JP6983096B2

JP6983096B2 - 真空蒸着装置用の蒸着源

Info

Publication number: JP6983096B2
Application number: JP2018067475A
Authority: JP
Inventors: 政司梅原; 僚也北沢; 誠菊地
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2018-03-30
Filing date: 2018-03-30
Publication date: 2021-12-17
Anticipated expiration: 2038-03-30
Also published as: JP2019178360A

Description

本発明は、真空蒸着装置用の蒸着源に関する。

この種の真空蒸着装置用の蒸着源は例えば特許文献１で知られている。このものでは、被蒸着物を矩形のガラス基板（以下、「基板」という）、基板の蒸着源に対する相対移動方向をＸ軸方向、Ｘ軸方向に直交する基板の幅方向をＹ軸方向として、蒸着源が蒸着物質を収容するＹ軸方向に長手の収容箱を有し、収容箱の基板との対向面（上面）には、上方に突設させて複数本の噴射ノズル（筒状部材）がＹ軸方向に間隔を存して列設されている（所謂ラインソース）。そして、真空雰囲気の真空チャンバ内で、収容箱に収容された蒸発物質を加熱して昇華または気化させ、この昇華または気化した蒸着物質を各噴射ノズルから噴射させ、蒸着源に対してＸ軸方向に相対移動する基板に付着、堆積させて所定の薄膜が成膜される。この場合、蒸着源と基板との間に、この基板に対する蒸着物質の付着範囲を制限するマスクプレートを介在させて所定のパターンで基板に成膜することも従来から知られている。

上記従来例の蒸着源では、収容箱内で昇華または気化させた蒸着物質を各噴射ノズルから噴射すると、その指向性が悪く、孔軸に対して広い角度範囲で蒸着物質が真空チャンバ内に飛散していくという問題がある。つまり、収容箱内で昇華または気化した蒸着物質が噴射ノズル内を通ってそのノズル先端から真空チャンバに噴射される際、蒸着物質の一部が、噴射ノズルの内壁面に衝突して散乱し、これを繰り返しながらノズル先端から真空チャンバ内に噴射されることで、蒸着物質の指向性が悪くなる。このため、孔軸が収容箱の面に対して例えば３０度〜６０度の範囲内の所定角度で傾斜するように各噴射ノズルを設けることが一般的であり、これにより、Ｙ軸方向における膜厚分布の不均一や、マスクボケの発生などの問題を防止している。なお、噴射ノズルの孔径は、５ｍｍ〜３０ｍｍの範囲内に設定される。

ところで、例えばフラットパネルディスプレイの製造に利用される真空蒸着装置の蒸着源に対しては、近年、より一層高い量産性が求められており、このような要求に満たすためには、収容箱内で昇華または気化する蒸着物質の量を増加させて、基板に付着、堆積する蒸着物質の量を多く（即ち、成膜レートを高く）できることや、蒸着源に対するメンテナンスサイクルを長くできること（例えば３００時間に亘って噴射ノズルから蒸着物質を噴射させて連続成膜が可能であること）が重要になる。

ここで、上記従来例のように所定角度で傾斜させた噴射ノズルから蒸着物質を噴射すると、その一部が収容箱の上面に向けて噴射されて蒸着物質が付着、堆積していく。そして、噴射ノズルのノズル先端と収容箱の面との間の距離によっては、比較的短い時間でノズル先端の開口が堆積する蒸着物質で部分的に閉塞されてしまう（即ち、ノズル詰まりを招来する）という不具合が生じる。このようなノズル詰まりの発生を防止するため、収容箱の上面からの噴射ノズルの突出量を多くして、ノズル先端と収容箱の上面との間の距離を離すことが考えられるが、噴射ノズルの長さが長くなる程、ノズル詰まりを招来することが判明した。

そこで、本願の発明者らは、鋭意研究を重ね、蒸着物質を昇華または気化させる際に収容箱自体も加熱されるが、噴射ノズルの長さが長くなると、噴射ノズル、特にノズル先端部と収容箱の対向面との間の温度差が大きくなることに起因していることを知見するのに至った。このことは、蒸着物質を加熱したときに収容箱の面からの輻射熱で基板やマスクプレートが加熱されないように、収容箱の面に冷却パネルが対向配置されているような場合、より大きな温度が生じる。そして、昇華または気化した蒸着物質が噴射ノズル内を通って外部に飛散していくとき、蒸着物質の一部が噴射ノズルの内壁面に衝突するが、上記温度差が大きく（例えば、ノズル先端部分の温度が比較的に低く）なると、その内壁面に衝突した蒸着物質が再凝固して堆積していくことでノズル詰まりを招来することを知見するのに至った。

特開２０１６−１２５０９１号公報

本発明は、上記知見に基づきなされたものであり、孔軸が収容箱の面に対して例えば３０度〜６０度の範囲内の所定角度で傾斜された状態で噴射ノズルが収容箱の面に突設している場合でも、長時間に亘ってノズル詰まりを防止できるようにした真空蒸着装置用の蒸着源を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、真空チャンバ内に配置されて被蒸着物に対して蒸着するための本発明の真空蒸着装置用の蒸着源は、蒸着物質を収容する収容箱を備え、被蒸着物に対向する収容箱の面に、昇華または気化した蒸着物質を噴射する噴射ノズルが突設され、噴射ノズルは、その孔軸が収容箱の面に対して３０度〜６０度の範囲内の所定角度で傾斜されると共に、その孔径が５ｍｍ〜３０ｍｍの範囲内に設定され、噴射ノズルのノズル先端と収容箱の面との間の距離が２０ｍｍ〜５０ｍｍの範囲内に設定されることを特徴とする。

本発明によれば、孔軸が収容箱の面に対して３０度〜６０度の範囲内の所定角度で傾斜された状態で噴射ノズルを収容箱の面に突設し、単一の噴射ノズルからの単位時間・ノズル単位開口面積当たりの蒸着物質の噴射量が０．０１４［ｇ／（ｈｏｕｒ・ｍｍ^２）］となる状態で噴射ノズルから蒸着物質を噴射させ、所定時間に亘って連続成膜を実施したとき、例えば３００時間の間、ノズル詰まりを防止できることが確認された。これにより、本発明の蒸着源を真空蒸着装置に適用すれば、成膜レートを高くできることや、上記従来例のものと比較して蒸着源に対するメンテナンスサイクルを長くできることで、高い量産性を達成することが可能になる。なお、距離が２０ｍｍより短いと、比較的短時間で収容箱の面への堆積に起因したノズル詰まりが発生し、距離が５０ｍｍより長くなると、ノズル先端部と収容箱の面との間の温度差に起因したノズル詰まりが発生する。また、本発明において、噴射ノズルのノズル先端と収容箱の面との間の「距離」といった場合、噴射ノズルが突設された収容箱の面だけをいうのではなく、噴射ノズルが突設された収容箱の面を覆うように冷却パネルが設けされている場合には、当該冷却パネルの面を含む概念であり、このような場合には、冷却パネル表面から噴射ノズルのノズル先端までの距離が２０ｍｍ〜５０ｍｍの範囲内に設定される。

本発明においては、前記収容箱の面のうち、この収容箱の面に対する前記噴射ノズルの投影領域の一部を含むように、前記収容箱内方に向けて凹入する凹部が形成され、この凹部の平坦面を基準に、噴射ノズルのノズル先端までの距離が設定される構成を採用してもよい。これによれば、収容箱の面からの噴射ノズルの突出量を少なくしてノズル先端部と収容箱の面との間の温度差に起因したノズル詰まりを確実に抑制でき、有利である。

（ａ）は、本発明の実施形態の蒸着源を備える真空蒸着装置を説明する、一部を断面視とした部分斜視図、（ｂ）は、真空蒸着装置を正面側からみた部分断面図。本実施形態の蒸着源の拡大断面図。（ａ）は、変形例に係る蒸着源を示す部分平面図、（ｂ）は、その部分断面図。

以下、図面を参照して、被成膜物を矩形の輪郭を持つ所定厚さのガラス基板（以下、「基板Ｓｗ」という）とし、基板Ｓｗの片面に所定の薄膜を成膜する場合を例に本発明の真空蒸着装置用の蒸着源ＤＳの実施形態を説明する。以下においては、「上」、「下」といった方向を指す用語は、図１に示す蒸着源の姿勢を基準とする。

図１（ａ）及び（ｂ）を参照して、Ｄｍは、本実施形態の蒸着源ＤＳを備える真空蒸着装置である。真空蒸着装置Ｄｍは、真空チャンバ１を備え、真空チャンバ１には、特に図示して説明しないが、排気管を介して真空ポンプが接続され、所定圧力（真空度）に真空引きして保持できるようになっている。また、真空チャンバ１の上部には基板搬送装置２が設けられている。基板搬送装置２は、成膜面としての下面を開放した状態で基板Ｓｗを保持するキャリア２１を有し、図外の駆動装置によってキャリア２１、ひいては基板Ｓｗを真空チャンバ１内の一方向に所定速度で移動するようになっている。基板搬送装置２としては公知のものが利用できるため、これ以上の説明は省略する。また、以下においては、蒸着源ＤＳに対する基板Ｓｗの相対移動方向をＸ軸方向、Ｘ軸方向に直交する基板Ｓｗの幅方向をＹ軸方向とする。

基板搬送装置２によって搬送される基板Ｓｗと後述の蒸着源ＤＳとの間には、板状のマスクプレート３が設けられている。本実施形態では、マスクプレート３は、基板Ｓｗと一体に取り付けられて基板Ｓｗと共に基板搬送装置２によって搬送されるようになっている。なお、マスクプレート３は、真空チャンバ１に予め固定配置しておくこともできる。マスクプレート３には、板厚方向に貫通する複数の開口３１が形成され、これら開口３１がない位置にて蒸着物質の基板Ｓｗに対する付着範囲が制限されることで所定のパターンで基板Ｓｗに成膜されるようになっている。マスクプレート３としては、インバー、アルミ、アルミナやステンレス等の金属製の他、ポリイミド等の樹脂製のものが用いられる。そして、真空チャンバ１の底面には、Ｘ軸方向に移動される基板Ｓｗに対向させて本実施形態の蒸着源ＤＳが設けられている。

図２も参照して、蒸着源ＤＳは、蒸着物質４を収容する収容箱５１を有する。蒸着物質４としては、基板Ｓｗに成膜しようとする薄膜に応じて適宜選択され、顆粒状またはタブレット状の固形のものが利用される。この場合、収容箱５１の下部には、金属製の受け皿５２が設けられ、受け皿５２上に蒸着物質４が設置されるようになっている。受け皿５２と収容箱５１の底壁との間には加熱手段５３が設けられ、受け皿５２を介して蒸着物質４が気化温度まで加熱されるようになっている。加熱手段５３としては、シースヒータやランプヒータ等の公知のものが利用できる。なお、特に図示して説明しないが、収容箱５１内には、受け皿５２の上方に位置させて分散板が設けられ、気化した蒸着物質４を後述の各噴射ノズルから略均等な流量で噴射できるようになっている。

収容箱５１の上面（基板Ｓｗとの対向面）５１ａには、所定高さの筒体で構成される、気化させた蒸着物質４を噴射する噴射ノズル５４がＹ軸方向に所定の間隔で（本実施形態では、６本）列設されている。この場合、例えば基板Ｓｗに蒸着したときのＹ軸方向の膜厚分布や、マスクボケの発生などの問題を防止するために、各噴射ノズル５４は、その孔軸５４ａが基板Ｓｗに平行に設置される収容箱５１の上面５１ａに対して３０度〜６０度の範囲内の所定角度α１〜α３で傾斜されると共に、その孔径が５ｍｍ〜３０ｍｍの範囲内に設定されている。

ここで、上記の如く、孔軸５４ａを所定角度α１〜α３で傾斜させた噴射ノズル５４から蒸着物質４を噴射すると、その一部が収容箱５１の上面５１ａに向けて噴射されて蒸着物質４が付着、堆積していく。一方で、堆積する蒸着物質でノズル先端の開口が閉塞されないように、収容箱５１の上面５１ａからの噴射ノズル５４の突出量を多くすると、噴射ノズル５４のノズル先端部と収容箱５１の上面５１ａとの間の温度差に起因してノズル詰まりを招来する。このため、長時間に亘ってノズル詰まりを防止できるように噴射ノズル５４を構成する必要がある。

本実施形態では、噴射ノズル５４のノズル先端（即ち、ノズル先端のうち最下側に位置する部分：図２参照）と収容箱５１の上面５１ａとの間の距離Ｎｈ１〜Ｎｈ３（以下、これを突出量という）を２０ｍｍ〜５０ｍｍの範囲内に設定することとした。これにより、例えば、単一の噴射ノズル５４からの単位時間・ノズル単位開口面積当たりの蒸着物質４の噴射量が０．０１４［ｇ／（ｈｏｕｒ・ｍｍ^２）］となる状態で、例えば３００時間の間、ノズル詰まりを防止できることが確認された。このため、本発明の蒸着源を真空蒸着装置に適用すれば、成膜レートを高くできることや、上記従来例のものと比較して蒸着源に対するメンテナンスサイクルを長くできることで、高い量産性を達成することができる。なお、突出量Ｎｈ１〜Ｎｈ３が２０ｍｍより短いと、比較的短時間で収容箱５１の上面５１ａへの堆積に起因したノズル詰まりが発生し、突出量Ｎｈ１〜Ｎｈ３が５０ｍｍより長くなると、ノズル先端部と収容箱５１の上面５１ａとの間の温度差に起因したノズル詰まりが発生する。なお、特に図示して説明しないが、収容箱５１の上面５１ａからの輻射熱で基板やマスクプレートが加熱されないように、収容箱５１の上面５１ａに冷却パネル（図示せず）が対向配置されているような場合、ノズル先端と冷却パネルの上面との間の距離が２０ｍｍ〜５０ｍｍの範囲内に設定される。

次に、本発明の効果を確認するために図１に示す蒸着源を用いて次の実験を行った。本実験では、図２に部分的に示すように、中央部に位置する４本の噴射ノズル５４_１，５４_２を、その孔径１５ｍｍ、収納箱５１の上面５１ａに対する孔軸５４ａの傾斜角α１，α２を４０度とし、また、Ｙ軸方向最外部に位置する２本の噴射ノズル５４_３を、その孔径２５ｍｍ、収納箱５１の上面５１ａに対する孔軸５４ａの傾斜角α１，α２を５０度とし、また、蒸着物質４をＡｌｑ３とし、基板Ｓｗを３７．２ｍｍ／ｓの速度でＸ軸方向移動させながら成膜したとき、基板Ｓｗ表面での成膜速度が１００００Åｍｍ／ｓ（単一の噴射ノズル５４からの単位時間・ノズル単位開口面積当たりの蒸着物質の噴射量は約０．０１４［ｇ／（ｈｏｕｒ・ｍｍ^２）］）となるように収納箱５１内の蒸着物質４を気化させた。発明実験では、噴射ノズル５４_１，５４_２，５４_３の突出量Ｎｈ１〜Ｎｈ３を４０ｍｍとし、ノズル詰まりを発生するまでの時間を測定した。

比較実験１として、噴射ノズル５４_１，５４_２，５４_３の突出量Ｎｈ１〜Ｎｈ３を２０ｍｍとし、上記同様に、ノズル詰まりを発生するまでの時間を測定した。これによれば、比較実験では、１０１時間でノズル詰まりが発生したが、発明実験では、３００時間を超えてもノズル詰まりはみられず、基板Ｓｗ表面に良好に成膜できることが確認された。なお、比較実験２として、噴射ノズル５４_１，５４_２，５４_３の突出量Ｎｈ１〜Ｎｈ３を５５ｍｍとし、上記同様に成膜を行ったところ、ノズル先端の温度が十分に上がらず、短時間で閉塞が発生した。突出量が５０ｍｍ以上のノズルでも、ヒータを設置すれば加熱することも可能だが、材料への熱負荷が大きくなったり、基板Ｓｗへの熱の影響が大きくなったりして好ましくない。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術思想の範囲を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。上記実施形態では、収容箱５１の上面５１ａが基板Ｓｗに平行な平坦面であるものを例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、収容箱５１の上面５１ａに、噴射ノズル５４の投影領域の一部を含むように、収容箱内方に向けて凹入する凹部６を形成するようにしてもよい（この場合、投影領域のうち、噴射ノズル５４の基端側の部分には、蒸着物質は堆積し難いため、この基端部の投影領域を除くようにしてもよい）。そして、この凹部６の平坦面６１を基準に、噴射ノズル５４の突出量を設定するようにしてもよい。これにより、収容箱５１の上面５１ａからの噴射ノズル５４の突出量を少なくして温度差に起因したノズル詰まりを確実に抑制でき、有利である。

また、上記実施形態では、被成膜物をガラス基板Ｓｗとし、基板搬送装置２によりガラス基板Ｓｗを一定の速度で搬送しながら成膜するものを例に説明したが、真空蒸着装置Ｄｍの構成は、上記のものに限定されるものではない。例えば、被成膜物をシート状の基材とし、駆動ローラと巻取りローラとの間で一定の速度で基材を移動させながら基材の片面に成膜するような装置にも本発明は適用できる。また、真空チャンバ１内に基板Ｓｗとマスクプレート３を一体として固定し、蒸着源ＤＳに公知の構造を持つ駆動手段を付設して、基板Ｓｗに対して蒸着源ＤＳを相対移動させながら成膜することにも本発明は適用できる。即ち、基板Ｓｗと蒸着源ＤＳを相対的に移動させれば、基板Ｓｗと蒸着源ＤＳのいずれか、もしくは両方を移動させてもよい。更に、収容箱５１に噴射ノズル５４を一列で設けたものを例に説明したが、複数例設けることもできる。

ＤＳ…真空蒸着装置用の蒸着源、Ｄｍ…真空蒸着装置、Ｓｗ…基板（被蒸着物）、１…真空チャンバ、４…蒸着物質、５１…収容箱、５４…噴射ノズル、６…凹部、６１…平坦面、Ｎｈ１〜Ｎｈ３…噴射ノズルのノズル先端までの距離。

Claims

真空チャンバ内に配置されて被蒸着物に対して蒸着するための真空蒸着装置用の蒸着源であって、
蒸着物質を収容する収容箱を備え、被蒸着物に対向する収容箱の面に、昇華または気化した蒸着物質を噴射する噴射ノズルが突設され、噴射ノズルは、その孔軸が収容箱の面に対して３０度〜６０度の範囲内の所定角度で傾斜されると共に、その孔径が５ｍｍ〜３０ｍｍの範囲内に設定されるものにおいて、
噴射ノズルのノズル先端と収容箱の面との間の距離が２０ｍｍ〜５０ｍｍの範囲内に設定されることを特徴とする真空蒸着装置用の蒸着源。
前記収容箱の面のうち、この収容箱の面に対する前記噴射ノズルの投影領域の一部を含むように、前記収容箱内方に向けて凹入する凹部が形成され、この凹部の平坦面を基準に、噴射ノズルのノズル先端までの距離が設定されることを特徴とする請求項１記載の真空蒸着装置用の蒸着源。