特許第5962979号(P5962979)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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  • 特許5962979-成膜装置 図000002
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5962979
(24)【登録日】2016年7月8日
(45)【発行日】2016年8月3日
(54)【発明の名称】成膜装置
(51)【国際特許分類】
   C23C 14/32 20060101AFI20160721BHJP
【FI】
   C23C14/32 H
【請求項の数】2
【全頁数】7
(21)【出願番号】特願2012-176068(P2012-176068)
(22)【出願日】2012年8月8日
(65)【公開番号】特開2014-34698(P2014-34698A)
(43)【公開日】2014年2月24日
【審査請求日】2015年5月19日
(73)【特許権者】
【識別番号】000005197
【氏名又は名称】株式会社不二越
(74)【代理人】
【識別番号】100192614
【弁理士】
【氏名又は名称】梅本 幸作
(74)【代理人】
【識別番号】100158355
【弁理士】
【氏名又は名称】岡島 明子
(72)【発明者】
【氏名】イム チョルムン
(72)【発明者】
【氏名】高井 健志
(72)【発明者】
【氏名】園部 勝
【審査官】 吉野 涼
(56)【参考文献】
【文献】 特開平01−279748(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
C23C 14/00−14/58
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
真空容器内下方に設けられたハースに配置された成膜材料と、前記ハースに対向して前記真空容器内上方に配置された基板と、前記真空容器側方かつ前記ハース高さより高い位置から前記真空容器内の前記成膜材料に向かって電子ビームを供給し前記成膜材料を溶融・蒸発及び昇華させる電子アークガンと、を有し、前記蒸発及び昇華した蒸発・昇華物質を前記基板に付着させて薄膜を得る成膜装置であって、 前記成膜材料側へ前記電子ビームの先端部の流れを収束する副電磁石を設け、前記電子アークガンの前記成膜材料の蒸発面からの高さを、前記副電磁石との収束力と合わせて、前記成膜材料の上方で前記電子ビームが形成するプラズマ領域が前記電子アークガンの水平方向高さより下になる位置になるように設定し、前記蒸発・昇華物質が前記電子ビームの形成するプラズマ領域を通過する区間を少なくし、前記プラズマ領域でイオン化率の少ない蒸発・昇華物質のまま前記基板に成膜できるようにしたことを特徴とする成膜装置。
【請求項2】
前記電子アークガンの前記成膜材料の蒸発面からの高さHは、前記成膜材料の蒸発面位置〜+20mm間での前記電子ビームの直径をφDとして、D≦H≦4Dの位置としたことを特徴とする請求項1記載の成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電子ビームを用いて基板上に金属やセラミック薄膜を成膜するための成膜方法及び装置に関し、特に有機半導体や樹脂材料などの熱のダメージに弱い基板の成膜に適した成膜方法及び装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、有機ELや有機太陽光発電デバイスでは有機半導体が使用されているが、有機物は耐熱性が低いのに加えてスパッタ粒子や荷電粒子、電磁波によって容易にダメージを受けてしまい、有機半導体素子が本来持っている特性を十分に発揮できないのが現状である。
【0003】
基板上への被膜の成膜方法としては、スパッタ法、電子ビーム加熱真空蒸着法、イオンプレーティング法等が知られている。スパッタ法においては、例えば特許文献1においては、成膜材料を対向して配置し電子エネルギーを成膜材料に当ててスパッタし、成膜材料からスパッタ粒子を基板に付着させて成膜している。しかし、スパッタ粒子は活性化しているため、高い熱エネルギーを有しており、基板温度が70〜75℃に上昇するので、有機EL等への成膜には不向きであり、また、成膜速度も遅いという問題があった。
【0004】
また、引用文献2のような電子ビーム加熱真空蒸着法においては、成膜材料の近くに配置した電子ビーム照射器から電子ビームを成膜材料に照射し成膜材料を加熱して蒸発させ基板に成膜させる。このものは高速例えば1000eV以上電子ビームを成膜材料に照射するので、必ずX線や紫外線が発生する。このX線や紫外線は有機半導体にはダメージを与えてしまう。このため基板と成膜材料との間に遮蔽物を配置する必要がある。しかし、かかる遮蔽物を介した間接的な蒸着方法では、構造が複雑になり、成膜面積も少ない。また、遮蔽物を構成する材料の混入を避けることができないため、酸化物や窒化物などの高融点材料の高純度な成膜は困難である。
【0005】
一方、イオンプレーティング法、例えば特許文献3においては、図2(左右逆で示す)に示すように、真空容器21内下方21aに成膜材料5設け、成膜材料に対向して上方21cに基板6を配置し、真空容器側方21bかつ成膜材料の高さより高い位置31から成膜材料5に向かって電子ビーム40を供給しプラズマ41を発生させ、成膜材料を加熱し、蒸発及び昇華させる。このときのエネルギーは10〜100eV程度の比較的低エネルギーの電子線照射加熱となり、成膜材料の表面だけを局部的に加熱、蒸発・昇華できる。さらに、成膜材料上方の電子ビームのプラズマ41により昇華粒子をイオン化し、活性度の高い状態で基板6上に入射させてSiOxNy等の酸化物を成膜させている。また、特許文献4においては、ガラス基板上にイオン化粒子を入射させ酸素ガスと反応させZnO等の薄膜を成膜している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特許第4473852号公報
【特許文献2】特開2010−132991号公報
【特許文献3】特開2008−297587号公報
【特許文献4】特開2009−197333号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかし、前述したように、スパッタ法では温度が上昇しすぎて有機EL等には成膜できない。また、電子ビーム加熱真空蒸着法では、ダメージを少なくするためには構造が複雑になり、量産化も困難である。さらに、イオンプレーティング法では、ZnOをガラス基板に成膜することが開示されているが、プラズマによりイオン化されたイオンは+30〜+60Vのポテンシャルエネルギを有しており、基板に対して熱エネルギーを与えるため有機半導体や樹脂材料の基板ではダメージを与えるという問題があった。
【0008】
本発明の課題は、前述した問題点に鑑みて、熱やダメージに弱い有機半導体や樹脂材料の基板に直接セラミック等の薄膜を低ダメージで高速に真空成膜するための成膜方法及び成膜装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明者等は特許文献3,4のようなイオンプレーティング法において、基板への温度影響を少なくする点について研究した結果、蒸発・昇華物質をイオン化した際のイオン化エネルギーが基板にダメージを与える影響が大きいこと、また、イオン化に代えて、蒸発・蒸着物質のうち、昇華物質を多くする程成膜性能が良好であることを知得した。
【0015】
本発明においては、真空容器内下方に設けられたハースに配置された成膜材料と、前記ハースに対向して前記真空容器内上方に配置された基板と、前記真空容器側方かつ前記ハース高さより高い位置から前記真空容器内の前記成膜材料に向かって電子ビームを供給し前記成膜材料を溶融・蒸発及び昇華させる電子アークガンと、を有し、前記蒸発及び昇華した蒸発・昇華物質を前記基板に付着させて薄膜を得る成膜装置であって、前記成膜材料側へ前記電子ビーム先端部の流れを収束する副電磁石を設け、前記電子アークガンの前記成膜材料の蒸発面からの高さを、前記副電磁石との収束力と合わせて、前記成膜材料の上方で前記電子ビームが形成するプラズマ領域が前記電子アークガンの水平方向高さより下になる位置になるように設定し、前記蒸発・昇華物質が前記電子ビームの形成するプラズマ領域を通過する区間を少なくし、前記プラズマ領域でイオン化率の少ない蒸発・昇華物質のまま前記基板に成膜できるようにした成膜装置を提供する。
【0016】
即ち、電子アークガンの高さを、プラズマ領域が電子アークガン(電子銃)の水平方向高さより下になる位置になるように設定する。また、副電磁石を配置することにより電子ビームの拡散を減らしプラズマ領域を小さくし、蒸発・昇華物質がプラズマ領域を通過する区間を少なくし、イオン化率の少ない蒸発・昇華物質のまま基板に成膜できるようにした。なお、電子アークガンは一般に水平方向に配置しているが、斜め下方に向けて照射できるように配置することにより、電子ビームの曲がりを少なくして、溶融効率を上げ、成膜材料上のプラズマ領域を小さくできる。
【0017】
また、請求項に記載の発明においては、前記電子アークガンの前記成膜材料の蒸発面からの高さHは、前記成膜材料蒸発面位置〜+20mm間での前記電子ビームの直径をφDとして、D≦H≦4Dの位置とした成膜装置とする。高さが電子ビームの直径より小さいとアークが装置壁と干渉し易く、プラズマ断面が扁平となり蒸発原料の蒸発・昇華が不均一になる。また、高さHがφDの4倍より高いとプラズマ領域が大きくなりすぎる。より、好ましくは2D≦H≦3Dである。
【0018】
さらに、前記電磁石は長手方向に縦長の円筒状の空芯コイルであって、前記ハースの外周に配置されている成膜装置とすることもできる。長手方向に長いコイルとすることによりプラズマ領域を狭くできる。
【発明の効果】
【0021】
本発明においては、電子アークガンの高さを、プラズマ領域が電子アークガンの水平方向高さより下になる位置とし、副電磁石を配置してプラズマ領域を小さくし、イオン化率の少ない蒸発・昇華物質を基板に成膜できるようにしたので、熱やダメージに弱い基板上に直接セラミック等の薄膜を低ダメージで成膜できる成膜装置を提供するものとなった。
【0022】
また、請求項に記載の発明においては、電子アークガンの高さを電子ビームの直径以上直径の4倍以下とした成膜装置とすればよい。また、縦長の円筒状の空芯コイルをハースの外周に配置してプラズマ領域を狭くできるので、装置の構造を大きく変更することなく、従来の装置の改良程度で容易に製造することができる。また、取扱も従来のものと近似しており、成膜条件等の試験、量産設定等も容易である。
【図面の簡単な説明】
【0023】
図1】本発明の実施の形態における成膜装置の模式断面図である。
図2】従来のイオンプレーティング装置(成膜装置)の模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0024】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、従来の図2に示すのと同様な構成については相互に同符号を付し説明の一部を省略する。図1において、本発明の実施の形態に示す成膜装置20は、真空容器21と、真空容器の下部21aに設けられた成膜材料5が載置されるハース22と、真空容器の側面21bに設けられた電子ビームを発射する電子アークガン(以下、アークガンという)23と、ハースに対向して真空容器内の上部21cに基板6配置される基板ホルダ24が設けられている。また、真空容器21には反応ガス等を供給する反応ガス導入口8と真空容器内のガスを排気する真空排気装置11が設けられている。図2のような反応ガス調整装置45と真空排気装置11により、真空容器内21のガス分圧、真空度を調整する。
【0025】
アークガン23は陰極1が一端に設けられ、ハース22は陽極に接続される。アークガンは筒状の絶縁ガラス9を介してドーナツ状の電磁石25や永久磁石26が設けられ真空容器内に電子ビーム30を入射するようにされている。また、アークガン23内にアルゴン等の不活性ガスを導入する希ガス導入口7が設けられている。ハース22回りには電子ビーム30を誘導する電磁石27や永久磁石28、冷却装置29等が設けられる。アークガン23から発生した電子ビーム30は陰極側のハース22に誘導されハース上の成膜材料5の表面にアーク放電を発生させ成膜材料の局所的な加熱を行って、成膜材料を蒸発・昇華させる。かかる点については従来と同様な構成であり、詳細な説明は省略する。
【0026】
特に本実施形態においては、アークガン23の成膜材料の蒸発面5aからの水平方向高さHが従来より低くされている。この高さHは成膜材料蒸発面〜+20mmでの電子ビームの直径φDに対し、D以上4D以下にされている。また、アークガン23の電子ビーム発射出口には長手方向に縦長の円筒状の空芯コイルからなる副電磁石32が設けられている。副電磁石32により、磁束線は収束したまま前方に押し出され副電磁石の中心線延長上の磁界が強くされる。電子ビーム30は磁束線の方向に沿うので副電磁石32により電子ビームは細くなる。さらに、ハース22の外周に長手方向に縦長の円筒状の空芯コイルからなるハース側副電磁石33が設けられ電子ビーム30を成膜蒸発面5aに収束できるようにされている。
【0027】
これにより、電子ビーム30がアークガン23から成膜材料5に向かって下向きの円弧を形成する。アークガンから離れるに従い徐々に電子ビームの直径は広がり、成膜材料の上部H位置付近34を通過することなく、プラズマ領域31は円弧を描きながら成膜材料の上部5aに達し、成膜材料の蒸発面近傍36で最大値となり蒸発面5aでほぼ成膜材料蒸発面の大きさに収束する。
【0028】
これに対して、特許文献3,4の従来の成膜装置では、図2に示すように、アークガン23の成膜材料の蒸発面5aからの水平方向高さは特に開示されていない。また、副電磁石42は半径方向が長手方向より大きなドーナツ状であり、磁束密度を広げるようにされている。そして、電子ビーム40はアークガン23から成膜材料5に向かってほぼ直線に進み、成膜材料の真上44で下向きに向かう。アークガン23から離れるに従い徐々に電子ビームの直径は広がり、成膜材料の上部44で電子ビーム範囲は最大となり、大きく膨らんだプラズマ領域41を形成する。さらに、電子ビーム40は下方に向かって徐々に収束しながら成膜材料5の成膜材料蒸発面5aに達する。ハース側の副電磁石43もドーナツ状とされ、磁束を広げ成膜材料蒸発面での電子ビーム40の均一化を図っている。
【0029】
このため、従来のものでは、均一化したビーム40により成膜材料蒸発面5a全体を加熱し、成膜材料5を蒸発・昇華し、さらに、成膜材料の上部に設けられたプラズマ領域41を通過させて、蒸発・昇華物質をプラスマ化し、高エネルギー状態で基板6に到達させることになる。
【0030】
これに対して、本発明の実施の形態では、成膜材料上部でのプラズマ領域31を少なくし、また、成膜材料5の表面5aを局所的な加熱を行い高融点材料を少ない電力で蒸発・昇華させることができ、粒子数も多くできる。さらに、プラズマ領域31での活性化を少なくして成膜材料の組成・構造のままの蒸発・昇華物質を基板に堆積できる。堆積した蒸発・昇華物質は成膜材料の組成・構造に近いため再結晶化のエネルギー、例えば基板加熱は従来技術よりも低減することができ、有機半導体上への直接成膜を可能としたのである。
【0031】
なお、基板は陰極とされ、陽極である成膜材料からの蒸発・昇華物質が基板へ移動する等、本成膜装置は従来のイオンプレーティング装置と同様であり、イオンプレーティング法及び装置の種々の技術の適用、応用、変形が可能であることはいうまでもない。また、セラミック酸化物の成膜においては、蒸発・昇華、再結晶化を効率的に行うために、反応させる酸素分圧を適切に制御するとよい。
【符号の説明】
【0032】
5 成膜材料
5a 成膜材料の蒸発面
6 基板
20 成膜装置
21 真空容器
21a 真空容器下部
21b 真空容器側部
21c 真空容器上部
22 ハース
23 電子アークガン
30 電子ビーム
31 プラズマ領域
32 副電磁石
D 電子ビームの直径
H 電子ビームの成膜材料の蒸発面からの高さ
図1
図2