JP5199799B2 - 真空蒸着方法及び真空蒸着装置 - Google Patents

Description

本発明は被成膜物が立体物であり、その主面及び側面に密着性の良い蒸着膜を成膜し、なおかつ任意面の膜厚を他の面に比べて厚くすることを真空槽の大気開放を行うことなく実施することが可能な真空蒸着方法および真空蒸着装置に関するものである。

真空蒸着法は、真空中で薄膜を成す物質を加熱・蒸発させ、その蒸気を任意の基板上に付着・堆積させて薄膜を作り出す方法であり、比較的簡便に薄膜を成膜する事ができる方法であることから、広く使われている成膜方法である。この真空蒸着法ではプラネタリ型と呼ばれる図９に示すような構造が多く用いられている。図９は、従来の真空蒸着装置の略構成図である。

プラネタリ型の真空蒸着装置は真空槽１０１内下部に蒸発源１０２が配置され、真空槽１０１内上部にドーム型の公転機構１０３を有し、この公転機構１０３により公転する蒸着治具１０４に被成膜物を取り付けて成膜を行う構造となっている。被成膜物は公転機構１０３により任意の速度で公転し、蒸発源１０２からの蒸発物を蒸発源１０２に対向した面に堆積させ、薄膜を形成する。さらに、被成膜物の複数面に成膜を行いたい場合には公転機構１０３に自転機構１０９を取り付けることにより、公転及び自転を行いながら、複数の面を蒸発源１０２に曝すことにより立体物である被成膜物各面に対して成膜を行うことができる。自転機構１０９は、所定の位置で自転カム１０７を自転シリンダ１０８で挿抜し、自転カム１０７で自転軸１０５に取り付けられた自転ギヤ１０６を作動させる。真空中での成膜装置としては他にスパッタリング法もあるが、スパッタリング装置は真空蒸着装置に比べ膜の密着性、膜厚分布等が良好である反面、装置価格が非常に高額であるという欠点がある。

被成膜物として音叉型水晶振動子を例に挙げる。図２は、音叉型水晶振動子の模式図である。音叉型水晶振動子１７の発振周波数は音叉枝の長さと音叉枝の幅によって定められているが、音叉枝先端の薄膜部は通常２種類の領域から構成されており、周波数調整時に粗い調整を行う粗調膜部１４と、また、周波数の最終調整を行う前記粗調膜部１４より薄い膜厚の微調膜部１５である。音叉枝先端部に形成された粗調膜はレーザー等を用いて除去する方法が広く用いられている。粗調膜部１４は概して大きな周波数変化量を得る領域であることより、密度の高い金属膜、例えば金が用いられ、更に１〜４μｍ程度の膜厚で成膜される。微調膜部１５は水晶振動子の電極膜１６の一部として形成されることが多く、その膜厚は最大でも３０００Å程度であり、金や銀あるいはパラジウムといった貴金属類が用いられることが多い。

真空蒸着装置については以下のような文献が開示されている。
特開平４−３２９８６９号公報 特開２００７−１００１２３号公報

音叉型水晶振動子の音叉枝先端部の様な略四辺形断面を持つ被成膜物において略四辺形の全面あるいは複数面に成膜を行う場合、１台の公転機構と複数の自転機構を有する従来の真空蒸着装置では１公転ごとに任意の回転角度で自転を行うことにより複数面にほぼ均一な厚さの膜を形成することができる。

一方複数面への成膜を行うが、任意面の膜厚を厚く成膜したい場合、通常の成膜動作では公転及び自転を行い、複数面に所望の膜厚で成膜したのち、一度真空槽を大気開放し、作業者が被成膜物の厚い膜を付ける面を蒸発源に対向させ、自転は行わず公転のみの動作により成膜を行うという作業手順で成膜を行っていた。しかし真空蒸着装置の様な高真空環境下（例えば１Ｅ−３Ｐａ以下）での成膜を行う場合、大気開放あるいは真空引きといった真空装置特有の動作において非常に時間がかかるという問題があった。例えば、真空槽内が高真空に到達するまでの真空引き時間として約２０分、蒸着直後の蒸発源冷却の為の時間が約１０分、更に成膜後真空槽内を大気開放させるために要する時間が約１０分の合計４０分程度が必要であった。そのため著しく生産性を悪化させる状況にあった。

被成膜物が音叉型水晶振動子である場合を例に挙げる。図４は、従来の真空蒸着装置を用いて成膜した音叉型水晶振動子の要部で、図２のＡＡ’断面図である。図５は、従来の蒸着マスクにより水晶振動子を挟み込んだ状態を説明する図である。図６は、従来の粗調膜部のみ開口した蒸着マスクにより水晶振動子を挟み込んだ状態を説明する図である。

図４に示すように粗調膜部１４主面の一部にのみ粗調膜を厚く成膜する場合、通常は図５に示すように、粗調膜部１４のみを開口させたステンレス等からなる蒸着マスク１８を用意し、蒸着マスク１８で被成膜物である音叉型水晶振動子１７を挟み込み、成膜を行う方法が一般的である。

一方、音叉型水晶振動子１７の小型化に伴い、粗調膜部１４は約４００×１００μｍ程度のわずかな面積となってきており、この寸法にて蒸着マスク１８を設計した場合、蒸着マスク開口部１９は図６に示すように、加工上の制限から必ずしも四角い形状と成らず楕円形状となってしまう。そのため、音叉型水晶子１７の粗調膜部１４を広く取り、周波数調整量を多くとりたい設計意図が満たせないことがある。さらに音叉型水晶振動子１７の音叉枝寸法に対して粗調膜部１４をできうる限り広く取ろうとした場合、前記蒸着マスク１８により音叉型水晶振動子１７を挟み込むと、蒸着マスク１８重ね合わせの組立バラツキ、蒸着マスク１８自体の加工寸法バラツキ等により、音叉型水晶振動子１７の粗調膜部１４の所定部位へ成膜することが困難となる。

従って、蒸着マスク開口部１９をスリット状とし、複数個の音叉型水晶振動子１７が配置されたウエハーである場合に、複数個の音叉型水晶振動子１７の粗調膜部１４を蒸着マスク１８のスリット部に位置決めをし、音叉型水晶振動子１７の音叉枝先端部の略四辺形断面に対して成膜することとなる。しかし、このような成膜方法では音叉型水晶振動子１７の音叉枝側面にも成膜することとなり、この側面に置ける膜密着性の弱さが後の工程で行うレーザー等による粗調膜除去の際に側面膜ハガレといった問題を引きおこすこととなる。

本発明では、被成膜物の任意面の膜厚を他面に比べて厚い膜厚の蒸着膜を形成することができるより生産性の高い真空蒸着方法および真空蒸着装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の真空蒸着方法は、真空槽内にて公転機構と該公転機構に組み込まれた複数の自転軸に取り付けられた被成膜物を自転させる自転機構とを用いた真空蒸着方法であって、前記自転軸は第一自転ギヤと第二自転ギヤの２組の自転ギヤを直列に取り付けた構造であり、公転軌道上の任意の点において前記第一自転ギヤの歯間角度に応じた角度で自転させうる第一自転機構により被成膜物の複数面に成膜し、さらに前記第一自転ギヤの一歯を除いた歯車形状の前記第二自転ギヤを公転中に第二自転ギヤの歯間角度に応じた角度で自転させうる第二自転機構により前記被成膜物に成膜し、さらに前記第二自転機構による前記自転軸の自転により前記第二自転ギヤの一歯を除いた位置において、前記自転軸に取り付けられた前記被成膜物の任意の面が蒸発源に対して所定の角度に保持することにより、前記被成膜物の任意面のみに厚く成膜することを特徴とする。

さらに本発明の真空蒸着方法は、前記第二自転ギヤの歯数をｎ２としたとき、前記自転軸を（ｎ２）回公転することにより前記第二自転機構と前記第二自転ギヤとの組み合わせによる前記被成膜物の自転動作を（ｎ２）回行った後、前記第一自転ギヤの歯数をｎ１としたとき、前記自転軸を（ｎ１−１）回公転することにより前記第一自転機構と前記第一自転ギヤとの組み合わせによる前記被成膜物の自転動作を（ｎ１−１）回行った後、さらに前記第二自転機構と前記第二自転ギヤとの組み合わせによる前記被成膜物の自転動作を（ｎ２）回行い、前記自転軸に取り付けられた前記被成膜物の蒸発源に対する角度を所定の角度に整列することができる。

上記目的を達成するため、本発明の真空蒸着装置は、真空槽内に公転機構と該公転機構に組み込まれた複数の自転軸に取り付けられた被成膜物を自転させる自転機構とを有する真空蒸着装置において、前記自転軸は第一自転ギヤと第二自転ギヤの２組の自転ギヤを直列に取り付けた構造であり、公転軌道上の任意の点において前記第一自転ギヤの歯間角度に応じた角度で自転させ被成膜物の複数面に成膜する第一自転機構と、前記第一自転ギヤの一歯を除いた歯車形状の前記第二自転ギヤを公転中に前記第二自転ギヤの歯間角度に応じた角度で自転させ前記被成膜物に成膜する第二自転機構とを備え、前記第二自転機構による前記自転軸の自転により前記第二自転ギヤの一歯を除いた位置において、前記自転軸に取り付けられた前記被成膜物の任意の面が蒸発源に対して所定の角度に保持することにより、前記被成膜物の任意面のみに厚く成膜することを特徴とする。

さらに本発明の真空蒸着装置は、前記第二自転ギヤの歯数をｎ２としたとき、前記自転軸を（ｎ２）回公転することにより前記第二自転機構と前記第二自転ギヤとの組み合わせによる前記被成膜物の自転動作を（ｎ２）回行った後、前記第一自転ギヤの歯数をｎ１としたとき、前記自転軸を（ｎ１−１）回公転することにより前記第一自転機構と前記第一自転ギヤとの組み合わせによる前記被成膜物の自転動作を（ｎ１−１）回行った後、さらに前記第二自転機構と前記第二自転ギヤとの組み合わせによる前記被成膜物の自転動作を（ｎ２）回行い、前記自転軸に取り付けられた前記被成膜物の蒸発源に対する角度を所定の角度に整列する整列機構を有することができる。

本発明により、真空蒸着における略四辺形断面を有する被成膜物の複数面への成膜において、任意面の膜厚を他面に対して厚くしたい場合、真空槽の大気開放、作業者による真空槽内の自転機構に取り付けられた被成膜物の角度整列及び再度の真空引きといった煩雑な動作を行うことなく、真空環境下において被成膜物をあらかじめ設定した角度に整列させることができる真空蒸着方法および真空蒸着装置を提供し、生産性を向上させることができる。

さらに、第二自転機構１３により生じる自転エラーを解消するために第一自転機構１２と第二自転機構１３との公転数あるいは被成膜物の自転数を設定することにより確実に、被成膜物をあらかじめ設定した角度に整列させることができる真空蒸着方法および真空蒸着装置を提供し、生産性を向上させることができる。

回転数の設定は次のようになる。前記第一自転機構９の第一自転ギヤの歯数をｎ１、前記第二自転機構１３の第二自転ギヤ１０の歯数をｎ２とした場合、公転機構１３による公転をｎ２回転し、第二自転機構１３による自転動作をｎ２回行った後、第二自転機構が退避し、第一自転機構が挿入されると、公転機構１３による公転を（ｎ１−１）回転行い、第一自転機構による自転動作を（ｎ１−１）回転行う。その後、第一自転機構が退避し、再度第二自転機構が挿入され、第二自転機構による公転をｎ２回、つまり第二自転機構による自転動作をｎ２回行うことにより、蒸着治具４は全て所定の位置に揃うことができる。

本発明により、被成膜物の任意面の膜厚を他面に比べて厚い膜厚の蒸着膜を形成できる生産性の高い真空蒸着方法および真空蒸着装置を提供することが可能となる。

本発明における具体的な実施例を、音叉型水晶振動子が他数個配置されたウエハーへの成膜を例に図を参照しながら説明する。図１は、本実施例における真空蒸着装置の略構成図である。図３は、本実施例における真空蒸着装置を用いて成膜した音叉型水晶振動子の要部で、図２のＡＡ’断面図である。図７は、本実施例における蒸着治具と自転ギヤの組立図である。図８は、本実施例における蒸着治具の自転模式図である。尚、各図においては説明を明瞭にするため構造体の一部は図示せず、更には寸法も一部は誇張してある。

図７に示すように、被成膜物である音叉型水晶振動子が多数個配置されたウエハーを取り付けた蒸着治具４を取り付ける自転軸５は、略四辺形断面を持つ音叉型水晶振動子の枝断面の４辺を成膜するために９０°ステップの自転を行うｎ１＝４歯からなる第１自転ギヤ６と、ｎ２＝３歯の第２自転ギヤ１０を直列に取り付けた構造となる。

本実施例における真空蒸着装置は従来の真空蒸着装置（図９参照）に対して、被成膜物を取り付ける蒸着治具４を自転させる第一自転ギヤとこれを動作させる第一自転機構９と、第二自転ギヤ１０とこれを動作させる第二自転機構１３とを有することが特徴である。自転軸５には、第一自転ギヤ６と第二自転ギヤ１０とが取り付けられており、第一自転機構９は、第一自転カム７とこれを挿入／退避させる第一自転シリンダ８とを有し、第一自転ギヤ６のみを動作させる位置に取り付けられ、第二自転機構１３は、第二自転カム１１とこれを挿入／退避させる第二自転シリンダ１２とを有し、第二自転ギヤ１０のみを動作させる位置に取り付けられている。

蒸着治具４は、図７に示すように自転軸５に取り付けられており、この自転軸５には前記第一自転ギヤ６と前記第二自転ギヤ１０が取り付けられている。真空蒸着装置に取り付けられた蒸着治具４は、図８に示す自転動作を行う。

第一自転機構９と第一自転ギヤ６との組み合わせにおいて、図８（ａ）の状態にて蒸発源２に蒸着治具４のＢ面とＣ面が曝されており、Ａ面とＤ面は蒸発源２に対して影となっている部分である。従って、この状態ではＡ面とＤ面への成膜は行われない。この状態において蒸着治具４は１公転を行う。一公転終了後、第一自転カム７において第一自転ギヤ６が作動し、蒸着治具４は図８（ｂ）の状態に移行する。この状態においては蒸発源２にＡ面とＢ面が曝され、Ｃ面とＤ面は影となるためＡ面とＢ面にのみ成膜が行われる。この様に一公転毎に蒸着治具４は図８の（ａ）から（ｄ）の状態を繰り返すこととなり、蒸着治具４のあらゆる面に成膜を行うことができる。

蒸着治具４の４面に任意膜厚の成膜が終了した時点で第二自転機構１３が動作する。第一自転カム７が第一自転シリンダ８によって退避し、第二自転カム１１が第二自転シリンダ１２によって挿入される。自転軸５の軸長方向から見て第二自転ギヤ１０は第一自転ギヤ６から４５°回転させた位置に配置（図７参照）されている。例えば、図８（ｂ）は図８（ｅ）と同一の状態であり、蒸着治具４が一公転すると、第二自転カム１１によって第二自転ギヤ１０が作動し、蒸着治具４は図８（ｆ）の状態に移行し、蒸発源２に対向する蒸着治具４の面を、第二自転機構１３と第二自転ギヤ１０との組み合わせにおける面に揃えることができる。以降第二自転カム１１と第二自転ギヤ１０により図８（ｈ）まで蒸着治具４はｎ２＝３回の自転を行い、図８（ｈ）以降では第二自転ギヤ１０が一歯無い為、第二自転カム１１が空回りをし、蒸着治具４のＣ面が蒸発源２に対向する。以降蒸発源２に対向したＣ面にのみ成膜を行うことができる。

但し、本機構において図８（ａ）〜（ｄ）にて自転エラーが生じた場合、図８（ｅ）〜（ｈ）の整列動作に当てはまらない図８（ｉ）の状態が生じることがある。このような自転エラーが生じた場合、第二自転カム１１では第二自転ギヤ１０を作動させることが当然ながらできない。そのため第二自転カム１１を一度退避させ、第一自転カム７を再度挿入することにより蒸着治具４は第一自転カム７と第一自転ギヤ６による自転を再び開始することとなる。本動作により蒸着治具４は再び図８（ａ）〜（ｅ）の反転動作に入る。ここで第一自転機構９による動作を図８（ｃ）まで、つまり（ｎ１−１）＝３公転を行い、第二自転ギヤ１０と第二自転カム１１が動作する位置に蒸着治具４を再度整列させる。その後第一自転カム７を退避させ、第二自転カム１１を挿入し図８（ｅ）からの動作を行うことで図８（ｉ）の様な自転不良を発生させることなく蒸着治具４のＣ面を蒸発源２に対向させることが可能となる。

以上のような動作をまとめると回転数の設定は次のようになる。前記第一自転機構９の第一自転ギヤの歯数をｎ１、前記第二自転機構１３の第二自転ギヤ１０の歯数をｎ２とした場合、公転機構１３による公転をｎ２回転し、第二自転機構１３による自転動作をｎ２回行った後、第二自転機構が退避し、第一自転機構が挿入されると、公転機構１３による公転を（ｎ１−１）回転行い、第一自転機構による自転動作を（ｎ１−１）回転行う。その後、第一自転機構が退避し、再度第二自転機構が挿入され、第二自転機構による公転をｎ２回、つまり第二自転機構による自転動作をｎ２回行うことにより、蒸着治具４は全て所定の位置に揃うことができる。

以上の機構により本実施例の真空蒸着装置は真空槽１の大気開放を行うことなく、蒸着治具４をあらかじめ設計により求められた方向に確実に整列させることが可能となる。

本実施例の真空蒸着装置を用いて音叉型水晶振動子に成膜することで、生産性を向上しつつ、図３に示すように粗調膜成膜部主面の一部にのみ厚く成膜することが可能となる。

尚、本発明による真空蒸着装置を水晶振動子の粗調膜部成膜を例に挙げ説明をしたが、対象用途は水晶振動子に限定されるものではなく、更に本発明の要旨に則った範囲において種々の変更、改良が可能である。

本実施例における真空蒸着装置の略構成図 水晶振動子の模式図 本実施例における真空蒸着装置を用いて成膜した音叉型水晶振動子の要部で、図２のＡＡ’断面図 従来の真空蒸着装置を用いて成膜した音叉型水晶振動子の要部で、図２のＡＡ’断面図 従来の蒸着マスクにより水晶振動子を挟み込んだ状態図 従来の粗調膜部のみ開口蒸着マスクにより水晶振動子を挟み込んだ状態図 本実施例における蒸着治具と自転ギヤの組立図 本実施例における蒸着治具の自転模式図 従来の真空蒸着装置

符号の説明

１ 真空槽
２ 蒸発源
３ 公転機構
４ 蒸着治具
５ 自転軸
６ 第一自転ギヤ
７ 第一自転カム
８ 第一自転シリンダ
９ 第一自転機構
１０ 第二自転ギヤ
１１ 第二自転カム
１２ 第二自転シリンダ
１３ 第二自転機構
１４ 粗調膜部
１５ 微調膜部
１６ 電極膜
１７ 音叉型水晶振動子
１８ 蒸着マスク
１９ 蒸着マスク開口部
１０１ 真空槽
１０２ 蒸発源
１０３ 公転機構
１０４ 蒸着治具
１０５ 自転軸
１０６ 自転ギヤ
１０７ 自転カム
１０８ 自転シリンダ
１０９ 自転機構

Claims (4)

1. 真空槽内にて公転機構と該公転機構に組み込まれた複数の自転軸に取り付けられた被成膜物を自転させる自転機構とを用いた真空蒸着方法において、
   前記自転軸は、第一自転ギヤと第二自転ギヤの２組の自転ギヤを直列に取り付けた構造であり、
   公転軌道上の任意の点において第一自転ギヤの歯間角度に応じた角度で自転させうる第一自転機構により前記被成膜物の複数面に成膜し、
   さらに前記第一自転ギヤの一歯を除いた歯車形状の前記第二自転ギヤを公転中に前記第二自転ギヤの歯間角度に応じた角度で自転させうる第二自転機構により前記被成膜物に成膜し、
   さらに前記第二自転機構による前記自転軸の自転により前記第二自転ギヤの一歯を除いた位置において、前記自転軸に取り付けられた前記被成膜物の任意の面が蒸発源に対して所定の角度を保持することにより、前記被成膜物の任意面のみに厚く成膜することを特徴とする真空蒸着方法。
2. 前記第二自転ギヤの歯数をｎ２としたとき、前記自転軸を（ｎ２）回公転することにより前記第二自転機構と前記第二自転ギヤとの組み合わせによる被成膜物の自転動作を（ｎ２）回行った後、
   前記第一自転ギヤの歯数をｎ１としたとき、前記自転軸を（ｎ１−１）回公転することにより前記第一自転機構と前記第一自転ギヤとの組み合わせによる前記被成膜物の自転動作を（ｎ１−１）回行った後、
   さらに前記第二自転機構と前記第二自転ギヤとの組み合わせによる前記被成膜物の自転動作を（ｎ２）回行い、前記自転軸に取り付けられた前記被成膜物の蒸発源に対する角度を所定の角度に整列することを特徴とする請求項１記載の真空蒸着方法。
3. 真空槽内に公転機構と該公転機構に組み込まれた複数の自転軸に取り付けられた被成膜物を自転させる自転機構とを有する真空蒸着装置において、
   前記自転軸は、第一自転ギヤと第二自転ギヤの２組の自転ギヤを直列に取り付けた構造であり、
   公転軌道上の任意の点において前記第一自転ギヤの歯間角度に応じた角度で自転させ前記被成膜物の複数面に成膜する第一自転機構と、
   前記第一自転ギヤの一歯を除いた歯車形状の前記第二自転ギヤを公転中に前記第二自転ギヤの歯間角度に応じた角度で自転させ前記被成膜物に成膜する第二自転機構とを備え、
   前記第二自転機構による前記自転軸の自転により前記第二自転ギヤの一歯を除いた位置において、前記自転軸に取り付けられた前記被成膜物の任意の面が蒸発源に対して所定の角度を保持することにより、前記被成膜物の任意面のみに厚く成膜することを特徴とする真空蒸着装置。
4. 前記第二自転ギヤの歯数をｎ２としたとき、前記自転軸を（ｎ２）回公転することにより前記第二自転機構と前記第二自転ギヤとの組み合わせによる前記被成膜物の自転動作を（ｎ２）回行った後、
   前記第一自転ギヤの歯数をｎ１としたとき、前記自転軸を（ｎ１−１）回公転することにより前記第一自転機構と前記第一自転ギヤとの組み合わせによる前記被成膜物の自転動作を（ｎ１−１）回行った後、
   さらに前記第二自転機構と前記第二自転ギヤとの組み合わせによる前記被成膜物の自転動作を（ｎ２）回行い、前記自転軸に取り付けられた前記被成膜物の蒸発源に対する角度を所定の角度に整列する整列機構を有することを特徴とする請求項３記載の真空蒸着装置。

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