JP2017537219A - ナノ粒子コーティング装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、基板上にナノ粒子コーティングを均一かつ広範囲に形成するための装置を提供する。該装置は、蒸発金属ナノ粒子源と、間隔を空けて配列された第１の開口（２２）を備えた、第１のプレート（２０）と、第１のプレート（２０）に対して整合して配置され、および、間隔を空けて配列され、かつ、それぞれが第１のプレート（２０）の第１の開口（２２）のそれぞれに整合する第２の開口（２６）を備えた、第２のプレート（２４）とを有する。

Description

本発明は、基板上に、金属ナノ粒子のコーティングを均一かつ広範囲に形成するための装置および方法に関する。

気相ナノ粒子からなるフィルムは、抗菌コーティングから磁気データ保存技術に用いられる高着磁性フィルムまでにわたる、広範囲の用途に対して用いられている。さまざまな気相ナノ粒子源が研究開発されているとともに、市販もされている。
図１に示したような従来の気相ナノ粒子源は、比較的小さい面積（数平方センチメートル）へ堆積物を形成することのみが可能である。しかしながら、書き込みヘッドやウェハなどにナノ粒子コーティングを応用するにあたっては、コーティングを広範囲にわたって均一に施す必要がある。

このように、基板上にナノ粒子コーティングを広範囲に形成する装置および方法が求められている。また、基板上に金属ナノ粒子コーティングを広範囲にではあるが実質的に均一に形成する装置および方法も求められている。

本発明は、従来技術の問題点に対処するものである。

本発明の第１の態様によれば、本発明は、基板上にナノ粒子コーティングを均一かつ広範囲に形成するための装置を提供する。該装置は、
蒸発金属ナノ粒子源と、
間隔を空けて配列された第１の開口を備えた、第１のプレートと、
第１のプレートに対して整合して配置され、および、間隔を空けて配列された第２の開口を備えた、第２のプレートと、
を有し、
第２のプレートの第２の開口のそれぞれは、第１のプレートの第１の開口のそれぞれに整合して配置される。

前記装置は、複数のレンズをさらに備えることが好ましい。それぞれのレンズは、第１のプレートの第１の開口のそれぞれと関連づけられる。たとえば、それぞれのレンズは、第１のプレートの第１の開口の１つと整合するように配置される。前記レンズは、所定の寸法を有するナノ粒子を、第１の開口のそれぞれに集束させるために選択される。

前記レンズは、要求されている所定の寸法を有するナノ粒子を、第１の開口のそれぞれに集束させるのに適したレンズから選択される。たとえば、１つ以上のレンズとして、エアロダイナミックレンズを用いることができる。前記レンズによってナノ粒子を集束させることにより、第１のプレートの第１の開口のそれぞれが、ナノ粒子の所定の寸法（たとえば、直径）を中心とする狭い粒子分布を有するナノ粒子からなる、第１のナノ粒子のストリームを発生させることが可能となる。

前記装置は、さらに、複数のスキマーを備えることができる。それぞれのスキマーは、第２のプレートの第２の開口のそれぞれに整合して配置される。

第１のプレートは、第１のチャンバ内に位置することが好ましい。前記第２のプレートは、第２のチャンバ内に位置することが好ましい。第１のチャンバおよび第２のチャンバは、個別のチャンバであることが好ましい。

前記装置は、前記ナノ粒子上にシェル材料のコーティングを提供するための複数のシェル蒸発器をさらに備えることができる。それぞれのシェル蒸発器は、該蒸発器を貫通する開口チャネルを提供する、熱された細長いチューブを備えていることが好ましい。前記チャネルは、前記チューブの長手方向に対して実質的に平行である。それぞれのチューブの前記開口チャネルは、前記装置の第２の開口に整合して配置されることが好ましい。シェル材料は、それぞれの熱されたチューブの前記チャネル内に位置することが好ましい。

本発明の第２の態様によれば、本発明は、基板上にナノ粒子コーティングを均一かつ広範囲に形成するための方法を提供する。該方法は、
蒸発金属ナノ粒子源を準備し、
前記蒸発金属ナノ粒子源を、第１のプレートに配列された第１の開口に通じさせて、蒸発金属ナノ粒子の第１のストリームを発生させ、
前記蒸発金属ナノ粒子の第１のストリームを、第２のプレートに配列された第２の開口に通じさせて、自由ナノ粒子の第２のストリームを発生させ、
基板を前記自由ナノ粒子の第２のストリームに衝突させて、該基板上にナノ粒子コーティングを均一かつ広範囲に堆積させる、
工程を備える。

前記方法は、第１のプレートおよび第２のプレートの間に、差圧排気する工程をさらに備え、第１のストリームを第２の開口に通じさせる前に、自由ナノ粒子のストリームを発生させることもできる。

前記方法は、前記金属ナノ粒子源を第１のプレートに配列された第１の開口に通じさせる前において、前記金属ナノ粒子源を集束させる工程をさらに備えることもできる。

前記方法は、第１の開口のそれぞれとの位置を合わせるための複数のレンズを選択する工程をさらに備えることもできる。それぞれのレンズは、所定の寸法を有するナノ粒子を集束させて、第１の開口に通じさせるための適切な内寸を有していることが好ましい。

前記方法は、シェル材料でナノ粒子をコーティングする工程をさらに備えることもできる。

前記方法は、基板に自由ナノ粒子の複数の第２のストリームを衝突させる前に、該複数の第２のナノ粒子のストリームの１つ以上を、それぞれのシェル蒸発器に通じさせる工程をさらに備えることもできる。

図１は、基板上にナノ粒子コーティングを形成するための従来の装置を示す。 図２は、基板上にナノ粒子コーティングを均一かつ広範囲に形成するための本発明の第１の実施形態による装置の図である。 図３は、図１に示した前記従来の装置から所定の距離に存在する単一のナノ粒子源を用いて形成されたナノ粒子の堆積のシミュレーションを示す。 図４は、図２に示した前記装置から所定の距離に存在する複数のナノ粒子源を用いて形成されたナノ粒子の堆積のシミュレーションを示す。 図５は、基板上にシェルでコーティングされたナノ粒子コーティングを均一かつ広範囲に形成するための本発明のさらなる実施形態による装置を示す。

図１に示すとおり、基板上にナノ粒子コーティングを形成するための従来の装置２は、熱蒸着を用いてナノ粒子を発生させるナノ粒子ガス凝集源４を備える。このナノ粒子ガス凝集源４は、Ｈｅのフローとともに、数ミリバールの低圧で金属蒸気を発生させる。このように形成された過飽和の金属蒸気は凝集して、金属ナノ粒子を形成する。

蒸発した金属ナノ粒子は、第１の開口６を通過して、ナノ粒子の第１のストリーム８を形成する。第１のストリーム８は、第２の開口１０に入射する。第２の開口は、通常、スキマーの形状を有する。第１の開口６および第２の開口１０の間で差圧排気が生じて、前記ガスが除去され、第２の開口１０から自由ナノ粒子のストリームが発生する。

図３に示すとおり、従来の装置２では、単一源からの自由ナノ粒子のストリーム１２が形成され、基板上には小面積のコーティングが形成される。典型的には、単一源からのストリーム１２の発散角度は約１７度である。結果的に、基板上に広範囲のナノ粒子のコーティングを施すことは困難である。広範囲のコーティングを行うためには、基板を前記装置の第２の開口１０から非常に遠くに位置させる必要がある。さらに、基板上に形成されるナノ粒子コーティングの厚さは、前記単一源からのストリーム１２の中心から基板上のコーティングのそれぞれの位置までの距離によって変動する。その結果、基板の中心領域に均一な厚さのコーティングを施すためには、基板の位置を第２の開口からさらに離す必要が生じる。この場合、基板の中心領域のコーティングのみが実質的に均一の厚さを有する。

本発明は、基板上にナノ粒子コーティングを均一かつ広範囲に形成する装置および方法を提供する。図２に示したとおり、前記装置は、蒸発金属ナノ粒子源と、間隔を空けて配列された第１の開口２２を備えた第１のプレート２０と、第１のプレート２０と間隔を空けて、かつ、整合して配置された第２のプレート２４とを有する。第２のプレート２４は、間隔を空けて配列された第２の開口２６を備える。第２のプレート２４の第２の開口２６は、それぞれ第１のプレート２０の第１の開口２２と整合して配置されている。スキマー２９は、前記装置内に図示した第２の開口２６のそれぞれと隣接する。

前記蒸発金属ナノ粒子源は、従来のどのような方法によっても用意することが可能である。たとえば、前記蒸発金属ナノ粒子源は、ヘリウムのフローとともに金属蒸気を発生させる。

ここで、「ナノ粒子」の用語は、粒径が１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内にある粒子を意味する。

第１のプレート２０および第２のプレート２４の寸法および形状は、この装置に求められる条件に応じて変化する。第１プレート２０および第２プレート２４との距離は、自由ナノ粒子の第２のストリームを発生させるための条件により変化する。第２のプレートと、コーティングされる基板との距離は、コーティングに求められる条件により変化する。

図２に示す装置は、複数の第１の開口の配列と、複数の第２の開口２６の配列とを備える。それぞれの配列において、１３個の開口が備えられている。ただし、第１の開口２２の配列と第２の開口２６の配列は、好適に配置された適切な数の開口により構成することができる。第１の開口２２の数は、第２の開口２６の数と同一であることが好ましい。隣り合う第１の開口２２の間隔と、第１の開口２２の配置は、隣り合う第２の開口２６の間隔と、第２の開口２６の配置と実質的に同一であることが好ましい。たとえば、第１の開口２２の配列および第２の開口２６の配列の配置構造は、任意の形状とすることができ、実質的に円形、長方形、正方形、楕円形、十字形、その他の配置でから選択することができ、あるいは、これらを組み合わせて構成することもできる。

前記装置は、複数のレンズ２８をさらに備える。それぞれのレンズ２８は、第１のプレート２０の第１の開口２２の１つに整合するように配置される。それぞれのレンズ２８は、所定の寸法を有するナノ粒子を、第１のプレート２０のそれぞれの第１の開口２２に集束させるよう配置される。レンズ２８としては、所望かつ所定の寸法を有するナノ粒子を第１の開口２２に集束させるのに適していれば、任意のレンズを採用することができる。図２に示す装置においては、レンズ２８は、エアロダイナミックレンズである。

前記レンズとしては、コーティングの形成に必要とされる所定の寸法のナノ粒子を集束させるに必要な内寸を有するレンズが選択される。異なる内寸を有する異なるレンズを選択することにより、前記装置から形成されるナノ粒子の粒度分布を変化させることができる。

前記装置は、複数のスキマー２９をさらに備える。それぞれのスキマー２９は、たとえば、第２の開口２６の１つに隣接し、かつ、その周りに延在するように配置される。ただし、前記装置は、スキマーを必ずしも備える必要はない。

図２には示していないが、第１のプレート２０は、前記装置の第１のチャンバ内側に位置する。第２のプレート２４は、前記装置の別のチャンバ、たとえば、第２のチャンバの内側に位置する。

使用に際しては、所定の寸法のナノ粒子を集束させるために必要な内寸を有する所望のエアロダイナミックレンズ２８が、選択されて、かつ、第１の開口２２のそれぞれに隣接して配置される。蒸発金属ナノ粒子源が生成される。前記必要な所定の寸法を有する前記蒸発金属ナノ粒子は、エアロダイナミックレンズ２８によって集束され、第１の開口を通過して、蒸発金属ナノ粒子の複数の第１のストリームを生成する。それぞれの第１のストームは、前記装置の第２のプレート２４のそれぞれの第２の開口２６に隣接して配置されたそれぞれのスキマー２９に送られる。前記装置により生成された、ナノ粒子の所定の粒径を中心とする狭い粒度分布を有する自由ナノ粒子３０のストリームは、基板（図示せず）上に衝突する。適切な基板の例としては、ウェハ、ハードディスクストレージシステム用の書き込みヘッドなどがあるが、基板はこれらに限定されることはない。

図３は、図１に示したような単一の開口を備えた装置からある設定距離に配置された基板上に形成されたナノ粒子のコーティングまたは堆積のシミュレーションを示す。図４は、図２に示した１３個の開口を備えた装置から、同一の距離に配置された基板上に形成されたナノ粒子のコーティングまたは堆積のシミュレーションを示す。これらの図面から明らかなとおり、本発明の装置では、図１の単一開口装置に比べてはるかに広範な領域にナノ粒子の均一なコーティングを形成することができる。本発明の装置は、規模の拡大化が容易に可能であり、いかなる形状および／または寸法を有する基板に対しても必要とされる領域をコーティングすることが可能である。基板と装置との距離に応じて、前記装置に備えられる開口の数および／または構造を最適化することが可能である。

図５に示すとおり、前記装置は、複数のシェル蒸発器５０を備えることもできる。それぞれのシェル蒸発器５０は、前記装置の第２のプレート２４’の第２の開口２６’のそれぞれに整合して配置される。それぞれのシェル蒸発器５０は、縦軸Ａ−Ａ’を有する細長く、かつ、加熱されたチューブ５２を備える。加熱チューブ５２は、その内側をチューブ５３２の縦軸と平行に伸長する開チャネル５４を形成するし。それぞれの加熱チューブ５２は、水冷された熱シールド５５によって包囲されているため、前記装置の他の部分はチューブ５２によって熱されることはない。シェルコーティング材料５３は、それぞれのチューブ５２のチャネル５４内に位置する。任意の適切なシェルコーティング材料を用いることができる。

使用に際しては、自由ナノ粒子３０’のストリームのそれぞれは、シェル蒸発器５０を通過する。シェル材料の局所的な高い蒸気圧は、ナノ粒子ストリーム３０’の周囲に発生するため、当該方法によれば、シェル材料を非常に効率的に利用することが可能である。ナノ粒子のストリームにおける差圧により、シェル材料がチューブからナノ粒子源のある上流側に移動することが防止される。シェル材料にコーティングされた自由ナノ粒子５６のストリームは、それぞれのシェル蒸発器５０から出て、基板に衝突してコーティングを形成する。

本発明は、ハードディスクストレージシステム用の書き込みヘッドにナノ粒子のコーティングを形成するために、特に利用することが可能である。具体的には、本発明は、書き込みヘッドのウェハ上に実質的に均一なＦｅＣｏ合金の層を形成するための装置および方法を提供し、これにより、それぞれの書き込みヘッドは、高着磁化チップを有し、ディスクにデータを書き込むために利用可能な磁場を最大化することができる。Ｆｅマトリックスに埋め込まれたＣｏナノ粒子は、ＦｅＣｏ合金よりも大きく着磁化されたフィルムを形成することが知られている。したがって、本発明は、基板、たとえば、Ｆｅマトリックスを備えるウェハの上に、均一かつ広範なＣｏのコーティングを形成するための装置および方法を提供する。

本発明のいくつかの態様について、添付図面に示した実施形態を参照しつつ、説明を行ったが、本発明は図示された実施形態そのものに限定されることはなく、さらに発明する程度の技術および労力を伴うことなく、本発明のさまざまな変更や修正は可能である。

２ 従来の装置
４ ナノ粒子ガス凝集源
６ 第１開口
８ 第１ストリーム
１０ 第２開口
１２ 単一源ストリーム
２０ 第１プレート
２２ 第１開口
２４ 第２プレート
２６ 第２開口
２８ レンズ
２９ スキマー
３０ 自由ナノ粒子
５０ シェル蒸発器
５２ チューブ
５３ コーティング材料
５４ チャネル
５５ 熱シールド
５６ ナノ粒子

Claims (10)

1. 基板上にナノ粒子コーティングを均一かつ広範囲に形成するための装置であって、
   蒸発金属ナノ粒子源と、
   間隔を空けて配列された第１の開口を備えた、第１のプレートと、
   第１のプレートに対して整合して配置され、および、間隔を空けて配列された第２の開口を備えた、第２のプレートと、
   を有し、
   第２のプレートの第２の開口のそれぞれは、第１のプレートの第１の開口のそれぞれに整合して配置される、
   装置。
2. 複数のレンズをさらに備える、それぞれのレンズは、第１のプレートの第１の開口のそれぞれと関連づけられている、請求項１に記載の装置。
3. 前記レンズの１つ以上が、エアロダイナミックレンズからなる、請求項２に記載の装置。
4. 第１のプレートは第１のチャンバ内に位置し、かつ、第２のプレートは別のチャンバ内に位置する、請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
5. 第２のプレートの第２の開口のそれぞれに整合して配置される１つ以上のシェル蒸発器をさらに備える、請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
6. 基板上にナノ粒子コーティングを均一かつ広範囲に形成するための方法であって、
   蒸発金属ナノ粒子源を準備し、
   前記蒸発金属ナノ粒子源を、第１のプレートに配列された第１の開口に通じさせて、蒸発金属ナノ粒子の第１のストリームを発生させ、
   前記蒸発金属ナノ粒子の第１のストリームを、第２のプレートに配列された第２の開口に通じさせて、自由ナノ粒子の第２のストリームを発生させ、
   基板を前記自由ナノ粒子の第２のストリームに衝突させて、該基板上にナノ粒子コーティングを均一かつ広範囲に堆積させる、
   工程を備える、方法。
7. 第１のプレートおよび第２のプレートの間に、差圧排気する工程をさらに備え、第１のストリームを第２の開口に通じさせる前に、自由ナノ粒子のストリームを発生させる、請求項６に記載の方法。
8. 前記金属ナノ粒子源を第１のプレートに配列された第１の開口に通じさせる前において、前記金属ナノ粒子源を集束させる工程をさらに備える、請求項６または７に記載の方法。
9. 第１の開口のそれぞれとの整合するように配置される複数のレンズを、それぞれのレンズが、所定の寸法を有するナノ粒子を集束させて、第１の開口に通じさせるための適切な内寸を有するように、選択する工程をさらに備える、請求項８に記載の方法。
10. 前記自由ナノ粒子のストリームのそれぞれをシェル蒸発器に通じさせて、該シェル蒸発器内に配置されたシェル材料で、ナノ粒子をコーティングする工程をさらに備える、請求項６〜９のいずれかに記載の方法。