JP2005262142A - 成膜装置および成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 均一膜厚の膜を形成することができるノズルを提供すること。
【解決手段】 ノズルが搬送管と接続するための導入開口と、エアロゾルを噴射させるための導出開口を具備し、導入開口と導出開口との間に開口面積を変換する開口変換部を具備し、開口変換部の面積は、導入開口の面積より小さく且つ導出開口の面積よりも大きなノズル形状とすることで均一膜厚の膜を形成することができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、微粒子をエアロゾル化し、搬送気体と共に基材に吹き付けることにより各種デバイスを形成させる成膜方法および成膜装置に関するものである。

従来、ガスデポジション法によって基材表面等に複数の粒子からなる膜を形成する方法が知られている。ガスデポジション法には、エアロゾルの形成方法により、材料を蒸発させて微粒子を生成した後エアロゾルを形成する蒸発法と、材料が粒子である場合にその粒子からエアロゾルを形成するエアロゾルデポジション法とがある（特許文献１〜５参照）。

図１に、上記蒸発法を適用した成膜装置の模式図を示す。図１に示すように、超微粒子生成室１内において、成膜材料（例えば金属材料）の蒸発源５が加熱電極４により加熱される。そして、超微粒子生成室１内には非酸化性ガス７が導入されているため、成膜材料を加熱することによって蒸発した成膜材料原子は、非酸化性ガスとの衝突等により急冷され、超微粒子が生成される。２は膜形成室であり、搬送管３を介して超微粒子生成室１に連通している。膜形成室２内は、真空排気系１１により真空に維持されるため、超微粒子生成室１と膜形成室２との差圧が生じる。そのため、超微粒子生成室１内で生成された超微粒子は非酸化性ガスと共に搬送管３内を移動し、膜形成室２内に導かれる。そして、超微粒子は、膜形成室２内に位置した搬送管３の先端部に取り付けられたノズル８から、基材９に向けて高速で噴射される。噴射された超微粒子は基材表面に衝突し、超微粒子の構成材料からなる膜が形成される。

一方、図２には、上記エアロゾルデポジション法を適用した装置の模式図を示す。図２に示すように、金属や合金などの成膜材料からなる超微粒子が配置された容器１２内に、不活性ガスなどのキャリアーガス７が容器１２の下面に吹き込まれることにより、超微粒子が容器１２内で浮遊状態に維持される。そして、容器１２の上部に接続した搬送管３を通って、超微粒子とキャリアーガス７とが、膜形成室２に導入された搬送管３の先端に接続したノズル８の先端から、基材（基板）９に向けて噴射される。尚、図２において、１０は基板９を載置するステージである。
特開平１−２８５５２５号公報 特開昭５９−８０３６１号公報 特開平１−２８８５２５号公報 特開平７−５１５５６号公報 特開２００３−２５１２２７号公報

従来の方法では、粒子を噴出する側のノズルの開口の長辺方向の長さ以上の面積（長辺方向の長さ）を持つ膜を基材上に形成させる場合、エアロゾルを基材に噴射している状態で、基材を固定しているステージを何度も往復するか、ノズルを何度も往復する必要があった。そのため、以下のような問題を生じていた。尚、粒子を噴出するノズルは、基材側に粒子を噴出するための開口（「導出開口」と呼ぶ場合もある）と、搬送管に接続するための開口（「導入開口」と呼ぶ場合もある）とを有する。
（１）ステージを往復させる際、ステージ移動速度が遅くなってしまうため、膜厚の均一性が低下する。
（２）一度成膜した部分に隣接する部分に膜を形成する場合に重なり合う場合や重なり合わない場合があり、膜厚の均一性が低下する。
（３）大面積の膜を形成する際、ステージの往復回数が増え、成膜に時間がかかってしまう。

上記（１）〜（３）の問題点を解消するために、単純に粒子を噴出する側のノズルの矩形状開口（導出開口）の長辺方向（粒子が噴出されるノズルの幅方向）を長くしてステージの往復回数やノズルのスキャン回数を減らす方法が考えられる。

しかしながら、この方法では、矩形の導出開口の長辺方向における両端部と中心部を比較した場合に、中心部の方がエアロゾル濃度が高くなってしまう。その結果、エアロゾルの濃度が高い部分は厚く、またエアロゾル濃度が低い部分には薄く成膜され、均一膜厚の膜を形成することが難しかった。

また、前述の特許文献５で開示されているような広い幅のノズルを用いる場合、複数の導入開口が必要になるため、成膜装置構造が複雑になる。さらには導入開口を複数設けるのみでは必ずしも膜厚の均一性を高く成膜することができなかった。

本発明は上記の従来技術の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、均一膜厚の膜を形成することができる膜形成用ノズルを提供することにある。

上記課題を解決するための第１の本発明は、
複数の粒子を気体中に分散させたエアロゾルを、搬送管を介し、該搬送管の先端に設けられたノズルから、基材に向けて噴射することによって、前記基材上に前記複数の粒子の構成材料からなる膜を形成する成膜装置であって、前記ノズルが、前記搬送管と接続するための導入開口と、前記エアロゾルを噴射させるための導出開口とを具備すると共に、前記導入開口と前記導出開口との間に開口面積を変換する開口変換部を具備しており、前記開口変換部の面積は、前記導入開口の面積より小さく且つ前記導出開口の面積よりも大きいことを特徴とする。

また、上記課題を解決するための第２の本発明は、複数の粒子を気体中に分散させたエアロゾルを、搬送管を介し、該搬送管の先端に設けられたノズルから、基材に向けて噴射することによって、前記基材上に前記複数の粒子の構成材料からなる膜を形成する成膜装置であって、前記ノズルが、前記搬送管と接続するための導入開口と、前記エアロゾルを噴射させるための導出開口とを具備すると共に、前記導入開口と前記導出開口との間に開口面積を変換する開口変換部を具備しており、前記開口変換部の長辺または長径は、前記導出開口における長辺または長径よりも小さく、前記開口変換部の短辺または短径は、前記導出開口における短辺または短径よりも大きいことを特徴とする。

また、上記課題を解決するための第３の本発明は、複数の粒子を気体中に分散させたエアロゾルを、搬送管を介し、該搬送管の先端に設けられたノズルから、基材に向けて噴射することによって、前記基材上に前記複数の粒子の構成材料からなる膜を形成する成膜方法であって、前記ノズル内において、前記エアロゾルの流れの向きを変えることにより、前記エアロゾル中に含まれる複数の粒子の、前記ノズル内における分散性を高めた後に、前記ノズル先端から前記エアロゾルを噴射させることを特徴とする。

また、上記第１および第２の本発明においては、開口変換部の面積を、ノズルに接続する導入開口部面積より小さくすることによって、搬送管の中を通りノズル内に入って来たエアロゾル（粒子を含むエアロゾル）の流れの向きを変えることができる。つまりエアロゾルに含まれる粒子を分散させ、ノズル内の粒子濃度を均一にさせる効果がある。そして、開口変換部の面積をノズルの導出開口部面積より大きくすることは、開口変換部における圧力損失を導出開口部より小さくすることを目的とし、その結果、ノズルの導出開口部から噴射するエアロゾルの速度、つまり搬送気体の速度、粒子の速度は開口変換部の影響をなくすことができる。

また、ノズルの導出開口部は矩形状である場合や楕円形状である場合が多い。その場合は開口変換部の長辺または長径を、導出開口部における長辺または長径よりも大きくすると共に、開口変換部の短辺または短径を、導出開口部における短辺または短径よりも大きくすることで、上記した効果を同様に得ることができる。

以上説明したように本発明によれば、微粒子を気体中に分散させたエアロゾルを搬送し、ノズルから基材に向けて噴射させて基材に衝突させることにより、基材の表面上に膜を形成する成膜装置において、ノズル内においてエアロゾル（粒子）の流れの向きを変える形状を持たせることにより、粒子の分散性を高めることができ、膜厚の均一性の高い膜を形成できる。さらには粒子分散機構をもつため、ノズル導入開口が小さく、ノズル導出開口が大きなノズルでも均一濃度のエアロゾルを形成でき、膜厚の均一性の高い膜を形成できる。

以下、本発明の実施の形態を、図面により詳細に説明する。図３は本発明のノズル８の断面図の一例である。尚、ここでは、ノズルの導出開口１５の形状を、長方形状とした例（上記第２の本発明により好適に適用することができる場合）を説明する。しかしながら、上記第２の本発明は、導出開口１５の形状が、楕円形状など縦方向の長さと横方向の長さの比が１ではないノズル形状のものに対しても好ましく適用される。

尚、前述した第１の発明（開口変換部の面積がノズルの導入開口の面積より小さく且つノズルの導出開口の面積よりも大きい場合）は、図３に示すような導出開口の縦方向の長さと横方向の長さの比が１ではない形状（長方形状や楕円形状）だけでなく、導出開口の縦方向の長さと横方向の長さの比（縦横比）がほぼ１（実用的には縦横比が０．７〜１．４の範囲）であるもの（例えば円形状、正方形状など）にも適用することができる。

本発明は、成膜材料５を蒸発させて微粒子を生成した後エアロゾルを形成する蒸発法を用いるタイプ（図１）、及び、予め用意した成膜材料の粒子をエアロゾル化するタイプ（図２）のどちらにも適用できる。

即ち、エアロゾルを形成する第１チャンバー（図１における符号１で示される部材、図２における符号１２で示される部材）と、基材９上に膜を形成するための第２チャンバー（図１、図２における符号２で示される部材）と、第１チャンバーと第２チャンバーとを連通する搬送管（図１、図２における符号３で示される部材）と、第１チャンバー内の圧力よりも第２チャンバー内の圧力を低く維持するための圧力制御手段（図１、図２における符号１１で示される部材：排気装置）と、搬送管の一方の先端部に設けられたノズル８とで構成される。また、第２チャンバー内には好ましくは、基材９を固定すると共に、基材９のノズル８に対する位置を制御するステージ１０を備えることが望ましい。

次に、本発明のノズル８の形状についてより詳細に図３を用いて説明する。本発明のノズル８は、エアロゾルをノズル８内部へ導入するための導入開口１３と、エアロゾルを基材９に向けて噴射させるための導出開口１５と、導入開口１３と導出開口１５との間に設けられた開口面積を変換する開口変換部１４とを備えている。

そして、開口変換部１４の面積を、搬送管３に接続する導入開口１３の面積より小さくすることで、搬送管３からの微粒子を含むエアロゾルの流れは、開口変換部を通過した後に拡散させることができる（流れの向きを変える効果がある）。そのため粒子をノズル８内で分散することができる。また、前記開口変換部１４の面積はノズルの導出開口１５の面積より大きくすることで、開口変換部１４における圧力損失を小さくすることができ、ノズル８から基材に向けて噴射するエアロゾルの流れの影響を低減することができる。

導入開口１３と開口変換部１４との間の形状、および開口変換部１４と導出開口１５との間の形状は自由である。しかし、開口変換部１４と導出開口１５の間に位置するノズル内の断面積（エアロゾルの流れの向きに垂直な平面における面積）を、開口変換部１４の面積よりも大きくすることが、ノズル８内（ノズル空間内）での粒子の分散性を増すことができるので好ましい。さらには、ノズル８内（ノズル空間内）での粒子の分散性を一層増す観点からは、開口変換部１４と導出開口１５との距離は、導入開口１３と開口変換部１４との距離よりも長いことが好ましい。

以上の方法を用いて膜を形成した場合、エアロゾル化した微粒子はノズル８内部で、均一性高く分散させることができ、その結果、ノズル８の導出開口１５で均一性の高いエアロゾルを放出（噴射）させることができ、その結果、膜厚の均一性の高い膜を成膜することができる。

図４は本発明のノズルの一使用形態を示す斜視図である。本発明のノズルを使用することにより、大面積の基材９上に、ステージ１０を何往復もさせることなく、均一性高く成膜することが可能となる。また、任意の形状をパターニングする場合には本発明のノズルを使用し基材上をパターン形状の開口を持ったマスクを使用することで、任意の形状のパターンを一度に形成することができる。

蒸発法による超微粒子膜形成装置の模式図 エアロゾル法による微粒子膜形成装置の模式図 本発明のノズルの断面図 本発明のノズルの一使用形態を示す斜視図

符号の説明

１ 超微粒子生成室
２ 膜形成室
３ 搬送管
４ 加熱電極
５ 蒸発材料
６ 余分粒子排気機構
７ 搬送ガス導入口
８ ノズル
９ 基材
１０ ステージ
１１ 真空排気系
１２ エアロゾル化室
１３ 導入開口部
１４ 開口変換部
１５ 導出開口部

Claims (3)

1. 複数の粒子を気体中に分散させたエアロゾルを、搬送管を介し、該搬送管の先端に設けられたノズルから、基材に向けて噴射することによって、前記基材上に前記複数の粒子の構成材料からなる膜を形成する成膜装置であって、
   前記ノズルが、前記搬送管と接続するための導入開口と、前記エアロゾルを噴射させるための導出開口とを具備すると共に、前記導入開口と前記導出開口との間に開口面積を変換する開口変換部を具備しており、
   前記開口変換部の面積は、前記導入開口の面積より小さく且つ前記導出開口の面積よりも大きいことを特徴とする成膜装置。
2. 複数の粒子を気体中に分散させたエアロゾルを、搬送管を介し、該搬送管の先端に設けられたノズルから、基材に向けて噴射することによって、前記基材上に前記複数の粒子の構成材料からなる膜を形成する成膜装置であって、
   前記ノズルが、前記搬送管と接続するための導入開口と、前記エアロゾルを噴射させるための導出開口とを具備すると共に、前記導入開口と前記導出開口との間に開口面積を変換する開口変換部を具備しており、
   前記開口変換部の長辺または長径は、前記導出開口における長辺または長径よりも小さく、前記開口変換部の短辺または短径は、前記導出開口における短辺または短径よりも大きいことを特徴とする成膜装置。
3. 複数の粒子を気体中に分散させたエアロゾルを、搬送管を介し、該搬送管の先端に設けられたノズルから、基材に向けて噴射することによって、前記基材上に前記複数の粒子の構成材料からなる膜を形成する成膜方法であって、
   前記ノズル内において、前記エアロゾルの流れの向きを変えることにより、前記エアロゾル中に含まれる複数の粒子の、前記ノズル内における分散性を高めた後に、前記ノズル先端から前記エアロゾルを噴射させることを特徴とする成膜方法。
   

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