JPWO2018199169A1 - 成膜装置及び成膜方法 - Google Patents

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Abstract

本発明の一形態に係る成膜装置は、巻出しローラ、巻取りローラ、加熱ローラ、成膜部及び制御部を有する。巻出しローラは長尺のフィルムである基材を巻き出す。巻取りローラは巻出しローラから巻き出された基材を巻き取る。加熱ローラは温調ユニットを含み、基材の搬送方向において巻出しローラと巻取りローラとの間に設けられ、基材を加熱する。成膜部は加熱ローラに対向して設けられ、金属材料を加熱する加熱機構を有する蒸発源を含み、基材上に金属膜を成膜する。制御部は基材が加熱ローラから巻き出され、巻取りローラに巻き取られる過程で、金属膜と基材との温度差が0℃以上180℃未満となるように、温調ユニット又は加熱機構のいずれか一方を制御する。

Description

本発明は、蒸発材料を蒸発させて基材上に当該蒸発材料の膜を形成する成膜装置及び成膜方法に関する。
従来、巻出しローラから巻き出された基材をキャンロールに巻き付けながら、基材上に蒸発材料の膜を形成し、当該基材を巻取りローラにより巻き取る方式の成膜装置が知られている(例えば、特許文献1,2及び3)。
ここで、上記のような成膜装置では、長尺のフィルム等からなる基材に金属膜を形成する場合に、高温の金属材料の粒子が基材上に堆積されることで、高温の堆積物と基材との間で過剰な温度差が生じ、基材にシワが発生する場合がある。
そこで、このような問題を解決するため、特許文献1及び2ではキャンロールに接する直前の基材を加熱したり、あるいは特許文献3ではキャンロール上の基材の温度が所定の温度範囲内となるようにキャンロールの温度を調整したりすることで、堆積物と基材との温度差によるシワの発生を抑制する技術が記載されている。
特開2008−081820号公報 特開2010−182599号公報 特開2010−121188号公報
しかしながら、特許文献1〜3に記載の成膜装置では、基材上に金属膜を形成する際のシワの発生は抑制することはできても、成膜後の基材と金属膜の温度は考慮されていない。これにより、金属膜が形成された基材が巻取りローラに巻き取られるまでの徐冷過程において、基材と金属膜との収縮ミスマッチにより、当該基材にシワが発生するおそれがある。
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、金属膜が形成された基材が回収されるまでの過程において、当該基材にシワが発生することを抑制可能な成膜装置及び成膜方法を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る成膜装置は、巻出しローラと、巻取りローラと、加熱ローラと、成膜部と、制御部と、を有する。
上記巻出しローラは、長尺のフィルムである基材を巻き出す。
上記巻取りローラは、上記巻出しローラから巻き出された上記基材を巻き取る。
上記加熱ローラは、温調ユニットを含み、上記基材の搬送方向において上記巻出しローラと上記巻取りローラとの間に設けられ、上記基材を加熱する。
上記成膜部は、上記加熱ローラに対向して設けられ、金属材料を加熱する加熱機構を有する蒸発源を含み、上記基材上に金属膜を成膜する。
上記制御部は、上記基材が上記加熱ローラから巻き出され、上記巻取りローラに巻き取られる過程において、上記金属膜と上記基材との温度差が0℃以上180℃未満となるように、上記温調ユニットと上記加熱機構の少なくとも一方を制御可能に構成される。
この構成によれば、金属膜が形成された基材が巻取りローラに巻き取られるまでの徐冷過程において、金属膜と基材との収縮挙動の均一化が図られる。従って、金属膜と基材との収縮ミスマッチが抑制され、金属膜が形成された基材にシワ等の塑性変形が生じることが抑制される。
上記成膜部より上記基材の搬送方向上流側に設けられた予熱部をさらに具備し、
上記制御部は、上記基材が巻出しローラから上記加熱ローラへ搬送される過程において、上記基材の単位時間あたりの温度変化が3.6℃/min以上3600℃/min以下となるように上記予熱部を制御するように構成されてもよい。
この構成によれば、基材が予熱されて所定量熱膨張しつつ加熱ローラと接触することとなる。従って、加熱ローラ上の基材に金属膜が形成される過程において、基材と金属膜との過剰な温度差に起因するシワの発生が抑制される。
上記制御部は、上記加熱ローラの温度が0℃以上70℃以下となるように、上記温調ユニットを制御するように構成されてもよい。
上記制御部は、上記蒸発源と上記加熱ローラとの温度差が300℃以上700℃以下となるように上記温調ユニット及び上記加熱機構を制御するように構成されてもよい。
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る成膜方法は、長尺のフィルムである基材を巻き出す巻出しローラと、上記巻出しローラから巻き出された上記基材を巻き取る巻取りローラと、温調ユニットを含み、上記基材の搬送方向において上記巻出しローラと上記巻取りローラとの間に設けられ、上記基材を加熱する加熱ローラと、上記加熱ローラに対向して設けられ、金属材料を蒸発させる蒸発源を含み、上記基材上に金属膜を成膜する成膜部と、を有する成膜装置の成膜方法である。
上記成膜方法は、上記基材が上記加熱ローラから巻き出され、上記巻取りローラに巻き取られる過程において、上記金属膜と上記基材との温度差が0℃以上180℃未満に維持される。
以上のように、本発明によれば、金属膜が形成された基材が回収されるまでの過程において、当該基材にシワが発生することを抑制可能な成膜装置及び成膜方法を提供することができる。
本発明の実施形態に係る成膜装置の構成を示す概略側断面図である。 上記成膜装置の成膜方法を示すフローチャートである。 上記成膜装置の加熱ローラの温度と、基材の昇温速度と、基材のシワの発生との関係を示す一実験結果である。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
[成膜装置の構成]
図1は、本発明の一実施形態に係る成膜装置100の構成を示す概略側断面図である。図1に示すX軸、Y軸及びZ軸方向は相互に直交する3軸方向を示し、X軸及びY軸は水平方向、Z軸方向は鉛直方向を示す。
成膜装置100は、図1に示すように、真空チャンバ101と、成膜部110と、搬送部120と、搬送機構130と、制御部140と、予熱部150と、を有する。
真空チャンバ101は密閉構造を有し、真空ポンプPを有する排気ラインLに接続される。これにより、真空チャンバ101は、その内部が所定の減圧雰囲気に排気又は維持可能に構成される。また、真空チャンバ101は、図1に示すように、成膜部110と搬送部120をそれぞれ区画する仕切り板102を有する。
成膜部110は、仕切り板102と真空チャンバ101の外壁により区画された成膜室であり、その内部に蒸発源111を有する。また、成膜部110は、排気ラインLに接続されている。これにより、真空チャンバ101が排気される際には、先ず、成膜部110内が排気される。
一方、成膜部110は搬送部120と連通しているため、成膜部110内が排気されると、搬送部120内も排気される。これにより、成膜部110と搬送部120との間に圧力差が生じる。この圧力差により、後述するリチウム金属の蒸発流が搬送部120内に侵入することが抑制される。
蒸発源111は、リチウム金属を蒸発させる蒸発源であり、リチウム金属を加熱する加熱機構(図示略)を有する。加熱機構の加熱温度(T)は、530℃〜700℃程度である。
また、蒸発源111と加熱ローラ132との間の最短距離D(リチウム金属を保持する坩堝の湯面と加熱ローラ132との間の最短距離)は、例えば数百mm程度である。本実施形態に係る蒸発源111は、例えば、抵抗加熱式蒸発源、誘導加熱式蒸発源又は電子ビーム加熱式蒸発源等で構成される。
搬送部120は、仕切り板102と、真空チャンバ101の外壁に区画された搬送室であり、真空チャンバ101内のY軸方向上方に配置される。本実施形態では、排気ラインLを成膜部110にのみ接続したが、搬送部120にも別の排気ラインを接続することにより、搬送部120と成膜部110とを独立して排気してもよい。
搬送機構130は、巻出しローラ131と、加熱ローラ132と、巻取りローラ133と、ガイドローラ134a,134bと、を有する。搬送機構130が基材Fを支持する際の張力(テンション)は、例えば、200N程度である。
巻出しローラ131、加熱ローラ132及び巻取りローラ133は、それぞれ図示しない回転駆動部を備え、Z軸周りに所定の回転速度で図1における矢印方向にそれぞれ回転可能に構成されている。これにより、真空チャンバ101内において、巻出しローラ131から巻取りローラ133へ向かって基材Fが所定の搬送速度で搬送される。
本実施形態では、基材Fの搬送速度は、好ましくは0.1m/min以上0.8m/min以下であり、より好ましくは0.1m/minである。
巻出しローラ131は、成膜部110より基材Fの搬送方向上流側に設けられ、基材Fを加熱ローラ132へ送り出す機能を有する。巻出しローラ131と加熱ローラ132との間の適宜の位置には、独自の回転駆動部を備えていないフリーローラであるガイドローラ134aが配置される。
加熱ローラ132は、基材Fの搬送方向において巻出しローラ131と巻取りローラ133との間に配置される。加熱ローラ132は、Y軸方向における下部の少なくとも一部が、仕切り板102に設けられた開口部102aを通って成膜部110に臨む位置に配置される。これにより、加熱ローラ132は、所定の間隔を空けて開口部102aに対向し、蒸発源111とY軸方向に対向する。
加熱ローラ132は、ステンレス鋼、鉄、アルミニウム等の金属材料で筒状に構成され、その内部に例えば温調媒体循環系等の温調ユニット(図示略)が設けられる。温調ユニットに循環させる温媒としては、例えばシリコン油等の高沸点の有機媒体を用いることができる。加熱ローラ132の大きさは特に限定されないが、典型的には、Z軸方向の幅寸法が基材FのZ軸方向の幅寸法よりも大きく設定される。
巻取りローラ133は、成膜部110より基材Fの搬送方向下流側に設けられ、巻出しローラ131から巻き出され成膜部110で金属材料が成膜された基材Fを回収する機能を有する。加熱ローラ132と巻取りローラ133との間の適宜の位置には、独自の回転駆動部を備えていないフリーローラであるガイドローラ134bが配置される。
制御部140は、図1に示すように、真空チャンバ101の外部に配置される。制御部140は、例えば、CPU(Central Processing Unit)及びメモリを含むコンピュータ等により構成され、成膜装置100の各部を制御することにより成膜装置100の全体の動作を制御する。
具体的には、制御部140は例えば、真空ポンプPを含む排気ラインLの制御、基材Fの搬送速度や成膜速度の制御、温調ユニットの加熱温度制御、蒸発源111が有する加熱機構の加熱温度制御、予熱部150の加熱温度制御及び搬送機構130の回転駆動制御等を行う。
予熱部150は基材Fを加熱するためのランプヒータであり、熱放射面を基材Fに向けて配置される。予熱部150は、真空チャンバ101内において、成膜部110よりも基材Fの搬送方向上流側に設けられる。
これにより、巻出しローラ131から加熱ローラ132へ連続的に搬送される基材Fが、予熱部150からの熱輻射により加熱される。ここで、当該基材Fは、加熱ローラ132に接触する手前の領域において予熱部150により加熱されるものとなる。予熱部150が基材Fを加熱する温度は、基材Fにリチウム金属膜が形成される場合、例えば550℃程度である。
基材Fは、例えば、所定幅に裁断された銅からなる長尺のフィルムである。また、基材Fには、加熱ローラ132上で熱変形しない程度の耐熱性を有する樹脂フィルムが用いられてもよい。
基材Fの厚さは、特に限定されず、例えば数μm〜数十μmである。また、基材Fの幅や長さについても特に制限はなく、用途に応じて適宜決定可能である。
成膜装置100は、以上のような構成を有する。なお図示せずとも、成膜装置100は、金属膜が形成された基材Fが加熱ローラ132から巻き出され、巻取りローラ133に巻き取られる過程において、金属膜の温度(T)と基材Fの温度(T)をそれぞれモニタリングする検出部を備える。
これにより、制御部140は例えば、検出部の出力に基づきリアルタイムに金属膜と基材Fとの温度差(T-T)を所望の範囲内に制御することができる。上記検出部は、非接触に金属膜と基材F各々の温度を計測可能に構成される。本実施形態では、上記検出部として例えば放射温度計等が採用される。
また、成膜装置100の構成は図1に示す構成に限定されるものではなく、例えば、成膜部110,搬送部120,巻出しローラ131、加熱ローラ132,巻取りローラ133,ガイドローラ134a,134bの数や大きさ、配置等は適宜変更可能である。
[成膜方法]
図2は、成膜装置100を用いた成膜方法を示すフローチャートである。以下、成膜装置100の成膜方法について、図2に沿って説明する。
(ステップS01:排気処理)
真空ポンプPを起動させ、真空チャンバ101内を排気し、成膜部110と搬送部120各々を所定の真空度に維持する。
次に、基材Fを支持する搬送機構130を駆動させ、基材Fを巻出しローラ131から巻取りローラ133に向けて搬送させる。成膜部110では、蒸発源111がリチウム金属を蒸発させ、加熱ローラ132上の基材Fに向けて出射するリチウム原料の蒸発流を形成する。
(ステップS02:加熱処理)
巻出しローラ131、加熱ローラ132及び巻取りローラ133がZ軸周りの所定の回転速度で連続的に回転する。基材Fは、ガイドローラ134aによって走行をガイドされながら加熱ローラ132へ搬送される。
この際、基材Fは、予熱部150を通過することにより、加熱される。ここで、制御部140は、基材Fが予熱部150を通過し、加熱ローラ132に当接するまでの基材Fの昇温速度(単位時間当たりの温度変化)が3.6℃/min以上3600℃/min以下となるように予熱部150の加熱温度を制御する。
これにより、基材Fが予熱されて所定量熱膨張しつつ加熱ローラ132と接触することとなる。従って、後述する成膜工程(ステップS03)において、基材Fの表面側と裏面側との熱膨張差に起因するシワの発生が抑制される。
基材Fの昇温温度が3.6℃/min未満であると、基材Fを十分に予熱することができず、基材Fが加熱ローラ132に接触した際にシワが発生するおそれがある。また、3600℃/minを超えると、基材Fが予熱部150を通過することで基材Fの温度が急峻に変化するため、予熱工程そのものが基材Fにシワが発生する原因となるおそれがある。
(ステップS03:成膜工程)
巻出しローラ131、加熱ローラ132及び巻取りローラ133がZ軸周りに所定の回転速度で連続的に回転することによって、予熱部150により加熱された基材Fが加熱ローラ132の外周面に巻回される。そして、基材Fは加熱ローラ132により加熱されながら成膜部110を通過する。
ステップS03では、前述の加熱処理工程(ステップS02)において、基材Fの昇温速度が3.6℃/min以上3600℃/min以下となるように制御されることにより、制御部140は加熱ローラ132の温度(T)を0℃以上70℃以下、より好ましくは30℃以上50℃以下となるように温調ユニットを制御する。
図3は、基材Fの昇温速度が3.6℃/min以上3600℃/min以下の場合に、加熱ローラ132の温度を変化させて、基材Fのシワの発生具合を実験した結果を示す星取表である。なお、図3に示す「○」は、基材Fにシワが無かったことを示す。「△」は、基材Fに若干シワがあるものの良品レベルであることを示す。「×」は、基材Fに発生したシワにより不良品であることを示す。
図3に示すように、加熱ローラ132の温度が0℃以上70℃以下であれば基材Fにシワが発生することが抑制され、30℃以上50以下であれば基材Fにシワが発生することが防止される。
一方、加熱ローラ132の温度が0℃未満であると、リチウム金属粒子と基材Fとの温度差が大きくなり、線膨張係数の差からシワが発生するおそれがある。また、70℃を超えると、成膜時の温度上昇によりリチウム金属と基材Fが合金化してしまうおそれがある。
基材Fは成膜部110を通過する過程で、リチウム金属の粒子が基材Fに堆積し、基材F上にリチウム金属膜が形成される。リチウム金属膜の厚みは特に限定されず、例えば、数μm〜数十μmである。
ここで、ステップS03では、制御部140が後述する回収工程(ステップS04)において、リチウム金属膜と基材Fとの温度差(T-T)が0℃以上180℃未満の範囲におさまるように、温調ユニット若しくは加熱機構の少なくとも一方の加熱温度を制御する。この場合、制御部140は、蒸発源111と加熱ローラ132との温度差(T-T)が300℃以上700℃以下となるように、温調ユニット及び加熱機構を制御するものとなる。
(ステップS04:回収)
続いて、リチウム金属膜が形成された基材Fは、ガイドローラ134bによって走行をガイドされながら巻取りローラ133へ搬送され、回収される。ここで、本実施形態に係る成膜方法では、前述のステップS03によりリチウム金属膜と基材Fとの温度差(T-T)が0℃以上180℃未満に維持されるように制御されている。
これにより、リチウム金属膜が形成された基材Fが加熱ローラ132から巻き出され、巻取りローラ133に巻き取られるまでの徐冷過程において、リチウム金属膜と基材Fとの収縮挙動の均一化が図られる。従って、リチウム金属膜と基材Fとの収縮ミスマッチが抑制され、リチウム金属膜が形成された基材Fにシワ等の塑性変形が生じることが抑制される。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。
例えば、基材Fは典型的には銅からなるが、これに限られず、例えばアルミニウム、ニッケル、ステンレス、ITO(Indium Tin Oxide)等からなるものであってもよい。
また、蒸発源111に保持される金属材料は典型的にはリチウム金属であるが、これに限られず、例えばインジウム(In)、亜鉛(Zn)、錫(Sn)、ガリウム(Ga)、ビスマス(Bi)、ナトリウム(Na)及びカリウム(K)等であってもよい。
さらに、上記実施形態では、基材Fに金属膜を形成する前に基材Fを予熱することで、基材Fにシワが発生することを抑制しているが、これに限られない。例えば、成膜装置100では、基材Fの搬送速度や蒸発源111を収容するシャッタ等の開口径を調整することで、基材Fにシワが発生することを抑制してもよい。
加えて、上記実施形態では、成膜方法の一例として真空蒸着法が採用されるが、これに限られない。本発明は、高温で金属材料の粒子を生成して、基材F上に当該粒子を堆積させる成膜技術一般に適用可能である。具体的には、例えば分子線蒸着法、イオンプレーディング法又はイオンビーム蒸着法等が採用されてもよい。
100・・・成膜装置
110・・・成膜部
131・・・巻出しローラ
132・・・加熱ローラ
133・・・巻取りローラ
140・・・制御部
150・・・予熱部
F・・・・・基材

Claims (5)

  1. 長尺のフィルムである基材を巻き出す巻出しローラと、
    前記巻出しローラから巻き出された前記基材を巻き取る巻取りローラと、
    温調ユニットを含み、前記基材の搬送方向において前記巻出しローラと前記巻取りローラとの間に設けられ、前記基材を加熱する加熱ローラと、
    前記加熱ローラに対向して設けられ、金属材料を加熱する加熱機構を有する蒸発源を含み、前記基材上に金属膜を成膜する成膜部と、
    前記基材が前記加熱ローラから巻き出され、前記巻取りローラに巻き取られる過程において、前記金属膜と前記基材との温度差が0℃以上180℃未満となるように、前記温調ユニットと前記加熱機構の少なくとも一方を制御可能に構成された制御部と
    を具備する成膜装置。
  2. 請求項1に記載の成膜装置であって、
    前記成膜部より前記基材の搬送方向上流側に設けられた予熱部をさらに具備し、
    前記制御部は、前記基材が巻出しローラから前記加熱ローラへ搬送される過程において、前記基材の単位時間あたりの温度変化が3.6℃/min以上3600℃/min以下となるように前記予熱部を制御するように構成される
    成膜装置。
  3. 請求項2に記載の成膜装置であって、
    前記制御部は、前記加熱ローラの温度が0℃以上70℃以下となるように、前記温調ユニットを制御するように構成される
    成膜装置。
  4. 請求項1〜3のいずれか1つに記載の成膜装置であって、
    前記制御部は、前記蒸発源と前記加熱ローラとの温度差が300℃以上700℃以下となるように前記温調ユニット及び前記加熱機構を制御するように構成される
    成膜装置。
  5. 長尺のフィルムである基材を巻き出す巻出しローラと、前記巻出しローラから巻き出された前記基材を巻き取る巻取りローラと、温調ユニットを含み、前記基材の搬送方向において前記巻出しローラと前記巻取りローラとの間に設けられ、前記基材を加熱する加熱ローラと、前記加熱ローラに対向して設けられ、金属材料を蒸発させる蒸発源を含み、前記基材上に金属膜を成膜する成膜部と、を有する成膜装置の成膜方法であって、
    前記基材が前記加熱ローラから巻き出され、前記巻取りローラに巻き取られる過程において、前記金属膜と前記基材との温度差を0℃以上180℃未満に維持する
    成膜方法。
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