JP4486308B2

JP4486308B2 - イオンプレーティング装置およびこれを用いた成膜方法

Info

Publication number: JP4486308B2
Application number: JP2003030520A
Authority: JP
Inventors: 理之鈴木; 実駒田
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2003-02-07
Filing date: 2003-02-07
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2023-02-07
Also published as: JP2004238701A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、安定して均一な成膜が可能なイオンプレーティング装置と、これを用いた成膜方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開２０００−１４４３９０号公報
プラズマガンで発生したプラズマビームを収束させて真空チャンバー内に引き出し、このプラズマビームを磁界によって成膜材料に照射して蒸発させ、蒸発した成膜材料が上記のプラズマビーム中を通過する際にイオン化され、被成膜体に激突することにより薄膜を形成するイオンプレーティング装置が従来から使用されている。このようなイオンプレーティング装置は、プラズマガンにより成膜材料の蒸発とイオン化を行うことができ、また、形成された薄膜の付着強度が高いという利点をもっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、例えば、イオンプレーティング装置の成膜材料として使用される酸化珪素等の無機材料の焼結体は水分を吸収し易いものであり、真空チャンバー内に配設された成膜材料が水分を吸収したものである場合、プラズマガンにより蒸発を開始するまでの時間が長くなったり、プラズマガンに投入する電力パワーを増大させる必要があるといった問題があった。
また、従来のイオンプレーティング装置では一定方向から成膜材料にプラズマビームが照射されるため、プラズマビームが当たる部位、あるいは面のみが部分的に減少し、成膜材料の蒸発が進むに従ってプラズマビームが当たる成膜材料面が荒れて不整面となる。このため、蒸発した成膜材料の飛ぶ方向のバラツキが大きくなり成膜性が低下するという問題もあった。
【０００４】
さらに、成膜材料を挟持した状態で使用する場合、上記のように一定方向から成膜材料の一部にプラズマビームが照射されるため、成膜材料が部分的に減少し割れ等を生じて脱落し、このため、成膜材料の利用効率が低下するという問題もあった。
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、成膜材料の蒸発が安定し、均一な成膜が可能で、かつ、成膜材料の有効利用が可能なイオンプレーティング装置と、これを用いた成膜方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明のイオンプレーティング装置は、内部に被成膜体が配置された真空チャンバーと、プラズマガンと、該真空チャンバー内に配設された成膜材料を前記プラズマガンから照射されるプラズマビーム内で回転させるための回転装置と、成膜材料を内側から加熱して水分を除去するための加熱手段と、を少なくとも備え、前記回転装置は、周面に成膜材料を保持でき、かつ、軸方向を中心に回転可能な棒状体あるいは筒状体を有し、該棒状体および筒状体は前記加熱手段である抵抗加熱体で形成されたもの、あるいは、該筒状体は前記加熱手段である抵抗加熱体が配設されたものであるような構成とした。
本発明の好ましい態様として、前記回転装置は、成膜材料に照射されるプラズマビームに対して８０〜１００°の範囲の角度をなす軸で成膜材料を回転するものであるような構成とした。
【０００６】
また、本発明は、上記のいずれかのイオンプレーティング装置を用いた成膜方法において、前記加熱手段により成膜材料を内側から加熱して該成膜材料中に含有される水分を除去する工程と、前記回転装置により成膜材料を回転させながら、前記プラズマガンから成膜材料にプラズマビームを照射し蒸発させて被成膜体に薄膜を形成する工程と、を有するような構成とした。
本発明の好ましい態様として、前記成膜材料として、導電性材料を１０重量％以下の範囲で含有したものを使用するような構成とした。
本発明の好ましい態様として、前記加熱手段により成膜材料を内側から加熱する温度は１２０〜１５０℃の範囲内とするような構成とした。
【０００７】
このような本発明では、成膜材料中に含有される水分が加熱手段により除去され、回転装置により回転されている状態で成膜材料がプラズマガンから照射されるプラズマビームに曝されるので、成膜材料は不整面を生じることなく均一に減少する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は本発明のイオンプレーティング装置の一実施形態の構成を示す図面である。図１において本発明のイオンプレーティング装置１は巻取り式のホローカソード型イオンプレーティング装置であり、仕切り板３によって被成膜体搬送チャンバー２Ａと成膜チャンバー２Ｂとに仕切られた真空チャンバー２と、成膜チャンバー２Ｂの所定位置（図示例では成膜チャンバーの左側壁）に配設された圧力勾配型プラズマガン１０とを備えている。被成膜体搬送チャンバー２Ａ内には、長尺状である被成膜体Ｓの供給ロール４ａ、巻き取りロール４ｂ、コーティングドラム５と真空排気口６が配設され、成膜チャンバー２Ｂ内の下部には、成膜材料Ｔの回転装置７、成膜材料Ｔの加熱装置８、アノード磁石９が配設されている。また、成膜チャンバー２Ｂに配設された圧力勾配型プラズマガン１０には、収束用コイル１１、シート化磁石１２、圧力勾配型プラズマガン１０へのアルゴンガス等の不活性ガス（キャリアガス）の供給量を調整するためのバルブ１３が配設され、成膜チャンバー２Ｂには、真空排気口１４、反応ガス供給口１５が設けられている。
【０００９】
図２は、上記の成膜材料Ｔの回転装置７と加熱装置８とを説明するための図である。図２において、回転装置７は駆動基部７ａ，７ａと、各駆動基部７ａから回転可能に突設された一対の回転アーム７ｂ、７ｂを備えており、駆動基部７ａ，７ａは矢印方向ａに離接するように移動可能であり、回転アーム７ｂ、７ｂは同軸上で回転可能である。そして、駆動基部７ａ，７ａを移動させることにより、成膜材料Ｔ（図示例では、円柱形状をなしている）を回転アーム７ｂ、７ｂ間に挟持して装着することができる。この状態で回転アーム７ｂ、７ｂを同方向に回転させることにより、成膜材料Ｔを回転することができる。このような回転アーム７ｂ、７ｂによる成膜材料Ｔの回転軸は、成膜材料Ｔに照射されるプラズマビームに対して８０〜１００°の範囲の角度をなすように設定する。また、加熱装置８は、回転装置７に挟持され回転している成膜材料Ｔを外部から加熱するものであり、成膜材料Ｔの下方近傍に配設されている。この加熱装置８としては、通電加熱ヒーター等の抵抗加熱体や赤外線ランプ等を用いることができる。
【００１０】
また、図３は、成膜材料Ｔの回転装置と加熱装置の他の例を説明するための図である。図３において、回転装置７′は駆動基部７′ａ，７′ａを備え、加熱装置８′は円筒状の抵抗加熱体８′ａを有し、この抵抗加熱体８′ａは駆動基部７′ａ，７′ａの図示しない回転係合部の間に架設することにより回転可能とされる。また、駆動基部７′ａ，７′ａには、架設された抵抗加熱体８ａに通電するための配線（図示せず）が配設されている。そして、円筒形状に成形された成膜材料Ｔの中空部に円筒状の抵抗加熱体８′ａを挿入し、抵抗加熱体８′ａの両端部を駆動基部７′ａ，７′ａの図示しない回転係合部間に架設して成膜材料Ｔを装着することにより、成膜材料Ｔは回転可能なものとなる。このような成膜材料Ｔの回転軸は、成膜材料Ｔに照射されるプラズマビームに対して８０〜１００°の範囲の度をなすように設定する。また、抵抗加熱体８′ａに通電することにより、成膜材料Ｔを内部から加熱することができる。抵抗加熱体８′ａとしては、タングステン、タンタル、モリブデン、プラチナ等の高融点材料を用いて成形することができる。また、抵抗加熱体８′ａは、上記のような抵抗加熱材料を他の材料で成形した円筒形状体中に配設したものであってもよい。尚、抵抗加熱体８′ａの形状は円筒形状の他に棒形状等であってもよい。
【００１１】
上記のような本発明のイオンプレーティング装置１では、加熱装置８によって成膜材料Ｔを加熱することができ、これにより成膜材料Ｔ中に含有されている水分を除去することができる。また、圧力勾配型プラズマガン１０で発生したプラズマビームは収束用コイル１１により収束され、シート化磁石１２とアノード磁石９で形成されている磁界に導かれて成膜材料Ｔに照射される。そして、成膜材料Ｔは照射されるプラズマビームに対して８０〜１００°の範囲の角度をなす回転軸で回転装置７によって回転されるため、プラズマビームに均一に曝され、蒸発による減少が均一となって、プラズマビームが照射される面は常に整面状態となる。
【００１２】
次に、上述のような本発明のイオンプレーティング装置１を用いた成膜方法について説明する。
まず、回転装置７に装着した成膜材料Ｔを加熱装置８によって加熱して、成膜材料Ｔに含有されている水分を除去する。加熱装置８による成膜材料Ｔの加熱温度は、水分を蒸発除去する温度、例えば、１２０〜１５０℃程度に設定することが好ましい。この成膜材料Ｔの加熱は、回転装置７により成膜材料Ｔを回転させながら行うことが好ましい。使用する成膜材料Ｔとしては、酸化珪素（ＳｉＯ_x（１≦ｘ≦２））、酸化マグネシウム、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、窒化珪素（Ｓｉ_xＮ_y）窒化酸化珪素（Ｓｉ_xＯ_yＮ_z）等を挙げることができる。また、成膜材料Ｔとして、導電性材料を１０重量％以下の範囲で含有したものを使用することにより、プラズマガンによる蒸発材料の蒸発が容易になり好ましい。成膜材料Ｔに含有させる導電性材料としては、Ｂ（ボロン）、Ｐ（リン）等を挙げることができる。添加回転装置７による成膜材料Ｔの回転速度は、例えば、０．５〜５０ｒｐｍ程度の範囲で設定することができる。
【００１３】
次に、真空排気口６，１４からチャンバー２内の空気を排出して所定の到達真空度まで減圧し、次いで、反応ガス供給口１５から成膜チャンバー２Ｂ内に所定の反応ガスを導入し、チャンバー２内を所定の圧力に保ち、被成膜体Ｓを走行させる。次に、回転装置７により成膜材料Ｔを回転させている状態で、アルゴンガス等の不活性ガスを導入した圧力勾配型プラズマガン１０にプラズマ生成のための電力を投入し、アノード磁石９の上方近傍に位置する成膜材料Ｔにプラズマビームを収束させて照射することにより成膜材料を蒸発させる。これにより、成膜材料の蒸発分子が高密度プラズマによりイオン化し、被成膜体Ｓ上に付着して薄膜が形成される。
【００１４】
このような成膜方法では、プラズマビームによる成膜材料Ｔの蒸発開始前に、予め成膜材料Ｔの水分が除去されているので、プラズマビーム照射開始から成膜材料Ｔの蒸発開始までの時間を短いものとすることができ、また、蒸発を継続させるために圧力勾配型プラズマガン１０に投入する電力パワーを増大させる必要がない。さらに、圧力勾配型プラズマガン１０から照射されるプラズマビーム内で回転される成膜材料Ｔは、プラズマビームに均一に曝されるため、蒸発による減少が均一となり、プラズマビームが照射される面は常に整面状態であり、これにより成膜材料Ｔの蒸発後の飛翔方向が安定し、被成膜体への成膜性が安定したものとなる。また、回転装置が図２に示されるような成膜材料Ｔを挟持する構造であっても、成膜材料Ｔの局部的な減少が防止されるので、使用途中での成膜材料Ｔの割れ、破壊等が大幅に低減され、成膜材料Ｔの有効利用が可能となる。
尚、本発明は、上述の各実施形態に限定されるものではない。
【００１５】
【実施例】
次に、実施例を示して本発明を更に詳細に説明する。
［実施例］
本発明のイオンプレーティング装置として、図１に示すような圧力勾配型プラズマガンを備えた巻取り式のホローカソード型イオンプレーティング装置を準備した。このイオンプレーティング装置は、図２に示されるように、成膜材料を挟持した状態で回転させる回転装置と、回転中の成膜材料を下方近傍から加熱するための抵抗加熱装置とを備えたものとした。そして、回転装置に成膜材料として９０％の焼結密度を有する円柱形状（直径２００ｍｍ、長さ４００ｍｍ）の一酸化珪素（ＳｉＯ）を装着した。
【００１６】
次に、回転装置に装着した成膜材料を２ｒｐｍの回転速度で回転させながら、加熱装置によって成膜材料の温度が１２０℃となるような加熱処理（１５分間）を施した。尚、成膜材料の加熱処理前の水分含有量は１重量％であり、加熱処理後の水分含有量は０．５重量％以下であった。
次いで、被成膜体として幅３０ｃｍの巻取り状の２軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム（東洋紡績（株）製ＰＥＴフィルムＡ４１００、厚み１００μｍ、）を準備し、この基材フィルムのコロナ未処理面側を被成膜面として被成膜体搬送チャンバー内に装着した。尚、この基材フィルムと成膜材料との距離（ＴＳ距離）は約６０ｃｍに設定した。
次に、成膜時の添加ガスとして酸素ガス（大陽東洋酸素（株）製（純度９９．９９９５％以上））、窒素ガス（大陽東洋酸素（株）製（純度９９．９９９９％以上））、および、アルゴンガス（大陽東洋酸素（株）製（純度９９．９９９９％以上））を準備した。
【００１７】
次に、チャンバー内を到達真空度５．０×１０^-5Ｐａまで減圧した。次いで、成膜チャンバー内に窒素ガスを流量２００ｓｃｃｍで、酸素ガスを流量１０ｓｃｃｍでそれぞれ導入するとともに、チャンバー内圧力を０．１Ｐａに保ち、基材フィルムを走行させ、アルゴンガスを流量１５ｓｃｃｍで導入した圧力勾配型プラズマガンにプラズマ生成のための電力を１０ｋＷ投入し、アノード磁石の上方近傍で回転している成膜材料にプラズマビームを収束させて照射した。このプラズマビームは成膜材料の回転軸に対して約９０°の角度で照射されるものとした。このようなプラズマビームの照射開始から約２０分後に回転状態の成膜材料からの蒸発が始まった。その後、回転状態の成膜材料の蒸発を継続させ、高密度プラズマにより蒸発分子をイオン化させて、基材フィルム上に酸化窒化珪素膜からなるバリア層を形成して、バリアフィルムを得た。基材フィルムの走行速度は、成膜開始時点で形成される酸化窒化珪素膜の膜厚が１００ｎｍとなるように設定した。尚、ｓｃｃｍとは、standard cubic centimeter per minuteの略であり、以下の比較例においても同様である。
【００１８】
このような酸化窒化珪素膜の成膜を１００ｍの基材フィルムに連続して行った後の成膜材料は、直径が約１３０ｍｍとなるまで減少していたが、外観は整面を備えた円柱形状であった。
【００１９】
また、上記の連続成膜の最終部位であるバリアフィルムについて、酸化窒化珪素膜の厚みを測定した結果、約１００ｎｍであり、成膜直後と同等の成膜性が維持されていることが確認された。さらに、このバリアフィルムについて、下記の条件で酸素透過率および水蒸気透過率を測定した。その結果、酸素透過率が０．３ｃｃ／ｍ²／ｄａｙ・ａｔｍ以下であり、水蒸気透過率が０．１ｇ／ｍ²／ｄａｙ以下であり、優れたバリア性を有することが確認された。
【００２０】
酸素透過率の測定
酸素ガス透過率測定装置（ＭＯＣＯＮ社製ＯＸ−ＴＲＡＮ２／２０）を用いて、温度２３℃、湿度９０％ＲＨ、バックグラウンド除去測定を行うインディヴィジュアルゼロ（Individual Zero）測定ありの条件で測定した。
水蒸気透過率の測定
水蒸気透過率測定装置（ＭＯＣＯＮ社製ＰＥＲＭＡＴＲＡＮ−Ｗ３／３１）を用いて、温度４０℃、湿度１００％ＲＨで測定した。
【００２１】
［比較例１］
成膜材料に加熱処理を施さず、また、成膜材料を回転させない他は、実施例と同様にして、バリアフィルムを作製した。
このバリアフィルム作製では、プラズマビーム照射開始から成膜材料の蒸発開始まで約４０分を要した。また、基材フィルムに対して５５ｍの連続成膜を行った時点で成膜材料が割れて脱落し、成膜が不能となった。そして、連続成膜の最終部位であるバリアフィルムについて、酸化窒化珪素膜の厚みを測定した結果、約７０ｎｍであり、成膜直後に比べて成膜性が低下していることが確認された。また、このバリアフィルムについて、実施例と同様に酸素透過率および水蒸気透過率を測定した結果、酸素透過率が２．３ｃｃ／ｍ²／ｄａｙ・ａｔｍであり、水蒸気透過率が６．０ｇ／ｍ²／ｄａｙであり、実施例に比べてバリア性が劣ることが確認された。
【００２２】
［比較例２］
実施例におけるホローカソード型イオンプレーティング装置において、回転装置および加熱装置の代わりに坩堝を配設し、この坩堝中に加熱処理を施していない成膜材料（水分含有量は１重量％）を載置した。その後、実施例と同様にして成膜材料にプラズマビームを収束させて照射し、バリアフィルムを作製した。
このバリアフィルム作製では、プラズマビーム照射開始から成膜材料の蒸発開始まで約３０分を要した。また、連続成膜の最終部位であるバリアフィルムについて、酸化窒化珪素膜の厚みを測定した結果、約８５ｎｍであり、成膜直後に比べて成膜性が低下していることが確認された。また、このバリアフィルムについて、実施例と同様に酸素透過率および水蒸気透過率を測定した。その結果、酸素透過率が１．２ｃｃ／ｍ²／ｄａｙ・ａｔｍであり、水蒸気透過率が０．９ｇ／ｍ²／ｄａｙであり、実施例に比べてバリア性が劣ることが確認された。
【００２３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば加熱手段によって成膜材料が加熱されて含有水分が除去されるので、プラズマガンによる成膜材料の蒸発時の水分の悪影響が排除され、蒸発が開始するまでの時間を短いものとすることができ、かつ、プラズマガンの電力パワーの増大を不要とすることができる。また、プラズマガンから照射されるプラズマビーム内で回転される成膜材料は、プラズマビームに均一に曝されるため、蒸発による減少が均一となり、プラズマビームが照射される面は常に整面状態であり、これにより成膜材料の蒸発後の飛翔方向が安定し、被成膜体への成膜性が安定したものとなる。さらに、上述のように成膜材料の局部的な減少が防止されるので、成膜材料を挟持した状態で使用する場合であっても、使用途中での成膜材料の割れ等が生じ難くなり、成膜材料の有効利用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のイオンプレーティング装置の一実施形態の構成を示す図面である。
【図２】成膜材料の回転装置と加熱装置とを説明するための図である。
【図３】成膜材料の回転装置と加熱装置の他の例を説明するための図である。
【符号の説明】
１…イオンプレーティング装置
２…真空チャンバー
７，７′…回転装置
７ａ，７′ａ…駆動基部
７ｂ…回転アーム
８，８′…加熱装置
８′ａ…抵抗加熱体
１０…プラズマガン
Ｓ…被成膜体
Ｔ…成膜材料

Claims

内部に被成膜体が配置された真空チャンバーと、プラズマガンと、該真空チャンバー内に配設された成膜材料を前記プラズマガンから照射されるプラズマビーム内で回転させるための回転装置と、成膜材料を内側から加熱して水分を除去するための加熱手段と、を少なくとも備え、前記回転装置は、周面に成膜材料を保持でき、かつ、軸方向を中心に回転可能な棒状体あるいは筒状体を有し、該棒状体および筒状体は前記加熱手段である抵抗加熱体で形成されたもの、あるいは、該筒状体は前記加熱手段である抵抗加熱体が配設されたものであることを特徴とするイオンプレーティング装置。
前記回転装置は、成膜材料に照射されるプラズマビームに対して８０〜１００°の範囲の角度をなす軸で成膜材料を回転するものであることを特徴とする請求項１に記載のイオンプレーティング装置。
請求項１または請求項２に記載のイオンプレーティング装置を用いた成膜方法において、
前記加熱手段により成膜材料を内側から加熱して該成膜材料中に含有される水分を除去する工程と、前記回転装置により成膜材料を回転させながら、前記プラズマガンから成膜材料にプラズマビームを照射し蒸発させて被成膜体に薄膜を形成する工程と、を有することを特徴とするイオンプレーティング装置を用いた成膜方法。
前記成膜材料として、導電性材料を１０重量％以下の範囲で含有したものを使用することを特徴とする請求項３に記載のイオンプレーティング装置を用いた成膜方法。
前記加熱手段により成膜材料を内側から加熱する温度は１２０〜１５０℃の範囲内とすることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のイオンプレーティング装置を用いた成膜方法。