JP5140678B2 - 薄膜形成装置、膜厚測定方法、膜厚センサー - Google Patents

薄膜形成装置、膜厚測定方法、膜厚センサー Download PDF

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Description

本発明は、水晶式膜厚計に関し、特に、膜剥落があっても正確な膜厚を測定できる膜厚計に関する。
真空中で蒸着法などにより処理対象物（ガラス、ウエハなど）に対して成膜を行う場合、成長中の薄膜の膜厚を管理する為に水晶式膜厚計が使用されている。
所望膜厚の薄膜を得るためには水晶式膜厚計により成膜中の薄膜の膜厚値をモニターし、予め設定された目標膜厚に到達したところで処理を完了することにより、一定の膜厚での処理を実現している。
この方法では、処理対象物に形成される薄膜の膜厚は、膜厚計が膜厚値として表示する数値に依存する為、製品品質を安定させる為には、膜厚計で正確に膜厚を測定することが重要となる。
水晶振動子に繰り返し着膜される膜は、時に剥がれを生じることがある。水晶振動子表面に付着した薄膜が剥落すると、剥落前の膜厚から、剥落した分の膜厚が減算されてしまうが、処理対象物の薄膜は剥落した訳ではないため、膜厚計の測定値が目標膜厚に達したときに蒸着を終了させると成膜膜厚は、目標膜厚よりも厚くなり、程度によっては製品不良が発生してしまう。
特に成膜膜厚が薄いプロセスでは重大な影響を与えるため、このような不都合を回避する為の測定手法が望まれている。
特開平１１−２２２６７０号公報
本発明は上記従来技術の課題を解決するために創作されたものであり、剥落があっても正確な膜厚測定ができる技術を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明は、真空槽と、前記真空槽内に配置され、薄膜材料粒子を放出する薄膜材料源と、前記真空槽内の前記薄膜材料粒子が付着する位置に配置された水晶振動子と、前記水晶振動子の共振周波数を測定する測定装置とを有し、前記薄膜材料粒子により、前記真空槽内に配置された成膜対象物表面と前記水晶振動子表面に薄膜を成長させながら、前記共振周波数を繰り返し測定し、現在時刻の測定結果と前記薄膜の成長開始時の測定結果に基づいて、前記成長開始時から前記現在時刻までに形成された前記成膜対象物表面の前記薄膜の膜厚を算出し、目標値と比較して比較結果から前記薄膜の成長を終了させるように構成された薄膜形成装置であって、前記測定装置は、前記現在時刻の測定結果と、前記現在時刻の直前の過去時刻の測定結果の差である周波数変化値を求め、前記水晶振動子表面の前記薄膜の剥落が生じた場合に、前記周波数変化値から剥落膜厚値を算出し、前記現在時刻以後の将来時刻の測定結果と前記成長開始時の測定結果とから求める前記水晶振動子表面の薄膜の膜厚値に前記剥落膜厚値を加算して修正膜厚値を求め、前記修正膜厚値を前記成膜対象物表面の膜厚値に換算し、前記目標値と比較する薄膜形成装置である。
また、本発明は、前記周波数変化値が膜厚減少を示し、前記周波数変化値の絶対値が基準値よりも大きい場合に、前記水晶振動子表面で薄膜剥落が発生したと判断するように構成された薄膜形成装置である。
また、本発明は、真空槽と、前記真空槽内に配置され、薄膜材料粒子を放出する薄膜材料源と、前記真空槽内の前記薄膜材料粒子が付着する位置に配置された水晶振動子と、前記水晶振動子の共振周波数を測定する測定装置とを有し、前記薄膜材料粒子により、前記真空槽内に配置された成膜対象物表面と前記水晶振動子表面に薄膜を成長させながら、前記共振周波数を繰り返し測定し、現在時刻を含む複数の時刻の測定結果の移動平均値と基準時刻の前記測定結果に基づいて、成長開始時から前記現在時刻までに形成された前記成膜対象物表面の前記薄膜の膜厚を算出し、目標値と比較して比較結果から前記薄膜の成長を終了させるように構成された薄膜形成装置であって、前記測定装置は、前記移動平均値が減少したときに、減少開始後、増加に転じるまでの間の最小値を求め、前記水晶振動子表面の前記薄膜の剥落が生じた場合に、減少開始直前の前記移動平均値と前記最小値の差から剥落膜厚値を算出し、前記現在時刻以後の将来時刻の測定結果と前記成長開始時の測定結果とから求める前記水晶振動子表面の前記薄膜の膜厚値に前記剥落膜厚値を加算して修正膜厚値を求め、前記修正膜厚値を前記成膜対象物表面の膜厚値に換算し、前記目標値と比較する薄膜形成装置である。
また、本発明は、薄膜材料源から放出された薄膜材料粒子を成膜対象物表面と水晶振動子表面に付着させ、前記水晶振動子の共振周波数を測定し、現在時刻の測定結果と薄膜の成長開始時の測定結果に基づいて、前記成長開始時から前記現在時刻までに前記成膜対象物表面上に形成された薄膜の膜厚を求める膜厚測定方法であって、前記現在時刻の測定結果と、前記現在時刻の直前の過去時刻の測定結果の差である周波数変化値を求め、前記水晶振動子表面の前記薄膜の剥落が生じた場合に、前記周波数変化値から剥落膜厚値を算出し、前記現在時刻以後の将来時刻の測定結果と前記成長開始時の測定結果とから求める増加膜厚値に前記剥落膜厚値を加算して修正膜厚値を求め、前記修正膜厚値を前記成膜対象物表面の膜厚値に換算する膜厚測定方法である。
また、本発明は、薄膜材料源から放出された薄膜材料粒子を成膜対象物表面と水晶振動子表面に付着させ、前記水晶振動子の共振周波数を繰り返し測定し、現在時刻を含む複数の時刻の測定結果と薄膜の成長開始時の測定結果に基づいて、前記水晶振動子表面の前記薄膜の移動平均値を求め、前記移動平均値に基づいて、前記成長開始時から前記現在時刻までに形成された前記成膜対象物表面の前記薄膜の膜厚を算出する膜厚測定方法であって、前記水晶振動子表面の前記薄膜の剥落が生じ、前記移動平均値が減少したときに、減少開始後、増加に転じるまでの間の前記移動平均値の最小値を求め、前記減少開始直前の前記移動平均値と前記最小値の差から剥落膜厚値を算出し、前記現在時刻以後の将来時刻の測定結果と前記成長開始時の測定結果とから求める前記移動平均値に、前記剥落膜厚値を加算して修正膜厚値を求め、前記修正膜厚値を前記成膜対象物表面の膜厚値に換算する膜厚測定方法である。
また、本発明は、薄膜材料粒子が付着する位置に配置された水晶振動子と、前記水晶振動子の共振周波数を繰り返し複数回測定する測定装置とを有する膜厚センサーであって、前記測定装置は、前記繰り返し測定の中の現在時刻の測定値と、前記現在時刻以前の過去時刻の測定値の差である周波数変化値を求め、前記水晶振動子表面の前記薄膜の剥落が生じた場合に、前記周波数変化値から剥落膜厚値を算出し、前記現在時刻以後の将来時刻の測定値から求める前記水晶振動子表面の薄膜の膜厚値に前記剥落膜厚値を加算して修正膜厚値を求める膜厚センサーである。
また、本発明は、前記周波数変化値が膜厚減少を示し、前記周波数変化値の絶対値が基準値よりも大きい場合に、前記水晶振動子表面で薄膜剥落が発生したと判断するように構成された膜厚センサーである。
剥落膜厚を算出し、剥落後の測定値から得られる膜厚に加算しているので、正確な膜厚を求めることができる。
本発明の薄膜形成装置を説明するための図面 剥落が発生しない場合の(ａ)：共振周波数の変化、(ｂ)：共振周波数から求めた増加膜厚値の変化 剥落が発生した場合の(ａ)：共振周波数の変化、(ｂ)：共振周波数から求めた増加膜厚値の変化、 (ｃ)：移動平均して求めた増加膜厚値の変化
符号の説明
１……薄膜形成装置
１１……真空槽
１２……薄膜材料源
１５……膜厚センサ
１８……成膜対象物
図１の符号１は、本発明の薄膜形成装置であり、真空槽１１と、真空槽１１の内部に配置された薄膜材料源１２を有している。
真空槽１１内部の薄膜材料源１２と対向する位置には、基板ホルダ１３が配置されている。
基板ホルダ１３付近には、水晶振動子から成る膜厚センサ１５が配置されている。
真空槽１１には、真空排気系１７が接続されており、基板ホルダ１３に半導体基板やガラス基板から成る成膜対象物１８を保持させ、真空排気系１７を動作させて真空槽１１の内部を真空排気した後、薄膜材料源１２上のシャッター２３を閉じた状態で、薄膜材料源１２から薄膜材料の粒子を薄膜材料源１２の外部に放出させる。
ここでは、薄膜材料源１２は、蒸着容器と、蒸着容器内部に配置された薄膜材料で構成されており、薄膜材料を加熱して、薄膜材料の蒸気を薄膜材料粒子として生成しているが、薄膜材料源１２は、薄膜材料を板状に成形したスパッタターゲットで構成し、真空槽内に導入したスパッタガスのプラズマによって、スパッタターゲットをスパッタリングして薄膜材料粒子を生成してもよい。
薄膜材料粒子の放出が安定したところで、シャッター２３を開け、薄膜材料粒子を真空槽１１内に放出させると、薄膜材料粒子は成膜対象物１８に到達し、成膜対象物１８表面に薄膜が成長する。
膜厚センサ１５は、成膜対象物１８表面への薄膜材料蒸気の到達を妨害せず、且つ、薄膜材料蒸気が到達する位置に配置されており、膜厚センサ１５表面にも薄膜が成長する。
水晶振動子は固有の共振周波数を有しており、周波数を変えながら交流電圧を印加すると、交流電圧の波長が固有の共振周波数と等しくなったところで共振現象が発生する。
膜厚センサ１５には測定装置１６が接続されており、測定装置１６によって膜厚センサ１５に交流電圧が印加され、共振現象が検出されるように構成されており、共振現象が発生したときの周波数が特定されると、水晶振動子の共振周波数が求められる。
測定装置１６は、一定の時間間隔で共振周波数を測定しており、基準時刻ａsにおける膜厚センサ１５表面の薄膜の膜厚をｔs、膜厚センサ１５の共振周波数をｆsとし、現在時刻ａ0における膜厚ｔ0と共振周波数ｆ0との間には、一定の関係があり、現在時刻ａ0の膜厚ｔ0と基準時刻ａsの膜厚ｔsの差である増加膜厚値Ｔ(＝ｔ0−ｔs)は、基準時刻の共振周波数ｆsと現在時刻の共振周波数ｆ0から算出することができる。
例えば、近似的には、
Ｔ(＝ｔ0−ｔs)＝−Ｋ(ｆ0−ｆs)／ρ ……(１)
と書ける(Ｋは比例定数、ρは薄膜の密度)。
基準時刻ａsを薄膜形成の開始時刻に設定すると、増加膜厚値Ｔは、薄膜形成を開始した以後に成長した薄膜の膜厚である。
膜厚センサ１５の表面に成長する薄膜の膜厚と、成膜対象物１８の表面に成長する薄膜の膜厚の比は一定であり、その比の値は予め求められている。従って、膜厚センサ１５表面の薄膜の膜厚を測定することで、成膜対象物１８表面の膜厚を求めることができる。
この薄膜形成装置１では、測定装置１６の内部にコンピュータが設けられており、このコンピュータの入力装置によって、成膜対象物１８表面に形成する薄膜の膜厚が予め入力され、薄膜形成終了の判断基準となる目標値として記憶装置に記憶されている。
膜厚センサ１５表面に薄膜が成長する部分は真空槽１１内で下方に向けられており、膜厚センサ１５表面に成長した薄膜は剥離し、鉛直下方に落下する場合がある(剥落)。
図２(ａ)、(ｂ)は、水晶振動子上の薄膜に剥落が生じなかった場合の共振周波数の測定値の推移と、測定値から求めた膜厚値の推移を示すグラフであり、水晶振動子表面の薄膜の膜厚が増加すると、共振周波数は減少する。
成膜開始時を基準時刻ａsとすると、測定装置１６は、基準時刻ａsで測定した共振周波数ｆsと、現在時刻ａ0で測定した共振周波数ｆ0とから、基準時刻ａsの膜厚ｔsと現在時刻ａ0の膜厚ｔ0の差である増加膜厚値Ｔを現在時刻ａ0で算出し、時間遅れなく増加膜厚値Ｔを成膜対象物１８表面の膜厚である比較膜厚値に換算し、目標値と比較している。比較膜厚値が目標値以上になるとシャッター２３を閉じ、薄膜形成を終了させる。
次に、図３(ａ)，(ｂ)は、剥落が、現在時刻ａ0とその直前の過去時刻(過去の測定時刻)ａ1の間で発生した場合の、将来時刻(将来の測定時刻)を含む共振周波数の測定値の推移と、測定値から求めた膜厚値の推移を示すグラフである。
測定装置１６は、共振周波数を測定する度に、現在時刻ａ0の共振周波数ｆ0とその直前の過去時刻ａ1の共振周波数ｆ1との差である差分周波数Δｆa(＝ｆ0−ｆ1)を求めており、測定装置１６が差分周波数Δｆaの発生原因である剥落膜厚Δｔa(Δｔa＞０)を、差分周波数Δｆaから算出する。
本発明の薄膜形成装置１では、測定装置１６に、測定誤差以上で剥落と判定されるしきい値が入力装置から入力され、その値が基準値として設定されている。
測定装置１６は、剥落膜厚Δｔaと基準値とを比較し、差分周波数Δｆaの符号が膜厚の減少を示し、且つ、剥落膜厚Δｔaが基準値以上である場合に剥落が発生したと判断する。
剥落があった場合、剥落後の将来時刻ａxでの測定結果ｆxから算出された増加膜厚値Ｔxに剥落膜厚Δｔ0を加算して修正膜厚値Ｔ'(＝Ｔx＋Δｔ0)を求め、修正膜厚値Ｔ'を成膜対象物１８の表面の膜厚値に換算し、換算した値を比較膜厚値として目標値と比較し、比較膜厚値が目標値以上になったときに薄膜形成を終了させるようにする。
なお、入力された基準値をその膜厚に対応する共振周波数の差分周波数Δｆに換算し、差分周波数Δｆを基準値とし、現在時刻ａ0で測定した差分周波数Δｆaと基準値とを比較し、差分周波数Δｆaの符号が膜厚の減少を示し、且つ、差分周波数Δｆaが基準値以上である場合に剥落が発生したと判断してもよい。
また、この例では成膜対象物１８の表面に形成すべき薄膜の膜厚を目標値とし、膜厚センサ１５の表面に形成された薄膜の膜厚値を、成膜対象物表面の膜厚値に換算し、その値を比較膜厚値として目標値と比較したが、成膜対象物１８の表面に形成すべき薄膜の膜厚が入力装置から入力された場合に、入力された膜厚値を膜厚センサ１５表面の膜厚に換算して目標値とし、修正膜厚値Ｔ'と目標値の比較結果から、薄膜形成を終了させるようにしてもよい。
また、上記例では剥落が一回生じた場合であったが、許容膜厚値を超えた剥落が複数回生じた場合、即ち、最初の剥落によって修正膜厚値Ｔ'(＝Ｔ＋Δｔ0)を算出した後にも許容膜厚値を超えた剥落が生じた場合には、そのような剥落が生じる毎に、差分周波数から剥落膜厚Δｔ1、Δｔ2……を求め、修正膜厚値Ｔ'(＝Ｔ＋Δｔ0)に加算すればよい。即ち、ｎ回の剥落によって、それぞれΔｔ0、Δｔ1、……Δｔn-1の剥落膜厚が発生した場合には、修正膜厚値は、増加膜厚値Ｔにそれら全部を加算した値(Ｔ＋Δｔ0＋Δｔ1＋……＋Δｔn-1)にすればよい。
また、上記実施例では、成膜開始時を基準時刻ａsとし、基準時刻ａsの共振周波数ｆsと現在時刻ａ0の共振周波数ｆ0から、基準時刻ａsの膜厚ｔsと現在時刻ａ0の膜厚ｔ0の差の増加膜厚値Ｔ(ｔ0−ｔs)を求めていたが、現在時刻ａ0を含む連続した現在及び過去の時刻ａ0〜ａn(ａnは、ｎ回前の過去時刻(直前は一回前))の共振周波数ｆs、ｆ0〜ｆnから求めた膜厚ｔ0〜ｔnの移動平均値Ａを増加膜厚値Ｔとしてもよい。
移動平均値Ａについては、例えば下記(２)式の符号Ａで求めることができる。
Ａ＝(ｋ0・ｔ0＋ｋ1・ｔ1＋……ｋn-1・ｔn-1)／ｎ ……(２)
(ｋ0〜ｋn-1は係数。ｋ0〜ｋn-1の和はｎ)
この場合、移動平均値Ａの推移によって剥落を検出することができるが、剥落が発生し、共振周波数が急変しても、移動平均値Ａの値は急変せず、剥落が生じた直後の時刻よりも後の時刻で最小値をとる。
図３(ｃ)は、同図(ａ)の共振グラフの変化に対応する移動平均値Ａのグラフであり、剥落後の時刻ａmで最小値をとっている。
なお、上記(２)式に於いて、移動平均値を算出するデータ個数は事前に設定されており、データを採取する時間間隔が一定の場合、ｋ0〜ｋn-1は“１”としてもよい。
また、一定以上の周波数の変化が生じた時にデータ採取間隔を変化させてもよい。この場合、間隔に合わせてｋ0〜ｋn-1の値を変化させることもできる。
剥離直前の時刻ａ1で求めた移動平均値Ａ1と、最小の移動平均値Ａmの差ΔＡ(＝Ａ1−Ａm)を算出し、剥落後の将来時刻ａxで求めた移動平均値Ａxに加算した値(＝Ａx＋ΔＡ)を増加膜厚値とすることができる。
移動平均値Ａを使用することで、測定誤差を剥落と判断する確率を下げることができるが、応答が遅くなる。剥落判断を移動平均値で行ない、剥落膜厚を上記差分周波数から求めてもよい。

Claims (7)

  1. 真空槽と、
    前記真空槽内に配置され、薄膜材料粒子を放出する薄膜材料源と、
    前記真空槽内の前記薄膜材料粒子が付着する位置に配置された水晶振動子と、
    前記水晶振動子の共振周波数を測定する測定装置とを有し、
    前記薄膜材料粒子により、前記真空槽内に配置された成膜対象物表面と前記水晶振動子表面に薄膜を成長させながら、前記共振周波数を繰り返し測定し、
    現在時刻の測定結果と前記薄膜の成長開始時の測定結果に基づいて、前記成長開始時から前記現在時刻までに形成された前記成膜対象物表面の前記薄膜の膜厚を算出し、目標値と比較して比較結果から前記薄膜の成長を終了させるように構成された薄膜形成装置であって、
    前記測定装置は、前記現在時刻の測定結果と、前記現在時刻の直前の過去時刻の測定結果の差である周波数変化値を求め、前記水晶振動子表面の前記薄膜の剥落が生じた場合に、前記周波数変化値から剥落膜厚値を算出し、
    前記現在時刻以後の将来時刻の測定結果と前記成長開始時の測定結果とから求める前記水晶振動子表面の薄膜の膜厚値に前記剥落膜厚値を加算して修正膜厚値を求め、
    前記修正膜厚値を前記成膜対象物表面の膜厚値に換算し、前記目標値と比較する薄膜形成装置。
  2. 前記周波数変化値が膜厚減少を示し、前記周波数変化値の絶対値が基準値よりも大きい場合に、前記水晶振動子表面で薄膜剥落が発生したと判断するように構成された請求項１記載の薄膜形成装置。
  3. 真空槽と、
    前記真空槽内に配置され、薄膜材料粒子を放出する薄膜材料源と、
    前記真空槽内の前記薄膜材料粒子が付着する位置に配置された水晶振動子と、
    前記水晶振動子の共振周波数を測定する測定装置とを有し、
    前記薄膜材料粒子により、前記真空槽内に配置された成膜対象物表面と前記水晶振動子表面に薄膜を成長させながら、
    前記共振周波数を繰り返し測定し、現在時刻を含む複数の時刻の測定結果の移動平均値と基準時刻の前記測定結果に基づいて、成長開始時から前記現在時刻までに形成された前記成膜対象物表面の前記薄膜の膜厚を算出し、目標値と比較して比較結果から前記薄膜の成長を終了させるように構成された薄膜形成装置であって、
    前記測定装置は、前記移動平均値が減少したときに、減少開始後、増加に転じるまでの間の最小値を求め、前記水晶振動子表面の前記薄膜の剥落が生じた場合に、減少開始直前の前記移動平均値と前記最小値の差から剥落膜厚値を算出し、
    前記現在時刻以後の将来時刻の測定結果と前記成長開始時の測定結果とから求める前記水晶振動子表面の前記薄膜の膜厚値に前記剥落膜厚値を加算して修正膜厚値を求め、
    前記修正膜厚値を前記成膜対象物表面の膜厚値に換算し、前記目標値と比較する薄膜形成装置。
  4. 薄膜材料源から放出された薄膜材料粒子を成膜対象物表面と水晶振動子表面に付着させ、前記水晶振動子の共振周波数を測定し、現在時刻の測定結果と薄膜の成長開始時の測定結果に基づいて、前記成長開始時から前記現在時刻までに前記成膜対象物表面上に形成された薄膜の膜厚を求める膜厚測定方法であって、
    前記現在時刻の測定結果と、前記現在時刻の直前の過去時刻の測定結果の差である周波数変化値を求め、前記水晶振動子表面の前記薄膜の剥落が生じた場合に、前記周波数変化値から剥落膜厚値を算出し、
    前記現在時刻以後の将来時刻の測定結果と前記成長開始時の測定結果とから求める増加膜厚値に前記剥落膜厚値を加算して修正膜厚値を求め、
    前記修正膜厚値を前記成膜対象物表面の膜厚値に換算する膜厚測定方法。
  5. 薄膜材料源から放出された薄膜材料粒子を成膜対象物表面と水晶振動子表面に付着させ、前記水晶振動子の共振周波数を繰り返し測定し、現在時刻を含む複数の時刻の測定結果と薄膜の成長開始時の測定結果に基づいて、前記水晶振動子表面の前記薄膜の移動平均値を求め、
    前記移動平均値に基づいて、前記成長開始時から前記現在時刻までに形成された前記成膜対象物表面の前記薄膜の膜厚を算出する膜厚測定方法であって、
    前記水晶振動子表面の前記薄膜の剥落が生じ、前記移動平均値が減少したときに、減少開始後、増加に転じるまでの間の前記移動平均値の最小値を求め、
    前記減少開始直前の前記移動平均値と前記最小値の差から剥落膜厚値を算出し、
    前記現在時刻以後の将来時刻の測定結果と前記成長開始時の測定結果とから求める前記移動平均値に、前記剥落膜厚値を加算して修正膜厚値を求め、
    前記修正膜厚値を前記成膜対象物表面の膜厚値に換算する膜厚測定方法。
  6. 薄膜材料粒子が付着する位置に配置された水晶振動子と、
    前記水晶振動子の共振周波数を繰り返し複数回測定する測定装置とを有する膜厚センサーであって、
    前記測定装置は、前記繰り返し測定の中の現在時刻の測定値と、前記現在時刻以前の過去時刻の測定値の差である周波数変化値を求め、前記水晶振動子表面の前記薄膜の剥落が生じた場合に、前記周波数変化値から剥落膜厚値を算出し、
    前記現在時刻以後の将来時刻の測定値から求める前記水晶振動子表面の薄膜の膜厚値に前記剥落膜厚値を加算して修正膜厚値を求める膜厚センサー。
  7. 前記周波数変化値が膜厚減少を示し、前記周波数変化値の絶対値が基準値よりも大きい場合に、前記水晶振動子表面で薄膜剥落が発生したと判断するように構成された請求項６記載の膜厚センサー。
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