JP2009275251A - 成膜装置および成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】長尺な基板に、連続的な膜の形成を生産性を維持しつつ、異常放電を抑制することができる成膜装置および成膜方法を提供する。
【解決手段】本発明の成膜装置は、成膜室内で長尺の基板を所定の搬送方向に搬送しつつ、スパッタリングを行い基板の表面に所定の膜を形成する。成膜室内を所定の真空度にする真空排気部と、搬送方向に沿って配置された複数の金属ターゲットと、各金属ターゲットに負の電圧を印加する第１の電源部と、搬送方向の最上流側に配置された金属ターゲットに正の電圧を印加する第２の電源部と、基板の表面と各金属ターゲットとの間にスパッタガスを供給するスパッタガス供給部と、成膜時に、各金属ターゲットに負の電圧を所定の時間間隔で所定時間印加させるとともに、最上流側に配置された金属ターゲットに負の電圧が印加されていないとき、正の電圧を印加させる制御部を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、長尺の基板を所定の搬送方向に搬送しつつ、スパッタリングを行い前記基板の表面に所定の膜を形成する成膜装置および成膜方法に関し、特に、成膜の生産性を維持しつつ、異常放電を抑制することができる成膜装置および成膜方法に関する。

現在、基板の表面に金属膜を形成する場合において、真空チャンバ内に、形成する金属膜の組成を有する金属ターゲットを用い、この金属ターゲットの裏面にマグネットを配置する。
さらに、真空チャンバ内に、アルゴンガス（Ａｒガス）を導入し、金属ターゲットに交流電圧を印加して放電させ、イオン化したアルゴンガスを金属ターゲットの表面に衝突させて、金属ターゲットから飛び出した金属原子を、基板の表面に堆積させるマグネトロンスパッタ法と呼ばれる方法が用いられている。

また、金属化合物の膜を形成する場合には、金属原子と反応ガスとを反応させて、化合物を得て、金属化合物の膜を形成する反応性スパッタと呼ばれる方法が用いられている。
この場合でも、金属化合物の膜を構成する金属の組成の金属ターゲットを用い、この金属ターゲットの裏面にマグネットを配置する。そして、金属化合物の膜の組成を得るために反応ガスを含んだ雰囲気下、例えば、酸化物を形成する場合には酸素、窒化物を形成する場合には窒素を含んだ雰囲気下と真空チャンバ内をする。
さらに、真空チャンバ内に、アルゴンガス（Ａｒガス）を導入し、金属ターゲットに交流電圧を印加して放電させて、イオン化したアルゴンガスを金属ターゲットの表面に衝突させて、金属原子を飛び出させて、これを反応ガスとを反応させて、化合物を得て、金属化合物の膜を形成する。

スパッタ法においては、スパッタ中に、異常放電と呼ばれる現象が生じる。以下、異常放電について説明する。
マグネトロンスパッタでは、金属ターゲットに負電位を印加している。金属ターゲットのうち、磁場強度の強い部分の強くスパッタされ、その部分が深く削れ、エロージョンが形成される。
非エロージョン部には、スパッタされた粒子が散乱などで飛来し、これに酸素ガス、または窒素ガスなどの反応性ガスが取り込まれると、酸化被膜または窒化被膜が、高抵抗の被膜として形成される。スパッタの際、高抵抗の被膜（酸化被膜または窒化被膜）の表面に、Ａｒ陽イオンが衝突すると電子の引き抜き、二次電子の放出が発生する。

一方、金属ターゲットには、負電位が印加されているので、散乱で飛来する電子には斥力が働き、金属ターゲットへの入射が妨げられる。結果として、高抵抗の被膜（酸化被膜または窒化被膜）から電子が出る一方になり、被覆はプラスに帯電する。
印加電圧と被膜部の正電位との差が一定以上となると絶縁破壊が発生する。これが異常放電の原因となっている。

異常放電は、金属ターゲットを構成する金属が比較的低抵抗で、それに比べ表面に生成される被膜（酸化被膜または窒化被膜）が高抵抗である場合に多く発生する。
異常放電が生じると膜質の変化、または膜にピンホールが発生し、膜の持つ特性が著しく損なわれる原因となる。そこで、異常放電の発生を抑制するための方法が提案されている（特許文献１参照）。

特許文献１に開示されたバリヤー膜の成膜方法は、各ターゲットに一定の周期(数十〜数百回／秒)で交互に間欠的に負電圧を印加するデュアルマグネトロンスパッタ方式を用いるものである。通常、２つのターゲットを一組とする。
特許文献１において、２つのターゲットのうち、印加された側は負電位、されていない側はアース電位となる。これが２つのターゲットで周期的に入れ替わる。非印加の間は、正帯電した被膜部分がプラズマ中の電子を引き込み、チャージアップを中和することができる。
特許文献１には、正電位の中和の効果は、負の電位を印加していない時間に、正電位を投入することで、更に効果を上げることができることが記載されている。

特開２００４−１３７５３１号公報

しかしながら、特許文献１のバリヤー膜の成膜方法を、有機物により構成される基板、または有機層が形成された基板を搬送しつつ成膜することに適用する場合、投入電力を上げていくほど異常放電の発生頻度が上昇するという問題点がある。
このため、特許文献１においては、有機物により構成される基板、または有機層が形成された基板を用いた場合、良好な膜を、効率良く形成することができない。

本発明の目的は、前記従来技術に基づく問題点を解消し、長尺な基板、特に有機物により構成される基板、または有機層が形成された基板に対して、連続的な膜の形成を生産性を維持しつつ、異常放電を抑制することができる成膜装置および成膜方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、成膜室内で長尺の基板を所定の搬送方向に搬送しつつ、スパッタリングを行い前記基板の表面に所定の膜を形成する成膜装置であって、前記成膜室内を所定の真空度にする真空排気部と、前記基板の表面に対向し、かつ前記搬送方向に沿って配置された複数の金属ターゲットと、前記各金属ターゲットに負の電圧を印加する第１の電源部と、前記金属ターゲットのうち、前記搬送方向の最上流側に配置された金属ターゲットに正の電圧を印加する第２の電源部と、前記基板の表面と前記各金属ターゲットとの間にスパッタガスを供給するスパッタガス供給部と、成膜時に、前記第１の電源部により前記各金属ターゲットに負の電圧を所定の時間間隔で所定時間印加させるとともに、前記最上流側に配置された金属ターゲットに前記第１の電源部から負の電圧を印加していないとき、前記第２の電源部により前記最上流側に配置された金属ターゲットに前記正の電圧を印加させる制御部とを有することを特徴とする成膜装置を提供するものである。

本発明において、さらに、前記基板の表面と前記各金属ターゲットとの間に反応性ガスを供給する反応性ガス供給部を有し、前記成膜時に、前記反応ガスを供給することが好ましい。
また、本発明において、前記各金属ターゲットには、それぞれマグネットが設けられていることが好ましい。

さらに、本発明において、前記膜は、例えば、ガスバリア膜である。
また、本発明においては、前記ガスバリア膜は、例えば、酸化アルミニウム膜である。
また、本発明において、前記第１の電源部は、例えば、パルス電源または高周波電源である。

本発明の第２の態様は、複数の金属ターゲットに対向して、長尺の基板を所定の搬送方向に搬送しつつ、スパッタリングを行い前記基板の表面に所定の膜を形成する成膜方法であって、前記基板と前記各金属ターゲットとの間にスパッタガスを供給する工程と、前記各金属ターゲットに負の電圧を所定の時間間隔で所定時間印加するとともに、前記最上流側に配置された金属ターゲットに負の電圧を印加していないとき、前記最上流側に配置された金属ターゲットに前記正の電圧を印加する工程とを有することを特徴とする成膜方法を提供するものである。

本発明において、前記基板と前記各金属ターゲットとの間にスパッタガスを供給する工程においては、さらに、前記基板の表面と前記各金属ターゲットとの間に反応性ガスを供給することが好ましい。
また、本発明において、前記各金属ターゲットに負の電圧を印加する際、各金属ターゲットにおける電力密度の平均値が５．９ｋＷ／ｃｍ^２以上であることが好ましい。
さらに、本発明において、前記膜は、例えば、ガスバリア膜である。
さらにまた、本発明において、前記ガスバリア膜は、例えば、酸化アルミニウム膜である。

本発明の第３の態様は、成膜室内で長尺の基板を所定の搬送方向に搬送しつつ、スパッタリングを行い前記基板の表面に所定の膜を形成する成膜装置であって、所定の搬送経路で、長尺の基板を搬送する第１の搬送手段と、前記成膜室内に設けられ、前記基板の搬送方向と直交する方向に回転軸を有し、前記第１の搬送手段により搬送された基板が、表面の所定の領域に巻き掛けられる回転可能なドラムと、所定の搬送経路で、前記ドラムに巻き掛けられた基板を搬送する第２の搬送手段と、前記成膜室内を所定の真空度にする真空排気部と、前記ドラムの表面に対向し、かつ前記ドラムの回転方向に沿って配置された複数の金属ターゲットと、前記各金属ターゲットに負の電圧を印加する第１の電源部と、前記金属ターゲットのうち、前記搬送方向の最上流側に配置された金属ターゲットに正の電圧を印加する第２の電源部と、前記基板の表面と前記各金属ターゲットとの間にスパッタガスを供給するスパッタガス供給部と、成膜時に、前記第１の電源部により前記各金属ターゲットに負の電圧を所定の時間間隔で所定時間印加させるとともに、前記最上流側に配置された金属ターゲットに前記第１の電源部から負の電圧を印加していないとき、前記第２の電源部により前記最上流側に配置された金属ターゲットに前記正の電圧を印加させる制御部とを有することを特徴とする成膜装置を提供するものである。

本発明の成膜装置および成膜方法によれば、長尺な基板、特に有機物により構成される基板、または有機層が形成された基板に対して、連続的な膜の形成を生産性を維持しつつ、異常放電を抑制することができる。

以下に、添付の図面に示す好適実施形態に基づいて、本発明の成膜装置および成膜方法を詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る成膜装置を示す模式図であり、図２は、図１に示す成膜装置の成膜部の要部を示す模式図である。

図１に示す本発明の実施形態に係る成膜装置１０は、ロール・ツー・ロール(Roll to Roll)タイプの成膜装置であり、基板Ｚの表面Ｚｆ、または基板Ｚの表面Ｚｆに有機層が形成されていれば、その表面に、所定の機能を有する膜を形成するものであり、例えば、光学フィルムまたはガスバリアフィルム等の機能性フィルムＦの製造に利用されるものである。
成膜装置１０は、長尺の基板Ｚ（ウェブ状の基板Ｚ）に連続で成膜を行う装置であって、基本的に、長尺な基板Ｚを供給する供給室１２と、長尺な基板Ｚに膜を形成する成膜室１４と、膜が形成された長尺な基板Ｚを巻き取る巻取り室１６と、真空排気部３２と、制御部３６とを有する。この制御部３６により、成膜装置１０における各要素の動作が制御される。
また、成膜装置１０においては、供給室１２と成膜室１４とを区画する壁１５ａ、および成膜室１４と巻取り室１６とを区画する壁１５ｂには、基板Ｚが通過するスリット状の開口１５ｃが形成されている。

成膜装置１０においては、供給室１２、成膜室１４および巻取り室１６には、真空排気部３２が配管３４を介して接続されている。この真空排気部３２により、供給室１２、成膜室１４および巻取り室１６の内部が所定の真空度にされる。
真空排気部３２は、供給室１２、成膜室１４および巻取り室１６を排気して所定の真空度に保つものであり、ドライポンプおよびターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有するものである。また、供給室１２、成膜室１４および巻取り室１６には、それぞれ内部の圧力を測定する圧力センサ（図示せず）が設けられている。
なお、真空排気部３２による供給室１２、成膜室１４および巻取り室１６の到達真空度には、特に限定はなく、実施する成膜方法等に応じて、十分な真空度を保てればよい。この真空排気部３２は、制御部３６により制御される。

供給室１２は、長尺な基板Ｚを供給する部位であり、基板ロール２０、およびガイドローラ２１が設けられている。
基板ロール２０は、長尺な基板Ｚを連続的に送り出すものであり、例えば、反時計回りに基板Ｚが巻回されている。
基板ロール２０は、例えば、駆動源としてモータ（図示せず）が接続されている。このモータによって基板ロール２０が基板Ｚを巻き戻す方向ｒに回転されて、本実施形態では、時計回りに回転されて、基板Ｚが連続的に送り出される。

ガイドローラ２１は、基板Ｚを所定の搬送経路で成膜室１４に案内するものである。このガイドローラ２１は、公知のガイドローラにより構成される。
本実施形態の成膜装置１０においては、ガイドローラ２１は、駆動ローラまたは従動ローラでもよい。また、ガイドローラ２１は、基板Ｚの搬送時における張力を調整するテンションローラとして作用するローラであってもよい。

本発明の成膜装置において、基板Ｚは、特に限定されるものではなく、反応性スパッタリングによる膜の形成が可能な各種の基板が全て利用可能である。基板Ｚとしては、例えば、ＰＥＴフィルム、ＰＥＮフィルム等の各種の樹脂フィルム、またはアルミニウムシートなどの各種の金属シート等を用いることができる。
本発明の成膜装置は、基板としては、有機物を含む樹脂フィルムおよび有機層が形成された基板への成膜に特に有効である。

巻取り室１６は、後述するように、成膜室１４で、表面Ｚｆに膜が形成された基板Ｚを巻き取る部位であり、巻取りロール３０、およびガイドローラ３１が設けられている。

巻取りロール３０は、成膜された基板Ｚをロール状に、例えば、時計回りに巻き取るものである。
この巻取りロール３０は、例えば、駆動源としてモータ（図示せず）が接続されている。このモータにより巻取りロール３０が回転されて、成膜済の基板Ｚが巻き取られる。
巻取りロール３０においては、モータによって基板Ｚを巻き取る方向Ｒに回転されて、本実施形態では、時計回りに回転されて、成膜済の基板Ｚを連続的に、例えば、時計回りに巻き取る。

ガイドローラ３１は、成膜室１４から搬送された基板Ｚを、所定の搬送経路で巻取りロール３０に案内するものである。このガイドローラ３１は、公知のガイドローラにより構成される。なお、供給室１２のガイドローラ２１と同様に、ガイドローラ３１も、駆動ローラまたは従動ローラでもよい。また、ガイドローラ３１は、テンションローラとして作用するローラであってもよい。

成膜室１４は、真空チャンバとして機能するものであり、基板Ｚを搬送しつつ連続的に、基板Ｚの表面Ｚｆに、例えば、反応性スパッタリング法によって、化合物の膜を形成す部位である。
成膜室１４は、例えば、ステンレス、アルミニウムまたはアルミニウム合金など、各種の真空チャンバで利用されている材料を用いて構成されている。

成膜室１４には、２つのガイドローラ２４、２８と、ドラム２６と、成膜部４０とが設けられている。
ガイドローラ２４と、ガイドローラ２８とが、所定の間隔を設けて対向して、平行に配置されており、また、ガイドローラ２４、およびガイドローラ２８は、基板Ｚの搬送方向Ｄに対して、その長手方向を直交させて配置されている。

ガイドローラ２４は、供給室１２に設けられたガイドローラ２１から搬送された基板Ｚをドラム２６に搬送するものである。このガイドローラ２４は、例えば、基板Ｚの搬送方向Ｄと直交する方向（以下、軸方向という）に回転軸を有し回転可能であり、かつガイドローラ２４は、軸方向の長さが、基板Ｚの長手方向と直交する幅方向における長さ（以下、基板Ｚの幅という）よりも長い。
なお、基板ロール２０、ガイドローラ２１、ガイドローラ２４により、第１の搬送手段が構成される。

ガイドローラ２８は、ドラム２６に巻き掛けられた基板Ｚを巻取り室１６に設けられたガイドローラ３１に搬送するものである。このガイドローラ２８は、例えば、軸方向に回転軸を有し回転可能であり、かつガイドローラ２８は、軸方向の長さが基板Ｚの幅よりも長い。
なお、ガイドローラ２８、ガイドローラ３１、巻取りロール３０により、第２の搬送手段が構成される。
また、ガイドローラ２４、ガイドローラ２８は、上記構成以外は、供給室１２に設けられたガイドローラ２１と同様の構成であるため、その詳細な説明は省略する。

ドラム２６は、ガイドローラ２４と、ガイドローラ２８との間の空間Ｈの下方に設けられている。ドラム２６は、その長手方向を、ガイドローラ２４およびガイドローラ２８の長手方向に対して平行にして配置されている。
このドラム２６は、例えば、円筒状を呈し、軸方向に回転軸を有し、回転方向ωに回転可能なものである。ドラム２６は、軸方向における長さが基板Ｚの幅よりも長い。
ドラム２６は、その表面２６ａ（周面）に基板Ｚが巻き掛けられて、回転方向ωに回転することにより、基板Ｚを所定の成膜位置に保持しつつ、搬送方向Ｄに基板Ｚを搬送するものである。
なお、ドラム２６の回転方向ωの進行方向側、すなわち、基板Ｚが搬送される側が、下流側Ｄｄであり、この下流側Ｄｄの反対側が上流側Ｄｕである。

図１に示すように、成膜部４０は、ドラム２６が回転方向ωに回転して、基板Ｚを搬送方向Ｄに搬送しつつ、ドラム２６の表面２６ａに巻き掛けられた基板Ｚの表面Ｚｆに膜を形成するものである。

成膜部４０は、放電ユニット４２ａ〜４２ｄ、パルス電源（第１の電源部）４４ａ、４４ｂ、直流電源（第２の電源部）４６と、検出器４７ａ、４７ｂ、スパッタガス供給部４８、反応ガス供給部４９を有する。制御部３６により、成膜部４０のパルス電源４４ａ、４４ｂ、直流電源（ＤＣ電源）４６と、スパッタガス供給部４８、反応ガス供給部４９が制御される。

成膜部４０においては、放電ユニット４２ａ〜４２ｄが、ドラム２６の表面２６ａに対して所定の距離の隙間Ｓをあけて、回転方向ωの上流側Ｄｕ側から下流側Ｄｄに沿って配置されている。
成膜装置１０において、ドラム２６の表面２６ａと放電ユニット４２ａ〜４２ｄとの隙間ＳがプラズマＰの発生空間となる。
放電ユニット４２ａ〜４２ｄは、平面視長方形状に形成されており、その長手方向をドラム２６の軸方向と一致させて配置されている。この放電ユニット４２ａ〜４２ｄは、ドラム２６に巻き掛けられる基板Ｚの幅方向の長さよりも長い。

放電ユニット４２ａ〜４２ｄは、基本的に同じ構成であり、放電ユニット４２ａだけ直流電源４６が接続されている。
以下、図２に基づいて、放電ユニット４２ａを例にして説明する。
図２に示すように、放電ユニット４２ａは、電極板５０と、金属ターゲット５２と、マグネット５４とを有する。電極板５０の表面５０ａにターゲット５２が設けられており、裏面５０ｂにマグネット５４が配置されている。

電極板５０は、金属ターゲット５２にパルス電源４４ａ、４４ｂまたは直流電源４６から所定の電圧を印加するものであるとともに、金属ターゲット５２を保持するターゲットフォルダを兼ねる。電極板５０に、例えば、ボルトなどで金属ターゲット５２が固定される。

金属ターゲット５２は、形成する膜の原料となるものであり、基板Ｚの表面Ｚｆに形成する膜の組成に応じた金属により形成されている。例えば、Ａｌ_２Ｏ_３膜を形成する場合、金属ターゲット５２には、アルミニウム（Ａｌ）を用いる。また、ＳｉＯ_２膜またはＳｉＮ膜を形成する場合には、金属ターゲット５２には、シリコン（Ｓｉ）を用いる。この金属ターゲット５２は、スパッタリングに用いられる一般的なものである。

マグネット５４は、プラズマ放電を高密度に維持するために設けられるものであり、金属ターゲット５２の表面５２ａに一定の磁力を発生させる。このマグネット５４は、電極板５０の裏面５０ｂ側に、間隔をあけて、例えば、３個、平行に設置されている。このマグネット５４は、公知のマグネトロンスパッタリング装置で利用されているマグネットが用いられる。
金属ターゲット５２の表面５２ａにおいて。マグネット５４の間に整合する領域がエロージョン領域となる。

成膜部４０においては、放電ユニット４２ａと放電ユニット４２ｂとが組みにされており、パルス電源４４ａが放電ユニット４２ａの電極板５０と放電ユニット４２ｂの電極板５０に接続されている。また、放電ユニット４２ｃと放電ユニット４２ｄとが組みにされており、パルス電源４４ｂが放電ユニット４２ｃの電極板５０と放電ユニット４２ｄの電極板５０とに接続されている。成膜部４０は、いわゆるデュアルマグネトロンスパッタ方式の構成である。

パルス電源４４ａ、４４ｂは、矩形波状に電圧を周期的発生するとともに、電圧値および電圧発生時間を調節する機能を有する。このパルス電源４４ａ、４４ｂにより、電極板５０を介して各金属ターゲット５２に、例えば、−Ｖの負の電圧を所定の時間間隔で所定時間印加することができる。このように、パルス電源４４ａ、４４ｂにより、所定負の電圧を、１周期のうち、一方の金属ターゲット５２に所定時間印加し、他方の金属ターゲット５２に所定時間印加することができる。
なお、このパルス電源４４ａ、４４ｂには、例えば、公知のＤＣパルススパッタリング装置または公知のデュアルマグネトロンスパッタリング装置で利用されているパルス電源が用いられる。

パルス電源４４ａにより、放電ユニット４２ａと放電ユニット４２ｂとに、負の電圧（−Ｖ）を所定の時間間隔で所定時間、交互に印加することにより、隣接する放電ユニット４２ａ、４２ｂが、交互にカソード、アノードとして作用する。
また、パルス電源４４ｂも、放電ユニット４２ｃと放電ユニット４２ｄとに、負の電圧（−Ｖ）を所定の時間間隔で所定時間、交互に印加することにより、隣接する放電ユニット４２ｃ、４２ｄが、交互にカソード、アノードとして作用する。
また、パルス電源４４ａ、４４ｂに限定されるものではなく、例えば、公知のＲＦスパッタリング装置で利用されている高周波電源を用いることもできる。

直流電源４６は、直流電圧または直流パルス電圧（ＤＣパルス電圧）を発生させる機能と、電圧値および電圧発生時間を調節する機能を有する。
この直流電源４６は、最上流側に配置された放電ユニット４２ａの金属ターゲット５２に所定の電圧を所定に時間印加するものである。この直流電源４６には、例えば、公知のＤＣスパッタリング装置またはＤＣパルススパッタリング装置で利用されている各種電源を用いることができる。

本実施形態の成膜装置１０においては、成膜部４０に、パルス電源４４ａ、４４ｂおよび直流電源４６を設けて、成膜時に印加する印加電圧パターンを以下のようにしている。
放電ユニット４２ｃ、４２ｄとの組においては、パルス電源４４ｂにより、例えば、１周期Ｔにおいて、デューティー比１００％で、印加電圧−Ｖが矩形波状に、放電ユニット４２ｃ、４２ｄ（カソード（電極板５０、金属ターゲット５２））に交互に印加される。

最上流に位置する放電ユニット４２ａと、放電ユニット４２ｂとの組における印加電圧のパターンは、図３を用いて説明する。
パルス電源４４ａにより、図３に示すように、１周期Ｔのうち、先に放電ユニット４２ａに負の電圧（−Ｖ）を、時間ｔａ印加し、次に、放電ユニット４２ｂに負の電圧（−Ｖ）を、時間ｔｂ印加する。時間ｔａと時間ｔｂとは同じであり、いずれの放電ユニット４２ａ（カソード（電極板５０、金属ターゲット５２））と、放電ユニット４２ｂ（カソード（電極板５０、金属ターゲット５２））にも印加していない時間を持っていない、すなわち、デューティー比１００％である。
本実施形態においては、放電ユニット４２ｂに負の電圧−Ｖが印加されているとき、すなわち、放電ユニット４２ａに負の電圧−Ｖが印加されていないとき、放電ユニット４２ａに、直流電源４６により、パターン６４に示すように、例えば、正の電圧Ｖ_Ｄを時間δ印加する。
なお、図３において、符号６０は、放電ユニット４２ａ（電極板５０、金属ターゲット５２）の印加電圧パターンを示し、符号６２は、放電ユニット４２ｂ（電極板５０、金属ターゲット５２）の印加電圧のパターンを示す。
パルス電源４４ｂによる放電ユニット４２ｃ、４２ｄへの負の電圧印加、パルス電源４４ａによる放電ユニット４２ａ、４２ｂへの負の電圧印加、および直流電源４６による放電ユニット４２ａへの正の電圧印加は、制御部３６により、成膜時に制御される。

図１に示すように、検出器４７ａ、４７ｂは、それぞれ放電ユニット４２ａ〜４２ｄの異常放電によるアークを検出するものであり、放電ユニット４２ａの上流側Ｄｕおよび放電ユニット４２ｄの下流側Ｄｄに設けられている。
各検出器４７ａ、４７ｂは、制御部３６に接続されており、制御部３６には、この検出器４７ａ、４７ｂからのアークの検出信号が入力される。このため、制御部３６においては、アーク発生、すなわち、異常放電の有無を検知することができる。
本実施形態においては、常時、最上流の放電ユニット４２ａに正の電位を印加するのではなく、異常放電を検出したときに、直流電源４６から、例えば、正の電圧Ｖ_Ｄを時間δ、最上流の放電ユニット４２ａの電極板５０に印加をしてもよい。このため、最上流の放電ユニット４２ａに正の電位を常時印加していれば、この検出器４７ａ、４７ｂは、必ずしも必要ではない。

スパッタガス供給部４８は、配管４８ａを介して、各放電ユニット４２ａ〜４２ｄとドラム２６の表面２６ａとの隙間Ｓに、アルゴンガス等のスパッタガスを供給するものである。このスパッタガス供給部４８は、アルゴンガスなどのスパッタガスが充填されたボンベ（図示せず）、およびマスフローコントローラ（図示せず）、または流量調節用バルブ（図示せず）などを有するものであり、配管４８ａに、例えば、マスフローコントローラ、または流量調節用バルブを介してボンベが接続されている。

反応ガス供給部４９は、配管４９ａを介して、各放電ユニット４２ａ〜４２ｄとドラム２６の表面２６ａとの隙間Ｓに、形成する膜の組成に応じた反応ガスを供給するものであり、酸化膜を形成する場合には、酸素ガスを供給し、窒化膜を形成する場合には、窒素ガスを供給する。この反応ガス供給部４９は、酸素ガス、または窒素ガスなどの反応ガスが充填されたボンベ（図示せず）、およびマスフローコントローラ（図示せず）、または流量調節用バルブ（図示せず）などを有するものであり、配管４９ａに、例えば、マスフローコントローラ、または流量調節用バルブを介してボンベが接続されている。

本実施形態において、例えば、基板Ｚの表面Ｚｆに、Ａｌ_２Ｏ_３膜を形成する場合、金属ターゲット５２に、アルミニウム製のものを用い、反応ガスに酸素ガスを用いる。アルミニウム原子が金属ターゲット５２から飛び出し、酸素ガスと反応して、Ａｌ_２Ｏ_３原子となり、Ａｌ_２Ｏ_３膜が形成される。
また、ＳｉＯ_２膜を形成する場合、金属ターゲット５２に、シリコン製のものを用い、反応ガスに酸素ガスを用いる。シリコン原子が金属ターゲット５２から飛び出し、酸素ガスと反応して、ＳｉＯ_２原子となり、ＳｉＯ_２膜が形成される。
さらには、ＳｉＮ膜を形成する場合、金属ターゲット５２に、シリコン製のものを用い、反応ガスに窒素ガスを用いる。シリコン原子が金属ターゲット５２から飛び出し、窒素ガスと反応して、ＳｉＮ原子となり、ＳｉＮ膜が形成される。

本実施形態の成膜装置１０においては、各放電ユニット４２ａ〜４２ｄとドラム２６の表面２６ａとの隙間Ｓに、出入り自在にシャッター（図示せず）を設けることが好ましい。このシャッターは、ドラム２６の表面２６ａおよび基板Ｚの表面Ｚｆに膜が形成されないようにするためのものであり、各放電ユニット４２ａ〜４２ｄの金属ターゲット５２から飛び出す金属原子を遮蔽する。シャッターは、例えば、各放電ユニット４２ａ〜４２ｄの全域を覆うように構成され、成膜時には、隙間Ｓから退避している。
なお、シャッターには、金属原子が付着するため、その付着した金属原子を、例えば、プラズマ、薬品、研磨などを用いて取り除くことが可能な除去機構を有することがより好ましい。

本実施形態においては、成膜時に、図２に示すように、ドラム２６の表面２６ａに基板Ｚを巻掛けて搬送する。このとき、基板ＺがプラズマＰに曝されると基板Ｚが加熱されて、基板Ｚが含有する水分または基板Ｚの表面Ｚｆに付着していた水分が蒸発し、この水分ｗがさらにプラズマＰにより分解されて酸素が生じる。これにより、金属ターゲット５２の表面５２ａに付着し、酸化物５６が形成される。特に、基板Ｚのうち、最初にプラズマＰに曝される部分は、放出される水分ｗが多く、最上流側に配置される放電ユニット４２ａの金属ターゲット５２の表面５２ａには、酸化物５６が優先的に形成される。成膜が進行すると酸化物５６がプラスに帯電する。

しかしながら、本実施形態においては、成膜時に、最上流側に配置される放電ユニット４２ａに、正の電圧Ｖ_Ｄを時間δ印加することにより、帯電した酸化物５６を中和することができる。これにより、異常放電の発生を抑制することができる。
放出される水分ｗが多い、ＰＥＴフィルム基板、ＰＥＮフィルム基板などの有機物により構成される基板、または有機層が形成された基板に対しても、優先的に形成される酸化物５６が帯電しても中和できるため、異常放電の発生を抑制することができる。

しかも、本実施形態においては、印加電圧値が高く放出される水分ｗが多い場合でも、正の電圧を所定時間印加することにより、帯電した酸化物５６を中和することができるため、印加電圧値を下げることなく成膜ができる。このため、成膜速度を下げることなく成膜することができる。このように、生産性を維持しつつ、異常放電を抑制することができる。

また、本実施形態においては、高い電力密度で成膜する場合でも、高い電力密度を維持しつつ成膜速度を下げることなく成膜ができる。具体的には、パルス電源４４ａ、４４ｂから電極板５０を介して各金属ターゲット５２に負の電圧（−Ｖ）を印加する際、例えば、いずれの金属ターゲット５２（放電ユニット４２ａ〜４２ｄ）においても電力密度の平均値が５．９ｋＷ／ｃｍ^２以上である。
なお、電力密度の平均値は、上述のように、金属ターゲット５２毎（放電ユニット４２ａ〜４２ｄ毎）に算出されるものである。この電力密度の平均値とは、パルス電源から放電ユニットの電極板を介して金属ターゲットに負の電位を供給している時間内における電力の平均値を、金属ターゲットの面積で除した値、すなわち、（金属ターゲットに負の電位を供給している時間内における電力の平均値）／（金属ターゲットの面積）の値のことである。

電力密度の平均値が５．９ｋＷ／ｃｍ^２以上であると、成膜の際のプラズマ生成密度が高く、基板Ｚからより多く水分が放出されて酸素が生じ、この酸素により、搬送方向の最上流側に配置された放電ユニット４２ａの金属ターゲット５２に形成される酸化物５６の局在化がより顕著となり、異常放電の発生の頻度も高くなる。しかしながら、成膜の際、酸化物の局在化が顕著になっても、最上流側に配置される放電ユニット４２ａに、正の電圧を所定時間印加することにより、局在化がより顕著な酸化物の帯電を中和でき、異常放電の発生を抑制することができる。

さらには、本実施形態においては、複数ある放電ユニット４２ａ〜４２ｄのうち、最上流に位置する放電ユニット４２ａだけに、直流電源４６を設けるだけであるため、設備コストの増加、および設置スペースの増加も抑制することができる。

上記本実施形態の効果は、デュアルマグネトロン方式により、有機物により構成される基板、または有機層が形成された基板を搬送しながら成膜する場合に、異常放電が生じる理由について、本願発明者が鋭意検討して得られた知見に基づくものである。

以下、本願発明者の知見について、図４（ａ）に示すように、２つの放電ユニット１００ａ、１００ｂが、パルス電源１００に接続されている構成を例にして説明する。
２つの放電ユニット１００ａ、１００ｂは、構成が同じであり、放電ユニット１００ａは、電極１０２表面に金属ターゲット１０４が配置されており、電極１００の裏面にはマグネット（図示せず）が配置されている。
金属ターゲット１０４の上方に、反応ガスおよびスパッタガスを供給し、パルス電源１１０により、各放電ユニット１００ａ，１００ｂに交互に電圧が印加されて、プラズマが生成されて、スパッタリングがなされる。この２つの放電ユニット１００ａ、１００ｂが成膜部分を構成する。

印加電圧が高い場合（高電力印加時）においては、基板Ｚが搬送方向Ｄで搬送されて、放電ユニット１００ａの上方（成膜部分）に到達した瞬間、高電力による密度の高いプラズマＰによって基板Ｚが加熱され、基板Ｚに含有される空気、水分が放出されて、水分ｗがプラズマＰで分解されて酸素を生じる。このように、プラズマＰによる基板の表面の分解などで酸素が生じ、この酸素が放電ユニット１００ａのターゲット１０２のうち、搬送方向Ｄ上流側の非エロージョン部分に集中して大きな酸化物１０６ａを発生させる。このように、酸化物１０６ａが局在化して発生し、これに起因して、異常放電が発生すると考えられる。

酸化物が局在化することで異常放電が生じることについて、推定されるメカニズムは以下のとおりである。
酸化物の付着の初期状態では、ひとつひとつの酸化物の塊が独立しており、プラズマへの表面積が大きく、中和する電子の飛来量が大きい。また金属ターゲットとの接触面積が小さいため、すなわち、抵抗が大きい。このため、絶縁破壊による異常放電は起きない。
酸化物の付着量が多くなり、酸化物の塊同士が接触し始めると、プラズマへの表面積が小さくなり、中和する電子の飛来量が減り、また金属ターゲットとの接触面積が大きくなり、すなわち、抵抗が減る。このため、異常放電が生じやすい。

これに対して、印加電圧が低い場合（低電力時）においては、図４（ｂ）に示すように、搬送される基板Ｚが、放電ユニット１００ａの上方（成膜部分）に到達しても、プラズマＰの密度が小さく、基板Ｚが加熱される程度も小さい。このため、基板Ｚに含有される空気、水分が徐々に放出されて、水分ｗがプラズマＰで分解されて徐々に酸素が生じる。このため、酸化物１０６は搬送方向Ｄに平均的に生成され、酸化物１０６ａが局在化して発生することなく、異常放電が生じにくい。しかしながら、印加電圧が低い場合には、成膜速度が遅くなり、生産性が低下する。

以上のように、高電力印加時には、成膜部分に差し掛かった瞬間に集中して酸素が発生し、またプラズマ密度も高く反応性が高いために、酸化の局在化が起きると考えられる。
このことから、搬送方向における最上流側に配置された放電ユニットにおいて、電子を中和するために正の電位を印加する手段を設けることにより、印加電圧値が高い場合でも、異常放電を抑制することができることを知見した。

次に、本実施形態の成膜装置１０の成膜方法について説明する。
成膜装置１０は、供給室１２から成膜室１４を経て巻取り室１６に至る所定の経路で、供給室１２から巻取り室１６まで長尺な基板Ｚを通して搬送しつつ、成膜室１４において、基板Ｚに膜を形成するものである。

成膜装置１０においては、長尺な基板Ｚが、例えば、反時計回り巻回された基板ロール２０からガイドローラ２１を経て、成膜室１４に搬送される。成膜室１４においては、ガイドローラ２４、ドラム２６、ガイドローラ２８を経て、巻取り室１６に搬送される。巻取り室１６においては、ガイドローラ３１を経て、巻取りロール３０に、長尺な基板Ｚが巻き取られる。長尺な基板Ｚを、この搬送経路で通した後、供給室１２、成膜室１４および巻取り室１６の内部を真空排気部３２により、所定の真空度（圧力）に保つ。

成膜部４０においては、成膜条件に基づいて、制御部３６により、パルス電源４４ａ、４４ｂから放電ユニット４２ａ〜４２ｄ（電極板５０、金属ターゲット５２）に印加する印加電圧（−Ｖ）、およびこの印加電圧を印加する時間（デューティー比）も決定されている。

次に、スパッタガス供給部４８から配管４８ａを介して、スパッタガスとして、アルゴンガスを所定の量供給するとともに、反応ガス供給部４９から配管４９ａを介して、隙間Ｓに反応ガス（酸素ガス、窒素ガス等）を所定の量供給する。この場合、設定された成膜条件に基づいて、真空排気部３２により、成膜室１４内は、例えば、１Ｐａ以下の成膜圧力に保持される。

次に、パルス電源４４ａ、４４ｂから、成膜時に、負の電圧（−Ｖ）を各電極板５０（金属ターゲット５２）に印加し、プラズマＰを生成させる。このプラズマＰによりイオン化したアルゴンガスが金属ターゲット５２の表面５２ａに衝突し、金属ターゲット５２から金属原子が飛び出す。この金属原子が反応ガスと反応して金属化合物となり、金属化合物として基板Ｚの表面Ｚｆに付着し、金属化合物の膜が形成される。

本実施形態において、成膜時に、放電ユニット４２ｃ、４２ｄとの組には、例えば、デューティー比５０％で、印加電圧−Ｖを交互に印加する。
最上流に位置する放電ユニット４２ａと、放電ユニット４２ｂとの組には、図３に示すように印加電圧パターン６０および印加電圧パターン６２で、印加電圧−Ｖを交互に印加するとともに、最上流の放電ユニット４２ａに負の電圧が印加されていないとき、正の電圧Ｖ_Ｄを時間δ（印加電圧パターン６４）、最上流の放電ユニット４２ａに印加する。
このように、成膜時に、最上流側に配置される放電ユニット４２ａに正の電圧Ｖ_Ｄを時間δ印加することにより、酸化物５６が形成されて帯電しても中和され、異常放電の発生が抑制される。

そして、順次、長尺な基板Ｚが反時計回り巻回された基板ロール２０をモータにより時計回りに回転させて、長尺な基板Ｚを連続的に送り出し、ドラム２６を所定の速度で回転させつつ、成膜部４０により長尺な基板Ｚの表面Ｚｆに連続的に膜を形成する。これにより、表面Ｚｆに所定の膜が形成された基板Ｚ、すなわち、膜の性質または種類に応じて機能性フィルムＦが製造される。表面Ｚｆに所定の膜が形成された基板Ｚが、ガイドローラ２８、およびガイドローラ３１を経て、巻取りロール３０に、成膜された長尺な基板Ｚ（機能性フィルムＦ）が巻き取られる。
このようにして、本実施形態の成膜装置１０の成膜方法においては、表面Ｚｆに所定の膜ｆが形成された基板Ｚ、すなわち、機能性フィルムＦを製造することができる。

本実施形態において、例えば、機能性フィルムとして、ガスバリアフィルム（水蒸気バリアフィルム）を製造する際には、ガスバリア膜として、窒化ケイ素膜、酸化アルミニウム膜、酸化ケイ素膜等の無機膜を成膜する。
また、機能性フィルムとして、有機ＥＬディスプレイおよび液晶ディスプレイのような表示装置などの各種のデバイスまたは装置の保護フィルムを製造する際には、膜として、酸化ケイ素膜等の無機膜を成膜する。
さらに、機能性フィルムとして、光反射防止フィルム、光反射フィルム、各種のフィルタ等の光学フィルムを製造する際には、膜として、目的とする光学特性を有する膜、または目的とする光学特性を発現する材料からなる膜を成膜する。

本実施形態において、成膜する膜は、特に限定されるものではなく、反応性スパッタリングによって成膜可能なものであれば、製造する機能性フィルムに応じて要求される機能を有するものが適宜形成することができる。また、膜の厚さにも、特に限定はなく、機能性フィルムに応じて要求される性能に応じて、必要な膜さを適宜決定すればよい。
さらに、成膜する膜は、単層に限定はされず、複数層であってもよい。膜を複数層形成する場合には、各層は、同じものであっても、互いに異なるものであってもよい。

なお、本実施形態においては、放電ユニット４２ａ〜４２ｄを、２つの組みとしたが、本発明は、これに限定されるものではない。例えば、各放電ユニット４２ａ〜４２ｄに、パルス電源を設ける構成としてもよい。この場合でも、放電ユニット４２ａには、成膜のため（スパッタリングのため）の印加電圧（−Ｖ）を掛けていないときに、正の電圧ＶＤを時間δ、印加させる。これにより、本実施形態と同様の効果を得ることができる。

本実施形態の成膜装置１０においては、反応性スパッタリング法を例にして、説明したが、これに限定されるものではない。基板Ｚが搬送された際に、基板Ｚに水分が含まれており、プラズマに曝されることにより、水分が放出されて酸化物が形成されるものであれば、スパッタリング法であっても、本実施形態と同様の効果を得ることができる。

以上、本発明の成膜装置について詳細に説明したが、本発明は、上記実施形態に限定はされず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのは、もちろんである。

本発明の実施形態に係る成膜装置を示す模式図である。 図１に示す成膜装置の成膜部の要部を示す模式図である。 縦軸に電圧をとり、横軸に時間をとって、最上流に位置する放電ユニットと、それと組みをなす放電ユニットとに印加する印加電圧のパターンを示すグラフである。 （ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態の効果を説明するための模式図である。

符号の説明

１０ 成膜装置
１２ 供給室
１４ 成膜室
１６ 巻取り室
２０ 基板ロール
２１，２４，２８，３１ ガイドローラ
３０ 巻取りロール
３２ 真空排気部
３６ 制御部
４０ 成膜部
４４ａ、４４ｂ パルス電源
Ｄ 搬送方向
Ｚ 基板

Claims (11)

1. 成膜室内で長尺の基板を所定の搬送方向に搬送しつつ、スパッタリングを行い前記基板の表面に所定の膜を形成する成膜装置であって、
   前記成膜室内を所定の真空度にする真空排気部と、
   前記基板の表面に対向し、かつ前記搬送方向に沿って配置された複数の金属ターゲットと、
   前記各金属ターゲットに負の電圧を印加する第１の電源部と、
   前記金属ターゲットのうち、前記搬送方向の最上流側に配置された金属ターゲットに正の電圧を印加する第２の電源部と、
   前記基板の表面と前記各金属ターゲットとの間にスパッタガスを供給するスパッタガス供給部と、
   成膜時に、前記第１の電源部により前記各金属ターゲットに負の電圧を所定の時間間隔で所定時間印加させるとともに、前記最上流側に配置された金属ターゲットに前記第１の電源部から負の電圧を印加していないとき、前記第２の電源部により前記最上流側に配置された金属ターゲットに前記正の電圧を印加させる制御部とを有することを特徴とする成膜装置。
2. さらに、前記基板の表面と前記各金属ターゲットとの間に反応性ガスを供給する反応性ガス供給部を有し、前記成膜時に、前記反応ガスを供給する請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記各金属ターゲットには、それぞれマグネットが設けられている請求項１または２に記載の成膜装置。
4. 前記膜は、ガスバリア膜である請求項１〜３のいずれか１項に記載の成膜装置。
5. 前記ガスバリア膜は、酸化アルミニウム膜である請求項４に記載の成膜装置。
6. 前記第１の電源部は、パルス電源または高周波電源である請求項１〜５のいずれか１項に記載の成膜装置。
7. 複数の金属ターゲットに対向して、長尺の基板を所定の搬送方向に搬送しつつ、スパッタリングを行い前記基板の表面に所定の膜を形成する成膜方法であって、
   前記基板と前記各金属ターゲットとの間にスパッタガスを供給する工程と、
   前記各金属ターゲットに負の電圧を所定の時間間隔で所定時間印加するとともに、前記最上流側に配置された金属ターゲットに負の電圧を印加していないとき、前記最上流側に配置された金属ターゲットに前記正の電圧を印加する工程とを有することを特徴とする成膜方法。
8. 前記基板と前記各金属ターゲットとの間にスパッタガスを供給する工程においては、さらに、前記基板の表面と前記各金属ターゲットとの間に反応性ガスを供給する請求項７に記載の成膜方法。
9. 前記各金属ターゲットに負の電圧を印加する際、各金属ターゲットにおける電力密度の平均値が５．９ｋＷ／ｃｍ^２以上である請求項７または８に記載の成膜方法。
10. 前記膜は、ガスバリア膜である請求項７〜９のいずれか１項に記載の成膜方法。
11. 前記ガスバリア膜は、酸化アルミニウム膜である請求項１０に記載の成膜方法。

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