JP2024022023A - 測定装置、成膜装置および膜厚測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】異常値の排除または抑制を可能とし、かつ真値に対しその処理値の応答性を向上させることができる測定装置、成膜装置および膜厚測定方法を提供する。【解決手段】本発明の一形態に係る測定装置は、蒸着源を有する成膜装置に設置された振動子の発振周波数に基づいて成膜レートを測定する測定装置であって、測定回路と、制御回路とを具備する。前記測定回路は、前記振動子の発振周波数に関連する周波数関連情報に基づいて単位時間ごとのレート換算値を算出する。前記制御回路は、前記測定回路で算出されたレート換算値をフィルタリングするフィルタ部と、前記蒸着源の温度に関連する温度関連情報に基づいて前記フィルタ部におけるフィルタリングの強さの度合いであるフィルタ係数を変更する制御部と、を有する。【選択図】図６

Description

本発明は、成膜装置に設置された振動子の発振周波数に基づいて成膜レートを測定する測定装置およびこれを備えた成膜装置、ならびに膜厚測定方法に関する。

従来、真空蒸着装置などの成膜装置においては、基板に成膜される膜の厚みおよび成膜速度（レート）を測定するために、水晶振動子法（ＱＣＭ：Quartz Crystal Microbalance）という技術が用いられている。この方法は、チャンバ内に配置されている水晶振動子の表面に対し蒸着物が堆積することを利用して、膜厚およびレートを測定する手法である。これは、堆積すなわち表面質量が増加すると水晶振動子の共振周波数が減少するという物理量の変換現象を利用している。したがって、水晶振動子の共振周波数の変化を観測すれば（観測値を利用すれば）、膜の質量を同定することができる。

膜厚センサを備えた蒸着装置においては、測定された蒸着レートをもとに、蒸着源における蒸着材料に対する加熱温度がフィードバック制御される。しかしながら、膜厚センサは蒸着材料の突沸（スプラッシュ）や水晶振動子１４０の表面状態の変化などの物理的な外乱の影響を受けて、観測値が瞬間的に大きく変動することがある。大きく変動した値は実際に堆積した質量（真値）を反映しておらず、よってこの値は異常値として排除（または値を正常範囲へ抑制）する必要がある。

従来この問題に対処した測定装置は、フィルタ処理と呼ばれる処理を観測値に対して実行し、処理した値を真値として出力している。フィルタ処理の一例としては、平滑化処理方法が知られている。例えば特許文献１には、ある単位時間間隔で水晶振動子の共振周波数を観測し、これら観測値に基づいて算出される膜厚のある時間範囲における移動平均をとって単位時間あたりの膜厚増加量（レート）を出力している。このように求められた出力値を用いれば安定した成膜方法（安定したフィードバック制御）が実現できるとしている。

フィルタ処理の一例である平滑化処理方法の典型的な実施例としては、現在から予め定めた時間までに得られた観測値らを標本とし、この標本に対して移動平均処理を施す方法が知られている。一般的には単純移動平均を使用するが、加重移動平均を使用することもある。他の例としては、異常値をローパスフィルタと呼ばれる遅れ要素（例えば一次遅れフィルタ）を用いて抑制する（異常値は高周波成分となるために抑制される）方法も用いられる。また、これらの要素を複数用いる、あるいは、要素を相互に関連させた処理方法が知られている。

これらを用いた測定装置は、観測値らのうちにノイズの影響と考えられる異常値があったとしても、これらを想定される正常値の範囲へ処理または抑制することができるため、その出力値を利用した蒸着源の制御を安定化することが可能であった。しかしながら、その出力値は真値と必ずしも整合せず、特に真のレート値が急激に時間遷移する際には、応答の遅れが問題となっていた。

特許第６０６０３１９号公報

従来の移動平均処理による平滑化では、トレードオフ問題が解決できていない。典型的には標本数を増加させると（予め定めた時間を増加させると）より安定化した処理値が得られるが、単位時間あたりの応答性能は劣化する。また、水晶振動子の表面状態により長周期のノイズが混入する場合があるが、これを除去するためには少なくとも一周期以上の標本数が必須となり、蒸着源を制御する目的（すなわち成膜対象物の生産効率の面）から見て選択肢となりえない。このように応答性と安定性とを両立できないという課題がある。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、異常値の排除または抑制を可能とし、かつ真値に対しその処理値の応答性を向上させることができる測定装置、成膜装置および膜厚測定方法を提供することにある。

本発明の一形態に係る測定装置は、蒸着源を有する成膜装置に設置された振動子の発振周波数に基づいて成膜レートを測定する測定装置であって、測定回路と、制御回路とを具備する。
前記測定回路は、前記振動子の発振周波数に関連する周波数関連情報に基づいて単位時間ごとのレート換算値を算出する。
前記制御回路は、前記測定回路で算出されたレート換算値をフィルタリングするフィルタ部と、前記蒸着源の温度に関連する温度関連情報に基づいて前記フィルタ部におけるフィルタリングの強さの度合いであるフィルタ係数を変更する制御部と、を有する。

前記制御回路は、前記温度関連情報の時間変化に相当する第１近似直線を算出する演算部をさらに有してもよい。前記制御部は、前記第１近似直線の傾きの絶対値が所定値以上か否かを判定し、前記第１近似直線の傾きの絶対値が前記所定値以上のときは、前記フィルタ係数を第１設定値に設定し、前記第１近似直線の傾きの絶対値が前記所定値未満のときは、前記フィルタ係数を前記第１設定値よりも大きい第２設定値に切り替えてもよい。

前記演算部は、前記周波数関連情報に基づいて前記振動子におけるアドミッタンスの実数部の時間変化に相当する第２近似直線をさらに算出してもよい。前記制御部は、前記第１近似直線の傾きの絶対値が前記所定値未満のときは前記第２近似直線の傾きが所定範囲内か否かをさらに判定し、前記第２近似直線の傾きが前記所定範囲外のときは前記フィルタ係数を前記第２設定値よりも大きい第３設定値に切り替えてもよい。

前記第２所定範囲は、マイナスの閾値とプラスの閾値との間にわたる範囲であり、前記制御部は、前記第２近似直線の傾きが前記マイナスの閾値未満の値から前記マイナスの閾値以上の値に変化したときは、所定時間経過後に前記フィルタ係数を前記第３設定値から前記第２設定値に切り替えてもよい。

前記フィルタ部は、カルマンフィルタを含んでもよい。

前記温度関連情報は、前記蒸着源の温度または前記蒸着源を加熱する電力であってもよい。

前記演算部は、前記測定回路で算出されたレート換算値を平滑化する前処理を実行してもよい。

前記前処理は、前記単位時間ごとのレート換算値の中央値を算出する中央値算出処理であってもよい。
あるいは、前記前処理は、前記単位時間ごとのレート換算値の移動平均値を算出する移動平均値算出処理であってもよい。

本発明の他の形態に係る測定装置は、蒸着源を有する成膜装置に設置された振動子の発振周波数に基づいて成膜レートを測定する測定装置であって、測定回路と、制御回路とを具備する。
前記測定回路は、前記振動子の発振周波数に関連する周波数関連情報に基づいて単位時間ごとのレート換算値を算出する。
前記制御回路は、前記測定回路で算出されたレート換算値をフィルタリングするフィルタ部と、前記振動子におけるアドミッタンスの実数部の時間変化に基づいて前記フィルタ部におけるフィルタリングの強さの度合いであるフィルタ係数を変更する制御部と、を有する。

本発明の一形態に係る成膜装置は、真空チャンバと、蒸着源と、センサヘッドと、測定回路と、制御回路とを具備する。
前記蒸着源は、前記真空チャンバの内部に配置される。
前記センサヘッドは、前記真空チャンバの内部に配置され、所定の共振周波数で発振する振動子を有する。
前記測定回路は、前記振動子の発振周波数に関連する周波数関連情報に基づいて単位時間ごとのレート換算値を算出する。
前記制御回路は、前記測定回路で算出されたレート換算値をフィルタリングするフィルタ部と、前記周波数関連情報と前記蒸着源の温度に関連する温度関連情報とに基づいて前記フィルタ部におけるフィルタリングの強さの度合いであるフィルタ係数を変更する制御部と、を有する。

本発明の他の形態に係る成膜装置は、真空チャンバと、蒸着源と、センサヘッドと、測定回路と、制御回路とを具備する。
前記蒸着源は、前記真空チャンバの内部に配置される。
前記センサヘッドは、前記真空チャンバの内部に配置され、所定の共振周波数で発振する振動子を有する。
前記測定回路は、前記振動子の発振周波数に関連する周波数関連情報に基づいて単位時間ごとのレート換算値を算出する。
前記制御回路は、前記測定回路で算出されたレート換算値をフィルタリングするフィルタ部と、前記振動子におけるアドミッタンスの実数部の時間変化に基づいて前記フィルタ部におけるフィルタリングの強さの度合いであるフィルタ係数を変更する制御部と、を有する。

本発明の一形態に係る膜厚測定方法は、
成膜装置に設置された振動子の発振周波数に関連する周波数関連情報と前記成膜装置に設置された蒸着源の温度に関連する温度関連情報とを取得し、
前記振動子の発振周波数に関連する周波数関連情報に基づいて単位時間ごとのレート換算値を算出し、
前記測定回路で算出されたレート換算値をフィルタリングし、
前記周波数関連情報と前記蒸着源の温度に関連する温度関連情報とに基づいて前記フィルタ部におけるフィルタリングの強さの度合いであるフィルタ係数を変更する。

本発明の他の形態に係る膜厚測定方法は、成膜装置に設置された振動子の発振周波数に関連する周波数関連情報と前記成膜装置に設置された蒸着源の温度に関連する温度関連情報とを取得し、
前記振動子の発振周波数に関連する周波数関連情報に基づいて単位時間ごとのレート換算値を算出し、
前記測定回路で算出されたレート換算値をフィルタリングし、
前記振動子におけるアドミッタンスの実数部の時間変化に基づいて前記フィルタ部におけるフィルタリングの強さの度合いであるフィルタ係数を変更する。

本発明によれば、異常値の排除または抑制を可能とし、かつ真値に対しその処理値の応答性を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る測定装置を備えた成膜装置を示す概略断面図である。 上記測定装置の一構成例を示すブロック図である。 センサヘッドの典型的な等価回路である。 共振周波数の半値幅を説明する図である。 上記測定装置における制御回路の機能ブロック図である。 上記制御回路において実行される処理の手順を説明するブロック図である。 上記制御回路において実行される処理の手順を説明するフローチャートである。 比較例１の実験結果を示す図である。 上記測定装置の作用を説明する実験結果である。 比較例１の実験結果を示す図である。 上記測定装置の作用を説明する実験結果である。 上記測定装置の作用を説明する実験結果である。 上記測定装置の作用を説明する実験結果である。 上記制御回路の他の構成例を示すブロック図である。 上記制御回路のさらに他の構成例を示すブロック図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

図１は、本実施形態に係る測定装置を備えた成膜装置を示す概略断面図である。本実施形態では、成膜装置１０として真空蒸着装置を例に挙げて説明する。まず、成膜装置１０の基本構成について説明する。

［成膜装置］
成膜装置１０は、真空チャンバ１１と、真空チャンバ１１の内部に配置された蒸着源１２と、蒸着源１２と対向するステージ１３と、真空チャンバ１１の内部に配置された測定点としてのセンサヘッド１４と、真空チャンバ１１の内部を所定の真空雰囲気に維持する真空ポンプ１５と、センサヘッド１４の出力に基づいて成膜レートを測定するとともに、蒸着源１２を制御可能に構成された測定ユニット１７とを有する。センサヘッド１４および測定ユニット１７により膜厚センサ２０（測定装置）が構成される。

蒸着源１２は、成膜材料の蒸気（粒子）を発生させることが可能に構成される。本実施形態において、蒸着源１２は、電源ユニット１８に電気的に接続されており、成膜材料を加熱蒸発させて蒸着粒子を放出させる蒸発源を構成する。蒸発源の種類は特に限定されず、本実施形態では抵抗加熱式の蒸発源が用いられるが、これ以外にも、誘導加熱式、電子ビーム加熱式などの種々の方式の蒸発源が適用可能である。あるいは、スパッタ成膜装置の場合は、蒸着源として、スパッタリングターゲットを含むスパッタカソードが採用可能である。成膜材料は、有機材料、金属材料、金属化合物材料（例えば、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物等）などであってもよい。

蒸着源１２は、成膜材料の加熱温度を検出する温度センサ１２ａを備える。温度センサ１２ａは、蒸発源の場合は成膜材料を収容する坩堝に取り付けられる。温度センサ１２ａの出力は、蒸着源１２の温度に関連する温度関連情報として測定ユニット１７へ供給される。温度センサ１２ａに代えて、蒸着源１２への投入電力を検出するセンサが用いられてもよい。なお、蒸着源１２がスパッタカソードの場合は、上記温度関連情報としてスパッタリングターゲットへ投入される電力値を用いることができる。

ステージ１３は、半導体ウエハやガラス基板等の、成膜対象である基板Ｗを、蒸着源１２に向けて保持することが可能に構成されている。

センサヘッド１４は、所定の基本周波数（固有振動数）を有する水晶振動子１４０（図２参照）を内蔵する。水晶振動子１４０の表面は、蒸着物が入射して堆積可能となるように蒸着源１２と対向する位置に配置され、典型的には、ステージ１３の近傍に配置される。センサヘッド１４の出力は、水晶振動子１４０の発振周波数に関連する周波数関連情報として測定ユニット１７へ供給される。

測定ユニット１７は、周波数関連情報である水晶振動子の発振周波数（共振点）の変化に基づいて、水晶振動子への付着物（堆積物）の質量を時系列的に測定する測定装置として構成される。つまり、測定ユニット１７は、周波数関連情報から算出される単位時間ごとのレート換算値を算出する。測定ユニット１７はさらに、蒸着膜の成膜レートを測定するとともに、当該成膜レートが所定値となるように電源ユニット１８を介して蒸着源１２を制御することが可能に構成される。

成膜装置１０は、第１シャッタ１６Ａおよび第２シャッタ１６Ｂをさらに有する。第１シャッタ１６Ａは、蒸着源１２とステージ１３との間に配置されており、蒸着源１２からステージ１３およびセンサヘッド１４に至る蒸着粒子の入射経路を開放あるいは遮断することが可能に構成される。第２シャッタ１６Ｂは、第１シャッタ１６Ａとステージ１３との間であって、蒸着源１２からステージ１３に至る蒸着粒子の入射経路は遮断可能であるが蒸着源１２からセンサヘッド１４への蒸着粒子の入射経路を遮断しない位置に配置される。
なお成膜装置の仕様に応じては、第１シャッタ１６Ａおよび第２シャッタ１６Ｂのうち、いずれか一方、あるいは両方についてはその設置が省略されてもよい。

第１シャッタ１６Ａおよび第２シャッタ１６Ｂの開閉は、図示しない制御ユニットによって制御される。典型的には、第１シャッタ１６Ａおよび第２シャッタ１６Ｂは、蒸着開始時、蒸着源１２において蒸着粒子の放出が安定するまで閉塞される。そして、上記制御ユニットは、温度センサ１２ａの出力に基づいて蒸着粒子の放出が安定したと判定したときに第１シャッタ１６Ａを開放し、次いで、センサヘッド１４の出力に基づいて蒸着粒子の安定した放出を確認しときに第２シャッタ１６Ｂを開放する。これにより、蒸着源１２からの蒸着粒子がステージ１３上の基板Ｗに到達し、基板Ｗの成膜処理が開始される。同時に、蒸着源１２からの蒸着粒子は、測定ユニット１７において基板Ｗ上の蒸着膜の膜厚およびその成膜レートが監視される。

［測定ユニット］
図２は、測定ユニット１７の一構成例を示すブロック図である。測定ユニット１７は、発振回路４１と、測定回路４２と、制御回路４３と、記憶部４４とを有する。

測定ユニット１７は、水晶振動子１４０の共振周波数付近を電気的に掃引することで取得される、水晶振動子１４０に対する発信と当該発信に対応する水晶振動子１４０からの受信との相関関係を用いて、水晶振動子１４０に付着した物質（成膜材料）の質量を測定するように構成される。

発振回路４１および測定回路４２は、ネットワークアナライザとして機能する。発振回路４１は、センサヘッド１４の水晶振動子１４０へ所定周波数の正弦波信号を発信、すなわち入力することで水晶振動子１４０を発振させる。測定回路４２は、水晶振動子１４０の出力信号や発振回路４１から出力される入力信号を受信し、これに基づいて、水晶振動子１４０の共振周波数や位相などの電気的特性を測定して、制御回路４３へ出力するように構成される。

水晶振動子１４０を構成する材料は、例えば、ＡＴカット型水晶振動子、ＳＣカット型水晶振動子などの圧電素子である。水晶振動子１４０の基本周波数は、例えば、３ＭＨｚ以上６ＭＨｚ以下であり、本実施形態では５ＭＨｚである。なお、付着する質量が微小である場合は、質量の検出感度を高める意味で水晶振動子の基本周波数は高い値とされる。例えば気中に存在する微小質量の検出を行う際には、例えば、数十ＭＨｚの基本周波数を有する水晶振動子が選択される。

基板Ｗへの成膜時は、水晶振動子１４０の表面にも蒸着源１２からの成膜材料が付着する。水晶振動子１４０の表面に付着する成膜材料は、任意の時間間隔で新たに付加された質量として、水晶振動子１４０の振動周波数を変化させる。また、水晶振動子１４０の表面における付着物の質量は、付着物の密度と相関を有する。つまり、水晶振動子１４０の振動周波数の変化を測定すれば、水晶振動子１４０の表面に付着した成膜材料の膜の厚み（膜厚）を求めることができる。測定ユニット１７は、発信することで水晶振動子１４０を加振し、加振の結果である振動波形から膜厚を間接的に測定する。

測定ユニット１７は、発信信号として所定周波数の正弦波信号を用い、加振を行う。加振された水晶振動子１４０は、表面に付着した堆積物を含めた系として応答する。測定ユニット１７は、機械的な振動現象を含む水晶振動子１４０の応答を、水晶振動子１４０の圧電効果を介した電気的な振動波形として受信する。測定ユニット１７は、受信結果である波形を記憶し、記憶された波形の解析を行う。水晶振動子１４０の振動波形は、記憶部４４に記憶される。測定ユニット１７は、波形の解析結果に含まれる膜厚を抽出して出力する。

記憶部４４は、半導体メモリ、ハードディスクドライブなどの記憶装置で構成される。記憶部４４は、発振回路４１により発信された所定周波数の正弦波信号をセンサヘッド１４に入力したときの水晶振動子１４０の振動波形を含む検出系からの周波数応答を記憶する。記憶部４４はさらに、後述する制御回路４３において実行される各種処理の制御プログラムや演算に必要な各種パラメータなどを記憶する。

図３は、センサヘッド１４の典型的な等価回路である。同図に示すように、水晶振動子１４０は、モーショナル容量Ｃ₁、モーショナルインダクタンスＬ₁、直列等価抵抗Ｒ₁から構成される直列共振回路と、スタティック容量Ｃ₀との並列回路として示される。直列共振回路は、水晶振動子１４０の機械振動要素を含む等価回路である。スタティック容量Ｃ₀は、例えば、水晶振動子１４０の表裏面に形成された電極間の容量と、水晶振動子１４０を保持するホルダなどが有する寄生容量とを含む。直列等価抵抗Ｒ₁は、水晶振動子１４０が振動するときの内部摩擦、機械的な損失、音響損失などの振動の損失成分を示す。一般に、直列等価抵抗Ｒ₁が高いほど、水晶振動子１４０は、振動しにくくなる。

発振回路４１からの励振により水晶振動子１４０の共振周波数を計測する方法としては、位相がゼロになる周波数を計測する方法、アドミッタンスの虚数成分であるサセプタンスがゼロになる周波数を計測する方法、インピーダンスの虚数成分であるリアクタンスがゼロになる周波数を計測する方法などが挙げられる。

図４に示すように、半値周波数Ｆ１，Ｆ２は、直列共振周波数Ｆｓにおけるコンダクタンスの最大値の１／２を与える周波数である。半値周波数幅は、半値半幅Ｆｗの２倍であり、一方の半値周波数Ｆ１と他方の半値周波数Ｆ２との差分値である。半値半幅Ｆｗは、半値周波数幅の１／２である。なお、コンダクタンスはアドミッタンスの実数部であり、図４は、発信信号として電流を用い、受信信号として電圧を用い測定した例を示す。直列共振周波数Ｆｓは、基本波と、基本波の３倍波などのｎ倍波が利用できる。なお、単一の直列共振周波数Ｆｓを選択する場合であれば、基本波を利用する場合にコンダクタンス値が一般的に最大となり、そして、信号強度比であるＳ／Ｎ比を大きく得られる観点から、基本波を直列共振周波数Ｆｓとして選択することが好ましい。

制御回路４３は、ＣＰＵやメモリを含むコンピュータで構成される。制御回路４３は、測定ユニット１７の動作を統括的に制御する。制御回路４３は、１回の計測で共振周波数の変化量、共振周波数の近傍の電気的な情報などを取得する。共振周波数の近傍の電気的な情報とは、水晶振動子１４０に対する発信と当該発信に対応する水晶振動子１４０からの受信との相関関係から導かれる、位相、レジスタンスやリアクタンス、コンダクタンスやサセプタンスの値を含む。制御部４３は、設定された時間間隔（繰り返し周期）で、共振周波数の経時変化量と電気的な情報の変位を繰り返し計測する。繰り返し周期は特に限定されず、例えば、１００ミリ秒である。なお、共振周波数の変化量の取得にあたっては、過去の計測結果を併用して導いても良い。

図５は、制御回路４３の機能ブロック図である。制御回路４３は、機能ブロックとして、取得部４３１と、バッファ部４３２と、演算部４３３と、フィルタ部４３４と、制御部４３５とを有する。これらの機能ブロックは、制御回路４３が記憶部４４に格納された所定の制御プログラムを実行することで実現される。図６は、制御回路４３において実行される処理の手順を説明するブロック図である。

取得部４３１は、所定のサンプリング周期で水晶振動子１４０の共振周波数に基づいて算出される単位時間ごとのレート換算値およびアドミッタンスの実数部を測定回路４２から取得する。また、取得部４３１は、所定のサンプリング周期で蒸着源１２の温度（以下、蒸着源温度ともいう）を温度センサ１２ａから取得する。サンプリング周期は特に限定されず、典型的にはミリ秒～数秒であり、本実施形態では２秒である。共振周波数のサンプリング周期と蒸発源温度のサンプリング周期は同一である場合に限られず、異なっていてもよい。

バッファ部４３２は、例えば、取得部４３１で取得した共振周波数（レート換算値、アドミッタンスの実数部）および蒸発源温度をそれぞれ時系列的に記憶し読み出すＦＩＦＯ（First In First Out）型のメモリである。バッファ部４３２の容量は特に限定されず、例えば、数秒～数十秒である。

演算部４３３は、取得部４３１で取得した水晶振動子１４０の単位時間ごとのレート換算値を平滑化する前処理を実行する。これにより、後述するフィルタ部４３４へ入力されるレート換算値からノイズ成分を低減できるため、算出されるレート値の推定精度を高めることができる。

上記前処理としては、例えば、バッファ部４３２に格納された所定時間分の単位時間ごとのレート換算値の中央値Ｒｐを算出する中央値算出処理が挙げられる。これに限られず、上記前処理として、バッファ部４３２に格納された所定時間分の単位時間ごとのレート換算値の移動平均値を算出する移動平均値算出処理が採用されてもよいし、中央値算出処理と移動平均値算出処理とが組み合わされてもよい。

演算部４３３はさらに、温度関連情報である蒸着源温度の時間変化に相当する第１近似直線と、周波数関連情報に基づいて振動子１４０におけるアドミッタンスの実数部の時間変化に相当する第２近似直線とを算出する。本実施形態において第１近似直線および第２近似直線は、バッファ部４３２に格納された所定時間分のレート換算値および蒸着源温度を用いて算出された最小自乗直線である。

フィルタ部４３４は、測定回路４２で算出されたレート換算値をフィルタリングする。フィルタ部４３４は、測定回路４２から出力されるレート換算値からノイズを減らして真のレート換算値に回帰させるためのもので、本実施形態ではカルマンフィルタで構成される。
なお、フィルタ部４３４は、内部状態が推定可能な状態空間モデルで構成されたフィルタを用いて構成することができる。典型例としては水晶振動子表面に付着した堆積物を含めた系を状態空間モデルとして用いたフィルタが挙げられる。また実施する系を模擬した状態空間モデルであれば、より内部状態を正確に推定出来る事が期待されると共に、フィルタ係数（後述）として用いる状態量の設計自由度が上昇する面からも好ましい。

カルマンフィルタは、状態空間モデルと呼ばれる数理モデルにおいて、内部の見えない「状態」を効率的に推定するための計算手法である。本実施形態では、センサヘッド１４や温度センサ１２ａから得られる情報を「観測値」としてそこから今回（現在）の状態を推定し、推定した状態から観測値を計算し（図６の「推定レートＲｆ」に相当）、これに基づいて蒸着源１２を制御する。つまり、前回の推定レートをＸ_k-1、今回のレート換算値（観測値）をＹ_k、カルマンゲインをＫとすると、今回の推定レートＸ_k（推定レートＲｆ）は、以下のように表される。
Ｘ_k＝Ｘ_k-1＋Ｋ×（Ｙ_k－Ｘ_k-1）

カルマンゲインＫは、前回の推定状態P_k-1より以下のように表される。
Ｋ＝（Ｐ_k-1＋σw）／（Ｐ_k-1＋σw＋σv）
ここで、σwを固定値とし、σvを可変値とすると、σvの値が大きいほどカルマンゲインＫは小さくなり、これにより現在の推定レートＸ_kの前回の推定レートＸ_k-1からの変化量が小さくなる結果、フィルタとしての効果が大きく（強く）なる。以下、σvを、フィルタ部４３４におけるフィルタリングの強さの度合いを示すフィルタ係数ともいう。本実施形態ではフィルタ係数σvとして複数の設定値が用意されている。

制御部４３５は、測定ユニット４２において算出されたレート換算値と温度センサ１２ａで検出された蒸着源温度に基づいて、フィルタ係数σvを変更することが可能に構成される。つまり本実施形態では、レート以外の観測値である蒸着源温度や水晶振動子１４０のアドミッタンス実数部をも参照して、フィルタ係数σvを調整するようにしている。本実施形態では、フィルタ係数σvとして第１設定値σv1と、第２設定値σv2と、第３設定値σv3が用意される。

後に詳細に説明するように、制御部４３５は、演算部４３３で算出される蒸着源温度（温度関連情報）の時間変化に相当する第１近似直線（最小自乗直線）の傾きＳｔの絶対値が所定値Ｓ１以上か否かを判定する。この場合、制御部４３５は、第１近似直線の傾きＳｔの絶対値が所定値Ｓ１以上のときは、フィルタ係数σvを第１設定値σv1に設定し、第１近似直線の傾きＳｔの絶対値が所定値Ｓ１未満のときは、フィルタ係数σvを第１設定値σv1よりも大きい第２設定値σv2に切り替えるように構成される。

成膜処理の開始当初などは蒸着源１２の温度の上昇に応じてレート観測値も増加する傾向にある。このため本実施形態では、蒸着源温度の最小自乗直線（第１近似直線）の傾きＳｔの絶対値が所定値Ｓ１以上のときは、レート観測値が蒸着源温度の上昇に追従しやすくなるようにフィルタ部４３４におけるフィルタリング作用が比較的弱い第１設定値σv1にフィルタ係数σvを設定する。第１設定値σv1の値は特に限定されず、上記作用が得られる値であれば任意に設定可能であり、例えば１，０００～２，０００である。

一方、傾きＳｔの絶対値が所定値Ｓ１未満のときは、レート観測値に含まれるノイズの影響を抑えるため、フィルタ部４３４におけるフィルタリング作用が比較的強い第２設定値σv2にフィルタ係数σvを設定するようにしている。これにより、フィルタリング後のレート換算値の安定化を図ることができる。第２設定値σv2の値は特に限定されず、上記作用が得られる値であれば任意に設定可能であり、例えば１０，０００～２０，０００である。

また、制御部４３５は、第１近似直線の傾きＳｔの絶対値が所定値Ｓ１未満のときは、演算部４３３で算出される水晶振動子１４０におけるアドミッタンスの実数部（周波数関連情報）の時間変化に相当する第２近似直線（最小自乗直線）の傾きＳａが所定範囲Ｓ２内か否かをさらに判定する。制御部４３５は、第２近似直線の傾きＳａが上記所定範囲Ｓ２外のときは、フィルタ係数σvを第２設定値σv2よりも大きい第３設定値σv3に切り替えるように構成される。

蒸着源温度の最小自乗直線（第１近似直線）の傾きＳｔの絶対値が所定値Ｓ１未満のときでも、蒸着材料の突沸（スプラッシュ）や水晶振動子１４０の表面状態の変化などの物理的な外乱の影響を受けて、レート観測値が瞬間的に大きく変動することがある。そこで本実施形態では、水晶振動子１４０からの応答信号に基づいて算出されるアドミッタンス実数部分の最小自乗直線の傾きＳａを監視し、これが所定範囲Ｓ２外にあると判定したときは、フィルタ係数σvを第２設定値σv2から第３設定値σv3に切り替えてフィルタ部４３４におけるフィルタリング作用をさらに強めるようにしている。これにより、突沸等の影響によるレート観測値の急変を抑えて、レート観測値から異常値を排除するようにしている。第３設定値σv3の値は特に限定されず、上記作用が得られる値であれば任意に設定可能であり、例えば５０，０００～３００，０００である。

ここで、所定範囲Ｓ２は、例えば、絶対値｜Ｓ２｜以下の範囲、つまり、－Ｓ２以上＋Ｓ２以下の０を含む範囲とすることができる。制御部４３５は、第２近似直線の傾きＳａが上記マイナスの閾値（－Ｓ２）未満の値から当該マイナスの閾値（－Ｓ２）以上の値に変化したときは、所定時間経過後に、フィルタ係数σvを第３設定値σv3から第２設定値σv2に切り替えるように構成される。

これは、突沸等によるアドミッタンス実数部の瞬間的な変動は下に凸なるピークを伴うことが一般的であるため、アドミッタンス実数部の傾きＳａがマイナスの閾値（－Ｓ２）以上に回復したとしても、それは上記ピークの頂点付近の観測値である蓋然性が高い。この場合、傾きＳａは再び上向きに急激に上昇することが予想されるため、傾きＳａの所定範囲Ｓ２内への回復とともにフィルタ係数σvを小さくすると真値を反映していない観測値が得られてしまう。そこで本実施形態では、アドミッタンス実数部の傾きＳａが所定範囲Ｓ２内に回復してもフィルタ係数σvを第３設定値σv3に所定時間維持して、第２設定値σv2に復帰させるまでの時間にディレイをもたせるようにしている。これにより、アドミッタンス実数部が真値に安定するまでフィルタ係数σvを第３設定値σv3に維持できるため、真値を反映したレート観測値が得られやすくなる。

［測定ユニットの動作］
続いて、制御回路４３の詳細について測定ユニット１７の動作とともに説明する。図７はそのフローチャートである。

成膜装置１０による成膜処理が開始すると、制御回路４３は、まず、水晶振動子１４０の基本周波数付近の周波数領域を掃引することで、水晶振動子１４０の周波数関連情報（レート換算値、アドミッタンス実数部）と温度関連情報（蒸着源温度）を取得する（ステップ１０１）。

より具体的に、制御回路４３は、水晶振動子１４０の共振周波数に基づいて算出されたレート換算値およびアドミッタンス実数部と、温度センサ１２ａで検出された蒸着源温度を取得する。

続いて制御回路４３は、取得したレート換算値、アドミッタンス実数部および蒸着源温度をバッファ部４３２へ格納し、レート換算値の中央値Ｒｐと、蒸着源温度の最小自乗直線（第１近似直線）の傾きＳｔと、水晶振動子１４０におけるアドミッタンス実数部の最小自乗直線（第２近似直線）の傾きＳａとをそれぞれ算出する（ステップ１０２，１０３，１０４）。

続いて制御回路４３は、フィルタ部４３４におけるフィルタ係数σvを決定する処理を実行する。具体的に、制御回路４３は、蒸着源温度の最小自乗直線の傾きＳｔの絶対値が所定値Ｓ１以上か否かを判定し（ステップ１０５）、傾きＳｔの絶対値が所定値Ｓ１以上のときは（ステップ１０５においてＮｏ）、フィルタ係数σvを第１設定値σv1に設定する（ステップ１０６）。

また、制御回路４３は、傾きＳｔの絶対値が所定値Ｓ１未満のときは（ステップ１０５においてＹｅｓ）、アドミッタンス実数部の最小自乗直線の傾きＳａが所定範囲Ｓ２外（傾きＳａの絶対値が閾値Ｓ２を超える）か否かを判定する（ステップ１０７）。そして、傾きＳａが所定範囲Ｓ２内のときは（ステップ１０７においてＮｏ）、制御回路４３は、傾きＳａが所定範囲Ｓ２のマイナスの閾値以上（Ｓａ≧－Ｓ２）に復帰後所定時間未満か否かを判定し（ステップ１０８）、Ｎｏのときはフィルタ係数σvを第２設定値σv2に設定する（ステップ１０９）。

一方、制御回路４３は、ステップ１０７においてアドミッタンス実数部の最小自乗直線の傾き傾きＳａが所定範囲Ｓ２外のときは（ステップ１０７においてＹｅｓ）、フィルタ係数σvを第３設定値σv3に設定する（ステップ１１０）。制御回路４３は、ステップ１０８において傾きＳａが所定範囲Ｓ２のマイナスの閾値以上（Ｓａ≧－Ｓ２）に復帰後所定時間未満のときは（ステップ１０８においてＹｅｓ）も同様に、フィルタ係数σvを第３設定値σv3に設定する（ステップ１１０）。

続いて制御回路４３は、ステップ１０２において算出されたレート換算値の中央値に対して、上述のようにしてフィルタ係数σvが決定されたフィルタ部４３４においてフィルタリングすることで、推定レートＲｆを算出する（ステップ１１１）。算出された推定レートＲｆは、次回の推定レートＲｆの算出に際してカルマンフィルタに入力される前回の推定レートとして利用される。

以後、上述の処理を繰り返し実行することで、基板Ｗに堆積した蒸着物質の膜厚を測定する。本実施形態によれば、異常値の排除または抑制を可能とし、かつ真値に対しその処理値の応答性を向上させることができる。

（比較例１）
図８（Ａ）は、成膜処理の開始当初（蒸着源立ち上がり時）における成膜レート（左縦軸）および蒸着源温度（右縦軸）の時間変化を示す一実験結果である。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）において蒸着源温度が比較的安定した１６０ｍｉｎ付近の拡大図である。

蒸着源温度の上昇に伴ってレート観測値（ｒａｗデータ、ａｖｅデータ）も増加する。ｒａｗデータは、各測定回での測定値（生データ）であり、ａｖｅデータは、その測定値の移動平均値である。フィルタ係数σvが第１設定値σv1のときと第２設定値σv2のときで比較すると、第１設定値σv1のときは、蒸着源温度の上昇に伴うレート変化に十分に追従できるが、蒸着源温度が一定のときはノイズの影響でレートの出力値がやや不安定であることが確認された。
一方、フィルタ係数σvが第２設定値σv2の場合、レート換算値に対するフィルタリング作用が強くなりすぎてしまい、蒸着源温度の上昇に伴うレート変化に追従できないが、蒸着源温度が一定のときはノイズが少ない安定したレートを出力することが確認された。

（実施例１）
図９（Ａ）、（Ｂ）は、図８（Ａ），（Ｂ）と同様な実験結果であって、蒸着源温度の傾きＳｔに応じてフィルタ係数σvを第１設定値σv1と第２設定値σv2との間で切り替える制御（図７のステップ１０５～１０９）を実行したときのレート変化の様子を示している。本実施形態によれば、蒸着源温度の傾きＳｔの絶対値が所定値Ｓ１より大きいとき（蒸着源温度が上昇しているとき）は第１設定値σv1に、所定値以下のときは第２設定値σv2にフィルタ係数σvを切り替えることで、蒸着源の立ち上げ時のレート変化に追従でき、温度安定時はノイズの少ないレートを出力することができる。

（比較例２）
図１０は、蒸着源温度一定時における成膜レート（左縦軸）およびアドミッタンス実数部（右縦軸）の時間変化であって、フィルタ係数σvが第２設定値σv2固定のときの実験結果である。蒸着源温度が安定しているため、第２設定値σv2のフィルタリングの強さでノイズの少ないレートが取り出せている。一方、４４ｍｉｎ付近と４６．５ｍｉｎ付近で、スプラッシュあるいは水晶振動子１４０の表面状態の変化などが原因でアドミッタンスの実数部（Ｒｅａｌ）が減少したとき、それに引っ張られるようにレートも変動しやすい傾向にある。

（実施例２）
図１１は、図１０と同様な実験結果であって、アドミッタンス実数部の傾きＳａに応じてフィルタ係数σvを第２設定値σv2と第３設定値σv3で切り替える制御（図７のステップ１０７～１１０）を実行したときのレート変化の様子を示している。アドミッタンス実数部の傾きＳａが所定範囲を超えて大きく減少したとき、第２設定値σv2から第３設定値σv3に切り替えることで、フィルタリングの作用が強まりレート変動を小さく抑えられることが確認できる。

（実施例３）
図１２は、図１０と同様な実験結果であって、フィルタ係数を第３設定値σv3から第２設定値σv2に切り替える際にディレイをもたたせる制御（図７のステップ１０８，１１０）を実行したときのレート変化の様子を示している。

図１１の例では、アドミッタンス実数部の傾きＳａの所定範囲Ｓ２内への復帰に合わせてフィルタ係数を第３設定値σv3から第２設定値σv2に切り替えたため、アドミッタンス実数部のプラス方向への急激な上昇に伴うレート変動を抑えられなかった。これに対して、フィルタ係数を第３設定値σv3から第２設定値σv2への切り替えにディレイをもたせた図１２の実験結果によれば、アドミッタンス実数部が大きく変動する時間の全域にわたってフィルタを強く作用させることができるため、アドミッタンス実数部のプラス方向への急激な上昇に伴うレート変動を小さく抑えることができる。

なお、上記ディレイの長さは、アドミッタンス実数部のピーク付近の幅より長くするのが好ましい。また、第３設定値σv3から第２設定値σv2への切り替え時のディレイ制御は、上述のようにアドミッタンス実数部の傾きＳａがマイナス方向からプラス方向への復帰の際にのみ適用される。これにより、アドミッタンス実数部が下ピーク位置から安定値（傾きＳａがほぼゼロ）に遷移する過程でフィルタ係数を第３設定値σv3から第２設定値σv2へ迅速に切り替えることで、レートが正常値へ復帰させる時間が早められる。

さらに図１３を参照して、観測値（レート（ｒａｗ））に対するフィルタ処理として、移動平均（レート（ａｖｅ））と、カルマンフィルタ１（フィルタ係数固定（σv2））と、カルマンフィルタ２（フィルタ係数可変（σv3／σv2＋ディレイ）とを比較する。図１３に示す例では、アドミッタンス実数部の変化に対しては、移動平均と比較して、カルマンフィルタ１の場合は約１／２に、カルマンフィルタ２の場合は約１／５にそれぞれレート変動を抑えることができる。

以上の実施形態では、蒸着源温度の傾きＳｔの絶対値とアドミッタンス実数部の傾きＳａの絶対値の双方に基づいてフィルタ係数σvを第１～第３設定値σv1～σv3のいずれかに切り替える制御について説明したが、これに限られない。例えば図１４に示すように、制御回路４３は、蒸着源温度の傾きＳｔの絶対値が所定値Ｓ１以上か否かにのみ基づいて、フィルタ係数σvを第１設定値σv1および第２設定値σv2の間で切り替えるようにしてもよい。つまり、図７においてステップ１０７，ステップ１０８およびステップ１１０の処理を省略することができる。

本実施形態はフィルタ部４３４がカルマンフィルタで構成されているため、内部状態を推定出来る状態空間モデルで構成されたフィルタと比較して計算負荷を低くする事が出来、制御回路４３に対し、その実装が容易となる利点がある。なお制御回路４３の処理能力が十分であれば、実施する系を模擬した状態空間モデルを用いたフィルタを実装することで、より安定的かつ応答性を向上させる事も可能となる。

同様に、制御回路４３は、例えば図１５に示すように、振動子１４０のアドミッタンス実数部の傾きＳａの絶対値が所定範囲Ｓ２内か否かにのみ基づいて、フィルタ係数σvを切り替えるようにしてもよい。この場合、傾きＳａの絶対値が所定範囲外のときは、フィルタ係数σvを第３設定値σv3に設定することで、上述の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。なお、傾きＳａの絶対値が所定範囲内のときは、フィルタ係数σvを第１設定値σvと第２設定値σv2のいずれに設定されてもよい。

１０…成膜装置
１１…真空チャンバ
１２…蒸着源
１４…センサヘッド
１７…測定ユニット（測定装置）
４１…発振回路
４２…測定回路
４３…制御回路
１４０…水晶振動子
４３２…バッファ部
４３３…演算部
４３４…フィルタ部
４３５…制御部

Claims (16)

1. 蒸着源を有する成膜装置に設置された振動子の発振周波数に基づいて成膜レートを測定する測定装置であって、
   前記振動子の発振周波数に関連する周波数関連情報に基づいて単位時間ごとのレート換算値を算出する測定回路と、
   前記測定回路で算出されたレート換算値をフィルタリングするフィルタ部と、前記蒸着源の温度に関連する温度関連情報に基づいて前記フィルタ部におけるフィルタリングの強さの度合いであるフィルタ係数を変更する制御部と、を有する制御回路と
   を具備する測定装置。
2. 請求項１に記載の測定装置であって、
   前記制御回路は、前記温度関連情報の時間変化に相当する第１近似直線を算出する演算部をさらに有し、
   前記制御部は、前記第１近似直線の傾きの絶対値が所定値以上か否かを判定し、前記第１近似直線の傾きの絶対値が前記所定値以上のときは、前記フィルタ係数を第１設定値に設定し、前記第１近似直線の傾きの絶対値が前記所定値未満のときは、前記フィルタ係数を前記第１設定値よりも大きい第２設定値に切り替える
   測定装置。
3. 請求項２に記載の測定装置であって、
   前記演算部は、前記周波数関連情報に基づいて前記振動子におけるアドミッタンスの実数部の時間変化に相当する第２近似直線をさらに算出し、
   前記制御部は、前記第１近似直線の傾きの絶対値が前記所定値未満のときは前記第２近似直線の傾きが所定範囲内か否かをさらに判定し、前記第２近似直線の傾きが前記所定範囲外のときは前記フィルタ係数を前記第２設定値よりも大きい第３設定値に切り替える
   測定装置。
4. 請求項３に記載の測定装置であって、
   前記第２所定範囲は、マイナスの閾値とプラスの閾値との間にわたる範囲であり、
   前記制御部は、前記第２近似直線の傾きが前記マイナスの閾値未満の値から前記マイナスの閾値以上の値に変化したときは、所定時間経過後に前記フィルタ係数を前記第３設定値から前記第２設定値に切り替える
   測定装置。
5. 請求項１～３のいずれか１つに記載の測定装置であって、
   前記フィルタ部は、カルマンフィルタを含む
   測定装置。
6. 請求項１～３のいずれか１つに記載の測定装置であって、
   前記温度関連情報は、前記蒸着源の温度または前記蒸着源を加熱する電力である
   測定装置。
7. 請求項２又は３に記載の測定装置であって、
   前記演算部は、前記測定回路で算出されたレート換算値を平滑化する前処理を実行する
   測定装置。
8. 請求項７に記載の測定装置であって、
   前記前処理は、前記単位時間ごとのレート換算値の中央値を算出する中央値算出処理である
   測定装置。
9. 請求項７に記載の測定装置であって、
   前記前処理は、前記単位時間ごとのレート換算値の移動平均値を算出する移動平均値算出処理である
   測定装置。
10. 蒸着源を有する成膜装置に設置された振動子の発振周波数に基づいて成膜レートを測定する測定装置であって、
    前記振動子の発振周波数に関連する周波数関連情報に基づいて単位時間ごとのレート換算値を算出する測定回路と、
    前記測定回路で算出されたレート換算値をフィルタリングするフィルタ部と、前記振動子におけるアドミッタンスの実数部の時間変化に基づいて前記フィルタ部におけるフィルタリングの強さの度合いであるフィルタ係数を変更する制御部と、を有する制御回路と
    を具備する測定装置。
11. 請求項１０に記載の測定装置であって、
    前記制御回路は、前記蒸着源の温度に関連する温度関連情報の時間変化に相当する第１近似直線を算出する演算部をさらに有し、
    前記制御部は、前記第１近似直線の傾きの絶対値が所定値以上か否かを判定し、前記第１近似直線の傾きの絶対値が前記所定値以上のときは、前記フィルタ係数を第１設定値に設定し、前記第１近似直線の傾きの絶対値が前記所定値未満のときは、前記フィルタ係数を前記第１設定値よりも大きい第２設定値に切り替える
    測定装置。
12. 請求項１１に記載の測定装置であって、
    前記演算部は、前記周波数関連情報に基づいて前記振動子におけるアドミッタンスの実数部の時間変化に相当する第２近似直線をさらに算出し、
    前記制御部は、前記第２近似直線の傾きの絶対値が所定値範囲内か否かを判定し、前記第２近似直線の傾きが前記所定範囲内のときは、前記フィルタ係数を第１設定値に設定し、前記第２近似直接の傾きの絶対値が前記所定範囲外のときは、前記フィルタ係数を前記第１設定値よりも大きい第３設定値に切り替える
    測定装置。
13. 真空チャンバと、
    前記真空チャンバの内部に配置された蒸着源と、
    前記真空チャンバの内部に配置され、所定の共振周波数で発振する振動子を有するセンサヘッドと、
    前記振動子の発振周波数に関連する周波数関連情報に基づいて単位時間ごとのレート換算値を算出する測定回路と、
    前記測定回路で算出されたレート換算値をフィルタリングするフィルタ部と、前記蒸着源の温度に関連する温度関連情報に基づいて前記フィルタ部におけるフィルタリングの強さの度合いであるフィルタ係数を変更する制御部と、を有する制御回路と
    を具備する成膜装置。
14. 真空チャンバと、
    前記真空チャンバの内部に配置された蒸着源と、
    前記真空チャンバの内部に配置され、所定の共振周波数で発振する振動子を有するセンサヘッドと、
    前記振動子の発振周波数に関連する周波数関連情報に基づいて単位時間ごとのレート換算値を算出する測定回路と、
    前記測定回路で算出されたレート換算値をフィルタリングするフィルタ部と、前記振動子におけるアドミッタンスの実数部の時間変化に基づいて前記フィルタ部におけるフィルタリングの強さの度合いであるフィルタ係数を変更する制御部と、を有する制御回路と
    を具備する成膜装置。
15. 成膜装置に設置された振動子の発振周波数に関連する周波数関連情報と前記成膜装置に設置された蒸着源の温度に関連する温度関連情報とを取得し、
    前記振動子の発振周波数に関連する周波数関連情報に基づいて単位時間ごとのレート換算値を算出し、
    前記測定回路で算出されたレート換算値をフィルタリングし、
    前記蒸着源の温度に関連する温度関連情報に基づいて前記フィルタ部におけるフィルタリングの強さの度合いであるフィルタ係数を変更する
    膜厚測定方法。
16. 成膜装置に設置された振動子の発振周波数に関連する周波数関連情報と前記成膜装置に設置された蒸着源の温度に関連する温度関連情報とを取得し、
    前記振動子の発振周波数に関連する周波数関連情報に基づいて単位時間ごとのレート換算値を算出し、
    前記測定回路で算出されたレート換算値をフィルタリングし、
    前記振動子におけるアドミッタンスの実数部の時間変化に基づいて前記フィルタ部におけるフィルタリングの強さの度合いであるフィルタ係数を変更する
    膜厚測定方法。

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