3. Механическая обработка пластин монокристаллического кремния

   1. Абразивные материалы

Кремний – твердый хрупкий материал со значением твердости 72,6 по Роквеловской шкале твердости «А» (или 7 по шкале Мооса) [2]. Для получения пластин требуемой толщины с необходимыми геометрическим параметрами и качеством поверхности используются специализированные прецизионные станки для обработки полупроводниковых материалов. Обработка на таких станках производится с помощью абразивных материалов. Назначение абразива – снятие тонких слоев полупроводникового материала с поверхности обрабатываемых пластин. В зависимости от способа механической обработки используют абразивы в связанном состоянии (алмазные диски, круги) или в свободном состоянии (абразивные суспензии и алмазные пасты).

Абразивные материалы характеризуются следующими свойствами: твердостью, абразивной способностью, хрупкостью и химической стойкостью [1]. Главной особенностью абразивных материалов является их более высокая твердость по сравнению с обрабатываемыми материалами [1, 4]. На использовании различия в твердости полупроводниковых и абразивных материалов построены все процессы механической обработки полупроводниковых материалов.

Свойства абразивных материалов [1]:

Твердость - способность абразивного материала сопротивляться вдавливанию в него другого материала, не получая остаточных деформаций. По шкале Мооса самому твердому материалу, алмазу, соответствует 10-й класс, карбиду кремния 9,5-й, корунду – 9-й, топазу – 8-й, кварцу и кремнию – 7-й и т.д.

Абразивная способность - возможность с помощью одного материала обрабатывать другой или группу различных материалов. Абразивная способность алмаза – 1, карбида бора – 0,6, карбида кремния – 0,5, монокорунда – 0,25, электрокорунда – 0,15 и т.д.

Механическая стойкость или хрупкость - способность абразивного материала выдерживать механические нагрузки и не разрушаться при механической обработке полупроводниковых материалов.

Химическая стойкость - способность абразивных материалов не изменять своих механических свойств в растворах щелочей, кислот, воде и органических растворителях.

По способу получения абразивные материалы делятся на природные и искусственные. К природным абразивным материалам относят: алмаз, корунд, кремень, к искусственным – электрокорунд, карбид кремния, карбид бора, синтетические алмазы и др. [9].

В производстве пластин монокристаллического кремния применяют следующие абразивные материалы: природные или искусственные алмазы, карбид кремния, карбид бора, электрокорунд, диоксид кремния.

Алмаз - самый твердый из известных минералов, его микротвердость 9,8х10¹⁰ Н/м². Используют в основном искусственные алмазы, полученные из графита, обработанного под большим давлением и при высокой температуре. Искусственные алмазы обладают высокой твердостью и по механическим свойствам не уступают естественным алмазам [1].

Карбид бора - химическое соединение бора с углеродом, микротвердость – 4,8х10¹⁰ Н/м² [1].

Электрокорунд - кристаллический искусственно синтезированный синтетический корунд (88-99 % Al₂O₃), микротвердость (1,8-2,4) х10¹⁰ Н/м² [1]. Получают плавкой боксита в электрических печах с восстановителем (железные опилки). В кремниевом производстве применяют в основном электрокорунд нормальный содержащий (93 – 96) % Al₂O₃, цвет темно-коричневый, после обжига светло-синий, а также электрокорунд белый наиболее чистый по химическому составу материал содержит (95-97) % Al₂O₃. Для изготовления абразивного инструмента и на операциях обработки свободным абразивным зерном применяются шлифовальные материалы из белого электрокорунда марки 25А, нормального электрокорунда марки 14А (обозначение по ГОСТ 28818 [10]).

Карбид кремния - химическое соединение кремния с углеродом (SiC), микротвердость – 3,4 х10¹⁰ Н/м², производится путем восстановления двуокиси кремния в печах сопротивления при температуре при температуре (1500-2300) °С [1]. В полупроводниковом производстве применяют две модификации: a (зеленый) и b (черный). Маркировка карбида кремния по ГОСТ 26327 - 64С, 63С, 62С (зеленый) или 55С, 54С, 53С (черный) [11]. Абразивная способность карбида кремния зеленого на 20 % выше, чем у черного.

Диоксид кремния - устойчивое соединение кремния с кислородом двуокись или диоксид кремния (SiO₂) [1]. Свободная двуокись кремния (кремнезем) в природных условиях встречается в виде минерала кварца, из которого состоит обычный песок. Из кварца химическим путем получают диоксид кремния. Диоксид кремния имеет широкое применение в промышленности, в частности в производстве различных абразивов, резины и изделий из керамики, стекла, и пр.

При обработке полупроводниковых материалов используют абразивные порошки, которые используются для и изготовления абразивного инструмента (обработка связанным абразивом) или для приготовления абразивных суспензий (обработка свободным абразивом). Микропорошки отбирают по группам зернистости путем просеивания на специальных ситах. Зернистость микропорошков определяется размерами верхнего и нижнего сита, через которые просеивается порошок. В России зернистость микропорошков определяется в микрометрах. В европейских странах и США принята единица зернистости порошка – меш, которая соответствует числу отверстий в сите на один линейный дюйм, т.е. размеры мелкого зерна определяются большими числами, а размеры крупного зерна меньшими числами. Ниже приведены основные стандарты, характеризующие абразивные материалы, которые используются в разных странах 12-14.

• ГОСТ – государственные стандарты России. Существует отдельный стандарт для микропорошков – ГОСТ 3647-80 [12], и для порошков ГОСТ Р 52381-2005 [13], определяющие зерновой состав и зернистость шлифовальных порошков.

Зернистость микропорошков обозначают дробью, числитель которой соответствует максимальному размеру зерна, знаменатель – минимальному размеру зерна (пример условного обозначения: Микрошлифпорошок АМ 40/28 ГОСТ 9206 [15] - микропорошок из природных алмазов марки АМ, зернистостью 40-28 мкм).

• стандарты FEPA (Federation of European producers of Abrasives) – стандарты Федерации Европейских Производителей Абразивов, приняты в Европе, а также у крупнейших производителей абразивов в России и странах СНГ, а, кроме того, в Индии, Турции и ЮАР [14].

(пример условного обозначения: F400 – размер зерна 20-28 мкм).

• стандарты ANSI (также CAMI/UAMA) –  приняты у производителей абразивов США;

ANSI (American National Standards Institute) – система единых стандартов промышленности США, разработанная Американским Национальным Институтом Стандартов, распространяется также и на производство абразивных материалов;

CAMI (Coated Abrasive Manufacturers Institute – Институт Производителей Абразивов) – система стандартов, ныне являющийся частью системы UAMA.

UAMA (Unified Abrasives Manufacturers’ Association – Единая Ассоциация Производителей Абразивов) – система стандартов, установленных американскими производителями абразивных материалов.

• стандарты JIS (Japan Industrial Standards) – единые стандарты промышленности Японии, распространяющиеся также и на производство абразивных материалов (пример условного обозначения: GC#1200 – размер зерна 10-20 мкм).

Сегодня большинство крупнейших производителей абразивных материалов в России и странах СНГ, используют в своей работе стандарты FEPA – Европейской Ассоциации Производителей Абразивов, а также ГОСТы.

Классификация зернистости и зерновой состав шлифовальных материалов (кроме шлифовальных материалов, из синтетических и природных алмазов) приведены в ГОСТ 3647 (с 2006 года распространяется только на микрошлифпорошки и тонкие микрошлифпорошки) [12].

Шлифовальные материалы делятся на группы в зависимости от размера зерен [12]:

шлифзерно от 2000 до 160 мкм;

шлифпорошки от 125 до 40 мкм;

микрошлифпорошки (индекс «М») от 63 до 14 мкм;

тонкие микрошлифпорошки (индекс «М») от 10 до 3 мкм.

Зернистость микрошлифпорошков обозначают по верхнему пределу размера зерен основной фракции. В зависимости от процентного содержания основной фракции обозначение зернистости дополняют буквенным индексом: В – Высокое, П - Повышенное , Н – Нормальное, Д - Допустимое .

В таблице 2.3 приведено соответствие зернистости микропорошков по ГОСТ 3647 [12] и стандарту FEPA [14].

Таблица 2.3. Соответствие зернистости микропорошков по ГОСТ 3647 [12] и стандарту FEPA [14]

Стандарт FEPA (обозначение)	ГОСТ 3647 (обозначение)	Размер зерен основной фракции, мкм Стандарт FEPA	Размер зерен основной фракции, мкм ГОСТ 3647	Группа
F4	-	5600-4750	-	Шлифзерно
F5	-	4750-4000	-
F6	-	4000-3350	-
F7	-	3350-2800	-
F8	-	2800-2360	-
F10	200	2360-2000	2500-2000
F12	160	2000-1700	2000-1600
F14	-	1700-1400	-	Шлифпорошки
F16	125	1400-1180	1600-1250
F20	100	1180-1000	1250-1000
F22	-	1000-850	-
F24	80	850-710	1000-800
F30	63	710-600	800-630
F36	50	600-500	630-500
F40	-	500-425	-
F46	40	425-355	500-400
F54	32	355-300	400-320
F60	25	300-250	320-250
F70	20	250-212	250-200
F80	16	212-180	200-160
F90	-	180-150	-
F100	12	150-120	160-120
F120	10	150-125	120-100
F150	8	106-75	100-80
F180	6	90-75	80-63
F220	5	75-63	63-50
F230	4	53-45	50-40
F240	М50	50-40	50-40	Микрошлифпорошки
F320	М40	40-28	40-28
F400	М28	28-20	28-20
F500	М20	20-14	20-14
F600	М14	14-10	14-10
F800	М10	10-7	10-7
F1000	М7	7-5	7-5	Тонкие микрошлифпорошки
F1200	М5	5-3	5-3

Классификация групп алмазных порошков несколько отличается от других порошков. Алмазные порошки изготавливаются в соответствии с ГОСТ 9206 15. В зависимости от размеров зёрен и метода их получения алмазные порошки делятся на:

Шлифпорошки - размер зёрен от 3000 до 40 мкм;

Микропорошки - размер зёрен от 80 до 1 мкм;

Субмикропорошки - размер зёрен от 1,0 до 0,1 мкм и мельче.

В зависимости от вида сырья, из которого они изготовлены, обозначают буквенными индексами алмазные порошки делятся на:

А - из природных алмазов;

АС - из синтетических алмазов;

АР - из синтетических поликристаллических алмазов.

Микропорошки и субмикропорошки из природных алмазов обозначают буквенными индексами АМ, из синтетических алмазов - АСМ.

Алмазные шлифпорошки и микропорошки в полупроводниковом производстве применяются в основном для производства инструмента для резки, шлифовки, субмикропорошки и микропорошки для производства инструмента и паст для тонкой шлифовки, доводки и полировки.