JP2017144393A - 霧化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】長期間にわたり安定的に原料液体のミストを発生可能な霧化装置を提供する。【解決手段】本発明の霧化装置１は、反応種ないしは反応前駆体を溶解した原料液体を霧化する霧化装置であって、原料液体を収容した原料容器５と、原料容器に対し超音波を照射する超音波発生部７１と、原料容器５と当接して配置され、超音波を伝達する伝達液体８を保持する伝達液体容器７と、原料液体６を原料容器５に供給しながら、原料容器５内の原料液体６の液面高さを一定に保つ液面調整手段９を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、反応種ないしは反応前駆体を含む原料液体を霧化し、成膜、エッチング等に用いられる霧化装置であって、超音波により原料液体を霧化する装置に関するものである。

従来の霧化装置は、原料液体を収容した原料容器の底面壁を解放水槽中の水に浸し、該水槽の内に配置された超音波振動子から超音波を原料容器の底面壁方向に、水槽中の水を伝搬させて照射する構成としている（たとえば、特許文献１、特許文献２）。この構成によれば、超音波振動子から照射された超音波は、解放された水槽内の水を伝播した後、原料容器の底面壁を透過して、原料容器内の原料液体に伝播することによって、原料液体を超音波により霧化することができる。

特開２００５−３０７２３８号公報 特開２００５−３０５２３３号公報

上記のような霧化装置では、原料液体の霧化効率は、原料容器内の原料液体の液面高さにより変化する。しかしながら、原料液体を霧化すると原料液体は減少して原料液体の液面は低くなり、結果、霧化効率が変化する。また、超音波を照射した際の原料液体は、選択霧化が生じ、原料液体の成分が変化することが報告されている。また、超音波を連続的に照射した場合、原料液体内に発生する超音波の粗密波により、原料液体の温度は上昇する。従って、原料液体の温度上昇による、霧化効率の変化も発生する。このため、従来の霧化装置では、超音波を照射して、安定した霧化効率で、連続的に原料液体のミストを一定条件で供給することができない。

本発明は、上記問題点に鑑み、長期間にわたり安定的に原料液体のミストを発生可能な霧化装置を提供することを目的としている。

本発明の霧化装置は、反応種ないしは反応前駆体を溶解した原料液体を霧化する霧化装置であって、原料液体を収容した原料容器と、原料容器に対し超音波を照射する超音波発生部と、原料容器と当接して配置され、超音波を伝達する伝達液体を保持する伝達液体容器と、原料液体を原料容器に供給しながら、原料容器内の原料液体の液面高さを一定に保つ液面調整手段を有することを特徴とする。

本発明によれば、長期間にわたり安定的に原料液体のミストを発生させることができる。

第１の実施形態のミストエッチング装置の概略断面図である。

本発明に係る好適な第１の実施形態をミストエッチング装置の例で、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明に係るミストエッチング装置の概略断面図である。ミストエッチング装置１は、原料液体６を霧化するミスト生成部２（霧化装置の一例）と、基板や基板上に形成された薄膜をエッチングするエッチング部３とから構成される。ミスト生成部２とエッチング部３は連結管４により相互に連結されている。ここで、原料液体とは、反応種又は反応前駆体を溶解した液体で、たとえばエッチング液である。

ミスト生成部２は、原料液体６を収容する原料容器５と、原料容器５に当接して配置され伝達液体８を収容する伝達液体容器７と、超音波を発生させ原料液体６に照射する超音波振動子７１（超音波発生部の一例）と、原料容器５内の原料液体６の液面６ｂの高さを一定に保つ液面調整手段９と、脱気タンク９９を備えている。

原料容器５は、ガラス製の円筒５１と、円筒５１の伝達液体容器７と当接する底面部に配置され底面を封止するポリエチレン等の合成樹脂薄膜５２（薄膜の一例）、円筒５１の上面部に配置され原料液体６を霧化したミストを取り出し、ミスト生成部２を連結管４を介してエッチング部３に連結するフランジ５３で構成している。合成樹脂薄膜５２は、一定の張力が与えられた状態で原料容器５の底部に固定されている。なお、合成樹脂薄膜５２を用いる代わりに、原料容器５の伝達液体容器７と当接する底面壁の一部または全部を、超音波振動子７１から発生した超音波が透過できる程度に薄く形成してもよい。

伝達液体容器７は、底部が底面壁７２で封止され、上端部のない面に上面壁７３が設けられた円筒形の容器である。伝達液体容器７の内径は、原料容器５の外径よりやや大きくなっている。原料容器５の下端は、合成樹脂薄膜５２が伝達液体容器７内の伝達液体８に浸潤するように配置されている。伝達液体８は、たとえば水等の超音波を伝達可能な液体である。この実施形態では、伝達液体容器７を密閉された容器としたが、開放された容器とすることもできる。

超音波振動子７１は、伝達液体容器７の底面の合成樹脂薄膜５２に対向する位置に配置されている。超音波振動子７１から照射された超音波は、伝達液体８と合成樹脂薄膜５２を経由して原料液体６に到達する。なお、超音波振動子７１の配置位置は、図１に示した位置には限らず、伝達液体８を介して原料液体６に超音波を照射できる位置であれば他の位置としてもよい。

液面調整手段９は、原料液体を格納した前段容器９４、前段容器９４から原料液体６をポンプ９１ａにより送液する供給配管９１、原料容器５内の液面を所望の高さに維持しながら過剰な原料液体６を前段容器９４に戻すための還元配管９２を備えている。本実施形態では、還元配管９２の開口端９２ａの高さを原料液体６の所望の液面の高さと一致するようにし、開口端９２ａより液面６ｂが高くなると、還元配管９２内に原料液体６が落下する形態としている。すなわち、液面調整手段９は、原料液体６を原料容器５、配管９２、前段容器９４、配管９１から成る循環経路を循環させるように構成され、液面６ｂの高さを一定に保っている。

ここで、液面調整手段９は、図１とは異なる構成とすることもできる。たとえば、還元配管９２にポンプ等を設置して、積極的に吸液してもよいし、ないしは、液面６ｂより上方から吸引を行い、開口端９２ａを所望液面とする形態をとることも可能である。

また、還元配管９２は、所望温度に維持された水を格納する恒温槽９３（温度調整手段の一例）中を経由し、原料液体６の温度を所望の温度に調整した後に、前段容器９４内に到達する構成としている。ここで、温度調整手段は恒温槽以外の機構でも構成することができ、たとえば、ペルチェ素子のような固体素子を還元配管９２に張り付けて温度調整を行ってもよいし、空冷による冷却機構でもよい。また、温度調整手段９３は、図１に示した位置とは異なる位置、たとえば前段容器９４、に設けてもよい。

前段容器９４は、原料液体６を液面が存在するように貯留する密閉された容器である。前段容器９４には、供給配管９１、還元配管９２、ベント弁９５、キャリアガス供給配管９６、キャリアガス送出配管９７、脱気原料液体供給配管９８が接続されている。キャリアガス供給配管９６は、図示しないタンク等からキャリアガス（たとえば、Ｎ_２ガス：所定の気体の一例）を前段容器９４に送気するための配管で、端部に設けられたブロワー９６ａからキャリアガスを噴出させ、原料液体６をキャリアガスにてバブリングする。キャリアガス送出配管９７は、原料液体６とは別の経路で前段容器９４内からキャリアガスを原料容器５に送り込むための配管である。脱気原料液体供給配管９８は、脱気タンク９９から前段容器９４に脱気した原料液体６送り込むための配管である。

以下に、稼働手順に従って各部の機能を説明する。

前段容器９４では、原料液体６の無い空容器の状態で、バルブ９６ｂを開いてキャリアガス供給配管９６からキャリアガスを導入し、前段容器９４内の雰囲気をキャリアガスで置換する。この際、バルブ９７ａを開きキャリアガス送出配管９７を経由してキャリアガスを原料容器５に送出し、原料容器５とこれをエッチング部３に接続する連結管４及び、エッチング部３の原料液体ないしは原料ミストが通る経路の雰囲気を置換する。ここで、本実施形態では雰囲気置換としたが、真空ポンプを前段容器９４に接続し、密閉した前段容器９４を、一度真空にした後、キャリアガスを充填し、前段容器９４内の雰囲気を置換する構成でもよい。

上記の雰囲気の置換と並行して、あるいは先だって、脱気タンク９９では、配管１０１に設けられたバルブ１０１ａを開き真空ポンプ１００を作動させて、内部に格納された原料液体６を脱気する。本実施形態では、真空ポンプを用いているが、エジェクター等による減圧機構やその他の機構により脱気してもよい。そして、雰囲気の弛緩が完了した後、バルブ９８ｂを開きポンプ９８ａを作動させて脱気された原料液体６を脱気原料液体供給配管９８を経由して前段容器９４に移送する。

ここで、脱気された原料液体６を格納する脱気タンク９９内に、キャリアガスを導入する機構とし、脱気した原料液体６にキャリアガスを溶かしてから、前段容器９４に移送してもよいし、キャリアガスを溶かした後、再度脱気を繰り返し、原料液体内の溶残ガスの純度を高めてもよい。

前段容器９４では、移送された原料液体６をキャリアガスによるバブリングにより、キャリアガスを含み、飽和した原料液体６とする。この際にも、バルブ９７ａを開き、余剰となったキャリアガスをキャリアガス送出配管９７を経由して原料容器５に送気し、さらに連結管４を経由して、処理容器３４から排出されるように経路を解放し、雰囲気を維持することができる。バルブ９２ａとバルブ９１ｂを開きポンプ９１ａを作動させて飽和した原料液体６を配管９１を経由して原料容器５に移送する。

飽和した原料液体６は、ポンプ９１ａにより原料容器５内に移送され、原料容器５の還元配管９２の開口端９２ａの高さまで満たされる。そして、原料液体６は、前段容器９４から原料容器５内に継続的に移送され、開口端９２ａの高さ以上の原料液体６は、開口端９２ａから還元配管９２に落下して前段容器９４に帰り、原料容器５内の原料液体６の液面６ｂを所定の高さに維持することが可能となる。

ここで、図示はしていないが、好適には、前段容器９４内に液面センサーを設け、原料容器５と前段容器９４を循環する原料液体が一定量となるように、脱気タンク９９から原料液体６を補充する機構とすることが望ましい。また、好適には、選択霧化が発生する原料液体６を用いる場合、循環経路内に反応種または反応前駆体の濃度を測定する機構を付設することが望ましい。

このように原料液体６が循環している状態で、超音波振動子７１に電力を供給し、原料容器５内の原料液体６に超音波を照射すると、原料容器５内の原料液体６は外気に触れることなく循環して、液面６ｂの高さを維持しながら霧化し、原料液体６とキャリアガスのみによる純度の高いミストを形成することができる。本実施形態では、超音波振動子７１に周波数が2.4MHzのものを用いた。原料液体６がミスト化される量は、超音波振動子７１に印加する電力量によって適宜調節される。

ミスト生成部２を使用すると、ナノオーダーからマイクロオーダーサイズの微細なミスト粒子を効率的に生成することができるとともに、ミストの発生量を調節することができる。生成されたナノオーダーからマイクロオーダーのミスト粒子は速度を持たない、つまり空間に滞留可能であるため、速度を付与して整流することができる。

ミスト生成２によりミスト化された原料液体６ａ（以下、単に「ミスト」という）は、ミスト状のままミスト排出口５４から原料容器５外に排出され、図１の矢印Ａに示すように、連結管４を介してエッチング部３に搬送される。エッチング部３に導入されたミスト６ａはヒータ３３により蒸気化されてエッチングに供される。

ミスト生成部２で生成されたミスト６ａはキャリアガスによって搬送される。キャリアガスを使用することで、ミスト６ａが効率的にエッチング部３に搬送される。キャリアガスはミスト６ａの成分であるエッチング原料と反応しないものであれば特に限定されず、エッチング対象物により適宜変更される。

キャリアガス導入口５５は、ミスト生成部２に設けられることが好ましく、原料液体６の液面６ｂより上方に設けられることがより好ましい。そうすることで、より効率的に生成したミスト６ａが搬送されることとなる。

搬送されたミスト６ａは、ミスト導入口３１を通過してエッチング部３内に導入される。
処理室３４にはエッチング対象物１０が設置され、処理室３４は支持台１１上に載置されてエッチング処理が施される。

原料容器５から処理室３４までの送気経路で、処理室３４内の処理をアシストするガスや、原料として液体に混合させることのできないガス状反応種等のキャリアガス以外の気体を混合するようにしてもよい。

また、処理室３４にはキャリアガスを外部に排出するためのキャリアガス排出口３２が設けられる。キャリアガス排出口３２を設けることで、エッチングの際に生成する反応生成物が処理室３４外に排出される。従って、エッチング対象物１０上への反応生成物の残留を防ぐことができる。

なお、ミスト６ａの供給先は、エッチング部３には限定されず、成膜装置等ミスト化された原料を必要とする任意の装置とすることができる。

エッチング装置１では、原料容器５に収容した原料液体６に、密閉容器７に収容された伝達液体８を介して、超音波振動子７１から超音波が印加され、原料液体６はミスト６ａとなる。液面調整手段９は、原料容器５内の原料液体６の液面６ｂの高さを一定に保つ。そのため、超音波振動子７１と液面６ｂとの間の距離が変化することなく、長期間にわたり安定的に原料液体のミストを発生させることができる。

エッチング装置１では、原料容器５と密閉容器７は当接して配置され、その当接部には原料容器５の底面壁を兼ねる合成樹脂薄膜５２が配置されている。あるいは、原料容器５の底面を薄く形成している。そのため、超音波を効率よく原料液体６に伝達することができる。

エッチング装置１は、原料液体６が原料容器５、配管９２、前段容器９４、配管９１から成る循環経路を循環するように構成されている。配管９２には恒温槽９３が設けられ原料液体６は所定の温度に保たれた状態で循環する。そのため、原料液体６の粘性や表面張力が一定に保たれ、一定の霧化条件を得ることができる。また、原料容器５で過剰となった原料液体６を廃棄することなく前段容器９４に還元して再利用するので経済的である。

エッチング装置１は、前段容器９４を備え、原料液体６は前段容器９４から原料容器５に供給される。そのため、循環経路内を循環する原料液体６の量を多くすることができ、原料容器５内で原料液体６の選択霧化により原料液体６の成分が変化した場合にも、該成分変化を緩やかにすることができ、より長時間、安定した原料供給をすることが可能になる。同時に、原料容器５からの還元配管９２を介して流れ込む原料液体６を回収し、多量の原料液体６を格納することから、原料液体６の温度変化をより小さくすることも可能である。

また、前段容器内９４でバブリングに用いた後、余剰となったキャリアガスは、原料液体６の経路である供給配管９１とは別経路のキャリアガス送出配管９７にて、原料容器内５に送りこまれ、原料容器５内で発生した原料液体のミスト６ａを処理容器内３４に送り込むためのキャリアガスとして使用される。これにより、経済的であると同時に、原料容器５から処理容器３４内を所望の気体で満たすことができ、かつ、バブリングにより原料液体６を含有する所望の気体を雰囲気とすることで、原料液体６のミスト６ａの蒸発も抑制できる。

また、前段容器９４には、脱気された原料液体６を格納し、該脱気された原料液体６に対してバブリングによりキャリアガスを溶解させている。これにより、原料液体６には、溶存気体が溶けにくくなり、処理室３４の内部まで、所望の原料液体６のミスト６ａで満たすことができ、処理を安定的に実施できる。

また、原料容器５から処理室３４までの送気経路で、処理室内の処理をアシストするガスや、原料として液体に混合させることのできないガス状反応種等を混合する。これにより、処理室内における反応を制御することができる。

以下、本発明に係るミストエッチング装置及びミストエッチング方法に関する実施例を示すことにより、本発明の効果をより明確なものとする。但し、本発明は下記実施例には限定されない。

１に示すミストエッチング装置を使用して基板上に形成された酸化亜鉛（ＺｎＯ）の薄膜に対してエッチング処理を施した。

実施例の薄膜は、スパッタリング法により基板上に成膜（膜厚１００ｎｍ）した。

レジストパターンを夫々の薄膜に形成した後に、表１に示す条件にてミストエッチング処理を施した。尚、エッチング時間は１８０秒とした。キャリアガス及び希釈ガスに（圧縮）空気を使用した。

該実施例にて4時間の連続運転にてエッチングを実施した。連続運転においても、エッチングレート、エッチング形状に変化は見られず、安定してエッチング処理を実施できた。

１ ミストエッチング装置、２ ミスト生成部（霧化装置）、 ３ エッチング部、４ 連結管、５ 原料容器、６ 原料液体、７ 伝達液体容器、８ 伝達液体、９ 液面調整手段、５２ 合成樹脂薄膜（薄膜）、７１ 超音波振動子（超音波発生部）、９３ 恒温槽（温度調整手段）、９４ 前段容器

Claims (9)

1. 反応種ないしは反応前駆体を溶解した原料液体を霧化する霧化装置であって、
   前記原料液体を収容した原料容器と、
   前記原料容器に対し超音波を照射する超音波発生部と、
   前記原料容器と当接して配置され、前記超音波を伝達する伝達液体を保持する伝達液体容器と、
   前記原料液体を前記原料容器に供給しながら、前記原料容器内の前記原料液体の液面高さを一定に保つ液面調整手段を有することを特徴とする霧化装置。
2. 前記原料液体を収容する前段容器を有し、前記原料液体が前記前段容器内から前記原料容器に供給されることを特徴とする請求項１に記載の霧化装置。
3. 前記原料容器を一部として含み、前記原料液体を循環させる循環経路を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の霧化装置。
4. 前記前段容器は前記循環経路内に設けられ、前記前段容器内で前記原料液体に所定の気体を溶解させて前記原料容器に供給することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の霧化装置。
5. 前記原料液体が一度脱気されていることを特徴とする請求項４に記載の霧化装置。
6. 前記所定の気体は、霧状の前記原料液体を含む気体を供給先の装置に送気するためのキャリアガスの少なくとも１つであることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の霧化装置。
7. 前記前段容器内で原料液体に溶解させた後に余剰となった前記所定の気体を、前記前段容器から前記原料液体とは別経路で前記原料容器内に送気することを特徴とする請求項４ないし請求項６に記載の霧化装置。
8. 前記キャリアガスと別の１つ以上の気体を、前記原料容器から供給先への経路で、ミスト化した前記原料液体に混合することを特徴とする請求項６または請求項７に記載の霧化装置。
9. 前記原料液体の温度を所定の温度に調整する温度調整手段を有することを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の霧化装置。