Проектирование привода полировальника установки полирования пластин

Рабочее давление на пластины создается гидравлическими устройствами и передается верхним шлифовальником. Рабочее давление плавно регулируется, что позволяет осуществлять

Рис. 14. Форма износа шлифовальника в виде вогнутости (а) или выпуклс- сти (б) и ее влияние на формообразование пластин

непрерывный переход от чернового шлифования к чистовому. Частота вращения шестерен также плавно регулируется, исключая толчки и удары в моменты запуска и остановки станка, что важно при обработке полупроводников. Шлифовальники снабжены системами охлаждения и контроля температуры, поддерживающими стабильные условия обработки. Постоянство температуры в зоне шлифования исключает нежелательные термические деформации шлифовальников, которые могут снизить точность обработки, и поддерживает одинаковую вязкость абразивной суспензии во времени, что важно для поддержания постоянной скорости обработки.

1.8 Способы доводки полупроводниковых пластин полированием

Полирование полупроводниковых пластин производят для удаления приповерхностных структурно-дефектных слоев, образовавшихся при резке и шлифовании. Если полирование овода? а после химического травления, то оно исправляет дефекты геометрической формы пластин, возникающие из-за неравномерности травления. По характеру съема материала различают механическое, химическое и химико-механическое полирование. ;

Механическое полирование осуществляют срезанием микроскопических частиц в результате воздействия абразивных, зерен на обрабатываемую поверхность. В качестве абразива используют порошки синтетических и природных алмазов, оксидов хрома, церия и др.

Станки второй группы для одностороннего шлифования связанным абразивом, работающие по схеме врезного шлифования (рис. 58), нашли широкое применение для сошлифовывания слоев большой толщины. Станки типов САШ-3, САШ- 420М предназначены для шлифования пластин диаметром до 60 мм, а САШ-

150-- диаметром до 150 мм. Все они имеют аналогичные конструктивные схемы. В верхней части массивной литой станины смонтированы по три шпинделя, вращающихся с частотами 9-10³-- 14-10³ об/мин. В нижней части находится стол с вакуумными присосками для обрабатываемых пластин, вращающийся с частотой 0,5--5 об/мин.

Кинематическая схема станка типа САШ-420М показана на рис. 59. Стол 9 приводится во вращение электродвигателем постоянного тока 1 через клиноременную передачу и червячную пару. Шпиндели 3 вращаются от электрошпинделей 6 через центробежную муфту. Питание электрошпинделей осуществляется от генераторов высокой частоты. Шпиндельный узел уравновешен противовесом 5. Вертикальная подача шпинделей с абразивным кругом 2 вручную производится вращением маховика 8, связанного через червячную пару с ходовым винтом 7, а автоматическая -- от электродвигателя 4.

Шлифовальные станки третьей, четвертой и пятой групп относятся к станкам для шлифования свободным абразивом. Станок третьей группы для одностороннего шлифования свободным абразивом схематично показан на рис. 60. По этой схеме выполнены станки типов В1М3.105 и ЖК-14.09М. Заготовки пластин 4 наклеивают на приспособление 3, которое удерживается от смещения роликами 6. Груз 2 создает необходимый прижим пластин к шлифовальнику 5. Дозатор 1 производит подачу абразивной суспензии. При вращении шлифовальника силы трения вызывают вращение приспособления 3. Этим создаются условия для равномерной обработки всех пластин. С помощью станков для односторонней обработки пластин можно получить высокое качество обработки одной поверхности. Однако наклейка и переклейка пластин резко ухудшает их геометрические характеристики. Поэтому для получения пластин с высокоточными геометрическими характеристиками применяют станки двусторонней обработки. Главной конструктивной особенностью этих станков является наличие планетарного механизма, перемещающего пластины между шлифовальниками (рис. 61). Движение пластин по сложной 11 траектории усредняет условия обработки и дает возможность получить высокие геометрические параметры изделий.

Обрабатываемые пластины 9 закладывают в отверстия сепараторов 7, имеющих зубчатый венец, находящийся в постоянном зацеплении с центральной шестерней 6 и периферийным зубчатым колесом 10. Шестерня 6 закреплена на валу 5. Зубчатое колесо 10 и шестерня 6 вращаются от одного привода в одну и ту же сторону, но с разными угловыми скоростями. За счет этого сепараторы движутся между шлифовальниками 1, 2 и в то же время вращаются вокруг собственной оси. Абразивная суспензия подается в зону обработки через отверстия 3 вверхнем шлифовальнике 1. Загрузку и съем пластин производят при поднятом верхнем шлифовальнике. Для исключения сколов на краях пластин в гнездо сепаратора сначала вкладывают защитное текстолитовое кольцо 8, внутрь которого помещают обрабатываемую пластину. Зазор между защитным кольцом и сепаратором составляет 0,4--0,8 мм, а между кольцом и пластиной -- 0,4--1,5 мм.

В станках четвертой группы сепараторы с вложенными в их гнезда обрабатываемыми пластинами перемещаются между двумя не вращающимися шлифовальниками. По этому типу сконструирован станок ИО 19006. В станках пятой группы для уменьшения износа зубчатого венца сепаратора и его деформации предусмотрено вращение одного из шлифовальников. К станкам этой группы относятся СДШ-100 и СДП-100.

Для полирования пластин могут быть использованы те же станки, что и для шлифования. Для этого на шлифовальниках делают выборки и с помощью внешних и внутренних стальных колец 4 на них натягивают замшу. Для подачи абразивной суспензии в зону полирования в верхнем шлифовальнике и в замше имеются отверстия. К станкам, которые можно использовать как для шлифования, так и для полирования пластин, относятся станки СПШП-1, В1МЗ 105, ЖК14.09М, СДП-100.

Полирование может быть:

механическим, которое происходит главным образом за счет микрорезания зернами абразива, пластических деформаций и сглаживания;

химико-механическим, при котором снятие материала с обрабатываемой поверхности происходит в основном за счет механического удаления образующихся в результате химических реакций мягких пленок. Для химико-механического полирования необходимо несколько большее усилие прижима обрабатываемого изделия к полировальнику, чем при механическом. Поэтому для этих процессов создан ряд специальных станков, например, моделей СХМП-1, Ю1М3.105.004, Ю1М1.244.000.

Схема полуавтомата одностороннего полирования полупроводниковых пластин типа Ю1М1.244.000 показана на рис. 62. Стол 4, на котором размещен съемный полировальник 8, приводится во вращение с частотой 87±10 об/мин от электродвигателя 7 через клиноременную передачу 6 и двухступенчатый редуктор 5.

На верхней части станины станка размещены четыре пневмоцилиндра 1, на штоках 2 которых шарнирно закреплены прижимные диски 3. Пневмоцилиндры осуществляют подъем, опускание и необходимый прижим пластин к полировальнику. Шарнирное крепление прижимных дисков с приклеенными к ним пластинами позволяет им плотно прилегать (самоустанавливаться) к полировальнику и вращаться вокруг собственных осей, обеспечивая сложное движение» полируемых пластин. Станок позволяет обрабатывать пластины диаметром до 100 мм и обеспечивает получение шероховатости обработанной поверхности по четырнадцатому классу.

Х и м и ч е с к о е п о л и р о в а н и е осуществляют погружением пластин в полирующий травитель. Для обеспечения большей равномерности съема материала со всей поверхности пластин кассеты с пластинами приводятся во вращение, в результате чего к ним постоянно подводится свежий травитель (рис. 15). Травители, используемые для полирования пластин, многообразны по составу. Кремниевые пластины травят преимущественно в смесях азотной, плавиковой и уксусной кислот, применяя различные пропорции компонентов. В эти смеси могут добавляться вещества, стабилизирующие скорость травления или же катализирующие его реакции. Соединения А³В⁵ травят чаще всего в водных растворах перекиси водорода и одной из кислот, например серной, плавиковой, бромистоводородной и др. Кроме того, химическое полирование можно осуществлять в газовой среде.

Рис. 15 Химическое полирование пластин:

держатель, 2 - кассета, 3 - полупроводниковые

пластины , 4 -ванна с травителем

х и м и к о - м е х а н и ч е с к о е п о л и р о в а н и е осуществляют в результате совместного воздействия химических и механичкских факторов.

Наибольшее распространение из разнообразных методов механического полирования получило полирование алмазными порошками, которое производят суспензиями или пастами. В мазеобразной основе пасты равномерно распределен алмазный порошок. В некоторых случаях в пасту добавляют наполнитель. В зависимости от зернистости алмазного порошка пасту окрашивают в различные цвета.

1.9 Очистка поверхности полупроводниковых пластин

Проблеме очистки поверхности полупроводниковые пластин уделяется большое внимание. В микроэлектронных приарах и схемах высокой степени интеграции, где размер отдельного элемента может быть меньше размера пылинки, влияние загрязкния особенно опасно. При изготовлении больших интегральных схем снижение плотностей дефектов, вызванных загрязнениями с 8 до 2 см^-2, позволяет повысить выход годных изделий в 3-5 раз.

Загрязнения, содержащиеся на поверхности пластин, можно условно подраразделить на следующие основные группы.

Т в е р д ы е в к л ю ч е н и я - загрязнения частицами кремния или другого полупроводникового материала, кварца, абразива, пылью, почвой, золой, пеплом и др. Они могут попадать на пластину в процессе ее механической обработки, а также из атмосферы. К этому же типу загрязнений можно отнести отдельные натуральные и синтетические волокна, попадающие на пластины с полировальников, технических тканей и спецодежды.

Органические пленки образуются на пластинах практически всех стадиях изготовления приборов. Их образуют масла от машинной обработки, отпечатки пальцев, жиры, воски и смолы, используемые для крепления слитков и пластин при обработке, остатки фоторезистов, поверхностно-активные вещества.

Ионные загрязнения образуются на поверхности после обработки в водных растворах, содержащих диссоциированные на ионы соединения. Так, широко применяемые растворы плавиковой кислоты и щелочей могут загрязнять поверхность ионами фтора, галия, натрия. Ионные загрязнения могут также возникать на поветхности в результате попадания продуктов дыхания, пота (хлорид натрия).

Атомные загрязнения-это атомы тяжелых металлов (золота, серебра, меди, олова), которые чаще всего остаются на пластинах в результате восстановления из растворов. Металлы могут также вноситься порошками и отходами машинной обработки, пинцетами, частицами металлических банок для хранения и др.

Наиболее распространенными способами удаления загрязнений являются: растворение загрязнений в веществе; превращение загрязнений в растворимые продукты в результате химической реакции и последующий их смыв; механическая очистка потоком жидкости ёили газа; газоплазменное травление.

Твердые частицы, оседающие на поверхности полупроводниковых пластин, после резки, шлифования, скрайбирования удаляют мягкими кистями с помощью моющих средств. Такой способ очистки называется скруббированием. Кисти изготовляют из беличьего или колонкового меха, мохера, нейлона и др. Процесс скруббирования происходит следующим образом. На вращающийся рабочий стол помещают кассету с пластинами, подают деионизованную воду и щетками начинают обрабатывать поверхность пластин. Затем подают воду с добавлением моющего вещества, способствующего отделению от поверхности пластин твердых частиц. После обработки раствором моющего вещества снова отмывают поверхности пластин деионизованной водой и сушат пластины центрифугированием.

Недостаток скруббирования заключается в том, что щетки не могут проникать в углубления и неровности микронных размеров. Поэтому наибольшее распространение получил способ очистки, сочетающий отмывку кистями и промывку струей растворителя или деионизованной воды. Давление жидкости в струе регулируется и достигает 3*10⁷ Па.

Органические пленки с поверхности пластин удаляют с помощью органических растворителей: трихлорэтилена, хлористого метилена, хладона, толуола, ксилола, метилового, этилового или изопропилового спирта, ацетона, уайт-спирита и др. Пластины обрабатывают в жидком растворителе либо в его парах. Возможно также сочетание паровой и жидкостной обработок. Часто растворитель доводят до кипения, после чего производят очистку. Широко используют ультразвуковую очистку пластин в органических растворителях. При таком способе очистки в ванну с растворителем помещают излучатели ультразвуковых колебаний, под действием которых в жидкостях образуются мельчайшие пузырьки, обладающие высокой проникающей способностью и способствующие отделению загрязнений от поверхности.

Ввиду токсичности органических растворителей широкое применение находят водные моющие растворы. Растворыщелочей разлагают растительные и животные жиры при 80-100°С, причем продукты разложения легко растворяются и смываются водой. Минеральные масла удаляют 0.5-1.0 %-ными растворами поверхостно-активных веществ.

Атомные и ионные загрязнения, как правило, удаляют промывкой в кислотах и деионизованной воде. Проммвка в кислотах позволяет удалить адсорбированные ионы металлов и растворить оксидные пленки на поверхности полупроводников. Чаще всего используют азотную, плавиковую, серную, соляную, уксусную и фосфорную кислоты. Процесс отмывки полупроводниковых пластин деионизованной водой ведут, постоянно измеряя электрическое сопротивление воды. По мере снижения концентрации примесей сопротивление воды постепенно повышается. При установлении постоянного сопротивления воды процесс отмывки считается законченным.

Кроме кислот для удаления ионных загрязнений используют водные растворы, содержащие перекись водорода и аммиак. Обработку такими растворами ведут в течение 10-20 мин при 75- 80 С.

После отмывки пластин в жидкости их необходимо просушить. Обычно после обработки в водных растворах пластины обрабатывают в органических растворителях, которые легче и надежнее очищаются от примесей, чем вода. Поэтому сушку лучше производить после финишной отмывки, например, в ацетоне или этиловом спирте. Сушку нагревом в термостатах или под инфракрасными лампами применяют в том случае, когда к поверхности предъявляют сравнительно низкие требования, так как при испарении с поверхности пластин на них остаются растворенные в пленке жидкости примеси. Более качественную сушку пластин производят центрифугированием или обдувом горячим очищенным газом. В этих случаях значительная часть жидкости сдувается с поверхности пластин вместе с растворенными в ней примесями.

Плазменное травление, относящееся к так называемым “сухим” cпособам очистки, проводят чаще всего в плазме кислорода, которая переводит поверхностные загрязнения в летучие компоненты.

Важной является операция контроля чистоты поверхности пластин, поскольку только она может показать, насколько эффективны процессы очистки и пригодны очищенные пластины к передаче для изготовления приборов.

Основными методами контроля чистоты поверхности являются: методы, основанные на изменении ее смачиваемости, микроскопические, фотометрические и спектральные.

При окунании пластины в деионизованнуюводу или распылении воды на влажную поверхность пластины на загрязненных участках не образуется равномерного слоя воды. Методы, основанные на изменении смачиваемости, просты, наглядны, но недостаточно чувствительны.

Микроскопические методы основаны на наблюдении поверхности в светлом или темном поле оптического микроскопа, а также с помощью электронного микроскопа. При наблюдении в темном поле используется косое освещение, исключающее попадание в объектив зеркально отраженных от поверхности лучей. В этом случае выявляются остатки органических растворителей, которые образуют характерные узоры. узоры. Загрязнения и дефекты на поверхности полированных пластин астин наблюдаются в виде светящихся точек. Их подсчет на единице площади пластины ведут при увеличении в 50-400 раз.

Фотометрические, спектральные, а также другие методы контроля- чистоты поверхности полупроводниковых пластин в пройышленности широкого распространения не получили. Для обеспечения требуемой чистоты поверхности полупроводниковых пластин (кроме процессов очистки) в масштабах предприятия осуществляется целый ряд организационных и санитарно-гигиенических мероприятий. Обязательным условием получения качественных пластин является проведение каждой операции на изолированнных друг от друга производственных участках. Это исключает попадание более крупных абразивов с операций грубых предварительных обработок в помещения, где осуществляется доводка. Целесллбразно также внутри участка закреплять конкретное оборудование за операциями, отличающимися составом используемых суспензий.

Участки по изготовлению пластин располагаются в помещениях, отвечающих требованиям первой категории вакуумной гигиены, согласно которым в 1 л воздуха не допускается присутствие более 70 частиц крупнее 1 мкм. В этих помещениях создают защитные горизонтальные ламинарные потоки очищенного воздуха, которые препятствуют попаданию инородных частиц в рабочие зоны оборудования В качестве дополнительной меры, препятствующей попаданию частиц, из воздуха на полировальники станков финишного и суперфинишного полирования, устанавливают специальные защитные колпаки из прозрачного пластика. Рабочий персонал этих участков обеспечивается спецодеждой и спецобувью, создающей минимальное количество загрязнений. Кроме того, ограничивается использование работниками косметических средств.

2. Расчет параметров привода установки

Исходные данные: V_{выращивания}=1..4мм/мин.

1. Материал зубчатого колеса и рейки: Сталь 40Х по ГОСТ 4543-71.

Термообработка - улучшение с НВ_min=230, .

- неограниченный предел контактной выносливости,

- допускаемое контактное напряжение из условия неограниченности ресурса при номинальной нагрузке.

.

- допускаемое напряжение изгиба.

2. Модуль зацепления зубчатого колеса и рейки:

,

где - окружная сила в зацеплении.

, тогда

.

По ГОСТ 9563-80 выбираем модуль m = 2.

3. Примем число зубьев шестерни z=25. Тогда - делительный диаметр.

- рабочая ширина зацепления.

4. Проверка:

.

:

,

.

Новое число зубьев: z=d₁/m=52,25, принимаем равным 53.

5. Размеры зубчатого колеса и рейки:

,

- диаметр выступов,

- диаметр впадин.

- рабочая ширина зацепления.

Отсюда принимаем размеры ширины: рейки ,

Колеса .

- высота зацепления зуба,

-рабочая длина рейки.

2.1 Выбор электродвигателя

V=1..4 мм/мин - скорость поднимания рейки,

,

- необходимое число оборотов.

- необходимая мощность электродвигателя.

По каталогу выберем необходимый двигатель на постоянном токе серии П21М.

2.2 Передаточное отношение редуктора

.

2.3 Выбор муфты

Зная паспортные характеристики электродвигателя, найдем крутящий момент на его вале:

.

Расчетный момент муфты: .

В данном случае используем упругую втулочно-пальцевую муфту по ГОСТ 21424-93, которая передает вращающий момент от 6 до 16000 Нм.

2.4 Подбор подшипников и шпонок

По конструктивным соображениям для закрепления саттелита 10 применяем роликовые радиально-упорные подшипники 67302А ГОСТ 27365-87 (d=20, D=72).

Для закрепления входного вала редуктора применяем роликовые радиально-упорные подшипники 1027305А ГОСТ 27365-87 (d=15 и D=42мм) и 1027306 ГОСТ 27365-87 ( d=20 и D=37мм).

Для закрепления выходного вала используем подшипники серии 7000108 ГОСТ 8338-75 (d=40 и D=80 мм).

Для закрепления вал-шестерни 2 используем подшипники 7000117 ГОСТ 8338-75 (d=85, D=130 мм).

Для закрепления шестерни 17 на валу 2 используем призматическую шпонку 10*8*40 ГОСТ 23360-79.

Для закрепления конического ролика 16 используем призматическую шпонку 3*3*6 ГОСТ 23360-79.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Методические указания по выполнению курсового проекта по дисциплине «Расчет и конструирование оборудования электронной промышленности» для студентов специальности 210107 «Электронное машиностроение» очной формы обучения.206-2007.

2. Технология полупроводниковых приборов и изделий электронной техники. Книга 2. Материалы М: Высшая школа, 1989 г.

3. Беляев Н. В. Узлы оборудования электронной промышленности. Учебное пособие. Воронеж. 2009, 162 с.

4. Блинов И. Г., Кожитов Л. В. Оборудование полупроводникового производства.

Размещено на Allbest.ru