Свободным абразивом

В электронной структуре кристалла кремния с примесью фосфора четыре валентных электрона фосфора и валентные электроны четырех соседних атомов кремния образуют четыре связанные пары. Пятый валентный электрон фосфора оказывается избыточным. При незначительных затратах энергии от внешних источников (тепловая энергия при комнатной температуре) избыточный электрон теряет связь с атомом примеси и становится свободным электроном. Атом фосфора, потеряв электрон, становится неподвижным положительным ионом. Такой полупроводник называется полупроводником с электронной электропроводностью или полупроводником л-типа, а соответствующая примесь — донорной. На 10.1 приведено условное изображение идеального полупроводника и-типа, на котором неподвижный положительный ион обозначен знаком плюс в кружочке, а подвижный свободный" электрон - знаком минус.

В электронной структуре кристалла кремния с примесью фосфора четыре валентных электрона фосфора и валентные электроны четырех соседних атомов кремния образуют четыре связанные пары. Пятый валентный электрон фосфора оказывается избыточным. При незначительных затратах энергии от внешних источников (тепловая энергия при комнатной температуре) избыточный электрон теряет связь с атомом примеси и становится свободным электроном. Атом фосфора, потеряв электрон, становится неподвижным положительным ионом. Такой полупроводник называется полупроводником с электронной электропроводностью или полупроводником и-типа, а соответствующая примесь - донорной. На 10.1 приведено условное изображение идеального полупроводника и-типа, на котором неподвижный положительный ион обозначен знаком плюс в кружочке, а подвижный свободный' электрон - знаком минус.

В электронной структуре кристалла кремния с примесью фосфора четыре валентных электрона фосфора и валентные электроны четырех соседних атомов кремния образуют четыре связанные пары. Пятый валентный электрон фосфора оказывается избыточным. При незначительных затратах энергии от внешних источников (тепловая энергия при комнатной температуре) избыточный электрон теряет связь с атомом примеси и становится свободным электроном. Атом фосфора, потеряв электрон, становится неподвижным положительным ионом. Такой полупроводник называется полупроводником с электронной электропроводностью или полупроводником и-типа, а соответствующая примесь — донорной. На 10.1 приведено условное изображение идеального полупроводника и-типа, на котором неподвижный положительный ион обозначен знаком плюс в кружочке, а подвижный свободный электрон — знаком минус.

Одновременно с процессами прямой и ступенчатой ионизации в разряде всегда имеет место и обратный процесс, заключающийся в рекомбинации (соединении) иона со свободным электроном, приводящей к образованию нормального атома газа. Процесс рекомбинации имеет существенное значение после окончания любого электрического разряда.

За пределами значений энергии, определяемой уровнями валентных электронов (энергия электронов превышает энергию связи их с ядром), находится область непрерывного спектра (крестообразная штриховка на 3-1, а), где энергия электрона может принимать любое значение. Электрон в этой области не связан с ядром атома — он является свободным электроном, или электроном проводимости (в случае газа).

Под относительной ионизацией S понимают число пар заряженных частиц, образованных свободным электроном на 1 см своего пути. Величина 5 зависит от давления газа и энергии (скорости) летящего электрона. При малых энергиях 5 = = 0, так как /Се<Ли; величина S резко возрастает, проходит максимум и вновь начинает уменьшаться. Так, при р=\ мм рт. ст. в воздухе и Ке~Ю6 эв 5 = 6-10-2 (один акт ионизации на 16 см пути); при Ке = = 103 эв 5 = 0,33 (один акт ионизации на 3 см пути); при /(е=140 эв 5=10 (10 актов ионизации на 1 см пути). При дальнейшем уменьшении энергии электронов 5 вновь уменьшается. Объясняется это тем, что для быстрых электронов время взаимодействия с нейтральной частицей мало и кулоновские силы не успевают выбить связанный электрон с орбиты. Вторичные электроны, образованные при соударениях, в свою очередь при столкновении с нейтральными частицами могут их ионизировать, если их энергия достаточно велика. Таким образом, первичный электрон достаточно большой энергии ионизирует нейтральные частицы не только сам, но и через образованные им вторичные электроны.

Вследствие теплового возбуждения при Т > О К какая-либо валентная связь между двумя атомами может оказаться нарушенной. Один из электронов, участвующих в парноэлектронной связи, может получить энергию, превосходящую по величине энергию, запасаемую при ковалентной связи, и стать свободным электроном. На плоской схеме кристаллической решетки ( 9-6, а)

Вероятность столкновения пары электрон—дырка со свободным электроном пропорциональна п2р, а с дыркой р2п. Поэтому темп Оже-рекомбинации определяется выражением

своими четырьмя из пяти валентными электронами-вступают в связь с атомами кристаллической решетки германия ( 2.5, б). Пятый валентный электрон мышьяка окажется не связанным, т. е. становится избыточным (свободным) электроном. Полупроводники, электропроводность' которых повысилась благодаря образованию избытка свободных' электронов при введении примеси, называются полупроводниками с электронной проводимостью, или сокращенно полупроводниками типа п. Введение в четырехвалентный полупроводник трехвалентного элемента, например индия ( 2.5, в), приводит, наоборот, к избытку дырок над свободными электронами. В этом случае ковалентные связи не будут полностью завершены и образовавшиеся дырки могут перемещаться по кристаллу, создавая дырочную проводимость. Полупроводники, электропровод-' ность которых обусловливается в основном движением дырок, называются полупроводниками с дырочной проводимостью, или сокращенно полупроводниками типа р.

Вследствие теплового возбуждения при Т > О К какая-либо валентная связь между двумя атомами может оказаться нарушенной. Один из электронов, участвующих в парноэлектронной связи, может получить энергию, превосходящую по величине энергию, запасаемую при ковалентной связи, и стать свободным электроном. На плоской схеме кристаллической решетки ( 9-6, а)

теплового движения, становясь свободным электроном проводимости.

Ультразвуковая обработка основана на использовании энергии ультразвуковых колебаний в диапазоне частот 15... 30 кГц при амплитуде порядка 0,05 мм. Источником колебаний обычно являются магнитострикционные преобразователи, возбуждаемые от ультразвукового генератора. Известны четыре области применения ультразвуковых колебаний для изготовления деталей: 1) обработка мелких деталей свободным абразивом; 2) размерная ультразвуковая обработка хрупких материалов; 3) очистка шлифовальных кругов в процессе их работы; 4) облегчение режимов резания вязких материалов. Для приборостроения наиболее характерны две первые области использования ультразвука ( 2.11).

При обработке мелких деталей свободным абразивом (а) детали помещают в аоразивную суспензию, в которой возбуждаются ультразвуковые колебания. При этом в суспензии возникают течения, под действием которых абразивные зерна и заготовки двигаются с различными скоростями (Ра?=«з): происходит декоративное шлифование и снятие заусенцев.

1.12. Схема одностороннего шлифования свободным абразивом

1.13. Модель шлифования полупроводника свободным абразивом

Наиболее распространенным видом шлифования является одностороннее шлифование свободным абразивом с наклейкой пластин на оправку ( 1.12). Пластины полупроводника 4, укрепленные с помощью специального клея на оправках 3, находятся в контакте с поверхностью шлифовального круга 5, на которую непрерывно подается абразивная суспензия из дозатора 1. При вращении круга оправки с пластинами также вращаются вокруг своих осей в направляющих роликах 6 и пластины описывают сложные траектории по поверхности шлифовального круга. Чем сложнее траектория движения пластин, тем однороднее шлифование. Для регулирования давления на пластины в процессе обработки применяют калиброванные грузы 2.

Механизм шлифования свободным абразивом заключается в следующем ( 1.13). При перемещении шлифовального круга относительно пластины ] наиболее крупные зерна 2 абразива ударяют по ее поверхности, создавая конические трещины 3. Вначале в процессе участвует 7-10% массы зерен, остальные зерна неподвижны. Постепенно все зерна вовлекаются в работу, перемещаясь и переворачиваясь в пространстве между кругом и пластиной. За счет вращения зерен разных размеров действие шлифовального круга имеет ударно-

Итак, после завершения операции ориентированного резания слитка операцию шлифования пластин свободным абразивом в производстве полупроводниковых приборов осуществляют в три этапа:

В зависимости от характера используемого абразива она подразделяется на шлифовку связанным (абразивным инструментом) и свободным абразивом (абразивными суспензиями). Шлифование связанным абразивом является высокоточным и производительным процессом, заключающимся в обработке поверхности пластин полупроводников алмазными шлифовальными кругами. Пластины крепят к столу шлифовального станка наклеиванием или вакуумным присасыванием. В зону контакта шлифовального круга с ПЛаСТИНаМИ ПОДаЮТ Охлаждающую жидкость. Обычно закрепленные на вращающемся столе пластины обрабатывают последовательно несколькими (обычно тремя) алмазными шлифовальными кругами. Это позволяет за один поворот стола провести черновую, получистовую и чистовую обработку пластин.

5.15. Схемы полирующих узлов ставков одностороннего (а) и двустороннего (6) шлифования пластин полупроводников свободным абразивом: / — устройство, дозирующее абразивную суспензию; 2 — грузы; 3 — шлифовальная головка; 4 — обрабатываемая пластина; 5 — шлифовальник; « — направляющие ролики; 7 — отверстие для подачи абразивной суспензии: 8 — центральный вал с закрепленной на нем шестерней 9; 10 — зубчатый сепаратор с отверстием для обрабатываемой пластины; Л — периферийное зубчатое колесо; 11 — траектория движения центра пластины

При шлифовании пластин полупроводников свободным абразивом усредненные параметры обработки (удельное давление на пластину, скорость и направление резания, число проходов отдельных зерен по пластине) вследствие неориентированного резания поверхности большим массивом зерен по всей площади пластины примерно одинаковы, что обеспечивает однородную структуру поверхности. Прошедшие обработку свободным абразивом пластины имеют ровную матовую поверхность, без следов (рисок) направлений обработки.

Из двух применяемых вариантов шлифовки свободным абразивом, односторонней ( 5..15, а) и двусторонней ( 5.15,б),tпредпочтение следует отдать последней, как