JP6931599B2 - 蒸着装置及び蒸着方法 - Google Patents

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や太陽電池等の金属電極配線、有機ＥＬ層、半導体層、その他の有機材料薄膜や無機材料薄膜等は、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。

ここで、大型の基板に対応した蒸着を行うためには、図４に示すように、用いる噴射ノズル３１の数を増やすことが考えられる。噴射ノズル３１の数を増やすことで、大型の基板Ｘに対しても、膜厚均一性の高い蒸着膜を形成することができる。なお、図４中に模式的に示す曲線Ｐは、各噴射ノズル３１による蒸着量の分布を示す曲線である。しかし、複数の噴射ノズル３１を有する蒸着装置３０を用いた場合、特に基板Ｘの端部において、離れた位置の噴射ノズル３１から噴射される蒸着材が、基板表面に対して小さい角度で到達することとなる。このような部分においては、図５に示すように、マスクＹで被覆された部分にまで蒸着材が進入しやすくなる。このような場合、蒸着膜Ｚにおいて、シャドーＳといわれる蒸着材が薄く積層された領域が大きくなる。このため、このような従来の蒸着装置３０の場合、微細な成膜パターンを得ることが困難である。これに対し、噴射ノズルを少なくし、かつ噴射ノズルを端に配置しない構成とすることで、蒸着材が基板表面に対して到達する角度を大きくすることができる。しかしこの場合、大型の基板に対して、膜厚均一性の高い蒸着膜を形成することが困難になる。

このような中、得られる蒸着膜の膜厚均一性を高め、かつシャドーを少なくするために、傾斜した噴射ノズルを有する蒸着装置や、このような蒸着装置を用いる蒸着方法が提案されている（特許文献１、２参照）。

特開２０１４−７７１９３号公報 特開２０１６−１２５０９１号公報

しかし、上記従来の傾斜した噴射ノズルを有する蒸着装置やこれを用いた蒸着方法においても、得られる蒸着膜の膜厚均一性及びシャドーに関して十分に改善されているとはいえず、大型の基板に対して良好な蒸着を行うことができない。

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、膜厚均一性が高く、かつシャドーが少ない蒸着膜が形成されるように設計された蒸着装置、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、直線状に配置され、蒸着材を噴射する複数の噴射ノズルを有する蒸着源、及び上記複数の噴射ノズルと平行に基板を固定する基板固定部を備え、上記複数の噴射ノズルが、上記基板に平行な開口面を有する中央噴射ノズル、及び上記中央噴射ノズルに対して左右対称に配置され、外側に向かって傾斜している開口面を有する一対の外側噴射ノズルを含み、下記式（１）及び式（２）を満たす蒸着装置である。
Ｌ_１／２Ｌ_２≦ｔａｎθ≦Ｌ_１／Ｌ_２ ・・・（１）
６０°≦θ≦７０° ・・・（２）
（上記式（１）及び（２）中、Ｌ_１は、上記基板固定部に上記基板を固定したときの上記複数の噴射ノズルと上記基板との距離（ｍｍ）である。Ｌ_２は、上記中央噴射ノズルと上記外側噴射ノズルとの距離（ｍｍ）である。θは、上記基板固定部に上記基板を固定したときの上記基板の表面と上記外側噴射ノズルの開口面とがなす角の角度（°）である。）

当該蒸着装置においては、式（１’）をさらに満たすことが好ましい。
Ｌ_１／（Ｌ_２＋８７）≦ｔａｎθ≦Ｌ_１／Ｌ_２ ・・・（１’）

上記複数の噴射ノズルが、上記中央噴射ノズル及び上記一対の外側噴射ノズルの３つの噴射ノズルからなることが好ましい。

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、膜厚均一性が高く、かつシャドーが少ない蒸着膜が形成されるように設計された蒸着装置、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模式図である。 図２は、図１の蒸着装置の説明図である。 図３は、実施例及び比較例における測定結果を示すグラフである。 図４は、従来の蒸着装置の一例を示す模式図である。 図５は、従来の蒸着装置を用いた場合の蒸着膜の状態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＞
図１の蒸着装置１０は、蒸着源１１及び基板固定部１２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、気化した蒸着材を噴射する複数の噴射ノズル１３（１３ａ〜１３ｃ）を有する。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、気化した蒸着材を複数の噴射ノズル１３から噴射するように構成されている。蒸着源１１は、例えば蒸着材収容室１４と拡散室１５とが連設された構成とすることができる。拡散室１５の上面１５Ａに、複数の噴射ノズル１３が配置される。

蒸着材収容室１４内には、坩堝（図示しない）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１４から拡散室１５に移動する。坩堝には、気化効率を考慮し、蒸着材と共に、熱的及び化学的に安定しており、かつ蒸着材よりも熱伝導率の高い粒状の伝熱媒体が収納されていてもよい。あるいは、粒状の伝熱媒体と、この伝熱媒体を被覆する蒸着材とで構成される複合材を坩堝に収納してもよい。また、坩堝の周囲には、加熱手段としてのヒータ等（図示しない）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。

なお、蒸着源１１においては、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る。

基板固定部１２は、複数の噴射ノズル１３と平行な向きに、基板Ｘを固定する。すなわち、基板固定部１２は、複数の噴射ノズル１３と対向するように基板Ｘを固定する。基板固定部１２は、基板Ｘを着脱可能に固定する。基板固定部１２は、基板Ｘを移動可能に固定してもよい。基板固定部１２は、従来公知の蒸着装置に備わる基板固定部と同様のものとすることができる。なお、基板Ｘにおいて、複数の噴射ノズル１３と対向する側の面（図１における下面）には、所定形状のパターンを有する蒸着用のマスク（図示しない）が設けられる。

基板Ｘと複数の噴射ノズル１３とが平行とは、基板Ｘと、複数の噴射ノズル１３が配置された面１５Ａ（拡散室１５の上面１５Ａ）とが平行な状態であってよい。あるいは、基板Ｘと、複数の噴射ノズル１３における各開口面（１６ａ〜１６ｃ）の中心を結ぶ直線（図１における直線Ｍ）とが、平行な状態であってよい。

蒸着源１１と基板Ｘとは、互いに相対的に移動しながら蒸着を行うことができる。例えば、基板Ｘが固定された場合、蒸着源１１が図１における紙面の法線方向に移動するよう構成される。また、蒸着源１１が固定された場合、基板Ｘが図１における紙面の法線方向に移動するように構成される。

複数の噴射ノズル１３は、直線状（直線上）に配置されている。すなわち、基板Ｘ及び拡散室１５の上面１５Ａの法線方向視において、複数の噴射ノズル１３は、直線上に位置している。複数の噴射ノズル１３は、拡散室１５の上面１５Ａにそれぞれ上向きに設けられる。複数の噴射ノズル１３は、中央噴射ノズル１３ａ及び一対の外側噴射ノズル１３ｂ、１３ｃの３つの噴射ノズルから構成される。

中央噴射ノズル１３ａは、基板Ｘ及び拡散室１５Ａの上面１５Ａに平行な開口面１６ａを有する。中央噴射ノズル１３ａは、円柱形状を有し、拡散室１５の上面１５Ａに対して垂直に立設されている。

開口面１６ａは、円形状を有する。開口面１６ａは、中央噴射ノズル１３ａの軸１７ａに対して垂直に形成されている。

一対の外側噴射ノズル１３ｂ、１３ｃは、中央噴射ノズル１３ａに対して左右対称に配置されている。各外側噴射ノズル１３ｂ、１３ｃの開口面１６ｂ、１６ｃは、それぞれ外側に向かって傾斜している。図１において右側に配置されている外側噴射ノズル１３ｂの開口面１６ｂは、右側を向くように傾斜している。一方、図１において左側に配置されている外側噴射ノズル１３ｃの開口面１６ｃは、左側を向くように傾斜している。各外側噴射ノズル１３ｂ、１３ｃは、円柱形状の途中が折れた、側面視で略Ｌ字状の形状を有する。但し、例えば外側噴射ノズル１３ｂ、１３ｃとして、円柱形状のノズルを斜めに設けてもよい。

外側噴射ノズル１３ｂ、１３ｃの開口面１６ｂ、１６ｃは、円形状を有する。開口面１６ｂ、１６ｃは、外側噴射ノズル１３ｂ、１３ｃの先端部分（出口側部分）における軸１７ｂ、１７ｃに対して垂直に形成されている。なお、各噴射ノズル１３の開口面１６ａ、１６ｂ、１６ｃの中心は直線Ｍ上にあることとする。

各開口面１３ａ〜１３ｃの大きさとしては特に限定されないが、各外側噴射ノズル１３ｂ、１３ｃの開口面の面積（開口面積）が、中央噴射ノズル１３ａの開口面１３ａの面積（開口面積）より大きいことが好ましい。また、２つの外側噴射ノズル１３ｂ、１３ｃの開口面の面積（開口面積）は、同じであることが好ましい。各開口面１３ａ〜１３ｃの大きさがこのような関係である場合、得られる蒸着膜の均一性をより高めることができる。

当該蒸着装置１０においては、下記式（１）及び式（２）が満たされる。
Ｌ_１／２Ｌ_２≦ｔａｎθ≦Ｌ_１／Ｌ_２ ・・・（１）
６０°≦θ≦７０° ・・・（２）
上記Ｌ_１は、基板固定部１２に基板Ｘを固定したときの複数の噴射ノズル１３と基板Ｘとの距離（ｍｍ）である。具体的には、各噴射ノズル１３の開口面１６ａ〜１６ｃの中心を結ぶ直線Ｍと、基板Ｘにおける蒸着面（図１における下側の面）との間の距離である。なお、直線Ｍと蒸着面とは平行である。
上記Ｌ_２は、中央噴射ノズル１３ａと外側噴射ノズル１３ｂ、１３ｃとの距離（ｍｍ）である。具体的には、中央噴射ノズル１３ａの開口面１６ａの中心と、各外側噴射ノズル１３ｂ、１３ｃの開口面１６ｂ、１６ｃの中心との距離である。
上記θは、基板固定部１２に基板Ｘを固定したときの基板Ｘの表面（蒸着面）と外側噴射ノズル１３ｂ、１３ｃの開口面１６ｂ、１６ｃとがなす角の角度（°）である。

ここで、まず式（１）の意義について説明する。各噴射ノズル１３において、蒸着材は、開口面１６（１６ａ〜１６ｃ）に対して垂直方向（噴射ノズル１３の軸方向）に主に放射され、実質的に開口面１６の真横よりも前方に噴射される。従って、外側噴射ノズル１３ｂ、１３ｃの開口面１６ｂ、１６ｃが外側に向かって傾斜していることで、これらの外側噴射ノズル１３ｂ、１３ｃによる蒸着領域は外側に広がって形成される。具体的に、図１において右側に配置される外側噴射ノズル１３ｂによる蒸着領域は、この外側噴射ノズル１３ｂの開口面１６ｂを延長した直線と、基板Ｘの蒸着面との交点Ｎより右側の領域となる。また、外側噴射ノズル１３ｂによる基板Ｘに対する蒸着量は、模式的に曲線Ｐで表される分布となる。

当該蒸着装置１０において、上記交点Ｎの位置は、基板Ｘの蒸着面における、中央噴射ノズル１３ａの開口面１６ａの中心の対向位置である点Ｑ（基板Ｘ表面の中心）から、左側の外側噴射ノズル１３ｃの開口面１６ｃの中心の対向位置である点Ｒまでであることが重要となる。なお、点Ｑと点Ｒとの距離はＬ_２である。

ここで、図２は、上記Ｌ_１、Ｌ_２、θ、交点Ｎ、点Ｑ及び点Ｒの関係を説明するための説明図である。図２に示されるように、交点Ｎが点Ｑ上にあるとき、ｔａｎθ＝Ｌ_１／Ｌ_２の関係にある。また、交点Ｎが点Ｒ上にあるとき、ｔａｎθ＝Ｌ_１／２Ｌ_２の関係にある。すなわち、交点Ｎが点Ｑと点Ｒとの間に位置するとき、上記式（１）を満たすこととなる。

ｔａｎθがＬ_１／Ｌ_２より大きい、すなわち交点Ｎが点Ｑより右側に位置する場合、外側噴射ノズル１３ｂの開口面１６ｂが、相対的に外側（右側）に傾斜しすぎていることを意味する。このような場合、外側噴射ノズル１３ｂの蒸着領域が外側（右側）に広がりすぎ、膜均一性が低くなる。

一方、ｔａｎθがＬ_１／２Ｌ_２より小さい、すなわち交点Ｎが点Ｒより左側に位置する場合、外側噴射ノズル１３ｂから噴射される蒸着材が、基板Ｘ表面に対して小さい角度で到達しやすくなる。具体的には、図１において右側の外側噴射ノズル１３ｂから噴射される蒸着材が、基板Ｘ表面の左側端部近傍にまで届きやすくなる。基板Ｘ表面の左側端部近傍にまで右側の外側噴射ノズル１３ｂからの蒸着材が到達した場合、基板Ｘ表面に対して小さい角度で蒸着材が到達することとなり、シャドーが大きくなる。また、ｔａｎθがＬ_１／２Ｌ_２より小さい場合、外側噴射ノズル１３ｂの蒸着領域が内側によりすぎ、蒸着領域が狭くなり、大型の基板に十分に対応することができない。なお、シャドーをより小さくし、かつ蒸着領域を広くする観点から、ｔａｎθは、Ｌ_１／１．５Ｌ_２以上であることが好ましい。

なお、上記式（１）について、右側の外側噴射ノズル１３に基づいて説明したが、左右の外側噴射ノズル１３ｂ、１３ｃは、中央噴射ノズル１３ａに対して左右対称である。従って、左側の外側噴射ノズル１３ｃにおいても、上記式（１）が同様の理由で満たされることとなる。

また、上記式（２）に関し、θが７０°より大きい場合、外側噴射ノズル１３ｂ、１３ｃの開口面１６ｂ、１６ｃが外側に傾斜しすぎていることを意味する。このような場合も、外側噴射ノズル１３ｂ、１３ｃの蒸着領域が外側に広がりすぎ、膜均一性が低くなる。

一方、θが６０°より小さい場合、外側噴射ノズル１３ｂ、１３ｃから噴射される蒸着材が、基板Ｘ表面の中心Ｑを超えた、反対側の端部近傍にまで届きやすくなる。このような場合、この端部近傍において、小さい角度で蒸着材が到達することとなるため、シャドーが大きくなる。また、θが６０°より小さい場合、外側噴射ノズル１３ｂ、１３ｃの蒸着領域が内側によりすぎ、蒸着領域が狭くなり、大型の基板に十分に対応することができない。

上記のような理由から、当該蒸着装置１０によれば、上記式（１）及び（２）を満たすことで、膜厚均一性が高く、かつシャドーが少ない蒸着膜を形成することができる。従って、当該蒸着装置１０によれば、大型の基板Ｘに対しても良好な蒸着を行うことができる。なお、上記式（１）については、開口面の角度θの調整以外に、距離Ｌ_１や距離Ｌ_２の調整によって、上記式（１）を満たす関係とすることができる。

具体的な大きさとして、上記Ｌ_１の下限としては特に限定されないが、例えば１００ｍｍ、２００ｍｍ、３００ｍｍ、４００ｍｍ、５００ｍｍ、６００ｍｍ、７００ｍｍなどとすることができる。上記Ｌ_１の下限を大きくする、例えば４００ｍｍ以上とすることで、蒸着領域を十分に広げることができ、また、シャドーも十分に小さくすることができる。一方、上記Ｌ_１の上限も特に限定されないが、例えば２，０００ｍｍが好ましく、１，０００ｍｍがより好ましく、８００ｍｍであってもよい。上記Ｌ_１を上記上限以下とすることで、蒸着材の利用効率を高めることができる。

上記Ｌ_２の下限としては特に限定されず、例えば１０ｍｍ又は４０ｍｍであってもよいが、１５０ｍｍが好ましい。一方、上記Ｌ_２の上限も特に限定されず、例えば５００ｍｍであってもよいが、４００ｍｍが好ましく、３００ｍｍがより好ましい。

例えば上記Ｌ_１及びＬ_２が具体的に上記数値である場合など、上記式（１’）を満たすことが好ましい。
Ｌ_１／（Ｌ_２＋８７）≦ｔａｎθ≦Ｌ_１／Ｌ_２ ・・・（１’）

当該蒸着装置１０が上記式（１’）を満たす場合、膜厚均一性が高く、かつシャドーが少ない蒸着膜を形成することができ、大型の基板Ｘに対して良好な蒸着を行うことができるという効果がより高まる。

＜蒸着方法＞
本発明の一実施形態に係る蒸着方法は、当該蒸着装置１０を用いて蒸着を行う工程を備える。

当該蒸着方法は、当該蒸着装置１０を用いること以外は従来公知の蒸着方法と同様に行うことができる。なお、当該蒸着方法においては、基板Ｘと複数の噴射ノズルとの距離Ｌ_１、中央噴射ノズルと外側噴射ノズルとの距離Ｌ_２、及び外側噴射ノズルの開口面の角度θが調整可能な装置を用い、上記式（１）及び式（２）を満たすように調整してから、蒸着を行うこともできる。

当該蒸着方法によれば、膜厚均一性が高く、かつシャドーが少ない蒸着膜を形成することができる。従って、当該蒸着方法によれば、大型の基板Ｘに対しても良好な蒸着を行うことができる。当該蒸着方法によれば、例えば幅９００ｍｍ以上、より具体的には９２５ｍｍの範囲にわたり、膜厚均一性が高く、かつシャドーが少ない蒸着膜を形成することができる。当該蒸着装置及び当該蒸着方法によって得られる蒸着膜の膜厚の変動幅は、例えば±５％以内、さらには±３％以内、よりさらには±１％以内である。

＜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、上記実施の形態では、複数の噴射ノズルが、１つの中央噴射ノズル及び一対の外側噴射ノズルの合計３つの噴射ノズルからなる構成としたが、４以上の噴射ノズルを有するものであってもよい。但し、上記実施の形態のように、噴射ノズルの数を可能な限り減らし、３つの噴射ノズルとすることにより、シャドーをより十分に低減することができる。従って、上記複数の噴射ノズルは、上記中央噴射ノズル及び上記一対の外側噴射ノズルの３つの噴射ノズルからなることが好ましい。

以下、実施例及び比較例を挙げて、本発明の内容をより具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

＜実施例１＞
図１に記載した構造を有する蒸着装置により、幅９２５ｍｍの基板に対して真空蒸着を行った。なお、θ＝６５°（ｔａｎ６５°≒２．１４）、Ｌ_１＝５００ｍｍ、Ｌ_２＝１９０ｍｍ）とした。

＜比較例１＞
θ＝５０°の蒸着装置としたこと以外は実施例１と同様に真空蒸着を行った。

＜比較例２＞
θ＝８０°の蒸着装置としたこと以外は実施例１と同様に真空蒸着を行った。

［評価］
得られた蒸着膜の膜厚を分光エリプソメーター（Ｈｏｒｉｂａ社の「ＵＶＩＳＥＬ Ｍ２００−ＶＩＳ−ＡＧ−２００Ｓ」）を用いて測定した。測定結果を模式的に示したグラフを図３に示す。

図３に示されるように、外側噴射ノズルの開口面の角度θが６０°未満の比較例１は、蒸着領域が狭く、大型の基板に対して十分な蒸着ができなかった。また、端部ではシャドーが大きくなった。外側噴射ノズルの開口面の角度θが７０°超の比較例２は、膜厚の差が大きくなった。一方、実施例１では、膜厚均一性が高く、広い面積の蒸着膜を形成することができた。実施例１で得られた蒸着膜の膜厚の変動幅は、±３％以内の均一性を有していた。また、シャドーも十分に小さいものであった。

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 基板固定部
１３ 噴射ノズル
１３ａ 中央噴射ノズル
１３ｂ、１３ｃ 外側噴射ノズル
１４ 蒸着材収容室
１５ 拡散室
１５Ａ 拡散室の上面
１６（１６ａ、１６ｂ、１６ｃ） 開口面
１７ａ 中央噴射ノズルの軸
１７ｂ、１７ｃ 各外側噴射ノズルの先端部分における軸
Ｘ 基板
Ｙ マスク
Ｚ 蒸着膜
Ｍ 複数の噴射ノズルにおける各開口面の中心を結ぶ直線
Ｎ 交点
Ｐ 噴射ノズルの蒸着量の分布を表す曲線
Ｑ 基板表面における、中央噴射ノズルの開口面の中心の対向位置（基板表面の中心）
Ｒ 基板表面における、左側の外側噴射ノズルの開口面の中心の対向位置
Ｓ シャドー
Ｌ_１ 複数の噴射ノズルと基板との距離
Ｌ_２ 中央噴射ノズルと外側噴射ノズルとの距離
θ 基板の表面と外側噴射ノズルの開口面とがなす角の角度

Claims (3)

1. 直線状に配置され、蒸着材を噴射する複数の噴射ノズルを有する蒸着源、及び
   上記複数の噴射ノズルと平行に基板を固定する基板固定部
   を備え、
   上記複数の噴射ノズルが、
   上記基板に平行な開口面を有する中央噴射ノズル、及び
   上記中央噴射ノズルに対して左右対称に配置され、外側に向かって傾斜している開口面を有する一対の外側噴射ノズル
   からなり、
   下記式（１）及び式（２）を満たす蒸着装置。
   Ｌ_１／２Ｌ_２≦ｔａｎθ≦Ｌ_１／Ｌ_２ ・・・（１）
   ６０°≦θ≦７０° ・・・（２）
   （上記式（１）及び（２）中、Ｌ_１は、上記基板固定部に上記基板を固定したときの上記複数の噴射ノズルと上記基板との距離（ｍｍ）である。Ｌ_２は、上記中央噴射ノズルと上記外側噴射ノズルとの距離（ｍｍ）である。θは、上記基板固定部に上記基板を固定したときの上記基板の表面と上記外側噴射ノズルの開口面とがなす角の角度（°）である。）
2. 式（１’）をさらに満たす請求項１に記載の蒸着装置。
   Ｌ_１／（Ｌ_２＋８７）≦ｔａｎθ≦Ｌ_１／Ｌ_２ ・・・（１’）
3. 請求項１又は請求項２に記載の蒸着装置を用いて蒸着を行う工程を備える蒸着方法。
   

Images