JP2004122341A

JP2004122341A - 成膜方法

Info

Publication number: JP2004122341A
Application number: JP2002293739A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Kuniyasu; 国安　利明; Satoru Miyoshi; 三好　哲
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2002-10-07
Filing date: 2002-10-07
Publication date: 2004-04-22

Abstract

【課題】エアロゾルデポジション法を用い、平滑で側面の垂直性が維持された膜を形成することができる成膜方法を提供する。
【解決手段】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工程（ａ）と、所定の長さ及び幅を有するスリット２５を含み、工程（ａ）において生成されたエアロゾルをスリットを通して噴射するノズル２３が、基板２に対して相対的に所定の運動をしながら所定の方向に移動するように、ノズル又は基板を移動させながらエアロゾルを基板に吹き付ける工程（ｂ）とを具備する。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、成膜方法に関し、特に、微粒子を基板に吹き付けることによって膜を形成する成膜方法に関する。
【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。セラミックスや金属等の成膜技術としては、エアロゾルデポジション法、或いは、ジェットプリンティングシステム（ＪＰＳ）と呼ばれる方法が知られている。エアロゾルデポジション法とは、原料の粉体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】
エアロゾルデポジション法を用いた成膜は、次のように行われる。図１０に示すように、所定の長さ及び幅を有するスリットが設けられたノズル１０１を１次元に移動させながら、ノズル１０１から基板１０２に向けてエアロゾル１００を吹き付ける。これにより、加速された原料の粉体が基板１０２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１０２の２次元領域に緻密な膜１０３が形成される。
【０００４】
ところで、従来、このような成膜方法においては、形成される膜の膜厚が均一にならないという問題が生じていた。その理由は、エアロゾルの流速分布が均一でないので、原料の粉体が堆積する速さに差が生じてしまうからである。また、スリットから所定の角度で噴射されたエアロゾルが、先に堆積された膜を削り取ってしまい、その領域における原料の粉体の堆積が遅れるからである。そのため、図１０に示すように、中央部及び両端が盛り上がり、溝状の凹凸が生じている膜１０３が形成されてしまう。
【０００５】
そこで、表面が平滑であり、且つ、密度の均一な膜を製造するために、微粒子材料の吹き付けの流れの少なくとも一部分を基板表面に斜めに入射させることが提案されている（特許文献１参照）。
【０００６】
しかしながら、マスクやモールドを用いて基板に選択的にパターンを形成する場合には、次のような問題が生じてしまう。即ち、図１１に示すように、マスク１０５が設けられている基板１０４にノズル１０１を斜めに傾けた状態でエアロゾル１００を吹き付けると、形成された膜１０６の端部がテーパー形状になってしまい、側面において垂直形状のパターンを得ることができない。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−２０８７８号公報（第１頁、図１）
【０００８】
【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を用い、平滑で側面の垂直性が維持された膜を形成することができる成膜方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【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の観点に係る成膜方法は、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工程（ａ）と、所定の長さ及び幅を有するスリットを含み、工程（ａ）において生成されたエアロゾルをスリットを通して噴射するノズルが、基板に対して相対的に所定の運動をしながら所定の方向に移動するように、ノズル及び／又は基板を移動させながらエアロゾルを基板に吹き付ける工程（ｂ）とを具備する。
【００１０】
本発明の第１の観点によれば、ノズルに所定の運動をさせながら基板にエアロゾルを吹き付けるので、基板に堆積された原料の粉体の凹凸が平均化され、平滑で側面の垂直性が維持された膜が形成される。
【００１１】
本発明の第２の観点に係る成膜方法は、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工程（ａ）と、長さを変更できると共に所定の幅を有するスリットを含み、工程（ａ）において生成されたエアロゾルをスリットを通して噴射するノズルが、スリットの長さを変更することによってノズルから噴射されるエアロゾルの放射角を変化させながら、基板に対して相対的にスリットの長さ方向と異なる方向に移動するように、ノズル及び／又は基板を移動させながらエアロゾルを基板に吹き付ける工程（ｂ）とを具備する。
【００１２】
本発明の第２の観点によれば、スリットの長さを変更することによりエアロゾルの放射角を変化させながら基板にエアロゾルを吹き付けるので、基板に堆積された原料の粉体の凹凸が平均化され、平滑で側面の垂直性が維持された膜が形成される。
【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方法が用いられ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る成膜方法を用いて積層構造体を作製する装置であり、エアロゾル生成容器１０及び成膜チャンバ２０を有している。ここで、エアロゾルとは、気体中に浮遊する固体又は液体の微粒子のことをいう。
【００１４】
エアロゾル生成容器１０は、成膜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。原料の粉体として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。
【００１５】
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。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、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。
【００１６】
エアロゾル導出部１２は、エアロゾル生成容器１０において生成されたエアロゾルを吸引し、成膜チャンバ２０に導く。圧力調整ノズル１３は、エアロゾル生成容器１０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。
【００１７】
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１１のガス噴出口付近に次々と粉体が供給される。
【００１８】
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。可動ステージ２４は、基板２を戴置させるために用いられる。
【００１９】
図２は、図１に示す成膜チャンバ２０の一部を詳しく示している。ノズル２３は、例えば、長さ５ｍｍ、幅０．３ｍｍを有するスリット２５を有している。エアロゾル生成容器１０において生成されたエアロゾルは、このスリットを通して面状に噴射され、基板に吹き付けられる。また、可動ステージ２４は３次元に移動可能なステージであり、基板２とノズル２３との相対位置を変更する際に、可動ステージ駆動部３１によって駆動される。さらに、制御部３０は、可動ステージ駆動部３１を制御する。
【００２０】
次に、本発明の第１の実施形態に係る成膜方法について、図２及び図３を参照しながら説明する。以下において、ノズル２３と基板２との相対位置を変更する場合には、基板２の位置を基準として説明する。例えば、ノズル２３を基板２に対して所定の方向に移動させるという場合には、実際には、ノズル２３を固定して可動ステージ２４をその反対方向に移動させるものとする。また、基板２の２次元領域に膜を順次形成する方向のことを成膜方向という。成膜方向は、ノズル２３に設けられているスリット２５の長さ方向と異なる方向であれば良く、本実施形態においては、スリット２５に対して垂直な方向を成膜方向としている。
【００２１】
本実施形態においては、次のようにして成膜を行う。即ち、図２に示すように、ノズル２３を基板２に対して成膜方向に移動させると共にスリット２５の長さ方向に往復運動させながら、基板２にエアロゾルを吹き付ける。
【００２２】
図３は、成膜方向に対する１つの断面におけるノズル２３の位置変化と、その位置に応じて形成される膜の断面形状とを示している。ノズル２３が基板２に対して位置２３ａ〜２３ｃにあるとき、膜３ａ〜３ｃがそれぞれ形成される。ここで、ノズル２３から噴射されるエアロゾルの流速分布は均一でないので、瞬間的には、膜３ａ〜３ｃのように、中央部及び両端が盛り上がった凹凸形状を有する膜が形成される。そこで、それぞれの断面において、ノズル２３をスリットの長さ方向に往復運動させながら基板２にエアロゾルを吹き付けることにより、膜３ａ、３ｂ、…の重ね合わせによって膜厚分布が平均化され、凹凸のない平坦な膜が形成される。さらに、このように膜を形成しながらノズル２３を成膜方向に移動させることにより、図２に示すように、基板２の２次元領域に平滑な膜３が形成される。
【００２３】
なお、本実施形態においては、可動ステージ２４を移動させることにより、基板２とノズル２３との相対位置を変化させたが、ノズル２３を移動させることによって、基板２とノズル２３との相対位置を変化させても良い。或いは、ノズル２３をスリットの長さ方向に移動させ、可動ステージ２４を成膜方向に移動させる等、両者を駆動しても良い。
【００２４】
次に、本発明の第２の実施形態に係る成膜方法について、図４及び図５を参照しながら説明する。図４は、本実施形態に係る成膜方法が用いられる成膜装置の一部を示す断面図である。本実施形態における成膜装置は、図１に示すノズル２３の替わりに、図４に示すノズル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。
【００２５】
図４に示すように、ノズル４０の先端には、アクチュエータ４１が設けられている。アクチュエータ４１は、ノズル４０に設けられたスリットの長さを変更する可変機構であり、その動作は制御部３０によって制御されている。これにより、ノズル４０から噴射されるエアロゾルの放射角αが変更される。即ち、図５に示すように、スリットの長さを短くすることにより、放射角αは大きくなり、反対に、スリットの長さを長くすることにより、放射角αは小さくなる。
【００２６】
図５は、成膜方向に対する１つの断面におけるノズル４０のスリットの長さの変化と、その長さに応じて形成される膜の断面形状とを示している。即ち、長さ４０ａの場合には、凹凸形状を有する膜４ａが形成される。また、長さ４０ｂの場合には、膜４ａよりも狭い領域に凹凸形状を有する膜４ｂが形成される。このように、ノズル４０のスリットの長さを変更することにより、形成される膜の膜厚分布が変わってくる。そこで、その断面においてノズル４０のスリットの長さを変更しながらエアロゾルを吹き付けることにより、膜４ａ、４ｂ、…の重ね合わせにより膜厚分布が平均化され、凹凸のない平坦な膜が形成される。さらに、このように膜を形成しながらノズル４０を成膜方向に移動させることにより、基板２の２次元領域に平滑な膜が形成される。
【００２７】
本発明の第１及び第２の実施形態によれば、常に基板の真上からエアロゾルを噴射するので、基板にマスクを設けて選択的にパターンを形成する場合においても、マスクに囲まれた領域の隅々までエアロゾルを吹き付けることができる。従って、膜の端部がテーパー状になることはなく、側面の垂直性が維持された平滑な膜を形成することができる。
【００２８】
次に、本発明の第３の実施形態に係る成膜方法について、図６及び図７を参照しながら説明する。図６は、本実施形態に係る成膜方法が用いられる成膜装置の一部を示す模式図である。本実施形態における成膜装置は、基板２に対して垂直な面内において振り子運動を行う可動ノズル５０と、可動ノズル５０を駆動するノズル駆動部５１とを有している。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。
【００２９】
図７は、成膜方向に対する１つの断面における可動ノズル５０の位置変化と、その位置に応じて形成される膜の断面形状とを示している。可動ノズル５０が基板２に対して位置５０ａ〜５０ｃにあるとき、膜５ａ〜５ｃがそれぞれ形成される。ここで、膜５ａ〜５ｃには、可動ノズル５０から噴射されるエアロゾルの流速分布のバラツキにより、凹凸が生じていると共に、基板２に対する可動ノズル５０の傾きに応じて傾斜が生じている。そこで、可動ノズル５０をその断面において振り子運動させながら基板２にエアロゾルを吹き付けることにより、膜５ａ、５ｂ、…の重ね合わせにより膜厚分布が平均化され、凹凸のない平坦な膜５が形成される。さらに、このように膜を形成しながら可動ノズル５０を成膜方向に移動させることにより、基板２の２次元領域に平滑な膜５が形成される。
【００３０】
次に、本発明の第４の実施形態に係る成膜方法について、図８及び図９を参照しながら説明する。図８は、本実施形態に係る成膜方法が用いられる成膜装置の一部を示す模式図である。本実施形態における成膜装置は、回転運動を行う可動ノズル６０と、可動ノズル６０を駆動するノズル駆動部６１とを有している。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。
【００３１】
図９は、可動ノズル６０の位置変化と、その位置に応じて形成される膜の断面形状とを示している。可動ノズル６０が基板２に対して位置６０ａ〜６０ｄにあるとき、膜６ａ〜６ｄがそれぞれ形成される。ここで、膜６ａ〜６ｄには、可動ノズル６０から噴射される流速分布のバラツキによって凹凸が生じていると共に、基板２に対する可動ノズル６０の位置や傾きに応じて傾斜が生じている。そこで、可動ノズル６０を回転させながら基板２にエアロゾルを吹き付けることにより、膜６ａ、６ｂ、…の重ね合わせにより膜厚分布が平均化され、凹凸のない平坦な膜６が形成される。さらに、このように膜を形成しながら可動ノズル６０を成膜方向に移動させることにより、基板２の２次元領域に平滑な膜が形成される。
【００３２】
本発明の第３及び第４の実施形態によれば、基板の所定の領域に、複数の方向からエアロゾルを吹き付けるので、基板にマスクを設けて選択的にパターンを形成する場合においても、マスクに囲まれた領域の隅々までエアロゾルを吹き付けることができる。従って、側面の垂直性が維持された平滑な膜を形成することができる。
【００３３】
なお、上記の第２〜第４の実施形態においては、可動ステージ２４を移動させることにより、成膜方向について基板２とノズルとの相対位置を変化させたが、可動ステージ２４を固定し、ノズル４０、５０、６０を成膜方向について移動させることにより基板２とノズル４０、５０、６０との相対位置を変化させても良い。
【００３４】
以上、本発明の第１〜第４の実施形態に係る成膜方法について説明したが、これらのうち、複数の成膜方法を組み合わせて実施しても良い。例えば、第２の実施形態に係る成膜方法を他の実施形態に係る成膜方法と組み合わせることにより、ノズルのスリットの長さを変更しながらノズルを往復運動、振り子運動、又は、回転運動をさせても良い。或いは、第１の実施形態と第３の実施形態とを組み合わせ、ノズルに振り子運動をさせながらスリットの長さ方向に移動させても良い。このように、様々な運動を組み合わせることにより、より効果的に平滑な膜を形成することができる。
【００３５】
なお、本発明の第１〜第４の実施形態において、成膜装置に複数のノズルを設け、それらを同時に用いることにより、トータルの成膜時間を短縮し、効率的に成膜を行うことができる。また、本発明の第１〜第４の実施形態においては、エアロゾルデポジション法を用いて成膜を行ったが、その他、原料の微粒子を基板等に堆積させる成膜方法であれば、本発明に係る成膜方法を適用することができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、エアロゾルデポジション法を用いて、平滑な膜を形成することができる。この際に、基板に対してノズルを傾けることなく、或いは、基板の所定の領域について複数の方向からエアロゾルを吹き付けるので、マスク等を用いて基板に選択的にパターンを形成する場合でも、形成された膜の端部がテーパー形状になることはない。従って、表面の平滑性と側面の垂直性とが維持された良質な膜を形成することができる。また、そのような膜を用いて、高品質の装置を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方法が用いられる成膜装置の構成を示す模式図である。
【図２】図１に示す成膜装置の一部を示す模式図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る成膜方法を説明するための図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る成膜方法が用いられる成膜装置の一部を示す断面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る成膜方法を説明するための図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る成膜方法が用いられ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方法を説明するための図である。
【図８】本発明の第４の実施形態に係る成膜方法が用いられる成膜装置の一部を示す模式図である。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る成膜方法を説明するための図である。
【図１０】従来のエアロゾルデポジション法において、基板にエアロゾルを吹き付けている様子を示す模式図である。
【図１１】ノズルを斜めに傾けた状態で基板にエアロゾルを吹き付けている様子を示す断面図である。
【符号の説明】
１　原料の粉体
２、１０２、１０４　基板
３、５、６、１０３、１０６　膜
３ａ〜３ｃ、４ａ、４ｂ、５ａ〜５ｃ、６ａ〜６ｄ　膜（断面形状）
１０　エアロゾル生成容器
１１　キャリアガス導入部
１２　エアロゾル導出部
１３　圧力調整ノズル
１４　振動台
２０　成膜チャンバ
２１　排気管
２２　エアロゾル導入部
２３、４０、５０、６０、１０１　ノズル
２４　可動ステージ
２５　スリット
３０　制御部
３１　可動ステージ駆動部
４１　アクチュエータ
５１、６１　ノズル駆動部
１００　エアロゾル
１０５　マスク

Claims

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工程（ａ）と、
所定の長さ及び幅を有するスリットを含み、工程（ａ）において生成されたエアロゾルを前記スリットを通して噴射するノズルが、基板に対して相対的に所定の運動をしながら所定の方向に移動するように、前記ノズル及び／又は前記基板を移動させながらエアロゾルを前記基板に吹き付ける工程（ｂ）と、
を具備する成膜方法。
工程（ｂ）が、前記ノズルが前記スリットの長さ方向に往復運動しながら前記スリットの長さ方向と異なる方向に移動するように、前記ノズル及び／又は前記基板を移動させることを含む、請求項１記載の成膜方法。
工程（ｂ）が、前記ノズルが前記スリットの長さ方向を含む面内において振り子運動しながら前記スリットの長さ方向と異なる方向に移動するように、前記ノズル及び／又は前記基板を移動させることを含む、請求項１記載の成膜方法。
工程（ｂ）が、前記ノズルが回転運動しながら前記スリットの長さ方向と異なる方向に移動するように、前記ノズル及び／又は前記基板を移動させることを含む、請求項１記載の成膜方法。
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工程（ａ）と、
長さを変更できると共に所定の幅を有するスリットを含み、工程（ａ）において生成されたエアロゾルを前記スリットを通して噴射するノズルが、前記スリットの長さを変更することによって前記ノズルから噴射されるエアロゾルの放射角を変化させながら、基板に対して相対的に前記スリットの長さ方向と異なる方向に移動するように、前記ノズル及び／又は前記基板を移動させながらエアロゾルを前記基板に吹き付ける工程（ｂ）と、
を具備する成膜方法。