Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности алмазно-абразивной обработки материалов (обзор)... 8
1.1. Традиционные технологии алмазно-абразивной обработки подложек для приборных пластин 8
1.2. Особенности обработки тонких пластин с помощью связанного алмазного инструмента 16
1.3. Выводы и постановка задачи исследований 31
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 34
2.1. Разработка алмазного инструмента на органической связке на основе эпоксидной смолы 35
2.1.1. Влияние компонентов связки на свойства инструмента...35
2.1.2. Выбор оптимальной зернистости алмазного порошка и его концентрации 39
2.2. Подбор оптимального состава связки алмазного инструмента на основе термореактивной прессовочной массы 48
2.3. Разработка пористого алмазного инструмента на основе эпоксидной смолы 55
Глава 3. Исследование и оптимизация технологических режимов прецизионной механической обработки подложек из кремния, арсенида галлия и сапфира для приборных пластин с помощью новых типов связанного алмазно-абразивного инструмента 58
3.1. Исследование влияния различных типов связанного инструмента и режимов обработки на точность и качество обрабатываемой поверхности различных материалов
3.2. Оптимизация состава смазочно-охлаждающей жидкости 65
3.3. Исследование влияния различных типов алмазного порошка на режущую способность алмазного инструмента 82
Глава 4. Разработка и внедрение технологии шлифования и полирования подложек из кремния, арсенида галлия и сапфира для приборных пластин с помощью связанного алмазного инструмента 96
4.1. Разработка шлифовального инструмента для односторонней обработки плоских поверхностей деталей 97
4.1.1. Внедрение технологии утонения приборных пластин из кремния, арсенида галлия и сапфира 108
4.2. Разработка шлифовального инструмента для двусторонней обработки плоских поверхностей деталей 113
Заключение 139
Список литературы
- Особенности обработки тонких пластин с помощью связанного алмазного инструмента
- Выбор оптимальной зернистости алмазного порошка и его концентрации
- Оптимизация состава смазочно-охлаждающей жидкости
- Внедрение технологии утонения приборных пластин из кремния, арсенида галлия и сапфира
Введение к работе
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 параметрам -локальному 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.
Особенности обработки тонких пластин с помощью связанного алмазного инструмента
Реальным путем резкого повышения эффективности процесса точного формообразования поверхностей является использование связанного алмазного инструмента. Это обеспечивает повышение производительности на операциях финишного шлифования. Кроме того, появляется возможность управления формообразованием поверхностей в связи с увеличением на один-два порядка размерной стойкости инструмента.
При получении точных поверхностей с использованием свободных абразивов для исключения влияния деформаций детали на точность формы ее обрабатываемой поверхности заготовки должны иметь относительную толщину не менее ОД, то есть h / D 1/10 [2]. При алмазной обработке, которая требует более высоких удельных давлений, для исключения возможности деформаций обрабатываемых поверхностей относительную толщину заготовки следует увеличить в 2 раза [11] . Этот вывод сделан на основании экспериментальных исследований влияния относительной толщины обрабатываемых ей на величину отклонения от плоскостности обработанной поверхности (рис.4). Как следует из приведенной зависимости, с целью исключения влияния деформаций на точность формообразования поверхностей относительная толщина деталей должна превышать значение 0,2, то есть h / D 1/5.
При выполнении условий, обеспечивающих высокую точность формообразования обрабатываемых поверхностей, необходимо также увязывать условия эксплуатации применяемого алмазного инструмента, которые зачастую исключают друг друга. Например, по данным М. Н. Семибратова, оптимальная удельная нагрузка, не влияющая на точность обработки алмазным инструментом, находится в пределах 0,005-0,02 МПа. В то же время, в работе В. В. Рогова [12] показано, что для таблеточного алмазного инструмента оптимальными являются следующие: относительная линейная скорость перемещения алмазного инструмента и обрабатываемой детали от 3 до 10 м/с, удельное давление на алмазный слой не менее 0,05 МПа. Поэтому в каждом частном случае при разработке технологических процессов обработки конкретных стеклоизделий необходимо учитывать не только требования к точности обработки их поверхностей и их чистоте, но и допустимые удельные нагрузки и скорости в зоне резания. Исходя из этих условий, следует подбирать оптимальный состав алмазного инструмента, обеспечивающий максимальную производительность при съеме припусков и необходимые шероховатость поверхности и глубину нарушенного слоя, которые определяют продолжительность последующего полирования и существо влияют на точность формообразования.
Рассмотрим основные требования к алмазному инструменту, применяемому для тонкого шлифования, оптимальные условия его эксплуатации и влияние технологических режимов и различных составов применяемых смазочно-охлаждающих жидкостей на режущую способность инструмента и качество обработки.
Наиболее широко в производстве для тонкого шлифования в один переход используется таблеточный инструмент на металлической связке МО 15 или М09 из алмазов АСН или АСМ зернистостью 20/14 с концентрацией 10% [13]. Хорошими эксплуатационными параметрами при тонкой шлифовке стекла отличается инструмент на бронзовой связке M2I, для которого характерна высокая стабильность съемов припусков и шероховатости обработанной поверхности [14, 15]. Отечественной промышленностью выпускается широкий ассортимент алмазных таблеток на такой связке диаметром от 5 до 14 мм с алмазными порошками 10/7 и 14/10 для второго перехода и 20/14, 28/20 и 40/28 для предварительного шлифования на первом переходе.
Очень важно для алмазного инструмента каждой зернистости определить оптимальные режимы при шлифовании различных изделий, обеспечивающие наибольшую стабильность процесса шлифования. Например, установлено [14], что при тонком шлифовании деталей диапазон оптимальных линейных скоростей составляет от 0,5 до 10 м/с, а диапазоны оптимальных удельных давлений для различной зернистости алмазного порошка следующие: для инструмента из алмазного порошка АСМ 28/20 -0,04...0,15 МПа, из порошка АСМ 10/7 - 0,03...0,10 МПа.
Выбор оптимальной зернистости алмазного порошка и его концентрации
Реальным путем резкого повышения эффективности процесса точного формообразования поверхностей является использование связанного алмазного инструмента. Это обеспечивает повышение производительности на операциях финишного шлифования. Кроме того, появляется возможность управления формообразованием поверхностей в связи с увеличением на один-два порядка размерной стойкости инструмента.
При получении точных поверхностей с использованием свободных абразивов для исключения влияния деформаций детали на точность формы ее обрабатываемой поверхности заготовки должны иметь относительную толщину не менее ОД, то есть h / D 1/10 [2]. При алмазной обработке, которая требует более высоких удельных давлений, для исключения возможности деформаций обрабатываемых поверхностей относительную толщину заготовки следует увеличить в 2 раза [11] . Этот вывод сделан на основании экспериментальных исследований влияния относительной толщины обрабатываемых ей на величину отклонения от плоскостности обработанной поверхности (рис.4). Как следует из приведенной зависимости, с целью исключения влияния деформаций на точность формообразования поверхностей относительная толщина деталей должна превышать значение 0,2, то есть h / D 1/5.
При выполнении условий, обеспечивающих высокую точность формообразования обрабатываемых поверхностей, необходимо также увязывать условия эксплуатации применяемого алмазного инструмента, которые зачастую исключают друг друга. Например, по данным М. Н. Семибратова, оптимальная удельная нагрузка, не влияющая на точность обработки алмазным инструментом, находится в пределах 0,005-0,02 МПа. В то же время, в работе В. В. Рогова [12] показано, что для таблеточного алмазного инструмента оптимальными являются следующие: относительная линейная скорость перемещения алмазного инструмента и обрабатываемой детали от 3 до 10 м/с, удельное давление на алмазный слой не менее 0,05 МПа. Поэтому в каждом частном случае при разработке технологических процессов обработки конкретных стеклоизделий необходимо учитывать не только требования к точности обработки их поверхностей и их чистоте, но и допустимые удельные нагрузки и скорости в зоне резания. Исходя из этих условий, следует подбирать оптимальный состав алмазного инструмента, обеспечивающий максимальную производительность при съеме припусков и необходимые шероховатость поверхности и глубину нарушенного слоя, которые определяют продолжительность последующего полирования и существо влияют на точность формообразования.
Рассмотрим основные требования к алмазному инструменту, применяемому для тонкого шлифования, оптимальные условия его эксплуатации и влияние технологических режимов и различных составов применяемых смазочно-охлаждающих жидкостей на режущую способность инструмента и качество обработки.
Наиболее широко в производстве для тонкого шлифования в один переход используется таблеточный инструмент на металлической связке МО 15 или М09 из алмазов АСН или АСМ зернистостью 20/14 с концентрацией 10% [13]. Хорошими эксплуатационными параметрами при тонкой шлифовке стекла отличается инструмент на бронзовой связке M2I, для которого характерна высокая стабильность съемов припусков и шероховатости обработанной поверхности [14, 15]. Отечественной промышленностью выпускается широкий ассортимент алмазных таблеток на такой связке диаметром от 5 до 14 мм с алмазными порошками 10/7 и 14/10 для второго перехода и 20/14, 28/20 и 40/28 для предварительного шлифования на первом переходе.
Очень важно для алмазного инструмента каждой зернистости определить оптимальные режимы при шлифовании различных изделий, обеспечивающие наибольшую стабильность процесса шлифования. Например, установлено [14], что при тонком шлифовании деталей диапазон оптимальных линейных скоростей составляет от 0,5 до 10 м/с, а диапазоны оптимальных удельных давлений для различной зернистости алмазного порошка следующие: для инструмента из алмазного порошка АСМ 28/20 -0,04...0,15 МПа, из порошка АСМ 10/7 - 0,03...0,10 МПа.
Оптимизация состава смазочно-охлаждающей жидкости
Важную роль в процессе тонкого алмазного шлифования играет правильный выбор смазочно-охлаждающей жидкости для данного состава алмазного инструмента. При подборе СОЖ внимание уделялось не только ее диспергирующему воздействию, смазывающим и охлаждающим свойствам, но и химической активности по отношению к обрабатываемому материалу и по отношению к материалу связки.
В ходе выполнения данной работы были проведены исследования влияния различных по составу СОЖ на качество обрабатываемой поверхности, производительность шлифования и устойчивость работы алмазного инструмента в режиме самозатачивания [69].
В частности, если первым двум требованиям вполне удовлетворяют водные растворы глицерина с добавками хозяйственного мыла или тринатрийфосфата, то возможности сохранения режущей способности инструмента в течение длительного времени с применением данных составов СОЖ крайне ограничены (табл. 3).
Наиболее высокие результаты работоспособности алмазного инструмента с эпоксидно-диановой связкой и стабильность его эксплуатационных свойств достигнуты при использовании в качестве СОЖ на операции получистового шлифования 0,1...0,2%-ого водного раствора высокомолекулярного полиэтиленполиамина [39].
По мнению этих авторов, использование данной СОЖ приводит к уменьшению износостойкости алмазного инструмента на органической связке. Однако эти выводы справедливы для силовых режимов шлифования. В случае низких удельных давлений порядка 0,1...0,05 МПа и низких относительных скоростей существенного увеличения износа инструмента не отмечено.
Смазочно-охлаждающая жидкость на основе полиэтиленполиамина обеспечивает наиболее высокую работоспособность алмазного инструмента без дополнительного вскрытия режущей поверхности инструмента (рис. 31).
Представленные на графике результаты получены при шлифовании за одинаковые циклы t = 4 мин. Каждый раз шлифованию подвергалась новая заготовка при следующих режимах: удельное давление Руд. = 0,05 МПа, линейная скорость v = 1 м/с. В первые 10..Л5с происходит "взрыхление" полированной поверхности материала, после чего инструмент работает стабильно в режиме самозатачивания.
На операции тонкого шлифования обработке подвергается уже прошлифованная поверхность материала с исходной шероховатостью поверхности порядка Ra 0,40...0,80 мкм. Поэтому первоначально t.MHH
Рис. 31. Влияние различных составов СОЖ на режущую способность инструмента: 1-0,1% -ый водный раствор ВПЭПА; 2 - 0,2%-ый раствор ВПЭПА и 0,3%-ый раствор соды кальцинированной; 3 - 10%-ый раствор глицерина и 3%-ый раствор тринатрийфосфата; 4 - 3%-ый раствор глицерина и 0,3%-ый раствор мыла хозяйственного. происходит вскрытие алмазоносного слоя за счет более интенсивного диспергирования материала. Обеспечение работы инструмента в режиме самозатачивания на операции тонкого шлифования зависит не только от шероховатости исходной поверхности заготовки материала, но и от удельных нагрузок и состава СОЖ (рис. 32). Поскольку операция тонкого шлифования является подготовительной к операции полирования, то одним из важнейших параметров тонкого шлифования является достигаемая шероховатость обработанной поверхности, которая по существу определяет продолжительность последующего полирования.
Основное внимание при подборе состава СОЖ для алмазного инструмента на эпоксидно-диановой связке уделялось производительности тонкого шлифования и качеству обработанной поверхности.
Традиционно используемые составы СОЖ (3...10%-ый водный раствор глицерина, "Эмус" и др.) не дали положительных результатов при тонком шлифовании указанным инструментом. На обработанной поверхности отмечаются царапины, выколы, происходит засаливание инструмента. Кроме того, вследствие засаливания инструмента ухудшалась плоскостность поверхности, достигнутая на операциях получистового шлифования.
Данная СОЖ может быть эффективно использована при получистовом и чистовом шлифовании связанным алмазным инструментом изделий из стекла при более низких удельных давлениях инструмента на обрабатываемую поверхность. Особенно эффективно применение данного состава СОЖ при использовании алмазного инструмента на металлической, особенно на медной связке.
Однако применение описанной СОЖ имеет следующие ограничения и недостатки: - низкая эффективность при использовании алмазного инструмента на органической связке; - вредные условия труда при производстве СОЖ в процессе "подшивки" молекул полиэтиленполиамина с помощью эпихлоргидрина для повышения молекулярной массы до 8000 - 11000; - низкая эффективность обработки материала при удельных давлениях на инструмент менее 0,5 кГс/см .
Задачей настоящих исследований являлось повышение эффективности обработки связанным абразивным инструментом при низких удельных давлениях, повышение качества обрабатываемой поверхности и повышение производительности процесса шлифования.
Внедрение технологии утонения приборных пластин из кремния, арсенида галлия и сапфира
Традиционная технология шлифования свободным абразивом с зернистостью абразивного порошка 45 мкм (в один переход) при ее утонении от 500 мкм до 180 мкм создает нарушение структуры кремниевой пластины по всей ее толщине (от 180 мкм и до поверхности, где сформированы полупроводниковые структуры ИС), что с большой степенью вероятности приводит (приведет) к отказам п/п приборов на пластине ( Рис. 57.).
Исходя из этого, актуальным становится вопрос о промышленном внедрении технологии алмазно-абразивной обработке приборных пластин.
Шлифование проводилось инструментом РТ20Р1 на установке Ю1МЗ 105 004 (См. рис. 60.) пластине с исходной толщиной 500 мкм до толщины 180 мкм без применения впоследствии каких-либо методов утонения в химических растворах.
Для исследования характера нарушений, возникающих в процессе шлифовки, на пластине были сняты методом послойного химического полировании слои 10 мкм, 20 мкм, 35 мкм, 50 мкм, 55 мкм. Сколирование материала проводилось в полирующем травителе HF: HN03=2:7.
На глубине 10 мкм от шлифовальной поверхности трещиноватый слой состоит в основном из мелких 5-10 мкм микротрещин. Встречаются и трещины размером более 10 мкм, но их плотность в 2-2,5 раза меньше, чем в первом случае (См. рис. 61).
На глубине - 35 мкм остаются отдельные микротрещины размером 5-10 мкм. Кроме того, на этой глубине становится заметной плоская сетка дислокаций, залегающих в плоскости шлифования. Такая сетка обычно возникает за трещиноватым слоем и свидетельствует о равномерном фронте упругих напряжений, сопровождающих процесс шлифовки. На фотографии (Рис. 62) такая сетка выглядит размытой ячеистой структурой.
На глубине -50-55 мкм ячеистая структура видна отчетливо (Рис. 63), а от трещиноватого слоя остаются отдельные растравленные канавки (указаны стрелками — А).
Такая ситуация свидетельствует о том, что нарушения, внесенные в пластину в процессе механической обработки (в данном случае шлифовки), практически не существуют начиная с «отметки» 130 мкм и до поверхности, на которой сформированы структуры ИС.
Шлифованная поверхность нерабочей стороны чипа состоит из четких параллельных полос, периодичность которых составляет 8, 12, 20 и 40 мкм (рис. 64). Значительного растрескивания материала (Si) вблизи полос (царапин) не видно. 112 После снятия полированием слоя 10 мкм дефекты, связанные с механической обработкой пластины на поверхности чипа не обнаружены, что видно на фотографии (Рис. 65). пластины Si 0100мм после обработки инструментом РТ20Р1
Таким образом, метод шлифовки алмазно-абразивными элементами создаёт нарушенный слой 10 мкм и не дает нарушений структуры кремниевых пластин и не создает перепадов механических напряжений по плоскости пластины, что и подтверждается методом косого шлифа полированной приборной пластины кремния 0 100мм (См. рис. 66). Рис. 66. Микрошлифы ( 300х) на 1,5 с травлением в растворе Шитли пластины Si 0100мм после полировки.
Решая поставленные задачи по разработке технологии обработки приборных пластин связанным алмазным инструментом, был разработан инструмент, позволяющий обрабатывать миниатюрные детали и тонкие крупногабаритные изделия, в том числе на станках двусторонней обработки без предварительного наклеивания обрабатываемых деталей.
Известен шлифовальный инструмент для обработки деталей, содержащий планшайбу с закрепленными на ней абразивными элементами в виде таблеток [73].
Недостатком данного шлифовального инструмента является трудность, а зачастую невозможность обработки тонких крупногабаритных деталей (с относительной толщиной h/D 1/50) без предварительного наклеивания деталей на подложку. Это объясняется следующим образом. Поскольку связанный абразивный инструмент может работать в режиме самозатачивания лишь при достаточно высоких удельных давлениях, то плотность заполнения поверхности планшайбы абразивными таблетками должна быть минимальной. Однако такое заполнение планшайбы абразивными таблетками неприемлемо при обработке деталей малых размеров, поскольку они просто проваливаются между таблетками. С другой стороны, при обработке тонких деталей с относительной толщиной h/D 1/50 низкая плотность заполнения поверхности планшайбы таблетками приводит к тому, что тонкие сепараторы-носители, в гнездах которых размещены обрабатываемые детали, деформируются под действием нагрузок в процессе эксплуатации. В результате деформаций сепараторы и детали задевают далеко отстающие друг от друга таблетки, разрушаются сами, а также разрушают шлифовальный инструмент. Чтобы исключить это, зачастую прибегают к заполнению пространства между таблетками различными наполнителями, например, заливают пространство между таблетками эпоксидной смолой. Однако это приводит к засаливанию инструмента и невозможности его эксплуатации.
Наиболее близким по технической сущности к разработанному инструменту, является шлифовальный инструмент, содержащий планшайбу с закрепленными на ней абразивными элементами, в пространстве между которыми размещен наполнитель с абразивом [74]. В данном шлифовальном инструменте абразивные элементы, выполненные в виде плоских пластин, закреплены на планшайбе торцами с коэффициентом заполнения 0,05 - 0,15, а пространство между пластинами залито эпоксидной смолой. При этом эпоксидная смола содержит абразив с зернистостью, равной зернистости плоских абразивных пластин или на 1-2 номера ниже, а количество абразива составляет 10 - 15% от объема эпоксидной смолы.
