(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、
前記基材の表面に対して励起状態の粒子を作用させることにより成膜処理を施すために、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真空チャンバ内に導入しながら成膜を行う成膜処理装置と、
基材をロール状に巻装して保持する送出ロールと、この送出ロールから送り出された基材を成膜処理に適した位置へと搬送する搬送ドラムと、成膜処理が完了した基材をロール状に巻き取る巻取ロールと、を有する搬送装置と、
前記搬送ドラムの外周部近傍のガス粒子に白色光源からの光を照射する光照射装置と、
前記光照射装置からの白色照射光を、前記成膜処理装置の作用により励起され前記白色照射光の照射を受けたガス粒子から発せられた光とともに受光し、そのスペクトルを観測する分光分析装置と、
前記分光分析装置によって観測されたスペクトルにおける前記第１のガスの代表発光波長付近の前記第１のガスのスペクトル強度と前記第２のガスの代表発光波長付近の前記第２のガスのスペクトル強度との比を求め、前記第２のガスの導入量を一定に維持するとともに、前記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成膜制御装置と、
を備え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、
成膜処理装置が、第１のガスとして酸素、第２のガスとしてアルゴンを導入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、
基材の表面に対して励起状態の粒子を作用させることにより成膜処理を施すために、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真空チャンバ内に導入しながら成膜を行う成膜処理装置と、
基材をロール状に巻装して保持する送出ロールと、この送出ロールから送り出された基材を成膜処理に適した位置へと搬送する搬送ドラムと、成膜処理が完了した基材をロール状に巻き取る巻取ロールと、を有する搬送装置と、
搬送ドラムの外周部近傍のガス粒子に白色光源からの光を照射する光照射装置と、
この光照射装置からの白色照射光を、成膜処理装置の作用により励起され白色照射光の照射を受けたガス粒子から発せられた光とともに受光し、そのスペクトルを観測する分光分析装置と、
この分光分析装置によって観測されたスペクトルにおける第１のガスの代表発光波長付近の前記第１のガスのスペクトル強度と第２のガスの代表発光波長付近の前記第２のガスのスペクトル強度との比を求め、第２のガスの導入量を一定に維持するとともに、前記比が一定になるように第１のガスの導入量を制御する成膜制御装置と、
を設けるようにしたものである。
【０００７】
(2)   本発明の第２の態様は、上述の第１の態様に係る真空成膜装置において、
成膜処理装置が、第１のガスとして酸素、第２のガスとしてアルゴンを導入するようにしたものである。
【００１１】
【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、光照射装置４１と、分光分析装置４２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、基材Ｂの表面に対して所定のプラズマ粒子を作用させることにより成膜処理を施す装置であり、具体的には、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））、プラズマＣＶＤ、イオンプレーティング、プラズマ放電、グロー放電、などの方法で成膜を行う機能をもった装置である。このような機能をもった装置は既に公知であるため、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。
【００１２】
一方、光照射装置４１、分光分析装置４２、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、光照射装置４１は、成膜処理装置３０が発生させたプラズマ粒子の近傍に光を照射し、プラズマ化したガス粒子を発光させる機能を有し、分光分析装置４２は、このガス粒子からの発光スペクトルを観測する機能を有する。また、成膜制御装置５０は、分光分析装置４２によって観測された発光スペクトルに基いて、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。
【００１３】
本発明に係る装置では、光照射装置４１によって真空チャンバ１０内に光が照射され、この光照射を受けたプラズマ状のガス粒子からの発光スペクトルが分光分析装置４２によって観測されるため、真空チャンバ１０内に発生した脱ガスの情報を、この発光スペクトルに基いて得ることができ、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。
【００１４】
図１に示す装置では、前述したように、成膜処理装置３０によって発生されたプラズマ粒子が基材Ｂの表面に付着し、成膜が行われる。したがって、成膜処理装置３０と基材Ｂとの間には、多数のプラズマ粒子が存在するプラズマ空間が形成されていることになる。このため、このプラズマ空間に存在するガス粒子もプラズマ化され、励起状態となっている。このようにプラズマ化したガス粒子に対して、光照射装置４１から光ビームＬが照射されると、ガス粒子はそれぞれ固有の発光波長をもって発光することになる。したがって、ガス粒子の発光スペクトルを観測すれば、そのピーク波長に基いてガス粒子を特定することができ、このピーク位置におけるスペクトル強度に基いて当該ガス粒子の量を特定することができる。なお、図１に示す例では、分光分析装置４２は、光照射装置４１からの光ビームＬをそのまま受光しているため、得られるスペクトルは、光照射装置４１の光源のスペクトルとガス粒子の発光スペクトルとを重畳したものになる。ただ、光照射装置４１の光源としては白色光源を用いているため、光源のスペクトルは全波長域にわたってなだらかなスペクトルになるのに対し、ガス粒子の発光スペクトルは、固有の発光波長付近に急峻なピークを有するスペクトルになる。このため、分光分析装置４２によって観測されたスペクトルにおけるピークに着目すれば、ガス粒子の種類と量とを認識することができる。
【００１５】
一般に、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、光照射装置１４１は、前述したように、白色光源を用いて光ビームＬ（この例では、直径１０ｍｍ程度のビーム）を照射する装置である。この光照射装置１４１から照射された光ビームＬは、真空チャンバ１００の壁面に設けられた石英窓１０３を通して、真空チャンバ１００の内部へと照射され、反対側の壁面に設けられた石英窓１０４を通して、分光分析装置１４２によって受光される。このとき、成膜ゾーン１０１内に発生した脱ガス粒子（スパッタリング装置１３０によって生じたプラズマ空間内でプラズマ化した状態となる）からのプラズマ発光が生じ、このプラズマ発光による光も分光分析装置１４２によって受光されることになる。その結果、分光分析装置１４２で観測されるスペクトルには、脱ガス粒子に固有の発光波長位置にピークが現れることになる。このようなスペクトルピークに関する情報は、成膜制御装置１５０へ与えられる。成膜制御装置１５０は、このスペクトルピークに関する情報、別言すれば、観測された脱ガスに関する情報に基いて、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。搬送ドラム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から放出されたプラズマ状のスパッタ材料（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、搬送ドラム１６３の前後におけるガイドローラとして機能する。搬送ドラム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）や搬送ドラム１６３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、上述したように、分光分析装置１４２によって観測されるスペクトルに基いて検出することができる。なお、図２では、光照射装置１４１からの光ビームＬを、搬送ドラム１６３の外周部近傍に照射するようにしているが、これは、実際に成膜が行われる箇所近傍の脱ガスを観測した方が、より正確な成膜制御を行うことができるからである。
【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。一般に、フィルム状の基材から発生する脱ガスの主成分は水であり、この水がプラズマ分解すると酸素が発生する。したがって、フィルム状の基材を取り扱う場合には、酸素に着目した成膜制御が非常に有効である。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、分光分析装置１４２による観測スペクトルから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。プラズマ化した酸素ガスに光を照射した場合、いくつかのピーク波長をもった発光が生じることになるが、ここでは代表発光波長として、７７７ｎｍのピーク波長を用いている。すなわち、分光分析装置１４２による観測スペクトルの中で、この代表発光波長７７７ｎｍの近傍波長域に存在するピークを、酸素ガスからの発光に起因するピークであると考え、このピークについてのスペクトル強度（ピークの高さ）を、酸素ガスの濃度を示す値として取り扱っている。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、この代表発光波長７７７ｎｍの近傍波長域に存在するピークのスペクトル強度が大きくなる。このように、過剰酸素が検出された場合には、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制御を行うことになる。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を常に一定の量（成膜を行う上での最適値）に維持することができる。
【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、成膜処理用ガスとして導入する２種類のガスの量、すなわち、アルゴンガスの量と酸素ガス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。具体的には、アルゴンガスの代表発光波長は、８１２ｎｍであることが知られているので、分光分析装置１４２によって得られた観測スペクトルにおける７７７ｎｍの近傍波長域に存在するピークのスペクトル強度（酸素ガスの濃度に相当）と、８１２ｎｍの近傍波長域に存在するピークのスペクトル強度（アルゴンガスの濃度に相当）との比が一定となるように、酸素の導入量を制御すればよい。
【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。また、分光分析装置１４２によって観測すべきスペクトルは、制御に必要な波長域が含まれていれば十分である。たとえば、上述した例では、酸素ガスの代表発光波長７７７ｎｍのピーク値と、アルゴンガスの代表発光波長８１２ｎｍのピーク値とが得られればよい。したがって、本明細書における分光分析装置による観測スペクトルは、必ずしも連続スペクトルである必要はない。
【００２３】
以上、本発明に係る真空成膜装置を図示する実施形態に基づいて説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、この他にも種々の形態で実施可能である。たとえば、上述の実施形態では、基材の表面にプラズマ粒子を作用させて成膜を行う装置に本発明を適用した例を示したが、本発明は、イオン、ラジカル、その他の活性種を作用させて成膜を行う装置にも適用可能である。本発明の技術思想は、励起状態となった脱ガス粒子からの発光スペクトルに基づいて脱ガスの発生状況をモニタし、その結果に基づいて成膜条件をフィードバック制御することにある。したがって、基材の表面に対して何らかの励起状態の粒子を作用させることにより成膜処理を行う装置に広く適用することができる。また、上述の実施形態では、光照射装置を用いて脱ガス粒子に対する光照射を行っているが、この光照射装置は必ずしも本発明に必須の構成要素ではない。この光照射は、脱ガス粒子を効率良く励起させる機能を果たすことになるが、成膜処理装置の作用によって励起された脱ガス粒子から、成膜制御に必要な発光スペクトルに関する情報を十分に得ることができれば、光照射を行うことなしに本発明を実施することができる。
【００２４】
【実施例】
図２に示す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３ｍＴｏｒｒ）、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、分光分析装置１４２による観測スペクトルにおける酸素ガスの代表発光波長７７７ｎｍのスペクトル強度が、アルゴンガスの代表発光波長８１２ｎｍのスペクトル強度の１．４倍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
４１…光照射装置
４２…分光分析装置
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
１０３，１０４…石英窓
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
１４１…光照射装置
１４２…分光分析装置
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…搬送ドラム
１６４…搬送部材（ガイドロール）
１６５…巻取ロール
Ｂ…基材
Ｌ…光ビーム
【図１】
0004339437.tif 000002
【図２】
0004339437.tif 000003
【図３】
0004339437.tif 000004
【図４】
0004339437.tif 000005