(57)【要約】【課題】  基板ドームにおける成膜中の熱膨張及び回転による遠心力により、基板ドームに配置された基板上の膜厚分布精度が低下することを抑える。【解決手段】  真空槽、成膜基板が搭載され真空槽底部に対向配置される基板ドームからなる真空装置において、チタン又はチタン合金からなる材質の基板ドームを形成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空槽、及び、成膜基板が搭載され該真空槽底部に対向配置される基板ドームからなる真空装置であって、
該基板ドームを形成する材質の熱膨張係数が１７．３×１０−６未満であることを特徴とする真空装置。
【請求項２】
真空槽、成膜基板が搭載され該真空槽底部に対向配置される基板ドームからなる真空装置であって、
該基板ドームを形成する材質の縦弾性係数が１９．７×１０３未満であることを特徴とする真空装置。
【請求項３】
真空槽、成膜基板が搭載され該真空槽底部に対向配置される基板ドームからなる真空装置であって、
該基板ドームを形成する材質の比重が７．９３未満であることを特徴とする真空装置。
【請求項４】
真空槽、成膜基板が搭載され該真空槽底部に対向配置される基板ドームからなる真空装置であって、
該基板ドームを形成する材質がチタン又はチタン合金からなる真空装置。
【請求項５】
請求項４記載の真空装置であって、該基板ドームの形状がチタン又はチタン合金の絞り加工で成型された真空装置。
【請求項６】
真空槽、該真空槽底部に配置された成膜材料を乗せる坩堝、及び、成膜基板が搭載され該成膜材料に対向配置される基板ドームからなる真空装置において、該基板ドームを回転させた状態で該成膜基板に該成膜材料を堆積させる成膜方法であって、
基板ドームに加わる遠心力または自重または熱膨張による変形を調整して、該成膜材料と該成膜基板との距離を一定に保ち膜厚分布精度の向上を図ることを特徴とする成膜方法。
【請求項７】
真空槽内部に少なくとも基板ドーム、蒸発源及び基板加熱手段を備え、該基板ドームに成膜基板を取り付けて回転させ、該成膜基板に対向配置した該蒸発源に電子ビームを照射し、該成膜基板に蒸発物質を堆積させる光学薄膜形成用装置において、
該基板ドームがチタン又はチタン合金で成型されることを特徴とする光学薄膜形成用装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板ドームに基板を配置して成膜を行なう際の基板ドームの変形防止に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に基板を搭載する基板ドームは基板を配置する位置すべてに同じ厚みの膜が堆積するように設計するためドーム形状となる。また、成膜材料を堆積する際に、基板ドーム内の円周方向の膜厚分布を均一にするために基板ドームを回転させる。
【０００３】
本発明は、基板ドームにおける成膜中の熱膨張及び回転による遠心力により、基板ドームに配置された基板上の膜厚分布精度が低下することを抑えるために必要な構造に関するものである。
【０００４】
図２は光学薄膜成膜用の蒸着装置であり、以下同様による薄膜形成の概要を説明する。
【０００５】
図２の装置は図示しない排気系を持つ真空槽３０の底板に、蒸着材料２９を入れる坩堝２８、蒸着材料２９を蒸発温度まで加熱する電子銃２７、蒸着完了時に閉するシャッター２６を配置し、天板に基板２１を配置する基板ドーム２０、またこれを回転させるためのベアリング２２、ドーム側歯車２３、モーター側歯車２４、モーター２５を配置した構造をしている。また、基板に堆積する膜の充填密度などを向上させるために基板２１を加熱するためのヒーター３１が配置され、蒸着材料の種類によって蒸発の仕方が異なるので、これにより発生する基板ドーム内半径方向に生じる膜厚分布を補正するための膜厚補正板３２が配置されている。
【０００６】
この装置により蒸着を行なう場合は、まず基板ドーム２０に蒸着を行なう基板２１を設置し、基板ドーム２０を真空槽内に設置し、又は、基板ドーム２０を真空槽内に設置した後に基板２１を基板ドーム２０に設置する。そして蒸着材料２９を坩堝２８に入れる。真空槽内を真空に排気して真空状態を保持させたら基板ドーム２０を回転させ、ヒーター３１で基板２１を加熱する。基板温度が目的の温度に達したら電子銃２７から電子ビームを蒸着材料２９へ照射し、蒸発温度まで加熱する。蒸着材料の種類によっては自動可倒式又は固定式の膜厚補正板３２を蒸発源と基板２１との間に配置して基板ドーム２０内の膜厚分布を補正する。シャッター２６を開けると蒸着材料２９が飛散し、基板２１に蒸着材料２９が堆積する。蒸着が完了したらシャッター２６を閉じ、ヒーター３１、電子銃２７、基板回転用モーター２５を停止させ、冷却後真空槽内に大気を導入する。
【０００７】
図３は前記のような蒸着装置に使用されている従来の基板ドーム２０を示しており、用途に応じ一般にステンレスやアルミなどに絞り加工を施すことでドーム形状を成型する。基板ドーム２０内には基板２１の形状に合わせた基板配置用穴４０が等高線上に配置されている。また、基板ドーム２０中心部には膜厚計測器用穴４１が空いているものもある。基板ドーム２０の厚みはドーム径により異なるが、φ８００mm〜φ１２００の基板ドーム２０の場合は２mm〜４mm程度である。
【０００８】
現在、薄膜形成には、非常に厳しい精度規格と高い生産効率が同時に要求されている。生産効率を上げるためには、薄膜の膜厚の再現性及び膜厚分布をできる限り高める必要がある。これを実現するには成膜材料と基板との距離が常に一定に保たれる必要がある。距離を一定に保つには基板ドームの熱などによる変形を極力抑えなければならない。
【０００９】
また、形成する膜の使用用途や成膜材料などによって基板温度は異なり、基板温度は常温に限りなく近いものから３００℃程度まで加熱するものまで多種多様である。さらに、上記どちらの場合においても成膜材料の種類によって蒸発温度や熱伝導率が異なるため、蒸発源から放出される輻射熱量は成膜材料によって異なる。よって、多層成膜においては基板へ伝わる輻射熱量は常に変化することとなる。これにより成膜中の基板温度は少なくとも３０℃程度の変化を持っておりこの熱の変化により基板ドームの熱膨張量が変化するので基板と蒸発源との距離を一定に保つことは難しかった。
【００１０】
上述したように成膜中の基板ドームの熱膨張による変形が基板と蒸発源との距離を変化させてしまう問題の他に成膜する膜の種類によって蒸着条件や膜厚補正板を使い分けなければならない問題がある。ある成膜材料Aと成膜材料Ｂとの２種類の成膜材料からなる多層成膜(1)を行なう際は基板温度を３００℃としたとする。また、ある成膜材料Ｂと成膜材料Ｃとの２種類の成膜材料からなる多層成膜(2)を行なう際は基板温度を１００℃としたとする。この２種類の多層成膜を比較した場合、基板温度が大きく異なるのでドームの熱膨張量が異なり、基板と蒸発源との距離に差が生じてしまう。よって多層成膜(1)の成膜材料Ｂ用として使用していた膜厚補正板は多層成膜(2)の成膜材料Ｂ用としては使用不能となり、多層成膜(2)の成膜材料Ｂ用の膜厚補正板を別に製作しなければならない。
【００１１】
図４は図２および図３に示す装置において基板ドーム２０の変形がない場合に基板２１に堆積する膜を計算したものである。蒸発源となる蒸着材料２９の中心点から各基板までの距離をＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４とし、基板ドーム２０の中心から各水平方向の距離をＸ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４とし、各基板から垂直方向の距離をＹ１、Ｙ２、Ｙ３、Ｙ４とし、基板ドーム２０の中心と蒸着材料２９の中心とを結んだ線とＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４との角度をθ１、θ２、θ３、θ４とする。このとき、一般に各基板に堆積する膜厚は、各基板に堆積する膜厚をｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４とし、蒸発源から蒸発する蒸着材料２９の量をｋとすると、
【数１】
2005320605.tif 000003
で表される。
基板ドームの変形がない場合においてはＸ１＝Ｘ２、Ｙ１＝Ｙ２、θ１＝θ２であるのでｄ１＝ｄ２となる。これをｄ１２とする。また、Ｘ３＝Ｘ４、Ｙ３＝Ｙ４、θ３＝θ４であるのでｄ３＝ｄ４となる。これをｄ３４とする。よって基板ドーム２０の曲率はｄ１２＝ｄ３４となるように設計する。［数１］に示すｋは蒸着材料により異なる固有の値であるため、蒸着材料２９の種類によってｄ１２＝ｄ３４となる場合は膜厚補正板３２を使用してｄ１２＝ｄ３４となるようにする。
【００１２】
図５は蒸着中に基板ドーム２０上の任意の点Aにかかる力を示している。ドームは回転しているので点Aには遠心力がかかるのでiの方向に伸びる力が加わる。また、点Aには重力がかかるのでhの方向にも伸びる力が加わる。この２つの力を加算したものがjとなる。i 及びhは共に基板ドーム２０の温度、熱膨張率及び重量に比例するのでjにおいても同様である。
【００１３】
図６は曲率半径９００mm、基板ドーム径φ１１００mmのステンレス製基板ドーム２０の熱膨張による伸びを計算したものである。ここでは常温時（２５℃）と３００℃時との比較を行なう。基板ドーム２０の断面の円弧の長さは１１８２.８mmであるのでこれに温度変化量及びステンレスの熱膨張係数１７.３×１０-6をかけると１１８２.８mm×１７．３×１０-6×（３００℃-２５℃）＝５．６３mmとなる。すなわち基板ドームが常温から３００℃に昇温すると、ドーム断面の円弧の距離１１８２．８mmが５．６３mm伸びることとなる。
【００１４】
ここで、例えば、インライン式スパッタリング装置では、着脱される基板ホルダが加熱雰囲気内でも塑性変形することがないように基板ホルダをチタン又はチタン合金で形成するものが提案されている。
【特許文献１】特開平４−３２５６７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上記のように基板ドーム２０の断面の円弧の距離が伸びた場合は図４のＸやＹ及びθが変化するのでｄ１２≠ｄ３４となってしまう。これにより膜厚補正板３２を温度によって使い分ける必要が出てきてしまう。また、蒸着中の基板ドーム２０の温度変化によってｄ１２とｄ３４の比が変化してしまうので膜厚補正板を温度によって使い分けても蒸着中の膜厚分布の変化を補正しきれなくなってしまう問題がある。
【００１６】
図７は基板ドーム２０の回転機構を図２のような中心ではなく下部に配置したものである。このように回転機構の上に外周リング４２を配置し、基板ドーム２０を設置した場合、基板ドーム２０が外周方向に伸びるのをある程度抑えることができるが、基板ドーム２０の中心部は上方に伸びてしまう。よってこの方法を用いても基板ドーム２０の熱膨張を抑えなければ問題を根本的に解決することはできない。
【００１７】
前述に加え、基板回転機構への負荷の問題もある。図２の場合においても図７の場合においても基板ドーム２０の重量が多ければ多いほどベアリング２２への負担は増加する。φ１１００ｍｍ、曲率半径９００ｍｍの基板ドーム２０に７０ｍｍ×７０ｍｍ×ｔ２のガラス基板を設置する場合、その枚数は少なくとも１１０枚程になる。ガラスの比重は２．５であるので１枚あたりの重量は約２４．５ｇとなり、合計で１１０枚とすると２４．５ｇ×１１０＝２．７ｋｇ程度となる。この基板ドームの重さはステンレス製の場合においては基板の穴を１１０枚分空けて比重７．９３で計算すると約１３．２ｋｇとなる。よってベアリング２２へは少なくとも合計１３．２ｋｇ+２．７ｋｇ＝１５．９ｋｇの重量負荷がかかる。総重量のうち基板ドーム２０の重量が約８３％となり、ベアリング２２への負荷を減らし、メンテナンスサイクルを延ばすには基板ドーム２０の重量を下げる以外に解決手段はない。
【００１８】
上記で説明したように基板２１と基板ドーム２０との総重量は少なくとも１６ｋｇ程度になる。このように重量物であるが故、装置との着脱は困難であり保管時にも重みによる変形などが発生することがある。また、前述したように重量が多ければ多いほど蒸着時に基板ドーム２０自身にかかる遠心力、重力が大きくなるので変形を助長してしまう。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、以下の側面を持つ基板ドーム及び成膜方法を提供するものである。
【００２０】
本発明の第１の側面は、真空槽、及び、成膜基板が搭載され真空槽底部に対向配置される基板ドームからなる真空装置において、熱膨張係数が１７．３×１０−６未満である材質を用いて基板ドームを形成するようにした。
【００２１】
本発明の第２の側面は、真空槽、及び、成膜基板が搭載され真空槽底部に対向配置される基板ドームからなる真空装置において、縦弾性係数が１９．７×１０３未満である材質を用いて基板ドームを形成するようにした。
【００２２】
本発明の第３の側面は、真空槽、及び、成膜基板が搭載され真空槽底部に対向配置される基板ドームからなる真空装置において、比重が７．９３未満である材質を用いて基板ドームを形成するようにした。
【００２３】
本発明の第４の側面は、真空槽、成膜基板が搭載され真空槽底部に対向配置される基板ドームからなる真空装置において、チタン又はチタン合金からなる材質を用いて基板ドームを形成するようにした。また、基板ドームは絞り加工により成型されるようにした。
【００２４】
本発明の第５の側面は、真空槽、真空槽底部に配置された成膜材料を乗せる坩堝、及び、成膜基板が搭載され成膜材料に対向配置される基板ドームからなる真空装置において、基板ドームを回転させた状態で成膜基板に成膜材料を堆積させる成膜方法において、基板ドームに加わる遠心力または自重または熱膨張による変形を調整して、該成膜材料と該成膜基板との距離を一定に保ち膜厚分布精度の向上を図るようにした。
【００２５】
真空槽内部に少なくとも基板ドーム、蒸発源及び基板加熱手段を備え、基板ドームに成膜基板を取り付けて回転させ、成膜基板に対向配置した蒸発源に電子ビームを照射し、成膜基板に蒸発物質を堆積させる光学薄膜形成用装置において、基板ドームがチタン又はチタン合金で成型されるようにした。
【発明の効果】
【００２６】
本発明により成膜時における基板ドームの変形を抑えることで、成膜材料と成膜基板との距離等を一定に保ち、膜厚分布精度及び成膜の再現性を著しく向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図１に本発明基板ドームの実施例を説明する平面図及び断面図を示す。
以下、本発明に係る基板ドーム１は、基板ドーム２０を除いて図２及び図７に示される装置と同様の真空装置に搭載されるものとするが、本発明を実施可能な真空装置はこれに限られるものではない。
基板ドーム１の形状や寸法は従来の基板ドーム２０と等しく、成型方法も従来同様絞り加工とする。材質は従来の基板ドーム２０のステンレスやアルミなどではなく純チタンを使用する。本発明を実施可能な基板ドームの材質は、熱膨張係数、縦弾性係数及び比重の小さい材質であればよく、材質の選択は適宜行なえばよい。純チタンのほうがより望ましい性能が確保できるが、例えばチタン合金を使用しても性能の向上が可能である。
【００２８】
基板ドーム１を純チタンもしくはチタン合金を材料として製作した場合、チタンは熱膨張係数が低いので、基板加熱時及び蒸着時の温度変化による熱膨張の量を抑えることができる。これにより基板２１の搭載位置の変化が従来のステンレス製ドームなどと比較して小さくなるので基板上に堆積する膜の再現性、分布が計算値に近くなり、生産性が著しく向上する。また、チタンは比重がステンレスと比較して非常に低いので基板ドームの重量が小さくなり、ベアリング２２への負荷も小さくなる。これによりメンテナンスサイクルが延びる上、重量が小さくなった分、蒸着時に基板ドーム自身にかかる遠心力、重力の影響も小さくなるのでさらに基板ドーム１の変形を抑制することが可能である。また、重量が小さくなったので基板ドーム１の着脱性も向上し、保管時の重量による変形も抑制される。
【００２９】
そこで具体的に本発明の基板ドーム１と従来の基板ドーム２０との比較を行なう。純チタンの熱膨張係数は８．８×１０-6であるので、これを図６の場合と同様に膨張量を計算すると１１８２．８ｍｍ×８．８×１０-6×（３００℃-２５℃）＝２．８６ｍｍとなりステンレス製ドームと比較して膨張量は約５０％に抑えられる。図４で説明したとおり、基板２１に堆積する膜厚は基板２１と蒸発源との距離の２乗に反比例するので、純チタンの基板ドーム１内の膜厚分布は従来に比較して５０％以下にすることが可能である。
【００３０】
次に、基板回転機構への負荷について比較する。φ１１００ｍｍ、曲率半径９００ｍｍの基板ドームに７０ｍｍ×７０ｍｍ×ｔ２のガラス基板を１１０枚設置する場合、ステンレスで製作した従来の基板ドーム２０の重量は約１３．２ｋｇ、ガラス１１０枚を搭載した総重量は１５．９ｋｇであった。基板ドーム１を純チタンで製作した場合、比重が４．５１であるので基板ドームの重量は約７．６ｋｇとなる。これに同様に基板１１０枚の重さを加えると、総重量は１０．３ｋｇとなり従来の基板ドーム２０から、基板ドームのみでは約４２％の重量減少、総重量では約３５％の重量減少となる。よってベアリング２２への負荷が大幅に低減されるのでメンテナンスサイクルを著しく延ばすことができる。また、熱膨張係数が低いことに加え、重量が減少したことで基板ドーム自身にかかる遠心力及び重力も減少するので変形を大幅に抑えることができる。
【００３１】
上記のように総重量が約３５%減少したことで、装置との着脱性も向上し、保管時の重量による変形も抑えることができる。また、ステンレスの縦弾性係数１９．７×１０3と比較して純チタンの縦弾性係数は１１．６×１０3と約半分であるので運搬時に基板ドームを落下させてしまった場合などにおいても外力による変形が小さい。
【００３２】
よって前述より従来の基板ドーム２０を使用した場合に比較して本発明の純チタンもしくはチタン合金の基板ドーム１を使用した場合は、基板加熱時及び蒸着時の温度変化及び回転駆動の影響による変形が抑えられ、基板搭載位置の変化が極力抑えられるので成膜の再現性が著しく向上する。また、重量が小さくなったことでベアリング２２などへの負荷も抑えられ、メンテナンス性が向上し、かつ着脱性も向上する。加えて運搬時の落下などの外力による変形も小さいので継続して生産性を高く保つことが可能である。
【００３３】
上記実施例では蒸着法を用いた成膜について説明したが、本発明装置および方法を実施可能な成膜方法は蒸着法に限られるものではなく、スパッタリング法、イオンプレーティング法等多数あげられる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の純チタン製基板ドームを示す図である。
【図２】真空蒸着装置の概略図である。
【図３】従来の基板ドームを示す図である。
【図４】基板と蒸発源との距離及び角度による膜厚への影響を説明する図である。
【図５】蒸着中に基板ドームにかかる力を説明する図である。
【図６】基板加熱により膨張する量を説明する図である。
【図７】真空蒸着装置の概略図である。
【符号の説明】
【００３５】
1       本発明の純チタン製基板ドーム
20      従来のステンレス製基板ドーム
21      基板
22      ベアリング
23      ドーム側歯車
24      モーター側歯車
25      モーター
26      シャッター
27      電子銃
28      坩堝
29      蒸着材料
30      真空槽
31      ヒーター
32      膜厚補正板
40      基板配置用穴
41      膜厚計測器用穴
42      外周リング
【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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【図６】
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【図７】
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