JPH08505435A - プラズマ補助反応性電子ビーム蒸発法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 １．プラズマ補助反応性電子ビーム蒸発法２．１ある種の非光学特性、そして特に、機械的特性は、膜の工業的生産においてその場では測定できないが、特に、再現可能に膜を塗被することができるように、硬度、耐磨耗及び障壁作用に高度の要求がなされる場合にはそうである。光学的膜特性の値は制御信号として使うことができる。２．２本発明によれば、基板が蒸発ゾーンを通過直後、反射及び／又は透過ならびに吸収度を波長域Δ_k＝１５０〜８００ｎｍで測定し、これから、屈折率及び光学的吸収係数が測定される。これらの測定値が実験的に決定された所望値と比較される。それから得られた制御信号が、一定の反応性気体分圧の場合は、ププラズマを制御し、膜の光学特性を一定に維持する。２．３本方法は、例えば、外装ガラス用に、建築産業においてそして包装産業において、例えば金属酸化物の耐磨耗と硬質膜又は障壁層を、ガラス、プラスチック、及び他の材料に蒸着するのに用いられる。

Description

【発明の詳細な説明】発明の名称 プラズマ補助反応性電子ビーム蒸発法技術分野 本発明は、プラズマ補助反応性電子ビーム蒸発法に関し、特に、耐磨耗と硬質 膜（hard layers）及び障壁層（barrier layers）の製造用の高速度蒸発法に関 する。その様な膜は、例えば、酸化金属から成り、ガラス、プラスチック、又は 他の材料上に引っかき傷（scratch）が付かない磨耗保護の膜として用いられる 。それらは、とりわけ、ファサードガラス（facadeglass）にそして建築産業に おいて用いられる。該膜の障壁作用は、包装産業において、材料を、酸素及び水 蒸気非透過性にするのに特に重要である。障壁層は、防食用にも重要であり、こ れに関連して用いられる。背景技術 前記膜製造上の技術的な範囲での基本的な必要条件は、被膜時間を通じて該膜 の一定の特性が確実に得られることである。この条件により、膜蒸着法への要求 は、高度なものとなる。なぜならば、高移動速度及び大きな基板表面を用いた生 産性の高い装置が通常使用されるからである。高速被膜条件下では、処理パラメ ータの変動は避けられない。 電子ビーム蒸発の場合は、蒸発期間を通じてある被膜又は膜特性を監視するこ とが公知である。この目的のために、その場で測定可能である光学特性、例え ば、透過及び反射ならびに導電性などの電気的特性も、利用される。なお、蒸発 工程に直ぐ続いて、被膜されるフィルムが、測定ローラ装置を通過し、これによ り、導電性を測定することにより膜厚を測定することは公知である。蒸発中の材 料の異なるポイントでの電子ビームの滞留時間を調整することにより、膜厚分布 を計画的に調節する（S．Schiller etａl，Processing of the ２nd Int．Confe rence on Vacuum Web Coating，Fort Lauderdale，Florida，USA，Oct．1988） 。 また、光学的特性を決定するために、関心のある波長域における光学層の透過 及び／又は反射を設定し、これから、色軌跡（colour locus）又は他の適用可能 な光学特性を算出することも公知である。他の標準的方法は、その場で、透明性 又は反射から膜厚を測定することである（G．Whitehead，P．Grant，The 0ptica l Monitor，Proc．28th Ann．Techn．Conf．Soc．Vac．Coaters，Philadelphia ，1985，pp．109-115）。屈折率は、反射量及び吸収スペクトルから測定するこ とができる。前述の被膜されるべき材料又は基板の使用分野の場合、硬度、磨耗 、及び障壁作用（barrieraction）などの機械的特性に重要性がおかれる。その 様な特性を直接的に測定するための多くの測定方法が存在する（K．Nitzsche，S chichtmesstechinik，VEB Deutscher Verlag fuer Grundstoffindustrie，Leipz ig，1974）。 しかし、それらは、その場での測定の目的には適し ていない。 機械的特性は、大きく、内的な膜構造及び組成に依存している。高速電子ビー ム蒸発の場合は、蒸着要件固有の複雑な依存関係に示される特性のために恒常性 がない。したがって、必要とされる機械的特性を一定に維持するために、蒸着さ れた膜の構造及び組成が、その場で、少なくとも直接に測定されなければならな い。発明の開示 本発明の課題は、その場で、ある非光学的膜特性そして特に機械的特性を測定 可能にし、高度に生産的にかつ高い恒常性で該膜を塗布被し得るようにするプラ ズマ補助反応性電子ビーム蒸発法を提供することである。１５０〜８００ｎｍの 波長での反射及び／又は透過ならびに光学的吸収について公知の仕方で得られる 値は、調整信号としても処理しなければならない。該方法は、特に、耐磨耗と硬 質膜又は障壁作用を有する膜の連続フロー装置に適していなければならない。そ の場で被破壊的に測定することが可能な測定量が、見出されるはずである。工程 制御の目的で、好適な、場合により公知でもある調整及び制御の可能性を利用す ることができる。 本発明によれば、上記課題は、請求の範囲第１項の特徴により解決される。方 法のさらなる展開は、従属項において現れる。 驚くべきことに、例えば、硬度、磨耗、及び障壁作用等の膜の非光学的特性は 、吸収、反射、及び透過な どのある種の光学的特性と相関していることが見出された。明らかに、この依存 性は、充填密度、化学組成、及び結合状態における変化が、機械的及び障壁特性 、そしてまた光学特性において、同一の方向で作用するという事実による。もし 、光学的特性がある許容誤差の範囲内に維持されれば、機械的及び障壁特性の許 容誤差限度が、常に守られる。この目的のために、屈折率ｎ及び吸収係数ｋが監 視される。また、実験的に測定され、そして一定に維持されねばならない多くの 他のパラメータとは別に、その様なプラズマ補助反応法等の場合は、反応性気体 分圧及びプラズマパラメータは、これらの特性にかなりの影響を有する。膜形成 法との関連での重要な役割は、化合物の反応性及び生成エンタルピー、ならびに 電子ビーム蒸発の場合の解離能力が演じる。基本的には、膜特性を得るために、 その場での測定値ｎ及びｋの関数としての反応性気体部分圧又はプラズマパラメ ータを調整することが可能である。選択された調整用又は制御用工程の有効性は 、膜系に依存することが見出された。かくして、例えば、ＳｉＯ_x膜を蒸着する ときには、反応性気体の分圧の調整は、特に一定の障壁特性を得るのに有効であ る。しかし、酸化アルミニウムの蒸着の場合は、硬度及び磨耗性等の必要な機械 的性質を確実に得るめに、プラズマパラメータの調整が有利であることが分かっ た。 しかし、屈折率ｎ及び吸収係数ｋの測定は、高速蒸発の場合、プラズマ領域で は、したがっての膜形成中 直接的には、技術的に可能ではない。このため、当然、膜形成とｎ及びｋの測定 との間にタイムラグが生じることになる。かくして、このタイムラグの結果、要 求される許容誤差を膜特性が超過しないことを確実にするために、全蒸発工程の 所与の基礎的安定性が必要となる。必要なプラズマ励起は、公知の方法により、 中でも、イオン源又は電子衝撃決定低圧プラズマにより発生させることができる 。反応性気体分圧の有効な制御の必要条件は、被膜工程の間プラズマ励起を一定 に保つことである。プラズマパラメータを一定に保つ様々な制御法が知られてお り、それらは、プローブ又は発光分析を用いてプラズマパラメータを測定するこ とに基づいている。現在の課題を解決するために、プラズマ発光の測定が特に有 利であることが分かつた。 ｎ及びｋの関数としてのプラズマパラメータを調整する場合、反応性気体分圧 は、一定に維持されなければならない。このために、反応性気体分圧の関数とし て反応性気体の流れ又はポンプの吸入能力を調整することが可能である。図面の簡単な説明 本発明は、２つの実施例と添付の図面との関連で、下記により詳細に説明する が、図面中： 図１は、プレート状の基板を被膜する電子ビーム蒸発器である。 図２は、プラスティックフィルムを被膜する電子ビーム蒸発器である。発明を実施する最良の態様 ビーム誘導装置を有する軸方向電子銃２は、蒸発室１にフランジを介して取り 付けられている。電子銃２を用いて発生させられる電子ビーム３は、プログラム 化された偏向を伴って、蒸発材料４の表面を撃ち、該表面と蒸着されるべき該表 面の上方に位置するプレート状の基板６間の工程ゾーン５（蒸発領域）に高蒸気 圧を発生させる。電子銃２の容量は、４０〜５０ｋＷである。蒸発るつぼ７内に 位置する蒸発材料４は、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）により、構成される。プ ラズマ源８は、蒸発るつぼ７と基板６間に位置し、蒸気励起のために用いられる 。プラズマ源８はプラズマ発生器９により制御される。基板の搬送速度は、約１ ｍ／ｓである。基板は、入り口ロック１０を介して蒸発室１を通り、測定室１１ まで動き、そこから基板６が再び公知の仕方で排出される。蒸発工程の目的は、 膜１２を“静的”蒸着速度０．５μｍ／ｓで基板６上に蒸着することである。膜 １２は高い硬度及び磨耗性を有しなければならない。工程制御なしの技術的動作 においては、数多くの外乱変数が、工程の不安定性をもたらし、したがって、膜 １２に求められたパラメータからの膜特性の発散をもたらす。そのような外乱変 数は、蒸発工程自体、プラズマ励起の安定度、工程ゾーン５における伝搬中の蒸 気の影響である。それらは、完全には説明されておらず、大きく影響を与えるこ とができない。本実施例の酸化アルミニウム蒸発工程においては、例えば、局所 的なクレータが蒸発材料 ４の表面に発生する。激しい気体の逃げ（発生）も、蒸発材料４の解離中に観察 され、それが蒸気伝搬の問題をもたらす。全工程ゾーン、ならびにその中に位置 するプラズマ源６の被膜は、回避不可能であって、異なる、別々に決定できない 蒸発パラメータの長期のドリフト、したがって、膜特性の望ましくない変化をも たらす。 硬度や磨耗性等の一定の機械的特性で膜を形成することを目的とする本発明の 方法は、以下に記述する装置を用いて実行される。測定室１１に位置するセンサ １３により膜１２の透過スペクトルを波長範囲２００〜８００ｎｍで記録する。 公知の評価装置１４で、測定されたスペクトルから吸収係数ｋと屈折率ｎが決定 され、機械的硬度及び耐磨耗性が前もって実験的に決定された関係から導き出さ れる。これらの値は、コントローラ１５に供給され、その中で、それ自体公知の 手段を用いて所定の所望値と比較される。該所望値は、実験的に決定されており 、基板６上の蒸着された酸化アルミニウム膜１２に要求される耐磨耗性及び硬度 を表す。これらの値の比較に基づいて制御信号が形成され、プラズマ発生器９に 通され、それが、前記制御信号の関数として、プラズマ源８に影響を与え、プラ ズマパラメータを変化させる。 工程ゾーン５と測定室１１におけるセンサ１３間の間隔が３ｍ、搬送速度１ｍ ／ｓの場合は、膜蒸着及び特性の測定間には約３ｓのタイムラグがある。この構 成は、３ｓより長い諸期間にわたる基礎的安定性を必 要とする。これを達成するために、別のセンサ１６及び部分圧調整装置１７を利 用して、気体導入手段１８への反応性気体部分圧を一定に維持する。この方法を 用いれば、所与の工程条件下で、硬度の許容誤差±１０％及び磨耗性の許容誤差 ±２０％が得られる。 図２の装置は、フィルム１９（ポリエステルフィルム）を蒸発するのに使用さ れる。蒸発は、公知の“内部”通路原理により行われ、装置はバッチ装置（batc h unit）である。蒸発室１内には、公知の仕方で仕切り２０により分けられて、 その上部に、冷却ローラ２３上を走るフィルム１９用の巻き取り手段２１及び巻 き戻し手段２２が位置する。蒸発室１には、フランジを介して電子銃２が取り付 けられ、その電子ビーム３は、プログラム化された仕方で偏向させられて、蒸発 材料４上にあたる。蒸発材料４は、その長手の軸の回りに一定に回転する二酸化 ケイ素（ＳｉＯ₂）の管である。電子銃２の出力は、２５〜３０ｋＷである。プ ラズマ源８は、蒸発材料４とフィルム１９の間に位置し、蒸気を励起するために 用いられる。プラズマ源８は、プラズマ発生装置９により制御される。フィルム １９の搬送速度は、４ｍ／ｓである。フィルム１９は、巻き戻し手段２２から、 工程ゾーン５を通って、巻き取り手段２１まで動く。電子ビーム蒸発の目的は、 静的蒸発速度８００ｎｍ／ｓでＳｉＯ_x膜１２をフィルム１９に蒸着することで ある。膜１２は、酸素及び水蒸気に対する高い障壁特性を有していなければなら ない。蒸発工程中、第１実施 例に関連して記述したものと同様の不安定性が生じる。 この装置を用いて、本発明の方法を次のように実行する。被膜されたフィルム １９の近傍の真空室１の上部のセンサ１３を用いて、膜１２の反射スペクトルを １８０〜６００ｎｍの波長域で記録する。評価装置１４において、測定されたス ペクトルからの吸収係数ｋ塗反射率ｎが測定され、膜１２の障壁特性がそこから 導出される。測定値は、コントローラ１５に供給され、そこで所望値と比較され る。所望値は、実験的に確立されたものであり、フィルム１９上の蒸着二酸化ケ イ素膜１２の要求された障壁特性を表す。これらの値の比較から、制御信号が形 成され、それが気体吸入手段１８により反応性気体の流れを制御する。反応性気 体分圧は、この制御信号の関数として影響を与えられる。工程ゾーン５とセンサ １３が位置する領域間の間隔が約１ｍの場合は、膜蒸着と特性の測定とのタイム ラグ約２５０ｍｓがある。この構成は、被膜工程の基礎的安定性＞２５０ｍｓを 要する。これを達成するために、プラズマ源８の近傍に位置するもう一つのセン サ１６を用いて、励起されるプラズマの強度が測定され、プラズマ発生装置９と 組み込まれたコントローラを用いて、一定に維持される。所与の工程条件下、こ の方法を用いることにより、非被膜フィルム９と比較して１００倍の障壁特性の 改善が再現可能に得られる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ツァイスィッヒ ゲルハードゥ ドイツ連邦共和国 デー―01069 ドレス デン モスツィンスキシュトラーセ 10 ／1501 (72)発明者 シッラー ニコラス ドイツ連邦共和国 デー―01833 ヘルム スドルフ ファブリックシュトラーセ ２ (72)発明者 グーディッケ クラウス ドイツ連邦共和国 デー―01307 ドレス デン ファイフェルハンズシュトラーセ 18 (72)発明者 ノイマン マンフレッドゥ ドイツ連邦共和国 デー―01277 ドレス デン シュロットゥヴィッツェル シュト ラーセ ５ ベー

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．蒸発材料と被膜されるべき基板間の工程ゾーンに制御可能なプラズマを発生 させ、その場で光学的特性を測定することにより、硬く耐磨耗性の膜及び／又は 障壁特性を有する膜で該基板をプラズマ補助反応性電子ビーム蒸発する方法にお いて、基板が蒸発ゾーンを通過直後に、反射及び／又は透過ならびに吸収係数を 波長域Δ_k＝１５０ｎｍ〜８００ｎｍで測定し、これから、屈折率ｎ及び光学的 吸収係数ｋが別々に測定され、これらの値が実験的に決定された所望値と比較さ れ、それから得られた制御信号を用いて、そして一定の反応性気体分圧の場合は 、プラズマのパラメータが、蒸着された膜の初期に測定された光学特性が一定に 維持されるように制御されることを特徴とする方法。 ２．得られた制御信号を用い、そして一定のプラズマパラメータの場合は、反応 性気体分圧が、蒸着された被膜の初期に測定された光学特性が一定に維持される ように制御される請求項第１項記載の方法。 ３．プラズマ発生源の基礎的安定性を確実に得るために、工程ゾーンにおけるプ ラズマ発光の強度が測定され、プラズマ源が、電力又はガス流を調整することに より、調整されることを特徴とする請求項第１項又は第２項記載の方法。 ４．反応性気体分圧が反応性気体の流れを調整することにより、調整されること を特徴とする請求項第２項 記載の方法。 ５．反応性気体分圧が真空ポンプの吸入能力を調整することにより調整されるこ とを特徴とする請求項第２項記載の方法。