KR102428287B1 - 성막 방법 및 진공 처리 장치 - Google Patents

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모토시 코바야시
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Abstract

[과제] IGZO 막과 같은 산화물 반도체를 채널층으로 하는 TFT에 적용하는 경우, TFT의 특성이나 신뢰성에 있어 우수한 IGZO 막의 성막 방법, 및 이러한 IGZO 막의 성막에 적합한 진공 처리 장치를 제공한다.
[해결수단] 인듐, 갈륨 및 아연을 포함하는 소결체를 타겟(42a)으로 하고, 이 타겟을 설치한 진공 처리실(Vc4) 내부에 처리 대상물(W)을 배치하여, 진공 처리실이 소정의 압력으로 진공 배기되면, 방전용 가스와 산소 가스를 도입하고, 타겟에 소정 전력을 투입하여 타겟을 스퍼터링함으로써, 반응성 스퍼터에 의해 처리 대상물의 표면에 IGZO 막을 성막하는 본 발명에 따른 성막 방법은, 타겟 스퍼터링 개시에 앞서 진공 처리실 내의 수분압을 1×10-5Pa ~ 1×10-3Pa의 범위로 하는 공정을 포함한다.

Description

성막 방법 및 진공 처리 장치 {FILM FORMING METHOD AND VACUUM PROCESSING APPARATUS}
본 발명은 성막 방법 및 진공 처리 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인듐, 갈륨 및 아연을 포함하는 소결체(sintered body)를 타겟으로 하여, 이 타겟을 스퍼터링하여 반응성 스퍼터링에 의해 처리 대상물의 표면에 IGZO 막을 성막하기에 적합한 것에 관한 것이다.
최근, 평판 디스플레이에서 표시 소자를 구동하는 박막 트랜지스터(이하, ‘TFT’라고 칭함)의 채널층으로, 인듐 갈륨 아연 산화물(IGZO)과 같은 산화물 반도체가 이용되고 있다. 예를 들어, 산화물 반도체로서의 IGZO 막은, 일반적으로 스퍼터링 장치를 이용하여 성막된다. 이 경우, 인듐, 갈륨 및 아연을 포함하는 소결체를 타겟으로 하여, 이 타겟을 설치한 스퍼터링 장치의 진공 처리실 내에 처리 대상물을 배치하고, 진공 처리실이 소정의 압력으로 진공 배기되면, 방전용 가스와 산소 가스를 도입하고, 타겟에 소정 전력을 투입하여 타겟을 스퍼터링함으로써, 반응성 스퍼터(reactive sputter)을 통해 처리 대상물의 표면에 IGZO 막을 성막할 수 있다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조).
상기 스퍼터링 장치에서 IGZO 막을 성막하고자 하는 경우, 게이트 전극 등이 이미 형성된 유리 기판을 캐리어에 유지시킨 다음, 이 상태에서 진공 처리실 내로 반송시켜 성막하게 되는데, 본 발명의 발명자들의 연구에 따르면, 진공 처리실 내에 잔류하는 물 분자나 기판 및 캐리어에 부착되어 진공 처리실 내로 유입되는 물 분자가, TFT의 (초기) 특성이나 신뢰성에 영향을 끼칠 수 있다는 것을 깨달았다. 구체적으로는, 진공 처리실 내의 수분압(
Figure 112018003379555-pat00001
)이 소정 압력보다 낮으면, 상승 전압(rising voltage)(VON)이 플러스 측으로 시프트(shift)하는 문제가 생긴다. 한편, 진공 처리실 내의 수분압이 소정 압력보다 높아지면, 막 밀도가 낮아, OH-나 O-의 약 결합으로 인한 결손이 많이 존재하는 IGZO 막이 되어, 전자 이동도가 저하되거나 상승 전압(VON)이 플러스 측으로 시프트하게 되는 등의 문제가 생긴다.
특허문헌 1: 일본특허공개 2013-064185호 공보
본 발명은 이상의 연구 결과를 바탕으로 이루어진 것으로, IGZO 막과 같은 산화물 반도체를 채널층으로 하는 TFT에 적용하는 경우, TFT의 특성이나 신뢰성에 있어 우수한 IGZO 막의 성막 방법 및 이러한 IGZO 막의 성막에 적합한 진공 처리 장치를 제공하는 것을 그 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 인듐, 갈륨 및 아연을 포함하는 소결체를 타겟으로 하여, 이 타겟을 설치한 진공 처리실 내에 처리 대상물을 배치하고, 진공 처리실이 소정의 압력으로 진공 배기되면, 방전용 가스와 산소 가스를 도입하고, 타겟에 소정 전력을 투입하여 타겟을 스퍼터링함으로써, 반응성 스퍼터를 통해 처리 대상물의 표면에 IGZO 막을 성막하는 성막 방법에 있어서, 타겟의 스퍼터링 개시에 앞서, 진공 처리실 내의 수분압을 1×10-5Pa ~ 1×10-3Pa의 범위로 하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 성막 방법에 의하면, 스퍼터링에 의한 타겟 성막 시 진공 처리실 내의 수분압을 소정의 범위로 제어함으로써, TFT의 특성이나 신뢰성에 있어 우수한 IGZO 막을 얻을 수 있다는 것을 확인하였다. 이 경우, 수분압이 1×10-5Pa보다 낮아지면, 상승 전압(VON)이 플러스 측으로 시프트한다는 문제가 생긴다. 한편, 수분압이 1×10-3Pa보다 높아지면, 막 밀도가 낮아, OH-나 O-의 약 결합으로 인한 결손이 많이 존재하는 IGZO 막이 되어, 전자 이동도가 저하되거나 상승 전압(VON)이 플러스 측으로 시프트해 버리는 등의 문제가 생긴다.
그런데 성막이나 에칭과 같이 소정의 처리를 실시하는 진공 처리 장치에 있어서, 진공 처리실 내의 수분압을 소정의 범위로 제어하는 경우, 처리에 앞서 진공 처리실 내를 가열하면서 진공 배기하여, 이를 통해 진공 처리실 내에 잔류하는 물 분자나 진공 처리실 내로 유입되는 수분을 배기하는 것을 생각해 볼 수 있으나, 이것으로는 제어하고자 하는 진공 처리실 내의 수분압에 따라서는, 진공 배기하는데 장시간이 걸릴 수 있으며, 가급적 신속하게 작업을 시작할 수 없어 생산성이 나쁘다는 문제가 있다. 이 경우, 진공 처리실에 진공 가열실을 연달아 설치하고, 진공 가열실 내에서 처리 대상물을 가열하여, 해당 처리 대상물에 부착된 물 분자를 미리 이탈시키는 방법이 예전부터 사용되고 있다. 이러한 방법에서도 진공 가열실에서 처리 대상물로부터 물 분자를 충분히 이탈시켜 두지 않으면, 진공 처리실 내에 물 분자가 유입되어 결국 제어하려고 하는 진공 처리실 내의 수분압에 따라서는 진공 배기에 장시간을 요하게 된다.
따라서, 본 발명에 따른 진공 처리 장치는, 제 1 진공 펌프 및 가열 수단을 가지며, 제 1 진공 펌프를 통해 진공 배기한 상태에서 가열 수단에 의해 처리 대상물을 가열하여, 해당 처리 대상물에 부착된 수분을 이탈시키는 진공 가열실과, 제 2 진공 펌프를 가지며, 진공 가열실로부터 가열 완료된 처리 대상물이 진공 분위기에서 반송되어, 제 2 진공 펌프를 통해 진공 배기한 상태에서 처리 대상물을 저장하는 저장실(stock room)과, 제 3의 진공 펌프를 가지며, 저장실로부터 처리 대상물이 진공 분위기에서 반송되어, 제 3 진공 펌프를 통해 진공 배기한 상태에서 처리 대상물에 대해 소정의 처리를 실시하는 진공 처리실을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 진공 처리 장치에 의하면, 진공 가열실과 진공 처리실 사이에 처리 대상물이 반송되는 경로에 저장실을 설치하여, 진공 가열실에서 물 분자를 미리 이탈시킨 처리 대상물을 진공 분위기에서 저장하여, 물 분자를 더욱 진공 배기하는 구성을 채용하고 있으므로, 진공 가열실에서 처리 대상물로부터 물 분자가 충분히 이탈할 때까지 기다리지 않고서도 그 처리 대상물을 반송할 수 있으며, 또한 저장실에서 물 분자를 더욱 이탈시킨 상태의 처리 대상물을 진공 처리실로 반송할 수 있다. 게다가 진공 가열실, 저장실 및 진공 처리실을 통해 병렬로 처리를 실시할 수 있어, 결과적으로 제어하고자 하는 진공 처리실 내의 수분압까지의 진공 배기 시간을 단축할 수 있으며, 가급적 신속하게 소정의 처리를 시작할 수 있어, 생산성을 향상시킬 수 있다.
덧붙여, 본 발명에서 ‘처리 대상물’이라고 한 경우에는, 성막이나 에칭과 같은 소정의 처리가 실시되는 유리 기판이나 실리콘 웨이퍼 등뿐만 아니라, 예를 들어, 유리 기판이 캐리어에 장착되어 반송되는 경우에 그 캐리어도 포함하는 개념이다. 또한 진공 처리 장치로는, 진공 가열실, 저장실 및 진공 처리실을 한 방향으로 게이트 밸브를 통해 연달아 설치한 것(이른바 인라인 방식 진공 처리 장치) 이외에도, 이른바 클러스터 툴(cluster tool) 방식의 것을 사용할 수도 있다. 또한 진공 가열실은 처리 대상물을 출입시키기 위해 이른바 로드 락 챔버를 겸용하도록 할 수도 있다.
또한, 본 발명에서는, 상기 진공 가열실 내의 수분압을 측정하는 제 1 측정 수단과, 상기 저장실 내의 수분압을 측정하는 제 2 측정 수단을 가지며, 제 1 측정 수단으로 측정한 제 1 측정값이 소정의 값에 도달했을 때, 그리고 제 2 측정 수단으로 측정한 제 2 측정값이 제 1 측정값보다 낮은 소정의 값에 도달하면, 처리 대상물의 반송을 허용하는 판정 수단을 더욱 포함하는 것이 바람직하다. 이에 따르면, 물 분자를 효율적으로 이탈시킨 상태의 처리 대상물을 진공 처리실로 반송할 수 있어, 그 결과 생산성을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에서는 생산성을 더욱 향상시키기 위해, 상기 저장실 내에 물 분자를 흡착하는 흡착 수단을 마련하는 것이 바람직하다.
덧붙여, 상기 진공 처리 장치를 IGZO 막의 성막에 적용하는 경우, 상기 진공 처리실에 인듐, 갈륨 및 아연을 포함하는 소결체의 타겟과, 타겟에 전력을 투입하는 전원과, 방전용 가스와 산소 가스를 각각 도입하는 가스 도입 수단과, 진공 처리실 내의 수분압을 측정하는 제 3 측정 수단을 마련하고, 진공 처리실 내의 수분압이 1×10-5Pa ~ 1×10-3Pa의 범위 내의 소정의 값에 도달하면, 방전용 가스와 산소 가스를 도입하고 타겟으로 전력을 투입하는 제어 수단을 더욱 구비해 두는 것이 좋다.
[도 1] 본 발명의 실시 형태에 따른 진공 처리 장치를 설명하는 모식도.
[도 2] 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 방법으로 성막된 IGZO 막을 가지는 TFT의 구조를 나타낸 모식도.
[도 3] 본 발명의 효과를 확인하는 실험에서의 평가 방법을 설명하는 도면.
[도 4] 본 발명의 효과를 확인하는 실험 결과를 나타낸 도면.
이하, 도면을 참조하여 처리 대상물을 유리 기판(W)으로 하고, 유리 기판(W)의 한 쪽 면에 IGZO 막을 성막하는 경우를 예로 들어, 본 발명의 IGZO 막의 성막 방법 및 IGZO 막의 성막에 적합한 진공 처리 장치의 실시 형태를 설명한다. 이하에서는, 유리 기판(W)이 연직 방향으로 기립한 자세로 반송되는 것으로 하며, 위, 아래, 오른쪽, 왼쪽 등 방향을 나타내는 용어는 도 1을 기준으로 한다.
도 1을 참조하여, VM은 본 실시 형태에 따른 진공 처리 장치이다. 진공 처리 장치(VM)는 하나의 방향으로 게이트 밸브(Gv)를 통해 서로 연달아 설치된 제 1 ~ 제 4의 진공 챔버(Vc1, Vc2, Vc3, Vc4)를 가지며, 기판 반송 수단(TP)에 의해 유리 기판(W)을 제 1 ~ 제 4의 진공 챔버(Vc1, Vc2, Vc3, Vc4)의 소정 위치로 반송할 수 있도록 되어있다. 기판 반송 수단(TP)은, 유리 기판(W)을 연직 방향으로 기립시킨 자세로 유지하는 캐리어(Tc)와, 진공 처리 장치(VM) 내에서 캐리어(Tc)를 수평 방향으로 반송시키는 캐리어 반송 수단(Tt)을 포함한다. 덧붙여, 기판 반송 수단(TP)으로는 복수개의 롤러를 구비하는 알려진 것을 이용할 수 있으므로 더 이상의 자세한 설명은 생략한다.
상류 측(도 1의 가장 왼쪽)의 제 1 진공 챔버(Vc1)는, 이른바 로드 락 챔버의 역할을 하며, 그 내부를 진공 배기하는 진공 펌프(11)와, 그 내부를 대기 개방하는 벤트 밸브(vent valve)(12)를 포함한다. 이 경우, 진공 펌프(11)는, 대기압에서 소정의 압력(40Pa)까지의 압력 범위에서 신속하게 제 1 진공 챔버(Vc1) 내를 진공 배기할 수 있는 것 중에서 선정되는데, 예를 들면, 로터리 펌프 등을 사용할 수 있다. 또한, 제 1 진공 챔버(Vc1)의 측벽에는 도시 생략한 개폐 도어가 설치되어, 대기압 상태의 제 1 진공 챔버(Vc1)에서 처리 전의 유리 기판(W)의 캐리어(Tc)에 설치하거나 처리 후의 유리 기판(W)의 캐리어(Tc)로부터 분리할 수 있도록 되어있다. 덧붙여, 처리된 유리 기판(W)을 꺼내기 위해 제 4 진공 챔버(Vc4)의 하류 측에 다른 로드 락 챔버를 연달아 설치할 수도 있다.
제 1 진공 챔버(Vc1)에 인접한 제 2 진공 챔버(Vc2)는, 본 실시 형태의 진공 가열실의 역할을 하며, 그 내부를 소정 압력(1×10-3Pa)까지 진공 배기할 수 있는 진공 펌프(21)와, 캐리어(Tc)로 유지되는 유리 기판(W)를 가열하는 가열 수단(22)을 포함한다. 이 경우, 진공 펌프(21)는, 캐리어(Tc)와 유리 기판(W)에서 이탈하는 물 분자를 포함하는 기체를 효율적으로 배출할 수 있는 것 중에서 선정되는데, 예를 들면, 백 펌프(Back pump)를 구비하는 터보 분자 펌프 등을 사용할 수 있다. 가열 수단(22)으로는, 캐리어(Tc)나 유리 기판(W)을 소정의 온도(예를 들어, 100 ~ 120℃ 범위의 온도)로 가열하여 물 분자를 효율적으로 이탈시킬 수 있는 것이라면 특별히 제한하지 않으며, 예를 들면 시즈 히터를 사용할 수 있다. 또한, 제 2 진공 챔버(Vc2)에는 제 1 측정 수단으로 질량 분석관(23)이 설치되어, 그 내부의 수분압을 측정할 수 있도록 되어 있다. 이 경우 질량 분석관(23)에서 측정한 수분압(제 1 측정값)이 소정의 값(예를 들면 1×10-2Pa)보다 낮아지면, 제 3의 진공 챔버(Vc3)로 유리 기판(W)을 반송하는 것을 허용하도록 할 수 있다.
제 2 진공 챔버(Vc2)에 인접한 제 3 진공 챔버(Vc3)는, 본 실시 형태의 저장실의 역할을 하며, 그 내부를 소정 압력(1×10-4Pa)까지 진공 배기할 수 있는 진공 펌프(31)를 포함한다. 이 경우, 진공 펌프(31)는 특히 물 분자를 효율적으로 배출할 수 있는 것 중에서 선정되는데, 예를 들면, 크라이오 펌프 등을 사용할 수 있다. 또한 제 3 진공 챔버(Vc3)에는, 캐리어(Tc)로 지지되는 유리 기판(W)에 대향시켜 흡착 수단으로서의 크라이오 패널(32)이 설치되어, 크라이오 패널(32)의 패널 표면에서 물 분자를 적극적으로 흡착시키도록 되어 있다. 제 3 진공 챔버(Vc3)에도 또한 제 2 측정 수단으로서의 질량 분석관(33)이 설치되어, 그 내부의 수분압을 측정할 수 있도록 되어 있다. 이 경우 질량 분석관(33)에서 측정한 수분압(제 2 측정값)이 상기 제 1 측정값보다 낮은 소정의 값(예를 들면 5×10-3Pa)보다 낮아지면, 제 4 진공 챔버(Vc4)로 유리 기판(W)을 반송하는 것을 허용하도록 할 수 있다.
제 3 진공 챔버(Vc3)에 인접한 제 4 진공 챔버(Vc4)는, 본 실시 형태의 진공 처리실의 역할을 하며, 본 실시 형태에 따른 성막 방법을 실시하여 유리 기판(W)의 한쪽 면에 IGZO 막을 성막할 수 있도록 되어 있다. 제 4 진공 챔버(Vc4)는, 그 내부를 소정의 압력(1×10-5Pa)까지 진공 배기할 수 있는 터보 분자 펌프, 드라이 펌프와 같은 진공 펌프(41)를 포함한다. 제 4 진공 챔버(Vc4)의 측벽면에는, 캐리어(Tc)에 유지된 유리 기판(W)에 대향시켜 스퍼터링 캐소드(42)가 설치된다. 스퍼터링 캐소드(42)는, 따로 도시하여 설명하지는 않으나, 인듐, 갈륨 및 아연을 포함하는 소결체의 타겟(42a)과 자석 유닛(42b)으로 구성된다. 타겟(42a)은, 유리 기판(W)보다 큰 윤곽을 가진 대략 직육면체 형상이며, 스퍼터링에 의한 성막 중 해당 타겟(42a)을 냉각하는 구리 냉각판(backing plate)(도시 생략)에 접합된 상태로 설치된다. 덧붙여, 유리 기판(W)의 성막면의 면적에 따라서는, 복수 개의 타겟(42a)을 동일 평면 내에 일렬로 설치하여 구성할 수도 있다. 타겟(42a)에는 또한 스퍼터 전원(E)으로부터의 출력이 연결되어 소정의 전력을 투입할 수 있도록 되어 있다. 한편, 자석 유닛(42b)은, 지지판(421)(요크)의 한쪽 면에 설치한 중앙 자석(422)과, 이 중앙 자석(422)의 주위를 둘러싸도록 지지판(421)의 외주를 따라 환형으로 배치된 주변 자석(423)으로 구성되며, 타겟(42a)과 유리 기판(W) 사이의 공간에 터널 모양의 누설 자장(도시 생략)이 형성되도록 되어 있다. 이 경우, 예를 들어 타겟(42a)의 이용 효율을 높이기 위해, 자석 유닛(42b)에 구동 수단(도시 생략)을 연결하여 스퍼터링에 의한 성막 중, 상하 방향 또는 좌우 방향 중 적어도 한 방향으로 소정의 스트로크로 왕복 운동하도록 되어있다.
또한, 제 4 진공 챔버(Vc4)의 측벽에는 가스 공급구가 개방 설치되어, 가스 공급구에 가스관(43a, 43b)이 각각 연결되어 있다. 가스관(43a, 43b)은, 질량 유량 제어기(44a, 44b)를 통해 도시 생략한 아르곤 등의 희가스로 이루어진 방전용 가스의 가스 소스와, 산소 가스나 오존과 같이 산소 함유 반응 가스의 가스 소스에 각각 연통하여, 제 4 진공 챔버(Vc4) 내에 유량 제어된 희가스와 반응 가스를 도입할 수 있도록 되어 있다. 이들 가스관(43a, 43b) 및 질량 유량 제어기(44a, 44b)가 특허청구의 범위의 가스 도입 수단을 구성한다. 나아가, 제 4 진공 챔버(Vc4)에도 또한 제 3 측정 수단으로서의 질량 분석관(45)이 설치되어, 그 내부의 수분압을 측정할 수 있도록 되어 있다. 이 경우 질량 분석관(45)에서 측정한 수분압이 소정의 범위(1×10-5Pa ~ 1×10-3Pa)가 되면, 유리 기판(W)으로의 성막이 시작되도록 되어 있다. 덧붙여, 예를 들어, 제 4 진공 챔버(Vc4) 내부가 1×10-5Pa 부근의 압력까지 진공 배기되어 있는 경우, 제 4 진공 챔버(Vc4) 내의 압력은 수분압에 상응하는 것으로 간주할 수 있다. 이러한 압력 범위에서 성막을 실시하는 경우에는, 질량 분석관(45)을 생략하고 이온 게이지와 같은 진공계를 제 3 측정 수단으로 이용할 수도 있다.
또한 진공 처리 장치(VM)는, 메모리, 마이크로 컴퓨터나 시퀀서 등을 갖춘 알려진 제어 장치(Cr)를 가지며, 예를 들어, 질량 분석관(23, 33, 45)에서의 측정값의 출력을 받거나, 캐리어 반송 수단(Tt), 질량 유량 제어기(44a, 44b), 전원(E) 및 각 진공 펌프(11, 21, 31, 41)의 가동을 통괄 제어하도록 되어 있다. 본 실시 형태에서는, 상기 제어 유닛(Cr)이 질량 분석관(23)에서 측정한 제 1 측정값이 소정의 값에 도달했을 때, 및 질량 분석관(33)에서 측정한 제 2 측정값이 제 1 측정값보다 낮은 소정의 값에 도달하면, 유리 기판(W)의 반송을 허용하는 판정 수단의 역할을 겸용하며, 또한 제 4 진공 처리실(Vc4) 내부의 수분압이 1×10-5Pa ~ 1×10-3Pa의 범위 내의 소정 압력으로 진공 배기되면, 희가스 및 반응 가스 도입 및 타겟(42a)으로 전력을 투입하는 제어 수단으로서의 역할도 겸용한다. 이하, 상기 진공 처리 장치(VM)에 의해 유리 기판(W)의 한쪽 면에 반응성 스퍼터에 의해 IGZO 막을 성막하는 경우를 예로 들어 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 방법을 설명한다.
먼저 대기 상태의 제 1 진공 챔버(Vc1)에서, 처리 전의 유리 기판(W)을 캐리어(Tc)에 세팅한다. 캐리어(Tc)에 유리 기판(W)이 세팅되면, 진공 펌프(11)를 가동하여 제 1 진공 챔버(Vc1) 내를 진공 배기한다. 덧붙여, 제 1 진공 챔버(Vc1)가 마주하는 클린 룸은, 통상적으로 그 온도는 실온(예를 들면 24℃)으로, 습도는 40% RH로 제어되며, 이 클린 룸에 노출되는 캐리어(Tc)나 유리 기판(W)에는 물 분자가 흡착된다. 또한 제 2 ~ 제 4의 각 진공 챔버(Vc2 ~ Vc4) 내부는 진공 펌프(21, 31, 41)를 구동하여 진공 배기된다.
그리고, 제 1 진공 챔버(Vc1) 내부의 압력이 소정의 값(예를 들어 40Pa)에 도달하면, 게이트 밸브(Gv)를 열어 캐리어(Tc)를 진공 배기 상태의 제 2 진공 챔버(Vc2)로 반송한다. 제 2 진공 챔버(Vc2)에 해당하는 진공 가열실에서, 가열 수단(22)에 의해 캐리어(Tc)나 유리 기판(W)을 소정의 온도(예를 들어, 100 ~ 120℃ 범위의 온도)로 가열하여 수분을 이탈시켜, 이탈시킨 물 분자를 진공 펌프(21)를 통해 배기한다. 이 때, 제 2 진공 챔버(Vc2)의 수분압을 질량 분석관(23)으로 측정하여, 측정된 수분압(제 1 측정값)이 소정의 값(예를 들면 1×10-2Pa)보다 낮아지면 게이트 밸브(Gv)를 열어 캐리어(Tc)를 진공 배기 상태의 제 3의 진공 챔버(Vc3)에 반송한다.
다음으로, 제 3의 진공 챔버(Vc3)에 해당하는 저장실에서, 진공 가열실(Vc2)에서, 물 분자를 미리 이탈시킨 캐리어(Tc) 및 유리 기판(W)을 진공 분위기에서 저장하여, 이를 통해 물 분자를 더욱 진공 배기한다. 이 때, 흡착 수단에 해당하는 크라이오 패널(32)의 패널 표면에서 물 분자를 적극적으로 흡착시키는 것이 바람직하다. 그리고 제 3 진공 챔버(Vc3) 내부의 수분압을 질량 분석관(33)으로 측정하여, 측정된 수분압(제 2 측정값)이 소정의 값(예를 들면 5×10-3Pa)보다 낮아지면, 게이트 밸브(Gv)를 열어 캐리어(Tc)를 진공 배기한 상태의 제 4 진공 챔버(Vc4)로 반송하고, 타겟(42a)에 대향시켜 유리 기판(W)을 배치한다.
다음으로, 제 4 진공 챔버(Vc4)에 해당하는 진공 처리실에서, 그 내부의 수분압을 질량 분석관(45)으로 측정하여, 측정된 수분압이 1×10-5Pa ~ 1×10-3Pa의 범위가 되면, 유리 기판(W)의 성막을 시작한다. 즉, 질량 유량 제어기(44a, 44b)를 제어하여 희가스 및 반응 가스를 소정의 유량으로 각각 도입하고(이 때 진공 처리실(Vc4) 내부의 압력이 0.1 ~ 1.0Pa의 범위가 되며, 산소의 분압은 0 ~ 0.05Pa의 범위가 된다), 이와 아울러, 스퍼터 전원(E)으로부터 타겟(42a)에 소정의 전력(예를 들어, 전력 밀도가 2 ~ 5W/cm2)을 투입하여 진공 처리실(Vc4) 내에 플라즈마를 형성한다. 이를 통해 타겟(42a)의 스퍼터 표면이 스퍼터되며, 비산된 인듐, 갈륨 및 아연의 원자와 산소의 반응 생성물이 유리 기판(W) 표면에 부착, 퇴적되어 IGZO 막이 성막된다.
본 실시 형태에 따르면, IGZO 막의 성막 시의 진공 처리실(Vc4)의 수분압을 1×10-5Pa ~ 1×10-3Pa의 범위로 제어함으로써, TFT의 특성이나 신뢰성에 있어 우수한 IGZO 막을 얻을 수 있다. 수분압이 1×10-5Pa보다 낮아지면, 상승 전압(VON)이 플러스 측으로 시프트하는 문제가 생긴다. 한편, 수분압이 1×10-3Pa보다 높아지면, 막 밀도가 낮아, OH-나 O-의 약 결합으로 인한 결손이 많이 존재하는 IGZO 막이 되어, 전자 이동도가 저하되거나 상승 전압(VON)이 플러스 측으로 시프트해 버리는 등의 문제가 생긴다.
또한, 본 실시 형태에 따르면, 진공 가열실(Vc2) 및 진공 처리실(Vc4) 사이의 유리 기판(W) 및 캐리어(Tc)가 반송되는 경로에 저장실(Vc3)을 마련하고, 이 저장실(Vc3)에서, 진공 가열실(Vc2)에서 물 분자를 미리 이탈시킨 유리 기판(W) 및 캐리어(Tc)를 진공 분위기에서 저장하여, 물 분자를 더욱 진공 배기하는 구성을 채택함으로써, 진공 가열실(Vc2)에서 유리 기판(W) 및 캐리어(Tc)로부터 물 분자를 충분히 이탈시킬 때까지 기다리지 않고서도, 해당 유리 기판(W) 및 캐리어(Tc)를 반송할 수 있으며, 이와 동시에 저장실(Vc3)에서 물 분자를 더욱 이탈시킨 상태의 유리 기판(W) 및 캐리어(Tc)를 진공 처리실(Vc4)로 반송할 수 있다. 게다가 진공 가열실(Vc2), 저장실(Vc3) 및 진공 처리실(Vc4)을 통해 병렬로 처리를 실시할 수 있으며, 결과적으로 제어하고자 하는 진공 처리실(Vc4) 내부의 수분압까지의 진공 배기 시간을 단축할 수 있고, 가급적 신속하게 성막 처리를 시작할 수 있어 생산성을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 상기 효과를 확인하기 위하여 다음의 실험을 실시하였다. 본 실험에서는 먼저 도 2에 나타낸 ES형 TFT와 같이, 상기 진공 처리 장치(VM)를 이용하여 성막된 IGZO 막을 채널층(활성층)(53)으로 가지는 TFT를 제조하였다. 즉, 알려진 방법으로 유리 기판(50)의 한쪽 면에 게이트 전극(51)으로 크롬 막을 형성한 후, 이 게이트 전극(51) 상에 게이트 절연막(52)으로서 산화 알루미늄 막을 형성한 것을 처리 대상물(W)로 하고, 이 처리 대상물(W)을 제 1 진공 챔버(Vc1)에서 캐리어(Tc)에 세팅하였다. 이 때, 제 1 진공 챔버(Vc1)가 마주하는 클린 룸의 온도는 24℃, 습도 40% RH로 제어되고 있으며, 이 클린 룸에 노출된 처리 대상물(W) 및 캐리어(Tc)에 물 분자가 흡착되었다. 그리고, 제 1 진공 챔버(Vc1) 내를 진공 배기하여 40Pa에 도달하면, 캐리어(Tc)를 진공 가열실(Vc2)로 반송하여 가열 수단(22)에 의해 캐리어(Tc)와 처리 대상물(W)을 100℃로 가열하여 물 분자를 미리 이탈시켰다. 그리고 질량 분석관(23)에 의한 제 1 측정값이 1×10-2Pa보다 낮아지면, 캐리어(Tc)를 저장실(Vc3)의 크라이오 패널(32)과 대향하는 위치로 반송하였다. 질량 분석관(33)을 통한 제 2 측정값이 5×10-3Pa보다 낮아지면, 캐리어(Tc)를 진공 처리실(Vc4)의 타겟(42a)과 대향하는 위치로 반송하였다. 질량 분석관(45)을 통해 측정한 수분압이 1×10-3Pa의 범위가 되면, IGZO 막의 성막을 시작하였다. 성막 조건은 진공 처리실 내 압력은 0.67Pa, 타겟에 투입되는 전력(전력 밀도)를 5W/cm2로 설정하였다. IGZO 막이 성막된 처리 대상물(W)을 캐리어(Tc)에서 분리하고, IGZO 막을 패터닝하여 채널층(53)으로 하였다. 다음으로 Es층(에칭 스토퍼 층)(54)을 형성하고, 소스 전극(55s) 및 드레인 전극(55d)을 더욱 형성한 다음, 패시베이션 막(보호막)(56)을 형성함으로써, 도 2에 나타낸 TFT를 제조하였다. 또한 진공 처리실(Vc4)의 수분압이 8×10-6Pa, 2×10-5Pa, 1×10-4Pa, 5×10-3Pa, 1×10-2Pa일 때 IGZO 막의 성막을 시작하여 해당 IGZO 막을 갖는 TFT를 각각 제조하였다.
이렇게 하여 얻어진 TFT의 특성 평가를, 상승 전압(Von)에 기초하여 진행하였다. 도 3을 참조하여, 상승 전압(Von)은, 드레인 전압(Vd)을 5V로 하고, 게이트 전압(Vg)을 -15V ~ 20V의 범위에서 변화시켰을 때의 드레인 전류(Id)(A)를 측정하여, 드레인 전류(Id)가 1×10-9A가 될 때의 게이트 전압(Vg)이다. 상승 전압(Von)이 0V ~ 1V의 범위인 경우, 특성이나 신뢰성에 있어 우수한 TFT이라고 평가하였다. 진공 처리실(Vc4)의 수분압과 TFT의 상승 전압(Von)과의 관계를 도 4에 나타내었다. 이에 따르면, IGZO 막의 성막 시 수분압을 1×10-5Pa ~ 1×10-3Pa의 범위로 함으로써, TFT의 상승 전압(Von)을 0V ~ 1V의 범위로 할 수 있어, 특성이나 신뢰성에 있어 우수한 TFT를 얻을 수 있다는 것을 알았다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명했으나, 본 발명은 상기에 한정되지 않는다. 상기 실시 형태에서는, 질량 분석관(23, 33)의 측정값에 따라 반송을 허용하고, 질량 분석관(45)의 측정값에 따라 처리를 시작하는 경우를 예로 들어 설명했으나, 반드시 질량 분석관(23, 33, 45)을 설치할 필요는 없다. 여기서, 제 1 진공 챔버(Vc1)가 마주하는 클린 룸의 분위기(온도, 습도)는 대략 일정하게 제어되고 있으므로, 처리 대상물(유리 기판(W) 및 캐리어(Tc))이 제 1 진공 챔버(Vc1)에 투입되기 전에 클린 룸에 노출되는 시간을 대략 일정하게(예를 들어 1시간) 제어하면, 각 처리 대상물에 흡착되는 수분량을 동량으로 간주할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 진공 처리실(Vc4)로 처리 대상물이 반송된 후 소정 시간이 경과한 시점에서, 진공 처리실(Vc4) 내부의 수분압이 1×10-5Pa ~ 1×10-3Pa의 범위라고 간주하여 소정 처리를 시작할 수 있다. 단, 처리 대상물이 클린 룸에 노출되는 시간이 너무 짧으면, 처리 대상물에 부착되는 수분량이 너무 적어져, 결과적으로 진공 처리실(Vc4) 내부의 수분압이 1×10-5Pa보다 낮아, TFT의 상승 전압(VON)이 1V보다 커지는 경우가 생긴다. 이 때문에 처리 대상물을 클린 룸에 노출시키는 시간은 처리 대상물에 적어도 일정량의 수분이 부착되도록 설정하는 것이 바람직하다. 또한 클린 룸에 노출시키는 시간이 짧은 경우에는 가열 수단(22)을 이용하는 가열하기 전 공정으로서, 클린 룸과 동등한 분위기에서 처리 대상물을 소정 시간 노출시키는 공정을 수행하도록 할 수도 있으며, 이를 통해 처리 대상물에 흡착되어 진공 가열실(Vc2)로 유입되는 물 분자를 관리할 수 있어 유리하다.
상기 실시 형태에서, 반응성 스퍼터에 의해 IGZO 막을 성막하는 스퍼터링 장치를 예로 들어 설명했으나, 반응성 스퍼터 이외의 방법으로 성막하는 성막 장치나 에칭 장치에 대해서도 본 발명을 적용할 수 있다.
상기 실시 형태에서는, 유리 기판(W)을 연직 방향으로 기립시킨 상태에서 반송하는 경우를 예로 들어 설명했으나, 유리 기판(W)을 수평으로 유지시킨 상태에서 반응하는 경우에도 본 발명을 적용할 수 있다.
상기 실시 형태에서는, 제어 유닛(Cr)이 판정 수단 및 제어 수단을 겸용하는 경우를 예로 들어 설명했으나, 다른 판정 수단 및 제어 수단을 별도의 제어 유 닛으로 구성할 수도 있다.
또한 상기 실험에서는, 채널층으로 IGZO 막을 갖는 TFT로서 ES형의 TFT를 예로 들어 설명했으나, IGZO 막의 성막 시 수분압을 제어함으로써, TFT의 상승 전압(Von)을 0V ~ 1V 의 범위로 하면, TFT의 구조나 제법과 관계없이 특성이나 신뢰성에 있어 우수한 TFT를 얻을 수 있다.
Cr ... 제어 유닛(판정 수단, 제어 수단)
E ... 스퍼터 전원(전원)
Vc2 ... 제 2 진공 챔버(진공 가열실)
Vc3 ... 제 3 진공 챔버(저장실)
Vc4 ... 제 4 진공 챔버(진공 처리실)
VM ... 진공 처리 장치
W ... 유리 기판(처리 대상물)
21 ... 제 1 진공 펌프
22 ... 가열 수단
23 ... 질량 분석관(제 1 측정 수단)
31 ... 제 2 진공 펌프
32 ... 크라이오 패널(흡착 수단)
33 ... 질량 분석관(제 2 측정 수단)
41 ... 제 3 진공 펌프
42a ... 타겟
43a, 43b ... 가스관(가스 도입 수단)
44a, 44b ... 질량 유량 제어기(가스 도입 수단)
45 ... 질량 분석관(제 3 측정 수단)

Claims (5)

  1. 제 1 진공 펌프 및 가열 수단을 가지며, 상기 제 1 진공 펌프로 진공 배기한 상태에서 상기 가열 수단을 통해 처리 대상물을 가열하여, 상기 처리 대상물에 부착된 수분을 이탈시키는 진공 가열실,
    제 2 진공 펌프를 가지며, 상기 진공 가열실로부터 가열된 상기 처리 대상물이 진공 분위기에서 반송되고, 상기 제 2 진공 펌프로 진공 배기한 상태에서 상기 처리 대상물을 저장하는 저장실(stock room),
    제 3 진공 펌프를 가지며, 상기 저장실로부터 상기 처리 대상물이 진공 분위기에서 반송되고, 상기 제 3 진공 펌프를 통해 진공 배기한 상태에서 상기 처리 대상물에 대해 소정의 처리를 실시하는 진공 처리실을 구비하고,
    상기 진공 가열실 내의 수분압을 측정하는 제 1 측정 수단, 상기 저장실 내의 수분압을 측정하는 제 2 측정 수단을 가지며, 상기 제 1 측정 수단으로 측정한 제 1 측정값이 소정의 값에 도달했을 때, 그리고 상기 제 2 측정 수단으로 측정한 제 2 측정값이 상기 제 1 측정값보다 낮은 소정의 값에 도달하면, 상기 처리 대상물의 반송을 허용하는 판정 수단을 더욱 구비하는 것을 특징으로 하는 진공 처리 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 저장실 내에 물 분자를 흡착시키는 흡착 수단이 설치되는 것을 특징으로 하는 진공 처리 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 진공 처리실에, 인듐, 갈륨 및 아연을 포함하는 소결체의 타겟, 상기 타겟에 전력을 투입하는 전원, 방전용 가스와 산소 가스를 각각 도입하는 가스 도입 수단, 상기 진공 처리실 내의 수분압을 측정하는 제 3 측정 수단을 마련하고, 상기 진공 처리실 내의 수분압이 1×10-5Pa ~ 1×10-3Pa의 범위 내의 소정의 압력으로 진공 배기되면, 상기 방전용 가스와 상기 산소 가스를 도입하고 상기 타겟에 전력을 투입하는 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 진공 처리 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
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