膜厚監視方法および膜厚監視装置
【課題】 水晶振動子の周波数温度特性を改善し、低レート成膜にも十分に対応できる膜厚監視方法および膜厚監視装置を提供する。
【解決手段】 センサヘッド５に保持された水晶振動子の表面に成膜材料を付着させ、この成膜材料の堆積による水晶振動子の共振周波数の変化量を測定し、被処理基板Ｗ上に堆積される成膜材料の膜厚を監視する膜厚監視方法において、センサヘッド５の温度が８０℃を超えるまでは、水晶振動子１０の冷却処理を行わないようにする。また、水晶振動子１０としては、室温から８０℃付近までにおける温度ドリフトが２０ｐｐｍ以下の水晶基板を用いる。これにより、室温から８０℃付近までの温度範囲における共振周波数の温度ドリフトを微量に抑制し、高精度な膜厚監視および成膜レートの制御を実現できるとともに、数Å／ｓ程度の低レート成膜にも十分に対応可能となる。
【解決手段】 センサヘッド５に保持された水晶振動子の表面に成膜材料を付着させ、この成膜材料の堆積による水晶振動子の共振周波数の変化量を測定し、被処理基板Ｗ上に堆積される成膜材料の膜厚を監視する膜厚監視方法において、センサヘッド５の温度が８０℃を超えるまでは、水晶振動子１０の冷却処理を行わないようにする。また、水晶振動子１０としては、室温から８０℃付近までにおける温度ドリフトが２０ｐｐｍ以下の水晶基板を用いる。これにより、室温から８０℃付近までの温度範囲における共振周波数の温度ドリフトを微量に抑制し、高精度な膜厚監視および成膜レートの制御を実現できるとともに、数Å／ｓ程度の低レート成膜にも十分に対応可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成膜プロセスに用いられ、水晶振動子の安定した発振を維持でき、高精度な膜厚測定および成膜速度の制御を可能とする膜厚監視方法および膜厚監視装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、真空蒸着またはスパッタリングにおいて、成膜される膜の膜厚および成膜速度を測定するために、水晶振動子法という技術が用いられている。これは、チャンバ内に配置されている水晶振動子の表面に成膜材料が付着すると結晶の質量が増加し応答周波数が減少することを利用しており、この応答周波数の変化から、被処理基板上に堆積した成膜材料の膜厚を監視したり成膜速度を制御するようにしている。
【０００３】
水晶は、珪素と酸素分子で構成される三方晶系の単結晶で、結晶の成長軸（Ｚ軸）、電気軸（Ｘ軸）および機械軸（Ｙ軸）を有しており、用途に応じて最適なカット角で切り出されている。例えば、成膜プロセスの膜厚監視用途には、いわゆるＡＴカット水晶振動子が好適とされている。ＡＴカット水晶振動子は、結晶軸のＸ軸回りにＺ軸に対して３５°１５’（３５度１５分）の角度で切り出され、周波数温度特性（温度に対する共振周波数の変動特性）が良好なカット角として知られている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１６００５７号公報
【特許文献２】特開平８−８２５１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
さて、上述したように、従来の膜厚監視装置には、周波数温度特性の良好なＡＴカット水晶振動子が用いられている。この水晶振動子は、毎秒数十オングストローム（Å／ｓ）等といった高レート成膜時に比べて、１０Å／ｓ以下（例えば１Å／ｓ程度）の低レート成膜時では性能が劣るという問題がある。
【０００６】
これは、成膜速度が低速化するに伴って、水晶振動子の安定した発振をいかに確保するかが問題とされるが、従来の水晶振動子では、低レート成膜時における発振が不安定となり、精度の高い周波数変化の測定が困難で、設定された成膜レートを安定に維持することができないためである。
【０００７】
従来では、成膜中、水晶振動子を冷却するために、水晶振動子を保持するセンサヘッドに冷却水を循環供給しているが、上述した低レート成膜においては、冷却水の僅かな温度変化により、水晶振動子の共振周波数の温度ドリフトの影響が顕著となり、これが原因で測定が更に困難化し、精密な膜厚監視あるいは成膜速度のコントロールが困難になっている。
【０００８】
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、水晶振動子の周波数温度特性を改善し、低レート成膜にも十分に対応することができる膜厚監視方法および膜厚監視装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以上の課題は、センサヘッドに保持された水晶振動子の表面に成膜材料を付着させ、この成膜材料の堆積による前記水晶振動子の共振周波数の変化量を測定し、被処理基板上に堆積される前記成膜材料の膜厚を監視する膜厚監視方法において、前記センサヘッドの温度が８０℃を超えるまでは、前記水晶振動子の冷却処理を行わないことを特徴とする膜厚監視方法、によって解決される。
【００１０】
また、以上の課題は、被処理基板を収容する成膜室に設置され、成膜材料の付着量に応じて共振周波数が変化する水晶振動子と、この水晶振動子を保持するセンサヘッドと、前記水晶振動子の周波数変化を測定するモニタ部と、前記水晶振動子を冷却する冷却手段とを備えた膜厚監視装置において、前記センサヘッドの温度が８０℃を超えるまでは、前記冷却手段による前記水晶振動子の冷却動作を停止させる制御手段を備えたことを特徴とする膜厚監視装置、によって解決される。
【００１１】
本発明では、センサヘッドの温度が８０℃を超えるまでは、水晶振動子の冷却処理を行わないようにしている。これにより、冷却水温度の微小変化に起因する水晶振動子の共振周波数の温度ドリフトの影響を回避し、膜厚及び成膜レートの監視あるいは制御を高精度に行うことができるとともに、１０Å／ｓ以下（例えば１Å／ｓ）の低レート成膜も安定して行うことができるようになる。
【００１２】
なお、センサヘッドの温度が８０℃を超えると、水晶振動子自体の昇温により共振周波数の温度ドリフトが大きくなるので、これを防ぐために、冷却処理を実行する。センサヘッドの温度が８０℃を超えないプロセスであれば、水晶振動子の冷却機構は不要となる。
【００１３】
また、共振周波数の温度ドリフトは、温度の関数として表せる水晶振動子の共振周波数のシフト量（ドリフト量）であり、成膜材料の堆積量に依らない周波数変化量である。この共振周波数の温度ドリフトは、水晶振動子の共振周波数−温度特性上の３次曲線で表される。
【００１４】
そこで、本発明に適用される水晶振動子としては、上記温度ドリフトが室温から８０℃付近までにおいて２０ｐｐｍ以下であるカット角の水晶を用いることによって、従来のＡＴカット水晶振動子よりも周波数温度特性を改善し、安定した発振動作と高精度な膜厚測定を可能としている。本発明の水晶振動子のカット角の具体例としては、結晶のｒ面に対して３°０５’±０３’が好適である。
【００１５】
更に、水晶振動子の安定した発振動作を維持するために、本発明では、水晶振動子を一方の面が平面形状で他方の面が凸面形状のものが用いられ、その平面形状の一方側の表面を成膜材料の付着面としている。更に、当該平面形状の一方側の表面に形成される電極パターンを島状に形成することによって、副振動の発生を抑えて安定した厚みすべり振動（主振動）を維持することができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上述べたように、本発明によれば、水晶振動子の共振周波数の温度ドリフトを微量に抑えることができるようになり、これにより、周波数測定の安定化が図られ、高精度な膜厚監視および成膜レートの制御を実現できる。また、１０Å／ｓ以下（例えば１Å／ｓ程度）の低レート成膜も安定して行うことができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は本発明の実施の形態による成膜装置１の概略構成を示している。本実施の形態の成膜装置１は真空蒸着装置として構成され、真空チャンバ２の内部の成膜室には、抵抗加熱源や電子ビーム加熱源等の成膜材料の蒸発源３と、半導体ウェーハやガラス基板、セラミック基板等の被処理基板Ｗを支持するサセプタ４と、膜厚監視用のセンサヘッド５とが設置されている。
【００１９】
センサヘッド５は、蒸発源３から見て、被処理基板Ｗと幾何学的に略等距離の位置に設置されている。被処理基板Ｗは、一枚に限らず、同一サセプタ４上に複数枚の被処理基板Ｗが並置されていてもよい。
【００２０】
センサヘッド５の出力は、モニタ部６に供給される。このモニタ部６では、センサヘッド５の水晶振動子に付着した成膜材料の堆積量に応じた周波数変化に基づいて、被処理基板Ｗ上の堆積膜の膜厚を測定、監視する。また、測定した水晶振動子１０の周波数変化から成膜速度を算出し、これが所定の設定値を維持するようにコントローラ７を介して蒸発源３のパワーを制御する。
【００２１】
図２は、センサヘッド５の概略構成図である。センサヘッド５は、成膜材料の付着量に応じて共振周波数が変化する水晶振動子１０を保持し、金属等の導電性材料でなるヘッド本体１１を備えている。水晶振動子１０はコンベクス（平凸）型の円形基板でなり、その平面側の表面１０ａを蒸発源３側に向けてヘッド本体１１に保持されている。ヘッド本体１１の内部において、水晶振動子１０は、その凸面側の裏面１０ｂに弾接する付勢板１２と、表面１０ａの周縁に当接する保持爪１３との間に挟まれるようにして、保持されている。図において符号１７は、筒状の絶縁体である。なお、センサヘッド５は勿論、上述の構成に限られない。
【００２２】
ヘッド本体１１の周囲に取り付けられた冷却水循環パイプ１４は、プロセス中にヘッド本体１１が８０℃を超えた場合に冷却水循環ポンプ８（図１）から送出される冷却水の流路として機能し、ヘッド本体１１及び水晶振動子１０の冷却処理を行う。冷却水循環ポンプ８及びパイプ１４は本発明の「冷却手段」を構成し、コントローラ７によって動作がオン／オフ制御されるようになっている。なお、冷却手段として冷却水循環パイプ１４を設ける代わりに、ヘッド本体１１の内部に直接流路を形成してもよい。
【００２３】
ここで本発明では、センサヘッド５の温度が８０℃を超えるまでは、ポンプ８の駆動を停止し、冷却水の供給を行わないようにしている。これにより、後述するように、冷却水温度の微小変化に起因する水晶振動子の共振周波数の温度ドリフトの影響を回避し、膜厚及び成膜レートの監視あるいは制御を高精度に行うことができるとともに、数Å／ｓ程度の低レート成膜も安定して行うことができるようになる。
【００２４】
ヘッド本体１１の背面側には、例えば熱電対等で構成される温度センサ９が設置されている。この温度センサ９の出力はコントローラ７へ供給され、冷却水循環ポンプ８の動作制御に参照される。
【００２５】
以上、温度センサ９を含むセンサヘッド５、モニタ部６、コントローラ７及び冷却水循環ポンプ８により本発明の膜厚監視装置が構成される。また、コントローラ７は、本発明の「制御手段」に対応する。
【００２６】
図３Ａ〜Ｃは水晶振動子１０の構成を示しており、Ａは側面図、Ｂは表面１０ａ側の平面図、Ｃは裏面１０ｂ側の平面図である。本実施の形態において、水晶振動子１０の基本発振周波数は５ＭＨｚであるが、６ＭＨｚでもよく、それ以外でもよい。
【００２７】
水晶振動子１０の表面１０ａ及び裏面１０ｂには金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）等でなる電極パターン１５ａ，１５ｂが形成されている。特に本実施の形態では、水晶振動子１０の表面１０ａ側の電極パターン１５ａが島状に形成され、裏面１０ｂ側の電極パターン１５ｂがベタ状に形成されている（図３Ｂ，Ｃにおいて電極パターンの形成領域をハッチングで示す）。
【００２８】
水晶振動子１０の表面１０ａ側の島状の電極パターン１５ａは、水晶振動子１０の表面１０ａ略中央部に形成された主電極パターン１５ａ１と、表面１０ａの周縁２カ所に部分的に形成された接点用電極パターン１５ａ２，１５ａ２と、主電極パターン１５ａ１と接点用電極パターン１５ａ２，１５ａ２との間を連絡する連絡用電極パターン１５ａ３，１５ａ３とで構成されている。
【００２９】
接点用電極パターン１５ａ２は、ヘッド本体１１の保持爪１３と接触する領域に形成されており、この接点用電極パターン１５ａ２と連絡用電極パターン１５ａ３とを介して、主電極パターン１５ａ１をヘッド本体１１に電気的に接続させる。ヘッド本体１１は図２に示すように発振器１６の一方端に電気的に接続されている。なお、接点用電極パターン１５ａ２の形状及び形成位置は図示する例に限られない。
【００３０】
一方、水晶振動子１０の裏面１０ｂ側のベタ状の電極パターン１５ｂは、ヘッド本体１１の内部において付勢板１２と電気的に接続される。付勢板１２は金属等の導電材料でなり、付勢バネ１２ａを介して、発振器１６の他方端に電気的に接続されている（図２）。なお、電極パターン１５ｂはベタ状に限らず、表面１０ａ側の電極パターン１５ａと同様に島状に形成されていてもよい。
【００３１】
上述のように、水晶振動子１０は、その表面１０ａ側が平面状で裏面１０ｂ側が凸面状のコンベクス型で形成されており、平面状の表面１０ａ側が蒸発源３に対向する向きにヘッド本体１１にセットされている。つまり、表面１０ａが成膜材料の付着面（成膜面）とされている。発振器１６は、水晶振動子１０の表裏の電極パターン１５ａ，１５ｂに交流電圧を印加することにより水晶振動子１０を所定周波数で振動、共振させる。なお、発振器１６は、真空チャンバ２の外側であって、センサヘッド５とモニタ部６との間に取り付けられている（図１）。
【００３２】
ここで、本実施の形態においては、水晶振動子１０の表面１０ａ側に形成されている電極パターン１５ａが島状に形成され、例えば主電極パターン１５ａ１と接点用電極パターン１５ａ２との間の領域が、連絡用電極パターン１５ａ３の形成領域を除いて非連結とされているので、副振動（スプリアス(spurious)振動）の発生を効果的に抑制し、水晶振動子１０をその主振動である厚みすべり振動で安定に発振させることができるようになる。
【００３３】
また、水晶振動子１０の平面側の表面１０ａを蒸発源３に対向させ、当該表面１０ａ側に成膜材料を付着させて水晶振動子１０の周波数変動を測定するようにしているので、凸面側の裏面１０ｂを蒸発源３に対向させる構成に比べて、水晶振動子１０に対して成膜材料を均一に付着させることができるとともに、付着した成膜材料の割れ、剥がれを抑え、水晶振動子１０の安定した発振を維持して、モニタ部６における高精度な周波数測定を実現することが可能となる。
【００３４】
一方、水晶振動子１０の凸状裏面１０ｂの曲率半径を小さくするほど、発振が水晶振動子１０の中心に集中して発振強度が強くなり、共振の鋭さを示すＱ値が大きくなる。Ｑ値が大きいほど、発振をより安定させることができる。
【００３５】
図３Ａに示すように、凸状裏面１０ｂの曲率半径Ｒは、水晶振動子１０の直径ｄ、全厚ｔ、最小厚ａから、以下の式で算出することができる。
Ｒ＝ｄ2／８（ｔ−ａ）
ここで、例えばｄ＝１２．４ｍｍ、ｔ＝０．３３ｍｍ、ａ＝０．１５ｍｍとした場合、Ｒは最小で約１０７ｍｍとなる。なお本実施の形態では、Ｒ＝１００ｍｍとなるように、各部寸法が設定されている。
【００３６】
次に、本発明に係る水晶振動子１０の周波数温度特性について説明する。
【００３７】
通常のＡＴカット基板は、図４に示すように、結晶のＸ軸（電気軸）回りにＺ軸（成長軸）に対して３５°１５’の角度で切り出して形成されている。一方、結晶のＺ軸に対して所定角度をなすｒ面（面指数（０１−１１））及びＲ面（面指数（１０−１１））は、図５Ａに示すように、Ｚ軸を中心に正六角形を描くように交互に位置している。これらｒ面及びＲ面のＺ軸に対する角度は、図５Ｂに示すように、いずれも３８°１３’である。
【００３８】
実際に水晶振動子を得るには、結晶から水晶片を切断し、ブランクを得る必要がある。この場合、水晶ブランクは薄くなるため、Ｚ軸が不明確となる。しかし、結晶のｒ面は確認できるので、このｒ面を基準として水晶ブランクを切り出すことができる。このｒ面に対するＡＴカット基板のカット角は、（３８°１３’）−（３５°１５’）＝２°５８’である。
【００３９】
水晶振動子の周波数温度特性は、水晶のカット角に大きく依存する。図６は、水晶のｒ面に対してカット角を異ならせて切り出した水晶振動子の周波数温度特性を示している。各水晶振動子の基本発振周波数はそれぞれ５ＭＨｚであり、測定に用いたオッシレータ回路（発振器１６）は、（株）アルバック社製「ＯＳＣ−１２Ｂ／Ｄ」である。
【００４０】
図６に示すように、共振周波数の温度ドリフトは、水晶のカット角に大きく依存しており、ｒ面に対するカット角が大きいものほど、センサヘッド５の温度上昇に伴って、温度ドリフトがマイナス側からプラス側へ大きくシフトする。
【００４１】
そこで、本実施の形態では、共振周波数の温度ドリフトが室温（２５℃）から８０℃付近の範囲で２０ｐｐｍ以下のカット角の水晶基板で、水晶振動子１０を構成している。このようなカット角としては、本例では、ｒ面に対して３°０５’±０３’の角度範囲となる。これにより、周波数測定の安定化が図られ、高精度な膜厚監視と成膜レートの制御を実現できるようになる。
また、発振器１６（アルバック社製「ＯＳＣ−１２Ｂ／Ｄ」）の特性に合わせて、カット角を３°０５’±０１’に制御することにより、室温から８０℃の範囲で温度ドリフトを±１０ｐｐｍ以下に抑えることができる。この場合、水晶振動子の共振周波数の温度ドリフトは、７０℃〜８０℃付近で０に復帰する。このようなカット角の水晶振動子を用いることにより、膜厚監視と成膜レートの制御を更に高精度に実現できるようになる。
【００４２】
次に、以上のように構成される本発明の水晶振動子１０の周波数温度特性の実験例の結果を、従来のＡＴカット基板製の水晶振動子（カット角：２°５９’、コンベクス型、電極パターン表裏共にベタ）と比較して説明する。本実験例では、室温（２５℃）で発振している水晶振動子をランプ加熱したときの共振周波数安定性と、これを成膜レートに換算したレート安定性について検討した。測定環境の条件としては、チャンバ内の到達真空圧力を２．９×１０-3Ｐａ、冷却水の循環供給は無しとし、環境温度最大値は１２８．９℃、センサヘッド温度最大値は６９．６℃であった。
【００４３】
図７及び図８は従来の水晶振動子についての実験結果を示しており、それぞれ水晶振動子の加熱による共振周波数安定性と、この周波数変化を成膜速度に換算したときのレート安定性を示している。同様に、図９及び図１０は、本実施の形態の水晶振動子１０についての実験結果を示しており、それぞれ熱による共振周波数安定性と、レート安定性を示している。
【００４４】
図７から明らかなように、従来の水晶振動子は、加熱ランプ点灯直後、共振周波数が瞬間的に大きく上昇した後、時間の経過とともに発振周波数が徐々に減少し、一定の周波数に落ち着くまでに１時間以上要することが確認された。また、図８に示すように、レート安定性も同様な傾向を示しており、成膜の有無に関係なく温度に対して大きく影響を受けやすいことが確認できる。
【００４５】
これに対して本実施の形態の水晶振動子１０によれば、図９及び図１０に示すように、加熱ランプ点灯後、短時間（約２０分）で一定の周波数に安定に推移し、レート安定性は従来の水晶振動子に比べて著しく改善されていることが確認できる。
【００４６】
このように、本実施の形態の水晶振動子１０によれば、従来の水晶振動子よりも周波数温度特性に優れ、レート安定性の熱による影響を従来よりも抑制でき、成膜レートの測定をより高精度に行うことが可能となる。
【００４７】
次に、従来の水晶振動子および本実施の形態の水晶振動子１０の各々について、センサヘッドに冷却水を供給した場合と供給しない場合とでのレート安定性の変動特性を説明する。図１１は従来の水晶振動子の場合を示し、図１２は本実施の形態の水晶振動子の場合を示している。
【００４８】
センサヘッドへの冷却水の供給は、水晶振動子の温度上昇による共振周波数の温度ドリフトの増大を抑制することを目的としている。ところが、図１１及び図１２からも明らかなように、冷却水の全導入期間に亘って、レートのバラツキ量が大きい。これは、供給された冷却水の温度変化が原因で水晶振動子の周波数変動が誘発され、これがノイズとなってレート安定性を損なわせていると考えられる。
【００４９】
なお、図１１と図１２を比較すると、冷却水の供給の有無に関係なく、従来の水晶振動子（図１１）に比べて、本実施の形態の水晶振動子１０（図１２）の方が、レートのバラツキ量が小さい。これは、上述したように、本実施の形態の水晶振動子１０の方が、周波数温度特性に優れているからである。
【００５０】
以上のように、冷却水を供給した場合と供給しない場合とでは、レート安定性に明らかな相違が生じており、冷却水を供給する場合に比べて、冷却水を供給しない場合の方がレート安定性に優れている。
【００５１】
そこで、本発明においては、センサヘッド５の温度が８０℃に達する前までは、コントローラ７により冷却水循環ポンプ８の駆動を停止し、水晶振動子１０の冷却処理を行うことなく被処理基板Ｗの膜厚監視を行う。センサヘッド５の温度が８０℃以下の場合、図６に示したように、水晶振動子１０の共振周波数の温度ドリフトは２０ｐｐｍ以下であるので、精度の高い膜厚監視および成膜レート制御が可能である。
【００５２】
一方、センサヘッド５の温度が８０℃を超えると、冷却水の供給による共振周波数の変動に増して、水晶振動子の温度ドリフトが大きくなる。従って、センサヘッド５の温度が８０℃を超えたときは、コントローラ７により冷却水循環ポンプ８の駆動を開始し、センサヘッド５へ冷却水を供給して水晶振動子１０の冷却処理を行う。これにより、水晶振動子１０の過度の温度上昇による共振周波数の温度ドリフトを制限し、安定した膜厚監視動作を継続させることができる。
【００５３】
以上のように、本実施の形態によれば、センサヘッド５が８０℃以下の温度では冷却水の供給を停止させることにより、室温から８０℃付近までの温度範囲における共振周波数の温度ドリフトを微量（２０ｐｐｍ以下）に抑えることができる。これにより、従来よりも周波数温度特性を改善でき、安定した周波数測定を可能とし、高精度な膜厚監視および成膜レートの制御を実現できる。
【００５４】
また、本実施の形態の水晶振動子１０によれば、従来よりも安定した周波数測定が可能であるので、例えば図１３Ａに示すように、１０Å／ｓ以下（図では約１Å／ｓ）の低レート成膜も安定してモニタリングすることができる。比較のため、図１３Ｂに従来の水晶振動子で低レート成膜を行ったときの様子を示す。従来の水晶振動子に比べ、本発明によればレート安定性を大きく改善でき、例えば有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）材料等の低レート成膜が要求されるプロセスにおいて、高精度な膜厚測定および成膜レート制御を行うことが可能となる。
【００５５】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【００５６】
例えば以上の実施の形態では、水晶振動子１０の表裏面１０ａ，１０ｂに形成した電極パターン１５ａ，１５ｂとして、図３Ｂ，Ｃに示した例を説明したが、これに限らない。例えば図１４Ａ，Ｂは、水晶振動子１０の平坦な表面１０ａ側には島状の電極パターン１８ａが形成され、凸状の裏面１０ｂ側にも島状の電極パターン１８ｂが形成された例を示している。
【００５７】
一方の表面側の電極パターン１８ａは、主電極パターン１８ａ１と、接点用電極パターン１８ａ２と、連絡用電極パターン１８ａ３とでなり、特に、接点用電極パターン１８ａ２は、図３Ｂに示した電極パターン１５ａ２に比べて、形成範囲が狭くなっている。他方の裏面側の電極パターン１８ｂは、主電極パターン１８ｂ１と、第１，第２の副電極パターン１８ｂ２，１８ｂ３とでなり、特に、主電極パターン１８ｂ１は、表面側の主電極パターン１８ａ１よりも小面積とされ、副電極パターン１８ｂ２，１８ｂ３は、表面側の接点用及び連絡用電極パターン１８ａ２，１８ａ３と重ならない領域に形成されている。このような構成によっても、副振動を抑えて安定した発振動作を確保することができる。
【００５８】
また、以上の実施の形態では、水晶振動子１０として、結晶のｒ面に対して３°０５’±０３’のカット角で切り出した水晶基板で構成したが、これ限らず、プロセスや発振器１６の回路特性等に応じて、最適なカット角に調整することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施の形態を示す概略構成図である。
【図２】センサヘッド５の構成を示す側断面図である。
【図３】水晶振動子１０の構成を示す図で、Ａは側面図、Ｂは平面図、Ｃは裏面図である。
【図４】一般的なＡＴカット基板のカット角を説明する図である。
【図５】一般的なＡＴカット基板のカット角を説明する水晶の図である。
【図６】水晶の共振周波数の温度ドリフトとカット角との関係を示す図である。
【図７】従来の水晶振動子の熱による共振周波数変動特性を示す図である。
【図８】図７の結果を成膜レートに換算した図である。
【図９】本発明の水晶振動子１０の熱による共振周波数変動特性を示す図である。
【図１０】図９の結果を成膜レートに換算した図である。
【図１１】従来の水晶振動子に関して冷却水の供給の有無によるレート安定性を示す図である。
【図１２】本発明の水晶振動子１０に関して冷却水の供給の有無によるレート安定性を示す図である。
【図１３】低レート成膜時におけるレート安定性を示す図で、Ａは本発明の水晶振動子を用いた例を示し、Ｂは従来の水晶振動子を用いた例を示している。
【図１４】本発明の水晶振動子の電極パターンの一変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１ 成膜室
２ 真空チャンバ
３ 蒸発源
４ サセプタ
５ センサヘッド
６ モニタ部
７ コントローラ
８ 冷却水循環ポンプ
９ 温度センサ
１０ 水晶振動子
１１ ヘッド本体
１２ 付勢板
１３ 保持爪
１４ 冷却水循環パイプ
１５ａ，１５ｂ，１８ａ，１８ｂ 電極パターン
１６ 発振器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成膜プロセスに用いられ、水晶振動子の安定した発振を維持でき、高精度な膜厚測定および成膜速度の制御を可能とする膜厚監視方法および膜厚監視装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、真空蒸着またはスパッタリングにおいて、成膜される膜の膜厚および成膜速度を測定するために、水晶振動子法という技術が用いられている。これは、チャンバ内に配置されている水晶振動子の表面に成膜材料が付着すると結晶の質量が増加し応答周波数が減少することを利用しており、この応答周波数の変化から、被処理基板上に堆積した成膜材料の膜厚を監視したり成膜速度を制御するようにしている。
【０００３】
水晶は、珪素と酸素分子で構成される三方晶系の単結晶で、結晶の成長軸（Ｚ軸）、電気軸（Ｘ軸）および機械軸（Ｙ軸）を有しており、用途に応じて最適なカット角で切り出されている。例えば、成膜プロセスの膜厚監視用途には、いわゆるＡＴカット水晶振動子が好適とされている。ＡＴカット水晶振動子は、結晶軸のＸ軸回りにＺ軸に対して３５°１５’（３５度１５分）の角度で切り出され、周波数温度特性（温度に対する共振周波数の変動特性）が良好なカット角として知られている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１６００５７号公報
【特許文献２】特開平８−８２５１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
さて、上述したように、従来の膜厚監視装置には、周波数温度特性の良好なＡＴカット水晶振動子が用いられている。この水晶振動子は、毎秒数十オングストローム（Å／ｓ）等といった高レート成膜時に比べて、１０Å／ｓ以下（例えば１Å／ｓ程度）の低レート成膜時では性能が劣るという問題がある。
【０００６】
これは、成膜速度が低速化するに伴って、水晶振動子の安定した発振をいかに確保するかが問題とされるが、従来の水晶振動子では、低レート成膜時における発振が不安定となり、精度の高い周波数変化の測定が困難で、設定された成膜レートを安定に維持することができないためである。
【０００７】
従来では、成膜中、水晶振動子を冷却するために、水晶振動子を保持するセンサヘッドに冷却水を循環供給しているが、上述した低レート成膜においては、冷却水の僅かな温度変化により、水晶振動子の共振周波数の温度ドリフトの影響が顕著となり、これが原因で測定が更に困難化し、精密な膜厚監視あるいは成膜速度のコントロールが困難になっている。
【０００８】
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、水晶振動子の周波数温度特性を改善し、低レート成膜にも十分に対応することができる膜厚監視方法および膜厚監視装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以上の課題は、センサヘッドに保持された水晶振動子の表面に成膜材料を付着させ、この成膜材料の堆積による前記水晶振動子の共振周波数の変化量を測定し、被処理基板上に堆積される前記成膜材料の膜厚を監視する膜厚監視方法において、前記センサヘッドの温度が８０℃を超えるまでは、前記水晶振動子の冷却処理を行わないことを特徴とする膜厚監視方法、によって解決される。
【００１０】
また、以上の課題は、被処理基板を収容する成膜室に設置され、成膜材料の付着量に応じて共振周波数が変化する水晶振動子と、この水晶振動子を保持するセンサヘッドと、前記水晶振動子の周波数変化を測定するモニタ部と、前記水晶振動子を冷却する冷却手段とを備えた膜厚監視装置において、前記センサヘッドの温度が８０℃を超えるまでは、前記冷却手段による前記水晶振動子の冷却動作を停止させる制御手段を備えたことを特徴とする膜厚監視装置、によって解決される。
【００１１】
本発明では、センサヘッドの温度が８０℃を超えるまでは、水晶振動子の冷却処理を行わないようにしている。これにより、冷却水温度の微小変化に起因する水晶振動子の共振周波数の温度ドリフトの影響を回避し、膜厚及び成膜レートの監視あるいは制御を高精度に行うことができるとともに、１０Å／ｓ以下（例えば１Å／ｓ）の低レート成膜も安定して行うことができるようになる。
【００１２】
なお、センサヘッドの温度が８０℃を超えると、水晶振動子自体の昇温により共振周波数の温度ドリフトが大きくなるので、これを防ぐために、冷却処理を実行する。センサヘッドの温度が８０℃を超えないプロセスであれば、水晶振動子の冷却機構は不要となる。
【００１３】
また、共振周波数の温度ドリフトは、温度の関数として表せる水晶振動子の共振周波数のシフト量（ドリフト量）であり、成膜材料の堆積量に依らない周波数変化量である。この共振周波数の温度ドリフトは、水晶振動子の共振周波数−温度特性上の３次曲線で表される。
【００１４】
そこで、本発明に適用される水晶振動子としては、上記温度ドリフトが室温から８０℃付近までにおいて２０ｐｐｍ以下であるカット角の水晶を用いることによって、従来のＡＴカット水晶振動子よりも周波数温度特性を改善し、安定した発振動作と高精度な膜厚測定を可能としている。本発明の水晶振動子のカット角の具体例としては、結晶のｒ面に対して３°０５’±０３’が好適である。
【００１５】
更に、水晶振動子の安定した発振動作を維持するために、本発明では、水晶振動子を一方の面が平面形状で他方の面が凸面形状のものが用いられ、その平面形状の一方側の表面を成膜材料の付着面としている。更に、当該平面形状の一方側の表面に形成される電極パターンを島状に形成することによって、副振動の発生を抑えて安定した厚みすべり振動（主振動）を維持することができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上述べたように、本発明によれば、水晶振動子の共振周波数の温度ドリフトを微量に抑えることができるようになり、これにより、周波数測定の安定化が図られ、高精度な膜厚監視および成膜レートの制御を実現できる。また、１０Å／ｓ以下（例えば１Å／ｓ程度）の低レート成膜も安定して行うことができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は本発明の実施の形態による成膜装置１の概略構成を示している。本実施の形態の成膜装置１は真空蒸着装置として構成され、真空チャンバ２の内部の成膜室には、抵抗加熱源や電子ビーム加熱源等の成膜材料の蒸発源３と、半導体ウェーハやガラス基板、セラミック基板等の被処理基板Ｗを支持するサセプタ４と、膜厚監視用のセンサヘッド５とが設置されている。
【００１９】
センサヘッド５は、蒸発源３から見て、被処理基板Ｗと幾何学的に略等距離の位置に設置されている。被処理基板Ｗは、一枚に限らず、同一サセプタ４上に複数枚の被処理基板Ｗが並置されていてもよい。
【００２０】
センサヘッド５の出力は、モニタ部６に供給される。このモニタ部６では、センサヘッド５の水晶振動子に付着した成膜材料の堆積量に応じた周波数変化に基づいて、被処理基板Ｗ上の堆積膜の膜厚を測定、監視する。また、測定した水晶振動子１０の周波数変化から成膜速度を算出し、これが所定の設定値を維持するようにコントローラ７を介して蒸発源３のパワーを制御する。
【００２１】
図２は、センサヘッド５の概略構成図である。センサヘッド５は、成膜材料の付着量に応じて共振周波数が変化する水晶振動子１０を保持し、金属等の導電性材料でなるヘッド本体１１を備えている。水晶振動子１０はコンベクス（平凸）型の円形基板でなり、その平面側の表面１０ａを蒸発源３側に向けてヘッド本体１１に保持されている。ヘッド本体１１の内部において、水晶振動子１０は、その凸面側の裏面１０ｂに弾接する付勢板１２と、表面１０ａの周縁に当接する保持爪１３との間に挟まれるようにして、保持されている。図において符号１７は、筒状の絶縁体である。なお、センサヘッド５は勿論、上述の構成に限られない。
【００２２】
ヘッド本体１１の周囲に取り付けられた冷却水循環パイプ１４は、プロセス中にヘッド本体１１が８０℃を超えた場合に冷却水循環ポンプ８（図１）から送出される冷却水の流路として機能し、ヘッド本体１１及び水晶振動子１０の冷却処理を行う。冷却水循環ポンプ８及びパイプ１４は本発明の「冷却手段」を構成し、コントローラ７によって動作がオン／オフ制御されるようになっている。なお、冷却手段として冷却水循環パイプ１４を設ける代わりに、ヘッド本体１１の内部に直接流路を形成してもよい。
【００２３】
ここで本発明では、センサヘッド５の温度が８０℃を超えるまでは、ポンプ８の駆動を停止し、冷却水の供給を行わないようにしている。これにより、後述するように、冷却水温度の微小変化に起因する水晶振動子の共振周波数の温度ドリフトの影響を回避し、膜厚及び成膜レートの監視あるいは制御を高精度に行うことができるとともに、数Å／ｓ程度の低レート成膜も安定して行うことができるようになる。
【００２４】
ヘッド本体１１の背面側には、例えば熱電対等で構成される温度センサ９が設置されている。この温度センサ９の出力はコントローラ７へ供給され、冷却水循環ポンプ８の動作制御に参照される。
【００２５】
以上、温度センサ９を含むセンサヘッド５、モニタ部６、コントローラ７及び冷却水循環ポンプ８により本発明の膜厚監視装置が構成される。また、コントローラ７は、本発明の「制御手段」に対応する。
【００２６】
図３Ａ〜Ｃは水晶振動子１０の構成を示しており、Ａは側面図、Ｂは表面１０ａ側の平面図、Ｃは裏面１０ｂ側の平面図である。本実施の形態において、水晶振動子１０の基本発振周波数は５ＭＨｚであるが、６ＭＨｚでもよく、それ以外でもよい。
【００２７】
水晶振動子１０の表面１０ａ及び裏面１０ｂには金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）等でなる電極パターン１５ａ，１５ｂが形成されている。特に本実施の形態では、水晶振動子１０の表面１０ａ側の電極パターン１５ａが島状に形成され、裏面１０ｂ側の電極パターン１５ｂがベタ状に形成されている（図３Ｂ，Ｃにおいて電極パターンの形成領域をハッチングで示す）。
【００２８】
水晶振動子１０の表面１０ａ側の島状の電極パターン１５ａは、水晶振動子１０の表面１０ａ略中央部に形成された主電極パターン１５ａ１と、表面１０ａの周縁２カ所に部分的に形成された接点用電極パターン１５ａ２，１５ａ２と、主電極パターン１５ａ１と接点用電極パターン１５ａ２，１５ａ２との間を連絡する連絡用電極パターン１５ａ３，１５ａ３とで構成されている。
【００２９】
接点用電極パターン１５ａ２は、ヘッド本体１１の保持爪１３と接触する領域に形成されており、この接点用電極パターン１５ａ２と連絡用電極パターン１５ａ３とを介して、主電極パターン１５ａ１をヘッド本体１１に電気的に接続させる。ヘッド本体１１は図２に示すように発振器１６の一方端に電気的に接続されている。なお、接点用電極パターン１５ａ２の形状及び形成位置は図示する例に限られない。
【００３０】
一方、水晶振動子１０の裏面１０ｂ側のベタ状の電極パターン１５ｂは、ヘッド本体１１の内部において付勢板１２と電気的に接続される。付勢板１２は金属等の導電材料でなり、付勢バネ１２ａを介して、発振器１６の他方端に電気的に接続されている（図２）。なお、電極パターン１５ｂはベタ状に限らず、表面１０ａ側の電極パターン１５ａと同様に島状に形成されていてもよい。
【００３１】
上述のように、水晶振動子１０は、その表面１０ａ側が平面状で裏面１０ｂ側が凸面状のコンベクス型で形成されており、平面状の表面１０ａ側が蒸発源３に対向する向きにヘッド本体１１にセットされている。つまり、表面１０ａが成膜材料の付着面（成膜面）とされている。発振器１６は、水晶振動子１０の表裏の電極パターン１５ａ，１５ｂに交流電圧を印加することにより水晶振動子１０を所定周波数で振動、共振させる。なお、発振器１６は、真空チャンバ２の外側であって、センサヘッド５とモニタ部６との間に取り付けられている（図１）。
【００３２】
ここで、本実施の形態においては、水晶振動子１０の表面１０ａ側に形成されている電極パターン１５ａが島状に形成され、例えば主電極パターン１５ａ１と接点用電極パターン１５ａ２との間の領域が、連絡用電極パターン１５ａ３の形成領域を除いて非連結とされているので、副振動（スプリアス(spurious)振動）の発生を効果的に抑制し、水晶振動子１０をその主振動である厚みすべり振動で安定に発振させることができるようになる。
【００３３】
また、水晶振動子１０の平面側の表面１０ａを蒸発源３に対向させ、当該表面１０ａ側に成膜材料を付着させて水晶振動子１０の周波数変動を測定するようにしているので、凸面側の裏面１０ｂを蒸発源３に対向させる構成に比べて、水晶振動子１０に対して成膜材料を均一に付着させることができるとともに、付着した成膜材料の割れ、剥がれを抑え、水晶振動子１０の安定した発振を維持して、モニタ部６における高精度な周波数測定を実現することが可能となる。
【００３４】
一方、水晶振動子１０の凸状裏面１０ｂの曲率半径を小さくするほど、発振が水晶振動子１０の中心に集中して発振強度が強くなり、共振の鋭さを示すＱ値が大きくなる。Ｑ値が大きいほど、発振をより安定させることができる。
【００３５】
図３Ａに示すように、凸状裏面１０ｂの曲率半径Ｒは、水晶振動子１０の直径ｄ、全厚ｔ、最小厚ａから、以下の式で算出することができる。
Ｒ＝ｄ2／８（ｔ−ａ）
ここで、例えばｄ＝１２．４ｍｍ、ｔ＝０．３３ｍｍ、ａ＝０．１５ｍｍとした場合、Ｒは最小で約１０７ｍｍとなる。なお本実施の形態では、Ｒ＝１００ｍｍとなるように、各部寸法が設定されている。
【００３６】
次に、本発明に係る水晶振動子１０の周波数温度特性について説明する。
【００３７】
通常のＡＴカット基板は、図４に示すように、結晶のＸ軸（電気軸）回りにＺ軸（成長軸）に対して３５°１５’の角度で切り出して形成されている。一方、結晶のＺ軸に対して所定角度をなすｒ面（面指数（０１−１１））及びＲ面（面指数（１０−１１））は、図５Ａに示すように、Ｚ軸を中心に正六角形を描くように交互に位置している。これらｒ面及びＲ面のＺ軸に対する角度は、図５Ｂに示すように、いずれも３８°１３’である。
【００３８】
実際に水晶振動子を得るには、結晶から水晶片を切断し、ブランクを得る必要がある。この場合、水晶ブランクは薄くなるため、Ｚ軸が不明確となる。しかし、結晶のｒ面は確認できるので、このｒ面を基準として水晶ブランクを切り出すことができる。このｒ面に対するＡＴカット基板のカット角は、（３８°１３’）−（３５°１５’）＝２°５８’である。
【００３９】
水晶振動子の周波数温度特性は、水晶のカット角に大きく依存する。図６は、水晶のｒ面に対してカット角を異ならせて切り出した水晶振動子の周波数温度特性を示している。各水晶振動子の基本発振周波数はそれぞれ５ＭＨｚであり、測定に用いたオッシレータ回路（発振器１６）は、（株）アルバック社製「ＯＳＣ−１２Ｂ／Ｄ」である。
【００４０】
図６に示すように、共振周波数の温度ドリフトは、水晶のカット角に大きく依存しており、ｒ面に対するカット角が大きいものほど、センサヘッド５の温度上昇に伴って、温度ドリフトがマイナス側からプラス側へ大きくシフトする。
【００４１】
そこで、本実施の形態では、共振周波数の温度ドリフトが室温（２５℃）から８０℃付近の範囲で２０ｐｐｍ以下のカット角の水晶基板で、水晶振動子１０を構成している。このようなカット角としては、本例では、ｒ面に対して３°０５’±０３’の角度範囲となる。これにより、周波数測定の安定化が図られ、高精度な膜厚監視と成膜レートの制御を実現できるようになる。
また、発振器１６（アルバック社製「ＯＳＣ−１２Ｂ／Ｄ」）の特性に合わせて、カット角を３°０５’±０１’に制御することにより、室温から８０℃の範囲で温度ドリフトを±１０ｐｐｍ以下に抑えることができる。この場合、水晶振動子の共振周波数の温度ドリフトは、７０℃〜８０℃付近で０に復帰する。このようなカット角の水晶振動子を用いることにより、膜厚監視と成膜レートの制御を更に高精度に実現できるようになる。
【００４２】
次に、以上のように構成される本発明の水晶振動子１０の周波数温度特性の実験例の結果を、従来のＡＴカット基板製の水晶振動子（カット角：２°５９’、コンベクス型、電極パターン表裏共にベタ）と比較して説明する。本実験例では、室温（２５℃）で発振している水晶振動子をランプ加熱したときの共振周波数安定性と、これを成膜レートに換算したレート安定性について検討した。測定環境の条件としては、チャンバ内の到達真空圧力を２．９×１０-3Ｐａ、冷却水の循環供給は無しとし、環境温度最大値は１２８．９℃、センサヘッド温度最大値は６９．６℃であった。
【００４３】
図７及び図８は従来の水晶振動子についての実験結果を示しており、それぞれ水晶振動子の加熱による共振周波数安定性と、この周波数変化を成膜速度に換算したときのレート安定性を示している。同様に、図９及び図１０は、本実施の形態の水晶振動子１０についての実験結果を示しており、それぞれ熱による共振周波数安定性と、レート安定性を示している。
【００４４】
図７から明らかなように、従来の水晶振動子は、加熱ランプ点灯直後、共振周波数が瞬間的に大きく上昇した後、時間の経過とともに発振周波数が徐々に減少し、一定の周波数に落ち着くまでに１時間以上要することが確認された。また、図８に示すように、レート安定性も同様な傾向を示しており、成膜の有無に関係なく温度に対して大きく影響を受けやすいことが確認できる。
【００４５】
これに対して本実施の形態の水晶振動子１０によれば、図９及び図１０に示すように、加熱ランプ点灯後、短時間（約２０分）で一定の周波数に安定に推移し、レート安定性は従来の水晶振動子に比べて著しく改善されていることが確認できる。
【００４６】
このように、本実施の形態の水晶振動子１０によれば、従来の水晶振動子よりも周波数温度特性に優れ、レート安定性の熱による影響を従来よりも抑制でき、成膜レートの測定をより高精度に行うことが可能となる。
【００４７】
次に、従来の水晶振動子および本実施の形態の水晶振動子１０の各々について、センサヘッドに冷却水を供給した場合と供給しない場合とでのレート安定性の変動特性を説明する。図１１は従来の水晶振動子の場合を示し、図１２は本実施の形態の水晶振動子の場合を示している。
【００４８】
センサヘッドへの冷却水の供給は、水晶振動子の温度上昇による共振周波数の温度ドリフトの増大を抑制することを目的としている。ところが、図１１及び図１２からも明らかなように、冷却水の全導入期間に亘って、レートのバラツキ量が大きい。これは、供給された冷却水の温度変化が原因で水晶振動子の周波数変動が誘発され、これがノイズとなってレート安定性を損なわせていると考えられる。
【００４９】
なお、図１１と図１２を比較すると、冷却水の供給の有無に関係なく、従来の水晶振動子（図１１）に比べて、本実施の形態の水晶振動子１０（図１２）の方が、レートのバラツキ量が小さい。これは、上述したように、本実施の形態の水晶振動子１０の方が、周波数温度特性に優れているからである。
【００５０】
以上のように、冷却水を供給した場合と供給しない場合とでは、レート安定性に明らかな相違が生じており、冷却水を供給する場合に比べて、冷却水を供給しない場合の方がレート安定性に優れている。
【００５１】
そこで、本発明においては、センサヘッド５の温度が８０℃に達する前までは、コントローラ７により冷却水循環ポンプ８の駆動を停止し、水晶振動子１０の冷却処理を行うことなく被処理基板Ｗの膜厚監視を行う。センサヘッド５の温度が８０℃以下の場合、図６に示したように、水晶振動子１０の共振周波数の温度ドリフトは２０ｐｐｍ以下であるので、精度の高い膜厚監視および成膜レート制御が可能である。
【００５２】
一方、センサヘッド５の温度が８０℃を超えると、冷却水の供給による共振周波数の変動に増して、水晶振動子の温度ドリフトが大きくなる。従って、センサヘッド５の温度が８０℃を超えたときは、コントローラ７により冷却水循環ポンプ８の駆動を開始し、センサヘッド５へ冷却水を供給して水晶振動子１０の冷却処理を行う。これにより、水晶振動子１０の過度の温度上昇による共振周波数の温度ドリフトを制限し、安定した膜厚監視動作を継続させることができる。
【００５３】
以上のように、本実施の形態によれば、センサヘッド５が８０℃以下の温度では冷却水の供給を停止させることにより、室温から８０℃付近までの温度範囲における共振周波数の温度ドリフトを微量（２０ｐｐｍ以下）に抑えることができる。これにより、従来よりも周波数温度特性を改善でき、安定した周波数測定を可能とし、高精度な膜厚監視および成膜レートの制御を実現できる。
【００５４】
また、本実施の形態の水晶振動子１０によれば、従来よりも安定した周波数測定が可能であるので、例えば図１３Ａに示すように、１０Å／ｓ以下（図では約１Å／ｓ）の低レート成膜も安定してモニタリングすることができる。比較のため、図１３Ｂに従来の水晶振動子で低レート成膜を行ったときの様子を示す。従来の水晶振動子に比べ、本発明によればレート安定性を大きく改善でき、例えば有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）材料等の低レート成膜が要求されるプロセスにおいて、高精度な膜厚測定および成膜レート制御を行うことが可能となる。
【００５５】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【００５６】
例えば以上の実施の形態では、水晶振動子１０の表裏面１０ａ，１０ｂに形成した電極パターン１５ａ，１５ｂとして、図３Ｂ，Ｃに示した例を説明したが、これに限らない。例えば図１４Ａ，Ｂは、水晶振動子１０の平坦な表面１０ａ側には島状の電極パターン１８ａが形成され、凸状の裏面１０ｂ側にも島状の電極パターン１８ｂが形成された例を示している。
【００５７】
一方の表面側の電極パターン１８ａは、主電極パターン１８ａ１と、接点用電極パターン１８ａ２と、連絡用電極パターン１８ａ３とでなり、特に、接点用電極パターン１８ａ２は、図３Ｂに示した電極パターン１５ａ２に比べて、形成範囲が狭くなっている。他方の裏面側の電極パターン１８ｂは、主電極パターン１８ｂ１と、第１，第２の副電極パターン１８ｂ２，１８ｂ３とでなり、特に、主電極パターン１８ｂ１は、表面側の主電極パターン１８ａ１よりも小面積とされ、副電極パターン１８ｂ２，１８ｂ３は、表面側の接点用及び連絡用電極パターン１８ａ２，１８ａ３と重ならない領域に形成されている。このような構成によっても、副振動を抑えて安定した発振動作を確保することができる。
【００５８】
また、以上の実施の形態では、水晶振動子１０として、結晶のｒ面に対して３°０５’±０３’のカット角で切り出した水晶基板で構成したが、これ限らず、プロセスや発振器１６の回路特性等に応じて、最適なカット角に調整することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施の形態を示す概略構成図である。
【図２】センサヘッド５の構成を示す側断面図である。
【図３】水晶振動子１０の構成を示す図で、Ａは側面図、Ｂは平面図、Ｃは裏面図である。
【図４】一般的なＡＴカット基板のカット角を説明する図である。
【図５】一般的なＡＴカット基板のカット角を説明する水晶の図である。
【図６】水晶の共振周波数の温度ドリフトとカット角との関係を示す図である。
【図７】従来の水晶振動子の熱による共振周波数変動特性を示す図である。
【図８】図７の結果を成膜レートに換算した図である。
【図９】本発明の水晶振動子１０の熱による共振周波数変動特性を示す図である。
【図１０】図９の結果を成膜レートに換算した図である。
【図１１】従来の水晶振動子に関して冷却水の供給の有無によるレート安定性を示す図である。
【図１２】本発明の水晶振動子１０に関して冷却水の供給の有無によるレート安定性を示す図である。
【図１３】低レート成膜時におけるレート安定性を示す図で、Ａは本発明の水晶振動子を用いた例を示し、Ｂは従来の水晶振動子を用いた例を示している。
【図１４】本発明の水晶振動子の電極パターンの一変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１ 成膜室
２ 真空チャンバ
３ 蒸発源
４ サセプタ
５ センサヘッド
６ モニタ部
７ コントローラ
８ 冷却水循環ポンプ
９ 温度センサ
１０ 水晶振動子
１１ ヘッド本体
１２ 付勢板
１３ 保持爪
１４ 冷却水循環パイプ
１５ａ，１５ｂ，１８ａ，１８ｂ 電極パターン
１６ 発振器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサヘッドに保持された水晶振動子の表面に成膜材料を付着させ、この成膜材料の堆積による前記水晶振動子の共振周波数の変化量を測定し、被処理基板上に堆積した前記成膜材料の膜厚を監視する膜厚監視方法において、
前記センサヘッドの温度が８０℃を超えるまでは、前記水晶振動子の冷却処理を行わないことを特徴とする膜厚監視方法。
【請求項２】
前記水晶振動子として、室温から８０℃付近までにおける温度ドリフトが２０ｐｐｍ以下の水晶基板を用いる請求項１に記載の膜厚監視方法。
【請求項３】
前記水晶振動子として、結晶のｒ面に対して３°０５’±０３’の角度で切り出した水晶基板を用いる請求項２に記載の膜厚監視方法。
【請求項４】
前記成膜材料の成膜速度を１０Å／ｓ以下とする請求項１に記載の膜厚監視方法。
【請求項５】
前記水晶振動子は、一方側の面が平面形状で他方側の面が凸面形状であり、前記一方側の面を前記成膜材料の付着面とする請求項１に記載の膜厚監視方法。
【請求項６】
被処理基板を収容する成膜室に設置され、成膜材料の付着量に応じて共振周波数が変化する水晶振動子と、この水晶振動子を保持するセンサヘッドと、前記水晶振動子の周波数変化を測定するモニタ部と、前記水晶振動子を冷却する冷却手段とを備えた膜厚監視装置において、
前記センサヘッドの温度が８０℃を超えるまでは、前記冷却手段による前記水晶振動子の冷却動作を停止させる制御手段を備えたことを特徴とする膜厚監視装置。
【請求項７】
前記水晶振動子は、室温から８０℃付近までにおける温度ドリフトが２０ｐｐｍ以下である請求項６に記載の膜厚監視装置。
【請求項８】
前記水晶振動子は、結晶のｒ面に対して３°０５’±０３’の角度で切り出されている請求項７に記載の膜厚監視装置。
【請求項９】
前記水晶振動子は、一方側の面が平面形状で他方側の面が凸面形状であり、その何れの面にも電極パターンが形成されており、少なくとも前記一方側の面の電極パターンが島状に形成されている請求項６に記載の膜厚監視装置。
【請求項１０】
前記水晶振動子は、前記一方側の面が成膜材料の付着面とされている請求項９に記載の膜厚監視装置。
【請求項１】
センサヘッドに保持された水晶振動子の表面に成膜材料を付着させ、この成膜材料の堆積による前記水晶振動子の共振周波数の変化量を測定し、被処理基板上に堆積した前記成膜材料の膜厚を監視する膜厚監視方法において、
前記センサヘッドの温度が８０℃を超えるまでは、前記水晶振動子の冷却処理を行わないことを特徴とする膜厚監視方法。
【請求項２】
前記水晶振動子として、室温から８０℃付近までにおける温度ドリフトが２０ｐｐｍ以下の水晶基板を用いる請求項１に記載の膜厚監視方法。
【請求項３】
前記水晶振動子として、結晶のｒ面に対して３°０５’±０３’の角度で切り出した水晶基板を用いる請求項２に記載の膜厚監視方法。
【請求項４】
前記成膜材料の成膜速度を１０Å／ｓ以下とする請求項１に記載の膜厚監視方法。
【請求項５】
前記水晶振動子は、一方側の面が平面形状で他方側の面が凸面形状であり、前記一方側の面を前記成膜材料の付着面とする請求項１に記載の膜厚監視方法。
【請求項６】
被処理基板を収容する成膜室に設置され、成膜材料の付着量に応じて共振周波数が変化する水晶振動子と、この水晶振動子を保持するセンサヘッドと、前記水晶振動子の周波数変化を測定するモニタ部と、前記水晶振動子を冷却する冷却手段とを備えた膜厚監視装置において、
前記センサヘッドの温度が８０℃を超えるまでは、前記冷却手段による前記水晶振動子の冷却動作を停止させる制御手段を備えたことを特徴とする膜厚監視装置。
【請求項７】
前記水晶振動子は、室温から８０℃付近までにおける温度ドリフトが２０ｐｐｍ以下である請求項６に記載の膜厚監視装置。
【請求項８】
前記水晶振動子は、結晶のｒ面に対して３°０５’±０３’の角度で切り出されている請求項７に記載の膜厚監視装置。
【請求項９】
前記水晶振動子は、一方側の面が平面形状で他方側の面が凸面形状であり、その何れの面にも電極パターンが形成されており、少なくとも前記一方側の面の電極パターンが島状に形成されている請求項６に記載の膜厚監視装置。
【請求項１０】
前記水晶振動子は、前記一方側の面が成膜材料の付着面とされている請求項９に記載の膜厚監視装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００６−７８３０２（Ｐ２００６−７８３０２Ａ）
【公開日】平成１８年３月２３日（２００６．３．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２６１８１５（Ｐ２００４−２６１８１５）
【出願日】平成１６年９月９日（２００４．９．９）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月２３日（２００６．３．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月９日（２００４．９．９）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
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