JP2015209577A - 成膜装置および成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高価な真空装置を使用せず、フィルム機材へ数μｍ／ｓ程度の安定した成膜速度で機能性薄膜を成膜する装置及びその方法を提供する。【解決手段】成膜装置は、被成膜基材を保持する第一電極と、被成膜基材を挟んで第一電極と対向して設けられ、成膜材料を溶融させる溶融手段を備えた第二電極と、第一電極と第二電極との間の気体分子を原子又は分子に解離させる解離手段と、第一電極と第二電極との間隔を光もしくは電磁波により計測する計測手段と、計測した信号に基づいて第一電極と前記第二電極との間隔を制御する制御手段と、を備え、溶融した成膜材料を、解離した原子又は分子に暴露し、溶融した成膜材料を蒸発させて被成膜基材に付着させることを特徴とする。【選択図】図１（ａ）

Description

本開示は、成膜装置および成膜方法に関する。

機能性薄膜は、半導体や液晶・有機ＥＬディスプレイなどの電子デバイスや光学デバイスなど多くの分野で使用されてきた。中でも半導体分野では、数ナノメートルオーダー膜厚のゲート絶縁膜や不純物の拡散防止膜、微細な構造体を形成するためのハードマスク、電気信号をやり取りする電極等に用いられてきた。

近年、太陽電池、リチウムイオン二次電池をはじめとする創・蓄・省エネデバイスは、その応用領域拡大や新興国の発展により市場が著しく拡大している。これらのデバイスに機能性薄膜を応用する場合、機能性薄膜への要望として、数ミクロン〜数十ミクロンメートルの膜厚を高速、且つ、低コストで成膜することが求められている。

これらの機能性薄膜は、従来、抵抗加熱や電子線（ＥＢ）加熱による真空蒸着法（例えば、特許文献１、非特許文献１参照。）、プラズマを使用したスパッタ法（例えば、特許文献２参照。）、化学気相堆積法（ＣＶＤ）（例えば、特許文献３参照。）などで成膜されてきた。

特開２００８−２６６７２８号公報 特開２００４−３１５８６１号公報 特開２００３−２０３９０７号公報

R. Swisher, E. Yadin and G. Pipkenvich，45th annual technical conference proceedings (2002) 535-538

前記真空蒸着法では、その動作環境として高真空以上の環境が必要であるため、クライオポンプやターボ分子ポンプなどの高コストな真空排気装置を使用しなければならない。また、所望の真空環境で成膜を行うために、容器内の真空排気、原材料の加熱、防着板の加熱等に多くの時間を有し、スループットを低下させる要因となる。また、耐熱性の悪いフィルムへの成膜に対しては、被成膜基材への熱的ダメージの軽減や膜厚の面内均一性を確保するため、加熱された原料（成膜材料の発生源）と被成膜基材（成膜場所）との距離を数十センチメートル以上確保する必要がある。この成膜距離の設定により、蒸発させた原材料のかなりの部分が、被成膜基材以外のチャンバ壁、防着板、真空部品などに付着することとなる。この付着を抑制するために防着板や真空部品を加熱することが必要になり、チャンバのクリーニング作業の負担が大きく、原料の利用効率も著しく低下させる原因となる。さらに、耐熱性の悪いフィルム等に成膜する場合の成膜速度は、成膜材料にもよるが、最も速い成膜速度のもので１００ｎｍ／ｓ〜２００ｎｍ／ｓ程度である。真空蒸着法の場合、高真空以上の環境であるため、被成膜基材を保持する冷却電極からのフィルム基材への熱伝導が悪く、成膜速度の向上を図ろうとしても、基材冷却が追いつかず、フィルム基材に熱的ダメージが入ってしまう。このため真空蒸着法では、機能性薄膜の高速成膜には限界がある。

前記スパッタ法は、成膜時の雰囲気には高真空を必要としないものの、特別な場合を除いてほぼ真空蒸着法と同程度のバックグラウンド圧力で利用されるため、やはり高価な真空排気装置が必要となる。またスパッタ法は、プラズマ中で生成させた高エネルギーイオンによる力学的衝突現象を利用しているため、被成膜基材と薄膜との密着性が良いというメリットがあるが、大きな残留応力や多数の欠陥を膜中に残留するというデメリットもある。また成膜材料や使用するイオン種にもよるが、その成膜速度は、０．１ｎｍ／ｓ〜１０ｎｍ／ｓであるため、数ミクロンメートル以上の厚膜を形成する場合には、成膜時間が極めて長くコスト上昇につながる。さらに、磁場による極小高密度プラズマの利用により面内均一性を確保するためには、原料ターゲットと基材との間隔を数センチメートル以上確保する必要がある。これにより真空蒸着法と同様、チャンバ壁面など被成膜基材以外の表面への付着物が増加し、チャンバ壁面や電極等を定期的にクリーニングするなどの作業が必要となる。

本発明は、上記課題を解決するもので、高価な真空装置を使用せず簡易な装置を用いて、フィルム基材へ数μｍ／ｓ程度の安定した成膜速度で機能性薄膜を成膜する装置及びその方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る成膜装置は、被成膜基材を保持する第一電極と、
前記被成膜基材を挟んで前記第一電極と対向して設けられ、成膜材料を溶融させる溶融手段を備えた第二電極と、
前記第一電極と前記第二電極との間の気体分子を原子又は分子に解離させる解離手段と、
前記第一電極と前記第二電極との間隔を光もしくは電磁波により計測する計測手段と、
前記計測した信号に基づいて前記第一電極と前記第二電極との間隔を制御する制御手段と、
を備え、
前記溶融した成膜材料を前記解離した原子又は分子に暴露し、前記溶融した成膜材料を蒸発させて前記被成膜基材に付着させることを特徴とする。

以上のように、本発明に係る成膜方法及び成膜方法によれば、高真空以上の真空環境が必要でなく、簡易で安価な真空設備を用いて、第一電極と第二電極の間で、導入したガス分子を解離させ、溶融した成膜材料を解離した原子又は分子に暴露することによって、溶融した成膜材料を蒸発させて被成膜基材に付着させることができる。

実施の形態１に係る成膜装置の回転軸方向からみた断面図である。 実施の形態１に係る成膜装置の回転方向からみた断面図である。 実施の形態１に係る成膜装置の回転軸方向からみた拡大断面図である。 実施の形態２に係る成膜装置の回転方向からみた断面図である。

第一の態様に係る成膜装置は、被成膜基材を保持する第一電極と、
前記被成膜基材を挟んで前記第一電極と対向して設けられ、成膜材料を溶融させる溶融手段を備えた第二電極と、
前記第一電極と前記第二電極との間の気体分子を原子又は分子に解離させる解離手段と、
前記第一電極と前記第二電極との間隔を光もしくは電磁波により計測する計測手段と、
前記計測した信号に基づいて前記第一電極と前記第二電極との間隔を制御する制御手段と、
を備え、
前記溶融した成膜材料を前記解離した原子又は分子に暴露し、前記溶融した成膜材料を蒸発させて前記被成膜基材に付着させることを特徴とする。

本構成によって、高真空以上の真空環境が必要でなく、簡易で安価な真空設備を用いて、高い成膜速度で所望の機能性薄膜を形成することができる。また、電極間隔を計測し、制御することによって、成膜速度の連続安定性を高くすることができる。

第２の態様に係る成膜装置は、上記第１の態様において、前記解離手段は、前記第一電極と前記第二電極との間に１３．５６ＭＨｚ以上であって、２００ＭＨｚ以下の高周波電圧を印加する高周波電源を含んでもよい。

本構成によって、１３．５６ＭＨｚ以上の高周波電圧を使用することで、圧力が高い場合でも高密度プラズマを生成することが可能であり、電子温度が低く、被成膜基材にはダメージを小さくすることできる。２００ＭＨｚ以下の高周波電圧であれば、比較的広い放電面積でも定在波の影響が小さく、プラズマを均一に生成でき、面内バラツキの少ない成膜速度が得られる。

第３の態様に係る成膜装置は、上記第１又は第２の態様において、前記第一電極の面積が前記第二電極の面積より大きくてもよい。

この構成によって、溶融金属を設置した第二電極側に自己バイアスがかかり、より高いエネルギーでガスが溶融金属に打ち込まれるため、高い成膜速度が得られる。また、被成膜基材には、自己バイアスがかかりにくく、ダメージを小さくすることできる。

第４の態様に係る成膜装置は、上記第１から第３のいずれかの態様において、前記第一電極の位置を可変する可動手段を備え、
前記制御手段は、前記可動手段によって前記第一電極と前記第二電極との間隔を制御してもよい。

この構成によって、第一電極を可動させて第一電極と第二電極との間隔を制御できる。そこで、成膜材料を溶融させるためのヒータが導入された第二電極を固定することができ、装置構成を簡易にすることができる。

第５の態様に係る成膜装置は、上記第１から第４のいずれかの態様において、前記第一電極と前記第二電極との間隔の制御をするため、成膜材料の供給量を可変する成膜材料供給器を備えてもよい。
この構成によって、大きな第一電極及び第二電極等の位置を可動させることなく、電極間隔を変化させることができるため、装置構成が簡易になる。

第６の態様に係る成膜装置は、上記第１から第５のいずれかの態様において、前記計測手段は、複数個のレーザを用いることを特徴とする、成膜装置。
この構成によって、大面積の電極間隔を精度良く計測でき、高い精度で電極間隔を制御することができる。

第７の態様に係る成膜装置は、上記第１から第６のいずれかの態様において、前記第一電極と前記第二電極との間に気体を供給する気体供給部をさらに備えていてもよい。

第８の態様に係る成膜装置は、上記第１から第７のいずれかの態様において、前記第一電極は、前記被成膜基材を載せて回転可能な円筒状金属ドラムであってもよい。

第９の態様に係る成膜方法は、成膜材料を溶融させ、溶融した前記成膜材料を、気体分子を解離させた原子もしくは分子に暴露し、溶融した前記成膜材料を蒸発させて、被成膜基材に付着させる成膜方法において、
溶融した前記成膜材料と前記被成膜基材との相対位置を計測し、予め設定した位置関係になるように制御しながら前記成膜材料を前記被成膜基材に成膜する。

この成膜方法によって、成膜速度を安定化させることができる。

第１０の態様に係る成膜方法は、上記第９の態様において、溶融した前記成膜材料と前記被成膜基材との間隔を、０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲に制御してもよい。

本方法によって、溶融した成膜材料から被成膜基材以外の壁や部品が遠くなるため、他の部品に成膜されることがなく、チャンバクリーニング等を軽減することができる。また、他の部品に成膜されないため、成膜材料の利用効率を高くすることができる。

第１１の態様に係る成膜方法は、上記第９の態様において、成膜時の圧力は、０．１気圧以上１気圧以下の範囲に制御してもよい。

本方法によって、高密度プラズマを生成することができると共に、雰囲気の圧力が比較的高いのでプラズマが拡散しないため、他の部品に成膜されることを低減できる。また、ガスによる熱伝導率が高いため、被成膜基材の熱を冷却した第一電極に逃がすことができるため、耐熱性の低いフィルム基材でも成膜が可能となる。

第１１の態様に係る成膜装置は、上記第９から第１１の態様において、被成膜基材を−３０℃以上１００℃以下の範囲に冷却し、成膜材料を２００℃以上８００℃以下の範囲で加熱しながら成膜を行ってもよい。

本方法により、耐熱性の低いフィルムのような被成膜基材の冷却も可能になる。また、簡易な装置で多種多様な成膜材料を溶融させることができる。また、この方法によって、耐熱性が低いフィルム基材にも成膜することができる。

以下、本発明の実施の形態に係る成膜装置及び成膜方法について、添付図面を参照しながら説明する。なお、図面において、実質的に同一の部材には同一の符号を付している。

（実施の形態１）
図１（ａ）は、実施の形態１に係る成膜装置の回転軸方向からみた断面図である。図１（ｂ）は、実施の形態１に係る成膜装置の回転方向からみた断面図である。図１（ａ）及び図１（ｂ）において、本実施の形態１に係る成膜装置は、冷却機能を備え、第一電極として機能する成膜ロール１００と、被成膜基材１４０を巻き出す巻き出しロール１１０と、被成膜基材を搬送する搬送ローラ１２０と、被成膜基材１４０を巻き取る巻き取りロール１３０と、成膜材料１５０を導入するルツボ１６０と、ルツボ１６０を載せる第二電極１７０と、第一電極である成膜ロール１００と第二電極との間に高周波電圧を印加する高周波電源１８０と、計測用光源１９０及び受光部２００とからなる計測手段と、成膜ロール１００を移動させて成膜ロール１００と第二電極１７０との間隔を変化させる可動手段２２０と、計測手段からの信号に基づいて可動手段２２０を制御する制御手段２１０と、で構成されている。

実施の形態１に係る成膜装置によれば、高真空以上の真空環境が必要でなく、簡易で安価な真空設備を用いて、第一電極と第二電極の間で、導入したガス分子を解離させ、溶融した成膜材料を解離した原子もしくは分子に暴露することによって、溶融した成膜材料を蒸発させて被成膜基材に付着させることができる。

この場合、例えば、成膜材料として金属を用いた場合、溶融金属内で解離したガスが再結合しガスに戻ることで溶融金属の表面温度を著しく上昇させ、金属を蒸発させることができる。また、溶融金属の最表面で再結合したガスが破裂することで成膜材料である溶融金属を飛散させることで、飛躍的に成膜速度を高くすることができる。さらに、第一電極と第二電極との間隔を計測し、適切な間隔に制御することで、成膜速度を安定化させることができ、機能性薄膜の膜厚バラツキを低減することができる。これにより、二次電池のような低コストで高精度デバイスにも適用することができる。

なお、図示はしていないが、この成膜装置の外側には簡易の真空チャンバを設けてもよい。この真空ポンプによって数Ｐａ程度まで真空引きすることができる。真空チャンバには、ガスを導入できるようになっており、０．１気圧以上の１気圧以下の任意の圧力に設定することが可能である。

＜被成膜基材＞
被成膜基材１４０としては、フィルム状のものであればよい。被成膜基材１４０として、例えば高分子フィルムを使用できる。なお、被成膜基材１４０は、高分子フィルムに限られるものではなく、金属薄膜フィルムなどの厚さ２００ミクロンメートル以下のフィルム状であればよい。なお、被成膜基材１４０自体は成膜装置の構成に含む必要はない。

以下に、実施の形態１に係る成膜装置の構成部材について説明する。

＜成膜ロール（第一電極）＞
成膜ロール（成膜ドラム）１００としては、被成膜基材１４０を載せることができるロール形状のものであればよい。例えば、円筒型金属製ドラムを使用してもよい。この成膜ロールは、回転軸２３０方向に長い構造になっている（図１（ｂ）参照）。成膜ロール１００の内部には、冷却溶媒が流れており、被成膜基材１４０の温度制御ができる。また、成膜ロール１００は、プラズマ発生時の第一電極として働くため、回転軸に沿って銅製のダンパーを設け、ダンパーとチャンバ側面とが接触するようにし、アースが取れやすくできる構造になっている。例えば、成膜ロール（成膜ドラム）１００として、Φ１９０ｍｍの円筒型金属製ドラムを使用してもよい。

例えば、被成膜基材１４０として耐熱性の低い高分子系フィルムを使用する場合、成膜ロール１００を２０℃以下に設定すればよい。なお、成膜ドラム１００の設定温度は、上記２０℃に限られず、−３０℃以上、１００℃以下で制御できればよい。空気中の水分と反応しやすいリチウム等の材料などを成膜する場合、環境の露点温度を−３０℃ｄｐ以下で使用することが多い。この環境下で成膜装置を使用する場合、−３０℃以下では結露してしまうため、温度の設定範囲は、−３０℃以上が好ましい。また、耐熱性の低いフィルム等を被成膜基材１４０に用いた場合、成膜する膜質を良くするためにはできるだけ高温で成膜したいが、フィルムが熱的ダメージを受けない１００℃以下の設定にすることが望ましい。

＜巻き出しロール、搬送ローラ、巻き取りロール＞
被成膜基材１４０は、巻き出しロール１１０から搬送ローラ１２０を介して、冷却機能を備えた成膜ロール１００に搬送され、成膜ロール１００の下部で被成膜基材１４０の表面に膜を成膜し、その後、成膜材料１５０が成膜された被成膜基材１４０は、搬送ローラ１２０を通り、巻き取りロール１３０に巻き取られる。
巻き出しロール１１０と巻き取りロール１３０には、ロールの回転制御によって、被成膜基材１４０に張力がかかるようになっている。これによって、冷却した成膜ドラム１００の表面に被成膜基材１４０が密着し冷却効率を上げることができる。

＜第二電極＞
第二電極１７０は、成膜材料１５０を溶融させる溶融手段であるルツボ１６０を載せている。

＜溶融手段＞
溶融手段としては、例えば、ルツボ１６０を使用してもよい。ルツボ１６０としては、金属製ルツボを使用できる。例えば、１００ｘ２０ｍｍの開口部をもった金属製のルツボを使用してもよい。また、ルツボ１６０に成膜材料１５０を載せ、第二電極１７０に備え付けたヒータにより加熱し、ルツボ１６０内の成膜材料１５０を溶融させる。ヒータ温度は、２００℃以上８００℃以下であることが望ましい。融点の低いリチウム（融点１８０℃）やインジウム（融点１５６℃）、錫（融点２３２℃）などを溶融させるためには、２００℃以上の温度が必要である。例えば、３５０℃に設定してもよい。ヒータ温度の設定は、高温であれば溶融する金属種類も増えるため本発明に係る成膜装置の応用範囲も広がるが、８００℃以上に加熱する場合、高コストな耐熱部材が必要になり、装置コストも大幅に増加する。また、被成膜基材１４０として用いる高分子フィルムも熱的ダメージが大きくなるため、高分子フィルムには成膜できなくなる。低コストの耐熱部材で装置を作製するためには、ヒータ温度は８００℃以下であることが望ましい。

＜解離手段＞
解離手段としては、第一電極である成膜ロール１００と第二電極１７０との間に高周波電圧を印加する高周波電源１８０である。この高周波電源１８０は、１３．５６ＭＨｚ以上、２００ＭＨｚ以下の高周波電圧を印加可能なものであればよい。また、１００ＭＨｚの高周波電圧を利用できる。なお、１３．５６ＭＨｚ以上の高周波であれば比較的高い圧力下（０．１気圧以上）で成膜ロール１００と第二電極１７０との間に高密度なプラズマを得ることができる。プラズマ駆動周波数が高いほど、高い圧力領域で放電がつきやすく、電子温度が低いため、被成膜基材１４０にダメージを低減することができる。しかしながら、放電領域が幅広くなるに従い、定在波の影響が無視できなくなり、放電にバラツキ（不均一）が生じるため、２００ＭＨｚ以下の高周波でプラズマを生成することが望ましい。

成膜材料１５０を投入するルツボ１６０及び高周波電圧を印加する第二電極１７０の形状は、成膜ロール１００の回転方向に対して１０ｍｍ以上、１００ｍｍ以下であることが望ましい。回転方向に対して電極長さが１０ｍｍ以下であると、成膜される面積が少なく、生産タクトが極端に減少する。また、電極長さが長いと成膜面積が広がり、生産タクトが向上するが、１００ｍｍ以上になると被成膜基材１４０が放電内を通過する時間が長くなりすぎるため、被成膜基材１４０に成膜された材料が再蒸発したり、被成膜基材１４０が熱的ダメージを受けやすくなる。

成膜材料１５０を投入するルツボ１６０及び高周波電圧を印加する第二電極１７０の形状は、回転軸方向に対して、電極幅１００ｍｍ以上、５００ｍｍ以下であることが望ましい。電極幅が１００ｍｍ以下であると、一度に成膜される領域が小さくなり、生産タクトが極端に減少する。また、電極幅を長くすると再蒸発や被成膜基材１４０の熱的ダメージの要因になる放電内通過時間を長くすることなく、成膜面積を広げることができ、生産タクトおよび生産コストを下げることができる。しかしながら、電極幅が５００ｍｍ以上になると高周波定在波の影響が無視できなくなり、放電にバラツキ(不均一)が生じやすくなるため、プラズマ周波数を低くしなければならない。プラズマ周波数を低くすると、圧力が高い領域で放電しにくくなり、高密度プラズマが得られにくくなる。

さらに、成膜材料１５０を投入するルツボ１６０及び高周波電圧を印加する第二電極１７０の面積は、成膜ロール１００の面積よりも小さくすることが望ましい。この構成によって、溶融金属を設置した第二電極１７０側に自己バイアスがかかり、より高いエネルギーでガスが溶融金属に打ち込まれるため、高い成膜速度が得られる。また、被成膜基材１４０側には、自己バイアスがかかりにくく、ダメージを小さくすることできる。

図２は、実施の形態１に係る成膜装置の回転軸方向からみた拡大断面図である。成膜ロール１００の面積とは、円柱の成膜ロール１００の高さ方向の長さと図２に示すように成膜ロール１００と溶融した成膜材料１５０との間の放電間ギャップ１５５の二倍高さから成膜ロール１００に垂直に伸ばした点の間に挟まれた成膜ロール１００の弧の長さ２３５を掛け合わしたものと定義する。これは、０．１気圧以上１気圧以下の圧力範囲でプラズマを生成したときのプラズマの広がりから概算したものである。第二電極１７０の面積は、成膜材料１５０を設置した面のルツボ１６０の面積とする。

＜成膜材料＞
成膜材料としては、インジウム、リチウム、錫、アルミニウム、銅、銀、金、ナトリウム、カルシウム、ガリウム、鉄、シリコン、ゲルマニウムおよびその含有金属を用いることができる。例えば、融点の低いリチウム（融点１８０℃）やインジウム（融点１５６℃）、錫（融点２３２℃）などを成膜材料として用いてもよい。

また、メタノール（ＣＨ_３ＯＨ）、エタノール（Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ）、アセトン（ＣＨ_３ＣＯＣＨ_３）などのアルコール類（炭化水素系物質）を成膜材料に使用することで、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）などの炭化水素系薄膜を成膜することもできる。さらに、シラノール（ＳｉＨ_３ＯＨ）、ヘキサメチルジシロキサン（ＨＭＤＳＯ）、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）やメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）などのシリコン含有系物質を成膜材料に使用することでシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）、シリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ）、ＳｉＯＣ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＯＣＮ膜などのシリコン系薄膜を高速成膜することもできる。

＜気体（ガス）＞
気体としては、水素ガス単体か、水素と希ガス（Ｈｅ、Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ、Ｘｅ）との混合ガスを用いることが望ましい。また、メタン（ＣＨ_４）、アンモニア（ＮＨ_３）、水（Ｈ_２Ｏ）、アセチレン（Ｃ_２Ｈ_４）などの水素原子を含むガスや水素ガスとの混合ガスを使用することもできる。なお、例えば、ガスとしては、アルゴン（Ａｒ）と水素（Ｈ_２）の混合ガスを使用してもよい。これによって、成膜材料として金属を用いた場合に、溶融金属表面での水素原子が水素分子になる際、表面温度上昇や、金属表面で再結合したガスの気泡が破裂することで成膜材料を飛散させることで、飛躍的に成膜速度を高くすることができる。なお、気体は、溜め込み式で用いてもよく、あるいは一定量の気体を供給しながら一定量の気体を排気してもよい。
また、気体の圧力は、０．１気圧以上、１気圧以下の範囲であればよい。このように一般的な成膜圧力よりも高い圧力とすることによって、成膜ロール１００と被成膜基材１４０との間のガスによる熱伝導率が高くなり、効率良く被成膜基材１４０を冷却することができ、熱的ダメージを低減することができる。

この成膜装置では、上記のように成膜ロール１００と溶融した成膜材料１５０との間で、高密度プラズマを生成させる。例えば、気体として水素を含むガスを用いた場合には、プラズマによって分解された多量の水素原子を生成し、成膜材料１５０は、生成した水素原子、ガスに含まれる水素分子に暴露される。これにより、水素原子が成膜材料１５０である溶融金属に溶け込み、溶融金属表面での水素原子が水素分子に再結合する際に発生する熱によって、溶融金属の表面温度を著しく上昇させる。これによって金属を蒸発させることができる。さらに溶融金属表面で再結合した水素ガスの気泡が破裂することで成膜材料１５０である溶融金属を飛散させることで、飛躍的に成膜速度を高くすることができる。

また、０．１気圧以上、１気圧以下という一般的な成膜圧力よりも高い圧力で成膜を行うことによって、成膜ロール１００と被成膜基材１４０との間のガスによる熱伝導率が高くなり、効率良く被成膜基材１４０を冷却することができ、被成膜基材１４０への熱的ダメージを低減することができる。さらに、高い圧力で成膜ロール１００と成膜材料１５０との狭いギャップ内でプラズマを生成させるため、壁や他の真空部品に成膜材料１５０が付着されることがなく、チャンバクリーニング等の労力を最小限に抑えることができ、さらには成膜材料１５０の利用効率も飛躍的に向上させることができる。

＜可動手段＞
可動手段２２０によって成膜ロール１００を移動させ、成膜ロール１００と成膜材料１５０との相対位置を変化させる。例えば、図１（ａ）に示すように、可動手段２２０によって成膜ロール１００を矢印の両方向に移動させることができる。

＜計測手段＞
成膜ロール（第一電極）１００と成膜材料１５０（第二電極１７０上のルツボ１６０の上面）との間隔を計測する計測手段としては、成膜ロール１００と成膜材料１５０との間に設けたギャップ計測用光源１９０と受光部２００とからなる。この計測手段によって、ギャップ計測用光源１９０からの光を成膜ロール１００と成膜材料１５０の間隔を介して受光部２００で受け、放電中の成膜ロール１００と成膜材料１５０の間隔を計測する。計測手段による計測結果に基づいて、制御機器２１０で予め設定した電極間隔になるように可動手段２２０によって成膜ロール１００の位置を変化させる（ギャップは０．５ｍｍから１０ｍｍの間で制御可能）。
なお、計測に使用する光源１９０は、赤外線レーザであることが望ましい。これにより、電極１００、１７０間で発生するプラズマの光の影響を受けずに成膜ロール１００と成膜材料１５０との間隔を精度良く計測することができる。
また、計測手段として、ギャップ計測用光源１９０及び受光部２００の代わりにフィルターを取付けたカメラを用いても良い。フィルターによってプラズマの光をカットさせ、成膜ロール１００と成膜材料１５０との間隔を低コストで計測することが可能となる。

＜制御機器（制御手段）＞
制御機器（制御手段）２１０としては、汎用のコンピュータ、マイクロプロセッサ等を用いることができる。制御機器２１０は、計測手段による計測結果に基づいて、予め設定した間隔になるように成膜ロール１００の位置を変化させる。これによって、成膜速度を安定化させ、初期放電をつけやすくできる。

＜本開示の基礎となった知見＞
本発明者は、成膜材料１５０として金属を用い、気体として水素を含むガスを用いた場合に、プラズマにより解離した水素原子が、成膜材料１５０である溶融金属に溶け込み溶融金属を膨張させ、溶融金属の表面が盛り上がることで、成膜ロール１００と成膜材料１５０とのギャップが変化してしまい、成膜速度が不安定になるという問題を見出した。

本発明者は、上記計測手段及び制御機器２１０によって、成膜ロール１００と成膜材料１５０とのギャップを予め設定した間隔に制御できるので、成膜速度が不安定になることを抑制できることを見出し、上記計測手段及び制御機器２１０を備えた実施の形態１に係る成膜装置の構成に至った。

なお、第一電極１００と第二電極１７０との間隔を予め設定した間隔に制御するにあたっては、第一電極１００である成膜ロールを可動させる場合と、第二電極１７０を可動させる場合と、の２つの方法がある。両者を対比すれば、高周波電圧を印加し溶融した成膜材料１５０を設置している第二電極１７０の位置を可変させるよりは、アース電極である成膜ロール１００の位置を可変させたほうが、構造的に簡易になり制御しやすいメリットがある。これにより、溶融した成膜材料１５０を動かさないため、溶融金属表面が安定し、成膜速度の安定に繋がる。この機構を用いることにより、成膜速度を安定化させ、初期放電をつけやすくすることができる。

成膜ロール１００と成膜材料１５０との間隔は、０．５ｍｍから１０ｍｍの間隔に制御することが望ましい。例えば、３ｍｍの間隔で成膜を行ってもよい。上記範囲の間隔に制御することで、０．１気圧以上、１気圧以下でプラズマを生成することができ、間隔が近いため、高速成膜が期待できる。さらに、壁や他の真空部品に成膜材料が付着されることがなく、チャンバクリーニング等の労力を最小限に抑えることができ、さらには成膜材料の材料利用効率も飛躍的に向上させることができる。

＜成膜方法＞
以下に、実施の形態１に係る成膜方法について説明する。
（１）被成膜基材１４０を用意する。例えば、被成膜基材１４０を巻き出しロール１１０から搬送ローラ１２０を介して、冷却機能を備えた成膜ロール１００上に搬送する。
（２）成膜材料１５０を溶融させる。例えば、第二電極１７０の上に載せたルツボ１６０内の成膜材料１５０を、ヒータで加熱して溶融させる。
（３）気体を供給する。例えば、真空チャンバ（図示せず）内にアルゴン（Ａｒ）と水素（Ｈ_２）の混合ガスを導入し、圧力を０．１気圧に設定する。例えば、使用ガスの低減のためにガスは溜め込み式で使用してもよい。
（４）気体分子を解離させる。例えば、成膜ロール１００と第二電極１７０との間に高周波電源１８０からマッチング回路(図示なし)を介して１００ＭＨｚの高周波を印加し、成膜ロール１００と溶融した成膜材料１５０との間隙で高密度プラズマを発生させる。
（５）溶融した成膜材料１５０を解離した原子又は分子に暴露し、溶融した成膜材料１５０を蒸発させる。例えば、成膜ロール１００と溶融した成膜材料１５０との間で、高密度プラズマを生成させることによって、プラズマによって分解された多量の水素原子を生成し、成膜材料１５０を、解離によって生成した水素原子、及び、ガスに含まれる水素分子に暴露する。これにより、水素原子が成膜材料１５０である溶融金属に溶け込み、溶融金属表面での水素原子が水素分子に再結合する際に発生する熱によって、溶融金属１５０の表面温度を著しく上昇させる。これによって金属を蒸発させることができる。
（６）溶融した成膜材料１５０と被成膜基材１４０との間隔を計測し、予め設定した間隔に制御する。例えば、放電中の成膜ロール１００と成膜材料１５０の間隔を光学的に計測し、計測結果に基づいて、制御機器２１０で予め設定した間隔になるように成膜ロール１００の位置を変化させる。
以上によって蒸発させた成膜材料１５０を被成膜基材１４０に成膜できる。

実施の形態１に係る成膜方法によれば、高真空以上の真空環境が必要でなく、簡易で安価な真空設備を用いて、第一電極と第二電極の間で、導入したガス分子を解離させ、溶融した成膜材料を解離した原子もしくは分子に暴露することによって、溶融した成膜材料を蒸発させて被成膜基材に付着させることができる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２に係る成膜装置の回転方向からみた断面図である。図３において、図１（ａ）及び図１（ｂ）と同じ構成要素のものは同じ符号を用い、説明は省略する。実施の形態１との違いは、成膜材料供給器２４０から成膜材料を供給し、成膜ロール１００と成膜材料１５０間のギャップを制御することである。

＜本開示の基礎となった知見＞
長時間連続で成膜を実施する場合、成膜材料１５０を大量に投入しなければならない。これにより、プラズマにより解離した水素原子が、溶融金属に溶け込み溶融金属を膨張させ、溶融金属の表面を盛り上げる量も大きくなる。そのため、実施の形態１に係る成膜装置及び成膜方法では、成膜ロール１００を制御する範囲が広くなり、可動手段２２０の構造が大掛かりになる。さらに、安定成膜できる時間が短くなり、材料の温度調整、装置のメンテナンス、材料の導入、基材の設置等にかかる装置のダウンタイムが長くなり、結果的に生産タクトを低くなってしまうおそれがあった。

これに対して、本発明者は、成膜材料供給器２４０から成膜材料１５０を供給し、成膜ロール１００と成膜材料１５０とのギャップを制御することによって、成膜材料１５０を常に供給できるため、連続長時間の成膜が可能となり、装置のダウンタイムを短くでき、生産タクトも上げることができることを見出し、実施の形態２に係る成膜装置の構成に至った。

この実施の形態２に係る成膜装置によれば、成膜ロール１００と成膜材料１５０間のギャップを測定するための受光部２００からの信号を制御機器２１０で演算し、予め設定した電極間隔になるように成膜材料１５０の量を調整する。成膜材料供給器２４０の上部からＡｒガスなどのガスを導入することで圧力をかけ、溶融した成膜材料１５０を加熱配管２５０に送り、第二電極１７０上のルツボ１６０に供給することによって成膜材料１５０の量の調整を行う。

以上の構成によって、成膜材料供給器２４０からルツボ１６０に成膜材料１５０を常に供給できるため、連続長時間の成膜が可能となり、装置のダウンタイムを短くでき、生産タクトも上げることができる。また、ルツボ１６０中に供給される成膜材料１５０を一定量に保つことができるため、ルツボ１６０に成膜材料１５０を大量に供給する場合に比べて可動手段２２０によって成膜ロール１００を制御する範囲を狭く保つことができ、より安定した成膜を実現できる。

実施の形態１の成膜ロール１００との可動と併せて実施することで、精度の高いギャップ制御が可能になり、成膜速度の安定化を図ることができる。

本発明は、簡易な真空装置を用いて、高い成膜速度を安定に機能性薄膜を成膜できる成膜装置であるため、コスト競争力の激しい太陽電池や二次電池などデバイスの量産工法に使用することができる。

１００ 成膜ドラム（第一電極）
１１０ 巻き出しロール
１２０ 搬送ローラ
１３０ 巻き取りロール
１４０ 被成膜基材
１５０ 成膜材料
１６０ ルツボ（溶融手段）
１７０ 第二電極
１８０ 高周波電源（解離手段）
１９０ 計測用光源
２００ 受光部
２１０ 制御機構（制御手段）
２２０ 可動手段
２３０ 回転軸
２４０ 成膜材料供給器
２５０ 加熱配管

Claims (12)

1. 被成膜基材を保持する第一電極と、
   前記被成膜基材を挟んで前記第一電極と対向して設けられ、成膜材料を溶融させる溶融手段を備えた第二電極と、
   前記第一電極と前記第二電極との間の気体分子を原子又は分子に解離させる解離手段と、
   前記第一電極と前記第二電極との間隔を光もしくは電磁波により計測する計測手段と、
   前記計測した信号に基づいて前記第一電極と前記第二電極との間隔を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記溶融した成膜材料を、前記解離した原子又は分子に暴露し、前記溶融した成膜材料を蒸発させて前記被成膜基材に付着させることを特徴とする成膜装置。
2. 前記解離手段は、前記第一電極と前記第二電極との間に１３．５６ＭＨｚ以上であって、２００ＭＨｚ以下の高周波電圧を印加する高周波電源を含むことを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記第一電極の面積が前記第二電極の面積より大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の成膜装置。
4. 前記第一電極の位置を可変する可動手段を備え、
   前記制御手段は、前記可動手段によって前記第一電極と前記第二電極との間隔を制御することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の成膜装置。
5. 前記第一電極と前記第二電極との間隔の制御をするため、成膜材料の供給量を可変する成膜材料供給器を備える請求項１から４のいずれか一項に記載の成膜装置。
6. 前記計測手段は、複数個のレーザを用いることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の成膜装置。
7. 前記第一電極と前記第二電極との間に気体を供給する気体供給部をさらに備えた、請求項１から６のいずれか一項に記載の成膜装置。
8. 前記第一電極は、前記被成膜基材を載せて回転可能な円筒状金属ドラムである、請求項１から７のいずれか一項に記載の成膜装置。
9. 成膜材料を溶融させ、溶融した前記成膜材料を、気体分子を解離させた原子もしくは分子に暴露し、溶融した前記成膜材料を蒸発させて、被成膜基材に付着させる成膜方法において、
   溶融した前記成膜材料と前記被成膜基材との相対位置を計測し、予め設定した位置関係になるように制御しながら前記成膜材料を前記被成膜基材に成膜する成膜方法。
10. 溶融した前記成膜材料と前記被成膜基材との間隔を、０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲に制御することを特徴とする請求項９に記載の成膜方法。
11. 成膜時の圧力は、０．１気圧以上１気圧以下の範囲に制御することを特徴とする請求項９又は１０に記載の成膜方法。
12. 前記被成膜基材を−３０℃以上１００℃以下の範囲に冷却し、成膜材料を２００℃以上８００℃以下の範囲で加熱しながら成膜を行う、請求項９から１１のいずれか一項に記載の成膜方法。