(57)【要約】【課題】ＡＤ法を用い、厚さが均一な膜を形成するのに適した成膜装置を提供する。【解決手段】原料粉をガスによって分散させることにより、エアロゾルを生成するエアロゾル生成部と、複数の排気ポートが設けられた成膜チャンバと、該成膜チャンバ内に配置され、基板が固定される基板ステージと、成膜チャンバ内に配置され、エアロゾル生成部において生成された原料粉のエアロゾルを基板に向けて噴射するノズルとを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料粉を基板に吹き付けることにより原料粉を基板上に堆積させるエアロゾルデポジション法を用いる成膜装置であって、
原料粉をガスによって分散させることにより、エアロゾルを生成するエアロゾル生成手段と、
複数の排気ポートが設けられた成膜チャンバと、
前記成膜チャンバ内に配置され、基板が固定される基板ステージと、
前記成膜チャンバ内に配置され、前記エアロゾル生成手段によって生成された原料粉のエアロゾルを前記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】
前記複数の排気ポートが、前記ノズルの走査方向及びエアロゾルの噴射方向を含む面について対称となるように配置されている、請求項１記載の成膜装置。
【請求項３】
前記複数の排気ポートが、前記成膜チャンバの対向する２つの壁面に配置されている、請求項２記載の成膜装置。
【請求項４】
前記複数の排気ポートが、前記ノズルの走査方向及びエアロゾルの噴射方向を含む面に直交する１つの壁面に配置されている、請求項２記載の成膜装置。
【請求項５】
原料粉を基板に吹き付けることにより原料粉を基板上に堆積させるエアロゾルデポジション法を用いる成膜装置であって、
原料粉をガスによって分散させることにより、エアロゾルを生成するエアロゾル生成手段と、
１つの排気ポートが設けられた成膜チャンバと、
前記成膜チャンバ内に配置され、基板が固定される基板ステージと、
前記成膜チャンバ内に配置され、前記エアロゾル生成手段によって生成された原料粉のエアロゾルを前記基板に向けて噴射するノズルと、
を具備し、
前記１つの排気ポートが、前記ノズルの走査方向及びエアロゾルの噴射方向を含む面について対称となるように配置されている、成膜装置。
【請求項６】
前記１つの排気ポートが、前記ノズルの走査方向及びエアロゾルの噴射方向を含む面に対して直交する壁面に配置されている、請求項５記載の成膜装置。
【請求項７】
前記１つの排気ポートが、エアロゾルの噴射方向の延長上に配置されている、請求項６記載の成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原料粉を基板に向けて噴射することにより、基板上に原料粉を堆積させるエアロゾルデポジション法を用いた成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＭＥＭＳ（マイクロエレクトロメカニカルシステム）関連の機器の開発に伴い、積層セラミックコンデンサや圧電アクチュエータ等の素子の微細化及び集積化がますます進んでいる。そのため、それらのデバイスの一部として用いられる誘電体や圧電体等のセラミックを、成膜技術を用いて形成することが検討されている。
【０００３】
最近では、そのような成膜技術として、固体粒子の衝突付着現象を利用したエアロゾルデポジション（aerosol deposition：ＡＤ）法が注目されている。ＡＤ法とは、原料の微粒子（原料粉）をガスに分散させたエアロゾルをノズルから基板に向けて噴射して、微粒子を基板や先に形成された膜に衝突させることにより、原料を基板上に堆積させる成膜方法である。このＡＤ法によれば、緻密で強固な膜を基板上に直接描画できるので、素子が高集積されたパターンを形成する際に有利となる可能性がある。
【０００４】
関連する技術として、特許文献１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。
【特許文献１】特開２００１−１８１８５９号公報（第１頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、このようなＡＤ法においては、形成されたセラミック膜の膜厚にムラ（斑）が生じることが問題となっている。膜厚が不均一である場合には、キャパシタンスが不均一となるので、素子を安定して動作させることができなくなってしまうからである。
【０００６】
そのような問題を回避するために、特許文献１には、振動する篩からセラミック超微粒子を落下させて、連続的に安定した濃度のエアロゾルを発生させることにより、基板あるいはノズルを一定速度で移動する操作で、一定の堆積厚みを保持させることが開示されている（第１頁）。
【０００７】
しかしながら、容器の内部において濃度が安定したエアロゾルを発生できたとしても、実際には、ノズルから噴射された後に、エアロゾル濃度に部分的なばらつきが生じてしまう場合がある。例えば、図７に示すように、噴射ノズル１００から噴射されたエアロゾル１０１において原料粉の分布が偏っている場合には、基板１０２上に堆積した膜１０３の厚さが不均一になってしまう。また、通常、噴射ノズル１００は、開口の長辺が基板１０２の移動方向（走査方向）に直交するように設置されるが、開口の長辺方向に原料粉の分布が偏っている場合には、エアロゾルによって基板１０２上を走査しても膜１０３の厚さを平坦化にすることはできない。
【０００８】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、ＡＤ法を用い、厚さが均一な膜を形成するのに適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】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の１つの観点に係る成膜装置は、原料粉を基板に吹き付けることにより原料粉を基板上に堆積させるエアロゾルデポジション法を用いる成膜装置であって、原料粉をガスによって分散させることにより、エアロゾルを生成するエアロゾル生成手段と、複数の排気ポートが設けられた成膜チャンバと、該成膜チャンバ内に配置され、基板が固定される基板ステージと、成膜チャンバ内に配置され、前記エアロゾル生成手段によって生成された原料粉のエアロゾルを前記基板に向けて噴射するノズルとを具備する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、成膜チャンバに複数の排気ポートを設けることにより、成膜チャンバ内に圧力勾配が生じるのを抑制することができるので、ノズルから噴射されたエアロゾルにおける原料粉分布の偏りが抑制される。それにより、厚さが均一な膜を形成することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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の構成を示す模式図である。図１に示すように、この成膜装置は、エアロゾル生成室１、振動台２、巻き上げガスノズル３及び圧力調整ガスノズル４を含むエアロゾル生成部と、エアロゾル搬送管５と、複数の排気ポート７が設けられた成膜チャンバ６と、各排気ポート７に接続された排気管８と、噴射ノズル９と、基板ステージ１０とを含んでいる。複数の排気管８には、１つ又は複数の真空ポンプが接続されている。
【００１２】
エアロゾル生成室１は、原料粉１１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。また、エアロゾル生成室１は、原料粉１１に振動を与えて攪拌することにより効率的にエアロゾルを生成するために、所定の周波数で振動する振動台２の上に設置されている。
巻き上げガスノズル３は、外部のガスボンベから供給されるキャリアガスをエアロゾル生成室１内に導入することにより、サイクロン流を生成する。それにより、エアロゾル生成室１内に配置された原料粉１１が巻き上げられて分散し、エアロゾルが生成される。
【００１３】
圧力調整ガスノズル４は、外部のガスボンベから供給されるキャリアガスをエアロゾル生成室１内に導入することにより、エアロゾル生成室１内のガス圧を調整する。それにより、エアロゾル生成室１内の圧力と成膜チャンバ６内の圧力との差が調整される。
これらの巻き上げガスノズル３及び圧力調整ガスノズル４によって供給されるキャリアガスとしては、ヘリウム（Ｈｅ）、酸素（Ｏ２）、窒素（Ｎ２）、アルゴン（Ａｒ）、又は、これらの混合ガス、或いは、乾燥空気等が用いられる。
【００１４】
なお、本実施形態においては、原料粉をガスによって巻き上げることによってエアロゾルを生成しているが、原料粉を分散させることができれば、それ以外の方法を用いても良い。例えば、気流が形成されている容器内に原料粉を供給するようにしても良い。
エアロゾル搬送管５は、エアロゾル生成室１内において生成されたエアロゾルを、成膜チャンバ６に配置されている噴射ノズル９に供給するための供給経路である。
【００１５】
成膜チャンバ６の内部は、排気管８に接続されている真空ポンプによって排気されており、それによって所定の真空度に保たれている。また、成膜チャンバ６の対向する２つの壁面の向かい合う位置には、２つの排気ポート７がそれぞれ配置されている。
【００１６】
噴射ノズル９は、所定の形状及び大きさ（例えば、長辺が５ｍｍ程度で、短辺が幅０．５ｍｍ程度の長方形）の開口を有しており、エアロゾル生成室１からエアロゾル搬送管５を介して供給された原料粉のエアロゾルを基板１２に向けて噴射する。また、噴射ノズル９は、開口の長辺が図の左右方向を向くように設置されている。
【００１７】
基板１２が固定される基板ステージ１０は、基板１２と噴射ノズル９との相対位置及び相対速度を制御するための３次元的に移動可能なステージである。この相対速度を調節することにより、１往復あたりに形成される膜厚が制御される。さらに、エアロゾルを同一領域に重ねて吹き付けるために設定される基板１２の往復回数に基づいて、トータルの膜厚が得られる。
【００１８】
ここで、本願においては、成膜時に、噴射ノズル９に対して基板ステージ１０を移動させる方向のことを、エアロゾルの走査方向という。本実施形態においては、エアロゾルの走査方向を図１の奥行き方向（即ち、ノズル開口の長辺に直交する方向）としている。なお、本実施形態においては、噴射ノズル９を固定し、基板ステージ１０を移動させることにより両者の相対的な位置関係を変化させているが、反対に、基板ステージ１０の位置を固定して噴射ノズル９側を移動させるようにしても良い。
【００１９】
このような成膜装置において、エアロゾル生成室１に原料粉１１を配置し、基板ステージ１０上に基板１２を配置する。また、排気ポート７に接続されている真空ポンプを駆動することにより、成膜チャンバ６の内部を減圧する。その状態でエアロゾル生成室１にキャリアガスを導入すると、エアロゾル生成室１において生成されたエアロゾルがノズル９に供給され、基板１２に向けて吹き付けられる。なお、エアロゾルの噴射速度は、エアロゾル生成室１と成膜チャンバ６との間の圧力差によって決定される。例えば、エアロゾル生成室１内の圧力が数１０ｋＰａ程度に設定されるのに対して、成膜チャンバ６内の圧力は数１０Ｐａ程度に設定される。
【００２０】
図２の（ａ）は、通常の成膜チャンバ内におけるエアロゾルの様子を比較のために示しており、図２の（ｂ）は、本実施形態に係る成膜装置の成膜チャンバ内におけるエアロゾルの様子を示している。一般に、成膜チャンバ内には、排気ポート付近が最も低圧となるような圧力勾配が生じている。そのため、例えば、１つの排気ポートが噴射ノズル９の左右いずれかの側に設けられている場合には、エアロゾルの周辺にも、排気ポートに近い側（図２の（ａ）においては左側）が低圧で、その反対側が高圧となるような圧力勾配が形成される。その結果、図２の（ａ）に示すように、原料粉が低圧側に吸引される力（矢印で示す）を受けて、エアロゾルの片側の濃度が高くなる。このような原料粉の分布（粒子分布ともいう）の偏りによって、膜厚にムラが生じてしまう。この場合に、エアロゾルを図の奥行き方向に走査したとしても、膜厚を均一にすることはできない。
【００２１】
一方、図１に示すように、複数の排気ポート７を、ノズルの走査方向（図の奥行き方向）及びエアロゾルの噴射方向（図の上方向）を含む面について対称となるように設ける場合には、噴射ノズル９の両側（図２の（ｂ）においては左右側）が低圧となり、噴射ノズル９の周辺においては圧力勾配によって生じる吸引力（矢印で示す）が釣り合った状態となる。そのため、原料粉が特定の方向に力を受けることによって生じる粒子分布の偏りが抑制される。それにより、均一な厚さの膜を形成することが可能となる。
【００２２】
ここで、図１においては、成膜チャンバ１の対向する２つの壁面に排気ポートが１つずつ配置されているが、それらの壁面の各々に複数の排気ポートを配置しても良い。その際には、各壁面に同数又はほぼ同数の排気ポートを、概ね向かい合うように設けることにより、図１の左右方向への排気力を同程度とすることが望ましい。また、図１においては、噴射ノズルの走査方向及びエアロゾルの噴射方向を含む面に平行な壁面に排気ポートを設けているが、それらの壁面に直交する壁面（例えば、図１の手前側及び奥側の壁面、又は、上側及び下側の壁面）に排気ポートを設けても良い。或いは、対向する２組の壁面、又は、全ての壁面に排気ポートを設けることにより、成膜チャンバ６内の圧力勾配を低減するようにしても良い。
【００２３】
次に、本発明の第２の実施形態に係る成膜装置について説明する。
図３に示すように、本実施形態に係る成膜装置は、図１に示す成膜チャンバ６の替わりに、成膜チャンバ２０を有している。その他の構成については、図１に示す成膜装置におけるものと同様である。
【００２４】
成膜チャンバ２０の上側の壁面には、排気管２２を介して真空ポンプに接続されている複数の排気ポート２１が設けられている。これらの排気ポート２１は、噴射ノズル９の走査方向（図の奥行き方向）及びエアロゾルの噴射方向（図の上方向）を含む面について対称となるように配置されている。このように排気ポート２１を配置することにより、成膜チャンバ２０内にはエアロゾルの噴射方向に平行な圧力勾配が生じる。しかしながら、エアロゾルの噴射方向に垂直な面内における圧力勾配は抑制されるので、粒子分布は偏り難くなる。それにより、厚さが均一な膜を形成することが可能となる。
なお、図３においては、成膜チャンバ２０の上側の面に２つの排気ポートを設けているが、エアロゾルの走査方向について対称な配置であれば、３つ以上の排気ポートを設けても良い。
【００２５】
次に、本発明の第３の実施形態に係る成膜装置について説明する。
図４に示すように、本実施形態に係る成膜装置は、図１に示す成膜チャンバ６の替わりに、成膜チャンバ３０を有している。その他の構成については、図１に示す成膜装置におけるものと同様である。
【００２６】
図４の（ａ）は、成膜チャンバ３０の内部を正面から見た様子を示しており、図４の（ｂ）は、成膜チャンバ３０の内部を側方から見た様子を示している。成膜チャンバ３０の後ろ側の壁面には、排気管３２を介して真空ポンプに接続されている複数の排気ポート３１が設けられている。これらの排気ポート３１は、噴射ノズル９の走査方向及びエアロゾルの噴射方向を含む面について対称となるように配置されている。このように排気ポート３１を配置することにより、成膜チャンバ３０内には、図４の（ａ）の手前から奥に向かって低下するような圧力勾配が生じる。そのため、図４の（ａ）に示すように、ノズル開口の長辺方向においてエアロゾルの粒子分布は均一となるが、図４の（ｂ）に示すように、ノズル開口の短辺方向においては、排気ポート３１側のエアロゾル濃度が高くなるような粒子分布の偏りが生じる。しかしながら、ノズル開口の短辺方向はエアロゾルの走査方向に一致しているので、エアロゾルによって成膜領域を走査することにより、部分的に膜厚が不均一となった領域を平坦化することができる。
このように、エアロゾルの噴射方向に垂直な面内において、走査方向を除く方向における圧力勾配を抑制することにより、厚さが均一な膜を形成することが可能となる。
【００２７】
以上説明した本発明の第１〜第３の実施形態においては、１つの成膜装置に対して１つの真空ポンプを設け、複数の排気ポートの全てを１つの真空ポンプに接続するようにしても良い。また、１つの成膜装置に対して複数の真空ポンプを設け、各真空ポンプに排気ポートを１つずつ又は数個ずつ接続するようにしても良い。
【００２８】
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５に示すように、本実施形態に係る成膜装置は、図１に示す成膜チャンバ６の替わりに、成膜チャンバ４０を有している。その他の構成については、図１に示す成膜装置におけるものと同様である。
【００２９】
成膜チャンバ４０の後ろ側の壁面には、排気管を介して真空ポンプに接続されている１つの排気ポート４１が設けられている。この排気ポート４１は、エアロゾルの走査方向の延長線を含む領域に、ノズルの走査方向及びエアロゾルの噴射方向を含む面について対称となるように配置されている。また、排気ポート４１の大きさは、エアロゾルの幅よりも十分大きくすることが望ましい。
【００３０】
このように排気ポート４１を１つだけ配置する場合には、排気ポート４１付近が最も低圧となるような圧力勾配が成膜チャンバ４０内に生じる。しかしながら、排気ポート４１の位置及び大きさを上記のように設定することにより、少なくともエアロゾルの周辺においては、ノズル開口の長辺方向（図の左右方向）における圧力勾配を抑制することができる。それにより、厚さが均一な膜を形成することが可能となる。なお、本実施形態においても、図４の（ｂ）に示すのと同様に、排気ポート４１側のエアロゾル濃度が高くなるような粒子分布の偏りが生じるが、その方向については、エアロゾルを走査することにより膜厚を平坦化することが可能である。
【００３１】
次に、本発明の第５の実施形態に係る成膜装置について説明する。
図６に示すように、本実施形態に係る成膜装置は、図１に示す成膜チャンバ６の替わりに、成膜チャンバ５０を有している。その他の構成については、図１に示す成膜装置におけるものと同様である。
【００３２】
成膜チャンバ５０の上側の壁面には、排気管５２を介して真空ポンプに接続されている１つの排気ポート５１が設けられている。この排気ポート５１は、エアロゾルの噴射方向の延長線を含む領域に、ノズルの走査方向及びエアロゾルの噴射方向を含む面について対称となるように配置されている。
【００３３】
この場合にも、成膜チャンバ５０内には排気ポート５１付近が最も低圧となるような圧力勾配が生じる。しかしながら、排気ポート５１をエアロゾルの噴射方向に配置することにより、エアロゾルの噴射方向に垂直な面内における粒子分布の偏りを抑制できるので、厚さが均一な膜を形成することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、原料粉を基板に向けて噴射することにより、基板上に原料粉を堆積させるエアロゾルデポジション法を用いた成膜装置において利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【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】噴射されたエアロゾルにおける原料粉の分布（粒子分布）を説明するための図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る成膜装置の一部を示す模式図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る成膜装置の一部を示す模式図である。
【図５】本発明の第４の実施形態に係る成膜装置の一部を示す模式図である。
【図６】本発明の第５の実施形態に係る成膜装置の一部を示す模式図である。
【図７】ＡＤ法による従来の成膜装置におけるエアロゾルの様子を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  エアロゾル生成室
２  振動台
３  巻き上げガスノズル
４  圧力調整ガスノズル
５  エアロゾル搬送管
６、２０、３０、４０、５０  成膜チャンバ
７、２１、３１、４１、５１  排気ポート
８、２２、３２、５２  排気管
９、１００  噴射ノズル
１０  基板ステージ
１１  原料粉
１２、１０２  基板
１０１  エアロゾル
１０３  膜
【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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