(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に形成される素子が、前記基板の表裏面と直交する断面が矩形である素子部を含み、前記素子部が、前記基板の厚さ方向で対向する第１及び第２主面と、前記第１及び第２主面と直交する第１及び第２側面とを有し、前記素子部に電極膜を成膜して前記素子を製造する方法であって、
真空チャンバー内にて成膜源と離間して配置され、かつ、回転軸に支持された基板ホルダーに、前記基板の表裏面を露出させて前記基板を支持して、前記回転軸をチルト駆動させて前記第１主面及び前記第１側面を前記成膜源と向い合わせ、前記第１主面及び第１側面に電極膜を成膜する第１成膜工程と、
前記第１成膜工程の後に、前記回転軸をチルト駆動させて前記第１主面及び前記第２側面を前記成膜源と向い合わせ、前記第１主面及び前記第２側面に前記電極膜を成膜する第２成膜工程と、
前記第１または第２成膜工程の後に、前記回転軸の駆動により前記基板を反転駆動させて、前記第２主面と前記第１及び第２側面の一方とを前記成膜源と向い合わせ、前記第２主面と前記第１及び第２側面の一方とに前記電極膜を成膜する第３成膜工程と、
前記第３成膜工程後に、前記回転軸をチルト駆動させて前記第２主面と前記第１及び第２側面の他方とを前記成膜源と向い合わせ、前記第２主面及び第２側面の他方とに前記電極膜を成膜する第４成膜工程と、
を含むことを特徴とする電極膜を有する素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記電極膜は、前記基板に形成される第１電極膜と、前記第１電極膜上に形成される第２電極膜とを含み、
前記成膜源は、前記第１電極膜となる材料を蒸着させる第１蒸着源と、前記第２電極膜となる材料を蒸着させる第２蒸着源とを含み、
前記第１蒸着源を用いた前記第１〜第４成膜工程にて前記第１電極膜が形成され、前記第２蒸着源を用いた前記第１〜第４成膜工程にて前記第２電極膜が形成されることを特徴とする電極膜を有する素子の製造方法。
【請求項３】
請求項１において、
前記電極膜は、前記基板に形成される第１電極膜と、前記第１電極膜上に形成される第２電極膜とを含み、
前記成膜源は、前記第１電極膜となる材料を蒸着させる第１蒸着源と、前記第２電極膜となる材料を蒸着させる第２蒸着源とを含み、
前記第１〜第４成膜工程の各々では、前記第１蒸着源と前記第２蒸着源とを同時に用いて、前記第１電極膜と前記第２電極膜との拡散合金化電極膜が形成されることを特徴とする電極膜を有する素子の製造方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記成膜源は、前記電極膜を蒸着させる蒸着源であり、
前記蒸着源と前記基板間の距離をＬとした時、前記真空チャンバー内にて前記電極膜を蒸着する圧力は、前記真空チャンバー内での残留気体分子の平均自由工程がＬの１０００倍以上となる圧力であることを特徴とする電極膜を有する素子の製造方法。
【請求項５】
請求項４において、
前記真空チャンバー内の蒸着時の圧力が、１．３３×１０−５Ｐａ以下であることを特徴とする電極膜を有する素子の製造方法。
【請求項６】
請求項５において、 
前記真空チャンバー内の蒸着時の酸素分圧が、１×１０−６Ｐａ以下であることを特徴とする電極膜を有する素子の製造方法。
【請求項７】
請求項２乃至６のいずれかにおいて、
前記第１〜第４成膜工程の各々にて、前記基板を、前記基板とは非接触にて、前記電極膜を形成する蒸着材料の再結晶化温度未満の成膜温度で加熱しながら、前記電極膜を蒸着することを特徴とする電極膜を有する素子の製造方法。
【請求項８】
請求項７において、
前記電極膜の成膜後に、前記成膜温度よりも高い温度で、前記基板を熱処理する工程をさらに有することを特徴とする電極膜を有する素子の製造方法。
【請求項９】
請求項５乃至８のいずれかにおいて、
前記電極膜を蒸着する時の蒸着速度をＡｖとしたとき、１０−５ｇ／（ｃｍ２・Ｓ）≦Ａｖ≦１０−２ｇ／（ｃｍ２・Ｓ）とすることを特徴とする電極膜を有する素子の製造方法。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかにおいて、
前記基板は水晶基板であり、
前記素子は、２本の腕を前記素子部として有する音叉型水晶振動子であることを特徴とする電極膜を有する素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音叉型水晶振動子等の素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
真空蒸着は、一般的には到達圧力が１０−４Ｐａ、蒸着時の圧力は１０−３Ｐａ〜１０−２Ｐａである。基板を３００〜４００℃に加熱して蒸着することも実施されている。
【０００３】
従来、音叉型水晶振動子（以下、振動子ともいう）を用いて主として大気圧以下の圧力を測定する方法が知られている（特許文献１）。これは、振動子の共振インピーダンスが、分子流領域では圧力に比例して増加し、粘性流領域では圧力の１／２乗に比例して増加するという、振動子の持つ優れた特徴を利用したものである。
【０００４】
大気圧から１０−２〜１０−３Ｔｏｒｒ台までの広い圧力範囲での測定が可能なことから、有力な圧力測定手段として認められている。
【０００５】
この振動子を用いた測定方法では、圧力を測定すべき空間に振動子を配置し、発振回路を介して振動子を振動させ、その共振インピーダンスＺを求める。この測定された共振インピーダンスＺと、固有共振インピーダンスＺ０（一般に高真空における値であり、高真空下にて測定されていないＣＩ値とは異なる）との差ΔＺ（＝Ｚ−Ｚ０）から、気体の圧力を測定するようにしている。
【０００６】
この測定方法では、振動子の周囲温度の変化によって固有共振インピーダンスも変化するので、低い圧力側で測定誤差が大きくなり、正確な圧力測定ができないという問題があった。
【０００７】
固有共振インピーダンスＺ０は、広い温度範囲（−２０〜＋６０℃）において数ｋΩ変化する。これに対して、差ΔＺは１０−１〜１０−２Ｔｏｒｒの領域では数ｋΩ程度、１０−２〜１０−３Ｔｏｒｒ領域では数１０Ω程度と、圧力が低くなるに従って差ΔＺが小さくなる。つまり、温度によって変化する振動子の固有共振インピーダンスＺ０の変化が無視できなくなる。そして、このことが、振動子を用いて圧力測定する際の圧力範囲の測定限界となっていた。
【０００８】
本願出願人は、音叉型水晶振動子の共振周波数ｆを測定し、その共振周波数ｆから音叉型水晶振動子の温度Ｔを求め、温度Ｔにおける固有共振インピーダンス（Ｚ０＋ΔＺＴ）と共振インピーダンスＺとの差ΔＺ＝Ｚ−（Ｚ０＋ΔＺＴ）から、気体の圧力を測定する方法を提案し、特許第２０７７８５１号を得ている（特許文献２）。この方法は、測定中の振動子の温度に基づく誤差をなくし、正確な圧力を測定できるという効果がある。
【０００９】
ただし、共振周波数ｆと温度Ｔとの相関データや、温度Ｔと固有共振インピーダンス（Ｚ０＋ΔＺＴ）との相関に基づいて圧力を演算することから、個々の水晶振動子についての相関データのデータ収集工数と演算回路の分だけコストアップするという課題を有していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】実開昭６４−３８５４７号公報
【特許文献２】特公平７−９７０６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献２の方法は、共振周波数ｆと温度Ｔとの相関データや、温度Ｔと固有共振インピーダンス（Ｚ０＋ΔＺＴ）との相関に基づいて圧力を演算することから、個々の水晶振動子についての相関データのデータ収集工数と演算回路の分だけコストアップするという課題を有していた。
【００１２】
固有共振インピーダンス（Ｚ０＋ΔＺＴ）の温度依存性を改善することに加えて、水晶摩擦圧力計の測定下限を下げる要求がある。水晶摩擦圧力計の測定下限は、音叉型水晶振動子の圧力感度と、固有共振インピーダンスＺ０の電気雑音（瞬時の最大電圧変化、単位時間内の電圧ドリフトまたは１℃あたりの電圧変化）によって決定される。圧力感度は音叉型水晶振動子のサイズに依存して実用的な限度が存在する。一方、電気雑音については、固有共振インピーダンスＺ０の温度依存性と同様に、水晶の物性に深く係っているため、理論的解析が待たれていた。
【００１３】
本発明者は、音叉型水晶振動子の固有共振インピーダンス（Ｚ０＋ΔＺＴ）の温度特性及び電気雑音に関する実験データから、従来から言われている水晶振動子の振動時の内部摩擦や水晶片の支持系損失といった振動エネルギーの損失の他に違う要因があると確信した。そして、水晶振動子に形成される電極膜の特性が、固有共振インピーダンスに大きな影響を与えることを発見した。
【００１４】
音叉型水晶振動子は、一枚の水晶基板上に同時に多数個製造される。このような場合、基板に形成される複数の素子（例えば音叉型水晶振動子）の各々が矩形断面の素子部を含み、素子部が、基板の厚さ方向で対向する第１及び第２主面と、前記第１及び第２主面と直交する第１及び第２側面とを有する。そして、電極膜は、第１及び第２主面と、第１及び第２側面との全ての面に形成される。この場合、音叉型水晶振動子の固有共振インピーダンス等の素子の特性が、特に第１及び第２の側面に形成される電極膜の膜厚及び膜質に影響される。
【００１５】
本発明の幾つかの態様では、素子に形成される矩形断面の第１及び第２主面と第１及び第２側面との全ての面に良質で適切な膜厚の電極膜を形成することができる素子の製造方法を提供することを目的とする。
【００１６】
本発明の他のいくつかの態様は、音叉型水晶振動子の固有共振インピーダンスの特性を改善する素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
（１）本発明の一態様は、基板に形成される素子が、前記基板の表裏面と直交する断面が矩形である素子部を含み、前記素子部が、前記基板の厚さ方向で対向する第１及び第２主面と、前記第１及び第２主面と直交する第１及び第２側面とを有し、前記素子部に電極膜を成膜して前記素子を製造する方法であって、
真空チャンバー内にて成膜源と離間して配置され、かつ、回転軸に支持された基板ホルダーに、前記基板の表裏面を露出させて前記基板を支持して、前記回転軸をチルト駆動させて前記第１主面及び前記第１側面を前記成膜源と向い合わせ、前記第１主面及び第１側面に電極膜を成膜する第１成膜工程と、
前記第１成膜工程の後に、前記回転軸をチルト駆動させて前記第１主面及び前記第２側面を前記成膜源と向い合わせ、前記第１主面及び前記第２側面に前記電極膜を成膜する第２成膜工程と、
前記第１または第２成膜工程の後に、前記回転軸の駆動により前記基板を反転駆動させて、前記第２主面と前記第１及び第２側面の一方とを前記成膜源と向い合わせ、前記第２主面と前記第１及び第２側面の一方とに前記電極膜を成膜する第３成膜工程と、
前記第３成膜工程後に、前記回転軸をチルト駆動させて前記第２主面と前記第１及び第２側面の他方とを前記成膜源と向い合わせ、前記第２主面及び第２側面の他方とに前記電極膜を成膜する第４成膜工程と、
を含むことを特徴とする電極膜を有する素子の製造方法に関する。
【００１８】
本発明の一態様では、素子の第１及び第２主面が露出された状態で基板が基板ホルダーに支持されている。よつて、回転軸により基板ホルダーを反転させれば、素子の第１及び第２主面に電極膜を形成する動作を、基板を大気に接触させずに実現できる。
【００１９】
基板ホルダーの回転軸は、チルト駆動により基板を傾斜させことができる。よって、チルト駆動無しでは成膜源と向かい合うことができなかった第１または第２側面を、基板をチルト駆動させることで、第１または第２側面を成膜源と向かい合わせることができる。それにより、第１〜第４成膜工程では、第１または第２の主面と同時に第１または第２側面に成膜することができる。ここで、成膜源と向かい合うとの意味は、第１及び第２主面の一方と第１及び第２側面の一方の面上の任意の点と、成膜源上の点とを、基板と干渉せずに直線で結ぶことができる位置関係を意味する。
【００２０】
ここで、第１〜第４成膜工程の計４回の成膜工程中に、第１主面、第２主面、第１側面および第２側面の各々について、２回ずつ成膜を実施することができる。これにより、特に成膜が困難であった第１及び第２側面にも、連続膜となって低い電気抵抗の所望の膜厚の電極膜を、基板を大気と接触させずに形成することができる。
【００２１】
（２）本発明の一態様では、
前記電極膜は、前記基板に形成される第１電極膜と、前記第１電極膜上に形成される第２電極膜とを含み、
前記成膜源は、前記第１電極膜となる材料を蒸着させる第１蒸着源と、前記第２電極膜となる材料を蒸着させる第２蒸着源とを含み、
前記第１蒸着源を用いた前記第１〜第４成膜工程にて前記第１電極膜を形成し、前記第２蒸着源を用いた前記第１〜第４成膜工程にて前記第２電極膜を形成することができる。
【００２２】
この場合、第１電極膜として例えば基板との密着性が高い例えば高融点金属を選択でき、第２電極膜として例えば高融点金属と拡散合金化する金属材料を選択できる。
【００２３】
（３）本発明の一態様では、
前記電極膜は、前記基板に形成される第１電極膜と、前記第１電極膜上に形成される第２電極膜とを含み、
前記成膜源は、前記第１電極膜となる材料を蒸着させる第１蒸着源と、前記第２電極膜となる材料を蒸着させる第２蒸着源とを含み、
前記第１〜第４成膜工程の各々では、前記第１蒸着源と前記第２蒸着源とを同時に用いて、前記第１電極膜と前記第２電極膜との拡散合金化電極膜を形成することができる。
【００２４】
このように、上記（２）とは異なり第１及び第２蒸着源から第１及び第２電極膜を同時蒸着することで、第１，第２電極膜の拡散合金化を達成することができる。それにより、第１，第２電極膜の成膜時間を大幅に短縮できる。後述の通り上記（２）でも熱処理により拡散合金化が可能であるが、同時蒸着によって再結晶化温度がより低い条件で拡散合金化することができる。また、この場合にも第１，第２電極膜間の酸化膜の形成を無視できる。
【００２５】
（４）本発明の一態様では、
前記成膜源は、前記電極膜を蒸着させる蒸着源であり、
前記蒸着源と前記基板間の距離をＬとした時、前記真空チャンバー内にて前記電極膜を蒸着する圧力は、前記真空チャンバー内での残留気体分子の平均自由工程がＬの１０００倍以上となる圧力とすることができる。
【００２６】
こうすると、蒸着源と基板との距離Ｌが、真空チャンバー内での蒸着時の圧力に依存して決定される残留気体分子の平均自由工程ｌａよりも十分に小さくなり、蒸発分子と残留ガス分子との衝突の確率は１／１０００以下に低減できる。これにより、真空チャンバー内の気相中で残留ガスとの反応によって発生する不純物が、電極膜中に混入されることを防ぐことができる。それにより、成膜中の構造欠陥の発生が抑えられ、素子が例えば音叉型水晶振動子の場合には、音叉型水晶振動子の固有共振インピーダンスを低くすると共に、固有共振インピーダンスの温度係数に基づく温度勾配を小さくして、固有共振インピーダンスの温度依存性を小さくすることができる。
【００２７】
（５）本発明の一態様では、前記真空チャンバー内の蒸着時の圧力を、１．３３×１０−５Ｐａ以下とすることができる。この圧力は、真空チャンバー内での残留気体分子の平均自由工程がＬの１０００倍以上となる圧力である。
【００２８】
（６）本発明の一態様では、前記真空チャンバー内の蒸着時の酸素分圧を、１×１０−６Ｐａ以下とすることができる。これにより、電極膜に酸化膜が形成されることを防止できる。とくに、電極膜として第１，第２電極膜を積層形成する時に、第１，第２電極膜間に酸化膜が形成されることを防止して、第１，第２電極膜を拡散合金化させる熱処理温度を低下させることができる。
【００２９】
（７）本発明の一態様では、前記基板を、前記基板とは非接触にて、前記電極膜を形成する蒸着材料の再結晶化温度未満の成膜温度で加熱しながら、前記電極膜を蒸着することができる。
【００３０】
これにより、基板表面の水、不純物を除去して基板と電極膜との付着力を高めると共に、蒸着された電極膜と基板との熱膨張率の差により発生する内部応力を低減できる。しかも、再結晶化温度未満の基板温度で成膜することで、蒸着される電極膜の巨視的形状を変化させることがない。
【００３１】
（８）本発明の一態様では、前記電極膜の成膜後に、前記成膜温度より高い温度で、前記基板を熱処理する工程をさらに有することができる。
【００３２】
それにより、成膜時に電極膜中に生じた空孔、格子間原子、各種の転移、積層欠陥、不純物（異種原子・分子）などの構造欠陥を、成膜後に減少させることができる。構造欠陥の少ない電極膜を形成することで、例えば音叉型水晶振動子の固有共振インピーダンス値及び電気雑音を下げることができる。それにより、この音叉型水晶振動子を用いて摩擦水晶圧力計を構成した時、測定圧力範囲の下限を下げることができる。とくに、電極膜として第１，第２電極膜を積層形成する時に、第１，第２電極膜を拡散合金化させることができる。その際に、上述した通り第１，第２電極膜間に酸化膜が形成されることが防止される。また、第１，第２電極膜を拡散合金化させる熱処理温度は、上記（２）の時分割蒸着と同じか、もしくは蒸着材料の再結晶化温度よりも低い温度とすることができる。
【００３３】
（９）本発明の一態様では、前記電極膜を蒸着する時の蒸着速度をＡｖとしたとき、１０−５ｇ／（ｃｍ２・Ｓ）≦Ａｖ≦１０−２ｇ／（ｃｍ２・Ｓ）とすることができる。
【００３４】
実用的範囲である上記の蒸着速度を得るための電極膜材料の蒸発温度と飽和蒸気圧曲線との関係から、蒸着時の圧力が１０−５Ｐａ以下では、電極膜材料が蒸発するのに全く問題にならない。
【００３５】
（１０）本発明の一態様では、前記基板は水晶基板であり、前記素子は、２本の腕を前記素子部として有する音叉型水晶振動子とすることができる。
【００３６】
音叉型水晶振動子の製造方法に本発明を適用すると、上述した通り、音叉型水晶振動子の固有共振インピーダンスの温度係数に基づく温度勾配を小さくして、固有共振インピーダンスの温度依存性を小さくすることができる。また、音叉型水晶振動子の固有共振インピーダンス値及び電気雑音を下げることができる。
【００３７】
（１１）本発明の他の態様は、
真空チャンバーと、
前記真空チャンパ内に配置された成膜源と、
前記真空チャンバー内にて前記成膜源と離間して配置され、かつ、基板の表面及び裏面を露出させて前記基板を支持し、回転軸に支持されて基板を支持する基板ホルダーと、
を有し、
前記基板ホルダーは、前記回転軸の回転角が制御されて、前記基板の前記表面及び前記裏面の一方が前記成膜源と向かい合うように前記基板を反転させる反転駆動と、前記基板を傾斜させるチルト駆動とを行う成膜装置に関する。
【００３８】
本発明の他の態様によれば、上述した（１）の本発明方法を好適に実施することができる。
【００３９】
（１２）本発明の他の態様では、前記成膜源は蒸着材料の蒸着源であり、前記真空チャンバー内には、前記基板ホルダーに支持された前記基板を、前記電極膜の成膜中に、前記蒸着材料の再結晶化温度未満の成膜温度にて、前記基板とは非接触にて加熱する加熱部をさらに有することができる。
【００４０】
これにより、基板表面の水、不純物を除去して基板と電極膜との付着力を高めると共に、蒸着された電極膜と基板との熱膨張率の差により発生する内部応力を低減できる。しかも、再結晶化温度未満の基板温度で成膜することで、蒸着される電極膜の巨視的形状を変化させることがない。
【００４１】
（１３）本発明の他の態様では、前記加熱部は、前記電極膜の成膜後に、前記基板ホルダーに支持された前記基板を、前記成膜温度より高い温度にて、前記基板を熱処理することができる。
【００４２】
成膜後に電極膜を成膜温度よりも高い基板温度で熱処理することで、成膜時に生じた電極膜中の構造欠陥を少なくすることができる。熱処理温度は成膜時の温度よりも高ければ、再結晶化温度未満でも再結晶化温度以上でもよい。熱処理温度が再結晶化温度未満であれば、蒸着された電極膜の巨視的形状を変化させることがない。熱処理温度が再結晶化温度以上であっても、短時間の熱処理であれば、蒸着された電極膜の巨視的形状を変化させることがない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施形態に係る水晶摩擦圧力計の断面図である。
【図２】図１の水晶摩擦圧力計に用いられる音叉型水晶振動子の概略斜視図である。
【図３】音叉型水晶振動子の２つの腕部の素子部を模式的に示す図である。
【図４】音叉型水晶振動子の主面に形成される電極膜の一例を示す図である。
【図５】水晶摩擦圧力計を含む測定回路のブロック図である。
【図６】音叉型水晶振動子（感温振動子）の発振周波数と温度との関係を示す図である。
【図７】音叉型水晶振動子のインピーダンス変化分ΔＺと圧力（Ｐａ）との関係を示す図である。
【図８】音叉型水晶振動子の固有共振インピーダンスの温度依存性を示す図である。
【図９】水晶摩擦圧力計の出力電圧と圧力との関係を示す図である。
【図１０】一般的な音叉型水晶振動子の等価回路を示す図である。
【図１１】図３に示す電極膜の展開図を示す図である。
【図１２】図１２（Ａ）〜図１２（Ｄ）は、電極膜の薄膜抵抗を考慮に入れた音叉型水晶振動子の等価回路を示す図である。
【図１３】音叉型水晶振動子に形成される電極膜の抵抗値（実測値）の一例を示す図である。
【図１４】音叉型水晶振動子の腕部の側面に形成される膜厚が異なる２種類の電極膜の抵抗値（実測値）の一例を示す図である。
【図１５】水晶振動子の固有共振インピーダンスを改善する要因を示す図である。
【図１６】高真空下での焼鈍しの前後の水晶振動子の固有共振インピーダンス特性を示す図である。
【図１７】低真空下での焼鈍しの前後の水晶振動子の固有共振インピーダンス特性を示す図である。
【図１８】図１８（Ａ）〜図１８（Ｃ）は、水晶振動子の固有共振インピーダンスの３つのタイプの電気雑音を示す図である。
【図１９】図１９（Ａ）〜図１９（Ｈ）は音叉型水晶振動子の製造工程の概略を模式的に示す図である。
【図２０】成膜装置（蒸着装置）を示す図である。
【図２１】図２１（Ａ）（Ｂ）は基板の反転駆動を示す図である。
【図２２】図２２（Ａ）（Ｂ）は基板のチルト駆動を示す図である。
【図２３】第１成膜工程を示す図である。
【図２４】第２成膜工程を示す図である。
【図２５】第３成膜工程を示す図である。
【図２６】第４成膜工程を示す図である。
【図２７】従来の蒸着時圧力の下での蒸着分子と残留気体分子との衝突確率を示す図である。
【図２８】本実施形態の蒸着時圧力の下での蒸着分子と残留気体分子との衝突確率を示す図である。
【図２９】基板に入射する残留ガス分子の入射率νLと蒸発分子の入射率νLとの比率と、ＣｒとＡｕの薄膜成長速度との関係を示す図である。
【図３０】図２９よりも低圧において、基板に入射する残留ガス分子の入射率νLと蒸発分子の入射率νLとの比率と、ＣｒとＡｕの薄膜成長速度との関係を示す図である。
【図３１】本実施形態の音叉型水晶振動子の固有共振インピーダンス特性を示す図である。
【図３２】Ｃｒ、Ａｕの飽和蒸気圧曲線を示す図である。
【図３３】Ｃｒ，Ａｕが基板に蒸着される単位面積当たりの蒸着速度を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。
【００４５】
１．水晶摩擦圧力計の概要
１．１．圧力計の構造
図１は、本発明の第１実施形態に係る水晶摩擦圧力計の断面図である。図１において、この圧力計１は、真空室１０と連通する部屋１２を形成する筒状のケース本体２０を有する。ケース本体２０の下端フランジ２２が、真空室１０の壁部１４に固定される。音叉型水晶振動子３０は、電極４０に接続されている。電極４０を気密シールして保持し、かつ、電極４０に接続された水晶振動子３０を部屋１２内に配置して、ケース本体２０に対して気密シールされて支持される気密シール構造５０が設けられている。さらに、気密シール構造５０に保持され、電極４０に接続された水晶振動子３０を包囲して測定室６２を形成し、かつ、測定室６２と真空室１０とを連通させるフィルタ部材６０が設けられている。フィルタ部材６０は、例えばＳＵＳ（ステンレス）焼結体にて形成される。
【００４６】
気密シール構造５０は、例えば第１シール体５２、金属製筒体５４及び第２シール体５８に３分割されている。第１シール体５２は、筒体５４内にて電極４０を気密シールして保持し、かつ電極４０を電気的に絶縁する碍子として機能する。筒体５４の下端にはネジ部５６が形成され、フィルタ部材６０と螺合している。第２シール体５８はリング状に形成され、筒体５４をケース本体２０内にて気密シールして保持している。この第２シール体５８は、ケース本体２０と筒体５４とがそれぞれ接地される場合に、両者を電気的に絶縁する碍子としても機能する。
【００４７】
１．２．音叉型水晶振動子の構造
素子部に電極膜を有する素子の一例である音叉型水晶振動子３０は、図２に示すように、素子部である２つの腕部３２Ａ，３２Ｂと、この２つの腕部３２Ａ，３２Ｂの一端を連結した基部３４と、を有する。２つの腕部３２Ａ，３２Ｂの各々は、断面幅Ｗおよび断面厚ｔの矩形断面部を有する。２つの腕部３２Ａ，３２Ｂの矩形断面部の寸法Ｗ，ｔ及び腕の長さＬａは、共振インピーダンスＺの圧力依存性が大きくなるように設計される。２つの腕部３２Ａ，３２Ｂの寸法については後述する。
【００４８】
図３は、図２に示す音叉型水晶振動子３０の２つの腕部３２Ａ，３２Ｂの矩形断面部を模式的に示す。図３に示すように、２つの腕部３２Ａ，３２Ｂには、図１に示す電極４０を構成する２本の第１，第２の電極４０Ａ，４０Ｂに接続される第１，第２の電極パターン（電極膜）７０Ａ，７０Ｂが形成される。
【００４９】
図３では、腕部３２Ａの２つの主面であって、腕部３２Ａの厚さ方向（断面厚ｔの方向）にて相対向する第１主面３２Ａ１および第２主面３２Ａ３には、第１の電極パターン７０Ａが形成されている。腕部３２Ａの２つの側面であって、厚さ方向と直交する幅方向（断面幅Ｗの方向）にて相対向する第１側面３２Ａ２および第２側面３２Ａ４には、第２の電極パターン７０Ｂが形成されている。
【００５０】
一方、腕部３２Ｂの２つの主面であって、腕部３２Ｂの厚さ方向（断面厚ｔの方向）にて相対向する第１主面３２Ｂ１および第２主面３２Ｂ３には、第２電極パターン７０Ｂが形成されている。腕部３２Ｂの２つの側面であって、厚さ方向と直交する幅方向（断面幅Ｗの方向）にて相対向する第１側面３２Ｂ２および第２側面３２Ｂ４には、第１の電極パターン７０Ａが形成されている。
【００５１】
ただし、図３は第１，第２の電極パターン７０Ａ，７０Ｂと電極４０Ａ，４０Ｂとの接続を模式的に示したもので、実際には図４に示すように、２つの腕３２Ａ，３２Ｂの４つの面（３２Ａ１〜３２Ａ４，３２Ｂ１〜３２Ｂ４）の各々にて、第１及び第２の電極パターン７０Ａ，７０Ｂの一方または双方が、互いに絶縁された異なる領域に形成されている。
【００５２】
音叉型水晶振動子３０は、第１，第２の電極パターン７０Ａ，７０Ｂ間に挟まれた水晶片に発生する圧電効果と、外部から掛けられる振動電界が「共振」することを利用して、一定周波数のメカ的振動と電気的振動（圧電効果）を起こすものである。
【００５３】
１．３．水晶摩擦圧力計を含む測定回路
図５は、水晶摩擦圧力計１を含む測定回路２００のブロック図である。図５において、水晶振動子３０の一端に接続され、水晶振動子３０を流れる電流を電圧に変換する電流電圧変換器２１０と、水晶振動子３０の他端に接続された減衰器例えば１／１０減衰器２２０と、１／１０減衰器２２０からの電流を整流する第１の全波整流器２３０と、第１の全波整流器２３０からの電圧と、基準電圧源２４０からの基準電圧とを比較する比較器２５０と、比較器２５０の出力電圧に基づいて１／１０減衰器２２０の出力をさらに減衰する電圧制御減衰器２６０と、電圧制御減衰器２６０及び電流電圧変換器２１０の加算出力を整流する第２の全波整流器２７０と、を有する。
【００５４】
図５では、第２の全波整流器２７０に接続されたアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器２８０と、水晶振動子３０の発振周波数を測定する周波数測定手段例えば周波数カウンタ３２０と、１／１０減衰器２２０に接続された周波数カウンタ２９０と、記憶部３００とが設けられる。Ａ／Ｄ変換器２８０、周波数カウンタ２９０及び記憶部３００の出力は演算回路３１０に入力され、演算回路３１０の演算結果が表示部３２０に表示される。
【００５５】
ここで、電流電圧変換器２１０、電圧制御減衰器２６０、１/１０減衰器２２０及び比較器２５０によって定電圧駆動型の自励発振回路を構成する。図３に示すように電極４０Ａ，４０Ｂを、例えば±１００ｍＶピーク値の一定電圧で例えば周波数３２ｋＨｚで交流駆動すると、電流電圧変換器２１０の出力振幅は水晶振動子の共振インピーダンス（Ｚ）に反比例する。よって、水晶振動子３０の共振インピーダンスＺを反映した値（１／Ｚ）が第２の全波整流器２７０の出力として得られる。例えば２４ｂｉｔ分解能のＡ／Ｄ変換器２８０は、第２の全波整流器２７０の出力をデジタル変換して演算回路３１０に出力する。
【００５６】
ここで、水晶振動子３０の発振周波数と温度の関係は図６に示す通りであり、水晶振動子３０の発振周波数ｆは実温度Ｔと直線的な相関を有する。このように、発振周波数が温度に対して直線的に変化する水晶振動子３０を感温振動子と称する。このような感温振動子は、水晶のカット角に依存して形成することができる。
【００５７】
１／１０減衰器２２０の出力は、音叉型水晶振動子３０の発振周波数ｆと相関のある矩形波出力である。よって、周波数カウンタ２９０は１／１０減衰器２２０の出力周波数をカウントすることで、水晶振動子３０の発振周波数ｆと相関のある温度Ｔ、その温度Ｔと対応する水晶振動子３０のインピーダンスの温度依存値ΔＺＴを検出できる。
【００５８】
一方、記憶部３００はＲＡＭ、ＰＰＲＯＭまたはＲＯＭなどにより形成され、水晶振動子３０の固有共振インピーダンスＺ０（高真空における値）を記憶している。従って、演算回路３１０は、Ａ／Ｄ変換器２８０、周波数カウンタ２９０及び記憶部３００の出力に基づいて、ΔＺ＝Ｚ−（Ｚ０＋ΔＺＴ）に相当する電圧ＶＤＣを出力することができる。
【００５９】
測定された水晶振動子３０の共振インピーダンスＺと、温度Ｔにおける水晶振動子３０の固有共振インピーダンス（Ｚ０＋ΔＺＴ）との差ΔＺは、気体の粘性（濃度）に依存した気体の圧力に相当する。なお、固有共振インピーダンス（Ｚ０＋ΔＺＴ）は、高真空下で測定される値であり、高真空下にて測定されていないＣＩ値とは異なる。インピーダンス変化分ΔＺは、共振状態の水晶振動子３０と、気体等との摩擦とによって生ずる。水晶摩擦圧力計１の測定原理は、気体の摩擦効力による水晶振動子３０の共振インピーダンス変化分ΔＺが、分子流領域（≧１０Ｐａ）では圧力の１乗に比例し、粘性流領域（≦１００Ｐａ）では圧力の１／２乗に比例する特性を利用している。ただし、中間流領域（１０〜１００Ｐａ）では、気体の平均自由工程と振動子サイズが同程度になるため、すべり効果（振動子表面での気体の流れと振動子表面の速度との間にずれが生じる現象）によって特性が複雑となる。図７は、音叉型水晶振動子３０のインピーダンス変化分ΔＺと圧力（Ｐａ）との関係を示す特性の一例を示している。
【００６０】
２．音叉型水晶振動子の課題とその原因の考察
２．１．音叉型水晶振動子の課題
上述の通り、音叉型水晶振動子３０の固有共振インピーダンス（Ｚ０＋ΔＺＴ）は温度Ｔに依存したΔＺＴ成分を含む温度依存性を有する。図８は、音叉型水晶振動子３０の固有共振インピーダンス（Ｚ０＋ΔＺＴ）を示している。固有共振インピーダンス（Ｚ０＋ΔＺＴ）は一般に、温度ＴＰにて最小値Ｚ０となり、温度ＴＰより低い温度ではΔＺＴ成分は負の温度係数Ｔ１（ｐｐｍ／℃）となり、温度ＴＰより高い温度領域ではΔＺＴ成分は正の温度係数Ｔ２となる。
【００６１】
音叉型水晶振動子３０の課題は、振動子３０の固有共振インピーダンスＣＩの最小値ＺＯが大きいことと、ΔＺＴ成分に伴う温度依存性が大きいことである。固有共振インピーダンスＣＩの最小値Ｚ０が大きいと、水晶振動子３０の共振インピーダンス変化分ΔＺの測定値が小さくなり、図７に示すように特に低い圧力での感度が劣化するという問題がある。それにより、圧力測定の下限値が高くなる。
【００６２】
一方、ΔＺＴ成分に伴う温度依存性が大きいと、ΔＺＴ成分に相当する圧力が誤差となる。この点に関して、本願出願人による特許第２０７７８５１号では、水晶振動子３０が、図６に示すように周波数が温度に対して比例する温度センサー機能を持つことを利用して、温度補償している。つまり、周波数から振動子３０の温度Ｔを算出し、その温度Ｔでのインピーダンス値を補正し、圧力測定の下限を例えば１０‐３Ｐａまで可能にしている。ただし、ΔＺＴ成分に伴う温度依存性は小さい方が良いことには変わりはない。
【００６３】
他の課題として、共振インピーダンス変化分ΔＺは電圧として検出されるので、電気雑音の問題がある。図９は、水晶摩擦圧力計１にて検出される共振インピーダンス変化分ΔＺに相当する直流電圧ＶＤＣと圧力（Ｐａ）との関係を示している。電気雑音が大きいと、図９に示すように特に低い圧力でのＳＮが劣化するという問題がある。それによっても、圧力測定の下限値が高くなる。
【００６４】
音叉型水晶振動子３０の固有共振インピーダンス（Ｚ０＋ΔＺＴ）の温度依存性は、これまで「水晶のカット角によって決まる」との定説があったが、制御が難しく、水晶の物性解析が待たれていた。
【００６５】
２．２．音叉型水晶振動子の課題が生ずる原因の考察
本発明者は、音叉型水晶振動子３０の固有共振インピーダンス（Ｚ０＋ΔＺＴ）の温度特性及び電気雑音に関する実験データから、従来から言われている水晶振動子の振動時の内部摩擦や水晶片の支持系損失といった振動エネルギーの損失の他に違う要因があると確信した。そのために、水晶インピーダンスの観点から、これまで一般的に使用されている水晶振動子３０の等価回路を見直した。
【００６６】
図１０は、一般的な水晶振動子の等価回路を示している。ここで、等価直列抵抗Ｒｓは、振動時の内部摩擦や水晶片の支持系損失、音響損失といった振動エネルギーの損失成分を表す。等価直列静電容量Ｃ１は、機械的な運動に置き換えると，バネやゴムの弾力に相当する。等価直列インダクタンスＬ１は、機械的な運動に置き換えると振動している部分の質量に相当する。等価並列容量Ｃ０は、浮遊容量を含めた電極間の静電容量である。
【００６７】
従来、水晶摩擦圧力計１では、図１０に示す等価回路中の等価直列抵抗Ｒｓの特性を反映していると思われていた。しかし、図１０に示す等価回路では、電極間容量Ｃ０は考慮されているが、図３に示す第１および第２の電極パターン（電極膜）７０Ａ，７０Ｂの抵抗は考慮されていなかった。本発明者は、インピーダンス観点から見ると、第１および第２の電極パターン７０Ａ，７０Ｂの電気抵抗は無視できないとの仮説を設定した。
【００６８】
図１１は、図３に示す第１および第２の電極パターン７０Ａ，７０Ｂの展開図を示している。図１１中、Ｒ１〜Ｒ４は第１及び第２側面３２Ａ２，３２Ａ４，３２Ｂ２，３２Ｂ４の電極膜７０Ａ，７０Ｂの抵抗値を示し、ｒ１〜ｒ４は第１および第２主面３２Ａ１，３２Ａ３，３２Ｂ１，３２Ｂ３の電極膜７０Ａ，７０Ｂの抵抗値を示している。
【００６９】
図１２（Ａ）〜図１２（Ｄ）は、電極膜７０Ａ，７０Ｂ抵抗値を考慮に入れた水晶振動子３０の等価回路を示している。図１２（Ａ）は、水晶振動子３０に接続される、図１１に示す抵抗値Ｒ１〜Ｒ４およびｒ１〜ｒ４を示している。図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）を変形した等価回路図であり、水晶振動子３０が図１０に示す等価回路に置き換えられている。図１２（Ｂ）ではさらに、第１の電極パターン７０Ａの抵抗値のうち、第１側面３２Ａ２および第２側面３２Ａ４の抵抗値Ｒ１，Ｒ２が側面合成抵抗Ｒａと表記され、第１主面３２Ｂ１および第２主面３２Ｂ３の抵抗値ｒ３，ｒ４が主面合成抵抗ｒａと表記されている。同様に、図１２（Ｂ）では、第２の電極パターン７０Ｂの抵抗値のうち、第１側面３２Ｂ２および第２側面３２Ｂ４の抵抗値Ｒ３，Ｒ４が側面合成抵抗Ｒｂと表記され、第１主面３２Ａ１および第２主面３２Ａ３の抵抗値ｒ１，ｒ２が主面合成抵抗ｒｂと表記されている。図１２（Ｃ）は、図１２（Ｂ）等価回路図での共振状態を示し、水晶振動子３０は等価直列抵抗Ｒｓと表記されている。図１２（Ｄ）は、図１２（Ｃ）を変形した等価回路図であり、側面３２Ａ２，３２Ａ４，３２Ｂ２，３２Ｂ４での合成抵抗Ｒ＝Ｒａ＋Ｒｂ、主面３２Ａ１，３２Ａ３，３２Ｂ１，３２Ｂ３での合成抵抗ｒ＝ｒａ＋ｒｂを示している。図１２（Ｄ）の通り、共振時には側面合成抵抗Ｒおよび主面合成抵抗ｒと、水晶振動子３０自体の等価直列抵抗Ｒｓとが、直列に接続された形になる。
【００７０】
従来の用途では、水晶振動子３０の共振時のインピーダンスを利用した例はほとんどなかった。これまでは、振動周波数が安定なことに基づいて水晶振動子３０か利用されていた。この場合には、電極膜７０Ａ，７０Ｂの抵抗値は温度特性に優れており、浮遊容量が小さく、表皮効果の影響も少ないため、極めて高い周波数領域でも使用に耐える性能を有しているため、問題にならなかつた。
【００７１】
図１３は、上述した抵抗値Ｒ１〜Ｒ４、ｒ１〜ｒ４、Ｒａ、Ｒｂ、ｒａ、ｒｂ、Ｒ、ｒの計測値の一例である。ここで、各抵抗値Ｒ１〜Ｒ４、ｒ１〜ｒ４は、電気抵抗値（Ω）＝体積抵抗率（μ・Ω・ｃｍ）×［電極膜の長さ（ｍ）／電極膜の断面積（ｍｍ２）］×０．０１で計算される。ここで、図２に示す水晶振動子３０の腕部３２Ａ，３２Ｂの長さＬａは２．７ｍｍとし、腕部３２Ａ，３２Ｂの矩形断面部の幅Ｗ＝０．３６５ｍｍ、厚さｔ＝０．１３ｍｍとした。
【００７２】
また、第１および第２電極パターン７０Ａ，７０Ｂ（電極膜）は、図３に示すように第１電極膜（例えばＣｒ）と第２電極膜（例えばＡｕ）の二層とした。第１電極膜Ｃｒは、水晶振動子３０と第２電極膜Ａｕとの密着層として機能する。
【００７３】
第１電極膜Ｃｒは、第１および第２主面３２Ａ１，３２Ａ３，３２Ｂ１，３２Ｂ３では５０Åの膜厚、第１および第２側面３２Ａ２，３２Ａ４，３２Ｂ２，３２Ｂ４では１０Åの膜厚にて形成し、第２電極膜Ａｕは、第１および第２主面３２Ａ１，３２Ａ３，３２Ｂ１，３２Ｂ３では２００Åの膜厚、第１および第２側面３２Ａ２，３２Ａ４，３２Ｂ２，３２Ｂ４では４０Åの膜厚にて形成されていると仮定した。主面に比べて側面では電極膜を形成し難く、側面での膜厚が主面よりも薄くなる理由は後述する。電極膜７０Ａ，７０の電気抵抗値の計算に用いられる第１電極膜Ｃｒおよび第２電極膜Ａｕの長さと断面積は図１３に示す通りである。また、温度０℃での第１電極膜Ｃｒの体積抵抗率は１２．７（μ・Ω・ｃｍ）であり、温度０℃での第２電極膜Ａｕの体積抵抗率は２．０５（μ・Ω・ｃｍ）である。
【００７４】
上述した計算式により算出される側面合成抵抗値Ｒ、主面合成抵抗ｒは、図１３からＲ＋ｒ＝１０．４＋０．６２＝１１．０２ｋΩとなる。別途計測される水晶振動子３０の固有共振インピーダンスＺ０（＝Ｒ＋ｒ＋Ｒｓ）を約１５ｋΩとすると、Ｒｓ＝Ｚ０−（Ｒ＋ｒ）＝３．７６ｋΩとなる。よって、側面合成抵抗値Ｒおよび主面合成抵抗値ｒは水晶振動子３０の等価直列抵抗Ｒｓに対して無視できるものではなく、水晶振動子３０自体の固有共振インピーダンスＺ０に大きく影響することが分かる。
【００７５】
図１４は、第１および第２側面３２Ａ２，３２Ａ４，３２Ｂ２，３２Ｂ４での第１電極膜Ｃｒの膜厚を、１０Åと３０Åとの２種類とした例を示す。膜厚１０Åの第１電極膜Ｃｒのみでは、図１４に示す値からＲ＋ｒ＝１０．６ｋΩ、膜厚３０Åの第１電極膜Ｃｒのみでは、図１４に示す値からＲ＋ｒ＝３．９８ｋΩとなる。図１３と同じ第２電極膜Ａｕを含めた全体の電気抵抗値（Ｒ＋ｒ）は、１１．０２ｋΩ（１０Åのとき）、または４．５２ｋΩ（３０Åのとき）となる。よって、Ｒｓ＝Ｚ０−（Ｒ＋ｒ）により求まる水晶振動子３０の等価直列抵抗Ｒｓは、水晶振動子３０の固有共振インピーダンスＺ０（＝Ｒ＋ｒ＋Ｒｓ）が共に約１５ｋΩであると仮定すると、Ｒｓ＝３．７５ｋΩ（１０Åのとき）またはＲｓ＝１０．４８ｋΩ（３０Åのとき）の値をとることになる。しかし、同じ水晶振動子３０の等価直列抵抗Ｒｓが、電極膜の厚さによって大きく変わることは考えられないので、側面での電極膜を１０Åから３０Åと厚く形成することで、水晶振動子３０の固有共振インピーダンスの最小値Ｚ０は低下することが分かる。
【００７６】
以上のことから、固有共振インピーダンス（Ｚ０＋ΔＺＴ）の温度特性は、水晶振動子３０の等価直列抵抗Ｒｓの温度特性だけではなく、電極膜７０Ａ，７０Ｂの側面合成抵抗値Ｒおよび主面合成抵抗値ｒの温度特性を反映していることになる。
【００７７】
ところで、側面の薄い電極膜の抵抗値は、半導体と同じように温度係数（ｐｐｍ／℃）が負（温度と抵抗値は反比例）となり、主面の厚い電極膜の抵抗値は、電極膜の構成素材である金属と同じく温度係数が正（温度と抵抗値は正比例）となる。よって、側面合成抵抗値Ｒおよび主面合成抵抗値ｒを含む図１２（Ｄ）の等価回路の温度特性が、図８に示す特性となる理由は、次の通りと推測される。つまり、図８に示す温度ＴＰより低い温度領域での負の温度係数Ｔ１は、側面合成抵抗Ｒの負の温度係数に依存し、図８に示す温度ＴＰより高い温度領域での正の温度係数Ｔ２は、主面合成抵抗ｒの正の温度係数に依存すると推定される。そして、図８に示す温度特性は、側面合成抵抗Ｒおよび主面合成抵抗ｒを含む図１２（Ｄ）の等価回路が持つ、正負の温度特性の合成であると推測される。
【００７８】
２．３．薄膜の抵抗値
図３に示す第１および第２の電極パターン（電極膜）７０Ａ，７０Ｂの成膜過程は次の通りである。先ず、水晶基板にぶつかる原子のうち、一部ははね返ってしまい、多くは基板面やその近くにとどまる。次に、基板に定着した原子、または基板近くにある原子は、気体または液体の状態でとどまる。その後、金属粒子の厚さが例えば５ｎｍ（原子の直径の約１０倍）になると、金属粒子が点状に散在する。さらにその後、点と点とが接触し合って成長して、金属粒子の厚さが例えば８ｎｍで島が現れる。金属粒子の厚さが１１〜１５ｎｍになると、島と島の間に海峡を残すように、島が徐々に大きく成長する。金属粒子の厚さが例えば１９ｎｍになると、島と島との間の海峡が湖や穴のように小さくなる。金属粒子の厚さが例えば２０〜２２ｎｍになると、金属粒子が基板面を覆って薄膜となる。
【００７９】
以上のことから、特に成膜が困難な第１および第２の側面３２Ａ２，３２Ａ４，３２Ｂ２，３２Ｂ４に形成される電極膜７０Ａ，７０Ｂは、島状の金属粒子のままでは抵抗値が大きくなり、好ましくない。電極膜７０Ａ，７０Ｂの膜厚が電子の平均自由工程よりも小さい場合（＜１０ｎｍ）は、電子は島伝いに飛び飛びに流れるため、電気抵抗が高くなるからである。
【００８０】
電極膜７０Ａ，７０Ｂの膜厚が電子の平均自由工程よりも大きい場合は、電気抵抗が低くなる。ただし、ある程度（例えば５０ｎｍ)以上に膜厚を厚くすると、抵抗は低くならない。また、電極膜７０Ａ，７０Ｂの電気伝導はバルクよりも良くなることはない。バルクよりも密度が低く内部欠陥多いため。
【００８１】
電極膜７０Ａ，７０Ｂの形成には、スバッタや蒸着等の成膜工程を適用できる。スパッタの方が蒸着よりも一般的に、電極膜７０Ａ，７０Ｂの電気抵抗が小さい。スパッタの方が初期の核密度が大きいためである。
【００８２】
バルクの金属は温度が高くなると抵抗が高くなるが、島状の金属粒子群のように非常に薄い薄膜の場合には、温度が高い方ほど抵抗が低い（図８に示す負の温度係数Ｔ１）。温度が高い方が化学的に活性で、亜酸化などの反応によって、半導体に近い性質示すためと考えられている。島と島を電子が飛ぶにはより活性な方がいいからである。電極膜７０Ａ，７０Ｂの膜厚が厚くなると、バルクの金属と同じく抵抗温度係数が正となる（図８に示す正の温度係数Ｔ２）。
【００８３】
以上のことから、第１および第２の側面３２Ａ２，３２Ａ４，３２Ｂ２，３２Ｂ４に形成される電極膜７０Ａ，７０Ｂは、島状の金属粒子群でなく薄膜として確保されるために、膜厚が２０ｎｍ以上とすることが好ましい。それにより、上述した理由から、図８中の負の温度係数Ｔ１は、温度勾配が小さくなるか、または正の温度係数に変更することができ、しかも電極膜を有する振動子３０の固有共振インピーダンスの最小値Ｚ０をより小さくすることが可能となる。ただし、第１および第２の側面３２Ａ２，３２Ａ４，３２Ｂ２，３２Ｂ４に形成される電極膜７０Ａ，７０Ｂの膜厚をある程度以上厚くすると抵抗値は下がらないので、膜厚は４０ｎｍ以下が好ましい。それにより、成膜時間を短縮できる。同様の理由により、第１および第２の主面３２Ａ１，３２Ａ３，３２Ｂ１，３２Ｂ２に形成される電極膜７０Ａ，７０Ｂは、膜厚は８０ｎｍ未満とすることができる。こうすると、電極膜中の内部歪の増大を防止でき、音叉型水晶振動子の特性を不安定にする要因となる内部応力を低減できるが、振動子を安定に発振させる電極膜として通常３００Å程度の膜厚が選ばれている。
【００８４】
２．４．電極膜（薄膜）の抵抗特性と熱処理との関係
一般に、薄膜の構造欠陥の要因として、空孔、格子間原子、各種の転移、積層欠陥、不純物（異種原子・分子）が知られている。これらの構造欠陥に起因する抵抗成分は、温度に依存しない。薄膜への不純物効果としては、薄膜を形成するときの雰囲気ガスが、薄膜の応力に影響を与える。薄膜への残留ガスの効果としては、薄膜での圧縮応力の発生に関係し、薄膜中に残留ガスが多いほど大きな圧縮応力が発生する。
【００８５】
図１５は、水晶振動子３０の固有共振インピーダンス（Ｚ０＋ΔＺＴ）を改善する要因を示している。図１５に示すように、水晶振動子３０の固有共振インピーダンスの最小値Ｚ０は、薄膜である電極膜７０Ａ，７０Ｂの構造欠陥に起因すると考えられる。一方、水晶振動子３０の固有共振インピーダンスのうちのΔＺＴ成分は、不純物効果に起因すると考えられる。この点は、以下の実験により立証された。
【００８６】
構造欠陥（空孔・格子間原子・各種の転移等）及び薄膜を形成するときの雰囲気ガスによる圧縮応力は、成膜時の温度よりも高い温度、例えば薄膜金属の再結晶化温度以上の焼鈍しによって減少できる。この点については後述する。
【００８７】
図１６は、電極膜７０Ａ，７０Ｂを高真空（＜１０−３Ｐａ）下にて焼鈍し（３００℃、１時間）して得られた水晶振動子３０の固有共振インピーダンス（Ｚ０＋ΔＺＴ）の特性を示す。図１７は、電極膜７０Ａ，７０Ｂを高真空（＜１０２Ｐａ）下にて焼鈍し（３００℃、１時間）して得られた水晶振動子３０の固有共振インピーダンス（Ｚ０＋ΔＺＴ）の特性を示す。
【００８８】
図１６では、固有共振インピーダンス（Ｚ０＋ΔＺＴ）の温度特性は、１５℃付近での最小でのインピーダンス値Ｚ０が焼鈍し前ではＺ０１＝１５．５ｋΩであったのに対して、焼鈍し後ではＺ０２＝１２．５ｋΩに低下している。加えて、高真空下での焼鈍し後では、抵抗値の温度係数も小さい値に変化していることが判る。これは、高真空下での薄膜の焼鈍によって、電極膜７０Ａ，７０Ｂの構造欠陥が除去され、高真空処理によって、不純物による圧縮応力が減少した効果が現われているからである。
【００８９】
これに対して図１７では、ＴＰ１＝１５℃付近での最小でのインピーダンス値Ｚ０１からＴＰ２＝−１５℃付近での最小値Ｚ０２へと約３ｋΩ低下した点は図１６と同様であるが、抵抗値の温度係数は、低温側、高温側ともに大きくなっている。この現象は、３００℃の熱処理によって電極薄７０Ａ，７０Ｂの構造欠陥は除去されるものの、高真空下での処理とは逆に、成膜時よりも処理圧力が高いため、電極膜７０Ａ，７０Ｂに不純物が取り込まれていることによるものである。
【００９０】
２．５．固有共振インピーダンスの電気雑音と熱処理との関係
図１８（Ａ）〜図１８（Ｃ）は、水晶振動子３０の固有共振インピーダンスの３つのタイプの電気雑音を示している。図１８（Ａ）〜図１８（Ｃ）はいずれも、水晶振動子３０を１．０×１０Ｐａ以下に減圧されたケースに封入して、各種電気雑音を計測した結果である。図１８（Ａ）は、出力電圧ＶＤＣの瞬時最大変化ΔＶＳを示している。図１８（Ｂ）は、出力電圧ＶＤＣの４分内最大変化ΔＶ４を示している。図１８（Ｃ）は、室温変化より変動が大きい数℃の温度変化ΔＴに対する出力電圧ＶＤＣの最大変化ΔＶを示している。
【００９１】
薄膜である電極膜７０Ａ，７０Ｂには、薄膜中に含まれる空孔、格子間原子、各種の転位、積層欠陥、結晶粒界など、結晶に固有のあらゆる欠陥が成膜形成時に導入されるとともに、異種原子・分子が不純物としても混入する。これらの欠陥は、すべての電子の散乱原因となり、欠陥の消滅の活性化エネルギーの小さい欠陥の消滅の過程が電気的性質の不安定性につながる。蒸着した薄膜に多く含まれるこれらの欠陥は、焼鈍しにより除去され、電気的特性が向上することが知られている。
【００９２】
水晶振動子３０として、焼鈍し前後のサンプルを各１００ずつ用意して、図１８（Ａ）〜図１８（Ｃ）に示す３つのタイプの電気雑音を評価してみた。図１８（Ａ）〜図１８（Ｃ）にて定義された電気雑音ΔＶｓ、ΔＶ４、ΔＶは、焼鈍しの熱処理前には、ノイズ値が大きく、広いばらつき分布を示した。しかし、焼鈍しの熱処理後はノイズ値が小さく、かつ多くの振動子３０の特性が揃っていることが判った。この結果、固有共振インピーダンスの電気雑音、電極膜の熱処理によって大きく改善され、電極薄膜が固有共振インピーダンス値に大きく影響していることを示している。
【００９３】
ここで、図１８（Ａ）は、室温変化に対して、出力電圧ＶＤＣの瞬時最大変化電圧ΔＶｓが３．５ｍＶであることを示している。そうすると、出力電圧ＶＤＣは７．５Ｖであり、瞬時最大変化電圧ΔＶｓによる誤差は約０．５％となる。
【００９４】
しかし、１×１０-２Ｐａ等のより高真空の圧力において、電気雑音による誤差を１％以下にするには、１．５×１０-５Ｖ以下の電気雑音に抑えることが必要である。
【００９５】
従来、瞬時最大変化電圧ΔＶｓは最も良い数値で、２×１０-４Ｖが得られている。ただし、水晶摩擦圧力計１の圧力測定範囲の下限を拡大するには、電極薄７０Ａ，７０Ｂの低雑音化が重要である。後述する本実施形態の成膜装置によって電極膜７０Ａ，７０Ｂを成膜すると、低雑音化が期待できるので、瞬時最大変化電圧ΔＶｓを１．５×１０-５Ｖ以下が達成できれば、１×１０-２Ｐａの高真空測定帯域でも１％以下の測定精度が可能となる。
【００９６】
３．電極膜の成膜方法および成膜装置
３．１．水晶振動子の製造方法の概要
図１９（Ａ）〜図１９（Ｈ）は、水晶振動子３０の製造方法の概要を模式的に示し、各膜の膜厚の大小関係については考慮されていない。図１９（Ａ）は、表面１００Ａおよび裏面１１００Ｂを有する水晶基板１００の洗浄工程を示している。なお、図１９（Ａ）〜図１９（Ｈ）は、水晶基板１００のうち振動子３０の一つ分の領域のみを示しているが、実際には一枚の水晶基板１００に多数個の振動子３０が形成される。
【００９７】
図１９（Ｂ）は、水晶基板１００の表面１００Ａ及び裏面１００Ｂ上にレジスト膜１０２を形成する工程を示している。レジスト膜１０２は、露光され、現像されてパターニングされる。
【００９８】
パターニングされたレジスト膜１０２Ａをマスクとして、図１９（Ｃ）に示すように水晶基板１００がエッチングされ、音叉型水晶振動子３０の輪郭形状が形成される。図１９（Ｃ）には、音叉型水晶振動子３０の素子部である２つの腕部３２Ａ，３２Ｂが示されている。
【００９９】
図１９（Ｄ）は、２本の腕部３２Ａ，３２Ｂの矩形断面部の全面３２Ａ１〜３２Ａ４および３２Ｂ１〜３２Ｂ４（図３参照）に例えば第１電極膜１０４（Ｃｒ）と第２電極膜１０５（Ａｕ）を形成する工程を示している。図１９（Ｄ）に示す工程の詳細については後述する。
【０１００】
図１９（Ｅ）は、第２電極膜１０５の全面にレジスト膜１０６を形成する工程を示している。レジスト膜１０６は、露光され、現像されてパターニングされてマスク１０６Ａ（図１９（Ｆ）参照）となる。
【０１０１】
図１９（Ｆ）は、マスク１０６Ａで覆われた領域を除いて、第１および第２電極膜１０４，１０５の異方性エッチング工程を示している。これにより、図３に示す第１および第２の電極パターン７０Ａ，７０Ｂが形成される。そして、図１９（Ｇ）に示すように、マスク１０６Ａを剥離することで、図３に示す音叉型振動子３０が形成される。ここで、図１９（Ｄ）の全面電極成膜工程は真空チャンバー内での超真空中で実施される。従って、従来のように第１および第２の電極パターン７０Ａ，７０Ｂを形成する途中で大気と真空とに交互に基板１００を出し入れすることで生ずる不純物の混入や酸化膜の形成等を、全く無視することができる。なお、図示していないが、上述した通り、第１および第２の電極パターン７０Ａ，７０Ｂは焼鈍し等により熱処理される。第１および第２の電極パターン７０Ａ，７０Ｂの熱処理は、後述する通り、図１９（Ｄ）での成膜工程後に同一真空チャンバー内にて実施することができる。
【０１０２】
図１９（Ｈ）は、追加的に実施される工程として、振動子３０を絶縁膜１０７例えばＳｉＯ２でコーティングする工程を示している。ここで、第１および第２の電極パターン７０Ａ，７０Ｂを構成する二層電極膜（Ａｕ/Ｃｒ）のサイド側は、電極エッチングの過程で、クロムＣｒが露出する。このため、時間の経過と共にクロムＣｒの酸化が進行する。振動子３０を絶縁膜１０７例えばＳｉＯ２でコーティングすることで、振動子３０の信頼性を高めることができる。また、絶縁膜例えばＳｉＯ２は緻密な膜を形成する。このため、絶縁膜１０７例えばＳｉＯ２は、振動子３０および電極膜７０Ａ，７０Ｂ内部からの異種原子の拡散を抑えるバリア層の役割も果たすことができる。なお、図１９（Ｈ）の工程は、水晶基板１００上にて音叉型水晶振動子３０が完成された後に、水晶基板１００から音叉型水晶振動子３０を切り離した後であって、かつ、音叉型水晶振動子３０をハーメチック端子に半田によって接合した後に実施されることが望ましい。それにより、半田部も、絶縁膜１０７でコーティングすることができ、耐食性を向上できる。
【０１０３】
３．２．電極膜の成膜装置（蒸着装置）の概要
図１９（Ｅ）にて電極膜１０４，１０５を形成するには、スパッタ法または蒸着法を用いることができる。スパッタ法は、初期の核密度が大きいため電極膜１０４，１０５の電気抵抗を小さくでき、高沸点金属や化合物の薄膜形成ができ、基板１００がプラズマに曝されるため基板表面を清浄化、活性化できる点で利点がある。ただし、スパッタ法は、蒸着法と比較して、原子に付与されるエネルギーが高い（〜１０１ｅＶ）。そのため、薄膜形成の過程で結晶内部に空孔や格子間原子が生成されることがある。これらは、構造欠陥や電気雑音をもたらす。その点、蒸着は、原子に付与されるエネルギーが低く（１０−１〜１０0ｅＶ）、構造欠陥や電気雑音を低減できる。また、スパッタ法では、プラズマ中の加速イオンまたは中性化された加速原子が不純物として基板１００に捕獲され、さらに表面原子を基板内部に叩き込む。これによりPeening効果が生じ、基板又は電極膜の圧縮残留応力が大きくなる。また、スパッタ法では、不純物の発生が妨げられない。これらの点を比較しても、スパッタ法より蒸着法が優れている。そこで、以下の説明では成膜装置を、蒸着装置の例を挙げて説明する。
【０１０４】
図２０は、蒸着装置４００を示している。蒸着装置４００は、真空チャンバー４０１と、真空チャンバー４０１内に配置された成膜源である蒸着源４０２と、真空チャンバー４０１内にて蒸着源４０２と離間して配置された基板ホルダー４０３とを有する。
【０１０５】
真空チャンバー４０１は、大気−真空置換するロードロックチャンバー（図示せず）をおよびゲートバルブ介して、搬送治具に支持された基板１００が搬入出される。
【０１０６】
真空チャンバー４０１は、ドライポンプで粗引き後に、ターボポンプで１０−６Ｐａまで高真空引きされる。その後にクライオポンプで排気しながら蒸着時の圧力が１×１０−５Ｐａ以下に維持される。
【０１０７】
蒸着源４０２は、第１電極膜１０４の材料（例えばＣｒ）を蒸発させる第１蒸着源４０２Ａと、第２電極膜１０５の材料（例えばＡｕ）を蒸発させる第２蒸着源４０２Ｂとを有する。
【０１０８】
基板ホルダー４０３は、基板１００の表面１００Ａおよび裏面１００Ｂを露出させて（図２０では上向きの裏面１００Ｂのみが示されている）基板１００を支持する。このために、基板ホルダー４０３は基板１００の周縁部で表面１００Ａおよび裏面１００Ｂを挟んで固定することができる。
【０１０９】
基板ホルダー４０３はさらに、回転軸４０４に支持（固定）されている。回転軸４０４は、軸受け４０５，４０５に支持され、真空チャンバー４０１の外部に設けられた駆動部により回転駆動またはチルト駆動される。
【０１１０】
基板ホルダー４０３に支持される基板１００と対向して、真空チャンバー４０１内には、基板１００とは非接触にて基板１００を加熱して熱処理する加熱部４０６を有することができる。加熱部４０６は、抵抗加熱、熱電子発生用フィラメントなどでもよいが、本実施形態では、非接触加熱可能でかつ放出ガスが少ない赤外線ランプにて加熱部４０６を構成している。加熱部４０６は、蒸着材料の再結晶化温度を考慮した温度（例えばＣｒ及びＡｕについて１５０〜４００℃）にて基板１００を加熱する。
【０１１１】
ここで、金属材料の再結晶化温度は融点の約１／３とされており、Ｃｒの融点１８７５℃、Ａｕの融点１０６３℃から、再結晶化温度はＣｒで６２５℃、Ａｕで３５０℃となる。例えばＣｒ及びＡｕから成る電極膜７０Ａ，７０Ｂが形成される基板１００を、成膜中にて再結晶化温度未満の成膜温度例えば１５０℃に加熱すると、基板表面の水、不純物を除去して基板１００と電極膜７０Ａ，７０Ｂとの付着力を高めると共に、蒸着された電極膜７０Ａ，７０Ｂと基板１００との熱膨張率の差により発生する内部応力を低減できる。しかも、再結晶化温度未満の成膜温度で成膜することで、蒸着材料を単原子状態で蒸着させるなどして、蒸着される電極膜の巨視的形状を変化させることがない。加熱部４０６はさらに、成膜後に、基板１００を成膜温度よりも高い温度、例えば再結晶化温度以上の温度例えば３５０〜４００℃にて基板１００を加熱して、基板１００を熱処理することができる。この熱処理により、電極膜が形成された後に基板１００の温度が下がるときに生ずる熱応力、成膜時に生じた薄膜中の構造欠陥および電気雑音を低減できる。加熱部４０６は、加熱部４０６を冷却例えば水冷する収容部４０７内に収容することができる。また、再結晶化温度以上の基板温度で熱処理しても、熱処理時間が短時間であれば巨視的形状を変えることがないと考えられる。
【０１１２】
収容部４０７と基板ホルダー４０３の間には、例えば有底筒状の反射板４０８と、その例えば底部に設けられるシールド板４０９と、を設けることができる。反射板４０８の反射機能により、加熱部４０６である赤外線を基板１００に向けて効率よく集光して照射する。例えば、赤外線ランプ４０６が点光源であると、楕円形の反射板４０８の２つの焦点の一方に赤外線ランプ４０６を、他方に基板１００を配置することで、加熱効率を高めることができる。シールド板４０９のシールド機能により、蒸発材料が赤外線ランプ４０６等に付着することを防止できる。
【０１１３】
なお、必要に応じて、蒸着源４０２と基板ホルダー４０３との間に設けられるシャッターや、第１，第２蒸着源４０２Ａ，４０２Ｂ間のクロスコンタミネーションを防止する仕切り板や、膜厚モニター部などを配置することができる。
【０１１４】
３．３．基板ホルダーによる反転駆動およびチルト駆動
図２１（Ａ）（Ｂ）は基板１００の反転駆動を示している。図２１（Ａ）は、基板１００の裏面１００Ｂが上向きとされているので、下向き状態の表面１００Ａが蒸着源４０２と向かい合わされている。これにより、表面１００Ａに第１電極膜１０４の材料（例えばＣｒ）または第２電極膜１０５の材料（例えばＡｕ）を蒸着させることができる。
【０１１５】
なお、基板１００の表面１００Ａに異なる電極膜を積層するために、第１，第２蒸着源４０２Ａ，４０２Ｂをそれぞれ加熱するための加熱源や電子線が切り換えられる。
【０１１６】
基板１００の表面１００Ａに電極膜が形成されたら、基板ホルダー４０３は、回転軸４０４の１８０度回転により反転駆動される。それにより、基板１００の裏面１００Ｂが蒸着源４０２と向かい合うように配置される。こうして、基板１００を基板ホルダー４０３に保持したまま、真空チャンバー４０１内にて基板ホルダー４０３及び基板１００を容易に反転させることができる。
【０１１７】
図２２（Ａ）（Ｂ）は基板１００のチルト駆動を示している。図２２（Ａ）（Ｂ）では、基板１００の裏面１００Ｂ側が上向きとされているので、下向き状態の表面１００Ａ側が蒸着源４０２と向かい合わされているが、水平面に対する傾斜角（チルト角）のチルト方向が正負で異なる。図２２（Ａ）の時計回り方向のチルト角を例えば＋３０°とすると、図２２（Ｂ）の反時計回り方向のチルト角は−３０°である。
【０１１８】
図２３及び図２４は、図２１（Ａ）に示す正転状態（基板１００の表面１００Ａが下向き）にて実施される第１及び第２成膜工程を示している。図２３は図２２（Ａ）のチルト駆動後の第１成膜工程を示し、図２４は図２２（Ｂ）のチルト駆動後の第２成膜工程を示している。図２３および図２４は、図３の２本の腕３２Ａ，３２Ｂの間の空隙３３を挟んで対向する第１側面３２Ｂ２と第２側面３２Ａ４の成膜工程を拡大して示している。
【０１１９】
図２３の第１成膜工程では、基板１００の表面１００Ａ（第１主面３２Ａ１，３２Ｂ１）が蒸着源４０２と向かい合う。加えて、チルト駆動により腕部３２Ｂの第１側面３２Ｂ２が斜め下向きとなり、蒸着源４０２と向かい合う。それにより、上昇する蒸発材料は基板１００の表面１００Ａ（第１主面３２Ａ１，３２Ｂ１）に蒸着されると共に、空隙３３を介して進行して第１側面３２Ｂ２にも蒸着される。
【０１２０】
図２３の第１成膜工程後の図２４の第２成膜工程でも、基板１００の表面１００Ａ（第１主面３２Ａ１，３２Ｂ１）が蒸着源４０２と向かい合う。加えて、チルト駆動により腕部３２Ａの第２側面３２Ａ４が斜め下向きとなり、蒸着源４０２と向かい合う。それにより、上昇する蒸発材料は基板１００の表面１００Ａ（第１主面３２Ａ１，３２Ｂ１）に蒸着されると共に、空隙３３を介して進行して第２側面３２Ａ４にも蒸着される。このとき、図３に示すチルト駆動により、第１側面３２Ｂの上端と第２側面３２Ａ４の下端とを実質的に同一鉛直線上に位置させると、蒸着材料が空隙３３を介して基板１００の上方に通り抜けてしまうことを低減できる。
【０１２１】
図２３の第１成膜工程後の図２４の第２成膜工程でも、基板１００の表面１００Ａ（第１主面３２Ａ１，３２Ｂ１）が蒸着源４０２と向かい合う。加えて、チルト駆動により腕部３２Ａの第２側面３２Ａ４が斜め下向きとなり、蒸着源４０２と向かい合う。それにより、上昇する蒸発材料は基板１００の表面１００Ａ（第１主面３２Ａ１，３２Ｂ１）に蒸着されると共に、空隙３３を介して進行して第２側面３２Ａ４にも蒸着される。
【０１２２】
図２５及び図２６は、図２１（Ｂ）に示す反転状態（基板１００の裏面１００Ｂが下向き）にて実施される第３及び第４成膜工程を示している。図２５は例えば図２４の状態から１８０度反転された反転駆動後の第３成膜工程を示し、図２６は図２５の状態からチルト駆動後の第４成膜工程を示している。
【０１２３】
図２５の第３成膜工程では、基板１００の裏面１００Ｂ（第２主面３２Ａ３，３２Ｂ３）が蒸着源４０２と向かい合う。加えて、チルト駆動により腕部３２Ｂの第１側面３２Ｂ２が斜め下向きとなり、蒸着源４０２と向かい合う。それにより、上昇する蒸発材料は基板１００の裏面１００Ｂ（第２主面３２Ａ３，３２Ｂ３）に蒸着されると共に、空隙３３を介して進行して第１側面３２Ｂ２にも蒸着される。
【０１２４】
図２５の第３成膜工程後の図２６の第４成膜工程でも、基板１００の裏面１００Ｂ（第３主面３２Ａ３，３２Ｂ３）が蒸着源４０２と向かい合う。加えて、チルト駆動により腕部３２Ａの第２側面３２Ａ４が斜め下向きとなり、蒸着源４０２と向かい合う。それにより、上昇する蒸発材料は基板１００の裏面１００Ｂ（第３主面３２Ａ３，３２Ｂ３）に蒸着されると共に、空隙３３を介して進行して第２側面３２Ａ４にも蒸着される。
【０１２５】
なお、第１〜第４成膜工程の順序は適宜変更して実施できる。第２成膜工程が第１成膜工程の後であり、第４成膜工程が第３成膜工程の後であり、第３成膜工程は第１成膜工程または第２成膜工程の後に実施できる。よって、第１、第３、第２、第４成膜工程の順序や、第１、第３、第２、第４成膜工程の順序であってもよい。
【０１２６】
ここで、第１〜第４成膜工程の各々において、主面３２Ａ１，３２Ａ３，３２Ｂ１，３２Ｂ３に蒸着される電極膜１０４の膜厚をｔ１１と定義し、側面３２Ａ２，３２Ａ４，３２Ｂ２，３２Ｂ４に蒸着される電極膜１０４の膜厚をｔ２１と定義する。第１〜第４成膜工程の各々において、主面３２Ａ１，３２Ａ３，３２Ｂ１，３２Ｂ３と、側面３２Ａ２，３２Ａ４，３２Ｂ２，３２Ｂ４とには、それぞれ２回ずつ蒸着が実施される。よって、主面３２Ａ１，３２Ａ３，３２Ｂ１，３２Ｂ３の電極膜１０４の最終膜厚をｔ１２とし、側面３２Ａ２，３２Ａ４，３２Ｂ２，３２Ｂ４の電極膜１０４の最終膜厚をｔ２２とすると、第１〜第４成膜工程の時間が等しい場合、ｔ１２＝２×ｔ１１、ｔ２２＝２×ｔ２１となる。
【０１２７】
また、図２３〜図２６から明らかなように、第１側面３２Ｂ２および第２側面３２Ａ４では、蒸着材料の入射角度が第１，第２主面よりも浅く、蒸着効率は悪い。このことが、２本の腕部３２Ａ，３２Ｂの第１，第２側面３２Ａ２，３２Ａ４，３２Ｂ２，３２Ｂ４への電極膜の膜厚ｔ２２が、２本の腕部３２Ａ，３２Ｂの第１，第２主面３２Ａ１，３２Ａ３，３２Ｂ１，３２Ｂ３への電極膜の膜厚ｔ１２よりも薄くなる理由である。ただし、側面３２Ａ２，３２Ａ４，３２Ｂ２，３２Ｂ４とには、それぞれ２回ずつ蒸着が実施されることから、２本の腕部３２Ａ，３２Ｂの第１，第２側面３２Ａ２，３２Ａ４，３２Ｂ２，３２Ｂ４への第１電極膜１０４（Ｃｒ）は、連続膜となる２０〜４０ｎｍの膜厚が確保される。
【０１２８】
上述した第１〜第４成膜工程は、図２０に示す真空チャンバー４０１内に基板１００を配置したまま実施することができる。よって、成膜途中で基板１００が大気と接触して電極膜上に自然酸化膜が形成されることがない。また、図１９に示すように第１，第２電極膜１０４，１０５を成膜する場合には、第１蒸着源４０２Ａを用いて第１電極膜１０４を第１〜第４成膜工程にて成膜し、第２蒸着源４０２Ｂに切り換えた後に、第２電極膜１０５を第１〜第４成膜工程にて成膜することができる。この場合にも、図２０に示す真空チャンバー４０１内に基板１００を配置したまま第１，第２電極膜１０４，１０５を成膜することができる。よって、第１，第２電極膜１０４，１０５を成膜する途中で基板１００が大気と接触して、第１，第２電極膜１０４，１０５間に電極膜上に自然酸化膜が形成されることがない。
【０１２９】
第１〜第４成膜工程の各々では、第１蒸着源４０２Ａと第２蒸着源４０２Ｂとを同時に用いて、第１電極膜１０４と第２電極膜１０５との拡散合金化電極膜を形成しても良い。それにより、第１，第２電極膜１０４，１０５の成膜時間を大幅に短縮できる。上述の通り第１蒸着源４０２Ａと第２蒸着源４０２Ｂとを切り換えても、熱処理により拡散合金化が可能であるが、同時蒸着によって基板温度が低い条件で拡散合金化することができる。また、この場合にも第１，第２電極膜１０４，１０５間の酸化膜の形成を無視できる。
【０１３０】
３．４．蒸着装置での圧力と蒸着速度
本実施形態では、図２０に示す蒸着源４０２と基板１００との間の距離をＬとした時、真空チャンバー４０１内にて電極膜を蒸着する圧力は、真空チャンバー４０１内での残留気体分子の平均自由工程がＬの１０００倍以上となる圧力に設定することができる。
【０１３１】
ここで、平均自由行程（ｌａ）と蒸着時圧力（Ｐ）との間には、ｌａ＝ｋ／Ｐの関係が成立する。ｋはガスの種類に依存する定数であり、空気ついてはｋ＝６．７８Ｐａ・ｍｍである。蒸着時圧力（Ｐ）を１．３３×１０−２Ｐａとすれば、平均自由工程ｌａはｌａ＝５００ｍｍとなる。したがって、普通の真空チャンバーであれば、蒸着時圧力（Ｐ）≦１．３３×１０−２Ｐａの場合、真空チャンバー内の分子は分子同士の衝突ではなくチャンバー壁との衝突が主となる。
【０１３２】
図２７は、蒸着源４０２と基板１００との間の距離がＬの場合の蒸発分子と残留ガス分子との衝突する確率を示す。ただし、残留気体分子の平均自由工程はｌａである。図２７から、Ｌ＝ｌａの時にすでに蒸着分子のほぼ６０％が残留気体分子と衝突を起こすことが判る。従って、残留ガスと蒸気分子の衝突確率を非常に小さくするには、Ｌ≪ｌａにすることが要求される。本実施形態では、Ｌ≪ｌａを満たす条件として、Ｌ≦１０００×ｌａを採用する。これを満たすためには、蒸着時圧力（Ｐ）≦１．３３×１０−５Ｐａが成立する。
【０１３３】
真空チャンバー４０１内の蒸着時圧力（Ｐ）を１．３３×１０−５Ｐａ以下にすることにより、図２８に示すように蒸発分子と残留ガス分子との衝突の確率は１／１０００以下に低減できる。これにより、真空チャンバー４０１内の気相中で残留ガスとの反応によって発生する不純物が、薄膜である電極膜中に混入されることを防ぐことができる。
【０１３４】
真空チャンバー４０１内の蒸着時圧力（Ｐ）を１０−５Ｐａオーダーとするには、蒸着前での真空チャンバー４０１の到達圧力ＰｕをＰｕ＜１×１０−６Ｐａとする必要がある。Ｊまた、空チャンバー４０１内の蒸着時での酸素分圧ＰＯ２は、ＰＯ２＜１×１０−６Ｐａとすることが好ましい。このように酸素分圧ＰＯ２を低くすると、図１９に示す第１電極膜１０４（Ｃｒ）の成膜後に第１電極膜１０４上に酸化膜が形成されることを防止できる。それにより、第１電極膜１０４（Ｃｒ）と第２電極膜１０５（Ａｕ）とが、蒸着材料の再結晶化温度未満の基板温度で拡散合金化される。もし、第１電極膜１０４（Ｃｒ）と第２電極膜１０５（Ａｕ）との間に酸化膜が介在すると、拡散合金化させるために再結晶化温度以上に加熱することになる。
【０１３５】
蒸着時の圧力ついて、別の観点から考察する。残量ガスが２９３Ｋの温度の空気であると仮定すると、次式が当てはまる。
【０１３６】
νL/νD＝7.4×103（MDPL/ρak）
ここで、νL：  基板に入射する残留ガス分子の入射
νD：  基板に入射する蒸発分子の入射率
MD：  蒸発分子の質量数
ρ：  蒸着膜の密度
PL：  蒸発時、蒸発容器内残量ガス全圧
aK：  薄膜の成長速度
【０１３７】
図２９は、１．３３×１０−３Ｐａ（空気２９３Ｋ）におけるＣｒとＡｕの薄膜成長速度と、基板に入射する残留ガス分子の入射率νLと蒸発分子の入射率νDとの比率の関係を表したものである。成長速度akは、実際には１〜１００ｎｍ/ｓの範囲内である。従って、圧力が１．３３×１０−３Ｐａでは、図２９に示すようにνL/νDは１０−２〜1の範囲となり、残留ガスの混入が影響するのはあきらかである。
【０１３８】
残留ガス分子の混入を少なくするには、圧力を低くするか、または非常に速い蒸発速度を選ぶ必要がある．基板に蒸着膜が着膜する速さが速ければ欠陥が多く、遅ければ欠陥の少ない膜になることこれまでに判明している。
【０１３９】
図３０は、１×１０-６ＰａにおけるＣｒとＡｕの薄膜成長速度と、基板に入射する残留ガス分子の入射率νLと蒸発分子の入射率νLとの比率の関係を表したものである。図２９と同じくaK=1〜100nm/sの条件下では、νＬ／νＤは８×１０-３〜１×１０-５の範囲となる。このように、真空チャンバー４０１内の蒸着時の圧力を１０−６Ｐａ台で成膜することによって、図２９に示す成膜条件と比較して１／１００以下に残留ガスの混入を抑えることができる。それにより、成膜された電極膜内の構造欠陥、内部応力を軽減できる。
【０１４０】
Ｃｒ，Ａｕが基板１００に蒸着される単位面積当たりの蒸着速度は、次式で表される。
Av1=5.85x10-2・Ps√（ＭＤ/T)
ここで、Av1:  理想的な条件での単位面積当たりの蒸発速度
Ps :  温度Tにおける飽和蒸気圧
MD :  蒸発分子のグラム分子量
T  :  蒸発温度の絶対温度
【０１４１】
また、飽和蒸気圧Ｐｓは、Ｋ１，Ｋ２をそれぞれ材料の定数として、次式で表される。
【０１４２】
Ｐｓ＝Ｋ１×ｅ−Ｋ２/Ｔ
図３１は、Ｃｒ、Ａｕの飽和蒸気圧曲線を示す。上式の飽和蒸気圧を用いて蒸着速度Av1が求められ、Ｃｒ，Ａｕについての蒸着速度Av1は図３２に示される。実用的には１０−５〜１０−２（ｇ／ｃｍ２・ｓ）の蒸発速度が必要となる。図３２から明らかなように、十分な蒸発速度を得るために、一般に蒸発材料を溶解し溶融表面からＣｒ，Ａｕを蒸発させるには、それぞれ１３５０〜１６００Ｋ、１６００〜２０５０Ｋの温度が必要である。この温度における飽和蒸気圧は、Ｃｒ、Ａｕについては図３１から１０−１〜１０１Ｐａとなり、この圧力以下では蒸着は可能である。
【０１４３】
３．５．音叉型水晶振動子の特性
以上の通り、真空チャンバー４０１内の蒸着時の圧力を１．３３×１０−５Ｐａ以下とし、蒸着時に基板１００を加熱することにより、適切な薄膜成長速度で、残留ガス分子（特に酸素）の影響を受けずに、構造欠陥・内部応力の少ない水晶振動子電極薄膜の製膜が可能となる。
【０１４４】
上述のようにして製造される音叉型水晶振動子３０は、図３３に示す固有共振インピーダンス特性を有することができる。従来型の音叉型水晶振動子の固有共振インピーダンスの最小値Ｚ０＝１２．５ｋΩ（ＴＰ＝１５℃）は、本実施形態では電極膜の構造欠陥が低減されてＺ０＝１０．０ｋΩ（ＴＰ＝１５℃）まで低下させることができる。また、従来型の音叉型水晶振動子は、温度Ｔが１５℃≦Ｔ≦５５°範囲で±５００ｐｐｍ／℃温度依存性を有していたのが、本実施形態では電極膜中の不純物を低減することで±５０ｐｐｍ／℃以内に改善することができる。さらに、２つの腕３４Ａ，３４Ｂの第１，第２側面３４Ａ２，３４Ａ４，３４Ｂ２，３４Ｂ４での第１電極膜（Ｃｒ）を２０〜４０ｎｍの膜厚の連続膜として形成することで、温度ＴＰよりも低温領域での抵抗値が正の温度係数となり、温度勾配も低減することができる。
【０１４５】
なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。
【０１４６】
例えば、素子の主面と側面とに電極膜を成膜するためのチルト及び反転駆動機構を基板ホルダーに設けた成膜装置は、圧力センサーやタイミングセンサを含む各種用途に用いられる音叉型水晶振動子等の素子の製造にも適用でき、必ずしも蒸着装置に限定されないことは明らかである。
【０１４７】
また、電極膜を二層積層する場合には、第１電極膜はＣｒに限らず、他の高融点金属であるＮｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｚｒから選択できる。第２電極膜もＡｕに限らず、高融点金属と密着性の良いＡｇ、Ｐｔなどであって良い。
【符号の説明】
【０１４８】
１  水晶式圧力計、１０  真空室、３０  水晶振動子、３２Ａ，３２Ｂ  第１，第２の腕部（素子部）、３２Ａ１，３２Ｂ１  第１主面、３２Ａ２，３２Ｂ２  第１側面、３２Ａ３，３２Ｂ３  第２主面、３２Ａ４，３２Ｂ４  第２側面、４０  電極、７０Ａ  第１の電極パターン（電極膜）、７０Ｂ  第２の電極パターン（電極膜）、１００  基板（水晶基板）、１００Ａ  表面、１００Ｂ  裏面、１０４  第１電極膜、１０５  第２電極膜、２００  測定回路、  ２１０  電流電圧変換器、２２０  減衰器（１／１０減衰器）、２３０  第１の全波整流器、２４０  基準電圧源、２５０  比較器、２６０  電圧制御減衰器、２７０  第２の全波整流器、２８０  アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器、２９０  周波数カウンタ、３００  記憶部、３１０  演算部、３２０  表示部、４００  成膜装置（蒸着装置）、４０１  真空チャンバー、４０２  成膜源（蒸着源）、４０２Ａ  第１蒸着源、４０２Ｂ  第２蒸着源、４０３  基板ホルダー、４０４  回転軸、４０６  加熱部（赤外線ランプ）、Ｗ  矩形断面部の断面幅、ｔ  矩形断面部の断面厚、Ｌａ  腕部の長さ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図１８】
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