(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空環境下で長尺状の基材の表面に対して成膜を行う真空成膜装置であって、
基材を収容するための真空チャンバと、
前記真空チャンバ内を所定の真空度に維持する真空排気装置と、
前記真空チャンバ内を搬送ゾーンと成膜ゾーンとに分離する機能を有し、一部に開口部が形成された隔壁と、
前記搬送ゾーン内に設けられ、前記基材をロール状に巻装して保持する送出ロールと、
前記隔壁の開口部に設けられ、前記送出ロールから送り出された基材を前記成膜ゾーン側の周面に接触させた状態で搬送するドラムと、
前記搬送ゾーン内に設けられ、前記ドラムから搬送されてきた基材を巻き取る巻取ロールと、
前記搬送ゾーン内に設けられ、前記送出ロールから送り出された基材を前記ドラムへと誘導する第１のガイドローラと、
前記搬送ゾーン内に設けられ、前記ドラムから搬送されてきた基材を前記巻取ロールへと誘導する第２のガイドローラと、
前記成膜ゾーン内に設けられ、前記ドラムの周面に接触している前記基材の表面に対して成膜処理を施すスパッタリング装置と、
前記真空チャンバ内に導入する成膜処理用ガスの流量を制御する流量制御装置と、
前記基材から前記真空チャンバ内に放出される脱ガスを検出する脱ガス検出装置と、
前記脱ガス検出装置の検出結果に基いて、前記流量制御装置を制御する成膜制御装置と、
を備え、
前記脱ガス検出装置が、前記送出ロールにおける前記基材の送り出し部分、前記基材と前記第１のガイドローラとの接触部分、前記スパッタリング装置の直上部分、前記基材と前記第２のガイドローラとの接触部分、および前記巻取ロールにおける前記基材の巻き取り部分、なる各部分から採取したガスを取り込んで分析する質量分析器を有することを特徴とする真空成膜装置。
【請求項２】
請求項１に記載の真空成膜装置において、
脱ガス検出装置が、採取したガス内の成膜処理用ガスの量を検出する機能を有し、
成膜制御装置が、脱ガス検出装置によって検出される成膜処理用ガスの量が所定の一定量に保たれるように、導入ガス量の制御を行うことを特徴とする真空成膜装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の真空成膜装置において、
脱ガスとしても供給される第１のガスと、脱ガスとしては供給されない第２のガスとを成膜処理用ガスとして導入し、前記第２のガスの導入量を一定に維持し、脱ガス検出装置により前記第２のガスの量に対する前記第１のガスの量の比を検出し、成膜制御装置によりこの比が一定になるように前記第１のガスの導入量を制御することを特徴とする真空成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は真空成膜装置に関し、特に、フィルムなどの長尺状の基材の表面に成膜を行うのに適した真空成膜装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
材料の表面に成膜を行う場合、通常、真空成膜装置が利用される。真空成膜装置は、真空環境下で基材の表面に対して成膜を行う機能をもった装置であり、具体的な成膜の方法としては、真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ、イオンプレーティング、プラズマ放電、グロー放電、電子線照射、紫外線照射、材料噴霧など種々の方法が知られている。また、成膜対象となる基材としては、金属板、ガラス板、金属フィルム、プラスチックフィルム、紙など多岐に渡っており、既に成膜が完了した基材に対して、更に上層の成膜を形成する処理を繰り返して行い、多層構造を得る工程が行われることも少なくない。真空成膜装置では、成膜対象となる基材を真空チャンバ内に収容し、チャンバ内を排気して一定の真空度に維持した状態で所定の成膜方法を実行することになる。必要に応じて、チャンバ内には成膜処理用ガスが導入される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
真空環境下では、一般の大気環境下に比べて、雰囲気ガスの成分が著しく制限されるため、不純物の少ない良質な膜を形成することができる。たとえば、真空チャンバ内を排気しながら、特定の成膜処理用ガスを所定量だけ導入した場合、真空チャンバ内の雰囲気には、理論的には当該成膜処理用ガスが所定量だけ含まれることになるので、最適な条件での成膜処理が可能になる。
【０００４】
しかしながら、実際には、脱ガスの影響により、このような最適な条件での成膜処理は困難である。脱ガスは、真空チャンバ内の基材（成膜対象物）から直接放出されるガスや、成膜処理に利用される真空チャンバ内の各種機器（加熱装置、スパッタリング装置、搬送装置など）に基づいて放出されるガスの総称である。実際のところ、成膜工程において、どのようなガスがどれだけ脱ガスとして放出されるかを予想することは困難である。そのため、この脱ガスの影響により、必ずしも最適な条件での成膜処理が行われていないのが現状である。特に、プラスチックフィルムのように、主として有機物から構成される基材からは、様々なガスが脱ガスとして放出されやすい。また、フィルムの形態をした長尺状の基材に対して成膜を行う場合、この基材をロール状に巻装した送出ロールと、処理後の基材を巻き取る巻取ロールと、これらロール間における基材の搬送系と、が必要になるため、これら各ロールについての送出時や巻取時、あるいは搬送系と基材との接触時に生じる脱ガスも無視できないものになる。
【０００５】
そこで本発明は、脱ガスの影響を受けても最適な条件で成膜処理を行うことが可能な真空成膜装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
(1)   本発明の第１の態様は、真空環境下で長尺状の基材の表面に対して成膜を行う真空成膜装置において、
基材を収容するための真空チャンバと、
この真空チャンバ内を所定の真空度に維持する真空排気装置と、
真空チャンバ内を搬送ゾーンと成膜ゾーンとに分離する機能を有し、一部に開口部が形成された隔壁と、
搬送ゾーン内に設けられ、基材をロール状に巻装して保持する送出ロールと、
隔壁の開口部に設けられ、送出ロールから送り出された基材を成膜ゾーン側の周面に接触させた状態で搬送するドラムと、
搬送ゾーン内に設けられ、ドラムから搬送されてきた基材を巻き取る巻取ロールと、
搬送ゾーン内に設けられ、送出ロールから送り出された基材をドラムへと誘導する第１のガイドローラと、
搬送ゾーン内に設けられ、ドラムから搬送されてきた基材を巻取ロールへと誘導する第２のガイドローラと、
成膜ゾーン内に設けられ、ドラムの周面に接触している基材の表面に対して成膜処理を施すスパッタリング装置と、
真空チャンバ内に導入する成膜処理用ガスの流量を制御する流量制御装置と、
基材から真空チャンバ内に放出される脱ガスを検出する脱ガス検出装置と、
この脱ガス検出装置の検出結果に基いて、流量制御装置を制御する成膜制御装置と、
を設け、
脱ガス検出装置が、送出ロールにおける基材の送り出し部分、基材と第１のガイドローラとの接触部分、スパッタリング装置の直上部分、基材と第２のガイドローラとの接触部分、および巻取ロールにおける基材の巻き取り部分、なる各部分から採取したガスを取り込んで分析する質量分析器を有するようにしたものである。
【０００７】
(2)   本発明の第２の態様は、上述した第１の態様に係る真空成膜装置において、
脱ガス検出装置が、採取したガス内の成膜処理用ガスの量を検出する機能を有し、
成膜制御装置が、脱ガス検出装置によって検出される成膜処理用ガスの量が所定の一定量に保たれるように、導入ガス量の制御を行うようにしたものである。
【０００８】
(3)   本発明の第３の態様は、上述した第１または第２の態様に係る真空成膜装置において、
脱ガスとしても供給される第１のガスと、脱ガスとしては供給されない第２のガスとを成膜処理用ガスとして導入し、第２のガスの導入量を一定に維持し、脱ガス検出装置により第２のガスの量に対する第１のガスの量の比を検出し、成膜制御装置によりこの比が一定になるように第１のガスの導入量を制御するようにしたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示する実施形態に基いて説明する。図１は、本発明に係る真空成膜装置の基本構成を示すブロック図である。この装置は、真空チャンバ１０と、真空排気装置２０と、成膜処理装置３０と、脱ガス検出装置４０と、成膜制御装置５０と、搬送装置６０と、によって構成されており、真空環境下で基材Ｂの表面に対して成膜を行う機能を有する。基材Ｂを収容した真空チャンバ１０の内部は、真空排気装置２０によって所定の真空度に維持され、この真空環境下において、基材Ｂの表面に対する成膜処理が成膜処理装置３０によって行われる。成膜処理装置３０は、真空蒸着（抵抗加熱、高周波誘導加熱、電子ビーム加熱など、加熱方法は問わない）、スパッタリング（マグネトロンスパッタリング（ＤＣスパッタ、高周波スパッタなど））、ＣＶＤ（プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤ、光ＣＶＤなど）、イオンプレーティング、プラズマ放電、グロー放電、電子線照射、紫外線照射、材料噴霧など、公知の方法で成膜を行う機能をもった装置であり、ここではその装置構成についての詳細な説明は省略する。また、搬送装置６０は、成膜処理装置３０による成膜処理に適した位置へ、基材Ｂを搬送する機能をもった装置である。
【００１４】
一方、脱ガス検出装置４０および成膜制御装置５０は、本発明に係る真空成膜装置の特徴的な構成要素である。すなわち、脱ガス検出装置４０は、基材Ｂから真空チャンバ１０内に放出される脱ガスを検出する機能を有し、成膜制御装置５０は、この脱ガス検出装置４０の検出結果に基いて、成膜処理装置３０の成膜条件を制御する機能を有する。既に述べたように、一般的な真空成膜装置では、成膜工程において、基材Ｂから脱ガスが放出され、最適な成膜条件を阻害する原因となる。これは、実際に発生する脱ガスの量を予想することが困難なためである。本発明に係る装置では、真空チャンバ１０内に脱ガス検出装置４０が設けられており、成膜工程を実行中に、発生した脱ガスの量をリアルタイムで検出することができる。しかも、この脱ガスの検出結果は、ただちに成膜制御装置５０に与えられる。成膜制御装置５０は、この検出結果に基いて、成膜処理装置３０の成膜条件に対する制御を行うことができる。別言すれば、成膜処理装置３０によって実行される成膜工程は、リアルタイムで与えられる脱ガス検出結果を反映した工程になるため、基材Ｂや搬送装置６０などからどれだけ脱ガスが発生したとしても、実際の脱ガス発生量を考慮した最適な成膜条件での成膜工程を行うことが可能になる。
【００１５】
特に、長尺状のプラスチックフィルムなどを基材Ｂとして用いた場合、脱ガスの影響が甚だしい。これは、プラスチックの有機成分から様々な脱ガスが直接放出されるとともに、送出ロールや巻取ロールといった搬送系と基材Ｂとの相互作用によっても様々な脱ガスが放出されるためである。図２は、このような長尺状のプラスチックフィルムの表面に成膜を行うための真空成膜装置の具体例を示す構成図である（一部はブロック図で示す）。真空チャンバ１００は、隔壁１１０によって、下部の成膜ゾーン１０１と上部の搬送ゾーン１０２とに分離されており、いずれのゾーンも真空排気装置１２０によって排気され、所定の真空度に維持される。
【００１６】
成膜ゾーン１０１内には、スパッタリング装置１３０が設けられており、流量制御装置１３５を介して、成膜処理用ガス（この例の場合、アルゴンと酸素）が所定量だけ導入される。スパッタリング装置１３０と流量制御装置１３５とは、本発明における成膜処理装置として機能する。また、質量分析器１４０は、成膜ゾーン１０１内のガスの種類および量を検出する機能を有し、本発明における脱ガス検出装置として機能する。質量分析器１４０内には、図示されていない別な真空排気装置によって排気された分析室が設けられている。この分析室は、真空チャンバ１００よりも更に高真空に維持されるため、流量制御用バルブ１４１を開くことにより、真空チャンバ１００内のガスを分析室内に導入して、ガスの種類および量を検出することができる。質量分析器１４０の検出結果は、成膜制御装置１５０へ与えられる。成膜制御装置１５０は、スパッタリング装置１３０および流量制御装置１３５を制御する機能を有する。
【００１７】
一方、搬送ゾーン１０２内には、搬送装置として機能する種々の部材が設置されている。まず、送出ロール１６１は、フィルムからなる長尺状の基材Ｂをロール状に巻装して保持する部材であり、この送出ロール１６１から送り出された基材Ｂは、搬送部材１６２，１６３，１６４を介して成膜処理に適した位置へと搬送され、成膜処理が完了した基材Ｂは、巻取ロール１６５によってロール状に巻き取られる。搬送部材１６３は、大きなドラム状の部材であり、その周面に接触したフィルム状の基材Ｂは、スパッタリング装置１３０の直上位置へと搬送されることになり、この位置において、スパッタリング装置１３０から放出されたスパッタ材料（成膜材料）が基材Ｂの表面に付着して膜を形成する。こうして成膜が完了した基材Ｂは、巻取ロール１６５へ巻き取られてゆく。搬送部材１６２，１６４は、搬送部材１６３の前後におけるガイドローラとして機能する。搬送部材１６３と隔壁１１０との間には、わずかな隙間が形成されており、基材Ｂはこの隙間を通して搬送ゾーン１０２から成膜ゾーン１０１へと搬送され、再び、成膜ゾーン１０１から搬送ゾーン１０２へと搬送される。
【００１８】
このような系では、種々の箇所において脱ガスの発生が予想される。具体的には、送出ロール１６１からフィルム状の基材Ｂが送り出される段階において、フィルムの両面が真空雰囲気に触れることになるため、基材Ｂ自身から脱ガスが発生する。また、このフィルム状の基材Ｂが、搬送部材１６２（ガイドローラ）や搬送部材１６３（ドラム）に接触することにより脱ガスが発生する。更に、スパッタリング装置１３０によるスパッタ処理によって発生する熱が基材Ｂに加わることによっても脱ガスが発生し、巻取ロール１６５による巻き取り時にも脱ガスが発生する。このような脱ガスは、質量分析器１４０によって検出される。図２では、成膜ゾーン１０１の壁面から採取したガスを質量分析器１４０にとり込む例が示されているが、上述したような脱ガスの発生箇所、すなわち、送出ロール１６１における基材Ｂの送り出し部分、搬送部材１６２，１６４との接触部分、巻取ロール１６５における基材Ｂの巻き取り部分、スパッタリング装置１３０の直上部分などから採取したガスを質量分析器１４０にとり込むようにすれば、検出感度および応答性を高める上で好ましい。
【００１９】
ここに示す実施形態に係る装置では、脱ガスとして、特に酸素に着目しており、脱ガスとしての酸素が発生した場合であっても、最適な成膜条件が得られるような制御を行っている。上述したように、成膜ゾーン１０１内には、流量制御装置１３５を介して、アルゴンおよび酸素が導入されている。これらの導入ガスは、成膜処理用ガスとして意図的に導入されるものであり、スパッタリング装置１３０による成膜処理に必要になるガスである。ここで、成膜を最適条件の下で行うためには、導入ガスの量を最適値に制御する必要があり、特に酸素の量を所定値に維持した状態で成膜を行う必要がある。ところが、流量制御装置１３５による酸素流量を所定値に設定したとしても、基材Ｂから酸素が脱ガスとして放出されると、真空チャンバ１００内には過剰の酸素が供給されることになり、酸素量に関しての最適条件が維持されなくなる。
【００２０】
そこで、成膜制御装置１５０は、質量分析器１４０によって検出される酸素の量が一定に保たれるように、流量制御装置１３５を介しての導入酸素量の制御を行う。たとえば、基材Ｂから脱ガスとして酸素が放出され、真空チャンバ１００内の酸素が過剰になると、質量分析器１４０によって過剰酸素が検出されるので、成膜制御装置１５０は、チャンバ内酸素を減らすように、流量制御装置１３５に対して酸素の導入量を減らすような指示を与える。このようなフィードバック制御により、チャンバ内の酸素量が常に一定の量（成膜を行う上での最適値）に維持されることになる。別言すれば、この実施形態の装置では、脱ガスの量そのものを直接検出しているのではなく、流量制御装置１３５から導入したガスの量と質量分析器１４０によって検出したガスの量との差を、チャンバ内で発生した脱ガスの量として取り扱っていることになる。このように、導入ガスと同じガスが脱ガスとして発生する場合は、脱ガスを直接検出することは困難であるので、導入量と検出量との差を脱ガス量とする方法を採ることになる。
【００２１】
また、実際には酸素の絶対量を正確に検出することは困難なので、質量分析器１４０によってアルゴンの量と酸素の量との双方を検出し、これらの比が一定となるように酸素導入量を制御している。アルゴンは脱ガスとして発生することはないので、アルゴンの導入量を常に一定に維持しておけば、アルゴンに対する酸素の相対量を一定に維持する制御を行うだけで、酸素の絶対量を一定に維持することができる。
【００２２】
このように、本発明に係る真空成膜装置では、チャンバ内で実際に発生した脱ガスの種類および量を評価することができ、この評価結果は、各種真空プロセスに適した基材の開発、積層構成の検討、真空プロセス装置の設計などの分野にも利用することが可能になる。また、各プロセスにおける脱ガス種を認識することができるため、この脱ガスが処理プロセスに与える影響などを調査することも可能になる。なお、図２の実施形態では、長尺状のプラスチックフィルムからなる基材に対して成膜を行う例を述べたが、本発明に係る真空成膜装置に用いる基材は、金属板、ガラス板、金属フィルム、紙など、どのような材料のものでもかまわない。
【００２３】
【実施例】
(1)   フィルム状の基材からの脱ガス測定
図２に示す真空成膜装置の送出ロール１６１として、市販のＰＥＴフィルム（株式会社東レ製：ルミラーＴ６０、厚み１００μｍ、幅３００ｍｍのロール状のもの）を装着し、搬送部材１６２，１６３，１６４を介してフィルムを搬送し、巻取ロール１６５によって巻き取る作業を行う際の脱ガスを測定した。スパッタリング装置１３０による成膜処理は行わず、搬送系を動作させた際に発生する脱ガスのみの測定を試みた。また、送出ロール１６１として、ＴＡＣフィルム（富士写真フィルム株式会社製：フジタック、厚み８０μｍ、幅３００ｍｍのロール状のもの）を装着した場合についても同様の測定を行った。真空チャンバ１００内の各ゾーン１０１，１０２の真空度は、１０−４Ｐａとし、質量分析器１４０としては、四重極型質量分析器（日本真空技術株式会社製：プロセスモニターＵＰＭ−ＳＴ−２００Ｍ）を用い、オリフィスを介して成膜ゾーン１０１における質量数１〜２００（ｍ／ｅ）のガス種を検出した。
【００２４】
その結果、ＰＥＴフィルムについては、質量数＝１，２，１６，１７，１８，２８，３２（ｍ／ｅ）の脱ガスが検出され、ＴＡＣフィルムについては、質量数＝１，２，１６，１７，３２，４４（ｍ／ｅ）の脱ガスが検出された。各質量数に対応するガス種は、フィルムの組成から判断すると、１＝Ｈ＋，２＝Ｈ２＋，１６＝Ｏ＋，１７＝ＯＨ＋，１８＝Ｈ２Ｏ＋，２８＝ＣＯ＋，４４＝ＣＯ２＋と考えられる。
(2)   ＩＴＯの成膜結果の比較
上記(1) で述べた真空成膜装置を用いて、市販のＰＥＴフィルム（株式会社東レ製：ルミラーＴ６０、厚み１００μｍ、幅３００ｍｍのロール状のもの）を送出ロール１６１として装着し、１ｍ／ｍｉｎの速度で搬送した。同時に、スパッタリング装置１３０によって、ＤＣマグネトロンスパッタリング法によるスパッタリング処理を行い（投入電力３ｋＷ、成膜圧力３ｍＴ）、ＰＥＴフィルム上に低抵抗ＩＴＯ膜を成膜した。このとき、成膜処理用ガスとして、アルゴンガスを１００ｓｃｃｍの固定流量で導入するとともに、酸素ガスを所定の流量で導入した。酸素ガスの導入量は、質量分析器１４０による酸素ガスの分圧（質量数３２の酸素イオンの強度）が、アルゴンガスの分圧（質量数４０のアルゴンイオンの強度）の４％に維持されるように、成膜制御装置１５０によるフィードバック制御（流量制御装置１３５による酸素の導入量の制御）を行った。
【００２５】
こうして、成膜された試料を大気中に取り出し、サンプリングを行い、四端子法（三菱化学株式会社製：ＬＯＲＥＳＴＡを使用）を用いてシート抵抗を測定した。具体的には、実効成膜長さ１００ｍの区間について、フィルムの長手方向に伸びた中心線（フィルムの側端から１５０ｍｍの位置）上に、１０ｍ間隔で１０箇所の測定点を定義し、各測定点における抵抗値を測定した。このような測定を３回繰り返して実行した結果を図３の表に示す。各測定点間の測定値のばらつきは、かなり小さく、全面にほぼ均一の良質なＩＴＯ膜が形成されていることがわかる。
【００２６】
一方、成膜制御装置１５０によるフィードバック制御を行わずに、流量制御装置１３５の酸素導入量を２．５ｓｃｃｍに固定し、同様の方法で成膜を行い、測定を行った結果を図４の表に示す。図３に示す表と比べると、各測定点間の測定値のばらつきが大きく、形成されたＩＴＯ膜が不均一であることがわかる。これは、ＰＥＴフィルムから脱ガスとして放出された酸素が、成膜条件を不安定にしたためと考えられる。以上の結果から、本発明は、成膜条件を最適に維持する上で、十分効果的であることがわかる。
【００２７】
【発明の効果】
以上のとおり本発明に係る真空成膜装置によれば、真空チャンバ内の脱ガスを検出して成膜条件を制御するようにしたため、脱ガスの影響を受けても最適な条件で成膜処理を行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る真空成膜装置の基本構成を示すブロック図である。
【図２】長尺状の基材表面に成膜を行うための真空成膜装置の具体例を示す構成図（一部はブロック図）である。
【図３】本発明に係る真空成膜装置によってフィードバック制御を行いながらＩＴＯ膜を成膜したときの膜の均一性を示す図表である。
【図４】本発明に係る真空成膜装置によってフィードバック制御を行わずにＩＴＯ膜を成膜したときの膜の均一性を示す図表である。
【符号の説明】
１０…真空チャンバ
２０…真空排気装置
３０…成膜処理装置
４０…脱ガス検出装置
５０…成膜制御装置
６０…搬送装置
１００…真空チャンバ
１０１…成膜ゾーン
１０２…搬送ゾーン
１１０…隔壁
１２０…真空排気装置
１３０…スパッタリング装置
１３５…流量制御装置
１４０…質量分析器
１４１…流量制御用バルブ
１５０…成膜制御装置
１６１…送出ロール
１６２…搬送部材（ガイドロール）
１６３…搬送部材（ドラム）
１６４…搬送部材（ガイドロール）
１６５…巻取ロール
Ｂ…基材
【図１】
0004176885.tif 000002
【図２】
0004176885.tif 000003
【図３】
0004176885.tif 000004
【図４】
0004176885.tif 000005