JP2014070240A - 蒸着装置、および、蒸着制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸着源を移動させ、膜厚センサーにより計測して、基板上に薄膜を形成する蒸着装置において、膜厚を高い精度で制御し、安定した膜厚の薄膜を形成する。
【解決手段】蒸着源から蒸着材料が供給され、蒸着チャンバー内で基板に薄膜を形成する蒸着装置であって、制御部と、蒸着源による蒸着レートを測定する複数の膜厚センサーと、蒸着源を基板の面の平行方向に往復駆動させる蒸着源駆動機構とを有する蒸着装置であって、蒸着源が駆動した場合の待機位置での蒸着レートを測定し、互いに離されて設置される固定された膜厚センサーを備え、制御部は、膜厚センサーによって、測定される蒸着レートと、固定された膜厚センサーの各々の場所で形成された膜厚の比に関連する値であるｎ値によって、蒸着源のヒータの温度と、蒸着源駆動機構による蒸着源の移動速度とを制御する。
【選択図】図６

Description

本発明は、蒸着装置、および、蒸着制御方法に係り、真空蒸着法により、基板上に有機ＥＬ素子等の薄膜を形成する蒸着装置であって、特に、蒸着源が移動する蒸着装置で、膜厚センサーにより成膜する薄膜の膜厚を計測し、安定した膜厚の薄膜を形成するのに好適な蒸着装置に関する。

有機ＥＬデバイスなどを製造する有力な方法として真空蒸着法がある。真空蒸着法による蒸着装置においては、坩堝に入った蒸着材料を加熱し蒸発（昇華）させ、ノズルから噴出した蒸着材料を有機ＥＬ素子の薄膜を形成するように表示基板などに蒸着させる。

このような蒸着装置では、素子の特性を均一にするために基板上の薄膜の厚さを一定に保つことが重要であり、そのため蒸着源から供給される蒸着材料の発生量を膜厚センサーにより測定することがおこなわれている。測定に用いられる膜厚センサーとしては、高精度の計測が可能な水晶発信式膜厚センサー（クリスタルセンサー）が広く用いられている。

このような水晶発信式膜厚センサーを用いた蒸着装置であって、蒸着源を移動させ、膜厚センサーを固定して、蒸着レートを測定する蒸着装置が、例えば、特許文献１に開示されている。

さらに、蒸着源が移動し、膜厚センサーが蒸着源に伴って移動する蒸着装置が、例えば、特許文献２に開示されている。

特開２００４−９１９１９号公報 特開２００４−３２５４２５号公報

特許文献１に記載された蒸着装置では、成膜する材料を基板に供給するための蒸着源が、基板に対し相対的に移動する機構を備え、蒸着源が成膜をおこなっていないタイミングに、蒸着源を待機する待機位置に位置している状態で、蒸着材料の成膜速度を検出し、所定の値になった時点で蒸着源を成膜位置に向かって移動させ、蒸着源のヒータによって蒸着材料の温度を制御することを特徴としている。この技術では、蒸着源が移動している間は、蒸着材料の成膜速度が一定であることを前提とし、蒸着源が待機位置にあるときのみ、成膜速度を測定している。

一方、特許文献２では、膜厚センサーは、蒸着源に対して相対的に固定された位置にあり、蒸着源の移動に伴って、膜厚センサーも移動するものである。

しかしながら、蒸着源が移動する場合、蒸着源が移動に伴って、成膜速度が変化し、蒸着源のヒータの温度制御のみでは、適切な成膜の薄膜を安定的に形成することができないという問題点があった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、その目的は、蒸着源を移動させ、膜厚センサーにより計測して、基板上に薄膜を形成する蒸着装置において、膜厚を高い精度で制御し、安定した膜厚の薄膜を形成することのできる蒸着装置を提供することにある。

本発明の蒸着装置は、蒸着源から蒸着材料が供給され、蒸着チャンバー内で基板に薄膜を形成する蒸着装置であって、制御部と、蒸着源による蒸着レートを測定する複数の膜厚センサーと、蒸着源を基板の面の平行方向に往復駆動させる蒸着源駆動機構とを有するものである。

そして、複数の膜厚センサーの中に、蒸着源が駆動した場合の待機位置での蒸着レートを測定し、互いに離されて設置される固定された膜厚センサーを含み、制御部は、膜厚センサーによって、測定される蒸着レートと、固定された膜厚センサーの各々の場所で形成された膜厚の比に関連する値によって、蒸着源のヒータの温度と、蒸着源駆動機構による蒸着源の移動速度とを制御する。

また、複数の膜厚センサーの中に、蒸着源に固定され、蒸着源にしたがって移動する膜厚センサーを含むようにしたものである。

より詳しくは、複数の膜厚センサーの中の一つの膜厚センサーは、蒸着源の待機位置から基板方向への正面に設置される膜厚センサーであり、複数の膜厚センサーの中の他の一つの膜厚センサーは、蒸着源の待機位置から基板面に下した垂線からの放射角がθの位置に置かれる膜厚センサーであり、固定された膜厚センサーの各々の場所で形成された膜厚の比に関連する値は、以下の（式１）によって定まるｎ値であるようにしたものである。

Ｄ_i／Ｄ_０＝(Ｌ_０／Ｌ_i）^３ｃｏｓ^ｎθ … (式１)
(ただし、Ｌ_０は、待機位置での蒸着源から基板面への垂直距離、Ｄ_０は、待機位置での蒸着源から基板面への垂線と蒸着基板面との交点における蒸着材料の蒸着膜厚、Ｄ_iは、蒸着源から蒸着基板面に下した垂線からの放射角がθで、待機位置での蒸着源からの距離がＬ_iである位置における蒸着材料の蒸着膜厚、Ｋは、装置や成膜環境により定まる比例定数）

本発明によれば、蒸着源を移動させ、膜厚センサーにより計測して、基板上に薄膜を形成する蒸着装置において、膜厚を高い精度で制御し、安定した膜厚の薄膜を形成することのできる蒸着装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る蒸着装置のライン上の動きが分かるように上部から見た概観図である。 真空蒸着チャンバ１の構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る蒸着装置の制御ブロック図である。 蒸着装置におけるｎ値の概念を説明するで図である。 本発明の一実施形態の蒸着装置において、蒸着に関するコンポーネントを簡易化して示した図である。 蒸着制御方法の流れの概要を示した図である。 図６における蒸着レート制御の処理の一例を示したフローチャートである。

以下、本発明に係る一実施形態を、図１ないし図７を用いて説明する。
先ず、図１および図２を用いて本発明の一実施形態に係る蒸着装置の構造について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る蒸着装置のライン上の動きが分かるように上部から見た概観図である。
図２は、真空蒸着チャンバ１の構成を示す断面図である。

本実施形態では、蒸着装置として、有機ＥＬデバイス製造のための薄膜を真空蒸着する有機ＥＬデバイス製造装置であって、アライメントと蒸着を同一の真空蒸着チャンバ１で実現する蒸着装置を例に採り説明する。

有機ＥＬデバイス製造装置１００は、下面が蒸着面とする基板６を水平に搬送し、下から蒸着材料を基板に蒸着する真空蒸着チャンバ１を有する。有機ＥＬデバイス製造装置１００は、中心部に真空搬送ロボット５を持った多角形の真空搬送チャンバ２と、その周辺部に放射状に基板ストッカ室３や成膜室である真空蒸着チャンバ１を配置したクラスタ型の有機ＥＬデバイス製造装置の構成を有している。各真空蒸着チャンバ１には、基板６と、基板の下に設置されるマスク８と、その基板６を保持する基板保持部９と、マスク８の下に蒸着源７とを有する。また、真空蒸着チャンバ１および基板ストッカ室３と真空搬送チャンバ２との間には、互いの真空を隔離するゲート弁１０が設けられている。また、制御装置２００は、有機ＥＬデバイス製造装置１００の各構成要素を監視制御する部分である
次に、図２を用いて真空蒸着チャンバ１の構成について説明する。

真空蒸着チャンバ１は、密閉された四方の壁１１で囲まれて、真空ポンプ５０により内部は、真空に保たれる。本実施形態では、基板６を水平に維持し、その下に蒸着源７を置き、下から蒸着材料を揮発させて蒸着させる形式の蒸着装置について説明する。

基板６は、基板ホールダ９によって保持され、例えば、有機ＥＬデバイスの場合には、有機素子からなる薄膜が表面に蒸着される。そして、基板６と蒸着源７の間に、マスク８が保持される。マスク８は、基板に所望のパータンを形成するための金属板であり、基板６の搬入時で、蒸着前に適切な位置に位置合わせ（アラインメント）される。また、その下に防着板１２が置かれていて、基板表面以外の余分な箇所に蒸着材料が飛散するのを防止している。

蒸着源７は、その本体が４角柱（長方体）の形状を有し、その内部には坩堝７１を長手方向に複数有する。各坩堝７１の上下には、ヒータ７３を配置し、坩堝７１に設けられた蒸着材料７２を蒸着に適した所定の温度に加熱する。ヒータ７３には、制御部２００（図示せず）に接続されており、温度制御をおこなっている。

蒸着源７の下には、ボールねじ７４が通され、蒸着源駆動部７３により、Ｘ方向に移動可能である。蒸着源駆動部７３は、制御部２００（図示せず）に接続されており、その移動と、移動速度が制御可能になっている。

次に、図３を用いて本発明の一実施形態に係る蒸着装置の制御系について説明する。
図３は、本発明の一実施形態に係る蒸着装置の制御ブロック図である。

蒸着装置は、図３に示されるように、制御部２００に、膜厚センサー（移動式）２０ｃ，２０ｄ、膜厚センサー（固定式）２０ａ，２０ｂ、ヒータ７３、蒸着源駆動機構７５、ロボット駆動機構５１が接続されている。

膜厚センサー（移動式）２０ｃ，２０ｄ、膜厚センサー（固定式）２０ａ，２０ｂは、図２に示したように取り付けられる水晶振動式膜厚センサーであり、制御部２００に測定信号を送る。

ヒータ７３は、蒸着源７から適切な蒸着材料が送られるように温度センサー４や移動式膜厚センサー１００ｍから送られてくる信号に基づいて、制御部２００が制御する。

蒸着源駆動機構３００は、蒸着時に、制御部２００の制御を受けて、蒸着源７を、図２のＸ方向に往復運動させる。

蒸着源駆動機構３００は、図２に示したように、蒸着源をボールネジ、ベルトなどを介してモータ、油圧、空圧などの駆動源により駆動させる機構が一般的であるが、蒸着源を移動させることができるものであればどのようなものであってもよい。

ロボット駆動機構３１０は、図１に示したように、制御部２００の制御を受けて、基板６を搬送するように真空搬送ロボット５を駆動させる。

次に、図４を用いてｎ値について説明する。
図４は、蒸着装置におけるｎ値の概念を説明するで図である。

ｎ値とは、膜厚分布を表す式であり、以下の（式１）で示されるｎの値である。

Ｄ_i／Ｄ_０＝(Ｌ_０／Ｌ_i）^３ｃｏｓ^ｎθ … (式１)
ここで、図４に示されるように、Ｌ_０は、蒸着源から蒸着基板面への垂直距離、Ｄ_０は、蒸着源から蒸着基板面への垂線と蒸着基板面との交点における蒸着材料の蒸着膜厚、Ｄ_iは、蒸着源から蒸着基板面に下した垂線からの放射角がθで、蒸着源からの距離がＬ_iである位置における蒸着材料の蒸着膜厚、Ｋは、装置や成膜環境により定まる比例定数である。

本実施形態の蒸着装置は、このｎ値により、蒸着源による蒸着のヒートパワーや蒸着源の移動速度を制御することに特徴がある。

以下、図５ないし図８を用いて本発明の一実施形態における蒸着装置の蒸着制御方法について説明する。
図５は、本発明の一実施形態の蒸着装置において、蒸着に関するコンポーネントを簡易化して示した図である。
図６は、蒸着制御方法の流れの概要を示した図である。
図７は、図６における蒸着レート制御の処理の一例を示したフローチャートである。

本発明の蒸着装置は、図２にも示したように、制御部２００の制御にしたがって、蒸着源７が移動可能であり、温度制御もおこなわれる。

そして、蒸着源７が待機位置にあるときに、正面に、膜厚センサー（固定）２０ａが、基板６が設置されてる面に開口を向けて置かれている。さらに、待機位置にある蒸着源７と膜厚センサー（固定）２０ａを結んだ線と、角度θ分外れた角度の所の基板６が設置されてる面に、膜厚センサー（固定）２０ｂが置かれている。

また、蒸着源７には、図２に示したように、膜厚センサー（移動）２０ｃ、膜厚センサー（移動）２０ｄが取り付けられており、蒸着源７に伴って移動するようになっている。

膜厚センサー（固定）２０ａと、膜厚センサー（固定）２０ｂは、ｎ値を求めるための膜厚を求めることを意図しており、蒸着レート（成膜の速度）の測定は、膜厚センサー（移動）２０ｃ、膜厚センサー（移動）２０ｄがおこなう。ただし、膜厚センサー（移動）２０ｃ、膜厚センサー（移動）２０ｄをなくして、膜厚センサー（固定）２０ａにより、蒸着レートをおこなうようにしてもよい。

蒸着制御方法の概要を示すと、図６に示されるようになる。先ず、膜厚センサー（固定）２０ａにより、（式１）の蒸着膜厚Ｄ_０を求め（Ｍ０）、膜厚センサー（固定）２０ｂにより、（式１）の蒸着膜厚Ｄ_ｉを求め（Ｍ１）、（式１）にしたがって、ｎ値を求める（Ｍ２）。

一方、膜厚センサー（移動）２０ｃ、膜厚センサー（移動）２０ｄにより、蒸着レートの測定をおこなう（Ｍ３）。

そして、それに基づいて蒸着レート制御をおこなう（Ｃ０）。蒸着レート制御は、制御部２００が、蒸着源７のヒータ７３の温度を上げ下げして制御すること（Ｃ１）、蒸着源７の移動速度（スキャン速度）を上げ下げして制御すること（Ｃ２）がある。

ここで、蒸着源７よる蒸着（Ｄ０）と、蒸着レート制御（Ｃ０）は、フィードバックしながら、基板６上に適切な膜厚の薄膜が形成されるように維持される。

蒸着レート制御の処理の一例を示すと、図７に示されるようになる。これは、処理として、閉ループを形成しており、最初は、Ｓ０１の判断から始まるものとする。

制御部２００は、膜厚センサー（移動）２０ｃ、膜厚センサー（移動）２０ｄにより、蒸着レートの測定値が、所定の閾値より小さいか否かを判断する（Ｓ０１）。

例えば、蒸着源７の蒸着材料が少なくなってきたときには、膜厚センサーの検知する蒸着レートは、小さくなる。

蒸着レートの測定値が、所定の膜厚の閾値より小さいときには、制御部２００は、ヒータ７３のパワーを上げ、温度を上昇させる（Ｓ０２）。

ヒータ７３のパワーを上げると、蒸着源７からの蒸気の出が鋭くなり、ｎ値が大きくなる（すなわち、蒸着膜厚Ｄ_０に対する蒸着膜厚Ｄ_ｉの比が小さくなる）可能性が大きくなる。

そこで、制御部２００は、図６のＭ０、Ｍ１、Ｍ３のステップにより検出したｎ値が、所定の閾値より大きいか否かを判断する（Ｓ０３）。

ｎ値が、所定の閾値より大きいときには、蒸着源７のスキャン速度を大きくする（Ｓ０４）。そして、Ｓ０１に戻る。蒸着源７のスキャン速度を大きくした場合には、単位時間あたりに積層する蒸着物の量は、減少するため、蒸着レートは下降する。

一方、Ｓ０１の判定で、蒸着レートの測定値が、所定の膜厚の閾値より大きいときには、制御部２００は、ヒータ７３のパワーを下げ、温度を下降させる（Ｓ１１）。蒸着レートの測定値が大きくないときには、蒸着レートは、適切であるので、Ｓ０１に戻る。

ヒータ７３のパワーを下げると、蒸着源７からの蒸気の出が広がって、ｎ値が小さくなる（すなわち、蒸着膜厚Ｄ_０に対する蒸着膜厚Ｄ_ｉの比が大きくなる）可能性が大きくなる。

次に、制御部２００は、図６のＭ０、Ｍ１、Ｍ３のステップにより検出したｎ値が、所定の閾値より大きいか小さい否かを判断する（Ｓ１３）。

ｎ値が、所定の閾値より小さいときには、蒸着源７のスキャン速度を小さくする（Ｓ１４）。そして、Ｓ０１に戻る。蒸着源７のスキャン速度を小さくした場合には、単位時間あたりに積層する蒸着物の量は、増加するため、蒸着レートは上昇する。

このように、蒸着レートと、ｎ値を参照して、蒸着源の温度制御と、スキャン速度を制御をおこなうことにより、蒸着レートを一定に保ち、安定した膜厚の薄膜を基板６上に形成することができる。

なお、本実施形態では、基板６を水平にして、下に蒸着源７を置く蒸着装置について説明したが、図５の位置関係を満たす限り、基板６を垂直に置き、蒸着源７をＺ方向に動かす垂直式の蒸着装置であってもよい。

１…真空蒸着チャンバ、２…真空搬送室、３…基板ストッカ室、４…温度センサー、５…真空搬送ロボット、６…基板、７…蒸着源、８…マスク、９…基板保持部、１０…ゲート弁、９…防着板、２０ａ，２０ｂ…膜厚センサー（固定式）、２０ｃ，２０ｄ…膜厚センサー（移動式）、２００…制御部、７１…坩堝、７２…蒸着材料、７３…ヒータ、７４…ボールねじ、７５…蒸着源駆動機構。

Claims (4)

1. 蒸着源から蒸着材料が供給され、蒸着チャンバー内で基板に薄膜を形成する蒸着装置であって、
   制御部と、
   前記蒸着源による蒸着レートを測定する複数の膜厚センサーと、
   前記蒸着源を基板の面の平行方向に往復駆動させる蒸着源駆動機構とを有し、
   前記複数の膜厚センサーの一部が、前記蒸着源が駆動した場合の待機位置での蒸着レートを測定し、互いに離されて設置される固定された膜厚センサーであり、
   前記制御部は、前記膜厚センサーによって、測定される蒸着レートと、前記固定された膜厚センサーの各々の場所で形成された膜厚の比に関連する値によって、前記蒸着源のヒータの温度と、前記蒸着源駆動機構による前記蒸着源の移動速度とを制御することを特徴とする蒸着装置。
2. 前記複数の膜厚センサーの一部が、前記蒸着源に固定され、前記蒸着源にしたがって移動する膜厚センサーであることを特徴とする請求項１記載の蒸着装置。
3. 前記複数の膜厚センサーの一つの膜厚センサーは、前記蒸着源の待機位置から基板方向への正面に設置される膜厚センサーであり、
   前記複数の膜厚センサーの他の一つの膜厚センサーは、前記蒸着源の待機位置から基板面に下した垂線からの放射角がθの位置に置かれる膜厚センサーであり、
   前記固定された膜厚センサーの各々の場所で形成された膜厚の比に関連する値は、以下の（式１）によって定まるｎ値であることを特徴とする請求項１記載の蒸着装置。
   Ｄ_i／Ｄ_０＝(Ｌ_０／Ｌ_i）^３ｃｏｓ^ｎθ … (式１)
   （ただし、Ｌ_０は、待機位置での蒸着源から基板面への垂直距離、Ｄ_０は、待機位置での蒸着源から基板面への垂線と蒸着基板面との交点における蒸着材料の蒸着膜厚、Ｄ_iは、蒸着源から蒸着基板面に下した垂線からの放射角がθで、待機位置での蒸着源からの距離がＬ_iである位置における蒸着材料の蒸着膜厚、Ｋは、装置や成膜環境により定まる比例定数）
4. 蒸着源から蒸着材料が供給され、蒸着チャンバー内で基板に薄膜を形成する蒸着装置の蒸着制御方法であって、
   前記蒸着装置は、
   制御部と、
   前記蒸着源による蒸着レートを測定する複数の膜厚センサーと、
   前記蒸着源を基板の面の平行方向に往復駆動させる蒸着源駆動機構とを有し、
   前記複数の膜厚センサーの第一の膜厚センサーは、前記蒸着源に固定され、前記蒸着源にしたがって移動する膜厚センサーであり、
   前記複数の膜厚センサーの第二の膜厚センサーは、前記蒸着源の待機位置から基板方向への正面に設置される膜厚センサーであり、
   前記複数の膜厚センサーの第三の膜厚センサーは、前記蒸着源の待機位置から基板面に下した垂線からの放射角がθの位置に置かれる膜厚センサーであり、
   前記制御部が、前記第一の膜厚センサーにより測定された蒸着レートにしたがって、前記蒸着源のヒータの温度を制御するステップと、
   前記制御部が、前記第二の膜厚センサーと前記第三の膜厚センサーの設置された位置における膜厚を求めるステップと、
   前記制御部が、以下の(式１)によって定まるｎ値を求めるステップと、
   Ｄ_i／Ｄ_０＝(Ｌ_０／Ｌ_i）^３ｃｏｓ^ｎθ … (式１)
   （ただし、Ｌ_０は、待機位置での蒸着源から基板面への垂直距離、Ｄ_０は、待機位置での蒸着源から基板面への垂線と蒸着基板面との交点における蒸着材料の蒸着膜厚、Ｄ_iは、蒸着源から蒸着基板面に下した垂線からの放射角がθで、待機位置での蒸着源からの距離がＬ_iである位置における蒸着材料の蒸着膜厚、Ｋは、装置や成膜環境により定まる比例定数）
   前記制御部が、前記ｎ値にしたがって、前記蒸着源駆動機構による前記蒸着源の移動速度とを制御するステップとを有することを特徴とする蒸着制御方法。

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