易解理氧化鎵晶體微尺度力學行為試驗研究

徐亞萌 周 海 張杰群 任相璞 張春偉

鹽城工學院機械工程學院，鹽城，224051

0 引言

單晶氧化鎵晶體(β-Ga2O3)是新一代備受關注的半導體材料，禁帶寬度為4.9eV，具有優良的導電性能、高擊穿場強和深紫外波段透射率，被廣泛應用于高頻、高效率、大功率微電子器件及高電壓設備[1-3]，市場潛力巨大。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。

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

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

本文通過對氧化鎵晶體(100)及(010)晶面不同方向進行納米壓痕試驗及劃痕試驗，分析不同晶面不同方向上的力學性能及各向異性，比較不同晶面方向上脆塑轉變的差異和規律，并預測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。

1 試驗方案

1.1 試驗樣品

試驗樣品采用北京鎵族科技有限公司通過導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)晶面的正面經過化學機械拋光處理后，用三維形貌儀對樣品表面進行檢測，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 經化學機械拋光后的氧化鎵樣品Fig.1 Gallium oxide sample after chemical mechanical polishing

1.2 硬度、彈性模量測試試驗

首先在氧化鎵晶體上標記一塊測試區域，在樣品標記區域表面每隔15°進行一次劃分，如圖2所示。試驗采用Berkovich金剛石壓頭沿著不同的劃分線的方向進行壓痕試驗，對壓頭施加100 mN的壓入載荷，加載、保載和卸載的時間都為15 s。每個方向上兩個壓痕點的間距為200 μm，每組試驗分別進行三次，取平均值作為最后的結果。

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

納米壓痕試驗的加載—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，樣品表面主要經歷彈性變形—彈塑性變形—殘余變形三個過程。

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可以根據下式求出：

(1)

(2)

圖4 卸載段初始點斜率(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的常數，對于Berkovich金剛石壓頭，β=1.034[12]。

1.3 斷裂韌度測試試驗

斷裂韌度測試試驗采用的是美國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、保載以及卸載的時間為15 s，壓痕方向如圖2所示。

對于Cube金剛石壓頭，斷裂韌度KIC的經驗公式[13]如下：

(5)

其中，δ為與壓頭相關的常數，根據文獻[12]，式(5)中的Cube金剛石壓頭常數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展示意圖Fig.5 Schematic diagram of radial crack propagation on indentation surface

1.4 納米劃痕試驗

納米劃痕試驗采用的是美國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。劃痕試驗參數如表1所示。

表1 劃痕試驗參數Tab.1 Scratch test parameters

在納米劃痕試驗結束以后，利用場發射掃描電子顯微鏡對劃痕表面進行形貌觀測。

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

在劃痕試驗中，存在一個臨界的切削深度hmin，當壓頭或者刀具壓入深度超過臨界切削深度時，材料將產生脆性破壞；當壓頭或者刀具壓入深度不超過臨界切削深度時，材料只產生塑性變形。硬脆材料脆塑轉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系[14]：

(6)

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

HV=0.323+0.473H

(7)

由式(6)可以看出脆塑轉變臨界深度hmin與(E/HV)(KIC/HV)2的數值成正比關系，因此，通過計算各方向上(E/HV)(KIC/HV)2的數值大小，便可以得到氧化鎵晶體各方向上脆塑轉變臨界深度的變化趨勢，從而進一步得到材料的易切削方向。

2 試驗結果與討論

2.1 力學性能各向異性

在壓痕試驗中，沿不同方向進行的壓痕試驗，其硬度、彈性模量以及斷裂韌度都隨方向的變化而變化。各項參數通過納米壓痕儀實時記錄在EXCEL文檔中，通過Orgin軟件對數據進行處理，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律，如圖6所示。

(a)不同晶面上硬度-方向變化規律

(b)不同晶面上彈性模量-方向變化規律

(c)不同晶面上斷裂韌度-方向變化規律圖6 不同晶面上力學性能隨方向的變化規律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°方向最不容易產生塑性變形，在60°方向最容易產生塑性變形。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°)方向最不容易產生塑性變形，在285°方向最容易產生塑性變形。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°方向最不容易產生彈性變形，剛度較大；在255°方向最容易產生彈性變形，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°方向最不容易產生彈性變形，在210°方向最容易產生彈性變形。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°)方向最不容易產生裂紋擴展，不利于材料去除；在330°方向最容易產生裂紋擴展，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°方向最不容易產生裂紋擴展，不利于材料去除；在210°方向最容易產生裂紋擴展，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到71.4%。

由圖6可以看出，氧化鎵晶體各項力學參數都表現出一定的各向異性，并且在彈塑性變形階段，相對于(100)晶面，(010)晶面的各向異性更為強烈。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，很難實現完美的塑性域加工，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 脆塑轉變臨界深度理論分析

式(6)給出了劃痕脆塑轉變最小臨界切削深度的計算公式，現定義(E/HV)(KIC/HV)2為相對脆塑轉變臨界切削深度hcr,即

(8)

則有

ψ=hmin/hcr

(9)

將壓痕試驗得出的數據代入式(8)和式(9)中，得到相對脆塑轉變臨界切削深度hcr在不同方向上數值的變化，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，即相對脆塑轉變臨界切削深度最大，在330°方向上相對脆塑轉變臨界切削深度最小；在氧化鎵晶體(010)晶面105°方向上，hcr的值最大，即相對脆塑轉變臨界切削深度最大，在315°方向上相對脆塑轉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變

沿不同方向進行的劃痕試驗同樣表現出了氧化鎵晶體各向異性的結果，以氧化鎵晶體(010)晶面90°方向為例(下文若未明確指出均為該條劃痕)，劃痕前預掃描、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-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-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)Fig.10 SEM morphology of scratch(elastic-plastic zone)

圖11 劃痕掃描電鏡形貌圖(脆塑性區)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生彈塑性變形，如圖10所示，在這個階段，晶體表面主要發生彈性變形以及塑性變形，隨著壓入深度的增大，表面還會出現較小的碎屑，分布都比較均勻；隨著壓入深度的進一步增大，去除方式從塑性去除向脆性去除轉變，碎屑逐漸增大并且伴隨著徑向裂紋的產生，如圖11所示。由平穩的塑性去除向劇烈的脆性崩碎去除轉變的過程中，劃入深度和摩擦因數也相應地發生突變，如圖8、圖9所示，Ⅰ區域為塑性變形以及塑性去除階段，Ⅱ區域為脆性崩碎階段，Ⅰ階段與Ⅱ階段交界處為脆塑轉變階段。

2.4 劃痕脆塑轉變臨界深度

基于劃痕試驗得到的試驗數據，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生脆塑轉變的臨界深度與相對臨界深度關系記錄于表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，根據劃痕數據分析，在0°、30°和120°三個方向上的脆塑轉變臨界深度較大，分別為523 nm、516 nm和623 nm，與圖7中理論分析的脆塑轉變深度有較高的一致性，并且劃痕試驗與理論分析的結果都是在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為120°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°三個方向上的脆塑轉變臨界深度較大，分別為591 nm、686 nm和570 nm，與圖7中理論分析的脆塑轉變深度有較好的一致性，并且劃痕試驗與理論分析的結果都是在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為105°方向，適合作為超精密加工的主要加工方向，在該方向的脆塑轉變臨界載荷為20.0 mN。

綜上所述，氧化鎵晶體(010)晶面105°方向為材料的易加工方向，即為超精密加工的優選加工方向。

2.5 劃痕脆塑轉變臨界深度預測模型

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

(10)

因此，在對氧化鎵晶體各晶面進行超精密加工時，可以參考式(10)，計算得出大致的脆塑轉變臨界深度，結果可對加工過程起到一定的指導作用，大幅提高加工質量。

3 結論

(1)通過對比壓痕試驗得出氧化鎵晶體(100)晶面以及(010)晶面的力學參數，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，解理現象比較嚴重，不宜作為優選加工面，因此，氧化鎵晶體(010)晶面為易加工晶面。

(3)由氧化鎵晶體(100)晶面相對脆塑轉變臨界深度隨方向變化規律可以看出，在120°方向為最大的相對脆塑轉變臨界深度，相對于整個晶面而言，在這個方向上容易進行塑性域加工，對比不同方向下劃痕試驗，綜合得到120°方向是氧化鎵晶體(100)晶面的易加工方向，此處的實際脆塑轉變臨界切深為623 nm左右，此時的脆塑轉變臨界載荷為29.4 mN。

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

(5)通過對比不同方向上臨界切削深度與相對臨界深度的值，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有關的ψ取值為0.293，為氧化鎵晶體實際超精密加工提供了參考依據。