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JP7337339B2 - Film thickness sensor element - Google Patents
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Description

本発明は、膜厚センサ素子に関し、より詳しくは、圧電振動子を用いた膜厚センサ素子に関する。 The present invention relates to a film thickness sensor element, and more particularly to a film thickness sensor element using a piezoelectric vibrator.

半導体デバイスの製造においては、半導体層や絶縁層などを様々な気相成長法により形成している。例えば、200~300℃程度の温度で良質な薄膜がより均質な状態で形成可能であるなどの種々の特徴を備える気相成長法として、原子層堆積(Atomic Layer Deposition:ALD)法がある。原子層堆積法は、形成対象の膜を構成する各元素の原料を基板に交互に供給することにより、原子層単位で薄膜を形成する技術である。原子層堆積法では、各元素の原料を供給している間に1層あるいはn層(nは2以上の整数)だけを表面に吸着させ、余分な原料は成長に寄与させないようにしている。原子層堆積法は、一般的なCVD(chemical vapor deposition)法と同様に高い形状適応性と膜厚制御性を併せ持っている。 In the manufacture of semiconductor devices, semiconductor layers, insulating layers, and the like are formed by various vapor deposition methods. For example, there is an atomic layer deposition (ALD) method as a vapor deposition method having various characteristics such as the ability to form a high-quality thin film in a more uniform state at a temperature of about 200 to 300°C. Atomic layer deposition is a technique for forming a thin film in units of atomic layers by alternately supplying raw materials for each element constituting a film to be formed to a substrate. In the atomic layer deposition method, only one layer or n layers (n is an integer of 2 or more) are adsorbed on the surface while supplying the source material of each element, and the excess source material is prevented from contributing to the growth. The atomic layer deposition method has both high shape adaptability and film thickness controllability like general chemical vapor deposition (CVD) methods.

集積度を向上するために素子を3次元的な構造とする半導体デバイスが開発され、また、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)などの複雑な構造のデバイスも開発されている。これらのデバイスの製造では、複雑な形状に均質に薄膜を形成する必要があり、上述した特徴を有する原子層堆積法が多用されるようになっている。 In order to improve the degree of integration, semiconductor devices with elements having a three-dimensional structure have been developed, and devices with complex structures such as MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) have also been developed. In the manufacture of these devices, it is necessary to uniformly form a thin film in a complicated shape, and the atomic layer deposition method having the above-mentioned features is being used frequently.

一方、気相成長法で薄膜を形成する装置では、nm単位の厚さの薄膜を形成するため、形成されている薄膜の厚さを測定することが重要となる。この種の膜厚測定では、水晶振動子からなる膜厚センサを用いた膜厚モニタが用いられている。この膜厚モニタは、膜厚センサに堆積した薄膜の質量の増加によって、膜厚センサを構成する水晶振動子の固有振動数が減少することを利用して、堆積した薄膜の厚さを測定している(特許文献1参照)。 On the other hand, in an apparatus for forming a thin film by the vapor phase growth method, it is important to measure the thickness of the formed thin film because the thin film is formed with a thickness of nm units. In this type of film thickness measurement, a film thickness monitor using a film thickness sensor composed of a crystal oscillator is used. This film thickness monitor measures the thickness of the deposited thin film by utilizing the fact that the natural frequency of the crystal oscillator that constitutes the film thickness sensor decreases as the mass of the thin film deposited on the film thickness sensor increases. (see Patent Document 1).

特開平04-223211号公報JP-A-04-223211

しかしながら、水晶振動子からなる膜厚センサでは、測定環境の温度が300℃以上の高温となると、水晶の相転移などの影響により圧電性能が劣化し、正確な膜厚の測定ができなくなるという問題がある。また、水晶振動子からなる膜厚センサでは、測定環境の温度が変化すると、共振周波数が変化し、膜厚測定の精度が低下するという問題もある。また、水晶振動子からなる膜厚センサでは、膜厚の変化と固有振動数の変化との間の直線性に問題があった。 However, when the temperature of the measurement environment reaches a temperature of 300°C or higher, the piezoelectric performance deteriorates due to the influence of the phase transition of the crystal, and the film thickness sensor made of the crystal oscillator cannot measure the film thickness accurately. There is In addition, a film thickness sensor made of a crystal oscillator has a problem that when the temperature of the measurement environment changes, the resonance frequency changes and the accuracy of film thickness measurement decreases. In addition, a film thickness sensor composed of a crystal oscillator has a problem in linearity between changes in film thickness and changes in natural frequency.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、300℃以上の高温でもより正確に膜厚が測定できるようにすることを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the problems described above, and to enable more accurate measurement of film thickness even at high temperatures of 300° C. or higher.

本発明に係る膜厚センサ素子は、振動子と、振動子の中央部に振動子を挾んで互いに向かい合って形成された第1電極および第2電極とを備え、振動子に堆積した薄膜の厚さを測定するための膜厚センサ素子であって、振動子は、Ca3Ta1+a(Ga1-dAld3+bSi2+c14(a=1.03,b=-0.05,c=0.08)の単結晶から構成され、単結晶は、X軸を回転軸としてXZ平面からの回転角をθとし、薄膜の厚さを測定する雰囲気の温度をTとしたとき、0.00008T2+0.00855T+20.97064=θとされている。 A film thickness sensor element according to the present invention includes a vibrator, and a first electrode and a second electrode formed facing each other with the vibrator interposed in the center of the vibrator. A film thickness sensor element for measuring thickness, wherein the oscillator is Ca 3 Ta 1+a (Ga 1-d Al d ) 3+b Si 2+c O 14 (a=1.03, b= -0.05, c = 0.08), and the single crystal has the X axis as the rotation axis and the rotation angle from the XZ plane as θ, and the temperature of the atmosphere for measuring the thickness of the thin film is T , 0.00008T 2 +0.00855T + 20.97064 = θ .

上記膜厚センサ素子の一構成例において、第1電極および第2電極は、平面視で、長軸の方向が単結晶のX軸に沿った楕円形とされている。 In one configuration example of the film thickness sensor element, the first electrode and the second electrode are elliptical in plan view, with the long axis direction along the X-axis of the single crystal.

上記膜厚センサ素子の一構成例において、振動子の表面を覆って形成された酸化アルミニウムからなる保護膜をさらに備える。 One structural example of the film thickness sensor element further includes a protective film made of aluminum oxide and formed to cover the surface of the vibrator.

上記膜厚センサ素子の一構成例において、振動子の板厚は、周辺部より中心部の方が厚くなる。 In one configuration example of the film thickness sensor element, the plate thickness of the vibrator is thicker at the central portion than at the peripheral portion.

上記膜厚センサ素子の一構成例において、振動子の板厚は、周辺部から中心部にかけて徐々に厚くなる。 In one configuration example of the film thickness sensor element, the plate thickness of the vibrator gradually increases from the peripheral portion to the central portion.

上記膜厚センサ素子の一構成例において、振動子は、平面視円形の板状とされている。 In one configuration example of the film thickness sensor element, the vibrator has a plate shape that is circular in plan view.

以上説明したことにより、本発明によれば、300℃以上の高温でもより正確に膜厚が測定できる。 As described above, according to the present invention, the film thickness can be measured more accurately even at a high temperature of 300° C. or higher.

図1Aは、本発明の実施の形態に係る膜厚センサ素子の構成を示す平面図である。FIG. 1A is a plan view showing the configuration of a film thickness sensor element according to an embodiment of the present invention; FIG. 図1Bは、本発明の実施の形態に係る膜厚センサ素子の構成を示す平面図である。FIG. 1B is a plan view showing the configuration of the film thickness sensor element according to the embodiment of the invention. 図1Cは、本発明の実施の形態に係る膜厚センサ素子の構成を示す断面図である。FIG. 1C is a cross-sectional view showing the configuration of the film thickness sensor element according to the embodiment of the present invention. 図1Dは、本発明の実施の形態に係る他の膜厚センサ素子の構成を示す平面図である。FIG. 1D is a plan view showing the configuration of another film thickness sensor element according to the embodiment of the present invention. 図2は、本発明の実施の形態に係る膜厚センサ素子の振動子101の構成を示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view showing the configuration of vibrator 101 of the film thickness sensor element according to the embodiment of the present invention. 図3は、振動子101のカット角と頂点温度との関係を示す特性図である。FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relationship between the cut angle of the vibrator 101 and the vertex temperature. 図4は、原子層堆積法による酸化アルミニウム膜の成膜において、成膜室内に配置している膜厚センサ素子の共振周波数の変化を示す特性図である。FIG. 4 is a characteristic diagram showing changes in the resonance frequency of the film thickness sensor element arranged in the film formation chamber in the film formation of the aluminum oxide film by the atomic layer deposition method. 図5は、原子層堆積法による酸化アルミニウム膜の成膜において、成膜室内に配置している、保護膜を形成した膜厚センサ素子の共振周波数の変化を示す特性図である。FIG. 5 is a characteristic diagram showing a change in resonance frequency of a film thickness sensor element having a protective film formed thereon and arranged in a film forming chamber during the formation of an aluminum oxide film by atomic layer deposition. 図6は、頂点温度が285℃となるカット角で作製した水晶から構成した膜厚センサ素子の周波数温度依存性(実線)と、上述した実施の形態の膜厚センサ素子の周波数温度依存性(点線)とを比較した結果を示す特性図である。FIG. 6 shows the frequency-temperature dependence (solid line) of the film thickness sensor element composed of quartz manufactured with a cut angle at which the vertex temperature is 285° C., and the frequency-temperature dependence ( dotted line) is a characteristic diagram showing the result of comparison.

以下、本発明の実施の形態に係る膜厚センサ素子について図1A,図1B,図1C,図1D、図2を参照して説明する。なお、図1Cは、図1Aのaa’線の断面を示している。 A film thickness sensor element according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1A, 1B, 1C, 1D and 2. FIG. Note that FIG. 1C shows a cross section taken along line aa' in FIG. 1A.

この膜厚センサ素子は、振動子101と、振動子101の中央部に振動子101を挾んで互いに向かい合って形成された第1電極102および第2電極103とを備える。この膜厚センサ素子は、振動子101に堆積した薄膜の厚さを測定するために用いられる。 This film thickness sensor element includes a vibrator 101, and a first electrode 102 and a second electrode 103 formed facing each other with the vibrator 101 interposed in the center of the vibrator 101. FIG. This film thickness sensor element is used to measure the thickness of the thin film deposited on the vibrator 101 .

振動子101は、Ca3Ta1+a(Ga1-dAld3+bSi2+c14(-0.5<a≦0または0<a<0.5、-0.5<b≦0または0<b<0.5、-0.5<c≦0または0<c<0.5、0≦d<1、ただしa=b=c=0の場合を除く)の単結晶から構成されている。また、振動子101は、例えば、平面視円形の板状とされている。 The oscillator 101 is composed of Ca 3 Ta 1+a (Ga 1-d Al d ) 3+b Si 2+c O 14 (−0.5<a≦0 or 0<a<0.5, −0.5 <b≦0 or 0<b<0.5, −0.5<c≦0 or 0<c<0.5, 0≦d<1, except when a=b=c=0) It is composed of a single crystal. Further, the vibrator 101 has, for example, a plate shape that is circular in plan view.

また、図2に示すように、振動子101を構成する単結晶は、X軸を回転軸としてXZ平面からの回転角をθとし、薄膜の厚さを測定する雰囲気の温度をTとしたとき、0.00008T2+0.00855T+20.97064=θとされている。なお、XY面がCa3Ta1+a(Ga1-dAld3+bSi2+c14単結晶の(001)面、YZ面がCa3Ta1+a(Ga1-dAld3+bSi2+c14単結晶の(110)面、XZ面がCa3Ta1+a(Ga1-dAld3+bSi2+c14単結晶(0<x≦1)の(100)面である。θは、IEC(International Electrotechnical Commission)の定義による。この定義において、例えば水晶ATカットの角度θは、31°15’となる。 Further, as shown in FIG. 2, the single crystal constituting the vibrator 101 is rotated about the X axis, and when the angle of rotation from the XZ plane is θ and the temperature of the atmosphere in which the thickness of the thin film is measured is T, , 0.00008T 2 +0.00855T+20.97064 . Note that the XY plane is the (001) plane of the Ca 3 Ta 1+a (Ga 1-d Al d ) 3+b Si 2+c O 14 single crystal, and the YZ plane is the Ca 3 Ta 1+a (Ga 1-d Al d ) 3+b Si 2+c O 14 single crystal (110) plane and XZ plane are Ca 3 Ta 1+a (Ga 1-d Al d ) 3+b Si 2+c O 14 single crystal (0 It is the (100) plane of <x≦1). θ is defined by IEC (International Electrotechnical Commission). In this definition, for example, the crystal AT-cut angle θ is 31°15′.

振動子101は、例えばチョクラルスキー法により得られたCa3Ta1+a(Ga1-dAld3+bSi2+c14単結晶のインゴットより、ワイヤーソーで板状に切り出し、所望とする厚さとなるまで両面を研磨することにより得られる。 The vibrator 101 is cut into a plate shape with a wire saw from a Ca 3 Ta 1+a (Ga 1-d Al d ) 3+b Si 2+c O 14 single crystal ingot obtained by the Czochralski method, for example. , obtained by grinding both sides to the desired thickness.

第1電極102には、第1配線104が接続している。また、第1電極102は、第1配線104を介して第1端子105が接続している。また、第2電極103には、第2配線106が接続している。また、第2電極103には、第2配線106を介して第2端子107が接続している。第1電極102および第2電極103以外の、配線および端子の各々は、振動子101を挾んで互いに向かい合うことがないように配置されている。例えば、図1Dに示すように、平面視で、第1端子105、第1配線104に重ならない範囲で、より広い面積の第2配線106aを形成することもできる。 A first wiring 104 is connected to the first electrode 102 . A first terminal 105 is connected to the first electrode 102 via a first wiring 104 . A second wiring 106 is connected to the second electrode 103 . A second terminal 107 is connected to the second electrode 103 via a second wiring 106 . Wires and terminals other than the first electrode 102 and the second electrode 103 are arranged so as not to face each other with the vibrator 101 interposed therebetween. For example, as shown in FIG. 1D, the second wiring 106a having a wider area can be formed in a range that does not overlap the first terminal 105 and the first wiring 104 in plan view.

この膜厚センサ素子は、第1端子105および第2端子107の各々に、信号(励振信号)を印加する回路、および振動子101の共振周波数の変化により、堆積した薄膜の厚さを測定する測定回路などを接続して用いる。 This film thickness sensor element measures the thickness of the deposited thin film by means of a circuit that applies a signal (excitation signal) to each of the first terminal 105 and the second terminal 107 and changes in the resonance frequency of the vibrator 101. Used by connecting a measuring circuit, etc.

第1電極102、第1配線104、第1端子105は、振動子101の一方の面に、所定の金属材料を蒸着して金属膜を形成し、形成した金属膜を公知のフォトリソグラフィ技術でパターン加工することで形成できる。また、第1電極102、第1配線104、第1端子105は、公知のリフトオフ法により形成することもできる。金属膜は、例えば、金層およびクロム層の多層構造から構成することができる。クロム層が、振動子101の側に配置される。また、金属膜は、白金層およびチタン層の多層構造、白金層およびタングステン層の多層構造から構成することもできる。チタン層またはタングステン層が、振動子101の側に配置される。第2電極103、第2配線106、第2端子107も同様である。 The first electrode 102, the first wiring 104, and the first terminal 105 are formed by vapor-depositing a predetermined metal material on one surface of the vibrator 101 to form a metal film. It can be formed by pattern processing. Also, the first electrode 102, the first wiring 104, and the first terminal 105 can be formed by a known lift-off method. The metal film can consist, for example, of a multi-layer structure of gold and chromium layers. A chrome layer is placed on the vibrator 101 side. The metal film can also be composed of a multilayer structure of platinum layers and titanium layers, or a multilayer structure of platinum layers and tungsten layers. A titanium layer or a tungsten layer is placed on the vibrator 101 side. The second electrode 103, the second wiring 106, and the second terminal 107 are also the same.

実施の形態における膜厚センサ素子は、例えば、所定のホルダに格納して用いられる。ホルダには、接続端子が設けられ、この接続端子と第1端子105、第2端子107とが、例えば、ワイヤあるいはバネ端子等機械的接触により電気的に接続される。また、膜厚センサ素子を格納したホルダは、成膜装置の処理室内の所定の箇所に設置される。ホルダには、開口が形成されている。この開口を介し、振動子101のいずれかの面に、成膜装置で形成する薄膜の原料ガスが接触可能とされている。所定の成膜条件とされている処理室内に供給された原料ガスが接触した振動子101の上に、成膜装置で形成する薄膜が形成される。 The film thickness sensor element according to the embodiment is used by being housed in a predetermined holder, for example. The holder is provided with connection terminals, and the connection terminals and the first terminal 105 and the second terminal 107 are electrically connected by mechanical contact such as a wire or a spring terminal. Also, the holder storing the film thickness sensor element is installed at a predetermined location in the processing chamber of the film forming apparatus. An opening is formed in the holder. Via this opening, the raw material gas of the thin film formed by the film forming apparatus can come into contact with one of the surfaces of the vibrator 101 . A thin film formed by a film forming apparatus is formed on the vibrator 101 in contact with the raw material gas supplied into the processing chamber under predetermined film forming conditions.

一方、第1端子105、第2端子107および第1配線104、第2配線106を介し、第1電極102、第2電極103の各々に励振信号を印加すると、主に、振動子101の厚さで決定される固有振動数により共振が生じる。上述したように、振動子101の上に薄膜が形成されると、薄膜が形成されたことによる質量増加により、振動子101の共振周波数が変化する。この共振周波数の変化を捉えることで膜厚を計測することができる。 On the other hand, when an excitation signal is applied to each of the first electrode 102 and the second electrode 103 via the first terminal 105, the second terminal 107, the first wiring 104, and the second wiring 106, the thickness of the vibrator 101 mainly changes. Resonance occurs due to the natural frequency determined by the height. As described above, when a thin film is formed on the vibrator 101, the resonance frequency of the vibrator 101 changes due to the increase in mass caused by the formation of the thin film. The film thickness can be measured by capturing the change in this resonance frequency.

一般に、気相成長による成膜は、成膜室内の温度を、設定されている所定の条件に制御して行われるが、このように温度制御を実施していても、成膜室内の温度は、例えば、原料ガスの導入などにより変化する。このような温度変化によっても、振動子101の共振周波数が変化するため、振動子101の雰囲気は、設定されている条件の温度に一定にしておくことが望ましい。このため、例えば、ホルダの内部に、温度測定器およびヒータを設け、温度測定器が測定する温度が、成膜条件で設定されている温度となるようにヒータによる加熱を制御することで、ホルダの内部の温度の変化を抑制することもできる。 In general, film formation by vapor phase epitaxy is performed by controlling the temperature in the film formation chamber to a predetermined set condition. , for example, changes due to the introduction of the raw material gas. Since the resonance frequency of the vibrator 101 also changes due to such a temperature change, it is desirable to keep the temperature of the atmosphere of the vibrator 101 constant under the set conditions. For this reason, for example, a temperature measuring device and a heater are provided inside the holder, and heating by the heater is controlled so that the temperature measured by the temperature measuring device becomes the temperature set in the film forming conditions. It is also possible to suppress changes in temperature inside the .

ここで、上述したように、この種の成膜では、成膜室内の温度を、成膜温度に制御している。一方、振動子101の共振周波数は温度によっても変化する。この変化は、一般的には、2次曲線カーブに沿ったものとなる。この温度による共振周波数の変化を抑制するため、振動子101の共振周波数温度変化が最小となる2次曲線の頂点と、成膜温度、つまり薄膜の厚さを測定する雰囲気の温度が一致するように、振動子101のX軸を回転軸としたXZ平面からの回転角(切り出しカット角)θを調整する。 Here, as described above, in this type of film formation, the temperature in the film formation chamber is controlled to the film formation temperature. On the other hand, the resonance frequency of the vibrator 101 also changes with temperature. This change is generally along a quadratic curve. In order to suppress the change in the resonance frequency due to temperature, the apex of the quadratic curve at which the temperature change in the resonance frequency of the vibrator 101 is minimized should coincide with the film formation temperature, that is, the temperature of the atmosphere in which the thickness of the thin film is measured. Next, the rotation angle (cutting angle) θ from the XZ plane with the X axis of the vibrator 101 as the rotation axis is adjusted.

実施例を用いてより詳細に説明する。まず、チョクラルスキー法すなわち回転引き上げ法を用いて、Ca3Ta1+aGa3+bSi2+c14(a=1.03,b=-0.05,c=0.08)の単結晶を作製した。次に、カット角θを7条件設定し、各カット角の条件で振動片を形成した。また、形成した7つの振動片の各々について、研磨を行って、共振周波数がほぼ6MHzとなる板厚に加工した。また、各振動片に対し、外形加工を行い、平面視で直径14mmの円盤状の振動子を作製した。また、各振動子に対し、クロム層および金層からなる多層構造の第1電極、第2電極、第1配線、第2配線、第1端子、第2端子を形成した。クロム層および金属層は、公知の蒸着法により形成した。また、クロム層は層厚0.01μmとし、金層は、層厚0.3μmとした。 A more detailed description will be given using examples. First, Ca 3 Ta 1+a Ga 3+b Si 2+c O 14 (a=1.03, b=−0.05, c=0.08) was measured using the Czochralski method, ie, the rotary pull-up method. A single crystal of Next, seven conditions were set for the cut angle θ, and vibrating reeds were formed under the conditions of each cut angle. Further, each of the seven vibrating bars thus formed was polished and processed to have a plate thickness such that the resonance frequency was approximately 6 MHz. Further, each vibrating bar was subjected to outer shape processing to produce a disk-shaped vibrator having a diameter of 14 mm in plan view. In addition, a first electrode, a second electrode, a first wiring, a second wiring, a first terminal, and a second terminal having a multi-layer structure composed of a chromium layer and a gold layer were formed for each vibrator. The chromium layer and metal layer were formed by a known vapor deposition method. The chromium layer was 0.01 μm thick, and the gold layer was 0.3 μm thick.

ところで、初期の条件では、第1電極および第2電極を、平面視で円形に形成し、周波数特性を測定したところ、共振周波数付近に不要な副振動によるスプリアスが多数発生した。このため、シミュレーションを用いて最適電極形状を計算した。このシミュレーションの結果、第1電極および第2電極は、平面視で、長軸の方向が単結晶のX軸に沿った楕円形とされているとよいことが判明した。また、上述した各寸法で形成した膜厚センサ素子では、第1電極および第2電極は、長径と短径の比を1:0.56+0.1/-0.2とした楕円形とすれば良いことが分かった。これらの検討の結果を基に、第1電極および第2電極は、長径を4mm、短径を2.8mmの楕円形に形成した。 By the way, under the initial conditions, when the first electrode and the second electrode were formed in a circular shape in plan view and the frequency characteristics were measured, many spurious emissions due to unnecessary secondary vibration were generated near the resonance frequency. Therefore, the optimum electrode shape was calculated using simulation. As a result of this simulation, it was found that the first electrode and the second electrode should preferably be elliptical in plan view, with the long axis along the X-axis of the single crystal. Further, in the film thickness sensor element formed with the above dimensions, if the first electrode and the second electrode are elliptical with a ratio of the major axis to the minor axis of 1:0.56+0.1/-0.2, It turned out good. Based on the results of these studies, the first electrode and the second electrode were formed in an elliptical shape with a major axis of 4 mm and a minor axis of 2.8 mm.

設定したカット角の条件の各々について、周波数温度特性を測定することで、図3に示すカット角と頂点温度の関係を得た。 The relationship between the cut angle and the peak temperature shown in FIG. 3 was obtained by measuring the frequency temperature characteristic for each set cut angle condition.

次に、原子層堆積法で、成膜温度条件を365℃とて酸化アルミニウムの成膜を実施した。成膜温度条件365℃は、水晶を用いた膜厚センサ素子では膜厚測定が困難な条件である。成膜室内の、所定の基板を搬入し、成膜室を密閉状態とし、成膜室内の温度が365℃で安定するまで成膜室内を加熱したのち、基板の上に酸化アルミニウムの膜を形成した。 Next, an aluminum oxide film was formed by an atomic layer deposition method under a film forming temperature condition of 365°C. The film formation temperature condition of 365° C. is a condition in which it is difficult to measure the film thickness with a film thickness sensor element using crystal. A predetermined substrate is brought into the film forming chamber, the film forming chamber is sealed, and the inside of the film forming chamber is heated until the temperature in the film forming chamber stabilizes at 365° C., and then an aluminum oxide film is formed on the substrate. did.

まず、成膜室内にTMA(トリメチルアルミニウム)からなる原料ガスを導入し、基板の上に原料ガスを供給する。これより、基板の上に原料であるTMA分子が吸着した吸着層が形成される。 First, a raw material gas made of TMA (trimethylaluminum) is introduced into the film forming chamber, and the raw material gas is supplied onto the substrate. As a result, an adsorption layer is formed on the substrate in which TMA molecules as a raw material are adsorbed.

次に、成膜室への原料ガスの導入を停止し、成膜室より原料ガスを排出する。次に、例えばオゾンガスなどの酸化ガスを成膜室の内部に導入し、オゾンガスを吸着層の表面に供給する。このオゾンガスにより、基板の表面に吸着している吸着層が酸化され、基板の表面にアルミニウム1原子層分の酸化アルミニウム層が形成された状態となる。次に、成膜室へのオゾンガスの導入を停止し、成膜室よりオゾンガスを排出する。 Next, the introduction of the raw material gas into the film formation chamber is stopped, and the raw material gas is discharged from the film formation chamber. Next, an oxidizing gas such as ozone gas is introduced into the film forming chamber, and the ozone gas is supplied to the surface of the adsorption layer. The ozone gas oxidizes the adsorption layer adsorbed on the surface of the substrate, and an aluminum oxide layer corresponding to one atomic layer of aluminum is formed on the surface of the substrate. Next, the introduction of the ozone gas into the film formation chamber is stopped, and the ozone gas is discharged from the film formation chamber.

次に、基板の上に前述同様に原料ガスを供給し、酸化アルミニウム層の上に新たな吸着層を形成する。次に、成膜室への原料ガスの導入を停止し、成膜室より原料ガスを排出する。次に、成膜室の内部に前述同様にオゾンガスを導入してTMA分子層(吸着層)の表面に供給する。これにより、既に形成されている酸化アルミニウム層の表面に吸着している吸着層が酸化され、酸化アルミニウム層の表面にアルミニウム1原子層分の新たな酸化アルミニウム層が形成される。 Next, a source gas is supplied onto the substrate in the same manner as described above to form a new adsorption layer on the aluminum oxide layer. Next, the introduction of the raw material gas into the film formation chamber is stopped, and the raw material gas is discharged from the film formation chamber. Next, ozone gas is introduced into the film forming chamber in the same manner as described above and supplied to the surface of the TMA molecular layer (adsorption layer). As a result, the adsorption layer adsorbed on the surface of the already formed aluminum oxide layer is oxidized, and a new aluminum oxide layer corresponding to one atomic layer of aluminum is formed on the surface of the aluminum oxide layer.

以上説明したように、吸着→原料ガス排出→酸化→酸化ガス排出の一連の基本工程により、基板の上に、酸化アルミニウム層が形成されるようになる。このような原子層堆積による酸化アルミニウム層(酸化アルミニウム膜)の形成工程を繰り返し、所望の厚さの酸化アルミニウム膜を基板の上に形成する。 As described above, an aluminum oxide layer is formed on the substrate by a series of basic steps of adsorption→discharge of raw material gas→oxidation→discharge of oxidizing gas. The step of forming an aluminum oxide layer (aluminum oxide film) by such atomic layer deposition is repeated to form an aluminum oxide film having a desired thickness on the substrate.

上述した酸化アルミニウム膜の成膜において、成膜室内に配置している膜厚センサ素子の共振周波数は、図4に示すように、25原子層までは1原子層ごとの原子層の増加に対応して線形な応答を示さなかった。これに対し、30原子層以降は、原子層の増加に応じて共振周波数が線形に変化することがわかった。この変化量は、3Hz/原子層であった。上述した初期の非線形な振る舞いは、この種の成膜処理雰囲気における、振動子の酸素欠陥などによる表面状態の変化が原因と考えられる。 In the film formation of the aluminum oxide film described above, the resonance frequency of the film thickness sensor element arranged in the film formation chamber corresponds to an increase in atomic layer by one atomic layer up to 25 atomic layers, as shown in FIG. did not show a linear response. On the other hand, after 30 atomic layers, it was found that the resonance frequency changed linearly as the number of atomic layers increased. The amount of change was 3 Hz/atomic layer. The initial non-linear behavior described above is considered to be caused by changes in the surface state due to oxygen defects of the vibrator in this type of film formation processing atmosphere.

上述した知見の元に、酸化アルミニウムからなる保護膜を、振動子の表面を覆って形成した膜厚センサ素子を作製した。上述した原子層成長法により、振動子の表面に30原子層以上の厚さに酸化アルミニウム膜を形成することで保護膜とした。このように、表面に保護膜を形成した振動子による実施の形態の膜厚センサ素子で、前述同様の膜厚測定を実施したところ、図5に示すように、25原子層までの上述した酸化アルミニウム膜の成膜あっても、1原子層ごとの原子層の増加に対応して線形な共振周波数の応答が得られた。 Based on the above findings, a film thickness sensor element was produced in which a protective film made of aluminum oxide was formed to cover the surface of the vibrator. A protective film was formed by forming an aluminum oxide film having a thickness of 30 atomic layers or more on the surface of the vibrator by the atomic layer deposition method described above. When the same film thickness measurement as described above was performed using the film thickness sensor element of the embodiment using the vibrator having the protective film formed on the surface, as shown in FIG. Even when the aluminum film was formed, a linear resonance frequency response was obtained corresponding to an increase in atomic layer by atomic layer.

次に、頂点温度が285℃となるカット角で作製した水晶から構成した膜厚センサ素子の周波数温度依存性(実線)と、上述した実施の形態の膜厚センサ素子の周波数温度依存性(点線)とを比較した結果を図6に示す。図6に示されているように、点線で示す実施の形態の膜厚センサ素子は、水晶から構成した膜厚センサ素子に比較して、温度変化に対する周波数変化が少ないことがわかる。すなわち、実施の形態の膜厚センサ素子は、成膜室内の温度変化などの外乱に対する影響が少ないため、高精度な膜厚測定を行うことができることがわかる。実施の形態の膜厚センサ素子は、365℃においても、温度変化±2.5℃に対して周波数変化量が1Hz以下と非常に小さかった。なお、原子層堆積では原料ガスなどの吸着・脱離がなされるため、各状態に応じて振動子の共振周波数は上下に変化する。 Next, the frequency temperature dependence (solid line) of the film thickness sensor element composed of crystal manufactured with a cut angle at which the vertex temperature is 285° C. and the frequency temperature dependence (dotted line) of the film thickness sensor element of the above-described embodiment ) are shown in FIG. As shown in FIG. 6, the film thickness sensor element of the embodiment indicated by the dotted line has less frequency change with temperature change than the film thickness sensor element made of crystal. In other words, it can be seen that the film thickness sensor element of the embodiment is less affected by disturbances such as temperature changes in the film forming chamber, and thus can perform highly accurate film thickness measurement. In the film thickness sensor element of the embodiment, even at 365.degree. In atomic layer deposition, source gases are adsorbed and desorbed, so the resonance frequency of the vibrator varies up and down according to each state.

上述した実施の形態は、一例に過ぎず、振動子の共振周波数は6MHzに限定されない。また、振動子は、平面視矩形に形成することもできる。また、第1電極および第2電極は、平面視楕円形に限らず、他の形状とすることもできる。保護膜は、酸化アルミニウム膜に限定されず、TiO2、TiN、AlN、HfO2などの膜から構成することもできる。 The embodiment described above is merely an example, and the resonance frequency of the vibrator is not limited to 6 MHz. Also, the vibrator can be formed in a rectangular shape in a plan view. Moreover, the first electrode and the second electrode are not limited to having an elliptical shape in a plan view, and may have other shapes. The protective film is not limited to an aluminum oxide film, and may be composed of films such as TiO 2 , TiN, AlN, and HfO 2 .

また、振動子は、板厚を、周辺部から中心部にかけて徐々に厚くすることもできる。例えば、板状の振動子の一方の面、もしくは両方の面を、凸形状に形成することができる。このように構成することで、振動子の副振動がより抑制できるようになり好ましい。また、振動子の端部をベベル加工して断面視で傾斜を形成することで、上述同様の効果が得られる。 Also, the thickness of the vibrator can be gradually increased from the periphery to the center. For example, one surface or both surfaces of a plate-like vibrator can be formed in a convex shape. By configuring in this way, the secondary vibration of the vibrator can be further suppressed, which is preferable. Further, by beveling the ends of the vibrator to form an inclination in a cross-sectional view, the same effect as described above can be obtained.

以上に説明したように、本発明では、振動子は、Ca3Ta1+a(Ga1-dAld3+bSi2+c14(a=1.03,b=-0.05,c=0.08)の単結晶から構成し、この単結晶は、X軸を回転軸としてXZ平面からの回転角をθとし、薄膜の厚さを測定する雰囲気の温度をTとしたとき、0.00008T2+0.00855T+20.97064=θとされているようにした。この結果、本発明によれば、300℃以上の高温でもより正確に膜厚が測定できるようになる。 As described above, in the present invention, the oscillator is Ca 3 Ta 1+a (Ga 1-d Al d ) 3+b Si 2+c O 14 (a=1.03, b=-0. 05, c = 0.08), this single crystal has a rotation axis of the X axis, a rotation angle from the XZ plane is θ, and the temperature of the atmosphere for measuring the thickness of the thin film is T. 0.00008T 2 +0.00855T+20.97064 . As a result, according to the present invention, the film thickness can be measured more accurately even at a high temperature of 300° C. or higher.

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。 It should be noted that the present invention is not limited to the embodiments described above, and many modifications and combinations can be implemented by those skilled in the art within the technical concept of the present invention. It is clear.

101…振動子、102…第1電極、103…第2電極、104…第1配線、105…第1端子、106…第2配線、107…第2端子。 Reference numerals 101: vibrator, 102: first electrode, 103: second electrode, 104: first wiring, 105: first terminal, 106: second wiring, 107: second terminal.

Claims (6)

振動子と、前記振動子の中央部に前記振動子を挾んで互いに向かい合って形成された第1電極および第2電極とを備え、前記振動子に堆積した薄膜の厚さを測定するための膜厚センサ素子であって、
前記振動子は、Ca3Ta1+aGa3+bSi2+c14(a=1.03,b=-0.05,c=0.08)の単結晶から構成され、
前記単結晶は、X軸を回転軸としてXZ平面からの回転角をθとし、薄膜の厚さを測定する雰囲気の温度をTとしたとき、0.00008T2+0.00855T+20.97064=θとされている
ことを特徴とする膜厚センサ素子。
A film for measuring the thickness of a thin film deposited on the vibrator, comprising a vibrator, and a first electrode and a second electrode formed facing each other with the vibrator interposed in the center of the vibrator. A thickness sensor element,
The oscillator is composed of a single crystal of Ca 3 Ta 1+a Ga 3+b Si 2+c O 14 (a=1.03, b=−0.05, c=0.08),
The single crystal is 0.00008T 2 +0.00855T+20.97064 = θ, where the X axis is the rotation axis, the rotation angle from the XZ plane is θ, and the temperature of the atmosphere for measuring the thickness of the thin film is T. A film thickness sensor element characterized by:
請求項1記載の膜厚センサ素子において、
前記第1電極および前記第2電極は、平面視で、長軸の方向が前記単結晶のX軸に沿った楕円形とされている
ことを特徴とする膜厚センサ素子。
The film thickness sensor element according to claim 1,
The film thickness sensor element, wherein the first electrode and the second electrode are elliptical in plan view, with the long axis extending along the X-axis of the single crystal.
請求項1または2記載の膜厚センサ素子において、
前記振動子の表面を覆って形成された酸化アルミニウムからなる保護膜をさらに備える
ことを特徴とする膜厚センサ素子。
The film thickness sensor element according to claim 1 or 2,
A film thickness sensor element, further comprising a protective film made of aluminum oxide and formed to cover the surface of the vibrator.
請求項1~3のいずれか1項に記載の膜厚センサ素子において、
前記振動子の板厚は、周辺部より中心部の方が厚くされている
ことを特徴とする膜厚センサ素子。
In the film thickness sensor element according to any one of claims 1 to 3,
A film thickness sensor element, wherein the plate thickness of the vibrator is thicker in the central portion than in the peripheral portion.
請求項4記載の膜厚センサ素子において、
前記振動子の板厚は、周辺部から中心部にかけて徐々に厚くなることを特徴とする膜厚センサ素子。
In the film thickness sensor element according to claim 4,
The film thickness sensor element, wherein the plate thickness of the vibrator gradually increases from the peripheral portion to the central portion.
請求項1~5のいずれか1項に記載の膜厚センサ素子において、
前記振動子は、平面視円形の板状とされていることを特徴とする膜厚センサ素子。
In the film thickness sensor element according to any one of claims 1 to 5,
The film thickness sensor element, wherein the vibrator has a plate-like shape that is circular in plan view.
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