Способ доводки пластин из твердых материалов на основе - 2al2o3

 

Использование: в механической обработке изделий электронной техники при изготовлении пластин из сапфира, рубина, керамики. Способ тонкой доводки твердых материалов на основе α -2Al₂O₃ включает наклейку пластин на планшайбу, вращение планшайбы, воздействие на пластины вращающимся инструментом и алмазным полирующим составом, замену инструмента и воздействие на пластины вращающимся вторым инструментом и полирующим составом. Алмазным полирующим составом обработку ведут на глубину не менее 20 мкм, в качестве второго инструмента используют диск из полимерного материала, а на пластины воздействуют полирующим составом, содержащим 8 - 12% золя кремниевой кислоты, при давлении на инструмент 10 - 30 кПа. Кроме того, в качестве полимерного материала для второго инструмента используют фторопласт. 1 з. п. ф-лы. 1 табл.

Изобретение относится к механической обработке изделий полупроводниковой техники и может быть использовано, например, при изготовлении пластин из сапфира, рубина, керамики в производстве гибридных интегральных схем (ГИС) и КНС-структур. Целью изобретения является повышение качества обработки поверхности при сохранении высокой точности обработки. Важной особенностью предлагаемого способа является необходимость двухэтапной обработки с обязательным удалением на первом этапе алмазным полирующим составом для материала на глубину не менее 20 мкм. В результате этого гарантируется высокая точность обработки пластин по таким параметрам, как отклонение от плоскости, отклонение от параллельности сторон пластин. В этом случае первый этап доводки следует считать подготовительным этапом для осуществления высокой прецизионной точности установки пластин для выполнения второго этапа доводки химико-механического полирования. Т.е. обработку пластин выполняют на одном и том же станке, не меняя закрепления планшайбы на рабочем столе. Для второго этапа доводки заданы вполне определенные режимы обработки, позволяющие осуществить чисто химико-механическое полирование золем кремниевой кислоты. Для этого необходимо создать в зоне контакта инструмента с пластинами температуру на уровне 60^оС, что обеспечивается выбором материала инструмента и диапазоном давлений на инструмент и известными по способу-прототипу частотами вращения планшайбы с пластинами и инструмента. В качестве инструмента используют диск из полимерного материала (нами опробованы материалы: фторопласт, пенополиуретан и текстолит) диаметром 90-120 мм. Пластины закрепляют на планшайбе диаметром 180-250 мм. Обработку пластин на первом и втором этапе выполняли при частоте вращения планшайбы 5-12 об/с, инструмента 15-50 об/с. Для второго этапа полирования в качестве полирующего состава используют 8-12%-ный водный раствор золя кремниевой кислоты. При концентрации золя менее 8% резко падает скорость съема материала. Увеличение концентрации золя более 12% нецелесообразно, так как скорость съема и качество обработки не изменяются. При давлениях на инструмент менее 10 кПа падает скорость съема, что, по-видимому, легко объяснить снижением температуры в зоне контакта пластин с инструментом. Увеличение давления на инструмент более 30 кПа приводит, с одной стороны, к высоким температурам в зоне контакта пластин с инструментом и возможному отклонению пластин при обработке; с другой стороны, из-за особенностей применяемого станка за счет гравитационного нагружения инструмента с помощью грузов возрастают вибрации самого инструмента при обработке. Таким образом, выполняя обработку пластин в два этапа, удается достичь минимального нагруженного слоя на поверхности пластин и обеспечить высокую точность обработки по плоскостности, параллельности сторон, исключить или свести к минимуму образование завалов по краям пластин, применяя жесткий инструмент при ХМП. П р и м е р 1. Для напыления слоев V и Ni при изготовлении гибридных интегpальных схем проводят тонкую доводку пластин сапфира 60х48 мм, с ориентацией поверхности в пл. (1012), предварительно отшлифованных алмазным кругом с зернистостью 60 мкм. Пластины в количестве пяти штук наклеивают на планшайбу диаметром 200 мм высокотемпературным клеем, обеспечивающим надежное крепление пластин при 60-70^оС. Планшайбу с пластинами закрепляют на рабочем столе станка СПШ-1. Первый этап доводки. На инструментальном шпинделе станка СПШ-1 закрепляют медный инструмент диаметром D=120 мм с осевым углублением D₁=40 мм на рабочей поверхности. Площадь инструмента S= π/4(D₂-D₁²)=3,14/4(0,12²-0,04²)=0,01 м². На рабочей поверхности инструмента выполнена спиральная канавка с треугольным сечением под углом 60^о глубиной 0,6 мм с шагом 1,5 мм (спираль Архимеда с направлением нарезки, обратным вращению инструмента на станке). Для обработки пластин готовят алмазный полирующий состав, для чего берут смесь глицерина и смачивателя СВ-104П в соотношении объемов 6:1 соответственно и вводят в эту смесь навеску алмазного порошка АСМ 3/2 из расчета 7 г на 1 л смеси. Планшайбу с пластинами приводят во вращение с частотой 10 об/с, а инструмент 40 об/с. Инструмент с помощью грузов прижимают к пластинам с усилием Р=100 Н, что соответствует давлению p=P/S=100/0,01=10000 Па=10 кПа. В зону полирования дозируют полирующий состав и осуществляют капельную подачу разбавителя (воды, силиказоля и т.п.). Планшайбу с пластинами охлаждают проточной водой, подаваемой на боковую поверхность планшайбы. Обработку пластин ведут на глубину 30-35 мкм, добиваясь одновременно удаления нарушенного слоя после предварительной обработки-шлифования и формируя обрабатываемую поверхность пластин как базовую для второго этапа доводки ХМК. Второй этап доводки. Заменяют медный инструмент на инструмент из полимерного материала, в данном случае, на диск диаметром D=120 мм с осевым углублением D₁=40 мм из фторопласта-4 (площадь инструмента S=0,01 м²). На рабочей поверхности выполнена спиральная канавка тех же размеров, что и у медного инструмента. Готовят полирующий состав, для чего берут силиказоль с 30%-ным содержанием SiO₂ (плотность силиказоля 1,18 г/см³) и смешивают с деионизованной водой в соотношении объемов 1:3 соответственно. При данном соотношении полирующий состав содержит 8% золя кремниевой соли. Инструмент прижимают к пластинам с усилием Р=100 Н, что соответствует p= P/S=100/0,01=10000 Па=10 кПа, и приводят его во вращение с частотой 15 об/с. Планшайбу с пластинами вращают с частотой 5 об/с. На пластины каплями подают полирующий состав (расход 3-10 мл/с). Процесс ХМП проводят в течение 3 ч. Съем составил 10-15 мкм. Алмазный фон на поверхности отсутствует. Шероховатость поверхности R_a ≅ 0,01 мкм. Контроль плоскости наложением на пластины пробного стекла, соответствующего ГОСТ 2923, показал, что на поверхности наблюдается интерференционная картина в виде 2-3 колец Ньютона (менее 1,0 мкм). "Завалы" по краям пластин отсутствуют. Отклонение от параллельности сторон, определенное путем измерения с помощью микронного индикатора толщины пластин в пяти точках и рассчитанное как разность между максимальным и минимальным значениями толщины не превышает 12-15 мкм. П р и м е р 2. Для производства ГИС изготавливают пластины из керамики ВК 100-1 (поликора) размером 30х24х0,5 мм с размерами пор не более 80 мкм. Пластины предварительно прошли алмазную полировку с двух сторон по стандартной технологии. При этом у партии пластин отклонение от параллельности сторон составляет 20-30 мкм, отклонение от плоскостности, измеренное пробным стеклом, равно 3-5 мкм. Пластины, отсортированные по толщине с допуском 10 мкм, в количестве 20 штук наклеивают на планшайбу диаметром 200 мм высокотемпературным клеем. Планшайбу закрепляют на рабочем столе станка СПШ-1. Первый этап доводки выполняют аналогично примеру 1, при этом алмазное полирование ведут на глубину 20 мкм. Затем проводят замену медного инструмента на инструмент из пенополиуретана диаметром 120 мм. Для этого на медный диск клеем 88 Н наклеивают кольцо из пористого пенополиуретана площадью S=0,01 м² и толщиной 2,5 мм. Второй этап доводки (ХМП) проводят водным полирующим составом, содержащим 12% золя кремниевой кислоты, в течение 3 ч. Режимы полирования: Частота вращения инструмента, об/c 50 Частота вращения планшайбы, об/c 12 Усилие прижима инст- румента, Н (давление на инструмент 30 Па) 300 На поверхности пластин отсутствуют риски, сколы, рябь. Шероховатость R_a менее 0,01 мкм. При наблюдении поверхности пластин в поле микроскопа при увеличении 200^х видны ямки размером на более 80 мкм с четким переходом впадин на плоскую поверхность (ямки на поверхности являются следствием наличия объемных пар в материале пластин), что показывает отсутствие выполирования ямок так же как при алмазном полировании. При контроле пластин пробным стеклом установлено, что отклонение от плоскости наклеенных пластин не превышает 1 мкм. Завалы по краям пластин отсутствуют. Отклонение от параллельности сторон не превышает 10 мкм. Параметры 3-11 сведены в таблицу. Во всех примерах проводили регенерацию пластин сапфира диаметром 60 мм. В примере 3, отвечающем заявленным режимам, второй инструмент выполнен из текстолита со спиральной канавкой (спираль Лагранжа) с прямоугольным сечением глубиной 0,2 мм и шириной 0,2 мм с шагом 0,8 мм. В остальных примерах (4-8, 11) использован фторопластовый диск, конструкция которого аналогична инструменту примера 1. Пример 9 соответствует способу-прототипу, в котором на втором этапе доводки применяли оловянный инструмент и алмазный полирующий состав на основе микропорошка АСМ 1/0. В примере 10 реализован процесс регенерации пластин сапфира в два этапа доводки согласно первому аналогу, когда ХМК выполняют на станке Ю1М3 на инструменте из синтетической кожи. В примере 11 на первом этапе доводки применен алмазный полирующий состав на основе микропорошка АСМ 5/3, глицерина и смачивателя СВ-104П. Не указанные в таблице режимы доводки соответствуют примеру 1. Из таблицы следует, что при режимах, выходящих за пределы заявленных признаков, поставленная цель изобретения не достигается (см. примеры 4-8, 11). Заявленный способ прошел апробацию при использовании на первом этапе доводки алмазного полирующего состава на основе микропорошка с зернистостью не более 3 мкм, поэтому трехчасовой доводки пластин на втором этапе в соответствии с заявленными режимами вполне достаточно. При увеличении размера зерна микропорошка на первом этапе соответственно увеличивается продолжительность второго этапа обработки. Исходя из изложенного (см. пример 11), наиболее приемлемый процесс доводки по производительности в том случае, когда на первом этапе доводки применяют алмазный полирующий состав на основе микропорошка с зернистостью не более 3 мкм это уточнение может быть внесено при необходи- мости экспертизой в формулу изобретения).

Формула изобретения

1. СПОСОБ ДОВОДКИ ПЛАСТИН ИЗ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ α-Al₂O₃, при котором планшайбе с наклеенными пластинами сообщают вращение, а процесс ведут в два этапа вращающимися инструментами с подачей на первом этапе алмазного полирующего состава, а на втором - полирующего состава, отличающийся тем, что, с целью повышения качества доводки, глубину обработки на первом этапе выбирают не менее 20 мкм, а на втором этапе в качестве инструмента берут диск из полимерного материала, при этом полирующий состав содержит 8 - 12% золя кремниевой кислоты, а давление на инструмент выбирают равным 10 - 30 кПа. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что диск для второго этапа обработки выполнен из фторопласта.

РИСУНКИ

Рисунок 1

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 10-2002

Извещение опубликовано: 10.04.2002        

---