JP4387604B2

JP4387604B2 - 蒸発源装置

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Publication number: JP4387604B2
Application number: JP2001069076A
Authority: JP
Inventors: 勲床本; 康浩小泉; 崇展堀; 毅士古塚; 功一能勢
Original assignee: Shinmaywa Industries Ltd
Current assignee: Shinmaywa Industries Ltd
Priority date: 2001-03-12
Filing date: 2001-03-12
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2021-03-12
Also published as: JP2002266067A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空成膜装置に用いられる蒸発源装置に関し、特に抵抗加熱方式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
真空成膜装置は、真空チャンバ内において蒸発源から薄膜形成材料（薬剤）を蒸発させ、その蒸発した薄膜形成材料を真空チャンバ内に置かれた基材上に堆積させ、それにより、その基材上に薄膜形成材料からなる薄膜を形成するものである。
【０００３】
ところで、製品によっては、基材上にタンタル等の高融点金属からなる薄膜が被着される場合がある。このような場合、蒸発源には、電子銃によって薄膜形成材料を蒸発させる方式が採用されていた。
【０００４】
ところが、電子銃を用いると蒸発源のコストが高くつくため、蒸発源のコストを低減するため、コストが低く専ら低融点金属の成膜に採用されていた抵抗加熱方式が採用され始めた。
【０００５】
抵抗加熱方式は、一対の電極間に掛け渡されたボートと呼ばれる上方が開放された加熱容器上に薄膜形成材料を載置し、そのボートを電極を介して加熱用電源で通電加熱することにより薄膜形成材料を蒸発させるものである。
【０００６】
しかし、抵抗加熱方式で高融点の薄膜形成材料を蒸発させようとすると、大電流が必要とされる。そこで、加熱用電源には直流ではなく交流が用いられる。また、真空成膜における成膜速度は蒸発源からの薄膜形成材料の蒸発速度に依存する。一方、真空成膜においては、成膜速度が基材上に形成される薄膜の品質に大きな影響を及ぼす。そこで、真空成膜においては、成膜速度を一定に維持するよう制御している。この成膜速度の制御は、基材上に形成された薄膜の膜厚を膜厚センサで検出し、その検出した膜厚値に基づいてボートの加熱用電流をフィードバック制御することにより行われる。従って、そのフィードバック制御を安定して行うために、加熱用電源には、電流値を調整するのに高速な応答性が必要とされる。このような観点から、加熱用電源には、スライダック方式等の電流調整の応答速度の遅い方式は採用されず、電流調整の応答速度の速い半導体スイッチング素子を用いた位相制御方式が採用されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この位相制御方式では、ボート上に載置された薄膜形成材料がこぼれるという問題が発生する。一般に、真空成膜においては、基材上に形成する薄膜の最終的な厚みをボート上に載置する薄膜形成材料の量で調整しているため、薄膜形成材料がボートからこぼれると、膜厚を目的の厚みにすることができない。特に、膜厚が薄い場合には膜厚の精度が低下する。従って、この問題は重大である。
【０００８】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、ボートから薄膜形成材料がこぼれるのを防止することが可能な蒸発源装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本件発明者は、ボートの振動の原因の究明に取り組んだ。その結果、以下の事実が判明した。
【００１０】
すなわち、図１に示すように、ボート８は、中央部が薄膜形成材料の収容部としてボート状に形成され、両端部が電極７A,7Bへの固定部として平板状に形成された金属製の板状部材からなっている。このように構成されたボート８は弾性を有するので、両端を電極７A,７Bに固定されると振動系を構成し、振動しやすいものとなる。そして、実験によれば、ボートの共振周波数は、大体、300Ｈz及び600Ｈzであった。
【００１１】
また、位相制御方式の加熱用電源は、商用電源の正弦波の電流（図４(a)参照）を、サイリスタを用いた電力調整器で位相制御してチョッピングすることにより、加熱用電流を得ている（図４(b)参照）ので、その加熱用電流の波形が滑らかではない。そのため、振動を発生させやすい。また、高調波を多く含むので共振を生じ易い。
【００１２】
以上の事実から、本件発明者は、ボートの振動は、波形が滑らかでない加熱用電流によってボートが加振され、共振によってその振幅が増幅されて生じるものであると推測した。そこで、加熱用電流の波形を、現行のもの、正弦波、及び平坦な直流の３種類に変化させてボートの振動を比較する実験を行ったところ、正弦波及び平坦な直流の場合は、ボートの振動がほとんど生じなかった。これにより、上記推測が裏付けられた。
【００１３】
但し、加熱用電源には、成膜速度を一定に制御するために加熱用電流の調整に関して高速な応答性が要求される。
【００１４】
そこで、本発明に係る蒸発源装置は、真空成膜を行うためのチャンバ内に配設された一対の電極部材と、該一対の電極部材間に掛け渡され薄膜形成材料を収容するボートと、該ボートに上記一対の電極部材を通じて加熱用電流を供給する加熱用電源とを備え、該加熱用電源が、ＰＷＭによって大きさを制御された上記加熱用電流を出力するインバータで構成されてなるものである（請求項１）。
【００１５】
かかる構成とすると、ＰＷＭによればインバータを構成するスイッチング素子のゲート制御回路における信号波を正弦波とすることにより、出力される加熱用電流の波形が正弦波になり、高調波をほとんど含まないものとなる。その結果、ボートの振動を防止することができ、それにより、薄膜形成材料がボートからこぼれるのを防止することができる。また、加熱用電源がインバータで構成されているので、加熱用電流を高速に応答して調整することができる。
【００１６】
この場合、上記加熱用電源のインバータが、ＰＷＭによって上記加熱用電流の周波数を制御可能なものであるとしてもよい（請求項２）。
【００１７】
かかる構成とすると、出力される加熱用電流に歪等により多少の高調波成分が含まれることとなったとしても、その周波数を、当該周波数及びその高調波がボートの共振周波数と一致しないように制御することにより、ボートの振動を防止することができる。
【００１８】
この場合、上記ボートの振動を検出する振動検出手段と、該振動検出手段で検出された振動の主要な周波数成分を求める周波数解析手段と、該周波数解析手段で求められた主要な周波数成分の周波数を上記インバータから出力される加熱用電流の基本波及び高調波の周波数として含まないように該加熱用電流の周波数を制御する周波数制御手段とを備えたものとしてもよい（請求項３）。
【００１９】
かかる構成とすると、周波数制御手段によって、加熱用電流による振動に対するボートの共振が回避されるので、自動的にボートの振動を防止することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
実施の形態１
図１は本発明の実施の形態１に係る蒸発源装置を用いた真空成膜装置の構成を示す模式図、図２は図１の蒸発源装置の加熱用電源のＰＷＭによる電圧制御過程を示す図であって、(a)は信号波及び搬送波を示す図、(b)はインバータの出力電圧及びその平均的瞬時値を示す図、(c)は信号波の振幅が小さい場合の該信号波及び搬送波を示す図、(d)は信号波の振幅が小さい場合のインバータの出力電圧及びその平均的瞬時値を示す図である。真空成膜には、通常の蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング等が含まれるが、本実施の形態では、真空成膜装置としてイオンプレーティング装置を例示している。
【００２１】
図１において、真空成膜装置１は、導電性部材からなる真空チャンバ２を有している。真空チャンバ２内には、基材を保持する基材ホルダ３が配設されている。基材ホルダ３は導電性部材で構成され、導電性部材からなる回転軸４の一端に接続されている。回転軸４は、他端がモータ５に接続され、真空チャンバ２の壁部に回動自在に保持されている。回転軸４とモータ５及び真空チャンバ２との間は図示されない絶縁部材によって絶縁されている。回転軸４のチャンバ外の部分には、図示されないスリップリング及びブラシを介して高周波電源22及び直流電源23が並列に接続されている。高周波電源22及び直流電源23と回転軸４との間には、それぞれ、直流阻止用コンデンサＣ0及びマッチング回路21、並びに交流阻止用チョークコイルＬ0が介挿されている。マッチング回路21は高周波電源22と負荷とのインピーダンスのマッチングを自動的に行うものである。また、高周波電源22及び直流電源23の他端は真空チャンバ２に接続され、該真空チャンバ２は接地されている。さらに、直流電源23は、基材ホルダ３側が負となるように接続されている。
【００２２】
一方、真空チャンバ２内には、基材ホルダ３に対向するように蒸発源６が配設されている。蒸発源６は、真空チャンバ２の下壁に立設された一対の電極７A,７B間にボート８が掛け渡されて構成されている。ボート８上には薄膜形成材料９が載置される。そして、その一対の電極７A,７B間に、真空チャンバ２外に配置された加熱用電源30が接続されている。この蒸発源６及び加熱用電源30が蒸発源装置31を構成している。
【００２３】
加熱用電源30は、整流器12、インバータ11、ゲート制御回路13、電流センサ14、及びトランス10を主な構成要素として構成されている。
【００２４】
整流器12は周知の構造のもので、商用電源の３相交流を整流して所定の直流電圧Ｅを出力する。インバータ11は、周知の構造のもので、ＰＷＭ(pulse width modulation)によって、整流器12から出力される直流電圧Ｅを所定の交流電圧eに変換して出力する。ゲート制御回路13は、インバータ11のスイッチング素子のゲート信号を生成する。トランス10は、インバータ11から出力される交流電圧を巻数比ａで所定の電圧に降圧する。
【００２５】
次に、インバータ11及びゲート制御回路13の構成を詳細に説明する。インバータ11は、第１のスイッチング素子Ｓ1と第２のスイッチング素子Ｓ2とが直列接続されてなる回路と第３のスイッチング素子Ｓ3と第４のスイッチング素子Ｓ4とが直列接続されてなる回路とが整流器12の出力端子に対し並列に接続され、双方の回路の２つのスイッチング素子同士の接続個所がトランス10の一次側の端子に接続されている。各スイッチング素子Ｓ1〜Ｓ4には遅れ電流をバイパスさせるためのダイオードＤがそれぞれ並列に接続されている。スイッチング素子Ｓ1〜Ｓ4は、ここではＩＧＢＴ(Insulsted Gate Bipolar Transister)、パワーＭＯＳＦＥＴ(Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transister)等で構成される。そして、各スイッチング素子Ｓ1〜Ｓ4のゲートにゲート制御回路13から制御信号ｇ1〜ｇ4が入力されている。
【００２６】
図１及び図２(a)を参照して、ゲート制御回路13は、内部で発生させる正弦波の信号波Ｓcと三角波の搬送波Ｃとから以下のようにしてゲート制御信号ｇ1〜ｇ4を生成する。
【００２７】
つまり、信号波Ｓcの正の半サイクルでは、全期間に渡って第１のスイッチング素子Ｓ1がオンになるとともに、信号波Ｓcが搬送波Ｃより大きい期間ｔ1に渡って第４のスイッチング素子Ｓ4がオンになりかつ信号波Ｓcが搬送波Ｃより小さい期間ｔ2に渡って第３のスイッチング素子Ｓ3がオンになるように、また、信号波Ｓcの負の半サイクルでは、全期間に渡って第３のスイッチング素子Ｓ3がオンになるとともに、信号波Ｓcが搬送波Ｃより小さい期間ｔ3に渡って第２のスイッチング素子Ｓ2がオンになりかつ信号波Ｓcが搬送波Ｃより大きい期間ｔ4に渡って第１のスイッチング素子Ｓ1がオンになるように、第１〜第４のスイッチング素子Ｓ1〜Ｓ4のゲートに制御信号ｇ1〜ｇ4を出力する。すると、期間ｔ1では、第１,第４のスイッチング素子Ｓ1,Ｓ4がオンするため、トランス10の一次側端子に一定電圧Ｅが出力され、期間ｔ2では、第２,第４のスイッチング素子Ｓ2,Ｓ4のいずれもオフするため、トランス10の一次側端子には電圧が出力されない。一方、期間ｔ3では、第３,第２のスイッチング素子Ｓ3,Ｓ2がオンするため、トランス10の一次側端子に負の一定電圧Ｅが出力され、期間ｔ4では、第２,第４のスイッチング素子Ｓ2,Ｓ4のいずれもオフするため、トランス10の一次側端子には電圧が出力されない。
【００２８】
よって、トランス10の一次側端子には、図２(b)に示すように、その幅が信号波Ｓcの値に近似的に比例した矩形パルスの列からなる交流電圧ｅが出力される。この交流電圧ｅの平均的瞬時値Ｖ’は正弦波になる。そして、この交流電圧ｅは、トランス10の電磁誘導作用により積分されてその二次側では上記平均的瞬時値Ｖ’と同様に正弦波になる。従って、トランス10の二次側には、上記平均的瞬時値Ｖ’が所定の巻数比ａで降圧された正弦波交流電圧Ｖが出力される。また、このトランス10の二次側電圧Ｖ（従ってＶ’も）の大きさ（振幅）は、図２(c),(d)から明らかなように、信号波Ｓcの大きさ（振幅）に比例したものとなる。また、その周波数は信号波Ｓcの周波数と同じになる。また、トランス10の二次側負荷は抵抗負荷たるボートであるため、その二次側電流である加熱用電流Ｉは上記二次側電圧Ｖと略同一位相の正弦波となる。よって、ゲート制御回路13で発生する信号波Ｓcの振幅及び周波数を制御することにより、加熱用電流Ｉの大きさ及び周波数を所望のものに制御することができる。そして、インバータ11の出力側には電流センサ14が介挿されており、ゲート制御回路13は、該電流センサ14から入力される電流値と外部から入力される信号波の振幅指令値とに基づいて加熱用電流Ｉ（インバータ11の出力電流）をフィードバック制御する。本実施の形態では、搬送波Ｃの周波数は10ＫＨzである。また、商用電源の電圧及びインバータ11の出力電圧ｅの実効値は200Ｖ、トランス10の二次側電圧Ｖは10Ｖである。従って、トランス10の巻数比ａ＝20である。また、加熱用電流は500Ａ〜1000Ａの範囲に設定される。
【００２９】
さらに、図示されていないが、基材ホルダ３に保持された基材上に形成される薄膜の膜厚を検出する膜厚センサが適所に配設され、その検出出力がゲート制御回路13に入力され、ゲート制御回路13がその検出された膜厚値に基づいて加熱用電流Ｉをフィードバック制御するように構成されている。
【００３０】
次に、以上のように構成された真空成膜装置及び蒸発源装置の動作を説明する。
【００３１】
図１において、一対の電極７A,７B間に掛け渡されたボート８の共振周波数は300Ｈz及び600Ｈzであるものとする。この場合、この共振周波数は、基本波の周波数が60Ｈzである歪波の５次高調波及び10次高調波の周波数に等しい。そこで、作業員は、ゲート制御回路13に対し信号波の周波数指令値を例えば70Ｈzに設定しておく。また、薄膜形成材料が高融点金属であるため、信号波の振幅指令値を加熱用電流Ｉの値が例えば1000Ａとなるような値に設定しておく。
【００３２】
この状態で、基材ホルダ３上に基材を載置するとともに、ボート８上に所要量の薄膜形成材料９を載置する。
【００３３】
次いで、真空成膜装置１を起動すると、高周波電源22により印加される高周波電力によって真空チャンバ２内にプラズマが立つとともに直流電源23によって真空チャンバ２から基材ホルダ３に向かう直流電界が形成される。そして、ボート８に加熱用電源30から加熱電流Ｉが供給されて該ボート８が通電加熱され、それにより、該ボート８上に載置された高融点の薄膜形成材料９が蒸発する。すると、この蒸発した薄膜形成材料は、プラズマによって励起され直流電界によって加速されて、基材ホルダ３に保持された基材の表面に衝突し付着する。これにより、基材上に薄膜形成材料９からなる薄膜が形成される。
【００３４】
この際、加熱用電源30からは正弦波の加熱用電流Ｉがボート９に供給されるので、該加熱用電流Ｉが高調波をほとんど含まないものとなっている。また、波形の歪により若干の高調波を含んでいたとしても、ボート８の共振周波数に最も近いその高調波の周波数は、280Ｈz及び630Ｈzであり、ボート８の共振周波数300Ｈz及び600Ｈzから外れたものとなっている。よって、加熱用電流Ｉが1000Ａもの大電流であっても、ボート８の振動を防止することができる。その結果、薄膜形成材料９がボート８上からこぼれるのを防止することができる。また、加熱用電源30の電流制御装置がインバータ11で構成されているので、その出力電流が高速な応答によりフィードバック制御されて調整されるため、膜厚センサの検出出力に基づく成膜速度のフィードバック制御が安定して行われる。
実施の形態２
図３は本発明の実施の形態２に係る真空成膜装置の構成を示す模式図である。本実施の形態では、蒸発源装置30は、実施の形態１の構成に加えてさらに、電極７Aの先端部取り付けられた振動センサ29と、振動センサ29で検出された振動の主要な周波数成分、すなわち共振周波数を求める周波数解析装置32、周波数解析装置32で求められた主要な周波数成分に基づいてゲート制御回路13に信号波の周波数指令値を制御信号として入力する周波数制御装置33を備えている。振動センサ29は、例えば加速度センサ、速度センサで構成される。周波数解析装置32は例えばＦＦＴ(Fast Fourier Transform)アナライザで構成される。周波数制御装置33は例えばＣＰＵで構成される。ここで、発明者の実験によれば、ボート８の共振周波数は、大体100Ｈz〜700Ｈzの範囲内にあり、かつその数もせいぜい３つぐらいであるので、例えば、周波数制御装置33から入力される周波数にある範囲を持たせたものと、その範囲を持たせた周波数をその基本波及び高調波の周波数として含まないような周波数（以下、共振回避周波数という）とを対応させたテーブルを作成することが可能である。そこで、本実施の形態では、周波数制御装置33は、予めそのようなテーブルを主メモリに格納しており、周波数解析装置32で求められた主要な周波数をそのテーブルと対比し、それにより得られた共振回避周波数を周波数指令値としてゲート制御回路33に出力する。
【００３５】
このような構成によれば、ボート８が加熱用電流Ｉによる振動に共振したとしても、振動センサ29がその振動を検出し、その検出された振動の主要な周波数成分を周波数解析装置32が求め、その求められた主要な周波数成分の周波数をその基本波及び高調波の周波数として含まないような周波数を周波数指令値として周波数制御装置33がゲート制御回路33に出力する。それにより、加熱用電流Ｉの周波数がそのような周波数に変化するので、ボート８の共振が自動的に防止される。
【００３６】
なお、上記実施の形態１、２では、電圧型のインバータを用いたが、電流型のインバータを用いてもよい。
【００３７】
また、上記実施の形態１、２では、蒸発源装置をイオンプレテーィング装置に用いる場合を説明したが、通常の蒸着装置、スパッタリング装置等の他の真空成膜装置にも同様に用いることができる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明は、以上に説明したような形態で実施され、以下のような効果を奏する。
（１）ボートの振動を防止することができ、それにより、薄膜形成材料がボートからこぼれるのを防止することができる。また、加熱用電源がインバータで構成されているので、加熱用電流を高速に応答して調整することができる。
（２）加熱用電源のインバータが、ＰＷＭによって上記加熱用電流の周波数を制御可能なものであるとすると、出力される加熱用電流に歪等により多少の高調波成分が含まれることとなったとしても、その周波数を、当該周波数及びその高調波がボートの共振周波数と一致しないように制御することにより、ボートの振動を防止することができる。
（３）ボートの振動を検出する振動検出手段と、振動検出手段で検出された振動の主要な周波数成分を求める周波数解析手段と、周波数解析手段で求められた主要な周波数成分の周波数をインバータから出力される加熱用電流の基本波及び高調波の周波数として含まないように加熱用電流の周波数を制御する制御手段とを備えたものとすると、自動的にボートの振動を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る蒸発源装置を用いた真空成膜装置の構成を示す模式図である。
【図２】図１の蒸発源装置の加熱用電源のＰＷＭによる電圧制御過程を示す図であって、(a)は信号波及び搬送波を示す図、(b)はインバータの出力電圧及びその平均的瞬時値を示す図、(c)は信号波の振幅が小さい場合の該信号波及び搬送波を示す図、(d)は信号波の振幅が小さい場合のインバータの出力電圧及びその平均的瞬時値を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る蒸発源装置を用いた真空成膜装置の構成を示す模式図である。
【図４】従来の蒸発源置の加熱用電源の電流制御過程を示す図であって、(a)は入力電流の波形を示す図、(b)は出力電流の波形を示す図である。
【符号の説明】
１真空成膜装置
２真空チャンバ
３基材ホルダ
４回転軸
５モータ
６蒸発源
７A,７B 電極
８ボート
９薄膜形成材料
10 トランス
11 インバータ
12 整流器
13 ゲート制御回路
14 電流センサ
21 マッチング回路
22 高周波電源
23 直流電源
29 振動センサ
30 加熱用電源
31 蒸発源装置
32 周波数解析装置
33 周波数制御装置
Ｃ搬送波
Ｓc 信号波
Ｃ0 交流阻止用コンデンサ
Ｅ整流器の出力電圧
ｅインバータの出力電圧
ｇ1〜ｇ4 ゲート信号
Ｉ加熱用電流
Ｌ0 直流阻止用チョークコイル
Ｓ1〜Ｓ4 スイッチング素子
Ｖトランスの二次側電圧
Ｖ’ インバータの出力電圧の平均的瞬時値

Claims

真空成膜を行うためのチャンバ内に配設された一対の電極部材と、
該一対の電極部材間に掛け渡され薄膜形成材料を収容するボートと、
該ボートに上記一対の電極部材を通じて加熱用電流を供給する加熱用電源とを備え、
該加熱用電源が、ＰＷＭによって大きさを制御された上記加熱用電流を出力するインバータで構成されてなる蒸発源装置。
上記加熱用電源のインバータが、ＰＷＭによって上記加熱用電流の周波数を制御可能なものである請求項１記載の蒸発源装置。
上記ボートの振動を検出する振動検出手段と、
該振動検出手段で検出された振動の主要な周波数成分を求める周波数解析手段と、
該周波数解析手段で求められた主要な周波数成分の周波数を上記インバータから出力される加熱用電流の基本波及び高調波の周波数として含まないように該加熱用電流の周波数を制御する周波数制御手段とを備えた請求項２記載の蒸発源装置。