CN101784693A - 溅射方法及溅射装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种能够抑制由处理基板的充电所引起的异常放电的发生，能够对大面积的处理基板形成良好薄膜的溅射方法。向在溅射室(12)内与处理基板(S)相对并且以规定间隔并列设置的多片靶(41a)至(41h)中各成对的靶施加电力，并按照规定的频率交替改变极性，将各个靶交替转换为阳极电极、阴极电极，在阳极电极和阴极电极之间产生辉光放电，形成等离子体气氛，对各个靶进行溅射。在溅射中间歇地停止向各个靶施加电力。
Description
技术领域
本发明涉及一种用来在处理基板的表面上形成规定的透明导电膜的溅射方法和溅射装置，尤其涉及使用交流电源的溅射方法和溅射装置。
背景技术
在平板显示器(FPD)的制造工艺中，溅射法是在玻璃等的处理基板表面上形成ITO或IZO等透明导电膜的方法之一。这种溅射法使等离子体气氛下的离子根据要在处理基板的表面上形成的薄膜的组成，向制作成规定形状的靶加速冲击，使溅射粒子(靶原子)飞散，附着、堆积在处理基板的表面上，形成规定的透明导电膜。
其中，随着近些年来FPD的大面积化，通过专利文献1已知如下构成的溅射装置。即，专利文献1中记载的溅射装置具有：在真空腔内与处理基板相对并按相等的间隔并列设置的多片相同形状的靶；向并列设置的靶中各成对的靶施加交流电压，并按照规定的频率交替改变交流电源的极性。并且，在真空中导入规定的溅射气体(根据靶的种类伴有反应气体)，通过交流电源向成对的靶施加电力，将各个靶交替转换为阳极电极、阴极电极，在阳极电极和阴极电极之间产生辉光放电，形成等离子体气氛，从而对各个靶进行溅射。
专利文献1：特开2005-290550号公报
发明内容
发明要解决的问题
上述的溅射装置在溅射中，滞留在靶表面上的充电电荷在被施加相反相位的电压时被抵消。因此，即使在使用铟和锡的氧化物靶作为靶的情况下，也能够抑制由氧化物靶的充电所引起的异常放电(弧光放电)的发生，能够得到良好的透明导电膜。另一方面，在溅射室内电位上绝缘或浮动状态的处理基板也发生充电，但是通常处理基板表面的充电电荷例如被溅射粒子或电离的溅射气体离子所中和，所以逐渐消失。
但是，为提高溅射速度，而使向靶施加的电力变大，或者使靶表面的磁场强度增强，从而提高靶表面附近的等离子体密度的情况下，每单位时间处理基板表面的充电电荷量增加，容易滞留在处理基板的表面上。此外，在FPD制作工艺中，在形成有构成电极的金属膜或绝缘膜的处理基板表面上形成透明导电膜时，充电电荷容易滞留在处理基板表面的绝缘膜上。
充电电荷滞留在处理基板(或在处理基板表面上形成的绝缘膜)上时，有时例如在处理基板与在该处理基板的边缘部上设置的地线接地的掩模板的邻接部位，电位差使掩模板上的充电电荷瞬时漂移，由此产生异常放电(弧光放电)。发生异常放电时，会产生处理基板表面的膜受到损坏从而使产品不合格，或者产生颗粒等问题，阻碍形成良好的透明导电膜。
于是，本发明的第一目的是鉴于上述问题，提供一种可以抑制由处理基板的充电所引起的异常放电的发生、可以对大面积的处理基板形成良好的透明导电膜的溅射方法。此外，本发明的第二目的是提供一种能够通过简单的结构抑制由处理基板的充电所引起的异常放电的发生、可以对特别大面积的处理基板形成良好的透明导电膜的溅射装置。
解决问题的手段
为解决上述问题，权利要求1记载的溅射方法是在向溅射室内导入工艺气体的同时，向溅射室内与处理基板相对并且以规定的间隔并列设置的多片靶中各成对的靶施加电力，且按照规定的频率交替改变极性，将各个靶交替转换为阳极电极、阴极电极，在阳极电极和阴极电极之间产生辉光放电，形成等离子体气氛，对各个靶进行溅射，从而在处理基板的表面上形成规定的透明导电膜的溅射方法，其特征在于，在溅射中间歇停止向各个靶施加电力。
根据本发明，在溅射中，即使在靶前方电离的电子和溅射所产生的二次电子向处理基板的表面移动而引起充电电荷滞留，由于分别间歇停止向各个靶施加电力，所以在向各个靶所施加的电力停止的状态下，向处理基板移动的电离电子和二次电子的量减少，以及处理基板(或者在处理基板的表面上形成的绝缘膜)的充电电荷由于被溅射粒子和电离的溅射气体离子所中和等而消失的情况相继发生，显著抑制了充电电荷在处理基板表面的滞留。其结果是，即使在FPD制作工艺中，对形成有构成电极的金属膜或绝缘膜的处理基板表面上形成透明导电膜的情况下，也能够抑制异常放电的发生，形成良好的透明导电薄膜。从而能够在制造FPD时提高产品合格率。
如果对并列设置的全部靶按照一定的周期进行所述间歇停止，则在溅射中，由于使各个靶前方的等离子体定期消失，并且在等离子体的消失状态下，靠近处理基板的电离电子和二次电子消失，所以能够进一步减少充电电荷向处理基板表面的滞留，能够可靠地防止发生异常放电。
优选将所述间歇停止时间的总和设定为，小于等于在处理基板的表面上形成一定膜厚的规定透明导电膜所必须的溅射时间的10％范围内。如加长停止向靶施加电力的时间设定，与之对应能够抑制充电电荷向处理基板表面的滞留，但是超过溅射时间的10％时，用来形成透明导电膜的溅射时间变长，生产性变差。
用铟和锡的氧化物靶或铟和锡的合金靶作为所述靶，用含H2O气的气体作为导入到处理室内的工艺气体，则由于在向各个靶施加电力的间歇停止时，导入到处理室中的H2O气(反应性气体)被提供给整个处理基板的表面而不被局部消耗，所以防止了透明导电膜局部发生微结晶化，更稳定地得到非晶的透明导电膜。
此外，为解决上述问题，权利要求5记载的溅射装置包括：在溅射室内与处理基板相对并且以规定的间隔并列设置的多片铟和锡的氧化物靶或铟和锡的合金靶；可以向各成对的所述靶施加电力并按照一定的频率交替改变极性的交流电源；可以向溅射室内导入工艺气体的气体导入装置；各个交流电源具有在向一对靶施加电力或停止施加电力两种状态之间进行切换的开关元件，其特征在于，设置控制开关元件切换的控制装置，以在溅射中间歇停止向靶施加电力。
发明效果
如上所述，本发明的溅射方法和溅射装置，在采用交流电源对大面积的处理基板溅射、并形成透明导电膜的情况下，起到可以抑制由处理基板的充电所引起的异常放电的发生、形成良好的透明导电膜的效果。
具体实施方式
参照图1和图2，1是用来在大面积的处理基板表面上形成透明导电膜的本实施方式的磁控管式溅射装置(下面称为“溅射装置”)。溅射装置1为流水式，具有通过旋转泵、涡轮分子泵等真空排气装置(未图示)保持在规定的真空压力(例如10-5Pa)的真空腔11，构成溅射室(处理室)12。在真空腔11的上部设置基板搬送装置2。该基板搬送装置2具有公知的结构，具有在电位浮动状态下保持处理基板S的托板21，使未图示的驱动装置间歇驱动，将基板S依次搬送到与后述的靶相对的位置上。
此外，在真空室12内，为防止在被搬送到与靶相对的位置上的处理基板S上形成透明导电膜时，溅射粒子附着到托板21的表面等上，在基板搬送装置2与靶之间安装有面向基板S的开口13a形成的接地的屏蔽板13。设置将工艺气体导入到真空腔11中或溅射室12内的气体导入装置3。气体导入装置3例如具有一端安装在真空腔11的侧壁上的气体管31，气体管31的另一端通过质量流量控制器32与气体源33连通。在工艺气体中，含有由Ar等稀有气体构成的溅射气体，和在通过反应性溅射形成透明导电膜的情况下、根据要在处理基板S的表面上形成的透明导电膜的组成而适当选择的O2、N2或H2O等反应气体。此外，在真空腔11的下侧设置阴极电极C。
为了能够对大面积的处理基板S有效地形成透明导电膜，阴极电极C具有与处理基板S相对等间隔设置的多片(在本实施方式中是8片)靶41a至41h。各个靶41a至41h是铟和锡的氧化物靶或铟和锡的合金靶等，根据要在处理基板S的表面上形成的ITO或IZO等透明导电膜的组成，采用公知的方法适当制作，例如形成为大致立方体(在上面看呈长方形)等相同的形状。各个靶41a至41h通过铟或锡等粘结材料接合到在溅射中冷却各个靶41a至41h的背板42上。为了使各个靶41a至41h未使用时的溅射面411位于与处理基板S平行的相同的平面上，通过绝缘部件将各个靶41a至41h安装在阴极电极C的框架(未图示)上，在并列设置的靶41a至41h的周围设置接地的屏蔽板43。
此外，阴极电极C分别在位于靶41a至41h的后方(与溅射面411相反的一侧)的位置上具有磁铁组合体5。相同结构的各个磁铁组合体5具有与各个靶41a至41h平行设置的支撑板(轭铁)51。靶41a至41h在正面看呈长方形时，支撑板51由长方形的平板构成，由对磁铁的吸附力进行放大的磁性材料制成，该长方形的平板比各个靶41a至41h的宽度小，形成为从靶41a至41h的长度方向的两侧延出。在支撑板51上，设置在其中央部沿长度方向呈线状设置的中央磁铁52、和沿支撑板51的外周设置包围中央磁铁52周围的边缘磁铁53，以改变溅射面411侧的极性。
设计为换算为中央磁铁52的同磁化时的体积例如与换算为边缘磁铁53的同磁化时的体积的和(边缘磁铁∶中央磁铁∶边缘磁铁＝1∶2∶1)相等，在各个靶41a至41h的溅射面411的前方分别形成均匀的闭环的隧道状磁力线。由此通过捕捉在各个靶41a至41h的前方(溅射面411侧上)电离的电子和溅射产生的二次电子，使各个靶41a至41h前方的电子密度变高，从而能够提高等离子体密度、提高溅射速率。各个磁铁组合体5分别与由电动机或气缸等构成的驱动装置D的驱动轴D1连结，在沿靶41a至41h的并列设置方向的两个位置之间平行并且等速地一体往复运动。由此改变溅射速率变高的区域，在各个靶41a至41h的整个面上都得到均匀侵蚀的区域。
各个靶41a至41h中相邻的两个靶构成一对靶(41a和41b、41c和41d、41e和41f、41g和41h)，对每一对靶分别设置交流电源E1至E4，来自于交流电源E1至E4的输出电缆75a、75b与一对靶41a、41b(41c和41d、41e和41f、41g和41h)连接(参照图2)。于是由交流电源E1至E4向各对靶41a至41h交替改变极性地施加交流电压。
交流电源E1至E4具有相同的结构，由可以供给电力的电力供给部6、按照规定的频率交替改变极性的向一对靶41a、41b(41c和41d、41e和41f、41g和41h)输出交流电压的振荡部7构成。向各个靶41a至41h输出的电压的波形大致是正弦波，但是不限定于此，例如也可以大致是方形波。电力供给部6具有第1CPU电路61、输入商用的交流电压(三相AC200V或400V)的输入部62、和对输入的交流电压进行整流并转换为直流电压的6个二极管63，通过直流电力线64a、64b将直流电压输出给振荡部7。在直流电力线64a、64b之间设置开关晶体管65，通过与第1CPU电路61通信自由地连接的的驱动电路66控制开关晶体管66的接通、断开。
另一方面，振荡部7由下述电路构成：与第1CPU电路61通信自由地连接的第2CPU电路71；设置在直流电力线64a、64b之间的构成振荡用开关电路72的4个第1至第4开关晶体管72a至72d；和与第2CPU电路71通信自由地连接、控制各个开关晶体管72a至72d的接通、断开的其他驱动电路73。因此，当接收来自第1CPU电路61的输出信号的驱动电路66将开关晶体管65接通时，通过直流电力线64a、64b将直流电压输出到振荡部7，接着，由接收来自第2CPU电路71的输出信号的驱动电路73控制各个开关晶体管72a至72d，以使第1和第4开关晶体管72a、72d与第2和第3开关晶体管72b、72c的接通、断开的切换定时相反时，可以通过来自于振荡用开关电路72的经过变压器74的交流电力线75a、75b，将一定电压的正弦波交流电输出给一对靶41a、41b。各个交流电源E1至E4的第1CPU电路61彼此通信自由地连接，来自任何一个CPU电路61的输出信号能够使各个交流电源E1至E4同步运行。
在处理基板S的表面上形成透明导电膜的情况下，由基板搬送装置2将处理基板S搬送到与各个靶41a至41h相对的位置上，溅射室12达到规定的真空压力后，通过气体导入装置3导入规定的溅射气体(和反应性气体)。接着，使交流电源E1至E4运行，向各对靶41a至41h施加交流电压，将各个靶41a至41h交替转换为阳极电极、阴极电极，在阳极电极和阴极电极之间产生辉光放电，形成等离子体气氛。由此使等离子体气氛中的离子向变为阴极电极一方的靶41a至41h加速冲击，溅射粒子飞散，从而在处理基板S的表面上形成透明导电膜。
但是，如上所述构成溅射装置1时，即使在靶41a至41h是铟和锡的氧化物靶的情况下，滞留在靶41a至41h表面上的充电电荷在施加相反相位的电压时被抵消，能够防止由靶41a至41h的充电所引起的异常放电的发生。另一方面，由于浮动状态的处理基板S的表面也发生充电，尤其是在FPD制造工艺中，在用形成有构成电极的金属膜或绝缘膜的处理基板作为处理基板S的情况下，由于充电电荷容易滞留在该绝缘膜上，所以需要不因处理基板S的充电而发生异常放电。
在本实施方式的溅射中，如图3所示，从溅射开始按照一定的周期，根据来自任何一个第1CPU电路61的输出信号，仅在一定的时间内将各个交流电源E1至E4的各个开关晶体管65切换为断开，同时间歇停止由各个交流电源E1至E4向全部靶41a至41h施加电力。其中，所谓同时间歇停止是指存在向全部靶41a至41h的施加电力被停止一定时间的状态，不要求通过各个开关晶体管65的接通、断开的切换而停止施加电力的时期或再次开始施加电力的时期相互一致(也就是说，各个交流电源E1至E4停止施加电力的时期或再次开始施加电力的时期也可以不一致)。
由此在溅射中即使在靶41a至41h的前方供给电离的电子和溅射产生的二次电子使处理基板S充电，在定期向全部靶41a至41h所施加的电力停止的状态下，靶41a至41h前方的等离子体一旦消失，则靠近处理基板S的电离电子和二次电子消失，并且处理基板S表面的充电电荷由于例如被溅射粒子和电离的溅射气体离子所中和而消失，上述二者结合，显著抑制了充电电荷向处理基板S表面的滞留。其结果是，可防止伴随处理基板S的充电发生异常放电，可以形成良好的透明导电膜。此外，由于转换向靶41a至41h的电力施加和停止的开关晶体管65兼用为间歇停止向靶41a至41h的电力施加的开关元件，所以不用追加其他部件，通过简单的结构就能够实现间歇停止向靶41a至41h施加电力。
施加电力的停止时间和周期(溅射中的停止次数)根据靶的类别和处理基板S的种类，将间歇停止时间的总和适当设定在小于等于溅射时间的10％的范围内。间歇停止时间的总和超过溅射时间的10％时，溅射时间变长，生产性变差。例如，在FED制造工艺中用铟和锡的氧化物作为靶41a至41h，在形成有构成电极的金属膜或绝缘膜的处理基板S的表面上形成膜厚
的ITO透明导电膜的情况下，可以设定在1.0-5.0ms的范围内。
但是，用铟和锡的氧化物靶或铟和锡的合金靶作为靶41a至41h，用H2O气体或含H2O气体和O2气的混合气体作为反应性气体，通过反应性溅射形成ITO膜时，导入到溅射室12中的H2O气被局部消耗，所以在处理基板表面上形成的ITO膜中会产生局部发生微结晶化的部位。在ITO膜中局部产生微结晶化的部位时，不仅导电性降低，而且在后面的工序中对ITO膜进行蚀刻时，每单位时间的蚀刻速度在处理基板的面内变得不均匀，因此生产性变差。
与此相对，如本发明所述间歇停止向各个靶41a至41h施加电力的情况下，在停止施加电力时，导入到溅射室12中的H2O气被供给到处理基板S的整个表面上，其结果是防止了透明导电膜局部发生微结晶化，更稳定地得到非晶质的透明导电膜，同时在后面的工序中即使在对ITO膜进行蚀刻的情况下，也能够使每单位时间的蚀刻速度在处理基板的面内大致均等。
而且在本实施方式中，以使用8片靶为例，说明对每个相邻的靶分配交流电源来施加电力的情况，但是不限于此，靶的片数和成对的靶的组合可以根据透明导电膜形成工艺适当设定。此外，说明了同时间歇停止向各个靶41a至41h施加电力的情况，但是只要能够防止伴随处理基板S的充电发生异常放电，就不限于此。例如，如图4所示，也可以控制为以并列设置的8片靶中相邻的4片为靶组，在停止向一个靶组41a至41d施加电力的状态下，继续向另一个靶组41e至41h施加电力，在再次开始向一个靶组41a至41d施加电力之后，停止向另一个靶组41e至41h施加电力。由此能够控制充电电荷滞留到处理基板S上。
附图说明
图1是本发明的溅射装置的示意图。
图2是图1中示出的溅射装置的交流电源的说明图。
图3是由交流电源向靶施加电力的控制说明图。
图4(a)至(c)是由交流电源向靶施加电力的其他控制说明图。
附图标记说明
1溅射装置
12溅射室
3气体导入装置
41a至41h靶
E1至E4交流电源
65开关元件
S处理基板
Claims (5)
1.一种溅射方法，在向溅射室内导入工艺气体的同时，向溅射室内与处理基板相对并且以规定的间隔并列设置的多片靶中各成对的靶施加电力，并按照规定的频率交替改变极性，将各个靶交替转换为阳极电极、阴极电极，在阳极电极和阴极电极之间产生辉光放电，形成等离子体气氛，对各个靶进行溅射，从而在处理基板的表面上形成规定的透明导电膜，其特征在于，在溅射中间歇停止向各个靶施加电力。
2.如权利要求1所述的溅射方法，其特征在于，对并列设置的全部靶按照一定的周期进行所述间歇停止。
3.如权利要求1或2所述的溅射方法，其特征在于，将所述间歇停止时间的总和设定为，小于等于在处理基板的表面上形成一定膜厚的规定透明导电膜所必须的溅射时间的10％范围内。
4.如权利要求1至3中任何一项所述的溅射方法，其特征在于，用铟和锡的氧化物靶或铟和锡的合金靶作为所述靶，用含H2O气的气体作为导入到处理室内的工艺气体。
5.一种溅射装置，包括：在溅射室内与处理基板相对并且以规定的间隔并列设置的多片铟和锡的氧化物靶或铟和锡的合金靶；可以向分别成对的所述靶施加电力并按照一定的频率交替改变极性的交流电源；可以向溅射室内导入工艺气体的气体导入装置；各个交流电源具有在向一对靶施加电力或停止施加电力两种状态之间进行切换的开关元件，其特征在于，设置控制开关元件切换的控制装置，以在溅射中间歇停止向靶的电力施加。
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