JP3633810B2

JP3633810B2 - Vacuum deposition equipment

Info

Publication number: JP3633810B2
Application number: JP01126199A
Authority: JP
Inventors: 隆弘窪田; 浩藤田; 司大嶋; 清司伊関
Original assignee: Toyobo Co Ltd
Current assignee: Toyobo Co Ltd
Priority date: 1999-01-20
Filing date: 1999-01-20
Publication date: 2005-03-30
Anticipated expiration: 2019-01-20
Also published as: JP2000212732A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は各種フィルム状製品の製造に適する真空蒸着装置に関し、詳しくは、真空槽内を走行するフィルムに異なる元素からなる混合膜を形成するための真空蒸着装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
真空槽中を走行する高分子フィルムに薄膜を蒸着・形戒する方法として、例えば特開平２−２３６２７３号公報に記載されている方法がある。この方法は、移動する高分子フィルムと直行する方向に、高分子フィルムの幅方向を越えて対向・配置された横長の蒸発源に、無走査電子銃から電子線を照射して加熱し、高分子フィルム上に薄膜を形成させる。そして、電子銃から電子線を照射する際、電子線が蒸着源の各位置で同じ入射角度になるように磁界を制御して行うようになっている。
【０００３】
しかしながら、この方法では蒸着した膜厚をモニタする手段が無いため、例えば、真空槽の真空度が変化したり、蒸着材料の表面形状が変化するなどにより蒸着速度が変化した場合に、蒸着膜の厚みが変化して一定しないという問題があった。又、この方法は、複数の蒸着材料を同時に蒸着させて、これらの蒸着材料による混合膜を高分子フィルム上に形成することはできない。
【０００４】
かかる問題を解決するために発明された真空蒸着装置として、例えば、真空槽内の蒸着源を電子銃で加熱した際の蒸発量の一部を検出する検出器と、この検出器での検出値に基づいて前記蒸着源の出力を制御する手段とを備えた構造のものがある。この方式の検出器は水晶振動子を備えていて、水晶振動子に蒸着膜が付着すると、膜厚に依存して振動周波数が変動する原理を利用している。この真空蒸着装置は、蒸着源からの蒸発量の一部を制御指標として高分子フィルム上に製膜された薄膜の厚みを間接的に制御する。
【０００５】
しかしながら、上述した検出器は種類の異なる複数の蒸着源を有する場合には、検出した信号を各々の成分情報に分解することができず、その結果、化学組成比および厚みの制御の精度が著しく低下するという問題があった。又、間接制御のために、例えば蒸着時の蒸発ビーム方向が変わった場含には、検出器の測定値と実測値が合わなくなることもあった。更に、上記検出器は検出器への総蒸着量の制限から、長時間の連続計測を行う場合に、計測途中で検出器を切り替える等の対策が必要となり、計測の信頼性にも間題があった，
かかる問題を解消した装置として、例えば特開平１−２０８４６５号公報に記載の装置がある。この装置は、蒸着後の基板上の蒸着膜に電子線を鋭角に入射して特性Ｘ線を励起させるための電子銃と、この特性Ｘ線強度を測定する検出器と、この検出器での検出値に基づいて各蒸着源の出力を制御する手段とを備える。この装置では、蒸着薄膜の直接計測が可能なため、上述した装置に比べて製膜性は向上する。
【０００６】
しかしながら、上記特性Ｘ線はＲＨＥＥＤ（高エネルギー電子線）を蒸着膜に鋭角に入射することにより励起されるため、蒸着薄膜のごく表層の情報しか得ることができない。つまり、蒸着薄膜全体の情報が得られるわけではないため、混合膜の組成比および総厚みが一定である蒸着膜を製膜する装置としては、十分な情報が得られず問題であった。又、特性Ｘ線の励起源が高エネルギー電子線であることから、照射された部分の蒸着膜表面を破損するという問題もあった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の装置では２種類の成分からなる混合膜を走行フィルムの幅方向および走行方向に均一に分散・形成させ、しかも一定の組成比および厚みとなるように、長時間連続的に、且つ、安定に形成することは困難であった。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上記従来技術の有する問題点を解消し、走行中のフィルム表面に異なる元素からなり、所定の組成比および目標厚みを有する混合膜を、連続的、且つ均−に形成できる真空蒸着装置を提供することにある。尚、本発明において「フィルム」とは、幅および長さに対して厚みの薄い形状の材料を総称するものとし、本来のフィルムのみならずシート状材料を含む概念として用いる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、請求項記載の発明により達成される。すなわち、本発明に係る真空蒸着装置の特徴構成は、真空槽内を走行するフィルムに異なる元素からなる混合膜を形成する真空蒸着装置において、異なる種類の蒸着材料を保持可能な保持手段と、前記蒸着材料を加熱して蒸着させる加熱手段と、この加熱手段によ形成された前記フィルム上の混合膜にＸ線を照射するＸ線照射手段と、このＸ線照射手段により励起された特性Ｘ線の強度を測定する半導体検出器と、前記混合膜の各成分毎の厚みデータを出力する測定手段とを備えていて、前記測定手段にて出力された厚みデータに基づいて、前記加熱手段を自動的に制御する制御手段を備えると共に、前記制御手段は、複数の厚みモニタ装置により測定される厚みデータを基に前記各厚みモニタ装置間の蒸着膜の厚みデータを近似予測する演算手段を備えることにある。
【００１０】
この構成によれば、保持手段に保持された異なる種類の蒸着材料から蒸発した蒸着成分により、走行フィルムに形成された混合膜から、直接、且つリアルタイムで各成分毎の特性Ｘ線強度を測定できるので、かかる測定値から各々の混合膜形成成分の厚みデータに換算・出力でき、この厚みデータに基づいて、例えば別に設けた制御手段により予め設定された各成分の目標値と比較し、これらの偏差値を求める等の処理が可能になる。このようにすると、かかる処理に基づいて加熱手段をフィードバック制御することができるようになり、所定の化学組成を有し、旦つ目標とする厚みの混合膜を高精度にフィルムに製膜できる。しかも、蒸着された混合膜形成成分の厚みデータを検出するのにＸ線を照射するようにしているため、高エネルギー電子線の照射と異なり、混合膜を破損することがない。又、半導体検出器を用いるので、装置全体がコンパクトに構成でき、複数の検出器の配置をしても広いスペースを占めることがなく、フィルム幅方向にわたって高精度の測定が可能になる。しかも、前記測定手段にて出力された厚みデータに基づいて、前記加熱手段を自動的に制御する制御手段を備えているので、出力された厚みデータに対応して加熱手段を制御することにより、フィルムの全幅、全長さ方向にわたって所望の厚みに製膜できて都合がよい。更に、前記制御手段は、複数の厚みモニタ装置により測定される厚みデータを基に前記各厚みモニタ装置間の蒸着膜の厚みデータを近似予測する演算手段を備えているため、測定された情報を基に測定点間の厚みを近似予測することから、制御性は一層向上すると共に、特に少ない厚みモニタ装置の配置でも精度の良い制御ができて都合がよい。その結果、走行中のフィルム表面に異なる元素の混合膜の組成比および目標厚みを有する混合膜を連続的、且つ均一に形成できる真空蒸着装置を提供することができた。
【００１１】
前記Ｘ線照射手段は、厚みを測定する混合膜に対して略垂直に照射することが好ましい。このようにすることにより、励起される特性Ｘ線を混合膜の厚み方向全体の情報として得ることができて都合がよい。ここに「略垂直」とは、計測上厳密な意味での垂直のみならず、その近似姿勢を含む概念として用いる。
【００１２】
前記Ｘ線照射手段および前記検出器からなる厚みモニタ装置は、フィルム幅方向に略等間隔で千鳥状に配置されるか、又は、フィルム幅方向に―列に略等間隔で配置されることが好ましい。厚みモニタ装置を千鳥状に配置すると、厚みモニタ装置の形状の制約を受け難いため、混合膜の全幅において多くの厚み情報を同時に、且つリアルタイムに正確な計測できて都合がよい。又、厚みモニタ装置をフィルム幅方向に対して一列に略等間隔で配置すると、装置数が少なくて済み比較的安価に構成できて、しかも混合膜の略全幅を同時に、且つリアルタイムに計測できて都合がよい。しかも、上記のようにすると複数の厚みモニタをフィルム幅方向に対面配置しても、厚みを測定する混合膜に対してＸ線を略垂直に照射できる。ここに「略等間隔」とは、計測上厳密な意味での等間隔のみならず、多少の間隔のずれを含む概念として用いる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態における真空蒸着装置の概略構造を示す。この真空蒸着装置は、フィルム状の被蒸着材料として、ポリエチレンテレフタレ−ト（ＰＥＴ）などの高分子フィルムを例に用いた。真空槽６の巻き出しロール１にセットされた高分子フィルム１８は冷却ロール３上を走行し、測定ロール５を通り、巻き取りロール２で巻き取られる。真空槽６内の真空度は、油拡散ポンブ（図示略）等からなる排気系１０により所定の真空度に維持される。尚、図番８は被蒸着材料上に均一で良好な蒸着膜を形成するための遮蔽板である。
【００１６】
真空槽６の底部に、蒸着材料１６を保持する保持手段の一例である坩堝９が配置されていて、この坩堝９は、加熱手段の一例である電子銃４に向かって高分子フィルム１８の被蒸着面と平衡関係を保ちながら低速で移動するようになっている。つまり、坩堝９は移動する高分子フィルムに対して蒸着条件が一定に保たれるように、図１の電子銃４に対して接近または離間することにより、坩堝９内に収納されている蒸着材料を照射する電子線の照射条件（電子銃と電子材料との距離など）ができるだけ一定になるように配置されている。電子銃４は、坩堝９に収納された蒸着材料１７に対して電子線１９を照射する。電子線１９により加熱・蒸発された蒸着材料の一部は、冷却ロール３上を走行する高分子フィルム１８の被蒸着面に蒸着される。
【００１７】
次に、真空槽６の上部に配置され、高分子フィルム１８の表面に蒸着された薄膜の厚みを測定するための厚みモニタ装置７について説明する。このモニタ装置７には、膜構成成分から特性（蛍光）Ｘ線を励起させるためのＸ線発生装置７ａが測定ロール５に対して略垂直に配置されている。Ｘ線発生装置７ａから、測定ロール５上を走行する蒸着後の高分子フィルム１８に略垂直に照射されたＸ線により励起された特性Ｘ線の―部は、測定ロール５表面に対して３０°の角度に配置されたＳｉ（Ｌｉ）半導体（シリコンを添加したリチウム半導体）検出器７ｂに導かれる。半導体検出器７ｂでは、入射する特性Ｘ線のエネルギーに比例した微弱電流パルスが生じる。この電流パルスは、プリアンプ１１にて電流パルスの量に比例した電圧パルスに変換される。更に、アンプ１２によって増幅された後、波高分析器１３にてエネルギースペクトルが形成される。このエネルギースペクトルに変換された特性Ｘ線強度は、厚み演算器１４にて各々の元素での厚みに変換された後、制御量演算器１５に入力される。ここに、前記厚みモニタ装置７、プリアンプ１１、アンプ１２、波高分析器１３、厚み演算器１４は、オンライン厚み測定手段を構成する。
【００１８】
制御量演算器１５は、予め設定された各元素の目標とする基準厚みデータと、入力された各々の測定厚みデータとを比較して偏差値を求める。得られた偏差値情報に基づいて、電子銃を制御するために制御データが自動的に生成される。この制御データは、電子銃制御装置１６に送られる。電子銃制御装置１６は、入力された制御デ−タに従って電子銃４の投入電力と電子線の走査時間を制御する。ここに、制御量演算器１５、電子銃制御装置１６は制御手段を構成する。
【００１９】
【実施例】
以下に、実際に行った例を参考例と共に示す。
【００２０】
（参考例）
蒸着にされる高分子フィルム１８として、ポリエチレンテレフタレ一ト（ＰＥＴ）フィルム（東洋紡績（株）製、Ｅ５１００：商品名）を用いた。その他使用可能な高分子フィルムとしては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ナイロン６、ナイロン６６、ナイロン１２、ナイロン４、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン等が挙げられるが、高分子フィルムとして特に材料に限定されるものではない。
【００２１】
蒸着材料（蒸着源）として３〜５ｍｍ程度の大きさの粒子状をした酸化アルミニウム（Ａｌ₂ ０₃ 、純度９９．５％）と酸化珪素（ＳｉＯ₂ 、純度９９．９％）を用いた。これらの材料を保持する一個の坩堝は銅製であり、底部に外形２０ｍｍΦの冷却用水冷管２１を設けた構造とした。冷却水の流量は略４ｍ³である。この坩堝９内には、蒸着材料をフィルム幅方向に対向して交互１列に配置させるために、２ｍｍ厚みのカーボン製しきり板２０を幅方向１００ｍｍ間隔で配置させ、計８ブロックの材料を収納できる構造とした。このしきり板２０は、後述する電子銃４の電子線１９が各蒸着材料に入射される角度と略等しい角度に傾斜して配置されている。しきり板２０によって確保された各ブロックには、前記２種類の蒸着材料を交互に均一に収容した。図２、３に、本参考例で用いた坩堝９の概略構造を示す。
【００２２】
電子銃４として、２５０ｋＷのものをフィルム幅方向に平行に配置した坩堝９に対面するように配置した。この電子銃４により、坩堝内に交互配置されたＳｉＯ₂が４ブロック、Ａｌ₂ Ｏ₃ が４ブロックの計８ブロックの蒸着材料を蒸着させる仕様とした。この参考例では１台の電子銃を便用したが、坩堝９に投入する総エネルギー量が１台で確保できない場合や広幅の高分子フィルムを蒸着する場合などでは、複数の電子銃を使用して、蒸着領域を分割する方法を採用してもよく、電子銃の設置台数は特に限定されない。
【００２３】
蒸着中の真空槽内圧力は、４×１０^−４Ｐａ以下を常時確保できるような排気系とした。具体的には、５００００Ｌ／秒の油拡散ポンプを真空槽底部に直接接続する構造にした。尚、蒸着後の混合膜層の厚みは、測定ロールの略真上で、且つ高分子フィルム１８の幅方向の中央に配置された厚みモニタ装置７にて連続的に測定した。
【００２４】
次に、厚みモニタ装置７を詳細に説明する。まず、ロジウムのＸ線管７ａに４０ｋＶ、５０ｍＡの電流を流して、測定ロール５上を走行中のフィルム１８に垂直に一次Ｘ線を照射した。この場合、フィルム１８上の蒸着膜に照射されるＸ線は、コリメートされた３０ｍｍφの光束である。このＸ線により励起された特性（蛍光）Ｘ線の一部は、混合膜の測定位置から略等距離にあり、且つ測定ロール面５に対して略３０゜の入射角度で配置された半導体検出器７ｂに導かれる。半導体検出器７ｂはＳｉとＡｌの元素成分の特性エネルギ−強度を受けると微弱電流を出力し、電圧値（０〜５Ｖ）に変換された後、Ａ／Ｄ変換器（図示略）にて１２ビットのデジタル信号に変換され出力される。尚、本参考例では半導体検出器をＳｉ（Ｌｉ）半導体検出器としたが、Ｇｅ（Ｌｉ）半導体検出器や高純度Ｇｅ半導体検出器または高純度Ｓｉ半導体検出器を使用しても良く、特に半導体の組成を限定するものではない。但し、エネルギー分布が均衡しているＳｉとＡｌのような元素の厚みを測定する場合に、エネルギー分解能の高いＳｉ（Ｌｉ）半導体検出器を用いることが好ましい。
【００２５】
その他の特性Ｘ線の検出方法として比例計数管等を用いる方法があるが、これらは、事前に特性Ｘ線波長を対象元素に依存する波長に絞るための結晶分光板が必要となることや、抽出する元素の数だけ分光結晶板と比例係数菅が必要となるため、装置が大掛かりになるという問題がある。
【００２６】
波高分析器１３に入力されたデジタル信号は、横軸がエネルギー、縦軸が計数値（強度）のエネルギースペクトルに変換される。このスペクトルデータから、Ｓｉのエネルギーである１．８４ｋｅＶの強度とＡｌのエネルギーである１．５６ｋｅＶの強度を求めて厚み演算器１４にて各々の厚みに換算した。尚、換算法は厚みが既知である複数の蒸着サンプルでの蒸着膜厚とＸ線強度の検量線を事前に作成しておき、この検量線に基づいて厚みデータに変換する方法を採用した。
【００２７】
厚みモニタ装置７は、フィルムの幅方向では各蒸着材料の略真上に配置できるように、干鳥状に２列に計８台を配置した。その配置例を図６（ａ）に示す。各厚みモニタ装置７の幅方向の間隔は、１００ｍｍである。尚、千鳥配置の間隔、配列数および台数などは、蒸着フィルムの幅寸法や蒸着薄膜の要求品質に基づいて決定すれば良く、特に限定されるものではない。
【００２８】
厚み演算器１４で演算されて出力された厚みデータは、制御量演算器１５に送られる。ここでは、厚みデータに基づいて電子銃の投入電力量と電子線の滞在時間が計算される。これらの制御データは、実験にて求められる各々の坩堝での蒸発速度（蒸着厚みに相当）と投入エネルギーとの関係式を基に計算した。図４は、坩堝９での投入エネルギ−とフィルム堆積厚みとの関係を表した結果である。図中、Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４は坩堝中のＡｌ_２Ｏ_３の各位置を示し、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４は坩堝中のＳｉＯ_２の各位置を示すもので、交互に異なる成分が隣接して、フィルムの幅方向に対向するように順次配置されている。図４から判るように、現在の厚みと目標値との偏差値に相当するエネルギ−量を現在値に加算または減算して出力することにより、目的の厚み及び組成比に制御できる。但し、こらの材料に投入されるエネルギーは、同じ電子銃４から照射される電子線１９が源であるため、実際は電子線の滞在時間を各々の坩堝に対して変化させることにより各材料へ投入されるエネルギーを分配できる。これらの関係式を次に示す。
【００２９】
ｔａ_n ＝［Ｐａ_n ／（ΣＰａ＋ΣＰｓ）］×ｔ０
ここに、
ｔａ_n ：酸化アルミニウム・ブロックｎでの電子線走査時間
Ｐａ_n ：酸化アルミニウム・ブロックｎに投入するエネルギー量
ΣＰａ：計４ブロックの酸化アルミニウムに投入する総エネルギ量
ΣＰｓ：計４ブロックの酸化珪素に投入する総エネルギー量
ｔ０：ハードウェアーに依存する時間定数（ｍｓ：ミリセカンド）
各蒸着ブロックから蒸発するガスの分布は、坩堝中の各蒸着材料の蒸発特性を示す図５の３１（酸化珪素・ブロックからの蒸発成分）、３２（酸化アルミニウムーブロックからの蒸発成分）に示すように、真上が最も強度が高く、横に広がる程、強度が低下する分布を示す。この分布強度および形状は、電子ビ−ムの強度、電子線が入射される角度、電子銃と坩堝までの距離および蒸発面積に主に依存する。従って、薄膜を形成するフィルムの幅方向および走行方向に組成比が同じで、且つ目標とする総厚みが均一な膜を形成させるためには、蒸着材料の配置が最も重要である。本参考例における材料の配置は、図２、３に示す通りであり、電子銃と最も近い坩堝表面までの距離を１０００ｍｍとした。尚、図中Ａ、Ｓは夫々Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＳｉＯ₂が収納されていることを示す。
【００３０】
蒸着材料は、図３に示す薄いしきり板２０で材料を分割して配置し、前述した条件にて高分子フィルム１８の蒸着を行った。フィルムの走行速度は３００ｍ／分であり、計４０，０００ｍを蒸着した。坩堝は、電子銃方向に向かって２ｍｍ／分の速度で移動させた（駆動装置は図示略）。
自動制御の効果を確認するために自動制御を行った場合と、モニタ装置のみ動作状態として制御系を切り離した場合とを比較した。尚、自動制御の制御周期は３０秒とした。その結果を表１に示す。自動制御を行わない場合には、総厚み変動および組成比変動が大きいのに対して、自動制御を行うと、非常に安定な膜が形成されることが判る。
【００３１】
（実施例１）
厚みモニタ装置７を、フィルム幅方向に一列に等間隔に計４台配置した。配置例を図６（ｂ）に示す。各モニタ装置７の幅方向の間隔は、２００ｍｍである。本実施例では、参考例のように各蒸着材料真上の蒸着膜の厚みすべては計測できない。この課題を解決するために、測定データを基にその間の厚みを直線近似にて予測して各坩堝を制御する方法を実施した。尚、本実施例では近似予測手段を一次式にて行ったが、測定点が多い場含には多項式による近似などでも良く、特に限定するものではない。その他の実施条件は、参考例と同じである。
【００３２】
自動制御の効果を確認するために自動制御を行った場合と、厚みモニタ装置のみ動作状態として制御系を切り離した場合とを比較した。尚、自動制御の制御周期は３０秒とした。その結果を表１に示す。自動制御を行わない場合には総厚み変動および組成比変動が大きいのに対して、自動制御を行うと、非常に安定な膜が形成されることが判る。
【００３３】
【表１】

〔別実施の形態〕
（１）上記実施形態では、真空槽としていわゆる１チャンバー式を用いた例を示したが、フィルム等の被蒸着材料を走行する室と蒸着材料を加熱する室とを異なる減圧状態にして真空蒸着を行う、いわゆる２チャンバー式の装置にも、本発明を適用できる。
【００３４】
（２）上記実施形態では、被蒸着材料の巻き出しロール及び巻き取りロールを真空槽内に配置した例を示したが、巻き出しロール及び巻き取りロールを蒸着する真空槽外に配置し、蒸着を高真空槽内で行う連続方式の装置にも適用できる。
【００３５】
（３）上記実施形態では、フィルム状の被蒸着材料として高分子フィルムを例に挙げたが、被蒸着材料としては紙、布などでもよい。又、蒸着材料として、上記した酸化アルミニウムと酸化珪素以外に、種々の元素、化合物を使用することができ、更に２種以上の蒸着材料を用いて２種以上の元素または成分からなる混合膜を形成するようにしても良い。
【００３６】
（４）上記実施形態では加熱手段を電子銃としたが、坩堝を誘導加熱コイルにより加熱する蒸着装置にも適用できる。
【００３７】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば走行中のフィルム表面に異なる元素の混合膜の組成比および目標厚みを有する混合膜を、フィルム幅方向および走行方向に対して長時間連続的に、且つ均一に安定して形成できる真空蒸着装置を提供できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る真空蒸着装置の概略全体構成図
【図２】本発明の一実施形態に係る真空蒸着裴置に用いる坩堝とその配置を説明する図
【図３】図２の坩堝の構造を説明する図
【図４】坩堝投入エネルギー量とフィルム蒸着速度との関係を説明するグラフ
【図５】各蒸着材料ブロックの蒸着特性を説明するグラフ
【図６】モニタ装置の配置方法を説明する図
【符号の説明】
４加熱手段
６真空槽
７厚みモニタ装置
７ａＸ線照射手段
７ｂ半導体検出器
９保持手段
１５，１６制御手段
１８フィルム[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a vacuum deposition apparatus suitable for manufacturing various film-like products, and more particularly to a vacuum deposition apparatus for forming a mixed film composed of different elements on a film traveling in a vacuum chamber.
[0002]
[Prior art]
As a method for depositing and forming a thin film on a polymer film traveling in a vacuum chamber, for example, there is a method described in JP-A-2-236273. In this method, an elongate evaporation source facing and arranged across the width direction of the polymer film in a direction perpendicular to the moving polymer film is irradiated with an electron beam from a non-scanning electron gun and heated. A thin film is formed on the molecular film. And when irradiating an electron beam from an electron gun, it carries out by controlling a magnetic field so that an electron beam may become the same incident angle in each position of a vapor deposition source.
[0003]
However, since there is no means for monitoring the deposited film thickness in this method, for example, when the deposition rate changes due to a change in the vacuum degree of the vacuum chamber or a change in the surface shape of the deposition material, There was a problem that the thickness changed and was not constant. In addition, this method cannot simultaneously deposit a plurality of vapor deposition materials and form a mixed film of these vapor deposition materials on the polymer film.
[0004]
As a vacuum deposition apparatus invented to solve such a problem, for example, a detector for detecting a part of the evaporation amount when a deposition source in a vacuum chamber is heated by an electron gun, and a detection value by this detector And a means for controlling the output of the vapor deposition source based on the above. This type of detector includes a crystal resonator, and utilizes the principle that the vibration frequency varies depending on the film thickness when a deposited film adheres to the crystal resonator. This vacuum deposition apparatus indirectly controls the thickness of a thin film formed on a polymer film using a part of the evaporation amount from the deposition source as a control index.
[0005]
However, when the above-described detector has a plurality of different types of vapor deposition sources, the detected signal cannot be decomposed into each component information, and as a result, the chemical composition ratio and thickness control accuracy are remarkably high. There was a problem of lowering. Further, due to indirect control, for example, when the direction of the evaporating beam at the time of vapor deposition is changed, the measured value of the detector may not match the actual measured value. Furthermore, due to the limitation of the total deposition amount on the detector, measures such as switching the detector during the measurement are necessary when performing continuous measurement for a long time, and there is a problem with the reliability of measurement. there were,
As an apparatus for solving such a problem, there is an apparatus described in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 1-208465. This apparatus includes an electron gun for exciting an characteristic X-ray by injecting an electron beam into an evaporated film on a substrate after vapor deposition, a detector for measuring the characteristic X-ray intensity, and a detector Means for controlling the output of each vapor deposition source based on the detected value. Since this apparatus can directly measure the deposited thin film, the film forming property is improved as compared with the above-described apparatus.
[0006]
However, since the characteristic X-rays are excited by making RHEED (high energy electron beam) incident on the deposited film at an acute angle, only information on the very surface layer of the deposited thin film can be obtained. That is, since information on the entire deposited thin film cannot be obtained, sufficient information cannot be obtained as an apparatus for forming a deposited film having a constant composition ratio and total thickness of the mixed film. In addition, since the excitation source of characteristic X-rays is a high-energy electron beam, there is a problem that the surface of the deposited film is damaged.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the conventional apparatus, the mixed film composed of two kinds of components is uniformly dispersed and formed in the width direction and the running direction of the running film, and continuously for a long time so that the composition ratio and thickness are constant. In addition, it has been difficult to form stably.
[0008]
Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-described problems of the prior art, and to continuously and evenly mix a mixed film having a predetermined composition ratio and a target thickness, which is made of different elements on the running film surface. An object of the present invention is to provide a vacuum deposition apparatus that can be formed. In the present invention, “film” is a generic term for materials having a shape that is thin relative to the width and length, and is used as a concept including not only the original film but also a sheet-like material.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The above object can be achieved by the invention described in the claims. That is, the vacuum vapor deposition apparatus according to the present invention is characterized in that, in the vacuum vapor deposition apparatus for forming a mixed film made of different elements on a film traveling in a vacuum chamber, the holding means capable of holding different types of vapor deposition materials; Heating means for heating and evaporating the vapor deposition material, X-ray irradiation means for irradiating the mixed film on the film formed by the heating means with X-rays, and characteristic X-rays excited by the X-ray irradiation means A semiconductor detector for measuring the strength of the mixed film and a measuring means for outputting thickness data for each component of the mixed film, and the heating means is automatically operated based on the thickness data output by the measuring means. And a control means for controlling the thickness of the deposited film between the thickness monitor devices based on thickness data measured by a plurality of thickness monitor devices. In that it comprises means.
[0010]
According to this configuration, the characteristic X-ray intensity of each component can be measured directly and in real time from the mixed film formed on the traveling film by the vapor deposition components evaporated from different types of vapor deposition materials held in the holding means. Therefore, it can be converted and output from the measured value to the thickness data of each mixed film forming component, and based on this thickness data, for example, compared with the target value of each component preset by a separately provided control means, these Processing such as obtaining a deviation value can be performed. In this way, the heating means can be feedback-controlled based on such processing, and a mixed film having a predetermined chemical composition and a target thickness can be formed on the film with high accuracy. In addition, since the X-ray is irradiated to detect the thickness data of the deposited mixed film forming component, the mixed film is not damaged unlike the irradiation with the high energy electron beam. In addition, since the semiconductor detector is used, the entire apparatus can be configured compactly, and even if a plurality of detectors are arranged, a large space is not occupied and high-precision measurement can be performed in the film width direction. Moreover, since it has a control means for automatically controlling the heating means based on the thickness data output by the measurement means, by controlling the heating means corresponding to the output thickness data, Conveniently, the film can be formed to a desired thickness over the entire width and length of the film. Further, the control means includes a calculation means for approximating the thickness data of the deposited film between the thickness monitor devices based on the thickness data measured by a plurality of thickness monitor devices. Since the thickness between the measurement points is approximately predicted based on the control, the controllability is further improved, and it is convenient that the control can be performed with high accuracy even with a small number of thickness monitor devices . As a result, it was possible to provide a vacuum deposition apparatus capable of continuously and uniformly forming a mixed film having a composition ratio of a mixed film of different elements and a target thickness on the running film surface.
[0011]
It is preferable that the X-ray irradiation unit irradiates the mixed film whose thickness is to be measured substantially perpendicularly. By doing so, it is convenient that the characteristic X-rays to be excited can be obtained as information on the whole thickness direction of the mixed film. Here, “substantially vertical” is used as a concept including not only vertical in a strict sense in measurement but also its approximate posture.
[0012]
Thickness monitoring devices comprising the X-ray irradiation means and the detector may be arranged in a staggered pattern at substantially equal intervals in the film width direction, or may be arranged at substantially equal intervals in a row in the film width direction. preferable. If the thickness monitor devices are arranged in a staggered manner, it is difficult to be restricted by the shape of the thickness monitor device, and therefore, it is convenient that a large amount of thickness information can be accurately measured simultaneously in real time over the entire width of the mixed film. If the thickness monitor devices are arranged in a line in the film width direction at approximately equal intervals, the number of devices can be reduced and the device can be configured relatively inexpensively, and the entire width of the mixed film can be measured simultaneously and in real time. convenient. In addition, as described above, even if a plurality of thickness monitors are arranged facing each other in the film width direction, X-rays can be irradiated substantially perpendicularly to the mixed film whose thickness is to be measured. Here, “substantially equidistant” is used as a concept including not only an equidistant interval in a strict sense in measurement but also a slight misalignment.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic structure of a vacuum evaporation apparatus in the present embodiment. In this vacuum deposition apparatus, a polymer film such as polyethylene terephthalate (PET) is used as an example of a film-form deposition material. The polymer film 18 set on the unwinding roll 1 of the vacuum chamber 6 travels on the cooling roll 3, passes through the measurement roll 5, and is wound on the winding roll 2. The degree of vacuum in the vacuum chamber 6 is maintained at a predetermined degree of vacuum by an exhaust system 10 including an oil diffusion pump (not shown). Reference numeral 8 denotes a shielding plate for forming a uniform and good vapor deposition film on the vapor deposition material.
[0016]
A crucible 9, which is an example of a holding means for holding the vapor deposition material 16, is disposed at the bottom of the vacuum chamber 6, and the crucible 9 is directed to the electron gun 4 which is an example of a heating means. It moves at low speed while maintaining equilibrium with the deposition surface. That is, the vapor deposition material accommodated in the crucible 9 is moved closer to or away from the electron gun 4 of FIG. 1 so that the vapor deposition conditions are kept constant with respect to the moving polymer film. The electron beam irradiation conditions (such as the distance between the electron gun and the electronic material) are arranged as constant as possible. The electron gun 4 irradiates the electron beam 19 to the vapor deposition material 17 stored in the crucible 9. A part of the vapor deposition material heated and evaporated by the electron beam 19 is vapor deposited on the vapor deposition surface of the polymer film 18 running on the cooling roll 3.
[0017]
Next, the thickness monitor device 7 for measuring the thickness of the thin film disposed on the vacuum tank 6 and deposited on the surface of the polymer film 18 will be described. In the monitor device 7, an X-ray generator 7 a for exciting characteristic (fluorescence) X-rays from the film constituent components is arranged substantially perpendicular to the measurement roll 5. The-part of the characteristic X-rays excited by X-rays irradiated almost perpendicularly to the polymer film 18 after vapor deposition traveling on the measuring roll 5 from the X-ray generator 7a is 30% relative to the surface of the measuring roll 5. The Si (Li) semiconductor (lithium semiconductor doped with silicon) detector 7b arranged at an angle of ° is introduced. In the semiconductor detector 7b, a weak current pulse proportional to the energy of the incident characteristic X-ray is generated. This current pulse is converted into a voltage pulse proportional to the amount of the current pulse by the preamplifier 11. Further, after being amplified by the amplifier 12, an energy spectrum is formed by the wave height analyzer 13. The characteristic X-ray intensity converted into the energy spectrum is converted into the thickness of each element by the thickness calculator 14 and then input to the control amount calculator 15. Here, the thickness monitor device 7, the preamplifier 11, the amplifier 12, the wave height analyzer 13, and the thickness calculator 14 constitute an online thickness measuring means.
[0018]
The control amount calculator 15 compares the preset reference thickness data of each element with each input measured thickness data to obtain a deviation value. Based on the obtained deviation value information, control data is automatically generated to control the electron gun. This control data is sent to the electron gun control device 16. The electron gun control device 16 controls the input power of the electron gun 4 and the scanning time of the electron beam according to the input control data. Here, the control amount calculator 15 and the electron gun control device 16 constitute a control means.
[0019]
【Example】
An example actually performed is shown below together with a reference example .
[0020]
( Reference example )
As the polymer film 18 to be deposited, a polyethylene terephthalate (PET) film (manufactured by Toyobo Co., Ltd., E5100: trade name) was used. Other polymer films that can be used include polypropylene, polyethylene, nylon 6, nylon 66, nylon 12, nylon 4, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, and the like. is not.
[0021]
Aluminum oxide (Al ₂ O ₃ , purity 99.5%) and silicon oxide (SiO ₂ , purity 99.9%) having a particle size of about 3 to 5 mm were used as the vapor deposition material (vapor deposition source). One crucible for holding these materials is made of copper, and has a structure in which a cooling water cooling tube 21 having an outer diameter of 20 mmφ is provided at the bottom. The flow rate of the cooling water is approximately 4 m ³ . In this crucible 9, in order to arrange the vapor deposition materials in one row alternately facing the film width direction, carbon cutting plates 20 having a thickness of 2 mm are arranged at intervals of 100 mm in the width direction, and a total of 8 blocks of materials are stored. A structure that can be used. The threshold plate 20 is disposed so as to be inclined at an angle substantially equal to an angle at which an electron beam 19 of an electron gun 4 described later is incident on each deposition material. The two types of vapor deposition materials were alternately and uniformly accommodated in each block secured by the threshold plate 20. 2 and 3 show a schematic structure of the crucible 9 used in this reference example.
[0022]
As the electron gun 4, a 250 kW electron gun 4 was arranged so as to face the crucible 9 arranged in parallel to the film width direction. The electron gun 4 was designed to deposit a total of 8 blocks of vapor deposition material, 4 blocks of SiO _{2 and} 4 blocks of Al ₂ O ₃ arranged alternately in the crucible. In this reference example, one electron gun was used for convenience. However, when the total amount of energy input to the crucible 9 cannot be secured by one unit or when a wide polymer film is deposited, a plurality of electron guns are used. Thus, a method of dividing the vapor deposition region may be adopted, and the number of installed electron guns is not particularly limited.
[0023]
The pressure inside the vacuum chamber during vapor deposition was set to an exhaust system that can always ensure 4 × 10 ⁻⁴ Pa or less. Specifically, the oil diffusion pump of 50000 L / sec was directly connected to the bottom of the vacuum chamber. In addition, the thickness of the mixed film layer after vapor deposition was continuously measured by a thickness monitor device 7 disposed substantially directly above the measurement roll and in the center of the polymer film 18 in the width direction.
[0024]
Next, the thickness monitor device 7 will be described in detail. First, a 40 kV, 50 mA current was passed through the rhodium X-ray tube 7 a to irradiate primary X-rays perpendicularly on the film 18 running on the measuring roll 5. In this case, the X-ray irradiated to the vapor deposition film on the film 18 is a collimated 30 mmφ light beam. A part of the characteristic (fluorescence) X-rays excited by the X-rays is located at substantially the same distance from the measurement position of the mixed film and is detected at an incident angle of about 30 ° with respect to the measurement roll surface 5 Guided to vessel 7b. When the semiconductor detector 7b receives the characteristic energy and intensity of the elemental components of Si and Al, the semiconductor detector 7b outputs a weak current, is converted into a voltage value (0 to 5V), and then is converted to 12 by an A / D converter (not shown). It is converted into a bit digital signal and output. In this reference example, the semiconductor detector is a Si (Li) semiconductor detector, but a Ge (Li) semiconductor detector, a high purity Ge semiconductor detector, or a high purity Si semiconductor detector may be used. The composition of the semiconductor is not limited. However, when measuring the thickness of elements such as Si and Al in which the energy distribution is balanced, it is preferable to use a Si (Li) semiconductor detector with high energy resolution.
[0025]
There is a method using a proportional counter as another method for detecting characteristic X-rays, but these require a crystal spectroscopic plate for narrowing the characteristic X-ray wavelength to a wavelength depending on the target element in advance, Since the spectral crystal plate and the proportionality coefficient だけ are required for the number of elements to be extracted, there is a problem that the apparatus becomes large.
[0026]
The digital signal input to the wave height analyzer 13 is converted into an energy spectrum in which the horizontal axis is energy and the vertical axis is a count value (intensity). From this spectrum data, an intensity of 1.84 keV, which is the energy of Si, and an intensity of 1.56 keV, which is the energy of Al, are obtained and converted into respective thicknesses by the thickness calculator 14. In addition, the conversion method employ | adopted the method of preparing beforehand the analytical curve of the vapor deposition film thickness and X-ray intensity in the some vapor deposition sample whose thickness is known, and converting into thickness data based on this calibration curve.
[0027]
A total of eight thickness monitoring devices 7 were arranged in two rows in the shape of a dried bird so that they could be arranged almost directly above each vapor deposition material in the width direction of the film. An example of the arrangement is shown in FIG. The interval in the width direction of each thickness monitor device 7 is 100 mm. Note that the staggered spacing, the number of arrays, the number of elements, and the like may be determined based on the width dimension of the deposited film and the required quality of the deposited thin film, and are not particularly limited.
[0028]
The thickness data calculated and output by the thickness calculator 14 is sent to the control amount calculator 15. Here, the amount of power input to the electron gun and the dwell time of the electron beam are calculated based on the thickness data. These control data were calculated based on the relational expression between the evaporation rate (corresponding to the deposition thickness) and the input energy in each crucible obtained in the experiment. FIG. 4 shows the relationship between the input energy in the crucible 9 and the film deposition thickness. In the figure, A1, A2, A3, and A4 indicate the positions of Al ₂ O _{3 in} the crucible, and S1, S2, S3, and S4 indicate the positions of SiO _{2 in} the crucible. Adjacent to each other, they are sequentially arranged so as to face each other in the film width direction. As can be seen from FIG. 4, the target thickness and composition ratio can be controlled by adding or subtracting the energy amount corresponding to the deviation value between the current thickness and the target value to the current value. However, since the energy input to these materials is derived from the electron beam 19 irradiated from the same electron gun 4, the energy is actually input to each material by changing the residence time of the electron beam with respect to each crucible. Energy can be distributed. These relational expressions are shown below.
[0029]
ta _n = [Pa _n / (ΣPa + ΣPs)] × t0
here,
ta _n : Electron beam scanning time in aluminum oxide block n _{P n} : Energy amount input to aluminum oxide block n ΣPa: Total energy amount input to aluminum oxide in 4 blocks total ΣPs: Total in 4 blocks of silicon oxide Total energy to be input t0: Time constant depending on hardware (ms: millisecond)
The distribution of gas evaporating from each vapor deposition block is indicated by 31 (evaporation component from the silicon oxide block) and 32 (evaporation component from the aluminum oxide block) in FIG. 5 showing the evaporation characteristics of each vapor deposition material in the crucible. As described above, the distribution is such that the intensity is the highest directly above and the intensity decreases as it spreads horizontally. The distribution intensity and shape mainly depend on the intensity of the electron beam, the angle at which the electron beam is incident, the distance between the electron gun and the crucible, and the evaporation area. Therefore, in order to form a film having the same composition ratio in the width direction and the running direction of the film forming the thin film and having a uniform target total thickness, the arrangement of the vapor deposition material is the most important. The arrangement of the materials in this reference example is as shown in FIGS. 2 and 3, and the distance to the surface of the crucible closest to the electron gun was 1000 mm. In the figure, A and S indicate that Al ₂ O ₃ and SiO ₂ are accommodated, respectively.
[0030]
The vapor deposition material was arranged by dividing the material with a thin threshold plate 20 shown in FIG. 3, and the polymer film 18 was deposited under the above-described conditions. The running speed of the film was 300 m / min, and a total of 40,000 m was deposited. The crucible was moved at a speed of 2 mm / min toward the direction of the electron gun (drive device not shown).
The case where automatic control was performed to confirm the effect of automatic control was compared with the case where the control system was disconnected with only the monitor device operating. The control period of automatic control was 30 seconds. The results are shown in Table 1. When automatic control is not performed, the total thickness variation and composition ratio variation are large, whereas it can be seen that a very stable film is formed when automatic control is performed.
[0031]
(Example 1 )
A total of four thickness monitoring devices 7 were arranged at equal intervals in a line in the film width direction. An arrangement example is shown in FIG. The interval in the width direction of each monitor device 7 is 200 mm. In this example, as in the reference example , it is not possible to measure the entire thickness of the deposited film directly above each deposited material. In order to solve this problem, a method of controlling each crucible by predicting the thickness between them by linear approximation based on measurement data was performed. In the present embodiment, the approximation prediction means is performed by a linear expression. However, approximation by a polynomial may be used in a case where there are many measurement points, and there is no particular limitation. Other implementation conditions are the same as in the reference example .
[0032]
The case where automatic control was performed in order to confirm the effect of automatic control was compared with the case where only the thickness monitor device was operated and the control system was disconnected. The control period of automatic control was 30 seconds. The results are shown in Table 1. When automatic control is not performed, the total thickness variation and composition ratio variation are large, but it can be seen that when automatic control is performed, a very stable film is formed.
[0033]
[Table 1]

[Another embodiment]
(1) In the above embodiment, an example of using a so-called one-chamber type as a vacuum chamber has been shown. The present invention can also be applied to a so-called two-chamber apparatus that performs the above.
[0034]
(2) In the above embodiment, the example in which the unwinding roll and the winding roll of the material to be deposited are disposed in the vacuum chamber has been shown. However, the unwinding roll and the winding roll are disposed outside the vacuum chamber for vapor deposition, and the deposition is performed. It can also be applied to a continuous apparatus that performs the above in a high vacuum chamber.
[0035]
(3) In the above embodiment, a polymer film is taken as an example of the film-form deposition material. However, the deposition material may be paper, cloth, or the like. In addition to the above-described aluminum oxide and silicon oxide, various elements and compounds can be used as the vapor deposition material, and a mixed film composed of two or more elements or components can be formed using two or more vapor deposition materials. You may make it form.
[0036]
(4) In the above embodiment, the heating means is an electron gun, but it can also be applied to a vapor deposition apparatus that heats a crucible with an induction heating coil.
[0037]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the mixed film having the composition ratio of the mixed film of different elements and the target thickness on the running film surface is continuously uniform for a long time in the film width direction and the running direction. It was possible to provide a vacuum deposition apparatus that can be stably formed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic overall configuration diagram of a vacuum vapor deposition apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram illustrating a crucible used for a vacuum vapor deposition apparatus according to an embodiment of the present invention and its arrangement. 2 is a diagram for explaining the structure of the crucible in FIG. 2. FIG. 4 is a graph for explaining the relationship between the crucible charging energy amount and the film deposition rate. FIG. 5 is a graph for explaining the deposition characteristics of each deposition material block. Diagram explaining the arrangement method of the [【Explanation of symbols】
4 Heating means 6 Vacuum chamber 7 Thickness monitoring device 7a X-ray irradiation means 7b Semiconductor detector 9 Holding means 15, 16 Control means 18 Film

Claims

真空槽内を走行するフィルムに異なる元素からなる混合膜を形成する真空蒸着装置において、異なる種類の蒸着材料を保持可能な保持手段と、前記蒸着材料を加熱して蒸着させる加熱手段と、この加熱手段によ形成された前記フィルム上の混合膜にＸ線を照射するＸ線照射手段と、このＸ線照射手段により励起された特性Ｘ線の強度を測定する半導体検出器と、前記混合膜の各成分毎の厚みデータを出力する測定手段とを備えていて、前記測定手段にて出力された厚みデータに基づいて、前記加熱手段を自動的に制御する制御手段を備えると共に、前記制御手段は、複数の厚みモニタ装置により測定される厚みデータを基に前記各厚みモニタ装置間の蒸着膜の厚みデータを近似予測する演算手段を備えることを特徴とする真空蒸着装置。In a vacuum deposition apparatus for forming a mixed film composed of different elements on a film traveling in a vacuum chamber, a holding unit capable of holding different types of deposition materials, a heating unit for heating and depositing the deposition materials, and this heating X-ray irradiation means for irradiating the mixed film on the film formed by the means with X-rays, a semiconductor detector for measuring the intensity of characteristic X-rays excited by the X-ray irradiation means, and the mixed film Measuring means for outputting thickness data for each component, and a control means for automatically controlling the heating means based on the thickness data output by the measuring means, and the control means , vacuum evaporation apparatus according to claim Rukoto an arithmetic unit for approximating predict the thickness data of the deposited film between said respective thickness monitoring device on the basis of the thickness data measured by a plurality of thickness monitoring apparatus.

前記Ｘ線照射手段により照射されるＸ線は、前記混合膜に対して略垂直に照射される請求項１の真空蒸着装置。2. The vacuum deposition apparatus according to claim 1, wherein the X-rays irradiated by the X-ray irradiation unit are irradiated substantially perpendicularly to the mixed film.

少なくとも前記Ｘ線照射手段および前記検出器からなる厚みモニタ装置が、前記フィルム幅方向に略等間隔で千鳥状に配置される請求項１又は２の真空蒸着装置。The vacuum deposition apparatus according to claim 1 or 2, wherein thickness monitor devices including at least the X-ray irradiation means and the detector are arranged in a staggered manner at substantially equal intervals in the film width direction.

少なくとも前記Ｘ線照射手段および前記検出器からなる厚みモニタ装置が、前記フィルム幅方向に一列に略等間隔で配置される請求項１又２の真空蒸着装置。The vacuum deposition apparatus according to claim 1 or 2, wherein at least the thickness monitor device comprising the X-ray irradiation means and the detector is arranged in a line in the film width direction at substantially equal intervals.