JP2673725B2 - 成膜装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、真空槽内において成膜材料により基板に膜
を形成する成膜装置に関する。

（従来の技術） 成膜装置としては、成膜材料（ターゲット）にイオン
を照射させて基板に成膜材料の膜を形成するスパッタリ
ング装置がある。また、成膜材料を加熱蒸発させて基板
への蒸着を行なう熱蒸着装置、成膜材料の蒸発粒子をイ
オン化して蒸着を行なうイオンプレーティング装置等の
蒸着装置が一般に知られている。また、かかる成膜装置
においては、複数の基板取付面を周方向に配設し各基板
取付面が成膜材料のターゲットまたは蒸発源に順次向か
い合うよう回転する回転治具を用いることも一般に知ら
れている。

すなわち、上記回転治具としては、スパッタリング装
置について例を挙げれば、真空槽内においてターンテー
ブル上に複数の基板取付面を角筒状に連ねたカルーセル
型、複数の基板取付面を円錐状ないしは角錐状に配設し
たドーム型、複数の基板取付面を角筒状に連ねて軸心を
水平にして回転せしめるようにしたドラム型等がある。
カルーセル型はその外周囲にターゲットが配設され、ド
ーム型はその下方にターゲットが配設され、ドラム型は
その内部にターゲットが配設される。このような各種回
転治具は、蒸着装置についても設けられる。そして、か
かる回転治具は、基板への成膜にあたって、定速で回転
されているのが通常である。

（発明が解決しようとする課題） ところで、一般に成膜装置においては、基板には成膜
材料の飛翔角度分布に対応して不均一な厚さの膜が形成
されるが、上記回転治具の場合は、上記基板上の膜厚分
布に基板の回転も影響してくる。

すなわち、例えばカルーセル型スパッタリング装置の
場合、第３図に示す如く、基板ａのＰ点の膜厚Ｔは、Ｐ
点が角AOBを通過する間にスパッタ粒子が付着し、且つ
付着率をターゲットｂからの放射率Ｒと基板面がターゲ
ットとなす角度の余弦cosβの積になるものとすると、
ターゲットｂからＰ点までの距離を無視すれば、次のよ
うになる。

Ｔ＝∫Rcosβdt ＝1/ω・∫Rcos（θ_０＋α−θ）ｄθ ＝2R/ω・cosα・sinθ_０ ＝R/ω・W/r・cos²α/cosα_０ なお、Ｏはカルーセル型回転治具の回転中心、αは回
転中心Ｏから基板ａの一点Ｐに下ろした直線と同じく基
板ａに下ろした垂線とのなす角度、ωは基板ａの回転角
速度、θ_０は角AOBの半分、α_０は基板ａの拡がり角の
半分、Ｗはターゲットｂの幅、ｒは回転中心Ｏから基板
ａの端縁までの距離である。

従って、断面６角形のカルーセル型回転治具の場合、
α_０＝30度であるから、 Ｔ＝R/ω・W/r・1.15cos²α 断面８角形のカルーセル型回転治具の場合、α_０＝22.5
度であるから、 Ｔ＝R/ω・W/r・1.08cos²α となり、基板ａの膜厚分布は、第８図に示すように、基
板ａの中央部（０度）が最も厚く、この中央部から両側
に離れるに従って薄くなったものになる。

このように回転治具の回転が基板の膜厚分布に影響を
及ぼすという点については、カルーセル型だけでなく、
上記ドーム型及びドラム型においても同様である。ま
た、１つの基板取付面に回転方向に間隔をおいて複数の
基板を取り付けている場合には、各基板の膜厚が基板取
付面上の取付位置によって異なるものになる。

すなわち、本発明の課題は、回転治具の回転に起因す
る１枚の基板上での膜厚の不均一さをできるだけ小さ
く、あるいは、１つの基板取付面上の各基板の膜厚の差
をできるだけ少なくすることにある。

（課題を解決するための手段） 本発明は、このような課題に対して、第３図において
基板の中央のＱ点における成膜は−θ〜＋θ_０の範囲で
生じ、その前後では生じないが、基板の回転方向の先端
では上記範囲の前でも成膜が生じ、基板の回転方向の後
端では上記範囲の後でも生ずることに鑑みて、回転治具
の回転速度を成膜が基板取付面の中央部で生ずるときに
速く、両端部で生ずるときに遅くすることにより、膜厚
の均一化を図ることができるようにするものである。

すなわち、そのための具体的な手段は、まずスパッタ
リング装置に関しては、 真空槽内に、ターゲットと、基板を取り付ける複数の
基板取付面が周方向に配設され各基板取付面が上記ター
ゲットに順次向かい合うよう回転する回転治具とが設け
られ、上記基板に対してスパッタリングを行うようにし
た成膜装置を前提とする。そして、上記回転治具を回転
駆動する回転駆動手段と、該回転治具の回転位置を検出
する検出手段と、該検出手段によって、上記回転治具
が、上記各基板取付面の回転方向における中央部が上記
ターゲットの前方に位置する回転位置にあることが検出
されているときに該回転治具の回転速度が速くなり、当
該基板取付面の回転方向における端部が上記ターゲット
の前方に位置する回転位置にあることが検出されている
ときに該回転治具の回転速度が遅くなるように、上記回
転駆動手段の作動を制御する回転制御手段とを備える構
成としたものである。

さらに蒸着装置に関する具体的な手段は、 真空槽内に、基板に膜を形成するための成膜材料を真
空槽内の定位置から蒸発する蒸発源と、上記基板を取り
付ける複数の基板取付面が周方向に配設され各基板取付
面が上記蒸発源に順次向かい合うよう回転する回転治具
とが設けられ、上記基板に上記成膜材料を蒸着させるよ
うにした成膜装置を前提とする。そして、上記回転治具
を回転駆動する回転駆動手段と、該回転治具の回転位置
を検出する検出手段と、該検出手段によって、上記回転
治具が、上記各基板取付面の回転方向における中央部が
蒸発源の前方に位置する回転位置にあることが検出され
ているときに該回転治具の回転速度が速くなり、当該基
板取付面の回転方向における端部が上記蒸発源の前方に
位置する回転位置にあることが検出されているときに該
回転治具の回転速度が遅くなるように、上記回転駆動手
段の作動を制御する回転制御手段とを備えていることを
特徴とするものである。

（作用） 上記スパッタリング成膜装置において、基板の端部が
ターゲットの前方に位置するときは、基板の中央部では
成膜材料の付着が少ないか零であり、基板の端部では成
膜材料が付着している状態であるが、このときの回転治
具の回転速度が、基板の中央部がターゲットの前方に位
置するときよりも相対的に遅くなるから、回転速度が遅
くなる分、回転速度を一定にしている場合よりも基板の
端部での付着量が多くなる。すなわち、定速では膜厚が
薄くなる基板端部に成膜材料が多く付着するために、基
板の膜厚の均一化を図ることができる。

また、蒸着成膜装置において、基板の端部が蒸発源の
前方に位置するときは、基板の中央部では成膜材料の蒸
着が少ないか零であり、基板の端部では成膜材料が蒸着
している状態であるが、このときの回転治具の回転速度
が、基板の中央部が蒸発源の前方に位置するときよりも
相対的に遅くなるから、回転速度が遅くなる分、回転速
度を一定にしている場合よりも基板の端部での蒸着量が
多くなる。すなわち、定速では膜厚が薄くなる基板端部
に成膜材料が多く蒸着するために、基板の膜厚の均一化
を図ることができる。

（発明の効果） 従って、本発明によれば、回転治具の回転速度を、基
板取付面の回転方向における中央部がターゲット又は蒸
発源の前方に位置するときに速く、当該基板取付面の回
転方向における端部が上記ターゲット又は蒸発源の前方
に位置するときに遅くなるように制御するようにしたか
ら、１枚の基板上での膜厚を均一にしたり、あるいは、
１つの基板取付面上の各基板の膜厚の差を小さくするこ
とができるようになる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

−実施例１− 本例はカルーセル型のスパッタリング装置の例であっ
て、第１図乃至第３図に示されている。

第１図において、１はスパッタガス導入ポート2,真空
引き用の排気ポート３及びスパッタガス用の排気ポート
４を備えた真空槽であり、その底部中央にターンテーブ
ル５が軸心を垂直にして設けられている。そして、この
ターンテーブル５の上に複数の基板取付面6aを断面多角
形（本例では８角形）状に配設したカルーセル型の回転
治具６が立設され、このターンテーブル５は真空槽１の
下方に配設したサーボ駆動手段（回転駆動手段）７にて
駆動されるようになっている。また、上記真空槽１内に
は、上記回転治具６の外周囲に、第２図に示す如く、一
対のターゲット8,8が回転治具６を存して相対して配設
されている。

さらに、上記真空槽１には、上記各ターゲット8,8用
のシャッター9,9が真空槽１の天井板にモータ10にて回
転可能に支持して配設されているとともに、ハロゲンラ
ンプヒータ11が配設されている。

上記サーボ駆動手段７は、ロータ12とステータ13とを
備え、ロータ12の位置を検出するエンコーダ（検出手
段）14の出力に基づいて制御手段（回転制御手段）15に
て駆動が制御されるようになっている。この場合、制御
手段15は、このエンコーダ14の出力を受けてターンテー
ブル５、つまりは第３図に示す基板ａの回転速度を、基
板ａにおける成膜材料（スパッタ粒子）の付着量が基板
ａの全面にわたって略一定になるよう、上記各基板取付
面6aの回転方向における一端がターゲット８の前方に位
置するときから、当該基板取付面6aの回転方向における
他端が上記ターゲット８の前方に位置するときに至る間
で変化させるものである。

すなわち、基板ａの単位時間当りの成膜材料の付着量
Ｔは、基板ａの回転速度を変化させたときの補正係数を
Ｋ（β）とし、簡単化のためにθ_０＝α_０として比例定
数を無視すると、 基板ａの回転方向における先端Ｃでは、 Ｔ（Ｃ）＝∫Ｋ（β）・cosβｄβ 基板ａの中央Ｑでは、 Ｔ（Ｑ）＝∫Ｋ（β）・cosβｄβ 基板ａの回転方向における後端Ｄでは、 Ｔ（Ｄ）＝∫Ｋ（β）・cosβｄβ となる。

従って、Ｋ（β）＝1/cosβであれば、 Ｔ（Ｃ）＝Ｔ（Ｑ）＝Ｔ（Ｄ） となる。つまり、上記制御手段15は、ターンテーブル
５、つまりは回転治具６の回転速度を、予め設定した平
均値に上記Ｋ（β）＝1/cosβに対応するサインカーブ
状の振幅（例えば±10％）を与えて、基板ａの回転方向
における中央がターゲット８の前方に位置するときに速
く、当該基板ａの回転方向における端がターゲット８の
前方に位置するときに遅くなるように制御するものであ
る。この場合、上記エンコーダ14は、基板ａとターゲッ
ト８とが平行になって正面で向い合う、つまり、基板ａ
の中央がターゲット８の正面に位置する基準位置からの
基板ａのずれ角度βを検出して、その検出信号を制御手
段15に与えることになる。

また、上記ターゲット８は、第２図に示すように、真
空槽１の周壁に固定の支持部材16に対してホルダー17に
て保持されている。また、このターゲット８の背部には
複数のマグネット18が間隔をおいて配設されている。ま
た、真空槽１の周壁は、真空引き用とスパッタガス用と
の両排気ポート3,4が設けられた固定壁1aに対して、可
動壁1bがヒンジ19で連結されてなり、この可動壁1bにて
真空槽１を開閉して基板ａを取り付けた回転治具６の出
し入れを行なうようになっている。

従って、上記成膜装置においては、上記真空槽１に基
板ａを取り付けた回転治具６を入れてターンテーブル５
に載置する。そして、大型の真空ポンプによる真空引き
用の排気ポート３からの排気により真空槽１内の圧力を
下げ、次にスパッタガスを導入ポート２から導入し、且
つスパッタガス用の排気ポート４から小型の真空ポンプ
にて真空槽１内が一定の真空圧になるように排気しなが
ら、ヒータ11による一定温度下でスパッタリングを行な
う。

このスパッタリングは、上記回転治具６を回転させな
がら行なうものであり、これにより、各基板取付面6aは
上記ターゲット８の正面に順次向かい合っていくことに
なる。そして、この回転治具６の回転速度は、上述の如
く、基板ａの回転方向における中央がターゲット８の前
方に位置する状態のときに速くなるが、この状態は基板
ａの中央部で成膜材料が多く付着する状態であり、回転
速度が速くなる分、基板ａの中央部での成膜材料の付着
が抑制される。そして、基板ａの回転速度は基板ａの回
転方向における端がターゲット８の前方に位置する状態
のときに遅くなるが、この状態は基板ａの中央部では成
膜材料の付着が少ないか零のときであるものの、基板ａ
の両端部のいずれか一方では成膜材料が付着している状
態であり、回転速度が遅くなる分、基板ａの両端部での
成膜材料の付着が多くなり、これにより、基板ａの中央
部と両端部との膜厚の差が少なくなる。

なお、上記実施例では基板ａが平坦な場合であるが、
ブラウン管のスクリーンのような湾曲した基板に薄膜を
形成する場合には、この基板の湾曲を考慮して、上記制
御手段15により回転治具６の回転速度を制御することに
なる。また、この回転治具６の回転速度の制御は、実験
的に最も好ましい速度変化パターンを求めて行なうこと
もできる。

また、上記実施例では基板が１枚である状態を想定し
て回転治具の回転速度の説明をしたが、複数の基板が一
定の角度をもって連なっている場合は、隣り合う基板の
境界がターゲットの中央に位置するとき（第２図に示す
状態）に、回転治具の回転速度が最も遅くなるようにす
ることになる。

また、上記実施例は断面８角形の回転治具を用いた例
であるが、本発明が他の多角形状の回転治具においても
適用できることはもちろんである。

−実施例２− 本例はドーム型の蒸着装置の例であって、第４図及び
第５図に示されている。この蒸着装置は熱蒸着方式を採
用している。

第４図において、21は基板ａへの蒸着を行なう真空槽
であって、その底部に電子銃23からの電子ビームによっ
て加熱蒸発される蒸発源24が設けられている。そして、
真空槽21の内壁面にリング状の基台25が支持され、この
基台25に基板ａを取り付ける複数の平板状の基板ホルダ
ー26を多角錐状に配設したドーム型の回転治具27が回転
可能に支持されている。蒸発源24は特定の回転位置にあ
る基板ホルダー26の基板取付面26aに対向するように設
けられている。

上記基板ホルダー26は、それぞれ基板ａを取り付ける
複数の取付孔を有するものである。そして、基板ａはそ
の両面に成膜が行われるものであり、上記取付孔に取り
付けられた状態で基板ホルダー26の反転によりその両面
が上記蒸発源24に向けられることになる。

まず、上記回転治具27は、上記基台25の周面に水平軸
で支持された支持ローラ28と基台25の上面の周縁部に垂
直軸で支持された回転位置規制ローラ29とにより回転自
在に支持されたリングギヤ31と、このリングギヤ31の上
に支持されたベッド32とからなる。そして、リングギヤ
31の回転駆動のために、その側方に実施例１と同様のエ
ンコーダを備えたサーボ駆動手段33が設けられていて、
その動力を駆動ギア34と中間ギヤ35を介してリングギヤ
31に伝達できるようになっている。

そうして、上記サーボ駆動手段33に、エンコーダの出
力に基づいて回転治具27の回転速度を、基板取付面26a
の各部での成膜材料の蒸着量が略一定になるよう制御す
る制御手段40が設けられている。すなわち、本例の制御
手段40も実施例１のものと同様に、上記回転治具27の回
転速度を、上記各基板ホルダー26の基板取付面26aの回
転方向における一端が蒸発源24の前方に位置するときか
ら、当該基板取付面26aの回転方向における他端が蒸発
源24の前方に位置するときに至る間で変化させるもので
ある。

上記ベッド32は、上記リングギヤ31に支持したリング
状のベース36と、そのの上に固定したリング部材37とを
備え、このリング部材37とその中心部の高い位置に設け
たセンター部材38との間に第２図に示すように放射状に
配置した複数の放射フレーム39が渡されている。そし
て、上記センター部材38とリング部材37との間に、放射
方向に延びる複数の回転支軸43が設けられている。すな
わち、これら回転支軸43は上記基板ホルダー26を支持し
て反転せしめるものである。

また、上記基板ホルダー26を反転せしめるため、上記
回転支軸43に回転力を付与する手段44として、この回転
支軸43に結合して上記リング部材37の軸受部から放射方
向に突出せしめたアーム部材45と、真空槽１側の駆動部
材46とが設けられている。

すなわち、アーム部材45は、上記回転支軸43に結合し
た軸に、第５図に示すように、アーム45aを十字状に設
けるとともにカム45bを設けたものである。そして、カ
ム45bはその周面に90度の角度間隔をおいて凹部が形成
されていて、このカム45bに対して、上記凹部に嵌まり
得るボール47がスプリング48でカム45bに向けて付勢し
て設けられている。一方、駆動部材46は上記アーム部材
45の回転軌跡に対応する位置に設けられていて、ソレノ
イド46aで上記アーム45aへ向けて進退操作されるロッド
46bを備えている。

また、上記基台25には回転治具27の回転位置を検出す
るためのリミットスイッチ49が設けられている。

従って、上記蒸着装置での成膜にあたっては、回転治
具27の基板ホルダー26に基板ａを保持し、駆動部材46の
ロッド46bを突出せしめた状態で回転治具27を１回転さ
せる。これにより、各回転支軸43に結合されているアー
ム部材45がアーム45aへの上記ロッド46bの当接により、
回転治具27の回転に伴って90度以下の角度で回転し、各
基板ホルダー26が同角度回転することになる。この回転
を１回ないしは２回行なうことにより、各基板ホルダー
26を蒸発源４側に向けた状態に順次することができる。

そうして、真空槽21内を所定の真空度にし、上記駆動
部材46のロッド46bを引っ込めた状態で、回転治具27を
回転させながら、蒸発源24に電子ビームを照射して成膜
材料を蒸発せしめ、成膜材料を各基板ａに蒸着せしめ
る。その際、各基板取付面26aは上記蒸発源24の正面に
順次向かい合っていくことになる。そして、回転治具27
の回転速度を、各基板ホルダー26の基板取付面26aの回
転方向における中央が蒸発源24の前方に位置するときに
速く、当該基板取付面26aの回転方向における端が蒸発
源24の前方に位置するときに遅くなるように制御するこ
とにより、これら各基板ホルダー26に保持されている各
基板ａへの蒸着量が略等しくなり、各基板ａの膜厚の均
一化が図れることになる。

上記基板ａの片面への成膜が終わると、駆動部材46の
ロッド46bを突出せしめた状態で回転治具27を２回転さ
せ、これにより、回転支軸43を90度ずつ２回転せしめて
基板ホルダー26を反転させた状態にする。そして、先程
と同様に回転治具27を回転させながら、成膜材料を各基
板ａに蒸着せしめる。

−実施例３− 本例はドラム型の蒸着装置の例であって、第６図及び
第７図に示されている。この蒸着装置は熱蒸着方式を採
用している。

第６図及び第７図において、51は軸心を水平にして設
けた円筒状の真空槽、52はこの真空槽51に出入される軸
心を水平にした回転治具、53は成膜材料の蒸発源であ
る。

上記回転治具52は、両端の端面板54,54間に渡して周
方向に間隔をおいて設けた複数の支持バー55を備え、相
隣る支持バー55,55に基板ａを軸方向に２枚並べて支持
できるようになっている。この回転治具52の場合、相隣
る支持バー55,55で構成される各基板取付面は、断面六
角形状に配置されている。上記蒸発源53は、コイルで成
膜材料を加熱して蒸発せしめる抵抗加熱方式のものであ
り、上記回転治具52内に上向きにして設けられるもので
ある。

そうして、上記回転治具52の駆動手段は、その図示を
省略しているが、先の実施例のものと同様のエンコーダ
付きのサーボ式駆動手段であって、エンコーダの出力に
基づいて回転治具52の回転速度を、基板ａにおける成膜
材料の蒸着量が基板ａの全面にわたって略一定になるよ
う制御する制御手段が設けられている。すなわち、本例
の制御手段も上記回転治具52の回転速度を、上記各基板
取付面の回転方向における一端が蒸発源53の前方に位置
するときから、当該基板取付面の回転方向における他端
が蒸発源53の前方に位置するときに至る間で変化させる
ものである。

従って、本例の成膜装置においても、上記回転治具52
の回転により、各基板取付面は上記蒸発源53の正面に順
次向かい合っていくことになる。そして、回転治具52の
回転速度を、各基板取付面の回転方向における中央が蒸
発源53の前方に位置するときに速く、当該基板取付面の
回転方向における端が蒸発源53の前方に位置するときに
遅くなるように制御することによって、これら各基板取
付面に取り付けられている基板ａへの蒸着量をその全面
にわたって略等しくすることができる。

なお、上記各実施例の他、カルーセル型、ドーム型、
ドラム型などの各種タイプのスパッタリング装置、蒸着
装置に対して本発明を適用することが可能である。その
場合、蒸着装置の中には、成膜材料の蒸発粒子をイオン
化して蒸着を行なうイオンプレーティング装置などの他
の成膜装置も含まれるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例１の成膜装置の縦断面図、第２図は同装
置を一部切り欠いて示す平面図、第３図は同例の基板と
ターゲットの関係を示す概略平面図、第４図は実施例２
の成膜装置の縦断面図、第５図は同装置の基板反転用の
回転手段を示す正面図、第６図は実施例３の成膜装置の
側面図、第７図は同装置の横断面図、第８図は従来のス
パッタリング膜厚分布を示す図である。 1,21,51……真空槽 6,27,52……回転治具 6a,26a……基板取付面 7,33……回転駆動手段 ８……ターゲット 24,53……蒸発源 14……エンコーダ（検出手段） 15,40……制御手段（回転制御手段） ａ……基板

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】真空槽内に、ターゲットと、基板を取り付
   ける複数の基板取付面が周方向に配設され各基板取付面
   が上記ターゲットに順次向かい合うよう回転する回転治
   具とが設けられ、上記基板に対してスパッタリングを行
   うようにした成膜装置において、 上記回転治具を回転駆動する回転駆動手段と、 上記回転治具の回転位置を検出する検出手段と、 上記検出手段によって、上記回転治具が、上記各基板取
   付面の回転方向における中央部が上記ターゲットの前方
   に位置する回転位置にあることが検出されているときに
   該回転治具の回転速度が速くなり、当該基板取付面の回
   転方向における端部が上記ターゲットの前方に位置する
   回転位置にあることが検出されているときに該回転治具
   の回転速度が遅くなるように、上記回転駆動手段の作動
   を制御する回転制御手段とを備えていることを特徴とす
   る成膜装置。
2. 【請求項２】真空槽内に、基板に膜を形成するための成
   膜材料を真空槽内の定位置から蒸発する蒸発源と、上記
   基板を取り付ける複数の基板取付面が周方向に配設され
   各基板取付面が上記蒸発源に順次向かい合うよう回転す
   る回転治具とが設けられ、上記基板に上記成膜材料を蒸
   着させるようにした成膜装置において、 上記回転治具を回転駆動する回転駆動手段と、 上記回転治具の回転位置を検出する検出手段と、 上記検出手段によって、上記回転治具が、上記各基板取
   付面の回転方向における中央部が蒸発源の前方に位置す
   る回転位置にあることが検出されているときに該回転治
   具の回転速度が速くなり、当該基板取付面の回転方向に
   おける端部が上記蒸発源の前方に位置する回転位置にあ
   ることが検出されているときに該回転治具の回転速度が
   遅くなるように、上記回転駆動手段の作動を制御する回
   転制御手段とを備えていることを特徴とする成膜装置。