JPH05106028A - エネルギービームによる蒸着方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 基板１の幅方向に均一な膜厚を得る。蒸発源
を基板１に近づけ、無効蒸気を少なくする。 【構成】 基板１のるつぼ全幅にわたって蒸着材料４を
配する。蒸着材料４に照射するエネルギービームＢを基
板１の幅方向に走査する。エネルギービームＢの走査速
度を、走査ライン両端に近づくほど遅くして蒸発量を多
くする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子ビーム、レーザビ
ーム等のエネルギービームを用いた蒸着方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属やセラミックスの成膜法として、電
子ビームやレーザビーム等のエネルギービームを用いた
蒸着方法が知られている。例えば、電子ビーム蒸着方法
は、加速された電子を蒸着材料に照射してこれを蒸発さ
せ、その蒸気を基板表面に付着させて薄膜を被覆する。
この蒸着に従来から使用されている磁界偏向型電子銃加
熱式の蒸気発生装置を図７に示す。

【０００３】蒸気発生装置は、蒸着材料４を収容する水
冷構造のるつぼ５と、磁界偏向型電子銃１０とを有す
る。磁界偏向型電子銃１０は、陰極１１にて発生した電
子を加速電極１２により加速し、偏向用磁石１３により
偏向させて、るつぼ５内の蒸着材料４に照射する。この
照射により、るつぼ５内の蒸着材料４が蒸発して、上方
の基板１に付着される。

【０００４】レーザ蒸着法では、電子ビームに代えて、
大出力の集束したレーザ光が、真空槽の窓を通して真空
槽内の蒸着材料に照射される。

【０００５】このようなエネルギービームによる蒸着方
法では、蒸着膜の膜厚分布を均一にすることが求められ
る。そこで、基板が鋼帯のような広幅なものである場合
は、基板を長手方向に等速で移動させて、長手方向の膜
厚均一性を確保することに加え、図８に示すように、２
台の蒸気発生装置を用い、それぞれのるつぼ５ａ，５ｂ
を基板の幅方向に間隔をあけて配置して、板幅方向の膜
厚均一性を確保する技術が開発されている（日経メカニ
カル１９８８．８．４０Ｐ）。また、図９に示すよう
に、エネルギービームによる方法ではないが、基板（プ
ラスチックフィルム）の全幅にわたって連続する長尺の
るつぼ５を用いて、板幅方向の膜厚均一性を確保する技
術も実用化されている（三菱重工技報ｖｏｌ．２７ N
o. ３ ２０１Ｐ）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】これらの膜厚均一化対
策のうち、２つの蒸発源を使用するものでは、基板を蒸
発源からかなり遠ざけないと、板幅方向に均一な膜厚は
得られない。なぜなら、蒸着膜の膜厚分布は基板と蒸着
材料との距離に大きく依存し、２つの蒸発源を用いて広
幅の基板に蒸着を行う場合は、その幅と同程度の距離を
基板と蒸着材料との間に確保しないと、幅方向に均一な
成膜は行えないのである。そして、基板を蒸発源から遠
ざけることにより、基板に付着されない無効蒸気の量が
多くなり、蒸着速度の低下や無効蒸気による蒸着室の汚
染を招く。また、２つの蒸発源における蒸発量を均等に
する必要があるため、蒸気発生装置の構造複雑化も招
く。

【０００７】これに対し、基板の全幅にわたって連続す
る長尺のるつぼを用いる方法では、板幅方向全域で均一
な蒸発量が確保されることにより、基板にるつぼを接近
させることが可能となり、その結果、無効蒸気の増加に
よる蒸着速度の低下や蒸着室の汚染といった問題が解決
される。しかし、るつぼから生じる蒸気の均一性を基板
表面においても維持しようとすると、板幅の１／１０程
度まで、基板をるつぼに接近させなければならない。そ
の結果、エネルギービーム照射のための空間確保が困難
となり、そのため、この方法は、抵抗加熱による低融点
金属（アルミニウム等）の蒸着でしか実用化されていな
い。

【０００８】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
のであり、チタニウムやセラミックス等の高融点材料を
基板に均一な分布で蒸着し、しかも、無効蒸気の発生を
抑える高効率なエネルギービームによる蒸着方法を提供
することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記目的
を達成するために、図１に示すように、基板１の幅方向
に連続する長尺のるつぼ５を用い、その中の蒸着材料４
をエネルギービームＢで基板１の幅方向に所定速度で走
査する方法を考えた。この方法によると、広幅基板の幅
方向全域に高融点材料を単一の蒸気発生装置で蒸着させ
ることができる。しかし、るつぼ５の長手方向で蒸発速
度が均一な場合は、蒸着材料４と基板１との間が基板１
の板幅の１／１０以下でないと、板幅方向に均一な膜厚
は得られない。これでは、エネルギービーム照射のため
の空間確保が困難になる。そこで、本発明者らは、エネ
ルギービームの走査方向で走査速度を変えることによっ
て、走査方向での蒸発量分布が変化する点に着目し、走
査方向の両端に近づくほど蒸発量を多くするような走査
方法を考え出した。その結果、エネルギービーム照射に
支障ない程度にるつぼから基板を離しても、板幅方向に
均一な膜厚が確保され、しかも、その離間距離は、２つ
の蒸発源を用いる場合よりも、十分に小さく抑えられる
ことが明らかになった。

【００１０】本発明は上記知見に基づきなされたもの
で、蒸着材料の表面をエネルギービームで走査すること
により、蒸着材料を蒸発させて基板表面に付着させる蒸
着方法において、蒸着材料に照射するエネルギービーム
の走査速度を、走査方向の中央から両端に近づくにした
がって遅くすることを特徴とするエネルギービームによ
る蒸着方法を要旨とする。

【００１１】ここで、基板としては、例えば鋼板、ステ
ンレス鋼板等の金属板、プラスチック等の高分子フィル
ム等を挙げることができる。また、蒸着材料としては、
例えばＡｌ，Ｚｎ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｔ
ａ等の金属およびその合金や、ＳｉＯ₂ ，ＴｉＮ，Ｔｉ
Ｃ等の金属の酸化物、窒化物，炭化物からなるセラミッ
クス等を挙げることができる。

【００１２】

【作用】一般に、単一の蒸発源によって得られる蒸着膜
厚分布は、式１で表わされる。ここで、Ｔは膜厚、Ａは
係数、ｈは蒸発源から基板までの距離、Ｌは蒸発源に対
向する点を起点とする基板表面に平行な方向の距離であ
る。

【００１３】

【式１】Ｔ＝Ａ・ｈ² ／（ｈ² ＋Ｌ² ）²

【００１４】例えば、長手方向に移動する帯状の基板に
蒸着を行う場合、単一の蒸発源が基板の板幅方向中央に
対向して配置されているときは、図２（Ａ）に示すよう
に、蒸発源から基板までの距離に関係なく、板幅方向に
均一な膜厚を得ることは難しい。基板の両側部に対向し
て２つの蒸発源を設けたときは、図２（Ｂ）に示すよう
に、基板の板幅程度以上に基板を蒸発源から離さない
と、均一な膜厚は得られない。蒸発源が基板の板幅方向
に連続する場合は、図２（Ｃ）に示すように、基板を蒸
発源に板幅の１／１０程度まで近づけないと、板幅方向
に均一な膜厚は得られない。

【００１５】一方、連続蒸発源で、基板を板幅の１／１
０以上に遠ざけた場合は、基板の中央部の膜厚が相対的
に大きくなる。また、２つの蒸着源で、基板を板幅より
近づけた場合は、逆に基板の端部の膜厚が大きくなる。
よって、連続蒸発源において、端部ほど蒸発量が多くな
った場合は、これらの現象が組み合され、均一な膜厚
が、基板と蒸発源の距離が基板の幅の１／１０から１倍
の間において得られる可能性がある。

【００１６】図２（Ｄ）は、板幅方向に連続する蒸発源
からの蒸発量を、蒸発源中央から遠ざかるに連れて増加
させた場合を示している。この場合は、板幅の例えば１
／３程度の離間距離で、板幅方向に均一な膜厚が得られ
る。この離間距離は、エネルギービームを照射するため
の空間確保に充分であり、かつ、２つの蒸発源を使用す
る場合に均一膜厚が確保される距離よりも充分に小さ
い。

【００１７】そして、この作用、即ち、図２（Ｄ）のよ
うな蒸発量の分布は、走査速度を走査方向の中央から両
端に近づくにつれて遅くすることにより得られる。なぜ
ならば、走査速度の遅い部分は、走査速度の速い部分と
比較して、エネルギービームの照射される時間が長いた
め、それだけ温度が上昇し、蒸発量が多くなるからであ
る。

【００１８】以上は、移動する帯状基板の幅方向の膜厚
均一性を確保する場合の作用であるが、広い静止基板の
場合にも適用できる。例えば、正方形の基板の場合は、
それと同じ形状に蒸発材料表面をエネルギービームで走
査し、かつ走査方向の中央から両端部、即ち、相対向す
る２辺に近づくにしたがって蒸発量が多くなるような走
査パターンとすればよい。

【００１９】蒸発材料から基板までの距離は、エネルギ
ービーム照射のための空間確保の観点から、通常は0.３
倍程度以上とされる。そして、蒸発材料から基板が離れ
るにつれて無効蒸気の量が多くなり、蒸着効率が多くな
るので、上記距離は、基板幅の0.６倍程度以下に抑える
のがよく、短いほど望ましい。また、板幅方向の膜厚均
一性を確保するのに必要な蒸発量分布は、上記距離が基
板幅の0.３〜0.６倍の場合で、両端部蒸発量＝中央部蒸
発量×２〜４倍程度である。

【００２０】

【実施例】以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図３は本発明の一実施態様を示す模式側面図、図
４は平面図である。

【００２１】基板１は例えば帯状の鋼板であり、真空容
器２内へ水平に進入後、ロール３により方向を反転され
て真空容器２の外へ排出される。真空容器２内の基板１
より下方には、蒸着材料４を収容するるつぼ５が配設さ
れている。るつぼ５は、基板１に板幅方向全長にわたっ
て対向されている。電子銃１０は、るつぼ５の長手方向
中央に斜め上方から対向され、その陰極６から発生した
電子ビームを集束コイル７により集束させた後、偏向コ
イル８により偏向させてるつぼ５内の蒸着材料４に照射
する。ここで、偏向コイル８は、走査コイルを兼ね、る
つぼ５内の蒸着材料４に照射される電子ビームＥを基板
１の幅方向に走査する。そして、その電子ビームＥは、
走査方向の中央、即ち、基板１の幅方向中央から両端に
近づくに従って走査速度が遅くされる。

【００２２】これにより、るつぼ５内の蒸着材料４が蒸
発する量は、るつぼ５の長手方向中央で最も少なく、そ
の中央から離れるに連れて多くなる。蒸着材料４から生
じた蒸気は、上方の基板１に付着して薄膜を形成する。
このとき、蒸発量が基板１の幅方向両端に近づくに従っ
て多くされているので、蒸着材料４から基板１までの距
離を短くしても、基板１の幅方向に均一な蒸着膜厚が得
られる。

【００２３】電子ビームの走査速度をこのように変化さ
せる方法としては、図５に示すように、基板１の幅方向
端部に近づくに連れて走査速度を余弦関数的に低下させ
る方法（Ａ）、直線的に低下させる方法（Ｂ）の２つが
代表的である。

【００２４】次に、本発明の有効性を、図６に示す実験
結果により明らかにする。

【００２５】図６（Ａ）は表１の条件で鋼板表面に蒸着
を行うにあたり、蒸発源の端に近づくに従って走査速度
を余弦関数的に低下させた場合（図５のＡ）の、膜厚均
一度および蒸着効率と蒸発源から基板までの距離との関
係を示すグラフ、図６（Ｂ）は走査速度を直線関数的に
低下させた場合（図５のＢ）の同グラフである。また、
図６（Ｃ）は走査速度一定の場合（図５のＣ）の同グラ
フ、図６（Ｄ）は、１／２の出力の２つの蒸発源を基板
の両端部に対応させて配置した場合の同グラフである。

【００２６】

【表１】

【００２７】ここで、膜厚の均一度とは、（最も薄い部
分の膜厚）／（最も厚い部分の膜厚）のこと、蒸着効率
とは、（基板に付着した蒸気の量）／（全蒸発量）のこ
とである。本実験では、総蒸発量を一定としたため、蒸
着効果は成膜速度の指標となる。

【００２８】図６（Ｄ）の２つの蒸発源を使用した場合
は、蒸発源から基板までの距離が大きくなるほど膜厚の
均一度が向上し、その距離が基板の幅に達するところで
最高の均一性が得られるが、ここでは、蒸着効率は極め
て低い。図６（Ｃ）の走査速度一定の場合は、電子ビー
ム照射のための空間確保に必要な距離（基板幅×0.３）
を確保する条件下では、膜厚の均一性は充分とは言えな
い。これらに対し、図６（Ａ）（Ｂ）の本発明例では、
電子ビーム照射のための空間を確保し、かつ、その近傍
の蒸着効率の高い距離（基板幅×0.３〜0.６）で、優れ
た膜厚均一性が確保され、膜厚均一性と蒸着効率の両立
が図られる。

【００２９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のエネルギービームによる蒸発方法は、蒸着材料を走査
するエネルギービームの走査速度を走査方向両端に近づ
くほど遅くして蒸発量を多くすることにより、蒸発源を
基板に接近させたビーム照射可能な状態で、蒸着膜の膜
厚を均一にすることができる。従って、膜厚均一性に優
れた高品質な蒸着膜が得られると共に、無効蒸気の発生
が抑えられ、成膜速度の向上および蒸着室の汚染防止が
図られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明法の原理を示す模式図である。

【図２】本発明法における膜厚分布を従来法と比較して
示すグラフである。

【図３】本発明の一実施態様を示す蒸着装置の側面図で
ある。

【図４】同蒸着装置の平面図である。

【図５】走査速度の変化パターンを示すグラフである。

【図６】本発明の有効性を示す実験結果のグラフであ
る。

【図７】蒸気発生装置の模式図である。

【図８】従来法を示す斜視図である。

【図９】従来法を示す斜視図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ 真空容器 ４ 蒸着材料 ５ るつぼ １０ 電子銃

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 蒸着材料の表面をエネルギービームで走
   査することにより、蒸着材料を蒸発させて基板表面に付
   着させる蒸着方法において、蒸着材料を走査するエネル
   ギービームの走査速度を、走査方向の中央から両端に近
   づくにしたがって遅くすることを特徴とするエネルギー
   ビームによる蒸着方法。