CN1162253C - 研磨方法和设备及该方法和设备所使用的研磨用载体 - Google Patents

Abstract

在使研磨用载体于上定盘和下定盘之间自转和公转从而研磨保持在工件保持孔内的工件的里外两面的研磨方法中，能使工件和上下定盘的接触抵抗力不过大，特别是就对超薄形的晶片等的工件也能进行不产生任何破碎或有碎屑、破损等的研磨加工。当研磨用载体在上下定盘间自转、公转时，仅使工件保持孔的一个角部按预定距离出入上下定盘的内外边缘，而且，所述角部从内外边缘出来再进入的研磨用载体的旋转角度会变小。

Description

研磨方法和设备及该方法和设备所使用的研磨用载体

本发明涉及研磨加工技术，这种技术一般包括研磨加工以及随后进行抛光等的最后加工，具体地说，本发明涉及用于对薄板状工件表面进行研磨加工的研磨方法和研磨设备以及它们所使用的研磨用载体。

近年来，伴随着各种电子装置的高性能化和小型化，供电子装置使用的石英晶片、半导体晶片、液晶板基片等薄板材料急剧地变薄，而且需要高精度的表面研磨技术。特别是在信息通信装置中，为了提高用作时钟源的石英振荡器的振动频率，石英晶体振动器进一步变薄。以往，为了对这种薄板材料进行研磨加工，例如如特开平10-180623号公报所述那样，一般使用平面研磨盘等研磨设备。

如图9和图10概略所示，这种现有技术研磨设备配备有配置成能绕中心旋转的太阳齿轮1、配置成与该太阳齿轮同心的环状内齿齿轮2、上定盘3以及下定盘4。在太阳齿轮1与内齿齿轮2之间按与它们相啮合且能自转和公转的方式沿圆周方向等间隔地配置有多个具有外齿5a的圆盘状研磨用载体5。在对石英晶片、半导体晶片、液晶板基片等薄板状工件进行研磨加工的情况下，一般使用对碳工具钢等作压延加工而成的薄研磨用载体。如图11所示，在研磨用载体5中，沿圆周方向等间隔地形成有多个工件保持孔6，这些保持孔由与工件互补的、大致为矩形的开口构成，所述保持孔中保持有各个工件7。

使太阳齿轮1和/或内齿齿轮2旋转，使研磨用载体5作行星运动，以便上定盘和下定盘的各研磨面能分别在整个表面上均匀地减少，同时，将含有氧化铝或其它陶瓷粒等颗粒的浆液8提供到上定盘与下定盘之间，从而在上下定盘之间对工件7的上下两面进行研磨加工。此外，在这种情况下，通过使上定盘或下定盘的至少一个旋转，能使工件作复杂的运动而进行研磨加工。当工件7仅在上定盘3及下定盘4的研磨面内侧滑动时，各研磨面的内外边缘部上有不与工件完全滑动接触的部分，会产生微小的阶梯，从而会妨碍研磨加工。为此，在研磨用载体5作行星运动时，通过使工件保持孔6的一部分出入上下定盘的各边缘部，可使工件表面在上定盘1和下定盘2的各研磨面的整个表面上均匀的地滑动，以便均匀地磨削各研磨面的整个表面。

但是，以往研磨用载体一般为矩形的工件保持孔配置成如图11和图12所示那样正对着研磨用载体的中心C1，也就是说，该保持孔的一方相对向的两个边与半径方向上的直线L相正交，所述直线从研磨用载体的中心C1经过工件保持孔的中心C2，而另一方的相对向的两个边则设置成与直线L相平行。为此，由于工件保持孔6的相邻的两个角部6a、6b可连续地出入上下定盘的内外边缘，所以，工件7在这时与上下定盘的接触阻力会变大或者会产生碎屑，并且，会从工件保持孔中飞出而破损，而且其碎片还会使其它工件损坏或破损而产生重大事故。

而且，本发明人所作的详细研究发现，工件保持孔的各边的方向即图12中半径方向上的直线与其相交叉的边之间的角度θ和这种工件破损有很大关系。

图13中，在工件保持孔的先行角部6a从上下定盘的外边缘3a、4a外出来时，将工件保持孔6的先行于上述角部的侧边S1的延长线es1与角部6a位置处的外边缘3a、4a的切线to1构成的角度称为出角度αout。而且，在角部6a进入外边缘3a、4a时，角度6a位置的外边缘3a、4a的切线to2与工件保持孔的边S1的延长线es1构成的角度称为入角度αin。出角度αout与入角度αin之差称为出入角度差Δα，该角度差是工件保持孔的角度从上下定盘外边缘外出和入内时工件保持孔6的旋转(自转)角度。

同样，就上下定盘的内边缘3b、4b而言，如图14所示，在工件保持孔的先行角部6a从上下定盘的上述内边缘外出时，同样先行于工件保持孔6的上述角部的侧边S1的延长线es1与角部6a位置处的内边缘的切线ti1构成的角度称为出角度βout。而且，在角部6a进入内边缘3b、4b时，角度6a位置的内边缘的切线ti2与工件保持孔的边S1的延长线es1构成的角度称为入角度βin。出角度βout与入角度βin之差称为出入角度差Δβ，该角度差同样是工件保持孔的角度从上下定盘内边缘外出和入内时的工件保持孔6的旋转角度。

实际上，在角度θ＝90°时求出上述各个出入角度，就外边缘而言，αout＝约119°且αin＝约93°，就内边缘而言，βout＝约127°且βin n＝约85°。因此，内外边缘中的出入角度差有分别为Δα＝约25.5°、Δβ＝约41.7°这样较大的差值，由此，可看出工件和上定盘及下定盘之间的接触阻力会变大。

因此，本发明的目的是提供研磨方法和研磨设备以及供它们使用的研磨用载体，它们能消除上述先有问题、不使工件与上下定盘的接触阻力变得过大、特别是就石英振动器等所要求的超薄片而言，也能进行不会产生破碎和碎屑、破损等问题的研磨加工。

依照本发明，提供了一种研磨方法，在该方法中，将工件保持在研磨用载体的矩形工件保持孔内，使所述研磨用载体在上定盘与下定盘之间自转和公转，从而通过上述上定盘和下定盘来研磨工件的里外两面，所述方法的特征在于，在上述研磨用载体自转和公转时，仅有所述工件保持孔的一个角部可进出上述上定盘和下定盘的内外边缘。

这样，通过使研磨用载体在上定盘和下定盘之间自转和公转，可使得工件保持孔的角部从上下定盘内外边缘出来以后到再进入的出入角度差即工件保持孔的旋转角度变小。从而，会在工件出入上下定盘内外边缘时使与上下定盘的接触阻力变小，而且，能有效地防止工件出现破碎和出现碎屑、因从工件保持孔中飞出而破损以及工件的碎片对其它工件的损伤。

在另一个实施例中，工件保持孔的角部可从上定盘和下定盘的内外边缘沿半径方向突出最大1mm，从而当特别用于高频石英振动器的极薄工件时，也可以进行没有任何问题的研磨。

依照本发明的又一个方面，提供了一种研磨用载体，该载体具有用于保持工件的矩形工件保持孔，并能在上定盘与下定盘之间自转和公转，从而能通过上定盘和下定盘研磨所述工件的里外两面，所述研磨用载体的特征在于，上述工件保持孔是这样形成的：在研磨载体自转和公转时，仅有该保持孔的一个角部能出入所述上定盘和下定盘的内外边缘。

由此，可使得上述工件保持孔的角部从上下定盘内外边缘出来以后到再进入的出入角度差即工件保持孔的旋转角度变小，而且，由于在工件出入上下定盘内外边缘时使与上下定盘的接触抵抗力变小，所以，能有效地防止工件出现破碎和出现碎屑、因从工件保持孔中飞出而破损以及工件的碎片对其它工件的损伤。

在又一个实施例中，工件保持孔是这样形成的：其角部可从上定盘和下定盘的内外边缘沿半径方向突出最大1mm，从而当特别用于高频石英振动器的极薄工件时，可以进行没有任何问题的研磨，因而是最佳的。

依照再一个实施例，所述工件保持孔是这样形成的：通过上述工件保持孔中心的半径方向上的直线与工件保持孔的和出入上下定盘内外边缘的角部相邻的那一边按除90°之外的预定角度相交叉，而且，在研磨用载体的自转和公转时，只有一个角部能出入上定盘和下定盘的内外边缘，因而是最佳的。

所说的预定角度在最小角度与最大角度的范围内，所述最小角度取决于前述工件保持孔的与出入上下定盘内外边缘的角部相邻并相接续的那一边的长度，而所述最大角度则取决于前述工件保持孔的与前述角部相邻并先行于该角部的那一边的长度，从而，研磨用载体的尺寸和工件保持孔的尺寸及个数不受限制，而且，即在使对研磨设备的上下定盘有所变更的情况下，也可以通常最佳且简单地设计出研磨用载体，能大幅度地减少工序和加工量。

在这种情况下，还可考虑上述上定盘和下定盘在半径方向上的宽度而决定最小角度和最大角度，可以容易更高精度地设计出所期望的研磨用载体。

具体地说，所述预定角度在100°-135°的范围内时，就供象通常石英晶片那样的极薄工件使用的宽度为45-120mm的上下定盘而言，工件保持孔的角部出入所述内外边缘的距离最好可在1mm以下。

依照本发明的另一个方面，提供了一种研磨方法，其特征在于，将工件保持在本发明上述研磨用载体的矩形工件保持孔内，使所述研磨用载体在上定盘和下定盘之间自转和公转，从而通过上定盘和下定盘来研磨工件的里外两面。

再有，依照本发明的再一个方面，提供了一种研磨设备，其特征在于，该设备配备有上定盘和下定盘和本发明的上述研磨用载体，将工件保持在研磨用载体的工件保持孔内，使所述研磨用载体在上定盘和下定盘之间自转和公转，从而通过上定盘和下定盘来研磨所述工件的里外两面。

图1概略示出了本发明研磨设备结构的平面图；

图2示出了本发明研磨用载体的实施例的平面图；

图3示出了研磨用载体的工件保持孔的角部从上下定盘的外边缘出来的状态的局部放大图；

图4示出了研磨用载体的工件保持孔的角部出入上下定盘的外边缘时的位置关系的平面图；

图5示出了研磨用载体的工件保持孔的角部出入上下定盘的内边缘时的位置关系的平面图；

图6A示出了与定盘宽度W有关的上下定盘外边缘中的出入角度差Δα的变化的曲线图；图6B是示出了与定盘宽度W有关的上下定盘内边缘中的出入角度差Δβ的变化的曲线图；

图7示出了在工件保持孔的前接边边长X一定且后接边边长Y有变化时的工件保持孔的最小倾斜角度θmin的变化的曲线图；

图8示出了在工件保持孔的后接边边长Y一定且前接边边长X有变化时的工件保持孔的最大倾斜角度θmax的变化的曲线图；

图9概略地示出了先有研磨设备结构的剖面图；

图10是图9的研磨设备的概略平面图；

图11示出了先有研磨用载体的平面图；

图12示出了先有研磨用载体的工件保持孔的角部出入上下定盘的内边缘时的位置关系的平面图：

图13示出了就先有研磨用载体而言的上下定盘的外边缘中的工件保持孔的出入角度差的平面图；

图14示出了就先有研磨用载体而言的上下定盘的内边缘中的工件保持孔的出入角度差的平面图。

符号说明

1   太阳齿轮

2   内齿齿轮

3   上定盘

3a  外边缘

3b  内边缘

4   下定盘

4a  外边缘

4b  内边缘

5   研磨用载体

5a  外齿

6   工件保持孔

6a、6b角部

7   工件

8   浆液

10  研磨用载体

10a 外齿

11  工件保持孔

11a 角部

以下根据附图详细说明本发明的最佳实施例。

图1概略地示出了应用了本发明的研磨设备的结构。本发明的研磨设备和以往的设备一样配备有配置成能绕中心旋转的太阳齿轮1、配置成与该太阳齿轮同心的环状内齿齿轮2、上定盘3以及下定盘4。在上定盘与下定盘4之间，以太阳齿轮为中心的圆周方向上等间隔地将本发明的多个研磨用载体10配置成使设置在各外边缘部上外齿10a啮合于太阳齿轮1和内齿齿轮2并作行星运动。

如图2所示，本实施例的研磨用载体10与先有研磨用载体一样，呈对碳工具钢等板材作压延加工而形成的薄圆盘状，并等角间隔地设置有用于保持工件的多个矩形工件保持孔11。工件保持孔11的各个角部形成为圆形，以便预防在制造或使用时产生龟裂等。将石英晶片等工件(末示出)保持在工件保持孔11内，将研磨材料提供给上下定盘3、4，从而，太阳齿轮和内齿轮中的一个或两个可沿箭头A、B方向旋转，而研磨用载体10则则沿箭头C的方向自转并沿箭头D的方向公转，由此，可研磨工件的两面。再有，在上定盘3及下定盘4中的一个或两个沿任一方向旋转时，可使上下定盘和工件作更复杂的相对运动，从而对它们作研磨加工。

本发明的研磨用载体设置成相对上述先有正对着的位置倾斜，从而，各工作保持孔能因研磨用载体的自转而仅使工件保持孔外边缘侧的一个角部按预定的距离出入上下定盘的内外边缘。具体地说，就图3而言，从研磨用载体10的中心C1经过工件保持孔11的中心C2的半径方向上的直线L1和工件保持孔11的与该直线相交叉且与能出入上下定盘3、4的外边缘3a、4a的角部11a相邻的那条边s1以除90°之外的预定倾斜角度θ(θ＞90°)交叉。

如图3所示，工件保持孔11的角部11a出入上下定盘外边缘3a、4a的距离d在从研磨用载体10的中心C1经过角部11a的半径方向的直线L2与所述载体的齿距圆P0相交叉的点M位于内齿齿轮2的齿距圆P1上时为最大。这一最大距离dmax是本发明人反复进行多种试验而得到的结果，特别是就供石英振动器使用的薄片等极薄工件而言，如果最大距离dmax在1mm以下，能完全防止工件出现破碎和碎屑以及其它破损。而且，出入上定盘3和下定盘的内边缘的角部11a的距离与出入外边缘的距离d相同，从而可同样地设定它们的最大距离。

而且，工件保持孔的角部从上下定盘内外边缘出来以后到再进入的出入角度差即工件保持孔的旋转角度会影响工件和上下定盘的接触抵抗力，因此，如上所述，出入角度差与工件保持孔的倾斜角度θ有一定关系。所以，本发明人对工件保持孔的倾斜角度θ进行了研究，得到了下述结果。

首先，就如图1所示的上下定盘的外周半径R＝191.25mm、定盘宽度(上下定盘的外周半径和内周半径的尺寸差)W＝120mm的研磨设备而言，在使用如图2所示按倾斜角度θ＝120°来设定尺寸为X＝33.8m×Y＝31.7mm的工件保持孔11的研磨用载体的情况下，研究了工件保持孔11的旋转角度。在这里，X是工件保持孔11的与角部11a相邻、且前接的那条长边S1的长度，Y是后接的短边S2的长度。

图4中，在工件保持孔的角部11a从上下定盘的外边缘3a、4a外出时，由比工件保持孔11的上述角部前接的侧边S1的延长线ES1和角部11a位置处的外边缘的切线To1所构成的角度称为出角度αout，该角度约为152°。而且，在角部11a进入外边缘3a、4b时，该角部11a位置处的外边缘3a、4a的切线To2和工件保持孔的边S1的延长线ES1构成的角度称为入角度αin，该角度约为135°。因此，出角度αout与入角度αin的出入角度差Δα即在上下定盘的外边缘，角部11a外出到入内的工件保持孔11的旋转角度约17°。

此外，就上下定盘的内边缘3b、4b而言，在图5中，当工件保持孔的角部11a从前述内边缘外出时，此工件保持孔11的上述角部前接的那条侧边S1的延长线ES1和角部11a位置处的内边缘切线Ti1构成的角度称为出角度βout，该角度约为158°。而且，在角部11a进入内边缘3b、4b时，角部11a位置处的内边缘3b、4b的切线Ti2和工件保持孔的边S1的延长线ES1构成的角度称为入角度βin，该角度约为129°。因此，出角度βout和入角度βin的出入角度差Δβ，即在上下定盘的内边缘处，角部11a外出再入内的工件保持孔11的旋转角度约为29°

由此，在工件保持孔11的倾斜角度θ为120°的情况下，上下定盘的内外边缘处的出入角度差Δα、Δβ分别为约17°、29°，与先有倾斜角度θ＝90°情况下的出入角度差Δα＝约26°、Δβ＝约42°相比有大幅度的减少。因此，工件和上定盘3及下定盘4的接触阻力变小，能够防止工件破碎和出现碎屑以及因从工件保持孔中飞出而破损等。

另外，倾斜角度θ可有多种变化，就各种情况测出内外边缘中的出角度αout、βout和入角度αin、βin，并计算出Δα、Δβ。其中，将倾斜角度θ＝100°、110°、135°情况下的结果与上述θ＝120°的情况和为作比较的θ＝90°的情况一并示于表1。

θ°	90	100	110	120	135
						定盘外边缘：αout	119	166	159	152	143
定盘外边缘：αin	93	148	141	135	126
						出入角度差Δα	26	18	18	17	17
定盘内边缘：βout	127	172	165	158	148
						定盘内边缘：βin	85	142	136	129	120
出入角度差Δβ	42	29	29	29	28

从表1中可以看出，就定盘宽度W＝120mm而言，与先有θ＝90°的情况相比，工件保持孔的倾斜角度θ为100°-135°的情况下出入角度差Δα、Δβ变小，为此，工件和上下定盘的接触抵抗力变小，从而是最佳的角度范围。具体地说，θ＝120°-135°时更佳。而且，从实际的测定结果来看，在倾斜角度θ超过135°时，出入角度差Δα、Δβ反而急剧增大，这是不希望有的。

其次，在通常常用的外径为200mm-650mm的定盘中，在所使用的研磨用载体的工件保持孔的尺寸、形状确定且研磨用载体的外径即上下定盘的宽度W有所变化的情况下，仅使一个工件保持孔的角部出入上下定盘的内外边缘，求出所需的工件保持孔倾斜角度θ，还计算出这时内外边缘中的出入角度差Δα、Δβ。在图2的研磨用载体10中工件保持孔为34×30mm的矩形、定盘宽度W在47.5-200mm间变化时，可得到图6A和B中示出的结果。从这些图中可以看出，一般来说，出入角度差Δα、Δβ随定盘宽度W变大而变小。

还有，就定盘宽度W＝120mm、87.5mm而言，使各个工件保持孔的倾斜角度θ变化，求出上下定盘的外边缘中的出入角度差Δα，得到了下表2所示的结果。

         表2

    定盘宽度W＝120mm

θ°	出入角度差Δα
		90	25.5
100	17.9
		110	17.4
120	17.2
		135	17.7

    定盘宽度W＝87.5mm

θ°	出入角度差Δα
		90	37.0
100	21.7
		110	21.3
120	21.3
		135	21.6

从表2中可以看出，在定盘宽度W＝87.5mm时，与定盘宽度W＝120mm的情况相同，倾斜角度θ＝100°-135°时的出入角度差Δα比先有θ＝90°的情况小。

而且，就有同样定盘宽度的上下定盘而言，研究了供定盘使用的研磨用载体的工件保持孔的尺寸X×Ymm以及仅使该工件保持孔的一个角部进行出入所需的最小和最大倾斜角度θmin、θmax之间的关系。在这里，定盘宽度W＝45mm，X为工件保持孔的前接于出入上下定盘外边缘的角部的那条边的边长，Y为工件保持孔的后接所述角部的那条边的边长。

图7示出了X定为20mm且Y在10-30mm之间变化时工件保持孔的最小倾斜角度θmin的变化。从图中可以看出，最小倾斜角度θmin随Y变小而变小，并可变成接近基本上恒定的最小值。与此相反，在Y定为15mm且X在20-35mm之间变化时，工件保持孔的最小倾斜角度θmin基本上是恒定的，没有实质性的变化。

图8示出了X定为15mm且Y在15-35mm之间变化时工件保持孔的最大倾斜角度θmax的变化。从图中可以看出，最大倾斜角度θmax随X变小而变大，并可变成接近基本上恒定的最大值。与此相反，在X定为20mm且Y在25-35mm之间变化时，工件保持孔的最大倾斜角度θmax基本上是恒定的，没有实质性的变化。

从以上结果中看出，仅使该工件保持孔的一个角部进行出入所需的最小倾斜角度θmin取决于上下定盘的定盘宽度W和工件保持孔的后接于出入定盘内外边缘的角部的那条边的长度Y，相反，最大倾斜角度θmax则取决于上下定盘的定盘宽度W和工件保持孔的前接于出入定盘内外边缘的角部的那条边的长度X。因此，在就给定尺寸的研磨用载体设计工件保持孔时，可将其倾斜角度在最佳范围内设定成对应于上下定盘的定盘宽度和工件尺寸，从而能减少研磨用载体和研磨设备的设计工序。而且，在上下定盘和研磨用载体的尺寸、工件保持孔的大小或数量等设计条件有变化的情况下也能容易且简单地进行设计变更。

以上详细地说明了本发明的最佳实施例，但是，本发明并不限于上述实施例，而是可在其技术范围内增加和实施多种变化和变更形式。例如，除矩形之外的多种多角形工件保持孔也同样适用。而且，在研磨用载体上设置有多个工件保持孔的情况下，就半径方向上的最外侧工件保持孔而言，可以仅使其一个角部如上所述那样出入上下定盘的内外边缘。

发明效果

依照本发明的研磨方法，当研磨用载体在上定盘和下定盘之间自转和公转时，工件保持孔的角部从上下定盘的内外边缘出来后再进入的出入角度差即工件保持孔的旋转角度会变小，所以，在进行上述出入时，工件和上下定盘的接触抵抗力会变小，能有效地防止工件破碎和碎屑的出现、因从工件保持孔中飞出而破损及其碎片对其它工件的损伤，由此，可提高制造成品率、降低制造成本。

而且，依照本发明研磨用载体及使用该载体的研磨设备，能很容易地实现上述本发明研磨方法，同时能提供与多种上下定盘及工件保持孔的尺寸等设计条件或它们的变化形式相对应的最佳研磨用载体，所以，可减少设计工序和劳动量，提高生产率。

Claims (4)

1.一种研磨方法，在该研磨方法中使用一种研磨用载体，该研磨用载体具有用于保持工件的矩形工件保持孔，并能在上定盘与下定盘之间进行自转和公转，在该方法中，将工件保持在该研磨用载体的该矩形工件保持孔内，使该研磨用载体在上定盘与下定盘之间进行自转和公转，通过该上定盘与下定盘研磨该工件的里外两面，其特征在于，在上述研磨用载体进行自转和公转时，仅使该工件保持孔的一个角部从该上定盘和下定盘的内外边缘进出，该角部相对该上定盘和下定盘的内外边缘沿半径方向最多突出1mm，通过该工件保持孔中心的半径方向上的直线与该工件保持孔的和该角部相邻的那一边构成的角度在100°～135°的范围内。

2.如权利要求1所述的研磨方法，其特征在于，所述工件为石英振动片。

3.一种研磨用载体，该载体具有用于保持工件的矩形状工件保持孔，并能在上定盘与下定盘之间自转和公转，从而能通过所述上定盘和下定盘研磨所述工件的里外两面，所述研磨用载体的特征在于，在所说的自转和公转时，上述工件保持孔是这样形成的：仅使该保持孔的一个角落可从所述上定盘和下定盘的内外边缘进出，该角部相对该上定盘和下定盘的内外边缘沿半径方向最多突出1mm，通过该工件保持孔中心的半径方向上的直线与该工件保持孔的和该角部相邻的那一边构成的角度在100°～135°的范围内。

4.一种研磨设备，包括太阳齿轮、内齿轮、上定盘、下定盘和载体，所述载体具有用于保持工件的矩形工件保持孔，并能在上定盘与下定盘之间进行自转和公转，通过该上定盘与下定盘研磨该工件的里外两面，其特征在于，所述上定盘、下定盘、载体和工件保持孔被配置成使得在上述研磨用载体进行自转和公转时，仅使该工件保持孔的一个角部从该上定盘和下定盘的内外边缘进出，该角部相对该上定盘和下定盘的内外边缘沿半径方向最多突出1mm，通过该工件保持孔中心的半径方向上的直线与该工件保持孔的和该角部相邻的那一边构成的角度在100°～135°的范围内。

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