Спосіб а. ф. нікуліну визначення глибини порушеного шару обробленої поверхні об'єкта. Фізичні основи руйнування твердих матеріалів у струменях газу Фізична модель деформації та руйнування твердих тіл, що викликаються зовнішніми силами
Полірування
Для поліпшення якості обробки поверхні напівпровідникових пластин та зменшення глибини механічно порушеного шару проводять процес полірування. Процес полірування відрізняється від процесу шліфування технологічним режимом, розміром зерна та видом абразиву, а також матеріалом полірувальника. Обробка відбувається із використанням вільного абразиву. Процес полірування проводять на м'яких полірувальниках, які є жорсткими дисками, обтягнутими м'яким матеріалом. Як абразив використовують мікропорошки синтетичного алмазу, оксиду алюмінію, оксиду хрому, діоксиду кремнію. Полірувальний матеріал повинен утримувати частинки абразивного матеріалу в процесі обробки пластин. Процес полірування пластин може відбуватися кілька етапів. Для початку застосовують мікропорошки з більшою зернистістю. На наступних етапах, після проведення операції очищення від слідів попередньої обробки, змінюють матеріал полірувальника і використовують дрібніші мікропорошки. Навантаження на напівпровідникові пластини дещо зростає. Водна суспензія протягом усього процесу полірування ретельно перемішується. Останній етап полірування має велике значення. Він дозволяє видалити фон частинок з поверхні пластин, що виникає на перших етапах полірування і значно зменшити глибину механічно порушеного шару. Так само можуть застосовуватися хіміко-механічні способи полірування, які відрізняються високою хімічною активністю по відношенню до оброблюваного напівпровідникового матеріалу, .
Полірування пластини проводимо в кілька етапів, з робочого боку:
· Попереднє полірування алмазної пастою АСМ-3 на м'якій тканині до глибини порушеного шару 6-9 мкм.
· Повторне полірування алмазної пастою АСМ-1 на м'якій тканині до глибини порушеного шару 4-6 мкм.
· Остаточне полірування алмазної пастою АСМ-0,5 на м'якій тканині до глибини порушеного шару 3-1 мкм.
Хіміко-механічне полірування
Видалення з поверхні підкладки залишкового механічно порушеного шару необхідне отримання атомарно досконалої структури поверхневого шару, тому наступним технологічним процесом є хімічна обробка пластин. Всі види забруднень можна класифікувати за двома ознаками: їх фізико-хімічними властивостями (органічні, неорганічні, сольові, іонні, механічні та ін.) та характер їх взаємодії (фізично і хімічно адсорбовані) з напівпровідниковими матеріалами, на яких вони знаходяться.
До фізично адсорбованих забруднень відносяться всі види механічних частинок (пил, волокна, абразив, металеві включення), а також всі види органічних матеріалів, пов'язані з поверхнею підкладки силами фізичної адсорбції. Видалення органічних забруднень вимагає складнішого процесу відмивання, оскільки при нагріванні вони розкладаються і виділяють газоподібні речовини, що погіршують подальші технологічні процеси.
До хімічно адсорбованих забруднень відносяться різні види оксидних та сульфідних плівок на поверхні пластин, катіони та аніони хімічних речовин. Таким чином, для повного очищення підкладки від забруднень використовують низку послідовних операцій, кожна з яких видаляє кілька видів забруднень. Травлення є обов'язковою технологічною операцією, .
При травленні кремнію роль окисника виконує азотна кислота.
Фтористоводнева (плавикова) кислота, що входить до складу травника, переводить окис кремнію тетрафторид кремнію. Для травлення, що дає дзеркальну поверхню пластин використовують суміш зазначених кислот у співвідношенні 3:1, температура травлення 30 ... 40 ° С, час травлення близько 15 с.
Хіміко-механічне полірування проводимо у два етапи:
· Первинне полірування суспензією аеросилу, SiO 2 (зерно 0,04 - 0,3 мкм), до глибини порушеного шару 2-1 мкм.
· Остаточне полірування суспензією цеоліту, до глибини порушеного шару 1-0,5 мкм.
Фізичні основи руйнування твердих матеріалів у струменях газу
динамічний модуль пружності Ел тіл кристалічної структури мало відрізняється від статичного Е с, тоді як у органічних тілах з високомолекулярною структурою вплив швидкості деформації помітно в межах пружності;
зі збільшенням швидкості деформації межа плинності σ т збільшується, причому збільшення значніше у середовищах з вираженим майданчиком плинності;
межа міцності σ також залежить від швидкості деформації, збільшуючись зі зростанням останньої, причому руйнування з великою швидкістю деформації викликає меншу залишкову деформацію, ніж руйнування з малою швидкістю деформації за інших рівних умов;
зміцнення середовища із збільшенням швидкості деформації зменшується. Це свідчить про істотне зміна діаграми σ i - ε i (рис. 1.17) при динамічному навантаженні. Кількісна зміна σ i залежно від ε i описується співвідношенням:
Моделі деформованих твердих тіл
Швидкий розвиток технологій, пов'язаних з використанням високоактивних поверхневих структур матеріалів, що переробляються, вимагає детальних відомостей про структуру поверхневих шарів і способів їх зміни в процесі підготовки матеріалів. . Доцільно зробити аналіз дефектних шарів приповерхневих, утворених в результаті механічної обробки матеріалів. Відомо, що для кожного конкретного матеріалу, що має певні деформаційні властивості, особливості формування порушеного шару визначаються температурним режимом на межі взаємодії абразиву з матеріалом, що обробляється, тобто інтенсивністю тепловиділення і характером тепловідведення. Іншими словами, температурний режим залежить від розміру та форми частинок абразиву, від співвідношення та величини твердостей і теплопровідностей абразиву та оброблюваного матеріалу за ідентичних або близьких динамічних умов обробки. Так, у разі полірування алмазними пастами, тобто твер щими абразивами з гострими краями, теплопровідність яких вище, ніж у кремнію, тепловиділення на межі взаємодії i абразиву і оброблюваного матеріалу мало (здійснюється; зрошувальний тепловідведення через абразив). В результаті взаємодії абразиву з поверхнею оброблюваного матеріалу переважає ефект різання, що призводить до крихкого руйнування поверх юсти. У цьому випадку в процесі формування порушеного шару основний розвиток отримує перший, сильно зруйнований підсло i і величина порушеного шару визначається глибиною проникнення тріщин. У процесі хіміко-механічного полірування суспензіями окислу цирконію або двоокису кремнію (частки абразиву сферичної форми, твердість і теплопровідність яких можна порівняти або менше, ніж у кремнію) виділяється значна кількість тепла при малому тепловідводі через абразив. Відбувається значний тільний розігрів поверхні оброблюваного матеріалу (до 250°С, локально може бути значно вищим), що сприяє протіканню процесу пластичної деформації аж до утворення сіток дислокацій. У разі отримує «розвиток другий підшар порушеного шару . Таким чином, порушений шар, утворений внаслідок механічної обробки, має складну будову. I У методом електронної мікроскопії, що просвічує, вивчена структура приповерхневих шарів кремнію, н найбільш часто застосовується в технологічних процесах. Вивчення структури проводилося в комплексі з пошаровим хімічним | травленням поверхневих шарів у розчині суміші плавикової та азотної кислот (1:6) та переглядом відповідних шарів за допомогою скануючого електронного мікроскопа (РЕМ). Товщина досліджуваних пластин 400-200 мкм. Загальна глибина структури доводилася до 250 мкм від поверхні. Вибір такої граничної глибини обґрунтований можливим впливом поверхневої обробки на об'єм пластини, а також визначення меж такого впливу. Ототожнення дефектів і доказ того, що вони виникають через механічну обробку, проводилося шляхом зміни загальної товщини пластин, що піддаються механічній обробці. На основі електронно-мікроскопічних досліджень створена схема будови порушеного шару, яка є останнім часом найбільш прийнятною. Відповідно до цієї моделі порушений шар складається з рельєфного, полікрасталічних шарів, зони тріщин і дислокацій та упругодеформованої зони. Найбільше руйнування кристалічної структури спостерігається у двох зонах, величина яких пропорційна розміру зерна абразиву. Таким чином, під час механічної обробки на поверхні виникає рельєфний шар із полікристалічною структурою, товщина якого становить 0,3-0,5 величини мікронерівностей. Безпосередньо під рельєфним, полікристчлічним шаром знаходяться тріщини з дислокаціями, які є основними дефектами механічної абразивної обробки і роблять основний внесок у повну глибину порушень; цей другий шар проникає у 3-5 разів глибше, ніж перший, і характеризується мозаїчною кристалографічною структурою. Щільність та розмір тріщин зменшуються з глибиною, між тріщинами спостерігаються дислокації та дислокаційні сітки. nike air tn air У перехідній області між областями пластичної деформації та суто пружних напруг імовірно знаходиться квазістатична область, в якій є поле напруг внаслідок комбінацій дислокацій та впроваджених дефектів або інших мікродефектів. Дислокаційна та упругодеформована зони мало вивчені, тому певних даних про повну глибину порушеного шару, так і про процеси, що відбуваються в цих зонах, немає. nike air max flyknit ultra 2.0 Можна зробити висновок, що скупчення дислокацій характерні відразу для двох останніх зон порушеного шару і можуть ….(див. Структура …при лазерних пов., с.23…)- незалежно від його хімічної природи (органічна або неорганічна) є складною квантово-механічною системою, повного опису якої поки що немає. У зв'язку з цим розглядають наближені моделі, причому обмеження, що визначають тип моделі для конкретної задачі, зазвичай відносять до другорядних процесів, що не змінює істотно властивості твердих тіл. Хімічні, оптичні, електрофізичні, механічні властивості речовини залежить від його електронної конфігурації. Носіями цих властивостей є валентні електрони. Поглинання та емісія випромінювання обумовлені переходами валентних електронів з одних енергетичних станів до інших. ??? (див. також Гордон) Твердість речовини - властивість, яка визначає (?) здатність до руйнування, - обумовлена опором електронних хмар стиску, що у твердій речовині супроводжується збільшенням електронів. Фізичну основу теорії будови речовини становить квантова механіка, що у принципі дозволяє обчислити всі фізичні константи, що характеризують властивості речовини, виходячи лише з чотирьох фундаментальних величин: заряду e та маси електрона m, постійної Планка h та маси ядер. Сили квантово-механічної взаємодії між ядрами та електронами – міжатомні хімічні зв'язки – утримують міжатомні хімічні зв'язки утримують атоми у певному порядку, чим і зумовлюють структуру речовини. У структурному відношенні тверді тіла мають кристалічну чи аморфну будову. Кристалічне, органічне або неорганічне, тверде тіло є сукупністю безлічі довільно розташованих і взаємно пов'язаних кристалів. Природні кристали, з яких сформовані тверді тіла, у першому наближенні відповідають ідеальному кристалу, структура якого характеризується розташуванням, що періодично повторюється, в просторі складових його атомів. Розташовані певним чином кристалі атоми, утворюють його кристалічну решітку. Найпростіші кристалічні грати – кубічні. Прагнення атомів зайняти місця, найбільш близькі до інших атомів, призводить до утворення ґрат різних типів: проста кубічна; кубічна об'ємно центрована; кубічна гранецентрована; гексагональна щільноупакована. Відхилення структури від ідеальної, що є в реальному кристалі, зумовлюють відмінність фізичних властивостей реальних та ідеальних речовин. Кожному відповідає певна кристалічна структура, що визначає його властивості, що змінюється при зміні зовнішніх умов та змінює при цьому властивості. Здатність речовини існувати у деяких кристалічних формах називають поліморфізмом, різні кристалічні форми – поліморфними (аллотропічними) модифікаціями. При цьому алотропічну форму, що відповідає найнижчій температурі та тиску, при яких існує стійкий стан речовини, позначають α, наступні стани, при більш високих температурах і тисках – β, γ тощо. д. Перехід речовини з однієї форми до іншої прийнято називати фазовим. Порядок розташування атомів у кристалі визначає його зовнішню форму. Досконалим кристалом називають повністю симетричну структуру з атомами, розміщеними суворо у вузлах ґрат. За будь-яких порушень розташування атомів кристал вважається недосконалим. Характер та ступінь порушення правильності (досконалості) кристалічної будови значною мірою визначають властивості речовини. Тому, прагнення надати тій чи іншій речовині певні властивості обумовлює необхідність вивчення можливостей зміни у необхідному напрямі кристалічної структури твердих тіл або їх аморфізацію з метою отримання необхідних фізико-механічних властивостей. Аморфний стан твердих речовин характеризується ізотропією властивостей та відсутністю точки плавлення. При підвищенні температури аморфна речовина розм'якшується та переходить у рідкий стан поступово. Ці особливості обумовлені відсутністю речовини, що у аморфному стані суворої періодичності, властивої кристалам, розташування атомів, іонів, молекул та його груп. Аморфний стан утворюється при швидкому охолодженні розплаву. Наприклад, розплавляючи кристалічний кварц і потім швидко охолоджуючи розплав, одержують аморфне кварцове скло.
1.2. ФІЗИЧНО-МЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТІ ТВЕРДИХ ТІЛ, що деформуються.
Модель реального твердого тіла може бути представлена суцільним середовищем з певними фізико-механічними властивостями, укладеною в області D об'єму V з площею поверхні S. середовища тіла Фізична поведінка середовища характеризується рівнянням стану σ = σ (ε, έ, Τ), (1.17) яке встановлює зв'язок між середнім значенням напруги σ (тиском р) та середнім значенням деформації ε (щільністю ρ) залежно від температури Т, середньої швидкості деформації έ і інший параметрів. Встановлення рівняння стану багато в чому залежить від характеру об'ємного деформування середовища, яке пов'язане з однією з її фундаментальних властивостей - стисливістю. Під стисливістю розуміють здатність середовища змінювати свою густину залежно від чинного тиску ρ = ρ (р). (1-18) Складність залежності (1.18) насамперед визначається зовнішнім тиском, що діє на середу. Тиск р буде низьким, якщо справедлива залежність р = -3Кε, де Adidas Zx Flux Pas Cher — модуль об'ємного стиснення; середнім, якщо йому відповідає область фазових та поліморфних переходів; високим, якщо відбуваються електронні переходи; надвисоким, якщо відбувайся руйнування електронних оболонок і втрата атомами індивідуальних властивостей з подальшим перетворенням середовища на електронний газ. Стискання може бути статичною, якщо залежність (1.18) отримана в умовах статичного навантаження, і динамічної якщо залежність отримана при динамічному навантаженні у вигляді ударної адіабат (рис.1.14) або в будь-якій іншій формі. Для завдань динаміки руйнування тіла за умов газодинамічного диспергування найбільший інтерес представляє динамічна стисливість. Аналіз експериментальних даних з динамічної стисливості металів, виконаний Л. П. Орленком [цитується з роботи: В.М. Іонів, В.В. Селіванов. Динаміка руйнування тіла, що деформується. adidas superstar homme moins cher - М: Машинобудування, 1987. - 272 с. ], дозволив встановити очевидний вид залежності (1.18) Р = А (ρ / ρ 0) n ! В. Для ширшого класу матеріалів р = - 
де А, В, n, З 0 , - постійні матеріалу; ε= ρ 0 /ρ- 1. Для вирішення завдань про деформацію та руйнування тіл необхідна повніша інформація про поведінку середовища при навантаженні, тому необхідно мати рівняння стану (1.17), що усанавлює зв'язок між інваріантами – інтенсивністю напруг σ i як основною характеристикою дотичних напруг та інтенсивністю деформацій ε i як основною характеристикою зсувних деформацій залежно від температури Т, швидкості деформацій έ i та інших параметрів… При статичному навантаженні, фіксованих температурі та інших параметрах рівняння стану …(див. с. 34) При динамічному навантаженні тіла, як показують результати численних досліджень, поведінка середовища інше, ніж за статичного: зміна швидкості деформації призводить до істотних змін її механічних властивостей. Встановлено, що:
σ т = σ т 0 с.36 Іон.. де σ т 0 – межа плинності при швидкості деформації έ 0 ; К і n – постійні. Експериментально встановлено, що для багатьох середовищ існує нижній поріг чутливості до швидкості деформації:
при різних швидкостях деформації, менших від критичного значення, залежність σ (ε) однакова. Чутливість середовища при постійній швидкості деформації характеризується коефіцієнтом динамічної чутливості ? В - константи, що залежать від ε i і Т. Для інших середовищ типово збільшення значення з підвищення швидкості деформації.
Експериментальні дослідження механічної поведінки середовищ при змінній швидкості деформації дозволили запропонувати залежність (с. σ * = А [ ∫(h (ε)/ έ 0) q dε ] n , справедливу при довільній зміні швидкості реформації έ = h (ε), починаючи з значення έ 0 при ε 0 . Для довільної історії навантаження запропонована залежність (c.38 Іонів) … t σ = σ (ε (р)) - ∫ t 0 K(t-τ)σ(τ) dτ, де σ (ε (р)) - гранична динамічна залежність при έ → ∞; (р) = ε - σ /Е - пластична деформація; середовища при динамічному навантаженні встановлений вид рівняння (1.31 с.37) в залежності від властивостей середовища, температури та швидкості деформації. характерні для релаксації та післядії. Процес мимовільного зменшення інтенсивності напруга σ i з часом t при постійній інтенсивності деформацій ε i називають релаксацією (рис.1). 19). Для математичного опису релаксації Максвеллом запропоновано залежність dσ i /dt = Еdε i dt -σ i /τ, де τ - постійна, яка залежить від температури Т і називається часом релаксації. При ε i = маємо (с.38 Іон) = сг г (М) ехр (~t/t). ………………………………………… яке може бути отримано з таких міркувань. При невеликих температурах Т -<\(a cn h/(ak) свободная энергии в соответствии с (1.4) F = U 0 + 77(9/7-)-Воспользовавшись термодинамическим равенством f~t(-^-\ — Г д (F }] 1 \ дТ) v ~ [ 5(1/7) \ Т /V получим дР, _ J_ д I F \ _ U D дв -I ~ 6 д(\1Т) \ Т) 9 ‘ где U D - внутренняя энергия в дебаевском приближени i, обусловленная колебаниями атомов. Учитывая, что -р = - (dFldV)r, запишем уравнение состояния калорического типа dt/O . р Up rar /i 1Q4 Р - -^г t i -у~, Kf. U- iy / полученное Грюнайзеном. На ударной адиабате давление ‘ можно представить в виде двух слагаемых: упругого /? у и тепле иого р т давлений, причем, как следует из термодинамического равенства р TdS = dE + pdV, ~»~§ъ при Т — О К имеем k |^^>> /V-ді»/дУ pr^-TUn/V. ^ Щ%&' (1-20) ^—^Ш& Як випливає з (1.20), параметр Грюнайзена Г, що характеризується відношенням теплової енергії грати до теплового j г ^»^^/^^\ Рис. nike air max 90 1.14. Положення ударної адіабати () n V V V щодо кривої холодної стисливої (2)
Фізична модель деформації та руйнування твердих тіл, що викликаються зовнішніми силами
Ушкодження, що накопичуються при складних навантаженнях
Навантаження постійним у часі напругою, що викликає повзучість, циклічне навантаження з постійною амплітудою напруги або деформації, що викликає втому, або навантаження з постійною швидкістю зміни напруги або деформації є прості навантаження. Тим часом специфіка обробки матеріалу струменями газу висуває проблему поведінки матеріалу при динамічному навантаженні в тих випадках, коли навантаження змінюється з часом (наприклад, при повзучості, коли задана напруга змінюється з часом; при втомі, коли амплітуда циклічної напруги змінюється з часом), т е. проблему накопичення пошкоджень при складних навантаженнях. Однак теорії, що точно описують цей процес, в даний час, мабуть, не існує. Раніше стосовно втоми було сформульовано емпіричне правило Майнера. Суть його полягає у наступному. Якщо позначити через N i число циклів при амплітуді напруги σ i , а через N fi - довговічність при дії тільки напругою з амплітудою σ i , то при навантаженні зі змінною амплітудою напруги умовою руйнування стає співвідношення (8.103) Майнер та більшість інших дослідників таким чином трактують вираз (8.103). (Екоборі с.214). Руйнування виникає тоді, коли загальна сума приватних сум різноманітних поглинених енергій, що припадають на кожен цикл, стає рівною деякою постійною величиною. Причому практично всі запропоновані досі численні правила, що описують накопичення ушкоджень, включають такого роду уявлення. Слід зазначити, що одні дослідники розглядають правило Майнера як (8.103) як просту емпіричну формулу, інші - як вираз викладеної вище енергетичної гіпотези. Перш ніж перейти до наступного викладу, необхідно, мабуть, навести приклад універсального уявлення, що має на увазі вираз (8.103). А саме: вираз типу (8.103) є вираз для часу до виникнення дискретного явища в умовах попереднього впливу різними навантаженнями (плинність, руйнування втоми і руйнування при повзучості, руйнування при спільних втомі і повзучості. (Екоборі, с.216).
Дисперсність частинок як фактор фізико-хімічних властивостей матеріалу
Критичний аналіз опублікованих даних показує, що всупереч твердженням низки авторів, які нібито спостерігали драматичні зміни фундаментальних фізичних властивостей у порівняно великих частинок діаметром (D) більше 100 А, насправді ці властивості практично не відрізняються від масивного тіла. Виявлені «ефекти», як правило, пояснюються впливом окисної оболонки частинок та взаємодією їх один з одним та з навколишнім середовищем. Природа сильних змін властивостей частинок, що мають D< 100 А, недостаточно ясна, поскольку, согласно материалам первой части этой книги, основные характеристики массивного тела почти полностью сформированы уже в агрегатах, содержащих менее 1000 атомов (D ≤ 10 Ǻ). Предполагается, что причиной таких изменений может быть изомерная перестройка структуры кластеров, составляющих частицы. Предлагаемый критический обзор физических свойств малых частиц имеет целью, во-первых выявить, где возможно, размерную зависимость этих свойств, и, во-вторых, установить роль структурных единиц - кластеров в формировании наблюдаемых явлений. Большинство исследований вы полнено на аэрозольных частицах, полученных методом так называемого («газового испарения») «газодинамического диспергирования». (Петров Ю. И. Физика малых частиц. – М.: Наука, 1982.) с.63 Краткая характеристика метода газодинамического диспергирования. Петров с.63 + Структура и прочность материалов при лазерных воздействиях / М. С. Бахарев, Л. И. Мирин, С. А. Шестериков и др. – М.: Из-во Моск. ун-та. nike pour homme pas cher 1988. –224 с. Р а з м о л доломита. 1 ! Сырьем для помола служил 90 % кристаллический доломит, который подвергался размолу под давлением помольного газа II атм при исходном | размере крупинок материала в 6Э мкм. Запасы энергии кристаллической j структуры продуктов размола увеличиваются в процессе помола как в | воздушной среде, так и в среде CO 2 . Это видно на экзотермическом максимуме при температуре около 200 °С для серии кривых снятых ДГА показанных на рис.б. Подобное, но в процентном отношении меньшее накопление энергии, по лучил Kkac S. в процессе размола доломита на вибрационных мельницах. Помол, производимый С0 2 является более производительным,чем воздушный помол, так как 98 % исходного материала размалывается до средней величины частиц в 1-2 мкм. Общее кристаллическое состояние доломита не изменяется,хотя в результате сутце ствуюцих примесей некоторый процент кальцита становится аморфным. ! Размол известняка. ! Производился дальнейший размол в струйных мельницах при давлении помольного газа I атм, материала, предварительного размельченного до размера 200 мкм. nike roshe run homme bleu marine Помол, производимый воздухом, оказался результативнее. 98 % материала размалывается до размера частиц менее чем 2 мкм, но зато уменьшается до 60 % содержание карбоната в продукте помола. Уменьшение содержания СО? при помоле в среде помольного газа СО, носит затухаюций характерно при этом ухудшается размалывающая способность. На основании проведенных рентгеновских исследований было обнаружено, что 50 % кальцита становится аморфным в процессе помола газом СОг), а при размоле воздухом приобретает аморфное состояние всего несколько процентов.
Про П:І;.C"À.",3 і E винаходи
Союз Радянських
Соцмалмстммескмх
2 (5l) М. Кл.
Державний комітет
Ради Мкнкстроу СРСР до справ кзооретенкй та листівок (43) Опубликовано25.10.78.Бюлетень № 38 (53) уд (@pl 382 (088.8) (45) Дата опублікування опису
Ж. А. Верьовкіна, В. С. Кулешов, І. С. Суровцев та B. Ф. Синоров (72) Автори нзобретеыия (тт) даявитель Воронезького ордена Леніна державний університет ім. Ленінського комсомолу (54) СПОСІБ.ВИЗНАЧЕННЯ ГЛУБИНИ ПОРУШЕНОГО ШАРУ
НАПІВПРОВІДНИКОВОЇ ПЛАСТИ НИ
Винахід відноситься до виробництва напівпровідникових приладів.
Відомі способи визначення глибини порушеного шару засновані на зміні фізичних або електрофізичних параметрів напівпровідникового матеріалу при послідовному механічному або хімічному видаленні порушеного шару.
Гак, метод плоскопаралельних (косих) перерізів з підтравлюванням полягає в послідовному видаленні частин порушеного шару, хімічному травленні матеріалу, що залишився, і візуальному контролі слідів трешин. 15
Метод циклічного травлення заснований на відмінності у швидкостях травлення поверхневого порушеного шару та обсягу напівпровідникового матеріалу і полягає в точному визначенні обсягу 20 стравленого матеріалу за певний проміжок часу.
Метод мікротвердості заснований на різниці величини мікротвердості порушеного шару і об'єму напівпровідникового матеріалу і полягає в пошаровому хімічному стравлюванні приповерхневих шарів матеріалу і вимірюванні мікротвердості частини напівпровідникової пластини, що залишилася.
Метод інфрачервоної мікроскопії заснований на різному поглинанні випромінювання
ІЧ-діапазону напівпровідниковими пластинами з різною глибиною порушеного шару і полягає у вимірі інтегрального пропускання ІЧ-випромінювання напівпровідниковою пластиною після кожного хімічного видалення шару матеріалу.
Електронографічний метод визначення глибини порушеного шару заснований на приготуванні косого шліфу з напівпровідникової пластини і скануванні електронного променя IIо шліфу від поверхні монокристалу до тієї точки, починаючи з якої дифракційна картина не змінюється, з наступним виміром пройденої відстані.
Однак у відомих методах контролю слід зазначити або наявність дорогого та громіздкого обладнання, або
599662 застосування агресивних н токсичних реактивів, а також тривалість одержання результату.
Відомий спосіб визначення глибини порушеного шару в напівпровідникової S йнастині шляхом нагрівання напівпровідника, Qrm його полягає s тому, що попу проводникову пластину з порушеним шаром поміщають у вакуумну камеру перед вхідним вікном приймача екзоепек- 1о тронів, за допомогою якого вимірюють екзоепектроееееую емісію.
Для створення екоепектронів електричного поля, що тягне, над поверхнею- 33 стью попупровідника поміщають сітку, на яку подають заперечної потеяциап. Далі при нагріванні напівлроводяга з його поверхні виникає екоепектронія емісія вимірюючись з допомогою при емнику1 і додаткової апаратур'ї (ши» (еокополостного підсилювача і імпульсного лічильника), При цьому температурне порушення 5 і 2).
При цьому способі необхідна наявність вакуумного Устаткування, причому для отримання емісійних спектрів необхідно в камері створювати розряджання не гірше 10 торр. Створення таких умов ЗО перед власне процесом визначення гееу%нье порушеного шару призводить до з пученням кінцевого результату лише через
40-60 мієЕ„Крім того, за даним способом не можна одночасно визначити 35 кристапографічну орієнтацію напівпровідникової пластини.
Мета цього винаходу вЂ" спрощення процесу визначення глибини порушеного шару, одночасне Опредепе 40 ня кристаплографічної орієнтації попупровідникової пластини.
Це досягається тим, що пластину нагріває від B високочастотному лопі до появи скеенефекту і витримують протягом 2-5 с, після чого по середній максимальній довжині слідів орієнтованих каналів проппаупения і їх формі визначають глибину порушеного шару і орієнтацію монокристалічної пластини.
На кресленні наведена залежність середньої максимальної площі слідів орієнтування каналів проплаву на повіркості кремнію орієнтації (100) від глибини порушеного шару„
При індукційному нагріванні напівпровід ннкової пластини (з одночасною ініціацією власної провідності в напівпровіднику) на периферії останнього виникає скін-ефект, що виявляється за появою обідка, що яскраво світиться, на пластині. Прн в'єтримуєїї пластини у зазначених успій протягом 2-5 з виявлено, що на обох сторонах периферії напівпровідникової пластини утворюються фігури у вигляді трикутників для попупровідників, орієнтованих у площині, і прямокутників - для орієнтації (100).
Ці фігури є слідами орієнтованих каналів пропапування.
Утворення каналів, мабуть, обумовлено взаємодією пондермоторних сип електричного полі з тріщинами та іншими дефектами в приповерхневому шарі напівпровідника, що призводять до розриву міжатомних зв'язків у зоні дефекту. , таким чином, проппавія моякристал уздовж дефекту.
ЗкспереЕментапьним шляхом виявлено, Р чтО максимаен еіая протяжність (пощадье) поверхневих слідів орієнтованих каналів пропагування залежить від розміру (протяжності) самого дефекту в структурі попупровідника. Причому залежність ця нієїйна, тобто чим більший розмір дефекту, наприклад, довжина тріщин, тим велику пщадь має слід орієнтованого канапа пропавши, що виник на цьому дефекті.
Приклад При поліруванні кремнієвих пластин алмазними пастами з діаметром зерна, що послідовно зменшується, попередньо будують градуювальну криву. По осі ординат відкидають значення глибини порушеного шару в кремнії, визначені будь-яким із вапн. них методів, наприклад, циклічним травленням. По осі абсцис» середню максимальну довжину (площу) слідів пропавлення, що відповідає певній глибині порушеного шару. Для цього пластини діаметром 40 мм, иэъя-1 ті з різних стадій полірування, по-. міщають на графітовій підкладці в ципіндричний ВЧ індуктор днаметррм 50мм установки потужністю ЗІВТ і робочою частотою 13,56 МГц. Пластину витримують в ІЛ-полі 3 с, після чого на мікроскопі типу МІІ-4 по 10 полях зору випереджають середню максимальну довжину (площу) сліду каналу.
Упорядник Н. Хлєбніков
Редактор Т. Колодцева Техред. АлатирьовКоректор С. Патрушева
Замовлення 6127/52 Тираж 918 Передплатне
UHHHfIH Державного комітету Ради Міністрів СРСР у справах винаходів та відкриттів
113035, Москва, Ж-35, Рауська наб., буд, 4/5
Філія ППП Патент, м. Ужгород, вул. Проектна, 4 співи. Надалі при частковій зміні технології, тобто, наприклад, при зміні типу верстата, матеріалу поліровальника
> зернистості алмазної пасти і т. буд. вилучають одну з пластин з певної стадії техпроцесу і піддають ВЧ-про роботу, як це описано вище. Далі, скориставшись градуювальної кривою, визначають глибину порушеного шару і вносять корективи технологію. Орієнтацію також контролюють візуально після ВЧ обробки.
Хронометрування процесу визначення глибини порушеного шару та орієнтації напівпровідника, згідно з запропонованим технічним рішенням, показує, що весь процес від його початку (приміщення пластини в ВЧ-індуктор) і до отримання кінцевого результату займає
Реалізація описаного способу в напівпровідниковому виробництві дасть можливість проводити експрес-контроль
29 бини порушеного шару на обох поверхнях напівпровідникової пластини з одночасним визначенням її крирталографічної орієнтації, зменшити застосування агресивних і токсичних реактивів і тим самим, поліпшити безпеку і умови праці.
формула винаходу
Спосіб визначення глибини порушеного шару напівпровідникової пластини шляхом нагрівання напівпровідника, о т л і -е ч а ю шийся тим, що, з метою спрощення процесу і одночасного визначення кристалографічної орієнтації пластину нагрівають у високочастотному нулі до появи скін-ефекту і витримують таким чином протягом
2-5 с, після чого по середній максимальній протяжності слідів орієнтований. них каналів процлавлення та їх формі визначають глибину порушеного шару та орієнтацію монокристалічної пластиBbK
суспензію діоксиду кремнію складають у співвідношенні: 1 ч. порошку діоксиду кремнію та 5 ч. води. Суспензія протягом процесу полірування повинна ретельно перемішуватися. Процес полірування з використанням суспензії з діоксиду кремнію проводять на поліровальнику із замші з частотою обертання до 100 об/хв.
Діоксид цирконію у вигляді водної суспензії із співвідношенням компонентів 1: 10 та величиною зерна не більше 0,1 мкм з успіхом використовується на остаточному етапі процесу полірування.
Останній етап полірування має велике значення. Він дає можливість видалити так зване алмазне тло з поверхні напівпровідникових пластин, що виникає на перших двох етапах, і значно зменшити глибину механічно порушеного шару. Останній етап полірування дозволяє отримати поверхні напівпровідникових пластин із чистотою обробки, що відповідає 13-14-му класу.
Подальше вдосконалення та покращення методів полірування напівпровідникових матеріалів передбачає пошук шляхів
підвищення продуктивності процесу, створення нових полірувальних матеріалів, що забезпечують поряд з високою якістю обробки поверхні хорошу геометричну форму пластин, До нових перспективних методів полірування слід віднести хіміко-механічні способи, які відрізняються високою хімічною активністю по відношенню до оброблюваного напівпровідникового матеріалу.
§ 3.8. Контроль якості механічної обробки
Електричні параметри готових напівпровідникових приладів та ІМС суттєво залежать від ступеня досконалості поверхні, якості обробки та геометричної форми оброблених напівпровідникових пластин, так як ці недосконалості механічного різання, шліфування та полірування несприятливо позначаються на наступних технологічних процесах: епітаксії, фотолітографії, дифузії. Проведення процесів механічної обробки напівпровідникові пластини піддаються контролю. Оцінку якості виробляють за такими основними критеріями придатності: 1) геометричні розміри та форма напівпровідникових пластин; 2) чистота обробки поверхні пластин; 3) глибина механічно порушеного шару.
Контроль геометричних розмірів і форм пластин передбачає визначення товщини, стріли прогину, клиноподібності та площинності пластин після кожного виду механічної обробки.
Товщину пластин визначають шляхом виміру її в кількох точках поверхні за допомогою індикатора годинного типу з ціною поділу 1 мкм.
Стрілу прогину пластин визначають як різницю значень товщини пластини у двох точках, розташованих у центрі пластини на протилежних її сторонах, тобто вимірюють товщину пластини в центральній точці, а потім перевертають пластину на іншу сторону і знову вимірюють товщину в центральній точці. Різниця одержаних значень товщини дасть стрілу прогину.
Клиновидність визначають як різницю значень товщини пластини у двох точках, але розташованих над центрі пластини, а, по її краях на протилежних кінцях пластини, віднесену до діаметру пластини. Для більш повної картини рекомендується повторити вимірювання двох точок, розташованих на кінцях діаметра, перпендикулярного діаметру, який був обраний для першого вимірювання.
Плосність визначають вимірюванням товщини пластини в декількох точках, розташованих по діаметру пластини.
Контроль чистоти обробки поверхні пластин включає визначення шорсткості, наявності-на поверхні сколів, рисок, западин і виступів.
Шорсткість оцінюють висотою мікровиступів і мікровпадин на поверхні напівпровідникової пластини. Оцінку шорстко-
ватості проводять або порівнянням поверхні контрольованої пластини з еталонною поверхнею, або вимірюванням висоти мікронерівностей на мікроінтерферометр МІІ-4 або на профіло-трафе-профілометр.
Наявність на поверхні пластин сколів, рисок, западин та виступів контролюється візуально за допомогою мікроскопа.
Контролює глибину механічно порушеного шару. Глибина механічно порушеного шару є основною характеристикою якості обробки напівпровідникових пластин. Недосконалості кристалічних ґрат приповерхневого шару напівпровідникової пластини після різання, шліфування та полірування прийнято називати механічно порушеним шаром. Цей шар поширюється від обробленої поверхні в глибину обсягу напівпровідникового матеріалу. Найбільша глибина залягання порушеного шару утворюється при різанні злитка на пластини. Процеси шліфування та полірування призводять до зменшення глибини залягання цього шару.
Структура механічно порушеного шару має складну будову і може бути поділена за товщиною на три зони. Перша зона є порушеним рельєфним шаром, що складається з хаотично розташованих виступів і западин. Під цією зоною розташована друга (найбільша) зона, яка характеризується одиночними виколками і тріщинами, що йдуть від поверхні зони в її глиб. Ці тріщини починаються від нерівностей рельєфної зони та простягаються по всій глибині другої зони. У зв'язку з цим шар напівпровідникового матеріалу, утворений другою зоною, отримав назву «тріщинуватий». Третя зона є монокристалічний шар без механічних пошкоджень, але має пружні деформації (напружений шар).
Товщина порушеного шару пропорційна розміру зерна абразиву і може бути визначена за формулою
де k-1,7 для кремнію та & = 2,2 для германію; ? - Розмір зерна абразиву.
Для визначення глибини механічно порушеного шару використовують три способи.
Перший спосіб полягає в послідовному стравлюванні тонких шарів порушеної області та контролю поверхні напівпровідникової пластини на електронографі. Операцію стравлювання проводять до того моменту, коли знову отримана поверхня напівпровідникової пластини набуде досконалої монокристалічної структури. Роздільна здатність даного методу лежить у межах ±1 мкм. Для збільшення роздільної здатності необхідно зменшувати товщину шарів, що знімаються щоразу. Процес хімічного травлення неспроможна забезпечити зняття надтонких шарів. Тому тонкі шари знімають травленням не напівпровідникового матеріалу, а попередньо окисленого шару. Метод окиснення поверхні з подальшим стравлюванням шару оксиду
дає можливість отримати роздільну здатність менше 1 мкм.
Другий спосіб заснований на залежності граничного струму анодного розчинення напівпровідникової пластини від наявності дефектів її поверхні. Так як швидкість розчинення шару з дефектами структури значно вище, ніж монокристалічного матеріалу, значення анодного струму при розчиненні пропорційно цієї швидкості. Тому при переході від розчинення порушеного шару до розчинення монокристалічного матеріалу спостерігатиметься різка зміна швидкості розчинення, так і значення анодного струму. На момент різкої зміни анодного струму судять про глибину порушеного шару.
Третій спосіб заснований на тому, що швидкість хімічного травлення напівпровідникового матеріалу порушеного шару значно вища за швидкість хімічного травлення вихідного непорушеного монокристалічного матеріалу. Тому товщину механічно порушеного шару можна визначити по моменту стрибкоподібної зміни швидкості травлення.
Критеріями придатності напівпровідникової пластини після певного виду механічної обробки є такі основні параметри.
Після різання злитків на пластини діаметром 60 мм поверхня не повинна мати сколів, великих рисок, клас чистоти обробки повинен бути не гіршим за 7-8; розкид по товщині пластини не повинен перевищувати ±0,03 мм; прогин трохи більше 0,015 мм; клиноподібність не більше 0,02 мм.
Після процесу шліфування поверхня повинна мати однорідний матовий відтінок, не мати сколів і подряпин; клиноподібність не вище 0,005 мм; розкид за товщиною не вище 0,015 мм; чистота обробки має відповідати 11-12-му класу.
Після процесу полірування чистота поверхні повинна відповідати 14 класу, не мати алмазного фону, сколів, рисок, подряпин; прогин повинен бути не гіршим за 0,01 мм; відхилення від номіналу товщини має перевищувати ±0,010 мм.
Необхідно відзначити, що контроль якості напівпровідникових пластин (підкладок) має велике значення для наступного комплексу технологічних операцій виготовлення напівпровідникового приладу або складної інтегральної мікросхеми. Це тим, що механічна обробка підкладок є, по суті, першою з циклу операцій всього процесу виробництва приладів і тому дозволяє виправити відхилення параметрів від норми забракованих при контролі пластин (підкладок). При неякісному проведенні контролю пластини, які мають будь-які дефекти або невідповідність необхідним критеріям придатності, потрапляють на наступні технологічні операції, що призводить, як правило, до невиправного шлюбу та різкого зниження такого важливого економічного параметра, як відсоток виходу придатних виробів на етапі їх виготовлення.
Таким чином, максимальне відбракування непридатних пластин після механічної обробки гарантує потенційну надійність.
ність проведення всього комплексу технологічних операцій та насамперед технохімічних та фотолітографічних процесів, процесів, пов'язаних з отриманням активних та пасивних структур (дифузія, епітасія, іонна імплантація, осадження плівок та ін.), а також процесів захисту та герметизації р-п-переходів .
ТЕХНОХІМІЧНІ ПРОЦЕСИ ПІДГОТОВКИ ПІДЛОЖОК ІМС
§ 4.1. Цілі технохімічних процесів підготовки підкладок
Основними цілями технохімічних процесів підготовки підкладок ІМС є отримання чистої поверхні напівпровідникової пластини; видалення поверхні напівпровідникової пластини механічно порушеного шару; зняття із напівпровідникової пластини шару вихідного матеріалу певної товщини; локальне видалення вихідного матеріалу з певних ділянок поверхні підкладки; створення певних електрофізичних властивостей оброблюваної поверхні підкладки; виявлення структурних дефектів кристалічної реші
Значення глибини та окультуреності орного шару ґрунту для рослин.
Потужність орного шару ґрунту - один із показників родючості та її окультуреності. Чим вона більша, тим вища її родючість і врожайність сільськогосподарських культур.
Отримання високих та стійких урожаїв сільськогосподарських культур можливе лише за умови безперебійного та повного задоволення потреб рослин у воді та їжі. Вся їжа (крім вуглекислоти повітря) та вода надходять у рослину через коріння з ґрунту. Зрозуміло тому той винятковий вплив, що приділяється у землеробстві створенню найбільш сприятливих ґрунтових умов для зростання та розвитку сільськогосподарських рослин. Всі агротехнічні прийоми, з яких складаються системи обробітку ґрунту та застосування добрив у сівозміні, спрямовані в кінцевому рахунку на це. Під впливом агротехнічних заходів, що здійснюються при сільськогосподарському використанні ґрунту, його властивості суттєво змінюються. Безпосередній вплив прийомів обробки та застосування добрив на стан та властивості ґрунту обмежуються верхнім її шаром певної потужності. Він постійно піддається впливу ґрунтообробних знарядь. Розпушування та обертання цього шару знаряддями ґрунтообробки забезпечує сильніший вплив на його властивості. Органічні та мінеральні добрива, що вносяться в ґрунт, розподіляються, у цьому шарі ґрунту відзначається інтенсивна діяльність ґрунтових мікроорганізмів, яким належить провідна роль у житті ґрунту, створенні умов його родючості.
На староорних дерново-підзолистих ґрунтах особливо чітко видно, наскільки різко верхній (орний) шар відрізняється від нижчих шарів ґрунту як на вигляд, так і за властивостями. Він характеризується більш пухким додаванням, підвищеним вмістом гумусу та доступних рослинам поживних речовин, зниженою кислотністю, високою біологічною активністю.
Зростання потужності орного шару позитивно впливає водний режим грунту. При його збільшенні ґрунт повніше може використовувати опади, що випадають. На грунті з глибоким високоокультуреним орним шаром, навіть при випаданні дощів зливового характеру більша частина опадів, що випадають, як правило, встигає проникнути в товщу цього шару і затримується в ньому, надалі надлишок вологи понад польовий вологоємності поступово йде в нижчележачі шари. Навпаки, на ґрунті з дрібним орним шаром при тих же умовах рельєфу при однаковому стані поверхні та однаковому сільськогосподарському використанні ґрунту дощі зливового характеру зазвичай бувають мало корисними, так як більша частина опадів, що випали, стікає по поверхні ґрунту. При підвищеній кількості опадів ґрунт із дрібним орним шаром швидко перезволожується, рослини на ньому страждають від надлишку вологи та нестачі кисню у ґрунті. У той же час на розташованому поряд ґрунті з глибоким орним шаром, хоча цей ґрунт містить більше вологи, ніж перший, рослини розвиваються нормально, ніяких ознак страждання їх від надлишку вологи не виявляється. На такому ґрунті культурні рослини краще протистоять посусі та менше страждають від надлишкових дощів.
Зі збільшенням потужності орного шару покращуються умови харчування культурних рослин. Навіть у дуже бідному ґрунті вміст поживних речовин зазвичай у сотні разів перевищує ті їх кількості, які використовуються сільськогосподарськими рослинами щороку за найвищих урожаїв. Незважаючи на такі великі запаси поживних речовин у ґрунті, рослини далеко не завжди мають можливість своєчасно та повністю задовольняти свої потреби в їжі. Переважна частина необхідних для рослин поживних речовин знаходиться в ґрунті в недоступних формах - в органічних залишках, у перегною, у складі ґрунтових мікроорганізмів, а також у важкорозчинних мінеральних сполуках. Лише внаслідок переробки цих складових частин ґрунту мікроорганізмами, а також розпаду тіл відмерлих мікроорганізмів поживні речовини виходять у формі легкорозчинних сполук, доступних рослинам. Ця корисна діяльність грунтових мікроорганізмів може протікати нормально лише за сприятливих їм грунтових умовах -за наявності у грунті потрібної їм їжі, тепла, вологи, повітря (кисню), і за відсутності підвищеної кислотності грунту. У сильно ущільненому або перезволоженому ґрунті внаслідок нестачі кисню життєдіяльність корисних для рослин мікроорганізмів пригнічується. У таких умовах у ґрунті розвивається інша група мікроорганізмів, продукти життєдіяльності яких не тільки не використовуються сільськогосподарськими рослинами для харчування, але можуть навіть негативно позначитися на зростанні та розвитку.
Кількість мікроорганізмів у ґрунті винятково велика. Але в таких величезних кількостях ґрунтові мікроорганізми розвиваються за сприятливих умов температури та вологості тільки в орному шарі. У нижчих шарах ґрунту діяльність мікроорганізмів різко послаблюється. Переважна частина ґрунтових мікроорганізмів потребує органічної речовини як джерела, необхідному для їхньої життєдіяльності енергії та як основному джерелі речовин, необхідних їм для побудови тіла.
Підорний шар дерново-підзолистих ґрунтів, представлений в більшості випадків підзолистим горизонтом, містить дуже мало органічних речовин і мікроорганізми не можуть інтенсивно розвиватися в ньому насамперед внаслідок нестачі їжі. Іншою причиною сильно пригніченої діяльності мікроорганізмів у підорному шарі слід вважати недолік кисню. Нарешті, діяльність мікроорганізмів у підорному шарі часто гальмується внаслідок підвищеної кислотності ґрунту цього шару. З вказаних причин діяльність мікроорганізмів у дерново-підзолистих ґрунтах найбільше виражена тільки в межах орного шару.
Отже, що більше потужність орного шару, то більше вписувалося біологічно активний шар, у якому завдяки життєдіяльності корисних ґрунтових мікроорганізмів безперебійно від весни до осені готується необхідна культурним рослинам їжа.
Підвищення потужності орного шару ґрунту означає збільшення біологічно активного шару та створення великих можливостей для забезпечення сільськогосподарських рослин поживними речовинами. Однак було б грубою помилкою на цій підставі протиставляти збільшення потужності орного шару застосування добрив. Провесною при низькій температурі мікроорганізми не працюють. На допомогу землеробству приходить промисловість. Вона надає сільському господарству мінеральні добрива, які містять поживні для рослин речовини у доступних їм формах. На окультурених ґрунтах із глибоким орним шаром позитивний вплив добрив на врожай посилюється.
Для нормального ґрунтового харчування сільськогосподарських рослин велике значення мають потужність розвитку їх кореневих систем та розподіл коренів у ґрунті по глибині. Потужність розвитку кореневих систем залежить від рівня родючості ґрунту, від ступеня його окультурення. На дерново-підзолистих ґрунтах у всіх сільськогосподарських рослин основна маса коренів (до 80-90 % загальної їх маси) розташовується в межах орного шару. У цьому ж шарі протягом усього життя рослин знаходиться переважна частина тонких корінців, покритих кореневими волосками, тобто діяльна, поглинаюча частина кореневих систем, через яку надходить у рослину їжа з ґрунту. Пояснюється це тим, що поживні речовини в доступних для рослин формах містяться в основному в орному шарі. Чим більша потужність орного шару, тим більший обсяг культурного ґрунту охоплюється густою мережею коренів і повніше забезпечується ґрунтове харчування рослин. На ґрунтах із дрібним орним шаром рослини свої потреби у ґрунтовому харчуванні змушені покривати в основному за рахунок дуже обмеженого, явно недостатнього шару.
На окультурених ґрунтах із сприятливими фізичними та агрохімічними властивостями підорних шарів зернові культури можуть споживати понад 50 % вологи, 20-40 % поживних речовин із підорних горизонтів.
За наявності глибокого орного шару випадки загибелі озимих культур за несприятливих умов перезимівлі бувають винятком. На таких ґрунтах озимі культури, як правило, благополучно переносять навіть найважчі умови перезимівлі. Пояснюється це найкращими фізичними властивостями ґрунту з глибоким орним шаром, відсутністю на них тривалого осіннього перезволоження та гарним розвитком озимих культур в осінній період.
На ґрунтах з глибоким орним шаром набагато рідше спостерігається таке явище, як випадання конюшини при несприятливих умовах перезимівлі.
Зі збільшенням потужності орного шару підвищується ефективність інших агротехнічних прийомів обробітку сільськогосподарських культур. Отже, можна зробити висновок, що тільки за наявності глибокого орного шару та високої окультуреності ґрунту можуть бути забезпечені цілком сприятливі умови для зростання та розвитку сільськогосподарських рослин. Вони по-різному реагують на потужність орного шару та глибину обробки. До першої групи культур, що ховають відгукуються на глибоку обробку грунту відносяться: буряк, кукурудза, картопля, люцерна, конюшина, віка, кормові боби, соняшник, овочеві культури. До другої групи культур, що середньо відгукуються на глибоку обробку грунту, відносяться: озиме жито, озима пшениця, горох, ячмінь, овес, вогнище безосте. До третьої групи культур, що слабо відгукуються або зовсім не відгукуються на глибоку обробку грунту, відносяться льон і яра пшениця. На ґрунтах із потужним орним шаром вища врожайність сільськогосподарських культур.
Прийоми збільшення потужності орного шару. На початку минулого століття па переважній частині орних земель дерново-підзолистих ґрунтів глибина орного шару не перевищувала 14-15 см, а на значній площі була не більше 12 см. За минулий період завдяки зростанню культури землеробства, збільшенню внесення органічних та мінеральних добрив потужність орного шару доведена до 20-22 см. Економічно вигідним вважається мати потужність орного шару 30-35 см. Однак слід мати на увазі, що збільшення потужності орного шару не зводиться тільки до збільшення глибини обробки, обов'язковим є внесення органічних, мінеральних та вапняних добрив, посів сидеральних культур.
Технологія створення та окультурення глибокого орного шару дерново-підзолистих ґрунтів передбачає залишення орного шару на колишньому місці, розпушування та окультурення нижчих шарів. Особливо важливо це дотримуватись при неглибокому орному шарі.
В даний час відомо кілька способів поглиблення орного шару ґрунту.
- Проорювання нижнього шару ґрунту з виносом його на поверхню.
- Повне обертання орного шару з одночасним розпушуванням частини підорного.
- Розпушування на встановлену глибину без обертання плугом без передплужників та без відвалів чи чизельними плугами.
- Поглиблення шляхом одночасної приорювання частини підорного шару до орного та застосування розпушування підорного.
- Обробка ґрунту ярусними плугами із взаємним переміщенням горизонтів.
При виборі способу поглиблення та окультурення орного шару дерново-підзолистих ґрунтів необхідно враховувати такі показники: 1) характеристика орного шару (потужність, родючість, гранулометричний склад); 2) характеристика підорних шарів: склад (підзолистий, ілювіальний, материнська порода), глибина, гранулометричний склад, агрофізичні та агрохімічні властивості (зміст гумусу, елементів живлення, реакція середовища, вміст рухомого алюмінію та закисного заліза).
Найбільш доступним способом збільшення потужності орного шару є проорання нижчого шару ґрунту з винесенням його на поверхню. Він здійснюється звичайними плугами. За один прийом слід орати не більше 2-3 см підзолистого шару. На ґрунтах із орним шаром понад 20 см його поглиблюють на 1/5 його товщини. Щоб не допустити зниження врожайності сільськогосподарських культур від проорання підзолистого горизонту до орного, необхідно разово внести 80-100 т/га органічних добрив, вапняні добрива для нейтралізації надлишкової кислотності та мінеральні добрива відповідно до запланованої врожайності. Таке внесення дозволить покращити фізичні властивості та біологічну активність ґрунту та нейтралізацію кислотності. Найкращим місцем поглиблення орного шару шляхом приорювання підзолистого є парове поле, призначене під посів озимого жита та поля під посадку картоплі. Не можна поглиблювати орний шар із залученням до нього підзолистого горизонту під такі культури, як цукрові буряки, кукурудза, пшениця та льон, навіть із внесенням добрив, оскільки це призводить до зниження їхнього врожаю.
На ґрунтах з неглибоким заляганням підзолистого горизонту при поглибленні орного шару потрібно виявляти деяку обережність, враховуючи, що підзолистий шар відрізняється несприятливими фізичними та біологічними властивостями, майже не містить у формі, що засвоюється, поживних речовин для рослин і має підвищену кислотність. У цьому випадку підзолистий обрій не вивертають і не перемішують з орним, а тільки розпушують. При такому заглибленні пласт обертається на глибину гумусового шару, а горизонт, що лежить під ним, розпушується грунтопоглиблювачами приблизно на 10-15 см. Надалі в міру окультурення підзолистого горизонту можна частково приорювати його до орного звичайним плугом. Не слід орати глеєвий горизонт до гумусового, оскільки він містить закисні солі, шкідливі для сільськогосподарських рослин. На таких ґрунтах хороші результати отримують від поглиблення орного шару плугами з ґрунтовиглиблювачами, плугами без відвалів, плугами з вирізними відвалами та чизельними. Поглиблення шляхом розпушування на місці нижнього шару (без вивертання) значною мірою підвищує аерацію, посилює життєдіяльність мікроорганізмів і накопичує в ґрунті продукти харчування, що засвоюються для рослин, як за рахунок розкладання органічних речовин, так і за рахунок окислення мінеральних сполук. Одним з ефективних способів поступового збільшення потужності орного шару є поглиблення шляхом одночасної приорювання частини орного шару до орного та застосування розпушування підорного.
Докорінно можна змінити орний шар при оранці ярусними плугами із взаємним переміщенням ґрунтових горизонтів. Цей спосіб може бути ефективним за наявності в господарстві достатньої кількості органічних, мінеральних та вапняних добрив, інакше може бути значне зниження врожайності сільськогосподарських культур. Збільшення потужності орного шару потребує великих матеріальних і фінансових витрат, що не під силу господарствам.
Результати багаторічних стаціонарних та короткострокових польових дослідів свідчать про те, що немає достатньо вагомих підстав для рекомендації поступово поглиблювати орний шар до 25-30 см і більше. Поглиблення доцільне лише на добре окультурених орних землях в умовах інтенсивного застосування добрив, періодичного вапнування та обробітку культур, що добре відгукуються на глибокі обробки.
У середньому за ротацію семипольної сівозміни без поглиблення отримано 59,1 ц/га к. од., за поглибленням на 5 см - 59,8 ц/га, тобто продуктивність практично однакова. Однак поглиблення орного шару за рахунок приорювання підзолистого призводить до великих витрат ПММ на його проведення, а на ґрунтах, засмічених камінням, і поломки плугів.
У більшості господарств республіки гумусовий шар орних ґрунтів становить 20 см і більше, поглиблювати його за рахунок приорювання підзолистого неефективно, а слід його окультурювати і тільки на переущільнених ділянках розущільнювати підорні шари безвідвальним знаряддям, краще з похилими стійками. На дерновопідзолистих легкосуглинистих ґрунтах з потужністю гумусового шару 20-22 см можна отримувати зернових 4,5-6,0 т/га, картоплі - 35-40, коренеплодів - 60-80, сіна багаторічних трав - 10-12 т/га.