Особенности микрошлифования кристаллов лейкосапфира на станочном модуле с ЧПУ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

© А.С. Коньшин, Т.Б. Теплова, В. В. Соловьев, 2005

УДК 622.372.3.002.28

А.С. Коньшин, Т.Б. Теплова, В.В. Соловьев

ОСОБЕННОСТИ МИКРОШЛИФОВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ ЛЕЙ-КОСАПФИРА НА СТАНОЧНОМ МОДУЛЕ С ЧИСЛОВЫМ ПРОГРАММНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

~П настоящее время в России выпуска-

-О ются светоизлучающие диоды (СИД) красного, оранжевого, желтого и желто-зеленого свечения с уровнем яркости не более 0,5-4,0 кд. Основой для них традиционно являются полупроводниковые твердые растворы галлий - алюминий - мышьяк, алюминий - галлий - индий -фосфор. Однако, для получения полного спектра цветового излучения с высокой яркостью (от красного до фиолетового и белого) необходим переход на другие полупроводниковые материалы, в частности переход на гетероэпитапсиаль-ные структуры, состоящие из сапфировой подложки (а - А1203) с нанесенным из газовой фазы гетероэпитаксиальным слоем нитрида галлия (индия, алюминия). Однако пока в России производство таких нитридных СИД голубого, зеленого (526 нм), синего (472 нм), белого свечения отсутствует. Поэтому обработка поверхности лей-косапфира заданного высокого качества для получения подложек в промышленном масштабе является актуальной научной задачей.

Необходимость решения такой задачи определяется мировой тенденцией развития технологического оборудования для производства нового поколения полупроводниковых приборов с большой степенью интеграции из сверхтвердых и хрупких материалов, монокристаллов и алмазов.

Лейкосапфир является разновидностью корунда, представляет собой бесцветный прозрачный минерал, оксид алюминия А12 03. Природные минералы встречаются достаточно редко и представляют собой драгоценные ювелирные камни. Для технических целей применяют синтетический корунд. По данным исследований, основные физические свойства синтетических корундов весьма близки к природным. Искусственно выращенные кристаллы лейкосапфира получают в виде пластин больших размеров с определенной заданной кри-

сталлографической ориентацией. Кристаллы лейкосапфира (А1203) относятся к тригональ-ной сингонии, класс симметрии 3т, параметры решетки а = 4,758, с = 12,991. Спайность несовершенная по (1011), (1012). По данным (1) твердость по шкале Маоса - 9, твердость по Ричвеллу -12. Плотность безпримесного лейко-сапфира 3,82 г-см-3, микротвердость 20208,6 МН-м-2, Модуль упругости зависит от ориентации. Средний модуль упругости 347,742 ГН-м-2, Прочность на сжатие параллельно оптической оси 2984,202 МН-м-2, перпендикулярно оптической оси 1442 МН-м-2. Прочность на изгиб параллельно оптической оси 360, 7 МН-м-2. Температура плавления 2050 °С, температура перехода в пластическое состояние 1750 °С. При повышении температуры от 20 °С до 1000 °С коэффициент теплопроводности уменьшается в 5 раз от 29,3076 вт-м-1-град до 5,86152 вт-м-1 град. Удельная теплоемкость при этом растет от 837,36 дж-кг-1-град до 1078, 568 дж-кг-1*град. Коэффициент термического расширения при повышении температуры увеличивается от 5,4-10-6 град-1 (при 20 °С) до 8,4 -10-6 град-1 (при 1000 °С).

Наиболее трудно обрабатываемой для обеспечения геометрической и размерной точности является поверхности, расположенные перпендикулярно к оси кристаллизации при выращивании монокристалла лейкосапфира, обладающие анизотропией в связи с тригональной структурой кристаллической решетки. В указанной плоскости расположены осесимметричные между собой и противоположно направленные друг относительно друга соответственно три оси с «твердым» и три оси с «мягким» направлениями в структуре кристаллической решетки монокристалла.

Традиционные методы обработки таких поверхностей предусматривают предварительную размерно-регулируемую обработку на двухсторонних торцешлифовальных станках сво-

бодным абразивом с получением размерной и геометрической точности в пределах 1-3 мкм.

Последующая доводочная обработка таких поверхностей со съемом припуска до 50 мкм на одну сторону основана на методе безразмерного «истирания кристаллической решетки» в условиях применения «агрессивных» поверхностно-активных веществ для удаления слоев нарушенных предшествующими механическими процессами обработки. При этом точность геометрической формы и разброс размеров по толщине пластины лежит в пределах 5-10 мкм. Практикой установлено, что чем выше размерная и геометрическая точность обработки, тем выше процент выхода годных полупроводниковых приборов с каждой стороны обработанной пластины.

Требования к точности обработки лейкосапфировых пластин, идущих для изготовления светодиодов к экранам телевизоров, в два раза выше, так как обработку поверхностей осуществляют с обеих сторон пластины. При этом толщины таких пластин не превышает 330 мкм.

Одним из способов механической обработки твердоструктурных минералов и кристаллов является шлифование в режиме пластичности (2).

Результатами работ академика В.Е. Панина в области физической мезомеханики установлен закон взаимного подобия между движениями дислокационных дефектов на микромасштабном уровне и движениями трехмерных структурных элементов на мезомасштабном уровне в кристаллической решетке материала, подвергаемого динамическому нагружению .

Новизна предлагаемых технологических решений (3) основана на модели пластической деформации кристалла в мезообъемах при шлифовании, которая состоит в следующем. При внешнем упорядоченном воздействии ритмичного поля в виде периодических касательных напряжений в упругой обрабатывающей системе (УОС) шлифовального станка динамическому воздействию со стороны режущих зерен вращающегося инструмента подвергается обрабатываемая поверхность (ОП) на площади макромасштабного уровня. При этом в период синхронного накопления усталости преимущественно к возвратно-поворотным модам деформации формируется однослойная

ячеистая структура в виде множества трехмерных мезообъемов. Эти мезообъемы движутся в релаксационном режиме по схеме «сдвиг + материальный поворот». В конце периода синхронного накопления усталости исходная мо-нокристаллическая структура преобразуется в поликристаллическую структуру одновременно срезаемую со всей указанной площади в виде множества единичных пластически деформированных частичек основного кристалла с формированием при этом бездефектной структуры приповерхностного слоя на обработанной поверхности.

Осуществление процессов микрорезания сверхтвердых хрупких материалов в соответствии с указанной моделью впервые позволяет реализовать обобщенную концепцию технологической диагностики, включающей в себя формализацию физических процессов и условий размерно-регули-руемого бездефектного микрорезания, получение оперативной, достоверной и достаточной информации с последующим целенаправленным использованием этой информации для определения фактического состояния параметров всех составляющих звеньев упругой обрабатывающей системы в любой текущий момент времени.

Для формирования движущихся в релаксационном режиме мезообъемов, каждый из которых за время своей «жизни» непосредственно подвергается по крайней мере одноразовому внешнему импульсному воздействию со стороны вершины конкретного режущего зерна регулярного микрорельефа вращающейся производящей инструментальной поверхности (ПИП), необходимо обеспечить достаточную жесткость, высокую разрешающую способность и стабильность дискретных перемещений исполнительных органов УОС. Такая УОС реализована в шлифовальном станочном модуле (3) с интеллектуальной системой программного управления (ПУ) модели АН15ф4 (рис. 1).

В этом станке осуществляется динамическое импульсное воздействие зерен вращающейся ПИП на ОП кристалла, которое является результатом сложения двух векторов: вектора сжимающего напряжения, определяемого потенциальной энергией сжатия и вектора касательного напряжения, определяемого кинетической энергией. Основные параметры станочного модуля приведены в статье (4).

Рис. 1

Особенностями станочного модуля являются суперпрецизионное исполнение приводов и применение в нем принципиально новых и уникальных безгистерезисных редукторов циклоидального зацепления. Такие приводы позволяют осуществить микрокоординатные перемещения крупногабаритных и массивных исполнительных органов станочного модуля одновременно по 6-и координатным осям в режиме контурного управления с разрешающей способностью 0,005-0,0001 мкм. Все это позволяет осуществлять процесс микрорезания в режиме локальной потери сдвиговой устойчивости (от воздействия каждого единичного микроконцентратора касательных напряжений) только в кристаллической решетке с соответствующим (по указанному закону физической мезомеханики) самоорганизующимся формированием унитарной ячеистой субструктуры на обрабатываемой поверхности в виде движущихся в режиме релаксационных колебаний по схеме «сдвиг + материальный поворот» множества единичных трехмерных мезообъемов;

Применение тестовых методов в системе управления станочного модуля дает возможность не только диагностировать, но и прогнозировать состояние параметров резания путем математического анализа средствами персонального компьютера в системе числового программного управления (ЧПУ) станка взаимосвязи выходных параметров системы резания, как ответной реакции управления ее входными параметрами. При этом в качестве регулирующего воздействия используется интенсивность удаления припуска по определенному алгоритму, обеспечивающему получение заданных выходных параметров. Математическая модель диагностирования процесса микрошлифования позволяет сопоставить в реальном мас-

штабе времени входные и выходные параметры этого процесса.

На основе информации о динамических и статических составляющих упругих деформаций в обрабатывающей системе такая технологическая диагностика позволяет обеспечить устойчивое получение заданных выходных параметров обработки за счет самонастраивающегося компьютерного управления режимами интенсивности съема припуска в каждой точке касания вершины режущего зерна производящей инструментальной поверхности с обрабатываемой поверхностью. Динамика состояния каждой конкретной упругой обрабатывающей системы в момент выхода ее на размерноуправляемый режим шлифования может быть прослежена из анализа осциллограмм. При этом возможна однозначная идентификация состояния параметров шлифования.

В результате такой обработки исключается хрупкое разрушение обрабатываемой поверхности и возникновение на ней рисок, сколов, трещин и тому подобных дефектов, что позволяет получать нанометровый рельеф и высокое качество поверхностей обрабатываемого изделия без дополнительных доводочных операций.

Опыт технологии размерно-регулируе-мой обработки натуральных алмазов в «твердом» направлении (111) кристаллической решетки в соответствии с указанной моделью пластической деформации в мезообъемах (5) зафиксировал возможность достижения нанометрового рельефа на обработанной поверхности при отсутствии так называемого «алмазного фона» (т. е. при этом отсутствуют следы механообработки). В тоже время при обработке связанным алмазным инструментом изделий из натуральных алмазов в «мягком» направлении методом безразмерного «истирания кристаллической решетки» фиксируется наличие на обработанной поверхности так называемого «алмазного фона».

В настоящее время отсутствует опыт размерно-регулируемой обработки натуральных алмазов и других алмазоподобных полупроводниковых материалов в «мягком» направлении кристаллической решетки по указанному методу пластической деформации в мезообъе-мах.

При установившемся режиме пластичного шлифования со стационарными режимами интенсивности съема скорость врезной подачи в направлении сжимающих упругих деформаций

системы равна отношению между линейными размерами мезообъемов и временем их жизни до отрыва. При этом имеет место автоколебательный характер динамической составляющей сжимающей упругой деформации обрабатывающей системы с амплитудой, равной линейному размеру мезообъема и с частотой, соответствующей времени жизни этой системы.

Наличие указанных анизотропных особенностей обрабатываемых плоских поверхностей лейкосапфировых пластин требует дополнительного проведения теоретической и экспериментальной отработки технологии критически бездефектной размернорегулируемой обработки сверхтвердых и хрупких пластин диаметром 51-152 мм (с рельефом Я;, менее 1 нм, неплоскостностью менее 0,3 мкм и разнотолщинностью менее 1 мкм), а также отработки процесса планари-зации на таких пластинах многослойных проводниковых структур.

На станочном модуле с ЧПУ модели АН15ф4 обрабатывался монокристалл искусственного лейкосапфира цилиндрической формы диаметром 31,5 мм и высотой 16,8 мм. Обработка производилась с целью выбора рациональных режимов микрошлифования поверхности лейкосапфира при различных скоростях движения стола станочного модуля и различных величинах врезной подачи. Первоначально момент касания определялся с помощью осциллографа С1-73, который подсоединялся к пьезодатчику, находящемуся под шпинделем на котором был закреплен обрабатываемый кристалл лейко-сапфира. На первом этапе микрошлифование производилось алмазным шлифовальным кругом диаметром 150 мм на керамической связке с зернистостью 20-14мкм. Съем припуска осуществлялся по управляющей программе №00002, представляющей собой многократно зацикленный алгоритм, согласно которого первые 3 врезные подачи составляли по 0,25 мкм; следующие 4 врезные врезные подачи составляли по 0,2 мкм, затем 5 врезных подач составляли по 0,15мкм. Затем 7 врезных подач осуществляли по 0,1мкм и последние 14 врезных подач осуществляли по 0,05мкм. Каждый цикл заканчивался отводом по оси Ъ на величину 1,7мкм. Итого за каждый один цикл стол совершал 34 двойных прохода, при этом суммарное перемещение ОП на ПИП в сторону удаления при-

пуска (с учетом отскока) составила 2 мкм. Скорость перемещения стола станочного модуля вдоль оси Х составляла 18,25 мм*с-1. Затем шлифование производилось этим же шлифовальным кругом по программе №00005, которая представляет собой алгоритм, каждый шаг которого обеспечивает врезную подачу 0,25 мкм. Скорость перемещения стола станочного модуля вдоль оси Х составляла 9 мм*с-1. Процесс обработки сопровождался нагреванием кристалла. Для остывания кристалла процесс микрошлифования останавливали на 10 минут. Таким образом было снят припуск 325 мкм. Съем производился задней кромкой шлифовального круга. При визуальном наблюдении поверхность кристалла выровнялась, но на поверхности остались полосы. Для их удаления круг диаметром 150 мм был выровнен методом его алмазной правки, при этом выступающая задняя кромка была удалена. При съеме припуска по программе № 00002 со скоростью продольного прохода 14,6 мм*с -1 произошел скол кристалла из-за повышенного нагрева обрабатываемой поверхности. После этого съем припуска производился на более высоких скоростях перемещения стола и с более длительными выводами кристалла из под круга. Обработка поверхности кристалла производилась по программе №0002 с отводами шлифовального круга каждые 30-50 мин и переходом на программу №0000, представляющую из себя выхаживание без врезной подачи. Переход с одной программы на другую осуществлялся при увеличении амплитуды сигнала (наблюдаемого на осциллографе С1-73 при показаниях 0,1 V и 0,1 Ш8). При наборе натяга, соответствующего 10,5 мкм, длина трещины в месте скола стала увеличиваться. Поэтому дальнейшее шлифование производилось в режиме выхаживания по программе №0000. Набор натяга происходил за счет теплового расширения кристалла.

В этом режиме была обработана вся поверхность кристалла лейкосапфира без новых повреждений поверхности (рис. 2) и он был рекомендован для дальнейшей чистовой обработки алмазными шлифовальными кругами с более мелкой зернистостью.

На втором этапе обработки для шлифования был применен алмазный круг диаметром 250 мм на связке из костной муки с зернистостью 5-7 мкм. Для обоснованного выбора рациональных режимов шлифования наблюдение

Рис. 2

и запись осциллограмм проводилось на осцил-лографе‘^е11атап” РСБ64 с последующей их расшифровкой и физической интерпретацией.

Проведенные испытания показали целесообразность обработки поверхности лейкосап-фира на станочном модуле АН15ф4 в связи с воспроизводимыми результатов обработки.

Практическая реализация указанной технологии позволяет решить проблему автоматизации процессов получения полированных поверхностей с нанометровым рельефом на пластинах из сверхтвердых хрупких материалов и, при этом, позволяет отказаться от трудоемкой технологии химико-механической полировки в агрессивных средах.

Такая технология обеспечивает воспроизводимость результатов обработки наукоемкой продукции (светодиодов для экранов телевизоров, инрекционных лазеров с длиной волны 400 нм и других) в условиях автоматизированного производства с его приемлемой для потребителя стоимостью.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ящерицын П.И., Зайцев А.Г., Барботько А.И. Тонкие доводочные процессы обработки деталей машин и приборов. - Мн: Наука и техника, 1976., - 328 с.

2. Коньшин А.С., Сильченко О.Б., Теплова Т.Б. Обработка твердоструктурных минералов резанием на шлифовальных станочных модулях с ЧПУ с применением новой технологии /Горные машины и автоматика. - 2001. - № 11 - С. 31-33.

3. Панин В.Е. В кн.: Физика хрупкого разрушения. Ч. 1. - Киев: изд-во ИМП АН УССР, 1976.

4. Теплова Т.Б. Перспективы технологии размерно-регулируемого шлифования твердых высокопрочных материалов.// Горный информационноаналитический бюллетень. - 2005. - № 1. - С. 90-94.

5. Теплова Т.Б. Обоснование рациональных режимов шлифования алмазов при их огранке. Авт.-реф. диссертации на соискателя ученой степени кандидата технических наук. - М., 2002, - 24 с.

— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------------------

Коньшин Анатолий Сергеевич - кандидат технических наук, кафедра «Технология художественной обработки материалов»,

Теплова Татьяна Борисовна - кандидат технических наук, кафедра «Физика горных пород и процессов»,

Соловьев Владимир Владимирович — соискатель, кафедра «Физика горных пород и процессов»,

Московский государственный горный университет.