Brevet FR2622820A1 — publié le 19890512

PROCEDE ET DISPOSITIF DE FABRICATION DE PASTILLES PRESENTANT AU MOINS UNE SURFACE PLANE. L'invention concerne la division, en plusieurs parties, de matériaux durs, non métalliques, ainsi que la manutention des pièces à diviser, et une fois divisées, pour un transport sûr b partir du dispositif. Du fait de leurs caractéristiques particulières, les matériaux fragiles, d'une dureté Vickers allant jusqu'à HV 15000 N/mm2, dont il est question pour ce procédé, posent des exigences extrêmes en ce qui concerne le processus d'usinage par enlèvement de copeaux. Ce sont les matériaux servant de substrat pour les composants électroniques, par exemple le silicium ou l'arséniure de germanium qui prennent ici une signification tout à fait particulière. Le semi-produit obtenu à partir du bain de fusion se trouve ici sous la forme de ce que l'on appelle des "barreaux". La suite du traitement nécessite de diviser ces barreaux en une sorte de petits disques que l'on appelle des pastilles (wafer). La difficulté particulière de ce processus de divi- sion, qui s'accomplit jusqu'ici principalement au moyen de scies à trou intérieur, consiste entre autres à produire des pastilles présentant des surfaces les plus planés parallèles possible et à les extraire alors du dispositif de façon sûre pour la suite du traitement. Une caractéristique désavantageuse de tous les procédés de séparation connus jusqu'ici est que l'outil de séparation dévie sous l'action des forces du processus et de la capacité de coupe de l'outil, obligatoirement irrégulière du fait de l'usure, et conduit donc à des caractéristiques géométriques imprécises de la pièce. Les surfaces de séparation ne sont donc ni planes ni parallèles, mais gauchies en soi, ce que, de façon simplifiée, on désigne comme "bow" ou "warp". Comme le montre la figure 1, il n'est pas possible de remédier à ce défaut par une reprise d'usinage. La pastille 1, séparée par tronçonnage, présente deux surfaces limites non planes, le gau- chissement "warp" pouvant atteindre quelques centièmes de millimètre. Si maintenant on bride cette pièce mince, pour la suite de l'usinage, de façon appropriée, par dépression, sur une surface plane, la surface de la pastille qui vient en contact avec cette surface de bridage plane est également forcée de pren- dre cette position plane (2), en faisant appel à la légère capacité de déformation élastique de la pas- tille. La surface opposée peut alors prendre cet état plan dans cette position grâce à un procédé d'usinage approprié, de sorte que, dans cette position, apparaissent deux surfaces planes parallèles (3). Mais si alors on débride à nouveau la pièce, du fait que la pastille est relativement mince, la face de la pas- tille coté de la position de bridage plan reprend la forme d'origine (4). Toutes les autres reprises d'usinage ne peuvent pas non plus remédier à cet état défectueux. On obtient des surfaces certes parallèles, mais non planes. La problématique des surfaces absolument planes parallèles peut être résolue, comme décrit dans la demande de brevet d'Allemagne Fédérale publiée DE- OS-36 13 132, par une intégration d'un processus de séparation par tronçonnage et d'aplanissement. Comme expliqué sur la figure 2, on rend plane la surface frontale non plane du barreau (1) par un usinage avec enlèvement de copeaux, étant précisé qu'a coté de la rectification, appliquée de préférence, on peut également utiliser le fraisage, le tournage, l'usinage électrolytique et l'usinage par érosion. Le processus de séparation par tronçonnage, réalisé avec une scie à trou intérieur et venant à la suite, donne, aussi bien sur le barreau que sur l'une des faces de la pastille ainsi obtenue par tronçonnage, une surface limite non plane (3). Du fait que toutefois la pastille séparée par tronçonnage présente une surface de référence absolument plane, cette pastille peut être maintenant bridée sans déformation, de sorte que l'on peut également usiner plane parallèle la surface opposée. Si alors on éloigne de nouveau'la pastille du plateau de bridage, elle ne se gauchit plus. On aplanit alors à nouveau le barreau coté frontal de façon à pouvoir aussi procéder à un autre processus de séparation par tronçonnage. Dans le cas de ce procédé, il est sans importance de savoir si le processus de séparation par tronçonnage ou d'usinage par enlèvement de copeaux se rapporte à une surface perpendiculaire à l'axe du bar- reau ou prend une position oblique -généralement toutefois légèrement-par rapport à cette position. En ce qui concerne le dispositif, l'intégration, du point de vue du procédé, du pro- cessus de séparation par tronçonnage et d'usinage par enlèvement de matière nécessite une liaison appropriée entre les machines de séparation par tronçonnage et d'usinage par enlèvement de matière, déjà suffisamment connues chacune en soi. Un dispositif approprié doit donc être con- stitué d'une combinaison d'une scie à trou intérieur et d'une machine d'usinage par enlèvement de matière, étant précisé, que pour les motifs d'économie de temps, il faut s'efforcer d'aboutir à une situation qui donne simultanément, en une unique étape de tra- vail, l'usinage par enlèvement de matière ou apian- issement de la surface frontale de la roue et la séparation de la pastille par tronçonnage. La figure 3 représente un tel dispositif. Pour permettre un usinage pendant le tronçonnage, l'arête d'usinage de l'outil d'usinage par enlèvement de matière se tient radialement en arrière de l'arête de la scie, d'une certaine longueur "a". Du fait que de cette façon, dans la zone d'intervention de l'outil d'usinage, la pastille 24 n'est pas encore séparée du barreau 4, toutes les con- ditions nécessaires pour un aplanissement, sans déformation, d'une surface de référence au sens du procédé expliqué ci-dessus sont réunies. De la façon décrite ci-dessus, il est possi- ble de fabriquer des pastilles présentant une surface plane et dont on peut ensuite usiner, avec enlèvement de matière, la seconde surface pour la rendre plane parallèle à la première surface. Avec le dispositif connu jusqu'ici, des problèmes importants sont toutefois apparus à un double point de vue en ce qui concerne la réception de la pastille. 1. Pendant la dernière phase du processus de séparation par la lame de scie à trou intérieur, il se produit souvent une rupture de la pastille. 2. L'évacuation de la pastille ainsi séparée, à travers le trou intérieur de la lame de scie est gênée du fait de l'espace resserré et de la disposition nécessaire de l'outil d'usinage et de la lame de scie, et cette évacuation devient encore plus difficile si le diamètre de la pastille augmente. L'invention a donc pour but de créer un dispositif avec lequel on évite ces inconvénients. Selon l'invention, le procédé de fabrication de pastilles, en particulier en matériau semi- conducteur monocristallin et polycristallin, par tronçonnage d'un barreau au moyen de la combinaison d'une scie à trou intérieur et d'un dispositif d'usinage, ce dernier permettant un aplanissement de la surface frontale du barreau dans l'étendue de la scie à trou intérieur, étant précisé que le dispositif d'usinage forme un ensemble avec la scie à trou intérieur et que le barreau est fixé, au moyen d'une baguette de soutien, sur le porte-barreau de la scie A trou intérieur, est caractérisé par le fait que l'on arrête le processus de sciage, pour séparer, par tronçonnage, la pastille d'avec le barreau, dès que le barreau est entière traversé et que la lame de la scie à trou intérieur pénètre dans la baguette de soutien et que la séparation, par enlèvement de matière, de la pastille d'avec le barreau est opérée par l'outil d'usinage, par meulage de la baguette de soutien qui maintient encore la pastille. De préférence, la pastille, finalement séparée par tronconnage, est reprise sur un plateau récepteur maintenu sous vide qui se trouve à l'intérieur de l'outil d'usinage. La présente invention concerne également un dispositif de fabrication de pastilles, en particulier en matériau semi-conducteur monocristallin et polycri- stailin, par tronçonnage d'un barreau au moyen de la combinaison d'une scie à trou intérieur et d'un dispo- sitif d'usinage, ce dernier permettant un aplanisse- ment de la surface frontale du barreau dans l'étendue de la scie à trou intérieur, étant précisé que le dispositif d'usinage forme un ensemble avec la scie a trou intérieur, caractérisé par le fait qu'il comporte un plateau récepteur maintenu sous vide pour recevoir, à l'intérieur de l'outil d'usinage, la pastille séparée par tronçonnage. Généralement, le plateau récepteur peut être déplacé radialement et axialement à l'intérieur de l'outil de-tronçonnage. On va expliquer en détail l'invention à l'aide des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 représente l'état actuel; - la figure 2 représente les états de tra- vail pour obtenir des pastilles planes; - la figure 3 est une représentation de principe d'un dispositif pour combiner une scie à trou intérieur et un processus d'usinage plan de la pas- tille; - la figure 4 est une vue d'ensemble de la machine à scie à trou intérieur avec mécanisme d'usinage intégré; - la figure 5 est une vue d'ensemble du dispositif à scie à trou intérieur, mécanisme d'usinage et plateau récepteur des pastilles; - les figures 6 à 10 représentent la suite fonctionnelle du sciage combiné en détail, de l'aplanissement ou usinage et évacuation des pas- tilles. Comme représenté sur la figure 5, une broche 7 est rapportée sur le bâti fixe 28 de la machine au moyen de plusieurs pièces intermédiaires. Dans l'exemple représenté, il s'agit d'une broche à palier pneumatique avec une surface active conique et une surface active plane. Pour le dispositif et pour le procédé, il est toutefois sans importance d'employer, au lieu d'un palier pneumatique, un palier à roule- ment, un palier lisse, un palier fluidique ou un palier magnétique. Cette broche porte aussi bien la tête de scie 1, constituée d'un rotor 29 en forme d'assiette, une bague inférieure 30 d'arête de brid- age. une bague supérieure 31 d'arête de bridage et le mécanisme de bridage intégré 32, que la meule 6, ici choisie à titre d'exemple en forme de boisseau. Cette meule 6 constitue l'outil d'usinage par enlèvement de matière. Les parties entourant la tête de bridage tournante sont solidarisées avec les fondations fixes 28 de la machine et servent à protéger la tête de scie ainsi qu'à recevoir ou-à capturer les liquides de pro- cessus et de refroidissement et les chutes qui apparaissent lors du processus de séparation. Tandis que la tête de scie 1 est aussi bloquée dans le sens axial par la broche 7, la meule 6 peut se lever-en position de travail ou s'abaisser en position d'attente. La meule 6 est fixée par bride sur le porte-meule 10 qui, de son côté, peut, par l'intermédiaire des colonnes de guidage 11 et des glissières à billes 12, coulisser axialement par rap- port à la pièce intermédiaire 13 liée à la tête de scie. Pour garantir le parallélisme des trois colonnes de guidage entre elles-, et donc la précision de l'ensemble du guidage, les extrémités libres des différentes colonnes de guidage sont réunies entre elles au moyen d'une bague 14. Le porte-meule tournant 10 est déplacé, ou bloqué, en direction axiale, selon besoin, au moyen d'un dispositif non tournant. Dans ce but le porte- meule 10 porte, par l'intermédiaire d'une paire de roulements à billes 15, sur un arbre 16 non tournant. L'arbres creux 16 est, dans ce but, relié à son extrémité inférieure à un levier d'appui 17 qui, par une colonne 18, pénètre dans une glissière à billes fixe 19, de sorte que l'arbre creux 16 est certes mobile axialement mais ne peut pas tourner. Enfin le mouvement de déplacement axial est réalisé au moyen de l'écrou 20. Une rotation de cet écrou, qui engrène avec le filetage rapporté sur l'arbre creux 16, soulève ou abaisse l'arbre creux 16. L'écrou 20 est relié, par l'intermédiaire d'une paire de roulements à billes 21 et de pièces intermédiaires appropriées, à une enveloppe fixe, de sorte que cet écrou peut certes tourner mais ne peut pas coulisser axialement. La rotation de l'écrou 20 est assurée par le moteur de réglage 22 et par l'intermédiaire du mécanisme à courroie crantée 23. Les figures 6 à 10 montrent en détail le procédé de séparation par tronçonnage. Au début de chacune des coupes, le barreau 4 se trouve à l'intérieur de l'ouverture libre de l'outil en forme de boisseau, comme cela est représenté sur la figure 6. Le barreau pénètre axiale- ment dans la tête de scie, de l'épaisseur d'une pas- tille. Ensuite, on déporte le barreau 4 en direction radiale (dans la direction de la flèche) selon un mouvement d'avance au cours duquel il vient tout d'abord en prise avec la meule boisseau 6-(figure 7). Avant le début de ce mouvement d'avance, on a fixé la position axiale du barreau 4 par rapport à l'outil d'usinage, qui, dans ce cas est, à titre d'exemple, une meule boisseau, de façon que la meule 6 enlève, sur la surface frontale du barreau, juste ce qu'il faut de matière pour obtenir la surface plane désirée. Le mouvement d'avance se poursuivant, la lame de scie 2 vient en prise avec le barreau 4 de sorte que main- tenant le processus de rectification frontale et le processus de tronçonnage peuvent se dérouler simultanément en utilisant un mouvement d'avance com- mun (figure 8). Lorsque ce mouvement d'avance a progressé suffisamment pour que la meule 6 ne soit plus en prise, on abaisse cette meule pour éviter un contact entre la garniture de la meule et la pastille lors du retour du barreau. En même temps, la pastille 24, séparée par tronçonnage lors de la coupe précédente et qui est restée en position d'attente, est évacuée par l'ouverture, maintenant libre, de la lame de scie à trou intérieur, par un bras de reprise 25 (figure 9). Le mouvement d'avance se poursuit jusqu'à ce que le barreau 4 soit complètement-tronçonné et que la lame de scie pénètre dans la baguette de soutien 26. De façon générale, la baguette de soutien 26 est constituée de charbon ou de céramique et elle est complètement collée sur la surface latérale du bar- reau. Cette baguette de soutien a entre autres pour rôle que la pastille reste suspendue au barreau. Main- tenant, la pastille 24 n'est plus maitenue que par l'intermédiaire de la baguette de soutien 26 collée sur le barreau 4. Ensuite, on ramène en déplacement rapide le barreau 4 en sens opposé au sens de l'avance et on le bloque dans une position finale arrière telle que la baguette de soutien 26 se trouve au-dessus de la surface annulaire frontale de l.a meule 6. La lar- geur de la garniture frontale de la meule doit recouvrir au moins la totalité de la surface de la section de la baguette de soutien. On amène alors, l'une vers l'autre, en direction axiale, la meule et le barreau jusqu'à ce que, dans une phase de travail, la surface frontale de la meule 6 vienne en prise avec la baguette de soutien 26 et use alors cette baguette jusqu'à ce que finale- ment la pastille 24 soit séparée et repose sur le pla- teau récepteur 27 placé au-dessous, cO elle est maintenue de façon sore par le vide. Un petit mouve- ment latéral écarte le plateau récepteur, avec la pas- tille qui se trouve dessus, de la surface latérale intérieure de la tête de meule suffisamment pour éviter tout contact entre la pastille et l'outil. Des possibilités appropriées de déplacement peuvent égale- ment adapter axialement le plateau récepteur à l'épaisseur respective de la pastille. Le mouvement de descente axiale peut être commandé de façon que la position finale corresponde exactement à l'aplanissement de la pastille suivante. Le processus de tronçonnage de la baguette de soutien peut également se faire en direction radiale. Le mouvement de rappel du barreau se termine alors juste avant d'atteindre le bord intérieur de coupe de la meule boisseau, de façon que le barreau 4, avec la pastille 24 à séparer par tronçonnage, puisse être suffisamment abaissé axialement dans la meule boisseau 6 pour que la pastille à séparer 24 plonge dans la surface latérale intérieure de la meule boisseau 6 juste ce qu'il faut pour que la surface frontale de la meule boisseau 6 et le milieu de la fente de coupe se trouvent au moins dans un même plan ou bien que la différence corresponde à l'aplanissement de la pas- tille suivante. Si maintenant, dans l'étape de travail, le barreau 4 se déplace en sens inverse à son mouvement d'avance, la baguette de soutien est éliminée par usinage depuis sa face arrière jusqu'à ce que finale- ment la pastille se sépare et vienne reposer sur le plateau récepteur. Après séparation définitive de la pastille, on amène le barreau 4, éventuellement la meule 6 et le plateau récepteur 27 avec la pastille 24 reposant dessus, en position de départ pour un nouveau pro- cessus de séparation, comme représenté sur la figure 6. Si nécessaire, dans le cas de pastilles minces, on peut abaisser encore le plateau récepteur à l'intérieur de la meule boisseau pour éviter le façon certaine que la pastille mince que l'on vient de détacher soit influencée par le processus suivant de travail. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de pastilles, en particulier en matériau semiconducteur monocristallin et polycristallin, par tronçonnage d'un barreau au moyen de la combinaison d'une scie à trou intérieur et d'un dispositif d'usinage, ce dernier permettant un aplanissement de la surface frontale du barreau dans l'étendue de la scie à trou intérieur, étant précisé que le dispositif d'usinage forme un ensemble avec la scie à trou intérieur et que le barreau est fixé, au moyen d'une baguette de soutien, sur le porte-barreau de la scie à trou intérieur, caractérisé en ce que l'on arrête le processus de sciage, pour séparer, par tronçonnage, la pastille d'avec le barreau, dès que le barreau est entièrement traversé et que la lame de la scie à trou intérieur pénètre dans la baguette de soutien; et en ce que la séparation, par enlèvement de matière, de la pastille d'avec le barreau est opérée par l'outil d'usinage, par meulage de la baguette de soutien qui maintient encore la pastille. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pastille, finalement séparée par tronçonnage, est reprise sur un plateau récepteur maintenu sous vide qui se trouve à l'intérieur de l'cutil d'usinage. 3. Dispositif de fabrication de pastilles, en particulier en matériau semi-conducteur monocri- stailin et polycristallin, par tronçonnage d'un bar- reau au moyen de la combinaison d'une scie à trou intérieur et d'un dispositif d'usinage, ce dernier permettant un aplanissement de la surface frontale du barreau dans l'étendue de la scie à trou intérieur, étant précisé que le dispositif d'usinage forme un ensemble avec la scie à trou intérieur, en particulier pour l'exécution du procédé selon la revendication 1, caractérisé par un plateau récepteur (27) maintenu sous vide pour recevoir, à l'intérieur de l'outil d'usinage (6), la pastille (24), séparée par tronçonnage. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le plateau récepteur (27) main- tenu sous vide peut être déplacé radialement et axi- alement à l'intérieur de l'outil de tronçonnage.