(57)【要約】【課題】熱衝撃特性に優れた膜厚センサを提供する。【解決手段】本発明の一形態に係る膜厚センサは、水晶振動子を具備する。  上記水晶振動子は、表面粗さ（Ｒａ）が０．４μｍ以下であり、かつ、切断レベル５０％における負荷長さ率（ｔｐ）が９５％以上である成膜面を有するＡＴカット型の水晶振動子で構成される。上記成膜面の切断レベル５０％における負荷長さ率（ｔｐ）は、９７％以上であることが好ましく、上記成膜面の表面粗さ（Ｒａ）は、０．２５μｍ以下であることが好ましい。【選択図】図７
2018040604.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面粗さ（Ｒａ）が０．４μｍ以下であり、かつ、切断レベル５０％における負荷長さ率（ｔｐ）が９５％以上である成膜面を有するＡＴカット型の水晶振動子
を具備する膜厚センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の膜厚センサであって、
前記成膜面の切断レベル５０％における負荷長さ率（ｔｐ）は、９７％以上である
膜厚センサ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の膜厚センサであって、
前記成膜面の表面粗さ（Ｒａ）は、０．２５μｍ以下である
膜厚センサ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つに記載の膜厚センサであって、
前記水晶振動子は、結晶のｒ面に対して３°０５′±０３′の切断方位を有する水晶振動子で構成される
膜厚センサ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の膜厚センサであって、
前記水晶振動子の基本発振周波数は、５ＭＨｚまたは６ＭＨｚである
膜厚センサ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つに記載の膜厚センサであって、
前記成膜面は、金属膜で構成される
膜厚センサ。
【請求項７】
請求項６に記載の膜厚センサであって、
前記金属膜は、Ａｇ膜またはＡｕ膜である
膜厚センサ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１つに記載の膜厚センサであって、
前記水晶振動子は、前記成膜面が平坦面であるプラノコンベックス形状を有する
膜厚センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成膜プロセスに用いられる膜厚センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、真空蒸着装置などの成膜装置において、基板に成膜される膜の厚みおよび成膜速度を測定するために、水晶振動子法（ＱＣＭ：Quartz Crystal Microbalance）という技術が用いられている。この方法は、チャンバ内に配置されている水晶振動子の共振周波数が、蒸着物の堆積による質量の増加によって減少することを利用したものである。したがって、水晶振動子の共振周波数の変化を測定することにより、膜厚および成膜速度を測定することが可能となる。
【０００３】
この種の膜厚センサにおいては、着膜量の増加に伴って、水晶振動子の共振周波数が徐々に低下し、所定の周波数に達すると、もはや安定した膜厚測定を行うことができないほどに周波数の変動が大きくなる。このため、共振周波数が所定以上低下したときは、寿命に達したと判断して水晶振動子の交換が実施される。その交換を容易に行うため、例えば特許文献１には、５ＭＨｚの共振周波数を有する複数の水晶板を保持し、使用する水晶板を個々に切り替え可能に構成されたセンサヘッドが記載されている。
【０００４】
一方、この種の膜厚センサにおいては、熱衝撃特性によって成膜レートの測定値が大きく変動するという問題がある。例えば、特許文献１に記載のようなセンサヘッドを用いた水晶振動子の切り替え時、あるいは、蒸発源を遮蔽するシャッタの開放操作時において蒸発源からの輻射熱を瞬間的に受けて水晶振動子の周波数特性が大きく変動する場合がある。このような問題を改善するため、例えば特許文献２には、水晶振動子の成膜面の表面粗さ（Ｒａ）を所定以下にすることが開示されており、これにより水晶振動子の熱衝撃特性が改善されるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１３９５０５号公報
【特許文献２】ＷＯ２０１５／１８２０９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、真空蒸着装置等の成膜装置においては、膜厚センサの高精度化が要求されており、特に熱衝撃特性については、成膜レートや膜厚の制御に及ぼす影響が大きいため、熱衝撃特性に優れた膜厚センサの開発が急務となっている。しかしながら、単に水晶振動子の表面粗さを小さくするだけでは、熱衝撃特性の改善には未だ不十分であり、更なる改善が求められている。また、ＳＣカット型やＩＴカット型の水晶振動子は、比較的熱衝撃特性に優れるという利点があるが、ＡＴカット型のような汎用の水晶振動子と比較して高価であるため、膜厚センサの高コスト化を招くという問題がある。
【０００７】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、熱衝撃特性に優れ、高コスト化を抑えることができる膜厚センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明者は、水晶振動子の成膜面の表面粗さ（Ｒａ）を所定以下にしつつ、切断レベル５０％における負荷長さ率（ｔｐ）が所定以上である場合に、水晶振動子の熱衝撃特性が大幅に改善されることを見いだした。
【０００９】
すなわち、本発明の一形態に係る膜厚センサは、水晶振動子を具備する。
上記水晶振動子は、表面粗さ（Ｒａ）が０．４μｍ以下であり、かつ、切断レベル５０％における負荷長さ率（ｔｐ）が９５％以上である成膜面を有するＡＴカット型の水晶振動子で構成される。
【００１０】
上記成膜面の切断レベル５０％における負荷長さ率（ｔｐ）は、９７％以上であることが好ましい。また、上記成膜面の表面粗さ（Ｒａ）は、０．２５μｍ以下であることが好ましい。
【００１１】
上記水晶振動子は、結晶のｒ面に対して３°０５′±０３′の切断方位を有する水晶振動子で構成されてもよい。
【００１２】
上記水晶振動子の基本発振周波数は特に限定されず、典型的には、４ＭＨｚ、５ＭＨｚまたは６ＭＨｚである。
【００１３】
上記成膜面は、金属膜で構成されてもよい。金属膜は、典型的には、Ａｇ膜またはＡｕ膜である。
【００１４】
上記水晶振動子は、上記成膜面が平坦面であるプラノコンベックス形状を有してもよい。これにより等価抵抗が低く、振動しやすい振動子を得ることができる。
【発明の効果】
【００１５】
以上述べたように本発明の膜厚センサによれば、熱衝撃特性に優れ、高コスト化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る膜厚センサを備えた成膜装置を示す概略断面図である。
【図２】上記膜厚センサの構成を示す概略断面図である。
【図３】上記成膜装置における測定ユニットの構成を示すブロック図である。
【図４】Ａは上記膜厚センサにおける水晶振動子の成膜面を模式的に示す正面図であり、Ｂはその背面図である。
【図５】上記水晶振動板の熱衝撃特性の一例を示す図である。
【図６】上記水晶振動板の熱衝撃特性の一例を示す図である。
【図７】上記水晶振動板の成膜面の一例を示す要部拡大図である。
【図８】一般的なＡＴカット基板のカット角を説明する水晶の模式図である。
【図９】上記水晶振動板の熱衝撃特性の一例を示す図である。
【図１０】上記水晶振動板の熱衝撃特性の一例を示す図である。
【図１１】上記水晶振動板の熱衝撃特性の一例を示す図である。
【図１２】上記水晶振動板の熱衝撃特性の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態に係る膜厚センサを備えた成膜装置を示す概略断面図である。本実施形態の成膜装置は、真空蒸着装置として構成される。
【００１９】
本実施形態の成膜装置１０は、真空チャンバ１１と、真空チャンバ１１の内部に配置された蒸着源１２と、蒸着源１２と対向する基板ホルダ１３と、真空チャンバ１１の内部に配置された膜厚センサ１４とを有する。
【００２０】
真空チャンバ１１は、真空排気系１５と接続されており、内部を所定の減圧雰囲気に排気し、維持することが可能に構成される。
【００２１】
蒸着源１２は、蒸着材料の蒸気（粒子）を発生させることが可能に構成される。本実施形態において、蒸着源１２は、金属材料、金属化合物材料あるいは有機材料を加熱蒸発させて蒸着粒子を放出させる蒸発源を構成する。蒸発源の種類は特に限定されず、抵抗加熱式、誘導加熱式、電子ビーム加熱式などの種々の方式が適用可能である。
【００２２】
基板ホルダ１３は、半導体ウエハやガラス基板等の成膜対象である基板Ｗを、蒸着源１２に向けて保持することが可能に構成されている。
【００２３】
膜厚センサ１４は、所定の基本周波数（固有振動数）を有する水晶振動子を内蔵し、後述するように、基板Ｗ上の蒸着膜の膜厚および成膜レートを測定するためのセンサヘッドを構成する。膜厚センサ１４は、真空チャンバ１１の内部であって、蒸着源１２と対向する位置に配置される。膜厚センサ１４は、典型的には、基板ホルダ１３の近傍に配置される。
【００２４】
膜厚センサ１４の出力は、測定ユニット１７へ供給される。測定ユニット１７は、水晶振動子の共振周波数の変化に基づいて、上記膜厚および成膜レートを測定するとともに、当該成膜レートが所定値となるように蒸着源１２を制御する。ＱＣＭの吸着による周波数変化と質量負荷の関係は、以下の式（１）で示すSauerbreyの式が用いられる。
【００２５】
【数１】
2018040604.tif 000003
【００２６】
式（１）において、ΔＦｓは周波数変化量、Δｍは質量変化量、ｆ0は基本周波数、ρQは水晶の密度、μQは水晶のせん断応力、Ａは電極面積、Ｎは定数をそれぞれ示している。
【００２７】
成膜装置１０は、シャッタ１６をさらに有する。シャッタ１６は、蒸着源１２と基板ホルダ１３との間に配置されており、蒸着源１２から基板ホルダ１３および膜厚センサ１４に至る蒸着粒子の入射経路を開放あるいは遮蔽することが可能に構成される。
【００２８】
シャッタ１６の開閉は、図示しない制御ユニットによって制御される。典型的には、シャッタ１６は、蒸着開始時、蒸着源１２において蒸着粒子の放出が安定するまで閉塞される。そして、蒸着粒子の放出が安定したとき、シャッタ１６は開放される。これにより、蒸着源１２からの蒸着粒子が基板ホルダ１３上の基板Ｗに到達し、基板Ｗの成膜処理が開始される。同時に、蒸着源１２からの蒸着粒子は、膜厚センサ１４へ到達し、基板Ｗ上の蒸着膜の膜厚およびその成膜レートが監視される。
【００２９】
［膜厚センサ］
続いて、膜厚センサ１４の詳細について説明する。図２は膜厚センサ１４の概略構成図である。
【００３０】
図２に示すように膜厚センサ１４は、水晶振動子２０と、水晶振動子２０を振動可能に支持するケース１４０とを有する。水晶振動子２０は、成膜面としての表面２１が平坦面であり、その反対面である裏面２２が凸面であるプラノコンベックス（平凸）形状を有する。水晶振動子２０は、その成膜面が蒸着源１２に対向するようにケース１４０に収容されている。
【００３１】
膜厚センサ１４はさらに、ケース１４０の内部において、水晶振動子２０の裏面２２の周縁の電極膜３２（図４Ｂ）に弾接する複数の付勢部材１４１と、水晶振動子２０の表面２１の周縁の電極膜３１（図４Ａ）に当接する保持爪１４２とを有する。付勢部材１４１は、ケース１４０とは電気的に絶縁された金属等の導電性材料で構成され、後述する発振回路４１に電気的に接続される。保持爪１４２は、水晶振動子２０の表面２１を蒸着源１２に向けて露出させるケース１４０の開口の周縁部を構成する。ケース１４０および保持爪１４２は金属等の導電性材料で構成され、発振回路４１に電気的に接続される。
【００３２】
膜厚センサ１４は、単一の水晶振動子２０を保持する構成に限られず、複数の水晶振動子２０を保持することが可能に構成されてもよい。この場合、図示せずとも、複数の水晶振動子は、ケース内に同一円周上に回転可能に保持される。当該ケースには、任意の回転角度に位置する水晶振動子を蒸着源に露出させる単一の開口が設けられているとともに、当該開口に臨む水晶振動子を選択的に切り替えることが可能な切替機構が設けられる。
【００３３】
［測定ユニット］
次に、測定ユニット１７について説明する。
【００３４】
図３は、測定ユニット１７の一構成例を示す概略ブロック図である。測定ユニット１７は、発振回路４１と、測定回路４２と、コントローラ４３とを有する。
【００３５】
発振回路４１は、膜厚センサ１４の水晶振動子２０を発振させる。測定回路４２は、発振回路４１から出力される水晶振動子２０の共振周波数を測定するためのものである。コントローラ４３は、測定回路４２を介して水晶振動子２０の共振周波数を単位時間毎に取得し、基板Ｗ上への蒸着材料粒子の成膜レートおよび基板Ｗに堆積した蒸着膜の膜厚を算出する。コントローラ４３はさらに、成膜レートが所定値となるように蒸着源１２を制御する。
【００３６】
測定回路４２は、ミキサ回路５１と、ローパスフィルタ５２と、低周波カウンタ５３と、高周波カウンタ５４と、基準信号発生回路５５とを有する。発振回路４１から出力された信号は、高周波カウンタ５４に入力され、先ず、発振回路４１の発振周波数の概略値が測定される。高周波カウンタ５４で測定された発振回路４１の発振周波数の概略値は、コントローラ４３に出力される。コントローラ４３は、測定された概略値に近い周波数の基準周波数（例えば５ＭＨｚ）で基準信号発生回路５５を発振させる。この基準周波数で発振した周波数の信号と、発振回路４１から出力される信号とは、ミキサ回路５１に入力される。
【００３７】
ミキサ回路５１は、入力された２種類の信号を混合し、ローパスフィルタ５２を介して低周波カウンタ５３に出力する。ここで、発振回路４１から入力される信号をｃｏｓ（（ω＋α）ｔ）とし、基準信号発生回路から入力される信号をｃｏｓ（ωｔ）とすると、ミキサ回路５１内でｃｏｓ（ωｔ）・ｃｏｓ（（ω＋α）ｔ）なる式で表される交流信号が生成される。この式は、ｃｏｓ（ωｔ）とｃｏｓ（（ω＋α）ｔ）を乗算した形式になっており、この式で表される交流信号は、ｃｏｓ（（２・ω＋α）ｔ）で表される高周波成分の信号と、ｃｏｓ（αｔ）で表される低周波成分の信号の和に等しい。
【００３８】
ミキサ回路５１で生成された信号は、ローパスフィルタ５２に入力され、高周波成分の信号ｃｏｓ（（２・ω＋α）ｔ）が除去され、低周波成分の信号ｃｏｓ（αｔ）だけが低周波カウンタ５３に入力される。すなわち、低周波カウンタ５３には、発振回路４１の信号ｃｏｓ（（ω＋α）ｔ）と、基準信号発生回路５５の信号ｃｏｓ（ωｔ）との差の周波数の絶対値｜α｜である低周波成分の信号が入力される。
【００３９】
低周波カウンタ５３は、この低周波成分の信号の周波数を測定し、その測定値をコントローラ４３へ出力する。コントローラ４３は、低周波カウンタ５３で測定された周波数と基準信号発生回路５５の出力信号の周波数とから、発振回路４１が出力する信号の周波数を算出する。具体的には、基準信号発生回路５５の出力信号の周波数が、発振回路４１の出力信号の周波数よりも小さい場合には、発振回路４１の出力信号に低周波成分の信号の周波数を加算し、その逆の場合には減算する。
【００４０】
例えば、高周波カウンタ５４による発振回路４１の発振周波数の測定値が５ＭＨｚを超えており、基準信号発生回路５５を５ＭＨｚの周波数で発振させた場合には、基準信号発生回路５５の発振周波数は、発振回路４１の実際の発振周波数よりも低くなる。したがって、実際の発振回路４１の発振周波数を求めるためには、低周波カウンタ５３で求めた低周波成分の信号の周波数｜α｜を、基準信号発生回路５５の設定周波数５ＭＨｚに加算すればよい。低周波成分の周波数｜α｜が１０ｋＨｚであれば、発振回路４１の正確な発振周波数は５．０１ＭＨｚとなる。
【００４１】
低周波カウンタ５３の分解能には上限があるが、その分解能は、上記差の周波数｜α｜を測定するために割り当てることができるため、同じ分解能で発振回路４１の発振周波数を測定する場合に比べ、正確な周波数測定を行うことができる。
【００４２】
また、基準信号発生回路５５の発振周波数はコントローラ４３によって制御されており、その発振周波数を、差の周波数｜α｜が所定値よりも小さくなるように設定することができるため、低周波カウンタ５３の分解能を有効に活用することができる。求められた周波数の値は、コントローラ４３に記憶される。コントローラ４３は、求められた周波数の値から、上記式（１）で示す演算式を用いて、基板Ｗ上に堆積した蒸着材料の膜厚および成膜レートを算出する。
【００４３】
［水晶振動子］
続いて、水晶振動子２０の詳細について説明する。図４Ａ，Ｂはそれぞれ、水晶振動子２０の正面図および背面図である。
【００４４】
水晶振動子２０の表面２１および裏面２２には、所定形状の電極膜３１，３２がそれぞれ形成されている。電極膜３１は保持爪１４２に接触し、電極膜３２は付勢部材１４１に接触する。電極膜３１，３２は、図４Ａ，Ｂにおいて網掛け部分で示すように相互に異なる形状に形成されているが、電極膜３１，３２の形状は図示の例に限られない。電極膜３１，３２はそれぞれ、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）等の金属膜で形成されている。
【００４５】
水晶振動子２０は、発振回路４１を介して電極膜３１，３２へ高周波電圧が印加されることで、厚みすべり振動モードで発振する。本実施形態の水晶振動子２０には、２５℃における基本周波数が５ＭＨｚまたは６ＭＨｚの水晶振動子が用いられる。
【００４６】
なお、水晶振動子２０の基本周波数は５ＭＨｚに限られず、５ＭＨｚ未満の任意の周波数（例えば４ＭＨｚ、３．２５ＭＨｚ、２．５ＭＨｚなど）を基本周波数とする水晶振動子が適用可能である。あるいは、５ＭＨｚを超える任意の周波数（例えば６ＭＨｚなど）を基本周波数とする水晶振動子が用いられてもよい。
【００４７】
水晶振動子２０の裏面２２は、所定の曲率半径を有する曲面で構成される。裏面２２が曲面で構成されることにより、水晶振動子２０の直列抵抗が小さくなり、所望とする基本振動数で水晶振動子２０を安定に振動させることができる。裏面２２の曲率半径は特に限定されず、水晶振動子２０の直径等に応じて適宜設定可能である。本実施形態の水晶振動子２０においては、直径が１２．４ｍｍ、裏面２２の曲率半径は１００ｍｍ〜２００ｍｍである。
【００４８】
［水晶振動子の熱衝撃特性］
この種の膜厚センサにおいては、熱衝撃特性によって成膜レートの測定値が大きく変動するという問題がある。ここでいう熱衝撃特性とは、例えば、水晶振動子の切り替え時、あるいは、蒸発源を遮蔽するシャッタの開放操作時において、蒸発源からの輻射熱を瞬間的に受けたときの水晶振動子の局所的な温度変化に起因する測定周波数の一時的な変動を意味し、その周波数の変動量が大きいほど成膜レートや膜厚の測定精度が低下する。これを模した実験を図５及び図６に示す。入熱の開始と終了で周波数の変動量（ΔＦ）が観測されている。振動子全体の温度変化由来ではなく、この入熱のみに由来する周波数変動を熱衝撃特性と定義する。
【００４９】
ここで、水晶振動子の成膜面の表面粗さ（Ｒａ）を所定以下にすることにより、水晶振動子の熱衝撃特性が改善されることが知られている。例えば図５に、成膜面の表面粗さ（Ｒａ）が０．３７μｍである水晶振動子サンプル６Ｍ−１（基本周波数６ＭＨｚ、カット角θ＝３５°１５′±２０′）の熱衝撃特性と、成膜面の表面粗さ（Ｒａ）が０．４３μｍである水晶振動子サンプル６Ｍ−２(基本周波数６ＭＨｚ、カット角θ＝３５°１５′±２０′)の熱衝撃特性を比較して示す。同図は、３０Ｗハロゲンランプで水晶振動子の成膜面側に熱輻射を加えたときの周波数変化を示しており、測定開始から１０秒後にランプＯＮ、４０秒後にランプＯＦＦとした。同図に示すように、表面粗さ（Ｒａ）が小さいサンプル６Ｍ−１の方が、周波数変化が小さく、熱衝撃特性に優れる。
【００５０】
なお、上述のように成膜面には金属膜（電極膜３１）が設けられているが、電極膜３１の厚みは約１５０ｎｍと薄いため、成膜面の表面粗さ（Ｒａ）は電極膜３１の表面粗さ（Ｒａ）として評価される。
【００５１】
近年においては、膜厚センサの高精度化が要求されており、特に熱衝撃特性については、成膜レートや膜厚の制御に及ぼす影響が大きいため、熱衝撃特性に優れた膜厚センサの開発が急務となっている。しかしながら、単に水晶振動子の表面粗さを小さくするだけでは、熱衝撃特性の改善には未だ不十分であり、更なる改善が求められている。
【００５２】
一方、本発明者は、水晶振動子の成膜面の表面粗さ（Ｒａ）を所定以下にしつつ、切断レベル５０％における負荷長さ率（ｔｐ）を所定以上とすることで、水晶振動子の熱衝撃特性が大幅に改善されることを見いだした。すなわち、水晶振動子の熱衝撃特性は、成膜面の表面粗さ（Ｒａ）だけでなく、上記負荷長さ率（ｔｐ）が大きく関係しており、表面粗さ（Ｒａ）が小さく抑えられていても、上記負荷長さ率（ｔｐ）の値が所定未満の場合は、かえって熱衝撃特性が悪化する傾向にある。
【００５３】
例えば図６に、成膜面の表面粗さ（Ｒａ）が０．３４μｍである水晶振動子サンプル６Ｍ−３（基本周波数６ＭＨｚ、カット角θ＝３５°１５′±２０′）の熱衝撃特性を示す。試験条件は図５の例と同様とした。サンプル６Ｍ−３の切断レベル５０％における負荷長さ率（ｔｐ）は８０．２％であり、サンプル６Ｍ−１の９５．２％、サンプル６Ｍ−２の９５．５％と比較して低い。
サンプル６Ｍ−３の表面粗さ（Ｒａ）は、サンプル６Ｍ−１およびサンプル６Ｍ−２よりも小さいにもかかわらず、周波数変化は、図５および図６に示すように、サンプル６Ｍ−１，６Ｍ−２よりも悪化している。このように成膜面の切断レベル５０％における負荷長さ率は、水晶振動子の熱衝撃特性に大きな相関を有することが確認される。
【００５４】
なお、上述のサンプル６Ｍ−１，６Ｍ−２，６Ｍ−３各々の表面粗さ（Ｒａ、Ｒｙ、Ｒａ）と切断レベル５０％における負荷長さ率（ｔｐ）を表１にまとめて示す。
【００５５】
【表１】
2018040604.tif 000004
【００５６】
ここで、Ｒａは算術平均粗さ、Ｒｙは最大高さ、Ｒｚは十点平均粗さを意味する（JIS B 0601-1994）。
表面粗さでは、最小２乗法により高さデータの基準面を求め、その基準面と各ポイントの高さデータの差を粗さとして演算する。
表面粗さ（Ｒａ）は、基準面から測定曲面までの偏差の絶対値を合計して平均することで求められる。
表面粗さ（Ｒｙ）は、基準面からもっとも高い山頂までの高さＹｐともっとも低い谷底までの深さＹｖとの和で求められる。
表面粗さ（Ｒｚ）は、「最も高い山頂から５番目までの山頂の標高の絶対値の平均」と「最も低い谷底から５番目までの谷底の標高の絶対値の平均」の和で求められる。
切断レベル５０％における負荷長さ率（ｔｐ）は、粗さ曲面を山頂面に平行な切断レベル（Ｒｙの５０％）で切断したときに得られる切断面積の和の基準面に対する比の百分率で求められる。
本明細書では、上記各値を、表面粗さ計（キーエンス社製  コントローラＶＫ−９５００／測定器９５１０）を使用して測定した。以下の説明においても同様である。
【００５７】
本実施形態の水晶振動子２０は、表面粗さ（算術平均粗さ：Ｒａ）が０．４μｍ以下であり、かつ、切断レベル５０％における負荷長さ率（ｔｐ）が９５％以上である成膜面（表面２１）を有する。
【００５８】
成膜面の表面粗さ（Ｒａ）が０．４μｍを超えると、上記負荷長さ率（ｔｐ）が９５％以上の場合でも、表面粗さ（Ｒａ）が０．４μｍ以下のものと比較して、熱衝撃時における周波数変化が大きくなる（サンプル６Ｍ−１、６Ｍ−２参照）。また、成膜面の上記負荷長さ率（ｔｐ）が９５％未満だと、表面粗さ（Ｒａ）が０．４μｍ以下の場合でも、上記負荷長さ率（ｔｐ）が９５％以上のものと比較して、熱衝撃時における周波数変化が大きくなる（サンプル６Ｍ−１、６Ｍ−３参照）。
【００５９】
また、ほぼ同様の表面粗さ（Ｒａ）を有するサンプル６Ｍ−１とサンプル６Ｍ−３とを比較すると、両者のΔＦの比（３９０／５８０：６７％）からサンプル６Ｍ−１は、サンプル６Ｍ−３に対して約３３％のΔＦの改善が認められる。これは、サンプル６Ｍ−１の負荷長さ率（ｔｐ）がサンプル６Ｍ−３のそれよりも高いためであり、このことから負荷長さ率（ｔｐ）のΔＦ低減に対する顕著な効果が認められる。
【００６０】
この負荷長さ率（ｔｐ）の効果は、表面粗さ（Ｒａ）がサンプル６Ｍ−３よりも高いサンプル６Ｍ−２についても同様に認められ、両者のΔＦの比（４８０／５８０：８３％）からサンプル６Ｍ−２は、サンプル６Ｍ−３に対してΔＦが約１７％改善している。
【００６１】
なお、表面粗さ（Ｒａ）の下限は特に制限されないが、表面粗さ（Ｒａ）の値が小さいものほど熱衝撃時の周波数変化を小さく抑えることができる一方で、成膜面の加工が困難となり、加工コストが増加する傾向にある。このため、表面粗さ（Ｒａ）の下限は、例えば、０．１９μｍとすることができる。これにより、加工コストの増加を抑えつつ、耐熱衝撃性に優れた水晶振動子を得ることができる。
【００６２】
上記成膜面を得る方法は特に限定されず、典型的には、遊離砥粒を用いた両面ラッピング機により、所望の基本周波数が得られる厚みまで粗研磨した後、中研磨、仕上げ研磨の順で水晶板を加工する。
上記成膜面は鏡面であることが好ましいが、上述のように鏡面仕上げは通常、多大な加工コストを必要とする。このため成膜面の全域を均質に鏡面に仕上げるのではなく、成膜面の一部の領域を鏡面あるいは鏡面に近い状態に研磨する。
具体的には、仕上げ研磨として例えば＃１０００〜＃２０００程度の粒度の研磨砥粒を用いて、表面の突出部（山頂部）のみを削り取るように研磨する。必要に応じて化学的研磨が併用されてもよい。また、加工方向や加工圧力が段階的に調整されてもよい。このような加工方法により、上記表面粗さ（Ｒａ）および負荷長さ率（ｔｐ）を有する成膜面を得ることができる。
【００６３】
図７に、本実施形態の水晶振動子２０の成膜面を１５０倍で拡大したときの表面状態の一例を示す。図において符号Ｓが、鏡面あるいは鏡面に近い状態の領域（以下、鏡面部という）に相当する。同図に示すように鏡面部Ｓが成膜面の一部の領域に離散的に存在している様子がわかる。
【００６４】
水晶振動子２０は、典型的には、比較的温度特性に優れたＡＴカット型の水晶振動子（カット角θ＝３５°１５′±２０′）が用いられる。これ以外にも、水晶振動子２０として、ＡＴカットよりも温度特性に優れたＳＣカット型の水晶振動子（カット角θ＝３３°３０′±１１′、φ＝２０°２５′±６°）が用いられてもよいが、通常、ＳＣカット型基板はＡＴカット型基板と比較して高価であり、したがって膜厚センサの高コスト化を招く。このため、水晶振動子２０にはＡＴカット基板を用いることが好ましい。
【００６５】
通常のＡＴカット基板は、図８Ｂに示すように、結晶のＸ軸（電気軸）まわりにＺ軸（成長軸）に対して３５°１５′の角度で切り出して形成される。一方、結晶のＺ軸に対して所定角度をなすｒ面（面指数（０１−１１））及びＲ面（面指数（１０−１１））は、図８Ａに示すように、Ｚ軸を中心に正六角形を描くように交互に位置している。これらｒ面及びＲ面のＺ軸に対する角度は、図８Ｂに示すように、いずれも３８°１３′である。
実際の水晶振動子を得るには、結晶から水晶片を切断し、ブランクを得る必要がある。この場合、水晶ブランクは薄くなるため、Ｚ軸が不明確となる。しかし、結晶のｒ面は確認できるので、このｒ面を基準として水晶ブランクを切り出すことができる。このｒ面に対するＡＴカット基板のカット角は、（３８°１３′）−（３５°１５′）＝２°５８′である。
【００６６】
ＡＴカット基板のうち、３５°０８′±０３′（ｒ面に対する切断方位が３°０５′±０３′）のカット角θを有する水晶振動子は、共振周波数の温度ドリフトが室温（２５℃）から８０℃付近の範囲で２０ｐｐｍ以下に抑えることができるため、耐熱衝撃性に優れる。これにより、周波数測定の安定化が図られ、高精度な膜厚監視と成膜レートの制御を実現することができる。
【００６７】
［実験例］
続いて、基本周波数５ＭＨｚの水晶振動子を用いた実験例を説明する。
【００６８】
本発明者は、表２に示す種々の表面粗さの成膜面を有する基本周波数５ＭＨｚの水晶振動子を準備して、それらの熱衝撃特性を評価した。本実験例では、熱衝撃による周波数変動量の許容値を３００Ｈｚとし、ΔＦの値が３００Ｈｚ以上のサンプルを「×」、ΔＦの値が２００Ｈｚ以上３００Ｈｚ未満のサンプルを「△」、ΔＦの値が２００Ｈｚ未満のサンプルを「○」と評価した。高精度な膜厚監視および成膜レートの制御を実現するためには、ΔＦの値は３００Ｈｚ未満が好ましく、２００Ｈｚ未満であるとなお好ましい。
【００６９】
【表２】
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【００７０】
（実験例１）
表面粗さ（Ｒａ）が０．２３μｍ、切断レベル５０％における負荷長さ率（ｔｐ）が９８．４％である成膜面に、電極膜として厚さ約１５０ｎｍのＡｕ膜が蒸着された、直径１２．４ｍｍ、曲率２００ｍｍのプラノコンベックス型水晶振動子サンプル（カット角θ＝３５°０８′±０３′（ｒ面に対する切断方位３°０５′±０３′））５Ｍ−１を準備した。そして、３０Ｗハロゲンランプでサンプル５Ｍ−１の成膜面側に熱輻射を加えたときの周波数変化を測定したところ、周波数変化量（ΔＦ）は約１４０Ｈｚであった。サンプル５Ｍ−１の熱衝撃特性を図９に示す。
【００７１】
（実験例２）
成膜面の表面粗さ（Ｒａ）が０．１９μｍ、切断レベル５０％における負荷長さ率（ｔｐ）が９７．０％である以外は、実験例１と同一の構成の水晶振動子サンプル５Ｍ−２を準備し、実験例１と同一の条件で熱衝撃時の周波数変化を測定した。測定の結果、周波数変化量（ΔＦ）は約１４０Ｈｚであった。
【００７２】
（実験例３）
成膜面の表面粗さ（Ｒａ）が０．１９μｍ、切断レベル５０％における負荷長さ率（ｔｐ）が７２．２％、曲率が１００ｍｍである以外は、実験例１と同一の構成の水晶振動子サンプル５Ｍ−３を準備し、実験例１と同一の条件で熱衝撃時の周波数変化を測定した。測定の結果、周波数変化量（ΔＦ）は約３００Ｈｚであった。サンプル５Ｍ−３の熱衝撃特性を図１０に示す。
【００７３】
（実験例４）
成膜面の表面粗さ（Ｒａ）が０．２８μｍ、切断レベル５０％における負荷長さ率（ｔｐ）が７６．９％、カット角θ＝３５°１５′±２０′（ｒ面に対する切断方位が２°５８′±２０′）である以外は、実験例１と同一の構成の水晶振動子サンプル５Ｍ−４を準備し、実験例１と同一の条件で熱衝撃時の周波数変化を測定した。測定の結果、周波数変化量（ΔＦ）は約３３０Ｈｚであった。サンプル５Ｍ−４の熱衝撃特性を図１１に示す。
【００７４】
（実験例５）
成膜面の表面粗さ（Ｒａ）が０．２５μｍ、切断レベル５０％における負荷長さ率（ｔｐ）が９９．０％、カット角θ＝３５°１５′±２０′（ｒ面に対する切断方位が２°５８′±２０′）である以外は、実験例１と同一の構成の水晶振動子サンプル５Ｍ−５を準備し、実験例１と同一の条件で熱衝撃時の周波数変化を測定した。測定の結果、周波数変化量（ΔＦ）は約２８０Ｈｚであった。サンプル５Ｍ−５の熱衝撃特性を図１２に示す。
【００７５】
サンプル５Ｍ−１〜５Ｍ−５に係る水晶振動子は、上述の基本周波数６ＭＨｚの水晶振動子と比較して、熱衝撃時の周波数変化が小さいことが確認された（表１、表２参照）。
【００７６】
また、成膜面の表面粗さ（Ｒａ）が０．４μｍ以下であり、かつ、切断レベル５０％における負荷長さ率（ｔｐ）が９５％以上であるサンプル５Ｍ−１、５Ｍ−２、５Ｍ−５によれば、サンプル５Ｍ−３、５Ｍ−４と比較して、周波数変化量（ΔＦ）が小さい。このうち、上記表面粗さ（Ｒａ）が０．２３μｍ以下であるサンプル５Ｍ−１、５Ｍ−２によれば、周波数変化量（ΔＦ）をさらに低減することができ、サンプル５Ｍ−５のそれよりも半分の大きさに抑えられることが確認された。
【００７７】
中でも、成膜面の切断レベル５０％における負荷長さ率（ｔｐ）は９７％以上であることが好ましく、さらに、成膜面の表面粗さ（Ｒａ）は、０．２５μｍ以下であることが好ましい。
【００７８】
ここで、ほぼ同様の表面粗さ（Ｒａ）を有するサンプル５Ｍ−４とサンプル５Ｍ−５とを比較すると、両者のΔＦの比（２８０／３３０：８５％）からサンプル５Ｍ−５は、サンプル５Ｍ−４に対して約１５％のΔＦの改善が認められる。これは、サンプル５Ｍ−５の負荷長さ率（ｔｐ）がサンプル５Ｍ−４のそれよりも高いためであり、このことから負荷長さ率（ｔｐ）のΔＦ低減に対する有利性が認められる。
【００７９】
また、切断方位が同一であるサンプル５Ｍ−１とサンプル５Ｍ−３とを比較すると、両者のΔＦの比（１４０／３００：４７％）からサンプル５Ｍ−１は、サンプル５Ｍ−３に対して約５３％のΔＦの改善が認められる。この例では、負荷長さ率（ｔｐ）のΔＦ低減に対する顕著な効果が認められる。
【００８０】
一方、サンプル５Ｍ−１は、サンプル５Ｍ−５と比較して負荷長さ率（ｔｐ）が劣化しているにもかかわらず、ΔＦが５０％改善している。これは、両サンプルの切断方位の違いに由来するものであり、このことから、カット角θが３５°０８′±０３′（ｒ面に対する切断方位３°０５′±０３′）である水晶振動子の優位性が認められる。
【００８１】
以上のように本実施形態によれば、熱衝撃特性に優れた膜厚センサを得ることができる。これにより、例えば水晶振動子の切り替え時や蒸着源のシャッタ開放時における熱輻射の影響を受けにくい、高精度な成膜レート測定あるいは膜厚測定が可能となる。
【００８２】
また本実施形態によれば、水晶振動子の成膜面の負荷長さ率（ｔｐ）を管理することで、所望とする振動特性を有する水晶振動子を安定に製造することができる。特に、成膜面を鏡面加工したり、ＳＣカット基板等の高価な水晶板を使用したりすることなく、熱衝撃特性に優れた水晶振動子を比較的安価に製造することができる。
【００８３】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。
【００８４】
例えば以上の実施形態では、水晶振動子２０として、プラノコンベックス形状の水晶振動子を例に挙げて説明したが、これに限られず、両面が平坦な面で構成された水晶振動子にも本発明は適用可能である。
【００８５】
また以上の実施形態では、成膜装置として、真空蒸着装置を例に挙げて説明したが、これに限られず、スパッタ装置などの他の成膜装置にも本発明は適用可能である。スパッタ装置の場合、有機材料源は、有機材料で構成されたターゲットを含むスパッタカソードで構成される。
【符号の説明】
【００８６】
１０…成膜装置
１１…真空チャンバ
１２…蒸着源
１３…基板ホルダ
１４…膜厚センサ
１６…シャッタ
１７…測定ユニット
２０…水晶振動子
Ｗ…基板
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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