УДК 620.17:669.782 АРЕНДАРЕНКО А. А., БРИТВИН А. А.,
ЛИТВИНОВ М. Ю.,1) ЛИТВИНОВ Ю. М., СКВОРЦОВ В. Н.,1)
ХУСНЕТДИНОВ И. А., ЦЫПЛЁНКОВ И. Н.

НЕОДНОРОДНОСТЬ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МОНОКРИ-
СТАЛЛОВ GaP (111) И ЕЁ ВЛИЯНИЕ НА ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ.

1)ИМАШ РАН, ЗАО "Элма-Малахит", 124460, г. Москва, Зеленоград,
e-mail: info@emal.zelcom.ru , tel.: 532-83-04, fax: 532-18-30

Постоянно растущий рынок приборов на основе полупроводнико-
вых соединений AIIIBV, высокий уровень конкуренции на нём потребовали
от производителей материалов поиска путей совершенствования своего
производства, в том числе и на стадии изготовления пластин. В частности
пластины GaP используют в производстве эпитаксиальных структур для
светоизлучающих приборов. Часто, уже на стадии разрезания монокри-
сталлов GaP на пластины при использовании метода дисковой резки про-
исходит хрупкое разрушение монокристаллов непосредственно при резке
или же при последующих манипуляциях с пластинами (например, при их
очистке от приклеечного материала). При попытке разрезания таких моно-
кристаллов, названных нами проблемными, более щадящим способом, а
именно методом - многопроволочной резки с применением свободного
абразива, отрезанные пластины характеризовались появлением упорядо-
ченного микрорельефа, а в отдельных случаях и макрорельефа на поверх-
ности пластин, видимого невооружённым глазом. Было высказано предпо-
ложение, что одной из причин такого явления может быть неоднородность
механических свойств по сечению монокристалла или же различие меха-
нических свойств нормальных и проблемных монокристаллов.
Для измерения механических свойств применили методику непре-
рывного микроиндентирования [1]. Суть метода в том, что в нём нагрузка,
F, на индентор и глубина проникновения индентора, h, в материал непре-
рывно фиксируются датчиками нагрузки и смещений как в процессе на-
гружения, так и в процессе разгружения с записью на диаграммах вдавли-
вания. Точностные характеристики метода: 1 сH по нагрузке и 0,03 мкм по
глубине. Обработку кривых F-h вели по разработанной ранее методологии
[1]. Эта методология позволяет одновременно определять упругие (модуль
упругости, Е, и степень упругого возврата, ) и пластические (истинная
твёрдость, H, и индекс пластичности, D) свойства материала. Механиче-
ские свойства определяли в краевой и центральной областях проблемных и
нормальных монокристаллов.

Кратко последовательность расчёта механических свойств следую-
щая: 1) аппроксимация усреднённых кривых нагружения и разгружения
степенными функциями типа F=A·hm и F=B·(h-hпл)n соответственно; 2) их
логарифмирование и определение множителей A и В и показателей степе-
ни m и n;


Проблемный слиток (край)

2,6

2,4

y = 2,008x + 1,4114
2,2

R2 = 0,997
y = 1,6112x + 1,2768
2

R2 = 0,9993
) cN
1,8

(F

lg
1,6
m
n
A
B

1,4

1,6
2,0
18,9 25,8
1,2

1
-0,3
-0,2
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8

lg(h) mkm


3) численное дифференцирование кривой разгружения для определения
жёсткости контакта
nF
dF
S =
=
dh
;
пл
h-h
F,h= макс
4) определение приведенного модуля упругости исследуемого материала
Е*=Е/(1-2) по формуле
S
E*
=
A(h )
пл ;
5) численное интегрирование реконструированных кривых нагружения и
разгружения для определения общей работы упруго-пластического вдав-
ливания
hM
m
F h
M
M
0
W =
Ah dh =


m +1
0
и работы, связанной только с упругой деформацией
hM
n
F (h - h )
W
=
(h
B - h ) dh =
упр

M
пл
пл
;
n +1
hпл
6) определение работы неупругой (пластической) деформации
Wпл=W0-Wупр; 7) определение истинной твёрдости по формуле

3
M
F
Н =
,
2
9 g Wпл
где g=26,4 - формфактор для индентора Виккерса; 8) определение степени
пластичности 0=hпл/hM и степени упругого возврата =1-0.
Рассчитанные по изложенному алгоритму данные о механических
свойствах исследованных кристаллов представлены в таблице.

Проблемный
Нормальный
Механические
кристалл
кристалл
свойства
центр
край
центр
край
Степень упругого
0,51 0,62 0,55 0,51
возврата =(1-0)
Степень пластичности
0,49 0,38 0,45 0,49
D=0
Модуль упругости, E,
89,1 126,0 104,4 98,1
ГПа
Истинная твёрдость,
17,1 13,1 13,8 13,4
Нист, ГПа

Как видно из таблицы, нормальные кристаллы однородны по своим
механическим свойствам. Иная ситуация для проблемных кристаллов. В
краевой области проблемного кристалла и степень упругого возврата, и
модуль упругости значительно больше, чем среднее значение этих вели-
чин для нормального кристалла. И наоборот, в центральной части про-
блемного кристалла модуль упругости значительно меньше модуля упру-
гости в нормальном кристалле. В то же время истинная твёрдость цен-
тральной части проблемного кристалла значительно больше истинной
твёрдости в краевой области проблемного кристалла и средней истинной
твёрдости нормального кристалла.
На наш взгляд, именно неоднородность механических свойств меж-
ду периферией и центром проблемных кристаллов GaP (111) является при-
чиной тех аномальных явлений, которые сопровождают процессы диско-
вой и многопроволочной резки этих кристаллов.

1. Литвинов М. Ю. Мониторинг механических свойств упруго-
пластических материалов методом непрерывного вдавливания. Труды
Московской конференции молодых учёных "Научно-технические про-
блемы развития Московского мегаполиса", М., ИМАШ РАН, 2003, с.
71-82