(57)【要約】      （修正有）【課題】タクトタイムを短く、かつ全面均一な膜厚で基材上に薄膜を形成することができる薄膜形成装置および薄膜形成方法の提供。【解決手段】一方向に長い成膜手段２と、基材Ｗを保持する保持面３１を有し成膜手段２１と対向するように基材Ｗを保持する保持ステージ３と、成膜動作中、成膜手段２１の長手方向と略直交する方向に保持ステージ３を往復動させるステージ往復動手段４と、成膜動作中、保持面３１の法線方向を回転軸方向として保持ステージ３を回転させるステージ回転手段５と、を有する薄膜形成装置。【選択図】図１
2018059144.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方向に長い成膜手段と、
基材を保持する保持面を有し前記成膜手段と対向するように基材を保持する保持ステージと、
成膜動作中、前記成膜手段の長手方向と略直交する方向に前記保持ステージを往復動させるステージ往復動手段と、
成膜動作中、前記保持面の法線方向を回転軸方向として前記保持ステージを回転させるステージ回転手段と、
を有することを特徴とする、薄膜形成装置。
【請求項２】
前記ステージ往復動手段による前記保持ステージの往復動の周期と前記ステージ回転手段による前記保持ステージの回転の周期は異なることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜形成装置。
【請求項３】
前記ステージ往復動手段は、前記保持ステージの往復動のストロークの中央に近いほど速度が速くなるように制御されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の薄膜形成装置。
【請求項４】
前記ステージ回転手段の回転中心が通過する部分に近いほど遮蔽する範囲が大きくなるように前記成膜手段と前記保持ステージとの間にマスクが設けられていることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の薄膜形成装置。
【請求項５】
一方向に長い成膜手段を用いて基材に薄膜を形成する成膜工程を有し、
前記成膜工程中、前記成膜手段の長手方向と略直交する方向に基材を往復動させ、かつ基材面の法線方向を回転軸方向として基材を回転させることを特徴とする、薄膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材上に膜厚が全面均一な薄膜を形成するための薄膜形成装置および薄膜形成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年では、プラスチックフィルムの表面に例えば酸化防止、水分浸入防止等を目的としたバリア膜を形成したバリアフィルムが使用されている。
【０００３】
このようなバリアフィルムは、たとえば下記特許文献１に示す蒸着装置を用い、蒸着法によって板状の基材に形成することが可能である。具体的には、成膜手段にあたる収容部に供給されている蒸発材料を加熱により蒸発させ、基材に薄膜を形成させている。
【０００４】
また、図５に蒸着法の一種であるＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いた薄膜形成装置９０を示す。図５（ａ）は薄膜形成装置９０の正面図、図５（ｂ）は薄膜形成装置９０の下面図である。この薄膜形成装置では、成膜手段９１を用い発生させたプラズマ中で原料となる原料ガスを反応させ、基材Ｗに薄膜を形成させる。
【０００５】
ここで、特許文献１、図４に示すように、成膜手段が一方向に長い形状を有する場合がある。図４の薄膜形成装置９０を例にとると、成膜手段９１を形成する電極部９２は図５（ｂ）に示すようにＹ軸方向に長い形状を有しており、Ｙ軸方向に対して薄膜の形成を一度に行うことができる。そのような成膜手段９１に対し、保持ステージ９３に保持された基材ＷをＸ軸方向に移動させながら成膜を行うことにより、ＸＹ方向に薄膜を形成することができる。また、保持ステージ９３に保持された基材ＷをＸ軸方向に移動させる手段としてステージ往復動手段９４を用い、成膜手段９１に対向する基材Ｗを往復動させることにより、基材Ｗ上に薄膜を積層させることができ、任意の膜厚の薄膜を形成させることが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−１００５８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記の薄膜形成装置では、膜厚が全面均一な薄膜を形成させるには長時間を要するおそれがあった。具体的には、ステージ往復動手段９４による往復動のストロークが短い場合、Ｘ軸方向における基材Ｗの中央部は成膜が行われる領域内に常に位置することになり、Ｘ軸方向における基材Ｗの端部（図５に示す端部Ｗ１および端部Ｗ２）に形成される薄膜の膜厚に対し基材Ｗの中央部の膜厚は厚くなり、膜厚が全面均一でなくなる。そのため、膜厚が全面均一な薄膜を形成させるには、図６に示すように端部Ｗ１および端部Ｗ２が成膜が行われる領域の外に出るまで、すなわち成膜が行われる領域の外に基材Ｗ全体が出るまで基材Ｗの往復動のストロークを長く設定する必要があり、それにともなって成膜時間が長くなるという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、タクトタイムを短く、かつ全面均一な膜厚で基材上に薄膜を形成することができる薄膜形成装置および薄膜形成方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために本発明の薄膜形成装置は、一方向に長い成膜手段と、基材を保持する保持面を有し前記成膜手段と対向するように基材を保持する保持ステージと、成膜動作中、前記成膜手段の長手方向と略直交する方向に前記保持ステージを往復動させるステージ往復動手段と、成膜動作中、前記保持面の法線方向を回転軸方向として前記保持ステージを回転させるステージ回転手段と、を有することを特徴としている。
【００１０】
上記薄膜形成装置によれば、ステージ往復動手段に加えステージ回転手段を有することにより、基材を往復動させながらの薄膜形成において往復動のストロークが短い場合であっても成膜量を基材端部と中央部とで差を少なくすることができ、その結果短いタクトタイムで全面均一に近い膜厚で基材上に薄膜を形成することができる。
【００１１】
また、前記ステージ往復動手段による前記保持ステージの往復動の周期と前記ステージ回転手段による前記保持ステージの回転の周期は異なると良い。
【００１２】
こうすることにより、保持ステージの往復動を通じて任意の保持ステージの位置における保持ステージの姿勢をランダムにすることができ、より全面均一に近い膜厚で基材上に薄膜を形成することができる。
【００１３】
また、前記ステージ往復動手段は、前記保持ステージの往復動のストロークの中央に近いほど速度が速くなるように制御されていると良い。
【００１４】
こうすることにより、成膜量を基材端部と中央部とでさらに差を少なくすることができ、全面均一に近い膜厚で基材上に薄膜を形成することができる。
【００１５】
また、前記ステージ回転手段の回転中心が通過する部分に近いほど遮蔽する範囲が大きくなるように前記成膜手段と前記保持ステージとの間にマスクが設けられていると良い。
【００１６】
こうすることにより、成膜量を基材端部と中央部とでさらに差を少なくすることができ、全面均一に近い膜厚で基材上に薄膜を形成することができる。
【００１７】
また、上記課題を解決するために本発明の薄膜形成方法は、一方向に長い成膜手段を用いて基材に薄膜を形成する成膜工程を有し、前記成膜工程中、前記成膜手段の長手方向と略直交する方向に基材を往復動させ、かつ基材面の法線方向を回転軸方向として基材を回転させることを特徴としている。
【００１８】
上記薄膜形成方法によれば、成膜工程中基材を往復動させ、かつ基材を回転させることにより、基材を往復動させながらの薄膜形成において往復動のストロークが短い場合であっても成膜量を基材端部と中央部とで差を少なくすることができ、その結果短いタクトタイムで全面均一に近い膜厚で基材上に薄膜を形成することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の薄膜形成装置および薄膜形成方法によれば、タクトタイムを短く、かつ全面均一な膜厚で基材上に薄膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態における薄膜形成装置を表す概略図である。
【図２】本発明の薄膜形成装置における成膜速度分布および成膜動作中の基材の姿勢を示す概略図である。
【図３】本発明の薄膜形成装置における基材の往復動のストロークを表す概略図である。
【図４】本発明の他の実施形態における薄膜形成装置を表す概略図である。
【図５】従来の実施形態における薄膜形成装置を表す概略図である。
【図６】従来の薄膜形成装置における基材の往復動のストロークを表す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明に係る実施の形態を図面を用いて説明する。
【００２２】
図１は、本発明の一実施形態における薄膜形成装置１の概略図である。
【００２３】
薄膜形成装置１は、基材上に薄膜を形成するためのものであり、例えば、プラスチックフィルム上に酸化防止、水分浸入防止を目的としたバリア膜を形成し、食品用の保護フィルム、フレキシブル太陽電池等に使用される。具体的には、フレキシブル太陽電池の場合には、プラスチックフィルム等の板状の基材上に各電極層及び光電変換層等で構成される太陽電池セルが形成された後、薄膜形成装置１により太陽電池セル上に薄膜を複数層形成してバリア膜を形成する。これにより、太陽電池セルに水分の浸入が効果的に防止され、酸化特性に優れたフレキシブル太陽電池を形成することができる。
【００２４】
この薄膜形成装置１は、基材Ｗに薄膜を形成する（成膜する）手段である成膜手段２と、基材Ｗを保持する保持ステージ３と、保持ステージ３を往復動させるステージ往復動手段４と、保持ステージ３を回転させるステージ回転手段５と、成膜手段２、保持ステージ３、ステージ往復動手段４、ステージ回転手段５を囲うチャンバ６とを有し、チャンバ６によって減圧された雰囲気下においてステージ往復動手段４およびステージ回転手段５によって保持ステージ３に保持された基材Ｗが往復動および回転しながら、成膜手段２によって基材Ｗに薄膜が形成される。また、成膜手段２による成膜動作、ステージ往復動手段４、ステージ回転手段５による保持ステージ３の搬送動作などは、図示しない制御装置により制御される。
【００２５】
なお、本説明ではステージ往復動手段４によって保持ステージ３が移動する方向をＸ軸方向、水平面上でＸ軸方向と直交する方向をＹ軸方向、Ｘ軸方向およびＹ軸方向と直交する方向、すなわち、鉛直方向をＺ軸方向と呼ぶ。
【００２６】
また、本説明では基材Ｗは、厚み０．０１ｍｍ〜０．２ｍｍ  幅５ｍｍ〜１６００ｍｍの平板形状を有するシート状であり、後述のステージ回転手段５によって自由に回転させることが可能である。材質として、特に限定しないが、たとえばＰＥＴなどの樹脂フィルムが好適に用いられる。また、基材Ｗは板状の基板に素子等が搭載されたデバイスであっても良い。
【００２７】
成膜手段２は、蒸着法により基材Ｗ上に蒸着膜である薄膜を形成するためのものであり、本実施形態では蒸着法の一種であるプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により基材Ｗ上に薄膜を形成している。
【００２８】
成膜手段２は、電極部２１、放電用ガス供給手段２２、原料ガス供給手段２３を有し、電極部２１は高周波電源２４に接続されている。減圧環境下において放電用ガス供給手段２２および、原料ガス供給手段２３より、放電用ガスおよび、原料ガスを供給し目的の圧力としたのち、電極部２１へ高周波電源２４より電力を供給することでプラズマを発生させ、基材Ｗ上に目的の薄膜を形成する。なお、本説明では、薄膜形成方法において成膜手段２を用いて基材Ｗに薄膜を形成する工程を成膜工程と呼ぶ。
【００２９】
ここで、本実施形態では電極部２１は図１（ｂ）に示すようにＹ軸方向に長く、また、後述の通り原料ガスもＹ軸方向にわたって供給されているため、本実施形態の成膜手段２により基材Ｗに対してＹ軸方向にわたって幅広く薄膜を形成させることができる。すなわち、本実施形態では成膜手段２はＹ軸方向に長い（一方向に長い）形態となっている。また、成膜手段２のＹ軸方向の長さは保持ステージ３に保持された基材ＷのＹ軸方向の寸法よりも十分に大きく、基材Ｗに対してほぼ一様に薄膜を形成することができる。
【００３０】
また、電極部２１は接地されたカバー部２５に覆われている。カバー部２５は、基材Ｗと対向する方向（本実施形態では上向き方向）に開口を有するように電極部２１を覆っており、このカバー部２５内に放電用ガス供給手段２２から放電用ガスが供給される。これによって、放電用ガスの流れを制御し、電極部２１周辺で発生したプラズマを電極部２１近傍に閉じ込め、プラズマが効率的に薄膜形成に作用するようにしている。
【００３１】
放電用ガス供給手段２２は、配管を経由して電極部２１の近傍に放電用ガスを供給する手段である。放電用ガスは主に放電を維持するために供給されるガスであるが、目的とする膜種、膜質により適宜選択される。
【００３２】
原料ガス供給手段２３は、保持ステージ３に保持された基材Ｗの近傍に配管を経由して原料ガスを供給する手段である。原料ガスもまた目的とする膜種、膜質により適宜選択される。
【００３３】
本実施形態では、原料ガスにＨＭＤＳ（ヘキサメチルジシラザン）ガス、放電用ガスに酸素を用いている。このＨＭＤＳガスがプラズマにより励起された酸素と反応することにより、基材Ｗの表面にＳｉ化合物膜を形成する。また、基材Ｗの近傍に供給されることにより、原料ガスが薄膜形成に使用される前に拡散しにくくし、より効率的に原料ガスが薄膜形成に使用されるようにしている。
【００３４】
また、原料ガス供給手段２３の先端部は図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように電極部２１の長手方向（Ｙ軸方向）と同じ方向に長いノズル２６を有しており、ノズル２６にＹ軸方向に沿って複数設けられた細孔から基材Ｗに向かって原料ガスが噴出されている。これにより、上述の通りＹ軸方向にわたって幅広く薄膜を形成することができる。
【００３５】
保持ステージ３は、少なくとも成膜動作中に基材Ｗを保持する装置であり、成膜手段２の長手方向（Ｙ軸方向）およびステージ往復動手段４による保持ステージ３の移動方向（Ｘ軸方向）から形成される平面（ＸＹ平面）からなる保持面３１を有し、この保持面３１に沿って基材Ｗを保持する。本実施形態では、図示しない押さえつけ治具で基材Ｗの外周部を押さえつけ、基材Ｗの外周部において当該押さえつけ治具と保持面３１との間に基材２を挟み込むことにより、保持している。
【００３６】
また、保持面３１は成膜手段２と対向するように設けられており、保持ステージ３に保持された基材Ｗの表面は成膜手段２と対向し、成膜が行われる。
【００３７】
ステージ往復動手段４は、たとえばリニアステージなどの直動ステージであり、保持ステージ３をＸ軸方向に搬送する。また、少なくとも成膜動作中は、成膜手段２の近傍において保持ステージ３を往復動させるよう、図示しない制御装置によって制御される。これによって、少なくとも成膜動作中は基材Ｗが成膜手段２の近傍を往復動する。
【００３８】
ステージ回転手段５は、ステージ往復動手段４に対して保持ステージ３を回転させる装置であり、たとえばステージ往復動手段４と保持ステージ３の間に設けられてステージ往復動手段４と保持ステージ３とを連結する回転ステージである。
【００３９】
また、ステージ回転手段５は、保持ステージ３の保持面３１の法線方向（Ｚ軸方向）を回転軸方向として保持ステージ３を回転させ、少なくとも成膜動作中は保持ステージ３を回転させるようにしている。これにより、少なくとも成膜動作中は基材Ｗは回転動作する。
【００４０】
すなわち、本発明の薄膜形成方法においては、成膜工程中、基材Ｗを往復動させ、かつ回転も行っている。
【００４１】
また、本実施形態ではステージ回転手段５による回転速度は均一とし、基材Ｗの回転中心の位置と基材Ｗの表面の重心の位置がほぼ一致するように保持ステージ３が基材Ｗを保持している。
【００４２】
チャンバ６は、成膜手段２、保持ステージ３、ステージ往復動手段４、およびステージ回転手段５を収容しチャンバ内の圧力を一定に保持するためのものである。チャンバ６には、真空ポンプ６１が接続されており、この真空ポンプ６１を作動させることにより、チャンバ６内の圧力を制御できるようになっている。このように真空ポンプ６１を作動させてチャンバ６内を減圧環境とし、さらに放電ガス、原料ガスを流した際に目的の圧力を得る。
【００４３】
図２（ａ）は、以上で説明した本実施形態の薄膜形成装置１における成膜速度分布である。
【００４４】
上記の通り、本実施形態では成膜手段２のＹ軸方向の長さは保持ステージ３に保持された基材ＷのＹ軸方向の寸法よりも十分に大きいため、Ｙ軸方向においてほぼ一様に薄膜が形成されるが、ステージ往復動手段４による基材Ｗの搬送方向（Ｘ軸方向）においては成膜速度に分布があり、成膜が行われる領域内であっても電極部２１に近いほど成膜速度が大きくなっている。すなわち、電極部２１に近いほど短時間で厚い膜が形成される。
【００４５】
ここで、図５に示したようなステージ回転手段を持たない従来の薄膜形成装置９０では、図６に示すように往復動の両端において成膜が行われる領域（図６に示す範囲ＡＡ’）から基材Ｗ全体が完全に外れるように往復動のストロークを長くとり、また、成膜が行われる領域内を基材Ｗを搬送する速度を一定にしていた。これにより、成膜が行われる領域内基材ＷのＸ軸方向各部位が均等に通過するようにし、成膜が行われる領域内における成膜速度と滞在時間の積分で求められる薄膜の膜厚がＸ軸方向各部位にわたって均一になるようにしていた。
【００４６】
このような薄膜形成装置９０では、仮に往復動のストロークを短くした場合に基材Ｗの中央部は常に成膜が行われる領域に滞在するのに対して端部Ｗ１や端部Ｗ２は成膜が行われる領域から外れる時間が存在する。また、ストロークをさらに短くした場合、成膜が行われる領域内に基材Ｗの全体が常に滞在する反面、基材Ｗの中央部は常に電極部付近の成膜速度が高い位置に滞在し、端部Ｗ１や端部Ｗ２は常に基材Ｗの中央部と比較して成膜速度が低い位置に滞在することとなる。その結果、どちらの場合であっても基材Ｗに形成された薄膜の膜厚はＸ軸方向の中央部が厚く、端にいくほど薄くなってしまう。
【００４７】
一方、本発明では、上記の通り基材Ｗの往復動に加えて回転も行っている。こうすることにより図２（ｂ）に示すようにＸ軸方向における基材Ｗの中央部が電極部２１直上から右側に抜けた後の状態であっても、端部Ｗ１はそのまま成膜が行われる領域から外れるだけでなく、図２（ｃ）に示すように基材Ｗの中央部よりも端部Ｗ１の方が成膜速度が高い位置にある姿勢をとる時間も存在する。
【００４８】
その結果、基材Ｗの中央部と端部との膜厚差を縮めることができ、図３に示すようにストロークの端部で基材Ｗの端部Ｗ１が成膜が行われる領域（図３に示す範囲ＡＡ’）から外れず、また、もう一方のストロークの端部でも基材Ｗの端部Ｗ２が成膜が行われる領域から外れないような短い往復動のストロークで保持ステージ３を往復動させた場合であっても、基材Ｗの全面において均一な膜厚となる薄膜形成を行うように条件を設定することが可能となる。
【００４９】
そして、このように往復動のストロークが短くなるように成膜することにより、所定の膜厚となるような成膜を短いタクトタイムで完了させることができる。
【００５０】
ここで、本実施形態では、ステージ往復動手段４による保持ステージ３の往復動の周期とステージ回転手段５による保持ステージ３の回転の周期とが異なるように、図示しない制御装置によってステージ往復動手段４およびステージ回転手段５の動作を制御している。さらに好ましくは、少なくとも片方の周期がもう片方の周期の倍数にならないように制御している。たとえば、保持ステージ３の往復動の周期を７秒、保持ステージ３の回転の周期を１．２秒として、成膜動作を行っている。
【００５１】
こうすることにより、保持ステージ３の往復動を通じて任意の保持ステージ３の位置における保持ステージ３の姿勢をランダムにすることができ、より全面均一に近い膜厚で基材上Ｗに薄膜を形成することができる。
【００５２】
なお、このように成膜工程中基材Ｗを往復動させ、かつ回転も行っていても、基材Ｗの回転中心部の膜厚が大きくなる傾向がある場合がある。その場合、（往復動の端部における加減速は考慮から外し）、往復動の速度を一定にするのではなく往復動のストロークの中央に近いほど速度が速くなるようにステージ往復動手段４を制御すると良い。
【００５３】
こうすることにより、成膜速度が低い位置に基材Ｗの中心が滞在する時間が長くなり、これにより成膜量を基材Ｗの端部Ｗ１、Ｗ２と中央部とでさらに差を少なくすることができ、全面均一に近い膜厚で基材Ｗ上に薄膜を形成することができる。
【００５４】
また、図４（ａ）の正面図、図４（ｂ）の下面図でハッチングで示すようにステージ回転手段５の回転中心が通過する部分に近いほど遮蔽する範囲が大きくなるような形状を有するマスク２７を成膜手段２と保持ステージ３との間に設けても良い。こうすることにより、成膜量を基材Ｗの端部Ｗ１、Ｗ２と中央部とでさらに差を少なくすることができ、全面均一に近い膜厚で基材Ｗ上に薄膜を形成することができる。
【００５５】
以上の薄膜形成装置および薄膜形成方法により、タクトタイムを短く、かつ全面均一な膜厚で基材上に薄膜を形成することができる。
【００５６】
ここで、本発明の薄膜形成装置および薄膜形成方法は、図示する形態に限らず本発明の範囲内において他の形態のものであってもよい。たとえば上記の説明ではプラズマＣＶＤ法により蒸着膜を形成させているが、それに限らずたとえばＰＶＤ法などのＥＢ蒸着、スパッタリングや、基材の加熱をともなう他の蒸着法を用いて蒸着膜を形成させる場合にも好適に用いられる。
【００５７】
また、上記の説明では基材Ｗの表面を下向きにし、プラズマを上方向に放出して成膜を行っているが、それに限らず、基材Ｗの表面を上向きにして成膜を行っても良く、また、横向きにして成膜を行っても良い。
【００５８】
また、成膜手段２の長手方向とステージ往復動手段による保持ステージ３の搬送方向は完全に直交する必要は無く、略直交であっても良い。
【００５９】
また、上記の説明では、保持ステージ３の往復動を通じて任意の保持ステージ３の位置における保持ステージ３の姿勢をランダムにする手段として、ステージ往復動手段４による保持ステージ３の往復動の周期とステージ回転手段５による保持ステージ３の回転の周期とが異なるようにしていたが、それに限らず、たとえばステージ回転手段５の回転速度を不均一にしても良い。
【符号の説明】
【００６０】
１  薄膜形成装置
２  成膜手段
３  保持ステージ
４  ステージ往復動手段
５  ステージ回転手段
６  チャンバ
２１  電極部
２２  放電用ガス供給手段
２３  原料ガス供給手段
２４  高周波電源
２５  カバー部
２６  原料ガス放出部
３１  保持面
６１  真空ポンプ
９０  薄膜形成装置
９１  成膜手段
９２  電極部
９３  保持ステージ
９４  ステージ往復動手段
Ｗ  基材
Ｗ１  端部
Ｗ２  端部
【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５】
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【図６】
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