JP6008321B2 - 蒸着用シャッター装置及びこれを用いた成膜装置 - Google Patents

Description

本発明は、成膜装置に用いて好適な、真空環境下で作動する蒸着用シャッター装置に関する。特に成膜装置が、例えば半導体ウェハに薄膜を蒸着して半導体素子を製造し、基板上に有機化合物の蒸着膜を形成して有機ＥＬ素子を製造する用途である場合に用いて好適な、シャッターが高速で開閉動作を行えるように構成した蒸着用シャッター装置に関する。

従来、基板上に有機化合物の蒸着膜を蒸着する場合には、例えば特許文献１に示すような装置が提案されており、蒸着する元素や化合物毎に蒸着源ホルダを設けると共に、この蒸着源ホルダの蓋側に開閉式シャッターが設けられている。また、特許文献２では、真空チャンバーの内部にクヌーセンセル（Ｋｎｕｄｓｅｎ ｃｅｌｌ）を設けて、金属であるコバルトを基板に蒸着することが行われている。
上述の成膜装置に用いられる蒸着用シャッター装置は、真空環境下において一枚の板状のシャッター板を移動させて、クヌーセンセルや坩堝の開口部を覆う状態と開けた状態と造り出すものであった。

しかしながら、例えば本発明者らの提案にかかる特許文献３に示すようなコンビナトリアル成膜装置に、従来のシャッター板をもちいると、射出物質（例えば分子ビーム）などを高速に遮蔽―射出制御することが困難であるという課題を生じていた。そのため、クヌーセンセルなどから蒸発されられた分子などの蒸着量を高精度で制御することはできなかった。
即ち、コンビナトリアル成膜装置では、膜を構成する物質の組成比率を傾斜的に変化させて、目的とする製品に対して最適な組成となる比率を探索する関係で、特定の膜構成物質の組成比率の箇所はごく一部しか存在しない。そこで、コーティング膜の構成物質の位置を的確に把握する為には、射出物質の遮蔽―射出制御を高速化することが、構成物質の最適組成比率の探索にとって重要な要素となる。

また、シャッター速度が遅い場合には、分子等の射出レートを減らせば堆積量の高精度制御が可能であるが、この場合には、デバイス等で必要な厚さの多層膜、多元複合材料膜等の創製を現実的な時間で行うことは不可能であるという課題を生じていた。

特開２００３−３１３６５４号公報 特開２０１０−２２２６４６号公報 特開２００５−３２０５９０号公報

本発明は、上述した課題を解決するもので、真空環境下で、クヌーセンセルなどから蒸発する分子等のビームを高速・高精度で遮蔽―射出を制御し、所望の薄膜、多層膜や多元複合材料膜等の創製が可能な蒸着用シャッター装置及びこれを用いた成膜装置を提供することを目的とする。

本発明の蒸着用シャッター装置は、例えば図２、図３に示すように、真空中で蒸発源２０より発生する粒子流を制御する蒸着用シャッター装置３０であって、蒸発源２０を覆う状態に装着されると共に、中央部に開口部を有する筐体部３２と、筐体部３２の中央部に設けられたシャッター部材４０であって、少なくとも２枚以上の羽根部により前記開口部を全閉した状態と全開した状態の少なくとも一方の姿勢を有するシャッター部材４０と、シャッター部材４０の開閉状態と連動する開閉状態操作部４４と、開閉状態操作部４４の開閉状態を操作する開閉状態駆動部５０とを備えると共に、開閉状態操作部４４は、一端が筐体部３２に固定され、他端が開閉状態駆動部５０と歯合する可動側半円形歯車部であることを特徴とする。

このように構成された蒸着用シャッター装置において、蒸発源２０は蒸着用の粒子流を供給するもので、例えばクヌーセンセルやスパッタガンが用いられる。筐体部３２は、蒸発源２０を覆う状態に装着されると共に、中央部に開口部を有している。シャッター部材４０は、筐体部３２の中央部に装着されるものであって、少なくとも２枚以上の羽根部により筐体部の開口部を全閉した状態と全開した状態の少なくとも一方の姿勢を有する。筐体部の開口部からは、蒸発源２０からの蒸着用の粒子流が噴出する。開閉状態操作部４４は、シャッター部材４０の開閉状態と連動するもので、例えば可動側半円形歯車部が用いられる。開閉状態駆動部５０は、開閉状態操作部４４の開閉状態を操作するもので、例えば駆動側歯車部とモーターが用いられる。

本発明の成膜装置は、例えば図３に示すように、単一の蒸発源２０と、当該蒸発源２０のオリフィスの中心軸と、上述の蒸着用シャッター装置３０の開口部中心とが同一軸上になるように配置されたことを特徴とする。このように構成された成膜装置においては、基板に対して単一成分からなる薄膜の作製を目的とする場合に適している。

本発明の成膜装置は、例えば図１に示すように、直線上または円周をなすように配置された複数個の蒸発源２０と、当該蒸発源２０と一対一に装着される上述の蒸着用シャッター装置３０とを備え、蒸発源２０のオリフィスの中心軸と、蒸着用シャッター装置３０の開口部中心とが同一軸上になるように配置されたことを特徴とする。このように構成された成膜装置においては、基板に対して多層膜や多元複合材料膜の製造を目的とする場合に適している。

本発明の蒸着用シャッター装置を使用すれば、蒸発源のオリフィスに付けて、例えば１／１０００秒〜１／１００秒程度の超高速でシャッター開閉を実行することができ、射出量の制御された分子等の物質を複数種類について時間を区分して堆積させることが可能となる。
本発明の成膜装置を使用すれば、従来装置と比較して短時間で実用的な、膜厚のデバイスを創製することが可能となる。

本発明の蒸着用シャッターが装着される成膜装置の概略構成図である。 本発明の一実施の形態を説明する蒸着用シャッター装置の全体正面図である。 図２の蒸着用シャッター装置をクヌーセンセルの頂部に装着する状態を説明する側面図である。 本発明の一実施の形態である絞り径可変のシャッター部材の正面図で、絞り開口が大きく開いた状態を示している。 図４の装置で、絞り開口が小さくなった状態を示している。 図４、図５に示したシャッター部材を構成する１枚のシャッター羽根を示した説明図である。 図４の装置で、絞り開口が閉じた状態の斜視図である。 本発明の第２の実施形態である絞り径可変のシャッター部材の部品構成図である。 図８のシャッター部材の要部を組み立てた状態での動作説明図である。

[実施例]
以下、図面を用いて本発明を説明する。
図１は、本発明の蒸着用シャッターが装着される成膜装置の概略構成図で、例えばコンビナトリアル成膜装置、半導体ウェハを用いた半導体素子、有機ＥＬ素子の製造装置等として用いられる。

図１に示すように、この成膜装置１０にあっては、真空チャンバー１２の下部にクヌーセンセル２０が成膜すべき成分数に応じて適宜の数だけ配設されるとともに、このクヌーセンセル２０の上方に成膜対象物である基板１４が配置されている。基板１４には、シリコンウェハやガラス基板が用いられる。真空チャンバー１２では、アルゴンガスのような不活性ガスが、例えば０．１３Ｐａ（０．００１Ｔｏｒｒ）程度で存在する真空度となっている。蒸着用シャッター３０は、各クヌーセンセル２０の頂部に設けられるもので、全開状態と全閉状態の二つの状態をとると共に、好ましくは絞り機能を設けて、開度を調整できるようにしてもよい。

クヌーセンセル２０は、ルツボ内の原料をヒーターによって加熱・蒸発させることで、基板に分子線エピタキシー（Molecular Beam Epitaxy : ＭＢＥ）蒸着させるための分子線セルである。クヌーセンセル２０では、温度や原料、用途によって、ルツボ材質、ヒーター材質を選択する。ルツボ材質には、ＰＢＮ(高純度窒化ホウ素)や石英などがある。ヒーター材質には、タングステンやタンタルなどがある。

なお、クヌーセンセル２０に代えてスパッタガンを用いても良い。スパッタガンでは、マグネトロンスパッタ装置やイオンビームスパッタ法が用いられている。ここで、スパッタリングとは、ターゲット（物質）にアルゴンガスなどの不活性な物質を高速で衝突させる場合に、アルゴンガスがターゲット表面で原子や分子と衝突し、ターゲットを構成する原子や分子が叩き出される過程をいう。

このように構成された装置においては、クヌーセンセル２０から分子ビームとして供給される蒸着材料を、蒸着用シャッター３０を介して基板１４に蒸着させることによって所定パターンの有機薄膜を形成するようになっている。蒸着用シャッター３０を開閉することで、真空チャンバー１２内への分子ビームの噴出を抑制でき、成膜する基板１４の交換時やクヌーセンセル２０の交換時における真空チャンバー１２内の蒸着物質による汚染を防止している。

図２は本発明の一実施の形態を説明する蒸着用シャッター装置の全体正面図である。図において、蒸着用シャッター装置３０は、筐体部３２、セル装着部３４、３６、円環状カバー部３８、シャッター部材４０、カバー部固定部４２、開閉状態操作部としての可動側半円形歯車部４４、可動側歯部４６、モーターブラケット４８、開閉状態駆動部としての駆動側歯車部５０を有している。

筐体部３２は、大略箱形状をしているが、四隅の角が取り除いてあると共に、中央部にクヌーセンセル２０の頂部を覆うような開口部が設けてある。筐体部３２には、中央部にシャッター部材４０が取り付けられると共に、図３に示すように、クヌーセンセル２０の頂部に対して蓋状に取り付けられる。セル装着部３４、３６は、筐体部３２に取り付けられたねじを有するもので、当該ねじはクヌーセンセル２０の頂部に対して直交する二方向に設けられている。

円環状カバー部３８は、シャッター部材４０のシャッター羽根を収容する部材である。カバー部固定部４２は、円環状カバー部３８を筐体部３２に固定するもので、半円形のリング形状をしている。可動側半円形歯車部４４は、一端が筐体部３２に固定され、他端が駆動側歯車部５０と歯合している。可動側歯部４６は、可動側半円形歯車部４４の外周面に設けられるもので、駆動側歯車部５０の歯と歯合している。モーターブラケット４８は、筐体部３２の外側に固定されたもので、併せて駆動側歯車部５０が取り付けてある。モーターを用いて駆動側歯車部５０を駆動すると、半円形歯車部４４は矢印Ａ方向に回動する。

図３は、図２の蒸着用シャッター装置をクヌーセンセルの頂部に装着する状態を説明する側面図である。モーターブラケット４８には、内部にモーターが装着されており、外部電源５２と接続する二本の電線５４が設けてある。

クヌーセンセル２０には、内部にるつぼ２２が装着されていると共に、真空チャンバー１２に装着するための円管状の本体部２４が設けてある。るつぼ２２の内径Φ２は、例えば２０−３０ｍｍ程度である。クヌーセンセル２０の外形Φ１は、例えば３５−５０ｍｍ程度である。筐体部３２のクヌーセンセル装着側の開口部の内径は、クヌーセンセル２０の外形Φ１に見合う値となっている。

このように構成された装置においては、蒸着用シャッター装置３０をクヌーセンセル２０の頂部近傍に位置決めして、図３の矢印Ｂ方向に移動させて、セル装着部３４、３６で取り付ける。蒸着用シャッター３０の開閉動作は、駆動側歯車部５０を駆動して半円形歯車部４４を移動させることで、円環状カバー部３８を筐体部３２に対して回転させることで、シャッター部材４０の開閉動作を行わせる。駆動側歯車部５０の停止位置を制御することで、シャッター部材４０の開閉状態を適宜の開度に保持できる。これにより、クヌーセンセル２０から放出される分子ビームの噴出量を制御できる。

続いて、シャッター部材の詳細を説明する。図４は本発明の一実施の形態である絞り径可変のシャッター部材の正面図であり、絞り開口が大きく開いた状態を示している。図５は図４と同じシャッター部材の正面図であり、絞り開口が小さくなった状態を示している。図６は図４、図５に示したシャッター部材を構成する１枚のシャッター羽根を示した説明図である。図７は図４の装置で、絞り開口が閉じた状態の斜視図である。この実施形態では、特に高速の開閉動作に適したシャッター羽根を示している。

図中、シャッター部材４０は、複数枚のシャッター羽根４００の開閉によって開口径が可変のシャッター部材である。支持孔４０２は、シャッター羽根４００の回転中心である。作動孔４０４は、支持孔４０２を中心に軌道４０６でシャッター羽根４００が回転することにより、絞りの開閉を行う。軌道４０６は、支持孔４０２とし、半径を支持孔４０２と作動孔４０４との距離とするもので、円軌道をしているが、構造的な制限により６０度乃至１２０度の範囲をシャッター羽根４００の可動域とする。開口部４１は、絞り部材４０の絞り開口部である。

羽根部４０８はクヌーセンセルから放射される分子ビームを遮蔽するもので、絞り開口４１の外側に位置する側の縁部が凹状に湾曲しており、他方の側に位置する縁部が凸状に湾曲している。羽根部４０８は、例えば１／５００秒〜１／５０秒程度の高速動作が可能であると共に、羽根部４０８の表面に蒸着物質が蒸着しても、隣接する羽根部によって剥離してクヌーセンセル側に落下できる構造が良い。そこで、羽根部４０８には、例えば軽量材料であるジュラルミンやチタン合金を用いると共に、この表面には蒸着物質が蒸着しても剥離しやすいように滑動層を形成するとよい。

羽根部４０８は、厚みを例えば１００μｍから２５０μｍ程度にすると、軽量で高速動作が可能であり、且つ隣接した羽根部に堆積した蒸着物質を掻き落すのに必要な剛性を備えていて、バランスがよい。羽根部４０８は、厚みが２５０μｍを超えると重量が重くなって高速動作に支障を生じる。また、羽根部４０８は、厚みが１００μｍ未満だと、剛性が低下して隣接した羽根部に堆積した蒸着物質を掻き落す際に、変形して爾後の動作に支障を生じる。

このようなシャッター羽根４００を複数、例えば２枚から１０枚程度用いることにより、蒸着用シャッター装置３０の開閉動作が高速に行える。シャッター羽根の枚数は、１枚だと一枚当たりの移動範囲が広くなって高速動作に支障を生じる。シャッター羽根の枚数は、１０枚を超すと枚数が増加して構造が複雑になると共に、一枚の羽根部の動作不良が全体の動作不良に繋がり、信頼性が低下する。

次に、シャッター部材の第２の実施形態を説明する。図８は本発明の第２の実施形態である絞り径可変のシャッター部材の部品構成図で、（Ａ）は開閉操作レバー４６、（Ｂ）は円環状カバー部４８、（Ｃ）はシャッター羽根４７を示している。この実施形態では、特にシャッター部材の絞り状態を詳細に調整するのに適したシャッター羽根を示している。

図８（Ａ）において、開閉操作レバー４６は、レバー部４６２とリング部４６６を有している。レバー部４６２は、シャッター羽根４７の可動範囲内で動作するように、矢印Ｃ方向の前後方向に操作可能である。レバー先端穴４６４は、レバー部４６２の先端側に設けられたもので、構造的に可動側半円形歯車部４４と一体化できる。リング部４６６は、レバー部４６２の他端に設けられた円環状の部材で、内周面に沿って一定間隔にガイド穴４６８が設けてある。

シャッター羽根４７は、図８（Ａ）、（Ｃ）に示すように、弧状の板材で、一端側に支持孔４７２が設けられ、他端側に作動孔４７４が設けられている。シャッター羽根４７では、支持孔４７２と作動孔４７４とが、リング部４６６の対応するガイド穴４６８に図示しないピン等を用いて装着されるもので、例えば６枚から１２枚程度が装着されている。レバー部４６２が矢印Ｃ方向に操作されると、個別のシャッター羽根４７は矢印Ｄ方向に移動する。シャッター羽根４７の全体で、シャッター部材の開口部が形成される。

円環状カバー部４８は、図８（Ｂ）に示すように、管状部４８２、ストッパ部４８４、開口部４８６、位置選択部４８８が設けられている。管状部４８２は、リング部４６６に取り付けるための形状を有しており、ここでリング部４６６は所定枚数のシャッター羽根４７が装着された状態である。ストッパ部４８４は、レバー部４６２の操作範囲を定めるもので、管状部４８２に形成されている。開口部４８６は、複数枚のシャッター羽根４７の開閉によって開口径が可変となる形状となっている。位置選択部４８８は、ストッパ部４８４の位置を選択的に定めるための穴が一定間隔で複数個設けられたもので、円環状カバー部４８に形成されている。

このように構成されたシャッター部材の動作を説明する。
図９は、図８のシャッター部材の要部を組み立てた状態での動作説明図で、（Ａ）は開閉操作レバー４６の位置が０°の場合、（Ｂ）は４５°の場合、（Ｃ）は９０°の場合の、シャッター部材の絞り状態を示している。なお、可動側半円形歯車部４４等は省略してある。
開閉操作レバー４６の位置が０°の場合には、シャッター部材の絞り状態は全閉状態となっている。開閉操作レバー４６の位置が４５°の場合には、シャッター部材の絞り状態は半開状態となっている。開閉操作レバー４６の位置が９０°の場合には、シャッター部材の絞り状態は全開状態となっている。
開閉操作レバー４６の位置は、０°から９０°の範囲で連続的に可変であり、駆動側歯車部５０を駆動して適宜の位置に保持することで、シャッター部材の絞り状態を自由に選択できる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、各種の変形実施例が可能である。例えば、シャッター部材として、開閉動作を高速化した態様と、開閉範囲を精密に調整できる態様とを示しているが、他の機能を最適化しても良い。例えば、シャッター部材を軽量化したり、小型化するための最適化が採択できる。
以上説明したように、本発明における成膜装置は、前述した各実施形態の蒸着用シャッター装置を蒸着経路中に設けることによって、良好なる薄膜を得ることができるという効果がある。

本発明の蒸着用シャッター装置を用いて、基板に対して真空中での薄膜生成を行うと、射出量の制御された分子等の物質を、基板に対して複数種類について蒸着する時間を区分けして堆積させることが可能となる。
本発明の成膜装置を用いると、比較的短時間で実用的な膜厚のデバイスを創製することが可能となる。

１０ 成膜装置
１２ 真空チャンバー
１４ 基板
２０ クヌーセンセル
３０ 蒸着用シャッター装置
３２ 筐体部
３４、３６ セル装着部
３８、４８ 円環状カバー部
４０ シャッター部材
４００、４７ シャッター羽根
４０８ 羽根部
４４ 可動側半円形歯車部、開閉状態操作部
５０ 駆動側歯車部、開閉状態駆動部

Claims (3)

1. 真空中で蒸発源より発生する粒子流を制御する蒸着用シャッター装置であって、
   前記蒸発源を覆う状態に装着されると共に、中央部に開口部を有する筐体部と、
   当該筐体部の中央部に設けられたシャッター部材であって、少なくとも２枚以上の羽根部により前記開口部を全閉した状態と全開した状態の少なくとも一方の姿勢を有する前記シャッター部材と、
   前記シャッター部材の開閉状態と連動する開閉状態操作部と、
   前記開閉状態操作部の開閉状態を操作する開閉状態駆動部と、
   を備えると共に、前記開閉状態操作部は、一端が前記筐体部に固定され、他端が前記開閉状態駆動部と歯合する可動側半円形歯車部であることを特徴とする蒸着用シャッター装置。
2. 単一の蒸発源と、
   当該蒸発源のオリフィスの中心軸と、請求項１に記載の蒸着用シャッター装置の開口部中心とが同一軸上になるように配置されたことを特徴とする成膜装置。
3. 直線上または円周をなすように配置された複数個の蒸発源と、
   当該蒸発源と一対一に装着される請求項１に記載の蒸着用シャッター装置とを備え、
   前記蒸発源のオリフィスの中心軸と、前記蒸着用シャッター装置の開口部中心とが同一軸上になるように配置されたことを特徴とする成膜装置。