(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、測定用基板を用いて、基板上における混合気体の濃度分布を測定することのできる成膜装置及び測定方法を提供することにある。また、本発明の目的は、測定用基板を用いて、基板上における混合気体の流量分布を測定することのできる成膜装置及び測定方法を提供することにある。【解決手段】  本発明の成膜装置１は、基板の被成膜面と同じ大きさの測定用表面２０を有し、基板に代えて反応容器２に配置される測定用基板１０と、混合気体と接触する濃度測定用センサ１２と、混合気体の濃度を算出する演算部８と、を有している。濃度測定用センサ１２は、測定用基板１０の測定用表面２０に複数個配置され、測定用表面２０における混合気体の濃度を測定し、演算部は、測定用表面２０における混合気体の濃度分布を得る。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
構成気体が既知で濃度が未知の２成分混合気体の気体供給源と、
前記気体供給源に接続され、被成膜面を有する基板が配置される反応容器と、
前記基板の被成膜面と同じ大きさの測定用表面を有し、前記基板に代えて前記反応容器に配置される測定用基板と、
前記混合気体と接触する濃度測定用センサと、
前記濃度測定用センサからの出力を計測する計測部と、
前記計測部の計測結果に基づいて、前記混合気体の濃度を算出する演算部と、
を有し、
前記濃度測定用センサは、前記測定用基板の前記測定用表面に複数個配置され、前記測定用表面における前記混合気体の濃度を測定し、
前記演算部は、前記測定用表面における前記混合気体の濃度分布を得ることを特徴とする成膜装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記濃度測定用センサは、水晶振動子であり、前記測定用表面に開口して形成された複数の濃度測定用凹部内に配置されることを特徴とする成膜装置。
【請求項３】
請求項２において、
複数の前記濃度測定用凹部に前記混合気体の流通を許容するカバーが設けられ、前記濃度測定用センサは、前記カバーによって、前記混合気体の流量変化による影響を防ぐことを特徴とする成膜装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記反応容器内には、前記混合気体の濃度変化に影響を受けることなく該反応容器内の圧力を測定する圧力センサを有することを特徴とする成膜装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記混合気体の温度を測定する複数の温度センサが前記濃度測定用センサに近接して配置されることを特徴とする成膜装置。
【請求項６】
構成気体が既知で濃度が未知の２成分混合気体の気体供給源と、
前記気体供給源に接続され、被成膜面を有する基板が配置される反応容器と、
前記基板の被成膜面と同じ大きさの測定用表面を有し、前記基板に代えて前記反応容器に配置される測定用基板と、
前記混合気体と接触する流量測定用センサと、
前記流量測定用センサからの出力を計測する計測部と、
前記計測部の計測結果に基づいて、前記混合気体の流量を算出する演算部と、
を有し、
前記流量測定用センサは、前記測定用基板の前記測定用表面に複数個配置され、前記測定用表面における前記混合気体の流量を測定し、
前記演算部は、前記測定用表面における前記混合気体の流量分布を得ることを特徴とする成膜装置。
【請求項７】
請求項６において、
前記流量測定用センサに近接して濃度測定用センサが配置され、
前記流量測定用センサ及び前記濃度測定用センサは、それぞれ水晶振動子からなり、
前記計測部は、
前記流量測定用センサからの出力を計測する第１の計測部と、
前記濃度測定用センサからの出力を計測する第２の計測部と、
を有し、
前記演算部は、前記第１の計測部の計測値と前記第２の計測部の計測値との差から前記混合気体の流量を演算することを特徴とする成膜装置。
【請求項８】
請求項７において、
前記流量測定用センサは、前記測定用表面に開口して形成された複数の流量測定用凹部内に配置され、
前記濃度測定用センサは、前記測定用表面に開口して形成された複数の濃度測定用凹部内に配置され、
前記複数の濃度測定用凹部に前記混合気体の流通を許容するカバーが配置され、前記濃度測定用センサは、前記カバーによって、前記混合気体の流量変化による影響を防ぐことを特徴とする成膜装置。
【請求項９】
構成気体が既知で濃度が未知の２成分混合気体の濃度の測定方法であって、
成膜する基板の該被成膜面と同じ大きさの測定用表面を有する測定用基板を反応容器内に配置する工程と、
前記反応容器内に前記混合気体を供給する工程と、
前記測定用表面に複数個配置された濃度測定用センサからの出力を計測する工程と、
前記計測する工程で得られた計測結果に基づいて、前記測定用表面における前記混合気体の濃度分布を演算する工程と、
を有することを特徴とする測定方法。
【請求項１０】
請求項９において、
前記濃度測定用センサは、水晶振動子であり、前記測定用表面に開口して形成された複数の濃度測定用凹部内に配置され、
前記演算する工程は、前記水晶振動子からの出力による計測結果と、予め前記混合気体の複数の濃度において実測された混合気体の圧力に対する水晶振動子の出力特性と、に基づいて演算し、前記測定用表面における前記混合気体の濃度分布を得ることを特徴とする測定方法。
【請求項１１】
構成気体が既知で濃度が未知の２成分混合気体の流量の測定方法であって、
成膜する基板の該被成膜面と同じ大きさの測定用表面を有する測定用基板を反応容器内に配置する工程と、
前記反応容器内に前記混合気体を供給する工程と、
前記測定用表面に複数個配置された流量測定用センサからの出力を計測する工程と、
前記計測する工程で得られた計測結果に基づいて、前記測定用表面における前記混合気体の流量分布を演算する工程と、
を有することを特徴とする測定方法。
【請求項１２】
請求項１１において、
前記流量測定用センサに近接して濃度測定用センサが配置され、
前記流量測定用センサ及び前記濃度測定用センサは、それぞれ水晶振動子からなり、
前記計測する工程は、前記流量測定用センサからの出力を計測すると共に、前記測定用表面に複数個配置された前記濃度測定用センサからの出力を計測し、
前記演算する工程は、前記流量測定用センサから得られた計測結果と前記濃度測定用センサから得られた計測結果との差から前記混合気体の流量分布を得ることを特徴とする測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成膜装置及び測定方法に関し、特に構成気体が既知で濃度が未知の２成分混合気体を用いた成膜装置及び混合気体の測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＣＶＤなどによって薄膜を成長させるための成膜装置において、反応容器内に供給する気体たとえば２種類の気体からなる混合気体の濃度を均一にすることが求められている。混合気体の濃度を均一にすることで、基板上に薄膜を均一な厚さに成長させるためである。
【０００３】
２種類の気体からなる混合気体の濃度を求める方法として、紫外線吸光度測定法が知られている。この方法では、例えばオゾン酸素混合ガス中のオゾン濃度を計測するとき、紫外線のうちオゾンは吸収するが酸素はほとんど吸収しない特定の波長を、混合ガスに照射する。そして、紫外線の吸収率を測定することにより、濃度を求めるようにしていた。
【０００４】
この紫外線吸光度測定法の種々の問題点を解決するために、粘性・熱伝導率・密度・分子量およびそれらの関数としての混合気体の物性値を測定し、純粋気体固有の物性値をもとに気体の濃度を算出する手法が開発された（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
このために、２種類の圧力測定子を用いている。一つは、混合気体の物性値に敏感な圧力測定子であり、他の一つは混合気体の物性値に影響を受けない圧力測定子である。特許文献１では、前者の圧力測定子として水晶摩擦振動子が挙げられ、後者の圧力測定子として隔膜振動子が挙げられている。
【０００６】
さらには、水晶振動子として音叉型水晶振動子を用いた濃度測定装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
しかしながら、基板上の混合気体の濃度分布や流量分布が堆積薄膜の膜厚分布に大きく影響していたにもかかわらず、これまで基板上における混合気体の濃度が均一であるかどうかは計測できなかった。そのため、予備的に基板上に成膜して薄膜の厚さを確認し、成膜条件や混合気体供給用のシャワーヘッドの開口率などで膜厚分布を調整していた。また、コンピュータによるシミュレーションによって最適な膜厚分布を予測して、成膜条件などを決定していた。
【特許文献１】特許第３３３６３８４号公報
【特許文献２】特開２００４−２１９３８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明の目的は、実際に成膜する基板に近い形状の測定用基板を用いて、基板上における混合気体の濃度分布を測定することのできる成膜装置及び測定方法を提供することにある。
【０００９】
また、本発明の目的は、実際に成膜する基板に近い形状の測定用基板を用いて、基板上における混合気体の流量分布を測定することのできる成膜装置及び測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明にかかる成膜装置は、
構成気体が既知で濃度が未知の２成分混合気体の気体供給源と、
前記気体供給源に接続され、被成膜面を有する基板が配置される反応容器と、
前記基板の被成膜面と同じ大きさの測定用表面を有し、前記基板に代えて前記反応容器に配置される測定用基板と、
前記混合気体と接触する濃度測定用センサと、
前記濃度測定用センサからの出力を計測する計測部と、
前記計測部の計測結果に基づいて、前記混合気体の濃度を算出する演算部と、
を有し、
前記濃度測定用センサは、前記測定用基板の前記測定用表面に複数個配置され、前記測定用表面における前記混合気体の濃度を測定し、
前記演算部は、前記測定用表面における前記混合気体の濃度分布を得ることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明にかかる測定方法は、
構成気体が既知で濃度が未知の２成分混合気体の濃度の測定方法であって、
成膜する基板の該被成膜面と同じ大きさの測定用表面を有する測定用基板を反応容器内に配置する工程と、
前記反応容器内に前記混合気体を供給する工程と、
前記測定用表面に複数個配置された濃度測定用センサからの出力を計測する工程と、
前記計測する工程で得られた計測結果に基づいて、前記測定用表面における前記混合気体の濃度分布を演算する工程と、
を有することを特徴とする。
【００１２】
本発明の一態様にかかる成膜装置及び測定方法によれば、実際の成膜に用いられる基板の被成膜面と同じ大きさの測定用表面を有する測定用基板で混合気体の濃度を測定することで、成膜時と同じ条件における混合気体の濃度を得ることができる。また、測定用表面に濃度測定用センサを複数個配置することで、基板の被成膜面における混合気体の濃度分布をより正確に知ることができる。こうして得られた混合気体の濃度分布によって、予備的に成膜することなく、均一な膜厚に成膜できることを確認できる。また、こうして得られた混合気体の濃度分布が均一で無い場合には、均一になるように成膜条件やシャワーヘッドの開口率を調整することができる。
【００１３】
本発明の一態様にかかる成膜装置において、
前記濃度測定用センサは、水晶振動子であり、前記測定用表面に開口して形成された複数の濃度測定用凹部内に配置されることができる。水晶振動子は混合気体の物性、例えば濃度によって共振周波数や共振抵抗値が変化するため、気体の濃度を測定することができる。このような水晶振動子を用いることで、濃度測定用センサを小型化でき、測定用表面により多く濃度測定用センサを配置することができる。また、濃度測定用凹部内に水晶振動子を配置することで、混合気体の流れにほとんど影響を与えない。
【００１４】
本発明の一態様にかかる成膜装置において、
前記複数の濃度測定用凹部に前記混合気体の流通を許容するカバーが設けられ、前記濃度測定用センサは、前記カバーによって、前記混合気体の流量変化による影響を防ぐことができる。このように濃度測定用センサを混合気体の流量変化の影響から防ぐことで、気体の濃度変化にも流量変化にも敏感に反応する水晶振動子であっても濃度を正確に測定することができる。また、カバーによって測定用表面が平坦化され、濃度測定用凹部によって混合気体の流れを乱すことが無い。
【００１５】
本発明の一態様にかかる成膜装置において、
前記反応容器内には、前記混合気体の濃度変化に影響を受けることなく該反応容器内の圧力を測定する圧力センサをさらに有することができる。水晶振動子は混合気体の濃度とともに圧力によっても共振周波数や共振抵抗値が変化する。しかし、このように気体の濃度変化に影響されない圧力センサを用いることで、反応容器内の圧力に応じた水晶振動子の特性に基づいて気体の濃度を測定できる。すなわち、反応容器内の圧力が変化しても、水晶振動子によって濃度を測定することができる。
【００１６】
本発明の一態様にかかる成膜装置において、
前記混合気体の温度を測定する複数の温度センサを前記濃度測定用センサに近接して配置することができる。水晶振動子は混合気体の濃度とともに温度によっても共振周波数や共振抵抗値が変化する。したがって、このように濃度測定用センサに近接した位置で温度を測定することで、温度の変化に合わせた水晶振動子の特性に基づいて濃度を測定することができる。
【００１７】
本発明の一態様にかかる測定方法において、
前記濃度測定用センサは、水晶振動子であり、前記測定用表面に開口して形成された複数の濃度測定用凹部内に配置され、
前記演算する工程は、前記水晶振動子からの出力による計測結果と、予め前記混合気体の複数の濃度において実測された混合気体の圧力に対する水晶振動子の出力特性と、に基づいて演算し、前記測定用表面における前記混合気体の濃度分布を得ることができる。このように予め実測された特性に基づいて反応容器内の混合気体の圧力に対する水晶振動子の出力変化を演算することで、混合気体の濃度分布を正確に測定することができる。
【００１８】
本発明にかかる成膜装置は、
構成気体が既知で濃度が未知の２成分混合気体の気体供給源と、
前記気体供給源に接続され、被成膜面を有する基板が配置される反応容器と、
前記基板の被成膜面と同じ大きさの測定用表面を有し、前記基板に代えて前記反応容器に配置される測定用基板と、
前記混合気体と接触する流量測定用センサと、
前記流量測定用センサからの出力を計測する計測部と、
前記計測部の計測結果に基づいて、前記混合気体の流量を算出する演算部と、
を有し、
前記流量測定用センサは、前記測定用基板の前記測定用表面に複数個配置され、前記測定用表面における前記混合気体の流量を測定し、
前記演算部は、前記測定用表面における前記混合気体の流量分布を得ることを特徴とする。
【００１９】
本発明にかかる測定方法は、
構成気体が既知で濃度が未知の２成分混合気体の流量の測定方法であって、
成膜する基板の該被成膜面と同じ大きさの測定用表面を有する測定用基板を反応容器内に配置する工程と、
前記反応容器内に前記混合気体を供給する工程と、
前記測定用表面に複数個配置された流量測定用センサからの出力を計測する工程と、
前記計測する工程で得られた計測結果に基づいて、前記測定用表面における前記混合気体の流量分布を演算する工程と、
を有することを特徴とする。
【００２０】
本発明の他の態様にかかる成膜装置及び測定方法によれば、実際の成膜に用いられる基板の被成膜面と同じ大きさの測定用表面を有する測定用基板で混合気体の流量を測定することで、成膜時と同じ条件における混合気体の流量を得ることができる。また、測定用表面に流量測定用センサを複数個配置することで、基板の被成膜面における混合気体の流量分布をより正確に知ることができる。こうして得られた混合気体の流量分布によって、予備的に成膜することなく、均一な膜厚に成膜できることを確認できる。また、こうして得られた混合気体の流量分布が均一で無い場合には、均一になるように成膜条件やシャワーヘッドの開口率を調整することができる。
【００２１】
本発明の他の態様にかかる成膜装置において、
前記流量測定用センサに近接して濃度測定用センサが配置され、
前記流量測定用センサ及び前記濃度測定用センサは、それぞれ水晶振動子からなり、
前記計測部は、
前記流量測定用センサからの出力を計測する第１の計測部と、
前記濃度測定用センサからの出力を計測する第２の計測部と、
を有し、
前記演算部は、前記第１の計測部の計測値と前記第２の計測部の計測値との差から前記混合気体の流量を演算することができる。
【００２２】
また、本発明の他の態様にかかる測定方法において、
前記流量測定用センサに近接して濃度測定用センサが配置され、
前記流量測定用センサ及び前記濃度測定用センサは、それぞれ水晶振動子からなり、
前記計測する工程は、前記流量測定用センサからの出力を計測すると共に、前記測定用表面に複数個配置された前記濃度測定用センサからの出力を計測し、
前記演算する工程は、前記流量測定用センサから得られた計測結果と前記濃度測定用センサから得られた計測結果との差から前記混合気体の流量分布を得ることができる。
【００２３】
このような構成とすることで、濃度測定用センサの出力に基づいて濃度分布を得ることができるとともに、流量測定用センサの出力に基づいて流量分布を得ることができる。したがって、成膜時における膜厚分布に影響を与える混合気体の濃度及び流量の分布を測定することができ、均一な膜厚分布を得るための成膜条件やシャワーヘッドの開口率を成膜に先立って調整することができる。
【００２４】
本発明の他の態様にかかる成膜装置において、
前記流量測定用センサは、前記測定用表面に開口して形成された複数の流量測定用凹部内に配置され、
前記濃度測定用センサは、前記測定用表面に開口して形成された複数の濃度測定用凹部内に配置され、
前記複数の濃度測定用凹部に前記混合気体の流通を許容するカバーが配置され、前記濃度測定用センサは、前記カバーによって、前記混合気体の流量変化による影響を防ぐことができる。
【００２５】
本発明の他の態様によれば、実際の成膜に用いられる基板の被成膜面と同じ大きさの測定用表面を有する測定用基板で混合気体の濃度を測定することで、成膜時と同じ条件における混合気体の濃度を測定することができる。また、測定用表面に濃度測定用センサを複数個配置することで、基板の被成膜面における混合気体の濃度分布をより正確に知ることができる。こうして得られた混合気体の濃度分布によって、均一な膜厚に成膜できることを確認できる。また、こうして得られた混合気体の濃度分布が均一で無い場合には、均一になるように成膜条件やシャワーヘッドの開口率を調整することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２７】
図１は、本発明の一実施の形態にかかる成膜装置の概略断面図である。図２及び図３は、本発明の一実施の形態にかかる測定用基板の縦断面図である。図４は、本発明の一実施の形態にかかる測定用基板の平面図である。図５は、計測部１３の一例を示す回路図である。図６は、予め２種類の純気体を既知割合で混合し濃度測定用センサによって実測した、共振抵抗変化ΔＺと混合気体の圧力Ｐとの相関を示す特性図である。図７は、流量の変化による共振抵抗変化ΔＺと混合気体の圧力Ｐとの相関を示す特性図である。
【００２８】
（成膜装置）
図１に示すように、本発明の一実施の形態にかかる成膜装置１は、基板上に例えば酸化薄膜を成長させるＣＶＤ方式の成膜装置１である。成膜装置１は、構成気体が既知で濃度が未知の２成分混合気体の気体供給源３と、図示せぬ被成膜面を有する基板（ウエハ）が配置される反応容器２と、基板の被成膜面と同じ大きさの測定用表面２０を有し、基板に代えて反応容器２に配置される測定用基板１０と、混合気体と接触する濃度測定用センサ１２及び流量測定用センサ１４と、を有する。
【００２９】
気体供給源３としては、例えば液化オゾンを収容したボンベなどを用いることができる。その場合、気体供給源３と反応容器２とを連結する気体供給管４には気化された高濃度オゾンを供給することができる。また、気体供給源３に低濃度オゾンと高濃度酸素を用いてもよい。反応容器２の基板ホルダ６を挟んで気体供給管４と対向する面には、気体排気管５が接続され、反応容器２内の混合気体を排気する。
【００３０】
薄膜を成長させる成膜処理時には、基板ホルダ６上に測定用基板１０の代わりに図示せぬ基板が配置される。反応容器２内には、気体供給管４に接続され、測定用表面２０（成膜時には被成膜面）の上方に対向したシャワーヘッド７が配置される。シャワーヘッド７は、測定用表面２０と対向する面に多数の吹出し口７１が形成され、気体供給管３から供給された混合気体を測定用基板１０（成膜時には基板）に対して吹き付ける。
【００３１】
濃度測定用センサ１２及び流量測定用センサ１４は、測定用基板１０の測定用表面２０に複数個配置され、シャワーヘッド７から吹出された混合気体の測定用表面２０における濃度及び流量を測定する。濃度測定用センサ１２及び流量測定用センサ１４からの出力は、測定用基板１０内に埋設して配置された計測部１３，１５によって計測される。演算部８は、反応容器２に隣接して配置され、計測部１３，１５（図２および図３参照）の計測結果に基づいて混合気体の濃度及び流量を算出し、測定用表面２０における混合気体の濃度分布及び流量分布を得る。演算部８は、例えば汎用パソコンでもよく、好ましくは成膜装置１の図示せぬ制御部と兼用してもよい。
【００３２】
図２に示すように、測定用表面２０には、陥没形成された複数の濃度測定用凹部２２が開口する。濃度測定用センサ１２は、濃度測定用凹部２２内に配置された音叉型の水晶振動子である。濃度測定用凹部２２の開口部２３は、混合気体の流通を許容するカバーとして例えば金属メッシュ２４によって覆われている。水晶振動子からなる濃度測定用センサ１２の出力は、被測定対象の混合気体の物性例えば粘性や分子密度によって変動し、特に混合気体の濃度と流量によって変動する。したがって、濃度測定用センサ１２のように、混合気体の濃度だけを測定したい場合には、混合気体の流量変化による影響を防ぐ必要がある。金属メッシュ２４は、濃度測定用凹部２２内へ混合気体が流入することは許容するが、混合気体の流速を極端に低減させることで濃度測定用センサ１２への混合気体の流量変化による影響を防ぐことができる。したがって、濃度測定用センサ１２の出力は、混合気体の流量がゼロの状態に等しい。また、金属メッシュ２４によって測定用表面２０が平坦化され、濃度測定用凹部２２によって混合気体の流れが乱れないという効果もある。
【００３３】
図３に示すように、測定用表面２０には、陥没形成された複数の流量測定用凹部２６が開口する。流量測定用センサ１４は、流量測定用凹部２６内に配置された音叉型の水晶振動子であり、前述したとおり、混合気体の濃度と流量によって変動するため、流量測定用センサ１４だけでは流量だけの変化を計測することはできない。そのため、演算部８は、流量測定用センサ１４から出力された混合気体の流量と濃度を計測した第１の計測部１５の計測値と、濃度測定用センサ１２から出力された混合気体の濃度を計測した第２の計測部１３の計測値との差から混合気体の流量を求める。したがって、流量測定用センサ１４は、濃度測定用センサ１４と組み合わせて用いることで流量を測定することができる。
【００３４】
流量測定用凹部２６の開口部２７は、濃度測定用凹部２２の開口部２３に比べて小さく形成され、混合気体の流れを妨げない。そして、流量測定用凹部２６の開口部２７から流量測定用センサ１４の先端を多少突出させるか、もしくは開口部２７とほぼ同じ高さに配置させ、測定用表面２０上を流れる混合気体との接触を容易にさせている。本実施の形態において、流量測定用センサ１４は流量測定用凹部２７の深さ方向に音叉形状を立てた状態で配置されているが、濃度測定用センサ１２と同様に倒した状態で配置してもよい。
【００３５】
また、水晶振動子を用いた濃度及び流量測定用センサ１２，１４は圧力にも影響を受ける。そのため、反応容器２内には、混合気体の濃度変化に影響を受けることなく該反応容器内の圧力を測定する圧力センサ３０（図１参照）が配置されている。このような圧力センサ３０としては、圧力のみに敏感でかつ混合気体と反応しないものであって、例えば液柱差真空計、隔膜真空計、ブルドン管真空計などがある。
【００３６】
さらに、水晶振動子を用いた濃度及び流量測定用センサ１２，１４は温度にも影響を受ける。そのため、反応容器２内には、該反応容器２内の温度を測定する温度センサ３２（図１参照）が配置されている。また、複数の温度センサ３２を、濃度及び流量測定用センサ１２，１４と近接させた凹部に配置することで、濃度及び流量測定用センサ１２，１４の精度をさらに向上させることができる。なお、反応容器２内が所定圧力に保たれていたり、所定温度に保たれている場合には、圧力センサ３０や温度センサ３２は必ずしも必要ではない。
【００３７】
（測定方法）
本発明の一実施の形態にかかる構成気体が既知で濃度が未知の２成分混合気体の濃度の測定方法は、反応容器２内に成膜する基板の該被成膜面と同じ大きさの測定用表面２０を有する測定用基板１０を配置する工程と、反応容器２内に混合気体を供給する工程と、測定用表面２０に複数個配置された濃度測定用センサ１２からの出力を計測する工程と、計測する工程で得られた計測結果に基づいて、測定用表面２０における混合気体の濃度分布を演算する工程と、を有する。
【００３８】
濃度測定用センサ１２及び流量測定用センサ１４に用いられる音叉型の水晶振動子は、混合気体に接触し、混合気体の濃度変化及び流量変化に応じて共振抵抗値Ｚ及び共振周波数ｆが変化する。この水晶振動子は、常温で動作し、また気体への接触面も金、石英、ステンレスのみであり、オゾンを分解する要因がない。
【００３９】
ここで、濃度測定用センサ１２は、被測定対象の混合気体と直接接触するので、その物性例えば粘性や分子密度によって変動する圧力を測定できる。この圧力Ｐは、水晶振動子の共振周波数ｆと共振抵抗値Ｚとの関数、つまりＰ＝Ｆ（ｆ），Ｐ＝Ｆ（Ｚ）となる。したがって、被測定気体の濃度変化に応じて変化する物性値を反映した圧力は、共振周波数ｆと共振抵抗値Ｚとからそれぞれ求めることができる。よって、上記各関数から圧力Ｐを消去することで、被測定気体の濃度は、共振周波数ｆと共振抵抗値Ｚとから一義的に求めることができる。この際、共振周波数ｆと共振抵抗値Ｚは温度依存性を有するので、反応容器２内を一定温度範囲に保持してもよいし、反応容器内の温度を計測し、その計測された温度における共振周波数及び共振抵抗値の特性線に基づいて濃度を演算してもよい。本実施の形態においては、反応容器２内の温度を一定範囲に保持する。
【００４０】
図５では、濃度測定用センサ１２に接続される計測部１３の一例を示している。図５は、米国特許第５，２２８，３４４に開示された発振回路と同じ構成を有している。図５に示す計測部１３は、電流電圧変換器１００、第１の全波整流器１０２、減衰器１０４、比較器１０６、電圧制御減衰器１０８、第２の全波整流器１１０、Ａ／Ｄ変換器１２０、周波数カウンタ１３０を有する。
【００４１】
反応容器２内へ混合気体を吹き出した時に、濃度測定用センサ１２が計測部１３を介して振動すると、第２の全波整流器１１０からは、測定された共振抵抗値Ｚ１の逆数１／Ｚ１が得られる。発振器６０からの共振抵抗値Ｚ１の逆数１／Ｚ１（アナログ値）は、図５に示すＡ／Ｄ変換器１２０を介して演算部８に入力される。
【００４２】
また、濃度測定用センサ１２の設定温度（温度センサ３２の測定温度）Ｔ及び圧力センサ３０によって測定された反応容器２内の圧力Ｐも演算部８に入力される。
【００４３】
この固有共振抵抗値Ｚ０と測定された共振抵抗値Ｚ１との差ΔＺｄ＝Ｚ０−Ｚ１が、粘性（濃度）に依存した混合気体の圧力Ｐに相当する。ここで、固有共振抵抗値Ｚ０は温度依存性を有するが、本実施形態では温度は一定範囲に維持されるので、固有共振抵抗値Ｚ０も一定とみなすことができる。よって、本実施形態での濃度演算では、固有共振抵抗値Ｚ０を必ずしも測定する必要はない。なお、計測部１３は、濃度測定用センサ１２の共振周波数ｆ１を出力するように構成されているので、同様にして濃度測定用センサ１２の固有共振周波数ｆ０と測定された共振周波数ｆ１との差Δｆｄ＝ｆ０−ｆ１から粘性（濃度）に依存した混合気体の圧力を求めてもよい。本実施の形態においては、共振抵抗値Ｚに基づく濃度及び流量の測定について説明するが、同様に共振周波数ｆから求めることもできる。
【００４４】
演算部８はメモリを有し、このメモリには図６に示すように、予め２種類の純気体を既知割合で混合し濃度測定用センサ１２によって実測した、共振抵抗変化ΔＺ−混合気体の圧力Ｐにおける多数の検量線４０〜４６が記憶されている。例えば、検量線４０は純粋酸素、検量線４２は１ｖｏｌ％のオゾン−９９ｖｏｌ％酸素の混合気体、検量線４４は２ｖｏｌ％のオゾン−９８ｖｏｌ％の酸素の混合気体、検量線４６は３ｖｏｌ％のオゾン−９７ｖｏｌ％の酸素の混合気体を示す。
【００４５】
なお、図６に示す検量線４０〜４６は、縦軸を固有共振抵抗値Ｚ０と測定された共振抵抗値Ｚ１との差ΔＺｄ＝Ｚ０−Ｚ１とし、横軸を圧力センサ３０で測定された反応容器２内の圧力Ｐとすることができる。ただし、上述した通り、温度が一定である限り、固有共振抵抗値Ｚ０及び固有共振周波数ｆ０は一定とみなせるので、横軸を共振抵抗値Ｚ１としても良い。
【００４６】
ここで、濃度が未知の混合気体が測定用基板１０に配置された濃度測定用センサ１２と接触した時、濃度測定用センサ１２からの情報に基づいて、計測部１３からその混合気体の粘性（濃度）に依存した共振抵抗値Ｚ１が演算部８へ出力される。また、圧力センサ３０によって測定された反応容器２内の圧力Ｐも演算部８へ出力される。演算部８は、固有共振抵抗値Ｚ０と測定された共振抵抗値Ｚ１との差（共振抵抗変化）ΔＺｄ＝Ｚ０−Ｚ１を演算し、得られたΔＺｄと、圧力Ｐと、メモリに記憶された検量線４０〜４６と、に基づいて、その混合気体の粘性（濃度）に依存した検量線４２が該当すると判定し、検量線４２基づいて、未知の混合気体中のオゾン濃度を１ｖｏｌ％のオゾン−９９ｖｏｌ％酸素と測定することができる。なお、測定された共振抵抗変化ΔＺｄに相当する検量線が無い場合には、共振抵抗変化ΔＺｄに近い検量線から補間演算などによって測定することができる。
【００４７】
同様にして、複数の濃度測定用センサ１２から得られた共振抵抗値Ｚ１に基づいて、混合気体の濃度を測定することができるので、演算部８は測定用基板１０の測定用表面２０における構成気体が既知で濃度が未知の２成分混合気体の濃度分布を演算することができる。
【００４８】
また、計測部１５においては、濃度測定用センサ１２での計測と並行して、流量測定用センサ１４からの出力を計測している。計測部１５は、計測部１３と同じ構成を有しているので、説明は省略する。
【００４９】
混合気体が測定用基板１０に配置された流量測定用センサ１４と接触した時、流量測定用センサ１４からの情報に基づいて、計測部１５からその混合気体の濃度及び流量に依存した共振抵抗値Ｚ２が演算部８へ出力される。演算部８は、固有共振抵抗値Ｚ０と測定された共振抵抗値Ｚ２との差（共振抵抗変化）ΔＺｄ２＝Ｚ０−Ｚ２を演算する。そして、濃度測定用センサ１２から共振抵抗変化ΔＺｄを得ているので、この濃度に依存する共振抵抗変化ΔＺｄと濃度と流量に依存する共振抵抗変化ΔＺｄ２との差ΔＺｆ＝Ｚｄ−Ｚｄ２を演算する。つまり、流量と濃度の両方に依存する測定結果であるΔＺｄ２から流量に依存しない濃度のみの測定結果であるΔＺｄを除くことで、流量のみに依存した共振抵抗変化ΔＺｆが得られる。このようにして得られた共振抵抗変化ΔＺｆは流量にのみ依存した値であり、混合気体の流量を示す値として利用することができる。
【００５０】
同様にして、複数の流量測定用センサ１４から得られた共振抵抗値Ｚ２に基づいて、混合気体の流量を測定することができるので、演算部８は測定用基板１０の測定用表面２０における混合気体の流量分布を演算することができる。
【００５１】
図７には、流量の変化による共振抵抗変化ΔＺ−混合気体の圧力Ｐの特性曲線を模式的に示す。例えば、特性曲線５０〜５２は、濃度が１ｖｏｌ％のオゾン−９９ｖｏｌ％酸素の混合気体における流量変化による特性曲線の変化を示し、特性曲線５４は流量０つまり図６における検量線４２を示している。特性曲線５２は、特性曲線５０よりも流量が大きいことを示している。また、あらかじめ濃度が１ｖｏｌ％のオゾン−９９ｖｏｌ％酸素の混合気体における流量変化による特性曲線の変化を実測しておくことで、共振抵抗変化ΔＺｆから絶対流量を測定することができる。
【００５２】
このようにして得られた混合気体の濃度分布や流量分布によって、成膜装置１は均一な膜厚に成膜できることが確認できると、測定用基板１０を反応容器２から取り出し、被成膜面を有する基板を反応容器２内へ搬入し、成膜（生産）を行なう。また、こうして得られた混合気体の濃度分布や流量分布が均一で無い場合には、均一になるように成膜条件やシャワーヘッドの開口率を調整する。
【００５３】
前記実施の形態においては、水晶振動子の共振抵抗値Ｚによって濃度及び流量を求めたが、共振周波数ｆから濃度及び流量を求めてもよい。また、前記一実施の形態においては、反応容器２内の圧力を圧力センサ３０で測定していたが、必ずしも必要ではない。例えば、演算部８のメモリに多数記憶させてた予め実測した混合気体中の例えばオゾン濃度を変えた既知濃度における共振抵抗値Ｚ−共振周波数ｆ特性線と、濃度測定用センサ１２及び流量測定用センサ１４から得られた共振抵抗値Ｚ及び共振周波数ｆの交差する点とに基づいて、例えばオゾン濃度を測定することもできる。
【００５４】
また、前記実施の形態においては、濃度測定用センサ１２として水晶振動子を用いたが、これに限らず、気体の粘性と圧力に敏感な水晶摩擦真空計を用いて測定し、その測定結果から圧力センサ３０で測定された圧力成分を除くことで気体の粘性つまり濃度を測定することもできる。その場合には、あらかじめ混合気体の粘性と濃度の相関を校正曲線として演算部８のメモリに記憶させておくことで、濃度を演算することができる。
【００５５】
さらに、前記実施の形態においては、濃度測定用センサ１２が複数配置されていたが、反応容器２内の混合気体の濃度が均一であることがわかっている場合には、濃度測定用センサ１２を１つだけ反応容器２内に配置してもよい。
【００５６】
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の一実施の形態にかかる成膜装置の概略断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態にかかる測定用基板の縦断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態にかかる測定用基板の縦断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態にかかる測定用基板の平面図である。
【図５】計測部１３の一例を示す回路図である。
【図６】予め２種類の純気体を既知割合で混合し濃度測定用センサによって実測した、共振抵抗変化ΔＺと混合気体の圧力Ｐとの相関を示す特性図である。
【図７】流量の変化による共振抵抗変化ΔＺと混合気体の圧力Ｐとの相関を示す特性図である。
【符号の説明】
【００５８】
１      成膜装置
２      反応容器
３      気体供給源
４      気体供給配管
５      気体排出配管
６      基板ホルダ
７      シャワーヘッド
８      演算部
１０    測定用基板
１２    濃度測定用センサ
１４    流量測定用センサ
２０    測定用表面
３０    圧力センサ
３２    温度センサ
４０〜４６  検量線
５０〜５４  特性曲線
１００  電流電圧変換器
１０２  第１の全波整流器
１０４  減衰器
１０６  比較器
１０８  電圧制御減衰器
１１０  第２の全波整流器
１２０  Ａ／Ｄ変換器
１３０  周波数カウンタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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