JP5828770B2 - 真空成膜装置 - Google Patents

Description

本発明は、真空状態で基材に電圧を印加することにより、当該基材の表面に薄膜を形成する真空成膜装置に関する。

近年、食品包装に用いられるプラスチックフィルムに対しては、水蒸気や酸素を通さない特性（高バリア性）が求められる傾向にある。プラスチックフィルムなどの基材（シート材）に高バリア性を付与するには、透明性のあるＳｉＯｘやＡｌ_２Ｏ_３などの皮膜によって基材をコーティング（被覆）する必要がある。ＳｉＯｘ皮膜のコーティング技術としては、真空蒸着法やスパッタ法などの物理蒸着法（ＰＶＤ法）や、物理蒸着法（ＰＶＤ法）に比して成膜速度及び高バリア皮膜の形成の面で優位とされるプラズマＣＶＤ法が、近年の真空成膜装置に用いられている。

上述した蒸着法のうちプラズマＣＶＤ法を採用する真空成膜装置として、例えば特許文献１〜特許文献５に示されたものがある。
これらの特許文献に開示された装置は、交流電源の両極にそれぞれ電気的に接続された一対の成膜ロールを有し、一対の成膜ロールの間に電位差が加えられていて、それぞれのロールの内部にはロール表面に磁場を形成するマグネットが配置されている。そして、磁場と電位差との相互作用でロールの表面にプラズマを発生させてシート材Ｗ（基材Ｗ）にＣＶＤ皮膜の成膜が可能となる。

特許文献１に開示のプラズマＣＶＤ装置は、真空チャンバ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ことを特徴とするものである。
このプラズマＣＶＤ装置によれば、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るとされている。

特許文献２に開示のプラズマＣＶＤ装置は、真空チャンバと、当該真空チャンバ内に配置されると共に電源の両極が接続され且つ成膜対象であるシート状の基材が巻き掛けられる真空チャンバから絶縁された成膜ロールと、前記基材が巻き掛けられていない成膜ロールの端部を成膜ロール近傍に発生したプラズマから遮蔽する遮蔽部材と、を備えたプラズマＣＶＤ装置であって、前記成膜ロールの軸方向の端部は中央部より小径に形成されていて、当該端部の外周面と中央部の外周面との間には段差面が設けられており、前記遮蔽部材は、当該遮蔽部材の外周面が前記成膜ロールの中央部の外周面と面一になるように、前記成膜ロールの端部を覆っており、前記遮蔽部材と成膜ロールの段差面との間には、前記成膜ロールの軸方向に前記基材が前記成膜ロールに当接しない間隙が備えられていることを特徴とする。
このプラズマＣＶＤ装置によれば、異常なアーク放電の発生を抑制でき、プラズマＣＶＤ処理の生産性を上げることができるとされている。

特許文献３に開示のプラズマＣＶＤ装置は、低圧の反応室内に所定のガスを導入するとともに、電極間に交流電圧を印加することで、前記反応性ガスをプラズマ状態とし、被蒸着基材へと蒸着膜を成膜するプラズマＣＶＤ装置であって、少なくとも１の前記電極は、回転するドラム状のドラム電極であって、該ドラム電極に巻き付けられるとともに回動搬送される前記被蒸着基材へと成膜するロールツーロール方式のプラズマＣＶＤ装置において、前記ドラム電極と前記被蒸着基材とが当接する箇所を除く、前記ドラム電極の露出箇所に、該露出箇所への成膜を防止するための遮蔽基材を形成したことを特徴とする。
このプラズマＣＶＤ装置によれば、電極ドラムの露出箇所に無効蒸着物が堆積することを好適に防止することが可能であり、成膜装置を傷つけてしまうことなく安全に、電極ドラムへの無効蒸着物の付着を防止することができるとされる。

特許文献４に開示のプラズマ処理装置は、互いの間にギャップを有しているとともに、電子閉込電極として接続される、少なくとも２つの表面と；前記表面どうしの間において前記ギャップを通過して延在する少なくとも１つの磁界と；前記少なくとも１つの磁界の近傍に配置された少なくとも１つのアノード構造であって、前記電極とアノード構造との間に十分なガス圧力と電圧とが供給されたときには、前記少なくとも１つの磁界の内部において発散性電界を形成し、これにより、前記少なくとも１つの磁界の内部に閉ループホール電流閉込領域を形成し、その閉込領域内にプラズマを形成するような、少なくとも１つのアノード構造と；少なくとも１つの連続的に移動する基材であって、前記プラズマによって処理され得るような配置とされ、少なくとも１つのプラズマ対向面上に支持され、この少なくとも１つの連続的に移動する基材のうちの、少なくとも１つの表面が、前記プラズマと前記少なくとも１つのプラズマ対向面との間に配置されているような、少なくとも１つの連続的に移動する基材と；を具備することを特徴とする。
このプラズマ処理装置によれば、プラズマ閉込を改良することができ、低圧力かつ低電圧での動作を可能とし、いくつかの従来技術と比較して、非基材表面に対してのコーティング量を低減させることができるとされる。

特許文献５に開示のプラズマ処理装置は、減圧可能なチャンバと、該チャンバ内にプラズマを形成する手段とを有し、該プラズマ形成手段がチャンバ内にプラズマ対面表面を形成する電極を備え、基体がチャンバ内にあるときに、前記プラズマ対面表面を基体と転がり接触させることにより、前記電極から基体に電気を導き、且つプラズマ処理中に基体の連続的変化可能部分をプラズマに露出させるための導電／露出手段と、前記基体の連続的変化可能部分に隣接してプラズマを閉じ込めるため、接地形シールドを備える閉じ込め手段とを有することを特徴とする。
このプラズマ処理装置によれば、酸素ガスに対する約０．１ｃｃ／６．４５×１０^−２ｍ^２／日以下の透過性をもつ可撓性ポリマーを製造できるとされる。

特開２００８−１９６００１号公報 特開２０１１−１４９０５９号公報 特開２００９−２４２０５号公報 特表２００５−５０４８８０号公報 特許第３１５５２７８号公報

上記の各特許文献の真空成膜装置によって成膜ロールの表面に巻き付けられた基材（フィルム）に皮膜を形成すると、成膜ロール表面においてフィルムが巻き付いていない部分、つまりロールの両端部にも皮膜が形成されてしまう。
それは、基材上で均一な膜厚分布を得るために、意図的にプラズマの放電範囲を基材の幅よりも広くして、プラズマ放電の均一なところに基材を通過させるようにしているからである。結果的に、プラズマは基材の外側にもはみ出してしまい、ロールの端部には望まない皮膜が大量に堆積してしまう。

また、ロールに給電してプラズマを発生させるプラズマＣＶＤでは、ロール表面において基材が巻き掛けられた基材部と基材が巻き付けられていない両端部との電気的特性をそろえるために、ロール両端部には基材と電気的特性を揃えるために基材と同じ程度の厚みの絶縁物を形成する必要がある。その絶縁物の厚みは、基材同様に薄いので、ロールの両端部には大きな電流が流れて強いプラズマが形成され、ロール両端部で厚い皮膜が形成されてしまうことがある。

またさらに、巻きかけられた基材の幅より広いプラズマを発生させると、基材の端の部
分でも強いプラズマが形成されることになり、絶縁破壊の生じやすい基材の端の部分での損傷を引き起こす。プラズマの発生を基材の端から離れた基材中央部に限定的に発生させる方法が考えられるが、ただ単純に基材の端部でのプラズマを弱くすることは、すなわち基材の端部近傍の基材へ付着する堆積量の減少をもたらす。これでは、基材の端近傍ではバリア膜などに用いるに十分な膜厚が得られず切り取って捨てることになり、材料の使用効率が落ち、経済的に不利になる。

このように、基材に対して幅方向にムラなく皮膜を形成しながら、ロール端部への望まない皮膜形成の抑止と基材端部の損傷を防ぐ工夫が必要である。
上述した特許文献１〜５は、ロールの両端部に対する皮膜形成を抑制する技術に関しては、何ら解決の手段を開示及び示唆するものとはなっていない。
本願発明者らは、ロール内部に配置される磁石がフィルムの幅に対して特徴的な構成を有する真空成膜装置を開発し、ロールの両端部に対する皮膜形成の抑制を意図しているが、先行技術文献である特許文献１〜５には、このような技術に想到可能な開示及び示唆はない。

すなわち、特許文献１及び特許文献２は、ロール内部に配置される磁石の構成とフィルムの幅との相対関係を開示したものではない。特許文献３は、そもそもロール内部に配置される磁石について開示していない。特許文献４は、ペニング放電を用いてプラズマを発生させる例において磁石の大きさとフィルムの幅との相対関係について開示しており、レーストラック状に形成されたプラズマの大きさを考慮した磁石の構成を開示するものではない。ペニング放電では、成膜ロールから出た磁力線は対向するロールに伸びるもので、磁力線が成膜ロールの表面から出入りするものではない。プラズマは成膜ロールから離れたところに形成されるので、プラズマによって膜が緻密化されない。また、ペニング放電では外側の磁石などを有さないので、基板の端部の磁界を制御して基板端部の損傷を積極的に防止することができず基材の端部近傍の皮膜厚みの制御ができない。特許文献５は、ロールと対向させた電極にマグネトロンを埋め込むタイプのＣＶＤ処理装置を開示しており、ロール内部に配置される磁石の構成とフィルムの幅との相対関係を開示したものではない。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、基材（フィルム）上に選択的にプラズマを発生させて出来るだけ広い範囲で均一な皮膜を形成するとともに、ロールの端部のプラズマを抑えて付着する皮膜の量を抑制してメンテナンスの頻度を低減し、なおかつ基材の端部での絶縁破壊を抑制することができる真空成膜装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の真空成膜装置は以下の技術的手段を講じている。
即ち、本発明の真空成膜装置は、真空チャンバと、当該真空チャンバ内に配置されると共に成膜対象であるシート状の基材が巻き掛けられる成膜ロールと、前記成膜ロールの内部に設けられて当該成膜ロールの表面に磁場を形成する磁場発生部と、を備えた真空成膜装置であって、前記磁場発生部は、前記成膜ロールの軸方向に沿って配置された内側磁石と、前記内側磁石と反対の極性を有し前記内側磁石を環状に取り囲む外側磁石とを有しており、前記内側磁石は、基材の成膜面から見た投影において前記成膜ロールに前記基材が巻き掛けられている範囲より、前記成膜ロールの軸方向に沿って幅狭となるように形成され、かつ、前記基材が巻き掛けられる範囲内に配置されていることを特徴とする。

好ましくは、前記成膜ロールと接している前記基材の端部側でロール外側に伸びる磁力線が、前記成膜ロールの端部側に傾いているとよい。
好ましくは、前記成膜ロールの端部には絶縁部材が備えられ、前記絶縁部材は、当該絶縁部材の外周面が前記成膜ロールの中央部の外周面と面一になるように、前記成膜ロールの端部を覆っているとよい。

好ましくは、前記成膜ロールとして、対向する２本の成膜ロールを備えるとよい。
好ましくは、前記電源は、高周波プラズマ電源であり、その一方の極が一方の成膜ロールに接続され、且つ他方の極が他方の成膜ロールに接続されていて、互いが異極となるよ
うに構成されているとよい。
好ましくは、前記基材の幅よりも狭い開放部を有するマスク部材を備え、前記マスク部材は、前記巻き掛けられた基材を前記開放部から露出させると共に、前記基材の幅方向の両端を覆うように前記成膜ロールを覆うとよい。

好ましくは、前記マスク部材は金属製であり、前記真空チャンバと同電位であるとよい。
好ましくは、前記マスク部材は、非磁性の金属製であるとよい。
好ましくは、前記マスク部材は、絶縁物で構成されているとよい。
好ましくは、前記マスク部材は、前記開放部としての開口を有し、前記開口が成膜ロールの表面を挟んで磁場発生部に対面する位置に設けられ、前記巻き掛けられた基材を前記開口から露出させると共に、前記開口以外の部分で、前記基材の搬送方向に沿って前記成膜ロールを覆うように構成されているとよい。

好ましくは、前記マスク部材を冷却する冷却手段を有するとよい。
また、本発明に係る真空成膜装置の最も好ましい形態は、真空チャンバと、当該真空チャンバ内に配置されると共に成膜対象であるシート状の基材が巻き掛けられる成膜ロールと、前記成膜ロールの内部に設けられて当該成膜ロールの表面に磁場を形成する磁場発生部と、を備えた真空成膜装置であって、前記磁場発生部は、前記成膜ロールの軸方向に沿って配置された内側磁石と、前記内側磁石と反対の極性を有し前記内側磁石を環状に取り囲む外側磁石とを有しており、前記内側磁石は、基材の成膜面から見た投影において、前記成膜ロールに前記基材が巻き掛けられている範囲より、前記成膜ロールの軸方向に沿って幅狭となるように形成され、かつ、前記基材が巻き掛けられる範囲内に配置されていて、前記成膜ロールと接している前記基材の端部側でロール外側に伸びる磁力線が、前記成膜ロールの端部側に傾いていることを特徴とする。

本発明の真空成膜装置によれば、基材（フィルム）上に均一な皮膜を形成するとともに、ロールの端部に付着する皮膜の量を抑制してメンテナンスの頻度を低減することができる。

プラズマＣＶＤ装置の内部を示した図である。 本発明の第１実施形態による磁場発生部の斜視図である。 第１実施形態による磁場発生部を示す図であり、（ａ）は磁場発生部の平面図、（ｂ）は磁場発生部の側面断面図である。 プラズマＣＶＤ装置の成膜ロール近傍の拡大断面図である。 本発明の第２実施形態による磁場発生部の側面断面図である。 第２実施形態によるマスク部材の斜視図である。 プラズマＣＶＤ装置の成膜ロール近傍の拡大断面図である（変形例）。 成膜ロールの軸方向に沿って幅狭となるように形成された外側磁石の配置及び構成を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態によるプラズマＣＶＤ装置を真空成膜装置の一例として説明する。
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態によるプラズマＣＶＤ装置１の全体構成を示している。
本実施形態によるプラズマＣＶＤ装置１（以下、単にＣＶＤ装置１という）は、減圧下において、互いに対向してほぼ平行に配置された２本で一対の成膜ロール２、２に交流あるいは極性反転を伴うパルス電圧を印加し、成膜ロール２、２の間の対向空間３にグロー放電を発生させ、成膜ロール２に巻き掛けたシート状の基材（フィルム）ＷにプラズマＣＶＤによる成膜を行うものである。

このＣＶＤ装置１は、内部が空洞とされた筐体状の真空チャンバ４を備えている。真空チャンバ４の内部は、真空排気手段５によって真空状態または低圧状態にまで減圧可能となっている。真空排気手段５は、真空ポンプ９と排気口１０で構成されている。この真空チャンバ４内には、成膜ロール２、２がその軸心を水平方向（図１では紙面貫通方向）に向けるようにして且つ互いに水平方向に距離をあけて一対配置されている。この成膜ロール２は正逆両方向に回転可能となっている。一対の成膜ロール２、２のそれぞれには、プラズマ電源６の両極がそれぞれ接続されていて、成膜対象であるシート状の基材Ｗが巻き掛けられている。

各成膜ロール２、２の内部には、対向する成膜ロール２との間にプラズマＰを生成する磁場発生部８が設けられている。磁場発生部８の構成については、後に詳しく説明する。
ＣＶＤ装置１は、真空チャンバ４内に原料ガスを供給するガス供給部７を備えており、ガス供給部７から原料ガスを供給しつつ成膜ロール２、２の磁場発生部８が形成した磁場
内で放電させる。ＣＶＤ装置１は、その上で放電により生じた原料ガスのプラズマＰ内に基材Ｗを通過させることで、基材Ｗの表面にＣＶＤ皮膜を形成する。

真空チャンバ４は、内部が空洞とされた筺状に形成されており、外部に対して内部を高い気密で保持できるようになっている。真空チャンバ４の下側には、真空チャンバ４の内部を略真空状態にまで排気する真空排気手段５の真空ポンプ９が設けられている。
真空排気手段５は、真空チャンバ４の下側の隔壁に形成された排気口１０と、この排気口１０に取り付けられた真空ポンプ９とで構成されている。真空排気手段５は、外部からの指令に応じて真空チャンバ４の内部を真空状態または真空状態に準じた低圧状態まで排気できるようになっている。真空排気手段５により真空（低圧）となった真空チャンバ４内部には、ガス供給部７から原料ガスが供給される。

ＣＶＤ皮膜の成膜対象である基材Ｗ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非導電性の材料が考えられる。しかし、基材Ｗの搬送に用いられる各種ロールを絶縁するなどの処置を施せば導電性の基材Ｗを用いることもできる。これらの基材Ｗはロール状に巻き取られて真空チャンバ４に配置された巻出ロール１１（逆向きに搬送する場合は巻取ロールとなる。）に取り付けられている。これらの基材Ｗは、ＣＶＤ皮膜を成膜した後、真空チャンバ４内の巻取ロール１２（逆向きに搬送する場合は巻出ロールになる。）でコイル状に巻き取られる。

一対の成膜ロール２、２は、互いに略同径かつ同長のステンレス材料等で形成された円筒体であり、その回転中心が真空チャンバ４の底面（下側の隔壁の上面）から略同じ高さとなるように設置されている。一対の成膜ロール２、２は互いの軸芯がほぼ平行となるように水平に距離をあけて配置されており、両成膜ロール２、２の間にはロールの外周面同士が対向し合う対向空間３が形成されている。

成膜ロール２は、さまざまな幅寸法の基材Ｗを巻き掛けられるように、巻き掛け可能な基材Ｗのうちでも最も幅が大きなものよりも幅広に形成されている。
一対の成膜ロール２、２は、いずれも真空チャンバ４から電気的に絶縁されており、また上述したように対向空間３を介してロール同士も互いに電気的に絶縁されて配置されている。そして、一対の成膜ロール２、２の一方にはプラズマ電源６の一方の極が、また他方の成膜ロール２にはもう一方の極が接続されていて、一対の成膜ロール２、２が互いに異なる極性となるように構成されている。

プラズマ電源６は、高周波の交流電圧、または、両極の極性が反転可能なパルス状の電圧（パルス状直流電圧）が発生可能なものである。このプラズマ電源６の両極は、いずれも真空チャンバ４から絶縁されている。成膜を行う基材Ｗが絶縁性の材料の場合、直流の電圧の印加では電流を流すことが出来ないが、フィルム（基材Ｗ）の厚みに応じた適切な周波数（およそ１ｋＨｚ〜、好ましくは１０ｋＨｚ〜）であれば基材Ｗを通して導通可能である。

ところで、図３（ｂ）に示すように、本実施形態によるＣＶＤ装置１の成膜ロール２は、その両端部２ａ、２ｂが中央部２ｃより小径に構成されていて、小径の端部２ａ、２ｂには後述する遮蔽部材１８（絶縁部材）が備えられている。
遮蔽部材１８は、プラズマＰから成膜ロール２の端部２ａ、２ｂの表面を遮蔽、絶縁する部材であり、円筒形状に形成されている。遮蔽部材１８の材質や厚みＤは、成膜ロール２の表面の基材Ｗを成膜ロール２の高周波電流から絶縁するように選択されるのが良く、基材Ｗと同様の電気的特性（絶縁性）を有する材料から形成されるのが好ましい。

遮蔽部材１８は、その外径が成膜ロール２の中央部２ｃの外径と略等しくなり、且つその内径が、成膜ロール２の小径とされた端部２ａ、２ｂの外径と略等しくなるような円筒形状となるように構成されている。つまり、遮蔽部材１８は、成膜ロール２の小径とされた端部２ａ、２ｂとほぼ同じ内径となるよう取り付ける。このとき、遮蔽部材１８と成膜ロール２の中央部２ｃとの間に間隙（空隙）Ｌが設けられていると好ましい。この間隙Ｌは、中央部２ｃと段差面２ｄをつなぐ角部に強い電界が形成されないように作用する。

また、一旦成膜ロール２の端部２ａ、２ｂに遮蔽部材１８を取り付けると、遮蔽部材１８の外径は成膜ロール２の中央部２ｃの外径と略等しくなるので、遮蔽部材１８の外周面
と成膜ロール２の中央部２ｃの外周面とが互いに面一となり、遮蔽部材１８の外周面と中央部２ｃの外周面との双方に跨るように基材Ｗを巻き掛けても基材Ｗは変形しない。
基材Ｗは遮蔽部材１８の上に一部重なるように成膜ロール２に巻かれる。基材Ｗと遮蔽部材１８の重なる部分の長さは、成膜ロール２の軸方向の沿った長さで１〜２０ｍｍとする。遮蔽部材１８に重なる部分では十分な皮膜形成がなされないので、重なる部分は短いほうがよく、基板Ｗが搬送によって蛇行して重なる部分が無くなることを抑止するためには、重なる部分の長さを２〜１０ｍｍとすることがなお好ましい。重なる部分が無くなると、異常放電が発生して良くない。

次に、図２及び図３を参照しながら、磁場発生部８の構成を説明する。
磁場発生部８は、成膜ロール２の内部に配置されていて、磁石を用いて成膜ロール２の表面付近に磁場を形成し、形成した磁場によってプラズマＰを収束させるためのものである。
基材Ｗの表面の出来るだけ広い有効成膜領域に均一に皮膜を形成し、遮蔽部材１８の表面では出来るだけ皮膜を形成しないように、基材Ｗの表面の出来るだけ広い範囲でプラズマＰを形成するように磁場発生部８を設計する。

プラズマＰの幅が狭いと、成膜される領域が狭くなるので、基材Ｗの端に皮膜が形成されていない不要な部分が多くなり、基材Ｗを有効に利用できなくなるので、経済的に好ましくない。
逆に巻きかけられた基材Ｗの幅より広いプラズマＰを発生させると、基材Ｗの端の部分でも強いプラズマＰが形成されることになり、絶縁破壊の生じやすい基材Ｗの端の部分での損傷が発生してしまう。損傷を防止するために電力や電圧を下げてプラズマＰを弱めて損傷を防止しながら運転することも可能であるが、生産性が低下するなどの問題が出る。

また、基材Ｗの幅よりもプラズマＰが広がると、基材Ｗが巻きかけられていないロール端部に不要な皮膜が形成され、厚く堆積した皮膜が剥がれ落ちることで生じるダストが基板Ｗに形成する膜の欠陥発生を増したり、ダスト除去のメンテナンスに手間が掛かりよくない。
そこで基材Ｗの表面の出来るだけ広い範囲でプラズマＰを形成しつつ、プラズマＰが基材Ｗからはみ出さないように磁場発生部８を設計する。

図２に示すように、磁場発生部８は、棒状に配列された内側磁石１３と、この内側磁石１３の周囲を矩形状に囲むように配置された環状の外側磁石１４とを備えている。
図２、図３（ａ）に示すように、棒状の内側磁石１３は、成膜ロール２の軸心と平行な方向に沿って長い棒状の磁石であって、直方体状の磁石をその磁極の向き（例えば、Ｎ極）をそろえて複数（図例では４個）並べたものである。磁石の形は必ずしも直方体状でなくてもよく、円筒形状などでもよいが、直方形状のものが取り付けしやすい。内側磁石１３の磁極の向きはＮ極、Ｓ極のどちらでもよいが、外側の磁石とは反対の極性とする。ここでは説明の都合上、成膜ロール２の軸心に垂直で且つ軸心から離れる方向（径外方向）がＮ極とされ、その反対の径内方向がＳ極とした例で説明をおこなう。

図３（ａ）に示すように、レーストラック状の外側磁石１４は、内側磁石１３で用いたものとほぼ同様の直方体状の磁石を複数個（図例では１４個）、内側磁石１３とは反対向きに磁極をそろえて（径外方向がＳ極）、長方形の環状に並べて繋げたものである。この外側磁石１４の形も必ずしも直方体状でなくてもよく、円筒形状などでもよいが、直方形状のものが取り付けしやすい。

これら内側磁石１３と外側磁石１４は、平板状の設置板１５の上に配置されていて、外側磁石１４は、内側磁石１３の周囲を所定の間隔をあけて囲むように配置され、磁場発生部８を構成している。
つまり、磁場発生部８は、内側磁石１３がＮ極を対向空間３側（外側）に向け、環状の外側磁石１４がＳ極を対向空間３側に向けるように、成膜ロール２内に配置されている。このような構成の磁場発生部８によって、内側磁石１３を取り囲むように、環状の外側磁石１４に沿ったマグネトロン磁場が形成される。

図３（ｂ）を参照しながら、成膜ロール２内に配置された磁場発生部８の内側磁石１３
及び外側磁石１４の構成についてさらに説明する。
成膜ロール２に巻掛けられた基材Ｗは、成膜ロール２の中央部２ｃを覆うとともに、幅方向の両端で遮蔽部材１８の一部を覆っている。内側磁石１３は、このような状態の成膜ロール２内において、その軸心方向の幅が中央部２ｃの幅に対応するように配置されている。つまり、内側磁石１３の軸心方向の幅（内側磁石１３の幅）は、基材Ｗの幅よりも狭くなっており、内側磁石１３は、基材Ｗの成膜面から見た投影において、基材Ｗに完全に含まれる。換言すれば、内側磁石１３は、基材Ｗの成膜面から見た投影において成膜ロール２に基材Ｗが巻き掛けられている範囲より、成膜ロール２の軸方向に沿って幅狭となるように形成され、かつ、基材Ｗが巻き掛けられる範囲内に配置されている。加えて、内側磁石１３は、成膜ロール２に基材Ｗが巻き掛けられている範囲の幅方向中央に配置される。

この内側磁石１３から発生する磁場によって基材Ｗ上にプラズマＰが発生して皮膜を形成するので、基材Ｗでの有効成膜幅を広げるためには、この内側磁石１３はできるだけ長く、成膜ロール２の軸方向において幅が広い方が好ましい。しかし、内側磁石１３が、成膜ロール２の軸方向において基材Ｗが巻き掛けられる範囲より幅広となった場合、プラズマＰが基材Ｗをはみ出して、基材Ｗの損傷やロール端部の不要な皮膜の要因となり、好ましくない。逆に、短すぎてもプラズマＰの発生領域が狭くなり、生産性が低下するので好ましくない。よって、内側磁石の幅は基材Ｗの幅より若干短くなるように設計するが、基材Ｗの幅に対して５ｍｍ乃至２００ｍｍ短い幅とするとよく、より好ましくは５０ｍｍ乃至１００ｍｍ短い幅とする。

内側磁石１３の周囲を矩形状に囲むように配置された環状の外側磁石１４によってマグネトロン磁場を形成し、レーストラック状のプラズマを基材Ｗの上にできるだけ広く発生させるように内側磁石１３や外側磁石１４の位置を調整するが、一方でレーストラック状のプラズマＰが基材Ｗをはみ出さないようにする。
基材Ｗの端部での磁界の向きも考慮して内側磁石１３と外側磁石１４の配置を調整する。成膜ロール２と接する基材Ｗの端部は強いプラズマＰにさらされると、絶縁性を失い、基材Ｗの端部の表面を通じてプラズマＰから成膜ロールに通じる大きな電流が流れ込み、異常放電を形成することがある。異常放電は基材Ｗの端部を熱などにより損傷させ、基材Ｗに致命的なダメージを与える。

プラズマ中の電子は磁界に沿って移動するが、基材Ｗの端部の磁界が成膜ロール２の中央付近の強いプラズマＰ発生領域のほうに延びていると、プラズマＰ中の電子のみならずイオンも基材Ｗの端部に引き込み、基材Ｗの端部の異常放電を引き起こす結果を招く。逆に基材Ｗの端部の磁界が成膜ロール２の端側に延びる本発明の磁石構成の場合、磁力線の傾きが基材Ｗ側の反対方向、すなわち成膜ロール２の端部方向に傾くように構成されるので、磁力線がプラズマＰの非常に弱い成膜ロール２の端部付近の空間とつながっているので、電子やイオンが引き込まれることなく基材Ｗの端部のプラズマを弱く維持することができ、基材Ｗ端部での異常放電を抑制でき、大きな電力を与えても安定的にプラズマＰを形成することができる。

つまり、磁場発生部８は、成膜ロール２と接している基材Ｗの端部側で該ロール外側に延びる磁力線が、成膜ロール２の端部側に傾くように構成されるので、基材Ｗの端部のプラズマを弱く維持するとともに、基材Ｗ端部での異常放電を抑制することができる。
ここで述べたように、基材Ｗの端部側で成膜ロール２の外側に延びる磁力線を該ロールの端部側に傾くように構成することで基材Ｗの端部での異常放電を抑制することができる。この異常放電の抑制によって、基材が損傷することを防止でき、また、レーストラック状のプラズマＰが消滅したり不安定になるのを防ぐことができる。

なお、上記作用は、内側磁石１３と外側磁石１４の相対的位置関係や、成膜ロール２の表面と内側磁石１３や外側磁石１４との距離を適宜調整することにより実現できるものである。この点を考慮しつつ、外側磁石１４の位置が決定されればよく、外側磁石１４の幅は基材Ｗの幅よりも広くても狭くてもよい。
図８に示すように、外側磁石１４は、基材Ｗの成膜面から見た投影において成膜ロール
２に基材Ｗが巻きかけられる範囲より、成膜ロール２の軸方向に沿って幅狭となるように形成され、かつ、基材Ｗが巻きかけられる範囲内に設置されている構成とすることもできる。外側磁石１４を基材Ｗの幅よりも狭く構成する方が、図８に３本の線で例示する磁力線が成膜ロール２の端方向に傾くように設計しやすいのでより好ましく、外側磁石の幅を基材Ｗの幅に対して０乃至５０ｍｍ短くするとよい。成膜ロール２と磁石の間には、基材Ｗの温度を制御する目的でロール表面の温度を−５０℃〜３００℃の範囲で調整するためのヒータや温度調整媒体を設置したり、通したりすることがあり、これらの媒体や熱などから保護するために磁石の周囲にはカバーを設ける必要もある。このように、種々の構成物が介在し、成膜ロール２の表面と磁石の間の距離が離れると成膜ロール２表面での磁力線の形も変わるため、基材Ｗの幅に対して１０乃至３０ｍｍ短くすることで、磁力線の傾きが基材Ｗ側の反対方向にできるのでなおよい。

内側磁石１３から外側磁石１４に延びる膨らんだ形状の磁力線は、成膜ロール２の表面から出入りするように構成されており、成膜ロール２に与えられた電界と膨らんだ形状の磁力線の電磁界の力でプラズマＰの中に存在する電子は、成膜ロール２の近傍に形成されたレーストラック状のプラズマＰの中を周回するように移動する。この電子の働きのため、成膜ロール２の軸方向に対して均一なプラズマＰが維持でき、形成される成膜の分布も均一化される。

上述した特許文献４のペニング放電では、成膜ロールから出た磁力線は対向する向かい側のロールに伸びるもので、磁力線が成膜ロール２の表面から出入りするものではない。プラズマＰは成膜ロール２から離れたところに形成されるので、プラズマＰによって膜が緻密化されない。また、外側磁石１４を有さないので、基板の端部の磁界を制御して基板端部の損傷を積極的に防止したり基材の端部近傍の皮膜厚みを制御したりできない。

成膜ロール２の近傍に均一な強いプラズマＰを形成できる本発明のメリットは皮膜の均一化だけでなく、基板Ｗ近傍のプラズマＰにより緻密化された皮膜が得られることにもある。
磁束を調整するために、外側磁石１４の背の高さは、例えば内側磁石１３の背の高さの約半分とし、外側磁石１４と内側磁石１３は同一の設置板１５に配置するとよい。このようにすれば、外側磁石１４に内側磁石１３と上面の面積が同じで同じ材質の磁石を用いた場合でも、外側磁石１４の磁束密度を内側磁石１３よりも小さく、例えば約半分にすることができる。内側磁石１３の磁束密度に対して、内側磁石１３を取り囲む外側磁石１４の磁束密度が半分となるようにすれば、内側磁石１３に対して外側磁石１４の個数を概ね２倍とした磁石配置の場合、内側磁石１３全体での磁束密度と外側磁石１４全体での磁束密度がほぼ釣り合う磁場構成とすることができる。

磁場発生部８を内側磁石１３全体での磁束密度と外側磁石１４全体での磁束密度がほぼ釣り合う磁場構成、つまり外側磁石１４の総磁束密度が、内側磁石１３の総磁束密度と釣り合う磁場構成として構成することで、磁場発生部８の外部への磁力線の漏れを抑制することができるので、レーストラック状プラズマＰ以外での放電が抑制でき、レーストラック状プラズマＰ以外の箇所、例えばロール端部での不要なプラズマ放電や皮膜形成を防止でき、基材Ｗ端部での異常放電を抑制しながら良質な皮膜を形成できる。

上述のように内側磁石１３と外側磁石１４が構成された磁場発生部８では、内側磁石１３のＮ極とレーストラック状の外側磁石１４のＳ極とがいずれも対向空間３側を向いていて、成膜ロール２の内部にある内側磁石１３のＮ極から成膜ロール２の外側に飛び出した磁力線が、円弧を描いて曲がりつつ再び成膜ロール２の内部に進入し外側磁石１４のＳ極に戻るような湾曲したレーストラック状の磁場を形成できるようになっている（図２及び図４などを参照）。

このような磁場発生部８で形成される磁場は、成膜ロール２及び基材Ｗの前面に、基材Ｗの幅方向にわたってほぼ均一なレーストラック状のプラズマＰを形成する。レーストラック状のプラズマＰは基材Ｗの上にのみ選択的に皮膜を形成し、成膜ロール２の両端部への成膜を抑制しつつ、基材Ｗを幅方向にわたって均一に成膜することができる。また基材Ｗの端部近傍のプラズマＰを抑え、基材Ｗの端部の損傷を防止することができ、大きな電
力で安定的に放電を維持させることが可能となる。

次に、本発明のプラズマＣＶＤ装置１の動作、つまり上述したプラズマＣＶＤ装置１を用いて基材Ｗへの成膜を行う方法について詳しく説明する。
まず、中央部２ｃより小径に形成された端部２ａ、２ｂに、段差面２ｄから０．５〜２．０ｍｍの間隙Ｌを隔てて絶縁体の遮蔽部材１８で覆った成膜ロール２、２を用意し、これらの成膜ロール２、２を真空チャンバ４内に設置する。そして、真空チャンバ４内を一旦減圧し、その後連続的に原料ガス（ＨＭＤＳＯガスなどの有機シリコン系成膜ガス、酸素ガス、窒素ガス、アルゴンガス）を供給して、真空チャンバ内が所定の圧力になるように原料ガスの充填を行う。原料ガスとしては、ＨＭＤＳＯの他、ＴＥＯＳ、ＴＭＳ、ＴＤＭＡＳ、ＴＭＤＳＯ、シランなどのシリコン系化合物やチタニウムイソプロポキサイドなどのチタン系の有機化合物などの金属有機化合物を用いてもよいし、アンモニア、空気、ヘリウムなどを用いてもよい。

原料ガスが真空チャンバ４内に充填されたら、成膜ロール２、２をプラズマ電源６に電気的に接続して、プラズマ電源６から成膜ロール２、２に高周波の交流電圧を印加する。電圧の印加によって、磁場発生部８により形成された磁場空間（基材Ｗ内にほぼ均一に発生した磁場）にグロー放電が発生してプラズマＰが形成され、真空チャンバ４に供給された原料ガスが形成されたプラズマＰで分解されて基材Ｗ上にＣＶＤ皮膜として堆積する。

上述のように、本発明のＣＶＤ装置１では、基材Ｗの表面に形成されたレーストラック状のプラズマＰがほぼ基材Ｗ上だけに形成されるので、成膜ロール２の両端部への成膜を抑制しつつ、基材Ｗを幅方向にわたって均一に成膜することができる。また、基材の端部付近のプラズマＰが弱いため、基材の端部の損傷が防止できる。
なお、本実施形態の場合、遮蔽部材１８の厚みが、例えば５ｍｍほどあれば、遮蔽部材を通じて高周波電流が流れることが無く、遮蔽部材１８に不要な皮膜が形成されることを抑止でき、成膜ロール２の端部での不要な皮膜形成をより効率よく抑えることができる。

また基材Ｗがロール金属の当接する箇所と遮蔽部材１８の間に０．５乃至２．０ｍｍほどの間隙Ｌを設けることで、中央部２ｃと段差面２ｄをつなぐ角部に強い電界が形成されるおそれはほとんどなく、異常放電を抑止できる。
本実施形態によるＣＶＤ装置１では、遮蔽部材１８の厚みによっては、間隙Ｌを設けなくても安全に成膜動作を行うことができる場合もある。

以上述べたＣＶＤ装置１によれば、磁場発生部８の内側磁石１３が、成膜ロール２の軸方向において基材Ｗが巻き掛けられる範囲より幅狭となるように形成され且つ基材Ｗが巻き掛けられる範囲内に配置されているといった特徴的な構成を有する。そのため、レーストラック状のプラズマＰは基材Ｗの上にのみ選択的に均一な皮膜を形成し、成膜ロール２の両端部での成膜を抑制しつつ、基材Ｗを幅方向にわたって均一に成膜することができる。また基材Ｗの端部近傍のプラズマＰを抑え、基材Ｗの端部の損傷を防止することができ、大きな電力で安定的に放電を維持させることが可能となる。

［第２実施形態］
次に、図５及び図６を参照しながら、本発明の第２実施形態について説明する。
第２実施形態では、第１実施形態の構成に成膜ロール２を覆うマスク部材１６を設けている点が大きな特徴である。すなわち、第２実施形態のＣＶＤ装置１は、基材Ｗの幅よりも狭い開放部を有するマスク部材１６を備え、マスク部材１６は、巻き掛けられた基材Ｗを開放部から露出させると共に、基材Ｗの幅方向の両端を覆うように成膜ロール２を覆う構成とされている。

図５は、図３（ｂ）に示す第１実施形態の構成に、本実施形態のマスク部材１６の配置及び構成を加えた図である。
マスク部材１６は、金属又は樹脂等の絶縁物で構成され、基材Ｗ上に形成されるレーストラック状のプラズマＰの幅の開放部（開口）を有し、基材Ｗの端部を覆うものである。マスク部材１６の開口の位置は、基材Ｗ上に形成されるプラズマＰの位置に対応しており、基材Ｗの幅方向におけるプラズマＰの両端を遮るものではないので、プラズマＰで生成された皮膜原料が基材Ｗ上に堆積するのを妨げることはない。その上で、基材Ｗの端部を
覆うので、基材Ｗ外における成膜ロール２への成膜を抑制することができる。

マスク部材１６を金属製とする場合は、ブラスト処理などによってマスク部材１６を清掃することが容易となり、清掃後のマスク部材１６を再利用することができる。マスク部材１６の電位は固定しないいわゆるフローティング電位でも、決められた電位に制御するものでも良いが、真空チャンバ４の電位と同じに設計すると、固定方法の設計が容易になるので好ましい。

また、マスク部材１６を非磁性の金属で構成することもできる。マスク部材１６を非磁性の金属で構成すると、成膜ロール２内の磁場発生部８が形成する磁場に影響を与えることなく基材Ｗ及び成膜ロール２を遮蔽することができる。
さらに、マスク部材１６を樹脂などの絶縁物で構成することもできる。絶縁物で構成されたマスク部材１６は電流を流さないため、マスク部材１６に付着する皮膜量を最小限にすることができるとともに、成膜ロール２との間で発生する異常放電を抑止することができる。

このようなマスク部材１６の形状としては、例えば図６（ａ）及び図６（ｂ）に示す２通りがある。図６（ａ）は、マスク部材１６（１６ａ）を成膜ロール２より短尺の円筒状に形成して２つ用意し、２つのマスク部材１６ａを成膜ロール２の両端を覆うように配置した状態を示している。これら２つのマスク部材１６ａの間に開放部が形成される。
図６（ｂ）は、成膜ロール２よりも長尺の円筒となるようにマスク部材１６（１６ｂ）を形成し、マスク部材１６ｂの側面に、基材Ｗ上に形成されるレーストラック上のプラズマＰの大きさにほぼ過不足無く対応した大きさの開口１７が開放部として設けられた状態を示している。マスク部材１６ｂは、その内部に成膜ロール２を内包し、レーストラック状のプラズマＰが形成される位置に開口１７が配置されるように設けられる。つまり、開口１７が成膜ロール２の表面を挟んで磁場発生部材８に対面する位置に設けられ、巻き掛けられた基材Ｗを開口１７から露出させる。これによって、基材Ｗの搬送方向においても、基材Ｗをマスクすることができ、レーストラック状のプラズマＰから漏れ出して基材Ｗの搬送方向に現れる不要な皮膜の形成を防ぐことができる。

図６（ａ）及び図６（ｂ）において、マスク部材１６には、搬送される基材Ｗが通過するためのスリットが設けられることはいうまでもない。
なお、マスク部材１６を金属で構成する場合には、図示しない冷却手段を設けることが望ましい。冷却手段としては、マスク部材の表面に配備された水冷パイプなどが採用可能である。この冷却手段によって金属製のマスク部材１６を冷却すれば、マスク部材１６がプラズマＰからの放射熱によって高温になることを防ぐことができ、マスク部材１６に近接する基材Ｗを熱による損傷から守ることができる。

以上述べた第２実施形態のＣＶＤ装置１によれば、磁場発生部８の内側磁石１３が、成膜ロール２の軸方向において基材Ｗが巻き掛けられる範囲より幅狭となるように形成され且つ基材Ｗが巻き掛けられる範囲内に配置されているといった特徴的な構成を有し、且つ、基材Ｗの幅よりも狭い開放部を有するマスク部材を備えている。そのため、ＣＶＤ装置１は、基材Ｗ上に均一な皮膜を形成することができ、さらには、成膜ロール２の端部に付着する皮膜の量を可及的に抑制してメンテナンスの頻度を低減することができるようになる。

ところで、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、動作条件や測定条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

例えば、図７に示すように、一対の成膜ロール２、２にそれぞれ内蔵される２つの磁場発生部８の構成（磁極の配置）を互いに異なるものにすることもできる。
具体的には、対面する２つの磁場発生部８のうち、一方の磁場発生部８を、上記実施形態で図３（ａ）を用いて説明したように、内側磁石１３の磁極をＮ極とし、外側磁石１４の磁極をＳとして構成する。その上で、他方の磁場発生部８を、内側磁石１３の磁極をＳ
極とし、外側磁石１４の磁極をＮとして構成して、図７に示すように２つの磁場発生部８を対向させる。

このようにバランス型の磁場発生部８を２つ対向させて、いわゆる吸引型の磁場構成にすれば、各磁場発生部８から漏れる磁場を対向する磁場発生部８が吸引するので、漏れ磁場を低減することができる。これは、より均質なレーストラック状のプラズマを形成することにつながるとともに、成膜ロール２の端部におけるプラズマ放電を抑止することにもつながる。

また、本発明の実施形態によるプラズマＣＶＤ装置１は、成膜ロール２が１本又は３本以上有するものであっても良い。

１ ＣＶＤ装置（プラズマＣＶＤ装置）
２ 成膜ロール
２ａ 成膜ロールの左側端部
２ｂ 成膜ロールの右側端部
２ｃ 成膜ロールの中央部
２ｄ 成膜ロールの中央部と端部との間に形成される段差面
３ 対向空間
４ 真空チャンバ
５ 真空排気手段
６ プラズマ電源
７ ガス供給部
８ 磁場発生部
９ 真空ポンプ
１０ 排気口
１１ 巻出ロール
１２ 巻取ロール
１３ 内側磁石
１４ 外側磁石
１５ 設置板
１６（１６ａ、１６ｂ） マスク部材
１７ 開口（開放部）
１８ 遮蔽部材
Ｄ 遮蔽部材の厚み
Ｌ 段差面と遮蔽部材との間に形成される間隙
Ｐ プラズマ
Ｗ 基材

Claims (10)

1. 真空チャンバと、当該真空チャンバ内に配置されると共に成膜対象であるシート状の基材が巻き掛けられる成膜ロールと、前記成膜ロールの内部に設けられて当該成膜ロールの表面に磁場を形成する磁場発生部と、を備えた真空成膜装置であって、
   前記磁場発生部は、前記成膜ロールの軸方向に沿って配置された内側磁石と、前記内側磁石と反対の極性を有し前記内側磁石を環状に取り囲む外側磁石とを有しており、
   前記内側磁石は、基材の成膜面から見た投影において、前記成膜ロールに前記基材が巻き掛けられている範囲より、前記成膜ロールの軸方向に沿って幅狭となるように形成され、かつ、前記基材が巻き掛けられる範囲内に配置されていて、
   前記成膜ロールと接している前記基材の端部側でロール外側に伸びる磁力線が、前記成膜ロールの端部側に傾いていることを特徴とする真空成膜装置。
2. 前記成膜ロールの端部には絶縁部材が備えられ、
   前記絶縁部材は、当該絶縁部材の外周面が前記成膜ロールの中央部の外周面と面一になるように、前記成膜ロールの端部を覆っていることを特徴とする請求項１に記載の真空成膜装置。
3. 前記成膜ロールとして、対向する２本の成膜ロールを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の真空成膜装置。
4. 前記電源は、高周波プラズマ電源であり、その一方の極が一方の成膜ロールに接続され、且つ他方の極が他方の成膜ロールに接続されていて、互いが異極となるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の真空成膜装置。
5. 前記基材の幅よりも狭い開放部を有するマスク部材を備え、
   前記マスク部材は、前記巻き掛けられた基材を前記開放部から露出させると共に、前記基材の幅方向の両端を覆うように前記成膜ロールを覆うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の真空成膜装置。
6. 前記マスク部材は金属製であり、前記真空チャンバと同電位であることを特徴とする請求項５に記載の真空成膜装置。
7. 前記マスク部材は、非磁性の金属製であることを特徴とする請求項６に記載の真空成膜装置。
8. 前記マスク部材は、絶縁物で構成されていることを特徴とする請求項５に記載の真空成膜装置。
9. 前記マスク部材は、前記開放部としての開口を有し、前記開口が成膜ロールの表面を挟んで磁場発生部に対面する位置に設けられ、前記巻き掛けられた基材を前記開口から露出させると共に、前記開口以外の部分で、前記基材の搬送方向に沿って前記成膜ロールを覆うことを特徴とする請求項５〜８のいずれかに記載の真空成膜装置。
10. 前記マスク部材を冷却する冷却手段を有することを特徴とする請求項６又は７に記載の真空成膜装置。