专利名称：一种实时观测纳米颗粒运动的实验台的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种观测实验台，特别涉及一种实时观测纳米颗粒运动的实验台。
背景技术：
随着集成电路芯片制造业的发展，芯片尺寸不断增大，特征线宽不断减小，对芯片表面平坦度的要求也变得越来越高。这种平坦不仅是局部的平坦，而且是芯片全局的平坦。 化学机械抛光(CMP)是目前世界公认最好的实现全局平坦化的工艺技术，如今广泛应用于半导体制造、计算机硬盘制造等领域。然而，化学机械抛光是一个复杂的过程，关于其内含的材料去除机理，目前还没有人给出一个圆满的解答。目前人们关于化学机械抛光的理论大多是经验式或者半经验式的。在抛光过程中，固定于一个抛光头上的芯片被压在一个抛光垫上，抛光头和抛光垫分别以一定的方向和速度旋转。芯片与抛光垫之间的界面充满了由外界随时补充的抛光液。抛光液里含有纳米颗粒和多种可使芯片表面发生化学反应的化学成分，常用的颗粒材料是二氧化硅。这些颗粒在化学机械抛光中发挥了至关重要的作用。众多实验结果表明， 如果抛光液中不含颗粒，那么抛光过程中的材料去除速率会减小，而且经过抛光后芯片的表面质量也会变差。因此，研究颗粒与芯片表面的作用机理以及颗粒在芯片与抛光垫的界面中的运动规律，对于揭示化学机械抛光的材料去除机理有着重要的意义。国内外学者研究颗粒作用的手段一般是建立理论模型，提出若干假设，通过抛光实验的离线实验结果来验证这些假设，往往不够直观。对于化学机械抛光中颗粒是如何分布、如何运动的问题，还没有人给出直观的答案。目前还没有能够在化学机械抛光的实际工况下，或者在接近实际工况的条件下，实时观测纳米颗粒运动的仪器。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种在接近化学机械抛光实际工况条件下实时观测纳米颗粒运动的实验台，具有灵敏度高、测量精度高和稳定性高的特点。本发明的目的是通过如下技术方案实现的一种实时观测纳米颗粒运动的实验台，其特征在于所述实验台包括定位系统、运动加载系统、观测系统和计算机；所述的定位系统含有二维平移台、一维平移台和顶直角板；所述的二维平移台和一维平移台通过转接板固定连接；顶直角板的垂直面固定在一维平移台上；在顶直角板的水平面上放置有玻璃片；所述的运动加载系统含有加载机构、运动机构和限位机构；所述的加载机构含有底直角板、电控平移台和压力传感器；电控平移台固定在定位系统的顶直角板的垂直面上， 并与底直角板的垂直面固定连接；压力传感器固定在底直角板的水平面上；所述的运动机构含有抛光垫、T型轴、电机和圆盘；电机固定在圆盘上，电机的输出轴与圆盘中心重合，并与T型轴固定连接；抛光垫粘在T型轴的顶端平面上；所述的玻璃片在抛光垫的上方；
所述的限位机构含有中心轴、直线轴承、转动定位轴和定位直线轴承；中心轴的一端与圆盘中心固定，另一端放置在压力传感器上；直线轴承和定位直线轴承固定在轴承架上，轴承架固定在底直角板的水平面上；电控平移台带动底直角板上下运动；当抛光垫与玻璃片接触时，两者的作用力通过中心轴作用在压力传感器上；产生的电信号经过信号放大器进入数据采集卡；数据采集卡安装在计算机中。所述的观测系统包括荧光显微镜和CXD摄像机；荧光显微镜的物镜设置在玻璃片的上方；CCD摄像机采集的图像经图像采集卡输入到计算机中。本发明所述的实时观测纳米颗粒运动的实验台，其特征在于所述的电机通过电机架固定在圆盘上；所述的CCD摄像机为EMCCD摄像机；所述的玻璃片为载玻片。本发明与现有技术相比，有如下优点和有益效果本发明的可以模拟实际化学机械抛光中的旋转运动和加载，并测得抛光压力；本发明能够实时标记和跟踪纳米荧光颗粒的位置和运动，对捕捉微弱的荧光特别有效，可以为研究化学机械抛光中颗粒的作用提供直接证据。
图1是本发明的总体结构图。图2是本发明的定位系统的结构图。图3和图4是本发明的运动加载系统的部分结构图。图中二维平移台-1、一维平移台-2、转接板-3、顶直角板-4、玻璃片-5、显微镜_6、抛光垫_7、T型轴-8、电机-9、圆盘-10、电机架-11、轴承架-12、底直角板-13、电控平移台-14、压力传感器-15、中心轴-16、定位直线轴承-17、转动定位轴-18、直线轴承-19。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的结构、工作原理和具体实施方式
作进一步的说明。图1是本发明提供的总体结构图，该实验台包括定位系统、运动加载系统、观测系统和计算机。图2是本发明提供的定位系统的结构图，所述的定位系统含有二维平移台1、一维平移台2和顶直角板4 ；一维平移台由导轨和滑块组成，调节平移台的旋钮可以调整滑块在导轨上的位置；二维平移台1和一维平移台2通过转接板3固定连接；顶直角板4的垂直面固定在一维平移台2上；参见图1，玻璃片5用大头螺钉压紧在顶直角板4的水平面上；调节二维平移台1的两个旋钮和一维平移台2的旋钮可以调整玻璃片5在X、Y、Z三个方向上的位置。所述的运动加载系统含有加载机构、运动机构和限位机构；图3和图4是本发明提供的运动加载系统的部分结构图，所述的运动机构含有抛光垫7、Τ型轴8、电机9和圆盘 10 ；电机9通过电机架11固定在圆盘10上，由运动控制器控制；电机9的输出轴与圆盘10 的中心重合，并与T型轴8固定连接；抛光垫7粘在T型轴8的顶端平面上；所述的玻璃片 5在抛光垫7的上方，玻璃片5采用载玻片。参见图1和图3，所述的加载机构含有底直角板13、电控平移台14和压力传感器15 ；电控平移台14固定在定位系统的顶直角板4的垂直面上；电控平移台14由电机、导轨和滑块组成，运动控制器通过控制电机旋转来控制滑块的位置；底直角板13的垂直面固定在电控平移台14的滑块上；压力传感器15固定在底直角板13的水平面上；电控平移台14 带动底直角板13上下运动，当抛光垫7与玻璃片5接触时，两者的作用力通过中心轴16作用在压力传感器15上，产生的电信号经过信号放大器进入数据采集卡；数据采集卡安装在计算机中。参见图1和图3，所述的限位机构含有中心轴16、直线轴承19、转动定位轴18和定位直线轴承17 ；中心轴16穿过直线轴承19，一端与圆盘10中心固定，另一端放置在压力传感器15上；圆盘10上设有一阶梯孔；转动定位轴18为阶梯轴，穿过阶梯孔后，再穿过定位直线轴承17 ；阶梯孔可防止转动定位轴18下落；直线轴承19和定位直线轴承17固定在轴承架12上，轴承架12固定在底直角板13的水平面上。中心轴16和直线轴承19使圆盘 10只能上下运动和转动，转动定位轴18和定位直线轴承17限制了圆盘10的转动，结果是圆盘10只能上下运动。所述的观测系统包括荧光显微镜6和CXD摄像机；荧光显微镜6的物镜设置在玻璃片5的上方；CCD摄像机采集的图像经图像采集卡输入到计算机中。所述的CCD摄像机可采用EMCXD摄像机。本发明的工作原理是实验进行时，首先读取压力传感器15在未加载状态下的输出信号值，换算为抛光垫7、T型轴8、电机9、圆盘10、电机架11、中心轴16、转动定位轴18和连接件的自重。然后在抛光垫7上滴加适量含有纳米荧光颗粒的液体，手动调节电控平移台14使抛光垫7与玻璃片5接触。接着在运动控制器上设置电机9的转速和转向后启动电机9，带动抛光垫7 旋转。然后在运动控制器上设置电控平移台14的滑块的位置，调节压力传感器15的输出信号值，换算得到的力与自重的差值即抛光垫7与玻璃片5之间的压力。最后用目镜或者在计算机屏幕上观察，调节一维平移台2的旋钮可以调整焦面，调节二维平移台1的旋钮可以调整视场位置，然后由CXD摄像机自带的软件保存为图像或者视频。通过后期处理，可以得到纳米荧光颗粒在接近实际抛光条件下的运动规律。
权利要求
1.一种实时观测纳米颗粒运动的实验台，其特征在于所述实验台包括定位系统、运动加载系统、观测系统和计算机；所述的定位系统含有二维平移台(1)、一维平移台(2)和顶直角板(4)；所述的二维平移台和一维平移台通过转接板(3)固定连接；顶直角板(4)的垂直面固定在一维平移台(2)上；在顶直角板(4)的水平面上放置有玻璃片(5)；所述的运动加载系统含有加载机构、运动机构和限位机构；所述的加载机构含有底直角板(13)、电控平移台(14)和压力传感器(15)；电控平移台(14)固定在定位系统的顶直角板(4)的垂直面上，并与底直角板(13)的垂直面固定连接；压力传感器(15)固定在底直角板(13)的水平面上；所述的运动机构含有抛光垫(7)、T型轴(8)、电机(9)和圆盘(10)；电机(9)固定在圆盘(10)上，电机的输出轴与圆盘中心重合，并与T型轴(8)固定连接；抛光垫(7)粘在T 型轴(8)的顶端平面上；所述的玻璃片(5)在抛光垫(7)的上方；所述的限位机构含有中心轴(16)、直线轴承(19)、转动定位轴(18)和定位直线轴承 (17)；中心轴的一端与圆盘(10)中心固定，另一端放置在压力传感器(15)上；直线轴承 (19)和定位直线轴承(17)固定在轴承架(12)上，轴承架固定在底直角板(13)的水平面上；电控平移台(14)带动底直角板(13)上下运动；当抛光垫(7)与玻璃片(5)接触时，两者的作用力通过中心轴(16)作用在压力传感器(15)上，产生的电信号经过信号放大器进入数据采集卡；数据采集卡安装在计算机中；所述的观测系统包括荧光显微镜(6)和CCD摄像机；荧光显微镜(6)的物镜设置在玻璃片(5)的上方；CCD摄像机采集的图像经图像采集卡输入到计算机中。
2.根据权利要求1所述的一种实时观测纳米颗粒运动的实验台，其特征在于所述的电机(9)通过电机架(11)固定在圆盘(10)上。
3.根据权利要求1所述的一种实时观测纳米颗粒运动的实验台，其特征在于所述的 CCD摄像机为EMCCD摄像机。
4.根据权利要求1所述的一种实时观测纳米颗粒运动的实验台，其特征在于所述的玻璃片(5)为载玻片。
全文摘要
一种实时观测纳米颗粒运动的实验台，由定位系统、运动加载系统、观测系统和计算机四部分组成。定位系统可实现低精度的水平定位和高精度的垂直定位。运动加载系统可令抛光垫以设定的速度相对于固定的玻璃片旋转，并使抛光垫与玻璃片接触挤压，通过压力传感器测得压力，压力的大小由电控平移台控制。观测系统可以实时标记和追踪单个纳米颗粒的位置和运动。本发明可模拟实际化学机械抛光工况，确定纳米颗粒的运动规律，为深入理解化学机械抛光中颗粒的作用提供直接证据，具有灵敏度高、测量精度高、稳定性高的特点。
文档编号H01L21/00GK102346125SQ20111015223
公开日2012年2月8日 申请日期2011年6月8日 优先权日2011年4月2日
发明者郭丹, 雒建斌, 雷均 申请人:清华大学