(57)【要約】  真空装置１００は、真空槽１１と、真空槽１１の内部に配置された熱源１２と、冷却ガスを循環させることによって熱源１２を冷却する冷却器２０と、冷却器２０に接続され、真空槽１１の外部へと延びているガス供給経路１と、熱源１２を冷却するときに、ガス供給経路１を通じて冷却器２０に冷却ガスを供給する冷却ガス供給器１４と、熱源１２を使用するときに、冷却器２０の内部の真空引きを行う真空ポンプ１３と、を備えている。
2013073096.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空槽と、
前記真空槽の内部に配置された熱源と、
冷却ガスを循環させることによって前記熱源を冷却する冷却器と、
前記冷却器に接続され、前記真空槽の外部へと延びているガス供給経路と、
前記熱源を冷却するときに、前記ガス供給経路を通じて前記冷却器に前記冷却ガスを供給する冷却ガス供給器と、
前記熱源を使用するときに、前記冷却器の内部の真空引きを行う真空ポンプと、
を備えた、真空装置。
【請求項２】
前記熱源を冷却するときに前記冷却器を前記冷却ガス供給器に接続し、前記熱源を使用するときに前記冷却器を前記真空ポンプに接続するように、前記ガス供給経路に設けられた切替部をさらに備えた、請求項１に記載の真空装置。
【請求項３】
前記真空槽の内部の雰囲気から隔離された経路であって、前記熱源を使用するときに前記冷却器を前記真空ポンプに接続する真空引き経路をさらに備えた、請求項１に記載の真空装置。
【請求項４】
前記真空槽の内部の雰囲気から隔離された経路であって、前記熱源を使用するときに前記冷却器を前記真空ポンプに接続する真空引き経路をさらに備え、
前記真空引き経路が前記切替部に接続された一端を有し、
前記切替部は、前記冷却ガス供給器及び前記真空ポンプから選ばれる１つを前記冷却器に接続するように構成されている、請求項２に記載の真空装置。
【請求項５】
前記真空ポンプによって前記真空槽の内部の真空引きが行われるように、前記真空ポンプが前記真空槽に接続されており、
前記切替部が前記真空槽の内部に配置され、かつ前記冷却器と前記真空槽の内部とを連通できるように構成されており、
前記熱源を使用するときに、前記真空槽の内部を通じて、前記冷却器の内部の真空引きが行われる、請求項２に記載の真空装置。
【請求項６】
前記切替部が、前記真空槽の内部において前記ガス供給経路に設けられた切替弁である、請求項２に記載の真空装置。
【請求項７】
前記ガス供給経路が、前記真空槽の内部に形成された冗長経路を含む、請求項１に記載の真空装置。
【請求項８】
前記ガス供給経路が、前記真空槽の内部に形成された冗長経路を含み、
前記冗長経路が、前記切替部と前記冷却器との間に形成されている、請求項２に記載の真空装置。
【請求項９】
前記真空槽の外部から前記真空槽の内部へと前記ガス供給経路を導入する導入端子をさらに備え、
前記ガス供給経路が、前記真空槽の内部に形成された冗長経路を含み、
前記冗長経路が、前記切替部と前記導入端子との間に形成されている、請求項２に記載の真空装置。
【請求項１０】
前記切替部を冷却する別の冷却器をさらに備えた、請求項１に記載の真空装置。
【請求項１１】
前記ガス供給経路が、前記冷却ガスを前記冷却器から前記真空槽の外部へと導く復路部分を含み、
前記真空槽の内部又は外部で前記復路部分を冷却する液冷式の補助冷却器をさらに備えた、請求項１に記載の真空装置。
【請求項１２】
前記復路部分を形成しているガス配管が前記補助冷却器の内部において屈曲又は捲回されている、請求項１１に記載の真空装置。
【請求項１３】
前記冷却器を通過した前記冷却ガスの温度を検出する温度センサをさらに備え、
前記冷却ガス供給器は、前記温度センサの検出結果に基づいて前記冷却器に供給するべき前記冷却ガスの流量を制御する流量制御器を含む、請求項１に記載の真空装置。
【請求項１４】
前記真空装置が真空蒸着装置であり、
前記熱源が、基板上に蒸着するべき材料を蒸発させる蒸発源であり、
前記蒸発源が、前記材料を収容する坩堝を含む、請求項１に記載の真空装置。
【請求項１５】
冷却ガスを循環させることによって冷却機能を発揮する冷却器を使用して真空中の熱源を冷却する方法であって、
前記熱源を使用するとき、前記冷却器の内部の真空引きを行う工程と、
前記熱源を冷却するとき、前記熱源の周囲の真空を維持したまま、真空の外部から前記冷却器に前記冷却ガスを供給し、前記冷却器を流れた前記冷却ガスを真空の外部へと導くことによって前記熱源を冷却する工程と、
を含む、方法。
【請求項１６】
基板上に薄膜が形成されるように、真空中において、冷却ガスを循環させることによって冷却機能を発揮する冷却器を備えた成膜源より飛来した粒子を前記基板上に堆積させる工程と、
前記堆積工程を実施するとき、前記冷却器の内部の真空引きを行う工程と、
前記堆積工程の後、前記成膜源の周囲の真空を維持したまま、真空の外部から前記冷却器に前記冷却ガスを供給し、前記冷却器を流れた前記冷却ガスを真空の外部へと導くことによって前記成膜源を冷却する工程と、
を含む、薄膜製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空装置、真空中の熱源を冷却する方法及び薄膜製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
デバイスの高性能化及び小型化に薄膜技術が幅広く展開されている。デバイスの薄膜化はユーザーの直接メリットに留まらず、地球資源の保護、消費電力の低減といった環境側面からも重要な役割を果たしている。【０００３】
薄膜の生産性を高めるには、高堆積速度の成膜技術が必須である。真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法（Chemical Vapor Deposition Method）などの成膜方法において、堆積速度の高速化が進められている。薄膜を連続的かつ大量に製造する方法として、巻き取り式の薄膜製造方法が知られている。巻き取り式の薄膜製造方法は、長尺の基板を巻き出しローラから巻き出し、搬送経路に沿って搬送中に基板上に薄膜を形成し、その後、巻き取りローラに基板を巻き取る方法である。【０００４】
上記の成膜技術は、しばしば、真空装置の使用を伴う。従って、薄膜の生産性を高めるためには、真空装置の性能にも注目する必要がある。真空装置の重要な性能の１つとして、加熱性能及び冷却性能が挙げられる。【０００５】
例えば、真空蒸着法で使用される蒸発源（典型的には、坩堝）は、蒸着時には加熱されなければならないが、蒸着終了後には、材料の無駄な蒸発を抑え、メンテナンスを早期に開始するために冷却されることが望ましい。そのようにすれば、薄膜の生産コストの低減及び薄膜の生産性の向上を期待できる。各種基板を加熱するためのヒータユニットなどにおいても同様の要請がある。【０００６】
メンテナンスを開始するときに直ちに真空槽をパージ（purge）できない理由としては、例えば、蒸発源などの熱源を構成している部品の劣化（特に、酸化）を防止することにあったり、作業員の安全を確保することにあったりする。窒素などの不活性ガスで真空槽をパージする方法もあるが、熱源が十分に冷めるまで待つには時間がかかりすぎる。従って、熱源は、何らかの手段で強制的に冷却されるべきである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−２５５０４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
真空中の熱源の冷却には、しばしば、水冷式の冷却器が使用される。しかし、水冷式の冷却器には次のような課題がある。すなわち、熱源を加熱しなければならないときに冷却器に冷却水を流すと、加熱効率の低下を招く。加熱効率を重視して冷却水の流れを止めると、配管内の冷却水が沸騰し、配管内の圧力が上昇して危険である。冷却水に代えて、オイルなどの冷却液を使用することも考えられる。しかし、メンテナンス時に真空槽の内部にオイルなどの冷却液が漏れた場合、水が漏れた場合に比べて、冷却液による汚染を除去することが困難である。【０００９】
水冷式の冷却器に代えて、ガス冷却式の冷却器を使用することも可能である。しかし、ガスの熱膨張は液体よりも顕著である。そのため、ガス冷却式の冷却器を使用するだけでは、熱源の使用時における配管内の圧力上昇の課題を解決するには至らない。熱源の使用時に冷却器の内部を大気に解放することも考えられるが、高温の空気が周囲に漏れる可能性がある。【００１０】
上記の事情に鑑み、本発明は、真空中の熱源を冷却する技術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】
【００１１】
すなわち、本開示は、
真空槽と、
前記真空槽の内部に配置された熱源と、
冷却ガスを循環させることによって前記熱源を冷却する冷却器と、
前記冷却器に接続され、前記真空槽の外部へと延びているガス供給経路と、
前記熱源を冷却するときに、前記ガス供給経路を通じて前記冷却器に前記冷却ガスを供給する冷却ガス供給器と、
前記熱源を使用するときに、前記冷却器の内部の真空引きを行う真空ポンプと、
を備えた、真空装置を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
上記の真空装置によれば、熱源を使用するときにはガス冷却式の冷却器の内部を真空にする。他方、熱源を冷却するときには、熱源の周囲の真空を維持しながら、真空の外部から冷却器に冷却ガスを供給する。このようにすれば、必要なときに熱源を冷却できるだけでなく、熱源の使用時には冷却器の内部を真空にして冷却ガスの膨張による圧力上昇の危険性を回避できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】本発明の一実施形態に係る真空装置の構成図
【図１Ｂ】本発明の一実施形態に係る真空装置の構成図（冷却時）
【図２】変形例１に係る真空装置の構成図
【図３】変形例２に係る真空装置の構成図
【図４】変形例３に係る真空装置の構成図
【図５】変形例４に係る真空装置の構成図
【図６】変形例５に係る真空装置の構成図
【図７】真空中で冷却するべき熱源としての蒸発源の斜視図
【図８】真空中で冷却するべき熱源としてのヒータユニットの斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本開示の第１態様は、
真空槽と、
前記真空槽の内部に配置された熱源と、
冷却ガスを循環させることによって前記熱源を冷却する冷却器と、
前記冷却器に接続され、前記真空槽の外部へと延びているガス供給経路と、
前記熱源を冷却するときに、前記ガス供給経路を通じて前記冷却器に前記冷却ガスを供給する冷却ガス供給器と、
前記熱源を使用するときに、前記冷却器の内部の真空引きを行う真空ポンプと、
を備えた、真空装置を提供する。
【００１５】
本開示の第２態様は、第１態様に加え、前記熱源を冷却するときに前記冷却器を前記冷却ガス供給器に接続し、前記熱源を使用するときに前記冷却器を前記真空ポンプに接続するように、前記ガス供給経路に設けられた切替部をさらに備えた、真空装置を提供する。第２態様によれば、切替部の状態に応じて、冷却器に冷却ガスを流すことができたり、冷却器の内部の真空引きを行うことができたりする。すなわち、必要なときに熱源を冷却できるだけでなく、熱源の使用時には冷却器の内部を真空にして冷却ガスの膨張による圧力上昇の危険性を回避できる。冷却器に冷却ガスを流すときも冷却器の内部の真空引きを行うときも、真空槽の内部の真空状態を維持することができる。
【００１６】
本開示の第３態様は、第１又は第２態様に加え、前記真空槽の内部の雰囲気から隔離された経路であって、前記熱源を使用するときに前記冷却器を前記真空ポンプに接続する真空引き経路をさらに備えた、真空装置を提供する。
【００１７】
本開示の第４態様は、第２態様に加え、前記真空槽の内部の雰囲気から隔離された経路であって、前記熱源を使用するときに前記冷却器を前記真空ポンプに接続する真空引き経路をさらに備え、前記真空引き経路が前記切替部に接続された一端を有し、前記切替部は、前記冷却ガス供給器及び前記真空ポンプから選ばれる１つを前記冷却器に接続するように構成されている、真空装置を提供する。
【００１８】
第３及び第４態様によれば、冷却器の内部の冷却ガスが真空槽に放出されないので、真空槽の内部の真空度の悪化を防止できる。
【００１９】
本開示の第５態様は、第２又は第４態様に加え、前記真空ポンプによって前記真空槽の内部の真空引きが行われるように、前記真空ポンプが前記真空槽に接続されており、前記切替部が前記真空槽の内部に配置され、かつ前記冷却器と前記真空槽の内部とを連通できるように構成されており、前記熱源を使用するときに、前記真空槽の内部を通じて、前記冷却器の内部の真空引きが行われる、真空装置を提供する。第５態様によれば、真空槽の内部を通じて、冷却器の内部の真空引きが行われる。
【００２０】
本開示の第６態様は、第２、第４及び第５態様のいずれか１つに加え、前記切替部が、前記真空槽の内部において前記ガス供給経路に設けられた切替弁である、真空装置を提供する。第６態様によれば、ガス供給経路における流量と流速とのバランスをとりつつ、冷却器の内部の真空引きを行うために費やされる時間を短縮することができる。
【００２１】
本開示の第７態様は、第１〜第６態様のいずれか１つに加え、前記ガス供給経路が、前記真空槽の内部に形成された冗長経路を含む、真空装置を提供する。冗長経路を設けることにより、切替部が熱によって損傷を受けることを防止できる。
【００２２】
本開示の第８態様は、第２、第４〜第６態様のいずれか１つに加え、前記ガス供給経路が、前記真空槽の内部に形成された冗長経路を含み、前記冗長経路が、前記切替部と前記冷却器との間に形成されている、真空装置を提供する。第８態様によれば、切替部が熱によって損傷を受けることを確実に防止できる。
【００２３】
本開示の第９態様は、第２、第４〜第６態様のいずれか１つに加え、前記真空槽の外部から前記真空槽の内部へと前記ガス供給経路を導入する導入端子をさらに備え、前記ガス供給経路が、前記真空槽の内部に形成された冗長経路を含み、前記冗長経路が、前記切替部と前記導入端子との間に形成されている、真空装置を提供する。第９態様によれば、導入端子が熱によって損傷を受けることを防止できる。
【００２４】
本開示の第１０態様は、第１〜第９態様のいずれか１つに加え、前記切替部を冷却する別の冷却器をさらに備えた、真空装置を提供する。第１０態様によれば、切替部を熱から確実に保護できる。
【００２５】
本開示の第１１態様は、第１〜第１０態様のいずれか１つに加え、前記ガス供給経路が、前記冷却ガスを前記冷却器から前記真空槽の外部へと導く復路部分を含み、前記真空槽の内部又は外部で前記復路部分を冷却する液冷式の補助冷却器をさらに備えた、真空装置を提供する。補助冷却器で冷却ガスの温度を下げることにより、高温の冷却ガスを作業環境にそのまま放出せずに済み、作業の安全性を確保するうえで好ましい。
【００２６】
本開示の第１２態様は、第１１態様に加え、前記復路部分を形成しているガス配管が前記補助冷却器の内部において屈曲又は捲回されている、真空装置を提供する。第１２態様によれば、補助冷却器の内部でガス供給経路の距離を稼ぐことができるとともに、補助冷却器の内部に保持された冷却液とガス供給経路を流れる冷却ガスとの間の熱交換効率を高めることができる。
【００２７】
本開示の第１３態様は、第１〜第１２態様のいずれか１つに加え、前記冷却器を通過した前記冷却ガスの温度を検出する温度センサをさらに備え、前記冷却ガス供給器は、前記温度センサの検出結果に基づいて前記冷却器に供給するべき前記冷却ガスの流量を制御する流量制御器を含む、真空装置を提供する。第１３態様によれば、ガス供給経路を形成しているガス配管の温度が上がりすぎることを防止しつつ、冷却ガスの使用量を抑制することができる。
【００２８】
本開示の第１４態様は、第１〜第１２態様のいずれか１つに加え、前記真空装置が真空蒸着装置であり、前記熱源が、基板上に蒸着するべき材料を蒸発させる蒸発源であり、前記蒸発源が、前記材料を収容する坩堝を含む、真空装置を提供する。
【００２９】
本開示の第１５態様は、
冷却ガスを循環させることによって冷却機能を発揮する冷却器を使用して真空中の熱源を冷却する方法であって、
前記熱源を使用するとき、前記冷却器の内部の真空引きを行う工程と、
前記熱源を冷却するとき、前記熱源の周囲の真空を維持したまま、真空の外部から前記冷却器に前記冷却ガスを供給し、前記冷却器を流れた前記冷却ガスを真空の外部へと導くことによって前記熱源を冷却する工程と、
を含む、方法を提供する。
【００３０】
第１５態様によれば、熱源を使用するときにはガス冷却式の冷却器の内部を真空にする。他方、熱源を冷却するときには、熱源の周囲の真空を維持しながら、真空の外部から冷却器に冷却ガスを供給する。このようにすれば、必要なときに熱源を冷却できるだけでなく、熱源の使用時には冷却器の内部を真空にして冷却ガスの膨張による圧力上昇の危険性を回避できる。
【００３１】
本開示の第１６態様は、
基板上に薄膜が形成されるように、真空中において、冷却ガスを循環させることによって冷却機能を発揮する冷却器を備えた成膜源より飛来した粒子を前記基板上に堆積させる工程と、
前記堆積工程を実施するとき、前記冷却器の内部の真空引きを行う工程と、
前記堆積工程の後、前記成膜源の周囲の真空を維持したまま、真空の外部から前記冷却器に前記冷却ガスを供給し、前記冷却器を流れた前記冷却ガスを真空の外部へと導くことによって前記成膜源を冷却する工程と、
を含む、薄膜製造方法を提供する。
【００３２】
第１６態様によれば、第１５態様において得られる効果に加えて、以下の効果が得られる。すなわち、成膜源の温度を素早く下げることができるので、真空装置のメンテナンスに必要な時間及び次の生産の準備に取り掛かるまでに必要な時間を短縮できる。結果として、薄膜の生産性が向上する。
【００３３】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態によって本発明が限定されるものではない。
【００３４】
図１Ａに示すように、本実施形態に係る真空装置１００は、真空槽１１、熱源１２、冷却器２０、ガス供給経路１、真空引き経路４、第一真空ポンプ１３、第二真空ポンプ１５、冷却ガス供給器１４、切替弁３（切替部）及びストップ弁５を備えている。熱源１２、冷却器２０、切替弁３及びストップ弁５は、真空槽１１の内部に配置されている。第二真空ポンプ１５は真空槽１１に接続されている。第二真空ポンプ１５によって真空槽１１の内部の真空引きが行われる。
【００３５】
冷却器２０は、冷却ガスを循環させることによって対象物を冷却する機能を発揮するガス冷却式の冷却器である。冷却器２０は、熱源１２を冷却する役割を担う。ガス供給経路１は、冷却器２０に接続され、真空槽１１の内部から真空槽１１の外部へと延びている。冷却ガス供給器１４は、真空槽１１の外部に配置されており、熱源１２を冷却するときに、ガス供給経路１を通じて冷却器２０に冷却ガスを供給する役割を担う。第一真空ポンプ１３は、熱源１２を使用するときに、冷却器２０の内部の真空引きを行うために使用される。切替弁３及びストップ弁５は、それぞれ、ガス供給経路１に設けられている。真空槽１１には導入端子２（導入フランジ）が設けられており、導入端子２を通じてガス供給経路１が真空槽１１の内部に導入されている。
【００３６】
熱源１２を使用するとき、切替弁３は図１Ａに示す状態となるように制御される。これにより、冷却器２０が第一真空ポンプ１３に接続される。熱源１２を冷却するとき、切替弁３は図１Ｂに示す状態となるように制御される。これにより、冷却器２０が冷却ガス供給器１４に接続される。切替弁３の状態に応じて、冷却器２０に冷却ガスを流すことができたり、冷却器２０の内部の真空引きを行うことができたりする。すなわち、必要なときに熱源１２を冷却できるだけでなく、熱源１２の使用時には冷却器２０の内部を真空にして冷却ガスの膨張による圧力上昇の危険性を回避できる。冷却器２０に冷却ガスを流すときも冷却器２０の内部の真空引きを行うときも、真空槽１１の内部の真空状態を維持することができる。
【００３７】
冷却器２０に供給するべき冷却ガスの種類、圧力、温度などは特に限定されない。冷却ガスとして、空気、不活性ガスなどを使用できる。コストの観点から、空気を好適に使用できる。配管などの腐食を防止するために、窒素、希ガスなどの不活性ガスを好適に使用できる。冷却ガスの圧力は、熱源１２の冷却に寄与できる流れを生じさせるのに十分な圧力であることが望ましい。冷却ガスの圧力は、大気圧に等しくてもよいし、大気圧より高くてもよい。例えば、２〜５気圧の圧力（ガス供給器１４の出口における圧力）を有する冷却ガスを冷却器２０に供給すれば、優れた冷却効果を得ることができる。冷却ガスの経路の構造が簡便で漏れが発生しにくいので、比較的高い圧力の冷却ガスを冷却器２０に供給できる。また、比較的高い圧力の冷却ガスを使用すれば、冷却ガスを滞りなく冷却器２０に供給できるとともに、冷却器２０を流れた冷却ガスを滞りなく真空槽１１の外部へと導くことができる。冷却ガスの温度は、典型的には室温である。冷却するべき熱源１２の温度が高いとき、冷却ガスが室温に近い温度を有しているだけで十分な冷却効果が得られる。より優れた高い冷却効果を得るために、冷却ガスは、室温よりも低い温度を有していてもよい。
【００３８】
真空装置１００の具体例は真空蒸着装置である。熱源１２の具体例は、基板上に蒸着するべき材料を蒸発させる蒸発源である。図７に示すように、熱源１２の具体例としての蒸発源２５は、坩堝２６及びヒータユニット２８を有する。坩堝２６は、金属、セラミック、カーボンなどの耐熱材料で作られている。金属としては、鉄、鋼、ステンレスなどが挙げられる。ヒータユニット２８は、典型的には、抵抗加熱器によって構成されている。ヒータユニット２８は、面状ヒータで構成されていてもよい。坩堝２６は凹部２６ｈを有し、凹部２６ｈに材料が収容される。坩堝２６の底部にヒータユニット２８が接合されている。端子２７を通じてヒータユニット２８に電力を供給すると、ヒータユニット２８の温度が上がり、坩堝２６が全体的に加熱される。これにより、凹部２６ｈに収容された材料を真空中で蒸発させることができる。
【００３９】
坩堝２６の内部には、冷却器２０として機能するガス流路（破線部）が形成されている。ガス流路は閉じられた空間を形成しているので、冷却ガスは、坩堝２６の内部を漏れなく通過することができる。坩堝２６にはガス流路の入口と出口が形成されており、入口及び出口のそれぞれにガス供給経路１が接続されている。なお、冷却器２０として機能するガス流路が蒸発源２５の内部に形成されていることは必須ではない。冷却器２０は、例えば、蒸発源２５の外周面を覆う冷却ジャケットで構成されていてもよい。また、蒸発源２５に巻き付けられたガス配管を冷却器２０として使用することもできる。
【００４０】
なお、坩堝２６に収容された材料を電子線又はレーザーで加熱することもできる。この場合、ヒータユニット２８を蒸発源２５から省略できる。つまり、熱源１２は、熱を発生する手段を備えていてもよいし、外部からエネルギーを供給することによって熱を帯びるものであってもよい。
【００４１】
図１Ａに示すように、ガス供給経路１は、部分１ａ〜１ｄを含む。部分１ａ〜１ｄは、それぞれ、ガス配管で構成されうる。部分１ａ及び１ｂは、冷却ガス供給器１４から冷却器２０へと冷却ガスを導く往路部分を形成している。部分１ｃ及び１ｄは、冷却器２０から真空槽１１の外部へと冷却ガスを導く復路部分を形成している。部分１ａは、冷却ガス供給器１４に接続された一端と、切替弁３に接続された他端とを有する。部分１ｂは、切替弁３に接続された一端と、冷却器２０に接続された他端とを有する。部分１ｃは、冷却器２０に接続された一端と、ストップ弁５に接続された他端とを有する。部分１ｄは、ストップ弁５に接続された一端と、真空槽１１の外部に位置している他端とを有する。部分１ｄの他端は、大気に解放していてもよいし、ガス回収装置（図示省略）に接続されていてもよい。また、部分１ｄの他端が冷却ガス供給器１４に接続され、これにより、循環冷却系が形成されていてもよい。循環冷却系によれば、加熱された冷却ガスが作業環境に放出されないので、作業の安全性を高めることができる。
【００４２】
本実施形態では、ガス供給経路１の往路部分に切替弁３が設けられ、ガス供給経路１の復路部分にストップ弁５が設けられている。しかし、切替弁３及びストップ弁５の位置は特に限定されない。例えば、切替弁３が復路部分に設けられ、ストップ弁５が往路部分に設けられていてもよい。
【００４３】
切替弁３は、ハウジング３ａ及び切替回路３ｂを有する。切替回路３ｂは、ガス供給経路１の部分１ａ及び真空引き経路４から選ばれる１つをガス供給経路１の部分１ｂに接続するように構成されている。部分１ｂが部分１ａに接続されているとき、冷却ガス供給器１４が冷却器２０に連通し、ガス供給経路１を通じて冷却ガス供給器１４から冷却器２０に冷却ガスを供給できる。部分１ｂが真空引き経路４に接続されているとき、第一真空ポンプ１３を使用して冷却器２０の内部の真空引きを行うことができる。
【００４４】
真空引き経路４は、真空槽１１の内部の雰囲気から隔離された経路であって、熱源１２を使用するときに冷却器２０を第一真空ポンプ１３に接続するための経路である。真空引き経路４は、切替弁３に接続された一端と、第一真空ポンプ１３に接続された他端とを有する。真空引き経路４は、例えば、ガス配管で構成されている。切替弁３は、冷却ガス供給器１４及び第一真空ポンプ１３から選ばれる１つを冷却器２０に接続する。このような構成によれば、冷却器２０の内部の冷却ガスが真空槽１１に放出されないので、真空槽１１の内部の真空度の悪化を防止できる。また、第二真空ポンプ１５の負荷を軽減できる。
【００４５】
真空装置１００において、熱源１２は、以下の手順で使用され、冷却される。まず、図１Ａに示すように、熱源１２を使用するとき、冷却器２０の内部の真空引きを行う。具体的には、ガス供給経路１の復路部分が閉じられるようにストップ弁５を操作する。ガス供給経路１の往路部分（部分１ｂ）に真空引き経路４が接続されるように切替弁３を操作する。第一真空ポンプ１３を動かし、冷却器２０の内部の真空引きを行う。これにより、真空引き経路４、冷却器２０及びガス供給経路１の一部（部分１ｂ及び１ｃ）が真空状態となる。そのため、冷却器２０によって熱エネルギーが奪われて熱源１２の加熱性能が低下することを阻止できる。冷却器２０及びガス供給経路１の内圧の上昇による危険性も回避できる。
【００４６】
図１Ｂに示すように、熱源１２を冷却するとき、冷却器２０に冷却ガスを供給する。具体的には、ガス供給経路１が開通するように切替弁３及びストップ弁５を操作する。切替弁３を操作することによって、真空引き経路４は、ガス供給経路１から切り離される。ガス供給経路１を通じて、冷却ガス供給器１４から冷却器２０に冷却ガスを供給する。冷却ガスが冷却器２０を流れることによって、冷却ガスと熱源１２との間で熱交換が行われ、熱源１２を冷却することができる。この間、真空槽１１の内部は、第二真空ポンプ１５によって真空状態に維持されている。
【００４７】
なお、真空槽１１の内部において切替弁３がガス供給経路１に設けられていることは必須ではない。切替部３が真空槽１１の外部に設けられていたとしても、上記した方法と同じ手順で熱源１２を冷却できる。ただし、切替弁３が真空槽１１の内部に配置されていると、次のような効果が得られる。
【００４８】
熱源１２の冷却時において、冷却ガスの流れを乱さないために、ガス供給経路１の太さ（配管の太さ）が概ね一定であることが望ましい。配管が細すぎると冷却ガスの十分な流量を得ることが難しい。逆に、配管が太すぎると十分な流速を得ることが難しい。ガス供給経路１を構成する配管の適切な内径は、例えば１／４〜１インチの範囲にある。他方、熱源１２の使用時において、速やかな真空引きを達成するために、ガス供給経路１は太い（コンダクタンスが大きい）ことが望ましい。しかし、ストップ弁５から第１真空ポンプ１３に至る経路の配管は、熱源１２の冷却時の制約があるので、闇雲に太くすることができない。切替弁３が真空槽１１の内部に配置されているとき、冷却器２０から第１真空ポンプ１３に至る経路の配管の長さが一定であるとすれば、ガス供給経路１の部分１ｂを短くし、真空引き経路４を長くすることができる。つまり、比較的細い配管であるガス供給経路１の部分１ｂを短くし、比較的太い配管である真空引き経路４を長くする。このような構成によれば、ガス供給経路１における流量と流速とのバランスをとりつつ、冷却器２０の内部の真空引きを行うために費やされる時間を短縮することができる。
【００４９】
真空装置１００が真空蒸着装置であるとき、以下の工程を実施することによって、薄膜を製造することができる。まず、基板上に薄膜が形成されるように、真空中において、冷却器２０を備えた蒸発源２５（成膜源）より飛来した粒子を基板上に堆積させる。基板の種類は特に限定されない。基板として、樹脂フィルム、金属箔などを使用できる。基板は、薄膜付きの基板であってもよい。基板として、例えば、リチウムイオン二次電池、リチウムイオンキャパシタなどの蓄電デバイスの集電体が挙げられる。集電体及び活物質層を有する電極板を基板として使用することもある。
【００５０】
基板上に粒子を堆積させるとき、すなわち、堆積工程を実施するとき、冷却器２０の内部の真空引きを行う。堆積工程の後、蒸発源２５の周囲（真空槽１１の内部）の真空を維持したまま、真空槽１１の外部から冷却器２０に冷却ガスを供給し、冷却器２０を流れた冷却ガスを真空槽１１の外部へと導くことによって蒸発源２５を冷却する。これにより、蒸発源２５の温度を素早く下げることができるので、真空装置１００のメンテナンスに必要な時間及び次の生産の準備に取り掛かるまでに必要な時間を短縮できる。結果として、薄膜の生産性が向上する。
【００５１】
熱源１２の使用時及び冷却時における真空槽１１の内部の真空度は特に限定されない。真空槽１１の内部の真空度は、薄膜の製造に適した真空度、例えば１０-1〜１０-4Ｐａに保たれる。
【００５２】
以下、変形例に係る真空装置を説明する。以下の変形例において、図１Ａ及び図１Ｂを参照して説明した真空装置１００の構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
【００５３】
（変形例１）
図２に示すように、変形例１に係る真空装置１０２では、真空槽１１の内部の真空引きを行う真空ポンプ１５が、冷却器２０の内部の真空引きを行う真空ポンプに兼用されている。本変形例によれば、真空ポンプの数を減らすことによるコストの削減効果を期待できる。また、真空装置１０２の構造は、先に説明した真空装置１００の構造よりも単純なので、メンテナンスも容易になる。
【００５４】
図２に示すように、真空ポンプ１５によって真空槽１１の内部の真空引きが行われるように、真空ポンプ１５が真空槽１１に接続されている。切替弁３は、真空槽１１の内部に配置されており、冷却器２０と真空槽１１の内部とを連通できるように構成されている。具体的には、切替弁３の１つの接続口が真空槽１１の内部に露出している。切替弁３の他の２つの接続口は、それぞれ、ガス供給経路１に接続されている。熱源１２を使用するとき、切替弁３及びストップ弁５は、図２に示す状態となるように制御される。これにより、真空槽１１の内部を通じて、冷却器２０の内部の真空引きが行われる。熱源１２を冷却するとき、切替弁３及びストップ弁５は、破線で示す状態となるように制御される。これにより、ガス供給経路１が開通し、真空槽１１の内部の真空を維持したまま、ガス供給器１４から冷却器２０に冷却ガスを供給することが可能になる。
【００５５】
（変形例２）
図３に示すように、変形例２に係る真空装置１０４は、ストップ弁５に代えて、第二切替弁７が使用されている点において、図２に示す真空装置１０２と異なる。
【００５６】
切替弁３（第一切替弁）と同様に、第二切替弁７は、真空槽１１の内部に配置されており、冷却器２０と真空槽１１の内部とを連通できるように構成されている。具体的には、第二切替弁７の１つの接続口が真空槽１１の内部に露出している。第二切替弁７の他の２つの接続口は、それぞれ、ガス供給経路１に接続されている。熱源１２を使用するとき、切替弁３及び７は図３に示す状態となるように制御される。これにより、真空槽１１の内部を通じて、冷却器２０の内部の真空引きが行われる。熱源１２を冷却するとき、切替弁３及び７は破線で示す状態となるように制御される。これにより、ガス供給経路１が開通し、真空槽１１の内部の真空を維持したまま、ガス供給器１４から冷却器２０に冷却ガスを供給することが可能になる。
【００５７】
本変形例によれば、ガス供給経路１の往路部分及び復路部分の両方から冷却器２０の内部の真空引きを行うことができる。そのため、迅速かつ確実な真空引きを行うことができ、熱源１２の使用時における冷却器２０及びガス供給経路１の内圧の上昇による危険性を確実に回避できる。なお、図１に示す真空装置１００において、ストップ弁５を第二切替弁７に置き換えることも可能である。
【００５８】
（変形例３）
図４に示すように、変形例３に係る真空装置１０６は、冗長経路１９をさらに備えている点において、変形例１に係る真空装置１０２（図２）と異なる。ガス供給経路１は、真空槽１１の内部に形成された冗長経路１９を含む。冗長経路１９を設けることにより、熱源１２から切替弁３及びストップ弁５に熱が伝わりにくくなる。従って、切替弁３及びストップ弁５が熱によって損傷を受けることを防止できる。
【００５９】
冗長経路１９は、ガス供給経路１のどの部分に形成されていてもよい。ただし、切替弁３を熱から保護するために、冗長経路１９は、冷却器２０と切替弁３との間において、ガス供給経路１に形成されていることが好ましい。同様に、ストップ弁５を熱から保護するために、冗長経路１９は、冷却器２０とストップ弁５との間において、ガス供給経路１に形成されていることが好ましい。本変形例では、ガス供給経路１の部分１ｂ及び１ｃのそれぞれに冗長経路１９が形成されている。
【００６０】
また、冗長経路１９は、切替弁３と導入端子２との間において、ガス供給経路１に形成されていてもよい。つまり、ガス供給経路１の部分１ａに冗長経路１９が形成されていてもよい。この場合、導入端子２が熱によって損傷を受けることを防止できる。同じ理由により、冗長経路１９は、ストップ弁５と導入端子２との間において、ガス供給経路１に形成されていてもよい。つまり、ガス供給経路１の部分１ｄに冗長経路１９が形成されていてもよい。
【００６１】
冗長経路１９は、冷却器２０が切替弁３に最短距離で接続されることを妨げている。同様に、冗長経路１９は、冷却器２０がストップ弁５に最短距離で接続されることを妨げている。この機能を発揮できる限りにおいて、冗長経路１９の構造は特に限定されない。例えば、ガス供給経路１を形成するガス配管を折り返すこと、ジグザグ状に曲げること、又は螺旋状に曲げることによって、冗長経路１９を設けることができる。
【００６２】
なお、切替弁３を熱から保護するために、切替弁３を別の冷却器で冷却することも有効である。同様に、ストップ弁５を熱から保護するために、ストップ弁５を別の冷却器で冷却することも有効である。そのような冷却器としては、液冷式の冷却器が挙げられる。液冷式の冷却器としては、冷却プレートと、その冷却プレートに溶接された液冷配管とを備えたものが挙げられる。液冷配管に水などの冷却液を流すことによって、冷却機能が発揮される。切替弁３又はストップ弁５を冷却プレートにネジ止めすることによって、切替弁３又はストップ弁５を冷却できる。切替弁３と冷却プレートとの間に熱伝導シートが挟まれていてもよい。同様に、ストップ弁５と冷却プレートとの間に熱伝導シートが挟まれていてもよい。さらに、液冷配管に代えて、ペルチェ素子を用いて冷却することも可能である。
【００６３】
（変形例４）
図５に示すように、変形例４に係る真空装置１０８は、ガス供給経路１を冷却する液冷式の補助冷却器１６をさらに備えている。先に説明したように、ガス供給経路１は、冷却ガスを冷却ガス供給器１４から冷却器２０へと導く往路部分と、冷却ガスを冷却器２０から真空槽１１の外部へと導く復路部分とを含む。往路部分は、部分１ａ及び１ｂによって形成されている。復路部分は、部分１ｃ及び１ｄによって形成されている。本変形例において、補助冷却器１６は、真空槽１１の内部に配置され、復路部分（部分１ｄ）を冷却するように構成されている。ガス供給経路１の復路部分（部分１ｃ及び１ｄ）には、冷却器２０を流れた後の比較的高温の冷却ガスが流れる。補助冷却器１６で冷却ガスの温度を下げることにより、高温の冷却ガスを作業環境にそのまま放出せずに済み、作業の安全性を確保するうえで好ましい。なお、補助冷却器１６が真空槽１１の外部に設けられていたとしても同じ効果が得られる。
【００６４】
補助冷却器１６は、例えば、液冷式の冷却器である。補助冷却器１６は、ハウジング１７、導入端子９（導入フランジ）及び冷却液供給管１０で構成されている。ガス供給経路１の復路部分（部分１ｄ）がハウジング１７を貫通している。冷却液供給管１０を通じて、真空槽１１の外部からハウジング１７の内部に冷却液が供給される。冷却液供給管１０は、導入端子９を通じて、真空槽１１の外部から真空槽１１の内部に導入されている。ハウジング１７の内部を冷却液が循環できるように、２本の冷却液供給管１０がハウジング１７に接続されている。冷却液の種類は特に限定されず、水、オイル、ブライン、液体窒素など、公知の冷却液を適宜使用できる。
【００６５】
ガス供給経路１の復路部分を形成しているガス配管は、補助冷却器１６のハウジング１７の内部に露出している。具体的には、ガス配管は、ハウジング１７の内部で屈曲又は螺旋状に捲回されている。これにより、ハウジング１７の内部でガス供給経路１の距離を稼ぐことができるとともに、ハウジング１７の内部に保持された冷却液とガス供給経路１を流れる冷却ガスとの間の熱交換効率を高めることができる。
【００６６】
（変形例５）
図６に示すように、変形例５に係る真空装置１１０は、図２に示す真空装置１０２の構成に加え、冷却器２０を流れた冷却ガスの温度を検出する温度センサ１８をさらに備えている。冷却ガス供給器１４は、温度センサ１８の検出結果に基づいて冷却器２０に供給するべき冷却ガスの流量を制御する流量制御器２４を含む。温度センサ１８及び流量制御器２４によれば、ガス供給経路１を形成しているガス配管の温度が上がりすぎることを防止しつつ、冷却ガスの使用量を抑制することができる。
【００６７】
温度センサ１８は、冷却器２０とストップ弁５との間、つまり、ガス供給経路１の復路部分（部分１ｃ）に設けられている。温度センサ１８は、ガス供給経路１の温度（詳しくは、ガス配管の温度）又はガス供給経路１の中の温度を検出する。つまり、温度センサ１８は、冷却ガスの温度を間接的に検出するものであってもよいし、直接検出するものであってもよい。温度センサ１８から出力された検出信号は流量制御器２４に入力される。流量制御器２４は、入力された検出信号から冷却ガスの温度を特定する。特定された温度が閾値温度よりも高い場合には、冷却器２０に供給すべき冷却ガスの流量を増やす。特定された温度が閾値温度よりも低い場合には、冷却器２０に供給すべき冷却ガスの流量を減らす。このように、特定された温度が高ければ高いほど冷却器２０に供給するべき冷却ガスの流量を増やす。
【００６８】
なお、このような制御は、他の真空装置１００，１０２，１０４，１０６及び１０８にも適用されうる。
【００６９】
（その他）
使用後に冷却されるべき熱源１２は蒸発源に限定されない。図８に示すように、熱源１２の別の例として、基板を加熱するためのヒータユニット３３が挙げられる。ヒータユニット３３は、ヒータブロック３４及び複数の棒状のヒータ３６を備えている。ヒータブロック３４は、例えば、図７を参照して説明した坩堝２６に使用できる耐熱材料で構成されている。ヒータブロック３４の上面３５は、基板に向かい合う面である。上面３５に基板を接近又は接触させることによって基板を加熱できる。上面３５には、基板の加熱効率を高めるための処理が施されていてもよい。そのような処理としては、輻射率を高めるための黒色被膜を上面３５に形成することが挙げられる。
【００７０】
棒状のヒータ３６は、ヒータブロック３４に設けられたスロットに差し込まれている。ヒータ３６によってヒータブロック３４が全体的に加熱される。ヒータブロック３４の内部には、冷却器２０として機能するガス流路（破線部）が形成されている。ガス流路は閉じられた空間を形成しているので、冷却ガスは、ヒータブロック３４の内部を漏れなく通過することができる。ヒータブロック３４にはガス流路の入口と出口が形成されており、入口及び出口のそれぞれにガス供給経路１が接続されている。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明を適用できる真空装置は、真空蒸着装置に限定されない。真空装置には、真空状態の持つ特性を利用した装置が広く含まれる。そのような真空装置としては、真空成膜装置、真空加工装置、真空冶金装置、真空化学装置、表面分析装置、真空試験装置などが挙げられる。真空成膜装置としては、蒸着装置、スパッタリング装置、ＣＶＤ装置などが挙げられる。真空加工装置としては、ドライエッチング装置、アッシング装置、イオン注入装置などが挙げられる。真空冶金装置としては、溶解装置、熱処理装置などが挙げられる。真空化学装置としては、反応装置、蒸留装置などが挙げられる。表面分析装置としては、Ｘ線光電子分光分析装置、電子プローブマイクロアナライザーなどが挙げられる。真空試験装置としては、疲労試験装置などが挙げられる。
【図１Ａ】
2013073096.tif 000003
【図１Ｂ】
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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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
2013073096.tif 000012
2013073096.tif 000013
2013073096.tif 000014
2013073096.tif 000015