JP2020147830A - 成膜装置、成膜システム - Google Patents

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Abstract

【課題】真空チャンバの内部が大気圧である状態と減圧された状態とで、脚部にかかる荷重バランスの変化が小さく、アライメント機構の動作精度が高い成膜装置が求められていた。【解決手段】内部を減圧可能な真空チャンバと、前記真空チャンバの底面を床面に対して支持する複数の脚部を有する成膜装置において、前記真空チャンバは、前記床面に投影した時に投影形状がN角形になる形状を有し、前記成膜装置は、前記複数の脚部をN+1以上有し、前記床面への前記複数の脚部の投影位置は、前記真空チャンバの投影形状内に包含される環状領域の内に存在する、ことを特徴とする成膜装置である。【選択図】図1

Description

本発明は、脚部を用いて床面に設置する成膜装置に関する。特に、内部を減圧可能な真空チャンバを備えた成膜装置に関する。
近年、自発光型で、視野角、コントラスト、応答速度に優れた有機EL素子は、壁掛けテレビをはじめとする種々の表示装置に盛んに応用されている。
一般に、有機EL素子は、基板を成膜チャンバ内に搬入し、所定パターンの有機膜を基板上に成膜する方法で製造される。より詳しくは、減圧された成膜チャンバ内に基板を搬入する工程、基板とマスクとを高精度に位置合わせ(アライメント)する工程、有機材料を成膜する工程、成膜済みの基板を成膜チャンバから搬出する工程、等を経て製造される。
かかる製造工程を実施するために、成膜装置は、内部を減圧することが可能な真空チャンバと、それに付帯して設けられたアライメント機構等を備えている。
耐大気圧容器である真空チャンバを備える成膜装置は重量が大きな装置であるため、真空チャンバの底面を床面に直接載置するのではなく、複数の脚部を介して床面に設置される。
特許文献1には、成膜装置の分野ではないが、重量の大きなMRI装置において、装置の底面を支持する弾性変形可能な支持脚が記載されている。平面視すると円形の形状を有するMRI装置において、装置の底面振動により静磁場発生源が振動するのを抑制するために改良された支持脚が開示されている。
特開2007−222431号公報
近年では、成膜装置が取り扱う基板サイズの大型化に伴い、成膜装置の真空チャンバは大型化する傾向がある。真空チャンバが大型化して底板、天板、側板の面積が大きくなると、チャンバ内を減圧した際にこれらの板材が大気圧に押されて大きく変形するようになる。
ここでは、図5(a)に示す成膜装置を一例に挙げて説明する。図5(a)は、チャンバ内が減圧される前、つまりチャンバ内が大気圧になっている状態の成膜装置を模式的に示す断面図である。図中の、1000は成膜装置、101は真空チャンバの天板、102は真空チャンバの側板、103は真空チャンバの底板であり、天板101と側板102と底板103は互いに接合されて気密容器を形成している。104はチャンバ内空間、115は蒸着源である。チャンバ内空間104には、マスク113を挟んで基板111と対向する位置に蒸着源115が配置されている。基板111は基板支持部112により支持され、マスク113はマスク支持部114により支持されている。基板支持部112とマスク支持部114は、気密性が確保された状態で天板101を貫通して真空チャンバの外側まで伸びて、アライメント機構117と接続している。アライメント機構117は、基板支持部112および/またはマスク支持部114の姿勢を調整して、基板111とマスク113の位置合わせを行う。
底板103の下面には、成膜装置1000を支えるための脚部106A〜脚部106Fが固定されており、チャンバ内が大気圧になっている状態では脚部106A〜脚部106Fは全て床面118に接地している。脚部106A〜脚部106Fは、連結部材120により連結されて、全体が架台を構成している。
図5(b)に、成膜装置1000の下面図を示すが、真空チャンバの矩形の底面には、構造補強材であるリブ144や、排気装置であるポンプ145などが付設されている。脚部106A〜脚部106Fは、リブ144や真空ポンプが設置されている場所を避けて配置されている。成膜を行うため、真空ポンプを駆動して真空チャンバ内を減圧すると、大気圧との圧力差により真空チャンバの壁が変形する。
図6は、真空チャンバ内を減圧した状態における成膜装置の形状を模式的に示す断面図である。底板103が大気圧に押されて変形し始めると、各脚部にかかる重量バランスが変化してゆき、さらに底板の変形が大きくなると、脚部106A〜脚部106Fのうち一部の脚部は床面118から離間してしまう。
すると、接地し続けている一部の脚部に荷重が集中してゆくが、これによりチャンバ壁の歪み方がさらに変化したり、荷重が不均等になって真空チャンバ全体の姿勢が変化したりしてしまう。こうした変化がアライメント機構117の動作に影響を与え、アライメント精度が低下してしまう場合がある。アライメント機構117の動作精度は、天板101の変形や真空チャンバの姿勢変化により影響を受けるが、天板101の変形量は、単に天板が受ける大気圧のみによって決まるのではなく、底板103や側板102の変形量にも依存する。天板101、底板103、側板102は互いに気密接合されて一体構造の真空チャンバを構成しているからである。
また、床面118にかかる荷重の分布が変化する事により床が変形し、成膜装置1000の姿勢が変化してアライメント精度が低下してしまう場合もあり得る。
真空チャンバ内を減圧した時に各脚部にかかる荷重が不均一になるのを抑制するために、真空チャンバの壁の厚みを大きくして変形を抑制することも考えられる。しかし、その場合には真空チャンバの重量が増加するため、更に多くの脚部が必要になったり、床面の強度を更に大きくする必要が生じ、現実的な壁の厚みには限界がある。
成膜装置を例えば有機EL素子の製造工場に設置する際には、真空チャンバの内部を大気圧状態にして真空チャンバの位置と姿勢を調整しながら複数の脚部を用いて床面に固定する。設置時すなわち真空チャンバの内部が大気圧状態の時に脚部にかかっている荷重バランスと、装置稼動時すなわち真空チャンバの内部が減圧された時に脚部にかかる荷重バランスの差が大きいと、装置稼動時におけるアライメント機構の動作精度が不十分になる。というのも、内部を減圧する前に調整したアライメント機構117の姿勢が減圧後に大きく変化してしまい、図6に示すセッティングのずれ角θが大きくなり、問題となるからである。
特許文献1に開示された支持脚は、平面視すると円形形状を有するMRI装置において装置の底面振動により静磁場発生源が振動するのを抑制する支持脚であり、装置形状が異なる成膜装置におけるアライメント精度の低下を解決するものではない。
そこで、真空チャンバの内部が大気圧である状態と減圧された状態とで、脚部にかかる荷重バランスの変化が小さく、アライメント機構の動作精度が高い成膜装置が求められていた。
本発明は、内部を減圧可能な真空チャンバと、前記真空チャンバの底面を床面に対して支持する複数の脚部を有する成膜装置において、前記真空チャンバは、前記床面に投影した時に投影形状がN角形になる形状を有し、前記成膜装置は、前記複数の脚部をN+1個以上有し、前記床面への前記複数の脚部の投影位置は、前記真空チャンバの投影形状内に包含される環状領域の内に存在する、ことを特徴とする成膜装置である。
本発明は、真空チャンバの内部が大気圧である状態と減圧された状態とで、脚部にかかる荷重バランスの変化が小さく、アライメント機構の動作精度が高い成膜装置を提供する。
(a)実施形態1である成膜装置の内部が大気圧である時の装置形態を示す模式的な断面図。(b)実施形態1である成膜装置の底面を示す図。 (a)実施形態1である成膜装置の内部が減圧された状態における装置形態を示す模式的な断面図。(b)内部が減圧された状態における底面の形状変化を示す模式図。 (a)実施形態1である成膜装置において、減圧前後の各脚部にかかる荷重を示すグラフ。(b)従来の成膜装置において、減圧前後の各脚部にかかる荷重を示すグラフ。 実施形態2である成膜システムの構成を示す模式図。 (a)従来の成膜装置の内部が大気圧である時の装置形態を示す模式的な断面図。(b)従来の成膜装置の底面を示す図。 従来の成膜装置の内部が減圧された状態における装置形態を示す模式的な断面図。
本発明の実施形態である成膜装置、成膜システムについて、図面を参照して説明する。尚、以下の説明で参照する複数の図面においては、機能が同一の構成要素については、特に但し書きがない限り同一の番号を付して図示するものとする。
[実施形態1]
(成膜装置の基本構成)
図1(a)は、実施形態1である成膜装置100の全体構成を示す模式的な断面図であり、図1(b)は、成膜装置100の下面図である。図1(a)は、図1(b)中に示されるH−H線に沿って切った断面に対応する。成膜装置100は、例えば有機EL表示装置の製造に用いられる成膜装置として使用されるものである。
成膜装置100は、気密容器である真空チャンバ10を備え、真空チャンバ10の内部は真空ポンプ45(例えばクライオポンプやターボ分子ポンプ)により、例えば10−3Pa以下の圧力領域まで減圧可能である。真空チャンバ10の内部空間を、成膜室と呼ぶ場合もある。内部が減圧されていない状態の真空チャンバ10を鉛直上方あるいは下方から視た場合の外形形状は、実質的に矩形(四角形)である。真空チャンバ10の底面には、構造補強材であるリブ44が4本設けられている。このうち2本は真空チャンバ10の矩形の長辺に平行な一対のリブ対44Xとして配置され、他の2本は真空チャンバ10の矩形の短辺に平行な一対のリブ対44Yとして配置されている。リブ対44Xとリブ対44Yは、真空チャンバ10の重心あるいは構造中心近傍にて交差するが、本実施形態の成膜装置100の場合には、ボックス43の位置が構造中心にあたる。リブ対44Xとリブ対44Yが交差し、ボックス43は交差する4本のリブ44に囲まれている。
成膜装置100は、基板11を支持するための基板支持体12と、マスク13を支持するためのマスク支持体14と、有機材料を蒸発あるいは昇華させるための蒸着源15とを備えている。
マスク13は、パターニングのための開口を有する薄板形状の部材で、特に大型基板向けには、インバー等のように剛性が高く熱膨張率が小さな材料を用いたメタルマスクが用いられることが多い。マスク13は、マスク支持体14により両側(又は、4辺)から支持されている。
基板11としては、製造しようとする対象製品により、ガラス基板あるいはプラスチック基板等が適宜に選択して用いられる。基板11は、基板支持体12により両側(又は、4辺)から支持されている。
基板支持体12及びマスク支持体14は、ベローズ等の真空シール部材16を介して気密性が確保された状態で真空チャンバ10の外まで延在しており、アライメント機構17と連結されている。
成膜装置100は、基板11とマスク13の位置合わせをするためのアライメント機構17を備える。詳細を図示してはいないが、アライメント機構17は、基板支持体12の微調整を行う位置調整手段とマスク支持体の位置調整手段のうちの一方または両方を備えている。
また、真空チャンバ10の外から、基板11とマスク13に付されたアライメントマークを撮像する為に、アライメントカメラ32とビューポート33が設けられている。ビューポート33は、真空チャンバ10の内部を外から撮影するための窓であり、圧力差に耐えることが可能な透明材料で構成されている。アライメントカメラ32は、位置合わせを行う際に、ビューポート33を通して基板11及びマスク13に付されたアライメントマークを撮影できるような位置に配置される。基板11とマスク13の位置合わせは、図1(a)に示すように、基板11とマスク13が離間している状態で、基板11とマスク13のそれぞれに付されたアライメントマークの相対的な位置関係を調整することで行う。
成膜装置100は、蒸着源15を備え、蒸着源15の内部には成膜材料である有機材料が貯留され、有機材料は制御されたヒータによって加熱されて所定のレートで蒸発あるいは昇華する。蒸着源15の上面には、気化した有機材料を基板に向けて放出するための開口部と、必要に応じて開口部を遮蔽するために開閉駆動が可能なシャッターが設けられている。蒸着源15の下部には、蒸着源を駆動するための電気配線や冷却媒体を循環させるための配管等を導入するためのボックス43が配置されている。
基板11に有機材料を成膜する場合に、基板11と蒸着源15との相対位置は固定していてもよいし、相対移動する形態であってもよい。また、基板に対して単一の蒸着源を設置してもよいし、複数の蒸着源を配列してもよい。また図示していないが、成膜室内には、蒸着源からの蒸発レートを管理あるいは制御するためのレート管理センサーを配置することも可能である。
成膜装置100は、8本の脚部41を備え、各々の脚部41は接地部42にて床面118に接地している。図1(b)に示すように、成膜装置100を平面視すると、8本の脚部41は、成膜装置100の外形である矩形の中に含まれる円Cの円周上に配置されている。円Cは単一の円であり、その直径は成膜装置100の外形である矩形の短辺よりも短く、円周は矩形のどの辺とも交差していない。
かかる脚部の配置の利点を説明するため、真空チャンバ10の内部を成膜時の圧力にまで減圧した時に生じる真空チャンバの変形について説明する。
図2(a)は、成膜装置100の真空チャンバ10内を成膜時の圧力まで減圧した状態における装置の形状を模式的に示す断面図である。図2(a)は、図1(a)と同様に図1(b)のH−H線に沿った位置で切った断面である。
また、図2(b)は、図2(a)の状態における真空チャンバ10の底面の変形を模式的に示す図である。図2(b)では、変形の分布を示すため、変形(変位)の度合いが概ね等しい部分を同じ種類のテクスチャに塗り分けてあり、一種の等高帯表示になっている。
真空チャンバ10内を成膜時の圧力まで減圧すると、底面において矩形の辺から遠い位置、すなわち重心または構造中心に近い位置ほど、大きく変位する。すなわち、図2(b)に示すように、重心または構造中心にあるボックス43の近傍が最も大きく変位し、外周部に向かうにしたがって変位が小さくなっている。
真空チャンバの内部が大気圧状態から減圧状態に変化した時に真空チャンバの底面の変位量が等しい箇所を線で結ぶと、ボックス43の位置を中心とする閉ループが形成される。この閉ループは、成膜装置100の重心あるいは構造中心に近い位置では楕円に近い形状であり、その長径は真空チャンバ10の短辺と平行である。しかし、重心あるいは構造中心から離れるに従い閉ループは楕円から真円に近くなり、さらに離れると真空チャンバ10の長辺方向を長径とする楕円に近い形状となる。そして、重心からさらに離れると、変形(変位)の度合いが等しい部分は閉ループを形成せず、独立した弧の形状となる。
本実施形態では、変形(変位)の度合いが等しい部分を結んだ閉ループが真円に近い領域、すなわち長径と短径の比が0.8以上で1.0以下である閉ループを集合した環状領域C0内に8本の脚部41を配置している。脚部41を配置した領域は、リブ対44Xとリブ対44Yが交差する領域よりも外側であり、変形(変位)の度合いが等しい部分が独立した弧となっている領域よりも内側である。真空チャンバ10を鉛直上方あるいは下方から視た場合の外形形状がN角形だとすると、脚部は環状領域C0内にN+1個以上設けるとよい。各脚部および各脚部が設置された床面(接地部分)の荷重が過大にならないようにするためである。
すなわち、真空チャンバ10を床面118に投影した時の投影形状がN角形であり、成膜装置100は脚部41をN+1個以上有し、床面118への脚部41の投影位置は、真空チャンバ10の投影形状内に包含される環状領域C0の内に存在する。
このように脚部41を配置することにより、図2(a)に示すように、真空チャンバ10内を減圧した場合でも、各脚部は床面118に接地しており、減圧前と比べて各脚部にかかる荷重の変化は小さい。各脚部が、底面の変形(変位)の度合いが略等しい環状領域内に配置されているからである。このため、減圧前に動作調整を行いセッティングしたアライメント機構17の姿勢は、減圧後においても変化が極めて小さく、セッティングのずれ角θは微小である。
図2(a)に示す本実施形態の成膜装置と、図6に示す従来の成膜装置について、減圧前後の各脚部にかかる荷重の変化を調べた。図3(a)は、本実施形態の成膜装置の各脚部にかかる荷重を減圧前後で比較したグラフであり、図3(b)は、従来の成膜装置の各脚部にかかる荷重を減圧前後で比較したグラフである。図1(b)、図5(b)に示したように、各々の成膜装置の脚部配置は平面視では上下対称の構造であるため、図3(a)、図3(b)には、上半分に配置された脚部のみをグラフに示し、下半分に配置された脚部のグラフは省略している。
図3(a)のグラフから明らかなように、本実施形態の成膜装置の各脚部にかかる荷重は、真空チャンバ内が大気圧である時と減圧された時の差が小さい。しかも、減圧された時にも全ての脚部が接地しており、脚部ごとの荷重のばらつきが小さい。
これに対して、従来の成膜装置においては、図3(b)のグラフから明らかなように、各脚にかかる荷重は、真空チャンバ内が大気圧である時と、減圧された時の差が大きい。しかも、減圧された時には、一部の脚部は床面から浮いて床面荷重がゼロになり、接地している一部の脚部に荷重が集中している。この結果から、従来の成膜装置では、真空チャンバの変形度が大きく、床面の局所に成膜装置の荷重が集中していることがわかる。
本実施形態の成膜装置は、従来の成膜装置と比較して、減圧前に動作調整を行いセッティングしたアライメント機構の姿勢に対する減圧時の姿勢変化が抑制されており、アライメント動作の精度を高く維持することができる。また、荷重の局所集中による床面の変形が、従来の成膜装置を設置した場合よりも軽減される。
[実施形態2]
次に、本発明を実施した成膜システムについて説明する。図4は、本発明を実施した成膜システムの模式的な構成図で、有機ELパネルを製造する成膜システム300を例示している。
成膜システム300は、成膜装置100を複数備え、さらに搬送室1101、搬送室1102、搬送室1103、基板供給室1105、マスクストック室1106、受渡室1107、ガラス供給室1108、貼合室1109、取出室1110等を備えている。
成膜装置100は、有機ELパネルの発光層、正孔注入層、正孔輸送層、電子輸送層、電極層等の異なる機能層の成膜に用いられ得るため、成膜装置ごとに成膜材料やマスクなどが相違する場合がある。
各成膜装置100は、真空チャンバの外形をN角形とした時、実施形態1で説明した環状領域に配置されたN+1本以上の脚部を備え、真空チャンバの減圧の前後における荷重の変化が抑制されており、高いアライメント精度を発揮できる。各成膜装置100は、基板をマスクにセットした後、マスク越しに基板に成膜パターンを形成する成膜方法を実施できる。各成膜装置100は、一つの成膜チャンバが一つのアライメント装置を備える装置であってもよいし、一つの成膜チャンバが2つ以上のアライメント装置を備える装置であってもよい。2つのアライメント装置を備える場合には、一方のアライメント装置側で基板に蒸着している間に、他方のアライメント装置側では蒸着済の基板の搬出と未蒸着の基板の搬入を行い、搬入した基板にアライメント動作を行うことができる。このように、真空チャンバ内に複数のアライメント装置を設けて成膜のスループットを向上させる場合には、蒸着源がアライメント装置間を巡回できるように移動機構を設けるとよい。
基板供給室1105には、外部から基板が供給される。搬送室1101、搬送室1102、搬送室1103には、搬送機構であるロボット1120が配置されている。ロボット1120によって各室間の基板の搬送が行われる。本実施形態の成膜システム300が複数台備える成膜装置100のうち、少なくとも一台は有機材料の蒸着源を備えている。成膜システム300に含まれる複数の成膜装置100は、お互いが同一材料を成膜する装置であってもよいし、異なる材料を成膜する装置であってもよい。例えば、各成膜装置において、互いに異なる発光色の有機材料を蒸着してもよい。成膜システム300では、基板供給室1105から供給された基板に有機材料を蒸着したり、あるいは金属材料等の無機材料の膜を形成して、有機ELパネルを製造する。
マスクストック室1106には、各成膜装置100にて用いられた結果、有機材料が堆積したマスクが、ロボット1120によって搬送される。マスクストック室1106に搬送されたマスクを回収して、マスクを洗浄することができる。また、マスクストック室1106に洗浄済みのマスクを収納しておき、ロボット1120によって成膜装置100にセットすることもできる。
ガラス供給室1108には、外部から封止用のガラス材が供給される。貼合室1109において、成膜された基板に封止用のガラス材を貼り合わせることで、有機ELパネルが製造される。製造された有機ELパネルは、取出室1110から取り出される。
本成膜システムに含まれる成膜装置は、実施形態1で説明したように、減圧時にチャンバ壁面の変形があっても、減圧前に動作調整を行いセッティングしたアライメント機構の姿勢に対する減圧時の姿勢変化が抑制されている。このため、アライメント動作の精度を高く維持することができる。また、荷重の局所集中による床面の変形が軽減されている。
高いアライメント精度で成膜可能な本成膜システムによれば、大面積基板に高精度かつ安定して成膜できるため、高画質の有機ELパネルを高い歩留まりで製造することが可能である。
[他の実施形態]
本発明は、すでに説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。
例えば、図1(a)に示した成膜装置においては、マスク13を基板11の鉛直方向下側に配置して基板11の被成膜面を下向きにしているが、成膜パターンを基板11の被成膜面に形成可能でさえあれば、基板とマスクの配置はこの例に限られない。例えば、基板11とマスク13とを鉛直方向に沿って縦置きに配置した状態で成膜してもよいし、あるいは蒸着源を鉛直方向上側に配置して基板11の被成膜面を上向きにしてもよい。
また、本発明は有機EL素子の有機膜を成膜する成膜装置において好適に実施され得るが、それ以外の用途の成膜装置に用いても差し支えない。
10・・・真空チャンバ/11・・・基板/12・・・基板支持体/13・・・マスク/14・・・マスク支持体/15・・・蒸着源/17・・・アライメント機構/32・・・アライメントカメラ/33・・・ビューポート/43・・・ボックス/100・・・成膜装置/300・・・成膜システム/C0・・・環状領域

Claims (6)

  1. 内部を減圧可能な真空チャンバと、
    前記真空チャンバの底面を床面に対して支持する複数の脚部を有する成膜装置において、
    前記真空チャンバは、前記床面に投影した時に投影形状がN角形になる形状を有し、
    前記成膜装置は、前記複数の脚部をN+1個以上有し、
    前記床面への前記複数の脚部の投影位置は、前記真空チャンバの投影形状内に包含される環状領域の内に存在する、
    ことを特徴とする成膜装置。
  2. 前記環状領域の内では、
    真空チャンバの内部が大気圧状態から減圧状態に変化した時、前記真空チャンバの底面の変位量が等しい箇所を結ぶ線が閉ループを形成する、
    ことを特徴とする請求項1に記載の成膜装置。
  3. 前記環状領域は、長径と短径の比が0.8以上で1.0以下である前記閉ループを集合した領域である、
    ことを特徴とする請求項2に記載の成膜装置。
  4. 前記成膜装置は、有機材料を蒸発させることが可能な蒸着源と、マスクと基板の位置合わせをするアライメント機構を備える、
    ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の成膜装置。
  5. 前記蒸着源は、有機EL素子を構成する有機膜を成膜する蒸着源である、
    ことを特徴とする請求項4に記載の成膜装置。
  6. 請求項1から5のいずれか1項に記載の成膜装置を複数備える、
    ことを特徴とする成膜システム。


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