1. Bevezetés
A kétoldalas polírozás (DSP) az olvasztott szilícium-dioxid üveglapok mechanikai megmunkálásának utolsó és legkritikusabb lépése. Ez egyben a leghosszabb feldolgozási szakasz is, és döntő szerepet játszik a végtermék minőségében.
A folyamat során a leggyakoribb felületi hibák közé tartoznak a gödrök, a karcolások, az élek lepattogzása, a repedések és a szilíciumlapka teljes törése. Ezek közül a gödrök és a karcolások gyakran minimalizálhatók, vagy akár kijavíthatók a folyamat optimalizálásával és a környezeti feltételek szabályozásával. Az élek lepattogzása, a repedések és a törés azonban visszafordíthatatlan hibák, amelyek közvetlenül a szilíciumlapka selejtezéséhez vezetnek.
Az ultravékony olvasztott szilícium-dioxid-szeletek esetében a töréshez kapcsolódó hibák továbbra is a legnagyobb kihívást jelentik a magas hozam és a stabil gyártás elérése szempontjából.
2. A töréshibák típusai
Töréshibák a üveglemezek általában három kategóriát foglalnak magukban:
- Élek lepattogzása (éltörés)
Általában látható élsérülésként vagy 0,3 mm-nél hosszabb hiányzó darabokként definiálják. - Repedés terjedése
A repedések gyakran a letört éleknél keletkeznek, majd fokozatosan terjednek tovább a szilíciumlapka testébe. - Teljes törés (törés)
Ha a repedések a további feldolgozás vagy kezelés során terhelés hatására továbbterjednek, az a szilíciumlapka katasztrofális meghibásodásához vezet.
Az ipari gyakorlatban az élkopás észlelése esetén a szilíciumlemezt általában hibás terméknek minősítik, és kivonják a további feldolgozásból, mivel nagy a kockázata annak, hogy a következő lépésekben meghibásodik.
3. A repedés keletkezése a kétoldalas polírozás során
A DSP során a szilíciumlapka összetett mozgásállapotba kerül, amelyet a következők vezérelnek:
- A felső lemez elforgatása
- Az alsó lemez elforgatása
- A napkerék forgása
- Hordozó (bolygókerék) mozgása
Ilyen körülmények között a szelet forgás és önforgás kombinált mozgását végzi, ami a pontos feszültségelemzést rendkívül bonyolulttá teszi.
A gyártási statisztikák azonban egyértelmű tendenciát mutatnak: a töréshibák szinte mindig a szelet szélén keletkeznek. Ez arra utal, hogy a szelet szélének szilárdsága a törésviselkedést meghatározó legfontosabb tényező.
4. A perem szilárdsága, mint a meghibásodás fő oka
A fúziós szilícium-dioxid-szelet törésállóságát elsősorban a szélső szilárdsága határozza meg.
A mechanikai stabilitás javítása érdekében az ostyákat általában élek letörése (fazítás), ami segít csökkenteni a stresszkoncentrációt a széleken. A megfelelően kialakított letörés jelentősen javítja a törésállóságot.
Azonban még élvédő használata esetén is előfordulhat, hogy a nem megfelelő megmunkálási paraméterek vagy a túlzott mechanikai terhelés a letöréses területen meghibásodáshoz vezet.
5. Feszültségelemzés a szilíciumlapka szélén
A DSP során a szilíciumlapka szélére többféle erő hat egyszerre:
- F₁: Függőleges nyomóerő
Főként a felső lemez csiszolási nyomása okozza. - F₂: Vízszintes erő
Főként a forgás során fellépő centrifugális hatások, valamint a hordozórendszerből származó reakcióerő okozza.
A letörött élnél ezek az erők a következőkre bonthatók:
- A letörés felületére merőleges normálerők
- A letörés felületével párhuzamos érintőirányú erők
A kombinált feszültségi állapot a következők szuperpozíciójaként fejezhető ki:
- Normál feszültség (nyomó- és húzókomponensek)
- Nyírófeszültség (csúszó komponensek)
Amikor ezek a feszültségek meghaladják az olvasztott szilícium-dioxid mechanikai szilárdsági határértékét, repedés keletkezik, amely általában a szélén kezdődik, és befelé terjed.
6. A rendkívül vékony szeletek meghibásodási mechanizmusa
Az ultravékony olvasztott szilícium-dioxid-lemezek (jellemzően < 0,3 mm vastagságúak) esetében a törésveszély több tényező miatt is jelentősen megnő:
6.1 Csökkent szerkezeti szilárdság
A vastagság csökkenésével a szelet általános mechanikai merevsége jelentősen csökken, ami miatt érzékenyebbé válik a külső igénybevételekre.
6.2 A letörés védelmi területének csökkentése
Az ultravékony szeleteknél a letörés térfogata és az érintkezési felület is jóval kisebb. Ennek következtében a szélletörés védő hatása gyengül.
6.3 A feszültségkoncentráció növekedése
Ugyanazon polírozási feltételek mellett:
- A érintkezési felület csökken
- A területegységre jutó helyi feszültség növekszik
- A peremterületen a feszültségkoncentráció jelentősen megnő
Ez a szélén mind a normál-, mind a nyírófeszültség gyors növekedéséhez vezet.
7. Következtetés
A fúziós szilícium-dioxid üveglapoknál a kétoldalas csiszolás során kialakuló töréshibákat elsősorban a lap szélén fellépő túlzott feszültség okozza. Amikor a normál- és nyírófeszültségek együttes hatása meghaladja az anyag mechanikai szilárdsági határértékét, a lap szélén lepattogzás, repedésterjedés, majd végül törés következik be.
Az ultravékony szeletek különösen sérülékenyek a csökkentett vastagság, a gyengébb élvédelem és a megnövekedett feszültségkoncentráció miatt.
Ezért az ostya-kihozam javításához különös figyelmet kell fordítani a következőkre:
- Élek szilárdságának optimalizálása
- A letörés kialakításának fejlesztése
- A polírozási nyomás szabályozása
- A forgási sebesség optimalizálása
- A folyamat stabilitásának javítása
Ezen tényezők gondos szabályozásával jelentősen csökkenthető a törésveszély, ami nagyobb hozamot és jobb gyártási megbízhatóságot eredményez a fúziós szilícium-dioxid-szeletek gyártása során.
