JP2012241237A

JP2012241237A - 成膜装置

Info

Publication number: JP2012241237A
Application number: JP2011112672A
Authority: JP
Inventors: Hiroyoshi Kaneko; 裕是金子; Yuji Ono; 裕司小野; Teruyuki Hayashi; 輝幸林; Hirotaka Kuwada; 拓岳桑田; Sumi Oshima; 澄美大島
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2011-05-19
Filing date: 2011-05-19
Publication date: 2012-12-10

Abstract

【課題】基板に蒸着される膜の膜厚均一性を向上させることができる成膜装置を提供する。
【解決手段】成膜装置１０は、基板Ｓを収容する処理チャンバ１２と、基板Ｓを保持するステージ１４と、蒸着材料を含むガスＧを基板Ｓに噴き付ける複数のノズル１６ｃを有する蒸着ヘッド１８ｃとを備える。ノズル１６ｃはＹ方向に沿って配列される。成膜装置１０は、ノズル１６ｃに対して相対的に基板ＳがＹ方向と交差するＸ方向に沿って移動するように、蒸着ヘッド１８ｃ及びステージ１４の少なくとも一方を駆動する駆動装置２２と、Ｙ方向に沿った基板Ｓの側面ＳａとＸ方向に沿った基板Ｓの側面Ｓｂとを覆う枠Ｆとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、成膜装置に関する。

有機ＥＬ素子を製造する際に、ガラス基板上に有機材料を蒸着する成膜装置が用いられている。成膜装置としては、１つのノズルから有機材料を含むガスを噴き出すポイントソース型の成膜装置と、アレイ状に配列された複数のノズルから有機材料を含むガスを噴き出すリニアソース型の成膜装置とが知られている。リニアソース型の成膜装置では、ステージ上のガラス基板を、複数のノズルの配列方向と交差する方向に移動させて蒸着を行う（例えば特許文献１参照）。

特開２００８−８８４９０号公報

本発明者らは、鋭意検討を行った結果、上記成膜装置では、ガラス基板の周縁部において蒸着された有機膜の膜厚が、ガラス基板の中心部において蒸着された有機膜の膜厚に比べて小さくなってしまうことを見出した。これは、ガラス基板の周縁部とステージによって段差が形成され、当該段差によって、ノズルとステージ又はガラス基板との間の距離が変化し、ノズルから噴き出すガスの流れ（ガスの噴き出し角度等）が変化してしまうためと考えられる。ガラス基板の周縁部において有機膜の膜厚均一性が低下すると、製造される有機ＥＬ素子の製造歩留まりが低くなってしまう。

本発明は、上記事情に鑑みて為されたものであり、基板に蒸着される膜の膜厚均一性を向上させることができる成膜装置を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明の一側面に係る成膜装置は、基板を収容する処理チャンバと、前記基板を保持するステージと、蒸着材料を含むガスを前記基板に噴き付ける複数のノズルを有する蒸着ヘッドであり、前記複数のノズルが第１の方向に沿って配列される、前記蒸着ヘッドと、前記複数のノズルに対して相対的に前記基板が前記第１の方向と交差する第２の方向に沿って移動するように、前記蒸着ヘッド及び前記ステージの少なくとも一方を駆動する駆動装置と、前記第１の方向に沿った前記基板の側面と前記第２の方向に沿った前記基板の側面とを覆う枠とを備える。

この成膜装置では、複数のノズルが配列される第１の方向に沿った基板の側面を枠が覆っている。このため、複数のノズルに対して相対的に基板が第２の方向に沿って移動した場合に、第１の方向に沿った基板の側面において、枠によって基板とステージとの間の段差が小さくなる。よって、第１の方向に沿った基板の側面を複数のノズルが通過する際に、複数のノズルから噴き出すガスの流れ（ガスの噴き出し角度等）が変化し難くなる。また、第２の方向に沿った基板の側面においても、枠によって基板とステージとの間の段差が小さくなるので、複数のノズルから噴き出すガスの流れが変化し難くなる。したがって、上記成膜装置では、基板に蒸着される膜の膜厚均一性を向上させることができる。

前記枠が、前記基板の周囲全体を取り囲んでもよい。この場合、基板の周囲全体において、基板に蒸着される膜の膜厚均一性を向上させることができる。

前記枠の表面が、前記基板の成膜面を延長した仮想面に沿うように設定されてもよい。この場合、基板の側面において、ノズルと基板との間の距離とノズルと枠との間の距離が略一定になる。その結果、基板に蒸着される膜の膜厚均一性を更に向上させることができる。

前記第１の方向における前記蒸着ヘッドの長さが、前記第１の方向における前記基板の長さよりも大きくてもよい。この場合、第２の方向に沿った基板の側面において、基板に蒸着される膜の膜厚均一性を更に向上させることができる。

前記第１の方向における前記蒸着ヘッドの長さが、前記第１の方向における前記枠の長さ以下であってもよい。この場合、基板及び枠ではなく処理チャンバに蒸着材料が付着することを抑制できる。このため、処理チャンバ内の汚染が抑制され、処理チャンバのメンテナンス頻度を少なくすることができる。また、蒸着材料の使用量も抑制することができる。

本発明によれば、基板に蒸着される膜の膜厚均一性を向上させることができる成膜装置が提供される。

一実施形態に係る成膜装置を模式的に示す図である。図１のＺ方向から見た成膜装置の一部を模式的に示す図である。図１のＸ方向から見た成膜装置の一部を模式的に示す図である。ノズルから噴き出す蒸着材料の空間分布モデルの一例を模式的に示す図である。ノズルから噴き出す蒸着材料の空間分布の一例を示すグラフである。ノズルから噴き出す蒸着材料の空間分布の一例を模式的に示す図である。ノズルと基板との間のギャップ値と片側クリアランス値との関係を示すグラフである。本実施形態に係る成膜装置を用いて製造される有機ＥＬ素子の一例を模式的に示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。

図１は、一実施形態に係る成膜装置を模式的に示す図である。図２は、図１のＺ方向から見た成膜装置の一部を模式的に示す図である。図１及び図２には、ＸＹＺ直交座標系が示されている。

図１に示される成膜装置１０は、基板Ｓを収容する処理チャンバ１２と、基板Ｓを保持するステージ１４とを備える。基板Ｓは、例えばガラス基板等の透明基板である。基板Ｓの形状は、例えば矩形である。基板Ｓの一方の面（成膜面）は例えば鉛直方向において下を向いている。すなわち、成膜装置１０はフェースダウン型の成膜装置である。処理チャンバ１２には、配管１２ｇを介して真空ポンプ１５が接続されている。真空ポンプ１５により、処理チャンバ１２内を減圧することができる。ステージ１４は、基板Ｓを保持する静電チャックを内蔵してもよい。

成膜装置１０は、蒸着材料を含むガスＧを基板Ｓに噴き付ける複数のノズル１６ｃを有する蒸着ヘッド１８ｃを備える。成膜装置１０は、ノズル１６ｃと同様の構造を有するノズル１６ａ，１６ｂ，１６ｄ，１６ｅ，１６ｆをそれぞれ有する蒸着ヘッド１８ａ，１８ｂ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆを備えてもよい。ノズル１６ａ，１６ｂ，１６ｄ，１６ｅ，１６ｆからは、ノズル１６ｃから噴き出す蒸着材料とは別の蒸着材料であって、かつ、互いに異なる蒸着材料が噴き出してもよい。これにより、基板Ｓ上に複数種類の膜を連続的に蒸着させることができる。

蒸着ヘッド１８ａ〜１８ｆには、処理チャンバ１２外に配置されたガス供給源２０ａ〜２０ｆがそれぞれ配管１２ａ〜１２ｆを介して接続されている。例えば、ガス供給源２０ｃからガスＧがノズル１６ｃに供給される。ノズル１６ａ〜１６ｆは、図２に示されるようにそれぞれＹ方向（第１の方向）に沿って配列される。すなわち、成膜装置１０は、いわゆるリニアソース型の成膜装置である。ノズル１６ａ〜１６ｆの先端には例えば円形の開口が形成されている。この開口から蒸着材料を含むガスが放出される。ノズル１６ａ〜１６ｆの開口上には、蒸着材料を遮断可能なシャッター１７ａ〜１７ｆがそれぞれ配置されてもよい。図１ではシャッター１７ｃが開いているので、ノズル１６ｃの開口から噴き出すガスＧは基板Ｓに到達する。シャッター１７ａ，１７ｂ，１７ｄ，１７ｅ，１７ｆは閉じているので、ノズル１６ａ，１６ｂ，１６ｄ，１６ｅ，１６ｆの開口から噴き出すガスは基板Ｓに到達しない。シャッター１７ａ〜１７ｆは、処理チャンバ１２に接続されており、例えばＹ方向に沿った回転軸を中心に回転する。これにより、シャッター１７ａ〜１７ｆを、必要に応じてノズル１６ａ〜１６ｆの開口上に配置したり当該開口上から退避させたりすることができる。

ガスＧに含まれる蒸着材料は、気化した１種類又は複数種類の有機材料であってもよい。ガスＧは不活性ガスを含んでもよい。例えば、ガス供給源２０ａ〜２０ｆにおいて、固体の有機材料を加熱して気化させ、不活性ガスにより蒸気材料を搬送する。不活性ガスとしては、例えばＡｒ等の希ガスや窒素等が挙げられる。不活性ガスは、気化した有機材料を搬送するキャリアガスとしての役割を果たす。基板Ｓ上には、シャドウマスクを配置してもよい。これにより、基板Ｓの一方の面において所望の場所に所望の有機材料が選択的に蒸着され、有機膜が形成される。シャドウマスクは、例えば、成膜装置１０に基板Ｓを導入する前にアライナーによって基板Ｓと位置合わせされる。シャドウマスクの厚みは例えば０．１〜０．２ｍｍ程度である。

成膜装置１０は、Ｙ方向と交差するＸ方向（第２の方向）にステージ１４を駆動する駆動装置２２を備える。これにより、ノズル１６ａ〜１６ｆに対して相対的に基板ＳがＸ方向に沿って移動する。基板Ｓは、Ｘ方向に移動することによって、ノズル１６ａ〜１６ｆの開口に順番に対向配置されることとなる。矢印Ａはステージ１４の移動方向を示す。ステージ１４は、例えば支持部１４ａによってレール２４に接続されている。レール２４は処理チャンバ１２に接続されている。この場合、駆動装置２２によってステージ１４及び支持部１４ａはレール２４上をスライドするように移動する。基板Ｓは、処理チャンバ１２に形成されたゲートバルブ２６ａを通って処理チャンバ１２内に導入可能であり、処理チャンバ１２に形成されたゲートバルブ２６ｂを通って処理チャンバ１２外に搬出可能である。

成膜装置１０は、図２に示されるように、Ｙ方向に沿った基板Ｓの側面ＳａとＸ方向に沿った基板Ｓの側面Ｓｂとを覆う枠Ｆを備える。枠Ｆは、基板Ｓの周囲全体を取り囲んでいるが、一部破断していてもよい。枠Ｆの形状は、例えば板状である。枠Ｆは、ステージ１４と別体である。このため、枠Ｆが汚れた場合でも交換可能である。枠Ｆは、例えばガラス、金属等からなる。金属としては、ステンレス、アルミニウム等が挙げられる。枠Ｆは、基板Ｓと同じ材料からなってもよい。この場合、枠Ｆが蒸着処理に与える影響が小さくなる。枠Ｆの厚みは、例えば０．５〜０．７ｍｍである。基板Ｓ上に設けられるシャドウマスクを枠Ｆ上にも設けてもよい。これにより、蒸着材料が枠Ｆに付着して枠Ｆが汚染されることを抑制できる。

Ｘ方向（基板Ｓの長手方向）における基板Ｓの長さＸ２は例えば９２０ｍｍ以上であり、Ｙ方向（短手方向）における基板Ｓの長さＹ３は例えば７３０ｍｍ以上である（図２参照）。Ｘ方向における枠Ｆの長さＸ１は、Ｘ方向における基板Ｓの長さＸ２より大きい。Ｙ方向における蒸着ヘッド１８ｃの長さＹ２は、Ｙ方向における基板Ｓの長さＹ３より大きい。Ｙ方向における蒸着ヘッド１８ｃの長さＹ２は、Ｙ方向における枠Ｆの長さＹ１以下である。

本実施形態の成膜装置１０では、Ｙ方向に沿った基板Ｓの側面Ｓａを枠Ｆが覆っている。このため、ノズル１６ｃに対して相対的に基板ＳがＸ方向に沿って移動した場合に、基板Ｓの側面Ｓａにおいて、枠Ｆによって基板Ｓとステージ１４との間の段差が小さくなる。よって、基板Ｓの側面Ｓａをノズル１６ｃが通過する際に、ノズル１６ｃから噴き出すガスＧの流れが変化し難くなる。また、Ｘ方向に沿った基板Ｓの側面Ｓｂにおいても、枠Ｆによって基板Ｓとステージ１４との間の段差が小さくなるので、ノズル１６ｃから噴き出すガスＧの流れが変化し難くなる。したがって、成膜装置１０では、基板Ｓに蒸着される膜の膜厚均一性を向上させることができる。さらに、ガスＧが複数種類の蒸着材料を含む場合には、蒸着される膜中の混合比率の深さ分布を均一化することができる。

また、枠Ｆが基板Ｓの周囲全体を取り囲む場合、基板Ｓの周囲全体において、基板Ｓに蒸着される膜の膜厚均一性を向上させることができる。さらに、枠Ｆの表面が基板Ｓの成膜面を延長した仮想面に沿うように設定されていると、基板Ｓの側面Ｓａ，Ｓｂにおいて、ノズル１６ｃと基板Ｓとの間の距離とノズル１６ｃと枠Ｆとの間の距離が略一定になる。その結果、基板Ｓに蒸着される膜の膜厚均一性を更に向上させることができる。基板Ｓの成膜面を延長した仮想面に沿うように枠Ｆの表面を設定するためには、基板Ｓの厚み方向における枠Ｆの厚みをＳ基板の厚みと同じにしてもよい。

また、Ｙ方向における蒸着ヘッド１８ｃの長さＹ２が、Ｙ方向における基板Ｓの長さＹ３よりも大きい場合、基板Ｓの側面Ｓｂにおいて、基板Ｓに蒸着される膜の膜厚均一性を更に向上させることができる。さらに、Ｙ方向における蒸着ヘッド１８ｃの長さＹ２が、Ｙ方向における枠Ｆの長さＹ１以下である場合、基板Ｓ及び枠Ｆではなく処理チャンバ１２に蒸着材料が付着することを抑制できる。このため、処理チャンバ１２内の汚染が抑制され、処理チャンバ１２のメンテナンス頻度を少なくすることができる。また、蒸着材料の使用量も抑制することができる。基板Ｓとノズル１６ｃとの間のギャップ３０を狭くすると、枠Ｆの長さＹ１を蒸着ヘッド１８ｃの長さＹ２に近づけても高い膜厚均一性を維持することができる。

図３は、図１のＸ方向から見た成膜装置の一部を模式的に示す図である。図３には、ＸＹＺ直交座標系が示されている。図３に示されるように、蒸着ヘッド１８ｃのノズル１６ｃから噴き出すガスＧが基板Ｓ及び枠Ｆに到達すると、膜３６が基板Ｓ及び枠Ｆ上に形成される。膜３６の厚みＤは、基板Ｓ及び枠Ｆ上及び枠Ｆの外側に位置する片側クリアランス領域３２上において略一定である。片側クリアランス領域３２から外側では膜３６の厚みＤは徐々に小さくなる。片側クリアランス領域３２の外側には、最も外側のノズル１６ｃの位置まで延びるマージン領域３４がある。マージン領域３４は、加工精度や取り付け誤差等に起因する成膜装置１０の個体差（機差）を吸収可能である。なお、片側クリアランス領域３２及びマージン領域３４を含む枠Ｆよりも外側の領域では、膜３６は基板Ｓ及び枠Ｆ上には形成されずに、例えば処理チャンバ１２等に付着する。

図４は、ノズルから噴き出す蒸着材料の空間分布モデルの一例を模式的に示す図である。図４に示されるように、単一のノズル１６ｃから噴き出す蒸着材料の強度Ｚ（Ｘ）は以下の式（１）で表される。式（１）中のθは以下の式（２）で表される。
Ｚ（Ｘ）＝Ｚ_０ｃｏｓ^ｎθ … （１）
θ＝ａｒｃｔａｎ（Ｘ／ｈ） … （２）
Ｘは、ノズル１６ｃの軸線方向からの距離（変位）を示す。蒸着材料の強度Ｚ（Ｘ）は、変位Ｘにおける蒸着材料の量に対応する。Ｚ_０はＸ＝０の場合のＺ（Ｘ）の値を示す。θは、ノズル１６ｃの軸線方向に対するノズル１６ｃの噴き出し角度を表す。ｎはノズル１６ｃの開口の寸法に対応するパラメータである。ｈは、基板Ｓ及び枠Ｆを含む仮想基板Ｓ１とノズル１６ｃとの間のギャップ３０を表す。

図５は、ノズルから噴き出す蒸着材料の空間分布の一例を示すグラフである。図５に示されるのは、図４に示される空間分布モデルにおいて、ｎ＝７の場合の蒸着材料の空間分布である。横軸は変位Ｘ（ｍｍ）を示す。縦軸は蒸着材料の強度Ｚ（Ｘ）（％）を示す。

図６は、ノズルから噴き出す蒸着材料の空間分布の一例を模式的に示す図である。図６では、１次元的に配列された複数のノズル１６ｃに対して図４に示される空間分布モデルを適用した場合の結果が示されている。図６に示される蒸着材料の強度Ｚ（Ｘ）は、蒸着される膜の膜厚分布に対応している。仮想基板Ｓ１上の蒸着材料の強度Ｚ（Ｘ）は所定範囲Ｄ内に収まっており、仮想基板Ｓ１に蒸着される膜の膜厚均一性が高いことが分かる。図４に示されるモデルにおいて、θを小さくするようにノズル１６ｃの開口の寸法を変化させると、図６に示される蒸着材料の強度Ｚ（Ｘ）において両端の傾斜が急になる。その結果、蒸着ヘッド１８ｃの長さを短くできることになり、蒸着材料の使用量が減少する。また、処理チャンバ１２内の汚染が抑制され、処理チャンバ１２のメンテナンス頻度を少なくすることができる。θを小さくするためには、例えば、ノズル１６ｃの開口の寸法を小さくしてもよい。

図７は、ノズルと基板との間のギャップ値と片側クリアランス値との関係を示すグラフである。横軸は、図３のギャップ３０に対応するギャップ値（ｍｍ）を示す。縦軸は、図３の片側クリアランス領域３２の幅に対応する片側クリアランス値（ｍｍ）を示す。図７のグラフでは、ｎ＝７，８，９，１１の場合について、ギャップ値に対する片側クリアランス値がプロットされている。片側クリアランス値は、蒸着材料の強度Ｚ（Ｘ）が所定の閾値（例えば中心点の強度Ｚ（Ｘ）が０．２５％以内に保たれる値である）となる場合の値である。図７のグラフによれば、ギャップ値を大きくすると片側クリアランス値も大きくなることが分かる。なお、蒸着材料の強度Ｚ（Ｘ）における０．２５〜９９．７５％の部分を用いてプロットを行った（図５参照）。すなわち、Ｘ＝０付近の９９．７５〜１００％及び０〜０．２５％を除去してプロットを行った。

図８は、本実施形態に係る成膜装置を用いて製造される有機ＥＬ素子の一例を模式的に示す図である。図８に示される有機ＥＬ素子５０は、基板Ｓ上に形成された陽極５２と陰極５４とを備えている。陽極５２と陰極５４との間には、発光層５６が設けられている。発光層５６と陽極５２との間にはホール輸送層５８が設けられている。発光層５６と陰極５４との間には電子輸送層６０が設けられている。発光層５６は、非発光層５６ａ、青発光層５６ｂ、赤発光層５６ｃ及び緑発光層５６ｄを備えている。非発光層５６ａ、青発光層５６ｂ、赤発光層５６ｃ及び緑発光層５６ｄは、ホール輸送層５８から電子輸送層６０に向かってこの順に設けられている。陽極５２と陰極５４との間には、配線を介して電源６２が接続されている。電源６２により電流が発光層５６に注入されると、発光層５６から放出された光６４が陽極５２及び基板Ｓを通過して外部に放出される。

ホール輸送層５８、非発光層５６ａ、青発光層５６ｂ、赤発光層５６ｃ、緑発光層５６ｄ及び電子輸送層６０は、成膜装置１０により形成可能である。この場合、これら６層を形成するための６種類の蒸着材料をノズル１６ａ〜１６ｆからそれぞれ供給する。成膜装置１０を用いると膜厚均一性の高い６層が形成されるので、良好な特性を有する有機ＥＬ素子５０を製造することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。

例えば、成膜装置１０は、フェースアップ型の成膜装置であってもよい。すなわち、基板Ｓの一方の面（成膜面）が鉛直方向において上を向いてもよい。また、成膜装置１０を用いて、有機ＥＬ素子５０以外のデバイスを製造することもできる。そのようなデバイスとしては、例えば半導体デバイス、太陽電池、光デバイス、電子デバイス等が挙げられる。さらに、ステージ１４に対して蒸着ヘッド１８ｃをＸ方向に駆動してもよい。

１０…成膜装置、１２…処理チャンバ、１４…ステージ、１６ａ〜１６ｆ…ノズル、１８ａ〜１８ｆ…蒸着ヘッド、２２…駆動装置、Ｆ…枠、Ｇ…蒸着材料を含むガス、Ｓ…基板、Ｓａ…第１の方向に沿った基板の側面、Ｓｂ…第２の方向に沿った基板の側面。

Claims

基板を収容する処理チャンバと、
前記基板を保持するステージと、
蒸着材料を含むガスを前記基板に噴き付ける複数のノズルを有する蒸着ヘッドであり、前記複数のノズルが第１の方向に沿って配列される、前記蒸着ヘッドと、
前記複数のノズルに対して相対的に前記基板が前記第１の方向と交差する第２の方向に沿って移動するように、前記蒸着ヘッド及び前記ステージの少なくとも一方を駆動する駆動装置と、
前記第１の方向に沿った前記基板の側面と前記第２の方向に沿った前記基板の側面とを覆う枠と、
を備える、成膜装置。
前記枠が、前記基板の周囲全体を取り囲む、請求項１に記載の成膜装置。
前記枠の表面が、前記基板の成膜面を延長した仮想面に沿うように設定されている、請求項１又は２に記載の成膜装置。
前記第１の方向における前記蒸着ヘッドの長さが、前記第１の方向における前記基板の長さよりも大きい、請求項１〜３のいずれか一項に記載の成膜装置。
前記第１の方向における前記蒸着ヘッドの長さが、前記第１の方向における前記枠の長さ以下である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の成膜装置。