JP2010255045A - 薄膜形成装置及び薄膜形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】真空下で基板を搬送しながら基板表面に薄膜を連続形成する際、基板と冷却体との間での冷却ガスの圧力を維持して、冷却ガスによる基板の十分な冷却を可能にする薄膜形成装置、及び、薄膜形成方法を提供する。
【解決手段】真空中で、帯状の基板１４の表面上に薄膜を形成する薄膜形成装置において、基板を搬送する搬送機構と、搬送されている基板の表面に薄膜を形成する薄膜形成手段３と、基板裏面に近接する冷却面を有し冷媒により冷却されている冷却体８と、冷却面と基板裏面との間に冷却面から冷却ガスを導入して基板を冷却するガス導入手段１６と、冷却面に近接され冷却面と基板裏面との間から前記冷却ガスが流出するのを抑制するガス流出抑制手段９ａとを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、薄膜形成装置及び薄膜形成方法に関する。

デバイスの高性能化、小型化に薄膜技術が幅広く展開されている。また、デバイスの薄膜化はユーザーの直接的な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。

こうした薄膜技術の進展には、薄膜製造方法の高効率化、安定化、高生産性化、低コスト化といった産業利用面からの要請に応えることが必要不可欠であり、これに向けた努力が続けられている。

薄膜の高生産性には、高堆積速度の成膜技術が必須であり、真空蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法などをはじめとする薄膜製造において、高堆積速度化が進められている。また、薄膜を連続的に大量に形成する方法として、巻き取り式の薄膜製造方法が用いられる。巻き取り式の薄膜製造方法はロール状に巻かれた長尺の基板を巻き出しロールから巻き出し、搬送系に沿って搬送中に、基板上に薄膜を形成し、しかる後に巻き取りロールに巻き取る方法である。巻き取り式の薄膜製造方法は、例えば電子ビームを用いた真空蒸着源などの高堆積速度の成膜源と組み合わせることによって、薄膜を生産性よく形成することが出来る。

このような連続巻き取り式の薄膜製造の成否を決める要因として、成膜時の熱負荷の課題がある。例えば真空蒸着の場合、蒸発源からの熱輻射と、蒸発原子の有する熱エネルギーが基板に付与され、基板の温度が上昇する。特に堆積速度を高めるために蒸発源の温度を上げたり、蒸発源と基板を近づけたりすると、基板の温度が過度に上昇する。しかし基板の温度が上昇しすぎると、基板の機械特性の低下が顕著となり、堆積した薄膜や基板の熱膨張によって基板が大きく変形したり、基板が溶断したりする問題が生じやすくなる。その他の成膜方式においても熱源は異なるが、成膜時に基板に熱負荷が加わり、同様の問題がある。

こうした基板の変形や溶断などが生じることを防ぐために、成膜時に基板の冷却が行われる。基板の冷却を目的として、搬送系の経路上に配置された円筒状キャンに基板が沿った状態で成膜を行うことが広く行われている。この方法で基板と円筒状キャンの熱的な接触を確保すると、熱容量の大きな冷却キャンに熱を逃がすことが出来るので、基板温度の上昇を防いだり、特定の冷却温度に基板温度を保持したりすることが出来る。

真空雰囲気下で基板と円筒状キャンの熱的な接触を確保するための方法のひとつとして、ガス冷却方式がある。ガス冷却方式とは、基板と冷却体である円筒状キャンとの間で間隔が数ｍｍ以下のわずかな隙間を維持しつつ、この隙間に微量のガスを供給して気体の熱伝導を利用して基板と円筒状キャンの熱的な接触を確保し、基板を冷却する方法である。特許文献１には、基板であるウエブに薄膜を形成するための装置において、ウエブと支持手段である円筒状キャンとの間にガスを導入することが示されている。これによれば、ウエブと支持手段との間の熱伝導が確保できるので、ウエブの温度上昇を抑制することが出来る。

特開平１−１５２２６２号公報

図１で示すように基板が直線状に走行した状態で成膜を行うことは、材料利用効率上有利な成膜方法である。しかし、特に高成膜レート等が原因で、基板に対する熱負荷の大きい場合には基板の十分な冷却が難しくなる。その理由は、基板が直線状に走行した状態では、基板の法線方向の力が得られず、冷却体に向かう力が確保されないためである。冷却体に向かう力が確保されないと、基板と冷却体との熱的な接触を十分に確保することができない。また、大きな熱負荷によって基板が一旦変形すると、基板と冷却体間の隙間が大きくなり、基板と冷却体間の熱伝達能が低下するので、冷却能力が低下し、基板の変形がいっそう進んでしまう。

基板と冷却体との熱的な接触を十分に確保するために特許文献１に示されるようなガス冷却を行う場合、冷却能力を向上するためには基板と冷却体との間の冷却ガスの圧力を高くすることが有効である。そのため、基板と冷却体との間隔を出来るだけ小さく設定し、かつ冷却ガスの導入量を多く調整することによって、基板と冷却体との間のガス圧を高めることが望ましい。

しかし、ガスの導入量を増加すると、冷却体と基板との隙間から漏れるガス量も増加するため、成膜室内の圧力が上昇して、成膜レートが低下するだけではなく、成膜室内を減圧する真空ポンプに過大な負荷を与えることにもなる。

一般に、長尺の基板上に薄膜を形成する場合、冷却体と基板との隙間を均一に、かつ高精度に保てるように基板の長手方向に高い張力を加えるため、基板に部分的な歪があると走行ムラやたわみが生じることがある。基板が高分子基板である場合には、基板が伸びることにより、部分的な歪を吸収して走行ムラやたわみを抑えることが可能だが、基板が剛性の高い金属箔などの場合には、金属箔がほとんど伸びないため、基板に部分的に発生する歪を抑えられない。その結果、冷却体と基板との間に大きな隙間が生じやすく、そこから漏れたガスが成膜室内に回り込む可能性が高い。

以上のとおり、基板を直線状に走行した状態で成膜を行うことが、成膜中の材料利用効率を向上させるために有利である。その際、真空中で走行基板と冷却体との熱伝導を確保して基板の冷却を行う方法としてガス冷却方式があるが、特に基板が直線状に走行していると、基板と冷却体との間からガスが漏れやすいため、それによって冷却能力が低下する欠点がある。十分な冷却能力を確保するには基板と冷却体との間で冷却ガスの圧力を維持することが望ましいが、ガス圧維持のために冷却ガスの導入量を増加すると、それに応じて漏れるガス量も増え、成膜への悪影響が発生するという課題がある。

本発明は、上記課題に鑑み、真空下で基板を搬送しながら基板表面に薄膜を連続形成する際、基板と冷却体との間での冷却ガスの圧力を維持して、成膜への悪影響を回避しつつ、冷却ガスによる基板の十分な冷却を可能にする薄膜形成装置、及び、薄膜形成方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明に係る薄膜形成装置は、真空中で、表面と裏面を有する帯状の基板の前記表面上に、薄膜を形成する薄膜形成装置であって、前記基板を搬送する搬送機構と、搬送されている前記基板の前記表面上に、薄膜形成領域内で薄膜を形成する薄膜形成手段と、前記薄膜形成領域において前記裏面に近接する冷却面を有し、冷媒により冷却されている冷却体と、前記冷却面と前記裏面との間に前記冷却面から冷却ガスを導入して前記基板を冷却するガス導入手段と、前記冷却面に近接され、前記冷却面と前記裏面との間から前記冷却ガスが流出するのを抑制するガス流出抑制手段と、前記搬送機構と、前記薄膜形成手段と、前記冷却体と、前記ガス導入手段と、前記ガス流出抑制手段とを収容する真空容器と、を有する。

また、本発明に係る薄膜形成方法は、真空中で、表面と裏面を有する帯状の基板の前記表面上に、薄膜を形成する薄膜形成方法であって、薄膜形成領域において前記裏面に近接するように冷却面を配置する配置工程と、前記冷却面と前記裏面との間に前記冷却面から冷却ガスを導入することで前記基板を冷却しながら、かつ導入された前記冷却ガスが前記冷却面と前記裏面との間から流出するのを抑制しつつ、搬送されている前記基板の前記表面上に、前記薄膜形成領域内で薄膜を形成する薄膜形成工程を含む。

本発明によれば、真空下で基板を搬送しながら基板表面に薄膜を連続形成する際、成膜時の熱負荷を原因とする基板の変形や溶断を防止することを目的として、基板と冷却体との間に熱伝導のためにガスを導入するガス冷却を行うにあたって、基板と冷却体との間の冷却ガスの圧力を高く保持することが可能となる。これにより、薄膜形成領域全域で十分な冷却効果を達成しながらも、冷却体と基板との間から漏れるガス量を低減することができる。そのため、成膜室内の圧力が上昇して成膜レートが低下するのを回避し、さらに真空ポンプへの不必要な負荷を低減することが可能である。

本発明の実施形態１の成膜装置全体の構成を示す模式側面図 図１の冷却体８及びその周辺を基板１４の表面の側から示した構造図 図２から基板１４並びに阻害板９ｂを除いて示した構造図 図２のＡＡ’断面図 図４（ａ）の阻害板９ａ及び９ｂ近傍の拡大図 図３のＢＢ’断面図 本発明の実施形態２の成膜装置全体の構成を示す模式側面図 図６において冷却体８及びその周辺を拡大した側面断面図 評価実験で使用した装置の構成を示す模式側面図 阻害板を備えている場合において基板の幅方向温度分布を示すグラフ ガス流量と、基板と冷却面との間のガス圧力との関係を示すグラフ 阻害板を備えていない場合において基板の幅方向温度分布を示すグラフ

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施形態１である、薄膜形成領域内で基板が直線状に搬送される場合の真空成膜装置１００全体の構成を模式的に示す側面図である。ここで、「基板が直線上に搬送される」とは、特許文献１の図１に示すような円筒状キャンに沿って湾曲した状態での基板の搬送を除外することを意図しており、具体的には、複数のローラによって搬送方向に張力がかけられた状態での基板の搬送を意味している。ただし、図１に示すような側面図において、完全な直線上を基板が搬送される場合のみではなく、直線的な搬送経路内に若干の曲がり部分を含んでいる場合も含む。なお本発明は、基板を直線上に搬送する場合に限定されるものではなく、円筒状キャンに沿って湾曲した状態で基板を搬送する場合についても適用可能である。

真空容器１は内部空間を有する耐圧性の容器状部材であり、その内部空間に巻き出しローラ４、複数の搬送ローラ５及び６、薄膜形成領域２０、複数の搬送ローラ１１及び１２、巻き取りローラ１３、成膜源３、冷却体８、及び、遮蔽板１５ａ、１５ｂを収容する。

巻き出しローラ４は、軸心回りに回転自在に設けられているローラ状部材であり、その表面に帯状で長尺の基板１４が捲回され、最も近接する搬送ローラ５に向けて基板１４を供給する。

搬送ローラ５、６、１１及び１２は軸心回りに回転自在に設けられているローラ状部材であり、巻き出しローラ４から供給される基板１４を薄膜形成領域２０に誘導し、最終的に巻き取りローラ１３に導く。薄膜形成領域２０を基板１４が走行する際に、成膜源３から飛来した材料粒子が、必要に応じて原料ガス導入管（図示せず）から導入された原料ガスと反応して基板１４表面に堆積し、薄膜が形成される。

巻き取りローラ１３は、図示しない駆動手段によって回転駆動可能に設けられているローラ状部材であり、薄膜が表面に形成された基板１４を巻き取って保存する。

成膜源３には各種成膜源を用いることが出来、例えば抵抗加熱、誘導加熱、電子ビーム加熱などによる蒸発源や、イオンプレーティング源、スパッタ源、ＣＶＤ源等を用いることが出来る。また成膜源として、イオン源やプラズマ源を組み合わせて用いることも可能である。例えば、成膜源３は、薄膜形成領域２０の最下部の鉛直方向下方に設けられて、鉛直方向上部が開口している容器状部材と、当該容器状部材の内部に載置された成膜材料とを含む。成膜源３の近傍には電子銃や誘導コイル等の加熱手段（図示せず）が設けられ、これらの加熱手段によって前記容器状部材内部の成膜材料が加熱されて蒸発する。材料の蒸気は鉛直方向上方に向けて移動し、薄膜形成領域２０における基板１４表面に付着して薄膜が形成される。成膜源３は、成膜時に、基板１４に対して熱負荷を与えることになる。

遮蔽板１５ａ、１５ｂは、成膜源３から飛来した材料粒子が基板１４と接触し得る領域を薄膜形成領域２０のみに制限している。

排気手段２ａ、２ｂは真空容器１の外部に設けられて、真空容器１内部を薄膜の形成に適する減圧状態に調整する。排気手段２ａ、２ｂは、たとえば、油拡散ポンプ、クライオポンプ、ターボ分子ポンプなどを主ポンプとした各種真空排気系によって構成される。

薄膜形成領域２０内で、基板１４の裏面（成膜される表面の反対面）側には冷却体８が基板に近接して配置されている。冷却体８の材質は特に限定されず、加工形状を確保しやすい銅やアルミ、ステンレス等を始めとする金属や、カーボン、各種セラミックスやエンジニアリングプラスチックなどを用いることが出来る。特に、粉塵発生の可能性が低く、耐熱性に優れ、均温化が容易という点で、熱伝導率の高い銅やアルミ等の金属を用いることがより好ましい。

冷却体８は、冷媒によって冷却されている。冷媒は、通常、液体又は気体の物質であり、代表的には水である。冷却体８には冷媒流路（図示せず）が接して設置されるか又埋設され、この流路を冷媒が通過することで冷却体８は冷却されている。冷媒流路として配管を使用する場合、配管の材質は特に限定されず、銅やステンレス等のパイプを用いることができる。配管は溶接などによって冷却体８に取り付けられても良い。また、冷媒を通すための穴を冷却体８に直接開けることで冷媒流路を形成してもよい
基板１４の冷却能は種々の条件を変更することで調整が可能である。そのような条件として、例えば、冷却体８を冷却する冷媒の種類、流量又は温度や、冷却体８と基板裏面との間に導入するガスの流量、種類又は温度（ガス導入条件）、補助ローラ７、１０等により調整される冷却体８と基板１４との距離などが挙げられる。これらの条件は１種類のみを調整してもよく、２種類以上を組み合わせて調整してもよい。

冷却体８と基板１４の裏面との間にガスを導入する方法としては、様々な方法が可能であるが、ガスは冷却体８の冷却面（基板１４の裏面と対向する冷却体表面）８Ｓから導入される。例として、冷却体８の内部に、ガス配管１６に連結したマニホールド２３を設け、そこから冷却体８の冷却面に伸びる複数のガス導入穴２４を経由してガスを供給する。複数のガス導入穴２４は、図３で示すように、冷却面表面において均一な間隔を開けて配置しても良い。別法として、例えば横笛様の吹きだし形状を有するガスノズルを冷却体に埋め込み、そのノズルからガスを導入する方法や、冷却体８の材質として多孔質焼結金属または多孔質セラミックなどを用い、その細孔を通してガスを導入する方法等により、冷却体８と基板１４の間にガスを導入することもできる。ガス導入方法は、これらに限定されるものではなく、熱伝達媒体としてのガスを冷却体と基板との間に制御しながら導入できるのであれば、他の方法を用いることも出来る。

基板１４の搬送経路に沿って冷却面８Ｓの前後には、調整手段たる一対の補助ローラ７、１０が配置されており、基板１４の裏面に接している。これにより、薄膜形成領域２０近傍での基板１４の搬送経路を調整し、基板と冷却面との距離を微調整することが容易になる。

冷却面８Ｓと基板裏面との間には、ガスフローコントローラ１７で導入量を制御されたガスが、冷却ガス供給手段１８からガス配管１６を通して導入される。この導入されたガスが、冷却体８の冷熱を伝達して基板１４を冷却する。冷却ガス供給手段１８には、ガスボンベ、ガス発生装置などがある。

薄膜形成領域２０において、基板幅方向両端部には、基板１４の幅方向端面に対向して、直立阻害板９ａが設けられている。これにより、基板の幅方向両端部において冷却体８と基板裏面との間から漏出する基板幅方向向きの冷却ガスの流れを阻害する。

さらに、基板裏面側で、補助ローラ７、１０と冷却体８との間に、ガス漏れ防止板１９、２１が設けられている。これにより、基板１４の長手方向で、冷却体８と基板裏面との間から漏出する基板長手方向向きの冷却ガスの流れを阻害する。

以上のように、図１の薄膜形成装置によれば、巻き出しローラ４から送り出された基板１４が、搬送ローラ５及び６を経由して走行し、薄膜形成領域２０において蒸発源３から飛来した蒸気および必要に応じて酸素、窒素などの供給を受け、基板上に薄膜が形成される。この基板１４は、別の搬送ローラ１１及び１２を経由して巻き取りローラ１３に巻き取られる。これによって、表面に薄膜が形成された基板１４が得られる。

基板１４には、各種高分子フィルムや、各種金属箔、あるいは高分子フィルムと金属箔の複合体、その他の上記材料に限定されない長尺基板を用いることが出来る。高分子フィルムとしては、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリアミド、ポリイミド等が挙げられる。金属箔としては、例えば、アルミ箔、銅箔、ニッケル箔、チタニウム箔、ステンレス箔等が挙げられる。基板の幅は例えば５０〜１０００ｍｍであり、基板の望ましい厚みは例えば３〜１５０μｍである。基板の幅が５０ｍｍ未満ではガス冷却時のガスの漏れが大きいが、本発明を適用できないということではない。基板の厚みが３μｍ未満では基板の熱容量が極めて小さいために熱変形が発生しやすい。基板の厚みが１５０μｍより大きいと、巻き出しローラ４や巻き取りローラ１３から付与される張力でも基板がほとんど伸びないため、基板に部分的に発生する歪を抑えられずに冷却体と基板との間に大きな隙間が生じやすくなり、ガス冷却時のガスの漏れが大きくなる。しかし、いずれも本発明が適用できないことを示すものではない。基板の搬送速度は作成する薄膜の種類や成膜条件によって異なるが、例えば０．１〜５００ｍ／分である。搬送中の基板１４に印加される張力は、基板の材質や厚み、あるいは成膜レートなどのプロセス条件によって適宜選択される。

図２は、図１において冷却体８及びその周辺を基板１４の表面の側から見た構造図である。ただし、遮蔽板１５ａ、１５ｂは省略して示している。図３は、図２から基板１４並びに阻害板９ｂを除いて示した構造図である。図４（ａ）は図２のＡＡ’断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の阻害板９ａ及び９ｂ近傍の拡大図である。図５は図３のＢＢ’断面図である。

冷却体８の冷却面８ｓの基板幅方向長さは、基板１４の幅よりも大きく調整され、図２で示すように、冷却面８Ｓの両端部が基板両端部よりも横に広がるように配置される。さらに、冷却面８ｓの基板長手方向長さは、薄膜形成領域２０の基板長手方向長さよりも大きく設定される。以上により、薄膜形成領域の全面に対し冷却面８ｓが対向することになるので、成膜源からの熱負荷を受ける薄膜形成領域の全域において基板の均一な冷却が可能になる。

直立遮蔽板９ａは、基板に対してほぼ垂直に配置された板状部材であり、基板幅方向両端部の外側に、当該両端部の端面に対向して配置されている。この部材により、基板の幅方向端部において冷却体８と基板裏面との間から漏出する基板幅方向向きの冷却ガスの流れを阻害する。図４では、直立遮蔽板９ａは冷却面８Ｓ上に設置されているが、これに限定されるものではない。直立遮蔽板９ａの基板長手方向長さは、薄膜形成領域２０のそれよりも大きく設定される。

さらに、基板幅方向両端部近傍で、直立阻害板９ａに対してほぼ直交するように、平行阻害板９ｂが設けられている。平行阻害板９ｂは、基板表面とほぼ平行に配置された板状部材であり、基板表面に近接して配置されている。平行阻害板９ｂは、図４（ｂ）で示すように直立阻害板９ａと連結しており、この連結体の断面はＬ字型である。これによって、基板の幅方向端部において冷却体８と基板裏面との間から漏出して、基板の垂直方向（図４の上方）に向かう冷却ガスの流れを阻害することができる。さらに、平行阻害板９ｂは、薄膜形成領域２０の範囲外に配置されるか、あるいは、平行阻害板９ｂによって、基板幅方向で薄膜形成領域２０を限定してもよい。

平行阻害板９ｂは、基板両端部で、冷却面８Ｓの直上と、基板１４の直上とにまたがるように、すなわち、冷却面８Ｓの直上から延伸して基板１４の直上に突出するように配置されることが好ましい。平行阻害板９ｂの、基板１４の直上に突出している領域９ｂ′の基板幅方向長さは、小さすぎると、平行阻害板９ｂと基板１４との重なりが小さ過ぎるため、ガス漏れを抑制する効果が少なくなる。一方、上記長さが大きすぎると、ガス漏れ抑制効果はあまり向上しないにもかかわらず、成膜されない領域が増加するために好ましくない。以上の観点から、突出領域９ｂ′の基板幅方向長さは適宜調整することが好ましく、例えば１ｍｍ以上１０ｍｍ以下程度が適当である。

この突出領域９ｂ′において、基板１４は、平行阻害板９ｂと冷却面８Ｓとの間を搬送する。平行阻害板９ｂと冷却面８Ｓとの距離は小さすぎると、基板１４が搬送される際に基板と平行阻害板９ｂとが接触してしまい、基板に傷を与える可能性が高くなる。一方、この距離が大きすぎると、平行阻害板９ｂによるガス漏れ抑制効果が大きく低下する。以上の観点から、平行阻害板９ｂと冷却面８Ｓとの距離は適宜調整することが好ましく、例えば０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下程度が適当である。

図４（ｂ）においては冷却面８Ｓと直立阻害板９ａとを垂直に配置し、直立阻害板９ａと平行阻害板９ｂとを直交させて配置した断面構造図を示したが、これらに限定されず、ガス漏れ抑制効果を有する配置であれば同様に使用できる。例えば、直立阻害板９ａが基板１４側に傾斜していてもよいし、板状でなく湾曲した形状を有してもよい。また、平行阻害板９ｂが基板１４に近づくように傾斜していてもよい。さらに、直立阻害板９ａと平行阻害板９ｂとが、切り分けできない一つの部材から構成されていてもよく、さらには、１つの湾曲した部材から構成されてもよい。

本形態では、直立阻害板９ａと平行阻害板９ｂの双方を備えた場合について説明したが、これに限定されない。平行阻害板９ｂを備えず直立阻害板９ａ単独を備えた場合でも、ガス漏れ抑制効果を達成できる。しかしながら、両阻害板を備えた実施形態が望ましく、この形態によると、ガス漏れをより効率よく抑制し、冷却面８Ｓと基板１４との間の冷却ガスの圧力を十分に高めることができる。

ガス漏れ防止板１９、２１は、補助ローラ７、１０と冷却体８との間で、補助ローラ７、１０、冷却体８及び基板裏面に近接して設けられ、基板１４の長手方向で冷却面８Ｓと基板裏面との間から漏出する冷却ガスの流れを阻害する部材である。すなわち、ガス漏れ防止板１９、２１は、補助ローラ７、１０と冷却体８との間から漏出するガスの流れを阻害するために、補助ローラと冷却体との間隙を埋めるように配置される。ただし、ガス漏れ防止板が補助ローラの回転を阻害しないよう、ガス漏れ防止板と補助ローラとの間には最小限の隙間を確保する。ガス漏れ防止板１９、２１の、基板裏面と対向する表面１９Ｓ、２１Ｓは、冷却面８Ｓと同一の面上に位置するよう配置される。表面１９Ｓ、２１Ｓが冷却面８Ｓよりも突出していると表面１９Ｓ、２１Ｓが基板裏面に接触して基板に傷を与える可能性がある。ガス漏れ防止板の基板幅方向長さは、薄膜形成領域のそれよりも大きくなるように設定することが好ましい。

本形態では、直立阻害板９ａ及び平行阻害板９ｂと、ガス漏れ防止板１９ａ及び１９ｂとを備えた場合について説明した。これにより、基板の幅公報及び長手方向の双方で、ガス漏れを抑制することができるため、基板と冷却面との間のガス圧が十分に高められ好ましい。しかし、基板の幅公報のみ、あるいは、基板の長手方向のみでガス漏れを抑制する形態であっても基板と冷却面との間のガス圧をある程度維持することができるので、本発明には、直立阻害板９ａ（及び平行阻害板９ｂ）のみ、あるいは、ガス漏れ防止板１９ａ及び１９ｂのみを備える形態も含まれる。

本発明では、冷却ガスの種類は特に限定されず、ヘリウム、アルゴン、酸素等を使用できるが、同じ圧力条件下で測定した時に最も伝熱能が高い種類のガスを使用することが好ましい。この観点から、ヘリウムが特に好ましい。低圧力下での伝熱能は、熱伝達係数（単位：Ｗ／ｃｍ^２／Ｋ）により示され、この係数は、定常状態における単位面積あたりの二平面間の伝熱量を温度差で割ることで算出できる。ヘリウム、アルゴンおよび酸素ガスの熱伝達係数を求める実験の結果、表１に示す熱伝達係数の値（単位：Ｗ／ｃｍ^２／Ｋ）が得られた。この結果より、効果的な伝熱を行うために適したガスはヘリウムであることが分かる。なおこの実験では、圧力を１００Ｐａ（ピラニ真空計で測定）に設定し、平面板に１０ｃｍ角の平坦な銅板を使用した。

図１では、薄膜形成領域が１つの傾斜面に形成されている薄膜形成装置に関して例を示したが、本発明の薄膜形成装置は、薄膜形成領域が２つ以上の傾斜面に形成されていてもよく、例えば、山型、Ｖ型、Ｗ型またはＭ型の成膜走行系を含むものであっても良い。更に、基板の片面への成膜だけではなく、両面への成膜を可能にする薄膜形成装置であっても良い。さらに、薄膜形成領域は、傾斜面ではなく、水平面に配置されてもよい。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施形態２である真空成膜装置２００全体の構造を模式的に示した側面図である。真空成膜装置２００は、冷却体８の周辺構造以外は真空成膜装置１００とほぼ同様に構成される。図７は、図６において冷却体８及びその周辺を拡大した側面断面図である。この実施形態では、直立阻害板９ａ及び平行阻害板９ｂを有しているが、ガス漏れ防止板１９、２１は有していない。以下実施形態１と異なる点を説明する。

基板長手方向における直立阻害板９ａ及び薄膜形成領域の前後で、基板の表面に接するように、基板押さえロール２７ａ及び２７ｂが配置されている。基板押さえロールは、基板を走行させつつ、薄膜形成領域の外部で、基板表面から基板を冷却面８Ｓの方向に押さえる部材である。

基板押さえロール２７ａ及び２７ｂは、冷却体８に埋設され冷却面８Ｓに一部のローラ表面が露出した埋設ローラ２６ａ及び２６ｂに対向する。埋設ローラ２６ａ及び２６ｂは、露出したローラ表面で基板の裏面に接するように配置される。埋設ロール２６ａ及び２６ｂの露出表面は、冷却面８Ｓからわずかに突出するように配置することが好ましく、その突出の程度は、露出部分の最高部から冷却面８Ｓまでの距離が例えば０．１〜０．５ｍｍ程度であってよい。

この場合、基板１４は、補助ロール７に沿って搬送され、埋設ロール２６ａ及び基板押さえロール２７ａの間を通過した後、薄膜形成領域２０に到達して冷却面８Ｓに沿って走行しつつ表面に薄膜が形成される。その後、薄膜形成領域を脱し、埋設ロール２６ｂおよび基板押さえロール２７ｂの間を通過し、補助ロール１０に沿って搬送される。このように薄膜形成領域の前後で、基板を、基板押さえロール２７ａ又は２７ｂと、埋設ローラ２６ａ及び２６ｂとで上下から挟み込むようにして保持することで、基板の長手方向での冷却面と基板の間からのガス流出が抑制される。

埋設ロールと基板押さえロールとの間隔は、小さすぎると、基板１４にたわみが生じやすくなるため、折れじわになりやすく、基板１４に損傷を与える可能性がある。逆に大きすぎると、各ロールと基板１４との間に隙間が開き熱伝達能が減少するとともに、冷却体８と基板１４との間から冷却ガスが漏れてしまうことになり成膜に悪影響を与えるので好ましくない。具体的には、０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下程度の間隔が望ましい。

また、埋設ローラ２６ａ及び２６ｂは省略することもでき、この場合、基板押さえロール２７ａ及び２７ｂは、基板を介して、冷却面８Ｓに対向するよう配置されている。これにより、薄膜形成領域の前後での基板裏面と冷却面の隙間を、薄膜形成領域内での前記隙間よりも小さく保持することができるため、基板の長手方向で冷却面と基板の間からのガス流出が抑制される。

基板押さえロールと埋設ローラはいずれも、基板幅方向長さが、薄膜形成領域のそれよりも大きくなるように設定される。

以上に本発明の実施形態である薄膜形成装置の例を示したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。

薄膜形成領域内での基板の傾斜角度は各種条件を考慮して最適化することが可能である。図１で示した斜め入射成膜は、自己陰影効果で微小空間のある薄膜を形成することが出来るので、例えば高Ｃ／Ｎ磁気テープの形成や、サイクル特性に優れた電池負極の形成等に有効である。

例えば、基板として銅箔を用い、蒸発源からシリコンを蒸発させつつ、必要に応じて酸素ガスを導入することにより、長尺の電池用極板を得ることが出来る。

また、基板としてポリエチレンテレフタレートを用い、蒸着用坩堝からコバルトを蒸発させつつ、酸素ガスを導入しながら成膜を行うことにより、長尺の磁気テープを得ることが出来る。

発明を実施するための形態として上記に具体的に述べたが、本発明はこれらに限定されるものではない。

また、具体的な適用例として、シリコンを用いた電池用極板や、磁気テープ等について述べたが、本発明はこれらに限定されるものではなく、コンデンサ、センサ、太陽電池、光学膜、防湿膜、導電膜、などをはじめとする安定成膜が要求される様々なデバイスに適用可能なことはいうまでもない。

（評価実験）
以下では、本発明の真空成膜装置が備えているガス流出抑制手段が、基板温度、及び、基板と冷却面との間のガス圧力に与える影響を評価した。これらを実際の成膜時に測定することは困難であるので、成膜は行わずに実際の成膜時とほぼ同様の熱負荷を与えることで真空成膜時と同様の状態を作り出すことを可能とした真空実験装置３００を作製し、擬似的な実験を行った。

図８は、この評価実験で用いた真空実験装置３００の概略構造図である。真空実験装置３００は真空成膜装置１００と類似の構造を有しているため、異なる点のみを以下に説明する。真空実験装置３００は成膜源３を有しておらず、成膜源３とほぼ同様の熱負荷を与える部材として、薄膜形成領域に対向したヒータ３１を有し、さらに、薄膜形成領域に対向し基板表面の温度を測定する温度センサ３２と、基板と冷却面との間のガス圧を測定する真空計３３とを有する。

ヒータ３１にはウシオ電機製のハロゲンヒータを用い、温度センサ３２にはキーエンス製のデジタル放射温度センサＦＴシリーズを用い、真空計３３にはアルバック製のデジタルピラニ真空計を用いた。

温度センサ３２は、フッ化バリウムからなる窓（赤外線透過）を有する水冷した大気箱内に設置し、ヒータ３１からの熱および入射光を抑制し、基板１４の幅方向を走査するよう駆動機構（図示せず）を設けた。温度センサ３２による温度測定は、フッ化バリウム窓による光の減衰があるために、真の値よりも低めの温度を測定してしまう。そこで、あらかじめ熱電対を取り付けた放射率０．９４の物体の熱電対による値と、温度センサ３２による値とを測定し検量線を求めることで、フッ化バリウム窓越しの温度測定を高精度に行えるよう準備した。

真空計３３は、冷却体８のほぼ中央に貫通させて配置し、測定子のガス取り込み口が冷却面８Ｓと同じ高さになるように取り付けることで、冷却体８と基板１４との間の隙間のガス圧を測定できるようにした。

直立阻害板９ａは、基板１４の端部からの距離が５ｍｍになるように冷却面８Ｓ上に配置した。平行阻害板９ｂは、平行阻害板９ｂと冷却面８Ｓとの距離が２ｍｍ、平行阻害板９ｂの、基板１４の直上に突出している領域９ｂ′の基板幅方向長さが１０ｍｍとなるように、直立阻害板９ａに連結して配置した。直立阻害板９ａと基板１４との間の長さは５ｍｍとした。

冷却体８には水冷配管（図示せず）を埋設し、冷却体８の温度を２０℃で一定に保持した。

冷却ガスとしては、ヘリウムを用いた。

基板１４には、タスコジャパン製の黒体スプレーＴＨＩ−１Ｂを塗布して放射率を０．９４になるように黒くした厚み１８μｍ、幅２８０ｍｍの古河サーキットフォイル製の粗面化銅箔を用いた。

ヒータ３１にＡＣ７０Ｖの電圧を印加して基板１４を加熱し、導入するヘリウムガス流量を変化させた時の基板上の幅方向位置と基板温度を測定した結果を図９に示す。また、この時に変化させたガス流量と、基板と冷却面との間のガス圧力との関係を図１０中の実線で示す。

これらの図より、冷却体８と基板１４との間のガス圧力は、導入するヘリウムガスの流量増加に伴い単調増加し、ガス圧力が増大することで基板への伝熱が促進され、基板温度は低下することを確認できた。さらに、ヘリウムガス流量がゼロの時に基板中央付近の温度は約３５０℃であり、ヘリウムガス流量を５０ｓｃｃｍ又は２００ｓｃｃｍとした時、それぞれ約５０℃又は約１００℃の巾で温度が低下することを確認できた。

（比較評価）
真空実験装置３００において直立阻害板９ａ及び平行阻害板９ｂを省略した以外は、真空実験装置３００と同様の比較実験装置で基板１４を加熱し、基板１４の幅方向温度分布を測定した結果を図１１に示す。また、この時の圧力と流量の関係を図１０中の破線で示している。

これらの図より、冷却体８と基板１４との間のガス圧力は、上記と同様に、導入するヘリウムガスの流量増加に伴い単調増加するが、阻害板９ａ及び９ｂを備えている場合よりもガス圧力は低いことが分かった。また、ヘリウムガス流量がゼロの時に基板中央付近温度は約３８０℃であり、ヘリウムガス流量を５０ｓｃｃｍ又は２００ｓｃｃｍとした時、基板温度の低下巾はそれぞれ約３０℃又は約８０℃であり、阻害板９ａ及び９ｂを備えている場合と比べて小さいことが分かった。

以上から、真空成膜装置で、基板と冷却体との間に冷却ガスを導入して基板を冷却するにあたって、ガス流出抑制手段を備えることにより、冷却面と基板との間のガス圧力を高めることができ、より効率のよい基板冷却が可能になることが示された。

本発明の薄膜形成膜装置及び薄膜形成方法では、ガス導入によるガス冷却の効果を高めることができる。これによって、基板の変形や溶断等を防止しながら、高材料利用効率と高成膜レートを両立する薄膜形成を実現することが出来る。

１ 真空容器
２ａ、２ｂ 排気手段
３ 成膜源
４ 巻き出しローラ
５、６、１１、１２ 搬送ローラ
７、１０ 補助ローラ
８ 冷却体
８ｓ 冷却面
９ａ 直立阻害板
９ｂ 平行阻害板
１３ 巻き取りローラ
１４ 基板
１５ａ、１５ｂ 遮蔽板
１６ ガス配管
１７ ガスフローコントローラ
１８ 冷却ガス供給手段
１９、２１ ガス漏れ防止板
２０ 薄膜形成領域
２３ マニホールド
２４ ガス導入穴
２６ａ、２６ｂ 埋設ロール
２７ａ、２７ｂ 基板押さえロール

Claims (12)

1. 真空中で、表面と裏面を有する帯状の基板の前記表面上に、薄膜を形成する薄膜形成装置であって、
   前記基板を搬送する搬送機構と、
   搬送されている前記基板の前記表面上に、薄膜形成領域内で薄膜を形成する薄膜形成手段と、
   前記薄膜形成領域において前記裏面に近接する冷却面を有し、冷媒により冷却されている冷却体と、
   前記冷却面と前記裏面との間に前記冷却面から冷却ガスを導入して前記基板を冷却するガス導入手段と、
   前記冷却面に近接され、前記冷却面と前記裏面との間から前記冷却ガスが流出するのを抑制するガス流出抑制手段と、
   前記搬送機構と、前記薄膜形成手段と、前記冷却体と、前記ガス導入手段と、前記ガス流出抑制手段とを収容する真空容器と、を有する薄膜形成装置。
2. 前記ガス流出抑制手段が、
   前記基板の幅方向端面に対向して配置され、前記基板の幅方向端部から流出する前記冷却ガスの流れを阻害する第１阻害部材、を有する、請求項１に記載の薄膜形成装置。
3. 前記ガス流出抑制手段が、
   前記基板の幅方向端部の近傍で前記表面に近接して配置され、前記基板の幅方向端部から流出して前記表面に対し垂直方向に向かう前記冷却ガスの流れを阻害する第２阻害部材、をさらに有する、請求項２に記載の薄膜形成装置。
4. 前記ガス抑制手段が、
   前記基板の搬送経路における前記冷却面の前後に配置され、前記裏面に接することで前記薄膜形成領域近傍での前記基板の搬送経路を調整する調整手段、及び
   前記冷却体と前記調整手段の間に、前記冷却体及び前記裏面に近接して配置され、前記基板の長手方向で前記冷却面と前記裏面との間から流出する前記冷却ガスの流れを阻害する第３阻害部材、を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の薄膜形成装置。
5. 前記ガス抑制手段が、
   前記基板の搬送経路における前記薄膜形成領域の前後で、前記表面に接して配置され、前記冷却面に向かう力を前記基板に付加することで、前記基板の長手方向で前記冷却面と前記裏面との間から流出する前記冷却ガスの流れを阻害する基板押さえローラ、を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の薄膜形成装置。
6. 前記基板押さえローラは、前記基板を介して、前記冷却面に対向する位置に配置され、
   前記基板押さえローラによって前記裏面と前記冷却面との間隔が縮まるように、前記押さえローラと前記冷却面との間隔を設定した、請求項５に記載の薄膜形成装置。
7. 前記基板を介して基板押さえローラに対向するとともに、前記裏面に接して配置され、前記冷却体に埋設された埋設ローラ、をさらに有する、請求項５に記載の薄膜形成装置。
8. 前記冷却ガスがヘリウムである、請求項１〜７のいずれか１項に記載の薄膜形成装置。
9. 真空中で、表面と裏面を有する帯状の基板の前記表面上に、薄膜を形成する薄膜形成方法であって、
   薄膜形成領域において前記裏面に近接するように冷却面を配置する配置工程と、
   前記冷却面と前記裏面との間に前記冷却面から冷却ガスを導入することで前記基板を冷却しながら、かつ導入された前記冷却ガスが前記冷却面と前記裏面との間から流出するのを抑制しつつ、搬送されている前記基板の前記表面上に、前記薄膜形成領域内で薄膜を形成する薄膜形成工程を含む、薄膜形成方法。
10. 前記冷却ガスの流出抑制は、前記基板の幅方向端部から流出する前記冷却ガスの流れを阻害することにより行う、請求項９に記載の薄膜形成方法。
11. 前記冷却ガスの流出抑制は、さらに、前記基板の幅方向端部から流出して前記表面に対し垂直方向に向かう前記冷却ガスの流れをも阻害することにより行う、請求項１０に記載の薄膜形成方法。
12. 前記冷却ガスの流出抑制は、前記基板の長手方向で前記冷却面と前記裏面との間から流出する前記冷却ガスの流れを阻害することにより行う、請求項９〜１１のいずれかに記載の薄膜形成方法。
    

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