(57)【要約】【課題】積層された複数の層を有する被研磨物の研磨終点を正確に検出することができる研磨終点検出方法、研磨終点検出装置、および該研磨終点検出装置を備えた研磨装置を提供する。【解決手段】研磨中に、第１の光および第２の光をそれぞれ第１の入射角および第２の入射角で被研磨物の被研磨面に照射し、被研磨面で反射した第１の光および第２の光を偏光フィルター４７を通じて受光し、受光した第１の光から被研磨面の明度および彩度を分析し、同時に、受光した第２の光から被研磨面の明度および彩度を分析し、被研磨面の明度および彩度の変化に基づいて、上層が除去されたことを検出する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された上層と下層とを有する被研磨物の研磨終点を検出する方法であって、
研磨中に、第１の光および第２の光をそれぞれ第１の入射角および第２の入射角で前記被研磨物の被研磨面に照射し、
前記被研磨面で反射した前記第１の光および第２の光を偏光フィルターを通じて受光し、
受光した前記第１の光から前記被研磨面の明度および彩度を分析し、同時に、受光した第２の光から前記被研磨面の明度および彩度を分析し、
前記被研磨面の明度および彩度の変化に基づいて、前記上層が除去されたことを検出することを特徴とする研磨終点検出方法。
【請求項２】
前記第１の入射角は、前記上層のブリュースター角±１０度の範囲から選択された角度であり、前記第２の入射角は、前記下層のブリュースター角±１０度の範囲から選択された角度であることを特徴とする請求項１に記載の研磨終点検出方法。
【請求項３】
前記第１の光および第２の光の少なくとも一方から分析された前記被研磨面の明度および彩度が急激に変化したときに、前記上層が除去されたと判断することを特徴とする請求項１に記載の研磨終点検出方法。
【請求項４】
前記第１の光から分析された前記被研磨面の明度および彩度が、前記第２の光から分析された前記被研磨面の明度および彩度を上回ったときに、前記上層が除去されたと判断することを特徴とする請求項１に記載の研磨終点検出方法。
【請求項５】
前記被研磨面の色を、Ｒ成分、Ｇ成分、Ｂ成分に分解し、
前記Ｒ成分、Ｇ成分、Ｂ成分から、前記被研磨面の明度および彩度を定量化することを特徴とする請求項１に記載の研磨終点検出方法。
【請求項６】
前記Ｒ成分、Ｇ成分、Ｂ成分の定量化された値であるＲ値、Ｇ値、Ｂ値を取得し、
前記Ｒ値、Ｇ値、Ｂ値の平均値、自乗平均値、分散、標準偏差、または前記Ｒ値、Ｇ値、Ｂ値のそれぞれに係数を掛けた値の合計値のいずれかであるＲＧＢ評価値を算出し、
前記ＲＧＢ評価値を前記被研磨面の明度として定義することを特徴とする請求項５に記載の研磨終点検出方法。
【請求項７】
前記Ｒ値、Ｇ値、Ｂ値の差分を求め、
前記Ｒ値、Ｇ値、Ｂ値の差分を前記被研磨面の彩度として定義することを特徴とする請求項６に記載の研磨終点検出方法。
【請求項８】
積層された上層と下層とを有する被研磨物の研磨終点を検出する装置であって、
第１の光および第２の光をそれぞれ第１の入射角および第２の入射角で前記被研磨物の被研磨面に照射する投光部と、
前記被研磨面で反射した前記第１の光および第２の光を受光する受光部と、
前記受光部と前記被研磨面との間に配置された偏光フィルターと、
前記偏光フィルターを通じて前記受光部により受光された前記第１の光および第２の光から前記被研磨面の明度および彩度を分析する処理部とを備え、
前記処理部は、前記被研磨面の明度および彩度の変化に基づいて、前記上層が除去されたことを検出することを特徴とする研磨終点検出装置。
【請求項９】
前記第１の入射角は、前記上層のブリュースター角±１０度の範囲から選択された角度であり、前記第２の入射角は、前記下層のブリュースター角±１０度の範囲から選択された角度であることを特徴とする請求項８に記載の研磨終点検出装置。
【請求項１０】
前記処理部は、前記第１の光および第２の光の少なくとも一方から分析された前記被研磨面の明度および彩度が急激に変化したときに、前記上層が除去されたと判断することを特徴とする請求項８に記載の研磨終点検出装置。
【請求項１１】
前記処理部は、前記第１の光から分析された前記被研磨面の明度および彩度が、前記第２の光から分析された前記被研磨面の明度および彩度を上回ったときに、前記上層が除去されたと判断することを特徴とする請求項８に記載の研磨終点検出装置。
【請求項１２】
前記処理部は、
前記被研磨面の色を、Ｒ成分、Ｇ成分、Ｂ成分に分解し、
前記Ｒ成分、Ｇ成分、Ｂ成分から、前記被研磨面の明度および彩度を定量化することを特徴とする請求項８に記載の研磨終点検出装置。
【請求項１３】
前記処理部は、
前記Ｒ成分、Ｇ成分、Ｂ成分の定量化された値であるＲ値、Ｇ値、Ｂ値を取得し、
前記Ｒ値、Ｇ値、Ｂ値の平均値、自乗平均値、分散、標準偏差、または前記Ｒ値、Ｇ値、Ｂ値のそれぞれに係数を掛けた値の合計値のいずれかであるＲＧＢ評価値を算出し、
前記ＲＧＢ評価値を前記被研磨面の明度として定義することを特徴とする請求項１２に記載の研磨終点検出装置。
【請求項１４】
前記処理部は、
前記Ｒ値、Ｇ値、Ｂ値の差分を求め、
前記Ｒ値、Ｇ値、Ｂ値の差分を前記被研磨面の彩度として定義することを特徴とする請求項１３に記載の研磨終点検出装置。
【請求項１５】
前記投光部は、光源と、該光源の光を前記第１の光および第２の光を含む平行光にする第１のレンズと、該平行光を被研磨面上の一点に集束させる第２のレンズとを有し、
前記受光部は、前記第２のレンズを通して平行光となった反射光を受光することを特徴とする請求項８に記載の研磨終点検出装置。
【請求項１６】
前記投光部は、光源と、前記第１の光および第２の光をそれぞれ被研磨面に投光する２つの投光ファイバーとを有し、
前記受光部は、前記第１の光および第２の光の反射角にそれぞれ対応する角度に配置された２つの受光ファイバーと、前記２つの受光ファイバーにそれぞれ接続される２つの受光装置とを有することを特徴とする請求項８に記載の研磨終点検出装置。
【請求項１７】
積層された上層と下層とを有する被研磨物の研磨装置であって、
研磨面を有する研磨パッドと、
前記研磨パッドと前記被研磨物とを相対移動させる相対移動機構と、
研磨終点検出装置とを備え、
前記研磨終点検出装置は、
第１の光および第２の光をそれぞれ第１の入射角および第２の入射角で前記被研磨物の被研磨面に照射する投光部と、
前記被研磨面で反射した前記第１の光および第２の光を受光する受光部と、
前記受光部と前記被研磨面との間に配置された偏光フィルターと、
前記偏光フィルターを通じて前記受光部により受光された前記第１の光および第２の光から前記被研磨面の明度および彩度を分析する処理部とを有し、
前記処理部は、前記被研磨面の明度および彩度の変化に基づいて、前記上層が除去されたことを検出し、
前記研磨パッドは、前記第１の光および第２の光を通過させる通孔を有することを特徴とする研磨装置。
【請求項１８】
前記第１の入射角は、前記上層のブリュースター角±１０度の範囲から選択された角度であり、前記第２の入射角は、前記下層のブリュースター角±１０度の範囲から選択された角度であることを特徴とする請求項１７に記載の研磨装置。
【請求項１９】
前記処理部は、前記第１の光および第２の光の少なくとも一方から分析された前記被研磨面の明度および彩度が急激に変化したときに、前記上層が除去されたと判断することを特徴とする請求項１７に記載の研磨装置。
【請求項２０】
前記処理部は、前記第１の光から分析された前記被研磨面の明度および彩度が、前記第２の光から分析された前記被研磨面の明度および彩度を上回ったときに、前記上層が除去されたと判断することを特徴とする請求項１７に記載の研磨装置。
【請求項２１】
前記処理部は、
前記被研磨面の色を、Ｒ成分、Ｇ成分、Ｂ成分に分解し、
前記Ｒ成分、Ｇ成分、Ｂ成分から、前記被研磨面の明度および彩度を定量化することを特徴とする請求項１７に記載の研磨装置。
【請求項２２】
前記処理部は、
前記Ｒ成分、Ｇ成分、Ｂ成分の定量化された値であるＲ値、Ｇ値、Ｂ値を取得し、
前記Ｒ値、Ｇ値、Ｂ値の平均値、自乗平均値、分散、標準偏差、または前記Ｒ値、Ｇ値、Ｂ値のそれぞれに係数を掛けた値の合計値のいずれかであるＲＧＢ評価値を算出し、
前記ＲＧＢ評価値を前記被研磨面の明度として定義することを特徴とする請求項２１に記載の研磨装置。
【請求項２３】
前記処理部は、
前記Ｒ値、Ｇ値、Ｂ値の差分を求め、
前記Ｒ値、Ｇ値、Ｂ値の差分を前記被研磨面の彩度として定義することを特徴とする請求項２２に記載の研磨装置。
【請求項２４】
前記投光部は、光源と、該光源の光を前記第１の光および第２の光を含む平行光にする第１のレンズと、該平行光を被研磨面上の一点に集束させる第２のレンズとを有し、
前記受光部は、前記第２のレンズを通して平行光となった反射光を受光することを特徴とする請求項１７に記載の研磨装置。
【請求項２５】
前記投光部は、光源と、前記第１の光および第２の光をそれぞれ被研磨面に投光する２つの投光ファイバーとを有し、
前記受光部は、前記第１の光および第２の光の反射角にそれぞれ対応する角度に配置された２つの受光ファイバーと、前記２つの受光ファイバーにそれぞれ接続される２つの受光装置とを有することを特徴とする請求項１７に記載の研磨装置。
【請求項２６】
前記通孔と前記被研磨面とにより形成された空間を液体で満たす液体供給源を有することを特徴とする請求項１７に記載の研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、研磨終点検出方法、研磨終点検出装置、および研磨装置に関し、特に、積層された複数の層の研磨終点を検出する研磨終点検出方法および研磨終点検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスである集積回路は様々な工程を経て製造される。その製造工程の１つであるＳＴＩ（Shallow  Trench  Isolation）は、集積回路の微細化を実現する上で重要とされるプロセスである。このＳＴＩとは、ウェハ（典型的にはシリコンウェハ）上に形成されるトランジスタなどの素子間を絶縁層によって電気的に分離する技術である。
【０００３】
図１は、ＳＴＩの一工程を示す断面図であり、シリコンウェハに形成された溝（トレンチ）に絶縁層であるＳｉＯ２層が埋め込まれた状態を示している。図１に示すように、シリコンウェハ１の表面とＳｉＯ２層２との間には、ＳｉＮ層（Ｓｉ３Ｎ４）３および熱酸化膜パッド４が形成される。ＳｉＯ２層２は、ＳｉＮ層３が露出するまでＣＭＰ（Chemical  Mechanical  Polishing）により研磨される。ＳｉＯ２層２の下地層として形成されるＳｉＮ層３はポリッシングストッパーとして機能し、ＣＭＰによってシリコンウェハ１の表面がダメージを受けてしまうことを防止する。ＣＭＰ後、エッチングなどの工程によってＳｉＮ層３や熱酸化膜パッド４が除去され、シリコンウェハ１の表面を露出させる。
【０００４】
ＳｉＯ２層２の研磨終点を検出する方法として、研磨されている表面の干渉色を監視して、この干渉色の変化から終点を検知する分光式終点検出が知られている。しかしながら、ＳｉＯ２層２と、その下地となっているＳｉＮ層３は、相互に近い屈折率を有しているため、干渉色が互いに似ている。このため、分光式終点検出方法では、干渉色の変化から研磨終点を検知することは難しい。
【０００５】
ＳｉＯ２層２の研磨終点を検出する他の方法として、レーザ光を層の表面に入射させ、反射光の強度の変化から研磨終点を検知する方法がある。しかしながら、この方法には次のような欠点がある。レーザ光は単色であるため、層の厚さが変化するにしたがって、反射光が周期的に消える。これは、層の表面で反射したレーザ光と、層を通過して下地層の表面で反射したレーザ光との干渉条件が、層の厚さに依存して変化するからである。このような反射光の周期的な強度の変化は、正確な研磨終点検出を妨げる。また、一般に、ウェハの表面には回路パターンが形成されているため、指向性の高いレーザ光が、回路パターンの影響により、予期しない角度で反射することがある。その結果、反射されたレーザ光を受光することができない。
【０００６】
【特許文献１】特表２００３−５３１７３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたもので、積層された複数の層を有する被研磨物の研磨終点を正確に検出することができる研磨終点検出方法、研磨終点検出装置、および該研磨終点検出装置を備えた研磨装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、積層された上層と下層とを有する被研磨物の研磨終点を検出する方法であって、研磨中に、第１の光および第２の光をそれぞれ第１の入射角および第２の入射角で前記被研磨物の被研磨面に照射し、前記被研磨面で反射した前記第１の光および第２の光を偏光フィルターを通じて受光し、受光した前記第１の光から前記被研磨面の明度および彩度を分析し、同時に、受光した第２の光から前記被研磨面の明度および彩度を分析し、前記被研磨面の明度および彩度の変化に基づいて、前記上層が除去されたことを検出することを特徴とする。
【０００９】
ここで、本発明の原理について図２を参照して説明する。屈折率の異なる２つの物質の界面に光を照射すると、ある入射角では界面からＰ偏光が反射しなくなる。この入射角はブリュースター角と呼ばれており、２つの物質の屈折率から既知の公式を用いて求められる。図３は、入射角によって変化するＰ偏光およびＳ偏光の反射率を示すグラフである。図３に示すように、空気とＳｉＯ２との屈折率から導かれるブリュースター角は５５．４度であり、空気とＳｉＮの屈折率から導かれるブリュースター角は６３．４度である。
【００１０】
図２において、光がブリュースター角θ付近で界面に入射すると、反射光は、ほぼＳ偏光のみとなる（図２では、この反射光を符号１００で表す）。入射した光の一部は、物質を通過して下層の表面で反射する（図２では、この反射光を符号１０１で表す）。反射光１００と反射光１０１とは互いに干渉し、干渉色を構成する。
【００１１】
図２に示すように、Ｓ偏光をカットする偏光フィルター１０２を反射光１００，１０１の光路に置くと、ほぼＳ偏光のみからなる反射光１００は実質的に偏光フィルター１０２によってカットされる。一方、反射光１０１のＳ偏光は偏光フィルター１０２によってカットされ、ほぼＰ偏光のみが通過する。この状態では、反射光１００と反射光１０１とが干渉する成分は非常に少ないので、偏光フィルター１０２を通して観察される干渉色は薄く、かつ反射光は暗くなる。
【００１２】
本発明の方法および装置は、この物理現象を利用して研磨終点を検出する。すなわち、本発明の研磨終点検出は、上層および下層にそれぞれ対応するブリュースター角（±１０度の範囲内）で第１の光および第２の光を被研磨面に照射し、その反射光の光路に配置された偏光フィルターを通じて被研磨面の明度および彩度を監視する。そして、被研磨面の明度および彩度が急に低下または上昇した時点を検出することで、上層が除去されたと判断する。被研磨面に照射される光は、上記第１の光および第２の光を含む光であってもよい。例えば、ある程度の断面積を持つ光を、被研磨面の垂線から５０度以上の角度で被研磨面に照射し、被研磨面からの反射光の所定の複数領域を、それぞれ第１の光、第２の光、・・・とすることができる。
【００１３】
本発明の好ましい態様は、前記第１の入射角は、前記上層のブリュースター角±１０度の範囲から選択された角度であり、前記第２の入射角は、前記下層のブリュースター角±１０度の範囲から選択された角度であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第１の光および第２の光の少なくとも一方から分析された前記被研磨面の明度および彩度が急激に変化したときに、前記上層が除去されたと判断することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第１の光から分析された前記被研磨面の明度および彩度が、前記第２の光から分析された前記被研磨面の明度および彩度を上回ったときに、前記上層が除去されたと判断することを特徴とする。
【００１４】
本発明の好ましい態様は、前記被研磨面の色を、Ｒ成分、Ｇ成分、Ｂ成分に分解し、前記Ｒ成分、Ｇ成分、Ｂ成分から、前記被研磨面の明度および彩度を定量化することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記Ｒ成分、Ｇ成分、Ｂ成分の定量化された値であるＲ値、Ｇ値、Ｂ値を取得し、前記Ｒ値、Ｇ値、Ｂ値の平均値、自乗平均値、分散、標準偏差、または前記Ｒ値、Ｇ値、Ｂ値のそれぞれに係数を掛けた値の合計値のいずれかであるＲＧＢ評価値を算出し、前記ＲＧＢ評価値を前記被研磨面の明度として定義することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記Ｒ値、Ｇ値、Ｂ値の差分を求め、前記Ｒ値、Ｇ値、Ｂ値の差分を前記被研磨面の彩度として定義することを特徴とする。
【００１５】
本発明の他の態様は、積層された上層と下層とを有する被研磨物の研磨終点を検出する装置であって、第１の光および第２の光をそれぞれ第１の入射角および第２の入射角で前記被研磨物の被研磨面に照射する投光部と、前記被研磨面で反射した前記第１の光および第２の光を受光する受光部と、前記受光部と前記被研磨面との間に配置された偏光フィルターと、前記偏光フィルターを通じて前記受光部により受光された前記第１の光および第２の光から前記被研磨面の明度および彩度を分析する処理部とを備え、前記処理部は、前記被研磨面の明度および彩度の変化に基づいて、前記上層が除去されたことを検出することを特徴とする。
【００１６】
本発明の他の態様は、積層された上層と下層とを有する被研磨物の研磨装置であって、研磨面を有する研磨パッドと、前記研磨パッドと前記被研磨物とを相対移動させる相対移動機構と、研磨終点検出装置とを備え、前記研磨終点検出装置は、第１の光および第２の光をそれぞれ第１の入射角および第２の入射角で前記被研磨物の被研磨面に照射する投光部と、前記被研磨面で反射した前記第１の光および第２の光を受光する受光部と、前記受光部と前記被研磨面との間に配置された偏光フィルターと、前記偏光フィルターを通じて前記受光部により受光された前記第１の光および第２の光から前記被研磨面の明度および彩度を分析する処理部とを有し、前記処理部は、前記被研磨面の明度および彩度の変化に基づいて、前記上層が除去されたことを検出し、前記研磨パッドは、前記第１の光および第２の光を通過させる通孔を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、被研磨面の明度および彩度は、研磨終点において急峻に変化するので、被研磨面の明度および彩度の変化に基づいて研磨終点を正確に検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図４は、本発明の一実施形態に係る研磨装置の全体構成を示す模式図である。図４に示すように、研磨装置は、研磨テーブル１０と、研磨テーブル１０の上面に貼付けられた研磨パッド１２と、研磨対象物である基板Ｗを保持して研磨パッド１２に押圧するトップリング１４と、研磨パッド１２に研磨液（スラリー）を供給する研磨液供給ノズル１５とを備えている。研磨テーブル１０は、その下方に配置されるモータ（図示せず）に連結されており、軸心周りに回転可能になっている。
【００１９】
研磨パッド１２の上面１２ａは、研磨対象物である基板Ｗが摺接される研磨面を構成している。基板Ｗは、図１に示すように、ＳｉＮ層と、その上に形成されたＳｉＯ２層とを有している。これらＳｉＯ２層およびＳｉＮ層は、いずれも絶縁層である。なお、本実施形態では、上下に積層されたＳｉＯ２層およびＳｉＮ層を有する基板を研磨する例について説明されるが、本発明は、ＳｉＯ２層およびＳｉＮ層以外の絶縁層の研磨にも適用することができる。
【００２０】
トップリング１４は、トップリングシャフト１８を介してモータ及び昇降シリンダ（図示せず）に連結されている。これにより、トップリング１４は昇降可能かつトップリングシャフト１８周りに回転可能となっている。このトップリング１４の下面には、基板Ｗが真空吸着等によって保持される。
【００２１】
トップリング１４の下面に保持された基板Ｗはトップリング１４によって回転させられつつ、回転している研磨テーブル１０上の研磨パッド１２に押圧される。このとき、研磨液供給ノズル１５から研磨パッド１２の研磨面１２ａに研磨液が供給され、基板Ｗの被研磨面（下面）と研磨パッド１２との間に研磨液が存在した状態で基板Ｗが研磨される。本実施形態においては、基板Ｗと研磨パッド１２とを相対移動させる機構は、研磨テーブル１０およびトップリング１４によって構成される。
【００２２】
研磨テーブル１０には、その上面で開口する孔２０が形成されている。また、研磨パッド１２には、この孔２０に対応する位置に通孔２１が形成されており、孔２０と通孔２１とは連通している。孔２０はロータリージョイント２２を介して液体供給源２５および排出流路２６に連結されている。液体供給源２５からは、透明な液体として純水が孔２０に供給され、基板Ｗの裏面（下面）と通孔２１とによって形成される空間を満たし、排出流路２６を通じて排出されるようになっている。
【００２３】
研磨装置は、基板Ｗの研磨終点を検出する研磨終点検出装置３０を有している。この研磨終点検出装置３０は、光（好ましくは白色光）を基板Ｗに照射する投光部３１と、基板Ｗからの反射光を受光する受光部としてのＣＣＤカメラ３２とを備えている。ＣＣＤカメラ３２は、基板Ｗの被研磨面で反射する光を受光して該被研磨面の画像を生成する撮像装置である。なお、受光部として、ＣＭＯＳなどのイメージセンサを用いた撮像装置や、分光器などを用いてもよい。投光部３１およびＣＣＤカメラ３２は、研磨テーブル１０の内部に設置されている。研磨終点検出装置３０は、ＣＣＤカメラ３２によって取得された画像を分析する処理部３３をさらに備えている。
【００２４】
図５は研磨終点検出装置３０の投光部３１を示す拡大図である。図５に示すように、投光部３１は、光源４０と、拡散する光源４０の光を平行光（互いに平行に進行する光の束）に変える第１のレンズ４１と、第１のレンズ４１を通過した平行光を偏光させる偏光フィルター４２とを有している。この偏光フィルター４２は、第１のレンズ４１を通過した平行光を、Ｐ偏光とＳ偏光とが同程度に含まれる平行光に調整するものである。具体的には、偏光フィルター４２によって、平行光は４５度に偏光した光に変換される。
【００２５】
投光部３１は、さらに、ビームスプリッター４３、反射板４４、および第２のレンズ４５を有する。反射板４４および第２のレンズ４５は、孔２０（図４参照）の内部に配置されている。偏光フィルター４２を通過することによって偏光された平行光の一部は、ビームスプリッター４３および反射板４４によってその進行方向が変えられ、第２のレンズ４５を通過して研磨パッド１２上の基板Ｗに入射する。第２のレンズ４５は、平行光を基板Ｗの表面上の一点に収束させる収束レンズである。基板Ｗからの反射光は、第２のレンズ４５によって再び平行光に変換され、反射板４４およびビームスプリッター４３を経由してＣＣＤカメラ３２によって受光される。ＣＣＤカメラ３２の前には偏光フィルター４７が配置されている。この偏光フィルター４７は、ＣＣＤカメラ３２に入射する光の偏光方向を調整することが可能であり、本実施形態では、Ｓ偏光をカットしている。
【００２６】
図４に示すように、研磨テーブル１０に形成された孔２０の側壁の一部は透明な窓（例えば、透明アクリル）２３で構成されている。この透明な窓２３は、孔２０を流れる純水の流出を防ぎつつ、光の進行を許容するためのものである。ＣＣＤカメラ３２は処理部３３に接続されており、ＣＣＤカメラ３２によって取得された画像は処理部３３に送信される。処理部３３は画像を分析し、被研磨面の彩度と明度を定量化する。さらに、処理部３３は、定量化された明度および彩度から研磨終点を検出する。処理部３３は、研磨終点を検知したことを示す信号を制御部５０に送信し、制御部５０はこの信号を受けて研磨装置の研磨動作を停止させるようになっている。
【００２７】
本実施形態では、第２のレンズ４５によって基板Ｗの表面上の１点に収束される光の入射角の範囲は、０〜７０度の範囲に設定されている。したがって、この入射角の範囲には、光が空気中からＳｉＯ２に入射したときのブリュースター角である５５．４度（以下、これを第１の角度θ１という）と、光が空気中からＳｉＮに入射したときのブリュースター角である６３．４度（以下、これを第２の角度θ２という）とが含まれる。すなわち、投光部３１から発せられる光には、第１の角度θ１で基板Ｗの表面に入射する第１の光と、第２の角度θ２で基板Ｗの表面に入射する第２の光とが含まれる。
【００２８】
上述したブリュースター角は、ＳｉＯ２，ＳｉＮが空気に接触している場合の値である。一方、ＳｉＯ２，ＳｉＮが液体に接触している場合は、ブリュースター角の値は変わる。例えば、図４に示すように、光路が水で満たされている場合は、ＳｉＯ２のブリュースター角θ１は４７．５度であり、ＳｉＮのブリュースター角θ２は５６．４度となる。
【００２９】
図６は、ＣＣＤカメラ３２によって取得された画像を模式的に示す図である。図６において、符号Ａ１は、ＳｉＯ２のブリュースター角である第１の角度θ１に対応する第１の領域を表し、符号Ａ２は、ＳｉＮのブリュースター角である第２の角度θ２に対応する第２の領域を表している。研磨の初期段階では、基板Ｗの表面にはＳｉＯ２層が露出しているので、第１の領域Ａ１では、図２を参照して説明した理由により、明度および彩度が低い（言い換えれば、グレー色に近く、かつ暗い）。一方、第２の領域Ａ２を含む他の領域では、第１の領域Ａ１に比べて、明度および彩度が高い（言い換えれば、色彩が豊かで、かつ明るい）。
【００３０】
研磨が進行してＳｉＯ２層が除去されると、第１の領域Ａ１の明度および彩度は急に高くなる。また、ＳｉＮ層が表面に露出すると、第２の領域Ａ２では、明度および彩度が急に低くなる。処理部３３は、ＣＣＤカメラ３２から送られてくる画像を分析し、第１の領域Ａ１および第２の領域Ａ２の明度および彩度を定量化し、第１の領域Ａ１および第２の領域Ａ２の少なくとも一方の明度および彩度が急激に変化したことを検出することにより、研磨終点に達したと判断する。好ましくは、処理部３３は、第１の領域Ａ１の明度および彩度が、第２の領域Ａ２の明度および彩度を上回ったときに、研磨終点に達したと判断する。
【００３１】
画像の明度および彩度の定量化は次のようにして行われる。処理部３３は、第１の領域（ＳｉＯ２のブリュースター角である第１の角度θ１に対応する領域）Ａ１および第２の領域（ＳｉＮのブリュースター角である第２の角度θ２に対応する領域）Ａ２でのＲＧＢヒストグラムを作成する。図７はＲＧＢヒストグラムを示す図である。図７に示すように、ＲＧＢヒストグラムは、色の濃度を横軸とし、頻度（すなわち、画素数）を縦軸とするグラフである。
【００３２】
処理部３３は、第１の領域Ａ１および第２の領域Ａ２の色をＲ（赤）成分、Ｇ（緑）成分、Ｂ（青）成分に分解し、それぞれのＲ成分、Ｇ成分、Ｂ成分の濃度（強さ）と、その濃度を有する画素数との関係を示すグラフをヒストグラム上に作成する。次に、Ｒ成分、Ｇ成分、Ｂ成分それぞれの重心を求め、Ｒ成分、Ｇ成分、Ｂ成分を定量化する。以下、Ｒ成分、Ｇ成分、Ｂ成分の定量化された値をそれぞれＲ値、Ｇ値、Ｂ値という。このＲ値、Ｇ値、Ｂ値は、例えばＲ成分、Ｇ成分、Ｂ成分のそれぞれの濃度（強さ）のピーク値、またはそれぞれのＲ成分、Ｇ成分、Ｂ成分の面積（すなわち、各成分を有する画素数の総和）とすることができる。
【００３３】
さらに、処理部３３は、Ｒ値、Ｇ値、Ｂ値の平均値（以下、ＲＧＢ評価値という）を求める。このＲＧＢ評価値は、画像の明度に依存して変化する。したがって、処理部３３は、ＲＧＢ評価値を被処理面の明度として定義し、このＲＧＢ評価値を監視する。なお、ＲＧＢ評価値として、Ｒ値、Ｇ値、Ｂ値の平均値のほかに、Ｒ値、Ｇ値、Ｂ値の自乗平均値、分散、標準偏差、または前記Ｒ値、Ｇ値、Ｂ値のそれぞれに係数を掛けた値の合計値を用いることもできる。
【００３４】
処理部３３は、さらに、Ｒ値、Ｇ値、Ｂ値の差分（以下、ＲＧＢ差分という）を計算し、このＲＧＢ差分を、被研磨面の彩度を表す指標として定義する。具体的には、次の式を用いて彩度を計算する。
（Ｒ値−Ｇ値）２＋（Ｒ値−Ｂ値）２＋（Ｇ値−Ｂ値）２
上記式によって求められるＲＧＢ差分の値は、画像の彩度に依存して変化する。より具体的には、画像の彩度が低下するとＲＧＢ差分の値は低下し、画像の彩度が上がるとＲＧＢ差分の値も上がる。このようにして、処理部３３は、第１の領域Ａ１および第２の領域Ａ２の明度および彩度を定量化する。なお、上述したＲＧＢ差分に代えて、標準偏差を彩度の指標としてもよい。
【００３５】
図８は、ブリュースター角で光が入射しているときの画像を分析して得られたＲＧＢヒストグラムを示す図である。図８に示すように、明度および彩度が低い画像のＲ成分、Ｇ成分、Ｂ成分の値は全体的に低く、かつＲ成分、Ｇ成分、Ｂ成分の全体としての幅が狭くなる。したがって、画像の明度および彩度を示すＲＧＢ評価値およびＲＧＢ差分は低くなる。
【００３６】
処理部３３は、第１の領域Ａ１のＲＧＢ評価値（すなわち明度）およびＲＧＢ差分（すなわち彩度）、および第２の領域Ａ２のＲＧＢ評価値（すなわち明度）およびＲＧＢ差分（すなわち彩度）を研磨中に監視する。第１の領域Ａ１および第２の領域Ａ２のいずれか一方のＲＧＢ評価値およびＲＧＢ差分が急激に変化したときは、ＳｉＯ２層が除去されたか、またはＳｉＮ層が露出したことを意味する。したがって、第１の領域Ａ１および第２の領域Ａ２のいずれか一方のＲＧＢ評価値およびＲＧＢ差分（すなわち、明度および彩度）が急激に変化したことを検出することにより、ＳｉＯ２層が除去されたことを検出することができる。好ましくは、処理部３３は、第１の領域Ａ１の明度および彩度が、第２の領域Ａ２の明度および彩度を上回ったときに、研磨終点に達したと判断する。なお、ＲＧＢ評価値およびＲＧＢ差分の急激な変化は、例えば、これらＲＧＢ評価値およびＲＧＢ差分を微分し、これら微分値が所定の閾値を超えたか否かを判断することによって検出することができる。
【００３７】
基板の表面の色は、膜の厚さに依存して変化することが知られている。これは、膜の表面で反射した光と、膜を透過して下地材料の表面で反射した光との干渉の度合いが膜の厚さに依存して変化するからである。また、基板の表面の色は、回路パターンによっても変わってくる。さらに、互いに近似する屈折率を有する膜は、互いに似た色を呈する。このため、色の絶対変化に基づいて研磨終点を検出することは難しい。本実施形態では、色の絶対変化を監視するのではなく、明度および彩度の相対変化を監視する。したがって、本実施形態によれば、膜の厚さ、屈折率、回路パターンの影響を受けることなく、正確な研磨終点を検出することができる。
【００３８】
なお、第１の角度θ１は、ＳｉＯ２のブリュースター角±１０度、好ましくは±５度の範囲から選択することができる。同様に、第２の角度θ２は、ＳｉＮのブリュースター角±１０度、好ましくは±５度の範囲から選択することができる。角度θ１，θ２の選択幅が１０度であっても、２つの光の変化（すなわち表面の明度および彩度の変化）を識別することは可能である。
【００３９】
鮮明な画像を取得するためには、研磨の間は、孔２０および通孔２１に純水を常に流通させておくことが好ましい。これにより、純水に混入した研磨液（例えばスラリー）を純水とともに排除することができる。また、光路を純水で満たすことにより、光の屈折や散乱に起因して被研磨面の情報にノイズが混入することが防止でき、また光量の低下を防止することができる。仮に、研磨パッドに透明な窓を設けて光を通過させると、光は空気、窓、被研磨面、窓、空気をこの順で通過し、それらの界面で光の屈折や散乱が発生してしまう。本実施形態によれば、純水と基板の表面との界面のみが存在するので、光の屈折や散乱を防止することができる。
【００４０】
なお、この実施形態において、孔２０に隣接して排出孔を設けて、純水（透明な液体）の供給と排出をそれぞれ独立して設けられた孔を通じて行ってもよい。また、研磨液の種類によっては、研磨テーブル１０に形成された孔２０の下端を透明なアクリルなどで塞ぎ、その孔２０および通孔２１に純水を溜めておいてもよい。
【００４１】
図９は、他の実施形態に係る研磨終点検出装置の一部を示す図である。なお、特に説明しない本実施形態の研磨終点検出装置および研磨装置全体の構成及び動作は、上述した実施形態と同様であるので、その重複する説明を省略する。
【００４２】
図９に示すように、投光部６０は、光（好ましくは白色光）を発する光源６１と、第１の角度θ１で基板Ｗの被研磨面に入射する第１の光を投光する第１の投光ファイバー６２Ａと、第２の角度θ２で基板Ｗの被研磨面に入射する第２の光を投光する第２の投光ファイバー６２Ｂとを有する。第１の投光ファイバー６２Ａおよび第２の投光ファイバー６２Ｂは、いずれも光源６１に接続されている。なお、第１の投光ファイバー６２Ａおよび第２の投光ファイバー６２Ｂの前方に、光を４５度に偏光させる偏光フィルターを設けることが好ましい。
【００４３】
受光部７０は、第１の光および第２の光の反射角にそれぞれ対応する角度に配置された第１の受光ファイバー７１Ａおよび第２の受光ファイバー７１Ｂと、基板Ｗの被研磨面で反射する第１の光および第２の光を、それぞれ第１の受光ファイバー７１Ａおよび第２の受光ファイバー７１Ｂを通じて受光する第１の光量検出器（受光装置）７２Ａおよび第２の光量検出器（受光装置）７２Ｂとを有している。なお、受光装置として、ＣＭＯＳなどのイメージセンサを用いた撮像装置や、分光器などを用いてもよい。第１の受光ファイバー７１Ａおよび第２の受光ファイバー７１Ｂと基板Ｗとの間には、Ｓ偏光をカットする偏光フィルター４７が配置されている。
【００４４】
研磨テーブル１０および研磨パッド１２には、透明なアクリルなどで形成された光透過性を有する導管７５が配置されている。この導管７５の上端は、研磨面よりもやや下方に位置し、円形または矩形状の断面を有している。この導管７５には、図４に示す液体供給源２５および排出流路２６が連結されている。第１の投光ファイバー６２Ａおよび第２の投光ファイバー６２Ｂと、第１の受光ファイバー７１Ａおよび第２の受光ファイバー７１Ｂは、この導管７５の両側に配置されている。
【００４５】
２つの光量検出器７２Ａ，７２Ｂは、図４に示す処理部３３に連結されている。処理部３３は光量検出器７２Ａ，７２Ｂによって取得された画像から、被研磨面の明度および彩度を分析する。それぞれの光量検出器７２Ａ，７２Ｂによって取得された２つの画像は、上述した実施形態の第１の領域Ａ１および第２の領域Ａ２にそれぞれ相当する。したがって、２つの画像に表される被研磨面の明度および彩度を処理部３３によって監視することで、上述した実施形態と同様のプロセスで研磨終点を検知することができる。
【００４６】
なお、第１の実施形態のように、第１の光および第２の光を含む光を基板に照射してもよく、第２の実施形態のように、互いに独立した第１の光および第２の光を基板に照射してもよい。いずれの実施形態も本発明の技術的思想の範囲に含まれることは言うまでもない。なお、第１の光および第２の光を含む光を基板に照射する他の実施形態としては、ある程度の断面積を持つ光を基板の表面に当てて、基板からの反射光の所定の部分を第１の光、第２の光、・・・とする例が挙げられる。この場合の光の入射角は５０度以上であることが好ましい。
【００４７】
上述した各実施形態は、当該技術分野に属する者が本発明を実施できることを目的として説明されたものであり、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】ＳＴＩの一工程を示す断面図である。
【図２】本発明の研磨終点検出の原理を説明する図である。
【図３】入射角によって変化するＰ偏光およびＳ偏光の反射率を示すグラフである。
【図４】本発明の一実施形態に係る研磨装置の全体構成を示す模式図である。
【図５】研磨終点検出装置の投光部を示す拡大図である。
【図６】ＣＣＤカメラによって取得された画像を模式的に示す図である。
【図７】ＲＧＢヒストグラムを示す図である。
【図８】ブリュースター角で光が入射しているときの画像を分析して得られたＲＧＢヒストグラムを示す図である。
【図９】他の実施形態に係る研磨終点検出装置の一部を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０      研磨テーブル
１２      研磨パッド
１４      トップリング
１５      研磨液供給ノズル
１８      トップリングシャフト
２０      孔
２１      通孔
２２      ロータリージョイント
２５      液体供給源
２６      排出流路
３０      研磨終点検出装置
３１      投光部
３２      ＣＣＤカメラ（受光部）
３３      処理部
４０      光源
４１      第１のレンズ
４２      偏光フィルター
４３      ビームスプリッター
４４      反射板
４５      第２のレンズ
４７      偏光フィルター
５０      制御部
６０      投光部
６１      光源
６２Ａ    第１の投光ファイバー
６２Ｂ    第２の投光ファイバー
７０      受光部
７１Ａ    第１の受光ファイバー
７１Ｂ    第２の受光ファイバー
７２Ａ    第１の光量検出器
７２Ｂ    第２の光量検出器
７５      導管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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