Диссертация (1143290), страница 24

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 24)

Комплекс данных методов позволил получить распределение дефектов всапфире, следить за изменением морфологии структуры, что в конечном случаепозволяет наблюдать динамику изменения дефектов в структуре сапфира.1574.2Эволюция поверхности сапфира при механической обработке дляизделий микроэлектроникиДля обработки поверхности сапфира, соответствующей требованиям к подложкам (13, 14 класс шероховатости поверхности), следует проводить обработкуповерхности в несколько периодов с уменьшением размера абразива.

Вначале поверхность сапфира обрабатывается инструментом со связанным абразивом, а затемиспользуется свободный абразив разной зернистости. Размеры используемых абразивов и количество таких переходов определяются экспериментально.Абразивная обработка кристалла ведет к образованию нарушенного слояопределенной глубины, образующегося после воздействия зерен на обрабатываемую поверхность. Нарушенным считается слой [92, 191], уходящий от обработанной поверхности кристаллов и пластин вглубь и включающий следующие зоны:I – наружная рельефная зона, которая состоит из хаотически расположенных впадин и выступов, II – зона одиночных невыкрошившихся выколок и углубляющихсявнутрь микротрещин (трещиноватый слой) и III – зона деформированного монокристалла, включающая скопления дислокационных петель и дислокаций, которыеявляются продолжением трещин и находящихся вокруг них областей упругодеформированного монокристалла. За нарушенным слоем располагается кристаллбез повреждений.В теории очередности образования трещин присутствуют некоторые разногласия [192].

Для монокристаллов сапфира характерна следующая последовательность формирования трещин. Сначала при нагружении индентора возникают радиальные трещины, которые увеличиваются с повышением нагрузки. После в кристаллах сапфира возникают медианные трещины, которые при компланарныхусловиях могут слиться с радиальными. Затем возникают боковые трещины, представляющие собой квазипараллельные поверхности, которые при повышениинагрузки достигают поверхности и ведут к скалыванию кристаллов. При разгружении индентора всех типов трещины расширяются. При С/a ≥ 2 (С – длина трещи158ны, a – полудиагональ отпечатка индентора) определены следующие выражениядля длин трещин [192, 193]:1 FC R  1 1 ; C L   1 K ICH 4  K IC3F1 234 ,(4.2)где СR и СL – длины соответственно радиальных и боковых трещин, F1 – нагрузкана единичное зерно.Установлено [192], что на единице поверхности шлифовальника площадью1 см2 располагается 105 алмазных зерен и при суммарной нагрузке порядка 1 Н наединичное зерно приходится нагрузка примерно в 10-5 Н.Из работ [192, 194] определена зависимость между зоной пластической деформации S (CR >> S) вокруг отпечатка идентора при вдавливании сферы и длинойрадиальных трещин CR:SF1  1  2 K IC 2 5C R.(4.3)В определенных условиях при взаимодействии абразива и поверхности кристалла появляются трещины всех описанных выше видов не только при вдавливании инденторов, но и при царапании зернами абразива.В диссертации исследована возможность применения закономерностей разрушения монокристаллов сапфира единичным зерном для построения прогнозовпоказателей массового воздействия абразивными частицами на поверхность монокристаллов.

С помощью выражений (4.1) – (4.3) для монокристаллов сапфира получены следующие значения: CR = 0.11 нм, СL = 1.57 нм, S = 3.17 нм.В работе исследовно воздействие параметров абразивной обработки на глубину нарушенного слоя с повышенной плотностью дислокаций с помощью модели, разработанной Е. И. Райхельсом и М.

А. Ромом [195]. Изучался типовой случайобработки поверхности сапфира свободным абразивом. Давление на единицу площади F таково, что зерна абразива вдавливаются в кристалл на глубину не больше,159чем их диаметр. Средняя концентрация зерен абразива α, расположенных междуединичной площадкой кристалла и шлифовальником, равнаn,N(4.4)где n – число зерен, расположенных между единичной поверхностью кристалла ишлифовальником, N – число зерен, требуемых для покрытия в один слой площадкив 1 см2.Пусть абразивные зерна имеют форму сфер с радиусом R, тоN 1.R 2(4.5)Нагрузку на одно зерно можно записать в видеF  FR 2 .n F1 (4.6)Исследуем воздействие стандартной алмазной пирамиды на кристалл.

Микротвердость обрабатываемого материала (применяется стандартная алмазная пирамида с углом между гранями 136º) находится с помощью следующего выражения [195]:H  1.85F1,d2(4.7)где d – диагональ отпечатка на кристалле.Поменяв в формуле (4.7) диагональ отпечатка d на глубину внедрения пирамиды h, запишем:h  0.195F1.H(4.8)Если заменить воздействие пирамиды на кристалл влиянием условного теласферической формы приведенного радиусавеличинуa , вдавливаемого в кристалл также наa , то при условии совпадения контактных давлений на поверхности от-печатков пирамиды и сферы, коэффициент в (4.8) будет равным 0.55 и 0.31 [195].Соотношение (4.8) будет иметь следующий видaF1,H(4.9)160где β определяется на основе экспериментальных данных (в расчетах дальше будем пользоваться средним значением β, равным 0.43) [195].Из работы [195], в которой применяется модель Хилла, основывающаяся наидее приближенного метода анализа процессов обработки материалов, глубинапроникновения зерна сферической формы в кристаллa и величина зоны пластич-ности S относятся к характеристическим величинам кристалла, связанным друг сдругом выражением [195]k 31  3 ln( k )2E,9(1  ) H(4.10)где Н – микротвердость, υ – коэффициент Пуассона, Е – модуль Юнга.На основании выражения (4.10) графическим путем найдено значениеS/ a =k для кристаллов сапфира (аналогично работе [195]), затем определена величина зоны пластичности (зоны с новыми дислокациями, формируемыми благодаряпластической деформации кристалла).

Зона деформации кристалла, найденная автором диссертации для монокристаллов сапфира с помощью данного метода, равна3.86 нм, что согласуется с полученными ранее результатами.При длительном шлифовании, когда на кристалл воздействует много зерен вкаждый момент времени, окончательная структура дислокаций приповерхностногослоя сапфира характеризуется динамическим равновесием между скоростью шлифования кристалла и скоростью формирования новых дислокаций.С целью уменьшения количества внешних приповерхностных дефектов сапфира в работе обрабатывалась поверхность сапфира и проводилось исследованиевоздействия различных инструментов и способов обработки на состояние приповерхностного слоя сапфира.В таблице 4.1 приведены основные параметры шлифования монокристалловсапфира.Поверхности образцов исследовались методом атомно-силовой микроскопиии (АСМ).

На рисунках 4.14, 4.15 представлены результаты обработки поверхности сапфира алмазными порошками АСМ 28/20 и АСМ 1/0.161На рисунке 4.15 представлены профили типичных шероховатостей поверхности сапфира: случай (а) – после операции шлифования (шероховатость поверхности равна величине порядка 1000 нм), случай (б) – после операции полирования(шероховатость поверхности равна величине порядка 100 нм).Таблица 4.1 – Параметры шлифования монокристаллов сапфираТип и марка алмазногоСкорость вращения шли-Давление на зерно шли-инструментафовального инструмента,фовального инструмента,с-1кПа0.72500.9250АСМ 28/20 в суспензиина твердом инструментедля шлифованияАСМ 1/0 в суспензии нана мягком инструментедля шлифованияабРисунок 4.14 – Изображение поверхности сапфирового образца после шлифования алмазным порошком АСМ 28/20 (а) и АСМ 1/0 (б)162абРисунок 4.15 – Шероховатость поверхности сапфирового образца после обработки алмазным порошком АСМ 28/20 (а) и АСМ 1/0 (б)Трехмерное изображение поверхности сапфировой пластины после механической полировки алмазным порошком АСМ 1/0 представлено на рисунке 4.16.Рисунок 4.16 – Трехмерное изображение поверхности сапфировой пластиныпосле механической полировки алмазным порошком АСМ 1/0 (время обработки –15 мин)Для удаления верхнего дефектного приповерхностного слоя в работах [191,196] предложены модели процессов удаления материала с полупроводниковых идиэлектрических пластин свободным абразивом для получения бездефектногоприповерхностного слоя монокристаллов сапфира.163Модель Бритвина А.А основывается на хрупком разрушении твердых телпод влиянием концентрированных воздейcтвий абразивных частиц – инденторовна обрабатываемый материал.

В одной из моделей Бритвина А.А. [191] процессовсъема материала абразивом находится максимальная глубина проникновения медианных и радиальных трещин в кристалл под воздействием абразива остроугольной формы на обрабатываемый материал. Глубина приповерхностного нарушенного слоя может быть рассчитана по следующему выражению [191]:12H2sc  4R з 1      Hс  223H s  E  K Ic1  ,12(4.11)где α и β константы, соответственно равные 0.016 и π, а Е, Нs и KIc –модуль упругости, твёрдость и трещиностойкость обрабатываемого материала соответственно,Нс – твёрдость шлифовальника, Rз – средний радиус абразивных частиц.Особенностью данной модели является учет механических свойств шлифовальника в случае двухстороннего шлифования свободным абразивом.В ещё одной модели процесса съема материала абразивом Бритвина А.А.[191] рассчитывается зона пластической деформации, на границе которой при превышении критического усилия на частицу абразива формируются и растут боковые трещины, ответственные за съем кристалла.

Глубина проникновения образуемых при этом боковых трещин hбок.тр характеризуется глубиной формирования боковых трещин и записывается следующим образом [191]: E h бок.тр  2  Hs 1211 Hs  2 tan   d з 1     Hc   ,(4.12)где θ – угол конуса индентора.Для оценки глубины приповерхностного нарушенного слоя и глубины формирования боковых трещин были учтены следующие механические свойства сапфира [191, 196-200], приведенные в таблице 4.2.164Таблица 4.2 – Механические свойства сапфира для расчетаОриентация пла-Н, [ГПа]E, [ГПа]KIC, [МПа·м1/2]79.2401.35.5стины(0001)Нами рассчитаны глубина приповерхностного нарушенного слоя (с) и глубина залегания образуемых при абразивной обработке сапфира боковых трещин(hбок.тр) по формулам автора [191] c учетом параметров обработки для пластин сапфира ориентации (0001) двусторонним шлифованием (ДСШ) свободным абразивом карбида бора.Результаты расчетов сведены в таблицу 4.3.Таблица 4.3 – Результаты исследований глубины приповерхностного нарушенного слоя с и глубины залегания образуемых при абразивной обработке сапфира боковых трещин hбок.тр при различном среднем радиусе абразивных частиц Rз№Вид обработкиRз, [мкм]с, [мкм]hбок.тр, [мкм]1Полировка свободным абразивом0.50.0980.0132Полировка свободным абразивом0.70.1530.0181ДСШ свободным абразивом31.0670.076472ДСШ свободным абразивом105.3150.25493ДСШ свободным абразивом2013.390.50984ДСШ свободным абразивом30230.7647Проведенные исследования позволили согласовать расчет основных параметров обработки поверхности сапфира с моделями процессов удаления материалас полупроводниковых и диэлектрических пластин свободным абразивом [191].

Полученные результаты были применены для усовершенстования экспериментальнойтехнологии обработки сапфировых подложек.165Таким образом, для уменьшения количества дефектов сапфира в приповерхностном слое проведен ряд экспериментальных исследований по механическойобработке поверхности сапфира.

Характеристики

Список файлов диссертации