JP2004091858A - 真空蒸着装置及び方法並びに蒸着膜応用製品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、水晶振動子を用いることなく蒸着速度を制御する真空蒸着装置及び方法を提供することを課題とする。
【解決手段】コントローラ９から電気ヒータ６に電力が供給され、電気ヒータ６によってるつぼ２内の蒸着材４が加熱される。蒸着材４の周辺雰囲気の圧力が圧力センサ８によって測定され、コントローラ９は圧力センサ８から入力された圧力の測定値が予め設定されている設定値となるように、電気ヒータ６に供給する電力量を調整する。これにより、所定の蒸着速度が維持され、基板５の表面上に形成される蒸着膜の厚さが制御される。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、真空蒸着装置及び方法に係り、特に蒸着速度の制御に関する。
また、この発明は、真空蒸着装置を用いて蒸着膜応用製品を製造する方法にも関している。
【０００２】
【従来の技術】
従来の真空蒸着装置の構成を図８に示す。真空容器１内にるつぼ２が配置されると共にるつぼ２に対向して基板ホルダ３が配設されている。るつぼ２内には蒸着材４が収容され、基板ホルダ３には蒸着膜を形成しようとする基板５が保持されている。るつぼ２の外周部に巻装された電気ヒータ６により蒸着材４を加熱して蒸発させると、蒸着材４の気化分子がるつぼ２から放出され、基板５の表面上に付着して蒸着膜の形成がなされる。
【０００３】
ここで、ヒータ６により加熱された蒸着材４は時々刻々蒸発して減少するため、電気ヒータ６に安定した電力を供給しても、それだけでは蒸着材４の蒸着速度を一定にすることはできず、基板５の表面上に形成される蒸着膜の厚さを精度よく制御することは困難である。そこで、図８に示されるように、真空容器１内には、基板５の近傍に蒸着速度計７が設置されており、この蒸着速度計７で計測される蒸着速度が一定となるように電気ヒータ６に供給する電力をフィードバック制御することが行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
蒸着速度計７としては、水晶振動子を用いたものが広く使用されている。水晶振動子の表面上に蒸着膜が形成されると、蒸着膜の分だけ質量が増加するために、水晶振動子の発信周波数が変化する。この発信周波数の変化量は質量の増加分に対応し、さらに質量の増加分は蒸着膜の厚さに対応するため、発信周波数の変化を測定することによって蒸着膜の厚さを算出することができる。
しかしながら、水晶振動子の表面上に例えば７０００〜８０００オングストローム（７００〜８００ｎｍ）もの厚さの蒸着膜が付着すると、もはや水晶振動子として使用することが困難となり、新たな水晶振動子と交換しなければならない。例えば、毎分２オングストローム（０．２ｎｍ）の膜厚速度で成膜処理を行うと、６０〜７０時間程度で水晶振動子の寿命が尽きることとなる。
【０００５】
従って、頻繁に水晶振動子を交換しなければならないという問題点があり、これにより、例えば装置維持等に手間がかかると共に費用が嵩むということが指摘されていた。
この発明は上記問題点を解消するためになされたもので、水晶振動子を用いることなく蒸着速度を制御する真空蒸着装置及び方法を提供することを目的とする。
また、この発明は、水晶振動子を用いることなく蒸着速度を制御する真空蒸着装置を用いて蒸着膜応用製品を製造する方法を提供することも目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る真空蒸着装置は、真空容器内で蒸着材を蒸発させることにより基板の表面上に蒸着膜を形成する真空蒸着装置において、蒸着材の周辺雰囲気の圧力を測定する圧力センサと、圧力センサで測定された圧力値に基づいて蒸着速度を制御するコントローラとを備えたものである。
蒸着材の周辺雰囲気の圧力と気化した蒸着材の量との間には一定の相関関係があり、また、気化した蒸着材の量と基板に単位時間当たりに蒸着する蒸着材の量すなわち蒸着速度との間にも一定の相関関係があるため、コントローラが蒸着材の周辺雰囲気の圧力値に基づいて蒸着速度を制御することができる。従って、水晶振動子を用いなくても蒸着速度を制御することが可能となる。
さらに、蒸着速度を時間積分したり、蒸着速度と蒸着時間に対する膜厚の対応テーブルを用いたりすることにより、蒸着速度から基板上に形成される膜厚を算出することができるため、膜厚の制御も可能となる。
【０００７】
真空容器内に蒸着材を内包するように配設されると共に基板を臨む開口部が形成された前室をさらに備え、圧力センサが前室内の圧力を測定するようにしてもよい。このようにすれば、前室がない場合に比べて、気化した蒸着材の量をより精度よく把握することができ、蒸着速度をより高精度に制御することができる。
さらに、前室の開口部に設けられたシャッターと、このシャッターを開閉させて蒸着膜の形成を制御する第二のコントローラとを備えることもできる。前室の開口部を開閉するシャッターを備えれば、シャッターを開いてから閉じるまでの間しか蒸着材が真空容器内へ移動しなくなる。このため、前室内の圧力、シャッターの開閉時間及び開口部の面積等と基板への蒸着量とが一定の関係を有し、その結果蒸着量の制御が可能となる。なお、圧力値に基づいて蒸着速度を制御するコントローラが、シャッターを開閉させて蒸着膜の形成を制御する第二のコントローラの機能を兼ね備えていてもよい。
【０００８】
蒸着材を加熱する加熱手段をさらに備え、コントローラが圧力センサで測定された圧力値に基づいて加熱手段による蒸着材の加熱を調整することにより蒸着速度を制御するように構成することもできる。加熱手段による加熱の調整によって蒸着材の気化分子の放出量が変化するので、蒸着速度の制御がなされる。
また、コントローラが圧力センサで測定された圧力値に基づいてシャッターによる前室の開口部の開放面積を調整することにより蒸着速度を制御するように構成してもよい。開口部の開放面積の調整によって前室から真空容器内へ移動する蒸着材の気化分子の量が変化するので、蒸着速度の制御がなされる。
【０００９】
この発明に係る真空蒸着方法は、真空容器内で蒸着材を蒸発させることにより基板の表面上に蒸着膜を形成する真空蒸着方法において、蒸着材の周辺雰囲気の圧力を測定し、測定された圧力値に基づいて蒸着速度を制御する方法である。蒸着材の周辺雰囲気の圧力と気化した蒸着材の量との間には一定の相関関係があり、また、気化した蒸着材の量と蒸着速度との間にも一定の相関関係があるため、蒸着材の周辺雰囲気の圧力値に基づいて蒸着速度を制御することができる。従って、水晶振動子を用いなくても蒸着速度を制御することが可能となる。
【００１０】
基板を臨む方向のみ開放させて蒸着材の周辺雰囲気を仕切り、仕切られた雰囲気内の圧力を測定して蒸着速度を制御するようにしてもよい。このようにすれば、蒸着材の周辺雰囲気を仕切らない場合に比べて、気化した蒸着材の量をより精度よく把握することができ、蒸着速度をより高精度に制御することができる。
測定された圧力値に基づいて蒸着材の加熱を調整することにより蒸着速度を制御するように構成することもできる。蒸着材の加熱の調整によって蒸着材の気化分子の放出量が変化するので、蒸着速度の制御がなされる。
【００１１】
また、この発明に係る蒸着膜応用製品の製造方法は、上記の真空蒸着装置を用いて基板上に蒸着膜を形成する方法である。従って、水晶振動子を用いることなく蒸着速度を制御して蒸着膜の形成を行うことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１にこの発明の実施の形態１に係る真空蒸着装置の構成を示す。真空容器１内にるつぼ２が配置されると共にるつぼ２に対向して基板ホルダ３が配設されている。るつぼ２の外周部には、るつぼ２内に収容される蒸着材４を加熱して蒸発させるための加熱手段として電気ヒータ６が巻装されている。
また、真空容器１内には蒸着材４の周辺雰囲気の圧力を測定するための圧力センサ８が配置されており、この圧力センサ８にコントローラ９が接続され、さらにコントローラ９に電気ヒータ６が接続されている。
なお、真空容器１には、真空容器１内を減圧するために図示しない真空排気装置が接続されている。
【００１３】
次に、この実施の形態１の動作について図２のフローチャートを参照して説明する。
まず、るつぼ２内に蒸着材４を収容すると共に基板ホルダ３に蒸着膜を形成しようとする基板５を保持させた後、図示しない真空排気装置により真空容器１内を排気して所定の圧力に減圧する。
この状態で、ステップＳ１でコントローラ９から電気ヒータ６に所定の電力が供給され、電気ヒータ６によってるつぼ２内の蒸着材４が加熱される。そして、蒸着材４が蒸発し始めると、蒸着材４の気化分子がるつぼ２から放出され、基板ホルダ３に保持されている基板５の表面上へと付着する。
【００１４】
このとき、るつぼ２から放出された蒸着材４の気化分子により蒸着材４の周辺雰囲気の圧力が高まるが、この圧力がステップＳ２で圧力センサ８によって測定され、圧力値がコントローラ９へ送られる。ここで、蒸着材４の周辺雰囲気の圧力と気化した蒸着材４の量との間には一定の相関関係があり、また、気化した蒸着材４の量と基板５に単位時間当たりに蒸着する蒸着材４の量すなわち蒸着速度との間にも一定の相関関係があるため、コントローラ９は、圧力センサ８で測定された圧力値から蒸着速度を算出することができる。実際には、圧力センサ８から入力された圧力値が予め設定されている設定値となるように、コントローラ９はステップＳ３で電気ヒータ６に供給する電力量を調整する。これにより、所定の蒸着速度が維持され、基板５の表面上に形成される蒸着膜の厚さを制御することが可能となる。そして、ステップＳ４で所定時間が経過すると、所望の厚さの蒸着膜の形成が完了したと判断し、続くステップＳ５で電気ヒータ６への電力供給を停止する。
【００１５】
圧力センサ８は、蒸着膜の付着に起因した質量の変化を利用する水晶振動子とは異なり、極めて長い寿命を有しているので、この実施の形態１の真空蒸着装置によれば、頻繁に蒸着速度計を交換する必要がなく、容易に蒸着速度を制御して蒸着を行うことができる。すなわち、蒸着材４の周辺雰囲気の圧力値に基づいて蒸着速度及び蒸着量を制御することができる。
なお、コントローラ９が圧力センサ８で測定された圧力値から蒸着速度を算出したが、圧力値と蒸着速度との対応テーブルを予め設定しておき、この対応テーブルを参照して圧力値から蒸着速度を割り出すこともできる。
【００１６】
実施の形態２．
図３に実施の形態２に係る真空蒸着装置の構成を示す。この真空蒸着装置は、図１に示した実施の形態１の装置において、るつぼ２を内包する前室１０を真空容器１内に配設したものである。前室１０には、基板ホルダ３に保持された基板５を臨む開口部１１が形成されている。すなわち、基板５を臨む方向のみを開口部１１で開放させて前室１０により蒸着材４の周辺雰囲気が仕切られている。
【００１７】
蒸着を行う際には、まず、るつぼ２内に蒸着材４を収容すると共に基板ホルダ３に基板５を保持させ、図示しない真空排気装置により真空容器１内を排気して所定の圧力に減圧する。この状態で、図４に示されるステップＳ１でコントローラ９から電気ヒータ６に所定の電力が供給されてるつぼ２内の蒸着材４が加熱されると共にステップＳ２で圧力センサ８により前室１０で仕切られた蒸着材４の周辺雰囲気の圧力が測定される。
【００１８】
前室１０内は蒸着材４の気化分子により次第にその圧力が上昇するが、コントローラ９は、圧力センサ８から入力された圧力値が予め設定されている設定値となるように、ステップＳ３で電気ヒータ６に供給する電力量を調整する。これにより、蒸着材４の気化分子が前室１０の開口部１１を通って真空容器１内へ移動し、基板ホルダ３に保持されている基板５の表面上に付着して蒸着膜の形成を開始する。そして、ステップＳ４で所定時間が経過すると、所望の厚さの蒸着膜の形成が完了したと判断し、続くステップＳ５で電気ヒータ６への電力供給を停止する。
【００１９】
圧力センサ８が真空容器１内に配設された前室１０内の圧力を測定するので、蒸着材４の周辺雰囲気の圧力を精度よく測定することができ、実施の形態１に係る真空蒸着装置よりもさらに高精度の蒸着速度制御及び蒸着量制御が可能になる。ひいては所定の蒸着速度を維持して基板５の表面上に形成される蒸着膜の厚さを制御することができる。
また、開口部１１の個数及び面積を適宜選択することで、前室１０から真空容器１内へ移動する蒸着材４の気化分子の量を制御できるので、蒸着速度を制御することが可能となる。
【００２０】
実施の形態３．
図５に実施の形態３に係る真空蒸着装置の構成を示す。この真空蒸着装置は、図２に示した実施の形態２の装置において、前室１０の開口部１１を開閉するシャッター１２を取り付けると共に、開閉装置１３によりシャッター１２を開閉駆動するようにしたものである。コントローラ９には、圧力センサ８とるつぼ２の外周部に巻装された電気ヒータ６とが接続される他、開閉装置１３も接続されている。
【００２１】
次に、この実施の形態３の動作について図６のフローチャートを参照して説明する。まず、るつぼ２内に蒸着材４を収容すると共に基板ホルダ３に基板５を保持させ、図示しない真空排気装置により真空容器１内を排気して所定の圧力に減圧した後、ステップＳ１１で開閉装置１３によりシャッター１２を移動し、開口部１１を閉鎖して前室１０内を密封する。この状態で、ステップＳ１２でコントローラ９から電気ヒータ６に所定の電力が供給されてるつぼ２内の蒸着材４が加熱されると共にステップＳ１３で圧力センサ８により前室１０内の圧力が測定される。
【００２２】
前室１０内は蒸着材４の気化分子により次第にその圧力が上昇するが、コントローラ９は、ステップＳ１４で圧力センサ８から入力された圧力値が予め設定されている設定値に達したことを確認すると、ステップＳ１５で開閉装置１３によりシャッター１２を駆動して開口部１１を開き、前室１０を開放させる。これにより、蒸着材４の気化分子が前室１０の開口部１１を通って真空容器１内へ移動し、基板ホルダ３に保持されている基板５の表面上に付着して蒸着膜の形成を開始する。
【００２３】
その後、コントローラ９は、ステップＳ１６で圧力センサ８から入力された圧力値が設定値を維持するように、ステップＳ１７で電気ヒータ６に供給する電力量を調整する。そして、ステップＳ１８で所定時間が経過すると、所望の厚さの蒸着膜の形成が完了したと判断し、コントローラ９はステップＳ１９で開閉装置１３によりシャッター１２を移動し、開口部１１を閉鎖して前室１０内を再び密封した後、ステップＳ２０で電気ヒータ６への電力供給を停止して蒸着膜の形成を終了する。
【００２４】
このように、蒸着材４を前室１０内に密封し、圧力センサ８による前室１０内の圧力の測定値を設定値に維持した状態で前室１０を開放及び閉鎖することにより基板５の表面上への蒸着を行うので、蒸着速度の制御が容易になるだけでなく、蒸着膜形成の立ち上がり特性及び立ち下がり特性が向上し、蒸着膜の厚さを制御することが可能となる。
なお、この実施の形態３では、コントローラ９が圧力センサ８で得られた圧力値に基づいて蒸着速度を制御するだけでなく、シャッター１２の開閉による蒸着膜の形成制御をも行ったが、シャッター１２を開閉させて蒸着膜の形成を制御する第二のコントローラをコントローラ９とは別に備え、実施の形態１及び２と同様に、コントローラ９が圧力センサ８で得られた圧力値に基づいて蒸着速度を制御するだけの機能を有するものでもよい。
【００２５】
実施の形態４．
実施の形態３に係る真空蒸着装置は、図５に示した実施の形態３の装置と同様の構成を有しているが、電気ヒータ６に供給する電力量を調整することにより蒸着速度を制御する代わりに前室１０の開口部１１の開放面積を調整することにより蒸着速度を制御するようにしたものである。
【００２６】
図７に示されるように、蒸着膜の形成を開始した後、コントローラ９は、ステップＳ１６で圧力センサ８から入力された圧力値が設定値を維持するように、ステップＳ２１で開閉装置１３によりシャッター１２を移動し、前室１０の開口部１１の開放面積を調整する。そして、ステップＳ１８で所定時間が経過すると、所望の厚さの蒸着膜の形成が完了したと判断し、コントローラ９はステップＳ１９で開口部１１を閉鎖して前室１０内を再び密封し、ステップＳ２０で電気ヒータ６への電力供給を停止して蒸着膜の形成を終了する。
【００２７】
このように、前室１０の開口部１１の開放面積を調整することにより、前室１０から真空容器１内へ移動する蒸着材４の気化分子の量が変化するので、蒸着速度を制御することができる。
また、電気ヒータ６に供給する電力量の調整と開口部１１の開放面積の調整の双方を同時に行えばより高精度に蒸着速度の制御を行うことが可能となる。
【００２８】
以上説明した実施の形態１〜４に係る真空蒸着装置により、基板５の表面上に所望の厚さの蒸着膜が形成された蒸着膜応用製品を製造することができる。蒸着膜応用製品としては、例えば、ＩＣやＬＳＩ等の半導体製品、有機化合物層が形成された有機ＥＬ、透明電導膜が形成された液晶パネル、薄膜が形成された各種フィルム及びディスク等を対象とすることができる。
なお、上記の実施の形態１〜４においては、蒸着材４を加熱して蒸発させるための加熱手段としてるつぼ２の外周部に巻装された電気ヒータ６を使用したが、これに限るものではなく、例えば蒸着材４に電子ビームを照射して加熱するようにしてもよい。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、蒸着材の周辺雰囲気の圧力を圧力センサで測定し、圧力の測定値に基づいて蒸着速度を制御するので、頻繁に交換することが必要な水晶振動子を用いることなく蒸着速度を制御することができる。
さらに、真空容器内に配設され且つ開口部が形成された前室で蒸着材の周辺雰囲気を仕切り、圧力センサで得られた前室内の圧力の測定値に基づいて蒸着速度を制御するようにすれば、前室がない場合に比べて、気化した蒸着材の量をより精度よく把握することができ、蒸着速度をより高精度に制御することができる。
【００３０】
さらに、前室の開口部にシャッターを設け、このシャッターを開閉させて蒸着膜の形成を制御する第二のコントローラを備えれば、前室内の圧力、シャッターの開閉時間及び開口部の面積等に基づいて蒸着量の制御が可能となる。
蒸着速度の制御は、蒸着材の加熱を調整することにより、あるいはシャッターによる前室の開口部の開放面積の調整により行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る真空蒸着装置の構成を示す断面図である。
【図２】実施の形態１の動作を示すフローチャートである。
【図３】実施の形態２に係る真空蒸着装置の構成を示す断面図である。
【図４】実施の形態２の動作を示すフローチャートである。
【図５】実施の形態３に係る真空蒸着装置の構成を示す断面図である。
【図６】実施の形態３の動作を示すフローチャートである。
【図７】実施の形態４の動作を示すフローチャートである。
【図８】従来の真空蒸着装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１　真空容器、２　るつぼ、３　基板ホルダ、４　蒸着材、５　基板、６　電気ヒータ、８　圧力センサ、９　コントローラ、１０　前室、１１　開口部、１２　シャッター、１３　開閉装置。

Claims (9)

1. 真空容器内で蒸着材を蒸発させることにより基板の表面上に蒸着膜を形成する真空蒸着装置において、
   蒸着材の周辺雰囲気の圧力を測定する圧力センサと、
   前記圧力センサで測定された圧力値に基づいて蒸着速度を制御するコントローラと
   を備えたことを特徴とする真空蒸着装置。
2. 前記真空容器内に蒸着材を内包するように配設されると共に前記基板を臨む開口部が形成された前室をさらに備え、前記圧力センサは前記前室内の圧力を測定する請求項１に記載の真空蒸着装置。
3. 前記前室の開口部に設けられたシャッターと、このシャッターを開閉させて蒸着膜の形成を制御する第二のコントローラとをさらに備えた請求項２に記載の真空蒸着装置。
4. 蒸着材を加熱する加熱手段をさらに備え、前記コントローラは前記圧力センサで測定された圧力値に基づいて前記加熱手段による蒸着材の加熱を調整することにより蒸着速度を制御する請求項１〜３のいずれか一項に記載の真空蒸着装置。
5. 前記コントローラは前記圧力センサで測定された圧力値に基づいて前記シャッターによる前記前室の開口部の開放面積を調整することにより蒸着速度を制御する請求項３に記載の真空蒸着装置。
6. 真空容器内で蒸着材を蒸発させることにより基板の表面上に蒸着膜を形成する真空蒸着方法において、
   蒸着材の周辺雰囲気の圧力を測定し、
   測定された圧力値に基づいて蒸着速度を制御する
   ことを特徴とする真空蒸着方法。
7. 基板を臨む方向のみ開放させて蒸着材の周辺雰囲気を仕切り、
   仕切られた雰囲気内の圧力を測定して蒸着速度を制御する請求項６に記載の真空蒸着方法。
8. 測定された圧力値に基づいて蒸着材の加熱を調整することにより蒸着速度を制御する請求項６または７に記載の真空蒸着方法。
9. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の真空蒸着装置を用いて基板上に蒸着膜を形成することを特徴とする蒸着膜応用製品の製造方法。

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