JP7434261B2

JP7434261B2 - 蒸着装置及び蒸着方法

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Publication number: JP7434261B2
Application number: JP2021196195A
Authority: JP
Inventors: 真吾末永; 教彰濱永; 和吉山下; 秀行二宮
Original assignee: Choshu Industry Co Ltd
Current assignee: Choshu Industry Co Ltd
Priority date: 2021-12-02
Filing date: 2021-12-02
Publication date: 2024-02-20
Anticipated expiration: 2041-12-02
Also published as: CN116219366A; KR20230083229A; TWI835440B; JP2023082429A; TW202323555A

Description

本発明は、蒸着装置及び蒸着方法に関する。

ディスプレイパネル、太陽電池等の金属電極配線、有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）層、半導体層、その他の有機材料薄膜、及び無機材料薄膜等は、真空蒸着法等の蒸着によって形成されることがある。蒸着は、通常、坩堝内の蒸着材を加熱することにより、蒸着材を気化させ、気化した蒸着材を基板表面に向けて噴射し、この基板表面に蒸着材を堆積させることにより行われる。基板表面に堆積された蒸着材が、薄膜を形成する。また、蒸着の際には、所定形状を有するマスクにより基材表面を被覆しておくことで、パターニングされた蒸着膜を形成することができる。このような蒸着を行う蒸着装置は、通常、蒸着材を収容する坩堝等が内部に配置され、気化した蒸着材を噴射する噴射ノズルを有する蒸着源と、基板を固定する基板固定部とを備える。

図３に示すように、基板Ａ上に、マスクＢを用いてパターニングされた蒸着膜Ｃを形成する場合、蒸着膜Ｃの外縁に、シャドーＳと呼ばれる膜厚が薄い部分が形成されることがある。このシャドーＳは、マスクＢの浮きと蒸着材の入射角とによって、蒸着膜ＣにおけるマスクＢの開口の外縁位置Ｅよりも外側の部分に生じるアウターシャドーＳ_１と、マスクＢの厚みと蒸着材の入射角とによって、蒸着膜ＣにおけるマスクＢの開口の外縁位置Ｅよりも内側の部分に生じるインナーシャドーＳ_２とがある。このようなシャドーＳは、微細な成膜パターンの形成を妨げる要因となる。但し、蒸着の際に、シャドーが完全に生じないようにすることは困難であり、生じるシャドーの大きさは設計上計算される。従って、蒸着装置によって蒸着を行う際は、形成されるシャドーは、その計算値に近い許容される範囲内に収まることが好ましい。

このような中、各噴射ノズル間に蒸着材の蒸着領域を制御する制御板（遮断壁などとも称される。）が設けられた蒸着装置も開発されている（特許文献１参照）。このような蒸着装置によれば、基板に対して大きく傾斜した方向に噴射される蒸着材が制御板により遮断されるため、蒸着材の入射角を大きい範囲に制御し、シャドーを小さくすることができると考えられる。

特開２０１４－１７７７０７号公報

しかし、従来の各噴射ノズル間に制御板が設けられた蒸着装置においては、例えば、制御板が設けられた位置、すなわち各噴射ノズル間に対応する位置における蒸着量が少なくなるなど、膜厚均一性が十分ではない。また、従来の蒸着装置は、蒸着材の入射角を調整し、シャドーの大きさを制御することが困難である。

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、蒸着材の入射角が制御され、膜厚均一性が高い蒸着膜を形成できる蒸着装置、及びこのような蒸着装置を用いた蒸着方法を提供することである。

上記課題を解決するためになされた本発明は、蒸着材を噴射する噴射口が設けられた１又は複数の噴射ノズル、基板の一方の面が上記１又は複数の噴射ノズルの噴射口と対向するように上記基板を保持する基板保持部、及び上記１又は複数の噴射ノズルの噴射口を囲い、噴射される上記蒸着材の拡散方向を制御するように、上記基板に対して垂直に配置される円筒状又は角筒状の制御板を備え、上記基板保持部が、上記基板の法線方向を回転軸として上記基板を回転可能に構成されており、上記１又は複数の噴射ノズルと上記制御板とが、一体となって上記基板と平行に往復移動可能に構成されている蒸着装置である。

上記１又は複数の噴射ノズルと上記基板との間の距離が調整可能に、且つ上記制御板が、サイズの異なる他の円筒状又は角筒状の制御板に交換可能に構成されていることが好ましい。

上記制御板が円筒状であることが好ましい。

上記１又は複数の噴射ノズルが複数の噴射ノズルであり、それぞれの上記噴射ノズルの噴射口から異なる蒸着材が噴射されることが好ましい。

上記課題を解決するためになされた別の本発明は、当該蒸着装置を用いて蒸着を行う工程を備える蒸着方法である。

本発明によれば、蒸着材の入射角が制御され、膜厚均一性が高い蒸着膜を形成できる蒸着装置、及びこのような蒸着装置を用いた蒸着方法を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る蒸着装置を示す第１の模式図である。図２は、本発明の一実施形態に係る蒸着装置を示す第２の模式図である。図３は、蒸着膜の状態を示す模式図である。図４は、円筒状の制御板を示す模式図である。

以下、適宜図面を参照にしつつ、本発明の一実施形態に係る蒸着装置及び蒸着方法について詳説する。

＜蒸着装置＞
本発明の一実施形態に係る図１、２の蒸着装置１０は、蒸着源１１、基板保持部１２及び制御板１３を備える。なお、蒸着装置１０は、適切な真空度が維持される真空チャンバ（図示しない）内に配置される。真空チャンバには、真空チャンバ内の気体を排出させて、真空チャンバ内の圧力を低下させる真空ポンプ、真空チャンバ内に一定の気体を注入して、真空チャンバ内の圧力を上昇させるベンティング手段などが備えられていてよい。

蒸着源１１は、複数の噴射ノズル１４を有する。それぞれの噴射ノズル１４の先端（図１、２における上端）には、気化した蒸着材Ｄを噴射する噴射口１５（開口）が設けられている。蒸着装置１０においては、図２に示すように、４つの噴射ノズル１４の各噴射口１５が、Ｚ軸方向視において正方形の頂点を形成するように近接して配置されている。蒸着源１１は、固体状の蒸着材を収容し、加熱により蒸着材を気化させ、気化した蒸着材Ｄを複数の噴射ノズル１４の噴射口１５から噴射するように構成されている。

なお、複数の噴射ノズル１４の噴射口１５からは同一の蒸着材Ｄが噴射されてもよく、異なる蒸着材Ｄが噴射されてもよい。例えば、４つの噴射ノズル１４の噴射口１５からそれぞれ異なる４種類の蒸着材Ｄが噴射されてもよい。また、４つの噴射ノズル１４の噴射口１５のうちの２つずつから同じ蒸着材Ｄが噴射され、全体で２種類の蒸着材Ｄが噴射されてもよい。

蒸着源１１は、具体的には、例えば蒸着材収容室と拡散室とを有し、拡散室に噴射ノズル１４が連結された構成とすることができる。蒸着材収容室内には、坩堝が配置され、この坩堝内に固体状の蒸着材が収納される。気化した坩堝内の蒸着材は、蒸着材収容室から拡散室に移動する。坩堝の周囲には、加熱手段としてのヒータ等が配置される。加熱手段により坩堝中の蒸着材が加熱され、蒸着材が気化する。拡散室に移動した気体状の蒸着材は、複数の噴射ノズル１４から噴射される。複数の噴射ノズル１４は、例えば拡散室の上面に配置されていてよい。蒸着材収容室と拡散室とは一体となっていてもよく、別体となっていてもよい。後述するように、本実施形態において、複数の噴射ノズル１４が備わる蒸着源１１は、往復移動可能に構成されている。別の実施形態においては、蒸着源の一部（例えば蒸着材収容室等）は、複数の噴射ノズル１４等と別体となっていて、往復移動しないようにチャンバ内に固定されていてもよい。蒸着源１１は、加熱手段や、図示しない蒸着材の流路に設けられたバルブ等により、蒸着材の放出量を制御可能に構成されていてよい。

基板保持部１２は、基板Ａの一方の面（図１における下側の面）が複数の噴射ノズル１４の噴射口１５と対向するように、基板Ａを保持する。図１、２の蒸着装置１０においては、基板Ａの法線がＺ軸方向となるように基板Ａが下向きに保持される。換言すれば、基板Ａは、水平に保持される。基板保持部１２は、基板Ａを着脱可能に保持する。また、基板保持部１２は、保持した基板Ａの法線方向（図１におけるＺ軸方向）を回転軸として、図示しないモータ等の駆動手段により、保持した基板Ａを回転可能に構成されている。基板保持部１２は、基板Ａの回転速度も制御可能なものであることが好ましい。基板保持部１２は、例えば基板Ａが水平となるように基板Ａの側面を保持し、その向きを維持したまま基板Ａを回転させる機構（回転手段）を備えているものであってよい。基板保持部１２は、基板Ａを回転可能に保持する従来公知のものを採用することができる。基板Ａにおける複数の噴射ノズル１４の噴射口１５と対向する側の面（図１における下側の面）には、所定形状のパターンを有する蒸着用のマスクＢが、通常設けられる。また、基板保持部１２は、保持する基板Ａの高さ、換言すれば、複数の噴射ノズル１４から基板Ａまでの距離を調整可能に構成されている。

基板Ａは、蒸着を行う対象となる板状の基材である。基板Ａの形状としては特に限定されず、平面視矩形状、平面視円形状等であってよいが、図２に示されるような平面視円形状であることが好ましい。基板Ａの材質は、ガラス、セラミック、シリコン、樹脂、金属等、特に限定されない。

制御板１３は、複数の噴射ノズル１４の噴射口１５を囲い、噴射される蒸着材Ｄの拡散方向を制御するように、基板Ａに対して垂直に配置される。図１、２に示す制御板１３は、円筒状である。円筒状の制御板１３は、その中心軸が基板Ａに対して垂直方向（図１におけるＺ軸方向）となるように配置される。また、円筒状の制御板１３の中心軸上又はその近傍に複数の噴射ノズルの噴射口１５が位置するように制御板１３が配置される。制御板１３は、蒸着源１１上に、複数の噴射ノズル１４を囲うように配置されている。なお、図１の形態においては、制御板１３は、複数の噴射ノズル１４の側面までも囲うようにもうけられている。但し、他の形態において、制御板１３は、１又は複数の噴射ノズル１４の側面までは囲っていなくてもよい（図２参照）。制御板１３は、噴射される蒸着材Ｄの拡散方向を制御するために、少なくとも噴射ノズル１４の噴射口１５から基板Ａ側の所定高さまでの空間を筒状に囲うように設けられていればよい。

制御板１３の材質としては特に限定されず、樹脂、ガラス、セラミックス、金属等を用いることができる。

複数の噴射ノズル１４と制御板１３とは、一体となって、基板Ａと平行に往復移動可能に構成されている。図１の蒸着装置１０においては、制御板１３は、複数の噴射ノズル１４を備える蒸着源１１上に固定されている。そして、蒸着源１１は、図１におけるＸ軸方向に沿って直線状に設置されたレール１６上に配置されている。蒸着装置１０は、図示しないモータ等の駆動手段によって、レール１６上を、制御板１３が固定された蒸着源１１が往復移動させることができる。なお、往復移動の速度も制御可能に構成されていることが好ましい。

制御板１３が固定された蒸着源１１は、膜厚均一性がより高い蒸着膜を形成できる等の点から、例えば、基板Ａの一端から他端まで蒸着できるような範囲で往復移動できるように構成されていることが好ましい。なお、基板Ａを回転させることができるため、制御板１３が固定された蒸着源１１は、例えば、基板Ａの中心から一端までを蒸着できるような範囲で往復移動させるように構成されていてもよい。

制御板１３は、噴射ノズル１４の噴射口１５から噴射される蒸着材Ｄの拡散方向（進行方向）を制御する、換言すれば蒸着材Ｄの基板Ａへの入射角を制御するためのものである。蒸着材Ｄの基板Ａの入射角は、制御板１３のサイズ（径及び高さ）及び噴射ノズル１４の噴射口１５から基板Ａまでの距離によって制御される。例えば、円筒状の制御板１３の径を小さくする、又は制御板１３の高さ（Ｚ軸方向の長さ）を大きくすることにより、蒸着材Ｄの基板Ａへの入射角（基板Ａの平面と蒸着材Ｄの進行方向とがなす角）は９０°に近づき、シャドーは小さくなる。一方、例えば、円筒状の制御板１３の径を大きくする、又は制御板１３の高さ（Ｚ軸方向の長さ）を小さくすることにより、蒸着材Ｄの基板Ａへの入射角（基板Ａの平面と蒸着材Ｄの進行方向とがなす角）は小さくなり、シャドーは大きくなる。

具体的には図３に示すように、蒸着材の基板への入射角（基板Ａの平面と蒸着材の進行方向とがなす最小の角）をθ、マスクＢの浮き（基板ＡとマスクＢとの間隔）をＴｃ、マスクＢの厚さをＴｍとした場合、インナーシャドーＳ_１の幅Ｗ_Ｓ１はＴｃ／ｔａｎθ、アウターシャドーＳ_２の幅Ｗ_Ｓ２は（Ｔｃ＋Ｔｍ）／ｔａｎθで表される。一方、図４に示すように、円筒状の制御板１３の高さをＬ、半径（内径）をＲとした場合、典型的には、上記入射角θに関してｔａｎθ＝Ｌ／Ｒの関係が成り立つ。従って、インナーシャドーＳ_１の幅Ｗ_Ｓ１はＴｃＲ／Ｌ、アウターシャドーＳ_２の幅Ｗ_Ｓ２は（Ｔｃ＋Ｔｍ）Ｒ／Ｌで表される。このため、制御板１３の高さＬ及び半径Ｒを調整することで、インナーシャドーＳ_１の幅Ｗ_Ｓ１及びアウターシャドーＳ_２の幅Ｗ_Ｓ２を制御することができる。

また、円筒状の制御板１３の径を大きくすれば、形成される蒸着膜の膜厚均一性が高まる。従って、設計に基づく、許容されるシャドーの大きさ等に応じて、制御板１３のサイズ（径及び高さ）を調整すればよい。また、サイズ（径及び高さの少なくとも一方）の異なる制御板１３が複数用意され、複数の制御板１３が交換可能に構成されていることが好ましい。なお、サイズの異なる複数の制御板１３が交換可能に用意されている場合、複数の制御板１３は、いずれも円筒状であることが好ましい。

基板Ａが円形状であり、制御板１３が円筒状である場合、膜厚均一性の高い蒸着膜を得る等の観点から、円筒状の制御板１３の直径（内径）は、基板Ａの直径より大きくてもよい。また、図１、２に示されるように、円筒状の制御板１３の直径（内径）は、基板Ａの直径より小さくてもよい。例えば、基板Ａの直径に対する円筒状の制御板１３の直径（内径）の比は、１／１０以上１１／１０以下とすることができる。上記比は、１／５以上であってもよく、３／１０以上、１／２以上又は１以上であってもよい。また、上記比は、１以下であってもよく、９／１０以下、４／５以下、７／１０以下、３／５以下又は１／２以下であってもよい。

円筒状の制御板１３の直径（内径）は、蒸着装置１０自体の大きさや、基板Ａの大きさ、目標とする蒸着材Ｄの入射角の大きさ等に応じて適宜設定され、例えば２０ｍｍ以上５００ｍｍ以下とすることができる。この直径（内径）は、３０ｍｍ以上、５０ｍｍ以上、１００ｍｍ以上又は２００ｍｍ以上がさらに好ましい場合もある。この直径（内径）は、３００ｍｍ以下、２００ｍｍ以下又は１００ｍｍ以下がさらに好ましい場合もある。

制御板１３の高さとしては、例えば１００ｍｍ以上１，０００ｍｍ以下であってもよく、２００ｍｍ以上５００ｍｍ以下であってもよい。制御板１３の高さを上記下限以上とすることで、蒸着材Ｄの入射角をより小さくすることができる。制御板１３の高さを上記上限以下とすることで、制御板１３が蒸着源１１と共に往復移動するときの安定性を高めることなどができる。

＜蒸着方法＞
以下、蒸着装置１０の使用方法、すなわち蒸着装置１０を用いた蒸着方法を説明し、あわせて蒸着装置１０及びこの蒸着装置１０を用いた蒸着方法の利点について説明する。

本発明の一実施形態に係る蒸着方法は、蒸着装置１０を用いて蒸着を行う工程を備える。当該蒸着方法によって蒸着される蒸着材の種類は特に限定されず、無機物であってもよく、有機物であってもよく、従来の蒸着方法（真空蒸着等）によって蒸着可能な各種の蒸着材を用いることができる。

当該蒸着方法は、制御板１３を備える当該蒸着装置１０を用いて蒸着を行うため、制御板１３により蒸着材Ｄの基板Ａへの入射角が制御された蒸着を行うことができる。すなわち当該蒸着装置１０を用いて蒸着を行うことで、シャドーの小さい蒸着膜の形成が可能となる。なお、通常、蒸着材Ｄの基板Ａに対する入射角（基板Ａの平面と蒸着材Ｄの入射方向とがなす角）は４５°から９０°の範囲内で設定することができる。当該蒸着装置１０によれば、ターゲットとする蒸着材Ｄの入射角又はシャドーの大きさの範囲に応じて、適切なサイズ（高さ及び内径）を有する制御板１３に交換したり、基板保持部１２の高さを調整して、複数の噴射ノズル１４と基板Ａとの間の距離を調整したりすることができる。複数の噴射ノズル１４と基板Ａとの間の距離としては、例えば１００ｍｍ以上１，０００ｍｍ以下の範囲内であってもよく、３００ｍｍ以上８００ｍｍ以下の範囲内であってもよい。このように当該蒸着装置１０を用いた蒸着方法によれば、蒸着材Ｄの入射角の調整を行うことが可能である。

また、当該蒸着装置１０において、制御板１３により、蒸着材Ｄの拡散方向が基板Ａに向かう方向に制御されているため、チャンバ内に蒸着材Ｄが付着し難く、チャンバ内の清掃、メンテナンス等も容易である。

当該蒸着装置１０を用いた蒸着方法においては、基板Ａを回転させながら基板Ａに対する蒸着を行うことができ、また、複数の噴射ノズル１４と制御板１３とを一体的に基板Ａと平行に往復移動させながら基板Ａに対する蒸着を行うことができる。また、基板Ａの回転、及び複数の噴射ノズル１４と制御板１３との往復移動の双方を行いながら、基板Ａに対する蒸着を行うこともできる。基板Ａは、基板保持部１２により、基板Ａの法線方向（図１、２におけるＺ軸方向）を回転軸として、周方向に回転される。制御板１３は、複数の噴射ノズル１４を有する蒸着源１１上に固定されており、蒸着源１１は、レール１６上に配置されている。このため複数の噴射ノズル１４と制御板１３とは、レール１６上を図１、２におけるＸ軸方向に往復移動される。

このように、当該蒸着装置１０を用いた蒸着方法においては、基板Ａの回転、及び複数の噴射ノズル１４と制御板１３との往復移動の少なくとも一方を行いながら、基板Ａに対する蒸着を行うことで、基板Ａに形成される蒸着膜の厚みの均一性を高めることができる。なお、膜厚均一性をより高めるなどのために、基板Ａの回転速度、及び複数の噴射ノズル１４と制御板１３との往復移動速度とを調整することができる。また、一回転の間で回転速度を変えてもよく、一往復の間で移動速度を変えてもよい。

また、当該蒸着装置１０を用いた蒸着方法は、複数の噴射ノズル１４を有する蒸着源１１を往復移動させながら基板Ａに対する蒸着を行うことができるため、大型の基板Ａに対して蒸着を行う場合も、蒸着源１１を比較的コンパクトな設計とすることができる。

さらに、当該蒸着装置１０を用いた蒸着方法においては、当該蒸着装置１０が複数の噴射ノズル１４を備えるため、共蒸着も容易に行うことができる。この際、複数の噴射ノズル１４が近接して配置されているため、蒸着材毎の分布の斑が小さく、蒸着材の組成の均一性も高い蒸着膜を形成することができる。なお、当該蒸着装置１０を用いた蒸着方法においては、１種類の蒸着源のみを用いた単蒸着も好適に行うことができる。

＜他の実施形態＞
本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲でその構成を変更することもできる。例えば、噴射ノズルの数は特に限定されるものではなく、１本でもよく、２本、３本又は５本以上であってもよい。但し、制御板１３内に近接して配置可能なサイズ等の観点から、噴射ノズルの本数は、１本以上６本以下が好ましく、２本以上４本以下がより好ましい場合もある。

上記実施形態において制御板は円筒状としたが、角筒状であってもよい。角筒状の制御板を用いた場合も、円筒状の制御板を用いた場合と同様の効果を奏することができる。但し、蒸着材の入射角をより正確に制御できる等の点から、制御板は円筒状であることが好ましい。角筒状の制御板としては、軸方向視の形状が四角形、六角形等の形状のものを用いることができる。なお、軸方向視の形状が正多角形状である角筒状の制御板における軸方向視における対角線長さ（内寸）の好適範囲は、上記した円筒状の制御板における直径（内径）の好適範囲を採用することができる。

また、本発明の蒸着装置を用い、基板及び噴射ノズルの双方を動かさずに蒸着を行う方法も、本発明の蒸着方法に含まれる。

本発明の蒸着装置及び蒸着方法は、ディスプレイパネルや太陽電池等の金属電極配線、半導体層、有機ＥＬ層、その他の有機材料薄膜や無機材料薄膜等の成膜に好適に用いることができる。

１０蒸着装置
１１蒸着源
１２基板保持部
１３制御板
１４噴射ノズル
１５噴射口
１６レール
Ａ基板
Ｂマスク
Ｃ蒸着膜
Ｄ蒸着材
Ｅマスクの開口の外縁位置
Ｓシャドー
Ｓ_１アウターシャドー
Ｓ_２インナーシャドー

Claims

平面視円形状の基板に対して蒸着を行う蒸着装置であって、
蒸着材を噴射する噴射口が設けられた１又は複数の噴射ノズル、
上記基板の一方の面が上記１又は複数の噴射ノズルの噴射口と対向するように上記基板を保持する基板保持部、及び
上記１又は複数の噴射ノズルの噴射口を囲い、噴射される上記蒸着材の拡散方向を制御するように、上記基板に対して垂直に配置される円筒状の制御板
を備え、
上記基板保持部が、上記基板の法線方向を回転軸として上記基板を回転可能に構成されており、
上記１又は複数の噴射ノズルと上記制御板とが、一体となって上記基板と平行に、上記基板の一端から他端まで蒸着できるような範囲で往復移動可能に構成されており、
上記円筒状の制御板の内径が上記基板の直径より小さい、蒸着装置。
上記１又は複数の噴射ノズルと上記基板との間の距離が調整可能に、且つ
上記制御板が、サイズの異なる他の円筒状の制御板に交換可能に構成されている請求項１に記載の蒸着装置。
上記１又は複数の噴射ノズルが複数の噴射ノズルであり、
それぞれの上記噴射ノズルの噴射口から異なる蒸着材が噴射される請求項１又は請求項２に記載の蒸着装置。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の蒸着装置を用いて上記基板に対して蒸着を行う工程を備える蒸着方法。