DE10159848A1

DE10159848A1 - Vorrichtung und Verfahren zur beidseitigen Bearbeitung von Werkstücken

Info

Publication number: DE10159848A1
Application number: DE2001159848
Authority: DE
Inventors: Guido Wenski; Johannes Staudhammer; Wolfgang Winkler
Original assignee: Wacker Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 2001-12-06
Filing date: 2001-12-06
Publication date: 2003-06-26
Anticipated expiration: 2021-12-07
Also published as: DE10159848B4

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur beidseitigen Bearbeitung eines Werkstückes, bestehend aus DOLLAR A (a) einer oberen und einer unteren Arbeitsscheibe, wobei mindestens eine Arbeitsscheibe in Rotation versetzt werden kann, DOLLAR A (b) einem inneren und einem äußeren Stiftkranz, wobei mindestens ein Stiftkranz in Rotation versetzt werden kann und die Stifte mindestens eines Stiftkranzes mit Hülsen bedeckt sind, DOLLAR A (c) einer oder mehreren Läuferscheiben mit einer oder mehreren Aussparungen zur Aufnahme von Werkstücken und einer umlaufenden Verzahnung zum Antrieb durch einen Stiftkranz, wobei sich die Läuferscheiben zwischen der oberen und der unteren Arbeitsscheibe befinden, und DOLLAR A (d) Aussparungen in der oberen Arbeitsscheibe, welche eine kontinuierliche Zuführung von Flüssigkeiten oder Suspensionen zu den Werkstücken während der Bearbeitung ermöglichen, das sich dadurch auszeichnet, dass sich das Material der Läuferscheibenverzahnung und der Hülsen im Bereich des Eingriffs in ihrer Härte um gleich oder kleiner 20%, bezogen auf den höheren Wert, unterscheiden. DOLLAR A Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum gleichzeitig beidseitigen Bearbeiten von Werkstücken, wobei eine derartige Vorrichtung zum Einsatz kommt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur gleichzeitig beidseitigen Material abtragenden Bearbeitung von Werkstücken unter Verwendung eines Planetargetriebes mit verbesserten Stiftverzahnung.

Verfahren zur beidseitigen Material abtragenden Bearbeitung kommen in verschiedenen industriellen Zweigen zum Einsatz, um gegenüberliegende Oberflächen von flächigen Werkstücken einzuebnen und/oder zu glätten. Beispielsweise werden Bleche und Formteile aus Metall, Artikel aus Stein oder Keramik sowie Platten und Scheiben aus Glas und einer Fülle anderer Materialien vor ihrem Einsatz beidseitig bearbeitet. Dabei wird aus Kostengründen oder auf Grund der Abmessungen der Werkstücke vielfach sequenziell vorgegangen, das heißt es wird zunächst eine Oberfläche und in einem zweiten Bearbeitungsschritt die gegenüberliegende Oberfläche bearbeitet.

Eine besondere Form der beidseitigen Material abtragenden Bearbeitung von flächigen Werkstücken ist die gleichzeitig beidseitige Bearbeitung zwischen zwei Arbeitsscheiben oder -zylindern in einem Arbeitsschritt. Durch diese Vorgehensweise wird insbesondere eine hohe Planparallelität erzeugt, die beispielsweise bei der industriellen Fertigung von Präzisionsteilen im Maschinenbau, optischen Gläsern, Informationsspeicherscheiben ("disk") oder Halbleiterscheiben als Trägermaterial für die Herstellung von integrierten elektronischen Bauelementen ("wafer") von hoher Bedeutung ist.

Bei der Material abtragenden Bearbeitung von Werkstücken lassen sich je nach Art der Bereitstellung der Abrasivkomponente, die einen beispielsweise spanenden, duktilen oder polierenden Materialabtrag verursacht, prinzipiell verschiedene Verfahren unterscheiden. Beim Läppen werden die Werkstücke zwischen rotierenden Arbeitsscheiben meist aus Metall, beispielsweise Gusseisen, unter kontinuierlicher Zuführung einer Abrasivstoffe enthaltenden Flüssigkeit, also einer Suspension, planarisiert, wobei sich die Arbeitsscheiben geringfügig abnutzen. Schleifverfahren unterscheiden sich vom Läppen dadurch, dass die Abrasivstoffe in einer Matrix gebunden sind und beispielsweise in Form von sich abnutzenden Pellets oder Belägen auf die Werkstücke abtragend einwirken, wobei in der Regel eine Flüssigkeit zwecks Kühlung und Wegspülen der Nebenprodukte kontinuierlich zugeführt wird. Ein abtragendes Verfahren mit Merkmalen sowohl des Läppens als auch des Schleifens stellt das Honen dar, bei dem die sich allmählich abnutzenden Arbeitsscheiben über in eine meist metallische Matrix eingebettete Abrasivstoffe verfügen. Beispielse für Abrasivstoffe sind Diamant, Siliciumcarbid, Bornitrid und Aluminiumoxid.

Beim Polieren wird ähnlich dem Läppen eine Abrasivstoffe oder Kolloide enthaltende Flüssigkeit kontinuierlich zugeführt, wobei die Arbeitsscheiben in diesem Falle mit Poliertuch belegt sind, was die Bereitstellung von Oberflächen mit im Vergleich mit geläppten oder geschliffenen Oberflächen niedrigeren Rauigkeiten erlaubt. Ein Spezialfall der Politur ist die chemisch- mechanische Politur beispielsweise von Halbleiterscheiben aus Silicium mit einem alkalischen, SiO₂-Kolloide oder Kolloide weiterer oder Halbmetall- oder Metalloxide, wie CeO₂, enthaltenden Poliermittel, bei dem der mechanische Materialabtrag durch eine sukzessive Auflösung des amphoteren Siliciums ergänzt wird, was zu einer besonders schonenden Werkstückbehandlung unter Bereitstellung extrem glatter Oberflächen führt.

Anlagen und Verfahren zur gleichzeitig beidseitigen flächigen Bearbeitung von Werkstücken mit den genannten Verfahren sind bekannt. Ein Verfahren beispielsweise gemäß der US 5,700,179 und der JP 09 174 429 A basiert darauf, dass Zylinder auf die Werkstücke einwirken, die beim Schleifen und beim Polieren mit Schleifkörpern beziehungsweise Poliertuch belegt sind. Verfahren, bei denen etwa durch Halterungen fixierte und durch Rollen bewegte Werkstücke zwischen zwei planaren parallelen Arbeitsscheiben bearbeitet werden, die kleiner als die Werkstücke sind, sind beispielsweise in der DE 197 55 705 A1, der JP 11 207 579 A und der US 6,165,054 offenbart.

Darüber hinaus kennt der Stand der Technik Verfahren, bei denen die in Läuferscheiben mit geeignet dimensionierte Aussparungen geführten Werkstücke zwischen zwei planaren parallelen Arbeitsscheiben bearbeitet werden, die größer als die Werkstücke sind. Dabei kann sich eine einzige Läuferscheibe ("carrier") im Zentrum der Bearbeitungsanlage befinden und neben Rotations- auch Lateralbewegungen ausführen; in der englischen Fachsprache ist dieses Verfahren als "circular orbit movement" bekannt geworden und beispielsweise in der US 6,080,048 beansprucht. Es besteht aber auch die Möglichkeit, meist mehrere Läuferscheiben auf einer Planetenbahn rotierend um das Anlagenzentrum zu bewegen. Dieses Verfahren ("planetary movement") und dafür geeignete Bearbeitungsanlagen mit Planetarkinematik sind beispielsweise in der DE 37 30 795 A1, der DE 199 37 784 A1 und der DE 100 07 390 A1 beschrieben.

Letztgenannte Vorrichtungen mit Planetargetrieben, bestehend aus einer oberen und einer unteren Arbeitsscheibe zur Erzeugung des Materialabtrags, einem inneren und einem äußeren Antriebskranz für die Läuferscheiben sowie den zwischen den Arbeitsscheiben bewegten, mit Werkstücken belegten Läuferscheiben, und darauf ausgeführte Material abtragende Verfahren haben den Vorteil, dass die Einstellung einer hohen Planparallelität der Werkstücke mit einem hohen Anlagendurchsatz einhergeht, womit diese Vorgehensweise in der Praxis anderen Verfahren aus Qualitäts- und Kostengründen vielfach überlegen ist. Der Antrieb der Läuferscheiben erfolgt dabei entweder durch eine Evolventenverzahnung ("involute gearing"), bei welcher Läuferscheibenverzahnung und äußerer sowie innerer Antriebszahnkranz in Eingriff treten, oder durch eine Triebstock-Stiftverzahnung ("pin gearing"), wobei die Läuferscheibe von in der Regel halbkreisförmigen Aussparungen umfasst ist, in die zu Antriebs-Stiftkränzen gehörende Stifte des äußeren und inneren Antriebskranzes eingreifen.

Wegen der vielfach mangelhaften Belastbarkeit von Läuferscheiben aus Kunststoff oder Keramik haben sich Stähle als Material von Läuferscheiben-Grundkörpern durchgesetzt. Ein beidseitig angreifendes Polierverfahren für Halbleiterscheiben ist beispielsweise in der DE 199 05 737 C2 beansprucht, das sich dadurch auszeichnet, dass die Dicke der fertig polierten Halbleiterscheiben um 2 bis 20 µm größer ist als die Dicke der eingesetzten Läuferscheiben. Für die Anwendung dieses Verfahren im großtechnischen Maßstab geeignete Läuferscheiben, die sehr eben und wellenfrei sind und bevorzugt aus Edelstahl in entspanntem gehärteten Zustand bestehen, sind in der DE-100 23 002 A1 beschrieben.

Geeignete Stähle und Verfahren zur gezielten Einstellung der Eigenschaften von Stählen wie Härte und Spannungsarmut sind dem Fachmann bekannt und beispielsweise in "Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie", Verlag Chemie, Weinheim 1982, Band 22, ISBN 3-527-20022-3, Seiten 26 bis 36; "Werkstoffkunde Stahl, Band 2: Anwendung", Springer-Verlag, Berlin 1985, ISBN 3-540- 13084-5, Seiten 167 bis 176 sowie "Nichtrostende Stähle", Verlag Stahleisen, Düsseldorf 1989, ISBN 3-514-00333-5, Seiten 23 bis 38 und Seiten 310 bis 311 zusammengefasst.

In Abhängigkeit der Anlagengröße und der auftretenden Kräfte wird eine Stiftverzahnung beispielsweise gemäß der DE 195 47 086 C1 mit frei rotierbaren und bei Verschleiß leicht auswechselbaren Hülsen auf den Stiften heute in vielen Fällen bevorzugt. Ein weiterer Grund ist, dass durch die gegenüber der sägezahnartigen Evolventenverzahnung optimierte Kraftübertragung zwischen halbkreisförmiger Aussparung der Läuferscheibenverzahnung und Antriebsstiften eine vibrationsärmere Fahrweise ermöglicht wird. Die für die jeweilige Anwendung geforderte Suspension oder Flüssigkeit kann während der Bearbeitung der Werkstücke zwischen den beiden Arbeitsscheiben unter Arbeitsdruck kontinuierlich aus einer ruhenden Zuführung in der Zentralachse der Anlage auf einen offenen, an der oberen Arbeitsscheibe befestigten und sich daher drehenden Ringkanal, aus dem es mittels Schläuchen oder Rohren durch Bohrungen in der Arbeitsscheibe zu den zu bearbeitenden Werkstücken geleitet wird, fließen.

Bei der gleichzeitig beidseitigen Bearbeitung von Werkstücken auf Anlagen mit Planetarkinematik treten die höchsten mechanischen Punktbelastungen an den Eingriffsstellen der Stirnflächen von relativ dünnen und daher teilweise gehärteten Läuferscheiben aus Stahl in die Stiftverzahnung auf. Um eine für den Prozess schädliche Stauchung der Verzahnung der Läuferscheiben zu verhindern, werden nach dem Stand der Technik Hülsen beispielsweise aus Edelstahl eingesetzt, die nach den bekannten Verfahren der Stahlherstellung und -bearbeitung so gefertigt werden, dass sie weicher als der Eingriff der Verzahnung sind und nach einer vorher festgelegten Abnutzung ausgewechselt werden.

Versuche, die Ausbringungsleistung derartiger Bearbeitungsanlagen durch höhere Rotationszahlen von Läuferscheiben und Arbeitsscheiben zu steigern, führen bei am Markt erhältlichen Anlagen zu erhöhtem Verschleiß der Hülsen sowie - insbesondere beim Abplatzen von Partikeln und deren Eintrag über die rotierenden Läuferscheiben zwischen die Arbeitsscheiben - zum Auftreten von Kratzern, die zum Verlust des entsprechenden Werkstücks durch Qualitätsmangel oder zu Nacharbeit unter erhöhtem Kostenaufwand führen können. Der Einbau von Hülsen beispielsweise aus Keramik reduziert auf Grund der ernormen Härte zwar ihren Verschleiß, jedoch bereitet neben dem Auftreten der schädlichen Stauchung der Läuferscheibenverzahnung die durch ihren spröden Materialcharakter nur schwach ausgeprägte Schlagzähigkeit keramischer Materialien durch Abplatzungen und teilweise vollständiger Zerstörung der Hülsen Probleme. Hülsen aus selbst relativ belastbaren Kunststoffen, wie Epoxidharzen, haben sich auf Grund ihrer mangelhaften Standzeit bei Verwendung von Läuferscheiben aus Stahl als unbrauchbar erwiesen. Probleme bei der Dauerbelastung haben ebenfalls dazu geführt, dass sich Läuferscheibenverzahnungen aus Kunststoff, beispielsweise gemäß der EP 787 562 B1, in der Praxis nicht bewährt haben.

Zum Erhalt der Wettbewerbsfähigkeit ist es vordringlich, Verfahren bereitzustellen, die eine Fertigung beziehungsweise Bearbeitung von Werkstücken in geforderten Qualitäten zu möglichst niedrigen Kosten ermöglichen. Ein wichtiger Ansatzpunkt hierbei ist, die Ausbringung an Werkstücken pro Bearbeitungsanlage zu steigern. Nachteil der Vorrichtungen und Verfahren nach dem Stand der Technik ist, dass dies beim gleichzeitig beidseitigen Läppen, Schleifen, Honen und Polieren wegen der erwähnten Problematik der Abnutzung beziehungsweise Zerstörung der Stifthülsen nicht möglich ist.

Es war daher die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung mit Planetargetriebe und ein Verfahren zur gleichzeitig beidseitigen Material abtragenden Bearbeitung von Werkstücken beispielsweise durch Läppen, Schleifen oder Polieren zu entwickeln, das über eine höhere Ausbringung kratzerfreier Werkstücke pro Bearbeitungsanlage als nach dem Stand der Technik üblich zu Kostenvorteilen führt.

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur gleichzeitig beidseitigen Material abtragenden Bearbeitung eines Werkstückes mit einer Vorderseite und einer Rückseite, bestehend aus

a) einer oberen Arbeitsscheibe und einer parallelen unteren Arbeitsscheibe zur Erzeugung des Materialabtrags von einer Vorderseite und einer Rückseite des Werkstücks, wobei mindestens eine Arbeitsscheibe in Rotation versetzt werden kann,
b) einem inneren Stiftkranz und einem äußeren Stiftkranz zum Antrieb von Läuferscheiben, wobei mindestens ein Stiftkranz in Rotation versetzt werden kann und die Stifte mindestens eines Stiftkranzes mit Hülsen bedeckt sind,
c) einer oder mehrerer Läuferscheiben mit einer oder mehreren Aussparungen zur Aufnahme von Werkstücken und einer umlaufenden Verzahnung zum Antrieb durch einen Stiftkranz, wobei die Verzahnung zum gleichzeitigen Eingriff in den inneren und den äußeren Stiftkranz geeignet ist und sich die Läuferscheiben zwischen der oberen und der unteren Arbeitsscheibe befinden, und
d) Aussparungen in der oberen Arbeitsscheibe, welche eine kontinuierliche Zuführung von Flüssigkeiten oder Suspensionen zu den Werkstücken während der Material abtragenden Bearbeitung ermöglichen,

das dadurch gekennzeichnet ist, dass sich das Material der Läuferscheibenverzahnung und der Hülsen im Bereich des Eingriffs der Läuferscheibenverzahnung in die mit Hülsen bedeckten Stifte mindestens eines Stiftkranzes in ihrer Härte um gleich oder kleiner 20%, bezogen auf den höheren Wert, unterscheiden.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum gleichzeitig beidseitigen Bearbeiten von einem oder mehreren Werkstücken, bei dem eine derartige Vorrichtung zum Einsatz kommt.

Charakteristisch für die beanspruchte Vorrichtung ist, dass die Läuferscheiben zumindest an der den Eingriff mit den Antriebskränzen bildenden Verzahnung und die Hülsen der Antriebsstifte im Rahmen der technischen Möglichkeiten dieselbe Härte besitzen. Bei Verwendung von gehärteten Läuferscheiben aus Stahl heißt das, dass die Hülsen für die Ausführung der Erfindung ebenfalls aus einem Stahl bestehen sollten, der einem derartigen Härtungsprozess unterworfen wurde, welcher zu einer Härte ähnlich jener der Läuferscheiben im Bereich des Eingriffs führt. Dies bedeutet eine Abkehr von der gängigen Praxis, durch weicheres Hülsenmaterial einer möglichen Stauchung der Läuferscheibenverzahnung entgegenzuwirken, die zwar bei deutlich höheren Härtegraden etwa bei Verwendung von stark gehärteten Metallhülsen oder Keramikhülsen, jedoch unter der erfindungsgemäßen vergleichbaren Härte von Hülsen und Zähnen nicht auftritt. Dieser Zusammenhang ist überraschend und war nicht zu erwarten.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zur gleichzeitig beidseitigen flächigen Bearbeitung verschiedenartiger, etwa ringförmiger, zylindrischer, scheibenförmiger oder quaderförmiger Körper beispielsweise durch Läppen, Schleifen und Polieren eingesetzt werden, die aus einem Material bestehen, welches durch die genannten Verfahren bearbeitbar ist. Hierunter fallen nahezu alle Materialien, die im technischen Gebrauch eine Rolle spielen, beispielsweise Glas, Metall, Legierung, Stein, Keramik sowie halbleitende Materialien, wie Silicium, und weitere Materialien. Die genannten Körper können je nach geplanter Weiterverwendung in ihrem Durchmesser in einem weiten Bereich von bevorzugt 1 mm bis 1000 mm und in ihrer Dicke entsprechend von bevorzugt 0,1 mm bis 100 mm variieren. Darauf ist bei der Festlegung der Größe von Bearbeitungsanlage und Läuferscheiben zu achten. Die Ausführung der Erfindung ist vom Material der zu bearbeiteten Werkstücke nahezu unabhängig; daher sind alle genannten Materialien bevorzugt. Einkristalline Siliciumscheiben eines Durchmessers von 100 bis 450 mm und einer Dicke von 200 bis 1200 µm zur Weiterverwendung in der Fertigung von integrierten elektronischen Bauelementen, beispielsweise Prozessoren und Speicherelementen, sind für die Ausführung der Erfindung besonders bevorzugt.

Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich daher auf die Politur solcher Siliciumscheiben. Eine Übertragung auf andere Bearbeitungsverfahren wie Läppen und Schleifen und auf andere der genannten Formen und Materialien von Werkstücken ist bei Verwendung von entsprechend ausgerüsteten Vorrichtungen geeigneter Größe mit Planetargetriebe sowie Läuferscheiben, die über passende Aussparungen verfügen, mit dem Fachmann geläufiger Vorgehensweise möglich.

Prinzipiell ist es möglich, eine Anzahl beispielsweise durch ein Innenloch- oder Drahtsägeverfahren gesägter Siliciumscheiben direkt dem erfindungsgemäßen beidseitigen Polierschritt zu unterziehen. Es ist jedoch bevorzugt, die scharf begrenzten und daher mechanisch sehr empfindlichen Scheibenkanten mit Hilfe einer geeignet profilierten Schleifscheibe zu verrunden. Weiterhin ist es zwecks Verbesserung der Geometrie und teilweisem Abtrag der zerstörten Kristallschichten bevorzugt, die Siliciumscheiben abtragenden Schritten wie Läppen und/oder Schleifen und/oder Ätzen zu unterziehen, wobei alle genannten Schritte nach dem Stand der Technik oder im Falle des Läppens und/oder Schleifens bevorzugt ebenfalls gemäß der Erfindung ausgeführt werden können.

Als Basis zur Durchführung des erfindungsgemäßen Polierschrittes kann eine handelsübliche Anlage geeigneter Größe mit Planetargetriebe und Stiftverzahnung mit der Möglichkeit zur Montage drehbarer Hülsen zur beidseitigen Politur verwendet werden, welche die gleichzeitige Politur von mindestens einer, bevorzugt jedoch von mindestens drei Siliciumscheiben unter Verwendung von mindestens drei Läuferscheiben ermöglicht. Besonders bevorzugt ist der gleichzeitige Einsatz von drei bis fünf Läuferscheiben, die mit jeweils mindestens drei in gleichen Abständen auf einer kreisförmigen Bahn angeordneten Siliciumscheiben belegt sind. Jedoch ist auch die Belegung jeder Läuferscheibe mit nur jeweils einer Siliciumscheibe möglich, die jedoch bevorzugt azentrisch in der Läuferscheibe angeordnet sein sollte.

Die Polieranlage besteht im Wesentlichen aus einer frei horizontal drehbaren unteren Arbeitsscheibe und einer parallelen, frei horizontal drehbaren oberen Arbeitsscheibe, die im Inneren bevorzugt mit einem Labyrinth aus Kanälen durchzogen sind und besonders bevorzugt mit getrennten Temperierkreisläufen während der Politur auf einer festgelegten Arbeitstemperatur von 20 bis 60°C gehalten werden. Beide Arbeitsscheiben sind mit Poliertuch bedeckt, bevorzugt beklebt. Bevorzugt wird mit einem handelsüblichen Polyurethan-Poliertuch einer Härte von 50 bis 100 (Shore A) poliert, das über eingearbeitete verstärkende Polyesterfasern verfügen kann.

Als Poliermittel für die beidseitige Politur eignen sich wässrige alkalische Suspensionen von Abrasivstoffen oder Kolloiden, beispielsweise SiO₂-Kolloide in einer Konzentration von 1 bis 10 Gew.-% SiO₂ in Verbindung mit alkalischen Komponenten, beispielsweise Na₂CO₃, NaOH, K₂CO₃, KOH, NH₄OH und/oder TMAH (Tetramethylammoniumhydroxid), die einen pH-Wert von bevorzugt 9,5 bis 12,5 einstellen. Die Zuführung eines derartigen Poliermittels kann im Rahmen der Erfindung über ein offenes oder über ein geschlossenes Zuführungssystem mittels Kanälen, Schläuchen und/oder Rohren durch Bohrungen in der oberen Arbeitsscheibe erfolgen. Ein geschlossenes System hat gegenüber offenen Poliermittelkanälen den Vorteil, dass es nicht zu nennenswerten Verkrustungen mit auskristallisiertem Poliermittel kommt, die zwischen die Polierteller geschwemmt werden und Kratzer verursachen können.

Eine bevorzugte Ausführung ist die Verwendung eines geschlossenen, jedoch drucklos gehaltenen Ringkanals beispielsweise gemäß der noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 100 60 697.0, wobei das Poliermittel aus der anlagenseitigen Zuführung durch Druckbeaufschlagung in den Ringkanal und durch Gravitations- und Zentrifugalkraft aus dem Ringkanal zwischen die Arbeitsscheiben fließt. Der mit dem oberen Polierteller rotierende Ringkanal wird dabei durch einen ebenfalls ringförmigen Deckel abgedeckt, der sich im Gegensatz zum Ringkanal nicht dreht und über eine mit Wasser gefüllte Flüssigkeitsdichtung mit diesem in Kontakt tritt.

Zur Beschreibung der Erfindung gehören Figuren, welche diese verdeutlichen. Alle Angaben beziehen sich auf die Politur von Siliciumscheiben des Durchmessers 300 mm auf einer handelsüblichen Anlage für die gleichzeitig beidseitige Politur von Werkstücken des Typs AC2000 von Fa. Peter Wolters, Rendsburg (Deutschland), ausgestattet mit Stiftverzahnung des äußeren und inneren Kranzes zum Antrieb der Läuferscheiben. Die der Erfindung zu Grunde liegenden Zusammenhänge lassen sich analog auf kleinere oder größere Polieranlagen sowie Läpp-, Schleif- und sonstige mit vergleichbarer Kinematik arbeitende Anlagen zum Abtragen von Material und auf die Bearbeitung von kleineren oder größeren Halbleiterscheiben übertragen; die Figuren beinhalten daher in keinem Fall eine Einschränkung der Erfindung.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Läuferscheibe zur Aufnahme von drei 300-mm-Siliciumscheiben für die beidseitige Politur in der Aufsicht.
Fig. 2 zeigt schematisch die Anordnung von mehreren der in Fig. 1 dargestellten Läuferscheiben in einer Polieranlage in der Aufsicht.
Fig. 3 zeigt schematisch den Eingriff einer Läuferscheibe gemäß Fig. 1, belegt mit Siliciumscheiben, in den äußeren Stiftkranz einer Polieranlage gemäß Fig. 2 in der Aufsicht.
Fig. 4 zeigt schematisch den Eingriff einer Läuferscheibe gemäß Fig. 1 belegt mit Siliciumscheiben, in den inneren (links) und äußeren Stiftkranz (rechts) einer Polieranlage in der Seitenansicht gemäß Schnitt A-A' in Fig. 2.
Fig. 5 zeigt als Detail von Fig. 4 schematisch den Eingriff einer Läuferscheibe in die Hülse eines Stiftes, wobei bereits abgenutzte Höhenspuren zu erkennen sind.
Die beschriebene, zunächst handelsübliche Polieranlage wird zu einer Vorrichtung im Sinne der Erfindung, indem folgende Bedingung an die auf die Stifte der Stiftverzahnung montierten Hülsen in Abstimmung mit den Läuferscheiben erfüllt wird: Das Material der Läuferscheibenverzahnung und der Hülsen im Bereich des Eingriffs der Läuferscheibenverzahnung in die mit Hülsen bedeckten Stifte mindestens eines Stiftkranzes unterscheidet sich in seiner Härte nicht nennenswert. Unter einem nicht nennenswerten Härteunterschied wird dabei ein Härteunterschied von gleich oder kleiner 20% verstanden, bezogen auf den höheren Härtewert der beiden Härtewerte für die Läuferscheibenverzahnung und die Hülsen mindestens eines Stiftkranzes im Bereich des Eingriffs. Ein entsprechend definierten Härteunterschied von gleich oder kleiner 10% ist bevorzugt. Unter dem Eingriff wird der Bereich von Läuferscheiben und Hülsen verstanden, der am Abrollen der Läuferscheiben auf den Stiftkränzen beteiligt ist und nachhaltige Veränderungen durch beispielsweise Abnutzung und Verformung erfahren kann. Dazu ist es möglich, das Material von Läuferscheibenverzahnung und Hülsen entweder durchgehend oder oberflächlich auf den geforderten Härtegrad einzustellen.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Läuferscheibe aus Edelstahl mit einer Dicke h_L von 770 bis 780 µm für die gleichzeitig beidseitige Politur von Siliciumscheiben des Durchmessers 300 mm. Die Läuferscheibe besteht aus einem Grundkörper 1 mit einer umlaufenden Verzahnung 2, die aus sich mit Zähnen abwechselnden halbkreisförmigen Aussparungen zum Eingriff in den inneren und äußeren Stiftkranz besteht. Grundkörper 1 und Verzahnung 2 bestehen aus Edelstahl und bilden ein zusammenhängendes Bauteil. Die Läuferscheiben weisen Öffnungen 3 auf, die zur Aufnahme der Siliciumscheiben geeignet dimensioniert sind und zum Schutz der Kante der Siliciumscheiben mit Kunststoff ausgekleidet sein können. Daneben weist die Läuferscheibe in Fig. 1 weitere Aussparungen 4 auf, die einer Verbesserung des Poliermittelflusses bei Ausführung der Politur dienen. Während die Elemente 1 bis 3 für die Ausführung der Erfindung obligatorisch sind, können die Öffnungen 4 bei bestimmten Anwendungen grundsätzlich unterschiedlich ausgeführt oder sogar weggelassen werden, ohne dass dies die Idee der Erfindung berührt.
Fig. 2 zeigt die Anordnung der maximalen Anzahl von fünf Läuferscheiben, bestehend im Wesentlichen aus Grundkörper 1 und Verzahnung 2, gemäß Fig. 1 in einer Polieranlage, die mit der maximalen Anzahl von jeweils drei Werkstücken W, in diesem Fall Siliciumscheiben, belegt sind. Die Läuferscheiben werden durch Antrieb mittels eines in diesem Falle im Gegenuhrzeigersinn rotierenden inneren Stiftkranzes 5 und/oder eines im Uhrzeigersinn rotierenden äußeren Stiftkranzes 6 in Rotation im Uhrzeigersinn versetzt, die je nach Wahl der Drehzahlen mit einer Translation um die Zentrumsachse Z der Polieranlage überlagert ist. Vor allem bei kleiner dimensionierten Anlagen zur Werkstückbearbeitung im Rahmen der Erfindung ist es ausreichend, nur einen der beiden Stiftkränze, bevorzugt den inneren Stiftkranz 5, zum Antrieb der Läuferscheiben beweglich zu gestalten. Für eine vibrationsarmen Betrieb einer wie der in Fig. 2 dargestellten Anlage mit einem Durchmesser von etwa zwei Metern ist jedoch bevorzugt, beide Stiftkränze 5 und 6 beweglich zu gestalten und aktiv anzutreiben.
Die derart bestückten Läuferscheiben liegen auf einer unteren Arbeitsscheibe 7, die in diesem Falle mit Poliertuch beklebt ist. Die sich nach oben hin anschließende mit Poliertuch beklebte obere Arbeitsscheibe ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Im abgebildeten Beispiel ist bevorzugt, die untere Arbeitsscheibe in einer Richtung, beispielsweise im Uhrzeigersinn, und die obere Arbeitsscheibe in Gegenrichtung, beispielsweise im Gegenuhrzeigersinn, um Z rotieren zu lassen. Bei der Ausübung der Erfindung sind jedoch auch andere Drehrichtungen und -kombinationen denkbar. Bevorzugt ist eine Wahl der Rotationskennzahlen von innerem Stiftkranz 5, äußerem Stiftkranz 6, unterem Polierteller 7 und oberem Polierteller (nicht dargestellt) wie in der noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 101 32 504.5 vorgeschlagen, bei der relativ offene Bahnkurven der Siliciumscheiben in Relation zu den Arbeitsscheiben bei Vermeidung kleiner Krümmungsradien realisiert werden, was zu einer verbesserten Ausnutzung der Poliertucheigenschaften führt.
Entscheidend für den Durchmesser der Läuferscheiben ist die Wahl der Durchmesser der beiden Stiftkränze 5 und 6, die sich mit Blick auf Kosten und technische Machbarkeit letztlich aus der Größe der zu bearbeitenden Werkstücke ableitet. Im für Fig. 2 gewählten Beispiel beträgt der Durchmesser d_i des inneren Stiftkranzes 530 mm und der Durchmesser d_a des äußeren Stiftkranzes 1970 mm. Der aus der Getriebetechnik bekannte und auch hier für die Abmessungen relevante Teilkreisdurchmesser ("pitch circle") d_L der Läuferscheiben, der durch die Zentren der Hülsen auf den Stiftkränzen definiert wird, beträgt somit d_L = S(d_a - d_i) = 720 mm.
Fig. 3 zeigt als Detaildarstellung von Fig. 2 den Eingriff der Läuferscheibenverzahnung 2 in den äußeren Stiftkranz 6, dessen Stifte mit Hülsen 8 bedeckt sind. Erkennbar ist außerdem die Kunststoffauskleidung 9, welche die Siliciumscheibe W gegen mechanische Beschädigung schützt.
Fig. 4 zeigt den in Fig. 2 markierten Schnitt A-A', wobei die Größenverhältnisse insbesondere der mit Hülsen 8 bedeckten Stifte und der Dicke von Läuferscheiben-Grundkörper 1 mit Verzahnung 2 und Siliciumscheiben W aus Gründen der Veranschaulichung nicht maßstabsgerecht dargestellt sind. Als Details in Fig. 4 erkennbar sind die Kunststoffauskleidung 9 der Läuferscheiben, eine Abdeckung 10 der frei drehbar ausgeführten Hülsen 8 zur Vermeidung des Eindringens von Poliermittel zwischen Stifte und Hülsen, was die freie Drehbarkeit der Hülsen beeinträchtigen könnte, sowie die Belegung der unteren Arbeitsscheibe 7 mit Poliertuch 11. Die Drehrichtung von innerem Stiftkranz 5 im Gegenuhrzeigersinn sowie äußerem Stiftkranz 6 und unterer Arbeitsscheibe 7 im Uhrzeigersinn um die Zentrumsachse Z der Polieranlage ist durch Pfeile bezeichnet.
Ebenfalls in Fig. 4 durch Pfeile bezeichnet ist eine bevorzugte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, den inneren Stiftkranz 5 und/oder den äußeren Stiftkranz 6 höhenverstellbar auszuführen. In Verbindung mit Fig. 5, die als Detaildarstellung von Fig. 4 den Eingriff einer Läuferscheibe 2 in die Hülse 8 eines Stiftes bei Verwendung der Polieranlage in einer großtechnischen Fertigung zeigt, wird erkennbar, dass diese Eigenschaft der Vorrichtung die Lösung der Aufgabe der Erfindung, eine höhere Ausbringung kratzerfreier Werkstücke zu realisieren, unterstützt, indem bei Ausführung der beidseitigen Politur einer großen Anzahl von Siliciumscheiben der Eingriff der Läuferscheiben in die mit Hülsen bedeckten Stifte nicht immer auf demselben Kreis um die Hülsen mit der damit verbundenen Abnutzung stattfinden muss.
Vielmehr ist sinnvoll und daher bevorzugt, die durch den Höhenverfahrweg der Stiftkränze verfügbare Höhe der Stifthülsen wie in Fig. 5 dargestellt zu segmentieren und so Spuren 12, 13 und 15 für den Eingriff der Läuferscheiben zu definieren, die nacheinander benutzt werden, wobei nach dem Auftreten von Verschleißspuren die nächste Höhe gewählt wird. In Fig. 5 sind die Höhenspuren 13 unterhalb der Eingriffs der Läuferscheiben 2 in die aktuell benutzte Höhenspur 12 bereits abgenutzt, während oberhalb der Spur 12 noch weitere, unbenutzte Spuren 15 zur Verfügung stehen. Diese Spuren 15 sind in Fig. 5 lediglich zur Verdeutlichung markiert, jedoch in der Regel beim Betrachten der Hülsen nicht erkennbar.
Zwischen den Höhenspuren ist wegen des möglichen Auftretens von Aufwürfen 14 aus mechanisch deformiertem Hülsenmaterial ein gewisser Zwischenraum h_Z zu belassen. In der betrieblichen Praxis hat sich als zielführend erwiesen, die Höhensegmentierung in der 1,2-fachen bis 2,5-fachen Dicke h_L der Läuferscheibenverzahnung 2 im Bereich des Eingriffs auszuführen und durch die Steuerungsprogramme der Polieranlage einzustellen. Es ist jedoch bekannt und wird teilweise ebenfalls angewandt, das Abrollen der Verzahnung 2 auf den Hülsen 8 in überlappenden Spuren auszuführen, wobei die Höhensegmentierung etwa zwei Drittel der Läuferscheibendicke beträgt und die Höheneinstellung nach jeder Polierfahrt verändert wird. Sind die Hülsen eines der beiden Stiftkränze abgenutzt, werden sie ausgetauscht. Dies bedeutet einen Anlagenstillstand von jeweils mehreren Stunden. Zu langer Gebrauch der Hülsen führt zu verstärkten Kratzerbildung auf der Oberfläche der polierten Scheiben beispielsweise durch Abplatzungen von Hülsenmaterial oder Auskristallisation von Poliermittel oder sogar zur Zerstörung der Stiftkränze.
Läuferscheiben und Hülsen können prinzipiell aus jedem Material gefertigt werden, das die Härtebedingung relativ zueinander erfüllt und insbesondere gegenüber den Druck-, Zug- und Schlagbelastungen im Einsatz bei der Werkstückbearbeitung standhält. Darüber hinaus soll eine Herstellung beziehungsweise Beschaffung zu vertretbaren Kosten möglich sein, und Arbeitssicherheits- sowie Umweltbelange sind zu berücksichtigen. Solche Materialien sind - teilweise mit Einschränkungen - verschiedenartige Kunststoffe, Metalle und Legierungen sowie Keramiken. Bevorzugt ist, Läuferscheibenverzahnung und Hülsen aus Material desselben Typs aus der Gruppe der Typen auszuwählen, welche die Mitglieder Kunststoffe, Metalle und Legierungen sowie Keramiken enthält. Die zum Typ Metalle und Legierungen zählenden Stähle, worunter man Eisenwerkstoffe mit einem Kohlenstoffanteil von gleich oder kleiner 2 Gew.-% versteht, lassen auf Grund einer Vielfalt an Möglichkeiten für Legierungsbestandteile und Behandlungsverfahren eine maßgeschneiderte Anpassung an den Einsatzzweck zu und sind zu vertretbaren Kosten herstellbar. Bevorzugt im Rahmen der Erfindung ist daher die Verwendung von Läuferscheiben einschließlich Verzahnung und Hülsen aus Stählen. Nichtrostende Edelstähle mit Chrom als Legierungsbestandteil sind besonders bevorzugt.
Zur Verbesserung des Verschleißverhaltens ist bevorzugt, Läuferscheiben und Hülsen zumindest im Bereich des Eingriffs einer Härtung zuzuführen. Diese Härtung kann entweder durch eine thermische Behandlung, die zu keinem speziellen Schichtaufbau führt, oder durch eine thermochemische Behandlung erfolgen, bei der eine spezielle Randschicht veränderter chemischer Zusammensetzung durch Ein- oder Ausdiffusion eines oder mehrerer Elemente gebildet wird. Die thermische Härtung ist im Rahmen der Erfindung bevorzugt. Besonders bevorzugt ist, die Läuferscheibe und die Hülsen durchgehend, das heißt an allen Stellen und nicht nur im Bereich des Eingriffs und/oder der Oberfläche, zu härten. Unabhängig davon, ob die Hülsen mindestens eines der beiden Stiftkränze und/oder die Läuferscheiben gehärtet wurden, sollte die Rockwell-Härte beider Komponenten im Eingriff 20 bis 70 HRC, bevorzugt 40 bis 60 HRC und besonders bevorzugt 45 bis 55 HRC betragen. Derartige Härtewerte kann der Fachmann mit bekannten Methoden problemlos gezielt einstellen, wenn der Stahl einen Kohlenstoffgehalt von mindestens 0,1 Gew.-%, bevorzugt von mindestens 0,2 Gew.-% und besonders bevorzugt von mindestens 0,3 Gew.-% besitzt. Bei der Härteprüfung nach Rockwell wird der Härtewert aus der Eindringtiefe beispielsweise eines Diamantkegels ermittelt. Soll nur ein Stiftkranz mit gehärteten Hülsen bestückt werden, ist es wegen der höheren Belastung sinnvoll, hierfür den inneren Stiftkranz 5 auszuwählen.
Als Läuferscheibenmaterial geeignet sind Stähle, die sich zu spannungs- und wellenfreien Blechen walzen sowie härten lassen, eine hohe Zug- und Abriebfestigkeit besitzen, unter Polierbedingungen chemisch resistent sind und keine messbaren Anteile an unter Polierbedingungen in die Siliciumscheiben übergehenden Metallen wie Kupfer und Nickel besitzen. Wie in der DE-100 23 002 A1 beschrieben ist, erfüllt diese Eigenschaften in besonderem Maße ein Stahl mit der deutschen Werkstoffnummer 1.4034, der neben Eisen etwa 14 Gew.-% Chrom und etwa 0,5 Gew.-% Kohlenstoff als Legierungsbestandteile enthält.
Die Läuferscheiben für ein Polierverfahren gemäß der Erfindung besitzen eine bevorzugte Dicke von 200 bis 1200 µm, die sich nach der Enddicke der polierten Siliciumscheiben richtet, welche letztlich vom Durchmesser der Siliciumscheiben und vom geplanten Anwendungszweck abhängt. Im Hinblick auf die Herstellung sehr ebener Siliciumscheiben ist bevorzugt, dass die Enddicke der polierten Scheiben um 0 bis 20 µm größer ist als die Läuferscheibendicke, wobei der Bereich von 1 bis 5 µm besonders bevorzugt ist. Innerhalb eines Satzes von beispielsweise fünf Läuferscheiben sollte die beispielsweise mit einem Taster gemessene Dickenvariation bevorzugt 10 µm und besonders bevorzugt 5 µm nicht übersteigen.
Die Herstellung der Läuferscheiben erfolgt beispielsweise durch die nach dem Stand der Technik ausgeführten Verfahrensschritte Stahlerzeugung - mehrfaches Walzen im Wechsel mit Spannungsarmglühen auf eine Dicke von beispielsweise 5 bis 50 µm oberhalb der geplanten Enddicke - Ausschneiden der Öffnungen 3 zur Aufnahme der Siliciumscheiben, der Öffnungen 4 zur Verbesserung des Poliermittelflusses und der umlaufenden Verzahnung 2 mittels Laserschneidtechnik - Vergütung durch thermisches Härten mit anschließendem Anlassen - Einstellung der endgültigen Dicke, Ebenheit und Planparallelität durch Läppen und/oder Schleifen - falls erforderlich, Einbringen von Kunststoffauskleidungen 9 in die Aussparungen 3.
Unter Spannungsarmglühen versteht man dabei die Wärmebehandlung bei einer Temperatur unterhalb des materialabhängigen unteren Umwandlungspunktes des Stahls, meist unterhalb von 650°C, auf die ein langsames Abkühlen zum Ausgleich innerer Spannungen folgt.
Unter Härten versteht man ein Austenisieren (Bildung von Austenit, eines Stahlgefüges) durch Erwärmen und Halten oberhalb der unteren Umwandlungstemperatur des Stahls, der je nach Kohlenstoffgehalt und Legierungsbestandteilen meist zwischen 900 und 1100°C liegt, und Abkühlen mit solcher Geschwindigkeit, dass eine erhebliche Härtesteigerung durch Bildung von Martensit (eines weiteren, spröderen Stahlgefüges) erfolgt; dieses Abkühlen wird gewöhnlich als Abschrecken bezeichnet.
Unter Anlassen versteht man die Erwärmung des gehärteten Stahlkörpers, in diesem Fall der Läuferscheibe, auf eine Temperatur zwischen Raumtemperatur und der unteren Umwandlungstemperatur des Stahls, meist zwischen 100 und 680°C, und Halten mit nachfolgendem langsamen Abkühlen. Insbesondere bei Anlasstemperaturen bis 200°C werden Härtespannungen ohne wesentliche Einbuße an Härte eliminiert; dieser Vorgang wird auch als Entspannen bezeichnet und ist oft im Begriff Härten mitverstanden. Bei Anlasstemperaturen um 500°C kann es zu Anlassversprödungen in Verbindung mit einer Reduktion der Korrosionsfestigkeit kommen; es ist bevorzugt, diesen Temperaturbereich zu meiden. Durch Anlasstemperaturen im oberen Bereich, beispielsweise von 550 bis 680°C, lassen sich gezielte Härteeinstellungen vornehmen. Die Anlassdauer beträgt normalerweise 1 bis 2 Stunden.
Phasendiagramme mit Umwandlungstemperaturen sowie Angaben zu Gefügeverhalten und durch thermische Verfahren erzielbare Härtegrade und Empfehlungen für die Dauer von Wärmebehandlungen und sonstige Eigenschaften sind für alle gängigen Stähle in Normblättern tabelliert und zählen zum Stand der Technik.
Im Falle der Herstellung von Läuferscheiben für die erfindungsgemäße Vorrichtung und den erfindungsgemäßen Prozess ist es zur Einstellung der gewünschten Härtewerte, die für Läuferscheibenverzahnung und Hülsen im Bereich des Eingriffs nahezu gleich sein sollen, von Bedeutung, dass die Läuferscheibe nach dem Ausschneiden der Verzahnung mittels Lasertechnik im oberen Temperaturbereich, beispielsweise von 550 bis 680°C, unter lokaler Härteanpassung angelassen wird, da beim Laserschneiden als Art des Brennschneidens eine Aufhärtung im äußeren Bereich der Verzahnung erfolgt. Diese Aufhärtung lässt sich nach "Werkstoffkunde Stahl, Band 2: Anwendung", Springer-Verlag, Berlin 1985, ISBN 3-540-13084-5, Seiten 29 bis 30 durch die beim Laserschneiden erfolgte kurzzeitige Erwärmung auf sehr hohe Temperaturen und extrem schnelle Abkühlung auf Umgebungstemperatur erklären. Ist die Härtung vor dem Laserschneiden erfolgt, ist das Anlassen an dieser Stelle gegebenenfalls ein zusätzlich notwendiger Schritt. Auch wenn keine Härtung der Läuferscheibe erfolgt ist, sollte der beschriebene Anlassschritt ausgeführt werden.
Materialauswahl, Konfektionierung und thermische Behandlung der Hülsen sind weniger anspruchsvoll als die für die Läuferscheiben ausgeführte bevorzugte Vorgehensweise. Ein besonders bevorzugter Edelstahl als Material enthält kein Kupfer und Nickel als Legierungsbestandteil, kann jedoch beispielsweise neben Chrom Vanadium und Molybdän sowie 0,1 bis 1,2 Gew.-% Kohlenstoff enthalten. In den Bereich derartiger besonders bevorzugter Materialien fallen beispielsweise die Stähle mit den deutschen Werkstoffnummern 1.4021, 1.4024 und 1.4034 (Chromstähle) sowie 1.4108 bis 1.4125 (Chrom/Molybdän-Stähle, teilweise mit geringen Anteilen an Vanadium). Zur Erreichung des bevorzugten Härtebereiches von 40 bis 60 HRC empfiehlt sich die Härtung des Materials der zumindest für den inneren Stiftkranz 5 vorgesehenen Hülsen wie bei den Läuferscheiben beschrieben durch Austenisieren und Abschrecken. Diese Härtung kann vor oder nach der Konfektionierung, das heißt der Formgebung der Hülsen erfolgen.
Die Abmessung der Hülsen richtet sich nach der Art des Bearbeitungsschrittes, der Dicke der Läuferscheiben und der Werkstücke und nach der Größe der Bearbeitungsmaschine und steht in direktem Zusammenhang mit den Abmessungen der Stifte, welche die Hülsen zwar drehbar, jedoch ohne größeres Spiel aufnehmen müssen. Bei der besonders bevorzugten Politur von Siliciumscheiben haben die Hülsen eine äußere Länge von bevorzugt 10 bis 50 mm und besonders bevorzugt von 20 bis 30 mm und einen äußeren Durchmesser von bevorzugt 5 bis 25 mm und besonders bevorzugt von 10 bis 15 mm. Die Konfektionierung der innen hohlen Hülsen erfolgt bevorzugt durch Ausdrehen oder Ausfräsen einer Öffnung in den Abmessungen der Stifte aus einem Stahlstab oder durch Abschneiden eines Rohres mit diesbezüglichem Innendurchmesser, wobei nach Aufstecken der Rohrstücke auf die Stifte zur Vermeidung des Eindringens von Poliermittel deren oberes Ende beispielsweise mit einem Kunststoffstopfen verschlossen werden sollte.
Im Rahmen der hinsichtlich der Läuferscheiben und Stifthülsen gemachten Ausführungen wird der beidseitige Polierschritt einer dem Fachmann bekannten Art und Weise durchgeführt. Der Siliciumabtrag durch die beidseitige Politur beträgt bevorzugt 2 bis 70 µm und besonders bevorzugt 5 bis 50 µm. Nach Erreichen des geplanten Abtrags muss die chemisch sehr reaktive hydrophobe Scheibenoberfläche passiviert werden. Dies erfolgt bevorzugt durch Zuführung von Reinstwasser, das geringe Anteile an Alkoholen und/oder Tensiden enthält. Abschließend werden die Siliciumscheiben aus der Polieranlage entnommen und gereinigt und getrocknet. Es schließt sich eine visuelle Bewertung hinsichtlich Kratzern auf der Vorderseite und der Rückseite nach dem Fachmann bekannten Methoden unter stark gebündeltem Licht an. Die erfindungsgemäß hergestellten Siliciumscheiben, die bei einem hohen Anlagendurchsatz poliert wurden, zeigen signifikant weniger Kratzer als Siliciumscheiben, die bei gleicher Ausbringung auf einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik poliert wurden.

Vergleichsbeispiele und Beispiele

Vergleichsbeispiele und Beispiele betreffen die gleichzeitig beidseitige Politur einer Vielzahl von Siliciumscheiben mit einem Durchmesser von 300 mm. Die Siliciumscheiben wurden nach Verfahren des Standes der Technik durch Drahtsägen eines Einkristalls, Kantenverrunden, beidseitiges Schleifen, Ätzen in einem Säuregemisch und Kantenpolieren hergestellt und besaßen eine Dicke von 805 µm. Die Vorgehensweise im Beispiel lässt sich problemlos auch auf die Politur kleinerer oder größerer Werkstücke aus Silicium oder anderen Materialien sowie auf vergleichbare, ebenfalls auf Anlagen mit Planetargetriebe ausführbaren Material abtragende Verfahren wie Läppen, Honen und Schleifen anwenden. Das Beispiel besitzt demnach keinesfalls die Erfindung einschränkenden Charakter.

Vergleichsbeispiel 1

Es kamen fünf Läuferscheiben gemäß Fig. 1, deren je drei Aussparungen gemäß Fig. 3 zur Aufnahme der Siliciumscheiben mit PVDF ausgekleidet waren, in einer Anlage des Typs AC2000 für die beidseitige Politur von Siliciumscheiben in einer Anordnung gemäß Fig. 2 und Fig. 4 zum Einsatz. Die Bleche für die Läuferscheibenherstellung bestanden aus der Stahlsorte 1.4034 (enthält neben Eisen 12,5-14,5 Gew.-% Chrom und 0,43-0,50 Gew.-% Kohlenstoff) und wurden nach gängigen Verfahren spannungsarm hergestellt, thermisch auf einer Härte von 50 HRC eingestellt und bei 150°C angelassen. Nach dem Laserschneiden der Läuferscheiben und dem Läppen auf eine Dicke von 773 µm wurde keine Wärmebehandlung mehr durchgeführt, was im Gegensatz zur Forderung der Erfindung eine verbleibende Versprödung des Eingriffsbereiches der Verzahnung zur Folge hatte. Mit diesen Läuferscheiben wurden die Siliciumscheiben bis zu einer Enddicke von 775 µm poliert. Als Hülsenmaterial von innerem und äußerem Stiftkranz fanden mit Kunststoffstopfen verschlossene Stahlrohre der Härte 50 HRC aus dem Stahl 1.4110 (enthält neben Eisen 13,0-15,0 Gew.-% Chrom, 0,50 bis 0,60 Gew.-% Molybdän und 0,50-0,60 Gew.-% Kohlenstoff) Verwendung, die drehbar auf die Stifte aufgesteckt und nach oben durch einen Begrenzungsring fixiert waren.
Als Poliertuch wurde ein für diesen Anwendungszweck angebotenes Polyesterfaser-verstärktes Polyurethantuch eingesetzt. Das wässrige Poliermittel enthielt 3 Gew.-% SiO₂ und besaß eine pH- Wert von 11,5; es wurde über einen geschlossenen, drucklos gehaltenen Poliermittelverteiler zugeführt. Es wurde bei einer Temperatur von unterer und oberer Arbeitsscheibe von jeweils 40°C und einem Polierdruck von 0,20 bar mit einer Abtragsrate von 1,0 µm/min poliert, was einschließlich nicht-abtragenden Prozesszeiten und Nebenzeiten zu eines Zykluszeit von 40 min pro Bearbeitungsdurchgang führte. Nach Beendigung der Politur wurde unter reduziertem Druck ein Stoppmittel zugeführt, dem geringe Mengen Glycerin zugesetzt waren. Nach Reinigung und Trocknung erfolgte eine visuelle Inspektion unter stark gebündeltem Licht. Alle so polierten Siliciumscheiben waren auf Vorder- und Rückseite verkratzt und somit für eine Weiterverwendung unbrauchbar. An den Hülsen beider Stiftkränze waren bereits nach wenigen Polierfahrten starke Abnutzungserscheinungen zu erkennen.

Vergleichsbeispiel 2

Es wurde wie in Vergleichsbeispiel 1 mit folgenden beiden Unterschieden vorgegangen: (1) Die Läuferscheiben wurden nach Laserschneiden und Läppen und vor Einbringen der Kunststoffauskleidungen zusätzlich für die Dauer einer Stunde bei 625°C angelassen und besaßen an allen Stellen eine Härte von 50 HRC. (2) Als der Material für die Hülsen beider Stiftkränze verwendete Stahl 1.4110 wurde nicht gehärtet und besaß eine Härte von 20 HRC, die damit um 60% niedriger als die Härte der Läuferscheiben war und nicht im Bereich der Forderung der Erfindung lag. Es wurden große Scheibenmengen poliert. Verschleißspuren in den Hülsen machten es notwendig, nach jeweils etwa 30 Fahrten wie in Fig. 5 gezeigt die Höhenspur am inneren Stiftkranz und nach jeweils etwa 80 Fahrten die Höhenspur am äußeren Stiftkranz um h_L + h_Z = 1,2 mm zu verschieben. Nachdem 20 Höhenspuren abgenutzt waren, wurden die Hülsen gewechselt. Die Prüfung der Scheiben ergab eine Kratzerrate von 5,4%; die verkratzten Scheiben wurden verworfen.

Vergleichbeispiel 3

Es wurde wie in Vergleichsbeispiel 2 mit folgendem Unterschied vorgegangen: Der Polierdruck wurde auf 0,12 bar reduziert, was bei einer Abtragsrate von 0,6 µm/min zu einer Zykluszeit von 70 min führte. Dadurch war das Wechselintervall der Hülsen auf 50 Fahrten (innerer Stiftkranz) beziehungsweise 120 Fahrten (äußerer Stiftkranz) verlängert. Der Kratzerausfall betrug 2,3%.

Beispiel

Es wurde wie in Vergleichsbeispiel 1 vorgegangen mit dem einzigen Unterschied, dass die Läuferscheiben nach Laserschneiden und Läppen und vor Einbringen der Kunststoffauskleidungen zusätzlich für die Dauer einer Stunde bei 625°C angelassen wurden und an allen Stellen eine Härte von 50 HRC besaßen; sie entsprachen damit in Verbindung mit der Verwendung von auf 50 HRC gehärteten Hülsen der Forderung der Erfindung, womit eine erfindungsgemäße Vorrichtung vorlag. Es wurde wiederum eine Vielzahl von Scheiben poliert. Verschleißspuren in den Hülsen machten es diesmal erst nach jeweils etwa 80 Fahrten (innerer Stiftkranz) und 200 Polierfahrten (äußerer Stiftkranz) notwendig, die Höhenspur gemäß Fig. 5 um h_L + h_Z = 1,2 mm zu verschieben. Die Prüfung der Scheiben ergab eine Kratzerrate von nur 0,9%.

Herstellkosten

Nach in der Industrie gängigen Kostenrechnungsverfahren wurden die Kosten für den gemäß der Vergleichsbeispiele V1 bis V3 und das Beispiel B ausgeführten beidseitigen Polierschritt bestimmt, wobei Scheibenverluste in Rechnung gestellt wurden. Nachfolgende Tabelle enthält neben für die Kostenrechnung relevanten Angaben die so bestimmten relativen Kosten für den Polierschritt.
Durch den geringen Verlust von Siliciumscheiben durch Kratzer und die im Mittel niedrigere notwendige Stillstandszeit zum Zwecke des Hülsenwechsels ist das im Beispiel durchgeführte erfindungsgemäße Verfahren kostengünstiger als die Verfahren gemäß der Vergleichsbeispiele. Ein typischer Kostenvorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens von etwa 10% gegenüber Verfahren nach dem Stand der Technik ist signifikant und kann sich entscheidend auf die Wettbewerbsposition auswirken.

Claims

1. Vorrichtung zur gleichzeitig beidseitigen Material abtragenden Bearbeitung eines Werkstückes mit einer Vorderseite und einer Rückseite, bestehend aus

a) einer oberen Arbeitsscheibe und einer parallelen unteren Arbeitsscheibe zur Erzeugung des Materialabtrags von einer Vorderseite und einer Rückseite des Werkstücks, wobei mindestens eine Arbeitsscheibe in Rotation versetzt werden kann,

b) einem inneren Stiftkranz und einem äußeren Stiftkranz zum Antrieb von Läuferscheiben, wobei mindestens ein Stiftkranz in Rotation versetzt werden kann und die Stifte mindestens eines Stiftkranzes mit Hülsen bedeckt sind,

c) einer oder mehrerer Läuferscheiben mit einer oder mehreren Aussparungen zur Aufnahme von Werkstücken und einer umlaufenden Verzahnung zum Antrieb durch einen Stiftkranz, wobei die Verzahnung zum gleichzeitigen Eingriff in den inneren und den äußeren Stiftkranz geeignet ist und sich die Läuferscheiben zwischen der oberen und der unteren Arbeitsscheibe befinden, und

d) Aussparungen in der oberen Arbeitsscheibe, welche eine kontinuierliche Zuführung von Flüssigkeiten oder Suspensionen zu den Werkstücken während der Material abtragenden Bearbeitung ermöglichen,

dadurch gekennzeichnet, dass sich das Material der Läuferscheibenverzahnung und der Hülsen im Bereich des Eingriffs der Läuferscheibenverzahnung in die mit Hülsen bedeckten Stifte mindestens eines Stiftkranzes in ihrer Härte um gleich oder kleiner 20%, bezogen auf den höheren Wert, unterscheiden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Material der Läuferscheibenverzahnung und der Hülsen im Bereich des Eingriffs der Läuferscheibenverzahnung in die mit Hülsen bedeckten Stifte mindestens eines Stiftkranzes in ihrer Härte um gleich oder kleiner 10%, bezogen auf den höheren Wert, unterscheiden und aus dem gleichen Materialtyp bestehen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der beiden Stiftkränze höhenverstellbar ausgeführt ist und die Läuferscheiben nacheinander mehrere Höhenspuren für das Abrollen auf den Hülsen dieses Stiftkranzes nutzen können.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülsen mindestens eines der beiden Stiftkränze drehbar sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Läuferscheibenverzahnung und die Hülsen aus Stahl bestehen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Läuferscheibe aus einem durchgehenden Stahlkörper besteht und die Aussparung zur Aufnahme des Werkstückes mit Kunststoff ausgekleidet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Läuferscheibenverzahnung und die Hülsen mindestens des inneren Stiftkranzes aus Edelstahl bestehen, der im Bereich des Eingriffs eine Rockwell-Härte von 20 bis 70 HRC aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Läuferscheibenverzahnung durch Laserschneiden erzeugt wird und dass zumindest im Bereich des Eingriffs nach dem Laserschneiden angelassen wird.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Läuferscheiben während ihrer Herstellung einmal oder mehrmals den Prozessen Spannungsarmglühen, Härten und Anlassen unterzogen wurden.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülsen zumindest im Bereich des Eingriffs vor oder nach ihrer Konfektionierung gehärtet wurden.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Läuferscheiben um 0 bis 20 µm niedriger bemessen ist als die Dicke der Werkstücke nach Beendigung der Material abtragenden Bearbeitung.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch Ausführung der Arbeitsscheiben in Gusseisen und der Möglichkeit zur kontinuierlichen Zuführung einer Abrasivstoffe enthaltenden Suspension die Ausführung eines gleichzeitig beidseitig angreifenden Läppprozesses an den Werkstücken möglich ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch Belegung der Arbeitsscheiben mit Schleifkörpern und der Möglichkeit zur kontinuierlichen Zuführung einer Flüssigkeit die Ausführung eines gleichzeitig beidseitig angreifenden Schleifprozesses an den Werkstücken möglich ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch Belegung der Arbeitsscheiben mit Poliertuch und der Möglichkeit zur kontinuierlichen Zuführung einer Abrasivstoffe oder Kolloide enthaltenden Flüssigkeit die Ausführung eines gleichzeitig beidseitig angreifenden Polierprozesses an den Werkstücken möglich ist.

15. Verfahren zum gleichzeitig beidseitigen Bearbeiten von einem oder mehreren Werkstücken, bei dem eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 zum Einsatz kommt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeiten eine Operation einschließt, die ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Läppen, Schleifen und Polieren umfasst, und auf ein oder mehrere Werkstücke angewandt wird, die aus einem Material bestehen, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Glas, Metall, Legierungen und Halbleiter umfasst.