KR20160124170A - 막 두께 감시장치용 센서, 그것을 구비한 막 두께 감시장치, 및 막 두께 감시장치용 센서의 제조방법 - Google Patents

막 두께 감시장치용 센서, 그것을 구비한 막 두께 감시장치, 및 막 두께 감시장치용 센서의 제조방법 Download PDF

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KR20160124170A
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Abstract

간소한 구성에 의해 막 두께의 측정 정밀도를 향상시켜서, 고정밀의 성막 레이트를 실현할 수 있는 막 두께 감시장치용 센서 및 그것을 이용한 막 두께 감시장치를 제공한다. 수정 결정축인 직교좌표계 X축, Y축, Z축에 있어서 Z축 주위로 θ회전하고, X축 주위로 φ회전한 수정판을 가지고, 수정 진동자의 온도가 10 ~ 170℃에 있어서의 주파수 편차가 ±20 ppm 이하가 되는 θ 및 φ를 가지는 SC-Cut 수정 진동자와, 수정 진동자를 유지하고, 수정 진동자를 냉각하는 냉각수단을 가지지 않는 센서 헤드를 구비했다.

Description

막 두께 감시장치용 센서, 그것을 구비한 막 두께 감시장치, 및 막 두께 감시장치용 센서의 제조방법{SENSOR FOR FILM THICKNESS MONITORING DEVICE, FILM THICKNESS MONITORING DEVICE PROVIDED WITH SAME, AND METHOD FOR MANUFACTURING SENSOR FOR FILM THICKNESS MONITORING DEVICE}
본 발명은, 수정(水晶) 진동자 상에 형성되는 박막의 막 두께 측정 등에 이용되는 막 두께 감시장치용 센서, 그것을 구비한 막 두께 감시장치, 및 막 두께 감시장치용 센서의 제조방법에 관한 것이다.
진공 증착, 스퍼터링, CVD(화학 증착) 등의 성막 공정에 있어서는, 성막 대상물 상의 막 두께나 증착 레이트(증착 속도)를 제어하기 위해서, 막 두께 감시(성막 제어)장치가 이용된다. 이 막 두께 감시장치로서 수정 진동자 상에 형성되는 박막의 막 두께를 측정하는 것에 의하여 안정된 성막을 행할 수 있도록 제어하는 것이 알려져 있다. 이러한 막 두께 감시장치는, 수정 진동자의 표면에 물질이 부착되면 그 공진 진동(세로 진동, 미끄럼 진동, 굴신(屈伸) 진동 등)이 변화하는 것을 이용하여, 물질의 막 두께를 측정한다.
수정 진동자가 안정된 발진을 유지하기 위해서, 예를 들면 특허문헌 1에는, 실온으로부터 80℃까지에 있어서의 공진 주파수의 온도 드리프트가 20 ppm 이하인 AT커트 기판제의 수정 진동자에 의한 막 두께 감시에 관한 기술이 개시되어 있다. 이 기술은, 센서 헤드의 온도가 80℃를 초과할 때까지는, 수정 진동자의 냉각처리를 실시하지 않는 것에 의해, 냉각수의 온도 변화에 의한 성막 레이트의 편차를 저감시킨다. 한편, 이 기술은, 80℃를 초과했을 때는 냉각처리에 의해 온도 상승에 의한 공진 주파수의 온도 드리프트를 제한한다.
또한, 특허문헌 2에는, 센서 헤드에 SC-Cut 수정 진동자를 이용하는 수정 마이크로 밸런스 센서 장치가 개시되어 있다. 이 수정 마이크로 밸런스 센서 장치는, AT-Cut 수정 진동자에서의 과제인, 성막중에 있어서 성막 환경하에서 고온에 노출되는 것에 의한 발진 주파수에 주는 영향을 작게 한다.
일본 공개특허공보 2006-78302호 일본 공개특허공보 2006-292733호
수냉 처리를 행하기 위해서는, 펌프나 파이프 등의 냉각수를 순환시키기 위한 냉각수단을 마련할 필요가 있다. 이 냉각처리는 상술한 작용을 가지지만, 냉각수단으로부터의 누수에 의해, 성막 장치 등이 침수가 될 우려가 있었다. 또한, 냉각수단을 마련할 필요가 있기 때문에, 증착장치의 구성이 복잡화되어 버린다.
또한, SC-Cut 수정 진동자를 이용했을 경우, 상술한 바와 같이 AT-Cut 수정 진동자를 이용했을 경우에 비하여 고온 환경하에서의 온도에 의한 주파수 변동을 최대한 억제하여, 고정밀의 측정을 할 수 있다. 그러나, 특허문헌 2에는, 단순하게 SC-Cut 수정 진동자를 이용하는 것이 개시되어 있을 뿐이며, 성막 공정에 있어서 정밀도 좋게 측정을 할 수 있는 SC-Cut 수정 진동자의 상세한 구성에 대해서는 개시되어 있지 않았다. 또한, 진공 증착장치, 스퍼터 장치 등의 성막 장치에 있어서는, 성막 대상뿐만 아니라 수정 진동자에도 박막이 형성되어 버린다. 이 박막이 두꺼워지면, 수정 진동자 상의 증발물질막의 박리나 내부 응력의 축적에 의해서 수정 진동자의 공진 진동이 불안정하게 되거나, 주파수 측정 범위로부터 벗어나게 되거나 한다. 그러나, 특허문헌 2에 있어서는, 성막 장치에 있어서의 이러한 사정에 대해서는 고려되어 있지 않았다.
본 발명은 이러한 사정을 고려해서 이루어진 것으로, 간소한 구성에 의해 막 두께의 측정 정밀도를 향상시키고, 고정밀의 성막 레이트를 실현할 수 있는 막 두께 감시장치용 센서, 그것을 이용한 막 두께 감시장치, 및 막 두께 감시장치용 센서의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 막 두께 감시장치용 센서는, 수정 결정축인 직교좌표계 X축, Y축, Z축에 있어서 Z축 주위로 θ회전하고, X축 주위로 φ회전한 수정판을 가지고, 수정 진동자의 온도가 10 ~ 170℃에 있어서의 주파수 편차가 ±20 ppm 이하가 되는 상기 θ 및 φ를 가지는 SC-Cut 수정 진동자와, 상기 수정 진동자를 유지하고, 상기 수정 진동자를 냉각하는 냉각수단을 가지지 않는 센서 헤드를 구비했다.
또한, 본 발명에 관한 막 두께 감시장치는, 상기 막 두께 감시장치용 센서를 구비했다.
또한, 본 발명에 관한 막 두께 감시장치용 센서의 제조방법은, 수정 결정축인 직교좌표계 X축, Y축, Z축에 있어서 Z축 주위로 θ회전하고, X축 주위로 φ회전한 수정판을 가지는 SC-Cut 수정 진동자와, 상기 수정 진동자를 유지하는 센서 헤드를 구비하는 막 두께 감시장치용 센서의 제조방법에 있어서, 상기 θ 및 상기 φ를 θ1 및 φ1로 하고, 또한 상기 수정판이 상기 θ1 및 φ1을 가지는 경우의 기준 온도와 비교 온도의 주파수의 차이를 ΔF1로 정의하여, 3조(組)의 (θ1, φ1, ΔF1)을 결정하고, 3조의 상기 (θ1, φ1, ΔF1)를 통과하는 평면의 식인 제1식 θ1x + φ1y + ΔF1z = 0을 구하는 공정과, 상기 θ 및 상기 φ를 θ2 및 φ2로 하고, 또한 상기 수정판이 상기 θ2 및 φ2를 가지는 경우의 상기 수정 진동자의 표면에 소정 온도의 열충격이 가해지기 전과 가해지고 있는 동안에 있어서의 주파수의 차이의 최대치를 ΔF2로 정의하여, 3조의 (θ2, φ2, ΔF2)를 결정하고, 3조의 상기 (θ2, φ2, ΔF2)를 통과하는 평면의 식인 제2식 θ2x + φ2y + ΔF2z = 0을 구하는 공정과, 상기 제1식과 상기 제2식에 있어서 z = 0으로 하여 연립시켜서 x 및 y를 구하는 공정과, 구해진 상기 x 및 y를 각각 θ 및 φ로 한 수정판을 가지는 수정 진동자를 상기 센서 헤드에 조립하는 공정을 구비한다.
본 발명에 관한 막 두께 감시장치용 센서, 그것을 이용한 막 두께 감시장치 및 막 두께 감시장치용 센서의 제조방법에 있어서는, 간소한 구성에 의해 막 두께의 측정 정밀도를 향상시켜서, 고정밀의 성막 레이트를 실현할 수 있다.
도 1은 본 실시형태에 있어서의 막 두께 감시장치용 센서 및 그것을 이용한 막 두께 감시장치를 적용 가능한 진공 증착장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 AT-Cut 수정 진동자를 구비한 센서의 주파수 온도 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3은 SC-Cut 수정 진동자를 구비한 센서의 주파수 온도 특성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 AT-Cut 수정 진동자의 주파수 온도 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 AT-Cut 수정 진동자의 주파수 온도 특성을, 형성된 Al 박막의 막 두께(발진 주파수)로 비교한 그래프이다.
도 6은 AT-Cut 수정 진동자의 표면에 소정 온도가 되도록 열충격을 부여한 경우의 주파수의 시간 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7은 AT-Cut 수정 진동자의 표면에 소정 온도가 되도록 열충격을 부여한 경우의 주파수의 시간 변화를, 형성된 박막의 막 두께(발진 주파수)로 비교한 그래프이다.
도 8은 SC-Cut 수정 진동자의 주파수 온도 특성을, 형성된 Al 박막의 막 두께(발진 주파수)로 비교한 그래프이다.
도 9는 SC-Cut 수정 진동자의 표면에 소정 온도가 되도록 열충격을 부여한 경우의 주파수의 시간 변화를, 형성된 박막의 막 두께(발진 주파수)로 비교한 그래프이다.
도 10은 AT-Cut 수정 진동자를 이용한 센서를 구비하는 막 두께 감시장치와, SC-Cut 수정 진동자를 이용한 센서를 구비하는 막 두께 감시장치에서, 수정 진동자의 발진 주파수의 시간 변화를 비교한 그래프이다.
도 11은 AT-Cut 수정 진동자를 이용한 센서를 구비하는 막 두께 감시장치와, SC-Cut 수정 진동자를 이용한 센서를 구비하는 막 두께 감시장치에서, 증착 레이트의 시간 변화를 비교한 그래프이다.
도 12는 AT-Cut 수정 진동자를 이용한 센서를 구비하는 막 두께 감시장치와, SC-Cut 수정 진동자를 이용한 센서를 구비하는 막 두께 감시장치에서, 전원 출력의 시간 변화를 비교한 그래프이다.
도 13은 본 실시형태에 있어서의 막 두께 감시장치를 적용한 스퍼터 장치의 개략적인 구성도이다.
본 발명에 관한 막 두께 감시장치용 센서, 그것을 이용한 막 두께 감시장치 및 막 두께 감시장치용 센서의 제조방법의 일실시형태를 첨부 도면에 기초하여 설명한다.
도 1은, 본 실시형태에 있어서의 막 두께 감시장치용 센서(3) 및 그것을 이용한 막 두께 감시장치(2)를 적용 가능한 진공 증착장치(1)의 개략적인 구성도이다.
본 실시형태에 있어서의 막 두께 감시장치용 센서(3)(센서(3))는, 예를 들면 도 1에 나타내는 진공 증착장치(1)에 적용된다. 이 진공 증착장치(1)는, 예를 들면 반도체나 전극용 금속막, 유기EL막 등을 위한 성막에 이용된다. 진공 증착장치(1)는, 진공조(10) 내에, 성막 재료를 증발시키는 증발원(11)과, 성막 대상물(12)과, 성막 공정 전 등에 있어서 성막 대상물(12)에 대해서 성막 재료가 기화된 증기를 차단하기 위한 셔터기구(13)를 구비한다. 또한, 진공 증착장치(1)는, 막 두께 감시장치로서 수정 발진식의 막 두께 감시장치(2)를 구비한다.
막 두께 감시장치(2)는, 센서(3)와, 발진기(15)와, 막 두께계(16)를 구비한다. 센서(3)는, 센서 헤드에 의해 수정 진동자를 유지한다. 수정 진동자는, 수정판과, 수정판에 마련되어서 전압을 인가하는 전극을 구비한다. 수정 진동자는, 수정판의 수정 결정축인 직교좌표계 X축, Y축, Z축에 있어서 Z축 주위로 θ회전하고, X축 주위로 φ회전하여 커트된 SC-Cut의 수정판을 이용한 수정 진동자(SC-Cut 수정 진동자)이며, 수정 진동자의 온도가 10 ~ 170℃에 있어서의 주파수 편차(주파수 온도 특성)가 ±20 ppm 이하가 되는 θ 및 φ를 가진다. 또한, 바람직하게는, 수정 진동자는, 수정 진동자의 온도가 20 ~ 65℃에 있어서의 주파수 편차가 ±10 ppm 이하가 되는 θ 및 φ를 가진다. 또한, 바람직하게는, 수정 진동자는, 50℃ 이하의 열충격이 수정 진동자의 표면에 가해지기 전의 주파수에 대한, 열충격이 수정 진동자의 표면에 가해졌을 경우에 있어서의 주파수의 변화가, ±10 ppm 이하가 되는 θ 및 φ를 가진다. 또한, 주파수 편차가 ±20 ppm 이하로 한 것은, 막 두께 측정 등을 정밀도 좋게 실시할 수 있는 범위가 ±20 ppm 이하이기 때문이다.
수정 진동자는, 바람직하게는 회전각도(θ)가 33°40′±16′이며, 회전각도(φ)가 24°00′±6°이다. 특히 바람직하게는, 회전각도(θ)가 33°40′이며, 회전각도(φ)가 24°00′이다. 전극에는, 예를 들면 금, 은 등 여러 가지의 금속재료를 적용할 수 있다. 수정 진동자는, 표면에 부착된 성막 재료의 막 두께에 대응하여 진동하는 것에 의하여, 막 두께를 검출한다. 수정 진동자는, 예를 들면 2 M ~ 30 MHz의 공진 주파수를 가진다.
발진기(15)는, 수정 진동자의 공진 주파수로 발진하고, 측정한 수정 진동자의 발진 주파수 변화를 전기신호로서 막 두께계(16)에 출력한다. 막 두께계(16)는, 발진기(15)로부터의 전기신호에 기초하여 성막 대상물(12)의 막 두께, 현재 상태의 증착 레이트 등을 계산하고, 증발원용 전원(17)에 적정한 전력 지시치를 출력하고, 설정된 증착 레이트가 되도록 피드백 신호를 출력한다. 증발원용 전원(17)은, 막 두께 감시장치(2)의 출력에 기초하여 증발원(11)에 필요한 전력을 출력한다.
이하, 센서(3)의 상세에 대해서 설명한다. 본 실시형태에 있어서의 센서(3)는, AT-Cut의 수정판을 이용한 수정 진동자를 구비한 센서가 통상 가지는, 수정 진동자를 냉각하기 위한 냉각수단을 가지는 일 없이, 고정밀의 측정을 실현할 수 있다.
즉, AT-Cut의 수정판을 이용한 수정 진동자(AT-Cut 수정 진동자)를 구비한 센서는, 고온 환경하에 있어서의 온도에 의한 주파수 변동이 크다. 이것에 의해, 증발원으로부터의 열이나 고온의 증착물의 부착에 의해 수정판의 온도가 상승하면, 막 두께계에 있어서 큰 측정 오차를 일으키게 된다.
처음에, 수정 진동자의 온도가 10 ~ 170℃에 있어서의 주파수 편차가 ±20 ppm 이하가 되는 센서(3)의 우위성에 대해서, AT-Cut 수정 진동자를 구비한 센서와 비교하면서 설명한다.
도 2는, AT-Cut 수정 진동자를 구비한 센서의 약 20 ~ 170℃의 주파수 온도 특성을 나타내는 그래프이다. 도 2에 있어서의 AT-Cut 수정 진동자는, 수정 결정축의 직교좌표계 X축, Y축, Z축 중 Z축 주위의 회전각도(θ)가 35°15′가 되도록 커트된 것이다. 또한, 수정 진동자는, 5 MHz의 공진 주파수를 가진다.
AT-Cut 수정 진동자는, 약 20℃에서 80℃까지는, 양호한 주파수 온도 특성을 가지지만, 100℃ 근방부터 주파수 편차가 급격하게 상승한다. 이 때문에, 수정 진동자가 양호한 주파수 편차를 가지는 온도의 범위 내에 들어가도록, 센서 헤드에 냉각수를 공급하여 수정 진동자의 냉각처리를 행할 필요가 있다. 즉, AT-Cut 수정 진동자를 이용했을 경우에 고온영역에 있어서도 측정 정밀도를 향상시키려고 하면, 냉각수단이 필수가 된다.
여기서, 도 3은, SC-Cut 수정 진동자를 구비한 센서의 주파수 온도 특성을 나타내는 그래프이다. 비교를 용이하게 하기 위하여, 도 3에는 도 2에 나타내는 AT-Cut 수정 진동자를 구비한 센서의 주파수 온도 특성도 병기되어 있다. 도 3에 있어서의 SC-Cut 수정 진동자는, 수정 진동자의 온도가 10 ~ 170℃에 있어서의 주파수 편차가 ±20 ppm 이하가 되는 θ 및 φ를 가지는 SC-Cut 수정 진동자의 일례이다. 이 수정 진동자는, 구체적으로는 수정 결정축의 직교좌표계 X축, Y축, Z축 중 Z축 주위의 회전각도(θ)가 33°40′, X축 주위의 회전각도(φ)가 24°00′이 되도록 커트된 것이다. 또한, 수정 진동자는, 5 MHz의 공진 주파수를 가진다.
본 실시형태에 있어서의 센서(3)는, 특히, 약 30℃로부터 170℃의 고온영역에 걸쳐서, 주파수 편차가 ±5 ppm 이하로 되어 있다. 즉, 센서(3)는 상술한 AT-Cut 수정 진동자와 같이, 고온영역에 있어서도 온도에 의한 측정 오차가 생기기 어렵고, 정밀도 좋게 측정 등이 가능하다고 말할 수 있다.
이 때문에, 본 실시형태에 있어서의 센서(3)는, 센서(3)를 냉각하기 위한 수냉수단을 마련할 필요가 없고, 구성의 간소화를 실현할 수 있다. 냉각수단을 생략할 수 있기 때문에, 센서(3)는 수냉수단으로부터의 누수에 의한 증착장치의 고장 등을 회피할 수 있는 점에 있어서도 유효하다. 그 결과, 온도에 의한 주파수 변동을 억제하여 장치 전체로서 정밀도가 높은 막 두께 측정 및 증발 레이트 제어가 가능해진다.
다음에, 수정 진동자의 온도가 20 ~ 65℃에 있어서의 주파수 편차가 ±10 ppm 이하가 되는 경우의 센서(3)의 우위성에 대해서, AT-Cut 수정 진동자를 구비한 센서와 비교하면서 설명한다.
도 4는, AT-Cut 수정 진동자를 구비한 센서의 20 ~ 65℃의 주파수 온도 특성을 나타내는 그래프이다. 도 4 및 이하의 설명에 있어서 비교를 위해서 이용한 AT-Cut 수정 진동자는, 수정 결정축의 직교좌표계 X축, Y축, Z축 중 Z축 주위의 회전각도(θ)가 35°15′가 되도록 커트된 것이다.
AT-Cut 수정 진동자는, 약 25℃를 변곡점으로 하여, 약 20℃로부터 70℃에 있어서 양호한 주파수 온도 특성을 가진다. 그러나, 성막 공정에 있어서 반복 사용되는 것에 의하여 수정 진동자에 박막이 형성되면, 주파수 온도 특성은 변화되어 버린다.
여기서, 도 5는, AT-Cut 수정 진동자의 주파수 온도 특성을, 형성된 Al 박막의 막 두께(발진 주파수)로 비교한 그래프이다. 도 5에 있어서는, 박막이 형성되어 있지 않은 경우(new)와, 박막이 형성된 결과 발진 주파수가 단계적으로 변화되었을 경우의 주파수 온도 특성을 나타낸다. 또한, 도 5에 있어서는, 각 선은 막 두께에 의존하여 감소하는 발진기의 출력 주파수마다 (5.00 MHz(new, 박막 없음), 4.903 MHz, 4.804 MHz, 4.694 MHz)로 나타내고, 그래프의 Y축은 온도 드리프트 주파수(Hz)를 나타낸다. 또한, 이와 같이 증착막이 형성되었을 경우의 수정 진동자의 주파수 온도 특성이 크게 변화하는 현상에 대해서는, 본 발명자가 거듭되는 실험에 의해 발견한 사실이다.
수정 진동자에 성막 재료의 Al의 박막이 부착되면, 수정 진동자의 발진 주파수가 변화된다. 즉, 박막의 형성량에 대응하여 주파수 온도 특성이 오른쪽으로 하강하는 구배를 가진다. 종래, AT-Cut 수정 진동자를 이용한 센서(센서 헤드)의 온도에 대응하여 주파수 온도 특성을 보정하는 것에 의하여 측정 결과의 정밀도를 높이는 예가 개시되어 있다. 그러나, 이와 같이 수정 진동자에 박막이 부착되어 주파수 온도 특성이 커지면, 더이상 온도에 대응하여 보정을 행했다고 해도, 주파수의 보정 범위로부터 벗어나 버려서, 적절한 측정을 행할 수 없다. 이 때문에, 종래의 막 두께 감시장치로는 충분한 측정을 행할 수 없었다.
도 6은, AT-Cut 수정 진동자의 표면에 소정 온도가 되도록 열충격을 부여한 경우의 주파수의 시간 변화를 나타내는 그래프이다. 그래프의 Y축은 온도 드리프트 주파수(Hz)를 나타낸다(도 7 ~ 도 9에 있어서도 동일). 또한, AT-Cut 수정 진동자에 부여한 열충격은, 30 W의 할로겐 램프에 의한 복사열로 했다(도 7, 도 9에 있어서도 동일). 전자빔식 증착장치에서는, AT-Cut 수정 진동자(θ = 35°15′)를 이용했을 경우의 셔터 개방시의 복사열에 의한 주파수 변화는, 최대 200 Hz 정도, 수정 진동자의 표면온도는 50℃ 정도인 것을 실험적으로 알 수 있었다. 이 때문에, 200 Hz의 변화, 즉 표면온도 50℃에 상당하는 상황을, 출력 30 W의 할로겐 램프를 이용하여 만들었다.
AT-Cut 수정 진동자를 사용한 센서와 발진기를 조합했을 경우, 셔터기구에 의해 셔터가 열리면 증발원의 복사열에 의해 센서에 열충격이 급격하게 부가된다. 이것에 의해, 발진기로부터의 출력 주파수는, 주파수 온도 특성를 따르지 않고 급격하게 상승한다. 또한, 「열충격」의 발생은, 이산화 규소로 이루어져 있는 수정 진동자와, 금이나 은 등의 전극용 금속재료의 열팽창율차에 의한 수정 진동자의 내부 응력이 원인이라는 것을, 실험에 의해 알 수 있었다.
도 7은, AT-Cut 수정 진동자의 표면에 소정 온도가 되도록 열충격을 부여한 경우의 주파수의 시간 변화를, 형성된 박막의 막 두께(발진 주파수)로 비교한 그래프이다. 도 7에 있어서는, 각 선은 막 두께에 의존하여 감소하는 발진기의 출력 주파수마다 (5.00 MHz(new, 박막 없음), 4.970 MHz, 4.900 MHz, 4.845 MHz, 4.804 MHz, 4.743 MHz, 4.695 MHz)로 나타난다.
수정 진동자에 박막이 형성되면, 도 7에 나타내는 바와 같이 AT-Cut 수정 진동자의 발진 주파수에 대응하여 주파수 변화에 편차가 생기는 것을 알 수 있다. 이것에 의해, 주파수 온도 특성과 마찬가지로, 보정이 곤란하고, 성막 속도인 증착 레이트의 제어성이나 막 두께 측정 정밀도의 저하가 발생되어 버린다. 이 때문에, 주파수 온도 특성과 마찬가지로, 박막이 형성되어 있지 않은 상태로 보정을 행했을 경우라도, 박막이 형성됨에 따라 편차가 발생하여, 정확한 측정, 제어를 할 수 없다.
이에 대하여, SC-Cut 수정 진동자를 이용한 센서는, 표면에 박막이 형성되었을 경우라도, 주파수 온도 특성 및 열충격에 의한 주파수의 변화는 영향을 받는 일 없이, 안정된 막 두께 측정, 증착 속도의 제어를 행할 수 있다.
도 8은, SC-Cut 수정 진동자의 주파수 온도 특성을, 형성된 Al 박막의 막 두께(발진 주파수)로 비교한 그래프이다. 도 8에 있어서는, 각 선은 막 두께에 의존하여 감소하는 발진기의 출력 주파수마다 (5.00 MHz(new, 박막 없음), 4.90 MHz, 4.80 MHz, 4.70 MHz)로 나타난다.
도 9는, SC-Cut 수정 진동자의 표면에 소정 온도가 되도록 열충격을 부여한 경우의 주파수의 시간 변화를, 형성된 박막의 막 두께(발진 주파수)로 비교한 그래프이다. 도 9에 있어서는, 각 선은 막 두께에 의존하여 감소하는 발진기의 출력 주파수마다 (5.00 MHz(new, 박막 없음), 4.97 MHz, 4.90 MHz, 4.80 MHz, 4.70 MHz)로 나타난다.
설명을 위해서 이용한 SC-Cut 수정 진동자는, 수정 결정축 X축, Y축, Z축 중 Z축 주위의 회전각도(θ)가 34°, X축 주위의 회전각도(φ)가 22°30′이 되도록 커트된 것이다.
SC-Cut 수정 진동자에 대해서, 도 8에 나타내는 바와 같이, 박막이 형성되어 있지 않은 경우(5.00 MHz)와 박막이 최고로 형성되었을 경우(4.70 MHz)를 비교하면, 주파수는 최대에서도 40 Hz 정도밖에 변화하지 않는다. 이것은, AT-Cut 수정 진동자의 주파수의 변화에 비하여 1/10 정도이다. 또한, 이것은, 막 두께가 커져도, 즉 성막 공정을 여러 차례 반복했다고 해도, 수정 진동자의 주파수 온도 특성이 변화하지 않는 것을 나타낸다.
또한, 도 9에 나타내는 열충격에 대한 주파수의 시간 변화도 마찬가지로, 최대에서도 40 Hz 정도밖에 주파수는 변화하지 않고, AT-Cut 수정 진동자와 비교해서 변화가 작다. 즉, SC-Cut 수정 진동자는 주파수 온도 특성, 열충격에 의한 주파수 변화 모두 막 두께에 관계없이 변화가 적고, 성막 공정이 여러 차례 반복된 경우라도, 오차가 작은 측정을 유지할 수 있다. 그 결과, SC-Cut 수정 진동자를 센서에 이용한 막 두께 감시장치는, 적합한 증착 레이트 제어가 가능하다.
다음에, SC-Cut 수정 진동자의 커트 각의 결정방법, 즉 막 두께 감시장치용 센서의 제조방법에 대해서 설명한다.
SC-Cut 수정 진동자는 상술한 바와 같이, 막 두께에 대응한 주파수 온도 특성의 변화 및 열충격에 대한 주파수의 변화가, AT-Cut 수정 진동자에 비해서, 막 두께에 대응하여 변화되지 않는다. 이 때문에, 성막 공정이 반복되어서 수정 진동자에 박막이 형성된 것에 의해, 막 두께가 서서히 커졌을 경우에, 주파수 온도 특성 및 열충격에 의한 주파수 변화를 최소로 하기 위해서는, 박막이 형성되어 있지 않은 경우의 주파수 온도 특성 및 열충격에 의한 주파수 변화를 최소로 하면 좋다.
본 실시형태에 있어서는, 박막이 형성되어 있지 않은 경우의 주파수 온도 특성 및 열충격에 의한 주파수 변화를 최소로 할 수 있는 SC-Cut 수정 진동자의 θ 및 φ를 구하는 것에 의하여, 막 두께 감시장치용 센서에 적절한 SC-Cut 수정 진동자의 구성을 결정했다.
구체적으로는, 수정 진동자의 온도가 20 ~ 65℃에 있어서의 주파수 온도 특성이 ±10 ppm 이하가 되는 θ 및 φ를 가지는 SC-Cut 수정 진동자로 한다(조건 1). 또는, 수정 진동자 표면에 50℃ 이하의 열충격이 가해지기 전의 주파수에 대한, 열충격이 수정 진동자의 표면에 가해졌을 경우(가해진 후)에 있어서의 주파수의 변화가, ±10 ppm 이하가 되는 θ 및 φ를 가지는 SC-Cut 수정 진동자로 한다(조건 2). 또한, 수정 진동자는, 수정 결정축인 직교좌표계 X축, Y축, Z축에 있어서 Z축 주위로 θ회전하고, X축 주위로 φ회전한 것으로 한다. 또한, 수정 진동자는, 상기 조건 1 및 2의 어느 하나를 만족하는 것이라도, 쌍방을 만족하는 것이라도 좋다.
구체적으로는, Z축 주위의 회전각도(θ) 및 X축 주위의 회전각도(φ)를 각각 θ1 및 φ1로 정의한다. 또한, 주파수 온도 특성에 관하여, 수정 진동자가 θ1 및 φ1을 가지는 경우의 기준 온도와 비교 온도의 주파수의 차이를 ΔF1로 정의한다. 다음에, 3조(組)의 (θ1, φ1, ΔF1)을 결정한다. 또한, 3조의 (θ1, φ1, ΔF1)을 통과하는 평면의 식인 제1식 θ1x+φ1y+ΔF1z = 0을 구한다.
또한, θ 및 φ를 θ2 및 φ2로 정의한다. 또한, θ2 및 φ2를 가지는 수정 진동자의 표면에 소정 온도의 열충격이 가해지기 전과 가해지고 있는 동안에 있어서의 주파수의 차이의 최대치를 ΔF2로 정의한다. 다음에, 3조의 (θ2, φ2, ΔF2)를 결정한다. 또한, 3조의 (θ2, φ2, ΔF2)를 통과하는 평면의 식인 제2식 θ2x+φ2y+ΔF2z = 0을 구한다.
다음에, 제1식과 제2식에 있어서, z = 0으로 하여 연립시켜서 x 및 y를 구한다. 즉, 주파수 온도 특성 및 열충격에 의한 주파수 변화 ΔF1, ΔF2가 0인 경우의 θ 및 φ를 구한다. 그리고, 구해진 x 및 y에 기초하여 Z축 주위의 회전각도(θ) 및 X축 주위의 회전각도(φ)를 가지는 SC-Cut 수정 진동자를 센서에 조립하는 것으로, 막 두께 감시장치용 센서를 제조한다.
또한, 주파수 온도 특성 및 열충격에 의한 주파수의 변화가 ±10 ppm 이하가 되는 θ 및 φ의 범위에 대해서도, 제1식과 제2식에 기초하여 구한다. 이것에 의해, 주파수 온도 특성 및 열충격에 의한 주파수 변화가 적합해지는 θ 및 φ를 구할 수 있고, 고온 환경하에서의 온도에 의한 주파수 변동을 억제하여 측정 정밀도가 우수한 수정 진동자를 가지는 막 두께 감시장치용 센서를 제조할 수 있다.
이하, 구체적인 예를 이용하여 설명한다. SC-Cut 수정 진동자의 발진 주파수는 5 MHz로 한다.
상기 제1식 θ1x+φ1y+ΔF1z = 0을 구하기 위해서, 이하와 같은 3조의 (θ1, φ1, ΔF1)을 얻었다. θ1 및 φ1에 대해서는, 기준으로 한 θ = 34°, φ = 22°30′을 중심으로 임의로 수치를 선택했다. ΔF1에 대해서는, 각 θ1 및 φ1을 가지는 SC-Cut 수정 진동자를 이용하여 측정하는 것에 의하여 얻었다. ΔF1은, 기준 온도 20℃에 대한 비교 온도 65℃의 주파수 변화(20 ~ 65℃에 있어서의 주파수 변화)로 했다.
(θ1, φ1, ΔF1) = (33°50′, 24°45′, -70),
(33°50′, 25°25′, -82),
(34°00′, 25°25′, -147)
상기 3점을 통과하는 평면의 식은, 이하와 같이 되었다.
[수식 1]
-40.687x-2.004y-0.111389z+1418.37 = 0 … (1)
또한, 상기 제2식 θ2x+φ2y+ΔF2z = 0을 구하기 위해서, 이하와 같은 3조의 (θ2, φ2, ΔF2)를 얻었다. θ2 및 φ2는, θ1 및 φ1과 동일한 값으로 했다. ΔF2에 대해서는, 각 θ2 및 φ2로 이루어지는 SC-Cut 수정 진동자를 이용하여 측정하는 것에 의하여 얻었다. 30 W의 할로겐 램프의 복사열을 열충격으로서 이용하고, 수정 진동자의 표면온도가 50℃가 되도록 설정되었다. 즉, ΔF2는, 50℃ 이하의 열충격이 수정 진동자의 표면에 가해지기 전의 주파수에 대한, 열충격이 수정 진동자의 표면에 가해졌을 경우에 있어서의 주파수 변화이다.
(θ2, φ2, ΔF2) = (33°50′, 24°45′, -33),
(33°50′, 25°25′, -51),
(34°00′, 25°25′, -63)
상기 3점을 통과하는 평면의 식은, 이하와 같이 되었다.
[수식 2]
-8.004x-3.006y-0.111389z+341.52 = 0 … (2)
다음에, z = 0인 경우의 x 및 y를 구한다. 즉, 주파수 변화(ΔF1, ΔF2)가 0이 되는 경우의 θ 및 φ를 구한다. 그 결과, (θ, φ) = (33°41′, 23°57′)가 얻어졌다.
다음에, 주파수 온도 특성이 ±10 ppm, 및 열충격에 의한 주파수 변화가 ±10 ppm가 되는 θ 및 φ의 범위를 구한다. 5 MHz의 수정 진동자의 경우, 이들을 ±10 ppm로 하기 위해서는, ΔF1 및 ΔF2가 ±50 Hz이면 좋다. 이 때문에, ΔF1 및 ΔF2가 이하의 조합이 되는 경우의 θ 및 φ를, 상기 식(1) 및 식(2)로부터 구한다. 결과는 이하와 같다.
(ΔF1, ΔF2) = (50, 50)의 경우, (θ, φ) = (33°38′, 24°57′)
(ΔF1, ΔF2) = (50, -50)의 경우, (θ, φ) = (33°25′, 29°17′)
(ΔF1, ΔF2) = (-50, 50)의 경우, (θ, φ) = (33°56′, 18°36′)
(ΔF1, ΔF2) = (-50, -50)의 경우, (θ, φ) = (33°44′, 22°52′)
이것에 의해, 주파수 변화가 ±10 ppm 이하가 되는 θ 및 φ의 범위는
(θ, φ) = (33°40′±16′, 24°00′±6°)
가 된다. 또한, (θ, φ) = (33°40′, 24°00′)의 경우, SC-Cut 수정 진동자의 온도 드리프트 주파수를 최소치로 할 수 있다.
이와 같이, 본 실시형태에 있어서의 막 두께 감시장치용 센서, 그것을 구비한 막 두께 감시장치, 및 막 두께 감시장치용 센서의 제조방법에 의해 제조된 막 두께 감시장치용 센서는, 박막이 형성되어도 주파수 온도 특성의 변화 및 열충격에 의한 주파수 변화가 작다고 하는 SC-Cut 수정 진동자의 성질을 이용한 것에 의해, 고온 환경하에서의 온도에 따른 주파수 변동을 억제하여 정밀도가 높은 막 두께 측정 및 증발 레이트 제어가 가능해진다.
또한, 본 실시형태에 있어서의 막 두께 감시장치용 센서의 제조방법에 있어서는, 박막이 형성되어 있지 않은 SC-Cut 수정 진동자에 있어서 주파수 온도 특성 및 열충격에 의한 주파수 변화가 우수한 θ 및 φ를 근사하여 구했다. 이것에 의해, 박막이 형성되었을 경우에 있어서도, 형성되어 있지 않은 경우와 마찬가지로 정밀도가 높은 막 두께 측정 및 증발 레이트 제어를 실현할 수 있다.
또한, 이하의 도 10 ~ 도 12에 나타내는 바와 같이, SC-Cut 수정 진동자를 이용한 센서를 구비하는 막 두께 감시장치는, AT-Cut 수정 진동자를 이용한 센서 헤드를 구비하는 막 두께 감시장치에 비하여 정밀도 좋게 제어가 가능하다.
도 10은, AT-Cut 수정 진동자를 이용한 센서를 구비하는 막 두께 감시장치와, SC-Cut 수정 진동자를 이용한 센서를 구비하는 막 두께 감시장치로, 수정 진동자의 발진 주파수의 시간 변화를 비교한 그래프이다.
도 11은, AT-Cut 수정 진동자를 이용한 센서를 구비하는 막 두께 감시장치와, SC-Cut 수정 진동자를 이용한 센서를 구비하는 막 두께 감시장치로, 증착 레이트의 시간 변화를 비교한 그래프이다.
도 12는, AT-Cut 수정 진동자를 이용한 센서를 구비하는 막 두께 감시장치와, SC-Cut 수정 진동자를 이용한 센서를 구비하는 막 두께 감시장치에서, 전원 출력의 시간 변화를 비교한 그래프이다.
도 10 ~ 도 12는 닫힌 상태의 셔터를 250 s 경과한 시점에서 열린 상태로 하여 저(低)레이트 성막을 행한 예이다. AT-Cut 수정 진동자를 사용한 센서의 경우, 전원의 출력이 서서히 증가하는 것에 의하여, 셔터가 닫힌 상태의 경우라도 수정 진동자에 복사열에 의한 온도 드리프트가 발생한다. 또한, 셔터가 열린 상태가 되면, 열충격에 의해 수정 진동자의 발진 주파수가 높은 쪽으로 시프트한다. 한편, SC-Cut 수정 진동자를 사용한 센서의 경우, 같은 조건이라도 온도 드리프트, 열충격의 영향은 거의 없는 것을 알 수 있다.
이와 같이, SC-Cut 수정 진동자를 이용한 센서를 구비하는 막 두께 감시장치는, 주파수 변화, 증착 레이트 변화, 전원 출력 변화에 있어서, AT-Cut 수정 진동자를 이용한 센서를 구비하는 막 두께 감시장치에 의하여 고온 환경하에서의 온도에 의한 영향 등을 받는 일 없이 막 두께 감시 및 성막 공정의 제어가 가능하다.
또한, 본 실시형태에 있어서의 막 두께 감시장치용 센서(3) 및 그것을 구비한 막 두께 감시장치(2)는, 진공 증착장치(1)를 예로 설명했지만, 스퍼터링 장치나, CVD 장치에 적용해도 좋다.
도 13은, 본 실시형태에 있어서의 막 두께 감시장치를 적용한 스퍼터 장치의 개략적인 구성도이다.
스퍼터 장치(21)는, 진공조(31) 내에 기판(32)과, 성막 재료의 조성에 대응하여 형성된 타겟 전극(33)을 대향 배치한다. 진공조(31) 내에 있어서는, 고주파 전원(34)에 의해 소정 전력을 투입하고 글로우 방전시키는 것에 의하여, 플라즈마 분위기(35)가 형성된다. 스퍼터 장치(21)는, 플라즈마 분위기(35)중에서 전리된 희가스의 이온을 타겟으로 향하여 가속시켜서 충돌시키고, 이것에 의해 생긴 스퍼터 입자(타겟 원자)를 비산시켜서 기판 표면에 부착, 퇴적시킨다. 이것에 의해, 스퍼터 장치(21)는 박막을 형성한다.
이러한 스퍼터 장치(21)는, 도 1에 나타내는 진공 증착장치(1)와 마찬가지로, 센서(36), 발진기(37), 및 막 두께계(38)를 구비한 막 두께 감시장치(22)를 구비한다. 또한, 고주파 전원(34)과 타겟 전극(33) 사이의 임피던스의 정합을 도모하기 위한 임피던스 정합기(39)도 마련된다.
이러한 스퍼터 장치(21)나, CVD 장치는, 플라즈마에 노출되기 때문에 고온이며, 수냉이 필요하다. 그러나, 본 발명에 관한 SC-Cut 수정 진동자를 구비한 센서는, AT-Cut 수정 진동자에 비하여 고온영역에 있어서의 온도에 의한 주파수 편차가 적은 것이 특징이다. 또한, 이 센서는, AT-Cut 수정 진동자를 이용한 센서에 비하여 온도 드리프트의 발생이 적다. 이 때문에, 본 발명에 관한 센서는, 스퍼터 장치(21)나 CVD 장치에도 센서(36)로서 적합하게 이용할 수 있다.
또한, SC-Cut 수정 진동자는, 성막 공정에 있어서 이용된 후에, 형성된 박막 및 전극이 벗겨지고, 다시 전극이 성막되는 것에 의하여 재이용할 수 있다.
1: 진공 증착장치
3, 36: 막 두께 감시장치용 센서
2, 22: 막 두께 감시장치
10, 31: 진공조
11: 증발원
15, 37: 발진기
16, 38: 막 두께계
17: 증발원용 전원
21: 스퍼터 장치
32: 기판
33: 타겟 전극
34: 고주파 전원
35: 플라즈마 분위기
39: 임피던스 정합기

Claims (8)

  1. 수정 결정축인 직교좌표계 X축, Y축, Z축에 있어서, Z축 주위로 θ회전하고, X축 주위로 φ회전한 수정판을 가지고, 수정 진동자의 온도가 10 ~ 170℃에 있어서의 주파수 편차가 ±20 ppm 이하가 되는 상기 θ 및 φ를 가지는 SC-Cut 수정 진동자와,
    상기 수정 진동자를 유지하고, 상기 수정 진동자를 냉각하는 냉각수단을 가지지 않는 센서 헤드를 구비한 막 두께 감시장치용 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수정 진동자는, 상기 수정 진동자의 온도가 20 ~ 65℃에 있어서의 주파수 편차가 ±10 ppm 이하가 되는 상기 θ 및 φ를 가지는 막 두께 감시장치용 센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 수정 진동자는, 50℃ 이하의 열충격이 상기 수정 진동자의 표면에 가해지기 전의 주파수에 대한, 상기 열충격이 상기 수정 진동자의 표면에 가해졌을 경우에 있어서의 주파수의 변화가, ±10 ppm 이하가 되는 상기 θ 및 φ를 가지는 막 두께 감시장치용 센서.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 θ는 33°40′±16′이며, 상기 φ는 24°00′±6°인 막 두께 감시장치용 센서.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 θ는 33°40′이며, 상기 φ는 24°00′인 막 두께 감시장치용 센서.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 막 두께 감시장치용 센서를 구비한 막 두께 감시장치.
  7. 수정 결정축인 직교좌표계 X축, Y축, Z축에 있어서 Z축 주위로 θ회전하고, X축 주위로 φ회전한 수정판을 가지는 SC-Cut 수정 진동자와, 상기 수정 진동자를 유지하는 센서 헤드를 구비하는 막 두께 감시장치용 센서의 제조방법에 있어서,
    상기 θ 및 상기 φ를 θ1 및 φ1로 하고, 또한 상기 수정판이 상기 θ1 및 φ1을 가지는 경우의 기준 온도와 비교 온도의 주파수의 차이를 ΔF1로 정의하여, 3조(組)의 (θ1, φ1, ΔF1)을 결정하고, 3조의 상기 (θ1, φ1, ΔF1)를 통과하는 평면의 식인 제1식 θ1x + φ1y + ΔF1z = 0을 구하는 공정과,
    상기 θ 및 상기 φ를 θ2 및 φ2로 하고, 또한 상기 수정판이 상기 θ2 및 φ2를 가지는 경우의 상기 수정 진동자의 표면에 소정 온도의 열충격이 가해지기 전과 가해지고 있는 동안에 있어서의 주파수의 차이의 최대치를 ΔF2로 정의하여, 3조의 (θ2, φ2, ΔF2)를 결정하고, 3조의 상기 (θ2, φ2, ΔF2)를 통과하는 평면의 식인 제2식 θ2x + φ2y + ΔF2z = 0을 구하는 공정과,
    상기 제1식과 상기 제2식에 있어서 z = 0으로 하여 연립시켜서 x 및 y를 구하는 공정과,
    구해진 상기 x 및 y를 각각 θ 및 φ로 한 수정판을 가지는 수정 진동자를 상기 센서 헤드에 조립하는 공정을 구비하는 막 두께 감시장치용 센서의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    주파수 온도 특성 및 열충격에 의한 주파수 변화가 ±10 ppm 이하가 되는 상기 θ 및 φ의 범위를 상기 제1식과 제2식에 기초하여 구하는 공정과,
    구해진 상기 θ 및 φ의 범위 내의 상기 θ 및 φ를 가지는 수정판을 구비한 수정 진동자를 상기 센서 헤드에 조립하는 공정을 더 가지는 막 두께 감시장치용 센서의 제조방법.
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