一种化学机械抛光检测装置及其检测方法

本发明涉及化学机械抛光技术领域，特别是涉及一种化学机械抛光检测装置及其检测方法。

背景技术：

超精密加工是机械制造领域的一个重要方向，化学机械抛光是超精密加工中最常用的一种方法。化学机械抛光过程中研磨颗粒的分布与抛光界面摩擦特性一直是本领域关注的重点。

化学机械抛光界面中研磨颗粒的存在及分布形态直接影响抛光件表面质量，对工件表面划痕、粗糙形貌、表现一致性及材料去除率均有影响。而目前技术无法直接检测抛光界面中研磨颗粒的存在及分布形态，多以经验性估测为基础进行化学机械抛光工艺制定。其大致工艺为：依据抛光工件及抛光液的类型选择研磨颗粒类型、研磨颗粒大小，再依据粗、精抛光要求，估算所需研磨颗粒的数量。这种以经验为基础的工艺带有一定的盲目性，缺乏具体的理论指导。

再者，化学机械抛光其本质是三体界面摩擦学问题，摩擦力是界面摩擦特性的一个具体量化指标之一，直接反应化学机械抛光界面内的材料去除率特性。因此得到抛光界面的摩擦力、抛光表面的摩擦系数与研磨颗粒大小、粗细、分布状态、磨损状态之间的关系，对作出更规范、更合理的抛光工艺具有重要的指导意义。而现有的抛光实验机有些仅仅能够测得抛光过程中的摩擦力或者对非工作状态下的抛光垫表面刚度，如申请号为“201810737394.7”，名称为“抛光摩擦力的测量装置及其测量方法”的发明专利，及其申请号为“202010291933.6”，名称为“一种抛光垫微观接触状态的测量装置及其使用方法”的发明专利，但是二者都未能对抛光界面的摩擦系数与研磨颗粒的分布、抛光垫形貌之间的关系进行分析，并不能对作出更合理的抛光工艺起到良好的指导作用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种化学机械抛光检测装置及其检测方法，以解决现有技术存在的问题，将抛光界面磨粒分布、抛光垫形貌与界面摩擦特性进行关联，为进一步清晰抛光本质，优化抛光工艺，提高抛光效率，降低抛光成本奠定了可靠基础。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种化学机械抛光检测装置，包括对透明的工件进行夹持的工件夹持部，所述工件加持部上设置有压力传感器，所述压力传感器用于测量所述工件在抛光压力作用下由于法向位移而产生的法向压力；所述工件加持部上还设置有拍摄区域；

还包括用于带动抛光垫转动的驱动部；

还包括用于对抛光垫的表面形貌进行图像采集的图像采集部，所述图像采集部透过所述拍摄区域对所述抛光垫的表面形貌进行图像采集。

优选的，所述拍摄区域的面积大于所述抛光垫的面积。

优选的，所述压力传感器设置有2个，且分别位于所述工件安装后对角线的两端。

优选的，所述驱动部的驱动轴上设置有用于测量扭矩的扭矩传感器。

优选的，所述工件夹持部上设置有用于夹持所述工件的夹持槽，所述夹持槽处设置有所述压力传感器；所述夹持槽处还设置有若干螺栓孔，固定螺栓通过所述螺栓将所述工件固定在所述夹持槽中。

优选的，所述工件夹持部固定在一滑块上，所述滑块滑动设置在一固定支架上，所述固定支架滑动设置在一基座上。

优选的，所述固定支架上设置有第一丝杠，所述第一丝杠上连接有第一螺母，所述第一螺母与所述滑块固定连接；所述固定支架上还设置有第一滑槽，所述滑块上设置有与所述第一滑槽滑动配合的第一凸块。

优选的，所述基座上设置有第二丝杠，所述第二丝杠上连接有第二螺母，所述第二螺母与所述固定支架固定连接；所述基座上还设置有第二滑槽，所述固定支架上还设置有与所述第二滑槽配合的第二凸块。

优选的，所述图像采集部滑动设置在图形采集支架上，所述图像采集部包括工业相机，所述工业相机的物镜正对所述拍摄区域，所述工业相机上还设置有用于调节焦距的焦距调节旋钮。

本发明还提供一种化学机械抛光检测装置的检测方法，包括以下步骤：

1)将抛光垫固定在抛光盘上；

2)将工件放入夹持槽中，并用固定螺栓压紧固定，并调节工件夹持部的位置，使工件表面紧贴抛光垫；

3)调整工业相机的位置，使物镜正对抛光垫，然后调节物镜焦距，使工业相机能够采集到抛光垫表面形貌的清晰图样；

4)将工业相机、扭矩传感器、压力传感器与监测系统电连接；

5)开启驱动部对工件进行抛光。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1、本发明利用图像采集装置实时捕捉抛光界面间抛光垫的表面形貌，可以对研磨颗粒在抛光过程中的分布变化情况及其磨损变化情况进行充分地了解，结合对抛光界面受力情况的监测，能够分析得到抛光垫表面摩擦系数变化情况，及其摩擦系数变化与研磨颗粒分布变化、磨损变化等参数之间的关系，解决了无法将抛光界面磨粒分布、抛光垫形貌与界面摩擦特性进行关联的技术问题，为进一步清晰抛光本质，优化抛光工艺，提高抛光效率，降低抛光成本奠定了可靠基础；

2、本发明中工件选择透明材料，且在工件夹持部上设置透明的拍摄区域，为图像采集装置对抛光垫表面形貌的采集提供了良好的结构基础；

3、本发明中对工件的水平、竖直调节均采用滚珠丝杠结构，调节精度高，对工件正压力的调整范围大，便于研究多种压力、扭矩的情况下，研磨颗粒的磨损、分布情况，使检测结果更加充实；并且滚珠丝杠结构摩擦阻力小，调节十分便利。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的主视图；

图3为工件夹持部的结构示意图；

图4为图3的俯视图；

图5为a-a的剖视图；

图6为本发明中滑块、固定支架、基座的连接结构示意图；

其中，1、工件；2、工件夹持部；3、驱动部；4、图像采集部；5、压力传感器；6、拍摄窗口；7、抛光垫；8、扭矩传感器；9、伺服电机；10、夹持槽；11、固定空腔；12、滑块；13、固定支架；14、基座；15、第一丝杠；16、滑块调节旋钮；17、第一滑槽；18、第一凸块；19、第二丝杠；20、固定支架调节旋钮；21、第二滑槽；22、第二凸块；23、图像采集支架；24、工业相机；25、物镜；26、焦距调节旋钮。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种化学机械抛光检测装置及其检测方法，以解决现有技术存在的问题，将抛光界面磨粒分布、抛光垫形貌与界面摩擦特性进行关联，为进一步清晰抛光本质，优化抛光工艺，提高抛光效率，降低抛光成本奠定了可靠基础。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

本实施例提供一种化学机械抛光检测装置，包括对透明的工件1进行夹持的工件夹持部2、用于带动抛光垫7转动的驱动部3及其用于对抛光垫7的表面形貌进行图像采集的图像采集部4，工件1加持部上设置有压力传感器5，压力传感器5用于测量工件1在抛光压力作用下由于法向位移而产生的法向压力，工件1加持部上设置有拍摄区域，图像采集部4透过拍摄区域对抛光垫7的表面形貌进行图像采集。

检测时，先将工件1固定在工件夹持部2上，并使工件1与拍摄区域正对，然后将工件1移动至抛光垫7的表面，驱动部3带动抛光垫7对工件1表面进行抛光，图像采集部4对正抛光垫7，透过拍摄区域与工件1对抛光垫7的表面形貌进行图像采集；检测过程中，工件1会在抛光垫7的压力作用下产生微量的横向变形，这个微量变形会引起压力传感器5测量数值的改变，从而得到工件1受到的法向压力，再根据工件1的刚度、变形系数，计算得到工件1受到的正压力值fn；而驱动部3在实际转动过程输出的扭矩m是通过现有技术中的常规手段可以确定的，且m＝f×l，f＝fn×μ(f为抛光界面摩擦力，l为抛光垫7施力的等效力矩，μ为抛光垫7界面摩擦系数)，且m、l、fn均为通过计算或测量得到的已知值，从而可以计算得到μ；结合图像采集部4对抛光垫7表面形貌进行的采集，并通过逐一改变抛光垫7表面研磨颗粒的大小、形状、数量、分布状态等参数，进行多次检测实验，得到摩擦界面摩擦系数与抛光垫7表面的研磨颗粒各个参数之间的关系。

由此，本实施例利用图像采集装置实时捕捉抛光界面间抛光垫7的表面形貌，可以对研磨颗粒在抛光过程中的分布变化情况及其磨损变化情况进行充分地了解，结合对抛光界面受力情况的监测，能够分析得到抛光垫7表面摩擦系数变化情况，及其摩擦系数变化与研磨颗粒分布变化、磨损变化等参数之间的关系，解决了无法将抛光界面磨粒分布、抛光垫7形貌与界面摩擦特性进行关联的技术问题，为进一步清晰抛光本质，优化抛光工艺，提高抛光效率，降低抛光成本奠定了可靠基础。

为了保证图像采集部4能够对抛光垫7的整体表面形貌进行采集，本实施例中拍摄区域的面积大于抛光垫7的面积；具体的，本实施例中拍摄区域为开设在工件夹持部2上的拍摄窗口6，工件1固定在夹持部后位于拍摄窗口6的下方并紧邻拍摄窗口6，抛光垫7固定后位于工件1的下方，图像采集部4位于工件夹持部2的上方并与拍摄窗口6、抛光垫7正对，能够对抛光垫7的表面形貌进行实时采集。

为了降低工件1变形不均匀产生的误差，本实施例中压力传感器5设置有2个，且分别位于工件1安装后对角线的两端，取二者的平均值计算抛光界面法向压力。

为了便于实时采集抛光界面扭矩数值，本实施例中驱动部3的驱动轴上设置有用于测量扭矩的扭矩传感器8，驱动部3具体可以为伺服电机9，伺服电机9驱动用于固定抛光垫7的抛光盘转动；而伺服电机9与抛光盘之间的传动方式可以通过联轴器连接传动，也可以通过蜗轮蜗杆连接进行传动，具体方式本实施例并不作具体限定。

进一步的，本实施例中工件夹持部2上设置有用于夹持工件1的夹持槽10，夹持槽10相对设置有2个，且每个夹持槽10的侧部都连通有一用于放置压力传感器5的固定空腔11；本实施例中采用固定螺栓固定工件1，并在夹持槽10处设置有若干螺栓孔，固定螺栓通过螺栓将工件1固定在夹持槽10中。

为了便于对固定的工件1进行移动，使其处于合适的位置，本实施例中工件夹持部2固定在一滑块12上，滑块12竖直滑动地设置在一固定支架13上，固定支架13水平滑动设置在一基座14上；固定支架13上设置有第一丝杠15，第一丝杠15上连接有第一螺母，图中并未示出，第一螺母与滑块12固定连接，并且第一丝杠15的端部还设置有滑块调节旋钮16，通过转动滑块调节旋钮16使第一丝杠15转动，进而带动滑块12在第一丝杠15上进行移动，实现对工件1在竖直方向上的位置调节，为了保证滑块12移动的稳定性，固定支架13上还设置有第一滑槽17，滑块12上设置有与第一滑槽17滑动配合的第一凸块18；同理，本实施例基座14上设置有第二丝杠19，第二丝杠19上连接有第二螺母，图中并未示出，第二螺母与固定支架13的底部固定连接，并且第二丝杠19的端部还设置有固定支架调节旋钮20，通过转动固定支架调节旋钮20使第二丝杠19转动，进而带动固定支架13在第二丝杠19上进行移动，实现对工件1在水平方向上的位置调节；为了保证固定支架13移动的稳定性，基座14上还设置有第二滑槽21，固定支架13上还设置有与第二滑槽21配合的第二凸块22。

本实施例中对工件1的水平、竖直调节均采用滚珠丝杠结构，调节精度高，对工件1正压力的调整范围大，便于研究多种压力、扭矩的情况下，研磨颗粒的磨损、分布情况，使检测结果更加充实；并且滚珠丝杠结构摩擦阻力小，调节十分便利。

为了便于对图像采集部4的位置进行调整，使得图像采集部4能够采集到清晰的图像，本实施例中图像采集部4滑动设置在图形采集支架上，图像采集部4与图像采集支架23之间同样可以通过滚珠丝杠结构进行配合，也可以通过齿轮齿条啮合方式进行配合，具体滑动结构是本领域技术人员可以根据现有技术而实现的，此处不再做赘述。

图像采集部4包括工业相机24，工业相机24的物镜25正对拍摄区域，工业相机24上还设置有用于调节焦距的焦距调节旋钮26。

本实施例中驱动部3、图形采集支架及其基座14可以固定在工作平台上，且为了减少各部件的移动，在竖直方向上，工业相机24的物镜25要对准抛光盘，驱动部3的位置要在固定架的水平移动方向上。

为了精确调整工件1的位置，基座14、固定支架13及其图像采集支架23上均设置有刻度尺。

本领域技术人员应当理解，本实施例中还应当包括监测系统，工业相机24、扭矩传感器8、压力传感器5均与监测系统电连接，实时对扭矩、压力等数值进行分析，并对采集图像进行储存。

实施例2：

本实施例提供一种化学机械抛光检测装置的检测方法，包括以下步骤：

1)将抛光垫7固定在抛光盘上；

2)将工件1放入夹持槽10中，并用固定螺栓压紧固定，并调节工件夹持部2的位置，使工件1表面紧贴抛光垫7；

3)调整工业相机24的位置，使物镜25正对抛光垫7，然后调节物镜25焦距，使工业相机24能够采集到抛光垫7表面形貌的清晰图样；

4)将工业相机24、扭矩传感器8、压力传感器5与监测系统电连接；

5)开启驱动部3对工件1进行抛光。

一次抛光结束后，计算总结得到抛光界面摩擦系数及其扭矩、压力的变化；然后更换工件1，并分布改变抛光垫7上研磨颗粒的数量、大小、材质、分布状况等参数，重复上述步骤，最终汇总分析得出抛光界面摩擦系数与研磨颗粒的数量、大小、材质、分布状况之间的关系。

根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。