JP2000258153A - 平面平坦度測定装置 - Google Patents

平面平坦度測定装置

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JP2000258153A JP11063462A JP6346299A JP2000258153A JP 2000258153 A JP2000258153 A JP 2000258153A JP 11063462 A JP11063462 A JP 11063462A JP 6346299 A JP6346299 A JP 6346299A JP 2000258153 A JP2000258153 A JP 2000258153A
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measuring
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Chihiro Miyagawa
千宏 宮川
Yoshio Nakamura
由夫 中村
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Fujikoshi Machinery Corp
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/30—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 研磨装置に使用する定盤等の大型の平面体の
平面平坦度を容易にかつ正確に測定する。 【解決手段】 定盤等の平面体の被測定面の上方に被測
定面と略平行に配置される測定バー３０と、該測定バー
の長手方向に移動自在に支持された可動検知器３２と、
該可動検知器に装着され、測定バー上における可動検知
器の移動位置において可動検知器と被測定面との離間間
隔を検知する間隔測定手段３４と、測定バー３０上で移
動する可動検知器３２に向け、一定方向にレーザビーム
を放射するレーザビーム光源４０と、前記可動検知器３
２に装着され、前記レーザビーム光源４０から放射され
るレーザ光を受光して、測定バー上での可動検知器３２
の移動位置において、レーザ光の基準高さからの可動検
知器の高さ方向の変位量を検知する受光センサ３６とを
備えたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体ウェーハの研
磨装置に用いられる定盤等の大型でかつきわめて高度の
表面平坦度が要求される部材の平坦度を測定する平面平
坦度測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】半導体ウェーハの研磨装置では、きわめ
て高度の表面平坦度を有する定盤にワークをのせて研磨
作業なされる。定盤の表面平坦度はワークの研磨精度に
直接影響を与えるから定盤にはきわめて高度の表面平坦
度が要求される。このため、研磨装置の定盤を製作する
にあたってはその表面平坦度を測定して、所要の平坦度
が確保されるようにしている。
【０００３】定盤の表面平坦度を測定する従来方法とし
ては、図４に示すような、測定バー１０に所定間隔をお
いてダイヤルゲージ１２を設置した測定器を用いる方法
がある。測定バー１０の両端の下面には被測定面から測
定バー１０を離間させて支持する鋼球１３が固定されて
いる。この鋼球１３の突出量はダイヤルゲージ１２の探
針の基準突出量に略一致させて形成される。この測定器
を用いて表面平坦度を測定する方法は、まず、セラミッ
ク等で平坦面に形成した基準台に測定器をのせ、各々の
ダイヤルゲージ１２のゼロ点を校正した後、被測定体の
定盤１４の上に測定器をのせ、各々のダイヤルゲージ１
２の指針を読み取ることによって定盤１４の平坦度を測
定するものである。なお、表面平坦度を測定する方法に
は、ダイヤルゲージ１２にかえて、レーザ変位計、接触
型の変位センサ等を測定バーに取り付けて測定する方法
もある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】このように、定盤等の
大型の部材の表面平坦度を測定する方法としては、上記
のように、剛性の高い測定バー１０を被測定体の上にか
けわたすように配置し、バー状体を基準として被測定体
の表面の平坦度を測定する方法が一般的である。しかし
ながら、測定器をあらかじめ校正する場合でも基準とす
る台自体に数μｍ程度の高さの誤差があるし、基準とす
るバー状体自体にも、またダイヤルゲージ等の検知器自
体にも数μｍ程度の誤差が内在している。したがって、
従来の測定器を用いた測定方法では、数μｍ程度の測定
誤差は避けられないものとなっている。
【０００５】ところが、最近の半導体ウェーハ等の研磨
装置では、研磨精度０．２μｍといったような、きわめ
て高度の研磨精度が要求されるようになっている。した
がって、このような高度の加工精度が要求される場合
に、従来の測定方法では所要の測定精度を得ることは不
可能である。また、最近の研磨装置は大型化しており、
直径が数メートルもある定盤が使用されている。このよ
うな大型の定盤を測定するため測定器も必然的に大型に
なり、したがって測定バー自体の変形等がますます無視
できなくなる。また、基準台を用いて測定器を校正する
ような場合も大型の基準台をさらに高精度に形成するこ
とはますます困難になる。
【０００６】本発明は、このような研磨装置の定盤等の
きわめて高度の平面平坦度が要求される部材の平面平坦
度を高精度に測定することを可能にする測定装置として
提供するものであり、研磨装置の定盤のように被測定体
が数メートルもあるきわめて大型のものであっても高精
度の測定を可能にする平面平坦度測定装置を提供するこ
とを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は次の構成を備える。すなわち、定盤等の平
面体の被測定面の上方に被測定面と略平行に配置される
測定バーと、該測定バーの長手方向に移動自在に支持さ
れた可動検知器と、該可動検知器に装着され、測定バー
上における可動検知器の移動位置において可動検知器と
被測定面との離間間隔を検知する間隔測定手段と、測定
バー上で移動する可動検知器に向け、一定方向にレーザ
ビームを放射するレーザビーム光源と、前記可動検知器
に装着され、前記レーザビーム光源から放射されるレー
ザ光を受光して、測定バー上での可動検知器の移動位置
において、レーザ光の基準高さからの可動検知器の高さ
方向の変位量を検知する受光センサとを備えたことを特
徴とする。また、前記間隔測定手段として、非接触型の
距離センサを用いた場合は、被測定体を回転させながら
平面平坦度を測定できる等の利点がある。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態を
添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係
る平面平坦度測定装置の一実施形態の構成を示す斜視図
である。同図で３０は細長の角柱状に形成した測定バ
ー、３２は測定バー３０の長手方向に移動自在に装着し
た可動検知器、４０は測定バー３０の一端に設置したレ
ーザビーム光源、５０は測定バー３０の長手方向の両端
に各々取り付けた高さ調節用のアジャスタである。
【０００９】測定バー３０は定盤等の被測定体を跨ぐよ
うに配置して使用するもので、被測定体の大きさに合わ
せて長さが設定される。また、測定バー３０はできるだ
け変形が生じないように高剛性の材料、たとえばセラミ
ック材、金属材を用いて製作する。なお、測定バー３０
は可動検知器３２の測定バー体として使用するものであ
り、可動検知器３２をガイドできる形状であれば角柱状
に限らず、丸棒状のもの、パイプ状のもの等が使用でき
る。また、可動検知器３２を長手方向にガイドして移動
するためのガイドレールを設けておいてもよい。
【００１０】可動検知器３２は測定バー３０の長手方向
での任意の移動位置で定盤等の被測定体の被測定面と可
動検知器３２との間の離間間隔を検知する間隔測定手段
を備えている。実施形態では間隔測定手段として、可動
検知器３２の下面に非接触型の距離センサ３４を装着し
た。この距離センサ３４は光学的方法によって可動検知
器３２と被測定体との離間間隔を計測するものである。
光学的方法を利用した距離センサによれば、測定誤差を
０．５μｍ程度以下に抑えることは十分に可能である。
【００１１】なお、可動検知器３２は測定バー３０上で
の任意の移動位置において被測定面との離間間隔を測定
するものであり、一定程度以上の測定精度を有するもの
であれば光学的方法等の非接触型の測定手段に限るもの
ではない。すなわち、接触型のセンサであっても所定の
精度が得られるものであれば使用することは可能であ
る。ただし、被測定体を回転させながら測定するといっ
た場合には被接触型のセンサの方が有効である。
【００１２】可動検知器３２は測定バー３０上の任意の
位置に移動可能であり、手動操作により適宜位置に移動
させることが可能であるが、サーボモータ駆動等によっ
て測定バー３０上で自走式にすることもできる。可動検
知器３２には距離センサ３４による測定データを電気信
号として取り出す信号線等を取り付けるから、サーボモ
ータ等の駆動用の電源線もあわせて可動検知器３２に取
り付け、遠隔的に可動検知器３２を操作できるようにす
る。
【００１３】測定バー３０の一端に設置したレーザビー
ム光源４０は、測定バー３０上を移動する可動検知器３
２に向けて一定方向にレーザビームを放射するためのも
のである。このレーザビーム光源４０から放射されるレ
ーザ光は、測定バー３０上を移動する可動検知器３２が
測定バー３０上の移動位置で、高さ方向に変位する変位
量を検知するために用いるものである。すなわち、レー
ザビーム光源４０から放射されるレーザ光は、測定バー
３０の長手方向に平行に放射され、測定バー３０上の任
意の移動位置にある可動検知器３２に向けて放射され
る。
【００１４】レーザ光は直進性にすぐれるから、あらか
じめレーザビームの放射方向を定めておけば、可動検知
器３２でレーザ光を受光することにより、測定バー３０
上での任意の移動位置で可動検知器３２が高さ方向にど
の程度変位しているかを検知することができる。３６は
可動検知器３２に設けたレーザビームを受光する受光セ
ンサである。レーザビームは細径のスポットとして受光
センサ３６によって受光されるから、この受光センサ３
６の受光位置から可動検知器３２の高さ方向の変位量を
検知することができる。
【００１５】測定バー３０は自重等によって変形しない
よう所定の剛性を有する材料を用いて製作されるが、大
型の定盤などを測定するような場合には、測定バー３０
は長さが数メートルもある長大なものにならざるを得な
い。このような測定バー３０を製作する際に、測定バー
３０の変形を数μｍ以下に抑えることはほとんど現実的
でない。測定バー３０をきわめて高精度に製作したとし
ても数μｍ程度の変形が生じるから、測定バー３０にガ
イドされて移動する可動検知器３２は、測定バー３０の
変形により、あるいは可動検知器３２が移動する際の移
動がた等によって移動高さが変動することになる。
【００１６】レーザビーム光源４０から放射されるレー
ザ光を利用して可動検知器３２の高さ方向の変位を検出
するということは、可動検知器３２を測定バー３０に沿
って移動させた際に、可動検知器３２の高さ位置が変位
する変位量を検知するということである。すなわち、レ
ーザビーム光源４０から放射されるレーザ光のビームが
通過する位置を基準高さ位置とし、この基準高さに対し
て可動検知器３２が高さ方向にどの程度変位しているか
が検出できれば、この変位量を距離センサ３４による測
定結果に補完することによって被測定体の真の平坦度を
検知することが可能になる。
【００１７】可動検知器３２を測定バー３０に沿って移
動させた際に可動検知器３２が高さ方向に変位するとい
うことは、可動検知器３２の受光センサ３６の受光位置
が変位するということであるから、受光センサ３６によ
りレーザ光の受光位置を検知することによって可動検知
器３２の基準位置からの変位量を検知することが可能に
なる。受光センサ３６によってレーザ光の受光位置を検
出する方法としては、ＣＣＤカメラによりビームスポッ
トを検知して受光位置を検出する方法、高さ方向に受光
センサを複数個配置しておき、各受光センサでの受光強
度分布を検出してビーム位置を検出するといった方法が
可能である。ＣＣＤカメラの画素密度が所要の測定精度
よりも粗い場合には、ビープスポットを光学的に拡大し
てＣＣＤカメラで検出するといったことも可能である。
【００１８】被測定体の平坦度測定では、各測定位置ご
とに表面高さ位置を計測することになるから、測定バー
３０上での可動検知器３２の測定位置を正確に知る必要
がある。測定バー３０上での可動検知器３２の測定位置
を検知する方法には測定バー３０に距離センサを設けた
り、可動検知器３２を自走させるサーボモータのデータ
から移動位置を検知する等の方法も可能であるが、レー
ザビーム光源４０に、レーザ光の反射を利用してレーザ
ビーム光源４０と可動検知器３２との離間距離を測定す
る測距装置を設けて、可動検知器３２の測定バー３０上
での位置を検知することもできる。その場合には、受光
センサ３６に測距用のハーフミラーを配置する等によれ
ばよい。
【００１９】本実施形態の測定装置のように、レーザビ
ームを利用して可動検知器３２の高さ方向の変位量を測
定する方法によれば、可動検知器３２の高さ方向の変位
量を少なくとも０．１μｍ程度の測定精度で測定するこ
とが可能である。可動検知器３２の高さ方向の変位量を
測定することにより測定バー３０の変形等を補完して被
測定面の平坦度を測定する方法は、測定バー３０に変形
が生じていても正確な測定が可能になるという利点があ
る。なお、実際の測定に際しては、レーザビームを常時
放射させる必要はなく、可動検知器３２を測定位置に移
動させたところでレーザビーム光源４０からレーザ光を
放射して可動検知器３２の高さ方向の変位量を測定し、
可動検知器３２で距離センサ３４によって被測定体まで
の間隔を測定すればよい。
【００２０】図２は本実施形態の平面平坦度測定装置を
用いて定盤１４の表面平坦度を測定する方法を示してい
る。定盤１４を測定する方法には、実際の研磨装置に定
盤をセットして測定する方法と、測定用の支持台に定盤
をセットして測定する方法がある。研磨装置に定盤１４
をセットして測定する際には、研磨装置の本体フレーム
の天板部にアジャスタを位置決めし、図のように定盤の
上方を測定バー３０が通過するように配置する。支持台
にセットした定盤を測定する場合は、支持台にアジャス
タ５０をのせて測定バー３０を支持すればよい。なお、
定盤の上にアジャスタ５０をのせて測定することももち
ろん可能である。また、測定バー３０と被測定体との離
間間隔をとくに調整する必要がない場合には、アジャス
タ５０にかえて固定の支持部を設けてももちろんかまわ
ない。
【００２１】測定開始する際には、まず、測定バー３０
の一端側、すなわちレーザビーム光源４０に近い側の定
盤１４の端点に可動検知器３２を配置し、受光センサ３
６によってレーザ光が受光されていることを確認し、次
に、測定バー３０の他端側に可動検知器３２を移動さ
せ、定盤１４の端点で受光センサ３６によってレーザ光
が受光されていることを確認する。レーザ光の受光位置
が受光センサ３６から外れていたり受光センサ内にあっ
ても極端に位置ずれしている場合にはレーザビーム光源
４０から放射されるレーザ光の放射方向を調節し、受光
センサ３６によって受光されるように修正する。なお、
可動検知器３２の受光センサ３６の位置調節ができるよ
うにしておいてもよい。
【００２２】レーザ光が可動検知器３２によって受光さ
れることを確認した後、図２に示すように、可動検知器
３２を適宜位置に移動させ、距離センサ３４によって定
盤１４の表面までの間隔を測定するとともに、可動検知
器３２自体の高さ位置をレーザビーム光源４０からのレ
ーザ光を受光センサ３６で受光して検知する。距離セン
サ３４の計測値と可動検知器３２の高さ方向の変位量か
ら当該測定バー３０上の位置における定盤１４の表面の
高さを正確に求めることができる。
【００２３】図３は本測定装置でレーザ光を基準として
計測する原理図である。図でＨは測定バー３０の一端側
で定盤１４の端点の高さを計測した結果を示し、Ｈ’は
測定バー３０の他端側で定盤１４の端点での高さを計測
した結果を示す。ＨとＨ’の測定結果からレーザ光（ビ
ーム）の基準線からのずれの角度θ（Ｈ−Ｈ’＝ｈ）を
求めることができるから、測定バー３０上での任意の位
置における可動検知器３２の高さ位置の計測値をこれに
基づいて補完することによって、当該位置における可動
検知器３２の真の高さ位置を知ることができる。こうし
て、可動検知器３２の高さ位置を補完することにより、
距離センサ３４によって計測された定盤表面までの離間
間隔は、可動検知器３２が高さ方向に変位した変位量を
補正した絶対値として得られる。
【００２４】このようにして、測定バー３０の任意の位
置で可動検知器３２の高さ位置と距離センサ３４による
定盤１４の表面までの離間間隔を計測することにより、
定盤１４の表面形状を正確に知ることができる。可動検
知器３２を測定バー３０上で移動して多数ポイントで測
定すれば、より正確な定盤の表面の形状を測定すること
ができる。なお、定盤１４を回転しながら測定すること
も可能であり、この方法によれば、定盤１４の表面の平
坦度を面的に測定することが可能になる。
【００２５】本発明に係る平面平坦度測定装置は、可動
検知器３２が測定位置によって高さ方向に変位すること
を補完して正しい測定結果を得ることができるから、大
型の定盤を測定するような場合で測定バー３０自体の変
形等が避け得ないような場合でも正確な計測ができると
いう利点がある。いいかえれば、測定バー３０として一
定の精度に製作しておけばそれ以上の高精度にする必要
がないから製作上の困難さをきわめて軽減することが可
能になる。また、本測定装置を使用する場合は、測定器
を校正するための基準台を用意する必要がなく、大型の
定盤等の測定のためにさらに大型の基準台を用意すると
いった困難さを解消できる点でもきわめて有用である。
【００２６】また、本測定装置はレーザ光の直進性を利
用して測定するから、可動検知器３２の受光センサ３６
によってレーザ光が受光できれば、レーザ光の受光位置
が若干ずれていても、データの制御処理上での補完操作
で真値を得ることができるし、可動検知器３２と被測定
体の計測面との離間距離も距離センサ３４の検知範囲内
になるように配置すればよい等の点で測定装置のセッテ
ィングが比較的容易であるという利点もある。
【００２７】なお、上記実施形態では、測定バー３０の
一端側にレーザビーム光源４０を固定しているが、レー
ザビーム光源４０を測定バー３０とは別体に配置して測
定することも可能である。すなわち、可動検知器３２を
付設した測定バー３０を被測定体の上方にかけわたすよ
うに配置し、レーザビーム光源４０を本体フレームある
いは平坦な支持台上にセットしてレーザ光が可動検知器
３２によって受光されるようにセットする。測定バー３
０の一端側でまず被測定体の高さ測定を行い、測定バー
３０の他端側で被測定体の高さ測定を行ってレーザ光の
セッティングを行った後、測定バー３０の任意の位置に
可動検知器３２を移動して測定すればよい。
【００２８】以上では研磨装置に使用する定盤を例に本
発明に係る平面平坦度測定装置を使用する方法について
説明したが、本装置は定盤以外の平面平坦度を高精度に
測定する必要があるものについて同様に利用できること
はもちろんである。なお、上述したように、本装置は測
定バー３０の変形等が無視できなくなる大型の被測定体
の測定に好適に使用できるものである。
【００２９】
【発明の効果】本発明に係る平面平坦度測定装置によれ
ば、上述したように、測定バー上を移動する可動検知器
の高さ位置の変位量を可動検知器と被測定体との離間間
隔の測定値に補完して真値を得るようにしたことによ
り、研磨装置に使用する定盤のようにきわめて大型の部
材であっても、高精度に平面平坦度を測定することを可
能にする。また、測定装置を製作する際に測定バー等の
製作精度を過度に高精度にする必要がないことから測定
装置の製作が容易になる等の利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る平面平坦度測定装置の一実施形態
の構成を示す斜視図である。
【図２】平面平坦度測定装置を用いて定盤の平坦度を測
定する方法を示す説明図である。
【図３】レーザ光を用いて測定する方法を示す説明図で
ある。
【図４】平面平坦度を測定する従来方法を示す説明図で
ある。
【符号の説明】
１０、３０ 測定バー １２ ダイヤルゲージ １４ 定盤 ３２ 可動検知器 ３４ 距離センサ ３６ 受光センサ ４０ レーザビーム光源 ５０ アジャスタ
フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA19 AA47 BB01 CC10 EE00 EE12 FF09 GG04 HH04 JJ16 JJ25 JJ26 MM14 MM24 PP22 2F069 AA54 BB01 BB40 EE09 GG04 GG59 GG62 HH09 HH30 JJ06 MM26

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 定盤等の平面体の被測定面の上方に被測
    定面と略平行に配置される測定バーと、 該測定バーの長手方向に移動自在に支持された可動検知
    器と、 該可動検知器に装着され、測定バー上における可動検知
    器の移動位置において可動検知器と被測定面との離間間
    隔を検知する間隔測定手段と、 測定バー上で移動する可動検知器に向け、一定方向にレ
    ーザビームを放射するレーザビーム光源と、 前記可動検知器に装着され、前記レーザビーム光源から
    放射されるレーザ光を受光して、測定バー上での可動検
    知器の移動位置において、レーザ光の基準高さからの可
    動検知器の高さ方向の変位量を検知する受光センサとを
    備えたことを特徴とする平面平坦度測定装置。
  2. 【請求項２】 間隔測定手段として、非接触型の距離セ
    ンサを用いることを特徴とする請求項１記載の平面平坦
    度測定装置。
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