(57)【要約】【課題】  圧縮残留応力のある薄膜でも機械的特性を容易に測定する。【解決手段】  ウエハ４上にほぼ扇形に形成された共振デバイス２がその扇形の要付近に回転可能に支持部６によって支持され、扇形の一方の辺に静電引力付与用の櫛歯電極８を有している。櫛歯電極８に振動用の電圧を周波数可変電源１８が供給する。共振デバイス２単独及び共振デバイス２に薄膜を成膜した状態で、周波数可変電源１８から周波数を変化させた電圧が供給されたときの振幅の変化から共振デバイス２単独及び成膜時の共振デバイス２の共振周波数をそれぞれ共振デバイス２の櫛歯電極１２を用いて測定する。共振デバイス２単独の共振周波数と、成膜時の共振デバイス２の共振周波数と、薄膜の密度及び厚さと、共振デバイス２単独のヤング率、密度及び厚さとに基づいて、薄膜のヤング率を演算装置２４が算出する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に外形がほぼ扇形に形成され、かつ前記扇形の要付近において前記基板に垂直な軸周りに回転可能に設けられ、前記扇形の一方の辺が静電引力付与用の櫛歯電極に形成された共振デバイスと、
前記櫛歯電極に振動用の電圧を供給する周波数可変電源と、
前記共振デバイス単独及び前記共振デバイスに薄膜を成膜した状態で、前記周波数可変電源から周波数を変化させた電圧が前記共振デバイスに供給されたときの振幅の変化から前記共振デバイス単独及び前記薄膜が成膜された前記共振デバイスの共振周波数をそれぞれ測定する共振周波数測定手段と、
前記共振デバイス単独の共振周波数と、前記成膜された共振デバイスの共振周波数と、前記薄膜のヤング率、密度及び厚さのうち２つの既知のものと、前記共振デバイス単独のヤング率、密度及び厚さとに基づいて、前記薄膜のヤング率、密度及び厚さのうち未知のものを算出する算出手段とを、
具備する薄膜の機械的特性測定装置。
【請求項２】
前記共振周波数測定手段が、前記共振デバイスの他方の辺に設けた櫛歯型静電容量センサを含む薄膜の機械的特性測定装置。
【請求項３】
基板上に外形がほぼ扇形に形成され、かつ前記扇形の要付近において前記基板に垂直な軸周りに回転可能に設けられ、前記扇形の一方の辺が静電引力付与用の櫛歯電極に形成された共振デバイスの前記櫛歯電極に、振動用電圧をそれの周波数を変化させながら供給し、前記振動用電圧の周波数変化に基づく前記共振デバイスの振動の振幅の変化から前記共振デバイスの共振周波数を測定する段階と、
前記共振デバイスに薄膜を成膜した状態で、共振デバイスの前記櫛歯電極に、振動用電圧をそれの周波数を変化させながら供給し、前記振動用電圧の周波数変化に基づく前記成膜された前記共振デバイスの振動の振幅の変化から前記成膜された前記共振デバイスの共振周波数を測定する段階と、
前記共振デバイス単独の共振周波数と、前記成膜された共振デバイスの共振周波数と、前記薄膜のヤング率、密度及び厚さのうち２つの既知のものと、前記共振デバイス単独のヤング率、密度及び厚さとに基づいて、前記薄膜のヤング率、密度及び厚さのうち未知のものを算出する段階とを、
具備する薄膜の機械的特性測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜の機械的特性、例えばヤング率、厚さ及び密度のうち１つを測定する測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、薄膜のヤング率の測定技術としては、例えば特許文献１に開示されているようなものがある。この技術では、一端を固定し、他端を自由端とした薄膜からなる片持ち梁構造体を設け、自由端の下面に電極を設け、電極と片持ち梁との間に交流電圧を印加することによって自由端に静電気力を加えて、片持ち梁構造体に振動を生じさせる。交流電圧の周波数を変化させて静電気力の周波数を変化させると、薄膜構造体の共振周波数付近で薄膜構造体の振動の振幅が増大する。この周波数を測定し、この周波数と、薄膜の厚さ、曲げ剛性、密度を元にヤング率を算出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第２８００５６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の技術では、片持ち梁構造体を使用しているので、片持ち梁構造体は、片持ち梁の上下面に対して垂直な方向に振動する。そのため、圧縮残留応力を持つ薄膜材料の場合、変形が振動特性に大きく影響を及ぼし、計測誤差が大きくなる。そのため、弱い引っ張り残留応力を持つ薄膜材料にしか適用することができない。さらに、振動特性を測定するためには、静電容量の変化計測用の電極を別途設ける必要があり、これらの製作及び配置の作業が必要となり、容易に測定することができない。
【０００５】
本発明は、圧縮残留応力のある薄膜でも特性を測定することができる薄膜の特性測定装置を提供することを目的とし、さらに薄膜の特性測定装置の製造を容易にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様の薄膜の特性測定装置は、共振デバイスを有している。この共振デバイスは、基板上に外形がほぼ扇形に形成されている。この扇形の要付近において前記基板に垂直な軸回りに回転可能に基板上に設けられている。前記扇形の一方の辺が静電引力付与用の櫛歯電極に形成されている。前記櫛歯電極に振動用の電圧を周波数可変電源が供給する。前記共振デバイス単独及び前記共振デバイスに薄膜を成膜した状態で、前記周波数可変電源から周波数を変化させた電圧が前記共振デバイスに供給されたときの振幅の変化から、前記共振デバイス単独及び前記薄膜が成膜された前記共振デバイスの共振周波数を、それぞれ共振周波数測定手段が測定する。前記共振デバイス単独の共振周波数と、前記成膜された共振デバイスの共振周波数と、前記薄膜のヤング率、密度及び厚さのうち２つの既知のものと、前記共振デバイス単独のヤング率、密度及び厚さとに基づいて、前記薄膜のヤング率、密度及び厚さのうち未知のものを算出手段が算出する。
【０００７】
このように構成された特性測定装置では、周波数可変電圧を共振デバイスに供給したとき、共振デバイスが扇形の要付近の位置の垂直な軸の回りに振動する。電圧の周波数を変化させていくと、特定の周波数で共振するが、共振デバイス単独の場合と、成膜した共振デバイスの場合とでは、共振周波数が異なる。これら異なる２つの共振周波数と、前記薄膜のヤング率、密度及び厚さと、前記共振デバイス単独のヤング率、密度及び厚さとには特定の関係がある。従って、薄膜のヤング率、密度及び厚さのうち１つが未知の場合、これを算出することができる。例えば密度及び厚さが既知であれば、ヤング率を算出でき、ヤング率及び厚さが既知なら、密度を算出でき、ヤング率及び密度が既知なら、厚さを算出することができる。
【０００８】
共振デバイスは、基板の垂直な軸回りに振動するので、圧縮残留応力を持つ薄膜材料であっても、変形が振動特性に大きく影響を及ぼすことがなく、計測誤差は小さい。
【０００９】
前記共振周波数測定手段は、共振デバイスの他方の辺に設けた静電容量センサを有するものとすることができる。このように構成すると、別途容量センサを共振デバイスに対して設ける必要がなく、製造が容易になる。
【００１０】
本発明の他の態様の薄膜の特性測定方法は、上記の特性測定装置で述べた共振デバイスの前記櫛歯電極に、振動用電圧をそれの周波数を変化させながら供給し、前記振動用電圧の周波数変化に基づく前記共振デバイスの振動の振幅の変化から前記共振デバイスの共振周波数を測定する。次に、共振デバイスに薄膜を成膜した状態で、共振デバイスの前記櫛歯電極に、振動用電圧をそれの周波数を変化させながら供給し、前記振動用電圧の周波数変化に基づく前記成膜された前記共振デバイスの振動の振幅の変化から前記成膜された前記共振デバイスの共振周波数を測定する。前記共振デバイス単独の共振周波数と、前記成膜された共振デバイスの共振周波数と、前記薄膜のヤング率、密度及び厚さのうち２つの既知のものと、前記共振デバイス単独のヤング率、密度及び厚さとに基づいて、前記薄膜のヤング率、密度及び厚さのうち未知のものを算出する。
【００１１】
この特性測定方法においても、上記態様の測定装置と同様に計測誤差を小さくすることができる。この特性測定方法においても、共振デバイスは、静電容量センサを扇形の他方の辺に有するものとできる。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように、本発明によれば、残留応力の大きい薄膜であっても、測定誤差を小さくして、薄膜のヤング率、厚さ及び密度のいずれか１つを測定することができる。また、共振デバイスに容量センサを設けた場合には、測定に使用する機器の構成を簡略化することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明による薄膜の機械的特性測定装置のブロック図である。
【図２】図１の機械的特性測定装置に使用する共振デバイスを示す図である。
【図３】図１の機械的特性測定装置において成膜の前後のＱカーブ特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の１実施形態の薄膜特性測定装置は、図１に示すように、共振デバイス２を有している。共振デバイス２は、図２に示すように基板、例えばＳＯＩウエハ４上に薄膜によって形成された概略扇形のもので、その要に相当する支持部６によってウエハ４に対して垂直に立てた軸（図２の紙面に対して垂直な軸）の回りに回転可能に構成されている。この扇型の共振デバイス２の一方の辺側には、櫛歯電極８の複数の可動側電極８ａが扇型の辺の外方に向かって突出するように、扇型の弧側から要側に一列に間隔を置いて形成されている。これら可動側電極８ａの間に先端がそれぞれ位置するように、櫛歯電極の固定側電極８ｂが扇型の辺の内側に向かって突出するように、扇形の弧側から要側に一列にウエハ４の固定部１０側に形成されている。共振デバイス２の他方の辺側にも、同様に可動側電極１２ａと固定側電極１２ｂとからなる櫛歯電極１２が設けられている。また、共振デバイス２の弧側には、共振デバイス２が振動した際の振幅を測定するためのゲージ１４がウエハ４側に設けられ、指針１６が共振デバイス２側に設けられている。なお、図２では、説明の便宜上、可動側電極８ａ、１２ａ、固定側電極８ｂ、１２ｂをかなり誇張して描いてある。
【００１５】
この共振デバイス２の一方の櫛歯電極、例えば櫛歯電極８には、図１に示すように周波数可変電源１８から、駆動用の交流電圧が供給される。この電圧は、共振デバイス２を振動させることができる大きさのものであればよく、例えば±４０Ｖのものである。そして、その周波数が共振デバイス２の共振周波数を内部に含むと想定される範囲で変更可能に構成され、例えば２０ＫＨｚ乃至４０ＫＨｚの範囲で変更される。
【００１６】
ウエハ４に対して垂直に立てた軸（図２の紙面に対して垂直な軸）の回りに回転可能に共振デバイス２が構成されているので、周波数可変電源１８からの交流電圧を共振デバイス２に供給することによって、共振デバイス２がウエハ４に対して垂直に立てた軸の回りに振動する。この振動を撮影手段、例えばＣＣＤカメラ２０によって撮影し、その画像を表示手段、例えばモニタ２２に表示する。この場合、共振周波数を決定するために、周波数可変電源１８の周波数を変化させながら、撮影を行う。撮影された画像上の指針１６とゲージ１４とを用いて、最も振幅が大きくなったときを決定し、そのときの周波数を共振周波数と決定する。共振デバイス２の弧側にゲージ１４が設けられており、このゲージ１４で振動が拡大されるので、光梃子などを使用して振動を拡大する必要がない。また、櫛歯電極１２に直流電圧を供給しておいて、共振デバイス２の振動に伴う可動側電極１２ａと固定側電極１２ｂとの間の静電容量の変化を測定し、その変化から共振周波数を決定することもできる。カメラ２０及びモニタ２２が共振周波数測定手段として機能し、また櫛歯電極１２も共振周波数測定手段として機能する。
【００１７】
共振デバイス２に薄膜を成膜した状態において、上記と同様にして共振周波数を求めると、成膜されていることにより、共振周波数が異なる。未成膜の共振デバイス単独の場合の共振周波数をｆ１、成膜後の共振周波数をｆ２とし、共振デバイス２単独のヤング率をＥ１、厚さをｔ１、密度をρ１とし、薄膜のヤング率をＥ２、厚さをｔ２、密度をρ２とすると、ヤング率Ｅ２は、
Ｅ２＝Ｅ１｛（ｆ２／ｆ１）２（ｔ１／ｔ２＋ρ１／ρ２）−（ｔ１／ｔ２）｝
によって求められる。従って、共振デバイス２単独のヤング率Ｅ１、厚さｔ１、密度ρ１、共振デバイス２の成膜された薄膜の密度ρ２、厚さｔ２が既知であれば、上記の式より成膜された薄膜のヤング率を求めることができる。逆に、薄膜のヤング率Ｅ２、厚さｔ２が既知であれば、密度ρ２を求めることができるし、薄膜のヤング率Ｅ２、密度ρ２が既知であれば、薄膜の厚さｔ２を求めることができる。この演算を演算装置２４によって行う。演算装置２４としては、例えばパーソナルコンピュータを使用することができ、モニタ２２での読み取り結果の共振周波数を設定手段、例えばキーボードから入力する。或いは、櫛歯電極１２からの電圧をデジタル化して入力すると共に、周波数可変電源１８からそのときの周波数を入力しておき、櫛歯電極１２の電圧のピーク値を検出し、ピーク時の周波数可変電源１８の周波数を共振周波数と決定する。この共振周波数以外の定数は、予め演算装置２４に設定されている。
【００１８】
図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、膜厚５０ｎｍ、１００ｎｍ、１５０ｎｍのアルミニウム薄膜を共振デバイス２のシリコンウエハ４上に成膜する前後の振動デバイス２の振幅の相対値で表されるＱカーブを示したものである。符号Ａで示したのが、成膜前のＱカーブであり、符号Ｂで示したのが成膜後のＱカーブである。共振周波数は成膜後に数Ｈｚ乃至数十Ｈｚ低下している。上式を用いて各厚みにおけるヤング率を演算すると、順に６０．７ＧＰａ、６０．２ＧＰａ、５３．５ＧＰａの値が得られた。これらは、バルクのアルミニウムのヤング率７０ＧＰａより１０乃至２０％低い値となった。一方、厚さ２μｍのアルミニウム薄膜に対して引っ張り試験を行った結果得られたヤング率の平均値は４６ＧＰａであった。アルミニウム薄膜の密度がバルク材の密度の８０％と仮定すると、共振法により求めた厚さ２μｍでのヤング率は、約４３乃至４８ＧＰａとなり、引っ張り試験で得られたヤング率と良好に一致した。
【００１９】
このように、本実施形態の機械特性測定装置によれば、精度よくミクロン以下、特にサブミクロンからナノの厚みを有する薄膜のヤング率や密度や厚さを測定することができる。しかも、共振デバイス２は、支持部６の回りに回転可能であるので、共振デバイス２は、交流電圧が印加されたときウエハ４の垂直な軸回りに振動するので、圧縮残留応力を持つ薄膜材料であっても、変形が振動特性に大きく影響を及ぼすことがなく、計測誤差は小さい。また、櫛歯電極８、１２が共振デバイス２に設けられているので、その一方、この実施形態では櫛歯電極８によって振動させ、櫛歯電極１２によって共振周波数を測定することができるので、共振デバイス２に別途測定装置を設ける必要がなく、容易に測定することができる。
【００２０】
上記の実施形態では、アルミニウムの薄膜のヤング率を測定したが、これ以外にも種々の薄膜、例えば銅薄膜やメタン系及びフッ素系ガスに基づく各種カーボン膜についても、ヤング率や厚さや密度を測定することができる。
【符号の説明】
【００２１】
２  共振デバイス
４  基板
８  櫛歯電極
１２  櫛歯電極（静電容量センサ）
１８  周波数可変電源
２４  演算装置
【図１】
2010197085.tif 000003
【図２】
2010197085.tif 000004
【図３】
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