JP6093251B2 - 蒸着源 - Google Patents

Description

本発明は、真空蒸着装置に使用される、基板に被着させる蒸気を発生させるための蒸着源に関する。

従来より基板に成膜するための真空蒸着装置が使用されており、この真空蒸着装置には、成膜材料を加熱して蒸発させるための蒸着源が備えられている。図５は坩堝の加熱用ヒーターを坩堝の外側に配置するタイプにおける従来の蒸着源を示す断面図である。図５において、７は成膜材料６を入れた坩堝、８は坩堝７の外側に設置されたヒーター、９は外部の熱を遮断するための水冷パイプを備えた水冷機構（水冷ジャケット）である（特許文献１参照）。

図５に示すように、ヒーター８を坩堝７の外側に配置するタイプにおける従来の蒸着源においては、ヒーター８により加熱した坩堝７を冷却するときは、水冷機構９がヒーター８を介して坩堝７を冷却するようにしていた。また、このような従来の蒸着源においては、坩堝７の外側に配置した一つのヒーター８で坩堝７を加熱するようにしていた。

特開平６−１０１１８号公報

ところで、蒸着源のメンテナンス、例えば坩堝内の蒸着材料の交換等のメンテナンスは蒸着源の温度を下げて大気に開放してから行っていることから、メンテナンスによる装置の稼働率の低下を防ぐためには、蒸着源の温度が下がるまでの待機時間を短縮化させることが必要である。しかしながら、特に真空空間では熱の逃げが小さく上昇した温度はなかなか冷め難い。そして、前述のようなヒーターを坩堝の外側に配置するタイプにおける従来の蒸着源においては、水冷機構は、自らと坩堝との間に介設されているヒーターを介して坩堝を冷却するしかないため、冷却効率が低く、短時間内に坩堝を冷却することができないという問題があった。

また、装置の稼働率を上げるためには、坩堝内の蒸着材料が飽和状態となる温度付近まで均等に昇温させるための待機時間を短縮化させることが必要である。しかしながら、前述のように坩堝の外側に配置した一つの（一系統の）ヒーターで蒸着材料を加熱する従来の蒸着源による場合は、特に最近増えている大型で縦長タイプの坩堝を一つのヒーターで加熱するときに上下間での熱ムラが生じ易くなる結果、蒸着材料の全体が均等に昇温するまでに長い待機時間が必要となり、このような長い待機時間のために装置稼働率の低下をもたらしていた。さらに、前記の蒸着材料の全体が昇温するまでの長い待機時間の間に、蒸着材料の温度ムラが生じて、蒸着材料の一部が蒸発して蒸着材料の利用効率の低下をもたらしてしまう、蒸着材料の温度ムラの高温部において材質劣化（蒸発速度低下などから推測される材質劣化）が生じてしまう、などの問題があった。

本発明はこのような従来技術の問題点に着目してなされたものであって、ヒーターを坩堝の外側に配置するタイプの蒸着源において蒸着源のメンテナンス時にそれまでに加熱されていた坩堝を十分に降温させるまでの待機時間を短縮化させることにより、メンテナンス時における長い冷却待機時間による装置の稼働率の低下を防ぐことができる蒸着源を提供することを目的とする。また、本発明の他の発明は、特に最近増えている大型で縦長タイプの坩堝内に収容された蒸着材料についても全体をムラなく均等に加熱できるようにして、装置稼働率を上昇させることができ、従来のように加熱のための長い待機時間中に生じる蒸着材料の温度ムラによる一部の蒸発とこれによる蒸着材料の利用効率の低下や蒸着材料の温度ムラの高温部における材質劣化などの不都合が生じることを防止することができる蒸着源を提供することを目的とする。

前述のような課題を解決するための本発明による蒸着源は、蒸着材料が入れられた坩堝と、前記坩堝を冷却するために前記坩堝の外側に配置された第１冷却機構と、前記第１冷却機構の外側（前記坩堝と反対側）に配置され、前記第１冷却機構を介して前記坩堝に熱を伝導して加熱する加熱部と、を備えたことを特徴とするものである。

また、本発明による蒸着源においては、前記加熱部の外側（前記坩堝と反対側）に配置され、前記加熱部により前記坩堝が加熱されているときに、前記加熱部からの熱をそれが前記加熱部の外側の周囲に及ばないように遮断するための第２冷却機構をさらに備えていてもよい。

また、本発明による蒸着源においては、前記第１冷却機構は前記加熱部による加熱が終了して前記坩堝を冷却するときに作動されるものであり、前記第２冷却機構は前記加熱部により前記坩堝が加熱されるときから前記加熱が終了して前記坩堝が冷却されるときに渡って連続的に作動されるものであってもよい。

また、本発明による蒸着源においては、前記加熱部は、それぞれ互いに独立に動作可能な少なくとも７個以上の各ヒーターにより構成され、前記各ヒーターは前記坩堝の上下方向に沿って区分される少なくとも７個以上の各領域にそれぞれ対向するように配置されており、前記坩堝の前記各領域又は前記各領域内の蒸着材料の温度をそれぞれ検出する熱電対などの温度センサと、前記各領域にそれぞれ対応する各温度センサからの出力に基づいて前記各領域に対応する各ヒーターの温度をそれぞれ制御する制御部と、をさらに備えていてもよい。

さらに、本発明による蒸着源においては、前記第１冷却機構は、前記坩堝に接する内筒部と、前記内筒部と所定距離を介して対向しその外壁面が前記加熱部に接する外筒部と、前記内筒部又は外筒部との間に配置された冷媒流路とを含み、前記外筒部と内筒部との間に、前記加熱部からの熱を前記外筒部側から前記内筒部側に伝導する複数の熱伝導部材が介設されていてもよい。

本発明による蒸着源においては、坩堝とこの坩堝の外側に配置されたヒーターとの間に、坩堝を冷却するための第１冷却機構が介設されており、第１冷却機構により坩堝を従来のようにヒーターを介してではなく直接に冷却することができるので、坩堝のメンテナンス時においてそれまでに加熱されていた坩堝を冷却するための待機時間を従来と比較して大幅に短縮化することができる。

また、本発明による蒸着源において、第２冷却機構を、加熱部の外側（前記坩堝と反対側）に配置するようにしたときは、加熱部からの熱が加熱部の外側の近傍に居る作業者に火傷を生じさせたり、同外側の近傍に在る他の坩堝その他の装置に悪影響を与えたりすることを、有効に防止することができる。

また、本発明による蒸着源において、第１冷却機構は加熱部により坩堝が加熱された後にその坩堝を冷却するときに作動され、且つ第２冷却機構は加熱部により坩堝を加熱するときから加熱後に坩堝を冷却するときに渡って連続的に作動されるようにしたときは、前記第１及び第２冷却機構をそれぞれ効率的に作動させることができる。

また、本発明による蒸着源において、加熱部を、それぞれ互いに独立に動作可能な少なくとも７個以上の各ヒーターにより構成し、各ヒーターを前記坩堝の上下方向に沿って区分される少なくとも７個以上の領域にそれぞれ対向するように配置し、前記各温度センサにより坩堝の各領域又は前記各領域内の蒸着材料の温度をそれぞれ検出して出力し、制御部により温度センサからの出力などに基づいて前記各領域に対応する各ヒーターの温度を制御するようにしたときは、特に最近の大型で縦長タイプの坩堝内に収容された蒸着材料についても全体をムラなく均等に加熱できるようになり、その結果、装置稼働率を上昇させることができ、さらに、従来のような加熱のための長い待機時間中における蒸着材料の温度ムラによる一部の蒸発とそれによる蒸着材料の利用効率の低下や蒸着材料の温度ムラの高温部における材質劣化（蒸発速度低下などから推測される材質劣化）などの不都合を、回避できるようになる。

さらに、本発明による蒸着源において、第１冷却機構の外筒部と内筒部との間に加熱部からの熱を前記外筒部側から内筒部側に伝導する複数の熱伝導部材を介設するようにしたときは、加熱部と坩堝との間に第１冷却機構が存在していても、加熱部からの熱を第１冷却機構（外筒部、熱伝導部材、及び内筒部）を介して効率的に坩堝に伝導して坩堝を加熱させることができる。

（ａ）は本発明の実施形態１による蒸着源に使用される水冷ジャケットを示す横断面図、（ｂ）はその縦断面図である。 本実施形態１による蒸着源を示す縦断面図である。 本実施形態１による効果確認実験の結果を示すグラフである。 本発明の実施形態２による蒸着源を示す縦断面図である。 従来の蒸着源を示す縦断面図である。

〔第１の実施形態〕
以下、本発明の実施形態１を図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る蒸着源に使用される水冷ジャケットを示す図で、（ａ）はその横断面図、（ｂ）はその縦断面図である。図１において、１１は例えばステンレス製の水冷ジャケット、１１ａは前記水冷ジャケット１１を構成する外筒部、１１ｂは前記水冷ジャケット１１を構成する内筒部であって前記外筒部１１ａの内側にこれと所定距離だけ離れるように配置された内筒部、１２は前記外筒部１１ａの内壁面に接するように配置されている水路、１３は前記外筒部１１ａと内筒部１１ｂとを後述の接続部により接続するために使用される接続穴である。

前記水路１２は、図１（ｂ）に示すように、前記外筒部１１ａの外周面に対向するように例えばジクザグ状に配置されている。また前記水路１２には、図示しない外部の循環装置などから供給される冷却水が、前記水冷ジャケット１１の下端部の冷却水導入口１２ａから導入される。そして、この導入された冷却水は、前記水路１２を通過した後、前記水冷ジャケット１１の下端部の冷却水排出口１２ｂから外部に排出される。また、前記接続穴１３は、ヒーター（後述）からの熱を前記外筒部１１ａから内筒部１１ｂに伝導するために前記外筒部１１ａと内筒部１１ｂとを接続する例えば金属などの高熱伝導性材料から成る接続部（後述）を、挿通するためのものである。

次に、図２は本実施形態１に係る、真空蒸着装置に使用される蒸着源を模式的に示す断面図である。図２において、１４は前記水冷ジャケット１１の外筒部１１ａの接続穴１３（図１参照）から挿入されて外筒部１１ａと内筒部１１ｂとを熱伝導可能に接続する接続部（例えば金属などの高熱伝導性材料から構成されている）、１５は蒸着材料１６が入れられた坩堝である。前記接続部１４により、前記水冷ジャケット１１の外筒部１１ａから内筒部１１ｂへ熱伝導が容易に行なわれるようになっている。

また本実施形態１では、図２に示すように、前記坩堝１５の外周側には、図１に示す水冷ジャケット１１が取り付けられている。そして、この水冷ジャケット１１の外筒部１１ａの外側には各ヒーター１７ａ〜１７ｇが配置されている。これらの各ヒーター１７ａ〜１７ｇは、前記坩堝１５又はその内部が図示上下方向に沿って例えば７個に分割される各領域Ａ〜Ｇにそれぞれ対応するように、上下に多段的に配置されている。また、図２において、１８ａ〜１８ｇは前記坩堝１５の各領域Ａ〜Ｇに対応する各温度を測定するために前記各領域Ａ〜Ｇにそれぞれ配置された熱電対である。また、２０は、前記各熱電対１８ａ〜１８ｇからの出力を受信して、前記各ヒーター１７ａ〜１７ｇをそれぞれ個別に制御する制御部である。

次に本実施形態１を使用した成膜時の動作を説明する。前記蒸着材料１６を加熱し蒸発させるために前記坩堝１５を加熱するとき、前記各ヒーター１７ａ〜１７ｇを作動させると、前記各ヒーター１７ａ〜１７ｇからの熱は、前記水冷ジャケット１１（この段階では作動されていない）の外筒部１１ａから前記接続部１４を介して内筒部１１ｂへ、さらに前記坩堝１５に効率的に伝導される。また、上記の加熱の間、前記制御部２０は、例えば所定時間毎に、前記各熱電対１８ａ〜１８ｇからの出力を受けて前記坩堝１５の前記各領域Ａ〜Ｇ毎の温度を取得する。そして、前記制御部２０は、前記取得した各領域Ａ〜Ｇ毎の温度に基づいて、前記坩堝１５内の蒸着材料１６が全体として均等に加熱されるように、前記各ヒーター１７ａ〜１７ｇの加熱状態を個別に制御する。これにより、本実施形態１では、従来と比較して短時間内に前記坩堝１５内の蒸着材料１６が加熱されて蒸発し、これにより発生した蒸発分子が同じ真空容器内の基板上に付着、堆積することにより薄膜が形成される。

次に、前記の加熱又は成膜工程が終了した後に前記坩堝１５内の蒸着材料１６を交換する等の蒸着源のメンテナンス時の動作を説明する。この場合は、前記坩堝１５を冷却してから大気に開放するため、まず、外部からの冷却水を、前記冷却水導入口１２ａから連続的に導入し、前記水冷ジャケット１１の前記水路１２中を流通させる。前記水路１２中を流通して熱交換に使われた水は前記冷却水排出口１２ｂから連続的に排出される。このとき、前述のように、前記水冷ジャケット１１は前記坩堝１５の外側に直接に（従来のようにヒーターを介することなく）接触するように配置されているので、前記水冷ジャケット１１からの冷熱が直接に前記坩堝１５に対して効率的に伝導され、前記坩堝１５が短時間内に冷却される。

図３（ａ）は前述のような本実施形態１に係る蒸着源を使用したときの坩堝のＺｏｎｅ１〜７（前記各領域Ａ〜Ｇ）毎の降温時制御温度を示すグラフであって、ヒーターの電源を切ってから１．５時間後に冷却水を水冷ジャケット１１の水路１２中に流通させたときの降温時制御温度を示すグラフである。図３（ａ）に示すように、ヒーターの電源を切った直後から緩やかに坩堝の温度が下がり始めているが、このようなグラフの傾きからは、本実施形態１を使用しないときは、坩堝の温度を約４００℃から１００℃以下に下げるためには約８時間を要することが推測される。これに対して、本実施形態１を使用して、ヒーターの電源を切ってから１．５時間後に冷却水を水冷ジャケット１１の水路１２中に流通させたときは、図３（ａ）に示すように、坩堝の温度は急激に下がり、非常に僅かな時間で坩堝の温度を約３００℃から１００℃以下まで下げることができた。

また図３（ｂ）は前述のような本実施形態１に係る蒸着源の各ヒーター１７ａ〜１７ｇを使用して坩堝を加熱したときの坩堝のＺｏｎｅ１〜７（前記各領域Ａ〜Ｇ）毎の昇温時制御温度を示すグラフである。図３（ｂ）に示すように、本実施形態１による各領域毎の各ヒーター１７ａ〜１７ｇを各領域毎の各熱電対１８ａ〜１８ｇからの測定温度に基づいて個別に制御しながら加熱したときは、坩堝のＺｏｎｅ１〜７（前記各領域Ａ〜Ｇ）の全てをほぼ均等に昇温させることができた。

以上のように、本実施形態１によれば、前記水冷ジャケット１１が前記坩堝１５に直接に（従来のようにヒーターを介することなく）接触するように配置されているので、前記水冷ジャケット１１からの冷熱により前記坩堝１５が短時間内に冷却されるようになる結果、蒸着源のメンテナンスのための冷却待機時間を従来より大幅に短縮化して装置の稼働率を大きく向上させることができる。

また、特に、本実施形態１においては、前記水冷ジャケット１１の外筒部１１ａと内筒部１１ｂとの間に、金属等の高熱伝導性材料から成る複数の接続部１４を介設し、この接続部１４により前記各ヒーター１７ａ〜１７ｇからの熱が外筒部１１ａから内筒部１１ｂに伝導されるようにしている。よって、本実施形態１によれば、前記各ヒーター１７ａ〜１７ｇと前記坩堝１５との間に前記水冷ジャケット１１が介設されていても、前記各ヒーター１７ａ〜１７ｇからの熱が効率的に前記坩堝１５に伝導されて前記坩堝１５が短時間内に加熱されるようになる。

また、特に、本実施形態１においては、前記坩堝１５の上下方向に沿って分けられる例えば７つの領域Ａ〜Ｇにそれぞれ互いに独立に動作可能な各ヒーター１７ａ〜１７ｇを多段的に配置すると共に、各熱電対１８ａ〜１８ｇから各領域Ａ〜Ｇの温度が前記制御部２０に出力され、前記制御部２０により各ヒーター１７ａ〜１７ｇの温度が個別に制御される。よって、本実施形態１によれば、特に最近増えている大型で縦長タイプの坩堝内に収容された蒸着材料を加熱するような場合でも、前記坩堝１５内の蒸着材料１６の全体を短時間内に均等に加熱して装置の稼働率を向上させることができると共に、従来のように加熱のために長い待機時間が必要であった場合において生じていた材料の一部の蒸発や材質劣化などの不都合を、防止することができる。

〔第２の実施形態〕
次に図４は本発明の実施形態２に係る蒸着源を模式的に示す断面図である。本実施形態２は、前記実施形態１と基本的な構成は同一であるので、以下では異なる部分を中心に説明する。また図４において図２と共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態２では、図４に示すように、坩堝１５の外側に配置された水冷ジャケット１１と各ヒーター１７ａ〜１７ｇの外側に、さらに水冷ジャケット２１が配置されている。この水冷ジャケット２１の構成は前記水冷ジャケット１１と略同様に、外筒部２１ａ、内筒部２１ｂ、前記外筒部２１ａの内壁面側に設置された水路２２などにより構成されている（但し前記水冷ジャケット２１においては前記水冷ジャケット１１と異なって外筒部と内筒部とを熱伝導可能に接続する接続部などは備えられていない）。

また本実施形態２では、前記水冷ジャケット１１と前記水冷ジャケット２１とは別系統で制御されており、前記水冷ジャケット１１は前記各ヒーター１７ａ〜１７ｇにより加熱された坩堝１５を冷却するときに使用され、前記水冷ジャケット２１は前記各ヒーター１７ａ〜１７ｇにより坩堝１５を加熱するときと前記加熱された坩堝１５を冷却するときとに渡って連続的に使用されるようになっている。

以上のように、本実施形態２では、前記実施形態１の構成に加えて、前記各ヒーター１７ａ〜１７ｇの外側にさらに水冷ジャケット２１を配置するようにしたので、前記坩堝１５を前記各ヒーター１７ａ〜１７ｇにより加熱する場合でも、前記各ヒーター１７ａ〜１７ｇの熱がその近傍の作業者に火傷を負わせたりその近傍の他の坩堝などに影響を与えることを、防止することができる。なお上記以外については、本実施形態２の構成及び作用効果は前記実施形態１と基本的に同様であるので、説明を省略する。

以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明は前記の各実施形態として述べたものに限定されるものではなく、様々な修正及び変更が可能である。例えば、前記実施形態１においては、前記各領域Ａ〜Ｇ毎の温度を測定する各熱電対１８ａ〜１８ｇを前記各ヒーター１７ａ〜１７ｇと前記水冷ジャケット１１との間に配置するようにしたが、本発明においてはこれに限られるものではなく、例えば各熱電対１８ａ〜１８ｇを前記坩堝１５と前記水冷ジャケット１１との間に配置したり、前記坩堝１５の内部に配置することも可能である。また、前記実施形態１の坩堝冷却用の水冷ジャケット１１においては冷却水が流れる水路１２を外筒部１１ａの内壁面側に配置するようにしたが、本発明においては前記水路１２を内筒部１１ｂの外筒部１１ａと対向する壁面側に配置するようにしてもよい。さらに、前記実施形態１，２においては前記坩堝１５を冷却するなどのための機構として冷却水を内部で流動させる水冷ジャケット１１，２１を使用するようにしたが、本発明においてはこれらに限られるものではなく、前記坩堝１５を冷却するなどのための機構として、水以外の様々な液体や気体を冷媒として使用する冷却機構を採用できることは勿論である。

１１，２１ 水冷ジャケット
１１ａ，２１ａ 外筒部
１１ｂ，２１ｂ 内筒部
１２，２２ 水路
１２ａ 冷却水導入口
１２ｂ 冷却水排出口
１３ 接続穴
１４ 接続部
１５ 坩堝
１６ 蒸着材料
１７ａ〜１７ｇ ヒーター
１８ａ〜１８ｇ 熱電対
２０ 制御部

Claims (4)

1. 蒸着材料が入れられた坩堝と、
   前記坩堝の外側に配置され、後記第１冷却機構を介して前記坩堝に熱を伝導して加熱する加熱部と、
   前記坩堝を冷却するために前記坩堝と前記加熱部との間に配置された第１冷却機構であって、前記坩堝に接する内筒部、前記内筒部と所定距離を介して対向しその外壁面が前記加熱部に接する外筒部、及び前記外筒部と内筒部との間に配置された冷媒流路を含み、前記外筒部と内筒部との間には前記加熱部からの熱を前記外筒部側から前記内筒部側に伝導する複数の熱伝導部材が介設されている第１冷却機構と、
   を備えたことを特徴とする蒸着源。
2. 前記加熱部の外側に配置され、前記加熱部により前記坩堝が加熱されているとき、前記加熱部からの熱をそれが前記加熱部の外側の周囲に及ばないように遮断するための第２冷却機構を、さらに備えた請求項１に記載の蒸着源。
3. 前記第１冷却機構は前記加熱部による加熱が終了して前記坩堝を冷却するときに作動されるものであり、前記第２冷却機構は前記加熱部により前記坩堝が加熱されるときから前記加熱が終了して前記坩堝が冷却されるときに渡って連続的に作動されるものである、請求項１又は２に記載の蒸着源。
4. 前記加熱部は、それぞれ互いに独立に動作可能な少なくとも７個以上の各ヒーターにより構成され、前記各ヒーターは前記坩堝の上下方向に沿って区分される少なくとも７個以上の各領域にそれぞれ対向するように配置されており、さらに、
   前記坩堝の前記各領域又は前記各領域内の蒸着材料の温度をそれぞれ検出する熱電対などの温度センサと、
   前記各領域にそれぞれ対応する各温度センサからの出力に基づいて前記各領域に対応する各ヒーターの温度をそれぞれ制御する制御部と、
   を備えた請求項１から３までのいずれかに記載の蒸着源。