КРЕМЕНЧУЦЬКИЙ УНІВЕРСИТЕТ ЕКОНОМІКИ,

ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ І УПРАВЛІННЯ

Ткаченко Максим Олексійович

УДК 548.316.2

УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ШЛІФУВАННЯ КРЕМНІЄВИХ

СТРУКТУР З ДІЕЛЕКТРИЧНОЮ ІЗОЛЯЦІЄЮ

Спеціальність 05.27.06 – Технологія, обладнання та виробництво електронної техніки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Кременчук – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі комп’ютеризованих систем автоматики у Кременчуцькому університеті економіки, інформаційних технологій і управління.

Науковий керівник - | доктор технічних наук, професор Оксанич Анатолій Петрович,

Кременчуцький університет економіки, інформаційних технологій і управління, завідувач кафедри комп'ютеризованих систем автоматики.

Офіційні опоненти |

доктор фізико-математичних наук, професор

Новиков Микола Миколайович.

Національний університет ім.Тараса Шевченка, професор кафедри фізики металів.

кандидат технічних наук, доцент

Петренко Василь Радіславович,

Кременчуцький університет економіки, інформаційних технологій і управління, завідувач кафедри інформатики.

Провідна установа - | Інститут монокристалів,

Науково-технологічний комплекс "Інститут монокристалів" НАН України, м. Харків.

Захист відбудеться "_23.12.2005 p. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К45.124.01 при Кременчуцькому університеті економіки, інформаційних технологій і управління за адресою:

39600, м. Кременчук, вул. Пролетарська, 24\37, аудит. 1301.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Кременчуцького університету економіки, інформаційних технологій і управління за адресою: 39600, м. Кременчук, вул. Пролетарська, 24\37

Автореферат розісланий 10.11. 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради С. Е. Притчин

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В даний час діелектрична ізоляція (шар Si2) широко використовується у виробництві інтегральних схем (ІС). Якщо колись діелектрична ізоляція використовувалася тільки при створенні дорогих радіаційно-стійких ІС, то в даний час з її допомогою виготовляються лінійні високовольтні і широкий клас цифрових схем.

Кремнієві структури з діелектричною ізоляцією (КСДІ), що використовуються для виготовлення вище перерахованих ІС, виготовляються з кремнієвих пластин орієнтації (111) і (100) діаметром 76 – 100 мм із наступним нанесенням на них шарів Si2, Siполі, Sn+ і інших технологічних шарів при високотемпературних процесах з наступною механічною обробкою.

Нанесення шарів Si2, Siполі й інших при виготовленні КСДІ висунуло додаткові вимоги до якості обробки поверхні структур, а також до їхніх геометричних параметрів, таких як вигин (відхилення від площинності) і відхилення від паралельності пластин і структур. У зв'язку з цим подальший розвиток одержали різні методи механічної обробки.

Багаторазові механічні обробки й обумовлені ними ушкоджені шари на поверхні пластин, послідовне виготовлення шарів різного складу, термічні обробки в різних середовищах поставили перед дослідниками і технологами ряд задач, серед яких дуже важливою є задача зниження рівня внутрішніх напруг, що супроводжують більшість етапів виготовлення КСДІ.

В даний час для різання зазвичай застосовують алмазні круги з внутрішньою ріжучою кромкою, а для шліфування і полірування як абразив використовуються кристали корунду, алмазу, окису хрому і т.д. у вигляді порошків різної зернистості або суспензій. Істотним недоліком механічного методу обробки поверхні кремнієвих пластин є вплив абразивних часток на монокристал, що викликає появу різного роду дефектів, пов'язаних із процесом обробки. Ушкодження, внесені таким чином, виявляються в тонкому поверхневому шарі, названому ушкодженим шаром, величина якого визначається, в основному, розміром зерна абразиву. Ці ушкодження істотно впливають на наступні процеси дифузії, эпітаксійного нарощування, а також безпосередньо на параметри ІС.

В цих умовах дуже перспективним представляється пошук шляхів видалення цих ушкоджень чи зниження їхнього рівня за допомогою математичного моделювання процесів механічної обробки КСДІ і наступною оптимізацією процедури керування процесом шліфування КСДІ.

Задача визначення оптимальних кінематичних параметрів процесу шліфування КСДІ і розробки обладнання, що забезпечує необхідні механічні характеристики КСДІ на різних стадіях їхнього виробництва, на сьогодні є особливо актуальною для подальшого розвитку електронного матеріалознавства.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в Кременчуцькому університеті економіки, інформаційних технологій і управління (КУЕІТУ) на кафедрі комп'ютеризованих систем автоматики відповідно до міжвідомчої науково-технічної програми “Нанофізика і наноелектроніка”, науково-технічної програми “Електроніка - 2005” і планів госпдоговірних науково-дослідницьких робіт:

? НДР “Автоматизована система керування процесом шліфування кремнієвих структур з діелектричною ізоляцією”, договір № 12/04 ВП від 20.09. 2003 р., замовник ДП “Завод чистих металів” ВАТ “Чисті метали”;

? НДР “Розробка математичного забезпечення “АСУ-САШ”, договір № 10/05 ВП від 15.10. 2004 р., замовник ДП “Завод чистих металів” ВАТ “Чисті метали”.

Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи – оптимізація технологічних параметрів процесу шліфування КСДІ на основі розробленої математичної моделі процесу шліфування і створення системи автоматичного керування процесом шліфування КСДІ на базі верстату САШ-420М, що забезпечує зниження рівня ушкоджень поверхневого шару КС і їхню тріщиностійкість.

Досягнення поставленої мети забезпечується в результаті вирішення наступних задач:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

Об'єкт дослідження – технологічні процеси механічної обробки КСДІ.

Предмет дослідження - шляхи удосконалення технології шліфування КСДІ на верстаті алмазного шліфування САШ-420М.

Методи дослідження. Виконані дослідження базуються на фундаментальних положеннях теорії пружності, фізики напівпровідників, фізико-хімічних основах технології мікроелектроніки і результатах практичних досліджень на шліфувальному обладнанні.

У дослідженнях використовувалися методи:

? рентгенографічний метод для визначення вигину КСДІ за допомогою двокристального спектрометра;

? індуктивний метод для контролю товщини і відхилення від площин;

? методика розрахунку залишкових (внутрішніх) напруг за деформаційними кривими, отриманими пошаровим травленням;

? математичне моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів. У процесі розв’язання поставлених задач автором отримані наступні наукові результати:

1. Уперше визначені оптимальні значення основних параметрів процесу шліфування (t – максимальна глибина шліфування і dкр – глибина шліфування руйнування), що не приводять до структурних порушень поверхневого шару КСДІ.

2. Розроблено математичну модель процесу шліфування КСДІ.

3. Визначено оптимальні значення параметрів шліфувальних кругів, що забезпечують мінімальну глибину порушеного шару.

4. Визначено оптимальні значення відношення nст/nкр у межах
1,79·10-5ч4,7·10-5 і глибини шліфування КСДІ за прохід, яка не перевищує 35 мкм.

5. Розроблено метод визначення числа проходів шліфування з урахуванням виміряної товщини структури, необхідної глибини шліфування кожним кругом і накладених на сумарну глибину шліфування обмежень.

6. Розроблено процедуру визначення значень параметрів розташування КСДІ на вакуумному утримувачі і знайдено їхні оптимальні значення (?ср=15є, ?ср=24є, ?=9є), за яких досягаються оптимальні умови шліфування.

Практичне значення отриманих результатів. Встановлені обмеження на кінематичні параметри процесу шліфовки, оптимальні значення параметрів шліфувальних кругів та розроблена процедура визначення числа проходів шліфовки дозволили синтезувати і впровадити в промислову експлуатацію автоматизовану систему “АСУ-САШ” управління верстатом шліфовки САШ-420М, яка забезпечує механічну шліфовку КСДІ з підвищеним ступенем геометричної досконалості і видаленням частини порушеного шару з поверхні КС. Система впроваджена в експлуатацію на підприємстві ДП "Завод чисті метали” ВАТ "Чисті метали", м. Світловодськ. Окремі елементи системи впроваджені у навчальний процес при розробці стендів лабораторного устаткування за спеціальністю 7.091401 “Системи управління й автоматики” в курсі "Комп'ютерні системи управління". У дисертації наведені акти впровадження результатів роботи.

Особистий внесок здобувача. Робота виконана на кафедрі комп'ютеризованих систем автоматики КУЕІТУ. Основні результати, отримані в роботі, належать особисто автору і цілком опубліковані в літературі [1...5].

У роботах, виконаних у співавторстві, особисто Ткаченко М.О. належать наступні наукові результати:

1. У роботі [1] особисто автору належить розробка математичної моделі оцінки геометричних параметрів і внутрішніх напруг КСДІ.

2. У роботі [2] особисто автору належить розробка концепції побудови автоматизованої системи керування верстатом алмазного шліфування КСДІ.

3. У роботі [4] особисто автору належать розробка алгоритму визначення числа проходів шліфування при наявності обмежень на глибину шліфування, а також визначення оптимальних параметрів шліфувальних кругів.

4. У роботі [5] особисто автору належить визначення параметрів процесу шліфування та їх значення, що не призводять до структурних порушень поверхневого шару КСДІ.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи доповідалися й обговорювалися на:

? 1-й науково-технічній конференції з міжнародною участю “Матеріали електронної техніки і сучасні інформаційні технології” (МЕТІТ-1, м. Кременчук, 2004 р.);

? 3-й міжнародній науково-технічній конференції “Інформаційна техніка й електромеханіка” (ІТЕМ-2005, м. Луганськ, 2005 р.);

? Міжвузівській науково-технічній конференції молодих вчених і студентів “Інформаційні технології в економічних і технічних системах” (ІТЕТС-2005) (м. Кременчук, 2005 р.);

? Ювілейній Х міжнародній конференції з фізики і технології тонких плівок “МКФТТП-Х” (м. Івано-Франківськ, 2005).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 5 друкованих працях у виданнях, затверджених ВАК України.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Містить с. основного тексту,__ малюнків, __ таблиць, перелік використаних джерел з найменувань, додатки наведені на ___ сторінках.

Основний зміст роботи.

У вступі обґрунтована актуальність теми, її зв'язок з науково-дослідними програмами, сформульовані мета і задачі роботи, визначена її наукова новизна, практична цінність і наведені результати її апробації.

У першому розділі проведений літературний огляд за темою дисертації. Аналізується механізм механічного шліфування кремнієвих структур (КС). Показано, що при шліфуванні КС причиною руйнування є короткочасний механічний і термічний удар, тривалість якого складає частку секунди. Ударний характер впливу підсилює нерівномірність напружено-деформованого стану і приводить до тріщиноутворення. Наявність мікротріщин у поверхневому шарі значно знижує вигинну міцність структур (з 4,9-6,86 МПа до 0,98-1,17 МПа). Огляд літературних джерел показав, що щодо глибини порушеного шару і розподілу залишкових напруг за його товщиною для кремнію відомостей у літературі недостатньо.

Переважна більшість результатів отримана експериментальним шляхом, теоретичні методи практично не використовуються через складність процесу.

Для одержання експериментальних даних і оптимізації процесу шліфування кремнієвих структур у промислових умовах виникла необхідність розробки промислового обладнання, що дозволяє в автоматизованому (програмованому) режимі здійснювати процес шліфування кремнієвих структур різної конфігурації.

Другий розділ присвячується задачі дослідження напруженого і деформованого стану КСДІ в процесі шліфування. Розподіл залишкових напруг по товщині КСДІ в роботі знаходився механічним методом шляхом послідовного зняття шарів травленням і виміром відповідного вигину після кожного травлення. За результатами експерименту була отримана в табличному виді представлена на рис 1. деформаційна крива f(a), що задає зміну вигину КС f у залежності від товщини знятого шару a. За допомогою деформаційної кривої обчислений розподіл залишкових напруг (a) по товщині КС.

У процесі шліфування КС на їхню поверхню наноситься напружений шар, у якому діють стискаючі напруги. Напружений шар викликає осьову силу P=0a і згинальний момент M=0ah/2 , які приводять до виникнення напруг у пластині, що компенсують їхній вплив. Напруга від сили P визначиться як

p=0a/h, (1)

де ?0 - початкове напруження, ?a- товщина знятого шару, h – товщина КС.

Напруги від згинаючого моменту М розподілені за лінійним законом, максимальні значення якого рівні

, . (2)

Сумарні напруги підпорядковуються також лінійному закону

, . (3)

Момент М викликає також вигин КС. При цьому максимальний вигин дорівнює

, (4)

де E , – пружні характеристики шарів, r - радіус КС, В - табличний коефіцієнт.

Співвідношення (3) дозволили зробити кількісну оцінку ефекту Тваймана.

Якщо товщина напруженого шару, що стискається чи наноситься на пластину, досить велика, необхідно враховувати закон розподілу напруги в шарі при визначенні його інтегрального впливу на КС. Зняття напруженого шару товщиною еквівалентне нагруженню частини пластини, що залишилася, розтягуємою силою Р і згинальним моментом М:

, , , , (5)

де l - табличний коефіцієнт.

У процесі механічної обробки змінюються розподіл напруг по товщині КС і її вигин. Напруга після вирівнювання обчислювалася за формулою:

, (6)
де f – початковий вигин пластини; Ei, – пружні характеристики шарів. При знятті і нанесенні напруженого шару в нижче розташованих шарах наводяться напруги, що визначаються за формулою:

, , (7)

де A - табличний коефіцієнт.

Шляхом обчислення моменту М, що виникає при звільненні КС, був знайдений вигин після зняття КС зі столу

. (8)

Розрахунки показують, що після шліфування монокристалу вигин зменшився з 80 мкм до 46 мкм.

Третій розділ присвячений розробці процедури оптимізації керування процесом шліфування КСДІ на верстаті САШ-420М. Для розрахунку сил різання окремим зерном була застосована формула Єрьоміна-Розенберга, отримана для результуючої сили різання окремим зерном з урахуванням деформацій зрушення,

, ,

, , | (9)

де: Hv – твердість за Віккерсом оброблюваного матеріалу; ti – товщина шару, що знімається одним алмазним зерном; bi – ширина зрізу; – кут різання; – кут тертя ковзання; К – коефіцієнт усадки стружки.

За результатами проведених автором експериментів отримані значення: -45, tg0,33, K1,52, відповідно Km0,5, 02,44, bi2ti.

Співвідношення (9) не враховують високих швидкостей деформації і високої температури в зоні контакту КС і кругу. У реальному процесі шліфування Hv=f(И,е), тобто залежить від температури в зоні контакту і швидкості деформації е. Згідно Макгрегора-Фішера залежність Hv=f(И,е) була замінена модифікованою твердістю (Hv)M=f(M), M0,63. Аналіз залежностей модифікованої твердості від температури для різних матеріалів показує, що достатню точність забезпечує апроксимація

(Hv)M = AИ-м. (10)

У першому наближенні залежність була прийнята лінійною

(Hv)M = A-м И. (11)

Постійні А, визначалися за допомогою залежності Hv=f(), що була отримана стандартним методом випробувань. Приймаючи лінійну залежність модифікованої твердості від температури за допомогою 9, 11 було знайдено Pфi:

, ,

, . | (12)

За відомою величиною визначений радіальний тиск круга на КС

. (13)

Використовуючи (12) при A=1,5 отримане наближене значення qn

, qф=qnKm. (14)

На підставі отриманих у роботі співвідношень було визначене обмеження

, (15)

де: ncm– кутова швидкість обертання вакуумного столу (ncm =0,6 об/хв); nкр – кутова швидкість обертання шліфувального кругу (nкр =9000 об/хв), Rcm – радіус вакуумного столу (Rcm =190 мм); – середній розмір зерна; (y) - функція геометричних параметрів.

Було встановлено, що глибина занурення зерен h3y дорівнює

, (16)

де t – глибина шліфування (t<0,1 мм); c – ширина ріжучої кромки (с=3 мм), Vg, - кутова швидкість пластини (Vg =0,012 об/хв); Vкр - кутова швидкість кругу (Vкр =9000 об/хв).

З урахуванням (16) обмеження на швидкість обертання столу і кругу матиме вигляд

. (17)

Кінематичні параметри верстата САШ-420М обмежують максимальну глибину шліфування. Задаючись максимальним вилетом зерна зі зв'язки, рівним 0.4ч, було отримане обмеження глибини шліфування t<0.9ч. Таким чином, для кругу 100/80 – t<81 мкм, 80/63 – t<64 мкм, 40/28 – t<30 мкм. Максимальна глибина, на якій буде відбуватися руйнування, визначається як

, (18)

де [] – межа міцності при стисканні;

h – товщина пластини; P`t – сила, пропорційна глибині шліфування.

Таким чином, глибина, на якій залишкові напруги перевищують допустимі (зона тріщиноутворення) прямо пропорційна глибині шліфування. З 18 одержуємо обмеження на глибину шліфування при заданих товщині порушеного шару і межі міцності:

, (19)

де d0 – товщина порушеного шару.

При відсутності мікротріщин []784 МПа, прийнявши d020 мкм, визначене для h0,9 мм, отримуємо t<47 мкм. Таким чином, механічна обробка кругами 100/80 і 80/63 приводить до утворення мікротріщин. Мікротріщини, розташовані на периферії пластини, під впливом складової напруги, спрямованої уздовж осі тріщин, можуть розвиватися і приводити до руйнування КСДІ. Позначаючи цю складову через , одержимо

. (20)

Кути ? і ? є випадковими величинами. Вважаючи ці випадкові величини незалежними і розподіленими в інтервалі за законом рівномірної щільності, знайдена щільність спільного розподілу .

За відомою щільністю розподілу аргументів знаходимо математичне очікування (середнє значення) функції цих аргументів

. (21)

У нашому випадку =45, тобто . З умови знаходимо

. (22)

Приймаючи [] =147 МПа, h=0,9 мм, r=90 мкм, визначено t<31 мкм.

Враховуючи, що МК є анізотропним матеріалом і його пружні властивості відрізняються за різними кристалографічними напрямками, то раціональною установкою КС на вакуумному столі можна поліпшити умови шліфовки. При цьому оптимальним є таке положення КС, при якому в процесі обробки в кожній точці вектори, дотичні до траєкторії зерна, колінеарні . Указану умову забезпечити неможливо, оскільки КСДІ нерухома відносно столу, а положення вектора змінюється уздовж дуги контакту, крім того, змінюється дуга контакту внаслідок подачі пластини.

В роботі отримані вирази для визначення раціональної установки КС на шліфувальний стіл:

(23)

де R1 - радіус столу по центрах розташування КС, R2 – радіус столу, r – радіус КС, cp - середній кут повороту за час шліфування КС.

Для верстата САШ-420М визначено cp 15.

При сході круга з КС відбувається обламування кромки КС в результаті різкого збільшення тиску на кромку. В розділі визначена оптимальна форма бічної поверхні КС. Рівняння кривої (24), що визначає форму бічної поверхні при заданій глибині шліфування, знайдено з умови рівності максимальних нормальних напруг межі міцності у всіх точках по висоті кромки

, , (24)

де l - товщина кромки, Rд – радіус КС .

На рис. 2. представлені отримані нами залежності l = l (t) при =147 МПа (наявність мікротріщин) і =784 МПа (відсутність мікротріщин), за допомогою яких полегшується побудова форми бічної поверхні, залежної від режимів шліфовки. Побудовано перетин пластинки (рис. 3.), розміри наведені в мкм. Збільшення механічної міцності готової структури можна добитися травленням на глибину 20-30 мкм (пунктирна лінія).

Вибрана оптимальна форма бічної поверхні пластинки зменшує також вірогідність тріщинутворення при зустрічі круга з КС. Оскільки в цьому випадку результуюча сила, з якою круг діє на КС, прикладається в напрямку, близькому до нормального до поверхні, а також збільшується площа контакту.

У четвертому розділі розроблено автоматизований пристрій з програмним керуванням для шліфування КС (АСУ-САШ). Показано, що для забезпечення оптимізованої процедури шліфування необхідне дотримання обмежень на відношення швидкостей обертання столу і кругів ( ), обмеження на глибину шліфування (t) і максимальну глибину шліфування (dкр ), на якій відбуваються руйнування.

При підготовці КС до шліфування не вдається витримати з достатньою точністю товщину КС. Відхилення товщини КС для різних структур приводить до порушення обмеження (17), що викликає термоудар, обумовлений початковим тиском алмазного кругу на пластини, і у свою чергу приводить до появи внутрішніх напруг. Тому виникає необхідність контролю товщини кожної структури, що встановлюється на круг. З огляду на те, що датчик виміру товщини КС зафіксований нерухомо, для визначення значення товщини необхідно повернути карусель із закріпленою на ній пластиною на кут ?, що забезпечить проходження датчика по всьому діаметру КС. Кут ? можна визначити як:

, (25)

де Rс - відстань від центра столу до центра встановленої на столі КС, Rп – радіус КС.

Тоді максимальна товщина КС (Нmax ) визначиться як:

Нmax = argmax li є Ј (lb – li), (26)

де Ј - множина виміряних значень товщини КС по діаметру при повороті столу на кут ч.

lb – відстань від базової точки, розташованої на столі, до датчика; li - відстань від поверхні КС до датчика.

Необхідна глибина шліфування tшт після обробки КС трьома кругами повинна складати

tшт = Нmax – tп , (27)

де tп – необхідна товщина КС після шліфування.

У свою чергу глибина шліфування визначається глибиною шліфування кожним кругом і становить

tш =tш1 + tш2 + tш3, (28)

де tш1 , tш2 , tш3 – глибина шліфування відповідним кругом.

На глибину шліфування кожним кругом накладаються конструктивні обмеження, що складають 30 мкм, отже tш не повинна перевищувати 90 мкм.

Таким чином, для забезпечення оптимального режиму шліфування необхідно домогтися виконання умови:

tшт>tш. (29)

У випадку невиконання умови (29) шліфування варто робити за кілька проходів.

При цьому число проходів шліфування N визначиться як:

, (30)

де функція int визначена в такий спосіб:

, (31)

де a,b,c – цілі числа.

Як було показано вище, на співвідношення швидкостей обертання столу і шпинделів накладається обмеження (15). Виконання цього обмеження забезпечує оптимальне навантаження на пластину й оптимальні умови різання. Швидкість обертання столу nст визначається напругою на двигуні приводу обертання столу Uвст , а швидкість обертання кругу nкр - напругою на двигуні обертання кругу Uвкр1, Uвкр2,Uвкр3 для відповідного шпинделя кругу. Напруга, що надходить на двигуни, формується блоком управління приводом обертання кругу (БУПО) у залежності від керуючих сигналів ?uкр1, дuкр2, дuкр3 для кругів, а напруга, що надходить на двигун обертання столу з блоку управління обертанням столу (БУОС), формується в залежності від керуючого сигналу ?uст.

Отже, повинна виконуватися рівність

, (32)

де i – номер кругу (1ч 3).

При цьому (32) можна переписати у вигляді:

, (33)

де дuст - керуючий вплив на БУПП обертання столу, ?uкрi – керуючий вплив на БУПП обертання шпинделя відповідних кругів. Запропонована функціональна схема автоматизованого верстата представлена на рисунку 4. На основі аналізу функціональної схеми була синтезована структура автоматизованого пристрою з програмним управлінням для шліфування КС, яка представлена на рисунку 5, що забезпечує оптимальні режими шліфування.

Пристрій складається з наступних підсистем. Підсистема контролю призначена для контролю розрідження в повітряній магістралі (Рн), контролю швидкості витрат охолоджуючої рідини (Ро). При порушеннях у роботі системи охолодження чи системи вакуумування формується сигнал вимикання верстата. Вхідними сигналами для підсистеми є датчик розрідження і датчик витрати охолоджуючої рідини.

Підсистема вимірювань товщини пластини КС і положення кругів визначає відповідно до (27) товщину пластини (Нmax ) з урахуванням відхилення товщини КС від номінального значення, врахуванням непаралельності сторін, а також визначає положення шліфувальних кругів. Підсистема одержує інформацію з датчиків положення кругів і датчика визначення товщини пластин.

Підсистема обчислення параметрів шліфування на підставі виміряних значень товщини пластин, положення кругів і введених вихідних даних обчислює оптимальні параметри шліфування.

Підсистема управління приводами переміщення кругів і підсистема управління приводом обертання кругів і столу формує керуючі впливи на привід переміщення кругів (Uпкрi) і приводи обертання шпинделів і столу (Uвкрі) на підставі обчислених значень ?uпрі, дukр і частоти обертання електродвигунів (F).

Для забезпечення автоматичного управління верстатом, що забезпечує оптимальний режим шліфування, алгоритм керування верстатом будувався таким чином, щоб максимально автоматизувати усі види операцій з урахуванням вимог і обмежень. Основою алгоритму є формування керуючих впливів на швидкість обертання столу, швидкість обертання кругів, величину переміщення кругів. Вхідною інформацією при цьому є виміряна товщина КС з урахуванням непаралельності сторін КС. Укрупнений алгоритм АСУ-САШ наведений на рисунку 6.

У висновках сформульовані основні результати роботи.

1. Розроблено методику теоретичної оцінки складових сил різання на верстатах типу САШ-420 у залежності від кінематичних характеристик верстата, параметрів шліфувального кругу і пластини. Показано, що сила, з якою круг діє на пластину, істотно залежить від взаємного положення кругу і пластини в процесі шліфування і досягає максимального значення в момент зіткнення кругу з деталлю і сходу кругу з деталі.

2. Досліджено вплив нанесення і зняття напруженого шару на розподіл напруг і прогин пластини. Результати цього дослідження дозволяють здійснити математичне моделювання процесу механічної обробки пластин. Приведено конкретний приклад моделювання: у якості вихідних даних прийнятий усереднений розподіл залишкових напруг і усереднений початковий прогин, розраховані експериментально після нарощування ПК, і отримані епюри напруг і прогини на всіх етапах обробки, включаючи готову структуру КСДІ. Підсумки моделювання показують, що перерозподіл напруг у пластині, що виникають у процесі механічної обробки, визначає її вигин на кожному етапі обробки, але не може служити причиною тріщиноутворення.

3. Теоретичні й експериментальні дослідження з розподілу залишкових напруг після нарощування ПК дозволили побудувати наближений аналітичний закон зміни залишкових напруг за товщиною структури, а також визначити напруги після шліфування ПК і МК кругом АСМ-40/28. Це дало можливість теоретичної оцінки розподілу напруг і прогину готової структури КСДІ. Побудовано усереднену епюру напруг, показано, що усереднений кінцевий прогин приблизно на 40 мкм менше початкового, причому на його величину істотно впливає вихідний розподіл залишкових напруг.

4. Отримано оцінки напруг при взаємодії шліфувального круга з пластиною. Найбільш небезпечними розрахунковими випадками є моменти зіткнення круга з деталлю і сходу круга з деталі. При зустрічі круга з деталлю можлива передача зусилля на пластину через зерно, зв'язку, зерно і зв'язку. Якщо зусилля передається через зерно, то максимальна глибина, на якій контактні напруги перевищують межу міцності, може регулюватися глибиною шліфування. При передачі зусилля від кругу на деталь через зв'язку глибина шліфування не впливає на величину контактних напруг, тому зменшити тріщиноутворення можна збільшенням міцності поверхневого шару по периметру пластини травленням її бічної поверхні. У процесі сходу кругу з пластини відбувається обламування кромки біля основи, тому що нормальні напруги перевищують межу міцності, отримані залежності для розрахунку ширини кромки, що обламується.

5. Кінематичні параметри верстата САШ-420 не дозволяють робити шліфування на глибину, що перевищує середній розмір зерна. Зменшення навантаження на пластину і поліпшення умов різання можна домогтися зниженням відношення швидкостей обертання столу і кругу.

6. Глибина шліфування обмежена кінематичними параметрами верстата, умовою нерухомості пластини щодо столу, максимальними напругами при взаємодії круга з пластиною, причому найбільш жорсткі умови на глибину шліфування накладають контактні напруги. З умов міцності отримані режими шліфування для пластин з мікротріщинами по периферії і без мікротріщин (травлення бічної поверхні), які наведені в таблицях.

7. Розроблено методику вибору раціональної форми бічної поверхні пластини, що зменшує імовірність тріщиноутворення при шліфуванні. Проведено конкретний розрахунок для підкладки 500 мкм.

8. Оптимальною установкою пластин на столі при шліфуванні з боку МК можна поліпшити умови шліфування. Розроблена процедура орієнтації пластини щодо столу при шліфуванні на верстаті САШ-420.

9. Розроблено алгоритм визначення числа проходів шліфування з урахуванням виміряної товщини пластини, необхідної глибини шліфування кожним кругом і накладених обмежень на глибину шліфування, яка не повинна перевищувати 90 мкм.

10. Запропонована і науково обґрунтована концепція застосування автоматизованого пристрою з програмним управлінням, що забезпечує оптимальний режим шліфування кремнієвих структур. Розроблено функціональну і структурну схему системи, що складається з підсистеми контролю, підсистеми виміру товщини пластини, підсистеми обчислення параметрів шліфування, підсистеми керування приводами переміщення кругів, підсистеми керування приводами обертання кругів і столу. Визначена і науково обґрунтована номенклатура датчиків, що забезпечують безконтактний вимір висоти структур, положення столу.

11. Розроблено і впроваджено у виробництво на ДП "Завод чистих металів" ВАТ “Чисті метали” автоматизований пристрій із програмним управлінням для шліфування КС, забезпечений сучасним інтерфейсом користувача, що дозволяє реалізувати функції керування технологічним процесом шліфування КС. Впровадження цього пристрою дозволило одержувати промислово повторювані шліфовані структури без крихких тріщин і крихких руйнувань.

Загальний річний економічний ефект від упровадження розроблених у роботі методик і автоматизованого пристрою складає 50 тис. грн.

Список опублікованих автором праць за темою дисертації.

1. Оксанич А.П., Притчин С.Э., Ткаченко М.А. Разработка автоматизированного устройства с программным управлением для шлифовки кремниевых структур с диэлектрической изоляцией // Прикладная радиоэлектроника. – Харьков. – 2004. – Т. 3. – № 3. – с. 79-83.

2. Оксанич А.П., Притчин С.Э., Ткаченко М.А. Математическое моделирование механической обработки кремниевых структур на станке алмазной шлифовки САШ-420М // Науковий вісник ІЕНТ. Нові технології. – Кременчук. – 2004. – № 1-2 (4-5). – с. 121-124.

3. Ткаченко М.А. Разработка процедуры оптимизации управления процессом шлифовки кремниевых структур с диэлектрической изоляцией на станке САШ-420М // Науковий вісник ІЕНТ. Нові технології. – Кременчук. – 2005. – № 1-2 (7-8). – с. 76-85.

4. Оксанич А.П., Притчин С.Э., Ткаченко М.А. Система автоматического управления процессом шлифовки кремниевых структур с диэлектрической изоляцией. // Праці Луганського відділення Міжнародної Академії інформатизації – 2005. - №1(10). – с. 71-73.

5. Оксанич А.П., Притчин С.Э., Ткаченко М.О. Дослідження параметрів шліфування та структурних порушень при шліфуванні кремнієвих структур // Системні технології. Регіональний міжвузівський збірник наукових праць. – Випуск 1(36). – Дніпропетровськ, 2005. – с. 62-72

Ткаченко М. А. Усовершенствование технологии шлифовки кремниевых структур с диэлектрической изоляцией – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.06. – Технология, оборудование и производство электронной техники. – Кременчугский университет экономики, информационных технологий и управления, Кременчуг, 2005.

Диссертация посвящена усовершенствованию технологии процесса шлифовки КСДИ на основе разработанной математической модели процесса шлифовки и созданию системы автоматического управления процессом шлифовки КСДИ на базе станка САШ-420М. В работе проведен анализ механизма возникновения внутренних напряжений, приводящих к образованию на поверхности КС нарушенного слоя и снижению трещиностойкости структуры. Показано, что внутренние напряжения, возникающие в технологическом процессе производства КСДИ, приводят к сложным формам деформации КС и, как следствие, к растрескиванию КС в процессе шлифовки.

Показано, что напряжение в слое на глубине a складывается из остаточного напряжения (a) и дополнительного напряжения , возникающего в результате снятия напряженного слоя толщиной a. Показано, что наличие напряженного слоя приводит к возникновению напряжений от осевой силы Р и изгибающего момента М, которые в сумме подчиняются линейному закону. Получено соотношение для оценки величины максимального изгиба. Синтезирована математическая модель напряженного и деформированного состояния КС в процессе шлифовки на станке САШ-420М, с помощью которой показана возможность значительного уменьшения изгиба КС при шлифовке ПК и МК слоев.

Осуществлено математическое описание сил резания в процессе шлифовки кремниевых пластин и определены кинематические и геометрические параметры процесса шлифовки на станке САШ-420М. Показано, что на величину внутренних напряжений существенное влияние оказывает глубина шлифования и технологические режимы шлифования. Исходя из этого определены научно обоснованные ограничения на глубину шлифования и рассчитаны оптимальные технологические режимы шлифовки при наличии микротрещин на периферии КС и при их отсутствии. Получены зависимости, позволяющие определить оптимальную форму боковой поверхности КС, уменьшающей обламывание ее кромки, и определена эта форма для условий шлифования на САШ-420М.

Разработан алгоритм определения числа проходов шлифования с учетом измеренной толщины пластины, требуемой глубины шлифования каждым кругом и накладываемых ограничений на глубину шлифования. Научно обоснованы основные элементы и концепция применения системы автоматического управления станком САШ-420М, обеспечивающая оптимальный режим шлифовки кремниевых структур. Система состоит из подсистемы контроля, подсистемы измерения толщины пластины, подсистемы вычисления параметров шлифования, подсистемы управления приводами перемещения кругов, подсистемы управления приводами вращения кругов и стола.

Ключевые слова: шлифование, кремниевые структуры, внутренние напряжения, микротрещины, математическая модель.

Ткаченко М. О. Удосконалення технології шліфування кремнієвих структур з діелектричною ізоляцією – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.06 – Технологія, обладнання та виробництво електронної техніки. – Кременчуцький університет економіки, інформаційних технологій і управління, Кременчук, 2005.

Дисертація присвячена удосконаленню технології процесу шліфування КСДІ на основі розробленої математичної моделі процесу шліфування і створенню системи автоматичного керування процесом шліфування КСДІ на базі верстата САШ-420М. Показано, що внутрішні напруги, що виникають у технологічному процесі виробництва КСДІ, приводять до складних форм деформації КС і, як наслідок, до розтріскування КС у процесі шліфування.

Показано, що наявність напруженого шару приводить до виникнення напруг від осьової сили Р і згинаючого моменту М, що у сумі підкоряються лінійному закону. Отримано співвідношення для оцінки величини максимального вигину. Синтезовано математичну модель напруженого і деформованого стану КС у процесі шліфування, за допомогою якої показана можливість значного зменшення вигину КС при шліфуванні ПК і МК шарів.

Здійснено математичний опис сил різання в процесі шліфування кремнієвих пластин і визначені кінематичні і геометричні параметри процесу шліфування. Визначено, що на величину внутрішніх напружень істотно впливає глибина шліфування і технологічні режими шліфування. Отримано залежності, що дозволяють визначити оптимальну форму бічної поверхні КС, що зменшує обламування її кромки, і визначена форма для умов шліфування на САШ-420М.

Розроблено алгоритм визначення числа проходів шліфування. Науково обґрунтовані основні елементи і концепція застосування системи автоматичного керування верстатом САШ-420М, що забезпечує оптимальний режим шліфування кремнієвих структур.

Ключові слова: шліфування, кремнієві структури, внутрішні напруги, мікротріщини, математична модель.

Tkachenko M.A. Improvement in polishing technology of silicon structures with dielectric isolation - Manuscript.

The dissertation on competition a candidate of engineering science scientific degree, speciality 05.27.06. - Technology, equipment and electronic engineering manufacture. - Kremenchug university of economics, information technologies and management, Kremenchug, 2005.

The dissertation is devoted to technology improvement of polishing process of SSDI on the basis of the developed mathematical model of polishing process and creation of automatic control system by polishing process of SSDI on the basis of the machine tool САШ-420М. It is shown, that the internal voltage, which arises in technological process of SSDI manufacture, leads to complex forms of SS deformation and as a result to SS cracking during polishing.

It is shown, that the presence of the intense layer results in occurrence of voltage from axial force Р and bending moment М, that in the sum submit to the linear law. The parity for a maximal bend size estimation has been received. The mathematical model of SS intense and deformed condition is synthesized by polishing that shows opportunity of significant SS bending reduction at polishing PC and МC layers.

The mathematical description of cutting forces during silicon plates polishing has been carried out. Kinematics and geometric parameters of polishing process have been determined. It has been determined, that the size of internal voltage is essentially influenced by polishing depth and technological modes of polishing. The dependence which allows to determine the optimum form of SS lateral surface, which reduces breaking off of edge. A certain form for polishing conditions on САШ-420М gas been determined.

The algorithm on definition the number of polishing passes has been developed. The basic elements and application concept of automatic control system in the machine tool САШ-420М have been scientifically proved. This provides an optimum mode of silicon structure polishing.

Key words: polishing, silicon structures, internal voltage, cracking, mathematical model.

_____________________________________________

Підписано до друку __.__. 2005 р. Формат 60x90/16

Ум. друк. арк. 0,9. Обл. вид. арк. 0,9

Наклад 100. Зам. 2965

_____________________________________________

Кооператив "Ятрань"

39600, м. Кременчук, вул. Бутиріна, 22/9

т. 3-40-49, 3-50-46