CN101490304A - 等离子体成膜装置与膜制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种等离子体成膜装置，具有发射等离子体束的等离子体枪、和施加磁场到从等离子体枪发射的等离子体束以将等离子体束的束截面变形成几乎矩形或椭圆形的形状的磁体，所述等离子体成膜装置包括多个磁体单元，所述多个磁体单元偏转其束截面被变形的等离子体束，以用偏转的等离子体束照射照射靶。要被布置在照射靶的表面的下后侧的第一磁体和具有与第一磁体的磁极相同的磁极的第二磁极被布置在每一个磁体单元中。第一磁体和第二磁体排列成彼此间隔开。

Description

等离子体成膜装置与膜制造方法
技术领域
本发明涉及等离子体成膜装置，更具体地，涉及偏转等离子体束以将它引到蒸发材料上的类型的等离子体成膜装置。
背景技术
近年来，用于诸如LCD(液晶显示器)、PDP(等离子体显示面板)等的大屏幕显示器件的大面积基板上的诸如透明导电膜ITO、前面板电极保护层(例如MgO或氧化镁)等的薄膜的产量增大。随着对高分辨率面板的需求增大，离子镀(ion plating)方法作为代替电子束(EB)成膜方法或溅射方法的成膜方法吸引了注意。离子镀方法不仅能够实现高的成膜速度、高密度膜的形成与大的处理裕度(margin)，而且使得能够通过由磁场控制等离子体束而在大面积基板上成膜。
在具有这样的优点的离子镀方法中，对于在用于显示器的大面积基板上的成膜，中空阴极型离子镀方法特别有前景。在采用中空阴极型离子镀方法的成膜装置中，Ar气被引入到包含中空阴极和多个电极的等离子体枪以产生高密度等离子体。在使用磁场改变等离子体束的形状和轨道之后，将等离子体束引导到成膜腔。由等离子体枪产生的等离子体束在垂直于等离子体束照射(irradiation)方向的方向上延伸，并且穿过由磁体产生的磁场，所述磁体由彼此平行地布置的相对的永磁体形成。
等离子体束照射方向是穿过等离子体枪的中心并且平行于蒸发材料盘的上表面的图1中箭头Z的方向，并且是指等离子体束被偏转之前它从等离子体枪被发射的照射方向。因此，穿过磁场的等离子体束形成片状的薄的扩展的等离子体束。以这种方式，利用引入(pull-in)磁体，等离子体束能够在宽范围上照射蒸发材料盘上的蒸发材料(例如MgO)。这也能够在宽范围内使蒸发材料加热和蒸发，以在大宽度基板上形成膜(参见日本专利公开第9-78230号)。
近年来，对于作为代替传统阴极射线管型显示器件的平的大屏幕显示器件的LCD和PDP的需求急剧增大。迫切需要进一步改进LCD和PDP的生产率。当要采用上述中空阴极型离子镀方法以在用于这样的大屏幕显示器件的大面积基板上形成薄膜时，必须增大要被注入(inject)到蒸发源的等离子体束的功率，从而增大成膜速度。
发明内容
本发明要解决的问题
但是，当增大等离子体束的注入功率时，可能从用等离子体束照射的蒸发材料未预料地产生被称为飞溅物(splash)的滴状或微细的固体散射物(scattering)(蒸发材料)。
注入功率越高以增大成膜速度，则飞溅物的产生量就越大。功率增大的等离子体束的能量集中在蒸发材料的照射部分上。这可能导致诸如在照射部分处的突沸(bumping)的现象，从而导致飞溅物。因此，在传统的等离子体成膜装置中，如果在成膜期间由飞溅物导致的散射物附着到基板的表面，那么它们可能被不期望地沉积在已经形成的孔和槽中或者在其他图案上，以形成空隙和任何其他的缺陷配线。因此，这显著地降低显示装置的质量。
解决问题的手段
考虑到上述问题而作出了本发明，且本发明将防止飞溅物出现而不降低成膜速度作为其目的。
为了实现上述目的，根据本发明，提供一种等离子体成膜装置，其具有发射等离子体束的等离子体枪、和将磁场施加到从等离子体枪发射的等离子体束以将等离子体束的束截面变形成几乎矩形或椭圆形形状的磁体，所述装置包括：
多个磁体单元，其偏转其束截面被变形的等离子体束，以用被偏转的等离子体束来照射照射靶，
其中，要被布置在照射靶的表面的下后侧(lower backside)的第一磁体和具有与第一磁体的磁极相同的磁极的第二磁体被布置在磁体单元中，使得第一磁体和第二磁体排列(line up)成彼此间隔开。
根据本发明的等离子体成膜装置，第一磁体和第二磁体沿等离子体束的照射方向排列。
根据本发明的等离子体成膜装置，第一磁体和第二磁体通过磁轭(yoke)排列。
根据本发明的等离子体成膜装置，第一磁体和第二磁体通过第三磁体排列，所述第三磁体布置在照射靶的表面的下后侧，并且具有与第一磁体和第二磁体的磁极不同的磁极。
根据本发明的等离子体成膜装置，第一磁体和第二磁体中被布置得离等离子体枪最远的磁体产生最强的磁场。
根据本发明的等离子体成膜装置，第一到第三磁体具有四边棱柱(quadrangular prismatic)形状。
根据本发明的制造要被形成在基板上的膜的方法，所述方法包括：
为了使蒸发材料蒸发，将由根据本发明的等离子体成膜装置产生的等离子体照射到充当照射靶的蒸发材料的步骤，所述照射靶被容纳在布置于能被抽空(evacuate)的成膜腔内的蒸发材料盘中，以及
在基板上形成膜的步骤，所述基板布置在成膜腔中与蒸发材料盘相对的位置处，相对于蒸发材料盘有预定的间隙。
根据本发明的等离子体成膜装置，偏转等离子体束的多个磁体被布置成沿等离子体束的照射方向彼此间隔开，使得在照射靶侧呈现同样的磁极。
结果，能够在宽的范围中使照射蒸发材料的等离子体束分散(disperse)，以增大蒸发材料上等离子体束的照射面积。此外，在增大等离子体束的功率以增大成膜速度的同时，能够降低照射单位面积的蒸发材料的等离子体束的能量密度。因此，能够提供能防止飞溅物而不降低成膜速度的等离子体成膜装置。
从结合附图的以下描述，本发明的其他特征和优点将是明显的，在其所有附图中，相似的附图标记指示相同或类似的部件。
附图说明
被并入并且构成说明书的一部分的附图示出本发明的实施例，并且，与描述一起用于解释本发明的原理。
图1是显示根据本发明的实施例的等离子体成膜装置的示意性布置的平面图；
图2是显示根据本发明的实施例的等离子体成膜装置的示意性布置的侧视图；
图3A是显示根据本发明的实施例的引入磁体单元的示意性布置的侧视图；
图3B是显示根据另一实施例的引入磁体单元的示意性布置的侧视图；
图3C是显示根据又一实施例的引入磁体单元的示意性布置的侧视图；以及
图3D是显示根据又一实施例的引入磁体单元的示意性布置的侧视图。
具体实施方式
将参考图1到图3A-3D详细描述本发明的实施例。图1是显示根据本发明的实施例的等离子体成膜装置的示意性布置的平面图。图2是显示根据本发明的实施例的等离子体成膜装置的示意性布置的侧视图。图3A是显示根据本发明的实施例的引入磁体单元的示意性布置的侧视图。
图3B是显示根据另一实施例的引入磁体单元的示意性布置的侧视图。图3C是显示根据又一实施例的引入磁体单元的示意性布置的侧视图。图3D是显示根据又一实施例的引入磁体单元的示意性布置的侧视图。
根据此实施例的等离子体成膜装置10是这种类型的等离子体成膜装置：其偏转通过用磁体27和29将等离子体束25的截面变形成几乎矩形或椭圆形的形状而获得的等离子体束28，以将等离子体束28引到蒸发材料31上。将等离子体束28引到蒸发材料31上的引入磁体单元33包含多个引入磁体(第一磁体34和第二磁体35)，所述多个引入磁体布置在蒸发材料盘32(照射靶体)的下后侧，并且排列成沿等离子体束的照射方向(箭头Z的方向)彼此间隔开。此布置在防止飞溅物出现的同时实现了生产率的改进。
如图1和2中所示，根据此实施例的等离子体成膜装置10包含：等离子体枪20；会聚线圈26，其牵引来自等离子体枪20的等离子体束，从而等离子体束行进到成膜腔30中；以及成膜腔30，其容纳将引出的等离子体束变形成具有几乎矩形或椭圆形的截面的磁体27和29、引入磁体单元33、用于保持蒸发材料31的蒸发材料盘32，以及基板39。下面将详细描述各组成构件。
等离子体枪20包含中空阴极21、电极磁体22和电极线圈23。在成膜腔30侧，按照电极磁体22、电极线圈23的顺序，在中空圆柱状的中空阴极21的轴上布置电极磁体22和电极线圈23。电极线圈23连接到从成膜腔30延伸的等离子体通过部分30a。等离子体枪20的阴极21a连接到DC电源V1的负极侧。电极磁体22和电极线圈23经由电阻器R1和R2连接到DC电源V1的正极侧。在此布置中，当操作DC电源V1时，在等离子体枪20中产生圆柱状等离子体束。尽管在此实施例中等离子体枪20被布置在成膜腔30外面，但是，其可以被布置在成膜腔30里面。此实施例例示了其中安装一个等离子体枪20的等离子体成膜装置10。本发明也可应用于其中多个等离子体枪被安装在成膜腔30中的等离子体成膜装置。
会聚线圈(空心线圈)26被布置在等离子体枪20中在比电极线圈23更靠近成膜腔30的一侧上，以围绕成膜腔30的等离子体通过部分30a。会聚线圈26被与中空阴极21同轴地布置。当从外部电源(没有示出)向会聚线圈26施加DC电流时，等离子体枪20中产生的等离子体束被引入到成膜腔30中。等离子体束25被沿中空阴极21和会聚线圈26的轴的延长线(Z方向)引出，并且在成膜腔30中行进。
在成膜腔30中，按照磁体29、27的顺序，从上游侧(等离子体枪20侧)顺着(downstream)等离子体束25的辐射(radiation)方向顺序地布置磁体29和27。磁体27和29是在垂直于等离子体束25的辐射方向的方向上延伸、并且被彼此平行地布置以彼此相对的板状永磁体。当从等离子体枪20引出到成膜腔30中的等离子体束25穿过由磁体27和29产生的磁场时，等离子体束25形成在垂直于辐射方向(Z方向)的方向(X方向)上扩展并且具有被变形成几乎矩形或椭圆形的形状的束截面的等离子体束28。尽管在此实施例中布置了两组磁体27和29，但是磁体可以包含一组。备选地，可以布置三组或更多组磁体。磁体27和29可被布置在成膜腔30外面。
能够被抽空的成膜腔30容纳蒸发材料盘32与要在其上形成膜的基板39(例如用于显示器的大尺寸基板)，所述蒸发材料盘32容纳并保持蒸发材料(例如MgO或透明导电膜ITO)31。基板39由基板保持件(没有示出)保持，并被布置成与由蒸发材料盘32保持的蒸发材料31相对。基板39以根据所需的规格而确定的预定间隙与蒸发材料31相对，并且(沿图2中Z方向的箭头43)被连续地运送以与辐射方向(Z方向)平行。
如图2所示，在成膜腔30中，多个引入磁体单元33被沿垂直于等离子体束25的辐射方向(Z方向)的方向(X方向)布置在蒸发材料盘32的下后侧。通过从等离子体枪20侧即沿等离子体束25的照射方向布置具有相同的四边棱柱形状(每一个在照射方向上具有长度a)的引入磁体34(第一磁体)和引入磁体35(第二磁体)，并在引入磁体34和35之间布置磁轭36，形成图3A中详细显示的每一个引入磁体单元33。
布置引入磁体34和35，使得相同的磁极例如S极与蒸发材料盘32相对。通常，引入磁体34和35中的每一个可由例如钐钴基磁体(Sm·Co)或钕基磁体(Nd·Fe·B)形成。
尽管在此实施例中Z方向上的引入磁体34和35中的每一个的宽度a被设在10mm和30mm之间，但是其不是特别限定的，且可以考虑要使用的引入磁体的材料和所需的等离子体束的偏转方向而被自由设定。
利用以上布置，由引入磁体34和35产生的磁场偏转在成膜腔30中行进的等离子体束28，以将等离子体束28引到蒸发材料盘32上的蒸发材料31上。从而，蒸发材料31被加热并蒸发，以在与蒸发材料31相对的基板39上形成膜。根据此实施例，由于磁轭36的存在，引入磁体34和35被布置成彼此间隔开。从而，分别产生引入磁体34的磁场和引入磁体35的磁场。引入磁体34和35产生的磁场在等离子体束28的照射方向(Z方向)上使等离子体束28的偏转方向分散，从而能够用等离子体束28在较大范围上照射蒸发材料31。因此，即使当增大等离子体束25的功率以改进诸如成膜速度的生产率时，也能够扩大蒸发材料31上等离子体束28的照射面积，并且能够抑制能量密度的急剧局部增大，从而防止飞溅物出现。
与此相对比，当只采用一个引入磁体并且增大与蒸发材料盘32相对的引入磁体的面积时，尽管可以使得由引入磁体产生的磁场是强的，但是由于磁场仅由一个引入磁体产生，所以不能使等离子体束28分散。甚至当增大等离子体束25的功率时，等离子体束28的能量密度可局部急剧增大而导致飞溅物。
在上述引入磁体单元33中，磁轭36被布置在引入磁体34和35之间。备选地，如图3B中所示，可以采用引入磁体单元133，其中，磁体136(第三磁体)被布置在两个引入磁体134和135(第一磁体和第二磁体)之间。
通过从等离子体枪20侧顺序地布置引入磁体134和135，使得它们在蒸发材料盘32侧的部分是S极而形成引入磁体单元133，所述引入磁体134和135具有相同的四边棱柱形状(每一个在Z方向具有宽度a)，并且由与引入磁体34和35的材料相同的材料制成。此外，磁体136(第三磁体)被布置在引入磁体134和135之间，使得其在蒸发材料盘32侧的部分是N极(与引入磁体134和135的磁极不同的磁极)。磁体136可以由例如钐钴基磁体或钕基磁体形成。引入磁体134和135与磁体136被固定并且被布置在长板状磁轭137上。
在具有以上布置的引入磁体单元133中，由于磁体136的存在，引入磁体134和135被布置成彼此间隔开。因而，分别产生引入磁体134的磁场和引入磁体135的磁场。由引入磁体134和135产生的磁场使等离子体束28的偏转方向分散，使得能够在蒸发材料31的较大范围上使等离子体束28分散。因此，即使当增大等离子体束25的功率以改进诸如成膜速度的生产率时，也能够扩大蒸发材料31上等离子体束28的辐射面积，并且能够抑制能量密度的急剧局部增大，从而防止飞溅物出现。
代替上述磁轭36或磁体136，如果两个引入磁体仅通过间隙彼此间隔开，那么所述两个引入磁体分别产生磁场。因此，能够使等离子体束28的偏转方向分散，从而能够用等离子体束28在较大的范围上照射蒸发材料31。
在上述引入磁体单元33中，引入磁体34和35由具有相同形状的磁体形成。如果由位于距等离子体枪20远的磁体35产生的磁场大于由位于距等离子体枪20近的引入磁体34产生的磁场，那么引入磁体35的磁场能够容易地覆盖等离子体枪20侧的较大的范围，从而等离子体束28能够被更可靠地分散，这是优选的。这能够通过以下而实施：由钐钴基磁体(Sm·Co)形成引入磁体34，并且由能够产生比钐钴基磁体所产生的磁场更强的磁场的钕基磁体(Nd·Fe·B)形成引入磁体35，从而用引入磁体35获得比用引入磁体34获得的磁场更大的磁场。
如在图3C中所示的引入磁体单元233中，如果引入磁体235(在辐射方向具有长度b)的体积大于在等离子体枪20侧的引入磁体234(在辐射方向具有长度a)的体积(b>a)，那么由引入磁体235(第二磁体)产生的磁场就能够变得大于由引入磁体234(第一磁体)产生的磁场。在此引入磁体单元233中，磁体236(第三磁体)被布置在引入磁体234和235(第一和第二磁体)之间，并且引入磁体234和235与磁体236被布置在长板状磁轭237上。引入磁体234和235与磁体236中的每一个可以由例如钐钴基磁体(Sm·Co)或钕基磁体(Nd·Fe·B)形成。代替磁体236，可以布置磁轭，或者可以在引入磁体234和235之间留出间隙。
如在图3D中所示的引入磁体单元333中，可以布置引入磁体334和335，以使引入磁体335(第二磁体)的S极的远端面(distal end face)比等离子体枪20侧的引入磁体334(第一磁体)的S极的远端面更靠近蒸发材料盘32侧(Y方向)。
此布置能够增大施加到等离子体束28的引入磁体334和335的磁场中由引入磁体335产生的磁场的比例。这是优选的，因为能够更可靠地分散等离子体束28。通过以下来形成此引入磁体单元333：从等离子体枪20侧顺序地布置具有四边棱柱形状和垂直于纵向方向的同样截面的引入磁体334和335(第一和第二磁体)，并在引入磁体334和335之间布置磁轭336。引入磁体334和335中的每一个可以由例如钐钴基磁体(Sm·Co)或钕基磁体(Nd·Fe·B)形成。可以布置引入磁体335，以使其N极的远端面处于与引入磁体334的N极的远端面几乎相同的位置处。备选地，引入磁体334和335可以具有相同的形状，并且引入磁体335可被布置得比引入磁体334更靠近蒸发材料盘32侧。
所述多个引入磁体可以包含布置在等离子体束28的照射方向上的三个或更多个引入磁体，只要它们彼此间隔开即可。在此情况下，各引入磁体当然能被布置成彼此间隔开。彼此相邻布置的引入磁体的块也可被彼此间隔开。在引入磁体之间，可以布置磁轭和具有与引入磁体的磁极相反的磁极的磁体两者。所述多个引入磁体不需要直接在等离子体束25下排列，只要它们被布置成彼此间隔开并且能够使等离子体束28的偏转方向分散即可。
下面将描述使用根据此实施例的等离子体成膜装置10在基板39上形成膜的方法(制造膜的方法)。
首先，如图1和2中所示，将蒸发材料31布置在能够被抽空的成膜腔中的蒸发材料盘32上，并且将要进行成膜处理的基板39设置在基板保持件(没有示出)上。
然后，为了将成膜腔30的内部设置成根据成膜规格而确定的预定真空度，将成膜腔30的内部抽空(箭头42)，并且将反应气体供给到成膜腔30中(箭头41)。
在此状态下，将等离子体束产生气体(例如氩(Ar))引入到等离子体枪20的中空阴极21中(箭头40)。当操作DC电源V1时，由会聚线圈26产生的磁场会聚由等离子体枪20产生的等离子体束25。会聚的等离子体束25在扩展成具有由施加到会聚线圈26的电流所确定的特定直径的圆柱形状的同时，被引出到成膜腔30中。被引出的等离子体束25穿过由磁体27和29产生的磁场，以形成被各磁场变形成具有几乎矩形或者椭圆形的截面的平的、片状等离子体束28。
等离子体束28朝被基板39和蒸发材料31夹在中间的空间传播，并且被引入磁体34和35产生的磁场偏转，从而将等离子体束28引到蒸发材料31上，所述引入磁体34和35被布置在蒸发材料盘32的下后侧，以使它们的S极与蒸发材料31侧相对。蒸发材料31被等离子体束28加热的部分被蒸发。蒸发的蒸发材料31到达正通过基板保持件(没有示出)在从等离子体枪20分开的方向(箭头43)上移动的基板39，并且在基板39的表面上形成膜(例如MgO)。
使用根据以上实施例的成膜装置，在下面的条件下进行氧化镁成膜试验。
作为用于比较的引入磁体单元，使用具有与图3B中所示的布置同样的布置的一个引入磁体单元。作为传统引入磁体的例子，只采用S极与蒸发材料盘32的下后侧相对的一个引入磁体。蒸发材料盘32和引入磁体134之间的距离与蒸发材料盘32和引入磁体135之间的距离都为80mm。引入磁体134和135等具有相同的形状。
用于氧化镁的沉积条件如下：
·放电功率...0.16Pa
·Ar流率...11sccm
·功率...26.1kW
·聚焦线圈电流...45A
使用根据本发明实施例的成膜装置，在以上成膜条件下在基板39上形成氧化镁膜。测量在蒸发材料盘32上形成的等离子体束28的照射标记(照射面积)。
与采用一个引入磁体的传统情况相比，当采用具有图3B中所示布置的引入磁体单元133时，在等离子体束25的照射方向(图1和3B中的Z方向)上照射面积增大至约1.5倍。在以上成膜条件下，当采用一个引入磁体时，当达到如170
Figure A200780025754D0014104245QIETU
/秒那么高的成膜速度时产生飞溅物。但是，当使用引入磁体单元133时，维持了高的成膜速度而不产生飞溅物。
已经在参照以上实施例的同时描述了本发明。注意，本发明不限于以上实施例，并且，为了改进的目的或者在本发明的精神和范围内，可以作出各种改变和修改。
本发明不限于以上实施例，并且，可以作出各种改变和修改而不脱离本发明的精神和范围。因此，为了告知公众本发明的范围，附上下面的权利要求。
本申请基于2006年7月7日提出的在先日本专利申请第2006-188521号，并且要求其优先权，其所有内容在此通过引用被并入。

Claims (7)

1、一种等离子体成膜装置，具有发射等离子体束的等离子体枪、和施加磁场到从所述等离子体枪发射的等离子体束以将所述等离子体束的束截面变形成几乎矩形或椭圆形的形状的磁体，所述装置包含：
多个磁体单元，所述多个磁体单元偏转其束截面被变形的所述等离子体束，以用被偏转的等离子体束照射照射靶，
其中，要被布置在所述照射靶的表面的下后侧的第一磁体和具有与所述第一磁体的磁极相同的磁极的第二磁体被布置在所述磁体单元中，以使所述第一磁体和所述第二磁体排列成彼此间隔开。
2、根据权利要求1的等离子体成膜装置，其中所述第一磁体和所述第二磁体沿所述等离子体束的辐射方向排列。
3、根据权利要求1或2的等离子体成膜装置，其中所述第一磁体和所述第二磁体通过磁轭排列。
4、根据权利要求1或2的等离子体成膜装置，其中所述第一磁体和所述第二磁体通过第三磁体排列，所述第三磁体被布置在所述照射靶的表面的下后侧，并且具有与所述第一磁体和所述第二磁体的磁极不同的磁极。
5、根据权利要求1或2的等离子体成膜装置，其中在所述第一磁体和所述第二磁体中，被布置成离所述等离子体枪最远的磁体产生最强的磁场。
6、根据权利要求4的等离子体成膜装置，其中所述第一磁体、所述第二磁体和所述第三磁体具有四边棱柱形状。
7、一种制造要被形成在基板上的膜的方法，所述方法包含：
为了使蒸发材料蒸发，将由根据权利要求1的等离子体成膜装置产生的等离子体照射到充当照射靶的蒸发材料的步骤，所述照射靶被容纳在布置于能被抽空的成膜腔中的蒸发材料盘中，以及
在所述基板上形成膜的步骤，所述基板被布置在所述成膜腔中相对于所述蒸发材料盘以预定的间隙面对所述蒸发材料盘的位置处。
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