Brevet FR2671386A1 — publié le 19920710

"Palier de roulement à lubrifiants solides utilisés notamment dans un appareil de fabrication de semi- conducteurs" La présente invention concerne un palier de roulement à lubrifiants solides utilisés dans un appareil de fabrication de semi-conducteur. En général, dans les paliers de roulement, on introduit un lubrifiant tel que de la graisse entre la bague intérieure et la bague extérieure et entre les éléments de roulement et la cage, pour diminuer le frottement de roulement ou le frottement de glissement auquel ils sont soumis, de manière à améliorer la durée de vie du palier. Lorsqu'un palier de roulement doit être utilisé sous vide en nécessitant un très haut degré de propreté, comme dans le cas d'un appareil de fabri- cation de semi-conducteurs, la vapeur du lubrifiant devient une source de contamination de sorte qu'on ne peut utiliser de la graisse et autres fluides lubrifiants Par suite, pour un palier de roulement devant être utilisé dans un tel environnement, il est nécessaire de pouvoir disposer d'un lubrifiant solide présentant une faible tension de vapeur A l'heure actuelle, on utilise très largement comme lubrifiants solides pour paliers de roulement, une substance laminaire telle que du disulfure de molybdène, un métal tendre tel que de l'or, de l'argent et du plomb, ou un polymère élevé tel que du polytétrafluoréthylène (PTFE) et du polyamide. Ces dernières années, comme le degré d'inté- gration a augmenté dans le domaine de la fabrication des semi-conducteurs, la largeur de ligne des circuits électriques a diminué et, dans la crainte que des particules d'usure provenant du lubrifiant solide du palier, risquent de court-circuiter le circuit électrique par rapport à sa conformité aux dessins, on a eu tendance à éviter l'utilisation de lubrifiants solides de type métal tendre, qui sont conducteurs. D'autre part, bien que les lubrifiants solides tels que le disulfure de molybdène et le PTFE (polymère) ne soient pas conducteurs, ces lubrifiants ont une faible adhérence et une faible résistance à l'usure de sorte qu'ils présentent une durée de vie inférieure à celle des métaux tendres. De plus, dans un appareil de fabrication de semi-conducteurs récent, on a eu besoin non seulement d'un palier qu'on puisse utiliser sous vide, mais encore d'un palier qu'on puisse utiliser aussi bien dans l'air que sous vide et qui présente un faible taux de production de poussière et une bonne résistance à la corrosion Ainsi, c'est principalement pour le processus de traitement des plaquettes qu'on utilise des paliers sous vide dans le procédé de fabrication des semi- conducteurs L'appareil utilisé dans ce procédé tend à être réalisé sous une forme pouvant être utilisée dans une chaîne, de sorte que le transporteur de plaquettes nécessite l'utilisation d'un palier pouvant fonctionner aussi bien dans un environnement d'air que dans un environnement sous vide De plus, le degré élevé d'intégration du semi- conducteur nécessite impérativement la suppression de toute production de poussière En outre, dans certains endroits o l'appareil est utilisé, une bonne résistance à la corrosion et une bonne résistance à la chaleur sont nécessaires Par suite, le but de la présente invention est de créer un palier de roulement à lubrifiants solides qui présente une durée de vie supérieure aussi bien lorsqu'on l'utilise dans l'air que lorsqu'on l'utilise sous vide, qui présente également un faible taux de production de poussière, et qui puisse être convenablement utilisé dans le domaine de la fabrication des semi-conducteurs. A cet effet, la présente invention concerne un palier de roulement à lubrifiants solides, palier caractérisé en ce qu'au moins une partie de palier parmi celles constituant ce palier de roulement, comporte un film de lubrification formé sur une surface de cette partie de palier devant être soumise à un frottement de roulement ou à un frottement de glissement, ce film de lubrification étant constitué de polytétrafluoréthylène présentant un poids moléculaire moyen ne dépassant pas 5000 (PTFE (A)). Selon une autre caractéristique de l'inven- tion, chaque élément de roulement comporte le film de lubrification. Selon une autre caractéristique de l'inven- tion, une bague intérieure et une bague extérieure comportent respectivement les films de lubrification. Selon une autre caractéristique de l'inven- tion, au moins une partie de palier parmi celles constituant ce palier de roulement, comporte un film de lubrification formé sur une surface de cette partie de palier devant être soumise à un frottement de roulement ou à un frottement de glissement, ce film de lubrification étant constitué par du polytétrafluor- éthylène présentant un poids moléculaire moyen ne dépassant pas 5000 (PTFE(A)). Selon une autre caractéristique encore de l'invention, chaque élément de roulement comporte le film de lubrification. Selon une autre caractéristique encore de l'invention, un anneau intérieur et un anneau exté- rieur comportent respectivement les films de lubrification. Selon une autre caractéristique enfin de l'invention, au moins les surfaces soumises à un frottement de roulement ou à un frottement de glissement parmi les surfaces des parties de palier constituant le palier de roulement, sont munies de films de lubrification en polytétrafluoréthylène dont le poids moléculaire moyen ne dépasse pas 5000. Le polytétrafluoréthylène (appelé PTFE) utilisé jusqu'ici pour des paliers de roulement, est un polymère dont le poids moléculaire moyen est supérieur à 1 x 105 et se situe principalement entre 1 x 106 et 1 x 107, mais le PTFE (A) est tendre et présente une très faible résistance au cisaillement comparativement au polymère PTFE Pour cette raison, les particules d'usure du PTFE (A) présentent une plus grande capacité d'adhérence et sont capables de pénétrer dans des creux très peu profonds des surfaces correspondantes pour former un film lubrifiant sur celles-ci Ainsi, les particules d'usure ne se disper- sent pratiquement pas de sorte que le taux de production de poussière est très faible De plus, du fait de la faible résistance au cisaillement, le coefficient de frottement est également faible, ce qui permet d'obtenir d'excellentes performances de lubrification Par suite, lorsqu'on utilise du PTFE (A) pour former un film de lubrification solide sur la zone d'un palier de roulement soumise à un frottement de roulement ou à un frottement de glissement, la capacité d'adhérence satisfaisante et le faible coefficient de frottement permettent de s'assurer qu'on maintient pendant une très longue période de temps un film lubrifiant présentant d'excellentes performances de lubrification De plus, le film de lubrification en PTFE (A) présente une excellents durée de vie non seulement sous vide mais encore à l'air, et ce film est très avantageux pour un palier de roulement utilisé à la fois sous vide et à l'air tel qu'un palier de roulement servant, dans un système de transport de plaquettes, à transférer les plaquettes entre différents blocs de fabrication et entre des salles blanches dans une installation de fabrication de semi-conducteurs. Comme cela apparaît clairement d'après la description ci-dessus, l'utilisation de PTFE (A) comme lubrifiant solide permet d'obtenir un film de lubri- fication solide à la fois non conducteur et présentant une caractéristique de lubrification et une durée de vie supérieures Ainsi, un palier de roulement utilisant des films de lubrification solides de ce PTFE (A) formés sur les surfaces soumises à un frottement de roulement ou à un frottement de glis- sement, présente une beaucoup plus grande durée de vie que celle d'un palier de roulement utilisant un lubrifiant solide classique en PTFE De plus, les films de lubrification solides en PTFE (A) présentent des caractéristiques telles que ( 1) un faible taux de production de poussière, ( 2) une possibilité d'utilisation aussi bien dans l'air que sous vide, ( 3) un faible couple de torsion (approximativement égal à celui de films de projection de Mo 52, ( 4) une grande résistance à la chaleur (le point de ramollissement des films n'est pas inférieur à 3200 C), et ( 5) une grande résistance à la corrosion (les films ne sont pas attaqués par les acides ou les bases), de sorte que ces films donnent des résultats remarquables, lorsqu'on les utilise pour la lubrification de paliers de roulement destinés au domaine de la fabrication des semi-conducteurs. L'invention sera décrite en détails ci- après en se référant aux dessins ci-joints dans lesquels: les figures l A et l E sont des vues en coupe transversale d'un roulement à billes à rainure profonde représentant une forme de réalisation de la présente invention; la figure 2 est une vue en perspective, d'un système de transport de plaquettes utilisé dans un appareil de fabrication de semi-conducteurs; la figure 3 A représente le résultat d'un essai de comparaison d'endurance; la figure 3 B représente le résultat d'un essai de mesure de poussière; les figures 4 et 5 représentent les variations du taux de production de poussière en fonction du temps; la figure 6 représente les variations du taux de production de poussière en fonction du temps sur une longue période de temps; la figure 7 représente le résultat d'un essai de comparaison de durée de vie; et la figure 8 représente une comparaison des caractéristiques de différents films de lubrification. On décrira maintenant une forme de réali- sation de la présente invention. La figure l A représente une forme de réalisation de l'invention appliquée à un roulement à billes à rainure profonde Ce roulement à billes à rainure profonde comprend des parties de roulement telles qu'une bague intérieure 1, une bague extérieure 2, un certain nombre d'éléments de roulement 3 interposés entre la bague intérieure 1 et la bague extérieure 2, et une cage 4 destinée à maintenir les éléments de roulement 3 à des intervalles périphériques égaux De plus, les surfaces des chemins de roulement de la bague intérieure 1 et de la bague extérieure 2, de même que les surfaces des éléments de roulement 3, sont munies de films de lubrification la, 2 a et 3 a en PTFE (A) présentant un poids moléculaire moyen ne dépassant pas 5000 Ces films de lubrification solides la, 2 a et 3 a sont formés par pulvérisation de PTFE (A) (ARC 7 fabriqué par Japan Acheson Ltd) sur les surfaces voulues des différentes parties du palier, de manière à obtenir une adhérence par une pulvérisation effectuée à une distance de 25 cm, tout en maintenant les différentes parties du palier dans un four à température constante réglé à 3000 C (au moins 150 C suffisent comme température de traitement thermique) pendant vingt minutes, pour obtenir une liaison par fusion aux surfaces voulues. L'épaisseur moyenne du film était dans ce cas de 0, 6 x 10-6 M, mais cette épaisseur est considérablement exagérée sur la figure Les films de lubrification la, 2 a et 3 a formés de cette manière présentaient une très grande adhérence aux surfaces voulues leur évitant de se détacher partiellement de ces surfaces, ce qui permettait ainsi d'obtenir des performances de lubrification extrêmement satisfai- santes pendant une très longue période de temps Comme matériaux de PTFE (A) permettant de former les films de lubrification, on peut utiliser, outre le ARC 7, le VYDAX AR ou autres fabriqué par Du Pont, et le D-1 etc fabriqué par Central Grass Co, Ltd Comme procédés permettant de faire adhérer les films aux surfaces voulues, on peut utiliser, outre le procédé de pulvérisation, un procédé d'immersion permettant d'obtenir les mêmes effets dans chaque cas. De plus, bien que les surfaces des chemins de roulement de la bague intérieure 1 et de la bague extérieure 2, de même que les surfaces des éléments de roulement 3 aient été munies de films de lubrification dans la présente forme de réalisation, il suffit, pour atteindre le but recherché, de former ces films de lubrification solides, soit sur les surfaces des éléments de roulement 3, soit sur les surfaces des chemins de roulement de la bague intérieure 1 et de la bague extérieure 2 De plus, bien qu'à la figure l A les surfaces de la bague intérieure 1 et de la bague extérieure 1 aient été munies en totalité des films de lubrification la et 2 a, on peut, comme indiqué à la figure l B, éviter de former ces films de lubrification sur les parties ne nécessitant pas de films de lubrification solides telles que les surfaces d'emboîtement, en effectuant un masquage ou en retirant les films de lubrification formés sur ces surfaces, avant d'obtenir les produits terminés De plus, l'invention peut s'appliquer non seulement à des paliers à rainure profonde comme indiqué aux figures l A et l B, mais encore d'une façon générale à n'importe quel type de palier de roulement. La figure 2 représente un système de transport de plaquettes utilisé dans un appareil de fabrication de semi-conducteurs Ce système de transport de plaquettes est utilisé pour effectuer des transferts d'une façon générale dans les processus de fabrication de semi-conducteurs, comme par exemple un transfert de plaquettes entre des blocs de fabrication, et comprend une partie de levage de plaquettes 5 et une partie de transfert de plaquettes 6 La partie de levage de plaquettes 5 entraîne une cassette 8 stockant des plaquettes 7, par une vis à bille 10, tout en guidant celle-ci par un roulement à billes linéaire 9 Lorsque la cassette 8 est soulevée au même niveau que celui de la partie de transfert de plaquettes 6, on actionne un poussoir (non représenté) pour pousser les plaquettes 7 de manière à les faire passer une par une sur la partie de transfert de plaquettes 6 Les plaquettes 7 poussées successivement sur la partie de transfert de plaquettes 6, sont transférées dans le sens de la flèche sur des courroies 12 entraînées par des rouleaux d'entraînement 11 L'arbre de support des rouleaux d'entraînement 11 et la partie de support de l'arbre fileté de la vis à billes 10, peuvent utiliser les paliers de roulement de la présente invention De même, les surfaces du roulement à billes linéaire 9 soumises à un frottement de roulement ou à un frottement de glissement, peuvent être munies de films de lubrification en PTFE (A). La figure 3 A représente le résultat d'un essai d'endurance effectué sur les paliers de roulement du dispositif représenté aux figures l A et 1 B L'essai d'endurance a été effectué en faisant tourner deux paliers d'essai dans les conditions suivantes: température ambiante, pression de vide inférieure à 1 333 x 10-4 Pa, charge de poussée de 10 N, et vitesse de rotation de 2500 tours/minute La durée de vie a été déterminée sur la base du temps au bout duquel la somme des couples de frottement des deux paliers d'essai, atteignait 10-2 Nm Comme indiqué à la même figure et comparativement à des paliers de roulement classiques à lubrifiants solides constitués par des films de lubrification en polymère de PTFE, les paliers de roulement à lubrifiants solides de la présente invention présentaient une durée de vie plus de 4 fois supérieure à la valeur classique lorsqu'ils étaient formés par des films de lubrification présentant un poids moléculaire moyen de 1000 à 3000, et de 3 à 4 fois supérieure à la valeur classique lorsqu'ils étaient formés par des films de lubrification présentant un poids moléculaire moyen de 3000 à 5000. La figure 3 B représente le résultat d'un essai de mesure de poussière effectué sur les paliers de roulement du dispositif représenté aux figures l A et 1 B L'essai de mesure de poussière était effectué en faisant tourner les paliers d'essai dans les mêmes conditions que celles de l'essai d'endurance, et en détectant la quantité de poussière produite par un détecteur de poussière produite placé juste au- dessous des paliers d'essai Comme indiqué à la même figure et comparativement à des paliers de roulement classiques à lubrifiants solides constitués par des films de lubrification en polymère de PTFE, les paliers de roulement à lubrifiants solides de la présente invention présentaient un taux de production de poussière représentant environ 1/100 de la valeur classique lorsqu'ils étaient constitués par des films de lubrification présentant un poids moléculaire moyen de 1000 à 3000, et un taux de production de poussière représentant environ 1/10 de la valeur classique lorsqu'ils étaient constitués par des films de lubrification présentant un poids moléculaire moyen de 3000 à 5000. La figure 4 représente le résultat de la mesure de taux de production de poussière de roulements à billes à rainure profonde munis de diffé- rents films de lubrification dans les conditions il suivantes: pression de vide inférieure à 1 333 x 10-4 Pa vitesse de rotation de 500 tours/minute, et charge de poussée de 1,5 N De plus, la figure 5 donnée à titre de comparaison utilise une vitesse de rotation de 50 tours/minute et une charge de poussée de 10 N correspondant approximativement aux conditions de l'appareil de transfert de plaquettes Dans ces figures, l'axe horizontal indique le temps (h), l'axe vertical indique le taux de production de poussière relatif (compte-min), tandis que (A) indique le cas d'un film de PTFE (A), (B) indique le cas d'un film de traitement de surface, d'ions Pb, (C) indique le cas d'un film de traitement de surface, d'ions Ag, (D) indique le cas d'un film par étincellage de Mo 52, et (E) indique le cas d'un film de frittage de Mo 52 Dans chaque cas, les autres conditions que la vitesse de rotation et la charge de poussée, sont les suivantes : palier d'essai: # 608; anneau intérieur et extérieur, bille d'acier: SUJ 2; cage: SUS 304; parties munies de films: anneaux intérieur et extérieur, billes d'acier; température: température ambiante; diamètre mesuré des particules de pous- sière: > 0,38 x 10-6 m. A partir des résultats d'essais représentés aux figures 4 et 5, on peut constater que le film, et en particulier le film de frittage, de disulfure de molybdène présente un taux de production de poussière élevé, et que le taux de production de poussière diminue progressivement et dans l'ordre pour l'argent, le plomb et le PTFE (A) On pense que le film de lubrification de PTFE (A), lorsqu'il est soumis à une force de cisaillement élevée sur la surface de glissement du palier, ne se transforme pas en particules fines comme le disulfure de molybdène ou le 3 métal tendre, ce qui permet ainsi de maintenir à une valeur pratiquement nulle la production de poussière vers l'extérieur du palier De plus, même si les films de lubrification sont utilisés pendant une longue période de temps, le taux de production de poussière n'augmente jamais avec le temps de fonctionnement. La figure 6 représente le résultat de la mesure de longue durée de paliers de roulement munis de films de PTFE (A) dans les conditions représentées à la figure 5. La durée de vie des films de lubrification solides dépend largement de l'atmosphère Ainsi, les essais de durée de vie de roulements à billes munis de différents films de lubrification solides, ont été effectués sous vide et dans l'air Les résultats sont indiqués à la figure 7. La figure 7 (A) représente le résultat d'un essai effectué sous vide (pression de vide pratiquement pas aussi bien dans l'air que sous vide. A l'heure actuelle, dans le cas de l'utilisation d'atmosphères à la fois d'air et de vide, on utilise souvent des films de disulfure de molybdène, tandis que les films de PTFE (A) présentent une plus grande durée de vie que celle des films de disulfure de molybdène dans des atmosphères à la fois d'air et de vide De plus, lorsque le problème de la production de poussière se pose, l'avantage des films de PTFE (A) devient beaucoup plus évident. Un appareil de fabrication de semi- conducteurs du type à la chaîne, comprend un processus d'attaque du Si O 2 utilisant un gaz corrosif, ainsi qu'un processus de formation d'un film d'oxyde Les gaz utilisés dans ces processus sont dilués mais extrêmement corrosifs La résistance à la corrosion est naturellement nécessaire pour les films de lubri- fication de même que pour les matériaux des paliers. Par suite, il est préférable d'utiliser des billes et des bagues en acier inoxydable pour former des films de PTFE (A) sur ceux-ci. Comme la température de ramollissement du PTFE (A) n'est pas inférieure, à 320 e C, on pense que celui-ci est capable de supporter la température élevée d'environ 300 C qu'il faut utiliser dans un appareil de fabrication de semi-conducteurs. Les caractéristiques des différents films de lubrification sont résumées à la figure 8 Dans l'appareil de fabrication de semi-conducteurs, les paliers du bloc de transfert qui utilisent de nombreux roulements doivent nécessairement avoir un faible taux de production de poussière, et pouvoir être utilisés à la fois dans l'air et sous vide, comme décrit ci- dessus Les différents films de lubrification sont comparés les uns aux autres de ce point de vue et également d'un point de vue de productivité de série. On peut constater que le film de PTFE (A) est le meilleur. R E V E N D I C A T I O N S ) Palier de roulement à lubrifiants solides, palier caractérisé en ce qu'au moins une partie de palier parmi celles constituant ce palier de roulement, comporte un film de lubrification formé sur une surface ( 3) de cette partie de palier devant être soumise à un frottement de roulement ou à un frottement de glissement, ce film de lubrification étant constitué de polytétrafluoréthylène présentant un poids moléculaire moyen ne dépassant pas 5000 (PTFE (A)). 2 ) Palier de roulement à lubrifiants solides selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque élément de roulement comporte le film de lubrification (la 2 a 3 a). ) Palier de roulement à lubrifiants solides selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une bague intérieure ( 1) et une bague extérieure ( 2) comportent respectivement les films de lubrifi- cation. ) Palier de roulement à lubrifiants soli- des destiné à être utilisé dans un appareil de fabrication de semiconducteurs, palier caractérisé en ce qu'au moins une partie de palier parmi celles constituant ce palier de roulement, comporte un film de lubrification formé sur une surface de cette partie de palier devant être soumise à un frottement de roulement ou à un frottement de glissement, ce film de lubrification étant constitué par du polytétrafluor- éthylène présentant un poids moléculaire moyen ne dépassant pas 5000 (PTFE(A)). ) Palier de roulement à lubrifiants solides selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque élément de roulement comporte les films de lubrification. ) Palier de roulement à lubrifiants solides selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'un anneau intérieur et un anneau extérieur comportent respectivement les films de lubrification. 70) Palier de roulement à lubrifiants soli- des, caractérisé en ce qu'au moins les surfaces soumises à un frottement de roulement ou à un frottement de glissement parmi les surfaces des parties de palier constituant le palier de roulement, sont munies de films de lubrification en polytétrafluoréthylène dont le poids moléculaire moyen ne dépasse pas 5000.