用于石英晶体振荡式薄膜厚度监视器的传感器头

本申请是发明专利申请201880007120.0的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种用于石英晶体振荡式薄膜厚度监视器的传感器头，更具体地说，涉及一种设置在真空蒸镀装置或溅射装置等成膜装置的真空室内，用于在真空气氛中的成膜期间通过测量石英振子的谐振频率来监测在该石英振子上形成的薄膜厚度的传感器头。

背景技术

例如在专利文献1中，这种用于石英晶体振荡式薄膜厚度监视器的传感器头已为人所知。该装置具有：传感器头主体，其设置有作为驱动装置的步进电机(真空用脉冲电机)；保持件，其由步进电机旋转驱动且在同一圆周上间隔设置多个石英振子。以从传感器头主体朝向保持件的方向为上，在传感器头主体上设置掩膜体，使掩膜体覆盖设置有各石英振子的保持件的上表面，在掩膜体的规定位置上开设有朝向一个石英振子的成膜用窗口。

第一电极设置在位于成膜用窗口正下方的传感器头主体的一部分处。第一电极由板状部件构成，该板状部件的一端固定到设置在传感器头主体上的支撑台上。保持件由不锈钢材质的保持板部和氟树脂材质的环形板部构成，其中，保持板部在其上表面上凹陷设置有存储各石英振子的存储部，环形板部一体固定在保持板部下表面上，用环形板部保持作为与各石英振子导通的第二电极的翼状电极。在这种情况下，从环形板部向下方突出的翼状电极的一部分具有圆顶形轮廓。并且，当通过步进电机使保持件旋转到任意一个石英振子和成膜用窗口在上下方向上相匹配的相位(正常(正規)相位)时，第二电极与第一电极的自由端部抵接并导通，通过在该状态下测量石英振子的谐振频率监测在该石英振子上形成的薄膜厚度。并且，例如随着形成的薄膜厚度增加，当测量的谐振频率超过规定范围而变化时，判断使用寿命，通过步进电机使保持件再次旋转到下一个石英振子和成膜用窗口在上下方向上相匹配的相位。

但是，在测量谐振频率时，石英振子中流通的驱动电流小，一般为几mA。因此，例如考虑到在真空气氛中使用和耐腐蚀性以及电阻值，通常是使用金材质或在导电性良好的金属材料的表面形成镀金层的部件作为第一电极和第二电极。然而，当第一电极和第二电极的抵接部分彼此是同种金属的金材质时，步进电机容易失步，而且发现随着保持件旋转的转数增加，为了旋转驱动保持件，步进电机中流通的励磁电流上升。当步进电机失步产生石英振子相对成膜用窗口的相移(即由于保持件的停止位置向旋转方向前方或后方偏移，石英振子相对于成膜用窗口向旋转方向前方或后方偏移)(此外，只要谐振频率偏差不大，就无法判断是否失步)，再有，当励磁电流上升、步进电机的发热量增加、石英振子接收该热量时，会产生无法正确监测在石英振子上形成的薄膜厚度的问题。

因此，本申请的发明人等经过深入研究，特别是发现了导致的原因是第一电极的(金构成的)表层部分粗糙(表面凹凸不平)。即在任意一个石英振子和成膜用窗口在上下方向上相匹配的相位，通过第一电极的作用力保持第一电极和第二电极的抵接状态，但由于金的硬度较低，因此不久第一电极和第二电极的抵接部分就呈粘附的状态。当保持件从该状态开始旋转时，第二电极在第一电极的表面滑动，使得第二电极被强行剥离，这种情况反复发生，导致第一电极的表层部分逐渐粗糙。可知其结果是保持件旋转时的第二电极相对于第一电极的滑动阻力(摩擦阻力)增加，从而步进电机容易失步，再有，步进电机的励磁电流上升。

现有技术文献

专利文献

【专利文献1】专利第3953505号公报

发明内容

发明要解决的技术问题

本发明是基于上述认识得到的，目的是提供一种用于石英晶体振荡式薄膜厚度监视器的传感器头，其设置为可抑制步进电机的失步导致的石英振子相对于成膜用窗口的相移和步进电机的励磁电流的上升，可随时正确地监测在石英振子上分别形成的薄膜厚度。

解决技术问题的手段

为解决上述技术问题，本发明的用于石英晶体振荡式薄膜厚度监视器的传感器头，具有：传感器头主体，其配置有步进电机；保持件，其由步进电机旋转驱动且在同一圆周上间隔设置有多个石英振子；以及掩膜体，以从传感器头主体朝向保持件的方向为上，所述掩膜体设置在传感器头主体上，并覆盖设置有各石英振子的保持件的上表面，且开设有朝向任意一个石英振子的成膜用窗口；所述用于石英晶体振荡式薄膜厚度监视器的传感器头还具有：第一电极，其固定在位于成膜用窗口正下方的传感器头主体的一部分上；以及第二电极，其分别与各石英振子导通且向保持件的下表面突出设置；当通过步进电机使保持件旋转到任意一个石英振子和成膜用窗口在上下方向上相匹配的相位时，在由同种金属构成的第一电极和第二电极抵接并导通的结构中，所述用于石英晶体振荡式薄膜厚度监视器的传感器头的特征在于：还具有润滑剂供给装置，其在任意一个第一电极与第二电极抵接前，向该第一电极和第二电极中的至少一方的表面供给固体润滑剂。

采用上述方式，在任意一个石英振子和成膜用窗口在上下方向上相匹配的相位上，由于在第一电极和第二电极的抵接部分上存在固体润滑剂，因此可抑制在该抵接部分处的粘附。并且在保持件旋转时，通过固体润滑剂使第二电极在第一电极的表面上流畅地滑动。因此，即使反复进行保持件的旋转操作，也将尽量抑制第一电极的表层部分的粗糙，在保持件旋转时，第二电极相对于第一电极的滑动阻力不会增加。其结果既抑制步进电机的失步，也抑制步进电机的励磁电流上升。此外，作为固体润滑剂，在上述作用之外，只要不是妨碍使第一电极和第二电极抵接并测量谐振频率这一功能，其材质和粒径并没有特定要求。再有，本发明并不仅限于使用金材质或在导电性金属材料表面形成镀金层的部件作为第一电极和第二电极的情况，也可适用于使用第一电极和第二电极由铜或白金等同种金属构成的情况。

在本发明中，优选所述润滑剂供给装置与所述第一电极和所述第二电极中的任意一方相邻设置，由具有所述第一电极和所述第二电极中的任意另一方随着保持件的旋转而滑动的滑动面的部件构成，该滑动面具有比所述第一电极和所述第二电极中的任意另一方更低的维氏硬度。由此，例如当上述部件与第一电极相邻配置时，使用第二电极在部件的滑动面上滑动时产生的微小的刮屑作为固体润滑剂使用，通过使这样的刮屑附着在第二电极上的状态与第一电极抵接，可用简单的结构实现向与第一电极抵接前的第二电极的表面供给固体润滑剂的润滑剂供给装置。在这种情况下，如果所述部件的滑动面由氟树脂或石墨构成的话，则当使用金材质或在导电性金属材质表面形成镀金层的部件作为第一电极和第二电极时，可确认不会损害测量谐振频率这一功能，而能尽量抑制第一电极和第二电极的表层部分的粗糙。

但是，通过驱动装置使保持件旋转并停止在规定的旋转角时，由于产生石英振子相对于成膜用窗口的相移，因此无法正确监测石英振子上形成的薄膜厚度。在这种情况下，虽然可以想到设置检测装置检测石英振子相对于成膜用窗口位于正常相位，但是这样一来，或者无法设置在真空室内的有限空间中，或者会导致部件数量增加、成本上升。因此，希望开发出一种结构简单的用于石英晶体振荡式薄膜厚度监视器的传感器头，其不使用检测装置，设置为在使保持件旋转后，只有当石英振子相对于成膜用窗口位于正常相位时，才可监测石英振子上形成的薄膜厚度。

因此，本发明的另一方式涉及的用于石英晶体振荡式薄膜厚度监视器的传感器头，其具有：传感器头主体，其配置有驱动装置；保持件，其由驱动装置旋转驱动且在同一圆周上间隔设置有多个石英振子；以及掩膜体，以从传感器头主体朝向保持件的方向为上，所述掩膜体设置在传感器头主体上，并覆盖设置有各石英振子的保持件的上表面，且开设有朝向任意一个石英振子的成膜用窗口；所述用于石英晶体振荡式薄膜厚度监视器的传感器头具有：第一电极，其固定在位于成膜用窗口正下方的传感器头主体的部分上；以及第二电极，其分别与各石英振子导通且向保持件的下表面突出设置；当使保持件旋转到一个石英振子和成膜用窗口在上下方向上相匹配的相位时，第二电极与第一电极抵接并导通；所述用于石英晶体振荡式薄膜厚度监视器的传感器头的特征在于：还配置有绝缘体，其位于第一电极或第二电极任意一方的保持件的旋转方向两侧，且第一电极或第二电极中的任意另一方在其上滑动。

采用上述方式，在通过驱动装置使保持件旋转规定旋转角度时，如果石英振子相对于成膜用窗口位于正常相位，则第二电极与第一电极抵接，而如果石英振子相对于成膜用窗口产生向保持件的旋转方向的前后发生相移，则第一电极或第二电极只与绝缘体抵接，第一电极和第二电极不导通。像这样将绝缘体配置在第一电极或第二电极的保持件的旋转方向两侧的结构实际上起到检测装置的作用，检测旋转驱动保持件到石英振子相对于成膜用窗口处于正常相位的情况，旋转驱动保持件后，只有石英振子相对于成膜用窗口位于正常相位，才能监测石英振子上形成的薄膜厚度。此外，在本发明中，所述驱动装置具有步进电机或气动旋转致动器(空圧式ロータリーアクチュエータ)的情况下是特别有利的。

附图说明

图1是本发明的实施方式的以省略掩膜体的状态示出的用于石英晶体振荡式薄膜厚度监视器的传感器头的分解立体图。

图2是传感器头的主要部分的局部剖面图。

图3是传感器头的俯视图。

图4是本实施方式的变形例涉及的以省略掩膜体的状态示出的用于石英晶体振荡式薄膜厚度监视器的传感器头的分解立体图。

具体实施方式

下面参考附图，以驱动装置作为步进电机的情况为例说明本发明的用于石英晶体振荡式薄膜厚度监视器的传感器头的实施方式，对设置在图外的真空蒸镀装置或溅射装置等成膜装置的真空室内，并在真空气氛中成膜时，可通过测量石英振子的谐振频率监测该石英振子上形成的薄膜厚度。在以下内容中，表示上、下等方向的用语以图1的姿势为基准。此外，由于作为石英振子或用于测量该石英振子的谐振频率的部件、要素可使用公知部件，因此包括具体的薄膜厚度监测方法在内，省略对上述内容的详细说明。

参照图1～图3，SH是本实施方式的用于石英晶体振荡式薄膜厚度监视器的传感器头。传感器头SH主要具有：传感器头主体1，其内部配置有步进电机Sm；保持件2，其通过步进电机Sm旋转驱动且在同一圆周上等间隔地设置有多个石英振子Co；掩膜体3，其安装在传感器头主体1上以覆盖设置有各石英振子Co的保持件2的上表面，并开设有朝向任意一个石英振子Co的成膜用窗口31。作为掩膜体3，由于是可使用的公知部件，故省略进一步的详细说明。

在传感器头主体1的上板部11上设置有第一电极4。第一电极4具有一端固定在上板部11上设置的支撑台12上的一个方向上的长板部4a，。在这种情况放下，板部4a以在保持件2的切线方向上延伸的姿态安装，其自由端部位于成膜用窗口31的正下方(参照图2)。在板部4a的自由端部的上表面上设置有作为带有下述的第二电极5的部分51滑动的滑动面41的滑动板部4b，。滑动板部4b由具有(电)绝缘性且维氏硬度比第二电极5的部分51低的材料制成，例如是氟树脂材质。再有，滑动面41由中央的平坦部41a和分别连接在平坦部41a的切线方向两侧并向下方倾斜的倾斜面部41b，41b构成。

在平坦部41a上，开设有在与切线方向正交的方向上延伸的同时沿板厚度方向贯通的狭缝孔42。在板部4a上竖直设置的棱柱形的切点部件4c嵌设在狭缝孔42内。在这种情况下，将切点部件4c距板部4a的高度限定为切点部件4c的上表面比中央的平坦部41a的上表面位置略靠下方。作为板部4a和切点部件4c，使用在铝或铜等相对便宜且导电性良好的金属表面上形成镀金层的部件。再有，狭缝孔42的狭缝宽度Sw(与切点部件4c的切线方向的宽度大致一致)根据第二电极5的部分51相对于切点部件4c的抵接面积，适当设定在规定范围内使得只有在任意一个石英振子Co和成膜用窗口31处于在上下方向上相匹配的正常相位时，第二电极5的部分51才能抵接从狭缝孔42露出的切点部件4c的上表面。

在上板部11的中央部，虽未特别图示说明，但开设有贯通孔，安装在传感器头主体1上的步进电机Sm的旋转轴经轴承贯通该贯通孔并在上板部11的上方突出的旋转轴部分上安装有保持件2落位的底座部13。在底座部13上突出设置有位于旋转轴的轴线上的凸台部14，固定螺栓15经凸台部14贯通保持件2，保持件2通过固定螺栓15与步进电机Sm的旋转轴连接。再有，在底座部13上，带有圆顶形轮廓的两个突起部13a错开180度设置在同一圆周上，当各突起部13a与下述的保持件2的环形板部22的下表面上设置的卡合孔部22a卡合时，保持件2相对于传感器头主体1确定位置和相位。

保持件2由不锈钢材质的保持板部21和氟树脂材质的环形板部22构成，其中，保持板部21在其上表面凹陷设置有分别存储有多个(本实施方式中是12个)石英振子的存储部21a，，环形板部22一体地固定在保持板部21的下表面上，环形板部22的中央孔嵌合在底座部13上，保持件2落位在底座部13上。再有，在环形板部22上保持有翼状电极(羽型電極)，作为与分别存储在存储部21a中的石英振子Co导通的第二电极5。此外，可使用公知的结构作为翼状电极本身的结构或在与石英振子Co导通的状态下由环形板部22保持的结构，故此处省略详细说明。翼状电极也可使用在铝或铜等相对便宜且导电性良好的金属表面上形成镀金层的部件，翼状电极的下端从环形板部22下方突出，该突出的具有圆顶形轮廓的第二电极5的部分51与切点部件4c的上表面抵接并导通。

当通过上述传感器头SH监测石英振子Co上形成的薄膜厚度时，首先，用公知的方法进行步进电机Sm的原位起步(原点出し)后，输入预定的脉冲信号，与此相应地通过步进电机Sm使保持件2只旋转规定的旋转角。在这种的情况下，保持件2呈停止在任意一个石英振子Co和成膜用窗口31在上下方向相匹配的正常相位的位置上的状态。在保持件2旋转时，第二电极5的部分51首先与位于保持件2的旋转方向前方的滑动板部41的倾斜面部41b抵接，随着保持件2的进一步旋转，在滑动板部41的倾斜面部41b、平坦部41a上依次滑动，直到移动到与第一电极4的切点部件4c抵接的位置。并且，由于在倾斜面部41b、平坦部41a上依次滑动时产生的微小的刮屑附着在第二电极5的部分51上，从而，在正常相位下这样的微小的刮屑(未图示)存在于第一电极4的切点部件4c和第二电极5的部分51的抵接部分上。

接着，例如随着形成的薄膜厚度的增加，测量的谐振频率超过规定范围而变化时，判断任意一个石英振子Co的使用寿命。于是，再次输入预设的脉冲信号，与之相应地通过步进电机Sm使保持件2进一步只旋转规定的旋转角。在这种情况下，保持件2呈停止在下一个石英振子Co和成膜用窗口31在上下方向上相匹配的正常相位的状态，此时，与上述同样地，微小的刮屑存在于第一电极4的切点部件4c和第二电极5的部分51的抵接部分上。此后重复该操作。

采用上述方式，将电极5的部分51在滑动板部4b的滑动面41上滑动所产生的刮屑作为固体润滑剂使用，在任意一个石英振子Co和成膜用窗口31在上下方向上相匹配的正常相位下，通过固体润滑剂存在于第一电极4的切点部件4c和第二电极5的部分51的抵接部分上可抑制在该抵接部分处的粘附。并且，在保持件2旋转时，第二电极5的部分51通过固体润滑剂在第一电极4的切点部件4c的上表面上顺畅地滑动。因此，即使重复进行旋转驱动保持件2的操作，也能尽量控制切点部件4c上表面的表层部分的粗化，不会増大滑动阻力。其结果是抑制步进电机Sm的失步，并且也抑制步进电机Sm的励磁电流上升。此外，当保持件2的停止位置向旋转方向前后偏离(即偏离正常相位)时，第二电极5的部分51呈不与第一电极4的切点部件4c的上表面抵接，而与作为绝缘体的滑动板部4b的滑动面41抵接的状态。在这种情况下，无法测量谐振频率，例如薄膜厚度监测器本身发生故障停止。如此，在本实施方式中，滑动板部4b构成固体润滑剂供给装置，且在保持件2旋转时，实际上起到检测装置的作用，检测旋转驱动保持件到使石英振子Co相对于成膜用窗口31处于正常相位的情况。

为了确认上述效果，使用上述实施方式的传感器头SH(发明产品)和只由板部4b构成第一电极的传感器头(相当于上述的以往例子：以往产品)，进行了接下来的实验。即重复进行在真空气氛中通过步进电机Sm使各石英振子Co相对于成膜用窗口31以在上下方向上一致的方式朝一个方向逐次旋转规定的旋转角度并停止的操作，研究此时旋转保持件的转数(保持件旋转了360度时，设为旋转一转)与步进电机Sm的励磁电流的关系。由此，确认在以往产品中，在使保持件旋转1000转时，如果没有流通步进电机Sm的最大励磁电流的60％左右的电流，则无法旋转驱动保持件2。在这种情况下，确认谐振频率受来自步进电机Sm的热量的影响而变化。与之相对，确认在发明产品中，即使是在保持件2旋转1000转时，也可用最大励磁电流的15％左右的电流旋转驱动保持件2，此外，谐振频率的变化也不太大。

以上说明了本发明的实施方式，但本发明并不仅限于上述方式，可在不脱离本发明的技术思想范围的范围内进行适当变形。在上述实施方式中，以彼此抵接的第一电极4的切点部件4c和第二电极5的部分51是金材质的部件为例进行了说明，但本发明也可适用于第一电极和第二电极是由铜或白金等同种金属构成的情况。

再有，在上述实施方式中，以采用滑动板部4b构成固体润滑剂供给装置的情况为例进行了说明，但并不仅限于此。例如，也可在监测器主体的上板部11上，设置将规定粒径的微粒喷涂到第二电极5的部分51的喷涂装置，或将规定粒径的粒子涂覆到第二电极5的部分51的涂覆装置，来构成固体润滑剂供给装置。在这种情况下，也可设置为不仅向第二电极5的部分51，也向第一电极4的切点部件4c的上表面供给固体润滑剂。进而，在上述实施方式中，以采用氟树脂构成作为绝缘体的滑动板部4b的情况为例进行了说明，但至少滑动面41由氟树脂构成即可，再有，当滑动板部4b只作为固体润滑剂供给装置发挥作用时，滑动面41不需要是绝缘体，例如可由石墨构成。在这种情况下，作为步进电机Sm，可使用带有检测旋转角功能的旋转变压器型(レゾルバ式)电机。另一方面，作为驱动装置，例如可由具有气动旋转致动器的部件构成，在这种情况下，如上所述，如果采用将绝缘体配置在第一电极4的保持件2的旋转方向两侧的结构，则无需另行设置检测旋转驱动保持件2到石英振子Co相对于成膜用窗口31处于正常相位的情况的检测装置，是有利的。

再有，在上述实施方式中说明的例子是：在板部4a自由端部的上表面设置带有滑动面41的滑动板部4b，第二电极5的部分51在滑动面41上滑动，通过电极5的部分51在滑动板部4b的滑动面41上滑动产生刮屑，使刮屑作为固体润滑剂使用，但并不仅限于此。在图4所示的本实施方式的变形例中，也可设置为在氟树脂材质的环形板部22的下表面221沿径向上形成多个长的狭缝状的凹部222，在该凹部222中，使翼状电极的下端向下方突出，该突出的具有圆顶形轮廓的第二电极5的部分51与切点部件4c的上表面抵接。在这种情况下，板部4a上只竖直设置棱柱形的切点部件4c。并且，在旋转驱动保持件2时，通过切点部件4c在环形板部22的下表面221滑动产生的刮屑作为固体润滑剂使用，在任意一个石英振子Co和成膜用窗口31在上下方向上相匹配的正常相位下，固体润滑剂位于第一电极4的切点部件4c和第二电极5的部分51的抵接部分。再有，通过第二电极5的部分51位于狭缝状的凹部222内，与上述实施方式同样地，作为检测装置而发挥作用，检测保持件被旋转驱动到石英振子Co相对于成膜用窗口31处于正常相位。此外，在上述变形例中，设置为形成狭缝状的凹部222，在该凹部222内使翼状电极的下端向下方突出，但并不限于此，也可设置为在氟树脂材质的环形板部22的下表面221规定位置形成突出部，在该突出部使翼状电极的下端向下方突出。

附图标记说明

SH.用于石英晶体振荡式薄膜厚度监视器的传感器头、1.传感器头主体、2.保持件、3.掩膜体、31.成膜用窗口、4.第一电极、4a.板部、4b.带有电绝缘性的滑动板部(固体润滑剂供给装置)、4c.切点部件(第一电极的构成要件)、41.滑动面、5.第二电极(翼状电极)、51.第二电极的部分、Sm.步进电机、Co.石英振子。