JP2007319756A - エアロゾル発生装置、および成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エアロゾルを安定的に供給できるエアロゾル発生装置および成膜装置を提供することにある。
【解決手段】エアロゾル発生器１０の内部で流動層Ｍ’を形成することにより、材料粒子Ｍの凝集・固化の回避、および層高方向での均一な粒度分布を実現できる。これとともに、流動層Ｍ’から直接に材料粒子Ｍを吸引するのでなく、超音波搬送板３０によって流動層Ｍ’の上端からエアロゾル送出管２１の吸込口２１Ａまで材料粒子Ｍを搬送し、この超音波搬送板３０から材料粒子Ｍを吸引する。さらに、超音波搬送板３０が搬送方向と交差方向に並列する複数個のスリット３４を備える。これにより、吸込口２１Ａでの目詰まりを防止してエアロゾルを定量的に供給することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、エアロゾル発生装置、および成膜装置に関する。

インクジェットプリンタのインクジェットヘッド等に用いられる圧電アクチュエータの製造方法として、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）と呼ばれるものがある。これは、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電材料の微粒子を気体中に分散させたもの（エアロゾル）を基板表面に向けて噴射させ、微粒子を基板上に衝突・堆積させることにより圧電膜を形成させるものである。

このようなＡＤ法において、エアロゾルを発生させるための機構としては、加振装置を備えるものがある（特許文献１参照）。これは、エアロゾル形成室内においてキャリアガスのガス圧で材料粒子を吹き上げるととともに、加振装置によってエアロゾル形成室を振動させることで、材料粒子とキャリアガスとを混合してエアロゾルを発生させるものである。発生したエアロゾルは、エアロゾル形成室と成膜チャンバとの差圧を利用してノズルに送られる。
その他、粉体タンク内で材料粒子の流動層を形成させ、ポンプの働きにより流動状態の粉体を吸引管内に吸引して噴出ガンに送る吸引方式のものも存在する（特許文献２参照）。
特開２００３−２９３１５９公報 特開２００１−１７０５５１号公報

ところで、成膜の安定性を確保するためには、基板に噴き付けられるエアロゾルの濃度を一定に保つことが重要となる。しかし、加振装置によりエアロゾルを発生させるタイプのものでは、振動により材料粒子が徐々に凝集・固化して流動性を失い、エアロゾル濃度が低下してしまうことがあった。一方、吸引方式のものでは、凝集粒子が狭い吸引管やポンプの内部で目詰まりしてしまい、エアロゾルの安定供給が損なわれることがあった。

本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、エアロゾルを安定的に供給できるエアロゾル発生装置および成膜装置を提供することにある。

本発明のエアロゾル発生装置は、材料粒子がキャリアガスに分散されたエアロゾルを発生させるエアロゾル発生装置であって、前記キャリアガスを透過可能な透孔を備えた仕切部材によって上側の流動層室と下側の送風室との２室に仕切られるとともに前記流動層室内に前記材料粒子を収容可能な容器と、前記送風室に前記キャリアガスを供給するガス供給部と、前記流動層室にその一端部が挿入されたエアロゾル送出管と、前記流動層室内で形成される前記材料粒子の流動層の表層面と前記エアロゾル送出管の一端部に開口した吸込口との間に渡されて前記材料粒子を超音波振動により前記流動層から前記吸込口へ搬送する超音波搬送部と、を備え、前記超音波搬送部が、前記材料粒子が搬送される搬送面を備える振動板と、その振動板に形成されて前記材料粒子の搬送方向と交差方向に並列する複数個のスリットとを備えるものである。

また、本発明の成膜装置は、キャリアガスを透過可能な透孔を備えた仕切部材によって上側の流動層室と下側の送風室との２室に仕切られるとともに前記流動層室内に材料粒子を収容可能な容器と、前記送風室に前記キャリアガスを供給するガス供給部と、前記流動層室にその一端部が挿入されたエアロゾル送出管と、前記流動層室内で形成される前記材料粒子の流動層の表層面と前記エアロゾル送出管の一端部に開口した吸込口との間に渡されて前記材料粒子を超音波振動により前記流動層から前記吸込口へ搬送する超音波搬送部と、を備えるエアロゾル発生部と、前記エアロゾル送出管の他端部と接続されて前記エアロゾルを被処理材に向けて噴射する噴出ノズルと、を備え、前記超音波搬送部が、前記材料粒子が搬送される搬送面を備える振動板と、その振動板に形成されて前記材料粒子の搬送方向と交差方向に並列する複数個のスリットとを備えるものである。

本発明のエアロゾル発生装置および成膜装置において、隣り合うスリット間の距離がスリット幅よりも狭くされていることが好ましい。このような構成によれば、本来ふるい落とされるべき、粒径がスリット間距離よりも大きな凝集粒子が、スリットから落下できずに目詰まりしてしまうということがなく、確実に脱落していくこととなる。これにより、エアロゾルに含まれる粒子の粒径を均一化、細粒化することができる。

また、スリット幅が材料粒子に含まれる凝集粒子の最大粒径よりも大きくされていることが好ましい。このような構成によれば、粒径の大きな凝集粒子を確実に取り除いて、エアロゾルに含まれる粒子の粒径を均一化、細粒化することができる。

本発明によれば、流動層を形成することにより、材料粒子の凝集・固化の回避、および層高方向での均一な粒度分布を実現できる。これとともに、流動層から直接に材料粒子を吸引するのでなく、超音波搬送部によって流動層の表層部からエアロゾル送出管の吸込口まで材料粒子を搬送し、この超音波搬送部からエアロゾル送出管内に材料粒子を吸引する。これにより、吸込口での目詰まりを防止してエアロゾルを安定供給することができる。
また、超音波搬送部には、搬送方向と交差方向に並列する複数個のスリットが備えられている。このような構成によれば、スリットのふるい作用により、径の大きな凝集粒子はスリットから落下し、隣り合うスリットの間を通過可能な程度に小さな粒子のみがエアロゾル送出管の吸込口に到達できる。これにより、吸込口での目詰まりを防止してエアロゾルを安定供給することができる。
さらに、スリットのふるい作用により、エアロゾルに含まれる粒子の粒径を均一化、細粒化することができる。したがって、上記のようなエアロゾル発生装置（エアロゾル発生部）を備えた成膜装置により成膜を行えば、形成される膜の品質を向上させることができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態について、図１〜図３を参照しつつ詳細に説明する。

図１には、本発明を具体化した成膜装置１の概略図を示す。この成膜装置１は、材料粒子Ｍをキャリアガスに分散させてエアロゾルを形成するためのエアロゾル発生器１０（本発明のエアロゾル発生部、およびエアロゾル発生装置に該当する）、およびエアロゾルを噴出ノズル２３から噴出させて基板（被処理材）に付着させるための成膜チャンバ２０を備えている。

まず、エアロゾル発生器１０について説明する。エアロゾル発生器１０は円筒容器状に形成された本体部１１（本発明の容器に該当する）を備え、この本体部１１は内部に設置されたフィルタ１２（本発明の仕切部材に該当する）によって上下２室に仕切られている。フィルタ１２は、キャリアガスは透過できるが材料粒子Ｍは通過できない程度の大きさの透孔を備えるものであれば良く、例えば孔径５μｍのメンブレンフィルタにより構成される（図２を併せて参照）。

本体部１１においてフィルタ１２の下側の一室は送風室１３とされており、ここには、キャリアガスを供給するためのガスボンベＧがガス供給管１５を介して接続されている。（このガスボンベＧおよびガス供給管１５が本発明のガス供給部を構成する。）キャリアガスとしては、例えばヘリウム、アルゴン、窒素等の不活性ガスや空気、酸素等を使用することができる。

一方、本体部１１においてフィルタ１２の上側の一室は流動層室１４とされており、その内部には材料粒子Ｍを投入できるようになっている。キャリアガスが送風室１３へ供給されると、このキャリアガスがフィルタ１２を通って流動層室１４内へ噴き上がることによって材料粒子Ｍが流動化され、フィルタ１２の上側に流動層Ｍ’が形成される。

流動層室１４内には、エアロゾル送出管２１の一方の端部が挿入されている。このエアロゾル送出管２１は、流動層室１４内で発生したエアロゾルを後述の噴出ノズル２３に送るためのものである。このエアロゾル送出管２１の先端の開口は、流動層室１４から材料粒子Ｍを吸引するための吸込口２１Ａとされている。この吸込口２１Ａは、流動層Ｍ’の表層面よりもやや上方に位置している。

また、流動層室１４内において、流動層Ｍ’の表層面とエアロゾル送出管２１の吸込口２１Ａとの間には、流動層Ｍ’に含まれる材料粒子Ｍをエアロゾル送出管２１の吸込口２１Ａへ搬送するための超音波搬送板３０（本発明の超音波搬送部に該当する）が渡されている。

この超音波搬送板３０は、超音波モータと同様の原理で駆動力を得るものであって、ステンレス等の金属によって薄板状に形成された振動板３１を備えている(図３Ａ〜図３Ｃ参照）。この振動板３１の表裏両面のうち一面（流動層室１４内に設置されたときに上を向く面）は、その面上を材料粒子Ｍが移動していく搬送面３１Ａとされている。一方、振動板３１の他方の面（流動層室１４内に設置されたときに下を向く面）には、圧電材料により形成された薄膜状の圧電層３２Ａ、３２Ｂが、材料粒子Ｍの搬送方向における両端に１つずつ設けられている。そして、これら圧電層３２Ａ、３２Ｂにおいて振動板３１と接している面とは逆側の面（下面）には、個別電極３３Ａ、３３Ｂがそれぞれ設けられている。

ここで、超音波搬送板３０の動作原理を説明する。一対の個別電極３３Ａ、３３Ｂに互いに位相がずれた高周波交流電圧を印加する。（なお、振動板３１はＧＮＤとなるようにアースしておく。）すると２つの定在波振動が生じ、その２つの定在波が合成されて進行波（図３Ａ中一点鎖線で示す）が形成される。超音波搬送板３０上の材料粒子Ｍは、この進行波の谷の部分に位置し、進行波に乗って運ばれる。

この超音波搬送板３０には、板厚方向に貫通する複数のスリット３４が、搬送方向と直交方向に並列されている。各スリット３４はそのスリット長さ方向が搬送方向（図３Ａ、図３Ｂ中実線矢印方向）に沿う向きに形成されている。隣り合うスリット３４の間の細板状の部分は、材料粒子Ｍが通過可能な通路３５とされている。なお、本実施形態では、隣り合うスリット３４間の距離（通路３５の幅Ｗ２）がスリット幅Ｗ１よりも狭くされている。

この超音波搬送板３０は搬送方向下流側に向かって上るように傾けられている。そして、その下端部（搬送方向上流側）は下側の端縁から２〜３ｍｍ程度上までの領域が流動層Ｍ’に埋没し、一方、上端部（搬送方向下流側）は上側の端縁とスリット３４の上端位置との間の位置でエアロゾル送出管２１の吸込口２１Ａに接するようにされている。

次に、成膜チャンバ２０について説明する。成膜チャンバ２０には、基板Ｂを取り付けるためのステージ２２と、このステージ２２の下方に設けられた噴出ノズル２３が備えられている。噴出ノズル２３は、全体として上下に開口した円筒状に形成されており、上側の開口部は、スリット状の噴出口２３Ａとされている。また、下側の開口部はエアロゾル送出管２１の他端部（流動層室１４に挿入されている側とは逆側の端部）に接続されており、流動層室１４内の材料粒子Ｍがエアロゾル送出管２１を通って噴出ノズル２３に供給されるようになっている。

ステージ２２は矩形板状をなし、ステージ移動機構２４によって水平姿勢で天井から吊り下げられて、下面側に基板Ｂを保持することができるようになっている。ステージ移動機構２４は、図示しない制御装置からの指令に応じて駆動されるものであり、ステージ２２をその板面と平行な面内において移動させる。これにより、噴出ノズル２３を基板Ｂに対して相対的に移動させることが可能とされている。
また、この成膜チャンバ２０には、粉体回収装置２５を介して真空ポンプＰが接続されており、その内部を減圧できるようにされている。

次に、上記のように構成された成膜装置１を用いて膜の形成を行う方法について説明する。

成膜装置１を用いて材料粒子Ｍの膜を形成する際には、まず、基板Ｂをステージ２２にセットする。次いで、流動層室１４の内部に材料粒子Ｍを投入する。材料粒子Ｍとしては、例えば一次粒子径が０．１μｍ〜３μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、またはアルミナを使用することができる。この場合、一次粒子が凝集して形成される凝集粒子Ｍｃの粒子径は一般に１０μｍ〜２ｍｍ程度である。

次いで、ガスボンベＧからガス供給管１５を介してキャリアガスを送風室１３に供給する。供給されたキャリアガスがフィルタ１２を通って上方に向かって噴き上げられると、流動層室１４内の材料粒子Ｍが流動化し、フィルタ１２の上側に流動層Ｍ’が形成される。この流動層Ｍ’においては、材料粒子Ｍがキャリアガスに分散した状態、すなわち、エアロゾル状態となっている。なお、送風室１３に送られるキャリアガスの流量は、材料粒子Ｍが上記の粒子径をもつ場合、例えば一平方センチメートルあたり１００ｃｃ/ｍｉｎ程度であればよい。

次いで、超音波搬送板３０の個別電極３３に高周波交流電圧を印加する。このとき、上記に説明したように２組の個別電極３３Ａ、３３Ｂに印加される電圧の位相を互いにずらすことで進行波を発生させる。すると、流動層Ｍ’に含まれる材料粒子Ｍが進行波に運ばれて振動板３１の搬送面３１Ａ上を登っていく。
スリット３４が設けられた位置まで材料粒子Ｍが到達すると、隣り合うスリット３４間の距離（通路の幅Ｗ２）よりも小さな粒径を持つ材料粒子Ｍのみが通路３５を通って上り、これよりも大きな粒径をもつ材料粒子Ｍはスリット３４から落下する。ここで、本実施形態では通路３５の幅Ｗ２がスリット幅Ｗ１よりも狭くされているから、ふるい落とされるべき粒子、すなわち粒径が通路３５の幅Ｗ２よりも大きな材料粒子Ｍがスリット３４から落下できずに目詰まりしてしまうという事態が回避され、径の大きな凝集粒子Ｍｃが確実に取り除かれる。

なお、材料粒子Ｍは重力に逆らって超音波搬送板３０の搬送面３１Ａ上を登っていくこととなるため、搬送面３１Ａの傾斜角度と振動周波数とによって、搬送面３１Ａを登ることのできる材料粒子Ｍの最大径が決まる。すなわち、傾斜角度が大きいほど搬送面３１Ａを上ることのできる材料粒子Ｍの最大径は小さくなる。しかし、傾斜角度を極端に大きくすると径の十分小さな材料粒子Ｍまで搬送面３１Ａを登ることが難しくなり、エアロゾル濃度の低下につながる。一方、振動周波数を大きくすると搬送面３１Ａ上を登ることのできる材料粒子Ｍの最大径は大きくなる。
スリット幅Ｗ１は、基本的には搬送面３１Ａ上を登ることのできる材料粒子Ｍのうち最大径のものが落下できる大きさとされていればよいが、あまり大きすぎれば材料粒子Ｍの落下量が増大し、搬送される材料粒子Ｍの総量が減少するためにエアロゾル濃度が低下してしまう。このことより、スリット幅Ｗ１は径の大きな凝集粒子Ｍｃを落下させることが可能な範囲でできるだけ狭いことが好ましく、さらに、搬送面３１Ａの傾斜角度、および振動周波数をも考慮して決定されることが好ましい。さらに、通路３５の幅Ｗ２は、ふるい落としたい材料粒子Ｍの最小径よりも小さくされていれば良い。
例えば、材料粒子Ｍが上記の粒子径をもつ場合、搬送面３１Ａの傾斜角度を１５°とし、一方の個別電極３３Ａに振動数５０ｋＨｚの定常波を発生させ、他方の個別電極３３Ｂには同周波数の進行波を発生させ、１ｃｍ/ｓｅｃの搬送速度になるように進行波の位相と振動数とを調節した場合、搬送面３１Ａを登ることのできる材料粒子Ｍの最大径は約２ｍｍ（すなわち、発生し得る凝集粒子Ｍｃがすべて搬送される）となる。この場合、スリット幅Ｗ１は２．２ｍｍ、スリットの長さは１０ｍｍ、通路３５の幅Ｗ２は１．０ｍｍとされることが適切である。

これとともに、成膜チャンバ２０内を真空ポンプＰにより減圧する。すると、流動層室１４と成膜チャンバ２０との間の差圧により、超音波搬送板３０によって搬送された材料粒子Ｍが流動層室１４内のキャリアガスとともにエアロゾル送出管２１内に吸引され、エアロゾル状態となって高速に加速されつつ噴出ノズル２３へ送られる。

噴出ノズル２３に送られたエアロゾルは噴出口２３Ａから基板Ｂに向かって噴出する。噴出したエアロゾルに含まれる材料粒子Ｍは基板Ｂに衝突して固着し、圧電膜を形成する。このとき、ステージ移動機構２４によってステージ２２を動かすことで基板Ｂに対する噴出ノズル２３の相対位置を少しずつずらしながらエアロゾルの吹き付けを行う。これにより、基板Ｂの全面にわたって膜が形成される。

基板Ｂに衝突した後のエアロゾルは、真空ポンプＰの吸引力によって粉体回収装置２５側へ排出される。

以上のように本実施形態によれば、エアロゾル発生器１０の内部で流動層Ｍ’を形成することにより、材料粒子Ｍの凝集・固化の回避、および層高方向での均一な粒度分布を実現できる。これとともに、流動層Ｍ’から直接に材料粒子Ｍを吸引するのでなく、超音波搬送板３０によって流動層Ｍ’の上端からエアロゾル送出管２１の吸込口２１Ａまで材料粒子Ｍを搬送し、この超音波搬送板３０から材料粒子Ｍを吸引する。これにより、吸込口２１Ａでの目詰まりを防止してエアロゾルを定量的に供給することができる。

また、超音波搬送板３０が搬送方向と交差方向に並列する複数個のスリット３４を備えるとともに、隣り合うスリット３４間の距離、すなわち通路３５の幅Ｗ２がスリット幅Ｗ１よりも狭くされている。このような構成によれば、スリット３４のふるい作用により、径の大きな凝集粒子Ｍｃはスリット３４から落下し、隣り合うスリット３４の間の通路３５を通過可能な程度に小さな材料粒子Ｍのみがエアロゾル送出管２１の吸込口２１Ａに到達できる。これにより、吸込口２１Ａでの目詰まりを防止してエアロゾルを安定供給することができる。
さらに、スリット３４のふるい作用により、エアロゾルに含まれる材料粒子Ｍの粒径を均一化、細粒化することができる。したがって、形成される膜の品質を向上させることができる。

加えて、スリット幅Ｗ１が凝集粒子Ｍｃの最大粒径よりも大きくされていれば、粒径の大きな凝集粒子Ｍｃを確実に取り除いて、エアロゾルに含まれる材料粒子Ｍの粒径の均一化、および細粒化を図ることができる。

＜変形例＞
図４には、変形例の超音波搬送板４０の上面図を示した。
本変形例の超音波搬送板４０には、スリット４１、４２、４３からなるスリット列の複数が材料粒子Ｍの搬送方向に沿って並列されている。この超音波搬送板４０は、第１実施形態と同様の構成の成膜装置１のエアロゾル発生器１０内に、第１実施形態と同様に設置されて使用される。本変形例によれば、スリット列が複数設けられているので、スリット列が単列のものと比べて凝集粒子のふるい落とし効率を向上させることができ、エアロゾルに含まれる材料粒子Ｍの粒径の均一化、および細粒化をより確実に実現できる。

＜他の実施形態＞
本発明の技術的範囲は、上記した実施形態によって限定されるものではなく、例えば、次に記載するようなものも本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）上記実施形態において、エアロゾル送出管２１の吸込口２１Ａを超音波搬送板３０、４０の搬送面に沿って水平方向（搬送方向と交差方向）に移動させてもよい。このようにすれば、特定の位置からの吸い込みを続けることによって粒子分布が不均一化するという弊害を回避し、供給されるエアロゾルの濃度をいっそう安定させることができる。
あるいは、吸込口２１Ａを水平方向に幅広に形成しても同様の効果を得ることができる。

（２）上記実施形態においては、通路の幅Ｗ２はスリット幅Ｗ１よりも狭くされているが、通路の幅Ｗ２がスリット幅Ｗ１と同等またはそれよりも広くされていても構わない。

実施形態の成膜装置の概略図 エアロゾル発生器の概略断面図 超音波搬送板の側断面図 超音波搬送板の上面図 超音波搬送板の下面図 変形例の超音波搬送板の上面図

符号の説明

１…成膜装置
１０…エアロゾル発生器（エアロゾル発生部、エアロゾル発生装置）
１１…本体部（容器）
１２…フィルタ（仕切部材）
１３…送風室
１４…流動層室
２１…エアロゾル送出管
２１Ａ…吸込口
２３…噴出ノズル
３０、４０…超音波搬送板（超音波搬送部）
３３、４１、４２、４３…スリット
Ｂ…基板（被処理材）
Ｍ…材料粒子
Ｍ’…流動層

Claims (4)

1. 材料粒子がキャリアガスに分散されたエアロゾルを発生させるエアロゾル発生装置であって、
   前記キャリアガスを透過可能な透孔を備えた仕切部材によって上側の流動層室と下側の送風室との２室に仕切られるとともに前記流動層室内に前記材料粒子を収容可能な容器と、
   前記送風室に前記キャリアガスを供給するガス供給部と、
   前記流動層室にその一端部が挿入されたエアロゾル送出管と、
   前記流動層室内で形成される前記材料粒子の流動層の表層面と前記エアロゾル送出管の一端部に開口した吸込口との間に渡されて前記材料粒子を超音波振動により前記流動層から前記吸込口へ搬送する超音波搬送部と、
   を備え、
   前記超音波搬送部が、前記材料粒子が搬送される搬送面を備える振動板と、その振動板に形成されて前記材料粒子の搬送方向と交差方向に並列する複数個のスリットとを備える、エアロゾル発生装置。
2. 前記複数個のスリットは、隣り合う前記スリット間の距離が前記スリットのスリット幅よりも狭くされている請求項１に記載のエアロゾル発生装置。
3. 前記スリットのスリット幅が前記材料粒子に含まれる凝集粒子の最大粒径よりも大きくされている請求項１または請求項２に記載のエアロゾル発生装置。
4. キャリアガスを透過可能な透孔を備えた仕切部材によって上側の流動層室と下側の送風室との２室に仕切られるとともに前記流動層室内に材料粒子を収容可能な容器と、
   前記送風室に前記キャリアガスを供給するガス供給部と、
   前記流動層室にその一端部が挿入されたエアロゾル送出管と、
   前記流動層室内で形成される前記材料粒子の流動層の表層面と前記エアロゾル送出管の一端部に開口した吸込口との間に渡されて前記材料粒子を超音波振動により前記流動層から前記吸込口へ搬送する超音波搬送部と、
   を備えるエアロゾル発生部と、
   前記エアロゾル送出管の他端部と接続されて前記エアロゾルを被処理材に向けて噴射する噴出ノズルと、
   を備え、
   前記超音波搬送部が、前記材料粒子が搬送される搬送面を備える振動板と、その振動板に形成されて前記材料粒子の搬送方向と交差方向に並列する複数個のスリットとを備える、成膜装置。

Images