JP7197999B2

JP7197999B2 - 研磨装置および研磨パッド

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Description

本実施形態は、研磨装置および研磨パッドに関する。

半導体製造プロセスのＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）工程では、基板上の研磨対象膜の残存膜厚を測定しながら研磨の終点検出が行われる。膜厚測定では、白色光を研磨対象膜に照射し、反射光のスペクトルを解析して研磨対象膜の膜厚を測定する。

従来の終点検出では、白色光は研磨パッドに予め設けられた孔もしくは透明窓を介して、水またはスラリを通過して基板表面に達する。通常、白色光の照射部と反射光の受光部は近接しており、白色光はほぼ垂直に基板に照射される。

しかしながら、研磨対象膜がシリコン酸化膜の場合、シリコン酸化膜と水の屈折率は近いので、研磨対象膜の表面と水との界面からの反射光が著しく弱くなる。この場合、研磨対象膜よりも下層の材料膜からの反射が研磨対象膜の表面からの反射光より強くなり、研磨対象の膜厚が正確に測定できなくなってしまうことがある。例えば、立体型メモリセルアレイの製造工程では、研磨対象膜の下に多数の積層膜が存在するので、研磨対象膜の膜厚を測定することが困難となる。

特開２００５－２９４３６５号公報特開２００９－１４２９６９号公報特開２００９－１９６００２号公報米国特許公開第２００７／００４２６７５号公報

研磨対象膜の膜厚を正確に測定することができる研磨装置および研磨パッドを提供する。

本実施形態による研磨装置は、研磨対象を保持する保持部を備える。研磨部は、研磨対象を研磨する。照射部は、研磨部の下方から照射光を研磨対象へ照射する。受光部は、研磨対象から反射した反射光を受けて該反射光の波長と光量との関係を検出する。研磨対象の第１面からの反射光のＳ偏光の第１光量および前記第１面とは反対側の研磨対象の第２面からの反射光のＳ偏光の第２光量が、研磨対象よりも下層からの反射光のＳ偏光の第３光量を上回るように、照射部は、研磨対象の研磨面に対して傾斜する方向から照射光を照射する。

第１実施形態による研磨装置の構成例を示す概略断面図。研磨テーブル、研磨ヘッド、照射部、受光部および開口部の位置関係を示す概略平面図。半導体基板、照射部および受光部の位置関係を示す概念図。半導体基板の構成例を示す断面図。第１～第３反射光のＳ偏光の光量と照射光の入射角との関係を示すグラフ。第１および第２反射光のＰ偏光の光量と照射光の入射角との関係を示すグラフ。シリコン酸化膜の膜厚が５００ｎｍ、４００ｎｍ、３００ｎｍのときの白色光の反射スペクトルを示すグラフ。シリコン酸化膜の膜厚が５００ｎｍ、４００ｎｍ、３００ｎｍのときの白色光の反射スペクトルを示すグラフ。シリコン酸化膜の膜厚が５００ｎｍ、４００ｎｍ、３００ｎｍのときの白色光の反射スペクトルを示すグラフ。反射スペクトルの変化量と入射角との関係を示すグラフ。第２実施形態による研磨装置の構成例を示す概略断面図。第３実施形態による研磨装置の構成例を示す概略断面図。第４実施形態による研磨装置の構成例を示す概略断面図。第５実施形態による研磨装置の構成例を示す概略断面図。第５実施形態による照射部および受光部の移動方法を示す概略断面図。第６実施形態による研磨装置の構成例を示す断面図。第７実施形態による研磨装置の構成例を示す概略断面図。第７実施形態による研磨装置の変形例を示す断面図。第７実施形態による研磨装置の変形例を示す断面図。第７実施形態による研磨装置の変形例を示す断面図。窓部の底面が半導体基板の研磨面あるいは研磨パッドの表面と略平行である比較例を示す断面図。第８実施形態による窓部の構成例を示す断面図。入射角θ_Ｉと傾斜角θ_ＴＩ、θ_ＴＯとの関係を示すグラフ。傾斜角θ_ＴＩ、θ_ＴＯと入射角θ_ＷＩ、放射角θ_ＷＯとの関係を示すグラフ。第８実施形態による窓部の構成例を示す断面図。第９実施形態による研磨装置の構成例を示す概略断面図。窓部の底面の傾斜角θ_ＴＩ、θ_ＴＯと角度θ_ＷＩ、θ_ＷＯとの関係を示すグラフ。第１０実施形態による研磨装置の構成例を示す概略平面図。第１０実施形態による研磨装置の構成例を示す概略断面図。第１０実施形態の変形例による研磨装置の構成例を示す概略平面図。第１０実施形態の他の変形例による研磨装置の構成例を示す概略平面図。第１０実施形態のさらに他の変形例による研磨装置の構成例を示す断面図。

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。図面は模式的または概念的なものであり、各部分の比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。明細書と図面において、既出の図面に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態による研磨装置の構成例を示す概略断面図である。研磨装置１００は、研磨パッド３と、研磨テーブル４と、研磨ヘッド６と、スラリ供給ノズル７と、ドレッサ機構９と、照射部１０と、受光部１１と、偏光フィルタ１６と、演算部８５とを備えている。

研磨パッド３は、研磨層１と、クッション層２とを含み、これらの二層で構成されている。研磨パッド３は研磨テーブル４上に固定設置されている。研磨パッド３は、研磨テーブル４とともに中心軸Ｓ１を中心として回転可能に構成されている。回転研磨部としての研磨パッド３および研磨テーブル４は、回転することによって、研磨対象としての半導体基板５上の材料膜の表面（以下、単に半導体基板５の表面ともいう）を研磨する。

研磨ヘッド６は、半導体基板５を保持した状態で中心軸Ｓ２を中心に回転可能に構成されている。研磨ヘッド６は、半導体基板５を研磨パッド３の表面に押圧しながら中心軸Ｓ１を中心に回転させる。このように、研磨パッド３の回転と研磨ヘッド６の回転によって、研磨装置１００は、半導体基板５の表面を研磨する。

スラリ供給ノズル７は、研磨パッド３の表面に砥粒を含むスラリ８を供給する。スラリ８は、研磨パッド３と半導体基板５との間に流れ込み、半導体基板５の表面を研磨する。このように、研磨装置１００は、スラリ８を供給しながら研磨パッド３上に半導体基板５の表面を擦ることによって半導体基板５の表面を研磨する。

ドレッサ機構９は、研磨中もしくは研磨後に研磨パッド３の表面状態を調整するために設けられている。

照射部１０は、研磨パッド３の下方から照射光Ｌ_Ｉを半導体基板５へ照射する。照射光Ｌ_Ｉは、例えば、白色光である。白色光は、研磨パッド３に設けられた開口部１２を介して半導体基板５の表面に到達し、半導体基板５の表面で反射して反射光Ｌ_Ｒとなる。反射光Ｌ_Ｒは、開口部１２を介して受光部１１で受光される。受光部１１は、偏光フィルタ１６を介して半導体基板５からの反射光Ｌ_Ｒを受けて該反射光Ｌ_Ｒの波長と光量との関係（スペクトル）を検出する。偏光フィルタ１６は、反射光Ｌ_ＲのうちＳ偏光を通過させ、Ｐ偏光を遮断する光学フィルタである。偏光フィルタ１６は、照射部１０から受光部１１までの光路の任意の位置に配置してよい。照射光Ｌ_Ｉおよび反射光Ｌ_Ｒの光路領域１３には、スラリ８の混入を防ぐために純水が満たされている。純水は、純水供給部１４から光路領域１３に供給されている。

研磨装置１００は、半導体基板５の表面に照射部１０からの白色光を入射し、反射光のスペクトルを解析して半導体基板５の表面に設けられた研磨対象膜の膜厚を測定する。膜厚測定において、演算部８５は、受光部１１と通信可能に接続されており、研磨対象膜の表層（第１表面）の界面からの反射光と該研磨対象膜の裏面（第２面）の界面からの反射光との干渉を利用することで研磨対象膜の膜厚を測定する。研磨装置１００は、測定された研磨対象膜の残存膜厚が所定値になったときに、研磨処理を終了する（終点検出）。本実施形態による膜厚測定については、後でより詳細に説明する。

図２は、研磨テーブル４、研磨ヘッド６、照射部１０、受光部１１および開口部１２の位置関係を示す概略平面図である。研磨テーブル４は、中心軸Ｓ１を中心に回転する。研磨ヘッド６は、半導体基板５を保持し研磨パッド３へ押圧しつつ、中心軸Ｓ２を中心に回転する。研磨パッド３に設けられている開口部１２は、研磨ヘッド６に保持された半導体基板５の中央部の軌道１５上に設けられており、スリット状に形成されている。照射部１０および受光部１１は、開口部１２を挟んで互いに反対側に略直線状に配置されている。

図３は、半導体基板５、照射部１０および受光部１１の位置関係を示す概念図である。照射部１０からの照射光Ｌ_Ｉは所望の入射角θ_Ｉで半導体基板５の表面に入射し、入射角θ_Ｉとほぼ同じ角度の反射角θ_Ｒで反射された反射光Ｌ_Ｒが受光部１１で受光される。

図４は、半導体基板５の構成例を示す断面図である。例えば、半導体基板５は、シリコン基板１８と、シリコン酸化膜１９、２１、２３と、シリコン窒化膜２０、２２とを有する。シリコン酸化膜１９は、シリコン基板１８上に設けられており、約４０ｎｍの膜厚を有する。シリコン窒化膜２０は、シリコン酸化膜１９上に設けられており、約４０ｎｍの膜厚を有する。シリコン酸化膜１９とシリコン窒化膜２０とは、繰り返し積層されており、図４では、それぞれ８層が積層されている。シリコン酸化膜１９とシリコン窒化膜２０との積層の上には、シリコン酸化膜２１が設けられている。シリコン酸化膜２１の膜厚は、約１００ｎｍである。シリコン窒化膜２２はシリコン酸化膜２１上に設けられており、約２００ｎｍの膜厚を有する。シリコン酸化膜２３はシリコン窒化膜２２上に設けられており、約４００ｎｍの膜厚を有する。研磨対象膜としてのシリコン酸化膜２３は、最上層であり、その最表面は、研磨される研磨面（第１面）となる。ただし、半導体基板５の構造は、これに限定されない。

シリコン酸化膜２１の下には、シリコン酸化膜１９とシリコン窒化膜２０の積層体およびシリコン基板１８がある。例えば、メモリセルを三次元的に配列した立体型メモリセルアレイの製造工程では、このように研磨対象膜としてのシリコン酸化膜２３の下に多数の材料膜が設けられている場合がある。この場合、照射光Ｌ_Ｉをシリコン酸化膜２３の研磨面に対して略垂直に入射させると（即ち、入射角０°の場合）、シリコン酸化膜２３からの反射光よりも下層の膜１９～２２からの反射光の光量が大きくなる場合がある。

例えば、純水とシリコン酸化膜２３の研磨面との界面からの反射光を第１反射光とし、シリコン酸化膜２３の裏面とシリコン窒化膜２２の表面との界面からの反射光を第２反射光とし、シリコン窒化膜２２の裏面とシリコン酸化膜２１の表面との界面からの反射光を第３反射光とし、シリコン酸化膜２１の裏面とシリコン窒化膜２０の表面との界面からの反射光を第４反射光とする。尚、シリコン酸化膜２３の裏面は、シリコン酸化膜２３の研磨面（第１面）とは反対側の面（第２面）である。

このとき入射角がほぼ０°の場合、水とシリコン酸化膜との屈折率差は比較的小さいので、第１反射光の光量は比較的小さい。これに対し、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との屈折率差は比較的大きいので、第２～第４反射光の光量は、第１反射光の光量を上回ってしまう。研磨対象としてのシリコン酸化膜２３の膜厚は、第１反射光と第２反射光との干渉による反射スペクトルの変化に基づいて測定される。しかし、入射角がほぼ０°の場合、第１反射光と第２反射光との干渉よりも、第２反射光と第３または第４反射光の干渉が強くなってしまい、高精度の終点検出を行うことが困難となってしまう。

そこで、本実施形態において、照射部１０は、半導体基板５の表面（シリコン酸化膜２３の研磨面）に対して傾斜する方向から白色光を照射する。以下、半導体基板５は、図４に示す構造を有するものとして説明するが、研磨対象としてのシリコン酸化膜２３の図示は省略されている。従って、研磨対象を半導体基板５と呼ぶ場合がある。

図５は、第１～第３反射光のＳ偏光の光量と照射光の入射角との関係を示すグラフである。図６は、第１および第２反射光のＰ偏光の光量と照射光の入射角との関係を示すグラフである。これらのグラフの横軸は、照射光の入射角である。縦軸は、反射光の光量である。反射光の光量は、照射光の光量を１とした比率で表されている。

図５に示すように、入射角θ_Ｉが大きくなると、第１反射光ＬｒＳ１の光量（Ｓ偏光の光量）が大きくなる。入射角θ_Ｉが７５．４°未満である場合、第１反射光ＬｒＳ１の光量は、第３反射光ＬｒＳ３の光量を下回っている。しかし、入射角θ_Ｉが７５．４°以上になると、第１反射光ＬｒＳ１の光量は、第３反射光ＬｒＳ３の光量を上回る。従って、第１反射光ＬｒＳ１と第２反射光ＬｒＳ２との干渉によるスペクトルの変化は、第２反射光ＬｒＳ２と第３反射光ＬｒＳ３との干渉によるスペクトルの変化よりも大きくなる。さらに下層からの反射光は、第３反射光ＬｒＳ３の光量よりも小さくなる。従って、第１反射光ＬｒＳ１と第２反射光ＬｒＳ２との干渉が、シリコン窒化膜２２よりも下層からの反射光同士の干渉の中で最も大きくなる。その結果、シリコン酸化膜２３の膜厚を正確に測定することができ、研磨処理の終点検出の精度を向上させることできる。

図６のグラフを参照すると、反射光ＬｒＰ１、ＬｒＰ２のＰ偏光の光量は、入射角θ_Ｉがブリュースター角となる点で０となる。さらに入射角θ_Ｉが大きくなると、第１反射光ＬｒＰ１のＰ偏光の光量は増大するが、第２反射光ＬｒＰ２のＰ偏光の光量は、第２反射光ＬｒＰ２のＳ偏光に比べて大幅に低い。このため、第１反射光ＬｒＰ１と第２反射光ＬｒＰ２とでは干渉を強めることができない。

このように、図５および図６のグラフから、第１反射光ＬｒＳ１と第２反射光ＬｒＳ２との反射スペクトル変化を他の反射光のそれよりも大きくするためには、入射角θ_Ｉを約７５．４°以上にし、かつ、反射光のＳ偏光を用いればよいことがわかる。入射角θ_Ｉを約７５．４°以上にし、かつ、反射光のＳ偏光を用いることによって、第１反射光ＬｒＳ１の光量（第１光量）および第２反射光ＬｒＳ２の光量（第２光量）が、シリコン酸化膜２３よりも下層からの反射光のＳ偏光の光量（第３光量）を上回る。これにより、シリコン酸化膜２３の下方に積層膜が存在しても、研磨装置１００は、シリコン酸化膜２３の膜厚の変化を正確に測定することができ、終点検出の精度を向上させることできる。

図７～図９は、シリコン酸化膜２３の膜厚が５００ｎｍ、４００ｎｍ、３００ｎｍのときの白色光の反射スペクトルを示すグラフである。図７は、入射角θ_Ｉが０°（垂直入射）のときＳ偏光の反射スペクトルを示すシミュレーション結果である。図８は、入射角θ_Ｉが７６°のときのＳ偏光の反射スペクトルを示すシミュレーション結果である。図９は、入射角θ_Ｉが７６．０°のときのＰ偏光の反射スペクトルを示すシミュレーション結果である。横軸は、照射光Ｌ_Ｉの波長を示す。照射光Ｌ_Ｉは、例えば、白色光であり、広範囲の波長領域の光を含む。縦軸は、照射光の光量１とした反射光の比率（反射率）である。

図７に示すように、入射角θ_Ｉが０°の場合、シリコン酸化膜２３の膜厚が変化しても、反射スペクトルはあまり変化しない。これに対し、図８に示すように、入射角θ_Ｉが７６．０°の場合、Ｓ偏光の反射光は、シリコン酸化膜２３の膜厚が変化すると、反射スペクトルが大きく変化している。図９に示すように、入射角θ_Ｉが７６．０°であっても、Ｐ偏光の反射光では、反射スペクトルの変化は大きいものの、全体の反射率がＳ偏光の反射光と比べて低い。

図１０は、反射スペクトルの変化量と入射角との関係を示すグラフである。横軸は、照射光Ｌ_Ｉの入射角θ_Ｉを示す。縦軸は、シリコン酸化膜２３の膜厚の変化による反射スペクトルの変化量を示す。例えば、反射スペクトルの変化量は、シリコン酸化膜２３の膜厚が５００ｎｍおよび４００ｎｍのときのスペクトルの差分の絶対値を、照射光Ｌ_Ｉの波長で積分した値である。反射スペクトルの変化量は、Ｐ偏光よりもＳ偏光において大きい。また、照射光Ｌ_Ｉの入射角θ_Ｉが大きいほど、Ｓ偏光およびＰ偏光は、反射スペクトルの変化量が増大する。特に、第１反射光ＬｒＳ１の光量が第３反射光ＬｒＳ３の反射光量を上回る入射角（７５．４°以上）において、反射スペクトルの変化量は顕著に増大している。

以上のように、本実施形態によれば、照射光Ｌ_Ｉの入射角θ_Ｉは、シリコン酸化膜２３の表面からの第１反射光のＳ偏光の光量およびシリコン酸化膜２３の裏面からの第２反射光のＳ偏光の光量が、シリコン酸化膜２３よりも下層からの反射光のＳ偏光の光量を上回るように設定される。例えば、入射角θ_Ｉは、約７５．４°以上に設定される。これにより、シリコン酸化膜２３の膜厚変化による反射スペクトルの変化量（第１反射光ＬｒＳ１の反射率と第２反射光ＬｒＳ２の反射率との差）が増大し、研磨処理の終点検出の精度を向上させることできる。

（第２実施形態）
図１１は、第２実施形態による研磨装置の構成例を示す概略断面図である。図１１には、開口部１２およびその周辺の構成を示す。第２実施形態による研磨装置１０２は、第１ミラー２９と、第２ミラー３０とをさらに備えている。第２実施形態では、照射部１０および受光部１１は、研磨パッド３の下方から略鉛直上方向へ出射面または受光面を向けて配置されている。第１反射部としての第１ミラー２９は、照射部１０からの照射光Ｌ_Ｉをシリコン酸化膜２３に対して傾斜する方向へ屈曲させる。第２反射部としての第２ミラー３０は、シリコン酸化膜２３からの反射光Ｌ_Ｒを受光部１１へ屈曲させる。第１ミラー２９は、純水で満たされた光路領域１３の上部内壁に設けられ、照射部１０の鉛直方向に配置されている。第１ミラー２９は、照射部１０からの照射光Ｌ_Ｉの方向を変更し、入射角θ_Ｉを所望の角度に変更することができる。第２ミラー３０も、純水で満たされた光路領域１３の上部内壁に設けられ、受光部１１の鉛直方向に配置されている。第２ミラー３０は、シリコン酸化膜２３からの反射光Ｌ_Ｒの方向を変更し、受光部１１へ到達させる。

このように、第１および第２ミラー２９、３０を配置することによって、照射部１０および受光部１１は、光路の延長線上に斜め配置する必要はなく、研磨テーブル４の任意の位置に配置することができる。照射部１０および受光部１１は比較的大きな部材であるので、図１１に示すようにそれぞれ第１および第２ミラー２９、３０の鉛直下方に縦に配置することによって、研磨テーブル４の大型化を抑制することができる。研磨テーブル４の大型化を抑制することによって、研磨装置の配置面積を抑制することができる。

第２実施形態のその他の構成および動作は、第１実施形態の対応する構成および動作と同様である。これにより、第２実施形態は、第１実施形態の効果もさらに得ることができる。

（第３実施形態）
図１２は、第３実施形態による研磨装置の構成例を示す概略断面図である。第３実施形態による研磨装置１０３は、光ファイバケーブル３１と、光ロータリジョイント３２と、光源３３と、検出部３４とをさらに備えている。光源３３および検出部３４は、研磨テーブル４の外部に配置されており、研磨テーブル４とともには回転せず、固定配置されている。光源３３および検出部３４は、光ファイバケーブル３１を介して光ロータリジョイント３２と光学的に接続されており、光ロータリジョイントからさらに光ファイバケーブル３１を介して照射部１０および受光部１１にそれぞれ光学的に接続されている。光源３３は、光ファイバケーブル３１および光ロータリジョイント３２を介して照射部１０に照射光Ｌ_Ｉを送る。検出部３４は、光ファイバケーブル３１および光ロータリジョイント３２を介して受光部１１からの反射光Ｌ_Ｒを光電変換して電気信号として検出する。

このように、光源３３および検出部３４を研磨テーブル４の外部に設置することによって、回転する研磨テーブル４の機構を小型化もしくは軽量化することができる。第３実施形態のその他の構成および動作は、第１実施形態の対応する構成および動作と同様である。これにより、第３実施形態は、第１実施形態の効果もさらに得ることができる。第３実施形態は、第２実施形態と組み合わせてもよい。尚、図１１において、純水供給部１４は設けられていてもよいが、その図示は省略されている。また、第１および第２実施形態において、光ファイバケーブル３１、光ロータリジョイント３２、光源３３および検出部３４の図示も省略されている。

（第４実施形態）
図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）は、第４実施形態による研磨装置の構成例を示す概略断面図である。図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）には、開口部１２およびその周辺の構成を示す。第４実施形態によれば、照射部１０は、シリコン酸化膜２３上において照射光Ｌ_Ｉが細長形状になるように照射光Ｌ_Ｉを照射する。例えば、照射部１０の出射部分は、細長いスリット形状に形成されており、照射光Ｌ_Ｉを入射角θ_Ｉの傾斜方向に長手方向を有する細長いスリット状に成形する。照射光Ｌ_Ｉがスリット状であることによって、反射光Ｌ_Ｒも細長いスリット状になる。受光部１１は、照射光Ｌ_Ｉの長手方向に配置されており、スリット状の反射光Ｌ_Ｒの一部を受光する。照射光Ｌ_Ｉで照射される半導体基板５の照射領域３６も、照射光Ｌ_Ｉと同様に入射角θ_Ｉの入射方向に細長いスリット状になる。

研磨パッド３が磨耗したり、研磨中の押圧力で圧縮されたり、別の構造を有する研磨パッドへ交換されると、研磨パッド３の厚みが変化する場合がある。研磨パッド３の厚みが変化すると、それに応じて照射部１０と基板５との間および受光部１１と基板５との間の鉛直方向の距離が変化する。従って、照射光Ｌ_Ｉを斜めに入射した場合、研磨パッド３の厚みが変化すると、シリコン酸化膜２３の照射位置は水平方向に変化する。例えば、研磨パッド３が比較的厚い積層構造（例えば、研磨層１およびクッション層２の積層構造）の場合、図１３（Ａ）に示すように、基板５における照射光Ｌ_Ｉの照射位置は開口部１２の右側にある。一方、研磨パッド３が薄い単層構造（例えば、研磨層１の単層構造）の場合、図１３（Ｂ）に示すように、基板５における照射光Ｌ_Ｉの照射位置は開口部１２の左側へ移動する。このような研磨パッド３の厚みの変化による照射光Ｌ_Ｉの照射位置の移動は、照射光Ｌ_Ｉの入射角θ_Ｉが大きいほど、大きくなる。

もし、照射光Ｌ_Ｉが短い形状を有する場合、研磨パッド３の厚みが変化したときに、照射光Ｌ_Ｉの照射位置が移動するため、受光部１１が反射光Ｌ_Ｒを受光することが困難になる場合がある。

これに対し、第４実施形態によれば、研磨パッド３の厚みが変化して、基板５（シリコン酸化膜２３）における照射領域３６が変化しても、照射光Ｌ_Ｉおよび反射光Ｌ_Ｒが照射方向に細長いスリット状であるので、受光部１１は、反射光Ｌ_Ｒの少なくとも一部を受光することができる。これにより、研磨パッド３の厚みが変化しても、研磨装置１０４は、シリコン酸化膜２３の膜厚を確実に測定することができる。

尚、本実施形態では、光路上の研磨パッド３を除去することで開口部１２が形成されている。従って、光路領域１３を純水で満たすためには、開口部１２の体積または面積が小さいことが好ましい。そのために、開口部１２は、照射光Ｌ_Ｉとともに細長いスリット状にすることが好ましい。

第４実施形態によれば、入射角θ_Ｉが小さくてもよいが、入射角θ_Ｉが大きいほど、その効果は大きい。例えば、照射領域３６の長手方向の長さＬ_ｒａｄは、基板５の鉛直方向の最大移動量（即ち、研磨パッド３の厚みの変化量）をｄ_Ｖｍａｘとすると、式１で表すことができる。

ｄ_Ｖｍａｘを１．５ｍｍとし、入射角が４５°とした場合、照射領域３６の長手方向の長さＬ_ｒａｄは、３．０ｍｍ以上とすることが好ましい。また、ｄ_Ｖｍａｘを１．５ｍｍとし、入射角が７５．４°とした場合、長さＬ_ｒａｄは、１１．５ｍｍ以上とすることが好ましい。これにより、研磨パッド３の厚みが変化しても、受光部１１が反射光Ｌ_Ｒを確実に受光することができる。

第４実施形態のその他の構成および動作は、第１実施形態の対応する構成および動作と同様でよい。従って、第４実施形態は、第１実施形態と同様の効果をさらに得ることができる。尚、図１３において、純水供給部１４は設けられていてもよいが、その図示は省略されている。

（第５実施形態）
図１４は、第５実施形態による研磨装置の構成例を示す概略断面図である。第５実施形態による研磨装置１０５は、移動機構８０と、研磨パッド厚測定部８１と、演算部８５と、記憶部８６とをさらに備えている。

移動機構８０は、照射部１０または受光部１１を略鉛直方向Ｄ１または略水平方向Ｄ２に移動させる。移動機構８０は、例えば、モータ、動力シリンダ等のアクチュエータである。照射部１０および受光部１１の移動方法については、図１５を参照して後で説明する。

ドレッサ機構９には、位置センサ８７が設けられており、位置センサ８７がドレッサ機構９の高さ位置を検知する。これにより、研磨パッド３の膜厚が測定され得る。研磨パッド厚測定部８１は、位置センサ８７に接続されており、ドレッサ機構９の高さ位置に基づいて研磨パッド３の膜厚の変化量を測定する。演算部８５は、距離推定部と、移動量計算部とを備えている。距離推定部は、研磨パッド３の膜厚の変化量に基づいて、半導体基板５と照射部１０との間のＤ１方向の距離、あるいは、半導体基板５と受光部１１との間のＤ１方向の距離の変化量を推定する。移動量計算部は、半導体基板５と照射部１０または受光部１１との間の距離変化量、および、入射角θ_Ｉに基づいて、照射部１０および／または受光部１１の移動量を計算する。移動機構８０は、移動量計算部からの移動量に従って照射部１０および／または受光部１１を移動させる。

図１５（Ａ）～図１５（Ｃ）は、第５実施形態による照射部１０および受光部１１の移動方法を示す概略断面図である。図１５（Ａ）では、研磨パッド３が比較的厚い積層構造（例えば、研磨層１およびクッション層２の積層構造）を有する。図１５（Ｂ）および図１５（Ｃ）では、研磨パッド３が比較的薄い単層構造（例えば、研磨層１の単層構造）を有する。

第５実施形態では、研磨パッド３の厚みが変化した場合に、移動機構８０は、受光部１１が反射光Ｌ_Ｒを受光できるようにするために、かつ、基板５における照射光Ｌ_Ｉの照射位置３７をほぼ同一位置に維持するために、照射部１０および受光部１１を略水平方向あるいは略鉛直方向へ移動させる。例えば、研磨パッド３が比較的厚い場合、照射部１０および受光部１１は、図１５（Ａ）に示す位置にある。研磨パッド３が薄くなった場合、移動機構８０は、図１５（Ａ）および図１５（Ｂ）に示すように照射部１０および受光部１１を略水平方向に移動させてもよい。あるいは、研磨パッド３が薄くなった場合、移動機構８０は、図１５（Ａ）および図１５（Ｃ）に示すように照射部１０および受光部１１を略鉛直方向に移動させてもよい。さらに、移動機構８０は、照射部１０および受光部１１の略水平方向の移動と略鉛直方向の移動とを組み合わせてもよい。

図１５（Ｂ）に示すように、照射部１０および受光部１１を略水平方向に移動させる場合、照射部１０および受光部１１のそれぞれの移動量ｍ_Ｈは、照射部１０または受光部１１と基板５との距離または該距離の変化量をｄ_Ｖとすると、式２で表すことができる。

図１５（Ｃ）に示すように、照射部１０および受光部１１を略鉛直方向に移動させる場合、照射部１０および受光部１１のそれぞれの移動量ｍ_Ｈは、基板５の鉛直方向の変化量（移動距離）ｄ_Ｖとほぼ等しい。

このように、第５実施形態によれば、研磨パッド厚測定部８１が研磨パッド３の厚みまたはその厚みの変化量を測定し、演算部８５が研磨パッド厚測定部８１で測定された研磨パッド３の厚みまたは該厚みの変化量に基づいて、照射部１０または受光部１１と基板５との距離の変化量ｄ_Ｖを推定する。尚、変化量ｄ_Ｖは、研磨パッド３の厚みの変化量と等しい場合もある。さらに、演算部８５は、変化量ｄ_Ｖに基づいて、照射部１０および受光部１１の移動量（移動距離）ｍ_Ｈを決定する。移動機構８０は、演算部８５から移動量ｍ_Ｈを受け取り、移動量ｍ_Ｈに従って照射部１０および受光部１１を略水平方向または略鉛直方向へ移動させる。

これにより、研磨パッド３の厚みが変化し基板５の位置が鉛直方向に移動しても、受光部１１が反射光Ｌ_Ｒを確実に受光できるように光路を制御することができる。また、研磨パッド３の厚みが変化し基板５の位置が鉛直方向に移動しても、基板５における照射光Ｌ_Ｉの照射位置３７をほぼ同一位置に維持することができる。その結果、研磨装置１０５は、終点検出の精度をさらに向上させることができる。

尚、第５実施形態によれば、入射角θ_Ｉが小さくてもよいが、入射角θ_Ｉが大きいほど、その効果は大きい。また、移動機構８０は、照射部１０および受光部１１を両方とも移動させてもよいが、いずれか一方のみを移動させてもよい。照射部１０および受光部１１の一方のみを移動させた場合、受光部１１は、反射光Ｌ_Ｒを受けることができるものの、基板５における照射光Ｌ_Ｉの照射位置３７は移動してしまう。従って、終点検出の精度は或る程度劣るが、移動機構８０の構成は小さくかつ簡略化することができる。

また、上記例では、研磨パッド３の厚みは、ドレッサ機構９に配置された位置センサ８７によって測定されている。しかし、位置センサ８７は、研磨ヘッド６に配置してもよいし、独立の機構として研磨パッド３上に設置してもよい。また、研磨パッド３の厚みは、位置センサ８７に代えて、光学センサ等のセンサを用いて測定してもよい。さらに、研磨パッド３の厚みは、基板５の研磨枚数、研磨パッド３の使用時間または研磨パッド３のドレッシング時間と研磨パッド３の厚みとの相関関係に基づいて推定されてもよい。基板５の研磨枚数、研磨パッド３の使用時間または研磨パッド３のドレッシング時間は、過去に処理された履歴情報から得られる。また、基板５の研磨枚数等と研磨パッド３の厚みとの相関関係も過去における研磨実績に基づいて算出される。これらの履歴情報および相関関係等は、予め記憶部８６に格納され、その後の研磨処理において研磨パッド３の厚みを算出するために演算部８５によって用いられる。

基板５と照射部１０または受光部１１との間の距離変化量は、研磨パッド３の厚みによらず、研磨ヘッド６と研磨テーブル４との間の距離に基づいて測定もしくは推定してもよい。この場合、研磨ヘッド６および研磨テーブル４に近接センサ等を配置して、研磨ヘッド６と研磨テーブル４との間の距離を測定すればよい。

第５実施形態は、第１～第４実施形態のいずれかに適用してもよい。第５実施形態を第２実施形態に適用する場合、移動機構８０は、照射部１０および／または受光部１１の位置に代えて、第１ミラー２９および／または第２ミラー３０の位置を移動させればよい。

第５実施形態において、研磨パッド３には開口部が設けられている。研磨パッド３の開口部には、第８～第１０実施形態による透過性の窓部（４６、６２）が設けられていてもよい。

（第６実施形態）
図４の半導体基板５は、研磨対象としてのシリコン酸化膜２３の下にシリコン窒化膜２２が設けられていたが、例えば、研磨対象としてのシリコン酸化膜２３の下にシリコン炭化膜がある場合、第１および第２反射光のＳ偏光の光量が第３反射光のＳ偏光の光量を上回るような入射角θ_Ｉは、約７８．６°以上となる。このように半導体基板５に設けられている積層構造の材料が異なると、適切な入射角θ_Ｉも変化する。

そこで、第６実施形態による研磨装置１０６は、角度調節機構８８と、構造入力部８９とを備えている。図１６は、第６実施形態による研磨装置の構成例を示す断面図である。駆動部としての角度調節機構８８は、構造入力部８９に入力された半導体基板５の構造に基づいて、第１および第２反射光のＳ偏光の光量が第３反射光のＳ偏光の光量を上回るように照射部１０および受光部１１の傾斜を変更する。

ユーザは、研磨対象としての半導体基板５の積層構造の材料等の情報を構造入力部８９に入力する。積層構造の情報は、記憶部８６に格納される。演算部８５内の入射角計算部は、積層構造の各材料の屈折率等を用いて、第１および第２反射光のＳ偏光の光量が第３反射光のＳ偏光の光量を上回るような入射角θ_Ｉを算出する。角度調節機構８８は、入射角計算部で算出された入射角θ_Ｉに従って、照射部１０および受光部１１の傾斜を調節する。

これにより、半導体基板５に設けられた積層構造の材料が異なる場合でも、第１および第２反射光のＳ偏光の光量が第３反射光のＳ偏光の光量を上回るように、入射角θ_Ｉを設定することができる。その結果、研磨装置１０６は、終点検出の精度を向上させることができる。

第６実施形態は、第１～第４実施形態のいずれかに適用してもよい。第６実施形態を第２実施形態に適用する場合、角度調節機構８８は、照射部１０および／または受光部１１の角度に代えて、第１ミラー２９および／または第２ミラー３０の角度を変更すればよい。

（第７実施形態）
図１７は、第７実施形態による研磨装置の構成例を示す概略断面図である。図１７には、開口部１２およびその周辺の構成を示す。第７実施形態による研磨装置１０７は、第１ミラー２９と、第２ミラー３０とを備えている点で第２実施形態と同じである。また、照射部１０および受光部１１がそれぞれ第１および第２ミラー２９、３０の鉛直下方に配置されている点でも第２実施形態と同じである。

しかし、第４実施形態では、光路変更機構３９が光路領域１３内に設けられている。光路変更機構３９は、光路領域１３内において半導体基板５の研磨面に対して略垂直方向に移動可能である。第１および第２ミラー２９、３０は、このような光路変更機構３９に配置されている。従って、第１および第２ミラー２９、３０は、光路変更機構３９とともに、半導体基板５の研磨面に対して略垂直方向に移動可能である。第１ミラー２９は、照射部１０から略鉛直上方向へ照射された照射光Ｌ_Ｉを半導体基板５に対して傾斜する方向へ屈曲させる。第２ミラー３０は、半導体基板５からの反射光Ｌ_Ｒを受光部１１へ屈曲させる。光路変更機構３９には、照射部１０および受光部１１を透過させる材料（例えば、石英ガラス）を用いている。

研磨パッド３には、開口部１２が設けられており、光路変更機構３９の上面は、研磨パッド３とともに半導体基板５の研磨面に接触している。光路変更機構３９の下方には、光路領域１３に純水を供給する純水供給部１４が設けられている。研磨処理の際には、純水供給部１４が光路領域１３に純水を供給することによって、光路変更機構３９を、純水の圧力によって押し上げる。これにより、光路変更機構３９は、半導体基板５の研磨面に押圧される。このとき、半導体基板５が研磨パッド３から浮き上がることを防ぎ、半導体基板５の研磨処理の妨げにならないように、光路変更機構３９を押し上げる圧力は、半導体基板５を研磨パッド３へ押し当てる研磨圧力より低いことが好ましい。

これにより、研磨パッド３の厚みが変化したときに、半導体基板５の略鉛直方向の移動に従って、光路変更機構３９は、半導体基板５によって押されて略鉛直方向へ移動する。これにより、研磨パッド３の厚みが変化しても、光路変更機構３９は、半導体基板５の研磨面と第１および第２ミラー２９、３０との間の距離を維持することができる。

尚、第７実施形態において、光路変更機構３９は、純水の圧力で半導体基板５に押圧されているが、純水に代えて他の透明な液体（流体）を用いても構わない。また、図示しないが、光路変更機構３９は、動力シリンダ等の他の駆動機構を用いて半導体基板５に押圧されても構わない。

また、光路変更機構３９の上面の外縁部の少なくとも一部には、傾斜部４１が設けられており、面取りされている。傾斜部４１は、或る曲率を有するラウンド部であってもよい。研磨テーブル４の回転によって光路変更機構３９上から半導体基板５が無くなったときに、光路領域１３の純水の圧力によって、光路変更機構３９の中心部が研磨パッド３の表面よりも高い位置まで上昇する場合がある。しかし、光路変更機構３９の外縁部が傾斜部４１によって研磨パッド３の表面よりも低い位置にあれば、半導体基板５が再来したときに、半導体基板５は、傾斜部４１から光路変更機構３９上に乗り上げて、研磨ヘッド６の圧力により光路変更機構３９の上面を研磨パッド３の表面の高さまで押し下げることができる。これにより、再度、図１７に示す状態になる。従って、半導体基板５が光路変更機構３９上に来るごとに、半導体基板５の研磨面と第１および第２ミラー２９、３０との間の距離はほぼ一定に維持され得る。

光路変更機構３９上に半導体基板５が無くても、光路変更機構３９の外縁部を研磨パッド３の表面よりも低く維持するために、ストッパ４０が光路変更機構３９に設けられている。ストッパ４０は、略水平方向に突出し、光路領域１３の略水平方向に設けられた凹部に受容されている。光路変更機構３９が略鉛直上方向に移動したときに、ストッパ４０が光路領域１３の凹部の上面に当接することによって、光路変更機構３９は停止し、それ以上、上方へ移動できなくなる。これにより、光路変更機構３９の外縁は、研磨パッド３の表面よりも低い位置に維持され得る。

尚、研磨テーブル４の回転に同期させて、光路領域１３の純水の圧力を制御することによって、半導体基板５が光路変更機構３９上に無いときに、光路変更機構３９の上面を研磨パッド３の表面から突出しないようにしてもよい。この場合、光路変更機構３９の外縁部には、傾斜部４１を設ける必要は無い。

第７実施形態によれば、光路変更機構３９が半導体基板５の研磨面に押圧されるので、照射光Ｌ_Ｉおよび反射光Ｌ_Ｒの屈曲点である第１および第２ミラー２９、３０と半導体基板５の研磨面と間の距離を、研磨パッド３の厚みによらずほぼ一定にすることができる。これにより、研磨装置１０７は、照射部１０および受光部１１を移動させることなく、照射光Ｌ_Ｉを半導体基板５の研磨面の同一領域に照射することができ、かつ、反射光Ｌ_Ｒを受光部１１に確実に到達させることができる。

研磨終了後、研磨パッド３の表面をドレッシングする際には、光路変更機構３９を下方向に移動させ、光路変更機構３９の上面を研磨パッド３の表面より下に低下させる。これにより、ドレッサ機構９による光路変更機構３９へのダメージを抑制することができる。

光路変更機構３９は、研磨テーブル４とは独立しているので、研磨テーブル４から取り外して交換することが可能である。この場合、半導体基板５に設けられている積層構造に応じて入射角θ_Ｉを変更可能なように、光路変更機構３９は、他の構成を有する光路変更機構に交換してもよい。

図１８～図２０は、第７実施形態による研磨装置の変形例を示す断面図である。図１８に示す光路変更機構３９＿１は、石英ガラス内に第１および第２ミラー２９、３０を埋設している。光路変更機構３９＿１は、図１７の光路変更機構３９に比べて、ミラー２９、３０と半導体基板５との間の光路の途中における屈折面を少なくしている。また、照射部１０からの照射光Ｌ_Ｉは、純水と光路変更機構３９＿１との界面に対して略垂直方向から入射する。第２ミラー３０からの反射光Ｌ_Ｒは、純水と光路変更機構３９＿１との界面に対して略垂直方向から出射する。これにより、照射光Ｌ_Ｉおよび反射光Ｌ_Ｒの光路において、屈折面が少なく、光路変更機構３９＿１の設計が容易になる。

図１９に示す光路変更機構３９＿２は、半導体基板５との接触面に透過性樹脂４２を設けている。石英ガラスが半導体基板５の研磨面に接触すると、その研磨面にスクラッチが発生する場合がある。本変形例による光路変更機構３９＿２は、その上面に半導体基板５より柔らかい透過性樹脂４２を有することによって、半導体基板５へのスクラッチを抑制することができる。

図２０に示す光路変更機構３９＿３は、半導体基板５との接触面の少なくとも一部に開口部４３を有する。これにより、照射光Ｌ_Ｉおよび反射光Ｌ_Ｒの全ての光路は、光路領域１３内の純水となり、屈折面が無い。照射光Ｌ_Ｉは、第１ミラー２９から開口部４３を介して半導体基板５に照射される。反射光Ｌ_Ｒは、開口部４３を介して第２ミラー３０に達する。

光路領域１３に開口部４３があると、光路領域１３内の純水は圧力で光路変更機構３９＿３を押し上げることができない。従って、本変形例による研磨テーブル４は、動力シリンダ機構４４がストッパ４０の直下に設けられている。動力シリンダ機構４４は、光路変更機構３９＿３の上面を半導体基板５の研磨面に押し当てるように光路変更機構３９＿３を略鉛直上方向へ押し上げている。動力シリンダ機構４４の押上げ力は、半導体基板５が研磨パッド３から浮き上がらないように、半導体基板５を研磨パッド３へ押し当てる研磨圧力より低いことが好ましい。尚、スラリ８が混入しないように純水供給部１４は他の実施形態や他の変形例と同様に光路領域１３に純水を供給している。

このように、第７実施形態による光路変更機構３９は、図１８～図２０に示す光路変更機構３９＿１～３９＿３のいずれかあるいはその他の光路変更機構に交換し、照射光Ｌ_Ｉの入射角を変更してもよい。尚、上記実施形態および変形例において、ミラー２９、３０が用いられている。しかし、ミラー２９、３０に代えて、プリズムを用いて、照射光Ｌ_Ｉおよび反射光Ｌ_Ｒの光路を変更してもよい。また、ミラーとプリズムを組み合わせて、照射光Ｌ_Ｉおよび反射光Ｌ_Ｒの光路を変更してもよい。

（第８実施形態）
第１～第７実施形態では、研磨パッド３には、照射光Ｌ_Ｉおよび反射光Ｌ_Ｒの光路に開口部１２、４３が設けられている。

これに対し、第８実施形態によれば、研磨パッド３には、照射光Ｌ_Ｉおよび反射光Ｌ_Ｒの光路に透過性の窓部４６が設けられている。窓部４６は、例えば、石英ガラス、透過性ウレタン等でよい。

図２１（Ａ）および図２１（Ｂ）は、窓部４６の底面が半導体基板５の研磨面あるいは研磨パッド３の表面と略平行である比較例を示す断面図である。図２１（Ａ）は照射光Ｌ_Ｉの光路を示し、図２１（Ｂ）は反射光Ｌ_Ｒの光路を示す。

図２１（Ａ）に示すように、照射部１０からの照射光Ｌ_Ｉは、窓部４６の下部に存在する空気を通して窓部４６の底面４７で屈折する。さらに、照射光Ｌ_Ｉは、窓部４６の上面４８に到達し、窓部４６と半導体基板５との間に存在する水４９で再度屈折し、半導体基板５の研磨面に照射される。このとき、半導体基板５の研磨面への入射角θ２を大きくするためには、窓部底面４７および窓部上面４８での屈折を考慮し、窓部底面４７への入射角θ１をθ２より大きくする必要がある。窓部底面４７への入射角θ１を空気から窓への臨界角以上に大きくすると、窓部下面４７で全反射してしまい、半導体基板５へ入射光を到達させることができなくなる。このため、半導体基板５の研磨面への入射角θ２には上限が存在する。θ２の上限は窓部４６の屈折率に依らず、水から空気への臨界角（４８．６°）となる。従って、研磨層１の上面と下面からの反射光の干渉が十分に強くなるまで入射角θ２を大きくすることができない。

一方、図２１（Ｂ）に示すように、半導体基板５の研磨面からの反射光Ｌ_Ｒは、水を介して、窓部４６の上面４８で屈折し、底面４７に到達する。半導体基板５の研磨面からの反射角θ３が水から空気への臨界角（４８．６°）を超える場合、底面４７への反射光Ｌ_Ｒの入射角θ４は、窓部４６から空気への臨界角を超えてしまう。これにより、反射光Ｌ_Ｒは空気中に放出されずに窓部４６の底面４７で全反射し、受光部１１に到達しなくなってしまう。

このように、窓部４６の底面４７を半導体基板５の研磨面と略平行になるように設計した場合、照射光Ｌ_Ｉの入射角θ２を水から空気への臨界角以上にすることはできない。また、入射角θ２を水から空気への臨界角以上にしたとしても、反射光Ｌ_Ｒの反射角θ３が水から空気への臨界角を超えるので、反射光Ｌ_Ｒは窓部４６の底面４７で全反射してしまう。よって、受光部１１が反射光Ｌ_Ｒを検出することができない。

図２２（Ａ）および図２２（Ｂ）は、第８実施形態による窓部４６の構成例を示す断面図である。図２２（Ａ）に示すように、第８実施形態による窓部４６の底面４７は、照射光Ｌ_Ｉの入射角θ_ＷＩを大きくすることができるように、半導体基板５の研磨面あるいは研磨パッド３の表面に対して傾斜している。照射光Ｌ_Ｉの光路における底面４７の傾斜角をθ_ＴＩとすると、照射光Ｌ_Ｉの入射角θ_ＷＩは、比較例の入射角θ１と比べて傾斜角θ_ＴＩの分だけ大きくすることができる。これにより、窓部４６の上面４８に対する照射光Ｌ_Ｉの入射角も大きくすることができるので、半導体基板５の研磨面への照射光Ｌ_Ｉの入射角θ_Ｉは、水から空気への臨界角（４８．６°）を超える角度にすることができる。従って、研磨層１の上面と下面からの反射光の干渉を十分に強めることができる。

図２２（Ｂ）に示すように、第８実施形態による窓部４６の底面４７は、反射光Ｌ_Ｒの放射角θ_ＷＯを大きくすることができるように、半導体基板５の研磨面あるいは研磨パッド３の表面に対して傾斜している。反射光Ｌ_Ｒの光路における底面４７の傾斜方向は、照射光Ｌ_Ｉの光路における底面４７のそれとは反対となる。反射光Ｌ_Ｒの光路における底面４７の傾斜角をθ_ＴＯとすると、底面４７への反射光Ｌ_Ｒの入射角θ_ＲＩは、比較例と比べて傾斜角θ_ＴＯの分だけ小さくすることができる。従って、半導体基板５の研磨面からの反射角θ_Ｏが水から空気への臨界角（４８．６°）を超えていても、入射角θ_ＲＩは、窓部４６から空気への臨界角を超えないようにすることができる。これにより、反射光Ｌ_Ｒを空気中に放出させることができ、受光部１１は、反射光Ｌ_Ｒを受光することができる。

ここで、所望の入射角θ_Ｉにするための傾斜角θ_ＴＩ、θ_ＴＯの範囲は、以下の式３～式６で表される。ｎ_{ＷＡＴＥＲ}は水の屈折率、ｎ_{ＷＩＮＤＯＷ}は、窓部４６の屈折率、ｎ_ＡＩＲは空気の屈折率である。

図２３は、入射角θ_Ｉと傾斜角θ_ＴＩ、θ_ＴＯとの関係を示すグラフである。尚、窓部４６は、ウレタン（屈折率１．４９０）とした。傾斜角θ_ＴＩ、θ_ＴＯの上限ＵＬおよび下限ＬＬは、式３～式６から得られる。傾斜角θ_ＴＩ、θ_ＴＯおよび入射角θ_Ｉは、上限ＵＬと下限ＬＬとの間で設定可能である。例えば、入射角θ_Ｉを約７５．４°とすると、傾斜角θ_ＴＩ、θ_ＴＯは、約１７．７°～約１２０．０°の間に設定すればよい。

さらに、入射角θ_Ｉが水から空気への臨界角を超えるか否かにかかわらず、傾斜角θ_ＴＩ、θ_ＴＯが式７および式８を満たす場合、入射角θ_ＷＩおよび窓部４６の底面４７から放出される反射光の鉛直方向からの放射角θ_ＷＯは、入射角θ_Ｉよりも小さくすることができる。これは、照射部１０および受光部１１の小型化に繋がる。

このとき、入射角θ_ＷＩおよび放射角θ_ＷＯは、式９および式１０で表される。

図２４は、傾斜角θ_ＴＩ、θ_ＴＯと入射角θ_ＷＩ、放射角θ_ＷＯとの関係を示すグラフである。尚、窓部４６は、ウレタン（屈折率１．４９０）とした。入射角θ_Ｉが７５．４°の場合に、入射角θ_ＷＩおよび放射角θ_ＷＯを入射角θ_Ｉよりも小さくするためには、傾斜角θ_ＴＩ、θ_ＴＯは、約３３．０°以上である必要がある。入射角θ_Ｉが４５．０°の場合に、入射角θ_ＷＩおよび放射角θ_ＷＯを入射角θ_Ｉよりも小さくするためには、傾斜角θ_ＴＩ、θ_ＴＯは、約２７．８°以上である必要がある。さらに、入射角θ_Ｉが４５．０°の場合、傾斜角θ_ＴＩ、θ_ＴＯを約８０．７°に設定することによって、入射角θ_ＷＩおよび放射角θ_ＷＯをほぼ鉛直方向（即ち、０°）にすることができる。この場合、照射部１０および受光部１１は、窓部４６の鉛直下方に配置することができる。

図２５（Ａ）および図２５（Ｂ）は、第８実施形態による窓部４６の構成例を示す断面図である。第８実施形態において、研磨パッド３の一部に開口部があり、窓部４６は、開口部の研磨層１に対応する箇所に設けられている。窓部４６には、例えば、透過性のポリウレタンが用いられている。

図２５（Ａ）に示す窓部４６は、第１透明部６３と、第２透明部６４とを有する。第１透明部６３は、照射光Ｌ_Ｉを半導体基板５へ透過させ、照射光Ｌ_Ｉを入射させる入射面が図２２（Ａ）に示す底面４７のように窓部４６の上面または半導体基板５の研磨面に対して傾斜している。第２透明部６４は、半導体基板５からの反射光Ｌ_Ｒを透過させ、反射光Ｌ_Ｒを出射させる出射面が図２２（Ｂ）に示す底面４７のように窓部４６の上面または半導体基板５の研磨面に対して傾斜している。第１透明部６３の入射面と第２透明部６４の出射面は、互いに逆方向に傾斜している。図２２（Ａ）および図２２（Ｂ）を参照して説明したように、第１透明部６３の入射面は照射光Ｌ_Ｉの入射角θ_ＷＩを大きくすることができるように傾斜しており、第２透明部６４の出射面は反射光Ｌ_Ｒの放射角θ_ＷＯを大きくすることができるように傾斜している。第１透明部６３の入射面の傾斜角θ_ＴＩおよび第２透明部６４の出射面の傾斜角θ_ＴＯは、上記の通りである。

図２５（Ｂ）に示す窓部４６の第１透明部６３は、複数の傾斜部分６３ａに分割されている。複数の傾斜部分６３ａの傾斜角はそれぞれ等しくθ_ＴＩである。第２透明部６４も、複数の傾斜部分６４ａに分割されている。複数の傾斜部分６４ａの傾斜角はそれぞれ等しくθ_ＴＯである。即ち、第１透明部６３および第２透明部６４は、それぞれフレネルプリズム構造となっている。

図２５（Ｂ）の窓部４６は、図２５（Ａ）の窓部４６と同様の効果を有する。しかし、傾斜角θ_ＴＩ、θ_ＴＯが大きい場合、図２５（Ｂ）の窓部４６の中心部の厚みは図２５（Ａ）の窓部４６のそれよりも薄くすることができるという利点がある。従って、窓部４６の厚みを抑制しつつ、傾斜角θ_ＴＩ、θ_ＴＯを大きくするには、図２５（Ｂ）に示すフレネルプリズム構造を有する窓部４６が好ましい。

尚、第８実施形態において、窓部４６の底面４７に傾斜が一体として設けられている。しかし、窓部４６の底面４７は上面と略平行にして、傾斜構造を底面４７に別途接着してもよい。この場合、窓部４６と傾斜構造（図示せず）とは別材料で形成してもよい。

（第９実施形態）
図２６は、第９実施形態による研磨装置の構成例を示す概略断面図である。図２６には、開口部６６およびその周辺の構成を示す。第９実施形態による研磨装置１０９は、透明部としての窓部６２を有する。透過性の窓部６２は、開口部６６のうち研磨層１に対応する箇所に設けられている。

窓部６２の下の光路領域１３には、高屈折率液体供給部６７が設けられている。高屈折率液体供給部６７は、純水もしくは純水より屈折率の大きい高屈折率液体を光路領域１３に供給する。これにより、高屈折率液体供給部６７は、窓部６２の下の光路領域１３内に純水または高屈折率液体を充填することができる。純水または高屈折率液体は、照射部１０と窓部６２との間、および、受光部１１と窓部６２との間に満たされる。これにより、照射光Ｌ_Ｉおよび反射光Ｌ_Ｒが屈折率の低い空気と材料膜との界面で屈折することを抑制することができる。

また、高屈折率液体を光路領域１３に供給すれば、窓部６２の底面の傾斜角θ_ＴＩ、θ_ＴＯを０°としても、半導体基板５への照射光Ｌ_Ｉの入射角θ_Ｉを大きくすることができ、その反射光を窓部６２の底面より出射させ受光部１１に到達させることができる。これにより、研磨層１の上面と下面からの反射光の干渉を十分に強めることができる。

さらに、高屈折率液体を光路領域１３に供給した場合、窓部６２の底面に傾斜角θ_ＴＩ、θ_ＴＯを０°としても、照射光Ｌ_Ｉの鉛直方向からの角度θ_ＷＩおよび窓部６２から放出される反射光Ｌ_Ｒの鉛直方向からの角度θ_ＷＯは、入射角θ_Ｉよりも小さくすることができる。

さらに、第９実施形態は、第８実施形態と組み合わせてもよい。この場合、傾斜角θ_ＴＩ、θ_ＴＯが正値に設定されるのでさらに角度θ_ＷＩ、θ_ＷＯを小さくすることができる。尚、窓部６２の厚みは、研磨パッド３の厚みにより制限されるため、傾斜角θ_ＴＩ、θ_ＴＯは小さいほうが好ましい。

角度θ_ＷＩ、θ_ＷＯは、式１１および式１２のように表される。ｎ_{ＦＩＬＬＥＲ}は高屈折率液体の屈折率である。ｎ_{ＷＩＮＤＯＷ}は窓部６２の屈折率である。θ_ＴＩは、照射光Ｌ_Ｉの光路における窓部６２の底面の傾斜角である。θ_ＴＯは、反射光Ｌ_Ｒの光路における窓部６２の底面の傾斜角である。

図２７は、窓部６２の底面の傾斜角θ_ＴＩ、θ_ＴＯと角度θ_ＷＩ、θ_ＷＯとの関係を示すグラフである。尚、窓部６２は、ウレタン（屈折率ｎ_{ＷＩＮＤＯＷ}＝１．４９０）とした。入射角θ_Ｉは、７５．４°とした。

光路領域１３に充填される媒体が空気である場合、窓部６２の底面の傾斜角θ_ＴＩ、θ_ＴＯは、０°にすることはできず、約１８°以上にする必要がある。光路領域１３に充填される媒体が純水である場合、窓部６２の底面の傾斜角θ_ＴＩ、θ_ＴＯは、０°にすることができるが、その場合には、角度θ_ＷＩ、θ_ＷＯは、入射角θ_Ｉと同じ約７５．４°にする必要がある。光路領域１３に充填される媒体が高屈折率液体としての１－ヨードナフタレン（屈折率ｎ_{ＦＩＬＬＥＲ}＝１．７０１）である場合、窓部６２の底面の傾斜角θ_ＴＩ、θ_ＴＯは、約０°にすることができ、かつ、角度θ_ＷＩ、θ_ＷＯは、例えば、約４９．３°と小さくすることができる。このように、高屈折率液体を光路領域１３に充填することによって、窓部６２の底面は、半導体基板５の研磨面または窓部６２の上面に対して傾斜せず、傾斜角θ_ＴＩ、θ_ＴＯを約０°にすることができる。

第９実施形態では、光路領域１３内の流体と窓部６２上にあるスラリとが窓部６２によって分離されており、充填液とスラリは混合しない。このため、研磨特性に影響を与えたり、光路領域１３内の流体の屈折率が変化することを抑制できる。
また、窓部６２が開口部６６に設けられているので、研磨パッド３の交換時に、光路領域１３内に流体を満たすことが容易である。さらに、光路領域１３内には、流体が満たされているため、研磨パッド３の表面と半導体基板５の接触による振動や変位が光路に影響を与えない。

（第１０実施形態）
図２８および図２９は、第１０実施形態による研磨装置の構成例を示す概略平面図および断面図である。第１０実施形態によれば、照射部１０および受光部１１は、研磨テーブル４の外部に設けられており、研磨ヘッド６を挟む位置に配置されている。研磨テーブル４には、照射光Ｌ_Ｉを通過させる第１光路Ｐ１が開口部１２および光路領域１３に連通するように設けられている。また、研磨テーブル４には、反射光Ｌ_Ｒを通過させる第２光路Ｐ２が開口部１２および光路領域１３に連通するように設けられている。第１０実施形態のその他の構成は、第１実施形態の対応する構成と同様でよい。

研磨テーブル４の外部に配置された照射部１０は、照射光Ｌ_Ｉを入射窓６８および第１光路Ｐ１を通過させて半導体基板５の研磨表面に照射する。反射光Ｌ_Ｒは、第２光路Ｐ２および放射窓６９を通過して、研磨テーブル４の外部に設置された受光部１１により受光される。尚、入射窓６８は、照射光Ｌ_Ｉを屈折または反射しないように照射光Ｌ_Ｉに対して略垂直面であることが好ましい。放射窓６９は反射光Ｌ_Ｒを屈折または反射しないように反射光Ｌ_Ｒに対して略垂直面であることが好ましい。

第１０実施形態では、研磨テーブル４は回転するものの、照射部１０および受光部１１は、固定配置されている。このため、半導体基板５に照射光Ｌ_Ｉを照射して、受光部１１が反射光Ｌ_Ｒを受けるためには、研磨テーブル４、照射部１０および受光部１１が図２８に示す配置関係になる必要がある。即ち、研磨テーブル４が１回転するごとに、半導体基板５の研磨対象（シリコン酸化膜２３）の膜厚が１回だけ測定可能となる。

第１０実施形態では、照射部１０および受光部１１を研磨テーブル４の外部に設置している。このため、回転する研磨テーブル４には、照射部１０および受光部１１を配置する必要が無く、光路Ｐ１、Ｐ２および光路領域１３等を設ければよい。従って、研磨テーブル４を小型化および軽量化することができる。

図３０は、第１０実施形態の変形例による研磨装置の構成例を示す概略平面図である。本変形例では、研磨テーブル４に複数の第１光路Ｐ１、複数の第２光路Ｐ２および複数の開口部１２が設けられている。複数の開口部１２は、研磨テーブル４の回転中心からほぼ同一距離にほぼ均等に配置されている。照射部１０および受光部１１は、複数の第１光路Ｐ１、複数の第２光路Ｐ２および複数の開口部１２を介して、半導体基板５に照射光Ｌ_Ｉを照射して、受光部１１が反射光Ｌ_Ｒを受けることができる。これにより、研磨テーブル４が１回転するごとに、半導体基板５の研磨対象（シリコン酸化膜２３）の膜厚が複数回測定可能となる。即ち、半導体基板５の研磨対象（シリコン酸化膜２３）の膜厚の測定頻度を増加させることができる。

図３１は、第１０実施形態の他の変形例による研磨装置の構成例を示す概略平面図である。本変形例では、複数の第１光路Ｐ１、複数の第２光路Ｐ２および複数の開口部１２が半導体基板５の径方向に配列して設けられている。複数の照射部１０および複数の受光部１１が、第１光路Ｐ１、第２光路Ｐ２および複数の開口部１２に対応して設けられている。本変形例では、複数の照射部１０および複数の受光部１１が、複数の第１光路Ｐ１および複数の第２光路Ｐ２を介して、半導体基板５に照射光Ｌ_Ｉを照射して、受光部１１が反射光Ｌ_Ｒを受ける。これにより、複数の照射部１０および複数の受光部１１は、半導体基板５の径方向に異なる位置において膜厚を測定することができる。即ち、半導体基板５の研磨対象（シリコン酸化膜２３）の膜厚の面内分布を知ることができる。

このように、第１光路Ｐ１、第２光路Ｐ２、開口部１２、照射部１０および受光部１１の配置、個数は、任意に設定可能である。また、図３０の変形例と図３１の変形例とは組み合わせてもよい。

図３２は、第１０実施形態のさらに他の変形例による研磨装置の構成例を示す断面図である。本変形例３では、光路領域１３は、外気に開放されており、光路領域１３には空気がある。照射光Ｌ_Ｉおよび反射光Ｌ_Ｒは、空気を介して照射されあるいは出射される。

研磨パッド３には、開口部６６が設けられている。開口部６６のうち研磨層１に対応する箇所に、透過性の窓部６２が設けられている。窓部６２は、開口部６６を覆うように設けられている。

照射部１０、受光部１１、第１光路Ｐ１および第２光路Ｐ２の角度は、窓部６２の底面および上面における屈折を考慮して、照射光Ｌ_Ｉが半導体基板５の研磨面に所望の入射角θ_Ｉで入射し、反射光Ｌ_Ｒが受光部１１に到達するように設定される。尚、入射角θ_Ｉを水から空気への臨界角を超える角度にする場合、第８実施形態のように窓部６２の底面を傾斜構造にしてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

３研磨パッド、４研磨テーブル、６研磨ヘッド、７スラリ供給ノズル、９ドレッサ機構、１０照射部、１１受光部、１６偏光フィルタ、８５演算部

Claims

研磨対象を保持する保持部と、
前記研磨対象を研磨する研磨部と、
前記研磨部の下方から照射光を前記研磨対象へ照射する照射部と、
前記研磨対象から反射した反射光を受けて該反射光の波長と光量との関係を検出する受光部と、
前記研磨対象と前記照射部との間に水を供給する供給部と、
前記受光部と通信可能に接続され、前記研磨対象の膜厚を演算する演算部とを備え、
前記研磨対象と前記水との間の第１面からの第１反射光のＳ偏光の第１光量および前記研磨対象の前記第１面とは反対側にある第１材料層と該研磨対象との間の第２面からの第２反射光のＳ偏光の第２光量のいずれもが、前記第１材料層の前記第２面とは反対側にある第２材料層と該第１材料層との間の第３面からの第３反射光のＳ偏光の第３光量を上回るように、前記照射部は、前記研磨対象の研磨面に対して傾斜する第１方向から前記照射光を照射し、
前記演算部は、前記第１方向から前記照射光を照射したときに前記受光部で検出された前記第１および第２反射光のＳ偏光の干渉を用いて前記研磨対象の膜厚を演算する、研磨装置。
前記研磨対象がシリコン酸化膜であり、
前記第１材料層がシリコン窒化膜であり、
前記第２材料層がシリコン酸化膜であるときに、
前記研磨対象に対する前記照射光の前記第１方向の角度は、７５．４°以上である、請求項１に記載の研磨装置。
研磨対象を保持する保持部と、前記研磨対象を研磨する研磨部と、前記研磨部の下方から照射光を前記研磨対象へ照射する照射部と、前記研磨対象から反射した反射光を受ける受光部と、前記研磨対象と前記照射部との間に水を供給する供給部と、前記受光部と通信可能に接続された演算部とを備えた研磨装置を用いた研磨方法であって、
前記研磨対象と前記水との間の第１面からの第１反射光のＳ偏光の第１光量および前記研磨対象の前記第１面とは反対側にある第１材料層と該研磨対象との間の第２面からの第２反射光のＳ偏光の第２光量のいずれもが、前記第１材料層の前記第２面とは反対側にある第２材料層と該第１材料層との間の第３面からの第３反射光のＳ偏光の第３光量を上回るように、前記研磨対象の研磨面に対して傾斜する第１方向から前記照射光を照射し、
前記受光部で検出された前記第１および第２反射光の干渉を用いて前記研磨対象の膜厚を演算することを具備する、研磨方法。
前記研磨対象がシリコン酸化膜であり、
前記第１材料層がシリコン窒化膜であり、
前記第２材料層がシリコン酸化膜であるときに、
前記研磨対象に対する前記照射光の前記第１方向の角度は、７５．４°以上である、請求項３に記載の方法。