爱发科技术专刊

大型阴极靶溅射IGZO薄膜沉积技术

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1．序言

作为超薄显像代表的有源矩阵型液晶显示器 （AM-LCD）已经进入了4K电视（3840×2160）及分 辨率在500ppi以上的智能手机等高清显示屏市场。随着 高清显像的不断发展，原来的非晶硅（以下简称为 a-Si）已经难以以较低的成本来应对低流动性面板的大 型化与高速驱动。期待能够代替a-Si的材料主要有LTPS （Low Temperature Poly-silicon）和高流动性的氧化物 半导体，特别是细野氏的团队所报告的InGaZnO4（以下 简称IGZO）受到了众人的瞩目1）－4）。LTPS-TFT为顶栅 结构，因此掩模数较多，而IGZO-TFT不但具有底栅结构 所带来的低成本化，还拥有漏电流比LTPS低4位数的特 点。另外，由于使用基于IGZO 靶材的溅镀成膜技术来形 成沟道层，因此能够实现低温成膜，目前正在研究将其 应用到除大型AM-LCD以外的有机EL显示屏及柔性显示 屏中5），6）。
对于IGZO-TFT，许多的研究团队和显示屏生产商都 进行了原型设计的开发研究，其中一部分已经进入量产 （图1）。不过，虽然已经有了众多的相关研究、报告发 表，但是其在高清、高性能大型基板方面不能满足TFT良 好面内均匀性和较高可靠性的要求，仍是限制其量产的 主要原因。

Figure 1　Displays employing IGZO TFTs (Source: Modifiled from websites).
Figure 1　Displays employing IGZO TFTs (Source: Modifiled from websites).

 

2． 面内均匀・高可靠性IGZO膜的成膜方法

Figure 2　 Distribution of the thickness and deposition
Figure 2　 Distribution of the thickness and deposition quality of the film deposited on a G6 substrate with multiple cathodes
(a) Distribution of film thickness
(b) Measurement result of μ-PCD.
2.1　旧型阴极所面临的课题

为了得到在大型基板上拥有良好面内均匀性及高可 靠性的膜，就必须实现膜厚、膜质的面内均匀分布。以 往的多阴极是将多个长尺寸靶材并列排列的，因此基板 上正对靶材的区域与正对相邻靶材之间空隙的区域，其 成膜速度各异，会产生膜厚不均匀。由于溅射颗粒对基 板的入射角度各异，因此同样会产生膜质不均匀，其结 果如图2为膜厚以及膜质不同的条纹状分布。图3为溅射 时颗粒垂直入射到基板上和颗粒具有一定角度入射到基 板上形成的不同IGZO薄膜所制造的TFT可靠性测试结 果。根据此结果可以看出，只有倾斜入射时，Vgs-Ids曲 线会随着时间增加向正方向移动。而另一方面，当只有 垂直入射时，则没有此类移动，可以确认膜的高可靠 性。不过，由于多阴极并未设有控制溅射颗粒入射角度 的结构，所以薄膜成分来自于不同角度入射的颗粒。因 此使用以往的阴极很难形成高可靠性的膜。

Figure 3　Relationship between incident components of sputtered particles and TFT characteristics.
Figure 3　Relationship between incident components of sputtered particles and TFT characteristics.

 

2.2　移动阴极的设计概念

针对旧型阴极所面临的问题，我们以图4所示的设计 理念为基础开发出了新型阴极【移动阴极】。主要设计 概念如下所示。
①为了实现面内均匀性的提高和低颗粒化，固定基 板使阴极移动。
②为了实现膜厚横向分布和膜质均匀性的提高（高 可靠性），设置了能够将阴极与基板隔开的预溅射 位置，以保证放电开始及结束时溅射颗粒不会入 射到基板上。
③设置了能够控制溅射颗粒到达基板时的入射角度 的控制板7）。

Figure 4　Comparison of conventional cathodes and moving cathodes.
Figure 4　Comparison of conventional cathodes and moving cathodes.

 

2.2.1　成膜方式

在固定基板和阴极的成膜方式（基板固定型）中， 正对靶材位置与正对靶材间隙位置的溅射颗粒附着量不 同，因此会产生凹凸，膜厚均匀性较低。而基板通过型 则采用了固定阴极，使基板从阴极上方通过的方式，因此不会产生上述的膜厚不均匀。可是基板通过型在成膜 时会同时在固定基板的托盘上成膜，因此会产生膜剥 落，成为粉尘源。另一方面，移动阴极采用的是固定基 板使阴极移动的通过成膜方式，因此能够获得良好的面 内膜厚分布。而成膜时托盘被掩模，因此可以抑制托盘 成膜，实现低颗粒化。

 

2.2.2　预溅射位置
Figure 5　Illustration of reactive sputtering discharge.
Figure 5　Illustration of reactive sputtering discharge.

放电开始及结束时，有可能会出现起辉时的膜污染 以及对基板的等离子损伤（图5）。为了抑制这些情况的 出现，我们设置了预溅射位置。图6为预溅射以及成膜时 的阴极滑动模式。为了在放电开始时抑制溅射颗粒向基板入射，在与基板隔离的位置起辉并一直保持到放电稳 定，然后再移动阴极单元。以这种方法对基板进行成膜 并在成膜结束时在预溅射位置结束放电。通过采用预溅 射位置可以从成膜初期到末期都获得均匀的膜质。

Figure 6　Sliding pattern of a moving cathode.
Figure 6　Sliding pattern of a moving cathode.

 

 

2.2.3　入射分量控制

有人提出了关于溅射颗粒相对于基板的入射角度与 膜质的关系的报告8）－10），作者对溅射颗粒的入射角度 与TFT特性进行了评估，结果发现溅射颗粒的入射角度较 大时可以获得可靠性较高的TFT（图 3）。因此我们在移动阴极中设置了能够保证溅射颗粒以大角 度入射进行成膜的控制板。图7为在移动阴极中设置控制 板与不设置控制板进行成膜时膜的图像。没有控制板 时，阴极通过后会形成入射角度较小的颗粒（倾斜分 量）与入射角度较大的颗粒（垂直分量）的层叠结构， 而设置控制板时，入射角度较小的颗粒会被控制板阻 断，可以仅由入射角度较大的颗粒（垂直分量）进行成 膜。

Figure 7　 Illustration of film deposition process with and without a control plate.
Figure 7　 Illustration of film deposition process with and without a control plate.

 

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