(57)【要約】【課題】誘電体材料などを基板に真空蒸着して薄膜を形成する際に、累積膜厚が厚くなっても成膜レートが低下しないようにする。【解決手段】蒸着用真空部１内に配置されたヒータ１３の上方に膜材料供給手段１２より膜材料１０を噴霧して、ヒータ１３に対向して配設された基板７に膜材料１０を蒸着させ、薄膜を形成する際に、シャッター９を開閉するなどして、基板７を設置する水冷プレート１７とヒータ１３との間に間欠的に圧力差を生起することにより、ヒータ１３の上方で蒸気化した膜材料１０が基板表面に衝突して薄膜を形成する成膜レートを制御する。圧力差から生じる流れを利用して膜材料１０の蒸気を基板７の表面に一度に速度を持って衝突させることで、つまり衝突スピードを制御することで、膜材料１０の付着レート（成膜レート）を向上させることができ、この方法を繰り返すことによってトータルでの成膜レートの低下を防止できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空室内に配置されたヒータの上に膜材料を噴霧して、前記ヒータに対向して配設された基板に前記膜材料を蒸着させ、薄膜を形成する薄膜形成方法であって、前記基板を設置するプレートと前記ヒータとの間に間欠的に圧力差を生起することにより、前記ヒータの上方で蒸気化した膜材料が前記基板の表面に衝突して薄膜を形成する成膜レートを制御する薄膜形成方法。
【請求項２】
第１の真空室に配置されたヒータおよびこのヒータ上に膜材料を噴霧する膜材料供給手段と、前記第１の真空室に前記ヒータの上方の開口部を介して連通する第２の真空室に前記ヒータに対向して配置され、基板を設置するプレートとを有した薄膜形成装置であって、前記開口部を開閉するシャッターを有した薄膜形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘電体材料などを基板に真空蒸着して薄膜を形成する薄膜形成方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、金属蒸着フィルムの表面に有機化合物の蒸着膜を形成して耐擦過性を向上させるなどの品質改良を図ったり、あるいは透明導電性蒸着フィルムの表面に所定の有機化合物の蒸着膜を形成してエレクトロルミネッセンス膜を製造する方法が知られている。
【０００３】
蒸着膜の形成に際しては、有機化合物を入れた容器を加熱することで有機化合物を蒸気化させる方法がとられることが多いのであるが、有機化合物の熱伝導率が小さいため、その表面よりも容器と接触している界面の方が高温になり、突沸を起こすことがある。有機化合物の混合物を蒸着源とする場合には、１つの熱源では沸点のより低い有機化合物しか蒸発せず、２つ以上の蒸発源が必要になるなどの問題もある。
【０００４】
また有機化合物が分解したり、有機化合物が熱重合性のものである場合には重合が進むなどの問題があり、安定して蒸着がなされない。有機化合物としてオリゴマーを用いる場合、通常は重合度の異なる低分子オリゴマーの混合物であるため、それぞれの重合度に応じて沸点が異なり蒸発量が相違し、均一に蒸着膜を形成できないという問題がある。
【０００５】
これらの問題を解決する方法として、有機化合物を超音波により霧状化して加熱面に接触させることで蒸発させる方法が知られており、有機化合物は突沸、分解、重合などを起こす前に一瞬にして蒸発するため、安定して蒸着される。（例えば特許文献１参照）
この方法に用いられる薄膜形成装置を図４に示す。成膜を量産レベルで実施する実機では真空室内にロールなどを配置するものが多いが、ここでは成膜方法の説明を目的として簡易な装置構成を示した。
【０００６】
３１は蒸着用の真空室、３２は真空室３１内を真空引きする真空ポンプ、３３は真空室３１内に設置される被蒸着基板３４（以下、基板３４という）を冷却する水冷プレート、３５は誘電体材料などの液状膜材料３６を加圧封入したタンク、３７はタンク３５に連結した材料供給機構、３８は材料供給機構３７によって供給される膜材料３６を加熱するヒータである。材料供給機構３７には超音波霧吹き機構が内蔵されており、バルブ３９を開閉することで、タンク３５から排出される膜材料３６の流量を制御可能である。４０は真空室内１の下部領域と上部領域とを仕切る仕切壁であり、基板３４の成膜領域に相応する開口４０ａを有している。
【０００７】
成膜の際には、基板３４を水冷プレート３３に取り付け、冷却水３３ａによって約２０℃前後に冷却する。また真空室３１内を真空ポンプ３２で真空引きし、高真空領域（１０−５Ｔｏｒｒ程度）に到達させる。これらと平行してヒータ３８を膜材料３６の気化温度以上に昇温させる。そして、真空度及びヒータ温度が目標値になったことを確認した後に、バルブ３９を開き材料供給機構３７を通して膜材料３６を霧状にてヒータ３８に吹きつける。そしてそれによりヒータ３８上で膜材料３６を蒸気化させて真空ポンプ３２の方向に移動させ、その途中で衝突する基板３４の表面で瞬時に液化させ膜形成させる。
【０００８】
この方法において成膜膜厚を厚くするためには、材料供給量を増加させるか、成膜時間を長くすることが従来から実施されている。付着レートを向上させる目的で、図示したようにヒータ３８の上方にグリッド４１を配置しておき、グリッド４１と基板３４との間に電源４２より電圧を印加して膜材料３６の蒸気を帯電させ、帯電した膜材料３６をグリッド４１と基板３４との間に発生した電界に誘導させて強引に基板３４に付着させる方法も実施されている。（例えば特許文献２参照）
【０００９】
【特許文献１】
特開平７−２２７２７号公報（請求項１、図１）
【００１０】
【特許文献２】
特開２０００−３５５７５７号公報（請求項１、図１）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、薄膜を積層する場合、上記したようにグリッド４１と基板３４とに電圧を印加する方法を取ると、同一の位置に積層を繰り返していくに間にその付着部分が徐々に電荷を蓄積した状態になり、電位差によって衝突させようとする膜材料３６の持つ電荷と付着部分との間に反発力が発生し、徐々に成膜レートが低下するという問題があった。
【００１２】
一方、電圧を印加せずに薄膜の積層を続けると、図５に示すように、ある積層数を越えると成膜レートが低下し始め、材料投入量を増加させても成膜レートの低下が続くという問題があった。その原因として予想されるのは、累積膜厚が厚くなるにしたがって累積膜と仕切壁４０との隙間４３が徐々に狭くなるため、真空排気能力が低下して真空室３１内の圧力が上昇し、ヒータ３８の周辺と基板３４の周辺とで真空度の差が少なくなり、基板３４に衝突させようとする膜材料３６の蒸気の移動速度が低下することである。そしてそのような膜材料３６の蒸気が基板３４に到達することなく排気されてしまったり、あるいは基板３４に到着したものの電気的に吸着せずに再蒸発の形で排気されてしまい、結果として成膜レートが低下する。
【００１３】
この排気系のコンダクタンスの改善については、累積膜との隙間４３が大きくなるように仕切壁４０を配置することで単純に解決しそうであるが、隙間４３を広くすることで排気系への膜材料３６の流れ込みが大きくなり、基板３４への付着率の低下や排気系でのポンプ故障等を来し、また時間がかかり、コストアップにも繋がるなどの問題もあって、現状では実施困難である。
【００１４】
本発明は上記問題を解決するもので、真空室内で液状膜材料をヒータ上に噴霧し、ヒータの上方に設置した基板の表面に蒸着させる際に、累積膜厚が厚くなっても成膜レートが低下しない薄膜形成装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、基板の成膜面の近傍に圧力差を一時的に発生させて、その圧力差から生じる流れを利用して膜材料の蒸気を基板の成膜面に一度に速度を持って衝突させることで、つまり衝突スピードを制御することで、膜材料の付着レート（成膜レート）を向上させるものであり、この方法を繰り返すことによってトータルでの成膜レートの低下を防止できる。
【００１６】
すなわち本発明は、真空室内に配置されたヒータの上に膜材料を噴霧して、前記ヒータに対向して配設された基板に前記膜材料を蒸着させ、薄膜を形成する薄膜形成方法において、前記基板を設置するプレートと前記ヒータとの間に間欠的に圧力差を生起することにより、前記ヒータの上方で蒸気化した膜材料が前記基板の表面に衝突して薄膜を形成する成膜レートを制御することを特徴とする。
【００１７】
また本発明は、第１の真空室に配置されたヒータおよびこのヒータ上に膜材料を噴霧する膜材料供給手段と、前記第１の真空室に前記ヒータの上方の開口部を介して連通する第２の真空室に前記ヒータに対向して配置され、基板を設置するプレートとを有した薄膜形成装置において、前記開口部を開閉するシャッターを設けたことを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の第１実施形態における薄膜形成装置の概略構成を示す断面図である。
【００１９】
図１に示すように、真空室を構成する蒸着用真空部１と硬化用真空部２とは互いに左右に区分されており、蒸着用真空部１の下部隅部は断面Ｌ字型の仕切壁３で仕切られている。仕切壁３を挟んだ蒸着用真空部１の下部領域と上部領域とは仕切壁３に形成された開口４によって互いに連通している。蒸着用真空部１の天部（開口４の上方）には真空排気ライン５が設けられていて、真空ポンプ６の駆動によって蒸着用真空室１と硬化用真空室２とを同時に真空排気可能とされている。
【００２０】
開口４はその上方に設置される被蒸着基板７（以下、基板７という）の成膜領域に見合う大きさに設定されており、開口４の周囲の仕切壁３と基板７との間に形成される隙間８は蒸着用真空部１の下部領域を排気可能に設定されている。
【００２１】
蒸着用真空部１の下部領域には、開口４を開閉するためのシャッター９（図示しない駆動手段によって昇降自在である）と、誘電体材料等の液状膜材料１０を加圧封入したタンク１１と、タンク１１に連結した膜材料供給手段１２とが設置され、開口４の下方であって膜材料供給手段１２の供給口に対向する位置に材料気化用のヒータ１３が設置されている。膜材料供給手段１２には、微細穴加工されたノズルを備えた超音波霧吹き機構が内蔵されており、バルブ１４によって膜材料１０の流量を制御可能である。
【００２２】
硬化用真空部２には、材料硬化用の電子銃１５などの電子発生源が下部に設置されている。電子銃１５の上方には、電子銃１５からの電子線を適宜に遮断可能なシャッター１６が設置されている。
【００２３】
１７は基板７が取付けられる水冷プレートであり、１８は水冷プレート１７が取付けられた基板搬送機構であって、水冷プレート１７に取付けられた基板７を開口４に臨む蒸着位置と電子銃１５の上方の硬化位置とにわたって搬送するように構成されている。
【００２４】
成膜の際には、基板７を水冷プレート１７に取り付け、基板７の表面が常に２０℃前後に保たれるように冷却水１７ａによって温度制御する。また蒸着用真空部１，硬化用真空部２内を真空排気ライン５によって真空引きし、高真空領域（１０−５Ｔｏｒｒ程度）に保持する。それと平行してヒータ１３を膜材料１０の気化温度以上に昇温させる。そして、真空度及びヒータ温度が目標値になったことを確認した後にバルブ１４を開き、膜材料供給手段１２を通して膜材料１０を霧状にてヒータ１３に吹きつける。この時にはシャッター９は開口４を開放する位置にある。
【００２５】
ここで、ヒータ１３は、膜材料１０の気化温度及び重合反応が始まる硬化温度に合わせて任意の温度に設定できるようになっており、膜材料１０がたとえばアクリレート系芳香族材料である時には１５０℃〜２５０℃の間、その材料の沸点よりも約２０℃高い温度に設定されている。
【００２６】
またタンク１１には図示していないヒータが取りつけられていて、膜材料１０がタンク１１内で固化しない最適な温度、通常４０℃前後に加熱するように設定されている。また膜材料供給手段１２の流量制御を行うバルブ１４は膜材料１０を微量に供給するように、少ない場合には１ｃｃｍくらいの供給量を保つように設定されている。
【００２７】
このことにより、霧状にてヒータ１３上に吹き付けられた膜材料１０はヒータ１３上で瞬時に気化して、真空排気ライン５に向かって、つまり開口４に向かって上方に移動し、水冷プレート１７により冷却されている基板７に衝突して瞬時に冷却され、この基板７の表面で液化して蒸着膜を形成する。そして基板７上に蒸着膜が堆積し、たとえば約１０秒で０．１μｍの厚みとなる。
【００２８】
なお、水冷プレート１７によって冷却される基板７の温度は膜材料１０の融点以上であることが必要であり、膜材料１０の特性に合わせて温度制御される。膜材料１０がベンゼン環を有する誘電体材料である場合には、基板７の温度を２０℃〜８０℃に調整可能に水冷プレート１７を構成する必要がある。
【００２９】
次いで、蒸着膜が成膜された基板７を基板搬送機構１８によって硬化位置へ搬送し、電子銃１５からの電子線（電子エネルギー）を当てることにより、蒸着膜を形成している膜材料１０を重合反応などさせ硬化させる。このように電子エネルギーを利用することで、基板７上の膜材料１０を真空中で即座に硬化させることができ、安定した薄膜の形成が可能になる。
【００３０】
このとき、電子銃１５には必要時に即座に電子エネルギーを発生できるように電力が供給されているが、基板７が硬化位置に配置された時のみ電子エネルギーが供給されるようにシャッター１６が開閉される。発生させるべき電子エネルギーの強度は、電子銃１５と基板７との距離に大きく左右されるが、たとえば電子銃１５と基板７との距離が約３０ｃｍで、かつ、電子線としてＡＬ電極からの反射電子を利用する場合には、１０ＫＶ，約０．１Ａ程度の電源供給量で約６０秒とされる。なお電子線は、図示したように電子銃１５から直接に基板７に照射してもよいし、装置の機構などによっては、電子銃１５からの反射電子を用いてもよい。
【００３１】
薄膜を積層する場合は上記した成膜および硬化の動作を繰り返す。その際に、上記したように電子エネルギーを利用して速やかにかつ安定して硬化させることができるので、硬化した薄膜をベース膜としてさらに薄膜を積層することが可能である。
【００３２】
但し、この方法で薄膜を積層していくと、前述した従来方式と同様にある積層数を越えた後に累積膜厚の影響によって排気用の隙間８が狭まり、真空排気能力が低下して、成膜レート（付着レート）が低下する傾向が見られる（図５参照）。
【００３３】
そこで、レーザー変位計などの膜厚モニターによって成膜レートを管理し、低下現象が発生したと判断した時点でシャッター９を閉にする。それによりシャッター９を挟んだヒータ１３側と基板７側とで圧力差が発生するので、シャッター９の近傍にそれぞれ取付けられた真空計（図示せず）により測定される真空度をモニターして、圧力差がたとえば約２Ｐａになった時点でシャッター９を開にする。
【００３４】
このことにより、図２に示すように、シャッター９の閉に伴って成膜レートは一旦激減するが、圧力差の発生後にシャッター９が開にされるに伴って、ヒータ１３側に充満していた膜材料１０の蒸気が基板７側に流れ込んで基板７に衝突し、成膜レートが急増する。
【００３５】
したがって、この圧力差を発生させる動作を間欠的に繰り返すことにより、全体としての成膜レートの低下を防止することができ、成膜レート一定を達成することは困難であるものの、累積膜厚の激減を抑制することができ、所定の膜厚を効率よく積層することができる。
【００３６】
上記した薄膜形成装置による薄膜形成方法は、蒸着材料として分子量４００以上の高分子材料を用いる場合に、また積層数が数千以上になる場合に、特に効果を発揮する傾向があることが実験より確認されている。
【００３７】
図３は本発明の第２実施形態における薄膜形成装置の概略構成を示す断面図である。
この薄膜形成装置は上記した第１実施形態の薄膜形成装置とほぼ同じ構成を有しているが、第１実施形態の薄膜形成装置におけるシャッター９に代えて、蒸着用真空部１内を排気するサブ真空排気ライン１９が設けられ、排気スピードが所定値以下に低下した時点で真空ポンプ２０が動作するよう構成されている点が異なっている。
【００３８】
上記構成により、基板７の近傍に取付けられた真空計（図示せず）により測定される真空度をモニターして、たとえば真空度２Ｐａが測定された時に排気スピードが低下したと判断し、その時点でサブ真空ポンプ２０を動作させて、サブ真空排気ライン１９，メインの真空排気ライン５という２つの排気ラインによる排気を実施する。真空度が０．５Ｐａ以下まで低下した時点でサブ真空排気ライン１９を停止させる。
【００３９】
このようにして、基板７の付近の圧力を低下させて圧力差を発生させる動作を間欠的に繰り返すことにより、上記した実施の形態１の装置と同様に、全体としての成膜レートの低下を防止することができ、成膜レート一定を達成することは困難であるものの、累積膜厚の激減を抑制することができ、所定の膜厚を効率よく積層することができる。
【００４０】
なお、サブ真空排気ライン１９は装置全体の排気速度を向上させる目的のものではなく、あくまで基板７へ衝突させる膜材料１０の蒸気の移動速度を向上させることが目的なので、図示したように基板７の近傍で開口させることが望ましい。
【００４１】
また、ここでは１つのサブ排気ライン１９を図示しているが、基板７上での成膜レートの均一性を保つために、複数のサブ排気ラインを等方排気できるように設置することが望ましい。
【００４２】
サブ排気ライン１９には膜材料１０の蒸気が多量に吸引されるので、ラインの寿命を長くするために真空ポンプ２０の上流に冷却トラップなどを追加することも有効である。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、誘電体膜などを蒸着によって積層する基板の近傍での膜材料の移動速度を制御すべく、圧力差を生起できるシャッターなどを設けることにより、膜の積層数が大きくなるに伴って発生していた成膜レートの低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における薄膜形成装置の概略構成を示す断面図
【図２】図１の薄膜形成装置により積層膜を形成する際の累積膜数と付着レートとの関係を示すグラフ
【図３】本発明の第２実施形態における薄膜形成装置の概略構成を示す断面図
【図４】従来の薄膜形成装置の概略構成を示す断面図
【図５】図４の薄膜形成装置により積層膜を形成する際の累積膜数と付着レートとの関係を示すグラフ
【符号の説明】
１  蒸着用真空部
２  硬化用真空部
４  開口
５  真空排気ライン
７  被蒸着基板
８  隙間
９  シャッター
１０  膜材料
１２  水冷プレート
１３  ヒータ
１５  電子銃
１９  サブ真空排気ライン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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