JP4664637B2 - 基板冷却装置及び基板の冷却方法 - Google Patents
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(1)高温のるつぼ及び溶融した蒸着材料の表面からの輻射熱により、基板の温度が上昇する。
(2)蒸着材料の蒸着時の潜熱により、基板の温度が上昇する。
ところが、基板に蒸着材料を蒸着する場合、基板温度の上昇を所定範囲内に抑えながら蒸着する必要性がある。例えば、プラスチックのフィルムに銅を蒸着する場合、フィルムが溶けたり、フィルム自身の特性が変わったりするような温度に達することなく、蒸着を行うことが必要である。
図10(a)に示す従来の真空蒸着装置は、帯状の基板81に蒸着を行うためのチャンバ82を有し、チャンバ82の内部に、ロール状に巻回された基板81を供給する払い出しロール83と、蒸着された基板81をロール状に巻回する巻き取りロール84と、走行する基板81を巻き付け、蒸着面を形成するロール85と、冷却ロール85が形成する基板81の蒸着面に対向して、ロール85の下方側に配設され、蒸着材料86を有するるつぼ87と、電子ビーム88aにより蒸着材料86を加熱、蒸発させ、蒸気86aを発生させる電子銃88とを有している。
(1a)基板81とるつぼ87との間の距離lを離して、輻射熱を受けにくい構成とし、基板81が受ける輻射熱を減少させる。
(2a)基板81の走行速度を遅くし、単位時間あたりに付着する蒸気86aの量を減らして、基板81が受ける蒸気86aからの潜熱を減少させる。この場合、るつぼ87からの蒸気86aの量を減らすため、るつぼ87自体の温度を下げることになるので、基板81が受ける輻射熱も減少させることになる。
(3a)ロール85の内部に低温の冷媒を通して、冷却したロール85の表面に基板81を接触させて基板温度を下げる。
(1b)基板81とるつぼ87とが離れており、無効蒸気(基板81に付着せず、周りの機器に付着する蒸気)が多い。そのため、蒸着材料の歩留が低く、又、頻繁に装置のメンテナンス(大気開放しての清掃)が必要となり、生産性が低い。
(2b)必要な成膜量となる蒸気86aを付着させるためには、基板81の走行速度を低くせざるを得ず、結果として製品の生産性が低い。
(3b)基板81を冷却したロール85に直接接触させても、後述の理由により高い伝熱性能は期待できず、冷却効果は小さい。このため、同じ基板速度で成膜量を増加させたり、同じ成膜量の蒸着で基板速度を上げたりすることが困難であり、生産性を向上させることができない。
基板81及びロール85の表面には微視的な粗さがあり、図10(b)に示すように、基板81をロール85へ直接接触させても、基板81とロール85との間には、微細な間隙89が数多く存在する。通常、蒸着は真空中(1Pa以下)で行われるため、真空中では間隙89も真空となる。その結果、基板81とロール85間の伝熱は、微少な接触部分による熱伝達Aのみが支配的となり、真空の間隙89における熱伝達は、基板81からロール85への輻射以外ほとんどなく、輻射による伝熱量が小さいため、高い伝熱性能は期待できなかった。このように、基板81とロール85間の伝熱性能を大きくすることができないため、生産性を向上させるには、ロール85自体の温度を更に低温にする必要があり、例えば、液体窒素を使用するような大がかりな冷却装置が必要であった。
帯状の基板に連続して蒸着を行う真空蒸着装置に用いられる基板冷却装置であって、
チャンバ内に設けられ、前記基板の走行を案内する冷却されたロールと、
前記ロール周囲の前記チャンバ内の空間を、蒸着を行う第1圧力室と、前記第1圧力室より高い所定圧力を有する第2圧力室と、前記第1圧力室と前記第2圧力室との間に設けられ、前記第1圧力室と前記第2圧力室との間に差圧を設けて、前記第2圧力室の所定圧力を13Pa以上とする少なくとも1つの中間圧力室とに分離する複数の分離手段とを有し、
前記ロールは、前記第2圧力室にて前記基板を巻き付け、前記基板と前記ロールとの間にガス層を形成することで、当該ガス層の熱伝達率を向上させて、前記基板の温度上昇を抑えるものであることを特徴とする。
つまり、所定圧力を有する第2圧力室にて基板をロールに巻き付けると、基板とロールが接触し始める部分の周囲に所定圧力のガスが存在するので、基板とロールとの間の微小な間隙にガスが自然に巻き込まれてガス層が形成される。そして、このガス層が熱伝達に寄与し、基板の冷却効果をもたらすことになる。
なお、第1圧力室と第2圧力室との圧力差が大きい場合には、分離手段により更に多くの圧力室に分離する。
第1の発明に係る基板冷却装置において、
前記ロールの周方向の表面に、該ロールの周方向に連通する複数の溝を形成したことを特徴とする。
つまり、ロール表面の周方向の溝により、所定圧力のガスが第2圧力室から基板とロールとの間に容易に流入し、ロール全周に渡ってガスの流入が可能であるので、蒸着を行う第1圧力室においても、形成されたガス層が維持される。
第1の発明に係る基板冷却装置において、
前記ロールの周方向の表面に、柔構造物を設けたことを特徴とする。
つまり、ロールの周方向の表面の柔構造物により、基板との密着性を向上させると共に基板との間に形成される微小な間隙の密閉性が向上し、蒸着を行う第1圧力室においても、形成されたガス層が維持される。
第1の発明に係る基板冷却装置において、
前記基板と前記ロールとの間の両端部に、シール部材を配置したことを特徴とする。
つまり、基板とロールとの間の両端部にシール部材を配置し、形成したガス層からのリークを抑えることで、蒸着を行う第1圧力室においても、形成されたガス層が維持される。
なお、シール部材は、基板側又はロール側に予め形成しておいてもよいし、基板をロールに巻込む際に、基板とロールの間の両端部に挟み込むようにしてもよい。
帯状の基板の両面に連続して蒸着を行う真空蒸着装置に用いられる基板冷却装置であって、
チャンバ内に設けられ、前記基板の走行を案内する冷却された2つのロールと、
前記2つのロール周囲の前記チャンバ内の空間を、蒸着を行う第1圧力室と、前記第1圧力室より高い所定圧力を有する第2圧力室と、前記第1圧力室と前記第2圧力室との間に設けられ、前記第1圧力室と前記第2圧力室との間に差圧を設けて、前記第2圧力室の所定圧力を13Pa以上とする少なくとも1つの中間圧力室とに分離する複数の分離手段とを有し、
一方の前記ロールは、前記第2圧力室にて前記基板の一方側の面を外周面にして前記基板を巻き付け、前記基板と該ロールとの間にガス層を形成することで、当該ガス層の熱伝達率を向上させて、前記基板の温度上昇を抑えるものであり、
他方の前記ロールは、前記第2圧力室にて前記基板の他方側の面を外周面にして前記基板を巻き付け、前記基板と該ロールとの間にガス層を形成することで、当該ガス層の熱伝達率を向上させて、前記基板の温度上昇を抑えるものであることを特徴とする。
第1〜5の発明に係る基板冷却装置において、
前記第2圧力室の所定圧力を100Pa以上とすることを特徴とする。
第1〜6の発明に係る基板冷却装置において、
前記第2圧力室のガスは、水素ガス又はヘリウムガスよりなることを特徴とする。
帯状の基板に連続して蒸着を行う真空蒸着装置に用いられる基板の冷却方法であって、
前記基板の走行を案内する冷却されたロールの周囲のチャンバ内の空間を、複数の分離手段により、蒸着を行う第1圧力室と、前記第1圧力室より高い所定圧力を有する第2圧力室と、前記第1圧力室と前記第2圧力室との間に設けられ、前記第1圧力室と前記第2圧力室との間に差圧を設けて、前記第2圧力室の所定圧力を13Pa以上とする少なくとも1つの中間圧力室とに分離し、
前記第2圧力室にて、前記基板を前記ロールに巻き付け、前記基板と前記ロールとの間にガス層を形成することで、当該ガス層の熱伝達率を向上させて、前記基板の温度上昇を抑えることを特徴とする。
第8の発明に係る基板の冷却方法において、
前記ロールの周方向の表面は、該ロールの周方向に連通する複数の溝を有することを特徴とする。
第8の発明に係る基板の冷却方法において、
前記ロールの周方向の表面は、柔構造物を有することを特徴とする。
第8の発明に係る基板の冷却方法において、
前記基板と前記ロールとの間の両端部に、シール部材を配置することを特徴とする。
帯状の基板の両面に連続して蒸着を行う真空蒸着装置に用いられる基板の冷却方法であって、
前記基板の走行を案内する冷却された2つのロールの周囲のチャンバ内の空間を、複数の分離手段により、蒸着を行う第1圧力室と、前記第1圧力室より高い所定圧力を有する第2圧力室と、前記第1圧力室と前記第2圧力室との間に設けられ、前記第1圧力室と前記第2圧力室との間に差圧を設けて、前記第2圧力室の所定圧力を13Pa以上とする少なくとも1つの中間圧力室とに分離し、
一方の前記ロールが、前記第2圧力室にて前記基板の一方側の面を外周面にして、前記基板を巻き付け、前記基板と一方の前記ロールとの間にガス層を形成することで、当該ガス層の熱伝達率を向上させて、前記基板の温度上昇を抑え、
他方の前記ロールが、前記第2圧力室にて前記基板の他方側の面を外周面にして、前記基板を巻き付け、前記基板と他方の前記ロールとの間にガス層を形成することで、当該ガス層の熱伝達率を向上させて、前記基板の温度上昇を抑えることを特徴とする。
第8〜12の発明に係る基板の冷却方法において、
前記第2圧力室の所定圧力を100Pa以上とすることを特徴とする。
第8〜13の発明に係る基板の冷却方法において、
前記第2圧力室のガスは、水素ガス又はヘリウムガスよりなることを特徴とする。
図1(b)に示すように、基板1及び冷却ロール6は、各々その表面に所定の粗さを有しており、冷却ロール6に基板1を巻き付けた際、基板1と冷却ロール6の表面との間に間隙14が形成される。従来の真空蒸着装置では、真空中において、基板1を冷却ロール6に巻き付けていたため、間隙14も真空状態となり、基板1の冷却は、冷却ロール6の表面との接触部分における熱伝達Aと基板1から冷却ロール6への輻射しか行われなかった。これに対して、本発明では、チャンバ2内部に複数の圧力室8、9、10を形成しており、所定圧力を有する圧力室10において、基板1を冷却ロール6に巻き付けているので、圧力室10内部に存在するガスを基板1と冷却ロール6の間に巻き込み、基板1と冷却ロール6の表面の間の間隙14にガス層15を形成することとなる。そして、基板1は冷却ロール6との間にガス層15を保持した状態でるつぼ12の上を通過し、蒸着されることとなる。この際、基板1の冷却は、冷却ロール6の表面との接触部分による熱伝達Aと基板1から冷却ロール6への輻射に加えて、ガス層15の対流及び熱伝導による熱伝達Bにより行われることになり、基板1と冷却ロール6との熱伝達率が向上されて、より効果的に冷却を行うことができ、基板1の温度上昇を抑制することができる。なお、圧力室10の好適な圧力範囲、そして、本発明による冷却の効果については、後述の図7、8のグラフを用いて説明を行う。
図3に示す本実施例の基板冷却装置は、実施例1に示した真空蒸着装置(図1参照)に用いられるものであり、図3に示すように、冷却ロール6の構成が異なる以外、実施例1と同等の構成である。従って、重複する説明は省略して、本実施例に係る部分を中心に説明を行う。
なお、図4において、実施例1に示した真空蒸着装置(図1参照)と同等の構成には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図5に示す本実施例の基板冷却装置は、実施例1に示した真空蒸着装置(図1参照)に用いられるものであり、図5に示すように、基板1−冷却ロール6間の構成が異なる以外、実施例1と同等の構成である。従って、重複する説明は省略して、本実施例に係る部分を中心に説明を行う。
図8は、所定の基板の走行速度(ロールの周速度)にて基板を走行させた場合、基板とロール間の熱伝達率比に応じて、基板の最高到達温度がどのように変化するかを示したものである。ここで、熱伝達率比とは、異なる物体に対する気体の等価熱伝達率同士の比をとったものであり、図8の場合、基板に対する気体の等価熱伝達率と冷却ロールに対する気体の等価熱伝達率の比をとったものである。
図9に示す基板冷却装置は、所定形状に切断された基板に蒸着を行う真空蒸着装置に好適なものである。本参考例の基板冷却装置は、図9に示すように、所定形状に形成された基板75を保持するホルダ76(保持手段)と、基板75の一方側の面、即ち、蒸着が行われない側の面に配設された冷却板77(冷却部材)と、基板75と冷却板77との間の端部に配設され、基板1と冷却板77との空間を封止するシール79(シール部材)とを有し、基板1、冷却板77、シール79により、所定圧力を有するガス層78が形成されている。ホルダ76は、基板1の蒸着面側に単数若しくは複数の開口部を有しており、蒸着時には、開口部を通して蒸着材料の蒸気が、基板75上に蒸着される。なお、基板75としては、例えば、ガラス基板等を用い、冷却板77としては、例えば、Cu等の金属製の材料を用いる。又、冷却板77は、放熱性が良好なものが望ましく、例えば、放熱性の高い材料を用いたり、複数のフィンを設けたりすることにより、冷却性を持たせるようにする。
2 チャンバ
6 冷却ロール
6a 溝
7a、7b 圧力分離壁
14 間隙
15 ガス層
21 間隙
22 ガス層
31 ライニング
32 間隙
33 ガス層
41 間隙
42 シール
43 ガス層
61 基板
62 チャンバ
65a、65b 冷却ロール
66a、66b、66c 圧力分離壁
71 ガス供給装置
Claims (14)
- 帯状の基板に連続して蒸着を行う真空蒸着装置に用いられる基板冷却装置であって、
チャンバ内に設けられ、前記基板の走行を案内する冷却されたロールと、
前記ロール周囲の前記チャンバ内の空間を、蒸着を行う第1圧力室と、前記第1圧力室より高い所定圧力を有する第2圧力室と、前記第1圧力室と前記第2圧力室との間に設けられ、前記第1圧力室と前記第2圧力室との間に差圧を設けて、前記第2圧力室の所定圧力を13Pa以上とする少なくとも1つの中間圧力室とに分離する複数の分離手段とを有し、
前記ロールは、前記第2圧力室にて前記基板を巻き付け、前記基板と前記ロールとの間にガス層を形成することで、当該ガス層の熱伝達率を向上させて、前記基板の温度上昇を抑えるものであることを特徴とする基板冷却装置。 - 請求項1に記載の基板冷却装置において、
前記ロールの周方向の表面に、該ロールの周方向に連通する複数の溝を形成したことを特徴とする基板冷却装置。 - 請求項1に記載の基板冷却装置において、
前記ロールの周方向の表面に、柔構造物を設けたことを特徴とする基板冷却装置。 - 請求項1に記載の基板冷却装置において、
前記基板と前記ロールとの間の両端部に、シール部材を配置したことを特徴とする基板冷却装置。 - 帯状の基板の両面に連続して蒸着を行う真空蒸着装置に用いられる基板冷却装置であって、
チャンバ内に設けられ、前記基板の走行を案内する冷却された2つのロールと、
前記2つのロール周囲の前記チャンバ内の空間を、蒸着を行う第1圧力室と、前記第1圧力室より高い所定圧力を有する第2圧力室と、前記第1圧力室と前記第2圧力室との間に設けられ、前記第1圧力室と前記第2圧力室との間に差圧を設けて、前記第2圧力室の所定圧力を13Pa以上とする少なくとも1つの中間圧力室とに分離する複数の分離手段とを有し、
一方の前記ロールは、前記第2圧力室にて前記基板の一方側の面を外周面にして前記基板を巻き付け、前記基板と該ロールとの間にガス層を形成することで、当該ガス層の熱伝達率を向上させて、前記基板の温度上昇を抑えるものであり、
他方の前記ロールは、前記第2圧力室にて前記基板の他方側の面を外周面にして前記基板を巻き付け、前記基板と該ロールとの間にガス層を形成することで、当該ガス層の熱伝達率を向上させて、前記基板の温度上昇を抑えるものであることを特徴とする基板冷却装置。 - 請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の基板冷却装置において、
前記第2圧力室の所定圧力を100Pa以上とすることを特徴とする基板冷却装置。 - 請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の基板冷却装置において、
前記第2圧力室のガスは、水素ガス又はヘリウムガスよりなることを特徴とする基板冷却装置。 - 帯状の基板に連続して蒸着を行う真空蒸着装置に用いられる基板の冷却方法であって、
前記基板の走行を案内する冷却されたロールの周囲のチャンバ内の空間を、複数の分離手段により、蒸着を行う第1圧力室と、前記第1圧力室より高い所定圧力を有する第2圧力室と、前記第1圧力室と前記第2圧力室との間に設けられ、前記第1圧力室と前記第2圧力室との間に差圧を設けて、前記第2圧力室の所定圧力を13Pa以上とする少なくとも1つの中間圧力室とに分離し、
前記第2圧力室にて、前記基板を前記ロールに巻き付け、前記基板と前記ロールとの間にガス層を形成することで、当該ガス層の熱伝達率を向上させて、前記基板の温度上昇を抑えることを特徴とする基板の冷却方法。 - 請求項8に記載の基板の冷却方法において、
前記ロールの周方向の表面は、該ロールの周方向に連通する複数の溝を有することを特徴とする基板の冷却方法。 - 請求項8に記載の基板の冷却方法において、
前記ロールの周方向の表面は、柔構造物を有することを特徴とする基板の冷却方法。 - 請求項8に記載の基板の冷却方法において、
前記基板と前記ロールとの間の両端部に、シール部材を配置することを特徴とする基板の冷却方法。 - 帯状の基板の両面に連続して蒸着を行う真空蒸着装置に用いられる基板の冷却方法であって、
前記基板の走行を案内する冷却された2つのロールの周囲のチャンバ内の空間を、複数の分離手段により、蒸着を行う第1圧力室と、前記第1圧力室より高い所定圧力を有する第2圧力室と、前記第1圧力室と前記第2圧力室との間に設けられ、前記第1圧力室と前記第2圧力室との間に差圧を設けて、前記第2圧力室の所定圧力を13Pa以上とする少なくとも1つの中間圧力室とに分離し、
一方の前記ロールが、前記第2圧力室にて前記基板の一方側の面を外周面にして、前記基板を巻き付け、前記基板と一方の前記ロールとの間にガス層を形成することで、当該ガス層の熱伝達率を向上させて、前記基板の温度上昇を抑え、
他方の前記ロールが、前記第2圧力室にて前記基板の他方側の面を外周面にして、前記基板を巻き付け、前記基板と他方の前記ロールとの間にガス層を形成することで、当該ガス層の熱伝達率を向上させて、前記基板の温度上昇を抑えることを特徴とする基板の冷却方法。 - 請求項8乃至請求項12のいずれかに記載の基板の冷却方法において、
前記第2圧力室の所定圧力を100Pa以上とすることを特徴とする基板の冷却方法。 - 請求項8乃至請求項13のいずれかに記載の基板の冷却方法において、
前記第2圧力室のガスは、水素ガス又はヘリウムガスよりなることを特徴とする基板の冷却方法。
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