сотрудник
Брянск, Брянская область, Россия
Брянск, Брянская область, Россия
УДК 621.923 Шлифование, полирование и подобные процессы. Методы и оборудование
ББК 345 Общая технология машиностроения. Обработка металлов
Исследования направлены на снижение брака при производстве полупроводниковой продукции на основе карбида кремния, что достигается путем изучения влияния технологических режимов обработки свободным абразивом (алмазным микропорошком в специальной пасте) на трещиностойкость карбидокремниевых пластин. Представлены результаты алмазно-абразивной обработки пластин из карбида кремния политипов 4H и 6H. Исследованы размеры поверхностных микротрещин керамических подложек после механической обработки пастами с алмазным порошком различной зернистости, а также установлена взаимосвязь между длиной поверхностной микротрещины и скоростью съема материала, зависящей от технологических режимов алмазно-абразивной обработки. Впервые предложен научно обоснованный подход к выбору режимов алмазно-абразивной обработки карбидокремниевых пластин различных политипов, при которых формируемые микротрещины не способны привести к разрушению изделия на последующих технологических этапах изготовления полупроводниковой продукции.
трещиностойкость, карбидокремниевые пластины, алмазно-абразивная обработка, качество, поверхность
Введение
Для изготовления большинства современной полупроводниковой продукции на основе карбида кремния, используемой в различных машинах и приборах, требуются монокристаллические пластины определенного политипа. Так, например, 4H-политип характеризуется наибольшей шириной запрещенной зоны, что позволяет изготавливать на его основе полупроводниковые приборы, обладающие высоким пробивным напряжением. На основе керамического материала 4H-SiC изготавливаются силовые и высокочастотные приборы (транзисторы биполярные и полевые, быстровосстанавливающиеся диоды и диоды Шоттки). Керамические подложки политипа 6H близки по своим электрическим и механическим свойствам с 4H керамикой, однако из-за большей теплопроводности и подвижности электронов нашли применение главным образом при производстве силовых микросхем и светодиодов.
Из-за высокой твердости керамических подложек обоих политипов их механическую обработку выполняют преимущественно свободным абразивом с малой производительностью. Однако, в ходе даже такой обработки дорогостоящая керамика может значительно растрескиваться, образуя поверхностные микротрещины, приводящие к дальнейшему разрушению пластин на различных технологических операциях производства полупроводниковых приборов [1]. Изучение влияния условий обработки на качество поверхностного слоя и трещиностойкость карбидокремниевых заготовок позволит выбрать режимы алмазного шлифования, которые не приведут к разрушению керамических пластин. В этой связи данное исследование является актуальным.
Условия и результаты абразивной обработки пластин из карбида кремния полипов 4H и 6H
Алмазно-абразивная обработка карбидокремниевых пластин представляет собой шлифование исходных подложек толщиной не более 400 мкм до толщины 250±20 мкм на установке по обработке сверхтвердых материалов. Керамические образцы приклеиваются на цилиндрическую планшайбу, которая в свою очередь устанавливается на стеклянный притир, вращающийся с определенной частотой. На притир наносится свободный абразив в виде пасты с синтетическими алмазами различной зернистости. Каждый последующий этап механической обработки характеризуется уменьшением зернистости абразивного порошка в составе применяемой пасты. Для увеличения производительности абразивной обработки планшайбу дополнительно нагружают грузами определенной массы. Внешний вид наклеенных керамических образцов на планшайбе, а также установки для обработки исследуемых материалов представлены на (рис. 1).
Рис. 1. Наклеенные на планшайбу керамические образцы (слева), установка
по обработке сверхтвердых материалов (справа)
Fig. 1. Ceramic samples glued on a faceplate (left), installation
for processing superhard materials (right)
Абразивно-алмазная обработка пластин из карбида кремния политипа 4H и 6H выполнялась по идентичному технологическому маршруту на установке ЮФ 113203. Фотографирование поверхностных слоев и определение размеров поверхностных микротрещин осуществлялось с помощью цифрового 3-D микроскопа VHX-1000E и растрового электронного микроскопа Jeol JSM 6610. Подробное описание условий проведения и технологического оснащения операций абразивной обработки карбидокремниевых пластин представлено в источниках [2,3].
Результаты экспериментальных исследований представлены в таблице.
Внешний вид нарушенного слоя с поверхностными микротрещинами пластины из карбида кремния политипа 6H представлены на (рис. 2).
(а) (б)
|
(в) |
(в) (г)
Рис. 2. Микрофотографии нарушенного слоя образцов пластин из карбида кремния
(а – после скрайбирования пластин, б - обработка пастой АСМ 60/40, в - обработка пастой
АСМ 40/28, г - обработка пастой АСМ 28/20)
Fig. 2. Micrographs of the damaged layer of samples of silicon carbide wafers (a - after scribing
of the plates, b - treatment with ACM 60/40 paste, c - treatment with
ACM 40/28 paste, d - treatment with ACM 28/20 paste)
Фотографии дефектных слоев, сформированных при алмазном шлифовании пластин из керамики политипа 4H различными абразивными пастами, представлены на (рис. 3).
(а) (б)
Рис. 3. Поверхностные микротрещины карбидокремниевой пластины
(а – обработка пастой АСМ 60/40, б - обработка пастой АСМ 40/28)
Fig. 3. Surface microcracks of silicon carbide plate
|
19 |
Таблица
Режимы обработки и размеры L микротрещин пластин из карбида кремния различных политипов
Table
Machining modes and dimensions L of microcracks in silicon carbide plates of various polytypes
|
Режим обработки пластин |
Карбид кремния политипа 4H |
Карбид кремния политипа 6H |
||||
|
Абразивный материал |
F, H |
n, мин-1 |
q, мкм/ч |
L, мкм |
q, мкм/ч |
L, мкм |
|
АСМ 60/40 |
87
|
50 35 |
20,0 19,2 |
75-90 |
22,0 20,3 |
90-105 |
|
24 |
11,7 |
65-75 |
13,7 |
80-90 |
||
|
40 |
24 |
5,5 |
25-35 |
6,5 |
35-50 |
|
|
АСМ 40/28 |
87 |
42 35 24 |
14,0 12,0 7,8 |
50-60 40-50 35-45 |
15,2 12,5 8,5 |
50-70 45-60 35-55 |
|
АСМ 28/20 |
87 40 40 |
35 35 26 |
8,7 5,0 4,5 |
20-30 10-20 10-20 |
9,2 5,5 5,0 |
25-40 10-30 10-30 |
|
Примечание: F – дополнительное усилие прижима на карбидокремниевые пластины; n- частота вращения инструмента; q- скорость съема материала; L – размеры поверхностных микротрещин |
||||||
В ходе исследований установлено, что величина дефектного слоя после скрайбирования (нанесения надрезов) карбидокремниевых пластин и формирования экспериментальных образцов не превышала 4 мкм. Алмазное шлифование керамики пастой АСМ 60/40 позволило получить максимальную производительность процесса при дополнительном усилии прижима карбидокремниевых образцов к планшайбе F=87 Н (см. таблицу 1). Однако при данном режиме механической обработки керамики было зафиксировано образование микротрещин максимальных размеров (100 мкм и более) (рис. 2 б и 3 а). Уменьшение зернистости абразивной пасты на последующем этапе обработки привело к снижению производительности процесса до 8-15 мкм/ч, и значительному снижению размеров поверхностных микротрещин для керамики обоих политипов. Заключительная обработка пластин пастой зернистостью АСМ 28/20 без дополнительного нагружения позволила получить лучший результат в отношении качества получаемого поверхностного слоя обрабатываемых подложек. При этом размер микротрещин не превышал 17-20 мкм (рис. 2 г), а производительность обработки снизилась до 4-5 мкм/ч.
Таким образом, на размер формируемых в поверхностных слоях микротрещин оказывают наибольшее влияние: размер зерна алмазного микропорошка абразивной пасты, дополнительное усилие прижима пластин к притиру F, а также скорость съема материала q с заготовки.
Выбор режимов абразивной обработки карбидокремниевых пластин с учетом их трещиностойкости
Результаты исследований показали, что увеличение зернистости алмазных зерен в пасте и повышение нагрузки на заготовки, приводит к значительному растрескиванию пластин и возникновению микротрещин в их поверхностных слоях, размер которых в отдельных случаях достигает 0,1-0,12 мм. Возникновение микротрещин в пластине может привести к разрушению дорогостоящих керамических подложек на последующих технологических операциях высокотемпературного отжига. Для предотвращения этого можно рекомендовать следующий подход к выбору режимов абразивной обработки карбидокремниевых пластин.
Трещиностойкость карбидокремниевых пластин с микротрещинами можно охарактеризовать коэффициентом KC интенсивности напряжений в зонах трещин. В этой связи длину LТ микротрещины, приводящей к разрушению карбидокремниевой пластины, можно определить, используя результаты исследований [2, 4]:
(1)
где kв – безразмерная поправочная функция, учитывающая отношение длины LТ трещины к ширине пластины; σн – растягивающие напряжения, действующие на пластину при изготовлении керамических изделий; KC – коэффициент интенсивности напряжений в зонах трещин.
Практика изготовления карбидокремниевых пластин в АО «Группа Кремний ЭЛ» показала, что растягивающие напряжения, возникающие при высокотемпературной обработке, могут составлять σн=125÷300 МПа. При известном значении коэффициента KС=3,5÷5 МПа·м1/2 по формуле (1) можно рассчитать размер Lт микротрещин, возникающих при алмазно-абразивной обработке, которые приведут к разрушению карбидокремниевой подложки при различных растягивающих напряжениях σн [3]:
σн, МПа 150 200 250 300
Lт, мм 0,22 0,12 0,08 0,05
В ходе анализа экспериментальных данных (см. табл.) установлено, что между длиной L поверхностных микротрещин и скоростью q съема материала существует линейная корреляционная зависимость L=kq , где k – коэффициент пропорциональности (k=3,5 для карбида кремния политипа 4H и k=4,0 для 6H керамики). Поэтому выбор режима абразивной обработки, обеспечивающего требуемую скорость съема материала без разрушения подложек пластин, возможен при выполнении следующих неравенств:
- для пластин из карбида кремния политипа 4H
L= 3,5q < Lт ; (2)
- для пластин из карбида кремния политипа 6H
L=4,0q < Lт , (3)
где L – длина поверхностной микротрещины, формируемой в ходе абразивного шлифования пластины со скоростью съема материала q.
Следует отметить, что скорость съема материала q при алмазно-абразивной обработке карбидокремниевых пластин зависит от политипа обрабатываемого материала, технологических режимов (см. таблицу 1) и возрастает с увеличением скорости вращения инструмента и усилия его прижатия к заготовке.
Заключение
На основании проведенных исследований впервые предложен научно обоснованный подход к выбору технологических режимов абразивной обработки пластин из карбида кремния различных политипов, при которых формируемые микротрещины не способны привести к разрушению изделия на последующих стадиях изготовления полупроводниковой продукции.
Размеры поверхностных микротрещин после абразивного шлифования пластин из карбида кремния политипа 6H превышают размеры трещин пластин из керамики политипа 4H при одинаковых режимах обработки на 15-20% , что может быть из-за более высоких температур при выращивании монокристалла политипа 6H и больших значений соотношения «кремний-углерод» в газовой фазе.
На трещиностойкость изделий из карбида кремния оказывают наибольшее влияние размер зерна алмазного микропорошка абразивной пасты, величина дополнительного усилия прижима пластин к притиру, а также скорость съема материала при заданной частоте вращения инструмента.
Заключительные этапы алмазной абразивной обработки пластин обоих политипов рекомендуется выполнять с использованием паст АСМ 28/20 без дополнительного нагружения пластин с частотой вращения притира, не превышающей 30 мин-1. В результате чего длина микротрещин будет в пределах 10-30 мкм, что в последующем позволит получить кристаллы без критических дефектов и обеспечит получение заданных электрических параметров изделия.
На основе выполненных исследований появляется возможность научно обоснованного выбора условий и режимов алмазной абразивной обработки пластин из карбида кремния различных политипов, обеспечивающих целостность их керамических подложек при изготовлении полупроводниковой продукции и требуемый уровень производительности процесса шлифования.
1. Душко О.В., Шумячер В.М. Алмазное шлифование карбидокремниевой керамики для машиностроения. - Волгоград: ВолгГАСУ, 2009. 80 с.
2. Бишутин С.Г., Алехин А.А. Выбор технологических режимов алмазно-абразивной обработки пластин из карбида кремния. Наукоёмкие технологии в машиностроении. 2020;12(114):3-6. doi: 10.30987/
3. Бишутин С.Г., Алехин А.А. Технологическое обеспечение трещиностойкости пластин из карбида кремния при алмазно-абразивной обработке. Вестник машиностроения. 2021;4:46-48. doi:https://doi.org/10.36652/0042-4633-2021-4-46-48
4. Крайнев А.Ф., Гусенков А.П., Болотин В.В. Конструирование машин / под ред. К.В. Фролова / М.: Машиностроение, 1994. Т.2 - 624 c.
