JP4682311B2 - 真空成膜装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は真空成膜装置および方法に関し、特に膜厚分布を調整制御する手段に関する。

真空成膜装置において、基板面に堆積させる薄膜の膜厚分布を均一にすることを目的に蒸着源と基板との間に補正板を配設することは従来から一般的に用いられている。
例えば特許文献１は、真空チャンバと、蒸着源と、円板形状の基材を回転しながら保持する基板ホルダとを有するイオンアシスト蒸着装置において、基材の半径方向における薄膜の膜厚分布を補正する補正板を変形可能に設けたことを特徴とするものである。具体的には、二以上の構成部材を連結し、連結長さ或いは連結角度を変化させて補正板を適切な形状とし、蒸発材料の種類に応じて使い分けるものである。多数の補正板を必要とせず、従って真空チャンバに補正板を格納するための補助槽を設ける必要は無く、装置の大型化を回避することが可能になる。
特開２００４−３４８０７５号

特許文献１は補正板の形状を任意に変形させることにより蒸着源の種類毎に多数の補正板を準備する必要が無いという特徴を有するものであるが、二以上の構成部材を連結して連結長さ或いは連結角度を変化させ適切な形状とされた補正板を蒸発材料の種類に応じて使い分ける構成であるため、構成部材の組み合わせにより形成可能な形状に限界がある。このため膜厚分布の設計自由度が低く、また、遮蔽面積を微小変化させることが困難であるために膜厚分布を微小に変化させることが出来ないという課題があった。
また、特許文献１の補正板は基材が回転しない場合には使用することが出来ないという課題があった。

本発明の第１の側面は、真空槽内に、基板の保持手段と蒸着源とを備える真空成膜装置であって、さらに、基板の成膜面に蒸着源に対する遮蔽領域を形成する少なくとも１つの遮蔽部材、遮蔽部材の駆動源、および、駆動源の制御装置を備え、制御装置が、遮蔽部材が遮蔽領域を形成しない状態における基板の面内膜厚分布の実測値または計算値および基板の面内膜厚分布の目標値を予め記憶しておく記憶手段、並びに、記憶手段に入力された各値に基づいて、基板上の各点の位置（以下、「基板位置」という）に対応する成膜時間を算出し、成膜時間に基づいて駆動源の操作量を決定する演算手段からなり、駆動源が当該操作量に基づいて遮蔽領域の位置を移動させて所望の面内膜厚分布を得るよう構成された真空成膜装置である。
さらに、遮蔽部材が遮蔽領域を形成しない状態において基板面に堆積した膜厚と、遮蔽部材が基板の少なくとも一部に遮蔽領域を形成する状態において基板面に堆積した補正膜厚とを合計して堆積させて所望の面内膜厚分布を得るために、演算手段が、基板位置に対応するレートの実測値または計算値から、目標とする補正膜厚値となるまでに必要な追加成膜時間を基板位置に対応させて算出するように構成した。
ここで、蒸着源の鉛直線を中心とする円周上に配列された基板に対して、遮蔽領域が円周の半径方向に連続的に移動するように駆動源が制御されて円周の半径方向の面内膜厚分布が補正されるようにした。また、演算手段が基板位置に対応する成膜時間の相関式を複数の一次式に近似するようにした。

上記第１の側面において、遮蔽部材各々が折りたたみ可能な２枚のシャッタ羽により構成され、少なくともいずれか一方のシャッタ羽が可倒して収納される構成とした。ここで、遮蔽部材各々が、駆動源に取り付けられる第１の回転軸、第１の回転軸に固定される第１のシャッタ羽、第１の回転軸を回転自在に保持する固定軸、第１の回転軸に連結部材を介して連結部材に対して回転自在に保持される第２の回転軸、固定軸と第２の回転軸とを連結するタイミングベルト、および第２の回転軸に固定される第２のシャッタ羽を備え、遮蔽部材各々が、駆動源を駆動することにより、第１の回転軸を中心に、第１のシャッタ羽、第２の回転軸、および、第２のシャッタ羽が一体となって回転され、第２の回転軸を中心に、第２の回転軸、および、第２のシャッタ羽が一体となって回転され、第２のシャッタ羽が第１のシャッタ羽方向に傾倒されるように構成した。
また、上記第１の側面において、遮蔽部材各々が、整列された複数の遮蔽板により構成され、遮蔽部材が遮蔽領域を形成しない状態を作るために、各遮蔽板が列の方向に互いにスライド及び重ね合わせられ、かつ、重ね合わせた状態の遮蔽板が観音開きされる構成とした。

本発明の第２の側面は、真空槽内に、基板の保持手段、蒸着源、基板の成膜面に蒸着源に対する遮蔽領域を形成する遮蔽手段、遮蔽手段の駆動手段、および、駆動手段の制御手段を備える真空成膜装置における成膜方法であって、制御手段によって、遮蔽手段が遮蔽領域を形成しない状態における基板の面内膜厚分布の予め入力された実測値または計算値、および、基板の面内膜厚分布の目標値に基づいて基板上の各点に対応する成膜時間を算出するステップ、制御手段によって、成膜時間に基づいて駆動手段の操作量を決定するステップ、及び、操作量に基づいて、駆動手段が遮蔽領域の位置を移動させて所望の面内膜厚分布を得るステップからなる成膜方法である。

蒸着源に対する遮蔽部材が基板の成膜面に形成する遮蔽領域を移動させることにより、任意の基板位置における膜厚を任意に設定することができるため、膜厚分布の設計自由度が高く、また微小な調整が可能となる。
また、各基板に対応する遮蔽部材を各々独立に駆動することが可能であるため、基板面内の膜厚分布のみでなく、バッチ内の膜厚分布を調整制御することが可能となる。
更に、遮蔽領域を形成する遮蔽部材が、可倒に構成されることにより占有スペースの削減に貢献する。

図１に本発明の一実施形態の真空蒸着装置を示す。図１（ａ）に概略垂直面図を、図１（ｂ）に概略水平面図を、図１（ｃ）に位置関係を表す説明図を示す。
図示しない排気系統を備える真空槽１内底面には蒸着源２が設けられ、蒸着源２には蒸着材料３、蒸着材料３に電子ビームを照射する電子銃４、および、開閉自在のシャッタ５が備えられる。蒸着源２は蒸着材料３を蒸発または昇華させるものであればよく、電子ビームに限らず、抵抗加熱、レーザー等他の加熱手段を用いてもよい。蒸着材料３には所望の成膜材料を用いればよく、図示はしないが複数の蒸着材料を備える蒸着材料供給機構を用いて蒸着源に蒸着材料を自動供給してもよい。

蒸着源２の上方には基板６が配置され、基板６は、図示しない基板保持手段により所望の角度に保持される。基板６と蒸着源２とを結ぶ直線と基板６の垂線とのなす角を入射角と定義し、基板保持手段を用いて入射角を確保することにより、配向膜に必要な角度依存性を満足させようとするものである。実施例では入射角を確保し基板６に無機配向膜を斜方蒸着するものとするが、本発明は配向膜の形成に限らず実施可能である。

図１（ｂ）は蒸着源２から見た基板６を示した図であり、蒸着源２の鉛直線ａを中心とする円周上に基板６を４枚配列するものとするが、基板枚数は適宜選択すればよい。
蒸着源２と基板６との間には、膜厚分布補正用シャッタ７が配置される。膜厚分布補正用シャッタ７は、基板６の成膜面を蒸着源２に対して遮蔽する遮蔽部材を具備し、遮蔽部材が形成する遮蔽領域を成膜中逐次変化させることにより基板の膜厚分布を調整するための機構である。図１（ｂ）および図１（ｃ）において遮蔽領域ｂは遮蔽部材が形成する遮蔽領域を示し、蒸着源２の鉛直線ａを中心とする円の半径方向に遮蔽領域ｂを移動させるものとする。半径方向の面内膜厚分布は中心側で厚く外周側で薄くなる傾向があるが、蒸着源２に対する基板の露呈時間が中心側に位置するほど短くなるように遮蔽領域ｂを移動させることで、半径方向の面内膜厚分布を均一化することが可能となる。遮蔽領域ｂは、膜厚分布補正用シャッタ７に接続する制御装置８により、予め設定されたプログラムに基づいて制御すればよい。制御装置８は各種データを記憶するメモリ（記憶手段）８１、及びプログラムや必要な演算を実行するためのプロセッサ（演算手段）８２を有する。

図２に図１に示す膜厚分布補正用シャッタ７の概略斜視図を示す。同図の膜厚分布補正用シャッタ７は、遮蔽部材である２枚のシャッタ羽１０，１１、２本の回転軸１３，１４、回転軸１３を回転自在に支持する固定軸１５、固定軸１５と回転軸１４とを連結するタイミングベルト１２、回転軸１３と回転軸１４を連結する連結駆動板１６、および、回転軸１３を回転駆動する駆動源１７により構成される。連結駆動板１６は回転軸１３およびシャッタ羽１０を固定し、回転軸１４を回転自在に支持する。また、シャッタ羽１１は回転軸１４に固定する。駆動源１７により回転軸１３を回転させると、連結駆動板１６、シャッタ羽１０、回転軸１４、および、シャッタ羽１１が回転軸１３を中心に回動し、同時にタイミングベルト１２によりシャッタ羽１１が回転軸１４を中心に回動する。

具体的には、回転軸１３を図の矢印ｃ方向に回転させると連結駆動板１６に連動して回転軸１４が図の矢印ｄ方向に回動する。固定軸１５を支点に回転軸１４が回動することによりタイミングベルト１２が回転軸１４を図の矢印ｅ方向に回転させ、シャッタ羽１１が図の矢印ｆ方向に傾倒して２枚のシャッタ羽１０，１１が折り畳まれる構成である。膜厚分布補正用シャッタを２枚のシャッタ羽により構成し、一方のシャッタ羽を可倒して収納することにより基板露出時におけるシャッタの占有面積の削減に貢献する。これにより、膜厚分布補正用シャッタ７を蒸着源２直上の限られたスペースに配置することができる。折り畳まれたシャッタ羽１０，１１を開くときは、回転軸１３を図の矢印ｃと逆方向に回転させればよい。回転軸１３の回転速度は制御装置８により制御すればよい。実施例は固定軸１５の直径を回転軸１４の２倍の長さとなるように設計することにより、回転軸１４を回転軸１３の２倍の速度で回転させ、シャッタ羽１１の傾倒速度を２倍に速めるものとするが、回転軸の直径は適宜選択すればよい。

図３は膜厚分布補正用シャッタ７の動作説明図である。図中ｇは基板方向に蒸発する蒸着材料３を示し、蒸発物質ｇの一部が膜厚分布補正用シャッタ７により遮られて膜厚分布が制御される様子を示す。（ａ）〜（ｄ）は、遮蔽領域ｂが時間経過により変化する様子を示す。
図３（ａ）は成膜開始前の様子を示し、基板６の全面が遮蔽されている。成膜開始後、図３（ｂ）から図３（ｃ）に示すようにシャッタ羽を徐々に傾倒し、基板６の成膜面を外周側から蒸着源２に露呈する。シャッタ羽が更に傾倒すると図３（ｄ）に示すように基板６の全面が蒸着源２に露呈する。

実施例は成膜開始直後に膜厚分布補正用シャッタ７を動作させて基板６の成膜面を外周側から徐々に露呈するが、成膜終了直前に膜厚分布補正用シャッタ７を（ｄ）〜（ａ）となるように上記と逆順に動作させて基板６の成膜面を中心側から徐々に遮蔽する構成としても同様の効果を得ることが可能である。

次に、膜厚分布補正用シャッタ７の具体的な制御について説明する。
先ず、膜厚分布補正用シャッタ７が遮蔽領域を形成しない状態、即ち図３（ｄ）に示す状態における基板６の面内膜厚分布を制御装置８（メモリ８１）に入力する。実施例は実際に成膜を実施した基板の面内膜厚分布を実測値として入力するものとするが、面内膜厚分布をシミュレーションし膜厚分布の理論式から算出した計算値として入力してもよい。

図４のＴ（ｌ）は、膜厚分布補正用シャッタ７が遮蔽領域を形成しない状態における基板６の面内膜厚分布の実測値を示す。横軸は基板位置ｌを表し、縦軸は膜厚を表す。図１（ｃ）を参照に、基板６の成膜面に形成する遮蔽領域ｂの移動方向における基板幅をＬ、基板位置をｌと定義する。蒸着源２の鉛直線ａから最も遠い基板端を基板位置ｌ＝０とし、鉛直線に向かう方向を正方向とした。また、Ｌ＝３００ｍｍの基板を用いた。実施例は蒸着源２の鉛直線ａを中心とする円の半径方向の膜厚分布を調整する機構であるが、膜厚分布を調整したい方向に合わせて遮蔽領域を移動させ、移動方向の面内膜厚分布を制御装置８に入力すればよい。

図４より基板位置ｌが大きくなるほど、即ち蒸着源２の鉛直線ａ側に位置するほど膜厚が大きくなっていることがわかる。ここで、図中Ｔｍにて示す様な平坦で均一な面内膜厚分布を所望する場合、図中網掛けｉにて示す薄膜を追加して堆積させる必要がある。そこで制御装置８に目標膜厚を入力し、図３（ａ）〜（ｄ）に示すように膜厚分布補正用シャッタ７を動作させる過程で網掛けｉにて示す膜を堆積させ、図３（ｄ）に示す状態にて網掛けｈにて示す膜を堆積させればよい。つまり、膜厚分布補正用シャッタが基板の成膜面の少なくとも一部を遮蔽する状態において堆積した膜厚と、膜厚分布補正用シャッタが基板の成膜面に遮蔽領域を形成しない状態において堆積した膜厚とを加算して所望の面内膜厚分布を得るものである。この際に必要とされるシャッタ７の操作量はプロセッサ８２によって算出・決定される。

具体的に、目標膜厚をＴｍとすると、基板位置ｌにおける補正膜厚Ｔｈ（ｌ）は数１で表すことができる。実施例では基板位置ｌに依存しない目標膜厚Ｔｍを設定したが、基板位置ｌに依存する場合は目標膜厚をＴｍ（ｌ）とすればよい。
（数１）
Ｔｈ（ｌ）＝Ｔｍ−Ｔ（ｌ）
Ｔ（ｌ）の最大値が目標膜厚Ｔｍとなるように成膜した際に要した成膜時間をｔ０とすると、基板位置ｌにおける実レートＥ（ｌ）は数２で表され、基板位置ｌにおいて必要な追加成膜時間ｔは数３で表すことができる。
（数２）
Ｅ（ｌ）＝Ｔ（ｌ）／ｔ０
（数３）
ｔ＝（Ｔｍ−Ｔ（ｌ））／Ｅ（ｌ）

制御装置８は予め入力された膜厚分布の実測値または計算値、および、目標膜厚値に基づいて数３に示す追加成膜時間ｔを算出し、蒸着源２に対して基板位置ｌが追加成膜時間ｔだけ露呈するように膜厚分布補正用シャッタ７を制御する。具体的に、シャッタ羽１０，１１の傾倒速度、即ち回転軸１３の回転速度を制御すればよい。

図１（ｃ）において、駆動開始前の基準位置における回転軸１３の回転中心位置をＡ、シャッタ羽１１の回転中心位置をＢ、シャッタ羽１１の先端位置をＣとし、回転軸１３が回転角度θ駆動した際のシャッタ羽１１の回転中心位置をＢ´、シャッタ羽１１の先端位置をＣ´とすると、シャッタ羽１１の先端Ｃ´の射影位置を示す基板位置ｌの大きさは蒸着源に対する基板の露呈幅に等しく、回転角度θにおける基板位置ｌは数４で表すことができる。
（数４）
ｌ＝ｆ（θ）

制御装置８は数３および数４に示す式を用いて駆動源１７の回転速度を制御すればよい。任意の基板位置ｌにおける膜厚を任意に設定することができるため、補正板の形状を変形する従来の膜厚分布補正に比して膜厚分布を自由に設定することができ、さらに微小な調整が可能となる。

次に、数３および数４に示す式を近似式に代えた制御例を説明する。例えば図５は、図１（ｃ）において、Ａ＝（２３３．５，７０４．６８）、Ｂ＝（３７２．６５，６０３．５８）、Ｃ＝（５７６．６５，５８１．５８）、回転軸１３の回転中心とシャッタ羽１１の回転中心との距離Ｒ１＝１７２、シャッタ羽１１の長さＲ２＝２０５．１８、基板６成膜面の中心位置Ｄ＝（５４６．１６，８３７．６８）、基板６の成膜面が水平面となす角度θ１＝−３３．１、Ｌ＝３００と設定し、回転角度θに対応する基板位置ｌを実際にプロットした図である。Ａ〜Ｄは蒸着源２を原点とした座標点で示している。

回転角度θと基板位置ｌの関係は図のプロットを結んだ曲線で表されるが、この曲線を基板位置ｌ＝１５０ｍｍに設けた分岐点ｊで分割し、これに最も近い直線ｋと直線ｍに置き換えて回転角度θと基板位置ｌの関係式とした。一次式に近似することにより、一定の回転速度で遮蔽領域を等速移動させることができる。数３に示す追加成膜時間ｔと基板位置ｌの関係式も基板位置ｌ＝１５０ｍｍに設けた分岐点で傾きを変更する一次式に近似すれば、シャッタの回転速度を基板位置ｌ＝１５０ｍｍで変更するのみで所望の膜厚分布を得ることができる。分岐点を設定し複数の一次式に近似して制御することで、シャッタの動作を単純化することが可能となる。精度を向上させるには分岐点の数を増やせばよい。

膜厚分布補正用シャッタ７は鉛直線ａの円周上に複数台配列するが、各々独立のプログラムに基づいて個別に動作させてよい。蒸着源から放出される蒸発物質の全方位分布は電子銃を用いた電子ビーム蒸着において特に不均一となる傾向が強く、鉛直線ａの円周上に配列した複数枚の基板を１バッチで同時蒸着すると、基板面内の膜厚分布は一様でもバッチ内の膜厚分布に差がでてしまう場合がある。そこで、例えばシャッタ動作のスタートのタイミングをずらす等で全方位分布の不均一を解消することができる。基板６の配列位置に応じて膜厚分布補正用シャッタ７を独立に制御することにより、蒸着源の影響によらずに円周上に配置した基板のバッチ内の膜厚分布を均一化することが可能となる。
また、本発明は基板サイズ、基板蒸着源間距離、および、基板入射角等の各諸条件に合わせてシャッタの動作を制御すればよいため、あらゆる成膜装置に適用可能である。

次に、膜厚分布補正用シャッタの他の実施例を示す。
図６に示す膜厚分布補正用シャッタはスライド式に駆動することを特徴とする。遮蔽部材である複数枚の遮蔽板２０を（ａ）に示すように広げた状態で遮蔽領域を形成し、（ｂ）〜（ｄ）に示すように徐々にシャッタ板をスライドさせて重ね合わせ、（ｅ）に示すように重ね合わせたシャッタ板を観音開きすることにより基板の全面を露呈する。遮蔽領域はスライドの移動距離により制御すればよい。一枚の平板により構成するとその収納スペースに問題があるが、可倒式により折り畳むことやスライド式により重ね合わせることで収納時の占有スペース削減に貢献する。

真空蒸着装置の概略垂直面図 真空蒸着装置の概略水平面図 真空蒸着装置の位置関係を表す説明図 可倒式膜厚分布補正用シャッタ概略斜視図 膜厚分布補正用シャッタ動作説明図 面内膜厚分布を示す図 回転角度と基板位置相関図 スライド式膜厚分布補正用シャッタ動作説明図

符号の説明

1 真空槽
2 蒸着源
3 蒸着材料
4 電子銃
5 シャッタ
6 基板
7 膜厚分布補正用シャッタ
8 制御装置
10 シャッタ羽
11 シャッタ羽
12 タイミングベルト
13 回転軸
14 回転軸
15 固定軸
16 連結駆動板
17 駆動源
20 遮蔽板
81 メモリ
82 プロセッサ

Claims (4)

1. 真空槽内に、基板の保持手段と蒸着源とを備える真空成膜装置であって、
   さらに、該基板の成膜面に該蒸着源に対する遮蔽領域を形成する少なくとも１つの遮蔽部材、該遮蔽部材の駆動源、および、該駆動源の制御装置を備え、
   該制御装置が、該遮蔽部材が前記遮蔽領域を形成しない状態における該基板の面内膜厚分布の実測値または計算値および該基板の面内膜厚分布の目標値を予め記憶しておく記憶手段、並びに、該記憶手段に入力された各値に基づいて、該基板上の各点の位置（以下、「基板位置」という）に対応する成膜時間を算出し、該成膜時間に基づいて該駆動源の操作量を決定する演算手段からなり、
   該駆動源が該操作量に基づいて前記遮蔽領域の位置を移動させて所望の面内膜厚分布を得るよう構成され、
   該遮蔽部材各々が折りたたみ可能な２枚のシャッタ羽により構成され、少なくともいずれか一方のシャッタ羽が可倒して収納されることを特徴とする真空成膜装置。
   
2. 請求項１記載の真空成膜装置であって、
   該遮蔽部材が前記遮蔽領域を形成しない状態において該基板面に堆積した膜厚と、該遮蔽部材が該基板の少なくとも一部に前記遮蔽領域を形成する状態において該基板面に堆積した補正膜厚とを合計して堆積させて所望の面内膜厚分布を得るために、
   前記演算手段が、基板位置に対応するレートの実測値または計算値から、目標とする補正膜厚値となるまでに必要な追加成膜時間を基板位置に対応させて算出するよう構成されたことを特徴とする真空成膜装置。
   
3. 請求項１又は２記載の真空成膜装置において、
   該蒸着源の鉛直線を中心とする円周上に配列された該基板に対して、前記遮蔽領域が前記円周の半径方向に連続的に移動するように該駆動源が制御されて前記円周の半径方向の面内膜厚分布が補正されることを特徴とする真空成膜装置。
   
4. 請求項１記載の真空成膜装置において、
   前記遮蔽部材各々が、前記駆動源に取り付けられる第１の回転軸、該第１の回転軸に固定される第１のシャッタ羽、該第１の回転軸を回転自在に保持する固定軸、該第１の回転軸に連結部材を介して該連結部材に対して回転自在に保持される第２の回転軸、該固定軸と該第２の回転軸とを連結するタイミングベルト、および該第２の回転軸に固定される第２のシャッタ羽を備え、該遮蔽部材各々が、
   前記駆動源を駆動することにより、
   該第１の回転軸を中心に、該第１のシャッタ羽、該第２の回転軸、および、該第２のシャッタ羽が一体となって回転され、
   該第２の回転軸を中心に、該第２の回転軸、および、該第２のシャッタ羽が一体となって回転され、
   該第２のシャッタ羽が該第１のシャッタ羽方向に傾倒されるように構成されたことを特徴とする真空成膜装置。

Images