JP4840712B2 - 薄膜積層体の製造装置および方法 - Google Patents

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Description

本発明は、帯状可撓性基板上に複数の薄膜を形成して、薄膜光電変換素子などの薄膜積層体を製造する装置および方法に関する。
半導体薄膜などの薄膜積層体の基板には、通常、高剛性の基板が用いられている。しかしながら、例えば太陽電池等に使用される光電変換素子の基板には、軽量で取り扱いが容易であるといった利便性や、大量生産によるコスト低減のため、樹脂などの可撓性基板も用いられている。
このような可撓性基板を用いて薄膜積層体を製造する装置として、連続して配列された複数の成膜室に、帯状の可撓性基板を通し、各成膜室で停止した状態の前記基板の表面上に成膜し、次いでこの基板を次の成膜室の位置まで搬送する操作を繰り返し、前記基板の上に複数の異なる性質の薄膜を積層するという成膜装置が開発されている（例えば、特許文献１を参照）。
特開２００５−７２４０８号公報
このような成膜装置では、帯状可撓性基板の幅方向を水平方向に保持して、基板を水平方向に搬送して成膜を行うタイプと、帯状可撓性基板の幅方向を鉛直方向に保持して、基板を水平方向に搬送して成膜を行うタイプなどがある。後者のタイプは、前者のタイプに比べ、基板表面が汚染されにくい等の利点があるが、成膜室の数が多くなると、重力や基板の伸びにより、基板の表面に皺が発生したり、基板が幅方向に蛇行したり、下方へ垂れ下がったりするという問題がある。
このような問題を解消するため、多数配列された成膜室のうちの中央に位置する２室の成膜室の間に中間室を配置し、ここで基板の幅方向の全面にわたって基板表面と接触する側端位置制御（ＥＰＣ）ローラを設けることが提案されている。しかしながら、通常、成膜は比較的に高い温度で行われることから、このようなステンレス製のＥＰＣローラを成膜室の間に配置すると、基板が急冷され、折れ皺が発生するなどの問題がある。
また、中間室のＥＰＣローラによる基板の折れ皺を防ぐために、中間室のＥＰＣローラをなくし、基板の端部をグリップローラで把持して搬送することが提案されている。しかしながら、中間室のＥＰＣローラによる基板の拘束がなくなる分、基板自身の初期性状のばらつきの影響を受けやすくなる。この問題は、ラインの生産効率を上げるために、ラインの成膜室数を増やし、ライン長をより長くすると、顕在化し、搬送時の基板高さ方向の蛇行量が増大し、基板の成膜位置のばらつきが大きくなる。
また、成膜初期において、最初の成膜室から最後の成膜室までに位置する基板部分は、所定の薄膜を全層成膜できない。よって、最初の成膜室で成膜された基板部分が、巻取コアまで到達するまでの間（すなわち、全フィルムパス分）は、所定の薄膜が全層成膜された基板とは性状が変わる。そのため、この成膜初期の巻き出し位置から巻き取り位置までの長さの基板は、所定の目標高さよりも幅方向に上昇したり、下降したりする。また、基板が所定高さに収束するまで、さらに基板を長い間にわたり搬送する必要もある。
そこで本発明は、上記の問題点に鑑み、帯状可撓性基板の幅方向を鉛直方向に向けながら、基板を水平方向に長い距離にわたり搬送する際に、生産効率を上げるためにプロセス長をより長くしても、成膜初期に成膜が行われていない基板を長く搬送しても、基板が幅方向に蛇行したり、下方へ垂れ下がったりするのを防止することができる薄膜積層体の製造装置および方法を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明は、その一態様として、帯状可撓性基板の表面に複数の薄膜を積層して薄膜積層体を製造する装置であって、前記基板の幅方向が鉛直方向になるようにして、前記基板を水平方向に搬送する基板搬送手段と、前記基板の搬送方向に沿って連続して配列され、前記基板の表面に成膜を行う複数の成膜室と、前記複数の成膜室の間のうち少なくとも１つの間に配置され、前記基板の鉛直方向上側の端部を挟む少なくとも一対のグリップローラであって、このグリップローラの回転方向が前記基板の搬送方向に対して上方斜めに設置されているグリップローラと、前記少なくとも一対のグリップローラの前記基板を挟む力を変化させることで、前記基板の高さを制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
また、本発明は、別の態様として、帯状可撓性基板の表面に複数の薄膜を積層して薄膜積層体を製造する装置であって、前記基板の幅方向が鉛直方向になるようにして、前記基板を水平方向に搬送する基板搬送手段と、前記基板の搬送方向に沿って連続して配列され、前記基板の表面に成膜を行う複数の成膜室と、前記複数の成膜室のそれぞれの間に配置され、前記基板の鉛直方向上側の端部を挟む複数対のグリップローラと、前記複数の成膜室の間のうち少なくとも１つの間に配置され、前記基板の鉛直方向上側および下側の各端部を挟む少なくとも二対のグリップローラであって、前記上側の一対のグリップローラの回転方向が前記基板の搬送方向に対して上方斜めに設置されており、前記下側の一対のグリップローラの回転方向が前記基板の搬送方向に対して下方斜めに設置されているグリップローラと、前記上側および下側の二対のグリップローラのうち、少なくとも一方のグリップローラの前記基板を挟む力を変化させることで、前記基板の高さを制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
本発明に係る薄膜積層体の製造装置は、前記グリップローラの基板を挟む力を変化させるアクチュエータと、前記アクチュエータにエネルギーを入力するための動力手段と、前記アクチュエータに入力したエネルギーを検出するロードセルとを更に備えることが好ましく、前記制御装置は、前記グリップローラの基板を挟む力を目標値にするために、前記アクチュエータに入力するエネルギーの目標値を算出し、この入力エネルギーの目標値を前記動力手段で前記アクチュエータに入力した後、前記ロードセルで検出した入力エネルギーの検出値を、前記入力エネルギーの目標値と比較して、前記アクチュエータに入力するエネルギーの目標値を変更することが好ましい。
さらに、本発明に係る薄膜積層体の製造装置は、前記基板の高さを検出するセンサを更に備えることが好ましく、前記制御装置は、前記センサにより前記基板の高さが所定の範囲内でないと判定された場合に、前記グリップローラの基板を挟む力の目標値を変更することが好ましい。
本発明は、また別の態様として、帯状可撓性基板の表面に複数の薄膜を積層して薄膜積層体を製造する方法であって、前記基板の幅方向が鉛直方向になるようにして、前記基板を水平方向に搬送するステップと、前記基板の搬送方向に沿って連続して配列された複数の成膜室により、前記基板の表面に成膜を行うステップと、前記複数の成膜室の間のうち少なくとも１つの間に配置され、前記基板の鉛直方向上側の端部を挟む少なくとも一対のグリップローラであって、このグリップローラの回転方向が前記基板の搬送方向に対して上方斜めに設置されているグリップローラについて、その前記基板を挟む力を変化させることで、前記基板の高さを制御するステップとを含むことを特徴とする。
本発明は、さらに別の態様として、帯状可撓性基板の表面に複数の薄膜を積層して薄膜積層体を製造する方法であって、前記基板の幅方向が鉛直方向になるようにして、前記基板を水平方向に搬送するステップと、前記基板の搬送方向に沿って連続して配列された複数の成膜室により、前記基板の表面に成膜を行うステップと、前記複数の成膜室の間のうち少なくとも１つの間に配置され、前記基板の鉛直方向上側および下側の各端部を挟む少なくとも二対のグリップローラであって、前記上側の一対のグリップローラの回転方向が前記基板の搬送方向に対して上方斜めに設置されており、前記下側の一対のグリップローラの回転方向が前記基板の搬送方向に対して下方斜めに設置されているグリップローラについて、これら上側および下側の二対のグリップローラのうち、少なくとも一方のグリップローラの前記基板を挟む力を変化させることで、前記基板の高さを制御するステップとを含むことを特徴とする。
前記基板の高さを制御するステップは、前記グリップローラの基板を挟む力を目標値にするために、前記グリップローラの基板を挟む力を変化させるアクチュエータに入力するエネルギーの目標値を算出するステップと、このエネルギーの目標値を、動力手段により前記アクチュエータに入力するステップと、前記アクチュエータに入力したエネルギーをロードセルで検出し、この入力エネルギーの検出値を、前記入力エネルギーの目標値と比較して、前記アクチュエータに入力するエネルギーの目標値を変更するステップとを更に含むことが好ましい。
また、前記基板の高さを制御するステップは、センサにより前記基板の高さを検出し、前記基板の高さが所定の範囲内であるかどうかを判定するステップと、前記基板の高さが所定の範囲内でないと判定された場合に、前記グリップローラの基板を挟む力の目標値を変更するステップとを更に含むことが好ましい。
このように、成膜室の間に配置され、基板の鉛直方向の端部を挟むグリップローラを、その回転方向が基板の搬送方向に対して斜めになるように設置するとともに、その基板を挟む力を変化させることで、基板の高さを制御することができるので、帯状可撓性基板が複数の成膜室の間を長い距離にわたって搬送されても、基板が幅方向に蛇行したり、下方へ垂れ下がったりするのを防止することができる。
本発明に係る薄膜積層体の製造装置の一実施の形態を模式的に示す平面図である。 図１の製造装置における帯状可撓性基板と一定型グリップローラを拡大して示す正面図である。 図１の製造装置における帯状可撓性基板と可変型グリップローラを拡大して示す正面図である。 グリップローラとその付属装置の一例を模式的に示す切欠側面図である。 グリップローラの付属装置とその制御手段を示すブロック図である。 リニヤ駆動モータの制御のアルゴリズムを示すブロック図である。 グリップローラの加圧力と設定角度と基板の引き上げ力との関係を示すグラフである。 実施例２の試験に用いた実験装置を模式的に示す平面図である。 図８の実験装置の試験結果を示すグラフである。
以下、添付図面を参照して、本発明に係る薄膜積層体の製造装置の一実施の形態について説明する。なお、ここでは、薄膜積層体の具体的な構成について特に言及しないが、本発明は、例えば、太陽電池用の光電変換素子や、有機ＥＬ等の半導体薄膜などの薄膜積層体の製造に適用することができる。
図１は、本発明に係る薄膜積層体の製造装置の一実施の形態を模式的に示す平面図である。なお、図面はデフォルメされており、実物を縮尺通りに描いたものではない。
図１に示すように、この薄膜積層体の製造装置は、帯状可撓性基板１を送り出す巻出部１０と、帯状可撓性基板１を巻出部から成膜部へと搬送する巻出側駆動部２０と、帯状可撓性基板１上に複数の薄膜を積層する成膜部３０と、帯状可撓性基板１を成膜部から巻取部へと搬送する巻取側駆動部６０と、薄膜積層体が形成された帯状可撓性基板１を巻き取る巻取部７０とから主に構成されている。なお、帯状可撓性基板１は、その幅方向が鉛直方向を向きながら、水平方向へと搬送される。
巻出部１０には、帯状可撓性基板がロール状に巻かれた原反から、帯状可撓性基板１を送り出す巻出コア１１と、巻出コア１１から送り出された帯状可撓性基板１の張力を検出する張力検出ローラ１３と、これらの間に位置するフリーローラ１２が設けられている。これら巻出コア１１、フリーローラ１２及び張力検出ローラ１３は、軸方向が鉛直方向になるようにそれぞれ設置されている。なお、以下に説明する各ローラも、特に言及しない限り、軸方向が鉛直方向になるように設置されている。
巻出側駆動部２０には、帯状可撓性基板１を巻出部１０から成膜部４０へと搬送するために回転駆動する巻出側フィルム駆動ローラ２１と、この駆動時の帯状可撓性基板１の張力を検出する張力検出ローラ２２と、帯状可撓性基板１の進行方向を９０度変えて成膜部４０へと送るフリーローラ２３が設けられている。
成膜部３０には、予熱室３８と、帯状可撓性基板１の表面上に順次、薄膜を積層するための複数の成膜室４０ａ〜４０ｐが設けられている。成膜室４０には、形成する薄膜の種類に応じて、ＣＶＤやスパッタ等の成膜装置が設けられている。本実施の形態では、直線状に配列された最初の１４室の成膜室４０ａ〜４０ｎにＣＶＤ成膜装置が設けられており、最後の２室の成膜室４０ｏ、４０ｐに、スパッタ成膜装置が設けられている。ＣＶＤ成膜室とスパッタ成膜室の間には、進行方向を９０度変えるフリーローラ３１、３２が２つ配置されている。また、各成膜室４０には、成膜室内を気密状態にするための可動式の壁（図示省略）が設けられている。
各成膜室４０には、成膜室の基板入口側に、帯状可撓性基板１を挟む一対のグリップローラ４４、５２が設けられている。詳細は後述するが、グリップローラには、基板１を加圧する力が一定の一定型グリップローラ４４と、基板１を加圧する力を制御できる可変型グリップローラ５２がある。可変型グリップローラ５２が、第４、６、８、１０、１６成膜室４０ｄ、４０ｆ、４０ｈ、４０ｊ、４０ｐに設置され、残りの成膜室には、一定型グリップローラ４４が設置されている。また、可変型グリップローラ５２を設置した各成膜室には、詳細は後述するが、帯状可撓性基板１の上側の端面を検出する端面センサ４２が設けられている。
巻取側駆動部６０には、帯状可撓性基板１を成膜部４０から巻取部７０へと搬送するために回転駆動する巻取側フィルム駆動ローラ６２と、この前後に位置するフリーローラ６１、６３が設けられている。巻取部７０には、巻き取り時の帯状可撓性基板１の張力を制御するための張力検出ローラ７２と、この前後に位置するフリーローラ７１、７３と、薄膜積層体が形成された帯状可撓性基板１をロール状に巻き取る巻取コア７５と、この前に位置するフリーローラ７４が設けられている。
次に、グリップローラについて詳細に説明する。図２は、図１の製造装置における帯状可撓性基板１と一定型グリップローラ４４を拡大して示す正面図である。また、図３は、図１の製造装置における帯状可撓性基板１と可変型グリップローラ５２を拡大して示す正面図である。いずれのグリップローラ４４、５２も、図２及び図３に示すように、帯状可撓性基板１の鉛直方向上側の端部と、下側の端部の両方に配置されている。また、いずれのグリップローラも、図２及び図３に示すように、搬送方向である水平に対して、角度θをつけて、斜めに設置されている。
図２に示すように、上側の一定型グリップローラ４４Ｕは、ローラの回転方向を、帯状可撓性基板１の搬送方向（すなわち水平方向）に対して上方に傾けて設置されている。このように、上側の一定型グリップローラ４４Ｕの回転方向と、帯状可撓性基板１の搬送方向との間に角度θUをつけることで、帯状可撓性基板１が水平方向に搬送される際に、基板１を上方に引き上げる力ＦUが発生する。また、下側の一定型グリップローラ４４Ｌは、同様に角度θ L で、下方に傾けて設置されており、基板１を下方に引き下げる力ＦDが発生する。この２つの力ＦU、ＦDが等しく発生することで、基板１の表面に皺が発生するのを防ぐことができる。上下の角度θU、θLは、等しくすることが好ましく、０．１〜６°が好ましい。
図３に示すように、上側の可変型グリップローラ５２Ｕも、同様に角度θUで、上方に傾けて設置されており、下側の可変型グリップローラ５２Ｌも、同様に角度θLで、下方に傾けて設置されている。可変型グリップローラ５２の場合、発生する基板１を上方に引き上げる力ＦUから、基板１を下方に引き下げる力ＦDを減算した差分が、実際に基板１の高さを上昇させる力ＦXである。ここで、基板１を引き上げる力ＦUは、グリップローラの角度θUが一定の場合、グリップローラの基板１を挟む加圧力ＦPが高くなる程、大きくなる。また、基板１を引き下げる力ＦDも、グリップローラの角度θLが一定の場合、グリップローラの基板１を挟む加圧力ＦPが高くなる程、大きくなる。よって、グリップローラの加圧力ＦPを変化させることで、基板１の高さを上昇させる力ＦX（＝ＦU−ＦD）を変化させることができ、すなわち、基板１の高さを制御することができる。
なお、グリップローラの角度θU、θLが大きい程、基板１を引く力ＦU、ＦDは大きくなるが、角度θU、θLが６°を超えるか又はローラ自身の静止摩擦力を超えると、基板１を引く力ＦU、ＦDはほとんど向上しなくなる。よって、角度θU、θLは０．１〜６°が好ましい。上下の角度θU、θLは、等しくすることが好ましい。可変型グリップローラ５２を上側と下側に設置した場合について説明したが、もちろん、上側の可変型グリップローラ５２Ｕのみを設置して、この加圧力ＦPを変化させることで、同様に基板１の高さを制御することができる。
次に、グリップローラの付属装置の構成について説明する。図４は、上側の可変型グリップローラ５２とその付属装置の一例を模式的に示す切欠側面図である。図４に示すように、一対のグリップローラ５２は、基板１側が開口したローラハウジング９１、９２内にそれぞれ回転可能に取り付けられている。一方のローラハウジング９１は、断面Ｌ字形のアーム９８の一端に固定されており、このアーム９８は、懸垂部材１０３を介して、成膜室の壁面１１０の下面に固定されている。他方のローラハウジング９２は、板状の加圧レバー９０の一端に固定されており、この加圧レバー９０は、その中央部分において、ヒンジ９６を介して、アーム９８の他端に回転可能に取り付けられている。そして、アーム９８と加圧レバー９０は、加圧バネ９３で結ばれており、この加圧バネ９３の初期張力Ｆ0で、一対のグリップローラ５２が水平方向に基板１を挟むように構成されている。
加圧レバー９０の他端には、断面Ｌ字形の調整レバー９５の一端が接触している。この調整レバー９５は、その角部分において、ヒンジ９７を介して、固定部材（図示省略）に回転可能に取り付けられている。調整レバー９５の他端には、調整バネ９４の一端が結ばれている。調整バネ９４が調整レバー９５の他端を、力ＦαXで鉛直方向に引っ張ると、ヒンジ９７を支点にして調整レバー９５が回転し、調整レバー９５の一端が、加圧レバー９０の他端を水平方向に力ＦαLで押すように構成されている。
調整バネ９４の他端は、可動ロッド１０５の先端が結ばれている。可動ロッド１０５の反対端は、リニヤ駆動モータ１００に連結されており、リニヤ駆動モータ１００の回転によって、可動ロッド１０５が鉛直方向ＬXに進退するように構成されている。リニヤ駆動モータ１００には、所望の位置でリニヤ駆動モータ１００をロックするブレーキ１０４が設けられている。また、リニヤ駆動モータ１００には、リニヤ駆動モータ１００の現在の回転数の位置ＭSを検出するモータ位置センサ１０１が設けられている。モータ位置センサ１０１としては、アブソリュートエンコーダが好ましい。可動ロッド１０５には、調整バネ９４が調整レバー９５を引っ張る力ＦαXを測定するためのロードセル９９が設置されている。
リニヤ駆動モータ１００、モータブレーキ１０４、モータ位置センサ１０１、ロードセル９９は、フランジ１０２により、成膜室の壁面１１０上に固定されている。また、可動ロッド１０５は、フランジ１０２内部および成膜室の壁面１１０を通過するように構成されている。成膜室の壁面１１０とフランジ１０２とは、オーリングシールまたは磁気シール１０６を介して固定されており、また、フランジ１０２と可動ロッド１０５とは、オーリングシールまたは磁気シール１０７を介して接触しており、これにより成膜室の気密状態が保たれている。
上側の可変型グリップローラ５２Ｕとその付属装置の構成について説明してきたが、下側の可変型グリップローラ５２Ｌとその付属装置も、上下が逆になるが、同様の構成にすることができる。一定型および可変型のグリップローラは、基板との接触面がシリコンゴムやフッ素ゴム等の耐熱性ゴム、ＰＴＦＥやポリイミド等の合成樹脂で作られていることが好ましい。また、ステンレスや鉄にクロムめっきを施した素材であっても所定の性能が得られる。
次に、基板１の高さを制御するための構成について説明する。図５は、グリップローラの付属装置とその制御手段を示すブロック図である。図５に示すように、コントローラ１２０は、デジタル信号入力インターフェース１２２と、アナログ信号出力インターフェース１２３と、アナログ信号入力インターフェース１２４と、これらインターフェースと送受信可能なコンピュータ演算部１２５とをその内部に備えている。また、コントローラ１２０は、制御を操作するための表示操作部１２６を備えている。
デジタル信号入力インターフェース１２２は、モータ位置センサ１０１に対して受信可能に接続されている。アナログ信号出力インターフェース１２３は、リレー１２７を介してモータブレーキ１０４およびＡＣ１００Ｖのブレーキ駆動電源１２８と、送信可能に接続されている。また、アナログ信号出力インターフェース１２３は、モータ用アンプ１２９を介してリニヤ駆動モータ１００と送信可能に接続されている。アナログ信号入力インターフェース１２４は、ロードセル用アンプ１３０を介してロードセル９９と受信可能に接続されている。
図５に示すように、基板１の端面を検出する端面センサ４２が、鉛直方向に上下に２つ配置されている。上側の端面センサ４２ａは、基板１が所定の範囲を超えて上昇した場合に、基板端面を検出する位置に取り付けられ、下側の端面センサ４２ｂは、基板１が所定の範囲を超えて下降した場合に、基板端面を検出しなくなる位置に取り付けられている。端面センサ４２の端面検出範囲は、例えば、±５ｍｍとすることができる。上側および下側の各端面センサ４２ａ、４２ｂには、デジタル信号入力インターフェース１２２がセンサ用アンプ１３１ａ、１３１ｂを介して受信可能に接続されている。
なお、図５には、１台の上側の可変型グリップローラの付属装置しか示していないが、上側および下側の全ての可変型グリップローラ５２ａ〜５２ｆの各付属装置が、この１台のコントローラ１２０に接続されている。また、図５では、端面センサ４２を上下に２つ配置したが、もちろんこれに限定されず、３つ以上の複数の端面センサを配置することができる。
以上の構成によれば、先ず、巻出側および巻取側の駆動部２０、６０によって、複数の成膜室４０ａ〜４０ｐ内を通る帯状可撓性基板１を、巻出コア１１から巻取コア７５への方向に水平に搬送する。成膜を行う際は、駆動ローラ２１、６２の回転を止めて帯状可撓性基板１を停止した状態にし、各成膜室４０ａ〜４０ｐの壁（図示省略）を基板１と密着するまで移動させて、成膜室内を気密状態にする。そして、各成膜室内で帯状可撓性基板１の表面に薄膜を形成する。
成膜後、成膜室の壁を元の位置に戻し、気密状態を解除する。再び、駆動ローラ２１、６２を回転させて、帯状可撓性基板１を隣の成膜室の位置まで搬送する。そして、停止した状態の帯状可撓性基板１に対し、再び各成膜室内を気密状態にして、成膜を行う。このように帯状可撓性基板１の搬送と成膜を繰り返し行うことで、帯状可撓性基板１の表面に薄膜積層体を製造することができる。
帯状可撓性基板１は、第１成膜室４０ａから第１４成膜室４０ｎまでの長い距離を移動するが、帯状可撓性基板１を、この区間の両端に位置するフリーローラ２３、３１でしか支えない場合は、重力や基板の伸びにより下方に垂れ下がったり、基板の幅方向に蛇行したりするという問題がある。そこで、本実施の形態では、上述したように、可変型グリップローラ５２の基板１を挟む加圧力ＦPを変化させることで、基板１の高さを上昇させる力Ｆを制御し、これにより、基板１の高さを所定の範囲内に維持することができる。可変型グリップローラ５２の加圧力の目標値ＦPXは、次の式１により求めることができる。
ＦPX＝Ｆ0−Ｒ0・Ｒ1・ＦαX ・・・（式１）
Ｆ0：加圧バネの初期張力。
ＦαX：調整バネが調整レバーを引っ張る力。
Ｒ0：加圧レバーのレバー比。
Ｒ1：調整レバーのレバー比。
Ｆ0、Ｒ0、Ｒ1はいずれも固定値であるから、可変型グリップローラの加圧力の目標値ＦPXは、調整バネ９４の張力ＦαXのみを変化させることで、制御することができる。目標とする調整バネ９４の張力ＦαXを達成するための可動ロッド１０５の目標位置ＬXは、次の式２により求めることができる。
ＬX＝（ＦαX−Ｆα0）／Ｋ ・・・（式２）
Ｆα0：調整バネの初期張力。
Ｋ：調整バネのバネ定数。
可動ロッド１０５の位置Ｌは、リニヤ駆動モータ１００の回転数Ｍに固定値であるネジリードＧ0を乗じた関係であるから、可動ロッド１０５の目標位置ＬXは、リニヤ駆動モータ１００の回転数ＭXで制御することができる。なお、ネジリードＧ0とは、ボールネジによるモータ１回転当たりのロッドの送り量である。リニヤ駆動モータ１００の現在の回転数の位置ＭSは、モータ位置センサ１０１で検出できる。よって、リニヤ駆動モータ１００を目標の回転数の位置ＭXまで回転駆動する際は、現在の回転数ＭSを減算した差分のみ、リニヤ駆動モータ１００を回転駆動すれば良い。このリニヤ駆動モータ１００の制御のアルゴリズムのブロック図を図６に示す。
また、ロードセル９９を用いることで、調整バネ９４の張力ＦαXをより正確に制御することができる。先ず、上述したように、式１により、可変型グリップローラ５２の加圧力の目標値ＦPXから調整バネ９４の張力の目標値ＦαXを求めた後、式２により、可動ロッド１０５の目標位置ＬXを求め、リニヤ駆動モータ１００を目標の回転数の位置ＭXまで回転駆動する。次に、ロードセル９９で、調整バネ９４の張力の現状値ＦαSを測定する。目標とする調整バネ９４の張力ＦαXを達成するための可動ロッド１０５の移動距離ΔＬXは、次の式３により求めることができる。
ΔＬX＝（ＦαX−ＦαS）／Ｋ ・・・（式３）
ＦαX：調整バネの張力の目標値。
ＦαS：調整バネの張力の実測値。
Ｋ：調整バネのバネ定数。
可動ロッド１０５の移動距離ΔＬXをネジリードＧ0で除することで、リニヤ駆動モータ１００の回転数ΔＭXを求めることができる。また、リニヤ駆動モータ１００をこのΔＭXの数だけ回転駆動した後、再び、ロードセル９９で調整バネ９４の張力の現状値ＦαSを測定する。そして、式３によりΔＬXを求めて、再度、リニヤ駆動モータ１００を回転駆動する。これを繰り返し行うことで、実際の調整バネ９４の張力を、目標値ＦαXにより正確に近づけることができる。このロードセル９９を用いた制御のアルゴリズムのブロック図を図６に示す。
さらに、端面センサ４２を用いることで、基板１の高さを所定の範囲内により正確に維持することができる。図５に示すように、基板１の高さが所定の範囲内であれば、上側の端面センサ４２ａは基板１の端面を検出せず（ＯＦＦ）、下側の端面センサ４２ｂは基板１の端面を検出する（ＯＮ）。基板１の高さが所定の範囲を超えて上昇してしまった場合は、上側と下側の両方の端面センサ４２ａ、４２ｂが基板１の端面を検出する（ＯＮ、ＯＮ）。また、基板１の高さが所定の範囲を超えて下降してしまった場合は、上側と下側の両方の端面センサ４２ａ、４２ｂは基板１の端面を検出しない（ＯＦＦ、ＯＦＦ）。
これら各端面センサ４２から送信されたＯＮ、ＯＦＦ信号は、アンプ１３１で増幅された後、コントローラ１２０のデジタル信号入力インターフェース１２２が受信する。そして、コンピュータ演算部１２５で、基板１の高さが所定の範囲内であるか、その上であるか、又はその下であるかを判定する。
基板１の高さが所定の範囲より上と判定した場合、上側の可変型グリップローラ５２Ｕの加圧力の目標値ＦPXを下げる。具体的には、式４に示すように、上側の可変型グリップローラ５２Ｕの加圧力の現在の目標値ＦPXから所定の変化量ΔＦPXを減算して、再目標値ＦPXRを設定する。そして、式５に示すように、調整バネ９４の張力の再目標値ＦαXRを算出する。
ＦPXR＝ＦPX−ΔＦPX ・・・（式４）
ＦPXR＝Ｆ0−Ｒ0・Ｒ1・ＦαXR ・・・（式５）
この再目標値ＦαXRに基づいて、上述した図６に示すアルゴリズムの制御を行う。また、この再目標値ＦαXRを設定する制御は、基板１の高さが所定の範囲内に下降して、上側の端面センサ４２ａがＯＦＦになるまで、繰り返し行う。そして、上側の端面センサ４２ａがＯＦＦになった時点で、コントローラ１２０のアナログ信号出力インターフェース１２３から、リレー１２７に作動信号を送り、モータブレーキ１０４を作動させて、調整バネ９４の張力ＦαXが変動しないように、リニヤ駆動モータ１００を固定する。
一方、基板１の高さが所定の範囲より下と判定した場合、上側の可変型グリップローラ５２Ｕの加圧力ＦPXを上げる。具体的には、式６に示すように、上側の可変型グリップローラ５２Ｕの加圧力の現在の目標値ＦPXから所定の変化量ΔＦPXを加算して、再目標値ＦPXRを設定する。そして、式７に示すように、調整バネ９４の張力の再目標値ＦαXRを算出する。
ＦPXR＝ＦPX＋ΔＦP ・・・（式６）
ＦPXR＝Ｆ0−Ｒ0・Ｒ1・ＦαXR ・・・（式７）
この再目標値ＦαXRに基づいて、上述した図６に示すアルゴリズムの制御を行う。また、この再目標値ＦαXRを設定する制御は、基板１の高さが所定の範囲内に上昇して、下側の端面センサ４２ｂがＯＮになるまで、繰り返し行う。そして、下側の端面センサ４２ｂがＯＮになった時点で、アナログ信号出力インターフェース１２３から、リレー１２７に作動信号を送り、モータブレーキ１０４を作動させて、リニヤ駆動モータ１００を固定する。
可変型グリップローラ５２の基板１を挟む加圧力の目標値ＦPXは、基板の性質や、搬送距離、成膜室の間隔によって異なるが、例えば、２〜４０Ｎの範囲が好ましく、４〜１７Ｎの範囲が好ましい。なお、上記の説明では、上側の可変型グリップローラの加圧力のみを変化させて、基板の高さを所定の範囲内に収束させたが、基板が所定の範囲を超えて上昇した場合、下側の可変型グリップローラの加圧力を上げることでも、基板を所定の範囲内に下降させることができるし、基板が所定の範囲を超えて下降した場合、下側の可変型グリップローラの加圧力を下げることでも、基板を所定の範囲内に上昇させることができる。もちろん、上側と下側の可変型グリップローラの加圧力を両方とも変化させて、その差分を上げたり、下げたりすることでも、基板の高さを所定の範囲内に収束させることができる。
また、一定型グリップローラ４４の基板１を挟む加圧力も、同様に、基板の性質や、搬送距離、成膜室の間隔によって異なるが、例えば、２〜４０Ｎの範囲が好ましく、４〜１７Ｎの範囲が好ましい。上側と下側の一定型グリップローラ４４の加圧力は、基板１の表面に皺が発生するのを防止するため、同じにすることが好ましい。
なお、基板の搬送と停止を繰り返すステッピングロール方式の成膜装置について説明してきたが、本発明は、帯状可撓性基板の幅方向を鉛直方向に向けながら、基板を水平方向に長距離にわたって搬送する装置であれば、ステッピングロール方式に限らず、広く適用することができる。
（実施例１）
上側の一対の可変型グリップローラにフィルムを挟み、フィルムを搬送させた際に生じたフィルムを支持する力の変化を測定した。グリップローラの設定角度θUを０°から７°まで１°ずつ変化させたとともに、各設定角度θUにおいて、グリップローラのフィルムを挟む加圧力を、４．４Ｎ、８．９Ｎ、１６．３Ｎと増加させた。その結果を図７に示す。なお、図７の縦軸は、フィルムを搬送する前の基板を支持する力ＦU0から、搬送中のフィルムを支持する力ＦUXを減算した差分で、フィルムの引き上げ力ＦU（Ｎ）を表す。
図７に示すように、グリップローラの設定角度θUが０°の場合を除き、設定角度θUが同じであれば、グリップローラがフィルムを挟む加圧力ＦPを大きくする程、フィルムの引き上げ力ＦUは大きくなった。一方、グリップローラの設定角度θUが０°の場合、加圧力ＦPを大きくしても、フィルムの引き上げ力ＦUはほとんど変化しなかった。また、グリップローラの設定角度θUが１〜６°の間では、同じ加圧力ＦPにおいて、設定角度θUが大きい程、フィルムの引き上げ力ＦUが大きくなったが、設定角度θUが７°の場合は、設定角度θUが６°の場合とほぼ同じであった。
（実施例２）
図８に示す実験装置を用いて、フィルムの高さの変動を定量的に測定する試験を行った。図８に示す実験装置は、成膜室がない点を除いて、図１に示す装置と基本的に同じ構成である。図８に示す実験装置には、ＣＶＤ成膜室を設ける区間において、一定型のグリップローラを上下にそれぞれ１０セット設置するとともに、可変型のグリップローラを上のみに５セット設置した。なお、合計１５セットのグリップローラのうち、可変型のグリップローラを第５、７、９、１１、１３番目に配置した。また、スパッタ成膜室を設ける区間には、一定型のグリップローラを上下にそれぞれ３セット設置した。
実験装置の各区間の長さは、図中に示す通りである。フィルムの総搬送距離は約４０ｍであった。各グリップローラのローラにはシリコンゴム製のものを用いた。また、グリップローラの設定角度θは全て１°に固定した。フィルムにはカプトンフィルムを用いた。
本試験では、第５、７、９、１１、１３番目の可変型グリップローラの加圧力は、フィルムを約３２ｍ搬送する間に、フィルムが、当初の高さから１０ｍｍ上昇し、次の約３２ｍの搬送の間に、当初の高さまで下降し、今度は約３２ｍの搬送の間に１０ｍｍ下降し、そして約３２ｍの搬送の間に再び１０ｍｍ上昇して当初の高さに戻ることを目標として、手動で変化させた。この試験結果を、図９に示す。
図９のグラフの縦軸は、フィルムの当初高さから相対的に変化した高さの差である変位量（ｍｍ）を示す。横軸は、フィルムの搬送距離（ｍ）を示す。グラフ中の太線は、フィルム変位量の制御目標を示している。試験は、フィルムを約１６ｍ搬送して停止させ、グリップローラの加圧力を手動で変化させた後、再びフィルムを搬送するという作業を繰り返し行った。１回のフィルムの搬送作業を１ステップとし、図９には、１ステップ毎に、第６番目から第１３番目までの各グリップローラの位置において測定したフィルムの変位量をプロットした。
図９に示すとおり、フィルムの搬送を１２ステップ行って、フィルムを約２００ｍ搬送した。その間、グリップローラの加圧力の変化に従って、フィルム変位量は、制御目標である太線とほぼ同様に変化した。よって、グリップローラの加圧力を変化させることで、フィルム変位量を目標通りに制御できることが確認できた。

Claims (8)

  1. 帯状可撓性基板の表面に複数の薄膜を積層して薄膜積層体を製造する装置であって、
    前記基板の幅方向が鉛直方向になるようにして、前記基板を水平方向に搬送する基板搬送手段と、
    前記基板の搬送方向に沿って連続して配列され、前記基板の表面に成膜を行う複数の成膜室と、
    前記複数の成膜室の間のうち少なくとも１つの間に配置され、前記基板の鉛直方向上側の端部を挟む少なくとも一対のグリップローラであって、このグリップローラの回転方向が前記基板の搬送方向に対して上方斜めに設置されているグリップローラと、
    前記少なくとも一対のグリップローラの前記基板を挟む力を変化させることで、前記基板の高さを制御する制御手段と
    を備えた薄膜積層体の製造装置。
  2. 帯状可撓性基板の表面に複数の薄膜を積層して薄膜積層体を製造する装置であって、
    前記基板の幅方向が鉛直方向になるようにして、前記基板を水平方向に搬送する基板搬送手段と、
    前記基板の搬送方向に沿って連続して配列され、前記基板の表面に成膜を行う複数の成膜室と、
    前記複数の成膜室のそれぞれの間に配置され、前記基板の鉛直方向上側の端部を挟む複数対のグリップローラと、
    前記複数の成膜室の間のうち少なくとも１つの間に配置され、前記基板の鉛直方向上側および下側の各端部を挟む少なくとも二対のグリップローラであって、前記上側の一対のグリップローラの回転方向が前記基板の搬送方向に対して上方斜めに設置されており、前記下側の一対のグリップローラの回転方向が前記基板の搬送方向に対して下方斜めに設置されているグリップローラと、
    前記上側および下側の二対のグリップローラのうち、少なくとも一方のグリップローラの前記基板を挟む力を変化させることで、前記基板の高さを制御する制御手段と
    を備えた薄膜積層体の製造装置。
  3. 前記グリップローラの基板を挟む力を変化させるアクチュエータと、
    前記アクチュエータにエネルギーを入力するための動力手段と、
    前記アクチュエータに入力したエネルギーを検出するロードセルと
    を更に備え、前記制御装置が、前記グリップローラの基板を挟む力を目標値にするために、前記アクチュエータに入力するエネルギーの目標値を算出し、この入力エネルギーの目標値を前記動力手段で前記アクチュエータに入力した後、前記ロードセルで検出した入力エネルギーの検出値を、前記入力エネルギーの目標値と比較して、前記アクチュエータに入力するエネルギーの目標値を変更する請求項１又は２に記載の薄膜積層体の製造装置。
  4. 前記基板の高さを検出するセンサを更に備え、前記制御装置が、前記センサにより前記基板の高さが所定の範囲内でないと判定された場合に、前記グリップローラの基板を挟む力の目標値を変更する請求項３に記載の薄膜積層体の製造装置。
  5. 帯状可撓性基板の表面に複数の薄膜を積層して薄膜積層体を製造する方法であって、
    前記基板の幅方向が鉛直方向になるようにして、前記基板を水平方向に搬送するステップと、
    前記基板の搬送方向に沿って連続して配列された複数の成膜室により、前記基板の表面に成膜を行うステップと、
    前記複数の成膜室の間のうち少なくとも１つの間に配置され、前記基板の鉛直方向上側の端部を挟む少なくとも一対のグリップローラであって、このグリップローラの回転方向が前記基板の搬送方向に対して上方斜めに設置されているグリップローラについて、その前記基板を挟む力を変化させることで、前記基板の高さを制御するステップと
    を含む薄膜積層体の製造方法。
  6. 帯状可撓性基板の表面に複数の薄膜を積層して薄膜積層体を製造する方法であって、
    前記基板の幅方向が鉛直方向になるようにして、前記基板を水平方向に搬送するステップと、
    前記基板の搬送方向に沿って連続して配列された複数の成膜室により、前記基板の表面に成膜を行うステップと、
    前記複数の成膜室の間のうち少なくとも１つの間に配置され、前記基板の鉛直方向上側および下側の各端部を挟む少なくとも二対のグリップローラであって、前記上側の一対のグリップローラの回転方向が前記基板の搬送方向に対して上方斜めに設置されており、前記下側の一対のグリップローラの回転方向が前記基板の搬送方向に対して下方斜めに設置されているグリップローラについて、これら上側および下側の二対のグリップローラのうち、少なくとも一方のグリップローラの前記基板を挟む力を変化させることで、前記基板の高さを制御するステップと
    を含む薄膜積層体の製造方法。
  7. 前記基板の高さを制御するステップが、
    前記グリップローラの基板を挟む力を目標値にするために、前記グリップローラの基板を挟む力を変化させるアクチュエータに入力するエネルギーの目標値を算出するステップと、
    このエネルギーの目標値を、動力手段により前記アクチュエータに入力するステップと、
    前記アクチュエータに入力したエネルギーをロードセルで検出し、この入力エネルギーの検出値を、前記入力エネルギーの目標値と比較して、前記アクチュエータに入力するエネルギーの目標値を変更するステップと
    を更に含む請求項５又は６に記載の薄膜積層体の製造方法。
  8. 前記基板の高さを制御するステップが、
    センサにより前記基板の高さを検出し、前記基板の高さが所定の範囲内であるかどうかを判定するステップと、
    前記基板の高さが所定の範囲内でないと判定された場合に、前記グリップローラの基板を挟む力の目標値を変更するステップと
    を更に含む請求項７に記載の薄膜積層体の製造方法。
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