磁控溅射设备和薄膜制造方法

专利名称：：磁控溅射设备和薄膜制造方法
技术领域：
：本发明涉及一种用于制造含有从轻元素选择的至少一种元素和从镧系元素选择的至少一种元素的镧系化合物，特别是含有硼和镧的硼镧化合物的薄膜的设备以及该薄膜的制造方法。
背景技术：
：如在日本特开平1-286228、日本特开平3-232959和日本特开平3-101033中所7>开的，作为使用镧系元素基化合物的电子产生膜，已知有如LaB6等的硼镧化合物薄膜。另夕卜，在日本特开平1-286228、日本特开平3-232959和日本特开平3-101033中公开的传统发明中，使用溅射方法形成硼镧化合物晶体薄膜。素基化合物薄膜应用于电子源膜时，这种电子源膜的电子产生效率不高。特别是，当将如LaB6等的硼镧化合物薄膜用于FED(场致发射显示器)或SED(表面传导电子发射器显示器)时，在实际情况下不能获得作为显示器的足够亮度。
发明内容发明要解决的问题根据本发明人的研究，上述问题是由硼镧化合物薄膜的晶体生长在整个基板表面上不均匀所导致的。特别是，在如10nm或更薄等的非常薄的膜厚度的情况下，在整个基板表面上没有形成足够宽的单晶区域。另外，根据本发明人的研究，已经发现宽单晶区域在整个基板表面上的均匀性(homogeneity)的提高能够显著地提高电子产生效率，特别是在FED或SED等的电子产生设备中，能够使得亮度提高。亮度的提高使得FED或SED的阳极电压减小，并且同时使得可以使用的荧光体的可用范围或选择范围变大。用于解决问题的方案本发明的目的是提供一种能够在例如LaB6等硼镧化合物的镧系化合物薄膜的形成中在整个基板表面上形成具有均匀宽单晶区域的膜的制造设备以及该镧系化合物薄膜的制造方法。本发明的第一方面是一种磁控溅射设备，包括基板座，其能够保持基板；磁控阴极，其具有能够安装靶材的阴极；以及磁场发生设备，其中，所述基板的表面上的平行磁场强度被设置为所述靶材的表面上的平行磁场强度的0.1倍以下，所述平行磁场强度的单位为高斯。本发明的第二方面是一种薄膜制造方法，包括如下工序制备基板；以及使用含有从轻元素中选择的至少一种元素和从镧系元素中选才奪的至少一种元素的镧系化合物的靶材，通过石兹控溅射方法在所述基板上沉积所述镧系化合物的薄膜，其中，将所述基板的表面上的平行磁场强度设置为所述靶材的表面上的平行磁场强度的0.1倍以下，所述平行磁场强度的单位为高斯。发明的效果根据本发明，提高了如LaB6等镧系元素基化合物薄膜的电子产生效率。另外，根据本发明，提高了FED和SED显示器的亮度。图l是示出本发明第一实施例的磁控溅射设备的截面图。图2是本发明中使用的磁体的立体图。图3是本发明的电子产生设备的示意性截面图。图4A是通过根据本发明一个实施例的方法形成的LaBs薄膜的放大截面图。图4B是通过并非为本发明实施例的方法形成的LaB6薄膜的放大截面图。图5是示出本发明第二实施例的垂直型在线磁控溅射设备的截面图。图6是示出本发明第三实施例的磁控溅射设备的截面图。具体实施例方式图l是根据本发明第一实施例的设备的示意图。附图标记1表示第一容器，附图标记2表示与第一容器1真空连接的第二容器(退火单元)，并且附图标记5表示闸阀。附图标记ll表示靶材，附图标记12表示基板，附图标记13表示能够保持基板12的基板座(第一基板座)，并且附图标记14表示溅射气体导入系统。附图标记15表示基板座(第二基板座)，附图标记16表示加热机构，附图标记17表示等离子体电极，并且附图标记18表示用于等离子体源的气体导入系统。附图标记19表示用于溅射的高频电源系统，附图标记101表示可安装由含有硼和镧的硼镧化合物形成的靶材ll的阴极，附图标记102表示磁场发生设备(磁体)，附图标记103表示石兹场区，附图标记191表示隔直电容器，附图标记192表示匹配电^各，附图标记193表示高频电源，并且附图标记194表示用于溅射的偏置电源。附图标记20表示基板偏置电源(用于退火)(第三直流电源)，附图标记21表示基板偏置电源(第二直流电源)，附图标记22表示用于等离子体源的高频电源系6统，附图标记221表示隔直电容器，附图标记222表示匹配电路，并且附图标记223表示高频电源。附图标记23表示截除来自高频电源193的低频分量以提供高频分量电力的低频截止滤波器(滤波器)。附图标记24表示截除来自直流电源21和194的直流电力中所包含的高频分量(例如，1KHz以上特别是lMHz的高频分量)的高频截止滤波器。当使用含有包括从轻元素选择的至少一种元素和从镧系元素选4奪的至少一种元素的镧系化合物的靶材11时，适合应用本发明的设备。作为轻元素，可以使用从由锂、铍、硼、碳、氟、钠、镁、磷和硫构成的组中选择的至少一种元素。上述镧系化合物的具体例子可以包括LaB。CeB6、La203等。另外，靶材ll优选包括含有硼和镧的、最好为LaBs的硼镧化合物。基板12放置在第一容器1中的基板座13上并且与阴极101相对，并且在该容器中进行真空排气和加热(升温至随后进行溅射时的温度)。由加热机构16才丸行加热。然后，在预定气压(0.01Pa到50Pa，优选为0.1Pa到10Pa)下通过溅射气体导入系统14导入溅射气体(氦气、氩气、氪气或氙气)，然后，使用溅射电源19开始成膜(沉积)。然后，从高频电源193施加高频电力(频率为O.lMHz到10GHz，优选为lMHz到5GHz,并且输入电力为100瓦到3000瓦，优选为200瓦到2000瓦)以产生等离子体，并且在第一直流电源194中将直流电力(电压)设置成预定电压(-50伏到-1000伏，优选为-10伏到-500伏)以进行溅射成膜。在基板12侧，通过第二直流电源21以预定电压(0伏到-500伏，优选为-10伏到-100伏)将直流电力(电压)施加到基板座13。可以在施加来自高频电源193的高频电力之前输入来自第一直流电源194的直流电力(第一直流电力)，也可以在施加高频电力的同时输入该直流电力，或者还可以在施加高频电力完成之后继续输入该直流电力。来自以上第二直流电源21和/或用于溅射的高频电源19的直流电力和/或高频电力输入至阴极11的位置优选为关于阴极ll的中心点对称的多个点。例如，关于阴极ll的中心点对称的位置可以是输入直流电力和/或高频电力的多个位置。设置有永磁体或电磁体的磁场发生设备102放置在阴极IOI的背面，并且靶材11的表面可以暴露至磁场103。另外，理想地，磁场103不达到基板12的表面，但只要是不使硼镧化合物膜的宽单晶区域窄化的程度，磁场103可以到达基板12的表面。作为另一个效果，在本发明中使用的第一直流电源194侧设置的高频截止滤波器24可以保护第一直流电源194。可以将磁场发生设备102的南极和北极布置成极性在相对于阴极101平面的垂直方向上4皮此相反。此时，在相对于阴极IOI平面的水平方向上，相邻的磁体具有彼此相反的极性。另外，可以将f兹场发生^殳备102的南极和北才及布置成极性在相对于阴极101平面的水平方向上4皮此相反。同样，此时，在相对于阴极IOI平面的水平方向上，相邻的磁体具有纟皮此相反的一及性。图2是在本发明中使用的磁场发生设备102的立体图。磁场发生设备102具有在磁轭基板402上沿行(X方向)和列(Y方向)布置有多个子磁体401的子磁体阵列结构。对于由磁场发生设备102产生的磁场区域103,优选将靶材11表面上的平行磁场强度设置为200高斯以上，理想为300到IOOO高斯，特别理想为500高斯到800高斯，并且优选为将基板12表面上的平行磁场强度设置为20高斯以下，理想为2高斯以下。另外，将基板12表面上的平行磁场强度(单位为高斯)设置为靶材ll表面上的平行磁场强度(单位为高斯)的0.1倍以下，理想为0.01倍以下。在本发明的优选的方面，i兹场发生设备102可以在相对于阴极101平面或耙材11表面的水平方向上振动。在本发明中使用的滤波器23可以截除来自高频电源193的低频分量(0.01MHz以下特别是0.001MHz以下的频率分量)。4艮明显，在使用该滤波器23时和在未使用该滤波器23时，单晶区域的大小不同。当使用该滤波器23时，单晶区域的面积平均为l!im2到lmm2,优选为5^1112到500jxm2,而当未使用该滤波器23时，单晶区域的面积平均为0.01iLim2到1pm2。另外，在本发明中，可以通过将来自基板12侧的第二直流电源21的直流电力(电压)施加至基板座13来增加单晶区域的平均面积。该第二直流电力(电压)可以是在时间平均上具有直流分量(对于地的直流分量)的脉冲波形电力。另外，在本发明中，可以通过添加退火处理来实现单晶区域的平均面积的增加。在通过上述磁控溅射方法的成膜(沉积)完成之后，在不破坏真空的情况下经由闸阀5将基板12运送至第二容器中，并且放置在第二容器2中的基板座15上，并且通过加热机构16开始退火(200。C到800。C,优选为300。C到500。C)。在退火处理期间，可以在将基板12暴露至来自用于等离子体源的气体导入系统18的等离子体源气体(氩气、氪气、氙气、氢气、氮气等)等离子体的同时，通过第三直流电源20向基板12施加预定电压(-10伏到-IOOO伏，优选为-100伏到-500伏)。在退火完成之后，将第二容器2的内部恢复为大气压，并且取出基板12。另外，用于等离子体源的电源系统22包括隔直电容器221、匹配电路222和高频电源223，并且可以从高频电源223施力口高频电力(频率为0.1MHz到10GHz，优选为lMHz到5GHz,并且输入电力为100瓦至l]3000瓦，4尤选为200瓦至ij2000瓦)。通过加热机构16将基板座15加热至预定温度，并且对放置在基板座15上的基板12进行退火处理。这里，根据所要求的膜特性，将加热机构16的设置温度和退火处理时间调整为最佳值。此时，能够通过将基板12暴露至离子、电子或游离基(活性物种)的粒子束来进一步提高退火的效果。可以在以上基板12的加热期间、之后或之前，将基板12暴露至离子、电子或游离基(活性物种)的粒子束。本实施例示出使用平行板型高频放电电极17(等离子体电极17)的等离子体源的例子，但还可以使用桶型离子源、ECR(电子回旋加速器)离子源、电子束暴露设备等。另外，此时，放置有基板12的基板座15可以为浮动电位，但是为了使入射粒子的能量为恒定水平，从第三直流电源20施加预定偏置电压也是有效的。在退火处理完成之后，经由未示出的运送室和运送机构、准备室、以及取出室将基板12取出到大气中。在该设备中，在形成LaB6薄膜之后，在不将基板12取出到大气中的情况下进行退火处理等，以使得LaB6表面不被大气中的成分污染，并且能够获得具有良好晶体结构的LaB6薄膜。在本发明中，对于沉积的LaB6，可以通过使用具有化学计量成分的靶材来形成(沉积)化学计量薄膜。另外，在本发明的另一实施例中，可以利用化学计量的LaB6靶材和La靶材通过使用同时溅射方法来形成非化学计量薄膜。在本发明中使用的LaB6薄膜还可以包含例如Ba金属等的其它成分。图3中的附图标记208表示形成有钼膜(阴极电极)202和LaBj莫203的电子源基板，其中钼膜202形成有锥形突起209，10LaBJ莫203覆盖钼膜的突起209。附图标记210表示包括如下各部分的荧光体基板玻璃基板207、玻璃基板207上的荧光体膜206以及由铝薄膜制成的阳极电极205。该电子源基板208和荧光体基板210之间的空间204是真空空间。通过在阴极电极202和阳极电才及205之间施力口IOOO伏到3000伏的直流电压，乂人由LaBj莫束，并且该电子束穿透阳极电极205,并撞击在荧光体膜上，从而能够产生荧光。图4A和4B是由图3中的LaB6膜203覆盖的突起209的放大截面图。由根据本发明形成的LaBj莫203覆盖图4A中的突起209，并且在该膜中形成由晶粒边界301包围的宽单晶区域302。这些宽单晶区域302的面积平均为1|^12到lmm2,优选为5^11112到500|im2。由并非根据本发明形成的LaBJ莫203覆盖图4B中的突起209,并且在该膜中形成窄单晶区域303。这些窄单晶区域303的面积平均为0.01pn^到1pm2。接着，制作在图3中示出的电子产生设备，并且在视觉上观测并判定亮度。产生了能够用于显示器的足够的亮度。使用如下工序制作电子源基板208:在玻璃基板201上形成膜厚为3pm并具有突起209的钼膜202,其中突起209具有1iim的锥半径和2jim的高度，然后使用磁控偏置溅射方法，通过在图l中说明的设备形成膜厚为5nm的LaBJ莫203。在以上LaBJ莫203的形成中，使用了-250伏的第一直流电源和-100伏的第二直流电源。另外，对于高频电源193，使用了13.56MHz的频率和800瓦的电力。对磁场发生设备102进行设置，以使得当在磁场区域103中测量基板12(玻璃基板201)表面上的平行磁场强度(GPa1M)和LaB6耙材11表面上的平行磁场强度(TPalM)时，(GPalM)/(TPalM)-t为表1中的值。对于此时平行》兹场强度的测量，使用由TOYOTECHNICA公司制造的7010型"3轴和3信道(ch)高斯测量计"。对于基板12表面上的平行磁场强度，在6个点改变靶材11和基板12之间的距离以在6个测量点进行测量。对于宽单晶区域占总区域的比例，用电子显微镜对每个样本进行观测。在表l中示出观测结果。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>在电子产生设备中，通过上面的电子源基板208、具有阳极电极205的荧光体基板210、以及厚度为2mm的密封部件(未示出)来制作真空容器，并且将阳极电极205和阴才及电极202连接至500伏的直流电源211。在表1中，使用在与本发明的例子相对应的实施例l到3的条件下制作的LaB6电子源的电子产生设备具有非常高的亮度，而比较例1到3具有低的亮度。图5示出根据本发明第二实施例的垂直型在线溅射设备的例子，并且该图是从上方观察的设备的截面图。与图l中相同的附图标记表示相同的部件。两个基玲反12分别固定至两个基4反座42,由基々反座42从大气侧经由闸阀51运送至准备室3，并进4亍随后的处理。当将托盘(未示出)运送至准备室3中时，关闭闸阀51,并且由未示出的真空排气系统在内部进行真空排气。当将内部真空排气至预定气压或更低时，打开准备室3和第一容器1之间的闸阀52，并且将托盘运送至第一容器l中，然后，再次关闭闸阀52。之后，通过类似于在第一实施例中示出的处理形成(沉积)LaB6薄膜，然后，通过类似于在第一实施例中示出的处理进行溅射气体的真空排气。在真空排气进行至预定气压之后，打开第一容器1和第二容器2之间的闸阀53，并将托盘运送至第二容器2中。在第二容器2中放置有保持在预定温度的加热机构16,并且可以对基板12和基板座15—同进行退火处理。此时，如在图l所示的实施例中，可以使用电子、离子、游离基等。在退火完成之后，对内部进行真空排气，然后，打开第二容器2和取出室4之间的闸阀54,将托盘运送至取出室4中，并且将基板12固定至基板座43。再次关闭闸阀54。在取出室4中放置有用于降低退火后的基板温度的冷却板44,并且在温度降低到预定温度之后，通过漏气(氦气、氮气、氢气、氩气等)使取出室4的内部恢复为大气压，打开闸阀55,并将托盘取出至大气侧。在该例子中，在第一容器1和第二容器2中，尽管在托盘停止的情况下进行处理，但可以在移动托盘的同时进行这些处理。在这种情况下，出于与整个设备的更高的处理速度相平衡的目13的，可以适当地添加第一容器1和第二容器2。另外，尽管在这里作为磁控溅射方法示出了同时使用高频电力和直流电力两者的方法，但依赖于所要求的膜质量，可以进行通过未施加有高频的第一直流电源194的磁控溅射。在这种情况下，高频电源193和匹配电3各192是不必要的，从而具有可以减少设备成本的优势。图6是根据本发明第三实施例的设备的示意图。在该实施例的设备中，还将用于基板的高频电源系统505安装在图l中示出的设备中。用于基板的高频电源系统505用来经由基板座13向基板12施加高频电力。与图1中示出的设备一样，该实施例中的用于溅射的高频电源系统19包括隔直电容器191、匹配电路192、以及高频电源(第一高频电源)193。另外，截除来自高频电源193的低频分量的滤波器(第一滤波器)23连接至用于溅射的高频电源系统19。本实施例中添加的用于基板的高频电源系统505包括隔直电容器502、匹配电路503、以及高频电源(第二高频电源)504。另外，截除来自高频电源504的低频分量的滤波器(第二滤波器)501连接至用于基板的高频电源系统505。用于基板的高频电源系统505可以从高频电源504输出高频电力(频率为0.1MHz到10GHz，优选为lMHz到5GHz,并且输入电力为100瓦到3000瓦，优选为200瓦到2000瓦)，并且经由隔直电容器502、匹配电路503、以及用于截除来自高频电源504的低频分量的滤波器501向基板12施加高频电力。此时，还可以省略滤波器501的使用。使用图6所示的设备制成的电子产生设备能够实现远远超过由上面第一实施例实现的荧光体亮度的亮度。另外，在本发明中，对于在磁控溅射中使用的磁体单元，可以使用通常使用的永磁体。另外，当在上面的托盘的运动停止的情况下进行磁控溅射时，可以通过如下方式获得良好的膜厚度均勻性和高的靶材利用率准备面积比基板12略大的耙材，以适当的间隔在靶材的背面放置多个磁体单元，并且在平行于靶材表面的方向上平移这些磁体单元。另外，当在移动托盘的同时进行溅射时，对于基板的运动的方向，可以使用宽度短于基板的长度的靶材和磁体单元。尽管已经参考附图对本申请的优选实施例和例子进行了说明，但本发明不限于这些实施例和例子，并且能够在从权利要求书中所理解的技术范围内改变成多种形式。权利要求1.一种磁控溅射设备，包括基板座，其能够保持基板；磁控阴极，其具有能够安装靶材的阴极；以及磁场发生设备，其中，所述基板的表面上的平行磁场强度被设置为所述靶材的表面上的平行磁场强度的0.1倍以下，所述平行磁场强度的单位为高斯。2.根据权利要求l所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述靶材的表面上的平行》兹场强度被设置为200高斯以上且1000高斯以下。3.根据权利要求l所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述磁场发生设备具有如下子磁体阵列结构在该子磁体阵列结构中，沿行和列布置子磁体以使得相邻的子磁体处于具有彼此相反的磁极性的关系。4.根据权利要求l所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述磁场发生设备能够在相对于所述阴极的平面或所述靶材的表面的水平方向上振动。5.根据权利要求l所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述靶材包括含有乂人轻元素中选择的至少一种元素和从镧系元素中选4,的至少一种元素的镧系化合物。6.根据权利要求5所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述轻元素是从由锂、铍、硼、碳、氟、钠、镁、磷和錄"勾成的组中选择的至少一种元素。7.根据权利要求5所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述靶材包括含有硼和镧的硼镧化合物。8.根据权利要求l所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述基板的表面上的平行磁场强度被设置为20高斯以下。9.根据权利要求l所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述基板的表面上的平行磁场强度被设置为所述靶材的表面上的平行磁场强度的0.01倍以下。10.—种薄膜制造方法，包括如下工序制备基板；以及使用含有从轻元素中选择的至少一种元素和从镧系元素中选择的至少一种元素的镧系化合物的靶材，通过磁控溅射方法在所述基板上沉积所述镧系化合物的薄膜，其中，将所述基板的表面上的平行磁场强度设置为所述靶材的表面上的平行磁场强度的0.1倍以下，所述平行磁场强度的单位为高斯。11.根据权利要求10所述的薄膜制造方法，其特征在于，所述轻元素是从由锂、铍、硼、碳、氟、钠、镁、磷和硫构成的组中选择的至少一种元素。12.根据权利要求10所述的薄膜制造方法，其特征在于，所述耙材包括含有硼和镧的硼镧化合物。全文摘要提供了一种磁控溅射设备和薄膜制造方法。在本发明中，在通过磁控溅射的LaB₆薄膜的形成中，提高了所获得的LaB₆薄膜中宽区域方向上的单晶特性。在本发明的一个实施例中，在磁控溅射设备中，基板表面上的平行磁场强度被设置为靶材表面上的平行磁场强度的0.1倍以下。文档编号C23C14/06GK101586229SQ200910202958公开日2009年11月25日申请日期2009年5月22日优先权日2008年5月22日发明者堀口青史申请人:佳能安内华股份有限公司