(57)【要約】【課題】エアロゾルデポジション法において凝集粒子が生成されるのを抑制して高い割合で１次粒子を含むエアロゾルを生成すると共に安定的に供給することができ、且つ、構成の簡単な成膜装置及び成膜方法を提供する。【解決手段】成膜装置は、少なくとも内面が導電性を有する材料によって形成されると共に接地配線が接続され、原料の粉体を配置し、エアロゾルの生成が行われるエアロゾル生成容器１０と、エアロゾル生成容器において、該原料の粉体をガスにより噴き上げることによってエアロゾルを生成するキャリアガス導入部１１と、少なくとも内面が導電性を有する材料によって形成されると共に接地配線が接続され、エアロゾル生成容器において生成されたエアロゾルを通過させるキャリアガス導出部１２及びキャリアガス導入部２２と、エアロゾルを基板に向けて噴射するノズル２３とを有する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも内面が導電性を有する材料によって形成されると共に接地配線が接続され、原料の粉体を配置し、エアロゾルの生成が行われるエアロゾル生成容器と、
前記エアロゾル生成容器において、該原料の粉体をガスにより噴き上げることによってエアロゾルを生成するガス導入手段と、
少なくとも内面が導電性を有する材料によって形成されると共に接地配線が接続され、前記エアロゾル生成容器において生成されたエアロゾルを通過させる搬送経路と、
前記搬送経路を通過して導入されたエアロゾルを基板に向けて噴射するノズルと、
を具備する成膜装置。
【請求項２】
少なくとも内面が導電性を有する材料によって形成されると共に接地配線が接続されている容器に原料の粉体を配置し、前記原料の粉体を除電しながらガスにより噴き上げることによってエアロゾルを生成する工程（ａ）と、
生成されたエアロゾルを基板に向けて噴射することにより、原料の粉体を基板上に堆積させる工程（ｂ）と、
を具備する成膜方法。
【請求項３】
工程（ａ）が、前記原料の粉体と共に、少なくとも１μｍの粒子径を有する導電性粉体を配置することを含む、請求項２記載の成膜方法。
【請求項４】
工程（ａ）が、前記原料の粉体と共に、前記原料の粉体と同様の結晶構造を有する導電性粉体を配置し、前記原料の粉体及び前記導電性粉体をガスにより噴き上げることによってエアロゾルを生成することを含む、請求項２記載の成膜方法。
【請求項５】
工程（ａ）が、前記原料の粉体と共に、所定の融点を有する導電性粉体を配置し、前記原料の粉体及び前記導電性粉体をガスにより噴き上げることによってエアロゾルを生成することを含み、
工程（ｂ）の後に、前記基板上に形成された構造物を、前記導電性粉体が有する融点よりも高温でアニールする工程（ｃ）をさらに具備する、
請求項２記載の成膜方法。
【請求項６】
工程（ａ）が、前記容器に配置された粉体を、イオンを含むガスにより噴き上げることによってエアロゾルを生成することを含む、請求項２記載の成膜方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粉体を高速で基板に吹き付け、堆積させることによって膜を形成する成膜装置、及び、成膜方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
セラミックスや金属等の膜を形成する技術として、エアロゾルデポジション法、又は、ジェットプリンティングシステム（ＪＰＳ）と呼ばれる方式が知られている。エアロゾルデポジション法とは、サブミクロンオーダーの原料の粉体をキャリアガスにより噴き上げることによってエアロゾルを生成し、ノズル等を用いてそのエアロゾルを基板に向けて噴射することにより、原料の粉体を高速気流によって加速して基板に衝突させ、その際の衝突エネルギーによって粉体を堆積させる成膜方法である。ここで、エアロゾルとは、気体中に浮遊している固体や液体の微粒子のことをいう。
【０００３】
ところで、成膜原料として用いられる微粒子（１次粒子）は、成膜の過程において、時間の経過と共に静電気力、ファンデルワールス力、又は、水分の架橋効果等により凝集し、直径数μｍ〜数ｍｍの大きさの凝集粒子を形成してしまう。このような凝集粒子は、１次粒子に比較して質量が大きく、加速され難いので、十分な運動エネルギーを得ることができない。また、そのような運動エネルギーは、凝集粒子が基板に衝突したときに凝集粒子を解砕するために消費されてしまう。エアロゾルデポジション法においては、１次粒子を破砕させ、微細な断片粒子を生成してそれらを基板に密着させるので、凝集粒子を解砕しただけでは、緻密で強度の高い膜を形成することができなくなる。また、このような凝集粒子の内、ミクロンオーダー以上の巨大な凝集粒子は、重力の影響を受け、キャリアガスによって噴き上げられることなくエアロゾル生成容器の一部に留まってしまう。このような状態になると、サブミクロンの粒子がキャリアガスの噴出口付近に近づけなくなるので、サブミクロンの粒子を噴き上げることができなくなり、エアロゾルの濃度が低下してしまう。このようなことから、エアロゾルデポジション法においては、エアロゾルが安定的に供給されず、経時的に成膜速度が低下するという問題が生じている。
【０００４】
凝集粒子が形成されることによる影響を低減するために、特許文献１には、不要な粒径の超微粒子を除去する超微粒子の成膜、成形方法及びその装置として、超微粒子分級装置を超微粒子の搬送路途中に配設するか或いは超微粒子の発生装置の後方に配設することによって、均質な超微粒子のみを被膜や薄膜或いは成型品の原料とすることが開示されている。また、特許文献２には、セラミック超微粒子のエアロゾルを発生させ、分級あるいは解砕によりエアロゾル中の二次粒子を排除した後に、一次粒子あるいはそれに準じる粒径の粒子のみを基板上に吹き付けることにより、焼成させることなく高密度の緻密質のセラミック構造物を基板上に得ることが開示されている。
しかしながら、成膜装置に凝集粒子を分級或いは解砕する手段を設けると、装置全体が複雑になり、大きなスペースを要するようになってしまう。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−２１６７７号公報
【特許文献２】
特開２００１−１８１８５９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、エアロゾルデポジション法において、凝集粒子が生成されるのを抑制して高い割合で１次粒子を含むエアロゾルを生成すると共に、そのようなエアロゾルを安定的に供給することができる、構成の簡単な成膜装置及び成膜方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、本発明に係る成膜装置は、少なくとも内面が導電性を有する材料によって形成されると共に接地配線が接続され、原料の粉体を配置し、エアロゾルの生成が行われるエアロゾル生成容器と、エアロゾル生成容器において、該原料の粉体をガスにより噴き上げることによってエアロゾルを生成するガス導入手段と、少なくとも内面が導電性を有する材料によって形成されると共に接地配線が接続され、エアロゾル生成容器において生成されたエアロゾルを通過させる搬送経路と、搬送経路を通過して導入されたエアロゾルを基板に向けて噴射するノズルとを具備する。
【０００８】
また、本発明に係る成膜方法は、少なくとも内面が導電性を有する材料によって形成されると共に接地配線が接続されている容器に原料の粉体を配置し、原料の粉体を除電しながらガスにより噴き上げることによってエアロゾルを生成する工程（ａ）と、生成されたエアロゾルを基板に向けて噴射することにより、原料の粉体を基板上に堆積させる工程（ｂ）とを具備する。
【０００９】
本発明によれば、エアロゾルの生成が行われる容器やエアロゾルの搬送経路の内側を接地するので、原料の粉体が帯電するのを防止し、微粒子が静電気によって凝集するのを抑制することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る成膜装置を示す模式図である。この成膜装置は、エアロゾルデポジション法によって成膜を行うための装置であり、エアロゾルの生成が行われるエアロゾル生成容器１０と、成膜が行われる成膜チャンバ２０とを有している。
【００１１】
エアロゾル生成容器１０は、原料の粉体が配置される容器であり、ここでエアロゾルの生成が行われる。エアロゾル生成容器１０は、金属等の導電体によって作製されており、そこには接地配線が接続されている。接地配線を用いてエアロゾル生成容器１０を大地や導電性の構造物等に接地することにより、エアロゾル生成容器１０に配置された原料の粉体に帯電した静電気が放電される。なお、成膜を行う際に用いられる原料の粉体としては、サブミクロン単位の粉体が望ましく、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Ｐｂ（ｌｅａｄ）　ｚｉｒｃｏｎａｔｅ　ｔｉｔａｎａｔｅ）膜を形成する場合には、粒子径１μｍ以下、望ましくは、平均粒子径０．３μｍを有するＰＺＴの粉体が用いられる。
【００１２】
エアロゾル生成容器１０には、キャリアガス導入部１１、エアロゾル導出部１２、及び、圧力調整ノズル１３が設けられている。キャリアガス導入部１１は、原料の粉体をキャリアするために用いられる気体、即ち、キャリアガスをエアロゾル生成容器１０の内部に導入する。即ち、エアロゾル生成容器１０に配置された原料の粉体をキャリアガスによって噴き上げることにより、エアロゾルが生成される。キャリアガス導入部１１は、少なくともエアロゾル生成容器１０の内部においては金属等の導電体によって作製されている。なお、キャリアガスとしては、乾燥空気、窒素ガス、酸素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等が用いられる。
【００１３】
エアロゾル導出部１２は、エアロゾルの搬送経路であり、生成されたエアロゾルを吸引して成膜チャンバ２０に導く。エアロゾル導出部１２は、金属等の導電体によって作製されており、直接、或いは、エアロゾル生成容器１０を介して接地されている。それにより、エアロゾル導出部１２を通過するエアロゾルに帯電した静電気が放電される。
【００１４】
圧力調整ノズル１３は、少なくともエアロゾル生成容器１０の内部においては金属等の導電体によって作製されており、エアロゾル生成容器１１と成膜チャンバ２０との圧力差を調整する際に用いられる。
【００１５】
このようなエアロゾル生成容器１０は、振動台１４の上に戴置されている。振動台１４は、エアロゾル生成容器１０に、例えば、周波数５０Ｈｚ、振幅０．１ｍｍ程度の振動を与える。この振動により、エアロゾル生成容器１０に配置されている原料の粉体に、浮上するための運動エネルギーが与えられると共に、キャリアガス導入部１０のガス噴出口付近に次々と粉体が供給される。
【００１６】
成膜チャンバ２０においては、エアロゾルデポジション法により成膜が行われる。成膜チャンバ２０には、排気管２１と、エアロゾル導入部２２と、ノズル２３と、可動ステージ２４とが備えられている。排気管２１は、真空ポンプに接続されており、成膜チャンバ２０内を排気する。
【００１７】
エアロゾル導入部２２は、エアロゾル生成部１０のエアロゾル導出部１２に接続されており、エアロゾル生成部１０において生成されたエアロゾルは、エアロゾル導入部２２を通って成膜チャンバ２０内に導入される。エアロゾル導入部２２は、金属等の導電体によって作製されており、直接、或いは、エアロゾル導出部１２を介して接地されている。それにより、エアロゾル導入部２２を通過するエアロゾルに帯電した静電気が放電される。
【００１８】
ノズル２３は、エアロゾル導入部２２を通って導入されたエアロゾルを基板２に吹き付ける。それにより、加速された原料の粉体は基板２に衝突して破砕され、微細な断片粒子が生成される。このような断片粒子が基板に接合し、或いは、このような断片同士が接合して、基板２に緻密な構造物が形成される。
可動ステージ２４は、基板とノズル２４との相対位置を制御するための３次元に移動可能なステージである。
【００１９】
このように、本実施形態においては、エアロゾル生成容器１０や、エアロゾルの搬送経路であるエアロゾル導出部１２及びエアロゾル導入部２２を接地することにより、原料の粉体やエアロゾルを除電し、原料の粉体やエアロゾルが凝集するのを抑制している。それにより、エアロゾルに含まれる１次粒子の割合が高くなり、そのようなエアロゾルを基板に吹き付けることにより、緻密で強度の高い膜が形成される。また、エアロゾル生成容器１０において、キャリアガスによって噴き上げることができない程度（例えば、数μｍ〜数ｍｍ）の巨大な凝集粒子が生成されることがないので、エアロゾルの濃度が低下することもなくなる。
【００２０】
ところで、形成される膜の原料が絶縁体である場合には、原料の粉体やエアロゾルをさらに効率良く除電することが望まれる。そのような場合には、エアロゾル生成容器１０に、原料の粉体と共に導電性を有する粉体を配置することにより、導電性粉体を介して原料の粉体から静電気を効率的に放電させれば良い。導電性を有する粉体（導電性粉体）は、次のような観点から選択されることが望ましい。
【００２１】
（１）質量の大きな金属粉体
キャリアガスによって噴き上がらせることのできない程度の質量の大きな導電性粉体を配置することにより、導電性粉体がエアロゾルに混入することなく、エアロゾル生成容器において原料の粉体を除電することができる。そのような導電性粉体としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコン（Ｚｒ）、スズ（Ｓｎ）、ビスマス（Ｂｉ）、鉛（Ｐｂ）、タングステン（Ｗ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）等を含む金属を用いることができ、特に、Ｗ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｉｒ等の比重の大きい金属を用いることが望ましい。また、金属粉体の大きさについては、金属粉体が原料の粉体よりも重くなるように粒子径を決定する。例えば、粒子径が１μｍ以下のＰＺＴ粉体を用いてＰＺＴ膜を形成する際に、ＰＺＴの比重より小さいか、その前後の比重を有する金属を用いる場合には、粒子径を１μｍ以上にすると良い。また、Ｗ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｉｒ等の重金属を用いる場合には、金属粉体の粒子径をさらに小さくしても良い。
【００２２】
（２）形成された膜の結晶構造に影響しない物質の粉体
形成された膜に混入したとしても膜の結晶構造に影響を及ぼさない物質であれば、原料の粉体と共にエアロゾルとして搬送させても良い。例えば、トランスデューサに用いられるＰＺＴ膜を形成する場合には、導電性酸化物材料であるＳｒＲｕＯ３（酸化ストロンチウム（ＩＩ）ルテニウム（ＩＶ））の粉体を混入
させることが考えられる。ＳｒＲｕＯ３は、ＰＺＴと同じペロブスカイト構造と呼ばれる結晶構造を有しており、形成された膜に混入してもＰＺＴの結晶構造には影響を及ぼさないからである。なお、この他にも、同様の結晶構造を有する導電性物質や半導体の粉体を用いても良い。
【００２３】
（３）低融点を有する導電性物質の粉体
成膜時に導電性粉体が混入しても、成膜後の工程によってそれを除去することができる物質であれば、原料の粉体と共にエアロゾルとして搬送させても良い。例えば、ＰＺＴ膜を形成する場合には、結晶性を良くするために、成膜後に７００℃〜８００℃程度でポストアニールを行うことが必要になる。このようなポストアニール工程が付随する場合には、アニール温度よりも融点が低い導電性物質の粉体を原料の粉体に混入することが考えられる。形成された膜に混入された導電性物質の粉体は、ポストアニール時に消失して膜内に残留しないので、完成した膜の結晶構造には影響を及ぼさないからである。ＰＺＴ膜を形成する場合には、このような導電性物質として鉛（Ｐｂ）、スズ（Ｓｎ）、ビスマス（Ｂｉ）等の低融点金属が挙げられる。特に、Ｐｂは、ＰＺＴの構造に含まれる元素であり、仮に、形成された膜内に多少残留していても、不純物としてＰＺＴの結晶構造に影響を及ぼすことは少ないので、原料の粉体に混入する物質として適当である。
【００２４】
（４）強磁性金属材料の粉体
原料の粉体を除電する導電性粉体として強磁性金属材料の粉体を用い、基板２にエアロゾルを吹き付ける前に、磁石を用いて強磁性金属材料の粉体を除去するようにしても良い。例えば、図１に示すエアロゾル生成容器１０の外側に磁石を設け、キャリアガスによって噴き上げられた粉体の中から強磁性金属材料の粉体のみを除去したり、エアロゾル導入部１２やエアロゾル導入部２２の外側に磁石を設け、これらの内側を通過しようとする粉体の中から強磁性金属材料の粉体のみを除去する。強磁性金属材料としては、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、ＬａＳｒＭｎＯ３等が用いられる。特に、ＰＺＴ膜を形成する場合に、ＬａＳｒＭｎＯ３は、ＰＺＴと同様にペロブスカイト構造を有しており、仮に、原料の粉体中に多少残留していても、形成されたＰＺＴ膜の結晶構造に影響を及ぼすことは少ないので、原料の粉体に混入する物質として望ましい。
【００２５】
このように、原料の粉体と共に導電性粉体を用いることにより、原料の粉体が導電性を有する粉体を介してエアロゾル生成容器やエアロゾル導出部等に接続されるので、容器等に直接触れていない原料の粉体であっても除電することができる。特に、上記の（２）〜（４）に示したような観点から選択された導電性粉体を用いる場合には、導電性粉体が原料の粉末と共にエアロゾル生成容器１０からエアロゾル導入部２２までを通過するので、それらの搬送経路に渡って原料の粉体が除電され、微粒子の凝集を効果的に防ぐことができる。
【００２６】
或いは、原料の粉体に導電性を有する粉体を混入する替わりに、キャリアガス導入部１１から噴出させるキャリアガスに、Ｎ２＋、Ｎ＋、Ｏ２＋、Ｏ＋、Ｏ２−等のイオンを含ませても良い。それにより、エアロゾルを生成し、成膜チャンバ２０に搬送される過程において原料の粉体が除電され、或いは、一方の電荷に揃えられるので、微粒子の凝集が抑制される。
【００２７】
次に、本発明の第２の実施形態に係る成膜装置について、図２及び図３を参照しながら説明する。本実施形態に係る成膜装置は、図１に示すエアロゾル生成容器１０、エアロゾル導出部１２及びエアロゾル導入部２２の替わりに、エアロゾル生成容器３０、エアロゾル導出部３１及びエアロゾル導入部３２を有している。その他の構成ついては、図１に示す成膜装置と同様である。
【００２８】
図２に示すように、エアロゾル生成容器３０は絶縁体によって作製されており、その内側には、金属等の導体膜３０ａが蒸着等によって形成されている。
エアロゾル導出部３１及びエアロゾル導入部３２を含む搬送経路は、エアロゾル生成容器３０及び成膜チャンバ２０の内側においては金属によって作製されており、外側においては、テフロン（登録商標）等の絶縁体材料によって作製されている。図３は、容器の外側におけるエアロゾル導出部３１及びエアロゾル導入部３２の断面を示している。図３に示すように、エアロゾル導出部３１及び導入部３２の内面には、金属等の導体膜３１ａが蒸着等によって形成されている。
【００２９】
これらの導体膜３０ａ及び３１ａには、接地配線が接続されている。それにより、原料の粉体や生成されたエアロゾルに帯電した静電気を放電し、凝集粒子が生成されるのを抑制することができる。
【００３０】
本実施形態によれば、エアロゾル生成容器３０、エアロゾル導出部３１、エアロゾル導入部３２等の材料として、金属以外の材料を用いることができるので、材料選択の幅が広がる。従って、例えば、配管の基材としてテフロン（登録商標）等の所定の弾性を有する材料を用いることにより、エアロゾル生成容器３０と成膜チャンバ２０との配置を自由に変更することができる。また、エアロゾル生成容器３０に振り子運動等の所定の運動をさせることができるので、原料の粉体を撹拌しながらエアロゾルを生成することも可能になる。
【００３１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、エアロゾル生成容器の内部やエアロゾルの搬送経路の内部を接地することにより、原料の粉体や生成されたエアロゾルが帯電するのを防止し、凝集粒子が生成されるのを抑制することができる。それにより、エアロゾルに含まれる１次粒子の割合が高くなるので、緻密で強度の高い膜を形成することが可能になる。また、エアロゾル生成容器において巨大な凝集粒子が生成されるのを抑えることができるので、安定的にエアロゾルを生成し、成膜速度を低下させることなく、効率良く成膜を行うことができる。従って、大きなスペースを要することのない、構成の簡単な装置を用いて、品質の安定した製品を低コストで作製することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る成膜装置の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る成膜装置の構成を示す模式図である。
【図３】図２に示す成膜装置の一部を示す断面図である。
【符号の説明】
１　原料の粉体
２　基板
１０、３０　エアロゾル生成容器
３０ａ、３１ａ　導体膜
１１　キャリアガス導入部
１２、３１エアロゾル導出部
１３　圧力調整ノズル
２０　成膜チャンバ
２１　排気管
２２、３２　エアロゾル導入部
２３　ノズル
２４　可動ステージ
【図１】
2004124126.tif 000003
【図２】
2004124126.tif 000004
【図３】
2004124126.tif 000005