JP2016153757A

JP2016153757A - 成膜センサーユニット

Info

Publication number: JP2016153757A
Application number: JP2015031952A
Authority: JP
Inventors: 祐介早川; Yusuke Hayakawa; 洋一神長; Yoichi Kaminaga; 大輔榎本; Daisuke Enomoto
Original assignee: PIEZO PARTS KK
Current assignee: PIEZO PARTS KK
Priority date: 2015-02-20
Filing date: 2015-02-20
Publication date: 2016-08-25

Abstract

【課題】安定した固有振動周波数が維持できる成膜センサーユニットを提供する。【解決手段】水晶振動子３００への導電接触探針３１４、３１５の押圧が弾性体の弾性変形の限度内で電極３３１、３３２と接触し、導電接触探針３１４の導電端部が球形の一部あるいは楕円球の一部である形状のものを用いることにより、振動子３００に対して小さな押圧であっても十分な電気接続を実現する。さらに、前面電極３０３への通電を、振動子ホルダー３０４を介することなく電極３３１を介して直接接触通電することにより長期間良好な通電を維持する。【選択図】図１１

Description

本発明は、成膜センサー、特に圧電効果を有する圧電材料の固有振動周波数の変化を利用した成膜センサーを含むセンサーユニットに関するものである。

水晶振動子は、圧電効果を有し、そのため水晶片に外部から応力を加えるとその応力に応じて電気が発生し、逆に水晶に電圧を加えると応力が発生して水晶の結晶が変形する。水晶を薄く板状にした水晶板の両側に薄い金属電極を形成し、この電極に交流電圧をかけると水晶板に応力が発生して変形し、交流電圧の正負によって水晶板の変形が繰り返されて振動する。この振動機構を利用して発振回路に応用することができる。このような発振回路は、水晶振動子が持つ固有の振動数を利用するため、安定な発振周波数を得ることができ、基準発振回路として色々な用途に利用されている。

一方、水晶振動子は、電極表面に物質が付着するとその質量に応じて周波数が小さくなる特徴を持っている。この性質を利用して、真空蒸着装置や化学成膜装置において、膜形成過程での膜厚測定に用いることができる成膜センサーとして用いられている。具体的には、水晶振動子により発振回路を構成して、その発振周波数を計測することにより、成膜速度を計測することができる。本発明は、水晶振動子を用いた成膜センサーに関するものである。以下では、水晶振動子を用いた成膜センサーについて具体的に説明するが、本発明は、圧電効果を有するものであれば水晶振動子のほか圧電セラミック等の圧電材料を用いた成膜センサーについても適用できる。

図１は、実験室等で一般的に用いられている従来の成膜センサー１を示している（（ａ）は当該従来の成膜センサー１の正面図であり、（ｂ）はこの正面に垂直でかつ線Ａ−Ａを含む平面で切断したときの従来の成膜センサー１の断面図である）。これを、真空蒸着装置にあっては真空チャンバー、あるいは化学成膜装置にあっては成膜反応チャンバーに入れて使用する。従来の成膜センサー１は水晶振動子１００と、水晶支持金属線１０４と１０５、リード線１０７と１０８及びセンサー基盤１０６から成り立っている。水晶振動子は、薄く研磨仕上げした円盤状の水晶板１０１と２つの表面に金蒸着により形成した電極１０２及び１０３からなる。電極は、水晶板１０１の両端１０２Ａ、１０３Ａにおいてそれぞれ水晶支持金属線１０４と１０５が導電性ペースト又は金箔により電気的・機械的に接続され、これら水晶支持金属線１０４と１０５はリード線１０７と１０８に電気的・機械的に接続されている。リード線１０７と１０８はセンサー基盤１０６を貫通している。

実際の使用に当たり、リード線１０７と１０８は外部の発振回路に接続される。水晶振動子１００は水晶板内で生じる圧電現象により固有の振動数（以下「固有振動周波数」という）の発振をする。この従来の成膜センサー１では、この固有振動周波数を計測して、水晶振動子１００の表面に付着した成膜層の膜厚を知ることを測定の原理としている。実際には、膜厚の測定は絶対測定ではなく、膜厚の時間的な変化に対する固有振動周波数の変化を測定し、その時間積分量をもって膜厚の蓄積値として成膜した膜の膜厚（以下、「成膜膜厚」という）を決定している。

水晶振動子１００がその表面に付着する物質の質量に応じて周波数が小さくなる変化を感度よく検知するには、理想的には、水晶振動子１００が自由空間中に置かれていることが望ましい。一方、水晶支持金属線１０４と１０５は水晶振動子１００を束縛している。この拘束力はできるだけ小さい方が良いため水晶支持金属線１０４と１０５は細い導線が用いられることが理想である。しかし、現実の成膜センサーの使われ方においては、水晶振動子１００を自由空間中に置くこと、あるいは束縛力の弱い保持状態の下に置くことは困難である。実際の水晶振動子の使用方法においては、有限の束縛力から起こる保持状態の問題に加えて以下の現実的な問題がある。

従来の膜厚センサー１は、センサー全体をチャンバーに入れて使用する。その際、水晶支持金属線１０４と１０５が反応性のガスにより腐食したり、成膜対象物をチャンバーに出し入れする際に膜厚センサー１に触れる等による機械的ストレスが水晶振動子１００に加わったりすることにより、従来の膜厚センサー１は安定的に長時間使用することができない。即ち、その機構から雰囲気ガスや機械的ストレスに対する防護が不十分である。

そこで、工業的には図２に示す従来型の成膜センサーユニット２２０が従来から用いられている。従来型の成膜センサーユニット２２０は基本的には、水晶振動子２００、振動子ホルダー２０４、金属板バネ２０８、ばね保持部２０６、ユニット筒２０７から成っている。

水晶振動子２００は円形状の水晶板２０１と図面上の手前（以下、「前面」という）表面の円形の周辺部を除いたほぼ全面に金蒸着により形成された前面電極２０３と、図面上の向こう側（以下、「背面」という）表面の中心部に位置する中心円形部と２つの円弧辺とこの中心円形部と円弧辺を結ぶ帯形状部からなる金蒸着の背面電極２０２からなっている。この水晶振動子は振動子ホルダー２０４の内部に形成した円環枠２４０に接して、振動子ホルダー２０４の内部に留置される。振動子ホルダー２０４は金属部材からなりその円状面には窓２０５が穿たれ、水晶振動子２００の前面電極２０３はこの窓２０５を介して外部に暴露している。この前面電極２０３は、窓２０５を通して真空蒸着装置にあっては真空チャンバーあるいは化学成膜装置にあっては成膜反応チャンバーの内部に暴露しており、これらチャンバーの蒸着ガスや成膜ガスが前面電極２０３の表面に堆積し、その堆積の結果形成される成膜の膜厚を水晶振動子２００の固有振動周波数の変化により捕える。

金属板バネ２０８は、ばね保持部２０６の一方の面に取り付けられている。金属板バネ２０８は、導電性金属例えば銅板やリン青銅板を、円形の形状に整形し、その円形部の周辺を一部切り離し、曲折して円形部の平面より突出できるようにしたものである。突出した部分である先端部２０８ａは、背面電極２０２に対して電気的接点となっている。金属板バネ２０８は、ばね保持部２０６を貫通するボルト２０９によりばね保持部２０６に取り付けられている。ばね保持部２０６は、絶縁性材質により作られた成形部材である。ボルト２０９は、金属板バネ２０８が取り付けられたばね保持部２０６の面とは反対の面においてナット２１０によりばね保持部２０６にリード線２１１とともに固定される。

ユニット筒２０７は金属より成り、従来型の成膜センサーユニット２２０の長手方向の構造体である。ユニット筒２０７は、真空蒸着装置にあっては真空チャンバー、あるいは化学成膜装置にあっては成膜反応チャンバー（以下、総称して「チャンバー」と呼ぶ）内での水晶振動子の位置と蒸着ソース又は成膜ソース（以下、総称して「ソース」と呼ぶ）に対する対面角度を決定する構造体でもある。

図３は従来型の成膜センサーユニット２２０を組み立てたときの中心軸を含む面を断面としたときの従来型の成膜センサーユニット２２０の断面を示している。水晶振動子２００は、金属板バネ２０８が水晶振動子２００の背面電極２０２の周辺にある２つの円弧辺と接触し、リード線２１１からはボルト２０９と金属板バネ２０８を介して背面電極２０２に通電することになる。一方、金属板バネ２０８の水晶振動子２００に対する押圧により、水晶振動子２００の前面電極２０３は振動子ホルダー２０４に押し付けられ、振動子ホルダー２０４と前面電極２０３は通電することとなる。振動子ホルダー２０４は金属部材からなるため、ユニット筒２０７より水晶振動子２００の前面電極２０３に通電することとなる。

従来型の成膜センサーユニット２２０の実際の使用においては、発振回路（図３には表示していない）にリード線２１１とユニット筒２０７を電気的に接続し、水晶振動子２００が発振回路の振動素子要素として接続される。水晶振動子２００の固有振動周波数は、発振回路において他の回路要素と共に構成される発振回路全体の発振周波数として測定される。

この従来型の成膜センサーユニット２２０の特徴は、水晶振動子２００が従来型の成膜センサーユニット２２０全体で防護されている。従って、チャンバー内での位置とソースに対する水晶振動子２００の表面が見込む角度が一定となるため、成膜膜厚の測定値の再現性が良い。更に、水晶振動子２００が従来型の成膜センサーユニット２２０全体で防護されているためソースから出る蒸着ガスや反応ガスにより、リード線２１１の腐食あるいは金属バネ２０８の腐食が起こらず、安定した水晶振動子２００を長期間使用することができる。また、水晶振動子２００はその表面での成膜層の形成により、いずれは発振しなくなり、成膜膜厚測定に使用できなくなる。そのときは水晶振動子２００の寿命であるとして水晶振動子２００を交換する必要がある。この従来型の成膜センサーユニット２２０では水晶振動子２００にはリード線等が直接繋がっていない故に、振動子ホルダー２０４をこの従来型の成膜センサーユニット２２０から外して、水晶振動子２００を取り換えるだけで極めて容易に水晶振動子２００の交換ができ、再度の従来型の成膜センサーユニット２２０の使用が直ちにできる。ソースに対する水晶振動子２００の見込み角度の調整も不要である。このように、メンテナンスが容易なことより、この従来型の成膜センサーユニット２２０は広く用いられている。

しかし、従来型の成膜センサーユニット２２０には、以下のような問題がある。

第一の問題として、水晶振動子２００を金属板バネ２０８で押さえているが、その押圧力の発生には、金属板バネ２０８の円形の銅板あるいはリン青銅板の周辺の一部をその弾性限界を超えて折り曲げ、折り曲げ部の復元力を利用している。即ち、このようにして発生した押圧により突出させた先端部２０８aが水晶振動子２００の保持と背面電極２０２と前面電極２０３の通電を実現している。しかし、この押圧は、金属板バネ２０８の円形周辺の一部をその弾性限界を超えて折り曲げて発生させた折り曲げ部の復元力によるものであって、金属板バネの先端部２０８aを介した水晶振動子２００に対する押圧力は、金属板バネ２０８の折り曲げ量の不均質、弾性復元力のバラつきにより一定しない。さらに、弾性復元力は時間と共にその復元力は弱くなる。特にチャンバー内の温度が上がる場合は、「焼き鈍し」効果により、復元力は急激に弱くなる。それによって水晶振動子２００の背面電極２０２と前面電極２０３に対する通電が損なわれ、水晶振動子２００を含む発振回路の安定な発振が困難となることがある。この発振の不安定は発振の停止以外に、水晶振動子２００の固有振動周波数をシフトさせたりする。固有振動周波数のシフトがあると、成膜膜厚の測定は水晶振動子２００の固有振動周波数の変化に基づいて行っているため、従来型の成膜センサー２２０は成膜膜厚の測定機器として使用できなくなる。

第二の問題としては、水晶振動子２００に加わる押圧は本質的には、水晶板２０１にひずみを作る。このひずみは、水晶振動子２００の固有振動周波数をシフトさせたり、振動モードを変えて固有振動周波数の近くに複数のサイドローブを作り固有振動周波数を他の振動周波数にジャンプさせたりする。そのため、押圧力を生じているバネ弾性の時間的な変化に対しては、固有振動周波数のシフトや、測定中の見かけの固有振動周波数のジャンプを生じ、安定した成膜膜厚測定ができなくなる。

第二の問題を水晶の固有振動を支配する振動メカニズムの側面より以下に詳しく説明する。

水晶振動子は、水晶の機械的な振動が圧電効果を介した電荷の発生、従って電流変化として現れるものを電気回路的な動作として検知している。従って、水晶の固有振動の基本は水晶板の振動メカニズムである。水晶振動子として採用されている水晶板の振動には、屈曲振動モード、捩り振動モード、長辺振動モード、幅縦振動モード、幅・長さ縦結合振動モード、輪郭すべり振動モード、厚みすべり振動モードがある。これらは、水晶の結晶から水晶板を切り出す際の結晶軸との関係で決まる。いずれの振動モードであっても、水晶振動子の固有振動は機械的な共振である。水晶振動子のこの共振機械振動は、水晶振動子が自由空間の中に置かれて束縛力がない場合には、上に掲げた水晶発振のモードと、水晶板の実効的弾性係数、水晶板の板厚、質量負荷、空間形状、で決まる。水晶発振のモードは水晶板の結晶軸に対する切り出しで決まり、それ以外のパラメータに対する水晶振動子の固有振動（以下、「機械的共振モード」と言う）の依存性は水晶発振のモードの種別ごとに異なる。水晶板の板厚は振動する水晶板の剛性に関係し、一般には板厚が厚いと固有振動は低くなる。ここで、質量負荷は水晶振動子の表面に付着した成膜の質量である。空間形状は、水晶板内の機械振動を決めるパラメータであり、水晶板の半径方向の振動モードと水晶板の周回の振動モードとが併存する。振動半径方向の機械的共振モードは、水晶板の境界即ち輪郭部が共振機械振動の解放終端となる場合と閉塞終端とがある。

図２に示す従来型の成膜センサーユニット２２０では、水晶振動子２００が振動子ホルダー２０４に拘束されるため、水晶振動子２００の拘束領域は共振機械振動の閉塞終端となり、水晶板に対する振動波の波長は水晶板の直径（拘束領域は除く）の半整数倍となる。一方、周回の機械的共振モードには、水晶板内で描くことのできる閉じた円の周期のゼロを含む整数倍を満たす振動モードである。図４は、水晶振動子２００を構成する水晶板２０１での機械的共振モードをその振動の存在分布を模式的に表している。水晶板２０１は振動子ホルダー２０４に拘束されるため、水晶板内の機械振動は振動子ホルダーによる拘束領域の内側の領域で生じる。機械的共振モードのうち、水晶板の半径方向の振動モードとしては１次モード（点線）と２次モード（破線）を示している。水晶板の周回の振動モードとしては１次モード（一点鎖線）を示している。実際に水晶板２０１の表面又は内部での振動モードは低次モードから高次モードまでの重畳したモードであり、振動の波形は振動モードの種類により様々である。

これら機械的共振モードは水晶板に外部から加わる機械的な負荷により変化する。例えば水晶板の一点に押圧負荷をかけると、そこから機械的なストレスが水晶板全体に広がり、そのストレス下で水晶板の機械振動に関わる実効的な弾性係数が変わる。実効的な弾性係数が変わると、共振機械振動の周波数も変わる。実効的な弾性係数の変化は水晶板の半径方向の振動モードと水晶板の周回の振動モードの両方に影響を与える。

一方、水晶板上の一点に押圧負荷をかけた場合における、振動モードに対する局所的な影響は、共振機械振動の空間的存在領域を大きく変える。図５は水晶板２０１上の点Ｐに押圧をかけたときの共振機械振動の存在領域を示している。点Ｐは、振動子ホルダーによる束縛領域に加えて、水晶板２０１における共振機械振動の固定終端点ともなる。従って、点Ｐを中心に新たな振動モードが生じる。一方、従来の振動子ホルダーのみを束縛領域とする元の振動モードは、点Ｐを中心に新たな振動モードにより、その存在領域が浸食される。しかし、元の振動モードと新たな振動モードはこの水晶板２０１に併存することとなる。前者の領域では、点Ｐでの押圧負荷によるストレスのため実効的な弾性係数が元の振動周波数に対して高い方に周波数がずれる。一方、後者の領域では、押圧負荷によるストレスが大きいため実効的な弾性係数が元の弾性係数より大きくなる。更に、点Ｐは水晶板２０１の拘束点となるため、点Ｐとその近い周囲にある振動子ホルダーによる束縛領域との間に新たな共振機械振動が発生する。

前者の領域を固有振動領域と呼び、後者の領域を寄生振動領域と呼ぶ。固有振動領域の共振機械振動は押圧が無いときの元の共振機械振動の振動モード（これを「無押圧振動モード」と呼ぶ）に近い。寄生振動領域の共振機械振動は、無押圧振動モードに影響を受けるものの、この「無押圧振動モードとは共通性の少ない振動モードであって、寄生振動領域の共振機械振動の周波数は固有振動領域の共振機械振動の周波数とは基本的には異なる。従って、金属板バネ２０８の折り曲げ部の立ち上げ角度を大きくして折り曲げ部の先端部２０８aが強く水晶板２０１の背面電極２０２を押すと、水晶振動子２００の固有振動周波数が他の周波数にジャンプする現象が起こることがあるが、そのジャンプ先の周波数は、この寄生振動領域の共振機械振動の周波数である。

第三の問題は、水晶振動子２００に形成した前面電極２０３と振動子ホルダー２０４の電気的な接触の不良である。従来型の成膜センサーユニット２２０は、振動子ホルダー２０４に穿いた窓２０５がソースから出る蒸着ガスや反応ガスに曝されている。その結果として。図６に示すように水晶振動子２００の前面電極２０３の表面に蒸着膜層あるいは化学反応による成膜層が産生することとなる。このような層の形成は、振動子ホルダー２０４と水晶振動子２００特に前面電極２０３との間に回り込み層２２１を形成する。更に、回り込み層２２１は前面電極２０３と振動子ホルダー２０４の間隙においてマイグレーションあるいは浸透現象を生じて、振動子ホルダー２０４と前面電極２０３の間の電気的な接触を劣化させ接触抵抗が増大し、最終的には電気的な導通を妨げることになる。このような、接触抵抗の増大と、最終的には電気的導通の遮断は、水晶振動子２００を含む発振回路における発振信号のレベル低下と発振の停止となって現れる。発振信号のレベル低下においては、振動子２００の非線形効果により、発振周波数のジャンプやふらつきが生じ、従来型の成膜センサーユニット２２０では水晶振動子２００の固有振周波数を利用する成膜速度の測定ができなくなるという問題を生じる。

次に第三の問題を電気回路的の側面から以下に説明する。図７は、水晶振動子を含むコルピッツ発振器を示している。この発振器により水晶振動子の固有振動周波数の発振信号を得ることができる。水晶振動子ＸはバイポーラトランジスタＴｒのベースとエミッタの間に挿入されている。図８の上図はこのコルピッツ発振器の等価回路を示している。エミッタ電流によるベース・エミッタ間の正帰還により発振が生じ、その発振が維持される。このとき、発振回路の水晶振動子側と発振回路側の等価回路は図８の下図となる。この発振が生じるための条件としては、発振回路側の負性抵抗値をＲｉとすると、実効的な負性抵抗値Ｒｉ（＝｜Ｒｎ｜−Ｒｐ）が水晶振動子側の等価抵抗Ｒｅより大きいこと、即ち、Ｒｉ≧Ｒｅが満たされることが必要である（ここで、Ｒｐは回路の抵抗分による損失を生じるその抵抗である）。更にその発振信号が安定して維持されるためには、実効的な負性抵抗値Ｒｉが水晶振動子側の等価抵抗Ｒｅより十分に大きいこと、すなわち余裕があることが必要である。安定発振条件としては、一般的には、Ｒｉ≧５×Ｒｅとされている。ここで係数５は余裕の度合いをしており、ＲｉがＲｅに近づく、すなわち係数５が１に近づくにつれて、発振は生じ難くなり、発振をしていても発振信号は小さくその固有振動周波数も安定しなくなる。逆に、係数が１０以上になるとき、すなわち発振回路側の負性抵抗が十分に大きいときは発振しやすく、発振は安定的に維持される。

振動子ホルダー２０４と前面電極２０３の間の電気的な接触抵抗が増大した場合には、図９に示すように水晶振動子Ｘには接触抵抗Ｒｃが直列的に加わることとなる。そうすると、図１０に示す等価回路から、安定発振条件は、実効的な負性抵抗値ＲｉがＲｉ≧５×（Ｒｅ＋Ｒｃ）を満たすことが必要となる。この関係より、接触抵抗Ｒｃが大きくなると、実効的な負性抵抗値Ｒｉは係数５を維持することが困難となる。係数が１となれば発振の維持の限界となってしまう。従って、水晶振動子Ｘの接触抵抗Ｒｃの増大は避けなければならない。この接触抵抗Ｒｃは従来型の成膜センサーユニット２２０の振動子ホルダー２０４と前面電極２０３の間の電気的な接触抵抗Ｒｃである。しかし、この接触抵抗の原因は、蒸着膜層あるいは化学反応による成膜層が形成されることによる振動子ホルダー２０４と水晶振動子２００に形成された前面電極２０３との間の回り込み層２２１と、前面電極２０３の表面に蓄積し形成された蒸着膜層あるいは化学反応による成膜層が振動子ホルダー２０４と前面電極２０３へのマイグレーションあるいは浸透現象によるものである。

これらにより振動子ホルダー２０４と前面電極２０３の間の電気的な接触抵抗は、従来型の成膜センサーユニット２２０を長時間使用することにより、不可避的に増大することによる。従って、蒸着膜層あるいは化学反応による成膜層を形成することを目的とした装置に従来型の成膜センサーユニット２２０が使用される限りは、避けることができない課題として残る。

接触抵抗Ｒｃを減らす方法として、成膜センサーユニットを含む装置の操作者は、発振信号が不安定となると、蒸着又は成膜処理のバッチを交換する際に、金属板バネ２０８の水晶振動子２００に対する押圧力を高めるため、金属板バネ２０８の折り曲げ部の立ち上げ角度を大きくして折り曲げ部の先端部２０８aが強く背面電極２０２を押すように、金属板バネ２０８を調整している。しかし、接触抵抗Ｒｃの増加の原因が、成膜対象物に対して被着されるイオンや成膜反応ガスがセンサーマウント２０４と電極２０３の間に入り込み、電極を腐食することによる電極のエロージョンやセンサーマウントと電極の間に被着あるいは成膜される膜の残渣あるいはデブリのマイグレーションあるいは浸透現象であるため、金属板バネ２０８の押圧力を高めることは接触抵抗Ｒｃを下げることにはあまり効果がない。更に、無押圧振動モードが理想的である水晶板内の振動モードを、押圧力を高めることによって生じた水晶振動子への機械的ストレスは、水晶板内の振動モードを水晶板内の元の機械的振動モードから大きく変えることとなる。その結果、第二の問題として指摘した問題を再び生じる。水晶振動子への機械的ストレスが、安定な固有振動周波数領域を抑制したり、固有振動周波数の近くに複数のサイドローブを作り固有振動周波数を他の振動周波数にシフトさせたりジャンプさせたりする。従って、金属板バネ２０８の押圧力を高めることは固有振動発振機構の観点からは固有振動周波数を不安定にする新な要因を作り出すことにほかならない。

特願２００５−２１２０７号報「成膜装置に於ける成膜速度測定装置および方法」特願平３−２４３３９号報「水晶振動子用連続成膜装置」 PCT/JP2009/066332「Deposition apparatus, deposition method, and storage medium having program stored therein」米国特許公報ＵＳ５０２５６６４Ａ「Multiple crystal head for deposition thickness monitor」

以上説明した問題は従来型の成膜センサーユニットに関して解決すべき課題であり、本発明の課題となっている。具体的には、第一に金属板バネのバネ弾性の時間的な変化でありそのため電気接触が悪化し安定な固有振動周波数が維持できないこと、第二には金属板バネの押圧力が水晶振動子１００を自由空間中に置く程度の束縛力の弱い保持状態の下に置くこととなっていないことによる固有振動周波数のシフトやジャンプなどの不安定な発振動作が生じること、第三には、蒸着膜層あるいは化学反応による成膜層のマイグレーション又は浸透現象による振動子ホルダー２０４と前面電極２０３の間の電気的な接触抵抗が不可避的に増大することである。いずれの問題もこの成膜センサーユニットによる成膜測定の寿命を短くする。これに対処する上述した操作者による金属板バネの調整は本質的な問題解決でもなくかえってこの従来型の成膜センサーユニット２２０の不安定測定の原因を作っている。

本発明では、上記の問題に対する直接の解決手段に加えて、水晶振動子に対する外部からの押圧でたとえ水晶振動子に他の寄生振動が生じて元の固有振動周波数に重畳してこの寄生振動の振動周波数の成分が含まれるようになっても、元の固有振動周波数を検知する手段（以下、「固有振動周波数検知手段」と呼ぶ）を提供する。

第一の問題の解決は、金属板バネ２０８の折り曲げ部の先端部２０８aに替えて，電極と接触する導電端部が弾性体により電極に対して押圧力を有し、その押圧が弾性体の弾性変形の限度内で電極と接触するコンタクト部材（以下、「導電接触探針」と呼ぶ）を用いることにより実現ができる。すなわち、そのような導電接触探針の導電端部の電極に対する押圧はその弾性変形限度内であるための押圧が複数の導電接触探針間で一定しており、既存の成膜センサーユニットは水晶振動子の入れ替え毎に電気的接触がバラつき、固有振動周波数が一定しないという問題を解消することができる。更に、押圧の時間的劣化もほとんどなく、導電接触探針を用いることにより振動子に対して安定な電気接続を可能とする。

第二の問題の解決は、上記のような導電接触探針であって、その導電端部が球形の一部あるいは楕円球の一部である形状のものを用いることにより、実現ができる。このような導電接触探針では電極あるいは電極につながる電気接触部に対する接触が点接触であるため、振動子に対して小さな押圧で十分な電気接続、即ち電極に対する小さな接触押圧を実現することができる。その結果、水晶振動子に対する束縛力が弱くなり固有振動周波数のシフトやジャンプなどの不安定発振動作を抑制することができる。

第三の問題の解決は、前面電極への通電を、振動子ホルダーを介することなく前面電極に直接通電することにより実現できる。このような直接通電により、振動子ホルダーと前面電極の間にマイグレーション又は浸透現象による蒸着膜層あるいは化学反応による成膜層が介在して前面電極への通電を妨げることによって起こる水晶振動子の突然の発振停止を防ぐことができるからである。

本発明は、これら上記の第一から第三の問題の解決を実現する具体的な解決手段である。即ち、成膜振動子として用いられる結晶性の圧電振動板の両方の面にそれぞれ１つの電極が形成された振動子と、先端形状が球形又は楕円球の一部である導電端部とこの導電端部に結合した案内軸と筐体の内部に挿入された弦巻バネからなり、その導電端部がこの弦巻バネの弾性力によりこの筐体の長手方向に押し出す機能を有する２つの導電接触探針と、この振動子を保持する振動子ホルダーと、この導電接触探針を固定する導電接触探針保持部材と、この振動子ホルダー及びこの導電接触探針保持部材を装着する支持部材とから成る成膜センサーユニットであって、この振動子の一方の面である接触面に２つの電気接触部が形成され、それぞれその１つの電極に電気的に接続され、かつこの導電接触探針の導電端部はそれぞれこの電気接触部に接触している成膜センサーユニットを提供するものである。

振動子としては圧電効果を有するものであれば、それを回路エレメントとして共振回路を構成できる。本発明は、以下では水晶振動子を用いた成膜センサーについて具体的に説明するが、本発明には、水晶以外の圧電効果を有するもの例えば圧電セラミック等の圧電材料を用いた成膜センサーも含まれる。

本発明の効果

振動子に対する導電接触探針の押圧は、弦巻バネの弾性限界内で作られるため、時間的に一定し、かつ、弦巻バネの一般的性質から小さな押圧力が容易に実現できる。導電接触探針の導電部の先端は半球状あるいは半楕円球状であるため、導電接触探針は前面電極接触部３３１の一部と背面電極接触部３３２と点接触することが可能である。現実の設計上の問題としては、各種の導電接触探針をその押圧や物理形状より選択することにより、水晶板に対する適切な電気接続即ち電極に対する小さな接触押圧を実現することができ、これにより、押圧負荷による水晶板内のストレスが小さくなるため共振機械振動に加えて発生する寄生振動の発生は少なくなる。

振動子に対する押圧負荷が少ない場合は、振動子と振動子ホルダーとの間の接触力も小さくなる。このことにより、チャンバー内への暴露面である振動子の前面が振動子ホルダーとの間に有する間隙において、成膜物資のマイグレーションあるいは浸透現象を生じやすくなる。そのため、蒸着膜層あるいは化学反応による成膜層のマイグレーション又は浸透現象による振動子ホルダーと振動子の前面に形成された前面電極の間の電気的な接触抵抗が不可避的に増大しやすくなる。しかし、導電接触探針と電極接触部との電気的な接触がチャンバー内への暴露面の背面で行われているため、電極に対する電気的な接触抵抗が不可避的に増大することを避けることができる。

これらの個々の効果から、本発明の成膜センサーユニットによれば、振動子の発振が安定し、長期の使用が可能であることにより、安定な成膜測定を長期間可能とする成膜センサー装置を提供することができる。

図１は実験室等で一般的に用いられている従来の成膜センサーを示した説明図である。（ａ）は当該従来の成膜センサーの正面図であり、（ｂ）はこの正面に垂直でかつ線Ａ−Ａを含む平面で切断したときの従来の成膜センサーの断面図である。図２は従来型の成膜センサーユニットを示した説明図である。図３は従来型の成膜センサーユニットの断面を示した説明図である。図４は水晶振動子を構成する水晶板の機械的共振モードの振動の存在分布を模式的に表した説明図である。図５は水晶振動子を構成する水晶板の点Ｐに押圧をかけたときの共振機械振動の存在領域を示した説明図である。図６は従来型の成膜センサーユニットにおいて水晶振動子の前面電極２０３の表面と振動子ホルダーとの間に産生する回り込み層を模式的に表した説明図である。図７は、水晶振動子を含むコルピッツ発振器の回路図である。図８は、図７にかかるコルピッツ発振器の回路の等価回路図である。図９は、水晶発振子上の電極と振動子ホルダー間の電気的接触抵抗Ｒｃが存在する場合の水晶振動子を含むコルピッツ発振器の回路図である。図１０は、図９に係るコルピッツ発振器の回路の等価回路図である。図１１は実施例１を示す説明図である。図１２Ａは実施例１における水晶振動子の前面の電極及び架橋部を示す説明図である。図１２Ｂは実施例１における水晶振動子の背面の電極と電気接触部及び架橋部を示す説明図である。図１２Ｃは実施例１における水晶振動子の断面における電極と電気接触部及び架橋部を示す説明図である。図１３は実施例１に係る成膜センサーユニットの要部の断面を示す説明図である。図１４は導電接触探針の構造を示す断面図である。図１５Ａは実施例２における水晶振動子の前面の電極及び架橋部を示す説明図である。図１５Ｂは実施例２における水晶振動子の背面の電極と電気接触部及び架橋部を示す説明図である。図１６は実施例１の成膜センサーユニットに実施例２による水晶振動子を装着した場合の水晶電流値と、従来型の成膜センサーユニット水晶電流値の実測値を示した比較図である。図１７はＡＴカット型水晶振動子の厚みすべり振動モード水晶板の断面における振動を模式的に表した説明図である。図１８はＡＴカット型水晶振動子の結晶軸方向と振動領域の関係及びＡＴカット型水晶振動子に形成したオリエンテーションフラットの位置を示す説明図である。図１９は実施例３におけるＡＴカット型水晶振動子の、結晶軸方向、電極、電気接触部、架橋部とオリエンテーションフラットの位置を示す説明図である。図２０は実施例４における成膜センサーユニットの要部を示す説明図である。図２１は実施例４における成膜センサーユニットの要部の断面を示す説明図である。図２２は実施例５における成膜センサーユニットの要部の断面を示す説明図である。図２３は実施例６における回転式成膜センサーユニットの主要部品の組み立てとその要部の断面を示す説明図である。（Ａ）は実施例６における回転式成膜センサーユニットの主要部品の組図であり、（Ｂ）は（Ａ）の中の一点鎖線で表記した矢印により指定した矢視図であって当該回転式成膜センサーユニットの要部の断面図である。

以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１１は実施例１であって、本発明の構成を詳細に示している。振動子３００の背面と前面にはそれぞれ背面電極３０２と前面電極３０３が形成される点において、ばね保持部２０６（図２、３、６参照）が導電接触探針保持部材３０６にそして金属バネ２０８と先端部２０８ａ（図２、３、６参照）が導電接触探針３１４、３１５に置き換わり、ナット２１０とリード線２１１（図２、３参照）がそれぞれ２つのナット３１０、３１１とリード線３１２、３１３に置き換わり、その他の部分は従来型の成膜センサーユニット２２０（図２、３参照）と同じである。

この水晶振動子３００は振動子ホルダー３０４の内部に形成した円環枠３４０に接して、振動子ホルダー３０４の内部に留置される。振動子ホルダー３０４は金属部材からなりその円状面には窓３０５が穿たれ、水晶振動子３００はその前面電極３０３を含むこの窓３０５を介して前面が真空チャンバーあるいは化学成膜装置にあっては成膜反応チャンバーの内部に暴露している。
その結果、水晶振動子３００の表面に堆積する膜の膜厚を水晶振動子３００の固有振動周波数の変化により捕えることについては、従来型の成膜センサーユニットと変わるところはない。

本実施例では、振動子ホルダー３０４は支持部材であるユニット筒３０７の先端に装着されて、水晶振動子３００はソースに対する適切な距離と方向を保つようにチャンバー内に配置される。この点についても従来型の成膜センサーユニット２２０と変わるところはない。導電接触探針保持部材３０６はユニット筒３０７に装着され、導電接触探針保持部材３０６が従来型の成膜センサーユニット２２０のばね保持部２０６と同様に絶縁材料でできているので、導電接触探針３１４、３１５はユニット筒３０７からは電気的に隔絶されている。

しかし、従来の水晶振動子２００（図２参照）と実施例１の水晶振動子３００は電極パターンが異なる。図１２Ａ、図１２Ｂ、図１２Ｃは、本発明の実施例１における電極パターン、即ち、一方の面である接触面に２つの電気接触部が形成されそれぞれが水晶板の各面に形成した電極に電気的に接続されるパターンを示している。図１２Ａは水晶振動子３００の前面、図１２Ｂはその背面そして図１２ＣはＤ−Ｄ線でカットした水晶振動子３００の断面を示している。

実施例１の水晶振動子３００は、従来の背面電極２０２（図２参照）と比較すると、背面電極２０２の一部として形成されていた電気接触部が新たに２つの電気接触部（以下、「前面電極接触部３３１」と「背面電極接触部３３２」と呼ぶ）として振動子３００の背面に形成されている点において異なる。前面電極接触部３３１と背面電極接触部３３２はそれぞれ前面電極３０３と背面電極３０２に電気的に繋がっている。

具体的には、前面電極接触部３３１の一部と背面電極接触部３３２はともに背面電極３０２を金蒸着で形成する際同時にパターン化して形成する。更に前面電極接触部３３１の一部は前面電極３０３を金蒸着で形成する際同時にパターン化して形成する。背面側の前面電極接触部３３１の一部と前面側の前面電極接触部３３１の一部は、別の金蒸着工程、即ち結晶性の圧電振動板である水晶板３０１の厚み方に対して垂直の方から金蒸着する工程により形成した架橋部３３３を介して前面電極接触部３３１は前面電極３０３に形態的にも電気的にも繋がっている。

図１３は実施例１の成膜センサーユニット３２０を組み立てたときの中心軸を含む面を断面としたときの成膜センサーユニット３２０の断面を示している。水晶振動子３００は、導電接触探針３１４、３１５が水晶振動子３００の前面電極接触部３３１及び背面電極接触部３３２と接触し、リード線３１２、３１３からはそれぞれ、ナット３１０、３１１と導電接触探針３１４、３１５を介して背面電極３０２と前面電極３０３に通電されることになる。導電接触探針３１４、３１５の水晶振動子２００に対する押圧により、前面電極接触部３３１及び背面電極接触部３３２と接触し背面電極３０２と前面電極３０３に電気的な接続が可能となる。

導電接触探針３１４、３１５は、その構造から弾性変形の限度内での電極との電気的接触により押圧が時間的に一定し振動子に対して安定な電気接続を可能とすること、及び前面電極接触部３３１の一部と背面電極接触部３３２との接触が点接触として小さな押圧で十分な電気接続、即ち電極に対する小さな接触押圧を実現することができる。

図１４は導電接触探針３１４、３１５の構造を示す断面図である。具体的には、導電端部３４１は案内軸３４２の先端に形成されることにより案内軸３４２はこの導電端部３４１に結合している。案内軸３４２は筐体３４３の内部に収納され、筐体３４３内部に挿入された弦巻バネ３４４が係止部３４６を介して案内軸３４２を筐体３４３の長手方向に押し出す構造となっている。案内軸３４２は探針ロッド受３４５にガイドされ、かつ案内軸３４２には筐体３４３の内部に収納された弦巻バネ３４４の押し戻し力とそれを受ける係止部３４６により作り出された押圧が加わり、導電端部３４１は導電接触探針３１４、３１５の長手方向でかつ外部に向かって押し出される。その結果、導電接触探針３１４、３１５は導電端部３４１を、案内軸３４２を介して筐体の長手方向に押し出す機能を有する。

押圧は、弦巻バネ３４４の弾性限界内で作られるため、時間的に一定し、かつ、弦巻バネ一般の性質から小さな押圧力が容易に実現できる。導電部３４１の先端は半球状あるいは半楕円球状であるため、導電接触探針３１４、３１５は前面電極接触部３３１の一部と背面電極接触部３３２と点接触することが可能である。現実の設計上の問題としては、各種の導電接触探針をその押圧や物理形状より選択することにより、水晶板３０１に対する適切な電気接続即ち電極に対する小さな接触押圧を実現することができ、これにより、押圧負荷による水晶板３０１内のストレスが小さくなるため共振機械振動に加えて発生する寄生振動の発生は少なくなる。

２つの導電接触探針３１４、３１５は電気的に絶縁されるよう接触探針保持部３０６は絶縁部材で作られている。２つの導電接触探針３１４、３１５の接触探針保持部３０６に対する取り付けは、導電接触探針３１４、３１５の外部筐体にスクリューを形成してナット３１０，３１１でネジ締めをしている。しかし、確実な取り付けができるなら、例えば、２つの導電接触探針３１４、３１５を接触探針保持部３０６に嵌合させても良い。

水晶板３０１に対する押圧負荷が少ない場合は、水晶板３０１と振動子ホルダー３０４との間の接触力も小さくなる。このことによる影響は、チャンバー内への暴露面である水晶板３０１の前面が振動子ホルダー３０４との間に有する間隙において、成膜物資のマイグレーションあるいは浸透現象を生じやすくなる。即ち上述の第三の問題である、蒸着膜層あるいは化学反応による成膜層のマイグレーション又は浸透現象による振動子ホルダー３０４と前面電極３０３の間の電気的な接触抵抗が不可避的に増大することである。しかし、本第一の発明では前面電極３０３の給電は水晶板３０１の背面側の前面電極接触部３３１を介して行われる。そのため、従来型の成膜センサーユニット２２０で見られた電極に対する電気的な接触抵抗が不可避的に増大することを避けることができ、たとえ導電接触探針３１４、３１５の押圧が小さくても確実にかつ安定な成膜測定を行うことができる。導電接触探針３１４と背面電極接触部３３２と電気的な接触及び、導電接触探針３１５と前面電極接触部３３１との電気的な接触がいずれも、チャンバー内への暴露面の背面で行われているからである。

本発明では、導電接触探針をその押圧や物理形状や特性により選択することにより、押圧負荷による水晶板３０１内のストレスを小さくし、新たな寄生振動の発生を抑えることができるという特徴を有する。しかし、水晶振動子３００は自由空間の中に置かれて束縛力がない状態ではなく、必ず水晶板の境界即ち輪郭部が閉塞終端であるがために、どうしても水晶振動子３００の周辺部においては寄生振動の発生をなくすることは困難である。そうすると、水晶振動子を含む発振回路のＱ値が下がり、発振周波数のふらつきを生じ、水晶振動子３００の固有振動周波数が不安定となる可能性は残る。

この問題の解決をするには、寄生振動が存在してもできるだけ固有振動周波数を検知しその検知状態を維持する固有振動周波数検知手段が必要である。以下の実施例２では、その固有振動周波数検知手段の一つを具現化して提供している。

すでに述べたように、水晶板上の中心部が水晶板周辺の束縛力の影響をあまり受けない振動領域であり、水晶板の周辺部は周辺束縛力を強く受ける振動領域である。前者は固有振動領域であり後者は束縛力の少ない中心部と周辺部束縛力との競合により生じる寄生振動を生じる寄生振動領域である。寄生振動は、束縛力の大きさ及び分布と、水晶板切り出しで決まる振動モード（屈曲振動モード、捩り振動モード、長辺振動モード、幅縦振動モード、幅・長さ縦結合振動モード、輪郭すべり振動モード、厚みすべり振動モード）の種類により決まる。これら固有振動領域あるいは寄生振動領域では、振動に対して圧電効果を介して水晶の表面に電荷を発生させる。この電荷の時間変化が水晶板の表面に形成した電極において交流電流として働き、水晶板の外部に構成した発振回路と協働して発振器を構成することとなる。従って、水晶板の表面の電極が大きいと固有振動領域及び寄生振動領域を包含するため、発振器は固有振動及び寄生振動の周波数を有することとなる。一方、電極が水晶板の表面の中心部に小さく形成されている場合には固有振動領域のみを包含するため、発振器は固有振動を多く含み寄生振動の周波数の影響が少なくなる。

従って、水晶の表面の中心に電極を小さく形成すると水晶振動子が固有振動を多く含み寄生振動の周波数の影響を少なくする点において効果がある。

具体的には、実施例２では、実施例１の成膜センサーユニットおいて、結晶性の圧電振動板の両方の面にそれぞれ１つの電極が形成された振動子が、それぞれの電極は円形であってその直径は圧電振動板である水晶板の直径の約１０パーセントから８０パーセントの直径となる成膜センサーユニットを構成している。最小値は、固有振動の信号を、寄生振動や高調波振動に基づく信号及びその他の信号源の信号を抑えつつ捕えることができる限度において最小の電極サイズである。最大値は、寄生振動による信号を相対的に減少させる効果が見られる限度において最大の電極サイズである。

本発明に係る成膜センサーユニットでは、前面電極に対する通電は、振動子ホルダーを介して行われるのではなく、導電接触探針、前面電極接触部、架橋部を介して行われる。そのため、前面電極が振動子ホルダーに電気的に接触するために、振動子ホルダーに穿いた窓より大きくするとの設計上の制限は課せられない。そのため、固有振動周波数検知手段の一つである実施例２における電極の直径は圧電振動板である水晶板の直径の約１０パーセントから８０パーセントの直径とする構成は、本発明に係る実施例１で実現する成膜センサーユニットの機能を減じることなく容易に実現できる。

図１５Ａと図１５Ｂは、実施例２に係る水晶振動子４００を示している。水晶板４０１の表面に形成した背面電極４０２、前面電極４０３は、実施例１と比較して、背面電極３０２、前面電極３０３より小さくなっているだけで、水晶板４０１、前面電極接触部４３１、背面電極接触部４３２、架橋部４３３を有することにおいては実施例１と比較して、同じである。

寄生振動の現実的な問題は、寄生振動が存在する場合は発振回路のＱ値が下がり、周波数のシフトが生じやすくなることである。シフト量が多いと水晶振動子による成膜膜厚の安定測定ができなくなる。即ち測定寿命が尽きることとなる。従って、寄生振動の少ない水晶振動子を事前に選ぶことは重要なことである。この点において実施例２における効果が現実の水晶振動子に現れていることを検証する。寄生振動が少ないことは、図８又は図１０の水晶振動子側の等価回路において、インピーダンスのバラつきが小さいことに相当する。寄生振動が多いことは水晶振動子には各種振動モードが含まれる。一方、水晶振動子側の等価回路においては、回路インピーダンスはそれぞれの振動モードの共振周波数を中心に大きく変化する。この点に着目すると、寄生振動の少ない水晶振動子はクリスタルインピーダンスの値（図８及び１０の水晶振動子側の等価回路のインピーダンスであって、「ＣＩ値」と呼ばれている）のバラつきが少ない。実際には、水晶振動子を実施例１に係る成膜センサーユニット３２０に装着した状態でＣＩ値を測定し、その値（「水晶電流値」と呼ぶ）を測定値としている。

図１６では、実施例１の成膜センサーユニット３２０に実施例２による水晶振動子４００を装着した場合の水晶電流値と、比較として、従来型の成膜センサーユニット２２０に従来の水晶振動子２００を装着した場合の水晶電流値（図１６では、「従来技術」に該当する）を示している。実施例２の水晶振動子４００においては、背面電極４０２及び前面電極４０３の直径を最適化したものを採用している。この水晶振動子４００では、水晶電流値のバラつきは、従来の水晶振動子２００を従来型の成膜センサーユニット２２０に装着して測定した水晶電流値のバラつきの約３０％である。

寄生振動の影響を小さくするには、水晶板の表面の電極を中心部にできるだけ小さく形成することが望ましい。しかし、小さくすればするほど、水晶の表面に圧電効果により発生した電荷が電極において交流電流として現れる際にその量は少なくなる。即ち電流量は低下する。図８又は図１０の等価回路では、電流量が低下することは、Ｒｅが大きくなることを意味し、そのため、却って実効的な負性抵抗値Ｒｉが満たすべき安定発振条件であるＲｉ≧５×（Ｒｅ＋Ｒｃ）は、満たされにくくなる。即ち水晶振動子の測定寿命は短くなりやすい。このことより、電極を水晶板の表面の中心部に小さく形成するについては、限度がある。そこで、寄生振動の影響を小さくすること及び十分な安定発振条件を備えることのバランスとして、水晶振動子の電極の直径を水晶板の直径に対して適正化したものを採用している。

発振器用の水晶振動子としては、厚みすべり振動モードを持つＡＴカット型振動子が多く用いられている。その大きな特徴は、水晶板の厚みが発振周波数を決める重要なパラメータであることにより、水晶板の厚みの制御により固有振動周波数を選ぶことができることにあり、その他、他のカット角の振動子に比べて広い温度範囲で安定した周波数が得られることもＡＴカット型振動子が多用されている理由である。

寄生振動の影響を小さくする方法としては、実施例２では水晶板の表面の電極を中心部に小さく形成した水晶振動子を用いるものであるが、これ以外に、実施例３として水晶振動子の振動領域から水晶振動子に対する束縛点である２つの導電接触探針の接触位置を離れた位置に置く方法がある。

具体的には、水晶振動子によく用いられるＡＴカット型水晶振動子の、厚みすべり振動モードを利用する。厚みすべり振動モードは水晶板の断面において図１７に示すように、平らな水晶板を上から押さえながら、横方向にずらしたような振動モードである。振動は原理的には水晶板の厚み内に閉じ込められるため、その周波数ｆは水晶板の厚みｔに対して、ｆ〔ｋＨｚ〕＝１６６５／ｔ〔ｍｍ〕となる。ＡＴカット型水晶振動子では、厚みすべり振動モードには振動の伝わり易さが非等方向性であるため、振動領域は図１８に示すように、結晶軸方向により振動領域が異なる。具体的には水晶板上の結晶軸Ｘ方向に長径を有する楕円形をしている。そこで２つの導電接触探針の接触位置をこの振動領域から離れた位置にするために結晶軸Ｘ方向とは直角の結晶軸Ｚ方向（楕円型振動領域の短径方向）に設ける。

具体的には、実施例３では、実施例１に係る成膜センサーユニットおいて、結晶性の圧電振動板はＡＴカットの水晶板であって、結晶軸Ｘ方向に直角な方向にオリエンテーションフラットが設けられ、前記２つ電気接触部は結晶軸Ｚ方向に配列されており、前記導電接触探針の導電端部はそれぞれ該電気接触部に接触している成膜センサーユニットを構成している。

すでに図１８により説明したように、ＡＴカット型水晶振動子では結晶軸Ｚ方向に２つの導電接触探針の接触位置を設けると、これらの接触位置は、振動領域より離れた位置にある。結晶軸Ｚ方向が、楕円形の振動領域の短軸方向となるからである。従って、２つの導電接触探針の接触位置が結晶軸Ｚ方向となるように当該電気接触部をＡＴカット型水晶板に形成すれば同一の効果が得られる。しかし、水晶板上に電極を形成する際に同じ工程あるいはこの工程に付加する追加工程で電気接触部を形成する際、水晶板毎に結晶方位を検査し決定することは困難である。そこで、ＡＴカット型水晶板にオリエンテーションフラットを設けておけば、容易に水晶板の結晶軸方向を知ることができ、正しい方向即ち結晶軸Ｚ方向に接触位置が水晶板上に位置するように電気接触部を形成することができる。

図１９は実施例３の構成を詳細に示している。水晶板５０１は結晶軸Ｚ方向に平行となるよう、その一部を研削などの加工によりオリエンテーションフラット５４１が形成されている。水晶板５０１の背面には背面電極５０２及び前面電極接触部５３１と背面電極接触部５３２が形成されている。これら背面電極５０２及び前面電極接触部５３１と背面電極接触部５３２はオリエンテーションフラットに平行であって、水晶板５０１の直径を通る線を中心線としてほぼ鏡像関係となるように形成する。そうすると２つの導電接触探針の接触位置が前面電極接触部５３１と背面電極接触部５３２上であって、かつ振動領域より最も離れたところに位置するようになる。水晶の全面の電極等のパターンは実施例２と同じであるので詳説は省く。

もちろん水晶振動子がＡＴカット型水晶板であれば、電極の直径を水晶板の直径に対してその割合を数値限定してもあるいは数値限定しなくても、直接実施例１に係る成膜センサーユニットに適用することも可能である。

実施例１ないし実施例３をさらに改良したものとして、水晶振動子に与える導電接触探針の押圧を水晶板において局所化する構成がある。即ち、実施例１ないし実施例３では、２つの導電接触探針３１４、３１５は水晶板に押圧を与え、その押圧は振動子ホルダー３０４の内周の円環係止部３４０の全体で受けていた。そのため、水晶振動子３００、４００、５００はその周辺が束縛領域となり、自由空間に置かれた水晶振動子とは振動モードが異なり、寄生振動を減らすのには限界があった。

そこで、実施例４では、導電接触探針の押圧を水晶板において局所化し、水晶振動子を自由空間に置かれた状態に近い構成を提供している。

具体的には、実施例４では、実施例１ないし実施例３に係る成膜センサーユニットおいて、前記振動子を保持する振動子ホルダーには前記導電接触探針と対抗する部分に振動子に接触する受座部が設けられている成膜センサーユニットを構成する。

図２０には実施例４の構成を示している。実施例４は、実施例１ないし実施例３に包含される振動子ホルダー３０４に替えて、２つの導電接触探針３１４、３１５の接触位置に対抗する位置に水晶振動子５００を受ける２つの受座部５２１を具備していることを特徴とする成膜センサーユニットである。

即ち、実施例４は図２０に示すように、実施例１ないし実施例３に係る水晶振動子３００、４００、５００を新たに改良した振動子ホルダー５０４と組み合わせて使用する成膜センサーユニット５２０である。図２１では、成膜センサーユニット５２０の要部の断面を示している。簡単のために、ユニット筒やリード線等は省き、接触探針保持部５０６、導電接触探針３１４（図２１の中では明示されていない）、３１５は、水晶振動子５００に設けたオリエンテーションフラット５４１との関係が明確になるように省いてはいない。例えば、実施例４では、振動子ホルダー５０４内にあって、水晶振動子５００の２つの導電接触探針の接触位置に対抗する位置に水晶振動子５００を受ける２つの受座部５２１を、振動子ホルダー５０４の内部に形成した円環枠５４０に設けている。受座部５２１は振動子ホルダー５０４の水晶振動子５００と対抗する内部の面に、その対抗する内部から水晶振動子５００に向けて少し突出して設けている。そうすると、振動子５００を束縛する部分は、円環枠５４０ではなく、導電接触探針３１４（図２１の中では明示されていない）、３１５と２つの受座部５２１を組みとした２つの部分のみに係るため、水晶振動子５００を束縛する部位はこの２か所のみとなり、水晶振動子５００の他の部位は束縛されない。即ち、振動子５００は自由空間に置かれた状態に近い。

図２１は、実施例４に係る成膜センサーユニット５２０をその長手方向を含む平面でカットした断面図であって、水晶振動子５００を束縛する部位は導電接触探針３１５の導電端部３４１と受座部５２１であることが分かる。この図より分かるように、水晶板５０１の半分は導電接触探針３１５と１つの受座部５２１でのみ束縛され、水晶板５０１は全体として導電接触探針３１４と３１５及び２つの受座部５２１の２か所で束縛され、水晶板５０１は自由空間に置かれた状態に近い。そのため、寄生振動の発生をさらに少なくすることが可能である。

ＡＴカット水晶板を用いた水晶振動子の固有振動はｆ〔ｋＨｚ〕＝１６６５／ｔ〔ｍｍ〕で与えられるため、水晶板の厚みが大きいほど、固有振動周波数は低い。一方寄生振動周波数は固有振動周波数より高い場合が多い。更に水晶板の厚みが大きいほど、押圧に対するストレスが少なく寄生発振は少ない。逆に言うなら、更に水晶板の厚みが小さいほど、押圧に対するストレスが多く寄生発振は多くなる。

この性質を利用して、ＡＴカットをした水晶板を用いた水晶振動子の寄生振動を固有振動に対して相対的にさらに低減化する方法として、実施例５がある。

具体的には、この実施例５では、実施例３に係る成膜センサーユニットおいて、前記水晶板は、中央部の厚みが周辺部の厚みより大きくした成膜センサーユニットを構成する。

図２２は実施例５における成膜センサーユニット６２０の要部の断面を示している。水晶板６０１は中央部に圧電歪信号を受ける電極が形成されている。水晶板６０１の中央部はその周辺部より厚いため、水晶板の中央部は周辺で生じる押圧に対するストレスが少なく、かつ中央部における固有振動周波数は周辺部における固有振動数よりも低い。そのため、例え周辺部で寄生振動が生じても、寄生振動の発生に伴う高い振動周波数の影響は受けにくい。従って、水晶振動子６００の振動周波数は安定したものとなり、さらに長時間の測定に使用することができる。

図２３は実施例６における回転式成膜センサーユニットを示している。具体的には、図２３の（Ａ）は実施例６における回転式成膜センサーユニットの主要部品の組み立てを示し、図２３の（Ｂ）は図２３の（Ａ）の中の一点鎖線で表記した矢印により指定した矢視図であって実施例６における回転式成膜センサーユニットの要部の断面を示している。当該回転式センサーユニットでは、６つ水晶振動子を保持しており、一度にはそのうちの一つの水晶振動子のみを外部に選択的に暴露して使用し、水晶振動子の測定寿命が来るたびに回転機構により順次残りの水晶振動子に切り替えて成膜膜厚の測定をするものである。そして、一連の水晶振動子を全て使い切った後に、一度に全ての水晶振動子を交換する。こうした交換方法を採用することにより、成膜膜厚測定システムの保守の省力化を図ることができる。

実施例６のセンサーユニットの要部は、振動子ホルダー７０４と接触探針保持部７０９からなる。振動子ホルダー７０４には６つの窓７０５が穿たれ、それぞれに水晶振動子が装着される。個々の振動子は、水晶板６０１とその表面に形成した背面電極６０２と前面電極６０３等からなる。背面電極６０２には導電接触探針４１５が、前面電極６０３には導電接触探針４１４が、それぞれ接触を介して繋がり発振信号を受ける。導電接触探針４１４は接触探針保持部７０９に繋がり、さらに接触探針保持部７０９を介して信号処理部（図示せず）に繋がる。一方、導電接触探針４１５は、絶縁部材である接触探針絶縁前部支持体４０８、接触探針絶縁後部支持体４０７及び接触探針絶縁鞘４１６により接触探針保持部７０９に固定されている、導電接触探針４１５は、電気的には個々に独立しており別の配線線材を介して信号処理部（図示せず）に繋がる。このようにして、導電接触探針４１５は、そのペアとなる導電接触探針４１４の電気接続が独立しているか共通しているかの如何に関わらず、個別に信号処理部に信号を伝えることができる。このようにして６つの水晶振動子を順次測定に供することができる。

なお、水晶板６０１は実施例５に示したＡＴカット水晶板でその中央部はその周辺部より厚くしたものでも、平板水晶板でも良い。また、６つ水晶振動子を用いる構造でなくても、２、４、１０、１２個の水晶振動子を順次回転移動させて交換できるものであっても良い。

以上、本発明に係る実施例１から実施例６を説明した。これらの実施例の特徴及び効果をまとめると以下のようになる。

本実施例１に係る成膜センサーユニットでは、導電接触探針の採用により水晶振動子の入れ替え毎に電気的接触がバラつくことによる固有振動周波数が一定しない問題を避け、かつ長期間の振動子の使用に対しても電気接続の劣化による不安定な振動を生じにくいことを実現している。即ち、本発明により安定的にかつ長期間の成膜膜厚測定の実現をすることができる。更に、前面電極への通電を、導電接触探針を使用することにより振動子ホルダーと前面電極の間にマイグレーション又は浸透現象による前面電極への通電不良を妨げることができ、水晶振動子の突然の発振停止を防ぐことができる。

実施例２に係る成膜センサーユニットでは、水晶振動子の固有振動の圧電効果は水晶振動子の表面に設けた電極により検出されるところその電極を水晶板の中心部に限定した範囲の大きさとすることによって水晶の固有振動を捕えやすくしかつ寄生振動は捕えにくくすることにより、例え寄生振動があっても安定的に水晶の固有振動の検出を維持することができる。

実施例３に係る成膜センサーユニットでは、水晶振動子として一般によく使用されているＡＴカット型水晶振動子の厚みすべり振動モードについて、振動領域より離れた位置に導電接触探針の接触点を設けることにより安定的に水晶の固有振動を発生させることができ、安定的に成膜膜厚の測定をすることができる。

実施例４に係る成膜センサーユニットでは、水晶振動子に接触する部材を導電接触探針と受座部の組みだけに限定し、これら２つの部材のみにより水晶振動子に対する接触点を水晶振動子上の２点に局在化させることにより、水晶振動子が自由空間に置かれた状態に近い状態にして、寄生振動の発生をさらに少なくすることができ、安定的に成膜膜厚の測定をすることができる。

実施例５に係る成膜センサーユニットでは、ＡＴカットをした水晶板を用いた水晶振動子の寄生振動を固有振動に対して相対的にさらに低減化することができ、さらに、安定的に成膜膜厚の測定をすることができる。

実施例６に係る成膜センサーユニットでは、測定寿命に至った水晶振動子をその度ごとに一つずつ変更するのではなく、一つの水晶振動子が測定寿命に至ったときにはこれを回転機構により他の水晶振動子に置き換え、一連の水晶振動子を全て使い切ったのちに一度に全ての水晶振動子を交換する。こうした交換方法を採用することにより、成膜膜厚測定システムの保守の省力化を図ることができる。

また、電極前面電極接触部を蒸着により形成するのに、上記の実施例に用いられている金以外に、アルミニウム、クロムその他の金属であってチャンバー内の蒸着ガスや反応ガスに対して耐蝕性のある金属を用いても良い。更に、本発明は実施例１ないし実施例６にのみ限定されるのではなく、これら実施例の組み合わせたものや、本発明が提供する課題解決手段の本質的かつ特徴的な技術思想の範囲内であって技術常識や既存技術により代替え、変更、追加、削除を行ったものも含む。

水晶振動子の一方の面である接触面に２つの電気接触部を形成し、それぞれが水晶板の各面に形成した電極に電気的に接続されるパターンを示している本発明の水晶振動子は、成膜工程における成膜膜厚の測定を行う成膜センサーユニットに適用し使用することができ、かつ安定な成膜膜厚の測定に供することができる。

１従来の成膜センサー
１００、２００、Ｘ、３００、４００、５００、６００水晶振動子
１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１水晶板
１０２、１０３電極
１０２Ａ、１０３Ａ水晶板の両端
１０４、１０５水晶支持金属線
１０６センサー基盤
１０７、１０８リード線
２０２、３０２、４０２、５０２、６０２背面電極
２０３、３０３、４０３、５０３，６０３前面電極
２０４、３０４、５０４、７０４振動子ホルダー
２０５、３０５、５０５、７０５窓
２０６ばね保持部
２０７、３０７、５０７ユニット筒
２０８金属板バネ
２０８a 先端部
２０９ボルト
２１０、３１０、３１１ナット
２１１、３１２、３１３リード線
２２０従来型の成膜センサーユニット
２２１回り込み層
２４０、３４０、５４０円環枠
３０４、５０４振動子ホルダー
３０６、５０６接触探針保持部
３１４、３１５、４１４、４１５導電接触探針
３２０、５２０、６２０成膜センサーユニット
３３１、４３１、５３１，６３１前面電極接触部
３３２、４３２、５３２、６３２背面電極接触部
３３３、４３３、６３３架橋部
３４１導電端部
３４２案内軸
３４３筐体
３４４弦巻バネ
３４６係止部
３４５探針ロッド受
４０８接触探針絶縁前部支持体
４０７接触探針絶縁後部支持体
４１６接触探針絶縁鞘
５２１受座部
５４１オリエンテーションフラット
Ｒｃ接触抵抗
Ｔｒバイポーラトランジスタ

Claims

結晶性の圧電振動板の両方の面にそれぞれ１つの電極が形成された振動子と、
先端形状が球形又は楕円球の一部である導電端部と当該導電端部に結合した案内軸と筐体と当該筐体の内部に挿入された弦巻バネからなり、当該導電端部が当該弦巻バネの弾性力により当該案内軸を介して当該筐体の長手方向に押し出す機能を有する２つの導電接触探針と、
当該振動子を保持する振動子ホルダーと、
導電接触探針を固定する導電接触探針保持部材と、
振動子ホルダー及び導電接触探針保持部材を装着する支持部材から成る成膜センサーユニットであって、
当該振動子の一方の面である接触面に２つの電気接触部が形成され、それぞれ当該１つの電極に電気的に接続され、かつ当該導電接触探針の導電端部はそれぞれ当該電気接触部に接触している
ことを特徴とする成膜センサーユニット。
前記電極は円形であって、その直径は前記圧電振動板の直径の１０パーセントから８０パーセントの直径である
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の成膜センサーユニット。
前記圧電振動板はＡＴカットの水晶板であって、結晶軸Ｘ方向に直角な方向にオリエンテーションフラットが設けられ、
前記２つの電気接触部は結晶軸Ｚ方向に配列されており、
前記導電接触探針の前記導電端部はそれぞれ当該電気接触部に接触している
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項及び第２項記載の成膜センサーユニット。
前記振動子ホルダーには、前記導電接触探針と対抗する部分に前記振動子接触受部が設けられている
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第３項記載の成膜センサーユニット。
前記水晶板は、中央部の厚みが周辺部の厚みより大きい
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第３項記載の成膜センサーユニット。
結晶性の圧電振動板の両方の面にそれぞれ１つの電極が形成された複数の振動子と、
先端形状が球形又は楕円球の一部である導電端部と当該導電端部に結合した案内軸と筐体と当該筐体の内部に挿入された弦巻バネからなり、当該導電端部が当該弦巻バネの弾性力により当該案内軸を介して当該筐体の長手方向に押し出す機能を有する２つの導電接触探針と、
当該複数の振動子を保持する振動子ホルダーと、
導電接触探針を固定する導電接触探針保持部材と、
振動子ホルダーと導電接触探針保持部材とを装着する支持部材とから成り、
当該支持部材が当該複数の振動子の１つの電極を当該支持部材の外部に選択的に暴露する機構を有する成膜センサーユニットであって、
当該複数の振動子には何れも一方の面である接触面に２つの電気接触部が形成されそれぞれ当該１つの電極に電気的に接続され、かつ当該導電接触探針の導電端部はそれぞれ当該電気接触部に接触している
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第５項記載の成膜センサーユニット。