JP2015013244A - 成膜装置及び成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】霧化された微粒子ＭＰを確実に帯電させる。【解決手段】成膜装置は、成膜される物質を含む溶液ＬＱを微粒子ＭＰとして霧化させる霧化装置１１と、キャリアガスを導入し、導入されたキャリアガスの運動エネルギを用いて、霧化された微粒子を導体メッシュ１３に向けて送り、且つ、導体メッシュ１３の間を通過させる輸送部１２と、第１の極性の電圧が印加されることにより、微粒子ＭＰがその間を通過する際に微粒子ＭＰを帯電させる導体メッシュ１３と、帯電した微粒子ＭＰに静電引力を作用させて、基体Ｓｂ上に微粒子ＭＰを堆積する基体支持台１４と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、成膜装置及び成膜方法に関するものである。

従来から、樹脂系薄膜の形成方法として、樹脂系原料を霧化または気化して基体に付着させて樹脂系薄膜を形成する方法が知られている（特許文献１参照）。特許文献１の方法では、空隙欠陥がなくかつ表面が平坦な樹脂系薄膜を形成するために、基体と、霧化または気化した樹脂系原料との少なくともいずれか一方を荷電粒子線の照射により帯電させている。

また、機能性高分子、生体高分子、無機物質、或いは、有機高分子などの薄膜を形成する方法が知られている（特許文献２参照）。特許文献２の方法では、機能性高分子などの生物学的活性や機能を失うことなく薄膜を形成するために、機能性高分子などを含む溶液（または溶媒）を帯電させて、振動子により振動を与えることによって、帯電された微小な粒子状物質として霧化している。

特開平１０−２５１８３３号公報 特開２００３−１３６００５号公報

しかし、特許文献１の方法における、荷電粒子線の照射による帯電では、基体或いは樹脂系原料を十分に帯電させることができない。

特許文献２の方法では、帯電した霧（霧化した微小な粒子状物質）を安定して得ることが難しい。なぜなら、例えば、霧化した微小な粒子状物質がメッシュを通過するときに帯電させて粒子の大きさを揃える例では、メッシュの穴が小さいため、霧化の効率が悪くなるからである。また、溶液に高電圧を直接印加しているために、振動子及び霧化装置を高電圧から保護する必要が生じ、装置が複雑になり、高価になる。

本発明は、上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、霧化された微粒子を確実に帯電させることができる成膜装置及び成膜方法を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明の第１の態様に係わる成膜装置は、成膜される物質を含む溶液を微粒子として霧化させる霧化装置と、キャリアガスを導入し、導入されたキャリアガスの運動エネルギを用いて、霧化された微粒子を導体メッシュに向けて送り、且つ、導体メッシュの間を通過させる輸送部と、第１の極性の電圧が印加されることにより、微粒子がその間を通過する際に微粒子を帯電させる導体メッシュと、帯電した微粒子に静電引力を作用させて、基体上に微粒子を堆積する基体支持台と、を備える。

第１の態様に係わる成膜装置によれば、導体メッシュに第１の極性の電圧を印加することにより、微粒子が導体メッシュの間を通過する際に、微粒子が印加した極性と同じ極性（第１の極性）に帯電する。そして、基体支持台を用いて導体メッシュと基体との間に電場を形成することにより微粒子に吸着力を作用させて基体上に微粒子を堆積することができる。導体メッシュの間を通過する際に、霧化した微粒子が導体メッシュに十分に接近するため、確実に帯電させることができる。

第１の態様に係わる成膜装置において、基体支持台は、基体、或いは帯電した微粒子から見て基体の後方に位置する導体板に、第１の極性とは異なる第２の極性の電圧を印加してもよい。

成膜速度を高めるためには、帯電した微粒子に作用する静電引力を大きくして、微粒子が基体に引きつけられる力を大きくする必要がある。しかし、静電引力を大きくするために、導体メッシュに印加する第１の極性の電圧を高くすると、微粒子は導体メッシュの間を通過する前に帯電してしまい、帯電した微粒子は導体メッシュを通過し難くなり、成膜速度が低下してしまう。そこで、基体或いは導体板に第１の極性とは異なる第２の極性の電圧を印加する。これにより、帯電した微粒子が導体メッシュを通過しくくなることなく、導体メッシュと基体或いは導体板とにより形成される電場をより大きくすることができるので、より大きな吸着力を微粒子に作用させて成膜速度を高めることができる。

更に、導体メッシュで印加する電圧の絶対値よりも、基体或いは導体板に印加する電圧の絶対値を大きくしてもよい。帯電した微粒子が導体メッシュの間をより通過しやすくなり、より大きな吸着力を微粒子に作用させることができるので、成膜速度を高めることができる。

本発明の第２の態様に係わる成膜方法は、成膜される物質を含む溶液を微粒子として霧化させ、導体メッシュに向かって流れるキャリアガスの運動エネルギを用いて、導体メッシュの間を霧化した微粒子を通過させ、導体メッシュに電圧を印加することにより、導体メッシュの間を微粒子が通過する際に微粒子を帯電させ、帯電した微粒子に静電引力を作用させて基体上に微粒子を堆積する。

本発明に係わる成膜装置及び成膜方法によれば、霧化された液滴を確実に帯電させることができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係わる成膜装置の構成を示す概略図である。 図２は、図１の成膜装置を用いた成膜方法の手順を示すフローチャートである。 図３は、本発明の第２実施形態に係わる成膜装置の構成を示す概略図である。 図４（ａ）は基体Ｓｂに接地電位を印加し、導体メッシュ１３に印加する電圧２８を上げた場合の成膜速度の変化Ｐａを示すグラフであり、図４（ｂ）は導体メッシュ１３に印加する電圧２８を途中で一定に保ち、その後は基体Ｓｂに印加する電圧２９を上げた場合の成膜速度の変化Ｐｂを示すグラフである。 図５は、表１及び表２に示した実験結果をまとめたグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

（第１実施形態）
図１を参照して、本発明の第１実施形態に係わる成膜装置の構成を説明する。成膜装置は、成膜される物質が溶液として供給され、当該物質を所定の基体支持台に載置された基体の上に成膜する装置である。このような成膜装置は、図１に示すように、成膜される物質を含む溶液ＬＱを微粒子ＭＰとして霧化させる霧化装置１１と、霧化された微粒子ＭＰを導体メッシュ１３に向けて送り、且つ、導体メッシュ１３の間を通過させる輸送部１２と、微粒子ＭＰがその間を通過する際に微粒子ＭＰを帯電させる導体メッシュ１３と、帯電した微粒子ＭＰに静電引力を作用させて、基体Ｓｂ上に微粒子ＭＰを堆積する基体支持台１４とを備える。

霧化装置１１は、溶液ＬＱを収容する容器２０と、容器２０に収容された溶液ＬＱに超音波ＳＳを加えることにより、溶液ＬＱを微粒子として霧化（気化を含む）させる超音波素子２１と、超音波素子２１の動作を制御する超音波制御器１９とを有する。図１に示す例では、容器２０の底部中央に超音波素子２１が配置され、容器２０の底部中央から射出される超音波ＳＳにより溶液ＬＱの一部が霧化されて微粒子ＭＰへ変化する。

輸送部１２は、キャリアガスを導入し、導入されたキャリアガスの運動エネルギを用いて、霧化装置１１で発生した微粒子ＭＰを、導体メッシュ１３まで搬送し、導体メッシュ１３の目を通過させる。具体的に、輸送部１２は、その内部において微粒子ＭＰが発生する霧化管２４と、霧化管２４の中にキャリアガスを導入するための送風管２２と、霧化管２４の中に配置された導体性帯２３と、霧化管２４の一端に接続された輸送管２５と、輸送管２５の他端に接続された塗布管２６とを有する。

霧化管２４は、その他端が溶液ＬＱの中の超音波素子２１の上方に配置されている。霧化管２４の内部に、導体性帯２３が配置されている。霧化管２４の一端は、輸送管２５の一端に接続され、輸送管２５の他端は、塗布管２６の一端に接続されている。塗布管２６の内部に、導体メッシュ１３が配置されている。塗布管２６の他端は、基体支持台１４の上方に位置する。

導体メッシュ１３は、塗布管２６の内部に配置されている。導体メッシュ１３は、例えば金属メッシュからなり、微粒子ＭＰが通過可能な程度の編み目状の平面形状を有する。導体メッシュ１３に対して、外部から第１の極性（例えば、負）の電圧２８を印加することができる。

基体支持台１４の上には、基体Ｓｂを加熱するための加熱装置２７が載置され、加熱装置２７の上に、基体Ｓｂが載置される。後述する成膜時には、加熱装置２７の上に載置された基体Ｓｂと塗布管２６の他端との間に電位差が生じるため、基体Ｓｂと塗布管２６の他端と間で放電が生じることを防止するために、所定の放電防止ギャップＧＰが形成される。

図２を参照して、図１の成膜装置を用いた成膜方法の一例を説明する。超音波制御器１９は、超音波素子２１を動作させて、溶液ＬＱの一部を霧化して霧化管２４の内部に微粒子ＭＰを発生させる（ステップＳ０１）。同時に、送風管２２を通じて霧化管２４の中にキャリアガスを導入する。そして、輸送管２５に向けて移動するキャリアガスの運動エネルギを用いて、微粒子ＭＰを輸送管２５に向けて移動させる。導体性帯２３の間を通過する際に、微粒子ＭＰが帯びた電荷が除去される。微粒子ＭＰは、輸送管２５の内部を、図１の矢印ＦＬに示す方向にキャリアガスと共に移動する。

塗布管２６に到達した微粒子ＭＰは、導体メッシュ１３の間を通過する（ステップＳ０２）。導体メッシュ１３に第１の極性の電圧（例えば、負の電圧）を印加することにより、微粒子ＭＰが導体メッシュ１３の間を通過する際に、微粒子ＭＰは、導体メッシュ１３に印加した極性と同じ極性（負極）に帯電する（ステップＳ０２）。帯電した微粒子ＭＰは分裂して粒子径が小さくなる。

そして、第１実施形態では、基体支持台１４の上方に配置された基体Ｓｂに直接、接地電位を印加する。これにより、負の電圧が印可された導体メッシュ１３と接地電池が印加された基体Ｓｂとの間に電場が形成される。この電場により、負に帯電した微粒子ＭＰには基体Ｓｂに向かう静電引力が作用する。この静電引力は、基体Ｓｂに対する吸着力として機能して、基体Ｓｂ上に微粒子ＭＰが堆積される（ステップＳ０３）。

基体Ｓｂは加熱装置２７により所定の温度まで加熱されているため、微粒子ＭＰが堆積される際に、微粒子ＭＰは基体Ｓｂへの接近と共に蒸発が進み、乾燥直前で基体Ｓｂに付着する。微粒子ＭＰは基体Ｓｂに付着した直後に乾燥する。これにより、溶液ＬＱに含まれる物質が基体Ｓｂ上に堆積され、基体Ｓｂに薄膜を成膜することができる。

図１には示さないが、成膜後に基体Ｓｂに高温処理を施すことにより、成膜した薄膜を硬化させる。なお、導体メッシュ１３に印加される電圧２８が、塗布管２６、輸送管２５、霧化管２４の内壁を伝って超音波素子２１或いは超音波制御器１９を破壊してしまうことを防止するために、霧化管２４の内壁には接地電位が印加されている。

以上説明したように、本発明の第１実施形態によれば、以下の作用効果が得られる。導体メッシュ１３に第１の極性の電圧（負の電圧）を印加することにより、微粒子ＭＰが導体メッシュ１３の間を通過する際に、印加した極性と同じ極性（第１の極性）に微粒子ＭＰが帯電する。そして、基体支持台１４を用いて導体メッシュ１３と基体Ｓｂとの間に電場を形成することにより微粒子ＭＰに吸着力（静電引力）を作用させて基体Ｓｂ上に微粒子ＭＰを堆積することができる。導体メッシュ１３の間を通過する際に、霧化した微粒子ＭＰが導体メッシュ１３に十分に接近するため、確実に帯電させることができる。

高電圧が印加された導体メッシュ１３の間を微粒子ＭＰが通過する際に、微粒子ＭＰは帯電することにより更に細かく分裂する。基体Ｓｂに向かう微粒子ＭＰは霧化初期状態よりも更に微細化するため、霧化の効率が向上し、且つ、成膜の品質を向上させることができる。

（第２実施形態）
図３を参照して、本発明の第２実施形態に係わる成膜装置の構成を説明する。第２実施形態に係わる成膜装置は、図１の成膜装置と比較して、以下の点が相違する。図１の成膜装置では基体Ｓｂに接地電位を印加したが、第２実施形態に係わる成膜装置では、基体Ｓｂに、第１の極性とは異なる第２の極性の電圧、即ち正の電圧２９を印加する。その他の点については、図１の成膜装置と同じであり説明を省略する。

第２実施形態による作用効果を以下に説明する。

成膜速度を高めるためには、帯電した微粒子ＭＰに作用する静電引力を大きくして、微粒子ＭＰが基体Ｓｂに引きつけられる力を大きくする必要がある。静電引力を大きくするために、導体メッシュ１３に印加する第１の極性（負）の電圧２８を高くすると、前述したように、霧化された微粒子ＭＰを、霧化初期状態よりも更に微細化することができる。しかし、導体メッシュ１３への高電圧印加により、微粒子ＭＰは導体メッシュ１３の間を通過する前に帯電してしまい、帯電した微粒子ＭＰは導体メッシュ１３を通過し難くなる。通過できた微粒子ＭＰ自体の帯電量は十分であっても、基体Ｓｂ側へ到達できる微粒子ＭＰの量は減ってしまうため、成膜速度が低下してしまう。そこで、微粒子ＭＰの更なる微細化に必要な導体メッシュ１３側の電圧印加は、微粒子ＭＰの導体メッシュ１３通過を阻害しない程度に抑える。そして、微粒子ＭＰを基体Ｓｂへ引付けるために必要な電位差を大きくするために、第１の極性（負）とは異なる第２の極性（正）の電圧２９を基体Ｓｂに印加する。これにより、導体メッシュ１３と基体Ｓｂとの間に、電圧２８と電圧２９とを加算した電位差が生じる。よって、帯電した微粒子ＭＰが導体メッシュ１３を通過しくくなることなく、導体メッシュ１３と基体Ｓｂとにより形成される電場をより大きくすることができるので、より大きな吸着力を微粒子ＭＰに作用させて成膜速度を高めることができる。

図４（ａ）は基体Ｓｂに接地電位を印加し、導体メッシュ１３に印加する電圧２８を上げた場合の基体Ｓｂと導体メッシュ１３との電位差に対する成膜速度の変化Ｐａを示し、図４（ｂ）は導体メッシュ１３に印加する電圧２８を途中で一定に保ち、その後は基体Ｓｂに印加する電圧２９を上げた場合の基体Ｓｂと導体メッシュ１３との電位差に対する成膜速度の変化Ｐｂを示す。図４（ａ）に示すように、電圧２８の上昇と共に成膜速度も上昇するが、所定の電位差以上では、前述したように、帯電した微粒子ＭＰが導体メッシュ１３を通過しくくなるため、電位差の上昇と共に成膜速度は低下する。これに対して、図４（ｂ）に示すように、所定の電位差まで電圧２８を上昇させ、その後は基体Ｓｂに印加する電圧２９を上昇させることにより、所定の電位差以上であっても、成膜速度を上昇させることができる。

また、第２実施形態において、導体メッシュ１３で印加する電圧２８の絶対値よりも、基体に印加する電圧２９の絶対値を大きくしてもよい。これにより、帯電した微粒子ＭＰが導体メッシュ１３の間をより通過しやすくなり、より大きな吸着力を微粒子ＭＰに作用させることができるので、成膜速度を高めることができる。

（実験結果）
図５、表１及び表２を参照して、発明者が行った実験の結果を説明する。表１は、基体Ｓｂに印加する電圧２９を接地電位（０ｋＶ）に保持し、導体メッシュ１３に印加する電圧２８を変化させた場合の基体Ｓｂ上に成膜される薄膜の膜厚を示す。成膜時間は一定としている。導体メッシュ１３に印加する電圧２８を、０ｋＶ、−１ｋＶ、−３ｋＶ、−５ｋＶに変化させた場合、薄膜の膜厚は、０ｎｍ、０ｎｍ、１５．６ｎｍ、１５．２ｎｍとなった。電圧２８の絶対値の上昇とともに、成膜速度が増加して膜厚も増加するが、膜厚は電圧２８が−３ｋＶの時に最大値（１５．６ｎｍ）を取り、電圧２８の絶対値の更なる上昇により膜厚は増加しない。

表２は、導体メッシュ１３に印加する電圧２８を膜厚が最大値を取った時の値（−３ｋＶ）に維持し、基体Ｓｂに印加する電圧２９を変化させた場合の基体Ｓｂ上に成膜される薄膜の膜厚を示す。成膜時間は表１と同様に一定としている。基体Ｓｂに印加する電圧２９を、０ｋＶ、１ｋＶ、７ｋＶに変化させた場合、薄膜の膜厚は、１５．６ｎｍ、２８．５ｎｍ、４８．３５ｎｍとなった。電圧２９の絶対値の上昇とともに、表１における最大値（１５．６ｎｍ）よりも膜厚が更に増加した。

図５は、表１及び表２に示した実験結果をまとめたグラフである。横軸は、導体メッシュ１３と基体Ｓｂとの間に印加される電位差（ｋＶ）、つまり電圧２８と電圧２９の絶対値を加算した値を示し、横軸は基体Ｓｂ上に成膜される薄膜の膜厚（ｎｍ）を示す。符号Ｗａは表１に示す実験結果をまとめたグラフを示し、符号Ｗｂは表２に示す実験結果をまとめたグラフを示す。

上記のように、本発明の実施形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、本発明の第１及び第２の実施形態では、基体Ｓｂに対して接地電位或いは第２の極性の電圧２９を印加する例を示したが、基体Ｓｂの代わりに、帯電した微粒子ＭＰから見て基体Ｓｂの後方に位置する導体板に対して、接地電位或いは第２の極性の電圧２９を印加しても構わない。

また、第１の極性を負とし、第２の極性を正とした場合を説明したが、逆であっても構わない。

１１…霧化装置
１２…輸送部
１３…導体メッシュ
１４…基体支持台
ＬＱ…溶液
ＭＰ…微粒子
Ｓｂ…基体

Claims (4)

1. 成膜される物質を含む溶液（ＬＱ）を微粒子（ＭＰ）として霧化させる霧化装置（１１）と、
   キャリアガスを導入し、導入されたキャリアガスの運動エネルギを用いて、霧化された前記微粒子（ＭＰ）を導体メッシュ（１３）に向けて送り、且つ、前記導体メッシュ（１３）の間を通過させる輸送部（１２）と、
   第１の極性の電圧（２８）が印加されることにより、前記微粒子（ＭＰ）がその間を通過する際に前記微粒子（ＭＰ）を帯電させる前記導体メッシュ（１３）と、
   帯電した前記微粒子（ＭＰ）に静電引力を作用させて、基体（Ｓｂ）上に前記微粒子（ＭＰ）を堆積する基体支持台（１４）と、
   を備えることを特徴とする成膜装置。
2. 前記基体支持台（１４）は、基体（Ｓｂ）、或いは帯電した前記微粒子（ＭＰ）から見て前記基体（Ｓｂ）の後方に位置する導体板に、前記第１の極性とは異なる第２の極性の電圧（２９）を印加することを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記導体メッシュ（１３）に印加する電圧（２８）の絶対値よりも、前記基体（Ｓｂ）或いは導体板に印加する電圧（２９）の絶対値を大きくすることを特徴とする請求項２に記載の成膜装置。
4. 成膜される物質を含む溶液（ＬＱ）を微粒子（ＭＰ）として霧化させ、
   導体メッシュ（１３）に向かって流れるキャリアガスの運動エネルギを用いて、導体メッシュ（１３）の間を霧化した前記微粒子（ＭＰ）を通過させ、
   前記導体メッシュ（１３）に電圧を印加することにより、前記導体メッシュ（１３）の間を前記微粒子（ＭＰ）が通過する際に前記微粒子（ＭＰ）を帯電させ、
   帯電した前記微粒子（ＭＰ）に静電引力を作用させて基体（Ｓｂ）上に前記微粒子（ＭＰ）を堆積する
   ことを特徴とする成膜方法。

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