[发明专利]一种抛光垫微观接触状态的测量装置及其使用方法

说明书

本发明公开了一种抛光垫微观接触状态的测量装置及其使用方法，所述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。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。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。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。

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(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。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“Amethod for characterizing the pad surface texture andmodeling its impact on the planarization in CMP”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。