JP2016204727A

JP2016204727A - 成膜装置

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Publication number: JP2016204727A
Application number: JP2015091196A
Authority: JP
Inventors: 幸大徳永; Yukihiro Tokunaga; 光佐竹; Hikaru Satake; 浩行上林; Hiroyuki Kamibayashi
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2015-04-28
Filing date: 2015-04-28
Publication date: 2016-12-08
Anticipated expiration: 2035-04-28
Also published as: JP6481486B2

Abstract

【課題】フィルム基材表面を耐熱温度以上に加熱しながら成膜可能で、成膜室の限られた中でも成膜時のフィルム基材の温度分布を調整可能で、形成される薄膜の特性を向上させる成膜装置の提供。
【解決手段】真空排気機構と、ロール状のフィルム基材４を巻き出す巻き出しロール１１と、フィルム基材４を巻き取る巻き取りロール１９と、巻き出しロール１１と巻き取りロール１９との間に設置した温調ロール１５と、搬送されるフィルム基材４の温調ロール４とは反対の面側に設置したフィルム基材４への膜形成機構とを備える成膜装置１。膜形成機構１が、フィルム基材４に成膜を行う為のマグネトロンスパッタリングカソード２１と、スパッタリングカソードの前後にフィルム基材４を表面側から加熱するランプヒーター２０、２２とを配置し、少なくとも一方のランプヒーターは照射角度可変のリフレクターを有し、フィルム基材４を加熱しつつ連続で成膜を行う成膜装置１。
【選択図】図１

Description

本発明は、減圧下でフィルム基材上に連続で成膜を行う成膜装置に関するものであり、フィルム基材を加熱しながら連続で成膜を行う成膜装置に関する。

真空内でフィルム基材上に成膜を行う方法として、従来、真空蒸着法やスパッタリング法、プラズマＣＶＤ法等、種々の成膜方法が利用されており、これらの方法で機能性薄膜が成膜されたフィルムは、食品、医薬品の包装用途、電子ペーパー、太陽電池、ディスプレイ用透明電極などの電子部材用途など様々な分野で利用されている。前記成膜方法において、成膜される薄膜の膜質向上を実現するために、フィルム基材を加熱しながら成膜する方法や成膜前段階でフィルム基材を加熱処理する方法が知られている。その加熱方法として、加熱ロールにより成膜時に基材の膜形成面と逆の面から加熱する方法（特許文献１）や、成膜前段階で赤外線ランプ、紫外線ランプを照射し表面および／または裏面を加熱する方法（特許文献２）などが挙げられる。

特開２０１３−１２４４１３号公報特開平９−２５５６０号公報

しかしながら、フィルム基材はガラスや金属材料に比べて、耐熱性が低く、耐熱温度以上の温度をフィルム基材に加えるとしわや白化などが発生してしまうため、耐熱温度以下で成膜を行わなければならない。特に、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法などでは、成膜時にプラズマにより発生する熱の影響から、フィルム基材を冷却しながら成膜することがほとんどである。そのため、フィルム基材の耐熱性を下回る温度での成膜やフィルム基材を冷却しながらの成膜においては、形成される薄膜の大幅な特性の向上は期待できない。

また、赤外線ランプや紫外線ランプを照射して成膜前段階でフィルム基材表面を加熱する方法は、フィルムから発生するガスを効果的に取り除くことができるが、成膜時に基材表面温度は低下してしまうため、形成される薄膜の大幅な向上は期待できない。

本発明は、このような従来の技術の課題を解決するためになされたもので、フィルム基材表面を簡便に耐熱温度以上に加熱しながら成膜可能であり、成膜室の空間が限られた中でも成膜時のフィルム基材の温度分布を調整可能な成膜装置を提供する。

本発明は、かかる課題を解決するために、次のような構成を採る。
（１）真空排気機構と、ロール状のフィルム基材を巻き出す巻き出しロールと、前記フィルム基材を巻き取る巻き取りロールと、前記巻き出しロールと前記巻き取りロールとの間に設置された温調ロールと、前記温調ロール上を搬送されるフィルム基材の前記温調ロールとは反対の面側に設置された該フィルム基材への膜形成機構とを備える成膜装置であって、以下の（ｉ）〜（ｖ）のいずれかを満たす成膜装置。
（ｉ）前記膜形成機構の巻き出し側にランプヒーター（Ａ）を有し、該ランプヒーター（Ａ）が照射角度可変のリフレクター（Ｃ）を有する
（ｉｉ）前記膜形成機構の巻き取り側にランプヒーター（Ｂ）を有し、該ランプヒーター（Ｂ）が照射角度可変のリフレクター（Ｄ）を有する
（ｉｉｉ）前記膜形成機構の巻き出し側にランプヒーター（Ａ）および前記膜形成機構の巻き取り側にランプヒーター（Ｂ）を有し、該ランプヒーター（Ａ）が照射角度可変のリフレクター（Ｃ）を有する
（ｉｖ）前記膜形成機構の巻き出し側にランプヒーター（Ａ）および前記膜形成機構の巻き取り側にランプヒーター（Ｂ）を有し、該ランプヒーター（Ｂ）が照射角度可変のリフレクター（Ｄ）を有する
（ｖ）前記膜形成機構の巻き出し側にランプヒーター（Ａ）および前記膜形成機構の巻き取り側にランプヒーター（Ｂ）を有し、該ランプヒーター（Ａ）が照射角度可変のリフレクター（Ｃ）を有し、該ランプヒーター（Ｂ）が照射角度可変のリフレクター（Ｄ）を有する
（２）前記リフレクター（Ｃ）が平行光型リフレクター、集光型リフレクターまたはパラボラ型リフレクターのいずれかである（１）に記載の成膜装置。
（３）前記リフレクター（Ｄ）が平行光型リフレクター、集光型リフレクターまたはパラボラ型リフレクターのいずれかである（１）または（２）に記載の成膜装置。
（４）前記ランプヒーター（Ａ）および／または前記ランプヒーター（Ｂ）が０．８〜２．５μｍにピーク波長をもつ赤外ヒーターである（１）〜（３）のいずれかに記載の成膜装置。
（５）前記ランプヒーター（Ａ）および／または前記ランプヒーター（Ｂ）がハロゲンランプヒーターである（１）〜（３）のいずれかに記載の成膜装置。
（６）前記膜形成機構がスパッタリング法による膜形成機構である（１）〜（５）のいずれかに記載の成膜装置。

本発明によれば、フィルム基材表面を簡便に耐熱温度以上に加熱しながら成膜可能であり、成膜室の空間が限られた中でも成膜時のフィルム基材の温度分布を調整可能であり、形成される薄膜の特性を向上させることができる。

本発明の成膜装置の一例を示す模式図である。図１におけるマグネトロンスパッタリングカソード２１付近の拡大図である。平行光型リフレクターを備えたランプヒーターの一例を示す模式図である。集光光型リフレクターを備えたランプヒーターの一例を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明するが、本発明は、請求項の内容を満足する成膜装置であればよく、この図に限られるものではない。

また、成膜装置の一例として、フィルム基材表面に膜形成機構としてマグネトロンスパッタリングカソードを備えた成膜装置を例に挙げて説明する。なお、マグネトロンスパッタリングカソードを備えた成膜装置は、ロール・ツー・ロール方式で搬送されるフィルム基材表面に連続的に効率良く成膜処理を施す場合に好適に用いられる装置である。

［成膜装置］
本発明の成膜装置は、図１に示すようにロール状のフィルム基材の巻き出しと巻き取りを行う巻出・巻取室２とフィルム基材に成膜を行う成膜室３からなることが好ましい。巻出・巻取室２と成膜室３は、それぞれ図示しない真空排気機構に接続されていることが好ましい。巻出・巻取室２と成膜室３がそれぞれ別々の真空排気機構に接続されていることにより、それぞれの部屋を効率良く減圧下にすることができる。真空排気機構は、成膜装置内を減圧してその状態を維持するため、ドライポンプ、ターボ分子ポンプ、クライオコイル等の種々の真空排気機構が具備されることが好ましい。

巻出・巻取室２には、フィルム基材４を巻き出す巻き出しロール１１とフィルム基材４を巻き取る巻き取りロール１９、前記巻き出しロール１１と巻き取りロール１９の間にはフィルム基材４の張力を測定する張力センサーロール１２、１８、フィルム基材４の搬送をガイドするガイドロール１３、１４、１６、１７が配置されている。巻き出しロール１１と巻き取りロール１９においては、パウダークラッチなどによるトルク制御によりフィルム基材４の張力バランスが保たれていることが好ましい。成膜室３には、フィルム基材４の温度調整を行うことができる温調ロール１５、フィルム基材４に成膜を行うためのマグネトロンスパッタリングカソード２１、前記スパッタリングカソード２１の前後にフィルム基材４を表面側から加熱するためのランプヒーター２０、２２が配置されている。

前記マグネトロンスパッタリングカソード２１とランプヒーター２０、２２が配置されている成膜室３は、スパッタリング成膜を行うために到達圧力１×１０^−４Ｐａ程度までの減圧と、その後のスパッタリングガス導入による０．０１〜１０Ｐａ程度の圧力調整が行われることが好ましい。スパッタリングガスにはアルゴン等の公知のガスが使用され、反応性スパッタリングを行う場合等は必要に応じて酸素等のガスが添加されてもよい。成膜室３を構成する真空チャンバーの形状や材質は特に限定されず、種々のものを使用することができる。また、フィルム基材に薄膜を形成する機構として、プラズマＣＶＤ法、真空蒸着法等も公知の方法であるが、フィルム基材が熱負けしにくく成膜することができれば、成膜方法はいかなる方法でも構わない。尚、図１のようにマグネトロンスパッタリングにより成膜を行う場合には、板状ターゲットやロータリーターゲット等を使用することができる。

成膜室３の前後には前処理室や後処理室を配置しても構わない。前処理室を配置する場合、フィルム基材のアニール処理やプラズマ処理、クリーニングローラー等による基材表面の洗浄処理、シード層の形成等が考えられる。また、後処理室を配置する場合、薄膜の積層やフィルム基材を巻き取る前のクリーニング、保護フィルムの形成等が考えられる。上記、処理室は必要に応じて配置され、それぞれの処理室には図示しない真空排気機構が具備される。

［ランプヒーター］
本発明のランプヒーターに関して説明する。

本発明のランプヒーターは成膜室内に以下のいずれかを満たす形で配置されることが好ましい。
（ｉ）前記膜形成機構の巻き出し側にランプヒーター（Ａ）を有し、該ランプヒーター（Ａ）が照射角度可変のリフレクター（Ｃ）を有する
（ｉｉ）前記膜形成機構の巻き取り側にランプヒーター（Ｂ）を有し、該ランプヒーター（Ｂ）が照射角度可変のリフレクター（Ｄ）を有する
（ｉｉｉ）前記膜形成機構の巻き出し側にランプヒーター（Ａ）および前記膜形成機構の巻き取り側にランプヒーター（Ｂ）を有し、該ランプヒーター（Ａ）が照射角度可変のリフレクター（Ｃ）を有する
（ｉｖ）前記膜形成機構の巻き出し側にランプヒーター（Ａ）および前記膜形成機構の巻き取り側にランプヒーター（Ｂ）を有し、該ランプヒーター（Ｂ）が照射角度可変のリフレクター（Ｄ）を有する
（ｖ）前記膜形成機構の巻き出し側にランプヒーター（Ａ）および前記膜形成機構の巻き取り側にランプヒーター（Ｂ）を有し、該ランプヒーター（Ａ）が照射角度可変のリフレクター（Ｃ）を有し、該ランプヒーター（Ｂ）が照射角度可変のリフレクター（Ｄ）を有する。

照射角度可変のリフレクターとは、図２においてマグネトロンスパッタリングカソード２１の基準面から、ランプヒーター（Ａ）２０に関しては０°≦Θ_Ａ≦９０°、ランプヒーター（Ｂ）２２に関しては０°≦Θ_Ｂ≦９０°の角度でそれぞれ照射角度可変可能なリフレクターであることが好ましい。Θ_Ａ、Θ_Ｂはそれぞれランプヒーター（Ａ）、ランプヒーター（Ｂ）の照射角度を表し、マグネトロンスパッタリングカソード２１の最表面を０°（基準面）とし、それぞれ図２中の矢印方向に照射角度を可変とするものである。

膜形成機構の巻き出し側に照射角度可変のリフレクター（Ｃ）を有するランプヒーター（Ａ）を備えることで、薄膜形成初期の膜構造を制御することが可能となるため好ましい。薄膜形成初期の膜構造を効果的に制御するという観点より、巻き出し側のランプヒーター（Ａ）のリフレクター（Ｃ）の照射角度は０°≦Θ_Ａ≦４５°であることがより好ましい。

膜形成機構の巻き取り側に照射角度可変のリフレクター（Ｄ）を有するランプヒーター（Ｂ）を備えることで、深さ方向の膜質に傾斜を加えることが可能となるため好ましい。これらの観点より、巻き取り側のランプヒーター（Ｂ）のリフレクター（Ｄ）は０°≦Θ_Ｂ≦６０°であることがより好ましい。

前記膜形成機構の巻き出し側にランプヒーター（Ａ）および前記膜形成機構の巻き取り側にランプヒーター（Ｂ）を有し、該ランプヒーター（Ａ）が照射角度可変のリフレクター（Ｃ）を有する、または該ランプヒーター（Ｂ）が照射角度可変のリフレクター（Ｄ）を有することで、ランプヒーター（Ａ）により薄膜形成初期の膜構造を制御することが可能となり、さらにランプヒーター（Ｂ）により薄膜の深さ方向の膜質制御や薄膜最表層の制御が可能となるため好ましい。

前記膜形成機構の巻き出し側にランプヒーター（Ａ）および前記膜形成機構の巻き取り側にランプヒーター（Ｂ）を有し、該ランプヒーター（Ａ）が照射角度可変のリフレクター（Ｃ）を有る、または該ランプヒーター（Ｂ）が照射角度可変のリフレクター（Ｄ）を有することで、ランプヒーター（Ａ）により薄膜形成初期の膜構造を制御することが可能となり、さらにランプヒーター（Ｂ）により薄膜の深さ方向の膜質制御や薄膜最表層の制御が可能となるうえ、薄膜の深さ方向の膜質制御がより容易に行うことが可能となるため好ましい。

本発明のランプヒーターに備え付けられているリフレクターは、平行光型リフレクター、集光型リフレクター、パラボラ型リフレクターなどが一般的なものとして考えられるが、フィルム基材が熱負けしにくく加熱できるものであればどのようなタイプのものでも構わない。平行光型リフレクターとは、図３のように、一定面積を均一に照射することが可能なリフレクターである。平行型リフレクターを備えたランプヒーターを複数台並列させることで、広い面積を均一に加熱することが可能となるため好ましい。ただし、図３中では、図の簡略化のため、ランプヒーター２４から基材フィルムに直接照射される光は省略している。集光型リフレクターとは、図４のように、光をライン状に集光することが可能なリフレクターであり、フィルム基材の一部分のみを素早く加熱したい場合に適している。ただし、図４中では、図の簡略化のため、ランプヒーター２４からフィルム基材に直接照射される光は省略している。また、パラボラ型リフレクターとは、広範囲を均一に照射することが可能なリフレクターであり、平行光型よりも広い範囲を照射することが可能なため、広い範囲を均一に照射する必要があるが、ランプヒーターを設置するスペースが狭く、平行光型リフレクターを備えたランプヒーターを複数台設置することが困難な場合等に適している。大きさの限られた成膜室内でフィルム基材表面を効率的かつ均一に加熱するには、指向性の低い平行光型リフレクター、集光型リフレクターやパラボラ型リフレクターを用いることが好ましい。

本発明で用いられるランプヒーターは、０．８〜２．５μｍにピーク波長をもつ赤外ヒーターであることが好ましい。０．８〜２．５μｍにピーク波長をもつ赤外ヒーターとは、投入電力の８５％以上が赤外線に変換され、９００〜２，８００℃程度の発熱体から放射する光を利用するヒーターである。０．８μｍより小さなピーク波長をもつヒーターであると、照射エネルギーが強く、基材表面にダメージを与える場合がある。一方、２．５μｍよりも大きなピーク波長をもつヒーターであると照射エネルギーが小さく、目的温度までフィルム基材が加熱されない場合や効率的にフィルム基材が加熱されない等の場合がある。加熱効率等の観点より、ピーク波長が０．８〜１．８μｍのヒーターであることがより好ましい。

本発明で用いられるランプヒーターは、ハロゲンランプヒーターやセラミックヒーター、石英管ヒーター、カーボンヒーター等を用いることができる。ハロゲンランプヒーターは、近赤外領域にピーク波長を有する光源であり、電気エネルギーを熱エネルギーに変換し、固体の温度を上げて、その温度に相当する放射を利用する熱放射光源である。真空チャンバー内で使用可能、照射エネルギーの立ち上がり、立ち下がりが速い、パーティクルの発生が少ない等の観点よりハロゲンヒーターを用いることが好ましい。

［膜形成機構］
本発明の成膜装置で用いられる膜形成機構は、成膜装置内においてフィルム基材が熱負けしにくく薄膜を形成することができるものであれば特に限定されず、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法、真空蒸着法、イオンプレーティング法による膜形成機構などを用いることができる。その中でも良質な薄膜を得やすいという観点より、スパッタリング法やプラズマＣＶＤ法による膜形成機構を用いることが好ましい。様々な酸化物薄膜を形成することができる観点より、スパッタリング法による膜形成機構を用いることがより好ましい。また、ロール・ツー・ロール方式で搬送されるフィルム基材表面に連続的に効率良く成膜処理を施すことができる観点から、スパッタリング法による膜形成機構としてマグネトロンスパッタリングカソードを用いることがより好ましい。

［フィルム基材］
本発明の成膜装置で成膜されるフィルム基材は、有機高分子化合物を含むフィルム基材であれば特に限定されず、例えば、ポリエチレンあるいはポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリエチレンテレフタレートあるいはポリエチレンナフタレート等のポリエステル、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリビニルアルコール、エチレン酢酸ビニル共重合体のケン化物、ポリアクリロニトリル、ポリアセタール等の各種ポリマーを含むフィルムなどを使用することができる。高分子フィルム基材を構成するポリマーは、ホモポリマー、コポリマーのいずれでもよいし、また、単独のポリマーであってもよいし複数のポリマーをブレンドして用いてもよい。

なお、ロール・ツー・ロール方式でフィルム基材表面に連続的に効率良く成膜処理を施すことができる観点から、フィルム基材はロール状であることが好ましい。

また、フィルム基材として、単層フィルム、あるいは、２層以上の、例えば、共押し出し法で製膜したフィルムや、一軸方向あるいは二軸方向に延伸されたフィルム等を使用してもよい。薄膜を形成する面には、密着性を良くするために、コロナ処理、イオンボンバード処理、溶剤処理、粗面化処理、および、有機物または無機物あるいはそれらの混合物で構成されるアンカーコート層の形成処理といった前処理が施されていても構わない。また、薄膜を形成する面と反対面には、フィルムの巻き取り時の滑り性の向上および、薄膜を形成した後にフィルムを巻き取る際に薄膜との摩擦を軽減することを目的として、有機物や無機物あるいはこれらの混合物のコーティング層が施されていても構わない。使用するフィルム基材の厚さは特に限定されないが、成膜時のフィルム基材の熱負けやハンドリング等の観点より、１０〜２００μｍであることが好ましい。

１成膜装置
２巻出・巻取室
３成膜室
４、２５、３０フィルム基材
１１巻き出しロール
１２、１８張力センサーロール
１３、１４巻き出し側ガイドロール
１５温調ロール
１６、１７巻き取り側ガイドロール
１９巻き取りロール
２０照射角度可変のリフレクター（Ｃ）を有するランプヒーター（Ａ）
２１マグネトロンスパッタリングカソード
２２照射角度可変のリフレクター（Ｄ）を有するランプヒーター（Ｂ）
２３平行光型リフレクター
２４、２９ランプヒーター
２６、３１ランプヒーターの照射光
２７、３２リフレクターからの反射光
２８集光型リフレクター

Claims

真空排気機構と、ロール状のフィルム基材を巻き出す巻き出しロールと、前記フィルム基材を巻き取る巻き取りロールと、前記巻き出しロールと前記巻き取りロールとの間に設置された温調ロールと、前記温調ロール上を搬送されるフィルム基材の前記温調ロールとは反対の面側に設置された該フィルム基材への膜形成機構とを備える成膜装置であって、以下の（ｉ）〜（ｖ）のいずれかを満たす成膜装置。
（ｉ）前記膜形成機構の巻き出し側にランプヒーター（Ａ）を有し、該ランプヒーター（Ａ）が照射角度可変のリフレクター（Ｃ）を有する
（ｉｉ）前記膜形成機構の巻き取り側にランプヒーター（Ｂ）を有し、該ランプヒーター（Ｂ）が照射角度可変のリフレクター（Ｄ）を有する
（ｉｉｉ）前記膜形成機構の巻き出し側にランプヒーター（Ａ）および前記膜形成機構の巻き取り側にランプヒーター（Ｂ）を有し、該ランプヒーター（Ａ）が照射角度可変のリフレクター（Ｃ）を有する
（ｉｖ）前記膜形成機構の巻き出し側にランプヒーター（Ａ）および前記膜形成機構の巻き取り側にランプヒーター（Ｂ）を有し、該ランプヒーター（Ｂ）が照射角度可変のリフレクター（Ｄ）を有する
（ｖ）前記膜形成機構の巻き出し側にランプヒーター（Ａ）および前記膜形成機構の巻き取り側にランプヒーター（Ｂ）を有し、該ランプヒーター（Ａ）が照射角度可変のリフレクター（Ｃ）を有し、該ランプヒーター（Ｂ）が照射角度可変のリフレクター（Ｄ）を有する
前記リフレクター（Ｃ）が平行光型リフレクター、集光型リフレクターまたはパラボラ型リフレクターのいずれかである請求項１に記載の成膜装置。
前記リフレクター（Ｄ）が平行光型リフレクター、集光型リフレクターまたはパラボラ型リフレクターのいずれかである請求項１または２に記載の成膜装置。
前記ランプヒーター（Ａ）および／または前記ランプヒーター（Ｂ）が０．８〜２．５μｍにピーク波長をもつ赤外ヒーターである請求項１〜３のいずれかに記載の成膜装置。
前記ランプヒーター（Ａ）および／または前記ランプヒーター（Ｂ）がハロゲンランプヒーターである請求項１〜３のいずれかに記載の成膜装置。
前記膜形成機構がスパッタリング法による膜形成機構である請求項１〜５のいずれかに記載の成膜装置。