JPWO2020230360A1 - 真空処理装置用のキャンローラ - Google Patents

Abstract

シート状の基材にその長さ方向や幅方向の温度分布が生じることが可及的に抑制されるようにした真空処理装置用のキャンローラを提供する。真空チャンバＶｃ内でシート状の基材Ｓｗを走行させながらその表面に対して所定の真空処理を施す真空処理装置Ｄｍにて、真空処理を施す処理ユニットＥｓに対峙させて設けられ、シート状の基材が巻き掛けられる回転自在な本発明の真空処理装置用のキャンローラＣＲは、軸体１と、軸体に外挿される内筒体２と、隙間Ｄｓを存して内筒体の外筒面を囲う外筒体３と、内筒体と外筒体の軸方向の両端を夫々閉塞するカバー体４１，４２とを備える。各カバー体が複数本の流路４２１，４２２を有し、軸方向に沿った各流路の断面がカバー体の断面に重なり、各流路に夫々連通する内筒体と外筒体との隙間の断面積が所定の流速が得られる大きさに設定される。

Description

本発明は、真空チャンバ内でシート状の基材を走行させながらその表面に所定の真空処理を施す真空処理装置にて、真空処理を施す処理ユニットに対峙させて設けられ、シート状の基材が巻き掛けられる回転自在な真空処理装置用のキャンローラに関し、より詳しくは、真空処理時に入熱を受け得る環境で使用されるものに関する。

上記種のキャンローラを備える真空蒸着装置は例えば特許文献１で知られている。このものでは、真空雰囲気の形成が可能な真空チャンバ内で、シート状の基材を繰出ローラから連続的に繰り出し、この繰り出した基材をキャンローラに巻き掛け、キャンローラに巻き掛けられたシート状の基材の部分に対して、これに対峙して設けられる処理ユニットにより所定の真空処理を施し、処理済みのシート状の基材を巻取りローラで巻き取るようにしている。キャンローラとしては、軸体と、軸体に外挿される内筒体と、隙間を存して内筒体の外筒面を囲う外筒体と、内筒体と外筒体の軸方向の両端を夫々閉塞するカバー体とを備え、キャンローラの軸体が軸受を介して真空チャンバの壁面や真空チャンバ内に設けた支持体に軸支されるようになっている。

シート状の基材の部分に対して所定の真空処理を施す際、処理ユニットからの輻射熱等でキャンローラやこれに巻き掛けられたシート状の基材が入熱を受ける場合がある。上記従来例のものでは、キャンローラの内部に冷却水循環系等の冷却機構を設けてキャンローラを冷却し、冷却されるキャンローラとの熱交換でシート状の基材が所定温度以上に加熱されないようにしている。このような場合、軸方向の一方のカバー体から、内筒体と外筒体の間の隙間に冷却水を供給し、軸方向の他方のカバー体から冷却水を排出することが考えられ、そのためには、カバー体に冷却水の流路を設けることになる。ここで、上記の如く、キャンローラが構成される場合、キャンローラを回転駆動するときの悪影響を考慮すると、カバー体を流れる冷却水の総量（体積）は少ない方が好ましい。また、カバー体に設けられる流路は、シート状の基材との熱交換に寄与しない部分であるため、キャンローラの大型化を招来しないようにカバー体を構成する必要があり、このとき、流路の面積が大きいと、それだけ吸熱または放熱面積が広がることでシート状の基材との熱交換率が低下してしまうので、これを可及的に抑制できるようにする必要もある。

特開２０１０−１６３６９３号公報

本発明は、以上の点に鑑み、軸方向における小型化が可能で、熱交換率の低下を可及的に抑制できるようにした構造を持つキャンローラを提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、真空チャンバ内でシート状の基材を走行させながらその表面に対して所定の真空処理を施す真空処理装置にて、真空処理を施す処理ユニットに対峙させて設けられ、シート状の基材が巻き掛けられる回転自在な本発明の真空処理装置用のキャンローラは、軸体と、軸体に外挿される内筒体と、隙間を存して内筒体の外筒面を囲う外筒体と、内筒体と外筒体の軸方向の両端を夫々閉塞するカバー体とを備え、各カバー体が複数本の流路を有し、軸方向に沿った各流路の断面がカバー体の断面に重なり、各流路に夫々連通する内筒体と外筒体の隙間の断面積が所定の流速が得られる大きさに設定されることを特徴とする。

本発明において、前記各流路が、周方向に等間隔で配置されて径方向にのびるものである構成を採用してもよい。また、前記カバー体の外周側部に、前記隙間より大きな深さで径方向内方に向けて窪む窪み部が周方向全体に亘って形成され、この窪み部を介して前記各流路と前記隙間とが互いに連通する構成を採用してもよい。この場合、前記隙間に、互いに隣接する各流路の間に位置させて軸方向にのびる分流体が設けられることが好ましい。

本発明によれば、軸方向に沿った流路の断面がカバー体の断面に重なる、即ち、カバー体の断面視した内側に流路の断面が存在することで、流路を含むカバー体が軸方向に大きくなってキャンローラ自体が大型化することを防止でき、また、流路を複数に分けて構成することで個々の流路の比表面積を小さくできるので、カバー体を流れる冷却水の総量を少なくでき、しかも、各流路における吸熱または放熱面積が小さくなって、外筒体を介したシート状の基材との熱交換率の低下を可及的に抑制することができる。

ところで、キャンローラやシート状の基材が真空処理時に入熱を受け得る環境で使用される場合、シート状の基材にその長さ方向や幅方向の温度分布が生じることを抑制するために、軸体に外挿される内筒体の外筒面に突条（１条または２条でもよい）を所定ピッチで螺旋状に突設することが一般に知られている。これによれば、突条で区画される内筒体と外筒体との間の流体流路に、その軸方向一端からその他端にむけて所定温度の流体を流せば、この流体流路内での流体の温度分布を可及的に小さく抑制でき、ひいては、シート状の基材の長さ方向及び幅方向に比較的大きな温度分布が生じることを抑制できる。これは、突条で区画される流体流路の断面積が小さい（絞られている）ことで、これを流れる流体にある程度の流速が確保されて熱伝達率が向上することに起因していると考えられるが、これでは、内筒体の構造が複雑になり、製品コスト高を招く。

それに対して、本発明では、例えば、内筒体内で軸体に沿って軸方向一方からその他方に向けてのびる流入通路に所定温度の流体を供給すると、この流入通路に連通する、軸方向他方側に位置するカバー体（第１のカバー体）の各流路（第１流路）に流体が夫々供給される。この場合、例えば、径方向にのびる各第１流路が周方向に等間隔で複数本配置されていれば、流入流路からの流体が分散されて各第１流路に供給され、各第１流路からの流体を内筒体と外筒体との隙間に略均等に流入させることができる。そして、この隙間を通って、他方のカバー体（第２のカバー体）の流路（第２流路）へと流体が流れ、各第２流路が連通する流出通路を介して外部に排出される。

ここで、本願発明者らの鋭意研究の結果、得られた知見によれば、上記突条で区画される流体通路を流れる流体と同程度の流速が得られる大きさに、隙間の断面積が絞られていれば、第１流路から夫々流入した流体は、上記隙間を軸方向に沿って一様に流れ、そのとき、この隙間を流れる流体の（特に軸方向における）温度分布を可及的に小さく抑制できること（つまり、隙間に流入する流体とこの隙間から流出する流体との温度差が可及的小さくなること）が確認された。この場合、内筒体の外筒面に突条を螺旋状に設けるといったことを不要にでき、製品の低コスト化を図ることができ、有利である。

また、窪み部を設けると、窪み部が液溜り部として機能して、第１のカバー体では、各第１流路から流出する流体が外筒体の内壁に一旦衝突して周方向に分散されることで（言い換えると、互いに隣接する第１流路の中間に位置する箇所まで流体が回り込むことで）、内筒体と外筒体との隙間に対し、その周方向略全体から流体が流入する一方で、第２のカバー体では、隙間を一様に流れた流体が一旦受け止められて、その後に各第２流路へ流出することで、この隙間を流れる流体の周方向における温度分布を可及的に小さく抑制できる。この場合、分流体を設けておけば、軸方向他方の各第１の分岐流路から隙間に流入する流体が混ざり合うことなく、軸方向一方に向けて一様に流れることが確保され、隙間を流れる流体の軸方向及び周方向における温度分布をより一層小さく抑制できる。この場合、分流体は、隙間を周方向で完全に分離している必要はなく、例えば、内筒体の外筒面に貼着される所定の板厚や線径を持つ板材や線材で分流体を構成することができる。

本実施形態のキャンローラを備える真空処理装置を示す模式断面図。 キャンローラの構成を示す断面図。 キャンローラの構成を一部分解して示す斜視図。 図２の一部を拡大して示す断面図。 （ａ）及び（ｂ）は、変形例に係るキャンローラの部分拡大断面図及び部分拡大斜視図。

以下、図面を参照して、処理ユニットを蒸着源とし、キャンローラＣＲに巻き掛けられたシート状の基材Ｓｗに対して所定の薄膜を蒸着（成膜）する場合を例に本発明の真空処理装置用のキャンローラＣＲの実施形態を説明する。以下においては、キャンローラＣＲの軸線方向が水平方向に一致する姿勢で当該キャンローラＣＲが真空チャンバＶｃ内に収容されているものとし、軸線方向をＸ軸方向、同一の水平面内でＸ軸に直交する方向をＹ軸方向、Ｘ軸及びＹ軸に直交する鉛直方向をＺ軸方向とし、また、「上」「下」といった方向は図１を基準とする。

図１を参照して、本実施形態のキャンローラＣＲを備える真空処理装置Ｄｍは、真空チャンバＶｃを備える。真空チャンバＶｃには、排気管Ｅｐを介してターボ分子ポンプ、ロータリーポンプ等で構成される真空ポンプユニットＰｕが接続され、真空雰囲気（例えば、１０^−５Ｐａ）を形成できるようになっている。また、真空チャンバＶｃは、仕切り板Ｓｐで上下２室に区画され、図１中、下側に位置する一方の室（蒸着室Ｖｓ）には、処理ユニットとしての蒸着源Ｅｓが設けられている。蒸着源Ｅｓとしては、蒸着材料Ｅｍを収容する坩堝Ｅｖと、坩堝Ｅｖ内に収容した蒸着材料Ｅｍを加熱するシースヒータなどの加熱手段Ｅｈとを備えるものが利用され、加熱により坩堝Ｅｖ内に収容された蒸着材料Ｅｍを昇華または気化させ、この昇華または気化した蒸着粒子をキャンローラＣＲに巻き掛けられたシート状の基材Ｓｗの部分に付着、堆積させて蒸着（成膜）される。なお、蒸着源Ｅｓとしては、これに限定されるものではなく、スパッタリング法やＣＶＤ法によるものを用いることができ、これは公知のものが利用できるため、これ以上の説明は省略する。

図１中、上側に位置する他方の室（搬送室Ｔｓ）には、シート状の基材Ｓｗが巻き掛けられ、図示省略のモータにより回転駆動されて一定の走行速度でシート状の基材Ｓｗを繰り出す繰出ローラＲｒと、成膜済みのシート状の基材Ｓｗを巻き取る巻取ローラＲｕとが設けられている。そして、仕切り板Ｓｐに形成した開口Ｓｏの内側に、蒸着源Ｅｓに対峙させてシート状の基材Ｓｗが巻き掛けられる本実施形態のキャンローラＣＲが配置されている。なお、図１中、Ｇｒは、ガイドローラである。

図２〜図４を参照して、キャンローラＣＲは、軸体１と、軸体１に外挿される内筒体２と、隙間Ｄｓを存して内筒体２の外筒面を囲う外筒体３と、内筒体２と外筒体３とのＸ軸方向の両端を夫々閉塞する第１及び第２の各カバー体４_１，４_２とを備える。各カバー体４_１，４_２からその外方に突出する軸体１の部分には、一端が各カバー体４_１，４_２に夫々固定された中空の軸体５が外挿され、軸体５が、軸受５１を介して、図示省略の真空チャンバＶｃの壁面や真空チャンバＶｃ内に設けた支持体に軸支されている。図外のモータにより軸体１，５を回転させると、軸体１の軸線回りに内筒体２、外筒体３及び各カバー体４_１，４_２が一体に所定の速度で回転駆動されるようになっている。なお、軸体１，５の真空チャンバＶｃへの回転自在な取付方法は、ロータリジョイントなどを利用した公知のものが利用できるため、これ以上の説明は省略する。

軸体１内には、Ｙ軸方向にのびる流入通路としての内部通路１１が形成され、内部通路１１の一端（図２中、右側）が、図外のチラーユニットに通じる吸水管（図示せず）に接続され、真空チャンバＶｃ内で実施される真空処理に応じて適宜選択される冷却水などの流体が供給されるようになっている。また、軸方向一方（図２中、右側）の第２のカバー体４_２からその外方に突出する軸体１の外筒面と中空の軸体５の内筒面との間の空間は、後述のように、流体の流出通路５２を構成し、第２のカバー体４_２の各流路４２_２を流れる流体が流出通路５２へと流出し、図外のチラーユニットに戻るようになっている。なお、チラーユニット自体は公知のものであるため、ここではその説明は省略する。

互いに同心状に配置される内筒体２と外筒体３とは、例えばステンレスなどの金属製であり、内筒体２の母線（Ｙ軸方向）長さが外筒体３より短くなるように定寸されている。一方、第１及び第２の各カバー体４_１，４_２は、例えばステンレスなどの金属製で、内筒体２と外筒体３との母線方向長さの差の半分に相当する板厚を有する中実の円盤状部材で構成されている。各カバー体４_１，４_２のＺ軸方向内側に位置する部分の外径は内筒体２の内径に一致し、各カバー体４_１，４_２のＺ軸方向外側に位置する部分の外径は外筒体３の内径に一致するように形成され、内筒体２と外筒体３とを同心状に配置した状態でＸ軸方向両側から各カバー体４_１，４_２を夫々嵌着することで、内筒体２と外筒体３とのＸ軸方向の両端が夫々閉塞されるようになっている。

また、第１及び第２の各カバー体４_１，４_２には、軸体１が挿通する中央開口４１と中央開口４１に連通する複数本の流路（以下、第１の各カバー体４_１の流路を「第１流路４２_１」、第２の各カバー体４_２の流路を「第２流路４２_２」という）とが設けられている。図２及び図３に示すように、軸方向に沿った各流路４２_１，４２_２の断面はカバー体４_１，４_２の断面に夫々重なる、即ち、カバー体４_１，４_２を断面視した内側に流路４２_１，４２_２の断面が存在するようになっており、また、各流路４２_１，４２_２は、周方向に所定間隔（本実施形態では、４５度間隔）でその径方向全長に亘って夫々のびるように形成されている。この場合、各流路４２_１，４２_２の断面形状は円形であり、その断面積は、後述するように、各流路４２_１，４２_２から流出する流体が外筒体３の軸方向端部に位置する内壁に一旦衝突して周方向に分散されて隙間Ｄｓに対し、その周方向略全体から流体を流入させることができる流量が確保できる範囲内で可及的に小さく設定される。なお、各流路４２_１，４２_２の断面形状が円形かつ直管状であることで比表面積が最小化されると共に、管路抵抗の極小化がもたらされる構成を実現している。

また、キャンローラＣＲの組付状態では、内部通路１１と第１流路４２_１を夫々連通する連通孔１２が軸体１に形成され、また、各流路４２_１，４２_２の位相は、各カバー体４_１，４_２の間で互いに一致するようにしている。カバー体４_１，４_２の外側面には、例えば、ザグリ加工により、隙間Ｄｓより大きな深さＤｐで径方向内方に向けて窪む窪み部４３がその周方向全体に亘って形成されている。この場合、内筒体２の外周面からの深さＤｐは、例えばカバー体４_１，４_２に形成される分岐流路４２_１，４２_２の数に応じて適宜設定され、隙間Ｄｓに対して倍以上、好ましくは４倍に設定される。

上記キャンローラＣＲでは、図外のチラーユニットにより吸水管を通じて内部通路１１に所定温度の流体を供給すると、流体が第１のカバー体４_１の各第１流路４２_１に夫々供給される。この場合、各第１流路４２_１が周方向に等間隔で複数本配置され、第１のカバー体４_１の外側面に窪み部４３が存在することで、各第１流路４２_１からの流体が内筒体２と外筒体３との隙間Ｄｓに略均等に夫々流入する。そして、流体は隙間Ｄｓを通って第２のカバー体４_２の窪み部４３へと流れ、各第２流路４２_２から流出通路５２へと流出してチラーユニットに戻る。即ち、窪み部４３が液溜り部として機能して、第１のカバー体４_１では、各第１流路４２_１から流出する流体が外筒体３の軸方向端部に位置する内壁に一旦衝突して周方向に分散されることで（言い換えると、互いに隣接する第１流路４２_１の中間に位置する箇所まで流体が回り込むことで）、隙間Ｄｓに対し、その周方向略全体から流体が流入する一方で、第２のカバー体４_２では、隙間Ｄｓを一様に流れた流体が一旦受け止められて、その後に各第２流路４２_２に流出するようになる。

ところで、蒸着時にキャンローラＣＲやシート状の基材Ｓｗが入熱を受ける場合、シート状の基材Ｓｗにその長さ方向や幅方向の温度分布が生じることを抑制する必要がある。ここで、全長３３００ｍｍの内筒体の外筒面に１５ｍｍピッチで螺旋状の突条を形成し、内筒体と外筒体との間の隙間（本発明にいうＤｓに相当）が２５ｍｍになるように外筒体を外挿し、突条で区画される内筒体と外筒体との間の流体流路の流入口及び流出口に通じる分岐流路を持つカバー体を嵌着してキャンローラを製作した（比較品１）。そして、キャンローラの加熱下で、分岐流路から流体流路にその軸方向一端からその他端に向けて２８８Ｋの流体を流し、流体流路の流入口と流出口との温度差を測定したところ、その温度差は約２Ｋであり、また、そのときの流速は約０．８ｍ／ｓｅｃであった。次に、螺旋状の突条を設けていない内筒体を準備し、比較品１と同様にキャンローラを製作した（比較品２）。そして、上記と同条件で内筒体と外筒体との間の流体流路にその軸方向一端からその他端に向けて２８８Ｋの流体を流し、流体流路の流入口と流出口との温度差を測定したところ、その温度差は約４０Ｋであり、流体の温度分布が大きくなることが確認された。

そこで、本発明の実施形態では、隙間Ｄｓを流れる流体の速度が比較品１と同等となるように、突条のない内筒体２と外筒体３との隙間Ｄｓが５ｍｍになるように外筒体３を外挿する共に、カバー体４_１，４_２に３０度間隔で第１流路４２_１及び第２流路４２_２を夫々形成したキャンローラＣＲを製作した（発明品）。そして、上記と同条件で内筒体２と外筒体３との間の流体流路としての隙間Ｄｓにその軸方向一端からその他端に向けて２８８Ｋの流体を流し、隙間Ｄｓの流入口と流出口との温度差を測定したところ、隙間Ｄｓの流入口と流出口との温度差が約１Ｋで、比較品１と同等になることが確認された。発明品においては、隙間Ｄｓの流出口側にて、周方向に比較的温度が高い部分と低い部分とが交互に繰り返す温度分布が生じていたことから、発明品のものに対し、各カバー体４_１，４_２に、隙間Ｄｓと比較して４倍の深さで窪み部４３を形成すると、周方向に比較的温度が高い部分と低い部分とが交互に繰り返す温度分布が解消することが確認された。

以上の実施形態によれば、軸方向に沿った各流路４２_１，４２_２の断面がカバー体４_１，４_２の断面に重なる、即ち、カバー体４_１，４_２を断面視した内側に流路４２_１，４２_２の断面が存在することで、流路４２_１，４２_２を含むカバー体４_１，４_２が軸方向に大きくなってキャンローラＣＲ自体が大型化することを防止でき、また、流路４２_１，４２_２を複数に分けて構成することで個々の流路の比表面積を小さくできるので、カバー体４_１，４_２を流れる冷却水の総量を少なくでき、しかも、各流路４２_１，４２_２における吸熱または放熱面積が小さくなって外筒体３を介したシート状の基材Ｓｗとの熱交換率の低下を可及的に抑制することができる。しかも、内筒体２の外筒面に突条を螺旋状に設けることなく、隙間Ｄｓを流れる流体の軸方向及び径方向の温度分布が小さく抑制される（つまり、隙間Ｄｓに流入する流体とこの隙間Ｄｓから流出する流体との温度差が小さくなる）ため、シート状の基材Ｓｗにその長さ方向や幅方向の温度分布が生じることが可及的に抑制される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態のものに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。上記実施形態では、真空処理として成膜処理を例に説明したが、熱処理、エッチング処理など他の真空処理にも本発明は適用することができる。また、冷媒として冷却水を例に説明しているが、これに限定されるものではなく、所定温度に加熱した温水を流し、所定の真空処理を実施する間、シート状の基材Ｓｗを所定温度に温調する場合にも本発明は適用することができる。

また、上記実施形態では、内筒体２と外筒体３との間の隙間Ｄｓに何らの部材、要素がない場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、隙間Ｄｓに、互いに隣接する分岐流路４２_１，４２_２の間に位置させて軸方向にのびる分流体６を設けることもできる。分流体６としては、例えば内筒体２の外筒面に貼着される所定の板厚を持つ板材や線材で構成することができる。これによれば、軸方向他方の各第１分岐流路４２_１から隙間Ｄｓに流入する流体が混ざり合うことなく、軸方向一方に向けて一様に流れることが確保され、隙間Ｄｓを流れる流体の軸方向及び周方向における温度分布をより一層小さく抑制できる。

更に、上記実施形態では、各カバー体４_１，４_２を円盤状部材で構成し、各カバー体４_１，４_２に各流路４２_１，４２_２を周方向に所定間隔でその径方向全長に亘って夫々のびるように形成したものを例に説明したが、軸方向に沿った各流路４２_１，４２_２の断面がカバー体４_１，４_２の断面に夫々重なるものであれば、これに限定されるものではない。特に図示して説明しないが、２枚の板材を柱状構造物（例えばハニカム構造とし、その一部を流路として開放する）で接合し、マトリックス的な流路構造とすることもできる。

ＣＲ…キャンローラ、Ｄｍ…真空処理装置、Ｅｓ…蒸着源（処理ユニット）、Ｓｗ…シート状の基材、Ｖｃ…真空チャンバ、１，５…軸体、２…内筒体、３…外筒体、Ｄｓ…内筒体２と外筒体３の隙間、４_１，４_２…カバー体、４２_１，４２_２…分岐流路、４３…窪み部、６…分流体。

Claims (4)

1. 真空チャンバ内でシート状の基材を走行させながらその表面に対して所定の真空処理を施す真空処理装置にて、真空処理を施す処理ユニットに対峙させて設けられ、シート状の基材が巻き掛けられる回転自在な真空処理装置用のキャンローラにおいて、
   軸体と、軸体に外挿される内筒体と、隙間を存して内筒体の外筒面を囲う外筒体と、内筒体と外筒体の軸方向の両端を夫々閉塞するカバー体とを備え、
   各カバー体が複数本の流路を有し、軸方向に沿った各流路の断面がカバー体の断面に重なり、各流路に夫々連通する内筒体と外筒体との隙間の断面積が所定の流速が得られる大きさに設定されることを特徴とする真空処理装置用のキャンローラ。
2. 前記各流路が、周方向に等間隔で配置されて径方向にのびるものであることを特徴とする請求項１記載の真空処理装置用のキャンローラ。
3. 前記カバー体の外周側部に、前記隙間より大きな深さで径方向内方に向けて窪む窪み部が周方向全体に亘って形成され、この窪み部を介して前記各流路と前記隙間とが互いに連通することを特徴とする請求項１または請求項２記載の真空処理装置用のキャンローラ。
4. 前記隙間に、互いに隣接する各流路の間に位置させて軸方向にのびる分流体が設けられることを特徴とする請求項２または請求項３記載の真空処理装置用のキャンローラ。

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