2. Абразивная обработка материалов

Обработка связанным абразивом (кругами, дисками, полировальниками)

Обработка связанным абразивом происходит путем воздействия зерен абразива, закрепленных в специальных кругах при помощи органической, керамической или металлической связки, на обрабатываемую поверхность. При обработке связанным абразивом происходит двойное воздействие на обрабатываемую поверхность: разрушение обрабатываемой поверхности под действием нормальной силы, направленной перпендикулярно поверхности и разрушение обрабатываемого материала за счет срезания микровыступов поверхности под действием сдвигающей силы, направленной вдоль поверхности пластины [9]. Зерна абразивного материала действуют как микрорезец, снимая мельчайшие стружки с обрабатываемой поверхности полупроводникового материала. Для охлаждения режущего инструмента и обрабатываемого полупроводникового материала, а также для удаления отходов полупроводникового материала в зону резки подается охлаждающая жидкость. В качестве охлаждающей жидкости применяют воду с добавлением поверхностно-активных и смазывающих веществ.

Для изготовления абразивного инструмента (диски, круги) используется основа из материала, имеющего высокую прочность и упругость. Чаще всего для этого используются легированные инструментальные и нержавеющие стали, например, 12Х12Н10Т или 12Х18Н9 [4]. Абразивный инструмент изготавливается в основном с использованием искусственных абразивных материалов и, в незначительном количестве, из природных абразивных материалов преимущественно путем прессования массы, состоящей из абразивного материала и связки (вещества, связывающего зерна абразивного материала с основой), с последующей термической и механической обработкой полученных заготовок.

Твердость абразивного инструмента характеризуется прочностью удержания зерна в связке круга 9. В зависимости от связки из зерен самого твердого абразивного материала можно изготовить мягкие абразивные инструменты и, наоборот, из абразивного материала малой твердости можно изготовить твердые инструменты. Мягким абразивным инструментом называют такой инструмент, из которого абразивные зерна легко выкрашиваются.

Связка - собственно связующее вещество и наполнители. Тип связки имеет определяющие значение для прочности и режимов работы абразивного инструмента. В производстве абразивного инструмента применяют три вида связок неорганические, органические и металлические [?].

К органическим связкам относятся бакелитовая, вулканитовая, глифталевая, эпоксидная и др.

К неорганическим связкам относятся керамическая и магнезиальная, которые обладают высокой огнеупорностью, водостойкостью, химической стойкостью.

Неорганические связки чаще всего представляют собой многокомпонентные смеси, состоящие в определенных пропорциях из измельченных сырых материалов (огнеупорной глины, полевого шпата, борного стекла, талька и ряда других материалов). Недостатком керамической связки является ее высокая хрупкость. Круги на керамической связке не могут использоваться при ударных нагрузках (резка, обдирочное и силовое шлифование). Относительно низкий предел прочности при изгибе не допускает применение таких кругов для отрезных работ, так как они тонкие и могут разрушиться от боковой нагрузки.

Для обработки кремния в основном используют алмазные круги с абразивным материалом из синтетических алмазов [16]. В качестве связки для алмазных кругов в серийном производстве используют металлические и органические связки (бакелитовая, эпоксидная и полиэфирная связки).

Алмазные круги на металлической связке обладают высокой стойкостью, длительно сохраняют рабочий профиль, находят преимущественное применение на операциях предварительного шлифования при съеме небольших припусков.

Бакелитовая связка (обозначение "Б") - основа фенолформальдегидные смолы жидкие и порошкообразные с наполнителями неорганической природы (криолит, пирит, алебастр и др.). Абразивный инструмент на бакелитовой связке обладает высокой прочностью, особенно на сжатие и ударной прочностью. Высокая прочность бакелитовой связки позволяет абразивному инструменту работать при больших нагрузках и высоких скоростях резания. Такие круги применяются для обдирочных и отрезных операций, при шлифовании с большими нагрузками и большим съемом материала. При шлифовании и доводке кругами на бакелитовой связке в зоне обработки выделяется меньше тепла, а силы резания значительно меньше, чем при работе кругами на металлической связке.

Эпоксидная и полиэфирная связки (обозначение "Э") - основном используются для изготовления абразивного инструмента для снятия заусенцев с деталей малого размера.

Форма и размеры шлифовального круга определяются видом обработки и материалом, который подвергается обработке (круги прямого профиля, круги конического профиля, круги чашечные, круги профильные, круги отрезные и т.д.).

При заказе абразивного инструмента должны быть указаны:

• тип (форма профиля);

• геометрические размеры круга (размеры по длине, ширине и высоте выточек в круге), определенные в соответствующем ГОСТе в зависимости от типа и материала инструмента. Высоту круга следует подбирать таким образом, чтобы обеспечить равномерный износ рабочей поверхности;

• диаметр посадочного отверстия, который зависит от диаметра шпинделя инструментального станка.

Следует особо остановиться на абразивном инструменте, который используется для правки и зачистки алмазных кругов. В процессе обработки происходит изнашивание абразивного инструмента, его затупление и потеря формы. Абразивные зерна по мере их износа должны обновляться путем скалывания и выкрашивания частиц. При слишком твердом круге связка продолжает удерживать затупившиеся и потерявшие режущую способность зерна, при этом на работу расходуется большая мощность, обрабатываемые пластины нагреваются, возможно их коробление, на обрабатываемой поверхности появляются следы обработки, трещины, сколы. Для восстановления работоспособности кругов проводят правку инструмента (заточку и доводку) с помощью брусков шлифовальных ГОСТ 2456 [17]. Для правки абразивного инструмента, используемого для обработки кремния, используют бруски шлифовальные на керамической или бакелитовой основе, в качестве абразивного материала используют карбид кремния зеленый, электрокорунд.

Обработка свободным абразивом (абразивными суспензиями и алмазными пастами).

При обработке свободным абразивом ударное усилие направлено внутрь обрабатываемого полупроводникового материала 9. Абразивные зерна срезают микростружку, оставляя на поверхности полупроводникового материала микроцарапины, максимальная глубина которых зависит от зернистости абразивного материала. Отколовшиеся частицы обрабатываемого материала удаляются с поверхности обрабатываемого образца, происходит послойное удаление материала и сглаживание поверхности.

Обработка полупроводниковых материалов свободным абразивом проводится с использованием различных абразивных суспензий. В состав суспензии входит жидкость и абразивный микропорошок, который находится во взвешенном состоянии. Наличие жидкости обеспечивает равномерный процесс механической обработки полупроводниковых материалов.

Более подробно использование абразивных материалов и инструментов будет рассмотрено при описании конкретных технологических операций изготовления кремниевых пластин.