eng
Содержание
Предисловие 10
Введение 13
Глава 1. Поверхностная обработка твердых хрупких
кристаллических материалов 15
1.1.
Состояние и перспективы применения твердых
хрупких материалов в промышленности 15
1.2.
Особенности процесса разрушения поверхностного
слоя при механической обработке твердых хрупких
кристаллических материалов 23
1.3.
Особенности обработки твердых высокопрочных
материалов для микроэлектроники 26
1.4.
Модели процесса шлифования алмазов 33
1.5.
Критерии разрушения твердых материалов 38
1.6.
Требования к повышению качества обработанной
поверхности и производительности процесса
поверхностной обработки 43
Литература 48
Глава 2. Перспективные способы поверхностной обработки
твердых хрупких минералов 52
2.1.
Новый подход к обработке твердых хрупких минералов 52
2.2.
Классификация состояния поверхностного
слоя минерала при его механической обработке
по величине удельной энергии воздействия 54
2.3.
Прецизионные процессы разрушения с точки зрения
физической мезомеханики 56
2.4.
Хрупко-пластичный переход 62
2.5.
Модель пластичного деформирования в мезообъемах
твердоструктурных хрупких минералов в процессе
их размерно-регулируемого микрорезания 67
Литература 75
6
Содержание
Глава 3. Модель процесса поверхностной обработки
твердых хрупких кристаллических материалов в режиме
квазипластичности с получением поверхности нанометрового
рельефа 80
3.1.
Феноменологическое описание процессов
поверхностной обработки твердых кристаллических
материалов в режиме квазипластичности 80
3.2.
Модельное представление квазипластичного
динамического воздействия инструмента
на обрабатываемый твердый хрупкий
кристаллический минерал 86
3.3.
Моделирование тепловых процессов в системе
«инструмент — обрабатываемый материал» при
поверхностной обработке в режиме квазипластичности 90
3.4.
Автоколебания системы «инструмент —
обрабатываемый материал» при поверхностной
обработке твердых хрупких минералов
в режиме квазипластичности 100
3.5.
Влияние технологических факторов
на формирование нанометрового рельефа
поверхности твердых хрупких кристаллических
материалов при квазипластичной обработке 102
3.6.
Обсуждение и оценка результатов
экспериментальных исследований квазипластичной
обработки поверхностей твердых хрупких материалов 112
Литература 143
Глава 4. Исследование механических и физико-технических
процессов квазипластичной обработки и определение
параметров оборудования, обеспечивающих повышение качества
и производительность процесса 147
4.1.
Анализ факторов, влияющих на качество
и производительность процесса поверхностной
обработки в режиме квазипластичности 147
4.2.
Выбор и оценка критериев, обеспечивающих
получение поверхности нанометрового рельефа при
Содержание 7
удалении поверхностного слоя твердых хрупких
минералов и материалов в режиме квазипластичности 152
4.3.
Назначение начальных режимов обработки
и критериальные зависимости изменения параметров
в процессе обработки 163
4.4.
Методика выбора рациональных режимов
поверхностной квазипластичной обработки
для различных материалов 168
Литература 170
Глава 5. Автоматизация процесса поверхностной обработки
твердых хрупких материалов в режиме квазипластичности
с получением нанометрового рельефа поверхности 172
5.1.
Возможность применения квазипластичной
поверхностной обработки твердых хрупких
материалов для серийного производства подложек
интегральных микросхем (ИМС) 172
5.2.
Управляющие и контролируемые параметры
процесса поверхностной квазипластичной
обработки при серийном производстве 175
5.3.
Методы и средства контроля параметров процесса
поверхностной обработки 176
5.3.1.
Осциллографический метод контроля.
Использование акустического сигнала,
генерируемого материалом во время обработки,
для оперативного контроля качества
обрабатываемого материала и управления
процессом обработки 176
5.3.2.
Применение тестовых методов для
диагностирования процесса размерного
микрошлифования на станочном модуле с ЧПУ 181
5.3.3.
Контроль тепловых параметров процесса
поверхностной обработки 187
5.3.4.
О перспективах применения ультразвуковой
микроскопии для оценки качества кристаллов
после поверхностной обработки 189
8
Содержание
5.4.
Модели и алгоритмы управления процессом
поверхностной обработки в режиме
квазипластичности 195
Литература 202
Глава 6. Перспективы развития квазипластичной поверхностной
обработки твердых хрупких минералов 208
6.1.
Сравнительная характеристика этапов обработки
по базовой и предлагаемой технологии 208
6.1.1.
Калибровка слитка 209
6.1.2.
Процесс резки слитка на пластины 210
6.1.3.
Формирование фасок 213
6.1.4.
Шлифование пластины 215
6.1.5.
Полирование пластины 218
6.1.6.
Химическая обработка полупроводниковых
пластин 220
6.1.7.
Виды загрязнений пластин 220
6.1.8.
Очистка пластин 221
6.1.9.
Требования к чистоте помещений.
Чистые комнаты 222
6.1.10.
Экономические преимущества
квазипластичной обработки 225
6.2.
Оценка потребности квазипластичной
поверхностной обработки твердых хрупких
кристаллических минералов и материалов для
производства высокотехнологичных изделий
в области нанотехнологий 226
Литература 231
Глава 7. Получение и обработка твердых и сверхтвердых
материалов и перспективы их применения
в высокотехнологичных отраслях промышленности 233
7.1.
Рост спроса на изделия из алмаза в связи
с совершенствованием производства синтетических
алмазов высокого качества 233
7.2.
Технологии выращивания синтетических алмазов 237
Содержание 9
7.3.
Проблемы обработки натуральных и синтетических
алмазов для их применения в высокотехнологичных
отраслях промышленности 243
7.4.
Механическая обработка алмаза 244
7.5.
Возможность применения квазипластичной
обработки синтетического алмаза для его
применения в высокотехнологичных областях
промышленности 254
7.6.
Возможности увеличения производительности
квазипластичной обработки синтетического
алмаза для его применения в высокотехнологичных
изделиях серийного производства 258
7.6.1.
Предварительная подготовка образцов 258
7.6.2.
Обработка синтетического алмаза с наложением
физических полей 259
7.6.3.
Групповая обработка образцов и автоматизация
процесса обработки при производстве
серийных высокотехнологических изделий
из синтетического алмаза 263
7.6.4.
Перспективы применения алмазов
в высокотехнологичных отраслях
промышленности 266
Литература 271
Заключение 278
Источники рисунков 280
Предисловие
Моим учителям посвящается
Исследования, которые вошли в эту книгу и стали основой моих
диссертаций — кандидатской и докторской, выполнены под руко-
водством двух замечательных ученых Гридина Олега Михайловича
и Коньшина Анатолия Сергеевича.
Анатолий Сергеевич Коньшин — на-
учный руководитель моей кандидатской
диссертационной работы, талантливый
конструктор. Он автор множества изо-
бретений. Под его руководством в Экс-
периментальном научно-исследователь-
ском институте металлорежущих станков
(ЭНИМС) создан уникальный станоч-
ный модуль АН15ф4, на котором полу-
чены экспериментальные результаты,
вошедшие в диссертации и в эту книгу.
Анатолий Сергеевич — выпускник
МГТУ «СТАНКИН», трудился на Мо-
сковском станкостроительном заводе,
руководил конструкторским отделом
ЭНИМС. К тому же Анатолий Сергее-
вич был разносторонне развитым чело-
веком: прекрасно играл на фортепьяно,
любил природу, увлекался философией.
Он говорил, что наиболее важные мысли
и конструкторские решения к нему при-
ходили на природе, когда он мог отре-
шиться от всего и просто созерцать окру-
жающую красоту.
Олег Михайлович Гридин — мой науч-
ный консультант по докторской диссерта-
Коньшин А. С.
Гридин О. М.
Предисловие 11
ции. Под его руководством выполнено большинство исследований
процесса квазипластичной обработки. Талантливый ученый, гене-
ратор множества идей, никогда не унывающий и не теряющий чув-
ства юмора. В то время когда я, поглощенная выполнением рутин-
ной работы, мрачно готовилась к защите кандидатской диссертации,
он говорил мне: «Не о том ты думаешь и расстраиваешься. Ты думай
о дальнейших исследованиях, которые войдут в докторскую диссер-
тацию. У тебя потрясающе интересная тема». Если бы не его подбад-
ривания, возможно, я не смогла бы решиться на защиту докторской.
Олег Михайлович закончил Московский физико-технический
институт по специальности «физика твердого тела». Он учился
у С. П. Капицы. Подготавливал и защищал диплом в Институте
физических проблем АН СССР (ныне ИФП РАН им. П. Л. Капицы).
Работал в Радиотехническом институте АН СССР им. А. Л. Минца
(ныне ОАО «Радиотехнический институт им. В. Л. Минца), Госу-
дарственном институте горно-химического сырья, Московском
государственном горном университете. Работал внештатным экс-
пертом Всероссийского научно-исследовательского института
патентной экспертизы (ВНИИГПЭ). Был действительным членом
Российской академии естественных наук (РАЕН).
Круг научных интересов Олега Михайловича был очень широк,
и в каждом аспекте своей деятельности он добился успехов, в каж-
дый внес научный вклад.
Помимо квазипластичной обработки поверхностей твердых
хрупких минералов он занимался проблемами подземного сжига-
ния серы, подземного выщелачивания фосфоритов, химического
разупрочнения кимберлитов, созданием питательных субстратов
на основе цеолита, торфа, сапропеля, фосфоритов, технологией
получения нефтяных сорбентов, термической переработкой арсе-
нопиритов и другими научными проблемами.
Он является автором многих патентов в различных областях
научной деятельности.
Олег Михайлович обладал множеством талантов: писал стихи,
картины, во время учебы в МФТИ был заядлым кавээнщиком.
12 Предисловие
Был автором множества веселых посвящений к юбилеям. Ни один
праздник не обходился без его стихов. Он ко всему относился
с юмором и даже к рутинной работе подходил творчески.
Я счастлива, что судьба свела меня с этими замечательными
людьми.
Спасибо им. Вечная память.
Ââåäåíèå
Известно, что «нанотехнология» в соответствии с энциклопедией
означает совокупность методов и приемов, обеспечивающих воз-
можность контролируемым образом создавать и модифицировать
объекты, включающие компоненты с размерами от 1 до 100 нано-
метров (нм), хотя бы в одном измерении. В этих масштабах свойства
материалов начинают существенно изменяться, у них появляются
принципиально новые качества, открывающие новые технические
возможности.
Согласно последнему президентскому посланию и многочис-
ленным публикациям развитие нанотехнологий в Российской
Федерации является одним из приоритетных направлений науки
и техники. Ускоренное развитие работ в области нанотехнологий
и наноматериалов призвано обеспечить реализацию стратегиче-
ских национальных приоритетов Российской Федерации, в том
числе национальную и экономическую безопасность страны. Ос-
новной целью государства при решении данной проблемы должно
стать создание и развитие научной, технической и технологической
базы в области нанотехнологий и наноматериалов, обеспечиваю-
щей необходимый уровень обороноспособности и безопасности
страны, развитие новых подходов к инновационному преобразова-
нию отечественной промышленности.
Среди многочисленных «нанотехнологических» направлений
значительный интерес представляет возможность обработки по-
верхности твердых материалов до нанометровой шероховатости,
что очень важно для многих отраслей промышленности, прежде
всего электронной. Часть таких материалов синтезируют искус-
ственно, а часть из них являются природными минералами, на-
пример алмазы и сапфиры. Соответствующие исследования были
поставлены в Московском государственном горном университете.
Предлагаемая работа обобщает достигнутый к настоящему вре-
мени уровень решения проблемы с учетом авторских исследова-
ний. Авторы считают данное направление весьма перспективным
14 Введение
и рассчитывают на продолжение исследований с привлечением
самых современных технических средств.
Авторы благодарят за помощь, оказанную при работе над моно-
графией, д. т. н., проф. Дмитриева А. П., д. т. н., проф. Гончарова С. А.,
д. т. н., проф. Морозова В. И., д. г.-м. н., проф. Мельникова Е. П.,
д. т. н. Сильченко О. Б., д. т. н., проф. Куприянова В. В., д. т. н., д.ф.-м.
н., проф. Халкичева К. В., д. т. н., проф. Байора Б. Н., к. т. н. Наумо-
ва К. И., к. т. н. Ананьева П. П., к. т. н. Могиреву Е. С., к. т. н. Конь-
шина А. С., Самерханову А. С., Бирюкова Е. Н., Хохлова А. И., Теп-
лова М. М., Теплова А. М., Гладченкова Е. В., Зиновьеву И. И.
Авторы благодарны за поддержку работы руководству МГГУ,
коллективам кафедр ФГПиП и ТХОМ, сотрудникам фирм и ор-
ганизаций: ЦНИТИ «Техномаш» — д. ф.-м. н., проф. Самойло-
вичу М. И.; ЦЕНИ ИОФ РАН — к. т. н. Ашкинази Е. Е.; ИБХФ
РАН — д. т. н. Левину В. М., к. т. н. Петронюк Ю. С.; ООО «ПТЦ
«УралАлмазИнвест» — к. т. н. Алтухову А. А., к. т. н. Львову С. А.,
к. т. н. Смирнову В. И., Карасеву В. Ю.; ОАО «ЭНИМС» — д. т. н.
Хлебалину Н. Ф., к. т. н. Гришину В. М., Чеховской С. С.; РУДН —
д. т. н., проф. Рогову В. А.
ÃËÀÂÀ 1
ÏÎÂÅÐÕÍÎÑÒÍÀß
ÎÁÐÀÁÎÒÊÀ
ÒÂÅÐÄÛÕ ÕÐÓÏÊÈÕ
ÊÐÈÑÒÀËËÈ×ÅÑÊÈÕ
ÌÀÒÅÐÈÀËÎÂ
1.1. Ñîñòîÿíèå è ïåðñïåêòèâû ïðèìåíåíèÿ
òâåðäûõ õðóïêèõ ìàòåðèàëîâ
â ïðîìûøëåííîñòè
Все большее применение твердые хрупкие материалы находят
в технике, приборостроении, оптике, оптоэлектронике, медицине,
оборонной промышленности, микроэлектронике, при изготовле-
нии часов и в качестве ювелирных вставок. Минералы, особенно
в форме кристаллических образований (кристаллов), находят ши-
рокое применение при производстве высокотехнологичных изде-
лий в области нанотехнологий. Современный научно-технический
прогресс неразрывно связан с разработкой и освоением новых ма-
териалов и прорывных технологий. Именно материалы стали клю-
чевым звеном, определяющим успех многих инженерных решений
при создании сложнейшей электронной аппаратуры.
Объектами контроля в микроэлектронике являются близко
расположенные друг к другу микроскопические структуры, вы-
полненные в виде тонкопленочных рисунков или в виде газофазо-
вых гетероэпитаксиальных многослойных структур на плоской
подложке.
16 Глава 1. Поверхностная обработка твердых хрупких кристаллических
материалов
Основная тенденция, с помощью которой микроэлектроника
достигает новых показателей, — это минимизация размеров отме-
ченных структур. Геометрические размеры элементов определяют
заданные параметры и свойства приборов, а отклонения размеров
приводят не только к отклонениям технических характеристик,
но и к потере работоспособности. Неуклонное совершенствование
микроэлектронных приборов сократило минимальные размеры
элементов до субмикронных величин, а плотность их упаковки
на плоской подложке увеличилась на несколько порядков.
Размеры подложек выбираются в соответствии со степенью ин-
теграции интегральных схем (ИС), их материалы — в соответствии
с требованиями, предъявляемыми к электрическим, механическим
и термическим свойствам подложек. В свою очередь, эти требова-
ния обусловлены заданными параметрами пленочных элементов
и выбором технологических методов нанесения пленок.
Материал подложек должен иметь высокое объемное и поверх-
ностное удельное сопротивление. Низкие диэлектрические потери
снижают потери энергии вследствие поглощения в диэлектрике.
Высокая теплопроводность обеспечивает отвод тепла от микросхе-
мы и выравнивание температурного баланса ее поверхности. Согла-
сование коэффициентов линейного расширения подложки и осаж-
даемых пленок уменьшает механические напряжения в пленках
и тем самым снижает вероятность появления в них микротрещин,
разрывов и т. п. Высокая механическая прочность предупреждает
поломку подложек при сборке микросхем. Подложки должны быть
достаточно термостойкими при пайке и сварке; материал подложки
и структура поверхности должны обеспечивать хорошую осаждае-
мость пленок к подложке. Перечисленные требования к подложкам
являются общими для любого типа микросхем. Вот почему незави-
симо от выполняемых функций рабочие характеристики всех эле-
ментов определяются свойствами используемых материалов.
В настоящее время применяются следующие материалы для
изготовления подложек.
1.1. Состояние и перспективы применения твердых 17
хрупких материалов в промышленности
Стекла представляют собой различные системы окислов. Боро-
силикатное стекло состоит из SiO2 (80 %), В2О3 (12 %) и других окис-
лов (Na2O, K2O, Al2O3), алюмосиликатное — из SiO2 (60 %), Al2O3
(20 %) и других окислов (Na2O, CaO, MgO, B2O3). Стекла типов С-48-
3 и С-41-1 являются бесщелочными.
Керамика — поликристаллическое вещество с зернами сложной
структуры, получаемое в результате высокотемпературного отжига
(спекания) порошков различных окислов. Алюмооксидная кера-
мика типа «Поликор» состоит из Al2O3 (99,8 %), B2O3 (0,1 %), MgO
(0,1 %). Размер зерен — менее 40 мкм. Бериллиевая керамика содер-
жит от 98 до 99,5 % окиси бериллия ВеО.
Керамика, особенно бериллиевая, имеет значительно большую
теплопроводность по сравнению со стеклами. Кроме того, она об-
ладает большей механической прочностью и лучшей химической
стойкостью. Однако большие размеры зерен керамических мате-
риалов не позволяют получить удовлетворительный микрорельеф
поверхности для тонкопленочных ИС. Наиболее удовлетворитель-
ным микрорельефом обладает керамика с 96 %-м содержанием
Al2O3. Керамика с более высоким содержанием А12Оз, например
типа «Поликор», имеет поверхности, не обеспечивающие хорошей
адгезии к ним толстых пленок. Полировка мелкозернистой кера-
мики снижает микронеровности, однако вызывает существенные
и трудноустранимые загрязнения ее поверхности. Поэтому такая
операция не позволяет получить подложки, пригодные для тонко-
пленочных ИС.
Ситаллы — стеклокерамические материалы, получаемые в ре-
зультате термообработки (кристаллизации) стекла. Большинство
ситаллов характеризуется следующим составом окислов:
1) Li2O–Al2O3–SiО2–TiО2;
2) RО–А12O3–SiO2–TiO2 (RO — один из окислов СаО, MgO или
ВаО).
Ситаллы в 2–3 раза превосходят стекла по механической проч-
ности, но уступают керамике по теплофизическим показателям,
18 Глава 1. Поверхностная обработка твердых хрупких кристаллических
материалов
что не позволяет использовать их для изготовления микросхем
с мощными навесными элементами.
Кроме вышеуказанных, в отрасли применяется еще ряд мате-
риалов, свойства которых приведены в табл. 1.1.
Кремний — основной материал полупроводникового производ-
ства. В настоящее время из всех полупроводниковых материалов
наибольшее применение для изготовления полупроводниковых
ИМС получил кремний. Но его запасы ограничены и не удовлетво-
ряют потребностей электронной промышленности.
При тенденции миниатюризации в электронной промыш-
ленности для изготовления подложек интегральных микросхем
(ИМС) требуются материалы с лучшими теплофизическими
показателями.
В табл. 1.2 приведены характеристики диэлектрических мате-
риалов, которые удовлетворяют требованиям, предъявляемым
к подложкам ИМС.
Таблица 1.1. Свойства материалов, применяющихся для изготов-
ления подложек ИМС
Показатели АРТ-27 БР-1 ОРТ-60 ТС-2
Плотность, кг/м3 4700 4400 3960 3990
Предел прочности при ста-
тическом изгибе, МПа 114 120 136 144
Микротвердость, ГПа 8,7 7,8 8,9 9,8
Диэлектрическая проницае-
мость при частоте 1010 Гц 27 35 60 90
Тангенс угла диэлектриче-
ских потерь 104 при частоте
1010 Гц
5 3 4 4
Температурный коэффици-
ент диэлектрической про-
ницаемости 106, град1
0±20 0±20 40±20 55±20
Шероховатость
Rа, мкм 0,1 0,1 0,1 0,1
1.1. Состояние и перспективы применения твердых 19
хрупких материалов в промышленности
Наиболее востребованными материалами в различных отрас-
лях промышленности и перспективными для применения в элек-
тронной промышленности являются карбид кремния, арсенид
галлия, лейкосапфир и алмаз. Сравнительные характеристики вы-
шеперечисленных материалов приведены в табл. 1.3.
Карбид кремния
Благодаря высокой твердости, химической устойчивости и износо-
стойкости монокристаллический SiC используют для изготовления
радиационно стойких светодиодов, обладающих очень высокой на-
дежностью и стабильностью работы. Его можно использовать для
изготовления высокотемпературных силовых полупроводниковых
приборов, полевых транзисторов, туннельных диодов, счетчиков
частиц высокой энергии, терморезисторов. Поликристаллический
SiC используют в производстве нелинейных резисторов (варисто-
ров). Кроме того, на основе порошкообразного SiC производят вы-
сокотемпературные нагреватели и волноводные поглотители, а на
основе пленок аморфного SiC — светодиоды и солнечные элемен-
ты. SiC является перспективным полупроводниковым материалом
для высокотемпературной и высокочастотной электроники.
Таблица 1.2. Характеристики диэлектрических материалов для
подложек ИМС
Материал
диэлектрика
Удельное
сопро-
тивление,
Ом · см
Диэл.
пост.
Диэлек-
трические
потери
на часто-
те 106 Гц
Теплопро-
водность,
кал/см · с °С
Коэф.
линей.
расш.
10−6/°C
Боросиликат-
ное стекло 107 4,6 6,2 · 10−3 0,0027 3,25
Алюмооксид-
ная керамика
типа «Поликор»
1014 10,8 2 · 10−4 0,075–0,08 7,5–7,8
Кварцевое
стекло 1016 4 3,8 · 10−4 0,0036 0,56–0,6
Ситаллы 1013–1014 6,5 6 · 10−3 0,005–0,009 5
Лейкосапфир 1011 8,6 2 · 10−4 0,0055 5
20 Глава 1. Поверхностная обработка твердых хрупких кристаллических
материалов
Таблица 1.3. Физические характеристики монокристаллических
полупроводников
Параметры
Монокристаллические полупроводники
Алмаз Si GaAs SiC
Постоянная решетки, А 3,567 5,431 5,653 4,359
Плотность, г/см3 3,52 2,42 5,32 3,16
Теплопроводность, Вт/см·К 20–25 1,5–2 0,5 4,9
Диэлектрическая постоянная 5,68 11,7 10,9 9,7
Максимум спектральной
чувствительности, мкм 0,23 1,1 1,5 0,27
Коэффициент преломления 2,41 3,44 3,75 2,48
Запрещенная зона, эВ 5,47 1,11 1,43 2,23
Электроны 1800 1350 8600 1000
Дырки 2100 450 400 70
Скорость насыщения, 107 см/c 2,7 1,0 2,0 2,7
Напряжение пробоя, 105 V/см 100 3 4 30
Радиационная стойкость высокая низкая низкая низкая
Теплостойкость, °С 1000 200
Твердость (по Кнупу), кг/мм2 10000 1000 731
Арсенид галлия
Кристаллический арсенид галлия был впервые синтезирован
в 1954 г., и сразу же было обнаружено, что он является полупровод-
ником с высоким удельным сопротивлением. Легируя его различ-
ными добавками, можно получать кристаллы с электронной и ды-
рочной проводимостью.
Используется при изготовлении высокочастотных интеграль-
ных схем (ИС) и дискретных микроэлектронных приборов. По-
мимо высокого удельного сопротивления монокристаллы неле-
гированного GaAs, применяются при изготовлении светодиодов
и лазеров. Арсенид галлия широко используется в оптоэлектрони-
ке для изготовления инжекционных лазеров, свето- и фотодиодов,
фотокатодов, является прекрасным материалом для генераторов
СВЧ-колебаний (так называемых генераторов или диодов Ганна).
1.1. Состояние и перспективы применения твердых 21
хрупких материалов в промышленности
Применяется для изготовления туннельных диодов, способных
работать при более высоких температурах, чем кремниевые, и на
более высоких частотах, чем германиевые. Монокристаллы полу-
изолирующего арсенида галлия, легированные хромом, использу-
ют в инфракрасной оптике. Монокристаллы GaAs, легированные
цинком или теллуром, применяют в производстве высокочастот-
ных и оптоэлектронных приборов.
Лейкосапфир
Перспективным материалом является лейкосапфир. Это синтети-
ческий сапфир — монокристаллическая форма корунда, Al2O3. Ис-
пользование лейкосапфира в различных областях обусловлено его
исключительными свойствами, такими как высокая прозрачность;
устойчивость к УФ-излучению; устойчивость к механическим по-
вреждениям и высоким температурам; высокие диэлектрические
свойства; особенности кристаллической решетки, позволяющие
выращивать на нем эпитаксиальные слои; высочайшая прочность;
малый коэффициент трения; возможность сделать прочными очень
тонкие изделия (острие лезвия скальпеля); химическая и биологи-
ческая пассивность. Лейкосапфир широко применяют в технике.
В оптике используются сапфировые линзы, призмы, свето-
воды, элементы лазеров. В микроэлектронике лейкосапфир явля-
ется единственным материалом для изготовления основы радиа-
ционно стойких микросхем, используемых на АЭС и в космосе,
надежных микросхем памяти, гибридных СВЧ-микросхем. В оп-
тоэлектронике лейкосапфир применяется для изготовления под-
ложек светоизлучающих диодов (СИД) высокой яркости (HB LED)
и твердотельных лазеров, дающих синий, белый, зеленый свет,
важнейший материал планарной оптики. В машино- и приборо-
строении из лейкосапфира изготавливают:
• приборные смотровые окна и иллюминаторы, выдерживаю-
щие сверхвысокие температуры и перепады давления или
вакуум, устойчивые к агрессивным средам, механическим
повреждениям и излучениям;
• износоустойчивые окна сканеров;
22 Глава 1. Поверхностная обработка твердых хрупких кристаллических
материалов
• износоустойчивые детали (подшипники, нитеводы, направ-
ляющие);
• трубы плазмогенераторов и тензодатчиков (датчиков давле-
ния).
В медицине лейкосапфир применяют для изготовления про-
зрачных и сверхтонких лезвий для хирургии, химически пассивных
оптических элементов диагностических приборов, выдерживаю-
щих высокотемпературную стерилизацию. В оборонной промыш-
ленности лейкосапфир используется для изготовления сверхпроч-
ных и оптически совершенных защитных колпаков для головных
частей самонаводящихся ракет, визиров и окон, устойчивых к УФ-
и ИК-излучениям, КНС-микросхем, устойчивых к ионизирую-
щим излучениям, СВЧ-компонентов радиолокационных систем.
Комбинация благоприятных химических, электрических, меха-
нических, оптических, поверхностных, тепловых и других свойств
делает лейкосапфир предпочтительным материалом для точных
систем.
Алмаз
Помимо применения в ювелирной промышленности, благодаря
физическим свойствам существует возможность применять алмаз
в микроэлектронике. Алмаз — один из лучших изоляторов в отличие
от кремния, который даже в чистом виде является полупроводником.
Как изолятор алмаз характеризуется чрезвычайно высокой сопротив-
ляемостью электрическому пробою, и потому на его основе можно
изготавливать более миниатюрные электронные устройства, чем
по кремниевой технологии. При легировании бором, азотом или фос-
фором алмаз превращается в отличный полупроводник. Состояние
развития микроэлектронного производства достигло такого уровня,
когда требуются новые опыты и исследования алмазного материала.
Да и другие отрасли промышленности также заинтересованы в таком
материале. Ведутся исследовательские работы по созданию элемен-
тов памяти нового поколения на основе аллотропных модифика-
ций углерода, включая алмаз. Целесообразно применение алмаза
1.2. Особенности процесса разрушения поверхностного слоя при 23
механической обработке твердых хрупких кристаллических материалов
в перспективном направлении МЭМС (микроэлектромеханические
системы, или сокращенно МЭМС). Это множество микроустройств
самых разнообразных конструкций и назначения, производимых
сходными методами с использованием модифицированных группо-
вых технологических приемов микроэлектроники (например миниа-
тюрные детали: гидравлические и пневмоклапаны, струйные сопла
принтера, пружины для подвески головки винчестера, микродатчики
и исполнительные устройства, инструменты: скальпели и пинцеты
для работы с объектами микронных размеров, аналитические микро-
лаборатории на чипе).
Однако применение вышеуказанных материалов ограничено
сложностью их поверхностной обработки. Применение твердых
минералов и кристаллов для изделий микроэлектроники, меди-
цины и других отраслей промышленности обязывает выполнять
непрерывно ужесточающиеся требования к шероховатости поверх-
ности обрабатываемого материала и минимизации дефектов, при-
вносимых процессом обработки.
Следовательно, актуальными являются задачи обработки изде-
лий из лейкосапфира, моно- и поликристаллического алмаза и дру-
гих твердых материалов с достижением требуемых для применения
в промышленности выходных качественных параметров, а также
задачи автоматизации процесса изготовления больших партий из-
делий из этих материалов.
1.2. Îñîáåííîñòè ïðîöåññà ðàçðóøåíèÿ
ïîâåðõíîñòíîãî ñëîÿ ïðè ìåõàíè÷åñêîé
îáðàáîòêå òâåðäûõ õðóïêèõ
êðèñòàëëè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ
Полученные после разрезания слитка полупроводниковые пласти-
ны (подложки) обладают рядом нарушений, к которым относятся
наличие механически нарушенного слоя, неплоскостность и не-
24 Глава 1. Поверхностная обработка твердых хрупких кристаллических
материалов
плоскопараллельность сторон, изгиб и большой разброс по толщи-
не. Глубина механически нарушенного слоя является основной ха-
рактеристикой качества обработки полупроводниковых пластин.
Этот слой распространяется от обработанной поверхности в глу-
бину объема полупроводникового материала. Наибольшая глубина
залегания нарушенного слоя образуется при резке слитка на пла-
стины, процессы шлифовки и полировки приводят к уменьшению
глубины залегания этого слоя.
Качество поверхности полупроводниковых пластин оценивает-
ся с геометрической и физической точек зрения. С геометрической
точки зрения качество определяется неровностями, выступами
и впадинами реальной поверхности, с физической — отклонением
свойств верхних слоев материала от свойств материала сердцеви-
ны. Рассматривая реальную необработанную подложку в разрезе,
можно выделить рельефный слой, определяющий геометрические
отклонения от идеального поверхностного слоя; трещиноватый
Микронеровности
Рельефный
слой
H
Макронеровность
(отклонение
от плоскости)
Волнистость
Трещиноватый
слой
Напряженный
слой
Пластически
деформированный
слой
Нормальная
структура
(сердцевина)
Рис. 1.1. Поверхность пластины. Макронеровности — единичные,
неповторяющиеся отклонения поверхности (конусность,
непараллельность, овальность). Волнистость — периоди-
чески повторяющиеся выступы и впадины на поверхно-
сти. Микронеровности — выступы и впадины на неболь-
ших участках поверхности
1.2. Особенности процесса разрушения поверхностного слоя при 25
механической обработке твердых хрупких кристаллических материалов
слой с нарушенной целостностью поверхности; пластически де-
формированный слой; напряженный, упругодеформированный
слой (рис. 1.1).
На рис. 1.1 H — высота дефектного слоя, величина которого
определяется способом обработки. Чем грубее обработка, тем де-
фектный слой больше. К причинам появления дефектного слоя
следует отнести упругие, пластические деформации и деформации
разрушения, которые имеют место в процессе обработки, а также
нагрев поверхностного слоя, химические явления, которые имеют
место в зоне обработки: окисление, образование других химиче-
ских соединений.
Слой материала, подлежащего удалению в процессе последу-
ющей обработки пластины, называется припуском на обработку
(равным Н). Минимальное значение припуска должно обеспечи-
вать удаление микронеровностей и дефектного слоя, получаемого
при предшествующей обработке. В процессе обработки полупро-
водниковой подложки для получения нужного качества поверх-
ности (чистоты) припуск удаляется не сразу, а постепенно — в не-
сколько этапов. При этом предварительный припуск должен быть
как можно больше, чтобы удалить дефектный слой Н, но после
предварительной обработки появляется новый дефектный слой,
только меньшего размера. На рис. 1.2 приведены примеры дефектов
пластин.
h2 h
F
h1
Рис. 1.2. Примеры дефектов пластин: h = h2 − h1 — разнотол-
щинность; — неплоскостность; F — прогиб
26 Глава 1. Поверхностная обработка твердых хрупких кристаллических
материалов
1.3. Îñîáåííîñòè îáðàáîòêè òâåðäûõ
âûñîêîïðî÷íûõ ìàòåðèàëîâ
äëÿ ìèêðîýëåêòðîíèêè
Одной из важнейших областей применения твердых материалов
является микроэлектроника. Интегральная и функциональная
микроэлектроника являются фундаментальной базой развития
всех современных систем радиоэлектронной аппаратуры. Незави-
симо от выполняемых функций рабочие характеристики всех эле-
ментов определяются свойствами используемых материалов, т. е.
выходные параметры аппаратуры находятся в прямой зависимости
от применяемых материалов. В связи с этим важной задачей явля-
ется обработка новых материалов для применения изделий из них
в микроэлектронике.
В пленочных интегральных микросхемах (ИМС) элементы со-
здаются осаждением пленок на специальные платы из диэлектри-
ческих материалов — подложки. Подложка — заготовка, предна-
значенная для нанесения на нее элементов гибридных и пленочных
ИМС, контактных площадок, межэлементных и (или) межкомпо-
нентных соединений. Подложка служит механическим основани-
ем и, будучи диэлектриком, изолирует ее элементы, а также обес-
печивает отвод тепла от работающей микросхемы.
Подложки классифицируют как по структурным признакам,
так и по назначению. По структурным признакам подложки под-
разделяют на аморфные, поликристаллические и монокристалли-
ческие, а по назначению — на подложки для полупроводниковых,
пленочных, гибридных ИМС и микросборок.
Для изготовления микросхем требуются полупроводниковые
материалы в виде пластин, вырезанных из монокристаллических
слитков, имеющих форму стержня круглого сечения. Для обеспе-
чения требуемых параметров разработаны различные технологи-
ческие варианты изготовления пластин. В зависимости от характе-
ристик обрабатываемого материала варианты изготовления имеют
1.3. Особенности обработки твердых высокопрочных материалов 27
для микроэлектроники
свои особенности, но, как правило, состоят из одних и тех же базо-
вых операций, применяемых в различных сочетаниях.
К базовым операциям относят:
• рост кристалла;
• калибровку слитка;
• разделение на пластины;
• формирование фасок;
• шлифование пластины свободным или связанным
абразивом;
• полирование;
• очистку.
Существенное влияние на надежность и эксплуатационные ха-
рактеристики монокристаллов для микроэлектроники оказывают
изменения структуры и свойств поверхностных слоев, происходя-
щие в процессе обработки. На отмеченные свойства влияют жест-
кость крепления пластин на станке и параметры самой обработки.
Полупроводниковые микросхемы на лейкосапфировых под-
ложках изготавливаются по эпитаксиально-планарной и диффу-
зионно-планарной технологиям. В первом случае они реализуются
на базе эпитаксиальных слоев, выращенных на подложках, выпол-
няющих роль механического носителя. Во втором случае диффузия
легирующих примесей осуществляется непосредственно в припо-
верхностную область подложек на заданную глубину.
Эпитаксия — это метод послойного выращивания одного кри-
сталлического твердого тела на поверхности другого (называемого
подложкой), при котором растущий кристалл наследует кристал-
лографическую структуру подложки. Подложка, изготовленная
из кристаллов (кремния, лейкосапфира, алмаза и других твердых
материалов), выполняет роль механического носителя и отводит
тепло от микросхемы в процессе ее работы. Поэтому для изготов-
ления подложек применяются кристаллические минералы, обла-
дающие большой твердостью и высокой теплопроводностью (лей-
косапфир, алмаз). В настоящее время формирование поверхности
28 Глава 1. Поверхностная обработка твердых хрупких кристаллических
материалов
нанометрового рельефа для последующего этапа эпитаксии таких
материалов является большой проблемой.
Качество поверхностного слоя подложек существенно влияет
на структурное совершенство эпитаксиального слоя. Наличие дис-
локаций, микротрещин приводит к образованию дефектов в этих
слоях, причем их плотность, как правило, выше, чем в подложках.
Дислокации и дефекты упаковки формируются от подложки и на-
следуют ее отрицательные свойства, ухудшая эксплуатационные
свойства микросхем. Полировка мелкозернистой керамики сни-
жает микронеровности, однако вызывает существенные и трудно-
устранимые загрязнения ее поверхности. Поэтому такая операция
не позволяет получить подложки, пригодные для тонкопленочных
ИС.
Традиционными способами обработки лейкосапфира являют-
ся шлифование и полирование. При необходимости снятия боль-
ших припусков с деталей применяется шлифование связанным
абразивом, когда обработка ведется на режимах с максимально воз-
можной производительностью. Рост скорости удаления материала
обеспечивается за счет большого числа абразивных зерен на про-
изводящей инструментальной поверхности, а улучшение качества
обработки — за счет снижения усилий резания единичными зер-
нами инструмента. Для этого ширину алмазоносного слоя делают
значительно больше, чем обрабатываемая поверхность пластины,
и обработка производится только при вращении инструмента и его
подаче на врезание по всей обрабатываемой поверхности.
Так, в работе Г. Брандта описан способ, когда во время шли-
фования обрабатываемая пластина закрепляется на столе станка,
а инструмент диаметром 410 мм вращается с частотой 1450 мин1
и подается на деталь в соответствии с предварительно задан-
ной программой. Применяются алмазные чашечные круги АЧК
на связке М1 с размером зерен 125/100, 100/80 мкм концентрацией
100 %, марка алмаза — АС15, АС20, АС32, скорость инструмента —
5 м/сек. При этом достигается шероховатость поверхности Ra менее
1.3. Особенности обработки твердых высокопрочных материалов 29
для микроэлектроники
0,6 мкм, а глубина нарушенного слоя составляет h = 11 мкм. Ско-
рость удаления припуска может достигать 1000 мкм · мин1.
На этапах финишной обработки лейкосапфира рядом преиму-
ществ обладает шлифование свободным абразивом. Современные
станки для шлифования свободным абразивом имеют электрон-
ные устройства плавного пуска и задания давления, позволяющие
устранить дефекты, связанные с повышенной хрупкостью. Однако,
несмотря на введение контроля за процессом обработки, снижаю-
щим трудоемкость операций, недостатки данного метода не устра-
няются. Характерным дефектом при шлифовании свободным
абразивом является образование царапин, которое вызывается ки-
нематикой относительного движения пластин по полировальному
кругу, а причиной служит большая прочность зерен алмаза, кото-
рые, выдерживая большие нагрузки, внедряются в поверхность по-
лировального круга. Абразив с корундовыми зернами не образует
царапин, но из-за низкой производительности малоперспективен
в случае обработки лейкосапфира.
Магнитно-абразивная обработка основана на использовании
сил негомогенного квазистационарного магнитного поля, дей-
ствующего на частицы, обладающие абразивными и ферромагнит-
ными свойствами. Технически магнитно-абразивная обработка
реализуется путем внесения ферромагнитных абразивных частиц
в свободно перемещаемый воздушный зазор между полюсами
электромагнита и деталью. В результате ориентации ферромагнит-
ных частиц в рабочем зазоре по направлению силовых линий маг-
нитного поля обеспечивается практически постоянный контакт
между острой кромкой рабочих элементов и поверхностью пласти-
ны. При удалении материала сила трения приводит к перемещению
абразивных частиц, однако момент вращения ориентирует частицы
в такое положение, что острые кромки снова начинают работать.
Этот метод позволяет совмещать предварительную и финишную
обработки благодаря возможности управления жесткостью абра-
зивного инструмента в осевом и продольном направлениях. Отсут-
ствие связки, а следовательно, трения связки о поверхность пласти-
30 Глава 1. Поверхностная обработка твердых хрупких кристаллических
материалов
ны снижают температуру в процессе обработки; проникновение
частиц диспергированного материала между абразивными зернами
устраняет вероятность «засаливания» абразивного инструмента,
в результате чего отпадает необходимость процесса приработки.
Недостатками данного метода являются сложность проведения вы-
сокоточной обработки, отсутствие высококачественных магнит-
ных абразивов и, как следствие, недостаточно высокая производи-
тельность и качество обработки.
Для обоснования способа крепления пластины лейкосапфира
на станке интересен опыт использования изотропной диоксидной
керамики при обработке материалов резанием в качестве режущей
пластины, т. е. фактически при решении обратной задачи. Прежде
всего авторы работ, изучавшие стойкость диоксидной керамики,
отмечали ее значительную хрупкость. Так, А. М. Вульф показал, что
пластины из Al2О3 имеют склонность к выкрошиванию и даже по-
ломке при частых врезаниях режущей кромки. Для борьбы с этими
явлениями была предложена ручная подача при врезании и выходе
режущей пластины, а также использование упругих прокладок под
пластину, например прессованной бумаги. Толщина прокладки
b = 0,4–0,6 мм. На стойкость к трещинообразованию существен-
ную роль оказывала жесткость крепления пластин к державке.
В работе проф. Рудника С. С. показано, что при увеличении жест-
кости (I, кг/мм) с 800; 1000 и до 2000 стойкость Т (мин) возрастала
соответственно с 6; 27 до 52.
Наилучшие результаты по стойкости были получены при ис-
пользовании в качестве подложек под режущие пластины твердо-
сплавных пластин. Исследования авторов G. Iacger, R. Krostman
показали, что прочность режущих пластин из диоксида алюминия
на сжатие резко уменьшается при нагревании выше 800 °С, а на раз-
рыв — при нагревании выше 1200–1250 °С.
Усталостная прочность изучалась в работе А. М. Вульфа Резуль-
таты испытаний на усталостную прочность приведены в табл. 1.4.
Моим учителям посвящается
Исследования, которые вошли в эту книгу и стали основой моих
диссертаций — кандидатской и докторской, выполнены под руко-
водством двух замечательных ученых Гридина Олега Михайловича
и Коньшина Анатолия Сергеевича.
Анатолий Сергеевич Коньшин — на-
учный руководитель моей кандидатской
диссертационной работы, талантливый
конструктор. Он автор множества изо-
бретений. Под его руководством в Экс-
периментальном научно-исследователь-
ском институте металлорежущих станков
(ЭНИМС) создан уникальный станоч-
ный модуль АН15ф4, на котором полу-
чены экспериментальные результаты,
вошедшие в диссертации и в эту книгу.
Анатолий Сергеевич — выпускник
МГТУ «СТАНКИН», трудился на Мо-
сковском станкостроительном заводе,
руководил конструкторским отделом
ЭНИМС. К тому же Анатолий Сергее-
вич был разносторонне развитым чело-
веком: прекрасно играл на фортепьяно,
любил природу, увлекался философией.
Он говорил, что наиболее важные мысли
и конструкторские решения к нему при-
ходили на природе, когда он мог отре-
шиться от всего и просто созерцать окру-
жающую красоту.
Олег Михайлович Гридин — мой науч-
ный консультант по докторской диссерта-
Коньшин А. С.
Гридин О. М.
Предисловие 11
ции. Под его руководством выполнено большинство исследований
процесса квазипластичной обработки. Талантливый ученый, гене-
ратор множества идей, никогда не унывающий и не теряющий чув-
ства юмора. В то время когда я, поглощенная выполнением рутин-
ной работы, мрачно готовилась к защите кандидатской диссертации,
он говорил мне: «Не о том ты думаешь и расстраиваешься. Ты думай
о дальнейших исследованиях, которые войдут в докторскую диссер-
тацию. У тебя потрясающе интересная тема». Если бы не его подбад-
ривания, возможно, я не смогла бы решиться на защиту докторской.
Олег Михайлович закончил Московский физико-технический
институт по специальности «физика твердого тела». Он учился
у С. П. Капицы. Подготавливал и защищал диплом в Институте
физических проблем АН СССР (ныне ИФП РАН им. П. Л. Капицы).
Работал в Радиотехническом институте АН СССР им. А. Л. Минца
(ныне ОАО «Радиотехнический институт им. В. Л. Минца), Госу-
дарственном институте горно-химического сырья, Московском
государственном горном университете. Работал внештатным экс-
пертом Всероссийского научно-исследовательского института
патентной экспертизы (ВНИИГПЭ). Был действительным членом
Российской академии естественных наук (РАЕН).
Круг научных интересов Олега Михайловича был очень широк,
и в каждом аспекте своей деятельности он добился успехов, в каж-
дый внес научный вклад.
Помимо квазипластичной обработки поверхностей твердых
хрупких минералов он занимался проблемами подземного сжига-
ния серы, подземного выщелачивания фосфоритов, химического
разупрочнения кимберлитов, созданием питательных субстратов
на основе цеолита, торфа, сапропеля, фосфоритов, технологией
получения нефтяных сорбентов, термической переработкой арсе-
нопиритов и другими научными проблемами.
Он является автором многих патентов в различных областях
научной деятельности.
Олег Михайлович обладал множеством талантов: писал стихи,
картины, во время учебы в МФТИ был заядлым кавээнщиком.
12 Предисловие
Был автором множества веселых посвящений к юбилеям. Ни один
праздник не обходился без его стихов. Он ко всему относился
с юмором и даже к рутинной работе подходил творчески.
Я счастлива, что судьба свела меня с этими замечательными
людьми.
Спасибо им. Вечная память.
Ââåäåíèå
Известно, что «нанотехнология» в соответствии с энциклопедией
означает совокупность методов и приемов, обеспечивающих воз-
можность контролируемым образом создавать и модифицировать
объекты, включающие компоненты с размерами от 1 до 100 нано-
метров (нм), хотя бы в одном измерении. В этих масштабах свойства
материалов начинают существенно изменяться, у них появляются
принципиально новые качества, открывающие новые технические
возможности.
Согласно последнему президентскому посланию и многочис-
ленным публикациям развитие нанотехнологий в Российской
Федерации является одним из приоритетных направлений науки
и техники. Ускоренное развитие работ в области нанотехнологий
и наноматериалов призвано обеспечить реализацию стратегиче-
ских национальных приоритетов Российской Федерации, в том
числе национальную и экономическую безопасность страны. Ос-
новной целью государства при решении данной проблемы должно
стать создание и развитие научной, технической и технологической
базы в области нанотехнологий и наноматериалов, обеспечиваю-
щей необходимый уровень обороноспособности и безопасности
страны, развитие новых подходов к инновационному преобразова-
нию отечественной промышленности.
Среди многочисленных «нанотехнологических» направлений
значительный интерес представляет возможность обработки по-
верхности твердых материалов до нанометровой шероховатости,
что очень важно для многих отраслей промышленности, прежде
всего электронной. Часть таких материалов синтезируют искус-
ственно, а часть из них являются природными минералами, на-
пример алмазы и сапфиры. Соответствующие исследования были
поставлены в Московском государственном горном университете.
Предлагаемая работа обобщает достигнутый к настоящему вре-
мени уровень решения проблемы с учетом авторских исследова-
ний. Авторы считают данное направление весьма перспективным
14 Введение
и рассчитывают на продолжение исследований с привлечением
самых современных технических средств.
Авторы благодарят за помощь, оказанную при работе над моно-
графией, д. т. н., проф. Дмитриева А. П., д. т. н., проф. Гончарова С. А.,
д. т. н., проф. Морозова В. И., д. г.-м. н., проф. Мельникова Е. П.,
д. т. н. Сильченко О. Б., д. т. н., проф. Куприянова В. В., д. т. н., д.ф.-м.
н., проф. Халкичева К. В., д. т. н., проф. Байора Б. Н., к. т. н. Наумо-
ва К. И., к. т. н. Ананьева П. П., к. т. н. Могиреву Е. С., к. т. н. Конь-
шина А. С., Самерханову А. С., Бирюкова Е. Н., Хохлова А. И., Теп-
лова М. М., Теплова А. М., Гладченкова Е. В., Зиновьеву И. И.
Авторы благодарны за поддержку работы руководству МГГУ,
коллективам кафедр ФГПиП и ТХОМ, сотрудникам фирм и ор-
ганизаций: ЦНИТИ «Техномаш» — д. ф.-м. н., проф. Самойло-
вичу М. И.; ЦЕНИ ИОФ РАН — к. т. н. Ашкинази Е. Е.; ИБХФ
РАН — д. т. н. Левину В. М., к. т. н. Петронюк Ю. С.; ООО «ПТЦ
«УралАлмазИнвест» — к. т. н. Алтухову А. А., к. т. н. Львову С. А.,
к. т. н. Смирнову В. И., Карасеву В. Ю.; ОАО «ЭНИМС» — д. т. н.
Хлебалину Н. Ф., к. т. н. Гришину В. М., Чеховской С. С.; РУДН —
д. т. н., проф. Рогову В. А.
ÃËÀÂÀ 1
ÏÎÂÅÐÕÍÎÑÒÍÀß
ÎÁÐÀÁÎÒÊÀ
ÒÂÅÐÄÛÕ ÕÐÓÏÊÈÕ
ÊÐÈÑÒÀËËÈ×ÅÑÊÈÕ
ÌÀÒÅÐÈÀËÎÂ
1.1. Ñîñòîÿíèå è ïåðñïåêòèâû ïðèìåíåíèÿ
òâåðäûõ õðóïêèõ ìàòåðèàëîâ
â ïðîìûøëåííîñòè
Все большее применение твердые хрупкие материалы находят
в технике, приборостроении, оптике, оптоэлектронике, медицине,
оборонной промышленности, микроэлектронике, при изготовле-
нии часов и в качестве ювелирных вставок. Минералы, особенно
в форме кристаллических образований (кристаллов), находят ши-
рокое применение при производстве высокотехнологичных изде-
лий в области нанотехнологий. Современный научно-технический
прогресс неразрывно связан с разработкой и освоением новых ма-
териалов и прорывных технологий. Именно материалы стали клю-
чевым звеном, определяющим успех многих инженерных решений
при создании сложнейшей электронной аппаратуры.
Объектами контроля в микроэлектронике являются близко
расположенные друг к другу микроскопические структуры, вы-
полненные в виде тонкопленочных рисунков или в виде газофазо-
вых гетероэпитаксиальных многослойных структур на плоской
подложке.
16 Глава 1. Поверхностная обработка твердых хрупких кристаллических
материалов
Основная тенденция, с помощью которой микроэлектроника
достигает новых показателей, — это минимизация размеров отме-
ченных структур. Геометрические размеры элементов определяют
заданные параметры и свойства приборов, а отклонения размеров
приводят не только к отклонениям технических характеристик,
но и к потере работоспособности. Неуклонное совершенствование
микроэлектронных приборов сократило минимальные размеры
элементов до субмикронных величин, а плотность их упаковки
на плоской подложке увеличилась на несколько порядков.
Размеры подложек выбираются в соответствии со степенью ин-
теграции интегральных схем (ИС), их материалы — в соответствии
с требованиями, предъявляемыми к электрическим, механическим
и термическим свойствам подложек. В свою очередь, эти требова-
ния обусловлены заданными параметрами пленочных элементов
и выбором технологических методов нанесения пленок.
Материал подложек должен иметь высокое объемное и поверх-
ностное удельное сопротивление. Низкие диэлектрические потери
снижают потери энергии вследствие поглощения в диэлектрике.
Высокая теплопроводность обеспечивает отвод тепла от микросхе-
мы и выравнивание температурного баланса ее поверхности. Согла-
сование коэффициентов линейного расширения подложки и осаж-
даемых пленок уменьшает механические напряжения в пленках
и тем самым снижает вероятность появления в них микротрещин,
разрывов и т. п. Высокая механическая прочность предупреждает
поломку подложек при сборке микросхем. Подложки должны быть
достаточно термостойкими при пайке и сварке; материал подложки
и структура поверхности должны обеспечивать хорошую осаждае-
мость пленок к подложке. Перечисленные требования к подложкам
являются общими для любого типа микросхем. Вот почему незави-
симо от выполняемых функций рабочие характеристики всех эле-
ментов определяются свойствами используемых материалов.
В настоящее время применяются следующие материалы для
изготовления подложек.
1.1. Состояние и перспективы применения твердых 17
хрупких материалов в промышленности
Стекла представляют собой различные системы окислов. Боро-
силикатное стекло состоит из SiO2 (80 %), В2О3 (12 %) и других окис-
лов (Na2O, K2O, Al2O3), алюмосиликатное — из SiO2 (60 %), Al2O3
(20 %) и других окислов (Na2O, CaO, MgO, B2O3). Стекла типов С-48-
3 и С-41-1 являются бесщелочными.
Керамика — поликристаллическое вещество с зернами сложной
структуры, получаемое в результате высокотемпературного отжига
(спекания) порошков различных окислов. Алюмооксидная кера-
мика типа «Поликор» состоит из Al2O3 (99,8 %), B2O3 (0,1 %), MgO
(0,1 %). Размер зерен — менее 40 мкм. Бериллиевая керамика содер-
жит от 98 до 99,5 % окиси бериллия ВеО.
Керамика, особенно бериллиевая, имеет значительно большую
теплопроводность по сравнению со стеклами. Кроме того, она об-
ладает большей механической прочностью и лучшей химической
стойкостью. Однако большие размеры зерен керамических мате-
риалов не позволяют получить удовлетворительный микрорельеф
поверхности для тонкопленочных ИС. Наиболее удовлетворитель-
ным микрорельефом обладает керамика с 96 %-м содержанием
Al2O3. Керамика с более высоким содержанием А12Оз, например
типа «Поликор», имеет поверхности, не обеспечивающие хорошей
адгезии к ним толстых пленок. Полировка мелкозернистой кера-
мики снижает микронеровности, однако вызывает существенные
и трудноустранимые загрязнения ее поверхности. Поэтому такая
операция не позволяет получить подложки, пригодные для тонко-
пленочных ИС.
Ситаллы — стеклокерамические материалы, получаемые в ре-
зультате термообработки (кристаллизации) стекла. Большинство
ситаллов характеризуется следующим составом окислов:
1) Li2O–Al2O3–SiО2–TiО2;
2) RО–А12O3–SiO2–TiO2 (RO — один из окислов СаО, MgO или
ВаО).
Ситаллы в 2–3 раза превосходят стекла по механической проч-
ности, но уступают керамике по теплофизическим показателям,
18 Глава 1. Поверхностная обработка твердых хрупких кристаллических
материалов
что не позволяет использовать их для изготовления микросхем
с мощными навесными элементами.
Кроме вышеуказанных, в отрасли применяется еще ряд мате-
риалов, свойства которых приведены в табл. 1.1.
Кремний — основной материал полупроводникового производ-
ства. В настоящее время из всех полупроводниковых материалов
наибольшее применение для изготовления полупроводниковых
ИМС получил кремний. Но его запасы ограничены и не удовлетво-
ряют потребностей электронной промышленности.
При тенденции миниатюризации в электронной промыш-
ленности для изготовления подложек интегральных микросхем
(ИМС) требуются материалы с лучшими теплофизическими
показателями.
В табл. 1.2 приведены характеристики диэлектрических мате-
риалов, которые удовлетворяют требованиям, предъявляемым
к подложкам ИМС.
Таблица 1.1. Свойства материалов, применяющихся для изготов-
ления подложек ИМС
Показатели АРТ-27 БР-1 ОРТ-60 ТС-2
Плотность, кг/м3 4700 4400 3960 3990
Предел прочности при ста-
тическом изгибе, МПа 114 120 136 144
Микротвердость, ГПа 8,7 7,8 8,9 9,8
Диэлектрическая проницае-
мость при частоте 1010 Гц 27 35 60 90
Тангенс угла диэлектриче-
ских потерь 104 при частоте
1010 Гц
5 3 4 4
Температурный коэффици-
ент диэлектрической про-
ницаемости 106, град1
0±20 0±20 40±20 55±20
Шероховатость
Rа, мкм 0,1 0,1 0,1 0,1
1.1. Состояние и перспективы применения твердых 19
хрупких материалов в промышленности
Наиболее востребованными материалами в различных отрас-
лях промышленности и перспективными для применения в элек-
тронной промышленности являются карбид кремния, арсенид
галлия, лейкосапфир и алмаз. Сравнительные характеристики вы-
шеперечисленных материалов приведены в табл. 1.3.
Карбид кремния
Благодаря высокой твердости, химической устойчивости и износо-
стойкости монокристаллический SiC используют для изготовления
радиационно стойких светодиодов, обладающих очень высокой на-
дежностью и стабильностью работы. Его можно использовать для
изготовления высокотемпературных силовых полупроводниковых
приборов, полевых транзисторов, туннельных диодов, счетчиков
частиц высокой энергии, терморезисторов. Поликристаллический
SiC используют в производстве нелинейных резисторов (варисто-
ров). Кроме того, на основе порошкообразного SiC производят вы-
сокотемпературные нагреватели и волноводные поглотители, а на
основе пленок аморфного SiC — светодиоды и солнечные элемен-
ты. SiC является перспективным полупроводниковым материалом
для высокотемпературной и высокочастотной электроники.
Таблица 1.2. Характеристики диэлектрических материалов для
подложек ИМС
Материал
диэлектрика
Удельное
сопро-
тивление,
Ом · см
Диэл.
пост.
Диэлек-
трические
потери
на часто-
те 106 Гц
Теплопро-
водность,
кал/см · с °С
Коэф.
линей.
расш.
10−6/°C
Боросиликат-
ное стекло 107 4,6 6,2 · 10−3 0,0027 3,25
Алюмооксид-
ная керамика
типа «Поликор»
1014 10,8 2 · 10−4 0,075–0,08 7,5–7,8
Кварцевое
стекло 1016 4 3,8 · 10−4 0,0036 0,56–0,6
Ситаллы 1013–1014 6,5 6 · 10−3 0,005–0,009 5
Лейкосапфир 1011 8,6 2 · 10−4 0,0055 5
20 Глава 1. Поверхностная обработка твердых хрупких кристаллических
материалов
Таблица 1.3. Физические характеристики монокристаллических
полупроводников
Параметры
Монокристаллические полупроводники
Алмаз Si GaAs SiC
Постоянная решетки, А 3,567 5,431 5,653 4,359
Плотность, г/см3 3,52 2,42 5,32 3,16
Теплопроводность, Вт/см·К 20–25 1,5–2 0,5 4,9
Диэлектрическая постоянная 5,68 11,7 10,9 9,7
Максимум спектральной
чувствительности, мкм 0,23 1,1 1,5 0,27
Коэффициент преломления 2,41 3,44 3,75 2,48
Запрещенная зона, эВ 5,47 1,11 1,43 2,23
Электроны 1800 1350 8600 1000
Дырки 2100 450 400 70
Скорость насыщения, 107 см/c 2,7 1,0 2,0 2,7
Напряжение пробоя, 105 V/см 100 3 4 30
Радиационная стойкость высокая низкая низкая низкая
Теплостойкость, °С 1000 200
Твердость (по Кнупу), кг/мм2 10000 1000 731
Арсенид галлия
Кристаллический арсенид галлия был впервые синтезирован
в 1954 г., и сразу же было обнаружено, что он является полупровод-
ником с высоким удельным сопротивлением. Легируя его различ-
ными добавками, можно получать кристаллы с электронной и ды-
рочной проводимостью.
Используется при изготовлении высокочастотных интеграль-
ных схем (ИС) и дискретных микроэлектронных приборов. По-
мимо высокого удельного сопротивления монокристаллы неле-
гированного GaAs, применяются при изготовлении светодиодов
и лазеров. Арсенид галлия широко используется в оптоэлектрони-
ке для изготовления инжекционных лазеров, свето- и фотодиодов,
фотокатодов, является прекрасным материалом для генераторов
СВЧ-колебаний (так называемых генераторов или диодов Ганна).
1.1. Состояние и перспективы применения твердых 21
хрупких материалов в промышленности
Применяется для изготовления туннельных диодов, способных
работать при более высоких температурах, чем кремниевые, и на
более высоких частотах, чем германиевые. Монокристаллы полу-
изолирующего арсенида галлия, легированные хромом, использу-
ют в инфракрасной оптике. Монокристаллы GaAs, легированные
цинком или теллуром, применяют в производстве высокочастот-
ных и оптоэлектронных приборов.
Лейкосапфир
Перспективным материалом является лейкосапфир. Это синтети-
ческий сапфир — монокристаллическая форма корунда, Al2O3. Ис-
пользование лейкосапфира в различных областях обусловлено его
исключительными свойствами, такими как высокая прозрачность;
устойчивость к УФ-излучению; устойчивость к механическим по-
вреждениям и высоким температурам; высокие диэлектрические
свойства; особенности кристаллической решетки, позволяющие
выращивать на нем эпитаксиальные слои; высочайшая прочность;
малый коэффициент трения; возможность сделать прочными очень
тонкие изделия (острие лезвия скальпеля); химическая и биологи-
ческая пассивность. Лейкосапфир широко применяют в технике.
В оптике используются сапфировые линзы, призмы, свето-
воды, элементы лазеров. В микроэлектронике лейкосапфир явля-
ется единственным материалом для изготовления основы радиа-
ционно стойких микросхем, используемых на АЭС и в космосе,
надежных микросхем памяти, гибридных СВЧ-микросхем. В оп-
тоэлектронике лейкосапфир применяется для изготовления под-
ложек светоизлучающих диодов (СИД) высокой яркости (HB LED)
и твердотельных лазеров, дающих синий, белый, зеленый свет,
важнейший материал планарной оптики. В машино- и приборо-
строении из лейкосапфира изготавливают:
• приборные смотровые окна и иллюминаторы, выдерживаю-
щие сверхвысокие температуры и перепады давления или
вакуум, устойчивые к агрессивным средам, механическим
повреждениям и излучениям;
• износоустойчивые окна сканеров;
22 Глава 1. Поверхностная обработка твердых хрупких кристаллических
материалов
• износоустойчивые детали (подшипники, нитеводы, направ-
ляющие);
• трубы плазмогенераторов и тензодатчиков (датчиков давле-
ния).
В медицине лейкосапфир применяют для изготовления про-
зрачных и сверхтонких лезвий для хирургии, химически пассивных
оптических элементов диагностических приборов, выдерживаю-
щих высокотемпературную стерилизацию. В оборонной промыш-
ленности лейкосапфир используется для изготовления сверхпроч-
ных и оптически совершенных защитных колпаков для головных
частей самонаводящихся ракет, визиров и окон, устойчивых к УФ-
и ИК-излучениям, КНС-микросхем, устойчивых к ионизирую-
щим излучениям, СВЧ-компонентов радиолокационных систем.
Комбинация благоприятных химических, электрических, меха-
нических, оптических, поверхностных, тепловых и других свойств
делает лейкосапфир предпочтительным материалом для точных
систем.
Алмаз
Помимо применения в ювелирной промышленности, благодаря
физическим свойствам существует возможность применять алмаз
в микроэлектронике. Алмаз — один из лучших изоляторов в отличие
от кремния, который даже в чистом виде является полупроводником.
Как изолятор алмаз характеризуется чрезвычайно высокой сопротив-
ляемостью электрическому пробою, и потому на его основе можно
изготавливать более миниатюрные электронные устройства, чем
по кремниевой технологии. При легировании бором, азотом или фос-
фором алмаз превращается в отличный полупроводник. Состояние
развития микроэлектронного производства достигло такого уровня,
когда требуются новые опыты и исследования алмазного материала.
Да и другие отрасли промышленности также заинтересованы в таком
материале. Ведутся исследовательские работы по созданию элемен-
тов памяти нового поколения на основе аллотропных модифика-
ций углерода, включая алмаз. Целесообразно применение алмаза
1.2. Особенности процесса разрушения поверхностного слоя при 23
механической обработке твердых хрупких кристаллических материалов
в перспективном направлении МЭМС (микроэлектромеханические
системы, или сокращенно МЭМС). Это множество микроустройств
самых разнообразных конструкций и назначения, производимых
сходными методами с использованием модифицированных группо-
вых технологических приемов микроэлектроники (например миниа-
тюрные детали: гидравлические и пневмоклапаны, струйные сопла
принтера, пружины для подвески головки винчестера, микродатчики
и исполнительные устройства, инструменты: скальпели и пинцеты
для работы с объектами микронных размеров, аналитические микро-
лаборатории на чипе).
Однако применение вышеуказанных материалов ограничено
сложностью их поверхностной обработки. Применение твердых
минералов и кристаллов для изделий микроэлектроники, меди-
цины и других отраслей промышленности обязывает выполнять
непрерывно ужесточающиеся требования к шероховатости поверх-
ности обрабатываемого материала и минимизации дефектов, при-
вносимых процессом обработки.
Следовательно, актуальными являются задачи обработки изде-
лий из лейкосапфира, моно- и поликристаллического алмаза и дру-
гих твердых материалов с достижением требуемых для применения
в промышленности выходных качественных параметров, а также
задачи автоматизации процесса изготовления больших партий из-
делий из этих материалов.
1.2. Îñîáåííîñòè ïðîöåññà ðàçðóøåíèÿ
ïîâåðõíîñòíîãî ñëîÿ ïðè ìåõàíè÷åñêîé
îáðàáîòêå òâåðäûõ õðóïêèõ
êðèñòàëëè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ
Полученные после разрезания слитка полупроводниковые пласти-
ны (подложки) обладают рядом нарушений, к которым относятся
наличие механически нарушенного слоя, неплоскостность и не-
24 Глава 1. Поверхностная обработка твердых хрупких кристаллических
материалов
плоскопараллельность сторон, изгиб и большой разброс по толщи-
не. Глубина механически нарушенного слоя является основной ха-
рактеристикой качества обработки полупроводниковых пластин.
Этот слой распространяется от обработанной поверхности в глу-
бину объема полупроводникового материала. Наибольшая глубина
залегания нарушенного слоя образуется при резке слитка на пла-
стины, процессы шлифовки и полировки приводят к уменьшению
глубины залегания этого слоя.
Качество поверхности полупроводниковых пластин оценивает-
ся с геометрической и физической точек зрения. С геометрической
точки зрения качество определяется неровностями, выступами
и впадинами реальной поверхности, с физической — отклонением
свойств верхних слоев материала от свойств материала сердцеви-
ны. Рассматривая реальную необработанную подложку в разрезе,
можно выделить рельефный слой, определяющий геометрические
отклонения от идеального поверхностного слоя; трещиноватый
Микронеровности
Рельефный
слой
H
Макронеровность
(отклонение
от плоскости)
Волнистость
Трещиноватый
слой
Напряженный
слой
Пластически
деформированный
слой
Нормальная
структура
(сердцевина)
Рис. 1.1. Поверхность пластины. Макронеровности — единичные,
неповторяющиеся отклонения поверхности (конусность,
непараллельность, овальность). Волнистость — периоди-
чески повторяющиеся выступы и впадины на поверхно-
сти. Микронеровности — выступы и впадины на неболь-
ших участках поверхности
1.2. Особенности процесса разрушения поверхностного слоя при 25
механической обработке твердых хрупких кристаллических материалов
слой с нарушенной целостностью поверхности; пластически де-
формированный слой; напряженный, упругодеформированный
слой (рис. 1.1).
На рис. 1.1 H — высота дефектного слоя, величина которого
определяется способом обработки. Чем грубее обработка, тем де-
фектный слой больше. К причинам появления дефектного слоя
следует отнести упругие, пластические деформации и деформации
разрушения, которые имеют место в процессе обработки, а также
нагрев поверхностного слоя, химические явления, которые имеют
место в зоне обработки: окисление, образование других химиче-
ских соединений.
Слой материала, подлежащего удалению в процессе последу-
ющей обработки пластины, называется припуском на обработку
(равным Н). Минимальное значение припуска должно обеспечи-
вать удаление микронеровностей и дефектного слоя, получаемого
при предшествующей обработке. В процессе обработки полупро-
водниковой подложки для получения нужного качества поверх-
ности (чистоты) припуск удаляется не сразу, а постепенно — в не-
сколько этапов. При этом предварительный припуск должен быть
как можно больше, чтобы удалить дефектный слой Н, но после
предварительной обработки появляется новый дефектный слой,
только меньшего размера. На рис. 1.2 приведены примеры дефектов
пластин.
h2 h
F
h1
Рис. 1.2. Примеры дефектов пластин: h = h2 − h1 — разнотол-
щинность; — неплоскостность; F — прогиб
26 Глава 1. Поверхностная обработка твердых хрупких кристаллических
материалов
1.3. Îñîáåííîñòè îáðàáîòêè òâåðäûõ
âûñîêîïðî÷íûõ ìàòåðèàëîâ
äëÿ ìèêðîýëåêòðîíèêè
Одной из важнейших областей применения твердых материалов
является микроэлектроника. Интегральная и функциональная
микроэлектроника являются фундаментальной базой развития
всех современных систем радиоэлектронной аппаратуры. Незави-
симо от выполняемых функций рабочие характеристики всех эле-
ментов определяются свойствами используемых материалов, т. е.
выходные параметры аппаратуры находятся в прямой зависимости
от применяемых материалов. В связи с этим важной задачей явля-
ется обработка новых материалов для применения изделий из них
в микроэлектронике.
В пленочных интегральных микросхемах (ИМС) элементы со-
здаются осаждением пленок на специальные платы из диэлектри-
ческих материалов — подложки. Подложка — заготовка, предна-
значенная для нанесения на нее элементов гибридных и пленочных
ИМС, контактных площадок, межэлементных и (или) межкомпо-
нентных соединений. Подложка служит механическим основани-
ем и, будучи диэлектриком, изолирует ее элементы, а также обес-
печивает отвод тепла от работающей микросхемы.
Подложки классифицируют как по структурным признакам,
так и по назначению. По структурным признакам подложки под-
разделяют на аморфные, поликристаллические и монокристалли-
ческие, а по назначению — на подложки для полупроводниковых,
пленочных, гибридных ИМС и микросборок.
Для изготовления микросхем требуются полупроводниковые
материалы в виде пластин, вырезанных из монокристаллических
слитков, имеющих форму стержня круглого сечения. Для обеспе-
чения требуемых параметров разработаны различные технологи-
ческие варианты изготовления пластин. В зависимости от характе-
ристик обрабатываемого материала варианты изготовления имеют
1.3. Особенности обработки твердых высокопрочных материалов 27
для микроэлектроники
свои особенности, но, как правило, состоят из одних и тех же базо-
вых операций, применяемых в различных сочетаниях.
К базовым операциям относят:
• рост кристалла;
• калибровку слитка;
• разделение на пластины;
• формирование фасок;
• шлифование пластины свободным или связанным
абразивом;
• полирование;
• очистку.
Существенное влияние на надежность и эксплуатационные ха-
рактеристики монокристаллов для микроэлектроники оказывают
изменения структуры и свойств поверхностных слоев, происходя-
щие в процессе обработки. На отмеченные свойства влияют жест-
кость крепления пластин на станке и параметры самой обработки.
Полупроводниковые микросхемы на лейкосапфировых под-
ложках изготавливаются по эпитаксиально-планарной и диффу-
зионно-планарной технологиям. В первом случае они реализуются
на базе эпитаксиальных слоев, выращенных на подложках, выпол-
няющих роль механического носителя. Во втором случае диффузия
легирующих примесей осуществляется непосредственно в припо-
верхностную область подложек на заданную глубину.
Эпитаксия — это метод послойного выращивания одного кри-
сталлического твердого тела на поверхности другого (называемого
подложкой), при котором растущий кристалл наследует кристал-
лографическую структуру подложки. Подложка, изготовленная
из кристаллов (кремния, лейкосапфира, алмаза и других твердых
материалов), выполняет роль механического носителя и отводит
тепло от микросхемы в процессе ее работы. Поэтому для изготов-
ления подложек применяются кристаллические минералы, обла-
дающие большой твердостью и высокой теплопроводностью (лей-
косапфир, алмаз). В настоящее время формирование поверхности
28 Глава 1. Поверхностная обработка твердых хрупких кристаллических
материалов
нанометрового рельефа для последующего этапа эпитаксии таких
материалов является большой проблемой.
Качество поверхностного слоя подложек существенно влияет
на структурное совершенство эпитаксиального слоя. Наличие дис-
локаций, микротрещин приводит к образованию дефектов в этих
слоях, причем их плотность, как правило, выше, чем в подложках.
Дислокации и дефекты упаковки формируются от подложки и на-
следуют ее отрицательные свойства, ухудшая эксплуатационные
свойства микросхем. Полировка мелкозернистой керамики сни-
жает микронеровности, однако вызывает существенные и трудно-
устранимые загрязнения ее поверхности. Поэтому такая операция
не позволяет получить подложки, пригодные для тонкопленочных
ИС.
Традиционными способами обработки лейкосапфира являют-
ся шлифование и полирование. При необходимости снятия боль-
ших припусков с деталей применяется шлифование связанным
абразивом, когда обработка ведется на режимах с максимально воз-
можной производительностью. Рост скорости удаления материала
обеспечивается за счет большого числа абразивных зерен на про-
изводящей инструментальной поверхности, а улучшение качества
обработки — за счет снижения усилий резания единичными зер-
нами инструмента. Для этого ширину алмазоносного слоя делают
значительно больше, чем обрабатываемая поверхность пластины,
и обработка производится только при вращении инструмента и его
подаче на врезание по всей обрабатываемой поверхности.
Так, в работе Г. Брандта описан способ, когда во время шли-
фования обрабатываемая пластина закрепляется на столе станка,
а инструмент диаметром 410 мм вращается с частотой 1450 мин1
и подается на деталь в соответствии с предварительно задан-
ной программой. Применяются алмазные чашечные круги АЧК
на связке М1 с размером зерен 125/100, 100/80 мкм концентрацией
100 %, марка алмаза — АС15, АС20, АС32, скорость инструмента —
5 м/сек. При этом достигается шероховатость поверхности Ra менее
1.3. Особенности обработки твердых высокопрочных материалов 29
для микроэлектроники
0,6 мкм, а глубина нарушенного слоя составляет h = 11 мкм. Ско-
рость удаления припуска может достигать 1000 мкм · мин1.
На этапах финишной обработки лейкосапфира рядом преиму-
ществ обладает шлифование свободным абразивом. Современные
станки для шлифования свободным абразивом имеют электрон-
ные устройства плавного пуска и задания давления, позволяющие
устранить дефекты, связанные с повышенной хрупкостью. Однако,
несмотря на введение контроля за процессом обработки, снижаю-
щим трудоемкость операций, недостатки данного метода не устра-
няются. Характерным дефектом при шлифовании свободным
абразивом является образование царапин, которое вызывается ки-
нематикой относительного движения пластин по полировальному
кругу, а причиной служит большая прочность зерен алмаза, кото-
рые, выдерживая большие нагрузки, внедряются в поверхность по-
лировального круга. Абразив с корундовыми зернами не образует
царапин, но из-за низкой производительности малоперспективен
в случае обработки лейкосапфира.
Магнитно-абразивная обработка основана на использовании
сил негомогенного квазистационарного магнитного поля, дей-
ствующего на частицы, обладающие абразивными и ферромагнит-
ными свойствами. Технически магнитно-абразивная обработка
реализуется путем внесения ферромагнитных абразивных частиц
в свободно перемещаемый воздушный зазор между полюсами
электромагнита и деталью. В результате ориентации ферромагнит-
ных частиц в рабочем зазоре по направлению силовых линий маг-
нитного поля обеспечивается практически постоянный контакт
между острой кромкой рабочих элементов и поверхностью пласти-
ны. При удалении материала сила трения приводит к перемещению
абразивных частиц, однако момент вращения ориентирует частицы
в такое положение, что острые кромки снова начинают работать.
Этот метод позволяет совмещать предварительную и финишную
обработки благодаря возможности управления жесткостью абра-
зивного инструмента в осевом и продольном направлениях. Отсут-
ствие связки, а следовательно, трения связки о поверхность пласти-
30 Глава 1. Поверхностная обработка твердых хрупких кристаллических
материалов
ны снижают температуру в процессе обработки; проникновение
частиц диспергированного материала между абразивными зернами
устраняет вероятность «засаливания» абразивного инструмента,
в результате чего отпадает необходимость процесса приработки.
Недостатками данного метода являются сложность проведения вы-
сокоточной обработки, отсутствие высококачественных магнит-
ных абразивов и, как следствие, недостаточно высокая производи-
тельность и качество обработки.
Для обоснования способа крепления пластины лейкосапфира
на станке интересен опыт использования изотропной диоксидной
керамики при обработке материалов резанием в качестве режущей
пластины, т. е. фактически при решении обратной задачи. Прежде
всего авторы работ, изучавшие стойкость диоксидной керамики,
отмечали ее значительную хрупкость. Так, А. М. Вульф показал, что
пластины из Al2О3 имеют склонность к выкрошиванию и даже по-
ломке при частых врезаниях режущей кромки. Для борьбы с этими
явлениями была предложена ручная подача при врезании и выходе
режущей пластины, а также использование упругих прокладок под
пластину, например прессованной бумаги. Толщина прокладки
b = 0,4–0,6 мм. На стойкость к трещинообразованию существен-
ную роль оказывала жесткость крепления пластин к державке.
В работе проф. Рудника С. С. показано, что при увеличении жест-
кости (I, кг/мм) с 800; 1000 и до 2000 стойкость Т (мин) возрастала
соответственно с 6; 27 до 52.
Наилучшие результаты по стойкости были получены при ис-
пользовании в качестве подложек под режущие пластины твердо-
сплавных пластин. Исследования авторов G. Iacger, R. Krostman
показали, что прочность режущих пластин из диоксида алюминия
на сжатие резко уменьшается при нагревании выше 800 °С, а на раз-
рыв — при нагревании выше 1200–1250 °С.
Усталостная прочность изучалась в работе А. М. Вульфа Резуль-
таты испытаний на усталостную прочность приведены в табл. 1.4.