JP2017161523A - Ａｌｄシステム用の石英結晶マイクロバランスアセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】ＡＬＤシステム用のＱＣＭアセンブリを提供する。【解決手段】石英結晶マイクロバランス（ＱＣＭ）アセンブリは、原子層堆積（ＡＬＤ）システムの反応チャンバの蓋部を含む。ＱＣＭ結晶は、蓋部に形成された中央空洞の底部に配置される。ＱＣＭ結晶の前面の中央部は、反応チャンバの内部に露出している。中央空洞の内部で、ＱＣＭ結晶の上に配置された固定具は、蓋部においてＱＣＭ結晶を棚部に対して押圧し、ＱＣＭ結晶と電気的接続を確立しながら、ＱＣＭ結晶の前面と棚部との間にシールを形成している。フランジは、固定具を介してＱＣＭ結晶との電気的接続を支持しながら、蓋部の天面に直接隣接して配置され、中央空洞を密閉している。反応チャンバの外部に配置され、フランジのコネクタを通じてＱＣＭ結晶と電気的に接続している変換器は、ＱＣＭ結晶を駆動する。【選択図】図２

Description

本開示は、原子層堆積（ＡＬＤ）に関する。より具体的には、ＡＬＤシステム用の石英結晶マイクロバランスアセンブリに関する。

本明細書中で言及されたあらゆる刊行物または特許文献の全ての開示は、参照により組み込まれる。

原子層堆積（ＡＬＤ）は、非常に制御された方法で、基板上に薄膜を堆積させる方法である。堆積処理は、蒸気形態の一つ以上の化学物質（すなわち、「前駆体」）を用いて、連続的かつ自己制御された方法で基板の表面において化学物質を反応させて、制御される。一連の処理は繰り返され、層単位に薄膜を積み重ねる。ここで、各層は、原子スケールである。

ＡＬＤは、高機能なゲートおよびキャパシタ誘電体用の、例えば、二元酸化物、三元酸化物、および四元酸化物などの幅広い種類の薄膜を形成するために用いられる。ＡＬＤは、相互接続バリアおよびキャパシタ電極用の金属系化合物の薄膜を形成するためにも用いられる。ＡＬＤ処理の概要は、Ｇｅｏｒｇｅによる「原子層堆積：概要」という名称の論文（Ｃｈｅｍ．Ｒｅｖ．２０１０、１１０、１１１−１１３頁、２００９年１１月２０日にウエブ上で公開）に掲載されている。また、ＡＬＤ処理は、米国特許第７，１２８，７８７号にも記載されている。ＡＬＤシステムの一例は、米国特許出願公開第ＵＳ２００６／００２１５７３号およびＰＣＴ公開公報第ＷＯ２０１５／０８０９７９号に開示されている。

ＡＬＤ薄膜は、一般的に、一例の偏光解析法または他の技術に使用する堆積膜厚の原位置外（ｅｘ−ｓｉｔｕ）での測定によって、処理後に特定される。しかし、一般的には、原位置（ｉｎ−ｓｉｔｕ）での薄膜特性化技術は、ＡＬＤ処理について本質的なリアルタイムの成長情報を提供できるため、より望ましいであろう。

石英結晶マイクロバランス（ＱＣＭ）は、種々の薄膜堆積システム、および具体的には、物理的気相成長（ＰＶＤ）システムにおいて、薄膜の成長を測定するために使用されている。ＱＣＭをＡＬＤシステムに適用するために、いくつかの試みがなされてきた。残念ながら、真に商業的に実現可能なＱＣＭは現在のところ存在しない。これは、ＡＬＤおよびＱＣＭ技術に内在する重要な技術的難題が大きな要因である。例えば、技術的難題の一つは、ＡＬＤの堆積速度の遅さである。通常、ＡＬＤの堆積速度は、０．１ｎｍ／分から１０ｎｍ／分の範囲内である。ＱＣＭの分解能が０．０１ｎｍ程度に低い場合であっても、結晶共振周波数の擾乱の影響は、ＰＶＤなどの堆積速度のより速い他の膜堆積処理と比較して、非常に重大なものとなる。

他の技術的課題は、ＡＬＤの熱特性である。典型的なＡＬＤでは、５０℃から３５０℃の範囲内の温度が利用される。ＱＣＭ測定は温度に依存するため、ＱＣＭは熱安定性を有する必要がある。

さらなる課題は、ＡＬＤ処理の高度な共形性に関連する。ＡＬＤ薄膜は、反応物源の視線外にある三次元の窪みの内部であっても非常に均一に堆積し得る。そのため、予防策を講じなければ、ＡＬＤはＱＣＭセンサ内部に薄膜を堆積し、その動作の障害となり得る。これは、例えば、ＱＣＭセンサのＱＣＭ結晶の背面における電気的接点上に、誘電体膜を不注意に堆積させることによって起こり得る。これにより、ＱＣＭ回路の電子部品からＱＣＭ結晶が電気的に絶縁される。この問題を解消するために、パージガスを使用しつつ、エポキシ樹脂を用いてＱＣＭの背面側を密封していた。しかし残念ながら、エポキシ樹脂は適切に利用することが難しく、エポキシ樹脂によってチャンバ環境に不必要な化学物質が取り込まれることから、工業用のＡＬＤシステムにおいてエポキシ樹脂を使用することは望ましくない。また、パージガスを流してＱＣＭ上の不必要な薄膜堆積物を低減させることは、反応チャンバ内部の流動力学に影響を及ぼし、薄膜の成長に悪影響を与え得るため、問題となる。また、背面流入パージは、ガスが結晶の周りを流れるときに信号に雑音を発生させる可能性があり、ＱＣＭ結晶の背面と反応チャンバ内部との間の圧力差を能動的に管理する必要がある。このような能動的な管理は、複雑であり、コストもかかる。

さらなる課題は、反応チャンバの大きさに関する。ほとんどの市販のＡＬＤ反応器は、反応チャンバの体積を小さくすることによって、処理サイクルの時間を最適化している。例えば、マサチューセッツ州ウォルサムのウルトラテック／ケンブリッジ ナノテック製のサバンナ（Ｓａｖａｎｎａｈ）ＡＬＤシステムは、わずか約５ｍｍの高さで、１００ｍｍから３００ｍｍの円形反応チャンバを有している。反応チャンバ体積が非常に制限されているため、いわゆる「串刺し（ｏｎ ａ ｓｔｉｃｋ）」構造を含むＱＣＭ構造を内在させると、不適当に大きくなり、実用に不向きとなる。

本開示の一局面は、ＡＬＤシステム用のＱＣＭアセンブリに関する。ＱＣＭアセンブリは、内部を有する反応チャンバを備えている。前記ＱＣＭアセンブリは、前記反応チャンバの蓋部を備えている。前記蓋部は、中央空洞を有する。前記ＱＣＭアセンブリは、ＱＣＭ結晶を備えている。前記ＱＣＭ結晶は、前面、背面、および径ＤＱを有する。前記ＱＣＭ結晶は、前記前面が棚部と接触した状態で前記中央空洞の底部に配置されている。これにより、前記前面の中央部は、ＱＣＭ開口と隣接して存在する。ＱＣＭ開口は、径ＤＯを有する。この構成において、前記ＱＣＭ結晶の前記前面の中央部は、前記ＱＣＭ開口を介して前記内部に露出している。さらに、前記径ＤＯは、（０．２５）ＤＱ≦ＤＯ≦（０．６）ＤＱの条件を満たす。また、前記ＱＣＭアセンブリは、固定具を備えている。前記固定具は、上面、および下方に延びている導電性弾性部材を有する。前記固定具は、前記ＱＣＭ結晶と電気的に接続する前記導電性弾性部材とともに前記中央空洞内に配置されている。前記導電性弾性部材は、前記ＱＣＭ結晶を押圧し、これにより、前記ＱＣＭ結晶の前記前面の外側部分は、前記棚部を押圧している。これにより、前記ＱＣＭ結晶の前記前面と前記棚部との間に、第１シール部が形成される。また、前記ＱＣＭアセンブリは、フランジを備えている。前記フランジは、中央部を有する。前記中央部は、前記中央空洞の頂部内に近接して存在し、前記固定具に直接隣接している。また、前記フランジは、下面を有する外側部分を有する。前記下面は、前記蓋部の天面に直接隣接して存在し、前記蓋部の天面とで第２シール部を形成する。前記フランジは、電気接続部材を動作可能に支持する。電気接続部材は、前記固定具と電気的接続を形成する。

本開示の他の局面は、上述のＱＣＭアセンブリであって、前記第１シール部は、シーリング材料またはシーリング部材の何れも含んでいない。

本開示の他の局面は、上述のＱＣＭアセンブリであって、前記中央空洞内にパージガスは流れない。

本開示の他の局面は、上述のＱＣＭアセンブリであって、前記径ＤＯは、（０．２５）ＤＱ≦ＤＯ≦（０．４）ＤＱである。

本開示の他の局面は、上述のＱＣＭアセンブリであって、前記ＱＣＭアセンブリは、前記フランジを通って前記固定具に電気的に接続されている変換器をさらに備えている。

本開示の他の局面は、上述のＱＣＭアセンブリであって、前記ＱＣＭアセンブリは、前記変換器に電気的に接続されている制御部をさらに備えている。

本開示の他の局面は、上述のＱＣＭアセンブリであって、前記ＱＣＭアセンブリは、前記蓋部に動作可能に取り付けられ、前記反応チャンバを規定する基台をさらに備えている。

本開示の他の局面は、上述のＱＣＭアセンブリであって、前記ＱＣＭアセンブリは、前記反応チャンバを覆う大きさを有する断熱被覆部材をさらに備えている。

本開示の他の局面は、上述のＱＣＭアセンブリであって、前記反応チャンバの内部は、３ｍｍから５０ｍｍの範囲内の高さを有している。

本開示の他の局面は、ＡＬＤシステム用のＱＣＭアセンブリに関する。前記ＱＣＭアセンブリは、蓋部を有する反応チャンバを備えている。前記ＱＣＭアセンブリは、前記蓋部を備える。前記蓋部は、天面、底面、および中央空洞を有する。前記中央空洞は、前記天面においてフランジ開口を有する。前記フランジ開口は、前記中央空洞の頂部と通じている。また、前記中央空洞は、前記底面においてＱＣＭ開口を有する。前記ＱＣＭ開口は、前記中央空洞の底部と通じている。前記ＱＣＭ開口は、棚部によって規定された径ＤＯを有する。また、前記中央空洞は、前記頂部と前記底部との間に中央部を有する。前記蓋部の前記天面は、Ｏリング溝を有している。前記Ｏリング溝は、前記中央空洞の周囲に延びており、Ｏリングを動作可能に支持している。また、前記ＱＣＭアセンブリは、ＱＣＭ結晶を備えている。ＱＣＭ結晶は、前面、背面、および径ＤＱを有する。前記ＱＣＭ結晶は、その前面が前記棚部と接触して、前記中央空洞の前記底部に配置されている。これにより、前記前面の中央部は、ＱＣＭ開口と隣接して存在する。前記ＱＣＭ開口の前記径ＤＯは、（０．２５）ＤＱ≦ＤＯ≦（０．６）ＤＱの条件を満たす。また、前記ＱＣＭアセンブリは、固定具を備えている。前記固定具は、前記中央空洞の前記中央部に配置されている。前記固定具は、上面、および下方に延びている導電性弾性部材を有する。前記導電性弾性部材は、前記ＱＣＭ結晶の前記背面と接触し、前記ＱＣＭ結晶の前記前面の外側部分を前記棚部の方へ押圧し、第１シール部を形成している。また、前記ＱＣＭ結晶は、フランジを備えている。前記フランジは、中央部を有する。前記中央部は、前記中央空洞の前記頂部内に近接して存在する。また、フランジは、下面を有する外側部分を有する。前記下面は、前記蓋部の前記天面に直接隣接して存在し、前記Ｏリングとともに第２シール部を形成する。前記フランジは、コネクタを動作可能に支持する。コネクタは、電気接続部材を有する。電気接続部材は、前記固定具と電気的接続を形成する。

本開示の他の局面は、上述のＱＣＭアセンブリであって、前記径ＤＯは、（０．２５）ＤＱ≦ＤＯ≦（０．４）ＤＱである。

本開示の他の局面は、上述のＱＣＭアセンブリであって、前記ＱＣＭアセンブリは、前記フランジを通って前記固定具に電気的に接続されている変換器をさらに備えている。

本開示の他の局面は、上述のＱＣＭアセンブリであって、前記ＱＣＭアセンブリは、前記変換器に電気的に接続されている制御部をさらに備えている。

本開示の他の局面は、上述のＱＣＭアセンブリであって、前記ＱＣＭアセンブリは、前記蓋部に動作可能に取り付けられ、前記反応チャンバを規定する基台をさらに備えている。

本開示の他の局面は、上述のＱＣＭアセンブリであって、前記ＱＣＭアセンブリは、前記反応チャンバを覆う大きさを有する断熱被覆部材をさらに備えている。

本開示の他の局面は、ＡＬＤシステムにおける薄膜成長をその場で測定する方法である。ＡＬＤシステムは、反応チャンバを備えている。反応チャンバは、基台および蓋部によって規定された内部を有するとともに、基板を動作可能に支持する。この方法は、前記蓋部と一体化したＱＣＭアセンブリを提供することを備える。前記ＱＣＭアセンブリは、前面を有するＱＣＭ結晶を有する。前記ＱＣＭアセンブリは、前記蓋部に形成された空洞の底部において棚部上に配置されている。これにより、固定具が、前記ＱＣＭ結晶の前面の外側部分を前記棚部に対して押圧してシール（密閉状態）を形成しながら、前記ＱＣＭ結晶の中央部は、前記基板の上方で、前記反応チャンバの内部に露出している。前記シールは、シーリング材料またはシーリング部材の何れも含んでいない。また、この方法は、前記反応チャンバの内部でＡＬＤ処理を実行し、変換器で前記ＱＣＭ結晶を駆動し、前記ＱＣＭ結晶からの出力信号を測定しながら、前記基板上に第１薄膜を堆積し、前記ＱＣＭ結晶の前記中央部上に第２薄膜を堆積することを含む。

本開示の他の局面は、上述の方法であって、前記ＱＣＭ結晶は、径ＤＱを有し、前記ＱＣＭ結晶の表面の前記中央部は、径ＤＯを有し、（０．２５）ＤＱ≦ＤＯ≦（０．６）ＤＱである。

本開示の他の局面は、上述の方法であって、前記押圧することは、前記固定具の導電性弾性部材を下方へ延ばす（付勢させる）ことによって実行され、前記固定具は、前記蓋部内の前記空洞の内部であって、前記ＱＣＭ結晶の直上に位置する。

本開示の他の局面は、上述の方法であって、前記方法は、前記蓋部の上に配置された断熱被覆部材で前記ＱＣＭアセンブリを断熱することをさらに備える。

本開示の他の局面は、上述の方法であって、前記内部は、３ｍｍから５０ｍｍの範囲内の高さを有している。

本開示の他の局面は、ＡＬＤシステム用のＱＣＭアセンブリに関する。ＱＣＭアセンブリは、前記ＡＬＤシステムの反応チャンバの蓋部を備えている。前記蓋部は、底部を有する中央空洞を有する。前記底部は、前記反応チャンバの内部への開口を規定する棚部を備えている。ＱＣＭ結晶は、前面を有する。前記ＱＣＭ結晶は、前記前面の外側部分が前記棚部に接触して前記中央空洞の前記底部に配置されている。これにより、前記前面の中央部は、前記開口を通じて前記反応チャンバに露出している。また、前記ＱＣＭアセンブリは、固定具を備えている。前記固定具は、前記ＱＣＭ結晶上の前記中央空洞内に配置されている。前記固定具は、前記ＱＣＭ結晶の前記前面の前記外側部分を前記棚部に対して押圧し、前記ＱＣＭ結晶と前記棚部との間にシール部を形成しつつ、前記固定具と前記ＱＣＭ結晶との間に電気的接続を形成するように構成されている。前記ＱＣＭアセンブリは、フランジをさらに備えている。前記フランジは、前記蓋部の天面に直接隣接して配置されている。前記フランジは、前記固定具を介して前記ＱＣＭ結晶と電気的接続を行いつつ、前記中央空洞を密閉する。また、前記ＱＣＭアセンブリは、ＡＬＤ反応チャンバの外側に変換器を備えている。前記変換器は、前記フランジおよび前記固定具を介して、前記ＱＣＭ結晶と電気的に接続される。

さらなる特徴点及び利点は、以下の詳細な説明に明記される。また、それらの一部は詳細な説明の記載内容から当業者にとって直ちに明白となるか、詳細な説明、特許請求の範囲、添付図面に記載された実施形態を実施することによって認識されるであろう。上記の概要及び下記の詳細な説明に関する記載は、単なる例示であって、特許請求の範囲に記載されている本発明の本質及び特徴を理解するための概略または枠組みを提供するものであることを理解すべきである。

添付図面は、さらなる理解を提供するために含まれており、本明細書の一部を構成すると共に本明細書の一部に組み込まれる。図面は、１または複数の実施形態を示しており、詳細な説明と共に種々の実施形態の原理や動作を説明する役割を担う。このように、本開示は、添付図面と共に以下に示す詳細な説明からより完全に理解されることになるであろう。
図１Ａは、ＡＬＤシステムの一例を示す正面斜視図である。 図１Ｂは、図１Ａに示す一例のＡＬＤシステムの拡大正面斜視図である。この図は、反応チャンバの閉鎖位置における絶縁カバー（被覆部材）を示す。 図２は、図１Ａに示すＡＬＤシステムの反応器アセンブリの正面斜視図である。 図３は、図２に示す反応器アセンブリにおいて反応チャンバの蓋部が閉鎖位置にある状態の拡大正面斜視図であって、ＱＣＭアセンブリのフランジおよびコネクタの一部分を示す図である。 図４は、反応チャンバの蓋部の中央部の拡大断面図であって、ＱＣＭアセンブリの構成部材を収容するために使用される中央空洞の構成の一例を示す図である。 図５Ａは、ＱＣＭアセンブリの構成部材とともに、図４に示される反応チャンバの蓋部の中央部の一部の分解断面図である。 図５Ｂは、図５Ａと同様の図であって、構成部材が組み立てられた状態でのＱＣＭアセンブリの各構成部材を示す図である。この図には、反応チャンバ内部に配置された、ウエハを有する反応チャンバの基台も示されている。 図６Ａは、中央空洞の底部の拡大断面図である。この図では、ＱＣＭ結晶の中央部がＱＣＭ開口上に位置し、反応チャンバの内部に露出するようにＱＣＭ結晶が内部の棚部に動作可能に配置されていることが示されている。 図６Ｂは、棚部に支持されたＱＣＭ結晶の環状の外側部分、および、ＱＣＭ開口上に位置するＱＣＭ結晶の中央部を示すＱＣＭ結晶の一例の正面図である。

以降、本開示の様々な実施形態、および、添付の図面に示される複数の例について詳述する。図面において可能な限り、同一または類似の部分には、同一または類似の参照番号および参照符号が用いられる。図面には決まった縮尺がなく、当業者であれば、図面は本発明の主要な部分を説明するために簡略化されていることに気づくであろう。

下記の特許請求の範囲の記載は、発明の詳細な説明に組み込まれると共にその一部を構成する。

いくつかの図面において、参考のために、および説明の便宜上でデカルト座標が描かれているが、これは方向または配置位置を限定するものではない。

ＡＬＤシステム
図１Ａは、一例のＡＬＤシステム１０の正面斜視図であり、図１Ｂは、ＡＬＤシステム１０の拡大正面斜視図である。図２は、一例のＡＬＤシステム１０の反応器アセンブリ１００の正面斜視図である。本明細書において簡潔に説明されるＡＬＤシステム１０は、米国特許第８，２０２，５７５号公報においてより詳細に説明されている。

ＡＬＤシステム１０は、キャビネット２０を備えている。キャビネット２０は、扉２２、側板２４、および天板２６を備えている。天板２６は、反応器アセンブリ１００を支持している。キャビネット２０は、内部２８を有している。内部２８は、反応器アセンブリ１００およびＡＬＤシステム１０の種々の構成部品を収容可能な大きさとなっている。種々の構成部品とは、例えば、真空ポンプ３０、前駆体ガスキャニスタ３２、並びに、制御電子部品、バルブ、真空ラインなどの他の構成部品（図示せず）などである。

反応器アセンブリ１００は、反応チャンバ１２０を備えている。反応チャンバ１２０は、キャビネット２０の天板２６上に配置されている。ＡＬＤシステム１０は、絶縁カバー４０を備えている。絶縁カバー４０は、反応チャンバ１２０、および後述するＱＣＭアセンブリ３００の対応する構成部品を覆うことのできる大きさとなっている。絶縁カバー４０は、ＱＣＭアセンブリ３００を断熱し、熱擾乱およびそれに伴う測定ノイズを減少させるのに有効である。絶縁カバー４０は、図１Ｂに示されるキャビネット２０の天板２６にヒンジ接続されることができる。あるいは、絶縁カバー４０は、図１Ａに示すように、キャビネット２０に接続されておらず、必要に応じて天板２６上に載置したり、天板２６から取り除いたりすることができる。図３は、閉鎖状態の蓋部１４０を備えた反応器アセンブリ１００の正面拡大斜視図である。図３は、ＱＣＭアセンブリ３００の外側部分を示す。

ＡＬＤシステム１０は、制御部５０（例えば、コンピュータ）をさらに備えている。制御部５０は、ＡＬＤシステム１０の動作を制御する。制御部５０は、後述するように、表示装置として、また、本明細書に開示されるＱＣＭアセンブリ３００の制御部としても機能することができる。

反応器アセンブリ１００の反応チャンバ１２０は、蓋部１４０および基台１７０によって規定される。蓋部１４０は、天面１４２、底面１４４、側面１４６、および取っ手１４８を有する。一例では、基台１７０は、円筒壁１７２によって規定された円筒形状を有している。また、基台１７０は、床部１７４を有している。床部１７４は、上面２０２を有する大きな（例えば、１００ｍｍまたは３００ｍｍの）半導体基板（ウエハ）２００（図５Ｂ参照）を収容できる大きさとなっている。円筒壁１７２は、概ね平坦な上面１８２を有する。上面１８２は、溝１８４を有している。溝１８４は、Ｏリング１８６を支持している。円筒壁１７２、床部１７４、および蓋部１４０は、内部１７６を規定している。Ｏリング１８６は、蓋部１４０と基台１７０との間にシール部を形成し、ＡＬＤ処理中に内部１７６を密閉する役割を果たす。このように、蓋部１４０は、閉鎖された内部１７６を規定するために機能する。内部１７６は、高さｈを有する（図５Ｂ参照）。一例では、高さｈは、３ｍｍから５０ｍｍの範囲内であり得る。一例では、高さは公称５ｍｍである。

また、基台１７０は、ヒンジ固定部２１１を備えている。ヒンジ固定部２１１は、蓋部１４０のヒンジ固定部１４１と連結し、ヒンジ２１３を形成している。これにより、蓋部１４０は、基台１７０に対して、開位置または閉位置に位置することができる。このように、蓋部１４０は、閉位置にあるときには、内部１７６を閉鎖して密閉する役割を果たし、開位置にあるときには、内部１７６を開放する。

基台１７０は、ステンレス鋼などの熱伝導性の低い材料で形成されていることが好ましい。反応チャンバ１２０は、中心軸ＡＣを有している。中心軸ＡＣは、ｚ方向に延び、蓋部１４０および基台１７０の中心を概ね通過する（図３参照）。

図４は、蓋部１４０の中央部の拡大断面図である。蓋部１４０は、天面１４２および底面１４４に開口する中央空洞１５０を有している。中央空洞１５０は、天面１４２に隣接した頂部１５２、底面１４４に隣接した底部１５４、および、頂部１５２と底部１５４との間の中央部１５６を有している。一例では、中央空洞１５０の頂部１５２および底部１５４は、それぞれ略円形の断面形状を有している。また、後述するように、中央部１５６は、固定具３２０の大きさ及び形状に適合する長方形状を有している。

頂部１５２は、天面１４２において幅広の中央開口１６２を有している。中央開口１６２は、以下では、「フランジ開口」と呼ばれる。また、中央空洞１５０は、底部１５４における底面１４４に、比較的幅狭の中央開口１６４を有している。幅狭の中央開口１６４は、以下では、「ＱＣＭ開口」と呼ばれる。一例では、ＱＣＭ開口１６４は、径ＤＯを有する。一例では、径ＤＯは、３ｍｍから８ｍｍの範囲内である。

一例では、中央空洞１５０は、階段状の構造を有している。この構造において、頂部１５２は、中央部１５６よりも幅が広い。また、中央部１５６は、底部１５４よりも幅が広い。このような階段状の構造は、頂部１５２に棚部（ｌｅｄｇｅ）１５３を規定し、底部１５４に棚部１５５を規定し、中央部１５６に棚部１５７を規定する。

図４において最もよく示されるように、蓋部１４０の天面１４２は、溝２４４を有している。溝２４４は、フランジ開口１６２の周囲に延び、Ｏリング２４６を支持している。

ＱＣＭアセンブリ
明細書に開示されたＱＣＭアセンブリ３００は、蓋部１４０に動作可能に配置される。そのため、一例では、蓋部１４０は、ＱＣＭアセンブリ３００の一部品を構成する。図５Ａは、図４に示す蓋部１４０、およびＱＣＭアセンブリ３００の中央部の分解断面図である。図５Ｂは、図５Ａと同様の図であるが、組み立てられた状態のＱＣＭアセンブリ３００、反応チャンバ１２０の基台１７０、および、反応チャンバ１２０の内部１７６に位置するウエハ２００を示す。

ＱＣＭアセンブリ３００は、ＱＣＭ結晶３１０を有している。ＱＣＭ結晶３１０は、前面３１２と背面３１４とを有している。一例では、ＱＣＭ結晶３１０は、５ＭＨｚから６ＭＨｚの範囲内の電気信号によって作動される６ＭＨｚ結晶である。また、ＱＣＭ結晶３００は、固定具３２０を有している。固定具３２０は、上面３２２、下面３２４、および導電性弾性部材３２５を有している。導電性弾性部材３２５は、下面３２４から下方へ延びている（下面３２４にぶら下がっている）。固定具３２０は、（ＱＣＭ結晶３１０の上に）ＱＣＭ結晶３１０に直接隣接して配置されている。これにより、導電性弾性部材３２５は、後述するように、ＱＣＭ結晶３１０を下方へ押圧しながら、ＱＣＭ結晶３１０の背面３１４との電気的接続を確立している。

固定具３２０は、電気ケーブル３４４を介して変換器３２６と電気的に接続されている。適切な変換器３２６は、インフィコン（Ｉｎｆｉｃｏｎ）社製のＳＴＭ−２モデルである。このように、変換器３２６は、固定具３２０を介してＱＣＭ結晶３１０に電気的に接続されている。

ＱＣＭアセンブリ３００は、フランジ３３０をさらに備えている。フランジ３３０は、中央部３５０と外側部分３６０とを有している。中央部３５０は、下面３５４を有している。中央部３５０は、棚部１５３の真上に位置する下面３５４によって、フランジ開口１６２の内部、および中央空洞１５０の頂部１５２内と密接に適合している。外側部分３６０は環状であり、下面３６２を有している。下面３６２は、フランジ３３０の中央部３５０が頂部１５２に位置したときに、蓋部１４０の上面１４２上に位置し、Ｏリング２４６とともにシール部を形成する。外側部分３６０は、例えば、六角ねじなどの固定部材３７２（図３参照）を用いて、蓋部１４０にフランジ３３０を取り付けるための貫通孔３７０を有する。

フランジ３３０の中央部３５０は、コネクタ３４０を動作可能に支持している。コネクタ３４０は、電気接続部材３４２を有している。電気接続部材３４２は、固定具３２０の上面３２２との電気的接続を確立するために用いられる。一例では、電気接続部材３４２は、棚部１５７に対して固定具３２０を、中央部１５６内の適切な位置に保持している。他の例では、固定具３２０がＱＣＭ結晶３１０を下方へ押しながら、中央部３５０の下面３５４の一部が、固定具３２０を、中央部１５６内の適切な位置に保持するために使用される。

一例では、コネクタ３４０は、ＢＮＣコネクタ、あるいは、変換器３２６につながる電気ケーブル３４４（例えば、同軸ケーブル）を即座に接続したり遮断したりできるようなコネクタである。一例では、変換器３２６は、第２ケーブル３４６によって制御部５０と電気的に接続される。第２ケーブル３４６は、ＵＳＢケーブルであり得る。

図６Ａは、ＱＣＭ結晶３１０の拡大図である。ＱＣＭ結晶３１０は、蓋部１４０の中央空洞１５０の底部１５４に動作可能に配置されている。また、図６Ｂは、ＱＣＭ結晶３１０の拡大正面図である。図５Ｂ、図６Ａ、および図６Ｂに示すように、ＱＣＭ結晶３１０の前面３１２の環状の外側部分３１２Ａは、棚部１５５上に載置されている。この構成により、前面３１２の中央部３１２Ｃは、底部１５４のＱＣＭ開口１６４の上に位置することになる。そのため、この中央部３１２Ｃは、反応チャンバ１２０の内部１７６に露出する。

ＡＬＤ処理中、ＱＣＭ結晶３１０は変換器３２６によって駆動され、その結果、ＱＣＭ結晶３１０は、選択周波数で共振する。選択周波数は、ＱＣＭ結晶３１０からの出力信号として監視される。反応チャンバ１２０の内部１７６における反応生成物は、中央部３１２ＣにおいてＱＣＭ結晶３１０上に堆積する。この堆積物によって、ＱＣＭ結晶３１０の共振周波数は変動し、これにより、堆積される材料の量の測定が実施される。ここで、共振周波数の変化速度は、堆積速度に対応する。

一例では、ＱＣＭ結晶３１０は、１４ｍｍの径ＤＱを有する。底部１５４のＱＣＭ開口１６４は、約３ｍｍから約８ｍｍの径ＤＯを有する。一例では、径はＤＯ＝４．２５ｍｍである。一例では、ＤＯは、（０．２）ＤＱ≦ＤＯ≦（０．６）ＤＱの範囲内にあり、他の例では、（０．２５）ＤＱ≦ＤＯ≦（０．４）ＤＱの範囲内にある。

前面３１２の環状の外側部分３１２Ａは、棚部１５５と接触している。この環状の外側部分３１２Ａは、面積ＡＡを有する。また、露出した中央部３１２Ｃは、露出面積ＡＥを有する。一例では、環状の外側部分３１２Ａの環幅Ｗ＝（ＤＱ−ＤＯ）／２は、約５ｍｍである。環状の外側部分３１２Ａの面積ＡＡは、ＡＡ＝πＷ^２によって求められる。径ＤＱが１４ｍｍであり、径ＤＯが４ｍｍの場合、Ｗ＝５ｍｍであり、面積ＡＡ＝π（５ｍｍ）^２＝７８．５ｍｍ^２である。一方、露出面積は、ＡＥ＝π（２ｍｍ）^２＝１２．５６ｍｍ^２である。これにより、比率Ｒ＝ＡＡ／ＡＥ＝６．２５が与えられる。一例では、比率Ｒは、２から１１の間の値であり、より好ましくは、４から８の間の値である。

中央部３１２Ｃの露出面積ＡＥに対して、環状の外側部分３１２Ａの面積ＡＡが比較的大きいと、いくつかの重要な機能を発揮する。第１に、環状の外側部分３１２Ａが、ＱＣＭ結晶３１０の蓋部１４０への接地を実現する。第２に、環状の外側部分３１２Ａによって、反応チャンバ１２０の内部１７６のガス反応物が、ＱＣＭ結晶３１０の背面３１４へ移送されることを抑えたり、制限したりすることができる。これにより、結果的に、ＱＣＭ結晶３１０の適切な動作を遅延させ得る寄生反応が、実質的に抑制されたり、制限されたりする。第３に、環状の外側部分３１２Ａによって、ＱＣＭ結晶３１０の機械的な支持および機械的な安定性が実現される。これによって、突発的な圧力変化の際に、ＱＣＭ結晶３１０へのストレス（応力）量が制限される。突発的な圧力変化は、例えば、一連の通気およびポンプダウンなどのＡＬＤ処理中に、反応チャンバ１２０の内部１７６で起こり得る。第４に、環状の外側部分３１２Ａによって、ＱＣＭ結晶３１０と熱質量の大きな蓋部１４０との間に、良好な熱接触が得られる。これにより、ＱＣＭ結晶３１０の温度は、急速に平衡化する。

固定具３２０は、中央空洞１５０の中央部１５６に位置し、一例では、棚部１５７上に乗っている。導電性弾性部材３２５は、ＱＣＭ結晶３１０の背面３１４と電気的に接続し、下方へ力を付加している。この下方への力は、ＱＣＭ結晶３１０の前面３１２の環状の外側部分３１２Ａを、棚部１５５に対して押圧している。これにより、シーリング材料を用いることなく、底部１５４内で、ＱＣＭ結晶３１０が棚部１５５に密閉され、ＡＬＤ処理中における望まない薄膜堆積を防ぐことができる。シーリング材料は、例えば、接着剤、またはエポキシ樹脂、またはＯリングなどのシーリング部材、あるいは、中央空洞１５０（具体的には、底部１５４）におけるパージガス流などである。

上述したように、フランジ３３０の中央部３５０は、フランジ開口１６２を通じて中央空洞１５０の頂部１５２に挿入され、頂部１５２内に密接して配置されている。また、フランジ３３０の外側部分３６０の下面３６２は、蓋部１４０の天面１４２上に配置されている。一例では、フランジ３３０は、固定部材３７２を用いて蓋部１４０に固定されている。固定部材３７２は、貫通孔３７０を通り、下方に位置する蓋部１４０に達している。一例では、貫通孔３７０には、ネジ山が形成され、貫通孔３７０は、蓋部１４０におけるネジ切りされた孔（図示せず）と対応している。Ｏリング２４６は、フランジ３３０と蓋部１４０との間にシール部を形成する。蓋部１４０は、外部環境から中央空洞１５０を隔離している。

フランジ３３０が蓋部１４０に動作可能に配置されている場合、コネクタ３４０の電気接続部材３４２は、固定具３２０の上面３２２と電気的に接続される。これにより、ＱＣＭ結晶３１０、変換器３２６、および制御部５０の間に、電気経路（電気接続）が確立される。

中央空洞１５０および特に棚部１５５は、ＱＣＭ結晶３１０の前面３１２の露出した中央部３１２Ｃが、半導体基板（ウエハ）２００の上面２０２に略平行になるような形状となっている。これに加え、露出した中央部３１２Ｃは、半導体基板（ウエハ）２００の上面２０２に近接して配置されている。例えば、内部高さｈ＝５ｍｍの場合、露出した中央部３１２Ｃは、半導体基板（ウエハ）２００の上面２０２と約７ｍｍ離れている。これにより、ＱＣＭ結晶３１０の露出した中央部３１２Ｃ、および、反応チャンバ１２０の内部１７６に位置する半導体基板（ウエハ）２００の上面２０２の両方が、実質的に同量のＡＬＤ反応物に曝される。露出した中央部３１２Ｃ上の堆積速度と、半導体基板（ウエハ）２００の上面２０２上の堆積速度とは、これら２つの面が、通常、異なる材料（例えば、それぞれが石英とケイ素）で形成されているため、異なる可能性がある。しかしながら、ＡＬＤ反応物への各曝露量が実質的に同じであると仮定すると、堆積速度は、理論または実験に基づいて互いに相関し得る。

上述したように、ＱＣＭアセンブリ３００の構造は、ＱＣＭ結晶３１０が反応チャンバ１２０の蓋部１４０に密接に熱的に結合することを保証する。これにより、ＱＣＭ結晶３１０の温度は、蓋部１４０および反応チャンバ１２０の温度と、高速で平衡化することができる。これは、効果的な熱移行にとって比較的大きな環状接触領域ＡＡを有するＱＣＭ結晶３１０の環状の外側部分３１２Ａによって、ある程度実現される。また、フランジ３３０の形状因子および熱質量によって、高速での熱平衡化が実現される。

中央空洞１５０の体積および形状因子は、実質的に最小化され、ＱＣＭ結晶３１０の背面３１４に隣接する隙間量を制限する。例えば、フランジ３３０の中央部３５０は、中央空洞１５０の頂部１５２に向かって下方に延び、固定具３２０の上面３２２に近接して位置する。これにより、反応チャンバ１２０の内部１７６を真空下に設定した後に、ＱＣＭ測定値の迅速な平衡化を確立しながら、背面３１４に隣接して位置し得るガスの量を制限することができる。

一例では、ＱＣＭアセンブリ３００は、１ミリトール（ｍＴｏｒｒ）までの真空下で操作され、３５０℃にまで温度を上昇させるように構成される。

当業者には明白であるが、添付される特許請求の範囲で規定された本開示の精神または範囲から逸脱することなく、本明細書中に記載された本開示の好ましい実施形態に対して様々な変更を加えることができる。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲及びその均等範囲内で行われる本開示の修正及び変更を包含する。

Claims (21)

1. 内部を有する反応チャンバを有する原子層堆積（ＡＬＤ）システム用の石英結晶マイクロバランス（ＱＣＭ）アセンブリであって、
   前記反応チャンバの蓋部と、
   前面、背面、および径ＤＱを有する前記ＱＣＭ結晶と、
   上面、および下方に延びている導電性弾性部材を有する固定具と、
   中央部、および下面を有する外側部分を有するフランジと
   を備え、
   前記蓋部は、中央空洞を有し、
   前記ＱＣＭ結晶は、前記前面が棚部と接触した状態で前記中央空洞の底部に配置されており、これにより、前記前面の中央部は、径ＤＯを有するＱＣＭ開口と隣接して存在し、これによって、前記前面の中央部は、前記ＱＣＭ開口を介して前記内部に露出しており、前記径ＤＯは、（０．２５）ＤＱ≦ＤＯ≦（０．６）ＤＱであり、
   前記固定具は、前記ＱＣＭ結晶と電気的に接続する前記導電性弾性部材とともに前記中央空洞内に配置されつつ、前記ＱＣＭ結晶の前記前面の外側部分を前記棚部に対して押圧しており、これにより、前記ＱＣＭ結晶の前記前面と前記棚部との間に、第１シール部が形成され、
   前記フランジの前記中央部は、前記中央空洞の頂部内に近接して存在し、かつ、前記固定具に直接隣接しており、また、前記フランジの前記外側部分の下面は、前記蓋部の天面に直接隣接して存在し、前記蓋部の天面とで第２シール部を形成しているとともに、前記フランジは、前記固定具と電気的接続を形成する電気接続部材を動作可能に支持している、
   石英結晶マイクロバランス（ＱＣＭ）アセンブリ。
2. 前記第１シール部は、シーリング材料またはシーリング部材の何れも含んでいない、請求項１に記載のＱＣＭアセンブリ。
3. 前記中央空洞内にパージガスは流れない、請求項１または２に記載のＱＣＭアセンブリ。
4. 前記径ＤＯは、（０．２５）ＤＱ≦ＤＯ≦（０．４）ＤＱである、請求項１から３の何れか１項に記載のＱＣＭアセンブリ。
5. 前記フランジを通って前記固定具に電気的に接続されている変換器をさらに備えている、請求項１から４の何れか１項に記載のＱＣＭアセンブリ。
6. 前記変換器に電気的に接続されている制御部をさらに備えている、請求項５に記載のＱＣＭアセンブリ。
7. 前記蓋部に動作可能に取り付けられ、前記反応チャンバを規定する基台をさらに備えている、請求項１から６の何れか１項に記載のＱＣＭアセンブリ。
8. 前記反応チャンバを覆う大きさを有する断熱被覆部材をさらに備えている、請求項７に記載のＱＣＭアセンブリ。
9. 前記反応チャンバの内部は、３ｍｍから５０ｍｍの範囲内の高さを有している、請求項１から８の何れか１項に記載のＱＣＭアセンブリ。
10. 蓋部を有する反応チャンバを有する原子層堆積（ＡＬＤ）システム用の石英結晶マイクロバランス（ＱＣＭ）アセンブリであって、
    天面、底面、および中央空洞を有する蓋部と、
    前面、背面、および径ＤＱを有するＱＣＭ結晶と、
    上面、および下方に延びている導電性弾性部材を有する固定具と、
    中央部、および下面を有する外側部分を有するフランジと
    を備え、
    前記中央空洞は、前記天面においてフランジ開口を有するとともに、前記底面においてＱＣＭ開口を有し、前記フランジ開口は、前記中央空洞の頂部と通じており、前記ＱＣＭ開口は、前記中央空洞の底部と通じており、
    前記ＱＣＭ開口は、棚部によって規定された径ＤＯを有し、かつ、前記中央空洞は、前記頂部と前記底部との間に中央部を有し、かつ、前記天面は、前記中央空洞の周囲に延びてＯリングを動作可能に支持しているＯリング溝を有しており、
    前記ＱＣＭ結晶は、その前面が前記棚部と接触して、前記中央空洞の前記底部に配置されており、これにより、前記前面の中央部は、ＱＣＭ開口と隣接して存在し、ここで、（０．２５）ＤＱ≦ＤＯ≦（０．６）ＤＱの条件を満たしており、
    前記固定具は、前記中央空洞の前記中央部に配置されており、前記固定具の前記導電性弾性部材は、前記ＱＣＭ結晶の前記背面と接触し、前記ＱＣＭ結晶の前記前面の外側部分を前記棚部の方へ押圧し、第１シール部を形成しており、
    前記フランジにおいて、前記中央部は、前記中央空洞の前記頂部内に近接して存在するとともに、前記外側部分の前記下面は、前記蓋部の前記天面に直接隣接して存在し、前記Ｏリングとともに第２シール部を形成しており、また、前記フランジは、前記固定具と電気的接続を形成する電気接続部材を含むコネクタを動作可能に支持している、
    石英結晶マイクロバランス（ＱＣＭ）アセンブリ。
11. 前記径ＤＯは、（０．２５）ＤＱ≦ＤＯ≦（０．４）ＤＱである、請求項１０に記載のＱＣＭアセンブリ。
12. 前記固定具に電気的に接続されている変換器をさらに備えている、請求項１０または１１に記載のＱＣＭアセンブリ。
13. 前記変換器に電気的に接続されている制御部をさらに備えている、請求項１２に記載のＱＣＭアセンブリ。
14. 前記蓋部に動作可能に取り付けられ、前記反応チャンバを規定する基台をさらに備えている、請求項１０から１３の何れか１項に記載のＱＣＭアセンブリ。
15. 前記反応チャンバを覆う大きさを有する断熱被覆部材をさらに備えている、請求項１４に記載のＱＣＭアセンブリ。
16. 基台および蓋部によって規定された内部を有するとともに、基板を動作可能に支持している反応チャンバを含む原子層堆積（ＡＬＤ）システムにおける薄膜成長をその場で測定する方法であって、
    前記蓋部と一体化した石英結晶マイクロバランス（ＱＣＭ）アセンブリを提供することと、
    前記反応チャンバの内部でＡＬＤ処理を実行することと
    を備え、
    前記ＱＣＭアセンブリは、前面を有するＱＣＭ結晶を有し、前記蓋部に形成された空洞の底部において棚部上に配置され、これにより、固定具が、前記ＱＣＭ結晶の前面の外側部分を前記棚部に対して押圧してシールを形成しながら、前記ＱＣＭ結晶の中央部は、前記基板の上方で、前記反応チャンバの内部に露出しており、ここで、前記シールは、シーリング材料またはシーリング部材の何れも含んでおらず、
    前記ＡＬＤ処理を実行する工程では、変換器で前記ＱＣＭ結晶を駆動し、前記ＱＣＭ結晶からの出力信号を測定しながら、前記基板上に第１薄膜を堆積し、前記ＱＣＭ結晶の前記中央部上に第２薄膜を堆積する、
    方法。
17. 前記ＱＣＭ結晶は、径ＤＱを有し、前記ＱＣＭ結晶の表面の前記中央部は、径ＤＯを有し、（０．２５）ＤＱ≦ＤＯ≦（０．６）ＤＱである、請求項１６に記載の方法。
18. 前記押圧することは、前記固定具の導電性弾性部材を下方へ延ばすことによって実行され、前記固定具は、前記蓋部内の前記空洞の内部であって、前記ＱＣＭ結晶の直上に位置する、請求項１６または１７に記載の方法。
19. 前記蓋部の上に配置された断熱被覆部材で前記ＱＣＭアセンブリを断熱することをさらに備える、請求項１６から１８の何れか１項に記載の方法。
20. 前記内部は、３ｍｍから５０ｍｍの範囲内の高さを有している、請求項１６から１９の何れか１項に記載の方法。
21. ＡＬＤシステム用の石英結晶マイクロバランス（ＱＣＭ）アセンブリであって、
    前記ＡＬＤシステムの反応チャンバの蓋部と、
    前面を有するＱＣＭ結晶と、
    固定具と、
    フランジと、
    変換器と、
    を備え、
    前記蓋部は、底部を有する中央空洞を有し、前記底部は、前記反応チャンバの内部への開口を規定する棚部を含み、
    前記ＱＣＭ結晶は、前記前面の外側部分が前記棚部に接触して前記中央空洞の前記底部に配置されており、これにより、前記前面の中央部は、前記開口を通じて前記反応チャンバに露出しており、
    前記固定具は、前記ＱＣＭ結晶上の前記中央空洞内に配置されており、前記ＱＣＭ結晶の前記外側部分を前記棚部に対して押圧し、前記ＱＣＭ結晶の前記前面と前記棚部との間にシール部を形成しつつ、前記固定具と前記ＱＣＭ結晶との間に電気的接続を形成するように構成されており、
    前記フランジは、前記蓋部の天面に直接隣接して配置されており、前記固定具を介して前記ＱＣＭ結晶と電気的に接続しつつ、前記中央空洞を密閉しており、
    前記変換器は、前記反応チャンバの外側に配置されており、前記フランジおよび前記固定具を介して、前記ＱＣＭ結晶と電気的に接続されている、
    石英結晶マイクロバランス（ＱＣＭ）アセンブリ。
    
    

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