Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ моделей и механизмов удаления материала с поверхности пластин при их обработке свободным абразивом. Equation Chapter (Next) Section 1 7
1.1. Абразивный износ, связанный с процессами хрупкого разрушения при многопроволочной резке и двухстороннем шлифовании свободным абразивом 7
1.2. Абразивный износ, связанный с упруго-пластической деформацией поверхности, при химико-механическом полировании 13
1.3 Обзор моделей процессов механической обработки пластин (ХМП)
полупроводниковых и диэлектрических материалов 19
1.4 Выводы 24
ГЛАВА 2. Методы исследования механических свойств и структуры приповерхностных нарушенных слоев обрабатываемых материалов 25
2.1 Рентгеновские методы исследования структуры приповерхностных слоев обрабатываемых материалов 25
2.1.1 Двукристальная дифрактометрия 26
2.1.2 Секционная рентгеновская топография (СРТ) 28
2.1.3 Рентгеновская топография в скользящей геометрии дифракции... 30
2.1.4 Исследования на синхротронных источниках рентгеновского излучения 32
2.2 Разработка метода рентгеновской диагностики подложек сапфира на синхротронном излучении 37
2.3 Метод непрерывного вдавливания индентора. Основы метода и возможности применения в микроэлектронике 41
2.4 Определение механических свойств арсенида галлия (111 )В и сапфира с ориентацией (0001) и (1012) методом непрерывного вдавливания индентора 53
2.5 Определение трещиностойкости в пластинах сапфира различной ориентации (0001) и (1012) и кремния на сапфире (КНС) 56
2.6 Определение изменений твердости и модуля Юнга верхнего пористого слоя используемых полировальников в процессе их износа при химико-механическом полировании 60
2.7 Определение изменений структуры полировальников в процессе их износа при химико-механическом полировании методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) 64
2.8 Выводы 65
ГЛАВА 3. Моделирование процессов механической обработки пластин полупроводниковых и диэлектрических материалов свободным абразивом 67
3.1 Моделирование процессов удаления материала с поверхности пластин при их многопроволочной резке и двухстороннем шлифовании свободным абразивом 68
3.2 Моделирование процесса удаления материала с поверхности пластин при химико-механическом полировании на «мягком» полировальнике ... 76
3.2.1 Контактная модель в ХМП 80
3.2.2 Полировальник и его поры 85
3.2.3 Деформация в системе "пластина-частица" и "полировальник-частица" 87
3.2.4 Нормальное распределение размеров абразивных частиц 90
3.2.5. Скорость удаления материала с поверхности пластины 95
3.3 Выводы 97
ГЛАВА 4. Экспериментальная проверка и реализация результатов работы 98
4.1 Расчеты глубины повреждений для наиболее значимых материалов электронной техники при многопроволочной резке и шлифовании свободным абразивом и их экспериментальная проверка 98
4.2 Экспериментальная проверка применимости модели съема при химико-механическом полировании на примерах сапфира и арсенида галлия 102
4.3 Исследование подложек сапфира и арсенида галлия методом рентгеновской диагностики 107
4.3.1 Исследование подложек сапфира и структур кремния на сапфире
107
4.3.2. Исследование подложек арсенида галлия (111 )В на двухкристальном дифрактометре
4.4 Выводы 111
Заключение 112
Общие выводы по работе 112
Литература 117
Приложения 128
- Абразивный износ, связанный с упруго-пластической деформацией поверхности, при химико-механическом полировании
- Разработка метода рентгеновской диагностики подложек сапфира на синхротронном излучении
- Моделирование процесса удаления материала с поверхности пластин при химико-механическом полировании на «мягком» полировальнике
- Расчеты глубины повреждений для наиболее значимых материалов электронной техники при многопроволочной резке и шлифовании свободным абразивом и их экспериментальная проверка
Введение к работе
Актуальность темы
За последние несколько лет в промышленной микроэлектронике произошло существенное увеличение номенклатуры материалов электронной техники (А1203, полупроводниковые соединения AmBv, SiC, LiNb03, Ge и другие). По мере повышения требований к качеству пластин, уменьшения размеров элементов и увеличения степени интеграции СБИС, сопровождающихся уменьшением толщины подзатворного диэлектрика до нескольких нанометров, структура приповерхностного слоя, границы раздела и поверхности пластин начинают оказывать определяющее влияние на характеристики подзатворного диэлектрика. Наряду с этим, одними из основных дефектов исходных пластин, являются механические повреждения, возникающие в течении всех технологических процессов механической обработки материалов электронной техники, начиная с дисковой резки, заменяемой в последнее время на многопроволочную резку (МПР) свободным абразивом и заканчивая химико-механическим полированием (ХМП). Механическая обработка пластин на любом из этапов, начиная с этапа резки, заключается во взаимодействии абразивных частиц с приповерхностными слоями материала и отводе образующихся продуктов взаимодействия из активной зоны. Задача любого последующего после резки технологического процесса обработки - удаление нарушений, возникших на предыдущих этапах обработки и получение плоской, свободной от механических повреждений поверхности. Параметры плоскостности закладываются на операциях шлифования свободным или связанным абразивом, а остаточные приповерхностные повреждения должны удаляться на последующих операциях щелочного или кислотного травления и ХМП. Благодаря относительно недавнему внедрению современного способа обработки материала, такого как МПР свободным абразивом, предполагается в дальнейшем исключить операцию двухстороннего шлифования (ДСШ) свободным абразивом из технологического процесса, как источника внесения дополнительных механических повреждений в пластину.
Однако пока процесс МПР не до конца изучен и после его внедрения в производство были обнаружены существенные присущие этому методу недостатки. Так предварительные исследования и литературные данные показывают, что после многопроволочной резки
монокристаллов кремния на пластины на последних остается макрорельеф, амплитуда которого достигает 10 мкм, а по отдельным данным - 30 мкм. Таким образом, пока все равно требуется дополнительная операция планаризации поверхности с использованием ДСШ перед последующей операцией ХМП.
Исходя из вышесказанного следует, что перед каждым технологическим процессом обработки материала нам нужно знать конечный результат используемого процесса для его согласования с последующими процессами съема. Для сокращения сроков разработки новых и усовершенствования прежних процессов механической обработки нам нужно иметь модельные представления каждого из технологических процессов, начиная от процесса МПР свободным абразивом и заканчивая ХМП. Полученные спрогнозированные данные могут быть использованы для оптимизации технологических процессов, при условии, что известны или измерены такие параметры обрабатываемого и обрабатывающего материала, как модуль упругости, твердость, трещиностойкость, а также форма и размер зерна применяемого абразива. Использование этих данных позволяет построить наиболее экономичный размерный ряд обработки различных материалов электронной техники.
Цель диссертационной работы
Целью диссертационной работы является разработка моделей процессов съема материала с пластин свободным абразивом, с учетом которых можно будет строить экономичный размерный ряд обработки различных материалов электронной техники. На основании данной цели работы были поставлены следующие задачи исследования:
Создание моделей абразивного износа, связанных с процессами хрупкого разрушения при МПР и ДСШ свободным абразивом и с упруго-пластической деформацией поверхности при ХМП;
Определение методик экспериментальных исследований механических свойств и структуры приповерхностных нарушенных слоев обрабатываемых и обрабатывающих материалов;
Проведение экспериментальных исследований с целью:
а. определения структуры, глубины повреждений в приповерхностных слоях после технологических операций (МПР и ДСШ свободным абразивом и ХМП);
b. определения изменений твердости и модуля Юнга
верхнего пористого слоя используемых
полировальников в процессе их износа при ХМП.
4) Разработка модели процесса химико-механического
полирования пластин полупроводниковых и диэлектрических
материалов свободным абразивом с учетом всех участвующих
механических параметров процесса.
Научная новизна диссертационной работы:
Впервые рассчитаны глубины нарушенного слоя для наиболее значимых материалов электронной техники (Si, GaAs, А12Оз, GaP) при их многопроволочной резке и двухстороннем шлифовании свободным абразивом;
Впервые проведено определение изменения твердости, модуля упругости (Юнга) и структуры верхнего пористого слоя используемых при ХМП полировальников;
Разработана модель съема при химико-механическом полировании, учитывающая множество механических параметров, используемых в процессе (давление на обрабатываемый материал, относительная скорость вращения материала, механические свойства частиц абразива в суспензии, обрабатываемого и обрабатывающего материала такие, как твердость и модуль упругости, химический состав суспензии, форма и размер частицы, распределение размера частиц в суспензии, концентрация, геометрические параметры полировального станка).
Личный вклад:
Личный вклад автора заключается в разработке основной идеологии работы, получении большинства экспериментальных данных, анализа и их расчетов, участия в обсуждении результатов и написании статей.
Практическая ценность:
Построены и подтверждены модели процессов съема материала с пластин свободным абразивом, на основании которых можно будет строить экономичный размерный ряд обработки различных материалов электронной техники;
Расчетным путем получены знания о глубине нарушенного слоя в материалах электронной техники (Si, GaAs, А12Оз, GaP),
которые служат основой для построения размерного ряда обработки при использовании процессов МПР, ДСШ и ХМП. 3) Результаты работы апробированы на примере ХМП GaAs
(111) В в ЗАО «Элма - Малахит». Акт об использовании результатов диссертационной работы прилагается.
Научные положения, выносимые на защиту:
Модельные представления влияния размера и формы абразивных частиц на глубину повреждений в материалах электронной техники
Комплекс исследований нарушений структуры обрабатываемого материала, возникающих при проведении процесса ХМП
Учет механических свойств полировальников в модели съема в процессе ХМП
Апробация работы:
Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
8-th Scientific and Business Conference, Roznov, Czech Republic, 2002
III Международная конференция "Микромеханизмы пластичности,
разрушения и сопутствующих явлений" (MPFP) на базе XLI
Международного семинара "Актуальные проблемы прочности",
Тамбов, 2003
II Международная конференция по физике кристаллов «Кристаллофизика 21-го века», Москва, 2003
IV Национальная конференция по применению рентгеновского,
синхротронного излучений, нейтронов и электронов для
исследования материалов., Москва, 2003
IX Международная научно-техническая конференция «Актуальные
проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники»,
Дивноморское, Россия, 2004
9-th Scientific and Business Conference, Roznov, Czech Republic, 2004
X Международная научно-техническая конференция «Тонкие
пленки в электронике», Москва, ОАО ЦНИТИ «ТЕХНОМАШ»,
2004
II научный семинар с международным участием «Современные методы анализа дифракционных данных», Великий Новгород, 2004 Конференция «Кремний 2004», Иркутск, 2004
XV Петербургские чтения по проблемам прочности, Санкт-
Петербург, 2005
12-я Всероссийская межвузовская научно-техническая
конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и
информатика - 2005», Зеленоград, 2005
XI Международная научно-техническая конференция «Тонкие
пленки в электронике», Москва, ОАО ЦНИТИ «ТЕХНОМАШ»,
XVI Международная конференция «Физика прочности и
пластичности материалов», Самара, 2006
Структура и объем диссертации:
Абразивный износ, связанный с упруго-пластической деформацией поверхности, при химико-механическом полировании
В табл. 1 переменными параметрами являются ширина запрещенной зоны Ез.з, характеризующая прочность связей в полупроводниковом материале, степень ионности в силах связи fl и степень металлизации в силах связи п, выраженная через среднее значение главных квантовых чисел
валентных оболочек атомов А и В по Пирсону: п=(пА+ пв) / 2 [6]. В пределах групп полупроводниковых материалов (IV группы и группы соединений AniBv) существует корреляция между механическими свойствами и шириной запрещенной зоны и степенью металлизации сил связи. Корреляция со степенью ионности в силах связи существует лишь в пределах изокатионных (GaP, GaAs, GaSb) и (InP, InAs, InSb) рядов. В то же время модуль Юнга, микротвердость уменьшаются, а скорость съема увеличивается с увеличением степени металлизации сил связи.
В табл. 2 представлены показатели механических свойств основных абразивных материалов, используемых в технологическом процессе изготовления пластин. Сопоставление VOTH.H3H обрабатываемого материала и абразива позволяет подобрать для механической обработки конкретного материала конкретный абразив с соблюдением следующего условия: относительная скорость износа абразива должна быть несколько меньше, чем VOTH.H3H обрабатываемого материала. Такое сравнение позволяет подобрать соответствующие абразивы и условия обработки для любых материалов электронной техники. Так как модуль Юнга, твердость, коэффициент интенсивности концентрации напряжения в вершине трещины, КІС, у алмаза, карбида кремния, оксида алюминия, оксида циркония больше, чем у кремния, то эти материалы служат основой для абразивного инструмента, предназначенного для калибрования, формирования срезов, резки монокристалла, шлифования пластин и создания фаски на краях пластины. Диоксид кремния по твердости, коэффициенту интенсивности напряжений и скорости съема близок к кремнию, а модуль упругости его достаточно высок, поэтому он широко используется для создания коллоидно-дисперсных сред для окончательного химико-механического полирования поверхности пластин кремния. Таким образом, первая группа абразивных материалов предназначена для использования в высокопроизводительных (с большой скоростью съема) процессах механической обработки монокристаллов кремния для придания первоначальной формы пластинам кремния и достижения определенных геометрических параметров пластин. Эти параметры обеспечивают на окончательных стадиях полирования, проводимых уже в условиях чистых помещений, качество поверхности пластин в соответствии с требованиями к пластинам кремния, предназначенным для изготовления ДОЗУ. Если на начальных этапах механической обработки монокристаллов и пластин можно пользоваться моделями абразивного износа для описания процессов, происходящих в приповерхностных слоях обрабатываемого материала, то для описания явлений, происходящих при химико-механическом полировании требуется другой подход. 1.2. Абразивный износ, связанный с упруго-пластической деформацией поверхности, при химико-механическом полировании Химико-механическое полирование представляет собой процесс удаления материала с поверхности пластины при относительном движении полировальника и пластины, в промежутке между которыми находится жидкая полирующая дисперсная среда (приближение взаимодействия трех тел). Съем материала в процессе ХМП происходит как чисто механически в результате непосредственного контакта множества точек на поверхности пластины с частицами полирующей дисперсной среды, так и в результате химических реакций, активируемых путем повышения давления и температуры в процессе полирования. Несмотря на то, что в процессе ХМП съем материала не сопровождается хрупким разрушением, механические свойства как обрабатываемой пластины, так и полировальника (модуль Юнга, твердость), равно как и вязкость жидкой полирующей дисперсной среды играют важную роль в скорости съема при ХМП [7; 8; 9; 10]. В целом поверхность обрабатываемой пластины твердая и хрупкая (табл. 1), тогда как полировальник, изготавливаемый обычно из материала на основе полиуретана, существенно более мягок (твердость 90-95 кг/мм2 или 0,9-0,95 ГПа, плотность 0,6-0,7 г/см3). Поверхность полировальника выполняет две основные функции: 1. поры в полировальнике способствуют перемещению частиц полирующей дисперсной среды по поверхности обрабатываемой пластины; 2. полимерная пенистая структура стенок ячеек полировальника ответственна за удаление продуктов реакции с поверхности пластины. Таким образом, полировальник оказывает влияние как на механическую, так и на химическую составляющую процесса ХМП. Относительное движение пластины и полировальника в комбинации с приложенным давлением и химической активностью полирующей дисперсной среды ведет к абразивному износу за счет упруго-пластической деформации поверхностного слоя обрабатываемой пластины. В этом процессе необходимо знание величины площади контакта абразивной частицы с поверхностью пластины, поверхностных механических свойств пластины, полировальника и частиц полирующей дисперсной среды и других параметров для предсказания скорости съема.
Процесс абразивного износа, связанный с упруго-пластической деформацией поверхности при ХМП, описан в работе [11]. Авторы рассмотрели процесс прокатывания сферической частицы диаметром 2R по поверхности плоской пластины, которая под давлением Р прижимается к полировальнику, а частицы полирующей дисперсной среды движутся в зазоре между пластиной и полировальником и оказывают сдвиговое воздействие на обрабатываемый материал. Справедливо полагая, что:
a) глубина проникновения абразивной частицы в каждую из поверхностей (пластины и полировальника) зависит от твердости частицы, обрабатываемой пластины и полировальника;
b) абразивная частица не разрушается под действием давления в области контакта с двумя поверхностями (т.е. эффект резания и, следовательно, хрупкого разрушения обрабатываемой пластины отсутствует), авторы провели оценку среднего времени контакта абразивной частицы в зазоре t между сжимающимися поверхностями от точки ее введения в зазор до точки, где глубина внедрения составляет hi для поверхности 1 и h2 для поверхности 2:
Разработка метода рентгеновской диагностики подложек сапфира на синхротронном излучении
Полированные пластины сапфира с с- и г- ориентацией поверхности служат, соответственно, для создания структур GaN/сапфир и структур кремний на сапфире (КНС). В производстве таких структур часто складывается ситуация, когда подложки сапфира, кажущиеся после их стандартной оптической характеризации идентичными, ведут себя совершенно различным образом на операции эпитаксии. После контрольного эпитаксиального наращивания в слое обнаруживаются дефекты, возникающие на неких «скрытых» дефектах, присущих подложке.
Ввиду дороговизны пластин сапфира и КНС (структур кремния на сапфире) для обнаружения и характеризации таких «скрытых» дефектов было предложено использовать рентгеновские методы диагностики, преимущественно прямые [20]. Они позволяют не только визуализировать отдельные дефекты в объеме материала, но также изучать остаточные механические повреждения, возникающие в процессе механической обработки подложек сапфира. Для ускорения процессов съемки было предложено использовать синхротронное излучение.
На рис. 10 а. представлена схема получения проекционных лауэ -топограмм на прохождение в синхротронном излучении. В том случае, когда необходимо исследовать дефектную структуру приповерхностных слоев монокристаллических пластин и эпитаксиальных слоев различных материалов используют схему получения лауэ-топограмм на отражение (рис. 10 б.). Индицирование таких лауэ - топограмм ведется по программе "Orient Express" [27]. Дополнительными операциями анализа таких лауэ топограмм являются операции расчёта информативной глубины (глубины экстинкции) для различных отражений, а также расчёты азимутального и радиального разрешений, с целью выбора для анализа отражений с известной глубиной экстинкции и с максимальным азимутальным и радиальным разрешением [28].
При таких схемах на детекторе (фотопластинке) формируется картина, состоящая из системы лауэ - пятен, каждое из которых представляет топограмму одного и того же участка образца, размером, совпадающим с размером коллиматора синхротронного излучения, снятых в различных дифракционных условиях (отражениях). При таком способе нет необходимости для анализа, например, дислокационной структуры, последовательно осуществлять съёмки в различных дифракционных условиях (отражениях) с использованием излучения с заданной длиной волны, как это обычно бывает на автономных источниках излучения с использованием рентгеновских трубок. На синхротронном излучении, это получается автоматически. При таком способе съёмки одновременно на детекторе (фотопластинке) формируется не меньше десятка лауэ-пятен, что вполне достаточно для автоматизированного индицирования лауэ топограмм по известным алгоритмам [20; 27]. На Рис. Па представлена реальная секционная лауэ - топограмма пластины сапфира (0001) в пучке синхротронного излучения, которая была получена на синхротронном источнике излучения «Сибирь-2» РНЦ «Курчатовский Институт». На рисунке отметим несколько расчётных точек, по которым будем проводить расчёты в программе "Orient Express" v.3.3. На рис. 11 б представлена ориентационная матрица программы индицирования лауэ - топограмм "Orient Express" v.3.3 на которой показаны основные направления векторов ячеек, расстояние от образца до детектора и от источника до образца [27]. На рис. 12 представлен пример расчёта реальной лауэ - топограммы пластаны сапфира в СИ (см. рис. 11 а) и сравнение её с реальной (рис. 13). Видно, что расчётные индексы отдельных пятен на расчётных топограммах по программе "Orient Express" хорошо ложатся на реальную лауэграмму. Как видно из сравнения двух рисунков (рис. 12 и рис. 13) реальная лауэграмма пластины сапфира (0001) практически воспроизводит расчётную лауэграмму. Приведенные на рис. 10 и 11 схемы удобны для получения секционных и проекционных лауэ-топограмм на пучках синхротронного излучения, когда необходимо исследовать распределение дефектов в объеме
При абразивной обработке керамик и близких к ним по механическим свойствам полупроводниковых материалов важно уметь прогнозировать такие характеристики как скорость абразивного износа и глубина приповерхностных повреждений, возникающих при различного рода абразивном воздействии на обрабатываемый материал. Известно также[29; 50], что эти характеристики сложным функциональным образом зависят от комплекса механических свойств обрабатываемого материала - упругих (модуль Юнга), пластических (твердость) и хрупких (трещиностойкость). Как правило, эти механические свойства определяются разными методами, в условиях напряженного состояния, далеких от контактного нагружения, имеющего место при различного рода абразивном воздействии. Единственным методом, позволяющим моделировать контактное взаимодействие абразивных частиц различного размера и формы с обрабатываемым материалом, является микроиндентирование [30] и наноиндентирование [31; 32]. Достоинство метода непрерывного вдавливания индентора в режиме микроиндентирования обуславливается тем, что в одном эксперименте при увеличении нагрузки на индентор можно пройти стадии как упругой, так и упруго-пластической деформации вплоть до стадии хрупкого разрушения.
Суть метода непрерывного вдавливания индентора состоит в том, что нагрузка на индентор, F, и глубина проникновения индентора, h, одновременно фиксируются высоко прецизионными датчиками нагрузки и смещений как в процессе нагружения, так и в процессе разгружения на диаграммах вдавливания F-h (рис. 14).
Моделирование процесса удаления материала с поверхности пластин при химико-механическом полировании на «мягком» полировальнике
Абразивная суспензия, состоящая, например, из 50-70 нм. шариков плавленного кварца с показателем рН между 8.5-11 играет важную роль в механизме удаления материала с поверхности пластины при ХМП. Удаление материала с поверхности пластины при ХМП происходит как следствие комбинации химической реакции химической суспензии с материалом пластины и многократным скольжением, вращением и внедрением абразивных частиц в поверхность пластины [26]. К сожалению, трудно поставить эксперимент, который позволил бы отделить влияние отдельных компонентов от других контролируемых параметров (тип полировальника, свойства обрабатываемого материала, характеристик и полирующего состава), влияющих на скорость удаления материала с поверхности пластины. Этот недостаток в понимании механических и химических этапов полирования ограничивает возможности улучшения процесса ХМП. Следовательно, необходимо иметь модель процесса удаления материала с поверхности пластины, чтобы связать параметры процесса ХМП с действительным съемом материала.
Большинство исследований механизма ХМП рассматривает химические эффекты и механические эффекты процесса отдельно. И это неудивительно, ведь до сих пор нет единого мнения о механизме съема материала с поверхности пластины во время ХМП. Однако последние работы зарубежных авторов говорят нам, что в этой области есть существенный сдвиг. Так, например, результаты последних экспериментов [68] показывают что процесс ХМП это единый процесс в котором механическая составляющая дополняет химическую. Химическая составляющая в ХМП играет важную роль в процессе ХМП, однако механическая составляющая приносит намного больший вклад в съем материала. Поэтому в данной работе сфокусируемся на изучении механических эффектов, особенно акцентируем свое внимание на контактном трении в системе «абразив-пластина» и «абразив-полировальник».
Детальный механизм взаимодействия между пластиной, суспензией и полировальником был предметом исследования в течение некоторого времени [69; 71; 72]. Большинство более ранних моделей концентрировались на каком-нибудь одном из множества важных входных переменных ХМП процесса, таких как скорость подачи суспензии, давление, относительная скорость, силы трения, геометрия полировальника и пластины, и выходных переменных, таких как скорость полирования, уровень планаризации, качество поверхности. Абразивный износ рассчитывается по выражению Престона MRR = K P V [13], где MRR - скорость удаления материала, Р0 давление на пластину, V - относительная скорость пластины и Кр -константа, отображающая влияние остальных параметров, которые используются в процессе ХМП. Однако, выражение Престона отражает только влияние таких параметров процесса ХМП как давление и относительная скорость. Экспериментальные результаты показывают, что в процессе ХМП действует намного больше факторов, которые способны повлиять на скорость удаления материала. Это и свойства полирующего полотна, сделанного из полимерного материала, и состав суспензии, содержащий в себе нано-размерный абразив. К примеру, было найдено [82; 83], что более мягкий и пористый полировальник будет производить больший съем с поверхности пластины. Этот факт не объясняется выражением Престона. Более того, результаты показывают, что давление в процессе ХМП нелинейным образом связано со скоростью удаления материала с поверхности пластины [73; 75].
В данной работе предложена модель, которая описывает взаимодействие между пластиной, полировальником и абразивными частицами, включая физические свойства всех рассматриваемых компонентов. Данная модель основывается на допущениях упругого контакта в системе «пластина-абразив» и «абразив-полировальник», предположениях о нормальном распределении абразивных частиц в суспензии и на периодичности шероховатости поверхности полирующего материала. Химическая и механическая составляющая полностью разделены в окончательном выражении. Были учтены все важные входные параметры процесса ХМП и их влияние на скорость удаления материала с поверхности обрабатываемого материала. Для полного понимания предлагаемой модели, на рис. 25 представлена блок-схема, поясняющая взаимодействие предлагаемых подмоделей.
Для дальнейшей обсуждения процесса моделирования, рассмотрим две типичных контактных модели в ХМП - так называемая гидродинамическая контактная модель и твердотельная контактная модель. На рисунках 26 (а и б) схематически показаны две модели. Как видно из рисунка 26а, когда прилагаемое давление на поверхность пластины мало, а относительная скорость движения пластины велика, тогда может сформироваться тонкая гидродинамическая пленка (полирующая суспензия) с микроскопической толщиной между поверхностью пластины и полировальника. Основное свойство ХМП в том, что размер абразивных частиц (нано-размер) намного меньше, чем толщина суспензионной пленки (микро-размер), и поэтому большое количество абразивных частиц становятся неактивными даже тогда, когда их размер относительно велик по сравнению со средним размером всех частиц. Почти весь удаляемый материал удаляется благодаря истиранию незакрепленных абразивных частиц, находящихся в контакте между двух поверхностей и химическому травлению, которое происходит благодаря химической составляющей в суспензии рис. 26 а. Точное прогнозирование количества абразивных частиц участвующих в процессе съема очень важно для исследования скорости удаления материала. Однако, в гидродинамической модели почти всегда невозможно предсказать, как много частиц принимают участие в истирании поверхности или являются неактивными.
В представленной модели будем рассматривать только механизм взаимодействия твердых тел (твердотельную контактную модель), когда прилагаемое давление на поверхность пластины велико и относительная скорость пластины по отношению к скорости полировальника мала. На рис. 26 б схематически показана твердотельная контактная модель во время ХМП.
В этой модели пластина и неровности полирующего материала (поры полировальника) контактируют друг с другом и поэтому появляются два вида удаления с поверхности материала - свободным и связанным абразивом. Связанный абразив - это абразивные частицы, внедренные в шероховатости полировальника, то есть скользят без вращения по поверхности пластины и почти весь съем материала происходит благодаря связанному абразиву.
Расчеты глубины повреждений для наиболее значимых материалов электронной техники при многопроволочной резке и шлифовании свободным абразивом и их экспериментальная проверка
Для исследования были взяты реальные подложки сапфира ориентации (0001) (с - плоскость) и (1012) (г - плоскость), а также структура КНС на подложке сапфира ориентации (1012) [14; 88]. Результатом рентгенодифрактометрических исследований химико-механически Прослеживается неэквивалентность обработки А-ХМП и В-(шлифованной) сторон пластин для обеих ориентации подложек, что вполне объяснимо [80]. Имеющиеся данные позволяют утверждать, что повреждаемость поверхности (1012) больше, чем повреждаемость поверхности (0001). Физическое уширение КДО для поверхности (0001) меньше, чем для поверхности (Ї012), независимо от вида обработки (ХМП или шлифование). Это в целом согласуется с результатами модельных расчётов [29; 50]. Подтверждением того, что после шлифования пластин сапфира карбидом бора зернистостью 20 мкм и даже после ХМП [43; 57] присутствуют существенные механические повреждения, являются секционные рентгенотопограммы (рис. 35). На левой части рисунка (рис. 35 а) расположена СРТ ХМП пластины сапфира с ориентацией (0001). Видно, что дальнодействующие поля деформации (ДПД) распространяются в глубь материала с обеих сторон пластины на существенные расстояния от поверхности, как со стороны ХМП - поверхности (25 мкм) и тем более, со стороны шлифованной поверхности (60 мкм). Для сравнения на рис. 35 б. представлена секционная рентгеновская топограмма (СРТ) ХМП пластины сапфира с ориентацией (1012). На стороне ХМП величина ДПД равна 35 мкм, а на шлифованной стороне она принимает значение 75 мкм, что говорит о некой зависимости величины ДПД от ориентации обрабатываемой поверхности исходного материала. После наращивания слоя кремния на ХМП поверхность сапфира (рис. 35 в) контрастность изображения деформированных приповерхностных слоев и дефектов в объеме пластин возрастает. Это связано с двумя причинами: 1) с возникновением деформаций на границе раздела кремний - сапфир; 2) общим температурным воздействием на объём пластины во время осаждения слоя. Рентгеновская топография в скользящей геометрии дифракции и рентгеновская топография в синхротронном излучении на отражение удобны и весьма эффективны для аттестации пластин сапфира по структурному совершенству перед эпитаксиальным наращиванием [70]. При скользящих углах падения увеличивается засвечиваемая рентгеновским пучком площадь образца. При этом уменьшается глубина экстинкции (информативная глубина) и в перспективе возможна визуализация локальных механических повреждений после ХМП. На рис. 36 приведены примеры применения этих методик для пластин сапфира двух ориентации (0001) и (10Ї2). На рис. 36 а. представлена двухкристальная рентгенотопограмма (ДКРТ) на отражение в скользящей геометрии дифракции пластины сапфира ориентацией (0001), а на рис. 36 в. лауэ-топограмма на отражение этого же образца в синхротронном излучении (СИ). Видно, что дислокации располагаются в плоскости базиса и практически параллельно друг другу (стрелками показаны направления дислокаций). Ориентировочные оценки плотности дислокаций дают значения 2-Ю2 см"2 для направления роста (0001) и 7 104 для направления роста (10Ї2). На Рис. рис. 36 б. приведена рентгенотопограмма, а на рис. 36 г. лауэ-топограмма на отражение в СИ пластины сапфира с ориентацией поверхности (Ї012). Видно, что дислокации располагаются наклонно к исследуемой поверхности и четко визуализируются выходы дислокаций на поверхность («торчковые дислокации»). Плотность таких дислокаций составляет В главе 4 была проведена экспериментальная проверка представленных алгоритмов в работе. Результаты расчета глубины повреждений для наиболее значимых материалов электронной техники (ІлМЮзї Ge(100); Si(100); АЬОз (1102 - г плоскость), (0001 - с плоскость) и (1120 - а плоскость); GaP) отображены на рис. 32 и 33. Отметили, что точность прогноза зависит от точности оценки отношения твердости тела к твердости контртела, а также точности определения механических свойств обрабатываемого материала (Е, НиК1с). Также была проверена разработанная модель съема материала с поверхности пластины при ХМП. Параметры, входящие в модель представлены в табл. 11 и 12. Результаты расчетов по предложенной модели и экспериментальные значения представлены в табл. 13. Наблюдается корректная зависимость скорости съема материала от механических параметров обрабатываемых материалов, а также от степени износа полировальников.
Нами были исследованы подложки сапфира и арсенида галлия методом рентгеновской диагностики. Результаты позволяют нам сказать, что повреждаемость поверхности зависит от ориентации поверхности и механических свойств обрабатываемого материала. Доказательством этого служит рис. 35, который доказывает данное утверждение.
