KR20180027334A

KR20180027334A - 막후 센서

Info

Publication number: KR20180027334A
Application number: KR1020170106492A
Authority: KR
Inventors: 아츠시 이토
Original assignee: 가부시키가이샤 아루박
Priority date: 2016-09-06
Filing date: 2017-08-23
Publication date: 2018-03-14
Also published as: TW201819847A; TWI683089B; KR102341835B1; CN107794509B; JP2018040604A; CN107794509A; JP6564745B2

Abstract

[과제] 열 충격 특성이 뛰어난 막후 센서를 제공한다.
[해결 수단] 본 발명의 일 형태에 따른 막후 센서는, 수정 진동자를 구비한다.
상기 수정 진동자는, 표면 조도(surface roughness)(Ra)가 0.4 ㎛ 이하이며, 또한, 절단 레벨 50%에서의 부하 길이율(tp)이 95% 이상인 성막면을 가지는 AT컷형의 수정 진동자로 구성된다. 상기 성막면의 절단 레벨 50%에서의 부하 길이율(tp)은, 97% 이상인 것이 바람직하고, 상기 성막면의 표면 조도(Ra)는, 0.25 ㎛ 이하인 것이 바람직하다.

Description

막후 센서{FILM THICKNESS SENSOR}

본 발명은, 성막 프로세스에 이용되는 막후(膜厚, Film thickness) 센서에 관한 것이다.

종래, 진공 증착 장치 등의 성막 장치에서, 기판에 성막되는 막의 두께 및 성막 속도를 측정하기 위해, 수정 진동자법(QCM：Quartz Crystal Microbalance)이라는 기술이 이용되고 있다. 이 방법은, 챔버 내에 배치되어 있는 수정 진동자의 공진 주파수가, 증착물의 퇴적에 의한 질량의 증가에 의해 감소하는 것을 이용한 것이다. 따라서, 수정 진동자의 공진 주파수의 변화를 측정 함으로써, 막후 및 성막 속도를 측정하는 것이 가능해진다.

이런 종류의 막후 센서에서는, 착막량의 증가에 따라, 수정 진동자의 공진 주파수가 서서히 저하해, 소정의 주파수에 이르면, 이미 안정된 막후 측정을 실시할 수 없을 정도로 주파수의 변동이 커진다. 이 때문에, 공진 주파수가 소정 이상 저하한 경우에는, 수명이 다한 것으로 판단해 수정 진동자의 교환이 실시된다. 그 교환을 용이하게 실시하기 위해, 예를 들면 특허문헌 1에는, 5 MHz의 공진 주파수를 가지는 복수의 수정판을 보지(保持)하고, 사용하는 수정판을 개개(個個)로 절체(切替) 가능하게 구성된 센서 헤드가 기재되어 있다.

한편, 이런 종류의 막후 센서에서는, 열 충격 특성에 의해 성막 레이트의 측정치가 크게 변동한다 라는 문제가 있다. 예를 들면, 특허문헌 1에 기재된 것과 같은 센서 헤드를 이용한 수정 진동자의 절체 시, 혹은, 증발원을 차폐하는 셔터의 개방 조작 시에 있어서 증발원으로부터의 복사열을 순간적으로 받아 수정 진동자의 주파수 특성이 크게 변동하는 경우가 있다. 이러한 문제를 개선하기 위해, 예를 들면, 특허문헌 2에는, 수정 진동자의 성막면의 표면 조도(surface roughness)(Ra)를 소정 이하로 하는 것이 개시되어 있고, 이에 따라 수정 진동자의 열 충격 특성이 개선된다 라고 하고 있다.

[특허문헌 1] 일본 특개 2003-139505호 공보 [특허문헌 2] WO2015/182090호 공보

근년, 진공 증착 장치 등의 성막 장치에서는, 막후 센서의 고정밀화가 요구되고 있고, 특히 열 충격 특성에 대해서는, 성막 레이트나 막후의 제어에 미치는 영향이 크기 때문에, 열 충격 특성이 뛰어난 막후 센서의 개발이 급선무가 되고 있다. 그렇지만, 단지 수정 진동자의 표면 조도를 작게 하는 것 만으로는, 열 충격 특성의 개선에는 아직도 불충분하여, 한층 더 개선이 요구되고 있다. 또한, SC컷(SC cut)형(型)이나 IT컷(IT cut)형의 수정 진동자는, 비교적 열 충격 특성이 뛰어나다는 이점이 있지만, AT컷(AT cut)형과 같은 범용의 수정 진동자와 비교해 고가이기 때문에, 막후 센서의 고비용화를 초래하는 문제가 있다.

이상과 같은 사정을 감안하여, 본 발명의 목적은, 열 충격 특성이 뛰어나 고비용화를 억제할 수 있는 막후 센서를 제공하는 것에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명자는, 수정 진동자의 성막면의 표면 조도(Ra)를 소정 이하로 하면서, 절단 레벨 50%에서의 부하(負荷) 길이율(tp)이 소정 이상인 경우에, 수정 진동자의 열 충격 특성이 큰폭으로 개선되는 것을 발견하였다.

즉, 본 발명의 일 형태에 따른 막후 센서는, 수정 진동자를 구비한다.

상기 수정 진동자는, 표면 조도(Ra)가 0.4 ㎛ 이하이며, 또한, 절단 레벨 50%에서의 부하 길이율(tp)이 95% 이상인 성막면을 가지는 AT컷형의 수정 진동자로 구성된다.

상기 성막면의 절단 레벨 50%에서의 부하 길이율(tp)은, 97% 이상인 것이 바람직하다. 또한, 상기 성막면의 표면 조도(Ra)는, 0.25 ㎛ 이하인 것이 바람직하다.

상기 수정 진동자는, 결정(結晶)의 r면에 대해 3°05'±03'의 절단 방위(方位)를 가지는 수정 진동자로 구성되어도 무방하다.

상기 수정 진동자의 기본 발진 주파수는 특별히 한정되지 않으며, 전형적으로는, 4 MHz, 5 MHz 또는 6 MHz이다.

상기 성막면은, 금속막으로 구성되어도 무방하다. 금속막은, 전형적으로는, Ag막 또는 Au막이다.

상기 수정 진동자는, 상기 성막면이 평탄면인 플라노 컨벡스(Plano-Convex) 형상을 가져도 무방하다. 이에 따라, 등가 저항이 낮고, 진동하기 쉬운 진동자를 얻을 수 있다.

이상 말한 것처럼, 본 발명의 막후 센서에 의하면, 열 충격 특성이 뛰어나 고비용화를 억제할 수 있다.

[도 1] 본 발명의 일 실시 형태에 따른 막후 센서를 갖춘 성막 장치를 나타내는 개략 단면도이다.
[도 2] 상기 막후 센서의 구성을 나타내는 개략 단면도이다.
[도 3] 상기 성막 장치에서의 측정 유닛의 구성을 나타내는 블록도이다.
[도 4] A는 상기 막후 센서에서의 수정 진동자의 성막면을 모식적으로 나타내는 정면도이며, B는 그 배면도이다.
[도 5] 상기 수정 진동판의 열 충격 특성의 일례를 나타내는 도면이다.
[도 6] 상기 수정 진동판의 열 충격 특성의 일례를 나타내는 도면이다.
[도 7] 상기 수정 진동판의 성막면의 일례를 나타내는 주요부 확대도이다.
[도 8] 일반적인 AT컷 기판의 컷 각(cut angle)을 설명하는 수정(水晶)의 모식도이다.
[도 9] 상기 수정 진동판의 열 충격 특성의 일례를 나타내는 도면이다.
[도 10] 상기 수정 진동판의 열 충격 특성의 일례를 나타내는 도면이다.
[도 11] 상기 수정 진동판의 열 충격 특성의 일례를 나타내는 도면이다.
[도 12] 상기 수정 진동판의 열 충격 특성의 일례를 나타내는 도면이다.

이하, 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시 형태를 설명한다.

도 1은, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 막후 센서를 갖춘 성막 장치를 나타내는 개략 단면도이다. 본 실시 형태의 성막 장치는, 진공 증착 장치로서 구성된다.

본 실시 형태의 성막 장치(10)는, 진공 챔버(11)와, 진공 챔버(11)의 내부에 배치된 증착원(12)과, 증착원(12)과 대향하는 기판 홀더(13)와, 진공 챔버(11)의 내부에 배치된 막후 센서(14)를 가진다.

진공 챔버(11)는, 진공배기계(眞空排氣系)(15)와 접속되어 있고, 내부를 소정의 감압 분위기로 배기해서, 유지하는 것이 가능하게 구성된다.

증착원(12)은, 증착 재료의 증기(입자)를 발생시키는 것이 가능하게 구성된다. 본 실시 형태에서, 증착원(12)은, 금속재료, 금속 화합물 재료 혹은 유기 재료를 가열 증발시켜 증착 입자를 방출시키는 증발원을 구성한다. 증발원의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 저항 가열식, 유도 가열식, 전자빔 가열식 등의 여러 가지의 방식이 적용 가능하다.

기판 홀더(13)는, 반도체 웨이퍼나 유리 기판 등의 성막 대상인 기판(W)을, 증착원(12)을 향해 보지(保持)하는 것이 가능하게 구성되어 있다.

막후 센서(14)는, 소정의 기본 주파수(고유 진동수)를 가지는 수정 진동자를 내장하고, 후술하는 것처럼, 기판(W) 상의 증착막의 막후 및 성막 레이트를 측정하기 위한 센서 헤드를 구성한다. 막후 센서(14)는, 진공 챔버(11)의 내부이며, 증착원(12)과 대향하는 위치에 배치된다. 막후 센서(14)는, 전형적으로는, 기판 홀더(13)의 근방에 배치된다.

막후 센서(14)의 출력은, 측정 유닛(17)에 공급된다. 측정 유닛(17)은, 수정 진동자의 공진 주파수의 변화에 근거하여, 상기 막후 및 성막 레이트를 측정하는 것과 동시에, 상기 성막 레이트가 소정치가 되도록 증착원(12)을 제어한다. QCM의 흡착에 의한 주파수 변화와 질량 부하의 관계는, 이하의 식(1)에서 나타내는 사우어브레이(Sauerbrey)의 식이 이용된다.

식(1)에서, ΔFs는 주파수 변화량, Δm는 질량 변화량, f₀는 기본 주파수, ρ_Q는 수정(水晶)의 밀도, μ_Q는 수정의 전단 응력(shearing stress, 剪斷應力), A는 전극 면적, N는 정수(定數)를 각각 나타내고 있다.

성막 장치(10)는, 셔터(16)를 더 가진다. 셔터(16)는, 증착원(12)과 기판 홀더(13)와의 사이에 배치되고, 증착원(12)으로부터 기판 홀더(13) 및 막후 센서(14)에 이르는 증착 입자의 입사 경로를 개방 혹은 차폐하는 것이 가능하게 구성된다.

셔터(16)의 개폐는, 도시하지 않은 제어 유닛에 의해 제어된다. 전형적으로는, 셔터(16)는, 증착 개시 시, 증착원(12)에서 증착 입자의 방출이 안정될 때까지 폐쇄(閉塞)된다. 그리고, 증착 입자의 방출이 안정되었을 때, 셔터(16)는 개방된다. 이에 따라, 증착원(12)으로부터의 증착 입자가 기판 홀더(13) 상의 기판(W)에 도달해, 기판(W)의 성막 처리가 개시된다. 동시에, 증착원(12)으로부터의 증착 입자는, 막후 센서(14)에 도달해, 기판(W) 상의 증착막의 막후 및 그 성막 레이트가 감시된다.

[막후 센서]

계속해서, 막후 센서(14)의 상세에 대하여 설명한다. 도 2는 막후 센서(14)의 개략 단면도이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 막후 센서(14)는, 수정 진동자(20)와, 수정 진동자(20)를 진동 가능하게 지지하는 케이스(140)를 가진다. 수정 진동자(20)는, 성막면으로서의 표면(21)이 평탄면(平坦面)이며, 그 반대면인 이면(裏面)(22)이 철면(凸面)인 플라노 컨벡스(평철(平凸)) 형상을 가진다. 수정 진동자(20)는, 그 성막면이 증착원(12)에 대향하도록 케이스(140)에 수용되어 있다.

게다가, 막후 센서(14)는 케이스(140)의 내부에서, 수정 진동자(20)의 이면(22)의 주연(周緣)의 전극막(32)(도 4의 B)에 탄접(彈接)하는 복수의 부세(付勢) 부재(141)와, 수정 진동자(20)의 표면(21)의 주연의 전극막(31)(도 4의 A)에 당접(當接)하는 보지조(保持爪)(142)를 가진다. 부세 부재(141)는, 케이스(140)와는 전기적으로 절연된 금속 등의 도전성 재료로 구성되고, 후술하는 발진 회로(41)에 전기적으로 접속된다. 보지조(142)는, 수정 진동자(20)의 표면(21)을 증착원(12)을 향해 노출시키는 케이스(140)의 개구(開口)의 주연부(周緣部)를 구성한다. 케이스(140) 및 보지조(142)는 금속 등의 도전성 재료로 구성되어, 발진 회로(41)에 전기적으로 접속된다.

막후 센서(14)는, 단일의 수정 진동자(20)를 보지(保持)하는 구성에 한정되지 않으며, 복수의 수정 진동자(20)를 보지(保持)하는 것이 가능하게 구성되어도 무방하다. 이 경우, 도시하지 않고도, 복수의 수정 진동자는, 케이스 내에 동일 원주 상에 회전 가능하게 보지된다. 상기 케이스에는, 임의의 회전 각도에 위치하는 수정 진동자를 증착원에 노출시키는 단일의 개구가 설치되고 있는 것과 동시에, 상기 개구를 향하는 수정 진동자를 선택적으로 절체(切替)할 수 있는 절체 기구가 설치된다.

[측정 유닛]

다음으로, 측정 유닛(17)에 대해 설명한다.

도 3은, 측정 유닛(17)의 일 구성 예를 나타내는 개략 블록도이다. 측정 유닛(17)은, 발진 회로(41)와, 측정 회로(42)와, 컨트롤러(43)를 가진다.

발진 회로(41)는, 막후 센서(14)의 수정 진동자(20)를 발진시킨다. 측정 회로(42)는, 발진 회로(41)로부터 출력되는 수정 진동자(20)의 공진 주파수를 측정하기 위한 것이다. 컨트롤러(43)는, 측정 회로(42)를 통해 수정 진동자(20)의 공진 주파수를 단위 시간마다 취득하고, 기판(W) 상으로의 증착 재료 입자의 성막 레이트 및 기판(W)에 퇴적한 증착막의 막후(膜厚)를 산출한다. 게다가, 컨트롤러(43)는 성막 레이트가 소정치가 되도록 증착원(12)을 제어한다.

측정 회로(42)는, 믹서 회로(51)와, 저역 필터(lowpass filter)(52)와, 저주파 카운터(53)와, 고주파 카운터(54)와, 기준 신호 발생 회로(55)를 가진다. 발진 회로(41)로부터 출력된 신호는, 고주파 카운터(54)로 입력되고, 먼저, 발진 회로(41)의 발진 주파수의 개략치가 측정된다. 고주파 카운터(54)에서 측정된 발진 회로(41)의 발진 주파수의 개략치는, 컨트롤러(43)로 출력된다. 컨트롤러(43)는, 측정된 개략치에 근접한 주파수의 기준 주파수(예를 들면, 5 MHz)로 기준 신호 발생 회로(55)를 발진시킨다. 이 기준 주파수로 발진한 주파수의 신호와, 발진 회로(41)로부터 출력되는 신호는, 믹서 회로(51)로 입력된다.

믹서 회로(51)는, 입력된 2 종류의 신호를 혼합해, 저역 필터(52)를 통해 저주파 카운터(53)로 출력한다. 여기서, 발진 회로(41)로부터 입력되는 신호를 cos((ω＋α)t)로 하고, 기준 신호 발생 회로로부터 입력되는 신호를 cos(ωt)로 하면, 믹서 회로(51) 내에서 cos(ωt)·cos((ω＋α)t)가 되는 식으로 표현되는 교류 신호가 생성된다. 이 식은, cos(ωt)와 cos((ω＋α)t)를 승산(乘算)한 형식이 되고, 이 식으로 나타나는 교류 신호는, cos((2·ω＋α)t)로 표현되는 고주파 성분의 신호와, cos(αt)로 표현되는 저주파 성분의 신호의 합(和)과 동일하다.

믹서 회로(51)에서 생성된 신호는, 저역 필터(52)로 입력되고, 고주파 성분의 신호 cos((2·ω＋α)t)가 제거되어, 저주파 성분의 신호 cos(αt) 만이 저주파 카운터(53)로 입력된다. 즉, 저주파 카운터(53)에는, 발진 회로(41)의 신호 cos((ω＋α)t)와, 기준 신호 발생 회로(55)의 신호 cos(ωt)와의 차(差)의 주파수의 절대치 ｜α｜인 저주파 성분의 신호가 입력된다.

저주파 카운터(53)는, 이 저주파 성분의 신호의 주파수를 측정하고, 그 측정치를 컨트롤러(43)로 출력한다. 컨트롤러(43)는, 저주파 카운터(53)에서 측정된 주파수와 기준 신호 발생 회로(55)의 출력 신호의 주파수로부터, 발진 회로(41)가 출력하는 신호의 주파수를 산출한다. 구체적으로는, 기준 신호 발생 회로(55)의 출력 신호의 주파수가, 발진 회로(41)의 출력 신호의 주파수보다 작은 경우에는, 발진 회로(41)의 출력 신호에 저주파 성분의 신호의 주파수를 가산하고, 그 반대의 경우에는 감산한다.

예를 들면, 고주파 카운터(54)에 의한 발진 회로(41)의 발진 주파수의 측정치가 5 MHz를 초과하고, 기준 신호 발생 회로(55)를 5 MHz의 주파수로 발진시킨 경우에는, 기준 신호 발생 회로(55)의 발진 주파수는, 발진 회로(41)의 실제의 발진 주파수 보다 낮아진다. 따라서, 실제의 발진 회로(41)의 발진 주파수를 구하기 위해서는, 저주파 카운터(53)로 구한 저주파 성분의 신호의 주파수 ｜α｜를, 기준 신호 발생 회로(55)의 설정 주파수 5 MHz에 가산하면 좋다. 저주파 성분의 주파수 ｜α｜가 10 kHz이면, 발진 회로(41)의 정확한 발진 주파수는 5.01 MHz가 된다.

저주파 카운터(53)의 분해능(分解能)에는 상한이 있지만, 그 분해능은, 상기 차(差)의 주파수 ｜α｜를 측정하기 위해 할당할 수 있기 때문에, 같은 분해능으로 발진 회로(41)의 발진 주파수를 측정하는 경우에 비해, 정확한 주파수 측정을 실시할 수 있다.

또한, 기준 신호 발생 회로(55)의 발진 주파수는 컨트롤러(43)에 의해 제어되고, 그 발진 주파수를, 차(差)의 주파수 ｜α｜가 소정치 보다 작아지도록 설정할 수 있기 때문에, 저주파 카운터(53)의 분해능을 유효하게 활용할 수 있다. 구해진 주파수의 값은, 컨트롤러(43)에 기억된다. 컨트롤러(43)는, 구해진 주파수의 값으로부터, 상기 식(1)에서 나타낸 연산식을 이용하여, 기판(W) 상에 퇴적한 증착 재료의 막후 및 성막 레이트를 산출한다.

[수정 진동자]

계속해서, 수정 진동자(20)의 상세에 대하여 설명한다. 도 4의 A, B는 각각, 수정 진동자(20)의 정면도 및 배면도이다.

수정 진동자(20)의 표면(21) 및 이면(22)에는, 소정 형상의 전극막(31, 32)이 각각 형성되고 있다. 전극막(31)은 보지조(142)에 접촉하고, 전극막(32)은 부세 부재(141)에 접촉한다. 전극막(31, 32)은, 도 4의 A, B에서 음영 부분으로 나타낸 것처럼 서로 다른 형상으로 형성되어 있지만, 전극막(31, 32)의 형상은 도시의 예로 한정되지 않는다. 전극막(31, 32)은 각각, 금(金)(Au), 은(銀)(Ag) 등의 금속막으로 형성되어 있다.

수정 진동자(20)는, 발진 회로(41)를 통해 전극막(31, 32)으로 고주파 전압이 인가되는 것으로, 두께 미끄럼 진동(thickness-shear vibration) 모드로 발진한다. 본 실시 형태의 수정 진동자(20)에는, 25℃에서의 기본 주파수가 5 MHz 또는 6 MHz의 수정 진동자가 이용된다.

또한, 수정 진동자(20)의 기본 주파수는 5 MHz에 한정되지 않고, 5 MHz 미만의 임의의 주파수(예를 들면, 4 MHz, 3.25 MHz, 2.5 MHz 등)를 기본 주파수로 하는 수정 진동자가 적용 가능하다. 혹은, 5 MHz를 넘는 임의의 주파수(예를 들면, 6 MHz 등)를 기본 주파수로 하는 수정 진동자가 이용되어도 무방하다.

수정 진동자(20)의 이면(22)은, 소정의 곡률 반경을 가지는 곡면으로 구성된다. 이면(22)이 곡면으로 구성되는 것으로, 수정 진동자(20)의 직렬 저항이 작아지고, 소망하는 기본 진동수로 수정 진동자(20)를 안정되게 진동시킬 수 있다. 이면(22)의 곡률 반경은 특별히 한정되지 않으며, 수정 진동자(20)의 직경 등에 따라 적절히 설정 가능하다. 본 실시 형태의 수정 진동자(20)에서는, 직경이 12.4 mm, 이면(22)의 곡률 반경은 100 mm∼200 mm이다.

[수정 진동자의 열 충격 특성]

이런 종류의 막후 센서에서는, 열 충격 특성에 의해 성막 레이트의 측정치가 크게 변동한다고 하는 문제가 있다. 여기서 말하는 열 충격 특성이란, 예를 들면, 수정 진동자의 절체 시, 혹은, 증발원을 차폐하는 셔터의 개방 조작 시에 있어서, 증발원으로부터의 복사열을 순간적으로 받았을 때의 수정 진동자의 국소적인 온도 변화에 기인하는 측정 주파수의 일시적인 변동을 의미하고, 그 주파수의 변동량이 클수록 성막 레이트나 막후의 측정 정도가 저하한다. 이를 본뜬 실험을 도 5 및 도 6에 나타낸다. 입열(入熱)의 개시와 종료로 주파수의 변동량(ΔF)이 관측되고 있다. 진동자 전체의 온도 변화 유래가 아니라, 이 입열에만 유래하는 주파수 변동을 열 충격 특성으로 정의한다.

여기서, 수정 진동자의 성막면의 표면 조도(Ra)를 소정 이하로 함으로써, 수정 진동자의 열 충격 특성이 개선되는 것이 알려져 있다. 예를 들면, 도 5에, 성막면의 표면 조도(Ra)가 0.37 ㎛인 수정 진동자 샘플 6M-1(기본 주파수 6 MHz, 컷 각 θ = 35°15'±20')의 열 충격 특성과, 성막면의 표면 조도(Ra)가 0.43 ㎛인 수정 진동자 샘플 6M-2(기본 주파수 6 MHz, 컷 각 θ = 35°15'±20')의 열 충격 특성을 비교해 나타낸다. 동(同) 도면은, 30 W 할로겐 램프로 수정 진동자의 성막면 측에 열 복사를 가했을 때의 주파수 변화를 나타내고 있고, 측정 개시로부터 10초 후에 램프 온(ON), 40초 후에 램프 오프(OFF)로 하였다. 동 도면에 도시한 바와 같이, 표면 조도(Ra)가 작은 샘플 6M-1의 쪽이, 주파수 변화가 작고, 열 충격 특성이 뛰어나다.

또한, 위에서 설명한 바와 같이, 성막면에는 금속막(전극막(31))이 설치되어 있지만, 전극막(31)의 두께는 약 150 nm로 얇기 때문에, 성막면의 표면 조도(Ra)는 전극막(31)의 표면 조도(Ra)로서 평가된다.

근년에는, 막후 센서의 고정밀화가 요구되고 있고, 특히 열 충격 특성에 대해서는, 성막 레이트나 막후의 제어에 미치는 영향이 크기 때문에, 열 충격 특성이 뛰어난 막후 센서의 개발이 급선무가 되고 있다. 그렇지만, 단지 수정 진동자의 표면 조도를 작게 하는 것 만으로는, 열 충격 특성의 개선에는 아직도 불충분하며, 한층 더 개선이 요구되고 있다.

한편, 본 발명자는, 수정 진동자의 성막면의 표면 조도(Ra)를 소정 이하로 하면서, 절단 레벨 50%에서의 부하 길이율(tp)을 소정 이상으로 함으로써, 수정 진동자의 열 충격 특성이 큰폭으로 개선되는 것을 발견하였다. 즉, 수정 진동자의 열 충격 특성은, 성막면의 표면 조도(Ra) 뿐만이 아니라, 상기 부하 길이율(tp)이 크게 관계하고 있고, 표면 조도(Ra)가 작게 억제되어도, 상기 부하 길이율(tp)의 값이 소정 미만인 경우는, 오히려 열 충격 특성이 악화되는 경향이 있다.

예를 들면, 도 6에, 성막면의 표면 조도(Ra)가 0.34 ㎛인 수정 진동자 샘플 6M-3(기본 주파수 6 MHz, 컷 각 θ = 35°15'±20')의 열 충격 특성을 나타낸다. 시험 조건은 도 5의 예와 마찬가지로 하였다. 샘플 6M-3의 절단 레벨 50%에서의 부하 길이율(tp)은 80.2%이며, 샘플 6M-1의 95.2%, 샘플 6M-2의 95.5%와 비교해 낮다.

샘플 6M-3의 표면 조도(Ra)는, 샘플 6M-1 및 샘플 6M-2 보다 작음에도 불구하고, 주파수 변화는, 도 5 및 도 6에 도시한 것처럼, 샘플 6M-1, 6 M-2 보다 악화되고 있다. 이와 같이, 성막면의 절단 레벨 50%에서의 부하 길이율은, 수정 진동자의 열 충격 특성에 큰 상관을 가지는 것이 확인된다.

또한, 상술의 샘플 6M-1, 6 M-2, 6 M-3 각각의 표면 조도(Ra, Ry, Ra)와 절단 레벨 50%에서의 부하 길이율(tp)을 표 1에 정리하여 나타낸다.

여기서, Ra는 산술 평균 조도, Ry는 최대 높이, Rz는 10점 평균 조도를 의미한다(JIS B 0601-1994).

표면 조도에서는, 최소 2 승법(乘法)에 의해 높이 데이터의 기준면을 구하고, 그 기준면과 각 포인트의 높이 데이터의 차를 조도로서 연산한다.

표면 조도(Ra)는, 기준면으로부터 측정 곡면까지의 편차의 절대치를 합계해 평균하는 것으로 구할 수 있다.

표면 조도(Ry)는, 기준면으로부터 가장 높은 산정(山頂)까지의 높이 Yp와 가장 낮은 곡저(谷底)까지의 깊이 Yv와의 합으로 구할 수 있다.

표면 조도(Rz)는, 「가장 높은 산정으로부터 5번째까지의 산정(山頂)의 표고(標高)의 절대치의 평균」과「가장 낮은 곡저(谷底)로부터 5번째까지의 곡저의 표고의 절대치의 평균」의 합으로 구할 수 있다.

절단 레벨 50%에서의 부하 길이율(tp)은, 조도 곡면을 산정면(山頂面)에 평행한 절단 레벨(Ry의 50%)로 절단했을 때 얻어지는 절단 면적의 합의 기준면에 대한 비의 백분율로 구할 수 있다.

본 명세서에서는, 상기 각 값을, 표면 조도 합계(키엔스 사(KEYENCE CORPORATION) 제(製) 컨트롤러 VK-9500/측정기 9510)를 사용해 측정하였다. 이하의 설명에서도 마찬가지이다.

본 실시 형태의 수정 진동자(20)는, 표면 조도(산술 평균 조도：Ra)가 0.4 ㎛ 이하이며, 또한, 절단 레벨 50%에서의 부하 길이율(tp)이 95% 이상인 성막면(표면(21))을 가진다.

성막면의 표면 조도(Ra)가 0.4 ㎛를 초과하면, 상기 부하 길이율(tp)이 95% 이상의 경우에서도, 표면 조도(Ra)가 0.4 ㎛ 이하인 것과 비교하여, 열 충격 시에서의 주파수 변화가 커진다(샘플 6M-1, 6 M-2 참조). 또한, 성막면의 상기 부하 길이율(tp)이 95% 미만이면, 표면 조도(Ra)가 0.4 ㎛ 이하인 경우에서도, 상기 부하 길이율(tp)이 95% 이상의 것과 비교하여, 열 충격 시에서의 주파수 변화가 커진다(샘플 6M-1, 6 M-3 참조).

또한, 거의 같은 표면 조도(Ra)를 가지는 샘플 6M-1과 샘플 6M-3을 비교하면, 양자의 ΔF의 비(390/580：67%)로부터 샘플 6M-1은, 샘플 6M-3에 대해 약 33%의 ΔF의 개선이 인정된다. 이는, 샘플 6M-1의 부하 길이율(tp)이 샘플 6M-3의 그것 보다 높기 때문이며, 이로부터 부하 길이율(tp)의 ΔF 저감에 대한 현저한 효과가 인정된다.

이 부하 길이율(tp)의 효과는, 표면 조도(Ra)가 샘플 6M-3 보다 높은 샘플 6M-2에 대해서도 마찬가지로 인정되고, 양자의 ΔF의 비(480/580：83%)로부터 샘플 6M-2는, 샘플 6M-3에 대해 ΔF가 약 17% 개선되고 있다.

또한, 표면 조도(Ra)의 하한은 특별히 제한되지 않지만, 표면 조도(Ra)의 값이 작은 것일수록 열 충격 시의 주파수 변화를 작게 억제할 수 있는 한편으로, 성막면의 가공이 곤란해지고, 가공 코스트가 증가하는 경향이 있다. 이 때문에, 표면 조도(Ra)의 하한은, 예를 들면, 0.19 ㎛로 할 수 있다. 이에 따라, 가공 코스트의 증가를 억제하면서, 내열 충격성이 뛰어난 수정 진동자를 얻을 수 있다.

상기 성막면을 얻는 방법은 특별히 한정되지 않으며, 전형적으로는, 유리지립(遊離砥粒)을 이용한 양면 랩핑기에 의해, 소망하는 기본 주파수가 얻어지는 두께까지 조연마(粗硏磨)한 후, 중연마(中硏磨), 마무리 연마의 순으로 수정판(水晶板)을 가공한다.

상기 성막면은 경면(鏡面)인 것이 바람직하지만, 상술과 같이 경면 마무리는 통상, 다대(多大)한 가공 코스트를 필요로 한다. 이 때문에 성막면의 전역을 균질(均質)로 경면으로 마무리 하는 것이 아니라, 성막면의 일부의 영역을 경면 혹은 경면에 가까운 상태로 연마한다.

구체적으로는, 마무리 연마로서 예를 들면, ＃1000∼＃2000 정도 입도(粒度)의 연마지립(硏磨砥粒)을 이용하고, 표면의 돌출부(산정부(山頂部)) 만을 깎아내도록 연마한다. 필요에 따라 화학적 연마가 병용(倂用)되어도 무방하다. 또한, 가공 방향이나 가공 압력이 단계적으로 조정되어도 무방하다. 이러한 가공 방법에 의해, 상기 표면 조도(Ra) 및 부하 길이율(tp)을 가지는 성막면을 얻을 수 있다.

도 7에, 본 실시 형태의 수정 진동자(20)의 성막면을 150배로 확대했을 때의 표면 상태의 일례를 나타낸다. 도면에서 부호(S)가, 경면 혹은 경면에 가까운 상태의 영역(이하, 경면부(鏡面部)라고 한다)에 상당한다. 동 도면에 도시한 것처럼 경면부(S)가 성막면의 일부의 영역에 이산적(離散的)으로 존재하고 있는 양태를 알 수 있다.

수정 진동자(20)는, 전형적으로는, 비교적 온도 특성이 뛰어난 AT컷형의 수정 진동자(컷 각 θ =35°15'±20')가 이용된다. 이외에도, 수정 진동자(20)로서 AT컷보다 온도 특성이 뛰어난 SC컷형의 수정 진동자(컷 각 θ = 33°30'±11', φ = 20°25'±6°)가 이용되어도 무방하지만, 통상, SC컷형 기판은 AT컷형 기판과 비교해 고가이고, 따라서 막후 센서의 고비용화를 초래한다. 이 때문에, 수정 진동자(20)에는 AT컷 기판을 이용하는 것이 바람직하다.

통상의 AT컷 기판은, 도 8의 B에 도시한 바와 같이, 결정(結晶)의 X축(전기(電氣) 축) 주위에 Z축(성장(成長) 축)에 대해 35°15'의 각도로 절출(切出)해 형성된다. 한편, 결정의 Z축에 대해 소정 각도를 이루는 r면(면지수(面指數)(01-11)) 및 R면(면지수(10-11))은, 도 8의 A에 도시한 것처럼, Z축을 중심으로 정육각형을 그리듯이 교대로 위치하고 있다. 이들 r면 및 R면의 Z축에 대한 각도는, 도 8의 B에 도시한 것처럼, 모두 38°13'이다.

실제의 수정 진동자를 얻으려면, 결정으로부터 수정편(水晶片)을 절단해, 블랭크를 얻을 필요가 있다. 이 경우, 수정 블랭크는 얇아지기 때문에, Z축이 불명확해진다. 그러나, 결정의 r면은 확인할 수 있으므로, 이 r면을 기준으로서 수정 블랭크를 절출할 수 있다. 이 r면에 대한 AT컷 기판의 컷 각(cut angle)은, (38°13')-(35°15') = 2°58'이다.

AT컷 기판 중, 35°08'±03'(r면에 대한 절단 방위가 3°05'±03')의 컷 각 θ를 가지는 수정 진동자는, 공진 주파수의 온도 드리프트가 실온(25℃)으로부터 80℃ 부근의 범위에서 20 ppm 이하로 억제할 수 있기 때문에, 내열 충격성이 뛰어나다. 이에 따라, 주파수 측정의 안정화를 도모할 수 있어 고정밀의 막후(膜厚) 감시(監視)와 성막 레이트의 제어를 실현할 수 있다.

[실험 예]

계속해서, 기본 주파수 5 MHz의 수정 진동자를 이용한 실험 예를 설명한다.

본 발명자는, 표 2에 도시한 다양한 표면 조도의 성막면을 가지는 기본 주파수 5 MHz의 수정 진동자를 준비하여, 그러한 열 충격 특성을 평가했다. 본 실험 예에서는, 열 충격에 의한 주파수 변동량의 허용치를 300 Hz로 하고, ΔF의 값이 300 Hz 이상인 샘플을 「×」, ΔF의 값이 200 Hz 이상 300 Hz 미만인 샘플을 「△」, ΔF의 값이 200 Hz 미만인 샘플을 「○」으로 평가했다. 고정밀의 막후 감시 및 성막 레이트의 제어를 실현하기 위해서는, ΔF의 값은 300 Hz 미만이 바람직하고, 200 Hz 미만이면 더욱 바람직하다.

(실험 예1)

표면 조도(Ra)가 0.23 ㎛, 절단 레벨 50%에서의 부하 길이율(tp)이 98.4%인 성막면에, 전극막으로서 두께 약 150 nm의 Au막이 증착된, 직경 12.4 mm, 곡률 200 mm의 플라노 컨벡스 형(型) 수정 진동자 샘플(컷 각 θ = 35°08'±03'(r면에 대한 절단 방위 3°05'±03')) 5M-1을 준비했다. 그리고, 30W 할로겐 램프로 샘플 5M-1의 성막면 측에 열 복사를 가했을 때의 주파수 변화를 측정한 결과, 주파수 변화량(ΔF)은 약 140Hz이었다. 샘플 5M-1의 열 충격 특성을 도 9에 나타낸다.

(실험 예2)

성막면의 표면 조도(Ra)가 0.19 ㎛, 절단 레벨 50%에서의 부하 길이율(tp)이 97.0%인 이외에는, 실험 예1과 동일한 구성의 수정 진동자 샘플 5M-2를 준비하여, 실험 예1과 동일한 조건으로 열 충격 시의 주파수 변화를 측정했다. 측정의 결과, 주파수 변화량(ΔF)은 약 140 Hz이었다.

(실험 예3)

성막면의 표면 조도(Ra)가 0.19 ㎛, 절단 레벨 50%에서의 부하 길이율(tp)이 72.2%, 곡률이 100 mm인 이외에는, 실험 예1과 동일한 구성의 수정 진동자 샘플 5M-3을 준비해, 실험 예1과 동일한 조건으로 열 충격 시의 주파수 변화를 측정했다. 측정의 결과, 주파수 변화량(ΔF)은 약 300 Hz이었다. 샘플 5M-3의 열 충격 특성을 도 10에 나타낸다.

(실험 예4)

성막면의 표면 조도(Ra)가 0.28 ㎛, 절단 레벨 50%에서의 부하 길이율(tp)이 76.9%, 컷 각 θ = 35°15'±20'(r면에 대한 절단 방위가 2°58'±20')인 이외에는, 실험 예1과 동일한 구성의 수정 진동자 샘플 5M-4를 준비해, 실험 예1과 동일한 조건으로 열 충격 시의 주파수 변화를 측정했다. 측정의 결과, 주파수 변화량(ΔF)은 약 330 Hz이었다. 샘플 5M-4의 열 충격 특성을 도 11에 나타낸다.

(실험 예5)

성막면의 표면 조도(Ra)가 0.25 ㎛, 절단 레벨 50%에서의 부하 길이율(tp)이 99.0%, 컷 각 θ = 35°15'±20'(r면에 대한 절단 방위가 2°58'±20')인 이외에는, 실험 예1과 동일한 구성의 수정 진동자 샘플 5M-5를 준비해, 실험 예1과 동일한 조건으로 열 충격 시의 주파수 변화를 측정했다. 측정의 결과, 주파수 변화량(ΔF)은 약 280 Hz이었다. 샘플 5M-5의 열 충격 특성을 도 12에 나타낸다.

샘플 5M-1∼5M-5에 따른 수정 진동자는, 상술의 기본 주파수 6 MHz의 수정 진동자와 비교하여, 열 충격 시의 주파수 변화가 작은 것이 확인되었다(표 1, 표 2 참조).

또한, 성막면의 표면 조도(Ra)가 0.4 ㎛ 이하이며, 또한, 절단 레벨 50%에서의 부하 길이율(tp)이 95% 이상인 샘플 5M-1, 5M-2, 5M-5에 의하면, 샘플 5M-3, 5M-4와 비교하여, 주파수 변화량(ΔF)이 작다. 이 중, 상기 표면 조도(Ra)가 0.23 ㎛ 이하인 샘플 5M-1, 5M-2에 의하면, 주파수 변화량(ΔF)을 더 저감할 수 있어 샘플 5M-5의 그것 보다 절반의 크기로 억제되는 것이 확인되었다.

그 중에서도, 성막면의 절단 레벨 50%에서의 부하 길이율(tp)은 97% 이상인 것이 바람직하고, 게다가 성막면의 표면 조도(Ra)는, 0.25 ㎛ 이하인 것이 바람직하다.

여기서, 거의 유사한 표면 조도(Ra)를 가지는 샘플 5M-4와 샘플 5M-5를 비교하면, 양자의 ΔF의 비(280/330：85%)로부터 샘플 5M-5는, 샘플 5M-4에 대해 약 15%의 ΔF의 개선이 인정된다. 이는, 샘플 5M-5의 부하 길이율(tp)이 샘플 5M-4의 그것 보다 높기 때문이며, 이로부터 부하 길이율(tp)의 ΔF 저감에 대한 유리성이 인정된다.

또한, 절단 방위가 동일한 샘플 5M-1과 샘플 5M-3을 비교하면, 양자의 ΔF의 비(140/300：47%)로부터 샘플 5M-1은, 샘플 5M-3에 대해 약 53%의 ΔF의 개선이 인정된다. 이 예에서는, 부하 길이율(tp)의 ΔF 저감에 대한 현저한 효과가 인정된다.

한편, 샘플 5M-1은, 샘플 5M-5와 비교해 부하 길이율(tp)이 열화하고 있음에도 불구하고, ΔF가 50% 개선되고 있다. 이는, 양 샘플의 절단 방위의 차이에 유래하는 것이며, 이로부터, 컷 각 θ이 35°08'±03'(r면에 대한 절단 방위 3°05'±03')인 수정 진동자의 우위성이 인정된다.

이상과 같이 본 실시 형태에 의하면, 열 충격 특성이 뛰어난 막후 센서를 얻을 수 있다. 이에 따라, 예를 들면 수정 진동자의 절체 시나 증착원의 셔터 개방 시에서의 열 복사의 영향을 받기 어려운, 고정밀의 성막 레이트 측정 혹은 막후 측정이 가능해진다.

또한, 본 실시 형태에 의하면, 수정 진동자의 성막면의 부하 길이율(tp)을 관리 함으로써, 소망하는 진동 특성을 가지는 수정 진동자를 안정되게 제조할 수 있다. 특히, 성막면을 경면 가공하거나 SC컷 기판 등의 고가의 수정판을 사용하거나 하지 않고, 열 충격 특성이 뛰어난 수정 진동자를 비교적 염가로 제조할 수 있다.

이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 상술의 실시 형태에만 한정되는 것은 아니며 여러 가지의 변경을 더할 수 있음은 물론이다.

예를 들면, 이상의 실시 형태에서는, 수정 진동자(20)로서, 플라노 컨벡스 형상의 수정 진동자를 예로 들어 설명했지만, 이에 한정되지 않으며, 양면이 평탄한 면으로 구성된 수정 진동자에도 본 발명은 적용 가능하다.

또한, 이상의 실시 형태에서는, 성막 장치로서 진공 증착 장치를 예로 들어 설명했지만, 이에 한정되지 않으며, 스퍼터링(sputtering) 장치 등의 다른 성막 장치에도 본 발명은 적용 가능하다. 스퍼터링장치의 경우, 유기 재료원은, 유기 재료로 구성된 타겟을 포함한 스퍼터링 음극(cathode)으로 구성된다.

10 … 성막 장치
11 … 진공 챔버
12 … 증착원
13 … 기판 홀더
14 … 막후 센서
16 … 셔터
17 … 측정 유닛
20 … 수정 진동자
W … 기판

Claims

표면 조도(Ra)가 0.4 ㎛ 이하이며, 또한, 절단 레벨 50%에서의 부하 길이율(tp)이 95% 이상인 성막면을 가지는 AT컷형의 수정 진동자
를 구비하는 막후 센서.
제1항에 있어서,
상기 성막면의 절단 레벨 50%에서의 부하 길이율(tp)은, 97% 이상인
막후 센서.
제1항에 있어서,
상기 성막면의 표면 조도(Ra)는, 0.25 ㎛ 이하인
막후 센서.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수정 진동자는, 결정의 r면에 대해 3°05'±03'의 절단 방위를 가지는 수정 진동자로 구성되는
막후 센서.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수정 진동자의 기본 발진 주파수는, 5 MHz 또는 6 MHz인
막후 센서.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 성막면은, 금속막으로 구성되는
막후 센서.
제6항에 있어서,
상기 금속막은, Ag막 또는 Au막인
막후 센서.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수정 진동자는, 상기 성막면이 평탄면인 플라노 컨벡스(Plano-Convex) 형상을 가지는
막후 센서.