JP6306437B2 - 縦型成膜装置 - Google Patents

Description

本発明は、ロール状に巻かれたフィルム基材にロール・ツー・ロール方式で金属酸化物薄膜を成膜する成膜装置に関し、特に重力とは反対の方向（縦方向）に巻き取られるフィルム基材に対して、水平方向（横方向）から成膜原料を噴出し成膜する縦型成膜装置に関する。

デジタルカメラ、ＤＶＤビデオ、プラズマ表示パネル、有機ＥＬパネルなどの電子部品には透明電極膜が不可欠である。かかる透明電極膜には酸化インジウムスズ膜（Indium Tin Oxide）が広く用いられているが、インジウムは高価のみならず資源枯渇の問題もかかえており、他の材料への転換が急務である。

酸化亜鉛は化学的に安定な物質であり古くから使われている無害な物質でもあり、環境負荷が小さいという利点があり、近年、酸化亜鉛薄膜は酸化インジウムスズ膜の代替材料として注目されている。本発明の発明者らは、特願２００７−５３０９１３号において、真空に減圧された成膜室内に配置された機材表面で酸素ラジカルと亜鉛原子とを反応させて酸化亜鉛薄膜を製造する技術を開示している。

透明電極膜の主要な特性のひとつである比抵抗値についてみると、酸化亜鉛薄膜のそれはITO 膜に比べて遜色のない低い値が得られるようになってきている。このため、高価なインジウム等を成分とするITO 膜に代替し得る次世代の透明電極膜として、酸化亜鉛系透明電極膜に対する期待が高まっている。しかし、透明電極膜の基材としては、これまでガラスが主に用いられてきたが、需要や用途が増えるにつれ、加工性や生産性の向上が求められるようになってきた。そのため近年、ガラスに比べ軽量で加工性・生産性に優れたプラスチックが注目されポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、環状オレフィン樹脂等のフィルムが用いられるようになってきた。このような透明樹脂フィルムへの金属酸化物薄膜の成膜は、亜鉛に限らず、例えば、Y、Dy, Sm, Gd, Ho, Eu, Tm, Tb, Er, Ce Pr, Yb, La, Nd, Luなどの希土類金属の金属酸化物薄膜の成膜についても同様のニーズがあり、同様の成膜技術で成膜することができる。。

フィルムに導電材料を連続的に成膜する技術としては、例えば、下記特許文献１がある。特許文献１では、長尺に帯状されているフィルムを連続送給し、そこに導電性材料を付着させながらフィルムを連続的に巻き取る装置が開示されている。

しかし、特許文献１が開示するロール・ツー・ロールによる成膜装置は、その図１、図２が示す通り、フィルムを長尺に帯状しているロールと、それを巻き取るロールと、フィルムに導電性薄膜を形成する成膜部とが、縦一列の構成、すなわち縦型成膜装置の構成とはなっていない。このため、成膜装置のフットプリント（装置が床に占める面積）が大きくなってしまう。

また、成膜後に親水処理等の付加工程が加わると、さらに装置面積が大きくなる、という課題がある。また、特許文献１が開示する技術では、導電性材料をスパッタする原料部と、フィルムに金属酸化物薄膜を成膜する成膜部とが、同一チャンバー内に設けられている。このため、チャンバー室の減圧に時間がかかる、あるいはコンタミネーションが発生する等の問題がある。さらには、原料部と成膜部とを別々にメンテナンスすることが出来ず、装置のメンテナンスが容易でない、という問題がある。

特許文献２には、酸化亜鉛を主成分とする蒸発材料の周囲に設けたプラズマビームによりプラズマビームを蒸発材料に集中させて、それを蒸発、イオン化させて透明樹脂フィルム基材に酸化亜鉛薄膜を成膜する技術が開示されている。しかし、特許文献２の成膜装置は、ロール・ツー・ロールによるものではなく、フィルム基材を水平方向に搬送しながら酸化亜鉛薄膜を成膜する、というものである。このため特許文献１の開示する技術と同様に、チャンバー室の減圧に時間がかかる、あるいはコンタミネーションの発生がある。さらには、原料部と成膜部とを別々にメンテナンスすることが出来ない、という問題がある。

特開２００１−２８８５６８号公報 特開２００７−１１５６５６号公報

そこで、本発明の課題は、上記の点に鑑み、金属酸化物薄膜をロール・ツー・ロールで成膜する成膜装置に関して、成膜装置の床占有面積が小さく、かつ成膜能力の増大や、本来の成膜工程に親水前処理や後処理などの付加工程が付加されても床占有面積が大きくならない縦型成膜装置を提供することにある。また、縦型装置構成に伴う課題である、フィルム基材の蛇行がない縦型成膜装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために請求項１に記載の発明は、真空に減圧された真空チャンバー内に配置され、ロール状に巻かれたフィルム基材を垂直方向に搬送する垂直搬送部と、少なくとも反応性ガスと蒸気の金属原子とを前記フィルム基材の表面であって金属酸化物薄膜が成膜される成膜部に対して水平方向から噴出させる水平原料噴出部とを備えた縦型成膜装置であって、
前記真空チャンバーは、前記垂直搬送部と前記水平原料噴出部とを開閉可能に仕切るシャッター部を備え、前記垂直搬送部と前記水平原料部とが分割可能に構成されていることを特徴とする縦型成膜装置である。

本発明のロール・ツー・ロール型の縦型成膜装置は、ロール状に巻かれたフィルム基材を搬送する垂直搬送部と、搬送されているフィルム基材に対して水平方向から原料である蒸気の金属原子と反応性ガスとを水平方向から噴出させる水平原料噴出部とを備えた構造である。このような構造とすることで、成膜装置の床占有面積を小さくすることができ、かつ親水処理等の付加処理が追加されても、付加処理工程を上部に設けることで、成膜装置の床占有面積を拡大することなく付加処理工程を追加できる。また、垂直搬送部と前記水平原料噴出部とを仕切るシャッターの開閉により、真空成膜時には前記垂直搬送部と前記水平原料部とを一体化させ、メンテナンス時にはこれらを分割することができる。これにより、真空チャンバーを大気開放する際の課題である金属飛散のコンタミネーションを防止することができる。さらに、垂直搬送部と水平原料噴出部との分離により、真空チャンバーの側壁等に付着している金属の除去や、金属原料るつぼの交換等、垂直搬送部と水平原料部とを別々に、かつ容易にメンテナンスすることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の縦型成膜装置であって、前記垂直搬送部は、前記フィルム基材が所定位置から左右いずれかにズレを生じた場合、そのズレを検出する少なくとも２つのセンサーと、
前記センサーの検出信号により、前記フィルム基材のズレを調整するモータユニットとアジャストローラユニットとを含む蛇行調整部とを備え、
前記モータユニットは磁性流体を介して前記真空チャンバー外に設けられていることを特徴とする。

アジャストローラにより縦型成膜装置の課題であるフィルム基材の蛇行を防止することができる。また、蛇行調整部を構成するアジャストローラユニットとモータユニットとを磁性流体を介して接続することで、モータユニットを真空チャンバー外に設けることができる。これによりモータユニットのメンテナンスを容易に行うことができる。

以上説明したように、本発明によれば、床占有面積が小さく、かつ成膜能力の増大や、本来の成膜工程に親水前処理や後処理などの付加工程が付加されても、装置の床占有面積が大きくならない縦型成膜装置を提供することができる。また、縦型成膜装置の課題である、フィルム基材の蛇行を防止できる縦型成膜装置を提供することができる。

本発明の一実施の形態である酸化亜鉛薄膜を成膜する縦型成膜装置の構成を示した図である。 蛇行調整部２２の詳細を示した図である。 蛇行調整部２２の構造の分解斜視図である。 駆動カム３１２とそこに嵌入する駆動カム溝２１５との嵌入時の様子を模式的に示した斜視図である。 蛇行調整部２２の動作の様子を模式的に表した斜視図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。図１は、本発明の一実施の形態である酸化亜鉛薄膜を成膜する縦型成膜装置の構成を示した図である。図１に示すように、縦型成膜装置１は、真空に減圧された真空チャンバー１５、真空チャンバー１５を真空にする真空ポンプ１１、真空チャンバー１５内に配置され酸素ラジカルを噴出する微細な孔である酸素プラズマ噴出孔１２１を備えた酸素セルユニット部１２、蒸気の亜鉛原子を噴出する亜鉛原子噴出孔１３１を備えた亜鉛セルユニット１３、酸化亜鉛薄膜の比抵抗を調整するためのドーパントを供給するドーパント・ドープ部１４から構成される。なお、ドーパントとしては、例えば、アルミニウム、ガリウム、インジウムなどが好適である。

図１に示す真空チャンバー１５は、成膜室１５１と、酸素プラズマ噴出孔１２１、亜鉛原子噴出孔１３１、ドーパント・ドープ部１４のドーパント噴出口とがシャッター２４により開閉可能に仕切られている。これにより成膜室１５１と水平原料噴出部の一部の構成要素である酸素プラズマ噴出孔１２１、亜鉛原子噴出孔１３１、ドーパント・ドープ部１４のドーパント噴出口とを別々にメンテナンスできる。また、相互のコンタミネーションを防止することができる。

成膜室１５１には、長尺のフィルム基材がロール状に巻かれている巻出しロール部２６、巻き出しロール部２６から巻き出されたフィルム基材２を巻き取る巻き取りロール部１０、巻き出しロール部２６と巻き取りロール部１０との中間にあってフィルム基材２（図５参照）の裏面をロール状に滑らせながら所定の温度に冷却する冷却ロール部２３、フィルム基材２が巻き取られる際の蛇行を調整する蛇行調整部２２、フィルム基材２の成膜量を積算するエンコーダ２５、そしてフィルム基材の蛇行を検出する蛇行センサー２１とが設けられている。なお、巻き出しロール部２６と巻き取りロール部１０とは同期手段（図示していない）により同期できるように構成することが好ましい。これにより、フィルム基材２の自重だけを張力として成膜することができる。

成膜室１５１において、フィルム基材２に酸化亜鉛薄膜が成膜されるのは、酸素セルユニット部１２の先端にある酸素プラズマ噴出孔１２１、亜鉛セルユニット１３の先端にある亜鉛原子噴出孔１３１が噴出される成膜部である。かかる成膜部は冷却ロール部２３により、所定の温度に冷却され、所望の特性を持つ酸化亜鉛薄膜が安定して成膜される。なお、成膜部は冷却ロール部２３の中心水平線上のフィルム基材の表面部分よりやや下側とすることは好ましい。

このような縦型成膜装置の構成とすることにより、成膜装置の床占有面積を小さくすることができる。また、親水処理等の後処理工程が付加された場合でも、それらに必要な装置を上部方向に設けることにより、装置の床占有面積の増大を回避することができる。

図２は蛇行調整部２２の詳細図である。蛇行調整部２２は、アジャストローラユニット２０１、溝カムユニット２０２、モータユニット３００とで構成されている。アジャストローラユニット２０１は真空チャンバー１５内、即ち、真空中に置かれるが、モータユニット３００は大気圧中に設置してよい。このため、アジャストローラユニット２０１とモータユニット３００との接続は、磁性流体３１０により接続する構成としている。

図３は蛇行調整部２２の分解斜視図である。図４は、駆動カム３１２と駆動カム３１２の突起３１２０が嵌入する駆動カム溝２１５の斜視図である。図２、図３、図４を参照しながら、蛇行調整部２２の構造と動作について説明する。

アジャストローラユニット２０１は、搬送されるフィルム基材２に蛇行があった場合、搬送されているフィルム基材２の左右のいずれか端部側に、ソフトな抵抗を与える構造となっている。これによりフィルム基材２の巻き取りにずれが生じた際に、そのずれを調整することができる。

巻き取りローラ部１０によりフィルム基材２が巻き上げられる際に蛇行が生じると、フィルム基材２が左右いずれにずれているかを蛇行センサー２１が感知する。蛇行センサー２１のフィルム基材２のズレは、ズレ信号としてモータ駆動部３００に伝達される。モータ３１４はその信号により、シャフト３１１を時計回り、あるいは反時計回りに回転させる。

モータ３１４の回転は、カップリング３１３を介してシャフト３１１に伝達される。シャフト３１１はその先端に取り付けられている駆動カム３１２を回転させる。駆動カム３１２は図３、図４に示すように円板の周縁端に突起３１２０が形成されており、突起３１２０が長穴に切られた駆動カム溝２１５に嵌入する。

図４に示すように駆動カム３１２が、例えば時計方向に回転すると駆動カム溝２１５によりアジャストローラ２１１が動く。ここで、アジャストローラユニット２０１は、図２に示すようにベアリングボルト２１７によりアジャストローラ２１１のボルト貫通孔２２０を貫通し、上部スライドシート２２１−１を介して、溝カム２２３の溝カムベアリング２１８（２１８−１、２１８−２、２１８−３）に嵌入・貫通する。図２（ｂ）は図２（ａ）に示す蛇行調整部２２のＡ−Ａ断面図である。貫通したベアリングボルト２１７は、下部スライドシート２２１−２を介して、ブラケット２２２、ベアリングナット２１９とにより、これらを固定する（図２（ｂ）参照）。

ここで溝カムベアリング２１８（２１８−１、２１８−２、２１８−３）は、円弧状の溝となっており、その溝に沿って溝カムベアリング２１８が動き、それにより、図２（ａ）に示すように、アジャストローラ２１１は中心点Ｘを基準としてθの角度の範囲で動くように構成されている。

図５は蛇行調整部２０の動作の様子を模式的に表した斜視図である。図５に示すように蛇行センサー２１−１にフィルム基材２が接触すると、左側にフィルム基材２が蛇行していることになるので、中心点Ｘを基点としてアジャストローラ２１１の左側を前方向に回すことで、フィルム基材２の左側にソフトな摩擦抵抗を与える。これによりフィルム基材２の蛇行が調整される。右側にフィルム基材２が蛇行した場合は、その逆の動作を行うことで、フィルム基材２の右側の蛇行を調整できる。この構造は、フィルム基材２の表面が蛇行調整の回転中心点となるため、フィルム基材に不要な摩擦力が加わらず、酸化亜鉛薄膜の損傷を防止することができる。

１ 縦型酸化亜鉛成膜装置
２ フィルム基材
１０ 巻き取りロール部
１１ 真空ポンプ
１２ 酸素セルユニット部
１３ 亜鉛セルユニット部
１４ ドーパント・ドープ部
１５ 真空チャンバー
２２ 蛇行調整部
２１ 蛇行センサー
２３ 冷却ロール部
２４ シャッター
２５ エンコーダ
２６ 巻き出しロール部
４０ 巻き出しロール・フランジ
１２１ 酸素プラズマ噴出孔
１３１ 亜鉛原子噴出孔
１５１ 成膜室
２０１ アジャストローラユニット
２０２ 溝カムユニット
２１１ アジャストローラ
２１２ ベアリング
２１３ ベアリングブラケット
２１４ ベアリング
２１５ 駆動カム溝
２１７ ベアリングボルト
２１８−１、２１８−２ ２１８−３ 溝カムベアリング
２１９ ベアリングナット
２２０ ボルト貫通孔
２２１−１ 上部スライドシート
２２１−２ 下部スライドシート
２２２ ブラケット
２２３ 溝カム
３００ モータユニット
３１０ 磁性流体
３１１ シャフト
３１２ 駆動カム
３１３ カップリング
３１４ モータ

Claims (2)

1. 真空に減圧された真空チャンバー内に配置され、ロール状に巻かれたフィルム基材を垂直方向に搬送する垂直搬送部と、少なくとも反応性ガスと蒸気の金属原子とを前記フィルム基材の表面であって金属酸化物薄膜が成膜される成膜部に対して水平方向から噴出させる水平原料噴出部とを備えた縦型成膜装置であって、
   前記真空チャンバーは、前記垂直搬送部と前記水平原料噴出部とを開閉可能に仕切るシャッター部を備え、前記垂直搬送部と前記水平原料部とが分割可能に構成されていることを特徴とする縦型成膜装置。
2. 前記垂直搬送部は、前記フィルム基材が所定位置から左右いずれかにズレを生じた場合、そのズレを検出する少なくとも２つのセンサーと、
   前記センサーの検出信号により、前記フィルム基材のズレを調整するモータユニットとアジャストローラユニットとを含む蛇行調整部とを備え、
   前記モータユニットは磁性流体を介して前記真空チャンバー外に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の縦型成膜装置。