(57)【要約】【課題】機能性微粒子の純度を高めつつ、機能性微粒子を含む機能膜を基材の表面に安定して形成すること。【解決手段】開放型で不活性ガスを用いて雰囲気制御を行うヘッド２４を用いて、液中の機能性微粒子４をミストジェット技術にて所望の分布で基板３上に吐出させる工程と、その後に大気圧プラズマ化学輸送法により薄膜８を成膜させる工程とを交互に繰り返す。【選択図】        図１３
2011111664.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体中に混在された機能性微粒子を基材の表面に付着させる工程と、
前記機能性微粒子が付着された基材上にプラズマにより薄膜を成膜する工程とを備えることを特徴とする機能膜形成方法。
【請求項２】
雰囲気制御された空間内で前記機能性微粒子を基材の表面に付着させることを特徴とする請求項１記載の機能膜形成方法。
【請求項３】
前記機能性微粒子が混在された液体を噴霧することにより、前記機能性微粒子を基材の表面に付着させることを特徴とする請求項１または２記載の機能膜形成方法。
【請求項４】
局所的に制御された雰囲気中で液体中の機能性微粒子をミストとして基材の表面に吐出する工程と、
局所的に制御された雰囲気中で大気圧プラズマ化学輸送法により前記機能性微粒子と一体化された薄膜を成膜する工程とを備えることを特徴とする機能膜形成方法。
【請求項５】
前記機能性微粒子はシリコン微粒子、前記液体は水、前記薄膜はシリコン薄膜であることを特徴とする請求項４に記載の機能膜形成方法。
【請求項６】
基材と、
前記基材上に設けられ、機能性微粒子上に前記機能性微粒子を含まない薄膜が成膜された機能膜とを備えることを特徴とする機能膜形成体。
【請求項７】
前記機能性微粒子と前記機能性微粒子を含まない薄膜とは前記基材上に交互に堆積されていることを特徴とする請求項６に記載の機能膜形成体。
【請求項８】
前記薄膜は、スパッタ膜であることを特徴とする請求項６または７に記載の機能膜形成体。
【請求項９】
前記薄膜は、プラズマＣＶＤ膜であることを特徴とする請求項６または７に記載の機能膜形成体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は機能膜形成方法および機能膜形成体に関し、特に、半導体基板、ガラス基板または樹脂基板などの基材の表面に機能性微粒子を含む機能膜を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラス基板やプラスチック基板などの基材表面に機能性微粒子を含む機能膜を厚く形成する方法として、バインダーの結合力を利用して固定化するプロセスが存在する。例えば、機能性微粒子を適当な溶媒中に分散させて、これを基材の表面に塗布し、乾燥させる方法や、ナノ粒子を溶媒に攪拌し、スピンコーティングやインクジェットの手法などで膜形成する方法がある。
【０００３】
また、特許文献１には、反応ガスと微粒子を混在させたキャリアガスをプラズマ発生部に吹き付けて微粒子入り膜を形成する技術が開示されている。この技術では、プラズマＣＶＤによる成膜を行うための成膜用ガス中に機能性微粒子を混入することで、プラズマ発生領域内に機能性微粒子を混入し機能膜を形成している（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３２２０３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、バインダーの結合力を利用して機能性微粒子を固定化する方法では、機能性微粒子がバインダーに埋まった状態になるため、機能性微粒子の純度を高めるのが困難となり、機能性微粒子本来の機能を十分に発揮させることができないという問題があった。
【０００６】
また、プラズマＣＶＤの成膜用ガス中に機能性微粒子を混入して成膜を行う方法では、プラズマ放電を安定して継続させるのが困難となり、成膜に支障をきたすという問題があった。一方、プラズマ放電を安定して継続させるために、機能性微粒子の粒径を非常に小さくすると、サブミクロンやミクロン単位の大きな粒径の機能性微粒子を含む機能膜を形成することができないという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、機能性微粒子の純度を高めつつ、機能性微粒子を含む機能膜を基材の表面に安定して形成することが可能な機能膜形成方法および機能膜形成体を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の機能膜形成方法は、液体中に混在された機能性微粒子を基材の表面に付着させる工程と、前記機能性微粒子が付着された基材上にプラズマにより薄膜を成膜する工程とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、機能性微粒子の純度を高めつつ、機能性微粒子を含む機能膜を基材の表面に安定して形成することが可能という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明に係る機能膜形成装置の実施の形態１の概略構成を示す斜視図である。
【図２】図２は、本発明に係る機能膜形成装置の実施の形態２の概略構成を示す斜視図である。
【図３】図３は、本発明に係る機能膜形成装置の実施の形態３の概略構成を示す斜視図である。
【図４】図４は、本発明に係る機能膜形成装置の実施の形態４の概略構成を示す斜視図である。
【図５】図５は、本発明に係る機能膜形成装置の実施の形態５の概略構成を示す断面図である。
【図６】図６は、本発明に係る機能膜形成装置の実施の形態６の概略構成を示す断面図である。
【図７】図７は、本発明に係る機能膜形成装置の実施の形態７の概略構成を示す断面図である。
【図８】図８は、本発明に係る機能膜形成装置の実施の形態８の概略構成を示す断面図である。
【図９】図９は、本発明に係る機能膜形成装置の実施の形態９の概略構成を示す断面図である。
【図１０】図１０は、本発明に係る機能膜形成装置の実施の形態１０の概略構成を示す断面図である。
【図１１】図１１は、本発明に係る機能膜形成装置の実施の形態１１の概略構成を示す断面図である。
【図１２】図１２は、本発明に係る機能膜形成装置の実施の形態１２の概略構成を示す斜視図である。
【図１３】図１３は、本発明に係る機能膜形成装置の実施の形態１２の概略構成を示す断面図である。
【図１４】図１４は、本発明に係る機能膜形成装置の実施の形態１３の概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明に係る機能膜形成方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本発明に係る機能膜形成装置の実施の形態１の概略構成を示す斜視図である。なお、真空チャンバ７は内部の様子が分るように透視図とした。図１において、この機能膜形成装置には、機能性微粒子４が混入された液体を基板３の表面に塗布する塗布機構と、機能性微粒子４が付着された基板３に薄膜８をスパッタリングする成膜機構が別個に設けられている。ここで、機能性微粒子４の塗布機構には、機能性微粒子４が混入された液体を基板３の表面に吐出する液体吐出口１と、基板３を保持しながら回転させるスピン機構２が設けられている。薄膜８の成膜機構には、基板３を外気と隔離する真空チャンバ７と、薄膜８の原料を供給するターゲット５と、ターゲット５に高周波電力を印加する高周波電源６が設けられている。
【００１３】
次に、この機能膜形成装置を用いた機能膜の形成方法を示す。スピン機構２にて回転されている基板３に向けて、機能性微粒子４が混入された液体を液体吐出口１から吐出しスピンコートをする。
【００１４】
次に、この機能性微粒子４が付着された基板３を真空チャンバ７内のターゲット５の直下に配置し、高周波電源６を介して高周波電力をターゲット５に印加することにより、スパッタリングにて薄膜８を成膜する。１回の工程では膜厚などが不足する場合は、これらの工程を交互に複数回繰り返すようにしてもよい。また、基板３上に薄膜８を成膜してから、機能性微粒子４と薄膜８とを交互に堆積するようにしてもよい。
【００１５】
このように、上述した実施の形態１によれば、スピンコートによる機能性微粒子４の塗布とスパッタリングによる薄膜８の成膜を交互に繰り返すことにより、機能性微粒子４が混入された機能膜を高速に成膜することが可能となる効果がある。機能性微粒子堆積領域とプラズマ発生領域が分離した構成になっているので、機能性微粒子４などの粉体がプラズマ中に混入せずにプラズマを発生させることができ、プラズマ放電を安定して継続させながら成膜が可能となる効果もある。また、液体中に混入する機能性微粒子４のサイズを調節することにより、所望サイズの機能性微粒子４が混入された機能膜を作成できる効果がある。さらに、機能性微粒子４と薄膜８の構成が自由に設定できる効果がある。
【００１６】
機能性微粒子４としては、例えば、銀ナノ粒子や銅ナノ粒子、金ナノ粒子などを含んだ金属微粒子、蛍光体微粒子、磁性体微粒子、光触媒微粒子、酸化物微粒子、透明導電微粒子、ダイヤモンド、Ｓｉ微粒子など種種のものが可能であり、特に直径数ミクロン以下の微粒子が良い。また、機能性微粒子４としては、たんぱく質、アミノ酸、遺伝子またはウイルスなどを含む有機物粒子でもよい。また、機能性微粒子４は、カプセル状のものでもよい。サイズとしては、直径数ｎｍから数μｍ程度の機能性微粒子４を含有可能である。また、機能性微粒子４が混入される液体としては、水や、アルコール、テトラデカン、デカノールなどの有機溶剤、また、酸やアルカリ性の液体などなんでもよい。また、ターゲット５も、非磁性体および磁性体を含む金属、酸化物金属、カーボン、Ｓｉなど種種のものを使用可能である。また、基板３としては、例えば、ガラス基板、樹脂基板または半導体基板などを用いることができ、フレキシブルテープやフレキシブルフィルムなどを用いるようにしてよい。また、基板３の代わりにワイヤ状、チューブ状または球状の基材を用いるようにしてもよい。
【００１７】
また、塗布の手法としては、スピンコートに限定されるものではなく、機能性微粒子４を基板３に堆積させることができる手法であれば、スプレーコート、噴霧などの手法でも同様の効果が得られる。また、成膜手法も、スパッタリングだけでなく、ターゲット５などを使用せず、薄膜原料ガスを導入して成膜するプラズマＣＶＤなどの手法でも同様の効果が得られることは言うまでもない。薄膜原料ガスとしては、ＴＥＯＳ、ＨＭＤＳ、シリカ膜、ＴｉＯ２、ＩＴＯなどの酸化膜の原料、ＳｉＮ，ＴｉＮなどの窒化膜、ＳｉＣ，ＴｉＣ等の炭化膜、ＤＬＣ，ダイヤモンド，ナノチューブ、ナノファイバーなどの炭素系材料などを使用することができる。ガス状の薄膜原料ガスはそのまま導入できるが、固形や液体の原料は、ガス化してから薄膜原料ガスとして用いればよい。
【００１８】
実施の形態２．
図２は、本発明に係る機能膜形成装置の実施の形態２の概略構成を示す斜視図である。なお、真空チャンバ７は内部の様子が分るように透視図とした。図２において、この機能膜形成装置には、機能性微粒子４が混入された液体を基板３の表面に塗布する塗布機構と、機能性微粒子４が付着された基板３に薄膜８をスパッタリングする成膜機構が一体的に設けられている。ここで、液体吐出口１がターゲット５を介して真空チャンバ７内の基板３上に引き込まれるとともに、スピン機構２が真空チャンバ７内に収容されている。
【００１９】
次に、この機能膜形成装置を用いた機能膜の形成方法を示す。大気圧状態の真空チャンバ７内において、スピン機構２にて回転されている基板３に向けて、機能性微粒子４が混入された液体を液体吐出口１から吐出しスピンコートをする。
【００２０】
次に、真空チャンバ７の内部を真空にし、高周波電源６を介して高周波電力をターゲット５に印加することにより、スパッタリングにて薄膜８を成膜する。１回の工程では膜厚などが不足する場合は、これらの工程を交互に複数回繰り返すようにしてもよい。また、基板３上に薄膜８を成膜してから、機能性微粒子４と薄膜８とを交互に堆積するようにしてもよい。なお、機能性微粒子４および薄膜８などの具体的な材料は、実施の形態１に挙げたものと同様である。
【００２１】
このように、上述した実施の形態２によれば、スピンコートによる機能性微粒子４の塗布とスパッタリングによる薄膜８の成膜が同一装置内で繰り返すことができるため、機能性微粒子４が混入された機能膜をより高速に成膜することが可能となる効果がある。さらに、実施の形態１と同様に、スピンコートやスパッタリングに限定されず、スプレーコートやプラズマＣＶＤなどの手法でも同様の効果が得られる。また、所望のサイズの機能性微粒子４が混入された機能膜も同様に作成できる効果がある。
【００２２】
実施の形態３．
図３は、本発明に係る機能膜形成装置の実施の形態３の概略構成を示す斜視図である。なお、真空チャンバ７および雰囲気制御部材１０は内部の様子が分るように透視図とした。図３において、この機能膜形成装置には、機能性微粒子４が混入された液体を所望の雰囲気中で基板３の表面に塗布する塗布機構と、機能性微粒子４が付着された基板３に薄膜８をスパッタリングする成膜機構が別個に設けられている。ここで、機能性微粒子４の塗布機構には、図１の構成に加え、機能性微粒子４が混入された液体を塗布する箇所の雰囲気を制御できる雰囲気制御部材１０と、雰囲気制御部材１０に不活性ガスを流入させる不活性ガス流入路９が設けられている。なお、雰囲気制御部材１０は、必ずしも基板３を覆うように構成されたチャンバ状のものでなくても、外気を遮断するエアカーテンなどで実質的に雰囲気制御可能なものであれば何でもよい。
【００２３】
次に、この機能膜形成装置を用いた機能膜の形成方法を示す。不活性ガス流入路９から雰囲気制御部材１０内に窒素、ヘリウムまたはアルゴンなどの不活性ガスを流入させながら、スピン機構２にて回転されている基板３に向けて、機能性微粒子４が混入された液体を液体吐出口１から吐出しスピンコートをする。
【００２４】
次に、この機能性微粒子４が付着された基板３を真空チャンバ７内のターゲット５の直下に配置し、高周波電源６を介して高周波電力をターゲット５に印加することにより、スパッタリングにて薄膜８を成膜する。１回の工程では膜厚などが不足する場合は、これらの工程を交互に複数回繰り返すようにしてもよい。また、基板３上に薄膜８を成膜してから、機能性微粒子４と薄膜８とを交互に堆積するようにしてもよい。なお、機能性微粒子４および薄膜８などの具体的な材料は、実施の形態１に挙げたものと同様である。
【００２５】
このように、上述した実施の形態３によれば、雰囲気制御した空間で機能性微粒子４を基板３の表面に塗布するため、実施の形態１の効果に加えて、機能性微粒子４の酸化などの変質を防ぐ効果を得ることができる。
【００２６】
実施の形態４．
図４は、本発明に係る機能膜形成装置の実施の形態４の概略構成を示す斜視図である。なお、雰囲気制御真空チャンバ１１は内部の様子が分るように透視図とした。図４において、この機能膜形成装置には、機能性微粒子４が混入された液体を所望の雰囲気中で基板３の表面に塗布する塗布機構と、機能性微粒子４が付着された基板３に薄膜８をスパッタリングする成膜機構が一体的に設けられている。ここで、この成膜機構には、図３の真空チャンバ７の代わりに雰囲気制御真空チャンバ１１が設けられ、液体吐出口１がターゲット５を介して雰囲気制御真空チャンバ１１内の基板３上に引き込まれるとともに、スピン機構２が雰囲気制御真空チャンバ１１内に収容されている。また、雰囲気制御真空チャンバ１１には、不活性ガスを内部に流入させる不活性ガス流入路９が設けられている。
【００２７】
次に、この機能膜形成装置を用いた機能膜の形成方法を示す。不活性ガス流入路９から雰囲気制御真空チャンバ１１内に窒素やヘリウム、アルゴンなどの不活性ガスを流入させながら、雰囲気制御真空チャンバ１１内のスピン機構２にて回転されている基板３に向けて、機能性微粒子４が混入された液体を液体吐出口１から吐出しスピンコートをする。
【００２８】
次に、雰囲気制御真空チャンバ１１の内部を真空にし、高周波電源６を介して高周波電力をターゲット５に印加することにより、スパッタリングにて薄膜８を成膜する。１回の工程では膜厚などが不足する場合は、これらの工程を交互に複数回繰り返すようにしてもよい。また、基板３上に薄膜８を成膜してから、機能性微粒子４と薄膜８とを交互に堆積するようにしてもよい。なお、機能性微粒子４および薄膜８などの具体的な材料は、実施の形態１に挙げたものと同様である。
【００２９】
このように、上述した実施の形態４によれば、雰囲気制御した空間で機能性微粒子４が混入された機能膜を形成するため、実施の形態２の効果に加えて、機能性微粒子４の酸化などの変質を防ぐ効果を得ることができる。
【００３０】
実施の形態５．
図５は、本発明に係る機能膜形成装置の実施の形態５の概略構成を示す断面図である。図５において、この機能膜形成装置には、機能性微粒子４が混入された液体を基板３の表面に塗布する塗布機構と、機能性微粒子４が付着された基板３に薄膜８を大気圧プラズマにて成膜する成膜機構が別個に設けられている。ここで、機能性微粒子４の塗布機構には、機能性微粒子４が混入された液体を基板３の表面に噴霧するスプレーヘッド１２と、基板３を保持するステージ１３が設けられている。薄膜８の成膜機構には、高周波電力が印加される上部電極３１ａと、接地電位が印加される下部電極３１ｂと、薄膜８の原料を供給するターゲット５と、上部電極３１ａに高周波電力を印加する高周波電源６が設けられている。
【００３１】
次に、この機能膜形成装置を用いた機能膜の形成方法を示す。機能性微粒子４が混入された液体をスプレーヘッド１２からステージ１３上の基板３に向けてスプレーコートをする。ここで、スプレーヘッド１２及びステージ１３は、図示していない機構により相対移動を行い、基板３の全面に塗布することができる。
【００３２】
次に、この機能性微粒子４が付着された基板３を下部電極３１ｂ上に配置し、高周波電源６を介して高周波電力を上部電極３１ａに印加することによりターゲット５からの大気圧プラズマを発生させ、薄膜８を成膜する。１回の工程では膜厚などが不足する場合は、これらの工程を交互に複数回繰り返すようにしてもよい。また、基板３上に薄膜８を成膜してから、機能性微粒子４と薄膜８とを交互に堆積するようにしてもよい。なお、機能性微粒子４および薄膜８などの具体的な材料は、実施の形態１に挙げたものと同様である。
【００３３】
このように、上述した実施の形態５によれば、大気圧下で機能性微粒子４が混入された機能膜を形成するため、実施の形態１の効果に加えて、真空排気に伴う時間をなくすことができるため、より高速に成膜できる効果がある。
【００３４】
実施の形態６．
図６は、本発明に係る機能膜形成装置の実施の形態６の概略構成を示す断面図である。図６において、この機能膜形成装置には、機能性微粒子４が混入された液体を基板３の表面に塗布する塗布機構と、機能性微粒子４が付着された基板３に薄膜８を大気圧プラズマにて成膜する成膜機構が別個に設けられている。ここで、機能性微粒子４の塗布機構には、機能性微粒子４が混入された液体を基板３の表面に噴霧するミストジェットヘッド１９と、基板３を保持するステージ１３が設けられている。このミストジェットヘッド１９には、横断面が放物線状に形成された振動波反射体１４と、この振動波反射体１４の上面に絶縁材１６を介して接合された圧電振動子１７と、振動波反射体１４の下面に接合されたノズルプレート１５が設けられている。なお、ノズルプレート１５は、振動波反射体１４の放物面の焦点位置点Ｐ１にノズルプレート１５の入り口が位置するように配置されており、吐出口先端に向かって取り付けられている。機能性微粒子４が混入された液体は、振動波反射体１４の側壁と絶縁材１６とにより囲まれた液体室２０に充填される。圧電振動子１７の上面には駆動電極（図示せず）が、下面には共通電極（図示せず）があり、これらの駆動電極と共通電極との間にドライバにより高周波電圧が印加され、機能性微粒子４が混入された液体が噴霧される。
【００３５】
次に、この機能膜形成装置を用いた機能膜の形成方法を示す。ミストジェットヘッド１９では、圧電振動子１７を振動させた時、圧電振動子１７からの振動波が絶縁材１６を介して振動波反射体１４の側壁面により反射して、ノズルプレート１５の吐出孔に集束し、その吐出孔から機能性微粒子４が混入された液体がミスト流１８として吐出され、ステージ１３上の基板３の表面に塗布される。ここで、ミストジェットヘッド１９及びステージ１３は、図示していない機構により相対移動を行い、基板３の全面に塗布することができる。
【００３６】
次に、この機能性微粒子４が付着された基板３を下部電極３１ｂ上に配置し、高周波電源６を介して高周波電力を上部電極３１ａに印加することによりターゲット５からの大気圧プラズマを発生させ、薄膜８を成膜する。１回の工程では膜厚などが不足する場合は、これらの工程を交互に複数回繰り返すようにしてもよい。また、基板３上に薄膜８を成膜してから、機能性微粒子４と薄膜８とを交互に堆積するようにしてもよい。なお、機能性微粒子４および薄膜８などの具体的な材料は、実施の形態１に挙げたものと同様である。
【００３７】
このように、上述した実施の形態６によれば、ミストジェットヘッド１９を用いることにより、微細なミスト流１８として機能性微粒子４を基板３の表面に付着させることができ、実施の形態５の効果に加えて、より均質な機能膜を形成できる効果がある。
【００３８】
実施の形態７．
図７は、本発明に係る機能膜形成装置の実施の形態７の概略構成を示す断面図である。図７において、この機能膜形成装置には、機能性微粒子４が混入された液体を所望の雰囲気中で基板３の表面に塗布する塗布機構と、機能性微粒子４が付着された基板３に薄膜８を大気圧プラズマにて所望の雰囲気中で成膜する成膜機構が別個に設けられている。ここで、機能性微粒子４の塗布機構には、図５の構成に加え、機能性微粒子４が混入された液体を塗布する箇所の雰囲気を制御できる雰囲気制御部材１０ａと、雰囲気制御部材１０ａに不活性ガスを流入させる不活性ガス流入路９ａが設けられている。薄膜８の成膜機構には、図５の構成に加え、薄膜８を成膜する箇所の雰囲気を制御できる雰囲気制御部材１０ｂと、雰囲気制御部材１０ｂに不活性ガスを流入させる不活性ガス流入路９ｂが設けられている。なお、雰囲気制御部材１０ａ、１０ｂは、必ずしも基板３を覆うように構成されたチャンバ状のものでなくても、外気を遮断するエアカーテンなどで実質的に雰囲気制御可能なものであれば何でもよい。
【００３９】
次に、この機能膜形成装置を用いた機能膜の形成方法を示す。不活性ガス流入路９ａから雰囲気制御部材１０ａ内に窒素、ヘリウムまたはアルゴンなどの不活性ガスを流入させながら、機能性微粒子４が混入された液体をスプレーヘッド１２からステージ１３上の基板３に向けてスプレーコートをする。ここで、スプレーヘッド１２及びステージ１３は、図示していない機構により相対移動を行い、基板３の全面に塗布することができる。
【００４０】
次に、この機能性微粒子４が付着された基板３を下部電極３１ｂ上に配置し、不活性ガス流入路９ｂから雰囲気制御部材１０ｂ内に窒素、ヘリウムまたはアルゴンなどの不活性ガスを流入させながら、高周波電源６を介して高周波電力を上部電極３１ａに印加することによりターゲット５からの大気圧プラズマを発生させ、薄膜８を成膜する。１回の工程では膜厚などが不足する場合は、これらの工程を交互に複数回繰り返すようにしてもよい。また、基板３上に薄膜８を成膜してから、機能性微粒子４と薄膜８とを交互に堆積するようにしてもよい。なお、機能性微粒子４および薄膜８などの具体的な材料は、実施の形態１に挙げたものと同様である。
【００４１】
このように、上述した実施の形態７によれば、雰囲気制御下で機能性微粒子４が混入された機能膜を形成するため、実施の形態５の効果に加えて、機能性微粒子４の酸化などの変質を防ぐ効果を得ることができる。
【００４２】
実施の形態８．
図８は、本発明に係る機能膜形成装置の実施の形態８の概略構成を示す断面図である。図８において、この機能膜形成装置には、機能性微粒子４が混入された液体を所望の雰囲気中で基板３の表面に塗布する塗布機構と、機能性微粒子４が付着された基板３に薄膜８を大気圧プラズマにて所望の雰囲気中で成膜する成膜機構が別個に設けられている。ここで、機能性微粒子４の塗布機構には、図６の構成に加え、機能性微粒子４が混入された液体を塗布する箇所の雰囲気を制御できる雰囲気制御部材１０ｃと、雰囲気制御部材１０ｃに不活性ガスを流入させる不活性ガス流入路９ｃが設けられている。薄膜８の成膜機構には、図７の薄膜８の成膜機構と同様である。なお、雰囲気制御部材１０ｃは、必ずしも基板３を覆うように構成されたチャンバ状のものでなくても、外気を遮断するエアカーテンなどで実質的に雰囲気制御可能なものであれば何でもよい。
【００４３】
次に、この機能膜形成装置を用いた機能膜の形成方法を示す。不活性ガス流入路９ｃから雰囲気制御部材１０ｃ内に窒素、ヘリウムまたはアルゴンなどの不活性ガスを流入させながら、ミストジェットヘッド１９では、圧電振動子１７を振動させた時、圧電振動子１７からの振動波が絶縁材１６を介して振動波反射体１４の側壁面により反射して、ノズルプレート１５の吐出孔に集束し、その吐出孔から機能性微粒子４が混入された液体がミスト流１８として吐出され、ステージ１３上の基板３の表面に塗布される。ここで、ミストジェットヘッド１９及びステージ１３は、図示していない機構により相対移動を行い、基板３の全面に塗布することができる。
【００４４】
次に、この機能性微粒子４が付着された基板３を下部電極３１ｂ上に配置し、不活性ガス流入路９ｂから雰囲気制御部材１０ｂ内に窒素、ヘリウムまたはアルゴンなどの不活性ガスを流入させながら、高周波電源６を介して高周波電力を上部電極３１ａに印加することによりターゲット５からの大気圧プラズマを発生させ、薄膜８を成膜する。１回の工程では膜厚などが不足する場合は、これらの工程を交互に複数回繰り返すようにしてもよい。また、基板３上に薄膜８を成膜してから、機能性微粒子４と薄膜８とを交互に堆積するようにしてもよい。なお、機能性微粒子４および薄膜８などの具体的な材料は、実施の形態１に挙げたものと同様である。
【００４５】
このように、上述した実施の形態８によれば、ミストジェットヘッド１９を用いることにより、微細なミスト流１８として機能性微粒子４を基板３の表面に付着させることができ、実施の形態７の効果に加えて、より均質な機能膜を形成できる効果がある。
【００４６】
実施の形態９．
図９は、本発明に係る機能膜形成装置の実施の形態９の概略構成を示す断面図である。図９において、この機能膜形成装置には、機能性微粒子４が混入された液体を所望の雰囲気中で基板３の表面に塗布する塗布機構と、機能性微粒子４が付着された基板３に薄膜８を大気圧プラズマにて所望の雰囲気中で成膜する成膜機構が一体的に設けられている。ここで、機能性微粒子４の塗布機構には、機能性微粒子４が混入された液体を基板３の表面に噴霧するスプレーヘッド１２と、基板３を保持するステージ３２が設けられている。また、薄膜８の成膜機構には、大気圧プラズマにより発生した成膜に寄与する反応種を噴出す噴出型プラズマヘッド２２と、薄膜８の原料を供給するターゲット５と、噴出型プラズマヘッド２２に高周波電力を印加する高周波電源６が設けられている。また、この機能膜形成装置には、機能性微粒子４が混入された液体を塗布する箇所の雰囲気を制御できる雰囲気制御部材１０ｄと、雰囲気制御部材１０ｄに不活性ガスを流入させる不活性ガス流入路９ｄと、雰囲気制御部材１０ｄに反応ガスを流入させる反応ガス流入路２１が設けられている。
【００４７】
次に、この機能膜形成装置を用いた機能膜の形成方法を示す。活性ガス流入路９ｄから雰囲気制御部材１０ｄ内に窒素、ヘリウムまたはアルゴンなどの不活性ガスを流入させながら、機能性微粒子４が混入された液体をスプレーヘッド１２からステージ３２上の基板３に向けてスプレーコートをする。
【００４８】
次に、反応ガス流入路２１から雰囲気制御部材１０ｄ内に反応ガスを流入させながら、高周波電源６を介して高周波電力を噴出型プラズマヘッド２２に印加することによりターゲット５と反応ガスを大気圧プラズマ中で反応させ、成膜に寄与する反応種を噴出型プラズマヘッド２２から噴出させて薄膜８を成膜する。反応ガスとしては、例えば、ヘリウム、アルゴン、窒素ガス、水素ガスなどの単体や混合ガスが挙げられる。また、成膜手法も、ターゲット５などを使用せず、薄膜原料ガスを導入して成膜するプラズマＣＶＤなどの手法でも同様の効果が得られる。１回の工程では膜厚などが不足する場合は、これらの工程を交互に複数回繰り返すようにしてもよい。また、基板３上に薄膜８を成膜してから、機能性微粒子４と薄膜８とを交互に堆積するようにしてもよい。なお、機能性微粒子４および薄膜８などの具体的な材料は、実施の形態１に挙げたものと同様である。
【００４９】
また、スプレーヘッド１２、噴出型プラズマヘッド２２およびステージ３２は、図示していない機構により相対移動を行い、基板３の全面に塗布および成膜することができる。反応ガスとしては、例えば、ヘリウム、アルゴン、窒素ガス、水素ガスなどの単体や混合ガスが挙げられる。また、成膜手法も、ターゲット５などを使用せず、薄膜原料ガスを導入して成膜するプラズマＣＶＤなどの手法でも同様の効果が得られる。
【００５０】
このように、上述した実施の形態９によれば、同一チャンバ内の雰囲気制御下で機能性微粒子４が混入された機能膜を形成するため、実施の形態７の効果に加えて、機能性微粒子４の酸化などの変質を防ぐ効果を得ることができる。
【００５１】
実施の形態１０．
図１０は、本発明に係る機能膜形成装置の実施の形態１０の概略構成を示す断面図である。図１０において、この機能膜形成装置には、機能性微粒子４が混入された液体を所望の雰囲気中で基板３の表面に塗布する塗布機構と、機能性微粒子４が付着された基板３に薄膜８を大気圧プラズマにて所望の雰囲気中で成膜する成膜機構が別個に設けられている。ここで、機能性微粒子４の塗布機構は、図８の機能性微粒子４の塗布機構と同様である。薄膜８の成膜機構は、図９の構成からスプレーヘッド１２を除去した構成と同様である。
【００５２】
次に、この機能膜形成装置を用いた機能膜の形成方法を示す。不活性ガス流入路９ｃから雰囲気制御部材１０ｃ内に窒素、ヘリウムまたはアルゴンなどの不活性ガスを流入させながら、ミストジェットヘッド１９では、圧電振動子１７を振動させた時、圧電振動子１７からの振動波が絶縁材１６を介して振動波反射体１４の側壁面により反射して、ノズルプレート１５の吐出孔に集束し、その吐出孔から機能性微粒子４が混入された液体がミスト流１８として吐出され、ステージ１３上の基板３の表面に塗布される。ここで、ミストジェットヘッド１９およびステージ１３は、図示していない機構により相対移動を行い、基板３の全面に塗布することができる。
【００５３】
次に、この機能性微粒子４が付着された基板３をステージ３２上に配置し、反応ガス流入路２１から雰囲気制御部材１０ｄ内に反応ガスを流入させながら、高周波電源６を介して高周波電力を噴出型プラズマヘッド２２に印加することによりターゲット５と反応ガスを大気圧プラズマ中で反応させ、成膜に寄与する反応種を噴出型プラズマヘッド２２から噴出させて薄膜８を成膜する。１回の工程では膜厚などが不足する場合は、これらの工程を交互に複数回繰り返すようにしてもよい。また、基板３上に薄膜８を成膜してから、機能性微粒子４と薄膜８とを交互に堆積するようにしてもよい。なお、機能性微粒子４および薄膜８などの具体的な材料は、実施の形態１に挙げたものと同様である。
【００５４】
また、噴出型プラズマヘッド２２およびステージ３２は、図示していない機構により相対移動を行い、基板３の全面に成膜することができる。反応ガスとしては、例えば、ヘリウム、アルゴン、窒素ガス、水素ガスなどの単体や混合ガスが挙げられる。また、成膜手法も、ターゲット５などを使用せず、薄膜原料ガスを導入して成膜するプラズマＣＶＤなどの手法でも同様の効果が得られる。
【００５５】
このように、上述した実施の形態１０によれば、ミストジェットヘッド１９を用いることにより、微細なミスト流１８として機能性微粒子４を基板３の表面に付着させることができ、実施の形態９の効果に加えて、より均質な機能膜を形成できる効果がある。
【００５６】
実施の形態１１．
図１１は、本発明に係る機能膜形成装置の実施の形態１１の概略構成を示す断面図である。図１１において、この機能膜形成装置には、機能性微粒子４が混入された液体を所望の雰囲気中で基板３の表面に塗布する塗布機構と、機能性微粒子４が付着された基板３に薄膜８を大気圧プラズマにて所望の雰囲気中で成膜する成膜機構が別個に設けられている。ここで、機能性微粒子４の塗布機構では、図６のノズルプレート１５の代わりにノズルプレート１５ａが設けられている。このノズルプレート１５ａには、不活性ガス２３を流入させるガス流入路９ｅが設けられている。なお、ガス流入路９ｅの吹出口は、ノズルプレート１５ａから吐出されたミスト流１８が不活性ガス２３にて囲まれるようにノズルプレート１５ａの吐出口の周囲に配置されている。薄膜８の成膜機構は、図１０の構成と同様である。
【００５７】
次に、この機能膜形成装置を用いた機能膜の形成方法を示す。ガス流入路９ｅを介して窒素、ヘリウムまたはアルゴンなどの不活性ガスをミスト流１８の周囲に流出させながら、ミストジェットヘッド１９では、圧電振動子１７を振動させた時、圧電振動子１７からの振動波が絶縁材１６を介して振動波反射体１４の側壁面により反射して、ノズルプレート１５ａの吐出孔に集束し、その吐出孔から機能性微粒子４が混入された液体がミスト流１８として吐出され、ステージ１３上の基板３の表面に塗布される。ここで、ミストジェットヘッド１９及びステージ１３は、図示していない機構により相対移動を行い、基板３の全面に塗布することができる。
【００５８】
次に、この機能性微粒子４が付着された基板３をステージ３２上に配置し、反応ガス流入路２１から雰囲気制御部材１０ｄ内に反応ガスを流入させながら、高周波電源６を介して高周波電力を噴出型プラズマヘッド２２に印加することによりターゲット５と反応ガスを大気圧プラズマ中で反応させ、成膜に寄与する反応種を噴出型プラズマヘッド２２から噴出させて薄膜８を成膜する。１回の工程では膜厚などが不足する場合は、これらの工程を交互に複数回繰り返すようにしてもよい。また、基板３上に薄膜８を成膜してから、機能性微粒子４と薄膜８とを交互に堆積するようにしてもよい。なお、機能性微粒子４および薄膜８などの具体的な材料は、実施の形態１に挙げたものと同様である。
【００５９】
また、噴出型プラズマヘッド２２およびステージ３２は、図示していない機構により相対移動を行い、基板３の全面に成膜することができる。反応ガスとしては、例えば、ヘリウム、アルゴン、窒素ガス、水素ガスなどの単体や混合ガスが挙げられる。また、成膜手法も、ターゲット５などを使用せず、薄膜原料ガスを導入して成膜するプラズマＣＶＤなどの手法でも同様の効果が得られる。
【００６０】
このように、上述した実施の形態１１によれば、ミストジェットヘッド１９のノズルプレート１５ａにガス流入路９ｅを設けることにより、必要な部分のみ雰囲気制御でき、実施の形態１０の効果に加えて、塗布機構のコンパクト化を図りつつ、より均質な膜を形成できる効果がある。
【００６１】
実施の形態１２．
図１２は、本発明に係る機能膜形成装置の実施の形態１２の概略構成を示す斜視図、図１３は、本発明に係る機能膜形成装置の実施の形態１２の概略構成を示す断面図である。図１２および図１３において、この機能膜形成装置には、機能性微粒子４を塗布する塗布機構と噴出型プラズマ成膜機構が一体化されたヘッド２４が設けられている。ここで、ヘッド２４には、放物線状に形成された振動波反射体１４と、この振動波反射体１４の上面に絶縁材１６を介して接合された圧電振動子１７と、振動波反射体１４の下面に接合されたノズルプレート１５ａと、ノズルプレート１５ａ内に形成されたガス流入路９ｅと、ノズルプレート１５ａの下面に接合された雰囲気制御部材１０ｅと、雰囲気制御部材１０ｅ内に形成された排気路２７およびガス流入路２８と、ターゲット５と、ターゲット５を冷却する冷却部２５が設けられている。
【００６２】
なお、ノズルプレート１５ａは、振動波反射体１４の放物面の焦点位置にノズルプレート１５ａの開口部が位置するように配置されている。機能性微粒子４（例えば直径数１０ｎｍから数μｍ程度のシリコン微粒子）を含有した液体（例えば、水）は、振動波反射体１４と絶縁材１６とに囲まれた液体室２０に充填される。圧電振動子１７の上面には駆動電極（図示せず）、下面には共通電極（図示せず）が設けられ、これらの駆動電極と共通電極との間にはドライバにより高周波電圧が印加できる構造になっている。また、雰囲気制御部材１０ｅの中央部では、高周波電源６によりターゲット５に高周波電圧が印加可能な構造になっている。
【００６３】
次に、このヘッド２４を使用した機能膜の形成方法を示す。ガス流入路９ｅ、２８にヘリウム、アルゴンまたは窒素などの不活性ガスを流しながら、排気路２７から排気を行い、基板３とヘッド２４との間に酸素のない清浄な環境を作り出す。
【００６４】
次に、圧電振動子１７に高周波電圧を印加して発生した超音波を液体に導入し、振動波反射体１４により、超音波を反射させ、超音波の音響エネルギーを集束させ、さらにノズルプレート１５ａにより貫通孔に集束させる。このように振動波が集束されることにより、液体中に放出された振動波のエネルギー密度が高められ、機能性微粒子４を含有するミスト流１８が吐出孔からステージ１３上の基板３に吐出される。ミスト流１８が基板３に吐出されると、機能性微粒子４が混入された液体が蒸発し、機能性微粒子４のみが基板３の表面に堆積する。
【００６５】
次に、ガス流入路２８から不活性ガスを流し、排気路２７から排気を行いつつ、ガス流入路９ｅに反応ガス（例えば、水素ガス、水素・ヘリウム混合ガス、水素・アルゴン混合ガス、水素・窒素混合ガスなど）を流入させ、基板３とヘッド２４との間に酸素のない清浄な環境を作り出す。
【００６６】
また、ターゲット５（例えば、シリコンターゲット）を冷却部２５で冷却し、低温を維持する。基板３は、ヒータ（図示せず）で加熱され高温を維持している。水素化物が揮発性であるシリコンターゲットに高周波電源６から高周波電力を印加することで、水素プラズマの放電を起こし、ガス流入路９ｅから流れる反応ガス流により、シリコンターゲットと基板３との間で、水素プラズマによる励起した原子状水素との化学反応によるシリコンの水素化物（ＳｉＨｘ）（ｘ＝１，２…．）の生成、揮発によるエッチングおよびエッチングにより生成された水素化物がプラズマ中で再分解されることによるシリコンターゲット材料の堆積の両工程が同時に起こる。
【００６７】
この反応速度は、低温側のターゲット５の表面ではエッチングの方が大きく、堆積の方が小さい。一方、高温側の基板３の表面では、堆積の速度が大きく、エッチングの速度が小さい。従って、両者の温度差を適度に大きくしておくことにより、エッチングおよび堆積の速度差は非常に大きなものとなり、低温側のターゲット５から高温側の基板３への比較的高速の物質移動が生じ、基板３上にシリコンが堆積される。このような密閉空間の減圧下で行われていない物質移動は、大気圧プラズマ化学輸送法と呼ばれている。低温の温度としては、例えば１５℃、高温の温度としては、例えば３００℃などとし、ターゲット５と基板３との間に２８５℃程度の温度差があるのが好ましい。従って、低温側を−３５℃とすると、高温側は２５０℃程度が好ましいが、温度差が１００℃以上あれば、温度の組み合わせは何℃でもかまわない。
【００６８】
このように、上述した実施の形態１２によれば、ミスト吐出による機能性微粒子４（例えば、シリコン微粒子）の堆積と、大気圧プラズマ化学輸送法によるターゲット材料（例えば、シリコン）の堆積を順に繰り返すことにより、シリコン微粒子が混入されたシリコン膜を高速に成膜することが可能となる効果がある。また、液体中に混入する機能性微粒子４のサイズを調節することで、所望サイズのシリコン微粒子が混入されたシリコン膜を作製できる効果がある。
【００６９】
また、ヘッド２４に設けられたガス流入路９ｅ、２８および排気路２７を用いて、周辺部の局所的な雰囲気制御を行っているので、実施の形態９、１０、１１のように周辺部を覆って雰囲気制御を行うよりも、機能膜形成装置のコンパクト化を図ることができる。また、ヘッド２４と基板３を相対的にスキャニングすることで、面積が拡大した基板３にも容易に対応することができる。なお、１回の工程では膜厚などが不足する場合は、これらの工程を交互に複数回繰り返すようにしてもよい。また、基板３上に薄膜８を成膜してから、機能性微粒子４と薄膜８とを交互に堆積するようにしてもよい。
【００７０】
実施の形態１３．
図１４は、本発明に係る機能膜形成装置の実施の形態１３の概略構成を示す断面図である。図１４において、図１３のヘッド２４との違いは、ヘッド２４ａでは、振動波反射体１４ａの下面はヘッド２４ａの側部から中央部に向かって下がるように傾斜して形成されており、該面には、略逆ハの字状のノズルプレート１５ｂが配置されている点である。また、ノズルプレート１５ｂの形状に対応して対応して、雰囲気制御部材１０ｆの上面は、側部から中央部に向かって下がるように傾斜して形成されている。
【００７１】
ここで、ミスト吐出方向と直交する方向とノズルプレート１５ｂとが成すノズル取付角度θは、鋭角（０°＜θ＜９０°）となっている。ノズル取付角度θを鋭角にすることで、より大きな液滴までメニスカス保持ができるので、高い液体圧力に対してメニスカスの溢れ出しを効果的に抑制することができる。つまり、ミスト吐出量を増大させる効果が達成できる。このため、機能性微粒子４（例えば、シリコン微粒子）の混入量を増加させることができるので、厚膜の機能膜（例えば、シリコン膜）をより高速に成膜できる効果がある。なお、１回の工程では膜厚などが不足する場合は、これらの工程を交互に複数回繰り返すようにしてもよい。また、基板３上に薄膜８を成膜してから、機能性微粒子４と薄膜８とを交互に堆積するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
以上のように本発明に係る機能膜形成装置は、機能性微粒子の純度を高めつつ、機能性微粒子を含む機能膜を基材の表面に安定して形成することが可能となり、サブミクロンやミクロン単位の大きな粒径の機能性微粒子を含む機能膜をガラス基板やプラスチック基板などの基材表面に厚く形成する方法に適している。
【符号の説明】
【００７３】
１  液体吐出口
２  スピン機構
３  基板
４  機能性微粒子
５  ターゲット
６  高周波電源
７  真空チャンバ
８  薄膜
９、９ａ〜９ｄ  不活性ガス流入路
１０、１０ａ〜１０ｆ  雰囲気制御部材
１１  雰囲気制御真空チャンバ
１２  スプレーヘッド
１３、３２  ステージ
１４、１４ａ  振動波反射体
１５、１５ａ、１５ｂ  ノズルプレート
１６  絶縁材
１７  圧電振動子
１８  ミスト流
１９  ミストジェットヘッド
２０  液体室
２１  反応ガス流入路
２２  噴出型プラズマヘッド
２３  不活性ガス
２４、２４ａ  ヘッド
２５  冷却部
９ｅ、２８  ガス流入路
２７  排気路
３１ａ  上部電極
３１ｂ  下部電極
【図１】
2011111664.tif 000003
【図２】
2011111664.tif 000004
【図３】
2011111664.tif 000005
【図４】
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【図５】
2011111664.tif 000007
【図６】
2011111664.tif 000008
【図７】
2011111664.tif 000009
【図８】
2011111664.tif 000010
【図９】
2011111664.tif 000011
【図１０】
2011111664.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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