JP2004113931A - Film-forming apparatus and film-forming method - Google Patents
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Abstract
Description
【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】
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(非特許文献1参照)。エアロゾルデポジション法とは、原料の粉体からエアロゾルを生成し、そのエアロゾルを基板に噴射し、その際の衝突エネルギーにより粉体を堆積させて膜を形成する方法である。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】
図11の(a)は、エアロゾルデポジション法を用いた成膜装置に含まれるエアロゾル生成部を示す模式図である。このエアロゾル生成部には、エアロゾルの生成が行われるエアロゾル生成容器101と、蓋102と、エアロゾル生成容器内にキャリアガスを導入するキャリアガス導入部103と、生成されたエアロゾルを、成膜が行われるチャンバに送るためのエアロゾル導出部104とが含まれている。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106が用いられる。このような粉体106をエアロゾル生成容器101に配置し、粉体中に埋没させたキャリアガス導入部103から、例えば、窒素(N2)等のキャリアガスを噴出させると、原料の粉体が噴き上げられ、キャリアガス中に浮遊する。このエアロゾルをエアロゾル導出部104から吸引し、ノズル等を用いて基板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、基板に衝突して堆積する。
【0004】
図11の(a)に示すように、エアロゾルデポジション法による一般的な成膜装置においては、エアロゾル生成部に振動台が設けられている。振動台は、例えば、振幅0.1mm、周波数50Hz程度の微小な振動をエアロゾル生成容器に与える。この微小振動により、エアロゾル生成容器101内の粉体に、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103のガス噴出口付近に次々と粉体が供給される。
【0005】
ところで、図11の(a)に示すように、エアロゾルの生成を開始した直後には、キャリアガスを噴出することによって多くの粉体が噴き上げられるので、エアロゾルの濃度が高くなる。しかしながら、これらの粉体(1次粒子)106は、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。これらの凝集粒子の内、ミクロンオーダー以上の巨大な凝集粒子107は、質量が大きいので重力の影響を受け、図11の(b)に示すように、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106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106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、経時的に成膜速度が低下するという問題が生じている。
【0006】
【非特許文献1】
明渡 純、「次世代の機械設計を探る第3回、超微粒子の衝突付着現象を利用した高速セラミックス・コーティング」、機械設計、日刊工業新聞社、第45巻第6号(2001年5月号)、p.92−96
【0007】
【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よる成膜方法及び装置において、エアロゾルを生成する際に形成されてしまうミクロン〜ミリオーダーの凝集粒子が容器の一部に留まるのを防ぎ、安定的にエアロゾルを生成することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、本発明の第1の観点に係る成膜装置は、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、該エアロゾル生成容器において、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、エアロゾル生成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、エアロゾル生成容器に微小な振動を与える振動手段と、エアロゾル生成容器が所定の運動を行うように、エアロゾル生成容器を駆動する駆動手段とを具備する。
【0009】
また、本発明の第2の観点に係る成膜装置は、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、該エアロゾル生成容器において、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、エアロゾル生成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、エアロゾル生成容器に微小な振動を与える振動手段と、エアロゾル生成容器において、原料の粉体を撹拌する撹拌子と、撹拌子を駆動する駆動手段とを具備する。
【0010】
本発明の第1の観点に係る成膜方法は、原料の粉体が配置された容器に微小振動を与えつつ、該容器が所定の運動を行うように駆動しながら、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ステップと、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ステップとを具備する。
【0011】
また、本発明の第2の観点に係る成膜方法は、原料の粉体が配置された容器に微小振動を与えつつ、原料の粉体を撹拌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ステップと、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ステップとを具備する。
【0012】
本発明によれば、エアロゾルの生成が行われる容器に、微小な振動と共に所定の運動とを与えるので、凝集粒子が容器の一部に留まることなくなり、安定的にエアロゾルを生成することができる。
【0013】
【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、エアロゾル生成部10と、成膜チャンバ20と、エアロゾル生成補助部30とを有している。
【0014】
エアロゾル生成部10は、成膜材料である原料の微小な粉体1を用いてエアロゾルを生成する。エアロゾル生成部10は、エアロゾル生成容器11と、蓋12とを含んでおり、蓋12には、キャリアガス導入部13と、エアロゾル導出部14と、圧力調整ノズル15とが設けられている。
エアロゾル生成容器11は、原料の粉体1を配置する容器であり、この内部でエアロゾルの生成が行われる。
蓋12は、キャリアガス導入部13及びエアロゾル導出部14を固定するためのフランジ、ポート、継手等を有している。これらのフランジ、ポート、継手等は、蓋12と一体化して形成されていても良い。
【0015】
キャリアガス導入部13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11の内部に導入する。キャリアガス導入部13は、例えば、1本のチューブをエアロゾル生成容器11の外側及び内側に渡して蓋12に固定するか、或いは、2本のチューブを蓋12の部分で接続することによって作製される。キャリアガス導入部13の材料としては、少なくとも、エアロゾル生成容器11の外側部分には、テフロン(登録商標)等の所定の弾性を有する材料が用いられる。この外側部分において、キャリアガス導入部13は、エアロゾル生成容器11の運動を妨げないように、十分な長さを有している。また、エアロゾル生成容器11の内側部分においては、テフロン(登録商標)の他、金属等の材料を用いても良い。なお、キャリアガスとしては、乾燥空気、窒素ガス、アルゴンガス、酸素ガス、ヘリウムガス等が用いられる。
【0016】
キャリアガス導入部13の形状としては、様々なものが考えられる。例えば、図1に示すように、キャリアガス導入部13の噴出口付近を円周に沿うように湾曲させ、キャリアガスを接線方向に噴出させるようにしても良い。また、単に直線形状にして、エアロゾル生成容器11の底面に向けてキャリアガスを噴出させるようにしても良い。或いは、キャリアガス導入部13の噴出口付近を「く」の字のように曲げ、エアロゾル生成容器11の底部からキャリアガスを噴き上げるようにしても良い。
【0017】
キャリアガス導入部13の配置については、原料の粉体1が効率良く噴き上げられるように考慮することが必要である。例えば、キャリアガス導入部13の噴出口がエアロゾル生成容器11の底部から離れた位置に来るように配置し、原料の粉体1の上からキャリアガスを噴き付けるようにしても良い。或いは、キャリアガス導入部13の噴出口が原料の粉体1に埋没するように、エアロゾル生成容器11の低い位置に配置し、原料の粉体1の中からキャリアガスを噴き上げるようにしても良い。後者の場合には、前者に比較して効率良くエアロゾルが生成されるので、より望ましい。即ち、噴出口が粉体に埋没している状態でキャリアガスを噴出すると、同じ流量のガスを噴出しても、エアロゾルの濃度を高くすることができるからである。また、一定のガス流量に対して、ほぼ一定量の粉体が噴き上げられるので、エアロゾルの濃度をほぼ一定に保つことができ、成膜時に生じるムラを低減することができるからである。
【0018】
エアロゾル導出部14は、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。また、圧力調整ノズル15は、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。これらのエアロゾル導出部14及び圧力調整ノズル15は、キャリアガス導入部13と同様に、少なくとも蓋12の外側においてはテフロン(登録商標)等の弾性を有する材料によって形成されており、エアロゾル生成容器11の運動を妨げないように、十分な長さを有している。なお、エアロゾル導出部14及び圧力調整ノズル15は、蓋12の内側においては、金属等の材料によって形成されても良い。
【0019】
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。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14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を成膜チャンバ20内に導入する。ノズル23は、エアロゾル導入部22を介して導入されたエアロゾルを基板2に吹き付けることにより、原料の粉体1を基板2上に堆積させる。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。
【0020】
エアロゾル生成補助部30は、エアロゾル生成容器11の内部に配置されている原料の粉体1を撹拌するために、エアロゾル生成容器11を含むエアロゾル生成部10に微小な振動及び所定の運動を与える。ここで、微小な振動とは、小さい振幅(例えば、振幅0.1mm程度)で与えられる高周波(例えば、50Hz)の振動であり、原料の粉体に運動エネルギーを与えてキャリアガス中に浮き上がり易くすると共に、キャリアガス導入部13のガス噴出口付近に次々と粉体を供給するために与えられる。また、所定の運動とは、上記の微小な振動に比較して大きな振幅(例えば、振幅2〜3cm)で与えられる低周波(例えば、3Hz)の運動であり、具体的には、振り子運動、並行移動、自転や公転を含む回転運動等が挙げられる。
【0021】
ここで、通常のエアロゾルデポジション法を用いた成膜装置において、最初に容器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、数μm〜数mmの巨大な凝集粒子を形成してしまう。このよう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導入部13の噴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ず、エアロゾルの濃度が低下して成膜速度が落ちてしまう。そのため、本実施形態においては、エアロゾル生成部10に、比較的ゆっくりとした大きな運動を与えることにより、凝集粒子が1箇所に留まらないようにしている。
【0022】
エアロゾル生成補助部30は、押さえリング31と、2本の支持柱32と、支持台33と、駆動部34と、振動部35とを含んでいる。
押さえリング31は、エアロゾル生成容器11を外側から押さえ、駆動部34によって与えられる運動をエアロゾル生成容器11に伝える。
【0023】
図2の(a)に示すように、押さえリング31は、エアロゾル生成容器11を外側から押さえるリング部分31aと、リング部分31aの側面の対向する2箇所に形成されているリング支え31bとを含んでいる。図1に示すように、2本の支持柱32は、支持台33の上面に、対向するように固定されている。図2の(b)又は(c)に示すように、支持柱32の上部には、通孔32a又は溝32bが形成されている。図2の(a)に示す押さえリング31のリング支え31bを、通孔32aに通すか、或いは、溝32bに渡し、リング支え31bの一方に、脱落防止用のナット31cを固定する。これにより、押さえリング31が、可動な状態で支持柱32に支持される。また、他方のリング支え31bは、駆動部34(図1参照)に接続される。
【0024】
駆動部34は、一方の支持柱32に固定されている。駆動部34は、押さえリング31のリング支え31bを所定の周期(例えば、3Hz)で所定の角度αだけ回転させることにより、エアロゾル生成部10に振り子運動させる。この際に、駆動部34は、リング支え31bを±α度回転させても良いし、1方向にのみα度回転させ、反対方向への回転については自然に戻る力を利用しても良い。
【0025】
支持台33は、振動部35に接続されている。振動部35は、所定の周波数(例えば、50Hz)で振動する振動子を含んでおり、振動部35それ自体が振動することにより、支持台33及び押さえリング31を介して、エアロゾル生成部10を振動させる。
【0026】
図3に示すように、エアロゾル生成補助部30をこのような構成にすることにより、エアロゾル生成部10は微小に振動しながら振り子運動を行う。本願においては、このようにして微小振動以外にエアロゾル生成部10に与えられる振り子運動やその他の運動のことを、補助運動という。なお、キャリアガス導入部13、エアロゾル導出部14、圧力調整ノズル15は、弾性を有する材料によって形成されていると共に、十分な長さを有しているので、エアロゾル生成補助部30による補助運動を妨げることはなく、補助運動によってキャリアガスの供給やエアロゾルの導出等に影響を与えることもない。
【0027】
次に、図1及び図4を参照しながら、本実施形態に係る成膜方法について説明する。本実施形態に係る成膜方法においては、金属、合金、セラミック等の様々な材料を用いて膜を形成することができるが、ここでは、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛:Pb(lead) zirconate titanate)膜を形成するものとして説明を行う。
【0028】
まず、ステップS1において、成膜装置に原料及び基板をセットする。即ち、PZTの粉体1をエアロゾル生成容器11に配置する。膜形成に用いられる粉体の粒子径は、サブミクロンのオーダーであることが望ましく、本実施形態においては、平均粒子径0.3μmの粉体を用いている。また、膜を形成する基板2を、成膜チャンバ20内の可動ステージ24にセットする。本実施形態においては、ガラス基板を用いている。次に、ステップS2において、成膜チャンバ20の内部を排気する。
【0029】
ステップS3において、駆動部34及び振動部35を駆動する。これにより、エアロゾル生成部10は、微小に振動しながら補助運動を行う。
ステップS4において、キャリアガス導入部13からエアロゾル生成容器11にキャリアガスを導入する。本実施形態においては、キャリアガスとして窒素ガス(N2)を用いる。これにより、キャリアガス導入部13の噴出口から接線方向にキャリアガスが噴出し、エアロゾル生成容器11の内部に渦巻き状の気流が発生して原料の粉体1を巻き上げる。このようにしてエアロゾルが生成される。
【0030】
ステップS5において、生成されたエアロゾルを成膜チャンバに導入し、ノズル23から基板2に向けて噴射する。これにより、エアロゾルに含まれるPZTの粉体が基板、又は、既に基板に堆積されたPZT膜に衝突し、破砕されて堆積する。この際に、可動ステージ24の移動方向及び移動速度を制御することにより、基板2の所望の領域に所望の厚さの膜を形成することができる。
【0031】
図5は、本実施形態に係る成膜方法を用いて成膜を行った実験結果であり、成膜時間と膜厚との関係を示す図である。直線(1)は、本実施形態に係る成膜方法を用いて成膜を行った場合、即ち、補助運動を与えて成膜を行った場合を示しており、曲線(2)は、比較のために、補助運動を与えないで成膜を行った場合を示している。どちらの場合にも、エアロゾル生成部10に、振幅0.1mm、周波数50Hzの振動を与えており、さらに、直線(1)の場合には、補助運動として、周波数3Hz、振幅2〜3cmの往復運動を与えている。
【0032】
曲線(2)より明らかなように、補助運動を与えない場合には、時間の経過と共に、成膜速度(=膜厚/成膜時間)が遅くなっている。これは、ミクロン〜ミリオーダーの巨大な凝集粒子の位置を移動させないので、キャリアガス噴出口付近に凝集粒子が留まってしまい、サブミクロンの粒子を噴き上げることができなかったからである。これに対して、曲線(1)に示すように、補助運動を与えた場合には、時間が経過しても成膜速度はかわらず、ほぼ一定になっている。これは、補助運動によりキャリアガス噴出口付近から巨大な凝集粒子が除かれ、サブミクロンの粒子を安定して供給することができたからである。
【0033】
このように、本実施形態によれば、時間が経過しても成膜速度を落とすことなく、効率良く成膜を行うことができる。
なお、本実施形態においては、最初から駆動部34を駆動させたが、最初の内は振動部35によってエアロゾル生成部10に振動のみを与え、凝集粒子が増加してきたら駆動部34を駆動させて補助運動を与えるようにしても良い。
【0034】
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6を参照しながら説明する。本実施形態に係る成膜装置は、補助運動として振り子運動を与えるものであり、図1に示す駆動部34の替わりに、駆動部40を有している。その他の構成については、図1に示す成膜装置と同様である。
【0035】
駆動部40は、エアロゾル生成容器11の裏側に配置されたコイル41と、支持台33に配置された磁石42とを含んでいる。コイル41に電流を流すことにより、コイル41は電磁石として働く。このため、コイル41に所定の向きに電流を流すと、コイル41と磁石42とが反発し、図6の(a)に示すようにエアロゾル生成部10が振れる。この時に、電流を切断すると、コイル41と磁石42の間の斥力がなくなり、エアロゾル生成部10は、通常の振り子運動を行う。さらに、コイル41が磁石42の真上を通過した直後に、再び、先と同じ向きにコイル41に電流を流す。すると、再び、コイル41と磁石42との間の斥力により、図6の(b)に示すようにエアロゾル生成部10が振れる。このように、コイル41に流れる電流のスイッチや、電流の向きを制御することにより、エアロゾル生成部10に振り子運動させることができる。
【0036】
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7を参照しながら説明する。本実施形態に係る成膜装置は、補助運動としてエアロゾル生成部に公転運動させるものである。
図7に示すように、本実施形態に係る成膜装置は、エアロゾル生成補助部50を有している。エアロゾル生成補助部50は、押さえリング51と、2本の支持柱52と、支持台53と、駆動部54とを含んでいる。その他の構成については、本発明の第1の実施形態に係る成膜装置と同様である。
【0037】
本実施形態において、押さえリング51は、2本の支持柱52に所定の角度で固定されている。これらの2本の支持柱52は、支持台53の一方の面に固定されている。駆動部54は、支持台53を微小に振動させながら、支持台53を円周上の経路に沿って駆動することにより、公転運動をさせる。この際に、駆動部54は、支持台53を一方向のみに回転させても良く、所定の角度ごとに回転方向を変更しても良い。
【0038】
エアロゾル生成補助部50をこのように構成をすることにより、図7の(a)〜(d)に示すように、エアロゾル生成部10は、微小に振動しながら公転運動を行う。本実施形態においては、押さえリングを支持台に固定することにより、エアロゾル生成部10の傾きが水平面に対して一定に保たれるので、キャリアガス噴出口を容器底部の中で最も低い位置に保っておくことができる。これにより、キャリアガス噴出口が常に原料の粉体に埋没している状態になり、粉体を効率良く噴き上げることが可能になる。
なお、駆動部54によって支持台53を駆動する経路を変更することにより、支持台53及びエアロゾル生成部10に、1方向又は複数方向への往復運動や、その他、様々な経路に沿った運動をさせることも可能である。
【0039】
次に、本発明の第4の実施形態に係る成膜装置について、図8を参照しながら説明する。本実施形態に係る成膜装置は、補助運動としてエアロゾル生成部に回転運動させるものである。
図8に示すように、本実施形態に係る成膜装置は、エアロゾル生成補助部60を有している。エアロゾル生成補助部60は、押さえリング61と、2本の支持柱62と、回転台63と、駆動部64と、振動部65とを含んでいる。その他の構成については、本発明の第1の実施形態に係る成膜装置と同様である。
【0040】
本実施形態において、押さえリング61は、回転台63の一方の面に固定された2本の支持柱62に、所定の角度で固定されている。また、回転台63には、振動部65が設けられている。振動部65は、それ自体が微小に振動することにより、回転台63を介してエアロゾル生成部10を振動させる。さらに、駆動部64は、回転台63を回転させる。
【0041】
ここで、図1に示すように、エアロゾル生成部10の蓋12には、キャリアガス導入部13やエアロゾル導出部14が接続されているので、エアロゾル生成部10を回転させると配管が問題になる。そこで、本実施形態においては、回転台63の回転の向きを所定の周期で変更することにより、回転台63及びエアロゾル生成部10が最大180度までしか回転しないようにする。
【0042】
エアロゾル生成補助部60をこのように構成することにより、図8の(a)〜(d)に示すように、エアロゾル生成部10は、振動しながら、回転台63の中央を軸として回転する。本実施形態においても、押さえリングを支持台に固定することにより、エアロゾル生成部10の傾きが水平面に対して常に一定に保たれるので、キャリアガス噴出口を容器底部の中でも最も低い位置に保っておくことができる。これにより、キャリアガス噴出口が常に原料の微粒子に埋没している状態になり、原料の微粒子を効率良く噴き上げることが可能になる。
【0043】
次に、本発明の第5の実施形態について、図9を参照しながら説明する。
本実施形態に係る成膜装置は、補助運動としてエアロゾル生成部に自転運動させるものである。
図9の(a)に示すように、本実施形態に係る成膜装置は、エアロゾル生成容器71と、蓋73と、支持リング76と、2本の支持柱77と、回転台78と、駆動部79とを有している。その他、成膜チャンバ等の構成については、本発明の第1の実施形態に係る成膜装置と同様である。
【0044】
エアロゾル生成容器71には、回転用溝72が設けられている。また、図9の(b)に示すように、蓋73は、中央部分73aと、その周囲の枠部分73bとを含んでおり、両者は相対的に回転可能な構造になっている。中央部分73aには、キャリアガス導入部74、エアロゾル導出部75、及び、圧力調整ノズル76が設けられている。また、枠部分73bは、原料の粉体が配置された後に、エアロゾル生成容器71に固定される。蓋73をこのような構造にすることにより、キャリアガス導入部74、エアロゾル導出部75、及び、圧力調整ノズル76の向きを変えずに、エアロゾル生成容器71を回転させることができる。
【0045】
支持リング76は、2本の支持柱77に対して所定の角度になるように固定されている。また、エアロゾル生成容器71は、その支持リング76に、回転可能な状態で支えられている。さらに、回転台78の上面には、エアロゾル生成容器71の底部に設けられている回転用溝72と噛み合うように、回転用溝78aが形成されている。回転台78は、駆動部79に接続されており、駆動部79に駆動されて回転運動を行う。
【0046】
図9の(a)に示すように、回転台78を回転させることにより、エアロゾル生成容器71は、回転台78の回転の向きとは反対向きに回転する。この際に、先に説明したように、エアロゾル生成容器71が回転しても、キャリアガス導入部74、エアロゾル導出部75、及び、圧力調整ノズル76を含む中央部分73aは最初の向きのまま保たれるようにする。これにより、中央部分73aに設けられているキャリアガス導入部74等に配管のねじれ等を起こすことなく、エアロゾル生成容器71を回転させることができる。また、エアロゾル生成容器71の内部においては、エアロゾル生成容器71とキャリアガス導入部74との相対位置が変化するので、エアロゾル生成容器71を回転させても、キャリアガス導入部74の噴出口を容器底部の中で最も低い位置に保ち、原料の粉体に埋没させておくことができる。
【0047】
なお、本実施形態においては、振動部が備えられていないが、エアロゾル生成容器71に設けられた回転用溝72や回転台78に設けられた回転用溝78aの数や形状を調節することにより、エアロゾル生成容器71に、微小な振動を与えることができる。
【0048】
次に、本発明の第6の実施形態について、図10を参照しながら説明する。本実施形態においては、エアロゾル生成部10に補助運動を与える替わりに、容器に配置されている原料を直接撹拌する。
図10の(a)に示すように、この成膜装置は、撹拌子81と、駆動部82と、振動部83とを有している。撹拌子81及び駆動部82は、蓋12に設けられている。撹拌子81は、例えば、羽のような形状をしており、駆動部82によって回転し、エアロゾル生成容器11の一部に留まっている凝集粒子を撹拌する。駆動部82は、低い周波数(例えば、3Hz程度)で撹拌子81を回転させる。振動部83は、エアロゾル生成部10に微小な振動を与える。
或いは、図10の(b)に示すように、撹拌子84をエアロゾル生成容器11の底部に設け、エアロゾル生成容器11の下部から駆動部85を用いて回転させるようにしても良い。また、電磁力を用いることにより、撹拌子を遠隔的に回転させるようにしても良い。
【0049】
以上、第1〜第6の実施形態に係る成膜装置について説明したが、それぞれの実施形態において行われている補助運動を複数組み合わせても良い。即ち、エアロゾル生成容器に、振り子運動、公転及び自転を含む回転運動、撹拌子による運動等の中から2つ以上の運動を組み合わせて与えることにより、エアロゾル生成容器内に配置されている原料の粉体を撹拌し、巨大な凝集粒子をより効果的に移動させることができる。
【0050】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、エアロゾル生成部に微小な振動及び補助運動を与えながらエアロゾルを生成するので、キャリアガス噴出口付近からミクロン〜ミリオーダーの巨大な凝集粒子を除いてサブミクロンの粒子を継続的に供給し、安定的にエアロゾルを生成することができる。従って、時間が経過しても成膜速度が低下することがなくなり、トータルの成膜時間を短縮し、品質の安定した成膜を行うことが可能になる。
【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】図1に示す成膜装置のエアロゾル生成補助部の一部を示す図である。
【図3】図1に示す成膜装置における補助運動を示す模式図である。
【図4】本発明の第1の実施形態に係る成膜方法を示すフローチャートである。
【図5】本発明の第1の実施形態に係る成膜方法によって成膜を行った場合の成膜時間と膜厚との関係を示す図である。
【図6】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7】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8】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9】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10】本発明の第6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11】従来の成膜装置の一部を示す模式図である。
【符号の説明】
1 原料の粉体
2 基板
10 エアロゾル生成部
11、71、101 エアロゾル生成容器
12、73、102 蓋
13、74、103 キャリアガス導入部
14、75、104 エアロゾル導出部
15、76、105 圧力調整ノズル
20 成膜チャンバ
21 排気管
22 エアロゾル導入部
23 ノズル
24 可動ステージ
30、40、50、60、70 エアロゾル生成補助部
31、51、61 押さえリング
31a リング部分
31b リング支え
31c ナット
32、52、62、77 支持柱
32a 通孔
32b 溝
33、53 支持台
34、40、54、64、79、82、85 駆動部
35、65、83、110 振動部
41 コイル
42 磁石
63、78 回転台
72、78a 回転用溝
76 支持リング
81、84 撹拌子
106 1次粒子
107 凝集粒子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a film forming apparatus and a film forming method for forming a film by spraying and depositing powder on a substrate at high speed.
[0002]
[Prior art]
In recent years, in the field of micro electro mechanical systems (MEMS), it has been considered to further integrate sensors and actuators using piezoelectric ceramics, and to fabricate these elements by film formation for practical use. Has been. As one of them, an aerosol deposition method, which is known as a film forming technique for ceramics, metals, or the like, has attracted attention (see Non-Patent Document 1). The aerosol deposition method is a method of forming a film by generating an aerosol from raw material powder, injecting the aerosol onto a substrate, and depositing the powder by collision energy at that time. Here, the aerosol refers to solid or liquid fine particles suspended in a gas.
[0003]
FIG. 11A is a schematic diagram showing an aerosol generation unit included in a film forming apparatus using the aerosol deposition method. In this aerosol generation unit, an
[0004]
As shown to (a) of FIG. 11, in the general film-forming apparatus by the aerosol deposition method, the aerosol generating part is provided with the vibration table. For example, the vibration table applies minute vibrations having an amplitude of 0.1 mm and a frequency of about 50 Hz to the aerosol generation container. Due to this minute vibration, kinetic energy for rising is given to the powder in the
[0005]
By the way, as shown in FIG. 11A, immediately after starting the generation of the aerosol, a lot of powder is spouted by ejecting the carrier gas, so that the concentration of the aerosol becomes high. However, these powders (primary particles) 106 agglomerate over time due to electrostatic force, van der Waals force, moisture cross-linking effect, etc., and agglomerated particles having a diameter of several μm to several mm. Will be formed. Among these agglomerated particles, the giant
[0006]
[Non-Patent Document 1]
Jun Akira, “The 3rd exploration of next-generation mechanical design, high-speed ceramic coating using the impact adhesion phenomenon of ultrafine particles”, Mechanical Design, Nikkan Kogyo Shimbun, Volume 45, No. 6 (May 2001) No.), p. 92-96
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, in view of the above points, the present invention provides a film forming method and apparatus using an aerosol deposition method in which the aggregated particles of micron to millimeter order that are formed when generating aerosol remain in a part of the container. It aims to prevent and generate aerosol stably.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, a film forming apparatus according to a first aspect of the present invention includes an aerosol generation container in which raw material powder is arranged and aerosol is generated, and the raw material powder in the aerosol generation container. Gas introduction means for generating aerosol by blowing up the body with gas, nozzles for injecting aerosol generated in the aerosol generation container toward the substrate, vibration means for giving minute vibration to the aerosol generation container, and aerosol generation container Driving means for driving the aerosol generating container so that the apparatus performs a predetermined motion.
[0009]
In addition, the film forming apparatus according to the second aspect of the present invention arranges raw material powder, and generates an aerosol in an aerosol generating container in which the aerosol is generated, and in the aerosol generating container, the raw material powder is spouted with gas. Gas introducing means for generating an aerosol by means of, a nozzle for injecting the aerosol generated in the aerosol generating container toward the substrate, a vibrating means for giving minute vibrations to the aerosol generating container, and a raw material powder in the aerosol generating container And a drive means for driving the stirrer.
[0010]
The film forming method according to the first aspect of the present invention is a method in which a raw material powder is gasified while driving the container to perform a predetermined motion while giving a minute vibration to the container in which the raw material powder is disposed. A step of generating an aerosol by spraying, and a step of depositing raw material powder on the substrate by spraying the generated aerosol toward the substrate.
[0011]
The film forming method according to the second aspect of the present invention includes a step of generating an aerosol by spraying a raw material powder with a gas while stirring the raw material powder while giving a minute vibration to a container in which the raw material powder is arranged. And depositing raw material powder on the substrate by spraying the generated aerosol toward the substrate.
[0012]
According to the present invention, since a predetermined motion is given along with minute vibrations to a container in which aerosol generation is performed, the aggregated particles do not stay in a part of the container, and the aerosol can be generated stably.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The same constituent elements are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
FIG. 1 is a schematic view showing a film forming apparatus according to the first embodiment of the present invention. The film forming apparatus includes an
[0014]
The
The
The
[0015]
The carrier
[0016]
Various shapes of the carrier
[0017]
It is necessary to consider the arrangement of the carrier
[0018]
The
[0019]
In the
[0020]
The aerosol generation
[0021]
Here, in the film forming apparatus using the usual aerosol deposition method, the raw material powder (primary particles) initially placed in the container is bonded by the electrostatic force or van der Waals force with the passage of time. Then, huge aggregated particles of several μm to several mm are formed. Since such agglomerated particles have a large mass, they accumulate at the bottom of the container. However, if they remain in the vicinity of the ejection port of the carrier
[0022]
The aerosol
The holding
[0023]
As shown in FIG. 2A, the holding
[0024]
The
[0025]
The
[0026]
As shown in FIG. 3, the aerosol
[0027]
Next, the film forming method according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. In the film forming method according to the present embodiment, films can be formed using various materials such as metals, alloys, and ceramics. Here, PZT (lead zirconate titanate: Pb (lead) zirconate titanate) is used. The description will be made assuming that a film is formed.
[0028]
First, in step S1, a raw material and a substrate are set in a film forming apparatus. That is, the
[0029]
In step S3, the
In step S <b> 4, the carrier gas is introduced from the carrier
[0030]
In step S <b> 5, the generated aerosol is introduced into the film forming chamber and sprayed from the
[0031]
FIG. 5 is a result of an experiment in which film formation is performed using the film formation method according to this embodiment, and is a diagram illustrating a relationship between the film formation time and the film thickness. A straight line (1) shows a case where film formation is performed using the film formation method according to the present embodiment, that is, a case where film formation is performed with an auxiliary motion, and a curve (2) is a comparative example. For this reason, the case where film formation is performed without giving an auxiliary motion is shown. In both cases, the
[0032]
As is apparent from the curve (2), when the auxiliary motion is not given, the film formation speed (= film thickness / film formation time) decreases with time. This is because the position of huge aggregated particles in the order of microns to millimeters is not moved, so that the aggregated particles remain in the vicinity of the carrier gas outlet and the submicron particles cannot be ejected. On the other hand, as shown by the curve (1), when the auxiliary motion is given, the film forming speed is not changed over time, and is almost constant. This is because huge particles are removed from the vicinity of the carrier gas ejection port by the auxiliary motion, and submicron particles can be stably supplied.
[0033]
As described above, according to the present embodiment, film formation can be performed efficiently without decreasing the film formation speed even if time elapses.
In the present embodiment, the
[0034]
Next, a film forming apparatus according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The film forming apparatus according to the present embodiment gives a pendulum motion as an auxiliary motion, and has a
[0035]
The
[0036]
Next, a film forming apparatus according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The film forming apparatus according to the present embodiment causes the aerosol generating unit to revolve as an auxiliary motion.
As shown in FIG. 7, the film forming apparatus according to the present embodiment includes an aerosol generation
[0037]
In the present embodiment, the
[0038]
By configuring the aerosol generation
In addition, by changing the path | route which drives the support stand 53 by the
[0039]
Next, a film forming apparatus according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The film forming apparatus according to the present embodiment causes the aerosol generating unit to rotate as an auxiliary motion.
As shown in FIG. 8, the film forming apparatus according to the present embodiment includes an aerosol generation
[0040]
In the present embodiment, the holding
[0041]
Here, as shown in FIG. 1, since the carrier
[0042]
By configuring the aerosol
[0043]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The film forming apparatus according to the present embodiment causes the aerosol generating unit to rotate as an auxiliary motion.
As shown to (a) of FIG. 9, the film-forming apparatus which concerns on this embodiment is an aerosol production |
[0044]
The
[0045]
The
[0046]
As shown in FIG. 9A, by rotating the
[0047]
In the present embodiment, no vibration unit is provided, but by adjusting the number and shape of the rotation grooves 72 a provided in the
[0048]
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, instead of giving an auxiliary motion to the
As shown in FIG. 10A, this film forming apparatus includes a
Alternatively, as shown in FIG. 10B, a
[0049]
The film forming apparatuses according to the first to sixth embodiments have been described above. However, a plurality of auxiliary movements performed in each embodiment may be combined. That is, the powder of the raw material arranged in the aerosol generation container is given to the aerosol generation container by combining two or more movements among a pendulum movement, a rotational movement including revolution and rotation, and a movement by a stirrer. The body can be agitated and the giant aggregated particles can be moved more effectively.
[0050]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the aerosol is generated while giving minute vibration and auxiliary motion to the aerosol generation unit. It is possible to continuously supply micron particles and stably generate an aerosol. Accordingly, the film formation speed does not decrease over time, and the total film formation time can be shortened and film formation with stable quality can be performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a film forming apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a part of an aerosol generation auxiliary unit of the film forming apparatus shown in FIG.
3 is a schematic diagram showing an auxiliary motion in the film forming apparatus shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 4 is a flowchart showing a film forming method according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between a film formation time and a film thickness when film formation is performed by the film formation method according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic view showing a part of a film forming apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic view showing a part of a film forming apparatus according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic view showing a part of a film forming apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic view showing a part of a film forming apparatus according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a schematic view showing a part of a film forming apparatus according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a schematic view showing a part of a conventional film forming apparatus.
[Explanation of symbols]
1 Raw material powder
2 Substrate
10 Aerosol generator
11, 71, 101 aerosol generation container
12, 73, 102 lid
13, 74, 103 Carrier gas introduction part
14, 75, 104 Aerosol outlet
15, 76, 105 Pressure adjustment nozzle
20 Deposition chamber
21 Exhaust pipe
22 Aerosol introduction part
23 nozzles
24 movable stage
30, 40, 50, 60, 70 Aerosol production assistant
31, 51, 61 Holding ring
31a Ring part
31b Ring support
31c nut
32, 52, 62, 77 Support pillar
32a through hole
32b groove
33, 53 Support stand
34, 40, 54, 64, 79, 82, 85 Drive unit
35, 65, 83, 110 Vibrating part
41 coils
42 Magnet
63, 78 turntable
72, 78a Groove for rotation
76 Support ring
81, 84 Stir bar
106 primary particles
107 Agglomerated particles
Claims (5)
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、
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基板に向けて噴射するノズルと、
前記エアロゾル生成容器に微小な振動を与える振動手段と、
前記エアロゾル生成容器が所定の運動を行うように、前記エアロゾル生成容器を駆動する駆動手段と、
を具備する成膜装置。An aerosol generation container in which raw material powder is arranged and aerosol generation is performed,
In the aerosol generation container, gas introduction means for generating aerosol by blowing up the raw material powder with gas;
A nozzle for injecting the aerosol generated in the aerosol generation container toward the substrate;
Vibration means for applying minute vibrations to the aerosol generating container;
Drive means for driving the aerosol generating container so that the aerosol generating container performs a predetermined motion;
A film forming apparatus comprising:
請求項1記載の成膜装置。The driving means drives the aerosol generating container so that the aerosol generating container rotates or swings;
The film forming apparatus according to claim 1.
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、
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基板に向けて噴射するノズルと、
前記エアロゾル生成容器に微小な振動を与える振動手段と、
前記エアロゾル生成容器において、原料の粉体を撹拌する撹拌子と、
前記撹拌子を駆動する駆動手段と、
を具備する成膜装置。An aerosol generation container in which raw material powder is arranged and aerosol generation is performed,
In the aerosol generation container, gas introduction means for generating aerosol by blowing up the raw material powder with gas;
A nozzle for injecting the aerosol generated in the aerosol generation container toward the substrate;
Vibration means for applying minute vibrations to the aerosol generating container;
In the aerosol generating container, a stirrer for stirring the raw material powder;
Driving means for driving the stirring bar;
A film forming apparatus comprising:
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ステップと、
を具備する成膜方法。Generating aerosol by blowing up the raw material powder with a gas while driving the container to perform a predetermined motion while giving a minute vibration to the container in which the raw material powder is disposed;
Depositing raw material powder on the substrate by injecting the generated aerosol toward the substrate;
A film forming method comprising:
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ステップと、
を具備する成膜方法。A step of generating an aerosol by spraying with a gas while stirring the powder of the raw material while giving a minute vibration to the container in which the powder of the raw material is disposed;
Depositing raw material powder on the substrate by injecting the generated aerosol toward the substrate;
A film forming method comprising:
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-
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