水晶発振式成膜コントローラ・有機材料向け 4 MHz 水晶板の開発
伊藤敦＊1Development of a quartz crystal resonator with a resonance frequency of 4 MHzAtsushi ITO＊1＊1Components Divison, ULVAC, Inc., 2500 Hagisono, Chigasaki, Kanagawa, 253-8543, Japan

A quartz crystal microbalance (QCM) is typically used to monitor the vapor deposition of organic materials, and QCM
sensors feature a quartz crystal resonator with a resonance frequency of 5 or 6 MHz. When a metal or oxide film forms on
a sensor, the rate at which the material adheres varies little. When an organic film forms on a sensor, however, the rate at
which the material adheres varies considerably. This causes a problem since it greatly reduces the life of the quartz crystal
resonator. The current work used several quartz crystal resonators with different fundamental frequencies to measureelectrical and temperature characteristics during formation of an organic film. Results indicated that a quartz cr ystal
resonator with a resonance frequency of 4 MHz or lower was better suited to sensing vapor deposition of an organic material
than a resonator with a resonance frequency of 5 or 6 MHz.

1．はじめにする必要がある．
本報告では，その原因を調べるためセンサーである水水晶板をセンサーとした QCM（Quartz Crystal Micro-

晶板の基本周波数を変えて，有機材料を成膜し，その電balance）法は，比較的容易に極僅かな質量変化を検出気特性である共振周波数の等価直列抵抗 R1 と半値半幅できる方法である．気相だけではなく液相における測定の増加量 ΔFw（Figure 1），さらに温度特性とサーマルシも可能なため，ガスセンサー，膜厚センサー ，粘度セョックによる周波数変化を測定した．

1）

ンサー 2−4），化学センサーや DNA・タンパク質などの2．測定条件

生体物質の相互作用を測定するバイオセンサー 5，6）等と幅広く利用されている．
従来，QCM を原理とした蒸着モニタには 5 MHz ま

有機膜には代表的な Alq3 を用い，成膜装置には「有たは 6 MHz の水晶板が広く一般的に使われてきた．有機 EL 成膜装置 SATELLA」（ULVAC）を用いた．

機 EL を作る工程において有機材料のレートのモニタに

水 晶 板 は 4 MHz，5 MHz は AT-CUT 外 形 寸 法 φ12.4

も QCM を原理とした蒸着モニタが使われている．とこ（ULVAC） を 6 MHz は AT-CUT 外 形 寸 法 φ14（ULVAC）

ろが，有機材料の場合，金属材料や酸化材料と異なり，を用いた．

センサーである水晶板に僅かに膜がついただけで測定し膜 厚 モ ニ タ に は「 水 晶 発 振 式 成 膜 コ ン ト ロ ー ラているレートの変動が大きくなり，水晶板を頻繁に交換

Figure 1＊1

CRTM-9200」（ULVAC）を用いた．

Crystal unit equivalent circuit and half width at half maximum ΔFw.

㈱アルバック 規格品事業部（〒 253-8543市萩園 2500）

神奈川県茅ケ崎23

サーマルショックの測定は，30 W ハロゲンランプを用い，温度特性の測定はペルチェ式の温調器を用いた．
電 気 特 性 の 測 定 に は「NETWORK ANALYZERR3754A」（ADVANTEST）を用いた．

3．結果
基 本 波 周 波 数 4，5，6 MHz の 水 晶 板 に 有 機 膜 が60 μm 付 い た と き の 共 振 周 波 数 の R1，ΔFw を NETWORK ANALYZER で測定したものが Figure 2，Figure3 である．

Figure 4

Temperature characteristics when an organic filmof about 60 μm is formed.

Figure 5

Change in frequency due to thermal shock when anorganic film of about 60 μm is form.

水晶板に膜が付いた時の R1 は小さい方が安定したレート測定ができる．また ΔFw も小さい方が安定したレート測定ができる．このため，基本周波数が 6，5 MHzの水晶板より基本周波数が 4 MHz 以下の水晶板の方が有機膜のモニタには有利であることが分かる．
Figure 4，Figure 5 はそれぞれ有機膜が 60 μm ついた
ときの各基本周波数 ΔFs の温度特性，サーマルショックによる周波数変化 ΔFss の図である．基本周波数が6，5 MHz の水晶板より基本周波数が 4 MHz の水晶板の方が温度変化に対して周波数変化が小さく，サーマルショックによる周波数変化も小さい結果が得られており，温度変化に対して変動が少ない特性が得られることが分かった．
Figure 2

QCM の膜厚計には長年 5 MHz，6 MHz の水晶板が広Relationship between the fundamental frequency
and motional resistance R1 when an organic filmof about 60 μ m is formed on a quar tz cr ystal
resonator.

く使われてきたが，有機膜の測定には周波数の低い4 MHz の水晶板の方がレートの安定性，寿命，温度特性の点で優れていることが分かった．
基 本 周 波 数 4 MHz の 水 晶 板 は， 当 社 よ り「UCR7）4MAG-01」
として発売しており，「水晶発振式成膜コントローラ CRTM-9200」（ULVAC）にて使用することができる．
また，この基本周波数 4 MHz の水晶板の発売に合わせて温度特性を向上させた基本周波数 5 MHz の水晶板も開発し「UCR シリーズ」として発売している．これ
らの仕様を Table 1 に示す．
文
Figure 3

献1）C. Lu and O. J. Lewis 1972 Investigation film-Relationship between the fundamental frequency
and ΔFw when an organic film of about 60 μm is
formed on a quartz crystal resonator.

thickness detaermination by oscillating quar tz
resonators with large mass load 1972 Appl. Phys. 43,24

Table 1

UCR Series Specification.

Model

UCR-4MAG-01

UCR-5MAU-01

UCR-5MAG-01

Recommended
process

Organic film（OLED）

Metal and Optical film

Frequency

4 MHz

5 MHz

φ12.4

DiameterElectrodeAg

Controller

CRTM-9200

CRTM-6000G
CRTM-9200

SensorSingle sensor（CRTS-4, 6, 0）
Multi sensor（CRTS-12NS）

Single sensor（CRTS-4, 6, 0, 84, 86, 80, 4U, 6U, 84U, 86U）
Multi sensor（CRTS-12NS, M6）

Surface finish

Mirror finish

Standard Type

CaseAuAg

Carousel type case
（10pcs）

outline view

（QCM-A）Meas. Sci. Tecnol. 015402（6pp）4385-4390
2）S. J. Martin, K. O. Wessendorf, C. T. Gebert, and G. C.

5）Y. Ebara and Y. Okahata 1994 A Kinetic-Study ofFrye 1993 Measuring liquid properties with smooth-Concanavalin-A Binding to Glycolipid Monolayers byand textured-surfaceresonators Proc. IEEE Int. Freq.

Using a Quartz-Crystal Microbalance J. Am. Chem.
Soc. 116 25 11209-11212

Control Symp. 47, 603-608
3）D. C. Ash, M. J. Joyce, C. Barnes, C. J. Booth, and A.

6）A. Itoh and M. Ichihashi 2008 A frequency of theC. Jefferies 2003 Viscosity measurement of industrial

Quar tz Cystal Microbalance（ QCM）that is notoils using the droplet quartz cr ystal microbalance

affected by th viscosity of a liquid Meas. Sci. Tecnol.

Meas. Sci. Technol. 14, 1955-1962

19, 075205（9p7）伊藤，深尾，小林：成膜装置，有機膜の膜厚測定方4）A. Itoh and M. Ichihasi 2011 Separate measurement

法および有機膜用膜厚センサ

of the density and viscosity of a liquid using a quartz
cr ystal microbalance based an admittance analysis

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特許第 6078694 号