JP6570567B2 - 蒸着装置及び蒸着方法 - Google Patents

Description

本発明は、基板に膜を堆積させる真空蒸着装置などの蒸着装置、蒸着装置における蒸着材料の残量を検知する方法などに関するものである。

真空蒸着装置とは、真空炉内において蒸着材料を気化させ、真空炉内に保持された基板などの被蒸着物に蒸着させることにより、成膜等を行なう装置である。上記蒸着材料は、坩堝等の蒸着材料を収納する蒸着材料容器を、必要に応じて、その周囲等に設けた加熱手段で加熱することにより気化させられる。容器内の蒸着材料は蒸着処理により消費していくので、蒸着材料が所望の残量になったときに、適切なタイミングで蒸着材料を補給する必要がある。なぜなら、想定よりも蒸着材料の残量が少なくなると蒸着レートが不安定になったり、異常加熱による坩堝の破損等が発生する可能性があったりするからである。そのため、坩堝内の蒸着材料の状態を適切に把握することは重要である。しかし、坩堝には、蒸気の流れを制御する蓋が設けられ該蓋により蒸着材料が完全に覆われている場合がある。そうした場合、外から蒸着材料が見えないため、坩堝内の蒸着材料の残量を把握するのが困難となる。よって、蒸着材料が坩堝や蓋で完全に覆われている場合でも、坩堝内の蒸着材料の残量を適切に把握することが求められる。

特許文献１においては、蒸着レートの測定結果と加熱手段のパワーが所定の条件を満たすと、次の処理を行なう真空蒸着装置について記載されている。特許文献２においては、坩堝の質量を質量計で測定することで坩堝内の蒸着材料の残量を把握する真空蒸着装置について記載されている。

特開２００９−１６１８４２号公報 特開平８−１２９９８２号公報

しかしながら、特許文献１の技術においては、坩堝が割れたときの坩堝内の蒸着材料の変化を捉えることはできるが、蒸着材料の残量を正確に把握することができないことになり得る。

また、特許文献２の技術においては、質量計で間接的に坩堝内の蒸着材料の残量を把握しようとしているが、気化した蒸着材料が坩堝の表面もしくは坩堝に搭載されている蓋などに堆積した場合の影響を考慮できない。そのため、蒸着材料の残量を正確に把握できないことになり得る。

本発明の蒸着装置は、蒸着材料が収容される収容部と、前記収容部または前記蒸着材料を加熱する加熱部と、前記加熱部または前記収容部の温度を検知する加熱モニター部と、蒸着レートを検知する蒸着レート検知部と、前記蒸着レート検知部により検知される蒸着レートが一定になるように、前記加熱モニター部により検知される温度に基づいて前記加熱部を制御する制御部と、を備える蒸着装置であって、前記収容部は、深さ方向に垂直な断面の面積が、少なくとも一部において、変化する形状を有し、前記加熱部または前記収容部の温度と前記収容部内の蒸着材料の残量との関係を表す情報に基づき、前記加熱部または前記収容部の温度から、前記収容部内の蒸着材料の残量を検知することを特徴とする。

本発明によれば、加熱部ないし収容部の温度を把握することで、坩堝などの収容部内の蒸着材料の残量を把握することができる。

本発明における蒸着装置の一例を示す概略図。 本発明の蒸着装置に搭載する坩堝形状の例を示す概略図。 蒸着材料の残量と加熱源の温度との関係性テーブルを示すグラフ。 本発明を実施した場合のプロセスの一例を示すフローチャート。

本発明では、蒸着レートを一定に制御しているプロセスで、例えば、蒸着材料が減少するに従って蒸着材料の蒸発面積が小さくなる形状を有する収容部を用いて、事前に把握している蒸発面積と蒸着材料に係わる温度の関係性から蒸着材料の残量を把握する。蒸着材料の残量を把握する仕方は、加熱部ないし収容部の温度の検知から蒸発面積が分かり、これから蒸着材料の収容部内の高さが分かって、蒸着材料の残量検知を行う。

本発明の一実施形態を図１から図４を用いて説明する。まず本実施形態の真空蒸着装置（以下、本装置と記載）の構成について図１を用いて説明する。本装置は、真空容器１内に、蒸着材料２を収納する収容部である坩堝３（以下の説明では坩堝で統一して記す）と、坩堝３を支持する支持台４と、坩堝３を周囲から加熱するための加熱部である加熱源５と、加熱源５の温度を測定する加熱モニター部である温度センサ６を有する。坩堝３内の蒸着材料２の温度に係わる情報を把握できればよいので、温度センサ６は坩堝３の温度を測定してもよい。また、蒸着材料を堆積させる基板７と、基板７を保持する基板保持部８と、坩堝３と基板７との間に配置されているシャッター９と、真空容器１内の側部に設置されていて蒸着レートを検知する蒸着レート検知部１０と、制御部１１を含む。制御部１１は、加熱源５と温度センサ６と蒸着レート検知部１０との間においてそれぞれ配線で繋がっており、坩堝３を加熱するために電力供給量を制御する。また、本装置は、真空容器１内を排気して減圧するための真空ポンプ（不図示）を備えている。

蒸着材料２は、溶融しやすさを考慮して顆粒形状のものが好ましい。坩堝３は、耐熱性が高く、かつ蒸着材料２に対して耐腐食性が高い金属やセラミックを使用するのが好ましい。例えば、金属ではモリブデンやタングステン、セラミックではＰＢＮや炭化珪素、炭化窒素などが好適である。

支持台４は、耐熱性があり、支持台４を通じて熱が逃げにくいように、熱伝導率が小さいセラミックを使用するのが好ましい。例えば、ジルコニアやアルミナなどを用いる。加熱源５は、坩堝３を加熱することで間接的に蒸着材料２を加熱する方式でもよいし、スパイラル状の加熱コイルによる高周波誘導加熱によって蒸着材料２を直接加熱しても構わない。温度センサ６は加熱源５の温度を検知しているが、上述した様に、坩堝３の温度を検知するようにしてもよい。

基板保持部８は、真空容器１内の上部に配置されている。基板保持部８の下面には基板７が保持されている。本装置において、モータなどを用いて、基板保持部８の法線方向に平行な回転軸の回りで基板保持部８を基板７と共に回転駆動する回転手段を備えていてもよい。シャッター９は駆動機構（不図示）により、水平方向に駆動される。

蒸着レート検知部１０は、坩堝３と基板７との間に配置されている。蒸着レート検知部１０は、例えば水晶振動式を用いる。蒸着レート検知部１０の測定結果により、基板７に蒸着される蒸着材料２の蒸着レートが予測ないし検知できる。蒸着レート検知部１０の測定結果は制御部１１にフィードバックされる。即ち、蒸着レートが一定になる様に制御部１１により加熱源５が制御され、蒸着レートが一定であることが、蒸着レート検知部１０の測定結果を通じて制御部１１で確認される。このとき、制御部１１は、温度センサ６で検知される温度の情報もモニターしている。

制御部１１は、加熱源５の温度を制御する温度制御モードと、蒸着レートを制御する蒸着レート制御モードを有しており、所望の条件で切り替えることができる。蒸着レート制御モードでは、上述した様に、蒸着レート検知部１０の測定結果が、設定された蒸着レートになるように、加熱源５に供給する電力を制御している。制御部１１は、事前に入力されている坩堝３内の蒸着材料２の残量と加熱源５の温度との関係性テーブルから、温度センサ６の測定結果を基に、坩堝３内の蒸着材料２の残量を表示する機能を有している。この関係性テーブルは、より具体的には、後述する坩堝上端からの距離と温度補正係数との関係性テーブルなどである。

また、温度センサ６の測定結果が所定値を超えると加熱源５に供給する電力を停止する機能を有していてもよい。さらには、不図示の機構により坩堝３を、蒸着材料が収納された他の坩堝と交換する機能を有していてもよいし、坩堝３に新しい蒸着材料を投入する機構を備えていてもよい。例えば、別の坩堝が収納される場所と坩堝３が設置される支持台４との間をレール機構などで繋いでいて、両者を交換できるようにする。また、蒸着材料を入れた容器が収納される場所と坩堝３が設置される場所の間をレール機構などで繋いでいて、前記容器を坩堝３の所まで移動させて蒸着材料を坩堝３に補給するようにする。

次に坩堝３の詳細について図２を用いて説明する。本実施形態の坩堝３は、図２（ａ）に示すように、一部（ここでは底部）の深さ方向に垂直な断面の面積が、深さ方向で異なる形状になっている。つまり、少なくとも一部において、坩堝３内に収納されている蒸着材料２が減少するに従って、蒸着材料２の蒸発面積が変化する部分を有している形状になっている。図２（ａ）の例は、坩堝３の上面から所定の位置までは蒸発面積は一定で、所定の位置から下部にかけて蒸発面積が変化（ここでは減少）するようにしているが、坩堝３の上端から蒸発面積が変化するような形状であっても構わない。また、坩堝３は、図示の様に上端が全面的に開放した形状ではなく、スリットなどが形成された蓋で覆われていてもよい。

坩堝３は、図２（ａ）のように坩堝３の下部が球状であるもの以外にも、図２（ｂ）のように坩堝３の下部が円垂形状になっているものでもよいし、図２（ｃ）のように坩堝３の内側の一部（ここでは３個所）において凸形状部分を有するようなものでもよい。坩堝３の深さ方向に垂直な方向における断面形状は、円形状、楕円形状、多角形状など、種々であり得る。少なくなった残量を精確に把握するためには、坩堝３は、少なくとも底部において、前記断面の面積と前記深さとの関係が一意に決まっていることが好ましい。

次に上記のような坩堝３の形状を用いて蒸着材料２の残量を把握する方法について説明する。蒸着レートを一定に制御しているプロセスにおいて、蒸着材料２の蒸発面積が変化すると坩堝３から出てくる蒸着材料２の蒸発量が変化するため、蒸着レートに影響を及ぼす。しかし、蒸着材料２の温度を変化させることで単位面積当たり蒸着材料２の蒸発量を調整する（増やしたり減らしたり）ことにより、蒸着レートを一定に制御することができる。蒸着材料２の温度と単位面積当たり蒸着材料２の蒸発量との関係は、蒸着材料固有で決まっているので、事前に把握でき、これに基づいて、蒸発面積の変化に応じて温度を制御することで蒸着レートを一定に制御することができる。

前述の特性を利用し、蒸着レートを一定にするための蒸着材料２の蒸発面積と加熱源５の温度との関係を把握しているとする。そうすれば、蒸着材料２の蒸発面積が深さ方向で異なる坩堝３を使用したときに、加熱源５の温度から蒸着材料２の蒸発面積が分かり、坩堝３内の蒸着材料２の高さが分かって、坩堝内の蒸着材料の残量を予測ないし検知することが可能となる。坩堝３内の蒸着材料２の残量と加熱源５の温度との関係性テーブルは、事前に実験から取得してもよいし、蒸着材料２の蒸発面積を基に加熱源５の温度を補正することで取得してもよい。つまり、温度補正係数と蒸着材料２の残量との関係性テーブルとして取得してもよい。

本実施形態とは異なり、坩堝３内の蒸着材料２の残量を予測する機能を有していない場合、蒸着プロセスを開始して、所定時間が経過すると蒸着プロセスを停止する方法がとられることになる。その場合、メンテナンス時に蒸着レート検知部１０の位置がずれてしまうなどにより、蒸着プロセス実施後の坩堝３内の蒸着材料２が所望の残量にならないことがある。蒸着材料２が大量に残ってしまった場合、蒸着プロセス実施後は再利用できず廃棄してしまう蒸着材料２なら、蒸着材料２の利用効率は良くなくなる。また、蒸着プロセス中に坩堝３内の蒸着材料２がなくなってしまう場合もあり、その場合は、異常加熱によって坩堝３が破損する可能性がある。

本実施形態によれば、坩堝内の蒸着材料の量を加熱部ないし坩堝の温度から把握している。その理由は、前述した様に、加熱部ないし坩堝の温度と蒸発速度とには関係性があり、その関係性は蒸着材料固有で再現できるからである。また、温度計測にあたり、刻々と状況が変化する蒸着材料ではなく、加熱部ないし坩堝の温度を計測するほうが安定した温度計測のためには適当である。本実施形態において、加熱部の電力を用いない理由は、電力の積分値はあくまで入力の積算であり、加熱部ないし坩堝の温度の初期値や周辺の放熱影響により、加熱部ないし坩堝の温度と等価にならないからである。また、積分値を用いると、信号にオフセットエラーがあった場合、累積誤差が大きくなる。また、電力の瞬間値は、もとより、加熱部ないし坩堝の温度とは等価にならない。よって、本実施形態では、加熱部ないし坩堝の温度を把握することで、坩堝内の蒸着材料の量を高精度に把握することを可能としている。

その効果として、蒸着材料の補給を適切なタイミングで実施することができるため、真空容器を開放する時間を最適化でき生産性を向上させることが可能である。また、蒸着材料を補給するときに、残存している蒸着材料は再利用せず廃棄する場合もあるため、正確に蒸着材料の残量を把握できれば、廃棄する蒸着材料を最低限に抑えることができる。その結果、蒸着材料の利用効率が向上させることが可能である。また、坩堝内の蒸着材料がなくなったあとに不必要に坩堝を加熱することがなくなるので、熱による坩堝の破損を防止することが可能である。

図１に示す一実施例の装置において、坩堝３は厚み１ｍｍ、上部の内径２０ｍｍ、高さ３０ｍｍである。その下部は半球形状を有しており、半球形状の下部の上方の坩堝３の側部は直胴（即ち、内径が一定の２０ｍｍ）になっている。蒸着材料２は、坩堝３の上端まで収納される。坩堝３と接する支持台４の形状は、坩堝３の底部の曲率と同じになっている。またシャッター９は、坩堝３と基板７の間に設置されている。

本実施例において、蒸着材料２の残量と加熱源５の温度との関係性テーブルは下記の手順で算出する。
まず、次の式（１）を用いて蒸発面積による温度補正係数αを算出する。
（1）α＝蒸発面積１（直胴部）／蒸発面積２（坩堝３下部）・・・（１）
坩堝３内の蒸着材料２の位置における加熱源５の温度補正係数αは図３（ａ）のようになる。その理由は、以下の通りである。蒸着レートが一定になる様に制御されるから、蒸発面積が減少すれば加熱源５の温度は上昇させられる。その上昇の態様は、蒸着材料に固有で、予めわかっている。よって、蒸発面積と坩堝上端からの蒸着材料２の上面（蒸発面）の距離との関係は坩堝の形状から分かっているので、坩堝上端からの距離に対する温度補正係数αの変化は図３（ａ）に示すようになる。その結果、次のようになる。
（2）目標の蒸着レートになるときの加熱源３の温度に対して、（1）で算出した加熱源３の温度補正係数αの何れが対応するかを決定する。これにより、図３（ｂ）のように、坩堝内３内の蒸着材料２の残量（即ち、坩堝上端からの距離）と加熱源５の温度との関係性テーブルが取得できる。

（2）で取得した坩堝内３内の蒸着材料２の残量と加熱源５の温度との関係性テーブルは、蒸着プロセスを実施する前に、制御部１１に入力され保存される。場合によっては、図３（ａ）に示すような関係性テーブルを保存しておいて、その都度の温度から、蒸着材料２の残量（即ち、坩堝上端からの距離）を演算する様にしてもよい。そして、蒸着プロセス中の蒸着を停止する加熱源５の温度を入力する。

本実施例による蒸着プロセスについて図４を用いて説明する。スタートして、真空容器１は、図示していない真空ポンプにより１．０×１０^−２Ｐａ以下となるまで排気が行われる（Ｓ１）。次に制御部１０から電力供給された加熱源５によって、坩堝３を加熱する（Ｓ２）。急激な温度変化による蒸着材料２の突沸や坩堝３の破損を防ぐために、加熱源５はゆるやかに昇温させられる（Ｓ３）。そのため、加熱源５の昇温勾配は一定の割合で上昇するよう制御部１１で制御されている。加熱源５の温度が所定値（所定値１）に達する（Ｓ４）と、蒸着材料２を基板７に堆積させるのに影響を与えない位置まで、シャッター９を駆動させる（Ｓ５）。シャッター９の駆動が完了すると、制御部１１において、温度制御モードから蒸着レート制御モードに切り替えられる。

次に蒸着レート（所定値２）が所定値になっているかを蒸着レート検知部１０の測定結果から判断する（Ｓ６）。所定値に達していなければ、制御部１１において、加熱源５に供給する電力を調整する（Ｓ７）。蒸着レートが所定値に達していれば、一定の割合で基板７に蒸着材料２を堆積させていく。

次に、加熱モニターステップにおいて加熱源５の温度が所定値（所定値３であり、例えば５１０℃）に達したと判断したら（Ｓ８）、シャッター９を初期位置まで駆動させる（Ｓ９）。その後、加熱源５への電力供給を停止する（Ｓ１０）。その後、例えば、加熱源５の温度が所定値以下になってから真空容器１を開けて坩堝３内に蒸着材料２を投入する。ここにおいて、前記所定値３を図３（ｂ）の関係性テーブルにおける適当な温度(例えば、６８０℃)に設定しておけば、定まった残量（例えば、残量の上面の坩堝上端からの距離が２５ｃｍ辺りの所）で電力供給が停止されることになる。

以上のように本実施例を実施することで、蒸着プロセス終了後の坩堝３内の蒸着材料２を毎回所望の残量にすることができる。そのため、蒸着材料２が想定よりも多く坩堝３内に残ることがなく、再利用ができず廃棄してしまう蒸着材料２において材料利用効率を向上させることができる。

本実施例では、真空容器１内において、蒸着材料２が収容されている坩堝３を１個としているが、蒸着材料２が収容されている坩堝３を複数個設置し、蒸着プロセスのステップＳ９を実施後、図示していない搬送機構により坩堝３を交換してもよい。坩堝３の形状は蒸着材料２に合わせて変化させてもよい。また、真空容器１内に蒸着材料投入機構を備え、蒸着プロセスのステップＳ９を実施後、坩堝３内に蒸着材料２を投入しても構わない。そうすることで、真空容器１を開ける回数を減らすことができるので、生産性を向上させることが可能である。

２：蒸着材料
３：坩堝（収容部）
５：加熱源（加熱部）
６：温度センサ（加熱モニター部）
１０：蒸着レート検知部
１１：制御部

Claims (13)

1. 蒸着材料が収容される収容部と、前記収容部または前記蒸着材料を加熱する加熱部と、前記加熱部または前記収容部の温度を検知する加熱モニター部と、蒸着レートを検知する蒸着レート検知部と、前記蒸着レート検知部により検知される蒸着レートが一定になるように、前記加熱モニター部により検知される温度に基づいて前記加熱部を制御する制御部と、を備える蒸着装置であって、
   前記収容部は、深さ方向に垂直な断面の面積が、少なくとも一部において、変化する形状を有し、
   前記加熱部または前記収容部の温度と前記収容部内の蒸着材料の残量との関係を表す情報に基づき、前記加熱部または前記収容部の温度から、前記収容部内の蒸着材料の残量を検知することを特徴とする蒸着装置。
2. 前記収容部は、前記断面の面積と前記深さとの関係が、少なくとも一部において、一意に決まっていることを特徴とする請求項１に記載の蒸着装置。
3. 前記少なくとも一部は、底部を含むことを特徴とする請求項２に記載の蒸着装置。
4. 前記少なくとも一部は、前記収容部内の蒸着材料が減少するに従って蒸着材料の蒸発面積が小さくなる形状を有することを特徴とする請求項２または３に記載の蒸着装置。
5. さらに、予め前記関係を表す情報が保存されている記憶部を有することを特徴とする請求項４に記載の蒸着装置。
6. 前記制御部は、前記加熱部または前記収容部の温度が所定値を超えると前記加熱部への電力供給を停止する機能を備えていることを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の真空蒸着装置。
7. 前記加熱部または前記収容部の温度が所定値を超えると、前記収容部を、蒸着材料が収納された新しい収容部と交換する機構を備えていることを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載の蒸着装置。
8. 前記加熱部または前記収容部の温度が所定値を超えると、前記収容部に新しい蒸着材料を投入する機構を備えていることを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載の蒸着装置。
9. 蒸着材料が収容される収容部または前記蒸着材料を加熱する加熱ステップと、前記蒸着材料に係わる温度を検知する加熱モニターステップと、前記蒸着材料の蒸着レートを検知する蒸着レート検知ステップと、前記蒸着レート検知ステップにより検知される蒸着レートが一定になるように、前記加熱モニターステップにおいて検知される温度に基づいて前記加熱ステップにおける加熱を制御する制御ステップと、を有する蒸着方法であって、
   前記収容部は、深さ方向に垂直な断面の面積が、少なくとも一部において、変化する形状を有し、
   前記加熱部または前記収容部の温度と前記収容部内の蒸着材料の残量との関係を表す情報に基づき、前記加熱モニターステップにおいて検知される温度から、前記収容部内の蒸着材料の残量を検知する残量検知ステップを有することを特徴とする蒸着方法。
10. 前記加熱モニターステップにおいて検知される温度が所定値に達したと判断されたら、前記加熱ステップにおける加熱を停止することを特徴とする請求項９に記載の蒸着方法。
11. 前記残量検知ステップにおいて、前記蒸着材料に係わる温度と前記収容部内の蒸着材料の残量との関係を表す情報に基づいて検知を行うことを特徴とする請求項９または１０に記載の蒸着方法。
12. 前記加熱部または前記収容部の温度が所定値を超えると、前記収容部を、蒸着材料が収納された新しい収容部と交換する交換ステップを備えていることを特徴とする請求項９から１１の何れか一項に記載の蒸着方法。
13. 前記加熱部または前記収容部の温度が所定値を超えると、前記収容部に新しい蒸着材料を投入する投入ステップを備えていることを特徴とする請求項９から１２の何れか一項に記載の蒸着方法。

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