Технические науки/8. Обработка материалов в машиностроении

Яценко Г. С., младший научный сотрудник

Донецкий научно-технологический центр «Реактивэлектрон» НАН Украины

Оптимальное количество связки в магнитно-абразивном порошке для полирования монокристаллов кремния

Развитие электронной промышленности выдвигает все более высокие требования к качеству монокристаллических полупроводников. При решении задач, связанных с повышением качества полупроводниковых пластин, возникают проблемы, наиболее актуальной из которых является проблема уменьшения шероховатости поверхности и повышения чистоты поверхностного слоя полупроводниковых монокристаллов. Возрастающие требования к поверхностям вызывают потребность в совершенствовании существующих и создании новых технологических способов, расширяющих возможности отделочной и упрочняющей технологии.

Нарушение поверхностного слоя деталей из хрупких твердых неметаллических материалов, наблюдающееся в процессе механической обработки, определяет уровень выходных электрических параметров приборов. При обработке этих материалов преобладает процесс хрупкого разрушения, поэтому традиционными методами формообразования деталей из хрупких материалов является шлифование свободными и связанными абразивами.

Магнитно-абразивная обработка является высокоэффективным, принципиально новым и универсальным методом финишной обработки материалов, который разрешает в широких границах управлять важнейшими эксплуатационными свойствами обрабатываемых изделий. Она позволяет объединить в одном технологическом цикле черновую и чистовую операции, полностью механизировать и автоматизировать процесс.

Важным элементом магнитно-абразивной обработки является ее инструмент ― специальный ферро-абразивный порошок, который соединяет в себе высокие абразивные и магнитные свойства. От химического, фазового и дисперсного составов ферро-абразивного порошка зависит в значительной мере эффективность магнитно-абразивной обработки. [1-2]

Материал магнитно-абразивного порошка (МАП) должен обеспечивать максимальную твердость и хорошие магнитные свойства. Ни один из известных однородных материалов не обладает полным комплексом перечисленных свойств. Для обеспечения лучшей эффективности МАП используются композиционные материалы. Одна составляющая композита имеет высокие абразивные свойства, а вторая – магнитные.

Для изготовления МАП были использованы порошок железа распыленный (ПЖР) и синтетические алмазы фракций: 0-1; 3-5; 5-7 мкм. Композиционные МАП получали с использованием органической связки, полимеризирующейся при температурах 180-200⁰С.

В процессе выполнения исследовательской работы определялись химический и фазовый составы образцов рентгеноструктурным (ДРОН4), рентгеноадсорбционным (СПРУТ) методами, микроструктура (цифровой металлографический комплекс), статическая прочность зерен МАП (DDA-33), шероховатость поверхности образцов (прибор ТR200), функциональные характеристики (работоспособность, удельный съем металла) композиционных МАП с использованием специально созданной экспериментальной установки для МАО.

Связка обрабатывающего инструмента ― важнейший компонент рабочего слоя, удерживающий в инструменте абразивные зерна. Вид связки в значительной степени определяет его работоспособность. В обрабатывающем инструменте используется два основных вида связки: металлические и неметаллические. В свою очередь, неметаллические связки подразделяются на органические и неорганические. Металлические связки используют в основном с алмазами и бывают трех видов: на медно-оловянной основе, на твердосплавной основе и на кобальтовой основе. Неметаллические связки используются в сочетании с карборундом и электрокорундом, реже с алмазом. Среди неметаллических связок органического происхождения в основном используется бакелитовая и каучуковая. В последнее время бакелитовая связка стала применяться при полировании мрамора и гранита. В этом случае в бакелитовую смолу вводят полирующие компоненты: щавелевую кислоту, оксиды алюминия, олова, хрома и т. п. [3]

Величина съема кремния закрепленными алмазными зернами больше на 30%, однако, такая обработка приводит к образованию нарушенного слоя с толщиной на 38-45% больше по сравнению с образующимся при шлифовании свободным абразивом. Этот факт указывает на необходимость создания таких условий работы зерен, при которых исключалось бы их закрепление в шлифовальном инструменте. [4]

Для эффективного полирования связка должна прочно удерживать магнитную и абразивную составляющие в МАП. Чтобы определить влияние связующей на прочность частицы МАП были проведены испытания, при которых были использованы порошки с разным содержанием алмазов различных фракций.

Расположение абразивных частиц в МАП: 1 – поверхностное; 2 – объемное.

Рисунок 1 ― Зависимость усилия разрушения частицы МАП от толщины слоя связки между абразивными частицами. Размер частиц синтетических алмазов: 0-1 и 3-5 мкм Размер частиц МАП: 200-250 мкм. Содержание алмазов в МАП: 40 об. %.

Из рисунка 1 (кривая 2) видно, что при объемном расположении абразивной составляющей толщина слоя связки практически не влияет на усилие разрушения частицы МАП. Усилие разрушения определяется в данном случае процессом разрушения склеенных между собой частиц железа.

При поверхностном расположении (кривая 1) наблюдается максимум при толщине слоя связки между частицами алмаза 0,2 мкм. Уменьшение слоя до значений менее 0,2 мкм приводит к ослаблению прочности композиционного материала частицы МАП, так как при этом связка, видимо, не полностью покрывает поверхность частиц абразива.

При увеличении толщины слоя связки более 0,2 мкм сопротивление усилию разрушения уменьшается. Причиной этого может быть превышение толщины граничного слоя, при котором трение максимально.

Полирующие свойства композиционных МАП зависят от размера частиц порошка, величины зерна абразивной составляющей, способа ее расположения в МАП и ее объемного содержания.

Испытаны МАП на прочность усилия разрушения зерна для разного количества органической связки. Оптимальное количество использованной связки определяется с таким расчетом, чтобы среднее расстояние, занимаемое связкой между абразивными частицами, составляло 0,2 мкм.

Литература:

1. Кожитов Л. В., Косушкин В. Г., Крапухин В. В. и др. Технология материалов микро- и наноэлектроники. М.: Мисис. 2007 - 544 с.

2. Полищук В. С. Интенсификация процессов получения карбидов, нитридов и композиционных материалов на их основе. Севастополь: Вебер. 2003 – 327 с.

3. Берлин Ю.Я., Сычев Ю.И. Материаловедение для камнеобработчиков. Учебное пособие для проф. тех. училищ. Л.: Стройиздат. 1986 - 176 с.

4. Карбань В.И., Кой П., Ниппе Б. и др. Шлифование./Обработка полупроводниковых материалов. Киев: Наукова думка, 1982, С. 147-159.