CN101541475B - 工件表面的精密研磨加工 - Google Patents

Abstract

动态地控制研磨型表面抛光刀具与正在被抛光的工件的表面之间的间距，从而补偿研磨垫与工件的表面接触的面积的变化，由此消除该接触区域的尺寸变化和伴随的产生表面高度波动的材料去除的变化。

Description

工件表面的精密研磨加工

发明背景

本发明总地涉及加工控制，且更具体地说，涉及一种用于物件表面的精密加工或精加工的方法和系统。它特别是可应用于绝缘体上半导体结构的半导体层的抛光。

本发明以特殊应用来进行披露。但是，还揭示了其它应用，且更多的应用对本领域的技术人员来说也是显而易见的。披露特殊应用是为了便于描述，并不想要将本发明限制于这些应用中的任何一种。

迄今为止，最常用于绝缘体上半导体结构的半导体材料是硅，且玻璃是常用绝缘体。对于高性能薄膜晶体管、太阳能电池和诸如有源矩阵显示器之类的显示器来说绝缘体上硅的技术变得越来越重要。绝缘体上硅结构的晶片包括在绝缘材料上的一层薄的基本上单晶硅(通常0.1-0.3微米厚，但在某些情况下厚达5微米)。

一旦将绝缘体上半导体结构结合到薄膜硅，则通常必需抛光硅层的表面来形成具有基本上均匀厚度的一层，以便于在硅上形成薄膜晶体管(TFT)电路。

作为具体实例，玻璃上硅(SiOG)的衬底经受使表面膜变薄的加工过程。这通常通过“确定性抛光”来进行，通过具有比正在被加工的部件明显小的抛光接触区域的刀具来进行研磨工艺。现今该类型工艺通常使用超精密光学透镜抛光机器来进行，其已知来源是英国莱斯特郡(Leicestershire)科尔维尔(Coalville)的塞科(Zeeko)有限公司。2004年9月28日授予宾汉(Bingham)等人题为《研磨机器(ABRADINGMACHINE)》的美国专利第6,796,877号披露了该类型的机器。通常，以三个笛卡尔坐标来提供加工刀具与工件之间的精确运动，从而实现整个表面的加工。

美国专利第6,796,877号中所披露类型的加工刀具这里可称为气囊式/垫(pad)式机器，这在图1中示意地示出。刀具10具有大致圆柱形本体12和内部地加压到预定压力的加工头或气囊14。例如，气囊壳可以是部分球形或球根形纤维加固橡胶隔膜。抛光垫16结合到气囊14的表面上。工作时，将垫16施加到正在被加工的部件的表面上并围绕旋转轴线A旋转，从而研磨该表面。

使用前，必须将刀具校准到所要加工的工件表面。为了进行校准，垫16以预定模式在多个点处接触该表面。刀具10设有定位机构19，该定位机构19提供沿三个轴线的精确运动和对应于Z-轴线控制器的轴向运动。在进行校准时，当垫16接触到该表面上多个校准点之一时，气囊14轴向运动，直到设置在刀具10上的传感器18感测到预定的力为止。这确保接触的一致性。在采用一组校准点之后，可控制刀具运动以确保气囊保持在对应于所要加工的表面的预期完成形状的平面或其他适的当轮廓。此外，将保持气囊14相对于所要抛光的表面的适当轴向间距。这通常是将气囊的前部放置成超过工件的表面以使气囊压缩抵靠在该表面上的干涉间距。然后通过旋转气囊14并同时沿相对于要加工的工件表面的轮廓(例如平面)以预定扫描模式移动气囊14来进行实际加工工艺。尽管有不同的扫描模式可用，最常用的模式是一系列紧密间隔的平行线或“光栅”，类似于在常规电视机的阴极射线管上扫描的线模式。

对将SiOG膜变薄的要求是相当严格的。要求最终膜厚度控制在约±8nm的精确度。已知材料去除与气囊的扫描速率和气囊转速大致成线性比例。但是，其与抛光触点尺寸的平方，或实际进行研磨的垫的面积成比例。通过气囊与正在被加工的表面之间的力的量来控制抛光触点尺寸，该力是由其与所要抛光的表面干涉接触产生的。对这些参数都有很好的了解，且目前的抛光实践可精密地控制这些参数。

据发现气囊14的旋转偏差对材料去除有较大的影响。这种偏差可通过旋转气囊14并测量径向(偏心)运动量来测量，这在此也成为“径向误差运动”。应当理解，垫旋转的任何偏心率都会使触点尺寸实际上变大，导致在较高转速时去除比预期更多的材料，且在较低转速时导致材料去除随时间而变化。业已发现约50微米的径向误差运动可导致约15nm的膜厚可变性，该值大于总的膜厚公差。人们进行各种努力来使气囊和垫的组合径向误差运动最小(例如通过就地金刚石车削和/或杯形磨削)。但是，很少能将该径向误差运动减小到30微米以下。

因此很明显，在用气囊/垫型机器进行确定性抛光时，为了实现所要求的膜厚控制，必须将气囊触点尺寸控制成比通过气囊整形可实现的公差更严格的公差。

发明内容

根据本发明，动态地控制气囊/垫型刀具和工件表面之间的相对间距，使得研磨垫与工件的表面接触的面积(也称为“触点尺寸”)保持恒定，由此消除触点尺寸变化和伴随的产生表面高度波动的材料去除的变化。触点尺寸变化是由包括垫的径向误差运动的各种原因产生的。对于刀具的给定内部压力，触点尺寸与刀具和工件表面之间实际轴向位置相关地变化。根据本发明的第一实施例，感测刀具与工件的表面之间的力，且与力变化相反地控制刀具与工件的表面之间的轴向间距，从而补偿触点尺寸的变化。根据该第一实施例，例如通过使用伺服控制子系统实施动态实时控制。

根据第二实施例，在使用前测量影响触点尺寸的参数的变化。例如，可在垫旋转时测量并储存垫的径向误差运动。工作期间，使用储存的信息，从而在垫旋转时进行刀具与工件的表面之间距离的随时间变化的调节。该距离调节补偿径向误差运动，产生一致的触点尺寸。

一般而言，通过刀具的轴向运动来控制刀具与工件表面之间的距离。但是，根据第三实施例，支承工件的工作台本身在其下方具有至少一个、可选的是多个以两维模式的间隔开的致动器/位置-传感器对。控制各致动器以调节工作台高度以改变刀具与工件之间的距离来补偿触点尺寸变化。这不仅能够控制刀具与工件表面之间的间距，而且还通过工件表面沿三个维度的倾斜来控制正交性。

附图说明

从随后参照附图对根据本发明的具体实施例的详细说明中，可更完整地理解本发明的前述简要说明和其他目的、特征和优点，附图中：

图1是示出气囊/垫型研磨抛光刀具的示意图；

图2是表示根据本发明的第一实施例的示意/框图，其中与刀具和工件表面之间的力相关地对两者之间的距离进行动态伺服控制；

图3是表示图2的伺服控制子系统32的结构和工作控制的功能框图；

图4是表示实现高速工作的根据本发明的第一实施例的变型的示意/框图；

图5是示出根据本发明的第二实施进行的工艺的流程图；

图6是示出根据本发明的第三实施例的示意图；以及

图7是示出怎样根据本发明实现间距控制的框图。

具体实施方式

图2是示出根据本发明的第一实施例的示意/框图。具体地说，其揭示了与控制子系统32结合的图1所示刀具10，该子系统32与刀具10和工件表面之间的力相关地控制其间的间距。

工件是绝缘体上硅(SOI)结构，诸如玻璃上硅(SOG)。本文所使用的“绝缘体上硅”或“玻璃上硅”应当更广泛地解释为包括除了硅之外的半导体材料或包括硅的那些半导体材料，且应当理解为包括除了玻璃之外的绝缘体材料。例如，用于实施本发明的其他有用的半导体材料包括但不限于：硅锗(SiGe)、碳化硅(SiC)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、GaP和InP。还例如，可采用其它绝缘体材料来实施本发明，包括但不限于各种已知硅树脂和陶瓷。还发现根据本发明的方法和装置基本上更广泛地应用于工业，例如超精密透镜抛光和其他表面加工技术。

某些讨论是关于使用气囊/垫型刀具10时导致工件的完工表面的高度波动的触点尺寸变化的原因。刀具构造成在气囊14内具有精确控制的压力。当气囊14压抵工件表面时，将垫16的一部分抵靠表面压平，并且旋转时，该部分会与工件表面研磨地相互作用来去除材料。该被压平部分这里称为“触点尺寸”，且材料去除会随触点尺寸的平方(即其面积)变化。由于气囊14具有精确控制的内部压力时，气囊14与工件之间的力等于触点尺寸(面积)和内部压力的乘积。如果例如由于径向误差运动，触点尺寸在刀具旋转期间变化，刀具旋转期间有效触点尺寸增大，导致去除比预期多的材料。这还将导致刀具与工件之间的力比预期大。

对本实施例，刀具10的定位机构19的Z轴线控制器使本体12沿图2中的轴线A运动。首先，刀具10相对于工件的表面定位成传感器18感测到的其间的力为产生所要求的触点尺寸所必需的力。该“参考力”以参考力信号34的形式储存，且其作为输入施加到控制子系统32。工作中，传感器18感测本体12与工件表面之间的力并产生表示该力的信号，该信号作为第二输入施加到控制子系统32。然后控制子系统32产生控制信号，该控制信号运行定位机构19的Z-轴线控制器来调节本体12与工件表面之间的距离，从而补偿由传感器18感测到的力变化。

传感器18可以是安装在刀具10内的测力传感器。但是，测力传感器需要相对运动来提供灵敏度稍微受限的力测量。根据第一实施例的一变型，可用压电体叠式的力传感器来代替传感器18以获得灵敏度的改进，压电体叠式的力传感器具有高刚度，并且为了产生信号所需要的位移比常规测力传感器小的几个量级。

图3是表示控制子系统32的结构和运行的功能框图。子系统32本身在这里模型化为运算放大器24和带宽过滤器22。这样做是为了便于解释，且本领域的技术人员会理解该类型的伺服控制系统通常复杂得多。力传感器18的输出信号和力参考信号34以不同地施加到放大器24。放大器24的输出信号穿过带宽过滤器22并然后施加到定位机构19的Z轴线控制器。

工作时，机器的Z轴线控制器以通常方式工作，以将气囊14放置成与工件的表面接触，从而得到预定的力。该力将是实现所想要的触点尺寸所必需的力。在这点上，由力传感器18产生的信号的值保存为参考信号34。就以下的意义上来说控制子系统32的操作类似于运算放大器的操作，即其产生会导致Z轴线运动的输出信号以使力传感器18信号等于参考信号34。换言之，当触点尺寸偏离所想要的值时，Z轴线运动改变本体12与工件表面之间的距离，从而消除触点尺寸的变化。因此，对本体12与工件的表面之间的距离进行动态的、随时间变化的调节。

控制子系统32补偿触点尺寸的多种变化且可能是所有变化。这种变化的原因包括气囊径向误差运动、气囊几何蠕变、工件的厚度和平面度变化以及机器正交性和轴线直度误差。

过滤器22表示控制子系统32的设计带宽，且其带宽会取决于应用场合和所使用的特定机器。对于用来抛光SiOG衬底上表面层的气囊/垫机器来说，气囊转速通常约200rpm(转/分钟)(3.3Hz)。但是，在气囊14每转一圈时通常会有附加的10个脉动误差运动。为了纠正所有这些误差，过滤器32的带宽需要超过33Hz。如果气囊14以去最大速度2,000rpm旋转，补偿所有的脉动误差运动会需要超过330Hz的带宽。用沿Z轴线方向具有大质量的典型定位机构可能无法实现这样的带宽。

为了实现高速旋转的运行，对第一实施例进行第二次修改。参照图4，对图2的刀具10进行修改以形成刀具10’。该修改包括将线性致动器30安装到本体12上以实现其小轴向运动。该致动器30具有非常小的质量以实现高速旋转所需要的定位带宽。在该情况下，致动器30是安装在本体12的心轴13上的压电致动器叠。通过提供仅沿轴向有顺应性的柔性安装件20、20，可实现质量极小的结构。本领域的技术人员会理解，可使用其它类型的线性致动器，例如音圈或线性电动机来代替压电晶体叠。尽管使用修改了的刀具10’，但第一实施例的该变型的工作与图2和3所示的相同。

图5是示出根据本发明的第二实施例的工艺的流程图。在该情况下，运行刀具10或10’来补偿触点尺寸变化而不使用伺服控制系统。定位机构19定期地(例如每天)经受学习性工作。这包括将刀具10设置成参考转动定向并将刀具10与工件之间的力设定成形成所要求的触点尺寸的初始步骤。方框50中示出该步骤。然后通过使本体围绕轴线A转动预定的量来增加本体12的角度定向(方框52)。然后调节刀具到工件的间距以消除在由传感器18感测到的力中可能已发生的变化并储存该间距的变化(方框56)。根据在方框58处进行的测试，重复方框52-56中的步骤直到本体12完成围绕轴线A的完整的360°旋转并返回到其参考定向。然后开始工件的抛光，且与气囊14的随时间变化的旋转位置同步地从存储器中重现间距变化的序列(方框60)。这样，在气囊的每次旋转时补偿触点尺寸变化。一旦训练好用于定位机构19的控制处理器，每次要抛光新的工件时，仅需要将定位机构19调整成使刀具10与工件之间的力在气囊14处于参考位置时为标称值即可。然后开始抛光，且储存的力序列会被重现，以补偿触点尺寸变化。

图6是示出根据本发明的第三实施例的示意图。在该情况下，将工件W支承在工作台T上，刀具10’设置在工件W的表面S上方。工作时，刀具10可相对于表面S进行扫描。这可通过利用其定位系统19(见图19)平移刀具10和/或平移工作台T来实现。在工作台T下方，设有多个距离传感器/致动器对P，每对包括传感器60和线性致动器62。在该实施例中，设有三个这种对P，且它们成三角形布置。刀具10通常垂直于工作台来使用。即，当工作台T空着时，将刀具10设置在表面S上方，例如在最左边对P上方，并使用其定位机构19调节刀具10与表面S之间的距离，直到传感器18感测到预定的力。此后，可将刀具10依次定位在每对P上方，并运行相应的致动器62来升高或降低工作台T，直到传感器18再次测量到所要求的力。在该操作结束时，使工作台T被正交化。即，刀具10的工作平面平行于工作台T的平面。此后，将工件W放置在工作台上，将刀具10放置在各对P中的一对上方，并调节刀具10与表面S之间的距离，直到传感器18读到对应于所要求的触点尺寸的力。然后就可以开始抛光。

与第一实施例中的情况(图2)一样，持续监测传感器18测量的力并调节表面S与刀具10之间的距离来补偿该力的变化。但是，在该情况下，运行各对P的致动器62来实现间距调节。

图7的示意图示出怎样根据本实施例实现间距控制。当将力初始设置成实现所要求的触点尺寸时，将对应于该力的信号保存为参考力34，如图2所示。当刀具在表面S上前进时，传感器18测量刀具10与表面S之间的力，并同时调节所有的致动器62以改变刀具10与表面S之间的间距来补偿力的任何变化，与图2中的情况相同。但是，由于所有的致动器同时运行，所以会保持工作台T的正交性。因此，在该实施例中，不仅补偿由于刀具10产生的触点尺寸变化，而且补偿由于工作台T的正交性误差产生的触点尺寸变化。

控制子系统32基本上与图2中相应附图标记的子系统相同，且各致动器62可以是测力传感器、压电晶体叠致动器、音圈、线性电动机等。传感器60是线性换能器，例如电容表。将它们设置成确保每个致动器将工作台T精确地移动相同的量。

尽管为了说明目的已揭示了本发明的各具体实施例，但本领域的技术人员会理解可能有很多添加、修改和替代而不偏离由所附权利要求书所限定的本发明的范围和精神。

Claims (10)

1.一种用于补偿在使用一种加工刀具期间触点尺寸的变化的方法，所述加工刀具包括在用于研磨层的可屈服、球根状承载件后面的加压室，所述承载件抵靠所要加工的工件的表面运动，所述研磨层压抵在所述表面上，使得所述研磨层有保持与所述表面研磨接触的触点，所述方法包括以下步骤：

用计算出以产生预定尺寸的触点的施加的力将所述刀具压抵在所述表面上；

在所述刀具工作期间，将所述刀具与所述表面之间的实际力与所述施加的力作比较；以及

调节所述刀具与所述表面之间的距离来补偿所述实际力与所述施加的力之间的任何差值，使所述两个力基本上相等。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过伺服机构执行所述比较步骤，所述伺服机构共同响应于表示所述施加的力和所述实际力的信号，以产生用于致动器的驱动信号，所述驱动信号使所述致动器改变所述刀具与所述表面之间的距离，从而补偿所述实际力与所述施加的力之间的任何差值。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述工件支承在工作台上，所述刀具和所述工作台可相对移动，作用在所述工作台上的所述致动器将所述工作台朝向和远离所述刀具移动。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在模拟实际工作的所述刀具的预备学习性工作期间执行所述比较和调节步骤，储存表示距离调节序列的校正信号，在实际工作期间作为用于致动器的驱动信号施加所述校正信号，并使所述致动器改变所述刀具与所述表面之间的距离，从而补偿所述实际力与所述施加的力之间的任何差值。

5.一种加工刀具，所述加工刀具包括在用于研磨层的可屈服、球根状承载件后面的加压室，所述承载件抵靠所要加工的工件的表面运动，所述研磨层压抵在所述表面上，使得所述研磨层有保持与所述表面研磨接触的触点，在所述加工刀具的使用期间对触点尺寸变化进行补偿的装置包括：

致动器，所述致动器开始时用计算出以产生预定尺寸的触点的施加的力将所述刀具压抵在所述表面上；

力传感器，所述力传感器用于感测所述刀具与所述表面之间的实际力；

比较器，所述比较器在所述刀具工作期间作用，将所述刀具与所述表面之间的实际力与所述施加的力作比较以产生表示差值的差值信号；以及

驱动器，所述驱动器响应于所述差值信号并作用在所述致动器上以调节所述刀具与所述表面之间的距离，从而补偿所述实际力与所述施加的力之间的任何差值，使所述两个力基本上相等。

6.如权利要求5所述的加工刀具，其特征在于，所述比较器和所述驱动器是伺服机构的一部分，所述伺服机构共同响应于表示所述施加的力和所述实际力的信号，以产生用于所述致动器的驱动信号，所述驱动信号使所述致动器改变所述刀具与所述表面之间的距离，从而补偿所述实际力与所述施加的力之间的任何差值。

7.如权利要求6所述的加工刀具，其特征在于，将所述工件支承在工作台上，所述刀具和所述工作台可相对移动，作用在所述工作台上的所述致动器将所述工作台朝向和远离所述刀具移动。

8.如权利要求7所述的加工刀具，其特征在于，还包括多个附加致动器，所述各致动器设置成两维模式，运行所述各致动器来移动所述工作台而不改变所述工作台相对于所述刀具的姿态。

9.如权利要求5所述的加工刀具，其特征在于，在模拟实际工作的所述刀具的预备学习性工作期间运行所述比较器和所述驱动器，储存表示距离调节序列的校正信号，在实际工作期间将所述校正信号提供给所述驱动器并作为用于致动器的驱动信号施加，并使所述致动器改变所述刀具与所述表面之间的距离，从而补偿所述实际力与所述施加的力之间的任何差值。

10.如权利要求9所述的加工刀具，其特征在于，在工作期间所述刀具围绕轴线旋转，所述刀具在所述学习性工作期间从参考定向转动一系列角度增量，所述比较器在每次增量之后产生一系列距离调节信号，将所述距离调节信号储存为校正信号，在实际工作期间的旋转过程中同步地将所述校正信号施加到所述刀具。

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