薄膜形成装置、膜厚测定方法、膜厚传感器 【技术领域】
本发明涉及一种水晶式膜厚计，特别涉及一种即使膜剥落也能够测定正确的膜厚的膜厚计。
背景技术
在真空中通过蒸镀法等对处理对象物(玻璃、晶片等)进行成膜的情况下，为了管理生长中的薄膜的膜厚，而使用水晶式膜厚计。
为了得到所希望膜厚的薄膜，通过水晶式膜厚计监视成膜中的薄膜的膜厚值，在到达预先设定的目标膜厚时完成处理，从而实现一定的膜厚下的处理。
在该方法中，形成在处理对象物上的薄膜的膜厚依赖于膜厚计作为膜厚值而显示的数值，因此，为了使产品质量稳定，用膜厚计正确地测定膜厚变得重要。
反复形成在晶体振子上的膜有时会发生剥落。当附着在晶体振子表面上的薄膜发生剥落时，从剥落前的膜厚中减去剥落部分的膜厚，但是，由于处理对象物的薄膜并不剥落，所以，若在膜厚计的测定值达到目标膜厚时结束蒸镀，则成膜膜厚比目标膜厚更厚，根据程度而产生产品不良。
特别是，在成膜膜厚较薄的工艺中造成重大的影响，因此，期望有用以避免这种问题的测定方法。
专利文献1：日本特开平11‑222670号公报
【发明内容】
本发明是为了解决上述现有技术的课题而提出的，目的在于提供一种即使剥落也能够测定正确的膜厚的技术。
为了解决上述课题，本发明提供一种薄膜形成装置，具有：真空槽；薄膜材料源，配置在所述真空槽内，用于释放薄膜材料粒子；晶体振子，配置在所述真空槽内的所述薄膜材料粒子附着的位置；以及测定装置，测定所述晶体振子的共振频率，一边利用所述薄膜材料粒子在配置在所述真空槽内的成膜对象物表面和所述晶体振子表面生长薄膜，一边反复测定所述共振频率，基于当前时刻的测定结果和所述薄膜的生长开始时的测定结果，计算出从所述生长开始时至所述当前时刻所形成的所述成膜对象物表面的所述薄膜的膜厚，与目标值进行比较，根据比较结果使所述薄膜的生长结束，该薄膜形成装置的特征在于，所述测定装置求出所述当前时刻的测定结果和所述当前时刻的紧前的过去时刻的测定结果之差即频率变化值，在所述晶体振子表面的所述薄膜发生剥落的情况下，根据所述频率变化值计算出剥落膜厚值，在根据所述当前时刻以后的将来时刻的测定结果和所述生长开始时的测定结果求出的所述晶体振子表面的薄膜的膜厚值上，加上所述剥落膜厚值，求出修正膜厚值，将所述修正膜厚值换算成所述成膜对象物表面的膜厚值，与所述目标值进行比较。
另外，本发明的薄膜形成装置的特征在于，以如下方式构成：所述频率变化值表示膜厚减少，在所述频率变化值的绝对值比基准值大的情况下，判断为在所述晶体振子表面产生薄膜剥落。
另外，本发明提供一种薄膜形成装置，具有：真空槽；薄膜材料源，配置在所述真空槽内，用于释放薄膜材料粒子；晶体振子，配置在所述真空槽内的所述薄膜材料粒子附着的位置；以及测定装置，测定所述晶体振子的共振频率，一边利用所述薄膜材料粒子在配置在所述真空槽内的成膜对象物表面和所述晶体振子表面生长薄膜，一边反复测定所述共振频率，基于包含当前时刻的多个时刻的测定结果的移动平均值和基准时刻的所述测定结果，计算出从生长开始时至所述当前时刻所形成的所述成膜对象物表面的所述薄膜的膜厚，与目标值进行比较，根据比较结果使所述薄膜的生长结束，该薄膜形成装置的特征在于，所述测定装置在所述移动平均值减少时，求出在减少开始后至变为增加的期间的最小值，在所述晶体振子表面的所述薄膜产生剥落的情况下，根据减少开始紧前的所述移动平均值和所述最小值之差，计算出剥落膜厚值，在根据所述当前时刻以后的将来时刻的测定结果和所述生长开始时的测定结果求出的所述晶体振子表面的所述薄膜的膜厚值上加上所述剥落膜厚值，求出修正膜厚值，将所述修正膜厚值换算成所述成膜对象物表面的膜厚值，与所述目标值进行比较。
另外，本发明提供一种膜厚测定方法，使从薄膜材料源释放出的薄膜材料粒子附着在成膜对象物表面和晶体振子表面上，测定所述晶体振子的共振频率，基于当前时刻的测定结果和薄膜的生长开始时的测定结果，求出从所述生长开始时至所述当前时刻形成在所述成膜对象物表面上的薄膜的膜厚，该膜厚测定方法的特征在于，求出所述当前时刻的测定结果和所述当前时刻的紧前的过去时刻的测定结果之差即频率变化值，在所述晶体振子表面的所述薄膜发生剥落的情况下，根据所述频率变化值计算出剥落膜厚值，在根据所述当前时刻以后的将来时刻的测定结果和所述生长开始时的测定结果求出的增加膜厚值上加上所述剥落膜厚值，求出修正膜厚值，将所述修正膜厚值换算成所述成膜对象物表面的膜厚值。
另外，本发明提供一种膜厚测定方法，使从薄膜材料源释放出的薄膜材料粒子附着在成膜对象物表面和晶体振子表面上，反复测定所述晶体振子的共振频率，基于包含当前时刻的多个时刻的测定结果和薄膜的生长开始时的测定结果，求出所述晶体振子表面的所述薄膜的移动平均值，基于所述移动平均值，计算出从所述生长开始时至所述当前时刻所形成的所述成膜对象物表面的所述薄膜的膜厚，该膜厚测定方法的特征在于，在所述晶体振子表面的所述薄膜产生剥落，所述移动平均值减少时，求出在减少开始后至变为增加的期间的所述移动平均值的最小值，根据所述减少开始紧前的所述移动平均值和所述最小值之差计算出剥落膜厚值，在根据所述当前时刻以后的将来时刻的测定结果和所述生长开始时的测定结果求出的所述移动平均值上，加上所述剥落膜厚值，求出修正膜厚值，将所述修正膜厚值换算成所述成膜对象物表面的膜厚值。
另外，本发明提供一种膜厚传感器，具有：晶体振子，配置在薄膜材料粒子附着的位置上；以及测定装置，反复多次测定所述晶体振子的共振频率，其特征在于，所述测定装置求出所述反复测定中的当前时刻的测定值和所述当前时刻以前的过去时刻的测定值之差即频率变化值，在所述晶体振子表面的所述薄膜产生剥落的情况下，根据所述频率变化值计算出剥落膜厚值，在根据所述当前时刻以后的将来时刻的测定值求出的所述晶体振子表面的薄膜的膜厚值上，加上所述剥落膜厚值，求出修正膜厚值。
另外，本发明的膜厚传感器的特征在于，以如下方式构成：所述频率变化值表示膜厚减少，在所述频率变化值的绝对值比基准值大的情况下，判断为在所述晶体振子表面发生薄膜剥落。
计算出剥落膜厚，并且，加到根据剥落后的测定值得到的膜厚上，所以，能够求出正确的膜厚。
【附图说明】
图1是用于说明本发明的薄膜形成装置的图。
图2示出未发生剥落时的(a)：共振频率的变化、(b)：根据共振频率求出的增加膜厚值的变化。
图3示出发生了剥落时的(a)：共振频率的变化、(b)：根据共振频率求出的增加膜厚值的变化、(c)：进行移动平均所求出的增加膜厚值的变化。
其中，附图标记说明如下：
1…薄膜形成装置
11…真空槽
12…薄膜材料源
15…膜厚传感器
18…成膜对象物
【具体实施方式】
图1的附图标记1是本发明的薄膜形成装置，具有真空槽11和在真空槽11的内部配置的薄膜材料源12。
在真空槽11内部的与薄膜材料源12对置的位置上配置有基板支架13。
在基板支架13附近配置有由晶体振子构成的膜厚传感器15。
在真空槽11上连接有真空排气系统17，在基板支架13上保持由半导体基板或玻璃基板构成的成膜对象物18，在使真空排气系统17动作对真空槽11的内部进行真空排气后，在将薄膜材料源12上的闸门(shutter)23关闭了的状态下，从薄膜材料源12使薄膜材料的粒子释放到薄膜材料源12的外部。
在此，薄膜材料源12由蒸镀容器和在蒸镀容器内部配置的薄膜材料构成，对薄膜材料进行加热，生成薄膜材料的蒸气作为薄膜材料粒子，但是，薄膜材料源12由将薄膜材料形成为板状的溅射靶构成，利用导入到真空槽内的溅射气体的等离子体对溅射靶进行溅射，生成薄膜材料粒子也可以。
在薄膜材料粒子的释放稳定时，当打开闸门23将薄膜材料粒子释放到真空槽11内时，薄膜材料粒子到达成膜对象物18，在成膜对象物18表面生长薄膜。
膜厚传感器15配置在不妨碍薄膜材料蒸气到达成膜对象物18表面并且薄膜材料蒸气所到达的位置，薄膜也生长在膜厚传感器15的表面。
晶体振子具有固有的共振频率，当一边改边频率一边施加交流电压时，交流电压的波长与固有的共振频率相等时产生共振现象。
在膜厚传感器15上连接有测定装置16，由测定装置16对膜厚传感器15施加交流电压，并检测共振现象，当产生共振现象时的频率被确定时，晶体振子的共振频率被求出。
测定装置16以一定的时间间隔测定共振频率，将基准时刻as处的膜厚传感器15表面的薄膜的膜厚设为tS，将膜厚传感器15的共振频率设为fs，当前时刻a0处的膜厚t0和共振频率f0之间存在一定的关系，能够根据基准时刻的共振频率fs和当前时刻的共振频率f0，计算出当前时刻a0的膜厚t0和基准时刻as的膜厚ts之差即增加膜厚值T(＝t0‑ts)。
例如，近似地记为：
T(＝t0‑ts)＝‑K(f0‑fs)/ρ ……(1)
其中，K为比例常数，ρ为薄膜的密度。
当将基准时刻as设定为薄膜形成的开始时刻时，增加膜厚值T是开始形成薄膜以后所生长的薄膜的膜厚。
在膜厚传感器15的表面上生长的薄膜的膜厚与在成膜对象物18的表面上生长的薄膜的膜厚之比恒定，该比值预先求出。因此，测定膜厚传感器15表面的薄膜的膜厚，由此，能够求出成膜对象物18表面的膜厚。
在该薄膜形成装置1中，在测定装置16的内部设置有计算机，利用该计算机的输入装置，将在成膜对象物18表面上形成的薄膜的膜厚预先输入，并作为目标值存储在存储装置中，该目标值是薄膜形成结束的判断基准。
在膜厚传感器15表面上生长薄膜的部分在真空槽11内朝向下方，存在生长在膜厚传感器15表面上的薄膜剥离并向铅直下方落下的情况(剥落)。
图2的(a)、(b)是表示晶体振子上的薄膜不产生剥落时的共振频率的测定值的推移和根据测定值求出的膜厚值的推移的曲线图，当晶体振子表面的薄膜的膜厚增加时，共振频率减小。
当将成膜开始时设为基准时刻as时，测定装置16根据在基准时刻as测定的共振频率fs和在当前时刻a0测定的共振频率f0，在当前时刻a0计算出基准时刻as的膜厚ts和当前时刻a0的膜厚t0之差即增加膜厚值T，在时间不延迟的情况下将增加膜厚值T换算成成膜对象物18表面的膜厚即比较膜厚值，并与目标值进行比较。当比较膜厚值为目标值以上时，关闭闸门23，使薄膜形成结束。
接着，图3(a)、(b)是表示剥落产生在当前时刻a0和其紧前的过去时刻(过去的测定时刻)a1之间的情况下的、包含将来时刻(将来的测定时刻)的共振频率的测定值的推移和根据测定值求出的膜厚值的推移的曲线图。
对于测定装置16来说，每次测定共振频率时，求出当前时刻a0的共振频率f0和其紧前的过去时刻a1的共振频率f1之差即差频Δfa＝(f0‑f1)，测定装置16根据差频Δfa计算出差频Δfa的产生原因即剥落膜厚Δta＝(Δta＞0)。
在本发明的薄膜形成装置1中，从输入装置向测定装置16输入测定误差以上判定为剥落的阈值，并将该值设定为基准值。
测定装置16对剥落膜厚Δta和基准值进行比较，差频Δfa的符号表示膜厚的减少，并且，在剥落膜厚Δta为基准值以上的情况下，判断为发生剥落。
在发生了剥落的情况下，在根据剥落后的将来时刻ax的测定结果fx计算出的增加膜厚值Tx上加上剥落膜厚Δt0，求出修正膜厚值T’(＝Tx+Δt0)，将修正膜厚值T’换算成成膜对象物18的表面的膜厚值，将换算后的值作为比较膜厚值，与目标值进行比较，在比较膜厚值为目标值以上时，结束薄膜形成。
此外，也可以将所输入的基准值换算成与其膜厚对应的共振频率的差频Δf，将差频Δf作为基准值，并将在当前时刻a0测定的差频Δfa和基准值进行比较，差频Δfa的符号表示膜厚的减少，并且，在差频Δfa为基准值以上的情况下，判断为发生了剥落。
另外，在该例中，将应该在成膜对象物18的表面上形成的薄膜的膜厚作为目标值，将在膜厚传感器15的表面上形成的薄膜的膜厚值换算为成膜对象物表面的膜厚值，将该值作为比较膜厚值，与目标值进行比较，但是，在从输入装置输入应该在成膜对象物18的表面上形成的薄膜的膜厚的情况下，将所输入的膜厚值换算成膜厚传感器15表面的膜厚，作为目标值，根据修正膜厚值T’和目标值的比较结果，结束薄膜形成也可以。
另外，在上述例子中是剥落发生了一次的情况，但是，在超过允许膜厚值的剥落发生了多次的情况下，即，在因最初的剥落而计算出修正膜厚值T’(＝T+Δt0)后还发生超过允许膜厚值的剥落的情况下，按每次产生这样的剥落，根据差频求出剥落膜厚Δt1、Δt2…，并加到修正膜厚值T’(＝T+Δt0)上即可。即，在因n次的剥落而分别产生Δt0、Δt1…Δtn‑1的剥落膜厚的情况下，修正膜厚值为在增加膜厚值T上加上这些所有剥落膜厚得到的值(T+Δt0+Δt1+…Δtn‑1)即可。
另外，在上述实施例中，将成膜开始时设为基准时刻as，根据基准时刻as的共振频率fs和当前时刻a0的共振频率f0，求出基准时刻as的膜厚ts和当前时刻a0的膜厚t0的差的增加膜厚值T(t0‑ts)，但是，也可以将根据包含当前时刻a0的连续的当前以及过去的时刻a0～an(an为n次前的过去时刻(紧前为一次前))的共振频率fs、f0～fn求出的膜厚t0～tn的移动平均值A作为增加膜厚值T。
关于移动平均值A，例如能够通过下述的式(2)的符号A求出。
A＝(k0·t0+k1·t1+……kn‑1·tn‑1)/n ……(2)
其中，k0～kn‑1为系数，k0～kn‑1之和为n。
在该情况下，能够根据移动平均值A的推移检测剥落，但是，即使发生剥落使共振频率急剧变化，移动平均值A的值也不急剧变化，在刚产生剥落之后的时刻之后的时刻取得最小值。
图3(c)是与该图(a)的共振曲线图的变化对应的移动平均值A的曲线图，在剥落后的时刻am取得最小值。
此外，在上述式(2)中，对移动平均值进行算出的数据个数事先被设定，在采集数据的时间间隔为恒定的情况下，k0～kn‑1可以设为“1”。
另外，在产生一定以上的频率的变化时，可以改变数据采集间隔。在该情况下，也能够与间隔匹配地改变k0～kn‑1的值。
计算出在剥离紧前的时刻a1求出的移动平均值A1和最小的移动平均值Am之差ΔA(＝A1‑Am)，将加到在剥落后的将来时刻ax求出的移动平均值Ax上得到的值(＝Ax+ΔA)作为增加膜厚值。
使用移动平均值A，由此，能够降低将测定误差判断为剥落的概率，但是，响应变慢。也可以利用移动平均值进行剥落判断，根据上述差频求出剥落膜厚。