JP5095087B2 - 成膜装置及び成膜方法 - Google Patents
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Description
また、ロール状の基材に対して連続的に基材を搬送する機構を有し、容量結合型プラズマCVD法により成膜する装置がある(特許文献1)。
プラズマ放電の不安定さはアーキングのような異常放電を引き起こし、基材に対して直径数ミリ程度のアーキング跡をつけたり、これが激しい場合には穴をあけてしまう等の外観不良、品質低下を引き起こす問題があった。
またプラズマが不安定であると、長尺状の基材等に成膜を行う際、基材搬送制御にも影響を与え、長時間連続して均一に膜を形成することができないという問題もあった。
さらには、基材によって放電インピーダンスが異なるため、形成される膜の膜厚や膜質が異なるという問題が生じ、基材の種類毎に成膜条件を最適化させる必要があった。
一方で成膜インピーダンスが小さいことが問題となる場合もある。放電インピーダンスが小さい場合には、放電電圧が小さく、放電電流が大きくなり、基材へのイオン打ち込み効果が小さくなり、結果として膜の密着度が不足し、膜剥離を起こすことがある。
また、1組の電極を複数設け、複数組の電極が基材の両側に設置するようにしてもよい。この場合、基材への成膜を基材両面に対して同時に行ってもよいし、異なるときに行ってもよい。
基材の両側に設置することによって、基材の応力が低減し、カール、膜剥離のない良質な膜を形成することが可能になる。また、基材両面に異なるときに順次成膜を行うことによって、成膜時に発生する熱負荷を低減することができる。
マグネットを備えることにより、基材表面近傍での反応性が高くなり、良質な膜を高速で形成することが可能になる。
前記ガス供給部は、電気的にフローティングレベルでもよい。
十分な緻密性と基材に対する密着性を有する膜を形成するためには、前記成膜室の圧力が0.1Paから100Paの間に設定、維持することが望ましい。前記排気室の真空度は前記成膜室の真空度よりも10倍以上10000倍以下の範囲であることが望ましい。
このように排気室真空度を設定することで、成膜基材表面で生成される副生成物を効率よく除去し、良質な膜の生成が可能となる。
更に、前記成膜室よりも後段の前記基材搬送室内において、ローラ上あるいはローラの前段または後段に、成膜時に発生した基材帯電を除去する基材帯電除去部を設けるとよい。前記基材帯電除去部はプラズマ放電装置等である。
さらに、基材によるインピーダンス変動を考慮する必要がなくなるため、基材の種類毎に成膜条件を最適化する必要がなくなる。
図1は、本発明の実施の形態にかかる成膜装置1の概略構成を示す図である。成膜装置1は、基材16に成膜処理を実施するチャンバ3と、基材16の搬送を行う第1基材搬送室15、第2基材搬送室19等からなる。チャンバ3内には、隔壁5および隔壁7が形成される。隔壁5と隔壁7で囲まれた空間に成膜室8が形成され、隔壁5の上側および隔壁7の下側に排気室が形成される。隔壁7の下側を第1排気室9、隔壁5の上側を第2排気室11とする。
第1基材搬送室15には、巻き出しローラ41、ガイドローラ43−1、前処理装置45が設けられる。また、第2基材搬送室19には、巻取りローラ47、ガイドローラ43−2、43−3、43−4、張力ピックアップロール44、後処理装置49が設けられる。
一方、チャンバ3と第2基材搬送室19を分ける壁にも同様の空隙が基材搬出口37として設けられており、成膜室8での成膜工程を終えた基材16は、基材搬出口37を介して第2基材搬送室19に送り出され、ガイドローラ43−2、張力ピックアップロール45、ガイドローラ43−3、43−4を介して巻取りローラ47で巻き取られる。張力ピックアップローラ45は、基材16の張力を調整し、基材16を搬送する。
基材16は、ガラス等のセラミックス、樹脂板、プラスチックフィルム、金属板、金属箔、紙、不織布、繊維等である。
前処理装置45および後処理装置49は、基材16の両側に基材16を挟むように設けられる。前処理装置45は、例えばプラズマ放電装置であり、後処理装置49は、成膜により発生した基材帯電を除去する装置であり、例えば、プラズマ放電装置である。
基材16の上面側では、隔壁5に挟まれるように、ガス供給部21−1、21−2、21−3が設けられ、ガス供給部21−1、21−2、21−3は、流量制御器23−1、23−2、23−3を介してガス貯留部25−1、25−2、25−3に接続される。
また、基材16の下面側では、隔壁7に挟まれるように、ガス供給部21−4、21−5、21−6が設けられ、ガス供給部21−4、21−5、21−6は、流量制御部23−4、23−5、23−6を介してガス貯留部25−4、25−5、25−6に接続される。
流量制御器23−1〜23−6は、それぞれ、ガス貯留部33−1〜33−6からガス供給部21−1〜21−6に送られるガスの流量を計測する。
このため、基材16の上下両面に均一に成膜用ガスを拡散、供給させることが可能となり、基材16の大面積の部分に均一な成膜が可能になる。
一方、基材16の下面も同様に、ガス供給部21−4、21−5の間に電極55−3を備えた電極ユニット27−3が設けられ、ガス供給部21−5、21−6の間に電極55−4を備えた電極ユニット27−4が設けられ、電極55−3、55−4は、電源29−2と接続され、電源29−2から電力が供給される。電極55−3、55−4は電気的にフローティングレベルに設定されている。
すなわち、第1基材搬送室15には、圧力調整バルブ31−4を介して真空排気ポンプ33−4が、第2基材搬送室19には、圧力調整バルブ31−5を介して真空排気ポンプ33−5が、第1排気室9には、圧力調整バルブ31−3を介して真空排気ポンプ33−3が、第2排気室11には、圧力調整バルブ31−1を介して真空排気ポンプ33−1が、成膜室8には、圧力調整バルブ31−2を介して真空排気ポンプ33−2が設けられる。
すなわち、成膜室11と第1、第2基材搬送室15、19とを圧力的に異なる空間とすることで、成膜室8のプラズマ28が第1、第2基材搬送室15、19に漏れることによって成膜室8のプラズマ放電状態が不安定になったり、第1、第2基材搬送室15、19の部材を傷めたり、基材搬送機構の制御のための電気回路に電気的ダメージを与えて、制御不良を引き起こすことがなくなり、安定した成膜及び基材搬送が可能となる。
帯電除去部としての後処理装置49として、例えば、プラズマ放電装置、電子線照射装置、紫外線照射装置、除電バー、グロー放電装置、コロナ処理装置等、任意の処理装置を用いることが可能である。
支持台51に絶縁性シールド板53が設けられ、この絶縁シールド板53に電極55が設けられる。これらの間には熱伝導を防ぐために、オーリングやスペーサを用いて空間を設け、直接的な接触を防ぐ構造としても良い。いずれにせよ、電極55は支持台51とは電気的に絶縁された構造である。電極55には外部が絶縁材料で被覆された電力供給配線59が設けられ電源29−3に接続される。電極55の内部には冷媒を循環させるための温度調節媒体用配管57が設けられる。
電極ユニット27−4も同一の構造体を用いることが可能である。
以上のように、電極ユニット27−3、27−4の電極55−3、55−4は、基材16の下面に相対しており、基材16の下面に向けてプラズマ28が発生して成膜が行われる。
よって、電極ユニット27−1、27−2の電極55−1、55−2は、基材16の上面に相対しており、基材16の上面に向けてプラズマ28が発生して成膜が行われる。
通常、組にして使用する電極ユニット(例えば電極ユニット27−1と27−2)および電極は、電気的にバランスを等価とするため、同一サイズ、同一構造体を用いるのが好適である。
図5は、電極27−3、27−4の側面図、図6は、図5のB方向の矢視図、図7は、図6のC−C断面図である。
電極ユニット27−1および27−2は、電極ユニット27−3、27−4を上下方向に裏返した構造であり、基本的に電極ユニット27−3、27−4の構造と同一である。
この場合も、例えば、エチレングリコール水溶液等を冷却媒体として温度調節媒体配管91に循環させることにより、電極89およびマグネットが冷却される。
絶縁シールド板87は、絶縁性で、プラズマ耐性に優れ、耐熱性を有し、加工性に優れた材料を用いることが好ましい。具体的にはフッ素樹脂、ポリイミド樹脂が好適に用いられる。
また、通常、組にして使用する電極ユニットおよび電極は電気的にバランスを等価とするため、同一サイズ、同一構造体を用いるのが好適である。
さらに好ましくは、10kHz〜500kHz、13.56MHz、27.12MHzが好ましい。
10kHz〜500kHzの成膜用電源を用いた場合は、成膜材料が成膜のために必要な分解を起こす効率が高いことと、基材16への成膜材料打ち込み効果が高いために良質な膜が得られる。また、13.56MHz、27.12MHzは成膜材料の成膜に必要な分解を起こす分解効率が更に高まり、ガスの反応性が高くなり、緻密で密着性の高い良質な成膜が可能となる。これら電源は、高周波数帯の中でも産業上利用を許容された周波数であるため、同周波数電源は多数市販されていて、安価であるという利点がある。
ここで、ガイドローラ43−2は成膜後の基材16が最初に接触するものである。このガイドローラ43−2に、電極ユニット27に設けた温度調節媒体用配管57と同様の配管を設け、温度調節媒体を循環させることにより、基材16を冷却できるようにする基材冷却機構を設置してもよい。
基材冷却機構を設けることにより、成膜時に発生した熱を効率よく取り除くことが可能となる。温度制御範囲は−20℃〜+20℃の範囲で、±2℃の精度で温度が制御されることが望ましい。
さらに、ガイドローラ43−2に基材の帯電除去機構を設けるようにしてもよい。これにより、直流電源により、簡便かつ安定して除電を行うことが可能となる。
そして、フローティングレベルのガイドローラ43−2に帯電除去機構を設けるようにしてもよい。このような構成を採ることにより、簡便かつ安価な直流電圧を印加して除電を行ったり、安定して放電可能な交流電圧を印加することで除電を行うことが可能となる。
また、基材16の上面への成膜を行うためのガス供給部21−1〜21−3および電極ユニット21−1、21−2と、基材16の下面への成膜を行うためのガス供給部21−4〜21−6および電極ユニット21−3、21−4の成膜時間の制御を同一にすることにより、基材16の上面下面への成膜を同時に行うことも可能であるとともに、成膜時間の制御を独立させることにより、基材16上面、下面への成膜を異なる時期に行うことも可能である。
図1に示す本実施の形態の成膜装置1において、電極55−1、55−2、55−3、55−4は、前述した図5、図6、図7に示すようなマグネトロン構造のマグネット85をセットし、基材16表面での平均水平磁束密度が1000ガウスとなるように設定した。チャンバ3はアースレベルに、電極55−1〜55−4、および、第2基材搬送室19内で成膜後の基材16が最初に接触するガイドロール43−2は電気的にフローティングレベルとした。
真空ポンプ33−1、33−2、33−3により、第2排気室11、成膜室8、第1排気室9からなるチャンバ3内を1×10−4Paまで真空引きした。
成膜用ガスとして、TEOS(テトラエトキシシランSi(OC2H5)4)を加熱温度120℃で気化して供給した。そして、TEOS、酸素、アルゴンを、それぞれ、20sccm、500sccm、200sccmで供給し、均一に混合させた後、同ガスを基材16上にシャワー状に供給した。
電源29−1、29−2に周波数40kHzの電源(Advanced Energy
Industries, Inc.製、PEII、10kW)を用い、電極55−1および電極55−2に3kWの電力を、電極55−3および電極55−4に3kWの電力を印加した。これらの電力の制御はインピーダンス制御により行った。基材ライン速度5m/minにより1200m成膜を行った。また、成膜開始後、成膜距離200mおきに前後1分間の平均放電電圧を求めた。また、目視により放電のアーキング(異常放電)発生回数をカウントした。
図9は成膜結果を示す図である。
基材搬送室15には巻き出しローラ41、巻取りローラ47に加えて、ガイドローラ43−1〜43−5、張力ピックアップロール44が設けられ、基材16は、巻き出しローラ41から送り出され、ガイドロール43−1、43−2を介してドラム9に至り、成膜室8に入り、成膜処理が成される。
図10に成膜装置201の実験結果を示す。
また、放電電圧が低減され、放電が安定しやすくなる。投入する電力が成膜に有効に用いられることから、成膜速度が向上し、膜の密度、すなわち、緻密性の高い良質な膜が形成可能となった。さらに、基材反り測定結果によると、両面とも均一な成膜が可能で、基材反り(カール)のない膜が形成された。
5、7………隔壁
8………成膜室
9………第1排気室
11………第2排気室
15………第1基材搬送室
16………基材
19………第2基材搬送室
21………ガス供給部
23………流量制御器
25………ガス貯留部
27………電極ユニット
31………圧力調整バルブ
33………真空排気ポンプ
41………巻き出しローラ
43………ガイドローラ
44………張力ピックアップローラ
45………前処理装置
47………巻取りローラ
49………後処理装置
55………電極
Claims (29)
- プラズマCVD法により、減圧下で基材に薄膜を形成する成膜装置であって、
チャンバと、
前記基材を搬送する搬送機構と、
前記チャンバ内にガスを供給するガス供給部と、
前記チャンバ内を搬送される前記基材の同一表面側に配置され、電気的にフローティングレベルの1組の電極と、
前記1組の電極に電力を供給する交流電源と、
を具備し、
前記1組の電極および前記1組の電極に前記交流電源から電力を供給する回路が接地されず、
前記基材は、前記チャンバ内で直状フリースパン部を有するように保持され、
前記基材の前記フリースパン部で成膜が行われることを特徴とする成膜装置。 - 前記基材への成膜が、前記基材片側表面に対して少なくとも2箇所以上で行われることを特徴とする請求項1記載の成膜装置。
- 前記2箇所以上の成膜で、同一種膜が形成されることを特徴とする請求項2記載の成膜装置。
- 前記2箇所以上の成膜で、異種膜が形成されることを特徴とする請求項2記載の成膜装置。
- 前記1組の電極が複数あり、複数組の電極が前記基材の両側に配置されることを特徴とする請求項1記載の成膜装置。
- 前記基材への成膜が、基材両面に対して同時に行われることを特徴とする請求項5記載の成膜装置。
- 前記基材への成膜が、基材両面に対して異なるときに行われることを特徴とする請求項5記載の成膜装置。
- 前記電極は、基材近傍にプラズマを集中して形成するマグネットを備えることを特徴とする請求項1記載の成膜装置。
- 前記マグネットは、基材表面での水平磁束密度が10ガウスから10000ガウスであることを特徴とする請求項8記載の成膜装置。
- 前記マグネットは、マグネトロン構造を有することを特徴とする請求項8記載の成膜装置。
- 前記電源は、周波数が10Hzから27.12MHzであることを特徴とする請求項1記載の成膜装置。
- 前記電源は、投入電力制御されることを特徴とする請求項1記載の成膜装置。
- 前記電源は、インピーダンス制御されることを特徴とする請求項1記載の成膜装置。
- 前記ガス供給部は、前記基材の前記電極側に取り付けられ、前記基材表面に向けてガスを供給することを特徴とする請求項1記載の成膜装置。
- 前記ガス供給部は、電気的にフローティングレベルであることを特徴とする請求項1記載の成膜装置。
- 前記チャンバは、成膜室と排気室を有することを特徴とする請求項1記載の成膜装置。
- 前記搬送機構は、前記チャンバに前記基材を送り込む第1基材搬送室と、前記チャンバでの成膜後の前記基材を回収する第2基材搬送室とを有することを特徴とする請求項16記載の成膜装置。
- 前記成膜室の成膜圧力が0.1Paから100Paの間であることを特徴とする請求項16記載の成膜装置。
- 前記排気室の真空度は、前記成膜室の真空度よりも10倍から10000倍高いことを特徴とする請求項16記載の成膜装置。
- 前記第1基材搬送室と前記第2基材搬送室の圧力は、前記成膜室の圧力よりも10倍から10000倍高いことを特徴とする請求項17記載の成膜装置。
- 前記第2基材搬送室に、成膜後の前記基材搬送用のローラを有することを特徴とする請求項17記載の成膜装置。
- 前記ローラは、冷却機構を備えることを特徴とする請求項21記載の成膜装置。
- 前記ローラは、電気的にアースレベルであることを特徴とする請求項21記載の成膜装置。
- 前記ローラは、電気的にフローティングレベルであることを特徴とする請求項21記載の成膜装置。
- 前記ローラは、成膜時により発生した基材帯電を除去する基材帯電除去部を備えることを特徴とする請求項23または請求項24記載の成膜装置。
- 基材帯電除去部を、前記第2基材搬送室内で、前記ローラよりも前段に設けたことを特徴とする請求項21記載の成膜装置。
- 基材帯電除去部を、前記第2基材搬送室内で、前記ローラよりも後段に設けたことを特徴とする請求項21記載の成膜装置。
- 前記基材帯電除去部は、プラズマ放電装置であることを特徴とする請求項25〜27のいずれかに記載の成膜装置。
- プラズマCVD法により、減圧下で基材に薄膜を形成する成膜方法であって、
チャンバ内に設けた直状フリースパン部に前記基材を搬送し、
前記チャンバ内にガスを供給し、
前記チャンバ内で、前記基材の同一表面側に配置され、電気的にフローティングレベルの1組の電極に交流電源により電力を供給し、
プラズマを発生させ、
前記基材上に前記フリースパン部で薄膜を形成し、
前記1組の電極および前記1組の電極に前記交流電源から電力を供給する回路が接地されないことを特徴とする成膜方法。
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