JP5350911B2 - プラズマ発生装置及び成膜装置並びに成膜方法及び表示素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ発生装置及びこのプラズマ発生装置を備えた成膜装置、この成膜装置を用いた成膜方法及び表示素子の製造方法に関する。

液晶表示装置（Liquid Crystal Display 以降「ＬＣＤ」と略記することがある。）やプラズマディスプレイ装置（Plasma Display Panel 以降「ＰＤＰ」と略記することがある。）等、ディスプレイ用の大型基板を用いたディスプレイ装置の量産が近年強く求められている。

ＬＣＤやＰＤＰなどのディスプレイ用の大面積基板への透明導電膜ＩＴＯ（Indium Tin Oxide；酸化インジウムスズ）や、前面板電極保護層であるＭｇＯ（酸化マグネシウム）等の薄膜形成にあたっては、生産量の増加、高精細パネル化に伴い、ＥＢ(Electron Beam)蒸着法やスパッタリング法に代わる成膜法としてイオンプレーティング法が注目されている。

従来から、絶縁膜であるＭｇＯなどは、成膜材料が絶縁物であることで材料表面上に電荷がたまり成膜の進行を阻害することから、ＲＦスパッタ法で形成されている。

しかし、この手法では十分な蒸発レートが得られないことから、プラズマガン(ＵＲ式プラズマガン（特許文献１を参照)を用いて膜形成するデバイスも現れてきた。

その一つの応用が、前述の表示素子の一つであるＰＤＰ(プラズマディスプレイパネル)の保護膜として使用されているＭｇＯ膜である。

ここで、ＭｇＯ膜を成膜する従来の真空成膜装置について図４、図５を使用して説明する。

図４に搭載されるＵＲ式のプラズマガン９は、図５に示すように、ホローカソード１と、プラズマビームに対して電位勾配および圧力勾配を与えるため、一以上、例えば２基の中間電極(第一の中間電極２・第二の中間電極３)と、陽極である反射電子帰還電極４と、を含む。ＵＲ式のプラズマガン９は、放電ガスとして導入されたアルゴンガス（以下、「Ａｒガス」とも表記する）から高密度の円柱状のプラズマを生成することが可能である。このとき、反射電子帰還電極４の電位は、ホローカソード1の電位より高い電位で接地されている。また、図４の例では、中間電極の数は２基であるが、１基でも３基以上であってもよい。

プラズマガン９で生成された円柱状のプラズマビーム（不図示）は、収束コイル６によって成膜室である排気系を備えた真空チャンバー１３に引き出される。ここで、円柱状のプラズマビームは、同極を対向させた永久磁石８でシート状に変形させることが可能である。真空成膜装置の構成要素のうち真空チャンバー１３を除いたものがプラズマ発生装置を構成する。

図４に従来のプラズマ発生装置を搭載した真空成膜装置１０を示す。

シート状に変形されたプラズマビーム７は、真空チャンバー１３内部の蒸発材料受け皿２３の下方に配置されている引き込み磁石２１の磁力線に沿って、成膜材料２２の表面に導かれる。

反射電子帰還電極４は、中心部にプラズマビーム７が通過するための貫通孔４ａを有する。反射電子帰還電極４は、真空チャンバー１３の一部がプラズマガン９側にせり出した部分である短管部１２の内部に配置されている。短管部１２の外周側には、短管部１２に離間した状態で収束コイル６が配置されている。なお、短管部１２は、プラズマビーム７を出力するプラズマガン９の出口部と同軸に配置されている。

さらに、反射電子帰還電極４の貫通孔４ａには、反射電子帰還電極４にプラズマビーム７が直接流入しない様に、絶縁を得る目的で消耗部品である絶縁管５が配置されている。

プラズマガン９のホローカソード１から真空チャンバー１３に出射されるプラズマビーム７は、反射電子帰還電極４の貫通孔４ａを通り抜ける。絶縁管５は、プラズマビーム７の外周を取囲むように配置されている。

また、プラズマガン９から放出されたプラズマビーム７は、収束コイル６の磁場に導かれ成膜材料２２の表面を照射する。成膜材料２２から放出された二次電子は、同じ磁場を逆流するように導かれて、陽極である反射電子帰還電極４に入射し、電源５０に帰還する。

この時、反射電子帰還電極４に二次電子が確実に帰還するよう、真空成膜装置１０の内部を覆う防着板１１等は全て電気的に浮遊電位としている。これらの構成から前述の問題点は解決され、成膜材料２２の表面に一方の電荷がたまり続けることはなく、基板２０の表面に成膜を続けることが可能となる。

成膜材料２２の表面から蒸発した粒子は、かなりの確率でイオン化され、その一部は二次電子同様、真空成膜装置１０の内部に形成されている磁場に導かれ反射電子帰還電極４に入射する。そのため、反射電子帰還電極４の表面に成膜材料２２の絶縁膜が形成されることとなるが、真空成膜装置１０の内部に存在するＡｒ等のイオンがその絶縁膜をスパッタリングすることで、反射電子帰還電極表面４の帰還経路を確保することは可能である。

特公平０４−０２３４００号公報

ＬＣＤやＰＤＰなどのディスプレイ用の大面積基板の製造工程において、前述の真空成膜装置１０における蒸着速度の高速化の要求に伴い、従来と比較してプラズマガン９に投入される電力は大幅に増大している。

また、真空成膜装置１０の連続稼働時間も長くなっているため、1メンテナンスサイクル毎にプラズマガン９で使用される積算電力量も従来と比較して増大している。

投入する電力を大きくすると、プラズマガン９で生成される円柱状のプラズマビームのプラズマ密度やエネルギーが大きくなる。このため、反射電子帰還電極４に配置された絶縁管５が、プラズマビームから受けるダメージも大幅に増大することになる。

絶縁管５の摩耗が進むことにより、絶縁管５の内径が広がり、プラズマビームのプラズマ密度が低下する。プラズマ密度の低下は、成膜材料２２からの蒸発量を低下させるという不安定性の要因となる。

また、従来の構造では、図５に示すように反射電子帰還電極４の貫通孔４ａに配置された絶縁管５と、反射電子帰還電極４に最も近い位置に配置された、第二の中間電極３に配置されているＧ２カラー３ａとの間に隙間が存在していた。ここで、Ｇ２カラー３ａとは、第二の中間電極３の内周部であり、導電性材料でできた交換可能な部分をいう。

従って、Ｇ２カラー３ａは、第二の中間電極３の一部を構成する。交換可能である必要がなければＧ２カラー３ａは、第二の中間電極３の主要部と一体化されていてもよい。プラズマ中に存在する絶縁管５の表面は負の電位となるため、成膜室である真空チャンバー１３内に導入しているＡｒイオンによってスパッタリングされることになる。そのため、絶縁管５の摩耗につながっていた。

そこで本発明は、成膜装置の消耗部品である絶縁管の摩耗を抑制し、絶縁管の摩耗量に影響を受けているプラズマガンの連続稼動時間を延ばしてランニングコストを低減することを可能とするプラズマ発生装置、成膜装置並びに成膜方法及び表示素子の製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成する本発明にかかる成膜装置は、排気系を備えた真空チャンバー内に向けて、プラズマビームを生成するホローカソードと、前記プラズマビームに電位勾配を与える一以上の中間電極とを有するプラズマガンと、
該プラズマガンから前記プラズマビームを出力するための出口部と同軸に位置する前記真空チャンバーの管部の外周を包囲するように設けられ、前記プラズマビームを前記管部を介して前記真空チャンバーへ引き出す収束コイルと、
前記管部の内部において、前記プラズマガンの出口部と同軸に配置され、陽極の極性を有する反射電子帰還電極と、を備え、
該プラズマビームを前記真空チャンバー内の成膜材料に照射して、該成膜材料を加熱蒸発させて、該真空チャンバー内に配置された基板上に前記成膜材料を有する薄膜を形成する成膜装置において、
前記ホローカソードの電位より高い電位を有し接地された反射電子帰還電極の内周部に設けられた絶縁管が、前記反射電子帰還電極に対して最も近い位置に配置されている前記中間電極と電気的に接触していることを特徴とする。

本発明によれば、絶縁管が、反射電子帰還電極に対して最も近い位置に配置されている中間電極と電気的に接触しているため、絶縁管の表面に帯電する電子が、この中間電極に流れ込む。従って、絶縁管の表面を高電位にすることができる。これにより、絶縁管の表面に入射する放電ガスによるイオンの入射量を減少させることができる。放電ガスイオンによるスパッタリングによる絶縁管の摩耗を低減できるため、絶縁管の消耗率を下げ、絶縁管の寿命を長くすることができる。

本発明の実施形態によるプラズマ発生装置及びこれを利用した真空成膜装置の一例を説明する概略側面図である。 本発明の実施形態によるプラズマ発生装置の一例を説明する概略側面図である。 （ａ）は、本発明の実施形態による発明のプラズマ発生装置の一例で、絶縁管５内を導電性物質でコーティングした場合を説明する概略側面図である。（ｂ）は、導電性物質をコーティングした場合の絶縁管５の拡大図である。 従来例によるプラズマ発生装置及びこれを利用した真空成膜装置の一例を説明する概略側面図である。 従来例によるプラズマ発生装置の一例を説明する概略側面図である。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について詳細に説明する。

図１は、本発明に係る真空成膜装置１００の一例の概略構成を示す側面図であり、図２は、図１の真空成膜装置に搭載されるプラズマ発生装置の概略構成を示す側面図である。

図１および図２に、それぞれ示される真空成膜装置１００およびプラズマ発生装置の基本的な構成は、図４および図５に、それぞれ示される真空成膜装置１０およびプラズマ発生装置と同様であるのでその説明は省略する。

ただし、本発明にかかる真空成膜装置１００及びプラズマ発生装置においては、Ｇ２カラー３ａと絶縁管５とが接触している点で相違する。以下、この相違点を具体的に説明する。

図２に示す本発明の実施形態によるプラズマ発生装置では、例えば、中間電極（第一の中間電極２・第二の中間電極３）が２基配置されている。反射電子帰還電極４に最も近い位置にある第二の中間電極３の内部に配置されているＧ２カラー３ａと、反射電子帰還電極４の貫通孔４ａに配置されている絶縁管５とが接触している。Ｇ２カラー３ａは、第２の中間電極３の一部であり、第２の中間電極３の主要部と接触している。従って、絶縁管５は、第２の中間電極３と接触しているということができる。

Ｇ２カラー３ａを、反射電子帰還電極４に接触して配置された絶縁管５に接触させることにより、絶縁管５の表面に帯電する電子が、Ｇ２カラー３ａに流れ込む。従って、反射電子帰還電極４に最も近い位置に配置されている中間電極である第二の中間電極３を、絶縁管５と電気的に接触することで、第二の中間電極３にも電子が流れ込み、絶縁管５の表面の電位が、Ｇ２カラー３ａと接触していない場合と比較して高電位になる。反射電子帰還電極４の貫通孔４ａの電位を第二の中間電極３のＧ２カラー３ａの電位の近傍まで高めることができる。絶縁管５の表面を高電位にすることにより、絶縁管５の表面に入射するＡｒイオンの入射量を減少させることができるため、プラズマビームが絶縁管５の表面に与えるダメージを低減することができ、その結果、絶縁管５の摩耗量を低減することが可能となる。

図１の真空成膜装置１００は、図２のプラズマ発生装置を搭載したものである。

図３(ａ)は、図２のプラズマ発生装置において、その絶縁管５の内周部に導電性物質をコーティングした場合を例示する図である。

図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す絶縁管５の拡大図である。図３（ｂ）の左側の図は側面図であり、図３（ｂ）の右側の図はプラズマビームの進行方向から見た図面である。

ここで、絶縁管５の内周部に形成される導電性物質によるコーティングであるが、例えば、カーボンのような耐熱性があり内周部に薄膜を形成することが容易であり、かつ、導電性を高めることができる材料をその導電性物質として選択することができる。

次に、図１に示す真空成膜装置１００を用いて、所定時間プラズマビームを発生させ、このときの反射電子帰還電極４内の絶縁管５の摩耗量の重量を計測した。比較の対象は、図４、図５に示す真空成膜装置１０の構成による絶縁管５である。すなわち、比較の対象となる絶縁管５は、反射電子帰還電極４に最も近い位置に配置されている第二の中間電極３のＧ２カラー３ａに接触していないものである。

プラズマビームの発生条件は、両者同一であり、プラズマ用ガスとしてアルゴンガス（以下、「Ａｒガス」ともいう。）をプラズマガン９に導入し、不図示のＡｒガス導入系でＡｒガスを成膜室である真空チャンバー１３に導入して、以下の条件でプラズマビームを発生させた。

投入電力：２０ＫＷ
放電圧力：０．１Ｐａ
Ａｒ流量：１１ｓｃｃｍ（０．１８ｍｌ／ｓｅｃ）
この結果、本発明の実施形態に係る真空成膜装置１００が有するプラズマ発生装置に用いた絶縁管５の摩耗量（率）は、従来のプラズマ発生装置に用いた絶縁管５に比べ、約１/５に減少したことが確認された。従来の絶縁管５に発生していた摩耗量で、絶縁管５の交換が必要とすると、本発明の実施形態により、絶縁管５の交換周期が約５倍延び、ランニングコストも低減できる。

図１、図２に示す真空成膜装置１００を用いて、表示素子の一つであるＰＤＰの保護膜として使用される酸化マグネシウムを（ＭｇＯ）成膜する場合について、その製造方法の一例を説明する。

プラズマ用ガス（放電ガス）としてアルゴンガスを図１に示す矢印のようにプラズマガン９に導入し、酸素ガスを不図示の酸素ガス導入配管により真空チャンバー１３に導入し、被成膜物である基板２０への成膜を行った。基板２０は、成膜材料２２に対向した状態で、不図示の基板ホルダーにより保持されている。

材質 ：酸化マグネシウム（ＭｇＯ）
膜厚 ：１２０００Å
放電圧力：０．１Ｐａ
Ａｒ流量：１１ｓｃｃｍ（０．１８ｍｌ／ｓｅｃ）
Ｏ₂流量 ：４００ｓｃｃｍ（６．７ｍｌ／ｓｅｃ）
この結果、プラズマビームのプラズマ密度が低下し成膜材料の蒸発量が低下するという不安定性がなく、表示素子の保護膜としてＭｇＯ膜を安定して成膜することができた。

本発明によるプラズマ発生装置、それを用いた成膜装置並びに成膜方法及び表示素子の製造方法は、例えば、プラズマディスプレイパネルの製造等における、ランニングコストの削減に適している。

本実施形態によれば、絶縁管が、反射電子帰還電極に対して最も近い位置に配置されている中間電極と電気的に接触しているため、絶縁管の表面に帯電する電子が、この中間電極に流れ込む。従って、絶縁管の表面を高電位にすることができる。これにより、絶縁管の表面に入射するＡｒイオンの入射量を減少させることができるため、絶縁管の消耗率を下げ、絶縁管の寿命を長くすることができる。

Claims (9)

1. 排気系を備えた真空チャンバー内に向けて、プラズマビームを生成するホローカソードと、前記プラズマビームに電位勾配を与える一以上の中間電極とを有するプラズマガンと、
   該プラズマガンから前記プラズマビームを出力するための出口部と同軸に位置する前記真空チャンバーの管部の外周を包囲するように設けられ、前記プラズマビームを前記管部を介して前記真空チャンバーへ引き出す収束コイルと、
   前記管部の内部において、前記プラズマガンの出口部と同軸に配置され、陽極の極性を有する反射電子帰還電極と、を備え、
   該プラズマビームを前記真空チャンバー内の成膜材料に照射して、該成膜材料を加熱蒸発させて、該真空チャンバー内に配置された基板上に前記成膜材料を有する薄膜を形成する成膜装置において、
   前記ホローカソードの電位より高い電位を有し接地された反射電子帰還電極の内周部に設けられた絶縁管が、前記反射電子帰還電極に対して最も近い位置に配置されている前記中間電極と電気的に接触していることを特徴とする成膜装置。
2. 前記絶縁管が、前記管部の内部で前記プラズマビームの外周を取囲むことを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記絶縁管の内周部が、導電性物質で被覆されていることを特徴とする請求項１または２に記載の成膜装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の成膜装置を用いて前記基板に膜を形成する成膜工程を有することを特徴とする成膜方法。
5. 前記膜はＭｇＯ膜であることを特徴とする請求項４に記載の成膜方法。
6. 請求項４または５に記載の成膜方法を用いた成膜工程を有することを特徴とする表示素子の製造方法。
7. 排気系を備えた真空チャンバー内に向けて、プラズマビームを生成するホローカソードと、前記プラズマビームに電位勾配を与える一以上の中間電極とを有するプラズマガンと、
   該プラズマガンから前記プラズマビームを出力するための出口部と同軸に位置する前記真空チャンバーの管部の外周を包囲するように設けられ、前記プラズマビームを前記管部を介して前記真空チャンバーへ引き出す収束コイルと、
   前記管部の内部において、該プラズマガンの出口部と同軸に配置され、陽極の極性を有する反射電子帰還電極と、を備えるプラズマ発生装置であって、
   前記ホローカソードの電位より高い電位を有し、接地された反射電子帰還電極の内周部に設けられた絶縁管が、前記反射電子帰還電極に対して最も近い位置に配置されている前記中間電極と電気的に接触していることを特徴とするプラズマ発生装置。
8. 前記絶縁管が、前記管部の内部で前記プラズマビームの外周を取囲むことを特徴とする請求項７に記載のプラズマ発生装置。
9. 請求項７に記載のプラズマ発生装置、前記絶縁管の内周部が、導電性物質で被覆されていることを特徴とする請求項７または８に記載のプラズマ発生装置。

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