一种抛光垫微观接触状态的测量装置及其使用方法与流程

本发明涉及化学机械抛光技术领域，具体涉及一种抛光垫微观接触状态的测量装置及其使用方法。

技术背景

化学机械抛光(chemicalmechanicalpolishing,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。典型的化学机械抛光工艺装置如图1所示。抛光过程中，工件1在抛光头2的夹持下绕轴心自转，同时做往复摆动。在给定的抛光载荷下，抛光头2将工件1压在旋转的抛光垫3表面上。修整器4会不断的修整更新抛光垫的表面状态。在运动过程中，含有抛光磨粒的抛光液5被不断的带入到抛光垫3和工件1的接触界面之间。通过抛光垫-磨粒-工件之间的机械作用，以及抛光液中化学成分的化学作用，实现工件表面的材料去除。由此可见，抛光垫是参与材料去除过程的关键部件之一。抛光垫和工件之间的接触状态，将直接决定最终的抛光质量。

化学机械抛光过程中所使用的抛光垫一般由聚氨酯材料组成，其表面相对于工件表面粗糙不平。因此，当粗糙的抛光垫和工件接触时，两者并不会完全贴合，而是只产生一些局部的接触点。这些接触点的大小和形状并不规则，取决于抛光垫的材料和表面状态。一般来说，这些接触点的尺寸在1～100μm范围之间。抛光垫和工件的接触示意图如图2所示，即粗糙的抛光垫3表面只有一些局部的高点(即粗糙峰6)才能和工件1发生接触，形成微观接触点7。在抛光过程中，微观接触点7会捕获抛光液5中的磨粒8，并将载荷传递到磨粒8上。磨粒8在工件1表面做相对运动，实现材料去除。由此可见，抛光垫的微观接触状态，主要包括真实微观接触图像以及表面粗糙层的压缩刚度，对材料去除过程有着重要的影响。可以认为，抛光垫的微观接触状态是抛光垫性能的综合反应，是从抛光垫层面对cmp材料去除过程研究最直接的对象。然而，目前抛光垫微观接触状态和材料去除过程的关系尚不明确，微观接触状态的测量和分析，需要更深入的研究。

在名称为“amethodforcharacterizingthepadsurfacetextureandmodelingitsimpactontheplanarizationincmp”的文章中(vasilev,b.,microelectron.eng.2013,104,48-57.)，作者通过共聚焦显微镜获得了抛光垫表面的三维形貌，并直接截取三维形貌中的某一横截面作为真实接触状态的表征。然而，该方法忽略了多孔结构以及力学特性变化的影响，忽略了粗糙峰的压缩变形过程，因此获得的接触状态并不是真实的接触状态。

中国专利cn201310316893.6公开了《一种基于形貌特征的微接触特性与图像阀值处理方法》，发明人基于表面真实的三维形貌，利用matlab软件进行表面形貌的插值，并将三维数据导入ansys软件，通过ansys软件的接触分析模块进行接触应力分析，从而获得不同压力阈值下的微观接触状态。然而，抛光垫基体含有大量的多孔结构，其接触过程更加复杂，难以通过有限元模型精确计算获得。并且，该方法在计算粗糙表面的接触时需要消耗大量的计算机时间，效率低下。

在名称为“astudyonthecorrelationbetweenpadpropertyandmaterialremovalrateincmp”的文章中(lee,c.,int.j.precis.eng.man.2011,12(5):917-920.)，作者通过光学测量方法获得了抛光垫的真实微观接触图像。但是该方法忽略了对表面粗糙层压缩特性的分析。另外，该方法采用了气动装置控制加载过程，因此需要附加的气动元件来保证加载过程的稳定和准确，整体结构复杂。并且，无法保证抛光垫在测量过程中的均匀接触，容易出现接触点边缘集中的现象，和真实接触状态存在差异。在名称为“physically-basedmodelingofpad-asperityscalechemical-mechanicalsynergyinchemicalmechanicalpolishing”的文章中(lin,w.,tribol.int.2019,138:307-315)，作者同样利用光学测量方法对抛光垫的微观接触状态进行了研究，在获得微观接触图像的同时，还通过z向位移平台的闭环反馈获得了抛光垫的压缩位移量。然而该压缩量对应抛光垫的总压缩量，包含了基体和粗糙层两部分。因此，无法单独获得关于表面粗糙层压缩刚度的信息。在名称为“抛光垫非线性压缩行为研究”的学位论文中(何东山，大连理工大学，2017)，作者提出一种获得真实微观接触图像以及表面粗糙层压缩刚度的方法。然而，作者同样采用气动装置控制加载过程，因此，无法保证接触过程中的均匀接触。并且，作者采用了两套独立的试验装置分别进行试验，所获得的微观接触图像和表面粗糙层压缩刚度无法实现一一对应。

因此，提出一种用于抛光垫微观接触状态的测量方法以及试验装置是本领域科研人员和技术人员需要解决的课题。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种既能获取抛光垫微观接触状态，包括真实微观接触图像以及表面粗糙层的压缩刚度，又能简化结构，并能提高计算效率的抛光垫微观接触状态的测量装置及其使用方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种抛光垫微观接触状态的测量装置，包括基座、z向宏微复合直线运动进给装置、力传感器、蓝宝石观测窗口、两个单筒显微镜、两个ccd摄像机、两个显微镜支架、xy两向移动工作台、运动控制系统和计算机；

所述z向宏微复合直线运动进给装置通过直角固定支架安装于基座上，具有宏动和微动复合移动功能，定位精度优于5μm，微动过程闭环运动精度不低于100nm；

所述力传感器通过力传感器连接架固定在z向宏微复合直线运动进给装置上；所述力传感器用于测量法向力即z向力fz；

所述蓝宝石观测窗口通过蓝宝石观测窗口连接架固定在基座上；所述蓝宝石观测窗口为双面抛光，表面粗糙度优于1nm；

所述抛光垫样品从待测抛光垫表面裁剪得到，通过样品连接杆固定在力传感器的下部；其中抛光垫样品的面积s和法向力fz的关系满足下式：

fz＝p·s

其中，p为抛光压力，psi；化学机械抛光过程中的抛光压力p的范围为0.1～20psi；法向力fz小于力传感器的量程范围；

所述抛光垫样品的侧面蒸镀一层50nm厚的金原子层；

所述两个单筒显微镜为单筒显微镜a和单筒显微镜b，所述两个ccd摄像机为ccd摄像机a和ccd摄像机b；

所述单筒显微镜a通过显微镜支架a安装于xy两向移动工作台的台面上，镜头垂直放置；所述ccd摄像机a安装于单筒显微镜a下部；所述单筒显微镜a、ccd摄像机a、显微镜支架a和xy两向移动工作台作为整体放置于蓝宝石观测窗口下方；

所述单筒显微镜b通过显微镜支架b固定在蓝宝石观测窗口的侧方，镜头水平放置；所述单筒显微镜b和ccd摄像机b配套连接；

所述两个单筒显微镜的放大倍数不低于400倍；所述两个ccd摄像机具有自动对焦功能，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；

所述运动控制系统分别与z向宏微复合直线运动进给装置和xy两向移动工作台连接，用于控制z向宏微复合直线运动进给装置和xy两向移动工作台的运动；

所述计算机通过数据线分别与运动控制系统、力传感器和ccd摄像机连接；

所述计算机中安装图像处理软件；所述图像处理软件对微观接触图像进行处理，输出真实微观接触图像，并统计微观接触特征信息，所述微观接触特征信息包括微观接触点数目、微观接触点平均尺寸和微观接触点分布；所述图像处理软件基于数字图像相关方法即dic方法，对抛光垫接触前后的图像进行相关计算，输出抛光垫全场变形云图，并获得抛光垫粗糙层的压缩刚度。

进一步，所述单筒显微镜采用同轴光光源。

进一步，所述ccd摄像机通过相机数据线，连接至计算机usb接口，并将拍摄数据保存在计算机指定目录中。

一种抛光垫微观接触状态的测量装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤一、抛光垫样品预处理

将抛光垫样品的接触表面清洗干净，去除残留的抛光液磨粒和污染物后，在室温环境下干燥；保护好抛光垫样品的接触表面，并在抛光垫样品的侧面蒸镀一层50nm厚的金原子层；；

步骤二、固定抛光垫样品

将样品连接杆安装于力传感器下方；抛光垫样品的接触表面朝下，放置于蓝宝石观测窗口上；通过环氧树脂胶将抛光垫样品固定在样品连接杆下端，在固定抛光垫样品时，保证抛光垫样品的接触表面和蓝宝石观测窗口始终均匀贴合；待环氧树脂胶固化后，将力传感器的数值fz设置为0；

步骤三、通过z向宏微复合直线运动进给装置控制抛光垫样品向蓝宝石观测窗口表面逼近

通过z向宏微复合直线运动进给装置的宏动运动功能，实现抛光垫样品的大位移进给，在接近蓝宝石观测窗口表面后，利用z向宏微复合直线运动进给装置的微动运动实现小位移进给；实时观测力传感器的数值，如果力传感器检测到力信号fz上升，即抛光垫样品和蓝宝石观测窗口刚发生接触；停止z向进给，将该位置设置为z向的零点；调节水平放置的单筒显微镜b，焦平面为抛光垫样品的侧面，并在视场内观测到清晰的金原子层上的散斑特征；利用ccd摄像机b拍摄抛光垫在接触前的散斑特征图像；

步骤四、获取抛光垫的微观接触图像和接触后的散斑特征图像

利用z向宏微复合直线运动进给装置的微动运动进行小位移进给；实时观测力传感器数值fz，当fz达到设定值后，锁定z向宏微复合直线运动进给装置；利用水平放置的单筒显微镜b和ccd摄像机b，拍摄抛光垫在接触后的散斑特征图像；调节垂直放置的单筒显微镜a的焦距，使焦平面为抛光垫样品和蓝宝石观测窗口的接触界面；调节同轴光光源，直至显微镜视场内出现清晰明亮的微观接触图像；利用ccd摄像机a，拍摄微观接触图像；进一步调节xy两向移动工作台，拍摄不同位置处的接触图像；在拍摄不同位置处的接触图像时，保证同轴光光源的亮度和ccd摄像机a的参数不变；

步骤五、图像处理

计算机中的图像处理软件为matlab2018商用软件，利用matlab2018商用软件中的图像处理工具箱调用内置函数实现图像处理技术；利用matlab2018商用软件的图像用户界面实现软件的人机操作界面；利用matlab2018商用软件进行微观接触图像处理，并提取微观接触特征信息；matlab2018商用软件基于dic方法，对抛光垫接触前后的散斑特征图像进行处理，获得抛光垫接触过程中的全场变形云图以及表面粗糙层的压缩刚度。

进一步地，步骤五所述的微观接触图像处理方法包括以下步骤：

输入微观接触图像、图像预处理、二值化阈值参数调整、图像二值化处理、输出真实微观接触图像、统计并输出微观接触特征信息。

进一步地，所述二值化阈值参数调整的准则为：

b＝max{m},m＝{b|(f(b)-f(b+s))/f(b)≤δ,0<b<1}

其中b表示最终所采用的阈值参数；m表示满足条件的参数集合；f表示二值化函数；b表示阈值参数集合，其中0<b<1；s表参数调整步长；δ表示最大允许误差。

进一步地，步骤五所述的散斑特征图像处理方法包括以下步骤：

输入抛光垫接触前后的散斑特征图像、划分参考子区、确定搜索子区、利用相关函数进行相关系数计算、获得参考子区位移、输出全场变形云图、输出表面粗糙层刚度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明利用光学显微镜直接拍摄抛光垫的接触界面，可以获得真实的微观接触图像，结果更加准确可靠。

2、本发明在固定抛光垫样品时，可以保证待测表面和蓝宝石玻璃表面的均匀贴合，避免了接触不均匀现象。

3、本发明利用dic方法，可以直接获得抛光垫在压缩过程中的位移云图，并准确得到抛光垫表面粗糙层的压缩刚度，为抛光垫微观接触状态的分析提供可靠的数据支撑。

4、本发明可以直接对微观接触图像以及散斑特征图像进行分析处理，并提取出微观接触状态信息以及表面粗糙层的压缩刚度，更加方便高效。

5、本发明无需复杂的密封性构件，整体结构简单，方便操作。

附图说明

本发明共有附图6张，其中：

图1是典型化学机械抛光装置示意图。

图2是图1中a处抛光垫和工件发生接触时的局部放大示意图。

图3是本发明的结构示意图。

图4是图3中的b处局部放大视图。

图5是微观接触图像的处理流程图。

图6是表面粗糙层刚度的处理流程图。

图中：1、工件；2、抛光头；3、抛光垫；4、修整器；5、抛光液；6、抛光垫粗糙峰；7、微观接触点；8、磨粒；9、基座；10、直角固定支架；11、z向宏微复合直线运动进给装置；12、力传感器连接架；13、力传感器；14、蓝宝石观测窗口连接架；15、单筒显微镜a；16、显微镜支架a；17、ccd摄像机a；18、xy两向移动工作台；19、单筒显微镜b；20、ccd摄像机b；21、显微镜支架b；22、样品连接杆；23、环氧树脂胶；24、抛光垫样品；25、蓝宝石观测窗口。

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3-4所示，一种抛光垫微观接触状态的测量装置，包括基座9、z向宏微复合直线运动进给装置11、力传感器13、蓝宝石观测窗口25、两个单筒显微镜、两个ccd摄像机、两个显微镜支架、xy两向移动工作台18、运动控制系统和计算机；

所述z向宏微复合直线运动进给装置11通过直角固定支架10安装于基座9上，具有宏动和微动复合移动功能，定位精度优于5μm，微动过程闭环运动精度不低于100nm；

所述力传感器13通过力传感器连接架12固定在z向宏微复合直线运动进给装置11上；所述力传感器13用于测量法向力即z向力fz；

所述蓝宝石观测窗口25通过蓝宝石观测窗口连接架14固定在基座9上；所述蓝宝石观测窗口25为双面抛光，表面粗糙度优于1nm；

所述抛光垫样品24从待测抛光垫表面裁剪得到，通过样品连接杆22固定在力传感器13的下部；其中抛光垫样品24的面积s和法向力fz的关系满足下式：

fz＝p·s

其中，p为抛光压力，psi；化学机械抛光过程中的抛光压力p的范围为0.1～20psi；法向力fz小于力传感器13的量程范围；

所述抛光垫样品24的侧面蒸镀一层50nm厚的金原子层；

所述两个单筒显微镜为单筒显微镜a15和单筒显微镜b19，所述两个ccd摄像机为ccd摄像机a17和ccd摄像机b20；

所述单筒显微镜a15通过显微镜支架a16安装于xy两向移动工作台18的台面上，镜头垂直放置；所述ccd摄像机a17安装于单筒显微镜a15下部；所述单筒显微镜a15、ccd摄像机a17、显微镜支架a16和xy两向移动工作台18作为整体放置于蓝宝石观测窗口25下方；

所述单筒显微镜b19通过显微镜支架b21固定在蓝宝石观测窗口25的侧方，镜头水平放置；所述单筒显微镜b19和ccd摄像机b20配套连接；

所述两个单筒显微镜的放大倍数不低于400倍；所述两个ccd摄像机具有自动对焦功能，图片分辨率优于1μm/像素；所述xy两向移动工作台18用于调节单筒显微镜拍摄的位置，定位精度优于5μm；

所述运动控制系统分别与z向宏微复合直线运动进给装置11和xy两向移动工作台18连接，用于控制z向宏微复合直线运动进给装置11和xy两向移动工作台18的运动；

所述计算机通过数据线分别与运动控制系统、力传感器13和ccd摄像机连接；

所述计算机中安装图像处理软件；所述图像处理软件对微观接触图像进行处理，输出真实微观接触图像，并统计微观接触特征信息，所述微观接触特征信息包括微观接触点数目、微观接触点平均尺寸和微观接触点分布；所述图像处理软件基于数字图像相关方法即dic方法，对抛光垫接触前后的图像进行相关计算，输出抛光垫全场变形云图，并获得抛光垫粗糙层的压缩刚度。

进一步，所述单筒显微镜采用同轴光光源。

进一步，所述ccd摄像机通过相机数据线，连接至计算机usb接口，并将拍摄数据保存在计算机指定目录中。

一种抛光垫微观接触状态的测量装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤一、抛光垫样品24预处理

将抛光垫样品24的接触表面清洗干净，去除残留的抛光液磨粒和污染物后，在室温环境下干燥；保护好抛光垫样品24的接触表面，并在抛光垫样品24的侧面蒸镀一层50nm厚的金原子层；；

步骤二、固定抛光垫样品24

将样品连接杆22安装于力传感器13下方；抛光垫样品24的接触表面朝下，放置于蓝宝石观测窗口25上；通过环氧树脂胶23将抛光垫样品24固定在样品连接杆22下端，在固定抛光垫样品24时，保证抛光垫样品24的接触表面和蓝宝石观测窗口25始终均匀贴合；待环氧树脂胶23固化后，将力传感器13的数值fz设置为0；

步骤三、通过z向宏微复合直线运动进给装置11控制抛光垫样品24向蓝宝石观测窗口25表面逼近；

通过z向宏微复合直线运动进给装置11的宏动运动功能，实现抛光垫样品24的大位移进给，在接近蓝宝石观测窗口25表面后，利用z向宏微复合直线运动进给装置11的微动运动实现小位移进给；实时观测力传感器13的数值，如果力传感器13检测到力信号fz上升，即抛光垫样品24和蓝宝石观测窗口25刚发生接触；停止z向进给，将该位置设置为z向的零点；调节水平放置的单筒显微镜b19，焦平面为抛光垫样品24的侧面，并在视场内观测到清晰的金原子层上的散斑特征；利用ccd摄像机b20拍摄抛光垫在接触前的散斑特征图像；

步骤四、获取抛光垫的微观接触图像和接触后的散斑特征图像

利用z向宏微复合直线运动进给装置11的微动运动进行小位移进给；实时观测力传感器13数值fz，当fz达到设定值后，锁定z向宏微复合直线运动进给装置11；利用水平放置的单筒显微镜b19和ccd摄像机b20，拍摄抛光垫在接触后的散斑特征图像；调节垂直放置的单筒显微镜a15的焦距，使焦平面为抛光垫样品24和蓝宝石观测窗口25的接触界面；调节同轴光光源，直至显微镜视场内出现清晰明亮的微观接触图像；利用ccd摄像机a17，拍摄微观接触图像；进一步调节xy两向移动工作台18，拍摄不同位置处的接触图像；在拍摄不同位置处的接触图像时，保证同轴光光源的亮度和ccd摄像机a17的参数不变；

步骤五、图像处理

计算机中的图像处理软件为matlab2018商用软件，利用matlab2018商用软件中的图像处理工具箱调用内置函数实现图像处理技术；利用matlab2018商用软件的图像用户界面实现软件的人机操作界面；利用matlab2018商用软件进行微观接触图像处理，并提取微观接触特征信息；matlab2018商用软件基于dic方法，对抛光垫接触前后的散斑特征图像进行处理，获得抛光垫接触过程中的全场变形云图以及表面粗糙层的压缩刚度。

进一步地，步骤五所述的微观接触图像处理方法包括以下步骤：

输入微观接触图像、图像预处理、二值化阈值参数调整、图像二值化处理、输出真实微观接触图像、统计并输出微观接触特征信息。

进一步地，所述二值化阈值参数调整的准则为：

b＝max{m},m＝{b|(f(b)-f(b+s))/f(b)≤δ,0<b<1}

其中b表示最终所采用的阈值参数；m表示满足条件的参数集合；f表示二值化函数；b表示阈值参数集合，其中0<b<1；s表参数调整步长；δ表示最大允许误差。

进一步地，步骤五所述的散斑特征图像处理方法包括以下步骤：

输入抛光垫接触前后的散斑特征图像、划分参考子区、确定搜索子区、利用相关函数进行相关系数计算、获得参考子区位移、输出全场变形云图、输出表面粗糙层刚度。

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。