CN111230723B - 实时侦测系统、实时侦测方法及化学机械抛光设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种实时侦测系统，用于实时侦测研磨垫沟槽状况以管控研磨垫寿命，所述实时侦测系统包括图像采集模块、数据处理模块和界面管理模块。本发明还提供一种实时侦测方法，包括：实时采集所述研磨垫沟槽的图像；对所述图像进行实时分析，确认所述研磨垫是否到达寿命，实时输出分析结果。本发明还提供一种包括所述实时侦测系统的化学机械抛光设备。通过图像采集模块采集图像信息，并通过数据处理模块对图像进行分析处理，实时得出研磨垫是否达到寿命的结果，最后通过界面管理模块进行系统控制和状态显示，使得研磨垫寿命管控变得及时、可靠，同时减少了人力，解决了现有技术中研磨垫寿命管控缺乏即时性和可靠性且浪费人力的问题。

Description

实时侦测系统、实时侦测方法及化学机械抛光设备

技术领域

本发明涉及半导体芯片技术领域，特别涉及一种实时侦测系统、实时侦测方法及化学机械抛光设备。

背景技术

化学机械抛光(CMP)技术已经被广泛应用于半导体芯片制造工艺。CMP作为半导体制造工艺中最“贵”的工艺步骤之一，其原因在于耗材的频繁使用和更换占据了CMP工艺成本的最大份额。CMP工艺中常用的耗材有研磨液、研磨垫、研磨垫修整器、定位环等。对于研磨垫，平均3～4天就要进行更换，同时，研磨垫修整器也需要配套更换。而决定研磨垫是否更换的因素在于研磨垫上的沟槽的状态。如果沟槽已经被“磨光”或近乎“磨光”时，就需要更换研磨垫。

在化学机械抛光过程中，一般会对研磨垫设置一个最大使用时间，即使用寿命，当研磨垫的使用时间到达这个设定值时就需要更换研磨垫。理想情况下，研磨垫沟槽的消耗与使用时间成正比，而实际上，在同样的使用时间下，研磨垫的沟槽深度具有很大的波动：有时候达到了寿命值时沟槽还有较深的深度，此时更换研磨垫会造成研磨垫成本的浪费；而有时候还没到达寿命值时，沟槽已经被“磨光”，此时就会造成工艺性能(划伤、研磨均匀性、研磨速率)的急剧恶化，导致芯片报废或良率下降。

目前，对研磨垫沟槽的监控方式还停留在人工靠目视巡检的水平，这种方式既缺乏即时性又缺乏可靠性，还浪费了人力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实时侦测方法及系统、实时侦测方法及化学机械抛光设备，以解决研磨垫寿命管控缺乏即时性和可靠性且浪费人力的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种实时侦测系统，用于实时侦测研磨垫沟槽的状况以管控研磨垫寿命，所述实时侦测系统包括图像采集模块、数据处理模块和界面管理模块，所述图像采集模块用于实时获取所述研磨垫的图像信息，并将所述图像信息实时输入给所述数据处理模块；所述数据处理模块用于将获得的所述图像信息进行实时分析，以确认所述研磨垫是否到达寿命，并实时输出分析结果；所述界面管理模块用于实时显示所述分析结果，并在认定需要更换所述研磨垫时发出预警。

可选的，在所述实时侦测系统中，所述图像采集模块包括面阵式工业摄像机。

可选的，在所述实时侦测系统中，所述数据处理模块包括图像处理单元、特征提取单元和分析处理单元，所述图像处理单元用于将所述图像进行畸变校正和图像滤波处理；所述特征提取单元用于对畸变校正和图像滤波处理后的所述图像进行阈值分割，并从阈值分割后的所述图像中提取所述研磨垫沟槽的深度特征；所述分析处理单元用于对所述深度特征进行分析转换，以得到所述深度特征的量化值，进而确认所述研磨垫是否到达寿命并输出分析结果。

可选的，在所述实时侦测系统中，所述界面管理模块包括系统控制单元、实时显示单元和预警监测单元，所述系统控制单元用于对所述实时侦测系统进行参数调整和控制；所述实时显示单元用于实时显示所述分析结果；所述预警监测单元用于在认定需要更换所述研磨垫时报警发出预警。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种实时侦测方法，用于实时侦测研磨垫沟槽的状况以管控研磨垫寿命，所述实时侦测方法包括：

步骤一，实时采集所述研磨垫的图像；

步骤二，对所述图像进行实时分析，得到所述研磨垫沟槽的实时状况结果，通过对所述实时状况结果的实时判断确认所述研磨垫是否到达寿命，并实时输出分析结果。

可选的，在所述实时侦测方法中，所述步骤二包括：对所述图像进行畸变校正和图像滤波处理，并对畸变校正和图像滤波处理后的所述图像进行阈值分割以提取出所述研磨垫沟槽的深度特征；对提取后的深度特征进行算法分析，得到所述研磨垫沟槽的深度的量化结果；通过所述量化结果确认所述研磨垫是否到达寿命并输出分析结果。

可选的，在所述实时侦测方法中，所述对提取后的深度特征进行算法分析包括：通过灰度值方差检测算法对所述研磨垫的径向灰度值变化特征进行量化处理，以得到所述研磨垫沟槽的深度的变化趋势。

可选的，在所述实时侦测方法中，在所述步骤二之后所述实时侦测方法还包括：如分析结果显示所述研磨垫到达寿命，则进行报警；如分析结果显示所述研磨垫未到达寿命，则重复步骤一和步骤二。

可选的，在所述实时侦测方法中，在所述步骤二之前，所述实时侦测方法还包括：确认所述图像是否有效，如无效则进行报警，如有效则进行所述步骤二。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种化学机械抛光设备，所述化学机械抛光设备包括如上所述任一项所述的实时侦测系统。

本发明提供的实时侦测系统和实时侦测方法及化学机械抛光设备，通过实时采集研磨垫表面沟槽的图像，对图像进行实时数据处理分析，以实时确认研磨垫是否到达寿命并将分析结果实时输出，使得研磨垫沟槽的状态得到持续监控。如果分析结果显示研磨垫到达了使用寿命，则实时侦测系统就会通知工作人员进行更换。如此一来，通过实时在线监测研磨垫沟槽的状态使得研磨垫寿命的管控变得及时、可靠，同时减少了人力，解决了现有技术中研磨垫寿命管控缺乏即时性和可靠性且浪费人力的问题。

附图说明

图1为本发明实施例中的实时侦测系统的示意图；

图2为本发明实施例中的数据处理模块的组成示意图；

图3为本发明实施例中的界面管理模块的示意图；

图4为本发明实施例中的实时侦测方法的流程图；

图5为本发明实施例中的研磨垫沟槽示意图；

图6为本发明实施例中的工业摄像机取景范围示意图；

图7为本发明实施例中的研磨垫沟槽深度量化结果示意图；

其中，各附图标记说明如下：

10-设备平台；11-研磨垫；12-研磨头；13-研磨垫修整器；21-图像采集模块；22-数据处理模块；23-界面管理模块；

221-图像处理单元；222-特征提取单元；223-分析处理单元；231-系统控制单元；232-实时显示单元；233-预警监测单元。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的实时侦测系统和方法及化学机械抛光设备作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。

本实施例提供一种实时侦测系统，用于实时侦测研磨垫沟槽的状况以管控研磨垫寿命，如图1所示，所述实时侦测系统包括图像采集模块21、数据处理模块22和界面管理模块23，所述图像采集模块21用于实时获取所述研磨垫11的图像信息，并将所述图像信息实时输入给所述数据处理模块22；所述数据处理模块22用于将获得的所述图像信息进行实时分析，以确认所述研磨垫11是否到达寿命，并实时输出分析结果；所述界面管理模块23用于实时显示所述分析结果，并在认定需要更换所述研磨垫11时发出预警。

在本实施例中，所述图像采集模块21用于实时采集与研磨垫相关的参数，如研磨垫的产品信息和图像信息等，并将所述图像等信息实时输入给所述数据处理模块22。所述数据处理模块22将获得的所述图像、参数等信息进行实时分析处理，并得到所述研磨垫沟槽的深度变化信息。所述数据处理模块22通过调用数据库数据，将数据库数据与实时分析处理得到的信息对比，以确认所述研磨垫是否可以继续使用，并实时输出分析结果。所述界面管理模块23可以实时显示研磨垫图像状态和分析波形结果，并通过合适的参数设置进行信息监测从而发出预警。

本实施例还提供了一种化学机械抛光设备，所述化学机械抛光设备包括所述实时侦测系统。如图1所示，在传统的CMP机台的设备平台10上设有研磨垫11，所述研磨垫11用于与研磨头12和研磨垫修整器13相互作用，完成化学机械抛光。所述图像采集模块21位于所述研磨垫11上方，用于实时采集所述研磨垫11的图像；由于所述图像采集模块21与所述研磨头12处于不同的区域，所以两者相互之间并不会干扰彼此独立工作；所述数据处理模块22的输入端与所述图像采集模块21相连，所述数据处理模块22的输出端与所述界面管理模块23相连。

通过所述图像采集模块21实时采集所述研磨垫11的图像，并将图像输入给所述数据处理模块22，通过所述数据处理模块22的分析可以得到所述研磨垫11是否到达寿命，并将结果通过所述界面管理模块23显示出来。如此，就使得研磨垫寿命管控变得及时、可靠，同时减少了人力，解决了现有技术中研磨垫寿命管控缺乏即时性和可靠性且浪费人力的问题。

较佳的，所述图像采集模块21包括面阵式工业摄像机。在本实施例中，面阵式工业摄像机选型为面阵式工业CCD摄像机，与CMOS摄像机相比，具有反应灵敏度高、图像清晰度高、畸变小等优点可以很好的捕捉研磨垫11上的沟槽特征。在实际操作中，可以根据需要选择不同分辨率的面阵式工业摄像机以满足要求，分辨率越高，捕捉到的沟槽特征越细腻。

具体实施过程中，将面阵式工业CCD摄像机通过固定支架固定在CMP机台上方，并通过调整所述面阵式工业CCD摄像机的镜头位置、焦距等使研磨垫的图像可以清晰、无遮挡的呈现在所述面阵式工业CCD摄像机的采集画面中。

进一步的，在本实施例中，如图2所示，所述数据处理模块22可包括图像处理单元221、特征提取单元222和分析处理单元223，所述图像处理单元221用于将所述图像进行畸变校正和图像滤波处理；所述特征提取单元222用于对畸变校正和图像滤波处理后的所述图像进行阈值分割，并从阈值分割后的所述图像中提取所述研磨垫沟槽的深度特征；所述分析处理单元223用于对所述深度特征进行分析转换，以得到所述深度特征的量化值，进而确认所述研磨垫是否到达寿命并输出分析结果。

所述图像处理单元221通过对所述图像进行畸变矫正和图像滤波等预处理以剔除噪声的影响，同时增强图像以保留和突出显示研磨垫边缘信息，使得研磨垫沟槽的特征变得更加明显，有利于特征的提取。

另外，在本实施例中，如图3所示，所述界面管理模块23包括系统控制单元231、实时显示单元232和预警监测单元233，所述系统控制单元231用于对所述实时侦测系统进行参数调整和控制；所述实时显示单元232用于实时显示所述分析结果；所述预警监测单元233用于在认定需要更换所述研磨垫时报警发出预警。

具体的，所述系统控制单元231进行调整和控制的系统参数包括但不限于摄像机参数，包括增益和曝光时间等，以及在生产过程中测量到研磨垫型号变化后，对相应产品信息的修改等。在实际操作中，所述实时显示单元232可以使用显示屏，通过显示屏将分析结果显示出来。所述分析结果可以包括但不限于捕获到的研磨垫的图像和预处理结果以及当前系统的帧频等信息等。所述预警监测单元232用于在监测的研磨垫状态波形变化以及摄像机运行状态出现异常情况或需要更换研磨垫时进行预警提示。预警提示的方式可以为报警灯或者蜂鸣器，当报警灯亮起或蜂鸣器发出警报声时，说明摄像机运行状态出现异常情况或需要更换研磨垫。通过所述系统控制单元231、所述实时显示单元232和所述预警监测单元233，可以对所述实时侦测系统进行快速、便捷的调整，同时将所述分析结果形象地实时地输出，方便工作人员对分析进度和分析结果进行确认。

当然，所述预警监测单元233也可以针对其他异常状况进行报警以通知工作人员，例如出现设备宕机或采集的图像异常等情况时，报警灯亮起或蜂鸣器响起以通知工作人员进行确认。在实际操作中，也可以根据不同的异常状况设置不同的报警形式以进行区分。同时，所述预警监测单元233还可以包括控制器，用以在需更换研磨垫或出现异常时进行自动停机操作。

如图4所示，本实施例还提供一种实时侦测方法，用于实时侦测研磨垫沟槽的状况以管控研磨垫寿命，所述实时侦测方法包括以下步骤：

步骤一，实时采集所述研磨垫沟槽的图像；

步骤二，对所述图像进行实时分析，得到所述研磨垫沟槽的实时状况结果，通过对所述实时状况结果的实时判断确认所述研磨垫是否到达寿命，并实时输出分析结果。

在本实施例中，利用上述所述的实时侦测系统对所述实时侦测方法进行说明。通过面阵式工业CCD摄像机实时采集所述研磨垫11的图像，所述研磨垫11的形状如图5，所述研磨垫11与所述研磨头12相互作用的一面布满一圈圈的研磨垫沟槽；然后通过所述数据处理模块22对采集到的所述图像进行分析，具体的，对所述图像进行畸变校正和图像滤波处理，并对畸变校正和图像滤波处理后的所述图像进行阈值分割以提取出所述研磨垫沟槽的深度特征；对提取后的深度特征进行算法分析，得到所述研磨垫沟槽的深度的量化结果；通过所述量化结果确认所述研磨垫是否到达寿命并输出分析结果。

其中，通过所述畸变校正和图像滤波处理对图像进行降噪，以剔除噪声对图像的影响，同时增强图像以保留和突出显示研磨垫边缘信息。通过所述阈值分割可将所述研磨垫沟槽与所述研磨垫的其他区域相区分开来。故而，畸变校正和图像滤波处理和阈值分割处理有助于研磨垫沟槽的深度特征提取，使研磨垫沟槽的深度变化易于探测。

通过对所述研磨垫的图像进行实时采集，并将图像进行实时分析可以确认所述研磨垫是否到达寿命，并将结果实时显示出来。如此，就使得研磨垫寿命管控变得及时、可靠，同时减少了人力，解决了现有技术中研磨垫寿命管控缺乏即时性和可靠性且浪费人力的问题。

实际操作中，由于研磨头12、研磨垫修整器13等部件的遮挡或受限于面阵式工业摄像机的取景范围，使得面阵式工业摄像机不可能同时采集到研磨垫11的全部范围。而研磨垫沟槽的磨损主要是由于研磨垫11与研磨垫修整器13相互作用导致的，所以一般情况下，会使所述面阵式工业摄像机能够清晰、完整地捕捉研磨垫11与研磨垫修整器13相互作用范围内的研磨垫图像即可，如图6所示，即能够捕捉到从研磨垫圆心至研磨垫边缘的部分图像即可。由于研磨垫11会随着CMP机台的设备平台10的旋转而进行旋转，那么任意从研磨垫中心至研磨垫边缘的部分图形都可以代表整个研磨垫的状态。

本实施例的步骤二中，所述对提取后的深度特征进行算法分析可包括：通过灰度值方差检测算法对所述研磨垫的径向灰度值变化特征进行量化处理，以得到所述研磨垫沟槽的深度的变化趋势。通过灰度值方差检测算法可以较为精准的计算出研磨垫沟槽的深度值，进而可以判断所述研磨垫的寿命。如图7所示，给出了三种状态下的研磨垫沟槽深度值：左侧图显示出研磨垫沟槽深度值较大，表示研磨垫沟槽深度较深，研磨垫具有较长的使用寿命；中间图显示出研磨垫沟槽深度值居中，表示研磨垫沟槽存在一定程度的磨损，但研磨垫仍旧可以使用；右侧图显示出研磨垫沟槽深度值较小，表示研磨垫沟槽深度已经很浅了，应当对研磨垫进行更换。如此一来，通过系统控制单元231对不同类型的研磨垫设置不同的沟槽深度阈值来确认研磨垫的寿命。当通过灰度值方差检测算法量化所得的所述研磨垫沟槽的深度值低于所述沟槽深度阈值时，所述数据处理模块22分析的结果为所述研磨垫到达寿命。

进一步的，在本实施例中，在所述步骤二之后所述实时侦测方法还可包括：如分析结果显示所述研磨垫到达寿命，则进行报警；如分析结果显示所述研磨垫未到达寿命，则重复步骤一和步骤二。通过报警机制可以及时通知工作人员确认异常，并及时更换所述研磨垫。较佳的，如上文所提到的，报警机制也可以针对其他异常状况进行报警以通知工作人员，例如摄像机状态变化以及所采集图像质量连续异常，或出现设备宕机等情况时，报警灯亮起或蜂鸣器响起以通知工作人员进行确认。当然，存在报警机制后也可以无需人员守着设备确认数据处理模块22的结果，如此一来就节约了人力。

在具体实施过程中，所述报警可以是通过报警灯或者蜂鸣器进行报警，也可以在报警的同时停止机台的运作以减少产品良率的损失。

另外，较佳的，在所述步骤二之前，所述实时侦测方法还包括：确认所述图像是否有效，如无效则进行报警；如有效则进行所述步骤二。

在实际生产过程中，可能会因为某些原因导致获取的图像失效，例如面阵式工业摄像机失焦，导致获取的图像很模糊，无法进行特征提取，又例如，选择的面阵式工业摄像机的分辨率不够或者曝光过度，导致无法捕捉到研磨垫沟槽等。所以通过对采集到的研磨垫图像进行自动识别与检测，剔除无效图像以提高图像利用率，还可以有效避免由于图像失效导致的错误分析，提高了研磨垫寿命管控的可靠性。当图像连续多次不符合后续图像处理要求时，还可以进行报警动作，避免造成芯片报废或良率下降。

在实际操作中，可以设计多个报警模式以分别应对不同的异常，以报警灯为例，报警灯常亮表示研磨垫到达寿命，报警灯闪烁表示获取图像失效；又或者设置不同颜色的报警灯以对应不同的异常；亦或者通过一个报警灯来报警所有模式的异常等。所述预警监测单元233的设计不局限于此。

本发明提供的实时侦测系统、实时侦测方法及化学机械抛光设备通过实时采集研磨垫表面的图像，对图像进行实时数据处理分析，以确认研磨垫是否到达寿命并将分析结果输出，使得研磨垫沟槽的状态得到持续监控。如果分析结果显示研磨垫到达了使用寿命，则实时侦测系统就会通知工作人员进行更换。如此一来，使得研磨垫寿命管控变得及时、可靠，同时减少了人力，解决了现有技术中研磨垫寿命管控缺乏即时性和可靠性且浪费人力的问题。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (8)

1.一种实时侦测系统，用于实时侦测研磨垫沟槽的状况以管控研磨垫寿命，其特征在于，所述实时侦测系统包括图像采集模块、数据处理模块和界面管理模块，所述图像采集模块用于实时获取所述研磨垫的图像信息，并将所述图像信息实时输入给所述数据处理模块；所述数据处理模块用于将获得的所述图像信息进行实时分析，以确认所述研磨垫是否到达寿命，并实时输出分析结果，其中，所述数据处理模块包括图像处理单元、特征提取单元和分析处理单元，所述图像处理单元用于将所述图像进行畸变校正和图像滤波处理；所述特征提取单元用于对畸变校正和图像滤波处理后的所述图像进行阈值分割，并通过灰度值方差检测算法从阈值分割后的所述图像中提取所述研磨垫沟槽的深度特征；所述分析处理单元用于对所述深度特征进行分析转换，以得到所述深度特征的量化值，进而确认所述研磨垫是否到达寿命并输出分析结果；所述界面管理模块用于实时显示所述分析结果，并在认定需要更换所述研磨垫时发出预警。

2.根据权利要求1所述的实时侦测系统，其特征在于，所述图像采集模块包括面阵式工业摄像机。

3.根据权利要求1所述的实时侦测系统，其特征在于，所述界面管理模块包括系统控制单元、实时显示单元和预警监测单元，所述系统控制单元用于对所述实时侦测系统进行参数调整和控制；所述实时显示单元用于实时显示所述分析结果；所述预警监测单元用于在认定需要更换所述研磨垫时报警发出预警。

4.一种实时侦测方法，用于实时侦测研磨垫沟槽的状况以管控研磨垫寿命，其特征在于，所述实时侦测方法包括：

步骤一，实时采集所述研磨垫的图像；

步骤二，对所述图像进行实时分析，得到所述研磨垫沟槽的实时状况结果，通过对所述实时状况结果的实时判断确认所述研磨垫是否到达寿命，并实时输出分析结果，其中，所述步骤二包括：对所述图像进行畸变校正和图像滤波处理，并通过灰度值方差检测算法对畸变校正和图像滤波处理后的所述图像进行阈值分割以提取出所述研磨垫沟槽的深度特征；对提取后的深度特征进行算法分析，得到所述研磨垫沟槽的深度的量化结果；通过所述量化结果确认所述研磨垫是否到达寿命并输出分析结果。

5.根据权利要求4所述的实时侦测方法，其特征在于，所述对提取后的深度特征进行算法分析包括：通过灰度值方差检测算法对所述研磨垫的径向灰度值变化特征进行量化处理，以得到所述研磨垫沟槽的深度的变化趋势。

6.根据权利要求4所述的实时侦测方法，其特征在于，在所述步骤二之后所述实时侦测方法还包括：如分析结果显示所述研磨垫到达寿命，则进行报警；如分析结果显示所述研磨垫未到达寿命，则重复步骤一和步骤二。

7.根据权利要求4所述的实时侦测方法，其特征在于，在所述步骤二之前，所述实时侦测方法还包括：确认所述图像是否有效，如无效则进行报警，如有效则进行所述步骤二。

8.一种化学机械抛光设备，其特征在于，所述化学机械抛光设备包括如权利要求1～3中任一项所述的实时侦测系统。

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