JP4782622B2

JP4782622B2 - 無機配向膜の形成方法

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Publication number: JP4782622B2
Application number: JP2006176446A
Authority: JP
Inventors: 信青代
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2006-06-27
Filing date: 2006-06-27
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2026-06-27
Also published as: JP2008008948A

Description

本発明は、液晶用無機配向膜の形成工程に用いて好適な無機配向膜の形成方法に関する。

従来より、例えば、負の誘電異方性を有する液晶分子を、液晶パネルを構成する一対の基板間に垂直配向するように封入したＶＡ（Vertically Aligned）モードの液晶表示装置が広く知られている。

ＶＡモードの液晶表示装置では、電界無印加時に液晶分子が基板の主面に対してほぼ垂直に配向するため、光は液晶層をその偏光面をほとんど変化させることなく通過する。従って、基板の上下に偏光板を設置することにより、電界無印加時において良好な黒色表示が可能である。これに対して、電界印加時には、液晶分子は基板の主面に対して傾斜配向し、その結果生じる複屈折性により入射する光の偏光面が回転する。このＶＡモードの液晶表示装置は、ＴＮ（Twisted Nematic）モードの液晶表示装置に比べて、高いコントラストを実現できるという利点を有している。

上述のように、ＶＡモードの液晶表示装置では、電界印加時に液晶分子を傾斜配向させて複屈折性を得るようにしている。そのため、電界無印加時において液晶分子をあらかじめ微小な傾斜角度（プレチルト角）を持たせて配向させている。液晶分子を基板の主面に対して所定のプレチルト角で配向させるため、基板の液晶層対向面には配向膜が形成されている。

従来より、液晶基板用の配向膜には、ポリイミド等の有機材料が広く用いられている。しかし、有機材料からなる配向膜は、耐光性や耐熱性に劣るため、近年では、ＳｉＯ₂等のシリコン酸化物からなる耐光性、耐熱性に優れた無機配向膜の開発が進められている。液晶基板用の無機配向膜の形成には、従来より、斜方蒸着法が用いられている（下記特許文献１参照）。

特開平６−１８６５６３号公報

ところで、液晶用無機配向膜においては、配向膜の配向特性が基板全面において均等である必要がある。このため、従来より、蒸発源と基板間の距離を大きくすることで、基板に対する蒸発材料の入射角を均一化し、基板全面において均等な配向特性を持たせるようにしている。

一方、蒸発源と基板間の距離を大きくすると成膜レートが低下する。成膜レートを高めるには、蒸発源のパワーを上げて蒸発材料の蒸発量を多くすればよい。

しかしながら、ＳｉＯ₂膜からなる無機配向膜の形成工程において、蒸発源に大パワーと投入すると、蒸発材料であるＳｉＯ₂からの放出ガス（ＳｉＯ₂からの分離酸素、吸着水分の蒸発ガス）が著しくなる。その結果、チャンバの排気能力が十分でないと、チャンバ内の真空度が低下して平均自由行程が短くなり、蒸着効率、成膜レートが悪化する。このため、この種の従来の真空蒸着装置においては、巨大な排気設備が必要となり、装置が大型化するとともに運転コストが高くなるという問題がある。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、蒸発材料の放出ガスによるチャンバ内圧力の上昇を抑制し、蒸着効率及び成膜レートの向上を図ることができる無機配向膜の形成方法を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するに当たり、本発明の無機配向膜の形成方法は、真空チャンバ内において、蒸発源で蒸発させたシリコン酸化物を基板上に蒸着させ、基板上にＳｉＯ₂からなる無機配向膜を形成する方法であって、蒸発材料として、ＳｉＯ₂とＳｉＯの混合材料を用いることを特徴とする。

ＳｉＯ₂とＳｉＯの混合材料を蒸発材料に用いることで、ＳｉＯ₂の蒸発時に発生する放出ガス（特に酸素ガス）をＳｉＯによって捕捉し放出ガス量を低減する。これにより、チャンバ内圧力の上昇による平均自由行程の低下を抑えられ、蒸着効率及び成膜レートの向上を図ることができる。また、巨大な排気設備を必要とすることなく蒸発源と基板との間の距離を大きく設定することができるので、斜方蒸着の際において基板に対する蒸発物質の入射角の均一化を図ることができる。これにより、基板面内において均一な配向特性を有する無機配向膜を形成できるとともに、装置の小型化及び運転コストの低減を図ることができる。

ＳｉＯ₂に対するＳｉＯの添加量は、２５ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下が好ましい。ＳｉＯの添加量が２５ｗｔ％未満ではＳｉＯ₂からの放出ガス量低減効果が小さく、また、ＳｉＯの添加量が５０ｗｔ％を超えると、形成される無機配向膜（ＳｉＯ₂）の酸素欠損による膜の黄色化が顕在化するからである。

以上述べたように、本発明によれば、ＳｉＯ₂からなる無機配向膜を形成するに当たり、蒸発材料からの放出ガスによる蒸着効率及び成膜レートの低下を抑えることができるとともに、均質な配向特性を有する無機配向膜の成膜が可能となる。また、巨大な排気設備を不要として装置の小型化及び運転コストの低減を図ることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施形態において用いられる蒸着装置１の概略構成図である。この蒸着装置１は、蒸発室２及び成膜室３を有する真空チャンバ４と、蒸発室２に設置された蒸発源５と、成膜室３に設置され基板Ｗを保持する基板ホルダ６とを備えている。

蒸発室２と成膜室３は互いに連通しており、各室２，３は排気ポート２ａ及び排気ポート３ａ〜３ｄを介して所定の真空度に真空排気可能に構成されている。蒸発室２及び成膜室３の所定位置には図示せずとも圧力センサが設置されている。

蒸発源５は、蒸発材料Ｍを蒸発させるためのもので、本実施形態では、図示しない電子銃から照射される電子ビームで蒸発材料を加熱蒸発させる電子ビーム蒸発源が用いられている。なおこれに限らず、抵抗加熱源等の他の蒸発源を用いてもよい。

基板ホルダ６は、所定の距離Ｌだけ隔てて蒸発源５と対向する位置に基板Ｗを保持するためのもので、回動軸６ａの周りに矢印方向に回動可能に構成されている。基板ホルダ６は、成膜時に基板Ｗを加熱する加熱源（ヒータ等）を内蔵している。距離Ｌは、蒸発源５と基板Ｗ間の距離であり、本実施形態では３ｍ（メートル）とされている。基板ホルダ６の近傍位置には、膜厚モニタ７が設置されている。

上記構成の蒸着装置１は、蒸発源５において蒸発材料Ｍを蒸発させ、その蒸発物質を基板ホルダ６上の基板Ｗに蒸着させる。基板Ｗは液晶パネル用のガラス基板であり、当該蒸着装置１によって基板Ｗ上にＳｉＯ₂からなる無機配向膜が形成される。なお、蒸着の際に、基板ホルダ６を所定角度傾斜させて基板Ｗを保持することで、基板Ｗに対する蒸発物質の斜方蒸着を行うことができる。

基板ＷにＳｉＯ₂からなる無機配向膜を形成するに当たり、蒸発材料ＭにＳｉＯ₂単体を用いると、蒸発材料の蒸発に伴って、ＳｉＯ₂からの分離酸素や吸着水分の蒸発に起因する酸素ガスを含む放出ガスが発生する。放出ガスのガス量は、蒸発材料の蒸発量の増加に伴って増加する。即ち、蒸発源５のパワー（電子銃に印加されるエミッション電流）が大きくなるほど放出ガス量が増加し、真空チャンバ２の内圧を上昇させる。これにより、チャンバ内の平均自由行程が低下し、基板Ｗに対する蒸発物質の蒸着効率及び成膜レートが低下するという問題があった。

そこで、本実施形態では、蒸発材料Ｍとして、ＳｉＯ₂とＳｉＯの混合材料を用いている。ＳｉＯ₂とＳｉＯの混合材料を用いることで、ＳｉＯ₂の蒸発時に発生する放出ガス（特に酸素ガス）をＳｉＯによって捕捉し放出ガス量を低減する。これにより、チャンバ内圧力の上昇による平均自由行程の低下が抑えられ、蒸着効率及び成膜レートの向上を図ることができる。

図２は、蒸発材料Ｍとして、ＳｉＯ₂単体、ＳｉＯ₂−１０ｗｔ％ＳｉＯ、ＳｉＯ₂−２５ｗｔ％ＳｉＯ及びＳｉＯ₂−５０ｗｔ％ＳｉＯの各種混合材料を用いたときの蒸発源５の出力（蒸発源を構成する電子銃のエミッション電流値）と真空チャンバ１の圧力との関係を示している。図２に示すように、エミッション電流値が高くなるに従い、チャンバ圧力が上昇する。これは、蒸発材料の蒸発に伴って発生する放出ガスの影響で、真空チャンバ１内の真空度が低下することを表している。

また、図２から明らかなように、ＳｉＯ₂単体に比べて、ＳｉＯ₂とＳｉＯの混合材料の方が、チャンバ圧力の上昇率が低い。これは、ＳｉＯ自身による放出ガスのゲッタ作用によって放出ガス量が低減されるからである。放出ガスを捕捉したＳｉＯはＳｉＯ₂に組成変化する。更に、図２から、ＳｉＯによる放出ガスの低減効果は、ＳｉＯの添加量が多い材料ほど高いことがわかる。

ここで、平均自由行程λ［ｍ］は、チャンバ圧力Ｐ［Ｐａ］に基づいて次の式で求めることができる。
λ≒１０^-2／Ｐ …（１）
本実施形態の蒸着装置１においては、蒸発源５と基板Ｗ間の距離が３ｍであることから、平均自由行程λ＝３ｍを得るためには、（１）式から、
３≒１０^-2／Ｐ
従って、
Ｐ≒３×１０^-3（３Ｅ−０３）［Ｐａ］
となる。

従って、蒸発源５と基板Ｗ間の距離が３ｍのとき、成膜中の真空チャンバ１内の圧力が３×１０^-3Ｐａより高くなると、急激に成膜効率が低下することになる。

次に、上記各サンプル材料についての蒸発源５の出力と成膜レートの関係を図３に示す。ＳｉＯ₂単体の場合、エミッション電流の増大に伴って成膜レートも向上するが、エミッション電流が２２０ｍＡ〜２２５ｍＡの辺りで成膜レートが低下する。これは、放出ガスの増大に伴ってチャンバ圧力が上昇し、その結果、平均自由行程が低下して蒸着効率が悪化することを意味している。

一方、ＳｉＯを含有したサンプル材料に関しては、放出ガスによる成膜レートの低下が緩和される。特に、ＳｉＯを２５ｗｔ％以上添加することで、成膜レートの頭打ちがなくなり、エミッション電流の増大に応じて成膜レートが向上し続けることがわかる。

ここで、エミッション電流２５０ｍＡ以上では、蒸発源５を構成するハース（蒸発材料を収容するタングステン等の高融点材料製容器）へのダメージが大きくなる。成膜の安定性を考えると、なるべく低いエミッション電流で高い成膜レート（例えば３〜５Å／sec ）が得られることが好ましい。以上のような理由から、２５０ｍＡ以下で３〜５Å／sec の成膜レートを得るためには、ＳｉＯが２５ｗｔ％以上添加された蒸発材料を用いることが好ましい。

一方、ＳｉＯ添加量の上限について図４を参照して説明する。図４は、ＳｉＯの添加量と、形成した無機配向膜中の酸素量との関係を示している。成膜される無機配向膜はＳｉＯ₂であり、膜中の化学量論比はＳｉ：３３ａｔ％、Ｏ：６７ａｔ％である。ＳｉＯ₂に対するＳｉＯの添加量を増していくと、Ｓｉの化学量論量は増加する一方、Ｏの化学量論量は低下する。ＳｉとＯの化学量論比に変化が見られるのは、ＳｉＯの添加量が５０％を超えたときである。

即ち、ＳｉＯ₂に対するＳｉＯの添加量が５０％を超えると、形成されるシリコン酸化膜に酸素欠損が生じる。酸素欠損が生じた膜は、光の透過率が減少し黄色に着色する。この膜を液晶基板用の無機配向膜に用いるのは化学的安定性の点からも好ましくない。従って、ＳｉＯ₂に対するＳｉＯの添加量の上限は、５０ｗｔ％である。

以上説明したように、放出ガスを効果的に低減することができ、膜質に優れたＳｉＯ₂膜を安定かつ効率良く形成するためには、ＳｉＯ₂に対するＳｉＯの含有量が２５ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下の蒸発材料を用いることが最も好ましい。

続いて、蒸発材料ＭにＳｉＯ₂単体及びＳｉＯ₂とＳｉＯ（２５ｗｔ％，５０ｗｔ％）の混合材料を用いて基板Ｗ上に斜方蒸着により成膜した無機配向膜のプレチルト角を測定したときの結果を図５に示す。成膜条件は以下のとおりである。

（成膜条件）
・ベース圧力：５×１０^-4Ｐａ
・成膜圧力：３×１０^-3Ｐａ
・電子銃出力：７ｋＶ×２２０〜２４０ｍＡ
・成膜レート：２〜５Å／sec
・基板加熱温度：１００℃
・膜厚：５００Å

図５に示したように、ＳｉＯ₂とＳｉＯの混合物を蒸発材料に用いて作製した無機配向膜は、ＳｉＯ₂単体を蒸発材料に用いて作製した無機配向膜とほぼ同等の配向特性を有することがわかる。

以上のように、本実施形態によれば、ＳｉＯ₂とＳｉＯの混合材料を蒸発材料Ｍとして用いているので、ＳｉＯ₂の蒸発時に発生する放出ガス（特に酸素ガス）をＳｉＯによって捕捉し放出ガス量を低減することが可能となる。これにより、真空チャンバ１内の圧力の上昇による平均自由行程の低下を抑えられ、蒸着効率及び成膜レートの向上を図ることができる。

また、巨大な排気設備を必要とすることなく蒸発源と基板との間の距離Ｌを大きく設定することができるので、斜方蒸着の際において基板Ｗに対する蒸発物質の入射角の均一化を図ることができる。これにより、基板面内において均一な配向特性を有する無機配向膜を形成できるとともに、装置の小型化及び運転コストの低減を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

例えば以上の実施形態では、蒸発源５と基板Ｗ間の距離Ｌを３ｍとしたが、勿論これに限られず、基板Ｗのサイズや成膜条件等に応じて適宜変更可能である。一例を挙げると、基板サイズが８インチの場合、距離Ｌは例えば１．５ｍ〜１．８ｍとされ、基板サイズが１２インチの場合、距離Ｌは例えば２．５ｍ〜３ｍとされる。

また、以上の実施形態では、斜方蒸着法によって基板ＷにＳｉＯ₂膜を形成する例について説明したが、これに限らず、基板Ｗを蒸発源５に対して正対させて成膜を行ってもよい。この場合においても、放出ガスの影響を回避して良質なＳｉＯ₂膜を安定に成膜することができる。

本発明の実施形態による無機配向膜の形成方法の説明に参照される蒸着装置の概略構成図である。蒸発材料としてのＳｉＯ₂とそのＳｉＯ混合材料の各々についての蒸発源出力とチャンバ圧力との関係を示す図である。蒸発材料としてのＳｉＯ₂とそのＳｉＯ混合材料の各々についての蒸発源出力と成膜レートとの関係を示す図である。蒸発材料としてのＳｉＯ₂に対するＳｉＯ添加量と膜中酸素量との関係を示す図である。蒸発材料としてのＳｉＯ₂とそのＳｉＯ混合材料の各々についての膜の配向特性を示す図である。

符号の説明

１蒸着装置
２蒸発室
３成膜室
４真空チャンバ
５蒸発源
６基板ホルダ
７膜厚モニタ
Ｍ蒸発材料

Claims

真空チャンバ内において、蒸発源で蒸発させたシリコン酸化物を基板上に蒸着させ、前記基板上にＳｉＯ₂からなる無機配向膜を形成する方法であって、
蒸発材料として、ＳｉＯ ₂ に対するＳｉＯの添加量が２５ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下であるＳｉＯ₂とＳｉＯの混合材料を用いることを特徴とする無機配向膜の形成方法。
蒸着時における前記真空チャンバ内の圧力を３．０×１０^-3Ｐａ以下とすることを特徴とする請求項１に記載の無機配向膜の形成方法。
前記基板に対して前記蒸発材料を斜めに蒸着させることを特徴とする請求項１に記載の無機配向膜の形成方法。