(57)【要約】  【課題】  エアロゾルデポジション法を用いた成膜装置において、形成される構造物の厚さを精密に制御する。  【解決手段】  この成膜装置は、原料の粉体を配置するエアロゾル生成部３と、エアロゾル生成部において原料の粉体をガスによって噴き上げことにより、エアロゾルを生成させるガスボンベ１及び圧力調整部１ａと、構造物が形成される基板を保持する基板ホルダ７と、エアロゾル生成部において生成されたエアロゾルを基板に向けて噴射するノズル５と、ノズルから噴射されたエアロゾルに含まれる原料の粉体の内、基板又は基板上に形成された構造物に衝突することによって成膜に寄与した原料の粉体の量を求めるために用いられるセンサ９とを含む。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料の粉体を配置する容器と、
前記容器において、該原料の粉体をガスによって噴き上げことにより、エアロゾルを生成するガス導入手段と、
構造物が形成される基板を保持する保持手段と、
前記容器において生成されたエアロゾルを前記基板に向けて噴射するノズルと、
前記ノズルから噴射されたエアロゾルに含まれる原料の粉体の内、前記基板又は前記基板上に形成された構造物に衝突することにより成膜に寄与した原料の粉体の量を求めるために用いられる検出手段と、
を具備する成膜装置。
【請求項２】
前記検出手段が、原料の粉体が前記基板又は前記基板上に形成された構造物に衝突することによって発生した電子の量を検出する、請求項１記載の成膜装置。
【請求項３】
前記検出手段が、原料の粉体が前記基板又は前記基板上に形成された構造物に衝突する際に発生した放電の強度を検出する、請求項１記載の成膜装置。
【請求項４】
前記検出手段が、前記基板上の形成された構造物の色を検出する、請求項１〜３のいずれか１項記載の成膜装置。
【請求項５】
前記検出手段を用いることによって求められた成膜に寄与した粉体の量に基づいて、成膜速度と成膜された膜厚との内の少なくとも一方を算出する演算手段と、
前記演算手段によって算出された成膜速度と成膜された膜厚との内の少なくとも一方を表示する表示手段と、
をさらに具備する請求項１〜４のいずれか１項記載の成膜装置。
【請求項６】
前記検出手段の検出結果に基づいて、前記基板上に形成される構造物の形成速度を制御する制御手段をさらに具備する請求項１〜５のいずれか１項記載の成膜装置。
【請求項７】
前記制御手段が、前記ガス導入手段を制御することにより、前記容器に導入されるガスの量と速度との内のいずれかを調節して前記ノズルから噴射されるエアロゾルの量と速度との内のいずれかを変更させる、請求項６記載の成膜装置。
【請求項８】
前記容器に、振動と所定の運動との内の少なくとも一方を与える駆動手段をさらに具備し、
前記制御手段が、前記駆動手段を制御することにより、前記容器に配置されている原料の粉体を攪拌させて前記ノズルに供給されるエアロゾルに含まれる原料の粉体の量を変更させる、請求項６又は７記載の成膜装置。
【請求項９】
前記制御手段が、前記保持手段を制御することにより、前記ノズルと前記基板との相対速度を変更させる、請求項６〜８のいずれか１項記載の成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉体を高速で基板に吹き付けて堆積させることにより構造物を形成する成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：micro electrical mechanical system）の分野では、圧電セラミックスを利用したセンサやアクチュエータ等をさらに集積化し、実用に供するために、成膜によってそれらの素子を作製することが検討されている。その１つとして、セラミックスや金属等の成膜技術として知られるエアロゾルデポジション法が注目されている。エアロゾルデポジション法（以下、ＡＤ法ともいう）とは、原料の粉体を含むエアロゾルを生成して基板に噴射し、その際の衝突エネルギーにより粉体を堆積させて成膜する方法であり、噴射堆積法、又は、ガスデポジション法とも呼ばれる。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】
特許文献１には、エアロゾルデポジション法を用いたセラミック構造物作製装置が開示されている。特許文献１の図１に示すように、エアロゾルデポジション法においては、原料として、サブミクロンオーダーの微小な粉体が用いられる。原料の微小な粉体をエアロゾル発生器１３に配置し、搬送管２を介してガスボンベ１１から窒素（Ｎ２）等のキャリアガスを噴き出させると、原料の粉体が噴き上げられ、キャリアガス中に浮遊してエアロゾルが生成される。一方、構造物形成室１４の内部は、排気ポンプ１８によって排気されていると共に、基板ホルダ１７によって保持された基板１６が配置されている。エアロゾル発生器１３から搬送管１２を介して導入されたエアロゾルを、ノズル１５から基板１６に向けて噴射すると、原料の粉体が高速気流によって加速され、基板１６に衝突して堆積する。
【０００４】
ところで、このようなセラミック構造物作製装置（成膜装置）においては、基板上に形成される構造物の厚さを精密に制御することができないという問題が生じている。ＡＤ法による成膜装置においては、基板とノズルとの相対速度を調節することによって構造物の厚さを制御しているが、実際には、エアロゾルに含まれる原料の粉体の濃度（エアロゾル濃度）は不安定だからである。このような問題を解決するために、特許文献１においては、エアロゾル中のセラミック微粒子の量をセンサにより感知し、センサから出力される信号をセラミック構造物作製装置へフィードバックすることによって、セラミックの一次粒子を多く含む経時的に安定した量のエアロゾルを発生させ、セラミック構造物の堆積高さを調節している（第１頁）。
【０００５】
しかしながら、エアロゾル濃度と成膜速度とは、厳密には比例しないことが分かっている。ＡＤ法においては、生成されたエアロゾルの搬送中に、原料の微小な粉体（１次粒子）が静電気力等によって凝集し、例えば、直径数μｍ以上の凝集粒子（２次粒子）を形成してしまう。このような粒子の凝集は、エアロゾル濃度が高いほど起こり易い。しかしながら、このような凝集粒子は、基板等に吹き付けられても、凝集粒子の持つ運動エネルギーが凝集粒子自体の解砕に消費されてしまうので、成膜に寄与することができない。そのため、エアロゾル濃度が同じでも、エアロゾルに含まれる成膜に寄与する１次粒子と、成膜に寄与しない２次粒子との割合によって成膜速度に違いが生じてしまう。ここで、これらの割合を制御することはできない。従って、原料の粉体の消費量に基づいて成膜装置の各部を制御する方法では、やはり、構造物の厚さを精密に制御することはできない。
一方、非特許文献１には、ＡＤ法においては、成膜時に電気的又は光学的な現象が生じることが記載されている。
【特許文献１】特開２００１−３４８６５９号公報（第１頁、図１）
【非特許文献１】明渡  純等、「エアロゾルデポジション法によって作製されたＰＺＴ薄膜の電気的及び光学的特性におけるキャリアガス状態の影響（Influence of Carrier Gas Conditions on Electrical and Optical Properties of Pb(Zr, Ti)O3Thin Film Prepared by Aerosol Deposition Method）」、ジャパニーズ  ジャーナル  オブ  アプライド  フィジックス（Japanese Journal of Applied Physics）、日本応用物理学会、２００１年９月、第４０巻、第１部、第９Ｂ号、ｐ．５５２８−５５３２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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を用いた成膜装置において、形成される構造物の厚さを精密に制御することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明に係る成膜装置は、原料の粉体を配置する容器と、容器において、該原料の粉体をガスによって噴き上げことにより、エアロゾルを生成するガス導入手段と、構造物が形成される基板を保持する保持手段と、容器において生成されたエアロゾルを基板に向けて噴射するノズルと、該ノズルから噴射されたエアロゾルに含まれる原料の粉体の内、基板又は基板上に形成された構造物に衝突することによって成膜に寄与した原料の粉体の量を求めるために用いられる検出手段とを具備する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、検出手段を用いることにより、成膜に寄与した１次粒子の量を求めることができるので、成膜速度をダイレクトに見積ることができる。従って、形成される構造物の厚さを精密に制御することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。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、ガスボンベ１と、搬送管２ａ及び２ｂと、エアロゾル生成部３と、成膜が行われる成膜室４と、該成膜室４に配置されたノズル５と、基板ホルダ７と、排気ポンプ８と、センサ９と、演算部１０と、表示部１１とを含んでいる。
【００１０】
ガスボンベ１には、キャリアガスとして使用される窒素（Ｎ２）が充填されている。また、ガスボンベ１には、キャリアガスの供給量を調節する圧力調整部１ａが設けられている。なお、キャリアガスとしては、この他に、酸素（Ｏ２）、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）、又は、乾燥空気等を用いても良い。
【００１１】
エアロゾル生成部３は、成膜材料である原料の微小な粉体を配置する容器である。このエアロゾル生成部３に、搬送管２ａを介してキャリアガスを導入することにより、原料の粉体が噴き上げられてエアロゾルが生成される。
【００１２】
エアロゾル生成部３には、エアロゾル生成部３に微小な振動や、比較的ゆっくりとした運動を与える容器駆動部３ａが設けられている。ここで、エアロゾル生成部３に配置された原料の粉体（１次粒子）は、時間の経過と共に、静電気力やファンデルワールス力等によって結合して凝集粒子を形成してしまう。その中でも、数μｍ〜数ｍｍの巨大な凝集粒子は質量も大きいため容器の底部に溜まるが、それらがキャリアガスの出口付近（搬送管２ａの出口付近）に留まると、キャリアガスによって１次粒子を噴き上げることができなくなる。そのため、凝集粒子が１箇所に留まらないように、容器駆動部３ａは、エアロゾル生成部３に振動等を与えることにより、その内部に配置された粉体を攪拌している。
【００１３】
ノズル５は、搬送管２ｂを介してエアロゾル生成部３から供給されたエアロゾルを基板６に向けて高速で噴射する。ノズル５は、例えば、長さ５ｍｍ、幅０．５ｍｍ程度の開口を有している。
基板ホルダ７は、基板６を保持している。また、基板ホルダ７には、基板６を３次元的に移動させる基板ホルダ駆動部７ａが設けられている。これにより、ノズル５と基板６との相対位置及び相対速度が制御される。
排気ポンプ８は、成膜室４の内部を排気することによって所定の真空度に保っている。
【００１４】
センサ９は、基板６付近から放出される電子を検出する。センサ９としては、例えば、荷電粒子を電流として計測するファラデーカップや、時崎康博「多価イオン−固体表面衝突における放出二次電子と放出二次イオンの同時計測装置の製作」（http://www.ils.uec.ac.jp/99y/B-y/Tokisaki-y.pdf、２００３年９月２９日検索）に記載されている半導体検出器等を用いることができる。
【００１５】
演算部１０は、センサ９の検出結果に基づいて、成膜に寄与した粉体の量や、成膜速度や、成膜速度の時間積分を成膜面積によって除することによって得られる膜厚を見積る演算を行う。なお、成膜面積は、ノズル幅とノズルの移動距離との積によって求められる。
表示部１１は、ＣＲＴやＬＣＤ等の表示画面を含んでおり、演算部１０によって求められた成膜速度や成膜された膜厚等の見積値を画面に表示する。また、センサ９の検出結果を画面に表示するようにしても良い。
【００１６】
ここで、本実施形態において、電子を検出するセンサ９を設ける理由について説明する。図２は、ＡＤ法において、一定時間内に消費された原料の粉体の量（ｇ）と構造物の堆積率（μｍ／ｇ）との関係を示している。この堆積率は、（一定時間内に堆積された構造物の厚さ）／（一定時間内に消費された原料の粉体の量）によって表される。図２に示すように、堆積率は、原料の粉体の消費量が増えるほど低下しているので、成膜速度は原料の粉体の消費量に単純には比例していないことが分かる。これは、原料の粉体の消費量が多くなるほど、即ち、エアロゾル濃度が高いほど、原料の粉体が凝集して凝集粒子が生成され易くなり、結果として、成膜に寄与する１次粒子の割合が減少するためと考えられる。従って、原料の粉体の消費量を測定するだけでは、成膜速度を精密に制御することができない。
【００１７】
そこで、本実施形態においては、エアロゾルに含まれる１次粒子の濃度を推定するために、センサ９を設けている。ここで、非特許文献１にも記載されているように、セラミックス等の脆性材料が破砕するときに、放電現象が起こることは知られている。ＡＤ法は、高速に加速された１次粒子を、基板又は基板上に形成された構造物（以下において、基板等という）に衝突させて破砕し、それによって生成された新生面を有する微細断片粒子を、基板等に接合させる成膜方法なので、そのような放電現象は、ＡＤ法による成膜中にも発生している。そこで、本実施形態においては、１次粒子の破砕によって放出された電子（２次電子）の数（量）を検出することにより、実際に成膜に寄与した１次粒子の量を求め、その結果に基づいて成膜速度を見積っている。なお、基板上に形成された構造物とは、先に基板上に堆積された成膜材料や、複数の層を積層する場合における先に形成された層等のことをいう。
一方、１次粒子が凝集することによって生成された凝集粒子は、基板等に衝突しても解砕されるのみであるので、電子を放出することはなく、基板等に付着して膜を形成することもない。
【００１８】
次に、図１に示す成膜装置の動作について説明する。
まず、成膜室４の基板ホルダ７に、例えば、ガラスや石英（ＳｉＯ２）等の基板６を配置すると共に、排気ポンプ８を用いて成膜室４の内部を所定の真空度まで排気する。次に、エアロゾル生成部３に、例えば、平均粒子径０．３μｍのＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Pb(lead) zirconate titanate）の粉体を配置し、搬送管２ａを介してガスボンベから、窒素等のキャリアガスを供給する。これにより、エアロゾル生成部３において原料の粉体が噴き上げられ、エアロゾルが生成される。このエアロゾルは、搬送管２ｂを介してノズル５に供給され、ノズル５から基板６に向けて噴射される。
【００１９】
これにより、ＰＺＴの粉体に含まれる１次粒子が基板等に衝突して破砕し、基板等に付着して膜が形成される。その際に、センサ９を用いて、破砕した１次粒子から放出された２次電子の量を検出する。演算部１０は、センサ９の検出結果に基づいて、検出された２次電子の放出量を破砕した１次粒子の量に換算し、その値に基づいて成膜速度を見積る。
【００２０】
センサ９の検出結果や演算部１０によって算出された見積値等は、表示部１１の画面に表示される。オペレータは、表示された見積値等を参照しながら、必要に応じて成膜速度を変更するように、各部の動作を調節することができる。例えば、成膜速度を上げるためには、ノズル５から噴射されるエアロゾルの流量や速度を増やすために、ガスボンベから導入されるキャリアガスの量や速度を増やすように、圧力調整部１ａを制御すれば良い。または、エアロゾル生成部３に配置された原料の粉体を攪拌してエアロゾル濃度を高くするように、容器駆動部３ａを制御しても良い。或いは、ノズル５と基板６との相対速度を小さくするように、基板ホルダ駆動部７ａを制御しても良い。さらに、オペレータは、表示部１１の画面を見ながら、成膜を継続させたり、膜厚が必要な厚さに達したと見積られたときに、成膜を中止させることもできる。
【００２１】
以上説明したように、本実施形態によれば、１次粒子が破砕する際に生じた２次電子の放出量を検出するので、成膜速度等をダイレクトに見積ることができる。また、見積られた見積値等を表示することにより、それらの値に基づいて成膜装置をユーザ制御することが可能になる。
【００２２】
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１を参照しながら説明する。本実施形態に係る成膜装置においては、図１に示すセンサ９として、光電変換器を用いている。その他の構成については、本発明の第１の実施形態と同様である。
図１に示すように、ノズル５から基板に向けてエアロゾルを噴射することにより、１次粒子が基板等に衝突して堆積する。その際に、破砕した１次粒子から放出された２次電子により、基板６近傍のキャリアガスが励起されて発光する。そこで、その発光光を検出することにより、１次粒子の量を求めることができ、それに基づいて成膜速度を見積ることが可能である。なお、１次粒子の破砕に伴う放電現象及び発光現象については、上記非特許文献１にも記載されている。光電変換器としては、ＭＯＳ型センサや、ＣＣＤ等の光検出素子を含む装置を用いることができ、本実施形態においては、浜松ホトニクス株式会社製のマルチチャンネル検出器「ＰＭＡ−１１」を用いている（http://www.hpk.co.jp/Jpn/products/SYS/Pma11J.htm、２００３年９月２９日検索）。
【００２３】
次に、本発明の第３の実施形態に係る成膜装置について、図１を参照しながら説明する。本実施形態に係る成膜装置においては、図１に示すセンサ９として、色センサを用いている。その他の構成については、本発明の第１の実施形態と同様である。
ここで、先にも述べたように、成膜の際には、破砕された１次粒子の量に応じて２次電子が発生し、この２次電子によって放電現象が生じる。そのとき、２次電子が多い場合に、ＰＺＴを含む圧電材料等の酸化物系のセラミックスは、放電によって還元され、結晶内に酸素欠損を生じることがある。そのような場合に、成膜中の構造物の表面は黒色を呈する。そこで、形成された構造物の表面色を、色センサを用いて検出し、その検出結果に基づいて成膜に寄与した１次粒子の量を求めることにより、成膜速度を見積ることが可能である。なお、構造物が圧電材料である場合には、酸素欠損は圧電性能を劣化させる要因となるので、そのような状態を避けることが望ましい。そこで、色センサの検出結果に基づいて各部を制御することにより、酸素欠損が少なくなるように成膜速度を調節しても良い。なお、ＡＤ法によって形成された構造物の表面色の変化については、上記非特許文献１にも記載されている。
【００２４】
構造物の表面色を検出するセンサとしては、例えば、レンテック社が開発した色センサ「ＴＥＮ−１６」（http://www.lentek.co.jp/pic/color.htm、２００３年９月２９日検索）に用いられている検出装置を用いることができる。また、本実施形態において用いられたセンサを、本発明の第１又は第２の実施形態に係る成膜装置と組み合わせることにより、成膜速度とストイキオメトリ（化学量論組成）とを両立することも可能になる。
【００２５】
次に、本発明の第４の実施形態に係る成膜装置について説明する。図３は、本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に示すように、この成膜装置は、図１に示す表示部１１の替わりに、制御部１２を有している。その他の構成については、図１に示す成膜装置と同様である。
【００２６】
制御部１２は、演算部１０によって求められた成膜速度等の見積値に基づいて、成膜装置各部の動作を制御する。即ち、制御部１２は、予め設定され、又は、適切な成膜速度が得られるように、圧力調整部１ａを制御することによりキャリアガスの流量を変化させたり、容器駆動部３ａを制御することによりエアロゾル濃度を調節したり、基板ホルダ駆動部７ａを制御することにより基板６に対するノズル５の速度を調節する。このように、成膜速度等の見積量を成膜装置の各部にフィードバックすることにより、形成される構造物の厚さを精密に制御することができる。
【００２７】
また、本実施形態に係る成膜装置の変形例として、図１に示す表示部１１を設けても良い。その場合には、制御部１２による自動制御と、表示部１１の画面を参照することによるユーザ制御との両方を行うことが可能になる。
さらに、本実施形態におけるセンサ９としては、第２の実施形態において説明した光電変換器や、第３の実施形態において説明した色センサや、それらの組み合わせを用いることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、セラミックス等の構造物を形成する際に用いられる成膜装置において利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１〜第３のいずれか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】原料の粉体の消費量と構造物の堆積率との関係を示す図である。
【図３】本発明の第４の実施形態に係る成膜装置の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  ガスボンベ
１ａ  圧力調整部
２ａ、２ｂ  搬送管
３  エアロゾル生成部
３ａ  容器駆動部
４  成膜室
５  ノズル
６  基板
７  基板ホルダ
７ａ  基板ホルダ駆動部
８  排気ポンプ
９  センサ
１０  演算部
１１  表示部
１２  制御部
【図１】
2005154894.tif 000003
【図２】
2005154894.tif 000004
【図３】
2005154894.tif 000005