(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
堆積チャンバ内の薄膜堆積を監視するシステムであって、
接地された前記堆積チャンバ内に配置された水晶振動子と、
１Ｈｚから１０００Ｈｚまでの範囲内の低周波信号と４ＭＨｚから７ＭＨｚまでの範囲内の高周波信号とを用いて変調信号を生成するシンセサイザと、
復調器と、
前記シンセサイザと、ケーブルを介して前記水晶振動子と、前記復調器とに接続され、前記変調信号の方向性結合器として動作するＴネットワークと、
位相検出器と、を含み、
前記水晶振動子は前記シンセサイザによって生成された前記変調信号のコンポーネントを吸収し、それにより前記復調器に振幅変調信号が入力され、前記復調器は前記振幅変調信号の包絡線を生成し、
前記位相検出器は前記薄膜堆積の厚さを決定するために前記振幅変調信号の包絡線の位相を決定し、
前記振幅変調信号の前記包絡線の位相は、前記水晶振動子が共振状態にあるときに前記シンセサイザによって生成された前記振幅変調信号の前記低周波信号と同位相状態であることを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記シンセサイザによって生成された前記変調信号は周波数変調信号であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記シンセサイザによって生成された前記変調信号は位相変調信号であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記シンセサイザによって生成された前記変調信号の変調指数は、共振時に前記シンセサイザによって生成された前記変調信号の周波数が前記水晶振動子の共振周波数と一致するように選択されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記シンセサイザによって生成された前記変調信号の周波数は、前記水晶振動子のコンダクタンスがピークに達するように選択されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記ケーブルの長さは前記薄膜堆積の検出を減少させないことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記水晶振動子の共振周波数は、薄膜が前記水晶振動子の表面に堆積するにつれて変化し、
前記共振周波数における変化は、前記薄膜堆積の速度を検出するために監視されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
堆積チャンバ内の薄膜堆積を監視する方法であって、
シンセサイザによって１Ｈｚから１０００Ｈｚまでの範囲内で選択された低周波信号と４ＭＨｚから７ＭＨｚまでの範囲内で選択された高周波信号とを用いて変調信号を生成するステップと、
前記堆積チャンバ内に配置された水晶振動子を接地するステップと、
前記シンセサイザによって生成された前記変調信号のコンポーネントから電流を引き出す前記水晶振動子によって振幅変調信号を生成するステップと、
前記振幅変調信号を復調して前記振幅変調信号の包絡線を生成するステップと、
前記薄膜堆積の厚さを決定するために前記包絡線の位相を測定するステップと、を含み、
前記変調信号の前記低周波信号の位相に等しい前記包絡線の位相は、前記水晶振動子が当該選択された高周波信号で前記薄膜堆積の厚さを与える共振状態であることを示すことを特徴とする方法。
【請求項９】
前記シンセサイザによって生成された前記変調信号は周波数変調信号であることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記シンセサイザによって生成された前記変調信号は位相変調信号であることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記シンセサイザによって生成された前記変調信号の前記高周波信号は前記薄膜堆積の厚さを与える前記水晶振動子の共振周波数と一致するように選択されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
ケーブルは、Ｔネットワークにおいて、前記堆積チャンバ内に配置された前記水晶振動子と、前記シンセサイザと、前記振幅変調信号を復調する復調器とに接続し、
前記シンセサイザによって生成された前記変調信号の前記高周波信号は、前記ケーブルの長さが前記薄膜堆積の厚さ検出に影響を与えないように選択されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記シンセサイザによって生成された前記変調信号は、水晶のコンダクタンスがピークに達するように選択されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
前記薄膜堆積の厚さを監視するために前記変調信号の前記高周波信号を変化させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は、２０１３年１０月３日に出願された「水晶共振の測定」と称する米国仮特許出願第６１／８８６３３３号の優先権を主張し、その米国特許出願全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
水晶周波数の共振の監視は、堆積速度を制御するために広く用いられている。しかしながら、水晶振動子堆積コントローラの長い同軸ケーブルでケーブル共振効果が発生する。
【０００３】
水晶インターフェースユニット（ＸＩＵ）は、位相ロックループに基づく水晶共振モニタである。ＸＩＵは、薄膜堆積チャンバ内に搭載された水晶振動子センサから短いケーブルの長さだけ離れた測定回路の位相感度検出部を含むいくつかの部分を備えている。ＸＩＵは、長さを３０ｍまで変化させることが可能な多導体コントロールケーブルを介して測定回路の残りの部分（速度制御及び処理制御を行う装置の内部に設けられた測定カードと称される）に接続されている。ＸＩＵの設計は、センサの静電容量による位相シフト及び水晶振動子センサにＸＩＵを接続するケーブルの反応性コンダクタンスを補償するための静電容量ブリッジを含んでいる。
【０００４】
現在の構成は、異なる材料でコーティングされているモニタ水晶の活性（動き）を測定する機能を含む多くの利点を提供する。しかしながら、このような利点は短いケーブル長（６ＭＨｚ以下の開始基本周波数を持つほとんどの水晶において4.5メートルまで）にのみ有用であり、高い基本周波数の水晶のために許される長さはさらに減少する。加えて、既存のＸＩＵのためのセンサケーブルの最大長はまた、ケーブルタイプ、水晶のサイズ及び形状、センサヘッドのデザイン等のようなパラメータに依存する。
【０００５】
ＸＩＵセンサケーブルの長さが増加するにつれて、既存の設計の期待されるメリットの多くが失われ、主として同軸ケーブルの反射により、最終的には検出の失敗に帰結する。インピーダンスマッチングにより反射を抑えることは、固定インピーダンスのための一般的な方法である。水晶振動子のインピーダンスは、しかしながら、材料が堆積する間、広い範囲にわたって変化する。この場合（広い周波数帯域及び広いインピーダンス帯域）における適切な終端は、使用される同軸ケーブルの特定のインピーダンスのいずれの側にも落ちるクリスタルインピーダンスのための適切なマッチングノードを選択するために、複数のマッチングノード及びスイッチ回路を必要とする。上記の問題に加えて、長いケーブルの長さはまた、水晶共振の周波数引き上げを増加させ、水晶コーティングの間の現在のＸＩＵのためのケーブル補償トラックを無効にする。
【０００６】
前のスキームは、ＸＩＵセンサケーブルの電気的な長さ（誘電率及び物理的な長さの両方の関数）が励起信号の１／４波長を超えるとき、共振を見つける能力の低下を経験する。さらに、２以上のＸＩＵの組み合わせは、ＲＧＢ５８型同軸ケーブル用の４ｍ以下までの連続した長さのスパンをカバーすることが要求される。
【０００７】
薄膜堆積の厚さ速度を監視するための、超電導空洞により安定化されたマイクロ波発振回路が説明された。例えばS.R .Stein及びJ.P. Turneaureにより提案された超電導空洞により安定化されたマイクロ波発振回路（ＩＥＥＥ議事録、vol.63, issue 8-1975）を参照。ＦＭ信号は空洞を利用するＡＭ信号に変換されている。
【０００８】
以前のいくつかのデバイスにおいて、ＸＩＵは水晶からコントローラまでのケーブル長を減少させる。測定回路部品はＸＩＵの中にある。最大のケーブル長は、例えば水晶からＸＩＵまで４．５ｍである。それ以上になると、反射及び位相反転が発生する可能性がある。しかしながら、Ｇｅｎ４のためのシングルフラットパネル堆積チャンバ及びより大きなガラスは大きすぎ、４．５ｍでは十分ではない。長いケーブル長は、反射及び１／４λの定在波を見せる。１／２λは、０ｍと同じインピーダンスを有する。インピーダンスは、期間１／２λで周期的であり、１／４λ毎に反転する。
【発明の概要】
【０００９】
薄膜堆積を監視するシステム及び方法は、本明細書に記載される。実施の形態では、薄膜堆積を監視するためのシステムは、水晶振動子と変調信号を生成するシンセサイザとを含む。変調信号は水晶振動子を介して接地される。システムはまた、薄膜堆積を監視するために水晶振動子から変調信号の位相を決定する位相検出器を含む。変調指数は、共振時に信号の高周波が水晶周波数とマッチするように選択されうる。
【００１０】
他の実施の形態では、薄膜堆積を監視するための方法は、プロセッサを介して変調信号を選択することを含む。方法はまた、水晶を励起するために水晶振動子を通して変調信号を接地することを含む。方法はさらに、水晶から変調信号を受信して復調することを含む。方法はさらに、薄膜堆積の厚さを決定するために復調信号の位相を測定することを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
本発明の上記および他の目的、特徴、および利点は、図に共通する同一の特徴を指定することができる同一の参照番号が使用されている、以下の説明および図面と併用することで、より明らかになるであろう。
【００１２】
【図１】図１は、システムの構成要素を示す概要図である。
【図２】図２は、長い同軸ケーブルにより生じる問題を示す図である。
【図３】図３は、測定カードの概要図である。
【図４】図４は、ロックインアンプからの信号の大きさ及び位相測定を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、典型的な変換された位相変調信号を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、典型的な変換された位相変調信号を示す図である。
【図６】図６は、現在の測定システムを用いて得られたキャン水晶のアドミタンス曲線を示す図である。
【図７Ａ】図７Ａは、実験データを示す図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、実験データを示す図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、実験データを示す図である。
【図７Ｄ】図７Ｄは、実験データを示す図である。
【図８】図８は、薄膜堆積を監視する方法の例を示すフローチャートである。
【００１３】
添付図面は、説明を目的としたものであり、必ずしも一定の縮尺ではない。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下の説明において、いくつかの態様は、通常、ソフトウェアプログラムとして実行される用語で説明する。当業者は、そのようなソフトウェアの等価物がハードウェア、ファームウェア、またはマイクロコードで構築することができる、ことを認識するであろう。データ操作アルゴリズムおよびシステムはよく知られている故に、本明細書において、特に、本明細書に説明されるシステムおよび方法の一部を形成するアルゴリズムおよびシステム、または、本明細書に説明されるシステムおよび方法より直接的に協働するアルゴリズムおよびシステムに向けられる。関連する信号の製造や他の処理のための他のアルゴリズムおよびシステムの態様およびハードウェアまたはソフトウェア（特に図示または本明細書に記載されていないが）は、当該分野で公知のシステム、アルゴリズム、成分および要素から選択される。本明細書に記載されるシステムおよび方法を考える場合、本明細書に具体的に明示、提案、または記載されていないが任意の態様の実施に有用であるソフトウェアは、従来のものであり、技術分野の通常の技術の範囲内である。
【００１５】
水晶振動子堆積コントローラにλ／２ケーブルを用いることは、水晶周波数（従ってλ）が使用に応じて変化するため、実用的ではない。この水晶周波数の変化は操作のウィンドウを減少させる。λが変化するにつれて位相が劣化するため、所定のケーブル長の特定の周波数のシフトのみが許容される。このような位相の劣化は周波数の安定性及び測定システムの分解能を低下させる。
【００１６】
インピーダンス及び周波数は堆積によって変化するため、固定インピーダンスマッチングも効果的ではない。水晶における広い帯域及び広い負荷のインピーダンスマッチングは、真空に耐えうる部品で達成することが困難である。また、真空中の任意の追加要素は、故障による追加のライン停止時間を引き起こす可能性がある。従って、水晶の励起の位相に反応しない方法で水晶共振周波数を測定することが望ましい（高周波数、例えば６ＭＨｚ）。
【００１７】
様々な態様は、受動堆積モニタ回路と真空チャンバ内に収容されている遠隔水晶振動子センサとの間を結ぶ同軸ケーブルの反射制限された長さを克服することに向けられている。様々な態様は、受動水晶インテロゲーション（interogation）回路と大きな堆積システム（そして、任意のシステムを含む）に搭載された水晶振動子とを結ぶ長いケーブルにおいて定在波によって引き起こされる問題の影響を実質的に受けない堆積モニタ回路を提供する。様々な態様は、ケーブル容量の負荷（特に長いケーブルの場合）によって主に引き起こされるインピーダンススペクトルの周波数引き上げを減少させる。様々な態様は、それが基本的か、スプリアス又は倍音かにかかわらず、ケーブル長、ケーブルの種類やセンサヘッドタイプとは関係なく、アクティブモードで有効である。様々な態様は、ケーブル補償のためのバラクタが制限されたブリッジ回路を必要としない。様々な態様は、６ＭＨｚ以上の基本周波数を持つ水晶をカバーする増加した周波数帯域を有し、駆動波形を合成する装置の能力のみによって制限される。様々な態様は、水晶のフィルタ品質（Ｑ）を測定することができる。これは、測定スピードがＱに関係するため有用である。様々な水晶は１００ｍｓの測定速度を可能にする。様々な態様では、ＸＩＵのようなインターフェース回路を用いずに水晶を測定することが可能である。様々な態様は、大きなシステムにおいて薄膜堆積を監視するための高安定水晶振動子受動共振回路を含む。回路には、例えばＩＮＦＩＣＯＮのような既存のレートモニタ及びコントローラを用いても良い。
【００１８】
図１は、システムの要素を示す概要図である。システム１００は、データの分析を行い本明細書に記載の他の分析を実行する例示的なデータ処理システム、及び関連するコンポーネントである。システムは、プロセッサ４２８６、周辺システム４２２０、ユーザインターフェースシステム４２３０、及びデータストレージシステム４２４０を含む。周辺システム４２２０、ユーザインターフェースシステム４２３０及びデータストレージシステム４２４０は、プロセッサ４２８６と通信可能に接続されている。プロセッサ４２８６は、以下に説明するように、例えばインターネットやＸ．４２５ネットワークで、ネットワーク４２５０と通信可能に接続される。プロセッサ４２８６は、１以上のシステム４２２０、４２３０、４２４０を含んでも良く、１以上のネットワーク４２５０に接続されていても良い。プロセッサ４２８６及び本明細書に記載されているプロセッサはいずれも、１又はそれ以上のマクロプロセッサ、マイクロコントローラ、フィールド・プログラマブル・ゲートアレイ（ＦＰＧＡｓ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣｓ）、プログラマブル・ロジックデバイス（ＰＬＤｓ）、プログラマブル・ロジックアレイ（ＰＬＡｓ）、プログラマブル・アレイ・ロジックデバイス（ＰＡＬｓ）、又はデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰｓ）を含んでも良い。
【００１９】
プロセッサ４２８６は、本明細書に記載の様々な態様のプロセスを実装することができる。プロセッサ４２８６は、データを自動的に操作するための１つ以上のデバイスを含むことができ、例えば、中央処理装置（ＣＰＵ）、マイクロコントローラ（ＭＣＵ）、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、メインフレームコンピュータ、パーソナルデジタルアシスタント、デジタルカメラ、携帯電話、スマートフォン、または、電気的、磁気的、光学的、生物学的部品を使用して実装するか若しくはそうでなない、処理データ、管理データ、または操作データのための他の任意のデバイスを含むことができる。プロセッサ４２８６は、ハーバードアーキテクチャコンポーネント、修正ハーバードアーキテクチャコンポーネント、またはフォンノイマンアーキテクチャの構成要素を含むことができる。
【００２０】
「通信可能に接続された」という語句には、デバイスまたはプロセッサとの間でデータを通信するための接続、有線または無線のいずれかのタイプが含まれている。これらのデバイスまたはプロセッサは、物理的に近接して、または近接しないで配置され得る。例えば、周辺システム４２２０、ユーザインターフェースシステム４２３０、およびデータストレージシステム４２４０のようなサブシステムは、データ処理システム４２８６とは別に示されているが、データ処理システム４２８６内に全体的にまたは部分的に保存することができる。
【００２１】
周辺機器システム４２２０は、プロセッサ４２８６にデジタルコンテンツ記録を提供するように構成された１つ以上のデバイスを含むことができる。例えば、周辺システム４２２０は、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、携帯電話、または他のデータプロセッサを含むことができる。プロセッサ４２８６は、周辺システム４２２０内の装置からデジタルコンテンツ記録を受信すると、データストレージシステム４２４０に、デジタルコンテンツの記録を保存することができる。
【００２２】
ユーザインターフェースシステム４２３０は、マウス、キーボード、別のコンピュータ（例えば、ネットワークまたはヌルモデムケーブルを介して接続される）、または、データがプロセッサ４２８６に入力される為の任意のデバイスまたはデバイスの組み合わせ、を含むことができる。ユーザインターフェースシステム４２３０はまた、表示装置、プロセッサアクセス可能メモリ、または、プロセッサ４２８６によってデータが出力される任意のデバイスまたはデバイスの組み合わせを含むことができる。ユーザインターフェースシステム４２３０およびデータストレージシステム４２４０は、プロセッサアクセス可能メモリを共有可能になされている。
【００２３】
様々な態様において、プロセッサ４２８６は、ネットワーク４２５０にネットワークリンク４２１６（破線で示す）を介して連結されている通信インターフェース４２１５を含むか、または接続されている。例えば、通信インターフェース４２１５は、総合デジタル通信網（ＩＳＤＮ）の端子アダプタ若しくは電話回線を介してデータを通信するためのモデムや、例えば、イーサネット（登録商標）ＬＡＮのローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）若しくは広域ネットワーク（ＷＡＮ）を介してデータを通信するためのネットワークインターフェースや、例えば、ＷｉＦｉ若しくはＧＳＭ（登録商標）の無線リンクを介してデータを通信する無線を、を含めることができる。通信インターフェース４２１５は、様々なタイプの情報を表すデジタル若しくはアナログデータストリームをネットワークリンク４２１６を介してネットワーク４２５０に搬送する電気、電磁または光の信号を送受信する。ネットワークリンク４２１６は、スイッチ、ゲートウェイ、ハブ、ルータまたはその他のネットワークデバイスを介してネットワーク４２５０に接続可能である。
【００２４】
プロセッサ４２８６は、ネットワーク４２５０、ネットワークリンク４２１６および通信インターフェース４２１５を介して、メッセージを送信し、プログラムコードを含むデータを受信することができる。例えば、サーバは、接続されている有形の不揮発性コンピュータ可読記憶媒体上に、アプリケーションプログラム（例えば、ＪＡＶＡ（登録商標）アプレット）のために要求されたコードを保存することができる。サーバは、媒体からコードを取得し、それを、ネットワーク４２５０を介して通信インターフェース４２１５に送信することができる。コードが受信されると、受信したコードはプロセッサ４２８６によって実行され、または、後の実行のためのデータストレージシステム４２４０内に格納することができる。
【００２５】
データストレージシステム４２４０は、情報を格納するように構成された１以上のプロセッサアクセス可能メモリを含む、または通信可能に接続され得る。メモリは、例えば、シャーシ内または分散システムの一部として、設けることができる。語句「プロセッサアクセス可能なメモリ」は、揮発性若しくは不揮発性、リムーバブル若しくは固定、電子的、磁気的、光学的、化学的若しくは機械的な任意のデータ記憶装置を含むことが意図され、データ記憶装置からまたはデータ記憶装置へプロセッサ４２８６がデータ（周辺システム４２２０の適切な部品を使用して）を転送することができる。典型的なプロセッサアクセス可能なメモリには、レジスタ、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスク、テープ、バーコード、コンパクトディスク、ＤＶＤ、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、消去可能プログラマブルリードオンリーメモリ（ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、またはフラッシュ）、およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などが含まれるが、これらに限定されない。データストレージシステム４２４０内のプロセッサアクセス可能メモリの１つは、有形の非一時的なコンピュータ可読記憶媒体、すなわち、実行のためにプロセッサ４２８６へ提供可能の保存命令に関与する非一時的装置または製品であってもよい。
【００２６】
実施例において、データストレージシステム４２４０には、コードメモリ４２４１、例えば、ＲＡＭ、およびディスク４２４３や、ハードドライブなどの有形のコンピュータ読み取り可能な回転ストレージデバイスが含まれている。コンピュータプログラム命令は、ディスク４２４３からのコードメモリ４２４１に読み込まれる。その後、プロセッサ４２８６は、コードメモリ４２４１にロードされたコンピュータプログラム命令の１つ以上のシーケンスを実行し、結果として、本明細書に記載の処理ステップを実行する。このようにして、プロセッサ４２８６は、コンピュータ実施プロセスを実行する。例えば、本明細書に記載される方法、すなわちフローチャート図またはブロック図のブロック、およびそれらの組み合わせの方法は、コンピュータプログラム命令によって実施することができる。コードメモリ４２４１は、データを格納することができ、またはコードのみを保存することができる。
【００２７】
システム１００はまた、測定カード３００を含む。測定カードは、薄膜堆積を監視するための回路を含む。回路は受動共振回路を含む。回路は、水晶を介して接地される変調信号を生成する。信号は、測定カード３００と堆積チャンバとを接続するケーブルの長さが薄膜堆積の監視に影響を与えないように変調される。信号は水晶から受信され復調される。信号は薄膜堆積の厚さを決定するために分析される。
【００２８】
図２は長いケーブルにおける問題を示す。ケーブルの長さがＲＦインパルスの４分の１波長を超えると、水晶のインピーダンススペクトルはその位相を反転させ、作動可能な周波数スパンは、長さとともに減少する。
【００２９】
図３は測定カードの概要図である。測定カード３００及び堆積チャンバ３０２を接続するロングケーブル３０４は黒い太線で示されている。水晶の基本共振の検出は、初歩的な回路と、関数発生器、位相検出器、及び電圧計（またはオシロスコープ）のような一般的な電子ラボ機器とを用いて正常にテストされている。プロセッサ４２８６は、水晶共振を測定して例えば堆積レートを制御するために制御ループを閉じることができる。プロセッサ４２８６はまた、ＤＤＳのようなシンセサイザ３０６によって生成された周波数を制御することができる。頭字語は以下を含む：
ＰＭ  位相変調
ＦＭ  周波数変調
ＡＭ  振幅変調
ＤＤＳ  ダイレクト・デジタル・シンセサイザ
ＰＭ又はＦＭＤＳＳ  位相変調又は周波数変調されたダイレクトデジタル合成信号
【００３０】
シンセサイザ３０６（例えばダイレクト・デジタル・シンセサイザ）は、周波数又は位相変調信号を生成する。その信号は堆積チャンバ３０２内の水晶振動子を介して接地される。水晶３０８は周波数とともに変化するコンダクタンスを有する。水晶の共振周波数では、コンダクタンスはピークに達する。高いコンダクタンス（低いインピーダンス）が用いられるため、ケーブル３０４が測定周波数において水晶のインピーダンスの変化を圧倒しない十分に低いインピーダンスを持っている限り、ケーブル３０４がどれくらい長いかは問題とならない。言い換えると、共振時の最小の反射がＦＭをＡＭに変換する。
【００３１】
ＦＭ又はＰＭ変調は、シンセサイザ３０６（例えば、アナログデバイスアプリケーション・ノートAN-543-高品質、ADSP-2181を用いた全てのデジタルRF周波数変調の生成及びAD9850ダイレクト・デジタル・シンセサイザ）に直接適用しても良く、ＤＤＳや他の周波数シンセサイザや波形生成器に適用しても良い。低周波は約１−１０００Ｈｚの範囲の正弦波である。高周波は約４−７ＭＨｚの正弦波である。
【００３２】
位相検出器３１６は、水晶３０８からの信号を受信する。位相検出器３１６は、ロックイン増幅器などの任意の適切な位相検出器とすることができる。位相検出器３１６は、薄膜の厚さを決定するために水晶３０８から信号の位相を決定する。
【００３３】
Ｔ−ネットワーク３１０は、図示するように各アームに抵抗３１２を含むか、又はＤＣをブロックするために各アームのキャパシタに直列に接続された抵抗を含むことができる。Ｔ−ネットワーク３１０はまた、バタワースファンダイクモデルのように水晶振動子を表す静的並列コンデンサでシャントされたＬＣＲ直列回路を含む。実施例では、グランドはＢＮＣシールド３１４と同じであり、測定カードのグランド及び金属堆積チャンバの本体と結びついている。
【００３４】
本明細書に記載されるこれ及び他の回路は、薄膜の厚さのレートを監視する回路として用いられる。薄膜材料は水晶の表面に堆積し、その共振周波数が変化する。周波数の変化は測定することができ、水晶上の質量を決定するのに用いることができる。時間をかけて繰り返し測定することは、堆積速度を決定することを可能にする。
【００３５】
図４は、高周波数が掃引されたロックインアンプからの大きさ（インピーダンスに関連付けられている）及び位相の測定結果を示している。広い範囲の掃引は、ケーブル共振に起因する任意のピークを示さなかった。０．１ｍから３０ｍまでのケーブル長にわたって、従来の装置と比べて大きく低減された、１３Ｈｚのみの周波数の引き上げが認められた。かさばるコントローラケーブルの不在と回路の単純な性質は、コストの削減につながる。
【００３６】
図５Ａ−５Ｂは変換された例示的な位相変調信号を示す。例示的な位相変調信号は、モニタ水晶によって振幅変調信号に変換される。ダイオード及びフィルタは、搬送波の周波数と類似した信号を生成するためのＡＭの復調（従来から行われている）を形成する。信号の位相は、ＤＤＳ信号の変調周波数が水晶共振周波数と一致し搬送波の周波数がＦＭ／ＰＭ変調の帯域幅にあるときには、搬送波の位相に同期している。この例では、低周波数は１０Ｈｚであり高周波数は５．９７Ｍｈｚ以下である（頂上で５．９７２９６０ＭＨｚ、共振で１０Ｈｚ減って、共振時には頂上で５．９７２９５０ＭＨｚ）。
【００３７】
水晶は、共振により吸収されたものを除く全ての周波数のためのシャントである。正弦波信号を用いると、ＰＭの正弦波はベッセル関数の和である。１つのコンポーネントが水晶周波数に対応する。水晶がそのコンポーネントを吸収した場合、１つのベッセル関数が合計から失われる。結果として得られる信号はこのように振幅変調される（水晶が共振周波数において１つのコンポーネントを吸収した）。ケーブルがどれだけ長くても水晶の吸収は位相依存せず、水晶はそのコンポーネントを吸収する。速度係数０．６６のケーブルを用いることができ、６ＭＨｚの例のために約３２ｍのλを与える。
【００３８】
Ｔネットワークは方向性結合器として機能する。水晶が共振周波数で電流を引き出すため、復調器に入る信号は振幅変調されている。復調は信号の包絡線を与える。水晶が共振しているとき、包絡線の位相は低周波数信号（ＬＦ、例えば以下に説明するテクストロニクスから）と同位相である。従って、高周波数（ＨＦ、例えば以下に説明するＳＲＳから）が掃引され、包絡線の位相が監視される。以下に議論するように、包絡線位相のゼロクロスは共振周波数を示す（従来のデバイスで使用されるより長いケーブルでは位相のゼロクロスが表示されない場合がある）。たとえ反射がＨＦ位相情報を曖昧にしたとしても、復調された包絡線はまだきれいなゼロクロスを有している。
【００３９】
従来の機構とは異なり、様々な側面において、変調指数は、共振時に高周波数が水晶周波数と一致するように選択される。反例では、変調電圧が高い場合、共振条件は水晶の固有の周波数から離れて発生する場合がある。例えば、過変調では、水晶が共振している場合、ＡＭ信号は１００％変調されず、わずかに過変調されている。しかしながら、適切に調整された変調条件のため、検出された共振周波数は水晶の固有の周波数に近い（堆積と独立したバリエーションで）。他の条件では、検出は例えば４００Ｈｚ離れている。周波数が共振から離れるに従って、信号が低減され、堆積を検出する能力が低くなる。それに応じて、望ましい結果を提供するための変調条件が（例えば実験的に）選択される。
【００４０】
図６は、水晶の共振を表す提案された回路により得られるキャン水晶のアドミタンス曲線（５．９９６９１３ＭＨｚで基本共振）を示す。用いられたケーブルの長さは３６．７５ｍであった。位相変調及びＳＲ８５０ＤＳＰロックインアンプを用いて得られた第２のグラフは、長さが０．１ｍから３０ｍに変化したときの共振周波数を引き上げるケーブルを表している。
【００４１】
実験が行われた。図７Ａ−７Ｄはこの実験の結果を示すものである。位相ｖｓ周波数及び振幅ｖｓ周波数のカーブは、プロトタイプ（回路部品がブレッドボード上に配置されている）を用いて、低周波源（例えば１０−１００Ｈｚ）としてのテクストロニクス関数発生器、高周波源（例えば５−７ＭＨｚ）としてのＳＲＳ関数発生器、及び出力を監視するためのダイナトラック又はＳＲＳロックインアンプを接続することにより得られる。
【００４２】
高周波信号の位相変調は、テクストロニクス発生器をＳＲＳの外部変調入力に接続することにより得られた。ＲＦ振幅、変調振幅、ＲＦ形状、Ｍｏｄ形状及びＭｏｄ周波数は一定に保たれた。ＬａｂＶＩＥＷプログラム及びナショナルインスツルメンツのＧＲＩＢ−ＵＳＢケーブルを用いて、ＳＲＳ出力の周波数が変化（高周波掃引）してロックイン出力（振幅及び位相）が照会され、ファイルに書き込まれた。周波数は共振以下から共振以上へと変化した。
【００４３】
低周波数は水晶品質Ｑに応じて選択される。Ｑは、使用される圧電材料の種類、培養された水晶の品質、空白の処理やその他の多くのものに依存する。Ｑは、水晶共振のアドミタンスピークの最大振幅の半値幅（ＦＷＨＭ）に反比例する。変調帯域幅（測定速度及び低周波数に関係する）は、水晶のＦＷＨＭ以下である必要がある。言い換えると、高いＱの水晶は測定速度を低下させる。
【００４４】
低い周波数は帯域幅（ＢＷ）に基づいて選択されうる。ＰＭのＢＷは、水晶共振のアドミタンスピークの最大振幅の半値幅（ＦＷＨＭ）以下であるべきである。水晶タイプごとに特徴づける。Ｑは、ＦＷＨＭを決定するためにコーティングの異なる状態でネットワークアナライザを用いて測定された。ＢＷ＝２＊（低周波数）＊（１＋変調指数）。例えば、変調指数１、１０Ｈｚの低周波数で、ＢＷ＝４０Ｈｚ。より高いＱの水晶は、より低い低周波数を必要とする（テクストロニクス）。従って低周波信号の位相を決定するのに時間がかかるため測定が遅くなる。
【００４５】
ＨＦ掃引の間に測定された大きさは、水晶のＱを引き出すのに用いることができる。検出された信号強度は、水晶の反射係数及び品質を引き出すのに用いることができる。
【００４６】
図８は、薄膜堆積を監視する方法の例を示すフローチャートである。方法の様々なステップは、特に指定する場合や早いステップのデータが後のステップで用いられる場合を除いて、どのような順序でも行うことができる。方法は、図１との関連で上述したシステムのように、システムで実現することができる。
【００４７】
ブロック８０２において、変調信号はプロセッサを介して選択することが可能である。変調信号は、位相変調信号又は周波数変調信号であっても良い。ブロック８０４において、変調信号は水晶を励起するために水晶振動子を通して接地される。ブロック８０６において、信号は水晶から受信される。ブロック８０８において、信号は復調される。ブロック８１０において、薄膜堆積の厚さを決定するために復調信号の位相が測定される。
【実施例１】
【００４８】
薄膜堆積を監視するためのシステムは、本明細書に記載されている。システムは、水晶振動子と、水晶振動子を通して接地される変調信号を生成するシンセサイザを含む。システムはさらに、薄膜の厚さを決定するために水晶振動子からの変調信号の位相を決定する位相検出器を含む。
【００４９】
変調信号は周波数変調信号であっても良い。変調信号は位相変調信号であっても良い。変調指数は、共振時に信号の周波数が水晶の周波数と一致するように選択されても良い。信号の周波数は水晶のコンダクタンスがピークに達するように選択されても良い。システムはさらに、システムを堆積チャンバに結合する、薄膜堆積の検出を減らさない長さのケーブルを含むことができる。水晶の周波数の変化は、薄膜が水晶振動子の表面に堆積するにつれて変化する。水晶の周波数の変化は、薄膜堆積の厚さを検出するために監視される。
【実施例２】
【００５０】
薄膜堆積を監視するための方法は、本明細書に記載されている。方法は、プロセッサを介して変調信号を選択することを含む。方法はまた、水晶を励起するために水晶振動子を通して変調信号を接地することを含む。方法はさらに、水晶から変調信号を受信すること及び水晶からの信号を復調することを含む。方法はさらに、薄膜堆積の厚さを決定するために復調信号の位相を測定することを含む。
【００５１】
変調信号は周波数変調信号であっても良い。変調信号は位相変調信号であっても良い。変調信号は、共振時に変調信号の周波数が水晶振動子の周波数と一致するように選択されても良い。ケーブルは薄膜監視システムと堆積チャンバとを接続することができ、変調信号はケーブルの長さが薄膜の厚さの検出に影響を与えないように選択することができる。変調信号は水晶のコンダクタンスがピークに達するように選択することができる。方法はさらに、薄膜堆積を監視するために復調信号の周波数の変化を決定することを含む。
【００５２】
本明細書に記載の例示的な方法は、本明細書に具体的に同定された構成要素によって実現されるものに限定されない。
【００５３】
上記に鑑み、様々な態様は水晶共振周波数の測定を提供する。技術的効果は、駆動信号で水晶を励起し、その信号に対する水晶の効果を測定することである。
【００５４】
本明細書中に記載した様々な態様は、システムまたは方法として具体化されることができる。従って、様々な態様は、全体としてハードウェアの態様、全体としてソフトウェア（ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコードなどを含む）、またはソフトウェアとハードウェアの態様を組み合わせた態様の形態をとることができる。これらの態様は全て、一般的に本明細書では「サービス」、「回路」、「回路網」、「モジュール」または「システム」などと称されることができる。
【００５５】
さらに、様々な態様は、有形非一時的なコンピュータ可読媒体に格納されたコンピュータ可読プログラムコードを含むコンピュータプログラム製品として具体化することができる。かかる媒体は、従来の物品、例えば、ＣＤ−ＲＯＭのように、製造可能である。プログラムコードはコンピュータプログラム命令を含むことができ、該コンピュータプログラム命令は、プロセッサ４２８６（およびおそらく他のプロセッサ）にロード可能であり、本明細書中の機能、行為、または様々な態様の動作ステップをプロセッサ４２８６（または他のプロセッサ）によって実行され得る。本明細書に記載の様々な態様のための動作を実行するためのコンピュータプログラムコードは、１以上のプログラミング言語（複数可）の任意の組み合わせで書くことができ、実行のためのコードメモリ４２４１にディスク４２４３からロードすることができる。プログラムコードは、全体をプロセッサ４２８６上で、一部をプロセッサ４２８６かつ一部をネットワーク４２５０に接続されたリモートコンピュータ上で、または、全体をネットワーク４２５０に接続されたリモートコンピュータ上で、例えば、実行することができる。
【００５６】
本発明は、本明細書に記載の態様の組み合わせを含む。「特定の態様」などへの言及は、本発明の少なくとも１つの態様に存在する特徴をいう。「態様」（若しくは「実施例」）または「特定の態様」などへの個別の言及は、必ずしも同じ態様または態様を指すものではない。しかしながら、そのような態様は、そのように示されるかのように、当業者に容易に明らかでない限り、相互に排他的ではない。「方法」または「複数の方法」などに言及における単数または複数を使用することは制限されない。そうでない場合は明示的に述べない限り、単語「または」は、非排他的な意味で本明細書にて使用されている。
【００５７】
本発明は、その特定の好ましい態様を特に参照して詳細に説明してきたが、変形、組合せ、および修正が本発明の精神および範囲内で当業者により行うことができることが理解されるであろう。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８】
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