JP2825298B2

JP2825298B2 - 膜厚測定装置

Info

Publication number: JP2825298B2
Application number: JP2002024A
Authority: JP
Inventors: 一人西田; 真司金山; 隆弘遠藤; 信彦村岡; 健治福本; 昌三南谷
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1990-01-08
Filing date: 1990-01-08
Publication date: 1998-11-18
Anticipated expiration: 2013-11-18
Also published as: JPH03206910A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は真空蒸着法やスパッタ法等により薄膜を形成
するに際し、水晶発振式モニタにより薄膜の形成状況を
モニタし、薄膜の膜厚を測定する装置および膜厚を制御
する装置に関する。

［従来の技術］薄膜形成方法には、抵抗加熱による真空蒸着、電子銃
によるEB（エレクトロン・ビーム）蒸着、イオンプレー
ティング、直流スパッタ、高周波スパッタ等の方法があ
る。

近年、これらの薄膜形成工程における膜厚測定方法
は、水晶発振式膜厚センサーを用いたインプロセスミニ
タリングが主流となっている。

以下図面を参照しながら、上述した膜厚測定方法の一
例を説明する。

第５図は従来の蒸着装置と膜厚測定装置の概略図であ
る。この装置は、排気系２と蒸着源加熱装置５、基板保
持部３、膜厚測定装置７が設けられた真空容器１をそな
えている。

上記従来技術の蒸着装置において、真空容器１は排気
系２により10^-5〜10^-6Torr程度に排気され、基板保持部
３に蒸着される基板が設置される。蒸着源加熱装置５に
は坩堝（るつぼ）６上に蒸着材料が配置され蒸着源加熱
装置に通電することにより坩堝を介して蒸着材料が融点
以上に熱せられ蒸着材料が昇華する。

蒸発した分子（原子、クラスタ）は、基板保持部３に
設置された基板４に堆積する、また同時に膜厚測定装置
の検出部７である水晶振動子上にも堆積が行われる。

水晶振動子はある固有振動数をもっているが、この水
晶振動子に蒸着がおこなわれることによりこの固有振動
数が変化する。この固有振動数△ｆを測定することによ
り蒸着された膜厚を測定する。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら上記のような第５図の構成では、薄膜測
定装置の検知部が一定高さであるため、水晶振動子の周
波数変化の少ない薄い膜厚を測定する場合、又は比重の
軽い材料では、誤差が非常に大きいか、あるいは測定が
困難であるという課題を有していた。

また、第５図に示すように、膜厚測定装置の検知部は
基板保持部の外側に設置されることが多く、基板上に堆
積する実際の膜厚とに誤差を生じるという課題も有して
いた。

そのため、インプロセスモニターとして膜厚を測定す
る場合には、実際に蒸着を何度か行い、経験的に校正の
ためのグラフまたは関係式を見いだす必要があった。

前記従来技術の課題を解決するため、本発明は、膜厚
測定装置において薄い膜の膜厚を検出しにくいという課
題を除去し、高精度かつ再現性が良く測定範囲の広い膜
厚測定装置および膜厚を制御する装置を提供することを
目的とする。

［課題を解決するための手段］前記目的を達成するため、本発明は、蒸着分子を堆積
させ基板上に薄膜を形成する際、該基板上に形成される
薄膜の堆積状態を水晶発振式検知部により測定する装置
において、前記検知部と蒸着源との距離を前記基板と独
立して変化させるための検知部の可動部を設けたことを
特徴とする膜厚測定装置である。

本発明においては、さらに、基板上の堆積膜の設定膜
厚に応じて、検知部と蒸着源との距離自動的に移動させ
る手段と、膜厚測定データをその距離に応じて補正する
膜厚制御手段を設けた膜厚測定装置とすることもでき
る。

［作用］本発明は上記した構成によって、検知部と蒸着源の距
離を基板と独立して変化させることにより、比重の小さ
い材料や少量の蒸発量すなわち薄い膜であっても、堆積
状態を高精度にかつ再現性良く測定範囲の広い膜厚測定
を行うことが可能となる。また、移動させた距離と予め
持つデータから蒸着中の堆積した膜厚を自動的に更正し
ながら測定値を求めることを可能とする。また、所定の
膜厚を入力することによりその設定値に応じて自動的に
検知部と蒸着源の距離を設定することが可能となる。

また、基板上の堆積膜の設定膜厚に応じて、検知部と
蒸着源との距離を自動的に移動させる手段と、膜厚測定
データをその距離に応じて補正する膜厚制御手段を設け
ることにより、設定膜厚どおりの膜厚を正確にかつ容易
に得ることができる。

さらに測定しようとする膜厚に応じて検知部を移動さ
せる可動部を制御し、コントロール出力及び移動した距
離をもとに膜厚を換算する演算装置目標膜厚、材料の比
重等を入力するデータ設定部、周波数を測定する測定
部、膜厚を表示する表示部を設けることが好ましい。膜
厚を測定しつつ制御する装置することが容易に行えるか
らである。

［実施例］以下本発明の第１の実施例として蒸着法に本発明を適
用した場合の膜厚測定装置について、図面を参照しなが
ら説明する。

第１図において、従来例と同様に真空容器１は排気系
２により真空状態に排気される。真空容器内には、蒸着
される材料が坩堝６に入れられている。坩堝６は蒸着加
熱装置５によって熱せられ、蒸着材料が融点以上に熱せ
られ昇華する。昇華（蒸発）した材料は、基板保持部３
に設置された基板４に堆積する。また同時に膜厚測定装
置の検知部７上にも堆積がおこなわれる。このとき検出
部７の水晶振動子の振動が変化して、膜厚が測定でき
る。

本発明においては、以上のような構造、方法に加えて
検知部７を移動可能とし、検知部７は蒸着しようとする
膜厚に応じて、蒸着を開始する前に予め見地部７が薄く
蒸着するときは下方に移動し、厚く蒸着するときには、
検知部７は上方へ移動される。

制御部（図示せず）に蒸着する目標とする膜厚、材料
の種類（もしくは比重など）を入力すると、制御部は検
知部７と坩堝６の最適距離を算出する。算出された距離
は移動距離としてモータ10を回転させ、その回転は回転
導入フランジ９を通過して、ラック＆ピニオン機構によ
り回転が直線運動に変換され見地部７を移動する。この
移動距離はエンコーダー11によって制御部にフィードバ
ックされる。

第２図は、本発明の他の実施例を示し、検知部支持部
８を坩堝に立てた法線から傾けて設置した場合である。
また、移動の方式をリニアモータ13による直線運動モー
タによるものとしている。検出部７はリニアモータ13に
より移動される。位置制御は位置検出センサ14によるも
のとしている。

検出部７の移動方向は坩堝の位置を大きさの異なる幾
つかの仮想円の周上に置いたと想定したときその円の周
上にあり、かつ円の法線方向に移動する。この仮想円は
等膜厚面の円である。基板支持部３もこの等膜厚面の円
の周上に置かれており、従って基板４に堆積する膜厚は
検出部７上に堆積する膜厚と、一定の関係式に保たれ、
検出部７が移動しても膜厚を算出することが容易に行え
る。

次に第１と第２の実施例に用いた本発明の請求項第２
項記載の制御手段について説明する。第３図に制御装置
のブロック図を示す。制御装置は少なくとも演算装置1
6、データ設定部20より構成される。

蒸着操作開始前に、データ設定部17において目標蒸着
膜厚と蒸着材料の比重を入力し、演算部16は目標蒸着膜
厚と蒸着材料の比重から膜厚測定装置の検出部と坩堝の
膜厚測定に最適な距離を計算し、検出部移動量をコント
ロール出力部19に出力する。この出力によりモータが駆
動され検知部が移動する。このとき測定部18より検知部
の移動量が演算装置16に入力され、フィードバック制御
により、検出部の位置を正確に移動させる。

蒸着操作が開始されると測定部18より、水晶振動子の
周波数が演算部16に入力される。この入力値と蒸着開始
前の周波数との差が計算され周波数変化量が求められ
る。この周波数変化量に検出部の移動量、材料の比重の
データをもとに計算が行われ、膜厚が表示部20に表示さ
れる。

第４図に検出部と坩堝の距離による膜厚の補正の方法
を示す。第４図において蒸発源である坩堝21に立てた法
線22に対して角度φ22を有する立体角dw23内に放射され
る蒸発量dm（図示せず）は、次式で与えられる（但しｍ
は毎秒の蒸発量g/sec.である）。

dm＝ｍ×cosφ（dw/π） ……（１）となる。

今、坩堝の中心から高さh24だけ離れておかれた検出
部の面積d25上の膜厚をＴとする。また中心上の膜厚を
ｔ、法線22と平行に検出部から降ろした垂線と坩堝21の
距離をD26としたときのＴとｔの比は次式のようにな
る。

T/t＝（１＋（D/h）^２）^-2 ……（２）となる。

従って実施例１の場合には、（２）式が適用でき、距
離Ｄは一定なので高さｈを求めることにより、ｈ上に基
板が存在するときの膜厚ｔが求まる。さらに本発明では
基板27は高さh24からからにH28だけ上方に位置する。こ
こで立体角は、一般にＳ（面積）/R²（円弧の半径）で
表せるから、単位面積当たりの基板上の膜厚は、基板上の膜厚＝Ｔ・h²/（１＋（D/H）^２）^-2・（ｈ＋Ｈ）^２ ……（３）より求まる。

（３）式を用いて、演算部で膜厚の補正計算が行われ
る。

実施例２の場合には、等膜厚面上に検知部を設置して
おり、検知部面積dS′30は等膜厚面29a,9b上を移動方向
31に移動するので、高さｈが変化しても立体角dW23が同
じであることから、次式により基板上の膜厚を求めるこ
とができる。

基板上の膜厚＝Ｔ・h²/（ｈ＋Ｈ）^２ ……（４）の関係より求めることができる。

本発明の装置は、抵抗加熱による真空蒸着、電子銃に
よるEB（エレクトロン・ビーム）蒸着、イオンプレーテ
ィング、直流スパッタ、高周波スパッタ等に広く用いる
ことができる。

以上のように本発明の実施例によれば、膜厚測定装置
の検知部を移動できるようにすることにより、薄い膜か
ら厚い膜まで測定範囲が広く、高精度に再現性よく膜厚
を測定する。

また、本発明の制御部は蒸着材料の比重と目標膜厚か
ら、検知部の高さを最も高精度に測定できる位置に自動
的に移動させる。基板と検出部の位置が離れていたり、
等膜厚面上に検出部がなくても、あらかじめ登録した式
とデータから自動的に基板上に堆積した膜厚に厚生する
ことより高精度に、再現性よく、広範囲な測定が可能と
なる。

［発明の効果］以上説明した通り、本発明によれば、検知部と蒸着源
との距離を，基板と独立して変化させるための検知部の
可動部を設けたので、比重の小さい材料や少量の蒸発量
すなわち薄い膜であっても、堆積状態を高精度にかつ再
現性良く測定範囲の広い膜厚測定を行うことができると
いう顕著な効果を達成することができた。

また、基板上の堆積膜の設定膜厚に応じて、検知部と
蒸着源との距離を自動的に移動させる手段と、膜厚測定
データをその距離に応じて補正する膜厚制御手段を設け
ることにより、設定膜厚どおりの膜厚を正確かつ容易に
得ることができるという顕著な効果を達成することがで
きた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を蒸着法に適用した第１の実施例におけ
る膜厚測定装置の正面概略図、第２図は本発明の第２の
実施例における膜厚測定装置の正面概略図、第３図は本
発明の別の実施態様の制御部のブロック図、第４図は第
３図の膜厚測定装置の制御部における補正方法を示した
図、第５図は従来の膜厚測定装置を蒸着法に適用した従
来例の正面概略図である。 1:真空容器、2:排気系 3:基板保持部、4:基板 5:蒸着源加熱装置、6:坩堝 7:検知部、8:検知部支持部 9:回転導入フランジ、10:モータ 11:エンコーダ 12:ラック＆ピニオン 13:リニアモータ、14:位置検出センサ 15:仮想円

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者村岡信彦大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者福本健治大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者南谷昌三大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (56)参考文献特開昭54−31089（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−1959（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/203 G01B 17/02 C23C 14/54

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】蒸着分子を堆積させ基板上に薄膜を形成す
る際、該基板上に形成される薄膜の堆積状態を水晶発振
式検知部により測定する装置において、前記検知部と蒸
着源との距離を、前記基板と独立して変化させるための
検知部の可動部を設けたことを特徴とする膜厚測定装
置。
【請求項２】基板上の堆積膜の設定膜厚に応じて、検知
部と蒸着源との距離を自動的に移動させる手段と、膜厚
測定データをその距離に応じて補正する膜厚制御手段を
設けた請求項１記載の膜厚測定装置。