膜厚监视器和膜厚测量方法与流程

本发明涉及一种根据石英晶体谐振器(quartz-crystal：石英晶体谐振器/又称石英晶体/俗称晶振)的谐振频率的变化来测量膜厚的膜厚监视器和膜厚测量方法。

背景技术：

现有技术中，在真空蒸镀装置等成膜装置中，为了测量在基板上成膜的膜厚和成膜速度，使用这样一种技术：利用石英晶体谐振器来计测微小的质量变化的方法(QCM：Quartz Crystal Microbalance)。该方法利用被配置在腔室内的石英晶体谐振器的如下特性：其谐振频率由于蒸镀物的沉积带来的质量增加而降低。因此，能够通过测量石英晶体谐振器的谐振频率的变化，来测量膜厚和成膜速度。

近年来，在有机EL(Electro-Luminescence)元件制造领域，真空蒸镀法被广泛利用于有机层的成膜。例如，在有机EL显示器等中，像素间的有机层膜厚的偏差会对画质产生较大影响，因此，要求高精度的膜厚控制。

另一方面，这种膜厚传感器中，随着附着膜量的增加，石英晶体谐振器的谐振频率逐渐降低，当该谐振频率达到规定频率时，频率的变动大到已经无法进行稳定的膜厚测量的程度。因此，在谐振频率降低了规定值以上时，判断为石英晶体谐振器达到使用寿命，实施石英晶体谐振器的更换。为了容易地进行该更换，例如在专利文献1中记载了一种传感器头，该传感器头采用能够逐个切换所使用的石英晶体谐振器的结构。

【现有技术文献】

【专利文献】

专利文献1：日本发明专利公开公报特开2003-139505号

发明要解决的问题

使用QCM的膜厚监视器中，使用下面的式(1)所示的算式。该式中，ρf表示膜的密度(g/cm³)，tf表示膜的厚度(nm)，ρq表示石英晶体谐振器的密度(g/cm³)，tq表示石英晶体谐振器的厚度(nm)，Z表示声阻抗比，fq表示未成膜时的石英晶体谐振器的频率(Hz)，fc表示成膜后的石英晶体谐振器的频率(Hz)。

【式1】

上述式(1)适用于计算金属膜、氧化膜那样的比较硬的膜的膜厚。但是，存在不适用于测量有机膜那样的比较软的膜的问题。另外，需要这样一种技术：用一台膜厚传感器来分别高精度地测量金属膜、氧化膜等比较硬的膜和有机膜等比较软的膜双方的膜厚。

技术实现要素：

鉴于上述情况，本发明的目的在于提供一种膜厚监视器和膜厚测量方法，其能够分别高精度地测量金属膜等比较硬的膜的膜厚和有机膜等比较软的膜的膜厚。

解决问题的方案

为了达成上述目的，本发明的一个方式涉及一种膜厚监视器，其根据设置在具有蒸镀源的成膜装置中的石英晶体谐振器的谐振频率变化来测量蒸镀膜的膜厚，并且具有测量部和运算部。

上述测量部通过对上述石英晶体谐振器的谐振频率附近进行电扫描，来获取半峰频率F1、F2(F1<F2)和根据上述半峰频率F1、F2算出的半峰半宽Fw(Fw＝(F2-F1)/2)的时间变化ΔFw，其中，半峰频率F1、F2给出电导最大值的1/2。

在所测量出的上述半峰半宽的时间变化ΔFw在规定值以下的情况下，上述运算部用式(1)来算出上述石英晶体谐振器的谐振频率变化ΔFs(ΔFs＝fq-fc)，在所测量出的上述半峰半宽的时间变化ΔFw超过上述规定值的情况下，上述运算部用式(2)来算出上述石英晶体谐振器的谐振频率变化ΔFs。

【式1】

【式2】

上述式中，ρf：膜的密度(g/cm³)，tf：膜的厚度(nm)，ρq：石英晶体谐振器的密度(g/cm³)，tq：石英晶体谐振器的厚度(nm)，Z：声阻抗比(日语原文“インピーダンス比”)，fq：未成膜时的石英晶体谐振器的频率(Hz)，fc：成膜后的石英晶体谐振器的频率(Hz)，G：复数弹性模量(G＝G’+iG”)(MPa)，G’：储能模量(MPa)，G”：损耗模量(MPa)，ω：角频率(rad/s)，F0：石英晶体谐振器的基本频率(Hz)，Zq：石英晶体谐振器的剪切模式声阻抗(日语原文“せん断モード音響インピーダンス”)(g/sec/cm²)。

上述膜厚监视器构成为：根据石英晶体谐振器的谐振频率的半峰半宽的大小来判定成膜材料的软硬，并根据该判定结果来区别使用上述各算式。上述式(1)用于测量金属膜、氧化膜等比较硬的膜，上述式(2)是考虑了膜的复数弹性模量的算式，用于测量有机膜等比较软的膜。由此，能够分别高精度地测量金属膜、氧化膜等比较硬的膜的膜厚和有机膜等比较软的膜的膜厚。

本发明的一个方式涉及一种膜厚测量方法，根据设置在具有蒸镀源的成膜装置中的石英晶体谐振器的谐振频率变化来测量蒸镀膜的膜厚，其中，通过对上述石英晶体谐振器的谐振频率附近进行电扫描，来获取半峰频率F1、F2(F1<F2)和根据上述半峰频率F1、F2算出的半峰半宽Fw(Fw＝(F2-F1)/2)的时间变化ΔFw，其中，半峰频率F1、F2给出电导最大值的1/2。

在所测量出的上述半峰半宽的时间变化ΔFw在规定值以下的情况下，用式(1)来算出上述石英晶体谐振器的谐振频率变化ΔFs(ΔFs＝fq-fc)。

另外，在所测量出的上述半峰半宽的时间变化ΔFw超过上述规定值的情况下，用式(2)来算出上述石英晶体谐振器的谐振频率变化ΔFs。

【式1】

【式2】

该式中，ρf：膜的密度(g/cm³)，tf：膜的厚度(nm)，ρq：石英晶体谐振器的密度(g/cm³)，tq：石英晶体谐振器的厚度(nm)，Z：声阻抗比，fq：未成膜时的石英晶体谐振器的频率(Hz)，fc：成膜后的石英晶体谐振器的频率(Hz)，G：复数弹性模量(G＝G’+iG”)(MPa)，G’：储能模量(MPa)，G”：损耗模量(MPa)，ω：角频率(rad/s)，F0：石英晶体谐振器的基本频率(Hz)，Zq：石英晶体谐振器的剪切模式声阻抗(g/sec/cm²)。

【发明效果】

采用本发明，能够分别高精度地测量金属膜等比较硬的膜的膜厚和有机膜等比较软的膜的膜厚。

附图说明

图1是表示本发明一个实施方式所涉及的成膜装置的概略剖视图。

图2是概略地表示本发明一个实施方式所涉及的膜厚监视器的框图。

图3是表示石英晶体谐振器的半峰频率和半峰半宽的关系的说明图。

图4是用于说明上述膜厚监视器的作用的一个实验结果。

图5是用于说明上述膜厚监视器的作用的一个实验结果。

图6是用于说明上述膜厚监视器的膜厚测量方法的流程图。

具体实施方式

下面，参照附图来对本发明的实施方式进行说明。

图1是表示本发明一个实施方式所涉及的成膜装置的概略剖视图。本实施方式的成膜装置10构成为真空蒸镀装置。

成膜装置10具有真空腔11、配置于真空腔11内部的蒸镀源12、与蒸镀源12相向的台座13和配置于真空腔11内部的膜厚传感器14。

蒸镀源12构成为：能够产生蒸镀材料的蒸气(粒子)。本实施方式中，蒸镀源12构成为如下这样的蒸发源：与电源单元18电连接，对蒸镀材料进行加热使其蒸发，而使其放出蒸镀材料粒子。蒸镀源的种类没有特别限定，可适用电阻加热式、感应加热式、电子束加热式等各种方式。蒸发材料可以是有机材料、金属材料、金属化合物材料(例如金属氧化物、金属氮化物、金属碳化物等)等。

台座13构成为：能够保持半导体晶圆或玻璃基板等作为成膜对象的基板W，使其朝向蒸镀源12。

膜厚传感器14内置有具有规定谐振频率(固有振动频率)的石英晶体谐振器，并且构成传感器头，该传感器头用于测量沉积于基板W的蒸镀膜的膜厚和成膜速率。膜厚传感器14位于真空腔11的内部，配置在与蒸镀源12相向的位置，典型的结构是配置于台座13附近。

上述石英晶体谐振器例如使用温度特性比较优异的SC切割石英晶体谐振器或者AT切割石英晶体谐振器。上述规定谐振频率典型的情况是5～6MHz，本实施方式中为5MHz。

膜厚传感器14的输出向测量单元17供给。测量单元17根据石英晶体谐振器的谐振频率的变化，来测量上述膜厚和成膜速率，并且通过电源单元18来控制蒸镀源12使该成膜速率成为规定值。膜厚传感器14和测量单元17构成膜厚监视器100(图2)。

成膜装置10还具有闸门(遮挡门)16。闸门16配置在蒸镀源12和台座13之间，其构成为：能够敞开或切断从蒸镀源12至台座13和膜厚传感器14的蒸镀粒子的射入路径。

闸门16的开闭由未图示的控制单元控制。典型的结构是，在蒸镀开始时，闸门16关闭(堵塞)，直至蒸镀源12中蒸镀粒子的放出稳定为止。然后，在蒸镀粒子的放出已稳定时，闸门16敞开。由此，来自蒸镀源12的蒸镀粒子到达台座13上的基板W，开始对基板W的成膜处理。同时，来自蒸镀源12的蒸镀粒子到达膜厚传感器14，在测量单元17中对沉积在基板W上的蒸镀膜的膜厚和其成膜速率进行监测。

接着，对膜厚监视器100的详细结构进行说明。

图2是表示膜厚监视器100的一个结构例的概略框图。膜厚监视器100具有膜厚传感器14和测量单元17。测量单元17具有测量部21和控制器22。

测量部21作为网络分析仪来发挥功能。测量部21具有信号供给电路211和测量电路212。

信号供给电路211构成为：与安装在膜厚传感器14(传感器头)上的石英晶体谐振器20电连接，能够一边使频率发生变化一边输出交流的输入信号。

测量电路212构成为：根据石英晶体谐振器20的输出信号、从信号供给电路211输出的输入信号，来测量石英晶体谐振器20的谐振频率、相位等电气特性，且向控制器22输出。

测量部21通过对石英晶体谐振器20的谐振频率附近进行电扫描，来获取图3所示的半峰频率F1、F2(F1<F2)和根据半峰频率F1、F2算出的半峰半宽Fw(Fw＝(F2-F1)/2)的时间变化ΔFw，其中，半峰频率F1、F2给出电导最大值的1/2。

控制器22典型的情况是可利用CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)等计算机所使用的硬件结构要素和所需的软件来实现。也可以替代CPU或者在具有CUP的基础上，使用FPGA(Field Programmable Gate Array)等PLD(Programmable Logic Device)或者DSP(Digital Signal Processor)等。

控制器22构成为“运算部”，其算出石英晶体谐振器20的谐振频率的变化ΔFs。控制器22对在测量部21中获取到的谐振频率的半峰半宽的时间变化ΔFw是否超过规定值进行判定，利用根据该判定结果而选择的一个运算式，来测量沉积在石英晶体谐振器20表面的蒸镀膜的膜厚。

在此，在蒸镀膜为金属膜、金属氧化膜等比较硬的膜的情况下，典型的情况是使用下面的式(1)所示的Sauerbrey式。

【式1】

该式(1)中，ρf表示膜的密度(g/cm³)，tf表示膜的厚度(nm)，ρq表示石英晶体谐振器的密度(g/cm³)，tq表示石英晶体谐振器的厚度(nm)，Z表示声阻抗比，fq表示未成膜时的石英晶体谐振器的频率(Hz)，fc表示成膜后的石英晶体谐振器的频率(Hz)。

另外，在上述式(1)中，没有考虑石英晶体谐振器的等效电阻的增加量(ΔR1)和谐振频率的半峰半宽的增加量(ΔFw)。即，式(1)中以实数为弹性模量而进行处理。因此，在有机膜等比较软的膜中，在例如基本频率5MHz的石英晶体谐振器上沉积了45μm的有机膜(Alq3(三(8-羟基喹啉)铝))的情况下，谐振频率的变化ΔFs(ΔFs＝fq-fc)、ΔR1、ΔFw的值如下所示，ΔR1和ΔFw的值不容忽视。

ΔFs＝-519470Hz，ΔR1＝3454Ω，ΔFw＝4163Hz。

因而，在本实施方式中，在测量比金属膜、金属氧化膜软的有机膜的膜厚时，使用下面的式(2)来计算谐振频率的变化ΔFs。

【式2】

式(2)中，G表示复数弹性模量(G＝G’+iG”)(MPa)，G’表示储能模量(动态模量)(MPa)，G”表示损耗模量(动态损耗)(MPa)，ω表示角频率，ρf表示所形成的膜的密度(g/cm³)，F0表示石英晶体谐振器的基本频率(Hz)，Zq表示石英晶体谐振器的剪切模式声阻抗(g/sec/cm²)。

下面对式(2)的推导方法进行说明。

当将弹性模量作为复数弹性模量G(G＝G’+iG”(G”≠0))来考虑时，在石英晶体谐振器表面的膜的声阻抗ZL用下面的式(3)表示。

【式3】

在式(3)中，在式(4)时对式(3)的tan项进行泰勒展开，于是，式(3)可以近似成式(5)。

【式4】

【式5】

并且，式(5)可以变形为式(6)。

【式6】

此时，石英晶体谐振器的串联谐振频率的变化(ΔFs)用式(7)表示。此外，式(7)与式(2)同义。

【式7】

并且，半峰半宽的变化(ΔFw)用式(8)表示。

【式8】

在此，在作为蒸镀材料的有机材料为(Alq3(三(8-羟基喹啉)铝))的情况下，上述膜厚为45μm时G’和G”的值分别如下所示。

G’＝8.458E+8，G”＝9.987+E6。

改变G’和G”的值时5MHz的石英晶体谐振器上的膜厚和谐振频率如图4所示。另外，图5是表示在式(1)中改变声阻抗比(Z)的值时膜厚和谐振频率的关系的一个实验结果。

如图4所示那样，改变复数弹性模量G(G＝G’+iG”)时膜厚和谐振频率的关系具有与如图5所示那样改变声阻抗比Z时膜厚和谐振频率的关系相似的绘制曲线，因此，能够通过以复数为弹性模量而进行处理，来说明半峰半宽的增加量(ΔFw)。

接着，对具有上述结构的膜厚监视器100的动作进行说明。图6是用于说明膜厚监视器100的动作的流程图。

当成膜装置10中开始蒸镀时，如图3所示，膜厚监视器100通过控制信号供给电路211的振荡以对石英晶体谐振器20的谐振频率附近进行电扫描(sweep)，来获取半峰频率F1、F2(F1<F2)，该半峰频率F1、F2给出电导最大值的1/2。测量电路212根据半峰频率F1、F2，来获取石英晶体谐振器的谐振频率F0的半峰半宽Fw(Fw＝(F2-F1)/2)的时间变化ΔFw(步骤101)。

在ΔFw为规定值α以下的情况下，控制器22判定为蒸镀膜是金属膜等比较硬的膜，利用式(1)来计算石英晶体谐振器20的谐振频率变化ΔFs(ΔFs＝fq-fc)(步骤102、103)。式(1)中的参数(密度、声阻抗比等)使用根据蒸镀材料而适当确定的物性值。这些参数被预先存储于控制器22。

另外，在ΔFw超过规定值α的情况下，控制器22判定为蒸镀膜是有机膜等比较软的膜，利用式(2)来算出石英晶体谐振器20的谐振频率变化ΔFs(步骤102、104)。式(2)中的参数(密度、复数弹性模量等)使用根据蒸镀材料而适当确定的物性值。这些参数被预先存储于控制器22。

规定值α的值没有特别的限定，能够根据蒸镀材料的种类、膜厚的大小、计算精度等来适当地设定。典型的情况是，规定值α在100Hz以上1000Hz以下的范围内设定。

如上所述，构成为：采用本实施方式的膜厚监视器100，根据石英晶体谐振器的谐振频率的半峰半宽的大小来判定成膜材料的软硬，并且根据该判定结果来区别使用上述(1)和(2)的算式。由此，能够分别高精度地测量金属膜、氧化膜等比较硬的膜的膜厚和有机膜等比较软的膜的膜厚。

另外，采用本实施方式，能够用一台膜厚监视器来以较高精度测量硬度不同的多种成膜材料的膜厚。

以上对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不只限定于上述实施方式，当然可以进行各种变更。

例如在上面的实施方式中，作为成膜装置，以真空蒸镀装置为例进行了说明，但并不局限于此，溅射装置等其他成膜装置也可适用本发明。在溅射装置中适用本发明的情况下，蒸镀源由包括靶的溅射阴极构成。

附图标记说明

10：成膜装置；11：真空腔；12：蒸镀源；14：膜厚传感器；17：测量单元；20：石英晶体谐振器；21：测量部；22：控制器；211：信号供给电路；212：测量电路。