Brevet FR2458358A1 — publié le 19810102

La présente invention concerne le domaine du façonnage des matériaux cassants (semiconducteurs, verre, céramique, stc) à l'aide d'un abrasif, et notamment les dispositifs pour la préparation de suspensions contenant un abrasif et l'alimentation avec ces suspensions de la zone d'action des outils dans les ma- chines à polir et/ou à superfinir. L'invention peut avantageusement être appliquée pour le polissage des plaquettes en semiconducteur. Les principales conditions pour obtenir un façonnage uniforme dans le polissage par abrasif non lie sont le maintien d'un rapport constant entre la phase solide (particules d'abrasif) et la phase liquide dans la suspension alimentant la zone d'action des plateaux polisseurs, le maintien d'un pH (acidité) constant dans la solution, et le maintien d'un débit constant de suspension vers la zone de façonnage. Lin écart du rapport solide/liquide de la suspension par rapport à la valeur prescrite provoque, par exemple en cas d'augmentation de la quantité de particules d'abrasif, l'apparition de stries sur la surface polie. La diminution du débit de suspension engendre une altération de la qualité de la surface façonnée sur laquelle apparaissent des stries et des adhérences soudées. On connait un dispositif de préparation d'une suspension contenant un abrasif et d'alimentation avec cette suspension de la zone d'action des outils dans des machines à polir et à superfinir, exploitant les forces gravitationnelles. Ce dispositif est de conception relativement simple. Il comprend une capacité d'accumulation de la suspension et un sousensemble de distribution. L'intensité de l'écoulement de suspension dans ce dispositif dépend de la quantité de suspension se trouvant dans la capacité d'accumulation, aussi, pour que le débit soit constant, faut-il maintenir cette quantité constante pendant tout le cycle de travail. A défaut d'automatisation, ceci implique; une augmentation du personnel. On connaît aussi un dispositif de préparation d'une suspension contenant un abrasif et d'alimentation avec cette suspension de la zone d'action des outils dans des machines à polir ou à superfinir, dans lequel le débit de suspension est maintenu constant à l'aide de pompes et de soupapes montées sur la conduite d'alimentation en suspension. Ce dispositif connu comprend un sous-ensemble de préparation de la suspension à partir des constituants de départ, constitué par deux capacités dans lesquelles on charge séparément un concentré de suspension et un solvant.Chaque capacité est raccordée à un sous-ensemble de distribution individuel réalisé sous la forme d'une conduite à section droite constante, avec des tubulures de dérivation pour la transmission de la suspension à chaque outil par l'intsf-i,. diaire de têtes mélangeuses. Chaque sous-ensemble de distribution est raccordé par sa sortie à une capacité individuelle. Le dispositif comporte également une capacité pour la collecte de la suspension usée, cette capacité étant mise en communication avec un sous-ensemble d'épuration de la suspension usée dans lequel les particules solides (abrasif) se déposent au fond, tandis que le solvant est repris pour être transmis à la capacité correspondante du sous-ensemble de préparation de la suspension en vue de sa réutilisation. * Ce système fonctionne de la façon suivante Le concentré de suspension et le solvant prélevés dans les capacités correspondantes par des pompes sont refoulés vers les sous-ensembles de distribution qui sont équipés de tubulures à travers lesquelles les constituants gagnent les têtes mélangeuses. Dans les têtes mélangeuses, le concentré de suspension se mélange avec le solvant et la suspension ainsi obtenue est débitée dans la zone de façonnage. Le rapport solide/liquide est réglé par variation du débit des pompes. Les constituants en excès du sous-ensemble de distribution reviennent aux capacités de départ. Un tel dispositif n'assure une alimentation en suspension stable que lorsqu'il ne dessert qu'une seule machine. Si le dispositif doit desservir deux machines ou davantage, il est difficile d'obtenir dans la suspension un même rapport solide/liquide pour toutes les machines. Ceci s'explique par le fait qu'au fur et à mesure de la progression de la suspension dans la conduite du sous-ensemble de distribution, de la suspension est prélevée par les tubulures de dérivation pour l'alimentation de telle ou telle machine, ce qui provoque un abaissement de la vitesse d'écoulement de la suspension jusqu'à une valeur minimale pour la dernière machine. Il s'ensuit que, pour les dernières machines, la probabilité de sédimentation des particules d'abrasif dans la conduite croît et la phase liquide de la suspension se divise en couches de poids spéci- fiques différents. Ce phénomène entraîne des changements du rapport solide/liquide dans la suspension, changements qui sont difficilement contrôlables. La probabilité de la sédimentation des particules aux raccordements des tubulures de dérivation est très grande, car ces tubulures ont une section droite plus petite que celle de la conduite du sous-ensemble de distribution Ces raccordements sont alors le siège de courants tourbillonnaires qui abaissent la vitesse d'écoulement de la suspension, ce qui provoque des irrégularités de dispersion, ainsi que l'encrassement et l'obstruction des tubulures de dérivation. L'invention a donc pour objet principal de procurer un dispositif de préparation d'une suspension contenant un abrasif et d'alimentation avec cette suspension de la zone d'action des outils dans des machines à polir et à superfinir, qui comprenne un sousensemble de distribution dont la conception serait telle qu'elle exclurait son engorgement et assurerait, dans le cas de desserte d'un groupe de machines, l'alimentation de toutes les machines avec une suspension ayant le même rapport solide/liquide. Le dispositif selon l'invention, pour la préparation d'une suspension contenant un abrasif et l'alimentation avec cette suspension de la zone d'action des outils dans des machines à polir ou à superfinir, comprend un sous-ensemble de préparation de la suspension, avec les constituants de départ, raccordé par sa sortie à un sous-ensemble de distribution réalisé sous la forme d'une conduite avec des tubulures de dérivation pour l'alimentation en suspension de chaque outil, la sortie de ce sous-ensemble étant raccordé dée à une entrée du sous-ensemble de préparation de la suspension, une capacité pour la collecte de la suspension usée étant raccordée à un sous-ensemble d'épuration de la suspension usée qui est, à son tour, raccordé à une autre entrée du sous-ensemble de préparation de la suspension, le susdit dispositif étant caractérisé en ce que la c on du i t# du du sous-ensemble de distribution présente une section droite våriable suivant sa longueur, et des portions à grande section droite situées aux endroits où sont connectées les tubulures de dérivation. Il est avantageux de choisir les sections droites maximale et minimale de la conduite du sous-ensemble de distribution de façon à observer la relation F- 3 à 5 fois Foin , F et F . étant max min max min respectivement la section droite maximale et la section droite minimale de la conduite. Le dispositif selon l'invention, pour la préparation d'une suspension contenant un abrasif et l'alimentation avec cette sus pension de la zone d'action des outils dans des machines à polir ou à superfinir, permet d'améliorer les conditions d'alimentation en suspension des outils à partir du sous-ensemble de distribution. La réalisation du sous-ensemble de distribution avec une conduite à section droite variable permet de résoudre le problème du maintien d'une composition identique de la suspension sur toute la longueur de la conduite du sous-ensemble de distribution. La présence de portions divergentes et convergentes alternées dans la conduite supprime l'éventualité d'une sédimentation de la fraction solide, et celle de la formation de zones de stagnation et d'obstruction des tubulures de dérivation. L'invention sera expliquée plus en détail ci-après à pro-pos de modes de réalisation préférés, mais non limitatifs, en se référant aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente le schéma constructif d'un dispn- sitif conforme à l'invention pour la préparation d'une suspension contenant un abrasif et l'alimentation avec cette suspe-nsion de la zone d'action des outils dans des machines à polir ou à superfinir, - la figure 2, enfin, représente le détail A de la figure 1 à plus grande échelle. Les principaux sous-ensembles du dispositif faisant l'objet de l'invention sont le sous-ensemble 1 de préparation de la suspension avec les constituants de départ. dont la sotie est désignée par la référence 2, et le sous-ensemble 3 de distribution qui est réalisé sous la forme d'une conduite 4 avec des tubulures 5 de dérivation. La sortie 2 du sous-ensemble 1 est raccordée au sous-ensemble 3 de distribution et les tubulures 5 transmettent la suspension à la zone d'action des outils de machines à polir ou à superfinir 6. Les machines 6 sont raccordées à une capacité 7 collectant la suspension usée et raccordée par sa sortie 6 à un sous ensemble 9 d'épuration de la suspension usée.Le sous-ensemble 9 d'épuration de la suspension usée est raccordé à so-n tour à l'entrée 10 du sous-ensemble 1 de préparation de la suspension. Le sous-ensemble 1 -de préparation de la suspension se compose d'une capacité 11 pour la préparation de la suspension et d'une capacité 12 pour l'accumulation de la suspension préparée. La capacité 11 est raccordée à la capacité 12 par une conduite 13. Sur la conduite 13 sont montés une centrifugeuse 14 et un filtre 15 dont la fonction est de débarrasser la suspension des grosses particules d'abrasif et de toutes autres grosses particules étran- gères. La capacité 11 est une enceinte close sur le couvercle 16 de laquelle est monté un mélangeur 17. Le mélangeur 17 se compose d'un moteur électrique 18 sur l'arbre duquel est calé un agitateur hélicoidal 19, et d'un cylindre creux 20 coaxial à l'agitateur 19 et dans la paroi duquel sont pratiquées des lumières 21. En outre, le couvercle 16 comporte des tubulures 22 à travers lesquelles les constituants leau, abrasif, substances chimiquement actives telles par exemple que des acides ou des alcalis) sont chargés dans la capacité 11. Pour le contrôle des paramètres de la suspension, les capteurs 23 d'appareils de contrôle de la qualité de la suspension, sont montés dans la paroi de la capacité 11. Par appareils de contrôle de la qualité de la suspension on entend, notamment, des appareils de mesure déterminant le pH des solutions. des appareils déterminant le taux de la phase solide dans un liquide, etc (ces appareils ne sont pas représentés sur les dessins). Dans le fond de capacité 11 est montée une soupape d'arrêt 24 pour la commande de l'admission de la suspension 11 à la conduite 13. Pour le contrôle de la présence de suspension dans la capacité 11. il est prévu des capteurs de niveau 25 reliés électriquement à un tableau lumineux 26. La capacité 12 est prévue pour accumuler la suspension préparée et elle est équipée d'un agitateur mécanique 27 calé sur l'arbre d'un moteur électrique 28. Dans le fond de la capacité 12 est montée une soupape d'arrêt 29 qui obture la sortie 2 de la capacité 12. Pour le contrôle de la présence de suspension dans la capacité 12, il est prévu des capteurs de niveau 30 reliés électriquement eux aussi au tableau 26. Le sous-ensemble 3 de distribution se compose d'une conduite 4 à section droite variable et de tubulures 5 de dérivation. La conduite 4 comporte des portions 31, à grande section droite, situées aux endroits où sont connectées les tubulures 5 de dérivation, et des portions cylindriques 32, à section droite plus petite, situées entre les portions 31. Les portions 31 peuvent avoir une section longitudinale ellipsoldale.Toutefois, au point de vue fabrication, la forme représentée sur la figure 2 est plus avantageuse, car elle est plus simple à réaliser. La figure 2 représente une portion 31 se composant d'un divergent conique 33, d'une partie cylindrique 34 ayant la section droite maximale F v et d'un convergent 35. La tubu max lure 5 de dérivation est connectée pres de la partie cylindrique 34 et son axe forme un angle aigu avec l'axe de la conduite 4, dans le sens de progression de la suspension. La portion cylindri que 32 présent la section droite minimale F-. . Les dimensions mln géométriques de ces éléments sont choisies selon le débit de suspension devant être dirigé vers la machine 6.D'ordinaire. la section droite f de la tubulure 5 de dérivation est choisie un peu plus grande que la valeur théorique, afin de rendre possible le réglage du débit de suspension. La valeur F min est choisie en par tant de la condition F . > n.f, n étant le nombre de tubulures 5 min raccordées à des machines 6. La section droite maximale Fmax est choisie en fonction de la valeur de la résistance locale de la tubulure 5 de dérivation. La variante optimale est obtenue quand F = t3 à 5) F max min Dans ce cas, la portion de prise de la suspension devient le siège d'une pression suffisante pour vaincre la résistance locale de la tubulure 5 de dérivation. L'augmentation de F max audessus de la limite supérieure indiquée entraîne une augmentation injustifiée de l'encombrement.L'angle e de conicité peut être choisi dans la plage de 30 à 400. Ceci permet de réduire au minimum les zones de stagnation sur la longueur de la portion 31 et d'obtenir un écoulement plus calme de la suspension, en présence duquel les conditions de prise de la suspension sont améliorées. La longueur de la portion cylindrique 34 est choisie au moins égale à son diamètre. Pour le réglage du débit de suspension vers les machines à polir 6 (figure 1), il est prévu des robinets 36, montés sur les tubulures 5. En tant que robinets 36, il est avantageux d'employer des robinets fonctionnant par étranglement d'un conduit élastique. La capacité 12 d'accumulation et le sous-ensemble 3 de distribution sont raccordés l'un à l'autre par des conduites 37 et 38 formant un circuit fermé. Sur la conduite 37 est montée une pompe 39 de refoulement. Les machines 6 sont raccordées par des tubulures 40 à la capacité 7 de collecte de la suspension usée, La sortie 8 de la capacité 7 est raccordée par une conduite 41 au sous-ensemble 9 d'épuration de la suspension. Le sous-ensemble 9 d'épuration de la suspension comprend un filtre 42 et une centrifugeuse 43 montés sur la conduite 41, ainsi qu'une capacité 44 à laquelle aboutit la conduite 41. La cepacité 44 est équipée d'un agitateur mécanique 45 calé sur l'arbre d'un moteur électrique 4". flans: le fond de la capacité 44 est montée une soupape d'arrêt 47. Pour le contrôle de la présence de suspension dans la capacité 44. il est prévu des capteurs 48, analogues aux capteurs 25, 30 des capacités 11, 12, également reliés au tableau lumineux 26. La capacité 44 du sous-ensemble 9 d'épuration et la capacité 11 du sousensemble 1 de pré#paration de la suspension sont raccordées entre elles par une conduite 49 sur laquelle est montée une pompe 50 de refoulement. Le dispositif venant d'être décrit fonctionne de la façon suivante Pour la préparation de la suspension, on admet les constituants de départ sceau, substance chimiquement active, abrasif) dans la capacité 11 du sous-ensemble 1 de préparation, à travers les tubulures 22. La quantité d'eau se règle à l'aide des capteurs 25 qui envoient un signal au tableau lumineux 26. La quantité de substance chimiquement active et d'abrasif (poudre fine, par exemple Si02 à grosseur de grains de 380 al est contrôlée à l'aide d'un mesureur de pH. Au cours du chargement de l'abrasif, le mélangeur 17 brasse le liquide avec 'l'abrasif. Le brassage est effectué par l'agitateur hélicoidal 19 entraîné par le moteur électrique 18. L'agitateur 19 provoque 1 'entrainement de la poudre d'abrasif par le liquide arrivant à travers les lumières 21. Il brasse efficacement la suspension et la refoule à travers l'extrémité inférieure ouverte du cylindre creux 20. La suspension, préparée et bien mélangée, est transmise à la centrifugeuse 14 par la conduite 13, si la soupape 24 est ouverte. La centrifugeuse 14 sépare de la suspension les grosses particules d'abrasif et les grumeaux de la suspension qui sont évacués en continu à l'égoùt. Il est recommandé d'utiliser une centrifugeuse de type horizontal, avec une vis d'Archimède pour le déchargement du dépôt. La suspension sortant de la centrifugeuse 14 traverse le filtre 15 à tissu qui retient les grosses sphérules creuses d'abrasif. La suspension filtrée va à la capacité 12 où elle s'accumule.Quand le niveau de contrôle est atteint dans la capacité 12 (le contrôle s'effectue d'après les signaux des capteurs 30 sur le tableau lumineux 26), la soupape 29 étant ouverte, la pompe 39 refoule la suspension dans le sousensemble 3 de distribution. Afin de maintenir la suspension dans un état homogène, la capacité 12 est équipée de l'agitateur mécanique 27 entraîné par le moteur électrique 28. La suspension refoulée dans les sous-ensembles 3 de distribution par la pompe 39, à partir de la capacité 12, arrive dans la conduite 4 d'où e#lle est dérivée vers les machines à polir 6 à l'aide des tubulures 5 de dérivation. La quantité de suspension admise aux machines 6 se règle à l'aide des robinets 36. Le surplus de suspension arrivé à la conduite 4 retourne à la capacité 12 par la conduite 38. Une condition nécessaired pour obtenir un surplus de suspension et assurer le fonctionnement normal du dispositif est le maintien d'une vitesse de circulation de la suspension dans la conduite 38 un peu supérieure à la vitesse critique vc, c'est-à-dire supérieure à la vitesse à laquelle la fraction solide commence à se sédimenter. Cette vitesse dépend du diamètre des particules solides d'abrasif, du poids spécifique de la suspension et deila vitesse de sédimentation des particules dans un liquide calme. La réalisation de la conduite 4 du sous-ensemble 3 de distribution sous la forme d'une conduite à section droite variable, permet d'améliorer les conditions de prise de la suspension. Ceci résulte de l'abaissement de la vitesse d'écoulement dans les portions 31 à grande section droite. L'écoulement se tranquillise et passe à un régime proche du régime laminaire (pour les poudres fines de Sidi2) . L'abaissement de la vitesse est accompagné par un accroissement de la pression locale, ce qui crée des conditions favorables pour la dérivation de la suspension dans les tubulures de dérivation 5. Dans les portions cylindriques 32 de la conduite 4 (portions à section droite plus petite3, la vitesse d'écoulement de la suspension s'accroît et l'écoulement devient turbulent, aussi la suspension est-elle énergiquement brassée et la phase solide y est répartie uniformément. Ensuite, la suspension entre dans la portion 31 de grande section suivante et ainsi de suite.De la sorte, l'abaissement et l'accroissement alternés de la vitesse d'écoulement de la suspension, av-ec changement simultané de la pression, permet d'obtenir l'homogénéisation de la suspension sur toute la longueur de la conduite et une amélioration des conditions de dérivation de la suspension vers les machines. En outre, le maintien de la pression dans la conduite est simplifié, et il devient inutile de recourir à des dispositifs de stabilisatio'n de la pression qui n'empêcheraient d'ailleurs pas l'éventualité d'un dépôt d'abrasif dans leur cavité et d'obstruction de la conduite. Cela résulte de l'augmentation artificielle de la session locale dans les portions 31 de grande section. La disposition des tubulures 5 de dérivation de la suspension sous un angle aigu par rapport à l'axe de la conduite 4. dans le sens de circulation de la suspension, permet de diminuer la résistance locale d'entrée des tubulures 5 de dérivation et de réduire au minimum les courants tourbillonnaires apparaissant à la connexion des tubulures 5, et, par cela même, de réduire au minimum l'éventualité de sédimentation de l'abrasif et d'obstruction du canal des tubulures 5. Quand des machines à polir 6 fonctionnent, la suspension dérivée par les tubulures de dérivation 5 passe à travers les robinets 36 de réglage du débit et arrive à la zone de polissage. Ensuite, la suspension usée est transmise par les tubulures 40 à la capacité 7 de collecte de la suspension usée. La suspension usée collectée par la capacité 7 passe par sa sortie 8 et la conduite 41, et elle arrive au filtre 42. Celui-ci comporte des tamis à mailles suFérieures à 1 mm et assure le préfiltrage de la suspension en retenant les grosses particules entraonées accidentellement (par exemple des éclats de plaquettes de semiconducteur, de verre). La suspension sortant du filtre 42 entre dans la centrifugeuse 43. analogue à la centrifugeuse 14, montée dans le sous-ensemble 1 de préparation de la suspension. La centrifugeuse 43 sépare les produits solides du polissage se trouvant dans la suspension. La suspension épurée sortant de la centrifugeuse 43 entre dans la capacité 44 où elle s'accumule jusqu'à un niveau déterminé enregistré par les capteurs 48. Pour son maintien dans un état homogène, la suspension est brassée par l'agitateur 45 entraîné par le moteur électriq#ue 46. Quand la suspension a atteint le niveau prescrit, la soupape d'arrêt 47 étant ouverte, la pompe 50 la refoule dans la capacité 11 du sous-ensemble 1 de préparation de la suspension, via la conduite 49. Etant donné que la suspension subit des modifications au cours du polissage tle taux d'abrasif diminue et le pH s'abaisse par suite de l'attaque de la pièce), on admet au sousensemble 1 de préparation les appoints nécessaires de constituants de départ, de façon à obtenir les valeurs requises. Après un bon brassage, la suspension gagne la capacité 12 en vue de sa réutilisation. De la sorte, la suspension est recyclée plusieurs fois au cours du polissage. Son aptitude à la fonction prévue est vérifiée d'après la vitesse de polissage des pièces. Si la vitesse de polissage devient inférieure à la valeur admissible, on vidange le dispositif et on prépare une nouvelle suspension avec des cons titubants de départ neufs. En outre, le dispositif permet d'exécuter le lavage de tous les éléments suivant le cycle décrit, avec une seule différence, consistant en ce que la suspension est remplacée par de l'eau. Le lavage de la capacité 11 -du sous-ensemble 1 de préparation de la suspension s'effectue au cours du poste de travail, dans les intervalles entre les cycles de préparation de la suspension-, afin de débarrasser les surfaces intérieures des produits coagulés (grumeaux, formations colloldales, etc). flans ce cas, le travail des machines à polir, et par conséquent le cycle de façonnage des pièces, ne sont pas interrompus. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes de réalisation et d'application qui ont été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour la préparation d'une suspension contenant un abrasif et l'alimentation avec cette suspension de la zone d'action des outils. dans des machines à polir et/ou à superfinir, comprenant un sous-ensemble de préparation de la suspension avec les constituants de départ, raccordé par sa so-rtie à un sousensemble de distribution réalisé sous la forme d'une conduite avec des tubulures de dérivation pour l'alimentation en suspension de chaque outil, la sortie de ce sous-ensemble étant raccordée à une entrée du sous-ensemble de préparation de la suspension, une capacité pour la collecte de la suspension usée étant raccordée à un sous-ensemble d'épuration de la suspension usée qui est, à son tour, raccordé à une autre entrée du sous-ensemble de préparation de la suspension, 'le susdit dispositif étant caractérisé en ce que la conduite du sous-ensemble de dis#tribution présente une section droite variable suivant sa longueur et des portions à grande section droite situées aux endroits où sont connectées les tubulures de dérivation. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les sections droites maximale et minimale de la conduite du sous-ensemble de distribution sont choisies de façon à observer la relation F max= (3 à 53 F F et F . étant respectivement min min' max min la section droite maximale et la section droite minimale de la conduite.