JP5535016B2 - 真空蒸着装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば基板の表面に金属材料、有機材料などの蒸着材料を蒸着させるための真空蒸着装置に関するものである。

例えば、有機ＥＬ材料を用いたパネルディスプレイは、有機材料などの蒸着材料がガラス基板などの被蒸着部材に蒸着されることにより形成されている。
通常、蒸着材料は坩堝で加熱され、この蒸発した蒸着材料は真空容器内に導かれるとともに当該真空容器内に配置されたガラス基板など被蒸着部材の表面に放出されて、蒸着（所謂、成膜）が行われている。

このような真空蒸着装置では、製品の品質向上のためにも、ガラス基板の表面に形成する膜厚の均一性が要求されている。特に、坩堝とガラス基板との間隔が十分でない場合には、ガラス基板の表面に放出する蒸発材料（蒸発させた蒸着材料）の指向性を弱めることが、膜厚の均一性向上のために必要とされる。

このように蒸発材料の指向性を弱めることで膜厚を均一にし得る真空蒸着装置として、蒸発材料を均一に拡散する拡散容器を有し、この拡散容器から蒸発材料を放出するノズルの先端部に、ノズル先端の開口部よりも十分に小径のオリフィスを有するものがある。このような真空蒸着装置では、最適な径のオリフィスを選択するため、異なる径のオリフィスを有するオリフィス部材に何度もオリフィス部材を交換する必要があり、オリフィス部材を交換しやすい構造が要求される。したがって、オリフィス部材をノズル先端部に被せるキャップ式とすることで、この要求を満たす構成が開示されている（特許文献１参照）。

特開２００６−２２５７２５号公報

ところで、上記特許文献１に記載の真空蒸着装置では、ノズルの先端部に外ねじが形成されるとともに、このノズル先端部に被せるキャップの内周面に内ねじが形成されており、このキャップを周方向に回転させてノズル先端部に固定する。

上記真空蒸着装置では、これらねじ部による隙間が生じるが、真空（負圧）状態で隙間は熱伝達率が低いので、オリフィス部材など上記ねじ部による隙間周辺では、他の箇所ほど温度が上昇しない。このため、オリフィス部材の周辺で蒸発材料が冷却されて蒸着材料が付着し、オリフィスを塞ぐという問題があった。

そこで、本発明は、蒸発材料の指向性を弱めるとともに、オリフィスが塞がれることなく、安定して均一な膜厚の蒸着膜を生成し得る真空蒸着装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係る真空蒸着装置は、蒸着材料を加熱して蒸発材料を得るための蒸発源と、この蒸発源で得られた蒸発材料を拡散し得る拡散容器と、この拡散容器に設けられて放出口から蒸発材料を被蒸着部材に向かって放出する放出用ノズルと、この被蒸着部材が内部に配置されて負圧下で蒸着を行う蒸着用容器とを具備する真空蒸着装置であって、
放出用ノズルの内径を拡大することで形成されるとともに放出口に対向する内壁段差を有し、
この内壁段差に配置されて放出用ノズルの内径よりも小径の絞り口が形成された絞り板と、この絞り板を上記内壁段差とで挟むように配置された止め具とを具備し、
内壁段差から放出口まで放出用ノズルの内径を連続的に縮小して形成された傾斜部を有し、
止め具が、この傾斜部に接するものである。

さらに、本発明の請求項２に係る真空蒸着装置は、請求項１に記載の真空蒸着装置において、絞り板の外径が、絞り板が配置された箇所での放出用ノズルの内径よりも小さく、放出口の内径よりも大きいものである。

また、本発明の請求項３に係る真空蒸着装置は、請求項１または２に記載の真空蒸着装置において、放出口の面と傾斜部とがなす角度をθ（ラジアン）とし、傾斜部と止め具との静摩擦係数をμとすると、
ｔａｎ（π／２−θ）＞μ
の関係を満たしているものである。

また、本発明の請求項４に係る真空蒸着装置は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の真空蒸着装置において、絞り板の本体が銅で形成されるとともに、絞り板の表面がニッケルまたはクロムで形成されているものである。

また、本発明の請求項５に係る真空蒸着装置は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の真空蒸着装置において、内壁段差に接する絞り板の面が、鏡面状であるものである。

上記真空蒸着装置によると、蒸発材料の温度低下の原因となる隙間の発生を防止して絞り口に蒸着材料を付着させず、また、絞り板で蒸発材料の指向性を弱めることから、安定して均一な膜厚の蒸着膜を生成することができる。

本発明の実施例に係る真空蒸着装置の概略構成を示す断面図である。 同真空蒸着装置における放出部の分解斜視図である。 同真空蒸着装置における放出部の平面図である。 図３のＡ−Ａ断面図である。 図４の要部拡大断面図である。

以下、本発明の実施例に係る真空蒸着装置を、図１〜図５に基づき説明する。
図１に示すように、この真空蒸着装置１は、被蒸着部材である基板Ｋを保持する保持具７が内部の上壁部に設けられた蒸着用容器２と、この蒸着用容器２の内部に配置されて蒸着により基板Ｋに蒸着膜を生成する蒸着ユニット３と、この蒸着ユニット３による蒸着を制御する制御装置４とから構成される。なお、図示しないが、蒸着用容器２には、基板Ｋなどを交換するために側壁部に形成された開口部と、この開口部を開閉する開閉機構と、蒸着用容器２内を負圧（所定の真空度であり、例えば１．３３×１０^−３［Ｐａ］以下）にする真空ポンプとが具備されている。

さらに、上記蒸着ユニット３は、内部に充填された蒸着材料Ｌを図示しない加熱装置により加熱する蒸発容器（蒸発源の一例である）１１と、この蒸発容器１１を内部に収容する蒸発室１２と、蒸発容器１１からの蒸発材料（蒸発した蒸着材料Ｌをいう）を拡散容器２１（後述する）に導くために蒸発室１２の上端から鉛直に設けられた連通管１３と、この連通管１３に設けられて連通管１３内を通過する蒸発材料の流量を調整する流量調整弁１４と、この流量調整弁１４の開度を調整するバルブ駆動機構１５と、上記連通管１３の上端に設けられるとともに当該連通管１３を介して蒸発容器１１から導かれた蒸発材料を均一に拡散し上方の基板Ｋに向かって放出する拡散容器２１とを具備する。また蒸着ユニット３は、上記拡散容器２１と保持具７との間に配置されて当該蒸着ユニット３からの蒸発材料を必要に応じて遮るシャッター装置１７と、上記蒸着用容器２の内部の側壁部に配置されて基板Ｋに生成した蒸着膜の厚さを計測する膜厚センサ１６とを具備する。なお、シャッター装置１７は、保持具７の下方に水平に配置されて基板Ｋを下方から覆う遮蔽板１８と、この遮蔽板１８の外縁近くの下面から垂直（すなわち鉛直）に取り付けられて当該遮蔽板１８を支持するとともに回転させることで蒸発材料の遮断／非遮断を切り換え得る回転軸１９と、この回転軸１９を駆動する駆動部（図示しないが、例えばモータなどである）とから構成される。

上記拡散容器２１は、連通管１３から導かれた蒸発材料を均一に拡散する容器本体２２と、この容器本体２２の上端面に取り付けられて拡散した蒸発材料を放出する複数の放出部３１とから構成される。また容器本体２２は、蒸発材料を拡散するため内部に形成された拡散用空間２３と、下端面で連通管１３に接続されて蒸発材料を拡散用空間２３に導く下部連通口２４と、上端面に複数形成されて放出部３１と接続される上部連通口２５を有する。

以下に、本発明の要旨である放出部３１について詳細に説明する。
放出部３１は、図１〜図５に示すように、上記容器本体２２の上部連通口２５と接続されて拡散用空間２３の蒸発材料を先端（上端）の放出口３３から当該蒸発材料を基板Ｋに向かって放出する円筒形状の放出用ノズル３２と、この放出用ノズル３２の先端部（上端部）に配置されて放出用ノズル３２内の蒸発材料を絞ってから放出するオリフィス板（絞り板の一例であり図３および図４参照）３６と、このオリフィス板３６を上記放出用ノズル３２の先端部に固定するＣ形止め輪（止め具の一例である）３８とから構成される。

また、放出用ノズル３２の先端部は、図２および図５に示すように、当該放出用ノズル３２の内径を拡大することで形成されるとともに放出口３３に対向する内壁段差３４と、この内壁段差３４から放出口３３までの全部または一部において（図示では例として一部）放出用ノズル３２の内径を連続的に縮小して形成されたテーパ部（傾斜部の一例である）３５とを有する。上記内壁段差３４は、放出口３３と平行（すなわち水平）の円環状の段差であり、オリフィス板３６を載置して、当該オリフィス板３６の外縁部を支持するものである。また、テーパ部３５の角度は、テーパ部３５とＣ形止め輪３８との材質により決定されるものである。具体的に説明すると、放出口３３とテーパ部３５とがなす角度をθ［ラジアン］とし、テーパ部３５とＣ形止め輪３８との静摩擦係数をμとすると、下記式（１）の関係を満たしている。

ｔａｎ（π／２−θ）＞μ・・・・・（１）
したがって、例えばテーパ部３５およびＣ形止め輪３８がいずれもステンレス製であれば、μは約０．６であるから、上記式（１）により、θ＜約１．０３［ラジアン］（約５９度）である。

一方、上記オリフィス板３６は、その外縁部で上述の通り内壁段差３４で支持されるとともに、中央部で放出用ノズル３２の内径よりも小径のオリフィス（絞り口の一例であり図２参照）３７を形成した、厚さ０．１ｍｍ程度の円環状の薄板である。また、図５に示すように、放出用ノズル３２の内部にある内壁段差３４にオリフィス板３６が配置されていることから、当然ながらオリフィス板３６の外径Ｄ３６は、オリフィス板３６が配置された箇所での放出用ノズル３２の内径Ｄ３４よりも小さい。さらに、このオリフィス板３６の外径Ｄ３６は、オリフィス板３６と内壁段差３４との接触面積を十分に確保して隙間の発生を防止するため、放出口３３の内径Ｄ３３よりも大きい。ここで、上記オリフィス板３６は、高い熱伝導性および強度を確保するため、熱伝導率が高い材質である銅により本体が形成されており、強度の高い材質であるニッケル、または放射率が高く耐熱性の高い材質であるクロムにより表面（上下面）が形成されている。これらオリフィス板３６の上下面のうち、少なくとも下面（内壁段差３４に接する面）は、オリフィス板３６の熱を放出用ノズル３２の内部に放射して保温効果を向上させるため、鏡面状に形成されている。

また、Ｃ形止め輪３８は、図２および図３に示すように、オリフィス板３６の上側に配置されて当該オリフィス板３６を保持するＣ字形状の止め具（押さえ具）である。具体的には図５に示すように、オリフィス板３６を、下側からは内壁段差３４で、上側からはＣ形止め輪３８で、挟むように配置されている。このＣ形止め輪（例えばＪＩＳ Ｂ２８０４）３８のＣ字形状の中央部にある開口（図２参照）３９の内径は、オリフィス３７を通過した蒸発材料の流動を妨げないためにも、オリフィス３７より大径である。さらに、このＣ形止め輪３８は、図５に示すように、上面側の外周縁でテーパ部３５と接しており、下側のオリフィス板３６を内壁段差３４へ押し付けて保持するように配置されている。

ところで、図１に示す上記制御装置４は、膜厚センサ１６に接続されて基板Ｋに生成した膜厚を検出する膜厚検出部４１と、膜厚検出部４１で検出された膜厚に基づき最適な蒸着速度を算出する演算部４２と、演算部４２で算出した蒸着速度となるように流量調整弁１４の開度をバルブ駆動機構１５により調整する開度調整部４３とを具備する。

以下に、上記真空蒸着装置１における作用について説明する。
まず、蒸発材料の指向性を弱める最適な径のオリフィス３７を有するオリフィス板３６を、事前に選定しておく。

そして、図２に示すように、放出用ノズル３２の先端部には、放出口３３からオリフィス板３６を入れて内壁段差３４に載置し、このオリフィス板３６の上側にＣ形止め輪３８を配置して、オリフィス板３６を保持する。一方、図１に示すように、基板Ｋを蒸着用容器２に開口部から入れて、この基板Ｋを保持具７に保持させ、蒸発容器１１には蒸着材料Ｌを充填する。

その後、真空ポンプで、蒸着用容器２内を負圧、すなわち所定の真空度（例えば１．３３×１０^−３［Ｐａ］以下）にする。
次に、加熱装置により蒸発容器１１に充填した蒸着材料Ｌを加熱して蒸発させる。蒸発した蒸着材料Ｌ、すなわち蒸発材料は、蒸発容器１１から連通管１３を介して拡散容器２１の拡散用空間２３に導かれる。この拡散用空間２３では、蒸発材料が均一に拡散され、さらに複数の放出用ノズル３２を介して各放出口３３から基板Ｋに向かって放出される。このとき、放出用ノズル３２の先端部では、高温の蒸発材料に加熱されたＣ形止め輪３８が熱膨張により拡径しようとするが、上面側の外周縁がテーパ部３５に接しているため、拡径せずにＣ形止め輪３８がテーパ部３５を押すことになる。一方、図５に示すように、Ｃ形止め輪３８も反作用による力Ｒおよび静止摩擦力Ｆ（＝μ×Ｒ）の合力ＲＦをテーパ部３５から受けるが、この合力ベクトルＲＦは、上記式（１）を満たす限り、下方且つＣ形止め輪３８の中心に向く。したがって、Ｃ形止め輪３８によりオリフィス板３６は内壁段差３４に押し付けられる。この押付力と、オリフィス板３６と内壁段差３４との十分な接触面積により、オリフィス板３６と内壁段差３４とで隙間の発生が防止される。

このため、熱伝達を妨げる要因となる隙間が発生せず、さらに、オリフィス板３６の本体が熱伝導性の高い材質である銅で形成されているので、オリフィス板３６周辺での温度低下が生じにくい。また、オリフィス板３６の下面が鏡面状のため、オリフィス板３６の熱が放出用ノズル３２内に放射されて保温効果が向上する。

したがって、蒸発材料は、オリフィス板３６周辺で冷却されずに放出口３３から放出され、基板Ｋに到達して蒸着が行われる。一方、基板Ｋに生成した蒸着膜の膜厚は、膜厚センサ１６で計測されるとともに、制御装置４の膜厚検出部４１で検出される。そして、制御装置４では、演算部４２により最適な蒸着速度が算出され、この蒸着速度となるように、開度調整部４３によりバルブ駆動機構１５を介して流量調整弁１４を最適な開度に調整する。その後、所望の膜厚の蒸着膜が得られると、シャッター装置１７により蒸発材料を遮るとともに、流量調整弁１４を閉じて蒸着を停止し、蒸着用容器２の開口部から基板Ｋを取り出す。

このように、保温効果が向上するとともに、オリフィス板３６周辺で温度低下が生じにくいので、蒸発材料がオリフィス板３６周辺で冷却されず、オリフィス板３６周辺に蒸着材料Ｌが付着することを防ぐことができる。また、放出口３３の内径Ｄ３３はオリフィス板３６の外径Ｄ３６よりも小さいが、薄板のオリフィス板３６を撓ませて放出口３３から挿入し内壁段差３４に配置できるため、オリフィス板３６の交換を容易に行うことができる。

ところで、上記実施例では、Ｃ形止め輪３８はＪＩＳ規格品として説明したが、これに限定されるものではなく、ＪＩＳ規格品でなくてもよい。

Ｋ 基板
Ｌ 蒸着材料
１ 真空蒸着装置
２ 蒸着用容器
３ 蒸着ユニット
７ 保持具
２１ 拡散容器
２２ 容器本体
２３ 拡散用空間
２４ 下部連通口
２５ 上部連通口
３１ 放出部
３２ 放出用ノズル
３３ 放出口
３４ 内壁段差
３５ テーパ部
３６ オリフィス板
３８ Ｃ形止め輪

Claims (5)

1. 蒸着材料を加熱して蒸発材料を得るための蒸発源と、この蒸発源で得られた蒸発材料を拡散し得る拡散容器と、この拡散容器に設けられて放出口から蒸発材料を被蒸着部材に向かって放出する放出用ノズルと、この被蒸着部材が内部に配置されて負圧下で蒸着を行う蒸着用容器とを具備する真空蒸着装置であって、
   放出用ノズルの内径を拡大することで形成されるとともに放出口に対向する内壁段差を有し、
   この内壁段差に配置されて放出用ノズルの内径よりも小径の絞り口が形成された絞り板と、この絞り板を上記内壁段差とで挟むように配置された止め具とを具備し、
   内壁段差から放出口まで放出用ノズルの内径を連続的に縮小して形成された傾斜部を有し、
   止め具が、この傾斜部に接することを特徴とする真空蒸着装置。
2. 絞り板の外径が、絞り板が配置された箇所での放出用ノズルの内径よりも小さく、放出口の内径よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の真空蒸着装置。
3. 放出口の面と傾斜部とがなす角度をθ（ラジアン）とし、傾斜部と止め具との静摩擦係数をμとすると、
   ｔａｎ（π／２−θ）＞μ
   の関係を満たしていることを特徴とする請求項１または２に記載の真空蒸着装置。
4. 絞り板の本体が銅で形成されるとともに、絞り板の表面がニッケルまたはクロムで形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の真空蒸着装置。
5. 内壁段差に接する絞り板の面が、鏡面状であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の真空蒸着装置。

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