JP4585860B2 - プラズマ強化プロセスにおいてウェブ材料を処理するための装置および方法 - Google Patents

Description

この発明は、第１の独立クレームの包括的部分に従った装置に関する。当該装置はプラズマ強化プロセスにおいてウェブ表面を処理するのに役立ち、特に、プラズマ強化化学気相成長法で可撓性のある材料のウェブの一表面を覆うこと、たとえば、バリア特性を向上させるためにポリマーの膜または薄板の材料でできたウェブを酸化珪素で覆うことに関する。

上述の種類の装置は、たとえば公報ＥＰ−０６０５５３４（またはＵＳ−５２２４４４１，ＢＯＣ）に記載される。この装置は、回転ドラムの形をした電力が供給される電極と、中空の円柱を大体半分にしたような形の接地されたシールドとを含み、このシールドはドラムとともに、幅が１〜３０ｃｍの空間を形成するよう配置される。シールドの、ドラムとは反対の方を向いた側では、複数の永久磁石が、磁極が交互にドラムに面するように配置される。この装置は、プロセスガスまたはプロセスガス混合物をドラムとシールドとの間の隙間に供給するために、シールドの中央部分におけるドラム軸に対して平行に延在するガス供給線を含む。ドラム、磁気手段を備えたシールド、およびガス供給線が真空チャンバ内に配置され、この真空チャンバは、チャンバ内で一定の減圧を維持するために、供給されたプロセスガスをチャンバから除去するための手段を含む。

可撓性のある材料のウェブは、ドラムと、ドラムによって支持および搬送される、すなわちドラムの円周面上に位置するシールドとの間の空間を通じて運ばれるが、プラズマは、高周波の交流電圧をドラムに供給し、かつプロセスガス混合物をプラズマに供給することによってこの空間に維持される。上述の公報に記載されるプラズマ強化プロセスは、有機珪素化合物、酸素および不活性ガスを含むプロセスガス混合物を用いた、ポリマー膜上における酸化珪素のプラズマ強化化学気相成長である。

プラズマ強化プロセスにおいて可撓性のある材料のウェブを処理するための別の装置が公報ＵＳ−４９６８９１８（コンド（Kondo）他）に記載される。この装置は、中央の電力導入部材から放射状に延在し、かつ実質的に円筒形の真空チャンバに配置される複数の固定アンテナ電極を含む。接地された対極は、２つの隣接するアンテナ電極間に配置される。ガス供給線が、たとえば接地された電極の外側のリムに沿って軸方向に延在する。可撓性のある材料のウェブは、アンテナ電極と接地された電極との間にありアンテナ電極または接地された電極によって支持されているジグザグ形の経路のようなものに案内される。上述の装置で実行されるプロセスは、酸素をプロセスガスとして用いるエッチングプロセス、プラズマ重合、化学気相成長などである。

この発明の目的はプラズマ強化プロセスにおいてウェブ材料を処理するための装置を製造して使用することであり、当該装置は、類似のプロセスを実行するための公知の装置よりも効率的かつ確実に動作可能である。さらに、当該装置は、単純な動作およびメンテナンスを可能にするよう単純に設計されている。

この目的は、特許請求の範囲において規定される装置によって達成される。

この発明に従った装置は真空チャンバ内に回転ドラム（または同等の手段）を含み、当
該回転ドラムは、その円周面の部分に接しているウェブ材料を支持しかつ搬送するために備え付けられ、さらに、プラズマが閉じ込められる電極の対のうちの１つとして機能するよう備え付けられる。当該装置はさらに、真空チャンバ内にマグネトロン機能のために備え付けられる複数のさらなる電極を含む。すなわち、装置は、プラズマを維持するのに適した交流電界を確立するための手段と、帯電させた粒子、特に電子を少なくとも部分的にプラズマに閉じ込めるのに好適な磁界を設定するための手段とを含む。マグネトロン電極はドラムとともにドラムの円周面の部分に沿って空間を形成するよう配置され、ウェブが、ドラムの円周面上に位置したままでこの空間を通って搬送される。

マグネトロン電極はドラムの円周面から間隔を空けて配置されている長方形のマグネトロン面を有し、それらの長さはドラム軸に対して平行に延在し、それらの幅はドラムに対して実質的に接線方向に延在する。マグネトロン電極は、実質的に中空の円柱の一部の形をした上述の空間をドラムの円周面とともに形成するように並べて配置され、プラズマがこの空間に維持される。複数のマグネトロン電極の各々はそれ自体の電源によって電力が供給される。ドラム電極は電気的に接地されるか、電気的に浮遊するかまたは負にバイアスがかけられる。

ガス供給線は、隣り合うマグネトロン面の間またはマグネトロン面内においてドラム軸に対して平行に延びる。真空チャンバはさらに、一定の減圧を維持するためにガスをチャンバからポンプで送り出すための手段を含む。

ウェブが回転ドラムによって支持および搬送されることはこの発明の装置の条件ではない。ドラム機能（ウェブおよび対極のための、マグネトロン電極に対する支持および搬送手段）はまた、たとえば、この場合直線状のマグネトロン面に面する循環ベルトに変えられてもよい。

実験では、ウェブ上のプラズマ強化化学気相成長が、公知の装置のうちの１つを用いる場合よりもこの発明に従った装置を用いる場合の方がより効率的かつ確実であることが示される。この発明に従った装置を用いて作り出されるコーティングは質のばらつきが少ない。これは、近接して配置されている複数の独立したマグネトロン電極を利用して作り出されたプラズマが、相応に大きな２つの電極面の間にしか作り出されない類似のプラズマよりも均質の特性を有することによるものと考えられている。たとえば、上述の公報ＥＰ−０６０５５３４に従った装置においては、プラズマ強度がウェブ入口区域からウェブ出口区域に向かって増加しているのが明確に見える。対応する実験では、高い強度の勾配を示すこのプラズマを通りウェブの経路に沿って進むと、１０％のコーティングが経路の３分の１で達成され、２０％が経路の３等分されたうちの中間部分で達成され、７０％がウェブ出口における経路の３等分されたうちの最後の部分で達成される。これとは反対に、個々に電力供給される複数のマグネトロン電極を用いた動作では、ウェブ経路に沿ったプラズマは均一な外観を有し、堆積率は経路全体に沿って実質的に同じである。

実験ではまた、コーティングされるべき表面に面する個々に電力供給されたマグネトロン電極を含むこの発明に従った装置を用いるプラズマ強化化学気相成長により、これらの電極のコーティングが、公報ＥＰ−０６０５５３４に従った装置の接地されたシールドで見出されるよりも著しく少なくなることが示される。これは、膜基板上のコーティング効率がより高いことを意味するだけでなく、この発明の装置が電極洗浄の形のメンテナンスをさほど必要としないこと、すなわち、連続した動作がより長くなり、および／またはこのようなメンテナンスに必要な時間がより短くなることを意味する。さらに、さほど重くない各マグネトロンが、容易に取り出されてドラムに面した位置に再度位置決めされ得るように軸方向のレールに沿って摺動可能に装着される場合、洗浄およびメンテナンスは単純なままに維持される。

さらに、同じ露出時間を達成するためにドラムの回転速度が相応に減じられる場合に動作停止中のマグネトロン電極のうち１つまたはさらには２つ以上を用いて同じ品質のコーティングをもたらすこの発明に従って装置を動作することができる。

この発明に従った装置の具体的な実施例が添付の図面に関連して説明される。

図１は、この発明に従った装置の主要な部分を極めて概略的に示す。これらの主要な部分は真空チャンバ１を含み、この真空チャンバ１は、当該チャンバ１内で一定の減圧を維持するためにガスを除去するための手段２を備え、当該主要な部分はさらに、当該真空チャンバ１に配置され、処理されるべきウェブ４を支持しかつ搬送するのに役立つ回転ドラム３と、当該ウェブ４を供給しかつ受取るための２つのロール５とを含み、当該ロール５はまた好ましくは真空チャンバに配置されており、当該主要な部分はさらに、ドラム３の円周面に面し、かつ（電源７の位相に接続されている）別個の電源７によって各々電力が供給される複数のマグネトロン電極６と、ドラム軸に対して実質的に平行に配置され、たとえばプロセスガスまたはプロセスガス混合物を供給するのに役立つ共通のガス供給手段９に接続されるガス供給線８とを含む。

プラズマは、マグネトロン電極６の面とドラム円周面との間の空間１０内に閉じ込められる。

図２および図３は、この発明に従った装置のマグネトロン電極６の構成の２つの具体的な実施例を示す。マグネトロン電極６はドラム円周面の一部を囲んで配置され、各々は別個の電源７によって電力が供給される。マグネトロン面は長方形であり、それらの長さはドラムの軸方向に延在し、それらの幅は実質的に接線方向に延在する。各マグネトロン面の幅はたとえば１５ｃｍであり、その長さは、処理されるべきウェブの幅と少なくとも同じほどの長さである。

図２に従うと、ガス供給線８（たとえば、ガス供給アパーチャの列をそれぞれ含むガス管）は各々２つのマグネトロン面の間に配置され、ガスが最も外側のマグネトロン面の長さに沿って接線方向および軸方向に除去される。ガスが空隙を通じて除去されるようにガス供給線なしで２つの隣接するマグネトロン面の間に空隙をたとえば１つおきに残すことも可能である。マグネトロン６は、たとえば、添付の図４および図５に示されかつこれらの図に関連して記載されるような種類のものである。

図３に従うと、マグネトロン電極にはガス供給線自体が備え付けられ、当該ガス供給線はたとえばマグネトロン面の長さに沿って中央に延びる。ガスは隣り合うマグネトロン面の間を通り軸方向に除去される。図３に図示のとおり、プラズマおよびプロセスガスを壁部材２０によってマグネトロン電極の各々とドラムとの間の空間に閉じ込めることがさらに可能であり、当該壁部材２０は、各マグネトロン面の長さに沿って延在し、ウェブを妨害せずに通らせるために横方向の壁部材２０とドラムとの間に狭いスロットしか存在しないようにマグネトロン面とドラムとの間の空間を閉じる。プロセスガスは、主に軸方向に、上述の狭い横方向のスロットを部分的に通じて除去される。マグネトロン電極６は、たとえば、添付の図６または図７に示されかつこれらの図に関連して記載されるような種類のものである。

図３に従った構成は、１つの特定のプラズマ強化処理、または、特に横方向の壁部材２０を含む場合、異なるプロセスガスもしくはプロセスガス混合物を用いるいくつかの連続した異なるプラズマ強化処理を実行するのに好適である。このような連続したプロセスは
、たとえば、予備の洗浄またはエッチングステップ、以下のコーティングステップ、および所望の湿潤性を有するコーティング表面を作り出すための最終的なステップである。

図２または図３に従った装置の典型的な動作パラメータは、たとえば、電力がマグネトロン面の１平方メートル当り約１０〜２０ｋＷであり、周波数が４０ｋＨｚまたは１３，５６ＭＨｚであり、プラズマ内のウェブ経路の全長が０．５〜１ｍであり、ウェブ速度が０．５〜２０ｍ／ｓである。そのバリア特性を向上させるために酸化珪素でウェブをコーティングするために、露出時間は数秒の範囲であり、プロセスガス混合物は有機珪素化合物および酸素を含み、圧力は数Ｐａの範囲に維持される。

図４および図５は、この発明に従った装置、特に図２に示される装置において適用可能なマグネトロン電極の具体的な実施例の面（図４）と、面に垂直な断面（図５）とを示す。

マグネトロン面は、中央極３０と、中央極３０を囲み反対の極性を有する周辺極３１とを含む永久磁極の構成を示す。磁極は、たとえば、長手方向の両方の側で極を帯びる棒状の永久磁石３２の極である。マグネトロン面とは反対向きの永久磁石の極は、たとえば軟鉄でできた磁気接続部３３によって接続される。マグネトロン面は、たとえばステンレス鋼、アルミニウムまたは銅でできた非磁性電極部３４によって覆われる。電極部は電源ユニット７に接続される。有利には、電極部３４は冷却されるよう備え付けられ、たとえば、チャネルを通じて冷却媒体を循環させるための手段に接続されたチャネル３５を含む。図２にも図示のとおり、ガス供給線８は、マグネトロン面の長手方向の縁に沿って配置される。当該ガス供給線は、たとえば、マグネトロン面に実質的に垂直に（図５のマグネトロンの左側に示される実施例８）、またはマグネトロン面に対して実質的に平行に（図５のマグネトロンの右側に示される実施例８′）ガスを注入するよう配置されたガス出口またはオリフィスの列を含む管として設計される。

さらに上述のように、マグネトロン電極６は、洗浄または交換のためにその動作位置から容易に取外せるように好ましくはレール３６に装着される。

マグネトロン面を構成する中央磁極３０および周辺磁極３１は、好ましくは、中央極３０および周辺極３１の磁力が異なるような寸法、すなわち、結果として得られるマグネトロンが不平衡なタイプとなるような寸法にされる。これは、すべての磁力線がマグネトロン面のＮ極からＳ極に延在して極の間における空間に亘ってトンネル３７を形成するわけではなく、したがって、すべての電子が極の間に囲まれて閉じ込められるわけではなく、一部がトンネル３７の外側に発見されることを意味する。プラズマ強化化学気相成長プロセスのための好適なマグネトロン効果は、たとえば、中央極と周辺極とに対する強さが同じである上述の棒磁石を用いることによって達成され、これにより周辺の磁力の実質的に半分である中央の磁力がもたらされる。

実験で示されるように、特にコーティングプロセスについては、コーティングされるべき表面が、好ましくはマグネトロン面の上方におけるトンネル３７の高さよりも２〜２０％大きいマグネトロン面からの距離ｄでトンネル３７のすぐ外側に位置決めされるように当該表面を配置することが有利である。トンネル３７は、プラズマ空間におけるより暗い区域として明確に視認できる。コーティングされるべき表面は、トンネルの上部に近接して配置されるべきであるが、トンネル３７のより暗い区域とコーティングされるべき表面との間に明るいプラズマの可視帯域が存在するように、そしてこの明るいプラズマ帯域がコーティングされるべき表面に面するその縁に沿って均一な明るさ、すなわちトンネルの上方とトンネル間の空間の上方とで同じ明るさを有するように配置されるべきである。

図６および図７は、たとえば図３に示されるこの発明に従った装置において適用可能な具体的なマグネトロン面を示す。図６および図７に示される両方のマグネトロン電極６は、それらの長さに対して平行なマグネトロン面を通って中央に延びる一体化されたガス供給線８を含む。図６は、二等分した中央の磁極の間に延びるガス供給線を備えた単純なマグネトロン面を示し、図７は、ガス供給線８の両側における中央極と周辺極との間に円形の軌道を備えた対のマグネトロン面を示す。

この発明に従った装置の具体的な実施例のドラム軸に対して垂直な概略断面図である。 この発明に従った装置におけるマグネトロン電極の構成の具体的な実施例を示す図である。 この発明に従った装置におけるマグネトロン電極の構成の具体的な実施例を示す図である。 この発明に従った装置において適用可能なマグネトロン電極の具体的な実施例の面と当該面に対して垂直な断面とを示す図である。 この発明に従った装置において適用可能なマグネトロン電極の具体的な実施例の面と当該面に対して垂直な断面とを示す図である。 この発明に従った装置において適用可能なマグネトロン電極のさらなる具体的な実施例の面を示す図である。 この発明に従った装置において適用可能なマグネトロン電極のさらなる具体的な実施例の面を示す図である。

Claims (12)

1. プラズマ強化プロセスにおいてウェブ材料を処理するための装置であって、前記装置は、
   真空チャンバ（１）を含み、これは前記チャンバ（１）内で一定の減圧を維持するための手段（２）を備え、
   前記チャンバ（１）内に配置された回転ドラム（３）をも含み、これは前記ドラムの円周面に対面して位置するウェブ材料を支持しかつ連続的に搬送し、前記ドラムは電気的に接地され、電気的に浮遊し、または負にバイアスされており、
   長方形のマグネトロン面を備えた複数の独立したマグネトロン電極（６）をさらに含み、各マグネトロン電極（６）はプラズマ強化気相堆積プロセスを実行するように設定されていてそれ自身の電源手段（７）によって交流電圧が供給され、前記マグネトロン面は前記ドラムの軸に平行な長辺が互いに隣接して短辺が前記ドラムの円周面の接線方向になるように配置され、
   前記ドラムの円周面と前記マグネトロン面との間の空間（１０）にプロセスガスまたはプロセスガス混合物を供給するためのガス供給線（８、８’）をさらに含み、前記ガス供給線と前記マグネトロン面とは前記ドラムの円周面とともに邪魔板のない統合された１つのプロセス空間を形成するように並んで配置され、このプロセス空間は円筒の一部の形状を有しており、前記ガス供給線はプロセスガスまたはプロセスガス混合物の共通源に接続されていることを特徴とする、装置。
2. 前記ガス供給線（８、８’）は、前記マグネトロン面内に延在し、前記マグネトロン面の長辺に対して平行であることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記ガス供給線（８、８′）は、前記マグネトロン面に対して垂直に、または前記マグネトロン面に対して平行にガスを注入するよう配置されるガス出口の列を含むことを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 前記マグネトロン電極（６）が対のマグネトロンを構成することを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の装置。
5. 前記マグネトロン面と前記ドラムとの間における前記空間（１０）に供給される前記ガスが、軸方向に、および／または隣り合うマグネトロン面の間で除去可能であることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の装置。
6. 前記マグネトロン面は、前記マグネトロン面を構成する磁極に亘って延在する非磁性材料の電極部（３４）を含むことを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の装置。
7. 前記マグネトロン面の前記電極部（３４）はチャネル（３５）を含み、前記チャネル（３５）は、前記チャネル（３５）を通じて冷却媒体を循環させるための手段に接続されることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
8. 前記マグネトロン電極（６）は不平衡なタイプのマグネトロンを構成することを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載の装置。
9. 前記マグネトロン面は永久磁石の中央極および周辺極（３０および３１）を含み、前記中央極（３０）は前記周辺極（３１）の半分の磁力を有することを特徴とする、請求項８に記載の装置。
10. プラズマ強化プロセスにおいてウェブ材料を処理する方法であって、
    真空チャンバ（１）内を一定の減圧に維持し、
    前記チャンバ（１）内に配置された回転ドラム（３）の円周面に対面して位置するウェブ材料を支持しかつ連続的に搬送し、前記ドラムは電気的に接地され、電気的に浮遊し、または負にバイアスされ、
    プラズマ強化気相堆積プロセスを実行するように設定された長方形のマグネトロン面を備えた複数の独立したマグネトロン電極（６）へそれ自身の電源手段（７）によって交流電圧を供給し、前記マグネトロン面は前記ドラムの軸に平行な長辺が互いに隣接して短辺が前記ドラムの円周面の実施的に接線方向になるように配置され、
    前記ドラムの円周面と前記マグネトロン面との間の空間（１０）へガス供給線（８、８’）を通して共通のプロセスガスまたはプロセスガス混合物を供給し、前記ガス供給線はプロセスガスまたはプロセスガス混合物の共通源に接続され、前記ガス供給線と前記マグネトロン面とは前記ドラムの円周面とともに邪魔板のない統合された１つのプロセス空間を形成するように並んで配置され、このプロセス空間は円筒の一部の形状を有していることを特徴とする、方法。
11. 前記マグネトロン面に対して直交してまたは実質的に平行に前記ガスを注入することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記ガスが、軸方向に、および／または隣り合うマグネトロン面の間で除去されることをさらに含む、請求項１０に記載の方法。

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