CN116175306B - 用于加工扁平工件的压盘结构、设备及其面型控制方法 - Google Patents

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CN116175306B CN202310457966.7A CN202310457966A CN116175306B CN 116175306 B CN116175306 B CN 116175306B CN 202310457966 A CN202310457966 A CN 202310457966A CN 116175306 B CN116175306 B CN 116175306B
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Abstract

本申请公开一种用于加工扁平工件的压盘结构、设备及其面型控制方法，其中，压盘结构包括：环形压盘，为形变盘，设置为可在驱动装置驱动下绕其自身中轴旋转，环形压盘设有抛光盘面和与抛光盘面相背离的背离面，抛光盘面用于对扁平工件进行加工；面型控制腔，设置在环形压盘的内部，位于抛光盘面和背离面之间，面型控制腔为与环形压盘同轴的环形，面型控制腔设置为通过控制装置的控制能够改变腔体体积，进而带动环形压盘的抛光盘面的面型发生改变。

Description

用于加工扁平工件的压盘结构、设备及其面型控制方法
技术领域
本申请涉及半导体设备技术领域，具体涉及一种用于加工扁平工件的压盘、设备及其面型控制方法。
背景技术
扁平工件加工设备例如可以是抛光机或研磨机或磨床。扁平工件例如可以是晶圆。用于加工晶圆的抛光设备能够为芯片制造流程中相应的环节中需要的晶圆表面进行平坦化处理。晶圆抛光设备包括单面抛光设备或双面抛光设备，在单面抛光设备或双面抛光设备中均具有至少一个用于加工扁平工件的压盘结构；在晶圆的双面抛光设备中，同时具备上压盘和下压盘，上、下压盘共同挤压材料，实现抛磨加工。然而，在晶圆的单面抛光设备或双面抛光设备中，由于晶圆在旋转过程中不同半径处的抛磨速度不一致，导致加工出的晶圆表面形状不够平整。
为解决抛光过程中晶圆的表面形状不够平整的问题，申请人在中国专利文献CN115673910A公开了一种液涨控制的压盘及其用于基材抛光的面型控制方法，通过液压油控制装置调节面型控制腔中液压油的油量，进而调节面型控制腔的腔体形状，带动工作盘表面的面型改变，进而提高晶圆抛光后的平整度。但是，该现有技术是对圆盘的面型控制，无法适用于环形压盘。由于加工的精细要求，压盘形状的改变对于面型控制的设计会产生本质的变化。
发明内容
为此，本申请的目的在于提供一种适用环形压盘面型控制的压盘结构以克服现有技术缺乏对环形压盘面型控制技术的缺陷。
本申请第一方面提供一种用于加工扁平工件的压盘结构，包括：
环形压盘，为形变盘，设置为可在驱动装置驱动下绕其自身中轴旋转，所述环形压盘设有抛光盘面和与所述抛光盘面相背离的背离面，所述抛光盘面用于对扁平工件进行加工；
面型控制腔，设置在所述环形压盘的内部，位于所述抛光盘面和所述背离面之间，所述面型控制腔为与所述环形压盘同轴的环形，所述面型控制腔设置为通过控制装置的控制能够改变腔体体积，进而带动所述环形压盘的所述抛光盘面的面型发生改变。
可选地，所述控制装置为压强控制装置，所述面型控制腔的所述腔体连通所述压强控制装置，所述压强控制装置能够调节所述面型控制腔的所述腔体内的压强以改变所述腔体的体积，进而改变所述抛光盘面的所述面型发生改变。
可选地，所述环形压盘和所述面型控制腔均为圆环形。
可选地，所述面型控制腔从所述环形压盘的内边缘延伸至所述环形压盘的外边缘。
可选地，所述抛光盘面的面型与所述腔体内的压强的关系为：
Figure SMS_1
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Figure SMS_2
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Figure SMS_3
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Figure SMS_4
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Figure SMS_5
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Figure SMS_6
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Figure SMS_7
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Figure SMS_8
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Figure SMS_9
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Figure SMS_10
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Figure SMS_11
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Figure SMS_12
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其中a为面型控制腔的内孔半径、b为面型控制腔的外圆半径，q为腔体内介质的压强，x为以所述抛光盘面上的点的坐标，ω为x处的挠度，E为面型控制腔所对应的抛光盘面变形部分的材料剪切强度，t为面型控制腔所对应的抛光盘面变形部分的材料厚度，μ为面型控制腔所对应的抛光盘面变形部分的材料泊松比，C1、C2、C3和C4是基于q和面型控制腔的内孔半径、面型控制腔的外圆半径确定的数值。
可选地，还包括：
支撑座，位于背向所述环形压盘的所述抛光盘面的一侧，所述支撑座与所述环形压盘柔性连接，且两者之间间隔设置以存在环形变形间隙；
形变装置，设置在所述环形变形间隙内，通过所述形变装置内侧和/或外侧发生形变以局部改变所述环形变形间隙的间距，进而局部改变所述抛光盘面的面型。
可选地，所述形变装置包括第一变形体，所述第一变形体设置在所述环形变形间隙的内侧或外侧；或者，
所述形变装置包括第一变形体和第二变形体，所述第一变形体和所述第二变形体之一设置在所述环形变形间隙的内侧，另一设置在所述环形变形间隙的外侧。
可选地，所述第一变形体和/或所述第二变形体为环形结构。
可选地，所述第一变形体和第二变形体连接在所述支撑座或环形压盘上。
可选地，所述第一变形体与所述支撑座或环形压盘一体式构造，和/或，所述第二变形体与所述支撑座或环形压盘一体式构造。
可选地，所述第一变形体内设有第一变形腔室，所述第二变形体内设有第二变形腔室，所述第一变形腔室和所述第二变形腔室分别连通有压强调节装置，以使所述压强调节装置通过调节压强以改变所述第一变形腔室和/或第二变形腔室的体积，进而改变所述第一变形体和/或所述第二变形体的体积，进而局部改变所述环形变形间隙的间距。
可选地，所述第一变形腔室和第二变形腔室均为环形变形腔室，且两个所述环形变形腔室同心设置。
可选地，所述第一变形腔室包括N个独立变形腔室，所述第二变形腔室包括M个独立变形腔室，N、M为大于1的整数，所述N个独立变形腔室和所述M个独立变形腔室均以圆形阵列分布在所述环形变形间隙中。
可选地，所述独立变形腔室为圆盘形。
可选地，所述第一变形体还包括第一导力环，所述第一导力环设置在所述N个独立变形腔室和所述环形压盘之间，用于将所述N个独立变形腔室形变产生的作用力传导到所述环形压盘上；
所述第二变形体还包括第二导力环，所述第二导力环设置在所述M个独立变形腔室和所述环形压盘之间，用于将所述M个独立变形腔室形变产生的作用力传导到所述环形压盘上。
可选地，所述第一导力环和所述第二导力环上设有用于连接所述独立变形腔室的拱起部。
可选地，所述压强调节装置可以为液压调节装置或气压调节装置。
可选地，还包括高压管路转接头，所述压强调节装置与所述变形腔室之间通过管路连通，且每个所述管路均与所述高压管路转接头连接。
可选地，所述环形变形腔室内介质的压强与环形变形腔室的表面挠度具有如下对应关系：
Figure SMS_13
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Figure SMS_14
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Figure SMS_15
,
Figure SMS_16
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Figure SMS_17
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Figure SMS_18
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Figure SMS_19
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Figure SMS_20
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Figure SMS_21
,
Figure SMS_22
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Figure SMS_23
,
Figure SMS_24
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其中a为环形变形腔室的内孔半径、b为环形变形腔室的外圆半径，q为所述压强，x为以所述表面上点的坐标，ω为x处的挠度，E为所述表面的材料剪切强度，t为变形结构部分的材料厚度，μ为所述表面的材料泊松比，C1、C2、C3和C4是基于q和变形腔室的内孔半径、变形腔室的外圆半径确定的数值。
可选地，所述支撑座与所述环形压盘通过柔性铰链连接，所述柔性铰链能够根据所述支撑座与所述环形压盘之间距离和安装角度的变化发生变形进而自适应调整。
本申请第二方面提供一种用于加工扁平工件的设备，包括两个根据第一方面提供的用于加工扁平工件的压盘结构，两个所述压盘结构相对设置且在两个所述环形压盘间存在加工间隙。
可选地，还包括外边缘间隙传感器和内边缘间隙传感器，所述外边缘间隙传感器用于检测所述加工间隙的外边缘间距，所述内边缘间隙传感器用于检测所述加工间隙的内边缘间距。
本申请第三方面提供一种用于控制第一方面提供的压盘结构面型的方法， 包括：
获取环形压盘的预设面型；
确定环形压盘的当前面型；
调整所述面型控制腔的体积改变当前面型以符合所述预设面型。
可选地，调整所述面型控制腔的体积改变当前面型以符合所述预设面型，包括：
调整所述面型控制腔内介质的压强，改变当前面型以符合所述预设面型。
可选地，所述预设面型和所述当前面型均为所述抛光盘面上至少一个挠度可变的位置与加工平面的间隙数据；
调整所述面型控制腔的体积改变当前面型以符合所述预设面型，包括：
确定当前面型与所述预设面型的间隙差；
基于所述压强与抛光盘面表面挠度的对应关系，调整所述压强进而改变抛光盘面表面挠度，以消除所述间隙差。
本申请技术方案的有益效果：
1、本申请提供的用于加工扁平工件的压盘结构，通过在抛光盘面和背离面之间设置呈环形的面型控制腔，以及通过将面型控制腔设置为通过控制装置的控制能够改变其腔体体积，进而带动环形压盘的抛光盘面（环形）的面型发生改变。本申请填解决了现有技术中在对扁平工件例如晶圆进行加工（例如抛光）过程中，缺乏对环形盘面的面型进行控制的技术方案，填补了在此领域的技术空白。
2、本申请提供的用于加工扁平工件的压盘结构，通过面型控制腔从环形压盘的内孔边缘处延伸至环形压盘的外圆边缘处的设计，使得面型控制腔尽可能地铺满了抛光盘面，这样有利于实现对盘面的面型更丰富的控制，以满足不同应用场景的面型需求。
3．本申请提供的用于加工扁平工件的压盘结构，创造性地提出了环形抛光盘面的面型与腔体内压强的关系，并通过上述的等式来进行实现，使得在q确定的情况下能够确定整个面型控制腔的腔体表面的挠度分布，从而根据上述挠度分布，可以通过对油压的控制对实际加工平面的面型形变进行精确控制。
4．本申请提供的用于加工扁平工件的压盘结构，在面型控制腔的基础上，还通过在环形变形间隙内设置形变装置，以及通过形变装置内侧和/或外侧发生形变以局部改变环形变形间隙的间距，进而改变环形压盘的整体形变，即改变环形压盘与水平面的倾角。例如，利用该形变装置能够将最初是平的抛光盘面变成内凸外凹或者内凹外凸的抛光盘面，或者能够将最初是略微凹的抛光盘面变成平的或者内凸外凹的抛光盘面，或者将最初是略微凸的抛光盘面变成平的或者内凹外凸的抛光盘面，从而来补偿由加载变形和/或热变形引起的抛光盘面的变形量。此外，通过将环形压盘与支撑座柔性连接，使得环形压盘与支撑座在保持连接的同时能够适应支撑座与环形压盘之间距离和安装角度的变化变形。本申请的压盘结构能够实现抛光盘面的面型控制（抛光盘面自身的鼓起程度），还能够实现抛光盘面的倾角控制（抛光盘面与水平面的夹角），两者协同作用，能够极大丰富环形压盘的面型控制方式。
附图说明
为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例1提供的用于加工扁平工件的压盘结构的剖面图；
图2为本申请实施例3提供的用于加工扁平工件的设备的剖面图；
图3为图2所示设备的环形压盘变形为内凸外凹面型的剖面示意图；
图4为图2所示设备的环形压盘变形为内凹外凸面型的剖面示意图；
图5为包含本申请实施例2提供的压盘结构的设备的剖面图；
图6为本申请实施例2中第一变形腔室和第二变形腔室的结构示意图；
图7为本申请实施例4提供的压盘姿态控制方法的流程图；
图8为本申请实施例5提供的压盘姿态控制方法的流程图；
图9为环形变形腔室的剖面图；
图10为本申请实施例6提供的压盘姿态控制方法的流程图；
图11为面型控制腔的剖面图。
附图标记说明：
0、扁平工件；1、压盘结构；11、支撑座；12、环形压盘；121、抛光盘面；122、背离面；131、第一变形体；1311、第一变形腔室；13111、变形结构部分；132、第二变形体；1321、第二变形腔室；1331、独立变形腔室；1332、第一导力环；1333、第二导力环；1334、拱起部；14、环形变形间隙；134、面型控制腔；15、转动轴；161、内环液压管路；162、外环液压管路；163、面型液压管路； 17、高压管路转接头；18、柔性铰链；191、外边缘间隙传感器；192、内边缘间隙传感器。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
此外，下面所描述的本申请不同实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种用于加工扁平工件的压盘结构1。扁平工件0例如是晶圆。压盘结构1可以是如图2所示的用于加工扁平工件的设备的上工作盘或下工作盘。
在本实施例中，如图1所示，压盘结构1包括环形压盘12和面型控制腔134。其中，
环形压盘12为形变盘，即可以发生形变的盘，环形压盘设置为可在驱动装置驱动下绕其自身中轴旋转，如图1所示驱动装置是转动轴15，在如图1的示例中，环形压盘在转动轴15的驱动下绕转动轴的中轴线旋转。驱动装置因为是已知的在此不做详细介绍。环形压盘具有抛光盘面和与抛光盘面相背设置的背离面，抛光盘面用于对扁平工件例如晶圆进行加工，具体地，在一些实施方案中，抛光盘面用于挤压和抛磨晶圆。
面型控制腔134，之所以称之为腔，是指其在外界因素作用下可发生形变和体积的变化，面型控制腔设置在环形压盘的内部，位于抛光盘面121和背离面122之间，面型控制腔为与环形压盘同轴设置的环形结构，面型控制腔设置为通过控制装置的控制能够改变其腔体的体积，进而带动与之对应的环形压盘的形变，进而改变环形压盘的抛光盘面的面型的改变。
需要说的是，面型控制腔的腔体并不限于是具有一定空隙的，在可实现的方案中，其腔体也可以是实心的。
进一步地，在本实施例中，如图5所示，面型控制腔为压力容积腔，用于控制面型控制腔的控制装置为压强控制装置，面型控制腔的腔体连通所述压强控制装置，在压强控制控制装置的控制下能够改变面型控制腔的腔体内的压强发生改变，进而改变腔体的形状和体积，进而改变所对应的抛光盘面的面型发生改变。其中，所述抛光盘面的面型与所述腔体内的压强的关系为：
Figure SMS_25
,
Figure SMS_26
,
Figure SMS_27
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Figure SMS_28
,
Figure SMS_29
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Figure SMS_30
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Figure SMS_31
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Figure SMS_32
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Figure SMS_33
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Figure SMS_34
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Figure SMS_35
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Figure SMS_36
,
其中a为面型控制腔的内孔半径、b为面型控制腔的外圆半径，q为腔体内介质的压强，x为以所述抛光盘面上的点的坐标，ω为x处的挠度，E为面型控制腔所对应的抛光盘面变形部分的材料剪切强度，t为面型控制腔所对应的抛光盘面变形部分的材料厚度，μ为面型控制腔所对应的抛光盘面变形部分的材料泊松比，C1、C2、C3和C4是基于q和面型控制腔的内孔半径、面型控制腔的外圆半径确定的数值。
本实施例中，在q确定的情况下能够确定整个面型控制腔对应的抛光盘面的表面挠度分布。根据上述挠度分布，可以通过压强的控制对实际加工平面的面型形变进行精确控制。
作为本申请的优选实施例，环形压盘和面型控制腔均为圆环形，面型控制腔从环形压盘的内孔边缘延伸至环形压盘的外圆边缘处。
作为本申请的优选实施例，面型控制腔内的介质选用液压油，压强控制装置为液压调节装置。液压调节装置具体结构将在下文详细介绍。
作为一种可替换实施方案，面型控制腔可以是由变形材料制成的结构，例如压电陶瓷，压电陶瓷是一种可以在外界电场作用下产生极大弹性变形的陶瓷材料。
进一步地，本实施例的压盘结构还包括支撑座11和形变装置。以图1为例，支撑座11位于环形压盘12的上方，支撑座11与环形压盘12柔性连接。支撑座11与环形压盘12均是环形的，在驱动装置例如是转动轴15驱动下转动，驱动装置因为是已知的在此不再详细介绍。环形压盘12优选为圆环形压盘12，在一些特殊情况下，环形压盘12也可以是椭圆环形或者其他环形形状。环形压盘12与支撑座11之间存在环形变形间隙14，环形压盘12背向支撑座11的一侧为用于加工扁平工件0的抛光盘面121，面向支撑座11的一侧为与抛光盘面121相对的背离面122。形变装置设置在环形变形间隙14内，即支撑座11与环形压盘12的背离面122之间。形变装置，顾名思义，是能够发生形变的装置。在本实施例中，形变装置设置为内侧和/或外侧发生形变以局部改变环形变形间隙14的间距，例如局部改变环形变形间隙14内侧的间距或局部改变环形变形间隙14外侧的间距或同时改变环形变形间隙14内侧和外侧的间距。在这里，需要对内侧和外侧的概念做如下说明，在本实施例中，内侧是指靠近转动轴15的位置，也是环形压盘12中靠近安装孔的位置，外侧是指远离转动轴15靠近环形边缘的位置。
在本实施例中，通过局部改变环形变形间隙14的间距，进而能够改变抛光盘面121的整体面型。例如，利用该形变装置能够将最初是平的抛光盘面121变成内凸外凹（如图3所示）或者内凹外凸（如图4所示）的抛光盘面121，或者能够将最初是略微凹的抛光盘面121变成平的或者内凸外凹的抛光盘面121，或者将最初是略微凸的抛光盘面121变成平的或者内凹外凸的抛光盘面121，从而来补偿由加载变形和/或热变形引起的抛光盘面121的变形量。
此外，通过将环形压盘12与支撑座11柔性连接，使得环形压盘12与支撑座11在保持连接的同时能够适应支撑座11与环形压盘12之间距离和安装角度的变化变形。
具体地，形变装置可以仅包括第一变形体131，设置在环形变形间隙14的内侧或外侧，以局部改变环形变形间隙14内侧或外侧的间距，进而局部改变抛光盘面121整体面型。例如将第一变形体131设置在环形变形间隙14的内侧，通过增大第一变形体131的体积，进而局部增大环形变形间隙14内侧的间距，进而将抛光盘面121的面型调整为内凸外凹的整体面型。
作为优选地，在本实施例中，形变装置包括第一变形体131和第二变形体132，第一变形体131和第二变形体132之一设置在环形变形间隙14的内侧，另一设置在环形变形间隙14的外侧。如图1所示，第一变形体131设置在环形变形间隙14的外侧，第二变形体132设置在环形变形间隙14的内侧。第一变形体131和第二变形体132设置为可单独变形，例如当第一变形体131增大体积，第二变形体132体积不变时，抛光盘面121的面型可由如图1所示的平的面型改变为如图3所示的内凸外凹的面型。当第二变形体132增大体积，第一变形体131体积不变时，抛光盘面121的面型可由如图1所示的平的面型改变为如图4所示的内凹外凸的面型。
进一步具体地，第一变形体131和/或第二变形体132为环形结构。优选地，第一变形体131和/或第二变形体132的环形结构与环形压盘12以及环形支撑座11的环形同心。进一步优选地，第一变形体131和第二变形体132的厚度不小于环形变形间隙14的间距。
为了防止第一变形体131在环形变形间隙14内移位，第一变形体131至少上侧面或下侧面之一与支撑座11或环形压盘12的背离面122连接。例如可以是，第一变形体131的上侧面与支撑座11连接，下侧面与环形压盘12的背离面122接触但不连接；或者可以是，第一变形体131的下侧面与背离面122连接，上侧面与支撑座11接触但不连接。进一步优选地，第一变形体131与支撑座11或环形压盘12一体式构造。第二变形体132可以与第一变形体131相同设置。
进一步地，第一变形体131内设有第一变形腔室1311，第二变形体132内设有第二变形腔室1321，第一变形腔室1311和第二变形腔室1321分别连通压强调节装置，以使压强调节装置通过调节压强以改变第一变形腔室1311和/或第二变形腔室1321的体积，进而改变所述第一变形体131和/或所述第二变形体132的体积，进而局部改变所述环形变形间隙14的间距。
具体的，第一变形腔室1311和第二变形腔室1321内的介质可以是液体或气体，与面型控制腔内介质相同，第一变形腔室和第二变形腔室的介质优选采用液压油。由于本实施例中第一变形腔室1311位于外侧，第二变形腔室1321位于内侧，因此第一变形腔室1311也称为外液压环，第二变形腔室1321也称为内液压环。相应的，压强调节装置优选为液压调节装置，具体的如图1所示，液压调节装置包括外环液压管路162、内环液压管路161、面型液压管路163以及高压管路转接头17，其中，外环液压管路162和内环液压管路161是用于控制环形压盘的倾角的管路，而面型液压管路163是用于控制环形压盘的抛光盘面面型的管路。外环液压管路162一端适于连通液压泵，另一端连通到第一变形腔室1311内；内环液压管路161一端适于连通液压泵，另一端连通到第二变形腔室1321内；面型液压管路163一端适于连通液压泵。另一端连通到面型控制腔内；通过液压泵来独立或同时调节第一变形腔室1311、第二变形腔室1321、面型控制腔内的液压压强，进而改变第一变形腔室1311、第二变形腔室1321以及面型控制腔的形状和体积。第一变形腔室1311和第二变形腔室1321的形变用于控制环形压盘的倾角，面型控制腔的形变用于控制抛光盘面的面型，三者相结合可以满足各种工况下对实际加工平面的面型改变的精确控制。
外环液压管路162、内环液压管路161以及面型液压管路的中部设置在高压管路转接头17中，所述高压管路转接头17设置在支撑盘上。
第一变形腔室1311和第二变形腔室1321均为环形变形腔室，且两个环形变形腔室同心设置。
进一步地，为了更精确的控制环形压盘12的抛光盘面121的整体面型，在本实施例中，所述环形变形腔室内介质的压强与环形变形腔室的表面挠度（下表面挠度）具有如下对应关系：
Figure SMS_37
,
Figure SMS_38
,
其中，q为所述压强，x为以所述表面上点的坐标，ω为x处的挠度，E为所述表面的材料剪切强度，t为变形结构部分13111的材料厚度，μ为所述表面的材料泊松比，C1、C2、C3和C4是基于q和变形腔室的内孔半径、变形腔室的外圆半径确定的数值。
C1、C2、C3和C4的具体计算公式为：
Figure SMS_39
,
Figure SMS_40
,
Figure SMS_41
,
Figure SMS_42
,
其中，
Figure SMS_43
,
Figure SMS_44
,
Figure SMS_45
,
Figure SMS_46
,
Figure SMS_47
,
其中a为环形变形腔室的内孔半径、b为环形变形腔室的外圆半径。
对于第一变形腔室1311和第二变形腔室1321，通过调整环形变形腔室内的q值来精确控制环形压盘12的抛光盘面121的面型。
进一步的，在本实施例中，支撑座11与抛光盘面121的柔性连接具体为：还包括柔性铰链18，柔性铰链18连接在支撑盘和形变盘之间，以自适应调整支撑盘和形变盘之间距离和安装角度，形变盘与转动轴15之间通过柔性铰链18传导扭矩，在吊起状态时，柔性铰链18受拉力，抛光作业时，柔性铰链18受压力，内外液压环作用时发生形变，柔性铰链18传导支撑盘向形变盘的扭矩。
实施例2
如图5和图6所示，本实施例提供一种用于加工扁平工件的压盘结构。本实施例的压盘结构1与实施例1的压盘结构1的区别在于：第一变形腔室1311和第二变形腔室1321，与实施例1中压盘结构1的第一变形腔室1311和第二变形腔室1321的结构不同。
具体为，在本实施例中，所述第一变形腔室1311包括N个独立变形腔室1331，所述第二变形腔室1321包括M个独立变形腔室1331，N、M为大于1的整数，即采用N个独立变形腔室1331替代一个环形结构的第一变形腔室1311，采用M个独立变形腔室1331替代一个环形结构的第二变形腔体。所述N个独立变形腔室1331和所述M个独立变形腔室1331均以圆形阵列分布在所述环形变形间隙14中。在本实施例中，N、M优选为4；在其他实施例中，N、M可以是2、3、5、6等；N、M数值可以相同，也可以不同。所述独立变形腔室1331为圆盘形。
进一步地，为了使得环形压盘12更加均匀的受力，所述第一变形体131还包括第一导力环1332，所述第一导力环1332设置在所述N个独立变形腔室1331和所述环形压盘12之间，用于将所述N个独立变形腔室1331形变产生的作用力传导到所述环形压盘12上；所述第二变形体132还包括第二导力环1333，所述第二导力环1333设置在所述M个独立变形腔室1331和所述环形压盘12之间，用于将所述M个独立变形腔室1331形变产生的作用力传导到所述环形压盘12上。
所述第一导力环1332和所述第二导力环1333上设有用于连接所述独立变形腔室1331的拱起部1334。
实施例3
如图2-5所示，本实施例提供一种用于加工扁平工件的设备。扁平工件0例如是晶圆。本实施例的设备例如可以是抛光机或研磨机或磨床。以下以本实施例设备为抛光机为例进行说明。
如图2所示，本实施例的用于加工扁平工件的设备包括上工作盘和下工作盘。在本实施例中，上工作盘或下工作盘优选为实施例1提供的压盘结构1。
上工作盘和下工作盘分别在上转动轴15和下转动轴15的驱动下可相对的旋转，因为驱动装置为已知的，在此不再详细说明。上工作盘和下工作盘的抛光盘面121之间存在加工间隙。
由于加工过程中热量的积累，势必导致上工作盘或下工作盘发生热变形，为满足预设的晶圆的加工工艺，需要对上工作盘或下工作盘进行在线调整，为此，本实施例的设备还包括设置在加工间隙外边缘处的外边缘间隙传感器191和设置在加工间隙内边缘处的内边缘间隙传感器192，所述外边缘间隙传感器191用于检测所述加工间隙的外边缘间距，所述内边缘间隙传感器192用于检测所述加工间隙的内边缘间距。具体的在线调整方法在后续实施例中进行介绍。
此外，为了实现对环形压盘的抛光盘面的面型进行控制，需要对抛光盘面121当前面型进行检测，检测的方式可以有多种，例如可以在压盘结构1中或者承载晶圆的平面（加工平面）上设置若干传感器，或者通过外部辅助设备来检测抛光盘面121的当前面型。在本实施例中，通过在下工作盘上设置中间间隙传感器，中间间隙传感器透过晶圆对位于上方的上工作盘的抛光盘面的面型进行测量，从而确定上工作盘的当前变形状态。
需要说明的是，本实施例的设备为双面抛光设备。但是本申请的设备并不局限于双面抛光设备，在其他实施例中，还可以是单面抛光设备，单面抛光设备包括上支撑盘和下工作盘。下工作盘为实施例1提供的压盘结构1。
实施例4
本申请实施例提供一种压盘姿态控制方法，用于控制上述实施例1中的压盘结构1，该方法可以由计算机或服务器等电子设备执行，如图7所示包括如下操作：
S1，获取环形压盘12的预设姿态。预设姿态包括预设倾角和/或预设加工间隙。预设姿态是指根据具体加工需求预先制定的、期望保持的姿态，可以在执行加工之前预测导入并存储在执行本方法的设备中。
本实施例中的倾角是指上述抛光盘面121与参考平面（比如水平面）的夹角，加工间隙是指压盘结构1与另一个加工平面之间的间距，另一个加工平面可以是另一个压盘结构1，也可以是一个姿态固定的平面（比如水平面）。需要说明的是，在具有一定倾角的情况下，抛光盘面121上各处的加工间隙不同，换言之，当抛光盘面121是一个斜面时，斜面径向上各处与水平面之间的间距不同。本实施例的加工间隙可以是抛光盘面121与加工平面之间的最大距离和最小距离（内圈边缘和外圈边缘与加工平面的间隙）。
S2，确定环形压盘12的当前姿态。与上述预设姿态相应地，当前姿态包括当前倾角和/或当前加工间隙。检测环形压盘12当前姿态的方式有多种，比如可以在压盘结构1中设置若干传感器，或者通过外部辅助设备来检测环形压盘12当前姿态。
具体地，可以在环形压盘12的内圈边缘和外圈边缘分别设置距离传感器检测到抛光盘面121两端与加工平面的间距，并据此计算出抛光盘面121的倾角。
步骤S2可以在压盘结构1执行晶圆加工动作的过程中执行（可称为在线检测），也可以在加工开始之前或者中止加工动作时执行（可称为离线检测）。
S3，调整第一变形腔室1311内介质的压强和/或第二变形腔室1321内介质的压强，改变当前姿态以符合预设姿态。在加工开始之前，可以通过这种调整来初始化压盘结构1的姿态；在执行晶圆加工动作的过程中，由于抛光摩擦产生热量或者重力的原因，可导致压盘结构1的姿态发生变化，也就是当前姿态与预设姿态不一致，当二者的差异达到一定阈值时即可执行步骤S3。
以液压式变形腔室为例，可通过液压管路向第一、第二变形腔室1321内注入更多的液压油来增大腔室内的压强，通过抽出液压油来降低腔室内的压强。当压强被改变时，第一、第二变形腔室1321的形态被相应地改变（膨胀或收缩），进而挤压或释放环形压盘12的相应位置（内圈、外圈），从而改变抛光平面的倾角和加工间隙。
关于调整与姿态的对应关系，仅调节外侧的（第一）变形腔体，将仅增大或减小外边缘的加工间隙；仅调节内侧的（第二）变形腔体，将仅增大或减小内边缘的加工间隙；调节外侧的变形腔体增大外边缘的加工间隙，以及调节内侧的变形腔体减小内边缘的加工间隙；调节外侧的变形腔体减小外边缘的加工间隙，以及调节内侧的变形腔体增大内边缘的加工间隙；同时调节外侧和内侧的变形腔体，增大内外边缘的加工间隙，内外的加工间隙增加量可相同，也可不同；同时调节外侧和内侧的变形腔体，减小内外边缘的加工间隙，内外的加工间隙减小量可相同或不同，当内外边缘的加工间隙不同时，也即形成倾角。
在至少知道上述对应关系的情况下即可执行调整，可以在调整姿态的同时实时监测当前姿态，一旦符合预设姿态即停止调整动作。当然也可以进一步根据当前姿态与预设姿态的差异计算出需要调整的量，然后直接按照计算量来执行调整动作。
根据本申请实施例提供的压盘结构1姿态控制方法，通过调整内、外圈处的变形腔室内介质的压强即可实现对环形压盘12姿态的调整，当晶圆加工过程中，或者开始执行加工之前，均可以利用本方法对当前姿态进行调整，以保持其与预期的姿态一致，从而满足各种抛光需求。
实施例5
本申请实施例提供一种压盘姿态控制方法，在上述实施例4的基础上，如图8所示步骤S2包括如下操作：
S21，确定第一变形腔室1311和第二变形腔室1321的当前表面挠度。在上述实施例中已经介绍了环形腔室表面挠度与内部压强的关系，利用该计算式，在已知压强的情况下即可计算出该表面上各处的挠度。
S22，根据当前表面挠度确定当前姿态。由于变形腔室的形态作用于抛光盘面121，所以两个环形变形腔室挠度的数值实际上分别对应于抛光盘面121内圈、外圈处的位移，而挠度本身表述的即为线位移，所以表面挠度可以间接地表达抛光盘面121内圈、外圈的加工间隙，内圈、外圈不同的加工间隙即可表达倾角，由此即可根据挠度确定姿态。
与实施例n的不同之处主要在于，本实施例不需要在压盘结构1中设置传感器或者借助外部设备来检测抛光平面的姿态（加工间隙、倾角），而是根据内、外两个环形变形腔室的表面挠度来计算当前姿态，由此可以降低硬件成本。
进一步地，在步骤S22中确定倾角的操作包括：
S221，分别从第一变形腔室1311和第二变形腔室1321的当前表面挠度中确定最大挠度。图9示出了环形变形腔室的剖面图，其中x轴表示位置，y轴表示挠度，其中位置o1和o2处分别是两个形变腔室的最大挠度处，此处必然是变形腔室与环形压盘12的接触位置。
S222A，根据两个最大挠度对应位置的连线确定当前倾角。显然o1和o2的“连线”是虚构的，该连线是与抛光平面平行的。可以理解为将两个变形腔室置于同一坐标系内，根据两个变形腔室o1和o2处的y轴坐标，使用三角函数即可计算出它们的连线与x轴的夹角，该夹角即为抛光盘面121相对于x轴的倾角。
进一步地，在步骤S22中确定当前加工间隙的操作包括：
S222B，根据两个最大挠度对应的位置确定环形压盘12的内孔处加工间隙和外圆处加工间隙。参照图9，两个变形腔室o1和o2处的y轴坐标即可表达加工间隙。
在本实施中，步骤S3中改变当前倾角以符合预设倾角的步骤包括：
S31A，确定当前倾角与预设倾角的角度差。
S32A，基于压强与环形变形腔室表面挠度的对应关系，以及环形变形腔室表面挠度与环形压盘12倾角的对应关系，调整压强进而改变环形变形腔室表面挠度，以消除角度差。具体地，可以预先标定内圈、外圈变形腔室的最大挠度的挠度差与倾角的对应关系，也就是多大的挠度差可产生多少倾角，然后在调整时通过预期的角度差反推可以得知需要的挠度差，再通过改变压强达改变两个形变腔室的挠度以达到该挠度差（利用上述实施例中压强与挠度的计算式），即可形成预期的倾角，从而消除角度差。
步骤S3中改变当前加工间隙以符合预设加工间隙的步骤包括：
S31B，确定当前加工间隙与预设加工间隙的间隙差；
S32B，基于压强与环形变形腔室表面挠度的对应关系，调整压强进而改变环形变形腔室表面挠度，以消除间隙差。具体地，由于挠度更直接地表达了间隙，所以调整最大的挠度即为调整加工间隙，在知道需要增大或减小多少加工间隙时，即为已知要改变多少挠度，利用上述实施例中压强与挠度的计算式，通过调整压强即可改变加工间隙，从而消除间隙差。
实施例6
本申请实施例提供一种压盘面型控制方法，用于控制上述实施例1中的压盘结构1，该方法可以由计算机或服务器等电子设备执行，如图10所示包括如下操作：
S01,获取环形压盘的预设面型。预设面型是指根据具体加工需求预先制定的、期望保持的抛光盘面121的面型，可以在执行加工之前预测导入并存储在执行本方法的设备中。
S02,确定环形压盘的当前面型。检测抛光盘面121当前面型的方式有多种，比如可以在压盘结构1中或者承载晶圆的平面（简称加工平面）上设置若干传感器，或者通过外部辅助设备来检测抛光盘面121的当前面型。
S03,调整面型控制腔的体积改变当前面型以符合预设面型。在加工开始之前，可以通过这种调整来初始化抛光盘面121的面型；在执行晶圆加工动作的过程中，由于抛光摩擦产生热量或者重力的原因，可导致抛光盘面121的面型发生变化，也就是当前面型与预设面型不一致，当二者的差异达到一定阈值时即可执行步骤S03。
以压强控制装置，可通过液压管路向面型控制腔的腔体内注入更多的液压油来增大腔室内的压强、通过抽出液压油来降低腔室内的压强。当压强被改变时，面型控制腔的形态被相应地改变（膨胀或收缩），进而挤压或释放抛光盘面，从而改变抛光盘面的面型。
预设面型和当前面型可以用挠度数据来表示，具体为抛光盘面上至少一个挠度可变的位置与加工平面的间隙数据。如图11所示，在一实施例中可以只利用一个位置的间隙数据，该位置是抛光盘面121内圈与外圈的中间位置o3，该位置的间隙被称为中间间隙，为此需要设置中间间隙传感器来测量中间间隙h3。在具体应用场景中，当晶圆处在加工位置时（晶圆位于抛光盘面121与另一加工平面之间），需要透过晶圆才能够测量中间间隙h3。抛光盘面121为金属材料制成，加工的晶圆为硅材料，在此应用场景中可采用电涡流传感器作为上述中间间隙传感器，将电涡流传感器设置在加工平面上，通过电涡流效应的原理，可准确测量金属的抛光平面与传感器探头端面的相对距离。
中间间隙h3等同于抛光盘面121上o3处的挠度，只需要将该位置的挠度调整为与预设挠度相符即可。进一步地，步骤S03具体可以包括：
确定当前面型与所述预设面型的间隙差；基于面型控制腔的腔体内的压强与抛光盘面表面挠度的对应关系，调整压强进而改变抛光盘面表面挠度，以消除所述间隙差。具体地，o3处的间隙差为h3-h0，o3处的挠度差为w3-w0，w0是预设挠度，h0是预设挠度状态下的中间间隙，因此h3-h0= w3-w0，一个位置的间隙差等同于该位置的挠度差。在得到挠度差时即为已知需要改变多少挠度，利用上述实施例中压强与挠度的计算式，通过调整压强即可改变中间间隙，从而消除间隙差。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本申请创造的保护范围之中。

Claims (23)

1.一种用于加工扁平工件的压盘结构，其特征在于，包括：
环形压盘，为形变盘，设置为可在驱动装置驱动下绕其自身中轴旋转，所述环形压盘设有抛光盘面和与所述抛光盘面相背离的背离面，所述抛光盘面用于对扁平工件进行加工；
面型控制腔，设置在所述环形压盘的内部，位于所述抛光盘面和所述背离面之间，所述面型控制腔为与所述环形压盘同轴的环形，所述面型控制腔设置为通过控制装置的控制能够改变腔体体积，进而带动所述环形压盘的所述抛光盘面的面型发生改变；
所述环形压盘和所述面型控制腔均为圆环形；所述抛光盘面的面型与所述腔体内的压强的关系为：
Figure QLYQS_1
,
Figure QLYQS_2
,
其中q为腔体内介质的压强，x为以所述抛光盘面上的点的坐标，ω为x处的挠度，E为面型控制腔所对应的抛光盘面变形部分的材料剪切强度，t为面型控制腔所对应的抛光盘面变形部分的材料厚度，μ为面型控制腔所对应的抛光盘面变形部分的材料泊松比，C1、C2、C3和C4是基于q和面型控制腔的内孔半径、面型控制腔的外圆半径确定的数值；C1、C2、C3和C4的具体计算公式为：
Figure QLYQS_3
,
Figure QLYQS_4
,
Figure QLYQS_5
,
Figure QLYQS_6
,
Figure QLYQS_7
,
Figure QLYQS_8
,
Figure QLYQS_9
,
Figure QLYQS_10
,
Figure QLYQS_11
,
Figure QLYQS_12
,
其中a为面型控制腔的内孔半径、b为面型控制腔的外圆半径。
2.根据权利要求1所述的用于加工扁平工件的压盘结构，其特征在于，所述控制装置为压强控制装置，所述面型控制腔的所述腔体连通所述压强控制装置，所述压强控制装置能够调节所述面型控制腔的所述腔体内的压强以改变所述腔体的体积，进而改变所述抛光盘面的所述面型发生改变。
3.根据权利要求1所述的用于加工扁平工件的压盘结构，其特征在于，所述面型控制腔从所述环形压盘的内边缘延伸至所述环形压盘的外边缘。
4.根据权利要求1所述的用于加工扁平工件的压盘结构，其特征在于，还包括：
支撑座，位于背向所述环形压盘的所述抛光盘面的一侧，所述支撑座与所述环形压盘柔性连接，且两者之间间隔设置以存在环形变形间隙；
形变装置，设置在所述环形变形间隙内，通过所述形变装置内侧和/或外侧发生形变以局部改变所述环形变形间隙的间距，进而局部改变所述抛光盘面的面型。
5.根据权利要求4所述的用于加工扁平工件的压盘结构，其特征在于，所述形变装置包括第一变形体，所述第一变形体设置在所述环形变形间隙的内侧或外侧；或者，
所述形变装置包括第一变形体和第二变形体，所述第一变形体和所述第二变形体之一设置在所述环形变形间隙的内侧，另一设置在所述环形变形间隙的外侧。
6.根据权利要求5所述的用于加工扁平工件的压盘结构，其特征在于，所述第一变形体和/或所述第二变形体为环形结构。
7.根据权利要求6所述的用于加工扁平工件的压盘结构，其特征在于，所述第一变形体和第二变形体连接在所述支撑座或环形压盘上。
8.根据权利要求7所述的用于加工扁平工件的压盘结构，其特征在于，所述第一变形体与所述支撑座或环形压盘一体式构造，和/或，所述第二变形体与所述支撑座或环形压盘一体式构造。
9.根据权利要求5所述的用于加工扁平工件的压盘结构，其特征在于，所述第一变形体内设有第一变形腔室，所述第二变形体内设有第二变形腔室，所述第一变形腔室和所述第二变形腔室分别连通有压强调节装置，以使所述压强调节装置通过调节压强以改变所述第一变形腔室和/或第二变形腔室的体积，进而改变所述第一变形体和/或所述第二变形体的体积，进而局部改变所述环形变形间隙的间距。
10.根据权利要求9所述的用于加工扁平工件的压盘结构，其特征在于，所述第一变形腔室和第二变形腔室均为环形变形腔室，且两个所述环形变形腔室同心设置。
11.根据权利要求9所述的用于加工扁平工件的压盘结构，其特征在于，所述第一变形腔室包括N个独立变形腔室，所述第二变形腔室包括M个独立变形腔室，N、M为大于1的整数，所述N个独立变形腔室和所述M个独立变形腔室均以圆形阵列分布在所述环形变形间隙中。
12.根据权利要求11所述的用于加工扁平工件的压盘结构，其特征在于，所述独立变形腔室为圆盘形。
13.根据权利要求11所述的用于加工扁平工件的压盘结构，其特征在于，所述第一变形体还包括第一导力环，所述第一导力环设置在所述N个独立变形腔室和所述环形压盘之间，用于将所述N个独立变形腔室形变产生的作用力传导到所述环形压盘上；
所述第二变形体还包括第二导力环，所述第二导力环设置在所述M个独立变形腔室和所述环形压盘之间，用于将所述M个独立变形腔室形变产生的作用力传导到所述环形压盘上。
14.根据权利要求13所述的用于加工扁平工件的压盘结构，其特征在于，所述第一导力环和所述第二导力环上设有用于连接所述独立变形腔室的拱起部。
15.根据权利要求9所述的用于加工扁平工件的压盘结构，其特征在于，所述压强调节装置为液压调节装置或气压调节装置。
16.根据权利要求9所述的用于加工扁平工件的压盘结构，其特征在于，还包括高压管路转接头，所述压强调节装置与所述变形腔室之间通过管路连通，且每个所述管路均与所述高压管路转接头连接。
17.根据权利要求10所述的用于加工扁平工件的压盘结构，其特征在于，所述环形变形腔室内介质的压强与环形变形腔室的表面挠度具有如下对应关系：
Figure QLYQS_13
,
Figure QLYQS_14
,
其中q为腔体内介质的压强，x为以所述抛光盘面上的点的坐标，ω为x处的挠度，E为面型控制腔所对应的抛光盘面变形部分的材料剪切强度，t为面型控制腔所对应的抛光盘面变形部分的材料厚度，μ为面型控制腔所对应的抛光盘面变形部分的材料泊松比，C1、C2、C3和C4是基于q和面型控制腔的内孔半径、面型控制腔的外圆半径确定的数值；C1、C2、C3和C4的具体计算公式为：
Figure QLYQS_15
,
Figure QLYQS_16
,
Figure QLYQS_17
,
Figure QLYQS_18
,
Figure QLYQS_19
,
Figure QLYQS_20
,
Figure QLYQS_21
,
Figure QLYQS_22
,
Figure QLYQS_23
,
Figure QLYQS_24
,
其中a为面型控制腔的内孔半径、b为面型控制腔的外圆半径。
18.根据权利要求4所述的用于加工扁平工件的压盘结构，其特征在于，所述支撑座与所述环形压盘通过柔性铰链连接，所述柔性铰链能够根据所述支撑座与所述环形压盘之间距离和安装角度的变化发生变形进而自适应调整。
19.一种用于加工扁平工件的设备，其特征在于，包括两个根据权利要求1-18中任一项所述的用于加工扁平工件的压盘结构，两个所述压盘结构相对设置且在两个所述环形压盘间存在加工间隙。
20.根据权利要求19所述的用于加工扁平工件的设备，其特征在于，还包括外边缘间隙传感器和内边缘间隙传感器，所述外边缘间隙传感器用于检测所述加工间隙的外边缘间距，所述内边缘间隙传感器用于检测所述加工间隙的内边缘间距。
21.一种用于控制权利要求1-18中任一项所述的压盘结构面型的方法，其特征在于，包括：
获取环形压盘的预设面型；
确定环形压盘的当前面型；
调整所述面型控制腔的体积改变当前面型以符合所述预设面型。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，调整所述面型控制腔的体积改变当前面型以符合所述预设面型，包括：
调整所述面型控制腔内介质的压强，改变当前面型以符合所述预设面型。
23.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述预设面型和所述当前面型均为所述抛光盘面上至少一个挠度可变的位置与加工平面的间隙数据；
调整所述面型控制腔的体积改变当前面型以符合所述预设面型，包括：
确定当前面型与所述预设面型的间隙差；
基于压强与抛光盘面表面挠度的对应关系，调整所述压强进而改变抛光盘面表面挠度，以消除所述间隙差。
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