化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)的拋光盤面形在位測量研究*

馬 堃，金洙吉，董志剛，朱祥龍，康仁科

(大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧 大連 116024)

0 引言

化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)是激光晶體、藍(lán)寶石襯底等光學(xué)元件的主流拋光工藝[1-2]。以單晶藍(lán)寶石基片為例，通過化學(xué)機(jī)械拋光，可將表面粗糙度Ra降低到0.5 nm以下[3-4]。在CMP過程中，隨著拋光液的腐蝕以及機(jī)械磨損，拋光盤的面形精度會不斷降低，表面出現(xiàn)起伏，這會引起工件被加工面的壓力分布不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致去除率分布不均勻，最終造成工件面形精度降低[5]。因此，對拋光盤面形進(jìn)行在位測量十分具有必要性。拋光盤面形的在位測量可以實時、精確地反映拋光盤的面形，評價拋光加工去除率的穩(wěn)定性，是拋光盤修整或更換的重要依據(jù)，對保證光學(xué)元件的加工質(zhì)量具有重要意義。

目前，平面度測量的設(shè)備主要包括三坐標(biāo)測量機(jī)和平面度檢測儀[6-7]，其測量結(jié)果準(zhǔn)確，效率高，但在進(jìn)行拋光盤面形測量過程中需要將拋光盤拆下，這會使測量精度大打折扣。同時考慮到具體設(shè)備大小、造價、應(yīng)用范圍的限制，難以集成到拋光機(jī)上實現(xiàn)在位測量[8]；Mcgrath J等[9]提出拋光盤面形測量應(yīng)采用非接觸的方式，以防引入污染物或造成拋光盤表面變形；李千[10]提出接觸式作為傳統(tǒng)的測量方法，容易對表面產(chǎn)生劃傷，對于精度要求很高的表面往往不適合，非接觸測量方法可以避免該問題的產(chǎn)生;Liao D等[11]提出一種拋光盤面形在位測量方法，該方法使用移動的圓盤來覆蓋位移傳感器正下方的拋光盤微孔，可以使拋光盤的局部面形平均化，減弱拋光盤微孔給測量結(jié)果帶來的影響。但是圓盤在移動過程中與拋光盤產(chǎn)生摩擦，會破壞被測表面。

針對拋光盤面形離線測量時測量精度低以及接觸式測量容易劃傷拋光盤表面的問題，本文提出了一種非接觸式拋光盤面形在位測量方法，基于化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)開展了研究，對測量誤差進(jìn)行了分析，并對測量誤差進(jìn)行了有效抑制。

1 拋光盤面形在位測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

本文基于一臺自主研制的盤徑600 mm的化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)開展研究。該拋光機(jī)的主要功能包括：通過加載裝置向工件施加壓力、拋光盤面形在位測量以及拋光盤面形修整，如圖1所示。拋光盤面形在位測量系統(tǒng)采用龍門式結(jié)構(gòu)，由激光位移傳感器、滑臺、絲杠、電機(jī)等組成。位移傳感器固定在滑臺的側(cè)面，可沿x軸、z軸做直線運動，x向的行程為450 mm，z向的行程為100 mm，其激光束與拋光盤表面垂直且移動過程中經(jīng)過拋光盤中心。位移傳感器基于激光三角測距法測量到拋光盤表面的距離[10]，測量精度為1 μm。

圖1 測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

2 測量方法

通過滑臺沿X軸的移動以及拋光盤繞C軸的旋轉(zhuǎn)，位移傳感器的激光束可以到達(dá)拋光盤全口徑范圍內(nèi)的任意一點，從而完成拋光盤面形測量，且面形精度的技術(shù)指標(biāo)為平面度。利用測得的面形數(shù)據(jù)，通過最小二乘法計算出拋光盤表面的基準(zhǔn)平面，求出各測量點相對于基準(zhǔn)平面的最高點Hmax與最低點Hmin，Hmax與Hmin的差值為拋光盤表面的平面度。具體的測量步驟為：

(1)位移傳感器移動到拋光盤邊緣處，拋光盤回零(xoy為絕對坐標(biāo)系，x′oy′為拋光盤坐標(biāo)系)，如圖2所示；

(2)位移傳感器沿x軸以速度v勻速移動，在移動的過程測量拋光盤表面的高度值，測量間隔為i；

(3)當(dāng)位移傳感器移動到距拋光盤中心處時，停止移動并停止測量；

(4)位移傳感器回到拋光盤邊緣處，拋光盤以角速度ω逆時針旋轉(zhuǎn)θ；

(5)多次重復(fù)(2)～(4)，直至拋光盤旋轉(zhuǎn)360°；

(6)將測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入分析軟件，繪制拋光盤面形圖，計算拋光盤平面度。

圖2 測量原理

3 測量誤差分析與修正

拋光盤面形在位測量系統(tǒng)的測量誤差主要包含兩個方面：導(dǎo)軌與拋光盤表面的平行度誤差以及導(dǎo)軌的直線度誤差。由于測量誤差的敏感方向為z方向，且測量過程中位移傳感器沿x軸移動，因此本文對xoz平面內(nèi)的平行度誤差與直線度誤差的產(chǎn)生原理進(jìn)行分析，并且進(jìn)行抑制。

在理想狀態(tài)下，導(dǎo)軌是一條平行于拋光盤表面的直線。由于裝配誤差的存在，導(dǎo)軌與拋光盤表面會存在一定的平行度誤差；與此同時，導(dǎo)軌在制造過程中也會存在一定的直線度誤差。上述兩種誤差構(gòu)成了測量裝置的測量誤差，如圖3所示。

圖3 測量誤差產(chǎn)生原理

為了探究測量誤差的真實值，通過千分表對導(dǎo)軌的誤差進(jìn)行標(biāo)定。嶄新的拋光盤為大理石材質(zhì)，經(jīng)過研磨與拋光處理，平面度在5 μm以下，可視為理想平面。將千分表架設(shè)在位移傳感器的位置，如圖4所示，對拋光盤的表面進(jìn)行測量，由于拋光盤表面為理想表面，則測量值反映的是導(dǎo)軌的誤差。

圖4 導(dǎo)軌誤差標(biāo)定

以拋光盤中心處為起點，沿x軸負(fù)向勻速移動千分表，每隔10 mm記錄一次千分表的示數(shù)，千分表移動到拋光盤邊緣處時停止。

標(biāo)定結(jié)果如圖5所示，從拋光盤的中心位置到拋光盤的邊緣位置，千分表示數(shù)有不斷下降的趨勢，即導(dǎo)軌有不斷升高的趨勢。對測量曲線進(jìn)行直線擬合，擬合直線的表達(dá)式為：

z=-0.000147x+0.0458

平行度誤差Δp可表示為：

Δp=|k×Δx|

k為擬合直線的斜率，即k=-1.47×10-4;Δx為傳感器的移動范圍，即Δx=290 mm，代入可得：

Δp=0.000 147×290=0.043 mm

圖5 導(dǎo)軌標(biāo)定結(jié)果

通過直線擬合的方式，將平行度誤差分離出來，其大小為0.043 mm。可見導(dǎo)軌在裝配過程中與拋光盤表面存在著很大的平行度誤差，且左高右低，為了將平行度誤差減小到允許范圍內(nèi)，采用在龍門右側(cè)的底部墊入調(diào)整片的方式。龍門的寬度為920 mm，調(diào)整片的厚度應(yīng)為：

920/290×Δp=0.136 mm

墊入0.14 mm厚度的調(diào)整片，再次進(jìn)行標(biāo)定。第二次標(biāo)定結(jié)果如圖6所示，擬合直線的斜率為-5.29×10-5。經(jīng)計算，平行度誤差Δp為0.015 mm。

圖6 墊入調(diào)整片之后的導(dǎo)軌標(biāo)定結(jié)果

在修正平行度誤差之后，剩余的誤差即為直線度誤差。從第二次標(biāo)定的結(jié)果可以得出，導(dǎo)軌的直線度誤差為0.023 mm。為了減小導(dǎo)軌的直線度誤差，通過滑臺的z向移動進(jìn)行補償，補償量由第二次標(biāo)定的結(jié)果確定。再次對導(dǎo)軌標(biāo)定，對比補償前后的結(jié)果，如圖7所示，直線度誤差減小到0.006 mm，在允許范圍之內(nèi)。

圖7 z向補償前后的導(dǎo)軌標(biāo)定結(jié)果對比

通過對測量誤差產(chǎn)生原理的分析，得出了測量誤差來源于導(dǎo)軌與拋光盤表面的平行度誤差以及導(dǎo)軌直線度誤差的結(jié)論。通過墊入調(diào)整片的方式，有效地將平行度誤差從0.043 mm降低到0.015 mm，再通過z向補償?shù)姆绞剑M(jìn)一步將測量誤差從0.023 mm降低到0.006 mm。修正后的測量誤差在允許范圍之內(nèi)。

4 實驗過程

為了檢驗測量誤差的修正效果，使用拋光盤面形在位測量系統(tǒng)對直徑200 mm的檢測件分別沿4個方向進(jìn)行了直線度測量，如圖8、圖9所示。使用測量精度0.001 mm的三坐標(biāo)測量機(jī)對同一檢測件進(jìn)行直線度測量，且測量軌跡相同。

圖8 通過拋光盤面形在位測量系統(tǒng)測量檢測件直線度

圖9 直線度測量方向

對比測量結(jié)果可知，在4個測量方向上，拋光盤面形在位測量系統(tǒng)測得的輪廓曲線與三坐標(biāo)測量機(jī)測得的輪廓曲線在形狀上具有良好的一致性，如圖10、圖11所示。但三坐標(biāo)測量機(jī)測得的輪廓曲線比較平滑，拋光盤面形在位測量系統(tǒng)測得的輪廓曲線波動較大，說明測量結(jié)果受到了導(dǎo)軌直線度誤差的影響，同時也有可能是化學(xué)拋光機(jī)的機(jī)械振動過大造成的。在檢測件的4個方向上，拋光盤面形在位測量系統(tǒng)測得的直線度分別為0.067 mm、0.068 mm、0.071 mm和0.065 mm；三坐標(biāo)測量機(jī)測得的直線度分別為0.067 mm、0.068 mm、0.068 mm和0.066 mm。在方向1與方向2上，兩種測量方式得到的結(jié)果吻合；在方向3與方向4上，兩種測量方式得到的結(jié)果出現(xiàn)了一定的偏差，受到了測量誤差的影響，但偏差值在0.003 mm以內(nèi)，可以滿足拋光盤面形測量的需求，拋光盤面形在位測量系統(tǒng)的精確性得到了有效的驗證。

圖10 拋光盤面形在位測量系統(tǒng)的測量結(jié)果

圖11 三坐標(biāo)測量機(jī)的測量結(jié)果

5 結(jié)論

拋光盤面形在位測量是實時監(jiān)測化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)的拋光盤面形、為拋光盤的修整與更換提供重要依據(jù)、保證光學(xué)零件加工質(zhì)量的有效方法。誤差分離與誤差補償可以有效地對測量誤差進(jìn)行修正，使其降低到0.006 mm。通過同一工件在拋光盤面形在位測量系統(tǒng)與三坐標(biāo)測量機(jī)的測量結(jié)果對比，拋光盤面形在位測量系統(tǒng)的精確性得到了充分驗證。