CN111469047A - 一种在线检测抛光垫接触特征的试验装置及其使用方法 - Google Patents

一种在线检测抛光垫接触特征的试验装置及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种在线检测抛光垫接触特征的试验装置及其使用方法，所述的试验装置包括基座、单筒显微镜、CCD摄像机、XY两向移动工作台、蓝宝石观测窗口、固定环、配重块、运动控制系统和计算机。本发明属于一种在线检测手段，测量时只需要将装配好的蓝宝石观测窗口放置于抛光垫表面，待测量结束后移除，整个测量过程不破坏抛光垫表面结构，不影响后续的抛光工艺。本发明利用光学显微镜直接获得抛光垫的真实接触图像，试验结果更加准确可靠。本发明可以批量处理微观接触图像，并且利用图像处理软件获得实时的微观接触特征信息：包括真实接触面积率、接触点数目、接触点平均尺寸、接触点分布等，方便对后续修整工艺的指导。

Description

一种在线检测抛光垫接触特征的试验装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及化学机械抛光技术领域，具体涉及一种在线检测抛光垫接触特征的试验装置及其使用方法。
技术背景
化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing,CMP)技术作为一种超精密加工方法，在半导体制备、光学零件加工等领域都有着广泛的应用。抛光垫是化学机械抛光过程中的重要的参与部件之一。现有的化学机械抛光装置如图1所示：工件1在夹持头2的作用下，以给定的抛光压力压在抛光垫3表面上，并且在抛光液4的参与下，工件1和抛光垫3相对摩擦运动，实现材料去除。可见，在抛光过程中，抛光垫直接和工件发生接触，抛光垫和工件之间的接触特征，将直接决定最终的抛光结果。其中接触特征主要是指从抛光垫的真实接触图像中获得的参数指标，包括真实接触面积率、接触点数目、接触点平均尺寸、接触点分布等。
在实际的化学机械抛光工艺中，由于工件和抛光液的摩擦作用，抛光垫的接触特征是不断变化的。技术人员为了保证抛光垫接触特征在批量加工中的一致性和稳定性，会加入修整工艺对抛光垫表面进行修整。然而，由于抛光垫真实接触特征信息的缺失，关于抛光垫的修整，大多是基于工人的技术经验和大量的工艺试验，很容易造成修整不足或者修整过量的现象，从而影响最终的抛光质量。另外，由于抛光工艺对加工时间和加工效率有着严格的要求，需要一种在线测量的手段，以快速的获得抛光垫的真实接触特征信息，并指导后续的修整工艺。
在名称为“Characterization of wet pad surface in chemical mechanicalpolishing(CMP)process with full field optical coherence tomography(FF-OCT)”的文章中(Choi,W.J.,Opt.Express.2011,19.14:13343-13350.),作者利用全场光学相干层析成像技术，可以实时的获得抛光垫在抛光状态下的表面形貌。然而该方法仅仅只能获得抛光垫的三维形貌，并不能获得抛光垫的真实接触特征信息。在名称为“Pad flatteningratio,coefficient of friction and removal rate analysis during silicondioxide chemical mechanical planarization”的文章中(Lee,H.,Thin.Solid.Films.2010,518.8:1994-2000.)，作者利用光学反射的原理，获得了抛光垫在不同抛光时刻的表面图像，并进一步提取出整平率参数(pad flattening ratio)。然而，该参数只是反映了抛光垫表面的釉化程度，获得的图像也仅仅是抛光垫表面的釉化图像，而非真实接触图像。
在名称为“Investigation of Pad Surface Topography Distribution forMaterial Removal Uniformity in CMP Process”的文章中(Park,K.,J.Electrochem.Soc.2008,155(8):H595-H602.)，作者通过光学测量方法获得了抛光垫的真实接触图像。但是该试验是一种离线的测量方法，无法满足在线测量的要求。并且该方法中的测量样品需要从抛光垫表面裁剪得到，是一种破坏性的检测手段，破坏后的抛光垫将无法继续投入到后续的抛光过程。因此，该方法获得的接触特征信息缺少了对修整工艺的指导性。
因此，如何高效的获得抛光垫的真实接触特征，以指导后续的修整工艺，是本领域技术人员需要解决的课题。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能实时获得抛光垫的真实接触特征、以指导后续的修整工艺的在线检测抛光垫接触特征的试验装置及其使用方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种在线检测抛光垫接触特征的试验装置，包括基座、单筒显微镜、CCD摄像机、XY两向移动工作台、蓝宝石观测窗口、固定环、配重块、运动控制系统和计算机；
所述单筒显微镜通过显微镜支架安装在XY两向移动工作台上；
所述XY两向移动工作台安装在基座上；
所述运动控制系统通过数据线与计算机连接；所述运动控制系统用于控制XY两向移动工作台的运动，实现点动或XY联动的功能，并通过预设程序完成指定动作；
所述CCD摄像机具有自动对焦功能，与单筒显微镜配套，安装在单筒显微镜的上部；CCD摄像机通过USB数据线，连接至计算机；
所述蓝宝石观测窗口嵌入在固定环中；
所述固定环为永磁体，吸附在配重块底部凹槽中；
所述配重块、固定环和蓝宝石观测窗口装配成整体后，放置于抛光垫待测位置处；所述蓝宝石观测窗口下表面凸出固定环下端面的距离为h，h>20Ra，其中Ra为抛光垫的表面粗糙度；
所述单筒显微镜的放大倍数不低于400倍；所述CCD摄像机图片分辨率优于1μm/像素；所述XY两向移动工作台用于调节单筒显微镜拍摄的位置，定位精度优于5μm；所述蓝宝石观测窗口为双面抛光片，表面粗糙度优于1nm；
所述配重块中心有圆形通孔，通孔直径d大于蓝宝石观测窗口直径d1，但小于固定环外缘直径d2，即d1<d<d2；同时，保证蓝宝石观测窗口通光充分，通孔直径d满足2d1<d；
所述计算机中安装图像处理软件，用于批量处理CCD摄像机的拍摄数据，获得真实接触图像，并统计接触特征信息，所述接触特征信息包括真实接触面积率、接触点数目、接触点平均尺寸、接触点分布。
进一步地，所述单筒显微镜采用同轴光光源。
进一步地，所述蓝宝石观测窗口有倒角。
进一步地，所述配重块的单块重量为Fp，单位N，不同配重块之间的重量差别小于0.5％；蓝宝石观测窗口的面积为S，两者之间的关系满足下式：
P＝(n·Fp+m)/S
其中m为蓝宝石观测窗口以及固定环的重量，单位N；n为配重块的数量，通过调节配重块的数量，获得不同压力下的接触图像；P为接触图像所对应的接触压力，单位psi；测量所处的接触压力范围为0.1～20psi。
一种在线检测抛光垫接触特征的试验装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤一、清洁和干燥
测量前，对蓝宝石观测窗口和抛光垫待测区域进行清洁和干燥；
步骤二、调节测量参数
测量时，将装配好的蓝宝石观测窗口放置于抛光垫待测区域上方；调节单筒显微镜焦距，焦平面为抛光垫和蓝宝石观测窗口的接触界面；调节同轴光光源，直至单筒显微镜视场内显示清晰的接触图像；
步骤三、拍摄待测区域接触图像
调节CCD摄像机参数，拍摄接触图像，并通过USB数据线将拍摄结果实时传入计算机中；
步骤四、批量测量
通过运动控制系统调节XY两向移动工作台，选择新的测量区域；同轴光光源的亮度和CCD摄像机参数在同一批次的拍摄过程中保持一致，便于后续接触图像的批处理；转步骤二直至测量任务完成；
步骤五、批量处理接触图像
计算机中的图像处理软件为Matlab2019b商用软件；采用Matlab2019b商用软件的图像处理工具箱，调用内置函数实现接触图像处理；采用Matlab2019b商用软件的图像用户界面工具箱，建立人机操作界面；采用Matlab2019b商用软件批量调用CCD摄像机传输的接触图像，实现接触图像的批量处理，并同时提取接触特征信息。
进一步，步骤五中所述接触图像的批量处理包括以下步骤：输入参考图像、参考图像预处理、调整二值化阈值参数、接触图像批量读入、接触图像批量预处理、接触图像批量二值化处理、真实接触图像批量输出、接触特征信息输出。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明属于一种在线检测手段，测量时只需要将装配好的蓝宝石观测窗口放置于抛光垫表面，待测量结束后移除，整个测量过程不破坏抛光垫表面结构，不影响后续的抛光工艺。
2、本发明利用光学显微镜直接获得抛光垫的真实接触图像，试验结果更加准确可靠。
3、本发明可以批量处理微观接触图像，并且利用图像处理软件获得实时的微观接触特征信息：包括真实接触面积率、接触点数目、接触点平均尺寸、接触点分布等，方便对后续修整工艺的指导。
4、本发明可以直接搭建在抛光机旁边，附加结构简单，容易操作。
附图说明
本发明共有附图3张，其中：
图1是本发明试验装置的结构示意图。
图2是图1中的A处局部放大视图。
图3是接触图像批量处理的流程图。
图中：1、工件；2、抛光头；3、抛光垫；4、抛光液；5、CCD摄像机；6、单筒显微镜；7、配重块；8、显微镜支架；9、XY两向移动工作台；10、基座；11、固定环；12、蓝宝石观测窗口；13、同轴光光源。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1-2所示，一种在线检测抛光垫接触特征的试验装置，包括基座10、单筒显微镜6、CCD摄像机5、XY两向移动工作台9、蓝宝石观测窗口12、固定环11、配重块7、运动控制系统和计算机；
所述单筒显微镜6通过显微镜支架8安装在XY两向移动工作台9上；
所述XY两向移动工作台9安装在基座10上；
所述运动控制系统通过数据线与计算机连接；所述运动控制系统用于控制XY两向移动工作台9的运动，实现点动或XY联动的功能，并通过预设程序完成指定动作；
所述CCD摄像机5具有自动对焦功能，与单筒显微镜6配套，安装在单筒显微镜6的上部；CCD摄像机5通过USB数据线，连接至计算机；
所述蓝宝石观测窗口12嵌入在固定环11中；
所述固定环11为永磁体，吸附在配重块7底部凹槽中；
所述配重块7、固定环11和蓝宝石观测窗口12装配成整体后，放置于抛光垫3待测位置处；所述蓝宝石观测窗口12下表面凸出固定环11下端面的距离为h，h>20Ra，其中Ra为抛光垫3的表面粗糙度；
所述单筒显微镜6的放大倍数不低于400倍；所述CCD摄像机5图片分辨率优于1μm/像素；所述XY两向移动工作台9用于调节单筒显微镜6拍摄的位置，定位精度优于5μm；所述蓝宝石观测窗口12为双面抛光片，表面粗糙度优于1nm；
所述配重块7中心有圆形通孔，通孔直径d大于蓝宝石观测窗口12直径d1，但小于固定环11外缘直径d2，即d1<d<d2；同时，保证蓝宝石观测窗口12通光充分，通孔直径d满足2d1<d；
所述计算机中安装图像处理软件，用于批量处理CCD摄像机5的拍摄数据，获得真实接触图像，并统计接触特征信息，所述接触特征信息包括真实接触面积率、接触点数目、接触点平均尺寸和接触点分布。
进一步地，所述单筒显微镜6采用同轴光光源13。
进一步地，所述蓝宝石观测窗口12有倒角。
进一步地，所述配重块7的单块重量为Fp，单位N；不同配重块7之间的重量差别小于0.5％；蓝宝石观测窗口12的面积为S，两者之间的关系满足下式：
P＝(n·Fp+m)/S
其中m为蓝宝石观测窗口12以及固定环11的重量，单位N；n为配重块7的数量，通过调节配重块7的数量，获得不同压力下的接触图像；P为接触图像所对应的接触压力，单位psi；测量所处的接触压力范围为0.1～20psi。
一种在线检测抛光垫接触特征的试验装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤一、清洁和干燥
测量前，对蓝宝石观测窗口12和抛光垫3待测区域进行清洁和干燥；
步骤二、调节测量参数
测量时，将装配好的蓝宝石观测窗口12放置于抛光垫3待测区域上方；调节单筒显微镜6焦距，焦平面为抛光垫3和蓝宝石观测窗口12的接触界面；调节同轴光光源13，直至单筒显微镜6视场内显示清晰的接触图像；
步骤三、拍摄待测区域接触图像
调节CCD摄像机5参数，拍摄接触图像，并通过USB数据线将拍摄结果实时传入计算机中；
步骤四、批量测量
通过运动控制系统调节XY两向移动工作台9，选择新的测量区域；同轴光光源13的亮度和CCD摄像机5参数在同一批次的拍摄过程中保持一致，便于后续接触图像的批处理；转步骤二直至测量任务完成；
步骤五、批量处理接触图像
计算机中的图像处理软件为Matlab2019b商用软件；采用Matlab2019b商用软件的图像处理工具箱，调用内置函数实现接触图像处理；采用Matlab2019b商用软件的图像用户界面工具箱，建立人机操作界面；采用Matlab2019b商用软件批量调用CCD摄像机5传输的接触图像，实现接触图像的批量处理，并同时提取接触特征信息。
进一步，步骤五中所述接触图像的批量处理包括以下步骤：输入参考图像、参考图像预处理、调整二值化阈值参数、接触图像批量读入、接触图像批量预处理、接触图像批量二值化处理、真实接触图像批量输出、接触特征信息输出。
本发明的实施例中，获得的接触图像像素为2048×1536，分辨率为0.33μm/像素。
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种在线检测抛光垫接触特征的试验装置，其特征在于：包括基座(10)、单筒显微镜(6)、CCD摄像机(5)、XY两向移动工作台(9)、蓝宝石观测窗口(12)、固定环(11)、配重块(7)、运动控制系统和计算机；
所述单筒显微镜(6)通过显微镜支架(8)安装在XY两向移动工作台(9)上；
所述XY两向移动工作台(9)安装在基座(10)上；
所述运动控制系统通过数据线与计算机连接；所述运动控制系统用于控制XY两向移动工作台(9)的运动，实现点动或XY联动的功能，并通过预设程序完成指定动作；
所述CCD摄像机(5)具有自动对焦功能，与单筒显微镜(6)配套，安装在单筒显微镜(6)的上部；CCD摄像机(5)通过USB数据线，连接至计算机；
所述蓝宝石观测窗口(12)嵌入在固定环(11)中；
所述固定环(11)为永磁体，吸附在配重块(7)底部凹槽中；
所述配重块(7)、固定环(11)和蓝宝石观测窗口(12)装配成整体后，放置于抛光垫(3)待测位置处；所述蓝宝石观测窗口(12)下表面凸出固定环(11)下端面的距离为h，h>20Ra，其中Ra为抛光垫(3)的表面粗糙度；
所述单筒显微镜(6)的放大倍数不低于400倍；所述CCD摄像机(5)图片分辨率优于1μm/像素；所述XY两向移动工作台(9)用于调节单筒显微镜(6)拍摄的位置，定位精度优于5μm；所述蓝宝石观测窗口(12)为双面抛光片，表面粗糙度优于1nm；
所述配重块(7)中心有圆形通孔，通孔直径d大于蓝宝石观测窗口(12)直径d1，但小于固定环(11)外缘直径d2，即d1<d<d2；同时，保证蓝宝石观测窗口(12)通光充分，通孔直径d满足2d1<d；
所述计算机中安装图像处理软件，用于批量处理CCD摄像机(5)的拍摄数据，获得真实接触图像，并统计接触特征信息，所述接触特征信息包括真实接触面积率、接触点数目、接触点平均尺寸和接触点分布。
2.根据权利要求1所述的一种在线检测抛光垫接触特征的试验装置，其特征在于：所述单筒显微镜(6)采用同轴光光源(13)。
3.根据权利要求1所述的一种在线检测抛光垫接触特征的试验装置，其特征在于：所述蓝宝石观测窗口(12)有倒角。
4.根据权利要求1所述的一种在线检测抛光垫接触特征的试验装置，其特征在于：所述配重块(7)的单块重量为Fp，单位N；不同配重块(7)之间的重量差别小于0.5％；蓝宝石观测窗口(12)的面积为S，两者之间的关系满足下式：
P＝(n·Fp+m)/S
其中m为蓝宝石观测窗口(12)以及固定环(11)的重量，单位N；n为配重块(7)的数量，通过调节配重块(7)的数量，获得不同压力下的接触图像；P为接触图像所对应的接触压力，单位psi；测量所处的接触压力范围为0.1～20psi。
5.一种在线检测抛光垫接触特征的试验装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、清洁和干燥
测量前，对蓝宝石观测窗口(12)和抛光垫(3)待测区域进行清洁和干燥；
步骤二、调节测量参数
测量时，将装配好的蓝宝石观测窗口(12)放置于抛光垫(3)待测区域上方；调节单筒显微镜(6)焦距，焦平面为抛光垫(3)和蓝宝石观测窗口(12)的接触界面；调节同轴光光源(13)，直至单筒显微镜(6)视场内显示清晰的接触图像；
步骤三、拍摄待测区域接触图像
调节CCD摄像机(5)参数，拍摄接触图像，并通过USB数据线将拍摄结果实时传入计算机中；
步骤四、批量测量
通过运动控制系统调节XY两向移动工作台(9)，选择新的测量区域；同轴光光源(13)的亮度和CCD摄像机(5)参数在同一批次的拍摄过程中保持一致，便于后续接触图像的批处理；转步骤二直至测量任务完成；
步骤五、批量处理接触图像
计算机中的图像处理软件为Matlab2019b商用软件；采用Matlab2019b商用软件的图像处理工具箱，调用内置函数实现接触图像处理；采用Matlab2019b商用软件的图像用户界面工具箱，建立人机操作界面；采用Matlab2019b商用软件批量调用CCD摄像机(5)传输的接触图像，实现接触图像的批量处理，并同时提取接触特征信息。
6.根据权利要求5所述的一种在线检测抛光垫接触特征的试验装置的使用方法，其特征在于：步骤五中所述接触图像的批量处理包括以下步骤：输入参考图像、参考图像预处理、调整二值化阈值参数、接触图像批量读入、接触图像批量预处理、接触图像批量二值化处理、真实接触图像批量输出、接触特征信息输出。
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