JP5262406B2 - スパッタリング装置及びそのメンテナンス方法 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示装置等を製造するための、矩形状の大型基板の表面上に透明導電膜を成膜するスパッタリング装置及びそのメンテナンス方法に関し、特に、短時間に簡単にメンテナンス作業が行える、大型のインライン式スパッタリング装置に関する。

近年、カラー液晶表示装置は、液晶カラーテレビやカーナビゲーション用および液晶表示装置一体型のノートパソコンとして大きな市場を形成するに至っており、省エネ、省スペースという特徴を活かしたデスクトップパソコン用のモニターおよびテレビとしても普及している。また、大型薄型テレビ市場の拡大につれて、用いるガラス基板は年々大型化し、最近では第６世代（１５００ｍｍ×１８００ｍｍ）、あるいは第８世代（２１６０ｍｍ×２４００ｍｍ）と呼ばれる大型ガラス基板が使われており、更には、第１０世代（２８５０ｍｍ×３０５０ｍｍ）の生産が準備されている。

液晶表示装置は、液晶分子の持つ複屈折性を利用した表示素子であり、液晶セル、偏光素子および光学補償層から構成される。液晶セルには、カラーフィルタ基板と素子基板の二枚の基板に狭持された棒状液晶性分子が配向して封入されており、二枚の基板の両側もしくは片側に配置された電極層に電圧を加えることにより、棒状液晶性分子の配向状態を変化させて、光の透過と遮光をスイッチングするしくみとなっている。

現在テレビ用途で普及している、ＶＡ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モードの液晶表示装置に用いられるカラーフィルタ基板は、一般に、ガラス等の透明基板を構造的支持体として備え、その画面観察者側には偏光板が積層されている。また、その反対側（背面側）は多数の画素領域に区分され、画素領域と画素領域の境界に位置する画素間部位には遮光パターン（ブラックマトリックス）が設けられ、画素領域のそれぞれには着色画素が配置されている。着色画素は、画素ごとに透過光を着色するもので、一般に、光の三原色に相当する赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の三色の着色画素を配列している。そして、カラーフィルタ基板には、必要に応じて着色画素による段差を埋めるオーバーコート層を設けた後、透明電極と、配向膜を設けて構成される。

上記カラーフィルタ基板の透明電極には、通常ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）と呼ばれる酸化インジウムにドーパントとして錫（Ｓｎ）を混入した複合酸化物が使用されている。ＩＴＯ膜の成膜方法には、真空蒸着、イオンプレーティング、スパッタリング等種々の方法があるが、着色画素等が有機樹脂で形成されていることから、比較的低温での成膜が可能なスパッタリング方法が多く用いられている。

この、カラーフィルタ基板用のスパッタリング装置としては、基板の大型化とともに生産性に優れるインライン式成膜装置が主に使用されており、例えば、特許文献１には、リターン室を真空に保ち、且つ成膜処理された基板上の薄膜の結晶化を促進する加熱処理を行うための加熱手段を備え、成膜室とリターン室とは真空状態を保つ状態で連接されているインライン式成膜装置が開示されている。上記装置は、基板寸法が第３世代（５５０ｍｍ×６５０ｍｍ）程度で有効な方法と言える。

しかし、ガラス基板が更に大型化し、且つ、より低い装置コストで、効率よく量産するには、スパッタリング装置としては装置構成を簡素化する必要があった。図１は、従来用いられている大型インライン式成膜装置の構成を示す概略図である。図１に示す装置は、外部水平搬送ラインより投入された基板を縦型基板キャリヤーに載置した状態で装置に導
入する基板導入室（Ｌ／ＣＨ）、次に、基板キャリヤーに縦型に載置された状態の基板を高真空中にするための第一高真空排気室（Ｔ１／ＣＨ）、第二高真空排気室（Ｔ２／ＣＨ）、次に、スッパタリング前室（ＳＰ１／ＣＨ）、基板にサイドスパッタ方式により成膜を行う第一カソード室（ＣＡ１／ＣＨ）、スッパタリング後室（ＳＰ２／ＣＨ）、基板キャリヤーを半回転及びトラバースさせて次の成膜室及び出口側に方向転換させるリターン室（Ｒ／ＣＨ）、次の、成膜のためのスッパタリング前室（ＳＰ３／ＣＨ）、基板に第２の成膜を行う第２カソード室（ＣＡ２／ＣＨ）、スッパタリング後室（ＳＰ４／ＣＨ）、基板を真空側から取り出すための第三高真空排気室、第四高真空排気室、そして、基板を外部ラインにもどす基板取り出し室（ＵＬ／ＣＨ）から構成されている。図１に示すように、従来の装置では、気密性を保つための仕切り弁・ドアバルブ（隔壁）は、ラインとの出入り口以外では、スッパタリング前・後室を含む成膜領域と高真空排気室側との間、また高真空排気室と基板導入室および基板取り出し室の間に設置されており、真空排気およびベントは、基板導入室（Ｌ／ＣＨ）および基板取り出し室（ＵＬ／ＣＨ）側から一方向で行われる。

図１に示す従来のインライン式成膜装置においては、ターゲットやチムニー（アノード）等の部材の定期交換や、清掃・点検を実施する際に、一度全チャンバー内にベントガスを導入した後に、カソード室（ＣＡ室）を開放して作業する必要がある。そのため、部材交換等を実施する際の大気開放時には、装置入り口と出口以外の全チャンバーの仕切り弁を開放し、基板導入室と基板取り出し室から全チャンバーにベントガスを導入する。

前述した、基板寸法が第６世代以上といった大型基板の場合には、前記した、縦型の基板搬送でサイドスパッタといった装置設置面積をできるだけ少なくした装置においても、真空チャンバーの容積は大きく、定期メンテナンス等を実施する際には、全チャンバー内ベントに伴う時間と、全チャンバー内を高真空にするためのベント・排気時間が必要となり、定期メンテナンス等の総作業時間が多くなり、製造機会ロスが発生する。また、乾燥窒素ガス等からなるベントガスも多量に必要であり、排気ポンプの容量を大きくする、あるいは、ベントガスタンクの容量を大きくすると装置コストが高くなる問題があった。
特開２００２−３０９３７２号公報

本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、大型基板への適用が可能で、装置構成が簡単で、真空装置内の真空を極力破ることなく、ターゲット交換等のメンテナンス作業を容易に短時間で行うことができるスパッタリング装置及びそのメンテナンス方法の提供を課題としている。

本発明の請求項１に係る発明は、スパッタリング装置の入り口の基板導入室から出口の基板取り出し室に、キャリヤーに載置された基板を搬送する間に、該基板の片側表面に成膜するスパッタリング装置であって、
少なくとも、真空排気機構およびベント機構を備えた前記基板導入室と、２室以上の入り
口側高真空排気室と、スパッタリング前室及びスッパタリング後室を備え、真空排気機構およびベント機構を備えた第一のカソード室と、基板進行方向を１８０度回転させるリターン室と、スパッタリング前室及びスッパタリング後室を備え、真空排気機構およびベント機構を備えた第二のカソード室と、２室以上の出口側高真空排気室と、真空排気機構およびベント機構を備えた前記基板取り出し室と、の順に連設され、且つ、全ての室（チャンバー）間の連設開口部に密閉可能な仕切り弁・ドアバルブが備えられていて、前記第一のカソード室及び前記第二のカソード室と隣接する前記スパッタリング前室および前記スパッタリング後室との前記仕切り弁・ドアバルブが、前記カソード室の真空のみ大気開放した時に、隣接する前記スパッタリング前室側および前記スパッタリング後室側の前記チャンバーにそれぞれ張り付いて密閉する向きに取り付けられていることを特徴とするスッパッタリング装置である。

また、本発明の請求項２に係る発明は、請求項１に記載するスパッタリング装置を用いて、前記第一のカソード室及び／または第二のカソード室のみベントすることで、メンテナンス作業を実施することを特徴とするスッパタリング装置のメンテナンス方法である。

上記したように、本発明のスパッタリング装置では、スパッタリング装置の全チャンバーをベントすることなく、定期メンテナンスが必要なチャンバーのみベントすることが出来るため、メンテナンス時間の短縮に繋がる。また、装置異常が発生した際などのトラブル時にも、全チャンバーの大気開放を伴うことなく対処することが出来、カソード室以外のクリーン度も保つことが出来る。

以下、本発明に係るスパッタリング装置の実施の一形態を、図面に基づいて説明する。

図２は、本発明のスパッタリング装置の一例を上面から見た概略図である。図３は、本発明のスッパッタリング装置で適用される、各チャンバー間のドアバルブ（ＤＶ）の開・閉状態の説明外略図である。（ａ）はＤＶが閉じている状態の斜視概略図であり、（ｂ）はＤＶが閉じている状態を上部より見た概略図、（ｃ）はＤＶが開いている状態の斜視概略図であり、（ｄ）はＤＶが開いている状態を上部より見た概略図である。

本発明のスッパッタリング装置は、外部ラインから真空装置への入り口となる基板導入室（Ｌ／ＣＨ）１から、外部ラインへの出口となる基板取り出し室（ＵＬ／ＣＨ）１３に、キャリヤーに垂直又はやや傾斜した状態で載置された基板を搬送する間に、この基板の片側表面にスッパッタリングにより1層又は複層の皮膜を形成する。そのため、本発明のスッパッタリング装置は、入り口側から、少なくとも、真空排気機構２０およびベント機構２５を備えた基板導入室（Ｌ／ＣＨ）１、２室以上の入り口側高真空排気室（Ｔ１／ＣＨ）２及び（Ｔ２／ＣＨ）３、スパッタリング前室（ＳＰ１／ＣＨ）４とスッパタリング後室（ＳＰ２／ＣＨ）６の間に配置され、単独で動作できる真空排気機構２２およびベント機構２７を備えた第一のカソード室（ＣＡ１）５、基板進行方向を１８０度回転させるリターン室（Ｒ／ＣＨ）７、スパッタリング前室（ＳＰ３／ＣＨ）８とスッパタリング後室（ＳＰ４／ＣＨ）１０の間に配置され、単独で動作できる真空排気機構２３およびベント機構２８を備えた第二のカソード室（ＣＡ２）９、２室以上の出口側高真空排気室（Ｔ３／ＣＨ）１１及び（Ｔ４／ＣＨ）１２、真空排気機構２１およびベント機構２６を備えた基板取り出し室（ＵＬ／ＣＨ）１３が出口側に、この順に連設され構成されている。ここで、全室（チャンバー）間の連設開口部には密閉可能なドアバルブ３０が備えられている。

外部ラインで水平搬送された基板は、図示しない基板起立載置装置により図示しない縦型基板キャリヤーに、垂直ないしやや傾いた状態で載置される。なお、この時必要に応じてマスクをセットする、あるいは基板ホルダー等でキャリヤーに固定する場合があるが、
本発明ではマスクの有無、および基板セットの方法は特に制限されない。基板は、この縦型基板キャリヤーに載置された状態で、基板導入室（Ｌ／ＣＨ）１から本発明のスッパタリング装置に導入される。次に基板キャリヤーに縦型に載置された状態の基板は、高真空にするための第一高真空排気室（Ｔ１／ＣＨ）２、第二高真空排気室（Ｔ２／ＣＨ）３に順次搬送される。次に、キャリヤーは成膜のタクトタイムに合わせて、成膜前にキャリヤーが待機し、且つ、成膜時のガス分布や真空度のバラツキをなくし安定化させるためのガス導入可能なスッパタリング前室（ＳＰ１／ＣＨ）４に移動する。次に、図示しないスパッタリングターゲットが片側に配置された第一カソード室（ＣＡ１／ＣＨ）５で、基板表面にサイドスパッタ方式により成膜が行われる。次に、スッパタリング前室同様に成膜時のガス分布や真空度のバラツキをなくし安定化させるためのスッパタリング後室（ＳＰ２／ＣＨ）６を通って、リターン室（Ｒ／ＣＨ）７で基板キャリヤーを半回転及びトラバースさせて次の成膜室及び出口側に方向転換させる。次に、第２の成膜のためのスッパタリング前室（ＳＰ３／ＣＨ）８に移動し、次に、第２カソード室（ＣＡ２／ＣＨ）９で基板に第２の成膜が行なわれる。その後、スッパタリング後室（ＳＰ４／ＣＨ）１０に移動して、次に、基板を真空側から取り出すための第三高真空排気室（Ｔ３／ＣＨ）１１、第四高真空排気室（Ｔ４／ＣＨ）１２に順次送られる。そして、基板取り出し室（ＵＬ／ＣＨ）１３から外部ラインに排出され、基板は、前記した基板起立載置装置で縦型基板キャリヤーからはずされて外部水平搬送ラインにもどされる。

本発明のスッパッタリング装置は、気密性を保つための仕切り弁・ドアバルブ（隔壁）３０が、ライン中の全室（チャンバー）間に設けられている。各仕切り弁・ドアバルブは、一実施形態として回転軸に取り付けられた、開口部に密着・密閉性を高めるドアバルブシート３１を有するドアバルブで、基板キャリヤーの移動に合わせて動作させることも可能であり、また、連続運転中には開放した状態で用いることもできる。この中で、スッパタリング前室およびスッパタリング後室と、成膜室との間では、図３に示すように、第一のカソード室及び第二のカソード室と隣接する各室（チャンバー）とのドアバルブ３０は、低真空側ＣＨ１４としてカソード室の真空のみを開放した時に、隣接する高真空側ＣＨ１５のチャンバー（ＳＰ１／ＣＨ，ＳＰ２／ＣＨ，ＳＰ３／ＣＨおよびＳＰ４／ＣＨ）に張り付いて完全密閉する向きに取り付けられている。

スパッタリング成膜運転中は、真空排気は、基板導入室（Ｌ／ＣＨ）および基板取り出し室（ＵＬ／ＣＨ）側から一方向で行われる。ターゲット交換、アノードであるチムニー交換を実施する際には、一度チャンバー内を乾燥窒素ガスあるいはドライエアー等のベントガスでベントした後に、カソード室の扉を開けて作業をすることになる。本発明のスッパタリング装置では、各室（チャンバー）間の仕切り弁・ドアバルブを閉じ、開放対象となるカソード室のベント機構を動作させた後に、カソード室の扉を開けて交換作業を実施する。作業終了後はカソード室の扉を閉じ、カソード室の真空排気機構を動作させて所望する真空度まで排気した後に、隣接するスッパタリング前室と後室とのドアバルブを開放し、各室間のドアバルブも開放して運転を再開することになる。

従来の装置では、メンテナンス時における大気開放時は、装置入り口と出口以外の全ての仕切り弁・ドアバルブを開放し、基板導入室と基板取り出し室から全チャンバーにベントガスを導入し、また、反対に基板導入室と基板取り出し室から全チャンバーを真空排気する。全チャンバー内ベントに伴う時間と、交換作業後に全チャンバーを高真空にするための時間が必要で、ベントガスの量も膨大なものであったが、上記したように、ターゲット及びチムニーのあるカソード室の前後にドアバルブを導入したことで、カソード室以外のチャンバー内の真空度を落とすことなく、交換作業が実施できる。ちなみに、従来の装置で数時間必要とされた交換作業は、本発明のスッパタリング装置を用いた場合には、従来の１／５〜１／１０の数十分の短時間に短縮可能となる。前記した説明では、主に、カソード室を開放する作業を説明したが、大型のスパッタリング装置は、各室ならびに搬送
系統でも保守、メンテナンスが必要であり、本発明のスッパタリング装置では、必要な室（チャンバー）のみを開放した作業が可能となることは言うまでもない。真空排気機構およびベント機構は装置コスト、ならびにランニングコストを低く抑えるために最小限の数としたが、増設することは可能であり特に制限されない。

以上説明したように、本発明のスッパタリング装置およびそのメンテナンス方法は、装置構成が簡単であり、装置コストを抑えたまま高効率化がかのうであり、製造機会ロスが大幅に低減可能である。また、機構的に、パーティクルの発生を抑制することが可能であり、不良ロスの低減が期待できる。このため、マザーガラスの寸法が第６世代（１５００ｍｍ×１８００ｍｍ）、あるいは第８世代（２１６０ｍｍ×２４００ｍｍ）と呼ばれる大型ガラス基板を使用したカラーフィルタ基板等の製作に用いるスッパタリング装置として極めて有効である。

従来の成膜装置の構成を示す概略図。 本発明のスパッタリング装置の一例構成を示す概略図。 本発明のスパッタリング装置の、各チャンバー間の仕切り弁・ドアバルブの開閉状態の説明図。

符号の説明

１・・・基板導入室（Ｌ／ＣＨ） ２・・・第一真空排気室基（Ｔ１／ＣＨ）
３・・・第ニ真空排気室（Ｔ２／ＣＨ）
４・・・スッパタリング前室（ＳＰ１／ＣＨ） ５・・・第一カソード室（ＣＡ１）６・・・スッパタリング後室（ＳＰ２／ＣＨ） ７・・・リターン室（Ｒ／ＣＨ） ８・・・スッパタリング前室（ＳＰ３／ＣＨ） ９・・・第ニカソード室（ＣＡ２）１０・・・スッパタリング後室（ＳＰ４／ＣＨ）
１１・・・第一真空排気室基（Ｔ３／ＣＨ）
１２・・・第一真空排気室基（Ｔ３／ＣＨ）
１３・・・基板取り出し室（ＵＬ／ＣＨ）
１４・・・低真空側ＣＨ １５・・・高真空側ＣＨ
２０，２１，２２，２３・・・真空排気機構
２５，２６，２７，２８・・・ベント機構 ３０・・・仕切り弁・ドアバルブ
３１・・・ドアバルブシート ３２・・・ドアバルブ回転軸

Claims (2)

1. スパッタリング装置の入り口の基板導入室から出口の基板取り出し室に、キャリヤーに載置された基板を搬送する間に、該基板の片側表面に成膜するスパッタリング装置であって、
   少なくとも、真空排気機構およびベント機構を備えた前記基板導入室と、２室以上の入り口側高真空排気室と、スパッタリング前室及びスッパタリング後室を備え、真空排気機構およびベント機構を備えた第一のカソード室と、基板進行方向を１８０度回転させるリターン室と、スパッタリング前室及びスッパタリング後室を備え、真空排気機構およびベント機構を備えた第二のカソード室と、２室以上の出口側高真空排気室と、真空排気機構およびベント機構を備えた前記基板取り出し室と、の順に連設され、且つ、全ての室（チャンバー）間の連設開口部に密閉可能な仕切り弁・ドアバルブが備えられていて、前記第一のカソード室及び前記第二のカソード室と隣接する前記スパッタリング前室および前記スパッタリング後室との前記仕切り弁・ドアバルブが、前記カソード室の真空のみ大気開放した時に、隣接する前記スパッタリング前室側および前記スパッタリング後室側の前記チャンバーにそれぞれ張り付いて密閉する向きに取り付けられていることを特徴とするスッパッタリング装置。
2. 請求項１に記載するスパッタリング装置を用いて、前記第一のカソード室及び／または第二のカソード室のみベントすることで、メンテナンス作業を実施することを特徴とするスッパタリング装置のメンテナンス方法。

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