JP4366450B2 - 薄膜形成装置及び薄膜の形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、薄膜の形成装置及び形成方法に関する。

デバイスの高性能化、小型化に薄膜技術が幅広く展開されている。また、デバイスの薄膜化はユーザーの直接的なメリットに留まらず、地球資源の保護、消費電力の低減といった環境側面からも重要な役割を果たしている。

こうした薄膜技術の進展には、薄膜製造方法の高効率化、安定化、高生産性化、低コスト化といった産業利用面からの要請に応えることが必要不可欠であり、これに向けた努力が続けられている。

薄膜の高生産性には、高堆積速度の成膜技術が必須であり、真空蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法などをはじめとする薄膜製造において、高堆積速度化が進められている。また、薄膜を連続的に大量に形成する方法として、巻き取り式の薄膜製造方法が用いられる。巻き取り式の薄膜製造方法はロール状に巻かれた長尺の基板を巻き出しロールから巻き出し、搬送系に沿って搬送中に、基板上に薄膜を形成し、しかる後に巻き取りロールに巻き取る方法である。巻き取り式の薄膜製造方法は、例えば電子ビームを用いた真空蒸着源などの高堆積速度の成膜源と組み合わせることによって、薄膜を生産性よく形成することが出来る。

このような連続巻き取り式の薄膜製造の成否を決める要因として、成膜時の熱負荷の課題がある。例えば真空蒸着の場合、蒸発源からの熱輻射と、蒸発原子の有する熱エネルギーが基板に付与され、基板の温度が上昇する。特に堆積速度を高めるために蒸発源の温度を上げたり、蒸発源と基板を近づけたりすると、基板の温度が過度に上昇する。しかし基板の温度が上昇しすぎると、基板の機械特性の低下が顕著となり、堆積した薄膜の熱膨張によって基板が大きく変形したり、基板が溶断したりする問題が生じやすくなる。その他の成膜方式においても熱源は異なるが、成膜時に基板に熱負荷が加わり、同様の問題がある。

こうした基板の変形や溶断などが生じることを防ぐために、成膜時に基板の冷却が行われる。基板の冷却を目的として、搬送系の経路上に配置された円筒状キャンに基板が沿った状態で成膜を行うことが広く行われている。この方法で基板と円筒状キャンの熱的な接触を確保すると、熱容量の大きな冷却キャンに熱を逃がすことが出来るので、基板温度の上昇を防いだり、特定の冷却温度に基板温度を保持したりすることが出来る。

真空雰囲気下で基板と円筒状キャンの熱的な接触を確保するための方法のひとつとして、ガス冷却方式がある。ガス冷却方式とは、基板と冷却体である円筒状キャンとの間で間隔が数ｍｍ以下のわずかな隙間を維持しつつ、この隙間に微量のガスを供給して気体の熱伝導を利用して基板と円筒状キャンの熱的な接触を確保し、基板を冷却する方法である。特許文献１には、基板であるウエブに薄膜を形成するための装置において、ウエブと支持手段である円筒状キャンとの間の領域にガスを導入することが示されている。これによれば、ウエブと支持手段との間の熱伝導が確保できるので、ウエブの温度上昇を抑制することが出来る。

一方、基板の冷却手段としては、円筒状キャンの代わりに冷却ベルトを用いることも可能である。斜め入射により成膜を行う際には、基板が直線状に走行した状態で成膜を行うことが材料の利用効率上有利であり、その際の基板冷却手段として冷却ベルトを用いることが有効である。特許文献２には、基板材料の搬送及び冷却にベルトを用いた際のベルトの冷却方法が開示されている。特許文献２によれば、冷却帯をさらに冷却するため、冷却体の内側に二重以上の冷却帯や液状の媒体による冷却機構を設けることにより、冷却効率を高めることが出来る。これにより、電磁変換特性を始めとする、磁気テープの特性を改善し、同時に生産性を著しく改善することが出来る。

特開平１−１５２２６２号公報 特開平６−１４５９８２号公報

特許文献１に示されるようなガス冷却を行う場合、熱伝導率を高めるために、基板と冷却体の間隔を出来るだけ小さく、かつ均一にすることが望ましい。しかしながら、冷却ガスを導入すると、基板と冷却体のあいだで局所的に圧力が高まるとともに、蒸発源からの熱で基板に熱応力が発生することにより、基板が風船状に膨らむようにして撓んでしまう。このため、基板の幅方向中心付近では基板と冷却体間の空隙が大きくなり、冷却体と基板の間隔が不均一になるので、均一かつ十分な冷却を行うことが難しい。ガス冷却の能力を向上するためには基板と冷却体間の圧力を高くすることが有効であるが、高圧力化のために導入ガス量を多くすると上述の撓みが更に顕著となるので、基板の幅方向中心付近での冷却の強化が特に難しい。

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。

また、大きな熱負荷によって基板が一旦変形等すると、基板と冷却体間の熱伝達性能が低下するので、冷却能力が低下し、基板の変形がいっそう進んでしまう。

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。

本発明の実施形態１及び４の一部である基板冷却機構の一例を示す模式構造図、（ａ）断面図、（ｂ）正面図 本発明の実施形態２の一部である基板冷却機構の一例を示す模式構造図、（ａ）断面図、（ｂ）正面図 本発明の実施形態３の一部である基板冷却機構の一例を示す模式構造図、（ａ）断面図、（ｂ）正面図、（ｃ）回転摺動体の部分拡大図 成膜装置全体の構成の一例を示す模式図 冷却体と基板の間にガスを導入する方法の一例を示す模式図 冷却体と基板の間にガスを導入する方法の一例を示す模式図、（ａ）断面図、（ｂ）ガスノズル３４の部分拡大図 冷却体と基板の間にガスを導入し、かつ滞留するガスの一部を吸引する方法の一例を示す模式図 本発明の実施形態１の一部である基板冷却機構の一例を示す模式構造図 本発明の実施形態の一部であるクリップ機構の例を示す模式構造図、（ａ）バネ式を示す図、（ｂ）空圧式を示す図、（ｃ）静電式を示す図 本発明の実施形態４における成膜装置の無終端帯と冷却体の位置を示す模式図 本発明の実施形態４における遮蔽板の位置を示す模式図 本発明の実施形態４における無終端帯の構成の例を示す図 本発明の実施形態５における成膜装置の構成を示す模式図 本発明の実施形態５における基板冷却機構の例を示す模式図

薄膜形成領域で基板を直線状に搬送する場合の成膜装置全体の構成の一例を、図４に模式的に示す。真空槽２２は内部空間を有する耐圧性の容器状部材であり、その内部空間に巻き出しローラ２３、複数の搬送ローラ２４、薄膜形成領域たる開口部３１、巻き取りローラ２６、成膜源２７、遮蔽板２９および原料ガス導入管３０を収容する。巻き出しローラ２３は、軸心回りに回転自在に設けられているローラ状部材であり、その表面に帯状で長尺の基板２１が捲回され、最も近接する搬送ローラ２４に向けて基板２１を供給する。

搬送ローラ２４は軸心回りに回転自在に設けられているローラ状部材であり、巻き出しローラ２３から供給される基板２１を開口部３１に誘導し、最終的に巻き取りローラ２６に導く。開口部３１を基板２１が走行する際に、成膜源から飛来した材料粒子が、必要に応じて原料ガス導入管３０から導入された原料ガスと反応して堆積し、基板２１表面に薄膜が形成される。巻き取りローラ２６は、図示しない駆動手段によって回転駆動可能に設けられているローラ状部材であり、薄膜が形成された基板２１を巻き取って保存する。

成膜源２７には各種成膜源を用いることが出来、例えば抵抗加熱、誘導加熱、電子ビーム加熱などによる蒸発源や、イオンプレーティング源、スパッタ源、ＣＶＤ源等を用いることが出来る。また成膜源として、イオン源やプラズマ源を組み合わせて用いることも可能である。例えば、成膜源は、開口部３１の最下部の鉛直方向下方に設けられて、鉛直方向上部が開口している容器状部材と、当該容器状部材の内部に載置された成膜材料とを含む。蒸発用坩堝１９が前記容器状部材の具体的な一例である。成膜源２７の近傍には電子銃１５等の加熱手段が設けられ、この電子銃からの電子ビーム１８等によって、蒸発用坩堝１９内部の成膜材料が加熱されて蒸発する。材料の蒸気は鉛直方向上方に向けて移動し、開口部３１を介して、基板２１表面に付着して薄膜が形成される。成膜源２７は基板に対して熱負荷を与えることになる。

遮蔽板２９は、蒸発用坩堝１９から飛来した材料粒子が基板２１と接触し得る領域を開口部３１のみに制限している。

開口部３１近傍の基板裏面側には冷却体１が基板に近接して配置されている。基板裏面と冷却体１との間には隙間があいており、その隙間の間隔は例えば２ｍｍ以下に設定されている。この間隔は冷却能力に大きく影響し、狭い方が冷却能力は高くなる。しかし、間隔を狭くしすぎると基板搬送時の位置精度によっては基板と冷却体が接触し、基板に傷をつけて製品特性を損なう恐れがある。このため、実用的には０．３〜１．０ｍｍの範囲に設定することが好ましい。

更に、冷却体１と基板裏面の間にはガスが導入される。その際、ガスの導入によって基板が撓むのを防止することによって基板２１と冷却体１の間隔が小さくかつ均一に保持され、基板の冷却が安定に行われる。

冷却体１の材質は特に限定されず、加工形状を確保しやすい銅やアルミ、ステンレス等を始めとする金属や、カーボン、各種セラミックスやエンジニアリングプラスチックなどを用いることが出来る。特に、粉塵発生の可能性が低く、耐熱性に優れ、均温化が容易という点で、熱伝導率の高い銅やアルミ等の金属を用いることがより好ましい。

冷却体１は、冷媒によって冷却されている。冷媒は、通常、液体又は気体の物質であり、代表的には水である。冷却体１には冷媒流路（図示せず）が接して設置されるか又埋設され、この流路を冷媒が通過することで冷却体１は冷却されている。さらに、ガスを、冷却体を介して冷却体と基板裏面との間の隙間に供給することで、冷却体の冷熱を伝達して基板２１を冷却することができる。

冷却体１と基板２１の間の隙間にガスを導入する方法としては、様々な方法が可能である。例としては、図５のように冷却体１に冷却用ガス導入口３５とマニホールド３２を設け、そこから冷却体１の表面に伸びる複数の細孔３３を経由してガスを供給する方法や、図６のように冷却体１に、例えば横笛様の吹きだし形状を有するガスノズル３４を埋め込み、そのノズルからガスを導入する方法（図６（ｂ）ではガスノズル３４を取り出して示す）などがある。また、図７のように、図５の形態に排気ポート３６を設けることで、冷却体１と基板２１の間に滞留するガスの一部を吸引すると、冷却体と基板の間に導入するガス流量を多くでき、ガス温度の上昇を抑制することも出来る。

以上は基板冷却用のガス導入手段について説明したが、本発明の成膜装置は、さらに別途、第２のガスを導入する手段を設けても良い。この第２のガス導入手段としては、たとえば、図４の原料ガス導入管３０である。原料ガス導入管３０は、例えば一端が蒸発用坩堝１９の鉛直方向上方に配置され、他端が、真空槽２２の外部に設けられた原料ガス供給手段（図示しない）に接続される管状部材であり、材料の蒸気に例えば酸素、窒素などを供給する。これによって、成膜源２７から飛来した材料の酸化物、窒化物または酸窒化物を主成分とする薄膜が基板２１表面に形成される。原料ガス供給手段には、ガスボンベ、ガス発生装置などがある。

排気手段３７は真空槽２２の外部に設けられて、真空槽２２内部を薄膜の形成に適する減圧状態に調整する。排気手段３７は、たとえば、油拡散ポンプ、クライオポンプ、ターボ分子ポンプなどを主ポンプとした各種真空排気系によって構成される。

以上のように、成膜装置２０によれば、巻き出しローラ２３から送り出された基板２１が、搬送ローラ２４を経由して走行し、開口部３１において成膜源２７から飛来した蒸気および必要に応じて酸素、窒素などの供給を受け、基板上に薄膜が形成される。この基板２１は、別の搬送ローラ２４を経由して巻き取りローラ２６に巻き取られる。これによって、薄膜が形成された基板２１が得られる。

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。

開口部近傍の基板の幅方向両端近傍で、基板の裏面に沿って、複数の支持ローラ２に保持された無終端帯３が対をなして基板裏面に接触しながら周回する。なお、成膜源と対向し薄膜を形成する対象の面を基板の表面と定義し、その反対面を基板の裏面と定義する。無終端体３の幅は２〜５０ｍｍであるのが好ましい。無終端体の幅が２ｍｍ未満では基板の幅方向に張力を印加する効果が小さく、無終端体の幅が５０ｍｍを越えると、薄膜形成領域への影響が大きく、生産効率の低下が顕著である。

対をなす無終端体３の走行間隔は平行であるように設定されるか、又は、基板２１の走行方向の上流から下流に向けて広がるように設定される。例えば基板２１の走行方向を中心軸とするとその中心軸から離れていくように無終端体の走行方向は設定され、基板走行方向３８と、基板に接触する無終端体３の走行方向とのなす角度４は０度以上、４５度以下である。また、望ましくは０度以上、１０度以下、更に望ましくは０度以上、５度以下である。基板走行方向３８と、基板に接触する無終端体３の走行方向とのなす角度が大きくなると、基板の走行を円滑に行うのが次第に困難となり、４５度を越えると、基板のしわやキズが特に発生しやすい。

無終端体３の材質は特に限定されないが、ステンレス、ニッケル、銅、チタンなどの金属からなる無終端体は耐熱性や耐久性に優れている。一方、ゴムやプラスチックの無終端体は基板との間に摩擦力が得られやすく、幅方向の張力を印加しやすい。金属材料の無終端体上にゴム材料をコーティングしたものをはじめとする複合材料からなる無終端体を用いることも出来る。

また、無終端体３は基板に接触し、基板２１を僅かに押し変形させるが、押し量が大きすぎると、基板の変形やしわ、破断等の弊害を生じるため、無終端体による基板の押し変形量は２ｍｍ以下に設定することが望ましい。

上記のように無終端体と基板を接触走行させることにより、基板の幅方向に張力を印加することが出来る。これによって、冷却ガスの導入により基板が風船状に膨らんで基板の幅方向中心付近で基板と冷却体間の空隙が大きくなることを防ぎ、冷却体１と基板２１の間隔を基板幅方向で均一に制御することが出来る。

図１では基板の裏面に沿って無終端体が走行する例を示したが、実施の形態１では無終端体が基板の表面側に沿って走行してもよい。無終端体を基板の表裏面のどちらに設置するかは、薄膜形成領域周辺の空間や熱負荷の大きさをはじめとするプロセス環境によって決定される。更には図８に示すように、基板の表裏両面から無終端体が挟み込む形態であっても良い。この形態では、基板と無終端体間の摩擦力を大きく向上させることが出来るので、基板幅方向の張力を印加しやすい。そのため、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を小さくできるので、基板の走行を円滑に保つ上で有利である。この形態では基板に大きな幅方向張力を印加することで基板の破断にいたることを防ぐため、挟み込みの圧力が大きくなり過ぎないよう、バネ等の緩衝機構（図示せず）による抑え圧の調整が有効である。

（実施の形態２）
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。

開口部近傍以外での実施の形態は、実施の形態１と類似であるので説明を省略する。

この実施の形態２では、開口部近傍で基板の幅方向両端に配置されたクリップ機構５によって、基板は順次挟み込まれる。クリップ機構は図９の模式図で例を示す如く、（ａ）バネ式、（ｂ）空圧式、（ｃ）静電式等による、挟み機能と、空隙式、バネ式等による開放機能とを有している。開口部３１とその前後において挟み機能が働き、その他の領域において解放機能が働くことによって、基板の挟み込みと解放を制御できる。クリップ機構５はクリップ搬送系６によって巡回搬送される。

例えば図９（ａ）のバネ式では、開口部３１とその前後において、クリップ片７の間に設置された圧縮バネ８の力により基板２１が挟み込まれる。クリップ搬送系６によってクリップ機構５が開口部３１を通過すると、クリップ片７と、予め設置された解放体１３の空隙が次第に小さくなり、クリップ片７と解放体１３の接触により、基板２１はクリップ機構５から解放される。また、図９（ｂ）の空圧式では、開口部３１とその前後において、クリップ片７の間に接続された空圧シリンダ９の力により基板２１が挟み込まれる。クリップ搬送系６によってクリップ機構５が開口部３１を通過すると、空圧は低減され、クリップ片７は、予め設置された解放バネ１０により引き戻されて、基板はクリップ機構５から解放される。また、図９（ｃ）の静電式では、開口部３１とその前後において、クリップ面に誘電体層１１を有するクリップ７片の間に印加された電圧による静電力により基板２１が挟み込まれる。クリップ搬送系６によってクリップ機構５が開口部３１を通過すると、電圧は低減され、クリップ片７は、予め設置された解放バネ１０により引き戻されて、基板はクリップ機構５から解放される。図９はクリップ機構が有する挟み機能と解放機能の具体例を提示したものであって、その他各種方式による挟み機能と解放機能を用いることが出来る。本発明は図９の具体例に限定されない。

基板の幅方向両端に設置された一対のクリップ機構５及びクリップ搬送系６の走行間隔は平行であるように設定されるか、又は、基板２１の走行方向の上流から下流に向けて広がるように設定される。クリップ搬送系６は例えば周回するチェーン機構であって、クリップ機構５の一端がクリップ搬送機構６に固定等されている。基板２１の幅方向両端をクリップしながら搬送することにより、基板の幅方向に張力を印加することが出来、冷却ガスの導入により基板が風船状に膨らんで基板の幅方向中心付近で基板と冷却体間の空隙が大きくなることを防ぎ、冷却体１と基板２１の間隔を基板幅方向で均一にすることが出来る。基板幅方向の両端におけるクリップ間隔を拡大しながらクリップ機構５が基板走行方向３８に移動することによって、更に基板に強い幅方向張力を印加することが出来る。クリップが基板を挟み込む際の接触面積及び挟み込み圧力、およびクリップの移動に従って変化する両側のクリップ片の間隔を調整することにより、基板幅方向の張力を調整できる。また、開口部３１を基板が通過している際のクリップ間隔の移動量を任意に変更することで、成膜の進行に伴って基板幅方向の張力を微調整することが出来る。

（実施の形態３）
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。

開口部近傍以外での実施の形態は、実施の形態１と類似であるので説明を省略する。
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。

回転摺動体１２の回転方向１２ａと基板２１の走行方向３８とのなす角度を調整することで、基板の幅方向に与える張力を調整することができる。具体的には、回転摺動体１２が基板２１に接する位置での、回転摺動体１２の接線方向の運動方向１２ｂと、基板走行方向３８とのなす角度１４が、基板端部方向に向かって０度を超え、８０度以下であることが望ましい。更に望ましくは０度を超え４５度以下である。基板２１の走行方向３８に対してなす角度が０度以下では基板の幅方向に積極的に張力を加えることが出来ない。また８０度を超えると、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。

回転摺動体１２は基板に接触し、基板を僅かに押し変形させるが、押し量が大きすぎると、基板２１の変形やしわ、破断等の弊害を生じるため、回転摺動体１２による基板２１の押し変形量は２ｍｍ以下に設定することが望ましい。

図３では基板の裏面に沿って回転摺動体が回転する例を示したが、回転摺動体が基板の表面側に沿って走行してもよい。回転摺動体を基板の表裏面のどちらに設置するかは、薄膜形成領域周辺の空間や熱負荷の大きさをはじめとするプロセス環境によって決定される。更には、基板の表裏両面に回転摺動体が接する形態であっても良い。この形態では、基板と回転摺動体間の摩擦力を大きく向上させることが出来るので、基板幅方向の張力を印加しやすい。そのため、基板走行方向と、基板に接触する回転摺動体の走行方向とのなす角度を小さくできるので、基板の蛇行やしわを防ぎ、基板の走行を円滑に保つ上で有利である。この形態では、基板に大きな幅方向張力を印加することで基板の破断にいたることを防ぐため、抑え圧が大きくなり過ぎないよう、バネ等の緩衝機構（図示せず）による抑え圧の調整が有効である。

（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。

吸着能力を有する無終端帯３としては、静電吸着ベルトを用いることができる。静電吸着ベルトは、例えば図１２に示すように基板２１と接触する外側から順に、少なくとも絶縁層４３と導電層４４を備えている。必要に応じて、導電層４４の内側に無終端帯の強度を確保するための基材４５を備えることもできる。静電吸着ベルトは、導電層４４と基板２１間に電位差を付与する機構を有し、薄膜形成中、導電層４４と基板２１間に電位差が付与される。電位差の付与は導電層と基板の片方が接地電位であっても良く、両方とも正あるいは負の非接地電位であってもよく、導電層と基板間の電位に差があればよい。

基板２１との接触面積を大きくするため、絶縁層４３には柔軟性がある樹脂を用いることが望ましく、具体的にはシリコンゴムやフッ素ゴム、天然ゴム、石油合成ゴムなどを用いることができる。また、導電層４４には、ＳＵＳ３０４などの金属の無終端ベルトを用いることができるほか、導電性塗料や導電性フィルム、金属箔などを用いることができる。導電性塗料や導電性フィルム、金属箔などの機械的強度が低い材料を用いる場合には、必要に応じて、絶縁層、導電層に加えて、無終端帯の強度を保障するための基材４５を導電層４４の内側に設けることが望ましい。

静電吸着ベルトと基板の電位差は大きければ大きいほど静電吸着力は強くなるが、絶縁層に用いる柔軟性の樹脂の耐電圧性に限界があるため、実質的には１ｋＶ以上３ｋＶ以下であることが望ましく、２ｋＶ程度の電位差であることが望ましい。

基板２１が誘電体材料である場合には、絶縁層４３を設ける必要はなく、導電層４４が基板２１に接するように構成すれば良い。この場合、導電層４４に電圧が印加されるが、電位差を設けて導電層４４が２つの電極を構成するようにして、双極型の静電吸着体として使用しても良い。

より簡便には、吸着手段としての無終端帯３として、粘着性を持つ樹脂材料から形成された無終端帯を用いても良い。そのような樹脂材料としては、例えばシリコンゴムなどを用いることができる。また、必要に応じて、粘着性を持つ樹脂材料からなる層の内側に強度を確保するための基材を備えることもできる。これによれば、特別に電源等の機構を用いることなく無終端帯のみで基板を吸着させることができるため、設備を単純化することにより安定稼動が可能となる。

（実施の形態５）
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。

真空槽２２は、排気手段３７によって減圧に保たれている。真空槽２２の中には、成膜源２７と、基板の巻き出しロール２３、冷却された円筒形のキャン４９、基板吸着手段としての無終端帯３、基板の巻き取りロール２６が設置されている。無終端帯３は図１４に示すように、例えば冷却キャン４９の両端に設置されており、基板２１の両端は、無終端帯３に接触支持される。このとき基板裏面と冷却キャン４９の表面との間には隙間があり、基板２１の裏面と、冷却体である冷却キャン４９の間にはガスが供給されて基板２１を冷却する。ガス導入は、例えば冷却キャン４９の表面にガス導入口を設けたり、キャンとして多孔質材を用いることにより実現できる。無終端帯３は冷却キャン４９の両端に設置され基板２１の幅方向両端近傍を吸着することで、冷却ガスの導入によって基板２１が撓んで、キャン４９から離れすぎるのを抑制する。なお、無終端帯３の位置はこれに限られるものではなく基板裏面のどの位置を吸着しても良い。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３を設置して吸着する方が冷却効果は高くなる。無終端帯３は、たとえば、キャン４９の一部にシリコンゴムなどの吸着材料を設置するなどの手段により実現することができる。

また、この場合も無終端帯３と成膜源２７の間に遮蔽板４１を設置することにより、スプラッシュ粒子を遮蔽できるため無終端帯３の表面を傷つけることなく使用することが可能となる。

以上、説明したように、実施の形態１〜５の成膜装置は、冷却ガス導入量を多くし、基板裏面の圧力を高めても、基板が撓むのを抑制できる。したがって、基板の均一かつ十分な冷却を実現できる。

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。

例えば、基板として銅箔を用い、成膜源からシリコンを蒸発させつつ、必要に応じて酸素ガスを導入することにより、長尺の電池用極板を得ることが出来る。

また、基板としてポリエチレンテレフタレートを用い、蒸着用坩堝からコバルトを蒸発させつつ、酸素ガスを導入しながら成膜を行うことにより、長尺の磁気テープを得ることが出来る。

以上、具体的な適用例として、シリコンを用いた電池用極板や、磁気テープ等について述べた。本発明はこれらに限定されるものではなく、コンデンサ、各種センサ、太陽電池、各種光学膜、防湿膜、導電膜、などをはじめとする安定成膜が要求される様々なデバイスに適用可能なことはいうまでもない。

本発明の薄膜形成膜装置及び薄膜の形成方法は、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、ガス冷却法による基板冷却を、効果的、かつ均一に実現することが出来る。

特に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本発明は効果が大きく、高材料利用効率と高成膜レートを両立する薄膜形成を実現することが出来る。

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。

１ 冷却体
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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
13. 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。
14. 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。
15. 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。
16. 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。
17. 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。
18. 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。
19. 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。
20. 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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