特許 6263441 水晶発振式膜厚モニタによる膜厚制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6263441

(24)【登録日】2017年12月22日

(45)【発行日】2018年1月17日

(54)【発明の名称】水晶発振式膜厚モニタによる膜厚制御方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 17/02 20060101AFI20180104BHJP

   C23C 14/54 20060101ALI20180104BHJP

【ＦＩ】

   G01B17/02 A

   C23C14/54 Z

【請求項の数】1

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2014-107511(P2014-107511)

(22)【出願日】2014年5月23日

(65)【公開番号】特開2015-222244(P2015-222244A)

(43)【公開日】2015年12月10日

【審査請求日】2017年5月22日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】591065413

【氏名又は名称】キヤノントッキ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091373

【弁理士】

【氏名又は名称】吉井 剛

(74)【代理人】

【識別番号】100097065

【弁理士】

【氏名又は名称】吉井 雅栄

(72)【発明者】

【氏名】小林 康信

【審査官】 櫻井 仁

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−１２２２００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−０８２５１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１７１０２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１１２０３７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ １７／０２

Ｃ２３Ｃ １４／５４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板表面に成膜材料を堆積させて薄膜を形成する成膜装置の成膜室内に水晶発振式膜厚モニタの測定部となる水晶振動子を設け、この水晶振動子に前記成膜材料を堆積させて前記基板表面に形成される薄膜の膜厚を測定する成膜装置に設ける水晶発振式膜厚モニタによる膜厚制御方法であって、成膜工程前に事前測定用水晶振動子を用いて、この事前測定用水晶振動子の異なる発振周波数毎での測定用基板の薄膜の膜厚を測定して、前記事前測定用水晶振動子で測定する目標膜厚と前記各発振周波数毎に測定した測定用基板の薄膜の実膜厚との比率を補正比率として算出し、成膜工程においては、成膜時の前記水晶振動子により測定される前記基板の薄膜の膜厚若しくは成膜速度に、前記各補正比率のうち発振周波数に応じた補正比率を乗じて基板の薄膜の膜厚若しくは成膜速度を補正し膜厚を制御する方法において、
前記成膜工程前に行う事前測定工程においては、前記測定用基板表面に成膜材料を堆積させて薄膜を形成する前記成膜装置の前記成膜室内に事前測定用水晶振動子を設け、この事前測定用水晶振動子に成膜材料を堆積させて測定用基板の実際の薄膜の膜厚を測定し、この測定用基板の薄膜の実膜厚の前記事前測定用水晶振動子により測定される目標膜厚に対する比率を前記補正比率として算出し、この補正比率の算出は、前記事前測定用水晶振動子に堆積して行く前記成膜材料の膜厚の増大により変化して行く発振周波数の変化段階毎に、逐次異なる測定用基板に取り替えてこの測定用基板に堆積される薄膜の膜厚をｎ回測定して、異なる発振周波数毎の前記補正比率を各々算出するものとし、
前記成膜工程においては、前記事前測定用水晶振動子に替えて新たな別の水晶振動子を前記成膜室内に設け、前記水晶振動子の発振周波数に対応する前記補正比率を、水晶振動子により測定される膜厚若しくは成膜速度に乗じて、発振周波数の変化に対応して補正することを特徴とする水晶発振式膜厚モニタによる膜厚制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水晶発振式膜厚モニタによる膜厚制御方法に関するもので、水晶振動子で測定する膜厚と、基板上の実膜厚の誤差を補正する技術に関するものである。

【背景技術】

【0002】

蒸着やスパッタリングなどによって、成膜材料を基板に堆積させて薄膜を形成する成膜装置において、膜厚及び成膜速度（レート）を制御（管理）するために、膜厚計（膜厚モニタ）が用いられるが、これには水晶振動子法を用いた水晶発振式膜厚モニタが広く用いられている。

【0003】

この水晶発振式膜厚モニタは、測定部となる水晶振動子を成膜室内に設け、この水晶振動子に成膜材料が付着すると、共振振動がその質量の変化によって変化することを利用したもので、例えばこの共振振動（発振周波数）の変化を測定することで、膜厚や成膜速度（レート）を計測し、例えば成膜装置として真空蒸着装置を用いる場合には、この測定結果を蒸発源の加熱制御装置にフィードバックして、基板への蒸着薄膜のレートを一定に制御するなどして膜厚を管理するものである。

【0004】

また、一方このような水晶振動子は、測定に伴って徐々に薄膜が厚くなって行くが、この水晶振動子表面の薄膜が厚くなると、共振振動が徐々に低下して行く。その際、例えば図１に示すように、水晶振動子のモニタ上の成膜速度と、基板上の実際の成膜速度が徐々にずれてしまい、水晶振動子の使用初期には正確な膜厚が測定出来ていても、時間経過と共に、膜厚測定に誤差が生じてしまう（使用初期に成膜した基板と、時間が経過した後に成膜した基板とでは、膜厚に誤差が生じてしまう。）。

【0005】

このように水晶振動子に堆積される薄膜の膜厚の増大によって発振周波数は徐々に低下して行くに伴って、実膜厚との誤差が大きくなり、これを補正する必要がある。

【0006】

この点、例えば特許文献１（特開２００８−１２２２００号公報）には、測定用の水晶振動子に並設して校正用水晶振動子を設け、測定用の水晶振動子の膜厚の増大に応じて、膜厚が増大していない校正用水晶振動子のシャッターを開けてこの校正用水晶振動子により膜厚を測定し、この測定値と測定用水晶振動子の測定値との比率を補正比率として乗じて膜厚換算を行う補正手法が開示されている。

【0007】

しかし、水晶振動子とは別に校正用水晶振動子を並設しなければならず、測定途中で逐次シャッターを開いて校正用水晶振動子での測定を行い換算補正する必要があり、また、この換算補正もあくまで水晶振動子での測定に基づくものであり、基板の薄膜の実膜厚に基づくものではなく、しかもこの校正用水晶振動子には測定用水晶振動子よりは薄膜は堆積しないが、やはり成膜材料が徐々に堆積し膜厚はやはり徐々に増大して行くため、誤差を補正する補正精度に劣り、基板の膜厚の測定精度は十分に改善されるとは言えない。

【0008】

また、特許文献２（特開平８−８２５１７号公報）には、基板の薄膜の膜厚を実測して補正する手法が開示されているが、発振周波数の高い状態と低い状態との実膜厚を測定し、最小２乗法により最適な補正係数を算出する手法にすぎないため、この２点間は計算結果による固定値によって補正しているにすぎず、やはり誤差補正精度は低く、基板の膜厚の測定精度は十分ではない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開２００８−１２２２００号公報

【特許文献2】特開平８−８２５１７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

本発明は、このような問題を解決したもので、成膜工程前に事前測定用水晶振動子を用いて、この事前測定用水晶振動子の異なる発振周波数毎での測定用基板の薄膜の膜厚を測定して、前記事前測定用水晶振動子で測定する目標膜厚と前記各発振周波数毎に測定した測定用基板の薄膜の実膜厚との比率を補正比率として算出し、成膜工程においては、成膜時の前記水晶振動子により測定される（成膜用）基板の薄膜の膜厚若しくは成膜速度に、前記各補正比率のうち発振周波数に応じた補正比率を乗じて（成膜用）基板の薄膜の膜厚若しくは成膜速度を補正し膜厚を制御することで、誤差補正精度が極めて向上して膜厚測定精度が極めて向上すると共に、水晶振動子の使用時間（使用周波数帯）を延ばせることにもなる極めて優れた水晶発振式膜厚モニタによる膜厚制御方法を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0011】

添付図面を参照して本発明の要旨を説明する。

【0012】

基板１表面に成膜材料を堆積させて薄膜を形成する成膜装置３の成膜室４内に水晶発振式膜厚モニタの測定部となる水晶振動子５を設け、この水晶振動子５に前記成膜材料を堆積させて前記基板１表面に形成される薄膜の膜厚を測定する成膜装置３に設ける水晶発振式膜厚モニタによる膜厚制御方法であって、成膜工程前に事前測定用水晶振動子を用いて、この事前測定用水晶振動子の異なる発振周波数毎での測定用基板の薄膜の膜厚を測定して、前記事前測定用水晶振動子で測定する目標膜厚と前記各発振周波数毎に測定した測定用基板の薄膜の実膜厚との比率を補正比率として算出し、成膜工程においては、成膜時の前記水晶振動子５により測定される前記基板１の薄膜の膜厚若しくは成膜速度に、前記各補正比率のうち発振周波数に応じた補正比率を乗じて基板１の薄膜の膜厚若しくは成膜速度を補正し膜厚を制御する方法において、
前記成膜工程前に行う事前測定工程においては、前記測定用基板表面に成膜材料を堆積させて薄膜を形成する前記成膜装置３の前記成膜室４内に事前測定用水晶振動子を設け、この事前測定用水晶振動子に成膜材料を堆積させて測定用基板の実際の薄膜の膜厚を測定し、この測定用基板の薄膜の実膜厚の前記事前測定用水晶振動子により測定される目標膜厚に対する比率を前記補正比率として算出し、この補正比率の算出は、前記事前測定用水晶振動子に堆積して行く前記成膜材料の膜厚の増大により変化して行く発振周波数の変化段階毎に、逐次異なる測定用基板に取り替えてこの測定用基板に堆積される薄膜の膜厚をｎ回測定して、異なる発振周波数毎の前記補正比率を各々算出するものとし、
前記成膜工程においては、前記事前測定用水晶振動子に替えて新たな別の水晶振動子５を前記成膜室４内に設け、前記水晶振動子５の発振周波数に対応する前記補正比率を、水晶振動子５により測定される膜厚若しくは成膜速度に乗じて、発振周波数の変化に対応して補正することを特徴とする水晶発振式膜厚モニタによる膜厚制御方法に係るものである。

【発明の効果】

【0013】

本発明は上述のように構成したから、誤差補正精度が極めて向上して膜厚測定精度が極めて向上すると共に、水晶振動子の使用時間（使用周波数帯）を延ばせることにもなる極めて優れた水晶発振式膜厚モニタによる膜厚制御方法となる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】補正前の水晶振動子により測定する成膜速度に対する基板上の実際の成膜速度の発振周波数相関図を示すグラフであり、膜厚が増大して発振周波数が低下するに従い誤差が大きくなることを示すグラフである。

【図2】本実施例の補正後の成膜速度の周波数相関図を示すグラフであり、誤差補正精度が高まることを示すグラフである。

【図3】本実施例の事前測定工程により取得した補正比率に基づいて補正する手順を示すフローチャート図である。

【図4】本実施例の概略構成説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

好適と考える本発明の実施形態を、図面に基づいて本発明の作用を示して簡単に説明する。

【0016】

成膜装置３により（成膜用）基板１表面に成膜材料を堆積させて薄膜を形成する成膜工程前に、事前測定用水晶振動子を用いて、この事前測定用水晶振動子の異なる発振周波数毎での測定用基板の薄膜の膜厚を測定して、前記事前測定用水晶振動子で測定する目標膜厚と前記各発振周波数毎に測定した測定用基板の薄膜の実膜厚との比率を補正比率として算出しておく。

【0017】

成膜工程においては、成膜時の前記水晶振動子５により測定される前記（成膜用）基板１の薄膜の膜厚若しくは成膜速度に、前記取得しておいた各補正比率のうちの測定時の発振周波数に応じた補正比率を乗じて（成膜用）基板１の薄膜の膜厚若しくは成膜速度を補正する。

【0018】

即ち、水晶発振式膜厚モニタの前記事前測定用水晶振動子に堆積して行く前記成膜材料の膜厚の増大により変化して行く発振周波数の変化段階毎に、例えば図２，図３に示すように、前記事前測定用水晶振動子に堆積して行く前記成膜材料の膜厚の増大により徐々に低下して行く発振周波数のｎ段階毎に、逐次異なる測定用基板に取り替えてこの測定用基板に堆積される薄膜の膜厚をｎ回測定して、異なる発振周波数毎の前記補正比率を各々算出し取得しておき、成膜工程においては、新たな測定用の水晶振動子５の測定時の発振周波数に対応する前記補正比率を、この水晶振動子５により測定される膜厚若しくは成膜速度に乗じて、発振周波数の変化に対応した補正を行う。

【0019】

従って、水晶振動子５による測定値が発振周波数の変化に伴って実膜厚との誤差が徐々に大きくなるとしても、固定値ではなく、予め測定した各発振周波数毎（ｎ段階毎）の測定用基板の実膜厚との比較により求めた各発振周波数毎の補正比率により水晶振動子５の測定値を補正するため、極めて誤差補正精度が高まることとなる。

【0020】

また、この成膜工程の前に前記異なる発振周波数毎に前記測定用基板に堆積される薄膜の実膜厚を測定する前記事前測定工程は、この事前測定用水晶振動子を用いて徐々に変化して行く各発振周波数毎、具体的には多数の変化段階毎（ｎ段階毎）に例えば逐次測定用基板を取り替えつつ実膜厚を順次測定して行くことで、各発振周波数毎の補正比率を多段階（ｎ段階）に簡単に取得でき、この補正比率を用いて水晶振動子５のその測定時の発振周波数に対応する補正比率により誤差補正を行うことができるため、簡易に効率良く多段階に実膜厚に基づいた補正比率を取得でき、またこれを予め例えば水晶発振式膜厚モニタの誤差補正処理部に入力しておき、その発振周波数の変化に対応して補正比率を選択してこれを測定値に乗じて誤差補正することが容易に行えることとなり、極めて誤差補正精度が高く、実用性に優れた水晶発振式膜厚モニタによる膜厚制御方法となるものである。

【実施例】

【0021】

本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。

【0022】

本実施例は、成膜室４（真空チャンバー４）内で蒸発源２から成膜材料（蒸着材料）を蒸着させて基板ホルダーに固定した（成膜用）基板１表面に堆積させ薄膜を形成する成膜装置（蒸着装置）３に、水晶発振式膜厚モニタを設けてこの基板１の膜厚を制御（管理）するもので、この水晶発振式膜厚モニタの測定部となる水晶振動子５を蒸着装置３の真空チャンバー４内に設け、この蒸着装置３による（成膜用）基板１の膜厚や成膜速度（レート）を測定し、蒸発源２の加熱制御装置７にフィードバックすることでこのレートを均一に制御するが、この水晶振動子５の測定値と実膜厚との誤差を前記補正比率を乗じて補正し、膜厚を管理するものである。

【0023】

また、本実施例の水晶発振式膜厚モニタは、例えば図４に示すように、真空チャンバー４内に設ける測定部としての水晶振動子５と、この水晶振動子５による測定値に基づいてレートをモニタ及びコントロールする膜厚監視装置８とから成り、この膜厚監視装置８は、前述のように膜厚検査装置９（エリプソメータや触針式表面粗さ測定器など）により予め各発振周波数毎に測定用基板の実膜厚を測定し、演算部で実測値から予め各発振周波数毎の補正比率を算出して上位コントローラ10にメモリしておく（前記演算部は別機構として設けているが、上位コントローラ10に組み込んでも良い。）。そして、図２，図３に示すように測定ポイントとした各発振周波数での各補正ポイント毎、そのポイントで測定した実膜厚に基づいて算出し取得していた補正比率を、この上位コントローラ10から入力して水晶振動子５で測定値を補正して、蒸着源２の加熱を行う電源の出力制御を行う加熱制御装置７にフィードバックするなどしてレートを一定に保持し、基板１の膜厚を制御（管理）するように構成している。

【0024】

即ち、前述のように、本実施例では、成膜工程（蒸着工程）の前に行う事前測定工程において、基板１表面に成膜材料（蒸着材料）を堆積させて薄膜を形成する前記蒸着装置３の前記真空チャンバー４内に前記水晶振動子５に替えて前記事前測定用水晶振動子を設け、この事前測定用水晶振動子に蒸着材料を堆積させて測定用基板の実際の薄膜の膜厚を前記膜厚検査装置９により測定し、この測定用基板の薄膜の実膜厚の前記事前測定用水晶振動子により測定される目標膜厚に対する比率を前記補正比率として算出して上位コントローラ10にメモリしておく。

【0025】

また、この補正比率の算出取得を、前記事前測定用水晶振動子に堆積して行く前記蒸着材料の膜厚の増大により低下して行く発振周波数の変化段階毎（測定ポイント毎）にｎ回行って、異なる発振周波数毎の補正比率を各々算出し、蒸着工程においては、前記水晶振動子５の発振周波数に対応する前記補正比率を、その測定ポイントに対応した補正ポイント毎に選択取得して水晶振動子５により測定される膜厚若しくは成膜速度に乗じる演算処理を行い、発振周波数の変化に対応して補正する。

【0026】

具体的には、蒸着工程の前に前記異なる発振周波数毎に実際の前記測定用基板に堆積される薄膜の膜厚を測定する前記事前測定工程は、この各発振周波数毎に異なる測定用基板に取り替えてこの測定用基板に堆積される薄膜の膜厚を測定する工程とし、この事前測定を終えると、前記事前測定用水晶振動子に替えて別の新しい水晶振動子５を前記成膜室４内に設ける。

【0027】

従って、水晶振動子５による測定値が発振周波数の変化に伴って実膜厚との誤差が徐々に大きくなるとしても、固定値ではなく、予め測定した各発振周波数毎（ｎ段階毎）の測定用基板の実膜厚との比較により求めた各発振周波数毎の補正比率により水晶振動子５の測定値を補正するため、極めて誤差補正精度が高まることとなる。

【0028】

尚、本発明は、本実施例に限られるものではなく、各構成要件の具体的構成は適宜設計し得るものである。

【符号の説明】

【0029】

１ 基板
３ 成膜装置
４ 成膜室
５ 水晶振動子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】