JPWO2009060597A1 - 薄膜形成装置及び薄膜の形成方法 - Google Patents
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Abstract
Description
斜め入射による成膜を行う際に、特許文献2に示されるような冷却ベルトを用いて基板が直線状に走行した状態で成膜を行うことは、材料利用効率上有利である。しかし、冷却ベルトを用いた成膜は、特に高成膜レート等が原因で基板に対する熱負荷の大きい場合には基板の十分な冷却が難しくなる。その理由は、基板が直線状に走行した状態では基板の法線方向の力が得られず、冷却体に向かう力が確保されないためである。冷却体に向かう力が確保されないと、基板と冷却ベルトとの熱的な接触を十分に確保することができない。
本発明は、上記課題に鑑み、基板を搬送しながら基板表面上に薄膜を連続形成する際、成膜時の熱負荷を原因とする基板の変形や溶断を防止するために、基板を均一かつ十分に冷却することができる薄膜形成装置、及び、薄膜の形成方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために本発明の薄膜形成装置は、真空中で、長尺の基板上に、薄膜を形成する薄膜形成装置であって、前記基板を搬送する搬送機構と、前記基板の搬送中に前記基板表面上に、薄膜形成領域において薄膜を形成するために成膜源を含む薄膜形成手段と、前記薄膜形成領域で、搬送中の前記基板裏面に近接して配置される冷却体と、前記冷却体と前記基板の間にガスを導入するガス導入手段と、前記基板を走行させつつ、前記薄膜形成領域で前記基板の幅方向両端近傍を拘束する基板拘束手段と、前記搬送機構と、前記薄膜形成手段と、前記冷却体と、前記ガス導入手段と、前記基板拘束手段とを収容する真空容器と、を有する。
前記基板拘束手段とは、基板の搬送中に前記基板表面上に薄膜を形成する薄膜形成領域に隣接する基板の幅方向両端部を、基板を走行させながら拘束することで、ガスの導入及び蒸発源からの熱を原因とする基板の幅方向の撓みを防止することが可能な手段であれば特に限定されない。具体的には、前記基板を走行させつつ、前記薄膜形成領域で前記基板の幅方向に張力を付与する幅方向張力付与手段であるか、又は、前記薄膜形成領域において、前記基板の幅方向の一部の領域において、前記基板の裏面に吸着し、前記基板とともに走行する無終端帯である。
また、本発明の薄膜の形成方法は、真空中で、長尺の基板の表面に、薄膜を形成する薄膜の形成方法であって、薄膜形成領域において搬送中の前記基板の裏面に近接して冷却体を配置し、前記冷却体と前記基板の間にガスを導入することで前記基板を冷却しながら、かつ、前記薄膜形成領域で、走行している前記基板の幅方向両端近傍を拘束しながら、前記基板の表面に薄膜を形成する工程を含む。
本発明の薄膜形成装置及び薄膜の形成方法によれば、冷却ガスの導入により基板が撓もうとするのに対して、基板の幅方向両端部を拘束することにより、撓みを防止する。従って、ガス冷却の能力を向上するために導入ガス量を多くして、基板と冷却体間の圧力を高くした場合にも、基板と冷却体間の間隔を小さく、かつ均一にすることができるので、基板を均一かつ十分に冷却することが可能になる。これによって、成膜時の熱負荷を原因とする基板の変形や溶断を防止しつつ、高い成膜速度での薄膜形成を実現することが出来る。
2 支持ローラ
3 無終端体
4 基板走行方向と、基板に接触する無終端体の走行方向とのなす角度
5 クリップ機構
6 クリップ搬送系
7 クリップ片
8 圧縮バネ
9 空圧シリンダ
10 解放バネ
11 誘電体層
12 回転摺動体
12a 回転摺動体の回転方向
12b 基板に接触する位置での回転摺動体の接線方向の運動方向
13 解放体
14 基板走行方向38と、基板に接触する位置での回転摺動体の接線方向の運動方向12bとのなす角度
15 電子銃
17 回転源
18 電子ビーム
19 蒸発用坩堝
20 成膜装置
21 基板
22 真空槽
23 巻き出しローラ
24 搬送ローラ
26 巻き取りローラ
27 成膜源
29 遮蔽板
30 原料ガス導入管
31 開口部
32 マニホールド
33 細孔
34 ガスノズル
35 冷却用ガス導入口
36 排気ポート
37 排気手段
38 基板走行方向
41 遮蔽板
43 絶縁層
44 導電層
45 基材
49 冷却キャン
基板21には、各種高分子フィルムや、各種金属箔、あるいは高分子フィルムと金属箔の複合体、その他の上記材料に限定されない長尺基板を用いることが出来る。高分子フィルムとしては、たとえば、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリアミド、ポリイミドなどが挙げられる。金属箔としては、アルミ箔、銅箔、ニッケル箔、チタニウム箔、ステンレス箔などが挙げられる。基板の幅は例えば50〜1000mmであり、基板の望ましい厚みは例えば3〜150μmである。基板の幅が50mm未満ではガス冷却時の基板の幅方向中央部の撓みがさほど大きくない一方、本発明の適用により生じる、基板幅方向両端部の薄膜非形成領域が大きいが、本発明を適用できないということではない。基板の厚みが3μm未満では基板の熱容量が極めて小さいために熱変形が発生しやすく、基板の厚みが150μm超ではガス冷却時の基板の幅方向中央部の撓みがさほど大きくないが、いずれも本発明が適用不可であることを示すものではない。基板の搬送速度は作製する薄膜の種類や成膜条件によって異なるが、例えば0.1〜500m/分である。搬送中の基板走行方向に印加される張力は、基板の材質や厚み、あるいは成膜レートなどのプロセス条件によって適宜選択される。
(実施の形態1)
図1は、幅方向張力付与手段を備えた本発明の実施形態の一部である基板冷却機構の一例について、その構造を模式的に示す図である。図1(a)は(b)のAA’断面図、図1(b)は図4の成膜源27から開口部31付近を見た正面図である。
図2は、幅方向張力付与手段を備えた本発明の実施形態の一部である基板冷却機構の別の一例について、その構造を模式的に示す図である。図2(a)は(b)のAA’断面図、図2(b)は図4の成膜源27から開口部31付近を見た正面図である。
図3は、幅方向張力付与手段を備えた本発明の実施形態の一部である基板冷却機構の別の一例について、その構造を模式的に示す図である。図3(a)は(b)のAA’断面図、図3(b)は図4の成膜源27から開口部31付近を見た正面図、図3(c)は(b)中の右側に位置する1個の回転摺動体を部分的に拡大した図である。ただし、図3(c)では遮蔽板29は省略している。
(実施の形態4)
本実施形態の成膜装置は、薄膜形成領域において、基板の幅方向の一部の領域において、基板の裏面に吸着し、基板とともに走行する無終端帯を備えている。その構造は図1及び図4で模式的に示している。
本実施形態における吸着能力を有する無終端帯3は複数の支持ローラ2に保持され、基板21に接して駆動される。つぎに、吸着能力を有する無終端帯3と冷却体1の位置関係について図10を用いて説明する。図10は、成膜源27から冷却体1付近を見た図である。無終端帯3の位置が分かるように、基板21を設置していない状態を示している。基板21を直線状に搬送する複数の搬送ローラ24の間に無終端帯3と冷却体1が設置されている。また、図1では一対の無終端体3の走行間隔が基板21の走行方向の上流から下流に向けて広がっている形態を示しているが、図10では一対の無終端体3の走行間隔は平行である形態を示している。冷却ガスを真空槽に漏らさないためには、図10に示すように一対の無終端帯3は基板の幅方向両端近傍に設置され、一対の無終端帯3の間に冷却ガスが導入されることが好ましい。しかし、本発明はこれに限られるものではなく無終端帯3は基板裏面のどの位置に設置しても良い。例えば、基板の変形は中央部が最も顕著であり、この観点からは基板の幅方向中央付近にも無終端帯を設置して吸着する方が冷却効果は高くなる。
また、無終端帯3と成膜源27の間には図11に示すように遮蔽板41を設置すると、より安定した冷却能力を維持できる。真空蒸着やスパッタにおいては通常の成膜で生成される蒸着粒子以外に、まれに非常にサイズの大きいスプラッシュ粒子が発生し、基板に衝突する場合がある。薄い箔状の基板を用いる場合、スプラッシュ粒子は基板を突き破るほどのエネルギーを持つ場合があるため、基板の裏面に設置した吸着手段としての無終端帯3の表面を傷める可能性がある。遮蔽板41はスプラッシュ粒子が飛来しても無終端帯3が傷つくことを防ぐことが可能なため、安定した吸着能力を維持することができる。なお図11では、無終端帯3と遮蔽板41との位置関係を明らかにするために、遮蔽板41の一部を省略して示している。
図13は、薄膜形成領域で、円筒形キャンに沿って基板を湾曲させて搬送し、基板の裏面に吸着する無終端帯を備えた成膜装置全体の構成の一例を模式的に示している。
以上に基板拘束手段を備えた本発明の実施形態の一部である基板冷却機構の例を示したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、薄膜形成領域において、基板の幅方向の撓みを防止することが可能な他の方法を用いることも出来る。
図4で示したように基板が傾斜した直線状に走行している部分に遮蔽板の開口部を設けることで、斜め入射の成膜を行うことが出来るが、基板が水平に走行している部分に成膜をしてもよい。斜め入射成膜は、自己陰影効果で微小空間のある薄膜を形成することが出来るので、例えば高C/N磁気テープの形成や、サイクル特性に優れた電池負極の形成等に有効である。
そのため、高容量電池活物質層を真空プロセスで形成する場合等において、基板の温度上昇を軽減することができ、その結果、電池の信頼性等を向上することが出来る等、電池用途に限らず広く薄膜形成に用いる薄膜形成装置として有用である。
図1は、幅方向張力付与手段を備えた本発明の実施形態の一部である基板冷却機構の一例について、その構造を模式的に示す図である。図1(a)は(b)のAA’断面図、図1(b)は図4の成膜源27から開口部31付近を見た正面図である。
図2は、幅方向張力付与手段を備えた本発明の実施形態の一部である基板冷却機構の別の一例について、その構造を模式的に示す図である。図2(a)は(b)のAA’断面図、図2(b)は図4の成膜源27から開口部31付近を見た正面図である。
図3は、幅方向張力付与手段を備えた本発明の実施形態の一部である基板冷却機構の別の一例について、その構造を模式的に示す図である。図3(a)は(b)のAA’断面図、図3(b)は図4の成膜源27から開口部31付近を見た正面図、図3(c)は(b)中の右側に位置する1個の回転摺動体を部分的に拡大した図である。ただし、図3(c)では遮蔽板29は省略している。
この実施の形態3では、開口部31において、基板21の幅方向両端近傍に配置された回転摺動体12によって、基板の幅方向に張力が印加される。回転摺動体の、基板と接触する部分の材質は、金属であってもよいが、摩擦力を得るためにゴムやプラスチックであることが望ましい。回転摺動体の、基板と接触する位置での周速は、基板の走行速度の0.5〜10倍であることが望ましい。周速が0.5倍未満であると、基板走行に対する制動が強くなり、基板の蛇行やしわを生じやすい。また周速が10倍を超えると、基板の破断や、摺動による摩耗が顕著となり、長時間の運転に支障を生じやすい。更に望ましくは、回転摺動体の、基板と接触する位置での周速は、基板の移動速度の1〜3倍である。回転摺動体12は回転軸を介して回転源17から回転力を受けている。回転源17には、例えば小形モーターや、モーター等から回転駆動力を歯車やチェーンなどで伝達された二次回転体を用いることが出来る。
本実施形態の成膜装置は、薄膜形成領域において、基板の幅方向の一部の領域において、基板の裏面に吸着し、基板とともに走行する無終端帯を備えている。その構造は図1及び図4で模式的に示している。
図13は、薄膜形成領域で、円筒形キャンに沿って基板を湾曲させて搬送し、基板の裏面に吸着する無終端帯を備えた成膜装置全体の構成の一例を模式的に示している。
2 支持ローラ
3 無終端体
4 基板走行方向と、基板に接触する無終端体の走行方向とのなす角度
5 クリップ機構
6 クリップ搬送系
7 クリップ片
8 圧縮バネ
9 空圧シリンダ
10 解放バネ
11 誘電体層
12 回転摺動体
12a 回転摺動体の回転方向
12b 基板に接触する位置での回転摺動体の接線方向の運動方向
13 解放体
14 基板走行方向38と、基板に接触する位置での回転摺動体の接線方向の運動方向12bとのなす角度
15 電子銃
17 回転源
18 電子ビーム
19 蒸発用坩堝
20 成膜装置
21 基板
22 真空槽
23 巻き出しローラ
24 搬送ローラ
26 巻き取りローラ
27 成膜源
29 遮蔽板
30 原料ガス導入管
31 開口部
32 マニホールド
33 細孔
34 ガスノズル
35 冷却用ガス導入口
36 排気ポート
37 排気手段
38 基板走行方向
41 遮蔽板
43 絶縁層
44 導電層
45 基材
49 冷却キャン
Claims (20)
- 真空中で、長尺の基板上に、薄膜を形成する薄膜形成装置であって、
前記基板を搬送する搬送機構と、
前記基板の搬送中に前記基板表面上に、薄膜形成領域において薄膜を形成するために成膜源を含む薄膜形成手段と、
前記薄膜形成領域で、搬送中の前記基板裏面に近接して配置される冷却体と、
前記冷却体と前記基板の間にガスを導入するガス導入手段と、
前記基板を走行させつつ、前記薄膜形成領域で前記基板の幅方向両端近傍を拘束する基板拘束手段と、
前記搬送機構と、前記薄膜形成手段と、前記冷却体と、前記ガス導入手段と、前記基板拘束手段とを収容する真空容器と、を有する薄膜形成装置。 - 前記薄膜形成領域で、前記基板は直線状に搬送されており、かつ
前記基板拘束手段が、前記基板を走行させつつ、前記薄膜形成領域で前記基板の幅方向に張力を付与する幅方向張力付与手段である、請求項1記載の薄膜形成装置。 - 前記幅方向張力付与手段が、前記基板に沿って周回する無終端帯である、請求項2記載の薄膜形成装置。
- 前記無終端帯が、前記基板の幅方向両端近傍に複数配置されている、請求項3記載の薄膜形成装置。
- 前記複数の無終端帯間の間隔が、前記基板の走行上流から走行下流に向かって増加している、請求項4記載の薄膜形成装置。
- 前記無終端帯が、前記基板の表裏両面に配置されている、請求項4記載の薄膜形成装置。
- 前記幅方向張力付与手段が、前記基板の幅方向両端を順次挟み込むクリップ機構である、請求項2記載の薄膜形成装置。
- 前記幅方向張力付与手段が、前記基板の幅方向両端近傍に接触させた回転摺動体である、請求項2記載の薄膜形成装置。
- 前記基板拘束手段が、前記薄膜形成領域において、前記基板の幅方向の一部の領域において、前記基板の裏面に吸着し、前記基板とともに走行する無終端帯である、請求項1記載の薄膜形成装置。
- 前記無終端帯は、前記基板の幅方向両端近傍に複数配置されており、前記ガスは、前記複数配置された無終端帯によって前記基板の幅方向が区切られた空間に導入される、請求項9記載の薄膜形成装置。
- 前記薄膜形成領域は、複数のローラで支持されて前記複数のローラの間を直線状に搬送される前記基板上に形成され、
前記複数のローラの間に前記無終端帯及び前記冷却体が配置されている、請求項9記載の薄膜形成装置。 - 前記冷却体が、円筒形のキャンであり、
前記薄膜形成領域は、前記円筒形のキャンに沿って湾曲しつつ搬送される前記基板上に形成されている、請求項9記載の薄膜形成装置。 - 前記無終端帯が静電吸着によって前記基板の裏面に吸着する、請求項9記載の薄膜形成装置。
- 前記無終端帯と前記成膜源の間に設置された遮蔽手段をさらに有する、請求項9記載の薄膜形成装置。
- 真空中で、長尺の基板の表面に、薄膜を形成する薄膜の形成方法であって、
薄膜形成領域において搬送中の前記基板の裏面に近接して冷却体を配置し、前記冷却体と前記基板の間にガスを導入することで前記基板を冷却しながら、かつ、前記薄膜形成領域で、走行している前記基板の幅方向両端近傍を拘束しながら、前記基板の表面に薄膜を形成する工程を含む、薄膜の形成方法。 - 前記基板の幅方向両端近傍の拘束を、前記薄膜形成領域で、走行している前記基板の幅方向に張力を付与することで行う、請求項15記載の薄膜の形成方法。
- 前記基板の幅方向での前記張力付与を、前記基板の幅方向両端近傍に配置された複数の無終端帯を用いて行う、請求項16記載の薄膜の形成方法。
- 前記基板の幅方向での前記張力付与を、前記基板の幅方向両端をクリップ機構で順次挟み込むことにより行う、請求項16記載の薄膜の形成方法。
- 前記基板の幅方向での前記張力付与を、前記基板の幅方向両端近傍に回転摺動体を接触させることにより行う、請求項16記載の薄膜の形成方法。
- 前記基板の幅方向両端近傍の拘束を、前記薄膜形成領域において、前記基板の幅方向の一部の領域において、前記基板の裏面に吸着する無終端帯を、前記基板とともに走行させることにより行う、請求項15記載の薄膜の形成方法。
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