)壓痕實(shí)驗(yàn)有著較為明顯的差異，在傳統(tǒng)的測量試驗(yàn)體系下，壓痕測量實(shí)驗(yàn)人員通過幾何尺寸計算力學(xué)方式獲取被測試材料的各類數(shù)據(jù)，納米試驗(yàn)則以實(shí)際測量數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過相關(guān)數(shù)學(xué)模型與公式，對壓痕實(shí)驗(yàn)中的接觸面積進(jìn)行推斷，進(jìn)而對材料力學(xué)性能進(jìn)行計算［3］。納米壓痕實(shí)驗(yàn)憑借自身的實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢，能夠極大提升實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，全面反映材料自身的力學(xué)性，為其在實(shí)踐中的科學(xué)高效應(yīng)用提供了參考。

圖1 載荷-位移曲線

2 單晶鍺各向異性力學(xué)性實(shí)驗(yàn)所遵循的原則

2.1 遵循科學(xué)性原則

納米壓痕實(shí)驗(yàn)在單晶鍺各向異性力學(xué)性實(shí)驗(yàn)工作中應(yīng)用目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，要充分體現(xiàn)科學(xué)性的原則，只有從科學(xué)的角度出發(fā)，對單晶鍺各向異性力學(xué)性實(shí)驗(yàn)中納米壓痕實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)意義及技術(shù)操作流程，進(jìn)行細(xì)致且全面的考量，才能夠最大限度地使得納米壓痕實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驖M足單晶鍺各向異性力學(xué)性實(shí)驗(yàn)相關(guān)工作的要求，只有在科學(xué)精神、科學(xué)手段、科學(xué)理念的指導(dǎo)下，才能夠以現(xiàn)有的技術(shù)條件為基礎(chǔ)，確保單晶鍺各向異性力學(xué)性實(shí)驗(yàn)體系下納米壓痕實(shí)驗(yàn)相關(guān)應(yīng)用工作的科學(xué)實(shí)現(xiàn)。

2.2 遵循可操作性原則

由于單晶鍺各向異性力學(xué)性實(shí)驗(yàn)對于實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求較為嚴(yán)格，為了提升實(shí)驗(yàn)自身的可行性與可操作性，使得納米壓痕試壓能夠滿足單晶鍺各向異性力學(xué)性實(shí)驗(yàn)的技術(shù)要求，有效應(yīng)對現(xiàn)階段實(shí)驗(yàn)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)環(huán)境等方面的問題。需要相關(guān)技術(shù)人員在進(jìn)行單晶鍺各向異性力學(xué)性實(shí)驗(yàn)方案與相關(guān)技術(shù)的設(shè)計規(guī)劃的過程中，充分考慮這一情況，采取行之有效的應(yīng)對措施。在保證單晶鍺各向異性力學(xué)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下，盡可能增加單晶鍺各向異性力學(xué)性實(shí)驗(yàn)應(yīng)用方案的容錯率，減少外部環(huán)境對單晶鍺各向異性力學(xué)性實(shí)驗(yàn)中納米壓痕實(shí)驗(yàn)相關(guān)技術(shù)操作的不利影響。所以，單晶鍺各向異性力學(xué)性實(shí)驗(yàn)以及相關(guān)技術(shù)應(yīng)用流程必須進(jìn)行簡化處理，降低操作的難度，提升應(yīng)用方案的實(shí)用性能與環(huán)境適應(yīng)能力，使得在較短時間內(nèi)進(jìn)行有效操作，保證單晶鍺各向異性力學(xué)性實(shí)驗(yàn)工作的順利開展。

3 單晶鍺各向異性力學(xué)性能試驗(yàn)

單晶鍺各向異性力學(xué)試驗(yàn)作為一個復(fù)雜的過程，需要相關(guān)實(shí)驗(yàn)人員立足于單晶鍺試驗(yàn)的實(shí)際要求，在科學(xué)性與可操作性原則的指導(dǎo)下，將納米壓痕實(shí)驗(yàn)引入到單晶鍺各向異性力學(xué)試驗(yàn)中，將其作為一種重要的試驗(yàn)手段，推動各向異性力學(xué)試驗(yàn)下相關(guān)參數(shù)獲取工作的有序進(jìn)行。

3.1納米壓痕實(shí)驗(yàn)方法

由于納米壓痕實(shí)驗(yàn)以數(shù)學(xué)模型作為主要的試驗(yàn)方式，因此在保證納米壓痕實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的過程中，需要對實(shí)驗(yàn)過程中數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建方式及分析方法進(jìn)行必要的選擇與優(yōu)化，以此保證壓痕實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性與科學(xué)性。

通常納米壓痕實(shí)驗(yàn)一般采用Oliver-Pharr的試驗(yàn)方法，Oliver-Pharr的試驗(yàn)方法充分以壓痕實(shí)驗(yàn)中卸載過程中載荷-壓痕深度的曲線關(guān)系為依據(jù)，進(jìn)而對被測試材料的壓痕硬度進(jìn)行判定。在這一試驗(yàn)方法體系下，單晶鍺納米壓痕實(shí)驗(yàn)可以采用P=ɑ（h-hf）m的公式進(jìn)行計算，進(jìn)而明晰納米壓痕實(shí)驗(yàn)過程中，單晶鍺各向異性力學(xué)性能中卸載深度與測試材料載荷之間的關(guān)系，其中ɑ是一種幾何常數(shù)，其大小與測試材料的性質(zhì)、納米壓痕實(shí)驗(yàn)的壓頭彈性模量及泊松比有著直接關(guān)系，m與試驗(yàn)壓頭的體積結(jié)構(gòu)有關(guān)［4］。為了對單晶鍺的各向異性剛度數(shù)據(jù)進(jìn)行測算，需要實(shí)驗(yàn)人員以P=ɑ（h-hf）m為依據(jù)，對其進(jìn)行微分操作，引申出公式S=（dP/dh）h=hmax=ɑm（hmax-hf）m-1，通過這一公式能夠?qū)尉фN各個異面在納米壓痕實(shí)驗(yàn)中所表現(xiàn)中的剛度進(jìn)行準(zhǔn)確計算，進(jìn)而更為直觀地反應(yīng)單晶鍺各向異性力學(xué)剛度特征，對于其在實(shí)踐中的科學(xué)高效使用，發(fā)揮自身的材料優(yōu)勢有著十分重大的作用。

3.2 納米壓痕實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用

納米壓痕實(shí)驗(yàn)設(shè)備的高效使用，能夠在很大程度上提升實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與科學(xué)性，為單晶鍺各向異性力學(xué)性能試驗(yàn)的開展提供基礎(chǔ)條件。從實(shí)踐情況來看，在納米壓痕實(shí)驗(yàn)開展過程中，通常以美國生產(chǎn)的Nanoindenter G200壓痕儀作為主要的檢測設(shè)備，將納米壓痕實(shí)驗(yàn)過程中載荷分辨率精度提升到60nN，位移分辨率則控制在0.02nm范圍內(nèi)，進(jìn)而大大提升納米壓痕實(shí)驗(yàn)設(shè)備對于單晶鍺各向異性力學(xué)體系中硬度、彈性模量及面塑性的計算準(zhǔn)確性。對于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用，能夠在納米壓痕試驗(yàn)中對單晶鍺（100）（110）（111）各個各向異面進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集匯總與分析，并且Nanoindenter G200壓痕儀能夠通過自身內(nèi)置的芯片記錄實(shí)驗(yàn)中壓頭的位移量、載荷大小及時間間隔等實(shí)驗(yàn)參數(shù)，為單晶鍺各向異性力學(xué)特征的計算創(chuàng)造了條件。

4 單晶鍺各向異性力學(xué)性能具體表現(xiàn)

單晶鍺各向異性力學(xué)在納米壓痕實(shí)驗(yàn)中的體現(xiàn)，需要實(shí)驗(yàn)人員對不同晶面的硬度、彈性模量及壓痕深度之間的關(guān)系進(jìn)行判斷，通過對壓痕深度的分析，壓痕尺寸效應(yīng)的產(chǎn)生原因進(jìn)行全面的總結(jié)，并針對單晶鍺（100）（110）（111）在硬度、彈性模量及壓痕深度之間的差異性，利用數(shù)學(xué)方式進(jìn)行原因分析與使用性能總結(jié)，從而推動其材料優(yōu)勢的充分展示。

5 結(jié)語

為了充分發(fā)揮單晶鍺的材料優(yōu)勢，促進(jìn)其半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步，滿足芯片微型化的發(fā)展要求，促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)的健康快速發(fā)展。本文以單晶鍺各向異性力學(xué)實(shí)驗(yàn)為研究重點(diǎn)，將納米壓痕實(shí)驗(yàn)作為切入點(diǎn)，對納米壓痕實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)原理與測試方式進(jìn)行全面分析，將其與單晶鍺各向異性力學(xué)性實(shí)驗(yàn)有機(jī)地結(jié)合起來，對單晶鍺各向異性力學(xué)的表現(xiàn)特征進(jìn)行總結(jié)與概括，以期促進(jìn)單晶鍺材料優(yōu)勢的充分發(fā)揮。

［1］楊曉京，劉艷榮，楊小江，等.單晶鍺各向異性力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2014（5）：322-326.

［2］夏曉光，張宇.鍺單晶的各向異性對單點(diǎn)金剛石切削的影響［J］.新技術(shù)新工藝，2014（2）：110-112.

［3］楊曉京，劉艷榮，楊小江，等.納米尺寸單晶鍺各異性摩擦磨損性能試驗(yàn)研究［J］.稀有金屬材料與工程，2015（8）：1904-1908.

［4］吳紹華，王侃，徐雨微，等.重?fù)诫s低位錯鍺單晶生長及其微觀缺陷研究［J］.紅外技術(shù)，2015（10）：57-58.

［5］陳浩.壓力場中鍺光學(xué)性質(zhì)的第一性原理計算與實(shí)驗(yàn)分析［J］.武漢理工大學(xué)，2015（5）：107-108.

Experiment of Anisotropic Mechanical Properties of Single Crystal Germanium

Zhou Hang
（Changchun University of Science and Technology，Changchun Jilin 130000）

Single crystal germanium,as an important semiconductor material,plays a key role in the optimization and upgrading of China's electromechanical system development as well as the circuit of the system.In order to give full play to the role of single crystal germanium in promoting the development of semiconductor industry and meeting the needs of social and economic development,the related scientific and technical workers need to carry out a comprehensive experimental study on the anisotropic mechanical properties of single crystal germanium(100),(110),(111), analyzed the practicality and the processing to promote the orderly use of single crystal germanium in practice.Based on this,taking nano indentation experiment as the experimental means,the hardness and elastic modulus of single crystal germanium(100),(110),(111)shown in the test was recorded,to provide a theoretical reference for the application of its mechanical properties in practice.

single crystal germanium；anisotropy；nano indentation experiment；mechanical property

TN304.11

A

1003-5168（2016）11-0127-03

2016-10-13

周航（1990-），男，碩士在讀，研究方向：精密和超精密加工技術(shù)。