JPH03264668A - 真空蒸着装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、例えば光学用基体上に、誘電体、金属等の膜
を形成するための真空蒸着装置に関Ｌ、特に大面積の基
体に均一の厚さの膜を形成し得る真空蒸着装置に関する
ものである。

［従来の技術および課題］ 従来、多数の小口径基板上に同一膜厚を形成するための
装置としては、特公昭５３−１８３３８号公報に開示さ
れるような、自公転機構を有するもの、あるいはそれを
改良したものが知られている。この装置は、自公転ドー
ムに比して基板の径が小さく、かつ、基板面がドーム曲
率から著しくずれない場合には有効であるが、基板の径
が例えば数百ｍｍと大きい大面積基板の場合には、ドー
ム曲率からのズレ、および基板の保持方法に問題かあっ
た。

大面積基板に対しては、特公昭５１−２０３５６号公報
に開示されるように、基板を成膜中に平行移動する装置
、あるいは、逆に蒸発源を平行移動する装置があるが、
機構か複雑になる上、高精度の膜厚制御を必要とする誘
電体多層膜の成膜の場合には膜厚制御が困難でありムラ
が生じていた。

また、マスクを用いて膜厚を補正する装置としては、特
開昭５０−１４６５２８号公報に開示されるものかある
が、この装置てはマスクか固定されているため、基板の
回転中心近傍に円形状あるいはリング状のカゲが生し大
面積基板の全面にわたっては均一膜厚にすることが出来
ないという欠点があった。すなわち、例えば、第５図に
示すように、自転軸５０２の回りに回転する基板５０１
　と蒸発源５０４の間に固定マスク５０３を設定すると
、基板上に堆積された膜５０５の自転中心の膜厚はマス
ク中心にけられることにより均一とならなかった。

さらに、マスクを用いて膜厚を補正する装置としては特
開昭５９−２１５０４５号公報に開示されるものがある
。この技術は、蒸発源、マスク、基板の２つ以上を異な
る速度で回転させ膜厚の均一化を計ることを特徴とする
ものであるが、各位置関係については明らかでなく、マ
スクが無い場合（第６図（ａ））よりも膜厚分布が悪い
場合も生じてしまう（第６図（ｂ））。

また、マスクを用いないで膜厚の均一化を計る方法とし
て特開昭８ｌ−８２ｆｔ９号公報に開示されるものかあ
る。この技術は、蒸発源距１ｉｌｆ　Ｌ　、基板高さＨ
１基板半径Ｒの位置が０．８１（≦Ｌ≦１４１１または
Ｌ≧Ｒの条件を満足することを特徴とするが、真空装置
の径が大きくなる、膜の用途によっては入射角が大きい
ため、膜の機械的強度を劣化させる透過率を低下させる
等の欠点がありた。上記０．８８≦Ｌ≦１．４Ｈの条件
においては、Ｒとの関係が明確ではないが、ＲがＨに比
較して大きくなると、膜厚の均一化を計るためにはＬの
値も大きくなり、ＲとＨとの関係によらずＬ≧Ｒである
ことが必要となる。これは本発明の条件とは異なる。

大面積でかつ重量を有する基板に、膜厚が均一な膜を形
成するための装置としては、ＵＳＰ３．１２８，２０５
　、　ｔｌｓＰ３，８５８，５４７に開示される自公転
機構を有するものがある。しかしながら、この装置は、
高精度の膜厚の均一化を図る上では不十分てあり、ｔｌ
ｓＰ４．２２２，３４５に開示されるように、回転マス
クを用いる機構か必要とされている。この回転マスクを
用いる機構で特徴的な点として、基板の公転中心とマス
クの回転中心か一致していることかあげられる。このと
き自公転の回転数の比に依存する膜厚のムラを平均化で
きる効用がある。

しかＬ、ＬＩＳＰ４，２２２，３４５に開示されている
装置ては、基板の径に対して少くとも２９倍の径を有す
る容器か必要となり、それに見合った排気能力を有する
排気系か必要となるために、製造の容易さ、装置コスト
、スペースの点て不利てあった。

また、この装置を使用しても均一な膜厚が必すしも得ら
れないことか本発明者の調査により見し１出された。す
なわち、直径１ｍの基板につし＼て調査したところ、第
４図（ａ）に示すような膜厚のムラが生ずることがわか
った。なお、第４図（ａ）において、○印は、蒸発粒子
がほぼＣＯＳθの分布をしているときのものであり、・
印は蒸発粒子の分布が経時的に変化しているときのもの
である。このように、蒸発粒子の分布が経時的に変化す
る場合に特にｌＩ！厚のムラが大きいことがわかった。

さらに、蒸発分布が経時的に変化する場合、基板中心と
膜厚モニター間の膜厚制御誤差は蒸発源と基板との距離
Ｈが１４３０ｍｍの場合には約１０％、■＝２１４０ｍ
ｍの場合では約４％、平均では約６％と大きいことがわ
かフた（第４図（ａ））。

さらに、物理的には垂直方向に均一の膜厚てあっても光
学的特性（たとえば屈折率）のムラが基板上の場所によ
って存在することもわかった。

すなわち、蒸発源と基板との距離Ｈを約１．２ｍとして
、基板にＺｒＯ２を蒸着させ、基板の外周近傍と中心近
傍ての屈折率差を調査したところ、両者の間では約０．
１５の屈折率の差があることがわかった。

本発明は、従来技術には上述したような問題点があるこ
とを見い出しなされたものであり、本発明の目的は、膜
厚ムラ、光学的特性のムラが小さな蒸着層の形成が可能
な、小型の真空蒸着装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の真空蒸着装置は、基体を保持し回転させるため
の保持回転手段と、基体の下方に設置された蒸発源と、
膜厚補正用のマスクと、該マスクを回転させるための手
段とを少なくとも有する真空蒸着装置において、該マス
クの回転中心軸と基体の自転中心軸とを一致させ、かつ
、 該基体の半径をＲ１該蒸発源と自転中心軸との距離をＬ
、蒸発源と自転基体との自転軸に平行な距離をＨとした
とき、蒸発源とマスクとの自転軸に平行な距離りが、ｈ
≦ＬＨ／　（Ｌ十Ｒ）　　の条件を満足することを特徴
とする。

［作用］ 本発明者は、高精度の膜厚の均一化を図るべく５犬な実
験を重ねたところ、基体の半径Ｒ１蒸発源と自転中心軸
との距１１１ＩｆＬ、蒸発源と自転基体との距離Ｈとの
関係によって均一性が変化することを見い出した。しか
Ｌ、これらにいかなる関係があるときに均一性が良好に
なるかということについては全く不明であり、そこで、
さらに実験を重ねたところ、ｈ≦ＬＨ／　（Ｌ＋Ｒ）の
条件を満足する場合に均一性が良好になることを解明Ｌ
、本発明をなすにいたった。

なお、マスクに付着した蒸着材が不純物となり、この不
純物が、蒸発源中に落下したり、基体表面に再蒸着した
りすることを避けるために、ｈ≧０．８ＬＨ／　（Ｌ＋
Ｒ）　　とすることが好ましい。

なお、本発明においては、基体の周辺に複数個の膜厚制
御用モニタ（光学モニタ）と、各膜厚制御用モニタに対
応する個数の蒸発源とを設け、膜厚制御用モニタ中心と
自転軸との距離をＳとしたとき、各対応する該蒸発源距
離りをＬ−０，５５とすることが好ましく、０．２Ｓ≦
Ｌ≦０．８Ｓ、　　Ｌ≦Ｒの条件を満足することがより
好ましい。光学モニタはその表面に堆積した膜の厚みを
感知することにより基体表面に堆積した膜の厚みを知る
ものであり、上記条件を満足する場合には基体中心と光
学モニタ間の膜厚の差異（膜厚制御誤差）を極めて小さ
くすることができる。

なお、Ｌ≦Ｒとすることは、蒸発粒子の基体に対する入
射角を小さくてきるため、蒸発粒子の飛距離も短くなり
、基板への密着力、膜構造、膜堆積速度に悪影響を与え
ることなく、光学的にも均質でかつ散乱吸収などの損失
が少なく、また機械的強度に優れる膜を大面積にわたっ
て得ることがてきることともなる。

なお、本発明では、基体の回転が自転だけのため、装置
の小型化が可能となり、また、蒸発源を基体の下方に設
置することと相まち、基体に対する蒸着流の入射角を小
さくすることが可能となり、高精度の膜厚の均一化を計
ることができる。

さらには、蒸発流の基板に対する入射角が小さく、蒸発
粒子の飛距離が短いため、蒸着薬品を少量にすることが
できる。

［実施例］ （実施例１〜３、比較例１） 以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

第１図に本発明の実施例に係る蒸着装置の正面断面図を
示Ｌ、まず、装置の構成を説明する。

装置は角形の器壁１で構成され、その天板上に大面積基
板を保持・自転させるためのユニット（保持回転手段）
が設けられている。これはモタ２、減速機３、プーリ４
、回転伝導ベルト５、基板回転軸６から構成される。基
板回転軸６はヘアリング７を介して円柱状の堅枠８によ
って保持される。基板回転軸６の回転は、結合部材２６
を介して、補強円板２７．２８を設けた基板ホルダ固定
用アーム９に伝えられる。基板ホルダ固定用アーム９は
、基板ホルダ固定枠２９に取付けられたビン１０を介し
て基板ホルダを保持する構造となフており、基板ホルダ
は側面リング１２、底板リング１１、基＆カバー１３で
構成される。基板ホルダに一以上の基板が保持される。

基板カバー１３は、基板１４の裏面への損傷、成膜中の
汚れをさけるために設けられる。１５１は蒸発源であり
、基板１４の下方に設置されている。蒸発源１５１から
の蒸発法は、モタ１７により回転するマスク回転軸１８
に固定された回転マスク１９によって一部さえぎられる
。蒸発源１５１はメンテナンスのための着脱が容易なよ
うに円形状底板１６の上に設けられる。

第２図は、第１図のＡ−Ａ’断面図である。本例では、
回転マスク１９は、４分割の別状体をその周辺部を外リ
ング２０に固定保持することにより構成されており、そ
の回転軸を、基板の回転中心軸と致するよう設けである
。この別状体の中央部は幅広になされており、この中央
部の蒸発源からの基板への写影が基板のほぼ中心を通過
する。なお、この別状体の形状は、実験等により求め、
膜厚分布か均一になるように設計すればよい。なお、回
転マスクは上下方向に穆動可能としてもよい。回転マス
ク１９の半径は、その基板面の高さでの膜厚補正領域が
、基板の外周２１、基板ホルダ固定枠の外周２２を含む
ように設計される。

上記実施例に示す本発明の蒸着装置の作動手順は次のよ
うに行われる。すなわち、基板を保持した基板ホルダを
蒸着室の基板ホルダ固定用アーム２９に固定Ｌ、所定の
真空度まで排気する。成膜前から基板１４、マスク１９
を各々回転Ｌ、定められた条件のもとて成膜を開始する
。このとき自転している基板１４はマスク１９によって
膜厚補正を受け、大面積にわたって均一の膜厚で成膜さ
れる。

上記の装置を使用して、直径１　ｍ　（Ｒ−５００ｍｍ
）の基板に対Ｌ、Ｌ−２Ｓ０ｍｍ　、　Ｈ−１５００ｍ
ｍ（ＬＨ／（Ｌ＋Ｒ）−５００）とＬ、ｈを表１に示す
値に設定してｚｒ０２の膜を形成した。

基板温度は３００℃、真空度は、ｆ　Ｘ　１０””Ｔｏ
ｒｒとＬ、酸素霊囲気中で成膜を行った。なお、回転マ
スクと基板との回転は逆方向とＬ、（基板回転数）／（
回転マスク回転数）を約１．３　とした。なお、蒸発粒
の分布は経時的に変化せしめた。

得られた膜につき膜厚のムラ及び屈折率の差（屈折率の
差は膜中の最大のものと最小のものとの差）を表１に示
す。

１ ２ 表１ 表１かられかるように、ｈ≦ＬＨ／　（Ｌ＋Ｒ）を満足
する実施例１〜３は、膜厚ムラは７％以下と小さく、ま
た、屈折率の差も小さかった。また、膜を顕微鏡で観察
したところ、ｈ≧０．８Ｌｌ（／（しＲ）を満足する実
施例２．３には、不純物の混入は認められなかりた。そ
わに対Ｌ、比較例１は膜厚のムラが２０零と太きかった
。

比較例１の膜厚分布ｔ／ｌｏ　（ｔｏは基板中心の膜厚
、ｔは半径方向の膜厚）を第６図（ａ）にグラフで示す
。第６図（ａ）に示すようにマスク形状の最適化を計っ
ても最大と最小の差が約２０％であり、第６図（ｂ）の
マスクがないときより、かえって悪化していることがわ
かる。

（実施例４） 本例では、第２図に示すように、自転基板の周辺に４個
の光学モニタ２４１　、２４２　、２４３　、２４４を
設けた。各光学モニタに対応して、１５１．１５２゜１
５３、１５４の蒸発源を設けた。すなわち、１５１の蒸
発源を用いるときには２４１の光学モニタを使用した。

回転マスクの半径は各光学膜厚モニタへの蒸発粒子をさ
えぎることのないように設計した。

なお、その際、蒸発源と基板との距離Ｈを第４図（ｂ）
の横軸に示すように変化させた。

本例では、Ｒ−５００ｍｍ　、　Ｌ−２Ｓ０ｍｍ　　（
Ｌ＜Ｒ）とＬ、ｈは、Ｈの変化に応じ、ｈ≦ＬＨ／　（
Ｌ十Ｒ）を満足するように変化させた。また、Ｓ−１０
００ｍｍ　（Ｌ−０，２Ｓ５）とした。

得られた膜につき膜厚のムラを調査したところ、第４図
（ｂ）　に示すような結果が得られた。第４図（ｂ）か
られかるように、本実施例では、蒸発分布が安定なとき
（Ｏ印）のみならず、経時的に変化するとき（・印）も
膜厚のムラが少ないことがわかる。さらに、蒸発分布が
変化するとき、基板中心と膜厚モニタ間の膜厚制御誤差
（◎印）も少なかった。すなわち、Ｈ−１４３０ｍｍの
場合でも約４％、Ｈ−２１４０ｍｍの場合には０％に近
かった。

また、基板の面内の光学的特性（屈折率）のムラを調査
したところ、最も大きなものと最も小さなものとの差は
０．０２であり、光学的ムラが従来に比べ非常に小さか
った。

（実施例５） 本例では、Ｓ−５５０ｍｍ　、　Ｌｉ４０ｍｍ　　（Ｌ
−０，８Ｓ）とＬ、他は実施例４と同じ条件で成膜を行
った所、膜厚のムラ、光学的ムラ、膜厚制御誤差ともに
実施例４とほぼ同様の結果が得られた。

（実施例６．７） 本例では、実施例４におけるＳ−５−１Ｏ００をＳ−１
４００（Ｌ−０，１８Ｓ）に変え、また、実施例５にお
けるＳ−５５０ｍｍをＳ−５３０ｍｍ　　（Ｌ−０，８
３）に変え、他の条件はそれぞれ実施例４と実施例５と
同様にして成膜を行った。

膜厚ムラ、光学的ムラについては実施例４．５と同様の
良好な結果が得′られた。膜厚制御誤差は、Ｈ−１４３
０ｍｍの場合は約６％、ｌ（−２１４０ｍｍの場合は約
３％であり、従来例あるいは比較例に比へ良好な結果が
得られた。ただ、本例では、 ０．２Ｓ≦Ｌ≦０．８Ｓ、　　Ｌ≦Ｒ の範囲外であるため、膜厚制御誤差については実施例４
，５の方が優れていた。

（比較例２） 本例では、回転マスクを設けず、他の条件は実施例と同
一として蒸着を行ったところ、第４図（ｃ）に示すよう
な膜厚ムラのグラフが得られた。

なお、第４図（Ｃ）はいずれも、蒸発粒の分布が経時的
には一定の場合（経時的に変化する場合に比べ膜厚のム
ラが少ないと考えられる）であり、◎印は蒸発粒がほぼ
ｃｏｓ’θの分布をなしている場合を示Ｌ、Ｑ印は蒸発
粒がほぼＣＯＳθの分布をなしている場合を示Ｌ、・印
は蒸発粒がほぼＣ０８２θの分布をなしている場合を示
している。図に示す５ ６ ように、いずれの場合も実施例に比べ大きな膜厚ムラか
生していることがわかる。

（比較例３） 上記実施例において、回転マスクを回転させず、他の条
件は実施例と同一として蒸着を行ったところ、基板中心
部およびその近傍において膜厚ムラが極めて大きくなっ
た。これは、基板中心部およびその近傍に、回転マスク
によって、常に蒸発流がさえぎられる部分とまったく膜
厚補正を受けない部分とが生じるためと考えられる。

［発明の効果コ 上記実施例に示す本発明の装置により以下の効果を得る
ことか出来る。

つは装置容積を小型化出来ることである。すなわち直径
Ａの基板に均−膜厚を形成するためには、１１ＳＰ４．
２２２．３４５に開示される従来の自公転機構を有する
装置を用いると、少くとも、２９倍の槽径、及び１．９
倍の槽高さを必要とＬ、その真空容積はＡ３の約１２．
５倍程度となる。しかるに本発明では第１図および第２
図に示すごとく、Ａ３の約５．１２倍であり、その容積
は約４１％に小型化される。このため蒸着槽、及び基板
回転、基板の保持のための治具の製作が容易となるだけ
ではなく、排気系の能力を半分にすることが出来、装置
価格の大巾な低減が図れる。

さらには、基板回転が自公転ではなく自転だけのため、
槽の高さを必要以上に高くすることなく、基板に対する
蒸発流の入射角を小さくすることが出来、回転マスクを
用いて従来より高精度に膜厚の均一化を計ることが可能
となる。

さらには、従来より、基板に対する蒸発流の入射角が小
さく、また、蒸発粒子の基板まての飛距離も短いため、
基板への密着力、膜構造、膜堆積速度に悪影響を与える
ことなく、光学的に均質で、かつ散乱、吸収等の損失が
少く、また、機械的強度に優れる膜を大面積にわたって
得ることが可能となる。

さらには、基板に対する蒸発流の入射角が小さく、また
、蒸発粒子の基板までの飛距離が短かくすることができ
るため従来より少量の蒸着薬品で　８ 成膜することか可能となり、その供給方法、蒸発源の犬
ぎさ、個数等において蒸発源自体の簡素化を図ることか
てぎる。

さらには、自転する基板の周辺に、複数個のモニタを複
数個の蒸発源に各々対応させて設けることにより高精度
に膜厚を制御することが可能となる。

以上、本発明の真空蒸着装置か大面積基板上に均一膜厚
を形成する目的で、大きな効果を有することは明白であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置の正面断面図、第２図は第１図の
Ａ−Ａ’断面図、第３図は内部の寸法関係を示すための
模式図、第４図は従来例と実施例における膜厚のムラ、
膜厚制御誤差を示すためのグラフ、第５図は従来例、第
６図は従来例において本発明の条件を満足しないときの
Ｍ厚分布を示す。 １・・・器壁、２・・・モータ、３・・・減速機、４・
・・プーリ、５・・・回転伝導ベルト、６・・・基板回
転軸、７・・・ベアリング、８・・・堅枠、９・・・基
板ホルダ固定用アーム、１０・・・ビン、１１・・・底
板リング、１２・・・側面リング、１３・・・基板カバ
ー、１４・・・基板、１６・・・円形状底板、１７・・
・モータ、１８・・・マスク回転軸、１９・・・回転マ
スク、２０・・・外リング、２１・・・基板の外周、２
２・・・基板ホルダ固定枠の外周、２６・・・結合部材
、２７・・・補強円板、２８・・・補強円板、２９・・
・基板ホルダ固定枠、１５１１５２、１５３．１５４・
・・蒸発源、２４１．２４２．２４３．２４４・・・光
学モニタ、５０１・・・基板、５０２・・・自転軸、５
０３・・・固定マスク、５０４・・・蒸発源。 （符号の説明） ９ ０ 第 ４ 図（ｃ） １．４３　　　１，７８　　　２．１４蒸発源と基板と
の距離　Ｈ（ｍ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）基体を保持し回転させるための保持回転手段と、
   基体の下方に設置された蒸発源と、膜厚補正用のマスク
   と、マスクを回転させるための手段とを少なくとも有す
   る真空蒸着装置において、該マスクの回転中心軸と基体
   の自転中心軸とを一致させ、かつ、 基体の半径をＲ、蒸発源と自転中心軸との距離をＬ、蒸
   発源と自転基体との自転軸に平行な距離をＨとしたとき
   、蒸発源とマスクとの自転軸に平行な距離ｈが、 ｈ≦ＬＨ／（Ｌ＋Ｒ） の条件を満足することを特徴とする真空蒸着装置。 （２）基体の周辺に複数個の膜厚制御用モニタと、各膜
   厚制御用モニターに対応する個数の蒸発源とを有し、膜
   厚制御用モニター中心と自転軸との距離をＳとしたとき
   、各対応する該蒸発源と自転中心軸との距離Ｌが、 ０．２Ｓ≦Ｌ≦０．８Ｓ、Ｌ≦Ｒ の条件を満足することを特徴とする請求項１記載の真空
   蒸着装置。