JPH1030914A

JPH1030914A - 光学式研磨量測定装置

Info

Publication number: JPH1030914A
Application number: JP14311296A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Watanabe; 伸之渡辺; Yukio Eda; 幸夫江田
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1996-05-14
Filing date: 1996-06-05
Publication date: 1998-02-03

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、研磨対象物と共に研磨
されるモニター用光学部材と、モニター用光学部材に光
を照射し、その上面からの反射光と下面からの反射光に
基づいて、モニター用光学部材の研磨量を測定する測定
光学系とを有している。研磨量測定装置は、更に、モニ
ター用光学部材１５０の上面に設けられたアパーチャ１
７０を有している。アパーチャ１７０は、円形の透光部
１７２たとえば開口を中央に有する遮光板１７４で構成
され、モニター用光学部材１５０に入射する測定光の断
面形状を制御する。

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おり、第
一面に対する第二面の相対的な位置はモニター用光学部
材が研磨されることにより第一面に近づく方向に移動
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を介して研磨手段に照射する手段
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の干渉に基づい
て、モニター用光学部材が研磨されたために生じた第一
面に対する第二面の相対的な移動量を測定するもので、
更に、モニター用光学部材に入射する測定光の断面形状
を制御するアパーチャ手段を備えている。

【００１０】本発明の光学式研磨量測定装置は、好適に
は、アパーチャ手段は光を透過させる細長の透光部を有
し、透光部の最長の幅は測定光のビーム径よりも大き
く、透光部の最短の幅は測定光のビーム径よりも小さ
い。

【００１１】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おり、第一面に対する
第二面の相対的な位置はモニター用光学部材が研磨され
ることにより第一面に近づく方向に移動し、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
部材を介して研磨手段に照射する手段と、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の干渉に基づいて、モニター用光
学部材が研磨されたために生じた第一面に対する第二面
の相対的な移動量を測定し、モニター用光学部材は、測
定光が入射する端面の形状の最短の幅が測定光のビーム
径よりも小さい。

【００１２】

【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。

【００１３】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。

【００１４】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。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】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
トに比べて十分に高いため、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。

【００１８】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からなる平行平面板１６０と、これ
に接着された１／４波長板１６２とを有している。平行
平面板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、平行平
面板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、平行平面板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。

【００１９】測定光学系１００は、レーザー光源１０
２、偏光子１０４、１／４波長板１１０、二つの非偏光
ビームスプリッター１０８と１１２、偏光子１１８、偏
光ビームスプリッター１２０、光検出器１３２と１３４
と１３６、信号処理部１４４を有している。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】レーザー光源１０２から射出される光は一
般的な楕円偏光であり、これは偏光子１０４を通過して
直線偏光となる。この直線偏光（厳密にはその一部が）
は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。

【００２１】ここで、偏光子１０４は、説明のため、紙
面に垂直な透過軸を持つものとする。従って、偏光子１
０４の通過により生成された直線偏光は紙面に直交する
偏光面を持つ。また、以下の説明では、紙面に直交する
偏光面を持つ直線偏光は縦偏光と記し、紙面に平行な偏
光面を持つ直線偏光は横偏光と記す。

【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になる。

【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、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によって二つの光束に分割される。

【００２４】非偏光ビームスプリッター１１２を透過し
た光束は、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
れた光束は、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曲線（円
周）上の点と、時刻ｔ＝ｔ₂ におけるリサージュ曲線
（円周）上の点の偏角の差Δθとすると、研磨量Δｄは
Δｄ＝λΔθ／４ｎπ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。ここで、便宜上、１／４
波長板１６２の上面を面１、１／４波長板１６２と接着
剤の層１６４の界面を面２、接着剤の層１６４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とする。また、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１６２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−４
５度偏光ｑである。電場ＥをＥ＝｜Ｅ｜ｅｘｐ（ｉψ＋
ｉω）と表現すると、位相を含めた振幅は｜Ｅ｜（ｃｏ
ｓψ＋ｉｓｉｎψ）で表される。モニター用光学部材１
５０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。

【００２８】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 だけからなるの
ではなく、すべての面すなわち面１と面２と面３と面４
と面５からの反射光Ｉ₁ とＩ₂ とＩ₃ とＩ₄ とＩ₅ を合
成したものである。このとき、面１からの反射光Ｉ₁ 以
外つまり面２と面３と面４と面５からの反射光Ｉ₂ とＩ
₃ とＩ₄ とＩ₅ では、複素振幅Ｑは複素振幅Ｐに比べて
１／２波長遅れている。

【００２９】ところで、前述の研磨量Δｄを求める式つ
まりΔｄ＝λΔθ／４ｎπが成り立つには、面１と面４
以外の面つまり面２と面３と面５からの反射光がゼロで
あることと、面１と面４が完全に平行であることが理想
的であり、平行に関しては具体的には光源の波長λ程度
以下であることが要求される。反射光に関しては、実際
には、前述したように、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 が存在する。このような不所望な反射光は、例え
ば接着剤の層１６４と光学ガラス１６０の間に無反射コ
ートを設けることによって、実用上問題ない程度に除去
することは可能である。しかし、ホルダー２０の回転ぶ
れのために、または、モニター用光学部材１５０の製作
時の誤差やホルダー２０に対するモニター用光学部材１
５０の取り付け誤差のために、面１と面４の角度がわず
かに異なることが考えられる。

【００３０】図６に示されるように、１／４波長板１６
２の上面（面１）と光学ガラス１６０の下面（面４）の
成す微小な角度をδ、光学ガラス１６０の屈折率をｎと
すると、基準位置から距離Ｌ離れた位置に入射した光
は、基準位置に入射した光に対して、光学ガラス１６０
の内部を一往復した際に、２δｎＬの光路差を有する。
従って、測定光学系１００が射出する光束の有効ビーム
径がＲである場合には、その両端で２δｎＲの光路差を
有する。これは、図２に図示される測定光学系１００に
おいて、各検出器１３２、１３４、１３６の位相信号が
平坦化し、検出される干渉信号の強度が低下することを
意味する。

【００３１】また、図１に示されるように研磨中はホル
ダー２０が回転しているため、モニター用光学部材１５
０は回転しながらレーザー光を横切り、レーザー光が入
射する位置によってモニター用光学部材１５０の内部を
往復する光の位相が異なると考えられる。このような光
の位相の相違は、干渉による測定に影響を与える。この
ため、図２の研磨量測定装置では、レーザー光源１２と
モニター用光学部材１５０は高い精度で位置決めされる
必要がある。

【００３２】同様に、モニター用光学部材の平面度の誤
差も干渉信号に悪影響を及ぼすと考えられる。本発明者
らは、測定精度を向上させるため、図２に示される構成
の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。

【００３３】〔第一の実施の形態〕図７に示されるよう
に、モニター用光学部材１５０の上面に、入射する測定
光の断面形状を制御するアパーチャ１７０が設けられて
いる。アパーチャ１７０は、円形の透光部１７２を中央
に有する遮光板１７４で構成されている。透光部１７２
は例えば遮光板１７４に形成された開口で構成される。

【００３４】アパーチャ１７０は、図７においては、モ
ニター用光学部材１５０の上面に接した状態に描かれて
いるが、モニター用光学部材１５０から上方に離れた位
置に配置されてもよい。つまり、アパーチャ１７０は、
レーザー光源１０２とモニター用光学部材１５０の間で
あれば、どこに配置されてもよい。しかし、透光部１７
２を通過した後の光の回折を考慮すると、アパーチャ１
７０はモニター用光学部材１５０の上面に直接設けられ
ることが好ましい。これは、製作時の位置精度を容易に
安価に実現する上でも有用である。

【００３５】以下、アパーチャ１７０の存在の利点につ
いて説明する。ここで、図５に図示されるモニター用光
学部材１５０にビーム径Ｒの測定光が入射している状況
を考える。図６に示されるように、１／４波長板１６２
の上面（面１）に対して光学ガラス１６０の下面（面
４）が傾いているとすると、光学ガラス１６０の下面で
の反射光の位相は各点で異なる。基準位置ｘ＝０に入射
した光とｘ＝Ｌの位置に入射した光は、前述したように
光路長が異なるため、傾斜角をδとすると、両者の反射
光の位相は２Ｌｎδ異なる。ここで、傾斜角δは微小
で、反射率の変化および反射光軸の変化は測定光学系１
００の誤差範囲内であるとする。従って、測定光のビー
ム径が大きいほど、反射光の位相の範囲が広い。反射し
た位置により異なる位相を積分した結果が、受光した位
相信号となって現れる。

【００３６】図８（Ａ）と図８（Ｂ）は、モニター用光
学部材１５０に入射する測定光のビーム径Ｒが２ｍｍの
場合と３ｍｍの場合において、１／４波長板１６２の上
面（面１）と光学ガラス１６０の下面（面４）の間の傾
斜角が０秒、２０秒、４０秒、６０秒、８０秒のとき
に、測定光学系１００で得られる差動信号Ｉ_A とＩ_B に
よって得られるリサージュを示している。前述の式：Δ
ｄ＝λΔθ／４ｎπによると、リサージュが原点を含ま
なくなると、位相による研磨量Δｄの測定はできなくな
る。ビーム径Ｒが２ｍｍの場合には、図８（Ａ）から分
かるように、傾斜角が６０秒と８０秒の間で、リサージ
ュが原点を含まなくなるが、ビーム径Ｒが３ｍｍの場合
には、図８（Ｂ）から分かるように、傾斜角が４０秒と
６０秒の間で、リサージュが原点を含まなくなる。な
お、ここで、角度は媒質の屈折率を１．０して換算して
いるので、屈折率がｎの媒質では、実際の角度は、角度
の値をｎで除算した値になる。

【００３７】図９は、リサージュのｘ成分すなわちＩ_A
の最大値および最小値が角度δに対して変化する様子を
示している。図９において、最大値と最小値が０を挟ん
でいれば、リサージュは原点を含む。また、最大値と最
小値の絶対値の値が近けれが、リサージュは原点に対す
る偏心が少ない。リサージュの偏心が少ないとき、位相
計測による研磨量の測定の誤差が少ない。図９から、ビ
ーム径Ｒが３ｍｍの場合には測定限界は４３秒程度であ
り、ビーム径Ｒが２ｍｍの場合には測定限界は６４秒程
度であることが分かる。同様の議論はモニター用光学部
材を構成する部品の平面度についても成り立つ。すなわ
ち、平面からのずれによってビームの各位置での位相が
異なり、干渉信号に影響を及ぼす。

【００３８】従って、ビーム径を細くすれば、平面から
のズレによる影響を低減することができる。ところで、
ビーム径を変える場合、光源１０２の光学系（レンズ）
の配置を変えて行なう手法は煩雑であり、任意のビーム
径を得るためには精密な組立精度が要求される。また、
光源１０２とモニター用光学部材１５０が離れていれ
ば、レーザー光といえども円辺のボケを避けることは難
しい。これに対して、直径がアパーチャ１７０の円形の
透光部１７２の半径よりも大きいビームを使用し、アパ
ーチャを通過した光がモニター用光学部材１５０に入射
するようにした場合、透光部１７２の外側で反射した光
は偏光面での位相の差が生じないため、図２に示される
測定光学系１００で三種の偏光面で計測したときの強度
信号Ｉ₁₃₂ とＩ₁₃₄ とＩ₁₃₆ に基づいて得られる差動信
号Ｉ_A ＝Ｉ₁₃₆ −Ｉ₁₃₂ とＩ_B ＝Ｉ₁₃₄ −Ｉ₁₃₆ はいず
れも０となるので、このような差動計測を行なった場合
には、透光部１７２のまわりでの反射は測定量に寄与し
ないことが分かる。従って、モニター用光学部材１５０
の上面に設けられたアパーチャ１７０によって、光学ガ
ラス１６０の下面の研磨量の測定精度の劣化が防止され
るとともに、容易に任意の精度で研磨量を測定する制御
が可能となる。

【００３９】図１０（Ａ）は小径の透光部１７２を有す
るアパーチャ１７０が、図１０（Ｂ）は大径の透光部１
７２を有するアパーチャ１７０が、ホルダー２０の回転
によって測定光のレーザービーム１７６を横切る様子を
示している。両図において、時間の経過は(i) 、(ii)、
(iii) 、(iv)、(v) の順で示され、モニター用光学部材
１５０は紙面の右側から左側に通過する。

【００４０】図１１（Ａ１）と図１１（Ｂ１）は、それ
ぞれ図１０（Ａ）と図１０（Ｂ）に対応して、アパーチ
ャ１７０がレーザービーム１７６を通過する間に、測定
光学系１００において得られる差動信号Ｉ_A をｘ軸に、
差動信号Ｉ_B をｙ軸にとった相平面での信号を示してい
る。

【００４１】前述のモニター用光学部材１５０の上面
（第一面１５２）と下面（第二面１５４）の微小な平行
度および平面度のずれによる位相のずれの問題から、モ
ニター用光学部材１５０の上面から見て同じ位置に同じ
面積あたった各面での干渉信号の位相は同じであるが、
面積や位相が異なると、計測される干渉信号の位相は異
なる。

【００４２】アパーチャ１７０の透光部１７２が小さい
図１０（Ａ）に相当する相平面での信号の軌跡は図１１
（Ａ１）に示されるようになり、(i) と(v) においては
反射光の干渉信号は強度も位相も異なるが、(ii)と(ii
i) と(iv)においてはほぼ同一の強度と同一の位相の信
号が得られる。(ii)と(iii) と(iv)における信号は厳密
には同一ではなく、様々な機械的あるいは電気的な雑音
を含んでいると考えられる。二つの差動信号Ｉ_A とＩ_B
の合成信号‖Ｉ_A ² ＋Ｉ_B ² ‖^1/2 の経時変化は、図１
１（Ａ２）で示されるようになる。従って、‖Ｉ_A ² ＋
Ｉ_B ² ‖^1/2 を閾値で監視していれば、ほぼ同一の位相
の信号が得られる。従って、これらの信号の平均をとれ
ば、前述の機械的あるいは電気的な雑音の影響を低減す
ることができる。

【００４３】これに対して、アパーチャ１７０の透光部
１７２が大きい図１０（Ｂ）に相当する相平面での信号
の軌跡は図１１（Ｂ１）に示されるようになり、(i) と
(ii)と(iii) と(iv)と(v) のいずれにおいても、反射光
の干渉信号は強度も位相も異なる。二つの差動信号Ｉ_A
とＩ_B の合成信号‖Ｉ_A ² ＋Ｉ_B ² ‖^1/2 の経時変化
は、図１１（Ｂ２）で示されるようなる。

【００４４】また、アパーチャ１７０が無い場合におけ
る相平面での信号は図１１（Ｃ）に示されるようにな
り、様々な位相が現れ、位相計測において高い精度は期
待できない。

【００４５】これまでの説明から分かるように、モニタ
ー用光学部材１５０の上面にアパーチャ１７０を設ける
ことによって、モニター用光学ガラス１５０の上面（第
一面１５２）と下面（第二面１５４）の間の平行度が０
からずれた場合に生じる研磨量の測定精度の劣化が軽減
される。また、アパーチャ１７０の透光部１７２の大き
さを適当に選ぶことによって、容易に任意の精度で研磨
量を測定する制御が可能である。特に、測定光のビーム
径に対して透光部１７２が小さい場合、位相と光量が等
しい信号を得ることができ、効率の良い測定が行なえ
る。

【００４６】上の説明では、アパーチャ１７０は図１と
図２の装置において新たな構成部品として説明したが、
ホルダー２０に設けられた開口２２の形状と寸法を適当
に選ぶことにより、ホルダー２０の開口２２にアパーチ
ャ１７０の機能を持たせてもよい。

【００４７】本実施形態の二つの変形例について図１２
と図１３を参照して示す。第一の変形例では、図１２に
示されるように、アパーチャ１７０は、開口１８２の大
きさを連続的に変えられる絞り１８０で構成されてい
る。この構成では、モニター用光学部材１５０に入射す
る測定光のビーム径が連続的に変えられる。

【００４８】第二の変形例では、図１３に示されるよう
に、アパーチャ１７０は、開口１９２を規定するリング
状の蓋受け部材１９０を備えた遮光板１８８と、開口１
９２よりも小径の開口１９６を有する、蓋受け部材１９
０に合った蓋部材１９４とで構成されている。この構成
では、蓋受け部材１９０に蓋部材１９４を着脱すること
によって、モニター用光学部材１５０に入射する測定光
のビーム径が開口１９２の径と開口１９６の径との間で
切り換えられる。

【００４９】第一の変形例と第二の変形例のいずれにお
いても、開口の外側で反射された光は、前述した理由に
より、モニター用光学部材１５０の下面が研磨された際
に生じる位相変化の計測には影響を与えない。

【００５０】第一の変形例においては、モニター用光学
部材１５０の上面と下面の間の傾斜が経時的に変化して
いる場合に、測定精度の劣化を補償して位相計測を行な
うことができる。つまり、角度ぶれが生じたとき、絞り
１８０により開口１８２の径を変えることにより、所定
の測定精度を維持することができる。

【００５１】ところで、図８と図９に関連して述べたよ
うに、光学ガラス１６０の角度ずれによるリサージュの
偏心がビーム径に依存していることを利用し、異なるビ
ーム径の測定光を用いて複数のリサージュを求め、これ
らのリサージュの差に基づいて光学ガラス１６０の角度
ずれを知ることができる。これにより、モニター用光学
部材１５０をホルダー２０に取り付けた状態のままで、
モニター用光学部材１５０の角度ずれによる劣化による
交換時期を知ることができる。

【００５２】〔第二の実施の形態〕図１４に示されるよ
うに、モニター用光学部材１５０の上面に、入射する測
定光の断面形状を制御するアパーチャ２００が設けられ
ている。アパーチャ２００は、細長の矩形のスリット２
０４を中央に有する遮光板２０２で構成されている。ス
リット２０４は例えば遮光板２０２に形成された開口で
構成される。

【００５３】図１と図２に示される構成では、上述の理
由によりビームの当たる位置によって干渉信号が異なる
ので、レーザー光源１０２とモニター用光学部材１５０
の相互間の位置精度は測定精度に影響を与える。従っ
て、モニター用光学部材１５０をホルダー２０に取り付
ける際、その位置決めには精度が要求される。

【００５４】しかし、本実施形態では、モニター用光学
部材１５０の上面にスリット２０４を有するアパーチャ
２００が設けられているため、図１５において、モニタ
ー用光学部材１５０のＡ−Ａ' 方向とＢ−Ｂ' 方向に関
する位置精度はあまり重要でない。従って、ホルダー２
０に対するモニター用光学部材１５０の取り付けが比較
的容易に行なえる。

【００５５】この理由を図１６を用いて説明する。図１
６（Ａ）と図１６（Ｂ）はスリット２０４を有するアパ
ーチャ２００がホルダー２０の回転によって測定光のレ
ーザービーム２０６を横切る様子を示しており、図１６
（Ａ）と図１６（Ｂ）とではビーム２０６がスリット２
０４を横切るＢ−Ｂ' 方向の位置が異なっている。両図
において、時間の経過は(i) 、(ii)、(iii) の順であ
り、アパーチャ２００は紙面の右側から左側に通過す
る。

【００５６】アパーチャ２００がビーム２０６を横切る
とき、ビーム２０６のスリット２０４を通過する部分の
反射光が干渉信号として計測される。図１６（Ａ）と図
１６（Ｂ）のいずれの場合においても、ビーム２０６が
スリット２０４に完全にかかっている間は、スリット２
０４を通過する測定光の光量（これは図１６（Ａ）と図
１６（Ｂ）においてビーム２０６とスリット２０４が重
なる部分の面積に対応する）は大きく変動しない。従っ
て、図１６（Ａ）に対応して、測定光学系１００におい
て得られる差動信号Ｉ_A をｘ軸に、差動信号Ｉ_B をｙ軸
にとった相平面での信号は図１７に示されるようにな
り、(ii)と(iii) において得られる信号の強度と位相は
ほぼ同じである。従って、第一の実施の形態と同様に、
差動信号Ｉ_A とＩ_B の合成信号‖Ｉ_A ² ＋Ｉ_B ² ‖^1/2
を閾値で監視しておき、閾値を越えた信号を有効な計測
値とし、それを平均化すれば、機械的あるいは電気的な
雑音の影響が軽減される。

【００５７】また、図１６（Ａ）と図１６（Ｂ）に示さ
れるように、ビーム２０６がスリット２０４を横切る位
置が異なっていても、研磨量の測定は同じ位置の反射光
の干渉を計測しているので、測定値に影響を与えない。

【００５８】これまで説明したように、モニター用光学
ガラス１５０の上面（第一面１５２）と下面（第二面１
５４）の間の平行度が０からずれた場合に生じる研磨量
の測定精度の劣化が軽減される。また、スリット２０４
の幅を適当に選ぶことによって、容易に任意の精度で研
磨量を測定する制御が可能である。特に、測定光のビー
ム径に対してスリット２０４の幅が小さい場合、位相と
光量が等しい信号を得ることができ、効率の良い測定が
行なえる。さらに、モニター用光学部材１５０をホルダ
ー２０に取り付ける際のレーザー光源１０２に対するモ
ニター用光学部材１５０の間の位置決め精度が緩和され
る。

【００５９】〔第三の実施の形態〕本実施形態では、図
１８に示されるように、モニター用光学部材２１２は円
柱形状をしており、その径はレーザービーム２１０の径
よりも小さい。円柱の径は、レーザービーム２１０の径
の半分以下であると更に好ましい。この円柱形状のモニ
ター用光学部材２１２は、図１９に示されるように、ホ
ルダー２０に埋め込まれている。

【００６０】図２０は、モニター用光学部材２１２がホ
ルダー２０の回転によって測定光のレーザービーム２１
０を横切る様子を示している。図２０において、時間の
経過は(i) 、(ii)、(iii) 、(iv)、(v) の順で示され、
モニター用光学部材２１２は紙面の右側から左側に移動
する。

【００６１】モニター用光学部材２１２の外側に照射さ
れる測定光はホルダー２０の上面で反射されるが、その
反射光は、モニター用光学部材２１２の下面が研磨され
た際に生じる位相変化の計測には影響を与えない。

【００６２】モニター用光学部材２１２に入射する測定
光の光量（これは図２０においてビーム２１０とモニタ
ー用光学部材２１２が重なる部分の面積に対応する）
は、ビーム２１０がモニター用光学部材２１２に完全に
かかってい間はほぼ一定に保たれる。従って、測定光学
系１００において得られる差動信号Ｉ_A をｘ軸に、差動
信号Ｉ_B をｙ軸にとった相平面での信号の挙動は、第一
の実施の形態で触れた図１１（Ａ１）に似たものにな
り、二つの差動信号Ｉ_A とＩ_B の合成信号‖Ｉ_A ²＋Ｉ_B
² ‖^1/2 の経時変化は、第一の実施の形態で触れた図
１１（Ａ２）に似たものになる。従って、位相計測にと
って有効な信号が多く得られ、研磨量測定の信頼性の向
上に貢献する。

【００６３】本実施形態では、モニター用光学部材２１
２の端面の形状は円形であるが、レーザービーム２１０
の径より小さければ、どのような形状であってもよい。〔第四の実施の形態〕本実施形態では、図２１に示され
るように、モニター用光学部材２１４は直方体形状をし
ており、測定光が入射する端面は細長の矩形で、その幅
（短辺方向の寸法）はレーザービーム２１０の径よりも
小さく、その長さ（長辺方向の寸法）はレーザービーム
２１０の径よりも大きい。この直方体形状のモニター用
光学部材２１４は、図２２に示されるように、ホルダー
２０に埋め込まれている。

【００６４】図２３は、モニター用光学部材２１４がホ
ルダー２０の回転によって測定光のレーザービーム２１
０を横切る様子を示している。図２０において、時間の
経過は(i) 、(ii)、(iii) の順であり、モニター用光学
部材２１４は紙面の右側から左側に移動する。

【００６５】モニター用光学部材２１４の外側に照射さ
れる測定光はホルダー２０の上面で反射されるが、その
反射光は、モニター用光学部材２１４の下面が研磨され
た際に生じる位相変化の計測には影響を与えない。

【００６６】モニター用光学部材２１４に入射する測定
光の光量（これは図２３においてビーム２１０とモニタ
ー用光学部材２１４が重なる部分の面積に対応する）
は、ビーム２１０がモニター用光学部材２１４に完全に
かかってい間はほぼ一定に保たれる。従って、測定光学
系１００において得られる差動信号Ｉ_A をｘ軸に、差動
信号Ｉ_B をｙ軸にとった相平面での信号の挙動は、第二
の実施の形態で触れた図１７に似たものになる。従っ
て、位相計測にとって有効な信号が多く得られ、研磨量
測定の信頼性の向上に貢献する。

【００６７】また、モニター用光学部材２１４をホルダ
ー２０に取り付ける際のレーザー光源１０２に対するモ
ニター用光学部材２１４の間の位置決め精度が緩和され
る。本実施形態では、モニター用光学部材２１４の端面
は矩形形状であるが、最短の幅の寸法がレーザービーム
２１０の径より小さく、最長の幅の寸法がレーザービー
ム２１０の径より大きければ、どのような形状であって
もよい。この場合、最短の幅の寸法は、レーザービーム
２１０の径の半分以下であると更に好ましい。

【００６８】

【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。

【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】モニター用光学部材の上面と下面の間に傾きが
ある場合、異なる位置に入射した光は、異なる光路長を
有することを示す図である。

【図７】本発明の第一の実施の形態によるアパーチャと
モニター用光学部材を示す斜視図である。

【図８】（Ａ）は測定光のビーム径Ｒが２ｍｍの場合に
おいて、（Ｂ）は測定光のビーム径Ｒが３ｍｍの場合に
おいて、モニター用光学部材の上面と下面の間のいくつ
かの傾斜角に対して、測定光学系で得られる二つの差動
信号Ｉ_A とＩ_B によって得られるリサージュを示してい
る。

【図９】図８のリサージュのｘ成分すなわちＩ_A の最大
値と最小値が角度δに依存して変化する様子を示してい
る。

【図１０】（Ａ）は小径の透光部を有するアパーチャ
が、（Ｂ）は大径の透光部を有するアパーチャが、ホル
ダーの回転によって測定光のレーザービームを横切る様
子を示している。

【図１１】（Ａ１）は図１０（Ａ）の場合に測定光学系
で得られる二つの差動信号Ｉ_A とＩ_B を座標軸にとった
相平面での信号の軌跡を示し、（Ａ２）はそのときの二
つの差動信号Ｉ_A とＩ_B の一方の経時変化を示してい
る。（Ｂ１）は図１０（Ｂ）の場合に測定光学系で得ら
れる二つの差動信号Ｉ_A とＩ_B を座標軸にとった相平面
での信号の軌跡を示し、（Ｂ２）はそのときの二つの差
動信号Ｉ_A とＩ_B の一方の経時変化を示している。
（Ｃ）はアパーチャが無い場合に測定光学系で得られる
二つの差動信号Ｉ_A とＩ_B を座標軸にとった相平面での
信号の軌跡を示している。

【図１２】第一の実施の形態の第一の変形例によるアパ
ーチャとモニター用光学部材を示す斜視図である。

【図１３】第一の実施の形態の第二の変形例によるアパ
ーチャとモニター用光学部材を示す斜視図である。

【図１４】第二の実施の形態によるアパーチャとモニタ
ー用光学部材を示す斜視図である。

【図１５】図１４のアパーチャとモニター用光学部材を
搭載したホルダーとその周辺部の斜視図である。

【図１６】（Ａ）と（Ｂ）は図１４のアパーチャがホル
ダーの回転によってレーザービームを横切る様子を示し
ており、（Ａ）と（Ｂ）とではビームがスリットを横切
る位置が異なっている。

【図１７】図１６（Ａ）の場合に測定光学系で得られる
二つの差動信号Ｉ_A とＩ_B を座標軸にとった相平面での
信号の軌跡を示している。

【図１８】第三の実施の形態によるモニター用光学部材
とこれに入射するレーザービームを示す斜視図である。

【図１９】図１８のモニター用光学部材を搭載したホル
ダーとその周辺部の斜視図である。

【図２０】図１８のアパーチャがホルダーの回転によっ
てレーザービームを横切る様子を示している。

【図２１】第四の実施の形態によるモニター用光学部材
とこれに入射するレーザービームを示す斜視図である。

【図２２】図２１のモニター用光学部材を搭載したホル
ダーとその周辺部の斜視図である。

【図２３】図２１のアパーチャがホルダーの回転によっ
てレーザービームを横切る様子を示している。

【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１４４信号処理部１５０モニター用光学部材１５２第一面１５４第二面１６０光学ガラス１６２１／４波長板１６４接着剤の層１７０アパーチャ

─────────────────────────────────────────────────────

【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】００３０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３０】図６に示されるように、１／４波長板１６
２の上面（面１）と光学ガラス１６０の下面（面４）の
成す微小な角度をδ、光学ガラス１６０の屈折率をｎと
すると、基準位置から距離Ｌ離れた位置に入射した光
は、基準位置ｘ＝０に入射した光に対して、光学ガラス
１６０の内部を一往復した際に、２δｎＬの光路差を有
する。従って、測定光学系１００が射出する光束の有効
ビーム径がＲである場合には、その両端で２δｎＲの光
路差を有する。これは、図２に図示される測定光学系１
００において、各検出器１３２、１３４、１３６の位相
信号が平坦化し、検出される干渉信号の強度が低下する
ことを意味する。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３１】また、図１に示されるように研磨中はホル
ダー２０が回転しているため、モニター用光学部材１５
０は回転しながらレーザー光を横切り、レーザー光が入
射する位置によってモニター用光学部材１５０の内部を
往復する光の位相が異なると考えられる。このような光
の位相の相違は、干渉による測定に影響を与える。この
ため、図２の研磨量測定装置では、レーザー光源１０２
とモニター用光学部材１５０は高い精度で位置決めされ
る必要がある。

Claims

【特許請求の範囲】

【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おり、第一面
に対する第二面の相対的な位置はモニター用光学部材が
研磨されることにより第一面に近づく方向に移動し、測定部は、測定光を射出する光源手段と、測定光をモニ
ター用光学部材を介して研磨手段に照射する手段と、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の
干渉に基づいて、モニター用光学部材が研磨されたため
に生じた第一面に対する第二面の相対的な移動量を測定
し、光学式研磨量測定装置は、モニター用光学部材に入射す
る測定光の断面形状を制御するアパーチャ手段を更に備
えている、光学式研磨量測定装置。
【請求項２】請求項１において、アパーチャ手段は、光を透過させる細長の透光部を有
し、透光部の最長の幅は測定光のビーム径よりも大き
く、透光部の最短の幅は測定光のビーム径よりも小さ
い、光学式研磨量測定装置。
【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おり、第一面
に対する第二面の相対的な位置はモニター用光学部材が
研磨されることにより第一面に近づく方向に移動し、測定部は、測定光を射出する光源手段と、測定光をモニ
ター用光学部材を介して研磨手段に照射する手段と、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の
干渉に基づいて、モニター用光学部材が研磨されたため
に生じた第一面に対する第二面の相対的な移動量を測定
し、モニター用光学部材は、測定光が入射する端面の形状の
最短の幅が測定光のビーム径よりも小さい、光学式研磨
量測定装置。