(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器内を排気して真空状態にすると共にスパッタリングガスを導入した状態で反応容器内を所定圧力に制御し、ＭｇＯターゲットを保持した保持手段に高周波電圧を印加して反応容器内にプラズマを発生させ、ＭｇＯターゲットにＫｒＦエキシマレーザを照射させながら、プラズマによりＭｇＯターゲットをスパッタリングすることでＭｇＯ膜を被処理体に堆積させてプラズマディスプレイパネルの保護膜を成膜することを特徴とする薄膜形成方法。
【請求項２】
ＭｇＯ膜を被処理体に堆積させる際、ＭｇＯターゲット表面の活性化および／またはプラズマの強度を制御しながら成膜する請求項１に記載の薄膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置や表示デバイス等に用いるプラズマディスプレイパネル（ガス放電表示パネル又はＰＤＰとも呼ぶ）の製造に採用される薄膜形成方法に関し、特にプラズマディスプレイパネルの誘電体層の保護膜となる薄膜の形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置や表示デバイスの製造分野において基板の大型化が進んでおり、プラズマディスプレイパネルでは特にその傾向が顕著である。
【０００３】
交流駆動型（ＡＣ）プラズマディスプレイパネルでは、放電によるイオン衝撃から誘電体層を保護するための保護膜として薄膜が形成されている。この薄膜としては一般的に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜が用いられる。
【０００４】
プラズマディスプレイパネルの駆動電圧は、素子構造や封入ガス等多くの要因によって決定される。放電空間に接する保護膜の２次電子放出係数はそのひとつであり、２次電子放出係数が大きい程、低電圧で駆動することができる。そこでプラズマディスプレイパネルの低電圧化を図る上で、２次電子放出係数が大きい酸化マグネシウムが適している。
【０００５】
酸化マグネシウム膜は一般に電子ビーム蒸着法、つまり電子ビームを利用した電子エネルギー照射により、真空中酸素雰囲気で図５に示す模式図のように、ターゲット保持台５に保持された蒸着源となるターゲット４を蒸発させて、誘電体層の表面に配向性をもった結晶性のＭｇＯの薄膜を基板に堆積させる方法を用い、その後焼成工程を経て薄膜を形成している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
近年のプラズマディスプレイパネルの大型化に伴い、大面積の基板が必要になり、この基板を収納して酸化マグネシウムを基板に堆積させるためには大型の真空装置が必要となる。そこで、大面積化したプラズマディスプレイパネルの消費電力を低く抑えてコスト低減を図るために、更なる低電圧化が求められている。
【０００７】
ところが上記従来法である電子ビーム蒸着法を用いて酸化マグネシウム膜をプラズマディスプレイパネルに薄膜形成する場合、電子ビームは小スポットに集中して照射を行うため、成膜速度が遅くなって生産性が低下し、装置コストが割高になると共に低電圧化も困難であるという問題があった。その上、図５に示すようにＭｇ原子とＯ原子が一旦分解した後、基板上で再結合してＭｇＯ膜となるため再現性が悪く、良質の膜が得られないという問題もあった。
【０００８】
また、プラズマ放電を利用して基板に薄膜を形成するスパッタリング法を用いた場合でも、酸化マグネシウム自体が耐スパッタ性膜であるため、非常に成膜速度が遅く生産性に劣るという問題があった。
【０００９】
そこで本発明は上記のような問題点を解消し、ＭｇＯターゲット表面を活性化させながらスパッタリングを行い、クラスター化したＭｇＯを基板に堆積させて成膜速度が速く低コストで良質の保護膜（薄膜）を形成することによって、プラズマディスプレイパネルの低電圧化と発光効率向上を図ることができる薄膜形成方法及び装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の薄膜形成方法は上記目的を達成するために、反応容器内を排気して真空状態にすると共にスパッタリングガスを導入した状態で反応容器内を所定圧力に制御し、ＭｇＯターゲットを保持した保持手段に高周波電圧を印加して反応容器内にプラズマを発生させ、ＭｇＯターゲットにＫｒＦエキシマレーザを照射させながら、プラズマによりＭｇＯターゲットをスパッタリングすることでＭｇＯ膜を被処理体に堆積させてプラズマディスプレイパネルの保護膜を成膜することを特徴とする。
【００１１】
この方法によれば、真空状態の反応容器内にプラズマ生成用のスパッタリングガスを導入した状態で、反応容器内を所定圧力に制御して減圧雰囲気中の保持手段に高周波電圧を印加するので、成膜材料として絶縁物でありプラズマディスプレイパネルの保護膜として好適な酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を用いた場合に、ガスのイオンによってＭｇＯターゲット表面がプラスにチャージされることなく、プラズマの発生を継続させることができる。そして、プラズマによるスパッタリング中、ＭｇＯターゲット表面をＫｒＦエキシマレーザで照射して活性化させるので、スパッタリングしてクラスター化させたＭｇＯを、被処理体に堆積させて成膜することができる。したがって、耐スパッタ性膜であるＭｇＯ膜でも成膜速度が速くなって生産性が向上し、コスト低減を図ることができると共に、再現性も良くなるので良質のプラズマディスプレイパネルの保護膜を形成することができる。これによりプラズマディスプレイパネルの放電開始電圧、放電維持電圧および発光効率を向上させることができる。
【００１４】
また上記方法でクラスター化されたＭｇＯを被処理体に堆積させる際、ＭｇＯターゲット表面の活性化および／またはプラズマの強度を制御する、例えば発光分析によりＭｇＯのプラズマ発光強度が一定となるように制御することにより、ＭｇＯがクラスター化した際にそのクラスターが一定個数内であるように調整しながら成膜を実施することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について図１〜図４を参照しながら具体的に説明する。
【００２７】
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に基づく、プラズマディスプレイパネルの保護膜となる薄膜の形成装置の概略構成を示している。反応容器１の内部には、基板（被処理体）３を保持し、基板３を必要に応じて加熱できるヒータ（加熱手段）を備えたステージ（被処理体保持手段）２が設置されている。ステージ２の対向位置にはターゲット（成膜材料）４を保持したターゲット保持台（保持手段）５が設置されている。ターゲット保持台５は一般的に銅製であり、成膜中の温度上昇を避けるため、冷却水により冷却されている。ターゲット保持台５には、電界に直交する磁界をターゲット４表面に発生させるマグネット６が裏面に配置され、高周波電源７と接続されて高周波の電圧が印加されたときに、ターゲット４の表面でプラズマを発生させて酸化マグネシウム等の絶縁物のターゲット４でも効果的にスパッタを起こさせることができる構成となっている。８はプラズマ生成用のスパッタリングガスを導入するガス導入口であり、９は反応容器１内を図示しない真空排気ポンプにより排気する排気ポートであり、１０は真空引き後にガス導入口８を通じてスパッタリングガスを導入した状態で、反応容器１内の圧力を所定圧力に制御する圧力制御バルブ（圧力制御手段）である。１１は、プラズマ発生中にターゲット４表面を活性化させるターゲット活性化手段（成膜材料活性化手段）である。
【００２８】
以上のように構成された第１実施形態の薄膜形成装置の動作について説明する。まず、ステージ２に基板３を載置した後、ガス導入口８からスパッタリングガスを導入し、圧力制御バルブ１０により排気ポート９を通じて反応容器１内を所定圧力に設定する。その後、ターゲット保持台５に高周波電源７から高周波の電圧を印加すると、プラズマが発生する。つまり、プラズマ中のスパッタリングガスの正のイオンが陰極となるターゲット保持台５上のターゲット４表面に衝突し、ターゲット原子を弾き飛ばす。そして弾き飛ばされたターゲット原子を陽極となるステージ２に保持された基板３上に堆積させて成膜する。この際、電界に直交して発生したマグネット６の磁界による作用でプラズマ密度の高い部分が発生し、イオンのターゲット衝突量が増加するマグネトロンプラズマ放電が発生する。このマグネトロンプラズマ放電と並行して成膜材料活性化手段１１からターゲット４表面にエネルギーを照射してその表面を活性化することで、図４に示すように耐スパッタ性材料であるＭｇＯからＭｇ原子とＯ原子がクラスター状でスパッタリングされ、高速で良質の薄膜を基板３上に成膜することができる。
【００２９】
上記第１実施形態に基づいた実施例１を以下に示す。
【００３０】
反応容器１内のステージ２に基板３を載置した後、一旦反応容器１内を１×１０-4Ｐａ程度まで排気ポート９を通じて真空引きを行った。ターゲット４にはＭｇＯを使用した。ガス導入口８からプラズマ生成用のスパッタリングガスとしてアルゴン１０ｍｌ／ｍｉｎで導入し、反応容器１内の圧力を圧力制御バルブ１０により１．０Ｐａに制御した。その後、ターゲット保持台５に高周波電源７から１３．５６ＭＨｚの高周波の電圧を１．５ｋＷ印加してマグネトロンプラズマ放電を発生させた。このマグネトロンプラズマ放電と並行して成膜材料活性化手段１１にＫｒＦエキシマレーザを使用し、ターゲット４表面にレーザ光を照射した。すると図４に示すように、ＭｇＯがクラスター状でスパッタリングされ、基板３上に成膜速度３００ｎｍ／ｍｉｎで成膜された。
【００３１】
成膜過程でのＭｇＯクラスター化の観察には、発光分光分析を使用した。従来の電子ビーム蒸着法でスパッタリングを行った場合は、プラズマ中のアルゴンイオンは波長３３０ｎｍ付近での発光が主に観察され、ＭｇＯは波長５００ｎｍ付近でも発光が観察されなかった。これに対し第１実施形態のスパッタリングを行った場合は、成膜過程で同様の発光分光分析を行った結果、ＭｇＯは波長５００ｎｍ付近での発光が観察され、図４に示すようにＭｇＯがクラスター化していることが判明した。
【００３２】
実施例１により形成された酸化マグネシウム層の薄膜の膜質は、光学バンドギャップ値が７．７ｅＶ、Ｘ線解析による膜構造は（１，０，０）及び（１，１，０）面に優先配向した。膜質に関しては光源波長等を変化させることで配向性を制御することも可能である。形成された厚さ０．５μｍの酸化マグネシウム層を誘電体保護膜として、３電極面放電方式によるプラズマディスプレイパネルに応用したときの放電性能は、放電開始電圧が１５０Ｖであり、良好な特性を示した。
【００３４】
（参考例）
図２は本発明に関する参考例に基づく、プラズマディスプレイパネルの保護膜の薄膜形成装置の概略構成を示している。第１実施形態と同じ構成部分には同符号を付す。
【００３５】
反応容器１の内部には、基板３を保持し、基板３を必要に応じて加熱できるヒータを備えたステージ２が設置されている。ステージ２の対向位置にはターゲット４を保持したターゲット保持台５が設置されている。ターゲット保持台５は一般的に銅製であり、成膜中の温度上昇を避けるため、冷却水により冷却されている。ターゲット保持台５には、電界に直交する磁界をターゲット４表面に発生させるマグネット６が裏面に配置され、高周波電源７と接続されて高周波の電圧が印加されたときに、ターゲット４の表面でプラズマを発生させて酸化マグネシウム等の絶縁物のターゲット４でも効果的にスパッタを起こさせることができる構成となっている。８はプラズマ生成用のスパッタリングガスを導入するガス導入口であり、９は反応容器１内を図示しない真空排気ポンプにより排気する排気ポートであり、１０は真空引き後にガス導入口８を通じてスパッタリングガスを導入した状態で、反応容器１内の圧力を所定圧力に制御する圧力制御バルブである。２１は、プラズマ発生中にターゲット４を加熱する加熱ヒータ（成膜材料加熱手段）であり、ターゲット４に埋設され、加熱ヒータ２１用の電源２２に接続されている。
【００３６】
以上のように構成された参考例の薄膜形成装置の動作について説明する。まず、ステージ２に基板３を載置した後、ガス導入口８からスパッタリングガスを導入し、圧力制御バルブ１０により排気ポート９を通じて反応容器１内を所定圧力に設定する。その後、ターゲット保持台５に高周波電源７から高周波の電圧を印加すると、プラズマが発生する。つまり、プラズマ中のスパッタリングガスの正のイオンが陰極となるターゲット保持台５上のターゲット４表面に衝突し、ターゲット原子を弾き飛ばす。そして弾き飛ばされたターゲット原子を、陽極となるステージ２に保持された基板３上に堆積させて成膜する。この際、電界に直交して発生したマグネット６の磁界による作用でプラズマ密度の高い部分が発生し、イオンのターゲット衝突量が増加するマグネトロンプラズマ放電が発生する。このマグネトロンプラズマ放電と並行して成膜材料加熱ヒータ２１でターゲット４を加熱することで、図４に示すように耐スパッタ性材料であるＭｇＯからＭｇ原子とＯ原子がクラスター状でスパッタリングされ、高速で良質の薄膜を基板３上に成膜することができる。
【００３７】
上記参考例に基づいた具体例を以下に示す。
【００３８】
反応容器１内のステージ２に基板３を載置した後、一旦反応容器１内を１×１０-4Ｐａ程度まで排気ポート９を通じて真空引きを行った。ターゲット４にはＭｇＯを使用した。ガス導入口８からプラズマ生成用のスパッタリングガスとしてアルゴン１０ｍｌ／ｍｉｎで導入し、反応容器１内の圧力を圧力制御バルブ１０により１．０Ｐａに制御した。その後、ターゲット保持台５に高周波電源７から１３．５６ＭＨｚの高周波の電圧を１．５ｋＷ印加してマグネトロンプラズマ放電を発生させた。このマグネトロンプラズマ放電と並行して成膜材料加熱ヒータ２１を使用し、ターゲット４を６００℃以上に加熱した。すると図４に示すように、ＭｇＯがクラスター状でスパッタリングされ、基板３上に成膜速度３００ｎｍ／ｍｉｎで成膜された。
【００３９】
成膜過程でのＭｇＯクラスター化の観察には、発光分光分析を使用した。従来の電子ビーム蒸着法でスパッタリングを行った場合は、プラズマ中のアルゴンイオンは波長３３０ｎｍ付近での発光が主に観察され、ＭｇＯは波長５００ｎｍ付近でも発光が観察されなかった。これに対し参考実施形態のスパッタリングを行った場合は、成膜過程で同様の発光分光分析を行った結果、ＭｇＯは波長５００ｎｍ付近での発光が観察され、図４に示すようにＭｇＯがクラスター化していることが判明した。
【００４０】
上記具体例により形成された酸化マグネシウム層の薄膜の膜質は、光学バンドギャップ値が７．７ｅＶ、Ｘ線解析による膜構造は（１，０，０）及び（１，１，０）面に優先配向した。膜質に関しては成膜温度等を変化させることで配向性を制御することも可能である。形成された厚さ０．５μｍの酸化マグネシウム層を誘電体保護膜として、３電極面放電方式によるプラズマディスプレイパネルに応用したときの放電性能は、放電開始電圧が１５０Ｖであり、良好な特性を示した。
【００４１】
尚、上記参考例では、成膜材料加熱手段としてヒータを使用したが、熱電素子を使用しても同様の効果がある。
【００４２】
（第２実施形態）
図３は本発明の第２実施形態に基づく、プラズマディスプレイパネルの保護膜の薄膜形成装置の概略構成を示している。第１実施形態と同じ構成部分には同符号を付す。
【００４３】
反応容器１の内部には、基板３を保持し、基板３を必要に応じて加熱できるヒータを備えたステージ２が設置されている。ステージ２の対向位置にはターゲット４を保持したターゲット保持台５が設置されている。ターゲット保持台５は一般的に銅製であり、成膜中の温度上昇を避けるため、冷却水により冷却されている。ターゲット保持台５には、電界に直交する磁界をターゲット４表面に発生させるマグネット６が裏面に配置され、高周波電源７と接続されて高周波の電圧が印加されたときに、ターゲット４の表面でプラズマを発生させて酸化マグネシウム等の絶縁物のターゲット４でも効果的にスパッタを起こさせることができる構成となっている。８はプラズマ生成用のスパッタリングガスを導入するガス導入口であり、９は反応容器１内を図示しない真空排気ポンプにより排気する排気ポートであり、１０は真空引き後にガス導入口８を通じてスパッタリングガスを導入した状態で、反応容器１内の圧力を所定圧力に制御する圧力制御バルブである。１１は、プラズマ発生中にターゲット４表面を活性化させるターゲット活性化手段であり、３１はターゲット４表面のプラズマ放電状態を観察する発光分光分析装置（プラズマ状態観察手段）である。発光分光分析装置は、ターゲット４からスパッタされたターゲット原子がプラズマ中で励起されてその元素固有の波長の光を発生するので、その発光スペクトル強度を分光して検出・測定するものである。発光分光分析装置３１の観察に基づいてターゲット活性化手段の出力調整機（プラズマ状態制御手段）３２により、ターゲット活性化手段１１の出力を調整する。尚、プラズマ状態制御手段として高周波電源７の電源に接続させ、その出力調整をも兼ねるように構成し、発光分光分析装置３１と高周波電源７の両方またはいずれか一方を制御するようにしてもよい。
【００４４】
以上のように構成された第２実施形態の薄膜形成装置の動作について説明する。まず、ステージ２に基板３を載置した後、ガス導入口８からスパッタリングガスを導入し、圧力制御バルブ１０により排気ポート９を通じて反応容器１内を所定圧力に設定する。その後、ターゲット保持台５に高周波電源７から高周波の電圧を印加すると、プラズマが発生する。つまり、プラズマ中のスパッタリングガスの正のイオンが陰極となるターゲット保持台５上のターゲット４表面に衝突し、ターゲット原子を弾き飛ばす。そして弾き飛ばされたターゲット原子を、陽極となるステージ２に保持された基板３上に堆積させて成膜する。この際、電界に直交して発生したマグネット６の磁界による作用でプラズマ密度の高い部分が発生し、イオンのターゲット衝突量が増加するマグネトロンプラズマ放電が発生する。このマグネトロンプラズマ放電と並行して成膜材料活性化手段１１でターゲット４表面にエネルギーを照射する。この際、発光分光分析装置３１でプラズマ状態を観察しながら出力調整機３２（高周波電源７の出力調整機を兼ねても良い。）で、成膜材料活性化手段１１や高周波電源７の出力を調整することで、図４に示すように耐スパッタ性材料であるＭｇＯから任意の個数のＭｇ原子とＯ原子がクラスター状でスパッタリングされ、高速で良質の薄膜を基板３上に成膜することができる。
【００４５】
上記第２実施形態に基づいた実施例２を以下に示す。
【００４６】
反応容器１内のステージ２に基板３を載置した後、一旦反応容器１内を１×１０-4Ｐａ程度まで排気ポート９を通じて真空引きを行った。ターゲット４にはＭｇＯを使用した。ガス導入口８からプラズマ生成用のスパッタリングガスとしてアルゴン１０ｍｌ／ｍｉｎで導入し、反応容器１内の圧力を圧力制御バルブ１０により１．０Ｐａに制御した。その後、ターゲット保持台５に高周波電源７から１３．５６ＭＨｚの高周波の電圧を１．５ｋＷ印加してマグネトロンプラズマ放電を発生させた。このマグネトロンプラズマ放電と並行して成膜材料活性化手段１１にＫｒＦエキシマレーザを使用し、ターゲット４表面に照射した。すると、図４に示すように、ＭｇＯがクラスター状でスパッタリングされ、基板３上に成膜速度３００〜５００ｎｍ／ｍｉｎで成膜された。
【００４７】
成膜過程でのＭｇＯクラスター化の観察には、発光分光分析装置３１を使用した。従来の電子ビーム蒸着法でスパッタリングを行った場合は、プラズマ中のアルゴンイオンは波長３３０ｎｍ付近での発光が主に観察され、ＭｇＯは波長５００ｎｍ付近でも発光が観察されなかった。これに対し第２実施形態において同様の発光分光分析を行いながら、成膜過程で波長５００ｎｍ付近のＭｇＯの発光が一定となるように、ＫｒＦエキシマレーザ光源の出力や高周波電源７の出力を調整しながらスパッタリングを行った場合は、図４に示すようなＭｇＯのクラスターが一定個数内であるように成膜を実施することができた。
【００４８】
実施例２により形成された酸化マグネシウム層の薄膜の膜質は、光学バンドギャップ値が７．７ｅＶ、Ｘ線解析による膜構造は（１，０，０）及び（１，１，０）面に優先配向した。膜質に関しては成膜温度等を変化させることで配向性を制御することも可能である。形成された厚さ０．５μｍの酸化マグネシウム層を誘電体保護膜として、３電極面放電方式によるプラズマディスプレイパネルに応用したときの放電性能は、放電開始電圧が１５０Ｖであり、良好な特性を示した。
【００５０】
【発明の効果】
上述した説明から明らかなように本発明によれば、ＭｇＯターゲット表面を活性化させながらプラズマによるスパッタリングを行い、クラスター化したＭｇＯを被処理体に堆積させて成膜速度が速く低コストで良質の保護膜（薄膜）を形成することによって、プラズマディスプレイパネルの低電圧化と発光効率向上を図ることができる薄膜形成方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施形態に用いる薄膜形成装置の概略構成を示す断面図。
【図２】  本発明の参考例に用いる薄膜形成装置の概略構成を示す断面図。
【図３】  本発明の第２実施形態に用いる薄膜形成装置の概略構成を示す断面図。
【図４】  上記第１実施形態、第２実施形態および参考例における成膜工程の模式図。
【図５】  従来法における成膜工程の模式図。
【符号の説明】
１  反応容器
２  ステージ（被処理体保持手段）
３  基板（被処理体）
４  ＭｇＯターゲット
５  ターゲット保持台（保持手段）
７  高周波電源
８  ガス導入口
９  排気ポート
１０  圧力制御バルブ（圧力制御手段）
１１  ターゲット活性化手段（成膜材料活性化手段）
２１  加熱ヒータ（成膜材料加熱手段）
３１  発光分光分析装置（プラズマ状態観察手段）
３２  出力調整機（プラズマ状態制御手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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