Пути автоматизации процесса микрошлифования твердых высокопрочных материалов.

Наиболее экономически целесообразными областями применения размерно-регулируемого шлифования твердых высокопрочных материалов с получением изделий заданного качества являются:

- электронная промышленность при производстве нового поколения полупроводниковых приборов с большой степенью интеграции для больших высококачественных жидкокристаллических дисплеев из сверхтвердых и хрупких материалов, включая безазотные алмазы, а также для высококачественного информационного оборудования, такого как копировальные автоматы и принтеры;

- медицинская промышленность при производстве сверхвысокоточных и качественных хрусталиков глаза и хирургических скальпелей;

- ювелирная промышленность при гибком автоматизированном производстве высокохудожественных уникальных изделий из алмазного сырья морфологически сложной формы и малых размеров.

- светотехническая промышленность при производстве светоизлучающих диодов высокой яркости.

Тенденция современных, все более ужесточающихся требований различных отраслей промышленности (микро-, наноэлектроники и медицины) к качеству, а также к повторяемости выходных параметров обработанных алмазов или алмазоподобных материалов, диктует необходимость автоматизации процесса бездефектной обработки твердых, высокопрочных материалов и кристаллов с обязательным применением диагностирования параметров этого процесса. Постоянное диагностирование параметров микрошлифования делает возможным получить оперативную, достоверную и достаточную для последующего воздействия информацию, на её основе выбирать рациональные режимы обработки, чтобы достичь заданных параметров микрошлифования по геометрической форме и оптической характеристике чистоты поверхности (R_z).

Одним из способов механической обработки твердых высокопрочных и хрупких материалов и кристаллов является шлифование в режиме пластичности. При таком шлифовании получается поверхность примерно с такими же характеристиками как после полирования или притирки, что позволяет получить высокотехнологичные изделия для нано- и микроэлектроники, медицины, а также ювелирных изделий. При этом в зависимости от цели применения обработанного материала могут быть использованы различные технологические приемы и режимы шлифования.

Это делает возможным обрабатывать высокопрочные анизотропные материалы в твердом направлении. При этом появляется возможность применить алмазы в качестве подложек для сверхбольших интегральных схем в микроэлектронике, а лейкосапфиры – в качестве подложек для светодиодов высокой яркости.

Разработанная критическая технология впервые реализует обоснованный научно и подтвержденный экспериментально способ размерно-регулируемого микрошлифования твердых полупроводниковых материалов связанными алмазными режущими зернами на станочных модулях с компьютерным управлением Адаптивный режим обработки обеспечивает удаление припуска в виде отдельных «порций» с множеством пластически деформированных частичек основного материала, размеры и количество которых идентифицируют в реальном масштабе времени.

Для гранильной промышленности это дает возможность при постоянном диагностировании параметров микрошлифования, возможно осуществлять огранку алмазов в бриллианты вне зависимости от твердого или мягкого направлений (т.е. в произвольном направлении) и при этом получить высокую точность и качество заданных выходных параметров. Это обстоятельство впервые позволяет создавать оригинальные виды огранки, например с выпуклыми эллипсоидообразными гранями, а также разработать и создать технологию групповой огранки алмазного сырья малых фракций, что существенно повысит рентабельность гранильных предприятий. Кроме того, технология размерно-регулируемого микрошлифования позволяет осуществлять шлифование изделий из натуральных алмазов, кристаллографически ориентированных по плоскости (111), т.е. в «твердом» направлении, с получением обработанных поверхностей высокого качества и отсутствием «алмазного фона», сопровождающего отшлифованные в ручном режиме поверхности.

Направлением дальнейшего совершенствования потребительских свойств размерно-регулируемого шлифования является - улучшение технико-экономических показателей оборудования за счет расширения технологических возможностей и концентрации операций путем создания отдельных модификаций в семействе многокоординатных суперпрецизионных станочных модулей с интеллектуальной системой ЧПУ, с эксплуатационными показателями соответствующими характеру производства предприятий различных форм собственности (от индивидуального и мелкосерийного до крупносерийного).

При решении задачи создания способа и устройства для шлифования изделий, преимущественно из сверхтвердых и хрупких материалов, которые позволили бы обрабатывать высокоточные изделия сложной формы в режиме пластического микрошлифования без хрупкого разрушения обрабатываемой поверхности с обеспечением высокого качества поверхностей готового изделия, по существу соответствующей ручной обработки (в условиях применения поверхностно активных агрессивных средств), и его гарантированными размерами станет возможно обеспечить следующие выходные экономические показатели:

- совместить операции шлифования и микрошлифования и достичь оптических (нанометрических) классов чистоты на обрабатываемой поверхности;

- достичь с воспроизводимыми результатами высокое качество и размерную стабильность обработанных оптических поверхностей на технологически сложных деталях оператором независимо от уровня его квалификации;

- повысить точность обработки и снизить долю поверхности, подвергшейся при шлифовании хрупкому разрушению с 99 % до 0,5%.

- осуществить автоматический выбор оптимальных режимов шлифования на более высоких технологических параметрах, чем при размерно неуправляемых (ручных) операциях притирки в условиях исключающих необходимость применения поверхностно активных агрессивных средств и пассирования, а также осуществить выбор параметров процессов планаризации многослойных полупроводниковых структур.

- обеспечить почти 10-кратное повышение производительности при отказе от использования операторов высокой квалификации, а также от доводочных операций (притирки, полировки) в агрессивных средах.

Технические решения механической, электрической и электронной частей шлифовального станочного модуля и программно-математического обеспечения должны отвечать требованиям дальнейшего совершенствования его потребительских свойств на базе компьютерных технологий за счет расширения технологических возможностей и концентрации операций. В этой связи целесообразно, чтобы совершенствование указанного станочного модуля осуществлялось за счет наращивания базовых технологических возможностей дополнительными функциями, обеспечивающими с одного постанова осуществление измерения и сертификации каждой отдельной «заготовки» с составлением технического маршрута механической обработки и управляющей программы, геометрического формообразования конечного продукта, а также дополнительными функциями, обеспечивающими измерение и сертификацию отдельных внутренних дефектов, не снимая обработанные изделия со станка, а также устранение выявленных отдельных дефектов воздействием на них каких-либо физических полей (лазерного луча) непосредственно на станке.

Создание такой технологии опередит мировой уровень и впервые позволит освоить в гибком автоматизированном производстве массовый выпуск наукоемкой продукции различных видов – источников яркого свечения с многослойными гетероэпитаксиальными структурами нитридов галлия – индия – алюминия на сапфире, а также впервые позволит осуществить в одном предприятии на базе компьютерных технологий комплексную автоматизацию как единого целого автоматизированного производства указанных видов изделий.

Другими основными результатами реализации технологии размерно-регулируемого шлифования в режиме пластичности является продукция в виде лейкосапфировых пластин.

Патентозащищенность таких лейкосапфировых пластин основана на:

- предельно низкой плотности дислокаций и дефектов в кристаллической структуре за счет применения принципиально нового метода микрошлифования с ультразвуковым воздействием на обрабатываемую поверхность микроинициаторами касательных напряжений в упругой обрабатывающей системе;

- уменьшенной толщиной пластин с двухсторонней их обработкой, позволяющей осуществлять более равномерное растяжение или сжатие пластин без их разрыва и без возникновения дислокации;

Использование таких пластин повышает выход годной продукции после осуществления процесса планаризации на них многослойных полупроводников структур. Использования таких пластин (в качестве материала подложен) позволяет производить принципиально новую наукоемкую продукцию (светодиоды для экранов телевизоров инжекционных инорекционных лазеров с длиной волны 400 нм, и других), обладающих очевидными перспективами коммерциализации.

Преимущества размерно-регулируемого шлифования в режиме пластичности в сравнении с другими способами состоят в следующем:

- осуществление диагностики и идентификации параметров пластинного микрошлифования для осуществления бездефектной размерно-регулируемой обработки в реальном масштабе времени;

- самонастраивающееся компьютерное управление режимами интенсивности съема припуска со стабилизацией заданных выходных параметров обработки;

- обеспечение воспроизводимость результатов обработки и их независимости от влияния субъективных факторов (уровни квалификации обслуживающего персонала);

- осуществление критически бездефектного микрошлифования поверхностей изделий из натуральных алмазов и других алмазоподобных полупроводниковых материалов, в том числе лейкосапфирных пластин, ориентированных по плоскости (111), т. е. в «твердом» направлении, а также и в «мягком» направлении при исключении доводочных операций, основанных на использовании поверхностно активных «агрессивных» сред;

- обеспечение возможности применения автоматических станочных модулей с компьютерным управлением как для суперпрецизииионной и высокопроизводительной обработки пластин, так и для эффективной и кондиционной планаризации на таких пластинах многословных полупроводниковых структур, существенно повышающих выход годной продукции.

На основе реализации размерно-регулируемого шлифования твердых высокопрочных материалов наука о полупроводниках получит новый импульс, прежде всего в области исследования и разработки полупроводниковых излучателей высокой яркости.

 

ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ II.

 

1. Какое место в мире занимает Россия по добыче алмазного сырья?

2. Какая ориентация присуща отраслям промышленности, добывающим ювелирное сырье, и почему?

3. Что необходимо предпринять отечественным предприятиям для того, чтобы обеспечить переработку и реализацию большей части ювелирного сырья на своей территории?

4. Какие задачи позволит решить автоматизация обработки алмазов?

5. Где возможно применение автоматизированного размерно-регулируемого шлифования твердых высокопрочных материалов и с чем это связано?

6. Каковы потребности Российского рынка в светоизлучающих диодах высокой яркости?

7. Какие преимущества имеет автоматизация огранки алмазов по сравнению с существующей ручной огранкой?

8. Какие недостатки имеет автоматизация огранки алмазов по сравнению с существующей ручной огранкой?

9. Каково направление дальнейшего совершенствования технологии автоматизации размерно-регулируемого шлифования твердых высокопрочных материалов, в том числе и натуральных алмазов?

10. При каких условиях возможна автоматизация размерно-регулируемого шлифования высокопрочных материалов?

 

ГЛАВА III