JP4714920B2 - 蒸着材料供給装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は真空蒸着に用いられる蒸発源に、蒸着材料を自動供給する装置および方法に関する。

真空蒸着とは、真空室内部をあらかじめ高真空領域まで排気した状態で蒸着材料を蒸発させ基板表面に蒸着材料を堆積させる成膜方法であり、種々の分野に適用されている。
真空蒸着を用いた成膜装置において、インライン式に基板を連続処理する場合や、基板面に厚膜を堆積させる場合等、真空室内を大気圧に開放してから新しい蒸着材料を供給する手段では作業効率及び成膜精度に問題があるため、高真空状態を維持したまま新しい蒸着材料を自動供給する機構が一般的に用いられている。

図５は、一例としての蒸着材料供給機構でありバイブレーションフィーダーと呼ばれる。同図の機構は、タンク４０内に収容された粒状蒸着材料をストッパーの開放によりパーツフィーダユニット４１内に流入し、一定時間の振動を与えることにより粒状蒸着材料をらせん状に上昇させ、ノズル４２を介して外部に粒状蒸着材料を流出させるものである。

その他、例えば特許文献１に従来の蒸着材料供給機構が開示される。特許文献１は抵抗加熱蒸発源への蒸発物供給装置であって、蒸発物の補給準備通路、吐出通路、および移送通路を内部に持ち、アーム、回転駆動機構、移送棒、およびピストンロッドを用いて、補給準備通路内に配列された複数の蒸発物の１つを蒸発源に吐出することを特徴とする。
特許第３５１０３３６号

バイブレーションフィーダーは一定時間の振動により粒状蒸着材料を移送させる機構であるため、供給量が一定でないという課題があった。
供給量が一定でないと、成膜条件が安定しないという問題が発生する。蒸発源からの蒸発量は蒸着材料の溶融面積に依存するため、蒸着材料の供給量に依存して成膜レートが変化する。抵抗加熱蒸発源では、ボート上の蒸着材料の量によってボート全体の抵抗値が異なるため、同じ電力を供給しても流れる電流値が変わってしまう。蒸着材料の供給量にばらつきがあると、成膜開始時の電力条件も異なってしまうため、成膜前半の蒸着レートが安定しなくなってしまう。更に、供給量にばらつきがあると蒸着材料の使用量が確認出来ず、材料管理の面でも問題がある。
また、特許文献１に開示の機構では、固形の蒸着材料を供給するため定量供給が可能となるが、蒸着材料を多量に供給できないという課題があった。機構に搭載可能な蒸着材料の量が少ないと生産性および作業効率に問題がある。
本発明は、蒸着材料を大容量搭載し、定量供給する蒸着材料供給機構を提案することを目的とする。

本発明の第１の側面は、真空室内部に配置した蒸着材料を基板面に堆積させる真空蒸着装置用の蒸着材料供給装置であって、定量形成された蒸着材料を複数個積重する少なくとも１つの収容器、収容器の底面を開放して落下させた少なくとも１つの蒸着材料を受容する受容手段、受容手段の底面を開放して受容されている蒸着材料を投下する投下手段、および収容手段と受容器との相対位置、及び受容手段と投下手段との相対位置を水平面内において変化させる移動手段からなり、収容手段に対する収容器の相対位置が所定の位置にある場合に収容器の底面の開放が行われ、受容手段に対する投下手段の相対位置が所定の位置にある場合に受容手段の底面の開放が行われるように構成した蒸着材料供給装置である。

ここで、収容器が開放された底面を有し、収容器の下面に受容手段が配置され、受容手段の下面に投下手段が配置される構成において、受容手段は、蒸着材料を受容及び投下可能な開口を設けた遮蔽面からなるホルダからなり、投下手段は、蒸着材料が貫通可能な開口を設けた遮蔽面からなるベースからなり、収容器の底面とベースの開口とは垂直投影が重ならない位置にあり、移動手段によって決まるホルダの開口、収容器の底面又はベースの開口の移動経路において、ホルダの開口と収容器の底面との垂直投影が重なる位置、およびホルダの開口とベースの開口との垂直投影が重なる位置を有するように構成した。
また、移動手段はホルダに接続された回転駆動源であり、ホルダの回転軸を中心とする略同心円状に収容器の底面、ホルダの開口およびベースの開口を配設した。
さらに、収容器の底面、ホルダの開口およびベースの開口の長手方向がホルダの回転軸を中心として放射状に配置されるようにした。
またさらに、蒸着材料は転動自在な形状とした。

本発明の第２の側面は、真空室内部に配置した蒸着材料を基板面に堆積させる真空蒸着装置用の蒸着材料供給装置であって、定量形成された蒸着材料を複数個積重する少なくとも１つのマガジン、マガジンに収容された蒸着材料を受容及び投下する開口の直上に少なくとも１つのマガジンを載置するマガジンラック、マガジンラックの下面に配置され蒸着材料を投下する開口を遮蔽面に設けたホルダ、ホルダの下面に配置され蒸着材料を投下する開口を遮蔽面に設けたベース、およびホルダとマガジンラックとの相対位置、及びホルダとベースとの相対位置を水平面内において変化させる駆動源からなり、マガジンとベースの開口とは垂直投影が重ならない位置にあり、駆動源によって決まるホルダの開口、収容器の底面又はベースの開口の移動経路において、ホルダの開口とマガジンとの垂直投影が重なる位置、およびホルダの開口とベースの開口との垂直投影が重なる位置を有するように構成された蒸着材料供給装置である。

ここで、第１及び第２の側面において、ホルダを形成する遮蔽面の開口における深さを定量形成された蒸着材料の高さの整数倍とした。

本発明の第３の側面は、真空室内部に配置した蒸着材料を基板面に堆積させる真空蒸着装置における蒸着材料供給方法であって、蒸着材料を複数積重する少なくとも１つの収容手段、収容手段の下面に配置され少なくとも１つの蒸着材料を収容手段から受容する受容手段、受容手段の下面に配置され受容手段から蒸着材料を投下させる投下手段、および収容手段、受容手段又は投下手段を水平方向に移動させる移動手段からなる蒸着材料供給装置において、定量形成された蒸着材料を収容手段に複数積重する工程、収容器と受容手段との位置関係を変化させ、所定の位置関係において収容器の底面を開放して少なくとも１つの蒸着材料を投下する工程、落下した蒸着材料を受容する工程、および受容手段と投下手段との位置関係を変化させ、所定の位置関係において受容手段の底面を開放して蒸着材料を投下する工程からなる蒸着材料供給方法である。さらに、移動手段が受容手段を移動させるようにしてもよい。

本発明の第４の側面は、上記第１および第２の側面のいずれか記載の蒸着材料供給装置を、真空室内部に配置した蒸着材料を基板面に堆積させる真空蒸着装置に備えるものである。

本発明の蒸着材料供給機構は多量の蒸着材料を搭載することが可能であるため、厚膜用もしくは連続処理用の蒸着材料の供給を確保することが可能となり、生産性の向上、および作業効率の向上に効果を奏する。また、蒸着材料を定量供給するため、蒸着量による膜厚管理や蒸着材料の管理にも貢献する。

図１乃至図３を参照に本発明に係る蒸着材料供給手段の実施例を説明する。
図１は蒸着材料供給機構の概略斜視図であり、図２は図１に示す機構の概略分解図であり、図３は同機構の概略断面図である。
同図の機構は、複数の蒸着材料５を積重して収容するマガジン４、複数のマガジン４を載置するマガジンラック１、マガジンラック１の下方に配置されるホルダ２、ホルダ２の下方に配置されるベース３、ホルダ２の駆動源であるモータ１１とにより構成される。

マガジンラック１、ホルダ２、およびベース３には、直上に配された蒸着材料を投下する開口６，７，９が配設される。マガジンラック１に配設される開口６、およびベース３に配設される開口９は、各々の垂直投影が重ならない位置に配置することを特徴とし、マガジンラック開口６の垂直投影はベース遮蔽面１０において遮蔽されているものとする。ホルダ２は、その開口７位置がマガジンラック開口６およびベース開口９のいずれにも一致可能となるように駆動制御されることを特徴とする。

同図においてモータ１１はホルダ２を回転駆動するものとし、マガジンラック開口６、ホルダ開口７、およびベース開口９は回転の中心軸AA´の円周上に放射状に配設される。同図では、マガジンラック１に複数の開口６を、ホルダ２およびベース３には１つの開口７，９を設けているが、各開口６，７，９の数は適宜選択すればよい。マガジン４の側壁１２には係止爪１３が設けられ、マガジンラック開口６に係止爪１３を係止させることによりマガジンラック１にマガジン４を載置させる。マガジン４には底板がなく、底面が開放されているため、直下にホルダ遮蔽面８が位置する場合にはホルダ２が、直下にホルダ開口７が位置する場合にはベース遮蔽面１０が底板となって蒸着材料５を収容する。マガジンラック１にはマガジンラック開口６と同数のマガジン４を搭載可能であるが、説明を簡略化するため同図では２つのマガジン４が搭載されるものとし、一方をマガジンA他方をマガジンBとする。ホルダ開口７は、モータ１１による回転駆動により任意のマガジンラック開口６直下に位置することが可能であり、マガジンラック開口６直下にホルダ開口７が配置されると、直上に載置されるマガジン４内の蒸着材料５はマガジンラック１およびホルダ２内を垂直投下しベース遮蔽面１０に支持される。

ホルダ開口７およびベース遮蔽面１０により形成される孔の深さｄは、マガジン４内に収容される蒸着材料５の高さの整数倍に近似する値となるように設計する。これにより、ホルダ開口７内部に収容した蒸着材料５の上面がホルダ遮蔽面８に略一致するため、マガジン４に対してホルダ２が一様な遮蔽面となり、ホルダ２を円滑に駆動することが可能となる。実施例では、孔の深さｄを蒸着材料５の直径ｌに略一致させているため、マガジン４の最下段に位置する１個の蒸着材料５を孔内部に収容するが、収容する蒸着材料５の数は複数個でもよい。また、実施例では円柱形状の蒸着材料５を用いているため、ホルダ開口７内部の蒸着材料を円滑に転動可能であるが、蒸着材料５の形状はこれに限られるものではなく、多角柱や球状等であってもよい。ただし、蒸着材料５は転動自在な形状であることが望ましい。マガジン４およびホルダ２を蒸着材料の形状に合わせることで種々の蒸発源への対応が可能である。

以下同機構の動作を説明する。
まず、マガジンラック開口６直下にホルダ遮蔽面８を位置させた状態でマガジンラック１にマガジン４をセットし、ホルダ遮蔽面８を底板としてマガジン４内に蒸着材料５を積重しておく（図３中ａにて示す）。次に、モータ１１によりホルダ２を駆動させマガジンBの直下にホルダ開口７を位置させる。これによりマガジン４内に収容された蒸着材料５のうち最下段に位置する蒸着材料５がホルダ開口７内部に収容される。ホルダ開口７内部に蒸着材料５を収容した状態で更にホルダ２を駆動すると（図３中ｂにて示す）、マガジンAの直下にホルダ開口７が位置した場合においても（図３中ｃにて示す）、開口７内部に収容された蒸着材料５がマガジンAの底板として作用するため、マガジンA内の蒸着材料５はマガジンＡ内に保持される。蒸着材料５を供給する場合は、ホルダ２を更に駆動しベース開口９直上にホルダ開口７を位置させれば、ホルダ開口７内部に収容されていた蒸着材料５がベース開口９から吐出する（図３中ｄにて示す）。ベース開口９は、所望の蒸着材料吐出位置の直上に配設すればよい。

マガジンB内の蒸着材料５が全て供給された場合、マガジンBの直下にホルダ開口７が位置してもホルダ開口７内に蒸着材料５は収容されないが、マガジンAの直下にホルダ開口が７位置するとホルダ開口７内にはマガジンAに収容されていた蒸着材料５が収容されるため、その後はマガジンA内の蒸着材料５が順次供給される。上記動作を繰返し、順次マガジン４内の最下段に位置する蒸着材料５を吐出すればよい。

実施例では、マガジン４を円周上に配列しホルダ２を回転駆動させる構成としているが、マガジン４を直線上に配列しホルダ２を直線駆動させる構成としてもよい。また、実施例ではホルダ２に駆動源を接続しているが、マガジンラック１、ホルダ２、およびベース３を相対的に駆動すればよいため、ホルダ２を固定しマガジンラック１とベース３に駆動源を接続させる等の手段を選択してもよい。

本発明は、蒸着材料５の自重による落下を利用した構成となっているため、機構の簡略化に貢献し、真空室内における蒸着材料供給機構の占有面積の削減、および低コスト化することが可能となる。

図４は、一例として図１乃至図３に示す蒸着材料供給機構３０を搭載した真空蒸着装置の概要を示す。
同図に示す装置は、仕込室２０、成膜室２１、および取出室２２を有し、各真空室はゲートバルブ２４，２５により仕切られ、各々独立の図示しない排気手段を備えている。図示しない基板搬送手段が、仕込室２０から成膜室２１に未成膜の基板２３を搬入し、成膜室２１から取出室２２に成膜後の基板２３を搬出するため、成膜室２１においては高真空状態を維持したまま連続成膜を行うことが可能である。成膜室２１には蒸発源位置２９と成膜位置が対向し、蒸発源位置２９に蒸着材料５が、成膜位置に基板２３が配置される。蒸発源位置２９では、電子ビーム加熱による蒸着材料の加熱蒸発が行われる場合もあるが、同図では抵抗加熱容器内に収容した蒸着材料を加熱し溶融蒸発させるものとする。基板蒸発源間には、蒸着材料２を遮蔽するシャッター２６が配置される。蒸発源位置２９には抵抗加熱ユニット２８が配置され、蒸着材料供給機構３０、および蒸着材料供給機構３０から供給される蒸着材料を蒸発源位置まで搬送する搬送機構２７が設けられる。これにより真空室を開放することなく蒸発源位置２９に順次蒸着材料５を供給することが可能となる。同図の搬送機構２７は、回転駆動源に接続される回転体であり、ベース開口９直下と蒸発源位置２９とを結ぶ円の中心を軸として駆動することにより、ベース開口９から吐出される蒸着材料５を蒸発源位置２９まで搬送する。

同図に示す装置により蒸着を行う場合は、まず仕込室２０と成膜室２１の真空度を等しくしてゲートバルブ２４を開放し、仕込室２０から未成膜の基板２３を成膜室２１に搬入して成膜位置に配置する。基板２３の搬入後ゲートバルブ２４は閉塞し、蒸着材料供給機構から供給した蒸着材料５を搬送機構により蒸発源位置２９に配置する。抵抗加熱ユニット２８に通電し、蒸着材料５を蒸発温度まで昇温させる。シャッター２６を開放すると蒸着材料５は真空室内を飛散し、基板２３上に堆積することで薄膜を形成する。膜厚が目標値に到達したらシャッター２６を閉じ、抵抗加熱ユニット２８を停止させる。次に、ゲートバルブ２５を開放し、薄膜が形成された成膜基板２３を、成膜室２１に等しい真空度まで高真空排気した取出室２２に搬出しゲートバルブ２５を閉塞する。続いて、ゲートバルブ２４を開放し、成膜室２１に等しい真空度まで高真空排気した仕込室２０から未成膜の基板２３を搬入し、成膜位置に配置する。また、蒸着材料供給機構３０および搬送機構２７を用いて、蒸発源位置２９に蒸着材料５を供給する。上記同様に成膜を行い、図示しない基板搬送機構は成膜後の基板２３を取出室２２に搬出し、順次未成膜の基板２３を成膜位置に供給し、上記動作を繰返す。

真空蒸着装置に本発明の蒸着材料供給機構を搭載することにより、真空室内に供給可能な蒸着材料の量を著しく増加することが可能となるため、連続蒸着もしくは厚膜蒸着の処理数を増加させ生産性を著しく向上させることが可能となる。また、固形の蒸着材料を定量供給することが可能となるため、抵抗加熱蒸発源を用いた装置において、成膜前半の蒸着レートの安定に貢献し成膜精度を向上させることも可能となる。更に、蒸着材料の定量供給を行うことにより、供給回数から材料の使用量を容易に確認することが可能となる。これは、Ａｕ等の高価な金属を蒸着材料として用いる場合に特に有用である。

本発明蒸着材料供給機構概略斜視図 本発明蒸着材料供給機構概略分解図 本発明蒸着材料供給機構概略断面図 真空蒸着装置概略図 バイブレーションフィーダー概略図

符号の説明

1 マガジンラック
2 ホルダ
3 ベース
4 マガジン
5 蒸着材料
6 開口
7 開口
8 遮蔽面
9 開口
10 遮蔽面
11 モーター
12 側壁
13 係止爪
20 仕込室
21 成膜室
22 取出室
23 成膜基板
24 ゲートバルブ
25 ゲートバルブ
26 シャッタ
27 搬送機構
28 抵抗加熱ユニット
29 蒸発源位置
30 蒸着材料供給機構
40 タンク
41 パーツフィーダユニット
42 ノズル

Claims (4)

1. 真空室内部に配置した蒸着材料を基板面に堆積させる真空蒸着装置用の蒸着材料供給装置であって、
   定量形成された柱形状の該蒸着材料を、該柱形状の長手方向を水平にして複数個積重するマガジンの開放された底面が載置され、該蒸着材料の長手方向投影に対応する開口を設けた遮蔽面からなるマガジンラック、
   該蒸着材料の長手方向投影に対応する開口を設けた遮蔽面からなり、該マガジンラックの開口を開放して落下させた少なくとも１つの該蒸着材料を受容するホルダ、
   該蒸着材料の長手方向投影に対応する開口を設けた遮蔽面からなり、該ホルダの開口を開放して該受容されている蒸着材料を投下するベース、および
   該ホルダを水平面内において回転させる回転駆動源
   を備え、
   該マガジンラックの開口と該ベースの開口とは垂直投影が重ならない位置にあり、
   該マガジンラックに対する該ホルダの位置が所定の位置にある場合に該マガジンラックの開口の開放が行われ、該ベースに対する該ホルダの位置が所定の位置にある場合に該ホルダの開口の開放が行われるように構成され、
   該回転駆動源によって決まる該ホルダの開口の移動経路において、該ホルダの開口と該マガジンラックの開口との垂直投影が重なる位置、および該ホルダの開口と該ベースの開口との垂直投影が重なる位置を有するように構成され、
   該ホルダの回転軸を中心とする略同心円状かつ放射状に該マガジンラックの開口、該ホルダの開口および該ベースの開口が配設されたことを特徴とする蒸着材料供給装置。
   
2. 請求項１記載の蒸着材料供給装置であって、
   該蒸着材料は転動自在な形状であることを特徴とする蒸着材料供給装置。
   
3. 請求項１又は２に記載の蒸着材料供給装置であって、
   前記ホルダを形成する遮蔽面の開口における深さが、前記蒸着材料の長手方向を水平にした場合の高さの整数倍であることを特徴とする蒸着材料供給装置。
   
4. 真空槽内部に配置した蒸着材料を基板面に堆積させる真空蒸着装置であって、
   該真空槽内部に請求項１乃至３いずれかに記載の蒸着材料供給装置を備えたことを特徴とする真空蒸着装置。

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