Инженеры Инжинирингового центра РТУ МИРЭА оптимизировали технологию шлифования пластин монокристаллического сапфира с использованием алмазных инструментов разной зернистости. Сапфир — один из самых твердых материалов (9 по шкале Мооса), его обработка традиционными методами приводит к образованию микротрещин и требует длительной финишной полировки. Новая разработка позволяет увеличить скорость съема материала в несколько раз, сократить время обработки и минимизировать дефектный слой, что критически важно для производства подложек светодиодов, лазеров и СВЧ-микроэлектроники.
Монокристаллический сапфир — стратегический материал в полупроводниковой промышленности. Он прозрачен в широком спектральном диапазоне (от ультрафиолета до инфракрасного), выдерживает температуры до 2040 °C и химически инертен. Именно сапфировые подложки используют для выращивания светодиодов, лазерных диодов и сложных СВЧ-микросхем. Но у этого материала есть и обратная сторона: его высокая твердость делает обработку крайне сложной. Традиционное шлифование свободным абразивом (алмазным порошком в жидкой суспензии) дает высокую шероховатость поверхности и оставляет подповерхностный трещиноватый слой глубиной до 80–120 мкм. Для тонких пластин (толщиной менее 200 мкм) это критично: микротрещины снижают механическую прочность и теплопроводность, а их удаление требует длительной и дорогой финишной полировки.
Ученые РТУ МИРЭА предложили перейти от свободного абразива к связанному алмазному инструменту — когда алмазные зерна жестко закреплены в специальной связующей матрице. Такой подход перераспределяет вектор нагрузки: вместо ударного воздействия вглубь материала преобладает сдвиговое микрорезание. Это сокращает глубину трещиноватого слоя на 30–40% и снижает расход абразива.
Ученые испытали несколько вариантов алмазных инструментов с разным размером алмазных зерен (от крупных до очень мелких) и разными составами связующего вещества. Лучший результат для черновой обработки показал термостабилизированный инструмент с крупным зерном: он снимал материал почти в 6,5 раз быстрее традиционных аналогов. Для финишной обработки оптимальным оказался инструмент с добавками графита, который улучшает отвод тепла. Предложенный трехступенчатый цикл (с постепенным уменьшением зерна) позволяет достичь высокой производительности и микроскопической шероховатости поверхности — менее 0,07 микрометра.
«Сапфир — материал исключительно прочный, но хрупкий. Традиционное шлифование свободным абразивом оставляет глубокий трещиноватый слой, и чем больше размер абразивных зерен, тем глубже повреждения. Мы разработали инструменты со связанными алмазными зернами и модифицированными связками, которые переключают режим разрушения с ударного на сдвиговой. Это позволило кардинально увеличить скорость съема материала и одновременно сократить глубину дефектного слоя. Для промышленности это означает снижение себестоимости производства подложек и повышение их качества», — рассказывает Владимир Кондратенко, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник Инжинирингового центра РТУ МИРЭА.
«Особенно важно, что уменьшение нарушенного слоя повышает механическую прочность тонких приборных пластин. Для пластин толщиной менее 200 мкм, которые используются в современной СВЧ-микроэлектронике, это критически важно — микротрещины могут привести к разрушению при последующих технологических операциях. Наша технология сокращает время финишной полировки и снижает риск брака. Сейчас мы продолжаем оптимизацию составов инструментов для финишного шлифования», — добавляет Виктор Кадомкин, кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник Инжинирингового центра РТУ МИРЭА.
Разработка имеет практическое значение для производителей полупроводниковых подложек, оптических компонентов и приборов на их основе. Исследование было представлено на Национальной научно-технической конференции с международным участием «Перспективные материалы и технологии». https://elibrary.ru/item.asp?id=82580821&pff=1
Источник информации: пресс-служба РТУ МИРЭА
Источник фото: ru.123rf.com
