CC BY
47
УДК 621.376
РАЗРУШЕНИЕ И ГЛУБИНА ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ, ВОЗНИКАЮЩИХ В ПЛАСТИНАХ САПФИРА ПРИ ЕГО ОБРАБОТКЕ СВОБОДНЫМ АБРАЗИВОМ
© А.А. Бригвин, М.Ю. Литвинов, Ю.М. Литвинов
Britvin A. A.. Litvinov М.Yu., Lilvinov Yu.М. Destruction ami depth of subsurface damages arising in sapphire wafers during their processing by loose abrasive. On the basic of the earlier developed models, subsurface damages depths have been calculated for the lapping by loose abrasive. The model peculiarity consist in calculation of the counterbody mechanical properties (lapping pad for the double-side lapping by loose abrasive). The proposed expressions describe correctly the anisotropy of the subsurface damages depth in sapphire. The obtained data may be used for optimization of such processes as double-side lapping of sapphire, and multi-wire saw cutting by loose abrasive.
Полированные пластины сапфира различной ориентации используются для изготовления КНС структур. которые, в свою очередь, идут для изготовления ИС и БИС, а также в качестве подложек при осаждении III - IV нитридов для изделий оптоэлектроники. Шлифование свободным абразивом является одним из важнейших этапов изготовления полированных пластин, используемых в технологиях создания микроэлектронных устройств. На этом этапе производится основной съём материала, и от точности выполнения этого этапа зависят основные геометрические параметры окончательного продукта - полированных пластин (разно-толщннность, общее и локальное отклонение от плоскостности, коробление, прогиб). Поэтому целью этапа шлифования свободным абразивом является удаление повреждений, возникших на предыдущих этапах обработки и придание пластине заданной геометрической формы.
Процесс шлифования свободным абразивом, выполняя свою основную функцию - съёма материала и задавая пластине определённую геометрическую форму, приводит к возникновению приповерхностного повреждённого слоя, иной структуры и глубины, чем, например, при резке отрезными дисками с внутренней режущей кромкой или врезном шлифовании. Знание глубины этого слоя необходимо для согласования процесса шлифования свободным абразивом с последующими процессами съёма материала такими, как алмазное полирование на мягком полировальнике и химикомеханическое полирование (ХМП) и для создания наиболее экономичного размерного ряда обработки, начиная с процесса резки и заканчивая процессом ХМП.
Обычно глубина этого слоя определяется экспериментально с использованием прямых неразрушающих методов - рентгеновские методы и разрушающих, например, методом косого шлифа. Поэтому для совершенствовании известных технологических процессов, таких как двухстороннее шлифование и полирование применительно к новым объектам микроэлектроники, каковым является сапфир, необходимо уметь прогнозировать глубину возникающих при таких обработках повреждений.
Цель данной работы состояла в расчёте абсолютных значений глубины приповерхностных повреждений, возникающих в пластинах сапфира при его обработке свободным абразивом, с учётом не только соотношения механических свойств обрабатываемого материала и материала рабочего инструмента (шлнфо-вальника), но также с учётом изменения механических свойств пластин сапфира от ориентации обрабатываемой поверхности и от размера и формы абразивных частиц.
В данной работе мы рассмотрели две модели, которые выглядят наиболее предпочтительными, и с помощью которых можно рассчитать глубину приповерхностных повреждений с наименьшими погрешностями. В основе обоих моделей лежат представления о хрупком разрушении твёрдых тел под действием концентрированных нагрузок абразивных частиц - инденторов на обрабатываемый материал [1].
Первая модель [2, 3], используемая для расчёта глубины приповерхностного повреждённого слоя, основана на механизме образования и распространения трещин определённого типа в исследуемом материале (в нашем случае это сапфир) под воздействием абразивных частиц - инденторов. В этой модели рассчитывается максимальная глубина проникновения медианных и радиальных трещин в материал при воздействии абразива остроугольной формы на поверхность обрабатываемого материала. Эта величина в дальнейшем принимается за глубину приповерхностного повреждённого слоя. Она определяется по следующему выражению:
■ / 1/2"
1 + Н
4-а-р- 7г
\ /
2/3
■{н ■ Е)п ■
■R
4/3
,(1)
где а и |3 - константы, равные, соответственно, 0,0154 и я; Е, Н и К/г - соответственно модуль упругости, твёрдость и трещиностойкость обрабатываемого мате-
риала, Н" - твёрдость контртела (шлифовальника), Л, -средний радиус абразивных частиц, равный ¿//2. Особенностью модели является учёт механических свойств контртела - шлифовальника при двухстороннем шлифовании свободным абразивом.
Во второй модели [4] рассчитывается размер зоны пластической деформации, на границе которой с упру-го-деформированной областью при превышении критического усилия на абразивную частицу происходит образование и рост боковых трещин, ответственных за съём материала (5, 6]. Эта величина в дальнейшем принимается за глубину приповерхностного повреждённого слоя. Она определяется по следующему выражению:
' Е' 1/2 ( ' Н~ 1/2 '
• 1ап0 1 +
Л, _н\ J
где а - константа, равная 0,12; 1ап0 - заострённость или ангулярность абразивных частиц. Остальные параметры в формуле (2) имеют тот же смысл, что и в выражении (I).
Обе модели дают близкие результаты в области размеров абразивных частиц, используемых при двухстороннем шлифовании (ДСШ) свободным абразивом. Существенное расхождение между моделями наблюдали лишь для размеров абразивных частиц > 20 мкм. Это объяснимо, так как глубина проникновения медианных и радиальных трещин в обрабатываемый материал включает в себя и размер зоны пластической деформации.
В дальнейшем, с целью прогнозирования глубины приповерхностных повреждений, возникающих в сапфире с различной ориентацией обрабатываемой поверхности при резке и шлифовании свободным абразивом, расчёты проводили по модели, дающей максимальную оценку глубины приповерхностных повреждений, т. е. по выражению (1), т. е. по первой модели.
Расчёты по модели [3] выполнены на основе данных о механических свойствах сапфира различной ориентации, которые представлены в табл. 1.
Результаты расчётов глубины приповерхностного поврежденного слоя Лпо,р.сл. представлены на рисунке 1 для сапфира различных ориентаций. Все расчёты выполнены относительно кремния, как эталонного материала. Для того чтобы сохранить параболический характер зависимости глубины приповерхностных повреждений по модели [2, 3) от среднего размера зерна абразива, за единицу была принята глубина повреждений в кремнии при среднем размере зерна абразива 50 мкм. Твердость контртела Нс = 2 ГПа для шлифовальника из перлитного чугуна.
Из рис. I видно, что в сапфире глубина приповерхностных повреждений при его шлифовании по плоскости (0001) (с-плоскость) составляет 0,50 от глубины приповерхностных повреждений в кремнии. Эта же
величина для плоскости (1102) (/-плоскость) составляет 0,71 от подобной величины кремния. И несколько меньшая величина 0,68 соответствует плоскости
(1120) (а-плоскость).
Таблица 1
Механические свойства сапфира различной ориентации
Механические свойства Плоскости А120з
(100) т Г [81 а т поликристалл [ 10] с [41
Модуль упругости £, ГПа 132,8 502 400 380 430
Твёрдость Н„ ГПа 11,2 33,7 39 16,5 29,8
Твёрдость Н„ ГПа 2 2 2 2 2
Т рещиностойкость Кіс, МПа*м|/2 1,03 2,5 2,27 4,3 4
размер зорна абразива, мкм
Рис. 1. Зависимости глубины приповерхностного поврежденного слоя в сапфире от размера зерна при его шлифовании свободным абразивом остроугольной формы. I - (100); 2 -
(11 02 ) А1]0; (г-плоскость); 3 - (1120) АЬО( («-плоскость); 4 - А120} -поликристаллический; 5 - (0001) А1;0_1 (с-плоскость)
Этот расчёт может служить отправной точкой для экспериментальной наработки данных анализа глубины приповерхностных повреждений с помощью метода секционной рентгеновской топографии. Практическое совпадение расчётов по данной модели с экспериментальными данными [6, 12], и даёт основание полагать, что расчётные данные правильно отражают ситуацию и для такого материала электронной техники как сапфир.
Как видно из рис. 1, значения рассчитанных глубин повреждений для г- и а-плоскостей близки между собой. Такая же ситуация для с-плоскости и поликри-сталлического а - А1203 с произвольной ориентацией зерен. Такое незначительное различие в глубине повреждений между с-плоскостыо и а - АЬО, с произвольной ориентацией зерен, а также между г- и с-плоскостями мы можем объяснить лишь тем, что данные для Е, Н н Кк были получены различными методами и в условиях далёких от условий контактного взаимодействия твёрдых тел при абразивной обработке. Точность прогноза глубины приповерхностных повреждений зависит от точности оценки отношения НІН* и точности определения механических свойств обрабатываемого материала Е, Н и К,с и их изменения с ориентацией. Важно определять эти величины в одном эксперименте и желательно одним методом, как это предложено в работе [5] с использованием метода непрерывного вдавливания индентора.
Важность такого рода прогнозных работ обуславливается необходимостью снижения сроков усовершенствования и разработки новых технологий механической обработки твёрдых тел в связи с расширением номенклатуры новых материалов электронной техники, например, таких как ннобат лития, кварц, лангасит, галлаты и др., которые находят применение в качестве подложек для акусто- и оптоэлектроники.
В результате показано, что предложенные расчётные выражения правильно описывают анизотропию глубины приповерхностных повреждений с различной ориентацией обрабатываемой поверхности. Полученные данные использованы для оптимизации процесса двухстороннего шлифования сапфира, а также могут быть использованы для процесса многопроволочной резки свободным абразивом при условии, что известны или измерены такие параметры обрабатываемого материала, как модуль упругости, твёрдость и трещино-стойкость, а также средний размер и форма зерна используемого абразива. Использование полученных теоретических данных позволяет построить наиболее экономичный размерный ряд механической обработки такого важного и дорогостоящего материала электронной техники, каковым является сапфир.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основе общих представлений о хрупком разрушении твёрдых тел:
- предложены аналитические выражения, которые позволяют осуществить прогноз глубины приповерхностных повреждений в пластинах сапфира при его обработке свободным абразивом для двухстороннего шлифования, а в перспективе для многопроволочной резки свободным абразивом, алмазной полировки и ХМП;
- проведены расчёты абсолютных величин глубины приповерхностных повреждений, возникающих в пластинах сапфира при их обработке свободным абразивом;
- показано, что предложенные расчётные выражения правильно описывают анизотропию глубины приповерхностных повреждений с различной ориентацией обрабатываемой поверхности;
- отмечено, что точность предсказания абсолютных величин глубины приповерхностных повреждений по предложенным расчётным выражениям зависит от точности определения механических свойств обрабатываемого материала и знания твёрдости материала, выступающего в роли контртела.
ЛИТЕРАТУРА
1. А'олссннков Ю В.. Морою« Е.М. Механика контактного разрушения. М.: Наука, 1989. 224 с.
2. Lambropoulos J. С., Xu S.. Fang Г. И Appl. Optics. 1997. V. 36. № 7. Р. 1501-1516.
3. Roberts S.G. II Scripta Mater. 1999. V.40.№ I. P. 101-108.
4. Литвинов Ю.М.. Литвинов М.Ю., Мспьвиново О.В. Хуснетдинов И.А., Яковлев С.П. Н Актуальные проблемы тверлотелыюй электроники и микроэлектроники: Тр. Восьмой межлунар. науч.-техн. конф. Таганрог, 2002. Ч. I. С. 163-166.
5. Алёхин В.П., Литвинов М.Ю.. Литвинов Ю.М.. Скворцов В.Н. II Дефекты структуры и прочность кристаллов: T«. локл. Всерос. конф. Черноголовка. 2002. С. 191.
6. Britvin A.A.. Litvinov М. Yu.. Litvinov Yu.M.. Yakanlcv S.P. II The 8® Scientific and Business Conference (Silicon-2002). Roznov pod Radhostcm, Czech Republic. 2002. P. 160-169.
7. Алёхин В.П.. Литвинов М.Ю.. Литвинов Ю.М.. Скворцов В.Н. Н Изв. вутов. Материалы Электронной Техники. 2000. № 3. С. 69-72.
8. Barbour J.C.. Knapp J.A. el al. The mcchanical properties of alumina films formed by plasma deposition and by ion irTadialion of sapphire H Nucl. Instr. And Meth. In Phys. Res. B. 2000. BI66-I67. P. 140-147.
9. Lilieodden Е.Г., Gerherich W.W. Indentation of Silicate-Glass Films on AljOj Substrates // J. Am. Ceram. Soc. July. 1999. V. 87 |7|. P. 1803-1808.
10. Cho S.C.. Huh Y.H., Yoon KJ. Aspects in grinding of ceramics H J. Am. Ceram. Soc. 1999. V. 71 [9]. P. 2443-2444.
11. Rieslr L. Bridge R.J.. Breder K. Characterization of Vickcrs, Berkovich. Spherical and cube cornered diamond mdentcrs by nanoindcnlation and SFM II Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 1998. V. 522. P. 45-50.
12. Пришвин A.A. Литвинов М.Ю.. Литвинов Ю.М., Мальвинова О.В.. Хуснетдинов И.A. И Электронная промышленность. 2003. Вып. 3. С. 97-101.
