(57)【要約】【課題】  エアロゾルガスデポジション法において、形成される膜の密着力の向上、及び成膜条件の効率的な制御、及び成膜レートの向上を目的とする。【解決手段】  複数のノズルによって同一組成の異なる粒経範囲をもつ超微粒子を基板上に噴射するための構成を備えた成膜装置。かつ、二つのノズルによって噴射される、同一組成の異なる粒径範囲については、粒径の大きい方を１μｍ〜１．５μｍ、粒径の小さい方を０．１μｍ〜０．５μｍにする。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超微粒子を搬送気体と混合してエアロゾル化してノズルを通して加速して基材表面に吹き付けることにより薄膜を形成するガスデポジション法において、
前記エアロゾル化した同一組成の前記超微粒子を、前記ノズル毎に粒子の粒径範囲が異なるようにして、複数の超微粒子搬送管の先端に取り付けられた前記ノズルから噴射することを特徴とする成膜装置。
【請求項２】
前記噴射させる粒子の粒径範囲が、一つの前記ノズルにおいては平均粒径1μｍ以上１．５μｍ以下であり、もう一つの前記ノズルにおいては平均粒径０．１μｍ以上０．５μｍ以下であることを特徴とする請求項1に記載の成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスデポジション法により超微粒子を基板上に供給して膜形成する成膜装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属、セラミック等の超微粒子の成膜技術としては、ガスデポジション法のように超微粒子をガス攪拌等によりエアロゾル化し微小なノズルを通し加速して、あるいは静電微粒子コーティング法のように電気的に帯電させて電場勾配を用いて加速して、これを基板上に噴射、衝突させることで、強固な超微粒子膜を形成する成膜技術が知られている。
【０００３】
従来のガスデポジション法としては、エアロゾルの形成方法により、材料を蒸発させて微粒子を生成した後エアロゾルを形成するする蒸発法と、材料微粒子である場合にその微粒子からエアロゾルを形成するエアロゾル法がある。特許文献１に記載されているように、蒸発法を適用した超微粒子成膜装置は、図１に示すような構成を採用している。超微粒子生成室1０１内において、超微粒子生成材料１０３を加熱し、発生した蒸発原子は、超微粒子生成室1０１内に導入される不活性ガスとの衝突で急冷され、粒成長し、超微粒子を生成する。超微粒子を生成する際の加熱機構としては、アーク加熱１０4の他、高周波誘導加熱、抵抗加熱、電子ビーム、通電加熱、レーザービーム加熱等が適用できる。超微粒子生成室1０１内で生成された微粒子は不活性ガスと共に超微粒子搬送管１０７内を移動し、不活性ガス1０５と共に超微粒子膜形成室１０2に導かれ、超微粒子膜形成室１０2内で超微粒子搬送管１０7の先端に取り付けられたノズル１０8から超微粒子を不活性ガスと共に高速で噴射し、膜形成対象物である基板１０9に衝突させ、超微粒子膜等を形成する方法である。
【０００４】
エアロゾル法を適用した超微粒子成膜装置は、特許文献２に記載されているように、図２に示すような構成を採用している。エアロゾル室２０２内の超微粒子はエアロゾル室２０１内に導入される不活性ガス２０１と共に、超微粒子搬送管２０４を移動し、不活性ガスと共に超微粒子膜形成室２０６に導かれ、超微粒子膜形成室２０６内で超微粒子搬送管２０４の先端に取り付けられたノズル２０５から超微粒子を不活性ガスと共に高速で噴射し、膜形成対象物である基板２０７に衝突させ、超微粒子膜等を形成する方法である。
【０００５】
上記の従来の従来のガスデポジション法では、不活性ガスの流量、電流、電圧等の変者により時間経過と共に超微粒子の粒径、超微粒子生成量は徐々に変化するため、粒径、蒸発量の制御が必須とされている。
【０００６】
また、上記の従来のガスデポジション法で機能性材料を成膜する場合、被膜化した際にその結晶構造を維持することが困難で、特に超微粒子材料が金属の場合、その表面は酸化膜などが形成されやすく、十分な導電率と基板へ密着力を有する膜を得ることは困難であった。さらに、セラミックス材料などの脆性材料を成膜する場合は、粒子速度を増加させても圧粉体が基板上に堆積するだけで成膜体が形成できず、基板への密着力が悪くなるという現象が見られることがあり、問題であった。
【０００７】
また、超微粒子を用いないPVD、CVDによる薄膜形成手法の場合は、原子、分子状態からの成長過程を経るため、酸化物セラミック材料の場合など、高温での熱処理が必要になることが多く、また、成膜レートも超微粒子を用いた成膜過程より２桁以上低く、膜厚が数μｍ以上である膜の形成が困難であった。
【０００８】
上記課題に対して、特許文献３では、上記の従来のガスデポジション法において、セラミック材料などの脆性材料微粒子は平均粒子径が５０nm以上で、かつ形状が非球形の不定形形状であることによって、高温の熱処理工程を必要せず、室温での脆性材料成膜方法によって高緻密や高密着性をもつ脆性材料微粒子成膜体が形成できる方法を試みている。しかしながら、この場合の脆性材料微粒子の形状において、尖った角の尖り角度に対して適性範囲がある（例えば、尖り角度は140°以下）など、材料の形状における限定があり、使用する微粒子材料の調整（選別工程等の）が必要になるという欠点がある。
【特許文献１】特登録２５２４６２２号公報
【特許文献２】特開昭５９−８０３６１号公報
【特許文献３】特開２００３−７３８５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで、従来の上述したような欠点を除去するために、本発明は、超微粒子をエアロゾル化し搬送気体と共に基材に吹き付けることにより薄膜を形成するガスデポジション法において、基板へ形成される成膜体の密着力向上、及び、成膜条件を効率的に制御でき、かつ成膜レートの向上を可能にした成膜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】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の成膜装置は、超微粒子を搬送気体と混合してエアロゾル化してノズルを通して加速して基材表面に吹き付けることにより薄膜を形成するガスデポジション法において、前記エアロゾル化した前記超微粒子を、前記ノズル毎に粒子の粒径範囲が異なるようにして、複数の超微粒子搬送管の先端に取り付けられた前記ノズルから噴射することを特徴とする。
【００１１】
さらに、前記噴射させる粒子の粒径範囲が一つの前記ノズルにおいては平均粒径1μｍ〜１．５μｍであり、もう一つの前記ノズルにおいては平均粒径０．１μｍ〜０．５μｍであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
上述したように、本発明の請求項１の成膜装置によれば、超微粒子を搬送気体と混合してエアロゾル化してノズルを通して加速して基材表面に吹き付けることにより薄膜を形成するガスデポジション法であって、
前記エアロゾル化した同一組成の前記超微粒子を、前記ノズル毎に粒子の粒径範囲が異なるようにして、複数の超微粒子搬送管の先端に取り付けられた前記ノズルから噴射することを特徴とする成膜装置において、複数ノズルよって同時に同一箇所を成膜することができるため、成膜レートを効果的に向上させることができる。かつ、複数のノズルにおいて、各々のノズルから噴射される粒子の粒子濃度を計測し、独立に成膜条件を制御することができ、任意の粒度分布をもつ成膜体を基板に形成させることができるため、膜厚が一定な成膜体を得ることができる。
【００１３】
また、本発明の請求項2に記載の成膜装置であって、前記噴射させる粒子の粒径範囲が一つの前記ノズルは平均粒径1μｍ〜１．５μｍ、もう一つの前記ノズルは平均粒径０．１μｍ〜０．５μｍとすることによって、密着力が強固な成膜体を効率的に形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態及び、実施例について図面を参照して説明する。
【００１５】
本実施形態は、超微粒子膜形成室内で超微粒子搬送管の先端に取り付けられたノズルから不活性ガスと共に高速噴射される超微粒子の粒径範囲をノズル毎に変化させて、複数のノズルによって基板上に成膜体を形成する場合の例である。
【実施例１】
【００１６】
図３は本発明の第１の実施形態における成膜装置の全体構成を示すものである。図２に示す従来の超微粒子成膜装置と同様の構成をもった、エアロゾル形成室・超微粒子搬送管・ノズル室によって構成されるものを一システムとして、本実施例においては二システムを用いた。それぞれのシステムにおいて、エアロゾル形成室内３０２（３０２´）にAｌ２０３超微粒子３０３（３０３´）を満たし、乾燥空気３０１（３０１´）を導入することにより、Aｌ2０3超微粒子と乾燥空気のエアロゾルを形成した。形成したエアロゾルを超微粒子搬送管３０４（３０４´）へ導き、超微粒子搬送管の先端に取り付けられたノズル３０５（３０５´）から、乾燥ガスと共に噴射させ、基板３０８上へAｌ2０3の超微粒子膜を形成した。
【００１７】
この時、図４は、本発明の一実施形態の前記成膜装置を構成する超微粒子膜形成室内の一部の拡大図を示し、以下、本実施例における詳細を説明する。この場合の２つのノズル４０５及び４０５´は、基板に対して６０°±５°の角度を持たせるようにして、2つのノズルによって基板４０７の同一箇所を成膜できるように配置した。超微粒子の膜が形成される基板４０７は、ステージ４０８によって２つのノズル４０５及び４０５´に対して相対的に動作できるようになっている。超微粒子によって基板上に形成された成膜体は、断面TEM（透過型電子顕微鏡）によって膜厚方向の観察を行ない、２種類の粒径から構成される断面の粒子分布と膜厚の経時変化を計測した。
【００１８】
形成される成膜体の膜厚は時間経過と共に減少しており、このことはノズルから噴射される粒子濃度が時間経過と共に下がっていくことに対応していることがわかっている。そのため、２つのノズル４０５、及び４０５´のそれぞれについて、噴射される粒子の粒子濃度を、光散乱法を利用しナノメーターサイズの微粒子をミクロンサイズまで成長させて計測する凝縮核計測器によって測定し、エアロゾル形成室内に導入するガス流量、超微粒子の振動条件及び粒子供給量の条件を設定して粒子濃度を制御し、かつノズル４０５からは粒径が1μｍ、ノズル４０５´からは粒径が０．１μｍのAｌ2０3超微粒子を噴射させるように制御した。このようにして２種類の粒径の超微粒子によって基板上に形成された成膜体について、膜厚を接触式の膜厚計で計測したところ、膜厚が２０μｍであり、膜厚分布は±５〜８％であった。
【００１９】
本実施例によると、従来のエアロゾル法によって行なった場合と比較すると、膜厚制御を効率的に行なうことができる。２種類の粒径の超微粒子を初期は分岐させておいて、搬送途中で混合させて単ノズルから２種類の粒径をもつ超微粒子を噴射させる方法も実施できるが、粒子濃度の制御、つまり膜厚制御を効率的に行なうためには、本実施例の形態が望ましい。さらに、従来のエアロゾル法によって粒径が１μｍ、あるいは粒径が０．1μｍのＡｌ2Ｏ3超微粒子を用いて上述の膜厚（２０μｍ）を形成する場合と比較すると、成膜レートを２０〜３０％向上していることが確認できた。
【実施例２】
【００２０】
本発明の第２の実施形態における成膜装置は上記の実施例１と同様であるが、本実施形態は、複数ノズルから噴射される超微粒子についての適正な粒径範囲を求めるための例である。
【００２１】
以下、上記した本実施の形態にて、本成膜装置において基板上に形成されたＡｌ2Ｏ3膜の密着力と２種類の粒径範囲との相関を求めるために実施した実験の結果を図４を参照して説明する。
【００２２】
この時、図４は、本発明の第２の実施形態の成膜装置を構成する超微粒子膜形成室内、ノズルから噴射される超微粒子の様子を説明する図である。
【００２３】
本発明においては、図４に示されているように、一つのノズル４０５からは超微粒子４０９が、もう一つのノズル４０５´からは超微粒子４０９´が噴射され、この時、超微粒子４０９の粒径範囲が超微粒子４０９´の粒径範囲より大きい値となるようにエアロゾル化の条件を制御した。さらに２つのノズルから噴射される粒子濃度が一定になるように制御した。はじめに超微粒子４０９´の粒径範囲を０.１〜０.５μｍになるように制御して、もう一方の超微粒子４０９の粒径範囲を1μｍ〜５μｍまで変化させた。さらに、超微粒子４０９´の粒径範囲を０.１μｍ以下、及び０．５μｍ〜０.８μｍとして、前記と同様にしてもう一方の超微粒子４０９の粒径範囲を1μｍ〜５μｍまで変化させた。このようにして本実施例において、２つのノズルから噴射される粒径範囲を可変に制御することにより、本実施例における成膜装置によって求められた粒径の範囲は、粒径の大きい方が1μｍ〜１．５μｍ、粒径の小さい方が０．１〜０．５μｍという結果が得られた。ここで得られた０．１〜０．５μｍの粒径範囲は１次粒径に相当していると思われる。形成された膜の粒径範囲及び粒径分布は、膜表面のＳＥＭ観察、及び断面ＴＥＭ観察において確認した。尚、この実施例において、２種類の粒径範囲と膜の密着力との相関は、形成された膜に対して同一面積を等分にクロスカットして粘着テープによる剥れ試験を行ない、膜の密着力の相対値に換算することにより求めた。粒径範囲がブロードな従来の成膜装置において形成された膜より本実施例のような粒径範囲に２つのピーク値をもつことを可能にした成膜装置において形成された膜が強固となるのは、基板に噴射された粒径の小さい粒子が連続して噴射される粒径の大きい粒子によって下地の基板に食い込んで密着が強固になる効果の影響によるものと思われる。
【００２４】
上述してきたように、今回の実施例では、図４に示したように、複数のノズルによって同一組成の異なる粒経範囲をもつ超微粒子を基板上に噴射するための構成を備えた成膜装置によって、形成される成膜体の膜厚が一定であって、かつ成膜レートを効率的に向上させることができた。さらに、二つのノズルによって噴射される、同一組成の異なる粒径範囲について、粒径の大きい方を１μｍ〜１.５μｍ、粒径の小さい方を０．１μｍ〜０.５μｍにすることによって、基板上に形成された膜の密着力を効率的に強固にすることができた。
【００２５】
以上、一実施例の形態を詳細に説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】従来例に係る蒸発法による超微粒子成膜装置の構成の模式図である。
【図２】従来例に係るエアロゾル法による超微粒子成膜装置の構成の模式図である。
【図３】本発明に係るエアロゾル法による超微粒子成膜装置の構成の模式図である。
【図４】本発明の一実施の形態の前記成膜装置を構成するノズル部の拡大図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０１  超微粒子生成室
１０２及び２０６及び３０６  超微粒子膜形成室
１０３  超微粒子生成材料
１０４  電極
１０５及び２０１及び３０１（３０１´）  不活性ガス
１０６  余分粒子排出機構
１０７及び２０４及び３０４（３０４´）  超微粒子搬送管
１０８及び２０５及び３０５（３０５´）  ノズル
１０９及び２０７及び３０７  基板
１１０及び２０８及び３０８  ステージ
２０２  エアロゾル形成室
２０３  超微粒子
４１１  成膜体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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