説明

薄膜形成方法

【課題】待機時においても蒸着装置内部の温度を下げないことで生産再開時の立ち上げ時間ロスを無くすとともに、搬送治具への不要な蒸着粒子付着を抑制し、信頼性の高い基板への薄膜形成を実現する。
【解決手段】ターゲットに電子ビームを照射して搬送治具に載置された基板に薄膜を形成する薄膜形成方法であって、搬送治具に載置された基板に薄膜を形成する成膜時と、搬送治具への基板の載置がない待機時とで、電子ビームを発生させる電子ビーム源である電子銃への投入パワーを略同一とし、かつ、待機時のターゲットに照射する電子ビームの照射領域を異ならせることによって、蒸着装置内部の温度を保ったまま、成膜レートを抑制する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は薄膜形成方法に関し、特に、真空中でターゲットに電子ビームを照射して蒸発した材料を基板に堆積させる薄膜形成方法に関する。
【背景技術】
【0002】
磁気テープやコンデンサ、半導体などに用いられる薄膜の形成方法として、従来から大量生産に有効な真空蒸着法やスパッタリング法、イオンプレーティング法などが用いられてきた。近年、液晶表示パネルやプラズマディスプレイパネル(以下、PDPと略す)などの画像表示装置向けの大面積基板に薄膜を形成する用途が増加し、これらの薄膜の形成方法として高速で良質の薄膜を形成できる真空蒸着法、なかでも電子ビーム蒸着法が広く用いられるようになった。
【0003】
このような大面積基板に薄膜形成を行う蒸着装置として、基板投入室と蒸着室と基板取出室とを有し、これらの室間をゲートバルブなどによって仕切って連接した構成のインライン式の蒸着装置が用いられている。このような蒸着装置では、蒸着室内を大気に曝すことがなく、かつ、蒸着前に脱ガス処理などを行うことができるので、蒸着室内の雰囲気を安定に維持することができる。そのため、バッチ式装置と比較して処理タクトが短く生産性を向上させることが可能となり、PDPの保護膜を形成するために広く用いられている。
【0004】
このような蒸着装置を用いた薄膜形成方法が特許文献1に開示されている。すなわち、基板投入室で、薄膜形成面を下に向けた基板を薄膜形成領域を開口させた搬送治具上に載置し、蒸着前に加熱、脱ガスなどの前処理を行い、その後、搬送治具ごと所定温度に保持された蒸着室に搬送して電子ビームによって加熱された蒸着材料の薄膜を基板上に堆積、形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2004−10942号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
近年、画像表示装置の大面積化に伴い、大面積の基板に薄膜を形成するための電子ビームを用いた蒸着装置自体も大型化している。そのため蒸着装置の熱容量も増大している。一方、このような熱容量の大きな蒸着装置においては、基板への薄膜形成を行わない待機時に電子ビームの出力を停止する、あるいは電子ビーム源への投入パワーを抑制すると、蒸着装置内部の温度が低下して生産再開時には蒸着装置内部を所定温度にするまでに長時間を必要として生産性が低下するという課題がある。
【0007】
このような課題を回避するため、待機時においても電子ビームの出力を下げずに蒸着装置内の温度を一定に保つ方法も考えられる。しかしながら、この場合には基板への薄膜形成時と同様にターゲットが加熱され、搬送治具の基板が載置される面にも蒸発物が回りこんで堆積、付着することになる。
【0008】
このため、生産再開時に基板を搬送治具上に載置すると、待機時に搬送治具上に付着した薄膜が基板に転写し、製品の導通不良やショートなどの不良が発生するといった課題がある。また、蒸発物の回りこみによって堆積された蒸着粒子は、その付着力が弱いために搬送治具から容易に剥離落下し、蒸着装置内での異物や異常放電などの発生原因となるなどの課題を有していた。
【0009】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、待機時においても蒸着装置内部の温度を下げないことで生産再開時の装置立ち上げ時間ロスを無くすとともに、待機時に搬送治具への不要な蒸着粒子付着を抑制することができる薄膜形成方法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】
【0010】
上述した目的を達成するために、本発明の薄膜形成方法は、ターゲットに電子ビームを照射して搬送治具に載置された基板に薄膜を形成する薄膜形成方法であって、搬送治具に載置された基板に薄膜を形成する成膜時と、搬送治具への基板の載置がない待機時とで、電子ビームを発生させる電子ビーム源への投入パワーを略同一とし、かつ、待機時のターゲットに照射する電子ビームの照射領域を異ならせたことを特徴とする。
【0011】
このような方法によれば、電子ビームを発生させる電子ビーム源への投入パワーを略同一にすることで、待機時に蒸着装置内部の温度が低下することなく、生産再開時の蒸着装置の立ち上げ時間ロスを無くすことができる。さらに、待機時には、ターゲットからの蒸発を抑えるように電子ビームの照射領域を異ならせることで、搬送治具への不要な蒸着粒子付着を抑制し、搬送治具へ基板を載置した際に基板への蒸着粒子の転写を防止することもできる。したがって、製品の導通不良やショートなどの不良発生および蒸着装置内での異物や異常放電の発生が低減する。
【0012】
さらに、待機時における電子ビームの照射領域を、電子ビームを走査させる振幅を成膜時よりも大きくするように異ならせてもよい。このような方法によれば、待機時にターゲットに照射される電子ビームの単位時間、単位面積あたりのエネルギー密度を減少させてターゲットからの蒸発をさらに抑制して、搬送治具への不要な蒸着粒子付着をさらに抑制することができる。
【0013】
さらに、待機時における電子ビームのスポット径を成膜時における電子ビームのスポット径よりも大きくしてもよい。このような方法によれば、待機時にターゲットに照射される電子ビームの単位時間、単位面積あたりのエネルギー密度を電子ビームの走査をすることなく容易に低下させることができ、ターゲットからの蒸発を抑制することができる。
【発明の効果】
【0014】
本発明の薄膜形成方法によれば、待機時においても蒸着装置内部の温度を下げないことで生産再開時の時間ロスを無くすとともに、搬送治具への不要な蒸着粒子付着を抑制し、信頼性の高い基板への薄膜形成を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】本発明の実施の形態1における薄膜形成方法で用いる電子ビーム蒸着装置の成膜時における断面模式図である。
【図2】本発明の実施の形態1における薄膜形成方法で用いる電子ビーム源である電子銃の断面模式図である。
【図3】従来の薄膜形成方法における電子ビーム蒸着装置の待機時における断面模式図である。
【図4A】従来の薄膜形成方法における待機時に蒸着装置を通過した後の搬送治具の概略断面図である。
【図4B】従来の薄膜形成方法における基板に薄膜を形成した後の模式図である。
【図5】搖動コイル制御値と成膜レートおよび蒸着装置内部温度との関係を示す図である。
【図6】集束コイル制御値と成膜レートおよび蒸着装置内部温度との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【0017】
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における薄膜形成方法で用いる電子ビーム蒸着装置の成膜時における断面模式図である。搬送治具に基板を載置し、搬送治具ごと基板を搬送し、基板に薄膜を形成している状態を示している。本発明の実施の形態では、大画面画像表示装置としてのプラズマディスプレイ装置を構成するPDP用の表示電極、誘電体層などが形成された前面基板(以下、基板と略す)に、保護層としてのMgO(酸化マグネシウム)薄膜を形成する薄膜形成方法を例として説明する。
【0018】
この電子ビーム蒸着装置10は、PDPの基板100を投入する前に予備加熱するとともに、予備排気を行うための基板投入室11と、基板100に対しMgOを蒸着してMgO薄膜である保護層160を形成する成膜室である蒸着室12と、蒸着室12での蒸着が終了後、取り出された基板100を冷却するための基板取出室13とを備えたインライン式の電子ビーム蒸着装置である。
【0019】
基板投入室11、蒸着室12、基板取出室13の各々は、内部を真空雰囲気にできるよう密閉構造となっており、各室毎に独立して真空排気系14a、14b、14cをそれぞれ備えている。
【0020】
また、基板投入室11、蒸着室12、基板取出室13を貫いて、搬送ローラー、ワイヤー、チェーンなどによる搬送手段15を配設している。また、外気と基板投入室11との間、基板投入室11と蒸着室12との間、蒸着室12と基板取出室13との間、基板取出室13と外気との間を、それぞれを開閉可能な仕切壁16a、16b、16c、16dで仕切っている。なお、搬送手段15の駆動と仕切壁16a、16b、16c、16dの開閉との連動によって、基板投入室11、蒸着室12、基板取出室13のそれぞれの真空度の変動を最低限にしている。
【0021】
さらに、基板100を電子ビーム蒸着装置10外から基板投入室11、蒸着室12、基板取出室13を順に通過させて、それぞれの室での所定の処理を行い、その後、電子ビーム蒸着装置10外に搬出することが可能であり、複数枚の基板100に対して連続してMgOを成膜することができる。
【0022】
また、基板投入室11、蒸着室12の各室には、基板100を加熱するための加熱ランプ17a、17bをそれぞれ設置している。なお、基板100の搬送は、搬送治具150に載置した状態で行われる。
【0023】
次に、成膜室である蒸着室12について説明する。蒸着室12には、MgOのペレットからなるターゲット120を配置したハース110、電子ビーム源である電子銃18などを設けている。蒸着時には、電子銃18から照射した電子ビーム19を、偏向マグネット(図示せず)により発生する磁場によって偏向してターゲット120に照射し、MgOの蒸気流140を発生させる。そして、発生させた蒸気流140を、搬送治具150に載置した基板100の表面に堆積させてMgOの薄膜である保護層160を形成する。
【0024】
次に、成膜の流れを説明する。まず、薄膜形成面を下に向けた基板100を薄膜形成領域を開口させた搬送治具150上に載置した後、仕切壁16aを開けて、基板100を搬送治具150ごと基板投入室11に搬入する。基板投入室11では、真空排気系14aにより基板投入室11を真空に排気するとともに、加熱ランプ17aにより基板100を所定の温度まで加熱する。基板投入室11が所定の圧力に到達し、所定の時間、基板100を加熱後、仕切壁16bを開けて、基板100を搬送治具150ごと蒸着室12へ搬送する。
【0025】
蒸着室12では、加熱ランプ17bにより基板100を加熱してこれを一定温度に保つ。
【0026】
この温度は、基板100上にすでに形成されている表示電極や誘電体層が熱劣化することがないように、100℃〜400℃程度に設定される。次に、ガス導入手段(図示せず)からガスを導入する。この際のガスとしては、例えば、MgO膜中の酸素欠損を防止する目的からは、酸素、または酸素を含むガスを挙げることができ、積極的にC、Hなどの不純物を膜中に混入する目的からは、水、水素、一酸化炭素、二酸化炭素の中から選ばれる少なくとも一つのガスを挙げることができる。そしてこの状態で電子銃18から電子ビーム19をターゲット120に照射すると、ターゲット120が加熱され、MgOの蒸気流140が発生する。MgOの蒸気流140は、その一部がシャッタ130の開口部を通過して、Aの方向に搬送される基板100に堆積することにより、基板100上にはMgO薄膜の保護層160が形成される。
【0027】
次に、仕切壁16cを通じて基板100を搬送治具150ごと真空雰囲気の基板取出室13へ搬送する。仕切壁16cを閉じた後、基板取出室13を大気まで復圧させるとともに、基板100を所定の温度まで冷却後、仕切壁16dを開け、基板100を搬送治具150ごと装置外に搬送し、基板100を取り外す。搬送治具150は、次に薄膜が形成される基板100を載置するために、載置ポジション(図示せず)まで移送される。
【0028】
なお、電子ビーム19の照射により膜原料であるMgOペレットからなるターゲット120を蒸発させると、膜原料から酸素原子が脱離しやすく、非化学量論的MgOが形成され、薄膜の透過率を低下させるので、酸素ガスを供給しつつ成膜を行ない薄膜の透過率を高める操作を行う。保護膜の膜質、特性、膜厚は、基板100の温度、蒸着室12内の酸素ガス分圧、電子銃18からの電子ビーム19の強度、蒸着室12の全圧、搬送治具150の搬送速度等の各種パラメータによって任意に制御することができる。
【0029】
次に、電子ビーム源である電子銃について説明する。図2は、本発明の実施の形態1における薄膜形成方法で用いる電子ビーム源である電子銃の断面模式図である。電子ビーム源である電子銃18にはピアス式電子銃を用いている。ピアス式電子銃は、ビーム発生源と被照射物の真空雰囲気の分離ができ、ビーム発生源を安定に保持できるという利点があり、加熱したカソード21から熱電子を放出し、カソード21およびウェネルト22とアノード23とで形成された電界により、電子の引き出しと集束を行う。従って、カソード21、ウェネルト22、アノード23の寸法・位置がビーム形成に重要である。
【0030】
アノード23を通過した電子ビーム19は、集束コイル24、搖動コイル25、電子ビーム偏向装置(図示せず)により、電子ビーム19が散逸しないように制御され、ハース110内のターゲット120に照射される。
【0031】
図2に示すように、フィラメント26は、交流電流を流し、ジュール熱で発熱し、熱電子を放出する。カソード21は、フィラメント26に対し正の電圧を印加することによりフィラメント26で発生し、加速された電子を受け取ることで加熱され、熱電子を放出する。ウェネルト22は、フォーカス電極とも呼ばれ、カソード21と同電位で、アノード23との間に電子がアノード23の中心に向かうような電界を形成し、効率よく電子ビーム19を発生させる。アノード23は、カソード21に対して正の電位にあり、カソード21で発生した熱電子を加速する。通常、アノード23は、グランド電位におくのでカソード21には負の電位を印加している。中心にある孔を電子ビーム19が通過する。
【0032】
集束コイル24は、集束レンズまたは単にレンズと呼ぶこともある。集束コイル24が発生する磁場により、アノード23を通過した電子ビーム19をハース110のターゲット120上に集束させる。
【0033】
電子ビーム19との衝突などで発生したイオンはアノード23とカソード21の電圧で加速され、カソード21をスパッタして孔ができる。イオンコレクタ27は長時間の使用により、孔がカソード21を貫通したときに、イオンビームを受け止め、電子銃本体にダメージが生じないようにする。フローレジスタ28はコンダクタンスを小さくし、カソード室(ビーム発生部内)の圧力を低く保つ。
【0034】
ここで、従来の薄膜形成方法における問題点について図3、図4A、図4Bを用いて詳しく説明する。図3は、従来の薄膜形成方法における電子ビーム蒸着装置の待機時における断面模式図である。搬送治具150に基板100を載置せず、搬送治具150のみが搬送されている状態を示している。図3において図1と同じ構成部分については同じ符号を用い説明を省略する。
【0035】
図4Aは、従来の薄膜形成方法における待機時に蒸着装置を通過した後の搬送治具の概略断面図である。図4Bは、従来の薄膜形成方法における基板に薄膜を形成した後の模式図である。
【0036】
図3に示すように、従来の薄膜形成方法においては、待機時においても、基板100への薄膜形成時と同様に、電子銃18から電子ビーム19がターゲット120へ照射される。したがって、薄膜形成時と同様にターゲット120が加熱されるため、ターゲット120から蒸気流140が発生する。
【0037】
この場合、図4Aに示すように、蒸着室12内を搬送手段15によって搬送される搬送治具150上の基板100が載置される面にも蒸発物が回りこんで堆積し、MgO蒸着粒子40が付着する。このMgO蒸着粒子40は、蒸発物の回りこみによって形成されたものなので、その付着力が弱く搬送治具150から容易に剥離する。
【0038】
そして、生産再開時には待機時にMgO蒸着粒子40が付着した搬送治具150上に基板100が載置される。
【0039】
この場合、図4Bに示すように、MgO薄膜の保護層160の形成後に、搬送治具150から基板100を取り外すと、MgO薄膜の保護層160の形成を予定していない領域にまでMgO蒸着粒子40が、搬送治具150から転写され付着する。PDPの基板にはPDPに電力を供給するための表示電極が形成されており、基板の端部においては誘電体層および保護層に覆われず露出している。この領域にMgO蒸着粒子40が付着すると、製品に導通不良やショートなどの不良が発生する。また、電子ビーム蒸着装置10内でMgO蒸着粒子40が剥落すると蒸着装置内での異物や異常放電が発生する。特にPDPの大画面化に伴い、保護層160を形成するために搬送治具150が構成する開口面積が大きくなることで、このような蒸発物の回りこみに起因した問題の発生が顕著になっている。
【0040】
これに対して、本発明の実施の形態1では、上述した構成によって以下に説明する作用を生じる。
【0041】
実施の形態1においては、以下の表1に示すように電子銃18の設定を成膜時と待機時とで変更し、待機時においては、投入パワー(加速電圧)は変更せず、搖動コイル25の設定を変更し、電子ビーム19を成膜時より大きく振動させ振幅を大きくすることで、電子ビーム19のターゲット120への照射領域を成膜時と異ならせている。
【0042】
ここで表1に示した設定値は、例えば対角50インチの基板を2枚同時に並列処理可能な電子ビーム蒸着装置のパラメータである。
【0043】
【表1】

【0044】
図5は、搖動コイル制御値と成膜レートおよび蒸着装置内部温度との関係を示す図である。電子ビーム源である電子銃18への投入パワー(加速電圧)は略同一であり、電子ビームの出力(エミッション電流)も略同一であるが、搖動コイル制御値が増加するに従い、電子ビーム19の振幅が大きくなり、成膜レートは成膜時の700nm/minから12nm/minへと大きく低下し、かつ蒸着装置内部温度は搖動コイル制御値に依存しないことが分かる。
【0045】
このように搖動コイル制御値を変更し、電子ビーム19の振幅を大きくする薄膜形成方法によれば、待機時におけるターゲット120の単位時間あたりのエネルギー密度を低下させることができる。すなわち、ターゲット120の表面温度の上昇を抑制できるので、ターゲット120からの蒸発を抑制することができる。なおかつ電子ビーム源である電子銃18の出力が成膜時と略同一なので、蒸着装置内部の温度は成膜時と同じ約200℃であり、従来のように生産再開時に再び温度を上昇させるために長時間の準備を必要としない。また、ターゲット120の蒸発を抑制することができるので、待機時に搬送治具150に蒸着粒子が付着することを防止することができる。
【0046】
以上説明したように、本発明の実施の形態1においては、生産再開時に搬送治具150に付着したMgO蒸着粒子40が搬送治具150から剥がれて基板100に転写し、基板100に形成された電極の導通不良やショートなど製品不良が発生することを防止することができる。また、電子ビーム蒸着装置10内でMgO蒸着粒子40が剥落し、異物や異常放電が発生することを防止できる。
【0047】
(実施の形態2)
実施の形態2が実施の形態1と異なる点は、電子ビーム19のターゲット120への照射領域を成膜時と待機時とで異ならせるために、以下の表2に示すように電子銃18の設定を成膜時と待機時とで変更し、待機時において投入パワー(加速電圧)は変更せず、集束コイル24の制御値を変更し、電子ビーム19がターゲット120へ照射するスポット径を成膜時のスポット径より大きくしたことである。
【0048】
ここで表2に示した設定値は、例えば対角50インチの基板を2枚同時に並列処理可能な電子ビーム蒸着装置のパラメータである。
【0049】
【表2】

【0050】
図6は、集束コイル制御値と成膜レートおよび蒸着装置内部温度との関係を示す図である。電子ビーム源である電子銃18への投入パワー(加速電圧)は略同一であり、電子ビームの出力(エミッション電流)も略同一であるが、集束コイル制御値が増加するに従い、電子ビーム19のスポット径は大きくなり、成膜レートは成膜時の700nm/minから20nm/minへと大きく低下し、かつ蒸着装置内部温度は集束コイル制御値に依存しないことが分かる。
【0051】
このように集束コイル制御値を変更し、電子ビーム19のスポット径を大きくする薄膜形成方法によれば、電子ビーム19の走査をすることなく待機時におけるターゲット120の単位時間あたりのエネルギー密度を低下させることができる。なおかつ蒸着装置内部の温度は成膜時と同じ約200℃であり、従来のように生産再開時に再び温度を上昇させるために長時間の準備を必要としない。
【0052】
以上述べたように本発明の実施の形態による薄膜形成方法は、基板に薄膜を形成する成膜時と、基板への薄膜の形成がない待機時とで、電子ビーム源である電子銃への投入パワーを略同一として、電子ビームをターゲットへ照射する領域を異ならせたことを特徴とするもので、このような方法によれば、待機時においても蒸着室内部の温度が下がることがなく生産再開時の立ち上げ時間ロスを無くすことができるとともに待機時のターゲットの蒸発を抑えることで基板への不要な蒸着粒子の付着を防ぐことができるので、基板に薄膜を高速で信頼性高く形成することができる。
【0053】
なお、実施の形態1および実施の形態2で示した電子銃18の設定値に関しては、電子銃18の機種、ハース110の大きさ、数、ターゲット120の種類、蒸着室12の内圧等の各パラメータによって適宜変更可能であり、上述した値に限定されるものではないことは言うまでもない。
【0054】
また、集束コイル制御値と搖動コイル制御値の双方の設定値を同時に変更し、成膜時と待機時とで電子ビーム19の照射領域を異ならせることもできる。
【0055】
さらに、本発明の実施の形態においては、PDP用の基板100に、MgO薄膜の保護層160を形成する例について説明したが、本発明による薄膜形成方法は本実施例に限定されるものではなく、電子ビームによってターゲットを加熱し、その蒸気流で基板に薄膜を形成する全ての例に適用できる。
【産業上の利用可能性】
【0056】
本発明の薄膜形成方法は、特に大面積の基板に薄膜を高速で信頼性高く形成する方法として広く有用である。
【符号の説明】
【0057】
10 電子ビーム蒸着装置
11 基板投入室
12 蒸着室
13 基板取出室
14a,14b,14c 真空排気系
15 搬送手段
16a,16b,16c,16d 仕切壁
17a,17b 加熱ランプ
18 電子銃
19 電子ビーム
100 基板
110 ハース
120 ターゲット
130 シャッタ
140 蒸気流
150 搬送治具
160 保護層
21 カソード
22 ウェネルト
23 アノード
24 集束コイル
25 搖動コイル
26 フィラメント
27 イオンコレクタ
28 フローレジスタ
40 MgO蒸着粒子

【特許請求の範囲】
【請求項1】
ターゲットに電子ビームを照射して搬送治具に載置された基板に薄膜を形成する薄膜形成方法であって、前記搬送治具に載置された前記基板に薄膜を形成する成膜時と、前記搬送治具への前記基板の載置がない待機時とで、前記電子ビームを発生させる電子ビーム源への投入パワーを略同一とし、かつ、待機時の前記ターゲットに照射する前記電子ビームの照射領域を異ならせたことを特徴とする薄膜形成方法。
【請求項2】
待機時における前記電子ビームの前記照射領域を、前記電子ビームを走査させる振幅を成膜時よりも大きくすることを特徴とする請求項1に記載の薄膜形成方法。
【請求項3】
待機時における前記電子ビームのスポット径を成膜時における前記電子ビームのスポット径よりも大きくことを特徴とする請求項1に記載の薄膜形成方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4A】
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【図4B】
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【図5】
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【図6】
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【公開番号】特開2010−280961(P2010−280961A)
【公開日】平成22年12月16日(2010.12.16)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−135835(P2009−135835)
【出願日】平成21年6月5日(2009.6.5)
【出願人】(000005821)パナソニック株式会社 (73,050)
【Fターム(参考)】