JP5787917B2

JP5787917B2 - 成膜方法及び成膜装置

Info

Publication number: JP5787917B2
Application number: JP2013031972A
Authority: JP
Inventors: 英二古屋; 良介小山
Original assignee: Chugai Ro Co Ltd
Current assignee: Chugai Ro Co Ltd
Priority date: 2013-02-21
Filing date: 2013-02-21
Publication date: 2015-09-30
Anticipated expiration: 2033-02-21
Also published as: WO2014129039A1; CN104995330A; JP2014162931A; EP2960357A1; TW201433647A; CN104995330B; KR20150120404A; EP2960357A4; TWI555863B

Description

本発明はイオンプレーティング法により基材に薄膜を形成する成膜方法及び成膜装置に関する。

イオンプレーティング法による成膜方法では、反応室内に配置した坩堝内のターゲット材料にプラズマガンによりプラズマを照射してターゲット材料を蒸発させる一方、反応室内に反応ガスを導入してターゲット材料と反応させて、反応したターゲット材料を基材に蒸着させる。ターゲット材料と反応ガスとの反応が不十分であると、品質の悪い膜が形成される。膜質を改善するには、反応ガスの流量を増加し、成膜速度を低下し、あるいは基材を加熱する等の方法がある。

しかし、反応ガスの流量を増加する方法は、導入可能なガス量に制限があり、成膜圧力が上昇し、成膜速度が低下するので、却って欠陥が増加する。成膜速度を低下する方法は、生産性が悪くなる。基材を加熱する方法は、樹脂フィルムなどには適用できないし、物理的に加熱の限界がある。

ＳｉＯ_２の透明絶縁膜を形成する場合のターゲット材料としては、一般にＳｉＯが使用される。ＳｉＯ_２をターゲット材として使用すると、ＳｉＯ_２は昇華せずに溶融し、液体の状態が存在するので、均一で安定した蒸着ができず、成膜速度を維持することが困難であるからである。これに対し、ＳｉＯは昇華するので、均一で安定した蒸着を行うことができるが、原料が黒色であるため、酸素を加えてＳｉＯ_２にしないと透明な成膜ができない。そこで、ＳｉＯをターゲット材料とする場合には、反応ガスとしては酸素が使用される。しかし、酸素とＳｉＯの反応が不十分であると、膜がＳｉＯ_２とならずに、着色した膜が形成される。

特許文献１には、成膜ドラムの内壁に沿ってマグネットを配置して、基材表面にプラズマ閉じ込め部を形成し、成膜材料を活性化することで、基材に緻密で良質な膜を形成することが提案されている。しかし、この引用文献１の方法は、ターゲット材料としてＳｉＯ_２を使用するものである。引用文献１の方法の磁石によるプラズマ閉じ込め空間は、ターゲット材料としてＳｉＯを使用し、反応ガスとして酸素を使用する場合の、酸素とＳｉＯの反応を十分に行うためのものではない。
同様に、磁石を用いるものとして、特許文献２には、フィルム基材が成膜ドラムから剥離する近傍の成膜ドラム内に永久磁石を設置して、フィルム基材が成膜ドラムから剥離する際の静電気力を減少して、フィルム基材が損傷するのを防止することが提案されている。しかし、この特許文献２の方法は、成膜時点の膜の品質とは直接関係がない。

成膜業界では、上記背景に鑑み、ターゲット材料として均一な蒸着が行えるＳｉＯを使用し、制御が難しい反応ガス（酸素）を用いることなく、透明な成膜を行える方法が要請されている。

特開２００６−１２４７３８号公報（特許第４６１３０４６号）特開２００８−０７５１６４号公報（特許第４８２６９０７号）

本発明は、ターゲット材料として均一な蒸着が行える昇華型のＳｉＯを使用し、かつ、色が付かない透明な成膜が行える方法及び装置を提供することを課題とする。

本発明者らは、ターゲット材料としてＳｉＯを使用した場合に、反応ガスとして酸素を用いることなく透明な成膜を行える方法を鋭意研究した結果、基材の背面に磁石を配置して、そのプラズマ閉じ込め空間でＳｉＯをプラズマにより活性化させて、ＳｉＯ_２を形成することで、透明な成膜が行えることを見出した。

前記課題を解決するための手段として、本発明の成膜方法は、蒸着面が成膜室の内側に臨むように基材を搬入し、前記基材の背面に磁石を配置し、前記成膜室に配置した坩堝にＳｉＯを収容し、プラズマ発生装置によりプラズマを前記ＳｉＯに照射してＳｉＯを蒸発させ、前記基材の蒸着面側に前記磁石の磁界によるプラズマ閉じ込め空間を形成し、前記プラズマ閉じ込め空間で前記蒸発したＳｉＯとプラズマを反応させてＳｉＯを活性化させてＳｉＯ_２を形成することにより、反応ガスとして酸素を使用することなく、前記基材の蒸着面にＳｉＯ_２の膜を形成するようにした。

この方法によれば、プラズマ閉じ込め空間で、蒸発させたＳｉＯとプラズマを反応させてＳｉＯを活性化させるので、反応ガスとして酸素を使用することなく、基材の蒸着面にＳｉＯ_２の膜を形成できる。つまり、ターゲット材料として均一な蒸着が行える昇華型のＳｉＯを使用し、かつ、色が付かない透明な成膜を行うことができる。

前記課題を解決するための手段として、本発明の成膜装置は、成膜室内の坩堝に収容したターゲット材料にプラズマ発生装置によりプラズマを照射してターゲット材料を蒸発させ、蒸発したターゲット材料を蒸着面が成膜室の内側に臨むように搬入された基材に蒸着させる成膜装置において、前記基材の背面に磁石を配置し、前記基材の蒸着面側に前記磁石の磁界によるプラズマ閉じ込め空間を形成し、前記坩堝にターゲット材料としてＳｉＯを収容し、プラズマ発生装置によりプラズマを前記ＳｉＯに照射してＳｉＯを蒸発させ、前記プラズマ閉じ込め空間で前記蒸発したＳｉＯとプラズマを反応させてＳｉＯを活性化させてＳｉＯ_２を形成することにより、反応ガスとして酸素を使用することなく、前記基材の蒸着面にＳｉＯ_２の膜を形成するようにした。

この構成によれば、プラズマ閉じ込め空間で、蒸発させたＳｉＯとプラズマを反応させてＳｉＯを活性化させるので、反応ガスとして酸素を使用することなく、基材の蒸着面にＳｉＯ_２の膜を形成できる。つまり、ターゲット材料として均一な蒸着が行える昇華型のＳｉＯを使用し、かつ、色が付かない透明な成膜を行うことができる。

前記磁石は、長尺な形状を有することが好ましい。この構成によれば、幅広の基材に対しても成膜できる。

前記磁石と前記基材を介して対向する位置に、遮蔽板を配置することが好ましい。この構成によれば、プラズマ閉じ込め空間が形成されない基材上の領域にＳｉＯからなる色が付いた膜が形成されることを防止できる。

前記磁石は、その長手方向が前記基材の端縁近傍で、当該端縁に沿うように配置することが好ましい。この構成によれば、基材の蒸着面全体をプラズマ閉じ込め空間の内部に配置できる。そして、ターゲット材料として均一な蒸着が行える昇華型のＳｉＯを使用して、基材の蒸着面全体に色が付かない透明な成膜を行うことができる。

前記磁石は、前記基材の搬送方向に複数配置することが好ましい。また、前記基材は、成膜中に、蒸着面に垂直な中心線の周りに回転させる構成であり、前記磁石は前記中心線から離れた位置に配置することが好ましい。これらの構成によれば、反応度合の高いＳｉＯ_２膜と低いＳｉＯ_２膜の積層が可能である。

本発明によれば、プラズマ閉じ込め空間で、蒸発させたＳｉＯとプラズマを反応させてＳｉＯを活性化させるので、反応ガスとして酸素を使用することなく、基材の蒸着面にＳｉＯ_２の膜を形成できる。つまり、ターゲット材料として均一な蒸着が行える昇華型のＳｉＯを使用し、かつ、色が付かない透明な成膜を行うことができる。

本発明の第１実施形態における成膜装置を示す概略図。基材の背面に配置された磁石によって形成されたプラズマ閉じ込め空間を示す図。本発明の第２実施形態の成膜装置の要部を示す図。本発明の第３実施形態の成膜装置の要部を示す図。本発明の第４実施形態の成膜装置の要部を示す図。本発明の第５実施形態における成膜装置を示す概略図。回転可能に支持された基材と磁石との位置関係を示す図。本発明の成膜装置の変形例を示す図。（ａ）は本発明の成膜装置の変形例を示す図、（ｂ）はその要部の側面図。基材の透過率の測定位置を示す図。

以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態の成膜装置を示す。成膜装置１０は、イオンプレーティング装置であり、プラズマガン（プラズマ発生装置）１１により成膜室１２内にプラズマを発生させて基材１３上に蒸着により薄膜を形成するものである。

プラズマガン１１は、圧力勾配型プラズマガンである。プラズマガン１１は、放電電源１４のマイナス側に接続された陰極１５とプラス側に接続された中間電極１６，１７とを備えている。陰極１５および中間電極１６，１７は、プラズマガン１１に供給される放電ガスを陰極１５の中心部の穴から成膜室１２内部に噴射可能なように円環状に配置されている。

成膜室１２は、略直方体状に形成された箱体である。成膜室１２の側面には、内部と外部とを連通するように略水平方向外側に突出する略円筒状のプラズマガン装着部１９が設けられている。プラズマガン装着部１９の内部空間には、中間電極１６，１７の開口の径方向外側に対応する領域に円環状の電子帰還電極２０が設けられている。成膜室１２内部の下方には、放電電源１４のプラス側に接続された坩堝２１が設けられている。坩堝２１には、基材１３の蒸着面１３ａに絶縁性物質からなる薄膜を成膜するためのターゲット材料２２が収容されている。ターゲット材料２２はＳｉＯである。坩堝２１には、プラズマビーム２３を引き寄せる坩堝磁石２４が配置されている。成膜室１２では、プラズマガン１１によって略水平方向に照射されたプラズマビーム２３が坩堝２１の坩堝磁石２４の方向に曲げられターゲット材料２２に照射されるようになっている。坩堝２１に対向する成膜室１２内部の上方には、基材１３の蒸着面１３ａが成膜室１２の内側に臨むように基材１３が配置される処理部２６が設けられている。成膜室１２には、開閉扉２７が設けられ基材１３の交換やターゲット材料２２の補充が行えるようになっている。成膜室１２では、開閉扉２７を閉じることにより内部の気密性が確保されるようになっている。処理部２６には、基材１３の坩堝２１と反対側である背面に長尺のプラズマ閉じ込め用磁石２９が設けられている。図２に示すように、プラズマ閉じ込め用磁石２９は、Ｎ極が基材１３側に位置するように、その長手方向が基材１３の中心線に沿うように配置されている。プラズマガン装着部１９の端面は、プラズマビームを略水平方向に照射するようにプラズマガン１１が装着された状態で閉塞される。プラズマガン装着部１９の外周には、集束コイル３２が設けられている。基材配置部３７は、プラズマ閉じ込め用磁石２９が中心に位置するように配置されている。成膜室１２には、内部のガスを排気する真空ポンプ３３が接続されている。

成膜装置１０の開閉扉２７を開き、基材１３を、蒸着面１３ａが成膜室１２の内側、すなわち坩堝２１側に臨むように取り付ける。そして、開閉扉２７を閉め、真空ポンプ３３で減圧した後、放電電源１４を起動する。プラズマガン１１により放電ガスのプラズマが生成されるとともに、このプラズマの一部をターゲット材料２２であるＳｉＯに照射してターゲット材料２２であるＳｉＯを蒸発させる。図２に示すように、成膜室１２内部で生成されたプラズマの一部は、処理部２６のプラズマ閉じ込め用磁石２９の磁力線３４の近傍に比較的多く存在するように移動する。つまり、基材１３の蒸着面１３ａ近傍には、プラズマ閉じ込め用磁石２９の磁界によるプラズマ閉じ込め空間３５が形成されている。そのため、プラズマ閉じ込め空間３５において、坩堝２１のターゲット材料２２が蒸発したＳｉＯとプラズマが反応してＳｉＯが活性化される。これにより、基材１３の蒸着面１３ａにＳｉＯ_２が形成される。つまり、反応ガスとして酸素を使用することなく、基材１３の蒸着面１３ａにＳｉＯ_２の膜が形成される。

本発明によれば、プラズマ閉じ込め空間３５にプラズマ閉じ込め空間３５の周囲よりも多くのプラズマが存在するように閉じ込められているので、坩堝２１のターゲット材料２２から蒸発したＳｉＯとプラズマとの反応を促進させることができる。すなわち、蒸発させたＳｉＯとプラズマを反応させてＳｉＯを活性化させることができる。したがって、反応ガスとして酸素を使用することなく、基材１３の蒸着面１３ａにＳｉＯ_２の膜を形成できる。つまり、ターゲット材料２２として均一な蒸着が行える昇華型のＳｉＯを使用し、かつ、色が付かない透明な成膜を行うことができる。また、安定した状態で、より効率的かつ高品質に基材１３上に成膜できる。

プラズマ閉じ込め用磁石２９が長尺な形状を有しているので、幅広の基材１３に対しても成膜できる。

プラズマ閉じ込め用磁石２９を、その長手方向が基材１３の中心線に沿うように配置しているので、基材１３に対して最も広範囲に成膜できる。

（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態の成膜装置１０の要部を示す。成膜室１２には、プラズマ閉じ込め用磁石２９と基材１３を介して対向する位置に、遮蔽板３９が配置されている。

この構成によれば、プラズマ閉じ込め用磁石２９と基材１３を介して対向する位置、すなわちプラズマ閉じ込め空間３５が形成されない基材１３の領域に対向する位置に遮蔽板３９を配置しているので、蒸発したＳｉＯがプラズマ閉じ込め空間３５内で活性化されずに基材１３の蒸着面１３ａに到達することを防止でき透明なＳｉＯ_２の薄膜３６だけが成膜される。したがって、プラズマ閉じ込め空間３５が形成されない基材１３上の領域にＳｉＯからなる色が付いた膜が形成されることを防止できる。

（第３実施形態）
図４は、本発明の第３実施形態の成膜装置１０の要部を示す。プラズマ閉じ込め用磁石２９は、その長手方向が基材１３の端縁近傍で、当該端縁に沿うように配置されている。この構成によれば、基材１３の蒸着面１３ａ全体を磁力線３４の内側、すなわちプラズマ閉じ込め空間３５の内部に配置できる。したがって、ターゲット材料２２として均一な蒸着が行える昇華型のＳｉＯを使用して、基材１３の蒸着面１３ａ全体に色が付かない透明な成膜を行うことができる。同様に、プラズマ閉じ込め空間３５が形成されない領域には、遮蔽板３９が配置される。

（第４実施形態）
図５は、本発明の第４実施形態の成膜装置１０の要部を示す。プラズマ閉じ込め用磁石２９は、基材１３の搬送方向に複数配置されている。この構成によれば、搬送方向で、反応度合の高いＳｉＯ_２膜と低いＳｉＯ_２膜とを交互に基材１３の蒸着面１３ａに成膜できる。

（第５実施形態）
図６は、本発明の第５実施形態の成膜装置を示す。処理部２６は、モータ３０の回転軸に連結されている。図７は、第５実施形態の成膜装置１０の要部を示す。プラズマ閉じ込め用磁石２９は、モータ３０の回転軸に対して偏心した位置に配置されている。モータ３０を回転すると、基材１３も軸線Ｐの回りに回転する。これにより、基材１３は、プラズマ閉じ込め用磁石２９を中心として形成されたプラズマ閉じ込め空間３５から近づいたり遠ざかったりを繰り返しながら、成膜される。この構成によっても、同様に、反応度合の高いＳｉＯ_２膜と低いＳｉＯ_２膜とを交互に基材１３の蒸着面１３ａに成膜できる。

なお、本発明の成膜装置１０は、前記実施形態に限定されるものではなく、以下に例示するように種々の変更が可能である。

図８に示すように、成膜室１２に、処理部２６と坩堝２１との間で略水平方向に移動可能なシャッター３１を設けてもよい。この構成によれば、シャッター３１の開度を調節することにより、基材１３の蒸着面１３ａの成膜領域が拡縮できる。

図９（ａ）に示すように、成膜装置１０の処理部２６を略水平方向に延びるように形成し、処理部２６に略水平方向に搬送可能な搬送部４０を設けてもよい。図９（ｂ）は、磁石２９の位置における側断面を示す。この構成によれば、搬入室２８からの基材１３を所定間隔で搬送部４０により搬送して、処理部２６で基材１３に成膜できる。すなわち、基材１３への成膜を連続的に処理できる。

また、本発明は基材１３をロールに沿って連続的に供給するロール型の成膜装置にも適用できるので、樹脂フィルム等にも成膜が可能となる。

（実験例）
基材１３の背面にプラズマ閉じ込め用磁石２９を配置して成膜することによる効果を確認するため、以下に示す条件（表１）で実験した。具体的には、プラズマ閉じ込め用磁石２９を配置せずに成膜した基材の透過率（％）に対して、プラズマ閉じ込め用磁石２９を配置して成膜した基材１３の透過率（％）が、どのように変化するかを調べた。基材はいずれも同じ透明ガラスを使用した。３００（ｍｍ）×３００（ｍｍ）の大きさの基材の中央に磁石２９のＮ極が近接するように磁石２９を配置した。長尺の遮蔽板３９を、磁石と基材を介して対向する位置で基材の中心線に沿うように配置した。図１０に示すように、基材における透過率の測定位置はＡ〜Ｄである。成膜時間は同一とした。

（比較例）
基材の背面に磁石を配置せずに、基材の透過率を測定した。測定条件について、電力は１２．２（ｋＷ）であり、圧力は０．１２（Ｐａ）である。表１に示すように、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにおける透過率は７１．５％、５７．０％、８０．６％、５９．４％であった。膜には、点Ａ〜Ｄの全てにおいて、色が付いていた。

（実験１）
基材の背面中央に磁石を配置し、基材の透過率を測定した。測定条件について、電力は１２．２（ｋＷ）であり、圧力は０．１２（Ｐａ）である。Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにおける透過率は９１．６％、９１．４％、９１．４％、９１．２％であった。膜には、点Ａ〜Ｄの全てにおいて、色が付いていなかった。

（実験２）
基材の背面中央に磁石を配置し、基材の透過率を測定した。測定条件について、電力は１２．２（ｋＷ）であり、圧力は０．０８（Ｐａ）である。Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにおける透過率は８９．８％、９０．１％、８９．７％、９０．８％であった。膜には、点Ａ〜Ｄの全てにおいて、色が付いていなかった。

（実験３）
基材の背面中央に磁石を配置し、基材の透過率を測定した。測定条件について、電力は１４．２（ｋＷ）であり、圧力は０．１２（Ｐａ）である。Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにおける透過率は、９１．１％、９１．２％、９０．３％、９０．４％であった。膜には、点Ａ〜Ｄの全てにおいて、色が付いていなかった。

（実験４）
基材の背面中央に磁石を配置し、基材の透過率を測定した。測定条件について、電力は１６．２（ｋＷ）であり、圧力は０．１２（Ｐａ）である。Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにおける透過率は９１．０％、９０．９％、８９．８％、９１．３％であった。膜には、点Ａ〜Ｄの全てにおいて、色が付いていなかった。

以上より、基材の背面に磁石を配置した実験１〜４の基材の透過率は、電力および圧力の大きさに依存せず概ね９０％であるのに対して、基材の背面に磁石を配置していない比較例の基材の透過率は、５７．０〜８０．６（％）の範囲で９０（％）を大きく下回る値となっていることが分かった。これにより、基材１３の背面にプラズマ閉じ込め用磁石２９を配置することにより、ターゲット材料２２として均一な蒸着が行える昇華型のＳｉＯを使用し、かつ、色が付かない透明な成膜が行えることが確認できた。今回の実験１〜４の透過率は、９０％程度である。この値は、基板として用いたガラスの透過率と同程度であるため、成膜された薄膜自体は、１００％に近い透過率を持つといえる。実験１〜４の膜厚は、比較例に比べて約１／２であるため、透過率の違いを単純に比較することはできない。しかし、１００％に近い透過率の薄膜を２倍の厚さにしたところで、透過率の変化は非常に小さいはずである。従って、今回の実験によって、薄膜の透過率が向上したことは明白であるといえる。

また、比較例では、磁石を配置していないため、Ａ〜Ｄの各点において、透過率が異なる値をとっているのに対し、実験１〜４では、ほぼ同様の値をとっている。このことは、磁石が配置されていない場合に、蒸発したＳｉＯが活性化させる領域が形成されないため、Ａ〜Ｄにおいて不均一な成膜が行われた結果を示すと考えられ、磁石が配置された場合に、磁石から放射状に広がった磁力線によりプラズマ閉じ込め空間３５を磁石の回りに形成して均一な成膜が行われた結果を示すと考えられる。また、成膜は同一時間行ったのだが、磁石を基板の背面に配置せずに成膜した膜の厚さ（３８７．６〜４１７．０ｍｍ）よりも、磁石を基板の背面に配置して成膜した膜の厚さ（１２９．０〜２６２．０ｍｍ）の方が、薄くなることが確認できた。

１０成膜装置
１１プラズマガン（プラズマ発生装置）
１２成膜室
１３基材
１３ａ蒸着面
１４放電電源
１５陰極
１６，１７中間電極
１９プラズマガン装着部
２０電子帰還電極
２１坩堝
２２ターゲット材料
２３プラズマビーム
２４坩堝磁石
２６処理部
２７開閉扉
２８搬入室
２９プラズマ閉じ込め用磁石
３０モータ
３１シャッター
３２集束コイル
３３真空ポンプ
３４磁力線
３５プラズマ閉じ込め空間
３６薄膜
３７基材配置部
３９遮蔽板
４０搬送部

Claims

蒸着面が成膜室の内側に臨むように基材を搬入し、
前記基材の背面に磁石を配置し、
前記成膜室に配置した坩堝にＳｉＯを収容し、
プラズマ発生装置によりプラズマを前記ＳｉＯに照射してＳｉＯを蒸発させ、
前記基材の蒸着面側に前記磁石の磁界によるプラズマ閉じ込め空間を形成し、
前記プラズマ閉じ込め空間で前記蒸発したＳｉＯとプラズマを反応させてＳｉＯを活性化させてＳｉＯ_２を形成することにより、反応ガスとして酸素を使用することなく、前記基材の蒸着面にＳｉＯ_２の膜を形成することを特徴とする成膜方法。
成膜室内の坩堝に収容したターゲット材料にプラズマ発生装置によりプラズマを照射してターゲット材料を蒸発させ、蒸発したターゲット材料を蒸着面が成膜室の内側に臨むように搬入された基材に蒸着させる成膜装置において、
前記基材の背面に磁石を配置し、前記基材の蒸着面側に前記磁石の磁界によるプラズマ閉じ込め空間を形成し、前記坩堝にターゲット材料としてＳｉＯを収容し、
プラズマ発生装置によりプラズマを前記ＳｉＯに照射してＳｉＯを蒸発させ、前記プラズマ閉じ込め空間で前記蒸発したＳｉＯとプラズマを反応させてＳｉＯを活性化させてＳｉＯ_２を形成することにより、反応ガスとして酸素を使用することなく、前記基材の蒸着面にＳｉＯ_２の膜を形成することを特徴とする成膜装置。
前記磁石は、長尺な形状を有することを特徴とする請求項２に記載の成膜装置。
前記磁石と前記基材を介して対向する位置に、遮蔽板を配置したことを特徴とする請求項２に記載の成膜装置。
前記磁石は、その長手方向が前記基材の端縁近傍で、当該端縁に沿うように配置することを特徴とする請求項３に記載の成膜装置。
前記磁石は、前記基材の搬送方向に複数配置することを特徴とする請求項２に記載の成膜装置。
前記基材は、成膜中に、蒸着面に垂直な中心線の周りに回転させる構成であり、前記磁石は前記中心線から離れた位置に配置することを特徴とする請求項２に記載の成膜装置。