(57)【要約】      （修正有）【課題】コンパクトで高効率なミストＣＶＤ方法、およびミストＣＶＤ装置を提供する。【解決手段】底面に超音波振動子６が設置されたミスト発生容器内の原料溶液に、底面から斜め上方に超音波振動を与え、液柱７を斜め上方に向かって形成してミスト８を発生させる際に、斜め上方に向かって形成された液柱の頂点付近に衝突部材を設置する。このことにより、超音波振動子の設置間隔を小さくすることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の超音波振動子を備えたミスト発生容器を備えたミストＣＶＤ装置において、
前記超音波振動子を原料溶液の液面に対して斜めに配置し、
発生した液柱を衝突させるための衝突部材を備えたことを特徴とするミストＣＶＤ装置。
【請求項２】
衝突部材が中空の管であって、ミスト発生容器へのキャリアガス供給配管として機能することを特徴とする請求項１に記載のミストＣＶＤ装置。
【請求項３】
衝突部材が中空の管であって、ミスト発生容器からのミスト含有ガス排出配管として機能することを特徴とする請求項１に記載のミストＣＶＤ装置。
【請求項４】
衝突部材が中空の管であって、ミスト発生容器へのキャリアガス供給配管として機能する配管と、ミスト発生容器からのミスト含有ガス排出配管として機能する配管の両方が混在していることを特徴とする請求項１に記載のミストＣＶＤ装置。
【請求項５】
複数の超音波振動子を備えたミスト発生容器に原料溶液を配し、超音波振動子によりミストを発生させるミスト発生方法において、
原料溶液の液面に対して斜め上方に液柱を形成し、液柱を衝突部材に衝突させてミストを発生させるミスト発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波振動により原料溶液を霧化して得られる微小なミストを利用して薄膜を形成するミストＣＶＤ法、およびミストＣＶＤ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示装置、太陽電池などに用いられる金属酸化物薄膜は、一般的に、スパッタリング法や蒸着法、有機金属化合物を用いたＣＶＤ（化学気相成長法）などで作製される。スパッタリング法や蒸着法は、真空プロセスであるため、真空装置が必要である。有機金属化学気相成長法は、真空装置が必要な上、原料である有機金属化合物が爆発性・毒性などを有するため取り扱いが困難で、排ガス処理装置など付随する設備が必要で、成膜システム全体として高度な安全設計が要求される。いずれの要求も低コスト化を妨げる要因として大きな課題となっている。また、最近は基板が大型化しており特に大きな課題となっている。
【０００３】
そのため、ミストＣＶＤ法を、特に金属酸化物薄膜の作製に適用しようとする研究開発が行われ始めている。ここで、ミストＣＶＤ法とは、原料溶液に超音波振動を与えて微小なミストを発生させ、発生したミストをキャリアガスとともに搬送し、ミストを成膜基板表面に接触させて、成膜基板表面に所望の膜を形成するものである。
【０００４】
ミストＣＶＤ法は、大気圧雰囲気で成膜が可能なので、真空容器やポンプ類など真空雰囲気を形成・維持するのに必要な装備が不要である。また、有機金属化合物のような危険な原料を用いることなく成膜が可能である。それゆえ、装置構成が簡便で低コストを実現しうる成膜方法であり、特に、金属酸化物薄膜の成膜方法として期待されている。
【０００５】
従来技術として、特許文献１には、ＳＴＯ（チタン酸ストロンチウム）膜やＩＴＯ（錫ドープ酸化インジウム）膜等の作製にエアゾル法を用いたものが記載されている。また、非特許文献１には、純水に酢酸亜鉛を溶かした溶液を原料溶液として、ミストＣＶＤを用いてガラス基板上にＺｎＯ（酸化亜鉛）膜を形成したものが報告されている。なお、ミストＣＶＤ法に関するものではないが、特許文献２には、原料溶液から目的物質を分離する方法・装置において、原料溶液を超音波で霧化して回収する方法について記載がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−４６１５５（平成１９年２月２２日公開）
【特許文献２】特開２００８−３００２６（平成２０年２月１４日公開）
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ  ２９９  （２００７）  １−１０頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ミストＣＶＤ法を工業的に実用化するには、大型基板に見合う大量処理能力を実現する必要があり、そのためにはミスト発生容器に多数の超音波振動子を設置し、大量のミストを発生させなければならない。特許文献１及び非特許文献１は、一般的なエアゾルあるいはミスト法の製膜方法についての記載はあるもののミストの大量発生についての記載はない。
【０００９】
また、特許文献２に記載の方法は超音波振動子を複数配置することによりミストを大量発生できるようにしている。しかしながら、超音波振動子を液面と水平に配置しているため液柱が垂直にでき、落下した液滴は液柱と衝突して液柱を乱し、ミストの発生を妨げるという問題がある。また、各振動子を障壁により分割し区画室に分けているため、送風機構を各室に設ける必要があるため送風機構の設置が大掛かりとなり、またメンテナンス性が悪いという問題があった。これは、太陽電池のような大型基板に金属酸化膜を製膜するような大掛かりな装置であると特に問題となる。
【００１０】
本発明は、上記課題を解決しコンパクトなミスト発生器を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、複数の超音波振動子を備えたミスト発生容器を備えたミストＣＶＤ装置において、前記超音波振動子を原料溶液の液面に対して斜めに配置し、発生した液柱を衝突させるための衝突部材を備えたことを特徴とする。
【００１２】
衝突部材が中空の管であって、ミスト発生容器へのキャリアガス供給配管として機能してもよい。
【００１３】
衝突部材が中空の管であって、ミスト発生容器からのミスト含有ガス排出配管として機能してもよい。
【００１４】
衝突部材が中空の管であって、ミスト発生容器へのキャリアガス供給配管として機能する配管と、ミスト発生容器からのミスト含有ガス排出配管として機能する配管の両方が混在していることを特徴としてもよい。
【００１５】
また、複数の超音波振動子を備えたミスト発生容器に原料溶液を配し、超音波振動子によりミストを発生させるミスト発生方法において、原料溶液の液面に対して斜め上方に液柱を形成し、液柱を衝突部材に衝突させてミストを発生させる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のミストＣＶＤ法、およびミストＣＶＤ装置は、原料溶液から斜め上方に形成された液柱の頂点付近に、液柱を衝突させる衝突部材を設置する。ある超音波振動子によって形成された液柱が衝突部材に衝突し、液滴が衝突部材の下方に落下するため、他の超音波振動子による液柱の形成を阻害しない。また、ミストは液柱から発生するが、液柱の根元から頂点に至るまでの領域で発生しており、頂点付近で液柱を衝突部材に衝突させても、ミスト発生量に変化はない。このことにより、超音波振動子の設置間隔を従来よりも小さくすることができる。それゆえ、ミスト発生容器のコンパクト化という効果が得られる。
【００１７】
また、本発明のミストＣＶＤ法、およびミストＣＶＤ装置は、液柱を衝突させる衝突部材を中空の管とし、ミスト発生容器へのキャリアガスの供給配管として使用したり、ミスト発生容器からのミスト含有ガスの排出配管として使用したり、あるいは、その両方として使用する。このことにより、ミスト発生容器内に多数のキャリアガス供給部およびミスト含有ガス排出部を配置でき、発生したミストを素早く排出配管から排出して成膜基板へ搬送することができる。それゆえ、ミスト発生容器のコンパクト化という効果に加えて、発生したミストを効率的に排出・搬送するという効果も併せ持つ。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明におけるミストＣＶＤ装置の実施の一形態を示す構成図である。
【図２】本発明におけるミストＣＶＤ装置の実施の一形態において、ミスト発生容器を上から見たときの、超音波振動子と衝突部材の位置関係を示す模式図である。
【図３】本発明におけるミストＣＶＤ装置の実施の一形態において、衝突部材の固定方式の例を示す構成図である。
【図４】本発明におけるミストＣＶＤ装置の他の実施の形態を示す構成図である。
【図５】本発明における実施例において、効果確認実験に用いたミスト発生容器の形態を示す構成図である。
【図６】本発明における実施例において、効果確認実験に用いたミスト発生容器の形態を示す構成図である。
【図７】本発明における実施例において、ミスト発生容器に設置する超音波振動子の配置を示す構成図である。
【図８】本発明における実施例において、ミスト発生容器に設置する超音波振動子の配置を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を説明するが、本発明は実施の形態に限定されるものではない。
【００２０】
〔実施形態１〕
本発明の一実施形態について説明する。図１は、ミストＣＶＤ装置の概略図である。ミストＣＶＤ装置は、ミストを発生させるミスト容器３と、ミスト容器３内で発生したミストを搬送するためのキャリアガスを供給するボンベ１があり、成膜ノズル１２を備え、基板１３にミストを吹き付けて成膜を行う。ミストＣＶＤ装置は常圧で成膜を行うことができるため装置構造が比較的簡易で安価に提供できる。
【００２１】
詳細に説明すると、ミストを搬送するためのキャリアガスのボンベ１があり、キャリアガス供給配管２がキャリアガスボンベ１からミスト発生容器３に連結されている。キャリアガスの流量はキャリアガス供給配管２の途中に設置した流量計４で制御する。ミスト発生容器３には原料溶液５が蓄えられ、底面には超音波振動子６が複数設置されている。超音波振動子６を作動させると、超音波が原料溶液５の中を斜め上方に発生し、原料溶液５から斜め上方に液柱７が形成される。形成された液柱７からミスト８が発生する。液柱７は普通に発生されると、斜め上方に発生した後、斜め下方に下がり弓状になる。このように斜めに液柱７を発生させると、落下してくる液滴１０により液柱７が乱れることによりミスト８の発生を妨げることがない。
【００２２】
ここで、本発明の実施の形態では、液柱７の弓状の頂点付近に衝突部材９ａを設けた。ミスト８は、液柱７から発生するが弓状の液柱７から均等に発生するのではなく、斜め上方の部分まででその大半が発生することが、本発明者らの実験で判明した。そのため、頂点付近に衝突部材９ａを設け、液柱７が他の超音波振動子６により発生した液柱７と衝突することによりミストの発生を妨げないようにした。このようにすれば、一つの超音波振動子から発生するミスト８の量をほぼ減少させることなく、超音波振動子６同士を近付けて配置することができるため装置のフットスペースを小さくすることができる。
【００２３】
液柱７はその頂点付近で衝突部材９ａに衝突し、衝突部材９ａの下方に液滴１０となって落下する。そのため、衝突部材９ａを垂直ではなく傾斜させて緩やかな速度で原料溶液５が落下するようにすることが望ましい。また、衝突部材９ａの表面を原料溶液５の濡れ性がよい材質にすることが望ましい。このようにすれば、衝突部材９ａに衝突した液柱７から落下した原料溶液５が再び原料溶液５の水面に戻るときに波面ができることによるミスト８の発生を妨げることを避けることができる。
【００２４】
ミスト発生容器３内で発生したミスト８は、キャリアガスとともにミスト含有ガス排出配管１１に排出され、成膜ノズル１２に搬送される。そして成膜ノズル１２から成膜基板１３に向けて、ミスト含有ガスが吹き付けられる。成膜基板１３は基板加熱ステージ１４上に設置され、成膜基板１３を適切な温度に加熱維持する。吹き付けられたミストは、成膜基板１３表面で反応を起こし、成膜基板１３表面に膜１５が形成される。基板加熱ステージ１４は走査機構を有し、基板加熱ステージ１４を走査することで大型基板の成膜に対応することができる。
【００２５】
図１におけるミスト発生容器３を上から見たときの、超音波振動子６と衝突部材９ａの位置関係の模式図を図２に示す。衝突部材９ａは、液柱７を遮るだけの幅があればよい。そして、衝突部材の固定方式について、図３に例を示す。例えば、衝突部材９ａのようにミスト発生容器３の底面に衝突部材を固定してもよいし、また、ミスト発生容器３の天井に衝突部材を固定する場合は、衝突部材９ｂのように、衝突部材の下端が原料溶液５の中に入っている場合も考えられるし、衝突部材９ｃのように、衝突部材の下端が原料溶液５よりも上に位置する場合も考えられる。
【００２６】
キャリアガスは、ガスボンベ１よりキャリアガス供給配管２を通じてミスト発生容器内に送風される。本実施形態では、キャリアガスの送風方向を液柱７の発生方向と同一にした。このようにすれば、ミスト８の発生方向と送風方向を揃えることができ効率的にミストを取り出すことができる。ミスト８の粒子の大きさは均一でなく、少し粒子の大きなものも発生する。このような大きな粒子が送風されると周囲のミストも吸収してミスト８の粒子が互いにくっつくことにより、発生したミスト８が再び溶液５に戻り、ミスト８の回収効率が悪くなる。また、大きな粒子があると成膜する際に均一性な膜が形成できなくなる。そのため、このような大きな粒子のミスト８が送風されないようにするため、本発明では衝突部材９ａを設けた。大きな粒子のミスト８は重さがあるため衝突部材９ａに衝突する。粒子の小さなミスト８は風に乗り送風されることになる。このようにすれば大きな粒子のミスト８が送風されることを防止することができる。
【００２７】
〔実施形態２〕
本発明の他の実施の形態について図４に基づいて説明する。なお、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態１と同じである。また、説明の便宜上、前記の実施の形態１の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の番号を付し、その説明を省略する。
【００２８】
実施の形態１との相違点は、液柱の衝突部材として送風やミスト回収用の中空の管を用いることである。送風系の配管を兼ねる衝突部材９ｐは、ミスト発生容器３の天井に設置され、キャリアガス供給配管２に連結されている。ミスト回収用の配管を兼ねる衝突部材９ｑは、ミスト発生容器３の底面に設置され、ミスト含有ガス排出配管１１に連結されている。つまり、キャリアガスは、中空の衝突部材９ｐの中を通過してミスト発生容器３内に供給され、ミスト発生容器３内で発生したミストは、キャリアガスとともに中空の衝突部材９ｑの中を通過して、ミスト含有ガス排出配管１１に排出される。排出されたミスト含有ガスは、実施の形態１と同じく、成膜ノズル１２に搬送されて成膜基板１３上に膜１５が形成される。
【実施例】
【００２９】
上記の実施の形態での効果を確認するための検討を行ったので、以下に説明する。
【００３０】
最初に、原料溶液の液柱を衝突部材に衝突させて、ミスト発生量が減少しないかどうかを確認することを目的に、図５および図６に示すミスト発生容器を用いて検討を行った。図５と図６とは、配置する超音波振動子３２の数は同じであるが、図５は発生する液柱同士が衝突しないような距離で配置し、図６は衝突部材３５を有する。図６の衝突部材３５は原料溶液３４の液柱３６の頂点付近に配置した。これらから発生するミスト量が同じであるか比較する。同じであれば、ミスト３３の発生量を維持したまま超音波振動子３２の配置距離を短くすることができる。そのため、装置のフットスペースを小さくすることができることになる。
【００３１】
ミスト発生容器３１の底面に超音波振動子３２を設置し、ミスト発生容器３１は天井を密閉せずに全面開放状態とし、発生したミスト３３は自由拡散させた。超音波振動子３２は本多電子製の超音波振動子を設置した。発振周波数は２．４ＭＨｚである。原料溶液３４として純水を使用した。ミスト発生量は、超音波発振開始前のミスト発生容器３１内の純水量から、超音波発振終了後のミスト発生容器３１内の純水量を差し引いて純水の減少量で評価した。超音波発振時間は３０分とした。
【００３２】
まず、図５に示すように、衝突部材が無い場合、３０分間のミスト発生で減少した純水量は、振動子１個あたり２４ｍＬであった。次に、図６に示すように、衝突部材３５を設置し、新たな純水と入れ替えて、超音波発振開始時の純水の液面高さ、液温が上記と同じであることを確認した後、上記と同様に３０分間、ミストを発生させた。そのとき、減少した純水量は振動子１個あたり２６ｍＬであった。この差は測定誤差の範囲内である。ミスト３３は液柱３６の根元から頂点に至るまでの領域３７から発生しているため、衝突部材３５の設置によってミスト発生量は変化しないことが確認できた。これにより、装置のフットスペースを小さくすることができる。
【００３３】
超音波振動子の配置について具体的に検討を行った。多数の超音波振動子を格子状に設置することを想定して、図７および図８を用いて説明する。図７に示すように、衝突部材を設置しない従来の設置方法の場合、超音波振動子５１によって、液柱が紙面右方向に形成されるとして、液柱の液滴が落下する領域を点線５２で示した。隣接する超音波振動子５３は、超音波振動５１によって形成される液柱からの液滴落下によって液面および液柱が乱されないよう、液滴落下領域５２を回避して設置する必要があるため、超音波振動子を設置する間隔５４として１０ｃｍ程度が必要である。図８のように、衝突部材５５を設けた場合、液柱の頂点の位置は超音波振動子５６の中心から約３ｃｍ程度なので、その位置に衝突部材５５を設ければ、超音波振動子の設置間隔５７を５〜６ｃｍ程度まで小さくすることが可能である。つまり、衝突部材５５の設置により、ミスト発生容器の底面面積を従来設計の約５０〜６０％にすることができる。このようにして設計されたミスト発生容器は、従来設計よりもコンパクトでありながら、先の実験結果からも明らかなように、ミスト発生能力は従来設計のミスト発生容器と同等である。
【００３４】
上記のような設計思想に基づき、加えて、実施の形態２で説明したような構成でミスト発生容器を構成すれば、キャリアガスの供給箇所を多数設けることができ、また、ミスト含有ガスの排出箇所をミスト発生の近くに多数配置できるので、ミスト発生容器からミストを素早く排出でき、ミストを無駄にすることがない。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、原料溶液を超音波振動で霧化して発生したミストを利用して膜を形成するミストＣＶＤ法において、ミスト発生容器に多数の超音波振動子を設置する場合に、超音波振動子の設置間隔を小さくすることができ、ミスト発生容器をコンパクト化すると同時に、発生したミストを効率的に回収することを可能とする。このため、ミストＣＶＤ法、およびミストＣＶＤ装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００３６】
１  キャリアガスボンベ
２  キャリアガス供給配管
３  ミスト発生容器
４  ガス流量計
５  原料溶液
６  超音波振動子
７  液柱
８  ミスト
９ａ  衝突部材
９ｂ  衝突部材
９ｃ  衝突部材
９ｐ  中空の衝突部材
９ｑ  中空の衝突部材
１０  落下液滴
１１  ミスト含有ガス排出配管
１２  成膜ノズル
１３  成膜基板
１４  基板加熱ステージ
１５  膜
３１  ミスト発生容器
３２  超音波振動子
３３  ミスト
３４  原料溶液
３５  衝突部材
３６  液柱
３７  ミスト発生領域
５１  超音波振動子
５２  液滴落下領域
５３  超音波振動子
５４  注音波振動子設置間隔
５５  衝突部材
５６  超音波振動子
５７  超音波振動子設置間隔
【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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