説明

成膜方法及び装置

【課題】少なくとも1つ以上の基材に対し、基材の両面同時に、密度が高く、かつ、欠陥の非常に少ない膜を成膜することが可能になり、高い生産性を可能にすること。
【解決手段】原料ガス供給手段12は、チャンバー9の内部に少なくとも1つ以上の原料ガスを所定時間だけ供給し原料ガスの供給を停止する。次に、不活性ガス供給手段13は、チャンバー9の内部に少なくとも1つ以上の不活性ガスを所定時間だけ供給してチャンバー9の内部に残留している原料ガスを排気して不活性ガスの供給を停止する。次に、反応ガス供給手段14は、チャンバー9の内部に少なくとも1つ以上の反応ガスを所定時間だけ供給し停止する。次に、不活性ガス供給手段13は、チャンバー8の内部に少なくとも1つ以上の不活性ガスを所定時間だけ供給してチャンバー9の内部に残留している反応ガスを排気する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、大気圧以下の減圧のチャンバーにおいて、原料ガスを供給し基材の表面に膜を形成する成膜方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
近年、次世代のFPDとして期待される電子ペーパー、有機EL、又は、広範囲での普及が進んでいるLCDに関し、これらFPDのフレキシブル化を達成するため、又は、軽量化、コストダウン、ガラス基板の割れ等製造時のスループットの向上のため、ガラス基板をプラスチックフィルムに置き換えたいという要求が高まっている。また、有機ELでは、蛍光灯に替わる代替照明方法としても注目されており、この場合、軽量化、安全確保などの理由からプラスチックフィルムを用いることが求められている。
【0003】
ガラス基板は、環境由来の酸素や水蒸気による内部素子の劣化を抑制するため必要とされるガスバリア性が備わっている。しかし、軟包装材料用のガスバリアフィルムは、そのバリアレベルには達しておらず、プラスチックフィルムが適用され得る電子ペーパー及び有機ELなどでは、食品包材用バリアフィルムの100倍から1万倍のガスバリア性が必要とも言われている。
【0004】
このような高いガスバリア性を有するプラスチックフィルムを実現するために、電子ビーム蒸着法、イオンプレーティング法又はスパッタリング法などの物理成膜法は、大面積化やロール・ツー・ロールへの展開が容易であることから、これらの方式を用いて、高いガスバリア性の発現が期待できるものとして検討されている(特許文献1)。
【0005】
しかしながら、物理成膜法は、薄膜の成長過程において、柱状の成長や島状の成長をすることが一般的であるため、膜中にグレイン・バウンダリーが発生するため、高いガスバリア性を発現することが困難である。このため、膜厚を厚くすることでガスバリア性を発現させることが考えられるが、膜厚が厚くなると、薄膜の内部応力が無視できなくなり、クラック等が発生し、逆にガスバリア性の低下を招くことが分っている。
【0006】
また、化学成膜に属する化学気相成長法(CVD法)又はプラズマ化学気相成長法(プラズマCVD法)は、その膜成長過程において、柱状の成長や島状の成長をしにくく、このため膜中のグレイン・バウンダリー発生頻度が低いため、高いガスバリア性を発現することが期待されている。しかし、CVD法を用いる場合、成膜速度の遅さや、大面積化の困難さという大きな問題を抱えている。
【0007】
一方、原子層堆積法(Atomic Layer Deposition:以後ALD法と称する)は、形成しようとする膜を構成する各元素の原料ガスを基板に対し交互に供給することにより、原子層の単位で薄膜を形成することが可能であるため、成膜速度が遅いという欠点はあるが、プラズマCVD法以上に欠陥が少ない密な膜を成膜することが可能であり、また、膜厚制御が容易であることや、大面積化も比較的容易であるなどの良い点が多い。またプラズマを用いることにより、反応速度の向上、未反応ガスの減少を促せるプラズマALD法もある。
【0008】
しかし、ALD法を用いても、高いバリア性を求めるプラスチック基材を作製する際には、片面のみのコートとなりバリア性が足りない場合があった。また、このような際、片面を成膜したのち、プラスチック基材を反対にして、再度の成膜を行うことにより解消できるが、工程が煩雑である上、最初裏側であった面にはサンプルフォルダーと接触しているなど、物理的接触を余儀なくされるため、フィルムの汚染があり、たとえ両面のコーティングを行ったとしても、高いバリア性が発現しないことが珍しくないという問題がある。
【0009】
【特許文献1】特開2005−35128号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
本発明の目的は、低成膜速度に起因する生産性の悪さ、基材の両面を成膜する時の工程数の多さ、また、その際の基材の汚染を解消することを可能とし、密度が高く、かつ、欠陥の非常に少ない膜を成膜することが可能になり、高い生産性を可能にする成膜方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0011】
請求項1の発明に係る成膜方法は、原料ガス供給手段によりチャンバーの内部に少なくとも1つ以上の原料ガスを所定時間だけ供給し基材の両方の表面に前記原料ガスを吸着させる工程と、前記原料ガス供給手段による前記原料ガスの供給を停止する工程と、不活性ガス供給手段により前記チャンバーの内部に少なくとも1つ以上の不活性ガスを所定時間だけ供給して前記チャンバーの内部に残留している前記原料ガスを排気する工程と、前記不活性ガス供給手段による前記不活性ガスの供給を停止する工程と、反応ガス供給手段により前記チャンバーの内部に少なくとも1つ以上の反応ガスを所定時間だけ供給し前記基材の両方の表面の前記原料ガスと反応させる工程と、前記反応ガス供給手段による前記反応ガスの供給を停止する工程と、不活性ガス供給手段により前記チャンバーの内部に少なくとも1つ以上の不活性ガスを所定時間だけ供給して前記チャンバーの内部に残留している前記反応ガスを排気する工程と、を具備することを特徴とする。
【0012】
請求項2の発明に係る成膜方法は、請求項1に記載の発明において、前記すべての工程を2回以上実行することを特徴とする。
【0013】
請求項3の発明に係る成膜方法は、請求項1又は請求項2に記載の発明において、前記基材が枚葉のものであることを特徴とする。
【0014】
請求項4の発明に係る成膜方法は、請求項1乃至3のいずれかに記載の発明において、前記チャンバーの内部に複数の前記基材が配置されていることを特徴とする。
【0015】
請求項5の発明に係る成膜装置は、原料ガス供給手段と不活性ガス供給手段と反応ガス供給手段とを具備し、前記原料ガス供給手段は、チャンバーの内部に少なくとも1つ以上の原料ガスを所定時間だけ供給し基材の両方の表面に前記原料ガスを吸着させて前記原料ガスの供給を停止し、前記不活性ガス供給手段は、前記原料ガス供給手段による前記原料ガスの供給が停止された後に前記チャンバーの内部に少なくとも1つ以上の不活性ガスを所定時間だけ供給して前記チャンバーの内部に残留している前記原料ガスを排気して前記不活性ガスの供給を停止し、前記反応ガス供給手段は、前記不活性ガス供給手段による前記不活性ガスの供給が停止された後に前記チャンバーの内部に少なくとも1つ以上の反応ガスを所定時間だけ供給し前記基材の両方の表面の前記原料ガスと反応させて前記反応ガスの供給を停止し、前記不活性ガス供給手段は、前記反応ガス供給手段による前記反応ガスの供給が停止された後に前記チャンバーの内部に少なくとも1つ以上の不活性ガスを所定時間だけ供給して前記チャンバーの内部に残留している前記反応ガスを排気することを特徴とする。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、低成膜速度に起因する生産性の悪さ、基材の両面を成膜する時の工程数の多さ、また、その際の基材の汚染を解消することを可能とし、密度が高く、かつ、欠陥の非常に少ない膜を成膜することが可能になり、高い生産性を可能にする。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
以下に、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係る成膜装置を示す概略図である。図2は、本発明の実施の形態1に係る成膜装置の基材及びバインダーを示す斜視図である。図3は、本発明の実施の形態1に係る成膜装置の基材及びバインダーを示す分解斜視図である。
【0018】
図1に示すように、本発明の実施の形態1に係る成膜装置は、チャンバー9、ヒーター10、真空ポンプ11、原料ガス供給手段12、不活性ガス供給手段13、反応ガス供給手段14、ガス供給ノズル15及び制御手段16を具備している。チャンバー9の内部には、複数の基材3及びバインダー4が積層して配置されている。
【0019】
図2及び図3に示すように、基材3は、枚葉(平板)のものである。バインダー4は、バインダー上部1及びバインダー下部2を具備している。バインダー4は、バインダー上部1及びバインダー下部2が基材3の周辺部を上下から挟んで保持するものである。バインダー上部1及びバインダー下部2は、枠状部材で構成されている。このため、バインダー上部1及びバインダー下部2が基材3の周辺部を上下から挟んで保持する場合に、基材3の両方の表面(両面)が全く覆われていない状態となる。
【0020】
バインダー上部1は、上に突出する複数の突出スペーサ1Aを具備している。バインダー下部2は、下に突出する複数の突出スペーサ2Aを具備している。突出スペーサ1A、2Aは、図1に示すように、複数のバインダー4が基材3を保持した状態で積層された場合に、複数の基材3の間に気体を流通させるための空間を規定するものである。
【0021】
基材3をバインディングする手法は、バインダー4に限らず、基材3の所望の面が覆われていない状態であり、また、プラスチックフィルムを基材3とする場合など撓みが発生しない状態を提供できればよい。また、バインダー4を積み重ねる形態も、基材3同士の間にALDガスが十分に行き渡る空間(スペース)が規定されればよい。
【0022】
図1において、ヒーター10は、チャンバー9の内部の気体を加熱してこの気体の温度が所定温度になるようにするものである。真空ポンプ11は、チャンバー9の内部の気圧を大気圧以下に保持する減圧手段を構成している。原料ガス供給手段12、不活性ガス供給手段13及び反応ガス供給手段14からのガスは、ガス供給ノズル15を介してチャンバー9の内部に供給される。
【0023】
原料ガス供給手段12、不活性ガス供給手段13及び反応ガス供給手段14は、制御手段16に接続され、制御手段16により制御される。原料ガス供給手段12は、チャンバー9の内部に少なくとも1つ以上の原料ガスを所定時間だけ供給し基材3の両方の表面(両面)に原料ガスを吸着させて原料ガスの供給を停止する。不活性ガス供給手段13は、原料ガス供給手段12による原料ガスの供給が停止された後に、チャンバー9の内部に少なくとも1つ以上の不活性ガスを所定時間だけ供給してチャンバー9の内部に残留している原料ガスを排気して不活性ガスの供給を停止する。
【0024】
反応ガス供給手段14は、不活性ガス供給手段13による不活性ガスの供給が停止された後に、チャンバー9の内部に少なくとも1つ以上の反応ガスを所定時間だけ供給し基材3の両方の表面の原料ガスと反応させて反応ガスの供給を停止する。不活性ガス供給手段13は、反応ガス供給手段14による反応ガスの供給が停止された後に、チャンバー9の内部に少なくとも1つ以上の不活性ガスを所定時間だけ供給してチャンバー9の内部に残留している反応ガスを排気する。
【0025】
例えば、図4に示すように、原料ガス供給手段12は、チャンバー9の内部に少なくとも1つ以上の原料ガスを時間T1だけ供給し基材3の両方の表面に原料ガスを吸着させて原料ガスの供給を停止する。次に、不活性ガス供給手段13は、原料ガス供給手段12による原料ガスの供給が停止された後に、チャンバー9の内部に少なくとも1つ以上の不活性ガスを時間T2だけ供給してチャンバー9の内部に残留している原料ガスを排気して不活性ガスの供給を停止する。
【0026】
次に、反応ガス供給手段14は、不活性ガス供給手段13による不活性ガスの供給が停止された後に、チャンバー9の内部に少なくとも1つ以上の反応ガスを時間T3だけ供給し基材3の両方の表面の原料ガスと反応させて反応ガスの供給を停止する。次に、不活性ガス供給手段13は、反応ガス供給手段14による反応ガスの供給が停止された後に、チャンバー9の内部に少なくとも1つ以上の不活性ガスをT4時間だけ供給してチャンバー9の内部に残留している反応ガスを排気する。このような一連の成膜の動作は成膜の1サイクルとされ、図4の場合には、成膜の3サイクルの動作が実行される。なお、本発明の実施の形態1に係る成膜装置は、成膜の1サイクル、成膜の2サイクル又は成膜の4以上のサイクルの動作を実行してもよい。すなわち、本発明の実施の形態1に係る成膜装置は、前記一連の成膜の動作を1回又は複数回だけ実行する。
【0027】
次に、成膜方法のより具体的な例を説明する。図1において、まず、真空ポンプ11はチャンバー9の内部の気体を排気する。チャンバー9の内部の気体の気圧が十分に減圧下となった状態で、ヒーター10によりチャンバー9の内部の気体の温度を所望の温度まで加熱する。例えば、Alの場合は、チャンバー9の内部の気体の温度は、80〜300℃が良い。
【0028】
次に、ヒーター10による加熱の終了後に、昇温した温度を維持しながら、成膜装置は、前述の成膜の1サイクルの動作を実行する。この成膜の1サイクルの動作により、原子層の1層が基板3に成膜され、所望の膜厚まで繰り返し成膜のサイクルを行っていく。例えば、Alの場合には、1Å/サイクルとされ、物理膜厚が10nmである成膜を形成する場合、成膜の100サイクル行うこととなる。これらの成膜のサイクル中は、常に真空ポンプ11でチャンバー9の排気を行いながら各ガスを供給するものである。
【0029】
図1に示すように、基材3の側面よりガスを供給する場合、ガスの拡散が早く、より短時間で基材3の表面での吸着・反応を行うことができ、成膜時間の短縮を行うことが可能である。また、基材3の両面を同時に成膜したい場合は、ガスが互いに向かい合う面で押さえ込まれながら成膜されるため最適である。
【0030】
ガスバリアフィルムにおいては、近年、フィルム基材の片面に対し、有機系薄膜、無機系薄膜の多層構成を作製し、ハイバリアを提供するという手段が提唱されている。しかし、多層成膜は、基本的に物理成膜法かプラズマCVD法など両面同時の成膜ができない方法を用いるということと、単層でのバリア性能の低さを補うための手段である。多層構成の作製を行う場合、結局最も成膜速度の遅い層でボトルネックになることもあり、単層の成膜速度が速くとも多層ではそれほど速くないことも珍しくない。また、両面に成膜加工を施す場合、その倍の時間がかかるため現実的ではない。
【0031】
プラスチックフィルムの基材3の両面に無機系薄膜を成膜するということは、そのプラスチックフィルムを巨大な膨潤層とみなした多層構成と見ることも可能であり、片面の成膜だけのバリアよりも格段にバリア性能が上がる。本発明の実施の形態1では、2回の成膜を行うことなく、1回で複数枚を両面に同時に成膜することが可能であり、ロール・ツー・ロール・プロセス特有の巻取り傷が発生することによるバリア性能劣化などの心配も全く無く、成膜速度の遅さを埋め合わせることができる。
【0032】
(実施の形態2)
図5は、本発明の実施の形態2に係る成膜装置の基材及びバインダーを示す斜視図である。図6は、本発明の実施の形態2に係る成膜装置の基材及びバインダーを示す分解斜視図である。本発明の実施の形態2においては、本発明の実施の形態1と同じ構成要素には同じ参照符号を付してその説明を省略する。
【0033】
図5及び図6に示すように、本発明の実施の形態2に係る成膜装置は、本発明の実施の形態1において基材3及びバインダー4の代わりに基材5及びバインダー7を用いるものである。これ以外の本発明の実施の形態2に係る成膜装置の構成は、本発明の実施の形態1と同じである。
【0034】
基材5は、枚葉(平板)のものである。本発明の実施の形態2に係る成膜装置は、基材5の上面(一面)にのみ成膜するものである。バインダー7は、バインダー上部1及びバインダー下部6を具備している。バインダー7は、バインダー上部1及びバインダー下部6が基材5の周辺部を上下から挟んで保持するものである。バインダー上部1は、枠状部材で構成されている。バインダー下部6は、板状部材で構成されている。このため、バインダー上部1及びバインダー下部6が基材5の周辺部を上下から挟んで保持する場合に、基材5の下の表面(一面)が被覆された状態でバインダー下部6に支持され、かつ、基材5の上の表面(一面)が全く覆われていない状態となる。
【0035】
バインダー上部1は、上に突出する複数の突出スペーサ1Aを具備している。バインダー下部6、下に突出する複数の突出スペーサ6Aを具備している。突出スペーサ1A、6Aは、複数のバインダー7が基材5を保持した状態で積層された場合に、複数の基材5の間に気体を流通させるための空間を規定するものである。
【0036】
本発明の実施の形態2に係る成膜装置は、図1に示すチャンバー9の内部に材3及びバインダー4の代わりに複数の基材5及びバインダー7が積層して配置し、基材5に対して前述の一連の成膜の動作を実行して、基材5の上面(一面)にのみ成膜するものである。これ以外の本発明の実施の形態2に係る成膜装置の動作は、本発明の実施の形態1と同じである。
【0037】
(実施例1)
次に、本発明の実施例1について説明する。本発明の実施例1は、図1に示す成膜装置を用い、厚さが100μmであるポリエチレンナフタレートフィルム(以下PENフィルムとする)150mm□にAl膜を成膜する。この際、原料ガスとしてトリメチルアルミニウム(以下TMA)が用いられ、パージガスとしてArが用いられ、反応ガスとしてHOが用いられた。
【0038】
本発明の実施例1は、図2で示す両面同時の成膜用のバインダー4を用いて、成膜の300サイクルを行った。この際、各ガスの供給時間は2secづつとし、1サイクルは8secであり、合計時間は40minであった。
【0039】
(実施例2)
次に、本発明の実施例2について説明する。本発明の実施例2は、図1に示す成膜装置を用い、厚さが100μmであるポリエチレンナフタレートフィルム(以下PENフィルムとする)150mm□にAl膜を成膜する。この際、原料ガスとしてトリメチルアルミニウム(以下TMA)が用いられ、パージガスとしてArが用いられ、反応ガスとしてHOが用いられた。
【0040】
本発明の実施例2は、図5で示すバインダー7を用いて、成膜の300サイクルを行った。この際、各ガスの供給時間は2secづつとし、1サイクルは8secであり、合計時間は、40minであった。
【0041】
(評価方法)
実施例1及び実施例2における成膜及び基材の水蒸気透過度がMOCON法により測定された。この場合に測定器はMOCON AQUATRAN(登録商標)model1により測定し、酸素透過度をMOCON OX−TRAN(登録商標)2/20により測定した。この結果を図7に示す。
【0042】
図7に示す結果より、実施例1及び実施例2における成膜及び基材の水蒸気透過度は、0.01g/m↑2/day以下であり、高い防湿性が発現されている。中でも、両面同時の成膜を施した実施例1の成膜及び基材は、実施例2のもの以上の水蒸気透過度を示した。また、実施例1及び実施例2における成膜及び基材の酸素透過度は測定限界の0.01cm↑3/m↑2/day以下であることが計測により確認されており、高い酸素バリア性の発現が確認される。以上により、本発明の成膜装置を用いて成膜された膜は高い水蒸気、酸素バリア性能を発現することが示された。
【0043】
このため、本発明の本発明の実施の形態に係る成膜装置においては。プラスチック基材に成膜をしたプラスチックフィルムであって、水蒸気透過度が0.01g/m↑2/day
以下であり、かつ、酸素透過度が0.01cm↑3/m↑2/day以下であるものを製造することができる。このプラスチックフィルムは有用なものであり、また、このプラスチックフィルムを具備する光学部材及び光学装置も有用なものである。
【図面の簡単な説明】
【0044】
【図1】本発明の実施の形態1に係る成膜装置を示す概略図である。
【図2】本発明の実施の形態1に係る成膜装置の基材及びバインダーを示す斜視図である。
【図3】本発明の実施の形態1に係る成膜装置の基材及びバインダーを示す分解斜視図である。
【図4】本発明の実施の形態1に係る成膜装置の動作を説明するための図である。
【図5】本発明の実施の形態2に係る成膜装置の基材及びバインダーを示す斜視図である。
【図6】本発明の実施の形態2に係る成膜装置の基材及びバインダーを示す分解斜視図である。
【図7】本発明の実施例1及び実施例2の評価結果を説明するための図である。
【符号の説明】
【0045】
1 バインダー上部
2、6 バインダー下部
3、5 基材
4、7 バインダー
9 チャンバー
10 ヒーター
11 真空ポンプ
12 原料ガス供給手段
13 不活性ガス供給手段
14 反応ガス供給手段
15 ガス供給ノズル
16 制御手段

【特許請求の範囲】
【請求項1】
原料ガス供給手段によりチャンバーの内部に少なくとも1つ以上の原料ガスを所定時間だけ供給し基材の両方の表面に前記原料ガスを吸着させる工程と、
前記原料ガス供給手段による前記原料ガスの供給を停止する工程と、
不活性ガス供給手段により前記チャンバーの内部に少なくとも1つ以上の不活性ガスを所定時間だけ供給して前記チャンバーの内部に残留している前記原料ガスを排気する工程と、
前記不活性ガス供給手段による前記不活性ガスの供給を停止する工程と、
反応ガス供給手段により前記チャンバーの内部に少なくとも1つ以上の反応ガスを所定時間だけ供給し前記基材の両方の表面の前記原料ガスと反応させる工程と、
前記反応ガス供給手段による前記反応ガスの供給を停止する工程と、
不活性ガス供給手段により前記チャンバーの内部に少なくとも1つ以上の不活性ガスを所定時間だけ供給して前記チャンバーの内部に残留している前記反応ガスを排気する工程と、
を具備することを特徴とする成膜方法。
【請求項2】
前記すべての工程を2回以上実行することを特徴とする請求項1に記載の成膜方法。
【請求項3】
前記基材は枚葉のものであることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の成膜方法。
【請求項4】
前記チャンバーの内部に複数の前記基材が配置されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の成膜方法。
【請求項5】
原料ガス供給手段と不活性ガス供給手段と反応ガス供給手段とを具備し、
前記原料ガス供給手段は、チャンバーの内部に少なくとも1つ以上の原料ガスを所定時間だけ供給し基材の両方の表面に前記原料ガスを吸着させて前記原料ガスの供給を停止し、
前記不活性ガス供給手段は、前記原料ガス供給手段による前記原料ガスの供給が停止された後に前記チャンバーの内部に少なくとも1つ以上の不活性ガスを所定時間だけ供給して前記チャンバーの内部に残留している前記原料ガスを排気して前記不活性ガスの供給を停止し、
前記反応ガス供給手段は、前記不活性ガス供給手段による前記不活性ガスの供給が停止された後に前記チャンバーの内部に少なくとも1つ以上の反応ガスを所定時間だけ供給し前記基材の両方の表面の前記原料ガスと反応させて前記反応ガスの供給を停止し、
前記不活性ガス供給手段は、前記反応ガス供給手段による前記反応ガスの供給が停止された後に前記チャンバーの内部に少なくとも1つ以上の不活性ガスを所定時間だけ供給して前記チャンバーの内部に残留している前記反応ガスを排気することを特徴とする成膜装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【公開番号】特開2010−126793(P2010−126793A)
【公開日】平成22年6月10日(2010.6.10)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−305205(P2008−305205)
【出願日】平成20年11月28日(2008.11.28)
【出願人】(000003193)凸版印刷株式会社 (10,630)
【Fターム(参考)】