Brevet FR2204890A1 — publié le 19740524

La présente invention concerne la fabrication des appareils semi-conducteurs, et plus particulièrement les dispositifs pour l'usinage, par exemple des matériaux de structure cristalline tels que le silicium, le germanium, l'arseniure de gallium, la céramique vitrifiée, le quartz, la céramique utilisée au cours de la fabrication des photo-convertisseurs solaires, des circuits intégrés, des diodes, des triodes, des résistances, des détecteurs. L'usinage de ces matériaux consiste à débiter d'abord à l'épaisseur voulue des ébauches sur des machines-outils à l'aide de disque en diamant, ensuite les past#illes débitées à partir de ces ébauches rectifiées et polies sur des rectifieuses planes par l'intermédiaire d'une pâte abrasive ou de rodoirs circulaires en diamant. On connatt des dispositifs pour le débitage et le polis- sage des matériaux à structure cristalline. La méthode d'usinage existante des matériaux de structure cristalline sur les dispositifs précités est la suivante l'ébauche est collée sur un support pour être débitée en pastilles qui sont ensuite rectifiées et polies. Cette méthode ne permet pas d'obtenir sur les dispositifs de ce type un rendement élevé par suite des pertes de temps en opérations auxiliaires telles que la recharge des dispositifs au cours du débitage des ébauches en pastilles, quand la pastille débitée est décollée du support pour entre lavée et retransmise à l'opération consécutive de rectification.Avant leur rectification les pastilles sont collés sur des disques, puis on procède à la rectification afin de les niveler dans un =8me plan, après quoi les disques portant les pastilles sont lavés pour supprimer les particules abrasives et les copeaux, puis on mesure leur#épaisseur initiale pour les transférer à l'opé- ration consécutive, c1est-à-dire au polissage. Ce polissage est réalisé en plusieurs étapes à l'aide de meules abrasives ou ponceuses suivant un degré de granulométrie décroissant de l'abrasif et des disques ; après chaque étape de polissage les disques portant les pastilles sont lavés, et on mesure alors l'épaisseur de la passe.Après avoir terminé l'usinage, les pastilles sont décollées des disques puis lavées pour supprimer la colle. Au cours de l'usinage des ébauches sur les dispositifs existants, les pertes de matériau sont inévitables car au cours du débitage des ébauches en pastilles il se produit obligatoirement une variation de Itépaisseur de celles-ci par suite du voilage de la t8te de découpage. C'est pourquoi il est indispensable de rectifier les pastilles pour les niveler en épaisseur, ce qui se traduit par une perte de matériau coûteux sous forme de copeaux. On connaît des machines-outils pour le débitage des semi-conducteurs par disque en diamant, par exemple du type Staxs (RF#.) Ces machines-outils comportent un bâti portant le corps de l'organe à broches où est fixée la tête de coupe avec disque en diamant permettant de débiter des ébauches, par exemple en silicium ou en germanium, de 60 mm de diamètre. Le support portant l'ébauche est fixé sur une table pouvant se déplacer dans les sens longitudinal et transversal grâce au crabot et à l'excentrique du mécanisme de rappel de la table. La rotation de la tête de coupe portant le disque en diamant est réalisée à l'aide d'une courroie de transmission avec régulateur de vitesse de 1500 à 5000 tr/mn. Le débitage des ébauches en pastilles d'une épaisseur déterminée sur les dispositifs de ce type est réalisé en avançant la table sur laquelle est fixé le support portant l'ébauche, vers la l#.e du disque en diamant. L'avantage, au cours de l'usinage des ébauches sur les dispositifs de ce type, réside dans la rigidité de fixation élevée du disque en diamant renforçant la tete, ce qui réduit ses vibrations, une économie considérable de matériau découpé est aussi obtenue grâce à l'épaisseur relativement faible du disque en diamant, les aspérités de surface des pastilles sont insignifiantes en comparaison aux autres modes de découpage. L'inconvénient de ce dispositif réside dans la nécessité d'une recharge fréquente. Au cours de l'usinage qui suit, les pastilles débitées de ltébauche doivent être traitées sur des dispositifs de polissage. On connaît des rectifieuses planes pour la rectification et le polissage des matériaux semi-conducteurs comportant une broche pour la fixation de l'outil de polissage et une table ronde. La broche comporte une commande électrique avec vitesse de rotation réglable de 50 à 500 tr/mn. La table, sur laquelle sont collées les pastilles à usiner, dispose d'une commande électrique individuelle à vitesse de rotation réglable. L'avantage de ces dispositifs réside dans leur précision d'usinage élevée et leur inconvénient dans leur faible productivité. Avec ces machines, l'accroissement de la productivité du travail au cours de l'usinage des ébauches semi-conductrices est seulement possible en augmentant le nombre des installations de rectification et de polissage en service. Le but de la présente invention est de remédier aux divers inconvénients précités Dans cette invention, l'on se propose de mettre au point une machine-outil, pour l'usinage d'éhauches en plusieurs positions, permettant de mettre simultanément en oeuvre le polissage et le débitage des ébauches en pastilles tout en assurant leur évacuation fiable au dehors de la zone de débitage. Cet objectif est atteint par le fait que dans la machineoutil pour l'usinage en plusieurs positions des ébauches semiconductrices, machine qui comporte un bâti, sur lequel est montée la table pivotante avec plateaux tournants portant les ébauches des têtes de traitement disposées suivant le pourtour de la table, et parmi celles-ci des têtes de rectification et de polissage entraînées chacune dans un mouvement de rotation autour de leurs axes respectifs et de translation le long du plan d'usinage, conformément à l'invention, il est prévu des têtes de débitage tournantes, qui sont montées avec possibilité d'oscillation le long du plan d'usinage entre les têtes de rectification et de polissage et dont le déplacement constitue un mouvement d'oscillation, tandis que sur la table susceptible d'avance circulaire pas à pas, sont montés des chariots qui sont susceptibles d'un mouvement rectiligne alternatif vers les têtes d'usinage, et sur chacun desquels est fixé l'un des plateaux précités, portant des ébauches, et un poussoir pour la présentation des ébauches aux têtes de débitage. De préférence, la tête de débitage est exécutée sous forme d'une broche creuse à l'intérieur de laquelle un accessoire d'évacuation des pastilles est monté de telle façon, que pendant le débitage les ébauches sont engagées à l'intérieur de la tete de débitage de manière que la partie sectionnée de l'ébauche tombe sur ledit accessoire d'évacuation. De préférence également, sur le bâti est fixée une crémaillère, et chaque chariot comporte une vis avec engrenage qui au cours de la rotation de la table attaque la crémaillère, et, lorsque la vis tourne, le chariot portant les ébauches avance vers l'une des têtes de débitage de la longueur de débitage imposée. Conformément a l'invention, dans l'une de ses versions d'exécution, il peut être prévu des arbres creux montés sur le bâti, et auxquels sont fixés des mécanismes à coulisse engendrant l'oscillation des têtes précitées, l'arbre d'entraînement de chacune d'elles étant situé à l'intérieur de l'arbre creux correspondant. L'invention permet de polir et de débiter simultanément un grand nombre d'ébauehes, et assure l'évacuation fiable des éléments d'ébauches débités sous forme de pastilles au dehors de la zone de découpage. Il est donc ainsi possible d'améliorer notablement la productivité. On réduit en outre les pertes de matériau au cours de l'usinage des ébauches. Ci-dessous, est donnée la description d'un exemple concret d'exécution de la présente invention avec références aux dessins annexés, sur lesquels la Fig. 1 représente schématiquement en plan la machineoutil conforme à l'invention ; la Fig. 2 représente la tête de rectification en coupe verticale la Fig. 3 représente la tête de débitage en coupe ver ticale la Fig. 4 est le schéma du bloc de commande. La machine-outil comporte un bâti 1 et une table tournante 2 (Fig. 1) sur lesquels sont montés tous les autres organes de la machine. Les glissières 3 (Fig. 2) de la table tournante 2 sont protégées par un joint d'étanchéité à labyrinthes 4 (Fig. 3). Sur le bâti 1 sont montées les têtes de rectification 5, de polissage 6 et de débitage 7 ainsi que leurs commandes et la commande de la table tournante 2 et de la crémaillère 8 (Fig. 1). La conception des tettes de rectification 5, de polissage 6 et de débitage 7 est telle, que l'outil de service (le disque de rectification et de polissage ainsi que le disque de débitage en diamant) reçoit son mouvement de rotation par l'intermédiaire d'un élément de transmission 9 (Fig. 2,3) à partir d'un moteur électrique à courant continu, tandis que la tête est animée d'un mouvement d'oscillation par l'intermédiaire d'un mécanisme à coulisse 10 à partir d'un moteur électrique à courant continu avec réducteur. Les têtes de rectification 5 et de polissage 6 comportent un corps Il (Fig. 2) calé sur le cône d'un arbre creux 12 et entraîné d'un mouvement d'oscillation dans un palier lisse 13 son- té sur le bâti 1. Le corps 11 et l'arbre creux 12 sont réunis par des goujons 14 de clavetage et sont maintenus entre deux butées 15 et 16 à l'aide d'un écrou 17 avec vis de blocage. Le mécanisme à coulisse 10 est fixé sur l'arbre creux 12 par des vis 18. Â travers l'arbre creux 12, sur des roulements 19, 20 est monté un arbre 21 mis en rotation par une poulie 22 et l'élément de transmission 9 par un moteur à courant continu. La rotation de l'arbre 21 est retransmise, par l'inter médiaire d'une poulie 23, d'une courroie trapézoidale 24, d'un galet tendeur 25 et d'une poulie 26, à un arbre 27 sur lequel est fixé le disqua 28 de rectification ou de polissage. L'arbre 27 est monté dans un palier lisse 29 qui à son tour se trouve supporté dans le corps Il par des roulements 30, 31. L'arbre 27, sur lequel est fixé le disque de rectification ou de polissage 28, dispose d'une course limitée le long de l'axe du palier 29 grâce à la présente d'un dispositif à baionnette 32 et d'un mécanisme de friction 33. Le disque de rectification ou de polissage 28, avec élé- ment de rectification à fixation élastique et,revétement abrasif porteur sur sa face, est recouvert par un capot\ 34. L'ensemble de la tête est recouvert par un capot 35. La tête de débitage 7 (Fig. 3) comporte un corps 36 calé sur le cane d'un arbre creux 37 entraîné dans un mouvement d'oscillation dans un palier lisse 38 monté à sont tour dans. le bâti 1. Le corps 36 et 1'arbre creux 37 clavetés par des goujons 39 sont maintenus entre deux butées 40, 41 par un écrou 42 avec vis de blocage 43. te mécanisme à coulisse 10 (Fig. 2,3) est fixé sur l'arbre creux 37 par des vis 44. À travers l'arbre creux 37, sur des roulements 45, 46 est monté un arbre 47 mis en mouvement par la poulie 48 à partir du moteur à courant continu. La rotation de 1'arbre 47 est retransmise, par i'inter- médiaire d'une poulie 49, d'une courroie plate 50 et d'un galet tendeur 51, à une broche 52 sur laquelle est monté le disque en diamant 53 avec arête de coupe intérieure. Un palier lisse 54 z Jeu réglable, ainsi que la broche 52 qui tourne à l'intérieur, sont fixés à l'aide d'un écrou 55 et d'ante butée lisse 56 dans le corps 36. Le corps 52, le palier 54 et l'écrou spécial 55 sont dotés de joints d'étanchéité à labyrinthes 57 et 58. Pour le graissage des surfaces de frottement, sur le corps 36 est monté un graisseur 59, et pour l'évacuation des pastilles découpées de la zone d'usinage, à l'intérieur du corps 52 se trouve un accessoire de transport 60 monté d'une façon fixe sur le bâti 1 (Fig. 1) par l'intermédiaire d'un support 61. Le disque de débitage en diamant 53 est recouvert par un capot 62, tandis que l'ensemble de la tête est recouvert par un capot 63 (Fig.3). Sur la table pivotante 2 sont montés plusieurs chariots 64 (Fig. 1) portant les ébauches, un bloc de commande 65 (Fig. 1,4) de la table pivotante et des graisseurs 66 pour la lubrification des glissières de la table. Â proximité de la machine-outil se trouve un pupitre de commande 67 (Fig. 4) à l'intérieur duquel sont disposés des blocs de commande des moteurs des têtes, un transformateur à courant alternatif alimentant le bloc de commande 65. La table pivotante 2 est mise en rotation par un moteur à courant continu avec réducteur par l'intermédiaire d'un mécanisme à came. Chaque chariot 64 comporte les organes et pièces essentiels suivants : un socle 68 et des supports 69, des glissières 70, un corps 71 et un plateau 72 (Fig. 2, 3). Le socle 68 et le support 69 sont rigidement fixés sur la table 2 (Fig. 1). Dani le socle 68 se trouve une douille filetée 73 dans laquelle est vissée l'une des extr#mités d'une vis 74 (Fig. 3). Sur l'autre estrEdté de cette vis 74 est claveté un engrenage conique 75 tournant dans un palier lisse 76 monté dans le support 69. L'engrenage 75 est recouvert par un capot 77. La vis 74 est creusetestfiletée intérieurement avec un pas plus fin que celui du filetage extérieur. Dans la vis 74 se trouve une vis 78, dont une extrémité est filetée pour le déplacement rectiligne alternatif de la douille filetée 73. L'autre extrémité de la vis 78 est lisse et se trouve dans une douille 79 fixée dans le socle 68. Sur l'extrémité lisse de la vis 78 est fixée une clavette, et dans la douille 79 est ménagée une rainure de clavette pour empêcher la rotation de la vis 78. Cette vis 78 porte une douille conique 80 fixée par un écrou 81. Sur le socle 68 sont rigidement fixées les glissières 70 dans lesquelles le corps 71 se déplace par l'intermédiaire de rouleaux 82 et 83. Le rouleau 83 est à rattrapage du jeu. Le corps 71 est relié à la douille conique 80 par l'in- termédiaire d'une vis conique spéciale 84. Dans le corps 71 est monté un moteur à courant continu 85 avec réducteur et frein électrique mettant en rotation le plateau 72. Le plateau 72 tourne sur des roulements 86, 87 montés dans le corps 71. Sur la face interne du plateau 72 est fixé un fourreau 88 avec perçages. A l'intérieur du fourreau 88, en regard de son orifice sur le corps 78 est fixée une résistance photoélectrique 89 (Fig. 2, 3), et du côté extérieur du fourreau 88 se trouve une lampe 90. Dans le plateau sont emboîtés de force plusieurs paliers lisses 91 dans chacun desquels, sous l'action d'un ressort 92 et du poussoir d'un électroaimant 93, un axe 94 est entraîné d'un mouvement rectiligne alternatif. Sur les axes 94 sont montés des verrous à dépose rapide portant les ébauches à usiner 95. Pour le graissage des axes 94, dans le plateau 72 sont montés des graisseurs 96. La partie électrique comprend (Fig. 4) un bloc d'entre 97 avec transformateur de puissance et protection contre les courts-circuits, dont le réglage est assuré par des thyristors 98, 99, 100, 101, un dispositif de conversion 102 à douze positions, un dispositif de conversion 103 à dix positions, un discontacteur 104 avec mécanisme de débit de la tension au moteur de la table tournante et au bloc de commande 65 (Fig. 3). Le bloc de commande 65 de la table pivotante 2 comporte un redresseur 105, un compteur annulaire 106 à douze positions, un compteur annulaire 107 à quatre position et des blocs à basculeurs 108, 109, 10, 111, 112, 113, 114, 115. La machine-outil décrite ci-dessus fonctionne de la fa çon suivante :les ébauches 95 devant être usinées sont posées dans les verrous qui sont fixés sur les axes 94. Ensuite, la tension est appliquée au bloc d'entrée 97 et aux redresseurs 98, qq, 700, 101. La tension des redresseurs 98, 99 et délivrée aux moteurs des têtes de débitage 7. La tension est simultanément délivrée au bloc 65 par l'intermédiaire du discontacteur 104 (Fig. 4), et à partir des redresseurs 105, par l'intermédiaire du compteur annulaire 107, aux basculeurs 108, 112. Les basculeurs sont actionnés, et l'élec- troaimant 93 comprime le ressort 92 et refoule l'axe 94, avec le verrou dans lequel est fixée l'ébauche 95, vers la zone d'usinage de la tête de débitage 7. La tête de débitage 7 entraînée d'un mouvement d'oscillation tronçonne dans l'ébauche une pastille qui tombe sur le dispositif de transport 60-(Fig. 3) qui l'évacue de la zone d'usinage. Après le découpage, la tête de débitage 7 est ramenée à sa position initiale et agit sur l'interrupteur de fin de course qui par l'intermédiaire du compteur annulaire 106 actionne les basculeurs 108, 112, et ces derniers, à leur tour, enclenchent les moteurs électriques 85 disposés dans les chariots 64 situés en regard des tettes de débitage 7. Au cours de la rotation du plateau 72, ainsi que du fourreau percé 88 monté dessus, il se produit un déplacement des orifices du fourreau 88. Dès que la lampe 90 éclaire par l'intermédiaire de l'orifice la résistance photoélectrique 89, les basculeurs 108, 112 sont à nouveau actionnés et le moteur 85 s'arrête, tandis que le poussoir de l'électroaimant 93 amène l'ébauche suivante 95 au débitage. C'est dans cette suite des opérations que la machineoutil découpe toutes les ébauches montées sur le plateau. Après quoi, le dispositif de conversion 102 à douze positions est actionné, et un signal est délivré au discontacteur 104 de la table pivotante 2, cette dernière pivote de 1/8e de tour. Après le pivotement de la table 2, un signal est délivré au dispositif de conversion 103, et les moteurs électriques des têtes de rectification 5 sont mis hors circuit. À ce moment s'enclenchent les moteurs électriques 85 des chariots 64, se trouvant alors en face des têtes de rectification 5, et font tourner le plateau 72 de chaque chariot. Le disque de rectification 28 commence à tourner, et amorce simultanément dans le palier lisse 29 un mouvement rectiligne car le mécanisme à friction 33 est prévu pour un effort de compression déterminé du disque de rectification sur les faces des ébauches à usiner. Après que cet effort est assuré, le palier lisse 29 commence à tourner dans les roulements 30, 31. C'est alors que s'amorce l'opération de rectification. Simultanément, par l'intermédiaire des basculeurs 109, 113 est actionné l'électroaimant 93 à poussoir et les ébauches des chariots 64 (Fig. 3) se trouvant en regard des têtes de débitage 7 sont refoulées à tour de rôle vers la zone d'u sinage où elles sont découpées pour être ensuite évacués comme décrit plus haut. Après chaque signal de pivotement de la table 2, le dispositif de conversion 102 délivre une commande, par l'intermédiaire du dispositif de conversion 103, aux moteurs électriques des tOtos 5, 6. La marche des moteurs électriques de ces têtes est inversée, et le disque de rectification et de polissage 28 s'éloigne du plateau 27 sous l'action des mécanismes à balonnette 32 et à friction 33 en assurant ainsi la possibilité de pivotement de la table 2.' Pendant le pivotement de la-table sur 1/3 de tour lten- grenage conique 75 attaque la crémaillère 8, montée sur le bâti devant la tête de débitage 7 suivant le sens de rotation de la table 2, et pivote dtun angle déterminé. L'engrenage 75 fait alors tourner la vis 74 qui en tournant dans la douille 73 déplace simultanément la vis 78. Au cours de son mouvement rectiligne, la vis 78 fait progresser le corps 71 du chariot 64 sur les glissières 70 sur une distance égale à la différence de pas des vis 74, 78. Le rapport entre ces valeurs détermine l'épaisseur nécessaire des pastilles à débiter, et il peut être réglé. L'enclenchement consécutif des autres têtes et chariots se fait comme décrit plus haut. Au moment où se produit le fonctionnement simultané de toute les têtes et chariots, cela signifie que la machine-outil s'est mise en régime de marche automatique. Quand les ébauches sont entièrement débitées le chariot 64 actionne l'interrupteur de fin de course qui délivre le signal de déclenchement de la machine-outil. Le déclenchement de cette machine steffectue dans le même ordre que l'entlenchement. Le retour du corps 71 du chariot 64 à sa position ini- tiale s'opère à l'aide d'un accessoire de dépose. L'utilisation de la nouvelle machine avec deux têtes de débitage et six têtes de rectification et de polissage permet d'accroître la productivité de l'usinage, par exemple des ébauches de silicium pour convertisseurs photoélectriques solaires, de vingt fois environ en comparaison aux machines existantes prévues pour ce même programme, et par conséquent de réduire notablement les surfaces d'atelier qu'elles occupent et le personnel nécessaire. Ainsi, par exemple, pour l'usinage d'ébauches de silicium de 45 à 50 mm de diamètre, la cadence de la machine est de 35 secondes par pastille, tandis que sur les dispositifs existants l'usinage d'une pastille prend 10 minutes. REVENDICATIONS 1. Machine-outil, pour l'usinage en plusieurs positions d'ébauches semi-conductrices, cette machine, qui comporte un bâti sur lequel est montée une table pivotante avec plateaux tournants portant les,ébauches, et des têtes d'usinage disposées suivant le pourtour de la table, et parmi ces têtes, des têtes de rectification et de polissage entraînées d'un mouvement de rotation autour de leurs axes respectifs et déplacées le long du plan d'usinage, étant caractérisée en ce qu'il est prévu des têtes de débitage qui sont montées avec possibilité d'oscillation le Aong du plan d'usinage entre les têtes de rectification et de polissage, et dont le déplacement est un mouvement d'oscillation, tandis que sur la table sont placés avec possibilité d'avance radiale pas à pas des chariots pouvant décrire un mouvement rectiligne alternatif radial vers les têtes d'usinage d:srchaque chariot est fixé l'un desdits plateaux porte-ébauches et un poussoir pour l'avance des ébauches vers les têtes de débitage. 2. Machine-outil suivant la revendication 1, caractéris sée en ce que la tête de débitage présente la forme d'une broche creuse à l'intérieur de laquelle est monté un dispositif de trans- port de telle façon, que pendant le débitage l'ébauche à débiter est engagée à l'intérieur de la tête de débitage, puis la partie sectionnée de cette ébauche tombe sur le dispositif de transport, 3. Machine-outil suivant la revendication 1, caractérisée en ce que/fiebâti est fixée une crémaillère, et sur chaque chariot se trouve une vis avec engrenage qui pendant le pivotement de la table attaque la crémaillère provoquant ainsi la rotation de la vis et, de ce fait, l'avance du chariot portant les ébauches veas les têtes de débitage d'une longueur correspondant à l'épais~ seur prescrite pour les pastilles à découpage. 4. Machine-outil suivant la revendication 1, caractérisée en ce que sur le bâti sont montés des arbres creux auxquels sont fixées les têtes d'usinage et des mécanismes à coulisse, pour l'oscillation desdites têtes, dont les arbres d'entraînement sont situés à l'intérieur desdits arbres creux.