РАЗДЕЛ 2
МЕТОДОЛОГИЯ РАБОТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1. Методология работы
Качество и эффективность процесса резки слитков полупроводников на пластины, входящего в категорию ультрапрецизионных механических процессов, во многом определяет экономические показатели и, в силу технологической наследственности, качество конечной продукции - полупроводниковых подложек.
Точность отрезаемых пластин, процент выхода годных пластин, стойкость инструмента и объем материала, уходящего в отходы, достаточно полно характеризуют процесс, легко контролируются и потому могут быть параметрами оптимизации процесса резки слитков. Однако эти параметры не являются независимыми и представляют собой функции от величины и степени равномерности натяжения инструмента, его режущих свойств (величины износа), величины поперечной подачи, уровня вибраций, радиальных биений режущей кромки, параметров точности системы СПИД и диаметра разрезаемого слитка.
В условиях реального производства, когда величина поперечной подачи и диаметр разрезаемого слитка определены существующим технологическим процессом, а уровень вибраций и параметры точности системы СПИД определены имеющимся на производстве оборудованием, единственными параметрами, изменением которых можно влиять на качество конечной продукции процесса резки, остаются величина натяжения отрезного круга и величина радиальных биений. Причем радиальные биения возникают под воздействием трех факторов: несовпадения центра вращения шпинделя станка и геометрического центра отрезного круга, являющегося следствием погрешности установки АКВР, анизотропии материала корпуса круга и неравномерности натяжения отрезного круга. Поскольку первые два фактора определяются имеющимся на производстве оборудованием, то остается единственный параметр - неравномерность натяжения круга, изменением которого можно влиять на качество конечной продукции процесса резки. Таким образом, выделены два основных параметра - величина натяжения и степень неравномерности натяжения отрезного круга, с помощью которых в условиях реального производства можно влиять на качество процесса резки монокристаллов на пластины. Практическая реализация этой возможности предполагает наличие методик диагностики (контроля) величины натяжения и степени равномерности натяжения и оптимизации их показателей. Следовательно, решение данной двуединой задачи и определяет методологию исследования, которая подразумевает:
* построение качественной модели образования погрешностей формы отрезаемой пластины при резке слитков с помощью АКВР для получения количественных (аналитических) зависимостей между величиной натяжения и степенью ее равномерности и показателями качества обработки, такими как стойкость инструмента, ширина пропила и параметры точности отрезаемых пластин;
* применение методов плоских задач теории упругости для исследования плоского напряженно-деформированного состояния отрезного круга с целью получения распределения напряжений корпуса АКВР при неравномерном натяжении;
* применение методов и результатов аналитической теории дифференциальных уравнений для определения осевой жесткости отрезного круга как функции величины натяжения и степени равномерности натяжения;
* использование модели плоских волн растяжения-сжатия при разработке методики выбора предельно допустимой величины натяжения отрезного круга;
* применение методов теории изгибных колебаний тонких пластин для разработки методов измерения неравномерности натяжения отрезного круга;
* использование методов математической статистики при обработке результатов экспериментальной проверки теоретических посылок и выводов при проведении эксперимента в условиях реального производства.
Предлагаемый подход определяет структурно-логическую схему работы, представленную на рис. 2.1.
2.2. Разработка модели образования погрешностей формы отрезаемой пластины
Для выбора интегральных показателей точности отрезаемых пластин, рассмотрим те показатели несовершенства геометрической формы пластин, которые либо вовсе не устраняются, либо устраняются лишь ценой больших усилий на дальнейших технологических стадиях обработки отрезанных пластин. К таким параметрам относят такое несовершенство формы пластины как неплоскостность. В частности, согласно международному стандарту SEMI [38], неплоскостность характеризуют прогиб пластины (Bow), определяющий отклонение срединной поверхности пластины от базовой плоскости, проходящей через три опорные точки стола, на котором располагается пластина, (рис. 2.2.а)) и коробление (Warp), определяющее деформацию срединной поверхности в виде разности максимального и минимального расстояний срединной поверхности от базовой (опорной) плоскости, параллельно которой происходит сканирование измерительного датчика (рис. 2.2.б)).
Свяжем со станком систему координат, поместив ее начало в центр отрезного круга, лежащий на оси вращения шпинделя. Ось расположим вдоль направления поперечной подачи, ось расположим на оси вращения шпинделя, а ось - перпендикулярно плоскости (рис. 2.3). Ось
Рис. 2.1.Структурно- логическая схема работысоответствует направлению движения суппорта станка на дискретный шаг , равный толщине отрезаемой пластины.
а)
б) Рис. 2.2. Виды неплоскостности отрезаемых пластин:
а) прогиб пластины; б) коробление
Тогда силу резания при разделении слитка монокристалла на пластины можно разложить на три составляющие: тангенциальную ,
Рис. 2.3. Схема резания
1 - отрезной круг; 2 - устройство натяжения; 3 - слиток
направленную по касательной к режущей кромке (параллельно оси ) и определяющую мощность, потребляемую приводом главного движения станка, радиальную (нормальную) , направленную вдоль оси и аксиальную , направленную по оси .
Свободная поверхность отрезаемой пластины называется лицевой, а вторая, образующаяся в процессе резания, - тыльной. Паз, образующийся в слитке в процессе резания, называется идеальным, если все точки тыльной пове