真空蒸着装置
【課題】蒸着材料を問わず、蒸発した蒸着材料により検出を妨げられずに、均一な厚さの膜を長時間成膜できる真空蒸着装置を提供することを目的とする。
【解決手段】真空蒸着装置１は、蒸着材容器２と、蒸着材料を蒸発させる蒸発手段と、倒れ角が異なる位置で成膜速度を観察する複数の成膜速度モニタ３，４と、１の成膜速度モニタ３の成膜速度を予め定められた設定値と比較し、設定値に対する観察した成膜速度の変動が所定の範囲内となるよう蒸発手段の出力を制御する成膜速度制御部と、材料供給部５と、蒸発手段により蒸発させた蒸着材料の蒸気量分布を、複数の成膜速度モニタ３，４で観察した成膜速度を用いて演算する蒸気量分布演算部と、演算した蒸気量分布を予め定められた蒸気量分布の設定値と比較し、蒸気量分布の設定値に対する演算した蒸気量分布の変動が所定の範囲内となるよう蒸着材料の供給量及び供給タイミングを制御する材料供給制御部とを備える。
【解決手段】真空蒸着装置１は、蒸着材容器２と、蒸着材料を蒸発させる蒸発手段と、倒れ角が異なる位置で成膜速度を観察する複数の成膜速度モニタ３，４と、１の成膜速度モニタ３の成膜速度を予め定められた設定値と比較し、設定値に対する観察した成膜速度の変動が所定の範囲内となるよう蒸発手段の出力を制御する成膜速度制御部と、材料供給部５と、蒸発手段により蒸発させた蒸着材料の蒸気量分布を、複数の成膜速度モニタ３，４で観察した成膜速度を用いて演算する蒸気量分布演算部と、演算した蒸気量分布を予め定められた蒸気量分布の設定値と比較し、蒸気量分布の設定値に対する演算した蒸気量分布の変動が所定の範囲内となるよう蒸着材料の供給量及び供給タイミングを制御する材料供給制御部とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空蒸着装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
真空蒸着では、真空にした容器の中で、蒸着材料を蒸発させて、離れた位置に置かれた基板の表面に付着させ、薄膜を形成する。蒸着材料は通常坩堝などに収容されている。蒸着材料を蒸発させる蒸発手段としては、電子ビーム蒸発、抵抗加熱蒸発、誘導加熱蒸発などがある。
【０００３】
蒸着材料を蒸発させる具体例を、電子ビーム蒸発源を例に挙げて説明する。
電子ビーム蒸発源は、他の蒸発手段では蒸発させることが困難な、高融点の金属や、金属酸化物などを蒸発させるのに適した蒸発源として広く用いられている。また、例えばアルミのような、蒸着材料が坩堝材料と反応し坩堝材の劣化を招きやすいような材質である場合も、水冷坩堝を用いることにより坩堝材料と蒸発材料の反応を抑えながら、蒸発が可能である。
【０００４】
図１６に電子ビーム蒸発源の一例を示す。図１６に示す電子ビーム蒸発源２０は、２７０°偏向型の電子銃２１を備えている。電子銃２１から出射された電子ビーム２２は磁石の磁界により偏向されて水冷坩堝２３に収容された蒸着材料に照射され、蒸着材料が蒸発する。このような構成とすることで、蒸着材料の蒸気やプロセスに伴い発生するパーティクルが電子銃２１のフィラメント２４へ堆積することを効果的に低減できると共に、装置全体をコンパクトに構成することが可能となる。
【０００５】
真空蒸着プロセスでは、蒸発源の種類によらず、成膜が進むにつれて蒸着材料は減少するため、長時間の成膜では、蒸着材料の供給手段が必要となる。真空蒸着のプロセスにおいて、研究室レベルで実施する成膜は短時間で終了するが、工場レベルで実施する成膜には長時間、例えば１週間を要することがある。
ところが、図１６に示すような構成の場合、電子ビーム２２を偏向させて坩堝内の材料充填部２５に導いている関係上、材料充填量、即ち坩堝の大きさを無制限に大きくすることは困難である。
【０００６】
図１７に、蒸着材料の充填坩堝深さを単純に深くした場合の電子ビーム蒸発源の断面図（ａ）及び上面図（ｂ）を示す。例えば、坩堝２６に収容された蒸着材料２７は蒸発に伴い減少し、充填高さｈがｈ’へ減少する。それにより、電子ビームの照射部は当初の充填高さであった場合と比較して、図１７に示すように異なる位置へとずれていく。これは成膜装置としては好ましからざる膜厚分布の変化を招く。
また、真空蒸着プロセスでは、基板に均一な厚さの薄膜を形成させるために、成膜速度をレートモニタで測定しながら電子ビームの出力を調整し、膜厚を一定に制御することが行われる（特許文献１参照）。しかしながら、照射点が移動するとモニタ値に影響を与え、成膜速度の一定性が保てなくなる原因ともなる。
【０００７】
これは電子ビーム蒸発源に限った問題ではなく、例えば抵抗加熱式の蒸発源に開放型の坩堝を用いた場合にも生じ得る。開放型の坩堝を用いた抵抗加熱式の蒸発源において、蒸発に伴い蒸着材料の充填量が減少した場合、蒸発面が下方に移動するため、坩堝の縁と蒸発面との位置関係が変化し、膜厚分布の変動を招く。
【０００８】
上記問題を解決するために、蒸着材料の充填量に関わらず安定した膜厚分布を得られるよう、坩堝の構造を工夫した蒸発源も見られる。しかしながら、抵抗加熱蒸発源で蒸着材料の充填量を増やすため坩堝を大型化すると、表面積と体積の比との関係から、（１）加熱に際しての熱効率が低下する、（２）全体の熱容量が大きくなり、坩堝の加熱・冷却に時間がかかるようになる、（３）生産装置としての立ち上げに要する時間が増大する、（４）坩堝温度の制御性が低下する、などの課題が生じるため好ましくない。
【０００９】
上記のような問題を避けるため、蒸発源に連続的、もしくは間欠的に材料を供給し、坩堝内の蒸発材料の量を概ね一定に保とうとする試みが為されている。例えば、ワイヤ状の材料を用いて蒸発源に連続的に材料を供給する構成、またはペレット状の材料を供給する機構が提案されている。
【００１０】
また、長時間安定した成膜を実施するためには、材料を安定的に供給する機構だけでなく、坩堝内の蒸着材料の充填量を一定に保つことが必要である。坩堝内の蒸着材料の充填量を一定に保つ方法としては、（１）蒸着材料が充填された坩堝の重量を測定し、充填量を測る、（２）光学撮像素子により溶融状態の蒸着材料の液面高さを検出する、または、（３）蒸着材料よりも高融点の材料で構成されたフロートを用いて溶融状の蒸着材料の液面高さを検知するなどの方法も提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００９−２２１４９６号公報（図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、これらの材料供給方法にもいくつかの問題がある。
重量測定により蒸着材料の変化を検知する方法については、必ずしも重量の変化が充填面の高さを反映するものでない場合がある。例えばアルミやガリウムのように、坩堝に対する濡れ性が高い溶融金属は、坩堝内で加熱されるに従い液面よりも高い位置の坩堝表面へも濡れ広がり、その分液面を下げることとなる。しかしながら、濡れによって坩堝と蒸着材料とを合わせた重量は変化しない。また、図１８のように蒸発した蒸着材料が坩堝２８内側の液面Ｆよりも高い位置に付着し、付着した材料が再蒸発せず、また再度液面まで融け落ちることもなく、蒸着プロセスには寄与しないような場合、重量変化よりも実際の充填面の高さの変化は大きいことになる。これは、コールドリップと呼ばれる、蒸発材料の這い上がりによる溢れを防止するために坩堝縁付近の温度上昇を抑制した構造の蒸発源において特に問題となる。
【００１３】
光学素子により充填面の高さを観察する方法については、蒸発材料が光学素子の窓に付着することにより、検知が妨げられる問題がある。窓への材料蒸気の付着を妨げるシャッターや、交換式の窓などで対策を行うこともできるが、構成が複雑になり、また長時間連続しての観察には適さない。
【００１４】
フロートを用いる方法については、（１）昇華性の蒸着材料には使用できず、溶融性の材料にしか適さないこと、（２）フロートによる蒸発材料の汚染が問題になる可能性があること、（３）電子ビーム蒸発源などで溶融面積が小さい場合は適用が困難になることなどの課題がある。
【００１５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、蒸着材料を問わず、均一な厚さの膜を長時間成膜できる真空蒸着装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために、本発明の真空蒸着装置は以下の手段を採用する。
本発明は、蒸着材料を収容する蒸着材容器と、エネルギーを前記蒸着材料に与え、前記蒸着材料を蒸発させる蒸発手段と、蒸気発生面の垂直上方向に対する倒れ角が異なる位置で成膜速度を観察する複数の成膜速度モニタと、１の前記成膜速度モニタで観察した成膜速度を予め定められた成膜速度の設定値と比較し、前記成膜速度の設定値に対する前記観察した成膜速度の変動が所定の範囲内となるよう前記蒸発手段の前記蒸着材料に与えるエネルギー量を制御する成膜速度制御部と、前記蒸着材容器に、新たな蒸着材料を供給する材料供給部と、前記蒸発手段により蒸発させた蒸着材料の蒸気量分布を、前記複数の成膜速度モニタで観察した成膜速度を用いて演算する蒸気量分布演算部と、演算した前記蒸気量分布を予め定められた蒸気量分布の設定値と比較し、前記蒸気量分布の設定値に対する前記演算した蒸気量分布の変動が所定の範囲内となるよう蒸着材料の供給量及び供給タイミングを制御する材料供給制御部と、を備えた真空蒸着装置を提供する。
【００１７】
上記発明によれば、成膜速度制御部により成膜速度は一定に制御される。また、複数の成膜速度モニタを用いることにより、蒸着材料の蒸気量分布を演算することが可能となる。演算された蒸気量分布は、材料供給制御部により蒸気量分布の設定値と比較されて蒸気量分布の変動が所定の範囲内となるよう蒸着材料の供給量及び供給タイミングが制御される。これにより、蒸着手段、及び蒸着材容器の種類を問わず、蒸気量分布の変化（膜厚分布の変動）を抑制することができる。膜厚分布の変動範囲を一定の範囲内に制御することで、安定した膜厚分布及び成膜速度で長時間の成膜が可能となる。
上記発明によれば、蒸着材料の種類（溶融材料、昇華材料）によらず、蒸発源内の蒸発材料の量を精度よく検知することができる。
【００１８】
上記発明の一態様において、被蒸着部材が一定の間隔で前記蒸気発生面上を通過するラインを備え、前記複数の成膜速度モニタが、前記成膜速度制御部及び前記蒸気量分布演算部で利用される第１成膜速度モニタと、前記蒸気量分布演算部で利用される第２成膜速度モニタと、から構成され、前記第１成膜速度モニタが、前記ラインよりも蒸気発生面側に配置され、前記第２成膜速度モニタが、該第２成膜速度モニタと前記蒸気発生面との間を前記被蒸着部材が通過する位置に配置されても良い。
【００１９】
上記発明の一態様によれば、蒸気発生面と第２成膜速度モニタとの間を一定間隔で被蒸着部材（基板）が通過するため、大部分の時間、第２成膜速度モニタが基板により覆われることとなる。よって、第２成膜速度モニタとして水晶振動子を用いた場合、水晶振動子の消耗が少なくなるという効果を奏する。また、高価な多点式モニタではなく、単点式モニタを使用することも可能となる。更に、第２成膜速度モニタをラインの上方に配置することで、第１成膜速度ラインの倒れ角と第２成膜速度ラインの倒れ角との角度差をつけやすくなる。それにより、蒸気量分布の変化の検出精度を向上させることができる。
【００２０】
上記発明の一態様において、予め前記蒸着材容器内に収容された蒸着材料の量の変化と、蒸気量分布の変化とを相関させておき、該相関関係に基づいて前記演算した蒸気量分布の変動が所定の範囲内となる量の蒸着材料を供給することが好ましい。
【００２１】
上記発明の一態様によれば、予め蒸着材容器内に収容された蒸着材料の量の変化と、蒸気量分布の変化との相関関係を求めておくことで、材料供給制御部での制御の精度を向上させることが可能となる。
【００２２】
また、本発明は、蒸着材料を収容する蒸着材容器と、一定エネルギーを前記蒸着材料に与え、前記蒸着材料を蒸発させる蒸発手段と、前記蒸着材容器に、新たな蒸着材料を供給する材料供給部と、蒸気発生面の垂直上方向に対して倒れ角をなす位置で成膜速度を観察する成膜速度モニタと、前記成膜速度モニタで観察した前記成膜速度を予め定められた成膜速度の設定値と比較し、前記成膜速度の設定値に対する前記観察した成膜速度の変動が所定の範囲内となるよう前記材料供給部による蒸着材料の供給量及び供給タイミングを制御する材料供給制御部と、を備えた真空蒸着装置を提供する。
【００２３】
上記発明によれば、成膜速度制御部により一定のエネルギーが蒸着材料に与えられ、成膜速度の変動に基づき蒸着材料の供給量及び供給タイミングが制御される。これにより、成膜速度モニタが１つであっても、蒸着材料の充填量を一定に保つことができ、安定した膜厚分布及び成膜速度で長時間の成膜が可能となる。
上記発明によれば、蒸着手段、蒸着材容器及び蒸着材料の種類（溶融材料、昇華材料）によらず、蒸発源内の蒸発材料の量を精度よく検知することができる。
【００２４】
上記発明の一態様において、予め前記蒸着材容器内に収容された蒸着材料の量の変化と、成膜速度の変化とを相関させておき、該相関関係に基づいて前記観察した成膜速度の変動が所定の範囲内となる量の蒸着材料を供給することが好ましい。
【００２５】
上記発明の一態様によれば、予め蒸着材容器内に収容された蒸着材料の量の変化と、成膜速度の変化との相関関係を求めておくことで、材料供給制御部での制御の精度を向上させることが可能となる。
【００２６】
また、本発明は、蒸着材料を収容する蒸着材容器と、エネルギーを前記蒸着材料に与え、前記蒸着材料を蒸発させる蒸発手段と、蒸気発生面の垂直上方向に対して倒れ角をなす位置で成膜速度を観察する成膜速度モニタと、前記成膜速度モニタで観察した成膜速度を予め定められた成膜速度の設定値と比較し、前記成膜速度の設定値に対する前記観察した成膜速度の変動が所定の範囲内となるよう前記蒸発手段の前記蒸着材料に与えるエネルギー量を制御する成膜速度制御部と、前記蒸着材容器に、新たな蒸着材料を供給する材料供給部と、前記エネルギー量の変動を予め定められたエネルギー量の設定値と比較し、前記エネルギー量の設定値に対する前記エネルギー量の変動が所定の範囲内となるよう前記材料供給部による蒸着材料の供給量及び供給タイミングを制御する材料供給制御部と、を備えた真空蒸着装置を提供する。
【００２７】
上記発明によれば、成膜速度制御部により蒸着材料に与えるエネルギー量を調整し、成膜速度を一定に制御する。蒸着材料に与えるエネルギー量の変動値は材料供給制御部に出力される。材料供給制御部では、該出力されたエネルギー量の変動値を受信し、該変動値に基づきエネルギー量の変動値が所定の範囲内となるよう蒸着材料の供給量及び供給タイミングを制御する。これにより、成膜速度モニタが１つであっても、蒸着材料の充填量を一定に保つことができ、安定した膜厚分布及び成膜速度で長時間の成膜が可能となる。
上記発明によれば、蒸着手段、蒸着材容器及び蒸着材料の種類（溶融材料、昇華材料）によらず、蒸発源内の蒸発材料の量を精度よく検知することができる。
【００２８】
上記発明の一態様において、予め前記蒸着材容器内に収容された蒸着材料の量の変化と、前記エネルギー量の変動とを相関させておき、該相関関係に基づいて前記エネルギー量の変動が所定の範囲内となる量の蒸着材料を供給することが好ましい。
【００２９】
上記発明の一態様によれば、予め蒸着材容器内に収容された蒸着材料の量の変化と、蒸着材料に与えるエネルギー量の変動との相関関係を求めておくことで、材料供給制御部での制御の精度を向上させることが可能となる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、蒸着材料の充填量の変化を蒸気量分布の変化により検出することで、膜厚分布の変動範囲を一定の範囲内に制御することができ、安定した膜厚分布及び成膜速度で長時間の成膜が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】第１実施形態に係る真空蒸着装置の概略構成図である。
【図２】第１実施形態に係る真空蒸着装置の制御ダイアグラム構成を示す図である。
【図３】蒸着材料を連続的に供給した場合のＶ１、及びＶ２の推移を示す図である。
【図４】蒸着材料を連続的に供給した場合のαの推移を示す図である。
【図５】蒸着材料を間欠的に供給した場合のＶ１及びＶ２の推移を示す図である。
【図６】蒸着材料を間欠的に供給した場合のαの推移を示す図である。
【図７】蒸気量分布αと蒸着材料の充填量とを対応づけるテーブルをグラフ化した図である。
【図８】従来の真空蒸着装置において、Ｖ１を一定としたときの蒸気量分布αの推移を示すグラフである。
【図９】αが図８のように推移した場合において、θ１とθ２との差が大きい場合のＶ１及びＶ２の推移を示す図である。
【図１０】αが図８のように推移した場合において、θ１とθ２との差が小さい場合のＶ１及びＶ２の推移を示す図である。
【図１１】第１実施形態の変形例に係る真空蒸着装置の概略構成図である。
【図１２】第１実施形態の変形例における第２成膜速度モニタの成膜速度Ｖ２を時間との関係を示すグラフである。
【図１３】蒸着材料の充填量が減少した場合に材料供給制御部で制御しなかった時の、第２成膜速度モニタの成膜速度Ｖ２を時間との関係を示すグラフである。
【図１４】第２実施形態に係る真空蒸着装置の制御ダイアグラム構成を示す。
【図１５】第３実施形態に係る真空蒸着装置の制御ダイアグラム構成を示す。
【図１６】従来の電子ビーム蒸発源の一例を示す図である。
【図１７】蒸着材料の充填坩堝深さを単純に深くした場合の従来の電子ビーム蒸発源を例示する図である。
【図１８】坩堝加熱用ヒータを用いた真空蒸着装置の概略断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下に、本発明に係る真空蒸着装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。
〔第１実施形態〕
図１に、第１実施形態に係る真空蒸着装置１の概略構成図を示す。図２に、真空蒸着装置１の制御ダイアグラム構成を示す。真空蒸着装置１は、蒸着材容器２、蒸発手段（不図示）、成膜速度モニタ３，４、成膜速度制御部（不図示）、材料供給部５、蒸気量分布演算部（不図示）、及び材料供給制御部（不図示）を備えている。
【００３３】
蒸着材容器２は、真空容器内に配置される蒸着材料６を収容可能な容器であり、坩堝などとされる。坩堝の材質は、収容する蒸着材料６の種類や蒸発手段に応じて適宜選択されると良い。蒸着材料６は、例えばアルミニウムやチタンなどの金属材料が考えられる。蒸着材容器の蒸気発生面に対向する位置には、基板７などが配置されている。基板７は必ずしも蒸着材容器２の真上に配置する必要はなく、斜め上方向に配置されても良い。
【００３４】
蒸発手段は、蒸着材料６にエネルギーを与え、蒸着材料６を蒸発させることのできるものとされる。蒸着手段は、電子ビーム蒸発、抵抗加熱蒸発、誘導加熱蒸発などとされるが、本実施形態では電子ビーム蒸発を用いることとする。
【００３５】
電子ビーム蒸発は、銅製の坩堝などに充填した蒸着材料６に電子ビームを収束させて加熱し、蒸発させるものである。電子ビーム蒸発において、蒸着材料６に与えるエネルギーは、電子銃の出力を調整することで制御できる。
【００３６】
抵抗加熱蒸発は、高融点の金属であるタングステン、タンタル、モリブデンなどの箔または線を、蒸発させる方向性や量に応じて適した形状に成形して蒸発源とし、蒸着材料６をその上に載せ通電加熱し、物質を蒸発させるものである。抵抗加熱蒸発において、蒸着材料６に与えるエネルギーは、加熱温度またはヒータ出力を調整することで制御できる。
【００３７】
誘導加熱蒸発は、カーボンなどの坩堝内に収納した蒸着材料６を、高周波誘導加熱により加熱・蒸発させるものである。誘導加熱蒸発において、蒸着材料６に与えるエネルギーは、周波数または高周波出力を調整することで制御できる。
【００３８】
成膜速度モニタは、蒸気発生面Ｓの垂直上方向からの倒れ角が異なる角度位置に、複数設けられている。本実施形態において、成膜速度モニタは、第１成膜速度モニタ３と第２成膜速度モニタ４とから構成されている。成膜速度モニタは、自己に堆積した蒸着材料の膜厚を測定することにより成膜速度（蒸気の量）を観察できるものである。例えば、成膜速度モニタは、水晶膜厚センタなどとされる。水晶膜厚センサは、水晶振動子の固有振動数がその質量変化によって変化することを利用したものであり、蒸発した蒸着材料を推奨振動子に堆積させて固有振動周波数を検出し、周波数変化をモニタすることにより、自己に堆積した蒸着材料の膜厚を測定する。
【００３９】
第１成膜速度モニタ３は、蒸着材容器２に充填された蒸着材料２の蒸気発生箇所Ｐからの距離がＬ１であり、蒸気発生箇所Ｐを含み蒸気発生面Ｓに対して垂直上方向に延びる線ｘからの倒れ角がθ１である位置に設けられている。本実施形態において、θ１は、基板７への蒸気の付着を妨げない範囲で、より小さくなるように設定すると良い。第１成膜モニタ３は、蒸気発生箇所Ｐを向く面に微小面Ｓ１を含み、微小面Ｓ１に堆積した蒸着材料の膜厚を測定することができる。
【００４０】
第２成膜速度モニタ４は、蒸着材容器２に充填された蒸着材料６の蒸気発生箇所Ｐからの距離がＬ２であり、蒸気発生箇所Ｐを含み蒸気発生面Ｓに対して垂直上方向に延びる線ｘからの倒れ角がθ２である位置に設けられている。本実施形態において、Ｌ２はＬ１と同じであって良いが、Ｌ１と異なっていても良い。Ｌ２は、Ｌ１よりも短くして、成膜速度モニタが同程度となるようにすることが好ましい。本実施形態において、θ２は、６０°以下、より好ましくは４５°以下とされる。θ２が大きすぎると成膜速度モニタに均一に膜が付着しにくくなり、測定が不安定になる。第２成膜モニタ４は、蒸気発生箇所Ｐを向く面に微小面Ｓ２を含み、微小面Ｓ２に堆積した蒸着材料の膜厚を測定することができる。
【００４１】
成膜速度制御部は、第１成膜速度モニタ３に接続されており、第１成膜速度モニタ３で観察される成膜速度Ｖ１をフィードバック制御することができる。詳細には、成膜速度制御部は、成膜速度Ｖ１を設定値Ｖｓと比較し、設定値Ｖｓに対する成膜速度Ｖ１の変動が設定値の範囲内となるよう電子ビームの出力を制御して、成膜速度Ｖ１を一定に維持する。
【００４２】
材料供給部５は、蒸着材容器２に新たな蒸着材料８を供給することができる。新たに供給する蒸着材料８は、ワイヤ、ペレット、またはその他の供給形態であって良い。蒸着材料８を連続的に供給する場合には、ワイヤ供給または液体供給などが好ましい。蒸着材料８を間欠的に供給する場合には、上記の供給手段に加えてペレット供給またはショット（粒）供給なども適用可能である。蒸着材料８は、蒸着材容器内において蒸着材料６が減少している部分に供給される。その際、蒸発手段で直接蒸発することのない位置で、且つ、溶融可能な位置であることが好ましい。例えば、電子ビーム蒸発の場合には、電子ビームが照射されて形成された溶融池９の外周より少し内側に供給すると良い。
【００４３】
蒸気量分布演算部は、複数の成膜速度モニタに接続されており、該複数の成膜速度モニタで観察した成膜速度を用いて蒸気量分布αを演算する。
ここで、第１成膜速度モニタ３及び第２成膜速度モニタ４で観察した成膜速度を用いた演算方法を説明する。微小な面状と見なせる蒸発源からの蒸気量の分布は、蒸気発生面Ｓに対して垂直上方向に延びる線ｘからの倒れ角をθとすると、（ｃｏｓθ）αと近似的に表すことができる。微小面Ｓ１，Ｓ２に到達する単位時間、単位面積あたりの蒸気の量（それぞれＶ１、Ｖ２とする）は、それぞれＡ／Ｌ１２＊（ｃｏｓθ１）α、Ａ／Ｌ２２＊（ｃｏｓθ２）αであるとも表現できる。ここでＡは微小面の蒸気発生面からの距離や、そもそもの蒸気発生量により変化する係数であり、αは蒸着材容器内に充填された蒸着材料の形状や蒸発速度等で変化する、蒸気量分布の形状を表すパラメータである。
【００４４】
蒸気量分布の形状、つまりαが一定であれば、蒸発に伴い、Ｖ１とＶ２の比は一定である。しかしながら、蒸気量分布の形状が変化すると、Ｖ１とＶ２の比が変化する。これにより、Ｖ１とＶ２の比を計算することで、蒸気量分布の形状が、ある決められた基準形状から変化しているか、否かを検出することができる。
【００４５】
上記の例において、既知のθ１、θ２、Ｌ１、Ｌ２、Ｖ１およびＶ２よりαを求める計算式は以下の通りである。
Ｖ１／Ｖ２＝｛Ａ／Ｌ１２＊（ｃｏｓθ１）α｝／｛Ａ／Ｌ２２＊（ｃｏｓθ２）α｝
Ｖ１／Ｖ２＝Ｌ２２／Ｌ１２＊（ｃｏｓθ１÷ｃｏｓθ２）α
ｌｏｇｅ｛（Ｖ１／Ｖ２）／（Ｌ２２／Ｌ１２）｝＝α＊ｌｏｇｅ（ｃｏｓθ１÷ｃｏｓθ２）
α＝ｌｏｇｅ｛（Ｖ１＊Ｌ１２）／（Ｖ２＊Ｌ２２）｝／ｌｏｇｅ（ｃｏｓθ１÷ｃｏｓθ２）
【００４６】
材料供給制御部は、演算した蒸気量分布を予め定められた蒸気量分布の設定値と比較し、演算した蒸気量分布が蒸気量分布の設定値の範囲内となるよう蒸着材料８の供給量及び供給タイミングを制御する。
【００４７】
ここで、予め蒸着材容器内に充填された蒸着材料の量の変化と、蒸気量分布の変化とを相関させたテーブルを用意しておくと良い。材料供給制御部は、上記テーブルに基づき、蒸気量分布の変化量に応じて、蒸着材容器内に充填された蒸着材料の量が一定となるよう蒸着材容器内に蒸着材料８を供給することができる。これにより蒸気量分布の変化量がある一定の範囲内となるよう制御することができる。
【００４８】
次に本実施形態の作用を説明する。
本実施形態では、第１成膜速度モニタ３の倒れ角θ１を３０°、第２成膜速度モニタ４の倒れ角θ２を４５°とする。本実施形態では、成膜速度制御部により第１成膜速度モニタ３で観察される成膜速度Ｖ１が設定値Ｖｓと等しくなるよう電子銃のフィラメント電流値を制御する。これにより成膜速度Ｖ１を一定に維持することができる。
なお、成膜速度の制御は第２成膜速度モニタ４で行っても良いが、その場合、同じ成膜速度であっても、成膜速度の設定値Ｖｓは、第１成膜速度モニタ３で制御する場合とは異なる。
【００４９】
また、成膜速度制御部で成膜速度Ｖ１を一定に保つと同時に、膜厚分布の形状を間接的に表す蒸気量分布αの値を蒸気量分布演算部により求める。蒸気量分布演算部で求めた蒸気量分布αは材料供給制御部によりフィードバック制御（例えば、ＰＩＤ制御）される。すなわち、演算した蒸気量分布αを蒸気量分布の設定値αｓと比較し、演算した蒸気量分布αが蒸気量分布の設定値αｓと等しくなるよう蒸着材料８の供給量及び供給タイミングを調整することで、蒸気量分布αを一定にする。
【００５０】
図３に、蒸着材料８を連続的に供給した場合のＶ１、及びＶ２の推移を示す。図４に、蒸着材料８を連続的に供給した場合のαの推移を示す。蒸着材料８を連続的に供給する場合、例えば、蒸着材料８の送り量を蒸気量分布αの値でフィードバック制御して、常に一定量の蒸着材料が蒸着材容器内に存在するよう調整する。そのようにすることで、図３及び図４に示すように、Ｖ１は一定値を維持し、Ｖ２及びαは設定値を維持するよう推移する。
蒸発量分布の設定値αｓは、例えば、最も好ましい蒸気量分布値を中心として許容可能な変動幅の−５％〜＋５％の範囲で設定する。
【００５１】
図５に、蒸着材料８を間欠的に供給した場合のＶ１及びＶ２の推移を示す。図６に、蒸着材料８を間欠的に供給した場合のαの推移を示す。蒸着材料８を間欠的に供給する場合、例えば、蒸発量分布の設定値αｓを一定の範囲で設け、蒸発量分布αが設定値αｓを下回ったら蒸着材料８の供給を開始し、蒸発量分布αが設定値αｓを上回ったら蒸着材料８の供給を停止する。そのようにすることで、図５及び図６に示すように、Ｖ１は一定値を維持し、Ｖ２及びαは設定値の範囲内に納まるように推移する。
【００５２】
また、材料供給制御部による蒸着材料８の供給量及び供給タイミングの制御は、予め求めておいた蒸気量分布αと蒸着材料の充填量とを対応づけるテーブルを用いて行われても良い。蒸気量分布演算部で求めた蒸気量分布αは、上記テーブルを参照し、現在の蒸着材料の充填量が過剰であるか、もしくは不足であるかを検知する。その結果により、材料供給部の動作を制御して、常に一定量の蒸着材料が蒸着材容器内に存在するようにコントロールする。図７に、蒸気量分布αと蒸着材料の充填量とを対応づけるテーブルをグラフ化したものを例示する。同図において、横軸が蒸気量分布α、縦軸が充填量である。通常、蒸気量分布αは、１よりも大きい。深さのある蒸着材容器では蒸着材料の減少に伴い、蒸気分布量αの値は上昇する（指向性が上がる）。図７では、蒸気量分布αが１．３以上であれば蒸着材料の充填量は十分（Ｆｕｌｌ）であると検知し、蒸気量分布αが１．６を超えると蒸着材料の充填量が不足（Ｅｍｐｔｙ）であると検知する。なお、蒸気量分布αの値は、上記例示に限定されず、蒸着材容器及び蒸発手段の構造により適宜設定され得る。
【００５３】
通常、蒸気量分布αは、成膜が進むに伴い、蒸着材容器内に充填された蒸着材料の量及び形状の変化とともに変わる。本実施形態では、θ２＞θ１（すなわち、ｃｏｓθ２＜ｃｏｓθ１）であるため、Ｖαｃｏｓαθのαに対する変化量は、θ２＞θ１となる。よって、図８のように蒸気量分布αが上昇すると、Ｖ１が一定であってもＶ２は低下する。図９にθ１とθ２との差が大きい場合のＶ１及びＶ２の推移を示す。図１０にθ１とθ２との差が小さい場合のＶ１及びＶ２の推移を示す。θ１とθ２との差が大きいほど蒸気量分布αの変化に伴うＶ２の変化は大きくなる。
【００５４】
本実施形態によれば、蒸気量分布の変動を一定の範囲内に制御することができるため、安定した蒸気量分布（膜厚分布）および成膜速度で長時間の成膜が可能となる。
【００５５】
また、従来、膜厚分布はフロートなどを用いる、または、液面におけるレーザーの反射など光学的な見え方などで間接的に検出されていたが、本実施形態では、実際の蒸気量の分布を検出するため、蒸着材料の種類（溶融材料、昇華材料）によらず、蒸着材容器内の蒸着材料の量を精度よく検知することができる。
【００５６】
また、本実施形態に係る真空蒸着装置において、材料供給部は供給する蒸着材料の形態を（ワイヤ、ペレット等）を問わない。また連続供給、間欠供給のいずれにも適用可能である。
【００５７】
（第１実施形態の変形例）
図１１に、第１実施形態の変形例に係る真空蒸着装置１０の概略構成図を示す。真空蒸着装置１０は、基板１７が一定の間隔で蒸気発生面上を通過するインライン成膜装置であり、且つ、第２成膜速度モニタ１４が、基板１７が通過するラインよりも真空容器の上方に設けられていることを特徴とする。特に説明がない構成については、第１実施形態と同様とされる。また、図１１では、本願の特徴部分を説明するために、他の構成は省略して記載する。
【００５８】
本変形例では、蒸気発生面Ｓと第２成膜速度モニタ１４との間を一定間隔で基板１７が通過する。それにより、図１２に示すように、第２成膜速度モニタ１４における成膜速度Ｖ２のモニタが間欠的となる。本変形例では、θ１＞θ２であるため、蒸気量分布αの指向性が上昇するとともにＶ２も上昇する。よって、成膜が進み、蒸着材料の充填量が減少した場合、成膜速度Ｖ２は図１３のように変化する。
【００５９】
第１成膜速度モニタ１３では、第１実施形態と同様に成膜速度Ｖ１を観察する。成膜速度制御部では、ＰＩＤ制御などにより蒸発手段が蒸着材料へと与えるエネルギー量を制御し、成膜速度Ｖ１を一定値に保つ。
【００６０】
本変形例によれば、蒸気発生面Ｓと第２成膜速度モニタ１４との間を一定間隔で基板１７が通過するため、大部分の時間、第２成膜速度モニタ１４が基板により覆われることとなる。例えば、基板トレイの長さを４５０ｍｍ、トレイ間隔を５０ｍｍとすると、第２成膜速度モニタ１４に蒸着材料が堆積する時間は、常に第２成膜速度モニタ１４が蒸着材料の上記に曝されている場合の約１／１０となる。それにより、水晶振動子の消耗が少なくなる。また、高価な多点式モニタではなく、単点式モニタを使用することも可能となる。
【００６１】
また、通常、第１成膜速度モニタ１３の倒れ角θ１は、３０°よりもさらに倒れた（大きな角度）位置に配置される。そのため、第２成膜速度モニタ１４を第１成膜速度モニタ１３よりも更に倒れた位置に配置すると、θ１とθ２との角度差をつけにくくなる。本変形例によれば、第２成膜速度モニタ１４を真空容器１１の上方に配置することで、θ１とθ２との角度差をつけやすくなる。それにより、蒸気量分布の変化の検出精度を向上させることができる。
【００６２】
〔第２実施形態〕
図１４に、本実施形態に係る真空蒸着装置の制御ダイアグラム構成を示す。本実施形態に係る真空蒸着装置は、蒸着材容器、蒸発手段、成膜速度モニタ、成膜速度制御部、材料供給部、及び材料供給制御部を備えている。以下、第１実施形態と異なる構成について説明する。
【００６３】
蒸発手段は、蒸着材料にエネルギーを与え、蒸着材料を蒸発させることのできるものとされる。蒸着手段は、電子ビーム蒸発、抵抗加熱蒸発、誘導加熱蒸発などとされるが、本実施形態では電子ビーム蒸発を用いることとする。
【００６４】
成膜速度モニタは、蒸気発生面の垂直上方向に対して倒れ角をなす位置に設けられている。本実施形態において、成膜速度モニタは第１成膜モニタのみから構成されている。成膜速度モニタは、自己に堆積した蒸着材料の膜厚を測定することにより成膜速度（蒸気の量）を観察できるものである。
【００６５】
第１成膜速度モニタは、蒸着材容器に充填された蒸着材料の蒸気発生箇所Ｐからの距離がＬ１であり、蒸気発生箇所Ｐを含み蒸気発生面Ｓに対して垂直上方向に延びる線ｘからの倒れ角がθ１である位置に設けられている。本実施形態において、θ１は、基板への蒸気の付着を妨げない範囲で、より小さくなるように設定すると良い。第１成膜モニタは、蒸気発生箇所を向く面に微小面Ｓ１を含み、微小面Ｓ１に堆積した蒸着材料の膜厚を測定することができる。
【００６６】
成膜速度制御部は、所定の出力値を維持するよう電子ビームを制御する。
【００６７】
材料供給制御部は、成膜速度Ｖ１をフィードバック制御することができる。詳細には、第１成膜速度モニタで観察した成膜速度Ｖ１を予め定められた成膜速度の設定値Ｖｓと比較し、成膜速度の設定値Ｖｓに対する成膜速度Ｖ１の変動が所定の範囲内となるよう材料供給部による蒸着材料の供給量及び供給タイミングを制御する。
【００６８】
ここで、予め蒸着材容器内に充填された蒸着材料の量の変化と、成膜速度Ｖ１の変化量とを相関させたテーブルを用意しておくと良い。材料供給制御部は、上記テーブルに基づき、成膜速度Ｖ１の変化量に応じて、蒸着材容器内に充填された蒸着材料の量が一定となるよう蒸着材容器内に蒸着材料を供給することができる。これにより成膜速度Ｖ１の変動がある一定の範囲内となるよう制御することができる。
【００６９】
本実施形態では、成膜速度制御部により、電子ビームの出力は一定に維持される。出力が一定であれば、蒸着材容器からの蒸着材の蒸発量はほぼ一定となる。一方、蒸着材容器に充填された蒸着材量が減少すると、成膜速度が変動する。蒸発量がほぼ一定である蒸発源においては、成膜速度の変動はほぼ蒸着材料の充填高さの減少によるものとみなせる。よって、成膜速度モニタによって観察した成膜速度Ｖ１の変動を材料供給制御部にフィードバックして材料供給量を制御することにより、成膜速度Ｖ１及び蒸着材料の充填量の両方を一定に保つことができる。
本実施形態によれば、成膜速度モニタが一つであっても蒸発源内の材料充填量を一定に保つことができ、安定した膜厚分布を得ることができる。
【００７０】
〔第３実施形態〕
図１５に、本実施形態に係る真空蒸着装置の制御ダイアグラム構成を示す。本実施形態に係る真空蒸着装置は、蒸着材容器、蒸発手段、成膜速度モニタ、成膜速度制御部、材料供給部、及び材料供給制御部を備えている。以下、第１実施形態と異なる構成について説明する。
【００７１】
蒸発手段は、蒸着材料にエネルギーを与え、蒸着材料を蒸発させることのできるものとされる。蒸着手段は、電子ビーム蒸発、抵抗加熱蒸発、誘導加熱蒸発などとされるが、本実施形態では電子ビーム蒸発を用いることとする。
【００７２】
成膜速度モニタは、蒸気発生面の垂直上方向に対して倒れ角をなす位置に設けられている。本実施形態において、成膜速度モニタは第１成膜モニタのみから構成されている。成膜速度モニタは、自己に堆積した蒸着材料の膜厚を測定することにより成膜速度（蒸気の量）を観察できるものである。
【００７３】
第１成膜速度モニタは、蒸着材容器に充填された蒸着材料の蒸気発生箇所Ｐからの距離がＬ１であり、蒸気発生箇所Ｐを含み蒸気発生面Ｓに対して垂直上方向に延びる線ｘからの倒れ角がθ１である位置に設けられている。本実施形態において、θ１は、基板への蒸気の付着を妨げない範囲で、より小さくなるように設定すると良い。第１成膜モニタは、蒸気発生箇所を向く面に微小面Ｓ１を含み、微小面Ｓ１に堆積した蒸着材料の膜厚を測定することができる。
【００７４】
成膜速度制御部は、第１成膜速度モニタに接続されており、第１成膜速度モニタで観察される成膜速度Ｖ１をフィードバック制御することができる。詳細には、成膜速度制御部は、成膜速度Ｖ１を設定値Ｖｓと比較し、設定値Ｖｓに対する成膜速度Ｖ１の変動が設定値の範囲内となるよう電子ビームの出力（エネルギー量）を制御して、成膜速度Ｖ１を一定に維持する。制御された電子ビームの出力値は、材料供給制御部へと出力される。
【００７５】
材料供給制御部は、成膜速度制御部から出力された電子ビームの出力値を受信し、実際の電子ビームの出力の変動を予め定められた電子ビームの出力の設定値と比較する。そして、電子ビームの出力の設定値に対する実際の電子ビームの出力の変動が所定の範囲内となるよう材料供給部による蒸着材料の供給量及び供給タイミングを制御する。
【００７６】
ここで、予め蒸着材容器内に充填された蒸着材料の量の変化と、電子ビームの出力（エネルギー）の変化量とを相関させたテーブルを用意しておくと良い。材料供給制御部は、上記テーブルに基づき、電子ビームの出力の変化量に応じて、蒸着材容器内に充填された蒸着材料の量が一定となるよう蒸着材容器内に蒸着材料を供給することができる。これにより電子ビームの出力（エネルギー量）の変動がある一定の範囲内となるよう制御することができる。
【００７７】
本実施形態では、成膜速度制御部により、成膜速度Ｖ１が一定となるよう、蒸発手段が蒸着材料に与えるエネルギー量を制御する。蒸着材容器に充填された蒸着材量が減少した場合に成膜速度Ｖ１を一定に保とうとすると、蒸着材料に与えるエネルギー量を増加させる必要がある。本実施形態では、このエネルギー量の変動を材料供給制御部にフィードバックして材料供給量を制御することにより、蒸着材料の充填量の両方を一定に保つことができる。
【００７８】
本実施形態によれば、成膜速度モニタが一つであっても蒸発源内の材料充填量を一定に保つことができ、安定した膜厚分布を得ることができる。また、実際に蒸着材料に与えられたエネルギー量のフィードバック制御を用いるため、第２実施形態と比較して安定した成膜速度及び膜厚分布を得ることができる。
【符号の説明】
【００７９】
１，１０ 真空蒸着装置
２，１２ 蒸着材容器
３，１３ 第１成膜速度モニタ
４，１４ 第２成膜速度モニタ
５ 材料供給部
６，１６，２７ （蒸着材容器内に充填された）蒸着材料
７，１７ 基板
８ （材料供給部により供給される）蒸着材料
９ 溶融池
１１ 真空容器
２０ 電子ビーム蒸発源
２１ 電子銃
２２ 電子ビーム
２３ 水冷坩堝
２４ フィラメント
２５ 材料充填部
２６，２８ 坩堝
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空蒸着装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
真空蒸着では、真空にした容器の中で、蒸着材料を蒸発させて、離れた位置に置かれた基板の表面に付着させ、薄膜を形成する。蒸着材料は通常坩堝などに収容されている。蒸着材料を蒸発させる蒸発手段としては、電子ビーム蒸発、抵抗加熱蒸発、誘導加熱蒸発などがある。
【０００３】
蒸着材料を蒸発させる具体例を、電子ビーム蒸発源を例に挙げて説明する。
電子ビーム蒸発源は、他の蒸発手段では蒸発させることが困難な、高融点の金属や、金属酸化物などを蒸発させるのに適した蒸発源として広く用いられている。また、例えばアルミのような、蒸着材料が坩堝材料と反応し坩堝材の劣化を招きやすいような材質である場合も、水冷坩堝を用いることにより坩堝材料と蒸発材料の反応を抑えながら、蒸発が可能である。
【０００４】
図１６に電子ビーム蒸発源の一例を示す。図１６に示す電子ビーム蒸発源２０は、２７０°偏向型の電子銃２１を備えている。電子銃２１から出射された電子ビーム２２は磁石の磁界により偏向されて水冷坩堝２３に収容された蒸着材料に照射され、蒸着材料が蒸発する。このような構成とすることで、蒸着材料の蒸気やプロセスに伴い発生するパーティクルが電子銃２１のフィラメント２４へ堆積することを効果的に低減できると共に、装置全体をコンパクトに構成することが可能となる。
【０００５】
真空蒸着プロセスでは、蒸発源の種類によらず、成膜が進むにつれて蒸着材料は減少するため、長時間の成膜では、蒸着材料の供給手段が必要となる。真空蒸着のプロセスにおいて、研究室レベルで実施する成膜は短時間で終了するが、工場レベルで実施する成膜には長時間、例えば１週間を要することがある。
ところが、図１６に示すような構成の場合、電子ビーム２２を偏向させて坩堝内の材料充填部２５に導いている関係上、材料充填量、即ち坩堝の大きさを無制限に大きくすることは困難である。
【０００６】
図１７に、蒸着材料の充填坩堝深さを単純に深くした場合の電子ビーム蒸発源の断面図（ａ）及び上面図（ｂ）を示す。例えば、坩堝２６に収容された蒸着材料２７は蒸発に伴い減少し、充填高さｈがｈ’へ減少する。それにより、電子ビームの照射部は当初の充填高さであった場合と比較して、図１７に示すように異なる位置へとずれていく。これは成膜装置としては好ましからざる膜厚分布の変化を招く。
また、真空蒸着プロセスでは、基板に均一な厚さの薄膜を形成させるために、成膜速度をレートモニタで測定しながら電子ビームの出力を調整し、膜厚を一定に制御することが行われる（特許文献１参照）。しかしながら、照射点が移動するとモニタ値に影響を与え、成膜速度の一定性が保てなくなる原因ともなる。
【０００７】
これは電子ビーム蒸発源に限った問題ではなく、例えば抵抗加熱式の蒸発源に開放型の坩堝を用いた場合にも生じ得る。開放型の坩堝を用いた抵抗加熱式の蒸発源において、蒸発に伴い蒸着材料の充填量が減少した場合、蒸発面が下方に移動するため、坩堝の縁と蒸発面との位置関係が変化し、膜厚分布の変動を招く。
【０００８】
上記問題を解決するために、蒸着材料の充填量に関わらず安定した膜厚分布を得られるよう、坩堝の構造を工夫した蒸発源も見られる。しかしながら、抵抗加熱蒸発源で蒸着材料の充填量を増やすため坩堝を大型化すると、表面積と体積の比との関係から、（１）加熱に際しての熱効率が低下する、（２）全体の熱容量が大きくなり、坩堝の加熱・冷却に時間がかかるようになる、（３）生産装置としての立ち上げに要する時間が増大する、（４）坩堝温度の制御性が低下する、などの課題が生じるため好ましくない。
【０００９】
上記のような問題を避けるため、蒸発源に連続的、もしくは間欠的に材料を供給し、坩堝内の蒸発材料の量を概ね一定に保とうとする試みが為されている。例えば、ワイヤ状の材料を用いて蒸発源に連続的に材料を供給する構成、またはペレット状の材料を供給する機構が提案されている。
【００１０】
また、長時間安定した成膜を実施するためには、材料を安定的に供給する機構だけでなく、坩堝内の蒸着材料の充填量を一定に保つことが必要である。坩堝内の蒸着材料の充填量を一定に保つ方法としては、（１）蒸着材料が充填された坩堝の重量を測定し、充填量を測る、（２）光学撮像素子により溶融状態の蒸着材料の液面高さを検出する、または、（３）蒸着材料よりも高融点の材料で構成されたフロートを用いて溶融状の蒸着材料の液面高さを検知するなどの方法も提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００９−２２１４９６号公報（図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、これらの材料供給方法にもいくつかの問題がある。
重量測定により蒸着材料の変化を検知する方法については、必ずしも重量の変化が充填面の高さを反映するものでない場合がある。例えばアルミやガリウムのように、坩堝に対する濡れ性が高い溶融金属は、坩堝内で加熱されるに従い液面よりも高い位置の坩堝表面へも濡れ広がり、その分液面を下げることとなる。しかしながら、濡れによって坩堝と蒸着材料とを合わせた重量は変化しない。また、図１８のように蒸発した蒸着材料が坩堝２８内側の液面Ｆよりも高い位置に付着し、付着した材料が再蒸発せず、また再度液面まで融け落ちることもなく、蒸着プロセスには寄与しないような場合、重量変化よりも実際の充填面の高さの変化は大きいことになる。これは、コールドリップと呼ばれる、蒸発材料の這い上がりによる溢れを防止するために坩堝縁付近の温度上昇を抑制した構造の蒸発源において特に問題となる。
【００１３】
光学素子により充填面の高さを観察する方法については、蒸発材料が光学素子の窓に付着することにより、検知が妨げられる問題がある。窓への材料蒸気の付着を妨げるシャッターや、交換式の窓などで対策を行うこともできるが、構成が複雑になり、また長時間連続しての観察には適さない。
【００１４】
フロートを用いる方法については、（１）昇華性の蒸着材料には使用できず、溶融性の材料にしか適さないこと、（２）フロートによる蒸発材料の汚染が問題になる可能性があること、（３）電子ビーム蒸発源などで溶融面積が小さい場合は適用が困難になることなどの課題がある。
【００１５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、蒸着材料を問わず、均一な厚さの膜を長時間成膜できる真空蒸着装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために、本発明の真空蒸着装置は以下の手段を採用する。
本発明は、蒸着材料を収容する蒸着材容器と、エネルギーを前記蒸着材料に与え、前記蒸着材料を蒸発させる蒸発手段と、蒸気発生面の垂直上方向に対する倒れ角が異なる位置で成膜速度を観察する複数の成膜速度モニタと、１の前記成膜速度モニタで観察した成膜速度を予め定められた成膜速度の設定値と比較し、前記成膜速度の設定値に対する前記観察した成膜速度の変動が所定の範囲内となるよう前記蒸発手段の前記蒸着材料に与えるエネルギー量を制御する成膜速度制御部と、前記蒸着材容器に、新たな蒸着材料を供給する材料供給部と、前記蒸発手段により蒸発させた蒸着材料の蒸気量分布を、前記複数の成膜速度モニタで観察した成膜速度を用いて演算する蒸気量分布演算部と、演算した前記蒸気量分布を予め定められた蒸気量分布の設定値と比較し、前記蒸気量分布の設定値に対する前記演算した蒸気量分布の変動が所定の範囲内となるよう蒸着材料の供給量及び供給タイミングを制御する材料供給制御部と、を備えた真空蒸着装置を提供する。
【００１７】
上記発明によれば、成膜速度制御部により成膜速度は一定に制御される。また、複数の成膜速度モニタを用いることにより、蒸着材料の蒸気量分布を演算することが可能となる。演算された蒸気量分布は、材料供給制御部により蒸気量分布の設定値と比較されて蒸気量分布の変動が所定の範囲内となるよう蒸着材料の供給量及び供給タイミングが制御される。これにより、蒸着手段、及び蒸着材容器の種類を問わず、蒸気量分布の変化（膜厚分布の変動）を抑制することができる。膜厚分布の変動範囲を一定の範囲内に制御することで、安定した膜厚分布及び成膜速度で長時間の成膜が可能となる。
上記発明によれば、蒸着材料の種類（溶融材料、昇華材料）によらず、蒸発源内の蒸発材料の量を精度よく検知することができる。
【００１８】
上記発明の一態様において、被蒸着部材が一定の間隔で前記蒸気発生面上を通過するラインを備え、前記複数の成膜速度モニタが、前記成膜速度制御部及び前記蒸気量分布演算部で利用される第１成膜速度モニタと、前記蒸気量分布演算部で利用される第２成膜速度モニタと、から構成され、前記第１成膜速度モニタが、前記ラインよりも蒸気発生面側に配置され、前記第２成膜速度モニタが、該第２成膜速度モニタと前記蒸気発生面との間を前記被蒸着部材が通過する位置に配置されても良い。
【００１９】
上記発明の一態様によれば、蒸気発生面と第２成膜速度モニタとの間を一定間隔で被蒸着部材（基板）が通過するため、大部分の時間、第２成膜速度モニタが基板により覆われることとなる。よって、第２成膜速度モニタとして水晶振動子を用いた場合、水晶振動子の消耗が少なくなるという効果を奏する。また、高価な多点式モニタではなく、単点式モニタを使用することも可能となる。更に、第２成膜速度モニタをラインの上方に配置することで、第１成膜速度ラインの倒れ角と第２成膜速度ラインの倒れ角との角度差をつけやすくなる。それにより、蒸気量分布の変化の検出精度を向上させることができる。
【００２０】
上記発明の一態様において、予め前記蒸着材容器内に収容された蒸着材料の量の変化と、蒸気量分布の変化とを相関させておき、該相関関係に基づいて前記演算した蒸気量分布の変動が所定の範囲内となる量の蒸着材料を供給することが好ましい。
【００２１】
上記発明の一態様によれば、予め蒸着材容器内に収容された蒸着材料の量の変化と、蒸気量分布の変化との相関関係を求めておくことで、材料供給制御部での制御の精度を向上させることが可能となる。
【００２２】
また、本発明は、蒸着材料を収容する蒸着材容器と、一定エネルギーを前記蒸着材料に与え、前記蒸着材料を蒸発させる蒸発手段と、前記蒸着材容器に、新たな蒸着材料を供給する材料供給部と、蒸気発生面の垂直上方向に対して倒れ角をなす位置で成膜速度を観察する成膜速度モニタと、前記成膜速度モニタで観察した前記成膜速度を予め定められた成膜速度の設定値と比較し、前記成膜速度の設定値に対する前記観察した成膜速度の変動が所定の範囲内となるよう前記材料供給部による蒸着材料の供給量及び供給タイミングを制御する材料供給制御部と、を備えた真空蒸着装置を提供する。
【００２３】
上記発明によれば、成膜速度制御部により一定のエネルギーが蒸着材料に与えられ、成膜速度の変動に基づき蒸着材料の供給量及び供給タイミングが制御される。これにより、成膜速度モニタが１つであっても、蒸着材料の充填量を一定に保つことができ、安定した膜厚分布及び成膜速度で長時間の成膜が可能となる。
上記発明によれば、蒸着手段、蒸着材容器及び蒸着材料の種類（溶融材料、昇華材料）によらず、蒸発源内の蒸発材料の量を精度よく検知することができる。
【００２４】
上記発明の一態様において、予め前記蒸着材容器内に収容された蒸着材料の量の変化と、成膜速度の変化とを相関させておき、該相関関係に基づいて前記観察した成膜速度の変動が所定の範囲内となる量の蒸着材料を供給することが好ましい。
【００２５】
上記発明の一態様によれば、予め蒸着材容器内に収容された蒸着材料の量の変化と、成膜速度の変化との相関関係を求めておくことで、材料供給制御部での制御の精度を向上させることが可能となる。
【００２６】
また、本発明は、蒸着材料を収容する蒸着材容器と、エネルギーを前記蒸着材料に与え、前記蒸着材料を蒸発させる蒸発手段と、蒸気発生面の垂直上方向に対して倒れ角をなす位置で成膜速度を観察する成膜速度モニタと、前記成膜速度モニタで観察した成膜速度を予め定められた成膜速度の設定値と比較し、前記成膜速度の設定値に対する前記観察した成膜速度の変動が所定の範囲内となるよう前記蒸発手段の前記蒸着材料に与えるエネルギー量を制御する成膜速度制御部と、前記蒸着材容器に、新たな蒸着材料を供給する材料供給部と、前記エネルギー量の変動を予め定められたエネルギー量の設定値と比較し、前記エネルギー量の設定値に対する前記エネルギー量の変動が所定の範囲内となるよう前記材料供給部による蒸着材料の供給量及び供給タイミングを制御する材料供給制御部と、を備えた真空蒸着装置を提供する。
【００２７】
上記発明によれば、成膜速度制御部により蒸着材料に与えるエネルギー量を調整し、成膜速度を一定に制御する。蒸着材料に与えるエネルギー量の変動値は材料供給制御部に出力される。材料供給制御部では、該出力されたエネルギー量の変動値を受信し、該変動値に基づきエネルギー量の変動値が所定の範囲内となるよう蒸着材料の供給量及び供給タイミングを制御する。これにより、成膜速度モニタが１つであっても、蒸着材料の充填量を一定に保つことができ、安定した膜厚分布及び成膜速度で長時間の成膜が可能となる。
上記発明によれば、蒸着手段、蒸着材容器及び蒸着材料の種類（溶融材料、昇華材料）によらず、蒸発源内の蒸発材料の量を精度よく検知することができる。
【００２８】
上記発明の一態様において、予め前記蒸着材容器内に収容された蒸着材料の量の変化と、前記エネルギー量の変動とを相関させておき、該相関関係に基づいて前記エネルギー量の変動が所定の範囲内となる量の蒸着材料を供給することが好ましい。
【００２９】
上記発明の一態様によれば、予め蒸着材容器内に収容された蒸着材料の量の変化と、蒸着材料に与えるエネルギー量の変動との相関関係を求めておくことで、材料供給制御部での制御の精度を向上させることが可能となる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、蒸着材料の充填量の変化を蒸気量分布の変化により検出することで、膜厚分布の変動範囲を一定の範囲内に制御することができ、安定した膜厚分布及び成膜速度で長時間の成膜が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】第１実施形態に係る真空蒸着装置の概略構成図である。
【図２】第１実施形態に係る真空蒸着装置の制御ダイアグラム構成を示す図である。
【図３】蒸着材料を連続的に供給した場合のＶ１、及びＶ２の推移を示す図である。
【図４】蒸着材料を連続的に供給した場合のαの推移を示す図である。
【図５】蒸着材料を間欠的に供給した場合のＶ１及びＶ２の推移を示す図である。
【図６】蒸着材料を間欠的に供給した場合のαの推移を示す図である。
【図７】蒸気量分布αと蒸着材料の充填量とを対応づけるテーブルをグラフ化した図である。
【図８】従来の真空蒸着装置において、Ｖ１を一定としたときの蒸気量分布αの推移を示すグラフである。
【図９】αが図８のように推移した場合において、θ１とθ２との差が大きい場合のＶ１及びＶ２の推移を示す図である。
【図１０】αが図８のように推移した場合において、θ１とθ２との差が小さい場合のＶ１及びＶ２の推移を示す図である。
【図１１】第１実施形態の変形例に係る真空蒸着装置の概略構成図である。
【図１２】第１実施形態の変形例における第２成膜速度モニタの成膜速度Ｖ２を時間との関係を示すグラフである。
【図１３】蒸着材料の充填量が減少した場合に材料供給制御部で制御しなかった時の、第２成膜速度モニタの成膜速度Ｖ２を時間との関係を示すグラフである。
【図１４】第２実施形態に係る真空蒸着装置の制御ダイアグラム構成を示す。
【図１５】第３実施形態に係る真空蒸着装置の制御ダイアグラム構成を示す。
【図１６】従来の電子ビーム蒸発源の一例を示す図である。
【図１７】蒸着材料の充填坩堝深さを単純に深くした場合の従来の電子ビーム蒸発源を例示する図である。
【図１８】坩堝加熱用ヒータを用いた真空蒸着装置の概略断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下に、本発明に係る真空蒸着装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。
〔第１実施形態〕
図１に、第１実施形態に係る真空蒸着装置１の概略構成図を示す。図２に、真空蒸着装置１の制御ダイアグラム構成を示す。真空蒸着装置１は、蒸着材容器２、蒸発手段（不図示）、成膜速度モニタ３，４、成膜速度制御部（不図示）、材料供給部５、蒸気量分布演算部（不図示）、及び材料供給制御部（不図示）を備えている。
【００３３】
蒸着材容器２は、真空容器内に配置される蒸着材料６を収容可能な容器であり、坩堝などとされる。坩堝の材質は、収容する蒸着材料６の種類や蒸発手段に応じて適宜選択されると良い。蒸着材料６は、例えばアルミニウムやチタンなどの金属材料が考えられる。蒸着材容器の蒸気発生面に対向する位置には、基板７などが配置されている。基板７は必ずしも蒸着材容器２の真上に配置する必要はなく、斜め上方向に配置されても良い。
【００３４】
蒸発手段は、蒸着材料６にエネルギーを与え、蒸着材料６を蒸発させることのできるものとされる。蒸着手段は、電子ビーム蒸発、抵抗加熱蒸発、誘導加熱蒸発などとされるが、本実施形態では電子ビーム蒸発を用いることとする。
【００３５】
電子ビーム蒸発は、銅製の坩堝などに充填した蒸着材料６に電子ビームを収束させて加熱し、蒸発させるものである。電子ビーム蒸発において、蒸着材料６に与えるエネルギーは、電子銃の出力を調整することで制御できる。
【００３６】
抵抗加熱蒸発は、高融点の金属であるタングステン、タンタル、モリブデンなどの箔または線を、蒸発させる方向性や量に応じて適した形状に成形して蒸発源とし、蒸着材料６をその上に載せ通電加熱し、物質を蒸発させるものである。抵抗加熱蒸発において、蒸着材料６に与えるエネルギーは、加熱温度またはヒータ出力を調整することで制御できる。
【００３７】
誘導加熱蒸発は、カーボンなどの坩堝内に収納した蒸着材料６を、高周波誘導加熱により加熱・蒸発させるものである。誘導加熱蒸発において、蒸着材料６に与えるエネルギーは、周波数または高周波出力を調整することで制御できる。
【００３８】
成膜速度モニタは、蒸気発生面Ｓの垂直上方向からの倒れ角が異なる角度位置に、複数設けられている。本実施形態において、成膜速度モニタは、第１成膜速度モニタ３と第２成膜速度モニタ４とから構成されている。成膜速度モニタは、自己に堆積した蒸着材料の膜厚を測定することにより成膜速度（蒸気の量）を観察できるものである。例えば、成膜速度モニタは、水晶膜厚センタなどとされる。水晶膜厚センサは、水晶振動子の固有振動数がその質量変化によって変化することを利用したものであり、蒸発した蒸着材料を推奨振動子に堆積させて固有振動周波数を検出し、周波数変化をモニタすることにより、自己に堆積した蒸着材料の膜厚を測定する。
【００３９】
第１成膜速度モニタ３は、蒸着材容器２に充填された蒸着材料２の蒸気発生箇所Ｐからの距離がＬ１であり、蒸気発生箇所Ｐを含み蒸気発生面Ｓに対して垂直上方向に延びる線ｘからの倒れ角がθ１である位置に設けられている。本実施形態において、θ１は、基板７への蒸気の付着を妨げない範囲で、より小さくなるように設定すると良い。第１成膜モニタ３は、蒸気発生箇所Ｐを向く面に微小面Ｓ１を含み、微小面Ｓ１に堆積した蒸着材料の膜厚を測定することができる。
【００４０】
第２成膜速度モニタ４は、蒸着材容器２に充填された蒸着材料６の蒸気発生箇所Ｐからの距離がＬ２であり、蒸気発生箇所Ｐを含み蒸気発生面Ｓに対して垂直上方向に延びる線ｘからの倒れ角がθ２である位置に設けられている。本実施形態において、Ｌ２はＬ１と同じであって良いが、Ｌ１と異なっていても良い。Ｌ２は、Ｌ１よりも短くして、成膜速度モニタが同程度となるようにすることが好ましい。本実施形態において、θ２は、６０°以下、より好ましくは４５°以下とされる。θ２が大きすぎると成膜速度モニタに均一に膜が付着しにくくなり、測定が不安定になる。第２成膜モニタ４は、蒸気発生箇所Ｐを向く面に微小面Ｓ２を含み、微小面Ｓ２に堆積した蒸着材料の膜厚を測定することができる。
【００４１】
成膜速度制御部は、第１成膜速度モニタ３に接続されており、第１成膜速度モニタ３で観察される成膜速度Ｖ１をフィードバック制御することができる。詳細には、成膜速度制御部は、成膜速度Ｖ１を設定値Ｖｓと比較し、設定値Ｖｓに対する成膜速度Ｖ１の変動が設定値の範囲内となるよう電子ビームの出力を制御して、成膜速度Ｖ１を一定に維持する。
【００４２】
材料供給部５は、蒸着材容器２に新たな蒸着材料８を供給することができる。新たに供給する蒸着材料８は、ワイヤ、ペレット、またはその他の供給形態であって良い。蒸着材料８を連続的に供給する場合には、ワイヤ供給または液体供給などが好ましい。蒸着材料８を間欠的に供給する場合には、上記の供給手段に加えてペレット供給またはショット（粒）供給なども適用可能である。蒸着材料８は、蒸着材容器内において蒸着材料６が減少している部分に供給される。その際、蒸発手段で直接蒸発することのない位置で、且つ、溶融可能な位置であることが好ましい。例えば、電子ビーム蒸発の場合には、電子ビームが照射されて形成された溶融池９の外周より少し内側に供給すると良い。
【００４３】
蒸気量分布演算部は、複数の成膜速度モニタに接続されており、該複数の成膜速度モニタで観察した成膜速度を用いて蒸気量分布αを演算する。
ここで、第１成膜速度モニタ３及び第２成膜速度モニタ４で観察した成膜速度を用いた演算方法を説明する。微小な面状と見なせる蒸発源からの蒸気量の分布は、蒸気発生面Ｓに対して垂直上方向に延びる線ｘからの倒れ角をθとすると、（ｃｏｓθ）αと近似的に表すことができる。微小面Ｓ１，Ｓ２に到達する単位時間、単位面積あたりの蒸気の量（それぞれＶ１、Ｖ２とする）は、それぞれＡ／Ｌ１２＊（ｃｏｓθ１）α、Ａ／Ｌ２２＊（ｃｏｓθ２）αであるとも表現できる。ここでＡは微小面の蒸気発生面からの距離や、そもそもの蒸気発生量により変化する係数であり、αは蒸着材容器内に充填された蒸着材料の形状や蒸発速度等で変化する、蒸気量分布の形状を表すパラメータである。
【００４４】
蒸気量分布の形状、つまりαが一定であれば、蒸発に伴い、Ｖ１とＶ２の比は一定である。しかしながら、蒸気量分布の形状が変化すると、Ｖ１とＶ２の比が変化する。これにより、Ｖ１とＶ２の比を計算することで、蒸気量分布の形状が、ある決められた基準形状から変化しているか、否かを検出することができる。
【００４５】
上記の例において、既知のθ１、θ２、Ｌ１、Ｌ２、Ｖ１およびＶ２よりαを求める計算式は以下の通りである。
Ｖ１／Ｖ２＝｛Ａ／Ｌ１２＊（ｃｏｓθ１）α｝／｛Ａ／Ｌ２２＊（ｃｏｓθ２）α｝
Ｖ１／Ｖ２＝Ｌ２２／Ｌ１２＊（ｃｏｓθ１÷ｃｏｓθ２）α
ｌｏｇｅ｛（Ｖ１／Ｖ２）／（Ｌ２２／Ｌ１２）｝＝α＊ｌｏｇｅ（ｃｏｓθ１÷ｃｏｓθ２）
α＝ｌｏｇｅ｛（Ｖ１＊Ｌ１２）／（Ｖ２＊Ｌ２２）｝／ｌｏｇｅ（ｃｏｓθ１÷ｃｏｓθ２）
【００４６】
材料供給制御部は、演算した蒸気量分布を予め定められた蒸気量分布の設定値と比較し、演算した蒸気量分布が蒸気量分布の設定値の範囲内となるよう蒸着材料８の供給量及び供給タイミングを制御する。
【００４７】
ここで、予め蒸着材容器内に充填された蒸着材料の量の変化と、蒸気量分布の変化とを相関させたテーブルを用意しておくと良い。材料供給制御部は、上記テーブルに基づき、蒸気量分布の変化量に応じて、蒸着材容器内に充填された蒸着材料の量が一定となるよう蒸着材容器内に蒸着材料８を供給することができる。これにより蒸気量分布の変化量がある一定の範囲内となるよう制御することができる。
【００４８】
次に本実施形態の作用を説明する。
本実施形態では、第１成膜速度モニタ３の倒れ角θ１を３０°、第２成膜速度モニタ４の倒れ角θ２を４５°とする。本実施形態では、成膜速度制御部により第１成膜速度モニタ３で観察される成膜速度Ｖ１が設定値Ｖｓと等しくなるよう電子銃のフィラメント電流値を制御する。これにより成膜速度Ｖ１を一定に維持することができる。
なお、成膜速度の制御は第２成膜速度モニタ４で行っても良いが、その場合、同じ成膜速度であっても、成膜速度の設定値Ｖｓは、第１成膜速度モニタ３で制御する場合とは異なる。
【００４９】
また、成膜速度制御部で成膜速度Ｖ１を一定に保つと同時に、膜厚分布の形状を間接的に表す蒸気量分布αの値を蒸気量分布演算部により求める。蒸気量分布演算部で求めた蒸気量分布αは材料供給制御部によりフィードバック制御（例えば、ＰＩＤ制御）される。すなわち、演算した蒸気量分布αを蒸気量分布の設定値αｓと比較し、演算した蒸気量分布αが蒸気量分布の設定値αｓと等しくなるよう蒸着材料８の供給量及び供給タイミングを調整することで、蒸気量分布αを一定にする。
【００５０】
図３に、蒸着材料８を連続的に供給した場合のＶ１、及びＶ２の推移を示す。図４に、蒸着材料８を連続的に供給した場合のαの推移を示す。蒸着材料８を連続的に供給する場合、例えば、蒸着材料８の送り量を蒸気量分布αの値でフィードバック制御して、常に一定量の蒸着材料が蒸着材容器内に存在するよう調整する。そのようにすることで、図３及び図４に示すように、Ｖ１は一定値を維持し、Ｖ２及びαは設定値を維持するよう推移する。
蒸発量分布の設定値αｓは、例えば、最も好ましい蒸気量分布値を中心として許容可能な変動幅の−５％〜＋５％の範囲で設定する。
【００５１】
図５に、蒸着材料８を間欠的に供給した場合のＶ１及びＶ２の推移を示す。図６に、蒸着材料８を間欠的に供給した場合のαの推移を示す。蒸着材料８を間欠的に供給する場合、例えば、蒸発量分布の設定値αｓを一定の範囲で設け、蒸発量分布αが設定値αｓを下回ったら蒸着材料８の供給を開始し、蒸発量分布αが設定値αｓを上回ったら蒸着材料８の供給を停止する。そのようにすることで、図５及び図６に示すように、Ｖ１は一定値を維持し、Ｖ２及びαは設定値の範囲内に納まるように推移する。
【００５２】
また、材料供給制御部による蒸着材料８の供給量及び供給タイミングの制御は、予め求めておいた蒸気量分布αと蒸着材料の充填量とを対応づけるテーブルを用いて行われても良い。蒸気量分布演算部で求めた蒸気量分布αは、上記テーブルを参照し、現在の蒸着材料の充填量が過剰であるか、もしくは不足であるかを検知する。その結果により、材料供給部の動作を制御して、常に一定量の蒸着材料が蒸着材容器内に存在するようにコントロールする。図７に、蒸気量分布αと蒸着材料の充填量とを対応づけるテーブルをグラフ化したものを例示する。同図において、横軸が蒸気量分布α、縦軸が充填量である。通常、蒸気量分布αは、１よりも大きい。深さのある蒸着材容器では蒸着材料の減少に伴い、蒸気分布量αの値は上昇する（指向性が上がる）。図７では、蒸気量分布αが１．３以上であれば蒸着材料の充填量は十分（Ｆｕｌｌ）であると検知し、蒸気量分布αが１．６を超えると蒸着材料の充填量が不足（Ｅｍｐｔｙ）であると検知する。なお、蒸気量分布αの値は、上記例示に限定されず、蒸着材容器及び蒸発手段の構造により適宜設定され得る。
【００５３】
通常、蒸気量分布αは、成膜が進むに伴い、蒸着材容器内に充填された蒸着材料の量及び形状の変化とともに変わる。本実施形態では、θ２＞θ１（すなわち、ｃｏｓθ２＜ｃｏｓθ１）であるため、Ｖαｃｏｓαθのαに対する変化量は、θ２＞θ１となる。よって、図８のように蒸気量分布αが上昇すると、Ｖ１が一定であってもＶ２は低下する。図９にθ１とθ２との差が大きい場合のＶ１及びＶ２の推移を示す。図１０にθ１とθ２との差が小さい場合のＶ１及びＶ２の推移を示す。θ１とθ２との差が大きいほど蒸気量分布αの変化に伴うＶ２の変化は大きくなる。
【００５４】
本実施形態によれば、蒸気量分布の変動を一定の範囲内に制御することができるため、安定した蒸気量分布（膜厚分布）および成膜速度で長時間の成膜が可能となる。
【００５５】
また、従来、膜厚分布はフロートなどを用いる、または、液面におけるレーザーの反射など光学的な見え方などで間接的に検出されていたが、本実施形態では、実際の蒸気量の分布を検出するため、蒸着材料の種類（溶融材料、昇華材料）によらず、蒸着材容器内の蒸着材料の量を精度よく検知することができる。
【００５６】
また、本実施形態に係る真空蒸着装置において、材料供給部は供給する蒸着材料の形態を（ワイヤ、ペレット等）を問わない。また連続供給、間欠供給のいずれにも適用可能である。
【００５７】
（第１実施形態の変形例）
図１１に、第１実施形態の変形例に係る真空蒸着装置１０の概略構成図を示す。真空蒸着装置１０は、基板１７が一定の間隔で蒸気発生面上を通過するインライン成膜装置であり、且つ、第２成膜速度モニタ１４が、基板１７が通過するラインよりも真空容器の上方に設けられていることを特徴とする。特に説明がない構成については、第１実施形態と同様とされる。また、図１１では、本願の特徴部分を説明するために、他の構成は省略して記載する。
【００５８】
本変形例では、蒸気発生面Ｓと第２成膜速度モニタ１４との間を一定間隔で基板１７が通過する。それにより、図１２に示すように、第２成膜速度モニタ１４における成膜速度Ｖ２のモニタが間欠的となる。本変形例では、θ１＞θ２であるため、蒸気量分布αの指向性が上昇するとともにＶ２も上昇する。よって、成膜が進み、蒸着材料の充填量が減少した場合、成膜速度Ｖ２は図１３のように変化する。
【００５９】
第１成膜速度モニタ１３では、第１実施形態と同様に成膜速度Ｖ１を観察する。成膜速度制御部では、ＰＩＤ制御などにより蒸発手段が蒸着材料へと与えるエネルギー量を制御し、成膜速度Ｖ１を一定値に保つ。
【００６０】
本変形例によれば、蒸気発生面Ｓと第２成膜速度モニタ１４との間を一定間隔で基板１７が通過するため、大部分の時間、第２成膜速度モニタ１４が基板により覆われることとなる。例えば、基板トレイの長さを４５０ｍｍ、トレイ間隔を５０ｍｍとすると、第２成膜速度モニタ１４に蒸着材料が堆積する時間は、常に第２成膜速度モニタ１４が蒸着材料の上記に曝されている場合の約１／１０となる。それにより、水晶振動子の消耗が少なくなる。また、高価な多点式モニタではなく、単点式モニタを使用することも可能となる。
【００６１】
また、通常、第１成膜速度モニタ１３の倒れ角θ１は、３０°よりもさらに倒れた（大きな角度）位置に配置される。そのため、第２成膜速度モニタ１４を第１成膜速度モニタ１３よりも更に倒れた位置に配置すると、θ１とθ２との角度差をつけにくくなる。本変形例によれば、第２成膜速度モニタ１４を真空容器１１の上方に配置することで、θ１とθ２との角度差をつけやすくなる。それにより、蒸気量分布の変化の検出精度を向上させることができる。
【００６２】
〔第２実施形態〕
図１４に、本実施形態に係る真空蒸着装置の制御ダイアグラム構成を示す。本実施形態に係る真空蒸着装置は、蒸着材容器、蒸発手段、成膜速度モニタ、成膜速度制御部、材料供給部、及び材料供給制御部を備えている。以下、第１実施形態と異なる構成について説明する。
【００６３】
蒸発手段は、蒸着材料にエネルギーを与え、蒸着材料を蒸発させることのできるものとされる。蒸着手段は、電子ビーム蒸発、抵抗加熱蒸発、誘導加熱蒸発などとされるが、本実施形態では電子ビーム蒸発を用いることとする。
【００６４】
成膜速度モニタは、蒸気発生面の垂直上方向に対して倒れ角をなす位置に設けられている。本実施形態において、成膜速度モニタは第１成膜モニタのみから構成されている。成膜速度モニタは、自己に堆積した蒸着材料の膜厚を測定することにより成膜速度（蒸気の量）を観察できるものである。
【００６５】
第１成膜速度モニタは、蒸着材容器に充填された蒸着材料の蒸気発生箇所Ｐからの距離がＬ１であり、蒸気発生箇所Ｐを含み蒸気発生面Ｓに対して垂直上方向に延びる線ｘからの倒れ角がθ１である位置に設けられている。本実施形態において、θ１は、基板への蒸気の付着を妨げない範囲で、より小さくなるように設定すると良い。第１成膜モニタは、蒸気発生箇所を向く面に微小面Ｓ１を含み、微小面Ｓ１に堆積した蒸着材料の膜厚を測定することができる。
【００６６】
成膜速度制御部は、所定の出力値を維持するよう電子ビームを制御する。
【００６７】
材料供給制御部は、成膜速度Ｖ１をフィードバック制御することができる。詳細には、第１成膜速度モニタで観察した成膜速度Ｖ１を予め定められた成膜速度の設定値Ｖｓと比較し、成膜速度の設定値Ｖｓに対する成膜速度Ｖ１の変動が所定の範囲内となるよう材料供給部による蒸着材料の供給量及び供給タイミングを制御する。
【００６８】
ここで、予め蒸着材容器内に充填された蒸着材料の量の変化と、成膜速度Ｖ１の変化量とを相関させたテーブルを用意しておくと良い。材料供給制御部は、上記テーブルに基づき、成膜速度Ｖ１の変化量に応じて、蒸着材容器内に充填された蒸着材料の量が一定となるよう蒸着材容器内に蒸着材料を供給することができる。これにより成膜速度Ｖ１の変動がある一定の範囲内となるよう制御することができる。
【００６９】
本実施形態では、成膜速度制御部により、電子ビームの出力は一定に維持される。出力が一定であれば、蒸着材容器からの蒸着材の蒸発量はほぼ一定となる。一方、蒸着材容器に充填された蒸着材量が減少すると、成膜速度が変動する。蒸発量がほぼ一定である蒸発源においては、成膜速度の変動はほぼ蒸着材料の充填高さの減少によるものとみなせる。よって、成膜速度モニタによって観察した成膜速度Ｖ１の変動を材料供給制御部にフィードバックして材料供給量を制御することにより、成膜速度Ｖ１及び蒸着材料の充填量の両方を一定に保つことができる。
本実施形態によれば、成膜速度モニタが一つであっても蒸発源内の材料充填量を一定に保つことができ、安定した膜厚分布を得ることができる。
【００７０】
〔第３実施形態〕
図１５に、本実施形態に係る真空蒸着装置の制御ダイアグラム構成を示す。本実施形態に係る真空蒸着装置は、蒸着材容器、蒸発手段、成膜速度モニタ、成膜速度制御部、材料供給部、及び材料供給制御部を備えている。以下、第１実施形態と異なる構成について説明する。
【００７１】
蒸発手段は、蒸着材料にエネルギーを与え、蒸着材料を蒸発させることのできるものとされる。蒸着手段は、電子ビーム蒸発、抵抗加熱蒸発、誘導加熱蒸発などとされるが、本実施形態では電子ビーム蒸発を用いることとする。
【００７２】
成膜速度モニタは、蒸気発生面の垂直上方向に対して倒れ角をなす位置に設けられている。本実施形態において、成膜速度モニタは第１成膜モニタのみから構成されている。成膜速度モニタは、自己に堆積した蒸着材料の膜厚を測定することにより成膜速度（蒸気の量）を観察できるものである。
【００７３】
第１成膜速度モニタは、蒸着材容器に充填された蒸着材料の蒸気発生箇所Ｐからの距離がＬ１であり、蒸気発生箇所Ｐを含み蒸気発生面Ｓに対して垂直上方向に延びる線ｘからの倒れ角がθ１である位置に設けられている。本実施形態において、θ１は、基板への蒸気の付着を妨げない範囲で、より小さくなるように設定すると良い。第１成膜モニタは、蒸気発生箇所を向く面に微小面Ｓ１を含み、微小面Ｓ１に堆積した蒸着材料の膜厚を測定することができる。
【００７４】
成膜速度制御部は、第１成膜速度モニタに接続されており、第１成膜速度モニタで観察される成膜速度Ｖ１をフィードバック制御することができる。詳細には、成膜速度制御部は、成膜速度Ｖ１を設定値Ｖｓと比較し、設定値Ｖｓに対する成膜速度Ｖ１の変動が設定値の範囲内となるよう電子ビームの出力（エネルギー量）を制御して、成膜速度Ｖ１を一定に維持する。制御された電子ビームの出力値は、材料供給制御部へと出力される。
【００７５】
材料供給制御部は、成膜速度制御部から出力された電子ビームの出力値を受信し、実際の電子ビームの出力の変動を予め定められた電子ビームの出力の設定値と比較する。そして、電子ビームの出力の設定値に対する実際の電子ビームの出力の変動が所定の範囲内となるよう材料供給部による蒸着材料の供給量及び供給タイミングを制御する。
【００７６】
ここで、予め蒸着材容器内に充填された蒸着材料の量の変化と、電子ビームの出力（エネルギー）の変化量とを相関させたテーブルを用意しておくと良い。材料供給制御部は、上記テーブルに基づき、電子ビームの出力の変化量に応じて、蒸着材容器内に充填された蒸着材料の量が一定となるよう蒸着材容器内に蒸着材料を供給することができる。これにより電子ビームの出力（エネルギー量）の変動がある一定の範囲内となるよう制御することができる。
【００７７】
本実施形態では、成膜速度制御部により、成膜速度Ｖ１が一定となるよう、蒸発手段が蒸着材料に与えるエネルギー量を制御する。蒸着材容器に充填された蒸着材量が減少した場合に成膜速度Ｖ１を一定に保とうとすると、蒸着材料に与えるエネルギー量を増加させる必要がある。本実施形態では、このエネルギー量の変動を材料供給制御部にフィードバックして材料供給量を制御することにより、蒸着材料の充填量の両方を一定に保つことができる。
【００７８】
本実施形態によれば、成膜速度モニタが一つであっても蒸発源内の材料充填量を一定に保つことができ、安定した膜厚分布を得ることができる。また、実際に蒸着材料に与えられたエネルギー量のフィードバック制御を用いるため、第２実施形態と比較して安定した成膜速度及び膜厚分布を得ることができる。
【符号の説明】
【００７９】
１，１０ 真空蒸着装置
２，１２ 蒸着材容器
３，１３ 第１成膜速度モニタ
４，１４ 第２成膜速度モニタ
５ 材料供給部
６，１６，２７ （蒸着材容器内に充填された）蒸着材料
７，１７ 基板
８ （材料供給部により供給される）蒸着材料
９ 溶融池
１１ 真空容器
２０ 電子ビーム蒸発源
２１ 電子銃
２２ 電子ビーム
２３ 水冷坩堝
２４ フィラメント
２５ 材料充填部
２６，２８ 坩堝
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸着材料を収容する蒸着材容器と、
エネルギーを前記蒸着材料に与え、前記蒸着材料を蒸発させる蒸発手段と、
蒸気発生面の垂直上方向に対する倒れ角が異なる位置で成膜速度を観察する複数の成膜速度モニタと、
１の前記成膜速度モニタで観察した成膜速度を予め定められた成膜速度の設定値と比較し、前記成膜速度の設定値に対する前記観察した成膜速度の変動が所定の範囲内となるよう前記蒸発手段の前記蒸着材料に与えるエネルギー量を制御する成膜速度制御部と、
前記蒸着材容器に、新たな蒸着材料を供給する材料供給部と、
前記蒸発手段により蒸発させた蒸着材料の蒸気量分布を、前記複数の成膜速度モニタで観察した成膜速度を用いて演算する蒸気量分布演算部と、
演算した前記蒸気量分布を予め定められた蒸気量分布の設定値と比較し、前記蒸気量分布の設定値に対する前記演算した蒸気量分布の変動が所定の範囲内となるよう蒸着材料の供給量及び供給タイミングを制御する材料供給制御部と、
を備えた真空蒸着装置。
【請求項２】
被蒸着部材が一定の間隔で前記蒸気発生面上を通過するラインを備え、
前記複数の成膜速度モニタが、前記成膜速度制御部及び前記蒸気量分布演算部で利用される第１成膜速度モニタと、前記蒸気量分布演算部で利用される第２成膜速度モニタと、から構成され、
前記第１成膜速度モニタが、前記ラインよりも蒸気発生面側に配置され、
前記第２成膜速度モニタが、該第２成膜速度モニタと前記蒸気発生面との間を前記被蒸着部材が通過する位置に配置される請求項１に記載の真空蒸着装置。
【請求項３】
予め前記蒸着材容器内に収容された蒸着材料の量の変化と、蒸気量分布の変化とを相関させておき、該相関関係に基づいて前記演算した蒸気量分布の変動が所定の範囲内となる量の蒸着材料を供給する請求項１または請求項２に記載の真空蒸着装置。
【請求項４】
蒸着材料を収容する蒸着材容器と、
一定エネルギーを前記蒸着材料に与え、前記蒸着材料を蒸発させる蒸発手段と、
前記蒸着材容器に、新たな蒸着材料を供給する材料供給部と、
蒸気発生面の垂直上方向に対して倒れ角をなす位置で成膜速度を観察する成膜速度モニタと、
前記成膜速度モニタで観察した前記成膜速度を予め定められた成膜速度の設定値と比較し、前記成膜速度の設定値に対する前記観察した成膜速度の変動が所定の範囲内となるよう前記材料供給部による蒸着材料の供給量及び供給タイミングを制御する材料供給制御部と、
を備えた真空蒸着装置。
【請求項５】
予め前記蒸着材容器内に収容された蒸着材料の量の変化と、成膜速度の変化とを相関させておき、該相関関係に基づいて前記観察した成膜速度の変動が所定の範囲内となる量の蒸着材料を供給する請求項４に記載の真空蒸着装置。
【請求項６】
蒸着材料を収容する蒸着材容器と、
エネルギーを前記蒸着材料に与え、前記蒸着材料を蒸発させる蒸発手段と、
蒸気発生面の垂直上方向に対して倒れ角をなす位置で成膜速度を観察する成膜速度モニタと、
前記成膜速度モニタで観察した成膜速度を予め定められた成膜速度の設定値と比較し、前記成膜速度の設定値に対する前記観察した成膜速度の変動が所定の範囲内となるよう前記蒸発手段の前記蒸着材料に与えるエネルギー量を制御する成膜速度制御部と、
前記蒸着材容器に、新たな蒸着材料を供給する材料供給部と、
前記エネルギー量の変動を予め定められたエネルギー量の設定値と比較し、前記エネルギー量の設定値に対する前記エネルギー量の変動が所定の範囲内となるよう前記材料供給部による蒸着材料の供給量及び供給タイミングを制御する材料供給制御部と、
を備えた真空蒸着装置。
【請求項７】
予め前記蒸着材容器内に収容された蒸着材料の量の変化と、前記エネルギー量の変動とを相関させておき、該相関関係に基づいて前記エネルギー量の変動が所定の範囲内となる量の蒸着材料を供給する請求項６に記載の真空蒸着装置。
【請求項１】
蒸着材料を収容する蒸着材容器と、
エネルギーを前記蒸着材料に与え、前記蒸着材料を蒸発させる蒸発手段と、
蒸気発生面の垂直上方向に対する倒れ角が異なる位置で成膜速度を観察する複数の成膜速度モニタと、
１の前記成膜速度モニタで観察した成膜速度を予め定められた成膜速度の設定値と比較し、前記成膜速度の設定値に対する前記観察した成膜速度の変動が所定の範囲内となるよう前記蒸発手段の前記蒸着材料に与えるエネルギー量を制御する成膜速度制御部と、
前記蒸着材容器に、新たな蒸着材料を供給する材料供給部と、
前記蒸発手段により蒸発させた蒸着材料の蒸気量分布を、前記複数の成膜速度モニタで観察した成膜速度を用いて演算する蒸気量分布演算部と、
演算した前記蒸気量分布を予め定められた蒸気量分布の設定値と比較し、前記蒸気量分布の設定値に対する前記演算した蒸気量分布の変動が所定の範囲内となるよう蒸着材料の供給量及び供給タイミングを制御する材料供給制御部と、
を備えた真空蒸着装置。
【請求項２】
被蒸着部材が一定の間隔で前記蒸気発生面上を通過するラインを備え、
前記複数の成膜速度モニタが、前記成膜速度制御部及び前記蒸気量分布演算部で利用される第１成膜速度モニタと、前記蒸気量分布演算部で利用される第２成膜速度モニタと、から構成され、
前記第１成膜速度モニタが、前記ラインよりも蒸気発生面側に配置され、
前記第２成膜速度モニタが、該第２成膜速度モニタと前記蒸気発生面との間を前記被蒸着部材が通過する位置に配置される請求項１に記載の真空蒸着装置。
【請求項３】
予め前記蒸着材容器内に収容された蒸着材料の量の変化と、蒸気量分布の変化とを相関させておき、該相関関係に基づいて前記演算した蒸気量分布の変動が所定の範囲内となる量の蒸着材料を供給する請求項１または請求項２に記載の真空蒸着装置。
【請求項４】
蒸着材料を収容する蒸着材容器と、
一定エネルギーを前記蒸着材料に与え、前記蒸着材料を蒸発させる蒸発手段と、
前記蒸着材容器に、新たな蒸着材料を供給する材料供給部と、
蒸気発生面の垂直上方向に対して倒れ角をなす位置で成膜速度を観察する成膜速度モニタと、
前記成膜速度モニタで観察した前記成膜速度を予め定められた成膜速度の設定値と比較し、前記成膜速度の設定値に対する前記観察した成膜速度の変動が所定の範囲内となるよう前記材料供給部による蒸着材料の供給量及び供給タイミングを制御する材料供給制御部と、
を備えた真空蒸着装置。
【請求項５】
予め前記蒸着材容器内に収容された蒸着材料の量の変化と、成膜速度の変化とを相関させておき、該相関関係に基づいて前記観察した成膜速度の変動が所定の範囲内となる量の蒸着材料を供給する請求項４に記載の真空蒸着装置。
【請求項６】
蒸着材料を収容する蒸着材容器と、
エネルギーを前記蒸着材料に与え、前記蒸着材料を蒸発させる蒸発手段と、
蒸気発生面の垂直上方向に対して倒れ角をなす位置で成膜速度を観察する成膜速度モニタと、
前記成膜速度モニタで観察した成膜速度を予め定められた成膜速度の設定値と比較し、前記成膜速度の設定値に対する前記観察した成膜速度の変動が所定の範囲内となるよう前記蒸発手段の前記蒸着材料に与えるエネルギー量を制御する成膜速度制御部と、
前記蒸着材容器に、新たな蒸着材料を供給する材料供給部と、
前記エネルギー量の変動を予め定められたエネルギー量の設定値と比較し、前記エネルギー量の設定値に対する前記エネルギー量の変動が所定の範囲内となるよう前記材料供給部による蒸着材料の供給量及び供給タイミングを制御する材料供給制御部と、
を備えた真空蒸着装置。
【請求項７】
予め前記蒸着材容器内に収容された蒸着材料の量の変化と、前記エネルギー量の変動とを相関させておき、該相関関係に基づいて前記エネルギー量の変動が所定の範囲内となる量の蒸着材料を供給する請求項６に記載の真空蒸着装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１３−１０４１２７（Ｐ２０１３−１０４１２７Ａ）
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５０９６６（Ｐ２０１１−２５０９６６）
【出願日】平成２３年１１月１６日（２０１１．１１．１６）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１６日（２０１１．１１．１６）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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