(57)【要約】【課題】薄膜形成装置に関し、ガスがよく混合され、それによって構造上の制約の少ないガス混合室をもった薄膜形成装置を提供することを目的とする。【解決手段】ガス混合室２５と、ガス混合室内に開口する第１及び第２のガス供給ノズル２６，２７とを備え、第１及び第２のガス供給ノズルは互いに対向して開口するように配置され、かつ、第１のガス供給ノズルの開口部の断面積が第２のガス供給ノズルの開口部の断面積よりも大きい構成とする。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス混合室と、該ガス混合室内に開口する第１及び第２のガス供給ノズルとを備え、該第１及び第２のガス供給ノズルはガス混合室内で互いに対向して開口するように配置され、かつ、該第１のガス供給ノズルの開口部の断面積が該第２のガス供給ノズルの開口部の断面積よりも大きいことを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項２】
前記第１のガス供給ノズルの開口部の断面積と前記第２のガス供給ノズルの開口部の断面積との比が１．５以上であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成装置。
【請求項３】
前記第１及び前記第２のガス供給ノズルのうちの一方のガス供給ノズルは有機溶剤に溶解した有機金属を気化した原料ガスを含むキャリアガスを供給し、該第１及び第２のガス供給ノズルのうちの他方のガス供給ノズルは酸化ガスを供給することを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成装置。
【請求項４】
前記有機溶媒はテトラヒドロフラン又は酢酸ブチルのいずれか１つを含み、前記キャリアガスはＮ２  、Ａｒ、Ｈｅの少なくとも１つを含み、前記酸化ガスはＯ２  、Ｎ２  Ｏ、ＮＯ２  の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項３に記載の薄膜形成装置。
【請求項５】
前記有機金属がＰｂ（ｔｈｄ）２  、Ｚｒ（ＯｉＰｒ）（ｔｈｄ）３  、Ｔｉ（ＯｉＰｒ）２  （ｔｈｄ）２  の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項３に記載の薄膜形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は気相成長法によって薄膜を形成する薄膜形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＢＳＴ、ＰＺＴ、ＳＢＴ等の酸化物セラミックスを用いた機能性素子の開発が進められている。これらの酸化物セラミックスは、例えばＭＯＣＶＤ法と呼ばれる気相成長法によって薄膜に成膜される（例えば、特許文献１参照）。そこでは、複数の有機金属を含む金属ガスと、酸化ガスとを混合させ、それらの混合ガスをシャワーヘッドから基板に噴射して膜を形成する。このようにして得られた酸化物セラミックスは、所定の機能を実現するためには、複数の元素を決められた組成比に精密に制御してあることが重要であり、そのため、膜の原料となる原料ガスと酸素ガスを均質に混合させることが非常に重要である。
【０００３】
薄膜形成装置において、ガスを混合する方法として、複数のノズルからガス混合室内にガスを噴射し、ガス混合室内でガスを衝突させながら混合する方法が知られている。例えば、図７は従来のガス混合装置を示す図である。図７において、ガス混合装置１は、ガス混合室２と、ガス混合室２内に開口する第１及び第２のガス供給ノズル３，４とを備える。第１及び第２のガス供給ノズル３，４は等しいノズル径を有し、一直線上で互いに対向して開口するように配置される。さらに、混合ガス排出口５が設けられる。
【０００４】
第１のガス供給ノズル３はＰｂ，Ｚｒ，Ｔｉの金属原料ガスをキャリアガスとしての窒素ガスとともに供給し、第２のガス供給ノズル４は酸化ガスとしての酸素ガスを供給する。金属ガスを含む窒素ガスと酸素ガスとは対向したノズル間の中央で衝突した後、ガス混合室２内部に広がり、よく混合される。混合されたガスは混合ガス排出管５からシャワーヘッドに向かって供給される。
【０００５】
図８は従来のガス混合装置によるガスの分布をシミュレーションした結果を示す図である。原料ガスと酸素ガスは対向したノズル間の中央で衝突した後、ガス混合室２内部に広がり、混合が進んでいることが分かる。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−９０６２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図８に示すように、従来の構造では、ガス混合室２内部でガスがよく混合されるが、それでも、ガス混合室２内の広い範囲で原料ガスと酸素ガスが偏った状態で分布する。例えば、図８においては、ハッチングされた領域６は原料ガスの領域を示し、ハッチングされた領域７は酸素ガスの領域を示し、両者は衝突した後で例えばすれ違うような形態で混合されていく。領域８はガスがよく混合された領域である。領域８はガス混合室２内で偏った部分にある。そのため、混合ガス排出口５は混合状態の最適な位置に設ける必要がある。
【０００８】
また、ガス混合室２の内部のガス分布はノズル配置の精度やガス混合室２の形状によっても大きく影響を受け、混合の度合いが変わることもある。
【０００９】
本発明の目的はガスがよく混合され、それによって構造上の制約の少ないガス混合室をもった薄膜形成装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による薄膜形成装置は、ガス混合室と、該ガス混合室内に開口する第１及び第２のガス供給ノズルとを備え、該第１及び第２のガス供給ノズルはガス混合室内で互いに対向して開口するように配置され、かつ、該第１のガス供給ノズルの開口部の断面積が該第２のガス供給ノズルの開口部の断面積よりも大きいことを特徴とするものである。
【００１１】
この構成によれば、第１及び第２のガス供給ノズルは一直線上で互いに対向して開口するように配置され、かつ、これらのガス供給ノズルの開口部の断面積が互いに異なっているため、ノズル径の小さい側から出たガス流がノズル径の大きい側から出たガス流の内側に入り込んだ状態になり、細かな渦流が安定した状態で発生するため、非常に狭い領域で混合作用が完結する。このため、従来のようにガス混合室の形状やガス排出口の位置で混合の度合いが影響を受けないようにすることができる。このため、ガス混合装置を小型化でき、形状の自由度も大きくなる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施例の薄膜形成装置を示す図である。図２は図１のガス混合装置を示す図である。
【００１３】
図１において、薄膜形成装置１０は、原料容器１１，１２，１３を含む。実施例の薄膜形成装置１０はＭＯＣＶＤ法と呼ばれる気相成長法によってＰＺＴの膜を成膜する例である。原料容器１１，１２，１３は、それぞれＰｂ（ｔｈｄ）２  、Ｚｒ（ＯｉＰｒ）（ｔｈｄ）３  、Ｔｉ（ＯｉＰｒ）２  （ｔｈｄ）２  を酢酸ブチルに溶解したもの（原料液体）を充填している。
【００１４】
薄膜形成装置１０は、それぞれ原料容器１１，１２，１３に接続された気化器１４，１５，１６を含む。原料液体は原料容器１１，１２，１３から液体マスフローコントローラ１７，１８，１９によって、例えばそれぞれ０．２５ｍｌ／ｍｉｎ  、０．０９ｍｌ／ｍｉｎ  、０．１１ｍｌ／ｍｉｎ  に流量制御され、気化器１４，１５，１６に導入される。気化器１４，１５，１６は、Ｐｂ，Ｚｒ，Ｔｉ用に対応し、それぞれ２００℃、２２０℃、２１０℃に加熱されている。各金属を含む原料液体は気化器１４，１５，１６において気化され、原料ガスとなる。
【００１５】
キャリアガスとしての窒素ガスがガスマスフローコントローラ２０，２１，２２によって流量制御されて各気化器１４，１５，１６に導入される。窒素ガスはそれぞれ２００ｍｌ／ｍｉｎ  の流量で気化器１４，１５，１６に供給され、原料ガスを搬送する。
【００１６】
薄膜形成装置１０は、ガス混合装置２３と、堆積室２４とを含む。３つの気化器１４，１５，１６の出口は合流された配管によってガス混合装置２３へ接続される。
【００１７】
図２はガス混合装置２３を示す図である。ガス混合装置２３は、ガス混合室２５と、ガス混合室内２５に開口する第１及び第２のガス供給ノズル２６，２７とを備える。第１及び第２のガス供給ノズル２６，２７はガス混合室２５内で一直線上（共通の軸線上）で互いに対向して開口するように配置される。第１のガス供給ノズル２６の開口部の断面積が第２のガス供給ノズル２７の開口部の断面積よりも大きい。さらに、ガス混合装置２３はガス排出口２８を有する。
【００１８】
例えば、ガス混合室２５は、直径４０ｍｍ、長さ４０ｍｍの垂直な管の上下開口部を塞ぎ、下部に１２．５ｍｍφのガス排出口２８を設けてある。第１及び第２のガス供給ノズル２６，２７はガス混合室２５の上部より２０ｍｍの位置に設けられ、第１のガス供給ノズル２６の開口部の断面積は直径１０．４ｍｍ、第２のガス供給ノズル２７の開口部の断面積は直径５．２ｍｍとされている。両ガス供給ノズル２６，２７の対向する開口部間の距離は１０ｍｍの距離に配置してある。
【００１９】
小さい直径の第２のガス供給ノズル２７からは酸化ガスとして酸素ガスが例えば流量８００ｍｌ／ｍｉｎ  が導入される。大きい直径の第１のガス供給ノズル２６からは３つの気化器１４，１５，１６から送られた有機金属原料ガスと窒素ガス（合計６００ｍｌ／ｍｉｎ  ）で供給される。これらのガスはガス混合室２５で混合される。
【００２０】
堆積室２４には、シャワーヘッド２９及びステージ３０が配置される。基板３１はステージ３０に配置され、シャワーヘッド２９の下方に位置する。上記した部材は配管で適切に接続される。ガス混合装置２３で混合された混合ガスはシャワーヘッド２９から基板３１へ噴射され、基板３１にＰＺＴ膜を成膜する。例えば、堆積室２４の内部は、圧力５ｔｏｒｒ、基板温度５８０℃に設定され、堆積時間７分間でＰｔ層上にＰＺＴ膜を膜厚１３０ｎｍ堆積する。
【００２１】
図３は本発明のガス混合装置２３により混合されたガスの分布をシミュレーションした結果を示す図である。ここでは、第１及び第２のガス供給ノズル２６，２７のノズル径の比が２．５であり、原料ガスと窒素ガスの流量と、酸素ガスの流量が等しい場合を示している。図３においては、ハッチングされた領域３２は原料ガス及び窒素ガスの領域を示し、ハッチングされた領域３３は酸素ガスの領域を示す。領域３４はガスがよく混合された領域を示す。ノズル径の小さい第２のガス供給ノズル２７側から出た原料ガスを含むガス流がノズル径の大きい第１のガス供給ノズル２６側から出た酸素ガス流の内側に入り込んだ又は突き進む状態になり、細かな渦流が安定した状態で発生するため、非常に狭い領域で混合作用が完結する。このため、従来のようにガス混合室２５の形状やガス排出口２８の位置で混合の度合いが影響を受けないようにすることができる。このため、ガス混合装置２３を小型化でき、形状の自由度も大きくなる。
【００２２】
図４はＰＺＴ膜の面内組成分布を示す図である。ＰＺＴ組成はＰｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）とＺｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）で示されている。組成均一性は±１．５％以下であり、ガスの混合が良好に行われていることが分かる。
【００２３】
図５は本発明の他の実施例のガス混合装置を示す図である。この実施例でも、ガス混合装置２３は、ガス混合室２５と、ガス混合室２５内に開口する第１及び第２のガス供給ノズル２６，２７と、ガス排出口２８とを備える。第１及び第２のガス供給ノズル２６，２７は一直線上に互いに対向して開口するように配置され、第１のガス供給ノズル２６の開口部の断面積が第２のガス供給ノズル２７の開口部の断面積よりも大きい。
【００２４】
この実施例では、原料ガス及び窒素ガスは配管３３で供給され、酸素ガスは配管３４で供給され、配管３３と配管３４とは合流管３５で合流する。第１のガス供給ノズル２６と第２のガス供給ノズル２７とは合流管３５から分岐され、上記したようにガス混合室２５内で一直線上に互いに対向して開口する。この構造では、２つの種類のガスが合流管３５で予備混合され、両ガス供給ノズル２６，２７から出るガスの粘性や密度等、混合ガスの特性が同じになるため、原料ガス、酸化ガスのトータル流量が変わっても、両ガス供給ノズル２６，２７からのガス流量比はノズル形状で決まる流量比で一定に保つことができ、広い条件範囲でガス混合を良好に行うことができる。
【００２５】
図６は本発明の他の実施例のガス混合装置を示す図である。図５の実施例と同様に、この実施例でも、ガス混合装置２３は、ガス混合室２５と、第１及び第２のガス供給ノズル２６，２７と、ガス排出口２８とを備える。原料ガス及び窒素ガスを供給する配管３３と、酸素ガスを供給する配管３４とは合流管３５で合流した後、第１のガス供給ノズル２６と第２のガス供給ノズル２７とは合流管３５から分岐され、ガス混合室２５で一直線上に互いに対向して開口する。さらに、配管３３，３４の位置する線と、第１及び第２のガス供給ノズル２６，２７の位置する線とは、互いに９０°をなして構成されている。これによって、分流の際のガスの偏りを抑制することができるので、ガスの混合状態の再現性をより高めることができる。
【００２６】
以上は本発明を特定の実施例について説明したが、本発明はそのような実施例に限定されるものではない。
【００２７】
例えば、第１のガス供給ノズル２６の開口部の断面積と第２のガス供給ノズル２７の開口部の断面積との比は上記した実施例のものとは変えることができる。特に、第１のガス供給ノズル２６の開口部の断面積と第２のガス供給ノズル２７の開口部の断面積との比が１．５以上であると、好ましい結果が得られる。
【００２８】
また、第１及び第２のガス供給ノズル２６，２７のうちの一方のガス供給ノズルは有機溶剤に溶解した有機金属を気化した原料ガスを含むキャリアガスを供給し、第１及び第２のガス供給ノズル２６，２７のうちの他方のガス供給ノズルは酸化ガスを供給する。この場合、有機溶媒はテトラヒドロフラン及び酢酸ブチルの１つを含み、気化キャリアガスはＮ２  、Ａｒ、Ｈｅの少なくとも１つを含み、酸化ガスはＯ２  、Ｎ２  Ｏ、ＮＯ２  の少なくとも１つを含むようにすることができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ガス混合装置の小型化、ガス混合装置の作製形状の自由度が拡がり、流量変動の外乱に対してガスの混合作用が安定するので、厚さや組成分布の安定化が優れた薄膜を形成することのできる薄膜形成装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の実施例の薄膜形成装置を示す図である。
【図２】図２は図１のガス混合装置を示す図である。
【図３】図３は本発明のガス混合装置により混合されたガスの分布をシミュレーションした結果を示す図である。
【図４】図４はＰＺＴ膜の面内組成分布を示す図である。
【図５】図５は本発明の他の実施例のガス混合装置を示す図である。
【図６】図６は本発明の他の実施例のガス混合装置を示す図である。
【図７】図７は従来のガス混合装置を示す図である。
【図８】図８は従来のガス混合装置により混合されたガスの分布をシミュレーションした結果を示す図である。
【符号の説明】
１０…薄膜形成装置
１１，１２，１３…原料容器
１４，１５，１６…気化器
２３…ガス混合装置
２４…堆積室
２５…ガス混合室
２６…第１のガス供給ノズル
２７…第２のガス供給ノズル
２８…ガス排出口
２９…シャワーヘッド
３０…ステージ
【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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【図８】
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