JP6365432B2 - 硬質金属皮膜を有する金属ロールの穿孔方法およびその穿孔方法を用いた金属ロールの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、硬質金属皮膜を有する金属母材の穿孔方法に関し、特に硬質金属皮膜で被覆された円筒部材の外周肉厚部に外周面側から微細な孔を穿孔する方法および該穿孔方法を用いて硬質金属皮膜で被覆された外周面に複数のガス放出孔を備えたガス放出機構付きキャンロールを製造する方法に関する。

液晶パネル、ノートパソコン、デジタルカメラ、携帯電話等の電子機器には、樹脂フィルム上に配線回路が形成されたフレキシブル配線基板が用いられている。このフレキシブル配線基板は樹脂フィルムの片面若しくは両面に金属膜を成膜した金属膜付樹脂フィルムをパターニング加工したものが用いられている。近年、電子機器の高性能化に伴い、配線回路パターンには更なる微細化や高密度化が求められており、金属膜付樹脂フィルム自体がシワ等のない平滑なものであることがますます重要になっている。

上記の金属膜付樹脂フィルムの製造方法として、従来から、金属箔を接着剤により樹脂フィルムに貼り付けて製造する方法（３層基板の製造方法）、金属箔に耐熱性樹脂溶液をコーティングし且つ乾燥させて製造する方法（キャスティング法）、および樹脂フィルムに真空成膜法もしくは真空成膜法と湿式めっき法により金属膜を成膜して製造する方法（メタライジング法）等が知られている。また、メタライジング法に用いる真空成膜法としては、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、イオンビームスパッタリング法等がある。

上記メタライジング法について、特許文献１には、ポリイミド絶縁層上にクロム層をスパッタリング法で成膜した後、銅をスパッタリング法で成膜してポリイミド絶縁層上に導体層を形成する真空成膜法が記載されている。なお、ポリイミドフィルムの様な樹脂フィルムに真空成膜法で成膜する場合には、ロールツーロールで搬送される長尺の樹脂フィルムに連続的に成膜を行ういわゆるスパッタリングウェブコータを用いるのが一般的である。

ところで、上述した真空成膜法において、一般にスパッタリング法は密着力に優れる反面、真空蒸着法に比べて樹脂フィルムに与える熱負荷が大きいといわれている。そして、成膜の際に樹脂フィルムに大きな熱負荷がかかると、フィルムにシワが発生し易くなることも知られている。このシワの発生を防ぐために、スパッタリングウェブコータを用いて金属膜付樹脂フィルムを作製する際、冷媒が内部を循環するジャケットロール構造のキャンロールの外周面にロールツーロールで搬送される長尺樹脂フィルムを巻き付けることによって、成膜中の当該長尺樹脂フィルムを裏面側から冷却する方式が提案されている。

例えば特許文献２には、スパッタリングウェブコータの一例である巻出巻取式（ロールツーロール方式）の真空スパッタリング装置が開示されている。この巻出巻取式の真空スパッタリング装置は、真空チャンバーの内側にキャンロールの役割を担うクーリングロールが設けられており、更にクーリングロールの少なくともフィルム送入れ側若しくは送出し側に設けたサブロールによって長尺樹脂フィルムをクーリングロールに密着させている。

しかしながら、非特許文献１に記載されているように、キャンロールの外周面はミクロ的に見て平坦ではないため、キャンロールとその外周面に接触して搬送される樹脂フィルムとの間には真空空間を介して離間する隙間（ギャップ部）が存在している。このため、成膜の際に生じる樹脂フィルムの熱はキャンロールに効率よく伝熱されているとはいえず、これがフィルムのシワ発生の原因になることがあった。

このような問題を解決するため、キャンロール外周面と樹脂フィルムとの間のギャップ部にキャンロール側からガスを導入する方法が、ギャップ部の熱伝導率を真空の場合に比べて高くする技術として提案されている。例えば特許文献３には、キャンロール側からガスを導入する方法として、キャンロールの外周面にガスの導入口となる多数の微細なガス放出孔を設ける技術が開示されている。なお、非特許文献２によれば、導入ガスがアルゴンガスでその導入ガス圧力が５００Ｐａの場合、キャンロールの外周面と樹脂フィルムとの間のギャップ部の距離が約４０μｍ以下の分子流領域のとき、ギャップ部の熱コンダクタンスは２５０（Ｗ／ｍ^２・Ｋ）になると記載されている。

特開平２−９８９９４号公報 特開昭６２−２４７０７３号公報 国際公開第２００５／００１１５７号

"Vacuum Heat Transfer Models for Web Substrates： Review of Theory and Experimental Heat Transfer Data," 2000 Society of Vacuum Coaters, 43rd. Annual Technical Conference Proceeding, Denver, April 15‐20, 2000, p.335 "Improvement of Web Condition by the Deposition Drum Design," 2000 Society of Vacuum Coaters, 50th. Annual Technical Conference Proceeding(2007), p.749

上記したガス放出機構付きキャンロールは、例えば図１（ａ）〜（ｃ）に示す方法で作製することができる。すなわち、先ず図１（ａ）の部分拡大斜視図に示すようなシームレスパイプや鋳造パイプなどのロール材１００を用意する。その肉厚部に片側若しくは両側からガンドリルを用いて穿孔し、図１（ｂ）に示すようなロール材１００の中心軸に対して平行に延在する複数のガス導入路５を、ロール材１００の全周に亘って略等間隔に設ける。次に、ロール材１００の外周面側から各ガス導入路５に向けてその延在方向に沿って一定の間隔おきにレーザーを照射する。これにより、図１（ｃ）に示すように、各ガス導入路５毎にその延在方向に沿って外周面側で開口する複数のガス放出孔６を設けることができる。

しかし、上記の方法でレーザー加工を行うと、ガス放出孔の開口部周辺に蒸発した金属カスが付着することがある。そこで、ガス放出孔をレーザー加工した後に外周面を研磨加工することが行われている。具体的には、図２に示すように、先ずガンドリル加工工程においてロール材１００にガンドリル加工によりガス導入路５を形成し、次にレーザー穴開け加工工程においてレーザー加工によって複数のガス放出孔６を形成した後、研磨加工工程において外周面を研磨する。

次に、硬質（ハード）クロムめっき工程において外周面に硬質クロムめっきを施した後、鏡面研磨加工工程において外周面を鏡面にするために再度研磨加工を行う。このように硬質クロムめっきを施す理由は、外周面を硬質クロムめっきで覆ってから鏡面加工することで、外周面の平滑性と硬度を上げることができ、よって、スパッタリングウェブコータとして使用する際、その外周面に巻き付いて走行する樹脂フィルムに傷などをつけないようにすることができるからである。

しかしながら、この工程順では、図３（ａ）に示すように、ロール材１００の外周面に垂直に開口するガス放出孔６の開口部６Ａが、硬質クロムめっき１０１によって閉塞してしまうことがあった。また、図３（ｂ）に示すように、ロール材１００の外周面に対して斜め方向に開口するガス放出孔１６であっても、当該ガス放出孔１６の開口部１６Ａが硬質クロムめっき１１１により閉塞してしまうことがあった。

金属製のキャンロールの場合、平滑性と硬度を向上させるためには約５０μｍ以上のめっき厚が必要であり、上記したような硬質クロムめっきによるガス放出孔の閉塞あるいは小径化は避けることができなかった。このガス放出孔の小径化が均一であれば、最初に大きめのガス放出孔を加工しておいて、硬質クロムめっきにより均一に小径化させることも考えられるが、キャンロールのような大型の装置を硬質クロムめっきする場合は、小物部品の硬質クロムめっきとは異なり均一な膜厚でめっきを形成することは極めて困難であり、よって閉塞あるいは小径化の程度を均一にすることは実質的に不可能であった。

めっきによる開口部の閉塞を避けるため、キャンロールの表面に硬質クロムめっきをあらかじめ施してからその表面にレーザーを照射してガス放出孔を穿孔することも考えられる。しかし、硬質クロムめっきが施されていると、特に図３（ｂ）のように外周面に対して斜め方向にガス放出孔を開口させるために当該外周面に対して斜めにレーザーを照射すると、レーザーはめっきされた外周面で反射し、ガス放出孔を開けることができなかった。

また、前述したようにガス放出機構付きキャンロールを用いた場合は、当該キャンロールの外周面とそこに巻き付いている樹脂フィルムとの間のギャップ部の熱コンダクタンスは２５０（Ｗ／ｍ^２・Ｋ）程度となり、このギャップ部にガスを導入しない場合に比べて１０倍以上の冷却効果がある。それ故に、ガス放出機構付きキャンロールの外周面に施された硬質クロムめっきには、ガス放出機構を有さないキャンロールに比べて何倍ものスパッタリングの熱負荷が繰り返し印加されることになり、しばしば硬質クロムめっきにクラックが発生することがあった。

さらに、ガス放出機構付きキャンロールでは、その外周面のうち真下にガス導入路が設けられている部分は、真下にガス導入路が設けられていない部分に比べて熱伝達が悪くなるため、ガス導入路が真下にある部分とない部分とで温度差が生じることで熱応力が生じ、これが硬質クロムめっきのクラック発生の原因になっている可能性もある。

本発明は上記した問題に鑑みてなされたものであり、鏡面加工された硬質クロムめっきなどの硬質金属皮膜が設けられた金属母材の表面に複数の微細孔を略均等に穿孔することが可能な穿孔方法を提供することを目的にしている。また、係る穿孔方法を用いてクラックの発生しにくい硬質金属皮膜が被覆された外周面に複数の略均等なガス放出孔が設けられたガス放出機構付きキャンロールを製造する方法を提供することを目的にしている。

上記目的を達成するため、本発明が提供する硬質金属皮膜で被覆された金属ロールの穿孔方法は、金属ロールの外周面を硬質金属皮膜で被覆する工程と、前記硬質金属皮膜の表面を鏡面研磨加工することによって前記金属ロールの芯出しを行った後、前記硬質金属皮膜表面を中心線平均粗さＲａで０.１〜０.３μｍとなるようにブラスト処理によって粗面化する工程と、前記粗面化された硬質金属皮膜の表面にレーザー加工によって穿孔する工程と、前記穿孔された硬質金属皮膜の表面を中心線平均粗さＲａで０.０５μｍ以下となるように鏡面研磨加工する工程とからなる硬質金属皮膜で被覆された金属ロールの穿孔方法であって、前記硬質金属皮膜の被覆は前記金属ロールの外周面にレーザービームを照射すると共にそのスポットに前記硬質金属皮膜を構成する溶材粉末を供給して溶融凝固させることで形成することを特徴としている。

本発明によれば、クラックの生じにくい硬質金属皮膜で被覆された金属母材に複数の微細な孔を略均等に穿孔することができ、ロールツーロール方式の表面処理装置用の外周面が極めて平滑で且つ耐久性に優れたガス放出機構付きキャンロールを作製することができる。

ガス放出機構付きキャンロール用の外筒部の従来の作製方法を示す部分拡大斜視図である。 ガス放出機構付きキャンロールの従来の製造方法を示す斜視図である。 図２の製造方法で形成したガス放出孔の開口部の様子を模式的に示す断面図である。 本発明に係る穿孔方法を用いたガス放出機構付きキャンロールの製造方法を示す斜視図である。 ハードクロムめっき表面を精密ブラスト加工した表面の中心線平均粗さと、該表面における波長１.０６μｍのレーザーの５°正反射率との関係を示すグラフである。 円筒部に設けた各ガス導入路に対して複数のガス放出孔が２列に並んで連通するように配された場合を示す部分拡大斜視図である。 図６の円筒部の各ガス導入路を正面から見た部分拡大正面図である。 ガスロータリージョイントを備えたガス放出機構付きキャンロールをその中心軸を有する面で切断した断面図である。 ロールツーロール方式による長尺樹脂フィルムの表面処理装置の一具体例を示す模式的な正面図である。

以下、本発明に係る硬質金属皮膜を有する金属母材の穿孔方法の一具体例として、効率よく長尺樹脂フィルムを冷却するため、キャンロールの外周面とそこに巻き付けられる長尺樹脂フィルムとの間のギャップ部にガスを導入することが可能な外周面に複数のガス放出孔が形成されたジャケットロール構造のキャンロールを作製する場合を例に挙げて説明する。図４にこの本発明の一具体例の穿孔方法を用いてガス放出機構付きキャンロールを作製する方法が工程順に示されている。

具体的に説明すると、先ず熱伝導性と加工性に優れた、好適にはアルミ、銅、またはステンレスからなる円筒状のロール材１００をキャンロールの外筒部用部材として用意する。このロール材１００には、加工を容易にするため中心軸部分に仮軸１１０を取り付けてもよい。このロール材１００の外周肉厚部に、ガンドリル加工によりロール材１００の中心軸方向に延在する複数のガス導入路５を全周に亘って等間隔に形成する（ガンドリル加工工程）。各ガス導入路５の長さは、ロール材１００の幅の５０％以上にするのが好ましい。これが５０％未満ではキャンロールの外周面とそこに巻き付く長尺樹脂フィルムとの間にガスを充分供給できなくなるおそれがある。なお、ガス導入路５をロール材１００の片側端面から加工するのが困難な場合は、両側端面から加工してもよい。

次に、ロール材１００の外周部分を円筒切削した後、当該切削した外周面を研磨加工する（研磨加工工程）。このように研磨加工前に外周部分を円筒切削することにより、後述するガス放出孔の深さが浅くなるので、その加工時間を短くすることができる上、細いガス放出孔をより簡単に穿孔することが可能となる。なお、ガンドリルによる孔開け加工は、肉厚の薄い方向に曲がっていく特性があるので、ロール材１００の外周面付近にガス導入路を開けた場合は、円筒切削する前にロール材１００の幅方向略中央部にガス放出孔を開けてガス導入路５の深さを確認するのが望ましい。

次に、ロール材１００の外周面の平滑性と硬度を上げるために、当該外周面を硬質金属皮膜で被覆する（硬質金属皮膜コーティング工程）。このようにして外周面を平滑にすると共にその硬度を高めることにより、ロール材１００をスパッタリングウェブコータなどのロールツーロール方式の表面処理装置に使用した時に、当該キャンロールの外周面がその上を走行する長尺樹脂フィルムとの接触の際に摩耗するのを防ぐことができる。なお、この硬質金属皮膜の膜厚は、後述する粗面化および鏡面加工を行っても除去されることのない膜厚、具体的には１００μｍ程度の膜厚にすることが好ましい。

この硬質金属皮膜の被覆にはレーザーコーティング法が用いられる。この方法は、金属板などの金属母材の表面にレーザービームを照射すると共にその照射スポットに硬質金属皮膜を構成する溶材粉末を供給することによって、金属母材の表面に溶材を溶融凝固させて硬質金属皮膜を成膜する方法である。かかるレーザーコーティング法では、レーザービームの熱源によりレーザービームのスポットにおいて溶材がモルテンプールを形成するが、レーザービームとそのスポットの周囲に不活性なシールドガスを供給することで、モルテンプールでの溶材の酸化を防ぐことができる。このようにレーザーコーティング法を用いてロール材１００の外周面に硬質金属皮膜を成膜することで、レーザービームの精密なパワー制御が可能なため、金属母材であるロール材１００への影響が少なく、且つロール材１００の金属成分が硬質金属皮膜に溶け込まないため、硬質金属皮膜が薄くても硬質金属皮膜本来の性能を発揮させることができる。

硬質金属皮膜の成膜法として、従来から知られている粉体プラズマ溶接法を用いることが考えられるが、この方法では金属母材であるロール材の外周面と金属皮膜とが溶解により完全に接合し、特にアークにより母材の金属が広範囲に硬質金属皮膜に溶け込むので、硬質金属皮膜の表面部での組成を硬質金属の組成にする為に硬質金属皮膜を厚くする必要が生じ、後述するガス放出孔のレーザー穴開け加工時において穿孔する厚みが増加する問題が生じる。さらに金属母材であるロール材への熱負荷が大きく、ガス導入路が形成されたロールに施す処理としては適していない。

また、硬質金属皮膜の更に他の成膜法として、溶射法を用いることが考えらえるが、この方法では溶材を溶かして得た溶射粒子をロールの外周面に吹き付けることで機械的に接合させるため、熱負荷により剥離する可能性がある。また、溶射粒子で形成された皮膜は金属母材上で多孔質の膜となるため、スパッタリングウェブコータのキャンロールのように真空中で使用する場合は適していない。

これに対して、レーザーコーティング法を用いる場合は上記した粉体プラズマ溶接や溶射の問題を生ずることなく、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｗ、タングステンカーバイト等のうちの１種以上を主成分とする合金からなる超硬合金等でロール材１００の外周面を覆うことができ、よって当該外周面の平滑性と硬度とが高められたガス放出機構付きキャンロールを作製することが可能となる。特に、ガス放出機構付きキャンロールの表面の硬質金属皮膜をクロムで形成しても、従来の硬質クロムめっきよりも強固なクロム皮膜を形成することができる。なお、硬質金属被膜となる溶材粉末には、タングステンカーバイトＷＣにＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏ等を添加したもの、ＮｉにＣｒ、Ｃｏ等を添加したもの、Ｃｒ単体等が考えられるが、硬質な膜ほど鏡面研磨が容易ではないので仕様等を考慮して適宜選択するのが好ましい。

上記の方法で硬質金属皮膜が成膜されたロール材１００は、次に上記硬質金属皮膜の表面を公知のバーチカル研磨等で鏡面研磨加工し、当該ロール材１００の芯出しをする（第１鏡面研磨加工工程）。これは、硬質金属皮膜を形成しただけでは、当該円筒状のロール材１００の外周面は中心軸方向から見た時に真円から大きくずれていることがあるからである。このように真円から大きくずれたままのロール材１００をキャンロールとして用いると、長尺樹脂フィルムの搬送の際にブレが生じ、適切に長尺樹脂フィルムを搬送できなくなるおそれがある。また、硬質金属皮膜の鏡面研磨加工により、硬質金属皮膜の膜厚のバラツキを無くすことができ、且つ後述する精密ブラストも均一に行うことができる。

ところで、硬質金属皮膜の表面に鏡面研磨加工を施こすことによりロール材１００の外周面には金属光沢が生じるが、かかる金属光沢を有する外周面にレーザーで加工すると、レーザーは当該表面で反射してレーザー照射のために設けられた光学系を損傷させる恐れがある。そこで、レーザー加工する前に、鏡面加工された硬質金属皮膜を有するロール材１００の外周面を精密ブラスト加工によって粗くする（精密ブラスト加工工程）。これにより、ロール材１００の外周面に照射したレーザーを該外周面で散乱させることができ、光学系の損傷を防止することができる。更に、レーザーの反射率を低減させて吸収率を増加させることができるので、レーザー穴開け加工時の効率を向上させることができる。

上記の精密ブラスト加工では、硬質金属皮膜の表面を極端に粗くしてしまうと、レーザー穴開け加工後に行う研磨が困難になり、逆に、硬質金属皮膜の表面粗さが不足すると、レーザー穴開け加工の際に上記効果が期待できない。このため、硬質金属皮膜の表面の精密ブラスト加工では、中心線平均粗さＲａで０.１〜０.３μｍとなるように粗くする。精密ブラスト加工工程に使用する研磨剤は、硬質金属皮膜の硬度にもよるがアルミナ研磨剤またはＳｉＣ研磨剤が好ましく、その粒径は２０〜１００μｍ程度が適している。この研磨剤の粒径および精密ブラストの加工時間を適宜調整することにより中心線平均粗さＲａが０.１〜０.３μｍとなるように加工することができる。

図５には、硬質金属皮膜表面を精密ブラスト加工したときの中心線平均粗さＲａと、ガス放出孔の加工に用いる波長１.０６μｍのレーザーにおける５°正反射率との関係が示されている。中心線平均粗さＲａが０.１μｍ未満では、レーザー波長１.０６μｍにおける５°正反射率が２％を超えるので、反射したレーザーがレーザー照射の光学系を損傷させる恐れがある。一方、中心線平均粗さＲａが０.３μｍを超えてもレーザー波長１.０６μｍにおける５°正反射率は変化しておらず、０.３μｍを超えて粗くすると後工程の研磨鏡面加工に必要な手間が増加するので好ましくない。

再度図４に戻ると、次に上記精密ブラスト加工が施されたロール材１００に対して、その外周面側から各ガス導入路５に向かってレーザーを照射し、各ガス導入路５に回転軸方向に沿って開口する複数の略等間隔に並ぶガス放出孔６を連通させる（レーザー穴開け加工工程）。各ガス導入路５に設ける複数のガス放出孔６は、図１（ｃ）のように各ガス導入路５に対してその延在方向に１列だけ並ぶように形成してもよいし、膨大な加工時間を要するガンドリル加工で形成するガス導入路５の本数を減らすため、各ガス導入路５に対してその延在方向に２列以上が並ぶように形成してもよい。

例えば図６には、ロール材２００に形成したガス導入路１５の各々に２列のガス放出孔群１６ａ、１６ｂを配した例が示されている。この場合は、レーザー加工の際のレーザーの照射方向は、ガス導入路１５が延在する方向に対して直交する方向であって、且つ図７に示すようにロール材２００の中心軸方向から見たときに、各ガス導入路１５の直近における外周面の法線に関して右斜め方向と左斜め方向から好適にはこれらが当該法線に関して線対称となるようにセットする。

これにより、各ガス導入路１５の真上の位置に対して一方の側で等間隔に並ぶガス放出孔群１６ａと、その反対側で等間隔に並ぶガス放出孔群１６ｂとをガス導入路１５に連通させることができる。この場合、各ガス放出孔の延在方向はガス導入路１５の延在方向に直交しており且つロール材１００の外周面に対して斜めとなる。なお、このようにロール材１００の外周面に対して斜めに開ける角度を適宜調整することによって、ロール材１００の円周方向におけるガス導入路１５のピッチを上記図１（ｃ）の場合に比べて２倍程度に広げた場合であっても、ロール材１００の円周方向におけるガス放出孔１６ａ、１６ｂの開口部のピッチを、当該図１（ｃ）の場合と同等にすることができる。

ガス放出孔を外周面に対して斜めに開ける加工は、マイクロドリルでは刃先が入り込ますに非常に難しい。これに対して上記したレーザー加工であれば、容易に外周面に対して斜めにガス放出孔を開けることが可能である。例えばパルスＹＡＧレーザーなどの公知のレーザーを用いた孔あけ加工機を用いることで良好に穿孔することができる。

但し、図７に示すように、ロール材２００の中心軸方向から各ガス導入路を見たとき、ガス放出孔群１６ａ、１６ｂを構成する各ガス放出孔の延在方向Ｌ１とそれが連通するガス導入路１５の直近の外周面の法線Ｌ２とのなす角度αが６０°を超えると、各ガス放出孔の外周面側の開口部の形状が極端に横に広がった楕円に成るばかりか、当該開口部の周辺部のうちガス放出孔の延在方向とロール材の外周面とが鋭角に交わる部分がレーザーで溶けてしまい、開口部の孔径が大きくなり過ぎてしまう。このようにガス放出孔の開口部が大きくなり過ぎると、その部位では他の場所に比べて長尺樹脂フィルムとキャンロールの金属部分との離間距離が大きくなり、熱伝導効率が局所的に低下するおそれがあるので好ましくない。

再度図４に戻ると、レーザー穴開け加工工程の次は、ロール材１００の外周面を研磨鏡面加工して、外周面を中心線平均粗さＲａで０.０５μｍ以下にする（第２鏡面研磨加工工程）。この中心線平均粗さＲａが０.０５μｍを超えると、接触する長尺樹脂フィルムに傷が付きやすくなる。この鏡面研磨加工は、公知のバーチカル研磨により行うことができる。これによりガス導入路とこれに連通し外周面で開口するガス放出孔とを有するガス放出機構付きキャンロール用の外筒部が得られる。この外筒部に内筒部および側面部を組み込んでジャケットロール構造とし、更にガスロータリージョイントを取り付けることにより図８に示すようなガス放出キャンロールが完成する。

すなわち、この図８に示すガス放出キャンロールは、外周面が長尺樹脂フィルムの搬送経路となる外筒部１と、その内側に同心軸状に設けられた内筒部２と、それらの両端部に取り付けられた側面部３ａ、３ｂとからなり、これら外筒部１と内筒部２との間に冷媒循環路４が形成されたジャケットロール構造になっている。そして、このジャケットロール構造の一端部に各ガス導入路にガスを分配するガスロータリージョイント７が設けられている。

かかる構造のガス放出機構付きキャンロールにより、キャンロールの冷媒循環路４には、処理装置の外部に設けられた冷媒冷却装置（図示せず）との間で冷媒の循環が行われ、これによりキャンロールの外筒部１が温度調節される。また、処理装置の外部からガス供給ライン８を介して導入されるガスは、ガスロータリージョイント７で各ガス導入路５に分配された後、ガス導入路５に連通する複数のガス放出孔６から外筒部１の外周面と長尺樹脂フィルムとの間のギャップ部に放出される。これにより、ロールツーロール方式で搬送される長尺樹脂フィルムに対して熱的ダメージを与えることなく熱負荷がかかる表面処理を施すことが可能になる。

ガス導入路５の本数や、複数のガス放出孔６の数は、キャンロールの外周面のうち長尺樹脂フィルムが巻き付けられる角度範囲（この角度を抱き角と称することもある）、搬送時の長尺樹脂フィルムの張力、ガス放出孔６からのガスの放出量等に応じて適宜定められる。各ガス放出孔６の内径は、キャンロールの外周面とそこに巻き付く長尺樹脂フィルムとの間のギャップ部内に良好にガスを導入できる大きさであれば特に限定されない。しかし、ガス放出孔６の内径が１０００μｍを超えるとその箇所において冷却効率が局所的に低下する原因となるため、一般的には内径３０〜１０００μｍ程度が好ましい。

また、上記のような小さな内径を有するガス放出孔６を狭ピッチにして多数配置することが外筒部１の外周面全面に亘って熱伝導性を均一化できるという点において好ましいが、小さな内径のガス放出孔６を狭ピッチで多数設ける加工技術は困難を伴うので、現実的には内径１００〜５００μｍ程度のガス放出孔６を５〜１０ｍｍのピッチで配置することが好ましい。

上記したガス放出機構付きキャンロールが搭載される処理装置としては、例えば図９に示すようなスパッタリングウェブコータとも称される真空成膜装置を挙げることができる。この真空成膜装置５０は、真空チャンバー５１内において、巻出ロール５２から巻き出された長尺樹脂フィルムＦを内部に温調された冷媒が循環するモータ駆動のキャンロール５６の外周面に巻き付けて冷却しながらスパッタリング成膜処理を行った後、巻取ロール６４で巻き取ることができるようになっており、ロールツーロール方式で搬送される長尺樹脂フィルムＦの表面に連続的に効率よく成膜処理を施す場合に好適に用いられる。

具体的に説明すると、真空チャンバー５１には図示しないドライポンプ、ターボ分子ポンプ、クライオコイル等の種々の真空装置が具備されており、これらによりスパッタリング成膜に際して真空チャンバー５１内を到達圧力１０^−４Ｐａ程度まで減圧した後、スパッタリングガスの導入により０.１〜１０Ｐａ程度の圧力調整を行えるようになっている。スパッタリングガスにはアルゴンなど公知のガスが使用され、目的に応じて更に酸素などのガスが添加される。真空チャンバー５１形状や材質については、上記減圧状態に耐え得るものであれば特に限定はなく、種々のものを使用することができる。

巻出ロール５２からキャンロール５６までの搬送経路には、長尺樹脂フィルムＦを案内するフリーロール５３、長尺樹脂フィルムＦの張力の測定を行う張力センサロール５４、およびキャンロール５６の外周面に長尺樹脂フィルムＦ密着させるべくキャンロール５６の周速度に対する周速度の調整が可能なモータ駆動のフィードロール５５がこの順に配置されている。

キャンロール５６から巻取ロール６４までの搬送経路にも、上記と同様に、キャンロール５６の周速度に対する周速度の調整が可能なモータ駆動のフィードロール６１、長尺樹脂フィルムＦの張力測定を行う張力センサロール６２、および長尺樹脂フィルムＦを案内するフリーロール６３がこの順に配置されている。上記巻出ロール５２および巻取ロール６４では、パウダークラッチ等によるトルク制御によって、長尺樹脂フィルムＦの張力バランスが保たれている。また、キャンロール５６の回転と、これに連動して回転するフィードロール５５、６１により、巻出ロール５２から長尺樹脂フィルムＦが巻き出されて巻取ロール６４に巻き取られるようになっている。

上記キャンロール５６の外周面のうち、長尺樹脂フィルムＦが巻き付けられる搬送経路に対向する位置に、成膜手段としてのマグネトロンスパッタリングカソード５７、５８、５９、６０がこの順に該搬送経路に沿って設けられている。これにより長尺樹脂フィルムＦを裏面側から冷却しながら表面側に熱負荷のかかるスパッタリング成膜を行うことができる。なお、金属膜のスパッタリング成膜の場合には板状のターゲットを使用することができるが、この場合はターゲット上にノジュール（異物の成長）が発生することがある。これが問題になる場合は、ノジュールの発生がなく、ターゲットの使用効率も高い円筒形のロータリーターゲットを使用することが好ましい。

なお、この真空成膜装置５０には、熱負荷の掛かる真空成膜処理としてスパッタリング処理を想定したものであるため、マグネトロンスパッタリングカソード５７、５８、５９、６０が設けられているが、熱負荷の掛かる処理がＣＶＤ（化学蒸着）や真空蒸着などの他のものである場合は、板状ターゲットに代えて他の真空成膜手段が設けられる。

キャンロール５６に外周面に設けられた複数のガス導入路５の一部がキャンロール５６の回転により図９の抱き角Ａの範囲外に位置したときは、その一部のガス導入路５にはガスを供給しないのが望ましい。このため、図８に示すガスロータリージョイント７には、抱き角Ａの範囲内に位置しているガス導入路５には真空チャンバー５１の外部から供給されるガスを供給し、抱き角Ａの範囲外に位置しているガス導入路５には真空チャンバー５１の外部から供給されるガスを供給しないような電磁弁や機械式開閉機構などのガス供給制御手段が備わっていることが好ましい。

これにより、ガス供給ライン８から供給されるガスのほとんどをキャンロール５６の外周面とそこに巻き付けられる長尺樹脂フィルムＦとの間に形成されるギャップ部に導入することができ、長尺樹脂フィルムＦが巻き付いていない領域から無駄にガスを放出することがなくなる。よって、当該ギャップ部の間隔をほぼ一定に維持するためのガス流量制御が容易になる上、キャンロール５６の外周面と長尺樹脂フィルムＦとの間のギャップ部の熱コンダクタンスを抱き角Ａの範囲内の全領域に亘って均一にすることが可能となる。

なお、長尺樹フィルムがキャンロールの外周面から離間する距離は、該長尺樹脂フィルムの種類や厚さ、長尺樹脂フィルムの搬送時の張力、ガス導入路５へのガス導入量等により異なるが、キャンロールの外周面とそこに巻き付いている長尺樹脂フィルムとのギャップ間隔が４０μｍ程度であれば、当該ギャップ部に導入するガスは前述した真空成膜装置が具備するドライポンプなどの真空ポンプで排気可能である。一般的には、ギャップ部に導入するガスをスパッタリング雰囲気のガスと同じにすることによって、スパッタリング雰囲気の汚染を防ぐことができ、熱伝導率が比較的高いアルゴンを導入ガスに用いるのが特に望ましい。

上記した構成により、長尺樹脂フィルムに例えばＮｉ系合金等からなる膜とＣｕ膜とからなる積層構造の金属膜を連続的にスパッタリング等により成膜することができ、これにより製品としての金属膜付樹脂フィルムが得られる。この金属膜付樹脂フィルムに用いる長尺樹脂フィルムとしては、例えば、ポリイミド系フィルム、ポリアミド系フィルム、ポリエステル系フィルム、ポリテトラフルオロエチレン系フィルム、ポリフェニレンサルファイド系フィルム、ポリエチレンナフタレート系フィルム、液晶ポリマー系フィルム等を挙げることができる。これらの樹脂フィルムは、金属膜付フレキシブル基板としての柔軟性、実用上必要な強度、配線材料として好適な電気絶縁性を有する点において好ましい。

また、上記Ｎｉ合金等からなる膜はシード層と呼ばれ、Ｎｉ−Ｃｒ合金またはインコネル、コンスタンタンやモネル等の各種公知の合金を用いることができるが、その組成は金属膜付樹脂フィルムの電気絶縁性や耐マイグレーション性等の所望の特性に応じて選択される。金属膜付長尺樹脂フィルムの金属膜を更に厚くしたい場合は、湿式めっき法を用いて金属膜を形成することがある。なお、電気めっき処理のみで金属膜を形成する場合と、一次めっきとして無電解めっき処理を行い、二次めっきとして電解めっき処理等の湿式めっき法を組み合わせて行う場合もある。湿式めっき処理は、常法による湿式めっき法の諸条件を採用すればよい。

このようにして得た金属膜付樹脂フィルムは、サブトラクティブ法によりフレキシブル配線基板に加工される。サブトラクティブ法とは、レジストで覆われていない金属膜（例えば、上記Ｃｕ膜）をエッチングにより除去してフレキシブル配線基板を製造する方法である。なお、上記説明では、長尺樹脂フィルムにＮｉ-Ｃｒ合金やＣｕ等の金属膜を積層した構造体を例示したが、上記以外に各種用途に応じて種々の長尺基板に酸化物膜、窒化物膜、炭化物膜等を積層した構造体の作製に適用することも可能である。

また、上記したガス放出機構付きキャンロールは、真空成膜装置以外のプラズマ処理やイオンビーム処理にも好適に使用することができる。プラズマ処理やイオンビーム処理は、長尺樹脂フィルム基板の表面改質を目的として真空チャンバー内の減圧雰囲気下で行われるが、これら処理も長尺樹脂フィルムに熱負荷が掛かる処理であるためシワが発生しやすい。そのため、上記ガス放出機構付きキャンロールを使用することで、キャンロールの外周面と長尺樹脂フィルムとの間のギャップ間隔をほぼ一定に維持することができ、これにより熱コンダクタンスを簡単に均一にすることができるので、シワの発生を著しく減らすことが可能になる。

なお、プラズマ処理とは、公知のプラズマ処理方法により、例えばアルゴンと酸素の混合ガスまたはアルゴンと窒素の混合ガスからなる減圧雰囲気下において放電を行うことにより、酸素プラズマまたは窒素プラズマを発生させて長尺樹脂フィルムを処理する方法である。また、イオンビーム処理とは、公知のイオンビーム源を用い、強い磁場を印加した磁場ギャップでプラズマ放電を発生させ、プラズマ中の陽イオンを陽極による電解でイオンビームとして照射することにより、長尺樹脂フィルムを処理する方法である。

［実施例１］
図４に示す方法に従って図８に示すようなガス放出機構付きキャンロールを作製し、これを図９に示すような真空成膜装置（スパッタリングウェブコータ）に搭載してロールツーロールで搬送される長尺樹脂フィルム上にシード層としてのＮｉ−Ｃｒ膜を成膜し、その上にＣｕ膜を成膜した。なお、長尺樹脂フィルム基板には、幅５００ｍｍ、長さ８００ｍ、厚さ２５μｍの宇部興産株式会社製の耐熱性ポリイミドフィルム「ユーピレックス（登録商標）」を使用した。

具体的には、ガス放出機構付きキャンロール５６の外筒部１には、外径８０６ｍｍ、幅７５０ｍｍ、外周部の厚さ１５ｍｍのステンレスのシームレスパイプを用い、その内側に内筒部２を組み込んで冷媒循環路を有する２重筒構造のジャケットロールとした。この外筒部１の肉厚部の厚み方向中央部に、全周に亘って角度２°毎に１８０本の内径５ｍｍのガス導入路５をガンドリルにより両端部から形成した。

次に、外筒部１の表面を３ｍｍ円筒切削して外径８００ｍｍに仕上げ、外筒部１を円筒切削後にバーチカル研磨を実施した。ガス導入路５を外筒部１の表面側に開けることができればその後のガス放出孔の深さが浅くなるのでレーザーによる加工を容易にすることができるが、ガンドリルは肉厚が薄い方向に向かって曲がっていく特性があって初めからガンドリルによるガス導入路５を外筒部１の表面付近に開けることは難しい。このため、上記したように肉厚部の厚み方向中央部にガンドリルでガス導入路５を形成した後に外筒部１の外周面を円筒切削した。

次に、外筒部１の外周面にレーザービームを照射すると共にそのスポットに硬質金属皮膜を構成する溶材粉末を供給して溶融凝固させることで硬質金属被膜を形成した。硬質金属被膜となる溶材粉末には、タングステンカーバイトＷＣにＣｏおよびＣｒを添加した。これにより膜厚０.３ｍｍの硬質金属被膜を成膜した試料１のジャケットロールを作製した。更に、溶材粉末にＮｉにＣｒを添加したものを用いた以外は試料１と同様にして成膜した試料２のジャケットロールと、Ｃｒのみを用いた以外は試料１と同様にして成膜した試料３のジャケットロールとをそれぞれ作製した。

これら試料１〜３のジャケットロールの各々に対して、再度バーチカル研磨を行って硬質金属被膜を０.２ｍｍまで薄くすると共に表面を鏡面に仕上げた。この状態での表面の中心線平均粗さＲａは０.０５μｍであった。そして、ブラスト粒番号４００番（平均粒子径：３０±２μｍ）を用いた精密ブラスト処理により、外筒部１の硬質金属被膜面（鏡面）を中心線平均粗さＲａで０.１５μｍにした。

次に、波長１.０６μｍ、出力１００ＷのパルスＹＡＧレーザーを用いてガス放出孔６を穿孔した。ガス放出孔６は、図７に示すように、各ガス導入路５の中心と外筒部１の中心とを結ぶ半径方向に延びる直線Ｌ２に対して３１°と−３１°傾いた角度から、ガス放出孔６の内径が２００μｍに成るような位置にレーザヘッドをセットして、７ｍｍピッチでレーザーを照射した。ただし、外筒部１の外周面の両端部からそれぞれ長尺樹脂フィルムの搬送経路の端部の更に２０ｍｍ内側までの領域にはガス放出孔６を形成しなかった。上記したように半径方向の直線に対して３１°と−３１°の角度からガス放出孔６を形成したので、ガス放出孔６は外筒部１の円周方向のピッチも７ｍｍになった。

なお、前述したように外筒部１の外周面を精密ブラスト処理により粗くしたので、レーザー加工の際にガス放出孔６の加工に用いるレーザー波長１.０６μｍにおける５°正反射率を２％以下に低下させることができ、よってレーザーの反射によりレーザー照射光学系が損傷しないようにレーザーを散乱させることができた。さらに、レーザーの反射率を低減することで吸収率を増加させることができたので穴開け加工効率を向上させることができた。

次に、外筒部１の硬質金属被膜面に再度バーチカル研磨を行い、硬質金属被膜厚を０.１０ｍｍまで薄くして鏡面に仕上げた。この状態での表面粗さは、中心線平均粗さＲａで０.０３μｍであった。１００個のガス放出孔の短軸方向（外筒部１の外周面に対して斜め方向に穿孔したので、孔の開口部の形状は楕円形となった）のサイズを調べてみたところ、すべて２００μｍ±２０μｍ以内であり、ほぼ均一なガス放出孔６を得ることができた。

このようにして完成させた試料１〜３のジャケットロール構造からなるキャンロール５６を各々真空成膜装置に搭載して長尺樹脂フィルムの成膜を行った。その際、キャンロール５６の外周面において長尺樹脂フィルムが巻き付けられる角度範囲は約３３０°であった。これは、長尺樹脂フィルムが接触しない角度（フィルム抱き角Ａ以外の角度）が約３０°であり、この角度範囲に存在するガス導入路は１５本になる。従って、この約３０°の角度範囲に位置するガス放出孔６からはガスが出されないように、ガスロータリージョイント７の内部の流路が機械的に閉鎖される構造にした。

上記したポリイミドフィルムからなる長尺樹脂フィルムＦにシード層であるＮｉ−Ｃｒ膜とＣｕ膜とを積層して成膜するため、マグネトロンスパッタリングカソード５７にはＮｉ−Ｃｒターゲットを用い、マグネトロンスパッタリングカソード５８〜６０にはＣｕターゲットを使用した。また、巻出ロール５２に上記した耐熱性ポリイミドフィルムをセットし、キャンロール５６を経由して耐熱性ポリイミドフィルムの先端部を巻取ロール６４に取り付けた。

そして、真空チャンバー５１を複数台のドライポンプにより５Ｐａまで排気した後、更に複数台のターボ分子ポンプとクライオコイルを用いて３×１０^−３Ｐａまで排気した。この状態で、耐熱性ポリイミドフィルムの搬送速度を４ｍ／分にした後、マグネトロンスパッタカソードにアルゴンガスを３００ｓｃｃｍ導入すると共に、各カソードへの印加電力は５ｋＷとした。更に、巻出ロールと巻取ロールの張力は８０Ｎとし、キャンロール５６の冷媒循環路４を循環する冷媒には２０℃に温度制御された水を用いた。そして、ガスロータリージョイント７にアルゴンガスを１００ｓｃｃｍ導入して、Ｎｉ−Ｃｒ膜およびその上にＣｕ膜の成膜を開始した。

この成膜中に、マグネトロンスパッタカソードの間に設置したレーザー変位計により、耐熱性ポリイミドフィルムの表面形状を測定したところ、試料１〜３のいずれのキャンロールも耐熱性ポリイミドフィルムはキャンロールの外周面からほぼ均一に約４０μｍ離れていることが確認された。また、成膜中におけるキャンロール５６上のポリイミドフィルム表面の観察が可能な観察窓から観察しながら、各カソードへの印加電力を徐々に増加していきスパッタリングの熱負荷によるシワが発生しない最大スパッタリング電力（４台の合計）を求めた結果、試料１〜３のいずれのキャンロールも８０ｋＷであった。

一方、ガス導入路へのアルゴンガス導入を停止して、成膜中におけるキャンロール５６上のポリイミドフィルム表面の観察が可能な観察窓から観察しながら、各カソードへの印加電力を徐々に増加していきスパッタリングの熱負荷によるシワが発生しない最大スパッタリング電力（４台の合計）を求めた結果、試料１〜３のいずれのキャンロールも４０ｋＷであった。つまり、ギャッブ部にガスを導入することにより、シワが発生しない最大スパッタリング電力はガスを導入しない従来のキャンロールを用いた場合に比べて約２倍程度に向上した。

更に、硬質金属被膜としてタングステンカーバイトＷＣにＣｏとＣｒを添加したものを使用した試料１のキャンロール、ＮｉにＣｒを添加したものを使用した試料２のキャンロール、およびＣｒのみを使用した試料３のキャンロールのいずれにおいても、上記の成膜処理を連続して１０回して実施してもクラックや硬質金属被膜の剥離は観察されなかった。

このように実施例１では均一なガス放出孔を有し且つ耐久性に優れたキャンロールを製作することができ、これを採用した長尺樹脂フィルムの処理装置はスパッタリングの熱負荷を良好に低減することができ、シワが発生しなかった。そのため、最大スパッタリング電力を高くすることが可能になり、同じ膜厚を得るためのフィルム搬送速度を速くすることができた。よって、生産性の向上とコストダウンが可能になった。

［比較例１］
実施例１と同様にしてガス導入路５が設けられた２重筒構造のジャケットロールを作製してその外筒部１の外周面を実施例１と同様に円筒切削およびバーチカル研磨した。この外筒部１の外周面に従来の電解めっき法により１００μｍ厚の硬質クロムめっきを施した。そして、再度バーチカル研磨により硬質クロムめっき厚を６０μｍまで薄くして、鏡面に仕上げた。この状態での表面粗さは、中心線平均粗さＲａで０.０５μｍであった。そして、ブラスト粒番号４００番（平均粒子径：３０±２μｍ）を用いた精密ブラスト処理により、外筒部の硬質クロムめっき面（鏡面）を中心線平均粗さＲａで０.１５μｍにした。

この外筒部１に実施例１と同様にしてレーザー加工でガス放出孔を穿孔した後、外筒部１の硬質クロムめっき面に再度バーチカル研磨し、硬質クロムめっき厚を５０μｍまで薄くして、鏡面に仕上げた。この状態での表面粗さは、中心線平均粗さＲａで０.０３μｍであった。１００個のガス放出孔の短軸方向（外筒部１の外周面に対して斜め方向に穿孔したので、孔の開口部の形状は楕円形となった）のサイズを調べてみたところ、すべて２００μｍ±２０μｍ以内であり、ほぼ均一なガス放出孔を得ることができた。以降は実施例１と同様にして成膜装置に搭載して長尺樹脂フィルムに成膜を行った。

この成膜中に、マグネトロンスパッタカソードの間に設置したレーザー変位計により、耐熱性ポリイミドフィルムの表面形状を測定したところ、耐熱性ポリイミドフィルムはキャンロール５６の外周面からほぼ均一に約４０μｍ離れていることが確認された。また、成膜中におけるキャンロール５６上のポリイミドフィルム表面の観察が可能な観察窓から観察しながら、各カソードへの印加電力を徐々に増加していきスパッタリングの熱負荷によるシワが発生しない最大スパッタリング電力（４台の合計）を求めた結果８０ｋＷであった。

一方、ガス導入路５へのアルゴンガス導入を停止して、成膜中におけるキャンロール上のポリイミドフィルム表面の観察が可能な観察窓から観察しながら、各カソードへの印加電力を徐々に増加していきスパッタリングの熱負荷によるシワが発生しない最大スパッタリング電力（４台の合計）を求めた結果４０ｋＷであった。つまり、ギャッブ部にガスを導入することにより、シワが発生しない最大スパッタリング電力はガスを導入しない従来のキャンロールを用いた場合に比べて約２倍程度に向上した。

しかし、上記の成膜処理を連続して１０回して実施すると１〜５ｍｍ程度のクラックが発生し、クラック端部は浮き上がってしまっていた。このクラックはガス放出孔を囲むように発生していた。前述したように、ガス導入路が真下にある部分は、ガス導入路が真下にない部分に比べて熱伝達が悪いために、これら部分の間で温度差が生じて熱応力が生じ、これが硬質クロムめっきのクラックの発生に起因している可能性が高い。

［比較例２］
実施例１と同様にしてガス導入路５が設けられた２重筒構造のジャケットロールを作製してその外筒部１の外周面を実施例１と同様に円筒切削およびバーチカル研磨した。この外筒部１の外周面に溶射により０.３ｍｍ厚のクロム金属被膜を施したところ、外筒部の内部にガス導入路に起因する熱歪みで変形してしまった。この熱歪みの凹凸は、バーチカル研磨では修正することが難しく、ガス放出機構付きキャンロールの製作工程をこの時点で断念した。

１ 外筒部
２ 内筒部
３ａ、３ｂ 側面部
４ 冷媒循環部
５ ガス導入路
６ ガス放出孔
７ ガスロータリージョイント
８ ガス供給ライン
５０ 成膜装置
５１ 真空チャンバー
５２ 巻出ロール
５３、６３ フリーロール
５４、６２ 張力センサロール
５５、６１ フィードロール
５６ キャンロール
５７、５８、５９、６０ マグネトロンスパッタリングカソード
６４ 巻取ロール
Ｏ 中心軸
Ｆ 長尺樹脂フィルム
Ａ 抱き角

Claims (4)

1. 金属ロールの外周面を硬質金属皮膜で被覆する工程と、前記硬質金属皮膜の表面を鏡面研磨加工することによって前記金属ロールの芯出しを行った後、前記硬質金属皮膜の表面を中心線平均粗さＲａで０.１〜０.３μｍとなるようにブラスト処理によって粗面化する工程と、前記粗面化された硬質金属皮膜の表面にレーザー加工によって穿孔する工程と、前記穿孔された硬質金属皮膜の表面を中心線平均粗さＲａで０.０５μｍ以下となるように鏡面研磨加工する工程とからなる硬質金属皮膜で被覆された金属ロールの穿孔方法であって、前記硬質金属皮膜の被覆は前記金属ロールの外周面にレーザービームを照射すると共にそのスポットに前記硬質金属皮膜を構成する溶材粉末を供給して溶融凝固させることで形成することを特徴とする硬質金属皮膜で被覆された金属ロールの穿孔方法。
2. 中心線平均粗さＲａで０.０５μｍ以下の硬質金属皮膜で外周面が被覆された金属ロールの製造方法であって、請求項１に記載の穿孔方法で該外周面に複数の孔を設けることを特徴とする金属ロールの製造方法。
3. 前記硬質金属皮膜が、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｗ、およびタングステンカーバイトＷＣのうちの１種以上を主成分とする合金であることを特徴とする、請求項２に記載の金属ロールの製造方法。
4. ロールツーロールで搬送される長尺基板を外周面に巻き付けて冷却するキャンロールと、前記キャンロールの外周面に対向して配された、前記長尺基板に熱負荷のかかる表面処理を施す表面処理手段とを備えた長尺基板の処理装置であって、前記キャンロールが請求項２または３に記載の製造方法で作製された金属ロールであることを特徴とする長尺基板の処理装置。

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