(57)【要約】【課題】面粗度の悪い基板や、金属箔、金属積層基板、並びに高融点の蒸着材料を用いる場合においても十分な冷却を可能とし、高密度な成膜を行うことを目的とする。【解決手段】長尺状の基板６を、その蒸着面側が少なくとも蒸着源５に対向する領域において、蒸着源５に対して凹状となる走行経路Ｒ１〜Ｒ３に沿って走行させながら蒸着を行う。蒸着直後に複数の冷却ローラ７に基板６の両面が接触するように走行させて良好に冷却を行う。【選択図】図１
2010280943.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空槽と、
前記真空槽内を真空吸引する排気部と、
前記真空槽内に配置され、蒸着材料を蒸発させる蒸着源と、
前記蒸着材料を蒸着させる長尺状の基板を、少なくとも前記蒸着源に対向する領域において前記蒸着源に対して凹状となる経路に沿って走行させる走行経路と、を備える
蒸着装置。
【請求項２】
前記走行経路が閉曲線状とされる請求項１に記載の蒸着装置。
【請求項３】
前記基板が前記蒸着源に対向する領域から移動した後の前記走行経路に、複数の冷却ローラを有し、
前記基板の両面が前記複数の冷却ローラに接触可能な配置とされる請求項１に記載の蒸着装置。
【請求項４】
前記基板の表面と裏面が交互に前記複数の冷却ローラに接触可能な配置とされる請求項３に記載の蒸着装置。
【請求項５】
前記蒸着源から蒸着材料が飛散する方向に対しほぼ等距離の位置に複数のガイドローラが配置されて、前記基板を前記蒸着源に対して凹状となる走行経路が設けられる請求項１に記載の蒸着装置。
【請求項６】
前記ガイドローラは、前記蒸着源の直上方向から外れた位置に設けられる請求項５に記載の蒸着装置。
【請求項７】
前記ガイドローラに、カバー部材が設けられる請求項５に記載の蒸着装置。
【請求項８】
前記基板の走行経路上に、前記基板の表面に対し交差する方向に移動が可能なローラを有する請求項１に記載の蒸着装置。
【請求項９】
前記基板のエッジを検出するセンサと、
前記検出されたエッジの位置に基づいて前記走行経路を構成するローラの少なくとも１つを前記基板の表面にほぼ沿う方向に移動する移動機構と、を有する請求項１に記載の蒸着装置。
【請求項１０】
複数の真空槽と、
前記複数の真空槽を互いに接続する開閉可能な弁と、
少なくとも前記真空槽の一つに設けられる蒸着源と、
前記走行経路を前記複数の真空槽間に移動させる移動機構と、を備える請求項１に記載の蒸着装置。
【請求項１１】
長尺状の基板を、少なくとも蒸着源に対向する領域において前記蒸着源に対して凹状となる経路に沿って保持する基板保持工程と、
前記基板を前記経路に沿って走行させながら、前記蒸着源から蒸着材料を飛散させて前記基板に蒸着を行う蒸着工程と、を含む
蒸着方法。
【請求項１２】
前記基板を保持する経路を閉曲線状として、
前記基板保持工程において、前記基板を前記経路にメビウスの輪状に半ひねりさせた閉曲線状に保持する請求項１１に記載の蒸着方法。
【請求項１３】
前記蒸着工程において、前記基板の走行速度を５０ｍ／ｍｉｎ以上２００ｍ／ｍｉｎ以下とする請求項１１に記載の蒸着方法。
【請求項１４】
前記蒸着工程において、前記基板上に前記蒸着材料の蒸着を複数回行って前記蒸着材料より成る層を積層する請求項１１に記載の蒸着方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、長尺状の基板に対して成膜を行う蒸着装置及び蒸着方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来プラスチックフィルムや金属箔等の柔軟な基板に対して真空蒸着により薄膜の形成を行う場合には、巻き取り式蒸着装置が用いられてきた。図１２は、この巻き取り式蒸着装置３００を表す構成図である。
従来の巻き取り式蒸着装置３００は、真空槽６１と真空槽６１内の真空引きを行う真空ポンプ６２とを備える。真空槽６１内には、蒸着時の基板６６部分をその円周に沿わせ冷却を行う冷却ローラ６７と、蒸着前の基板６６を巻き出すローラ７１と、蒸着後の基板６６を巻き取るローラ７２と、基板６６の走行経路を誘導するガイドローラ６９とを備えている。また、冷却ローラ６７の下方には蒸着材料を蒸発させる蒸着源６３が設置されている。
【０００３】
ローラ７１によって矢印Ａ５の方向に巻き出された基板６６は、ガイドローラ６９を介して冷却ローラ６７の下部に沿うように走行する。冷却ローラ６７の下方に設置された蒸着源６３のルツボ６５から蒸発した蒸着材料は蒸気流６４となって上昇し、冷却ローラ６７に沿って走行する基板６６に下方より蒸着される。そして蒸着後は矢印Ａ６の方向にローラ７２によって巻き取られる。
【０００４】
また、冷却ローラ６７の内部は冷水等の冷媒が循環する構成とされ、蒸着の際に基板６６が受ける輻射熱や成膜物質の潜熱を奪い、基板６６を冷却させる。
このように、従来は冷却ローラ６７に基板６６の蒸着面とは反対側の裏面を密着させながら真空中で走行させて蒸着を行う構造である。すなわち基板６６への蒸着が開始される蒸着開始点６７ａにおいて、蒸気流６４ａは基板６６の走行方向に対し前方からの斜め方向Ｅ１から入射する角度となる。一方蒸着終了点６７ｂにおいては、蒸気流６４ｂは基板６６の走行方向に対し後方からの斜め方向Ｅ２となり、方向Ｅ１とはほぼ反対側の斜め方向となる。
【０００５】
蒸着による成膜の状態は基板の温度等にもよるが、通常は図１３に示すようなカラム構造（柱構造）となる。そして上述したようにルツボ６５との位置関係上、蒸着開始点６７ａにおける蒸気流６４ａの入射方向Ｅ１に対応する成長方向ｅ１と、蒸着終了点６７ｂにおける蒸気流６４ｂの入射方向Ｅ２に対応する成長方向ｅ２とが異なっている。このため、形成されるカラム構造１１３は曲がった状態となり、カラム間には空隙１２１が生じてしまう。特に、基板６６へのこのような斜め入射成分があると、基板６６や膜表面での凹凸によって影になる部分ができるいわゆるシャドーイングが生じ、この部分も空隙１２２となるので膜密度が低下してしまう。また、多層成膜する場合には、層間にも空隙ができてしまう。
【０００６】
このような空隙１２１，１２２が存在すると、磁気テープの場合はここから酸化が進み、特性が劣化する。また、光学薄膜等においては経時的に屈折率が変化し、波長シフトの原因となってしまう。更に、その他半導体や電子デバイス等においても、この空隙が存在すると経時変化や特性低下を生じる原因となる。
【０００７】
このような空隙の発生を抑制するために、図１２に示すように入射角規制板８０を冷却ローラ６７の蒸着源６３側にとりつける方法がある。しかしながらこのように基板６６に入射する蒸気流６４の入射角度を制限すると、今度は成膜レートが低下してしまい、材料効率も落ちてしまうという問題が生じる。また、長時間蒸着すると入射角規制版８０の端部に蒸着材料が付着するので、入射角度に変動を生じる。このため入射角規制板８０を一定期間毎にメンテナンスする必要があり、また入射角度の変動を考慮した微調整も必要となる。
【０００８】
下記特許文献１では、基板を２つのローラの間にわたって直線状に走行させる領域を設け、また補助ベルトの上に基板を走行させ、この領域で蒸着させる構造としている。また、特許文献２においては、同様に基板を直線状に走行させる領域を設けて、基板の両面から蒸着材料を飛散させる方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第３５２９９２２号公報
【特許文献２】特開平１０−２２６８７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記特許文献１及び２におけるように、基板を直線状に走行させることで、蒸着角度条件をある程度そろえることができる。しかしながらこの場合でも、依然として蒸着の開始点と蒸着の終了点において蒸着角度には差が存在する。このため、図１３で示す例とはカラムの成長開始から終了に至るまでの成長方向の相違が軽減されるものの、やはり空隙の発生は回避できず、膜密度の低下が問題となる。
【００１１】
そこで本発明は上記問題に鑑み、空隙の発生が抑制された高密度な成膜が可能な蒸着装置及び蒸着方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記問題を解決するため本発明による蒸着装置は、真空槽と、真空槽内を真空吸引する排気部と、真空槽内に配置され、蒸着材料を蒸発させる蒸着源と、を有する。更に、蒸着材料を蒸着させる長尺状の基板を、少なくとも蒸着源に対向する領域において蒸着源に対して凹状となる経路に沿って走行させる走行経路と、を備える構成とする。
【００１３】
また、本発明による蒸着方法は、長尺状の基板を、少なくとも蒸着源に対向する領域において前記蒸着源に対して凹状となる経路に沿って保持する基板保持工程を含む。更に、基板を前記経路に沿って走行させながら、蒸着源から蒸着材料を飛散させて基板に蒸着を行う蒸着工程を含むものとする。
【００１４】
このように、本発明による蒸着装置は、蒸着源に対して、基板が凹状となる経路に沿って走行させ、蒸着源から蒸着材料を放射状に飛散させることで、蒸着開始点から蒸着終了点に至るまでの領域で、蒸着方向が相違することを軽減できる。
【００１５】
すなわち、基板を蒸着源に対して凹状となる経路を走行させることで、横方向への広がりをもつ蒸気流に対しても基板への入射角度がより狭い範囲となるようにすることができる。したがって、上述したようなカラムの成長時における成長方向の変化量を抑え、空隙の発生を抑制することが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、基板に対して斜めに入射する蒸気流を低減するため、高密度な蒸着膜を成膜することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る蒸着装置の概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る蒸着装置によって成膜される薄膜のカラム構造を示す模式的断面図である。
【図３】冷却ローラの吸熱量と基板の走行速度との関係を示す図である。
【図４】基板の放熱量と基板の走行速度との関係を示す図である。
【図５】従来の蒸着装置によって成膜された基板を示す説明図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る蒸着装置によって成膜された基板を示す説明図である。
【図７】従来の蒸着装置によって成膜された薄膜の走査型電子顕微鏡により撮影した拡大断面図である。
【図８】本実施の形態に係る蒸着装置によって成膜された薄膜の走査型電子顕微鏡により撮影した拡大断面図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係る蒸着装置の概略構成図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態に係る蒸着装置において成膜された基板を示す説明図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態に係る蒸着装置の概略構成図である。
【図１２】従来の蒸着装置の一例の概略構成図である。
【図１３】従来の蒸着装置によって成膜された薄膜のカラム構造を表す模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下本発明の実施の形態に係る蒸着装置及び蒸着方法について説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。説明は以下の順序で行う。
１．蒸着装置及び蒸着方法の第１の実施の形態
（１）蒸着装置の構成
（２）蒸着方法の工程
（３）実施例
ａ．基板の冷却量
ｂ．成膜後の外観及び断面構造
２．蒸着方法の第２の実施の形態
３．蒸着装置の第２の実施の形態
【００１９】
１．蒸着装置及び蒸着方法の第１の実施の形態
（１）蒸着装置の構成
図１は、本実施の形態に係る蒸着装置１００の概略構成図である。本実施の形態に係る蒸着装置１００は、真空槽１と真空槽１内を真空吸引する排気部として真空ポンプ２とを備える。真空槽１は弁２ａを介して接続される真空ポンプ２により、例えば１０−２〜１０−４Ｐａ程度にまで真空排気される。
【００２０】
真空槽１内の平面長方形状とされる固定ベースプレート１５には、蒸着源３のルツボ５から斜め上方に向かってほぼ等距離となる位置に、蒸着源３のルツボ５に対して凹状の走行経路を規定するローラ２２が配置される。このローラ２２は、他のガイドローラや冷却ローラと比べて小径とされることが好ましい。また、ローラ２２によって保持される基板６の走行方向において前方に、冷却機能を有する複数の冷却ローラ７が配置される。冷却ローラ７はこの例では蒸着源３に対し斜め上方から斜め下方に向かって上下に、また各ローラ７を交互にジグザグに固定ベースプレート１５上に配置される。更に、冷却ローラ７の終端側と蒸着源３を挟んで反対側の固定ベースプレート１５の下端近傍にガイドローラ９と、ダンサーローラ１４が配置される。また固定ベースプレート１５と隣接して平面長方形状の可動ベースプレート１６が配置される。この可動ベースプレート１６には、走行方向終端側のガイドローラ９に近接する位置とその上部とにガイドローラ８が配置される。そしてこれらガイドローラ８、凹状の走行経路を規定するローラ２２、冷却ローラ７、ガイドローラ９及びダンサーローラ１４によって、閉曲線状の走行経路が形成される。
【００２１】
図１の例においてダンサーローラ１４は、基板６の走行経路上に配置された二つのガイドローラ９の間に設けられる。ダンサーローラ１４は、基板６の表面と交差する方向、例えば表面に対し略直交する矢印Ｄの方向に円滑にスライド、または円弧運動を行う駆動機構（図示せず）に連結して設置される。そして図示しないバネや錘、エアシリンダー等によって経路から離れる方向に力を加えることでガイドローラ９間の基板６を部分的に持ち上げる、又は引き下げるなどの移動を行う。このように、ガイドローラ９を設けてその位置を走行経路から離間する方向又は経路に近接する方向に移動させることで基板６全体の張力が調節される。
【００２２】
ガイドローラ８が設置される可動ベースプレート１６は、ローラ２２や冷却ローラ７、ガイドローラ９等が設置された固定ベースプレート１５に対して、可動ベースプレート１６の下端において回転軸１７を介して回転締結される。
一方、真空槽１の外部に設けられるモータ２０の回転軸４７が、真空槽１内に真空導入されアーム２１に接続し、このアーム２１は可動ベースプレート１６の上端に軸４８等のリンク機構にて締結される。これにより、モータ２０の正逆回転によって可動ベースプレート１６は基板６の走行方向に対して横向きの方向、すなわち図１の紙面に対し垂直な方向を接線方向として、回転軸１７を中心とするチルト運動が可能となる。
【００２３】
またこの例においては、基板６の走行経路上のいずれかにエッジセンサ１８が設置される。図１に示す例では、走行経路Ｒ３の終端であって、冷却ローラ７の走行直前の位置にエッジセンサ１８を配置している。エッジセンサ１８の配置はこの例に限定されるものではなく、その他の位置に配置可能である。このエッジセンサ１８は、基板６の走行方向と直交する幅方向のエッジ位置を検知して、幅方向への基板６のズレ量を計測する。そしてその計測したズレ量がコントローラ１９に入力される。コントローラ１９は、このズレ量に基づいてモータ２０を正転又は逆転方向に回転させる信号をモータ２０に出力する。
【００２４】
このようにすることで、基板６の幅方向への走行経路のズレはエッジセンサ１８によって直ちに検出され、回転軸１７を中心とする可動ベースプレート１６のチルト運動によって補正することが可能となる。このため本実施の形態による蒸着装置１００では、基板６の蛇行も最小限に抑えることができる。
【００２５】
なお、凹状の走行経路を形成するローラ２２の数及び配置はこの例に限定されるものではない。しかしながら図１に示すように、ルツボ５に対してほぼ等距離に配置され、またルツボ５の直上から外れた位置に設けられることが好ましい。これは、基板６に対して蒸着面側にこれらローラ２２が配置されるので、ローラ２２に蒸着材料が被着され、ここから剥離した材料がルツボ５やその周辺に落下することを避けるためである。また、ローラ２２への蒸着材料の付着を抑え、付着物除去等のメンテナンスを容易にするために、ローラ２２にはカバー部材２３が蒸着源３側に設けられることが好ましい。
また、ガイドローラ８、９やダンサーローラ１４の数及び配置もこの例に限定されるものではなく、それぞれ数を増やしてもよい。
【００２６】
冷却ローラ７も図示の例に限定されるものではなく、数を増やしてもよい。例えば図１に示す例のように交互にジグザグではなく、一列状に配置されていてもよい。ただし、基板６の両面が各ローラ７に接触可能な配置であることが好ましい。また、基板６の表面と裏面、すなわち蒸着面とその裏面とが交互に冷却ローラ７に接触するように配置することがより好ましい。このように両面を冷却可能とすることで効率よく冷却することができる。特に、両面を交互に冷却ローラに接触するように冷却ローラ７を配置することで、より冷却効率を向上させることができる。
【００２７】
ただし、冷却ローラ７全体の配置位置としては、蒸着領域Ｒ１〜Ｒ３のうち最後の蒸着領域Ｒ３に最も近接して配置することが好ましい。このようにすることで、基板６上に一定時間蒸着が行われた直後に、基板６の両面から冷却を素早く行うことが可能となる。ここで蒸着終了から冷却開始までの時間は、基板６の走行速度とローラ２２と冷却ローラ７との配置間隔の設定によって定まる。
【００２８】
なお、図示しないが、蒸着が行われる走行領域Ｒ１〜Ｒ３を超えて蒸着材料が蒸発する場合に、ローラ８や冷却ローラ７の一部に蒸着材料が付着することを抑えるために、ルツボ５と各ローラ８，７との間に遮蔽材を設けてもよい。または、カバー部材を一部のローラに追加して設けてもよい。
【００２９】
ところで、図１に示すように、本実施の形態では、基板６に蒸着が行われる走行経路Ｒ１、Ｒ２，Ｒ３において、その走行方向を変化させるようにしてある。
通常、ルツボ５から蒸発する蒸気流４の上昇には方向特性が存在し、例えばガイドローラ８側及び冷却ローラ７側に向かう蒸気流４１や４２のように、鉛直方向のみでなく横方向にも広がりをもって上昇する。この実施の形態においては、その蒸着の生じる走行経路中に２つのローラ２２を配置することで、基板６に蒸着が生じる走行経路をＲ１、Ｒ２、Ｒ３の方向に分割している。この場合、複数のローラ２２の間では基板６を空中に走行させて蒸着を行う構成となり、蒸着時にかかる基板６への応力を逃がしやすく、蒸着と同時に裏面を冷却する場合と比べて変形量を抑制することが可能となる。
【００３０】
またこの場合、各走行経路Ｒ１、Ｒ２又はＲ３においては基板６を直線状とするものの、全体として蒸着源３に対して凹状となるような配置となる。これにより、基板６の蒸着面に対して蒸着材料の入射角度が、各領域において従来と比べて垂直方向に近くなる。したがって入射角度の変化を抑えることができ、すなわち蒸気流の斜め入射成分を低減することができる。
【００３１】
蒸気流の斜め入射成分を低減すると、基板６の微小な凹凸に対して蒸着方向が影となる部分も少なくなり、シャドウイングが抑えられる。この様子を図２の模式的断面図に示す。図２に示すようにこの場合、空隙の殆ど生じないカラム構造１３を形成させることができ、密度の高い成膜が可能となる。したがってこのように基板６を凹状に走行させて蒸着する手法は、基板の面粗度が悪い程、シャドウイングを抑えられるので空隙の発生を低下させることとなり、より有効である。
【００３２】
また、本実施の形態における蒸着装置１００において、基板６を比較的高速で閉曲線状に走行させ、薄膜を少しずつ繰り返し積層させていくことが可能である。このとき、走行速度としては、１回の蒸着によって、目的とする膜厚となるように蒸着を行う場合と比べて２倍以上の速度とすることが好ましい。このように、複数回の閉曲線走行による蒸着を行うことで、やや斜め方向となる走行領域Ｒ１、Ｒ３におけるカラムの成長方向を均一化できることとなる。このためカラム構造の曲がりをさらに低減し、より高密度な蒸着膜を得ることができる。
【００３３】
更に、本形態の蒸着装置１００では、走行経路Ｒ１及びＲ３においても蒸着を行うものであり、横方向への広がりが大きい４１ａ、４１ｂのような蒸気流も成膜に用いることができる。このため、蒸着材料の使用効率を走行経路Ｒ２のみとする場合と比べてほぼ３倍に高めることもできる。
例えば図１２に示したような入射角規制板８０によって基板６６への蒸着角度を制限する場合には、蒸着材料が基板６６に成膜される割合は飛散材料のうち１０〜２０％と低くなってしまう。これに対し、本実施の形態では２０〜４０％以上に向上し、コストダウンが可能である。
【００３４】
ところで、上記のような真空槽１内の真空度の場合には、ルツボ５からの蒸気流４はほぼ直線的に進行する。したがって、各経路Ｒ１〜Ｒ３内において蒸着材料の入射方向はある程度の範囲となる。この入射角度の範囲をできるだけ垂直方向に近くするには、ルツボ５から走行経路Ｒ１〜Ｒ３上の基板６それぞれに向かって引いた面法線が各経路Ｒ１〜Ｒ３の中心位置で交わるように、各経路Ｒ１〜Ｒ３を配置することが好ましい。
このためには、ローラ２２に加え、凹状の走行経路の形成に寄与しているガイドローラ８、冷却ローラ７のうち最初のローラを、ルツボ５から等距離に配置するのがよい。このことにより、蒸気流は経路Ｒ１〜Ｒ３それぞれの中心位置において基板６に垂直に入射する。
【００３５】
また、この分割経路の数を増やし、ルツボ５を中心とする環状の曲面に走行経路を近づける程もちろん高い効果が得られる。しかし、ローラ２２には、上述したようにこれに蒸着材料が付着してしまうのを防ぐためにロールカバー２３を設けることが好ましい。このため、経路を曲面に近づけるためにローラ２２の数を増やすと、ロールカバーの数が増えた分だけ蒸着に用いることのできる経路中の基板面積が減少する。これにより材料の使用効率が低下するので、経路の分割数を必要以上に増加することは好ましくない。本実施の形態では例えば経路の数を３つとしてあり、このような蒸着材料の使用効率を考慮すると経路の数は１０以下程度とすることが好ましい。
【００３６】
経路Ｒ１〜Ｒ３において蒸着された基板６は、上述したように左右交互にジグザグに配置された複数の冷却ローラ７に保持されて走行する。このことにより基板６の両面から冷却を行うことができ、高い冷却効果を得ることができる。
なお、冷却ローラ７は少なくとも表面が熱伝導率の高い材料より成り、例えばハードクロムメッキされ、ロータリージョイントを接続してその内部に冷却媒体を循環する構成とする。そして図示しない冷温媒ユニットによって温度調節が行われることが好ましい。この冷却ローラ７は通常、冷媒をシールする構造をとるため回転抵抗がある。このため図示しない別途設けられたモータによって複数の冷却ロール全てを駆動するようにすることが好ましい。またこのように全てのロールを駆動させることで、基板６にかかる走行時のストレスを緩和することができる。
【００３７】
このように、本実施の形態による蒸着装置１００は、基板６を両面から冷却し、さらに高速で繰り返し多層成膜を行うことで、熱負荷を大幅に低減することが可能となる。このため高レートの成膜ができ、生産性が向上するだけでなく、基板の変形や残留応力の小さい高品質な成膜を実現することができる。
また、熱負荷が低減されていることにより、従来はスパッタ法でしか成膜できず、蒸着では困難とされてきた高融点材料や酸化物等の低蒸気圧材料の成膜も可能となる。
【００３８】
（２）蒸着の工程
次に、上述の蒸着装置１００を用いて蒸着を行う際の工程を説明する。
まず、長尺状とされる基板６は、上述したように閉曲線状に形成される走行経路中の各ローラの外側に所定の張力をもって周回配置される。すなわち、長尺状の基板６はまず各ローラ８、９、２２及び７の外側に沿って配置され、両端を接着、溶着等によりつなぎ合わせることによって閉曲線状とされる。各ローラまたは一部のローラを回転駆動することで、無終端とされたいわばエンドレスの基板６が、これらのローラに規制された走行経路を案内されながら、所定の速さで例えば矢印Ａ１で示すように（図１の例では右回りに）エンドレス走行することが可能となる。
【００３９】
そして、このように閉曲線状に配置された基板６の内側に蒸着源３が配置される。蒸着源３には、図示しないが移動手段が設けられて必要に応じて基板６の設置が終了した後、所定位置に配置されるようにしてもよい。そして蒸着源３内のルツボ５を加熱するなどにより蒸着材料を蒸発させる。ローラ２２によって凹状に走行される走行領域Ｒ１〜Ｒ３内において、扇状、又は涙状に飛散される蒸気流４が凹状に配置された基板６の内側の面に向かって蒸着が行われる。
【００４０】
本実施の形態においては、この基板６は帯状のプラスチックフィルム、ステンレスやアルミニウム等の金属箔、あるいはそれらを積層したもの、また紙、布など、長尺上で且つループ状にその両端を接続できるものであれば適用することができる。
蒸着材料としては、高融点金属例えばＳｉ、酸化物、Ｃｏ系磁気材料等、種々の材料に適用可能である。
また、蒸着材料の蒸発方法としてはルツボ５を加熱するほか、レーザや電子ビームの照射等、他の種々の方法を用いることもできる。
【００４１】
（３）実施例
ａ．基板の冷却量
図３は、厚さ３０μｍ、十点平均粗さＲｚ値が２μｍのＣｕより成る基板に対してＳｉを蒸着させた場合における冷却ローラの吸熱量と基板の走行速度の関係を示す図である。実線Ｌ１、破線Ｌ２、一点鎖線Ｌ３は本実施の形態による蒸着装置１００を用いてそれぞれ３ｇ／ｍｍ、１０ｇ／ｍｍ、１７ｇ／ｍｍの張力を与えた基板に成膜した場合であり、この例では冷却ロール群７のロール数を６本とした。冷却ローラ７の径は６０ｍｍφ、アルミニウムより成るロールの表面にハードクロム膜を設ける構成とした蒸着装置１００の幅及び高さはほぼ１ｍである。また、二点鎖線Ｌ４は図１２において説明した従来の蒸着装置１００を用いて同様の基板に対して１７ｇ／ｍｍの張力で成膜を行ったものである。なお、この吸熱量は、それぞれ冷却ローラ７、６７に送水される冷却水の温度と、これら冷却ローラから排出される時の冷却水との差から算出してある。
【００４２】
本実施の形態による蒸着装置１００によって成膜を行った結果である線Ｌ１〜線Ｌ３を見ると、基板に与える張力が大きい程その吸熱量が大きく、高い冷却効果が得られていることがわかる。したがって、この張力は基板の切断等を起こさない範囲内で大きくすることが好ましいといえる。また、基板の走行速度が高い程吸熱量も大きく、この効果は基板に与えた張力が大きい程顕著に表れることもわかる。
【００４３】
図３の結果からは特に、張力が１０ｇ／ｍｍを超える場合に吸熱量が走行速度に比例して増加する割合が増えることがわかる。したがって、より蒸着時の熱変形等が問題となる基板や蒸着材料の場合は、張力を１０ｇ／ｍｍを超える１７ｇ／ｍｍ程度とし、走行速度を大きくすることが好ましい。走行速度を大きくしても、本形態の場合は閉曲線状に走行経路を設けており、複数回積層することで所定の膜厚の薄膜を容易に形成できる。
【００４４】
一方、従来の手法により一度の蒸着で膜を成膜する場合には、基板の走行速度を高くしても吸熱量の増加はそれほど見られない。少しでも吸熱量を多くするために走行速度を速くすると、蒸着材料への加熱量を増大させ、蒸気圧を大きくすることで基板への成膜量を補わなければならない。このため従来の手法では基板に与える熱負荷が逆に大きなものとなってしまう。つまり、従来の手法では、耐熱性の低い基板に高融点材料や低蒸気圧の材料の成膜を蒸着で行うことは困難であった。
【００４５】
これに対して本実施の形態による手法では、基板を従来よりも速い速度で閉曲線状に走行させながら複数回、すなわち多層成膜することが可能である。このため、基板が受ける熱負荷をその成膜回数だけ分割し、１層の成膜毎に冷却を繰り返す構成となる。したがって基板が一度に受ける熱負荷を低減させることができる。
【００４６】
また、二点鎖線Ｌ４に示されるように従来の蒸着装置３００を用い、基板の張力が１７ｇ／ｍｍの下で成膜を行った場合は、吸熱量がせいぜい１ｋＷ／ｍ２程度である。これに対し本実施の形態による場合には、基板の張力が３ｇ／ｍｍである一点鎖線Ｌ３において既に二点鎖線Ｌ４と同等以上の吸熱があり、線Ｌ４と等しい張力である線Ｌ１においては、走行速度を高めることで５ｋＷ／ｍ２もの冷却能力があることがわかる。
特に、本実施の形態に係る蒸着装置１００において成膜する場合は、走行速度を５０ｍ／ｍｉｎ以上とすると、従来の蒸着装置を用いた場合に比べて倍以上の冷却効果が得られるので好ましい。走行速度が速いほど熱負荷が低減される。走行速度がｎ倍であればｎ分の１の熱負荷となるためである。走行速度の上限は、蒸着速度により規制され、一回の蒸着である程度の厚さ蒸着が行われることが好ましく、２００ｍ／ｍｉｎ程度以下であれば好ましい。
【００４７】
図４は、図３に示したそれぞれの基板において冷却ローラの経由前後の温度を放射温度計によって測定し、その差を冷却ローラが基板より吸熱した熱量として求めたものである。図４において、実線Ｌ５は図３の本実施の形態による実線Ｌ１に対応し、実線Ｌ６は図３における従来の手法である二点鎖線Ｌ４に対応する。また、横軸は図３と同様に基板の走行速度を表している。
【００４８】
本実施の形態による実線Ｌ５と、図３の実線Ｌ１とを比較すると冷却ローラの吸熱量と基板の放熱量とがほぼ一致することがわかる。この結果から、本実施の形態では基板の放熱が効率よく冷却ローラに吸収されているといえる。またこのことにより、基板冷却の管理も行いやすい。
【００４９】
一方、従来の手法である実線Ｌ６では、基板を冷却ローラ６７に沿わせた状態で蒸着を行うので、測定した値は蒸着前と冷却後の基板の温度の差になる。このため、線Ｌ６では熱量がゼロに近い値となっている。また、高い走行速度では負の値となっていることから、完全に冷却できなかった余熱がわずかに基板に残っていることが窺える。したがって、従来の方式では、高い走行速度にするほど基板に対してその冷却能力が追いつかなくなってしまうのがわかる。
【００５０】
なお、このような冷却能力不足の問題について以下説明する。
従来の一般的な手法では、まず図１２に示す従来の蒸着装置３００のように、基板６６を案内する冷却ローラ６７の内部を冷水が循環する構成とされ、蒸着の際に基板６６が受ける輻射熱や成膜物質の潜熱を奪い、基板６６を冷却させる。従来はこのように冷却ローラ６７に基板６６の蒸着面とは反対側の裏面を密着させながら真空中で走行させて蒸着を行う構造であり、すなわち蒸着と同時に裏面に密着させた冷却ローラ６７から熱を奪う方法が通常であった。
【００５１】
また、前述の特許文献１では、蒸着前の基板に対して予め赤外線ランプ等にて予備加熱を行うことが開示されている。これは、予め基板を加熱しておくことで蒸着時の基板の急激な温度上昇を防ぎ、基板の熱変形を抑制しようとするものである。
また特許文献２では、基体の両面側に固体原料を配置し、これにレーザビームを照射することで蒸発させ、基体両面に薄膜を形成する方法が開示されている。これにより、基板両面での温度差が大きくなることがある程度抑えられる。
【００５２】
上記のような冷却ローラ６７に基板６６を沿わせて密着しながら蒸着を行う場合、基板６６を通して裏面から熱を奪うため、冷却ローラ６７の受熱量には限界があり、このため一度に成膜する膜厚に限界が生じる。特にプラスチックフィルムのような熱に弱い基板においては、十分な冷却が必要であり、成膜速度を遅くせざるを得ず、成膜レートの低下が顕著な問題となる。この問題は熱伝導率の悪い基板や蒸着材料を用いる場合も同様であり、基板の裏面の表面が粗く、密着性の悪い基板でも冷却を行いにくいため同じ問題が生じる。
またプラスチックフィルムでなくとも、金属箔等のようなヤング率の高い基板の場合には、基板の微小な曲がりやローラへの位置ずれによって冷却ローラ６７との密着性が悪化するため、十分な冷却が行えなくなる恐れがある。この場合基板の変形や変質を招いてしまう。
【００５３】
また、蒸着は真空中で行うため、基板６６から奪う熱は伝導と放射によるものである。しかし、冷却ローラ６７は基板６６との接触面積を大きくするために面粗度を低くして鏡面とされるので、基板６６からの放射熱は反射してしまう。したがって冷却ローラ６７が基板６６から奪う熱はほぼ熱伝導によるものとなる。
【００５４】
この熱伝導は冷却ローラ６７と基板６６との接触面積が大きいほど向上する。接触面積はこれら両者の接触面圧に依存するものの、上記のような巻き取り式の蒸着装置３００においてこの圧力は基板６６の張力から発生する分力であり、その値は小さい。
さらに、基板６６にかけることのできる張力はその強度、残留応力、皺の発生などのために制限される。従ってその大きさは僅かであり、冷却ローラ６７の径を大きくする程さらにその分力が小さくなるので、冷却ローラ６７が基板６６から奪うことのできる熱量は限られたものとなってしまう。
【００５５】
これに対し本実施の形態では、蒸着領域では基板６の裏面は何も接触していないので、この部分において放射により熱が逃がされる。また、蒸着直後に冷却が行われるが、裏面のみではなく蒸着面も冷却ローラ７の各ローラに接触する構成としているので、より効率よく蒸着により生じた熱を伝導によって奪うことが可能となると考えられる。冷却ローラ７の配置位置を蒸着経路Ｒ１〜Ｒ３から分離したことで、冷却ローラの径は蒸着面積等と無関係に小径化することができる。このため冷却ローラへの圧力も十分となり、より冷却効果を高めることができるといえる。
【００５６】
なお、引用文献１には、成膜前の基板に電子ビームを照射してチャージアップさせることで、静電力により冷却用のローラとの密着力を高めることが開示されている。しかしこの方法は絶縁性の基板には有効であるが導電性の基板に対しては用いることができない。また、面粗度の悪い基板の場合には当然接触面積が小さいので、冷却ローラによる冷却効果は薄くなる。
【００５７】
さらには、一般的に蒸着源から基板への熱量は、蒸着源からの輻射熱と、蒸発した蒸気が基板上で凝集するための潜熱で、その割合は蒸着させる材料によって異なる。
特に高融点金属や酸化物のように融点が高く、２０００度近くの高温にしないと蒸気圧が上がらない材料の場合には、その基板に与える熱負荷が非常に大きなものとなってしまうため、蒸着での成膜は非常に困難であった。
【００５８】
このように、面粗度の悪い基板や金属箔、金属積層基板等の導体基板、また高融点材料による蒸着においてはその冷却に難点があった。
この冷却が十分でないと、成膜途中での基板の変形や、皺の発生、また成膜中の温度上昇のために膜組成が変化する等の不具合が生じるだけでなく、基板が切れて成膜不能になってしまう事態も考えられる。このような不具合がなくとも、基板の熱負荷を下げるために蒸着源６３からの熱量を下げなければならないので、結局成膜レートを落とすことでしか上記の問題は回避できない。したがって、生産性を上げることが難しい。
【００５９】
これに対し、上述の本実施の形態においては、従来の蒸着装置３００と比べて格段に冷却ロールによる吸熱量を増大させることができる。したがって、前述したような空隙の抑制による膜質改善に加え、面粗度の悪い基板や、金属箔、金属積層基板、並びに高融点、低蒸気圧の蒸着材料を用いる場合においても十分な冷却を行うことが可能となる。また、これらの蒸着に際して生産性の向上を図ることも可能となる。
【００６０】
ｂ．成膜後の外観と断面構造
図５は、従来の蒸着装置３００を用いて厚さ３０μｍ、Ｒｚ値２μｍの金属箔にＳｉを蒸着した場合の基板と蒸着膜の外観を示す図である。また、図６は本実施の形態による蒸着装置１００により同様に蒸着を行った場合の基板と蒸着膜の外観を示す図である。両者ともに成膜速度が１０μｍ・ｍ／ｍｉｎ程度の高い熱負荷の条件で成膜を行ってある。
【００６１】
従来の手法による蒸着では、蒸着面の裏側から基板を通して冷却を行うため、成膜時の熱量を瞬時に冷却ローラへ伝えることができなかった。また冷却ローラに接触させた状態で成膜を行うため冷却ローラと基板との間には摩擦が存在し、基板の幅方向への伸びを完全に逃がすことができない。このため図５に示す基板では永久変形を生じ、皺の寄った状態となってしまっている。
【００６２】
これに対して、本実施の形態による蒸着装置１００を用いて成膜を行った場合には、ローラからローラへ空中を走行中に蒸着を行うため摩擦もなく、基板６はフリーな状態とされている。さらに複数の冷却ローラ間をジグザグに走行させているので、従来のように蒸着面の裏から基板を通して吸熱するだけでなく、蒸着面側からも直接冷却を行うことで高い冷却効果が得られる。このため、Ｒｚ値が２μｍと表面の粗い基板に対しても図６のように皺やうねり等の変形無く成膜を行うことができる。
【００６３】
また、既述のように本実施の形態では、基板を従来よりも速い走行速度で複数回閉曲線状の走行経路を走行させながら多層成膜することで一度に基板が受ける熱量を減らし、さらに基板の両面から冷却を行うため熱による負荷を低減できる。このため高温となる連続蒸着が可能となるので、ミクロンオーダーでの厚膜成膜が可能である。
例えば従来の蒸着装置３００を用いた場合には、膜厚が１０μｍを超えると熱負荷のために基板が歪んでしまうことがある。しかし、本実施の形態においては、５０μｍ厚の成膜を行っても外観上の皺や割れ、変形等は無いものであった。
【００６４】
このように本実施の形態による蒸着装置１００は高い冷却能力を有するので、高融点材料、低蒸気圧材料の蒸着が可能である。本実施の形態ではＳｉを蒸着材料として用いたが、酸化物でも蒸着を行うことができる。他にもＣｏ系磁性体材料や、基板としてはアルミニウム箔やステンレス箔、銅箔、またこれらの積層基板等の様々な基板に対しても同様に成膜が可能である。
【００６５】
また図７は、従来の蒸着装置３００を用いて成膜を行い、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により撮影した拡大断面図である。なお、積層数は１８４、基板の走行速度５０ｍ／ｍｉｎ、蒸着材料としてＳｉを蒸発させるビームのガンパワーが４．５ｋＷの条件のもとで、成膜してある。また、図８は本実施の形態による蒸着装置１００によって、積層数８５、走行速度５０ｍ／ｍｉｎ、ガンパワーが４．０ＫＷの条件で重量膜厚１０．２μｍの成膜を行った場合のＳＥＭによる拡大断面図である。図７、図８のＢ１、Ｂ２は基板の一部分である。
【００６６】
図７のＴの領域では、積み重なった層の紋様が浮き上がり、各蒸着層の間に隙間が生じているのが見受けられるが、本実施の形態による蒸着装置１００によって成膜した図８においてはこのような紋様は見受けられず均質な膜が得られているのがわかる。
また、図７ではＳ１やＳ２のようにカラム構造間の空隙が大きく空いてしまっているのに対し、図８のＳ３、Ｓ４ではその空隙のサイズを格段に小さくすることができている。このように本実施の形態による蒸着装置では基板に斜め入射する蒸気流を低減し、また高い冷却力を有しているので高密度な成膜を行うことができる。
【００６７】
またこのような高密度の成膜は、さまざまな製品において高い効果を生み出すことができる。例えば垂直磁気記録用テープでは記録密度の向上、酸化による経年劣化の抑制などが可能となり、光学フィルムでは時間の経過とともに酸化が進み屈折率が変化してしまう波長シフトの問題を解決することにつながる。また、ドライメッキ製品や半導体等においてもこれまでにない緻密な蒸着膜を得ることが可能となる。
【００６８】
２．蒸着方法の第２の実施の形態
図９は本発明の実施の形態に係る蒸着方法を説明する蒸着装置の概略構成図である。本実施の形態においては、図１の蒸着装置１００をそのまま用いることが可能である。したがって、図９において、図１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この例では、基板６ａの走行経路のうち蒸着を行う経路において、蒸着源３に対して凹状となる走行経路とする点で同様の構成である。また冷却ローラ７を通過する経路、また冷却ローラ７からガイドローラ９に至る経路においても、図１に示す例と同様に基板６ａが保持され、全体として閉曲線状の走行経路として走行させる点で同様である。
【００６９】
ただしこの例においては、基板６ａが１周の走行経路内のいずれかの位置で半ひねりとされ、すなわち最初に走行経路に基板６ａを保持する際に、一端の表面に他端の裏面が連続した面となるように溶接等により接続する。これにより、全体としてメビウスの輪状態となった閉曲線状として基板６ａが矢印Ａ２の方向に走行される。図９の例では、この半ひねり位置３３をローラ間距離の長いガイドローラ８の間に配置する。このように、ローラ間の距離が長い位置で半ひねりとすることで、ローラにからまりにくくすることができる。このように基板６ａをメビウスの輪状にして走行させながら蒸着することで、表裏両面の成膜を１つの蒸着源で同時に行うことができる。
【００７０】
図１０は本実施の形態により、厚さ２０μｍの基板にＣｕを２．５μｍの厚さで両面同時成膜したものであり、基板両面への蒸着を良好に行えるのがわかる。
従来の装置によって両面に成膜を行う場合には、表裏への蒸着を別々に行う。このため、真空槽内の清掃及び基板の再セット、真空槽内の真空排気、蒸着材料の溶解、成膜、冷却及び真空槽内への大気導入等の工程が２回必要となる。しかし、本実施の形態においては両面の成膜を同時に行うためこれらにかかる時間を半減でき、生産性をほぼ２倍にすることができる。また、蒸着源も１つでよいので装置にかかるコストを抑えることができる。
【００７１】
３．蒸着装置の第２の実施の形態
図１１は本発明の第２の実施の形態に係る蒸着装置２００の概略構成図である。
本実施の形態による蒸着装置２００は仕込み室２４、成膜室２５、取り出し室２６の３つの真空槽と、各槽を仕切る開閉可能な仕切り弁２９、３０、３１、３２と閉曲線状の走行系３４とから構成される。そして各槽内の下面には移動機構として車輪と、車輪の移動方向を規制するレール２８が各槽を貫通して設けられる。またこれら３つの槽には、各槽内を真空吸引する真空ポンプより成る排気部２ｂ１、２ｂ２，２ｂ３が弁２ａ１、２ａ２、２ａ３を介して接続される。
【００７２】
閉曲線状の走行系３４は、例えば固定ベースプレート１５ｂ、可動ベースプレート１６ｂ、ガイドローラ８ｂ、９ｂ、ローラ２２ｂ、冷却ローラ７ｂ、ダンサーローラ１４ｂ、エッジセンサ１８ｂを含む。これらは図１における蒸着装置１００と同様に配置してもよく、長尺状とする基板６ｂの走行経路は、閉曲線状となっている。さらにこれらは１つのユニットとしてパレット２７に載せられ、パレット２７ごとレール２８上を移動できるようにしてある。なお、走行系３４をユニット化する構成はこれに限定されるものではなく、適宜変えてもよい。例えば可動ベースプレート１６ｂを駆動する可動機構は図示を省略しているが、図1に示す例と同様とできる。また、冷却ローラ７ｂのローラ本数やジグザグ状の配置、エッジセンサ１８の有無やその配置位置など、この例に限定されず適宜変更可能である。
【００７３】
この蒸着装置２００により蒸着を行う場合の工程の一例を説明する。
まず弁２９を開け、パレット２７に載せられた閉曲線状の走行系３４をここから仕込み室２４内に挿入する。挿入前に、基板６の走行系３４への設置を行うことが好ましい。そしてパレット２７を仕込み室２４内のレール２８上に設置し、真空ポンプ２ｂ１によって仕込み室２４内の排気を行う。
仕込み室２４内が所定の真空度に達した段階で、仕切り弁３０を開き、走行系３４をレール２８上で矢印Ａ３の方向に移動させて真空槽である成膜室２５へ移動させる。
【００７４】
成膜室２５に走行系３４を移動させると、仕切り弁３０を再び閉じる。成膜室２５内には蒸着源３ｂが例えば移動可能に設置されており、パレット２７の移動後所定位置に蒸着源３を設置する。蒸着源３を加熱するなどにより、蒸着材料を蒸散させる。これによって基板６ｂへの蒸着を行う。本実施の形態においても、蒸着源３ｂ上の基板６ｂの走行経路は蒸着源３ｂに対して凹状となるようにしてあるので、基板６ｂへ斜めに入射する蒸気流を低減でき、空隙の無い成膜を行うことができる。また、上述の実施の形態と同様に、良好に冷却することができるので、高融点材料、低蒸気圧材料の蒸着も可能となる。
【００７５】
基板６ｂへの成膜が終了すると仕切り弁３１を開き、走行系３４を矢印Ａ４の方向へ動かし、予め真空吸引されている取り出し室２６へ移動させる。そして弁３１を閉じた後、取り出し室２６内に大気を導入し、弁３２からエンドレスループ走行系３４を取り出す。
【００７６】
このように、本実施の形態における蒸着装置２００では、成膜を行う成膜室２５の前後に仕込み室２４、取り出し室２６を設置し、これら室内において真空吸引や大気の導入を行う。このため成膜室２５内を真空に維持したまま、走行系３４を大気から真空、真空から大気に連続出し入れすることが可能となり、生産性を向上させることができる。
また、成膜室を複数設けて、同様に弁を介して連結させ、それぞれの成膜室内で異なった蒸着材料を蒸着することにより、異種の膜を連続で多層に成膜することも可能である。
【００７７】
以上説明したように本発明によれば、高い冷却能力を有しているので面粗度の悪い基板や、金属箔、金属積層基板、並びに高融点の蒸着材料を用いた蒸着を行うことができる。また、基板に入射する蒸気流の斜め成分が低減されるので蒸着膜内の空隙も減少し、高密度な成膜が可能となる。
なお、本発明は上述の実施の形態において説明した例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変形、変更が可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００７８】
１，６１・・・真空槽、２，２ｂ１，２ｂ２，２ｂ３，６２・・・真空ポンプ、２ａ，２ａ１，２ａ２，２ａ３・・・弁、３，３ｂ，６３・・・蒸着源、４，４１，４２，６４ａ，６４ｂ・・・蒸気流、５，６５・・・ルツボ、６，６ｂ，６６ｃ・・・基板、７，７ｂ，６７，・・・冷却ローラ、８，８ｂ，９，９ｂ・・・ガイドローラ、１３，１１３・・・カラム構造、１４，１４ｂ・・・ダンサーローラ、１５，１５ｂ・・・固定ベースプレート、１６，１６ｂ・・・可動ベースプレート、１７・・・回転軸、１８，１８ｂ・・・エッジセンサ、１９・・・コントローラ、２０・・・モータ、２１・・・アーム、２２，２２ｂ・・・ローラ、２３・・・カバー部材、２４・・・仕込み室、２５・・・成膜室、２６・・・取り出し室、２７・・・パレット、２８・・・レール、２９，３０，３１，３２・・・仕切り弁、３４・・・走行系、３３・・・半ひねり位置、４７・・・回転軸、４８・・・軸、６７ａ・・・蒸着開始点、６７ｂ・・・蒸着終了点、８０・・・入射角規制板、１２１，１２２・・・空隙、１００，２００，３００・・・蒸着装置 
【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９】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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