(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
成膜制御装置用センサに用いられるＳＣ−Ｃｕｔの水晶振動子であって、
前記水晶振動子は、水晶結晶軸である直交座標系Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸においてＺ軸周りにθ回転し、Ｘ軸周りにφ回転したものであり、前記θが３３°３０′、前記φが２０°２５′である水晶振動子。
【請求項２】
前記請求項１に記載の水晶振動子と、
前記水晶振動子を保持するホルダと、を備えたセンサヘッド。
【請求項３】
蒸着装置、スパッタリング装置またはＣＶＤ（化学蒸着）装置のセンサヘッドに、前記請求項２記載のセンサヘッドを備えた成膜制御装置。
【請求項４】
水晶結晶軸である直交座標軸系Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸においてＺ軸周りの回転角度θとＸ軸周りの回転角度φとで決定されるＳＣ−Ｃｕｔの水晶板を用いる水晶振動子を有するセンサヘッドを備えた成膜制御装置の製造方法において、
前記θおよび前記φをθ１およびφ１とし、かつ前記水晶板が前記θ１およびφ１を有する場合の基準温度と比較温度との周波数の差をΔＦ１と定義して、３組の（θ１，φ１，ΔＦ１）を決定し、３組の前記（θ１，φ１，ΔＦ１）を通る平面の式である第１式θ１ｘ＋φ１ｙ＋ΔＦ１ｚ＝０を求める工程と、
前記θおよび前記φをθ２およびφ２とし、かつ前記水晶板が前記θ２およびφ２を有する場合の前記水晶振動子の表面に所定温度の熱衝撃が加えられる前と加えられている間とにおける周波数の差の最大値をΔＦ２と定義して３組の（θ２、φ２、ΔＦ２）を決定し、３組の前記（θ２、φ２、ΔＦ２）を通る平面の式である第２式θ２ｘ＋φ２ｙ+ΔＦ２ｚ＝０を求める工程と、
前記第１式と前記第２式とにおいてｚ＝０として連立させてｘおよびｙを求める工程と、
求められた前記ｘおよびｙをそれぞれθおよびφとした水晶板を有する水晶振動子を前記センサヘッドに組み込む工程と、を備える成膜制御装置の製造方法。
【請求項５】
周波数−温度特性および熱衝撃による周波数変化が±１０ｐｐｍ以下となるような前記θおよびφの範囲を前記第１式と第２式とに基づいて求める工程と、
求められた前記θおよびφの範囲内の前記θおよびφを有する水晶板を有する水晶振動子を前記センサヘッドに組み込む工程と、をさらに備えた請求項４記載の成膜制御装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水晶振動子上に形成される薄膜の膜厚により発振周波数が変動する水晶振動子、この水晶振動子を有するセンサヘッド、発振器などを備えた成膜制御装置、および成膜制御装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤなどの成膜工程においては、基板上の膜厚や蒸着レート（蒸着速度）を制御するために、成膜制御装置が用いられる。この成膜制御装置として、水晶振動子上に形成される薄膜の膜厚を測定することにより安定した成膜を行えるように制御するものが知られている。このような成膜制御装置は、水晶振動子の表面に物質が付着するとその共振振動（従振動、すべり振動、屈伸振動など）が変化することを利用して、物質の膜厚を測定する。
【０００３】
例えば、特許文献１には、センサヘッドにＳＣ−Ｃｕｔ水晶振動子を用いる水晶マイクロバランスセンサー装置が開示されている。この水晶マイクロバランスセンサー装置は、従来用いられていたＡＴ−Ｃｕｔ水晶振動子での課題である、成膜中において成膜環境下で高温に曝されることによる発振周波数に与える影響を少なくするものであった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２９２７３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＳＣ−Ｃｕｔ水晶振動子を用いた場合、上述したとおりＡＴ−Ｃｕｔ水晶振動子を用いた場合に比べて高温環境下での温度による周波数変動を極力抑え、高精度な測定をすることができるものであった。しかし、特許文献１には、単にＳＣ−Ｃｕｔ水晶振動子を用いることが開示されているのみであり、成膜工程において精度よく測定が可能なＳＣ−Ｃｕｔ水晶振動子の詳細な構成については開示されていなかった。また、真空蒸着装置、スパッタ装置などの成膜装置においては、成膜対象のみならず水晶振動子にも薄膜が形成されてしまう。この薄膜が厚くなると、水晶振動子上の蒸発物質膜の剥離や内部応力の蓄積によって水晶振動子の共振振動が不安定になったり、周波数測定範囲から外れるようになったりする。しかし、特許文献１においては、成膜装置におけるこれらの事情については考慮されていなかった。
【０００６】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、膜厚測定および成膜制御を高温環境下でも高精度に行うことができる水晶振動子、この水晶振動子を有するセンサヘッド、このセンサヘッドを備えた成膜制御装置、および成膜制御装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る水晶振動子は、上述した課題を解決するために、成膜制御装置用センサに用いられるＳＣ−Ｃｕｔの水晶振動子であって、前記水晶振動子は、水晶結晶軸である直交座標系Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸においてＺ軸周りにθ回転し、Ｘ軸周りにφ回転したものであり、前記θが３３°３０′、前記φが２０°２５′である。
また、本発明に係るセンサヘッドは、上記水晶振動子と、この水晶振動子を保持するホルダと、を備えた。
さらに、本発明に係る成膜制御装置は、蒸着装置、スパッタリング装置またはＣＶＤ（化学蒸着）装置のセンサヘッドに、上記センサヘッドを備えた。
さらにまた、本発明に係る成膜制御装置の製造方法は、水晶結晶軸である直交座標軸系Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸においてＺ軸周りの回転角度θとＸ軸周りの回転角度φとで決定されるＳＣ−Ｃｕｔの水晶板を用いる水晶振動子を有するセンサヘッドを備えた成膜制御装置の製造方法において、前記θおよび前記φをθ１およびφ１とし、かつ前記水晶板が前記θ１およびφ１を有する場合の基準温度と比較温度との周波数の差をΔＦ１と定義して、３組の（θ１，φ１，ΔＦ１）を決定し、３組の前記（θ１，φ１，ΔＦ１）を通る平面の式である第１式θ１ｘ＋φ１ｙ＋ΔＦ１ｚ＝０を求める工程と、前記θおよび前記φをθ２およびφ２とし、かつ前記水晶板が前記θ２およびφ２を有する場合の前記水晶振動子の表面に所定温度の熱衝撃が加えられる前と加えられている間とにおける周波数の差の最大値をΔＦ２と定義して３組の（θ２、φ２、ΔＦ２）を決定し、３組の前記（θ２、φ２、ΔＦ２）を通る平面の式である第２式θ２ｘ＋φ２ｙ+ΔＦ２ｚ＝０を求める工程と、前記第１式と前記第２式とにおいてｚ＝０として連立させてｘおよびｙを求める工程と、求められた前記ｘおよびｙをそれぞれθおよびφとした水晶板を有する水晶振動子を前記センサヘッドに組み込む工程と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る水晶振動子、この水晶振動子を有するセンサヘッド、成膜制御装置、および成膜制御装置の製造方法においては、膜厚測定および成膜制御を高温環境下での温度による周波数変動を抑えて高精度に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態における水晶振動子を有するセンサヘッドおよび成膜制御装置が適用可能な真空蒸着装置の概略的な構成図。
【図２】ＡＴ−Ｃｕｔ水晶振動子の周波数−温度特性を示すグラフ。
【図３】ＡＴ−Ｃｕｔ水晶振動子の周波数−温度特性を、形成されたＡｌ薄膜の膜厚（発振周波数）で比較したグラフ。
【図４】ＡＴ−Ｃｕｔ水晶振動子の表面に所定温度になるように熱衝撃を与えた場合の周波数の時間変化を示すグラフ。
【図５】ＡＴ−Ｃｕｔ水晶振動子の表面に所定温度になるように熱衝撃を与えた場合の周波数の時間変化を、形成された薄膜の膜厚（発振周波数）で比較したグラフ。
【図６】ＳＣ−Ｃｕｔ水晶振動子の周波数−温度特性を、形成されたＡｌ薄膜の膜厚（発振周波数）で比較したグラフ。
【図７】ＳＣ−Ｃｕｔ水晶振動子の表面に所定温度になるように熱衝撃を与えた場合の周波数の時間変化を、形成された薄膜の膜厚（発振周波数）で比較したグラフ。
【図８】ＡＴ−Ｃｕｔ水晶振動子を用いたセンサヘッドを備える成膜装置と、ＳＣ−Ｃｕｔ水晶振動子を用いたセンサヘッドを備える成膜装置とで、水晶振動子の発振周波数の時間変化を比較したグラフ。
【図９】ＡＴ−Ｃｕｔ水晶振動子を用いたセンサヘッドを備える成膜装置と、ＳＣ−Ｃｕｔ水晶振動子を用いたセンサヘッドを備える成膜装置とで、蒸着レートの時間変化を比較したグラフ。
【図１０】ＡＴ−Ｃｕｔ水晶振動子を用いたセンサヘッドを備える成膜装置と、ＳＣ−Ｃｕｔ水晶振動子を用いたセンサヘッドを備える成膜装置とで、電源出力の時間変化を比較したグラフ。
【図１１】本実施形態における成膜制御装置を適用したスパッタ装置の概略的な構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明に係る水晶振動子、この水晶振動子を有するセンサヘッドを備えた成膜制御装置、および成膜制御装置の製造方法の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１１】
図１は、本実施形態における水晶振動子を有するセンサヘッドおよび成膜制御装置が適用可能な真空蒸着装置の概略的な構成図である。
【００１２】
本実施形態における水晶振動子は、図１に示すような真空蒸着装置１に適用される。この真空蒸着装置１は、例えば半導体や電極用金属膜、有機ＥＬ膜などへの成膜に用いられる。真空蒸着装置１は、真空槽１０内に、成膜材料を蒸発させる蒸発源１１と、成膜対象物１２と、成膜工程前などにおいて成膜対象物１２に対して成膜材料が気化した蒸気を遮断するためのシャッター機構１３とを備える。また、真空蒸着装置１は、成膜制御装置として、水晶発振式の成膜制御装置２を備える。
【００１３】
成膜制御装置２は、センサヘッド１４と、発振器１５と、膜厚計１６と、を備える。センサヘッド１４（膜厚測定器）は、ホルダに保持されたＳＣ−Ｃｕｔ水晶振動子を有する。この水晶振動子は、水晶板と、水晶板に設けられ電圧を印加する電極とを備える。電極には、例えば金、銀など種々の金属材料を適用することができる。水晶振動子は、表面に付着した成膜材料の膜厚に応じて振動することにより、膜厚を検出する。水晶振動子は、例えば２Ｍ〜３０ＭＨｚの共振周波数を有する。発振器１５は、水晶振動子の共振周波数で発振し、測定した水晶振動子の発振周波数変化を電気信号として膜厚計１６へ出力する。膜厚計１６は、発振器１５からの電気信号に基づいて成膜対象物１２の膜厚、現状の蒸着レートなどを計算し、蒸発源用電源１７に適正な電力指示値を出力し、設定された蒸着レートになるようにフィードバック信号を出力する。蒸発源用電源１７は、成膜制御装置２の出力に基づいて蒸発源１１へ所要の電力を出力する。
【００１４】
以下、センサヘッド１４の詳細について説明する。本実施形態におけるセンサヘッド１４は、従来用いられているＡＴ−Ｃｕｔ水晶振動子を備えたセンサヘッドに比べ、高温環境下での温度による周波数変動を抑えた成膜制御（膜厚測定）を実現することができる。まず、比較のため、ＡＴ−Ｃｕｔ水晶振動子を用いたセンサヘッド（成膜制御装置）の課題について説明する。以下の比較のために用いたＡＴ−Ｃｕｔ水晶振動子は、水晶結晶軸の直交座標系Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のうちＺ軸周りの回転角度θが３°０５′となるようにカットされたものである。
【００１５】
図２は、ＡＴ−Ｃｕｔ水晶振動子の周波数−温度特性を示すグラフである。
【００１６】
ＡＴ−Ｃｕｔ水晶振動子は、２５℃を変曲点として、２０℃から７０℃において良好な周波数−温度特性を有する。しかし、成膜工程において繰り返し使用されることにより水晶振動子に薄膜が形成されると、周波数−温度特性は変化してしまう。
【００１７】
ここで、図３は、ＡＴ−Ｃｕｔ水晶振動子の周波数−温度特性を、形成されたＡｌ薄膜の膜厚（発振周波数）で比較したグラフである。図３においては、薄膜が形成されていない場合（ｎｅｗ）と、薄膜が形成された結果発振周波数が段階的に変化した場合の周波数−温度特性を示す。また、図３においては、各線は膜厚に依存して減少する発振器の出力周波数毎（５．００ＭＨｚ（ｎｅｗ、薄膜なし）、４．９０３ＭＨｚ、４．８０４ＭＨｚ、４．６９４ＭＨｚ）に表され、グラフのＹ軸は温度ドリフト周波数（Ｈｚ）を示す。なお、このように蒸着膜が形成された場合の水晶振動子の周波数−温度特性が大きく変化する現象については、本発明者が度重なる実験により発見した事実である。
【００１８】
水晶振動子に成膜材料のＡｌの薄膜が付着すると、水晶振動子の発振周波数が変化する。すなわち、薄膜の形成量に応じて周波数−温度特性が右下がりの勾配を持つ。従来、ＡＴ−Ｃｕｔ水晶振動子を用いたセンサヘッドの温度に応じて周波数−温度特性を補正することにより測定結果の精度を上げる例が開示されている。しかし、このように水晶振動子に薄膜が付着し周波数−温度特性が大きくなると、もはや温度に応じて補正を行ったとしても、周波数の補正範囲から外れてしまい、適切な測定を行うことができない。このため、従来の膜厚制御装置では十分な測定が行えなかった。
【００１９】
図４は、ＡＴ−Ｃｕｔ水晶振動子の表面に所定温度になるように熱衝撃を与えた場合の周波数の時間変化を示すグラフである。グラフのＹ軸は温度ドリフト周波数（Ｈｚ）を示す（図５〜７においても同様）。なお、ＡＴ−Ｃｕｔ水晶振動子に与えた熱衝撃は、３０Ｗのハロゲンランプによる輻射熱とした（図５、図７においても同様）。電子ビーム式蒸着装置では、ＡＴ−ＣＵＴ水晶振動子３°０５′を用いた場合のシャッター開放時の輻射熱による周波数変化は、最大２００Ｈｚ程度、水晶振動子の表面温度は５０℃程度であることが実験的にわかった。このため、２００Ｈｚの変化、すなわち表面温度５０℃に相当する状況を、出力３０Ｗのハロゲンランプを用いて作った。
【００２０】
ＡＴ−Ｃｕｔ水晶振動子を使用したセンサヘッドと発振器とを組み合わせた場合、シャッター機構によりシャッターが開かれると蒸発源の輻射熱によりセンサヘッドに熱衝撃が急激に付加される。これにより、発振器からの出力周波数は、周波数−温度特性に従わず急激に上昇する。なお、「熱衝撃」の発生は、二酸化ケイ素でできている水晶振動子と、金や銀などの電極用金属材料の熱膨張率差による水晶振動子への内部応力が原因であることが、実験によりわかった。
【００２１】
図５は、ＡＴ−Ｃｕｔ水晶振動子の表面に所定温度になるように熱衝撃を与えた場合の周波数の時間変化を、形成された薄膜の膜厚（発振周波数）で比較したグラフである。図５においては、各線は膜厚に依存して減少する発振器の出力周波数毎（５．００ＭＨｚ（ｎｅｗ、薄膜なし）、４．９７０ＭＨｚ、４．９００ＭＨｚ、４．８４５ＭＨｚ、４．８０４ＭＨｚ、４．７４３ＭＨｚ、４．６９５ＭＨｚ）に表される。
【００２２】
水晶振動子に薄膜が形成されると、図５に示すようにＡＴ−Ｃｕｔ水晶振動子の発振周波数に応じて周波数変化がばらつくことがわかる。これにより、周波数−温度特性同様、補正が困難であり、成膜速度である蒸着レートの制御性や膜厚測定の精度の低下が発生ししまう。このため、周波数−温度特性同様、薄膜が形成されていない状態で補正を行った場合であっても、薄膜が形成されるにつれてばらつきが発生し、正確な測定、制御ができない。
【００２３】
これに対し、ＳＣ−Ｃｕｔ水晶振動子を用いたセンサヘッドは、表面に薄膜が形成された場合であっても、周波数−温度特性および熱衝撃による周波数の変化は影響を受けることなく、安定した膜厚測定、蒸着速度の制御を行うことができる。
【００２４】
図６は、ＳＣ−Ｃｕｔ水晶振動子の周波数−温度特性を、形成されたＡｌ薄膜の膜厚（発振周波数）で比較したグラフである。図６においては、各線は膜厚に依存して減少する発振器の出力周波数毎（５．００ＭＨｚ（ｎｅｗ、薄膜なし）、４．９０ＭＨｚ、４．８０ＭＨｚ、４．７０ＭＨｚ）に表される。
【００２５】
図７は、ＳＣ−Ｃｕｔ水晶振動子の表面に所定温度になるように熱衝撃を与えた場合の周波数の時間変化を、形成された薄膜の膜厚（発振周波数）で比較したグラフである。図７においては、各線は膜厚に依存して減少する発振器の出力周波数毎（５．００ＭＨｚ（ｎｅｗ、薄膜なし）、４．９７ＭＨｚ、４．９０ＭＨｚ、４．８０ＭＨｚ、４．７０ＭＨｚ）に表される。
【００２６】
説明のために用いたＳＣ−Ｃｕｔ水晶振動子は、水晶結晶軸Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のうちＺ軸周りの回転角度θが３４°、Ｘ軸周りの回転角度φが２２°３０′となるようにカットされたものである。
【００２７】
ＳＣ−Ｃｕｔ水晶振動子は、図６に示すように、薄膜が形成されていない場合（５．００ＭＨｚ）と、薄膜が最も形成された場合（４．７０ＭＨｚ）とを比較すると、最大でも４０Ｈｚ程度しか変化しない。これは、ＡＴ−Ｃｕｔ水晶振動子の周波数の変化に比べて１／１０程度であり、膜厚が大きくなっても、すなわち成膜工程を複数回繰り返したとしても、水晶振動子の周波数−温度特性が変化しないことを示す。
【００２８】
また、図７に示す熱衝撃に対する周波数の時間変化も同様に、最大でも４０Ｈｚ程度しか変化せず、ＡＴ−Ｃｕｔ水晶振動子と比べて変化が小さい。すなわち、ＳＣ−Ｃｕｔ水晶振動子は周波数−温度特性、熱衝撃による周波数変化共に膜厚によらずに変化が少なく、成膜工程が複数回繰り返された場合であっても、誤差の小さい測定を維持することができる。この結果、ＳＣ−Ｃｕｔ水晶振動子をセンサヘッドに用いた成膜制御装置は、好適な蒸着レート制御が可能である。
【００２９】
次に、ＳＣ−Ｃｕｔ水晶振動子のカット角の決定方法、すなわち成膜制御装置の製造方法について説明する。
【００３０】
ＳＣ−Ｃｕｔ水晶振動子は上述した通り、膜厚に応じた周波数−温度特性の変化および熱衝撃に対する周波数の変化が、ＡＴ−Ｃｕｔ水晶振動子に比べて、膜厚に応じて変化しない。このため、成膜工程が繰り返され水晶振動子に薄膜が形成されたることにより、膜厚が徐々に大きくなった場合に、周波数−温度特性および熱衝撃による周波数変化を最少にするためには、薄膜が形成されていない場合の周波数−温度特性および熱衝撃による周波数変化を最少にすればよい。
【００３１】
本実施形態においては、薄膜が形成されていない場合の周波数−温度特性および熱衝撃による周波数変化を最少にすることのできるＳＣ−Ｃｕｔ水晶振動子のθおよびφを求めることにより、成膜制御装置に適したＳＣ−Ｃｕｔ水晶振動子の構成を決定した。
【００３２】
具体的には、水晶振動子の温度が２０〜６５℃における周波数−温度特性が±１０ｐｐｍ以下となるθおよびφを有するＳＣ−Ｃｕｔ水晶振動子とする（条件１）。または、水晶振動子表面に５０℃以下の熱衝撃が加えられる前の周波数に対する、熱衝撃水晶振動子の表面に加えられた場合における周波数の変化が、±１０ｐｐｍ以下となるθおよびφを有するＳＣ−Ｃｕｔ水晶振動子とする（条件２）。なお、水晶振動子は、水晶結晶軸である直交座標系Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸においてＺ軸周りにθ回転し、Ｘ軸周りにφ回転したものとする。なお、水晶振動子は、上記条件１および２のいずれかを満たすものであっても、双方を満たすものであってもよい。
【００３３】
具体的には、Ｚ軸周りの回転角度θおよびＸ軸周りの回転角度φをそれぞれθ１およびφ１と定義する。また、周波数−温度特性に関し、水晶振動子がθ１およびφ１を有する場合の基準温度と比較温度との周波数の差をΔＦ１と定義する。次に、３組の（θ１，φ１，ΔＦ１）を決定する。さらに、３組の（θ１，φ１，ΔＦ１）を通る平面の式である第１式θ１ｘ＋φ１ｙ+ΔＦ１ｚ＝０を求める。
【００３４】
また、θおよびφをθ２およびφ２と定義する。かつ、θ２およびφ２を有する水晶振動子の表面に所定温度の熱衝撃が加えられる前と加えられている間とにおける周波数の差の最大値をΔＦ２と定義する。次に、３組の（θ２、φ２、ΔＦ２）を決定する。さらに、３組の（θ２、φ２、ΔＦ２）を通る平面の式である第２式θ２ｘ＋φ２ｙ+ΔＦ２ｚ＝０を求める。
【００３５】
次に、第１式と第２式とにおいて、ｚ＝０として連立させてｘおよびｙを求める。すなわち、周波数−温度特性および熱衝撃による周波数変化ΔＦ１、ΔＦ２が０である場合のθおよびφを求める。そして、求められたｘおよびｙに基づいてＺ軸周りの回転角度θおよびＸ軸周りの回転角度φを有するＳＣ−Ｃｕｔ水晶振動子をセンサヘッドに組み込むことにより、成膜制御装置を製造する。
【００３６】
さらに、周波数−温度特性および熱衝撃による周波数の変化が±１０ｐｐｍ以下となるようなθおよびφの範囲についても、第１式と第２式とに基づいて求める。これにより、周波数−温度特性および熱衝撃による周波数変化が好適となるθおよびφを求めることができ、高温環境下での温度による周波数変動を抑え測定精度に優れた水晶振動子を有するセンサヘッドを備えた成膜制御装置を製造することができる。
【００３７】
以下、具体例を用いて説明する。ＳＣ−Ｃｕｔ水晶振動子の発振周波数は５ＭＨｚとする。
【００３８】
上記第１式θ１ｘ＋φ１ｙ＋ΔＦ１ｚ＝０を求めるため、以下の通り３組の（θ１，φ１，ΔＦ１）を得た。θ１およびφ１については、基準としたθ＝３４°、φ＝２２°３０′を中心に任意に数値を選択した。ΔＦ１については、各θ１およびφ１を有するＳＣ−Ｃｕｔ水晶振動子を用いて測定することにより得た。ΔＦ１は、基準温度２０℃に対する比較温度６５℃の周波数変化（２０〜６５℃における周波数変化）とした。
【００３９】
（θ１，φ１，ΔＦ１）＝（３３°４０′、２３°２０′，−７５）、
（３３°４０′，２４°００‘，−８２）、
（３３°５０′，２４°００′，−１４７）
【００４０】
上記３点を通る平面の式は、以下の通りとなった。
［数１］
−１０８．５５ｘ−１．１２ｙ−０．２６７２ｚ−３６５９．８５＝０      （１）
【００４１】
また、上記第２式θ２ｘ＋φ２ｙ+ΔＦ２ｚ＝０を求めるため、以下の通り３組の（θ２，φ２，ΔＦ２）を得た。θ２およびφ２は、θ１およびφ１と同一の値とした。ΔＦ２については、各θ２およびφ２からなるＳＣ−Ｃｕｔ水晶振動子を用いて測定することにより得た。熱衝撃は、３０Ｗのハロゲンランプを用いることにより、水晶振動子の表面温度が５０℃となるように設定された。すなわち、ΔＦ２は、５０℃以下の熱衝撃が加えられる前の周波数に対する、熱衝撃が水晶振動子の表面に加えられた場合における周波数変化である。
【００４２】
（θ２，φ２，ΔＦ２）＝（３３°４０′，２３°２０′，−３３）、
（３３°４０′，２４°００′，−５１）、
（３３°５０′，２４°００′，−６３）
【００４３】
上記３点を通る平面の式は、以下の通りとなった。
［数２］
−２０．０４ｘ−２．８８ｙ−０．２６７２ｚ＋７３０．２４＝０（２）
【００４４】
次に、ｚ＝０である場合のｘおよびｙを求める。すなわち、周波数変化ΔＦ１、ΔＦ２が０となる場合のθおよびφを求める。この結果、（θ，φ）＝（３３°３０′、２０°２５′）が得られた。
【００４５】
次に、周波数−温度特性が±１０ｐｐｍ、熱衝撃による周波数変化が±１０ｐｐｍとなるθおよびφの範囲を求める。５ＭＨｚの水晶振動子の場合、±１０ｐｐｍとするためには、ΔＦ１およびΔＦ２が±５０Ｈｚであればよい。このため、ΔＦ１およびΔＦ２が以下の組み合わせとなる場合のθおよびφを、上記式（１）および式（２）で求める。結果は以下の通りである。
【００４６】
（ΔＦ１，ΔＦ２）＝（５０，５０）の場合、（θ、φ）＝（３３°２６′、１６°２０′）
（ΔＦ１，ΔＦ２）＝（５０，−５０）の場合、（θ、φ）＝（３３°１９′、２６°２０′）
（ΔＦ１，ΔＦ２）＝（−５０，５０）の場合、（θ、φ）＝（３３°４１′、１４°２９′）
（ΔＦ１，ΔＦ２）＝（−５０，−５０）の場合、（θ、φ）＝（３３°３５′、２４°２９′）
【００４７】
これにより、周波数変化が±１０ｐｐｍ以下となるθおよびφの範囲は
（θ，φ）＝（３３°３０′±１１′、２０°２５′±６°）
となる。また、（θ、φ）＝（３３°３０′、２０°２５′）の場合、ＳＣ−Ｃｕｔ水晶振動子の温度ドリフト周波数を最小値にすることができる。
【００４８】
このように、本実施形態における水晶振動子、この水晶振動子を有するセンサヘッド、成膜制御装置、成膜制御装置の製造方法により製造された成膜制御装置は、薄膜が形成されても周波数−温度特性の変化および熱衝撃による周波数変化が小さいというＳＣ−Ｃｕｔ水晶振動子の性質を利用したことにより、高温環境下での温度による周波数変動を抑え精度の高い膜厚測定および蒸発レート制御が可能となる。
【００４９】
また、本実施形態における成膜制御装置の製造方法においては、薄膜が形成されていないＳＣ−Ｃｕｔ水晶振動子において周波数−温度特性および熱衝撃による周波数変化に優れたθおよびφを近似して求めた。これにより、薄膜が形成された場合においても、形成されていない場合と同様に精度の高い膜厚測定および蒸発レート制御を実現することができる。
【００５０】
また、以下の図８〜図１０に示すように、ＳＣ−Ｃｕｔ水晶振動子を用いたセンサヘッドを備える成膜制御装置は、ＡＴ−Ｃｕｔ水晶振動子を用いたセンサヘッドを備える成膜制御装置に比べて精度よく制御が可能である。
【００５１】
図８は、ＡＴ−Ｃｕｔ水晶振動子を用いたセンサヘッドを備える成膜装置と、ＳＣ−Ｃｕｔ水晶振動子を用いたセンサヘッドを備える成膜装置とで、水晶振動子の発振周波数の時間変化を比較したグラフである。
【００５２】
図９は、ＡＴ−Ｃｕｔ水晶振動子を用いたセンサヘッドを備える成膜装置と、ＳＣ−Ｃｕｔ水晶振動子を用いたセンサヘッドを備える成膜装置とで、蒸着レートの時間変化を比較したグラフである。
【００５３】
図１０は、ＡＴ−Ｃｕｔ水晶振動子を用いたセンサヘッドを備える成膜装置と、ＳＣ−Ｃｕｔ水晶振動子を用いたセンサヘッドを備える成膜装置とで、電源出力の時間変化を比較したグラフである。
【００５４】
図８〜１０は閉状態のシャッターを２５０ｓ経過した時点で開状態にして低レート成膜を行った例である。ＡＴ−Ｃｕｔ水晶振動子を使ったセンサヘッドの場合、電源の出力が徐々に増加することにより、シャッターが閉状態の場合であっても水晶振動子およびセンサヘッドが輻射熱により温度ドリフトし、さらにシャッターが開状態となると熱衝撃により水晶振動子の発振周波数が高い方にシフトしている。一方、ＳＣ−Ｃｕｔ水晶振動子を使ったセンサヘッドの場合、同じ条件であっても温度ドリフト、熱衝撃の影響はほとんどないことがわかる。
【００５５】
このように、ＳＣ−Ｃｕｔ水晶振動子を用いたセンサヘッドを備える成膜装置は、周波数変化、蒸着レート変化、電源出力変化において、ＡＴ−Ｃｕｔ水晶振動子を用いたセンサヘッドを備える成膜装置より高温環境下での温度による影響などを受けることなく成膜工程の制御が可能である。
【００５６】
なお、本実施形態における成膜制御装置などは、真空蒸着装置を例に説明したが、スパッタリング装置や、ＣＶＤ装置に適用してもよい。
【００５７】
図１１は、本実施形態における成膜制御装置を適用したスパッタ装置の概略的な構成図である。
【００５８】
スパッタ装置２１は、真空槽３１内に基板３２と、成膜材料の組成に応じて形成されたターゲット電極３３とを対向配置する。真空槽３１内においては、高周波電源３４により所定電力を投入させてグロー放電させることにより、プラズマ雰囲気３５が形成される。スパッタ装置２１は、プラズマ雰囲気３５中で電離した希ガスのイオンをターゲットに向けて加速させて衝突させ、これにより生じたスパッタ粒子（ターゲット原子）を飛散させて基板表面に付着、堆積させる。これにより、スパッタ装置２１は薄膜を形成する。
【００５９】
このようなスパッタ装置２１は、図１に示す真空蒸着装置と同様、センサヘッド３６、発振器３７、および膜厚計３８を備えた成膜制御装置２２を備える。また、高周波電源３４とターゲット電極３３との間のインピーダンスの整合を図るためのインピーダンス整合器３９を備える。
【００６０】
このようなスパッタ装置２１や、ＣＶＤ装置は、プラズマに曝されるため高温であり、水冷が必要となる。しかし、本実施形態におけるＳＣ−Ｃｕｔ水晶振動子を備えたセンサヘッドは、ＡＴ−Ｃｕｔ水晶振動子に比べて温度ドリフトが少ない。このため、本実施形態におけるセンサヘッドは、スパッタ装置２１やＣＶＤ装置にも好適に用いることができる。
【００６１】
なお、ＳＣ−Ｃｕｔ水晶振動子は、成膜工程において用いられた後に、形成された薄膜および電極が剥がされ、再度電極が成膜されることにより再利用することができる。
【符号の説明】
【００６２】
１  真空蒸着装置
２  成膜制御装置
１０  真空槽
１１  蒸発源
１２  成膜対象物
１３  シャッター機構
１４  センサヘッド
１５  発振器
１６  膜厚計
１７  蒸発源用電源
２１  スパッタ装置
２２  成膜制御装置
３１  真空槽
３２  基板
３３  ターゲット電極
３４  高周波電源
３５  プラズマ雰囲気
３６  センサヘッド
３７  発振器
３８  膜厚計
３９  インピーダンス整合器
【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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