JP2020164920A - 成膜装置及び成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】膜厚分布の均一化と材料収率の向上とを両立することができる成膜装置を提供する。【解決手段】チャンバ２００内において、成膜材料３０４を収容し、成膜対象物１００の下方に配置され、上方に開口する噴射口を有する蒸発源容器３０１は、成膜対象物の回転軸２２０と直交する方向において、回転軸から離れた離間位置から回転軸に近接する近接位置へ移動し、再び離間位置へ戻る往復移動を行い、蒸発源容器から蒸発した成膜材料の成膜対象物に対する成膜レートを取得する成膜モニタに備えられた水晶振動子は、往復移動を行う蒸発源容器との対向状態が維持されるようにチャンバ内を移動する成膜装置１。【選択図】図１

Description

本発明は、真空蒸着方式により成膜対象物に薄膜を形成する成膜装置及び成膜方法に関する。

成膜対象物としての基板上に薄膜を形成する成膜装置として、真空チャンバ内において、成膜材料を収容した容器（坩堝）を加熱し、成膜材料を蒸発（昇華又は気化）させて容器外へ噴射させ、基板の表面に付着・堆積させる真空蒸着方式の成膜装置がある。被成膜面を下方に向けて配置され回転する基板に対し、蒸発源として成膜材料の噴射口が上方に開口した坩堝を用いて成膜する構成においては、基板に対する蒸発源の配置によって、膜厚分布が変化する。蒸発源の上方に配置された水平面に対する成膜材料の単位時間当たりの付着量（成膜レート）は、噴射口の真上でピークとなり、ピーク中心から径方向外向きに徐々に勾配をなだらかにしながら減少する、山型の分布を形成する。

従来の装置設計では、膜厚分布の均一性を重視しており、基板の被成膜面が蒸発源（噴射口）の真上の位置から外れた位置になるように蒸発源を配置する構成が主流であった。すなわち、上述した山型の膜厚分布において成膜レートの変化の勾配がなだらかな領域で成膜を行う配置構成である。しかしながら、噴射口から真上に吐き出された成膜材料の多くが成膜に用いられず無駄になるため、材料収率がよくない配置構成となる。
近年では、高性能材料（すなわち、高コスト）の蒸着材料が使用されるようになり、材料収率が重要視されている。すなわち、基板の真下に蒸発源を配置する（鉛直方向に投影したときに蒸発源が基板に重なる（含まれる）位置に配置される）構成が採用される傾向にある。しかしながら、成膜レートがピークとなる坩堝の噴射口の真上近傍は、成膜レートの変化の勾配が急峻となる（ピーク中心からの距離に対する単位時間当たりの付着量の変化が大きい）ため、均一な膜厚分布の形成が難しい領域となる。すなわち、膜厚分布が悪化しやすく、生産品質を低下させる懸念が常に付きまとう配置構成となる。

特許文献１、２には、基板の真下に配置した蒸発源の位置を変えることで、膜厚の均一化を図る装置構成が記載されている。しかしながら、特許文献１に記載の装置は、チャンバ内に固定された成膜レートモニタ（水晶振動子）に対して、蒸発源の相対位置が変化するため、蒸発源を移動させる度にモニタ条件がリセットされてしまう。また、特許文献２に記載の装置は、成膜レートモニタについて記載されておらず、成膜レートのモニタ環境に関して考慮された構成とはなっていない。

特開２００７−２２４３５４号公報 特開２００４−３０７８８０号公報

本発明は、膜厚分布の均一化と材料収率の向上とを両立することができる成膜装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の成膜装置は、
チャンバと、
前記チャンバ内において、成膜対象物を、その被成膜面を下方に向けた状態で前記被成膜面に垂直な回転軸周りに回転可能に支持する回転支持部と、
前記チャンバ内において、成膜材料を収容し、前記成膜対象物の下方に配置され、上方に開口する噴射口を有する蒸発源容器と、
前記蒸発源容器から蒸発した前記成膜材料が付着する水晶振動子を有し、前記蒸発源容器から蒸発した前記成膜材料の前記成膜対象物に対する成膜レートを取得する成膜モニタと、
前記蒸発源容器を加熱する加熱源を有し、前記成膜モニタが取得する前記成膜レートに基づいて、前記加熱源へ供給する電力を制御する加熱制御部と、
を備える成膜装置において、
前記蒸発源容器は、前記回転軸と直交する方向において、前記回転軸から離れた離間位置から前記回転軸に近接する近接位置へ移動し、再び前記離間位置へ戻る往復移動を行い、
前記水晶振動子は、前記往復移動を行う前記蒸発源容器との対向状態が維持されるように移動することを特徴とする。
上記目的を達成するため、本発明の成膜方法は、
チャンバ内において成膜対象物の下方に配置され、上方に開口する噴射口を有する蒸発源容器を加熱し、前記蒸発源容器に収容された成膜材料を蒸発させることによって、前記チャンバ内においてその被成膜面を下方に向けた状態で前記被成膜面に垂直な回転軸周りに回転される前記成膜対象物に、前記成膜材料による膜を形成する成膜方法であって、
前記蒸発源容器を、前記回転軸の方向に見たときに、前記蒸発源容器が前記成膜対象物と重ならない離間位置に位置させる第１のステップと、
前記蒸発源容器を、前記離間位置から、前記回転軸と直交する方向に、前記回転軸に近接する近接位置へ移動させる第２のステップと、
前記蒸発源容器を、前記近接位置から前記離間位置へ移動させる第３のステップと、
を有し、
前記蒸発源容器から蒸発した前記成膜材料の前記成膜対象物に対する成膜レートを取得するための成膜モニタに備えられた水晶振動子と前記蒸発源容器との対向状態を、前記第１のステップから前記第３のステップの間、維持するように、前記水晶振動子を移動させることを特徴とする。

本発明によれば、膜厚分布の均一化と材料収率の向上とを両立することができる。

本発明の実施例に係る成膜装置の模式的断面図 本発明の実施例における成膜レートモニタ装置の構成を示す模式図 本発明の実施例における水晶モニタヘッドと遮蔽部材の構成を示す模式図 本発明の実施例における蒸発源装置の可動支持機構の説明図 基板と蒸発源装置の配置の違いによる膜厚分布と材料収率の違いの説明図 本発明の実施例に係る成膜装置の成膜処理による膜厚分布を示す図 本発明の実施例において蒸発源装置を複数設けた場合の構成説明図

以下、図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態及び実施例を説明する。ただし、以下の実施形態及び実施例は本発明の好ましい構成を例示的に示すものにすぎず、本発明の範囲をそれらの構成に限定されない。また、以下の説明における、装置のハードウェア構成及びソフトウェア構成、処理フロー、製造条件、寸法、材質、形状などは、特に特定的な記載がないかぎりは、本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

［実施例１］
図１〜図４を参照して、本発明の実施例に係る成膜装置について説明する。本実施例に係る成膜装置は、真空蒸着により基板に薄膜を成膜する成膜装置である。

本実施例に係る成膜装置は、各種半導体デバイス、磁気デバイス、電子部品などの各種電子デバイスや、光学部品などの製造において基板（基板上に積層体が形成されているものも含む）上に薄膜を堆積形成するために用いられる。より具体的には、本実施例に係る成膜装置は、発光素子や光電変換素子、タッチパネルなどの電子デバイスの製造において好ましく用いられる。なかでも、本実施例に係る成膜装置は、有機ＥＬ（Ｅｒｅｃｔｒｏ
Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）素子などの有機発光素子や、有機薄膜太陽電池などの有機光電変換素子の製造において特に好ましく適用可能である。なお、本発明における電子デバイスは、発光素子を備えた表示装置（例えば有機ＥＬ表示装置）や照明装置（例えば有機ＥＬ照明装置）、光電変換素子を備えたセンサ（例えば有機ＣＭＯＳイメージセンサ）も含むものである。本実施例に係る成膜装置は、スパッタ装置等を含む成膜システムの一部として用いることができる。

＜成膜装置の概略構成＞
図１は、本発明の実施例に係る成膜装置１の構成を示す模式図である。成膜装置１は、排気装置２４、ガス供給装置２５により、内部が真空雰囲気か窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気に維持される真空チャンバ（成膜室、蒸着室）２００を有する。なお、本明細書において「真空」とは、大気圧より低い圧力の気体で満たされた空間内の状態をいう。

成膜対象物である基板１００は、搬送ロボット（不図示）によって真空チャンバ２００内部に搬送されると真空チャンバ２００内に設けられた基板保持ユニット２１０によって保持される。基板保持ユニット２１０は、基板１００を、水平に、かつ基板１００の被処理面である被成膜面１００ａが下方を向くように保持する。基板保持ユニット２１０は、回転軸２２０を介して真空チャンバ２００の内部上方に吊るされる形で支持されている。回転軸２２０は、真空チャンバ２００の天井を略垂直に貫通するように設けられており、真空チャンバ２００の天井の軸孔に対してベアリング等により軸支され、軸孔との隙間が磁性流体シールで封止されている。回転軸２２０は、真空チャンバ２００の外部に設けられたモータ等を備える回転駆動部２３０の駆動力により回転し、基板保持ユニット２１０を回転させる。回転支持部としての基板保持ユニット２１０が回転することで、基板１００は真空チャンバ２００内部において所定の回転中心軸（回転軸線Ｙ１）周りに回転する。
なお、基板保持ユニット２１０による具体的な基板１００の保持構成としては、基板１００の端部を把持することで保持する構成や、基板１００の裏面を吸着することで保持する構成など、従来既知の構成を適宜採用することができる。また、基板１００の被成膜面１００ａを、被成膜面１００ａに形成する薄膜パターンに対応した開口パターンを有するマスクで覆う（マスクの上面に基板１００を載置する）態様で、基板１００を保持する構成が採用される場合もある。

真空チャンバ２００内部における基板１００の下方には、蒸発源装置３００が設けられている。蒸発源装置３００は、概略、成膜材料（蒸着材料）３０４を収容する蒸発源容器（坩堝）３０１（以下、容器３０１）と、容器３０１に収容された成膜材料３０４を加熱する加熱手段（加熱源）としてのヒータ３０２と、を備える。容器３０１内の成膜材料３０４は、ヒータ３０２の加熱によって容器３０１内で蒸発し、容器３０１上部に設けられた成膜材料３０４の噴射口を形成するノズル３０３を介して容器３０１外へ噴出される。容器３０１外へ噴射した成膜材料３０４は、装置３００上方において、所定の回転速度で回転させられている基板１００の被成膜面１００ａに蒸着する。
なお、容器３０１の構成としては、ノズル３０３は必須の構成ではなく、ノズル３０３
が無く噴射口のみが開口した構成であってもよい。

ヒータ３０２は、通電により発熱する一本の線状（ワイヤ状）の発熱体を容器３０１の筒状部外周に複数回巻き回した構成となっている。なお、複数本の発熱体を巻き回す構成であってもよい。ヒータ３０２としては、発熱体としてステンレス鋼等の金属発熱抵抗体を用いたものでもよいし、カーボンヒータ等でもよい。
蒸発源装置３００は、その他、図示は省略しているが、ヒータ３０２による加熱効率を高めるためのリフレクタや伝熱部材、それらを含む蒸発源装置３００の各構成全体を収容する枠体、シャッタなどが備えられる場合がある。

本実施例に係る成膜装置１は、容器３０１から噴出する成膜材料３０４の蒸気量、あるいは基板１００に成膜される薄膜の膜厚を検知するための手段として、成膜レートモニタ装置４を備えている。成膜レートモニタ装置４は、容器３０１から噴出する成膜材料３０４の一部を、回転体としての遮蔽部材４２が間欠的に遮蔽状態と非遮蔽状態とを繰り返しながら、水晶モニタヘッド４１に備えられた水晶振動子に付着させる。成膜材料３０４が堆積することによる水晶振動子の共振周波数（固有振動数）の変化量（減少量）を検知することで、所定の制御目標温度に対応した成膜レート（蒸着レート）として、単位時間当たりの成膜材料３０４の付着量（堆積量）を取得することができる。この成膜レートをヒータ３０２の加熱制御における制御目標温度の設定にフィードバックすることで、成膜レートを任意に制御することができる。したがって、成膜レートモニタ装置４によって成膜処理中に常時、成膜材料３０４の吐出量あるいは基板１００上の膜厚をモニタすることで、精度の高い成膜が可能となる。

本実施例に係る成膜装置１の制御部（演算処理装置）２０は、モニタユニット４０の動作の制御、成膜レートの測定、取得を行うモニタ制御部２１と、蒸発源装置３００の加熱制御を行う加熱制御部２２と、を有する。また、制御部２０は、回転駆動部２３０による基板１００の回転のほか、後述する、可動支持機構５０による蒸発源装置３００の往復移動動作、シャッタ６０の開閉移動動作などの制御も行う。

＜成膜レートモニタ装置＞
図２は、本実施例に係る成膜レートモニタ装置４の概略構成を示す模式図である。図２に示すように、本実施例に係る成膜レートモニタ装置４は、モニタヘッド４１や遮蔽部材（チョッパ）４２などを備えるモニタユニット４０と、モニタ制御部２１と、を備える。モニタユニット４０は、モニタヘッド４１と、遮蔽部材４２と、モニタヘッド４１に組み込まれた水晶ホルダ（回転支持体）４４の回転駆動源としてのサーボモータ４６と、遮蔽部材４２の回転駆動源としてのサーボモータ４５と、を備える。モニタ制御部２１は、遮蔽部材４２の回転駆動を制御する遮蔽部材制御部（回転制御部）２１２と、水晶振動子４３の共振周波数（の変化量）の取得を行う成膜レート取得部２１３と、水晶ホルダ４４の回転駆動を制御するホルダ制御部２１４と、を有する。

図３は、モニタヘッド４１（水晶ホルダ４４）と遮蔽部材４２をそれぞれの回転軸線方向に沿って見たときの両者の配置関係を示す模式図である。図３に示すように、モニタヘッド４１の内部には、複数の水晶振動子４３（４３ａ、４３ｂ）を円周方向に等間隔で配置して支持する水晶ホルダ４４が組み込まれている。モニタヘッド４１には、水晶振動子４３よりも僅かに大きいモニタ開口４１ａが一つ設けられており、水晶ホルダ４４は、支持する水晶振動子４３のうちの１つを、モニタ開口４１ａを介して外部（蒸発源装置３００）に暴露される位置（回転位相）で支持する。

図２及び図３に示すように、水晶ホルダ４４は、その中心がサーボモータ４６のモータ軸４６ａに連結されており、サーボモータ４６によって回転駆動される。これにより、モ
ニタ開口４１ａを介して外部に暴露される水晶振動子４３を順次切り替えることができるように構成されている。すなわち、水晶ホルダ４４に支持された複数の水晶振動子４３のうち、１つの水晶振動子４３ａがモニタ開口４１ａと位相が重なる位置にあり、他の水晶振動子４３ｂは、使用済み又は交換用の水晶振動子として、モニタヘッド４１の内部に隠れた位置にある。モニタ開口４１ａを介して外部に暴露されている水晶振動子４３が、成膜材料３０４の付着量が所定量を超えて寿命に到達すると、水晶ホルダ４４が回転して、新しい水晶振動子４３を、モニタ開口４１ａと重なる暴露位置に移動させる。
ホルダ制御部２１４によるサーボモータ４６の回転制御は、検出部４８ａと被検出部４８ｂとからなる位相位置検出手段４８が検出する水晶ホルダ４４の回転位置（回転位相）に基づいて行われる。なお、位置（位相）検知手段としては、ロータリーエンコーダ等の既知の位置センサを用いてもよい。

図３に示すように、遮蔽部材４２は、略円盤状の部材であり、その中心がサーボモータ４５のモータ軸４５ａに連結されており、サーボモータ４５によって回転駆動される。遮蔽部材４２は、扇型の開口スリット（開口部、非遮蔽部）４２ａが、回転中心から離れた位置であって、その回転軌道が、モニタヘッド４１のモニタ開口４１ａと重なる位置に設けられている。

図２及び図３に示すように、遮蔽部材４２が回転することで、モニタ開口４１ａに対する開口スリット４２ａの相対位置（相対位相）が、モニタ開口４１ａと重なる位置（開口位置、非遮蔽位置）と、重ならない位置（非開口位置、遮蔽位置）と、に変化する。これにより、遮蔽部材４２において開口スリット４２ａを除いた領域部分が遮蔽部４２ｂとなり、これがモニタ開口４１ａと重なる（覆う）位置（位相）にあるとき、水晶振動子４３ａへの成膜材料３０４の付着が妨げられる遮蔽状態（非開口状態）となる。また、開口スリット４２ａがモニタ開口４１ａと重なる位置（位相）にあるとき、水晶振動子４３ａへの成膜材料３０４の付着が許容される非遮蔽状態（開口状態）となる。
遮蔽部材制御部２１２によるサーボモータ４５の回転制御は、検出部４７ａと被検出部４７ｂとからなる位相位置検出手段４７が検出する遮蔽部材４２の回転位置（回転位相）に基づいて行われる。なお、位置（位相）検知手段としては、ロータリーエンコーダ等の既知の位置センサを用いてもよい。

開口スリット４２ａは、本実施例では、閉じた孔となっているが、遮蔽部材４２の周端で開放された切り欠き状になっていてもよい。また、設ける個数も２個以上でもよいし、スリット形状も、本実施例で示した扇型に限定されず種々の形状を採用し得るものであり。開口スリット４２ａを複数設ける場合には、個々に異なる形状としてもよい。

水晶振動子４３ａは、電極、同軸ケーブル等を介して外部共振器４９に接続されている。水晶振動子４３ａ表面に堆積した成膜材料３０４の薄膜と、裏面の電極との間に電圧を印加することで生成される発信信号が、水晶振動子４３の共振周波数（の変化量）として、共振器４９から成膜レート取得部２１３に伝達され、取得される。

図示を省略するが、モニタユニット４０には、熱源となるモータ４５、４６の熱を冷却するための冷却水を流すための流路が備えられている。
なお、ここで示した成膜レートモニタ装置の構成はあくまで一例であり、これに限定されるものではなく、既知の種々の構成を適宜採用してよい。

＜ヒータの電力供給制御＞
ヒータ３０２の発熱量は、ヒータ３０２に供給される電力量（電流値）が電源回路を含む加熱制御部２２により制御されることで制御される。電力供給量は、例えば、不図示の温度検出手段により検出される温度が、所望の成膜レートを得るのに適した所定の制御目
標温度に維持されるようにＰＩＤ制御にて調整される。所定の成膜レートを維持できるヒータ３０２の発熱量（ヒータ３０２への供給電力）を、所定の時間維持することで、基板１００の被成膜面１００ａに所望の膜厚の薄膜を成膜することができる（膜厚＝成膜レート［Å／Ｓ］×時間［ｔ］）。

本実施例に係る成膜装置１は、ヒータ３０２の加熱制御における供給電力の制御方法として、レート制御と平均パワー制御とを切り替えて実行可能に構成されている。なお、電力制御方法はこれらに限定されるものではない。
レート制御では、成膜レートモニタ装置４により取得される成膜レートのモニタ値（実測値）が所望の目標レート（理論値）と一致するように制御目標温度が適時変更され、設定される制御目標温度に応じてヒータ３０２への供給電力量が制御される。
本実施例では、成膜レートモニタ装置４により取得される成膜レートのモニタ値（実測値）に依らずにヒータ３０２への供給電力量を決定する電力制御として、平均パワー制御を用いている。平均パワー制御では、供給電力の過去数サンプリングの移動平均を目標電力量として、かかる目標電力量を維持するようにヒータ３０２への電力供給を制御する制御方法である。なお、予め設定された電力量（目標電力量）を維持するようにヒータ３０２に電力供給するパワー制御を用いてもよい。これらの電力制御では、成膜レートを、成膜材料の種類や基板と蒸発源との相対速度等の成膜条件に基づいて設定される理論値を用いて膜厚を制御する。

＜本実施例の特徴＞
本実施例に係る成膜装置１は、回転する基板１００に対して蒸発源装置３００を相対移動させながら成膜処理を行うこと、その際、蒸発源装置３００とモニタユニット４０との相対位置を変化させないことを特徴とする。また、基板１００に対する蒸発源装置３００の相対移動のさせ方においても特徴がある。蒸発源装置３００は、基板１００の回転軸線から離間した離間位置と、回転軸線に近接した近接位置と、の間を往復移動するように構成されている。上記離間位置は、基板１００の被成膜面１００ａに垂直な方向（基板１０００の回転軸線Ｙ１の方向）に見たときに、蒸発源装置３００（ノズル３０３の開口）が基板１００の真下から外れた位置である。上記近接位置は、同方向に見たときに、蒸発源装置３００が基板１００の真下に隠れた位置であって、かつ基板１００の回転中心（回転軸線Ｙ１）に近接する位置である。成膜工程の間、蒸発源装置３００は、離間位置から近接位置、近接位置から再び離間位置への往復移動を、少なくとも１回行う。その間、蒸発源装置３００とモニタユニット４０との相対位置（蒸発源装置３００と水晶振動子４３との対向方向や対向距離などの対向状態）は維持される。

図１、図４、図５、図６を参照して、本実施例に係る成膜装置１の特徴的構成について説明する。

図４は、本実施例に係る成膜装置１における蒸発源装置３００の可動支持機構５０の構成を説明する模式図であり、（ａ）は可動支持機構５０の模式的斜視図、（ｂ）は可動支持機構５０による蒸発源装置３００の変位の様子を説明する模式的平面図であり、基板１００の回転軸方向に沿って見たときの図である。
本実施例に係る成膜装置１は、蒸発源装置３００とモニタユニット４０を支持するアーム（アーム部）５１と、アーム５１を支持する回転軸５２と、回転軸５２を回転させる回転駆動部５３と、を備える可動支持機構５０を備える。

図４（ａ）に示すように、アーム５１は、真空チャンバ２００内において略水平方向に延びており、一端側に蒸発源装置３００が配置され、他端側にモニタユニット４０が配置されている。モニタユニット４０は、水晶振動子４３が蒸発源装置３００に対して所定の相対位置で向き合うように、アーム５１に支持されている。回転軸５２は、真空チャンバ
２００の底部を略垂直に貫通するように設けられ、真空チャンバ２００内部の上端部においてアーム５１を支持し、真空チャンバ２００外部の下端部が回転駆動部５３に連結されている。回転軸５２は、真空チャンバ２００の底部軸孔に対してベアリング等により軸支され、軸孔との隙間が磁性流体シールで封止されている。真空チャンバ２００の外部に配置された回転駆動部５３は、制御部２０の制御により、モータ等の動力源から得られる回転駆動力によって回転軸５２を回転させる。回転軸５２の回転により、アーム５１に支持される蒸発源装置３００とモニタユニット４０は、真空チャンバ２００内部において一体的に回転する。回転軸５２の回転軸線（第２の回転軸）Ｙ２は、基板１００の回転軸線Ｙ１と平行である。蒸発源装置３００は、回転軸５２の回転により、回転軸線Ｙ２を中心とする円弧状の軌跡を描いて、基板１００の回転軸線Ｙ１に対し水平方向に進退する移動（回転軸線Ｙ２を支点とした揺動）を行う。アーム５１の揺動支点である回転軸線Ｙ２は、蒸発源装置３００が配置された一端と、モニタユニット４０が配置された他端との間に位置している。

図４（ｂ）の実線は、蒸発源装置３００が基板１００の回転軸線（回転軸）Ｙ１に近接した近接位置にあるときの各部の配置構成を示している。回転軸線Ｙ１の方向に見たときに、蒸発源装置３００は、基板１００の真下にあり、その全体が基板１００に隠れ、回転軸線Ｙ１に近接した配置となっている。
図４（ｂ）の破線は、蒸発源装置３００が基板１００の回転軸線Ｙ１から離間した離間位置にあるときの各部の配置構成を示している。回転軸線Ｙ１の方向に見たときに、蒸発源装置３００は、その全体が基板１００の外にあり、回転軸線Ｙ１から大きく離れた配置となっている。

図４（ｂ）に示すように、本実施例に係る成膜装置１は、蒸発源装置３００から蒸発した成膜材料４の基板１００への付着を規制するための遮蔽手段としてのシャッタ６０を備えている。シャッタ６０は、真空チャンバ２００内部を水平に延びるアーム６１の一端に取り付けられており、アーム６１の他端に連結された回転軸６２の回転により、真空チャンバ２００内において水平方向に位置を変化させることができる。回転軸６２を回転させための機構は、可動支持機構５０と同様であり、説明は省略する。シャッタ６０は、制御部２０が制御する回転軸６２の回転によって、上記離間位置にある蒸発源装置３００に対し、ノズル３０３の開口（噴射口）を覆う（塞ぐ）遮蔽位置（閉位置）と、覆わない非遮蔽位置（開位置）とに移動可能に構成されている。

成膜処理の開始前に成膜材料３０４の蒸発状態を安定させる準備加熱時や、成膜処理の終了後など、蒸発源装置３００から蒸発する成膜材料３０４が基板１００へ飛翔、付着することを規制したいときに、シャッタ６０を遮蔽位置に移動させる。一度開始した坩堝３０１の加熱は、成膜材料３０４の蒸発状態を蒸着に好適な状態で維持すべく、例えば成膜材料３０４の補充が必要になるときまで継続することが好ましい。すなわち、基板１００の入れ替えの最中も、坩堝３０１の加熱が継続されることがある。このような非成膜工程中における成膜材料３０４の飛散を規制すべく、シャッタ６０を遮蔽位置に移動させる。

シャッタ６０には切り欠き（切り欠き部）６０ａが設けられており、シャッタ６０が遮蔽位置にあるときでも、蒸発源装置３００に対する水晶振動子４３の対向状態が、切り欠き６０ａを介して維持されるように構成されている。すなわち、非成膜工程中においてもモニタユニット４０による蒸発源装置３００の成膜レートの取得を継続できるように構成されている。

図５は、基板１００と蒸発源装置３００の配置の違いによる膜厚分布と材料収率の違いの説明する模式図である。図５（ａ）は、蒸発源装置３００が基板１００の回転軸線Ｙ１から離間した位置にあるときの、図４（ｂ）と同様の模式的平面図である。図５（ｂ）は
、蒸発源装置３００が基板１００の回転軸線Ｙ１に近接した位置にあるときの、図４（ｂ）と同様の模式的平面図である。図５（ｃ）は、蒸発源装置３００が基板１００の回転軸線Ｙ１から離間した位置にあるときの配置関係を示す模式的斜視図である。図５（ｄ）は、蒸発源装置３００が基板１００の回転軸線Ｙ１に近接した位置にあるときの配置関係を示す模式的斜視図である。

本実施例に係る成膜装置１では、成膜処理を、図５（ａ）、図５（ｃ）に示す、蒸発源装置３００と基板１００の相対配置から開始する。すなわち、蒸発源装置３００が、原点位置である離間位置にあり、かつシャッタ６０が遮蔽位置にある状態で、制御部２０の制御により、坩堝３０１の加熱を開始し、成膜レートモニタ装置４により成膜材料３０４の加熱状態（蒸発状態）をモニタする。坩堝３０１の加熱状態（成膜材料３０４の蒸発状態）が整うと、制御部２０は、基板１００を所定の回転速度で回転させるとともに、シャッタ６０を遮蔽位置から非遮蔽位置へ移動させ、図５（ａ）、図５（ｃ）に示す離間位置において成膜処理を開始する（第1のステップ）。

そして、制御部２０の制御により可動支持機構５０がアーム５１の回転を開始し、図５（ａ）、図５（ｃ）に示す離間位置から図５（ｂ）、図５（ｄ）に示す近接位置に向かう、蒸発源装置３００の基板１００に対する相対移動が開始される（第２のステップ）。この間も、成膜材料３０４の成膜レートは成膜レートモニタ装置４によってモニタされる。そして、蒸発源装置３００は、図５（ｂ）、図５（ｄ）に示す近接位置、基板１００の回転中心（回転軸線Ｙ１）に対して所定の近接距離となる位置に到達する。

蒸発源装置３００が図５（ｂ）、図５（ｄ）に示す近接位置に到達すると、可動支持機構５０は、アーム５１の回転方向（揺動方向）を逆方向に反転させ、蒸発源装置３００の相対移動の方向を、図５（ａ）、図５（ｃ）に示す離間位置に向かう方向に反転させる（第３のステップ）。蒸発源装置３００が図５（ａ）、図５（ｃ）に示す離間位置に戻る移動中も、成膜材料３０４の成膜レートは成膜レートモニタ装置４によってモニタされる。そして、蒸発源装置３００が図５（ａ）、図５（ｃ）に示す離間位置に戻ってきたら、シャッタ６０を非遮蔽位置から遮蔽位置へ移動させ、成膜処理が終了する。
以上のように成膜処理が終了した後も、次の成膜処理に備えるべく、坩堝３０１の加熱と、成膜レートモニタ装置４による成膜レートのモニタは継続される。

図６は、本実施例に係る成膜装置１の成膜処理による膜厚分布の一例として、本出願の発明者による実験結果を示すグラフである。図６の横軸は、回転軸線Ｙ１が通る位置を原点とする基板１００の被成膜面１００ａの径方向位置を示しており、縦軸は、ピークの膜厚を基準（“１”）とし、ピークとの比で膜厚を示したものである。
φ３００ｍｍのＳｉウェハ基板１００を１０〜３０ｒｐｍで回転させ、ノズル３０３（噴射口）から基板１００までの高さｈを３００ｍｍ、離間位置におけるノズル３０３と回転軸線Ｙ１との水平方向の距離ｄ１を３００ｍｍ、近接位置におけるノズル３０３と回転軸線Ｙ１との水平方向の距離ｄ２を５０ｍｍとした。
全体的として中心（回転軸線Ｙ１）から離れるにしたがって右肩下がりの分布を示しているが、離間位置から近接位置への往路（片道）の成膜で形成される中心と外周端との膜厚の差は、近接位置から離間位置への復路の成膜が加わることで低減されていることがわかる。具体的には、膜厚分布は、片道のときに±６．５％だったのが、往復によって±５．０％に低減された。また、往復の成膜による材料収率は２．５％という結果が得られた。

ここで、本実施例の実験結果を、本実施例のように蒸発源装置３００を基板１００に対して移動させずに、所定の位置で固定して成膜を行う場合の比較例と対比して説明する。基板１００に対する蒸発源装置３００の相対位置を、図５（ａ）、図５（ｃ）に示す離間
位置で固定して成膜を行った場合を比較例１とし、図５（ｂ）、図５（ｄ）に示す近接位置で固定して成膜を行った場合を比較例２とした。比較例１は、上述の材料収率を重視した先行技術文献と類似した装置構成となる。また、比較例２は、上述の膜厚分布の均一性を重視した従来技術と類似した装置構成となる。
比較例１では、蒸発源装置３００の真上が基板１００の外周端よりも外側になるため、中心から外周端にかけてなだらかにピークに到達する分布が形成され、膜厚分布は±３．７％と、本実施例よりも良好な結果が得られた。しかしながら、成膜材料３０４の噴出し量が相対的に多くなる蒸発源装置３００の真上の領域が、基板１００の被成膜面１００ａが外れているため、成膜に寄与せずに消費される成膜材料３０４の量が多くなり、材料収率は１．１％と、本実施例よりも低い結果となった。
比較例２では、蒸発源装置３００が回転軸線Ｙ１に近接した位置にあり、蒸発源３００の真上を被成膜面１００ａが覆う配置となるため、基板１００の回転中心がピークとなり、外周端に向かって急峻な勾配で膜厚が低下する分布が形成された。成膜に寄与しない成膜材料３０４が少なくなるため、材料収率は４．２％と、本実施例よりも良好な結果が得られたが、膜厚分布は±１０．９％と、本実施例よりも低い結果となった。

＜本実施例の優れた点＞
本実施例によれば、比較例１、２との対比で説明したように、膜厚分布と材料収率の観点においてバランスの良い成膜が可能となる。すなわち、離間位置と近接位置との間の往復移動により、成膜処理中に蒸発源装置３００が基板１００の下方に位置する（垂直方向に見て両者が重なる）時間が長くなり、比較例１と比べて、成膜に寄与しない成膜材料３０４の量を減らすことができる。一方で、成膜処理中に蒸発源装置３００が基板１００の回転中心（回転軸線Ｙ１近傍）に留まる時間が短くなるため、成膜材料３０４の局所的な付着量の偏りが低減され、比較例２と比べて、膜厚分布の変動が抑制される。したがって、本実施例によれば、膜厚分布の均一化と材料収率の向上の両立を図ることができる。

また、本実施例によれば、蒸発源装置３００が基板１００に対して相対移動する間、モニタユニット４０も、蒸発源装置３００との相対位置（蒸発源装置３００に対する水晶振動子４３の対向状態）を維持するように移動する構成となっている。これにより、成膜レートのモニタ環境を一定の状態に維持することができ、精度の高いレート制御が可能となる。さらに、本実施例では、シャッタ６０に切り欠き６０ａを設けて、非成膜処理中においても、成膜レートをモニタすることができるように構成されている。これにより、非成膜処理中も成膜レートの取得を継続することができ、より精度の高いレート制御が可能となる。例えば、坩堝３０１内の成膜材料３０４の収容量の変化などによる経時的な蒸発状態の変化や、突沸等の発生による一時的な蒸発状態の変化などにも対応した、精度の高い成膜レートの取得が可能となる。

＜その他＞
本実施例では、離間位置と近接位置との間の往復移動の回数を一往復としていたが、往復回数は限定させるものではない。例えば、一往復させる場合の移動速度よりも早い移動速度で蒸発源装置３００を移動させ、二往復以上の往復移動としてもよい。
また、蒸発源装置３００の往復移動における移動速度は、往路と復路それぞれで同じ速度でもよいし異ならせてもよい。また、往復の間中、一定の速度でもよいし、途中で変化させてもよい。すなわち、上述したレート制御、平均パワー制御などにおける成膜条件に適宜組み込み、制御内容に応じて適宜に設定してよい。

本実施例では、可動支持機構５０が、蒸発源装置３００（及びモニタユニット４０）を円弧軌道上で往復移動させる構成となっているが、かかる構成に限定されるものではない。例えば、伸縮動作が可能なアーム機構の先端に蒸発源装置３００とモニタユニット４０を対向距離一定で支持し、アームの伸縮動作によって蒸発源装置３００の基板１００に対
する相対位置を直線軌道で変化させるような構成でもよい。

本実施例では、蒸発源装置３００とモニタユニット４０が、単一の可動支持機構５０によって一体的に真空チャンバ２００内を移動することができるように構成されているが、かかる構成に限定されるものではない。すなわち、蒸発源装置３００を移動させる機構と、モニタユニット４０を移動させる機構とが、別々の機構で、両者が連動して、蒸発源装置３００とモニタユニット４０との相対配置を維持するように構成してもよい。

蒸発源装置３００からの成膜材料３０４の噴射を規制する規制手段の構成としては、本実施例で示したシャッタ６０の構成に限定されるものではない。少なくとも坩堝３０１の噴射口から噴射された成膜材料３０４が成膜対象物に付着することを防ぐことができるように構成されたものであればよい。すなわち、噴射口を完全に塞ぐ構成でなくても、例えば、成膜材料の飛翔を規制したい方向にのみ局所的に成膜材料の飛翔を妨げる壁を形成するような構成でもよい。

図７に示すように、本発明は、蒸発源装置３００を複数備えた成膜装置に対しても適用することができる。図７（ａ）は、３つの蒸発源装置３００がそれぞれ離間位置（原点位置）にあり、かつ３つのシャッタ６０がそれぞれ遮蔽位置にある状態、すなわち、成膜処理を行っていないスタンバイ状態を示している。図７（ｂ）は、３つの蒸発源装置３００がそれぞれ離間位置（原点位置）にあり、かつ３つのシャッタ６０がそれぞれ非遮蔽位置にある状態、すなわち、成膜処理が開始された状態を示している。図７（ｂ）は、３つの蒸発源装置３００がそれぞれ近接位置にあり、成膜処理の往復移動における折り返し地点に位置している状態を示している。
なお、図７に示す構成例は、蒸発源装置３００が３つ備えたものになっているが、蒸発源装置３００を２つ備えた構成や、４つ以上備えた構成であってもよい。

１…成膜装置、１００…基板、２０…制御部、２００…真空チャンバ（成膜室）、３００…蒸発源装置、３０１…蒸発源容器（坩堝）、３０２…ヒータ（加熱源）、３０３…ノズル、４０…モニタユニット、５０…可動支持機構、５１…アーム、５２…回転軸、５３…回転駆動部、６０…シャッタ、６０ａ…切り欠き

Claims (8)

1. チャンバと、
   前記チャンバ内において、成膜対象物を、その被成膜面を下方に向けた状態で前記被成膜面に垂直な回転軸周りに回転可能に支持する回転支持部と、
   前記チャンバ内において、成膜材料を収容し、前記成膜対象物の下方に配置され、上方に開口する噴射口を有する蒸発源容器と、
   前記蒸発源容器から蒸発した前記成膜材料が付着する水晶振動子を有し、前記蒸発源容器から蒸発した前記成膜材料の前記成膜対象物に対する成膜レートを取得する成膜モニタと、
   前記蒸発源容器を加熱する加熱源を有し、前記成膜モニタが取得する前記成膜レートに基づいて、前記加熱源へ供給する電力を制御する加熱制御部と、
   を備える成膜装置において、
   前記蒸発源容器は、前記回転軸と直交する方向において、前記回転軸から離れた離間位置から前記回転軸に近接する近接位置へ移動し、再び前記離間位置へ戻る往復移動を行い、
   前記水晶振動子は、前記往復移動を行う前記蒸発源容器との対向状態が維持されるように移動することを特徴とする成膜装置。
2. 前記離間位置は、前記回転軸の方向に見たときに、前記蒸発源容器が前記成膜対象物と重ならない位置であることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記蒸発源容器と、前記水晶振動子が備えられたモニタユニットと、を一体的に支持し、かつ前記チャンバ内を移動させる可動支持機構をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の成膜装置。
4. 前記可動支持機構は、前記チャンバ内において前記成膜対象物の回転軸と平行な第２の回転軸を支点に揺動することが可能な、前記第２の回転軸と直交する方向に延びるアーム部を有し、
   前記アーム部の前記第２の回転軸に対して一方の側に、前記蒸発源容器が配置され、他方の側に、前記モニタユニットが配置されていることを特徴とする請求項３に記載の成膜装置。
5. 前記蒸発源容器が前記離間位置にあるときに、前記噴射口を覆う閉位置と、覆わない開位置とに移動可能に構成されたシャッタをさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の成膜装置。
6. 前記シャッタは、前記閉位置にあるときに、前記蒸発源容器から蒸発した前記成膜材料の前記水晶振動子への付着を許容する切り欠き部を有することを特徴とする請求項5に記
   載の成膜装置。
7. 前記蒸発源容器及び前記成膜モニタをそれぞれ複数備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか1項に記載の成膜装置。
8. チャンバ内において成膜対象物の下方に配置され、上方に開口する噴射口を有する蒸発源容器を加熱し、前記蒸発源容器に収容された成膜材料を蒸発させることによって、前記チャンバ内においてその被成膜面を下方に向けた状態で前記被成膜面に垂直な回転軸周りに回転される前記成膜対象物に、前記成膜材料による膜を形成する成膜方法であって、
   前記蒸発源容器を、前記回転軸の方向に見たときに、前記蒸発源容器が前記成膜対象物と重ならない離間位置に位置させる第１のステップと、
   前記蒸発源容器を、前記離間位置から、前記回転軸と直交する方向に、前記回転軸に近接する近接位置へ移動させる第２のステップと、
   前記蒸発源容器を、前記近接位置から前記離間位置へ移動させる第３のステップと、
   を有し、
   前記蒸発源容器から蒸発した前記成膜材料の前記成膜対象物に対する成膜レートを取得するための成膜モニタに備えられた水晶振動子と前記蒸発源容器との対向状態を、前記第１のステップから前記第３のステップの間、維持するように、前記水晶振動子を移動させることを特徴とする成膜方法。

Images