JP2010255025A - 蒸着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被蒸着物と蒸発源の距離が変化し、膜厚制御性および膜厚分布性の再現性を低下させる成膜中の材料の変動を防止した蒸着装置を提供する。
【解決手段】るつぼもしくは抵抗加熱ボート内の溶融した蒸着材料の量を蒸着材料よりも高融点の材料で作成したフロート７を蒸発液面に浮かべて、蒸発源の真横に設置したレーザー光９とレーザーセンサー８によって蒸発液面の高さを監視し、監視した結果に基づき成膜中に給材を行う事により、成膜中の蒸発面の高さを常に一定にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子ビームや抵抗加熱ボートを用いて成膜を行う真空蒸着装置において、蒸着材料の量をモニターする手法に関する。

電子部品や光学部品の基板に薄膜を成膜する手法として真空蒸着法が広く用いられている。真空蒸着装置は真空チャンバー内で成膜を行うため、蒸着材料が減少してきた場合にその都度チャンバー内を大気解放し人手で行っていては生産性が非常に低いものとなってしまう。

そこで一般的な連続式蒸着装置は生産性を考慮し、真空チャンバー内に独自の蒸着材料の給材機構を有するものが多い。例えば特許文献２では、回転機構のみで蒸着材料を抵抗加熱の上にブロック単位で供給するシステムを提案している。また特許文献１では、坩堝内に蒸着材料を順次供給しかつそれを順次溶解、蒸発させて処理物に被着させるような機構を有している。

しかし高品質な光学薄膜などを成膜する場合には、蒸着材料の減少による微小な蒸発分布の差が膜厚や膜質に影響し、不良品になる場合がある。よって成膜中の蒸発分布を常に一定に精度よく管理し、成膜、給材を一体化して行う制御システムが必要である。

また自動給材器で給材を行う方式では、給材機構の不調等があった場合に、人が目視でボート内の蒸着材料の量を確認せねばならず、装置の自動化の妨げとなっていた。

例えば特許文献２のブロック単位で給材を行うシステムでは、材料の選択がブロック形状に作成できるものに限定される。またブロック単位でしか給材できないので、成膜中の蒸発面の高さを常に一定に保つことは不可能である。

また特許文献１では、成膜中に給材を順次行う方式であるが、るつぼ内の液面の高さを管理するには蒸発する速さを経験的に求めるしかなく、また材料の減少の早さは常に一定とは限らないので、厳密に蒸着液面の高さを常に一定保つには問題があった。

特公平3-69990号公報 特許第4063554号明細書

解決しようとする問題点は、成膜中に材料の減少により、被蒸着物と蒸発源の距離が変化してしまい膜厚制御性および膜厚分布性の再現性が低下してしまうという課題を解決するものである。また副次的課題として、自動給材器の不調による生産不良の発生の課題を解決するものである。

るつぼもしくは抵抗加熱ボート内の溶融した蒸着材料の量をモニターし、成膜中に給材を行う事により、成膜中の蒸発面の高さを常に一定にする事で、成膜中の蒸着材料減少により被蒸着物と蒸発源の距離が変化し、膜厚制御性および膜厚分布性の再現性が低化してしまう課題を解決する。

蒸着材料量をモニターする手法としては、蒸着材料の融点より高い融点を有する材質で作成したフロートを使用し、溶融した蒸着材料表面上にフロートを浮かべ、その位置を測定する事によりボート内の蒸着物質の量を測定し、給材量をフィードバック制御することで蒸着面の高さを常に一定に管理することができる。

フロートの位置を測定する手法は、るつぼもしくは抵抗加熱ボートの真横に高さ検出用のレーザー出射口及びセンサーを設置する。蒸発物質は抵抗加熱ボートの真横には飛ばないので、蒸発物質によりレーザー出射口やセンサーの汚れが発生せず、真空チャンバー内の給材モニターを清掃しなくても蒸発面の高さのモニターが長期間にわたって可能となる。

本発明により、成膜中の蒸発面の高さを常に一定にする事が可能となる。材料の減少による特性変化の起こらない安定した成膜が可能となる。

成膜中の材料減少が起こると被蒸着物と蒸発源の距離が増える。この距離の変化が膜厚制御性および膜厚分布性の再現性に直接与える影響は、真空蒸着装置の構成（蒸発源の面積や形状、膜厚制御方法）に依存するので大きな影響を与えない場合もあるが、蒸着材料が減少するとるつぼや抵抗加熱ボートの上部が蒸発粒子を遮蔽したり、抵抗として働いたりするので、膜厚制御性および膜厚分布性の再現性は著しく低化する。

また装置上でボート内の蒸着材料の量が管理できるので、自動給材器の不調等による蒸着材料の不足があった場合に自動で蒸着を停止させる機能を付加することで、成膜中の装置を監視する作業を無くすことができる。

特に製造誤差に敏感な光学薄膜を作成する場合に有効となる。

蒸着材料監視モニターの模式図。 フロートの模式図。 蒸着液面高さ１ｍｍ以下の場合の真空チャンバー内蒸発速度分布。 蒸着液面高さが3〜4mmの場合の真空チャンバー内蒸発速度分布。

（実施例１）
図１に本発明の実施形態の一例を示す。抵抗加熱ボートで、溶融する蒸着物質のＭｇＦ２を成膜する場合を例に説明する。抵抗加熱ボート（1）内に溶融したＭｇＦ２を成膜すると、その蒸発分だけ蒸発面の高さ（2）が下がる。溶融したＭｇＦ２の上に高融点金属であるモリブデンの板0.1mmの板厚で作成したフロート（7）を浮かべる。

図２に今回の作成したモリブデンのフロートの概念図を示す。大きさは底辺が10mm×5mm、高さが5ｍｍである。フロートの質量はＭｏの密度が10.19ｇ/ｃｍ３なので約0.2ｇとなる。ＭｇＦ２の密度は3.15ｇ/ｃｍ３であるので、1.5ｍｍ沈み込んだ場合には浮力が0.236g発生し、約1.5ｍｍの沈み込みでモリブデン製のフロートは溶融ＭｇＦ２の上に浮かぶことができる。

（３）は抵抗加熱ボート内の仕切り板であり、フロート（７）が倒れたり移動したりするのを防ぎ、フロートの動きを上下だけに限定する。（８）は位置測定用のレーザーである。例えばキーエンス社のLH-H32のセンサーヘッドを用いれば、レーザーのスポット径：Φ0.8mm以下であり、反射光の強度閾値を自由に設定できるので、フロートの高さは１ｍｍ程度の分解能で識別が可能である。

蒸発面（２）の低下を検知した場合に、給材器（５）から粉末の蒸着材料（４）を自動で給材する制御システムを装置にもたせる。給材器（５）は粉材を微量制御できるものであればどのようなタイプでも構わないが、ここでは一般的な振動タイプのフィーダーを使用した。振動タイプのフィーダーは、その振動数と振幅を変える事により、給材量を調節することができる。

ここでの給材制御システムは、常に極微量に給材を行っておき、蒸発面の低下を検知した時に、その瞬間の給材量を増加させ、蒸発面が上昇すれば給材量を極微量に戻す制御システムでもよい。またより単純に蒸発面の高さ低下を検知した時にだけ給材を行う制御システムでも構わない。前者のほうがより厳密な蒸発面の高さ管理が行えるが、後者であっても蒸発面の高さを1〜2mmの制御幅の中で一定にさせることは可能である。

給材器の近辺には遮蔽板（6）を設置する事により、粉材を溶融している材料に供給したときに起こる突沸などの不安定な蒸発分布を遮蔽できるので、給材された材料は安定して溶融したもののみ、成膜に使用されることになる。

今回使用した抵抗加熱ボートは、金属モリブデン製で、その内容積は、４0ｍｍ×15ｍｍ×高さ7.5ｍｍである。蒸発面の高さを常に１〜2mmの範囲で一定にすることが可能となったため、厚い光学薄膜を作成しても非常によい安定性が得られる。

ある遊星回転式真空蒸着装置において、上記抵抗加熱ボートを用いてMgF2を成膜した場合の真空チャンバー内の蒸発速度分布を測定した結果を図３と図４に示す。蒸発源からの仰角が約75°、遊星回転の中心部に設置した水晶振動子と、蒸発源からの仰角が約40°、真空チャンバー左右の壁面（蒸発源から等距離）に設置した水晶振動子2個、計3箇所に水晶振動子を設置し、成膜中の蒸着速度を同時に測定した。

図３は、蒸着材料の高さが1mm以下の場合の蒸着速度分布である。蒸着材料が残りわずかになると、ボート内部で蒸着材料の偏りが発生し、中心部のレートに比較して壁左の蒸着速度が著しく上昇している。壁右の水晶振動子では、壁左の水晶振動子と蒸発源からの距離、仰角が同じであるにも関わらず蒸着速度が減少している。例えば被蒸着物に成膜される膜厚の制御を壁左の水晶振動子で制御していた場合では、中心部の水晶振動子で制御する場合と比較すると、成膜終了前の3分間での膜厚は約30％誤差が発生する。

これに対し本発明を用いて蒸着液面高さを常に3〜4mmに保ち、成膜を行った場合の蒸着速度分布を図４に示す。蒸発源から等距離、等仰角にある壁右、壁左の水晶振動子の蒸着速度は同じであることがわかる。また中心部の水晶振動子との蒸着速度比もほぼ一定であるので、被蒸着物に成膜される膜厚の制御を壁の水晶振動子で制御した場合でも中心部の水晶振動子で制御した場合と大きく誤差が発生することはない。

以上のように蒸発材料が減少し、蒸発面が変化すれば、膜厚変化などの製造不良を引き起こすが、本発明の効果によりそのような製造不良を無くすことができる。

１ モリブデン製抵抗加熱ボート
２ 溶融MgF2蒸発面
３ 仕切り板（モリブデン製）
４ 蒸着材料MgF2 粉材
５ 給材器（ノズル）
６ ひさし
７ フロート
８ レーザーセンサー
９ レーザー光

Claims (5)

1. 真空中で蒸着材料を加熱して成膜する真空蒸着装置において、るつぼもしくは抵抗加熱ボート内の溶融した蒸着材料の量をモニターし、成膜中に給材を行う事により、成膜中の蒸発面の高さを常に一定にする事を特徴とする真空蒸着装置。
2. 蒸着材料量をモニターする手法が、蒸着材料の融点より高い融点を有する材質で作成したフロートを使用し、溶融した蒸着材料表面上にフロートを浮かべ、その位置を測定する事によりボート内の蒸着物質の量を測定し、給材量をフィードバック制御する機構を有することを特徴とする請求項１に記載の真空蒸着装置。
3. 請求項２において、フロートの位置を測定する手法が、るつぼもしくは抵抗加熱ボートの真横に、高さ検出用のレーザー出射口及びセンサーが設置されており、飛来する蒸発物質によりレーザー出射口やセンサーの汚れ等が発生しない蒸着材料監視モニターシステムを具備したことを特徴とする請求項２に記載の真空蒸着装置。
4. 請求項３において、給材モニターの不良によりボート内の蒸着材料の量が著しく減少した場合には、自動的にその成膜を止めて不良品の発生を防ぐ事を特徴とする請求項３に記載の真空蒸着装置。
5. 請求項２において、フロートの材質がタングステン、モリブデン、タンタル、チタンから選ばれた高融点金属であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の真空蒸着装置。