Исследование и разработка технологии обработки подложек для приборных пластин связанным алмазно-абразивным инструментом

Работа посвящена решению важной проблемы в области производства современных приборов микро — и оптоэлектроники, связанной с эффективной прецизионной обработкой подложек из кремния, арсенида галлия, сапфира и других материалов, используемых в качестве приборных пластин при изготовлении кристаллов широкого класса приборов. Существующие традиционные технологии шлифования подложек из указанных материалов с помощью свободного абразива и последующего химико-механического полирования (ХМП) достигли пределов своих возможностей, как с точки зрения повышения качества и точности обработки, так и с точки зрения себестоимости выпускаемой продукции.

В последнее десятилетие наряду с повышенными требованиями к приборным пластинам по структурным, электрофизическим параметрам предъявляются высокие требования к их геометрическим параметрамлокальному отклонению от плоскостности (STIR), разнотолщинности (TTV), микрошероховатости и чистоте поверхности.

Расширение номенклатуры изделий, в первую очередь в части увеличения диаметра обрабатываемых приборных пластин, требует не только существенного изменения, но и, прежде всего, создания нового технологического процесса с использованием качественно новых инструментов и вспомогательных материалов. Экономическая целесообразность также диктует необходимость снижения припусков на обработку на отдельных этапах технологического процесса. Это ведёт к ужесточению требований к точностным характеристикам применяемого инструмента и параметрам технологических режимов.

Размерный ряд отечественной технологии обработки подложек из кремния, арсенида галлия и сапфира не обновлялся с середины 80-х годов, тогда как номенклатура изделий существенно изменилась. До сих пор наиболее распространённым является процесс шлифования свободным абразивом.

В настоящее время традиционное шлифование подложек из кремния, арсенида галлия и сапфира осуществляется, как правило, с помощью свободного абразива в виде суспензий. При шлифовании свободным абразивом диспергирование материала происходит в результате воздействия на его поверхность абразивных зерен, находящихся между поверхностью обрабатываемой подложки и поверхностью шлифовальной планшайбы. При шлифовании хрупких неметаллических материалов наряду с неровностями поверхности, представляющими рельефный слой, всегда сопутствует объемная сетка микротрещин, распространяющихся вглубь материала. При этом глубина рельефного слоя соизмерима с размером абразивных зерен, а глубина трещиноватого слоя существенно превышает глубину рельефного слоя и составляет, например, для стекла от 4 до 6 диаметров абразивного зерна.

К основным недостаткам такой технологии следует отнести:

— большую глубину нарушенного слоя, для удаления которого требуется длительное травление и полирование;

— трудность получения высокой точности геометрической формы поверхности при длительном процессе ХМП, что особенно актуально для заготовок больших размеров;

— низкую производительность труда;

— низкую культуру производства с плохими условиями труда, характеризуемыми малой степенью механизации и автоматизации процессов;

— большой расход абразивных порошков за счет низкого коэффициента их полезного использования;

— низкую временную стабильность процесса шлифования свободным абразивом и процесса ХМП.

В последнее время на операциях тонкого шлифования стекла и некоторых других хрупких неметаллических материалов хорошо зарекомендовал себя алмазный инструмент на органической связке, который по сравнению с инструментом на металлической связке и свободным абразивом обеспечивает уменьшение глубины нарушенного слоя. Однако не известно примеров применения связанного алмазно-абразивного инструмента для обработки кремния, арсенида галлия и сапфира.

Задача технологического процесса обработки приборных пластин с помощью связанного алмазного инструмента — это удаление нарушений, возникших на первых этапах обработки, и получение свободной от механических повреждений поверхности пластин, в первую очередь с геометрическими параметрами, удовлетворяющими современным методам микроэлектроники. Параметры плоскостности и разнотолщинности, закладывающиеся на операциях резки и предварительного шлифования свободным абразивом, зачастую ухудшаются на последующих операциях по удалению остаточных повреждений, например, химико-механическое полирование (ХМП).

Таким образом, актуальность работы вызвана постоянно растущими требованиями к качеству подложек приборных пластин, используемых в производстве широкого класса приборов микро — и оптоэлектроники. С другой стороны, необходимость выполнения данной работы связана с несовершенством существующих технологических процессов шлифования свободным абразивом и химико-механического полирования подложек из кремния, арсенида галлия и сапфира.

Не менее остро стоит вопрос о разработке новой технологии утонения приборных пластин на основе кремния, арсенида галлия и сапфира со сформированными структурами приборов.

Таким образом, актуальность данной работы определяется необходимостью разработки принципиально новой высокоэффективной технологии прецизионной механической обработки подложек из кремния, арсенида галлия и сапфира для приборных пластин с помощью связанного алмазно-абразивного инструмента.

1.3 Выводы и постановка задачи исследований.

Подводя итоги выполненного анализа состояния теории и достигнутых практических результатов в области алмазной обработки изделий в связи с поставленной в данной работе задачей можно сделать следующие выводы:

1. Переход при тонком алмазном шлифовании изделий от свободного абразива к связанному алмазному инструменту обеспечивает качественно новый уровень технологии, характеризуемый резким ростом производительности обработки, увеличением износостойкости инструмента и улучшением культуры производства. Однако не известно случаев применения связанного алмазного инструмента для финишного шлифования тонких изделий с относительной толщиной h / D < 1 /100 с высокими требованиями к точности формы обрабатываемой поверхности.

2. Не известно также примеров использования традиционных типов связанного алмазного инструмента для обработки подложек из кремния, арсенида галлия и сапфира для приборных пластин, что можно объяснить более высокими удельными давлениями при алмазном шлифовании указанных материалов.

3. Для исключения влияния деформаций детали на точность геометрической формы обрабатываемой поверхности относительная толщина должна быть не менее 0,2, т. е. h / D > 1/5. При шлифовании точных поверхностей тонких деталей с относительной толщиной h / D ~ 1/100 возникают значительные трудности, связанные с деформациями детали под действием остаточных напряжений в материале и деформациями под действием растягивающих напряжений, возникающих в нарушенном поверхностном слое.

4. Однако существующие технологии обработки прецизионных подложек из кремния, арсенида галлия и сапфира с помощью свободного абразива уже не обеспечивают возросших требований микрои оптоэлектроники ни по качественным, ни по экономическим показателям.

5. Известные типы связанного алмазного инструмента предназначены для эксплуатации при высоких удельных давлениях от 0,03 до 0,15 МПа и высоких относительных линейных скоростях (порядка 10.40 м/с). Однако такие режимы обработки тонких подложек с высокими требованиями к точности формы поверхности не приемлемы. Это связано с механическими деформациями деталей в процессе их обработки, а также с деформациями пластин после обработки под действием растягивающих напряжений, возникающих в глубоком нарушенном поверхностном слое.

Целью данной работы является разработка нового высокоэффективного технологического процесса шлифования и полирования подложек из кремния, арсенида галлия и сапфира, используемых в качестве приборных пластин, обеспечивающего качественно новые результаты, а именно, снижение глубины нарушенного, трещиноватого слоя на операциях шлифования без снижения производительности процесса обработки.

Решение данной задачи включает следующие основные этапы:

— создание новых типов связанного алмазно-абразивного инструмента;

— исследование и разработка технологии шлифования и полирования различных материалов с помощью связанного алмазно-абразивного инструмента;

— определение оптимального состава алмазного инструмента и смазочно-охлаждающей жидкости для обработки различных материалов;

— оптимизация конструкции инструмента и оборудования для обработки различных материалов и реализации различных технологических процессов: шлифование, полирование или утонение подложек.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА НОВЫХ ТИПОВ СВЯЗАННОГО АЛМАЗНО-АБРАЗИВНОГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОДЛОЖЕК ИЗ КРЕМНИЯ, АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ, САПФИРА И.

ДРУГИХ МАТЕРИАЛОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В КАЧЕСТВЕ ПРИБОРНЫХ ПЛАСТИН В МИКРО — И ОПТОЭЛЕКТРОНИКЕ.

Как уже отмечалось выше, применение инструмента со связанными алмазными зернами взамен абразивных суспензий при тонком шлифовании материалов обеспечивает достижение следующих преимуществ:

— повышение производительности шлифования при съеме равных припусков материала на один-два порядка;

— снижение глубины нарушенного при обработке слоя материала, в первую очередь, глубины трещиноватого слоя;

— снижение более чем на порядок шероховатости поверхности при обработке связанным алмазным инструментом и свободным абразивом равной зернистости;

— снижение относительного объемного износа связанного абразива.

В силу своих упруго-пластических свойств наиболее высокие результаты удается достичь при использовании в алмазном инструменте органической связки для тонкого и доводочного шлифования. Известные типы связанного алмазного инструмента предназначены для эксплуатации при высоких удельных давлениях от 0,03 до 0,15 МПа и высоких относительных линейных скоростях 10. 40 м/сек [12].

Однако, как будет показано далее в данном разделе, для изделий с относительной толщиной h/D < 1/100 при обработке поверхностей с высокими требованиями к точности их формы такие режимы не приемлемы, так как вызывают значительные деформации деталей в процессе обработки.

В связи с этим первоначально в данной работе необходимо решить вопрос о создании новых составов и связок для изготовления алмазного инструмента, работающего при низких удельных давлениях порядка 0,01.0,05 МПа и низких относительных линейных скоростях инструмента и обрабатываемой детали — порядка 1 .3 м/сек.

В силу указанных выше причин исследования в данной работе проводились по созданию алмазного инструмента на органической связке.

2.1. Разработка алмазного инструмента на органической связке на основе эпоксидной смолы.

При изготовлении связанного алмазно-абразивного инструмента в качестве связующего была использована эпоксидно-диановая смола, а в качестве с отвердителя — полиэтиленполиамин (ПЭПА). Выбор эпоксидно-диановой смолы связан с тем, что, во-первых, упруго-эластичные свойства связки на основе этой смолы можно регулировать в широком интервале в зависимости от условий ее полимеризации. Во-вторых, процесс изготовления алмазно-абразивного инструмента на основе эпоксидно-диановой смолы не требует дорогостоящего оборудования, например, мощных прессов и пресс-форм, и отличается простотой. В третьих, использование смолы в качестве основного связующего позволяет легко переходить к различным типоразмерам алмазно-абразивных элементов и к различной их форме. Кроме того, инструмент на основе эпоксидно-диановой смолы выгодно отличается от других типов инструмента низкой ценой и, наконец, является экологически чистым изделием.

2.1.1. Влияние компонентов связки на свойства инструмента.

Итак, в качестве связующего при разработке первого варианта алмазного инструмента была выбрана эпоксидно-диановая смола с отвердителем — полиэтиленполиамин [64]. Для определения оптимального состава для изготовления алмазного инструмента необходимо правильно выбрать тип алмазного порошка, и связующее, состоящее из наполнителя и функциональной добавки. В качестве наполнителя была выбрана двуокись церия, а в качестве функциональной добавки — смесь сернокислого никеля и щавелевой кислоты.

Использование в качестве наполнителя двуокиси церия, имеющей сравнительно низкую прочность и тонкодисперсную чешуйчатую структуру, способствует улучшению упругопластических свойств инструмента и снижению его засаливания в процессе эксплуатации.

Кроме того, двуокись церия способствует удалению микронеровностей на обрабатываемой поверхности, то есть участвует в формировании микрорельефа, как вспомогательный абразив. Комплекс «двуокись церияалмазные зерна» в указанных соотношениях образует каркас массы с высокоразвитой поверхностью, имеющей высокую реакционную способность. В то же время в каркасе отсутствуют сыпучие конгломераты, которые в процессе шлифования выделили бы отдельные несвязанные алмазные зерна.

Функциональная добавка, состоящая из смеси сернокислого никеля и щавелевой кислоты, выполняет двойственную функцию. Во-первых, это трибохимическое воздействие реагентов на поверхность стекла в зоне контакта инструмента с обрабатываемой деталью, а во-вторых, взрыхление связки и обновление новых алмазоносных слоев за счет растворения мелкодисперсных частиц указанных химических реагентов под действием воды, являющейся основой состава смазочно-охлаждающей жидкости.

При подборе оптимального состава для изготовления алмазного инструмента исследовалось влияние различных компонентов и их соотношения на режущую способность инструмента и качество обработанной поверхности. Подбор оптимального количества компонентов осуществлялся в широком диапазоне (Табл. 1).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В процессе исследований получены следующие основные результаты:

1. Разработан технологический процесс прецизионной механической обработки подложек из кремния, арсенида галлия и сапфира для приборных пластин с помощью новых типов связанного алмазно-абразивного инструмента.

2. Шлифовальный инструмент на базе новых связанных алмазно-абразивных элементов, обладающий высокими режущими способностями и обеспечивающий высокое качество обработки, что подтверждено промышленными внедрениями на предприятиях России, ближнего и дальнего зарубежья.

3. Оптимизированные технологические режимы шлифования и полирования подложек из кремния, арсенида галлия и сапфира с помощью различных типов связанного алмазно-абразивного инструмента;

4. Результаты исследований влияния различных типов связанного инструмента и режимов обработки на точность и качество обрабатываемой поверхности различных материалов;

5. Новая смазочно-охлаждающая жидкость, обеспечивающая работу инструмента в режиме самозатачивания при низких удельных нагрузках.

6. Оптимальные условия и режимы прецизионного шлифования деталей с относительной толщиной 0,01 и менее.

7. Основные принципы конструирования шлифовального инструмента и оборудования для обработки плоских поверхностей деталей.