KR20060055445A - 필름 두께 및 필름 두께 성장을 측정하기 위한 방법 및장치 - Google Patents
필름 두께 및 필름 두께 성장을 측정하기 위한 방법 및장치 Download PDFInfo
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Abstract
필름 두께 및/또는 필름 두께 증가 속도를 측정하기 위한 장치는 적어도 한 개의 압전 소자와, 제1 및 제2 전극을 포함한다. 필름 두께 및/또는 필름 두께 증가 속도를 측정하기 위한 방법은 제1 전극에서 제2 전극까지 압전 소자를 따라 전압을 인가하여 상기 압전소자가 진동하게 하는 단계 및 상기 압전 소자의 진동 속도를 측정하는 단계를 포함한다. 열은 압전 소자에 인가될 수 있다. 상기 압전 소자는 예를 들어, IT-cut의 석영 결정으로 형성될 수 있다.
압전 소자, 석영 결정, 석영 결정 두께 모니터, SC-cut 석영 결정, AT-cut 결정, IT-cut 석영 결정
Description
관련된 출원의 참조 문헌
본 출원은 2003년 4월 21일에 출원된 미국 가특허 출원 제60/464,237호의 이익을 청구하고, 전체 개시 내용은 본 명세서에 참조로 병합된다.
본 출원은 2003년 6월 13일에 출원된 미국 특허 제10/460,971호의 이익을 청구하고, 전체 개시 내용은 본 명세서에 참조로 병합된다.
본 발명은 필름 두께의 측정 및/또는 필름 두께 성장 속도를 모니터링하기 위한 장치에 관한 것이고, 이러한 측정 및/또는 모니터링을 수행하기 위한 방법에 관한 것이다. 일 태양으로, 본 발명은 예를 들면, 광학 장치(렌즈, 필터, 반사기, 비임 분리기와 같은)의 제작 중 증발제가 증착원으로부터 증착된 증발제의 광학 박막 증착 시스템에 의해 하나 이상의 처리 기판과 동시에 코팅된 테스트 결정의 진동 주파수 변환을 모니터링함으로써 코팅율과 두께 데이터를 실시간으로 제공하는 석영 결정(quartz crystal) 두께 모니터에 관한 것이다.
1960년대 초 이래로, 석영 결정은 렌즈, 필터, 반사기 및 비임 분리기와 같은 광학 장치의 제작에 사용되는 박막의 코팅 처리를 모니터링하기 위해 사용되었 다. 처음에는 광학 모니터가 필름이 증착되는 속도에 관한 정보를 제공하도록 돕는 것으로 사용되었지만, 석영 결정 센서는 자동 증착 시스템에서 광학 층 두께를 나타내고 제어하는데 의존하게 되었다.
나노테크놀로지, 바이오센서, 박막 디스플레이 및 고속 광학 통신과 같은 분야의 연구는 박막 구조의 복잡성을 증가시켰다. 플루오르화 마그네슘(magnesium fluoride)의 단층을 구성하는 반사방지 코팅은 20년 전에 충분했던 반면, 현재의 디자인은 교번식 굴절 인덱스 필름의 24층 적층에 대해 요구될 수 있다. 고속 광학 통신과 함께, 이런 적층은 10겹으로 증가하고, 256층까지 구비된 필터에 이른다.
이런 형상의 제조는 석영 결정에 의해 제공된 제어와 정확성을 요구한다. 불행히, 오늘날의 처리에 이용되는 재료와 증착 온도는 결정 센서의 작동에 악영향을 미친다.
석영 결정 두께 모니터는 광학 박막 증착 시스템의 가장 오판식 부품일 수 있다. 석영 센서는 처리 엔지니어에게 실시간으로 코팅율과 두께 데이터를 Å 해상도로 제공한다.
석영 센서 장치는 처리 기판과 동시에 코팅된 테스트 결정의 주파수 진동에서의 변화를 모니터링함으로써 필름 두께를 측정한다. 석영은 압전 재료이고, 즉, 만약 석영 바가 만곡되면, 그것은 대향면 상에 전압을 인가한다. 반대로, 만약 전압이 인가되면, 바는 만곡된다. 이런 바에 교류 전압을 인가함으로서, 바는 전압이 가진 위상으로 진동하거나 발진한다.
특정 진동 주파수에서, 석영은 타격될 때 울리는 포크 링처럼, 극소의 저항으로 진동한다. 이런 고유 공진 주파수는 필름 두께를 측정하는데 기초로 사용된다. 결정의 표면에 코팅함으로써, 공진 주파수는 선형적으로 감소한다. 만약 코팅이 제거 되면, 공진 주파수는 증가한다.
석영 결정 두께 모니터에서, 석영 결정은 가장 상업적인 장치가 5와 6MHz 사이인 고유(또는 공진) 주파수에서 결정이 진동하게 하는 전기 회로에 연결된다. 마이크로프로세서 기반의 제어 유닛은 연속적으로 이 주파수를 모니터링 및 표시하거나 또는 양을 유도한다. 증착동안 재료가 결정에 코팅되면서, 공진 주파수는 재료가 결정에 도달하는 속도 및 재료의 밀도에 비례해서 예측 가능한 방식으로 감소한다. 주파수의 변화는 초당 횟수로 계산되고, 마이크로프로세서에서 초당 Å으로 전환되고, 증착 속도로 표시된다. 상기 축적된 코팅은 총 두께로 표시된다.
이런 센서의 감도는 뛰어나다. 10Å만큼 적은 알루미늄의 균일한 코팅은 일반적으로 오늘날 전자공학에서 쉽게 측정되는 20Hz의 주파수 변환을 야기한다. 필름의 밀도가 증가함에 따라 Å당 주파수 변환은 증가한다.
석영의 사용 수명은 그 두께와 모니터링 코팅의 종류에 의존된다. 만약 알루미늄 같은 저응력 금속이 증착되면, 1,000,000Å만큼 두꺼운 층이 측정된다. 반면에, 높고 응력의 유전체 필름은 2,000Å 이하와 같이 작은 두께에서 결정의 기능불량을 야기할 수 있다.
결정 두께 모니터링의 초기에, 구리, 은 및 금의 금속성 필름은 가장 흔하게 증착되는 재료였다. 이 필름은 저응력의 코팅을 생성했고 실온(room temperature) 근방에 지지된 기판 위에서 응축된다. 이런 조건 하에서 필름 두께와 속도의 아주 정확한 결정이 달성가능하다.
광학 산업이 결정 모니터를 사용하기 시작할 때, 코팅이 빛을 투과시켜야 하기 때문에 불투명한 금속에서 플루오르화 마그네슘과 이산화규소와 같은 투명한 재료로 관심이 변했다. 불행히, 이런 기판은 높은 진성 응력에서 생산되고 높은 처리 또는 기판의 온도가 요구된다. 석영을 사용한 센서가 응력 및 온도 변화에 아주 민감하기 때문에, 이것은 결정 모니터링에 대한 우수한 발전이 아니다.
이런 감도는 석영의 압전 특성으로 추적할 수 있다. 더 복잡한 문제는 사용되 온 석영 결정 센서가 예를 들어, 장착 홀더에서 박막 응력이나 기계적 힘들에 의해 변형될 때의 주파수 변환을 나타내는 것이다. 만약 처리 조건이 그런 센서를 가열 또는 냉각하면, 유사한 주파수 변환이 발생한다. 기원에 관계없이, 주파수 변환은 추가적인 코팅에 의해 야기되는 것으로부터 구별할 수 없다.
주파수 변환은 양 또는 음일 수 있고, 누적될 수 있다. 그것은 또한 무작위일 수 있다. 공진 주파수 변환의 원인은,
· 장착 하드웨어를 통해 생긴 진동,
· 결정을 진동시키는데 사용되는 전압에서의 진동,
· 모니터링된 필름에서의 변화(음파 방해),
· 모니터링된 코팅 또는 석영 전극의 접착 실패, 및
· 모니터링 회로에서의 라디오 주파수 간섭을 포함한다.
이런 효과들은 두께와 속도 계산에서 큰 오차를 야기한다. 석영의 온도 진 동은 50Å 이상의 두께 변화를 초래할 수 있다(주파수 변환 대 AT-cut 석영 결정용 온도의 도표인 도1 참조). 접착 실패는 100Å 속도의 급격한 상승을 초래한다. 외부 진동은 천Å 범위 내에서 변화를 가져올 수 있다. 광학 부품의 정확성을 위해서, 이런 오차는 큰 산출 손실을 초래한다.
광학 필름 코팅동안 존재하는 나쁜 조건은 결정의 작동 수명에 해로운 영향을 끼칠 수 있다. 높은 응력 코팅은 경고 없이 진동을 멈추게 하는 지점에 결정을 변형시킬 수 있다. 코팅 공급원으로부터 재료의 스플래터(splatter)는 유사한 손실에 이르게 할 수 있다. 기판 세척을 위해 사용되는 고에너지 플라즈마는 결정 전자 부품에 연결 될 수 있고 심각한 전자 소음을 야기할 수 있다. 고온 증착은 결정을 과열시킬 수 있고, 그것의 작동 한계를 넘어 구동할 수 있다.
초기 결정 실패는 큰 불편 또는 큰 손실이 될 수 있다. 100+층 박막 적층의 경우, 필름 화학 상의 대기의 바람직하지 않은 효과로 인해 결정을 대체하기 위해 챔버를 통기하는 것은 선택 사항이 아니다. 레이저 동력 또는 적외선 렌즈에 사용되는 두꺼운 필름의 경우, 결정의 짧은 수명은 코팅의 완성을 방해할 수 있다. 고속 롤 코팅 시스템에서, 갑작스러운 결정 손실은 많은 양의 손상된 기판을 야기할 수 있다.
예를 들어, 20도와 45도 사이의 센서 온도를 유지시키기 위해 센서 헤드 및/또는 수냉식 헤드의 사용을 통해 및 AT-cut 석영으로 형성된 센서의 사용을 통해 결정 손실을 감소시키고 정확성을 증가시키는 시도가 있어왔고, 이 온도 범위에서 AT-cut 석영은 저온 처리를 위해 열적으로 유도된 주파수 변환을 감소시키기 위해 "사실상 온도에 비민감"하다(도1 참조).
즉, 과거에, 필름은 축적된 필름에서 생긴 응력을 완화시키기 위한 시도를 위해 상승된 온도에서 증착되었다. 그러나, 이런 상승된 온도는 센서가 "사실상 온도에 비민감 구역"에서 이동하게 하고, 이런 센서 시스템의 두께 측정에서 주파수 변환을 초래하기 때문에, 종래 시스템은 이런 가열의 영향을 방해하기 위해 시도되고, 사실상"온도에 비민감"구역에 그 온도를 유지시키기 위해 시도되는 냉각 시스템을 사용해왔다.
예를 들면, 종래 석영 결정계 박막 두께 센서 시스템은 원 위치 및 실시간으로, 박막 증착 처리의 두께를 측정하기 위해 얇은[두께 0.025cm(0.010inch)] 석영 결정 디스크를 사용하는 수냉식 스테인레스 스틸 홀더를 이용한다. 1960년대 초반부터 이용 가능한 온 이 기술은 플루오르화 마그네슘, 또는 이산화규소 같은 광학 재료가 코팅 처리에 사용될 때 사용하기 어렵다. 이런 재료는 코팅 처리동안 결정이 이상하게 반응하고, 조급하게 실패하게 하고, 측정과 제어 기능이 발생되는 것을 방해한다. 박막으로 증착될 때 이런 재료가 갖는 진성 응력은 미세하게 얼룩지게 되는 석영을 가져온다. 일반적으로, 코팅된 렌즈는 코팅되는 동안 이 응력을 완화하기 위해 가열된다.
처리를 모니터링 하기 위해 증착되는 구조물(예를 들어, 렌즈) 근처에 위치한 석영센서는, 처리 열(즉, 코팅물을 증착시키는데 사용되는 처리로부터 야기된 열)의 결과 생긴 온도 변화로 인해 그 판독 시 변동을 최소화하기 위해 전통적으로 동시에 물로 냉각된다. 불행히, 이러한 냉각은 결정면 위에 응력 문제를 합성한 다. 게다가, 표준 센서 헤드의 최근 연구는 심지어 물로 냉각해도, 결정온도는 10분간의 처리 내에 20℃내지 30℃까지 상승시킴을 보여준다. 고온 챔버에서의 연장된 작동동안, 온도 증가는 상당히 크게 될 수 있다.
온도에 의해 야기되는 부품의 주파수 변환을 상쇄시키기 위한 온도-주파수 알고리즘을 발생시키기 위해 다른 시도가 있어왔다. 이런 작업의 예로서 (1) 이.씨.반 발레구이젠(E. C. van Ballegooijin)의"마이크로밸런스를 사용한 질량과 온도의 동시 측정(Simultaneous Measurement of Mass and Temperature using Quartz Crystal Microbalances)"5장, 방법과 제7 현상, 씨.루(C.Lu)와 에이.떠블류.크젠더나(A. W. Czanderna), 편집자, 압전 마이크로밸런스 석영 결정의 적용(Applications of Piezoelectric Quartz Crystal Microbalances), 엘스비어 출판사 (Elsevier Publishing), 뉴욕, 1984 및 (2) 이.피.어니스(E. P. Eernisse),"석영 공진기의 진공 적용(Vaccum Applications of Quartz Resonators)", 제이.박.스키.테크놀(J.Vac.Sci.Technol), 12권, 1번, 1975,1월/2월, 564쪽~568쪽을 포함한다.
석영 결정 모니터링 처리에 전형적 예의 변화는 진행 중이다. 많은 적용에서, 결정은 성공의 열쇠가 된다. 재료, 기하학, 처리 디자인 또는 적용 예와 같은 광학에서 아무리 상당한 발전이 있다고 해도, 만약 임의의 정교화된 박막 코팅이 필요하다면, 불충분한 관련성은 얼마나 정확하게 그 필름이 측정될 수 있는가이다. 기술이 물질의 옹스트롬 수준의 특성을 조작하는 것에 폐쇄되어 있기 때문에, 신뢰할 만한 박막 계측학의 필요는 새로운 중요성의 레벨로 상승한다.
필름 응력, 접착 실패, 및 극한의 온도 효과는 적절히 다뤄지지 못해왔다. 나노테크놀로지, 박막 디스플레이, 및 고속 광학 통신의 현재 요구는 은 부정확성을 감소시키고 이러한 기능불량의 주파수를 감소시키는 석영 결정 모니터의 상승된 요구를 가져왔다.
본 발명의 제1 태양에 따르면, 압전 소자에 인가된 처리 열의 효과를 방해하기 위해 압전 소자를 냉각하는 시도 대신, 처리 조건 이상인 온도까지 압전 소자를 가열하기 위해 열은 직접 압전 소자에 인가되고, 그 결과 응력이 감소되고, 온도가"사실상 온도에 비민감인 구역"밖에 있지만 압전 소자의 온도가 처리 온도보다 높기 때문에, 압전 소자의 온도는 특정 값에 유지될 수 있고 이에 따라 온도 변화로부터 야기된 임의의 사실상의 주파수 변환을 제거한다.
본 발명의 제1 태양에 따르면, 필름 두께 및/또는 필름 두께의 증가 속도를 측정하기 위한 장치가 제공되고, 상기 장치는, 적어도 한 개의 압전 소자와, 상기 압전 소자의 제1 구역과 접촉하는 제1 전극과, 상기 압전 소자의 제2 구역과 접촉하는 제2 전극과, 상기 압전 소자를 가열하는 히터를 포함하고, 상기 제2 구역은 제1 구역으로부터 이격되는 장치이다.
바람직하게, 히터는 압전 소자를 적어도 약 50℃, 더욱 바람직하게 적어도 100℃의 온도까지 가열한다. 히터는 바람직하게 압전 소자를 사실상 일정 온도로 유지한다. 바람직하게 상기 장치는 장치가 과열되는 것을 막고 및/또는 장치의 향상된 온도 제어를 제공할 수 있도록 시스템을 더 포함한다.
본 발명의 제2 태양에 따르면, AT-cut 석영으로 만든 센서의 사용 대신에, 센서는 석영, 즉, IT-cut 석영의 상이한 컷을 만든다.
IT-cut 석영 결정은 석영 결정 마이크로밸런스(즉, 박막 두께 센서)로써 사용될 때 산업 표준 AT-cut보다 우수한 성능을 제공한다는 것이 놀랍게도 발견되었다. 본 발명의 이 태양에 따른 상기 센서의 주된 장점은 높고 진공 박막 증착 시스템에 존재하는 열원이나 고온 증착원에 의해 야기된 주파수 변환을 유도하는 방사에 대한 사실상 응답의 결여이다. 종래 장치에서 AT-cut 결정이 (코팅될 기판을 가열하는데 사용되는 석영 램프와 같은) 방사원에 의해 비춰질 때, 온도의 갑작스런 상승은 진동 주파수의 급격한 상승을 초래한다. 이런 상승은 증착원으로부터 결정의 질량 추가에 의해 야기되는 주파수 변환과 혼동될 수 있다. 따라서 필름 두께의 정확성에서의 오차는 갑자기 유발된다.
본 발명의 이 태양에 따른 IT-cut 석영 결정으로 형성된 센서의 제2 장점은 그 감소된 응력-주파수 응답이다. 종래 장치에서의 AT-cut 결정이 고응력 코팅(예를 들어, 광학 코팅 처리에 사용되는 유전체)의 축적에 의해 변형될 때, 방사의 예처럼 질량의 축적에 의해 야기된 주파수 변환으로부터 구별 불가능한 주파수 변환이 도입된다. IT-cut은 이런 주파수 변환을 AT-cut의 각도로 표시하지 않는다. 게다가, 응력 유도 주파수 소음이 질량-주파수 거동을 용이하게 알기 때문에, IT-cut 석영 결정 마이크로밸런스의 사용 수명은 AT-cut보다 상당히 길다.
본 발명의 제2 태양에 따르면, 필름 두께나 필름 두께의 증가 속도를 측정하기 위해 제공된 장치가 제공되고, 상기 장치는 IT-cut 석영 결정을 구비한 적어도 한 개의 압전 소자와, 상기 압전 소자의 적어도 제1 구역과 접촉한 제1 전극과, 상기 압전 소자의 적어도 제2 구역과 접촉하는 제2 전극을 포함하고, 상기 제2 구역은 제1 구역으로부터 이격되는 장치이다.
다른 태양에 따르면, 본 발명은 필름 두께 및/또는 필름 두께의 증가 속도를 측정하는 방법과 관련되고, 상기 방법은 제1 전극에서 제2 전극까지 압전 소자를 따라 전압을 인가하여 상기 압전 소자가 진동하게 되는 단계와, 상기 압전 소자에 열을 인가하는 단계와, 상기 압전 소자의 진동 속도를 측정하는 단계를 포함하고, 상기 제1 전극은 상기 압전 소자의 제1 구역과 접촉하고, 상기 제2 전극은 상기 압전 소자의 제2 구역과 접촉하는 방법이다.
다른 태양에 따르면, 본 발명은 필름 두께 및/또는 필름 두께의 증가 속도를 측정하는 방법과 관련되고, 상기 방법은 제1 전극에서 제2 전극까지 압전 소자를 따라 전압을 인가하여 상기 압전 소자가 진동하게 되는 단계와, 상기 압전 소자의 진동 속도를 측정하는 단계를 포함하고, 상기 제1 전극은 상기 압전 소자의 제1 구역과 접촉하고, 상기 제2 전극은 상기 압전 소자의 제2 구역과 접촉하고, 상기 압전 소자는 IT-cut 석영 결정을 포함하는 방법이다.
본 발명에 따른 장치는 증착원을 자동으로 제어하고, 반복가능하고, 정확한 박막 코팅을 보증하고 증착속도에 의존한 광학 필름특성을 제어하는데 사용될 수 있다. 본 발명은 향상된 정확성을 제공한다.
본 발명은 참조 도면과 본 발명의 다음의 상세한 설명을 참조하여 충분히 이해될 수 있다.
도1은 주파수 변환과 AT-cut 석영 결정의 온도 그래프이다.
도2는 본 발명에 따른 실시에의 계략적인 도면이다.
본 발명에 따른 센서를 사용하는 시스템의 예에서, 압전 소자 결정 센서는 하우징에 내장되고, 코팅 공급원(전자 빔, 열 증발, 스퍼터링 등)에 대해 일 라인 시야 위치(a line-of-sight-position)에 장착된다. 코팅되는 기판은 결정에 인접하게 위치되고, 결정과 기판 상에 증착되는 재료(증발재)의 양이 사실상 동일한 것을 보증한다. 만약 그런 경우가 아니면, 기하학적인 교정이나 "툴링 팩터(tooling factor)"를 적용한다.
상술했듯이, 본 발명에 따른 필름 두께 및/또는 필름 두께의 증가 속도를 측정하는 장치는 적어도 한 개의 압전 소자와, 제1 및 제2 전극을 포함한다. 본 발명의 태양에 따르면, 압전 소자를 가열하는 히터가 더 제공된다.
일반적으로 압전 소자는 예를 들어 석영, 인화 갈륨이나 랑가타이트(langatites) 또는 랑가사이트(langsites)같은 임의 압전재로 형성될 수 있다. 선호되는 압전재는 석영 결정이다.
압전재가 석영 결정인 경우, 그 결정은 바람직하게 단일 회전되는 컷이거나(예를 들어, AT-cut 결정) 또는 2중 회전되는 컷이고(예를 들어, IT-cut 결정 또는 SC-cut 결정)이고, 이러한 결정 컷은 본 기술 분야의 당업자들에게 공지되어 있다.
AT-cut은 단일 회전된 컷 부류의 멤버이고, X-Z 결정 축으로 쏘 블레이드의 평면을 정렬함으로써 형성되고, 이 후 약 35°, 바람직하게 35°15′±20′의 각도 (θ로 참조된 각도)에 도달할 때까지 X축을 중심으로 블레이드를 회전시킨다. AT-cut은 온도 범위 내(상술했듯이, 20℃에서 45℃까지 AT-cut 석영은 "사실상 온도에 비민감적"이다)의 온도 변화를 가지고 거의 주파수 변환을 표시하지 않는다. 컷의 각도는 다소 높거나 또는 낮은 온도에서도(예를 들어, 20분 이상까지) 안정된 작동을 허용하도록 변화될 수 있다.
SC-cut 및 IT-cut 결정은 2중으로 회전된 컷이다. 이러한 컷은 예를 들어, 블레이드를 X축(θ각에 의해)을 중심으로 회전시키고, 결정을 Z축을 중심으로 각도(φ)만큼 회전시키고, X-Z 결정 축으로 쏘 블레이드의 평면을 정렬시킴으로써 형성될 수 있다. 이와 달리, 이러한 컷은 X-Z 결정 축으로 쏘 블레이드를 정렬하고, 그 다음 X축, 및 그 후 Z축 또는 Z축, 및 그 후 X축을 중심으로 블레이드를 회전시킴으로써 형성된다.
SC-cut 결정은 약 35°의 θ값, 바람직하게 35°15′±20′θ의 값을 갖고, 약 22°의 φ값, 바람직하게 약 22°0′, ±20′의 φ값을 가진다.
SC-cut 결정은 AT-cut의 것과 유사한 주파수-온도 행동을 나타내고, 특히 결정에 응력이 가해질 때의 주파수 변환이 사실상 없는 것을 보여주는 추가된 특징을 갖는다. 초기 코팅 시도에서, SC-cut 재료로부터 제작된 모니터 결정은 AT-cut 결정 상에 높은 응력 유전체에 의해 유도된 어떤 주파수 변환도 나타내지 않는다. 역사적으로 SC-cut 결정은 석영의 더 비싼 버전이지만, 광학 처리 엔지니어를 위한 이익은 비용에 따른 불이익을 능가한다.
IT-cut 결정은 약 34°내지 35°, 바람직하게는 34°24′±20′의 θ값을 갖 고, 약 19°, 바람직하게는 19°6′±20′의 φ값을 갖는다.
IT-cut 결정이 본 명세서에 설명한대로 석영 결정 두께 모니터로 사용될 때, IT-cut 결정은 놀랍게도 열원 또는 높은 진공 박막 증착 시스템에 존재하는 고온 증착원에 의해 야기되는 주파수 변환을 유도하는 방사에 사실상 응답 부족을 표시한다. 게다가, IT-cut 석영 결정이 주파수 변환에 의해 유도된 아주 낮은 응력을 표시한다는 것이 밝혀졌다. 더욱이, 본 발명에 따라 IT-cut 석영 결정을 가열함으로써, 코팅이 좀 더 잘 작동하고 센서는 매우 정확하게 수행한다는 것이 놀랍게도 밝혀졌다. 더욱이, 낮은 응력 성능을 위해, 특정 회로는 필요하지 않다(SC-cut 석영의 경우, 일반적으로는 특정 회로가 요구된다고 밝혀졌다).
일반적으로, 압전 소자는 임의 적절한 형상일 수 있다. 바람직하게, 압전 소자는 사실상 평면 볼록렌즈 또는 사실상 평평하고 평행한 반대 표면을 갖는다. 바람직한 형상은 일반적으로 반지름 방향의 치수보다 더 작은 축방향 치수를 가진 실린더형이다. 바람직하게, 본 기술 분야에 공지된 것처럼 압전 소자의 엣지는 경사진다.
압전 소자는 바람직하게 본체에 장착된다. 그런 본체는 임의의 필요한 형상이 될 수 있고, 바람직하게, 본체는 그것의 주변을 따라 압전 소자를 지지하고, 압전 소자의 큰 내부는 진동하도록 자유로이 둔다.
제1과 제2 전극은 전기를 도전할 수 있는 임의 구조일 수 있다. 상술했듯이, 제1 전극은 적어도 압전 소자의 제1 구역과 접촉하고, 제2 전극은 적어도 상기 압전 소자의 제2 구역과 접촉 하고, 제2 구역은 제1 구역으로부터 이격되어 있고, 따라서 전력 공급으로부터의 전류는 제1 전극, 제1 구역에서 제2 구역까지의 압전 소자, 그리고 제2 전극을 통해 통과할 수 있다.
바람직하게, 압전 소자의 제1 및 제2 구역은 전극재로 코팅된다. 바람직하게, 압전 소자의 제1 및 제2 구역은 알루미늄과 알루미늄 합금 전극재로 코팅된다. 이산화 규소(silicon dioxide) 코팅에 있어, 그런 전극 구역은 산업 표준 금 결정 전극 코팅과 비교했을 때, 센서의 사용 수명을 100% 이상 더 연장한다. 게다가, 전극 접착 실패로 인한 주파수 변환은 표준 실험 조건 하에서 90%까지 감소된다. 모든 코팅이 동일하지 않지만, 이 전극이 가져오는 장점은 재료 및 증착 사양이 되는 것이다. 이와 달리, 또 다른 적절한 재료, 예를 들어, 금은 전극 코팅을 제1 및 제2 구역에 형성하는데 사용될 수 있다.
일반적으로, 히터를 사용하는 경우, 원하는 온도까지 압전 소자를 가열하는데 효율적이고, 그런 원하는 온도에서 압전 소자를 유지시키는 임의의 히터 또는 히터가 사용된다. 예를 들어, 임의의 전도 히터, 방사 히터 및 대류 히터가 사용될 수 있다. 히터의 적절한 예는 (본 기술 분야의 당업자들에게 공지된, 즉, 블록 내부에 위치된 저항력 있는 와이어를 가진 블록을 포함한) 캡톤(Kapton) 접촉 히터, 석영 램프 적외선 가열원 등을 포함한다. 그런 히터 또는 히터는 본체 내부에 위치되거나 또는 (본체에 의해 압전 소자로 전도된 열과 함께) 본체에 클램핑 될 수 있거나 또는 본체로부터 분리되지만 압전 소자를 향해 지향될 수 있거나, 또는 임의의 다른 적절한 배열일 수 있다.
바람직하게, 증착은 진공에서 수행된다. 그런 경우, 히터는 전도 또는 방사 된다.
상술했듯이, 본 발명의 장치는 장치가 과열되는 것을 막는 것이 가능한 냉각 시스템 및/또는 장치의 향상된 온도 제어를 제공하는 냉각 시스템, 바람직하게 수냉식 시스템, 예를 들면, 냉각수와 도관을 둘러싸는 환경 사이의 열 교환에 의해 열을 제거하기 위한 도관을 통해 순환되는 시스템을 바람직하게 더 포함한다.
본체의 온도는 사실상 일정 온도에서 본체(및 압전 소자)를 유지하기 위해 예를 들어, 써모커플(thermocouple) 또는 써미스터(thermistor)를 사용하여 모니터링 된다.
압전 소자의 진동 주파수는 임의의 적절한 장치를 사용함으로써 감지된다. 예를 들면, 숙련된 기술자는 압전 소자의 진동 주파수를 판독하기 위해 용이하게 설치될 수 있는 마이크로프로세서에 정통하다.
유사하게, 임의의 적절한 장치는 진동 데이터의 주파수를 증착 속도(예를 들어, 초당 Å) 및/또는 축적된 코팅 값(즉, 예를 들면, Å단위의 총 두께)으로 변환시키기 위해 사용된다. 예를 들면, 숙련된 기술자는 그런 변환을 수행하기 위한 마이크로프로세서의 설치에 정통하다. 그런 계산의 수행을 위한 알고리즘의 다양성은 본 기술 분야(예를 들면, 치-션 루(Chih-shun Lu),"압전 소자 석영 결정 공진기와 함께 질량의 결정(Mass determination with piezoelectric quartz crystal resonators)",제이.박.스키.테크놀.(J.Vac.Sci.Technol.),12권,1번,(1월/2월.1975), 여기서 참조로 병합된 전체를 참조)의 당업자에게 공지되어있다. 보정은 본 기술 분야에 공지된 것처럼, 음파 방해물을 계산하기 위한 두께 계산 알고리즘으로 만들어진다.
더욱이, 공지된 전자공학 및 실딩(shielding)은 바람직하게 라디오 주파수 간섭 및 전압 변화를 제거하기 위해 사용된다.
도2는 본 발명에 따른 실시예의 한 예를 계략적으로 도시한다. 도2에 도시된 실시예에서, 일반적으로 실리더형 석영 결정(10)은 그 중심부가 밀링 가동된 스텐레스 스틸의 블록으로 형성된 본체(11)에 장착된다. 가열된 블록(12)은 본체(11) 및 석영 결정(10)을 가열하기 위해 본체(11)와 접촉한다. 석영 결정(10)의 바닥면과 접촉한 본체(11)는 제1 전극으로 작동하고 콜렛(4)과 석영 결정의 상부면 사이에 위치된 스프링 접촉 전극(13)은 제2 전극으로써 작동한다. 전압(도시되지 않음)은 전력 공급원에 의해 제1 전극과 제2 전극 사이에 인가된다. 스프링 접촉 전극(13)은 외부에서 발생한 진동을 최소화한다.
상술했듯이, 본 발명에 따른 필름 두께 및/또는 필름 두께 증가 속도를 측정하기 위한 방법은 제1 전극에서 제2 전극까지 압전 소자를 따라 전압을 인가하여 압전 소자가 진동하게 하는 단계와, 압전 소자의 진동 속도를 측정하는 단계로 포함한다. 본 발명의 일 태양에서, 열은 압전 소자에 인가될 수 있다.
압전 소자에 열이 인가되는 본 발명의 태양에 따르면, 바람직하게, 상기 압전 소자는 적어도 약 50℃의 온도, 바람직하게 적어도 약 100℃, 예를 들어, 약 100℃에서 약 120℃까지 범위의 온도, 예를 들어, 약 100℃ 온도까지 가열된다.
본 발명은 처리 모니터링 및 광학의 제어 및 광학과 전자 장치의 생산에 사용되는 "높은 응력"의 전자 박막 코팅에 적용된다. 본 발명은 고진공 증착 처리를 통과해 특히 박막의 생산에 적용된다.
표준 "AT-cut 석영 결정을 이용하는 가열된 결정 센서 시스템은 고진공 박막 증착 시스템에서 더 정밀하고 길게 지속하는 처리 제어를 허용한다.
상기 결정을 100℃(비록 50℃나 그 이상의 온도에서도 이익이 관찰되지만)를 포함하는 온도까지 가열함으로써, 결정의 이상한 성능이 최소화되거나 심지어 제거되는 것이 관찰된다. 이 향상의 추가적인 장점은 진공 챔버에서 결정을 냉각하기 위해 종래에 사용된 수관(water line)이 제거될 수 있다는 것이다. 이것은 진공 시스템 내 설치를 간소화하고, 일상적인 문제인, 누수의 가능성을 제거한다.
추가적으로, IT-cut 결정은 방사 잠열 또는 얇은 유전체 필름의 응력 축적에 응답하지 않는다. 이는 (1)밝은 빛이 종종 코팅하는데 사용되는 재료의 가열하는 것을 수반하고, (2)유전체 필름이 광학 코팅에 사용되는 재료의 부피를 형성시키기 때문에 많은 광학 코팅 처리에서 중요하다. 석영은 유한 "주파수-온도" 및 "응력-주파수"작용을 가진다. 이것이 가열하고 또는 변형될 때, 그 진동 주파수는 변화한다. 이것은 결정 표면에 코팅이 축적되면서 진동 주파수에서 선형적으로 감소함으로써 필름 두께를 기재하는 박막 두께 센서에 이용되는 메카니즘에 상충한다. IT-cut 결정은 방사 에너지 또는 응력에 의해 초래된 주파수 변환을 제거한다. 결과적으로, 가열된 IT-cut 결정은 얇은 광학 필름의 정확한 측정에 이상적이다.
예
"IT-cut" 석영 결정의 예는 진동-처리 챔버에서 광학재(플루오르화 마그네슘 (magnesium fluoride))의 코팅을 모니터하기 위해 사용된다. 이 결정 타입은 석영의 열 특성이 광학재 증착을 모니터링하는 더 안정된 수단을 제공하기 위해 변화될 수 있는지 아닌지를 결정하기 위한 실험을 위해 선택된다. 현 사용의 표준 결정 타입은 "AT-cut"석영으로 언급되고, 온도 및 코팅 응력에 매우 의존적이다. 본 실험의 실행에서, 적외선-가열원, 석영 램프는 전형적인 산업 응용분야에 존재하는 조건을 모의 실험하기 위해 결정을 방사적으로 가열하는데 사용된다. 본 결정은 AT-cut과 현저하게 대조적으로, 램프가 켜질 때, 눈에 띄는 주파수 변환을 기재하지 않는다. 그것이 센서의 정밀도를 현저히 향상시키기 때문에, 이것은 놀랄만한 특성이다.
상기 실험은 또한 결정의 작동 온도를 상승시키는데 사용되는 분리식 캡톤 접촉 히터를 추가하여, 반복된다. 가열된 결정은, 전처럼 방사 열 효과에 눈에 띄는 응답의 동일한 결핍을 가지면서, 또한 플루오르화 마그네슘 광학 필름 코팅 처리를 모니터링하기 위해 사용될 때 더 길고 더 큰 안정성으로 작동된다. 본 실험은 "AT-cut" 결정과 함께 반복되고, 또한 가열된다. 유사한 효과가 관찰된다. 이것은 보통 물로 냉각되는(예를 들면, 약 20℃) 산업 표준 "AT-cut"의 성능에 대해 현저한 향상이다.
상술된 장치의 임의의 둘 이상의 구조적인 부분이 병합될 수 있다. 상술된 장치의 임의의 구조적인 부분은(필요하다면, 같이 유지되는) 둘 이상의 부분에 제공될 수 있다.
Claims (36)
- 필름 두께 및/또는 필름 두께 증가 속도를 측정하기 위한 장치이며,적어도 한 개의 압전 소자와,상기 압전 소자의 적어도 제1 구역과 접촉하는 제1 전극과,상기 압전 소자의 적어도 제2 구역과 접촉하는 제2 전극과,상기 압전 소자를 가열하는 히터를 포함하고,상기 제2 구역은 제1구역으로부터 이격되는 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 히터는 압전 소자를 적어도 약 50℃의 온도까지 가열하는 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 압전 소자는 석영 결정을 포함하는 장치.
- 제3항에 있어서, 상기 압전 소자는 AT-cut, IT-cut 및 SC-cut 석영 결정으로부터 선택된 장치.
- 제4항에 있어서, 상기 압전 소자는 IT-cut 석영 결정인 장치.
- 제1항에 있어서, 냉각 시스템을 더 포함하는 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 히터는 본체에 접촉하고, 상기 압전 소자는 상기 본체에 접촉하는 장치.
- 필름 두께 및/또는 필름 두께 증가 속도를 측정하기 위한 장치이며,IT-cut 석영 결정을 구비한 적어도 한 개의 압전 소자와,상기 압전 소자의 적어도 제1 구역과 접촉한 제1 전극과,상기 압전 소자의 적어도 제2 구역과 접촉하는 제2 전극을 포함하고,상기 제2 구역은 제1 구역으로부터 이격되는 장치.
- 제8항에 있어서, 상기 제1 전극과 압전 소자를 가로지르는 상기 제2 전극 사이에 전압을 인가하는 전력 공급원을 더 포함하는 장치.
- 제8항에 있어서, 상기 압전 소자를 가열하는 히터를 더 포함하는 장치.
- 제10항에 있어서, 상기 히터는 상기 압전 소자를 적어도 약 50℃의 온도까지 가열하는 장치.
- 제10항에 있어서, 상기 히터는 본체에 접촉하고, 상기 압전 소자는 상기 본체에 접촉하는 장치.
- 필름 두께 및/또는 필름 두께 증가 속도를 측정하기 위한 방법이며,제1 전극에서 제2 전극까지 압전 소자를 따라 전압을 인가하여 상기 압전 소자가 진동하게 되는 단계와,상기 압전 소자에 열을 인가하는 단계와,상기 압전 소자의 진동 속도를 측정하는 단계를 포함하고,상기 제1 전극은 상기 압전 소자의 제1 구역과 접촉하고,상기 제2 전극은 상기 압전 소자의 제2 구역과 접촉하는 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 압전 소자는 사실상 일정 온도에서 유지되는 방법.
- 제14항에 있어서, 상기 압전 소자는 적어도 약 50℃의 온도에서 유지되는 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 압전 소자는 석영 결정을 포함하는 방법.
- 제16항에 있어서, 상기 압전 소자는 AT-cut, IT-cut 및 SC-cut 석영 결정으로부터 선택된 방법.
- 제17항에 있어서, 상기 압전 소자는 IT-cut 석영 결정인 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 압전 소자에 열을 인가하는 방법은 본체를 접촉 가열함으로써 수행되고, 따라서 상기 압전 소자는 상기 본체와 직접적 또는 간접 접촉을 통해 가열되는 방법.
- 필름 두께 및/또는 필름 두께 증가 속도를 측정하기 위한 방법이며,제1 전극에서 제2 전극까지 압전 소자를 따라 전압을 인가하여 상기 압전 소자가 진동하게 되는 단계와,상기 압전 소자의 진동 속도를 측정하는 단계를 포함하고,상기 제1 전극은 상기 압전 소자의 제1 구역과 접촉하고,상기 제2 전극은 상기 압전 소자의 제2 구역과 접촉하고,상기 압전 소자는 IT-cut 석영 결정을 포함하는 방법.
- 제20항에 있어서, 상기 압전 소자에 열을 인가하는 단계를 더 포함하는 방법.
- 제21항에 있어서, 상기 압전 소자가 사실상 일정 온도에서 유지되는 방법.
- 제21항에 있어서, 상기 압전 소자는 적어도 약 50℃의 온도에서 유지되는 방법.
- 제21항에 있어서, 상기 압전 소자에 열을 인가하는 단계는 본체에 접촉 가열함으로써 수행되고, 상기 압전 소자는 본체와 직접 또는 간접 접촉을 통해 가열되는 방법.
- 필름을 증착하고 필름 두께 및/또는 필름 두께 증가 속도를 측정하기 위한 방법이며,적어도 하나의 기판 및 하나의 압전 소자 위에 재료를 증착하는 단계와,상기 압전 소자에 열을 인가하는 단계와,제1 전극에서 제2 전극까지 압전 소자를 따라 전압을 인가하여 상기 압전 소자가 진동하게 되는 단계와,상기 압전 소자의 진동 속도를 측정하는 단계를 포함하고,상기 제1 전극은 상기 압전 소자의 제1 구역과 접촉하고,상기 제2 전극은 상기 압전 소자의 제2 구역과 접촉하는 방법.
- 제25항에 있어서, 상기 압전 소자는 사실상 일정 온도에서 유지되는 방법.
- 제26항에 있어서, 상기 압전 소자는 적어도 약 50℃의 온도에서 유지되는 방법.
- 제25항에 있어서, 상기 압전 소자는 석영 결정을 포함하는 방법.
- 제28항에 있어서, 상기 압전 소자는 AT-cut, IT-cut 및 SC-cut 석영 결정으로부터 선택되는 방법.
- 제29항에 있어서, 상기 압전 소자는 상기 압전 소자는 IT-cut 석영 결정인 방법.
- 제25항에 있어서, 상기 압전 소자에 열을 인가하는 단계는 본체를 접촉 가열함으로써 수행되고, 상기 압전 소자는 본체에 직접 또는 간접 접촉을 통해 가열되는 방법.
- 필름을 증착하고 필름 두께 및/또는 필름 두께 증가 속도를 측정하기 위한 방법이며,적어도 하나의 기판 및 IT-cut 석영 결정을 구비한 적어도 하나의 압전 소자 위에 재료를 증착하는 단계와,제1 전극에서 제2 전극까지 압전 소자를 따라 전압을 인가하여 상기 압전 소자가 진동하게 되는 단계와,상기 압전 소자의 진동 속도를 측정하는 단계를 포함하고,상기 제1 전극은 상기 압전 소자의 제1 구역에 접촉하고,상기 제2 전극은 상기 압전 소자의 제2 구역에 접촉하는 방법.
- 제32항에 있어서, 상기 압전 소자에 열을 인가하는 단계를 더 포함하는 방법.
- 제33항에 있어서, 상기 압전 소자는 사실상 일정 온도에서 유지되는 방법.
- 제33항에 있어서, 상기 압전 소자는 적어도 약 50℃의 온도에서 유지되는 방법.
- 제33항에 있어서, 상기 압전 소자에 열을 인가하는 단계는 본체에 접촉 가열함으로써 수행되고, 상기 압전 소자는 본체에 직접 또는 간접 접촉을 통해 가열되는 방법.
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