Технология резки стержней монокристаллов кремния

Секция «Технологияпроизводства ракетно-космической техники»

На временной отсечке 3 показан момент, начала процесса сдвигового течения РС в центре канала с отчетливо выраженным градиентом давления по длине. Появление зоны повышенного давления на стенке на входе канала, изображенное на временной отсечке 4, сжатие вязкоупругих цепочек максимально. Этот момент характеризует начало сдвигового течения среды на стенке. При этом меняются условия деформирования. Коэффициент трения скольжения цепочек больше по своей величине, чем коэффициент трения покоя. Начальный коэффициент вязкости среды существенно выше коэффициента вязкости. Это приводит к тому, что наблюдается скачок градиента давления в поперечном сечении канала. Происходит начало формирования двух зон: в центральной области канала и в пристеночной области канала (временная отсечка 5). На временной отсечке 6 в пристеночной зоне градиент давления по длине канала практически отсутствует. Это свидетельствует о том, что все сегменты вязкоупругих цепочек этой области деформированы приблизительно одинаково. В центральной зоне градиент по длине канала существенен. Начальные сегменты цепочки (возле штока) испытывают максимальное сжатие, конечные сегменты цепочки (свободный конец) деформируются только из-за градиента давления по сечению канала.

С течением времени происходит выравнивание условий нагрузки сегментов и градиент давления в центральной части канала уменьшается. Этот момент показан на отсечке 7.

Окончательная картина распределения давлений в установившемся потоке РС показана на временной отсечке 8. Наблюдаются три зоны деформирования потока РС. В центре канала формируется зона, на-

зываемая «ядром потока» [1]. Скорость течения в ней максимальна, а давление минимальное.

На стенке канала образуется зона, в которой скорость потока минимальна, а давление - наоборот. Между двумя этими зонами располагается переходная область. Для всех трех зон градиент давления в потоке РС по длине канала минимален.

Результаты моделирования показали, модель течения среды совпадает с экспериментальными данными при индексе течения п = 0,75. Максимальное напряженно-деформированное состояние РС на стенке канала положительно влияет на условия обработки, так как именно в этой области находятся активные абразивные зерна, микронеровности которых вступают в контакт с микронеровностями обрабатываемого поверхностного слоя.

Библиографические ссылки

1. Левко В. А. Абразивно-экструзионная обработка: современный уровень и теоретические основы процесса : моногр. ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2007.

2. Макарова М. А., Гусев А. С., Пышнограй Г. В., Рыбаков А. А. Нелинейная теория вязкоупругости линейных полимеров // Электронный физико-технический журнал. 2007. Т. 2. С. 1-54.

3. Левко В. А. Модель течения рабочей среды при абразивно-эструзионной обработке тонких осесимметричных каналов большой длины // Вестник ЧГПУ им. И. Я. Яковлева : Механика предельного состояния. 2008. № 2. С. 85-94.

© Турилов Д. М., Ларкина И. А., Левко В. А., 2010

УДК 621.6.9

С. А. Цетыркина, И. Ф. Зуйков, И. В. Чумакова, А. В. Чумакова Научный руководитель - Ю. А. Филиппов Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

ТЕХНОЛОГИЯ РЕЗКИ СТЕРЖНЕЙ МОНОКРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ

Рассмотрены особенности раскроя стержней монокристаллов кремния с целью совершенствования технологии и повышения конкурентоспособности изделий КА.

В производстве космических аппаратов (КА) широко используются полупроводниковые материалы, обладающие высокими эксплуатационными свойствами, но они плохо поддаются механической обработке при выполнении операций точения, фрезерования, сверления. Поэтому для механической обработки полупроводниковых материалов широко используются абразивные материалы на основе алмаза и эльбора.

Одним из режущих инструментов являются металлические диски с внутренней или внешней режущей кромкой, армированные искусственными или природными алмазами. При резке слитков диском с наружной режущей кромкой из-за его боль-

шой толщины получается большая ширина пропила. Поэтому область применения данного метода ограничена резкой слитков на мерные заготовки. Наибольшее распространение при резке слитков на пластины получил метод резки алмазными кругами с внутренней режущей кромкой (АКВР). Для оснащения кругов АКВР, предназначенных для резки кремния, рекомендуется использование натурального или синтетического алмаза высокой прочности с величиной зерна основной фракции 60...80 мкм. Выбор зернистости влияет на производительность и качество поверхности пластин - глубину дефектного слоя и шероховатость поверхности. Так, при

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки

резке кремния увеличение размера зерен алмаза от 60/40 до 125/100 вызывает увеличение глубины дефектного слоя с 16 до 28 мкм [1].

Перспективными являются круги, у которых на торце рабочей части режущей кромки закреплены алмазы повышенной зернистости, а на боковых сторонах - в 2-3 раза более мелкие, что обеспечивает улучшение шероховатости обработанной поверхности.

Режим резки назначают в зависимости от диаметра слитка, толщины отрезаемых пластин. Процесс резки характеризуется абразивным съемом материала и прерывистым контактом между инструментом и изделием, что приводит к ударному взаимодействию. Схема сил, действующих при резке АКВР, показана на рис. 1. Отношение составляющих Р2/Ру для кремния лежит в пределах 0,3.. .0,5.

Зависимость силы Р при резке слитков кремния от окружной скорости V круга и подачи слитка показана на рис. 2.

Рекомендуются следующие рациональные режимы резания: окружная скорость 16.24 м/с, подача не более 40.70 мм/мин при резке кремния [2]. Используемая смазочно-охлаждающая жидкость (СОЖ) удаляет отходы из зоны резания, отводит тепло от инструмента и обрабатываемого материала. В качестве СОЖ используют воду с небольшими добавками поверхностно-активных веществ. Наилучшим способом подачи СОЖ в зону резания является подача форсункой непосредственно на режущую кромку. Расход СОЖ - 6.8 л/мин.

При качественном натяжении алмазного круга и правильном подборе режимов резания пластина монокристалла кремния должна иметь поверхность без сколов, царапин и грубых рисок. Разброс по толщине для партии пластин, нарезанных из одного слитка, не должен превышать ±0,03 мм, допуск параллельности плоскостей ±0,02 мм, а допуск сферичности (прогиб) - не более 0,015.0,020 мм [2; 3].

Наиболее эффективные способы резки кристаллов кремния - это резка проволокой, кругами с наружной и внутренней режущей кромкой, а также некоторые новые способы - ультразвуковая и лазерная резка.

Так, в качестве режущего инструмента используется проволока. Проволочная пила представляет собой проволоку диаметром 0,08.0,15 мм. Резка может осуществляться набором ряда проволок. Более высокую производительность обеспечивает проволока, на которую гальваническим способом нанесен алмазосодержащий слой с размерами зерна 1.20 мкм. Однако, сложность обеспечения однородных механических и геометрических характеристик на значительной длине такого инструмента препятствует его широкому применению. Основное достоинство проволочной резки заключается в том, что этот метод позволяет получить обработанные детали с минимальными нарушениями структуры кристалла ввиду малых термодинамических напряжений, возникающих в зоне контакта инструмента с обрабатываемой деталью. При обработке хрупких материалов усилие составляет всего 0,15.2,00 Н. Однако этому методу присущи и ограничения, которые не позволяют широко и эффективно

использовать проволочный инструмент на операции резки крупных кристаллов кремния на пластины. К ним в первую очередь относится очень малая устойчивость проволоки, причем сопротивляемость проволоки по направлениям одинакова, что в значительной степени сказывается на общем профиле обрабатываемых поверхностей. Этот метод малопроизводителен, и стоимость его достаточно велика по сравнению с методом резки с внутренней режущей кромкой. Поэтому рассмотренный способ применяется лишь при резке на небольшую глубину. Многолезвийная резка позволяет одновременно разрезать слиток на небольшое количество пластин до 250 шт. и более.

Рис. 1. Силы, действующие при резке слитка: 1 - режущая кромка; 2 - слиток

Рис. 2. Зависимость силы Р от окружной скорости круга V и подачи S.

Процесс резки стержней монокристаллов кремния является наиболее трудоемким, поэтому поиск оптимальных режимов раскроя требует дальнейших разработок и исследований.

Библиографические ссылки

1. Запорожский В. П., Лапшинов Б. А. Обработка полупроводниковых материалов. М. : Высш. шк., 1988.

2. URL: http://popnano.ru/science/index.php?task= view&id=223.

3. Технология обработки анизотропных материалов : метод. указания к выполнению практ. заданий для студентов спец. 151001 всех форм обучения / сост. : Ю. А. Филиппов, Л. В. Ручкин, В. Д. Утенков ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2005.

© Цетыркина С. А., Зуйков И. Ф., Чумакова И. В., Чумакова А. В., Филиппов Ю. А., 2010