CC BY
47
хЗОО
х500
Рис. 4. Микрорельеф изношенной поверхности алмазной шлифовальной головки, упрочненной методом ТГХО в "П-Мо-суспензии
В Ы В О Д Ы
1. Предложенное низкотемпературное термогидрохимическое упрочнение алмазного инструмента достигается формированием многокомпонентного дискретного покрытия, которое обеспечивает алмазосодержащему материалу высокие антифрикционные свойства и хорошую адгезионную связь на границе «алмаз -связка», а также создание в поверхностной зоне высоких напряжений сжатия.
2. Использование низкотемпературного способа термогидрохимической обработки в ^-Мо-сус-пензии позволяет повысить эксплуатационную стойкость различных видов алмазного режущего инструмента в 1,3-4,0 раза по сравнению со стандартным.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Чеповецкий, И. Х. Механика контактного взаимодействия при алмазной обработке / И. Х. Чеповецкий. -Киев: Наук. думка, 1978. - 227 с.
2. Полевой, С. Н. Упрочнение металлов / С. Н. Полевой, В. Д. Евдокимов. - М.: Машиностроение, 1986. -320 с.
3. Мельников, П. С. Справочник по гальванопокрытиям в машиностроении / П. С. Мельников. - 2-е изд. -М.: Машиностроение, 1991. - 384 с.
4. Hocking, М. G. Metallic and Ceramic Coatings. Production, Properties and Applications / М. G. Hocking, V. Va-santasree, P. S. Sidky. - London; New York, 2000. - 518 р.
5. Химико-термическая обработка металлов и сплавов: справ. / под ред. Л. С. Ляхович. - М.: Металлургия, 1981. - 424 с.
6. Состав для упрочнения режущего инструмента в процессе резания: а. с. 1340219 СССР / Н. С. Салманов, Г. А. Околович, В. Б. Бутыгин; опубл. 26.06.84.
7. Ильющенко, А. Ф. Исследование альтернативных процессов нанесения слоя твердого электролита на высокопористую подложку несущего электрода / А. Ф. Ильющенко, С. Г. Барай, Д. Р. Виолентий // Порошковая металлургия. - 2007. - № 30. - С. 138-143.
8. Способ упрочнения инструмента из быстрорежущей стали: а. с. 1434777 СССР / Ю. П. Буравчук, С. В. Ор-жеховский, Г. К. Новикова и др.; опубл. 22.07.86.
9. Виноградова, Т. В. Гидрохимическое осаждение пленок сульфидов свинца, серебра и твердых растворов замещения на их основе для создания датчиков экологического контроля: дис. ... канд. хим. наук / Т. В. Виноградова. - Екатеринбург, 2005. - 209 с.
10. Способ упрочнения инструмента из быстрорежущей стали: пат. 2023027 Российская Федерация / А. А. Шматов, Л. Г. Ворошнин; опубл. 15.11.94 // Бюл. изобр. - 1994. - № 21.
11. Балабанов, В. И. Триботехнологии в техническом сервисе машин / В. И. Балабанов, С. А. Ищенко, В. И. Бек-лемышев. - М.: Изумруд, 2005. - 192 с.
12. Фридман, Я. Б. Механические свойства металлов / Я. Б. Фридман. - М.: Машиностроение, 1974. -Т. 2. - 135 с.
Поступила 07.07.2008
УДК 681.7.064
МОДЕЛИРОВАНИЕ КИНЕМАТИКИ ПРОЦЕССА МАГНИТНО-АБРАЗИВНОГО ПОЛИРОВАНИЯ КРЕМНИЕВЫХ ПЛАСТИН
Канд. техн. наук ХОМИЧ Н. С., ЛУГОВИК А. Ю., канд. техн. наук, доц. ФЕДОРЦЕВ Р. В., КОРЗУНА. Е., КУХТО П. В.
Научно-инженерное предприятие «Полимаг», Белорусский национальный технический университет, научно-производственное объединение «Интеграл»
Монокристаллические кремниевые подлож- микросхем и других компонентов полупроводки широко используются в электронной про- никовых приборов. Использование кремниевых мышленности в качестве основы интегральных пластин большого диаметра (200, 300 мм) поз-
воляет снизить себестоимость изготовления микросхем за счет увеличения числа годных чипов, получаемых с одной пластины [1].
Технологический процесс изготовления кремниевых подложек предусматривает замкнутый цикл механической обработки и наличие следующих основных операций: тонкое шлифование, шлифование со свободной подачей, хонин-гование, промывку, полирование, травление, сухое свободное полирование [2]. В настоящее время к ведущим производителям станков-автоматов для шлифования и полирования подложек можно отнести компании Peter Wolters, PR Hoffman, Fine-Tech, Studer и др. Особенностями конструкции такого оборудования являются: планетарный механизм перемещения заготовок в рабочей зоне, многошпиндельный инструмент со «скользящей» щеткой (рис. 1) и высокостабилизированная система гашения внешних вибраций [3].
Стоимость такого оборудования в зависимости от комплектации на мировом рынке составляет 200-400 тыс. евро. В связи с этим актуальной становится задача совершенствования технологии и оборудования для финишной обработки кремниевых пластин, решение которой должно привести к снижению себестоимости применяемого технологического оборудования, усовершенствованию существующих методов и схем обработки, созданию и внедрению новых, эффективных способов подготовки поверхности кремниевых пластин.
Альтернативой трудоемким и экологически вредным способам механического и химико-механического полирования является метод магнитно-абразивной обработки композиционными ферроабразивными порошками. Сущность метода магнитно-абразивного полирования (МАП) состоит в том, что ферроабразив-ный порошок-инструмент располагается между полюсами электромагнита, образуя своеобразную «эластичную полирующую щетку». При движении обрабатываемой заготовки через рабочую зону ферроабразивный порошок оказывает давление в каждой точке обрабатываемой поверхности заготовки. Благодаря тому что на каждое зерно абразива, находящееся в контакте с обрабатываемой поверхностью, действуют силы резания, а движению зерен вместе с поверхностью заготовки препятствуют окружаю-
Рис. 1. Инструмент для финишной обработки Burr-Ex
щие зерна, которые под действием сил магнитного поля образуют достаточно плотную массу, происходят съем материала и формирование нанорельефа поверхности [4].
Поисковые исследования, выполненные в Белорусском национальном техническом университете совместно со специалистами из Fraunhofer Institute Produktionstechnology (г. Аахен, Германия), показали перспективность использования метода МАП для финишной обработки плоских прецизионных поверхностей деталей оптики и электроники [5].
Для выбора рациональной схемы магнитно-абразивной обработки и последующего проектирования технологического оборудования для МАП кремниевых пластин разработана математическая модель, отражающая основные принципы взаимодействия инструмента и заготовки.
В основу данной модели положена гипотеза Ф. Престона [6], в соответствии с которой линейный износ U детали или величину съема припуска в произвольной точке обрабатываемой поверхности можно определить следующим образом:
U
= ck^jvpdt,
где с - коэффициент, зависящий от условий, в которых протекает процесс обработки; кд -коэффициент износостойкости материала заготовки; V - скорость относительного движения заготовки и инструмента, м/с; р - давление инструмента на обрабатываемую поверхность, Н/м2; Т - общее время обработки, с.
Для оценки формы обработанной поверхности заготовки необходимо выбрать на ней некоторое количество точек, называемых в дальнейшем опорными, и определить износ в этих точках. Относительный износ щ в каждой конкретно выбранной опорной точке Му
El
ски
о
u
У
о
где Уу, Ру - соответственно функции скорости относительного скольжения и давления в окрестности опорной точки.
Относительный износ показывает, во сколько раз износ в одной точке больше, чем в другой. Он не зависит от коэффициентов с и кд, которые на данном этапе моделирования считаются постоянными, а определяется распределением параметров у и р, а также суммарным временем обработки Т2.
Для проверки модели в соответствии с кинематической схемой, представленной на рис. 2, спроектирован и изготовлен экспериментальный образец станка модели 3905 (рис. 3) для магнитно-абразивного полирования плоских заготовок в виде дисков. Как видно из схемы, станок реализует три рабочих движения: вращение верхнего полюсного наконечника 2 с частотой ю, с- , вращение обрабатываемой пластины 1 вокруг собственной оси с частотой
с-1, и возвратно-поступательное движение кремниевой подложки с амплитудой 5", м [7].
Рис. 2. Схема магнитно-абразивной обработки кремниевых подложек интегральных микросхем
Рис. 3. Внешний вид станка модели 3905
Следует отметить некоторые экспериментально установленные технологические особенности магнитно-абразивного полирования заготовок кремниевых пластин:
1. В процессе обработки нет непосредственного силового кинематического замыкания верхнего полюсного наконечника-инструмента с поверхностью кремниевой пластины (заготовкой).
2. Ферроабразивные частицы порошка под воздействием магнитного поля формируют «эластичную щетку», которая и производит полирование поверхности.
3. Композиционный ферроабразивный порошок относительно крупной зернистости (например, 40/0 мкм) может обеспечить на поверхности изделия шероховатость, характеризуемую Яа < 2 нм. Этот, на первый взгляд, противоречивый факт объясняется следующим образом: анализ предварительных расчетов показывает, что величина удельного давления на обрабатываемую неметаллическую поверхность при МАП составляет (0,3-0,8) • 102 Н/м2 [8], тогда как при шлифовании кремниевых пластин свободным абразивом по традиционной технологии на станке модели СДШ-100 значение этого параметра лежит в пределах (0,8-1,8) • 104 Н/м2 [9]. Получение конкретных численных значений удельного давления «эластичной щетки» на обрабатываемую поверхность при МАП требует проведения дополнительных экспериментальных исследований, но уже сейчас можно предположить, что изменение параметра Р в процессе обработки крайне незначительно, поэтому его величину на данном этапе моделирования можно считать постоянной.
С учетом изложенного выше математическая модель, описывающая с необходимой точностью процесс МАП с точки зрения кинематики, была получена путем синтеза двух методов обработки: традиционного - свободного абразивного притирания, реализуемого на станках с возвратно-поступательным перемещением двух звеньев, и классической схемы магнитно-абразивной обработки плоских поверхностей, в соответствии с которой два полюсных наконечника располагаются друг против друга на некотором расстоянии (до 10 мм).
Принципиальной особенностью предлагаемой модели является предположение, что износ полируемой поверхности определяется, прежде всего, взаимным расположением инструмента и заготовки, а также их геометрическими и кинематическими параметрами. Для этого в каждый дискретный момент времени требуется вычислить относительную скорость движения заготовки V и суммарное время обработки /',. Созданная компьютерная программа реализует возможность моделирования размерного съема материала при МАП по всей поверхности пластины (рис. 4).
Алгоритм работы программы следующий:
1. Для оценки интенсивности обработки задается массив опорных точек Му на рабочей поверхности пластины диаметром 150 мм, в которых определяется съем припуска.
2. При моделировании процесса МАП вся поверхность разбивается на секторы примерно одинаковой площади (около 25 мм2), центры которых являются опорными точками. Массив данных при этом состоит из 756 элементов.
3. Общее время обработки Т разбивается на конечное число малых промежутков Л = = 0,001 с. Для каждой опорной точки вычисляются величина Т„ а также значение V в каждый дискретный момент времени. Далее выполняется пересчет массива данных с одновременным поиском максимального и минимального элементов. Разность между максимумом и минимумом, выраженная в нано- или микрометрах,
характеризует общую неравномерность обработки.
Численные исследования показали, что на равномерность обработки поверхности кремниевой пластины и интенсивность съема припуска материала максимальное влияние оказывают следующие параметры:
а) расстояние Х между осями вращения инструмента и заготовки в начальный момент времени;
б) поперечное смещение траектории движения пластины У;
в) амплитуда возвратно-поступательного движения заготовки (рис. 2).
К прочим параметрам, значения которых подобраны опытным путем и оставались неизменными на протяжении всего эксперимента, относятся:
• частота вращения инструмента ю = 9 с-1;
• частота вращения заготовки О = 0,5 с-1;
• общее время обработки Т = 600 с;
• однонаправленное вращение инструмента и заготовки (по часовой стрелке).
Анализ результатов предварительных поисковых экспериментов позволил сделать вывод о том, что значения интенсивности обработки плавно изменяются от максимума к минимуму по всему диапазону значений. Поэтому в целях сокращения объема вычислений для всех оптимизируемых параметров шаг изменения оставался постоянным (10 мм).
I, нм
I, нм
150
У, мм
X, мм
Рис. 4. Топограмма интенсивности обработки по всей поверхности кремниевой пластины 0150 мм
0
На рис. 5а-г представлены результаты первого этапа проведения численных исследований. Минимальные значения интенсивности обработки на всех трехмерных графиках иллюстрируют наборы искомых наладочных параметров станка, оптимальные с точки зрения получения наименьшего значения неравномерности обработки.
Второй этап виртуальных экспериментальных исследований включал в себя исследование окрестностей всех найденных минимумов с уменьшенным шагом сканирования, равным 1 мм. Результатом поиска стали два набора параметров:
1 - X = 90 мм, У = 10 мм, 5 = 25 мм;
2 - X = 90 мм, У = 35 мм, 5 = 30 мм, обеспечивающие среднее значение неравномерности обработки на уровне 200 нм. Характер топограммы поверхности в обоих случаях
совпадает и представляет собой «яму» с возвышением в центре (рис. 6).
Для проверки полученных оптимальных наборов наладочных параметров станка и подтверждения правильности разработанной математической модели проведены реальные физические эксперименты по МАП кремниевых пластин диаметром 150 мм и толщиной 0,4 мм на станке модели 3905. Графическая интерпретация результатов измерений толщины двух полированных подложек представлена на рис. 7. Анализ данных показывает, что среднее значение неравномерности обработки составляет 3,42 и 4,59 мкм соответственно для первого и второго наборов параметров X, У и 5, что соответствует стандартным спецификациям на пластины кремния, допускающим неплоскостность не более 5 мкм [10].
I, мкм
6
I, мкм
4
1Р
Х, мм
У, мм
I, мкм г
У, мм
I, мкм
4
Х, мм
т 4
У, мм
Рис. 5. Графики изменения значения общей неравномерности обработки при различных наборах исследуемых параметров: а - 5 = 10 мм; б - 2; в - 30; г - 40 мм
б
а
4
2
0
в
4
2
I, нм
I, нм
150
У, мм
25
X, мм
Рис. 6. Топограмма поверхности кремниевой подложки после моделирования магнитно-абразивного полирования в течение Т = 10 мин
0
б
а
Рис. 7. Результаты измерений толщины кремниевых подложек после МАП с использованием следующих наборов оптимальных параметров: а - X = 90 мм, У = 10 мм, 5 = 25 мм; б - X = 90 мм, У = 35 мм, 5 = 30 мм
В Ы В О Д Ы
1. Создана компьютерная модель, отображающая механизм движения инструмента и заготовки в зоне обработки с учетом заданного исходного набора геометрических и кинематических параметров, которая позволяет:
рассчитывать суммарное время обработки и мгновенное значение относительной скорости перемещения выбранной опорной точки поверхности пластины в течение всего процесса обработки;
получать радиальное распределение величины съема припуска в зависимости от времени обработки;
строить топограмму поверхности, показывающую общую неравномерность обработки.
2. Разработана методика, позволяющая давать количественную и качественную оценку распределения съема припуска с поверхности кремниевых пластин диаметром 150 мм и более при магнитно-абразивном полировании.
3. Создано программное обеспечение, с помощью которого можно осуществлять поиск набора оптимальных значений наладочных параметров станка модели 3905: амплитуды возвратно-поступательного движения заготовки, расстояния между осями вращения инструмента и заготовки в начальный момент времени и поперечного смещения траектории движения пластины, с точки зрения получения наилучшей геометрии поверхности подложки.
4. Изготовлен экспериментальный образец станка для МАП плоских заготовок из различ-
ных материалов диаметром 5-250 мм и толщиной 0,1-40 мм.
5. Теоретически и экспериментально показано, что при магнитно-абразивном полировании кремниевых пластин величина общей неравномерности обработки изменяется в пределах 2-5 мкм.
Реализация большого технического потенциала метода МАП путем дальнейшего усовершенствования разработанной математической модели, оптимизации параметров процесса магнитно-абразивного полирования и изучения новых технических решений представляется весьма перспективной с точки зрения улучшения основных геометрических параметров кремниевых пластин.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Новое в технологии обработки пластин кремния большого диаметра для изготовления СБИС / Н. А. Большаков [и др.] // Зарубежная электронная техника. - 2000. -Вып. 4. - С. 17-29.
2. Особенности обработки пластин кремния большого диаметра / С. В. Петров [и др.] // Электронная промышленность. - 2003. - № 3. - С. 24-32.
3. Peter Wolters GmbH. Precision update. ISSUE 2/2007. P.4. http://www.peter-wolters.com/
4. Хомич, Н. С. Магнитно-абразивная обработка изделий / Н. С. Хомич. - Минск: БНТУ, 2006. - 218 с.
5. Magnetic-abrasive machining of silicon-wafers a hovel approach / M. Khomich [et al.] // Industrial Diamond Review. - 2004. - № 3. - P. 45-48.
6. Preston, F. W. The Theory and Design Plate Glass Polishing Machines / F. W. Preston // Journal of the Society Technology. - 1927. - № 11. - P. 214-256.
7. Изучение физико-химических процессов при формировании нанослоев и нанорельефа поверхности в условиях воздействия ферроабразивных частиц и магнитного поля с применением поверхностно-активных веществ: отчет о НИР (заключ.) / БНТУ; рук. Н. С. Хомич. - Минск, 2003. - 52 с. - № ГР 20022378.
8. Барон, Ю. М. Магнитно-абразивная и магнитная обработка изделий и режущих инструментов / Ю. М. Барон. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1986. -176 с.
9. Справочник технолога-оптика / М. А. Окатов [и др.]; под ред. М. А. Окатова. - СПб.: Политехника, 2004. -679 с.
10. SEMI M28-0997. (Withdrawn 1000) Specification for Developmental 300 mm Diameter Polished Single Crystal Silicon Wafers. 2008 http://www.semi.org/eu/Standards/Stan-dardsPublications/index.htm
Поступила 24.04.2008
УДК 629.7.01
ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СЛОЖНОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПРИ ТЕРМОСИЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ
Докт. физ.-мат. наук ЧИГАРЕВ А. В., асп. МИРОНОВ Д. Н.
Белорусский национальный технический университет
Проблема диагностики и прогнозирования состояния сложных механических систем в течение эксплуатации является всегда актуальной. Особенно она важна при эксплуатации систем, для изготовления которых необходимо большое количество материальных, временных и интеллектуальных затрат и от безотказности которых непосредственно зависят жизни людей и состояние других материальных ценностей. Одним из примеров таких систем является авиационный двигатель. Сложность проблемы заключается в оценке и учете всех динамиче-
ских и температурных нагрузок, действующих на рассматриваемую механическую систему с учетом многих факторов [1].
На практике изготовители предпочитают указывать несколько заниженный ресурс изделия, который в процессе эксплуатации может быть ими продлен. Эксплуатирующие организации заинтересованы в реализации всего запаса прочности и надежности изделия заложенного конструкторами при изготовлении. Для этого необходимо иметь на вооружении современные методики, позволяющие после проведения
