Устройство для шлифовки полупроводниковых пластин

 

Изобретение может быть использовано при изготовлении полупроводниковых приборов, а также в машиностроении. Устройство состоит из корпуса, выполненного в виде цилиндра с центральным отверстием, диаметр которого больше диаметра обрабатываемых пластин. В корпусе предусмотрены внутренняя, средняя и периферийная концентрические кольцевые пневматические камеры, закрытые сверху круглой крышкой. Камеры сообщены сверху с магистралями подачи сжатого воздуха. Привод движения обрабатываемой пластины выполнен в виде неподвижного стакана, соединенного с круглым шлифовальником из связанного абразива с центральным отверстием и с корпусом. В основании последнего выполнены по концентрическим окружностям наклонные тангенциальные, вертикальные и наклонные радиальные сопла. Наклонные тангенциальные сопла расположены под углом к касательным к окружности их расположения и к поверхности основания и сообщены с внутренней пневмокамерой. Вертикальные сопла сообщены со средней пневмокамерой, а наклонные радиальные - сообщены с периферийной пневмокамерой и расположены под углом к поверхности основания, в котором установлен датчик определения скорости вращения обрабатываемой пластины. Данное устройство обладает рядом преимуществ: отсутствуют механически движущиеся части и имеются возможности одновременного охлаждения пластины при шлифовке и механической обработке пластин из полупроводниковых материалов с низкими физико-механическими свойствами. Наличие простого контроля и регулирования усилия прижатия пластины к шлифующей поверхности уменьшает выход бракованных пластин. 7 ил.

Изобретение может быть использовано при изготовлении полупроводниковых приборов, а также в машиностроении.

Наиболее близким является станок СДШ-100 для двусторонней шлифовки полупроводниковых пластин. Главной конструктивной особенностью этого станка является планетарный механизм, расположенный в корпусе и обеспечивающий планетарное движение пластин между двумя шлифовальниками, что и обеспечивает заданные значения плоскостности и плоскопараллельности обрабатываемых пластин. Обрабатываемые пластины закладываются в отверстия зубчатых сепараторов, которые находятся в зацеплении с центральной шестерней и периферийным зубчатым колесом с внутренними зубьями. Центральная шестерня и зубчатое колесо вращаются от одного привода в одну и ту же сторону, но с разными угловыми скоростями. За счет этого сепараторы движутся по шлифовальнику и одновременно вращаются вокруг собственной оси. Абразивная суспензия подается в зону шлифования через сквозные отверстия в верхнем шлифовальнике. Для охлаждения шлифовальников в них предусмотрены специальные полости, по которым циркулирует вода. Усилие прижатия шлифовальников к пластинам создается гидроцилиндрами (Пичугин И.Г., Таиров Ю.М. Технология полупроводниковых приборов: Учеб. Пособие для вузов по специальности "Полупроводники и диэлектрики", "Полупроводниковые и микроэлектронные приборы". - М.: Высшая школа, 1984, с. 34).

Недостатками данного устройства являются: сложный привод вертикального перемещения и регулирования усилия прижатия пластин к шлифовальникам, наличие двух приводов вращения сепараторов с пластинами и шлифовальников, наличие системы жидкостного охлаждения шлифовальников, что уменьшает надежность устройства, невозможность обработки пластин из полупроводниковых материалов с низкими физико-механическими свойствами.

Техническая задача изобретения - повышение надежности устройства, возможность плавного регулирования усилия прижатия пластины к шлифовальнику во время работы устройства, возможность механической обработки пластин из полупроводниковых материалов с низкими физико-механическими свойствами.

Техническая задача достигается тем, что в устройстве для шлифовки полупроводниковых пластин, содержащем корпус, привод движения обрабатываемой пластины и круглый шлифовальник, корпус выполнен в виде цилиндра с центральным отверстием, диаметр которого больше диаметра обрабатываемых пластин, и с внутренней, средней и периферийной концентрическими кольцевыми пневматическими камерами, закрытыми сверху круглой крышкой с центральным отверстием, диаметр которого равен диаметру центрального отверстия корпуса, и сообщенными сверху с магистралями подачи сжатого воздуха, при этом привод движения обрабатываемой пластины выполнен в виде неподвижного стакана, соединенного с круглым шлифовальником из связанного абразива с центральным отверстием, диаметр которого меньше диаметра центрального отверстия корпуса, но больше диаметра обрабатываемой пластины, и с корпусом, в основании которого выполнены по концентрическим окружностям наклонные тангенциальные, вертикальные и наклонные радиальные сопла, причем наклонные тангенциальные сопла расположены под углом к касательным к окружности их расположения и к поверхности основания и сообщены с внутренней пневмокамерой, вертикальные сопла сообщены со средней пневмокамерой, а наклонные радиальные - сообщены с периферийной пневмокамерой и расположены под углом к поверхности основания, в котором установлен по меньшей мере один датчик определения скорости вращения обрабатываемой пластины.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан вертикальный разрез устройства для шлифовки полупроводниковых пластин; на фиг. 2 представлен вид снизу на устройство (шлифовальник не показан); на фиг. 3 показано сечение наклонного тангенциального сопла; на фиг. 4 показано сечение наклонного радиального сопла; на фиг. 5 показана схема расположения наклонного тангенциального сопла в пространстве; на фиг. 6 изображена расчетная схема устройства с необходимыми конструктивными параметрами; на фиг. 7 показана расчетная схема для определения предельной силы динамического воздействия струи воздуха, исходящей из наклонного тангенциального сопла, при которой пластина будет поворачиваться относительно точки ее касания со стаканом.

Устройство содержит корпус 1 (фиг. 1) с выполненными в нем центральным отверстием, концентрическими относительно его оси кольцевыми пневматическими камерами: внутренней, средней и периферийной, закрытыми сверху крышкой 3 в виде кольца и сообщающимися с магистралями подачи сжатого воздуха 14. В основании корпуса 1 выполнены наклонные тангенциальные сопла 12 (фиг. 3) для разгона пластины, равномерно расположенные под углом α, относительно поверхности основания и под углом γ к касательным к окружности радиусом R_с.р (при условии того, что (R_с-d_п)<R<(R-d_п/2) и того, что в любой момент времени работы устройства пластина будет находиться только под одним наклонным тангенциальным соплом 12 (фиг. 2)), и соединенные с выполненной в корпусе 1, концентричной относительно его оси кольцевой внутренней пневмокамерой 5. В основании корпуса 1 также имеются вертикальные сопла 11 для регулирования усилия прижатия пластины к шлифовальнику, равномерно расположенные по окружности радиусом R_в.с = R_с-d_п/2 и которые соединены с выполненной в корпусе 1 концентричной относительно его оси кольцевой средней пневмокамерой 6. Причем количество вертикальных сопел должно быть таким, чтобы в любой момент времени работы устройства пластина находилась бы под тремя - пятью вертикальными соплами, диаметр которых должен быть 10-15 мм. Помимо наклонных тангенциальных сопел 12 и вертикальных сопел 11 в основании корпуса 1 выполнены наклонные радиальные сопла 10, равномерно радиально расположенные по окружности радиусом R_с.с под углом β, относительно поверхности основания корпуса при условии, что (R_с-d_п/2)<R<R, и соединенные с выполненной в корпусе 1, концентричной относительно его оси кольцевой периферийной пневмокамерой 7. Причем количество наклонных радиальных сопел должно быть таким, что в любой момент времени работы устройства пластина должна находиться под тремя и более наклонными радиальными соплами, диаметр которых должен быть 5-10 мм.

Привод вращения пластины выполнен в виде неподвижного стакана 2, соединяющего круглый шлифовальник 9 и основание корпуса 1, в котором выполнены наклонные радиальные сопла 10, вертикальные сопла 11 и наклонные тангенциальные сопла 12 и установлен датчик 13 (один или несколько) для определения скорости вращения полупроводниковой пластины 4, например фотодиод. При этом радиус расположения датчика 13 в крышке 3 - (R_с-d_п)<R<R.

Устройство работает следующим образом. Пластина 4 манипулятором (не показан) перемещается через центральные отверстия 8 и 15 в корпусе 1 и в крышке 3 (диаметры которых должны быть не меньше, чем необходимо для прохода через них манипулятора с пластиной и равны) до касания ее края шлифовальника 9 (на фиг. 1 пластина при загрузке в устройство показана штрих-пунктирной линией) и вталкивается в пространство между основанием корпуса 1 и шлифовальником 9. В это время воздушная магистраль 14 соединяется с внутренней пневмокамерой 5. При этом сжатый воздух поступает в наклонные тангенциальные сопла 12, из которых наклонные струи воздуха выходят под углом γ = 0-45° (фиг. 5) к касательным к окружности, на которой расположены эти сопла, и под углом α (фиг. 3) относительно поверхности основания корпуса (причем угол α должен быть по возможности минимальным, учитывая технологию изготовления наклонных тангенциальных сопел, диаметр которых зависит от диаметра пластины и внутреннего диаметра стакана - d_с.р ≈ 1-5 мм, чтобы уменьшить вертикальную составляющую динамического воздействия струи воздуха на пластину, исходящей из наклонного тангенциального сопла) и создают динамическое воздействие под углом α на пластину, под действием которого пластина прижимается своим краем к внутренней поверхности стакана 2 в точке A и одновременно стремится повернуться в горизонтальной плоскости относительно этой точки по направлению угла наклона γ тангенциальных сопел 12. Так как пластина одновременно соприкасается своей опорной поверхностью со шлифовальником 9, то необходимым условием перекатывания пластины 4 по внутренней поверхности стакана 2 и одновременного шлифования на шлифовальнике 9 является условие того, что сумма силы резания при шлифовании и предельной силы динамического воздействия струи воздуха, исходящей из наклонного тангенциального сопла 12, расположенного над пластиной, направленной от точки C (фиг. 7), в которой струя воздуха, исходящая из этого сопла, действует на пластину вдоль радиуса расположения этой точки (относительно центра всего устройства) в сторону угла наклона γ тангенциальных сопел без учета силы резания, возникающей между пластиной и шлифовальником и при которой пластина будет поворачиваться относительно точки A ее касания со стаканом, должна быть меньше, чем сила динамического воздействия струи воздуха, исходящей из наклонного тангенциального сопла, направленная от точки C, в которой струя воздуха действуют на пластину по касательной к радиусу расположения этой точки (относительно центра всего устройства) в сторону угла наклона γ тангенциальных сопел, стремящаяся повернуть пластину относительно точки A ее касания со стаканом Q > Q_пр + F_рез, где Q_пр - предельная сила динамического воздействия струи воздуха, исходящей из наклонного тангенциального сопла, направленная от точки C, в которой струя воздуха действует на пластину вдоль радиуса расположения этой точки (относительно центра всего устройства) без учета силы резания, возникающей между пластиной и шлифовальником и при которой пластина будет поворачиваться относительно точки A ее касания со стаканом (см. расчетную схему - фиг. 6 и учебник - Тарг С.М. Краткий курс теоретической механики: Учебник для втузов, - 12-е издание, стереотипное. - М.: Высшая школа, 1998, 416 с., ил. - с. 71); Q - сила динамического воздействия струи воздуха, исходящей из наклонного тангенциального сопла, направленная от точки C, в которой струя воздуха действует на пластину по касательной к радиусу расположения этой точки (относительно центра всего устройства) в сторону угла наклона (наклонных тангенциальных сопел (фиг. 6); Q_пр = (k/L)•N, Q = F_д•cosγ•cosα, Q_пр и Q - упомянутые выше силы Q_пр и Q; F_д - динамическое воздействие струи воздуха, исходящей из наклонного тангенциального сопла; N - нормальная реакция со стороны стакана на пластину, равная усилию динамического воздействия струй воздуха, исходящих из наклонных тангенциальных сопел, направленного от точки C, в которой струя воздуха действуют на пластину к точке A касания пластины и стакана; L - расстояние от точки A касания пластины и стакана до точки C, в которой струи воздуха, исходящие из наклонных тангенциальных сопел действуют на пластину (фиг. 6 и фиг. 7);
L = R_с-R_ср+h•tgα•sinγ,
где R_с - внутренний радиус стакана, м;
R_с.р - радиус расположения наклонных тангенциальных сопел, м;
h - расстояние от пластины до основания, м;
α- вертикальный угол наклона тангенциальных сопел, град.;

где F_рез - сила резания, возникающая при движении пластины по шлифовальнику.

Для регулирования усилия прижатия пластины 4 к шлифовальнику 9, используя данные о скорости движения пластины, подаваемые датчиком скорости движения пластины 13, необходимо управлять подачей сжатого воздуха в пневмокамеру 6, соответственно регулируя динамическое воздействие струй воздуха, выходящих из вертикальных сопел 11 и прижимающих пластину к шлифовальнику 9.

Спустя определенное время, определяемое экспериментально для каждого соотношения расходов воздуха в пневмокамеры 5 и 6, при которых с пластин определенного диаметра стачивается слой полупроводникового материала необходимой толщины, необходимо отключить подачу сжатого воздуха в пневмокамеры 5 и 6 и подать сжатый воздух в пневмокамеру 7, из которой он, выходя через наклонные радиальные сопла 10, будет воздействовать под углом β к поверхности основания корпуса 1 на пластину 4 и сталкивать ее в выполненное в шлифовальнике 9 центральное отверстие 16 (диаметр которого должен быть не менее диаметра обрабатываемой пластины), из которого она попадает на транспортер (не показан) и передается на дальнейшие операции обработки.

Далее все предыдущие операции повторяются.

Данное устройство обладает рядом преимуществ: отсутствие механически движущихся частей, возможность одновременного охлаждения пластины при шлифовке, возможность механической обработки пластин из полупроводниковых материалов с низкими физико-механическими свойствами, простота контроля и регулирования усилия прижатия пластины к шлифующей поверхности, что все вместе уменьшает выход бракованных пластин.

Формула изобретения

Устройство для шлифовки полупроводниковых пластин, содержащее корпус, привод движения обрабатываемой пластины и круглый шлифовальник, отличающееся тем, что корпус выполнен в виде цилиндра с центральным отверстием, диаметр которого больше диаметра обрабатываемых пластин, и с внутренней, средней и периферийной концентрическими кольцевыми пневматическими камерами, закрытыми сверху круглой крышкой с центральным отверстием, диаметр которого равен диаметру центрального отверстия корпуса, и сообщенными сверху с магистралями подачи сжатого воздуха, при этом привод движения обрабатываемой пластины выполнен в виде неподвижного стакана, соединенного с круглым шлифовальником из связанного абразива с центральным отверстием, диаметра которого меньше диаметра центрального отверстия корпуса, но больше диаметра обрабатываемой пластины, и с корпусом, в основании которого выполнены по концентрическим окружностям наклонные тангенциальные, вертикальные и наклонные радиальные сопла, причем наклонные тангенциальные сопла расположены под углом к касательным к окружности их расположения и к поверхности основания и сообщены с внутренней пневмокамерой, вертикальные сопла сообщены со средней пневмокамерой, а наклонные радиальные сообщены с периферийной пневмокамерой и расположены под углом к поверхности основания, в котором установлен по меньшей мере один датчик определения скорости вращения обрабатываемой пластины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7