JP2006241544A - 微粒子成膜法及び微粒子成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ノズルから噴き出す原料微粒子を含んだガス流を、開口パターンマスクを用いることなく均一化し、膜の表面の凸凹や、面内で特性の不均一性をなくする方法を提供することにある。
【解決手段】 原料微粒子を含んだガス１を微小なノズル１５に通すことで加速して減圧チャンバー１４に導入し、減圧チャンバー内に設置した基板４に原料微粒子を衝突させて基板４上に膜を堆積させる微粒子成膜法において、原料微粒子を含んだガスを噴出する第一噴射ノズル５の直近に、原料微粒子を含まないガスを噴出する第二噴射ノズル６を並置し、その第二噴射ノズル６から噴出するガス７を、上記第一噴射ノズルから噴出する原料微粒子を含んだガス流３に隣接して流し、これにより上記原料微粒子を含んだガス流３の中心部と周辺部のガス流３ａと３ｂの流速の差を低減する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、微粒子成膜法及び微粒子成膜装置に関するものであり、数μｍ以上５０μｍ以下の膜厚で高い膜密度が要求される膜を形成する技術として広範囲の分野において有効である。主に、インクジェットプリンタヘッド、ハードディスクドライブヘッドのポジショナー、様々なＭＥＭＳスイッチ用のアクチュエータの駆動部分に用いるチタン酸ジルコン酸鉛（以降ＰＺＴと記載する）圧電膜への応用が期待できる成膜法ないし成膜装置である。この他にも、様々な強誘電体膜、導電体膜、絶縁体膜、高誘電体膜、磁性体膜、等の酸化物薄膜を形成する方法ないし装置としても適用できるものである。

薄膜形成技術として、ＣＶＤ法、スパッタ法、レーザーアブレーション法、塗布法、等があるが、これらの成膜方法は、原子または分子状態からの成長過程を経るため、成膜レートをあまり高くすることができない。そのため、数μｍ以上の膜を得るのは実用上困難である。また、原料の価格や装置が高いという問題もある。

一方、近年、セラミックの微粒子をガス攪拌などによりエアロゾル化し、微小なノズルを通して加速し、これを基板上に噴射、衝突させることで膜を形成する微粒子吹き付け法という成膜方法が研究されている（例えば、特許文献１参照）。この成膜方法では、微粒子の運動エネルギーの一部が基板に衝突することにより熱エネルギーに変換され、微粒子間あるいは基板−微粒子間を焼結させている。微粒子吹き付け法は、成膜速度を非常に速く（他の成膜方法の１００倍以上に）することができ、原料価格も安く、しかも、密度の高い膜が容易に得られる、という他の成膜方法と比べて非常に魅力的な成膜方法である。そのため、数μｍ以上の厚膜を成膜するのに適している成膜方法と言われている。

図５に、従来の微粒子成膜装置の構成を示す。この微粒子成膜装置は、原料微粒子１ａを含んだガス１を微小なノズル１５に通すことで加速して減圧チャンバー１４に導入し、減圧チャンバー１４内に設置した基板４に原料微粒子１ａを衝突させて、基板４上に所望の膜を堆積させる構成となっている。

かかる微粒子成膜装置において、従来のノズル１５は、図６（ａ）に示すように、例えば１０ｍｍ×０．４ｍｍの長方形の開口を有する１本の噴射ノズル２から成り、原料微粒子１ａを含んだガス１をガス流３として１本の噴射ノズル２から噴き出して成膜をしていた。

しかし、噴射ノズル２内の原料微粒子を含んだガス流３は、ノズル内の壁面の影響を受けるため、図６（ｂ）に示すように、周辺部分のガス流３ｂの流速が中心部分のガス流３ａの流速に比べて遅くなる。このため、噴射ノズル２を通して微粒子を含んだガス流３を基板上に噴射した場合、中心部分のガス流３ａは流速が速いため堆積速度が大きくなり、周辺部分のガス流３ｂは流速が遅いため堆積速度が小さくなる。また、周辺部分のガス流３ｂの流速が遅い場合は、微粒子の基板に対する付着力が不十分になることもある。これらの原因によって、成膜された膜の表面は平面にならず凸凹になる、基板面内で特性の均一性が悪い、等の問題がある。

この問題を解決する方法として、ノズルと基板の間に所定の開口パターンを有するマスクを設置するという方法が提案されている（特許文献２参照）。この特許文献２では、基板上に所望パターンの造形物を形成する場合、基板に対してマスクまたはノズルを相対変位させる。つまりノズル内の超微粒子の密度分布を平均化するためのノズルとマスクの相対変位に重畳して、造形物のパターンを形成するためのマスクまたはノズルと基板との相対変位が加えられる。
特開２０００−２１２７６６号公報 特開平１０−２０２１７１号公報

しかしながら、特許文献２の方法では、所定の開口パターンを有するマスクを形成し、これをノズルと基板の間に設置して相対変位させなければならない。また、ノズルと基板の間に開口パターンマスクを設置するため、基板表面の全面に膜を成膜することができなくなるという根本的な問題が残る。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ノズルから噴き出す原料微粒子を含んだガス流を、開口パターンマスクを用いることなく均一化し、膜の表面の凸凹や、面内で特性の不均一性をなくする方法及び装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。

請求項１の発明に係る微粒子成膜法は、原料微粒子を含んだガスを微小なノズルに通すことで加速して減圧チャンバーに導入し、減圧チャンバー内に設置した基板に原料微粒子を衝突させて基板上に膜を堆積させる微粒子成膜法において、上記原料微粒子を含んだガスを噴出する第一噴射ノズルの直近に、原料微粒子を含まないガスを噴出する第二噴射ノズルを並置し、その第二噴射ノズルから噴出するガスを、上記第一噴射ノズルから噴出する原料微粒子を含んだガスの流れに隣接して流し、これにより上記第一噴射ノズルから噴出する原料微粒子を含んだガス流の中心部と周辺部の流速の差を低減することを特徴とする。

請求項２の発明に係る微粒子成膜装置は、原料微粒子を含んだガスを微小なノズルに通すことで加速して減圧チャンバーに導入し、減圧チャンバー内に設置した基板に原料微粒子を衝突させて基板上に膜を堆積させる微粒子成膜装置において、原料微粒子を含んだガスを噴出する第一噴射ノズルの直近に、原料微粒子を含まないガスを噴出する第二噴射ノズルを並置したことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２記載の微粒子成膜装置において、原料微粒子を含んだガスを噴出する第一噴射ノズルの開口部分の形状が長方形であり、少なくとも、その第一噴射ノズルの長方形のノズル開口部分の長辺の両側に、原料微粒子を含まないガスを噴出する第二噴射ノズルの開口部が設置されていることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項２記載の微粒子成膜装置において、原料微粒子を含んだガスを噴出する第一噴射ノズルの開口部分の形状が円形または楕円形であり、その第一噴射ノズルの円形または楕円形のノズル開口部分の周辺に、原料微粒子を含まないガスを噴出する第二噴射ノズルのドーナツ型の開口部が設置されていることを特徴とする。

＜発明の要点＞
原料微粒子を含んだガスを噴き出す第一噴射ノズル（通常、開口部分は長方形）の直近の両隣に、同様の開口形状の第二噴射ノズルを設置し、その第二噴射ノズルには原料微粒子を含まないガスを流す（図１参照）。この時、原料微粒子を含んだガス流の平均流速と、その両側の第二噴射ノズルからのガス流の平均流速がほぼ等しくなるようにする。このことによって、噴射ノズルを出た後は、３つのガス流が平行して基板に向かうことになる。噴射ノズルから出た直後は、３つのガス流のそれぞれは、ノズル壁面の影響を受けて中心の流速が大きく、周辺の流速が小さくなっている（図２（ａ）参照）。しかし、その後すぐに、近隣のガス流の影響を受けて、図２（ｂ）に示すような流速分布になり、結果として原料微粒子を含んだガスの流速は概ね均一になる。

原料微粒子を含んだガスを噴き出す第一噴射ノズル（通常開口部分は長方形）の直近の両隣に設置する第二噴射ノズルは、原料微粒子を含んだガスを噴き出す第一噴射ノズルにできるだけ近い方が望ましい。

また、周辺の第二噴射ノズルからのガス流の流速は、原料微粒子を含んだガス流と同じ流速と記載したが、状況によっては、原料微粒子を含んだガス流速よりも大きくしたり、小さくしたりした方が望ましい場合もある。いずれの場合も、周辺の第二噴射ノズルからのガス流は、第一噴射ノズルからのガス流の周辺に対して加算的に作用し、第一噴射ノズルからのガス流の周辺部のガス流の流速を大きくする作用をなす。

本発明によれば、第二噴射ノズルから噴出する原料微粒子を含まないガス流は、第一噴射ノズルから噴出する原料微粒子を含んだガス流に隣接して流れる。これにより、原料微粒子を含んだガスのガス流における周辺部のガス流の流速が加算的に大きくなり、原料微粒子を含んだガスの中心部と周辺部の流速の差が低減される。また、第一噴射ノズルから噴出する原料微粒子を含んだガスは、第二噴射ノズルから噴出する原料微粒子を含まないガス流によりガイドされて、広がりのないガス流として基板まで到達する。このため開口パターンマスクを用いることなく、膜の表面の凸凹や、面内で特性の不均一を低減することができる。

よって、本発明によれば、微粒子吹き付け法によって成膜される誘電体膜の特性やウェハなどの基板面内の特性分布を大幅に向上させ改善することができる。

また本発明の方法は、開口パターンマスクを用いない方法のため、基板全面に成膜することができる。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図４は、本発明に係る微粒子成膜装置の一例を示す図であり、ヘリウム（Ｈｅ）ガスボンベ１１が、配管１２ａを介してエアロゾル発生器であるエアロゾル室１３に連結され、さらに配管１２ｂを通じて減圧チャンバー１４内に配置されたノズル１５に連結される。ノズル１５の先方には、ヒータ２０を内蔵する基板ホルダー１６により基板４がノズル１５に対向して１０ｍｍの間隔をあけて配置される。基板ホルダー１６はＸＹステージ１７に取り付けられており、基板４がＸＹ方向に移動できる構成となっている。減圧チャンバー１４には排気ポンプ１９が接続されている。

この微粒子成膜装置は、従来と同様、図１に示すように原料微粒子１ａを含んだガス１をノズル１５に通すことで加速して減圧チャンバー１４に導入し、減圧チャンバー１４内に設置した基板４に原料微粒子１ａを衝突させて、基板４上に所望の膜を堆積させる構成となっている。

しかし従来と異なり、この微粒子成膜装置においては、図１に示すように、ノズル１５が、上記原料微粒子１ａを含んだガス１を噴出する第一噴射ノズル５と、その直近に並置した、原料微粒子を含まないガス７を噴出する第二噴射ノズル６とから構成されている。正確には、図３（ａ）の如く、０．３ｍｍ×１５ｍｍの長方形の開口５ａを持つ第一噴射ノズル５の長辺の両隣りに、０．３ｍｍ×１５ｍｍの長方形の開口６ａを持つ第二噴射ノズル６を位置させた構成となっている。

かかる構成のため、図２（ａ）に示すように、第二噴射ノズル６から噴出する原料微粒子を含まないガス７は、原料微粒子を含んだガスをガイドするガス流８として、上記第一噴射ノズル５から噴出する原料微粒子を含んだガスのガス流３に隣接して平行に同一方向に流れる。これにより、原料微粒子を含んだガスのガス流３における周辺部のガス流３ｂを、これに原料微粒子を含まないガスのガス流８を底上げする形で大きくして、中央部のガス流３ａに対する周辺部のガス流３ｂの流速の減少割合を小さくすることができる。換言すれば、原料微粒子を含んだガスのガス流３における周辺部のガス流３ｂの流速を加算的に大きくして、図２（ｂ）に示す如く、上記原料微粒子を含んだガスの中心部のガス流３ａと周辺部のガス流３ｂの流速の差を低減することができる。また、第一噴射ノズル５から噴出する原料微粒子を含んだガスを広がりのないガス流３として基板４までガイドすることができる。

以下に、本発明の微粒子成膜法を用いたＰＺＴ圧電膜（膜厚２０μｍ）の成膜例を記載する。

基板にはＭｇＯ（００１）基板（２０ｍｍ×２０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ）を用いて、その上にＰｔ下部電極膜（膜厚０．２μｍ）をＲＦマグネトロンスパッタリング法によって成膜した。Ｐｔ電極膜の成膜条件は、基板温度３００℃、放電パワー２００Ｗ、導入ガスＡｒ、圧力約２．６６６Ｐａ（０．０２Ｔｏｒｒ）で行った。

その後、前記のＰｔ膜が０．２μｍ成膜された基板上に微粒子吹き付け法でＰＺＴ膜を２０μｍ成膜した。

微粒子吹き付け装置の構成概要は、微粒子成膜装置として図４に示した通りである。

微粒子吹き付け成膜の成膜条件は、次のようにした。まず、チャンバー内圧力は約１３３３．２Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）、エアロゾル室内圧力は約７９９９２．２Ｐａ（６００Ｔｏｒｒ）、搬送ガスＨｅ、搬送ガス流量１Ｌ／ｍｉｎとした。また、第一噴射ノズル５はそのノズル開口５ａ部分の形状を０．３ｍｍ×１５ｍｍの長方形とし、直近両側に設置したガイドガス用の第二噴射ノズル６の開口６ａも全く同じ形状にした（図３（ａ）参照）。さらに、ノズル−基板間の距離は１０ｍｍとし、ノズル−基板間の相対速度（横方向）は０．５ｍｍ／ｓの往復動作、基板加熱は無しとした。そして、両側のガイドガス用の第二噴射ノズル６に供給する原料微粒子を含まないガス７（ガイドガス）にはＨｅを用い、これをガイドガス流量１Ｌ／ｍｉｎ（片側）で供給した。

従来の方法（原料微粒子吹き付け用の噴射ノズル２のみ）で成膜したＰＺＴ膜（２０μｍ）と、本実施例の方法（原料微粒子吹き付け用の第一噴射ノズル５とガイドガス用の第二噴射ノズル６）を用いて成膜したＰＺＴ膜（２０μｍ）の表面粗さＲａを測定し、比較した。その結果、従来技術を用いたＰＺＴ膜ではＲａ＝１．０μｍであったのに対し、本実施例の方法を用いて成膜したＰＺＴ膜ではＲａ＝０．４μｍとなり、表面粗さが小さくなった。

＜他の実施例、変形例＞
上記実施例では、原料微粒子を含んだガスを噴出する第一噴射ノズル５の開口部分の形状が長方形であり、少なくとも、その第一噴射ノズル５の長方形のノズル開口部分の長辺の両側に、原料微粒子を含まないガスを噴出する第二噴射ノズル６の開口部が設置されている構成としたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図３（ｂ）のように、原料微粒子を含んだガスを噴出する第一噴射ノズル５の開口５ａ部分の形状が円形または楕円形であり、その第一噴射ノズル５の円形または楕円形のノズル開口５ａ部分の周辺に、原料微粒子を含まないガスを噴出する第二噴射ノズル６のドーナツ型の開口６ｂ部分を開口５ａに倣って設けた構成とすることもできる。なお図３（ｂ）では第一噴射ノズル５の円形の開口５ａの周囲に、同心円環状に第二噴射ノズル６の開口６ｂを形成している。

上記実施例では、下部電極にＰｔを用いたが、電極材料はＰｔに限定されるものではなく、様々な導電性材料が適用可能である。

また、上記実施例では、微粒子吹き付け時の搬送ガスとしてＨｅガスを用いたが、搬送ガスはＨｅに限定されるものではなく、Ｎ₂、Ａｒ、等、様々な種類のガスが適用可能である。

本発明の実施形態に係る微粒子成膜装置の主要部分の構成を示した図である。 本発明の噴射ノズルの説明に供する図で、（ａ）は第一噴射ノズルとその両側の第二噴射ノズルからそれぞれ噴射されるガス流の関係を示した図、（ｂ）はそのガス流の流速分布を示した図である。 本発明の噴射ノズルの開口の形状を示したもので、（ａ）は長方形状、（ｂ）は円形状の場合を示した図である。 本発明の実施形態に係る微粒子成膜装置の構成を示した図である。 従来技術の微粒子成膜装置の構成を示した図である。 従来技術の噴射ノズルの説明に供する図で、（ａ）は噴射ノズルから噴射されるガス流を示した図、（ｂ）はそのガス流の流速分布を示した図である。

符号の説明

１ 原料微粒子を含んだガス
１ａ 原料微粒子
２ 噴射ノズル
３ ガス流
３ａ 中心部分のガス流
３ｂ 周辺部分のガス流
４ 基板
５ 第一噴射ノズル
５ａ 開口
６ 第二噴射ノズル
６ａ 開口
７ 原料微粒子を含まないガス
８ ガス流
１４ 減圧チャンバー
１５ ノズル
１６ 基板ホルダー
１７ ＸＹステージ

Claims (4)

1. 原料微粒子を含んだガスを微小なノズルに通すことで加速して減圧チャンバーに導入し、減圧チャンバー内に設置した基板に原料微粒子を衝突させて基板上に膜を堆積させる微粒子成膜法において、
   上記原料微粒子を含んだガスを噴出する第一噴射ノズルの直近に、原料微粒子を含まないガスを噴出する第二噴射ノズルを並置し、その第二噴射ノズルから噴出するガスを、上記第一噴射ノズルから噴出する原料微粒子を含んだガスの流れに隣接して流し、これにより上記第一噴射ノズルから噴出する原料微粒子を含んだガス流の中心部と周辺部の流速の差を低減することを特徴とする微粒子成膜法。
2. 原料微粒子を含んだガスを微小なノズルに通すことで加速して減圧チャンバーに導入し、減圧チャンバー内に設置した基板に原料微粒子を衝突させて基板上に膜を堆積させる微粒子成膜装置において、
   原料微粒子を含んだガスを噴出する第一噴射ノズルの直近に、原料微粒子を含まないガスを噴出する第二噴射ノズルを並置したことを特徴とする微粒子成膜装置。
3. 請求項２記載の微粒子成膜装置において、
   原料微粒子を含んだガスを噴出する第一噴射ノズルの開口部分の形状が長方形であり、少なくとも、その第一噴射ノズルの長方形のノズル開口部分の長辺の両側に、原料微粒子を含まないガスを噴出する第二噴射ノズルの開口部が設置されていることを特徴とする微粒子成膜装置。
4. 請求項２記載の微粒子成膜装置において、
   原料微粒子を含んだガスを噴出する第一噴射ノズルの開口部分の形状が円形または楕円形であり、その第一噴射ノズルの円形または楕円形のノズル開口部分の周辺に、原料微粒子を含まないガスを噴出する第二噴射ノズルのドーナツ型の開口部が設置されていることを特徴とする微粒子成膜装置。

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