6697706 原子層堆積装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6697706

(24)【登録日】2020年4月30日

(45)【発行日】2020年5月27日

(54)【発明の名称】原子層堆積装置

(51)【国際特許分類】

   C23C 16/54 20060101AFI20200518BHJP

   H01L 21/31 20060101ALI20200518BHJP

   H01L 21/316 20060101ALI20200518BHJP

【ＦＩ】

   C23C16/54

   H01L21/31 C

   H01L21/316 X

【請求項の数】5

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2015-238671(P2015-238671)

(22)【出願日】2015年12月7日

(65)【公開番号】特開2017-106052(P2017-106052A)

(43)【公開日】2017年6月15日

【審査請求日】2018年11月21日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003193

【氏名又は名称】凸版印刷株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100139686

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 史朗

(74)【代理人】

【識別番号】100169764

【弁理士】

【氏名又は名称】清水 雄一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100147267

【弁理士】

【氏名又は名称】大槻 真紀子

(74)【代理人】

【識別番号】100064908

【弁理士】

【氏名又は名称】志賀 正武

(74)【代理人】

【識別番号】100108578

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 詔男

(74)【代理人】

【識別番号】100152146

【弁理士】

【氏名又は名称】伏見 俊介

(72)【発明者】

【氏名】加納 満

【審査官】 今井 淳一

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／０２１９７０８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 欧州特許出願公開第０２９４０１８２（ＥＰ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２３Ｃ １６／５４

Ｈ０１Ｌ ２１／３１

Ｈ０１Ｌ ２１／３１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

フレキシブル基材に原子層堆積法により原子層を形成する原子層堆積装置であって、
前記フレキシブル基材が巻き出される巻出し室と、
前記原子層が形成された前記フレキシブル基材が巻き取られる巻き取り室と、
前記巻き出し室と前記巻き取り室との間に、前記フレキシブル基材が通過可能に設けられた複数の反応室と、
第一前駆体を含むガスが収容された第一供給部と、
前記第一供給部と接続された第一供給管と、
パージガスが収容された第二供給部と、
前記第二供給部と接続された第二供給管と、
第二前駆体を含むガスが収容された第三供給部と、
前記第三供給部と接続された第三供給管と、
前記複数の反応室に接続された排気管と、
を備え、
前記複数の反応室のすべてに、それぞれ前記第一供給管、前記第二供給管、および前記第三供給管が接続されており、かつ反応室内のガス種およびガス条件を調節可能に構成されている、
原子層堆積装置。

【請求項2】

フレキシブル基材に原子層堆積法により原子層を形成する原子層堆積装置であって、
前記フレキシブル基材が巻き出される巻出し室と、
前記原子層が形成された前記フレキシブル基材が巻き取られる巻き取り室と、
前記巻き出し室と前記巻き取り室との間に、前記フレキシブル基材が通過可能に設けられた複数の反応室と、
第一前駆体を含むガスが収容された第一供給部と、
前記第一供給部と接続された第一供給管と、
パージガスが収容された第二供給部と、
前記第二供給部と接続された第二供給管と、
第二前駆体を含むガスが収容された第三供給部と、
前記第三供給部と接続された第三供給管と、
前記複数の反応室に接続された排気管と、
を備え、
前記複数の反応室のそれぞれには、前記第一供給管、前記第二供給管、および前記第三供給管の少なくとも一つが接続されており、
前記複数の反応室の少なくとも一つには、前記第一供給管、前記第二供給管、および前記第三供給管のうち少なくとも二つが接続されており、かつ反応室内のガス種およびガス条件を調節可能に構成され、
前記複数の反応室の少なくとも一つが連結および切り離し可能に構成されている、
原子層堆積装置。

【請求項3】

前記複数の反応室の少なくとも一つに配置されたガイドローラーをさらに備え、
前記フレキシブル基材は、前記ガイドローラーにより搬送方向を変更しながら前記複数の反応室を通過する、請求項１または２に記載の原子層堆積装置。

【請求項4】

前記複数の反応室の少なくとも一つに配置されたプラズマ電極をさらに備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の原子層堆積装置。

【請求項5】

前記第二供給管および前記排気管が接続され、前記複数の反応室のすべてと連通するように配置されたパージ室をさらに備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の原子層堆積装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、原子層堆積法（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＡＬＤ）を用いる原子層堆積装置に関する。より詳しくは、巻取り可能なフレキシブル基材上に、ＡＬＤにより原子層からなる薄膜を連続的に形成する原子層堆積装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ＡＬＤは、ピンホールのない緻密な薄膜を基材表面形状に沿って形成できる方法として、半導体の高誘電率材料（Ｈｉｇｈ−Ｋ）や絶縁層に使用されている。
近年、有機発光ダイオード（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ、ＯＬＥＤ）のディスプレーや照明への商品化がはじまり、スマートフォンなどに使用され始めた。これらのＯＬＥＤディスプレーはガラス基材を使用しており、落下によるディスプレーの破損や軽量化、持ち運び性の点から、ポリマー等からなるフレキシブル基材を使用したＯＬＥＤディスプレー、ＯＬＥＤ照明の開発が望まれている。しかし、ＯＬＥＤディスプレー、ＯＬＥＤ照明に使用されている材料は水蒸気や酸素により劣化しやすいために、これらの蒸気やガスを遮断する機能が要求されている。具体的には水蒸気透過率が１０^−６ｇ／ｍ^２／ｄａｙ以下が望まれている。
特許文献１に、ＯＬＥＤに用いるガスバリア層として、ＡＬＤで形成された酸化アルミニウムが有効であることが記述されており、ＡＬＤがＯＬＥＤ用の高いガスバリア性を実現する有望な製造方法であることが示唆されている。

【0003】

ＡＬＤの基本的な流れについて説明する。第一ステップにおいて、反応容器に静置された基材にガス状の第一前駆体を供給し、第一前駆体を基材に飽和吸着（化学吸着）させる。続く第二ステップにおいて、反応容器にパージガスを導入し基材表面の余剰の第一前駆体（物理吸着したもの）を除去する。続く第三ステップにおいて、反応容器にガス状の第二前駆体を導入し、表面に飽和吸着した第一前駆体と第二前駆体とを反応させて、原子層を形成する所望の物質を形成させる。続く第四ステップにおいて、再び反応容器にパージガスが導入され、基材表面の余剰の第二前駆体が除去される。通常これら４ステップによりＡＬＤの基本単位である１サイクルが構成される。ＡＬＤにおいて、上記サイクルは、形成する薄膜の厚み等に応じて所望の回数繰り返される。

【0004】

上述した、反応容器内のガスの切り替えを行うＡＬＤは、例えば特許文献２および非特許文献１に記載されており、時間分割ＡＬＤ（Ｔｅｍｐｏｒａｌ ＡＬＤ。以下、「ＴＡＬＤ」と称することがある。）とも呼ばれる。ＡＬＤの各ステップにおいては、基材の材質と前駆体の組成、およびそれらの反応性によって適正な暴露条件（前駆体の分圧、暴露時間、基材の温度等）が決定される。ＴＡＬＤでは、反応容器に供給される前駆体ガスが収容された前駆体容器、および前駆体容器と反応容器とを接続する配管の温度調整によって前駆体ガスの蒸気圧を制御する。前駆体ガスの流量は、マスフローメーター等を用いて制御し、暴露時間は、反応容器にガスを供給する配管を開閉する高速バルブを用いて制御する。ＴＡＬＤでは、暴露条件を適正な範囲に調整することにより、ピンホールのない高品質な薄膜を形成することができる。

【0005】

ＴＡＬＤでは、高品質の薄膜を形成できるものの、通常１サイクルに数十秒から数分を要するため、処理能力（ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ）に改善の余地がある。
処理能力の改善に関して、基材を異なるガス雰囲気の空間に順次移動させながら各ステップを行う、空間分割ＡＬＤ（Ｓｐａｔｉａｌ ＡＬＤ。以下、「ＳＡＬＤ」と称することがある。）が、近年、注目されている。
ＳＡＬＤでは、第一前駆体のガス雰囲気空間に基材を所定時間滞在させて、第一ステップを行う。次に、基材をパージガスの雰囲気空間に移動して第二ステップを行う。さらに、基材を第二前駆体のガス雰囲気空間に移動して第三ステップを行い、最後に基材をパージガスの雰囲気空間に移動して第四ステップを行うと、上述した１サイクルが完了する。
ＳＡＬＤでは、複数の基材を上述した各空間に配置できるため、複数の基材のＡＬＤを併行して進めることができる、その結果、処理能力の向上が期待できる。

【0006】

特許文献３には、金属箔やポリマー、繊維等からなるフレキシブル基材にＳＡＬＤにより薄膜を形成する装置が開示されている。特許文献３に記載の装置では、パージゾーンで仕切られた第一前駆体ゾーンと第二前駆体ゾーンを、フレキシブル基材が複数回通過しながらＳＡＬＤが実行される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特表２００７−５１６３４７号公報

【特許文献2】米国特許第４０５８４３０号明細書

【特許文献3】米国特許第８１３７４６４号明細書

【非特許文献】

【0008】

【非特許文献1】Paul Poodt et. Al, J Vac Sci Technol, A30(1), 010802, Jan/Feb 2012

【非特許文献2】J. C. Spagnola et al., J Mater Chem, 20, 4213-4222, 2010

【非特許文献3】R.P. Padbury et al., J Vac Sci Technol, A33(1), 01A112, Jan/Feb 2015

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

ＡＬＤの各ステップにおいて、適正な暴露条件はそれぞれ異なる。さらに暴露条件は、用いる基材や前駆体によっても変化するし、前駆体や基材が同一の場合であっても、形成される薄膜の成長段階や基材の結晶性により変化することがわかってきた。
特に、フレキシブル基材として高分子フィルムを用いる場合、ＡＬＤの初期段階では第一前駆体が基材内部に浸透することが知られている。非特許文献２には、前駆体としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用いたＴＡＬＤにおいて、吸着する対象の高分子基材の材質が変化すると、吸着量とそのサイクル数依存性が変化することが記載されている。非特許文献３には、ＴＭＡがポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）製基材に吸着する場合の内分浸透（ｂｕｌｋ ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ)が非晶質で進行することが記載されている。これは、結晶性が変化すれば、同じ材質であっても基材内部への浸透性が変化し、その結果、前駆体の吸着挙動も変化することを示唆している。
非特許文献２および３を考慮すると、高分子フィルム上にＡＬＤで薄膜を形成する際、初期成長段階と定常成長段階（二次元成長段階）とは好適な暴露条件が異なることが推測される。

【0010】

しかし、ＳＡＬＤを行う特許文献３に記載の装置において、第一前駆体ゾーンは単一の空間であるため、構造上、サイクルごとにガスの流量や分圧を変えることはできない。また、暴露時間は、各ステップを行う反応室における基材搬送路の長さと基材の搬送速度により決定される。通常、搬送速度は最も暴露時間が長いステップに合わせて調整される。したがって、各ステップに対して最適な暴露条件を設定することは容易ではない。

【0011】

上記事情を踏まえ、本発明は、ＡＬＤの各ステップにおける暴露条件を容易に調節することができる原子層堆積装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明の第一の態様は、フレキシブル基材に原子層堆積法により原子層を形成する原子層堆積装置であって、前記フレキシブル基材が巻き出される巻出し室と、前記原子層が形成された前記フレキシブル基材が巻き取られる巻き取り室と、前記巻き出し室と前記巻き取り室との間に、前記フレキシブル基材が通過可能に設けられた複数の反応室と、第一前駆体を含むガスが収容された第一供給部と、前記第一供給部と接続された第一供給管と、パージガスが収容された第二供給部と、前記第二供給部と接続された第二供給管と、第二前駆体を含むガスが収容された第三供給部と、前記第三供給部と接続された第三供給管と、前記複数の反応室に接続された排気管とを備え、前記複数の反応室のすべてに、それぞれ前記第一供給管、前記第二供給管、および前記第三供給管が接続されており、かつ反応室内のガス種およびガス条件を調節可能に構成されている。

【0013】

本発明の第二の態様は、フレキシブル基材に原子層堆積法により原子層を形成する原子層堆積装置であって、前記フレキシブル基材が巻き出される巻出し室と、前記原子層が形成された前記フレキシブル基材が巻き取られる巻き取り室と、前記巻き出し室と前記巻き取り室との間に、前記フレキシブル基材が通過可能に設けられた複数の反応室と、第一前駆体を含むガスが収容された第一供給部と、前記第一供給部と接続された第一供給管と、パージガスが収容された第二供給部と、前記第二供給部と接続された第二供給管と、第二前駆体を含むガスが収容された第三供給部と、前記第三供給部と接続された第三供給管と、前記複数の反応室に接続された排気管とを備え、前記複数の反応室のそれぞれには、前記第一供給管、前記第二供給管、および前記第三供給管の少なくとも一つが接続されており、前記複数の反応室の少なくとも一つには、前記第一供給管、前記第二供給管、および前記第三供給管のうち少なくとも二つが接続されており、かつ反応室内のガス種およびガス条件を調節可能に構成され、前記複数の反応室の少なくとも一つが連結および切り離し可能に構成されている。

【発明の効果】

【0015】

本発明の原子層堆積装置によれば、ＡＬＤの各ステップにおける暴露条件を容易に調節することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の第一実施形態に係る原子層堆積装置の内部構造を示す模式図である。

【図2】同原子層堆積装置を図１と異なる方向からみた内部構造を示す模式図である。

【図3】同原子層堆積装置の機能ブロック図である。

【図4】各反応室のガス条件の一例を示す図である。

【図5】各反応室のガス条件の一例を示す図である。

【図6】本発明の第二実施形態に係る原子層堆積装置の内部構造を示す模式図である。

【図7】同原子層堆積装置の変形例の内部構造を示す模式図である。

【図8】本発明の原子層堆積装置における反応室の設定態様の一例を示す表である。

【図9】反応室の設定態様の他の例を示す表である。

【図10】反応室の設定態様の他の例を示す表である。

【図11】反応室の設定態様の他の例を示す表である。

【図12】本発明の原子層堆積装置の変形例における反応室の内部を示す模式図である。

【図13】他の変形例における反応室の内部を示す模式図である。

【図14】本発明の変形例に係る原子層堆積装置の内部構造を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

本発明の第一実施形態について、図１から図５を参照して説明する。図１は、本実施形態の原子層堆積装置１を側方からみた内部構造を示す模式図である。原子層堆積装置１は、ロール・ツー・ロール（Ｒｏｌｌ ｔｏ Ｒｏｌｌ、ＲＴＲ）でフレキシブル基材２の面上にＳＡＬＤにより原子層を堆積して薄膜を形成する装置である。

【0018】

原子層堆積装置１は、フレキシブル基材２が送り出される巻出し室１０と、原子層が堆積させたフレキシブル基材２が巻き取られる巻き取り室３０と、巻き出し室１０と巻き取り室３０との間に配置された複数の反応室２０とを備える。

【0019】

巻き出し室１０は、巻き出しロール１１を備える。巻き出しロール１１には、原子層の形成対象であるフレキシブル基材２がロール状に巻かれて配置される。巻き出しロール１１が回転されると、フレキシブル基材２が反応室２０に送り出される。
巻き取り室３０は、巻き取りロール３１を備える。巻き取りロール３１が回転されると、反応室２０から出てきたフレキシブル基材２が巻き取りロール３１に巻き取られる。
巻き出しロール１１および巻き取りロール３１は、フレキシブル基材２に弛み等が生じないよう、同調して回転駆動される。回転駆動のための駆動源（図示略）は、巻き出しロール１１および巻き取りロール３１の一方に設けられてもよいし、両方に設けられてもよい。

【0020】

反応室２０は、ＡＬＤの１サイクルにおける各ステップをＳＡＬＤで実行できるように、複数設けられる。本実施形態では、図１に示すように、第一反応室２０Ａから第九反応室２０Ｉまでの計９つの反応室が、フレキシブル基材２の搬送方向に並べて配置されている。

【0021】

図２は、原子層堆積装置１を上方からみた内部構造を示す模式図である。図２に示すように、各反応室２０Ａ〜２０Ｉには、それぞれ、第一供給管２１、第二供給管２２、および第三供給管の３つの供給管が接続されている。各反応室に接続された第一供給管２１は、上流側で一つに合流し、第一供給部２６に接続されている。第一供給部２６には、第一前駆体を含むガス（以下、「第一前駆体ガス」と称することがある。）が収容されている。各反応室に接続された第二供給管２２は、上流側で一つに合流し、第二供給部２７に接続されている。第二供給部２７には、パージガスが収容されている。各反応室に接続された第三供給管２３は、上流側で一つに合流し、第三供給部２８に接続されている。第三供給部２８には、第二前駆体を含むガス（以下、「第二前駆体ガス」と称することがある。）が収容されている。

【0022】

各反応室に接続された第一供給管２１は、それぞれ開閉のいずれかに切り替え可能なバルブ３１ａと、バルブ３１ａと各反応室との間に設けられたマスフローメーター３２ａとを有する。同様に、各反応室に接続された第二供給管２２は、バルブ３１ｂと、マスフローメーター３２ｂとを有する。さらに、各反応室に接続された第三供給管２３は、バルブ３１ｃと、マスフローメーター３２ｃとを有する。

【0023】

各反応室２０Ａ〜２０Ｉにおいて、供給管が接続された側面と反対側の側面には、それぞれ排気管２４が接続されている。各反応室に接続された排気管２４は、下流側で一つに合流し、排気用のポンプ２５に接続されている。
各反応室に接続された排気管２４は、それぞれ開閉のいずれかに切り替え可能なバルブ３６と、バルブ３６と各反応室との間に設けられたコンダクタンス可変バルブ３７とを有する。

【0024】

図３は、原子層堆積装置１の機能ブロック図である。原子層堆積装置１は、装置全体の制御を行う制御部４０と、制御部４０に接続されたインターフェース部４５とを備える。
制御部４０は、各反応室２０Ａ〜２０Ｉに配置された、バルブ３１ａ〜３１ｃ、マスフローメーター３２ａ〜３２ｃ、バルブ３６、およびコンダクタンス可変バルブ３７と接続されており、上述の各バルブの開閉や開度を独立して制御可能に構成されている。
また、各反応室２０Ａ〜２０Ｉには、ヒータ３８が取り付けられている。各ヒータ３８は、制御部４０に接続されている。したがって、制御部４０は、各反応室内の温度を独立して制御可能に構成されている。さらに、排気管のポンプ２５と制御部４０も接続されている。

【0025】

上記のように構成された、本実施形態の原子層堆積装置１の使用時の動作について説明する。
準備工程として、フレキシブル基材２のロールを巻き出しロール１１に取り付け、一端を反応室２０Ａに進入させ、反応室２０Ａから２０Ｉを順に通過させる。そして、反応室２０Ｉから出てきた一端を巻き取りロール３１に取り付ける。
フレキシブル基材２の材質は、作製する積層体により適宜決定されるが、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等が例示される。

【0026】

次に、各供給部２６〜２８に、使用する前駆体ガスおよびパージガスを準備する。例えば、酸化アルミニウムの原子層堆積を行う場合、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、窒素をそれぞれ第一前駆体およびパージガスとして用い、Ｈ_２Ｏを第二前駆体ガスとして用いることができる。前駆体としてＴＭＡおよびＨ_２Ｏを用いる場合、通常は室温でも供給部では十分なガス圧を得ることができる。

【0027】

次に、使用者がインターフェース部４５を用いて、使用する前駆体ガスおよびパージガスの種類、各反応室の温度や導入されるガスの種類、分圧、流量等のガス条件、フレキシブル基材２の搬送速度等を制御部４０に入力して原子層堆積装置１に設定する。使用する前駆体ガスおよびパージガスの種類や条件等が、固定である場合や前回の操業時と同一である等により既に制御部４０に与えられている場合は、この設定入力が省略されてもよい。

【0028】

設定が終了すると、まず制御部４０がポンプ２５を作動させて各反応室の排気を行い、真空状態にする。続いて、適宜ヒータ３８を動作させることにより、各反応室２０Ａ〜２０Ｉの温度条件がそれぞれ設定された範囲に調節される。温度調節には、公知のフィードバック制御等が用いられてもよい。
各反応室の温度は、フレキシブル基材２の耐熱性、前駆体の反応性と前駆体の耐熱性（熱分解温度）等を考慮し選定される。例えば、フレキシブル基材２の材質がＰＥＴの場合、耐熱性は１２０℃以下とされるため、反応室の温度は１００℃前後に設定される。反応室の温度が１００℃であっても、ＴＭＡとＨ_２Ｏを使用するＡＬＤは反応が進行する。

【0029】

続いて制御部４０は、各反応室に接続されたバルブおよびコンダクタンス可変バルブを開閉制御し、各反応室の内部状態を設定に基づいて調節する。
反応室内に第一前駆体ガスまたは第二前駆体ガスが供給される場合、制御部４０は、例えば対応するバルブ３１ａまたは３１ｃを開放する。この状態で、対応するマスフローメーター３２ａまたは３２ｃの値を参照しつつ、対応する排気管２４のバルブ３６およびコンダクタンス可変バルブ３７を調整して排気速度を調整することにより、反応室内が所望の前駆体ガスで満たされ、かつ前駆体ガスのガス条件が設定された範囲に調節される。
反応室内にパージガスが供給される場合、制御部４０は、例えば対応するバルブ３１ｂおよび３６を開放する。この状態で、対応するマスフローメーター３２ｂの値を参照しつつ、対応する排気管２４のコンダクタンス可変バルブ３７を調整して排気速度を調整することにより、反応室内がパージガスで満たされ、かつパージガスのガス条件が設定された範囲に調節される。

【0030】

制御部４０による上述した制御により、各反応室２０Ａ〜２０Ｉは、割り当てられたＡＬＤのステップにおける最適な暴露条件に調節される。この状態で、フレキシブル基材２を巻き出し室１０から巻き取り室３０に向かって設定された所望の速度で搬送することにより、ＳＡＬＤの各ステップがフレキシブル基材２に対して実行される。その結果、フレキシブル基材２上に、所望の物質からなる原子層が堆積される。原子層堆積が終了したフレキシブル基材２は、順次巻き取りロール３１に巻き取られる。

【0031】

本実施形態の原子層堆積装置１によれば、複数の反応室２０Ａ〜２０Ｉが、それぞれ第一供給管２１ないし第三供給管２３を備えているため、各反応室を、第一または第二前駆体の反応空間とすること、およびパージの空間とすることのいずれも可能である。したがって、様々な前駆体の組み合わせやサイクル構成に好適に対応することができ、汎用性の高い装置とすることができる。

【0032】

また、各反応室に設けられた各供給管２１〜２３には、それぞれバルブ３１ａ〜３１ｃおよびマスフローメーター３２ａ〜３２ｃが設けられ、各排気管２４には、バルブ３６およびコンダクタンス可変バルブ３７が設けられている。これにより、各反応室のガス条件を制御部４０が独立して設定可能に構成されている。その結果、例えば同じガスが導入される反応室であっても、何回目のサイクルであるか等により、分圧や流量等を異ならせてそれぞれ異なるガス条件に調節することができる。その結果、ＳＡＬＤにおける各ステップの暴露条件を容易に調節し、ＡＬＤによる成膜を好適に行うことができる。

【0033】

さらに、原子層堆積装置１のメリットとして、各ステップを行う時間についても容易に調節することができるという点が挙げられる。
図４に示す例では、反応室２０Ａ、２０Ｃ、２０Ｅ、２０Ｇ、および２０Ｉにパージガスが供給され、反応室２０Ｂおよび２０Ｆに第一前駆体ガスが、反応室２０Ｄおよび２０Ｈに第二前駆体ガスが、それぞれ供給されている。これにより、一回の搬送でＡＬＤが２サイクル行われる態様になっている。図４では、各反応室に供給されるガスを模様で示している。

【0034】

図４に示す状態から、例えば反応室２０Ａに供給されるガスを第一前駆体ガスに変更すると、反応室の態様は図５に示すようになる。図５に示す態様では、図４同様、一回の搬送で２サイクルが行われるが、１回目のサイクルにおいて、第一前駆体の反応ステップは、図４の態様の倍の長さの時間行われる。このように、原子層堆積装置１においては、反応室ごとのガス条件を異ならせることができるだけでなく、各ステップの暴露時間の調節も容易に行うことができる。

【0035】

次に、本発明の第二実施形態について、図６および図７を参照して説明する。本実施形態の原子層堆積装置と第一実施形態の原子層堆積装置１との異なるところは、複数の反応室の配置態様である。なお、以降の説明において、既に説明したものと共通する構成については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

【0036】

図６は、本実施形態の原子層堆積装置１０１を側方からみた内部構造を示す模式図である。図６に示すように、本実施形態の原子層堆積装置１０１においては、複数の反応室の並ぶ方向が、上下を繰り返すように配置されている。すなわち、巻き出しロール１１から巻き出されたフレキシブル基材２は、まず装置の上側に設けられた反応室ａ１に入る。反応室ａ１に入ったフレキシブル基材２は、ガイドローラー１０２により方向を変えられ、反応室ａ１の下方に位置する反応室ａ２に移動する。その後フレキシブル基材２は、反応室ａ２の下方にある反応室ａ３に入り、反応室ａ３内のガイドローラー１０２により方向を変えられて上方の反応室ａ４に向かう。

【0037】

このように、フレキシブル基材２は、ガイドローラー１０２により上方への搬送と下方への搬送とを繰り返しながら、各反応室を通過しつつ巻き取り室３０に向かって移動する。各ガイドローラー１０２は、形成された原子層に対する影響を最小限にするために、フレキシブル基材２のうち、搬送方向と直交する幅方向の両端部のみと接触するように配置されている。

【0038】

図６では複雑になるため、図示を省略しているが、巻き出し室１０と連通する反応室ａ１から巻き取り室３０と連通するａ２７までのすべての反応室が、それぞれバルブおよびマスフローメーターを備えた３つの供給管２１〜２３、バルブおよびコンダクタンス可変バルブを備えた排気管２４を備えている。また、原子層堆積装置１０１が、制御部４０およびインターフェース部４５を備えている点も、図示を省略するが第一実施形態と同様である。

【0039】

本実施形態の原子層堆積装置１０１においても、第一実施形態の原子層堆積装置１と同様に、ＳＡＬＤにおける各ステップの暴露条件を容易に調節することができる。
また、複数の反応室がガイドローラー１０２を備えるため、複数の反応室を並び順が上下に蛇行するように配置しても、フレキシブル基材２の搬送方向を適宜変更することにより、好適に複数の反応室を通過させてＳＡＬＤを実行することができる。さらに、装置の大型化抑制も可能となる。

【0040】

本実施形態では、一つの反応室において、上流側および下流側に位置する反応室が、上方または下方に位置するため、ある反応室に供給されたガスが、比重の違い等により連通した他の反応室に進入する可能性が高くなる。これを好適に防ぐには、パージガスが供給される反応室の内圧が、第一前駆体ガスおよび第二前駆体ガスが供給される反応室の内圧よりも少し高くなるように制御部４０を設定すればよい。また、反応室の連通路にガスの反応室間の移動を抑制するフラップ状の進入防止部を設けてもよい。さらに、上述した内圧制御と進入防止部とが併用されてもよい。
このようなガスの進入防止対策は、フレキシブル基材が水平に搬送される第一実施形態において行われてもよいことは当然である。

【0041】

また、図７に示す変形例のように、反応室が上下方向に３つ以上並べられ、より多くの反応室ａ１からａ５７を備える構成とされてもよい。図７では、反応室が上下方向に５つ並べられているが、上下方向に並べられる数は、例えば２や４等の偶数であってもよい。

【0042】

次に、本発明の原子層堆積装置を用いたＳＡＬＤの態様と、それを実行するための各反応室の設定について、複数の例を用いて説明する。

【0043】

（設定例１）
設定例１は、原子層堆積装置１０１を用いて、ＰＥＴ製のフレキシブル基材に酸化アルミニウムからなる原子層をプラズマＡＬＤにより形成する例である。
設定例１では、ＴＭＡ、窒素、酸素を、それぞれ第一前駆体、パージガス、および第二前駆体として用いる。

【0044】

反応室ａ１からａ２７までの複数の反応室のうち、ａ１、ａ５、ａ９、ａ１３、ａ１７、ａ２１、およびａ２５の各反応室には、ＴＭＡが導入される。ａ３、ａ７、ａ１１、ａ１５、ａ１９、ａ２３、およびａ２７の各反応室には、酸素が導入される。酸素を導入する反応室には、予め図示しないプラズマ電極を配置しておき、ＳＡＬＤの開始前に酸素プラズマを発生させる。プラズマ電極が予めすべての反応室に設置され、酸素が供給される反応室のプラズマ電極にのみ通電されてもよい。
残りのａ２、ａ４、ａ６、ａ８、ａ１０、ａ１２、ａ１４、ａ１６、ａ１８、ａ２０、ａ２２、ａ２４、およびａ２６の各反応室には、窒素が導入される。

【0045】

この状態で巻き取り室からフレキシブル基材２を送り出すと、まず反応室ａ１でＴＭＡがフレキシブル基材２の表面に化学吸着される。続く反応室ａ２では、フレキシブル基材２に物理吸着しているＴＭＡが、パージガスである窒素によりフレキシブル基材２から除去される。さらに、反応室ａ３において、フレキシブル基材２に化学吸着したＴＭＡが酸素プラズマに暴露されて、酸化アルミニウムの原子層が堆積形成される。反応室ａ４において、余剰の酸素が除去されると、ＳＡＬＤの１サイクルが完了する。以後、同様の工程が繰り返され、巻き取り室３０に到達するまでに、フレキシブル基材２に対して７サイクルのＳＡＬＤが実行される。

【0046】

図８は、設定例１において、第一前駆体ガスのガス条件を反応室ごとに異ならせた例を示す表である。図８に示す例では、第一サイクルの反応室ａ１でＴＭＡの分圧を最も高くし、第二サイクル以降、徐々に分圧が低くなるよう設定している。各反応室において、フレキシブル基材２の搬送距離（例えば０．３メートル（ｍ））および搬送速度（例えば３６ｍ／秒）は一定であるため、各反応室におけるフレキシブル基材２の滞在時間は同一である。このため、分圧と滞在時間の積で表される暴露量（ラングミュアー（Ｌ））が反応室ａ１で最も高く、サイクルが進むにつれて低下し、第４サイクル以降は一定となるように設定されている。
本実施形態の原子層堆積装置においては、このような調節も容易に行うことができる。

【0047】

（設定例２）
設定例２は、第一前駆体が供給される反応室の一部において、ステップの所要時間を異ならせている例である。第一前駆体およびパージガスは設定例１と同一であり、第二前駆体ガスとしてＨ_２Ｏを用いている。

【0048】

図９は、設定例２における各反応室の設定の一例を示す表である。図９に示す例では、巻き出し室１０につながる反応室ａ１からａ９までの９つの反応室に、第一前駆体としてＴＭＡを含む第一前駆体ガスが供給される。したがって、第一サイクルにおける第一前駆体の化学吸着ステップの時間は、０．５×９＝４．５秒となる。第二サイクル以降における化学吸着ステップは、一つの反応室を用いて、かつ第一サイクルよりも低い分圧の条件で行われている。

【0049】

図８および図９に示した例では、第一サイクルにおけるＴＭＡの暴露量を第二サイクル以降に比して大きく設定することにより、フレキシブル基材２の内部へのＴＭＡ浸透量が増加し、吸着量が増加する。その結果、フレキシブル基材表面へのＴＭＡの飽和吸着を確実にし、基材と原子層との界面に緻密な層を形成することができる。

【0050】

（設定例３）
設定例３は、原子層堆積装置１０１を用いて、ＰＥＴ製のフレキシブル基材に混合酸化物からなる原子層を形成する例である。この例では、ＴＭＡおよび塩化チタン（ＩＶ、ＴｉＣｌ_４）の２種類の第一前駆体を用いる。パージガスとしては、窒素と二酸化炭素の混合ガス（Ｎ_２＋ＣＯ_２）を用い、第二前駆体を酸素とする。すなわち、この実施例では、パージガスに第二前駆体が含まれており、プラズマにより第二前駆体が反応可能な状態となる。

【0051】

図１０は、設定例３における各反応室の設定の一例を示す表である。図１０に示す例では、まずフレキシブル基材２を第一前駆体の反応室とパージ反応室とに繰り返し移動させ、ＴＭＡの浸透及び吸着を促進する（反応室ａ１からａ１０）。その後、フレキシブル基材２は、第一前駆体ガス（ＴＭＡ）、パージガス、第一前駆体ガス（塩化チタン（ＩＶ））、パージガスの反応室に順次移動されるが、パージガスの反応室の一部でプラズマを発生させることにより（Ｎ_２＋ＣＯ_２プラズマ）、パージと共に第一前駆体の酸化反応が行われる（反応室ａ１１からａ２７）。Ｎ_２＋ＣＯ_２プラズマによるパージ兼酸化のステップは、活性種(原子状酸素など)のプラズマ電極からの拡散長さより反応室の大きさを大きくすることで実施可能である。
上記のような設定により、フレキシブル基材２上に酸化アルミニウムおよび酸化チタンの混合酸化物からなる原子層を堆積形成することができる。

【0052】

（設定例４）
設定例４は、設定例３における第一前駆体の一方を変更した例である。この例では、塩化チタン（ＩＶ）に代えて、トリス（ディメチルアミノ）シラン（３ＤＭＡＳ）を用いる。

【0053】

図１１は、設定例４における各反応室の設定の一例を示す表である。図１０に示す例では、フレキシブル基材２を第一前駆体ガス（ＴＭＡ）、パージガス（Ｎ_２＋ＣＯ_２）、パージ兼酸化（Ｎ_２＋ＣＯ_２プラズマ）、パージガス、第一前駆体ガス（３ＤＭＡＳ）、パージガス（Ｎ_２＋ＣＯ_２）、パージ兼酸化（Ｎ_２＋ＣＯ_２プラズマ）、パージガス、の順に移動させてサイクルを行う。ここで、３ＤＭＡＳの吸着ステップには、連続する２つの反応室が割り当てられている。

【0054】

一般に、３ＤＭＡＳは、ＴＭＡより飽和吸着に要する暴露量が大きい、すなわち、同じ前駆体分圧ではより長い飽和吸着時間を要する。図１１の例のように、３ＤＭＡＳに割り当てる反応室をＴＭＡよりも多くすることで、フレキシブル基材の搬送速度を落とさずに３ＤＭＡＳを用いたＳＡＬＤを実行することができる。この例では、原子層堆積装置１０１を用いて、酸化アルミを４サイクル分、酸化ケイ素を３サイクル分それぞれ堆積させることができる。図７に示すようなより多くの反応室を備える装置を用いれば、サイクル数を適宜増加させることが可能である。
設定例４では、３ＤＭＡＳのパージ兼酸化のステップに複数の反応室を割り当てることにより、酸化反応を促進することも可能である。

【0055】

設定例３および４では、２種類の第一前駆体を用いている。このように、２種類の第一前駆体（例えば第一前駆体Ａおよび第一前駆体Ｂ）を用いて三元系の金属酸化物の原子層堆積を本発明の原子層堆積装置で行う場合は、第四供給部および第四供給管を設け、例えば第一供給部に第一前駆体Ａを、第四供給部に第一前駆体Ｂを、それぞれ収容すればよい。なお、三元系のＡＬＤを行う場合でも、パージガスが第二前駆体を含まない態様に設定されてよいことは当然である。

【0056】

以上、本発明の各実施形態および設定例について説明したが、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において構成要素の組合せを変えたり、各構成要素に種々の変更を加えたり、削除したりすることが可能である。

【0057】

例えば、上述の各実施形態では、すべての反応室に３つの供給管が設けられる例を説明したが、必ずしも複数の反応室のすべてがすべての供給管を備えなくてもよい。一例として、巻き出し室に隣接する反応室においては、第二前駆体ガスを供給する第三供給管が備えられなくてもよい。また、設定の自由度は低下するが、複数の反応室の一部にのみ、２つ以上の供給管が接続された構成としてもよい。
また、必ずしも複数の反応室の供給管が単一の供給部に接続されなくてもよい。したがって、各供給管がそれぞれ異なる供給部からガスの供給を受ける構成であってもよい。

【0058】

また、排気管は、必ずしもすべての反応室に設けられる必要はなく、一部の反応室のみに設けられてもよい。ただし、複数の反応室で一つの排気管を共用する構成の場合、排気に伴うガスの流れにより、複数の前駆体が同一の反応室に存在する可能性が生じないように設定するのが好ましい。

【0059】

さらに、複数の反応室の少なくとも一つを連結および切り離し可能に構成することで、サイクルやステップ等の具体的内容に応じて必要最小限の反応室でＳＡＬＤを実行可能な構成にしてもよい。逆に、連結および切り離し可能に構成された反応室ユニットを追加することにより、ステップやサイクルの増加に対応可能な構成にすることもできる。
例えば、ＡＬＤで形成される原子層の厚みを１０〜２０ナノメートル（ｎｍ）程度としたい場合、通常はＡＬＤを１００サイクル以上行う必要がある。このように、ステップやサイクルの大幅な増加が必要な場合は、巻き出し室および巻き取り室を連結および切り離し可能に構成して、上述した原子層堆積装置どうしが連結できるように装置を構成してもよい。このように構成する場合は、巻き出し室および巻き取り室にも複数の供給管を備えるように構成すると、暴露条件の設定がより容易となる。

【0060】

上述の設定例でも少し触れたが、複数の反応室の一部または全部にプラズマ電極が設けられてもよい。プラズマの活性種を第二前駆体として使用する場合、図１２に示すように、フレキシブル基材２の厚さ方向片側にのみプラズマ電極６０を配置すると、フレキシブル基材２の片面側にプラズマの活性種６０ａが集中し、フレキシブル基材２の片面のみに原子層堆積を行うことができる。フレキシブル基材２の両面に原子層堆積を行いたい場合は、図１３に示すように、フレキシブル基材２の厚さ方向両側にプラズマ電極６０を配置すればよい。
第二前駆体として機能する元素がパージガス内に含まれ、プラズマの活性種を第二前駆体とする態様でのみＳＡＬＤを行う場合、本発明の原子層堆積装置は、第三供給部および第三供給管を備えない構成とされてもよい。

【0061】

また、図１４に示す変形例のように、ガイドローラー１０２を備えた複数の反応室２０と、第二供給管および排気管（不図示）が接続され、複数の反応室２０と連通して配置された単一のパージ室１０３とを備えるように原子層堆積装置が構成されてもよい。このような構成では、対応可能なサイクル態様等が若干減少するものの、パージにおけるガス条件の設定が単一である等の場合であれば問題なく使用でき、装置の構成も簡素にすることが可能である。
本変形例においては、複数の反応室２０には第一供給管および第三供給管のみを接続し、パージ空間として使用しない構成としてもよい。

【0062】

また、反応室にガイドローラーを設ける場合、ガイドローラーを反応室内において移動可能に配置してもよい。この場合、反応室内における搬送距離を微調節することが可能となり、反応室の割り当てによる設定よりさらに細かい設定が可能となる。

【0063】

この他、グロー放電によるプラズマ処理が可能となるように巻き出し室を構成してもよい。また、形成された原子層上にオーバーコート層等の他の層を形成できるように巻き取り室を構成してもよい。
オーバーコート層等の形成に代えて、形成された原子層薄膜を保護するために、基材表面に保護フィルム（合紙）が配置されてから巻き取りロールに巻かれるように巻き取り室が構成されてもよい。

【0064】

また、本発明の原子層堆積装置では、巻き出しロールおよび巻き取りロールを逆転可能に構成することにより、ＳＡＬＤを繰り返し行うことも可能である。すなわち、巻き出しロールからの送り出しが終了した後、各反応室の設定が巻き取り室側から同一に並ぶように再設定する。暴露条件の再設定完了後、巻き取り室から巻き出し室に向けてフレキシブル基材を移動させることにより、同一のＳＡＬＤを再度行うことができる。ここで、各反応室の設定態様を、予め巻き出し室側からの並びと巻き取り室側からの並びとが同一となるように設定すると、暴露条件の再設定工程が不要となり、さらに効率よくＳＡＬＤを連続実行することができる。

【符号の説明】

【0065】

１、１０１ 原子層堆積装置
２ フレキシブル基材
１０ 巻き出し室
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅ、２０Ｆ、２０Ｇ、２０Ｈ、２０Ｉ 反応室
２１ 第一供給管
２２ 第二供給管
２３ 第三供給管
２４ 排気管
２６ 第一供給部
２７ 第二供給部
２８ 第三供給部
３０ 巻き取り室
６０ プラズマ電極
１０２ ガイドローラー
１０３ パージ室
ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ａ２７、ａ５７ 反応室

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】