KR101226390B1 - 박막 형성 장치 및 박막 형성 방법 - Google Patents

Abstract

가스 냉각을 이용한 성막 방법에 있어서, 충분한 냉각 효과를 달성하면서도, 가스 도입에 의한 성막 속도의 저하나 진공 펌프에의 과대한 부하를 회피한다. 본 발명의 박막 형성 장치는, 박막 형성 영역(14)에서 기판(7)의 이면에 근접하여 배치된 냉각체(10)와, 냉각체(10)와 기판(7)의 이면 사이에 가스를 도입하는 가스 도입 수단과, 기판(7)의 이면에 접하고, 박막 형성 영역(14)을, 제 1 박막 형성 영역(14a)과, 성막 속도가 제 1 영역(14a)보다 낮은 제 2 박막 형성 영역(14b)으로 분할하고, 또한 냉각체(10)와 기판(7)의 갭을 유지하는 갭 유지 수단(11)을 구비하며, 제 1 영역(14a)에서의 냉각량이 제 2 영역(14b)에서의 냉각량보다 커지도록 냉각 조건이 설정되어 있다.

Description

박막 형성 장치 및 박막 형성 방법{THIN FILM FORMING APPARATUS AND THIN FILM FORMING METHOD}

본 발명은 박막의 형성 장치 또는 박막 형성 방법에 관한 것이다.

디바이스의 고성능화, 소형화에 박막 기술이 폭넓게 전개되고 있다. 또한, 디바이스의 박막화는 사용자의 직접적인 메리트에 머무르지 않고, 지구 자원의 보호, 소비 전력의 저감이라는 환경측면에서도 중요한 역할을 하고 있다.

이러한 박막 기술의 진전에는, 박막 제조 방법의 고효율화, 안정화, 고생산성화, 저비용화라는 산업 이용면으로부터의 요청에 따른 것이 필요 불가결하여, 이것을 향한 노력이 계속되고 있다.

박막의 고생산성에는, 고 퇴적 속도의 성막 기술이 필수적이고, 진공 증착법, 스퍼터링법, 이온 플레이팅법(ion plating method), CVD법 등을 비롯한 박막 제조에 있어서, 고 퇴적 속도화가 진행되고 있다. 또한, 박막을 연속적으로 대량으로 형성하는 방법으로서, 권취식의 박막 제조 방법이 이용된다. 권취식의 박막 제조 방법은, 롤형상으로 감겨진 장척(長尺)의 기판을 권출(卷出) 롤로부터 권출하여, 반송계를 따라 반송중에, 기판상에 박막을 형성하고, 그 후에 권취 롤에 권취하는 방법이다. 이러한 제조 방법은, 예컨대 전자 빔을 이용한 진공 증착원 등의 고 퇴적 속도의 성막원과 조합하는 것에 의해, 박막을 양호한 생산성으로 형성할 수 있다.

이러한 연속 권취식의 박막 제조에 있어서의 성부를 결정하는 요인으로서, 성막시의 열부하의 과제가 있다. 예를 들어 진공 증착의 경우, 증발원으로부터의 복사열과, 증발 원자가 갖는 운동에너지가 변화된 열에너지가 기판에 부여되어, 기판의 온도가 상승한다. 특히 퇴적 속도를 높이기 위해서 증발원의 온도를 높이거나, 증발원과 기판을 가깝게 하면, 기판의 온도가 과도하게 상승한다. 그러나, 기판의 온도가 지나치게 상승하면, 기판의 기계 특성의 저하가 현저해지고, 퇴적된 박막의 열팽창에 의해 기판이 크게 변형하거나, 기판이 용단(溶斷)되는 문제가 생기기 쉬워진다. 그 밖의 성막 방식에 있어서도 열원은 다르지만, 성막시에 기판에 열부하가 가해져, 동일한 문제가 있다.

이러한 기판의 변형이나 용단 등이 생기는 것을 방지하기 위해서, 성막시에 기판의 냉각이 행해진다. 기판의 냉각을 목적으로, 반송계의 경로상에 배치된 원통형상 캔(can)에 기판이 따르는 상태로 성막을 실행하는 것이 널리 행해지고 있다. 이러한 방법에 의해 기판과 원통형상 캔의 열적인 접촉을 확보하면, 열용량이 큰 냉각 캔에 열을 놓아줄 수 있으므로, 기판 온도의 상승을 방지하여, 기판을 특정 온도로 유지할 수 있다.

진공 분위기하에서 기판과 원통형상 캔의 열적인 접촉을 확보하기 위한 방법의 하나로서, 가스 냉각 방식이 있다. 가스 냉각 방식이란, 기판과 냉각체인 원통형상 캔 사이에서 간격이 수 ㎜ 이하인 약간의 간극을 유지하면서, 이 간극에 미량의 가스를 공급하여 기체의 열전도를 이용해서 기판과 원통형상 캔의 열적인 접촉을 확보하여, 기판을 냉각하는 방법이다. 특허문헌 1에는, 기판인 웨브(web)에 박막을 형성하기 위한 장치로서, 웨브와 지지 수단인 원통형상 캔 사이의 영역에 가스를 도입하는 것이 개시되어 있다. 이에 따르면, 웨브와 지지 수단 사이의 열전도를 확보할 수 있으므로, 기판의 온도 상승을 억제할 수 있다.

한편, 기판의 냉각 수단으로서 원통형상 캔 대신에 냉각 벨트를 사용하는 것도 가능하다. 경사 입사에 의해 성막을 실행할 때에는, 기판이 직선형상으로 주행한 상태로 성막을 실행하는 것이 재료의 이용 효율상 유리하고, 그 때의 기판 냉각 수단으로서 냉각 벨트를 이용하는 것이 유효하다. 특허문헌 2에는, 기판 재료의 반송 및 냉각에 벨트를 사용했을 때의 벨트의 냉각 방법이 개시되어 있다. 이에 따르면, 열부하를 부여하는 박막 형성 장치로서, 냉각대(冷却帶)를 냉각하기 위해서, 내측에 2중 이상의 냉각대나 액상의 매체에 의한 냉각 기구를 마련하는 것에 의해, 냉각 효율을 높일 수 있다. 이에 의해, 전자 변환 특성을 비롯한 자기 테이프의 특성을 개선하고, 동시에 생산성을 현저하게 개선할 수 있다.

일본 공개 특허 제 1989-152262 호 공보 일본 공개 특허 제 1994-145982 호 공보

경사 입사에 의한 성막을 실행할 때에, 특허문헌 2에 개시된 바와 같은 냉각 벨트를 이용하여 기판이 직선형상으로 주행한 상태로 성막을 실행하는 것은 재료 이용 효율상 유리하다. 그러나, 특히 고 성막 속도 등이 원인으로 기판에 대한 열부하가 클 경우에는 기판의 충분한 냉각이 어려워진다. 그 이유는, 기판이 직선형상으로 주행한 상태에서는 기판에 수직방향의 힘이 얻어지지 않아, 냉각체를 향하는 힘이 확보되지 않기 때문이다. 냉각체를 향하는 힘이 확보되지 않으면, 기판과 냉각체의 열적인 접촉을 충분히 확보할 수 없다.

기판과 냉각체의 열적인 접촉을 충분하게 확보하기 위해서 특허문헌 1에 개시된 바와 같은 가스 냉각을 실행할 경우, 냉각 능력을 향상하기 위해서는 기판과 냉각체 사이의 냉각 가스의 압력을 높게 하는 것이 유효하다. 그 때문에, 기판과 냉각체의 간격을 될 수 있는 한 작게 설정하고, 또한 도입하는 냉각 가스의 유량을 많게 조정함으로써, 기판과 냉각체 사이의 가스압을 높이는 것이 요구된다. 그러나, 냉각 가스의 도입량이 증가하면 냉각체와 기판의 간극으로부터 냉각 가스가 누설하기 쉬워지고, 이에 의해 성막실내의 압력이 상승한다. 이 결과로서 성막 속도를 낮출 뿐만 아니라, 성막실내를 감압하는 진공 펌프에 과대한 부하를 부여하게 된다.

또, 가스 냉각을 행하면서 주행중의 기판상에 박막을 연속 형성할 때에는, 냉각체와 기판 사이의 갭(gap)을 균일하고 또한 고정밀도로 유지할 수 있도록 기판의 주행방향으로 높은 장력을 가한다. 이 때문에, 기판의 부분적인 왜곡에 의해 주행 불균일이나 휨이 생길 것이다. 특히 기판이 강성이 높은 금속박 등일 경우에는, 금속박이 거의 연신되지 않기 때문에, 기판에 부분적으로 발생하는 왜곡을 억제할 수 없다. 그 결과, 냉각체와 기판 사이의 갭이 필요 이상으로 커지기 쉽고, 그에 따라 냉각 가스가 누설되어 성막실내의 압력을 상승시킬 가능성이 높다.

또한, 도 5에 도시하는 바와 같이 직선형상으로 반송되는 기판(7)을 냉각체(10)에 의해 냉각할 경우에는, 기판을 냉각체에 가압하는 방향의 힘이 얻어지지 않기 때문에, 가스의 도입에 의해 기판과 냉각체의 갭이 넓어지기 쉽고, 그 때문에 냉각 가스의 누설이 현저하다.

이상과 같이, 진공 분위기하에서 주행 기판과 냉각체의 열적 접촉을 확보하는 것을 목적으로 한 가스 냉각 방식에서는, 충분한 냉각 효과를 달성하기 위해서 가스의 도입량을 많게 하면, 냉각 가스의 누설에 의해 성막실내의 압력이 상승한다. 이 때문에, 성막 속도가 저하하고, 진공 펌프에 과대한 부하를 부여한다. 특히 기판이 직선형상으로 주행한 상태에서는, 가스 누설이 많아지기 쉽기 때문에 이러한 문제가 현저하다. 한편, 가스의 도입량을 적게 하면 충분한 냉각 효과가 얻어지지 않기 때문에, 열부하에 의한 기판의 변형이나 용단이 생기기 쉬워진다.

본 발명은, 상기 과제에 비추어, 기판을 직선형상으로 반송하면서 기판 표면상에 박막을 연속 형성할 때, 성막시의 열부하를 원인으로 하는 기판의 변형이나 용단을 방지하는 것을 목적으로 한 가스 냉각에 있어서, 충분한 냉각 효과를 달성하면서도, 가스 도입에 의한 성막 속도의 저하나 진공 펌프에의 과대한 부하를 회피할 수 있는 박막 형성 장치 및 박막 형성 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해서 본 발명의 박막 형성 장치는, 진공중에서 표면과 이면을 갖는 띠형상의 기판의 상기 표면상에 박막을 형성하는 박막 형성 장치로서, 상기 기판을 반송하는 반송 기구와, 직선형상으로 반송되고 있는 상기 기판의 상기 표면상에, 박막 형성 영역에서 박막을 형성하는 박막 형성 수단과, 상기 박막 형성 영역에서 상기 기판의 이면에 근접하여 배치되고, 냉매에 의해 냉각되고 있는 냉각체와, 상기 냉각체와 상기 기판의 이면 사이에 가스를 도입하여 상기 기판을 냉각하는 가스 도입 수단과, 상기 기판의 이면에 접하고, 상기 박막 형성 영역을, 제 1 박막 형성 영역과, 성막 속도가 상기 제 1 박막 형성 영역보다 낮은 제 2 박막 형성 영역으로 분할하고, 또한 상기 냉각체와 상기 기판의 갭을 유지하는 갭 유지 수단과, 상기 반송 기구와, 상기 박막 형성 수단과, 상기 냉각체와, 상기 가스 도입 수단과, 상기 갭 유지 수단을 수용하는 진공 용기를 구비하며, 상기 가스 도입 수단에 의한 상기 기판의 냉각에 있어서, 상기 제 1 박막 형성 영역에서의 기판의 냉각량이 상기 제 2 박막 형성 영역에서의 기판의 냉각량보다 커지도록 상기 냉각의 조건이 설정되어 있다.

여기에서, 「기판이 직선형상으로 반송되고 있다」란, 원통형상 캔을 따라 만곡된 상태에서의 기판의 반송을 제외하는 것을 의도하고 있다. 구체적으로는, 도 1에 도시하는 바와 같이 복수의 반송 롤러에 의해 주행방향으로 장력이 걸린 상태에서의 기판의 반송을 의도하고 있다. 단, 단면에서 보아서, 도 5에 도시하는 바와 같이 완전한 직선상을 기판이 반송되는 경우뿐만 아니라, 도 2 또는 도 4에 도시하는 바와 같이, 약간의 굽힘 부분을 포함해서 기판이 반송되는 경우도 포함한다.

또한, 본 발명의 박막 형성 방법은, 상기 박막 형성 장치를 이용하여, 진공중에서 표면과 이면을 갖는 띠형상의 기판의 상기 표면상에 박막을 형성하는 박막 형성 방법으로서, 상기 가스 도입 수단에 의한 상기 기판의 냉각에 있어서, 상기 제 1 박막 형성 영역에서의 기판의 냉각량이 상기 제 2 박막 형성 영역에서의 기판의 냉각량보다 커지는 조건하에서, 상기 기판의 상기 표면상에 박막을 형성하는 공정을 포함한다.

본 발명에 따르면, 성막시의 열부하를 원인으로 하는 기판의 변형이나 용단을 방지하는 것을 목적으로 한 가스 냉각에 있어서, 성막 속도가 다르고, 따라서 열부하도 다른 복수의 박막 형성 영역에서 개별로 냉각 조건을 조정할 수 있다. 따라서, 각 박막 형성 영역이 받는 열부하에 따라서 냉각량의 최적화가 가능하다. 이에 의해 열부하가 큰 박막 형성 영역을 보다 효율적으로 냉각함으로써, 박막 형성 영역 전역에서 충분한 냉각 효과를 달성하면서도, 냉각체와 기판 사이의 갭으로부터 누설되는 가스량을 저감할 수 있다. 그 때문에, 성막실내의 압력이 상승하여 성막 속도가 저하하는 것을 회피하고, 더욱이 진공 펌프에의 불필요한 부하를 저감하는 것이 가능하다.

도 1은 본 발명의 성막 장치 전체의 구성의 일례를 도시하는 모식도,
도 2는 본 발명의 실시형태 1의 일부인 기판 냉각 기구의 일례를 도시하는 모식 구조도로서, (a)는 (b)의 AA' 단면도, (b)는 기판(7)의 이면측에서 본 정면도,
도 3은 본 발명의 실시형태 1의 일부인 기판 냉각 기구의 다른 일례를 도시하는 모식 구조도로서, (a)는 (b)의 BB' 단면도, (b)는 기판(7)의 이면측에서 본 정면도, (c)는 가스 노즐(19)의 부분 확대도,
도 4는 본 발명의 실시형태 2의 일부인 기판 냉각 기구의 일례를 도시하는 모식 구조도,
도 5는 비교예의 기판 냉각 기구의 일례를 도시하는 모식 구조도.

성막 장치 전체의 구성의 일례를 도 1에 모식적으로 도시한다. 진공 용기(1)는 내부 공간을 갖는 내압성의 용기형 부재이며, 그 내부 공간에 권출 롤러(2), 복수의 반송 롤러(3), 박막 형성 영역(14), 권취 롤러(4), 성막원(5), 및 차폐판(6)을 수용한다. 권출 롤러(2)는 축심 주위에 회전 가능하게 마련되어 있는 롤러형 부재이며, 그 표면에 띠형상으로 장척의 기판(7)이 감겨지고, 가장 근접하는 반송 롤러(3)를 향해서 기판(7)을 공급한다.

기판(7)에는 각종 고분자 필름이나, 각종 금속박, 혹은 고분자 필름과 금속박의 복합체, 그 밖의 상기 재료에 한정되지 않는 장척 기판을 이용할 수 있다. 고분자 필름으로서는, 예컨대 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리아미드, 폴리이미드이다. 금속박으로서는, 알루미늄박, 구리박, 니켈박, 티타늄박, 스테인리스박 등이 있다. 기판의 폭은 예컨대 50㎜ 내지 1000㎜이며, 기판의 바람직한 두께는 예컨대 3㎛ 내지 150㎛이다. 기판의 폭이 50㎜ 미만에서는 가스 냉각시의 가스의 누설이 크지만, 본 발명을 적용할 수 없다는 것은 아니다. 기판의 두께가 3㎛ 미만에서는 기판의 열용량이 극히 작기 때문에 열변형이 발생하기 쉽다. 기판의 두께가 150㎛보다 크면, 권출 롤러(2)나 권취 롤러(4)로부터의 장력에 의해서도 금속박이 거의 연신하지 않는다. 그 때문에, 기판에 부분적으로 발생하는 왜곡을 억제할 수 없어 냉각체와 기판의 사이에 간극이 생기기 쉬워져, 가스 냉각시의 가스의 누설이 커진다. 그러나, 모두 본 발명이 적용 불가능하다는 것을 나타내는 것은 아니다. 기판의 반송 속도는 형성하는 박막의 종류나 성막 조건에 의해 다르지만, 예컨대 0.1m/분 내지 500m/분이다. 반송중의 기판 주행방향으로 인가되는 장력은 기판의 재질이나 두께, 혹은 성막 속도 등의 프로세스 조건에 의해 적절하게 선택된다.

반송 롤러(3)는 축심 주위에 회전 가능하게 마련되어 있는 롤러형 부재이며, 권출 롤러(2)로부터 공급되는 기판(7)을 박막 형성 영역(14)으로 유도하여, 최종적으로 권취 롤러(4)로 인도한다. 박막 형성 영역(14)을 기판(7)이 주행할 때에, 성막원으로부터 날아온 재료 입자가 필요에 따라서 원료 가스 도입관(도시하지 않음)으로부터 도입된 원료 가스와 반응하여 퇴적하여, 기판(7) 표면에 박막이 형성된다. 권취 롤러(4)는 도시하지 않은 구동 수단에 의해 회전 구동 가능하게 마련되어 있는 롤러형 부재이며, 박막이 형성된 기판(7)을 권취하여 보존한다.

성막원(5)으로는 각종 성막원을 이용할 수 있고, 예컨대 저항 가열, 유도 가열, 전자 빔 가열 등에 의한 증발원이나, 이온 플레이팅원, 스퍼터링원, CVD원 등을 이용할 수 있다. 또한, 성막원에 이온원이나 플라즈마원을 조합하여 사용하는 것도 가능하다. 예를 들면, 성막원은, 박막 형성 영역(14)의 최하부의 연직방향 하방에 마련되고, 연직방향 상부가 개구되어 있는 용기형 부재와, 상기 용기형 부재의 내부에 탑재된 성막 재료를 포함한다. 성막원의 근방에는 전자총(도시하지 않음)이나 유도 코일 등의 가열 수단이 마련되고, 이들 가열 수단에 의해 상기 용기형 부재 내부의 재료가 가열되어 증발한다. 재료의 증기는 연직방향 상방을 향해서 이동하고, 박막 형성 영역에서의 기판(7) 표면에 부착되어 박막이 형성된다. 성막원(5)은 기판에 대하여 열부하를 부여하게 된다.

차폐판(6)은 성막원(5)으로부터 날아온 재료 입자가 기판(7)과 접촉할 수 있는 영역을 박막 형성 영역(14)만으로 제한하고 있다.

배기 수단(8)은 진공 용기(1)의 외부에 마련되어서, 진공 용기(1) 내부를 박막의 형성에 적합한 감압 상태로 조정한다. 배기 수단(8)은, 예컨대 오일 확산 펌프, 크라이오 펌프(cryopump), 터보 분자 펌프 등을 주 펌프로 한 각종 진공 배기계에 의해 구성된다.

박막 형성 영역(14)에서의 기판의 이면측에는 냉각체(10)가 기판에 근접하여 배치되고, 기판과 냉각체가 접촉하지 않도록 냉각체와 기판의 거리는 복수의 갭 유지 수단(11)에 의해 고정밀도로 유지된다. 또한, 냉각체(10)와 기판(7) 사이에는, 가스 유량 제어기(12)에 의해 도입량이 제어된 가스가 배관(13)을 통해서 도입된다. 그 때 갭 유지 수단(11)중 하나에 의해 박막 형성 영역(14)이 제 1 박막 형성 영역(14a)과 제 2 박막 형성 영역(14b)으로 분할된다. 각 영역에 도입되는 냉각 가스의 도입량이나 종류 등을 최적화함으로써, 충분한 냉각 효과를 유지하면서도, 냉각체와 기판의 간극으로부터 누설되는 가스량을 저감하여, 성막 속도에의 악영향이나 진공 펌프(8)로의 부하를 저감할 수 있다. 또한, 냉각 가스 공급 수단(15)에는, 가스 봄베(bomb), 가스 발생 장치 등이 있다.

냉각체(10)의 재질은 특별히 한정되지 않고, 가공 형상을 확보하기 쉬운 구리나 알루미늄, 스테인리스 등을 비롯한 금속이나, 카본, 각종 세라믹스나 엔지니어링 플라스틱 등을 이용할 수 있다. 특히, 분진 발생의 가능성이 낮고, 내열성이 우수하고, 온도 균일화가 용이하다는 점에서, 열전도율이 높은 구리나 알루미늄 등의 금속을 이용하는 것이 보다 바람직하다.

이상과 같이, 본 발명의 박막 형성 장치에 따르면, 권출 롤러(2)로부터 송출된 기판(7)이 반송 롤러(3)를 경유하여 주행하고, 박막 형성 영역(14)에서 증발원(5)으로부터 날아온 증기를 받아서, 기판상에 박막이 형성된다. 이러한 기판(7)은 다른 반송 롤러(3)를 경유하여 권취 롤러(4)에 권취된다. 이에 의해, 표면에 박막이 형성된 기판(7)을 얻을 수 있다.

본 발명에서 조정되는 기판의 냉각 조건에는 각종의 조건이 포함될 수 있다. 예를 들면, 냉각체를 냉각하는 냉매의 종류, 유량 또는 온도나, 냉각체와 기판의 이면의 갭에 도입되는 가스의 유량, 종류 또는 온도(가스 도입 조건), 갭 유지 수단에 의해 유지되는 갭의 거리 등을 들 수 있다. 이들 조건은 1 종류만을 조정해도 좋고, 2 종류 이상을 조합하여 조정해도 좋다.

(실시형태 1)

도 2는 본 발명의 실시형태 1의 일부인 기판 냉각 기구의 일례에 대해서 그 구조를 모식적으로 도시하는 도면이다. 도 2의 (a)는 (b)의 AA' 단면도, 도 2의 (b)는 기판(7)의 이면측에서 본 정면도이다.

냉각체와 기판의 이면의 갭은 3개의 갭 유지 수단(11a, 11b 및 11c)에 의해 유지된다. 3개의 갭 유지 수단(11a, 11b 및 11c)은 기판의 주행방향에서 상류측으로부터 순차적으로 배치되어 있다. 양단에 위치하는 갭 유지 수단(11a 및 11c)은 박막 형성 영역(14)의 기판 주행방향에서의 양단 근방에 배치되어 있다. 중앙에 위치하는 갭 유지 수단(11b)은, 박막 형성 영역(14)의 거의 중앙에 배치되고, 박막 형성 영역(14)을, 기판 주행방향의 상류측에 위치하는 제 1 박막 형성 영역(14a)과, 하류측에 위치하는 제 2 박막 형성 영역(14b)으로 분할하고 있다. 즉, 중앙에 위치하는 갭 유지 수단(11b)과 기판 이면의 접촉 위치의 상류측에 제 1 박막 형성 영역(14a)이 위치하고, 상기 접촉 위치의 하류측에 제 2 박막 형성 영역(14b)이 위치한다. 제 1 박막 형성 영역(14a)과 제 2 박막 형성 영역(14b)에서의 기판의 이면에는, 각각 냉각체(10a, 10b)가 배치되어 있다. 냉각체(10a)에 의한 냉각량이 냉각체(10b)에 의한 냉각량보다도 커지도록 각각의 박막 형성 영역에서의 냉각 조건이 조정된다.

박막 형성 영역(14)은 수직방향에 대하여 경사져 있고, 제 1 박막 형성 영역(14a)과 제 2 박막 형성 영역(14b)에서는, 성막원(5)으로부터의 거리가 상이하다. 제 1 박막 형성 영역(14a)쪽이 성막원(5)에 보다 가까운 위치에 배치되어 있으므로, 제 1 박막 형성 영역(14a)에서는, 제 2 박막 형성 영역(14b)보다도 성막 속도가 높은 반면, 열부하도 커진다. 그 때문에, 상기 제 1 박막 형성 영역에서의 냉각량을 제 2 박막 형성 영역에서의 냉각량보다도 커지도록 냉각 조건을 조정한다.

냉각체(10a 및 10b)에는, 각각 냉매 배관(18a 및 18b)이 부설되어 있고, 이들 냉매 배관을 통과하는 냉각수나 부동액 등의 냉매에 의해 냉각된다. 냉매 배관의 재질은 특별히 한정되지 않고, 구리나 스테인리스 등의 파이프를 이용할 수 있다. 냉매 배관은 용접 등에 의해 냉각체(10)에 장착되어도 좋다. 또한, 냉매 배관(18a)을 통과하는 냉매의 종류, 온도 또는 유량과, 냉매 배관(18b)을 통과하는 냉매의 종류, 온도 또는 유량을 변경하는 것에 의해, 냉각체(10a)에 의한 냉각량과 냉각체(10b)에 의한 냉각량을 다르게 할 수도 있다. 예를 들면, 냉각체(10b)보다도 냉각체(10a)를 보다 저온으로 냉각하는 것이 가능하다.

다른 가스 도입 조건으로 가스를 도입하는 방법으로서는, 예컨대 가스 유량 제어기(12)(도 1에 도시함)에서 각각의 가스 유량을 조정하고, 각 냉각체에 개별로 마련한 냉각용 가스 배관(13a, 13b)으로부터 매니폴드(16)를 통해서, 냉각체 표면으로 연장하는 미세 구멍(17)을 경유해서 가스를 공급하는 방법이 가능하다. 또한, 냉각체(10a, 10b)로부터 냉각 가스를 도입하는 방법은, 예컨대 횡적(橫笛) 모양의 불어내기 형상을 갖는 가스 노즐을 냉각체에 매립하고, 그 노즐로부터 가스를 도입하는 방법이나, 냉각체에 다공질 소결 금속 또는 다공질 세라믹 등을 이용하여, 그 미세 구멍을 통해서 가스를 도입하는 방법 등, 다양한 방법이 가능하다.

또한, 도 3(냉매의 배관은 도시하지 않음)과 같이, 가스의 도입은, 냉각체를 거치지 않고, 냉각체의 외부에 배치한 가스 노즐(19)로부터 실행할 수도 있다. 냉각체를 거치지 않고 냉각체와 기판 사이에 가스를 도입할 경우에는, 가스 누설이 많아질 우려가 있기 때문에, 예컨대 가스 노즐(19)의 노즐 구멍 직경을 0.1㎜ 내지 0.2㎜ 정도로 작게 해서 지향성을 갖게 하는 것이 바람직하다. 도 3의 (c)에서는 가스 노즐(19)의 확대도를 도시하고 있다. 도 3에는 기판의 폭방향 단부면으로부터 가스를 도입하는 방법을 기재했지만, 기판의 길이방향[도 3의 (b)의 상하]으로부터 가스를 도입할 수도 있다. 가스 도입 방법은, 이것들에 한정되는 것은 아니고, 열전달 매체로서의 가스를 각 냉각체와 기판 사이에 개별로 제어하면서 도입할 수 있는 것이면, 다른 방법을 이용할 수도 있다.

도 2 및 도 3에서 도시한 갭 유지 수단(11)은 냉각체(10)와 기판(7)이 접촉하지 않도록 기판을 지지하는 부재이며, 고정된 상태로 주행중의 기판(7)의 이면과 접촉하게 된다. 그 때문에, 기판 이면을 손상하지 않도록 갭 유지 수단(11)의 표면성 및 형상을 선택할 필요가 있다. 또한, 갭 유지 수단에 의해 유지되는 냉각체와 기판의 갭(공간)의 간격은 해당 갭에 가스가 도입되어 있는 상태에서 0.1㎜ 내지 2㎜가 되도록 냉각체와 갭 유지 수단의 위치 관계를 설정하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.3㎜ 내지 1㎜이다. 0.1㎜ 미만에서는, 냉각체와 기판이 일부 접촉할 가능성이 높아, 기판에 손상이 발생하기 쉬워진다. 2㎜를 초과하면, 냉각체와 기판의 갭이 지나치게 넓어서, 냉각 가스가 누설되기 쉬워져, 냉각 능력이 크게 저하한다.

가스의 도입 조건은 제 1 박막 형성 영역(14a)에 도입하는 가스량을 제 2 박막 형성 영역(14b)에 도입하는 가스량보다도 많게 조정하는 것이 바람직하다. 제 1 박막 형성 영역(14a)은 제 2 박막 형성 영역(14b)에 비하여 성막원(5)에 보다 가까우므로 성막 속도가 높아, 성막중의 열부하가 보다 크기 때문이다.

상기한 바와 같이, 보다 열부하가 큰 박막 형성 영역에서, 보다 많은 가스를 도입해서 가스압을 유지하여, 냉각 능력을 높이는 동시에, 보다 열부하가 작은 박막 형성 영역에서, 도입 가스량을 억제한다. 즉, 성막원으로부터의 거리에 따라서 냉각용의 가스 도입량을 조정하는 것에 의해, 적정한 냉각 효과를 유지하면서도, 도입 가스의 총량을 억제할 수 있다.

도 5에서는, 박막 형성 영역을 분할하지 않고, 박막 형성 영역 전역에 균일하게 냉각 가스를 도입하는 비교예의 가스 도입 방법을 도시하고 있다. 이러한 방법에서는, 박막 형성 영역중 성막원에 가까워서 열부하가 큰 영역(도면의 하방)에서는 높은 냉각 능력이 요구되기 때문에, 그 냉각 능력을 기준으로 하여 가스 유량(가스압)을 증대할 필요가 있다. 그 때문에, 냉각체와 기판의 간극으로부터 누설되는 가스량도 증가한다. 즉, 비교예에서는, 성막원으로부터 멀어서 열부하가 작은 영역(도면의 상방)에서는 냉각량이 비교적 적어도 좋음에도 불구하고, 필요 이상으로 다량의 가스가 도입되게 된다. 이 때문에, 쓸데없는 가스의 누설에 의해 성막 속도의 저하나 진공 펌프에의 불필요한 부하가 생기게 된다.

따라서, 본 발명과 같이, 열부하가 다른 복수의 박막 형성 영역에서, 각각 적당한 도입 가스량을 선택함으로써, 적정한 냉각 효과를 손상시키는 일없이, 도입 가스의 총량을 저감할 수 있다. 또한, 냉각체와 기판의 간극으로부터 누설되는 가스량을 저감하여, 성막에의 악영향이나 진공 펌프에의 부하를 저감할 수 있다.

도 1에서는, 하나의 경사면에 있어서의 박막 형성 영역에 관해서 예를 도시했지만, 본 발명의 박막 형성 장치는 1개 이상의 경사면, 예컨대 산형, V자형, W자형 및 M자형의 성막 주행계를 포함하는 것이어도 좋다. 또한, 기판의 한쪽면에의 성막뿐만 아니라, 양쪽면에의 성막이어도 좋다. 더욱이, 박막 형성 영역은 수평으로 배치되어도 좋다.

또, 도 1에서는, 3개의 갭 유지 수단(11)을 배치함으로써, 박막 형성 영역을 제 1 박막 형성 영역(14a)과 제 2 박막 형성 영역(14b)의 2면으로 분할하고 있다. 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 4개 이상의 갭 유지 수단(11)을 배치함으로써 3면 이상의 박막 형성 영역으로 분할해도 좋다. 예를 들면, 갭 유지 수단을 3개 내지 6개 배치함으로써, 각각 박막 형성 영역을 2면 내지 5면으로 분할할 수 있다. 박막 형성 영역의 수가 많은 쪽이 보다 엄밀하게 가스 도입량을 최적화하는 것이 가능하지만, 갭 유지 수단이 5개 이상으로 되면, 냉각체와 기판이 접근하는 영역이 감소하기 때문에, 냉각 능력이 저하해서 바람직하지 못하다.

(실시형태 2)

도 4는 본 발명의 실시형태 2의 일부인 기판 냉각 기구의 일례에 대해서, 그 구조를 모식적으로 도시하는 도면이다. 박막 형성 영역 근방 이외에서의 실시형태는 실시형태 1과 유사이므로 설명을 생략한다.

제 1 박막 형성 영역(14a) 및 제 2 박막 형성 영역(14b)에서, 냉각체(10a, 10b)와 기판(7)의 갭을 유지하는 갭 유지 수단(11)이 롤러로 이루어진다. 갭 유지 수단이 회전함으로써 기판과의 접촉에 의한 손상이 발생하기 어렵기 때문에 바람직하다. 회전 롤러의 기판과 접촉하는 면의 재질은 고무나 플라스틱을 이용하는 것도 가능하지만, 기판에 대한 열부하를 원인으로 한 기판에의 유기물 전사의 위험성을 회피하기 위해서, 금속을 사용하는 것이 바람직하다.

롤러의 직경은 5㎜ 내지 100㎜인 것이 바람직하다. 5㎜ 미만이면, 기판의 왜곡에 의한 변형을 억제하기 위해서 기판에 큰 장력을 인가했을 경우, 롤러의 강도가 낮아서, 롤러 자체가 변형해버릴 우려가 있기 때문에 바람직하지 못하다. 100㎜를 초과하면, 롤러 직경이 커서, 기판을 냉각체로 냉각하는 영역이 제한되기 때문에 바람직하지 못하다.

가스의 도입 조건은 제 1 박막 형성 영역(14a)에 도입하는 가스를 구성하는 분자의 분자량을 제 2 박막 형성 영역(14b)에 도입하는 가스를 구성하는 분자의 분자량보다도 작게 하는 것이 바람직하다. 제 1 박막 형성 영역(14a)은 제 2 박막 형성 영역(14b)에 비하여 성막원(5)에 보다 가까우므로 성막중의 열부하가 보다 크기 때문이다.

성막원으로부터의 거리에 따라서 냉각용의 가스의 종류를 조정하는 것에 의해, 성막 공정에의 악영향이나 진공 펌프에의 부담을 저감할 수 있다.

분자량이 작은 기체 분자로서, 예컨대 수소, 헬륨, 메탄, 암모니아, 불화수소, 네온 등을 이용할 수 있지만, 안전성(취급성)이나 가격 등을 고려하면 헬륨을 사용하는 것이 바람직하다. 헬륨 등의 분자량이 작은 기체 분자는 열전도율이 높기 때문에 냉각 능력이 우수하고, 성막중에 날아온 재료 분자와의 충돌의 영향도 적은 점에서 바람직하다. 한편, 냉각체와 기판의 간극으로부터 누설되기 쉽기 때문에 가스압을 유지하는 것이 어렵고, 또한 누설된 가스를 진공 펌프(특히, 크라이오 펌프계)로 배기하는 것이 곤란하다는 점에서는 바람직하지 못하다.

분자량이 큰 기체 분자로서, 예컨대 제논, 크립톤, 이산화탄소, 아르곤, 산소 등을 이용할 수 있지만, 가격 등을 고려하면 산소나 아르곤을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 성막중에 날아온 재료 분자와 산소를 반응시키는 반응성 성막을 실행할 경우나, 기판의 냉각면(이면)을 산화시키고 싶지 않을 경우에는, 아르곤 등의 불활성 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 아르곤 등의 분자량이 큰 기체 분자는 냉각체와 기판의 간극으로부터의 가스 누설이 발생하기 어려워서, 가스압을 유지하기 쉬운 점에서는 바람직하다. 그러나, 열전도율이 낮기 때문에 냉각 능력이 떨어지는 동시에, 성막중에 날아온 재료 분자와의 충돌에 의한 성막 속도의 저하 등의 문제가 발생하는 점에서는 바람직하지 못하다.

즉, 열부하가 크기 때문에 충분한 냉각이 필요한 제 1 박막 형성 영역(14a)에는 헬륨 등의 가스를 도입하고, 또한 열부하가 작기 때문에 냉각이 비교적 소량이어도 좋은 제 2 박막 형성 영역(14b)에는 아르곤 등의 가스를 도입하는 것이 바람직하다.

한편, 도 5에 도시하는 바와 같은 비교예의 가스 도입 방법에서는, 헬륨과 같은 분자량이 작은 분자로 이루어지는 가스를 사용했을 경우, 열부하가 작은 상방의 영역에서 필요 이상의 가스가 누설되게 되어, 진공 펌프에의 부하가 커져서 바람직하지 못하다. 또한, 아르곤과 같은 분자량이 큰 분자로 이루어지는 가스를 사용했을 경우, 열부하가 큰 하방의 영역에서는 냉각 능력이 부족하다. 그 때문에, 가스 유량을 증가해서 가스압을 높일 필요가 있어, 성막원의 근방에 유출된 가스에 의해 성막 속도가 저하하기 때문에 바람직하지 못하다.

이상, 실시형태 2에 있어서는, 분자량이 다른 복수의 가스종을 사용하는 것에 의해, 냉각량을 조정하는 경우에 대해서 설명했다. 실시형태 1에 있어서는, 가스 유량으로 냉각량을 조정하는 것을 설명했다. 냉각량의 조정 방법으로서는 그 이외에도 전술한 바와 같은 각종의 방법을 사용할 수 있지만, 어느 실시형태에 있어서도, 이들 방법을 적절하게 선택 또는 조합하여 적용하는 것이 가능하다.

도 2 내지 도 4에서는, 제 1 박막 형성 영역(14a)에서의 냉각체(10a)와 기판(7)의 갭의 간격이 제 2 박막 형성 영역(14b)에서의 냉각체(10b)와 기판(7)의 갭의 간격과 거의 동일한 상태를 도시하고 있다. 그러나, 이들 갭의 간격은 상이하여도 좋다. 특히, 제 1 박막 형성 영역(14a)에서의 냉각체(10a)와 기판(7)의 갭의 간격을 제 2 박막 형성 영역(14b)에서의 냉각체(10b)와 기판(7)의 갭의 간격보다도 좁게 하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 제 1 박막 형성 영역(14a)에서의 기판의 냉각량을 제 2 박막 형성 영역(14b)에서의 기판의 냉각량보다 크게 할 수 있다. 이를 위해서는, 제 1 박막 형성 영역(14a)에서의 냉각체와 기판의 갭의 간격이 0.1㎜ 이상 0.5㎜ 미만이며, 제 2 박막 형성 영역(14b)에서의 냉각체와 기판의 갭의 간격이 0.5㎜ 이상 2㎜ 이하이도록 냉각체와 갭 유지 수단의 위치 관계를 설정하는 것이 바람직하다. 어느 수치도, 갭에 가스가 도입되어 있는 상태에서의 수치이다.

또한, 도 2 내지 도 4에서는, 제 1 및 제 2 박막 형성 영역(14a 및 14b)의 길이가 거의 동일한 예를 도시했지만, 동일할 필요는 없다. 예를 들면, 열부하가 매우 큰 부분만 제 1 박막 형성 영역(14a)으로 하고(예를 들면 도 4의 절반의 길이), 그 이외의 부분은 모두 제 2 박막 형성 영역(14b)으로 해도 좋다(예를 들면 도 4의 1.5배의 길이). 또한, 상기와 같이 박막 형성 영역은 3분할 이상으로 해도 좋다. 이에 의해, 가스 유량과 가스 종류(분자량 등)의 조합을 열부하의 크기나 분포에 맞춰서 최적화하는 것이 가능하다.

이상에서 본 발명의 실시형태의 일부인 기판 냉각 기구의 예를 나타냈지만, 본 발명은 이들 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 갭 유지 수단에 의해 분할된 복수의 박막 형성 영역에서, 개별로 냉각 조건을 조정하는 것이 가능한 다른 방법을 이용할 수도 있다.

또, 박막 형성 영역의 경사 각도는 그때마다 최적화하는 것이 가능하다. 경사 입사 성막은 자기 음영 효과에 의해 미소 공간이 있는 박막을 형성할 수 있으므로, 예컨대 고 C/N 자기 테이프의 형성이나, 사이클 특성이 우수한 전지 부극의 형성 등에 유효하다.

예를 들면, 기판으로서 구리박을 사용하여, 증발원으로부터 실리콘을 증발시키면서, 필요에 따라서 산소 가스를 도입하는 것에 의해, 장척의 전지용 극판(極板)을 얻을 수 있다.

또, 기판으로서 폴리에틸렌테레프탈레이트를 사용하여, 증착용 도가니로부터 코발트를 증발시키면서, 산소 가스를 도입하면서 성막을 실행하는 것에 의해, 장척의 자기 테이프를 얻을 수 있다.

발명을 실시하기 위한 형태로서 상기에 구체적으로 기술했지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.

또한, 구체적인 적용예로서, 실리콘을 이용한 전지용 극판이나, 자기 테이프 등에 대해서 기술했지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다. 콘덴서(condenser), 각종 센서, 태양 전지, 각종 광학막, 방습막, 도전막 등을 비롯한 안정 성막이 요구되는 다양한 디바이스에 적용 가능한 것은 말할 필요도 없다.

(산업상의 이용 가능성)

본 발명의 박막형 성막 장치 및 박막 형성 방법에서는, 가스 냉각 방식에 있어서 가스 도입에 의해 생길 수 있는 불이익을 회피하면서도, 박막 형성 영역 전역에서 충분한 냉각 효과를 달성하는 것이 가능하다. 이에 의해, 기판의 변형이나 용단 등을 방지하면서, 고 재료 이용 효율과 고 성막 속도를 양립하는 박막 형성을 실현할 수 있다.

1 : 진공 용기 2 : 권출 롤러
3 : 반송 롤러 4 : 권취 롤러
5 : 성막원 6 : 차폐판
7 : 기판 8 : 배기 수단
10 : 냉각체 11 : 갭 유지 수단
12 : 가스 유량 제어기 13 : 배관
14 : 박막 형성 영역 14a : 제 1 박막 형성 영역
14b : 제 2 박막 형성 영역 15 : 냉각 가스 공급 수단
16 : 매니폴드 17 : 미세 구멍
18a, 18b : 냉매 배관 19 : 가스 노즐

Claims (8)

1. 진공중에서, 표면과 이면을 갖는 띠형상의 기판의 상기 표면상에 박막을 형성하는 박막 형성 장치에 있어서,
   상기 기판을 반송하는 반송 기구와,
   직선형상으로 반송되고 있는 상기 기판의 상기 표면상에, 박막 형성 영역에서 박막을 형성하는 박막 형성 수단과,
   상기 박막 형성 영역에서 상기 기판 이면에 근접하여 배치되고, 냉매에 의해 냉각되고 있는 냉각체와,
   상기 냉각체와 상기 기판의 이면 사이에 가스를 도입하여 상기 기판을 냉각하는 가스 도입 수단과,
   상기 기판의 이면에 접하고, 상기 박막 형성 영역을, 제 1 박막 형성 영역과, 성막 속도가 상기 제 1 박막 형성 영역보다 낮은 제 2 박막 형성 영역으로 분할하고, 또한 상기 냉각체와 상기 기판의 갭을 유지하는 갭 유지 수단과,
   상기 반송 기구와, 상기 박막 형성 수단과, 상기 냉각체와, 상기 가스 도입 수단과, 상기 갭 유지 수단을 수용하는 진공 용기를 구비하며,
   상기 가스 도입 수단에 의한 상기 기판의 냉각에 있어서, 상기 제 1 박막 형성 영역에서의 기판의 냉각량이 상기 제 2 박막 형성 영역에서의 기판의 냉각량보다 커지도록 상기 냉각의 조건이 설정되어 있는
   박막 형성 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 냉각 조건은 상기 제 1 박막 형성 영역에서의 상기 가스의 도입량을 상기 제 2 박막 형성 영역에서의 상기 가스의 도입량보다 많게 하는 것에 의해 설정되는
   박막 형성 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 냉각 조건은 상기 제 1 박막 형성 영역에서의 상기 냉각체와 상기 기판의 갭을 상기 제 2 박막 형성 영역에서의 상기 냉각체와 상기 기판의 갭보다도 좁게 하는 것에 의해 설정되는
   박막 형성 장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 갭 유지 수단이 롤러로 이루어진
   박막 형성 장치.
5. 진공중에서, 표면과 이면을 갖는 띠형상의 기판의 상기 표면상에 박막을 형성하는 박막 형성 장치를 이용한 박막 형성 방법에 있어서,
   상기 박막 형성 장치는,
   상기 기판을 반송하는 반송 기구와,
   직선형상으로 반송되고 있는 상기 기판의 상기 표면상에, 박막 형성 영역에서 박막을 형성하는 박막 형성 수단과,
   상기 박막 형성 영역에서 상기 기판 이면에 근접하여 배치되고, 냉매에 의해 냉각되고 있는 냉각체와,
   상기 냉각체와 상기 기판의 이면 사이에 가스를 도입하여 상기 기판을 냉각하는 가스 도입 수단과,
   상기 기판의 이면에 접하고, 상기 박막 형성 영역을, 제 1 박막 형성 영역과, 성막 속도가 상기 제 1 박막 형성 영역보다 낮은 제 2 박막 형성 영역으로 분할하고, 또한 상기 냉각체와 상기 기판의 갭을 유지하는 갭 유지 수단과,
   상기 반송 기구와, 상기 박막 형성 수단과, 상기 냉각체와, 상기 가스 도입 수단과, 상기 갭 유지 수단을 수용하는 진공 용기를 구비하며,
   상기 박막 형성 방법은, 상기 가스 도입 수단에 의한 상기 기판의 냉각에 있어서, 상기 제 1 박막 형성 영역에서의 기판의 냉각량이 상기 제 2 박막 형성 영역에서의 기판의 냉각량보다 커지는 조건하에서, 상기 기판의 상기 표면상에 박막을 형성하는 공정을 포함하는
   박막 형성 방법.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 조건은, 상기 제 1 박막 형성 영역에서의 상기 가스의 도입량을 상기 제 2 박막 형성 영역에서의 상기 가스의 도입량보다 많게 하는 것에 의해 조정되는
   박막 형성 방법.
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 조건은, 상기 제 1 박막 형성 영역에서의 상기 냉각체와 상기 기판의 갭을 상기 제 2 박막 형성 영역에서의 상기 냉각체와 상기 기판의 갭보다도 좁게 하는 것에 의해 조정되는
   박막 형성 방법.
8. 제 5 항에 있어서,
   상기 조건은, 상기 제 1 박막 형성 영역에서 도입되는 상기 가스를 상기 제 2 박막 형성 영역에서 도입되는 상기 가스보다도 작은 분자량을 가지는 분자에 의해 구성하는 것에 의해 조정되는
   박막 형성 방법.

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