DE3003299A1

DE3003299A1 - Verfahren zum laeppen und laeppmaschine dafuer

Info

Publication number: DE3003299A1
Application number: DE19803003299
Authority: DE
Inventors: Chikanobu Ichikawa; Masami Masuko
Original assignee: Fujikoshi Machinery Corp
Current assignee: Fujikoshi Machinery Corp
Priority date: 1979-01-31
Filing date: 1980-01-30
Publication date: 1980-08-14
Also published as: JPS55106769A; DE3003299C2; US4272924A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Läppen dünner scheiben- oder plattenförmiger Werkstücke sowie auf eine dafür geeignete Läppmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 4.

Beim Präzisionsläppen dünner scheiben- oder plattenförmiger Materi.alen, beispielsweise einem Halbleiter Siliziumblättchen, wird üblicherweise das von dem Träger gehaltene Werkstück zwischen einer oberen Läppscheibe und einer im wesentlichen parallelen, unteren Läppscheibe, die relativ zueinander umlaufen, angeordnet, wobei kontinuierlich Läppflüssigkeit zugeführt wird, die feine Teilchen eines Schleifmittels enthält, so lange bis die gewünschte Genauigkeit der Oberfläche des Werstücks erreicht ist.

Durch die jüngere Entwicklung auf dem elektronischen Gebiet sowie anderer Präzisionstechnologien ist es manchmal erforderlich, daß die Dicke des geläppten Materials mit hoher Genauigkeit mit einem Fehler von 1 χ 10" mm oder weniger kontrolliert wird. Der einfachste, aber zuverlässigste Weg zur Bestimmung der Dicke eines geläppten Werkstücks ist die sogenannte "Out-of-Process"-, also· ausserhalb des Läppvorgangs erfolgende Methode, bei der die Läppmaschine periodisch angehalten wird und die dem Läppen unterworfenen Werkstücke aus der Maschine genommen werden, um die Dicke mit herkömmlichen Meßinstrumenten zu messen. Diese Methode ist freilich aufwendig bzw. zeitraubend und unter dem Gesichtspunkt der Arbeitseffizienz unerwünscht.

Es sind deshalb schon 'verschiedene Versuche unternommen .worden, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem die Bestimmung der Dicke eines Werkstücks, das einem Läppvorgang

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unterworfen ist, "In-Process", also während des Läppvorganges erfolgen kann, ohne den Betrieb der Läppmaschine zu unterbrechen (vgl- japanisches Gebrauchsmuster 41-24476). Ein Problem bei diesen bekannten Verfahren zur Dickebestimmung während des Läppvorganges besteht darin, daß das was durch diese Verfahren gemessen wird, nicht die Dicke des dem Läppvorgang unterworfenen Werkstücks selbst ist, sondern der Abstand zwischen den Oberflächen der oberen und der unteren Läppscheibe. Große Fehler bei der Dickebestimmung sind daher manchmal unvermeidbar aufgrund der Abnutzung oder anderer Unregelmäßigkeiten der Scheibenoberflächen und aufgrund des Eindringens der Schleifmittelteilchen zwischen das Werkstück und die Scheibenoberflächen.

Diese Fehler sind insbesondere dann verhältnismäßig groß, wenn die Dicke des dem Läppvorgang unterworfenen Werkstücks klein ist, beispielsweise 2 mm oder weniger. Demgemäß ist bisher noch kein.zufriedenstellendes Verfahren bekannt geworden, um die Dicke des dem Läppvorgang unterworfenen Werkstücks während des Läppens zu bestimmen, so daß die meisten bekannten Läppverfahren lediglich einen Zeitschalter benutzen, mit dem eine vorgegebene Läppzeit eingestellt wird, um den Betrieb der Läppmaschine zu unterbrechen.

Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Läppverfahren und eine Läppmaschine zum Läppen dünner Werkstücke zur Verfügung zu stellen, mit dem bzw. der die während des Läppvorganges erfolgende Bestimmung der Dicke des Werkstücks direkt durch Messung der Dicke des Werkstücks als solches durchgeführt werden kann, ohne den Betrieb der Läppmaschine unterbrechen zu müssen.

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Nachstehend ist die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beispielsweise beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 eine Vorderansicht der erfindungsgemäßen, teilweise geschnittenen Läppmaschine, ein

schließlich der Steuereinrichtung und des Antriebes in Blockform;

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Läppmaschine; und 10

Fig. 3 in vergrößerter Wiedergabe einen Schnitt

durch die Läppmaschine in dem Bereich der

ringförmigen Läppoberflächen.

In Fig. 1 ist eine schematische Vorderansicht einer teilweise geschnittenen Läppmaschine dargestellt, wobei die untere Läppscheibe 1 und die obere Läppscheibe 2 jeweils eine ringförmige Läppoberfläche 3 bzw. 4 aufweisen, die sich gegenüberliegen. Wenigstens ein oder im allgemeinen mehrere Werkstücke 5 in Form einer dünnen Scheibe oder Platte, die durch einen Träger 6 gehalten sind, sind zwischen diesen ringförmigen Läppoberflächen 3 und 4 mit einem geeigneten Druck gehalten. Die untere Läppscheibe 1 und die obere Läppscheibe 2 laufen im wesentlichen parallel zueinander um, während eine Läppflüssigkeit, die feine Teilchen eines Schleifmittels enthält, kontinuierlich in den Zwischenraum zwischen den ringförmigen Läppoberflächen 3 und 4 zugegeben wird, so daß eine genaue Läppbearbeitung der Oberfläche des Werkstücks 5 erreicht werden kann. Die Anordnung der Läppscheiben 1 und 2 und das Prinzip des Läppens, wie es vorstehend beschrieben ist, ist Stand der Technik und braucht daher nicht näher beschrieben zu worden.

Bei der erfindungsgemäßen. Läppmaschine ist die obere Läpp-

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scheibe 2 mit einer oder mehreren Öffnungen 7 in der ringförmigen Läppoberfläche 4 versehen. Die radiale Lage der Öffnung 7 ist vorzugsweise um den mittleren Abschnitt der Breite der ringförmigen Läppoberfläche herum, wie in Fig. 2 dargestellt. Ein Ultraschallwandler 8 ist in der Öffnung 7 angebracht und wird von dem zylindrischen Halter 9- getragen, wie in Fig. 3 dargestellt, die in vergrößerter Wiedergabe einen Schnitt durch die Läppscheiben 1 und 2 im Bereich der ringförmigen Läppoberflächen 3 und 4 zeigt. Damit kann der Ultraschallwandler 8 Ultraschall auf das Werkstück 5 im wesentlichen senkrecht durch die Ausnehmung 10 in der Öffnung

7 werfen. Die Stromversorgung des Ultraschallwandlers

8 erfolgt durch eine in den Fig. nicht dargestellte

Batterie, die in die Ultraschallwandler-Einheit eingebaut ist. Die Technik, elektrische Energie in Ultraschallwellen umzuwandeln, wobei ein piezoelektrisches Signal verwendet wird,.gehört zum Stand der Technik. Die Frequenz der Ultraschallwelle ist nicht besonders beschränkt, jedoch wird eine Frequenz zwischen 1 und 50 MHz bevorzugt, und ganz besonders zwischen 5 und MHz.Niedrigere Ultraschallwellen sind unerwünscht wegen der Zunahme des Fehlers bei der Dickebestimmung, die abhängt von der Bedingung der Läppflüssigkeit, die den Raum zwischen dem Ultraschallwandler 8 und dem Werkstück 5 füllt, während höhere Frequenzen Schwierigkeiten bei der Erzeugung der Ultraschallwellen verursachen.

Es ist möglich, den Ultraschallwandler 8 nicht in der Öffnung 7 in der oberen Läppscheibe 2 zu befestigen, so daß er zusammen mit der Scheibe 2 umläuft, aber er kann auch oberhalb der oberen Läppscheibe 2 angeordnet sein und die Ultraschallwellen als Impulse abgeben, wenn die Öffnung 7 in der umlaufenden Platte 2 unter

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ihm zu liegen kommt,, Die vorstehend beschriebene Anordnung in der Öffnung 7 ist jedoch zu empfehlen, was sich aus der nachstehenden Beschreibung noch ergeben wird. Der Abstand des Ultraschallwandlers 8 zu der oberen Oberfläche des Werkstücks 5 ist vorzugsweise so klein wie möglich, jedoch im allgemeinen zwischen 2 und 5 mm.

Wie vorstehend angegeben, muß eine Läppflüssigkeit, die kleine Teilchen eines Schleifmittels enthält, kontinuierlich in den Zwischenraum zwischen der unteren und der oberen Läppscheibe 1 und 2 gegeben werden, so daß die Oberflächen der Werkstücke 5 immer mit Läppflüssigkeit benetzt sind. Wenn eine Luftschicht in dem Spalt zwischen dem Ultraschallwandler 8 und der oberen Oberfläche des Werkstücks 5 vorliegt, so können sich die Benetzungsbedingungen unregelmäßig ändern, wodurch ein Fehler bei der Fortpflanzung der Ultraschallwelle hervorgerufen wird. Nach der Erfindung wird dieses Problem beseitigt, indem der Zwischenraum zwischen dem Ultraschallwandler 8 und der oberen Oberfläche des Werkstücks 5 mit Läppflüssigkeit gefüllt wird, so daß dazwischen keine Luft vorliegt. Die Läppflüssigkeit, die in dem Gefäß 11 aufbewahrt wird, strömt durch eine Rohrleitung 12 in einen Ring- oder Durchgangskanal 13, von wo die Flüssigkeit durch die Rohrleitung 14 in die Ausnehmung 10 weiter nach unten fließt, um xn den Zwischenraum zwischen der unteren und der oberen Läppscheibe 1 und 2 einzutreten. Um ein gleichmäßiges Herabströmen der Läppflüssigkeit von dem Ringkanal 13 zu der Ausnehmung 10 zu gewährleisten, ist ein Luftauslaß 15 in dem zylindrischen Halter 9 vorgesehen, so daß eine gute Stabilität in der Fortpflanzung der Ultraschallwellen erreicht ist. Es ist empfehlenswert, eine Einrichtung vorzusehen, um die vertikale Position des

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Wandlers 8 in Bezug auf die obere Läppscheibe 2 zur Kompensation der Abnutzung der Scheibe 2 einzustellen, so daß ein konstanter Abstand zwischen dem Wandler 8 und der oberen Oberfläche des Werkstücks 5 beibehalten wird.

Die Ultraschallwelle, die auf das Werkstück 5 im wesentlichen senkrecht durch die Läppflüssigkeit.geworfen wird, wird zunächst teilweise an der oberen Oberfläche des Werkstücks 5 reflektiert und teilweise pflanzt sie sich im Werkstück 5 fort, um an der unteren Oberfläche des Werkstücks 5 reflektiert zu werden, um doppelte Echowellen mit einer Zeitverzögerung zu erzeugen, die sich durch die Läppflüssigkeit im wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche des Werkstücks 5 zurück zu dem Wandler 8 fortpflanzen, wo die Echowellen in elektrische Signale umgewandelt werden. Die Zeitverzögerung der doppelten Echowellen hängt von dem Material ab sowie von der Dicke des Werkstücks 5, beträgt jedoch üblicherweise 0,05 bis 0,5 MikroSekunden.

Es ist zu bemerken, daß der Ultraschallwandler 8 nicht nur die doppelten Echowellen, die auf der oberen und der unteren Oberfläche des Werkstücks 5 reflektiert worden sind, empfängt, sondern auch mehrfache Echowellen, die durch wiederholte Reflektion der Ultraschallwelle innerhalb des Körpers des Werkstücks 5 erzeugt werden. Infolgedessen zeigt die Anzeige oder die Aufzeichnung der Intensität der Ultraschallwelle, die durch den Ultraschallwandler 8 als Funktion der Zeit empfangen wird, beispielsweise mit einem Oszilloskop aufgenommen, in regelmäßigen Intervallen allmählich gedämpfte Impulse. Es ist ohne weiteres verständlich, daß das Zeitintervall zwischen irgendeinem Paar benachbarter oder aufeinander-

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- li -

folgender Impulse der Dicke des Werkstücks 5 direkt proportional ist nach der Gleichung

t = \ tv,

worin t die Dicke des Werkstücks 5 in m, τ das Zeitintervall zwischen zwei benachbarten Impulsen in Sekunden und ν die Geschwindigkeit der Ultraschallwelle in dem Werkstück 5 in m/sek. ist.

Die elektrischen Signale, die den Echowellen der Ultraschallwelle, die in dem Wandler 8 erzeugt werden, entsprechen, werden dann der Steuereinrichtung 16 der Läppmaschine zugeführt, die separat angeordnet ist, in der die Zeitverzögerung der Echowellen in die Dicke des dem Läppvorgang unterworfenen Werkstücks 5 umgerechnet wird, und wenn die Dicke des Werkstücks 5 den vorgegebenen Wert genau erreicht hat, wird der Antrieb 17 der Maschine so gesteuert, daß der Betrieb der Läppmaschine automatisch unterbrochen wird.

Die Zuführung der elektrischen Signale von dem Wandler 8 zu der Steuereinrichtung 16 kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen. Eine Methode ist die sogenannte Fernmessung, d.h. die Ultraschallwandler-Einheit gibt eine Radiowelle ab, die mit den elektrischen Signalen moduliert ist, die den doppelten Echowellen des Ultraschalls entsprechen, mit Hilfe einer geeigneten elektrischen Schaltung und die Signale, die von der Steuereinrichtung 16 empfangen werden, werden umgerechnet und zur Steuerung des Antriebs 17 benutzt.

Eine andere Methode, um die elektrischen Signale von dem Wandler 8, der auf der rotierenden Scheibe 2 angeordnet ist, zu der stationären Steuereinrichtung 16 zu

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übertragen, besteht in der Verwendung eines Schleifrings und einer Bürste. Der Wandler 8 ist dann elektrisch mit dem Schleifring 19 an der herabhängenden Welle 18 der ' Scheibe 2 mittels eines Koaxialkabels 20 verbunden und der Schleifring 19 steht in Berührung mit der Bürste 21, die ihrerseits elektrisch mit der Steuereinrichtung 16 mittels eines weiteren Koaxialkabels 22 verbunden ist, so daß die elektrischen Signale von dem Wandler 8 zu der Steuereinrichtung 16 über den Schleifkontakt zwischen dem Schleifring 19 und der Bürste 21 übertragen werden.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist klar ersichtlich, daß die durch das erfindungsgemäße Läppfverfahren sowie die erfindungsgemäße Läppmaschine erfüllten Vorteile die folgenden sind:

(1) Ein Mittel zur direkten Messung der Dicke des dem Läppvorgang unterworfenen Werkstücks "In-Process", also bei laufendem Betrieb, wird zur Verfügung gestellt, was nach dem Stand der Technik als unmöglich angesehen wurde.

(2) Irgendwelche Fehler bei der Fortpflanzung der Ultraschallen können vermieden werden, weil das Fortpflanzungsmedium des Ultraschalls bei der Erfindung die Läppflüssigkeit selbst ist, und zwar ohne das Problem der nicht normalen Berührung eines Verzögerungsmaterials mit der Oberfläche des Werkstücks.

(3) Die Berechnung der elektrischen Signale "In-Process", die der Zeitverzögerung der Echowellen entspricht, erleichtert sehr wirkungsvoll die Kontrolle der Dicke des Werkstücks mi^-
oder weniger.

Werkstücks mit einer Fehlerabweichung von 1 χ 10 mm

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Das nachstehende Beispiel dient der weiteren Erläuterung der Erfindung.

Beispiel

Es wurde ein blaues Scheibenglas von etwa 0,5 mm Dicke mit einer Läppmaschine, wie sie in Fig. 1 bis 3 gezeigt ist, geläppt, wobei 24 Glasscheiben gleichzeitig auf der Maschine befestigt wurden und die Einrichtung zur automatischen Steuerung wurde so eingestellt, daß der Betrieb der Maschine unterbrochen wird, wenn der durchschnittliche Wert der Dicke der 24 Scheiben 500 um erreicht hat. Nachdem das Läppen auf diese Weise beendet war, wurden die geläppten Scheiben aus der Maschine genommen und es wurde die Dicke jeder Scheibe mit einem Mikrometer an fünf Stellen jeder Scheibe gemessen, worauf aus den Werten der Dicke der 24 Scheiben der Durchschnittswert gebildet wurde, um die durchschnittliche Dicke für diesen Posten in yum zu erhalten.

Das vorstehend beschriebene Läppverfahren und die Bestimmung der Dicke des Postens wurde mit 20 Posten der Glasscheiben durchgeführt und die Abweichung von den eingestellten 500 pm wurde aufgezeichnet, wobei sich

'25 zeigte, daß der Wert für 11 Posten genau 500 um betrug, mit einer Abweichung von -1 ^m (499 p.m) drei Posten und mit +1. um (501 um) sechs Posten vorhanden waren.

Zum Vergleich wurde ein ähnlicher Läppversuch mit einer konventionellen Zeitkontrolle anstelle der vorstehend beschriebenen Ultraschallkontrolle durchgeführt. Der durchschnittliche Wert der Dicke der 20 Posten bewegte sich zwischen 490 und 510 um, und zwar derart, daß die

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Werte 490, 494, 495, 497, 502, 5θ4, 507, 508 und 510 tun waren für einen Posten und jeweils 496, 498, 500, 501 und 505 um für zwei Posten.

Leerseite

Claims

Fujikoshi Machinery Corporation 1650, Kiyono, Matsushiro-machi Nagano-shi
Nagano-ken, Japan

Verfahren zum Läppen und Läppmaschine dafür

Paten, tansprüche:

( l.j Verfahren zum Läppen dünner Werkstücke in einer Läppmaschine mit einer unteren Läppscheibe mit ringförmiger Läppoberfläche und einer oberen Läppscheibe mit ringförmiger Läppoberfläche, die in Bezug auf die untere Läppscheibe im wesentlichen parallel umläuft, wobei das Werkstück daz wischen angeordnet ist und wobei eine kontinuierliche Zufuhr von Läppflüssigkeit in den dazwischen liegenden Raum erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß

•a) mit Hilfe eines Ultraschallwandlers Ultraschallwellen im wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche des Werkstücks durch eine Öffnung geworfen werden, die in einem Abschnitt der ringförmigen Läppoberfläche der oberen Läppscheibe vorgesehen ist;

b) die Echowellen der Ultraschallwellen, die-an der oberen und an der unteren Oberfläche des Werkstücks reflektiert werden, mit Hilfe des Ultra-

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schallwandlers empfangen werden, wobei die Echowellen in korrespondierende elektrische Signale umgewandelt werden; und

c) die elektrischen Signale einer Steuereinrichtung der Läppmaschine zugeführt werden, wobei die elektrischen Signale, die der Zeitverzögerung der Elektrowellen entsprechen, in die Dicke des Werkstücks umgerechnet und zur Steuerung des Betriebs der Läppmaschine benutzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwellen durch die Läppflüssigkeit geworfen werden, die den Raum zwischen dem Ultraschallwandler und der oberen Oberfläche des Werkstücks füllt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Signale von dem Ultraschallwandler der Steuereinrichtung über einen Schleifring und eine Bürste zugeführt werden.

4. Läppmaschine zum Läppen dünner Werkstücke mit

a) einer unteren Läppscheibe mit ringförmiger Oberfläche,

b) einer oberen Läppscheibe mit ringförmiger Oberfläche, die in Bezug auf die untere Läppscheibe im wesentlichen parallel und drehbar ist und von einer herabhängenden Welle getragen wird, um eine dünnes Werkstück dazwischen anzuordnen, das von einem Träger zwischen den ringförmigen Läppflächen der unteren und der oberen Läppscheibe gehalten ist, gekennzeichnet durch

c) eine Öffnung (7) in der ringförmigen Läppoberfläche der oberen Läppscheibe (2);

d) einen Ultraschallwandler (8), durch den Ultraschallwellen auf das zwischen der unteren und der oberen

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Läppscheibe (1 und 2) angeordnete Werkstück (5) durch die Öffnung (7) in der oberen Läppscheibe (2) in einer im wesentlichen senkrechten Richtung zu der Oberfläche des Werkstücks (5) geworfen werden; e) einen Ultraschallwandler (8), der die Echowellen der Ultraschallwellen, die an der oberen und der unteren Oberfläche des Werkstücks (5) reflektiert werden, empfängt und dementsprechende elektrische Signale erzeugt;

f) eine Steuereinrichtung (16) der Läppmaschine, die durch die elektrischen Signale betätigt wird, die durch den zweiten Umwandler (8) erzeugt werden, umgerechnet auf die Dicke des Werkstücks (5); und g) eine Einrichtung zur Abgabe der elektrischen Signale von dem Ultraschallwandler (8) an die Steuereinrichtung (16) .

5. Läppmaschine nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (11 - 14) zur Zufuhr von Läppflüssigkeit, um den Raum zwischen dem Ultraschallwandler (8) und der oberen Oberfläche des zwischen der unteren und der oberen Läppscheibe (1 und 2) angeordneten Werkstücks (5) zu füllen.

6. Läppmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Abgabe der elektrischen Signale von dem Ultraschallwandler (8) an die Steuereinrichtung (16) einen Schleifring (19), der an der herabhängenden Welle (18) der oberen Läpp-

30. scheibe (2) angeordnet ist, und eine in Kontakt mit dem Schleifring (19) stehende Bürste (21) aufweist.

7„ Läppmaschine nach Anspruch 4, dadurch g e k e η η-zeichnet, daß der Ultraschallwandler (8) an

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einem Halter (9) angeordnet ist, der in der Öffnung (7) in der oberen Läppscheibe (2) befestigt ist.

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