(57)【要約】【課題】膜厚および屈折率の複雑な解析をすることなく、エリプソメトリーを利用して速やかに研磨終点を検出することができる研磨終点検出方法および研磨装置を提供する。【解決手段】本発明の被研磨物の研磨終点を検出する方法は、被研磨物の表面に光を照射し、被研磨物からの反射光を受光し、反射光のＰ偏光とＳ偏光の位相差Δ、およびＰ偏光とＳ偏光の振幅比ψを取得し、振幅比ψおよび位相差Δを変数とした座標系に、取得された振幅比ψおよび位相差Δから決定される座標をプロットし、プロットされた座標の軌跡の変化に基づいて研磨終点を検出する。【選択図】図４
2009196002.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被研磨物の研磨終点を検出する方法であって、
前記被研磨物の表面に光を照射し、
前記被研磨物からの反射光を受光し、
前記反射光のＰ偏光とＳ偏光の位相差Δ、およびＰ偏光とＳ偏光の振幅比ψを取得し、
振幅比ψおよび位相差Δを変数とした座標系に、取得された前記振幅比ψおよび前記位相差Δから決定される座標をプロットし、
プロットされた前記座標の軌跡の変化に基づいて研磨終点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】
前記軌跡の規則性を予め取得し、
該規則性に基づいて研磨終点を検出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３】
前記座標の軌跡が前記規則性を逸脱したことを検出することにより、研磨終点を検出することを特徴とする請求項２に記載の研磨終点検出方法。
【請求項４】
前記座標が所定の範囲または閾値を超えた時点を検出することにより、研磨終点を検出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】
被研磨物の研磨終点を検出する方法であって、
前記被研磨物の表面に光を照射し、
前記被研磨物からの反射光を受光し、
前記反射光のＰ偏光とＳ偏光の位相差Δを取得し、
研磨時間ｔおよび位相差Δを変数とした座標系に、前記研磨時間ｔおよび取得された前記位相差Δから決定される座標をプロットし、
プロットされた前記座標の軌跡の変化に基づいて研磨終点を検出することを特徴とする研磨終点検出方法。
【請求項６】
被研磨物の研磨終点を検出する方法であって、
前記被研磨物の表面に光を照射し、
前記被研磨物からの反射光を受光し、
前記反射光のＰ偏光とＳ偏光の振幅比ψを取得し、
研磨時間ｔおよび振幅比ψを変数とした座標系に、前記研磨時間ｔおよび取得された前記振幅比ψから決定される座標をプロットし、
プロットされた前記座標の軌跡の変化に基づいて研磨終点を検出することを特徴とする研磨終点検出方法。
【請求項７】
研磨面と該研磨面で開口する通孔とを有する研磨パッドを保持する研磨テーブルと、
被研磨物を前記研磨面に押圧する押圧機構とを備え、
前記研磨面と前記被研磨物をと相対移動させて前記被研磨物を研磨する研磨装置であって、
前記通孔から前記被研磨物の表面に光を照射する投光部と、
前記被研磨物からの反射光を受光する受光部と、
前記反射光のＰ偏光とＳ偏光の位相差Δ、およびＰ偏光とＳ偏光の振幅比ψを取得する演算部と、
振幅比ψおよび位相差Δを変数とした座標系に、取得された前記振幅比ψおよび前記位相差Δから決定される座標をプロットし、プロットされた座標の軌跡の変化に基づいて研磨終点を検出する判定部と、
前記研磨装置の研磨動作を制御する制御部とを備えることを特徴とする研磨装置。
【請求項８】
前記受光部と前記被研磨物とを結ぶ光路に配置された、少なくとも１つの偏光子をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の研磨装置。
【請求項９】
前記少なくとも１つの偏光子は、
入射面に対して０度の角度で配置される第１の偏光子と、
入射面に対して９０度の角度で配置される第２の偏光子と、
前記第１の偏光子および前記第２の偏光子とは異なる角度で配置される少なくとも１つの偏光子であることを特徴とする請求項８に記載の研磨装置。
【請求項１０】
前記第１の偏光子および前記第２の偏光子とは異なる角度で配置される前記少なくとも１つの偏光子は、入射面に対して４５度の角度で配置される第３の偏光子と、入射面に対して１３５度の角度で配置される第４の偏光子であり、
前記演算部は、前記第１の偏光子、前記第２の偏光子、前記第３の偏光子、前記第４の偏光子を通過した反射光の強度から、前記位相差Δおよび前記振幅比ψを演算することを特徴とする請求項９に記載の研磨装置。
【請求項１１】
前記受光部は、
４つの光検出器と、
一端が前記４つの光検出器にそれぞれ接続され、他端が前記被研磨物の表面に近接して配置された４本の光ファイバーとを備え、
前記第１の偏光子、前記第２の偏光子、前記第３の偏光子、および前記第４の偏光子は、前記４つの光ファイバーの他端に取り付けられていることを特徴とする請求項１０に記載の研磨装置。
【請求項１２】
前記投光部は、白色光を発する発光器を有し、
前記４つの光ファイバーと前記４つの光検出器との間には、分光フィルタが設けられていることを特徴とする請求項１１に記載の研磨装置。
【請求項１３】
前記光の入射角は、前記被研磨物のブリュースター角±１０度の範囲内の角度であることを特徴とする請求項７に記載の研磨装置。
【請求項１４】
前記受光部はイメージセンサを有することを特徴とする請求項７に記載の研磨装置。
【請求項１５】
前記イメージセンサの画素の前面には、それぞれ偏光子が取り付けられていることを特徴とする請求項１４に記載の研磨装置。
【請求項１６】
前記投光部は、波長の異なる光を発する複数の光源を有することを特徴とする請求項７に記載の研磨装置。
【請求項１７】
前記投光部は、パルス点灯型の発光器を有することを特徴とする請求項７に記載の研磨装置。
【請求項１８】
前記制御部は、前記判定部が研磨終点を検出した時点から所定の時間が経過した後に研磨動作を停止させることを特徴とする請求項７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、研磨終点検出方法および研磨装置に関し、特に、積層された膜の研磨終点を検出する研磨終点検出方法および研磨装置に関する。
【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膜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）に絶縁膜であるＳｉＯ２膜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膜２との間には、ＳｉＮ膜（Ｓｉ３Ｎ４）３および熱酸化膜パッド４が形成される。ＳｉＯ２膜２は、ＳｉＮ膜３が露出するまでＣＭＰ（Chemical  Mechanical  Polishing）により研磨される。ＳｉＯ２膜２の下地膜として形成されるＳｉＮ膜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膜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】
研磨対象膜の研磨終点を検出する方法として、エリプソメトリー（偏光解析法）が知られている。このエリプソメトリーは、基板上の膜に直線偏光を当て、膜からの反射光のＰ偏光とＳ偏光との位相差Δ、およびＰ偏光とＳ偏光との振幅比ψを計測し、測定値Δ，ψから膜の屈折率および膜厚を決定する技術である。
【０００５】
膜の屈折率および膜厚は、測定値Δ，ψから直接計算により求めることができない。このため、エリプソメトリーでは、光学モデルを予め用意し、カーブフィッティングなどの手法を用いて膜厚および屈折率が解析される。しかしながら、この膜厚および屈折率の解析は複雑であり、膜厚の決定にある程度の時間を要する。研磨装置における研磨終点検出機能は、被研磨物の品質に大きな影響を与える。特に過研磨に対する精度要求は厳しく、これを防止するためには膜の状態を測定すると共に下層膜の表出などの終点を素早く判断して、研磨を終了する必要があった。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−３２７９３８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、膜厚および屈折率の複雑な解析をすることなく、エリプソメトリーを利用して速やかに研磨終点を検出することができる研磨終点検出方法および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、被研磨物の研磨終点を検出する方法であって、前記被研磨物の表面に光を照射し、前記被研磨物からの反射光を受光し、前記反射光のＰ偏光とＳ偏光の位相差Δ、およびＰ偏光とＳ偏光の振幅比ψを取得し、振幅比ψおよび位相差Δを変数とした座標系に、取得された前記振幅比ψおよび前記位相差Δから決定される座標をプロットし、プロットされた前記座標の軌跡の変化に基づいて研磨終点を検出することを特徴とする。
【０００９】
本発明の好ましい態様は、前記軌跡の規則性を予め取得し、該規則性に基づいて研磨終点を検出することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記座標の軌跡が前記規則性を逸脱したことを検出することにより、研磨終点を検出することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記座標が所定の範囲または閾値を超えた時点を検出することにより、研磨終点を検出することを特徴とする。
【００１０】
本発明の他の態様は、被研磨物の研磨終点を検出する方法であって、前記被研磨物の表面に光を照射し、前記被研磨物からの反射光を受光し、前記反射光のＰ偏光とＳ偏光の位相差Δを取得し、研磨時間ｔおよび位相差Δを変数とした座標系に、前記研磨時間ｔおよび取得された前記位相差Δから決定される座標をプロットし、プロットされた前記座標の軌跡の変化に基づいて研磨終点を検出することを特徴とする。
【００１１】
本発明の他の態様は、被研磨物の研磨終点を検出する方法であって、前記被研磨物の表面に光を照射し、前記被研磨物からの反射光を受光し、前記反射光のＰ偏光とＳ偏光の振幅比ψを取得し、研磨時間ｔおよび振幅比ψを変数とした座標系に、前記研磨時間ｔおよび取得された前記振幅比ψから決定される座標をプロットし、プロットされた前記座標の軌跡の変化に基づいて研磨終点を検出することを特徴とする。
【００１２】
本発明の他の態様は、研磨面と該研磨面で開口する通孔とを有する研磨パッドを保持する研磨テーブルと、被研磨物を前記研磨面に押圧する押圧機構とを備え、前記研磨面と前記被研磨物をと相対移動させて前記被研磨物を研磨する研磨装置であって、前記通孔から前記被研磨物の表面に光を照射する投光部と、前記被研磨物からの反射光を受光する受光部と、前記反射光のＰ偏光とＳ偏光の位相差Δ、およびＰ偏光とＳ偏光の振幅比ψを取得する演算部と、振幅比ψおよび位相差Δを変数とした座標系に、取得された前記振幅比ψおよび前記位相差Δから決定される座標をプロットし、プロットされた座標の軌跡の変化に基づいて研磨終点を検出する判定部と、前記研磨装置の研磨動作を制御する制御部とを備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明の好ましい態様は、前記受光部と前記被研磨物とを結ぶ光路に配置された、少なくとも１つの偏光子をさらに備えることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記少なくとも１つの偏光子は、入射面に対して０度の角度で配置される第１の偏光子と、入射面に対して９０度の角度で配置される第２の偏光子と、前記第１の偏光子および前記第２の偏光子とは異なる角度で配置される少なくとも１つの偏光子であることを特徴とする。
【００１４】
本発明の好ましい態様は、前記第１の偏光子および前記第２の偏光子とは異なる角度で配置される前記少なくとも１つの偏光子は、入射面に対して４５度の角度で配置される第３の偏光子と、入射面に対して１３５度の角度で配置される第４の偏光子であり、前記演算部は、前記第１の偏光子、前記第２の偏光子、前記第３の偏光子、前記第４の偏光子を通過した反射光の強度から、前記位相差Δおよび前記振幅比ψを演算することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記受光部は、４つの光検出器と、一端が前記４つの光検出器にそれぞれ接続され、他端が前記被研磨物の表面に近接して配置された４本の光ファイバーとを備え、前記第１の偏光子、前記第２の偏光子、前記第３の偏光子、および前記第４の偏光子は、前記４つの光ファイバーの他端に取り付けられていることを特徴とする。
【００１５】
本発明の好ましい態様は、前記投光部は、白色光を発する発光器を有し、前記４つの光ファイバーと前記４つの光検出器との間には、分光フィルタが設けられていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記光の入射角は、前記被研磨物のブリュースター角±１０度の範囲内の角度であることを特徴とする請求項６に記載の研磨装置。
【００１６】
本発明の好ましい態様は、前記受光部はイメージセンサを有することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記イメージセンサの画素の前面には、それぞれ偏光子が取り付けられていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記投光部は、波長の異なる光を発する複数の光源を有することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記投光部は、パルス点灯型の発光器を有することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記制御部は、前記判定部が研磨終点を検出した時点から所定の時間が経過した後に研磨動作を停止させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、反射光のＰ偏光とＳ偏光との位相差ΔおよびＰ偏光とＳ偏光との振幅比ψの少なくとも一方の変化を監視して研磨終点を検出するので、膜厚および屈折率を解析する必要がない。したがって、速やかに研磨終点を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説明する。
図２は、本発明に係る研磨終点検出方法の原理を説明するための図である。本発明の一実施形態では、図２に示すエリプソメータを用いて、Ｐ偏光とＳ偏光との位相差と、Ｐ偏光とＳ偏光との振幅比をそれぞれ示す２つのパラメータΔ，ψを測定する。なお、図２に示すエリプソメータは、回転偏光子型のエリプソメータである。
【００１９】
図２において、光源１０からの光は、偏光子１１を通過することにより直線偏光となる。この直線偏光は、位相板１２を通過した後、基板Ｗ上の膜８の表面に照射される。偏光子１１は固定されており、例えば、入射面（入射光と反射光を含む平面）に対して４５度に傾いた直線偏光を作り出す。膜８を含む基板Ｗからの反射光は偏光子１４を通過して光検出器１５により受光される。偏光子１４は、図示しないモータによって回転されるようになっている。測定中は、このモータにより偏光子１４を回転させ、偏光子１４の回転角度と光検出器１５で得られる反射光の強度からΔ，ψが求められる。この２つの値Δ，ψを算出する方法は、公知の技術を用いることができる。
【００２０】
測定されたΔ，ψの値は、Δを縦軸とし、ψを横軸としたψ−Δ座標系にプロットされる。測定値を示す座標（ψ，Δ）は、研磨時間（すなわち膜厚の減少）とともにψ−Δ座標系上を、ある軌跡を描いて移動する。この座標（ψ，Δ）の軌跡は、媒質、膜、および基板の種類と、光の波長に依存する。言い換えれば、媒質、膜、および基板の種類と、光の波長が同一であれば、座標（ψ，Δ）は、膜厚の減少に伴って同じ規則性を持つ軌跡を描く。
【００２１】
図３（ａ）乃至図３（ｃ）は、Ｓｉ基板１上に膜厚１５０ｎｍのＳｉＮ膜３が形成され、その上に膜厚５００ｎｍのＳｉＯ２膜２が形成されている積層構造を示す断面図である。最上層であるＳｉＯ２膜２に接する媒質として、純水（Ｈ２Ｏ）が使用されている。なお、媒質として、空気を用いることもできる。この研磨処理では、ＳｉＮ膜３上のＳｉＯ２膜２が完全に除去された後（図３（ｂ）参照）、ＳｉＮ膜３が最大で１０ｎｍほど除去されたときに研磨を終了する（図３（ｃ）参照）。好ましくは、ＳｉＯ２膜２が完全に除去された時点で研磨を終了させる。
【００２２】
図４は、研磨処理中に測定したΔ，ψの値をψ−Δ座標系上にプロットして得られる座標（ψ，Δ）の軌跡を示す図である。図４では、光源として波長６３３ｎｍの光が用いられている。図４に示すように、座標（ψ，Δ）は、まず、点Ａ１からスタートし、ＳｉＯ２膜が除去されている間は、楕円軌道上を移動する。ＳｉＯ２膜が除去されると、座標（ψ，Δ）は、楕円軌道を逸脱し、異なる軌道を描いて移動する。
【００２３】
座標（ψ，Δ）が楕円軌道から逸脱するということは、ＳｉＯ２膜が除去され、その下地膜であるＳｉＮ膜が露出したことを意味する。図４では、このときの座標は、点Ａ２で示されている。ＳｉＮ膜が研磨（除去）されている間は、座標（ψ，Δ）は、ＳｉＯ２膜研磨時の楕円軌跡とは異なる軌跡を描いて移動する（点Ａ３，点Ａ４参照）。点Ａ５は、ＳｉＮ膜が完全に除去された時点を示す。ここで、点Ａ３，点Ａ４では不連続な変化に見えるが、点Ａ３（Δ＝３６０度）と点Ａ４（Δ＝０度）は同じ意味を持つので実際は連続的な変化である。
【００２４】
図３（ｂ）に示す、ＳｉＯ２膜が除去された時点は、図４の点Ａ２に対応する。したがって、研磨中に座標（ψ，Δ）の軌跡を監視し、座標が規則性のある軌道を逸脱した点（Ａ２）を検出することによって、研磨終点を検出することができる。なお、ψを縦軸とし、Δを横軸としたΔ−ψ座標系に座標（Δ，ψ）をプロットしても同様の結果が得られる。
【００２５】
座標軌道の逸脱（ＳｉＯ２膜の除去）を検出するための具体的方法としては、いくつかの方法が挙げられる。座標軌道の逸脱を検出するための一例は、予め座標軌道の範囲または閾値を定めておき、座標がその設定された範囲または閾値を超えたか否かを判断することである。図４に示す例では、ＳｉＯ２膜の研磨中は、楕円軌道を描いて座標（ψ，Δ）が移動する。そして、楕円軌道のほぼ頂点から、ＳｉＮ膜研磨時の座標軌道が開始される。そこで、この例では、ＳｉＯ２膜の研磨中のΔの閾値として、楕円軌道の頂点に近い３００度を予め設定し、Δの値がこの閾値を超えたときに、座標軌道が逸脱した（すなわち、ＳｉＯ２膜が除去された）と判断することができる。
【００２６】
図５は、座標軌道の逸脱を検出する方法を説明するための他の例を示す図である。この例では、ＳｉＯ２膜の研磨を示す座標軌道は、近似的な数式で表される。すなわち、点線で示すように、ＳｉＯ２膜の研磨を示す座標軌道は、次の楕円の公式を用いて近似的に表されている。
（ψ−α）２／ａ２＋（Δ−β）２／ｂ２＝１        （１）
上式（１）から、次の式（２）が導かれる。
Δ＝β±（ｂ／ａ）×［{ａ＋（ψ−α）}{ａ−（ψ−α）}］１／２    （２）
【００２７】
上記式（２）において、定数ａ，ｂ，α，βは、実測値または理論値から予め求められる。例えば、図５の例においては、ａは約２０、ｂは約６０、αは約２７、βは約２３０に設定される。Δ，ψの値は測定により求められる。測定されたψの値は、式（２）に代入され、予想値Δtar１，Δtar２が求められる。そして、測定されたΔの値と、予想値Δtar１，Δtar２とは、次の式（３），（４）により比較される。
Δtar１−Ｃ＜Δの測定値＜Δtar１＋Ｃ        （３）
Δtar２−Ｃ＜Δの測定値＜Δtar２＋Ｃ        （４）
ただし、Ｃは、検出性能に依存して決定された所定の許容値である。ＳｉＯ２膜の除去を速やかに検出するためには、Ｃは０．５度以下であることが好ましい。
【００２８】
Δの測定値が、上記式（３），（４）のいずれも満たさない場合は、ＳｉＯ２膜が除去されたと判断され、上記式（３），（４）のどちらかを満たす場合は、ＳｉＯ２膜は除去されていないと判断される。例えば、ａが約２０、ｂが約６０、αが約２７、βが約２３０の場合において、ψの測定値４０度を式（２）に代入すると、２つの解１８４，２７５（＝Δtar１，Δtar２）が得られる。ここで許容値Ｃを２度とすると、Δの範囲は、上記式（３），（４）から、次のように決定される。
１８２＜Δの測定値＜１８６      （３）’
２７３＜Δの測定値＜２７７      （４）’
【００２９】
上述した座標軌道の逸脱を判断する方法は例示であり、本発明はこれらの方法に限定されない。例えば、ＳｉＯ２膜の研磨中の値ψ，Δおよびその値に近い許容値（範囲または閾値）を記憶したテーブルを予め用意し、測定された値ψ，Δがそのテーブルで示された範囲または閾値から外れたときに、座標軌道が逸脱したと判断するようにしてもよい。また、膜によって規則性が異なる複数の基準座標軌跡を予め取得しておき、研磨中に取得される座標軌跡がどの上記基準座標軌跡に当てはまるかを判断することにより研磨終点を検出するようにしてもよい。
【００３０】
また、座標のψ−Δ座標系上へプロットすることは、実際にψ−Δ座標系を作成して、その上に座標（ψ，Δ）をプロットすることを必ずしも意味しない。例えば、座標のψ−Δ座標系上へのプロットは、ψ，Δの測定値を座標として記憶することも含む。この場合でも、ψ，Δの値が上述した範囲または閾値を超えたときに、座標軌道が逸脱したと判断することができる。
【００３１】
図６は、波長４３６ｎｍの光を用いたときの座標（ψ，Δ）が移動する軌跡を描いた図である。図６に示すように、ＳｉＯ２膜の研磨時の座標軌跡と、ＳｉＮ膜の研磨時の座標軌跡とが切り替わる点Ａ２では、これら２つの軌跡が重なっている。このため、ＳｉＯ２膜の除去を示す点Ａ２を検出することが難しい。このように、光の波長に依存して座標軌跡が変化するので、切り替え点（研磨終点）Ａ２が明確にψ−Δ座標系上に現われる光の波長を選択することが好ましい。
【００３２】
図７（ａ）は、Ｓｉ基板１の上にＳｉＯ２膜２が形成され、ＳｉＯ２膜２の上にＣｕ膜９が形成されている積層構造を示す断面図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）に示すＣｕ膜およびＳｉＯ２膜を研磨しているときの座標（ψ，Δ）の軌跡を示す図である。なお、媒質としては純水（Ｈ２Ｏ）が用いられており、入射光の波長は４３６ｎｍである。
【００３３】
図７（ｂ）において、点Ａ１は、Ｃｕ膜の研磨開始点を示している。Ｃｕ膜を研磨している間、座標（ψ，Δ）はほぼ水平に移動する。点Ａ２は、Ｃｕ膜が除去されて、その下地膜であるＳｉＯ２膜が表面に露出した時点を示している。ＳｉＯ２膜の研磨中は、座標（ψ，Δ）は図６に示す軌跡と同じ軌跡を描いて移動する。図７（ｂ）から分かるように、Ｃｕ膜の研磨からＳｉＯ２膜の研磨に切り替わる点(研磨終点)Ａ２は、比較的明確にψ−Δ座標系上に現われている。このように、本発明は、ＳｉＯ２膜やＳｉＮ膜などの絶縁膜の積層構造のみならず、金属膜と絶縁膜との積層構造にも適用することができる。
【００３４】
次に、本発明の他の実施形態に係る研磨終点検出方法について説明する。本実施形態では、Δまたはψの値の時間的変化を監視することにより、研磨終点を検出する。図８はΔの値の時間的変化を示すグラフであり、図９はψの値の時間的変化を示すグラフである。図８および図９において、点線は、ＳｉＯ２膜が除去されてＳｉＮ膜が表面に露出した時点を示している。ここで、図８ではΔが３６０度で不連続変化するように見えるが、Δの３６０度と０度は同じ意味を持つので実際は連続的な変化である。
【００３５】
研磨速度が一定の条件の下で基板上の膜を研磨すると、Δおよびψの値は光の波長に依存したほぼ一定の周期で規則的に変化する。これは、膜の表面および膜と基板との界面での多重反射により光学干渉が起こるからである。Δおよびψは、偏光状態を示す値であり、入射光と基板上の膜との相互作用によって変化する。したがって、表面に露出している膜の種類に依存して、Δおよびψの値の変化の仕方が変わってくる。
【００３６】
図８では、Δを縦軸とし、研磨時間（ｔ）を横軸としたｔ−Δ座標系上に座標（ｔ，Δ）がプロットされている。図９では、ψを縦軸とし、研磨時間（ｔ）を横軸としたｔ−ψ座標系上に座標（ｔ，ψ）がプロットされている。図８および図９に示すように、ＳｉＯ２膜の研磨時の座標の軌跡と、ＳｉＮ膜の研磨時の座標の軌跡は異なっている。したがって、座標軌跡の規則性から座標が逸脱した点を検出することにより、研磨終点（ＳｉＯ２膜の除去）を検出することができる。座標軌跡の変化点を検出する具体的な方法としては、上述の実施形態と同様に、ｔ，ψの値が予め設定された範囲または閾値を超えた時点を検出する方法を採用することができる。
【００３７】
図１０は、本発明の一実施形態に係る研磨装置を示す模式図である。図１０に示すように、研磨装置は、研磨パッド２２を保持する研磨テーブル２０と、基板Ｗを保持して研磨パッド２２に押圧するトップリング（押圧機構）２４と、研磨パッド２２に研磨液（スラリー）を供給する研磨液供給ノズル２５とを備えている。研磨テーブル２０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。研磨テーブル２０の上面には、研磨パッド２２が固定されている。
【００３８】
研磨パッド２２の上面２２ａは、基板Ｗが摺接される研磨面を構成している。トップリング２４は、トップリングシャフト２８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２４は昇降可能かつトップリングシャフト２８周りに回転可能となっている。このトップリング２４の下面には、基板Ｗが真空吸着等によって保持される。
【００３９】
トップリング２４の下面に保持された基板Ｗはトップリング２４によって回転させられつつ、回転している研磨テーブル２０上の研磨パッド２２に押圧される。このとき、研磨液供給ノズル２５から研磨パッド２２の研磨面２２ａに研磨液が供給され、基板Ｗと研磨パッド２２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と研磨面２２ａとを相対移動させる機構は、研磨テーブル２０およびトップリング２４によって構成される。
【００４０】
研磨テーブル２０には、その上面で開口する孔３０が形成されている。また、研磨パッド２２には、この孔３０に対応する位置に通孔３１が形成されており、孔３０と通孔３１とは連通している。通孔３１は、研磨面２２ａで開口しており、通孔３１の径は約３ｍｍである。孔３０はロータリージョイント３２を介して液体供給源３５および排出流路３６に連結されている。研磨中は、液体供給源３５からは、透明な液体として水（好ましくは純水）が孔３０に供給され、基板Ｗの下面と通孔３１とによって形成される空間を満たし、排出流路３６を通じて排出されるようになっている。
【００４１】
研磨装置は、研磨終点検出装置４０を有している。この研磨終点検出装置４０は、光を基板Ｗに照射する投光部４１と、基板Ｗからの反射光を受光する受光部４２と、受光部４２によって受光された反射光の強度から、振幅比ψおよび位相差Δを取得する演算部４３とを備えている。これら投光部４１および受光部４２は、研磨テーブル２０の内部に設置されている。研磨終点検出装置４０は、演算部４３によって取得された振幅比ψおよび位相差Δから研磨終点を検出する判定部４４をさらに備えている。
【００４２】
図１１（ａ）は研磨終点検出装置４０の投光部４１および受光部４２を示す拡大図である。図１１（ａ）に示すように、投光部４１は、第１の光源５０Ａおよび第２の光源５０Ｂからなる光源５０と、光源５０からの光を基板Ｗ上の膜まで導く光ファイバー５１と、光ファイバー５１の出口に取り付けられた偏光子５２とを備えている。光ファイバー５１は、光源５０から孔３０および通孔３１を通って基板Ｗの近傍位置まで延びている。
【００４３】
図１１（ｂ）は偏光子を示す平面図である。図１１（ｂ）に示すように、偏光子５２は入射面に対して４５度傾いた状態で光ファイバー５１に取り付けられている。光源５０からの光は、光ファイバー５１に導かれて偏光子５２を通過し、これにより、入射面から４５度傾いた直線偏光となる。直線偏光は、基板Ｗ上の膜の表面に斜めに入射する。光の入射角は、膜（多層膜であれば最上層）と媒質（本実施形態では水）との屈折率から導かれるブリュースター角±１０度の範囲内の角度であることが好ましい。
【００４４】
第１の光源５０Ａと第２の光源５０Ｂは、互いに異なる波長の光を発するように構成されており、第１の光源５０Ａと第２の光源５０Ｂとを切り替えることにより、基板Ｗ上の膜に入射する光の波長を変えることができるようになっている。これら第１の光源５０Ａと第２の光源５０Ｂとしては、発光ダイオード（ＬＥＤ）、パルス点灯型の発光器、白色光を発する発光器などを用いることができる。なお、波長の異なる光を発する光源を３つ以上設けてもよい。
【００４５】
受光部４２は、膜を含む基板Ｗからの反射光を受ける４本の光ファイバー５５と、光ファイバー５５にそれぞれ接続される光検出器５６とを備えている。図１１（ａ）では、４本の光ファイバー５５が束になった状態が示されている。これら光ファイバー５５の先端には、４つの偏光子５８Ａ，５８Ｂ，５８Ｃ，５８Ｄがそれぞれ取り付けられており、膜からの反射光は４つの偏光子５８Ａ〜５８Ｄを通過した後、光ファイバー５５に導かれて光検出器５６に受光される。各光検出器５６は、それぞれの偏光子５８Ａ〜５８Ｄを通過した光の強度を測定する。光検出器５６としては、フォトダイオードやイメージセンサ（ＣＣＤなど）が用いられる。なお、光源に白色光を発する発光器を用いる場合は、光ファイバー５５と光検出器５６との間に分光フィルタが配置される。
【００４６】
図１１（ｃ）は４つの偏光子５８Ａ，５８Ｂ，５８Ｃ，５８Ｄの配置を示す平面図である。図１１（ｃ）に示すように、４つの偏光子５８Ａ，５８Ｂ，５８Ｃ，５８Ｄは、互いに異なる角度で配置されている。より詳しくは、偏光子５８Ａの入射面からの角度は０度であり、偏光子５８Ｂの入射面からの角度は４５度であり、偏光子５８Ｃの入射面からの角度は９０度であり、偏光子５８Ｄの入射面からの角度は１３５度である。
【００４７】
光検出器５６は、演算部４３に接続されている。この演算部４３は、４つの偏光子５８Ａ〜５８Ｄを通過した反射光の強度から、Ｐ偏光とＳ偏光との位相差Δと、Ｐ偏光とＳ偏光との振幅比ψを演算する。以下、振幅比および位相差を演算するアルゴリズムの一例について説明する。
【００４８】
上述したように、それぞれの偏光子５８Ａ，５８Ｂ，５８Ｃ，５８Ｄを通過した光の強度（ｍＷ）は、光検出器５６で測定される。以下、４つの偏光子５８Ａ，５８Ｂ，５８Ｃ，５８Ｄを通過した光の強度を示す４つの値を、図１２に示すように、便宜的にそれぞれＰ０，Ｐ４５，Ｐ９０，Ｐ１３５で表す。演算部４３は、光検出器５６によって測定された光の強度Ｐ０，Ｐ４５，Ｐ９０，Ｐ１３５の中から、最も強い２つを選択する。選択された光の強度を、ここでは［Ｗ１，Ｗ２］と定義する。
【００４９】
選択された［Ｗ１，Ｗ２］は、次の４つの組み合わせのうちどれかになる。すなわち、［Ｐ０，Ｐ４５］、［Ｐ４５，Ｐ９０］、［Ｐ９０，Ｐ１３５］、［Ｐ１３５，Ｐ０］のいずれかの組み合わせである。これ以外の組み合わせの場合、または選択された光の強度と選択されていない光の強度との差が小さい場合には、偏光していない光または偏光が弱い光であるので、演算部４３は位相差Δと振幅比ψの演算不可と判断する。
【００５０】
選択された２つの光の強度から、次の式（５）を用いて位相差Δが求められる。
Δ＝Ｗ２×４５／（Ｗ１＋Ｗ２）＋基準角度        （５）
ここで、基準角度は、Ｗ１に選択された偏光子の角度である。
【００５１】
例えば、［Ｗ１，Ｗ２］として、［Ｐ４５（＝１ｍＷ），Ｐ９０（＝３ｍＷ）］の組み合わせが選択されたとする。この場合、基準角度は４５度となる。そして、Δは、上記式（５）から次のようにして求められる。
Δ＝３×４５／（１＋３）＋４５＝７８．７５度
以上の位相差Δの求め方は、偏光方向のピークをリニア補間式を用いて求める方法であるが、補間式はリニア補間式に限定されない。
【００５２】
一方、振幅比ψは、Ｐ偏光の強度とＳ偏光の強度との比であるので、次の式から求められる。
ψ＝（Ｐ０）／（Ｐ９０）        （６）
このようにして、異なる角度で配置された４つの偏光子５８Ａ〜５８Ｄを用いることにより、偏光子自体を回転させることなく、振幅比ψおよび位相差Δを求めることができる。
【００５３】
なお、上述した研磨装置において、４つの偏光子に代えて、１つの偏光子を回転させながら振幅比ψおよび位相差Δを測定する従来の回転偏光子型の構成を採用することができる。しかしながら、上述した実施形態によれば、偏光子を回転させる必要がないので、従来の回転偏光子型の構成に比べて、短時間で振幅比ψおよび位相差Δを求めることができるという利点が得られる。
【００５４】
研磨中は、孔３０および通孔３１に水（好ましくは純水）が流れているので、研磨液が水と共に排出され、これにより光の光路が確保される。判定部４４は、演算部４３によって求められた振幅比ψおよび位相差Δを用いて、上述の研磨終点検出方法に従って研磨終点を検出する。判定部４４は、研磨終点を検知したことを示す信号を制御部４５に送信し、制御部４５はこの信号を受けて研磨装置の研磨動作を停止させる。研磨終点検出の信頼性を高めるために、制御部４５は、判定部４４からの信号を受けてから所定の時間が経過した後に研磨動作を停止させることが好ましい。
【００５５】
図１３は、研磨終点検出装置の他の構成例を示す拡大図である。この構成例では、光検出器（受光機器）としてＣＣＤ（イメージセンサ）６０が用いられている。このＣＣＤ６０は研磨パッド２２に形成された通孔３１内に配置されている。ＣＣＤ６０の前面には、複数の偏光子を有する偏光子アレイ６１が貼り付けられている。
【００５６】
図１４（ａ）は、偏光子アレイを示す模式図である。図１４（ａ）に示すように、偏光子アレイ６１は、規則的に配列された複数の偏光子を有している。これらの偏光子は、図１１（ｃ）に示す偏光子５８Ａ〜５８Ｄと同じように、異なる角度で配置された４種類の偏光子６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃ，６１Ｄから構成されている。すなわち、偏光子６１Ａの入射面からの角度は０度であり、偏光子６１Ｂの入射面からの角度は４５度であり、偏光子６１Ｃの入射面からの角度は９０度であり、偏光子６１Ｄの入射面からの角度は１３５度である。
【００５７】
図１４（ｂ）はＣＣＤを示す模式図である。偏光子アレイ６１は、図１４（ｃ）に示すように、このＣＣＤ６０の前面に取り付けられる。偏光子アレイ６１の偏光子は、ＣＣＤ６０の画素６０ａの前面にそれぞれ取り付けられており、これによりＣＣＤ６０の各画素６０ａは、上述した４種類のいずれかの偏光子６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃ，６１Ｄを通過した光を受光する。ＣＣＤ６０はケーブル６３を介して演算部４３に連結されている。演算部４３は、上述した４つの偏光子を用いる方法と同じアルゴリズムで、振幅比ψおよび位相差Δを求める。
【００５８】
これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その特許請求の範囲によって定められる技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【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】図３（ａ）乃至図３（ｃ）は、Ｓｉ基板上に膜厚１５０ｎｍのＳｉＮ膜が形成され、その上に膜厚５００ｎｍのＳｉＯ２膜が形成されている積層構造を示す断面図である。
【図４】研磨処理中に測定したψ，Δの値をψ−Δ座標系上にプロットして得られる座標（ψ，Δ）の軌跡を示す図である。
【図５】座標軌道の逸脱を検出する方法を説明するための例を示す図である。
【図６】波長４３６ｎｍの光を用いたときの座標（ψ，Δ）が移動する軌跡を描いた図である。
【図７】図７（ａ）は、Ｓｉ基板の上にＳｉＯ２膜が形成され、ＳｉＯ２膜の上にＣｕ膜が形成されている積層構造を示す断面図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）に示すＣｕ膜およびＳｉＯ２膜を研磨しているときの座標（ψ，Δ）の軌跡を示す図である。
【図８】Δの値の時間的変化を示すグラフである。
【図９】ψの値の時間的変化を示すグラフである。
【図１０】本発明の一実施形態に係る研磨装置を示す模式図である。
【図１１】図１１（ａ）は研磨終点検出装置の投光部および受光部を示す拡大図である。図１１（ｂ）は偏光子を示す平面図である。図１１（ｃ）は４つの偏光子の配置を示す平面図である。
【図１２】４つの偏光子を通過した光の強度を示す４つの値を表した図である。
【図１３】研磨終点検出装置の他の構成例を示す拡大図である。
【図１４】図１４（ａ）は、偏光子アレイを示す模式図であり、図１４（ｂ）はＣＣＤを示す模式図であり、図１４（ｃ）は図１４（ａ）に示す偏光子アレイと図１４（ｃ）に示すＣＣＤとを組み合わせた図である。
【符号の説明】
【００６０】
１０      光源
１１      偏光子
１２      位相板
２０      研磨テーブル
２２      研磨パッド
２４      トップリング
２５      研磨液供給ノズル
２８      トップリングシャフト
３０      孔
３１      通孔
３２      ロータリージョイント
３５      液体供給源
３６      排出流路
４０      研磨終点検出装置
４１      投光部
４２      受光部
４３      演算部
４４      判定部
４５      制御部
５０      光源
５１      光ファイバー
５２      偏光子
５５      光ファイバー
５６      光検出器
５８Ａ〜５８Ｄ  偏光子
６０      ＣＣＤ
６１      偏光子アレイ
６３      ケーブル
【図１】
2009196002.tif 000003
【図２】
2009196002.tif 000004
【図３】
2009196002.tif 000005
【図４】
2009196002.tif 000006
【図５】
2009196002.tif 000007
【図６】
2009196002.tif 000008
【図７】
2009196002.tif 000009
【図８】
2009196002.tif 000010
【図９】
2009196002.tif 000011
【図１０】
2009196002.tif 000012
【図１１】
2009196002.tif 000013
【図１２】
2009196002.tif 000014
【図１３】
2009196002.tif 000015
【図１４】
2009196002.tif 000016