Brevet FR2677912A1 — publié le 19921224

i DISPOSITIF ET PROCEDE POUR ARRONDIR LES ARETES DE DISQUES SEMICONDUCTEURS. L'usinage de pièces plates en forme de disques, constitue, dans le domaine de la fabrication des semiconducteurs et des cellules photovoltaïques, un problème standard, étant précisé que la forme de disque du semi-produit représente un étage intermédiaire pratiquement inévitable dans l'état actuel de la technique Les disques mesurent jusqu'à 200 mm de diamètre et ont de façon générale une épaisseur inférieure à 1 mm Etant donné que dans sa forme de départ le matériau se présente sous forme d'un cylindre, les disques doivent être fabriqués par division Pour ce stade de la fabrication on utilise aujourd'hui de préférence des scies à passage intérieur, mais on emploie également aujourd'hui ce que l'on appelle des "scies à cadre" ou d'autres procédés de séparation à grain lié ou non lié. Quel que soit le procédé de séparation particulier de la pièce et quelles que soient les dimensions de cette pièce, du fait des exigences actuelles de qualité, il se présente le problème d'arrondir les arêtes de la pièce en forme de disque ainsi obtenue, avant la poursuite de son usinage Ce stade intermédiaire de l'usinage est nécessaire pour différentes raisons Tout d'abord, il faut empêcher que, dans la suite de la fabrication, les pièces à usiner, en forme de disque, forment entre elles des déchets du fait des arêtes laissées lors de la séparation En outre, en particulier dans le cas de ces matériaux fragiles, il peut facilement se produire aux angles des ruptures et des fissures Par contre, une arête arrondie réduit notablement ce risque En outre, en arrondissant les arêtes, on évite que de très petites brisures de matériau viennent gêner, en tant que particules étrangères indésirables, lors des stades ultérieurs de fabrication, ce qui a une signification décisive en particulier dans le cas de la fabrication des semiconducteurs du fait des exigences toujours croissantes concernant la pureté des processus. Pour un stade d'usinage de ce type, on connait déjà des machines que l'on désigne parfois sous le nom de "meuleuses d'angle". Etant donné qu'il s'agit principalement de matériaux très durs et que l'enlèvement de matériaux est très faible, c'est avant tout le meulage qui vient en question On bride la pièce à usiner en forme de disque sur une surface plane par l'une de ses faces planes (par exemple sous vide), ou bien on la coince entre deux surfaces planes Puis on usine la pièce, ainsi fixée, sur sa surface latérale au moyen d'un ou plusieurs outils de meulage profilés de façon appropriée Grâce à une rotation propre, comparativement lente, de la pièce à usiner autour de son axe de symétrie, chaque point de sa périphérie vient en contact avec l'outil de meulage, en rotation rapide. Ce procédé, actuellement pratiqué, présente toutefois une série d'inconvénients qui d'une part compromettent la rentabilité du procédé et d'autre part soulèvent pour l'avenir des problèmes notables concernant les exigences à attendre. Comme il s'agit ici d'un outil profilé, un outil donné ne convient que pour une forme de contour unique Tout changement pour une autre forme de l'arête arrondie et donc aussi, dans le cas général, un changement pour une autre épaisseur de pièce à usiner nécessitent is en principe un échange de l'outil En plus du temps nécessaire de ce fait pour le changement d'outil, la tenue de stocks importants de nombreux outils coûteux intervient défavorablement sur la rentabilité du procédé. De plus, les exigences concernant la qualité de surface de l'arête arrondie sont critiques du point de vue des prétentions, croissantes dans l'avenir, concernant la capacité de la salle blanche On s'efforce de faire en sorte de procéder, l'un derrière l'autre, à plusieurs stades de meulage avec un grain de meule qui devient progressivement plus fin Toutefois, la granulométrie du grain de meule est limitée vers 2 S le bas En-dessous d'une certaine granulométrie limite, il n'est pratiquement plus possible de meuler du fait que, le volume disponible pour les copeaux devenant de plus en plus petit, la meule se colmaterait Dans l'état actuel de la technique, on s'efforce de contourner cet inconvénient en prévoyant encore, après le meulage, une étape de polissage, problématique pour de telles caractéristiques géométriques. Enfin, du fait des dimensions très réduites du contour, les meules profilées actuellement utilisées peuvent à peine se dresser. L'outil doit donc être renouvelé relativement fréquemment, ce qui signifie une dépense notable. Une caractéristique désavantageuse en principe des meules profilées est le fait qu'elles s'usent plus ou moins irrégulièrement. Cette circonstance provient du fait qu'en fonction de la structure géométrique du profil de la meule, la composante de l'avance et la normale à la surface aux différents endroits du contour forment généralement des angles différents Aux endroits o les deux vecteurs coïncident, il faut s'attendre à enlever sur la meule relativement davantage de matériau, tandis qu'aux endroits o ces deux vecteurs présentent un angle assez important l'un par rapport à l'autre, 1 o l'enlèvement de matériau sur la meule devient plus faible De ce fait, au fur et à mesure de l'utilisation de la meule, le profil d'origine de la meule se perd En plus d'une perte croissante de respect des cotes par le processus, cette circonstance fait également que le coûteux volume de garniture de la meule ne peut pas être complètement utilisé. A ces inconvénients de l'état de la technique, selon l'invention, on remédie par le fait que l'on ne produit pas le contour désiré sur la pièce à usiner au moyen d'une meule profilée en conséquence, mais par le fait que l'on guide un outil, qui n'a pas besoin d'être profilé, sur un chemin approprié par rapport à la pièce à usiner, de façon -que le contour désiré de la pièce résulte de ce déplacement relatif. Ainsi, selon l'invention, un procédé pour arrondir les arêtes de disques semiconducteurs par usinage à la meule est caractérisé par le fait que le processus de meulage est entièrement accompli au moyen d'une meule non profilée, étant précisé que l'on obtient le profil désiré de l'arête sur la pièce à usiner par le fait que la pièce à usiner, entraînée en rotation, et que la meule, entraînée en rotation, sont soumises, l'une par rapport à l'autre, à une succession appropriée de déplacements relatifs. De préférence, la meule est constituée d'une base en forme de disque avec une garniture de meulage qui l'entoure et qui peut être utilisée aussi bien sur sa périphérie, au sens d'une meule agissant par sa périphérie, que sur sa face frontale, au sens d'une meule boisseau. Avantageusement, pour produire le contour sur la pièce à usiner, on produit un chanfrein conique qui se raccorde à la surface plane de la plaquette, au moyen de la surface frontale d'une meule, et l'on produit une portion arrondie en arc de cercle, qui s'y raccorde, au moyen de la surface périphérique d'une meule. Le processus de meulage peut être effectué avec un dressage électrolytique. L'invention est également relative à un dispositif pour la mise en pratique du procédé, ce dispositif étant caractérisé par le fait que l'on fixe un disque semiconducteur à usiner sur un plateau de fixation par le vide, la périphérie du disque semiconducteur dépassant au-delà du bord du plateau de fixation par le vide, par le fait qu'en 1 o outre il existe un organe de portée avec lequel le plateau de fixation par le vide est mis en rotation avec le disque semiconducteur qui est fixé dessus, par le fait qu'il est en outre prévu un mécanisme avec lequel le disque semiconducteur peut se déplacer dans sa position axiale, par le fait qu'en outre il existe une broche de meulage, avec la meule qui y est 1.5 montée et que l'on peut utiliser aussi bien sur sa périphérie que sur sa surface frontale, par le fait qu'en outre la broche de meulage peut, au moyen d'un guidage linéaire, se déplacer en direction axiale par rapport à un élément intermédiaire, par le fait qu'en outre il existe un dispositif de pivotement avec lequel on peut incliner ou faire pivoter l'axe de rotation de l'ensemble broche de la meule meule et l'axe de rotation de l'ensemble plateau de fixation par le vide disque semiconducteur, étant précisé que toutefois les deux axes de rotation restent toujours dans un plan commun et par le fait enfin qu'il existe un guidage linéaire qui permet de déplacer, pour les rapprocher l'un de l'autre et les éloigner l'un de l'autre, les axes de rotation, situés dans un plan commun, de l'outil et de la pièce à usiner. Au lieu des guidages linéaires pour le déplacement relatif de l'outil et de la pièce à usiner l'un par rapport à l'autre on peut employer des ensembles pivotants. La meule peut être équipée d'un dressage électrolytique. Les figures suivantes permettent d'expliquer le procédé et le dispositif de l'invention. Les figures 1-6 représentent le principe d'un tel procédé de fabrication, tandis que la figure 7 représente, à titre d'exemple, les composants essentiels d'un dispositif avec lequel on met en pratique ce procédé. La figure 1 représente aussi bien le disque semiconducteur 1 à usiner que la meule 2 en position de départ avant l'usinage De la pièce à usiner 1, seule la moitié supérieure de la périphérie est représentée en coupe, la moitié inférieure s'en déduit symétriquement s et a donc été laissée de côté dans cette représentation Le disque semiconducteur 1 est bridé par le vide, dans sa zone intérieure, sur un plateau de bridage en céramique, ou bien il est enserré entre deux surfaces planes et il tourne autour de son axe de symétrie La meule 2, dont seule la moitié gauche est représentée ici, est disposée 1 o obliquement, sous un angle défini, et tourne à sa vitesse de rotation de travail La meule 2 elle- même est constituée d'une base en forme de disque 3 et d'une garniture annulaire de meulage 4 qui est disposée à la périphérie de la base et qui, comme cela sera expliqué également plus loin, prend au cours de sa durée d'utilisation un contour d'usure i 5 déterminé 5 La garniture annulaire de meulage 4 dépasse axialement au-delà de la base en forme de disque 3, de sorte que l'on peut également utiliser sa surface frontale 6 pour des opérations de meulage. La figure 2 représente le début de l'opération de meulage. La meule 2 avance, selon son axe, en direction du disque semiconducteur 1, tout en conservant sa rotation propre Sa surface frontale annulaire 6 vient en contact avec la plaquette, d'o résulte un enlèvement de matière A un endroit défini, le déplacement axial de la meule 2 s'arrête, puis, après une phase stationnaire, se dégage en sens inverse A la périphérie de la surface plane de la plaquette 1 apparaît 2 S donc un chanfrein conique, presque rectiligne. La figure 3 représente le chanfrein conique 7, tel qu'il résulte de la première opération partielle du processus de meulage. Après un recul d'une valeur définie dans la direction de son axe, la meule 2 est décalée latéralement, ce déplacement l'éloignant de la plaquette 1 La figure 3 représente la situation à la fin de ce déplacement. Comme le représente la figure 4, la meule 2 se déplace ensuite à nouveau, selon son axe, en direction de la plaquette 1. Pendant ce déplacement, on enlève un autre volume de matière sur la plaquette 1 Ce déplacement s'arrête au plus tard lorsque le point inférieur 8 de la surface latérale extérieure de la meule atteint la génératrice 7 du cône précédemment obtenu. Ensuite on fait pivoter autour du point 9 la meule, ainsi que la broche et l'organe d'entraînement correspondants, qui ne sont s pas représentés ici Le point 9 est défini géométriquement par la surface latérale enveloppe extérieure de la meule 4 et par le plan médian 10 de la plaquette 1 On arrête ce mouvement de pivotement lorsque l'axe de rotation de la meule 2 a atteint l'horizontale, comme cela est représenté sur la figure 5 Pendant ce mouvement de pivotement, le point 8 de la meule 2 décrit un chemin circulaire autour du point fixe 9 Cet arc de cercle, obtenu géométriquement, est, seul, décisif pour la portion de contour circulaire qui apparaît sur la plaquette 1, car le déroulement du mouvement, obtenu géométriquement, du processus de meulage et le mécanisme d'usure, i 5 qui en résulte, sur la meule imposent que le point 8 soit moins, ou au maximum autant, éloigné du point 9 que tout autre point du contour extérieur 5 de la garniture de meulage 4 résultant de l'usure. L'allure du contour d'usure 5 n'est que grossièrement dessinée sur les figures 1-5 Dans la pratique réelle, il s'agit d'un trait courbe plutôt irrégulier qui dépend fortement de la condition concrète de mise en oeuvre L'allure précise de ce contour d'usure est toutefois de peu d'importance pour le respect de la cote du tronçon en forme d'arc de cercle puisque comme cela a déjà été indiqué seul le point 8 est décisif pour le contour obtenu sur la pièce à usiner. Du fait de l'usure croissante de la meule, le point 8 se décale vers le haut, mais, pour respecter les conditions géométriques, il doit toujours rester sur la surface latérale cylindrique enveloppe extérieure de la meule De ce point de vue, on peut très facilement compenser cette usure de la meule au moyen d'une position compensée de façon appropriée, selon la direction axiale, de la meule. Des considérations analogues s'appliquent à la première opération partielle du processus de meulage: la surface frontale annulaire 6, représentée sur la figure 1, de la garniture de meulage 4 est également soumise à une usure et elle recule donc peu à peu Mais ici également on peut compenser ce recul au moyen d'une correction axiale de la part de la meule 2. Les déroulements de déplacement représentés sur les figures 1-5 se rapportent au meulage de la moitié supérieure de la plaquette Du fait toutefois que cette pièce doit également être arrondie par le bas, il faut un deuxième dispositif, disposé symétriquement, pour obtenir le profil complet de la pièce à usiner, comme il est représenté sur la figure 6. De ce qui a été décrit ci-dessus, il résulte que le contour qui apparaît finalement sur la plaquette est en principe constitué de trois portions: au raccordement à la surface plane, supérieure et inférieure, de la plaquette apparaissent deux chanfreins coniques qui, de leur côté, sont à nouveau réunis par un arc de cercle qui se compose de deux moitiés symétriques par rapport à un plan. On peut choisir librement l'angle d'inclinaison du chanfrein conique ainsi que le rayon de l'arc de cercle en prescrivant les paramètres appropriés de la machine Dans le cas limite, le chanfrein conique peut même se transformer tangentiellement en l'arc de cercle Par ailleurs l'angle d'inclinaison du chanfrein conique peut se transformer en une horizontale de sorte que le chanfrein lui-même disparaîtrait finalement complètement Grâce à des réglages appropriés de la machine, on peut donc combiner ensemble tous les chanfreins coniques envisageables et tous les arcs de cercle envisageables En face de cette importante pluralité, théoriquement infinie, on trouve les exigences pratiques concrètes de l'industrie des semiconducteurs qui aboutissent avant tout à éviter le plus possible les arêtes Dans ce but, on prescrit les paramètres de la machine de façon à obtenir une transition pratiquement tangentielle entre le chanfrein conique et la portion en arc de cercle Entre le chanfrein conique et la surface plane de la plaquette il est souhaitable d'avoir toujours une arête plate car il faut compter avec une certaine tolérance sur l'épaisseur de la plaquette. En présence de plaquettes assez épaisses, le chanfrein conique, rapporté sous un angle constant, en deviendra un peu plus long, tandis qu'en présence de plaquettes plus minces, ce chanfrein deviendra plus court C'est la tolérance à attendre sur l'épaisseur de la plaquette qui déterminera donc l'angle d'inclinaison du chanfrein conique. La figure 7 représente à titre d'exemple, les composants essentiels d'un dispositif avec lequel on peut mettre en pratique le procédé décrit cidessus Etant donné que les dispositifs prévus pour l'usinage de la moitié supérieure du contour et de la moitié inférieure du contour sont disposés de façon à être symétriques l'un de l'autre par rapport à un plan, la représentation de la figure 7 se limite à un dispositif prévu pour la moitié supérieure du contour La représentation est un dessin purement schématique et renonce à rendre les détails constructifs. La représentation montre la plaquette 1 qui est fixée, par aspiration, sur un plateau de céramique Ce dispositif de fixation de la 1 o plaquette 1 peut, au moyen d'un mécanisme de levage 11, se déplacer pour que la plaquette 1 puisse prendre un mouvement de montée et de descente La plaquette elle-même peut être entraînée en rotation au moyen d'un mécanisme 21 et elle est entraînée par le moteur 22 par l'intermédiaire d'une courroie crantée 23 Un raccord tournant 24 sert i 5 à amener au mécanisme 21 de mise en rotation le vide nécessaire pour la fixation de la plaquette 1. En position de départ, la meule, avec la garniture de meulage 4, est disposée en position parallèle à l'axe Le porte-garniture de meulage 3, avec la garniture de meulage 4, est monté sur une broche 12 qui, dans l'exemple donné ici, est réalisée sous forme de broche motorisée De son côté, la broche 12 est rapportée sur un porte-broche 13 Au moyen du chariot 14, le porte-broche 13 peut se déplacer selon la direction axiale de la broche 12, par rapport à l'élément intermédiaire 15 De son côté, l'élément intermédiaire 15 peut pivoter autour du tourillon 17 au moyen du palier 16 Lors de ce mouvement de pivotement, l'axe de la meule et l'axe de rotation de la pièce à usiner restent toutefois toujours dans un plan commun La position de l'axe de rotation du mouvement de pivotement est telle que ce mouvement vient tangenter avec précision la surface latérale de la garniture de meulage 4 Le mouvement de pivotement est assuré par un moteur 25, par l'intermédiaire d'un mécanisme 26 à forte réduction Le palier 16 est solidarisé avec l'organe de coulissement 18 Au moyen d'un chariot 19, cet organe de coulissement 18 peut se déplacer par rapport au bâti 20 de la machine. Avec cette combinaison des composants essentiels à la machine, les mouvements suivants sont possibles: La plaquette 1 peut être entraînée en rotation, de façon que chaque emplacement de sa périphérie vienne en contact avec la garniture de meulage 4. La plaquette 1 est réglable en hauteur, de sorte que dans le s cas d'une épaisseur de plaquette différente, on puisse ajuster son plan médian par rapport au dispositif de meulage. La garniture de meulage 4 est mise en rotation pour l'usinage. La garniture de meulage 4 peut se déplacer selon son axe au moyen du chariot 14 Ce déplacement définit le demi-diamètre de l'arrondi de la portion en arc de cercle du contour de la plaquette. De plus, on compense ainsi l'usure de la meule en ce qui concerne aussi bien la position du point 8 que celle de la surface frontale 6 Cette même composante du déplacement sert de composante 1.5 d'avance lors de l'usinage du chanfrein conique. Le mouvement de rotation du palier 16 et du tourillon 17 sert au pivotement de l'ensemble de l'appareil de meulage C'est de cette façon que s'effectue le déplacement relatif pour produire la portion en arc de cercle du profil meulé En outre, c'est de cette façon qu'est prescrite la position oblique pour l'usinage du chanfrein conique. C'est par la composante de déplacement du chariot 19 qu'est défini le centre de la portion en arc de cercle du profil de l'arête de la plaquette En outre, on procède en même temps à une adaptation aux différents diamètres de plaquette. La figure 7 ne représente la disposition des composants essentiels de la machine qu'à titre d'exemple On peut envisager une pluralité pratiquement quelconque d'autres combinaisons qui conviennent toutes pour mettre en pratique le procédé décrit ci-dessus. Par exemple, on peut remplacer le guidage linéaire 19 par un mouvement de rotation autour d'un point solidarisé avec le bâti 20 de la machine Le déplacement axial de la plaquette 1 peut également être effectué par un chariot en croix en combinaison avec le chariot 19 Les chariots 14 et 19 peuvent aussi bien s'envisager sous forme de guidages à rouleaux que de guidages à glissières Au lieu de l'outil, on peut faire pivoter la pièce à usiner Dans ce cas, le mouvement de pivotement autour du tourillon 17 est remplacé par un pivotement approprié de la plaquette 1. L'avantage de cette invention par rapport à l'état de la technique, que l'on a indiqué au début, réside avant tout dans le fait qu'il n'est pas nécessaire de profiler l'outil lui-même, puisque le contour obtenu sur la pièce à usiner ne s'obtient pas au moyen d'une meule profilée, mais au moyen d'un déroulement, que l'on peut choisir librement dans certaines limites, de déplacements relatifs entre l'outil et la pièce à usiner. Un effet particulièrement avantageux de ce procédé réside dans le fait que, lors d'un changement du contour à meuler ou lors d'un changement d'épaisseur de plaquette on peut poursuivre le meulage avec le même outil Il n'est plus nécessaire de changer d'outil, il suffit de modifier les paramètres du déroulement du déplacement La dépense 1.5 d'adaptation et de tenue de stock d'un assortiment de meules profilées disparaît donc. Un autre avantage de l'invention réside dans le fait que l'on obtient une surface sensiblement plus fine que ce qui était le cas jusqu'ici Du fait qu'il n'y a plus besoin de profiler l'outil mais seulement de l'affûter, ce processus de meulage peut se faire avec un système électrolytique de dressage Tandis qu'avec des meules classiques on ne peut meuler parfaitement qu'avec une granulométrie ne descendant pas au- dessous de 15 gm, sans que la meule se colmate, l'emploi de meules à liant métallique en combinaison avec un système 2 S électrolytique de dressage permet l'emploi de granulométries allant jusqu'à environ 1 gm On obtient de ce fait sur la pièce à usiner des valeurs de rugosité qui n'étaient jusqu'ici possibles que par reprise d'un procédé coûteux et incommode de polissage. Un autre avantage de l'invention réside dans le fait que presque tout le volume de la garniture de meulage participe effectivement au processus de meulage, puisque les processus de profilage disparaissent et en principe il n'y a plus le problème d'une usure irrégulière de la meule comme cela était caractéristique de l'état de la technique De cette façon, on utilise de façon optimale la quantité d'abrasif de meulage consommée On multiplie de ce fait la durée de vie de l'outil et on réduit fortement le coût de l'abrasif de meulage. il REVENDICATIONS 1 Procédé pour arrondir les arêtes de disques semiconducteurs par usinage à la meule, caractérisé par le fait que le processus de meulage est entièrement accompli au moyen d'une meule ( 2) non profilée, étant précisé que l'on obtient le profil désiré de l'arête sur la pièce à usiner par le fait que la pièce à usiner ( 1), entraînée en rotation, et que la meule ( 2), entraînée en rotation, sont soumises, l'une par rapport à l'autre, à une succession appropriée de déplacements relatifs. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la meule ( 2) est constituée d'une base ( 3) en forme de disque avec une garniture de meulage ( 4) qui l'entoure et qui peut être utilisée aussi bien sur sa périphérie ( 5), au sens d'une meule agissant par sa périphérie, que sur sa face frontale ( 6), au sens d'une meule boisseau. 3 Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'on produit le contour sur la pièce à usiner par le fait que l'on produit un chanfrein conique ( 7), qui se raccorde à la surface plane de la plaquette, au moyen de la surface frontale ( 6) d'une meule, et que l'on produit une portion arrondie en arc de cercle, qui s'y raccorde, au moyen de la surface périphérique ( 5) d'une meule. 4 Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le processus de meulage est effectué avec un dressage électrolytique. Dispositif pour mise en pratique du procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l'on fixe un disque semiconducteur ( 1) à usiner sur un plateau de fixation par le vide, la périphérie du disque semiconducteur dépassant au-delà du bord du plateau de fixation par le vide, par le fait qu'en outre il existe un organe de portée avec lequel le plateau de fixation par le vide est mis en rotation avec le disque semiconducteur qui est fixé dessus, par le fait qu'il est en outre prévu un mécanisme ( 11) avec lequel le disque semiconducteur peut se déplacer dans sa position axiale, par le fait qu'en outre il existe une broche ( 12) de meulage, avec la meule ( 3) qui y est montée et que l'on peut utiliser aussi bien sur sa périphérie ( 5) que sur sa surface frontale ( 6), par le fait qu'en outre la broche de meulage ( 12) peut, au moyen d'un guidage linéaire, se déplacer en direction axiale par rapport à un élément intermédiaire ( 15), par le fait qu'en outre il existe un dispositif de pivotement ( 16, 17) avec lequel on peut incliner ou faire pivoter l'axe de rotation de l'ensemble broche de la meule meule et l'axe de rotation de l'ensemble plateau de fixation s par le vide disque semiconducteur, étant précisé que toutefois les deux axes de rotation restent toujours dans un plan commun et par le fait enfin qu'il existe un guidage linéaire qui permet de déplacer, pour les rapprocher l'un de l'autre et les éloigner l'un de l'autre, les axes de rotation, situés dans un plan commun, de l'outil et de la pièce à usiner. 6 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait qu'au lieu des guidages linéaires pour le déplacement relatif de l'outil et de la pièce à usiner l'un par rapport à l'autre on peut employer des ensembles pivotants. 7 Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé par 1.s le fait que la meule est équipée d'un dressage électrolytique.