研磨垫使用寿命监测方法综述

刘海军

摘 要：本文对当前国内外最新的研磨垫使用寿命监测方法进行了探索。

关键词：研磨垫;寿命监测

化学研磨被广泛运用于半导体等的研磨，在使用中，在对若干片晶圆进行研磨后，研磨垫表面的沟槽有可能会被磨平，这会导致研磨垫失去保持研磨液的能力，研磨速率会下降，同时还会使晶圆表面产生划伤。因此，需要计算研磨垫使用寿命。研磨垫寿命主要取决于以下因素：（1）工件产生颤痕;（2）磨削噪音异常;（3）工件烧伤;（4）磨削力剧增;（5）工件加工质量恶化;（6）加工效果等[1]。目前磨轮的寿命主要是检测其廓型精度，当出现较大误差时，要及时的进行修整。

传统的研磨垫寿命的检测方法主要有：

（1）更换新研磨垫后，根据晶圆马拉松测试的结果将研磨垫的使用寿命设定为n小时，其中n是以时间单位计算，每隔n小时后更换一次研磨垫。该监测方法的缺点是：由于每张研磨垫的本身状况不一样，因此n小时不能保证研磨垫已被充分利用或是否已超出研磨垫使用寿命期限，无法准确判断研磨垫是否对晶圆造成损伤[2]。

（2）日本东北大学学者、国内谢晋、阎秋生等采用石墨碳板复印法来实现砂轮圆弧廓形的间接检测[3] [4] [5]。

（3）哈尔滨工业大学把微小型砂轮拆卸后，利用三坐标测量机进行形状离线检测[6]。

（4）韩国学者利用位移传感器在机检测砂轮形状和位置[7] [8]。石墨碳片的拆卸或砂轮的二次安装会影响砂轮和工件的安装和定位精度，而在位的砂轮形状检测法则需要额外昂贵的装置，且其运动精度需要比机床精度高一个等级。

本文拟对当前最新的研磨垫寿命监测方法进行探讨。

上海华力微电子有限公司[2]提出了一种研磨垫使用寿命的监测方法（参见图1），通过感测垫片调整器相对于研磨垫以特定速度在研磨运动过程中的电流变化，反应垫片调整器相对于研磨垫的摩擦力变化，以表示研磨墊的表面粗糙度状态的变化，来确定研磨垫是否达到使用寿命的步骤;当垫片调整器相对于研磨垫以特定速度在研磨运动过程中的电流变化达到某一特定的电流值时，判断研磨垫达到了使用寿命期限，否则判断未达到使用寿命期限，由于在研磨过程中，研磨垫的表面粗糙度状态的变化时，垫片调整器相对于研磨垫的摩擦力也在变化，此时通过监控垫片调整器相对于研磨垫以特定速度在研磨运动过程中的电流变化，从而将研磨垫的表面粗糙度状态、摩擦力变化和电流变化建立关系，又由于电流变化能够实时被监测，因此，监测实时的电流变化用于判断研磨垫的使用寿命期限比现有技术中采用使用次数判断研磨垫的使用寿命的方式更加准确、可靠，能够避免因研磨垫的使用次数和时间为基准的判断方式中，研磨垫过度使用对晶圆表面造成的损伤，以及克服研磨垫未达到使用寿命期限时对研磨垫的利用率造成的浪费现象。

10 转轴、20 研磨台、30 研磨垫、40 研磨头、60 研磨液输送管、80 垫片调整器、90 电流传感器

华侨大学[9]提出一种在线监测砂轮磨钝状态的方法，通过采集砂轮磨削采样块产生的磨削温度信号，并获得温度信号集，接着从所述温度信号集中提取砂轮磨削接触区温度和磨粒热冲击信号，以此识别砂轮磨削状态和砂轮所处的磨钝状态。通过定期监测砂轮磨削采样块产生的磨削温度信号，识别砂轮磨削状态和砂轮所处的磨钝状态，可及时地对砂轮进行修锐或更换，延长了砂轮的使用寿命，进一步保证了工件的磨削质量。

长江存储科技有限责任公司[10]提出了一种研磨垫及其使用寿命监测方法（参见图2），该研磨垫包括：基材，该基材的厚度方向的一个面为研磨面;以及窗口，该窗口形成于所述基材的所述研磨面一侧，朝向所述研磨面开口，所述窗口的垂直于所述研磨面的至少一个截面在距离所述窗口的底部一定高度处的宽度是所述高度的增函数或减函数，监测方法为：在使所述研磨垫旋转来进行研磨加工时，对所述窗口的所述截面在所述研磨面处的宽度进行监测，当所述窗口的所述截面在所述研磨面处的宽度随着所述研磨面的磨损量的增加而达到宽度临界值时，判断为所述研磨垫达到使用寿命。该研磨垫使用寿命监测方法能实时监测研磨垫的使用状况，并能第一时间获得达到研磨垫使用寿命的信息，因此，能防止研磨垫过早报废，降低成本，并能减少因达到使用寿命的研磨垫被继续使用而在研磨时突发异常事件的概率，减少待研磨的晶圆报废的风险。

1 研磨盘、2 研磨垫、3 机台、4 研磨头、5 研磨垫使用寿命监测器、6 晶圆、20 基材、21 沟槽、22 窗口

日本信越半导体株式会社[11]提出一种研磨垫的评价方法，用于评估用于研磨晶圆的研磨垫的使用寿命，通过测定堆积在研磨垫上的研磨残渣的量，并基于该测定得到的测定值来评价所述研磨垫的使用期限，所述研磨残渣的量，是根据通过X射线荧光分析法得到的X射线荧光光谱，检测含有Si-Kα射线的信号来进行测定，该评价方法能够个别地实时评价个体差异大的研磨垫的使用期限，从而能够抑制研磨晶圆时的生产率及成品率的降低。

本文对当前国内外主流的研磨垫寿命监测方法进行了研究，对实际生产具有一定的指导作用。

参考文献：

[1] 任敬心，华定安.磨削原理[M].北京：电子工业出版社，2011.

[2]曹玉荣 等，一种研磨垫使用寿命的监测方法：中国，CN108145594 A [P]，2018-06-12.

[3] 庄司克雄.磨削加工技术[M].北京：机械工业出版社，2007.

[4] 孔令叶.轴对称回转曲面精密磨削加工技术研究[D].广州：广东工业大学，2011.

[5]谢晋，孙晋祥，黎宇弘 等.F_Theta自由曲面透镜的精密与镜面磨削[J].机械工程学报，2016，52（17）：72-77.

[6] 佟富强.TN85金属陶瓷球面偶件ELID超精密磨削技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

[7] 韦凤.金刚石砂轮微观出刃形貌的非接触检测及3D图形化评价[D].广州：华南理工大学，2010.

[8] Nguyen T A，Butler D L.Simulation of precision grinding process，part1：generation of the grinding wheel surface[J].International Journal of Machine Tools&Manufacture，2005，45（11）：1321-1328.

[9]尤芳怡 等，一种在线监测砂轮磨钝状态的方法及其装置，中国，CN109648478 A [P]，2019-04-19.

[10]方青春 等，研磨垫及研磨垫使用寿命监测方法. 中国，CN108608317A [P]，2018-10-02.

[11]田中佑宜，一种研磨垫的评价方法. 日本，JP2015060985 A [P]，2015-03-30.