JP2021134404A - 真空蒸着装置用の蒸着源 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸着物質を高い指向性で放出させることができる真空蒸着装置用の蒸着源を提供する。【解決手段】真空チャンバ１内に配置されて被蒸着物Ｓｗに対して蒸着するための真空蒸着装置Ｄｍ用の蒸着源ＤＳは、蒸着物質４を収容する収容箱５１とこの蒸着物質を加熱する加熱手段５３とを備え、被蒸着物に対向する収容箱の上面５１ａに、加熱により気化または昇華した蒸着物質を放出する放出ノズル６が突設され、放出ノズルに、上方に向かってその通路断面積が次第に縮小する縮小部６２ａと、縮小部から上方向に向かって通路断面積が次第に拡大する拡大部６２ｂとが設けられる。【選択図】図２

Description

本発明は、真空チャンバ内に配置されて被蒸着物に対して蒸着するための真空蒸着装置用の蒸着源に関する。

この種の蒸着源を備えた真空蒸着装置は例えば特許文献１で知られている。このものは、真空チャンバの底部に配置される蒸着源が、蒸着物質を収容する収容箱とこの蒸着物質を加熱する加熱手段とを備える。収容箱の上面には、加熱により気化または昇華した蒸着物質を放出する円筒状（即ち、その内部の通路断面が円形の輪郭を持つ）の放出ノズルが一方向に所定間隔で複数本突設されている。

ここで、真空雰囲気の真空チャンバ内で収容箱に収容された蒸着物質を加熱して気化または昇華させ、放出ノズルから蒸着物質を飛散させて基板表面に所定の薄膜を成膜するとき、収容箱内の気化または昇華した蒸着物質は、収容箱内の圧力と真空チャンバ内の圧力との差で放出ノズル内の通路を通って（放出ノズル内壁面での衝突を繰り返しながら）、放出ノズル先端のノズル孔（放出開口）から所定の余弦則に従い放出される。このため、放出ノズルの孔軸に対して広い角度範囲で気化または昇華された蒸着物質が真空チャンバ内に飛散される（言い換えると、蒸着物質が放出されるときの指向性が悪い）。

このように放出ノズルから広い角度範囲で気化または昇華された蒸着物質が放出されたのでは、基板への蒸着物質の付着効率を効果的に高めることができないという問題を招来する。また、例えばマスク材越しに基板の一方の面に成膜するような場合には、マスク材で本来遮蔽されるべき領域まで気化または昇華された蒸着物質が回り込んで被蒸着物に付着し、マスク材の開口より大きな輪郭で成膜される（所謂シャドーエフェクト）という不具合が生じる。このため、気化または昇華された蒸着物質を高い指向性で放出させることができる蒸着源の開発が望まれている。

特開２０１４−７７１９３号公報

本発明は、以上の点に鑑み、気化または昇華された蒸着物質を高い指向性で放出させることができる真空蒸着装置用の蒸着源を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、真空チャンバ内に配置されて被蒸着物に対して蒸着するための本発明の真空蒸着装置用の蒸着源は、蒸着物質を収容する収容箱とこの蒸着物質を加熱する加熱手段とを備え、被蒸着物に対向する収容箱の上面に、加熱により気化または昇華した蒸着物質を放出する放出ノズルが突設され、放出ノズルに、上方に向かってその通路断面積が次第に縮小する縮小部と、縮小部から上方向に向かって通路断面積が次第に拡大する拡大部とが設けられることを特徴とする。なお、本発明において、「次第に」とは、通路断面積が連続して縮小または拡大する場合だけでなく、通路断面積が段階的に縮小または拡大することを含むものとする。

本発明によれば、収容箱内の気化または昇華した蒸着物質は、収容箱内の圧力と真空チャンバ内の圧力との差で収容箱内を臨む放出ノズルの基端開口からその内部の通路へと引き込まれる。そして、この引き込まれた蒸着物質が放出ノズルの縮小部を通過するときに、例えば、亜音速（２００〜３００ｍ／ｓ）まで加速され、この縮小部に連続して設けられる放出ノズルの拡大部を通過するときに、音速または超音速まで更に加速される。

このように本発明では、拡大部の下端から放出ノズル先端までの間でここを通過する蒸着物質は、加速されていることでその指向性が向上して通路内面に衝突することなく、放出ノズル先端から指向性良く（即ち、角度範囲が広がらずに）放出される。これに加えて、例えば通路内面に衝突して収容箱に戻る蒸着物質の量が減ることで、単位時間当たりに基板に到達する蒸着物質の量も増加する。結果として、被蒸着物への蒸着物質の付着効率を向上させることができる。しかも、マスク材越しに被蒸着物に成膜するような場合でも、シャドーエフェクトの発生を可及的に抑制することができる。なお、本発明は、放射ノズルの通路断面、例えば、円形または一方向に長手のスリット状の輪郭を持つものに適用することができる。

（ａ）は、本実施形態の真空蒸着装置の構成を説明する、一部を断面視とした部分斜視図、（ｂ）は、真空蒸着装置を正面側からみた部分断面図。 本発明の実施形態の蒸着源の拡大断面図。 放出ノズルから放出された蒸着物質の角度分布を示すグラフ。 本発明の変形例の蒸着源の一部を断面視とした部分斜視図。

以下、図面を参照して、被蒸着物を矩形の輪郭を持つ所定厚さのガラス基板（以下、「基板Ｓｗ」という）とし、基板Ｓｗの片面に蒸着して所定の薄膜を成膜する場合を例に本発明の蒸着装置用の蒸着源ＤＳを説明する。以下においては、「上」、「下」といった方向を示す用語は図１を基準として説明する。

図１（ａ）及び（ｂ）を参照して、Ｄｍは、本実施形態の蒸着源ＤＳを備える真空蒸着装置である。真空蒸着装置Ｄｍは、真空チャンバ１を備え、真空チャンバ１には、特に図示して説明しないが、排気管を介して真空ポンプが接続され、真空チャンバ１内を所定圧力（真空度）に真空排気して保持できるようになっている。また、真空チャンバ１の上部には、基板搬送装置２が設けられている。基板搬送装置２は、成膜面としての下面を開放した状態で基板Ｓｗを保持するキャリア２１を有し、図外の駆動装置によってキャリア２１、ひいては基板Ｓｗを真空チャンバ１内の一方向に所定速度で移動するようになっている。基板搬送装置２としては、公知のものを利用できるため、これ以上の説明は省略する。また、以下においては、蒸着源ＤＳに対する基板Ｓｗの相対移動方向をＸ軸方向、Ｘ軸方向に直交する基板Ｓｗの幅方向をＹ軸方向、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に直交する鉛直方向をＺ軸方向とする。

基板搬送装置２によって搬送される基板Ｓｗと蒸着源ＤＳとの間には、板状のマスクプレート３が設けられている。本実施形態では、マスクプレート３は、基板Ｓｗと一体に取り付けられて基板Ｓｗと共に基板搬送装置２によって搬送されるようになっている。なお、マスクプレート３は、真空チャンバ１に予め固定配置しておくこともできる。マスクプレート３には、板厚方向に貫通する複数の開口３１が形成され、これら開口３１がない位置にて蒸着材料の基板Ｓｗに対する付着範囲が制限されることで、所定のパターンで基板Ｓｗに蒸着されるようになっている。マスクプレート３としては、インバー、アルミ、アルミナやステンレス等の金属製のものの他、ポリイミド等の樹脂製のものが用いられる。そして、真空チャンバ１の底面には、Ｘ軸方向に移動される基板Ｓｗに対向させて本実施形態の蒸着源ＤＳが設けられている。

図２も参照して、蒸着源ＤＳは、Ｙ軸方向に長手の収容箱５１を有する。収容箱５１内には内容器としての金属製の坩堝５２が格納され、坩堝５２内に蒸着物質４が充填されるようになっている。蒸着物質４としては、基板Ｓｗに成膜しようとする薄膜に応じて金属材料や有機材料が適宜選択され、顆粒状またはタブレット状のものが利用される。坩堝５２と収容箱５１との間には、坩堝５２の外壁面をその全体に亘って覆うようにシースヒータ等の加熱手段５３が設けられ、坩堝５２を介して蒸着物質４を気化温度または昇華温度まで加熱できる。

収容箱５１の上面（基板Ｓｗとの対向面）５１ａには、Ｙ軸方向に所定間隔で複数本の放出ノズル６が突設されている。各放出ノズル６は、Ｚ軸方向に一致する孔軸６１を持ち、その内部の通路６２が円形の断面を有する円筒体で構成され、その基端側の開口６ａが、収容箱５１の上面５１ａに設けた断面円形の透孔５１ｂに夫々連通し、先端側（Ｚ軸方向上側）の開口６ｂが気化または昇華した蒸着物質（以下、これを「蒸着物質４ａ」という）の放出開口６ｂとなる。開口６ａと透孔５１ｂとは同等の面積（例えば、直径が５〜２０ｍｍ程度の範囲）に設定されている。また、内部通路６２は、開口６ａから上方に向かってその通路断面積が次第に縮小（縮径）する縮小部６２ａと、断面積が最小となる縮小部６２ａの部分から連続させて、上方向に向かって通路断面積が次第に拡大（拡径）して放出開口６ｂに通じる拡大部６２ｂとを備える。

ここで、上記真空蒸着装置Ｄｍにより基板Ｓｗの下面に所定の薄膜を蒸着する場合、真空チャンバ１内の真空雰囲気中にて加熱手段５３を作動させて蒸着物質４を加熱する。すると、収容箱５１内で蒸着物質４が気化または昇華し、蒸着物質４ａが、真空チャンバ１内との圧力差で収容箱５１の上面５１ａの透孔５１ｂから各放出ノズル６の開口６ａを経て内部通路６２内へと引き込まれる。このとき、引き込まれた蒸着物質４ａが縮小部６２ａを通過するときに、少なくとも亜音速（２００〜３００ｍ／ｓ）まで加速され、この縮小部６２ａに連続して設けられる放出ノズル６の拡大部６２ｂを通過するときに、音速または超音速まで更に加速されるように内部通路６２が形成されている。即ち、蒸着物質４の種類や上記圧力差に応じて、縮小部６２ａの縮径率（即ち、開口６ａの断面積に対する最小の通路断面積の比）、拡大部６２ｂの拡径率（即ち、放出開口６ｂの断面積に対する最小の通路断面積の比）や、縮小部６２ａ及び拡大部６２ｂのＺ軸方向高さが適宜設定されている。

そのため、真空蒸着装置Ｄｍにて各放出ノズル６先端の放出開口６ｂから蒸着物質４ａを放出させ、基板搬送装置２によって基板ＳｗをＸ軸方向に搬送し、収容箱５１に対してＸ軸方向に相対移動する間で基板Ｓｗの下面にマスクプレート３越しに所定の薄膜を成膜する場合に、基板Ｓｗへの蒸着物質４ａの付着効率を向上させることができ、しかも、例えば内部通路６２内面に衝突して収容箱５１に戻る蒸着物質４ａの量が減ることで、単位時間当たりに基板Ｓｗに到達する蒸着物質４の量を増加させることができる。その上、基板Ｓｗに斜入射する蒸着物質４ａが減ることで、シャドーエフェクトの発生を可及的に抑制することができる。

上記効果を確認するため、上記真空蒸着装置Ｄｍを用いて次の評価を行った。即ち、蒸着物質４としてＡｌｑ３：トリス（８−ヒドロキシキノリナート）アルミニウムを用い、真空チャンバ１内を所定圧力（１０^−５Ｐａ）まで真空排気した後、加熱手段５３を稼働させて蒸着物質４を昇華させ、基板Ｓｗに成膜した。このとき、放出ノズル６として、放出開口６ｂの口径１８．６ｍｍ、基端側の開口６ａの口径８．０ｍｍ、縮小部６２ａ上端の口径２ｍｍ、縮小部６２ａのＺ軸方向高さ１．５ｍｍ、拡大部６２ｂのＺ軸方向高さ２２．８ｍｍとし、放出ノズル６から放出される蒸着物質４ａの放出角度分布を評価した。なお、比較実験１または比較実験２として、放出開口６ｂの口径１８．６ｍｍまたは８．０ｍｍ、Ｚ軸方向高さ２５．８ｍｍの円筒状のものを放出ノズル６として用いて、放出ノズル６から放出された蒸着物質４ａの放出角度分布を評価した（図３参照）。

図３のグラフは、横軸が放出ノズル６から放出された蒸着物質４ａの放出角度、縦軸が放出された蒸着粒子数の相対値を示している。図３中に、破線または一点破線で示す比較実験１または比較実験２に対して、図３中に実線で示す発明実験では、放出ノズル６の孔軸６１に対して１３〜２０度の角度範囲で放出される蒸着物質４ａの割合が増加することが確認された。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術思想の範囲を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。上記実施形態では、放出ノズル６の全長に亘って縮小部６２ａと拡大部６２ｂとが連続して設けられるものを例に説明したが、これに限定されるものではなく、放出ノズル６の拡大部６２ｂを通過するときに蒸着粒子４ａが音速以上に加速されていれば、これに限定されるものではない。例えば、放出ノズル６の基端側や先端側にストレート部（図示せず）が設けられていてもよく、このとき、基端側のストレート部と先端側のストレート部との径を互いに変える（例えば、先端側のストレート部の径を大きくする）ことができる。

また、上記実施形態では、縮小部６２ａと拡大部６２ｂとは、その断面積が連続して縮小または拡大するものを例に説明したが、これに限定されるものではなく、通路断面積が段階的に縮小または拡大していてもよく、また、放出ノズル６の内部通路６２の断面形状が円形のものを例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図４に示すように、放出ノズル６の放出開口６２ｂが矩形状や長円状のスリット形状のものにも本発明を適用することができる。更に、上記実施形態では、全ての放出ノズル６の孔軸６１をＺ軸方向に一致させたものを例に説明したが、その孔軸６１をＹ軸方向外方に傾く姿勢とすることもできる。

Ｄｍ…真空蒸着装置、ＤＳ…蒸着源、Ｓｗ…基板（被蒸着物）、１…真空チャンバ、４…蒸着物質、５１…収容箱、５１ａ…収容箱の上面、５３…加熱手段、６…放出ノズル、６２ａ…縮小部、６２ｂ…拡大部。

Claims (2)

1. 真空チャンバ内に配置されて被蒸着物に対して蒸着するための真空蒸着装置用の蒸着源であって、
   蒸着物質を収容する収容箱とこの蒸着物質を加熱する加熱手段とを備え、被蒸着物に対向する収容箱の上面に、加熱により気化または昇華した蒸着物質を放出する放出ノズルが突設されるものにおいて、
   
   放出ノズルに、上方に向かってその通路断面積が次第に縮小する縮小部と、縮小部から上方向に向かって通路断面積が次第に拡大する拡大部とが設けられることを特徴とする真空蒸着装置用の蒸着源。
2. 前記放射ノズルの通路断面は、円形または一方向に長手のスリット状の輪郭を持つことを特徴とする請求項１記載の真空蒸着装置用の蒸着源。

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