Алмазный круг с внутренней режущей кромкой для резки монокристаллов кубической сингонии на пластины

Изобретение относится К электронной технике, в частности К механической обработке полупроводниковых материалов, И может быть использовано при изготовлении алмазных кругов с внутренней режущей кромкой (АКВР), предназначенных для резки монокристаллов кубической сингонии на пластины, например монокристаллических слитков кремния, а также других материалов.Одной из операций механической обработки полупроводниковых материалов является резка слитка монокристалла полупроводника на пластины. Наиболее важными характеристиками этого процесса являются срок службы режущего инструмента и совершенство геометрических параметров получаемых пластин.Одним из способов разделения слитков монокристаллов полупроводниковых материалов на пластины является их резка алмазными отрезными кругами (АОК) с наружной режущей кромкой. АОК представляет собой тонкую кольцевую пластину из прочной стали, на наружной кромке которой закреплены алмазные зерна заданного размера 1. Диаметр АОК выбирается в зависимости от диаметра отрезаемых пластин, толщину круга выбирают из условия получения необходимой жесткости.Недостатком данной конструкции отрезного круга является его относительно высокая толщина, выбираемая для получения необходимой жесткости, что приводит к повь 1 шенному отходу разрезаемого материала из-за большой толщины пропила. Другим недостатком АОК является относительно высокая вибрация режущей кромки в процессе резки слитка, что приводит к снижению срока его службы и низкому качеству отрезаемых пластин из-за невоспроизводимости геометрических параметров.Наиболее близким к изобретению, его прототипом, является алмазный круг с внутренней режущей кромкой, представляющий собой тонкое (50-120 мкм) металлическое кольцеобразное полотно, на внутреннем контуре которого закреплены алмазные зерна,образующие режущую кромку 2.Жесткость круга обеспечивается его радиальным натяжением по периферии. Низкая толщина круга и его высокая жесткость позволяют получать более высокий процент использования материала (снизить отходы за счет меньшей ширины пропила) и повысить качество отрезаемых пластин.Недостатки данной конструкции алмазного круга связаны с тем, что она не учитывает влияния осевых сил, действующих на режущую кромку в процессе резки монокристаллов кубической сингонии, например полупроводникового кремния. Это приводит к большой глубине нарушенных слоев на поверхностях отрезаемых пластин, повышенному прогибу пластин и микронеровности поверхности в виде волнистости, вызванной биением режущего круга под действием неконтролируемых осевых сил. В результате приходится назначать большие припуски на последующую шлифовку и полировку пластин, что повышает удельный расход кремния. Получаемые пластины содержат значительное количество несовершенств структуры и геометрической формы, что сильно ограничивает их использование для изготовления современных полупроводниковых приборов. Кроме того, осевые биения режущей кромки круга в процессе резки приводят к преждевременному его износу и малому сроку службы.Рассмотрим процесс резки более подробно. В процессе резки слитков монокристаллов кубической сингонии на пластины на поверхностях реза образуются нарушенные слои,обусловленные проникновением в объем кристалла микротрещин и дислокационной структуры. Глубина нарушенного слоя определяется условиями резки и возможностями релаксации вносимых при резке механических напряжений. Возможности релаксации механических напряжений в отрезаемой пластине и остающейся части монокристалла разные. Отрезаемая пластина достаточно тонкая и изгибается под действием механических напряжений. Остающаяся часть слитка является толстой и не может изгибаться. Подача смазывающе-охлаждающей жидкости (СОЖ) на быстро вращающийся круг АКВР приводит к появлению гидродинамического давления по обе его стороны. Вследствие изгиба отрезаемой пластины давление с ее стороны оказывается меньшим по сравнению с давле 2нием со стороны остающейся части слитка. Это приводит К возникновению осевой силы,действующей на режущую кромку, не учитываемой прототипом. Она направлена в сторону отрезаемой пластины И приводит К смещению режущей кромки круга. Максимальное отклонение кромки, как правило, приходится на центральную, наиболее Широкую часть сечения слитка, поэтому отрезаемая пластина получается несколько изогнутой по цилиндрической поверхности, т.е. возникает прогиб пластин.С другой стороны, по мере увеличения глубины пропила величина смещения режущего круга увеличивается и достигает некоторого критического значения, когда силы упругости, пропорциональные величине этого смещения, возвращают круг в исходное положение. При этом на поверхности отрезаемой пластины возникает дугообразная канавка,являющаяся следом траектории режущей кромки круга. Со стороны слитка, соответственно, возникает дугообразный выступ. Дальнейшее увеличение глубины пропила приводит к новому смещению круга в сторону отрезаемой пластины и его возврату в исходное положение по достижении некоторой величины. Возникает еще одна канавка. Такой процесс повторяется многократно в течение всего цикла резки и внещне проявляется как осевое биение режущей кромки круга.Осевые силы, действующие на режущую кромку, крайне неустойчивы и сильно зависят от множества случайных факторов изменения скорости подачи СОЖ, вибрации станка в целом, выкращивания зерен абразива и т.п. Это приводит к неуправляемости осевого биения режущей кромки круга и возникновению волнистости на поверхности отрезаемых пластин.Таким образом, прототип характеризуется наличием неустойчивых осевых сил, действующих на режущую кромку, что приводит к сильному осевому биению режущей кромки круга в процессе резки и возникновению в результате этого следов траектории режущей кромки на поверхности отрезаемых пластин и их высокому прогибу. Прогиб и следы траектории режущей кромки являются дефектами геометрической формы и отрицательно влияют на параметры изготавливаемых на этих пластинах приборов. Поэтому наличие таких дефектов является признаком низкого качества пластин.Нестабильность процесса резания из-за осевого биения режущей кромки алмазного круга отрицательно сказывается также на износостойкости и снижает срок службы кругов. Стойкость кругов оказывается подверженной влиянию случайных факторов и является величиной сильно невоспроизводимой. Разница в стойкости отдельных кругов может отличаться в несколько раз.Задачей настоящего изобретения является повыщение срока службы алмазных кругов при резке монокристаллов кубической сингонии и качества отрезаемых пластин за счет снижения осевого биения режущей кромки круга в процессе резки.Поставленная задача рещается тем, что в алмазном круге с внутренней режущей кромкой для резки монокристаллов кубической сингонии на пластины, выполненном в виде металлического кольцеобразного полотна, на внутреннем контуре которого закреплены алмазные зерна, образующие режущую кромку, торец режущей кромки выполнен образующим с осью вращения алмазного круга угол 5-2 О для резки монокристаллов ориентации (111) или 5-3 О для резки монокристаллов ориентации (001), при этом острый угол торца режущей кромки алмазного круга выполнен примыкающим к торцу остающейся части слитка, а торец внутреннего контура металлического полотна, наклон которого вь 1 полнен в ту же сторону, что и наклон торца режущей кромки алмазного круга, образует с осью вращения алмазного круга угол 1 О-2 О.Сущность заявляемой конструкции заключается в уменьщении осевого биения режущей кромки круга за счет предотвращения ее смещения в сторону отрезаемой пластины воздействием силы, вызванной наклоном торца режущей кромки к оси вращения. Соответствующий наклон в ту же сторону торца внутреннего контура полотна повыщает срок службы кругов до полного износа нанесенного алмазного слоя.Придание наклона торцу режущей кромки Круга приводит К появлению устойчивой осевой силы, направленной в сторону острого угла Кромки. Если острый угол кромки примыкает К торцу остающейся части слитка, эта сила прижимает режущий круг К остающейся части слитка и препятствует отклонению инструмента от плоскости реза в сторону отрезаемой пластины. ОтКлонению Круга от плоскости реза в сторону остающейся части слитка препятствует высокая жесткость последнего и большее гидродинамическое давление СОЖ с этой стороны слитка. Все это значительно стабилизирует процесс резки и снижает осевое биение режущего круга. Снижение осевого биения Круга приводит К более равномерному распределению и снижению глубины нарушенных слоев на поверхностях отрезаемых пластин и К заметному улучшению геометрических параметров отрезаемых пластин - уменьшается прогиб пластин и исчезает микроволнистость поверхности. Кроме того, стабилизация процесса резки и снижение осевого биения кругов приводит К повь 1 шению срока их службы.В том случае когда острый угол кромки примыкает К отрезаемой пластине, действующая на круг осевая сила оказывается направленной в сторону отрезаемой пластины, что увеличивает осевое биение и ухудшает качество отрезаемых пластин. Визуально определить угол и направление наклона торца режущей кромки Круга не всегда просто ввиду малой толщины Кромки. Поэтому для правильной ориентации Круга при резке могут быть предусмотрены различные метки, определяемые изготовителем и облегчающие определение угла наклона, например маркировка одной из сторон круга.Подбор величины осевой силы осуществляется выбором угла наклона торца режущей кромки исходя из условия уравновешивания круга, вызванного изгибом отрезаемой пластины, а также с учетом кристаллографических факторов. Экспериментально установленные оптимальные углы наклона режущей кромки составляют 5-2 О при резке слитков монокристаллов ориентации (111) и 5-3 О при резке слитков монокристаллов ориентации(001). Придание заданного наклона режущей кромке проводят путем правки круга, используемой для периодической очистки абразивного слоя от кремниевой Крошки, графита и приклеечного материала. Придание соответствующего наклона торцу внутреннего контура полотна перед нанесением алмазного слоя позволяет повысить срок службы кругов до полного износа режущей Кромки.Нижние пределы наклона торца режущей кромки 5 в случае резки слитков ориентации (001) и (111) обусловлены тем, что при углах наклона, меньших 5, возникающая сила недостаточна для компенсации смещения режущего Круга под действием гидродинамического давления СОЖ. Верхний предел 3 О в случае резки слитка ориентации (001) обусловлентем, что плоскости (01 1) и (011) скольжения дислокаций и зарождения микротрещин,обусловливающие стружкообразование и микроскалывание фрагментов материала в процессе резки, расположены под углом 45 К оси слитка. При углах, больших 3 О, область зарождения микротрещин, ограниченная пересекающимися плоскостями скольжения дислокаций, сильно сужается, что заметно затрудняет процесс резки.Верхний предел наклона торца режущей Кромки 2 О в случае резки слитка ориентации(111) обусловлен тем, что одна из плоскостей ( 11 1) скольжения дислокаций и зарождения микротрещин расположена под углом м 35 К оси слитка, и увеличение угла наклона сильно сужает область зарождения микротрещин.Нижний предел наклона торца внутреннего контура несущего полотна 1 О обусловлен тем, что при меньших углах наклона уменьшается срок службы Круга вследствие вскрь 1 тия при его износе участка несущего полотна, примыкающего К тупому углу торца внутреннего контура. Несмотря на наличие при этом алмазного слоя со стороны острого угла торца полотна, дальнейшее использование Круга становится невозможным.Верхний предел наклона торца внутреннего контура несущего полотна 2 О обусловлен тем, что при больших углах наклона, например 3 О, возникают трудности при электролитическом формировании алмазоносного покрытия из-за сильного увеличения плотности тока на остром угле, что приводит К недопустимой неоднородности покрытия.Заявляемая конструкция поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема резки слитка монокристалла кубической сингонии ориентации (001) кругом-прототипом,на фиг. 2 - схема резки слитка монокристалла кубической сингонии ориентации (111) кругом-прототипом, на фиг. 3 - схема резки слитка монокристалла кубической сингонии ориентации (001) заявляемь 1 м кругом, на фиг. 4 - схема резки слитка монокристалла кубической сингонии ориентации (111) заявляемь 1 м кругом, на фиг. 5 - фотографии пластин монокристаллов кремния, изготовленных с использованием заявляемого круга (а-в), и пластин с волнистостью поверхности, изготовленных использованием круга-прототипа (г-е),на фиг. 6 - профилограммь 1 поверхности пластин монокристаллов кремния, изготовленнь 1 х с использованием заявляемого круга (а), и прототипа (б), на фиг. 7 - гистограммы распределения прогиба пластин марки 100 КЭС 0,01 (100), изготовленных с использованием заявляемого круга (а) и прототипа (б), на фиг. 8 - гистограммы распределения прогиба пластин марки 100 КДБ 0,3-(111), изготовленных с использованием заявляемого круга (а) и прототипа (б).На фиг. 1-4 приняты следующие обозначения 1 - отрезаемая пластина, 2 - алмазный круг АКВР, 3 - торец режущей кромки, 4 - остающаяся часть слитка монокристалла.Как видно из фиг. 1 и фиг. 2, в случае прототипа на режущий круг действует сила давления 131 в плоскости реза, определяемая величиной подачи режущего круга, осевая сила 132, определяемая гидродинамическим давлением со стороны остающейся части слитка и направленная в сторону отрезаемой пластины, и направленная в сторону остающейся части слитка сила 133, также определяемая гидродинамическим давлением, но со стороны отрезаемой пластины. Вследствие малой жесткости отрезаемой пластины сила 132, как правило, больще, чем 133. В результате режущая кромка отклоняется в сторону отрезаемой пластины. При этом возникает дополнительная сила упругости круга, совпадающая по направлению с 133 (на чертежах не показана), за счет которой система возвращается в состояние неустойчивого равновесия, а кромка круга соверщает колебательные движения вдоль оси, что ухудщает геометрические параметры отрезаемых пластин.Появление осевой силы 1310, вызванной наклоном торца режущей кромки, и противоположной 132, как видно из фиг. 3 и фиг. 4, уравновешивает действие последней. Отклонение режущей кромки от плоскости реза в сторону отрезаемой пластины исчезает, соответственно, исчезает и осевое биение режущего круга. Эго предотвращает появление микроволнистости поверхности отрезаемых пластин, вызванной осевым биением круга, и снижает прогиб пластин, вызываемый смещением режущей кромки в сторону отрезаемой пластины. Качество пластин в целом возрастает.Заявляемая конструкция круга была испытана следующим образом.Для резки использовали монокристаллические слитки кремния марки 100 КДБ 0,3(111) и 100 КЭС 0,01 ( 100). При помощи рентгеновской установки УРС-60 И слитки ориентировали в плоскости реза. Затем формировали на них базовые и маркировочные срезы. Далее слитки приклеивали к графитовой оправке и устанавливали на станок для резки слитков полупроводниковых материалов на пластины Алмаз-6 М. Для резки использовали круги марки АКВР 422 136 0,3, скорость вращения составляла 2000 об./мин, в качестве охлаждающей жидкости использовали 2 -ный водный раствор Аквол-11. Толщина отрезаемых пластин составила 600 1 20 мкм. Резку слитка ориентации (111) на пластиныпроводили при абразивном воздействии в направлении 110 и подаче инструмента в на правлении 1 12. Резку слитка ориентации (001) на пластины проводили при абразивном воздействии в направлении 110. Заданный наклон торцу режущей кромки круга придавали путем правки.Осевое биение режущей кромки круга оценивали по наличию волнистости поверхности отрезаемых пластин, которую контролировали визуально и с помощью профилометрапрофилографа модели 252. Фотографии пластин, изготовленных с использованием заявляемой конструкции круга, приведенные на фиг. 5, а-в, свидетельствуют об отсутствии волнистости, в то время как фотографии пластин, изготовленных с использованием круга 5