JP2006297270A - 構造物の製造方法及び製造装置、構造物 - Google Patents

Abstract

【課題】 エアロゾル内における微粒子の粒径分布及び濃度を均一化する。
【解決手段】 ターゲット材料Ｔをレーザー照射によりアブレーションすることで微粒子ｓを生成し、生成した微粒子ｓをキャリアガスＧ中に分散させてエアロゾル化し、このエアロゾルＡを基材Ｂに吹き付けることによって、微粒子ｓが衝突した基材表面に構造物を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に吹き付けることによって、微粒子が衝突した基材表面に構造物を形成する構造物の製造方法及び製造装置、並びにその構造物に関する。

電子機器の小型化や高周波化に伴って、例えばキャパシタや、レジスタ、インダクタといった受動部品を基板に内蔵した部品内蔵基板の開発が重要となっている。例えば、部品内蔵基板では、このような受動部品を基板に直接形成する必要があるが、特に耐熱温度が３００℃程度のエポキシ系樹脂基板には、低温で高誘電率をもつキャパシタを形成することが要求される。このような要求に対して、脆弱材料や金属の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基板に高速で噴射し、微粒子が基板に衝突する際の機械的衝撃力を利用して、この微粒子からなる多結晶構造物を基板上に直接形成する、いわゆるエアロゾルデポジション法が提案されている（非特許文献１を参照。）。

このエアロゾルデポジション法では、エアロゾル化した微粒子を基板に衝突させ、この衝突による衝撃で微粒子を変形又は破砕し、この変形又は破砕によって新たに生じた活性な表面を介して微粒子同士を再結合させることで、基板上に薄膜など構造物を形成する。また、このようなエアロゾルデポジション法は、例えば圧電駆動型ＭＥＭＳデバイス用のピエゾ素子や、電気光学部材であるＰＬＺＴ系の光変調素子などの作製に応用することも期待されている。

ところで、従来のエアロゾルデポジション法では、エアロゾル中の粒子径分布が大きいと、均一な薄膜を形成することができなくなってしまう。すなわち、このような粗粒が膜中に存在する場合には、この粗粒が存在する部分の周辺に空隙が生じてしまい、そこから膜が剥離してしまうといった問題が発生してしまう。これを解決するために、エアロゾル中の粗粒を除去するための分級手段を設けることが提案されている（特許文献１，２を参照。）。しかしながら、何れも粗粒の分離が不十分であるため、十分に均一な組織を持つ薄膜を基板上に形成することは困難である。

また、従来のエアロゾルデポジション法による成膜装置では、キャリアガスによってタンク内の微粒子を吹き上げながらエアロゾルを生成する仕組みとなっているものの、このエアロゾル内における微粒子の濃度が成膜を継続するに従って低下してしまうといった問題も生じている。したがって、この場合も、十分に均一な組織を持つ薄膜を基板上に形成することは困難である。
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・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 特開平１１−２１６７７号公報 特開２００３−２１３４４９号公報

本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、エアロゾル内における微粒子の粒径分布及び濃度を均一化することによって、高品質の構造物を基材表面に形成することを可能とした構造物の製造方法及び製造装置、並びにその構造物を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る構造物の製造方法は、ターゲット材料をレーザー照射によりアブレーションすることで微粒子を生成し、生成した微粒子をキャリアガス中に分散させてエアロゾル化し、このエアロゾルを基材に吹き付けることによって、微粒子が衝突した基材表面に構造物を形成することを特徴とする。
本発明の請求項２に係る構造物の製造方法は、請求項１において、ターゲット材料として、１２ＣａＯ・７(Ａｌ_２Ｏ_３)、ＢａＴｉＯ_３、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２の中から選ばれる少なくとも１種又は２種以上の多結晶体を用いることを特徴とする。
本発明の請求項３に係る構造物の製造方法は、請求項１又は２において、微粒子の直径を３〜１００ｎｍの範囲とすることを特徴とする。
本発明の請求項４に係る構造物の製造方法は、請求項１〜３の何れか一項において、パルス幅を１０ｆｓ〜２０ｍｓ、繰り返し周波数を１０〜２００Ｈｚの範囲で動作させたＫｒＦエキシマレーザーによってターゲット材料にパルスレーザーを照射することを特徴とする。
本発明の請求項５に係る構造物の製造方法は、請求項１〜４の何れか一項において、キャリアガスとして、Ａｒ又はＨｅを用いることを特徴とする。
本発明の請求項６に係る構造物の製造方法は、請求項１〜５の何れか一項において、エアロゾルの吹付速度を５０〜８００ｍ／ｓの範囲とすることを特徴とする。
本発明の請求項７に係る構造物の製造装置は、ターゲット材料が設置されるターゲット設置部と、ターゲット材料にレーザーを照射するレーザー照射手段とが設けられ、ターゲット材料をレーザー照射によりアブレーションすることで微粒子を生成する第１のチャンバと、基材が設置される基材設置部と、微粒子をキャリアガス中に分散させたエアロゾルを基材に吹き付ける吹付手段とが設けられ、エアロゾルを基材に吹き付ることによって、微粒子が衝突した基材表面に構造物を形成する第２のチャンバとを備えることを特徴とする。
本発明の請求項８に係る構造物の製造装置は、請求項７において、ターゲット材料が、１２ＣａＯ・７(Ａｌ_２Ｏ_３)、ＢａＴｉＯ_３、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２の中から選ばれる少なくとも１種又は２種以上の多結晶体であることを特徴とする。
本発明の請求項９に係る構造物の製造装置は、請求項７又は８において、微粒子の直径が３〜１００ｎｍの範囲にあることを特徴とする。
本発明の請求項１０に係る構造物の製造装置は、請求項７〜９の何れか一項において、レーザー照射手段が、ＫｒＦエキシマレーザーであって、パルス幅を１０ｆｓ〜２０ｍｓ、繰り返し周波数を１０〜２００Ｈｚの範囲で動作させることによって、ターゲット材料にパルスレーザーを照射することを特徴とする。
本発明の請求項１１に係る構造物の製造装置は、請求項７〜１０の何れか一項において、キャリアガスが、Ａｒ又はＨｅであることを特徴とする。
本発明の請求項１２に係る構造物の製造装置は、請求項７〜１１の何れか一項において、吹付手段によるエアロゾルの吹付速度が５０〜８００ｍ／ｓの範囲にあることを特徴とする。
本発明の請求項１３に係る構造物は、請求項１〜６の何れか一項に記載の構造物の製造方法を用いて作製されたことを特徴とする。

以上のように、本発明によれば、ターゲット材料をレーザー照射によりアブレーションすることで微粒子を生成し、生成した微粒子をキャリアガス中に分散させてエアロゾル化することによって、このエアロゾル内における微粒子の粒径分布及び濃度を均一化することができ、このようなエアロゾルを基材に吹き付けることによって、微粒子が衝突した基材表面に高品質の構造物を形成することができる。

以下、本発明を適用した構造物の製造方法及び製造装置について、図面を参照して詳細に説明する。
本発明を適用した構造物の製造装置は、例えば図１に示すように、エアロゾルデポジション法によって基材となる基板材料Ｂ上に薄膜からなる構造物を形成する成膜装置１である。具体的に、この成膜装置１は、ターゲット材料ＴをレーザーＬの照射によりアブレーションすることで微粒子ｓを生成する第１のチャンバ２と、生成した微粒子ｓをキャリアガスＧ中に分散させてエアロゾル化し、このエアロゾルＡを基板材料Ｂに吹き付ることによって、微粒子ｓが衝突した基板材料Ｂ上に薄膜を形成する第２のチャンバ３とを備えている。

第１のチャンバ２は、微粒子生成用チャンバとして減圧可能な空間を構成しており、その内部には、ターゲット材料Ｔが設置されるターゲット設置部４がチャンバ内の上方に位置して設けられている。
このターゲット設置部４に設置されるターゲット材料Ｔとしては、エアロゾルデポジション法に用いられる微粒子ｓを生成する金属材料やセラミックス材料等を用いることができる。また、特に制限されるものではないが、１２ＣａＯ・７(Ａｌ_２Ｏ_３)、ＢａＴｉＯ_３、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２の中から選ばれる少なくとも１種又は２種以上の多結晶体からなる酸化物材料を用いることができる。さらに、ターゲット材料Ｔには、ハンドリングと成形の容易さから、円盤状の多結晶体（焼結体）を用いることが望ましい。
また、このターゲット材料Ｔから生成される微粒子ｓの粒径は、生成雰囲気圧力によっても変化するが、上記ターゲット材料Ｔを用いる場合、工業的に不利とならない範囲で設定することが望ましい。具体的には、この微粒子ｓの粒径が３〜１００ｎｍの範囲にあることが望ましい。微粒子の粒径が３ｎｍ未満になると、成膜速度が遅くなり、粒径が１００ｎｍを超えると、膜の緻密さが低下するためである。

第１のチャンバ２には、レーザー照射手段となるレーザー装置５が設けられており、このレーザー装置５が下方から上記ターゲット材料Ｔに向かってパルスレーザーＬを照射する。このレーザー装置５は、上記ターゲット材料Ｔをレーザー照射によりアブレーションするものであれば特に限定されるものではなく、上記ーゲット材料Ｔを照射する場合、例えば波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザーや、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザー等を用いることができる。そして、このレーザー装置５は、パルス幅を１０ｆｓ〜２０ｍｓ、繰り返し周波数を１０〜２００Ｈｚの範囲で動作させながら、ターゲット材料Ｔに対してパルスレーザーＬを照射することが望ましい。

すなわち、このパルスレーザーＬのパルス幅が２０ｍｓを超えると、アブレーションに必要なエネルギーを照射することが困難となる。一方、このパルスレーザーＬのパルス幅が１０ｆｓ未満になると、装置が非常に大がかり且つ高価となる。また、レーザーＬを安定して発振させることが困難となる。また、このパルスレーザーＬの繰り返し周波数が１０Ｈｚ未満になると、成膜速度が著しく低下する。一方、このパルスレーザーＬの繰り返し周波数が２００Ｈｚを超えると、成膜速度をそれ以上上げることが困難となる。

第１のチャンバ２には、ガス供給手段であるボンベ６が配管７を介して接続されている。そして、このボンベ６に充填されたキャリアガス（単にガスともいう。）Ｇが配管７を通して第１のチャンバ２内に供給されることになる。また、ボンベ６から第１のチャンバ２に供給されるガスＧの流量は、配管７に設けられたマスフローコントローラ８によって制御することができる。
キャリアガスＧは、第１のチャンバ２内で微粒子ｓと混合されてエアロゾルＡを構成するものであれば特に限定されるものではなく、例えばＡｒや、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｎ_２等の不活性ガスを用いることができる。

第２のチャンバ３は、成膜用チャンバとして外気と隔離された減圧可能な空間を構成しており、この第２のチャンバ３には、減圧手段となる真空ポンプ９が配管１０を介して接続されている。そして、この配管１０を通して真空ポンプ９が第２のチャンバ３内を減圧することになる。また、配管１０には、微粒子ｓが真空ポンプ９に吸引されるのを防ぐために、微粒子ｓを捕集するためのフィルタ１１が設けられている。

第２のチャンバ３内には、基板材料Ｂが設置される基材設置部１２がチャンバ内の上方に位置して設けられている。この基材設置部１２は、支軸１３を介して基板材料Ｂを回転可能に保持する回転ホルダである。これにより、後述するエアロゾルＡを基板材料Ｂの全面に亘って均一に吹き付けることが可能となっている。
基板材料Ｂとしては、特に限定されるものではなく、例えば、エポキシ系樹脂基板、シリコン等の半導体基板、セラミックスやガラス等の絶縁体基板、或いは金属等の導電体基板などを用いることができる。

第２のチャンバ３には、吹付手段となるノズル１４が設けられており、このノズル１４が下方から上記基板材料Ｂに向かってエアロゾルＡを吹き付ける。このノズル１４は、図示を省略する噴射装置に接続されており、この噴射装置は、第１のチャンバ２に接続された移送管１５を通して供給されたエアロゾルＡをノズル１４から基板材料Ｂに向けて高速で噴射する。
このノズル１４から基板材料Ｂに対して吹き付けられるエアロゾルＡの吹付速度は、５０〜８００ｍ／ｓの範囲とすることが望ましい。すなわち、このエアロゾルＡの吹付速度が５０ｍ／ｓ未満になると、微粒子ｓが基板に衝突する際の機械的衝撃力が不足し、成膜速度が著しく低下する。一方、このエアロゾルＡの吹付速度が８００ｍ／ｓを超えると、過剰なエネルギーにより基板及びこの基板上に成膜された膜にダメージを与えてしまう。また、成膜された膜の一部がエッチングされるため、全体の成膜速度が低下してしまう。

本発明を適用した構造物の製造方法では、上記成膜装置１を用いて、基板材料Ｂ上に薄膜をエアロゾルデポジション法によって形成する。
具体的には、先ず、レーザー装置５が第１のチャンバ２内のターゲット材料ＴにパルスレーザーＬを照射し、このターゲット材料Ｔをアブレーションすることで微粒子ｓを生成する。すなわち、ターゲット材料ＴにパルスレーザーＬが照射されると、このターゲット材料Ｔの表面近傍でパルスレーザーＬのほとんどが吸収される結果、ターゲット表面の温度が急激に上昇して、アブレーションプラズマＰが形成される。すると、アブレーションによりターゲット材料Ｔから分子やイオンクラスターの状態となって飛散したもの同士が衝突を繰り返しながら、反応して冷却されて、均質な微粒子ｓとなる。そして、生成された微粒子ｓは、ボンベ６から第１のチャンバ２内に供給されたキャリアガスＧによって第１のチャンバ２内でエアロゾル化する。

次に、第１のチャンバ２内で生成されたエアロゾルＡを、噴射装置が移送管１５を通してノズル１４から高速で噴射する。そして、このノズル１４から噴出されたエアロゾルＡを第２のチャンバ３内の基板材料Ｂに吹き付けることによって、微粒子ｓが衝突した基板材料Ｂの表面に薄膜を形成する。

以上のように、本発明では、パルスレーザーＬの照射により基板材料Ｂをアブレーションすることで、粒径の揃った均質な微粒子ｓを第１のチャンバ２内で連続的に生成することができ、この生成された微粒子ｓをキャリアガスＧ中に分散させてエアロゾル化することによって、微粒子ｓの濃度が一定で、なお且つ、微粒子ｓの粒径が揃ったエアロゾルＡをノズル１４に連続的に供給することができる。
したがって、本発明では、このエアロゾルＡ中の微粒子ｓが衝突した基板材料Ｂの表面に、膜の剥離や成膜速度の変化を抑制し、なお且つ、均一性に優れた高品質の薄膜を形成することができる。また、本発明では、従来のようにエアロゾル発生器と成膜チャンバとの間に破砕器や分級器を設置する必要がないため、装置全体の構造を簡素化して更なる小型化を図ることができる。

また、上記成膜装置１では、例えば図２に示すように、第２のチャンバ３内にスパッタ法によって成膜を行うスパッタ成膜装置２０を設けた構成とすることもできる。具体的に、このスパッタ成膜装置２０は、水冷式のターゲットホルダ２１に設置されたターゲット材料Ｔ’に対してプラズマを作用させ、スパッタリングにより叩き出されたスパッタ粒子ｓ’を上記基板材料Ｂ上に付着させて成膜を行う。
この場合、基板材料Ｂ上に金属などの電極材料を成膜することができるため、上記エアロゾルデポジション法によって、例えばＢａＴｉＯ_３などの誘電体薄膜と、上記スパッタ法によって、例えばＡｕなどの導電体膜（電極膜）とを交互に成膜することによって、キャパシタなどの電気素子を形成することができる。また、このようなキャパシタに限らず、ターゲット材料とマスクパターンを変えることで、様々な電気素子を形成することができる。

以下、実施例により本発明の効果をより明らかなものとするが、以下の実施例は本発明の技術範囲を限定するものではない。
本実施例では、基材となるエポキシ樹脂基板上に、Ａｕからなる一対の導電体膜（電極層）の間にＢａＴｉＯ_３からなる誘電体薄膜が挟み込まれたキャパシタを作製した。
具体的には、先ず、エポキシ樹脂基板の片面に蒸着によりＡｕ膜を成膜した。蒸着には、市販の蒸着装置を用い、膜厚が２００ｎｍになるように蒸着時間を調整した。また、蒸着時にマスクを用いて、Ａｕ膜の形状を２０ｍｍ×３０ｍｍの長方形とした。

次に、このエポキシ樹脂基板のＡｕ膜上に、本発明のエアロゾルデポジション法と同じ方法を用いて、ＢａＴｉＯ_３膜を成膜した。ターゲット材料には、ＢａＴｉＯ_３の多結晶体（焼結体）を用いた。ターゲット材料は、市販のＢａＴｉＯ_３粒子を冷間等方圧プレスでペレット化し、焼成して作製した。また、バインダーとして、ポリビニルアルコール水溶液を加え、大気中で１３５０℃で５時間焼成して作製した。
そして、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザーを用いて、パルス幅を１０ｍｓ、繰り返し周波数を１０Ｈｚで動作させながら、ターゲット材料にパルスレーザーを照射した。このとき、キャリアガスＧとして、Ａｒを５Ｌ／ｍｉｎの割合で導入した。
そして、ターゲット材料のアブレーションにより生成された微粒子をキャリアガス中に分散させることでエアロゾル化し、このエアロゾルをノズルから高速で噴射してエポキシ樹脂基板に吹き付けた。これにより、微粒子が衝突したエポキシ樹脂基板のＡｕ膜上に、ＢａＴｉＯ_３膜を成膜した。このとき、ノズル１４の口径は、１．０ｍｍであり、エアロゾルの吹付速度は、１００ｍ／ｓｅｃとした。また、エアロゾルを基板表面に対して４５゜の角度で吹き付けた。基板表面とノズル先端との距離は、５５ｍｍとし、成膜時にエポキシ樹脂基板を１０ｒｐｍで回転させた。また、成膜時にマスクを用いて、ＢａＴｉＯ_３膜の形状を１７ｍｍ×１７ｍｍの正方形とした。

次に、このエポキシ樹脂基板のＢａＴｉＯ_３膜上に、再び蒸着によりＡｕ膜を成膜した。蒸着には、市販の蒸着装置を用い、膜厚が２００ｎｍになるように蒸着時間を調整した。また、蒸着時にマスクを用いて、Ａｕ膜の形状を１５ｍｍ×１５ｍｍの正方形とした。

以上の手順で作製されたキャパシタの一対のＡｕ膜に、電気容量を測定するためのＣｕ配線を接合した。このＣｕ配線の接合には、導電性Ａｇペーストを用いた。そして、このエポキシ樹脂基板上に形成されたキャパシタの電気容量を市販のＬＣＲメーターを用いて測定したところ、電極面積当たりの電気容量が５５ｎＦ／ｃｍ^２と十分な値を示した。このことから、本発明により、常温でエポキシ樹脂基板上にＢａＴｉＯ_３を用いたキャパシタを形成できることがわかった。

本発明は、エアロゾルデポジション法を用いた成膜によって得られる種々の電子素子、例えばキャパシタ等の製造などに利用することができる。

図１は、本発明を適用した成膜装置の一構成例を示す模式図である。 図２は、本発明を適用した成膜装置の変形例を示す模式図である。

符号の説明

１…成膜装置、２…第１のチャンバ、３…第２のチャンバ、４…ターゲット設置部、５…レーザー装置、６…ボンベ、９…真空ポンプ、１２…基材設置部、１４…ノズル、２０…スパッタ成膜装置

Claims (13)

1. ターゲット材料をレーザー照射によりアブレーションすることで微粒子を生成し、生成した微粒子をキャリアガス中に分散させてエアロゾル化し、このエアロゾルを基材に吹き付けることによって、前記微粒子が衝突した基材表面に構造物を形成することを特徴とする構造物の製造方法。
2. 前記ターゲット材料として、１２ＣａＯ・７(Ａｌ_２Ｏ_３)、ＢａＴｉＯ_３、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２の中から選ばれる少なくとも１種又は２種以上の多結晶体を用いることを特徴とする請求項１に記載の構造物の製造方法。
3. 前記微粒子の直径を３〜１００ｎｍの範囲とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の構造物の製造方法。
4. パルス幅を１０ｆｓ〜２０ｍｓ、繰り返し周波数を１０〜２００Ｈｚの範囲で動作させたＫｒＦエキシマレーザーによって前記ターゲット材料にパルスレーザーを照射することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の構造物の製造方法。
5. 前記キャリアガスとして、Ａｒ又はＨｅを用いることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の構造物の製造方法。
6. 前記エアロゾルの吹付速度を５０〜８００ｍ／ｓの範囲とすることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の構造物の製造方法。
7. ターゲット材料が設置されるターゲット設置部と、前記ターゲット材料にレーザーを照射するレーザー照射手段とが設けられ、前記ターゲット材料をレーザー照射によりアブレーションすることで微粒子を生成する第１のチャンバと、
   基材が設置される基材設置部と、前記微粒子をキャリアガス中に分散させたエアロゾルを前記基材に吹き付ける吹付手段とが設けられ、前記エアロゾルを前記基材に吹き付ることによって、前記微粒子が衝突した基材表面に構造物を形成する第２のチャンバとを備えることを特徴とする構造物の製造装置。
8. 前記ターゲット材料は、１２ＣａＯ・７(Ａｌ_２Ｏ_３)、ＢａＴｉＯ_３、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２の中から選ばれる少なくとも１種又は２種以上の多結晶体であることを特徴とする請求項７に記載の構造物の製造装置。
9. 前記微粒子の直径が３〜１００ｎｍの範囲にあることを特徴とする請求項７又は８に記載の構造物の製造装置。
10. 前記レーザー照射手段は、ＫｒＦエキシマレーザーであって、パルス幅を１０ｆｓ〜２０ｍｓ、繰り返し周波数を１０〜２００Ｈｚの範囲で動作させることによって、前記ターゲット材料にパルスレーザーを照射することを特徴とする請求項７〜９の何れか一項に記載の構造物の製造装置。
11. 前記キャリアガスは、Ａｒ又はＨｅであることを特徴とする請求項７〜１０の何れか一項に記載の構造物の製造装置。
12. 前記吹付手段による前記エアロゾルの吹付速度が５０〜８００ｍ／ｓの範囲にあることを特徴とする請求項７〜１１の何れか一項に記載の構造物の製造装置。
13. 前記請求項１〜６の何れか一項に記載の構造物の製造方法を用いて作製されたことを特徴とする構造物。

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