JP7396928B2

JP7396928B2 - 真空蒸着装置

Info

Publication number: JP7396928B2
Application number: JP2020032593A
Authority: JP
Inventors: 政司梅原; 僚也北沢; 文嗣柳堀
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2020-02-28
Filing date: 2020-02-28
Publication date: 2023-12-12
Anticipated expiration: 2040-02-28
Also published as: JP2021134405A

Description

本発明は、真空チャンバ内に蒸着源とこの蒸着源に対向配置されて被処理基板を保持する保持ステージとを備える真空蒸着装置に関し、より詳しくは、蒸着源を複数配置し、被処理基板に蒸着できる蒸着源を選択できるようにしたものに関する。

有機ＥＬディスプレイやイメージセンサなどの素子の製造工程においては、シリコンウエハなどの被処理基板（以下「基板」という）表面に異なる低分子の有機膜を順次積層し、または、２種以上の有機材料（所謂ホスト材とゲスト材）を同時成膜する場合があり、このような成膜には、真空蒸着装置が広く利用されている（例えば、特許文献１参照）。従来例のものは、真空チャンバを備え、真空チャンバ内には、基板を回転自在に保持するステージと、このステージに対向する同一平面上に設置される２個以上の蒸着源とが設けられる。蒸着源は、蒸着物質としての固体の有機材料を収容する坩堝と坩堝内の有機材料を加熱する加熱手段とを備え、真空チャンバ内の真空雰囲気中にて坩堝内の有機材料を加熱すると、有機材料が気化または昇華し、この気化または昇華したものが坩堝の上面開口（放出開口）から所定の余弦則に従い放出され、基板に付着、堆積されて所定の有機膜やその多層膜が成膜される。

また、２種の有機材料を同時成膜する際に、一方の有機材料に対する他方の有機材料のドープ量を調整できるように、ステージと一方の蒸着源との間に位置する真空チャンバ内の空間には、遮蔽ユニットが設けられている。遮蔽ユニットは、１つ以上の開口部を有する板状の遮蔽部と、遮蔽部を回転駆動するモータとで構成されている。また、ステージと遮蔽ユニットとの間に位置する真空チャンバ内の空間には、各蒸着源から所定の余弦則に従い放出された有機材料の飛散経路を遮るシャッタ－が開閉自在に設けられ、シャッタ－を開位置にしたとき、基板に対する蒸着が可能となっている。

ここで、上記のような有機膜の成膜時、各蒸着源から基板への入熱により素子性能を決める有機膜がダメージを受ける場合がある。このような場合、基板と蒸着源との間の所謂ＥＳ間距離を長く設計すれば、基板への入熱の影響を可及的に抑制することができるが、これでは、装置の大型化を招来すると共に、放出開口から所定の余弦則に従い放出された有機材料の基板への付着効率が低下し、有機材料が無駄になるという問題がある。なお、近年では、新規の有機材料が次々と開発されることから、有機膜を利用した素子開発のために、同一の真空チャンバ内にて、基板表面に異なる有機膜を順次積層できる構成を持つ真空蒸着装置が求められている。

特開２００３－１９３２１７号公報

本発明は、以上の点に鑑み、被処理基板表面に異なる有機膜の積層または２種以上の有機材料の同時成膜が実施でき、その際、基板への入熱の影響を可及的に抑制することができる真空蒸着装置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、真空チャンバ内に蒸着源とこの蒸着源に対向配置されて被処理基板を保持する保持ステージとを備える本発明の真空蒸着装置は、保持ステージが、これに保持される被処理基板をその基板中心回りに回転駆動する第１の駆動手段を備え、蒸着源が、蒸着物質を収容する一方向に長手の収容箱と保持ステージに対向する収容箱の上面に設けられて蒸着物質の加熱により気化または昇華した蒸着物質の放出を可能とする複数の放出開口とを備え、真空チャンバの内底面に周方向に間隔を置いて複数枚の隔絶板が放射状に設けられると共に、互いに隣接した各隔絶板で囲繞される空間に蒸着源の複数個が基板中心を中心とする仮想円周上に配置され、保持ステージと各蒸着源との間に位置する真空チャンバ内の空間に遮蔽ユニットを更に備え、遮蔽ユニットが、上下方向に重ねて配置される上下一対の板状の遮蔽部と、各遮蔽部を基板中心回りに夫々回転させる第２の駆動手段とを有し、上方に位置する上遮蔽部の外周縁部に、その全周に亘ってその下方に向けて所定高さで突出する突条が設けられ、突条の内側に位置させて下方に位置する下遮蔽部が上下に微小な隙間を存して重ねて配置され、第２の駆動手段が、真空チャンバの内底面に立設した支柱の支持板上に設置されると共に、筒状の防着板で囲繞され、上遮蔽部に第１通路が、下遮蔽部に第２通路が夫々形成されて、各遮蔽部を基板中心回りに所定の回転角だけ夫々回転させたときの第１通路と第２通路とが上下方向で合致する位相で、少なくとも１個の蒸着源の各放出開口から放出される蒸着物質の通過を許容するように構成され、前記上遮蔽部を冷却する冷却手段を更に備え、冷却手段が真空チャンバ内で径方向に進退自在に配置される冷却ヘッドを有して、上遮蔽部の静止状態で冷却ヘッドが上遮蔽部に当接して伝熱により上遮蔽部を冷却するように構成したことを特徴とする。

本発明において、前記第１通路と前記第２通路とは、各遮蔽部を基板中心回りに所定の回転角だけ夫々回転させたときに上下方向で合致しない位相が存在する構成を採用することができ、また、前記上方一対の板状の遮蔽部のうち少なくとも一方を冷却する冷却手段を更に備える構成を採用することができる。

本発明によれば、例えば、同一の構成を持つ蒸着源の複数個が仮想円周上に周方向に間隔を置いて且つ収容箱の長手方向が径方向に合致する姿勢で配置し、蒸着源の各収容箱に夫々異なる蒸着物質を収容すると共に、保持ステージに基板をセットする。そして、真空チャンバ内の真空排気を開始すると共に各収容箱内の蒸着物質の加熱を開始する。このとき、第２の駆動手段により各遮蔽部を基板中心回りに所定の回転角だけ夫々回転させて第１通路と第２通路とが上下方向で合致しない位相とすることができ、また、各蒸着源は、収容箱内の蒸着物質が気化または昇華する温度に達する手前の温度に保持することができる。

次に、基板表面に第１の薄膜を成膜する場合、第２の駆動手段により各遮蔽部を基板中心回りに所定の回転角だけ夫々回転させ、この第１の薄膜の成膜に利用される少なくとも１個の蒸着源の上方にて第１通路と第２通路とが上下方向で合致する位相とする。そして、第１の駆動手段により基板を保持するステージを回転させると共に、その収容箱内の蒸着物質を更に加熱して蒸着物質を気化または昇華させる。これにより、気化または昇華したものが各放出開口から所定の余弦則に従い放出され、第１通路及び第２通路を経て基板に付着、堆積して第１の薄膜が成膜される。このとき、第１通路と第２通路との重なり合う面積や、第１通路と第２通路との重なり合う領域の収容箱内に対する位置を調整すれば、気化または昇華した蒸着物質が基板に付着するときの入射角を調整することができる。

ここで、成膜に利用されない各蒸着源もまた加熱されている。然し、各遮蔽部の（通路が形成されていない）部分で覆われていることと、第１通路と第２通路との重なり合う領域を通過する基板の部分しか加熱されないこととが相俟って、基板と蒸着源との間の所謂ＥＳ間距離を比較的短く設計しても、基板への入熱の影響を可及的に抑制することができる。このとき、冷却手段により少なくとも上方に位置する遮蔽部が冷却されていれば、より一層基板への入熱の影響を抑制することができる。次に、第１の薄膜表面に第２の薄膜を成膜する場合、各遮蔽部を基板中心回りに所定の回転角だけ夫々回転させ、この第２の薄膜の成膜に利用される少なくとも１個の蒸着源の上方にて第１通路と第２通路とが上下方向で合致する位相とし、上記と同様に成膜される。

他方、２種の蒸着物質を同時成膜するような場合には、この薄膜の成膜に利用される少なくとも２個の蒸着源の上方にて第１通路と第２通路とが上下方向で合致する位相とすればよい。このとき、第１通路と第２通路との重なり合う面積や、第１通路と第２通路との重なり合う領域の収容箱内に対する位置を調整すれば、一方の蒸着物質に対する他方の蒸着物質のドープ量を調整することが可能になる。このように本発明においては、同一の真空チャンバ内にて、基板表面に異なる有機膜を順次積層できるだけでなく、２種以上の蒸着物質の同時成膜も可能になり、しかも、基板への入熱の影響を可及的に抑制することができる。

本発明の実施形態の真空蒸着装置の断面図。図１のＩＩ－ＩＩ線に沿う断面図。遮蔽ユニットの変形例を説明する平面図

以下、図面を参照して、被処理基板をシリコンウエハ（以下、「基板Ｓｗ」という）、蒸着物質を固体の有機材料Ｏｍとし、基板Ｓｗの片面に対して有機膜の積層または２種以上の有機材料Ｏｍの同時成膜を実施可能とした場合を例に本発明の真空蒸着装置ＤＭ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に示す真空蒸着装置ＤＭの設置姿勢を基準とする。

図１及び図２を参照して、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）に真空排気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Ｓｗをその成膜面を下方に向けた姿勢で保持する保持ステージ２が設けられている。この場合、特に図示して説明しないが、保持ステージ２には、静電チャックやメカチャックなどの保持手段が設けられている。また、保持ステージ２には、真空シール（図示せず）を介して真空チャンバ１の天板を貫設した第１の駆動手段としてのモータ３の回転軸３１が連結され、基板Ｓｗ中心を上下方向で通る回転軸線Ｒａ回り（即ち、基板Ｓｗ中心回りに）回転駆動できるようにしている。

保持ステージ２に対峙する真空チャンバ１の内底面には、６個の蒸着源４_１～４_６が回転中心Ｒｃを中心とする仮想円周Ｖｃ上に周方向に等間隔で且つ後述の外容器の長手方向が径方向に合致する姿勢で配置されている。なお、蒸着源４_１～４_６を設置する数や、設置するときの姿勢はこれに限定されるものではなく、後述する遮蔽ユニットの第１通路、第２通路の形態（形状）に応じて適宜変更することができる。蒸着源４_１～４_６は、同一の構成を有している。各蒸着源４_１～４_６は、収容箱としての一方向（径方向）に長手で略直方体状の外容器４１とこの外容器４１と同等の輪郭を有してその内部に設置される、上面を開口した内容器４２とを備え、内容器４２に蒸着物質としての固体の有機材料Ｏｍが収容される。外容器４１内には、内容器４２の壁面を囲うようにしてシースヒータ等の加熱手段４３が設けられ、加熱により有機材料Ｏｍを気化または昇華できるようにしている。なお、蒸着源４_１～４_６の形態はこれに限定されるものではなく、蒸着源としては公知のものを利用することができる。

外容器４１の上面（基板Ｓｗとの対向面）４１ａにはまた、所定高さの筒体で構成される放出開口４４が径方向に所定間隔且つ２列で列設され、気化または昇華した有機材料Ｏｍを所定の余弦則に従い放出できるようになっている。外容器４１の径方向の長さや、放出開口４４の配置や本数は、これに限定されるものではなく、基板Ｓｗに成膜したときの膜厚分布などを考慮して適正設定される。また、真空チャンバ１の内底面には、回転軸線Ｒａに位置させて支柱５が立設され、支柱５の上面には、円板状の支持板５１が設けられている。また、真空チャンバ１の内底面には、周方向に等間隔で六枚の隔絶板６が放射状に立設され、互いに隣接した各隔絶板６で囲繞される扇状の空間に蒸着源４_１～４_６が位置するようになっている。支柱５や各隔絶板６の内底面からの高さは、所謂クロスコンタミネーションが発生しないように適宜設定される。

保持ステージ２と各蒸着源４_１～４_６との間に位置する真空チャンバ１内の空間には、遮蔽ユニット７が設けられている。遮蔽ユニット７は上下一対の円板状の遮蔽部７１，７２と、各遮蔽部７１，７２を回転軸線Ｒａ回りに回転駆動する第２の駆動手段７３とを備える。第２の駆動手段７３は、上方に位置する遮蔽部（以下、上遮蔽部７１という）に連結される第１回転軸７３ａと、これに同心に配置されて下方に位置する遮蔽部（以下、下遮蔽部７２）に連結される中空の第２回転軸７３ｂと、両回転軸７３ａ，７３ｂを夫々回転駆動するステッピングモータ７３ｃとで構成されている。この場合、ステッピングモータ７３ｃは支柱５の支持板５１に設置され、支持板５１にはまた、両回転軸７３ａ，７３ｂやステッピングモータ７３ｃへの気化または昇華した有機材料Ｏｍの付着を防止する筒状の防着板５２が設置されている。

上遮蔽部７１の外周縁部には、その全周に亘ってその下方に向けて所定高さで突出する突条７１ａが設けられ、突条７１ａの内側に位置するように、下遮蔽部７２が上下に微小な隙間を存して重ねて配置される。上遮蔽部７１には、互いに隣接する２個の蒸着源４_１～４_６が開放できるように、略１２０度の中心角を持つ扇形の輪郭で開口が設けられ、この開口が第１通路７４を構成するようになっている（図２参照）。一方、下遮蔽部７２には、第１通路７４の輪郭に一致する扇形の切欠きが設けられ、この切欠きで第２通路７５が構成されるようになっている。以下に、上記真空蒸着装置ＤＭを用いて所定の有機膜を積層する場合を例にその動作を説明する。

例えば、互いに隣接する２個の蒸着源４_１～４_６を対とし、夫々対をなす蒸着源４_１～４_６の内容器４２内に異種の有機材料Ｏｍを収容すると共に、保持ステージ２に基板Ｓｗをその処理面を下方に向けた姿勢でセットする。そして、真空チャンバ１内の真空排気を開始すると共に各内容器４２内の有機材料Ｏｍの加熱を開始する。このとき、基板Ｓｗ表面に成膜しようとする第１有機膜に応じて、ステッピングモータ７３ｃにより各遮蔽部７１，７２を回転軸線Ｒａ回りに所定の回転角だけ夫々回転させて第１通路７４と第２通路７５とが上下方向で合致しない位相とする。一方、各蒸着源４_１～４_６は、有機材料Ｏｍが気化または昇華する温度に達する手前の温度に昇温され、保持される（なお、気化または昇華する温度に達した否かは、例えば、有機材料Ｏｍを収容した内容器４２の重量変化から判断すればよい）。

次に、基板Ｓｗ表面に第１有機膜を成膜する場合、ステッピングモータ７３ｃにより各遮蔽部７１，７２を回転軸線Ｒａ回りに所定の回転角だけ夫々回転させて、この成膜に利用する２個の蒸着源（例えば、４_１と４_２）の直上にて第１通路７４と第２通路７５とが上下方向で合致する位相とする。そして、モータ３により保持ステージ２を所定の回転数で回転させると共に、シースヒータ４３により有機材料Ｏｍを更に加熱する。すると、気化または昇華したものが各放出開口４４から所定の余弦則に従い放出され、第１通路７４と第２通路７５とを経て基板Ｓｗに付着、堆積し、第１有機膜が成膜される。このとき、第１通路７４と第２通路７５との重なり合う面積や、蒸着源４_１，４_２の放出開口４４が形成された領域に対する第１通路７４と第２通路７５との重なり合う領域の相対位置を調整すれば、気化または昇華した有機材料Ｏｍが基板Ｓｗに付着するときの入射角を調整することができる。

ここで、成膜に利用されない各蒸着源４_３～４_６もまた加熱されているが、それらの上面が各遮蔽部７１，７２の（通路７４，７５が形成されていない）部分で覆われていることと、保持ステージ２に保持されて回転する基板Ｓｗは、第１通路７４と第２通路７５との重なり合う領域を通過する部分しか加熱されないこととが相俟って、基板Ｓｗと蒸着源４_１～４_６との間の所謂ＥＳ間距離を比較的短く設計しても、基板Ｓｗへの入熱の影響を可及的に抑制することができる。

次に、第２有機膜を成膜する場合、２個の蒸着源（例えば、４_１と４_２）にてシースヒータ４３の加熱量を低下させた後、ステッピングモータ７３ｃにより各遮蔽部７１，７２を回転軸線Ｒａ回りに所定の回転角だけ夫々回転させて、この成膜に利用する２個の蒸着源（例えば、４_３と４_４）の直上にて第１通路７４と第２通路７５とが上下方向で合致する位相とする。そして、モータ３により保持ステージ２の回転を維持したまま、２個の蒸着源４_３，４_４にてシースヒータ４３により有機材料Ｏｍを更に加熱する。すると、上記同様、気化または昇華したものが各放出開口４４から所定の余弦則に従い放出され、第１通路７４と第２通路７５とを経て基板Ｓｗに付着、堆積し、第２有機膜が成膜される。そして、上記のようにして２個の蒸着源４_５，４_６にて第３有機膜が成膜される。

他方、２種の有機材料Ｏｍを同時成膜するような場合には、この薄膜の成膜に利用される少なくとも２個の蒸着源４_１～４_６の上方にて第１通路７４と第２通路７５とが上下方向で合致する位相とすればよい。このとき、第１通路７４と第２通路７５との重なり合う面積や、第１通路７４と前記第２通路７５との重なり合う領域の収容箱４１，４２内に対する位置を調整すれば、一方の有機材料Ｏｍに対する他方の有機材料Ｏｍのドープ量を調整することが可能になる。以上の実施形態によれば、同一の真空チャンバ１内にて、基板Ｓｗ表面に異なる有機膜を順次積層できるだけでなく、２種以上の有機材料Ｏｍの同時成膜も可能になり、しかも、基板Ｓｗへの入熱の影響を可及的に抑制することができる。

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、蒸着物質として有機材料Ｏｍを成膜する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、金属材料などの蒸着にも本発明は適用することができる。また、蒸着物質としては、固体のものに限定されず、液体のものを用いることもできる。また、上記実施形態では、遮蔽ユニット７が２枚の遮蔽部７１，７２を備えるものを例に説明したが、３枚以上の板状の遮蔽部を設けることもできる。また、各遮蔽部７１，７２の第１通路７４、第２通路７５として、単一の開口または切欠きを設けたものを例に説明したが、これに限定されるものでではなく、開口や切欠きを各遮蔽部７１，７２に複数箇所設けることができ、また、板厚方向に関する複数の孔で第１通路７４、第２通路７５を構成することができる。

また、上記実施形態において、基板Ｓｗへの入熱の影響をより一層抑制するために、上遮蔽部７１を冷却する冷却手段８を備える構成を採用することができる。冷却手段８としては、図３に示すように、例えば、真空チャンバ１内に設置される冷却ヘッド８１と、真空チャンバ１外に設置される圧縮器、凝縮器及び膨張弁を備える冷凍機本体８２とで構成することができる。この場合、冷却ヘッド８１は、真空チャンバ１内に径方向に進退自在に設けられ、上遮蔽部７１を回転させる場合には、上遮蔽部７１から離間させ、上遮蔽部７１が静止したときに、冷却ヘッド８１が上遮蔽部７１に当接することで、伝熱により上遮蔽部７１を冷却できるようになっている。なお、冷却手段８はこれに限定されるものではなく、上遮蔽部７１に冷媒を循環させて冷却することもできる。また、冷却ヘッド８１が上遮蔽部７１に当接することで上遮蔽部７１を冷却するものを例に説明したが、これに限定されるものではなく、これに代えてまたは加えて下遮蔽部７２を冷却できるように構成してもよい。

ＤＭ…真空蒸着装置用、１…真空チャンバ、２…保持ステージ、３…モータ（第１の駆動手段）、４_１～４_６…蒸着源、４１…外容器（収容箱）、４２…内容器（収容箱）、４３…シースヒータ（加熱手段）、４４…放出開口、７…遮蔽ユニット、７１…上遮蔽部（上方に位置する遮蔽部）、７２…下遮蔽部（下方に位置する遮蔽部）、７３ｃ…ステッピングモータ（第２の駆動手段）、７４…第１通路、７５…第２通路、８…冷却手段、Ｏｍ…有機材料（蒸着物質）、Ｒａ…回転軸線（基板中心を通る線）、Ｖｃ…仮想円周。

Claims

真空チャンバ内に蒸着源とこの蒸着源に対向配置されて被処理基板を保持する保持ステージとを備える真空蒸着装置において、
保持ステージが、これに保持される被処理基板をその基板中心回りに回転駆動する第１の駆動手段を備え、
蒸着源が、蒸着物質を収容する一方向に長手の収容箱と保持ステージに対向する収容箱の上面に設けられて蒸着物質の加熱により気化または昇華した蒸着物質の放出を可能とする複数の放出開口とを備え、真空チャンバの内底面に周方向に間隔を置いて複数枚の隔絶板が放射状に設けられると共に、互いに隣接した各隔絶板で囲繞される空間に蒸着源の複数個が基板中心を中心とする仮想円周上に配置され、
保持ステージと各蒸着源との間に位置する真空チャンバ内の空間に遮蔽ユニットを更に備え、遮蔽ユニットが、上下方向に重ねて配置される上下一対の板状の遮蔽部と、各遮蔽部を基板中心回りに夫々回転させる第２の駆動手段とを有し、上方に位置する上遮蔽部の外周縁部に、その全周に亘ってその下方に向けて所定高さで突出する突条が設けられ、突条の内側に位置させて下方に位置する下遮蔽部が上下に微小な隙間を存して重ねて配置され、第２の駆動手段が、真空チャンバの内底面に立設した支柱の支持板上に設置されると共に、筒状の防着板で囲繞され、
上遮蔽部に第１通路が、下遮蔽部に第２通路が夫々形成されて、各遮蔽部を基板中心回りに所定の回転角だけ夫々回転させたときの第１通路と第２通路とが上下方向で合致する位相で、少なくとも１個の蒸着源の各放出開口から放出される蒸着物質の通過を許容するように構成され、
前記上遮蔽部を冷却する冷却手段を更に備え、冷却手段が真空チャンバ内で径方向に進退自在に配置される冷却ヘッドを有して、上遮蔽部の静止状態で冷却ヘッドが上遮蔽部に当接して伝熱により上遮蔽部を冷却するように構成したことを特徴とする真空蒸着装置。
前記第１通路と前記第２通路とは、各遮蔽部を基板中心回りに所定の回転角だけ夫々回転させたときに上下方向で合致しない位相が存在するように構成したことを特徴とする請求項１記載の真空蒸着装置。