JP5013591B2 - 真空蒸着装置 - Google Patents

Description

本発明は、真空蒸着装置に関する。

各種半導体素子や有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子を製造するため、真空蒸着装置が広く用いられている。真空蒸着装置は、真空室内で蒸発源から蒸発した蒸着物質を、被蒸着体となる基板に成膜するものである。
しかしながら、蒸発源からの蒸着物質が基板に到達する前に真空室内の他の部分に付着し、蒸着材料の利用効率が低下するという問題があった。そこで、蒸発源から基板に至る経路を壁で囲い、蒸着物質が堆積しないよう壁面を加熱する技術が開示されている（特許文献１参照）。又、上記した壁（筒状体）内に分布補正板を設け、蒸着物質の付着分布を制御する技術が開示されている（特許文献２参照）。

一方、坩堝（蒸着源）からの蒸着物質をバルブを介して圧力緩衝室へ導入し、圧力緩衝室から長尺スリット状の分子放出口を経て蒸着物質を基板に付着させる技術が開示されている（特許文献３参照）。この技術によれば、坩堝（蒸着源）からの蒸着物質が直接放射されずに所定の空間（圧力緩衝室）へ導入され、蒸気圧を安定な平衡圧に調整した後、スリットから放出される。このため、基板の広い範囲にわたって膜厚の均一性が高くなるとされている。

特開2002-80961号公報 特開2003-129231号公報 特開2004-307877号公報

ところで、近年、蒸着膜の要求特性が高くなる傾向にあり、膜の配向状態を制御する必要も生じている。しかしながら、蒸着物質の基板への入射角を容易に調整できる真空蒸着装置は開発されていない。特に、上記したように、蒸着材料の利用効率を低下させずに、かつ基板の広い範囲にわたって均一な膜厚が得られる技術は開発されていない。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、蒸着物質の基板への入射角を容易に調整できると共に、蒸着材料の利用効率が高く、かつ基板の広い範囲にわたって均一な膜厚が得られる真空蒸着装置の提供を目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の真空蒸着装置は、蒸着物質を収容する坩堝と、前記坩堝中の蒸着物質を加熱する第１の加熱機構と、一端が前記坩堝の開口に接続されて前記坩堝から生じた蒸着物質のガスを通過させる導管と、前記ガスを放出するノズルを有する筒状の拡散室とを備え、前記拡散室が中心軸を中心に回転するよう、前記拡散室の一端が前記導管の他端に回転可能に支持され、前記ノズルは前記拡散室の軸方向に沿って突出し、その先端が長尺スリット状に開口し、前記導管、前記拡散室、及び前記ノズルの外側に前記蒸着物質の付着防止のための第２の加熱機構をそれぞれ有する。

このような構成とすると、拡散室１０が中心軸を中心に回転するのに伴ってノズルが回転し、ノズルに対向する基板への蒸着物質ガスの入射角が変化する。これにより、蒸着膜の基板への配向角度を制御することができ、配向膜を成膜したり、被膜の品質を一定にすることができる。
さらに、第２の加熱機構を蒸着物質の融点以上程度に加熱することにより、導管、拡散室、及びノズルの内壁に付着した蒸発物質が再蒸発して飛散するので、歩留まりが向上する。

前記坩堝の開口に多孔板が配置されていることが好ましい。
このような構成とすると、坩堝で加熱された蒸着物質が熱伝達の不均一性のため突沸した場合に、蒸着物質の飛散を防止し、突沸に伴って導菅以降の経路（拡散室、ノズル内を含む）で圧力が変動するのを緩和する。

前記導管の一部に微小な流出口が開けられ、かつ前記流出口の近傍には該流出口から流出した前記ガスの量を測定する水晶振動子が配置されていることが好ましい。
このような構成とすると、導管を流れる蒸着物質の量を計算することができ、蒸着物質の付着量の制御がし易くなる。

前記拡散室のコンダクタンスをＣ１とし、前記ノズルのコンダクタンスをＣ２としたとき、Ｃ１／Ｃ２で表される比が１２以上であることが好ましい。
このような構成とすると、蒸着物質ガスが拡散室内へ充分拡散し、ノズル付近の圧力が一定となって蒸着物質の放出が安定するため、蒸着物質の蒸着が均一となる。

前記ノズルの先端内側には、前記スリット状の開口の短手方向に平行な回転軸を中心に回転自在なルーバー羽根が該開口の長手方向に沿って複数個並設されていることが好ましい。
このような構成とすると、ノズル開口からのガスの噴き出しを調整できるため、ルーバー羽根の角度を調整することで、基板の幅方向の付着量の差を低減することができる。

前記ノズルの先端の外側には、前記スリット状の開口の長手方向に沿い、かつ前記開口を挟む一対の防着板が互いに離間して配置され、各防着板の先端は前記開口より突出していることが好ましい。
このような構成とすると、ノズル先端から飛び出す蒸着物質ガスが防着板によって規制され、蒸着範囲が狭まると共に基板への入射角も限定される。そのため、膜の品質が向上する。又、防着板は、ノズル先端開口から基板への熱の輻射を遮るので、例えば基板に予め成膜した有機膜等に悪影響を及ぼすことを防止する。

前記一対の防着板のうち、少なくとも基板に近い側の防着板が冷却機構を備えることが好ましい。
このような構成とすると、防着板がノズル先端開口からの熱の輻射を遮った際に防着板の温度が上昇するのを防止することができる。

本発明によれば、真空蒸着における歩留まりが高く、又、成膜の均一性を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係る真空蒸着装置の全体構成図である。この図において、真空蒸着装置は図示しない真空室内に配置され、蒸着物質を収容する坩堝２と、坩堝２中の蒸着物質を加熱する第１の加熱機構（ヒーター）４と、一端６ａが坩堝２の開口２ａに接続される導管６と、ノズル８を有する拡散室１０とを備えている。導管６は、坩堝２の開口２ａから垂直に立ち上がった後、横方向に９０°曲げられて他端６ｂに至っている。
坩堝２としては、金属、セラミック等を用いることができ、第１の加熱機構４としては、シース゛ヒーター、誘導加熱、赤外加熱等を用いることができる。

拡散室１０は両端が閉塞された円筒状をなし、端面１０ａの中心が円状に開口し、拡散室１０の筒面が長尺スリット状に開口してノズル８に接続されている。端面１０ａと対向する他の端面は駆動機構（ステッピングモータ）２０と同心に接続されるとともに、端面１０ａの中心開口縁が導管６の他端６ｂに回転可能に支持され、駆動機構２０の駆動により拡散室１０がその中心軸を中心に回転するようになっている。
導管６への拡散室１０の支持方法は、例えば導管６の他端６ｂを拡散室１０の端面１０ａの中心開口から内部に挿入し、他端６ｂと端面１０ａの開口縁との間をＯリング、ベアリング、軸受等で支持する方法が挙げられる。なお、ベアリング、軸受等を用いた場合、他端６ｂと端面１０ａの隙間から蒸着物質ガスが漏れないよう、これらの隙間をシール材やＯリングでシールすることが好ましい。

ノズル８は、断面が長尺矩形の四角筒をなし、長尺の断面が拡散室１０の軸方向に沿うようにして、ノズル８の底部が拡散室１０の筒面のスリット状開口縁に接続されている。ノズル８は拡散室１０の軸方向に沿って突出し、その先端が長尺スリット状に開口している。そして、蒸着物質のガスは、坩堝２から導管６を経由して端面１０ａの中心開口から拡散室１０内に流入し、筒面のスリット状開口を経てノズル８の先端から放出され、ノズル８に対向する基板５０の表面に蒸着される。

基板５０の幅方向Ｗは、ノズル８の長手方向に平行になっていて、幅方向Ｗに垂直なＬ方向に相対移動して蒸着が進行する。ノズル８が長尺であり蒸着領域も細長くなるため、大型で幅広の基板に均一に蒸着することができる。
基板５０は通常、基板ホルダーに支持され、所定の移動機構により他の工程から真空蒸着装置内に搬送される。なお、基板５０側を固定し、真空蒸着装置をＬ方向に移動させ、蒸着を進行させてもよい。

拡散室１０の筒面からノズル８の先端に至る外側部分には、ノズル８の開口の長手方向に沿い、かつその開口を挟んで一対の防着板１２ａ、１２ｂが互いに離間して配置されている。又、各防着板１２ａ、１２ｂの先端はノズル８の開口より突出している。防着板１２ａ、１２ｂの作用については後述する。
導管６、拡散室１０、及びノズル８の外側には、それぞれ蒸着物質の付着防止のための第２の加熱機構（電熱線）１４、１６、１８が巻回されている。

上記したように、拡散室１０は中心軸Ａｘを中心に回転可能であり、これに伴ってノズル８が回転し、ノズル８に対向する基板５０への蒸着物質ガス４０ｖの入射角が変化する。これにより、蒸着膜の基板への配向角度を制御することができ、配向膜を成膜したり、被膜の品質を一定にすることができる。
又、防着板１２ａ、１２ｂを設けない場合、蒸着物質ガス４０ｖはノズル８先端から広がって放出され、基板に対して様々な角度及び方向から広範囲にわたって入射するため、膜の品質が不均一になる傾向にある。一方、ノズル８先端から（基板５０側に向かって）突出した位置に防着板１２ａ、１２ｂを配置すると、ノズル８先端から飛び出す蒸着物質ガス４０ｖが防着板１２ａ、１２ｂによって規制され、蒸着範囲が狭まると共に基板への入射角も限定される。そのため、膜の品質が向上する。
後述するように防着板は、ノズル先端開口から基板への熱の輻射を遮るので、例えば基板に予め成膜した有機膜等に悪影響を及ぼすことを防止することができる。なお、防着板がノズル先端開口からの熱の輻射を遮った際、防着板の温度が上昇するのを防止するため、一対の防着板のうち、少なくとも基板に近い側の防着板（例えば図１の防着板１２ａ）が冷却機構を備えることが好ましい。もちろん、一対の防着板の両方に冷却機構を設けてもよい。冷却機構としては、例えば水冷ジャケットが挙げられる。

さらに、第２の加熱機構１４、１６、１８を蒸着物質の融点以上程度に加熱することにより、導管６、拡散室１０、及びノズル８の内壁に付着した蒸発物質が再蒸発して飛散するので、歩留まりが向上する。

なお、この実施形態においては、導管６の屈曲部近傍で、屈曲方向と反対方向に延びる微小径の管路（オリフィス）６ｃが設けられ、管路６ｃ先端が微小な流出口を形成している。管路６ｃ先端（流出口）の近傍には水晶振動子２２が対向して配置され、流出口から流出した蒸着物質のガスの量を測定するようになっている。
水晶振動子２２により、単位時間あたりの蒸着物質の量を測定することができ、導管６を流れる蒸着物質の単位時間あたりの量を計算することができる。なお、管路６ｃの流量は少ないほどよいが、管路６ｃが細過ぎると詰り等が生じる。従って、通常、導管６の流量に対し、管路６ｃの流量を１％以下程度とするのがよい。

図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図であり、ＩＩ−ＩＩ線は拡散室１０の軸方向に垂直である。図２において、坩堝２は有底円筒状をなし、筒内部に蒸着物質４０を収容する。坩堝２の所定位置に蒸着物質４０の供給口を設けてもよい。
坩堝２の上面開口には多孔板（バッフル）２４が配置され、坩堝２の外側に配置された第１の加熱機構（ヒーター）４によって加熱された蒸着物質４０は、坩堝２の上面開口から多孔板２４を介して導管６へ導かれる。
多孔板２４は、坩堝２で加熱された蒸着物質４０が熱伝達の不均一性のため突沸した場合に、蒸着物質４０の飛散を防止し、突沸に伴って導菅６以降の経路（拡散室、ノズル内を含む）で圧力が変動するのを緩和する。これにより、ノズル８からの蒸着物質ガスの放出圧力を一定に保ち、均一な成膜を行える。
多孔板２４の開口面積、各孔の直径及び分布等は、使用する装置環境に応じ、適宜最適な値や範囲を決定することができる。

次に、ノズル８の形状について説明する。本発明においては、ノズル８の開口部を長尺スリット状としている。そのため、ノズル先端の開口面積が比較的小さくなり、ノズル内部からの輻射熱が基板に放射される割合が少なく、基板表面の温度上昇を防止することができる。例えば、基板に予め有機膜などが成膜されている場合に、熱ダメージによる膜の損傷が防止できる。さらに、上記した防着板によっても、ノズル先端からの輻射熱の防止を促進できる。また、ノズル８の開口部がスリット状であるため、拡散室の内容積に比べて開口面積が小さく、拡散室とのコンダクタンスの差により、ノズル長手方向に蒸着物質ガスが均一に放出できるようになる。

なお、拡散室内の蒸着物質ガスの圧力を増加させるに伴い、ガスが分子流的な挙動から粘性流的な挙動に次第に変化し、ガスがノズルの各位置に均一に拡散するようになる。但し、通常、真空容器内圧力は１０^−３〜１０^−５Ｐａレベルであるため、ノズル先端付近の蒸着物質ガスは、ノズル内部との圧力差からガス流動の乱れを起こし、十分に粘性流的挙動とならない場合がある。そのため、後述するルーバーを用いると、上記した圧力の乱れを補正することができる。
ここで、平均自由行程が容器の径よりも十分長い場合は、気体粒子同士の衝突頻度が小さく内壁との衝突が気体粒子の運動として支配的になり、気体は分子流的な挙動となる。一方、気体粒子密度が大きくなって平均自由行程が容器の径よりも短い場合は、気体粒子同士の衝突頻度が大きくなり、気体は粘性流的な挙動となる。完全な粘性流であれば拡散室やノズルの内壁の抵抗により、ノズル部でほぼ均等に気体が行き渡り、ノズル先端からの吹き出し分布はある程度均一になると考えられる。

特に、拡散室の端面１０ａの中心開口を入口とし、拡散室１０の筒面の長尺スリット状の開口を出口とした時のコンダクタンスをＣ１とし、ノズルの入口と出口間のコンダクタンスをＣ２としたとき、Ｃ１／Ｃ２で表される比が１２以上であることが好ましい。
拡散室の内容積を大きくし、ノズルの断面積を小さくするほど、Ｃ１／Ｃ２は大きくなる。Ｃ１／Ｃ２が１２未満であると、蒸着物質ガスが拡散室内へ充分拡散せず、ノズルからの放出が安定しないため、蒸着物質の蒸着が不均一となる傾向にある。Ｃ１／Ｃ２の値は１７以上とすることがより好ましいが、装置全体（拡散室）の大きさに限りがあるため、実際には拡散室とノズルの形状や容積に応じて調整する。
コンダクタンスは、実際に容器の入口と出口での流量測定をそれぞれ行い、算定することができる。

さらに、図３に示すように、ノズル８の先端内側にルーバー羽根を設けると、ノズル開口の長手方向において蒸着物質ガスの流量を調整し、蒸着量分布を均一にできるので好ましい。図３において、板状のルーバー羽根２６は、ノズル８の開口の長手方向（Ｗ方向Ｗに平行）に沿って複数個並設されている。各ルーバー羽根２６は、ノズル８の開口の短手方向に平行な回転軸２８にが軸支されて回転軸２８を中心に回転自在になっている。
いま、図３において、ノズル８の中心Ｓより右側（導管６との接続部の反対側）に位置するルーバー羽根２６を水平にしてノズル開口を閉塞した場合の実際の実験結果を図４に基づいて説明する。

図４は、ノズル８の開口の長手方向長さを３６０ｍｍ、短手方向長さを８ｍｍとし、蒸着時の真空度を１０^−４Ｐａ程度に保持し、蒸着物質としてＡｌｑ_３を用い、坩堝２の加熱温度を約３００℃として実際の蒸着を行った際の基板５０のＷ方向の蒸着膜の厚み分布を示す。
図４の横軸は、基板の中央からのＷ方向の距離を示し、縦軸は基板の幅方向の最大の膜厚を１とした時の基板の幅方向の各位置での膜厚の比（以下、「膜厚比」という）を表す。

すべてのルーバー羽根を垂直（ルーバー羽根が無い場合と同じ）にした場合（図４の曲線Ｔ１）、中心Ｓよりやや右側部分で膜厚が最大となった。これは、導管６がノズル８の左側に接続されていることに起因して、ノズル８の左右方向（Ｗ方向）で流動状態が異なるためと考えられる。この場合、基板の各位置での膜厚比の平均値を求め、さらに膜厚比の標準偏差を求め、（膜厚比の標準偏差）／（各位置での膜厚比の平均値）で表される変動率を計算したところ０．９４
となった。
一方、上記した膜厚が最大の部分へのガスの噴き出しを低減するため、中心Ｓより右側部分のルーバー羽根を長さ６０ｍｍにわたって閉塞したところ（図４の曲線Ｔ２）、膜厚が最大の部分が基板の中心付近へ移動するとともに、変動率は０．５９に低下し、基板の幅方向（Ｗ）での膜厚の変動が大きく減少した。このように、ルーバー羽根を調整することで、基板の幅方向の膜厚の差を低減することができる。

本発明の実施形態に係る真空蒸着装置の全体構成図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。 基板の幅方向の膜厚分布を示す図である。

符号の説明

２ 坩堝
２ａ 坩堝の開口
４ 第１の加熱機構
６ 導管
６ａ 導管の一端
６ｂ 導管の他端
８ ノズル
１０ 拡散室
１０ａ 拡散室の一端
１４、１６、１８ 第２の加熱機構

Claims (7)

1. 蒸着物質を収容する坩堝と、前記坩堝中の蒸着物質を加熱する第１の加熱機構と、一端が前記坩堝の開口に接続されて前記坩堝から生じた蒸着物質のガスを通過させる導管と、前記ガスを放出するノズルを有する筒状の拡散室とを備え、
   前記拡散室が中心軸を中心に回転するよう、前記拡散室の一端が前記導管の他端に回転可能に支持され、
   前記ノズルは前記拡散室の軸方向に沿って突出し、その先端が長尺スリット状に開口し、
   前記導管、前記拡散室、及び前記ノズルの外側に前記蒸着物質の付着防止のための第２の加熱機構をそれぞれ有する真空蒸着装置。
2. 前記坩堝の開口に多孔板が配置されている請求項１記載の真空蒸着装置。
3. 前記導管の一部に微小な流出口が開けられ、かつ前記流出口の近傍には該流出口から流出した前記ガスの量を測定する水晶振動子が配置されている請求項１又は２記載の真空蒸着装置。
4. 前記拡散室のコンダクタンスをＣ１とし、前記ノズルのコンダクタンスをＣ２としたとき、Ｃ１／Ｃ２で表される比が１２以上である請求項１ないし３のいずれかに記載の真空蒸着装置。
5. 前記ノズルの先端内側には、前記スリット状の開口の短手方向に平行な回転軸を中心に回転自在なルーバー羽根が該開口の長手方向に沿って複数個並設されている請求項１ないし４のいずれかに記載の真空蒸着装置。
6. 前記ノズルの先端の外側には、前記スリット状の開口の長手方向に沿い、かつ前記開口を挟む一対の防着板が互いに離間して配置され、各防着板の先端は前記開口より突出している請求項１ないし５のいずれかに記載の真空蒸着装置。
7. 前記一対の防着板のうち、少なくとも基板に近い側の防着板が冷却機構を備える請求項６に記載の真空蒸着装置。

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