JP4268195B2 - プラズマｃｖｄ装置 - Google Patents
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Description
本発明は、プラスチックのフィルムやシートなどの帯状基材の表面に機能性皮膜を連続的に成膜するプラズマＣＶＤ装置に関する。
近年、プラスチックフィルムやシートを基材とするディスプレイ基板が種々提案されており、前記基材には水蒸気や酸素に対するバリア性が要求される。かかるバリア性を付与するために、基材上に透明性のあるＳｉＯｘ皮膜をコーティングすることがあり、生産性の高いコーティング手段が望まれている。前記基材をロールからロールへ搬送する過程でＳｉＯｘ皮膜をコーティングの技術としては、例えば、真空蒸着法，スパッタ法などの物理蒸着法（ＰＶＤ法）や、プラズマＣＶＤ（Plasma Enhanced-Chemical Vapor Deposition）法がある。
前記真空蒸着法は、生産性の高いプロセスとして主に食品包装用フイルムへの成膜技術として広く使われているが、バリア性能は水蒸気透過率、酸素透過率がそれぞれ１g/m2・day、１cc/m2・atm・day程度であり、ディスプレイ基板として要求水準を満たすものではなかった。一方、スパッタ法では緻密な皮膜を形成することができる。例えば、表面状態の良い基板上に５０〜１００ｎｍのＳｉＯｘ、ＳｉＯＮ皮膜を成膜することにより、モコン法の検出限界の０．０２g/m2・day、０．０２cc/m2・atm・day以下のバリア性能を達成することが可能である。しかし、成膜速度が低く、十分な生産性が得ることができない、という問題がある。さらに、ＰＶＤ法で形成した皮膜は無機質で脆いため、１００ｎｍを越える成膜を行うと、皮膜の内部応力、皮膜・基板間の熱膨張係数の相違、さらにはフィルムの変形に皮膜が追従できないため、皮膜欠陥や剥離が生じ易いという問題がある。
これらに対して、プラズマＣＶＤ法は真空蒸着には及ばないものの、スパッタ法に対して成膜速度面で１桁以上の優位性があり、高バリア皮膜を形成できる可能性がある。さらに皮膜がある程度の柔軟性を持つので、フィルム上に数百ｎｍ〜数μm というＰＶＤ法では達成不可能な厚い皮膜を形成することができる、という特長を有する。このため、これらの特徴を生かした新しい成膜プロセスとして期待されている。
プラズマＣＶＤ法による成膜装置としては種々のタイプがあるが、成膜ロールにフィルムを巻き掛けながら成膜する装置として、例えば特表２００５−５０４８８０号公報（特許文献１）には、成膜を行うフィルムを巻き掛けて搬送する一対の成膜ロールを備え、前記ロールをまたぐように磁場を形成するとともに、二つの成膜ロールが同じ極性になるように高周波電源に接続し、同時に数十から数百ｋＨｚの高周波電力を供給し、ロール間の対向空間（放電領域）でベニング放電を発生させてプラズマを閉じ込めると共に前記対向空間に酸素とＨＭＤＳＯなどの原料ガスを供給し、放電領域の両側の成膜ロール上のフィルムに同時に成膜を行うものが記載されている。
また、特許２５８７５０７号公報（特許文献２）には、真空チャンバー内に対向して配置した一対の成膜ロール（金属ドラム）と、一方と他方の成膜ロールにそれぞれ一方と他方の電極を接続した交流電源と、成膜ロールの間の対向空間に配置され、成膜ロールに対向する面が解放された放電室と、前記放電室に接続されたモノマー（原料）ガス供給手段を有するプラズマＣＶＤ成膜装置が記載されている。特許文献２によると、放電室の内部はモノマーガスが供給されるので、室外と比較して真空度が低下するため、放電室内にプラズマを発生させ、成膜ロール上のフィルムに皮膜形成を行なうことができ、また放電電極を構成する成膜ロールの表面は搬送するフィルムによって覆われているため、放電電極の汚染が防止できるという。
特表２００５−５０４８８０号公報
特許２５８７５０７号公報
しかしながら、特許文献１の成膜装置では、放電用の電源の他極を成膜ロールの対向空間の中心からほぼ等距離に設けた環状電極（対極）に接続する必要があるため、プラズマは対極周辺にも発生し、その周辺での皮膜堆積を完全に抑制することは困難である。さらに長時間の運転では、対極への皮膜堆積に伴う放電の変化やフレークの発生が生じ、皮膜に欠陥が生じ易いという問題がある。
一方、特許文献２の成膜装置では、成膜ロール間の対向空間に放電室を形成する必要があるが、放電室の壁には皮膜が堆積し、当該部位からフレークが発生し皮膜に欠陥が発生し易い。加えて、放電室内を真空チャンバー内の他の部位よりも真空度を低下させる（すなわち、圧力を高くする）ためには、放電室と成膜ロールとの隙間を極めて小さくして、ガスの流れを抑制する必要がある。しかし、この隙間付近にも皮膜が堆積するため、放電室のガスの閉じ込め効果が変化し、成膜の安定性が損なわれ、引いては皮膜品質の安定性が低下する。
本発明はかかる問題に鑑みなされたもので、皮膜フレークの発生や皮膜品質の安定性に悪影響を及ぼす、真空チャンバー内部への皮膜堆積を抑制することができるプラズマＣＶＤ装置を提供することを目的とする。
本発明に係るプラズマＣＶＤ装置は、真空チャンバー内で基材を連続的に搬送しながら当該基材の表面に皮膜を形成するものであって、巻き掛けられた基材が対向するように平行ないしほぼ平行に対向して配置された一対の成膜ロールと、前記各成膜ロールの内部に設けられ、前記成膜ロールの間の対向空間に面したロール表面付近に膨らんだ磁場を発生させる磁場発生部材と、一方の電極と他方の電極とが交互に極性が反転するプラズマ電源と、前記対向空間に成膜ガスを供給するガス供給手段及び前記対向空間を真空排気する真空排気手段を有し、前記プラズマ電源は、その一方の電極が一方の成膜ロールに接続され、他方の電極が他方の成膜ロールに接続された、前記成膜ロールにそれぞれ設けられた磁場発生部材は、一方の成膜ロールに設けられた磁場発生部材と他方の成膜ロールに設けられた磁場発生部材との間で磁力線がまたがらず、それぞれの磁場発生部材がほぼ閉じた磁気回路を形成するように磁極が配置されたものである。
このプラズマＣＶＤ装置によれば、特に成膜ロールの間の対向空間に面したロール表面付近に膨らんだ磁場を発生させる磁場発生部材と、極性が交互に反転するプラスマ電源を設けたので、対向空間を画する放電室などの囲いを設けることなく、また成膜ロールとは別に放電用電極を用いることなく、一対の成膜ロールの間の対向空間に放電を発生させ、これによって生じたプラズマを前記対向空間のそれぞれの成膜ロール表面付近に収束させることができる。このため、ガス供給手段から成膜ガスを前記対向空間に供給することにより、成膜ガスはプラズマによって分解して活性化し、分解したガスが成膜ロールに巻き掛けられ、前記対向空間に面した基材の表面に堆積し、効率よく皮膜を形成することができる。基材への成膜の際、解離した成膜ガスが吸着する囲いや成膜ロールとは別の放電電極がないため、これらに皮膜が堆積することがなく、かかる皮膜の堆積に起因して生じる皮膜欠陥や成膜安定性の劣化を抑制することができ、高品質の皮膜を形成することができる。
さらに、前記成膜ロールにそれぞれ設けられた磁場発生部材は、一方の成膜ロールに設けられた磁場発生部材と他方の成膜ロールに設けられた磁場発生部材との間で磁力線がまたがらず、それぞれの磁場発生部材がほぼ閉じた磁気回路を形成するように磁極を配置するので、各成膜ロールの対向側表面付近に磁力線が膨らんだ磁場の形成を促進することができ、その膨出部にプラズマが収束され易くなるため、成膜効率を向上させることができる。
また、前記成膜ロールにそれぞれ設けられた磁場発生部材は、それぞれロール軸方向に長いレーストラック状の磁極を備え、一方の磁場発生部材と他方の磁場発生部材とは向かい合う磁極が同一極性となるように磁極を配置することが好ましい。このような磁場発生部材を設けることにより、それぞれの磁場発生部材について、磁力線が対向するロール側の磁場発生部材にまたがることなく、ロール軸の長さ方向に沿って対向空間に面したロール表面付近にレーストラック状の磁場を容易に形成することができ、その磁場にプラズマを収束させることができるため、ロール幅方向に沿って巻き掛けられた幅広の基材を用いて効率的に皮膜を形成することができる。
また、前記ガス供給手段は前記対向空間の一方に、前記真空排気手段は前記対向空間の他方に設けることが好ましい。このようにガス供給手段、真空排気手段を配置することにより、成膜ロールの対向空間に効率良く成膜ガスを供給することができ、成膜効率を向上させることができる。
また、前記対向空間の圧力を０．１〜１０Ｐａとすることが好ましい。これにより、磁場が存在する成膜ロールの表面付近の領域を中心にグロー放電を効率よく発生させることができ、優れた成膜性が得られる。
本発明のプラズマＣＶＤ装置によれば、基材への成膜の際、分解した成膜ガスが吸着する遮蔽部材や成膜ロールとは別の放電電極がないため、こららに皮膜が堆積することがなく、かかる皮膜の堆積に起因して生じる皮膜欠陥や成膜安定性の劣化を抑制することができ、高品質の皮膜を成膜することができる。さらに、一方の成膜ロールに設けられた磁場発生部材と他方の成膜ロールに設けられた磁場発生部材との間で磁力線がまたがらず、それぞれの磁場発生部材がほぼ閉じた磁気回路を形成するので、各成膜ロールの対向側表面付近に磁力線が膨らんだ磁場の形成を促進することができ、その膨出部にプラズマが収束され易くなるため、成膜効率が優れる。
本発明のプラズマＣＶＤ装置は、減圧下において、対向して配置した成膜ロールに交流あるいは極性反転を伴うパルス電圧を印加し、対向配置された成膜ロールの間の対向空間（成膜ゾーン）にグロー放電を発生させ、成膜ロールの対向空間に面して巻き掛けた帯状の基材にプラズマＣＶＤによる成膜を行うものである。前記基材としてはプラスチックのフィルムやシート、紙など、ロール状に巻き取り可能な絶縁性の材料であればいずれのものも用いることができる。プラスチックフィルム，シートとしては、ＰＥＴ，ＰＥＮ，ＰＥＳ、ポリカーボネート、ポレオレフィン、ポリイミド等が適当であり、基材の厚みとしては真空中での搬送が可能な５μm 〜０．５mmが好ましい。
図１は、本発明の実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置の全体構成を示しており、真空チャンバー１と、前記真空チャンバー１内でロール軸が平行となるように対向して配置された一対の成膜ロール２，３と、ロール状に巻かれた帯状の基材Ｓを保持すると共に巻き出す巻き出しロール４と、前記巻き出しロール４から巻き出された基材Ｓを一方及び他方の成膜ロール２，３の間の対向空間（成膜ゾーン）５に面するように前記成膜ロール２，３に巻き掛けるように搬送する複数の搬送ロール６と、成膜後の基材Ｓを巻き取る巻き取りロール７と、ガス供給装置（図示省略）に接続され、前記対向空間５の真上にロール軸と平行に配置された成膜ガス供給管８と、前記真空チャンバー１の底壁に開口した真空排気口９及びこれに連通接続された真空ポンプ１０を備えている。前記成膜ガス供給管８は、対向空間５に指向する複数のガス噴出ノズルが長さ方向に設けられており、前記真空排気口９は前記対向空間５の真下に配置されている。また、図２に示すように、前記それぞれの成膜ロール２，３の内部には磁場発生部材１２，１３が設けられ、また前記成膜ロール２，３にプラズマ電力を供給するプラズマ電源１４が設けられている。なお、前記ガス供給装置及び成膜ガス供給管８は本発明のガス供給手段を、また真空排気口９及び真空ポンプ１０は本発明の真空排気手段を構成する。
前記成膜ガス供給管８から対向空間５に供給される成膜ガスとしては、成膜原料ガス、反応ガス、キャリアガス、放電ガスを単独又は混合して用いられる。前記成膜原料ガスとしては、Ｓｉを含有する皮膜の成膜用としてＨＭＤＳＯ、ＴＥＯＳ、シラン、ジメチルシラン、トリメチルシラン、テトラメチルシラン、ＨＭＤＳ、ＴＭＯＳを、またＣを含有する皮膜の成膜用としてメタン、エタン、エチレン、アセチレンを、またＴｉを含有する皮膜の成膜用として４塩化チタンを例示することができ、皮膜の種類に応じて適切な原料ガスが選択される。前記反応ガスとしては、酸化物形成用には酸素、オゾン等を、窒化物形成用には窒素、アンモニア等を用いることができ、これも皮膜の種類に応じて適切なガスが選ばれる。また前記キャリアガス、放電用ガスとしては、Ｈｅ，Ａｒ，Ｎｅ，Ｘｅのような希ガスや水素から適当なガスを選ぶことができる。
前記対向空間５は、その下方に設けられた真空ポンプ１０によって排気されており、前記成膜ガス供給管８から供給される成膜ガスの供給に合わせて適切な圧力に制御されている。対向空間５の周囲では皮膜の形成が生じるので、本発明のように、その付近に遮蔽壁や電極等の構造部材を極力設けないことが好ましく、これにより皮膜欠陥の原因となる不必要な皮膜の形成を抑制することができる。前記対向空間５の圧力については後述する。
前記成膜ロール２，３は、真空チャンバー１から電気的に絶縁され、また相互に電気的に絶縁されている。そして、プラズマ電源１４の一方の電極が一方の成膜ロール２に、他方の電極が他方の成膜ロール３に接続されている。前記プラズマ電源１４は、極性が交互に反転する電圧を出力し、電圧波形としては、図３(1) に示すようにサイン波の交流、図３(2) 、(3) に示すように方形波のパルス状電圧を例示することができるが、実際の動作中には放電の発生により若干歪んだ形状となる。電圧波形は、要は放電の発生が可能であればよく、他の波形でもよい。
前記成膜ロール２，３には、ロールが回転しても対向空間５に対して一定の位置関係を保つように磁場発生部材１２，１３が設けられている。図２及び図４に示すように、この磁場発生部材１２，１３は、ロール軸方向に長い中央磁石１６と、レーストラック状の外周磁石１７と、これらをロール内側で接続する磁界短絡部材１８とを備えている。それぞれの成膜ロール２，３に備えられた磁場発生部材１２，１３は同じ極性の磁極が対向するように配置されている。前記磁場発生部材１２，１３によって中央磁石１６の磁極から出た磁力線が効率的に外周磁石１７の磁極に導かれて、それぞれの成膜ロール２，３においてロール表面から対向空間５側に膨らんだ、断面が二つの山形をしたマグネトロン放電用のレーストラック状磁場Ｒを発生させる。一方の成膜ロール２に備えられた磁場発生部材１２によって形成される磁力線は、対向する成膜ロール３に備えられた磁場発生部材１３の磁極とは磁力線がまたがることなく、それぞれほぼ閉じた磁気回路を形成している。
上記のように前記磁場発生部材１２，１３によって、成膜ロール２，３の間の対向空間５に面したロール表面付近に、断面が二山形で、ロール軸方向に伸びたレーストラック状の磁場Ｒが形成される。この磁場の形態は、例えばプレーナーマグネトロンスパッタカソードで形成される磁場と同様のものである。前記磁場Ｒは、プラズマの発生が磁場の存在箇所に優先的に起こるようすると共に、プラズマのドリフト等によりプラズマをロールの長手方向に均一化する役割を有する。すなわち、前記レーストラック状の磁場Ｒにより、グロー放電により生じたプラズマは磁力線の膨出部に収束して形成されるようになり、成膜ロール２，３の対向空間５に面した表面付近にレーストラック状のプラズマＰが形成される。
前記磁場Ｒの下で成膜ガスを成膜ロール２，３の間の対向空間５に供給すると共に成膜ゾーンを構成する対向空間５を適切な圧力に調整、維持し、プラズマ電源１４から成膜ロール２，３に高周波の交流またはパルス状の電圧を印加すると、対向空間５及び成膜ロール２，３の表面に巻き掛けた基材Ｓを介して成膜ロール２，３の間でグロー放電が発生し、プラズマＰが形成される。このため、対向空間５に成膜ガスが供給されていれば、そこで原料ガスがプラズマによって分解され、基材上に皮膜がプラズマＣＶＤプロセスにより形成される。
本発明において用いる基材Ｓは絶縁性の材料であるため、直流電圧の印加ではプラズマ電流を流すことができないが、適切な周波数（およそ１ｋＨｚ以上、好ましくは１０ｋＨｚ以上）であれば絶縁性の基材Ｓを通して電流の伝播が可能である。また、プラズマ電源１４から供給する放電電圧は、波高値としては数百Ｖ〜２千Ｖ程度の範囲が好ましい。成膜ロール２，３は、高周波の交流又はパルス状の電圧を出力するプラズマ電源１４の両極にそれぞれ接続されており、一方の成膜ロール２に負の電圧が印加されると、他方の成膜ロール３には正の電圧が印加されるので、電流は他方の成膜ロール３から一方の成膜ロール２に流れ、これが高周波で逆転しながら継続する。
また、プラズマ電源１４から印加される電圧は、成膜ロール２，３の表面全体に印加されるが、グロー放電を容易にする磁場Ｒは、対向空間５に面したロール表面側にのみ存在するので、周囲の圧力が０．１Ｐａ〜１０Ｐａ程度の範囲にあれば、グロー放電は磁場の存在する領域を中心に発生させることができる。このため、対向空間５を囲うような放電室を設ける必要は無い。圧力が０．１Ｐａ程度未満であると、磁場の存在する領域における放電の発生が困難になり、一方１０Ｐａ程度を超えると磁場領域以外での放電の発生が顕著になり、成膜ロールの基材が巻き掛けられていない部分においても成膜が生じるようになり、好ましくない。
上記実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置では、基材Ｓを２本の成膜ロール２，３に掛け渡して搬送しながら、成膜ロール２，３の間の対向空間５に面したロール表面に担持した基材Ｓの上に皮膜が形成される。基材Ｓへの成膜は、磁場発生部材１２，１３によりロール表面付近に形成されたレーストラック状の磁場Ｒ及びプラズマ電源１４のそれぞれの電極にそれぞれ接続された成膜ロール２，３の間の対向空間５に発生したグロー放電により形成されたレーストラック状のプラズマＰによって、前記対向空間５に供給された成膜ガスを分解し、分解されたガスを前記対向空間５に面した成膜ロール２，３の表面に担持された基材Ｓの上に堆積させることにより、連続的に搬送される基材Ｓの表面に皮膜が形成される。
前記グロー放電は、それぞれの成膜ロール２，３の表面付近の磁場存在領域でのみ発生し、成膜ロール２，３の他にプラズマの発生に関与する電極は不要で、また対向空間５を囲う放電室のような遮蔽部材も必要がないため、プラズマＣＶＤによる皮膜の形成は、実質的に成膜ロール２，３の表面にある基材上でのみ生じる。成膜対象物である基材Ｓは、成膜ロール２，３に巻き掛けられて、常に搬送されているため、本装置では、プラズマ発生に関与する場所で厚い皮膜が生成されることなく、長時間に渡る安定的な放電が可能である。また、皮膜の形成に際して有害なフレークもほとんど発生しない。さらに、プラズマ発生に関わる機構は２本の成膜ロール２，３のみであるため、最小限のロール本数によりプラズマ発生機構を構成することができる。
上記実施形態によると、１本の基材Ｓを２本の成膜ロール２，３に巻き掛けて搬送されたが、基材の搬送経路はこれに限らず、図５のように、それぞれの成膜ロール２，３に対してそれぞれ巻き出しロール４、巻き取りロール７を設け、成膜ロール２，３の間の対向空間５に面するロール表面に別々に基材Ｓが担持されるように巻き掛けてもよい。皮膜の電気抵抗が低い場合、皮膜を通じて電流が流れ、放電が不安定になるので、電気抵抗が低い金属金属皮膜などでは、図５に示す装置構成が好ましい。
また、上記実施形態では、対向配置された成膜ロール２，３に設けた磁場発生部材１２，１３は、同じ極性の磁極が対向するように磁極が配置されており、それぞれの成膜ロール２，３においてロール表面から対向空間側に膨らんだ、断面が二つの山形をしたマグネトロン放電用のレーストラック状磁場Ｒを発生させるようにしたが、必ずしも同じ極性の磁極を対向配置する必要はない。図６は、一方の成膜ロール２の磁場発生部材１２と他方の成膜ロールの磁場発生部材１２とは、反対極性の中央磁石１６と外周磁石１７とが対向するように配置されたものであるが、この場合、磁場発生部材１２，１３の周方向位置をずらして配置することにより、成膜ロール２，３間にまたがる磁力線の発生を防止することができ、それぞれの成膜ロール２，３の間の対向空間５に面したロール表面付近にプラズマを収束させることができる。なお、この場合、磁場発生部材１２，１３の配置をずらすことなく対向配置すると、図７に示すように、成膜ロール２，３の間をまたがり、対向相手の異極に直結する磁力線が形成されるようになり、マグネトロン放電を発生させるレーストラック状の磁場が弱くなってしまう。ロール間をつなぐ磁力線が多く存在する場合、２本の成膜ロールに同一極性の電圧を印加することにより、ペニング効果による放電が期待できるが、２本の成膜ロール２，３間に電圧を印加し、グロー放電を発生させる本発明では、成膜ロール２，３間にまたがるような磁力線は極力形成されないようにすることが好ましい。
さらに、上記実施形態では、成膜ロール２，３を水平方向に並置し、ガス供給手段（成膜ガス供給管）を対向空間の上方に、真空排気手段を下方に配置したが、成膜ロール等の配置は必ずしもこれに限定されない。例えば、成膜ロールを垂直に配置してもよく、この場合、対向空間の側方の一方にガス供給手段を、他方に真空排気手段を設ければよい。要は、対向空間の一方からガスを供給し、他方から排気すればよい。もっとも、上記実施形態の場合は、図２に示すように、これらを上下に配置することが最も好ましい。
１ 真空チャンバー
２、３ 成膜ロール
４ 巻き出しロール
５ 対向空間
７ 巻き取りロール
８ 成膜ガス供給管
９ 真空排気口
１０ 真空ポンプ
１２，１３ 磁場発生部材
Ｓ 基材
Ｒ 磁場
Ｐ プラズマ
２、３ 成膜ロール
４ 巻き出しロール
５ 対向空間
７ 巻き取りロール
８ 成膜ガス供給管
９ 真空排気口
１０ 真空ポンプ
１２，１３ 磁場発生部材
Ｓ 基材
Ｒ 磁場
Ｐ プラズマ
Claims (4)
- 真空チャンバー内で基材を連続的に搬送しながら当該基材の表面に皮膜を形成するプラズマＣＶＤ装置であって、
巻き掛けられた基材が対向するように平行ないしほぼ平行に対向して配置された一対の成膜ロールと、
前記各成膜ロールの内部に設けられ、前記成膜ロールの間の対向空間に面したロール表面付近に膨らんだ磁場を発生させる磁場発生部材と、
一方の電極と他方の電極とが交互に極性が反転するプラズマ電源と、
前記対向空間に成膜ガスを供給するガス供給手段及び前記対向空間を真空排気する真空排気手段を有し、
前記成膜ロールにそれぞれ設けられた磁場発生部材は、一方の成膜ロールに設けられた磁場発生部材と他方の成膜ロールに設けられた磁場発生部材との間で磁力線がまたがらず、それぞれの磁場発生部材がほぼ閉じた磁気回路を形成するように磁極が配置され、
前記プラズマ電源は、その一方の電極が一方の成膜ロールに接続され、他方の電極が他方の成膜ロールに接続された、プラズマＣＶＤ装置。 - 前記成膜ロールにそれぞれ設けられた磁場発生部材は、それぞれロール軸方向に長いレーストラック状の磁極を備え、一方の磁場発生部材と他方の磁場発生部材とは向かい合う磁極が同一極性となるように磁極が配置された、請求項１に記載したプラズマＣＶＤ装置。
- 前記ガス供給手段が前記対向空間の一方に、前記真空排気手段が前記対向空間の他方に設けられた、請求項１又は２に記載したプラズマＣＶＤ装置。
- 前記対向空間の圧力が０．１〜１０Ｐａとされた、請求項１から３のいずれか１項に記載したプラズマＣＶＤ装置。
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