CN101044260A - 薄膜形成装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种薄膜形成装置，提高靶材料的利用率、生产节拍时间、维修性能以及成膜精度。所述薄膜形成装置包括：真空室；保持靶材料的溅射阴极；搭载用于堆积被溅射的靶材料的基板的搭载单元；以及搭载单元的搬运机构；在搬运机构中，按照使基板通过靶材料的前面的方式设置搬运路径，搭载单元由可连接并保持多个基板的基板托盘构成。

Description

薄膜形成装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种薄膜形成装置及薄膜形成方法，尤其涉及形成压电元件的电极膜。
背景技术
作为代表性的压电元件的水晶振子的共振频率由作为粗加工板的水晶片的厚度及其表面形成的金属电极的膜厚来决定。为了得到所希望的频率的水晶振子，首先将水晶片以预定厚度切出后，研磨表面，在其表面通过溅射蒸镀等形成金属电极膜。为了提高生产率，需要对多个水晶片进行连续处理，因此一般常用的是下述方法：在基板托盘或被称为托架的移动体上搭载多个水晶片，将其依次供给到设定为预定氛围的成膜区域内来形成电极膜。例如专利文献1公开了这种连续处理用的电极膜形成装置。专利文献1中，在水晶基板的搬运路径两侧设置多个具有电极材料的溅射阴极，在水晶基板的两侧一起形成多层电极膜。
连续处理用的成膜装置构成为，将基板依次运入成膜室内，进行成膜处理，将处理完毕的基板依次从成膜室中运出。可以形成一个成膜室来向成膜室内运入基板或从成膜室内运出基板，也可以形成不同成膜室来独立地运入和运出基板。例如，在一室兼用于运入和运出时，可以使用专利文献2的实施例中公开的结构。专利文献2涉及溅射装置的光学用多层膜的形成，在实施例中，公开了由进行基板的运入运出的准备室以及溅射室构成的装载固定式(load lock)溅射装置，并公开了溅射室中设有多个溅射阴极，在溅射阴极附近通过多次，形成多层膜的结构。通过采用专利文献2所述的装置构成，即使在利用多种靶材料的情况下，也可以靠近靶材料设置，因此能够缩短基板托盘的搬运距离，有助于装置的小型化。
图4表示现有的电极膜形成装置的一例。图4是具有收纳多个基板3的储料器40的负荷固定式装置，进行自动控制，上述自动控制将储料器40内所有的基板3被处理之前作为1个工序。向成膜室41运入基板3和从成膜室41运出基板3与专利文献2中公开的结构相同，用一个室兼作准备取出室1。图4a是从上方观察各室内部的概要图，图4b是从侧方观察各室内部的概要图。图5是图3的概要透视图，表示在基板3上搭载了多个水晶片50的形态。储料器40内的基板3在搭载于移动到准备取出室1的基板托盘42上后，依次搬运到成膜室41，成膜结束后，经由准备取出室1，再次收纳在储料室40内。在真空室内部具有多个溅射阴极7、设在溅射阴极7上的靶材料6、基板托盘42的搬运机构43、驱动搬运机构43的齿轮45以及基板托盘42的待机空间44，在真空室外部配置有齿轮45的驱动电动机14、溅射阴极7的阴极电源8。并且，各室中分别连接有粗抽阀9和主阀10。
图6是图4所示装置的概要外观图。溅射阴极7从成膜室41外侧由多个螺栓60固定。通过拆下螺栓60，可以进行靶材料的更换等维修作业。
图7a表示图4所示的基板托盘42以及搬运机构43的概要图，图7b是图7a的实线YY’的概要截面图。基板托盘42设计成可以搭载1个基板3，搬运机构43由搬运辊70、形成搬运路径的导轨72以及从两侧支持基板3的轴承71构成。在基板托盘42的搬运路径上设有多个搬运辊70，利用驱动电动机14经由齿轮45使搬运辊70旋转，由此移送基板托盘42。在准备取出室1和成膜室41中分别独立设置驱动电动机14，分别使其同步地进行驱动控制。
成膜时，向溅射阴极7施加电压，将一定速度的基板3供给到所形成的溅射区域内，由此在搭载于基板3上的所有水晶片50上堆积均匀的电极膜。电极膜的膜厚取决于基板3通过溅射区域内的时间，因此一般通过控制时间来进行膜厚控制。在溅射氛围一定的情况下，由于电极膜的厚度取决于基板托盘42的通过速度，因此通过搬运辊70的转速控制来进行成膜控制。
专利文献1：日本专利第3261504号
专利文献2：日本专利申请2004-266450号
上述连续处理用成膜装置反复开/关阴极电源，依次在基板上进行成膜处理。上述动作为，打开阴极电源，在阴极放电稳定的时刻将基板运入成膜区域内，使其通过阴极前面而堆积电极膜，在基板完全从成膜区域内运出的时刻，关闭阴极的电源。因此，即使向阴极通电的时间控制到最小限度，在放电稳定前的时间、以及基板的最前列和最后列通过成膜区域内的时间内，白白向不存在基板的空间内放出靶材料。如果仅仅考虑靶材料的利用率，理想的是，使阴极电源始终打开，向连续维持的成膜区域内不间断地提供基板，因此由于需要使多个基板同时待机的场所等，所以需要使真空槽大型化，并不实际。并且，在真空槽为普通大小时，需要包括从大气中依次将基板运入有限的真空空间内，将处理完毕的基板再次运出大气中的工序，因而无法避免将靶材料白白放出到成膜室内。靶材料白白放出时，靶材料的利用率降低，装置的维修周期缩短，并且浪费了作为良好的导电材料而较多用于水晶振子的电极膜的Au或Ag等高价金属材料，在成本方面也产生较大影响。
并且，现有的搬运装置由于在机械公差内的辊高度存在偏差，会在搬运中途产生辊空转的可能性。虽然基板的两侧面与轴承接触着直线前进，但是当轴承的位置出现偏差等时，基板与轴承碰撞，有时会因上述冲击而使辊空转。通过基板托盘的搬运速度和搬运位置控制成膜，但辊发生空转时，无法控制搬运速度和搬运位置，不能得到希望的膜厚，成品率降低。
进而，由于是在每个室中设置搬运辊的驱动电动机，同步地驱动多个电动机的机构，因此构成的部件复杂化，难以调整。
进而，现有的阴极通过螺栓固定，因此螺栓的数目较多，安装费时费力，维修也费时。
发明内容
本发明的第一侧面为一种薄膜形成装置，包括：真空室；保持靶材料的溅射阴极；搭载用于堆积被溅射的靶材料的基板的搭载单元；以及搭载单元的搬运机构，在搬运机构中，以基板通过靶材料前面的方式设置搬运路径，搭载单元由连接并保持多个基板的基板托盘构成。在这里，以使基板托盘多次通过溅射阴极前面的方式构成搬运机构。
并且，以由往返动作使基板托盘多次通过溅射阴极前面的方式构成搬运机构，在真空室内设置基板托盘的待机空间，待机空间的垂直于搬运路径的截面形状与由基板和基板托盘所划定的形状大致相似，截面的面积比真空室的非待机空间部分的垂直于搬运路径的截面面积小。
进而，基板托盘上形成有齿条，搬运机构包括与齿条啮合的正齿轮以及驱动正齿轮的驱动单元。基板托盘的搬运路径上设有多个正齿轮，并包括：与正齿轮连接的带轮；张挂在带轮间的至少1个以上的同步带；以及驱动至少一个带轮的驱动电动机。并且，搬运机构包括：形成基板托盘的搬运路径的导轨；设在基板托盘上的齿条；设在基板托盘上、承受基板托盘的负荷并在导轨上移动的辊；以及支撑移动的基板的轴承。
进而，溅射阴极设在隔着基板托盘的搬运路径相对的位置上。并且，具有从真空室外侧固定溅射阴极的夹紧件。
进而，薄膜形成装置由准备取出室和成膜室构成，在准备取出室中设有基板托盘的升降机构。准备取出室上连接有粗抽泵，成膜室上连接有主泵，排气系统形成一个系统。并且，基板上搭载有多个压电元件，至少一种靶材料为Au或Ag。
本发明的第二侧面为一种薄膜形成装置，包括：保持靶材料的至少一个溅射阴极；用于使靶进行溅射放电的溅射阴极的电源；搭载多个堆积了由溅射放电放出的靶材料的基板的搭载单元；以使基板通过溅射阴极前面的方式形成搭载单元的搬运路径的导轨；设在搭载单元上的车轴；安装在车轴两端的辊；支撑基板的轴承；设在搭载单元上的齿条；在搭载单元的搬运路径上设置多个并与齿条啮合的正齿轮；驱动正齿轮的带轮；与带轮连接的同步带；以及驱动多个带轮中的至少一个带轮的驱动电动机；搭载单元由可以连接并保持多个基板的基板托盘构成。
本发明的第三侧面为一种薄膜形成方法，在具有搬运机构的薄膜形成装置中对基板进行成膜，上述搬运机构使基板通过真空室内设置的靶材料的成膜区域，多个基板在搬运方向上连接并搭载在基板托盘上，利用搬运机构将基板托盘运入靶材料的成膜区域，在靶材料前面，使基板托盘以一定速度进行移动。并且，使设在基板托盘上的齿条和设在搬运机构上的正齿轮啮合，通过使正齿轮旋转，搬运基板托盘。并且，在溅射阴极内配置靶材料，向溅射阴极施加电压，使其溅射放电，在放电稳定的时刻将基板托盘运入靶材料的前面，将靶材料堆积在基板上，在连续的基板的最末端从靶材料的溅射放电区域穿过后的时刻停止向溅射阴极通电。
发明效果
在本发明中，将基板连续地供给到成膜区域，改善基板的搬运部件，由此能够有效提高靶材料的利用率、生产节拍时间、维修性能以及成膜精度。
附图说明
图1是本发明的薄膜形成装置概要图。
图2是本发明的基板托盘和搬运机构概要图。
图3是本发明的溅射阴极外观图。
图4是现有薄膜形成装置概要图。
图5是基板概要透视图。
图6是现有溅射阴极概要图。
图7是现有基板托盘和搬运机构概要图。
标号说明
1准备取出室
2成膜室
3基板
4基板托盘
5搬运机构
6靶材料
7溅射阴极
8阴极电源
9粗抽泵
10主泵
11闸阀
12带轮
13同步带
14驱动电动机
15升降机构
16基板加热机构
17待机空间
20齿条
21正齿轮
22车轴
23辊
24轴承
25导轨
30夹紧件
31合页
32压板
33孔
34螺钉
35把手
40储料器
41成膜室
42基板托盘
43搬运机构
44待机空间
45齿轮
50水晶片
60螺栓
70搬运辊
71轴承
72导轨
具体实施方式
图1表示本发明的电极膜形成装置的一例，与现有技术相同的部分标以相同的标号并省略其说明。装置由准备取出室1和成膜室2构成，图1a是从上方观察各室内部的概要图。图1b是从侧方观察各室内部的概要图。实施例出于提高生产率和削减装置占有面积的目的省略了储料器，也可以根据需要设置储料器。
准备取出室1和成膜室2由闸阀11隔开，成膜室2上连接有主阀10，准备取出室1上连接有粗抽阀9。主阀10与未图示的主泵连接、粗抽阀9与未图示的粗抽泵连接，从而可以使装置的排气系统形成一个系统，有助于装置结构的简化，但也可以根据需要同时在各室中安装粗抽阀和主阀。
图2a表示图1所示基板托盘4和搬运机构5的概要图，图2b表示图2a的实线XX’的概要截面图。
基板托盘4设计成可以连续搭载多个基板3，在图中搭载5个基板3。基板3在搬运方向上无间隙地邻接。由于一次成膜处理中浪费的靶材料6的量一定，而与所搭载的基板3的个数无关，因此可以通过增加基板托盘4上搭载的基板3的数目来降低浪费的靶材料1的量。例如，与搭载1个基板3的情况相比，在基板托盘4上搭载5个基板3的情况下，可以将浪费的靶材料抑制到20％。可以根据生产量或装置的设置空间等条件适当选择搭载的基板3的数目，通过向成膜区域内连续供给基板3，可以提高靶材料6的利用率。并且，通过同时处理多个基板，可以提高生产率，并缩短生产节拍时间。
搬运机构5包括：设在基板托盘4上的齿条20以及车轴22、安装在车轴22两端的辊23、与齿条20啮合地配置的正齿轮21、配置在基板3两侧面的轴承24以及形成搬运路径的导轨25。轴承24设在基板托盘4上，但也可以设在导轨25上。在多处配置正齿轮21，利用带轮12和同步带13通过一个驱动电动机1使正齿轮21旋转，与齿条20啮合，从而在基板托盘4上直线前进。实施例通过带轮12以及同步带13来传递动力，从而省略了多个驱动源的同步化，有助于削减驱动系统的占有面积和简化装置构成。
车轴22以及辊23一边支撑着基板托盘4的负荷一边平滑地移送基板托盘4，降低对正齿轮21的负荷，稳定地搬运基板托盘4。轴承24不向搬运机构5施加负荷地支持基板3。在图中，齿条20和正齿轮21设在基板托盘4的下面，但不限于此，例如也可以将正齿轮设在基板托盘的侧方，使其与设在基板托盘侧面的齿条啮合并驱动。由于实施例的搬运机构5采用齿轮齿条副机构，因此不会像现有的搬运辊那样空转，能够切实地搬运基板托盘4。由此，能够准确地控制基板位置和基板速度，从而能够准确地控制基板托盘4通过溅射区域内的时间。由此有助于膜厚控制精度的提高。
准备取出室1中设有搬运机构5、基板托盘4的升降机构15以及根据需要设置的基板加热机构16。成膜室2暴露于高温中，因而基板3和基板托盘4保持高温状态从成膜室2运出到准备取出室1。实施例中通过在准备取出室1内设置基板托盘4的升降机构15，即使是高温状态的基板3，也能够安全地从准备取出室1中取出。在实施例中，取出的基板3可以不收纳于储料器中，而是依次送出至下一工序，因此有助于提高生产率。从准备取出室1取出基板3可以自动进行也可以手动进行。也可以设置储料器，将成膜完毕的基板3一并取出。并且，从准备取出室1取出基板3的机构并不限于升降机构。
在成膜室2中设置基板托盘4的待机空间这一点与现有技术相同，但实施例的特征在于，待机空间17的真空槽的形状无限接近包括基板3和基板托盘4的一组移动体的形状。待机空间17优选设置在往返动作的基板托盘的返回位置上，也可以设置在成膜室2内与准备取出室1相接的位置上。由此，可以减少成膜室2内的容积，减少抽真空或向大气开放的时间。进而有助于削减装置的占有面积。
图3a是图1所示的薄膜形成装置的外观图，为了便于说明，仅概要地表示了溅射阴极7的配置部。溅射阴极7通过配置在成膜室2外部的夹紧件30和合页31，可以相对成膜室2自由开合地设置。图3b是夹紧件30的概要透视图，表示螺钉34插通设在压板32上的大致椭圆形状的孔33的状态。图3a和图3b表示利用夹紧件30在对成膜室内部进行气密密封的状态下固定溅射阴极7的状态，在溅射阴极开放时，通过松动螺钉34的把手35，使压板32沿着孔33移动即可。通过使溅射阴极7形成门结构，可以大幅度提高靶材料的更换等维修性。
以下说明图1至图3所示装置的动作。将基板3连续地放置在移动到准备取出室1的基板托盘4上，在开放闸阀11的状态下排气至预定的真空度。利用基板加热机构16加热基板3，进行成膜的预先准备。向设有要进行成膜的靶材料A的溅射阴极7通电，在放电产生的溅射氛围稳定的时刻，将基板托盘4从准备取出室1运入成膜室2。以一定速度搬运基板托盘4，并使其通过溅射阴极7的前面，从而在基板3面上堆积靶材料A。在基板托盘4通过溅射区域后的时刻停止阴极电源8，向设有下一个要进行成膜的靶材料B的溅射阴极7通电。此时，基板托盘4在待机空间17待机。在放电稳定的时刻，向反方向以一定速度搬运基板托盘4，在基板3的表面上形成第二层电极膜。成膜结束后，将基板托盘4搬运到准备取出室1，关闭闸阀11，将准备取出室1向大气开放。驱动升降机构15，从准备取出室1运出成膜完毕的基板3。在空出的基板托盘4上搭载未成膜的基板3，在粗抽阀9对准备取出室1进行粗抽排气后，开放闸阀11，利用主泵10进行抽真空并达到预定的真空度，在基板3的成膜准备后以同样的方式成膜。反复进行动作，依次在基板上进行成膜处理即可。
实施例中将2种金属材料A、B的成膜各进行了一次，但也可以配置数目与要进行成膜的金属材料种类相同的溅射阴极，使基板托盘反复进行往返动作，由此得到所需要的膜结构。例如，可以将多种金属材料交替堆积所需层数。可以通过基板托盘的搬运速度控制各层的膜厚。
另外，作为合适的例子包括：在基板上搭载多个压电元件，上述靶材料A例如为Au和Ag。
在实施例中，通过双向输送基板托盘有助于装置的小型化，也可以将多种金属材料以成膜区域不重叠的程度的间隔配置在成膜室内，独立设置准备室和取出室，并向一个方向搬运基板托盘。即使在向一个方向搬运基板托盘的情况下，也可以使运入成膜室的基板数目增加，由此同样可以得到提高靶材料利用率的效果。
在实施例中，隔着搬运路径相对配置溅射阴极，在基板的两面形成薄膜，但也可以仅在搬运路径的一面配置溅射阴极，仅在基板的一面形成薄膜。
并且，在实施例中，在真空槽的侧壁上设置阴极，以基板相对于真空槽直立的状态进行搬运，但也可以在真空槽的顶板或底板上设置阴极，以基板相对于真空槽放平的状态进行搬运。
另外，也可以将本发明的真空槽以外的部分设在已知真空槽的内部。
实施例对于在水晶片上形成电极膜进行了说明，但不限于此，只要是形成薄膜的装置，均可以实施本发明。

Claims (16)

1.一种薄膜形成装置，包括：真空室；保持靶材料的溅射阴极；搭载用于堆积被溅射的所述靶材料的基板的搭载单元；以及所述搭载单元的搬运机构，其特征在于，
在所述搬运机构中，以所述基板通过所述靶材料前面的方式设置搬运路径，
所述搭载单元由连接并保持多个所述基板的基板托盘构成。
2.根据权利要求1所述的薄膜形成装置，其特征在于，
以使所述基板托盘多次通过所述溅射阴极前面的方式构成所述搬运机构。
3.根据权利要求2所述薄膜形成装置，其特征在于，
以由往返动作使所述基板托盘多次通过所述溅射阴极前面的方式构成所述搬运机构，
在所述真空室内设置所述基板托盘的待机空间，
所述待机空间的垂直于所述搬运路径的截面形状与由所述基板和所述基板托盘所划定的形状大致相似，所述截面的面积比所述真空室的非待机空间部分的垂直于所述搬运路径的截面面积小。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的薄膜形成装置，其特征在于，
所述基板托盘上形成有齿条，
所述搬运机构包括与所述齿条啮合的正齿轮以及用于驱动所述正齿轮的驱动单元。
5.根据权利要求4所述的薄膜形成装置，其特征在于，
所述基板托盘的搬运路径上设有多个所述正齿轮，
并且，所述薄膜形成装置包括：
与所述正齿轮连接的带轮；张挂在所述带轮间的至少1个以上的同步带；以及驱动至少一个所述带轮的驱动电动机。
6.根据权利要求5所述的薄膜形成装置，其特征在于，
所述搬运机构包括：形成所述基板托盘的搬运路径的导轨；设在所述基板托盘上的齿条；设在所述基板托盘上、承受所述基板托盘的负荷并在所述导轨上移动的辊；以及支撑移动的所述基板的轴承。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的薄膜形成装置，其特征在于，
所述溅射阴极设在隔着所述基板托盘的搬运路径相对的位置上。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的薄膜形成装置，其特征在于，
具有从所述真空室外侧固定所述溅射阴极的夹紧件。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的薄膜形成装置，其特征在于，
所述真空室由准备取出室和成膜室构成，
在所述准备取出室中设有所述基板托盘的升降机构。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的薄膜形成装置，其特征在于，
所述真空室由准备取出室和成膜室构成，
所述准备取出室上连接有粗抽泵，所述成膜室上连接有主泵，
排气系统形成一个系统。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的薄膜形成装置，其特征在于，
所述基板上搭载有多个压电元件。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的薄膜形成装置，其特征在于，
至少一种所述靶材料为Au或Ag。
13.一种薄膜形成装置，包括：
保持靶材料的至少一个溅射阴极；
用于使所述靶进行溅射放电的所述溅射阴极的电源；
搭载多个堆积了由溅射放电放出的所述靶材料的基板的搭载单元；
以使所述基板通过所述溅射阴极前面的方式形成所述搭载单元的搬运路径的导轨；
设在所述搭载单元上的车轴；
安装在所述车轴两端的辊；
支撑所述基板的轴承；
设在所述搭载单元上的齿条；
在所述搭载单元的搬运路径上设置多个并与所述齿条啮合的正齿轮；
驱动所述正齿轮的带轮；
与所述带轮连接的同步带；以及
驱动多个所述带轮中的至少一个带轮的驱动电动机，
其特征在于，所述搭载单元，由连接保持多个所述基板的基板托盘构成。
14.一种薄膜形成方法，在具有搬运机构的薄膜形成装置中对所述基板进行成膜，所述搬运机构使基板通过设置在真空室内的靶材料的成膜区域，其特征在于，
多个所述基板在搬运方向上连接并搭载在基板托盘上，
利用所述搬运机构将所述基板托盘运入所述靶材料的成膜区域，
在所述靶材料前面，使所述基板托盘以一定速度进行移动。
15.根据权利要求14所述的薄膜形成方法，其特征在于，
使设在所述基板托盘上的齿条和设在所述搬运机构上的正齿轮啮合，通过使所述正齿轮旋转来搬运所述基板托盘。
16.根据权利要求14或15所述的薄膜形成方法，其特征在于，
在溅射阴极内配置所述靶材料，向所述溅射阴极施加电压，使其溅射放电，
在放电稳定的时刻将所述基板托盘运入所述靶材料的前面，
将所述靶材料堆积在所述基板上，
在相连的所述基板的最末端从所述靶材料的溅射放电区域穿过后的时刻停止向所述溅射阴极通电。
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