JPH09304038A - 光学式研磨量測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】研磨の最中の研磨対象物の研磨量を高精度に測
定できる光学式研磨量測定装置を提供する。 【解決手段】研磨量測定装置は測定光学系１００とモニ
ター用光学部材１５０とで構成される。測定光学系１０
０は、レーザー光源１０２、その温度を制御するペルチ
ェ素子２４２、モニター用光学部材１５０からの反射光
を受光する光検出器１３２と１３４と１３６の出力に基
づいてリサージュを得るデータプロセッサー１４６を有
している。コントローラー２４６は測定に先立って温度
コントローラー２４４に指令を与え、ペルチェ素子２４
２の温度を変化させ、測定光の波長を掃引する。データ
プロセッサー１４６は、波長掃引の間に得られるリサー
ジュの中心を求め、この中心に基準にして研磨により生
じるリサージュの位相差を求め、これに基づいてモニタ
ー用光学部材１５０の研磨量を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気ヘッドや光学
素子等の研磨対象物の研磨量を光学的に測定する装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】磁気ヘッドや半導体ウェハや光学素子の
加工工程の中には研磨工程がある。研磨工程には高精度
の加工が要求され、研磨対象物は所定の研磨量に対して
厳しい精度で研磨される。

【０００３】研磨対象物の研磨量を求める方法の一つに
時間管理による方法がある。この方法では、研磨量を時
間の関数と見なし、一定の時間に研磨される量を予め調
べておき、実際に研磨に要した時間に基づいて研磨対象
物の研磨量を推測している。

【０００４】特開平５−１３８５２７号は、研磨対象物
を研磨する回転研磨板と、研磨対象物を保持するホルダ
ーと、ホルダーに設けられた検出部と、回転研磨板の研
磨面に垂直な方向における検出部の移動量を測定する光
学系とを備えた装置を開示している。この装置では、検
出部の移動量は研磨対象物の研磨量に等しいと想定して
おり、検出部の移動量を光学的に測定し、これを研磨対
象物の研磨量としている。

【０００５】特開平７−１５６０６６号は、研磨対象物
を研磨する回転研磨板と、研磨対象物を保持するホルダ
ーと、回転研磨板の研磨面に垂直な方向におけるホルダ
ーの上面の移動量を測定する光学系とを備えた装置を開
示している。この装置では、ホルダーの上面の移動量は
研磨対象物の研磨量に等しいと想定しており、ホルダー
の上面の移動量を光学的に測定し、これを研磨対象物の
研磨量としている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】時間管理により研磨対
象物の研磨量を推定する方法では、適当な長さの研磨時
間を予め設定し、研磨時間が経過した後に、研磨対象物
をホルダーから取り外して、測定器を用いて実際の研磨
量を測定する。通常、予め設定する研磨時間は、研磨し
過ぎを避けるため、余裕を見積もった時間に設定され
る。そして、この作業を繰り返し行なうことで、実際の
研磨量を所望値に近づけていく。この方法を用いた研磨
工程は、その終了までに多くの時間を要してしまう。

【０００７】特開平５−１３８５２７号では検出部の移
動量が研磨対象物の研磨量に等しいと仮定しており、特
開平７−１５６０６６号はホルダーの上面の移動量が研
磨対象物の研磨量に等しいと仮定しているが、実際に
は、研磨対象物と回転研磨板の間には研磨液が存在し、
ホルダーは回転研磨板の研磨面に対してうねりをもって
運動しているため、前述の仮定は要求される加工精度を
満足する程には正確ではない。

【０００８】本発明の目的は、このような現状を考慮し
て成されたものであり、研磨工程の所要時間を引き延ば
すことなく、研磨対象物の研磨量を正確に測定する研磨
量測定装置を提供することである。別の言い方をすれ
ば、本発明の目的は、研磨の最中の研磨対象物の研磨量
を高精度に測定できる光学式研磨量測定装置を提供する
ことである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、研磨手段によ
り研磨されている最中の研磨対象物の研磨量を光学的に
測定する光学式研磨量測定装置であり、研磨対象物と同
等に研磨されるモニター用光学部材と、モニター用光学
部材の研磨量を光学的に測定する測定部とを備えてお
り、モニター用光学部材は互いに平行な端面である第一
面と第二面を有し、第二面は研磨手段に接して配置さ
れ、モニター用光学部材が研磨されるにつれて相対的に
第一面に接近し、測定部は、測定光を射出する光源手段
と、測定光をモニター用光学部材に照射する手段と、モ
ニター用光学部材の第一面からの反射光と第二面からの
反射光を受光する受光部とを有し、光源手段は、測定光
を発する光源と、研磨量測定に先立って測定光の波長を
掃引する手段とを有し、受光部は、第一面からの反射光
と第二面からの反射光に基づいてリーサージュを得る手
段と、波長掃引の間に得られるリサージュの中心を求め
る手段と、この中心を基準にして研磨によるリサージュ
の位相変化を求める手段と、この位相変化に基づいて第
一面に対する第二面の相対的な移動（接近）量を求める
手段とを有している。

【００１０】本発明の光学式研磨量測定装置は、好適に
は、受光部は更に波長掃引の間に得られるリサージュの
半径を求める手段を有している。また、本発明は、研磨
手段により研磨されている最中の研磨対象物の研磨量を
光学的に測定する光学式研磨量測定装置であり、研磨対
象物と同等に研磨されるモニター用光学部材と、モニタ
ー用光学部材の研磨量を光学的に測定する測定部とを備
えており、モニター用光学部材は互いに平行な端面であ
る第一面と第二面を有し、第二面は研磨手段に接して配
置され、モニター用光学部材が研磨されるにつれて相対
的に第一面に接近し、測定部は、測定光を射出する光源
手段と、測定光をモニター用光学部材に照射する手段
と、モニター用光学部材の第一面からの反射光と第二面
からの反射光を受光する受光部とを有し、受光部は、第
一面からの反射光と第二面からの反射光に基づいてリー
サージュを得る手段と、研磨量測定の初期段階に得られ
るリサージュの中心を求める手段と、この中心を基準に
して研磨によるリサージュの位相変化を求める手段と、
この位相変化に基づいて第一面に対する第二面の相対的
な移動（接近）量を求める手段とを有している。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明者らは、研磨中の研磨対象
物の研磨量をリアルタイムで測定できる研磨量測定装置
を考えついた。まず、この研磨量測定装置を備えた研磨
装置について説明する。

【００１２】研磨装置は、図１と図２に示されるよう
に、研磨対象物である磁気ヘッド等のワーク５０を保持
するホルダー２０と、ワーク５０を研磨するための回転
研磨板１２とを有している。研磨板１２は、図２に示さ
れるように、モーター１６に連結した回転軸１４に固定
されており、モーター１６によって回転される。ホルダ
ー２０は、回転軸３０を介してホルダー支持部３２に連
結されており、ホルダー支持部３２に対して自由に回転
可能となっている。

【００１３】ホルダー支持部３２は、図１に示されるよ
うに、アーム３４の一端に取り付けられており、アーム
３４の他端は回転板３８に設けられた支柱３６に連結さ
れており、ホルダー支持部３２は支柱３６を軸にして揺
動可能となっている。

【００１４】研磨量測定装置は、図２に模式的に図示さ
れる測定光学系１００とモニター用光学部材１５０とで
構成される。測定光学系１００はホルダー支持部３２の
内部に設けられており、モニター用光学部材１５０はホ
ルダー２０に固定されている。モニター用光学部材１５
０は互いに平行な第一面１５２と第二面１５４を有し、
ホルダー２０はモニター用光学部材１５０の第一面１５
２を露出させる開口２２を有している。

【００１５】研磨対象物のワーク５０は、図示しない機
構によって、その研磨面５２をモニター用光学部材１５
０の第二面１５４に揃えて、ホルダー２０に取り付けら
れる。研磨の間、研磨板１２の表面には研磨液が供給さ
れ、ワーク５０はその研磨面５２が研磨液を介して研磨
板１２に接した状態に維持され、同様に、モニター用光
学部材１５０はその第二面１５４が研磨液を介して研磨
板１２に接した状態に維持される。その結果、ワーク５
０とモニター用光学部材１５０は等しい量研磨される。

【００１６】研磨の最中、ワーク５０とモニター用光学
部材１５０は研磨液を介して接している研磨板１２の回
転によって摩擦力を受ける。この摩擦力は研磨板１２の
内周と外周とで大きさが異なるため、ホルダー２０はホ
ルダー支持部３２に対して不定の周期で回転する。測定
光学系１００は下方に測定光を射出しており、測定光
は、ホルダー２０が回転しているため、間欠的にホルダ
ー２０の開口２２を介してモニター用光学部材１５０に
入射する。測定光学系１００は、モニター用光学部材１
５０の第一面１５２と第二面１５４からの反射光に基づ
いて、モニター用光学部材１５０の研磨量を測定する。
前述したようにモニター用光学部材１５０の研磨量はワ
ーク５０の研磨量に等しいので、測定光学系１００によ
り測定されるモニター用光学部材１５０の研磨量からワ
ーク５０の研磨量が分かる。なお、測定光学系１００に
おいて得られる反射光に基づく情報は時間に関して間欠
的であるが、ホルダー２０の平均的な回転数は研磨レー
トに比べて十分に小さいため、実質的に時間の連続関数
すなわち研磨量の連続関数と見なせる。

【００１７】次に、研磨量測定装置つまり測定光学系１
００とモニター用光学部材１５０の詳細について図３を
用いて説明する。モニター用光学部材１５０は、光学的
に透明な光学ガラス１６０と、これに接着された１／４
波長板１６２とを有している。光学ガラス１６０は互い
に平行な二つの端面を有し、１／４波長板１６２は互い
に平行な二つの端面を有し、光学ガラス１６０の上側の
端面と１／４波長板の下側の端面は互いに接着されてい
る。従って、１／４波長板１６２の上側の端面はモニタ
ー用光学部材１５０の第一面１５２に一致し、光学ガラ
ス１６０の下側の端面はモニター用光学部材１５０の第
二面１５４に一致する。このため、モニター用光学部材
１５０の第一面１５２で反射された光と第二面１５４で
反射された光とでは、偏光の位相がπ異なる。

【００１８】測定光学系１００は、測定光を射出するレ
ーザー光源１０２、測定光を平行化するコリメートレン
ズ１０３、測定光中の特定の直線偏光成分を抽出してモ
ニター用光学部材１５０に方向付ける偏光ビームスプリ
ッター１０５、モニター用光学部材１５０に向かう光と
モニター用光学部材１５０からの戻り光を分離する非偏
光ビームスプリッター１０８、非偏光ビームスプリッタ
ー１０８からの戻り光を偏向する三角プリズム１０９、
モニター用光学部材１５０からの戻り光（直線偏光）を
円偏光に変える１／４波長板１１０、１／４波長板１１
０からのビームを二本に分割する非偏光ビームスプリッ
ター１１２、非偏光ビームスプリッター１１２を透過し
たビームを二本に分割する偏光ビームスプリッター１２
０、非偏光ビームスプリッター１１２で反射されたビー
ム中の特定の直線偏光成分を透過させる偏光子１１８、
偏光ビームスプリッター１２０を透過したビームの光強
度に応じた信号を出力する光検出器１３２、偏光ビーム
スプリッター１２０で反射されたビームの光強度に応じ
た信号を出力する光検出器１３４、偏光子１１８を透過
したビームの光強度に応じた信号を出力する光検出器１
３６、光検出器１３２と１３４と１３６からの信号に基
づいて光学ガラス１６０の研磨量Δｄを算出する信号処
理部１４４を有している。

【００１９】ここで、非偏光ビームスプリッターという
用語は、本明細書においては、光の偏光状態に関係無く
光を分割する光学素子を意味するものとする。このよう
な非偏光ビームスプリッターの一例としてはハーフミラ
ーがあげられる。以下の説明では、偏光状態に関係無く
光を分割するビームスプリッターは非偏光ビームスプリ
ッターと記し、偏光状態に従って光を分割するビームス
プリッターは偏光ビームスプリッターと記す。

【００２０】さらに、測定光学系１００は、レーザー光
源１０２に駆動電流を供給するＡＣＣ回路１４８、レー
ザー光源１０２の温度を一定に保つためのペルチェ素子
２４２、ペルチェ素子２４２を制御する温度コントロー
ラー２４４を有している。

【００２１】レーザー光源１０２から射出されるレーザ
ービームは、コリメートレンズ１０３により平行ビーム
に変えられ、偏光ビームスプリッター１０５に向かう。
偏光ビームスプリッター１０５は、平行ビームに含まれ
る、紙面に直交する偏光面を持つ直線偏光成分を非偏光
ビームスプリッター１０８に向けて反射する。以下の説
明では、このように紙面に直交する偏光面を持つ直線偏
光は縦偏光と記し、また紙面に平行な偏光面を持つ直線
偏光は横偏光と記す。偏光ビームスプリッター１０５で
反射された直線偏光成分は、（厳密にはその一部が）非
偏光ビームスプリッター１０８を通過し、モニター用光
学部材１５０に向かう。

【００２２】モニター用光学部材１５０に到達した光の
一部は、第一面１５２で反射されて非偏光ビームスプリ
ッター１０８に戻る。残りの光は、モニター用光学部材
１５０に入射し、第二面１５４で反射されて非偏光ビー
ムスプリッター１０８に戻る。第一面１５２で反射され
て非偏光ビームスプリッター１０８に戻る光は、縦偏光
のままであるが、第二面１５４で反射されて非偏光ビー
ムスプリッター１０８に戻る光は、１／４波長板を二回
通過するため横偏光である。

【００２３】モニター用光学部材１５０からの戻り光
は、第一面１５２からの反射光である縦偏光と、第二面
１５４からの反射光である横偏光とを含んでおり、これ
は（厳密にはその一部が）非偏光ビームスプリッター１
０８で反射された後、三角プリズム１０９で反射され、
１／４波長板１１０に入射する。１／４波長板１１０を
通過した光は、縦偏光と横偏光は互いに逆回りの円偏光
となるため、右回りの円偏光と左回りの円偏光を含んで
おり、これは非偏光ビームスプリッター１１２によって
二本のビームに分割される。

【００２４】非偏光ビームスプリッター１１２を透過し
たビームは、偏光ビームスプリッター１２０によって、
互いに直交する第一の偏光成分と第二の偏光成分とに分
離される。偏光ビームスプリッター１２０を透過した右
回り円偏光の偏光成分と左回り円偏光の偏光成分（右回
り円偏光と左回り円偏光の第一の偏光成分）は互いに干
渉して光検出器１３２に入射し、光検出器１３２は入射
した干渉光の強度に応じた第一の干渉信号Ｉ₁₃₂ を信号
処理部１４４に出力する。また、偏光ビームスプリッタ
ー１２０で反射された右回り円偏光の偏光成分と左回り
円偏光の偏光成分（右回り円偏光と左回り円偏光の第二
の偏光成分）は互いに干渉して光検出器１３４に入射
し、光検出器１３４は入射した干渉光の強度に応じた第
二の干渉信号Ｉ₁₃₄ を信号処理部１４４に出力する。

【００２５】非偏光ビームスプリッター１１２で反射さ
れたビームは、紙面に対して４５°傾いた透過軸を持つ
偏光子１１８に入射し、その透過軸方向の偏光成分だけ
が偏光子１１８を通過する。偏光子１１８を通過した右
回り円偏光の偏光成分と左回り円偏光の偏光成分（右回
り円偏光と左回り円偏光の第三の偏光成分）は互いに干
渉して光検出器１３６に入射し、光検出器１３６は入射
した干渉光の強度に応じた第三の干渉信号Ｉ₁₃₆ を信号
処理部１４４に出力する。

【００２６】信号処理部１４４は、干渉信号Ｉ₁₃₂ とＩ
₁₃₄ とＩ₁₃₆ に基づいて、第一の差動信号Ｉ_A ＝Ｉ₁₃₆
−Ｉ₁₃₂ と第二の差動信号Ｉ_B ＝Ｉ₁₃₄ −Ｉ₁₃₆ を得
る。第一の差動信号Ｉ_A と第二の差動信号Ｉ_B は、互い
の位相がπ／２異なり、それぞれλ／２ｎの周期を持つ
研磨量Δｄの関数となる。信号処理部１４４は、第一の
差動信号Ｉ_A をｘ軸にとり、第二の差動信号Ｉ_B にｙ軸
にとって描かれるリサージュ（図４に図示される）を得
る手段と、このリサージュに基づいて研磨量Δｄを求め
る手段を有している。図４のリサージュにおいて、モニ
ター用光学部材１５０が研磨されるにつれて位相が変化
するので、時刻ｔ＝ｔ₁ におけるリサージュ（円周）上
の点と、時刻ｔ＝ｔ₂ におけるリサージュ（円周）上の
点の偏角の差Δθとすると、研磨量ΔｄはΔｄ＝λΔθ
／４ｎπ…（１）で得られる。

【００２７】ここで、モニター用光学部材１５０につい
て詳しく検討する。図５に示されるように、モニター用
光学部材１５０は、実際には、光学ガラス１６０と１／
４波長板１６２の間には接着剤の層１６４が存在する。
また、モニター用光学部材１５０と研磨板１２の間には
研磨液の層１６８が存在する。以下の説明では、便宜
上、１／４波長板１６２の上面を面１、１／４波長板１
６２と接着剤の層１６４の界面を面２、接着剤の層１６
４と光学ガラス１６０の界面を面３、光学ガラス１６０
と研磨液の層１６８の界面を面４、研磨液の層１６８と
研磨板１２の界面を面５と記す。

【００２８】モニター用光学部材１５０に入射する光を
二つの偏光成分ｐ（１／４波長板１６２の進相軸）とｑ
（１／４波長板の遅相軸）に分けて考える。ここで、ｐ
は＋４５度偏光であり、ｑは−４５度偏光ｑである。電
場ＥをＥ＝｜Ｅ｜ｅｘｐ（ｉψ＋ｉω＋ｉｋｒ）と表現
すると、位相を含めた振幅は｜Ｅ｜（ｃｏｓψ＋ｉｓｉ
ｎψ）で表される。モニター用光学部材１５０で反射さ
れた光のｐ成分の電場の位相を含めた複素振幅ＰをＰ＝
Ｐ_x ＋ｉＰ_y 、ｑ成分の電場の位相を含めた複素振幅Ｑ
をＱ＝Ｑ_x ＋ｉＱ_y と表す。

【００２９】電場の偏光状態を表現するためにジョーン
ズベクトルと、光学素子が偏光状態に及ぼす作用を表す
ジョーンズ行列を用いる。ジョーンズベクトルは二次の
ベクトルの成分がｐ偏光、ｑ偏光の複素振幅となるもの
である。モニター用光学部材１５０からの反射光をジョ
ーンズベクトルで（Ｐ，Ｑ）＝（Ｐ_x ＋Ｐ_y ，Ｑ_x ＋Ｑ
_y ）と表すと、１／４波長板１１０を通過した後の偏光
状態は、

【００３０】

【数１】 で表される。このビームの偏光状態は円偏光であり、こ
のビームは後に非偏光ビームスプリッター１１２によっ
て第一のビームと第二のビームに分割される。非偏光ビ
ームスプリッター１１２を透過した第一のビームは、偏
光ビームスプリッター１２０によって第一の偏光成分と
第二の偏光成分とに分離される。偏光ビームスプリッタ
ー１２０を透過した第一の偏光成分（縦偏光）の偏光状
態は、

【００３１】

【数２】 で表される。光検出器１３２で検出される第一の偏光成
分の強度Ｉ₁₃₂ は、

【００３２】

【数３】 で表される。ここでａｒｇ（ｚ）は複素数ｚの偏角を表
す。偏光ビームスプリッター１２０で反射された第二の
偏光成分（横偏光）の偏光状態は、

【００３３】

【数４】 で表される。光検出器１３４で検出される第二の偏光成
分の強度Ｉ₁₃₄ は、

【００３４】

【数５】 で表される。非偏光ビームスプリッター１１２で反射さ
れた第二のビームは、＋４５°の偏光子１１８を通り、
ｐ偏光の成分だけの光（第三の偏光成分）となる。光検
出器１３６で検出される第三の偏光成分の強度Ｉ₁₃₆
は、

【００３５】

【数６】 で表される。

【００３６】反射光Ｐ、Ｑは、モニター用光学部材１５
０の面１〜面５の各面からの反射光を合成したものであ
り、光学ガラス１６０の底面の研磨量は、面４からの反
射光の位相変化として現れる。光検出器１３２、１３
４、１３６で得られる（干渉）信号Ｉ₁₃₂ 、Ｉ₁₃₄ 、Ｉ
₁₃₆ から、第一の差動信号Ｉ_A ＝Ｉ₁₃₂ −Ｉ₁₃₆ と第二
の差動信号Ｉ_B ＝Ｉ₁₃₄ −Ｉ₁₃₆ を得る。差動信号Ｉ_A
とＩ_B はそれぞれ次式で表される。

【００３７】

【数７】

【００３８】ここで、面１の反射率をｒ₁ 、面２の反射
率をｒ₂ 、面３の反射率をｒ₃ 、面４の反射率をｒ₄ と
し、また、１／４波長板１６２の屈折率をｎ₁ 、その厚
さをｄ₁ 、接着剤の層１６４の屈折率をｎ₂ 、その厚さ
をｄ₂ 、光学ガラス１６０の屈折率をｎ₃ 、その厚さを
ｄ₃ 、研磨液の層１６８の屈折率をｎ₄ 、その厚さをｄ
₄ とし、面１での反射光の位相を０とすると、Ｐ＝Ｐ_x
＋ｉＰ_y とＱ＝Ｑ_x ＋ｉＱ_y の各成分は、

【００３９】

【数８】 で表される。ここでｑ成分の電場は１／４波長板１６２
の影響を受けており、ｐ成分の電場に対して位相がπず
れている。

【００４０】光学ガラス１６０の厚さｄ₃ は研磨によっ
て減少し、その減少量すなわち研磨量をΔｄとする。研
磨面（面４）からの反射光の位相φは、研磨量Δｄに依
存して変化し、研磨量Δｄに対する位相φの変化量Δφ
は、Δφ＝４πｎΔｄ／λ…（１０）と表される。

【００４１】ここで理想的な状態として、モニター用光
学部材１５０の上面（面１すなわち第一面１５２）と研
磨面（面４すなわち第二面１５４）からの反射光の他に
は反射光が存在しない状態を考える。この場合には、リ
サージュは、図４に示されるように、その中心（Ｘ₀ ，
Ｙ₀ ）が原点（０，０）に位置するため、研磨面（面
４）からの反射光の位相φとリサージュの位相（偏角）
θは一致する。従って、研磨量Δｄは、リサージュの位
相変化Δθに基づき、上記の（１０）式のΔφをΔθに
代えて得られる式：Δｄ＝λΔθ／４πｎから求められ
る。これが上述の（１）式である。

【００４２】しかし、実際には、図５に示されるよう
に、モニター用光学部材１５０からの反射光は、面１と
面４からの反射光Ｉ₁ とＩ₄ の他に、面２と面３と面５
からの反射光Ｉ₂ とＩ₃ とＩ₅ を含んでいる。このた
め、リサージュは、図６に示されるように、その中心
（Ｘ₀ ，Ｙ₀ ）が原点（０，０）からずれた点に位置す
る。このため、図７に示されるように、研磨面（面４）
からの反射光の位相φとリサージュの位相θの間にずれ
が生じる。従って、図６のリサージュの位相変化Δθを
（１）式に代入して得られる研磨量は、実際の研磨量か
らずれた値になる。

【００４３】また、モニター用光学部材１５０の下面
（面４）は、上面（面１）に対して平行に保たれたま
ま、研磨される保証はない。従って、モニター用光学部
材１５０は研磨されたために、その上面（面１）と下面
（面４）の間に傾きが生じることがある。このような上
面（面１）と下面（面４）の間に傾きは、図８と図９に
示されるように、得られるリサージュの大きさに影響を
与える。ここで、図８は、モニター用光学部材１５０の
上面（面１）と（面４）の間の傾斜角と計測されるリサ
ージュの軌跡の関係を示しており、図９は、モニター用
光学部材１５０の（面１）と（面４）の間の傾斜角δに
対する、図８のリサージュのＩ_A の最大値と最小値の変
化を示している。

【００４４】モニター用光学部材１５０の上面（面１）
と（面４）の間の傾きが大きくなると、面１からの反射
光と面４からの反射光とによる干渉光は、それだけ広い
範囲の位相が混ざっており、干渉信号のビシビリティは
低下する。両端で位相が２πのｍ倍ずれているとき、位
相の平均値は光学ガラス１６０の長さによらず０にな
る。

【００４５】本発明者らは、測定精度を向上させるた
め、これまでに説明した研磨量測定装置に対して以下に
述べる改良を行なった。この改良は本発明の主要部を成
すものであり、以下、そのいくつかの実施の形態につい
て説明する。

【００４６】〔第一の実施の形態〕本実施形態による研
磨量測定装置は、図１０に示されるように、図３の構成
に加えて、ＡＣＣ回路１４８と温度コントローラー２４
４を制御するコントローラー２４６を有しており、レー
ザー光源すなわち半導体レーザー１０２への供給電流値
とペルチェ素子の温度はコントローラー２４６によって
可変に制御される。コントローラー２４６はＲＯＭを内
蔵しており、制御のシーケンスを管理している。

【００４７】電源が投入されると、図１１（Ｅ）に示さ
れるように、コントローラー２４６はデータプロセッサ
ー１４６に対して「High」のフラグ信号を与える。フラ
グ信号が「High」の状態では、図１１（Ａ）に示される
ように、ペルチェ素子２４２に接触している半導体レー
ザー１０２は所定の温度に安定化され、半導体レーザー
１０２は所定の電流値に安定化され、従って、図１１
（Ｂ）に示されるように、所定の発振波長に安定化され
る。

【００４８】安定化が終了した後、図１１（Ｅ）に示さ
れるように、コントローラー２４６は、データプロセッ
サー１４６に対するフラグ信号を「Low 」に切り換え
る。データプロッセー１４６は「Low 」のフラグ信号を
受けて「測定On」となり、後述するリサージュの中心と
半径の計測を開始する。

【００４９】コントローラー２４６は、フラグ信号の切
り換えと同時に、温度コントローラー２４４に温度を掃
引させる命令を与える。温度コントローラー２４４は、
コントローラー２４６からの命令を受けて、図１１
（Ａ）に示されるように、ペルチェ素子２４２の温度を
掃引する。半導体レーザー１０２は、温度に依存して共
振器長さが変化する材料で出来ており、ペルチェ素子２
４２の温度掃引を受けて、図１１（Ｂ）に示されるよう
に、その発振波長が変化する。

【００５０】このため、測定光の波長が変化し、モニタ
ー用光学部材１５０の面１〜面４の各面で反射される光
の位相が変化し、干渉信号が変化する。すなわち、上記
の（９ａ）式〜（９ｄ）式において、λを変化させたこ
とに対応する。この結果、上記の（８ａ）式と（８ｂ）
式から導かれるように、差動信号Ｉ_A は図１１（Ｃ）に
示されるように変化し、差動信号Ｉ_B は図１１（Ｄ）に
示されるように変化する。これらの二つの差動信号を横
軸と縦軸にとると、図１２（Ａ）に示されるリサージュ
（Ｘ(t) ：差動信号Ｉ_A 、Ｙ(t) ：差動信号Ｉ_B ）が得
られる。

【００５１】データプロセッサー１４６は、このリサー
ジュに基づいて、図１２（Ｂ）に図示されるように定め
られた、Ｘ軸方向の最大値Ｘ_max と最小値Ｘ_min 、Ｙ軸
方向の最大値Ｙ_max と最小値Ｙ_min 、中心座標（Ｘ₀ ，
Ｙ₀ ）を求める。ここに、Ｘ₀ ＝（Ｘ_max ＋Ｘ_min ）／
２、Ｙ₀ ＝（Ｙ_max ＋Ｙ_min ）／２である。また、デー
タプロセッサー１４６は、これと同時に、リサージュの
およその半径（Ｒ_x Ｒ_y ）^1/2 ＝（（Ｘ_max −Ｘ_min ）
（Ｙ_max −Ｙ_min ）／４）^1/2 を求める。

【００５２】リサージュがほぼ一周したところで、図１
１（Ｅ）に示されるように、コントローラー２４６はデ
ータプロセッサー１４６に対するフラグ信号を「High」
に切り換える。データプロセッサー１４６は「High」の
フラグ信号を受けて「測定Off 」となり、リサージュの
中心と半径の計測を終了し、引き続き、研磨量の計測の
待機状態になる。

【００５３】コントローラー２４６は、フラグ信号の切
り換えと同時に、温度コントローラー２４４に温度を一
定に保つ命令を与える。温度コントローラー２４４は、
その後のペルチェ素子２４２の温度を一定に保つ。これ
に伴なって、半導体レーザー１０２の発振波長は、その
後、一定に保たれる。

【００５４】データプロセッサー１４６は、中心（Ｘ
₀ ，Ｙ₀ ）を基準にしてリサージュの位相θ' を計測
し、これをΔｄ＝λΔθ' ／４πｎ…（１１）に代入し
て、研磨量Δｄを算出する。

【００５５】図１３に示されるように、中心が原点に位
置しない偏心した軌跡のリサージュにおいて、その中心
（Ｘ₀ ，Ｙ₀ ）を基準にして計測される位相θ' は反射
光の位相φと一致する。従って、研磨により生じるリサ
ージュの位相差Δθ' を計測し、これを上記の（１０）
式のΔφに代入することにより、正確な研磨量Δｄが求
められる。つまり、正確な研磨量ΔｄはΔｄ＝λΔθ'
／４πｎの式から求められる。これが上記の（１１）式
である。この式から得られる研磨量は、図６を参照して
説明した、測定精度の低下を招いている要因を含まず、
光学ガラス１６０の研磨量を忠実に表している。

【００５６】図１４は、前述の一連の操作において、中
心（Ｘ₀ ，Ｙ₀ ）を基準にして計測したリサージュの位
相θ' と、原点（０，０）を基準にして計測したリサー
ジュの位相θとを示している。

【００５７】また、データプロセッサー１４６はリサー
ジュのおよその半径を計算しているので、例えば使用者
がこのリサージュの半径に基づいて測定値の信頼性を評
価することができる。すなわち、リサージュの半径が小
さい程、Ｓ／Ｎ比が低下すると判断でき、あるいは、好
ましくは、データプロセッサー１４６がリサージュの半
径に基づいて測定精度を評価し、その評価結果に基づい
てモニター用光学部材１５０の交換を使用者に指示して
もよい。

【００５８】このように、データプロセッサー１４６が
リサージュのおよその半径を計算しているので、図８と
図９を参照して説明した、モニター用光学部材１５０の
平行度の劣化による測定値の信頼性を評価することがで
きる。

【００５９】本実施形態では、ペルチェ素子２４２の温
度を代えて半導体レーザー１０２の発振波長を掃引して
いるが、ＡＣＣ回路１４８が半導体レーザー１０２に供
給する注入電流を変化させることにより半導体レーザー
１０２の発振波長を掃引してもよい。

【００６０】〔第二の実施の形態〕本実施形態の研磨量
測定装置は、図１５に示されるように、前述の実施の形
態（図１０参照）と殆ど同じ構成であり、わずかにコン
トローラー２４６を有していない点とデータプロセッサ
ー１４６の動作が異なる点で相違している。

【００６１】研磨量の測定に先立ち、半導体レーザー１
２の電流とペルチェ素子２４２の温度は一定に保たれ
る。研磨量の測定が開始されると、データプロセッサー
１４６は、Ｘ，Ｙのｉ番目のデータＸ(i) ，Ｙ(i) を格
納しておく。一定時間後、初期値Ｘ(0) ，Ｙ(0) との差
分（Ｘ(0) −Ｘ(i) ）² ＋（Ｙ(0) −Ｙ(i) ）² を計算
し、これが閾値以下であればリサージュが一周したと判
断し、それまでのデータのＸとＹの最大値と最小値を求
め（図１６参照）、前述の実施の形態と同じ方法によっ
て、リサージュの中心座標（Ｘ₀ ，Ｙ₀ ）と半径を求め
る。このデータをデータプロセッサー１４６に格納して
おき、この後に測定されるデータＸ(t) ，Ｙ(t) に対し
ては、Ｘc(t)＝Ｘ(t) −Ｘ₀ ，Ｙc(t)＝Ｙ(t) −Ｙ₀ の
補正をかける。従って、Ｘc(t)とＹc(t)に基づいて得ら
れるリサージュは、その中心が原点に位置する。

【００６２】別の言い方をすれば、前述の補正は（Ｘ
₀ ，Ｙ₀ ）を原点に移す平行移動の座標変換である。従
って、補正後のデータＸc(t)とＹc(t)に基づいて得られ
るリサージュは、Ｘc(t)を横軸、Ｙc(t)を縦軸とする新
たな座標系の原点を中心とする。

【００６３】データプロセッサー１４６は、新たな座標
系の原点すなわちリサージュの中心（Ｘ₀ ，Ｙ₀ ）を基
準にして、研磨により生じるリサージュの位相差Δθ'
を計測し、これに基づいて研磨量Δｄ＝λΔθ' ／４π
ｎを求める。このようにして求められる研磨量は、図６
を参照して説明した測定精度の低下を招く要因を含んで
いないので、光学ガラス１６０の研磨量すなわちワーク
５０の研磨量を忠実に表す。

【００６４】また、データプロセッサー１４６はリサー
ジュのおよその半径を計算しているので、モニター用光
学部材１５０の上面１５２と下面１５４の間の傾きを大
まかに知ることができる。これに基づいて、測定値の信
頼性の評価を行なうことができ、モニター用光学部材１
５０の適正な交換時期を知ることができる。本実施形態
では、リサージュの初めの一周期の位相に関しては正確
なデータは得られないが、波長掃引のための回路を必要
としないという利点がある。

【００６５】

【発明の効果】本発明によれば、研磨の最中の研磨対象
物の研磨量を高精度に測定できる光学式研磨量測定装置
が提供される。これにより、一定時間の間に研磨された
研磨対象物における良品の割合が高まり、生産性の向上
に貢献する。

【００６６】さらに、リサージュの中心が座標系の原点
からずれたために発生する、反射光の位相φとリサージ
ュの位相θの間のずれに基づく測定誤差が排除されるの
で、研磨対象物の研磨量を精度良く測定することができ
る。

【００６７】また、リサージュのおよその半径を計算し
ているので、これに基づいてモニター用光学部材の上面
と下面の間の傾斜を知ることができ、測定値の信頼性を
評価したり、モニター用光学部材の交換時期を知ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明者らが考えた光学式研磨量測定装置を備
えた研磨装置の全体構成を示す斜視図である。

【図２】図１の装置に含まれる光学式研磨量測定装置の
構成を概略的に示す図である。

【図３】図２の光学式研磨量測定装置の構成を詳細に示
す図である。

【図４】図３の信号処理部によって得られる理想的なリ
サージュを示す図である。

【図５】モニター用光学部材と研磨板において反射光を
生成する面を示す図である。

【図６】図３の信号処理部によって実際に得られるリサ
ージュを示す図である。

【図７】反射光の位相φと、図６のリサージュの位相θ
と反射光の位相φの間の誤差φ−θとの関係を示す図で
ある。

【図８】モニター用光学部材の上面と下面の間の傾斜角
の違いに対応して、測定光学系で得られる二つの差動信
号Ｉ_A とＩ_B に基づいて得られるリサージュが異なる様
子を示している。

【図９】図８のリサージュのｘ成分すなわちＩ_A の最大
値と最小値が、モニター用光学部材の上面と下面の間の
傾斜角δに依存して変化する様子を示している。

【図１０】本発明の第一の実施の形態による研磨量測定
装置の構成を示す図である。

【図１１】図１０の研磨量測定装置に関して、（Ａ）は
ペルチェ素子の温度を示し、（Ｂ）は半導体レーザーの
発振波長を示し、（Ｃ）は第一の差動信号Ｉ_A を示し、
（Ｄ）は第二の差動信号Ｉ_B を示し、（Ｅ）はコントロ
ーラーのフラグ信号の状態とデータプロセッサーの状態
を示している。

【図１２】（Ａ）は図１１のシーケンスにより得られる
リサージュを示し、（Ｂ）は（Ａ）のリサージュに対す
る種々の設定値の定義を示す図である。

【図１３】図１０のデータプロセッサーにおいて実際に
得られるリサージュと、その中心を基準にして測定され
るリサージュの位相差Δθ' を示す図である。

【図１４】図１１のシーケーンスにおける、二つの差動
信号Ｉ_A とＩ_B 、原点を基準に測定される位相θ、中心
を基準にして測定される位相θ' を示している。

【図１５】本発明の第二の実施の形態による研磨量測定
装置の構成を示す図である。

【図１６】図１５の研磨量測定装置において得られる二
つの差動信号Ｉ_A とＩ_B を示している。

【符号の説明】

１００ 測定光学系 １０２ レーザー光源 １０８ 非偏光ビームスプリッター １３２、１３４、１３６ 光検出器 １４６ データプロセッサー １５０ モニター用光学部材 １５２ 第一面 １５４ 第二面

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【手続補正書】

【提出日】平成８年６月２７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１６】研磨の最中、ワーク５０とモニター用光学
部材１５０は研磨液を介して接している研磨板１２の回
転によって摩擦力を受ける。この摩擦力は研磨板１２の
内周と外周とで大きさが異なるため、ホルダー２０はホ
ルダー支持部３２に対して不定の周期で回転する。測定
光学系１００は下方に測定光を射出しており、測定光
は、ホルダー２０が回転しているため、間欠的にホルダ
ー２０の開口２２を介してモニター用光学部材１５０に
入射する。測定光学系１００は、モニター用光学部材１
５０の第一面１５２と第二面１５４からの反射光に基づ
いて、モニター用光学部材１５０の研磨量を測定する。
前述したようにモニター用光学部材１５０の研磨量はワ
ーク５０の研磨量に等しいので、測定光学系１００によ
り測定されるモニター用光学部材１５０の研磨量からワ
ーク５０の研磨量が分かる。なお、測定光学系１００に
おいて得られる反射光に基づく情報は時間に関して間欠
的であるが、ホルダー２０の平均的な回転数は研磨レー
トに比べて十分に大きいため、実質的に時間の連続関数
すなわち研磨量の連続関数と見なせる。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２９】電場の偏光状態を表現するためにジョーン
ズベクトルと、光学素子が偏光状態に及ぼす作用を表す
ジョーンズ行列を用いる。ジョーンズベクトルは二次の
ベクトルの成分がｐ偏光、ｑ偏光の複素振幅となるもの
である。モニター用光学部材１５０からの反射光をジョ
ーンズベクトルで（Ｐ，Ｑ）＝（Ｐ_x ＋ｉＰ_y ，Ｑ_x＋
ｉＱ_y ）と表すと、１／４波長板１１０を通過した後の
偏光状態は、

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３２】

【数３】 で表される。ここでａｒｇ（ｚ）は複素数ｚの偏角を表
す。偏光ビームスプリッター１２０で反射された第二の
偏光成分（横偏光）の偏光状態は、

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３４】

【数５】 で表される。非偏光ビームスプリッター１１２で反射さ
れた第二のビームは、＋４５°の偏光子１１８を通り、
ｐ偏光の成分だけの光（第三の偏光成分）となる。光検
出器１３６で検出される第三の偏光成分の強度Ｉ
₁₃₆ は、

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３７】

【数７】

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５９】本実施形態では、ペルチェ素子２４２の温
度を変えて半導体レーザー１０２の発振波長を掃引して
いるが、ＡＣＣ回路１４８が半導体レーザー１０２に供
給する注入電流を変化させることにより半導体レーザー
１０２の発振波長を掃引してもよい。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００６１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００６１】研磨量の測定に先立ち、半導体レーザー１
０２の電流とペルチェ素子２４２の温度は一定に保たれ
る。研磨量の測定が開始されると、データプロセッサー
１４６は、Ｘ，Ｙのｉ番目のデータＸ(i) ，Ｙ(i) を格
納しておく。一定時間後、初期値Ｘ(0) ，Ｙ(0) との差
分（Ｘ(0) −Ｘ(i) ）² ＋（Ｙ(0) −Ｙ(i) ）² を計算
し、これが閾値以下であればリサージュが一周したと判
断し、それまでのデータのＸとＹの最大値と最小値を求
め（図１６参照）、前述の実施の形態と同じ方法によっ
て、リサージュの中心座標（Ｘ₀ ，Ｙ₀ ）と半径を求め
る。このデータをデータプロセッサー１４６に格納して
おき、この後に測定されるデータＸ(t)，Ｙ(t) に対し
ては、Ｘc(t)＝Ｘ(t) −Ｘ₀ ，Ｙc(t)＝Ｙ(t) −Ｙ₀ の
補正をかける。従って、Ｘc(t)とＹc(t)に基づいて得ら
れるリサージュは、その中心が原点に位置する。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】研磨手段により研磨されている最中の研磨
   対象物の研磨量を光学的に測定する光学式研磨量測定装
   置であり、 研磨対象物と同等に研磨されるモニター用光学部材と、 モニター用光学部材の研磨量を光学的に測定する測定部
   とを備えており、 モニター用光学部材は互いに平行な端面である第一面と
   第二面を有し、第二面は研磨手段に接して配置され、モ
   ニター用光学部材が研磨されるにつれて相対的に第一面
   に接近し、 測定部は、測定光を射出する光源手段と、測定光をモニ
   ター用光学部材に照射する手段と、モニター用光学部材
   の第一面からの反射光と第二面からの反射光を受光する
   受光部とを有し、 光源手段は、測定光を発する光源と、研磨量測定に先立
   って測定光の波長を掃引する手段とを有し、 受光部は、第一面からの反射光と第二面からの反射光に
   基づいてリーサージュを得る手段と、波長掃引の間に得
   られるリサージュの中心を求める手段と、この中心を基
   準にして研磨によるリサージュの位相変化を求める手段
   と、この位相変化に基づいて第一面に対する第二面の相
   対的な移動（接近）量を求める手段とを有している、光
   学式研磨量測定装置。
2. 【請求項２】請求項１において、 受光部は、さらに、波長掃引の間に得られるリサージュ
   の半径を求める手段を有している、光学式研磨量測定装
   置。
3. 【請求項３】研磨手段により研磨されている最中の研磨
   対象物の研磨量を光学的に測定する光学式研磨量測定装
   置であり、 研磨対象物と同等に研磨されるモニター用光学部材と、 モニター用光学部材の研磨量を光学的に測定する測定部
   とを備えており、 モニター用光学部材は互いに平行な端面である第一面と
   第二面を有し、第二面は研磨手段に接して配置され、モ
   ニター用光学部材が研磨されるにつれて相対的に第一面
   に接近し、 測定部は、測定光を射出する光源手段と、測定光をモニ
   ター用光学部材に照射する手段と、モニター用光学部材
   の第一面からの反射光と第二面からの反射光を受光する
   受光部とを有し、 受光部は、第一面からの反射光と第二面からの反射光に
   基づいてリーサージュを得る手段と、研磨量測定の初期
   段階に得られるリサージュの中心を求める手段と、この
   中心を基準にして研磨によるリサージュの位相変化を求
   める手段と、この位相変化に基づいて第一面に対する第
   二面の相対的な移動（接近）量を求める手段とを有して
   いる、光学式研磨量測定装置。