两面抛光操作中使用的夹头组件的制作方法

专利名称:两面抛光操作中使用的夹头组件的制作方法
本发明涉及一种在抛光、研磨或碾磨操作中夹持工件的夹头组件，特别适用于两面加工的操作。更具体地讲，本发明涉及一种由上面装有一个或数个工件夹头的传动环组成的夹头组件，其中，工件夹头由一种比传动环软的材料制成，以减少在抛光、研磨或碾磨中工件缺陷的产生。
本发明主要可用于两面加工的操作，即一衬底的两面同时得到抛光、研磨或碾磨，以形成平整、一致的表面。除非另有说明，为了方便起见，此地将用较广义的术语“抛光”指各种不同类型的抛光、研磨或碾磨加工，因为本发明可用于上述的一种或所有的加工。
典型的两面抛光机采用铁板或钢板，以及/或者各种人造或天然抛光垫以对工件表面进行抛光。在典型的抛光机中，夹持工件的各夹头组件由一传动装置传动，该传动装置，由一个内圆周带齿的固定外圆构件组成。与该固定构件同心并置于其中心的还有一个旋转传动构件，其外圆周亦带齿。带有齿形圆周的夹头组件即被置于固定构件和旋转构件之间，并与该二构件啮合。夹头组件为圆盘，上有可放置工件如半导体大圆片或铝片的圆孔。
制造在两面抛光操作中使用的坚固、耐用的夹头组件的典型材料为钢和其他金属制的合金，诸如国际镍公司生产的商标为“英康耐尔”(INCONEL)和“莫耐尔”(MONEL)合金的镍合金。要制造可以承受住固定构件、旋转构件和夹头组件的传动和被传动齿在抛光过程中产生的很大的力的外齿，这些材料的高强度及硬度是重要的因素。然而，这种可使齿具有长使用寿命优点的强度和耐损性同时也带耒了一些有待克服的缺点。
当抛光较软的或脆性材料，例如诸如硅、镓钆金刚砂(GGG)、砷化镓等电子衬底时，做成夹头组件内圆孔的钢或其他硬金属的硬边，以及夹头迅速运动和/或圆孔内的衬底的运动，可能会使衬底边缘碎裂以及/或者产生裂缝。这种互相作用可使衬底产生肉眼察觉不出的变形，这种变形在日后进一步的加工中会使衬底部分或全部报废。
人们曾试图全部用较软的材料，如聚脂、聚乙烯、聚碳酸酯、尼龙、聚氯乙烯、丙烯酸盐、聚氨基甲酸乙酯、环氧物，乙缩醇[如杜邦公司(E.I.du Pont de Nemours & Company)的“达尔兰”(D E L R I N)牌产品]包括用各种纤维加强的和不加强的，耒制造夹头组件。使用较软的材料有助于防止抛光工件产生缺陷，但是会过度过早磨损夹头组件的齿，从而导致夹头组件使用寿命的缩短和整个加工成本的增加。
把上述的两种材料，即一种较硬的金属和一种较软的材料结合起耒使用，做成一个夹头，在较硬的核心材料上涂一层较软的材料，这种方案在夹头较厚或抛光的衬底相应较厚时使用比较有效。不过，对于较薄的衬底，因为核心材料必须做得很薄，所以制成的夹头很脆，实际上无法使用。
本发明克服了已有技术中的一些问题，其措施是用一种硬性、耐用材料作外传动圆环，用较软的材料作夹持和保护抛光工件的工件夹。
本发明包括一个在抛光、研磨、碾磨操作中使用的夹头组件，该夹头组件由一适宜于旋转的传动环组成，该传动环包括一传动连接装置，传动连接传动环与驱动源，该传动圆环至少有一个固定工件夹的孔，工件夹固定在孔内，工件夹适宜于将工件夹持在工件夹内的一凹坑内，传动环由一种相对耒说比较硬的材料制成，这种材料比制作工件夹的较软的材料硬，这种较硬的材料比较软的材料更能承受传动环传动时产生的力，而较软的材料则比较硬的材料更能保护和垫衬工件夹内夹持的任何工件，防止其碎裂和产生裂缝。
这样，本发明即将已有技术中原先效率不高的单个两面夹头的两个功能分离开了，并使之能分别作有效操作。这两个功能是(1)将动作转送给抛光工件，以及(2)，在该工件抛光时对之加以保护。
可以而且最好在一个夹头组件上使用几个工件夹。工件夹可包括形状各异的中央凹坑，以放置各种不同形状的待抛工件。本发明的工件夹最好是可拆卸的、可调换的或可在一个夹头组件中互换的。
可以根据具体工件的需要用最适宜的材料，以最佳形状或尺寸制造每个工件夹。根据本发明，可以使用一组较贵的传动环以及一些适合不同工件的较便宜的工件夹。
为了说明本发明，附图中显示了一种目前认为比较好的方案。然而，应该理解，本发明并不仅仅限于附图所示的准确布局和手段。
图1为根据本发明的一夹头组件的一个实施方案的平面图。
图2为沿图1中的夹头组件2-2线的垂直剖面图，其中，抛光压磨板为部分剖视示意图。
图3为根据本发明的夹头组件的第二个实施方案的平面图。
图4为沿图3中的夹头组件4-4线的垂直剖面图，其中，抛光压磨板为部分剖视示意图。
图5为根据本发明的夹头组件的第三个实施方案的垂直剖面图。
下面详述各附图，在各图中，同样的组件标有同样的号码。在图1中，10为夹头组件。夹头组件10由一外圆周有齿14的传动环12组成。齿14被绘成齿轮齿，可以是任何一种已知的齿形，例如，渐开的。如需要，也可使用针状齿的结构。本发明的夹头组件10可以而且最好在两面抛光机中取代目前所用的单个夹头组件。
在传动圆环12中做出一个或几个孔16，每一个孔要适合固定一个工件夹。如下所述，参阅附图3，最好在传动环中只做出一个孔。最好用铣或切削，而不是用压制的方法在传动环中加出孔16。铣或切削可使孔缘平整，从而提高工件夹的寿命。
工件夹16的位置及相互间距可以是任意的，只要各孔与传动环之间有足够的距离且各相邻孔之间有足够的间距，不致过度磨损传动环或在各种抛光加工中在对准各孔时产生互相干扰。目前认为如图所示的那样，沿传动环的中心向四周圆形散开、等距离排布这些孔比较好。最好将各孔16排成一个圆，该圆的圆周通过每个孔的中心，这样，自传动环12的中心至任何一有孔16的中心的距离的二倍的长度即限定出了一尺寸，该尺寸可以称为工件夹圆的直径。
将工件夹18、20、22、24和26塞入孔16，并由之固定。工件夹可以较松地固定在孔16中，这样，这些工件夹及各工件夹中夹持的工件一般可由如图2中38处所示的下抛光垫或研磨板支撑。在有些情况下，抛光加工中所用的水力及其他力可能会使工件和工件夹的位置略高于下抛光或研磨板。
与任何一种具体的传动环一起使用的工件夹最好有统一的外直径，这样，可以拆卸并由其他工件夹替换。工件夹内加工出了一凹坑，工件或衬底28、30、32、34和36即置于其中。
工件或衬底可以是两主要表面都要抛光的单片衬底，也可以是背对背放置在凹坑内，中间隔有或不隔有聚合薄膜或纤维纸分隔物的两片衬底。在后一种情况下使用两面抛光机，各衬底只有一个主要表面可得到有效的抛光。
工件夹的凹坑的形状和尺寸可相同，如图中工件夹18，20，22和24所示，也可以各具不同的形状和尺寸，如图中工件夹26所示，因此，衬底28，30，32和34的水平横截面都是圆的，而工件36的水平横截面则是方的。图1中所示的各种形状只是为了说明问题的，因为任何一个工件夹的凹坑都可定制成与工件相同的形状。而且，尽管工件36有不同形状以及工件夹26的凹坑也有各种不同的相应形状，工件夹26可以跟图1中所示其他任何一个工件夹互换。
图1中所示的工件夹有一圆周，以对应于抛光的许多衬底的一般形状，然而，孔16、工件夹18，20，22，24和26以及工件28，30，32，34和36也可采用其他形状，这些形状不必与任何给定传动环中的形状一致或类同。
如图2所示，传动环12一般是与夹头组件有关的组件中最薄的组件。例如图2中18所示的这些工件夹，一般比传动环12厚，以保护在图2中28所示的工件。一般讲，工件，例如工件28，比夹头组件中的所有其他组件厚，这样，它们可由部分剖视图中的上、下抛光垫或研磨板抛光，上、下抛光板或研磨板分别由号码40和38表示。
图3说明了根据本发明的夹头组件110的另一个实施方案。夹头组件110包括其圆周上有齿114的传动环112。在传动环112上加工了一个中心孔116。工件118即置于并固定在孔116之内。
在许多情况下，需要防止工件夹在传动环中旋转。防止这种旋转的一个措施是将孔加工成非圆形的，对应的工件夹的外圆周也做成非圆形的。另一种防止旋转的方式如图3所示，在孔116上加工出一些突起物117，这些突起物与工件118上加工的凹口119啮合很明显，这些突起物和凹口也可以互换位置。
在工件夹118内加工了两个凹坑。图3中所示的两个凹坑只是为了说明工件夹118内可以加工出不同尺寸和不同形状的凹坑。工件128被固定在一个凹坑内，工件130被固定在另一个凹坑内。
图4为沿图3中所示的夹头组件的4-4线的垂直剖面图。根据对图2和图3的说明，该图本身即很说明问题。它说明了各组件与上、下抛光垫或研磨板相比的相对厚度，上下抛光垫或研磨板在部分剖视示意图中分别以号码134和132表示。
图5为本发明的另一个实施方案的垂直剖面图，其中，各组件的相对厚度与以前描述的各实施方案中各组件的厚度不同，但在平面图中看上去与图3一样，此地画成剖面图是为了说明问题。在这个实施方案中，工件夹218比传动圆环212以及工件228和230薄。图5中的夹头组件可能特别适用于不同于研磨或碾磨操作的抛光操作。在抛光时，抛光垫(图中未表示)上可形成一抛光涂层或废砂浆以及分离的细砂和其他废物层。把工件夹做得比传动环和工件薄，孔216的边缘即可刮平或磨光抛光垫，以帮助去除多余的抛光涂层或废砂浆层。
从绝对意义上讲，尽管制造传动环和制造工件夹的材料不是关键性的，但根据本发明，这些材料必须具备下列重要特性。
传动环12，112应由一坚硬、耐用的材料制成，这种材料通常为金属，例如钢，不锈钢，以及任何一种型号的金属合金，比如英康耐尔牌和莫耐尔牌的产品。所用的材料应足够牢固和坚硬，以承受抛光操作中传动环传动时附带的力，并在任何情况下，比制成工件夹的较软的材料更能承受这种力，传动环是由比制作工件夹的材料坚硬的材料制成的。典型的传动环可由布氏硬度至少为75的一种金属，例如钢制成。传动环不应过早磨损或在抛光操作中变脆。
工件夹应由一种比制成传动环的材料软的材料制成。制成工件夹的材料还应比抛光的衬底软，这样才不会使衬底碎裂，出现裂缝，表面划伤或以其他方式使之遭到损坏。目前用于制造工件夹的较好的材料为合成聚合树脂。可以使用的树脂(但并非没有限制)包括聚氨基甲酸乙酯、聚脂、聚乙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、尼龙、环氧物、苯酚、密胺、丙烯酸盐以及乙缩醇聚合物(例如杜邦公司的“达尔兰”牌产品)。根据待垫光衬底的情况，如有需要，可用各种纤维，包括例如玻璃纤维和碳纤维加强选用的聚合物。
用于制成工件夹的材料可以非常软和有弹性，以吸收抛光加工中由衬底边缘传送主孔的振动。该材料可以软到在工作现场可用诸如剪切刀之类的基本工具剪切成合适的形状和尺寸。这并不是说工件夹必须是有弹性的，尽管在一些给某些衬底抛光的加工中最好是这样的。工件夹可以相当坚硬，以牢牢地支撑住工件，当然，这也取决于任一特定抛光加工中可能出现的各种情况。
对制成传动环以及工件夹的材料的选择取决于好几个因素，包括待抛光衬底的类型，衬底的厚度，衬底的尺寸及其水平和截面形状，欲安装夹头组件的机器的类型，使用的抛光介质的类型，抛光中产生的湿度的高低，以及其他一些该行业中具有普通技艺的人所了解的因素。
本发明的夹头组件可使使用者享有很大的灵活性。传动环是坚硬、耐用的，可以承受抛光研磨及碾磨操作中产生的各种力。任何已知夹头组件中的工件夹最好是可拆卸的，可调换的或可互换的。这样，可以对最少的物品加以最大限度的利用，并且可以在操作现场制作合适的工件夹耒夹持待抛光的具体的衬底。
现在参照下列特定的未耒可以实现的非限定性例子进一步对本发明加以说明。
例1本例描述了一种可在精抛光加工中固定五块5.08厘米(2英寸)半导体圆衬底的夹头组件。各衬底分别由其置于传动环内各自分开的孔内的工件夹固定。夹头组件(包括齿)的直径为22.38厘米(8.81英寸)。加工成的孔内可放置圆直径为17.68厘米(6.96英寸)的工件夹。孔的直径为6.439厘米(2.535英寸)，工件夹的外直径为6.414厘米(2.525英寸)。凹坑的直径为5.144+/-0.013厘米(2.025+/-0.005英寸)。外圆周与各工件夹凹坑之间的距离约为0.64厘米(0.25英寸)。一般的排布在图1中已有说明，尽管工件夹26应有一圆形凹坑，而不是方形凹坑。图中的工件夹和凹坑均用铣削方法制成。这样，其边缘才会平整。然而，工件夹的凹坑也可以一个一个地分别铣削而成，以安放无数种实际直径各异的衬底。
传动环由28号(最大厚度为0.038厘米(0.015英寸)的304型不锈钢制成，其传动齿与一带动销传动两面抛光机连接，传动环共有43个齿，其节圆直径为21.8厘米(8.6英寸)。
工件夹由G-10级的0.038厘米(0.015英寸)厚的玻璃纤维加固氧树脂板制成，这种材料可自数个货源处购得。
例2本例说明了如何使用那种可以放入多边形或不规则形状的工件夹，例如，可放入工件夹内5.00厘米(2英寸)凹坑的砷化镓半导体衬底。
传动环由例1中列出的材料制成，其尺寸亦如例1所示，工件夹可由铸模高密度聚氨基甲酸乙酯树脂经剪切刀的恒定压力切成。把不规则形状的衬底放在原先没有用铣床或其他机床加工出的凹坑的工件夹上部，然后把衬底的形状描下耒，用剪切刀在工件夹上开出相应的凹坑。把描画和切下的部分从工件夹上除去，即在工件夹上开出了与待抛光的衬底完全吻合的工件夹凹坑。这种匹配的操作可以在工件夹生产现场或实际抛光现场进行。
例3本例说明了一种用于研磨半导体衬底的夹头组件。该夹头组件的直径为31.45厘米(12.38英寸)。传动环有60个标准的渐开齿其节圆直径为30.48厘米(12.00英寸)，径节为5.传动环由最大厚度为0.0531厘米(0.0209英寸)的25号冷轧薄钢板制成。
在传动环内加工一个孔以固定一个图3中一般说明的工件夹。图3中所示的互相联锁的凹槽和突起可防止工件夹相对传动环旋转。这样，可以防止那种可能把工件或工件夹甩出，或抵销传动环的旋转传送到工件夹的旋转运动。工件夹由厚度为0.053厘米(0.021英寸)的G-10级玻璃纤维加强的环氧复合薄片制成。
传动环孔的直径(不包括突起物)为26.759cm(10.535英寸)。工件夹外直径为26.734厘米(10.525英寸)。与图3中所示的工件夹不同的是，在本例所用工件夹的凹坑内固定并得到研磨的有6片7.62厘米(3英寸)圆形衬底。工件夹的凹坑的直径约为7.684+/-0.013厘米(3.025+/-0.005英寸)。6个凹坑的中心沿直径为17.40厘米(6.85英寸)的工件夹圆铺开。这样，各凹坑互相均有间距(约1.02厘米;0.4英寸)，且与工件夹的外圆周也有充足的间距(约为0.826厘米;0.325英寸)，因此，有足够的材料夹持、支撑和固定工件、并使每一工件的研磨得以进行。
本例说明了使用那种大大简化了大圆片的装载的单个工件夹的有效性。这在那种典型的如研磨之类的操作中尤为重要，在此类操作中，因为衬底尚未经过许多加工，价值较低，所以不必太仔细。目前，在研磨加工中几乎全部使用钢夹头，使用一种较软的工件夹可以大大减少半导体衬底缺陷的形成。
例4本例说明了那种也可用于抛光操作的只有一个工件夹的夹头组件。
加工一个其最大厚度为0.0452厘米(0.0178英寸)的304型26号不锈钢传动环，其夹头组件的直径为31.29厘米(12.32英寸)。传动环包括61个渐开齿，其径节为5。在传动圆环内加工一个直径为27.521厘米(10.835英寸)的与图3中所示的工件夹相类似的工件夹。在孔内固定了一个G-10级玻璃纤维环氧复合薄片加工成的厚度为0.46厘米(0.18英寸)、直径为27-496厘米(10.825英寸)的工件夹。
工件夹内铣出了两个直径各为12.637厘米(4.975英寸)的凹坑，两个凹坑的间距为13.34厘米(5.25英寸)。各工件夹之间的最短距离为0.699厘米(0.275英寸)。
工件夹可有助于不锈钢传动环在抛光中保持平整的形状。而且，当传动环为超环面形时，因其虽然坚固但仍可活动，所以如放置和处理时不小心，传动环可能变形，不再平整地压在下抛光垫上，这时，可将传动环矫直，修正任何不平整的变形。
本发明还可以其他不背离其精神或主要特征的具体方式实施，由此，在确定本发明的范围时，应该参照后附的各条权项，而不是前述的说明书。
权利要求
1.一种用于抛光、研磨或碾磨操作的夹头组件，由一适合于安装后旋转的传动环组成，该传动环包括将传动环与传动源作传动连接的传动连接装置，传动环上至少有一个固定一工件夹的孔，孔中固定有一个工件夹，工件夹适宜于件夹中加工成的凹坑内固定一工件，传动环由比制成的工件夹的较软的材料硬的材料制作，该相对较硬的材料可以比较软的材料更好地承受传动环传动时产生的力，较软的材料能比较硬的材料更好地保护和垫衬工件夹内夹持的任何工件，防止其碎裂和产生裂缝。
2.一种根据权项1的夹头组件，其中工件夹以可拆卸的方式固定在孔内。
3.一种根据权项2的夹头组件，其中传动环上有数个孔，每个孔内固定有一个工件夹。
4.一种根据权项2的夹头组件，其中第一个工件夹具有与孔的形状对应的圆周的形状，以及一个形状对应于第一个工件的形状的凹坑，第一个工件夹可以被其圆周形状对应于孔的形状，其凹坑形状不同于第一个工件夹的凹坑形状以对应于第二个工件的形状的第二个工件夹调换。
5.一种根据权项4的夹头组件，其中传动环由金属制成，工件夹由合成聚合树脂制成。
6.一种根据权项5的夹头组件，其中传动环由包括钢、不锈钢和镍合金在内的一组材料中选出的一种金属制成，而工件夹则包括聚氨基甲酸乙酯、聚脂、聚乙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、乙缩醇、尼龙、环氧物、苯酚、密胺、丙烯酸盐聚合物的一组材料中选出的一种合成聚合树脂制成。
7.一种根据权项6的夹头组件，其中合成聚合树脂是用纤维加强的。
8.一种根据权项1的夹头组件，其中传动环由金属制成，工件夹则由合成聚合树脂制成。
9.一种根据权项1的夹头组件，其中传动环由包括钢、不锈钢和镍合金在内的一组材料中选出的一种金属制成，而工件则由包括聚氨基甲酸乙酯、聚脂、聚乙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、乙缩醇、尼龙、环氧物、苯酚、密胺、丙烯酸盐聚合物的一组材料中选出的一种合成聚合树脂制成。
10.一种根据权项9的夹头组件，其中，合成聚合树脂经纤维加强。
11.一种根据权项1的夹头组件，其中，孔与工件夹的外圆周的形状互为补充，以防止工件夹在孔内旋转。
12.一种根据权项11的夹头组件，其中，传动环由金属制成，工件夹由合成聚合树脂制成。
13.一种根据权项12的夹头组件，其中，传动环由包括钢、不锈钢和镍合金在内的一组材料中选出的一种金属制成，而工件则由包括聚氨基甲酸乙酯、聚脂、聚乙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、乙缩醇、尼龙、环氧物、苯酚、密胺、丙烯酸盐聚合物的一组材料中选出的一种合成聚合树脂制成。
14.一种根据权项13的夹头组件，其中，合成聚合树脂经纤维加强。
15.一种根据权项1的夹头组件，其中，传动环连接装置由沿传动环外圆周加工成的传动齿组成。
16.一种根据权项1的夹头组件，其中，工件夹比工件薄，比传动环厚。
17.一种根据权项1的夹头组件，其中，工件夹比工件和传动环都薄。
专利摘要
本发明涉及一种由一用硬材料组成的传动环的夹头组件，该传动环上至少加工了一个用于固定最好是可拆卸的用比制作传动环的材料软的材料制成的工件夹的孔。工件夹上有一个夹持和固定工件的凹坑。工件夹的较软的材料保护和垫衬工件，而用硬材料制成的传动环则可承受抛光、研磨和碾磨操作中产生的力。
文档编号B24B7/17GK85105523SQ85105523
公开日1986年7月2日 申请日期1985年7月10日
发明者威廉·D·巴丁格, 米歇尔·D·卡贝利 申请人:罗德尔股份有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan