JP2008231552A - Nozzle for jetting aerosol, and film deposition apparatus equipped therewith, and film deposition method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、エアロゾルデポジション法で利用されるエアロゾル噴射用ノズル、並びに、それを用いた成膜装置及び成膜方法に関する。 The present invention relates to an aerosol injection nozzle used in an aerosol deposition method, and a film forming apparatus and a film forming method using the same.
圧電アクチュエータ等として用いられるセラミックス薄膜を形成する方法として、近年、エアロゾルデポジション法が注目されている。この方法は、気体中にセラミックス微粒子を分散してなるエアロゾルをノズルから噴射し、高速で基板表面に吹き付けることによって、当該基板上で微粒子を粉砕し堆積させてセラミックス薄膜を形成するものである。当該方法はセラミックス微粒子の常温衝撃固化現象を利用し、従来のセラミックス薄膜形成法において実施されていた1000℃以上での焼結プロセスを不要とするものである。そのため、寸法精度を考慮した薄膜設計を行う必要がなくなり、また、微粒子の破砕によって緻密なナノ結晶組織が形成され、きわめて平滑な表面を持つセラミックス薄膜を製造することができる。 In recent years, the aerosol deposition method has attracted attention as a method for forming a ceramic thin film used as a piezoelectric actuator or the like. In this method, an aerosol formed by dispersing ceramic fine particles in a gas is sprayed from a nozzle and sprayed onto the substrate surface at a high speed, whereby fine particles are pulverized and deposited on the substrate to form a ceramic thin film. This method utilizes the phenomenon of normal temperature impact solidification of ceramic fine particles, and eliminates the need for the sintering process at 1000 ° C. or higher, which has been performed in the conventional ceramic thin film forming method. Therefore, it is not necessary to design a thin film in consideration of dimensional accuracy, and a fine nanocrystal structure is formed by crushing fine particles, and a ceramic thin film having an extremely smooth surface can be manufactured.
エアロゾルデポジション法においては、成膜を実施している過程において、エアロゾル発生装置での微粒子の減少や、キャリアガスの流量の変動、微粒子同士の凝集による凝集巨大粒子の形成、エアロゾル供給管や噴射ノズル等の目詰まりなど種々の要因によって、ノズルから噴射されるエアロゾル流の粒度分布、粒子速度、又は粒子濃度が経時的に変動する場合がある。しかしながらこれらが変動すると、得られるセラミックス薄膜の膜厚にムラが生じ、その性能に悪影響を及ぼすことになる。セラミックス薄膜の膜圧、ひいては性能を均一に維持するには、エアロゾル流の粒度分布、粒子速度、又は粒子濃度をリアルタイムで測定し、その結果に応じてエアロゾルの発生条件や、吹き付け条件等を制御することが望まれる。 In the aerosol deposition method, in the process of film formation, the reduction of fine particles in the aerosol generator, the fluctuation of the flow rate of the carrier gas, the formation of agglomerated huge particles due to the aggregation of fine particles, the aerosol supply pipe and the injection The particle size distribution, particle velocity, or particle concentration of the aerosol flow injected from the nozzle may vary over time due to various factors such as clogging of the nozzle and the like. However, when these fluctuate, the thickness of the resulting ceramic thin film becomes uneven, which adversely affects its performance. In order to maintain a uniform film pressure and consequently performance of the ceramic thin film, the particle size distribution, particle velocity, or particle concentration of the aerosol flow is measured in real time, and the aerosol generation conditions and spraying conditions are controlled according to the results. It is desirable to do.
一般にエアロゾルの粒度分布の測定は、市販されているレーザー回折・散乱式粒度分布測定装置を利用して行われている。この装置は、エアロゾルにレーザーを照射することによって得られる回折・散乱光の強度分布を測定し、その測定結果を、ミーの散乱理論又はフラウンホーファの回折理論を用いて換算することにより粒度分布を算出するものである(例えば特許文献1等を参照)。この装置は所要時間がきわめて短くて済むことから、エアロゾルデポジション法による成膜中にリアルタイムでエアロゾルの粒度分布を測定するのに適している。 In general, the particle size distribution of an aerosol is measured by using a commercially available laser diffraction / scattering particle size distribution measuring apparatus. This device measures the intensity distribution of the diffracted / scattered light obtained by irradiating the aerosol with a laser, and calculates the particle size distribution by converting the measurement results using Mie's scattering theory or Fraunhofer's diffraction theory. (See, for example, Patent Document 1). Since this apparatus only requires a very short time, it is suitable for measuring the particle size distribution of the aerosol in real time during film formation by the aerosol deposition method.
エアロゾルの粒子濃度については、上記のレーザー回折・散乱式粒度分布測定装置を利用し、エアロゾルによって回折・散乱された光の総強度を求め、これを、既知濃度のエアロゾルを測定対象として予め得ておいた回折・散乱光強度の測定結果と対比して算出することができる(例えば特許文献2等を参照)。 For the aerosol particle concentration, use the above laser diffraction / scattering particle size distribution measuring device to obtain the total intensity of the light diffracted / scattered by the aerosol, and obtain the aerosol with a known concentration in advance as the measurement target. It can be calculated in comparison with the measurement result of the diffracted / scattered light intensity (see, for example, Patent Document 2).
エアロゾルの粒子速度については、ドップラー効果を利用したレーザードップラー速度計によって算出できることが知られている(例えば特許文献3等を参照)。この方法においては、エアロゾルにレーザーを照射して得られる散乱光が、ドップラー効果によってエアロゾルの粒子速度に影響された波長を持つことから、入射レーザーの波長と散乱光の波長との対比によってエアロゾルの粒子速度を求めるものである。 It is known that the aerosol particle velocity can be calculated by a laser Doppler velocimeter utilizing the Doppler effect (see, for example, Patent Document 3). In this method, since the scattered light obtained by irradiating the aerosol with the laser has a wavelength that is influenced by the particle velocity of the aerosol due to the Doppler effect, the wavelength of the aerosol is compared with the wavelength of the incident laser and the wavelength of the scattered light. The particle velocity is obtained.
特許文献3に記載されているように、従来、エアロゾルデポジション法におけるエアロゾルの粒子速度等の測定は、噴射ノズルから噴出した後のエアロゾル流に対してレーザーを照射することにより行われていた。
エアロゾルデポジション法においては、エアロゾル流として基板表面に吹き付けられたセラミックス微粒子のすべてが薄膜形成のために消費されるわけではない。セラミックス微粒子の多くは基板表面に衝突した後、薄膜の形成に寄与せずに粉砕され反発し、チャンバ内の雰囲気中に飛散し浮遊することになる。また、チャンバ内で浮遊している微粒子はチャンバ内の各種部材に接触して、これに付着する場合も多い。 In the aerosol deposition method, not all ceramic fine particles sprayed on the substrate surface as an aerosol flow are consumed for forming a thin film. Most of the ceramic fine particles collide with the substrate surface, and then are crushed and repelled without contributing to the formation of the thin film, and are scattered and floated in the atmosphere in the chamber. In many cases, the fine particles floating in the chamber come into contact with and adhere to various members in the chamber.
したがって、噴射ノズルから噴出した後のエアロゾル流にレーザーを照射して当該エアロゾル流の粒度分布、又は粒子速度を測定する際には、測定対象であるエアロゾル流に含まれる微粒子のほかに、測定対象ではない浮遊微粒子をも検出してしまうことから、正確な測定が困難となっていた。 Therefore, when measuring the particle size distribution or particle velocity of the aerosol flow after irradiating the aerosol flow after being ejected from the injection nozzle, in addition to the fine particles contained in the aerosol flow that is the measurement target, It is difficult to accurately measure suspended particles that are not.
さらに、レーザーの発出面や受光面に浮遊微粒子が付着すると、これによってレーザーや、受光すべき回折・散乱光が散乱して、測定される光強度が低下してしまう問題もある。粒子濃度の測定は回折・散乱光の光強度に基づいたものであるから、粒子濃度についても正確な測定が困難であった。 In addition, if suspended fine particles adhere to the laser emitting surface and the light receiving surface, this causes a problem that the laser and diffracted / scattered light to be received are scattered, thereby reducing the measured light intensity. Since the measurement of the particle concentration is based on the light intensity of the diffracted / scattered light, it is difficult to accurately measure the particle concentration.
そこで本発明は、エアロゾルデポジション法においてエアロゾル流の粒度分布、粒子速度、又は粒子濃度を、レーザーを利用して正確に測定することが可能な成膜装置及び成膜方法を提供することを課題とする。 Therefore, the present invention has an object to provide a film forming apparatus and a film forming method capable of accurately measuring the particle size distribution, particle velocity, or particle concentration of an aerosol flow in an aerosol deposition method using a laser. And
本発明は上記現状に鑑みてなされたものであり、エアロゾル噴射用ノズルの内部にレーザー発出面とレーザー受光面を組み込むことによって、前記課題を解決するものである。 This invention is made | formed in view of the said present condition, and solves the said subject by incorporating a laser emitting surface and a laser light-receiving surface inside the nozzle for aerosol injection.
すなわち、本発明に係るエアロゾル噴射用ノズルは、エアロゾルを導入する導入開口と、エアロゾルを噴射する射出開口と、前記導入開口から前記射出開口までエアロゾルを通過させるエアロゾル流路と、を備えたエアロゾル噴射用ノズルであって、前記エアロゾル流路を画定する内周壁面に、レーザー発出面とレーザー受光面とが設けられ、前記レーザー発出面が、レーザー照射装置のレーザーを発出する面であり、そこから前記エアロゾル流路中にレーザーが発出され、前記レーザー受光面が、レーザーの物理量を検知するセンサーの受光面であり、前記レーザー発出面から発出されたレーザーを受光するものである。 That is, an aerosol injection nozzle according to the present invention includes an aerosol injection including an introduction opening for introducing aerosol, an injection opening for injecting aerosol, and an aerosol flow path for allowing the aerosol to pass from the introduction opening to the injection opening. A laser emitting surface and a laser light receiving surface provided on an inner peripheral wall surface defining the aerosol flow path, and the laser emitting surface is a surface for emitting a laser of a laser irradiation device, from which A laser is emitted into the aerosol flow path, and the laser light receiving surface is a light receiving surface of a sensor that detects a physical quantity of the laser, and receives the laser emitted from the laser emitting surface.
従来のエアロゾルデポジション法による成膜装置では、レーザー発出面とレーザー受光面を噴射ノズルの外部に配置し、噴射ノズルから噴出した後のエアロゾル流に対してレーザーを照射することにより粒度分布等の測定を行っていたが、本発明ではレーザー発出面とレーザー受光面を噴射ノズルの内壁面に配置することによって、噴射ノズル内を流れるエアロゾル流に対してレーザーを照射し、当該エアロゾル流内の材料粒子により回折・散乱した光のみを検出する。噴射ノズルからはエアロゾル流が高速で噴出するので、チャンバ内を浮遊している材料粒子が噴射ノズル内に逆流することはない。したがって、エアロゾル流内の材料粒子によって生じた回折・散乱光のみを検出でき、浮遊材料粒子から生じる回折・散乱光に起因するノイズを排除することができ、エアロゾル流の粒度分布、粒子速度を正確に測定することが可能になる。 In a conventional deposition apparatus using the aerosol deposition method, a laser emitting surface and a laser receiving surface are arranged outside the injection nozzle, and the aerosol flow after being ejected from the injection nozzle is irradiated with a laser so that the particle size distribution, etc. In the present invention, the laser emitting surface and the laser light receiving surface are arranged on the inner wall surface of the injection nozzle to irradiate the aerosol flow flowing in the injection nozzle with the laser, and the material in the aerosol flow is measured. Only light diffracted and scattered by particles is detected. Since the aerosol flow is ejected from the injection nozzle at a high speed, the material particles floating in the chamber do not flow back into the injection nozzle. Therefore, only diffracted / scattered light caused by material particles in the aerosol flow can be detected, noise caused by diffracted / scattered light generated from suspended material particles can be eliminated, and the particle size distribution and particle velocity of the aerosol flow can be accurately determined. It becomes possible to measure.
本発明に係るエアロゾル噴射用ノズルにおいては、前記内周壁面の一部が、下流に行くに従い前記エアロゾル流路の横断面積を減少させるように形成されたテーパ部であり、前記内周壁面における前記テーパ部よりも下流側の部分に、前記レーザー発出面と前記レーザー受光面とが設けられたことが好ましい。 In the aerosol injection nozzle according to the present invention, a part of the inner peripheral wall surface is a tapered portion formed so as to reduce a cross-sectional area of the aerosol flow path as going downstream, and the inner peripheral wall surface It is preferable that the laser emitting surface and the laser receiving surface are provided in a portion downstream of the taper portion.
このようにすると、噴射ノズル内を通過しているエアロゾル流は前記テーパ部によって通過断面積が減少するので加速がされ、その加速された状態で噴射ノズルから噴出し、基板に吹き付けられることになる。エアロゾル流の速度が高速であるほど、材料粒子の周辺部材への付着が抑制されることから、テーパ部よりも下流にレーザー発出面とレーザー受光面とを設けることによって、レーザー発出面とレーザー受光面への材料粒子の付着を防止することができ、よってエアロゾル流の粒子濃度を正確に測定できるようになる。また、当該基板に吹き付けられる最終的なエアロゾル流の粒度分布、粒子速度、粒子濃度を測定することになるので、得られた測定結果を、製造する薄膜の均質化により有効に役立てることができる。 By doing so, the aerosol flow passing through the injection nozzle is accelerated because the cross-sectional area of the aerosol flow is reduced by the tapered portion, and in the accelerated state, the aerosol flow is jetted from the injection nozzle and sprayed onto the substrate. . The higher the aerosol flow speed, the more the material particles are prevented from adhering to the peripheral members. By providing a laser emitting surface and a laser receiving surface downstream of the tapered portion, the laser emitting surface and the laser receiving surface are provided. The adhesion of material particles to the surface can be prevented, and the particle concentration of the aerosol flow can be accurately measured. Moreover, since the particle size distribution, particle velocity, and particle concentration of the final aerosol flow sprayed on the substrate are measured, the obtained measurement results can be effectively used by homogenizing the thin film to be manufactured.
本発明では、前記内周壁面が、前記エアロゾル流路の中心軸を挟んで向かい合う、互いに平行な一対の平面部を含み、前記レーザー発出面と前記レーザー受光面とが該平面部に設けられたことが好ましい。 In the present invention, the inner peripheral wall surface includes a pair of parallel flat portions facing each other across the central axis of the aerosol flow path, and the laser emitting surface and the laser receiving surface are provided on the flat portion. It is preferable.
ここで、エアロゾル流路の中心軸の方向とエアロゾル流の流れ方向とは平行になるものであるから、上記の構成においては、エアロゾル流の流れ方向とレーザー発出面及びレーザー受光面とが平行になる。この構成によって、レーザー発出面とレーザー受光面にエアロゾル流中の材料粒子がより付着しにくくなる。 Here, since the direction of the central axis of the aerosol flow path is parallel to the flow direction of the aerosol flow, in the above configuration, the flow direction of the aerosol flow is parallel to the laser emission surface and the laser light receiving surface. Become. With this configuration, the material particles in the aerosol flow are less likely to adhere to the laser emitting surface and the laser receiving surface.
本発明では、前記レーザー発出面から、前記エアロゾル流路の中心軸線に対する斜めの方向にレーザーが発出されることが好ましい。 In the present invention, it is preferable that a laser is emitted from the laser emission surface in a direction oblique to the central axis of the aerosol flow path.
このようにすると、エアロゾル流の流れ方向とレーザーの進行方向とが斜めに交差するので、レーザードップラー法に基づいた粒子速度の測定が可能になる。 In this way, since the flow direction of the aerosol flow and the traveling direction of the laser cross at an angle, the particle velocity can be measured based on the laser Doppler method.
本発明では、前記レーザー発出面 及び/又は 前記レーザー受光面を、光ファイバ断面によって構成することが好ましい。 In the present invention, it is preferable that the laser emitting surface and / or the laser receiving surface is constituted by an optical fiber cross section.
この構成によって、微小なサイズのノズルに対してレーザー発出面とレーザー受光面を組み込むことが容易になる。また、当該断面を光ファイバによってレーザー照射機や検出センサに接続すれば、これらをノズルの外部に配置することが可能になる。従来、噴射ノズルの目詰まり防止を目的としてエアロゾル噴射中に噴射ノズルの加熱が行われているが、レーザー照射機やセンサをノズルの外部に配置することによって、ノズルの加熱を容易に行うことができるようになる。 With this configuration, it becomes easy to incorporate a laser emitting surface and a laser receiving surface into a minute size nozzle. Further, if the cross section is connected to a laser irradiator or a detection sensor by an optical fiber, these can be arranged outside the nozzle. Conventionally, the injection nozzle is heated during aerosol injection for the purpose of preventing clogging of the injection nozzle, but the nozzle can be easily heated by arranging a laser irradiation machine or a sensor outside the nozzle. become able to.
本発明では、前記レーザー発出面 及び/又は 前記レーザー受光面が、前記内周壁面と面一となるように構成されていることが好ましい。 In the present invention, the laser emitting surface and / or the laser light receiving surface is preferably configured to be flush with the inner peripheral wall surface.
このようにすると、レーザー発出面とレーザー受光面が、エアロゾル流路を画定する内周壁面に対して陥没も突出もしていないから、これらの面にエアロゾル流中の材料粒子がより付着しにくくなる。また、ノズルの目詰まりを防止することもできる。 In this case, since the laser emitting surface and the laser receiving surface are neither depressed nor protruded from the inner peripheral wall surface defining the aerosol flow path, the material particles in the aerosol flow are less likely to adhere to these surfaces. . In addition, nozzle clogging can be prevented.
さらに本発明は、前記エアロゾル噴射用ノズルを使用した成膜装置及び成膜方法でもある。 Furthermore, the present invention is also a film forming apparatus and a film forming method using the aerosol injection nozzle.
本発明に係る成膜装置は、キャリアガスに材料粒子を分散させてエアロゾルを発生させるエアロゾル発生部と、前記エアロゾル発生部に接続されて前記エアロゾルを被処理物に吹き付けるノズルと、を備えた成膜装置であって、前記ノズルが本発明に係るエアロゾル噴射用ノズルであり、さらに、前記ノズルの前記レーザー受光面によって受光されたレーザーの物理量を前記センサーによって感知し、この感知された物理量に基づき、前記ノズルにおける前記エアロゾル流路を通過するエアロゾル流の粒子濃度、粒度分布 又は 速度を算出する算出手段を備え、前記物理量がレーザーの強度 及び/又は 波長である、成膜装置である。 A film forming apparatus according to the present invention includes: an aerosol generation unit that generates aerosol by dispersing material particles in a carrier gas; and a nozzle that is connected to the aerosol generation unit and sprays the aerosol onto a workpiece. In the membrane device, the nozzle is an aerosol injection nozzle according to the present invention, and further, a physical quantity of a laser beam received by the laser light receiving surface of the nozzle is sensed by the sensor, and based on the sensed physical quantity. A film forming apparatus comprising a calculating means for calculating a particle concentration, a particle size distribution, or a velocity of an aerosol flow passing through the aerosol flow path in the nozzle, wherein the physical quantity is a laser intensity and / or wavelength.
本発明に係る成膜方法は、キャリアガスに材料粒子を分散させてエアロゾルを発生させるエアロゾル発生工程と、発生したエアロゾルをノズルから噴出させて被処理物に吹き付けることにより前記材料粒子の膜を前記被処理物上に形成する膜形成工程と、を含む成膜方法であって、前記ノズルが本発明に係るエアロゾル噴射用ノズルであり、さらに、前記ノズルにおける前記エアロゾル流路を通過するエアロゾル流に対して、前記ノズルの前記レーザー発出面からレーザーを発出する発出工程と、前記発出工程によって発出されたレーザーを、前記ノズルの前記受光面によって受光する受光工程と、前記受光工程によって受光されたレーザーの物理量を前記センサーで感知し、この感知された物理量に基づいて、前記エアロゾル流の粒子濃度、粒度分布 又は 速度を算出する算出工程と、を含み、前記物理量がレーザーの強度 及び/又は 波長である、成膜方法である。 The film forming method according to the present invention includes an aerosol generating step in which material particles are dispersed in a carrier gas to generate an aerosol, and the generated particles are ejected from a nozzle and sprayed onto an object to be processed to form a film of the material particles. A film forming method including forming a film on a workpiece, wherein the nozzle is an aerosol injection nozzle according to the present invention, and an aerosol flow that passes through the aerosol flow path in the nozzle. On the other hand, an emitting step of emitting a laser from the laser emitting surface of the nozzle, a light receiving step of receiving the laser emitted by the emitting step by the light receiving surface of the nozzle, and a laser received by the light receiving step The sensor detects a physical quantity of the aerosol flow, and based on the sensed physical quantity, the particle concentration of the aerosol flow It includes a calculation step of calculating a particle size distribution or speed, wherein the physical quantity is the intensity and / or wavelength of the laser, a film forming method.
本発明のエアロゾル噴射用ノズル、成膜装置及び成膜方法によれば、エアロゾルデポジション法においてエアロゾル流の粒度分布、粒子速度、又は粒子濃度を、レーザーを利用して正確に測定することが可能となる。 According to the aerosol injection nozzle, film forming apparatus and film forming method of the present invention, it is possible to accurately measure the particle size distribution, particle velocity, or particle concentration of the aerosol flow in the aerosol deposition method. It becomes.
以下では本発明の実施形態を、図面を参照しつつ具体的に説明する。 Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態に係るエアロゾル噴射用ノズル(以下「噴射ノズル」という)21の形状を、正面、上面、側面、下面、及び縦断面で示した図である。ただし、これ等の図においては、噴射ノズル21の有する光ファイバに関する記載を省略している。噴射ノズル21はノズル本体21aから構成され、ノズル本体21aの下方(上流)端部には、エアロゾルをノズル内部に導入するためのスリット状導入開口21fを有し、上方(下流)端部には、エアロゾルをノズル外部に噴射するためのスリット状射出開口21eを有している。さらにノズル本体21aの内部には、エアロゾルを通過させるためにスリット状導入開口21fとスリット状射出開口21eとを連結した空洞として、エアロゾル流路21bが設けられている。ノズル本体21aを構成する材質としては金属やセラミックスが挙げられる。
FIG. 1 is a view showing the shape of an aerosol injection nozzle (hereinafter referred to as “injection nozzle”) 21 according to an embodiment of the present invention in front, upper, side, lower and longitudinal sections. However, in these drawings, description regarding the optical fiber of the
スリット状射出開口21eの形状は、上面図で示すような、短辺が1mm以下(例えば0.6〜0.8mm程度)、長辺が10〜15cm程度の矩形である。スリット状導入開口21fの形状は、下面図で示すような、短辺が1cm程度、長辺が同じく10〜15cm程度の矩形である。すなわち、スリット状射出開口21eの短辺は、スリット状導入開口21fの短辺よりも小さいものとなっている。両開口の長辺は同一の長さである。
The shape of the slit-shaped injection opening 21e is a rectangle having a short side of 1 mm or less (for example, about 0.6 to 0.8 mm) and a long side of about 10 to 15 cm as shown in the top view. The shape of the slit-shaped
エアロゾル流路21bの長さはおよそ10cm程度である。
The length of the
エアロゾル流路21bは、その横断面積が、スリット状導入開口21fからスリット状射出開口21eへの方向に向けて次第に減少するように構成されている。このために、エアロゾル流路21bを画定する内周壁面のうち、幅広の側壁における内周壁面に、一対のテーパ部21d、21kが設けられている。当該一対のテーパ部はエアロゾル流路21bの横断面積をその横断面の短辺の縮小によって狭めるように、エアロゾル流路21bを上流から下流に向けて見たときに内側方向に緩やかに傾斜している。さらに当該一対のテーパ部はその傾斜角度に関して左右対称である。縦断面図で示すように、テーパ部21d、21kの存在によって、スリット状導入開口21fの短辺の長さが、スリット状射出開口21eの短辺の長さにまで直線的に絞り込まれる。テーパ部21d、21kの長さはおよそ5cm程度である。
The
テーパ部21d、21kはスリット状射出開口21eに直接連結しているのではなく、テーパ部21d、21kと、スリット状射出開口21eとのあいだには、一対の平面部21c、21jが設けられている。当該一対の平面部は、この流域においてエアロゾル流路21bの横断面積が一定となるように、互いに対して平行になっている。平面部21c、21jはエアロゾル流の流れ方向に対しても平行である。
The
さらにテーパ部21d、21kと、スリット状導入開口21fとのあいだにも、同様に互いに平行な一対の平面部が設けられている。
Further, a pair of plane portions parallel to each other are also provided between the
エアロゾル流は、スリット状導入開口21fからエアロゾル流路21bに進入するが、エアロゾル流路21bの横断面積がテーパ部21d、21kによって減少するので、当該テーパ部が設けられた中流域で加速した後、平面部21c、21jが設けられた下流域を通過することによって、スリット状射出開口21eから噴射される。つまり、エアロズル流は、平面部21c、21jが設けられた下流域を通過するときに、噴射ノズル21内で最も高速になっている。
The aerosol flow enters the
図2は、図1で示した噴射ノズル21についてスリット状射出開口21e付近の縦断面を拡大し、エアロゾル流22、レーザー61、及び回折・散乱光62、63と共に概念的に示した図である。この図2には、レーザー発出面を構成する光ファイバやレーザー受光面を構成する光ファイバが表されている。
2 is an enlarged view of the vertical section of the
ノズル本体21aの右側壁21gには、レーザー発出用の光ファイバ32と、回折・散乱光の波長検出用光ファイバ42とが、エアロゾル流22の流れ方向(エアロゾル流路の中心軸方向)に対して斜め方向に埋設されている。なお、その埋設箇所は噴射ノズル21の奥行方向(図1の側面図での短辺)におけるほぼ中央あたりである。レーザー発出用の光ファイバ32の向きがエアロゾル流22の流れ方向に対して傾斜しているので、光ファイバ32を経過して発出されるレーザー61とエアロゾル流22は斜めに交差する。
On the
ただし、回折・散乱光の波長検出用光ファイバ42を設けない場合、すなわちエアロゾルの粒子濃度、及び/又は、粒度分布を測定対象とするが粒子速度を測定対象としない場合には、レーザー発出用の光ファイバ32をエアロゾル流22の流れ方向に対して斜めに設ける必要はなく、垂直に設けてもよい。
However, when the
本形態では、レーザー発出用の光ファイバ32は、右側壁21gの外壁面から差し込まれ、エアロゾル流22の上流方向に向けて傾斜するような向きで、右側壁21g内を進行する。そして、右側平面部21cにおいて右側壁21gの内壁面に達するが、そこで切断されて、レーザー発出面たる光ファイバ断面31がエアロゾル流路21b内に露出することになる。光ファイバ断面31は、平面部21cに対して陥没も突出もしておらず、面一となるように加工されている。
In this embodiment, the laser emitting
回折・散乱光の波長検出用光ファイバ42も同じく、右側壁21gの外壁面から差し込まれるが、こちらはエアロゾル流22の下流方向に向けて傾斜するような向きで右側壁21g内を進行する。そして、光ファイバ32の断面31が配置されている地点よりも上流側の平面部21cにおいて、右側壁21gの内壁面に達する。そこで切断されて、レーザー受光面たる光ファイバ断面41がエアロゾル流路21b内に露出することになるが、当該断面も、平面部21cに対して陥没も突出もしておらず、面一となるように加工されている。
Similarly, the wavelength detection
回折・散乱光の波長検出用光ファイバ42の断面41が、レーザー発出用の光ファイバ32の断面31よりも上流側に位置するので、ドップラー効果を利用した速度測定が可能になる。回折・散乱光の波長検出用光ファイバ42の傾斜角度、及びその断面41の位置は、回折・散乱光レーザー発出用の光ファイバ32の傾斜角度、及びその断面31の位置との関係において、ドップラー効果を利用した速度測定に必要な回折・散乱光の受光に適したものとなるよう調整する。
Since the
一方、エアロゾル流路21bを挟んで前記右側壁21gと対向している左側壁21hには、回折・散乱光の強度検出用光ファイバ52、52aが埋設されている。いずれも左側壁21hの外壁面から差し込まれ、左側壁21h内を進行した後、左側平面部21jにおいて左側壁21hの内壁面に達する。そこで切断されて、レーザー受光面たる光ファイバ断面51、51aが、エアロゾル流路21b内に露出することになるが、当該断面も、平面部21jに対して陥没も突出もしておらず、面一となるように加工されている。
On the other hand,
光ファイバ52の断面51は、回折・散乱光レーザー発出用の光ファイバ32の断面31から発出するレーザーの直進方向に配置されており、光ファイバ52の傾斜角度は、断面51で受光した回折・散乱光が光ファイバ52内を効率よく伝導するように、光ファイバ32の傾斜角度とおよそ同一である。
The
一方、光ファイバ52aの断面51aは、平面部21jにおいて断面51の位置よりも下流側に配置されている。断面51aで受光した回折・散乱光が光ファイバ52a内を効率よく伝導するよう、断面51aの位置に応じて、光ファイバ52aの傾斜角度は決定される。
On the other hand, the
なお、エアロゾル流22の粒度分布の測定には回折・散乱光の強度分布の算出が必要であり、粒子濃度の測定には回折・散乱光の総強度の算出が必要であるから、これらの測定をより正確に行うにはレーザー受光面の数を増やしたほうがよい。したがって、図2では回折・散乱光の強度検出用光ファイバを2本のみ配置しているが、平面部21cにおいて、より多数配置したほうが好ましい。この場合、左側壁21h側の平面部21jだけではなく、右側壁21g側の平面部21cにも配置してよい。
The measurement of the particle size distribution of the
図3は、図1、図2で示した噴射ノズル21を用いた成膜装置を概略的に示している。この成膜装置は、キャリアガスに材料粒子を分散させてエアロゾルを発生させるエアロゾル発生部10と、内部で成膜を行うためのチャンバ20を備えている。エアロゾル発生部10は内部に材料粒子が収納され、キャリアガスを導入することができるように構成されている。エアロゾル発生部10の上部にはエアロゾル供給管11の一端が挿入されている。エアロゾル供給管11の他端には噴射ノズル21が接続されている。
FIG. 3 schematically shows a film forming apparatus using the
前記材料粒子を構成する材料としては、エアロゾルデポジション法に使用できるものであれば特に限定されず、例えば、圧電材料であるチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)や、アルミナ等の無機粉体、樹脂等の有機粉体を使用することができる。本形態では、前記材料粒子を構成する材料としてセラミックスを用いる。 The material constituting the material particles is not particularly limited as long as it can be used in the aerosol deposition method. For example, lead zirconate titanate (PZT) which is a piezoelectric material, inorganic powder such as alumina, resin Organic powders such as can be used. In this embodiment, ceramics are used as the material constituting the material particles.
前記材料粒子の粒径としても、エアロゾルデポジション法に使用可能な粒径であればよいが、例えば、数μm〜数十μm程度のものでよい。 The particle size of the material particles may be any particle size that can be used for the aerosol deposition method, but may be, for example, about several μm to several tens of μm.
前記キャリアガスとしては、エアロゾルデポジション法に使用できるものであれば特に限定されず、例えば、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスや、窒素、空気、酸素等を使用することができる。 The carrier gas is not particularly limited as long as it can be used in the aerosol deposition method, and for example, inert gas such as helium and argon, nitrogen, air, oxygen and the like can be used.
チャンバ20の内部には、被処理物である基板23を取り付けるための基板ホルダー24と、その下方に噴射ノズル21が配置されている。基板ホルダー24は矩形板状に形成されており、基板ホルダー移動機構25によって水平姿勢でチャンバ20の天井からつり下げられ、その下面側に基板23を保持することができるようになっている。基板ホルダー移動機構25は制御装置からの指令に応じて駆動できるようになっており、これによって基板ホルダー24は水平面内において、前後方向及び左右方向に移動することができる。
Inside the
チャンバ20には、ブースターポンプ、ロータリーポンプ等が接続されており、その内部を減圧できるように構成されている。
A booster pump, a rotary pump, or the like is connected to the
本発明で用いられる基板23の材料としては特に限定されず、例えば、金属、シリコン、半導体、樹脂等であってよい。
The material of the
噴射ノズル21は図1、図2で示したものである。スリット状導入開口21fは、エアロゾル供給管11の他端に接続されており、ここからエアロゾルがノズル内に導入される。スリット状射出開口21eは、基板ホルダー24の下面に保持された基板23の、セラミックス薄膜を形成すべき表面に向けられており、そこからエアロゾル流22を噴射する。図3では、噴射ノズル21は、エアロゾル流22を基板23に対して垂直に噴射するような向きで配置されているが、基板23に対して斜めに噴射するような向きに配置されてもよい。
The
噴射ノズル21内のエアロゾル流路21bを画定する内周壁面には、上述のとおりレーザー発出面たる光ファイバ断面31、波長検出用のレーザー受光面たる光ファイバ断面41、及び強度検出用のレーザー受光面たる光ファイバ断面51、51aが設けられている。光ファイバ断面31は光ファイバ32によってレーザー照射機33に接続されている。光ファイバ断面41は光ファイバ42によって光波長検出センサ43に接続され、さらに当該センサは速度演算部44に接続されている。光ファイバ断面51、51aは光ファイバ52、52aによって光強度検出センサ53、53aに接続され、さらに当該センサは粒度分布及び/又は粒子濃度の演算部54に接続されている。
As described above, the
エアロゾル発生部10では、超音波加振装置を配置して振動を加えたり、内部に巻き上げガスを導入してサイクロン流を生成させたり、床部から流動ガスを供給したりすることによって、キャリアガスに材料粒子を分散させ、エアロゾルを発生させる。ここで、チャンバ20の内圧をエアロゾル発生部10の内圧と比較して低圧にすると、その差圧によって、エアロゾル発生部10内のエアロゾルは、エアロゾル供給管11に吸い込まれ、これを経由して噴射ノズル21に供給される。なお、エアロゾル供給管11の途中には、キャリアガスの総量を調整できるようにキャリアガスを補充するガス補充管が接続されてもよい。
In the
スリット状導入開口21fからエアロゾル流路21bに進入したエアロゾルは、当該流路の中流域にあるテーパ部21d、21kによって横断面積が減少するので加速がされたうえで、さらに平面部21c、21jが設けられた下流域を通過し、スリット状射出開口21eから噴射ノズル21の外部に噴出して基板23に吹き付けられる。なお、平面部21c、21jが設けられた下流域を通過するときは、エアロゾル流は最も高速になるとともに流れの方向が平面部21c、21jと平行になるので、平面部21c、21j内に設けられた光ファイバ断面31、41、51、51aへの粒子の付着は抑制される。これは、流れの方向が平面部21c、21jと平行であるために粒子が平面部21c、21jに接触する機会が少ないことと、粉体に付着していた水分等によって一時的に平面部21c、21jに付着しても、その付着した粉体に後からくる流れの速い粉体が衝突して、平面部21c、21jから剥離されるからである。そして、基板23の表面に衝突した材料粒子は破砕し、堆積することによって、セラミックス薄膜が形成される。エアロゾル流22の吹き付け時に基板ホルダー24を水平面内で少しずつ移動させることによって、基板23の全面にセラミックス薄膜を形成することができる。なお、スリット状射出開口21eと基板23とのあいだに、所定パターンを有するマスクを設置して、基板23上の任意の位置に任意の形状でセラミックス薄膜が形成されるようにしてもよい。
The aerosol that has entered the
粒子速度、粒度分布、及び/又は、粒子濃度を測定するためのレーザーはレーザー照射機33の発光によって生じ、光ファイバ32によって伝送され、光ファイバ断面31からエアロゾル流路21b内に発出する。発出したレーザー61は、スリット状射出開口21eから噴出する直前に平面部21c、21jがある下流域を通過しているエアロゾル流22を照射する。レーザー61がエアロゾル流22によって回折・散乱し生じた回折・散乱光は、レーザーを発出している側の壁面においては光ファイバ断面41によって、当該壁面と対向している壁面においては光ファイバ断面51、51aによって受光される。
The laser for measuring the particle velocity, the particle size distribution, and / or the particle concentration is generated by the light emitted from the
光ファイバ断面41によって受光された回折・散乱光は、光ファイバ42によって光波長検出センサ43にまで伝送され、そこで波長が検出される。検出された波長の出力は速度演算部44に伝達され、そこでA−D変換器によってデジタル化された後、検出波長に基づいて粒子速度が算出される。
The diffracted / scattered light received by the optical
一方、光ファイバ断面51、51aによって受光された回折・散乱光は、光ファイバ52、52aによって光強度検出センサ53、53aにまで伝送され、そこで光強度が検出される。検出された強度の出力は粒度分布及び/又は粒子濃度の演算部54に伝達され、そこでA−D変換器によってデジタル化された後、強度パターンと総強度が求められ、これらに基づいてそれぞれ、粒度分布と粒子濃度が算出される。
On the other hand, the diffracted / scattered light received by the optical
本発明ではエアロゾル流22の粒子速度、粒子濃度、及び粒度分布をリアルタイムに算出することができるので、エアロゾルデポジション法を実施している最中にあっても、測定された粒子速度、粒子濃度、及び粒度分布の結果を、エアロゾル発生部10内でエアロゾルを発生させる際の条件や、前記ガス補充管によるガス補充量、エアロゾル流22を基板に吹き付ける際の条件等にフィードバックし、これらを種々調整することによって、形成されるセラミックス薄膜の膜厚の均一化、ひいては品質の向上を図ることができる。また、リアルタイムで測定されたエアロゾル流22の粒子速度等に異常が生じた場合には、製造を直ちに中止して製品に何らかの欠陥が生じるのを事前に防止することもできる。
In the present invention, since the particle velocity, particle concentration, and particle size distribution of the
なお、本発明は上述のように、噴射ノズルに埋設した光ファイバと、レーザー照射機、光波長検出センサ、又は光強度検出センサとを連結する形態に限定されるものではなく、レーザー照射機のヘッド、光波長検出センサのヘッド、又は光強度検出センサのヘッドを直接、エアロゾル流路の内周壁面に設ける形態であってよい。 As described above, the present invention is not limited to the form in which the optical fiber embedded in the injection nozzle and the laser irradiation machine, the light wavelength detection sensor, or the light intensity detection sensor are connected. The head, the head of the optical wavelength detection sensor, or the head of the light intensity detection sensor may be provided directly on the inner peripheral wall surface of the aerosol flow path.
10 エアロゾル発生部
11 エアロゾル供給管
20 チャンバ
21 噴射ノズル
21a ノズル本体
21b エアロゾル流路
21c、21j 平面部
21d、21k テーパ部
21e スリット状射出開口
21f スリット状導入開口
21g 右側壁
21h 左側壁
22 エアロゾル流
23 基板
24 基板ホルダー
25 基板ホルダー移動機構
31 光ファイバ32の断面
32 レーザー発出用光ファイバ
33 レーザー照射機
41 光ファイバ42の断面
42 回折・散乱光の波長検出用光ファイバ
43 光波長検出センサ
44 速度演算部
51、51a 光ファイバ52、52aの断面
52、52a 回折・散乱光の強度検出用光ファイバ
53、53a 光強度検出センサ
54 粒度分布及び/又は粒子濃度の演算部
61 レーザー
62、63 回折・散乱光
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記エアロゾル流路を画定する内周壁面に、レーザー発出面とレーザー受光面とが設けられ、
前記レーザー発出面が、レーザー照射装置のレーザーを発出する面であり、そこから前記エアロゾル流路中にレーザーが発出され、
前記レーザー受光面が、レーザーの物理量を検知するセンサーの受光面であり、前記レーザー発出面から発出されたレーザーを受光する、エアロゾル噴射用ノズル。 An aerosol injection nozzle comprising an introduction opening for introducing aerosol, an injection opening for injecting aerosol, and an aerosol flow path for allowing aerosol to pass from the introduction opening to the injection opening,
The inner peripheral wall surface defining the aerosol flow path is provided with a laser emitting surface and a laser receiving surface,
The laser emitting surface is a surface for emitting a laser of a laser irradiation device, from which laser is emitted into the aerosol flow path,
An aerosol injection nozzle, wherein the laser light receiving surface is a light receiving surface of a sensor that detects a physical quantity of a laser and receives a laser emitted from the laser emitting surface.
前記内周壁面における前記テーパ部よりも下流側の部分に、前記レーザー発出面と前記レーザー受光面とが設けられた、請求項1記載のエアロゾル噴射用ノズル。 A part of the inner peripheral wall surface is a tapered portion formed so as to reduce the cross-sectional area of the aerosol flow path as it goes downstream;
The aerosol injection nozzle according to claim 1, wherein the laser emitting surface and the laser receiving surface are provided in a portion of the inner peripheral wall surface downstream of the tapered portion.
前記レーザー発出面と前記レーザー受光面とが該平面部に設けられた、請求項1又は2記載のエアロゾル噴射用ノズル。 The inner peripheral wall surface includes a pair of parallel flat portions facing each other across the central axis of the aerosol flow path,
The nozzle for aerosol injection according to claim 1 or 2, wherein the laser emitting surface and the laser receiving surface are provided on the flat portion.
前記ノズルが請求項1〜6のいずれかに記載のエアロゾル噴射用ノズルであり、
さらに、前記ノズルの前記レーザー受光面によって受光されたレーザーの物理量を前記センサーによって感知し、この感知された物理量に基づき、前記ノズルにおける前記エアロゾル流路を通過するエアロゾル流の粒子濃度、粒度分布 又は 速度を算出する算出手段を備え、
前記物理量がレーザーの強度 及び/又は 波長である、成膜装置。 An aerosol generation unit that generates aerosol by dispersing material particles in a carrier gas, and a nozzle that is connected to the aerosol generation unit and sprays the aerosol onto an object to be processed,
The nozzle is an aerosol injection nozzle according to any one of claims 1 to 6,
Further, the physical quantity of the laser beam received by the laser light receiving surface of the nozzle is sensed by the sensor, and based on the sensed physical quantity, the particle concentration, the particle size distribution of the aerosol flow passing through the aerosol flow path in the nozzle, or A calculating means for calculating the speed;
A film forming apparatus, wherein the physical quantity is a laser intensity and / or wavelength.
前記ノズルが請求項1〜6のいずれかに記載のエアロゾル噴射用ノズルであり、
さらに、前記ノズルにおける前記エアロゾル流路を通過するエアロゾル流に対して、前記ノズルの前記レーザー発出面からレーザーを発出する発出工程と、
前記発出工程によって発出されたレーザーを、前記ノズルの前記受光面によって受光する受光工程と、
前記受光工程によって受光されたレーザーの物理量を前記センサーで感知し、この感知された物理量に基づいて、前記エアロゾル流の粒子濃度、粒度分布 又は 速度を算出する算出工程と、を含み、
前記物理量がレーザーの強度 及び/又は 波長である、成膜方法。 An aerosol generating step of dispersing material particles in a carrier gas to generate an aerosol, and forming a film of the material particles on the object to be processed by ejecting the generated aerosol from a nozzle and spraying it on the object to be processed A film forming method comprising:
The nozzle is an aerosol injection nozzle according to any one of claims 1 to 6,
Further, for the aerosol flow passing through the aerosol flow path in the nozzle, an emitting step of emitting a laser from the laser emitting surface of the nozzle;
A light receiving step of receiving the laser emitted by the emitting step by the light receiving surface of the nozzle;
Detecting a physical quantity of the laser beam received by the light receiving process with the sensor, and calculating a particle concentration, a particle size distribution or a velocity of the aerosol flow based on the sensed physical quantity, and
The film forming method, wherein the physical quantity is laser intensity and / or wavelength.
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