1. Úvod
Oboustranné leštění (DSP) je posledním a nejdůležitějším krokem při mechanickém zpracování destiček z taveného křemenného skla. Jedná se zároveň o nejdelší fázi zpracování, která má rozhodující vliv na kvalitu konečného výrobku.
Mezi běžné povrchové vady vznikající během tohoto procesu patří důlky, škrábance, odštěpky na okrajích, praskliny a úplné rozlomení destičky. Z nich lze důlky a škrábance často minimalizovat nebo dokonce opravit pomocí optimalizace procesu a regulace podmínek prostředí. Odštěpky na okrajích, praskliny a rozlomení jsou však nevratné vady, které přímo vedou k vyřazení destičky.
U ultratenkých destiček z taveného křemíku představují vady související s lomem i nadále hlavní překážku při dosahování vysoké výtěžnosti a stabilní výroby.
2. Druhy defektů způsobených zlomeninami
Lomové vady v skleněné destičky obecně zahrnují tři kategorie:
- Odštípnutí hrany (zlomení hrany)
Obvykle se definuje jako viditelné poškození okrajů nebo chybějící úlomky delší než 0,3 mm. - Šíření trhliny
Trhliny často vznikají na odštípnutých hranách a postupně se šíří do těla destičky. - Úplná zlomenina (prasknutí)
Jakmile se při dalším zpracování nebo manipulaci pod vlivem namáhání praskliny rozšíří, dojde ke katastrofálnímu selhání destičky.
V průmyslové praxi se při zjištění odštípnutí okraje destička obvykle klasifikuje jako vadný výrobek a vyřazuje se z dalšího zpracování, protože u ní existuje vysoké riziko selhání v následujících krocích.
3. Příčina vzniku trhliny při oboustranném leštění
Během procesu DSP prochází destička složitým pohybovým stavem, který je způsoben:
- Otáčení horní desky
- Otáčení spodní desky
- Otáčení slunečního kola
- Pohyb nosiče (planetového kola)
Za těchto podmínek dochází u destičky ke kombinovanému pohybu, který zahrnuje jak otáčení kolem osy, tak vlastní rotaci, což značně komplikuje přesnou analýzu napětí.
Statistiky výroby však ukazují jasný trend: lomové vady vznikají téměř vždy na okraji destičky. To naznačuje, že pevnost okraje destičky je rozhodujícím faktorem, který určuje chování při lomu.
4. Pevnost hran jako klíčový faktor poruchy
Odolnost destičky z taveného křemíku proti zlomení je dána především pevností jejích okrajů.
Za účelem zvýšení mechanické stability se destičky obvykle podrobují zkosení hran (úkos), což pomáhá snížit koncentraci napětí na hranách. Správně navržená zkosení výrazně zvyšuje odolnost proti lomu.
Avšak i při použití ochrany hran mohou nesprávné parametry zpracování nebo nadměrné mechanické namáhání stále vést k vzniku poruchy právě v oblasti zkosení.
5. Analýza napětí na okraji destičky
Během procesu DSP působí na okraj destičky kombinace sil:
- F₁: Svislá tlaková síla
Je způsobeno především tlakem při leštění vyvíjeným horní deskou. - F₂: Vodorovná síla
Je to způsobeno především odstředivými silami vznikajícími při rotaci a reakční silou ze strany nosného systému.
Na zkosené hraně lze tyto síly rozložit na:
- Normálové síly kolmé k povrchu zkosení
- Tangenciální síly rovnoběžné s povrchem zkosení
Kombinovaný napěťový stav lze vyjádřit jako superpozici:
- Normální napětí (tlakové/tažné složky)
- Smykové napětí (smykové složky)
Jakmile tyto napětí překročí mez pevnosti taveného křemene, dochází k vzniku trhlin, které obvykle začínají na okraji a šíří se směrem dovnitř.
6. Mechanismus poruchy u ultratenkých destiček
U ultratenkých destiček z taveného křemene (obvykle tloušťka < 0,3 mm) se riziko zlomení výrazně zvyšuje v důsledku několika faktorů:
6.1 Snížená pevnost konstrukce
S klesající tloušťkou se celková mechanická tuhost destičky výrazně snižuje, čímž se stává citlivější na vnější namáhání.
6.2 Zmenšená ochranná zóna zkosení
Ultratenké destičky mají mnohem menší objem zkosení a menší kontaktní plochu. V důsledku toho je ochranný účinek zkosení hran oslaben.
6.3 Zvýšená koncentrace napětí
Za stejných podmínek leštění:
- Kontaktní plocha se zmenšuje
- Místní napětí na jednotku plochy se zvyšuje
- Koncentrace napětí na hranách se výrazně zvyšuje
To vede k rychlému nárůstu jak normálového, tak smykového napětí na okraji.
7. Závěr
Vady v podobě trhlin na destičkách ze skla z taveného křemíku vznikající při oboustranném leštění jsou způsobeny především nadměrným napětím na okraji destičky. Jakmile součet normálového a smykového napětí překročí mez pevnosti materiálu, dochází k odlupování okrajů, šíření trhlin a nakonec k úplnému zlomení.
Ultratenké destičky jsou obzvláště náchylné k poškození kvůli menší tloušťce, oslabené ochraně hran a zvýšené koncentraci napětí.
Zlepšení výtěžnosti waferů proto vyžaduje, aby se pozornost soustředila zejména na:
- Optimalizace pevnosti hran
- Vylepšení konstrukce zkosení
- Regulace tlaku při leštění
- Optimalizace rychlosti otáčení
- Zvýšení stability procesu
Pečlivou regulací těchto faktorů lze výrazně snížit riziko vzniku trhlin, což vede k vyššímu výtěžku a zvýšení spolehlivosti výroby při výrobě destiček z taveného křemene.
