JPH04350549A

JPH04350549A - 薄膜の膜厚を測定する方法

Info

Publication number: JPH04350549A
Application number: JP15245491A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Hiraoka; 淳平岡; Setsuo Kotado; 古田土　節夫
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1991-05-27
Filing date: 1991-05-27
Publication date: 1992-12-04

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は真空蒸着装置、プラズマ
ＣＶＤ装置及びスパッタ装置等における蒸着される付着
・堆積物やＡｕメッキ時におけるメッキ厚等の膜厚測定
をするための方法に関し、センサに既に薄膜等が付着さ
れている場合でもそのまま薄膜をさらに重ねて付着し、
膜厚の測定を行う場合に発生する諸問題の解決を図るよ
うにした技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】真空蒸着装置、プラズマＣＶＤ装置及び
スパッタ装置等において蒸着される付着・堆積物の膜厚
測定には、主に水晶式膜厚検出器が用いられてきた。水
晶式膜厚検出器は水晶振動子の共振周波数が蒸着膜厚に
応じて変化する現象を利用したもので、検出精度が高く
、また応答速度が速いという特徴を有している。また、
最近では蒸発金属の電子衝撃による励起光を応用した電
子衝撃励起分光法が用いられてきた。電子衝撃励起分光
法は蒸着物質の蒸気流に熱電子を衝突させると蒸発物が
励起され、物質固有の波長スペクトルを持った光が発せ
られ、この時の光の強度が蒸気流の密度すなわち蒸発速
度に比例する現象を利用したもので、特に検出部に光学
フィルタを設けることにより二元同時蒸着を検出できる
という特徴を有する。また、他の従来技術として、大き
なゼーベック係数を有する非晶質半導体薄膜が報告され
ている（特公平２−０２７８２６号公報）、（特開昭６
０−１８６９００号公報）。

【０００３】しかしながら、これらの先行技術には以下
の問題があった。（１）水晶式共振周波数法は、安定した周波数発振器お
よび周波数カウンタを必要とし、また、水晶振動子の形
状が小型化できないため、膜厚検出器の小型化・集積化
が困難であり、さらに、高周波ノイズの影響を受け易く
、これを防ぐための保護回路やシールドが必要であった
。（２）さらにまた、電子衝撃励起分光法は高感度の受光
器や熱電子放射器を必要とし、極めて高価であり、また
検出部は発光器と受光器とから構成されるため小型化・
集積化が困難であり、更に測定方法が複雑であるという
問題点もあった。（３）そして、また大きなゼーベック係数を有する非晶
質半導体薄膜に関しては、熱抵抗の変化を利用した厚み
センサを具体的に開示するところは得られなかった。

【０００４】そこで、これらの問題を解決するため、同
一出願人により特許出願されている発明の厚みセンサ及
び付着層の厚さ測定方法（特願平２−２４８１３６号）
では、センサはヒートシンクに熱的に接続されている熱
不良導体の基板を有し、その基板上にその基板の所定の
位置を加熱または冷却する手段と、その加熱または冷却
する手段により加熱または冷却された基板上の所望の位
置の温度を測定する温度検出手段とを持つようにした。この発明は、基板の所定位置を加熱していた場合、基板
の所望の位置の温度は下がり、逆に冷却していた場合、
基板の所望の位置の温度は上がる。この温度の下降ある
いは上昇は付着層の膜厚に対応しており、温度の下降あ
るいは上昇を検出することにより付着された物質の厚さ
を測定できることを示した。同一出願人により出願され
た厚みセンサは前記の諸問題（１）と（２）を解決し、
以下の効果、すなわち、装置の小型化・集積化を達成で
きること、高周波ノイズの影響を受けないこと、及び測
定方法が複雑ではないことを達成できることも明らかと
なった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このような効果を有す
る厚みセンサにおいて、測定を実行している段階におい
て発生する次の問題（４）の解決を目指した。すなわち
、（４）厚みセンサはその使用法として、熱不良導体の
基板にある物質を付着し、その後、その物質を基板に付
着させたまま、測定を継続することが望まれる。基板に
付着された薄膜を洗浄したり、センサ自身を測定のたび
に取り替えることは現実的であるとはいえない。また、
付着された薄膜の種類は多種にわたり、それぞれの種類
の薄膜に応じてセンサを取り替えることは速やかな測定
を阻害し、上記センサの長所を十分に生かし切れない。ある薄膜が基板に付着されて、その付着層の厚さの測定
を行った後に、その物質が付着したまま、再度同一の薄
膜又は別個の薄膜を付着させ、測定を行うと、基板にす
でに付着されている物質により、検出される熱抵抗には
変化が生じ、再度物質を付着する際の再付着物質の膜厚
と所望の位置の温度の関係を明確にすること、及び測定
精度を維持することが難しい。従って、基板に付着され
た薄膜の除去、洗浄等を行わず、また、センサ自身を測
定のたびに取り替えることなく、薄膜が付着されている
基板上に再び薄膜を付着した場合に、再付着物質の膜厚
と所望の位置の温度の関係を明確にすること、及び、測
定精度を維持するための具体的手段を明らかにすること
が本発明の解決しなければならない課題である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】課題（４）を解決するた
めの手段を、以下に述べる。ヒートシンク５に熱的に接
続され、薄膜がすでに付着された熱不良導体の基板１に
、その基板の所定の位置を加熱又は冷却する手段２と、
基板の所望の位置の温度を検出する温度検出手段６とを
有する厚みセンサを用いて、以後付着される薄膜の膜厚
を測定する場合において、■基板上にすでに薄膜が付着
された状態で、加熱又は冷却する手段により所定の位置
を加熱又は冷却し、温度検出手段により基板上の所望の
位置の温度を検出することにより薄膜が付着された基板
の熱抵抗を求める。■その熱抵抗から基板の熱伝導率、
すでに付着された薄膜の熱伝導率、基板の厚さ、及びす
でに付着された薄膜の膜厚に依存する定数１を求める。 ■定数１とすでに付着された薄膜の形状と加熱または冷
却する手段による発熱量とから定数２を求める。■定数
１と以後付着される薄膜の熱伝導率とから定数３を求め
る。■定数２及び定数３から基板上の所望の位置の温度
と以後付着される薄膜の膜厚との関係を求め、所望の位
置の温度変化により薄膜の膜厚を測定する。この段階を
繰り返すことにより付着される薄膜の膜厚を求める。

【０００７】

【作用】発明のセンサは、熱の不良導体の基板上に付着
した薄膜等がその膜厚に応じて基板の熱伝導構造を一義
的に変えることを利用した。この発明の思想はすでに薄
膜等が付着した基板もなお、単一の熱不良導体基板とみ
なすことができることを実験的に確かめたことに由来す
る。すでに、基板に薄膜等が付着していても、その都度
、定数１、２、３を求める校正をすることによって、薄
膜を除去するという面倒な作業をしなくても、ある程度
の膜厚までは膜厚計として機能することを利用している
。この定数１、２、３を求める操作は演算手段を設ける
ことも当然考えられ、ルーチン化でき、自動校正も採用
される。

【０００８】

【実施例】本発明に係る薄膜の膜厚の測定方法では、以
下の手段を採用した。まず、熱不良導体の基板１（以下
、単に基板ともいう）上にすでに薄膜が付着された状態
（以下、このすでに付着された薄膜７を物質Ａともいう
）で、加熱又は冷却する手段２により所定の位置を加熱
又は冷却し、温度検出手段６により基板１上の所望の位
置の温度を検出することにより物質Ａが付着された状態
の基板の熱抵抗を求める。次に、その熱抵抗から基板の
熱伝導率、物質Ａの熱伝導率、基板の厚さ、及び物質Ａ
の膜厚に依存する定数１を求める。さらに、定数１と基
板、物質Ａの形状及び加熱または冷却する手段２による
発熱量又は吸熱量とから定数２を求める。定数１と以後
付着される薄膜８（以下、この付着される薄膜を物質Ｂ
ともいう）の熱伝導率とから定数３を求める。定数２及
び定数３から基板上の所望の位置の温度と物質Ｂの膜厚
との関係を求め、物質Ｂの膜厚を測定する。

【０００９】図１は本発明に係る厚みセンサの一実施例
を示す図である。ヒートシンク５に熱的に接続されてい
る熱不良導体の基板１と、その基板の所定位置を加熱ま
たは冷却する手段２と、温度検出手段６とを有する。本
実施例では、加熱する場合を考え、基板上に加熱する手
段２としては加熱用薄膜ヒータ２１、温度検出手段６と
しては温度検出用の薄膜熱電対６ａおよび６ｂが設けら
れている。図１に示される実施例では、温度検出手段６
に薄膜熱電対６ａ、６ｂを用いているので、この場合、
温度の検出は所望の位置の間の温度の差を検出すること
により行う。

【００１０】また、図２は薄膜が付着した後、再度薄膜
が付着される様子を示した図である。ここで、本発明に
よる薄膜の膜厚測定の原理について、図１に示される実
施例をもとに説明する。

【００１１】図１に示される実施例において、熱不良導
体の基板１の厚みをｔｓ、長さをＬ、幅をＷ、また熱不
良導体の基板１の熱伝導率をλｓとすると、熱不良導体
の基板１の熱抵抗Ｒｓは式（１）で表される。

【００１２】

【数１】

【００１３】この熱不良導体の基板１に物質Ａが付着し
たときの基板と物質Ａによる合成熱抵抗Ｒ１は、物質Ａ
の熱伝導率をλａ、膜厚をｔａとし、物質の熱抵抗をＲ
ａとすると式（２）で表される。

【００１４】

【数２】

【００１５】本実施例では、物質Ａが基板の全面に付着
する場合を考えているので、長さＬ及び幅Ｗは基板と同
じ値を用いて差し支えないが、基板の一部分に付着する
場合は、基板と物質Ａの長さ及び幅は、それぞれ独立の
値を用いなければならないことは当然である。

【００１６】この状態において、加熱用薄膜ヒータ２１
により加熱し、温度検出用の薄膜熱電対６ａ、６ｂによ
り基板の所望の位置の間の温度差を検出する。加熱によ
る発熱量をＱ、薄膜熱電対のゼーベック係数をＳ、温度
差を△Ｔａとすると、薄膜熱電対６ａ、６ｂの出力電圧
Ｖ１は式（３）で表される。

【００１７】

【数３】

【００１８】式（３）で表されるように、検出電圧Ｖ１
、ゼーベック係数Ｓ、長さＬ、幅Ｗは既知の値であり、
これらの値を代入することによりλｓ・ｔｓ＋λａ・ｔ
ａの値が分かる。このλｓ・ｔｓ＋λａ・ｔａの値を定
数１（以下Ｃ１と表すこともある）と定義する。式（４
）に関係式を示す。

【００１９】

【数４】

【００２０】この物質Ａがすでに付着した熱不良導体の
基板１に、物質Ｂが付着する場合を考える。物質Ｂの熱
伝導率をλｂ、厚さをｔｂとし、物質Ｂの熱抵抗をＲｂ
とすると、物質Ｂが付着した際の合成熱抵抗Ｒ２は変化
し、このＲ２は式（５）で表される。

【００２１】

【数５】

【００２２】同様に、加熱による発熱量をＱ、ゼーベッ
ク係数をＳ、また物質Ｂが付着した際の温度差を△Ｔｂ
とすると、薄膜熱電対６ａ、６ｂの出力電圧Ｖ２は式（
６）で表される。

【００２３】

【数６】

【００２４】図１に示される実施例の場合、薄膜熱電対
の出力によって物質が付着する前の温度差ΔＴ１と物質
付着後の温度差ΔＴ２との差を検出しているので、この
出力電圧Ｖ１とＶ２の差が物質Ｂの膜厚検出信号となる
。Ｖ１とＶ２の差を△Ｖとすると、ΔＶは式（７）で表
される。

【００２５】

【数７】

【００２６】式（７）で表されるように、物質Ｂの膜厚
ｔｂと検出電圧ΔＶの間には一義的な関係がある。ここ
で定数２（以下Ｃ２と表すこともある）、定数３（以下
Ｃ３と表すこともある）を式（８）、式（９）のように
定義する。

【００２７】

【数８】

【００２８】

【数９】

【００２９】式（８）、式（９）から分かるように、定
数２、定数３は定数１より簡単に求めることができる。式（１０）に、定数２、定数３を取り入れ、式を簡略化
した時の物質Ｂの膜厚ｔｂと検出電圧ΔＶの関係を示す
。この実施例では、温度差ΔＴ１、ΔＴ２を検出電圧Ｖ
１、Ｖ２として検出しているので、膜厚ｔと検出電圧Δ
Ｖの関係が得られる。

【００３０】

【数１０】

【００３１】また、式（１１）には式（１０）を展開・
整理した形を示す。

【００３２】

【数１１】

【００３３】式（１１）に示されるように、検出電圧Δ
Ｖを測定することにより、物質Ｂの膜厚ｔｂが求められ
る。つまり、温度差と膜厚の関係が求められる。なお、
本実施例においては、定数２と定数３を求める順番が逆
になっても一向に差支えない。また、温度検出手段とし
ては図１に示される実施例の薄膜熱電対の他、サーミス
タあるいは放射熱電対などを用いても、一向に差し支え
ない。

【００３４】また、図３に示される円形の基板の実施例
においても、同様に定数１、定数２、及び定数３を求め
ることにより、検出電圧ΔＶと膜厚ｔｂの関係が求めら
れる。つまり、温度差と膜厚の関係が求められる。

【００３５】

【数１２】

【００３６】

【数１３】

【００３７】

【数１４】

【００３８】

【数１５】

【００３９】式（１２）から式（１５）に定数１（Ｃ１
）、定数２（Ｃ２’）、定数３（Ｃ３）及び検出電圧Δ
Ｖと膜厚ｔｂの関係を示す。なおこの場合、基板の形が
先程のように長方形ではなく、円形であるために、定数
２の基板の形状を表す部分が第１の実施例と異なってい
るが、これらの値は既知の値なので、全く問題なく定数
２を求めることができる。また、基板の一部分に物質Ａ
が付着している場合も、付着部分と非付着部分を分離し
て考えることにより、同様に定数１、定数２、及び定数
３を求め、温度差と膜厚の関係を求めることができる。なお、物質Ｂの付着後の基板に、更に別の物質Ｃを付着
させ、物質Ｃの膜厚ｔｃを測定する際も、基板、物質Ａ
、物質Ｂの熱伝導率、厚さ、形状の値を取り入れ、定数
１、定数２、及び定数３を改めて求めることにより、同
様に検出電圧ΔＶと物質Ｃの膜厚ｔｃの関係を求めるこ
とができる。そして、上記計算では、対流、放射の成分
による熱抵抗は無視したが、これらの熱抵抗を無視し、
基板及び基板に付着した物質の熱抵抗のみを考慮しても
真空中では、ほとんど実際上は問題がない。

【００４０】

【発明の効果】本発明の厚みセンサを用いた測定方法で
は、効果として以下のものがある。まず、付着物を削除
したり、物質が付着する面を洗浄することなく測定を継
続できるので、対象物質に関し、精密かつ長期的な測定
に最適である。つぎに、異なった性質の物質を基板に付
着させて測定を行っても、測定精度の高さは十分に維持
されている。

【００４１】

【図面の簡単な説明】

図１は本発明の第１の実施例である。図２は薄膜が付着する状態を示した図である。図３は本発明の第２の実施例である。

【符号の説明】

１　　　　　　　　　　　　熱不良導体の基板。２　　　　　　　　　　　　加熱または冷却する手段。２１　　　　　　　　　　加熱用薄膜ヒータ。５　　　　　　　　　　　　ヒートシンク。６　　　　　　　　　　　　温度検出手段。６ａ　　　　　　　　　　薄膜熱電対。６ｂ　　　　　　　　　　薄膜熱電対。７　　　　　　　　　　　　付着された薄膜。８　　　　　　　　　　　　以後付着される薄膜。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ヒートシンクに熱的に接続された熱不良導
体の基板の所定の位置を加熱又は冷却する手段及び該基
板の所望の位置の温度を検出する温度検出手段とを有す
る厚みセンサにより、薄膜がすでに付着された基板に以
後付着される薄膜の膜厚を測定する方法において、前記
基板上に薄膜がすでに付着された状態で、加熱又は冷却
する手段により所定の位置を加熱又は冷却し、温度検出
手段により基板上の所望の位置の温度を検出することに
より薄膜が付着された基板の熱抵抗を求める段階と、該
熱抵抗から基板の熱伝導率、すでに付着された薄膜の熱
伝導率、基板の厚さ、及びすでに付着された薄膜の膜厚
に依存する定数１を求める段階と、定数１とすでに付着
された薄膜の形状と加熱または冷却する手段による発熱
量又は吸熱量とから定数２を求める段階と、定数１と以
後付着される薄膜の熱伝導率とから定数３を求める段階
と、前記定数２及び定数３から、基板上の所望の位置の
温度と以後付着される薄膜の膜厚との関係を求める段階
とを含む、付着される薄膜の膜厚を測定する方法。