(57)【要約】【課題】  プラスチック等の基板にＰＶＤ法を用いて成膜する場合において、基板の反りを防止できるようにする。【解決手段】  成膜の途中に成膜休止期間等を設けて基板を冷却し、基板の温度上昇を一定温度以下に抑える。例えば、目標の半分の膜厚まで成膜を行なった後、一旦成膜を中断し、基板温度が室温に下がるまで真空中に放置してから残りの半分の成膜する（2 step depo）。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に物理気相蒸着法を用いて該基板と熱膨張係数の異なる薄膜を形成する方法であって、前記薄膜の形成工程が前記基板を冷却しつつ前記薄膜を成膜する工程を含むことを特徴とする、薄膜形成方法。
【請求項２】
前記基板が可撓性を有するプラスチック基板であることを特徴とする、請求項１記載の薄膜形成方法。
【請求項３】
前記成膜がイオンプレーティング法又はスパッタリング法を用いて行なわれることを特徴とする、請求項１又は２記載の薄膜形成方法。
【請求項４】
前記冷却により前記基板の温度を５０℃以下に保持することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかの項に記載の薄膜形成方法。
【請求項５】
前記冷却が、前記成膜を一定期間休止することにより行なわれることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかの項に記載の薄膜形成方法。
【請求項６】
前記成膜の休止期間が３０分以上であることを特徴とする、請求項５記載の薄膜形成方法。
【請求項７】
前記薄膜の形成工程が、前記成膜前に前記基板を脱ガス処理する工程を含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれかの項に記載の薄膜形成方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかの方法により形成された薄膜を備えたことを特徴とする、電気光学装置。
【請求項９】
請求項８記載の電気光学装置を備えたことを特徴とする、電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜形成方法、電気光学装置、電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶装置等の基板には通常、ガラス基板や石英基板が使用されているが、近年、軽量化を目的として、この基板にプラスチック基板を用いることが検討されている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平８−２１１３９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１に記載されるように、ロール・トゥ・ロール手法によって成膜できるプラスチック基板は、その軽量性や破壊靭性の高さに加え、生産性の面からも期待されるところは大きい。しかし、有機基材上に無機物・金属膜を加熱成膜すると、その熱膨張係数の差から、成膜終了後、降温時に基板変形が生じてしまう。この対策として、例えば特開２００１−２７９０１１号公報では、基板変形を抑えるための補強板を用いる方法が提案されているが、これはプロセス中において基板変形を生じさせないようにするための工夫であって、補強板から外した時点で基板に反り等の変形が生じてしまう。
そこで、特開２００３−１０１１９３号公報では、予め成膜後の基板変形量を見積もっておいて、事前に基板を逆方向に変形させておく方法が提案されている。しかしながら、この方法では各種のプロセス条件や膜構成が変化したときに新たに変形量の見積もりが必要であるし、計算結果及びその事前変形の加工精度等に問題がある。
また、室温成膜することで熱膨張係数に起因する熱応力をなくす方法はよく知られているが、スパッタ法等のいわゆるＰＶＤ法（物理気相蒸着法）では、やはり基板変形が生じる場合が多い。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、プラスチック等の基板にＰＶＤ法を用いて成膜する場合において、基板の反りを防止できるようにした薄膜形成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】
【０００４】
ＰＶＤ法を用いて室温成膜した場合の基板の反りの原因について本発明者が検討を行なったところ、従来、この反りの原因としては、蒸着粒子の衝突によって基板表面がダメージを受けるためと考えられていたが、実際に実験をしてみると、この反りの最も大きな原因は、蒸着粒子の衝突による基板温度の上昇にあることがわかった。つまり、非加熱で室温成膜しているつもりであっても、基板には製造者が意図しない温度上昇が生じており、係る基板温度の上昇によって、薄膜と基板との間に熱応力が生じることがわかった。そこで本発明者は、成膜中の基板の温度を制御し、蒸着粒子の衝突による意図しない温度上昇を抑えることによって基板の反りを防止できると考え、本発明を完成するに到った。
すなわち上記課題を解決するために、本発明の薄膜形成方法は、基板上に物理気相蒸着法を用いて該基板と熱膨張係数の異なる薄膜を形成する方法であって、前記薄膜の形成工程が、前記基板を冷却しつつ前記薄膜を成膜する工程を含むことを特徴とする。本方法によれば、基板を冷却しながら成膜を行なうため、蒸着粒子の衝突による基板温度の上昇を確実に防ぐことができる。
【０００５】
本発明の薄膜形成方法では、前記基板が可撓性を有するプラスチック基板からなるものとすることができる。また本発明の薄膜形成方法では、前記成膜がイオンプレーティング法又はスパッタリング法を用いて行なわれるものとすることができる。本発明は、このように変形しやすい基板を用いた場合や、基板到達時の蒸着粒子の運動エネルギーが高い成膜方法を用いた場合に特に効果的である。
【０００６】
また本発明の薄膜形成方法では、前記冷却により前記基板の温度を５０℃以下に保持することが好ましい。こうすることで、例えば０．５ｍｍ厚のプラスチック基板にＩＴＯを成膜する場合に、成膜時の基板の反りを略完全になくすことができる。この点については、［発明を実施するための最良の形態］の項で後述する。
【０００７】
また本発明の薄膜形成方法では、前記冷却が、前記成膜を一定期間休止することにより行なわれるものとすることができる。こうすることで、特別の装置を追加せずに成膜レシピを変更するだけで基板変形を防止することができる。
この場合、前記成膜の休止期間が３０分以上であることが望ましい。この程度の休止期間を設ければ、例えば真空雰囲気下であっても、５０℃程度まで上がった基板の温度を室温程度（例えば２５℃）にまで下げることができる。この点については、［発明を実施するための最良の形態］の項で後述する。
【０００８】
また本発明の薄膜形成方法では、前記薄膜の形成工程が、前記成膜前に前記基板を脱ガス処理する工程を含むものとすることができる。こうすることで、内部応力の小さい薄膜が得られるようになり、この結果、基板の反りは更に低減されることになる。また、脱ガス処理により、基板表面の清浄度を高めつつ成膜中の不要な脱離ガスを低減させることで、緻密で平滑な膜を得ることができる。
【０００９】
本発明の電気光学装置は、前述の方法により形成された薄膜を備えたことを特徴とする。また本発明の電子機器は、係る電気光学装置を備えたことを特徴とする。これらのデバイスでは、上記の薄膜形成方法によって高品質な膜パターンを形成可能であることから、デバイス品質の向上が図られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の薄膜形成方法は、プラスチック等の基板に物理気相蒸着法を用いて該基板と熱膨張係数の異なる薄膜を形成する場合において、成膜中に基板の冷却期間を設け、基板の温度上昇を一定温度以下に抑えることを特徴とする。
イオンプレーティング法（ＩＰ法）やスパッタリング法において、室温成膜とは基板の加熱を非制御状態にすることをさすが、このように積極的に基板加熱を行なわない場合であっても、実際にはターゲットからの輻射熱や基板到達粒子のエネルギーによって基板には意図しない温度上昇が存在している。例えばＩＰ法では、基板加熱を行なわない場合であっても、前述の到達粒子の運動エネルギーによって基板温度は１００℃以上に上昇することがある。このような温度上昇が生じると、基板は成膜面を凸として大きく反った状態となり、通常のサイズの基板では、自重によってその反りを解消することができなくなる。本発明では、このような基板の温度上昇を、基板を冷却することによって抑えている。
【００１１】
基板の冷却方法としては、（１）基板を冷却装置によって積極的に冷却する、（２）成膜の途中に成膜休止期間を設け、この間に基板を放冷する等の方法が考えられる。（１）の方法はタクトタイムの面で有利であり、（２）の方法は、特別の装置を追加せずに成膜レシピを変更するだけで基板変形を防止できるという利点がある。
以下、本発明の効果を実施例に基づいて説明する。
【００１２】
［実施例１］
本実施例では、２段階成膜を行なったサンプル、成膜前に脱ガス処理を行なったサンプル、従来の方法で成膜したサンプルの３種類を作製した。
ここで２段階成膜法（2 step depo）とは、途中に成膜休止期間を挟みながら成膜を行なう方法をさす。この２段階成膜法では、成膜休止期間中に基板を放冷することによって、基板の温度が蒸着粒子の衝突等によって過度に上昇するのを防止している。本例では、目標の半分の膜厚まで成膜を行なった後、一旦成膜を中断し、基板温度が室温に下がるまで真空中に放置してから残りの半分の成膜を行なった。また本例では、脱ガス処理として、例えば基板を１２０℃以上の温度で６０分以上加熱した。使用した基板はＵＶ硬化型メタクリレート系のプラスチック基板（１００ｍｍ□×０．４ｍｍ厚）であり、成膜はイオンプレーティング装置を用いて基板加熱なし（非制御状態）で行なった。ＩＴＯの膜厚は７０ｎｍである。
【００１３】
本実施例では、これらのサンプルについて、基板の反り（変形量）をレーザ変位計又はノギスによる目視で調べ、片持ち梁法を用いて薄膜の内部応力を計算した。また本実施例では、これらのサンプルについて、Ｘ線回折装置によって結晶構造を評価した。図１はＩＴＯ薄膜の内部応力を示す図、図２〜図５はそれぞれ薄膜の格子定数、結晶子径、ピーク強度、（２２２）配向度の測定結果を示している。
【００１４】
図１〜図５から以下のことがわかる。
（１）２段階成膜したサンプル及び脱ガス処理したサンプルでは、従来法で成膜したものに比べて膜の内部応力が小さくなる。
（２）格子定数については、２段階成膜したサンプルの格子定数が最も小さい。
（３）結晶子径については、脱ガス処理したサンプルの結晶子径が最も小さい。
（４）ピーク強度と（２２２）配向度については、いずれも脱ガス処理したサンプルの値が最も大きい。
【００１５】
これらの結果から、以下のようなことが考察される。
（１）２段階成膜することによってイオンプレーティング法に特有な意図しない基板の温度上昇（一般のスパッタ法でもよく観察される）が抑制され、それに伴う熱応力の影響が小さくなる。
（２）脱ガス処理を施すことによって、基板表面の清浄度が向上し、更に成膜中の不要な脱離ガスが低減するために、結晶子径が小さく、且つ（２２２）配向度及びピーク強度が大きい、いわゆる膜質に優れたサンプルが得られる。
【００１６】
また本実施例では、４探針法を用いて各サンプルのシート抵抗を測定した。この結果、各サンプルでは抵抗値に殆ど差がなく、いずれも良好な電気特性が得られることがわかった。さらに本実施例では、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によって膜表面の微細組織を観察した。この結果、特に脱ガス処理を施したものについて緻密で平滑な膜が得られることがわかった。
【００１７】
［実施例２］
本実施例では、一定条件下で許容される基板の反り量を設定し、これに基づいて、成膜時に許容される基板温度の上限値を求めた。本例では、プラスチック基板上にＩＴＯを成膜する場合を想定し、前述の許容可能な基板の反り量を、自重によって解消可能な反り量、例えば１ｃｍ前後とする。
【００１８】
本例ではまず、基板及びＩＴＯ膜の熱膨張係数α、ヤング率Ｅ、ポワソン比ν、室温時の基板サイズ若しくは膜サイズＬ、基板若しくは膜の厚みｄ、成膜温度Ｔ等から成膜時の熱応力σを算出し、これらの値をもとに基板の反り量Ａを片持ち梁法により算出した（式（１）〜（６）参照）。
Ａ＝(σ２＋ｆ)*(３*(１−ν１)*(Ｌ１／２)^２*ｄ２)／(Ｅ１*ｄ１^２)・・・（１）
σ２＝(Ｅ２*(Ｌ２−Ｂ２))／(Ｌ２*(１―ν２))・・・（２）
Ｂ２＝(Ｓ１＋Ｓ２)／(Ｓ１／Ｌ１+Ｓ２／Ｌ２)・・・（３）
Ｌ２＝ｌ２*(１＋α２*(Ｔ０−ＭＡＸ(Ｔ：Ｔ０)))・・・（４）
ｌ２＝Ｌ１*(１＋α１*(Ｔ−Ｔ０))・・・（５）
Ｓｉ＝Ｅｉ*ｄｉ／(１―νｉ)  （ｉ＝１，２）・・・（６）
ここで、Ｂはバランス長、ｌ２は成膜時の膜長、Ｔ０は室温（２５℃）である。また、下付きの符号１，符号２はそれぞれ基板，薄膜を示している。
【００１９】
表１に、計算に使用したパラメータを示す。基板サイズや膜厚等は量産で使用されるものとし、基板の物性は液晶装置等のプラスチック基板として使用される材料の平均的な値としている。また、ＩＴＯ膜の真内部応力は実験で得られた値を使用している。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
これらの条件を式（１）〜（６）に代入すると、許容される基板の温度範囲は概ね室温から５０℃までの範囲となる。基板温度が５０℃の場合、片持ち梁法によって算出される基板の反り量は１．２ｃｍ程度である。すなわち、重力（基板の自重）を無視すると、基板の中央部は１．２ｃｍ程度浮くことになる。しかし１ｃｍ前後であれば、基板の自重によってその反りを解消できると考えられるため、前述したような通常の成膜条件では、５０℃を一つの目安として、基板の温度上昇をこれ以下に抑えればよいことになる。
なお、基板温度を１５０℃とすると、基板の反り量は２．３ｃｍ程度となる。このため、従来のように基板温度が１００℃を超えるようなものでは、自重だけで基板反りを解消することは困難である。
【００２２】
［実施例３］
本実施例では、成膜休止によって基板を冷却する場合に必要な冷却期間を調べた。
本例では、基板が前述の許容温度（５０℃）まで上昇した後、放冷によって室温まで下がるのに要する時間を算出した（式（１），（２）参照）。
τ＝ｃ*Ｗ／Ｑ*（Ｔ−Ｔ０）／６０・・・（１）
Ｑ＝（Ｑｒ＋Ｑｓ＋Ｑｇ）*ｓ・・（２）
ここで、ｃは比熱、Ｗは基板の重量、ｓは基板面積、Ｑｇはチャンバー内の熱流速、Ｑｓは基板の熱伝導率、Ｑｒは熱放射率である。また、Ｔは冷却前の基板の温度（５０℃）、Ｔ０は室温（２５℃）である。
表２に、計算に使用したパラメータを示す。基板サイズや成膜条件等は量産で使用されるものとしている。
【００２３】
【表２】
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【００２４】
これらの条件を式（１），（２）に代入すると、必要な成膜休止期間は３０分程度となる。よって、成膜を一定期間休止することにより基板を冷却する場合には、この休止期間を３０分以上とすればよいことがわかる。
【００２５】
［電子デバイス］
次に、本発明の電気光学装置及び電子機器について説明する。
図６は、本発明の電気光学装置の一例である電子ペーパー１１０の概略構成を示す斜視図である。この電子ペーパー１１０は、紙と同様の質感および柔軟性を有する一対のプラスチックシート（プラスチック基板）１１１の間に液晶層を挟持してなるものである。各シートの内面側にはＩＴＯ電極が形成されており、この電極の形成された領域が表示部６４を構成している。
図７は、本発明の電子機器の一例である携帯電話９０の概略構成を示す斜視図である。この携帯電話９０は、複数の操作ボタン９１のほか、受話口９２、送話口９３とともに、前記表示部６４を備えるものである。
本例において、これらのＩＴＯ電極は前述の方法により形成されたものである。このため、デバイス品質の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】薄膜の内部応力の測定結果を示す図。
【図２】薄膜の格子定数の測定結果を示す図。
【図３】薄膜の結晶子径の測定結果を示す図。
【図４】薄膜のピーク強度の測定結果を示す図。
【図５】薄膜の（２２２）配向度の測定結果を示す図。
【図６】本発明の電気光学装置の一例を示す斜視図。
【図７】本発明の電子機器の一例を示す斜視図。
【符号の説明】
【００２７】
９０・・・携帯電話（電子機器）、１１０・・・電子ペーパー（電気光学装置）
【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５】
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【図６】
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【図７】
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