JP6316287B2 - 透明な基板のための高度に透明な水素化炭素保護コーティングの生産方法 - Google Patents

Description

背景
１． 技術分野
本願の開示は、例えば平面パネルディスプレイやタッチスクリーン等の透明基板の製造に関するものであり、より具体的にはこのようなパネルのための高度に透明な保護コーティングの製造に関する。

関連案件
本願は西暦２０１２年７月５日に出願された米国仮特許出願第61/668,402号からの優先権の利益を主張する。

２． 関連技術
平面スクリーンディスプレイ及び／又はタッチスクリーンを有する携帯装置の普及により画面へのスクラッチングの問題が問題性を帯びるようになる。殊にこのことはタッチスクリーンを採用しスクラッチングの影響を受けやすい携帯電話及びタブレット端末の場合に該当する。したがって、強靱な抗スクラッチングコーティングが必要である。

ダイヤモンド状コーティング（DLC）は、多様な用途において抗スクラッチングコーティングとして提案されている。しかし、技術水準にあるこのようなコーティングを生成するシステムは、透明かつクリアなコーティングを提供することができない。むしろ、現行のコーティングは若干の着色を有しておりまたクリアでない。にもかかわらず、このような装置のユーザは、スクリーン上の画像の鮮明な色の伝達を得るためにクリアなスクリーンを必要とする。したがって、標準的なDLCの黄みがかった着色はこのような用途において許容されるものではない。

以下に続く本願開示の概要は、本願発明の一部の側面及び特徴について基礎的な理解を提供するために含められている。当該概要は本願発明の詳細な概説ではなく、それ故に本願発明の主要若しくは決定的な要素を特定することを意図してはおらず、また、本願発明の範疇を画定することを意図してはいない。当該概要の唯一の目的は、本願発明の一部の概念を単純化した態様で提示した上で後述の詳細な説明へとつなげることにある。

本願にて開示する実施形態は、透明かつクリアな即ち覚知可能な着色を有さない例えばダイヤモンド状コーティング（DLC）等の水素化炭素コーティングの製造を可能とする。結果としてもたらされるコーティングは、スクラッチングに対して高度な耐性を有し、また、例えば平面パネルディスプレイ又はタッチスクリーン等から放出される光に関して高い透過率を有する。

１つの実施形態によれば、水素化炭素コーティングをガラス上に提供するシステム及び方法を開示する。結果としてもたらされるコーティングは、透明なものでありかつ覚知可能な着色を有さずにクリアなものである。コーティングは物理蒸着法（PVD）を用いて生成されるのであって、アルゴン及び水素ガスがプラズマに注入されて水素化炭素コーティングが生成されるのである。

１つの実施形態によれば、ターゲットから被コーティング基板への見通し線がないように又は見通し線が最小限となるようにPVDシステムを構築する。プラズマは基板から離れて生成され、見通し線に沿って直接的に基板に到達することができないようにして粒子はターゲットからプラズマゾーン内へとスパッタリングされる。具体的には、ターゲットのスパッタリング表面に対して垂直な軌道に放出される粒子は、基板の移動方向に平行な方向に進む。

開示される実施形態によれば、基板に何らの電気的なバイアスを印加せずにPVDを行う。一部の実施形態では基板の片方の面のみがコーティングされ、他の実施形態では両面が同時的にコーティングされる。開示されるコーティングは、良好な接着性と覚知可能な着色を伴わない良好でクリアな透過性とを有しつつスクラッチングへの高度な耐性を提供する。

１つの実施形態によれば、透明かつクリア水素化炭素膜を蒸着するための物理蒸着法（PVD）チャンバを提供する。チャンバボディはチャンバボディ内に真空状態を維持するように構成され、チャンバボディはその側壁上に開口部を有する。側壁にはオリフィスを有するプラズマケージを、オリフィスと開口部とが重なり合うように取り付ける。プラズマケージ内の陰極上に２つのスパッタリングターゲットが配置され、これらは互いに対向して配置され、それらの間にプラズマが維持され、及び、プラズマケージ内にプラズマが閉じ込められるように構成される。ケージ内のプラズマがターゲットから材料をスパッタリングし、これがオリフィス及び開口部を経て基板上に到達する。プロセス中においては、パスバイさせる態様（pass-by fashion、通過させる態様）で基板を連続的に動かす。

別の実施形態によれば、基板の上にクリアな水素化炭素膜を形成する方法であって、プロセスチャンバと前記プロセスチャンバの外側に配置されたプラズマケージとを提供するステップと、前記プラズマケージ内の２つの陰極上に非晶質炭素のスパッタリングターゲットを取り付けるステップであって、前記２つのスパッタリングターゲットは互いに向き合うようにしてある、ステップと、前記プロセスチャンバに対して排気を行うステップと、前記プラズマケージ内にアルゴン及び水素ガスを含むプロセスガスを注入するステップと、前記２つの陰極に直流電力を印加することによってプラズマを着火及び維持して並びに前記プラズマを前記プラズマケージ内に閉じ込めるステップと、前記基板を前記プロセスチャンバ内において移送するステップと、前記プロセスチャンバ内の前記基板に到達するための経路を、前記スパッタリングターゲットからスパッタリングされた粒子に与えるステップとを備える、方法が提供される。

さらに別の実施形態によれば、基板上にクリアな水素化炭素を蒸着するためのシステムであって、入口ロードロックチャンバと、隔離弁を介して前記入口ロードロックチャンバに取り付けられているプレクリーンチャンバと、前記プレクリーンチャンバに連結された隔離チャンバと、前記隔離チャンバに連結され、かつ、前記基板上にSiO₂膜を蒸着するように構成された静的スパッタリングチャンバと、前記静的スパッタリングチャンバに連結された第２の隔離チャンバと、前記第２の隔離チャンバに連結され、かつ、前記SiO₂膜上に水素化炭素膜を蒸着するように構成されたパスバイ・スパッタリングチャンバと、出口ロードロックチャンバとを備える、システムが提供される。

本願発明の他の側面及び特徴は、後述の図面を参照する詳細な説明から明らかになる。詳細な説明及び図面は、本願発明の様々な実施形態についての様々な非限定的な例を提供し、本願発明は添付の請求の範囲によって画定されることに留意されたい。

添付の図面は本願明細書に取り込まれて本願明細書の一部となって本願発明の実施形態を例示するものであり、また、本願明細書とともに本願発明の原理を説明及び解説するものである。図面は、例示的実施形態の主要な特徴を図表的な態様で解説することを意図している。図面は、実際の実施形態の全ての特徴を示すことを意図しておらず、また、図示されている要素の相対的寸法を示すことも意図しておらず、縮尺通りに描画されていない。

１つの実施形態による、水素化炭素膜を基板に付加するためのシステムの全体的な概略図である。 １つの実施形態による、スパッタリングチャンバの上方からの概略図である。 別の実施形態による、スパッタリングチャンバの上方からの概略図である。 開示されている実施形態による、アルゴン及び水素ガスについての様々な比率によるDLCコーティングを伴うガラス基板のクリアさについてのプロット図である。 開示されている実施形態による、DLC膜及びSiO₂膜上のDLC膜についてのプロット図である。

図１は、ガラス基板上に水素化DLCコーティング等の傷つきにくい水素化炭素を蒸着するためのシステムの実施形態を示す。この例では、システムは２つの異なるチャンバの列を有し、これらは例えば上方列と下方列等にして垂直方向にスタックし又は水平方向に併置することができる。垂直アーキテクチャを採用することによって、システムの全体の設置面積を増加させずに各チャンバの両面への容易なアクセスを可能とすることができる。各チャンバの両面への容易なアクセスにより、必要であれば、各基板の両面についての同時的なスパッタリングを可能とすることができる。一方の面のみがコーティングされる必要がある場合、水平方向の併置型アーキテクチャを採用することができる。基板が垂直配向されたまま移送及び処理される場合、併置型アーキテクチャにおいてもシステムの設置面積が劇的には増加しない場合があり得る。

アーキテクチャにかかわらず、図１に示すように、基板は大気圧下のロード／アンロードプラットフォーム１００にてロード及びアンロードされる。そして、基板はロードロック真空チャンバ１０５に入る。図１では、「ｘ」は真空隔離弁の箇所を表す。したがって例えば、ロードロック真空チャンバ１０５は両側、即ち入口及び出口、に隔離弁を有している。基板がロードロックに入ると、弁は閉じられ、また、ロードロックにて排気が行われ、それによって基板は真空環境に導入される。そして、基板はロードロックから出てプロセスモジュール１のステーション１に入るのであって、これはプレクリーンステーション１１０である。ステーション１は誘導結合されたプラズマチャンバであり、アルゴン及び酸素ガスを用いてプラズマを生成することによって基板のプレクリーンを行う。このチャンバでは、誘導結合されたプラズマ源の前で基板が停止されて基板のプラズマクリーニングが行われる。この意味では、このチャンバは静的なチャンバと呼ぶことができる。なぜならば、処理中においては基板が静止したままであるからである。そしてそこからは、基板はプロセスモジュール１のステーション２内へと移送されるが、これはプレクリーンチャンバをプロセスモジュール２の処理から隔離する隔離チャンバ１１５である。

そして、基板はプロセスモジュール２のステーション３へと移送されるが、これはPVDチャンバ１２０である。PVDチャンバ１２０はパスバイPVDチャンバであり、これは基板が連続的に動かされて蒸着処理が行われている最中に基板がターゲットの前をスキャンさせられることを意味する。ステーション３では、酸素及びアルゴンガスをもって維持されるプラズマの存在下においてケイ素のターゲットを用いることによって、基板がSiO₂の薄い層でコーティングされる。SiO₂の層は厚さが１０−８０Åであり、一部の実施形態では４０−６０Åとなるのであり、したがって着色を伴わずにして完全にクリアかつ透明となる。そして、基板はステーション４へと移送されるが、これは隔離チャンバ１２５である。したがってこの実施形態では、PVDチャンバ１２０は入口に隔離チャンバを有し、出口に隔離チャンバを有しており、システムの残りの部分からのPVDチャンバの完全な隔離を確保する。

そして、基板はリアモジュール１３０で回転されてステーション５内へと移送されるが、これは隔離チャンバ１３５である。とりわけ、システムが垂直にスタックされたアーキテクチャを採用している場合、ステーション５は基板を次のチャンバ列へと昇降させるためのエレベータをも組み込むことになる。そして、基板はステーション内へと移送されるが、これは水素化炭素又は水素化DLC膜を蒸着するためのPVDチャンバである。PVDチャンバ１４０はパスバイPVDチャンバであり、これは基板が連続的に動かされて蒸着処理が行われている最中に基板が蒸着ソース（deposition source）の前をスキャンされることを意味する。したがって、図１のシステムは、ストップアンドゴー型誘導結合プラズマプレクリーンチャンバとパスバイPVDチャンバとを同じ処理ラインに有する混合システムである。

PVDチャンバ１４０であるステーション６では、離れて閉じ込められたプラズマを用いてSiO₂層上に水素化DLC層が蒸着されるのであって、粒子がターゲットから基板へ直接的に飛んでいかないようにスパッタリングターゲットは基板への見通し線を有さない。この処理は、水素ガスを２５−７０％及びアルゴンガスを２５−８０％として、およそ１−３０mTorr又は７−１０mTorrで行う。基板は、室温即ち２５℃とするか、先行するプラズマクリーン及びSiO₂蒸着によって又はヒーターによっておよそ２５０℃までに加熱することができる。DLCコーティングはおよそ４０−７５Åであり、可視スペクトル領域において完全に透明かつクリアであり、なんらの着色も持たない。そして、基板は隔離チャンバ１４５であるステーション７へと移送され、そこからロードロック１５０を介してロード／アンロードプラットフォームへと出て行く。したがって、PVDチャンバ１４０は入口及び出口においても隔離チャンバを各々有している。

図２及び図３は、ステーション１４０で水素化DLCコーティングを蒸着するのに特に好適なスパッタリングシステムのための実施形態の上方からの断面図を示す。これら２つの実施形態のいずれも用いることができる。もっとも、ターゲットから基板への見通し線が完全に欠如することが必要とされている場合、図３の実施形態を採用すべきである。また、図２及び図３の実施形態はスパッタリングソースをプロセスチャンバの両側に有するものとして示されており、基板の両面にて同時的に蒸着を行うことが可能となる。しかし、片面のみの蒸着を必要とする基板については、一方の側壁のみに取り付けられている１つのスパッタリングソースをチャンバが有するようにして、ソースの一方を省略することができる。

図２から分かるように、プロセッシングチャンバ２１０は、弁２１２を伴う入口穴部と弁２１４を伴う出口穴部とを有するのであり、これらを各々介して基板２００がチャンバに導入され及びチャンバから摘出される。チャンバは対向する側壁を有し、このうち少なくとも１つは開口部２０８を有しており粒子がこれを通過して基板がチャンバ内にある場合には基板２００上に蒸着されることができる。蒸着処理中において基板２００は静止又は矢印方向に移動していることができる。プロセッシングチャンバ２１０は、その中に真空を維持するように構成されており、真空ポンプ２１７によって排気される。

チャンバ２１０の側壁にプラズマケージ２０２が取り付けられており、これはチャンバ側壁の開口部に対応する開口部を有している。プラズマケージ２０２は、プラズマを基板２００から離れた領域に閉じ込めて基板２００にプラズマが到達しないようにする。ターゲット２０６は陰極２０３に取り付けられており、プラズマケージ２０２内に配置してあり、ターゲット２０６からスパッタリングされた粒子は基板２００への見通し線を有さないようにしてあり、代わりに点線矢印で示されているように蛇行して窓２０８を経て基板２００へと到達する必要がある。図２のプラズマケージ２０２のターゲット２０６は基板２００の進路に平行な方向に配置されていることに留意されたい。図２に示す実施形態においては、陰極に直流電力を印加してプラズマを維持して、ターゲットから材料をスパッタリングして基板２００にスパッタリングされた材料を蒸着する。他の実施形態では、交流又はパルス状電力を陰極に印加することができる。

図３に示すプロセッシングチャンバは図２のそれに酷似しているが、図３のプラズマケージ３０２のターゲット３０６及び陰極３０３は、ターゲットのスパッタリング表面が基板３００の進路に垂直な平面内にあるように配置されているという点で異なる。換言すれば、例えば図３に示してある破線矢印のようなどちらかのターゲットのスパッタリング表面に垂直な線は、実線矢印で示されている移動方向と平行となる。しかし、図３の実施形態においても、ターゲット３０６からスパッタリングされた粒子は基板への見通し線上の経路を有さず、代わりに蛇行して窓３０８を経て基板へと到達する必要がある。

図２及び図３の双方の実施形態においては、各々注入器２０１及び３０１を介して注入されたプロセスガスをもってプラズマが維持されているのであり、この場合アルゴン及び水素ガスの混合気が用いられている。アルゴンガスはターゲットから粒子をスパッタリングするためのイオンを生成するのに用いられ、その一方水素はスパッタリングされた膜を水素化するのに用いられる。図４は、異なるAr／H₂比における透過率とDLC厚さとのプロット図である。５０％Ar：５０％H₂においてきわめて良好な結果が見られる。

図３に示されている随意的な構成は、対向している各ターゲットの後ろに磁石アレイ３３０を提供することであり、一方の側における磁気極性が他方の側における極性と反対である。また、透明かつクリアなDLC膜を得るために個々の磁石についての最大磁気エネルギー積が２００ kJ/m³< BH_max < ４２５ kJ/m³の範囲内、また好適には３００ kJ/m³ < BH_max < ４００ kJ/m³の範囲内にある必要がある。また、図３に示すようにターゲットが配置される場合、ターゲット間の隔離は３０から３００mmの範囲、また好適には４０から２００mmの範囲に制限されるべきである。

図５は７５ÅのDLC及び５０ÅのSiO₂膜上に蒸着された７５ÅのDLCについての透過率データのプロットである。図から分かるように、全可視波長についての透過率は両者ともに良好であり、薄いSiO₂層の追加によって実際に改善されている。

高度に透明でクリアなDLC膜を得るために、電力密度、即ちターゲット面積あたりの電力、を特定の範囲にして直流電力をターゲットに印加する。最良の結果を得るには、電力密度をターゲットの平方インチあたりおよそ３０−７７０kWとする。電力密度をこの範囲外に維持すると膜に着色又は色合いが生じてしまうことが発見されたのであり、これは平面スクリーン及びタッチスクリーン用途において許容されるものではない。例えば、１３平方インチのターゲットに関しては、およそ１−４kWの直流電力をターゲットに印加することができ、これは７７−３０８kW／平方インチとなる。直流電圧は４００−１０００Vであり、連続的な又はパルス状のものとすることができる。ターゲット材料は非晶質炭素であり、およそ９０−１００％は純粋な炭素からなる。スパッタリングガスは一般にH₂／Ar混合気であり、フローはおよそ５０％Ar：５０％H₂から８５％Ar：１５％H₂であり、５０％Ar：５０％H₂のフローが最良の結果をもたらし、また、７０％Ar：３０％H₂は許容されるが望ましさが減じられた結果をもたらした。他のガスを添加することができる。

１つの実施形態では、基板を静止しているターゲットの前に３回通すことによって、各回２５Åずつ蒸着しながら７５ÅのDLCコーティングを蒸着する。スパッタリング処理中は、ターゲットは直流２kWのエネルギー入力を与えられ、基板は１０mm/secの速度で動かされる。

本願明細書にて説明したプロセス及び手法は特定のいかなる機器にも本質的に関連づけられていないと理解されるべきであり、任意の適切な構成要素の組合せによって実施することができる。さらに、本願明細書の教示事項にしたがって様々なタイプの汎用装置を用いることができる。本願明細書で説明した方法のステップを実行させるために専用の機器を製作することが有利となる場合もある。

本願発明は特定の例との関係で説明されており、これらは全ての観点において限定的なものとしてではなく例示的なものとなることを意図している。当業者は、本願発明を適切に実施するために異なる多種のハードウェア、ソフトウェア及びファームウェアの組合せを用いることができると分かるであろう。さらに、本願明細書の記載及び本願が開示する本願発明の実施形態を検討することによって、本願発明の他の実施形態が当業者には明らかなものとなる。本願明細書及び例示事項は単に例示的なものとして参酌されることが意図されており、本願発明の真の範囲及び精神は後述の請求の範囲によって示される。

Claims (6)

1. 基板上に水素化炭素膜を形成する方法であって、
   プロセスチャンバと前記プロセスチャンバの外側に配置されたプラズマケージとを提供するステップと、
   前記プラズマケージ内の２つの陰極上に炭素のスパッタリングターゲットを取り付けるステップであって、前記２つのスパッタリングターゲットは互いに向き合うようにしてある、ステップと、
   前記プロセスチャンバに対して排気を行うステップと、
   前記プラズマケージ内にアルゴン及び水素ガスを含むプロセスガスを注入するステップと、
   前記ターゲットにつきおよそ３０−７７０W／平方インチの電力密度にて前記２つの陰極に電力を印加することによってプラズマを着火及び維持して並びに前記プラズマを前記プラズマケージ内に閉じ込めるステップと、
   電気的なバイアスを前記基板に何ら印加せずに、前記基板を前記プロセスチャンバ内において移送するステップと、
   前記スパッタリングターゲットからスパッタリングされた粒子に経路を与えて、前記プラズマケージのオリフィス及び前記プロセスチャンバの開口部を経て移動させ、前記プロセスチャンバ内の前記基板に到達させ、光学的に透明な、ダイヤモンド状の水素化炭素膜コーティングを蒸着するステップであって、前記水素化炭素膜コーティングは可視スペクトルに対し透明であり且つ覚知可能な着色を有さずにクリアである、ステップと
   を備える、方法。
2. 前記２つの陰極に電力を印加するステップは、４００−１０００Vの直流電圧を印加することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記２つの陰極に電力を印加するステップは、１−１０ｋWの直流電力を印加することを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記プラズマケージ内にアルゴン及び水素のプロセスガスを注入するステップは、アルゴンを５０％及び水素を５０％として注入することを含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記プラズマケージ内にアルゴン及び水素のプロセスガスを注入するステップは、アルゴンが４０％−８０％で水素が６０％−２０％の混合気を注入することを含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記水素化炭素膜を蒸着する前にSiO2薄膜を蒸着するステップをさらに備える、請求項１に記載の方法。

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