автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Исследование и разработка технологии обработки подложек для приборных пластин связанным алмазно-абразивным инструментом

На правах рукописи

<а>-

КОТЛЯРОВЮрий Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ ПОДЛОЖЕК ДЛЯ ПРИБОРНЫХ ПЛАСТИН СВЯЗАННЫМ А ЛМАЗНО-А БРАЗИ ВН ЫМ И Н СТРУ МЕН ТО М

05.11.14- Технология прибороороения

АВТОРЕФЕРАТ диссфтации насоисканиеученой степени кандидата технических игу к

Москва-2006

Работа выполнена в Моею веком государственном университете приборостроения и информатики и в ОАО «Мосювский завод «Сапфир»

Научный рую водитель: доктор технических игу к,

профессор КОНДРАТЕНКО Вл ади мир Степано вич

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор САГАТЕЛЯН ГайкРафаэлович

кандидат технических н^к А ЛЬТШУЛЛЕР Вадим Мармэвич

Ведущая организация: ФГУП «НИИ НПО «^ч» (г. Подольск Московской области)

Защита состоится « 25 » апреля 2006 года в зале Советов в 12 часов на заседании диссертационного Совета Д212.11901 при Московском государственном университете приборостроения и информатики по адресу: 107846,г. Москва,ул.Стромынка,20.

С диссертацией можно ознаюмиться в библиотеке МГУПИ.

Отзывы и замечания в одном экземшире, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 107846, г. Москва, ул. Стромынка, 20, Ученый Совет.

Авторефератразослан « 1 » марта2006 года

Ученый секретарь диссертационно го Со вета, д. т. н., проф.

В. В. Филинов

ОБЩАЯХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Работа посвящена решению важной проблемы в области производства современных приборов ми)фо - и оптоэлеюроники, связанной с эффективной прецизионной обработкой подложек из фемния, ар сен ид а галлия, сапфира и других материалов, используемых в качестве приборных пластин при изготовлении кристаллов широкого класса приборов. Существующие традиционные технологии шлифования подложек из указанных материалов с помощыо свободного абразива и последующего химию-механического полирования (ХМП) достигли пределов сюих возможностей, как с точки зрения повышения качества и точности обработки, так и сточки зрения себестоимости выпускаемой продукции.

В последнее десятилетие наряду с повышенными требованиями к приборным пластинам по струюурным, электрофизическим параметрам предъявляются высокие требования к их геометрическим параметрам -локальному отклонению отплосиэстносги (8ТГО.),разнотолщинност (Г1У), микрошероховагости и чистоте поверхности.

Расширение номенклатуры изделий, в перЕую очередь в части увеличениядиаметраобрабатываемых приборных пластин, требует не то лью существенного изменения, но и, прежде всего, создания ною го технологического процесса с использованием качественно новых инструментов и вспомогательных материалов. Экономическая целесообразность также диктует необходимость снижение припуснэв на обработку на отдельных этапах технологического процесса. Это ведёт к ужесточению требований к точностным характеристикам применяемого инструмента и пф аметр ам тех ноло гич ее них р ежи мо в.

Размерный рад отечественной технолоши обработки подложек из кремния, ар сен ид а галлия и сапфира не обновлялся с середины 80-х годов, тогда как номенклатура изделий существенно изменилась. Дэ сих пор наиболее распространённым является процесс шлифования свободным абразиюм.

В настоящее время традиционное шлифование подложек из кремния, арсенида галлия и сапфира осуществляется, как правило, с помощью свободного абразива в виде суспензий. При шлифовании свободным абразиюм диспергирование материала происходит в результате воздействия на его поверхность абразивных зерен, находящихся между поверхностью обрабатываемой подложки и поверхностью шлифовальной планшайбы. При шлифовании хрупких неметаллических материалов народу с неровностями поверхности, представляющими рельефный слой, всегда сопутствует объемная сетка ми!фОтрещин, распространяющихся вглубь материала. При этом глубина рельефного слоя соизмерима с размером абразивных зерен, а глубина трещиноватого слоя существенно превышает глубину рельефного

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ

БИБГ"— СП О»

слоя и составляет, например, для стекла от 4 до 6 диаметров абразивного зерна.

Косно вным недостаткам такой технологии следу его та если:

- большую глубину нарушенного слоя, для удаления которого требуетсядлительноетравлениеи полирование;

- трудность получения высокой точности геометрической формы поверхности при длительном процессе ХМП, что особенно актуально для заготовок больших размеров;

- низ«ую производительность труда;

- низгую культуру производства с плохими условиями труда, характеризуемыми малой степенью механизации и автоматизации процессов;

- большой расход абразивных порошюв за счет низкого коэффициента их полезного использования;

- низкую временную стабильность процесса шлифования свободным абразивоми процесса ХМП.

В последнее время на оперщиях тоню го шлифования стекла и неюторых других хрупких неметаллических материалов хорошо зарекомендовал себя алмазный инструмент на органической связке, который по сравнению с инструментом на металлической связке и свободным абразивом обеспечивает уменьшение глубины нарушенного слоя. Однако не известно примеров применения связанного алмазно-абразивного инструмента для обработки фемния, арсенида галлия и сапфира.

Задача технологического процесса обработки приборных пластин с помощью связанного алмазного инструмента - это удаление нарушений, возникших на первых этапах обработки, и получение свободной от механических повреждений поверхности пластин, в пер^ю очередь с геометрическими параметрами, удовлетворяющими современным методам микроэлектроники. Параметры плоскостности и разнотолщинности, закладывающиеся на операциях резки и предварительного шлифования свободным абразивом, зачастую ухудшаются на последующих операциях по удалению остаточных повреждений, например, химию-мех аничесное полирование (ХМП).

Таким образом, актуальность работы вызвана постоянно растущими требованиями к качеству подложек приборных пластин, используемых в производстве широкого класса приборов микро - и опта электроники. С другой стороны, необходимость выполнения данной работы связана с несовершенством существующих технологических процессов шлифования свободным абразивом и химию-механического полирования подложек из кремния, арсенидагаллияи сапфира.

Нема! ее остро стоит вопросо разработке новой технологии утонения приборных пластин на основе кремния, ар сен ид а галлия и сапфира со сформированными структурами приборов.

Таким образом, актуальность данной работы определяется необходимостью разработки принципиально новой высоюэффективной технологам прецизионной механической обработки подложек из кремния, арсенида галлия и сапфира для приборных пластин с помощью связанного алмазно-абразивного инструмента.

Цепью работы является разработка нового высою эффективно го технологического процесса шлифования и полирования подложек из кремния, арсенида галлия и сапфира, используемых в качестве приборных пластин, обеспечивающего качественно новые результаты, а именно, снижение глубины нарушенного, трещиноватого слоя на операциях шлифования без снижения производительности процесса обработки.

Решениеданной задачи включаетследующиеосноншеэтапы:

- создание новых типов связанного алмазно-абразивного инструмента;

- исследование и разработка технологии шлифования и полирования различных материалов с помощью связанного алмазно-абразивного инструмента;

- определение оптимального состава алмазного инструмента и смазочно-охлаящающей жидюста дляобработки различных материалов;

- оптимизация конструкции инструмента и оборудования для обработки различных материалов и реализации различных технологических процессо в: шлифование, полирование или утонение подложек.

Научная новизна работы состоит в том, что в данной работе впервые разработан новый технологический процесс механической обработки подложек из кремния, арсенида галлия и сапфира с помощыо новых типов связанного алмазно-абразивного инструмента.

В диссертационной работе исследованы и проанализированы результаты различных методов и технологий механической и химию-мех аничесиэй обработки широюго класса материалов.

Установлена взаимосвязь между основными пфаметрами процесса шлифования и полирования различных материалов, а также изучено влияние режимов обработки на точность и качество обработки.

Получены новые научные данные, позволившие разработать новый связанный алмазно-абразивный инструмент для высою эффективно го шлифования и полировали я таких материалов, как кремний, ар сен ид галлияи сапфир. Обоснованы и получены оптимальные составы алмазного инструмента на основе эпоксидно-диановой смолы. Проанализировано влияние различных свойств алмазного порошка на режущую способность связанного алмазного инструмента. Определены оптимальные типы применяемых алмазных порошювдля обработки различных материалов.

Разработана специальная смазочно-охлавдающая жидюсть, обеспечивающая работу инструмента в режиме самозатачивания при низких удельных нагрузках.

Определены оптимальные условия и режимы прецизионного шлифования деталей с относительной толщиной h/D < 1/100 (h - толщина подложки, D- диаметр или диагональ подложки).

Разработаны основные принципы конструирования шлифовального инструмента и оборудования для обработки плоских поверхностей деталей. Разработан общий алгоритм программы расчета шлифовального инструмента.

Практическая значимость. Исследования по теме диссертации связаны с решением практических задач, остро стоящих в ряде областей промышленности и техники. Практическая ценность данной работы подтверждена актами внедрения результатов работы на отечественных и зфубежных предприятиях. Результаты проведенных исследований показали, что прецизионное шлифование и полирование материалов, используемых в мифо - и оптоэлекгронике, с помощью новых типов связанного алмазно-абразивно го инструмента позволили по своим технию-экономическим показателям заметно превысить уровень лучших мировых аналогов. Выполненная работа открывает перспективу массового производства кремниевых и сапфировых подложек для митро - и опта электроники выоомэго качества при одновременном снижении их себестоимости.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанньй процесс прецизионного шлифования и полирования подложек их кремния, арсенида галлия, сапфира, а также рада других материалов, широю используемых в микро - и оптоэлекгронике в качестве приборных пластин, нашел практичесюеприменениеи внедрен наряде российских предприятий изфубежных компаний, в том числе:

- технология тонкого шлифования подложек из сапфира с ориентацией 0001, используемых в производстве светоизлучаощих диодов, с помощью новых типов связанного алмазного инструмента на предприятиях:

- ОАО «Моногристалл» (г. Ставрополь);

- ОАО «ПФК«Атлао> (г. Шибекино Белгородской области);

-ОАО «НПО«Элма» (г.Зеленоград);

- ОАО«Сйнфисгалл-АР» (г.Ереван);

- ОАО « Мэ сю веки й заюд « Сапфир»;

-ООО «Агентство технологических исследований «ЮниСаф» (г.Зеленоград);

- технология грубого и тонного шлифования сапфировых подложек в ФГУП НИИ НПО «Jfy4» (г.Подольск Мосювсюй области);

- технология шлифования сапфировых подложек в ОАО «Корунд» (г. Подол ьск Мо с мэ веной обл асти);

- технология шлифования фемниевых пластин на заводе «Камертон» Белорусского НПО «Интеграл»;

- опьпная технология утонения кремниевых пластин в ЗАО «НИИ материаловедения» (г.Зеленоград);

- технология шлифования и полирования фотошаблонных заготовок связанным алмазным инструментом внедрена на предприятиях:

- ОАО «Завод «Кристалл» (г. Железногорск Курской области);

- ОАО «НПО «Эпма» (г.Зеленоград);

- Костапольский стекольный завод (Украина);

- НПО «Интеграл» (г. Минск);

- технология механической обработки кварцевых подложек, используемых в производстве IR- фильтров, в фирме "Yu Xhg Technobgy Inc." (Тайвань);

- технология утонения плоских дисплейных панелей в компании "Foxoonn Techno bgy Group Ltd ."(Тайвань)

технология обработки оптических деталей из различных материалов, включая изделия из стали, ю ФГУП «Геофизика-Космоо> (г. Москва).

Технию-энономическая эффективность нового процесса шлифования и полирования подложек из кремния, арсенида галлия и сапфира значительно превышает эффективность существующих технологических процессов механической обработки с использованием свободного абразива. В частности, производительность ною го технологичесиэго процесса шлифования сапфировых подложек для светоизлучаогцих диодов в 2,5 раза выше по сравнению с технологией шлифования с помощью свободного абразива. Производительность шлифования кремниевых подложек при использовании связанного алмазно-абразивного инструмента РТ-20Р1 повышается в 3 раза по сравнению с традиционной технологией. При этом время последующего процесса ХМП софащается в 3-4 раза за счет уменьшения глубины нарушенного слоя на операции шлифования.

Апробация работы. Основные резул ьтаты диссертационной работы докладывались:

- наН^чно-техничесмом семинаре «Новое в технологии обработки и контроле оптических деталей» (г. Лида, 1991 г.);

- наУ Межлунфодной юнференции «Прикладная оптика-2002» (г. Санкт-Петербург- 2002);

- наХУШ Международной конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения(г. Москва - 2004)

- на Международном семинаре "SEMI Expo CIS 2003" (г. Москва -

2003);

- на Международном семинаре "SEMI Expo CIS 2005" (г. Москва -

2005);

- наУ Всероссийской н^чно-пракгаческой конференции «Системы автоматизации в образовании, неуке и производстве» :(г.Ново 1узнецк-2005),

а также на семинарах и научных конференциях Н^чно-иссл едо ватеп ьско го института материаловедения, Моею веко го государственного университета приборостроения и информатики, ОАО «Московский завод «Сапфир».

Результаты диссертационной работы демонстрировались на выставке и удостоены диплома «Технологии из России - 99», (г. Москва), на выставке «0птика-2000» (г. Москва), на V Международной торгово-промышленной выставке и удостоеныдипломай медали (г. Ганновер,2002 г.).

На защиту выносятся следующиеположения:

- технологический процесс прецизионной механичесюй обргботки подложек из кремния, ар сен ид а галлия и сапфира для приборных пластин с помощью новых типов связанного алмазно-абразивного инструмента;

- шлифовальный инструмент на базе новых связанных алмазно-абразивных элементов;

- оптимизированные технологические режимы шлифования и полирования подложек из кремния, арсенида галлия и сапфира с помощью различных типов связанного алмазно-абразивного инструмента;

- результаты исследований влияния различных типов связанного инструмента и режимов обработки на точность и качество обрабатываемой поверхности различных материалов;

- новая смазочно-охлаждающая жидюсть, обеспечивающая работу инструмента в режиме самозатачивания при низких удельных нагрузках;

- оптимальные условия и режимы прецизионного шлифования деталей с относительной толщинойЬЛЗ < 1Л00;

- основные принципы конструирования шлифовального инструмента и оборудования для обработки плоских поверхностей деталей.

Публикации .По материалам работы опублиювано 17 нгучных работ, в том числе, в описаниях к 3 патентам РФ на изобретения, в 10 опублиюванных тезисах и докладах Международных конференций и в 4 статьях опублиюванных в ночных журнала*.

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 плав, заключения, списка литературы и приложений. Она содержит ISO страниц текста, включая 70 рисунюв, 14 таблиц и список литературы из 73 наименований цитируемой литературы.

Во введении показана актуальность выбранной темы исследований по разработке и внедрению в производство нового высоюэффектаеного технологического процесса прецизионной механичесюй обработки подложек из фемния, арсенида галлия и сапфира для приборных пластин с помощью связанного алмазно-абразивного инструмента.

Сформулирована цель, у казана научная новизна и практическая ценность работы. Приведены основные научные и практические положения, выносимые на защиту.

Первая глава работы посвящена анализу особенностей алмазно-абразивной обработки подложек из кремния, ар сен ид а галлия и сапфирадля приборных пластин. Проведен глубоюгй анализ состояния теории и достигнутых практических результатов в области алмазно-абразивной обработки прецизионных изделий с относительной толщиной Ь < 1 /100. В результате выполненного анализа в связи с поставленной задней диссертационных исследований сделаны следующие выводы:

1. Переход при тонком алмазном шлифовании изделий от свободного абразива к связанному алмазному инструменту обеспечивает качественно новый уровень технологии, характеризуемый резким ростом производительности обработки, увеличат и ем износостойкости инструмента и улучшением культуры производства. Однанэ не известно случаев применения связанного алмазного инструмента для финишного шлифования тонких изделий с относительной толщиной Ь / Б < 1 /100 с высокими требованиями кточности формы обрабатываемой поверхности.

2. Неизвестно также примеров использования традиционных типов связанного алмазного инструмента для обработки подложек из фемния, ар сен ид а галлия и сапфира для приборных пластин, что можно объяснить более высокими удельными давлениями при алмазном шлифовании указанных материалов.

3. Для исключения влияния деформаций детали на точность геометрической формы обрабатываемой поверхности относительная толщина должга быть не менее ОД , т. е. 11 / Э > \ 5. При шлифовании точных поверхностей тонких деталей с относительной толщиной Ь / Б ~ 1/100 возникают значительные трудности, связанные с деформациями детали под действием остаточных напряжений в материале и деформациями под действием растягивающих напряжений, возникающих в нарушенном поверхностном слое.

4. Однаиэ существующие технологии обработки прецизионных подложек из кремния, арсенида галлия и сапфира с помощыо свободного абразива уже не обеспечивают возросших требований микро- и оптоэлектроники ни по качественным, ни по экономическим показателям.

5. Известные типы связанного алмазного инструмента предназначены для эксплуатации при высоких удельных давлениях отОРЗ до0,15 МПаи высоких относительных линейных сгоростях (пор ад ка 10...40 м/с). Однаю такие режимы обрйэотки тонких подложек с высокими требованиями кточности формы поверхности неприемлемы. Это связано с механическими деформациями деталей в процессе их обработки, а также с деформациями пластин после обработки под действием растягивающих напряжений, возникающих в глубоюм нарушенном поверхностном слое.

Вторая глава работы посвящена исследованию и разработке новых типов связанного алмазно-абразивно го инструмента для обргботки подложек из фемния, арсенида галлия, сапфира и других материалов, используемых в качестве приборных пластин в микро - и оптоэлекфонике.

При изготовлении первого типа связанного алмазно-абразишого инструмента в качестве связующего была использована эпоксидно-диановая смола, а в качестве сотвердителя- полиэтиленполиамин (ПЭПА).

Для определения оптимального состава для изготовления алмазного инструмента необходимо правильно выбрать тип алмазного порошка, и связующее, состоящее из наполнителя и функциональной добавки. В качестве наполнителя была выбрана двуокись церия, а в качестве функциональной добавки - смесь сернокислого никеля и щавелевой кислоты.

Использование в качестве наполнителя двуокиси церия, имаощей сравнительно низкую прочность и тонкодисперсную чешуйчатую структуру, способствует улучшению упруго- пластических свойств инструмента и снижению его засаливания в процессе эксплуатации. Кроме того, двуокись цфия способствует удалению ми крон еро то сгей на обрабатываемой поверхности, то есть участвует в формировании мицэорельефа, как вспомогательный абразив. Комплекс «двуокись церия - алмазные зерна» в указанных соотношениях образует каркас массы с высо неразвитой поверхностью, имеющей высокую реакционную способность. В то же время в каркасе отсутствуют сыпучие конгломераты, которые в процессе шлифования выделили бы отдельные несвязанные алмазные зерна.

Фунщиональная добавка, состоящая из смеси сернокислого никеля и щавелевой кислоты, выполняет двойственную функцию. Во-первых, это трибохимичесмэе воздействие реагентов на поверхность стекла в зоне контакта инструмента с обрабатываемой деталью, а во-вторых, взрыхление связки и обновление новых алмазоносных слоев за счет растворения мелкодисперсных частиц указанных химических реагентов под действием воды, являющейся основой состава смазочно-охлаждающей жид ю ста.

Исследовано влияние размерной фракции (зернистости) алмазного порошка и его концентрации на режущую способность и износостойюсть инструмента, а также на качество обработки.

С цепью выбораоптимальной размерной фракции алмазного порошка были исследованы зависимости режущей способности инструмента и шероховатости обрабатываемой поверхности (рис. 1).

1 Я "ж 4 о" 3.5 5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 Ra,

t fl мкм 1,6 0,8

у / • *

/ t 1

/ • *

/ * • 1

/

40

80

120

160 200 d,MKM

Рис. 1. Зависимость производительности шлифования алмазным инструментом на основе эпоксидно-диановой смолы (1 - 4 ) и шероховатости обработанной поверхности (5) в инструменте от зернистости используемого алмазного порошка при различных удельных нагрузках. 1-0,1 МПа; 2 - 0,05 МПа; 3 - 0,03 МПа; 4 - 0,012МПа

Следующим этапом в создании оптимального состава инструмента было исследование влияния концентрации алмазного порошка на работоспособность инструмента, его износостойюсть и качество обработки материала. Исследования проводились при изменении кэнцентрации алмаза в широюм диапазонеотОЗ до 183%.(Рис.2).

} К

40

% 30

20

10

13

17 к.%

-0,12 МПа

-0,05 МПа

а)

Увеличение концентрации от 0j5 до 6% приюдит к ненэторому незначительному увеличению удельных сьемов стекла: отЗО до 34 мкм мин"' при удельном давлении 0,05 МПа и от 13£ до 17 мкм-мин"1 при 0012 МПа (рис. 1а). Дальнейшее увеличение концентрации алмазного порошка не дает увеличения производительности шлифования в указанном диапазоне удельных давлений. При минимальных удельных нагрузках порядка OjOl МПа максимальная производительность при шлифовании на I переходе обеспетивается инструментом с концентрацией алмазного порошка АС2 (AG4)зернистостью50А0 вдиапазоне2,5...6%.

Усиление режущей способности алмазного инструмента на эпаксидно-диановой связке при низких удельных давлениях достигается введением в алмазоносную массу в качестве дополнительного наполнителя -ами но пласта (карбомидо - и мел аминоформалвдегидной термореактивной прессовочной массы). ^

Во втором типе инструмента использование в качестве связующего аминопласта взамен эпоксидно-диановой смолы способствует дальнейшему улучшению упругопластических свойств инструмента и снижению его засаливания в процессе работы. Высокая прочность мелкодисперсного порошка аминопласта способствует формированию ми1форельефа обрабатываемой поверхности. Таким образом, аминопласт работает в описанной алмазоносной массе помимо связующего ещё и как

вспомогательный абразив, способстя/ющий удалению микро неровностей, образованных при резании алмазными зёрнами. Благодаря тому, что ами но пласт является тер мор еакти вн ым материалом, использование его в качестве связующего обеспечивает работу алмазного инструмента в режиме самозатачиваниявсамомшироюминтерваледавлений-отО01 до 1МПа.

Следующим этапом в создании третьего ною го типа связанного алмазно-абразивно го инструмента было исследование и разработка пористой связки с регулируемым объемным соотношением пор и твердой связки на основеэпокеидно-диановой смолы.

Установлено, что дополнительное применение кремнийорганической жидкости - полигидридсилоксана в количестве от ОД до 5 массовых частей по отношению 100 масс. ч. эпоксидной смолы приводит к образованию пористого газонаполненного материала. Образование пор происходит в результате реакции полиэтипшполиамина с полигидридсилоксаном, в результате которой происходит бурное выделение водорода, моторьй и образует пузырьки в массе. Процесс вспенивания массы осуществляется в три стадии: образование пор, их рост и стабилизация. В зависимости от количества добавляемого в массу полигидридсилоксана, а также от режимов порообразования и полимеризации можно управлять количеством и размерами пор вполучаемом материале воченьшироюм диапазоне.

Очень существенно на процесс порообразования влияет температура офужающей среды, температура массы и температура используемых форм. Поэтому для получения массы для изготовления инструмента со стабильными заданными свойствами необходимо процесс проводить в строго контролируемых условиях с применением специальных форм и термостатов. Наличие газообразной фазы в массе благоприятно влияет на механические свойства инструмента. Он обладает повышенными динамическими противоударными характеристиками за счет амортизирующих способностей газонаполненного материала. Следует помнить при изготовлении пористых абразивных таблеток, что плотность массы абразивных таблеток существенно влияет на их прочность. Например, прочность при сжатии вспененной абразивной таблетки с плотностью массы 0,1 г/см3 составляет оюло 4 кгс/см^, а у таблетки с плотностью 0,4 кг/см3 прочность равна уже более80 кгс/см2. Поэтому при изготовлении пористых абразивных таблеток не следует применять полигидридсилоксана более 5 масс. ч. по отношению к 100 масс. ч. эпоксидной смолы из-за низкой прочности получаемых таблеток.

Таким образом, входе выполнения работы были разработаны три различных типа связанного алмазно-абразивного инструмента. Следующим этапом работы было определение оптимальных типов инструмента и оптимальных режимов их эксплуатации при обработке различных типов материалов.

В третьей главе выполнены исследования и оптимизация технологических режимов прецизионной механической обработки подложек из кремния, арсенида галлия, сапфира и других материалов для приборных пластин с помощыо новых типов связанного алмазно-абразивного инструмента. Были рассмотрены основные факторы, влияющие на эффективность шлифования и полирования различных материалов при помощи связанного алмазного инструмента.

Установлено, что при шлифовании подложек из фемния, арсенида галлия и сапфира наиболее эффективным является пористый связанньй алмазный инструментнаорганичесиэй связке.

1x3,мин

Рис.3 Зависимость съёма материала при шлифовании кремниевой подложки инструментом РТ20Р1 (1) и РТ50 (2).

Как видно из представленного графика, применение ною го пористого алмазного инструмента РТ20Р1 с зернистостью 20/14, что в 2,5 раза меньше, чем у традиционного алмазного инструмента РТ50, обеспечивает съем материала в 4-5 раз выше. Кроме того, инструмент работает в режиме самозатачивания и практически не требует дополнительного всфытия. Следует отметить, что шероховатость поверхности кремниевых подложек после обработки инструментом РТ50 составляет порядка = 0Д2 мкм, а после обработки новым пористым инструментом РТ20Р1 - Яа= 008 мкм.

В ходе выполнения работы был исследован и разработан пористый алмазный инструмент для су пер финишного шлифования фемниевых подложек. Для изготовления такого инструмента были использованы различные типы алмазного порошка- монофисталлические синтетические и природные алмазы, а также различные типы полифисталлических алмазных порошюв. Как видно из графиюв, представленных на рис. 4, использование

монофисталлического алмазного порошка фракции 5/5 приводит к резкому падению сьемовматериалаужечерез4-5 минут.

В то же время пол и ф металлический алмазный порошок такой же зернистости 5/3 обеспечивает стабильные равномерные сьемы материала порядка и достижение шероховатости поверхности = 5 - 7 пт и глубину нарушенного слоя менее 1 мкм.

Рис. 4. Влияние различных типов алмазных порошков на режущую способность пористого алмазного инструмента ! - РТ(3-5 МВ)Р1; 2 - РТ5Р1

Разработанный новый пористый связанный алмазный инструмент на органичесюй связке эффективно работает при низких удельных давлениях 0005 -0.05 МП а и при низких сюростях - порядка 1-3 м/сек и позволяет получить на операциях суперфинишного шлифования шероховатость поверхности до 5-7 пт и глубину нарушенного слоя менее 1 мкм. Этот инструмент дает наилучшие результаты при обработке подложек из фемния, ар сен ид а галлия и сапфира для приборных пластин по сравнению с традиционными технологиями обработки (рис.5).

а) б)

Рис. 5. Микрофотографии косых шлифов кремниевых подложек

после шлифования нерабочей стороны на станке МР8-2К300 фирмы в&Ы по

традиционной технологии с помощью инструмента зернистостью 45 мкм (а) и с помощью разработанного нового пористого инструмента РТ20Р1 (б).

Важную роль в процессе тоню го алмазного шлифования играет правильный выбор смазочно-охлажаающей жиднэсти для данного состава инструмента. Был разработан и запатентовал состав СО Ж для повышения эффективности обработки связанным алмазным инструментом при низких удельных давлениях, повышения качества обрабатываемой поверхности и повышения производительности процесса шлифования. В состав СО Ж входят следующие компоненты: полиэтиленполиамин, фосфорная кислота, никель сер но кислый, этилен тли юль и юда.

Основным компонентом СО Ж является полиэтиленполиамин. Полиэтиленполиамин - полярный по шей природе полимер. При растворении в воде положительно заряженные молетулы

полиэтил енполиамина притягиваются к отрицательным ионам, сосредоточенным на обрабатываемой поверхности стекла. Это обеспечивает высо кий смазывающий эффект даже при очень низюм содержании полиэтил енполиамина засчётобразованиянаповерхности материалатонюй прочной плёнки с малым сопротивлением на сдвиг.

Применение в составе СО Ж фосфорной кислоты позволяет увеличить степень полимеризации полиэтил енполиамина, что снижает токсичность СО Ж за счет снижения лету чести полиэтиленполиамина. Дополнительное использование в составе СО Ж сульфата никеля способствует разрушению платки геля кремниевой кислоты и снижает количество шлама. Применение в составе СО Ж этилентлиюля обеспечивает повышение диспергирующей способности жидкости, а также приводит к образованию устойчивых смазочных плёнок контактирующих поверхностях инструмента, что обеспечивает повышение качества обработки поверхности и исключает вероятность образования отдельных глубомтх царапин на повфхности обрабатываемого изделия.

Таким образом, применение ною го пористого связанного алмазного инструмента совместно с СОЖсоответствующего состава взамен абразивных суспензий при тонком шлифовании обеспечивает достижение следующих преимуществ:

- резкое повышение производительности шлифования при сьеме равных припу сю в обрабатываемо го материала;

- снижение в несколько раз глубины нарушенного при обработке слоя материала, в первую очередь, глубины трещиновато го слоя;

снижение почти на порядок шероховатости поверхности при обработке связанным алмазным инструментом по сравнению со свободным абразивом равной зернистости;

- повышение тультурыпроизводства.

Четвертая глава посвящена разработке и внедрению технологии шлифования и полирования подложек из кремния, арсенида галлия и сапфира для приборных пластин с по мощно связанного алмазного инструмента.

Разработан алгоритм распределения связанных алмазно-абразивньк элементов на шлифовальных планшайбах станиэв односторонней и двухсторонней обработки. Количество абразивных элементов, перекр ываемых одной д етал ыо, выбир ается и з у ело ей я:

(0,4-4)l04f

Ydsk

а количество абразивных элементов в любой зоне и в средней зоне определяется соответственно по формулам:

п,= (0.8-1.2)и1+^-(/-1), 4

ПЙ = (l.02-1.2^(0.8-1 2)я, +~-('о -l) ■

где tii .количество абразивных элементов, перекрываемых одной деталью, Р - общая нагрузка, Н;

h/D - от нос иге ль юя толщина обрабатываемой детали, то есть отношение толщины к диаметру или диагонали обрабатываемой детали,

S - площадь рабочей поверхности одного абразивного элемента, м2; К - количество одновременно обрабатываемых деталей каждым притиром, п, - количество абразивных элементов в i-той зоне, п,о - количество абразивных элементов в средней зоне; io - порядковый номер средней зоны.

Рис. 6 Расположение обрабатываемых пластин кремния на шлифовальнике со шлифовальными (1) и вспомогательными (2) алмазно-абразивными элементами

В заключении обобщены основные результаты исследований автора в области прецизионной обработки подложек из кремния, ар сен ид а галлия и сапфира с помощью различных типов связанного алмазно-абразивного инструмента. Разработанная автором новая технология по своему уровню превышаютрезультаты лучших мировых достижений.

В процессе исследований получены следующиеосновныерезультаты:

1. Технологический процесс прецизионной механической обработки подложек из кремния, арсенида галлия и сапфира для приборных пластин с помощью новых типов связанного алмазно-абразивного инструмента.

2. Шлифовальный инструмент на базе новых связанных алмазно-абразивных элементов.

3. Оптимизированные технологические режимы шлифования и полирования подложек из кремния, арсенида галлия и сапфира с помощью различных топов связанного алмазно-абразивного инструмента;

4. Результаты исследований влияния различных топов связанного инструмента и режимов обработки на точность и качество обрабатываемой поверхности различных материалов;

5. Новая смазочно-охлаждающая жидкость, обеспечивающая работу инструмента в режиме самозатачивания при низких удельных нагрузках.

6. Оптимальные условия и режимы прецизионного шлифования деталей с относи тельной толщинойОР1 и менее.

7. Основные принципы конструирования шлифовального инструмента и оборудованиядляобработки плоских поверхностей деталей.

О сновные результаты диссертации отражены в следующих работах:

1. Кондратеннэ B.C., Колесник В.Д., Котлфов Ю.В., Стрекалов ВЛ. Технология и оборудование для прецизионной обработки стеклянных пластан для жидю кристаллических экранов // Опта из - механическая промышл енно стъ, 1991, №7.

2. Кондратеннэ B.C., Колесник В.Д., Котлфов Ю.В., Стрекалов ВЛ. Ноюе в технологии обработки оптических деталей // НТЦ «Информтосника» : Материалы семинара, 1991, Москва.

3. Кондратеню B.C., Колесник В.Д., Котляров Ю.В., Стрекалов ВЛ., Полещук В.Г. Новые станки серии «Кристалл» для двустороннего шлифования и полирования стеклоизделий // НТЦ «Информтехника», 1991, Москва.

4. Патент РФ №2062293, МКИ С 10 М 173/02. Смазочно-охлаждающая жидюсть для механичесюй обработки стекла и диэлектриюв / Кондратен ю B.C., Котлцюв Ю.В., Зуй А И. - 2.03.1994.

5. Котляров Ю.В. Алмазная прецизионная обработка многофункциональных материалов//Лабораторная работа, кафедра КТ ЭВС, Курский Политехнический Институт, 1990, Курск.

is

6. Патент РФ № 2168539, МКИ С 10 M 173/02. Смазочно-охлаждающая жидкость для механической обработки материалов / Котлфов Ю. В., Емельянов В. А ..Ануфриев ЛЛ .-23.102000.

7. Патент РФ №2172235, МКИ С 10 M 173/02. Способ абразивной обработки деталей /Кондратенко В. С., Колесник В. Д., КотлфовЮ. В. -19.102000.

8. Кондратенко B.C., Ежов ВЛ., Котпяров Ю.В. Новая технология V обработки подложек из сапфира: Тезисы V Международной торга во-

про мышл енной выставки, 2000, Ганно вер, Гер мания.

9. Котляров Ю.В., Гиндин П. Д., Семашко ВЛ. Новая технология изготовления прецизионных диснэв из стекла и стеклокерамики // Прикладная оптика - 2002: Тезисы V Международной конференции , 2002, Санкт-Петербург.

10Котляров Ю.В. Способ алмазной обработки деталей в оптаю-механичеемэй, электронной и других отраслях производства // Системы автоматизации в образовании, н^ке и производстве: Тезисы докладов V Всероссийской на/чно-практичеенэй конференции , 2005, Ново^знецк.

11 .Кондратенко B.C., Котляров Ю.В., Алиферкина Е.М., Бобюв A.B., Носэтёв И.В., Уваров C.B. Обработка подложек кремния связанным алмазным инструментом // Приборы,2005,№7(61).

12.Бобкэв A.B., Гиндин П.Д., Кондратениэ В.С, Котляров Ю.В. Прецизионное шлифование тонких пластин из стали У8 связанным алмазным инструментом: Тезисы Международной нгучно-техничесюй шнференции //Приборинформ-2005, Тунис 2005.

13-Айзенштат С.Д., Бобюв A.B., Гиндин ПД., Ежов ВЛ., Колесник В.Д., Кондратенко B.C., Котляров Ю.В., Носанев И.В., Терашкевич И.М., Черных СЛ Новая технология утонения приборных пластин: Тезисы Международной научно-технической конференции // Приборинформ-2005, Ту ни с 2 005.

14. Гиндин ПД, Кондрагеню В.С, Котляров Ю.В., Нгумов A.C., Черных СЛ. Подготовка и контроль качества подложек для эпитаксиального выращивания гетероструюур оптозлеюронных приборов на основе подложек из сапфира, фемния и ар сени да галлия: Тезисы

► Межцунфодной научно-техничесюй конффенции // Приборинформ-

2005,Тунис2005.

15. Гиндин П Д., Кондрагеню В.С, Котляров Ю.В., Наумов A.C., Чфных , СЛ. Утонение подложек со сформированными опта электронными

приборами наоснове подложек из сапфира, кремния и фсенида галлия: Тезисы Междунфодной н^чно-техничесюй юнффенции // Приборинфор м-2005, Ту ни с 2005.

HOQgA

•-4889

Введение.

Глава 1. Особенности алмазно-абразивной обработки материалов (обзор).

1.1. Традиционные технологии алмазно-абразивной обработки подложек для приборных пластин.

1.2. Особенности обработки тонких пластин с помощью связанного алмазного инструмента

1.3. Выводы и постановка задачи исследований

Глава 2. Разработка новых типов связанного алмазно-абразивного инструмента для обработки подложек из кремния, арсенида галлия, сапфира и других материалов, используемых в качестве приборных пластин в микро -и оптоэлектронике.

2.1. Разработка алмазного инструмента на органической связке на основе эпоксидной смолы.

2.1.1. Влияние компонентов связки на свойства инструмента.

2.1.2. Выбор оптимальной зернистости алмазного порошка и его концентрации.

2.2. Подбор оптимального состава связки алмазного инструмента на основе термореактивной прессовочной массы.

2.3. Разработка пористого алмазного инструмента на основе эпоксидной смолы

Глава 3. Исследование и оптимизация технологических режимов прецизионной механической обработки подложек из кремния, арсенида галлия и сапфира для приборных пластин с помощью новых типов связанного алмазно-абразивного инструмента.

3.1. Исследование влияния различных типов связанного инструмента и режимов обработки на точность и качество обрабатываемой поверхности различных материалов.

3.2. Оптимизация состава смазочно-охлаждающей жидкости.

3.3. Исследование влияния различных типов алмазного порошка на режущую способность алмазного инструмента

Глава 4. Разработка и внедрение технологии шлифования и полирования подложек из кремния, арсенида галлия и сапфира для приборных пластин с помощью связанного алмазного инструмента.

4.1. Разработка шлифовального инструмента для односторонней обработки плоских поверхностей деталей

4.1.1. Внедрение технологии утонения приборных пластин из кремния, арсенида галлия и сапфира.

4.2. Разработка шлифовального инструмента для двусторонней обработки плоских поверхностей деталей.

Работа посвящена решению важной проблемы в области производства современных приборов микро - и оптоэлектроники, связанной с эффективной прецизионной обработкой подложек из кремния, арсенида галлия, сапфира и других материалов, используемых в качестве приборных пластин при изготовлении кристаллов широкого класса приборов. Существующие традиционные технологии шлифования подложек из указанных материалов с помощью свободного абразива и последующего химико-механического полирования (ХМП) достигли пределов своих возможностей, как с точки зрения повышения качества и точности обработки, так и с точки зрения себестоимости выпускаемой продукции.

В последнее десятилетие наряду с повышенными требованиями к приборным пластинам по структурным, электрофизическим параметрам предъявляются высокие требования к их геометрическим параметрам -локальному отклонению от плоскостности (STIR), разнотолщинности (TTV), микрошероховатости и чистоте поверхности.

Расширение номенклатуры изделий, в первую очередь в части увеличения диаметра обрабатываемых приборных пластин, требует не только существенного изменения, но и, прежде всего, создания нового технологического процесса с использованием качественно новых инструментов и вспомогательных материалов. Экономическая целесообразность также диктует необходимость снижения припусков на обработку на отдельных этапах технологического процесса. Это ведёт к ужесточению требований к точностным характеристикам применяемого инструмента и параметрам технологических режимов.

Размерный ряд отечественной технологии обработки подложек из кремния, арсенида галлия и сапфира не обновлялся с середины 80-х годов, тогда как номенклатура изделий существенно изменилась. До сих пор наиболее распространённым является процесс шлифования свободным абразивом.

В настоящее время традиционное шлифование подложек из кремния, арсенида галлия и сапфира осуществляется, как правило, с помощью свободного абразива в виде суспензий. При шлифовании свободным абразивом диспергирование материала происходит в результате воздействия на его поверхность абразивных зерен, находящихся между поверхностью обрабатываемой подложки и поверхностью шлифовальной планшайбы. При шлифовании хрупких неметаллических материалов наряду с неровностями поверхности, представляющими рельефный слой, всегда сопутствует объемная сетка микротрещин, распространяющихся вглубь материала. При этом глубина рельефного слоя соизмерима с размером абразивных зерен, а глубина трещиноватого слоя существенно превышает глубину рельефного слоя и составляет, например, для стекла от 4 до 6 диаметров абразивного зерна.

К основным недостаткам такой технологии следует отнести:

- большую глубину нарушенного слоя, для удаления которого требуется длительное травление и полирование;

- трудность получения высокой точности геометрической формы поверхности при длительном процессе ХМП, что особенно актуально для заготовок больших размеров;

- низкую производительность труда;

- низкую культуру производства с плохими условиями труда, характеризуемыми малой степенью механизации и автоматизации процессов;

- большой расход абразивных порошков за счет низкого коэффициента их полезного использования;

- низкую временную стабильность процесса шлифования свободным абразивом и процесса ХМП.

В последнее время на операциях тонкого шлифования стекла и некоторых других хрупких неметаллических материалов хорошо зарекомендовал себя алмазный инструмент на органической связке, который по сравнению с инструментом на металлической связке и свободным абразивом обеспечивает уменьшение глубины нарушенного слоя. Однако не известно примеров применения связанного алмазно-абразивного инструмента для обработки кремния, арсенида галлия и сапфира.

Задача технологического процесса обработки приборных пластин с помощью связанного алмазного инструмента - это удаление нарушений, возникших на первых этапах обработки, и получение свободной от механических повреждений поверхности пластин, в первую очередь с геометрическими параметрами, удовлетворяющими современным методам микроэлектроники. Параметры плоскостности и разнотолщинности, закладывающиеся на операциях резки и предварительного шлифования свободным абразивом, зачастую ухудшаются на последующих операциях по удалению остаточных повреждений, например, химико-механическое полирование (ХМП).

Таким образом, актуальность работы вызвана постоянно растущими требованиями к качеству подложек приборных пластин, используемых в производстве широкого класса приборов микро - и оптоэлектроники. С другой стороны, необходимость выполнения данной работы связана с несовершенством существующих технологических процессов шлифования свободным абразивом и химико-механического полирования подложек из кремния, арсенида галлия и сапфира.

Не менее остро стоит вопрос о разработке новой технологии утонения приборных пластин на основе кремния, арсенида галлия и сапфира со сформированными структурами приборов.

Таким образом, актуальность данной работы определяется необходимостью разработки принципиально новой высокоэффективной технологии прецизионной механической обработки подложек из кремния, арсенида галлия и сапфира для приборных пластин с помощью связанного алмазно-абразивного инструмента.

1.3 Выводы и постановка задачи исследований

Подводя итоги выполненного анализа состояния теории и достигнутых практических результатов в области алмазной обработки изделий в связи с поставленной в данной работе задачей можно сделать следующие выводы:

1. Переход при тонком алмазном шлифовании изделий от свободного абразива к связанному алмазному инструменту обеспечивает качественно новый уровень технологии, характеризуемый резким ростом производительности обработки, увеличением износостойкости инструмента и улучшением культуры производства. Однако не известно случаев применения связанного алмазного инструмента для финишного шлифования тонких изделий с относительной толщиной h / D < 1 /100 с высокими требованиями к точности формы обрабатываемой поверхности.

2. Не известно также примеров использования традиционных типов связанного алмазного инструмента для обработки подложек из кремния, арсенида галлия и сапфира для приборных пластин, что можно объяснить более высокими удельными давлениями при алмазном шлифовании указанных материалов.

3. Для исключения влияния деформаций детали на точность геометрической формы обрабатываемой поверхности относительная толщина должна быть не менее 0,2 , т. е. h / D > 1/5. При шлифовании точных поверхностей тонких деталей с относительной толщиной h / D ~ 1/100 возникают значительные трудности, связанные с деформациями детали под действием остаточных напряжений в материале и деформациями под действием растягивающих напряжений, возникающих в нарушенном поверхностном слое.

4. Однако существующие технологии обработки прецизионных подложек из кремния, арсенида галлия и сапфира с помощью свободного абразива уже не обеспечивают возросших требований микро- и оптоэлектроники ни по качественным, ни по экономическим показателям.

5. Известные типы связанного алмазного инструмента предназначены для эксплуатации при высоких удельных давлениях от 0,03 до 0,15 МПа и высоких относительных линейных скоростях (порядка 10.40 м/с). Однако такие режимы обработки тонких подложек с высокими требованиями к точности формы поверхности не приемлемы. Это связано с механическими деформациями деталей в процессе их обработки, а также с деформациями пластин после обработки под действием растягивающих напряжений, возникающих в глубоком нарушенном поверхностном слое.

Целью данной работы является разработка нового высокоэффективного технологического процесса шлифования и полирования подложек из кремния, арсенида галлия и сапфира, используемых в качестве приборных пластин, обеспечивающего качественно новые результаты, а именно, снижение глубины нарушенного, трещиноватого слоя на операциях шлифования без снижения производительности процесса обработки.

Решение данной задачи включает следующие основные этапы:

- создание новых типов связанного алмазно-абразивного инструмента;

- исследование и разработка технологии шлифования и полирования различных материалов с помощью связанного алмазно-абразивного инструмента;

- определение оптимального состава алмазного инструмента и смазочно-охлаждающей жидкости для обработки различных материалов;

- оптимизация конструкции инструмента и оборудования для обработки различных материалов и реализации различных технологических процессов: шлифование, полирование или утонение подложек.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА НОВЫХ ТИПОВ СВЯЗАННОГО АЛМАЗНО-АБРАЗИВНОГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОДЛОЖЕК ИЗ КРЕМНИЯ, АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ, САПФИРА И

ДРУГИХ МАТЕРИАЛОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В КАЧЕСТВЕ ПРИБОРНЫХ ПЛАСТИН В МИКРО - И ОПТОЭЛЕКТРОНИКЕ

Как уже отмечалось выше, применение инструмента со связанными алмазными зернами взамен абразивных суспензий при тонком шлифовании материалов обеспечивает достижение следующих преимуществ:

- повышение производительности шлифования при съеме равных припусков материала на один-два порядка;

- снижение глубины нарушенного при обработке слоя материала, в первую очередь, глубины трещиноватого слоя;

- снижение более чем на порядок шероховатости поверхности при обработке связанным алмазным инструментом и свободным абразивом равной зернистости;

- снижение относительного объемного износа связанного абразива.

В силу своих упруго-пластических свойств наиболее высокие результаты удается достичь при использовании в алмазном инструменте органической связки для тонкого и доводочного шлифования. Известные типы связанного алмазного инструмента предназначены для эксплуатации при высоких удельных давлениях от 0,03 до 0,15 МПа и высоких относительных линейных скоростях 10. 40 м/сек [12].

Однако, как будет показано далее в данном разделе, для изделий с относительной толщиной h/D < 1/100 при обработке поверхностей с высокими требованиями к точности их формы такие режимы не приемлемы, так как вызывают значительные деформации деталей в процессе обработки.

В связи с этим первоначально в данной работе необходимо решить вопрос о создании новых составов и связок для изготовления алмазного инструмента, работающего при низких удельных давлениях порядка 0,01.0,05 МПа и низких относительных линейных скоростях инструмента и обрабатываемой детали - порядка 1 .3 м/сек.

В силу указанных выше причин исследования в данной работе проводились по созданию алмазного инструмента на органической связке.

2.1. Разработка алмазного инструмента на органической связке на основе эпоксидной смолы

При изготовлении связанного алмазно-абразивного инструмента в качестве связующего была использована эпоксидно-диановая смола, а в качестве с отвердителя - полиэтиленполиамин (ПЭПА). Выбор эпоксидно-диановой смолы связан с тем, что, во-первых, упруго-эластичные свойства связки на основе этой смолы можно регулировать в широком интервале в зависимости от условий ее полимеризации. Во-вторых, процесс изготовления алмазно-абразивного инструмента на основе эпоксидно-диановой смолы не требует дорогостоящего оборудования, например, мощных прессов и пресс-форм, и отличается простотой. В третьих, использование смолы в качестве основного связующего позволяет легко переходить к различным типоразмерам алмазно-абразивных элементов и к различной их форме. Кроме того, инструмент на основе эпоксидно-диановой смолы выгодно отличается от других типов инструмента низкой ценой и, наконец, является экологически чистым изделием.

2.1.1. Влияние компонентов связки на свойства инструмента

Итак, в качестве связующего при разработке первого варианта алмазного инструмента была выбрана эпоксидно-диановая смола с отвердителем - полиэтиленполиамин [64]. Для определения оптимального состава для изготовления алмазного инструмента необходимо правильно выбрать тип алмазного порошка, и связующее, состоящее из наполнителя и функциональной добавки. В качестве наполнителя была выбрана двуокись церия, а в качестве функциональной добавки - смесь сернокислого никеля и щавелевой кислоты.

Использование в качестве наполнителя двуокиси церия, имеющей сравнительно низкую прочность и тонкодисперсную чешуйчатую структуру, способствует улучшению упруго- пластических свойств инструмента и снижению его засаливания в процессе эксплуатации.

Кроме того, двуокись церия способствует удалению микронеровностей на обрабатываемой поверхности, то есть участвует в формировании микрорельефа, как вспомогательный абразив. Комплекс «двуокись церия -алмазные зерна» в указанных соотношениях образует каркас массы с высокоразвитой поверхностью, имеющей высокую реакционную способность. В то же время в каркасе отсутствуют сыпучие конгломераты, которые в процессе шлифования выделили бы отдельные несвязанные алмазные зерна.

Функциональная добавка, состоящая из смеси сернокислого никеля и щавелевой кислоты, выполняет двойственную функцию. Во-первых, это трибохимическое воздействие реагентов на поверхность стекла в зоне контакта инструмента с обрабатываемой деталью, а во-вторых, взрыхление связки и обновление новых алмазоносных слоев за счет растворения мелкодисперсных частиц указанных химических реагентов под действием воды, являющейся основой состава смазочно-охлаждающей жидкости.

При подборе оптимального состава для изготовления алмазного инструмента исследовалось влияние различных компонентов и их соотношения на режущую способность инструмента и качество обработанной поверхности. Подбор оптимального количества компонентов осуществлялся в широком диапазоне (Табл. 1).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе исследований получены следующие основные результаты:

1. Разработан технологический процесс прецизионной механической обработки подложек из кремния, арсенида галлия и сапфира для приборных пластин с помощью новых типов связанного алмазно-абразивного инструмента.

2. Шлифовальный инструмент на базе новых связанных алмазно-абразивных элементов, обладающий высокими режущими способностями и обеспечивающий высокое качество обработки, что подтверждено промышленными внедрениями на предприятиях России, ближнего и дальнего зарубежья.

3. Оптимизированные технологические режимы шлифования и полирования подложек из кремния, арсенида галлия и сапфира с помощью различных типов связанного алмазно-абразивного инструмента;

4. Результаты исследований влияния различных типов связанного инструмента и режимов обработки на точность и качество обрабатываемой поверхности различных материалов;

5. Новая смазочно-охлаждающая жидкость, обеспечивающая работу инструмента в режиме самозатачивания при низких удельных нагрузках.

6. Оптимальные условия и режимы прецизионного шлифования деталей с относительной толщиной 0,01 и менее.

7. Основные принципы конструирования шлифовального инструмента и оборудования для обработки плоских поверхностей деталей.

1. Грибов Б.Г., Мозжухин Д.Д., Родионов Р. А. Требования к фотошаблонам и фотошаблонным заготовкам для СБИС // Специальная электроника. Сер. 3. Микроэлектроника. 1983. - Вып. 2(43).

2. Стеклянные подложки в производстве прецизионных фотошаблонов / Б.Г. Грибов, A.M. Мазин, Р.А. Родионов, Л.В. Шевякова // Обзоры по электронной технике. Сер. 6. Материалы. 1985. - Вып. 4(1133).

3. Пути улучшения фотошаблонных заготовок / Б.Г. Грибов, Д.Д. Мозжухин, Р.А. Родионов, В.Н. Тихонов // Электронная промышленность. -1984,-№4.-С. 32-34.

4. Грибов Б.Г., Прилипко В.И., Родионов Р.А. Снижение потребления дефицитного сырья в производстве фотошаблонных заготовок // Электронная промышленность. 1980. - № 3. - С. 58-60.

5. Богуславский И.А., Бутаев A.M., Яборов А.Н. Механическая прочность флоат-стекла // Стекло и керамика. 1976. - № 10. - С. 7-8.

6. Бутаев A.M., Остролуцкая Н.В., Ромакин А.Н. Прочность и поверхностные дефекты термически полированного листового стекла // Физика и химия стекла. 1982. - Т. 8, № 3. - С. 288-290.

7. Рентгеноспектральное исследование поверхности листового стекла / Н.Н.Семенов, Ю.Н.Ромащенко, И.А.Брытов и др. // Физика и химия стекла. -1982.-Т. 8, №4.-С. 412-415.

8. Исследование физико-механических свойств стеклянных пластин, используемых для изготовления фотошаблонов / А.М.Мазин, Л.Н.Шевякова, Д.Л.Федорова и др. // Электронная техника. Сер. 6. Материалы. 1979. -Вып. 4(129).-С. 90-95.

9. Грибов Б.Г., Родионов Р.А., Шевякова Л.Н. Основы современной зарубежной технологии изготовления заготовок для фотошаблонов с железоокисным маскирующим покрытием // Специальная электроника. Сер.

10. Микроэлектроника. 1980. - Вып. 2(37). - С. 40.

11. Прецизионные пластины для фотошаблонов / Б.Г. Грибов, В.А. Папов, Р.А. Родионов, Д.Л. Федорова // Электронная промышленность. 1980. - № 8-9.-С. 100-102.

12. Подготовка поверхности стеклянных пластин для маскирующих слоев / Б.Г. Грибов, Е.Ю. Гриненко, Р.А. Родионов и др. // Электронная промышленность. 1980. - № 8-9. - С. 102-105.

13. Абразивные материалы для прецизионной обработки стеклянных пластин / В.Н. Алексеев, Б.Г. Грибов, Р.А. Родионов и др. // Электронная промышленность. 1980. - № 8-9. - С. 105-107.

14. Оптимизация режимов механической обработки стеклянных заготовок для фотошаблонов / Н.И.Астафурова, Б.Г.Грибов, А.М.Мазин и др. // Электронная промышленность. 1980. - № 8-9. - С. 108-110.

15. Основные виды дефектов в производстве фотошаблонов и пути их устранения / Р.А. Родионов, Л.Ф. Чернова, В.И. Васильева и др. // Электронная техника. Сер. 7. Технология, организация производства и оборудование. — 1982.— Вып. 6(115).-С. 15.

16. Рогов В.В. Финишная алмазно-абразивная обработка неметаллических деталей. Киев: Навукова думка. - 1985. - 264 с.

17. Технология оптических деталей / Под ред. М.Н. Семибратова. М.: Машиностроение, 1978.-415 с.

18. Формообразование оптических поверхностей / Под ред. К.Г. Куманина. -М.: Оборонгиз, 1962. 432 с.

19. Рогов В.В., Филатов Ю.Д., Бурман Л.Л. Исследование процесса формообразования поверхностей оптических деталей из стекла при тонкомалмазном шлифовании // Оптико-механическая промышленность. 1985. - № 2. - С. 37-40.

20. Пути повышения точности формообразования оптических поверхностей / В.В. Рогов, Ю.Д. Филатов, B.C. Чередник, J1.M. Друченко // Сверхтвердые материалы. 1985. - № 3. - С. 64-66.

21. Тонкое шлифование очковых линз алмазным инструментом / В.В. Рогов и др. // Синтетические алмазы. 1976. - № 1. — С. 69-70.

22. Ходаков Г.С., Глухов Ю.А. Тонкое шлифование оптических деталей алмазным инструментом // Оптико-механическая промышленность. 1981. -№7.-С. 48-56.

23. Мастюгин Л.И., Ходаков Г.С. Влияние температуры смазочно-охлаждающей жидкости на величину съема и шероховатость обработанной поверхности при тонком алмазном шлифовании оптического стекла // Оптико-механическая промышленность. 1985. - № 5. - С. 54-55.

24. Spira М. Diamant werkzeuge in der Bearbeitung von Optichen Glas. Ind. Diamant, Rdsch. - 1977. - № 3. - P. 159-161.

25. Ходаков Г.С. Износ алмазного инструмента в процессе шлифования оптических материалов // Оптико-механическая промышленность. 1985. -№9.-С. 17-21.

26. Глухов Ю.А. Особенности тонкого алмазного шлифования плоских оптических деталей // Оптико-механическая промышленность. 1985. - № 8. - С. 36-40.

27. Лев Н.И., Шушканова Т.Г. Инструменты на органической связке для тонкого алмазного шлифования оптических деталей // Оптико-механическая промышленность. 1981. - № 11. - С. 30-31.

28. Применение инструмента со связанным абразивом для обработки кристаллов КРС-5 и КРС-6 / Н.Ф. Козлов и др. // Оптико-механическая промышленность. 1983. № 4. - С. 40-42.

29. Лобанов А.В., Перцов Н.В., Силин С.С. Повышение эффективностишлифования применением абразивного инструмента с наполнителем // Физика и химия обработки материалов. 1979. - № 2. - С. 154-157.

30. Мастюгин Л.И. Влияние наполнителей эпоксидных связок на свойства алмазного инструмента // Оптико-механическая промышленность. 1987. -№ 2. - С. 50-51.

31. Кузнецов С.М., Бурман JI.JI. Упруго-пластическая деформация стекла при алмазном шлифовании // Сверхтвердые материалы. 1980. - № 3. - С. 4247.

32. Ходаков Г.С. Механизм абразивного шлифования стекла // Оптико-механическая промышленность. 1985. - № 5. - С. 31-36.

33. Модулирование абразивного разрушения поверхности оптических стекол при тонком алмазном шлифовании / Е.М. Фетисова, В.П. Коровкин, В.М. Альтшуллер, Ю.В. Ашкеров // Оптико-механическая промышленность. 1985.-№8.-С. 40-42.

34. Крюкова С.В., Еремина Н.И., Бондарь В.В. Исследование влияния условий шлифования на шероховатость поверхностей стекол различного состава// Оптико-механическая промышленность. 1984. - № 6. - С. 16-18.

35. Исследование сил трения при склерометрическом моделировании шлифования оптических материалов / Ю.В. Ашкеров, В.М. Альтшуллер, В.П. Коровкин, М.В. Репкин // Оптико-механическая промышленность. 1983. -№ 12.-С. 24-26.

36. Мастюгин Л.И. Определение шлифующей способности и стабильности алмазных инструментов // Оптико-механическая промышленность. 1983. -№ 12.-С. 26-28.

37. Коровкин В.П. Трение и диспергирование при тонком алмазном шлифовании оптического стекла // Оптико-механическая промышленность. -1981.-№ 10,-С. 24-28.

38. Захаренко И.П. Опыт применения алмазного инструмента для обработки неметаллических материалов. Обзор. М.: НИИМаш, 1979. 44 с.

39. Шехшер Ю.Н., Бурман JI.JL, Лепитова Н.П. Новый состав для шлифования стекла// Синтетические алмазы. 1970. - № 5. - С. 4-6.

40. Хрульков В.А. и др. Новые СОЖ, применяемые при шлифовании труднообрабатываемых материалов / В.А. Хрульков, B.C. Матвеев, В.В. Волков. М.: Машиностроение. - 1982. - 64 с.

41. Альтшуллер В.М., Ашкеров Ю.В., Коровкин В.П. Роль смазочно-охлаждающей жидкости в процессе тонкого алмазного шлифования оптического стекла // Оптико-механическая промышленность. 1983. - № 8. -С. 38-41.

42. Mackillan N.H., Kungfington R.D., Westwood A.R.C., J. of materials science. - 1974. - Vol. 9 - P. 637.

43. Коровкин В.П., Альтшуллер B.M. Смазочно-охлаждающие жидкости для алмазной обработки оптического стекла // Оптико-механическая промышленность. 1987. - № 6. - С. 56-61.

44. Особенности изготовления тонких линз с жестким допуском на толщину / С.М. Прохорчик и др. // Оптико-механическая промышленность. -1982.-№ 11.-С. 32-34.

45. Пат 3922821 США, МКИ4 В 24 В 1/00. Способ шлифования и применяемая при этом охлаждающая жидкость.

46. А. С. 1074895 СССР, МКИ4 С 10 М 3/26. Смазочно-охлаждающая жидкость для алмазной обработки оптического стекла / В.П. Коровин, П.А. Гембицкий, В.М. Альтшуллер, Ю.В. Ашкеров (СССР) // Открытия. Изобретения. 1984. - № 7.

47. Коровкин В.П., Альтшуллер В.М., Ашкеров Ю.В. Применение нового состава СОЖ, способствующего повышению эффективности тонкого алмазного шлифования оптического стекла // Оптико-механическая промышленность. 1985. - № 12. - С. 20-22.

48. Красник В.Г. Повышение эффективности водных СОЖ при алмазном шлифовании // Сверхтвердые материалы. 1985. - № 6. - С. 45-47.

49. Ардамацкий A.JI. Алмазная обработка оптических деталей. Л.: Машиностроение, 1978. -232 с.

50. Качанов Н.Н. Технология шлифовки и полировки листового стекла. -М.: Изд-во АН СССР, 1958. 382 с.

51. Гетц И. Шлифовка и полировка стекла. Л.: Стройиздат, 1967. - 278 с.

52. Винокуров В.М. Исследование процесса полировки стекла. М.: Машиностроение, 1967. - 196 с.

53. Бардин А.Н. Технология оптического стекла. М.: Высшая школа, 1963.-519 с.

54. Ящерицын П.И. и др. Тонкие доводочные процессы обработки деталей машин и приборов / П.И. Ящерицын, А.Г. Зайцев, А.И. Барботько. Минск: Наука и техника, 1976. - 328 с.

55. Дубровский В.А. Соотношение химических и механических процессов при полировке стекла // Стекло и керамика. 1961. - № 11. - С. 9-13.

56. А. С. 536953 СССР, МКИ4 В 24 D 3/00. Абразивная масса для изготовления инструмента / В.Т. Чалый, В.В. Рогов и др. (СССР) // Открытия. Изобретения. 1976. - № 44.

57. А. С. 569434 СССР, МКИ4 В 24 В 37/04. Способ полирования поверхностей деталей / В.В. Рогов, В.Т. Чалый и др. (СССР) // Открытия. Изобретения. 1977. - № 31.

58. Перспективы создания инструмента из СТМ на полимерной связке для полирования оптических деталей / В.В. Рогов, В.Т. Чалый, А.П. Денисенко и др. // Сверхтвердые материалы. 1979. - № 2. - С. 28-35.

59. Трибохимические явления в процессе оптического полирования стеклаинструментов из СТМ / В.В. Рогов и др. // Сверхтвердые материалы. 1983. -№2.-С. 39-42.

60. А. с. 1028013 СССР, МКИ4 С 03 С 21/00. Состав для обработки пластин / Р.А. Родионов и др. (СССР). 1981.

61. А. с. 1031368 СССР, МКИ4 Н 01 L 21/302. Состав для обработки стеклянных изделий / Р.А. Родионов и др. (СССР). 1981.

62. А. с. 1074125 СССР, МКИ4 С 09 G овальный состав для обработки стеклянных изделий / Б.Г. Грибов, А.Ф. Исаев, Р.А. Родионов, Д.Д. Мозжухин и др. (СССР). 1982.

63. Отечественные составы для прецизионных фотошаблонных заготовок / JI.H. Шевякова, A.M. Мазин, Р.А. Родионов, Б.Г. Грибов // Стекло и керамика, 1982. -№ 11.-С. 13.

64. Шлишевский Б.Э., Мигуськина З.А. Интенсификация процессов полирования стекла химреагентами // Оптико-механическая промышленность. 1977. - № 11. - С. 44-45.

65. Храмцовский И.А., Пшеницын В.И. Влияние полирующего абразива на оптические характеристики поверхностного слоя // Оптико-механическая промышленность. 1987. - № 7. - С. 29-31.

66. Изменение оптических характеристик поверхностного слоя стекла при полировании / В.И. Пшеницын и др. // Оптико-механическая промышленность. 1987. - № 8. - С. 28-31.

67. А. с. 1361863 СССР, МКИ4 В 24 D 3/34. Состав для изготовления алмазного инструмента / B.C. Кондратенко, С.С. Кондратенко, А.Э. Юницкий, В.А. Гуров (СССР). 1986.

68. Особенности алмазной шлифовки прецизионных стеклопластин / И.И. Алейник, Ю.Х. Гукетлев, B.C. Кондратенко и др. // Электронная промышленность. 1988. - № 1Т. - С. 56-59.

69. Патент РФ №2062293 МКИ 6 С 10 М 173/02 // Смазочно-охлаждающая жидкость для механической обработки стекла и диэлектриков. / Кондратенко

70. B.C., Котляров Ю.В., Зуй А.И.

71. Патент РФ № 2168539 МКИ 7 С 10 М 173/02 // Смазочно-охлаждающая жидкость для механической обработки материалов. / Котляров Ю.В., Ануфриев Л.П., Емельянов В.А.

72. Алмазная шлифовка экранов кинескопов / В.А. Гуров, И.М. Кнышев, B.C. Кондратенко, С.С. Кондратенко // Электронная промышленность. -1989.-№6.-С. 23.

73. А. с. 1533175 СССР, МКИ4 В 24 D 3/00. Масса для изготовления алмазного инструмента / Кондратенко B.C., Кнышев И.М. (СССР). 1988.