Способ прецизионной двусторонней обработки плоских изделий резанием

 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства для двусторонней суперпрецизионной обработки резанием преимущественно тонких пластин. Подачу изделия осуществляют между двумя оппозитно расположенными вращающимися абразивными инструментами с возможностью обработки всей площади его плоских поверхностей. В качестве абразивных инструментов используют алмазные барабаны с длиной образующих, превышающей максимальный размер обрабатываемого изделия вдоль упомянутых образующих. Оси вращения алмазных барабанов пространственно ориентируют параллельно друг другу и располагают в одной плоскости с линиями контакта алмазных барабанов с обрабатываемыми поверхностями изделия. Подачу изделия в зону резания осуществляют его плоскопараллельным перемещением поперек осей вращения барабанов с, по меньшей мере, однократным пересечением этих осей с осью вращения изделия. Базирование последнего осуществляют, по меньшей мере, по трем точкам по одной из обрабатываемых поверхностей с помощью соответствующего алмазного барабана из условия контакта его с изделием по линии и, по меньшей мере, по одному базовому средству, расположенному за пределами зоны резания со стороны упомянутого барабана. Использование способа позволяет осуществлять суперпрецизионную обработку плоских изделий различных типоразмеров при снижении технико-экономических затрат на обработку. 4 ил.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства для двусторонней суперпрецизионной обработки резанием (например, шлифованием) преимущественно тонких пластин с повышенными требованиями по точности и качеству обработки, например, полупроводниковых (кремниевых) пластин для производства полупроводниковых интегральных микросхем ("ЧИПов").

Развитие машиностроения в области субмикрометрического и нанотехнологического диапазонов точности является доминирующим фактором последних лет. По мнению зарубежных и отечественных специалистов, к 2000-му году эта проблема станет главной, так как задачи в раде областей непосредственного жизнеобеспечения людей выдвинут требования к размерной точности до 1 - 2 мкм на длине 1м, к точности формообразования - 0,01 мкм на площади 20 х 20 мм² и параметру шероховатости поверхности R_a = 1 нм.

В частности, в течение ближайших 10 - 20 лет будут формироваться новые направления: в области здравоохранения и биологии - электронные сенсоры туннельного типа и фотонный сканирующий микроскоп туннельного типа; в области астрофизики - асферическая оптика; в области машиностроения - наноцентры с высоким уровнем автоматизации для обработки определяющих точность деталей станков, элементов гидро- и пневмооборудования, деталей двигателей внутреннего сгорания; в области микроэлектроники и бытовой техники - детали видеотехники, записывающие и считывающие головки для лазерных дисков, полупроводниковые интегральные микросхемы и многое другое.

Перечисленные задачи требуют создания новых технологий, обуславливающих, в свою очередь, применение и создание алмазного инструмента различного типа: от абразивного с различной зернистостью алмазного порошка до лезвийного алмазного с высоким качеством режущих кромок.

Известен способ прецизионной двусторонней обработки плоских изделий (полупроводниковых пластин, преимущественно в виде дисков), согласно которому между оппозитно расположенными рабочими поверхностями (торцевыми) двух вращающихся режущих инструментов (абразивных кругов) размещают обрабатываемое изделие таким образом, что ось вращения абразивных инструментов расположена за пределами обрабатываемой поверхности изделия (т.е. обрабатываемое изделие в процессе его базирования и последующей обработки размещается в периферийной зоне абразивных инструментов). Базирование обрабатываемого изделия, в данном случае, осуществляется по плоскости рабочей поверхности абразивного инструмента (US, N 5110428, кл. C 25 F 3/30, 1992 г.).

К недостаткам данного известного из уровня техники способа прецизионной двухсторонней обработки плоских изделий (типа дисков) следует отнести следующее: - вследствие контакта шлифовального круга со всей площадью обрабатываемой поверхности изделия (детали, заготовки) в процессе обработки возникают большие нагрузки в зоне резания; в результате этого происходит нагрев детали, снижающий точность обработки (см. Машиностроение, энциклопедия в сорока томах, под редакцией чл.-кор. Академии технологических наук РФ, д-ра техн. наук Б.И.Черпакова, М., "Машиностроение", 1999 г., том IV-7, стр. 578) /1/; - обработка изделий больших типоразмеров (например, кремниевых пластин диаметром 300 мм для производства "ЧИПов" полупроводниковых интегральных микросхем) повлечет за собой использование абразивных кругов с диаметром, примерно в три раза превышающим диаметр обрабатываемого изделия (т.е. около 900 мм), в связи с чем данный способ является неприемлемым для обработки изделий большого диаметра с использованием алмазного абразивного инструмента как с экономической точки зрения (высокая стоимость алмазного инструмента), так и с конструкторско-технологической концепции, поскольку основное преимущество алмазного точения (резания) заключается в обеспечении возможности достижения в процессе обработки чистоты (шероховатости) поверхности не ниже 14-го класса при высоких (40 м/с и выше) скоростях резания (т.е. вращения алмазных абразивных инструментов), что является неприемлемым для шлифовальных кругов большого диаметра ввиду сложности их балансировки для использования при вышеуказанных режимах обработки (скоростях резания).

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ прецизионной двусторонней обработки плоских изделий (колец) резанием, заключающийся в том, что между оппозитно расположенными режущими элементами двух вращающихся абразивных алмазных инструментов осуществляют рабочее перемещение (вращение вокруг оси, расположенной эксцентрично относительно осей вращения чашечных абразивных кругов) обрабатываемого изделия в зону резания с обеспечением его базирования по участку рабочей поверхности одного из алмазных инструментов с возможностью обработки всей площади плоских поверхностей изделия (см. US, N 5032238, кл. C 25 F 3/16, 1991 г.). Данное известное из уровня техники техническое решение принято в качестве прототипа заявленного технического решения (изобретения).

К недостаткам известного из уровня техники объекта- прототипа целесообразно отнести следующее: - вследствие контакта шлифовального круга со значительным участком площади обрабатываемой поверхности изделия (детали, заготовки) в процессе обработки возникают большие нагрузки в зоне резания, в результате этого происходит нагрев детали, снижающий точность обработки (см./1/); - обработка изделий больших типоразмеров (например, кремниевых пластин диаметром 300 мм для производства "ЧИПов" полупроводниковых интегральных микросхем) повлечет за собой использование абразивных кругов с диаметром, примерно в 2,5 раза превышающим диаметр обрабатываемого изделия (т.е. около 750 мм), в связи с чем, как указывалось выше, данный способ является неприемлемым для обработки изделий большого диаметра с использованием алмазного абразивного инструмента как с экономической точки зрения (высокая стоимость алмазного инструмента), так и с конструкторско- технологической концепции, поскольку основное преимущество алмазного точения (резания) заключается в обеспечении возможности достижения в процессе обработки чистоты (шероховатости) поверхности не ниже 14-го класса (R_t = 0,02... 0,03 мкм) при высоких (40 м/с и выше) скоростях резания (т.е. вращения алмазных абразивных инструментов), что является неприемлемым для шлифовальных кругов большого диаметра ввиду сложности их балансировки для использования при вышеуказанных режимах обработки (скоростях резания); - невозможно обрабатывать всю площадь плоских поверхностей изделий (деталей) типа пластин ввиду того, что данная схема обработки не предусматривает обработку центрального участка изделия, поскольку для данной схемы обработки при использовании режущего инструмента в виде чашечного (или торцового) шлифовального круга применяемые средства вращения (средства подачи) изделия в зону обработки препятствуют достижению периферийными рабочими участками шлифовального инструмента центральной зоны обрабатываемого изделия.

В основу заявленного способа прецизионной двусторонней обработки плоских изделий (преимущественно типа пластин диаметром от 200 мм и выше) резанием была положена задача создания такого способа обработки, который бы позволял осуществлять суперпрецизионную (не ниже 14-го класса) обработку плоских изделий различных типоразмеров при снижении технико-экономических затрат на осуществление данного вида обработки.

Поставленная задача решается посредством того, что в способе прецизионной двусторонней обработки плоских изделий резанием, заключающемся в том, что осуществляют подачу обрабатываемого изделия в зону резания между двумя оппозитно расположенными с возможностью вращения абразивными инструментами и его базирование, по меньшей мере, по трем точкам с возможностью обработки всей площади плоских поверхностей изделия, согласно изобретению в качестве абразивных инструментов используют алмазные барабаны, длина образующих которых превышает максимальный размер обрабатываемого изделия вдоль упомянутых образующих, подачу обрабатываемого изделия в зону резания осуществляют его плоскопараллельным перемещением поперек осей вращения барабана с, по меньшей мере, однократным пересечением этих осей с осью вращения изделия, при этом оси вращения алмазных барабанов пространственно ориентируют параллельно друг другу и располагают в одной плоскости с линиями контакта алмазных барабанов с обрабатываемыми поверхностями изделия, а базирование последнего осуществляют по одной из обрабатываемых поверхностей с помощью соответствующего алмазного барабана из условия контакта его с изделием, по линии и, по меньшей мере, по одному базовому средству, расположенному за пределами зоны резания со стороны упомянутого барабана.

Совершенно очевидно, что практически каждая операция патентуемого способа обработки резанием (например, шлифованием) плоских изделий (в частности, тонких пластин из полупроводниковых материалов), а также средства для реализации упомянутых операций заявленного способа в отдельности широко известны из "уровня техники" (в том числе и используемого Заявителем в материалах настоящей заявки). Однако поставленная задача может быть решена исключительно за счет отраженной в основном пункте (п.1) формулы изобретения совокупности известных операций, реализованных в соответствующей последовательности и с использованием соответствующих средств реализации этих операций.

Следовательно, отраженная в формуле изобретения совокупность известных из уровня техники признаков обеспечивает в патентуемом объекте изобретения синергетический (сверхсуммарный) результат за счет определенной (необходимой и достаточной для реализации поставленной задачи) взаимосвязи изложенных в п. 1 формулы изобретения признаков.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками и связями между ними, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а выбранный из перечня выявленных аналогов прототип, как наиболее близкий по совокупности признаков аналог, позволил выявить совокупность существенных, по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату, отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию патентоспособности НОВИЗНА по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию критерия патентоспособности ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИЙ УРОВЕНЬ заявитель провел дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение усматриваемого заявителем технического результата.

В частности, заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования известного объекта-прототипа: - дополнение известного объекта каким-либо известным признаком, присоединяемым к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений; - замена какого-либо признака известного объекта другим известным признаком для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены; - исключение какого-либо признака известного объекта с одновременным исключением обусловленной наличием этого признака функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата; - увеличение количества однотипных признаков в известном объекте для усиления технического результата, обусловленного наличием в объекте именно таких признаков;
- выполнение известного объекта или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами материала;
- создание объекта, включающего известные признаки, выбор которых и связь между ними осуществлены на основании известных правил и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами признаков этого объекта и связей между ними.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию критерия патентоспособности ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИЙ УРОВЕНЬ по действующему законодательству.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, предназначен для использования в промышленности, а именно в области обработки изделий резанием (преимущественно алмазным шлифованием);
- для заявленного объекта изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте нижеизложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию критерия патентоспособности ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ по действующему законодательству.

Изобретение иллюстрируется фиг. 1-4.

На фиг.1 показана принципиальная схема обработки (момент врезания инструмента в материал обрабатываемого изделия).

На фиг. 2 показана принципиальная схема обработки изделия на промежуточном этапе обработки (момент пересечения оси вращения изделия с осями вращения алмазных барабанов).

На фиг. 3 и 4 - сечения А-А по фиг.1 (различные варианты осуществления подачи изделия в зону обработки посредством его плоскопараллельного перемещения, а именно: фиг.3 - вариант подачи изделия по планетарной схеме, фиг.4 - вариант подачи посредством совмещения вращения изделия вокруг собственной оси с поступательным /или возвратно-поступательным/ движением его центра поперек осей вращения инструментов).

Способ прецизионной двусторонней обработки плоских изделий (преимущественно круглых пластин) резанием (в частности, алмазным шлифованием) заключается в следующем.

Между оппозитно расположенными режущими элементами двух вращающихся (например, в направлениях обозначенных в графических материалах стрелками "V₁") абразивных алмазных (алмазоносных) инструментов 1 и 2 (преимущественно цилиндрических алмазных шлифовальных кругов или фрез) осуществляют плоскопараллельное рабочее перемещение (подачу) обрабатываемого изделия 3 в зону резания. Базирование изделия 3 в процессе обработки осуществляют по линии контакта одной из обрабатываемых поверхностей изделия 3 с режущими элементами соответствующего алмазного инструмента (например, инструмента 2) и, по меньшей мере, по одному базовому средству, которое расположено за пределами зоны резания (в процессе базирования изделия 3 второй инструмент 1 должен быть отведен из зоны резания/например, влево по фиг. 1). В качестве базового средства (расположенного за пределами зоны резания) могут быть использованы, например, позиционируемые (относительно режущей кромки вышеупомянутого базового инструмента 2) базовые щеки 4 и 5. В этом случае подача изделия 3 в зону обработки осуществляется автономным механизмом подачи. В качестве такого автономного механизма подачи могут быть использованы, например, фрикционные ролики 6, каждому из которых сообщается сложное плоскопараллельное движение (например, по типу планетарного, в котором ролики 6 выполняют функцию сателлитов вращающихся вокруг своих осей, например, по стрелке V₂, см. фиг.3). Механизмы привода роликов 6 в графических материалах условно не показаны, поскольку они не являются объектом настоящего изобретения и могут быть промышленно реализованы посредством широко известных из уровня техники средств и методов.

Однако наиболее целесообразно использовать в качестве вышеупомянутого базового средства опорные площадки (в графических материалах условно не показаны), выполненные в зоне контакта изделия 3 с роликами 6 за одно целое с последними со стороны расположения базового инструмента 2. В этом случае данное базовое средство (за счет собственных автономных средств позиционирования относительно базы инструмента 2 и плоскопараллельного перемещения поперек (преимущественно перпендикулярно) осей вращения инструментов 1 и 2) способно выполнять в процессе обработки как функцию корректировки пространственного положения обрабатываемого изделия 3 относительно режущих элементов инструментов 1 и 2, так и функцию механизма подачи изделия 3 в зону обработки.

Согласно патентуемому способу в качестве абразивных алмазных инструментов 1 и 2 используют алмазные барабаны (т.е. цилиндрические шлифовальные круги или фрезы) с длиной образующих, превышающей максимальный размер обрабатываемого изделия 3 вдоль упомянутых образующих. Оси вращения 7 алмазных инструментов 1 и 2 пространственно ориентируют параллельно одна относительно другой таким образом, что они лежат в одной плоскости с линиями контакта режущих элементов (периферийных поверхностей) алмазных инструментов 1 и 2 с обрабатываемыми поверхностями изделия 3. В процессе резания (т.е. подачи изделия 3 в зону обработки), как ранее указывалось, изделию 3 и/или алмазным барабанам дополнительно (помимо вращательного /по стрелке V₃/ движения изделия 3 вокруг собственной оси 8 симметрии) сообщают такое относительное движение, в результате которого проекция изделия 3 на плоскость, перпендикулярную осям 7 вращения алмазных барабанов (т.е. инструментов 1 и 2), совершает поступательное перемещение (по стрелке S₁) поперек упомянутых осей 7 с возможностью, по меньшей мере, однократного пересечения этих осей 7 с осью 8 вращения изделия 3 в процессе полного цикла его обработки. Иными словами, в процессе подачи изделия 3 в зону обработки ему (изделию 3) сообщается сложное плоскопараллельное перемещение. Некоторые примеры возможных траекторий перемещения изделия 3 в процессе осуществления полного цикла обработки (при осуществлении подачи в виде сложного плоскопараллельного движения изделия 3) приведены на фиг.3 и 4.

На фиг. 3 иллюстрируется перемещение изделия 3 в процессе обработки по типу планетарного движения (в котором изделие 3 функционально является сателлитом и имитирует его перемещение в планетарной передаче). Пространственное положение изделия 3 на различных стадиях обработки условно показано окружностями, обозначенными пунктирными линиями, а траектория перемещения оси 8 вращения изделия 3 (относительно центра 9 вращения и осей вращения 7 инструментов 1 и 2) обозначена стрелками 10.

На фиг. 4 иллюстрируется плоскопараллельное перемещение изделия 3 в процессе обработки, которое формируется посредством сложения двух простых движений: т. е. вращения изделия 3 вокруг собственной оси 8 и возвратно-поступательного перемещения (по направлению стрелки S₂) центра (или оси вращения 8) изделия 3 поперек осей вращения 7 инструментов 1 и 2. Пространственное положение изделия 3 на различных стадиях обработки условно показано окружностями, обозначенными пунктирными линиями, а траектория перемещения оси 8 вращения изделия 3 (относительно осей вращения 7 инструментов 1 и 2) обозначена стрелками 11.

Для обеспечения повышения точности обрабатываемых поверхностей плоских изделий патентуемый способ обработки целесообразно осуществлять в совокупности с широко известной системой активного контроля размера обрабатываемого изделия 3, в совокупности с методами и средствами адаптивного управления. При этом как предварительную наладку и подналадку алмазных инструментов 1 и 2 (преимущественно в направлении стрелок "S₃"), так и пространственное позиционирование обрабатываемого изделия 3 (в том числе и корректировку его положения относительно базовых элементов непосредственно в процессе обработки) целесообразно осуществлять посредством широко известных пьезоэлектрических и/или магнитострикционных преобразователей (позиционеров), обеспечивающих точность позиционирования не ниже 0,006 мкм.

Экспериментальная проверка промышленной реализации патентуемого способа обработки плоских изделий была осуществлена при обработке кремниевых пластин с диаметром 300 мм и толщиной 800 мкм. Величина припуска на сторону составляла 30 мкм. Обработка осуществлялась за два прохода (каждый проход осуществлялся в соответствии с патентуемой технологией обработки по схеме, показанной на фиг.4) алмазным шлифовальным барабаном (на керамической связке) с диаметром 150 мм и с длиной образующей 350 мм. Скорость резания (вращения инструмента по стрелке "V₁") составляла 40 м/с, подача (по стрелке "S₂") изделия в зону обработки - 0,15 м/мин, скорость (V₃) вращения изделия - 20 об/мин.

В результате произведенной обработки кремниевой пластины обработанные поверхности (по всей площади обработки) соответствовали 14-му классу чистоты (шероховатости), а локальная неплоскостность на квадрате 20 x 20 мм² (также по всей площади обработки) составляла 0,1 мкм.

Таким образом, заявленный способ прецизионной обработки плоских изделий резанием может быть широко использован в различных областях техники для получения изделий с повышенными требованиями по точности и качеству обработки, например, при обработке кремниевых пластин для производства полупроводниковых интегральных микросхем ("ЧИПов").

Формула изобретения

Способ прецизионной двусторонней обработки плоских изделий резанием, включающий подачу обрабатываемого изделия в зону резания между двумя оппозитно расположенными с возможностью вращения абразивными инструментами и его базирование, по меньшей мере, по трем точкам с возможностью обработки всей площади плоских поверхностей изделия, отличающийся тем, что в качестве абразивных инструментов используют алмазные барабаны, длина образующих которых превышает максимальный размер обрабатываемого изделия вдоль упомянутых образующих, подачу обрабатываемого изделия в зону резания осуществляют его плоскопараллельным перемещением поперек осей вращения барабанов с, по меньшей мере, однократным пересечением этих осей с осью вращения изделия, при этом оси вращения алмазных барабанов пространственно ориентируют параллельно друг другу и располагают в одной плоскости с линиями контакта алмазных барабанов с обрабатываемыми поверхностями изделия, а базирование последнего осуществляют по одной из обрабатываемых поверхностей с помощью соответствующего алмазного барабана из условия контакта его с изделием по линии и, по меньшей мере, по одному базовому средству, расположенному за пределами зоны резания со стороны упомянутого барабана.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4