JP2013204139A - 真空蒸着装置および真空蒸着方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体ウェハなどの蒸着ターゲットの表面に、金属材料などの蒸着材を略過不足なく蒸着することができる真空蒸着装置および真空蒸着方法を提供する。
【解決手段】真空蒸着装置による真空蒸着方法では、加熱された液状の蒸着材ＭＴを略水平方向に回転させて液面ＭＳを所定の放物面状とし、蒸着材ＭＴの減少に対応して回転速度を低下させることで、蒸着ターゲットＳＢの下面に分子線を経時的に均等に飛翔させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、平面形状が円形の半導体ウェハなどの蒸着ターゲットの表面に、金属材料などの蒸着材を蒸着する真空蒸着装置および真空蒸着方法に関する。

平面形状が円形の半導体ウェハなどの蒸着ターゲットの表面に、金属材料などの蒸着材を蒸着する場合、真空蒸着装置が利用されている。一般的な真空蒸着装置は、真空チャンバ、ターゲット保持機構、材料収容容器であるルツボ、材料加熱手段であるヒータ、を有する。

真空チャンバは、蒸着ターゲットと蒸着材とが位置する内部空間を真空とする。ターゲット保持機構は、下面が蒸着されるシリコンウェハなどの蒸着ターゲットを保持する。ルツボは、上面開口の材料収容凹部が形成されており、そこに金属などの蒸着材を収容する。ヒータは、収容された蒸着材を液状に加熱することで液面から略直角に分子線を飛翔させる。

このような真空蒸着装置による真空蒸着方法では、真空チャンバの真空の内部空間で、ルツボに収容された蒸着材が材料加熱手段で加熱されて液状とされる。この加熱されて液状となった蒸着材の液面から略直角に分子線が飛翔するので、この飛翔する分子線で蒸着ターゲットが蒸着される(例えば、特許文献１〜４参照)。

上述のような真空蒸着装置では、真空チャンバの内部上方に蒸着ターゲットを保持し、その下方にルツボが上面開口の状態で設置されている。図７に示すように、そのルツボに収容された蒸着材は、水平な液面から直角に分子線を飛翔させる。

特開平０３−２４０９４８号公報 実開平０２−１１５５６０号公報 特開昭６０−１３５５６６号公報 特開昭６０−０９２４７０号公報

上述のような真空蒸着装置による真空蒸着方法では、平面形状が円形の半導体ウェハなどの蒸着ターゲットの表面に、金属材料などの蒸着材を蒸着することができる。しかし、実際に上述のような真空蒸着装置による真空蒸着方法では、蒸着ターゲットの周囲の真空チャンバの内面にも蒸着材が付着する。

これは、加熱されて液状となった蒸着材の液面から飛翔する分子線が、液面と直角な方向だけでなく周囲にも飛散することに起因する。このため、蒸着ターゲットの下面に衝突する分子線の密度は、図８に示すように、中央ほど高いガウス分布状となる。従って、蒸着材が無駄に消費されることになり、蒸着に必要な時間も増大する。

例えば、特許文献１〜４に記載されている真空蒸着装置では、ルツボを回転させて液面を放物面状にする。このため、飛翔する分子線を蒸着ターゲットの下面に集中させることができる。

しかし、特許文献１〜４に記載されている真空蒸着装置では、ルツボに収容されている蒸着材が消費されると液面が低下するため、蒸着ターゲットの下面に分子線を経時的に均等に飛翔させることが困難となる。

本発明は上述のような課題に鑑みてなされたものであり、半導体ウェハなどの蒸着ターゲットの表面に、金属材料などの蒸着材を経時的に均等に飛翔させることができる真空蒸着装置および真空蒸着方法を提供するものである。

本発明の真空蒸着装置は、蒸着材と蒸着ターゲットとが位置する内部空間を真空とする真空チャンバと、上記真空チャンバの上方に上記蒸着ターゲットの蒸着される下面を位置させるターゲット保持機構と、上記蒸着ターゲットの下方で上面開口の材料収容凹部に上記蒸着材を収容する材料収容容器と、上記材料収容容器の外面と対向する位置に固定されていて上記蒸着材を液状に加熱することで液面から略直角に分子線を飛翔させる材料加熱手段と、加熱された液状の上記蒸着材を略水平方向に回転させて上記液面を所定の放物面状にすることで上記蒸着ターゲットの下面に上記分子線を円錐状に略過不足なく飛翔させる材料回転手段と、を有し、上記材料回転手段は、収容されている上記蒸着材の減少に対応して上記材料収容容器の回転速度を低下させる。

本発明の真空蒸着方法は、蒸着材と蒸着ターゲットとが位置する真空チャンバの内部空間を真空とし、材料収容容器の上面開口の材料収容凹部に上記蒸着材を収容し、材料加熱手段の外面に対向する位置に固定されている材料加熱手段で上記蒸着材を液状に加熱することで液面から略直角に分子線を飛翔させ、加熱された液状の上記蒸着材を材料回転手段で略水平方向に回転させて上記液面を所定の放物面状とし、飛翔する上記分子線で形成される円錐状の範囲にターゲット保持機構で上記蒸着ターゲットの蒸着される下面を位置させ、収容されている上記蒸着材の減少に対応して上記材料収容容器の回転速度を低下させる。

なお、本発明の各種の構成要素は、必ずしも個々に独立した存在である必要はなく、複数の構成要素が一個の部材として形成されていること、一つの構成要素が複数の部材で形成されていること、ある構成要素が他の構成要素の一部であること、ある構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複していること、等でもよい。

また、本発明の真空蒸着方法は、複数の動作を順番に記載してあるが、その記載の順番は複数の動作を実行する順番を限定するものではない。このため、本発明の真空蒸着方法を実施するときには、その複数の動作の順番は内容的に支障しない範囲で変更することができる。

さらに、本発明の真空蒸着方法は、複数の動作が個々に相違するタイミングで実行されることに限定されない。このため、ある動作の実行中に他の動作が発生すること、ある動作の実行タイミングと他の動作の実行タイミングとの一部ないし全部が重複していること、等でもよい。

本発明の真空蒸着装置による真空蒸着方法では、加熱された液状の蒸着材を略水平方向に回転させて液面を所定の放物面状にし、収容されている蒸着材の減少に対応して材料収容容器の回転速度を低下させることで、蒸着ターゲットの下面に分子線を円錐状に略過不足なく経時的に均等に飛翔させる。このため、半導体ウェハなどの蒸着ターゲットの表面に、金属材料などの蒸着材を略過不足なく蒸着することができる。

本発明の実施の形態の真空蒸着装置による真空蒸着方法を示す模式図である。 真空蒸着装置の内部構造を示す模式的な縦断正面図である。 真空蒸着装置の内部構造を示す模式的な縦断正面図である。 真空蒸着装置の内部構造を示す模式的な縦断正面図である。 真空蒸着装置の内部構造を示す模式的な縦断正面図である。 一変形例の真空蒸着装置の内部構造を示す模式的な縦断正面図である。 現在の真空蒸着装置による真空蒸着方法を示す模式図である。 ルツボ半径と分子線密度との関係を示す特性図である。

本発明の実施の一形態に関して図１ないし図４を参照して以下に説明する。本実施の形態の真空蒸着装置１００は、図２ないし図４に示すように、真空チャンバ１１０と、ターゲット保持機構１２０と、材料収容容器であるルツボ１３０と、材料加熱手段である円筒ヒータ１４０と、材料回転機構１５０と、を有する。

より詳細には、真空チャンバ１１０は、例えば、真空ポンプ(図示せず)が配管された密閉容器からなり、蒸着材ＭＴと蒸着ターゲットＳＢとが位置する内部空間ＩＳを真空とする。ターゲット保持機構１２０は、真空チャンバ１１０の上方に蒸着ターゲットＳＢを着脱自在に保持するチャック機構などからなり、蒸着ターゲットＳＢの蒸着される円状の下面を所定位置に配置する。

ルツボ１３０は、円筒状に形成されており、蒸着ターゲットＳＢの下方で平面形状が円状の上面開口の材料収容凹部１３１に金属材料などの蒸着材ＭＴを収容する。円筒ヒータ１４０は、円筒状のルツボ１３０の外周面と対向する円筒形に形成されて固定されており、伝熱器の輻射熱によりルツボ１３０とともに蒸着材ＭＴを加熱する。

図１に示すように、この加熱により液状となった蒸着材ＭＴの液面ＭＳから略直角に分子線が飛翔する。材料回転機構１５０は、電動モータなどの駆動源(図示せず)、駆動軸１５１、シール軸支機構１５２、回転ステージ１５３、等を有している。

駆動源は真空チャンバ１１０の外部に配置されており、その駆動軸１５１が真空チャンバ１１０の底板を貫通している。ただし、この真空チャンバ１１０の底板にはシール軸支機構１５２が装着されており、このシール軸支機構１５２で軸支されることで駆動軸１５１は真空チャンバ１１０の真空を阻害することなく回転自在となっている。

回転ステージ１５３は、外周部が上方に立設した円盤状に形成されており、真空チャンバ１１０の内部下方で駆動軸１５１の上端に支持されている。回転ステージ１５３は、ルツボ１３０を着脱自在に支持する。

このため、材料回転機構１５０は、図３に示すように、ルツボ１３０とともに加熱された液状の蒸着材ＭＴを水平方向に回転させて液面ＭＳを所定の放物面状にすることで、図１に示すように、蒸着ターゲットＳＢの下面に分子線を円錐状に略過不足なく飛翔させる。

さらに、本実施の形態の真空蒸着装置１００では、材料回転機構１５０は、収容されている蒸着材ＭＴの減少に対応してルツボ１３０の回転速度を低下させる。このため、ルツボ１３０に収容されている蒸着材ＭＴの残量を検出する残量検出手段として、ルツボ１３０に収容されている蒸着材ＭＴの重量から残量を検出する重量計（図示せず）も有する。

さらに、本実施の形態の真空蒸着装置１００は、図２ないし図４に示すように、ルツボカバー１６０と、カバー変位機構１６１と、も有する。ルツボカバー１６０は、円盤状に形成されており、ルツボ１３０の上面開口を閉止する。

カバー変位機構１６１は、ルツボカバー１６０を水平方向に回動自在に支持しており、図２および図４に示すように、ルツボ１３０の上面開口を閉止する位置と開放する位置とにルツボカバー１６０を変位させる。

上述のような構成において、本実施の形態の真空蒸着装置１００による真空蒸着方法では、真空チャンバ１１０を開放するとともにルツボカバー１６０も開放させ、ルツボ１３０に蒸着材ＭＴを収容するとともに、ターゲット保持機構１２０に蒸着ターゲットＳＢを保持させる(図示せず)。

つぎに、図２に示すように、ルツボ１３０の上面開口をルツボカバー１６０に閉止させ、真空チャンバ１１０を密閉して内部空間ＩＳを真空とする。このとき、真空チャンバ１１０の上方には蒸着ターゲットＳＢが位置することになり、この蒸着ターゲットＳＢの蒸着される下面の下方にルツボ１３０が位置することになる。

このような状態で、ルツボ１３０の外面に対向する位置に固定されている円筒ヒータ１４０で蒸着材ＭＴを加熱して液状とする。このとき、加熱により液状となった蒸着材ＭＴの液面ＭＳから略直角に分子線が飛翔するが、これはルツボカバー１６０に遮断されて蒸着ターゲットＳＢまで到達することはない。

このような状態で、材料回転機構１５０でルツボ１３０とともに液状の蒸着材ＭＴを水平方向に回転させることで、図１および図３に示すように、その液面ＭＳを所定の放物面状とする。このような状態で、図４に示すように、ルツボカバー１６０を変位させてルツボ１３０の上面開口を開放する。

すると、このルツボ１３０に収容されている液状の蒸着材ＭＴの液面ＭＳが所定の放物面状となっているので、図１に示すように、蒸着ターゲットＳＢの下面に分子線が円錐状に略過不足なく飛翔する。

このため、本実施の形態の真空蒸着装置１００では、平面形状が円形の半導体ウェハなどの蒸着ターゲットＳＢの表面に、金属材料などの蒸着材ＭＴを略過不足なく均一な膜厚に蒸着することができる。従って、蒸着材ＭＴが無駄に消費されることがなく、蒸着の所用時間を短縮することができる。

上述のように液状の蒸着材ＭＴを水平方向に回転させて液面ＭＳを所定の放物面状とすることは、
Ｙ＝{(Ｘ^２×ω^２)／２ｇ}＋Ｃ
と表現される。

さらに、液面ＭＳの任意の半径位置は、
θ＝tan^−１{(Ｘ^２×ω)／ｇ}
と表現される。

蒸着ターゲットＳＢの蒸着材ＭＴが蒸着される範囲は、液面ＭＳと蒸着ターゲットＳＢの下面との距離Ｌ_tと、蒸着材ＭＴの回転速度と、に比例し、
rt＝Ｘ−(Ｌ_t−Ｙ)×tanθ
と表現される。

なお、前記の各式の、Ｙは液面ＭＳの高度、Ｘは液面ＭＳの半径、ωは蒸着材ＭＴの角速度、ｇは重力加速度、Ｃは液面ＭＳの中心の高度、θは液面ＭＳの角度、Ｌ_tは液面ＭＳと蒸着ターゲットＳＢの下面との距離、rtは蒸着ターゲットＳＢでの蒸着範囲、である。

このため、本実施の形態の真空蒸着装置１００では、材料回転機構１５０は、ルツボ１３０の回転速度を変化させることができ、ターゲット保持機構１２０は、各種直径の蒸着ターゲットＳＢを着脱自在に保持できるように形成されている。

そこで、材料回転機構１５０は、蒸着ターゲットＳＢの直径の拡大に対応して蒸着材ＭＴの回転速度を低下させる。従って、図１(ｂ)に示すように、蒸着材ＭＴの液面ＭＳの放物面の曲率を低下させることにより、蒸着ターゲットＳＢの直径が拡大しても、その下面に蒸着材ＭＴの分子線を略過不足なく円錐状に飛翔させて蒸着することができる。

なお、このような真空蒸着装置１００は、例えば、ターゲット保持機構１２０の位置を検出して材料回転機構１５０の回転速度を制御することや、蒸着ターゲットＳＢの直径の入力操作に対応して材料回転機構１５０の回転速度を制御することなどで実現される。

さらに、本実施の形態の真空蒸着装置１００は、ルツボ１３０に収容されている蒸着材ＭＴの残量を重量で測定し、この蒸着材ＭＴの減少による液面ＭＳの低下に対応して回転速度を低下させる。

従って、図１(ｂ)に示すように、蒸着材ＭＴの減少により液面ＭＳが低下しても、蒸着材ＭＴの液面ＭＳの放物面の曲率を低下させることにより、蒸着ターゲットＳＢの下面に蒸着材ＭＴの分子線を略過不足なく円錐状に飛翔させて経時的に均等に蒸着することができる。

なお、このような真空蒸着装置１００は、例えば、ルツボ１３０に投入する蒸着材ＭＴの容量の入力操作に対応して材料回転機構１５０の回転速度を初期設定することや、ルツボ１３０に収容されている蒸着材ＭＴの重量を検出して材料回転機構１５０の回転速度を制御することや、ルツボ１３０に収容されている蒸着材ＭＴの液面ＭＳの位置を検出して材料回転機構１５０の回転速度を制御することなどで実現される。

なお、前述した特許文献３，４にも、ルツボを回転させて蒸着材の液面を変形させることが開示されている。しかし、本実施の形態の真空蒸着装置１００のように、液状の蒸着材ＭＴを水平方向に回転させて液面ＭＳを所定の放物面状とし、この放物面状の液面ＭＳから略直角に飛翔する分子線を円錐状として円状の蒸着ターゲットＳＢに略過不足なく蒸着させることは、前述した特許文献３，４には示唆すら記載されていない。

しかも、本実施の形態の真空蒸着装置１００では、ルツボ１３０の上面開口をルツボカバー１６０で閉止し、ルツボ１３０の上面開口を閉止する位置と開放する位置とにルツボカバー１６０をカバー変位機構１６１で変位させる。

その場合、加熱された液状の蒸着材ＭＴの液面ＭＳが所定の放物面状となってから、カバー変位機構１６１がルツボカバー１６０を閉止位置から開放位置に変位させる。このため、蒸着材ＭＴの液面ＭＳが所定の放物面状となっていない状態で分子線が蒸着ターゲットＳＢに飛翔することを防止できる。従って、蒸着ターゲットＳＢの下面に蒸着材ＭＴの分子線を略過不足なく円錐状に飛翔させて蒸着することができる。

さらに、材料回転機構１５０は、ルツボ１３０が載置される回転ステージ１５３を回転駆動する。このため、複数種類の蒸着材ＭＴごとに複数のルツボ１３０を個々に用意しておいて交換することができ、複数種類の蒸着材ＭＴの混入を防止することができる。

しかも、伝熱器の輻射熱で蒸着材ＭＴを加熱する円筒ヒータ１４０が、円筒形のルツボ１３０の外周面と対向する位置に固定されている。このため、ルツボ１３０とともに円筒ヒータ１４０を回転駆動する必要がない。

さらに、円筒ヒータ１４０が回転ステージ１５３を介してルツボ１３０の底部を加熱することもない。従って、ルツボ１３０に収容された蒸着材ＭＴを、簡単な構造の円筒ヒータ１４０で効率的に加熱することができる。

また、本実施の形態の真空蒸着装置１００では、円筒ヒータ１４０による加熱により液状となってから、材料回転機構１５０がルツボ１３０とともに蒸着材ＭＴを回転させる。このため、分子線を飛翔しない固形の蒸着材ＭＴを無駄に回転させることがなく、真空蒸着装置１００の消費電力を低減することができる。

さらに、本実施の形態の真空蒸着装置１００では、蒸着ターゲットＳＢ、ルツボ１３０、円筒ヒータ１４０、等の平面形状が円形なので、蒸着材ＭＴを最良の効率で使用することができる。

なお、本発明は本実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で各種の変形を許容する。例えば、重量計でルツボ１３０に収容されている蒸着材ＭＴの重量から残量を検出し、この検出された蒸着材ＭＴの残量に対応してルツボ１３０の回転速度を低下させることを例示した。

しかし、ルツボ１３０に収容されている蒸着材ＭＴの液面の位置から残量を検出し、この検出された蒸着材ＭＴの残量に対応してルツボ１３０の回転速度を低下させてもよい。この場合、例えば、レーザ測距計（図示せず）などにより蒸着材ＭＴの液面の位置を非接触に検出すればよい。
また、上記形態では円筒形の回転するルツボ１３０の外周面と対向する位置に、蒸着材ＭＴを輻射熱で加熱する伝熱器の円筒ヒータ１４０が固定されていることを例示した。しかし、図６に例示する真空蒸着装置２００のように、ルツボ１３０に収容されている蒸着材ＭＴにレーザ光を照射して加熱するレーザ光源２１０を材料加熱手段としてもよい。この場合、やはりレーザ光源２１０を固定してルツボ１３０と回転させる必要がないので構造が簡単である。

なお、真空蒸着装置１００と同様にルツボ１３０の上面開口をルツボカバー１６０で閉止する場合には、図示するように、ルツボカバー１６０にレーザ光を通過させる窓部１６２を形成しておくとよい。

また、ルツボ１３０または蒸着材ＭＴを高周波で加熱する高周波熱源を材料加熱手段としてもよい(図示せず)。さらに、伝熱器や高周波熱源からなる材料加熱手段を回転ステージ１５３やルツボ１３０と一体に形成してもよい。

また、上記形態の真空蒸着装置１００では、加熱された液状の蒸着材ＭＴの液面ＭＳが所定の放物面状となってから、カバー変位機構１６１がルツボカバー１６０を閉止位置から開放位置に変位させることを例示した。

しかし、円筒ヒータ１４０による加熱とともに材料回転機構１５０が蒸着材ＭＴを回転させてもよい。この場合、加熱される蒸着材ＭＴが撹拌されて迅速に液状となるので、蒸着の所用時間を短縮することができる。

さらに、上記形態の真空蒸着装置１００では、ルツボ１３０の上面開口をルツボカバー１６０で開閉することを例示したが、このようなルツボカバー１６０を省略してもよい。また、ルツボカバー１６０を加熱するカバー加熱機構(図示せず)を有してもよい。この場合、ルツボカバー１６０の下面に蒸着材ＭＴが蒸着されることを抑制できるので、蒸着材ＭＴが無駄に消費されることを削減することができる。

また、上記形態の真空蒸着装置１００では、蒸着ターゲットＳＢ、ルツボ１３０、円筒ヒータ１４０、等の平面形状が円形なので、蒸着材ＭＴを最良の効率で使用することを例示した。しかし、蒸着ターゲット、ルツボ、ヒータ、等の平面形状が円形でなくともよい（図示せず）。

１００ 真空蒸着装置
１１０ 真空チャンバ
１２０ ターゲット保持機構
１３０ 材料収容容器であるルツボ
１３１ 材料収容凹部
１４０ 材料加熱手段である円筒ヒータ
１５０ 材料回転機構
１５１ 回転ステージ
１６０ ルツボカバー
１６１ カバー変位機構
１６２ カバー加熱機構
ＩＳ 内部空間
ＭＳ 液面
ＭＴ 蒸着材
ＳＢ 蒸着ターゲット

Claims (6)

1. 蒸着材と蒸着ターゲットとが位置する内部空間を真空とする真空チャンバと、
   前記真空チャンバの上方に前記蒸着ターゲットの蒸着される下面を位置させるターゲット保持機構と、
   前記蒸着ターゲットの下方で上面開口の材料収容凹部に前記蒸着材を収容する材料収容容器と、
   前記材料収容容器の外面と対向する位置に固定されていて前記蒸着材を液状に加熱することで液面から略直角に分子線を飛翔させる材料加熱手段と、
   加熱された液状の前記蒸着材を略水平方向に回転させて前記液面を所定の放物面状にすることで前記蒸着ターゲットの下面に前記分子線を円錐状に略過不足なく飛翔させる材料回転手段と、を有し、
   前記材料回転手段は、収容されている前記蒸着材の減少に対応して前記材料収容容器の回転速度を低下させる、
   真空蒸着装置。
2. 前記材料収容容器に収容されている前記蒸着材の残量を検出する残量検出手段も有し、
   前記材料回転手段は、検出された前記蒸着材の残量に対応して回転速度を低下させる、請求項１に記載の真空蒸着装置。
3. 前記残量検出手段は、前記材料収容容器に収容されている前記蒸着材の重量から残量を検出する、請求項２に記載の真空蒸着装置。
4. 前記残量検出手段は、前記材料収容容器に収容されている前記蒸着材の液面の位置から残量を検出する、請求項２に記載の真空蒸着装置。
5. 前記材料回転手段は、前記蒸着ターゲットの拡大に対応して前記蒸着材の回転速度を低下させる、請求項１ないし４の何れか一項に記載の真空蒸着装置。
6. 蒸着材と蒸着ターゲットとが位置する真空チャンバの内部空間を真空とし、
   材料収容容器の上面開口の材料収容凹部に前記蒸着材を収容し、
   材料加熱手段の外面に対向する位置に固定されている材料加熱手段で前記蒸着材を液状に加熱することで液面から略直角に分子線を飛翔させ、
   加熱された液状の前記蒸着材を材料回転手段で略水平方向に回転させて前記液面を所定の放物面状とし、
   飛翔する前記分子線で形成される円錐状の範囲にターゲット保持機構で前記蒸着ターゲットの蒸着される下面を位置させ、
   収容されている前記蒸着材の減少に対応して前記材料収容容器の回転速度を低下させる、真空蒸着方法。

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