Modul_2_3_Mekhanicheskaya_i_khimiko-mekhanicheskaya_o (Лекции Цветкова)

Механическая и химико-механическая обработкакремниевых слитков и пластинМонокристаллические слитки кремния, полученные и очищенные методами Чохральского или зонной плавки, являются основными заготовками для получения кремниевых пластин.Предварительно слиткам придается надлежащая форма (рис. 1): с обоих концов отрезаются хвостовики (1), проводится калибровка по диаметру (2), формирование базовогосреза (3).Рис. 1. Этапы формования слиткаОтрезка хвостовиков выполняется на том же оборудовании, что и последующаярезка слитков на пластины.Калибровка или круглая шлифовка слитка по диаметру (рис. 2, а) необходимадля выравнивания его поверхности и получения впоследствии пластин равного диаметра.Ведется на шлифовальных станках чашечными алмазными кругами (рис.

2, б).абвРис. 2. Шлифовка кремниевых слиткова – калибровка, б – чашечный алмазный круг, в - формирование базовых срезовПредварительно к торцам слитка наклеечной мастикой приклеиваются центры. Пришлифовании слиток охлаждается водой.Формирование базовых срезов выполняется чашечными алмазными кругами того же типа, что и для калибровки слитков (рис. 2, в).Последующее разделение слитка на пластины и их механическую обработку можносчитать первыми операциями из технологического процесса производства микроструктур. Именно на этих операциях обеспечивается достижение комплекса физических, электрических, геометрических параметров, обеспечивающих кремниевой пластине свойстватехнологической подложки.Особенности механической обработки кремниевых пластин определяются высокой твердостью и хрупкостью кремния.

Поэтому обработка ведется с использованиемабразивов - как в связанном состоянии (алмазные диски и шлифовальники), так и в свободном (абразивные суспензии и алмазные пасты).Отметим также, что монокристаллический кремний весьма дорог и его потери приформообразовании пластин снижают эффективность всего производства микроструктур.При абразивной обработке кремния происходит нарушение совершенства кристаллической решетки приповерхностного слоя кремниевой пластины - на ее поверхностивозникает механически нарушенный слой, структура которого может быть разделена потолщине на три зоны (рис. 3).Рис.

3. Структура нарушенного слоя на поверхности кремниевой пластиныПервая зона - нарушенный рельефный слой, состоящий из хаотически расположенных выступов и впадин. Ниже расположена зона, которая характеризуется одиночнымивыколками и идущими на всю ее глубину трещинами – трещиноватый слой.Третья зона представляет собой монокристаллический слой без механических повреждений, но имеющий упругие деформации - напряженный слой.По завершению обработки кремниевых пластин нарушенный слой должен бытьполностью удален с их поверхностей.Механизмы разрушения кремния материала при обработке свободным и связанным абразивами имеют различия.Частицы свободного абразива, вдавливаясь в поверхность кремния, вызывают образование в ней микротрещин (рис.

4). В процессе обработки они увеличиваются и рас-пространяются вглубь от поверхности, формируя сеть микротрещин, которые, смыкаясь,вызывают сколы отдельных участков кремния - микровыколки. Отколовшиеся частиудаляются с поверхности, происходит послойное удаление материала.абРис. 4. Зона обработки свободным абразивома– формирование микротрещин и зоны микровыколки, б – микроосколок кремнияСвободный абразив подается в зону обработки в виде жидких абразивных суспензий - абразивный порошок находится в жидкости во взвешенном состоянии и равномерно распределен в ней.Жидкость переносит новую порцию абразивных зерен, поступающих из дозатора, ивыносит из зоны обработки разрушенные частицы обрабатываемого материала, уменьшает перегрев обрабатываемых поверхностей.

При использовании в качестве жидкости щелочных или кислотных растворов при абразивной обработке обеспечивается химическоевоздействие на обрабатываемый кремний.Кроме того, жидкость проникает в микротрещины на поверхности кремния и способствует откалыванию от его поверхности отдельных частиц за счет расклинивающегодействия сил поверхностного натяжения.При обработке связанным абразивом, помимо действия нормальной силы, направленной перпендикулярно поверхности (обработка свободным абразивом), добавляетсядействие сдвигающей силы, направленной вдоль поверхности пластины (рис. 5). Этообеспечивает срезание микровыступов поверхности закрепленным зерном абразива.При обработке свободным абразивом ударное усилие направлено внутрь обрабатываемого кремния и абразивные зерна вызывают сильное разрушение поверхностногослоя.

При обработке связанным абразивом основная часть усилий направлена не внутрь, авдоль обрабатываемой поверхности, что вызывает меньшую глубину разрушения исходного материала при той же толщине удаленного слоя.абвРис. 5. Особенности обработки связанным абразивома – режим хрупкого разламывания, б – режим пластического деформирования, в – пластичная стружка на фоне мироосколков кремнияЖидкость при обработке связанным абразивом используется лишь для охлаждениярежущего инструмента и обрабатываемого материала.При определенном сочетании скорости резания и усилия подачи абразива возможно формирование продуктов резания кремния не в виде микроосколков, а в виде пластичной стружки (рис. 5, б, в).

При этом трансформированный слой в зоне резания не превышает долей микрометра, что делает этот режим обработки наиболее эффективным. Однако достижение таких режимов пока не отработано до уровня, пригодного для промышленного применения.Типовой технологический процесс изготовления пластин, отвечающих сформулированным в предыдущих разделах требованиям, включает следующие операции:резка слитков на пластины,снятие фасок,шлифовка и полировка,химико-механическая полировка рабочей стороны,финишная очистка.Резка слитков на пластины – первая формообразующая операция на этапе получения подложек. Учитывая высокую твердость кремния, его резка сопряжена с высокиминагрузками и температурой в зоне обработки.

Именно на этом этапе формируется максимальный по глубине нарушенный слой, последующие процессы шлифовки и полировкиприводят к уменьшению глубины залегания этого слоя.В современной технологии наиболее широко применяется резка слитков дисками свнутренней режущей кромкой и проволокой.Резка дисками – традиционный и наиболее распространенный в настоящее времяметод разделения слитков на пластины для микроэлектронного производства.Инструментом для резки здесь является тонкий круглый диск из холоднокатанойстальной ленты, в центре которого выполнено отверстие с диаметром, соответствующимдиаметру разрезаемого слитка (рис.

6).абвгРис. 6. Резка диском с внутренней режущей кромкойа – принцип действия, б – вид диска в плане, в – режущая кромка диска, в - сечение и характерные размеры дискаНа края отверстия нанесено алмазное покрытие, формирующее режущую кромкудиска. Нанесение проводится электролитическим способом из взвеси алмазного порошкав никелевом электролите. Размер алмазных зерен составляет 20…46 мкм.По периферии диска выполнены базирующие отверстия для закрепления на торцеполого, цилиндрического корпуса – барабана. Барабан вращается с частотой до 5000об/мин, подача слитка к режущей кромке – 30…40 мм/мин при резке кремнияПри закреплении диска он равномерно растягивается для обеспечения жесткости иуменьшения радиальных биений при резке. Возможные варианты устройств, обеспечивающих равномерное растяжение диска, показаны на рис.

7.вбаРис. 7. Схемы натяжения диска с внутренней режущей кромкойа – по коническому кольцевому выступу, б – кольцевыми прижимами снатяжением винтами (б) и гидравлически (в)Толщина диска составляет 0,1…0,2 мм и является компромиссом между ширинойреза и жесткостью диска. Диаметр диска с внутренней режущей кромкой примерно в 4..5раз превышает диаметр разрезаемого слитка. По этой причине барабаны для закреплениятаких дисков имеют большие размеры и массу, что, с учетом высокой скорости вращения,ограничивает диаметр разрезаемых слитков до 200 мм.В современных установках шпиндель с диском с внутренней режущей кромкойвращается в вертикальной плоскости, слиток подается горизонтально (рис.

8).абРис. 8. Установка резки слитков внутренним режущим кругома - компоновка установки, б – загрузка слитка для отрезки торцевС увеличением скорости резания качество поверхности пластин улучшается и увеличивается точность обработки, что объясняется уменьшением силы резания и, следовательно, снижением местных деформаций круга и не параллельности плоскостей отрезаемых пластин.