JP2008119634A - 成膜装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】複雑な駆動制御構成としたり、設備を大きくすることなく、面積の大きな被処理体に対しても均一にミストを噴霧して、形成される膜の厚さを均一にすることを可能とした成膜装置を提供する。
【解決手段】本発明の成膜装置1は、スプレー熱分解法により被処理体2の一面上に薄膜を形成する成膜装置であって、前記被処理体を載置する支持手段11と、前記被処理体の一面に向けて、前記薄膜の原料溶液からなるミスト3を噴霧する吐出手段12と、を少なくとも備える。また、前記吐出手段が備えるノズルは、ミスト搬入側となる第一の部位12aと、ミスト吐出側となる第二の部位12bと、前記第一の部位と前記第二の部位とを接続する第三の部位12cとを有し、前記吐出手段は、前記第二の部位から吐出するミストの面速を調整するミスト制御手段13をさらに備えている。
【選択図】図1

Description

本発明は、スプレー熱分解法による成膜装置に関する。
スプレー熱分解法は、加熱された基板に向けて原料溶液を噴霧することにより、反応初期には基板表面に付着した液滴中の溶媒蒸発と、溶質の熱分解に続く加水分解反応、および熱酸化反応することにより結晶が形成する。反応が進むと基板上に形成した結晶(多結晶膜)上に液滴が付着、液滴中の溶媒の蒸発とともに溶質および下部の結晶間で結晶成長が進む、という一連の反応を応用した技術である。
透明導電膜(酸化物透明導電膜:TCO:Transparent Conductive Oxide)は、絶縁体であるガラス表面にスズドープ酸化インジウム(ITO)や酸化スズ(TO)、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)、アンチモンドープ酸化スズ(ATO)、酸化亜鉛(ZnO)などの半導体セラミックスの薄膜を形成することにより導電性を付与したガラスで、透明でかつ電気を流す性質を有する。これらの中で特にITOが透明導電膜として広く知られており、パソコン、テレビ、携帯電話などの液晶ディスプレイに応用されている。
スプレー熱分解法は、成膜装置が簡易で原料も比較的安価なため低コストで透明導電膜等の形成が可能である。透明導電膜の出発原料には、金属無機塩の水溶液またはアルコール溶液、あるいは有機金属化合物や有機酸塩の有機溶剤系溶液等が用いられている。基板温度は出発原料、原料溶液によって異なるが、250〜700℃の範囲に設定される。
スプレー熱分解法による従来の成膜装置を図5に示す。この成膜装置100は、基板110を載置する支持手段120と、原料溶液をスプレー状に噴霧する吐出手段130とを具備している。支持手段120は、載置された基板を所定の温度まで加熱する加熱手段を内蔵している(例えば、特許文献1参照)。
例えば200cm角以上の大面積の基板に対し、均一にミストを噴霧するには、ミスト噴霧ノズルを多数本配置して駆動させる必要がある。
しかし、従来の円筒型ノズル(60φmm)でミストを噴霧する場合、図6に示すようにノズルを円形に駆動させるか、または、図7に示すように楕円形に駆動させると、ミストの噴霧量に分布が生じてしまう。
この分布の影響を減ずるには、さらに複雑な駆動制御を行う必要があるが、設備が大きくなってしまうといった新たな問題があり、面内分布をより小さくするには限界があった。
特開平06−012446号公報
本発明は、このような従来の実情に鑑みて考案されたものであり、複雑な駆動制御構成としたり、設備を大きくすることなく、面積の大きな被処理体に対しても均一にミストを噴霧して、形成される膜の厚さを均一にすることを可能とした成膜装置を提供することを目的とする。
本発明の請求項1に係る成膜装置は、スプレー熱分解法により被処理体の一面上に薄膜を形成する成膜装置であって、前記被処理体を載置する支持手段と、前記被処理体の一面に向けて、前記薄膜の原料溶液からなるミストを噴霧する吐出手段と、を少なくとも備え、前記吐出手段が備えるノズルは、ミスト搬入側となる第一の部位と、ミスト吐出側となる第二の部位と、前記第一の部位と前記第二の部位とを接続する第三の部位とを有し、前記吐出手段は、前記第二の部位から吐出するミストの面速を調整するミスト制御手段をさらに備えていることを特徴とする。
本発明の請求項2に係る成膜装置は、請求項1において、前記ミスト制御手段は、前記第二の部位に配され、前記ノズルの外部から気体を導入する給気制御手段であることを特徴とする。
本発明の請求項3に係る成膜装置は、請求項1において、前記ミスト制御手段は、前記第二の部位に配され、前記第二の部位の内部開口率を調整する流路制御手段であることを特徴とする。
本発明の請求項4に係る成膜装置は、請求項1乃至3のいずれか一項において、前記ミストを生成する調整室と、前記調整室から前記吐出手段まで前記ミストを移動させる空間からなる搬送手段と、をさらに備えることを特徴とする。
本発明に係る成膜装置においては、支持手段に載置された被処理体の一面に向けて、薄膜の原料溶液からなるミストを噴霧する吐出手段が、ミスト搬入側となる第一の部位、ミスト吐出側となる第二の部位、及び、前記第一の部位と前記第二の部位とを接続する第三の部位を有するノズルと、前記第二の部位から吐出するミストの面速を調整するミスト制御手段とを備えている。
そのため、吐出手段の中を進むミストは、最も細いパイプ状の第一の部位から、進行方向に放射状の広がりを有する第三の部位へ移行した後、長辺と短辺が極端に異なる長方形の開口部を有する第二の部位を通過してから、被処理体へ向けて放出される。その際(第二の部位からミストが放出される際)、特に第二の部位を通過するミストは、その開口部の長辺方向において、分布の均一性が損なわれやすいが、本発明では、第二の部位に、ミスト制御手段を配したことにより、ミストの面速を一定にすることが可能となる。
その結果、第二の部位から被処理体へ向けて放出されるミストの分布が高度に均一化され、ひいては被処理体上に形成される膜厚分布の均一性をもたらす。しかも、ミスト制御手段は、簡易な構成であり、設備を大きくする必要もない。
したがって、複雑な駆動制御構成を必要とせず、成膜装置の大型化も回避できるとともに、面積の大きな被処理体に対してもその全面に亘って均一にミストを噴霧して、形成される膜の厚さを均一にすることを可能とした成膜装置を提供することができる。
以下、本発明に係る成膜装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明の成膜装置を模式的に示す図である。
本発明の成膜装置1は、スプレー熱分解法により被処理体2の一面上に薄膜を形成する成膜装置であって、被処理体2を載置する支持手段11と、被処理体2の一面に向けて、前記薄膜の原料溶液からなるミスト3を噴霧する吐出手段12と、を少なくとも備えている。
そして、本発明の成膜装置1において、吐出手段12が備えるノズルは、ミスト搬入側となる第一の部位12aと、ミスト吐出側となる第二の部位12bと、第一の部位12aと第二の部位12bとを接続する第三の部位12cとを有し、吐出手段12は、第二の部位12bから吐出するミストの面速を調整するミスト制御手段13をさらに備えている。
支持手段11は、被処理体2の被成膜面を所定の温度に保ちながら薄膜を形成するため、被処理体2の加熱・保持・冷却機能を備えた温度制御手段(不図示)を内蔵している。温度制御手段としては、例えばヒーター等が挙げられる。
吐出手段12は、ミスト3を、成膜室10の空間に配置された被処理体2上に吹き付けるものであり、例えばノズルである。そして、吐出手段12から噴霧する原料溶液は、ミスト3(液状微粒子)とされている。
この吐出手段12は、第一の部位12aが、最も細いパイプ状であり、第二の部位12bが、長辺と短辺が極端に異なる長方形をしたスリット状の開口部を有し、第三の部位12cが、進行方向に放射状の広がりを有している。したがって、吐出手段12の中を進むミストは、第一の部位12aから、第三の部位へ移行した後、第二の部位を通過してから、被処理体2へ向けて放出される。なお、第二の部位12bからミスト3が放出される際、第二の部位12bを通過するミスト3は、その開口部の長辺方向において、分布の均一性が失われやすいが、本発明では、第二の部位12bに、ミスト制御手段13を配したことにより、ミスト3の面速を一定にすることが可能となる。
吐出手段12の吐出口からは、流速100〜100,000cm/分でミスト3が噴霧される。また、吐出手段12と被処理体2表面間の距離は、5〜200mmで制御されている。
前述したようにミスト制御手段13は、吐出手段12であるノズル中を移動するミスト3の面速を調整するものである。このミスト制御手段13は、以下に詳述するとおり、例えば、第二の部位12bに配され、前記ノズルの外部から気体を導入する給気制御手段30とするもの(第一構造:図2)と、第二の部位12bに配され、第二の部位12bの内部開口率を調整する流路制御手段とするもの(第二構造:図3)とに大別することができる。
図2は、ミスト制御手段の一例(第一構造)を抜き出して示す模式図であり、(a)は正面図、(b)は右側断面図、(c)は底面図、をそれぞれ表している。
図2に示す第一の吐出手段12Aは、ミスト制御手段13として給気制御手段30を備えるものである[図2(b)参照]。
給気制御手段30は、例えば、ノズルの第二の部位12bに配された気体挿入口から構成され、前記気体挿入口の先端30aがミストの吐出方向を向いて複数個取り付けられているものとすることができる[図2(b)参照]。また、気体挿入口は、ノズルの吐出口からミスト3が均一に排出されるように、ノズルの吐出口内において所定の間隔を有して配置されている構成が望ましい[図2(c)参照]。
気体挿入口からは、例えば、流速100〜100,000cm/分で気体が排出されるものとするのが好ましく、この気体としては、例えば、空気(Air)、窒素(N)、アルゴン(Ar)等が挙げられる。
このようにミスト制御手段13として、ノズルの外部から気体を導入する給気制御手段30が備えられることで、導入された気体の勢いを利用して、ノズルの吐出口におけるミスト流速を中央部と端部とで等しくし、前記吐出口から噴霧されるミスト3の面速を一定に調整することができる。
したがって、ミスト3を被処理体2に対して均一に噴霧し、被処理体2上に形成される膜の厚さを均一にすることが可能となる。しかも、ミスト制御手段13としての給気制御手段30は、構造が簡易であると共に、ノズルの第二の部位12bに配置されるので装置を大型化することなく、ミスト3の面速を制御することが出来る。
また図3は、ミスト制御手段の他の例(第二構造)を抜き出して示す模式図であり、(a)は正面図、(b)は右側断面図、(c)は底面図、をそれぞれ表している。
図3に示す第二の吐出手段12Bは、ミスト制御手段13として流路制御手段40を備えるものである[図3(b)参照]。
流路制御手段40は、例えば、ノズルの第二の部位12bに配された開閉弁から構成され、前記第二の部位12bの側面方向に伸びる、例えば筒状の誘導手段41の内部を、前記開閉弁が前後に移動することにより、前記開閉弁がノズルの吐出口を局所的に遮ることが可能なように複数個取り付けられているものとすることができる[図3(b)参照]。開閉弁としては、具体的にストッパ片等が挙げられる。このストッパ片等は、ノズル内の一方の側面から他方の側面に向かって突出させることが可能な駆動手段(不図示)を備えている。また、開閉弁は、ノズルの吐出口の内部開口率を調整してミスト3が均一に噴霧されるように、ノズルの吐出口内において所定の間隔を有して配置されていると望ましい[図3(c)参照]。
このようにミスト制御手段13として、ノズルの第二の部位12bの内部開口率を調整する流路制御手段40が備えられることで、ミストの流路を局所的に遮ることを利用して、ノズルの吐出口におけるミスト流速を中央部と端部とで等しくし、前記吐出口から噴霧されるミスト3の面速を一定に調整することができる。
したがって、ミスト3を被処理体2に対して均一に噴霧し、被処理体2上に形成される膜の厚さを均一にすることが可能となる。しかも、ミスト制御手段13としての流路制御手段40は、構造が簡易であると共に、ノズルの第二の部位12bに配置されるので装置を大型化することなく、ミスト3の面速を制御することが出来る。
また、成膜時において、前記ノズルを被処理体2の一面に対し水平方向に移動させる。ノズルを移動させることで大面積の被処理体に対しても膜を均一に形成することができる。
また、この成膜装置1は、予め原料溶液を噴霧することにより前記ミスト3を生成する調整室20と、前記ミスト3を前記調整室20から前記吐出手段12まで移動させる空間からなる搬送手段とをさらに備えた構成としてもよい。調整室20を備えることにより、必要に応じて、ミストの条件、例えば、粒径や密度、温度などを適宜制御できることから、より好ましい。
具体的には、調整室20では、上記の吐出手段12とは異なる噴霧手段により原料溶液を予備噴霧し、径の小さい(細かな)液滴だけをミスト3として効率よく取り出してサイズを均一化するよう選別する制御を行う。より細かいミストを吹き付けることができるため、特性のよい膜を形成できる。
その際、この生成されるミスト3は、60.0〜98.8vol%のエアーを含んでいることが好ましい。
搬送手段は、生成されたミスト3を誘導しながら搬送する空間としての搬送路21を有している。
搬送路21は、仕切り部材によって外部と隔離され、内壁の温度がミスト3と同じかあるいは高めで、かつ、原料溶液の溶媒の蒸発速度が極端とならない温度を保つように制御されている。すなわち、ミスト3の温度>搬送路21内壁の温度>溶媒の蒸発温度という関係にある。
そして、搬送路21内のミスト3には、流速100〜100,000cm/分の流れがある。
また。搬送路21の内壁は、フッ素樹脂等の撥水性を有する材料を採用するか、または表面に撥水性を付与する処理を施すことにより、外部と隔離されている。その際、搬送路21を金属等の熱伝導性の良好な材料を使用したものとすると、外気温度の影響を受けやすく、搬送路内壁へのミスト3の付着に繋がることから、塩化ビニル樹脂やフッ素樹脂等の熱伝導の低い樹脂材料を採用することが好ましい。なお、金属材料を採用する場合は、搬送路外壁の温度制御を行うことで対応できる。
また、薬液として塩酸や硫酸、硝酸等を使用する場合、ミスト3と直接接触する内壁には、耐薬品性の材料を使用するか、あるいは耐薬品性の材料による表面処理を施すことが必要になる。
さらに、搬送路21の距離は短いほど望ましい。しかしながら、ミスト温度や内壁温度、各手段の配置からの制約などの設計の観点から距離を必要とする場合も考えられることを考慮し、長くする場合は、10m未満とすることが望ましい。
また、成膜室において、被処理体2および前記吐出手段12を含む空間は、フード14により包み込まれていることが好ましい。
フード14は、ステンレススチール等の耐食性金属により構成されている。底部近傍の両側に開口部が形成されている。
成膜装置1では、フード14が吐出手段12と対向する位置に配される被処理体2との間の空間を包み込むように配置されているので、吐出手段12の吐出口からスプレー状に噴射された原料溶液は外気の影響を受けることなく、吐出口から被処理体2に向かう放射状空間に噴霧された状態を安定に保つことができる。換言すると、フード14はその内部空間から装置への外部へ原料溶液が飛散し、無駄な使用量が増加するのも防ぐ働きもする、これにより、原料溶液は薄膜の形成に有効に使われる。
また、吐出手段12と被処理体2との間を包み込むようにフード14が配置されているので、成膜時に、被処理体2からの放熱を抑制することができる。その結果、被処理体2の加熱に要する熱量を低減することが可能となり、被処理体2表面温度の制御性が向上した。
さらに、被処理体2は、上述した温度制御手段により、その裏面側から本体を通して表面が加熱されており、例えば200〜600℃の温度範囲に制御されている。その際、被処理体2は、支持手段11に内蔵された温度制御手段(不図示)からの伝熱の他に、被処理体2の表面側からの加熱法を採用してもよい。表面側からの加熱法としては、例えば、成膜室10内の上部空間に設けられたランプヒータ等(不図示)による被処理体2の表面への熱線照射や、被処理体2の表面に対する高温流(不図示)の照射あるいは暴露、等が挙げられる。
次に、本発明に係る成膜装置1を用いてスプレー熱分解法により被処理体2上に薄膜を形成する方法について説明する。
なお、以下の説明では、本発明の成膜装置1を用いて、被処理体2である基板上に、透明導電膜としてITO膜を形成する場合を例に挙げて説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、各種の薄膜を形成するために用いることができる。
まず、表面が清浄面とされた基板を台板上に載置し、この基板を台板ごと所定の位置に保持する。
基板としては、例えば、ソーダガラス、耐熱ガラス、石英ガラスなどのガラスからなる厚さが0.3〜5mm程度のガラス板が好適に用いられる。
基板表面温度が所定の温度に到達し、安定したら、ITO膜の成膜を開始する。
調整室20において、噴霧手段によりITO膜の原料溶液を予備噴霧し、ミスト3とする。
ITO膜の原料溶液としては、加熱することによりスズ添加酸化インジウム(ITO)等の導電性金属酸化物となる成分を含む溶液が好適に用いられる。
ITO膜の原料溶液としては、塩化インジウム・四水和物を0.2mol/L含有した水溶液、またはエタノール溶液、さらにはエタノール−水混合溶液に対し、塩化スズ・五水和物を0.01mol/L含有した水溶液、エタノール溶液、さらにはエタノール−水混合溶液が好適に用いられる。
調整室20において生成されたミスト3は、搬送路21を介して成膜室10に搬送され、成膜室10の上部に配されたノズル(吐出手段12)から基板上に向かって噴霧される。このミスト3が所定の温度に加熱された基板の表面に付着することにより、ミスト中の溶媒が急速に蒸発するとともに、残った溶質が急速に化学反応してITO等の導電性金属酸化物に変化する。これにより、基板の表面に導電性金属酸化物からなる結晶が速やかに生成し、短時間の間に透明導電膜(ITO膜)が得られる。
ITO膜の成膜が終了したら、基板温度が所定の温度になるまで冷却し、基板を取り出す。
以上のようにして、基板上にITO膜からなる透明導電膜が形成される。
この成膜装置1では、吐出手段12が備えるノズルの第二の部位12bから吐出するミスト3の面速を調整するミスト制御手段13を備えている。これにより、前記第二の部位12bから被処理体へ向けて放出されるミスト噴霧量を被処理体2の全面に亘って均一化し、被処理体上に形成される膜厚分布の均一性をもたらし、ひいては成膜速度を向上することが可能となる。
その結果、このようにして得られる透明導電膜は、大面積に亘って膜厚分布のばらつきが抑制されたものとなり、例えばシート抵抗、透過率等の薄膜特性の面内均一性が確保され、高品質のものとなる。
以上、本発明の成膜装置について説明してきたが、本発明は上記の例に限定されるものではなく、必用に応じて適宜変更が可能である。
次に、本発明の実施例について説明する。これらの実施例は、本発明をより理解するために具体的になされたものであり、本発明は、これらの実施例に限定されない。
本実施例では、本発明の成膜装置を用いて、基板上にITO膜を形成した。
まず、以下のようにして、原料溶液を調整した。
<ITO原料溶液の調整>
塩化インジウム(III)五水和物(InCl・5HO)5.58g/100mlと、塩化スズ(IV)五水和物(SnCl・5HO)0.36g/100mlの比の薬剤を水に溶解させて調整した。
(実施例1)
<ITO成膜>
500mm×500mm×2mmの硼珪酸ガラス基板(TEMPAX#8330)を支持台上に設置し、室温から300〜450℃の表面温度に達するまで加熱した。なお、加熱方法は、ガラス基板の下部に配された加熱基板からの伝熱に加えて、フード上部に配された赤外線ランプからの熱線照射によるものとした。
基板表面温度が安定したことを確認してから、ITO成膜を開始した。
ITO原料溶液は調整室において予備噴霧され、ミスト(液状微粒子)とされている。
調整室および搬送路におけるミスト条件を表1に示す。なお、搬送路には、伸縮性を有する塩ビ製蛇腹パイプを採用し、内壁にはテフロン(登録商標)樹脂コートを施して撥水性を確保した。
Figure 2008119634
成膜室においては、本発明の気体挿入口を具備した噴霧ノズル(ノズル出口サイズ:7×270mm)4本を図4に示すように配置して、調整室から搬送されたITO原料溶液のミストを、基板上に噴霧した。このとき、ノズル出口におけるミストの温度は40℃であり、ノズル出口におけるミストの流速は、22,500cm/分であった。
また、500mm角成膜を実現するため、噴霧のノズルとガラス間距離は20mmとし、ノズル側でX方向に±600mm、基板側でY方向に±150mmずつ揺動させることで噴霧濃度の偏りを防いだ。ITO成膜に要した時間は15分であった。
(実施例2)
成膜室においては、本発明の開閉弁を具備した噴霧ノズルを使用したこと以外は、実施例1と同様にしてガラス基板上にITO膜を形成した。
(比較例1)
円筒形のノズルを用い、円形に駆動させたこと以外は、実施例と同様にしてガラス基板上にITO膜を形成した。
実施例および比較例でITO膜が形成された基板の特性比較を表2に示す。
Figure 2008119634
表2から、比較例1に比べて実施例1、2の場合は、基板面に吹き付けたミストの噴霧量の内面分布が改善されることにより、作製されたITO膜の膜厚分布を狭めることができる。そのため、各実施例では、シート抵抗分布や透過率分布の小さなITO膜を形成できる。
この結果から、本発明に係る成膜装置は、複雑な駆動制御構成としたり、設備を大きくすることなく、面積の大きな被処理体に対しても均一にミストを噴霧して、形成される膜の厚さを均一化を図れることが確認された。
本発明は、スプレー熱分解法により透明導電膜等の薄膜を形成する成膜装置に適用可能であり、大面積の透明導電膜を必要とする分野、たとえば液晶表示装置やEL表示装置などの分野に寄与する。
本発明の成膜装置の一例を模式的に示す図である。 図1に示す制御手段の一例を抜き出して示す図である。 図1に示す制御手段の他の例を抜き出して示す図である。 ノズルの配置と駆動を示す図である。 従来の成膜装置の一例を模式的に示す図である。 ノズルの駆動とミスト噴霧量分布を示す図である。 ノズルの駆動とミスト噴霧量分布を示す図である。
符号の説明
1 成膜装置、2 被処理体、3 ミスト、10 成膜室、11 支持手段、12(12A,12B) 吐出手段、12a 第一の部位、12b 第二の部位、12c 第三の部位、13 ミスト制御手段、14 フード、20 調整室、21 搬送路、30 給気制御手段(気体挿入口)、40 流路制御手段(開閉弁)。

Claims (4)

  1. スプレー熱分解法により被処理体の一面上に薄膜を形成する成膜装置であって、
    前記被処理体を載置する支持手段と、
    前記被処理体の一面に向けて、前記薄膜の原料溶液からなるミストを噴霧する吐出手段と、を少なくとも備え、
    前記吐出手段が備えるノズルは、ミスト搬入側となる第一の部位と、ミスト吐出側となる第二の部位と、前記第一の部位と前記第二の部位とを接続する第三の部位とを有し、
    前記吐出手段は、前記第二の部位から吐出するミストの面速を調整するミスト制御手段をさらに備えていることを特徴とする成膜装置。
  2. 前記ミスト制御手段は、前記第二の部位に配され、前記ノズルの外部から気体を導入する給気制御手段であることを特徴とする請求項1記載の成膜装置。
  3. 前記ミスト制御手段は、前記第二の部位に配され、前記第二の部位の内部開口率を調整する流路制御手段であることを特徴とする請求項1記載の成膜装置。
  4. 前記ミストを生成する調整室と、
    前記調整室から前記吐出手段まで前記ミストを移動させる空間からなる搬送手段と、
    をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の成膜装置。
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