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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur gleichzeitig beidseitigen Material abtragenden Bearbeitung von
Werkstücken
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Diese verwendet ein Planetargetriebe
mit Stiftverzahnung.
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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.
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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.
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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. Schleif verfahren 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.
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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.
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Anlagen zur gleichzeitig beidseitigen
flächigen
Bearbeitung von Werkstücken
mit den genannten Verfahren sind bekannt, beispielsweise solche, bei
denen die in Läuferscheiben
mit geeignet dimensionierten Aussparungen geführten Werkstücke zwischen
zwei planaren parallelen Arbeitsscheiben bearbeitet werden, die
größer als
die Werkstücke
sind. Dabei besteht die Möglichkeit,
meist mehrere Läuferscheiben
auf einer Planetenbahn rotierend um das Anlagenzentrum zu bewegen.
Dieses Verfahren ("planetary
movement") und dafür geeignete
Bearbeitungsanlagen 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 sind
beispielsweise in der
DE
37 30 795 A1 , der
DE 199
37 784 A1 und der
DE
100 07 390 A1 beschrieben.
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Die Verwendung solcher Vorrichtungen
hat den Vorteil, dass die Einstellung einer hohen Planparallelität der Werkstücke mit
einem hohen Anlagendurchsatz einhergeht. Der Antrieb der Läuferscheiben
erfolgt 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. Die Stifte können gegen Verschleiß geschützt werden,
beispielsweise durch auswechselbare Hülsen, die in der
DE 195 47 086 C1 offenbart
sind. 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.
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Die Steigerung der Ausbringungsleistung durch
höhere
Rotationszahlen von Läuferscheiben und
Arbeitsscheiben führt
zu einem erhöhtem
Verschleiß der
Hülsen
und zum Auftreten von Kratzern auf den Werkstücken. Letzterem wird gemäß der
EP 787 562 A1 dadurch
begegnet, dass die sich beim Eingriff der Verzahnung kontaktierenden
Flächen
aus einem widerstandsfähigem Kunststoff
bestehen. Nachteilig daran ist die geringe Standzeit der sich kontaktierenden
Flächen
von Hülsen
und Verzahnung.
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In der
DE 19547086 C1 werden zur
Vermeidung von Verschleiß der
Läuferscheiben
Hülsen
vorgeschlagen, die drehbar auf den Stiften gelagert sind. Auf diese
Weise wird die reibende Beanspruchung auf die Hülsen und Stifte verlagert und
der Verschleiß der
Hülsen
in Kauf genommen. In dem
DE
1708976 U sind ebenfalls mit Hülsen bedeckte Stifte beschrieben.
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Es war daher die Aufgabe gestellt,
eine Vorrichtung mit Planetargetriebe zur gleichzeitig beidseitigen
Material abtragenden Bearbeitung von Werkstücken beispielsweise durch Läppen, Schleifen
oder Polieren zu entwickeln, die über eine höhere Ausbringung kratzerfreier
Werkstücke
pro Bearbeitungsanlage als nach dem Stand der Technik üblich zu
Kostenvorteilen führt.
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Gelöst wird die Aufgabe durch eine
Vorrichtung zur gleichzeitig beidseitigen Material abtragenden Bearbeitung
von Werkstücken
mit einer Vorderseite und einer Rückseite,
- (a)
einer oberen Arbeitsscheibe und einer parallelen unteren Arbeitsscheibe
zur Erzeugung des Materialabtrags von der Vorderseite und der Rückseite
der Werkstücke,
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 der Werkstücke und
einer umlaufenden Verzahnung, 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, wobei die Vorrichtung
dadurch gekennzeichnet ist,
dass die Hülsen eine
innere Hülle
aus Kunststoff und eine äußere Hülle aus
Metall umfassen.
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Die erfindungsgemäß ausgebildeten Hülsen drehen
sich auch bei starker Belastung durch hohe Drehzahlen der Läuferscheiben
nahezu reibungsfrei um die Stifte der Stiftkränze, was einer lokalen Überbeanspruchung
entgegenwirkt. Durch das Vermeiden einer unzureichenden Rotation
der Hülsen
um ihre Zentrumsachsen und eine damit einhergehende ungleichmäßige Belastung
bleibt nicht nur der Abrieb der Hülsen und der Stifte gering,
sondern auch der Verschleiß der
Verzahnung der Läuferscheiben.
Dies wirkt sich wiederum positiv auf die Ausbeute bei der Bearbeitung
der Werkstücke
aus, weil weniger Mängel
durch verkratzte oder durch Metallspuren verunreinigte Werkstückoberflächen auftreten.
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Die 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. Die Verwendung der
Vorrichtung zur Bearbeitung einkristalliner Siliciumscheiben eines
Durchmessers von 100 bis 450 mm und einer Dicke von 200 bis 1200 μm ist besonders
bevorzugt.
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Die nachfolgende Beschreibung bezieht
sich daher exemplarisch auf die Politur solcher Siliciumscheiben.
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
mit einer anderen Anzahl von Läuferscheiben
und zu polierenden Werkstücken
sowie Läpp-,
Schleif- und sonstige mit vergleichbarer Kinematik arbeitende Anlagen
zum Abtragen von Material und auf die Bearbeitung von kleineren
oder größeren Halbleiterscheiben übertragen.
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1 zeigt
schematisch eine Läuferscheibe zur
Aufnahme von drei 300-mm-Siliciumscheiben
für die
beidseitige Politur in der Aufsicht.
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2 zeigt
schematisch die Anordnung von mehreren der in 1 dargestellten Läuferscheiben in einer Polieranlage
in der Aufsicht.
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3 zeigt
schematisch den Eingriff einer Läuferscheibe
gemäß 1, belegt mit Siliciumscheiben,
in den äußeren Stiftkranz
einer Polieranlage gemäß 2 in der Aufsicht.
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4 zeigt
schematisch den Eingriff einer Läuferscheibe
gemäß 1 belegt mit Siliciumscheiben,
in den inneren (links) und äußeren Stiftkranz (rechts)
einer Polieranlage im Schnitt gemäß der Linie A-A' in 2.
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5 zeigt
in Schnittdarstellung einen Stift mit einer Hülse gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung.
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1 zeigt
schematisch eine Läuferscheibe aus
Edelstahl mit einer Dicke hL von 770 bis
780 μm für die gleichzeitig
beidseitige Politur von Siliciumscheiben des Durchmessers 300 mm.
Die Läuferscheibe 1 besteht
aus einem Grundkörper
mit einer umlaufenden Verzahnung 2, die aus sich mit Zähnen abwechselnden
halbkreisförmigen
Aussparungen zum Eingriff in den inneren und äußeren Stiftkranz (5, 6)
besteht. Grundkörper
und Verzahnung 2 bestehen aus Edelstahl und bilden ein
zusammenhängendes Bauteil.
Die Läuferscheiben 1 weisen
Aussparungen 3 auf, die zur Aufnahme von Werkstücken (W),
z.B. Siliciumscheiben geeignet dimensioniert sind und zum Schutz
der Kante der Siliciumscheiben mit Kunststoff ausgekleidet sein
können.
Daneben weist die Läuferscheibe 1 in 1 weitere Aussparungen 4 auf,
die einer Verbesserung des Poliermittelflusses bei Ausführung der
Politur dienen. Die Aussparungen 4 können bei bestimmten Anwendungen
grundsätzlich
unterschiedlich ausgeführt
oder sogar weggelassen werden.
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2 zeigt
eine Anordnung von fünf
Läuferscheiben 1,
bestehend im Wesentlichen aus Grundkörper und Verzahnung 2,
gemäß 1 in einer Polieranlage,
die mit der maximalen Anzahl von jeweils drei Werkstücken W,
in diesem Fall Siliciumscheiben, belegt sind. Die Läuferscheiben 1 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 2 dargestellten Anlage mit einem Durchmesser
von etwa zwei Metern ist jedoch bevorzugt, beide Stiftkränze 5 und 6 beweglich
zu gestalten und aktiv anzutreiben.
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Die derart bestückten Läuferscheiben liegen auf einer
unteren Arbeitsscheibe 7, die in diesem Falle mit Poliertuch 11 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 7 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.
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3 zeigt
als Detaildarstellung von 2 den
Eingriff der Läuferscheibenverzahnung 2 in
den äußeren Stiftkranz 6,
dessen Stifte 14 mit Hülsen 8 bedeckt
sind. Erkennbar ist außerdem
die Kunststoffauskleidung 9, welche die Siliciumscheibe
W gegen mechanische Beschädigung
schützt.
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4 zeigt
den in 2 markierten
Schnitt A-A, wobei die Größenverhältnisse
insbesondere der mit Hülsen 8 bedeckten
Stifte und der Dicke der Läuferscheibe 1 mit
Verzahnung 2 und Siliciumscheiben W aus Gründen der
Veranschaulichung nicht maßstabsgerecht
dargestellt sind. Als Details in 4 erkennbar
sind die Kunststoffauskleidung 9 der Läuferscheiben 1, 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.
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5 zeigt
in Schnittdarstellung eine Hülse gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung. Die Hülse 8 besteht
im Wesentlichen aus einem Metallrohr, in das ein vorzugsweise in
obere und untere Teilhüllen
(13a, 13b) zweigeteiltes Gleitlager aus Kunststoff
eingeführt
ist. Das Metallrohr und das Gleitlager bilden eine äußere Hülle 12 und
eine innere Hülle 13,
die den Stift 14 eines inneren und/oder äußeren Stiftkranzes
umgibt. Besonders bevorzugt ist es, das untere Ende der unteren Teilhülle 13b der
inneren Hülle 13 nach
außen
zu verbreitern, so dass es einen Sockel 15 bildet, auf
dem das untere Ende der äußeren Hülle 12 aufliegt.
Dadurch wird vermieden, dass die sich während des Betriebs der Vorrichtung
drehende äußere Hülle 12 die ebenfalls
aus Metall bestehende Basis 16 des Stiftkranzes berührt und
metallischer Abrieb entsteht. Die Hülse 8 ist vorzugsweise
auch am oberen Ende offen ausgebildet. Durch die Öffnung 17 ist
die Hülse
innen für
Reinigungsmaßnahmen,
beispielsweise durch Besprühen,
zugänglich.
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Um zu erreichen, dass die Hülse 8 möglichst reibungsfrei
um den Stift 14 gleitet, besteht die innere Hülle 13 aus
einem zu diesem Zweck geeigneten Kunststoff, beispielsweise einem
thermoplastischer Kunststoff. Besonders bevorzugt ist ein Kunststoff
mit einem dynamischen Gleitreibwert gegen Stahl von 0,09 – 0,27.
Bevorzugt ist weiterhin, dass der eingesetzte Kunststoff von chemischen
Stoffen, beispielsweise solchen, die Poliermitteln enthalten sind,
nicht angegriffen wird.
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Die äußere Hülle 12 der Hülse 8 besteht
aus einem Metall, vorzugsweise aus Edelstahl, der kein Kupfer und
Nickel, jedoch gegebenenfalls Chrom, Vanadium und Molybdän sowie
0,1 bis 1,2 Gew.-% Kohlenstoff enthalten kann. 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). Gegebenenfalls kann auch eine
Härtung
des Metalls vor oder nach der Formgebung der äußeren Hülle 12 erfolgen.
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Die Abmessung der Hülsen 8 richtet
sich nach der Art des Bearbeitungsschrittes, der Dicke der Läuferscheiben 1 und
der Werkstücke
W und nach der Größe der Bearbeitungsmaschine
und steht in direktem Zusammenhang mit den Abmessungen der Stifte 14,
welche die Hülsen 8 zwar
drehbar, jedoch ohne größeres Spiel
aufnehmen müssen.
Bei der besonders bevorzugten Politur von Siliciumscheiben haben
die Hülsen 8 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.
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Gemäß der besonders bevorzugten
Ausführungsform
sitzt die innere Hülle 13 fest
in der äußeren Hülle 12.
Es kann aber auch genug Spiel zwischen den Hüllen vorgesehen sein, damit
sich die innere und die äußere Hülle unabhängig voneinander
um den Stift 14 drehen können.
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Vergleichsbeispiel:
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In einem Polierverfahren wurde eine
Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 eingesetzt, wobei auf die Stifte der Stiftkranzverzahnung oben
geschlossene Hülsen
aus Metall gesteckt waren. Es wurde festgestellt, dass die Hülsen bereits nach
einigen Polierfahrten die anfängliche
leichte Drehbarkeit um die Stifte eingebüßt hatten und teilweise nicht
mehr um die Stifte gedreht werden konnten.
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Beispiel:
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Beim der Benutzung einer Vorrichtung
gemäß Anspruch
1 konnte auch nach 250 Polierfahrten keine Veränderung der Gleitfähigkeit
der Hülsen
festgestellt werden.