專利名稱:兩面拋光操作中使用的夾頭組件的制作方法
本發(fā)明涉及一種在拋光、研磨或碾磨操作中夾持工件的夾頭組件，特別適用于兩面加工的操作。更具體地講，本發(fā)明涉及一種由上面裝有一個或數(shù)個工件夾頭的傳動環(huán)組成的夾頭組件，其中，工件夾頭由一種比傳動環(huán)軟的材料制成，以減少在拋光、研磨或碾磨中工件缺陷的產生。
本發(fā)明主要可用于兩面加工的操作，即一襯底的兩面同時得到拋光、研磨或碾磨，以形成平整、一致的表面。除非另有說明，為了方便起見，此地將用較廣義的術語“拋光”指各種不同類型的拋光、研磨或碾磨加工，因為本發(fā)明可用于上述的一種或所有的加工。
典型的兩面拋光機采用鐵板或鋼板，以及/或者各種人造或天然拋光墊以對工件表面進行拋光。在典型的拋光機中，夾持工件的各夾頭組件由一傳動裝置傳動，該傳動裝置，由一個內圓周帶齒的固定外圓構件組成。與該固定構件同心并置于其中心的還有一個旋轉傳動構件，其外圓周亦帶齒。帶有齒形圓周的夾頭組件即被置于固定構件和旋轉構件之間，并與該二構件嚙合。夾頭組件為圓盤，上有可放置工件如半導體大圓片或鋁片的圓孔。
制造在兩面拋光操作中使用的堅固、耐用的夾頭組件的典型材料為鋼和其他金屬制的合金，諸如國際鎳公司生產的商標為“英康耐爾”(INCONEL)和“莫耐爾”(MONEL)合金的鎳合金。要制造可以承受住固定構件、旋轉構件和夾頭組件的傳動和被傳動齒在拋光過程中產生的很大的力的外齒，這些材料的高強度及硬度是重要的因素。然而，這種可使齒具有長使用壽命優(yōu)點的強度和耐損性同時也帶耒了一些有待克服的缺點。
當拋光較軟的或脆性材料，例如諸如硅、鎵釓金剛砂(GGG)、砷化鎵等電子襯底時，做成夾頭組件內圓孔的鋼或其他硬金屬的硬邊，以及夾頭迅速運動和/或圓孔內的襯底的運動，可能會使襯底邊緣碎裂以及/或者產生裂縫。這種互相作用可使襯底產生肉眼察覺不出的變形，這種變形在日后進一步的加工中會使襯底部分或全部報廢。
人們曾試圖全部用較軟的材料，如聚脂、聚乙烯、聚碳酸酯、尼龍、聚氯乙烯、丙烯酸鹽、聚氨基甲酸乙酯、環(huán)氧物，乙縮醇[如杜邦公司(E.I.du Pont de Nemours & Company)的“達爾蘭”(D E L R I N)牌產品]包括用各種纖維加強的和不加強的，耒制造夾頭組件。使用較軟的材料有助于防止拋光工件產生缺陷，但是會過度過早磨損夾頭組件的齒，從而導致夾頭組件使用壽命的縮短和整個加工成本的增加。
把上述的兩種材料，即一種較硬的金屬和一種較軟的材料結合起耒使用，做成一個夾頭，在較硬的核心材料上涂一層較軟的材料，這種方案在夾頭較厚或拋光的襯底相應較厚時使用比較有效。不過，對于較薄的襯底，因為核心材料必須做得很薄，所以制成的夾頭很脆，實際上無法使用。
本發(fā)明克服了已有技術中的一些問題，其措施是用一種硬性、耐用材料作外傳動圓環(huán)，用較軟的材料作夾持和保護拋光工件的工件夾。
本發(fā)明包括一個在拋光、研磨、碾磨操作中使用的夾頭組件，該夾頭組件由一適宜于旋轉的傳動環(huán)組成，該傳動環(huán)包括一傳動連接裝置，傳動連接傳動環(huán)與驅動源，該傳動圓環(huán)至少有一個固定工件夾的孔，工件夾固定在孔內，工件夾適宜于將工件夾持在工件夾內的一凹坑內，傳動環(huán)由一種相對耒說比較硬的材料制成，這種材料比制作工件夾的較軟的材料硬，這種較硬的材料比較軟的材料更能承受傳動環(huán)傳動時產生的力，而較軟的材料則比較硬的材料更能保護和墊襯工件夾內夾持的任何工件，防止其碎裂和產生裂縫。
這樣，本發(fā)明即將已有技術中原先效率不高的單個兩面夾頭的兩個功能分離開了，并使之能分別作有效操作。這兩個功能是(1)將動作轉送給拋光工件，以及(2)，在該工件拋光時對之加以保護。
可以而且最好在一個夾頭組件上使用幾個工件夾。工件夾可包括形狀各異的中央凹坑，以放置各種不同形狀的待拋工件。本發(fā)明的工件夾最好是可拆卸的、可調換的或可在一個夾頭組件中互換的。
可以根據具體工件的需要用最適宜的材料，以最佳形狀或尺寸制造每個工件夾。根據本發(fā)明，可以使用一組較貴的傳動環(huán)以及一些適合不同工件的較便宜的工件夾。
為了說明本發(fā)明，附圖中顯示了一種目前認為比較好的方案。然而，應該理解，本發(fā)明并不僅僅限于附圖所示的準確布局和手段。
圖1為根據本發(fā)明的一夾頭組件的一個實施方案的平面圖。
圖2為沿圖1中的夾頭組件2-2線的垂直剖面圖，其中，拋光壓磨板為部分剖視示意圖。
圖3為根據本發(fā)明的夾頭組件的第二個實施方案的平面圖。
圖4為沿圖3中的夾頭組件4-4線的垂直剖面圖，其中，拋光壓磨板為部分剖視示意圖。
圖5為根據本發(fā)明的夾頭組件的第三個實施方案的垂直剖面圖。
下面詳述各附圖，在各圖中，同樣的組件標有同樣的號碼。在圖1中，10為夾頭組件。夾頭組件10由一外圓周有齒14的傳動環(huán)12組成。齒14被繪成齒輪齒，可以是任何一種已知的齒形，例如，漸開的。如需要，也可使用針狀齒的結構。本發(fā)明的夾頭組件10可以而且最好在兩面拋光機中取代目前所用的單個夾頭組件。
在傳動圓環(huán)12中做出一個或幾個孔16，每一個孔要適合固定一個工件夾。如下所述，參閱附圖3，最好在傳動環(huán)中只做出一個孔。最好用銑或切削，而不是用壓制的方法在傳動環(huán)中加出孔16。銑或切削可使孔緣平整，從而提高工件夾的壽命。
工件夾16的位置及相互間距可以是任意的，只要各孔與傳動環(huán)之間有足夠的距離且各相鄰孔之間有足夠的間距，不致過度磨損傳動環(huán)或在各種拋光加工中在對準各孔時產生互相干擾。目前認為如圖所示的那樣，沿傳動環(huán)的中心向四周圓形散開、等距離排布這些孔比較好。最好將各孔16排成一個圓，該圓的圓周通過每個孔的中心，這樣，自傳動環(huán)12的中心至任何一有孔16的中心的距離的二倍的長度即限定出了一尺寸，該尺寸可以稱為工件夾圓的直徑。
將工件夾18、20、22、24和26塞入孔16，并由之固定。工件夾可以較松地固定在孔16中，這樣，這些工件夾及各工件夾中夾持的工件一般可由如圖2中38處所示的下拋光墊或研磨板支撐。在有些情況下，拋光加工中所用的水力及其他力可能會使工件和工件夾的位置略高于下拋光或研磨板。
與任何一種具體的傳動環(huán)一起使用的工件夾最好有統(tǒng)一的外直徑，這樣，可以拆卸并由其他工件夾替換。工件夾內加工出了一凹坑，工件或襯底28、30、32、34和36即置于其中。
工件或襯底可以是兩主要表面都要拋光的單片襯底，也可以是背對背放置在凹坑內，中間隔有或不隔有聚合薄膜或纖維紙分隔物的兩片襯底。在后一種情況下使用兩面拋光機，各襯底只有一個主要表面可得到有效的拋光。
工件夾的凹坑的形狀和尺寸可相同，如圖中工件夾18，20，22和24所示，也可以各具不同的形狀和尺寸，如圖中工件夾26所示，因此，襯底28，30，32和34的水平橫截面都是圓的，而工件36的水平橫截面則是方的。圖1中所示的各種形狀只是為了說明問題的，因為任何一個工件夾的凹坑都可定制成與工件相同的形狀。而且，盡管工件36有不同形狀以及工件夾26的凹坑也有各種不同的相應形狀，工件夾26可以跟圖1中所示其他任何一個工件夾互換。
圖1中所示的工件夾有一圓周，以對應于拋光的許多襯底的一般形狀，然而，孔16、工件夾18，20，22，24和26以及工件28，30，32，34和36也可采用其他形狀，這些形狀不必與任何給定傳動環(huán)中的形狀一致或類同。
如圖2所示，傳動環(huán)12一般是與夾頭組件有關的組件中最薄的組件。例如圖2中18所示的這些工件夾，一般比傳動環(huán)12厚，以保護在圖2中28所示的工件。一般講，工件，例如工件28，比夾頭組件中的所有其他組件厚，這樣，它們可由部分剖視圖中的上、下拋光墊或研磨板拋光，上、下拋光板或研磨板分別由號碼40和38表示。
圖3說明了根據本發(fā)明的夾頭組件110的另一個實施方案。夾頭組件110包括其圓周上有齒114的傳動環(huán)112。在傳動環(huán)112上加工了一個中心孔116。工件118即置于并固定在孔116之內。
在許多情況下，需要防止工件夾在傳動環(huán)中旋轉。防止這種旋轉的一個措施是將孔加工成非圓形的，對應的工件夾的外圓周也做成非圓形的。另一種防止旋轉的方式如圖3所示，在孔116上加工出一些突起物117，這些突起物與工件118上加工的凹口119嚙合很明顯，這些突起物和凹口也可以互換位置。
在工件夾118內加工了兩個凹坑。圖3中所示的兩個凹坑只是為了說明工件夾118內可以加工出不同尺寸和不同形狀的凹坑。工件128被固定在一個凹坑內，工件130被固定在另一個凹坑內。
圖4為沿圖3中所示的夾頭組件的4-4線的垂直剖面圖。根據對圖2和圖3的說明，該圖本身即很說明問題。它說明了各組件與上、下拋光墊或研磨板相比的相對厚度，上下拋光墊或研磨板在部分剖視示意圖中分別以號碼134和132表示。
圖5為本發(fā)明的另一個實施方案的垂直剖面圖，其中，各組件的相對厚度與以前描述的各實施方案中各組件的厚度不同，但在平面圖中看上去與圖3一樣，此地畫成剖面圖是為了說明問題。在這個實施方案中，工件夾218比傳動圓環(huán)212以及工件228和230薄。圖5中的夾頭組件可能特別適用于不同于研磨或碾磨操作的拋光操作。在拋光時，拋光墊(圖中未表示)上可形成一拋光涂層或廢砂漿以及分離的細砂和其他廢物層。把工件夾做得比傳動環(huán)和工件薄，孔216的邊緣即可刮平或磨光拋光墊，以幫助去除多余的拋光涂層或廢砂漿層。
從絕對意義上講，盡管制造傳動環(huán)和制造工件夾的材料不是關鍵性的，但根據本發(fā)明，這些材料必須具備下列重要特性。
傳動環(huán)12，112應由一堅硬、耐用的材料制成，這種材料通常為金屬，例如鋼，不銹鋼，以及任何一種型號的金屬合金，比如英康耐爾牌和莫耐爾牌的產品。所用的材料應足夠牢固和堅硬，以承受拋光操作中傳動環(huán)傳動時附帶的力，并在任何情況下，比制成工件夾的較軟的材料更能承受這種力，傳動環(huán)是由比制作工件夾的材料堅硬的材料制成的。典型的傳動環(huán)可由布氏硬度至少為75的一種金屬，例如鋼制成。傳動環(huán)不應過早磨損或在拋光操作中變脆。
工件夾應由一種比制成傳動環(huán)的材料軟的材料制成。制成工件夾的材料還應比拋光的襯底軟，這樣才不會使襯底碎裂，出現(xiàn)裂縫，表面劃傷或以其他方式使之遭到損壞。目前用于制造工件夾的較好的材料為合成聚合樹脂?？梢允褂玫臉渲?但并非沒有限制)包括聚氨基甲酸乙酯、聚脂、聚乙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、尼龍、環(huán)氧物、苯酚、密胺、丙烯酸鹽以及乙縮醇聚合物(例如杜邦公司的“達爾蘭”牌產品)。根據待墊光襯底的情況，如有需要，可用各種纖維，包括例如玻璃纖維和碳纖維加強選用的聚合物。
用于制成工件夾的材料可以非常軟和有彈性，以吸收拋光加工中由襯底邊緣傳送主孔的振動。該材料可以軟到在工作現(xiàn)場可用諸如剪切刀之類的基本工具剪切成合適的形狀和尺寸。這并不是說工件夾必須是有彈性的，盡管在一些給某些襯底拋光的加工中最好是這樣的。工件夾可以相當堅硬，以牢牢地支撐住工件，當然，這也取決于任一特定拋光加工中可能出現(xiàn)的各種情況。
對制成傳動環(huán)以及工件夾的材料的選擇取決于好幾個因素，包括待拋光襯底的類型，襯底的厚度，襯底的尺寸及其水平和截面形狀，欲安裝夾頭組件的機器的類型，使用的拋光介質的類型，拋光中產生的濕度的高低，以及其他一些該行業(yè)中具有普通技藝的人所了解的因素。
本發(fā)明的夾頭組件可使使用者享有很大的靈活性。傳動環(huán)是堅硬、耐用的，可以承受拋光研磨及碾磨操作中產生的各種力。任何已知夾頭組件中的工件夾最好是可拆卸的，可調換的或可互換的。這樣，可以對最少的物品加以最大限度的利用，并且可以在操作現(xiàn)場制作合適的工件夾耒夾持待拋光的具體的襯底。
現(xiàn)在參照下列特定的未耒可以實現(xiàn)的非限定性例子進一步對本發(fā)明加以說明。
例1本例描述了一種可在精拋光加工中固定五塊5.08厘米(2英寸)半導體圓襯底的夾頭組件。各襯底分別由其置于傳動環(huán)內各自分開的孔內的工件夾固定。夾頭組件(包括齒)的直徑為22.38厘米(8.81英寸)。加工成的孔內可放置圓直徑為17.68厘米(6.96英寸)的工件夾。孔的直徑為6.439厘米(2.535英寸)，工件夾的外直徑為6.414厘米(2.525英寸)。凹坑的直徑為5.144+/-0.013厘米(2.025+/-0.005英寸)。外圓周與各工件夾凹坑之間的距離約為0.64厘米(0.25英寸)。一般的排布在圖1中已有說明，盡管工件夾26應有一圓形凹坑，而不是方形凹坑。圖中的工件夾和凹坑均用銑削方法制成。這樣，其邊緣才會平整。然而，工件夾的凹坑也可以一個一個地分別銑削而成，以安放無數(shù)種實際直徑各異的襯底。
傳動環(huán)由28號(最大厚度為0.038厘米(0.015英寸)的304型不銹鋼制成，其傳動齒與一帶動銷傳動兩面拋光機連接，傳動環(huán)共有43個齒，其節(jié)圓直徑為21.8厘米(8.6英寸)。
工件夾由G-10級的0.038厘米(0.015英寸)厚的玻璃纖維加固氧樹脂板制成，這種材料可自數(shù)個貨源處購得。
例2本例說明了如何使用那種可以放入多邊形或不規(guī)則形狀的工件夾，例如，可放入工件夾內5.00厘米(2英寸)凹坑的砷化鎵半導體襯底。
傳動環(huán)由例1中列出的材料制成，其尺寸亦如例1所示，工件夾可由鑄模高密度聚氨基甲酸乙酯樹脂經剪切刀的恒定壓力切成。把不規(guī)則形狀的襯底放在原先沒有用銑床或其他機床加工出的凹坑的工件夾上部，然后把襯底的形狀描下耒，用剪切刀在工件夾上開出相應的凹坑。把描畫和切下的部分從工件夾上除去，即在工件夾上開出了與待拋光的襯底完全吻合的工件夾凹坑。這種匹配的操作可以在工件夾生產現(xiàn)場或實際拋光現(xiàn)場進行。
例3本例說明了一種用于研磨半導體襯底的夾頭組件。該夾頭組件的直徑為31.45厘米(12.38英寸)。傳動環(huán)有60個標準的漸開齒其節(jié)圓直徑為30.48厘米(12.00英寸)，徑節(jié)為5.傳動環(huán)由最大厚度為0.0531厘米(0.0209英寸)的25號冷軋薄鋼板制成。
在傳動環(huán)內加工一個孔以固定一個圖3中一般說明的工件夾。圖3中所示的互相聯(lián)鎖的凹槽和突起可防止工件夾相對傳動環(huán)旋轉。這樣，可以防止那種可能把工件或工件夾甩出，或抵銷傳動環(huán)的旋轉傳送到工件夾的旋轉運動。工件夾由厚度為0.053厘米(0.021英寸)的G-10級玻璃纖維加強的環(huán)氧復合薄片制成。
傳動環(huán)孔的直徑(不包括突起物)為26.759cm(10.535英寸)。工件夾外直徑為26.734厘米(10.525英寸)。與圖3中所示的工件夾不同的是，在本例所用工件夾的凹坑內固定并得到研磨的有6片7.62厘米(3英寸)圓形襯底。工件夾的凹坑的直徑約為7.684+/-0.013厘米(3.025+/-0.005英寸)。6個凹坑的中心沿直徑為17.40厘米(6.85英寸)的工件夾圓鋪開。這樣，各凹坑互相均有間距(約1.02厘米;0.4英寸)，且與工件夾的外圓周也有充足的間距(約為0.826厘米;0.325英寸)，因此，有足夠的材料夾持、支撐和固定工件、并使每一工件的研磨得以進行。
本例說明了使用那種大大簡化了大圓片的裝載的單個工件夾的有效性。這在那種典型的如研磨之類的操作中尤為重要，在此類操作中，因為襯底尚未經過許多加工，價值較低，所以不必太仔細。目前，在研磨加工中幾乎全部使用鋼夾頭，使用一種較軟的工件夾可以大大減少半導體襯底缺陷的形成。
例4本例說明了那種也可用于拋光操作的只有一個工件夾的夾頭組件。
加工一個其最大厚度為0.0452厘米(0.0178英寸)的304型26號不銹鋼傳動環(huán)，其夾頭組件的直徑為31.29厘米(12.32英寸)。傳動環(huán)包括61個漸開齒，其徑節(jié)為5。在傳動圓環(huán)內加工一個直徑為27.521厘米(10.835英寸)的與圖3中所示的工件夾相類似的工件夾。在孔內固定了一個G-10級玻璃纖維環(huán)氧復合薄片加工成的厚度為0.46厘米(0.18英寸)、直徑為27-496厘米(10.825英寸)的工件夾。
工件夾內銑出了兩個直徑各為12.637厘米(4.975英寸)的凹坑，兩個凹坑的間距為13.34厘米(5.25英寸)。各工件夾之間的最短距離為0.699厘米(0.275英寸)。
工件夾可有助于不銹鋼傳動環(huán)在拋光中保持平整的形狀。而且，當傳動環(huán)為超環(huán)面形時，因其雖然堅固但仍可活動，所以如放置和處理時不小心，傳動環(huán)可能變形，不再平整地壓在下拋光墊上，這時，可將傳動環(huán)矯直，修正任何不平整的變形。
本發(fā)明還可以其他不背離其精神或主要特征的具體方式實施，由此，在確定本發(fā)明的范圍時，應該參照后附的各條權項，而不是前述的說明書。
權利要求
1.一種用于拋光、研磨或碾磨操作的夾頭組件，由一適合于安裝后旋轉的傳動環(huán)組成，該傳動環(huán)包括將傳動環(huán)與傳動源作傳動連接的傳動連接裝置，傳動環(huán)上至少有一個固定一工件夾的孔，孔中固定有一個工件夾，工件夾適宜于件夾中加工成的凹坑內固定一工件，傳動環(huán)由比制成的工件夾的較軟的材料硬的材料制作，該相對較硬的材料可以比較軟的材料更好地承受傳動環(huán)傳動時產生的力，較軟的材料能比較硬的材料更好地保護和墊襯工件夾內夾持的任何工件，防止其碎裂和產生裂縫。
2.一種根據權項1的夾頭組件，其中工件夾以可拆卸的方式固定在孔內。
3.一種根據權項2的夾頭組件，其中傳動環(huán)上有數(shù)個孔，每個孔內固定有一個工件夾。
4.一種根據權項2的夾頭組件，其中第一個工件夾具有與孔的形狀對應的圓周的形狀，以及一個形狀對應于第一個工件的形狀的凹坑，第一個工件夾可以被其圓周形狀對應于孔的形狀，其凹坑形狀不同于第一個工件夾的凹坑形狀以對應于第二個工件的形狀的第二個工件夾調換。
5.一種根據權項4的夾頭組件，其中傳動環(huán)由金屬制成，工件夾由合成聚合樹脂制成。
6.一種根據權項5的夾頭組件，其中傳動環(huán)由包括鋼、不銹鋼和鎳合金在內的一組材料中選出的一種金屬制成，而工件夾則包括聚氨基甲酸乙酯、聚脂、聚乙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、乙縮醇、尼龍、環(huán)氧物、苯酚、密胺、丙烯酸鹽聚合物的一組材料中選出的一種合成聚合樹脂制成。
7.一種根據權項6的夾頭組件，其中合成聚合樹脂是用纖維加強的。
8.一種根據權項1的夾頭組件，其中傳動環(huán)由金屬制成，工件夾則由合成聚合樹脂制成。
9.一種根據權項1的夾頭組件，其中傳動環(huán)由包括鋼、不銹鋼和鎳合金在內的一組材料中選出的一種金屬制成，而工件則由包括聚氨基甲酸乙酯、聚脂、聚乙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、乙縮醇、尼龍、環(huán)氧物、苯酚、密胺、丙烯酸鹽聚合物的一組材料中選出的一種合成聚合樹脂制成。
10.一種根據權項9的夾頭組件，其中，合成聚合樹脂經纖維加強。
11.一種根據權項1的夾頭組件，其中，孔與工件夾的外圓周的形狀互為補充，以防止工件夾在孔內旋轉。
12.一種根據權項11的夾頭組件，其中，傳動環(huán)由金屬制成，工件夾由合成聚合樹脂制成。
13.一種根據權項12的夾頭組件，其中，傳動環(huán)由包括鋼、不銹鋼和鎳合金在內的一組材料中選出的一種金屬制成，而工件則由包括聚氨基甲酸乙酯、聚脂、聚乙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、乙縮醇、尼龍、環(huán)氧物、苯酚、密胺、丙烯酸鹽聚合物的一組材料中選出的一種合成聚合樹脂制成。
14.一種根據權項13的夾頭組件，其中，合成聚合樹脂經纖維加強。
15.一種根據權項1的夾頭組件，其中，傳動環(huán)連接裝置由沿傳動環(huán)外圓周加工成的傳動齒組成。
16.一種根據權項1的夾頭組件，其中，工件夾比工件薄，比傳動環(huán)厚。
17.一種根據權項1的夾頭組件，其中，工件夾比工件和傳動環(huán)都薄。
專利摘要
本發(fā)明涉及一種由一用硬材料組成的傳動環(huán)的夾頭組件，該傳動環(huán)上至少加工了一個用于固定最好是可拆卸的用比制作傳動環(huán)的材料軟的材料制成的工件夾的孔。工件夾上有一個夾持和固定工件的凹坑。工件夾的較軟的材料保護和墊襯工件，而用硬材料制成的傳動環(huán)則可承受拋光、研磨和碾磨操作中產生的力。
文檔編號B24B7/17GK85105523SQ85105523
公開日1986年7月2日 申請日期1985年7月10日
發(fā)明者威廉·D·巴丁格, 米歇爾·D·卡貝利 申請人:羅德爾股份有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan