JP4044515B2 - エアロゾルデポジッション成膜装置 - Google Patents
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Description
本発明は、エアロゾル化した微粒子材料を噴射する噴射ノズル及びその噴射ノズルを備えたエアロゾルデポジッション成膜装置に関し、特に、長時間安定性良く微粒子材料を噴射が可能な噴射ノズルに関する。
パソコンや、オフコン、携帯電話、ＰＤＡ等の情報処理関連電子機器、通信関連電子機器および半導体製造装置等の制御機械装置の中に組み込まれている実装用基板・パッケージ、メモリ・ロジック等の半導体、実装用個別電子部品には、記憶・演算等の能動的機能、アンテナ、フィルタ、コンデンサ等の受動機能を実現させるための種々の誘電体セラミックスが膜状・バルク状で形成されている。これらのデバイス・部品では、誘電体セラミックスに、金属や半導体の無機系材料や、ガラスエポキシ樹脂などの有機系材料などを複合化・多層化することによって集積化して構成されている。
そこで、このような異種材料が複合化されているデバイス・部品では、各材料のプロセス温度・雰囲気を整合化させること、及びプロセス工程中で温度階層を設けることが重要である。種々の材料の中でも、セラミックス材料は焼結の際のプロセス温度が高いため、他材料との整合がとれず、セラミックス材料を上記デバイス中に組み込むことが困難であり、セラミック材料の導入には制限があった。
この問題を解決する方法として、セラミックス微粒子材料を基板等に噴射することにより、衝撃・固化して基板上にセラミックス膜を形成可能なエアロゾルデポジション法が提案されている。エアロゾルデポジション法は、セラミックス膜を形成した後に高温での加熱処理を必要としないため、複合材料を形成する方法として注目されている。
エアロゾルデポジション法では、粒径数十ｎｍから数百ｎｍの粒径の微粒子材料をエアロゾル化して、噴射ノズルにより加圧して低圧のチャンバ内に配設した基板等の被成膜物に噴射して微粒子材料が固化して膜が形成される。
エアロゾルデポジション法により形成された膜は、吹き付ける際のエアロゾルを含むキャリアガスの流速に依存し、一般に速い程高品質の膜が形成される。エアロゾルの流速を増大させるため、噴射ノズルでは、流路を狭窄してエアロゾルを含むキャリアガスの圧力を増加して流速を増大させている（例えば特許文献１参照。）。
特開平３−２３１０９６号公報（第１図、符号２０）
図１は、従来のエアロゾルデポジション成膜装置に用いられる噴射ノズルの概略断面図である。図１に示すように、エアロゾルを含むキャリアガス１０１は噴射ノズル１００のガス導入路１０２から一旦、流路面積の大なるガス滞留部１０３を通過して、噴射口１０４から噴射され、微粒子が基板１０５上に固化して膜１０６が形成される。ガス滞留部の内壁１０３ａ、特にガス導入路の開口部１０２ａ付近及び屈曲部１０３ｂは渦が発生しやすく、微粒子が内壁に付着して成長し塊状になり易い。塊状になった微粒子は噴射口１０４を詰まらせる原因となり、仮に噴射されたとしても、膜質の悪い膜が形成されたり、既に堆積している膜を破壊する原因となる。特に、大面積の膜を形成するような量産工程に適用する場合、膜質の点や、頻繁なクリーニングを要するため生産効率の点でも致命的な問題となる。
噴射口１０４の面積を広げて詰まりを解消することもできるが、そうすると十分な流速のエアロゾルを噴射することができないため膜質が低下してしまう。
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、流速を確保しつつ噴射口の詰まりを抑制した噴射ノズルを備え、良質な膜を安定して長時間形成可能なエアロゾルデポジッション成膜装置を提供することである。
本発明の一観点によれば、基板を保持する保持台と、エアロゾル化した微粒子材料を含むエアロゾルガスを生成するエアロゾルガス供給部と、アシストガス供給部と、前記エアロゾルガス供給部及びアシストガス供給部が連結され、前記エアロゾルガスを該基板に吹き付ける噴射ノズルと、を備えたエアロゾルデポジッション成膜装置であって、前記噴射ノズルは、前記エアロゾルガスを導入する第１の導入路と、アシストガスを導入する第２の導入路と、前記第１の導入路から導入したエアロゾルガスと前記第２の導入路から導入したアシストガスとが合流するガス合流部と、前記ガス合流部と連通し下流に向かって次第に流路が狭窄されると共に噴射口を有する噴射部とよりなることを特徴とするエアロゾルデポジッション成膜装置が提供される。
本発明によれば、噴射ノズルにおいてエアロゾル化した微粒子材料を含むエアロゾルガスにアシストガスを合流させることにより、エアロゾルガスの圧力を高めることができる。したがって、噴射口から噴射されるエアロゾルガスの流速を高めることができる。また、アシストガスにより噴射ノズル内のガス合流部や噴射部の内壁に微粒子が付着することを防止することができる。さらに、アシストガスのエアロゾルガスの加圧効果により、従来の噴射ノズルの噴射口よりも面積を拡大することができるので、噴射口の詰まりを一層防止することができる。
前記第１の導入路のガス導入方向と、第２の導入路のガス導入方向とが形成する角度は０度より大きく９０度未満の範囲であってもよい。アシストガスによりエアロゾルガスを噴射口に向かって加圧することができる。
前記第１の導入路の周囲に複数の前記第２の導入路が設けられ、前記ガス合流部において、エアロゾルガスに対してアシストガスが囲むように流動するようにしてもよく、前記アシストガスの圧力はエアロゾルガスの圧力と同じかそれよりも大きくてもよい。エアロゾルガスを加圧すると共に、エアロゾルガスがガス合流部や噴射部の内壁に接触することを防止することができる。
前記ガス合流部及び噴射部の内壁の表面に螺旋状の溝が形成されてもよい。アシストガスに下流に向かって回転して流動させることができ、エアロゾルガスがガス合流部や噴射部の内壁に接触あるいは滞留することを防止することができる。
本発明によれば、エアロゾル化した微粒子材料を含むガス（エアロゾルガス）をアシストガスが加圧することにより、エアロゾルガスの流速を増大すると共に、アシストガスが噴射ノズルの内壁に沿って流れるので、エアロゾルガスの微粒子材料が内壁に付着することを防止することができる。その結果、良質な膜を安定して長時間形成可能なエアロゾルデポジッション成膜装置を実現することができる。
以下、必要に応じて図面を参照しつつ本発明を更に具体的に説明する。
図２は、本発明に係るエアロゾルデポジッション成膜装置の概略構成図である。図２を参照するに、エアロゾルデポジッション（以下「ＡＤ」と略称する。）成膜装置１０は、大略、微粒子材料をエアロゾル化するエアロゾル発生器１１と、アシストガス供給部１２と、エアロゾル化された微粒子材料を基板１３に向けて噴射する噴射ノズル１４が配設された成膜室１５などから構成されている。
エアロゾル発生器１１には、ガスボンベ１６、バルブ１８、及びマスフローコントローラ１９が配管２０を介して接続されている。ガスボンベ１６にはキャリアガスが充填され、キャリアガスとしては、アルゴンガスの他、ヘリウム、ネオン、キセノン、クリプトン、窒素などの不活性ガスを用いることができる。なお、微粒子材料としてペロブスカイト構造を有する酸化物セラミックスを用いる場合は、キャリアガスは酸化性のガス、例えば酸素や空気を用いてもよく、不活性ガスに添加してもよい。成膜の際に酸化物セラミックス微粒子材料の酸素欠損を補うことができる。また、マスフローコントローラ１９においてガスボンベ１６に充填されたキャリアガスの流量を制御することにより、エアロゾル発生器１１の容器２１内での微粒子の発塵量や成膜室１５におけるエアロゾル化された微粒子の噴出量を制御することができる。キャリアガスは、なお、以下、エアロゾル化した微粒子材料を含むキャリアガスをエアロゾルガスと略称する。
エアロゾル発生器１１には、超音波振動や電磁振動、機械的振動により微粒子を一次粒子化するための振動機１７を設けてもよい。振動機１７により振動を微粒子材料に印加することにより一次粒子化させることができ、その結果、緻密かつ均一な膜を形成することができる。
微粒子材料は、例えば一次粒子の平均粒径が１０ｎｍから１μｍの絶縁材料や導電材料などを用いることができ、形成する膜の特性に合わせて選択される。微粒子材料は十分に除湿後、容器２１に充填される。
アシストガス供給部１２は、ガスボンベ２３、バルブ２４、及びマスフローコントローラ２５、及びこれらを接続する配管２６から構成されている。アシストガスは、ガスボンベ２３から供給され、アルゴン、ヘリウム、ネオン、窒素などの不活性ガスや空気を用いることができ、キャリアガスと同様に、微粒子材料が酸化物の場合、あるいは微粒子材料を酸化する場合は酸素あるいは酸素を添加した不活性ガスを用いてもよい。アシストガスの圧力及び流量は、バルブ２４及びマスフローコントローラ２５により制御する。
成膜室１５には、エアロゾル発生器１１とアシストガス供給部１２から配管２２、２６を介して接続された噴射ノズル１４と、噴射ノズル１４と対向して基板１３を保持する基板保持台２８が設けられ、さらに、基板１３の位置を制御するＸＹＺステージ２９が基板保持台２８に連結されている。また、成膜室１５には排気系３０が接続され、成膜室１５内の圧力を低圧とするためのメカニカルブースタ及びロータリポンプとから構成されている。ＸＹＺステージ２９は基板保持台２８をエアロゾルガスの入射方向に対して垂直方向に定速・繰り返し駆動動作を行うものであってもよい。
図３（Ａ）はＡＤ成膜装置に用いられる噴射ノズルの概略側断面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）に示す矢印Ｚの方向から見た平面図である。なお、噴射ノズル１４は図２に示すものと上下が逆に示されている。
図３（Ａ）を参照するに、噴射ノズル１４は、上流から順に、エアロゾルガス３３及びアシストガス３４を導入するガス導入部４１と、これらのガス３３、３４が合流するガス合流部４２と、ガス合流部４２と連通し、狭窄された流路とその下流に噴射口４４とを有する噴射部４３から構成されている。
ガス導入部４１は、エアロゾルガス３３をガス合流部４２に導入する第１導入路４５と、アシストガス３４をガス合流部４２に導入する複数の第２導入路４６ａ、４６ｂから構成されている。第１導入路４５は、導入されたエアロゾルガス３３が第１導入路４５から噴射口４４に向かって流れるように形成される。図３（Ｂ）を参照するに、第１導入路４５は、ガス合流部４２のほぼ中央に配設され、例えば、ガス合流部４２が回転軸を図３（Ａ）の上下方向に有するほぼ回転対称の形状をしている場合は、回転対称軸上あるいはその近傍に設けられ、第１導入路４５から導入されたエアロゾルガス３３が回転対称軸上あるいはその近傍を噴射口４４に向かって流れるようになっている。なお、第１導入路４５は一つに限定されず、上述した位置に複数設けてもよい。
図３（Ａ）に戻り、第２導入路４６ａ、４６ｂは、第１導入路４５の側方に少なくとも２つ設けられ、導入されたアシストガス３４が第２導入路４６ａ、４６ｂからガス合流部４２に中央かつ図中下向きに流れるように形成される。すなわち回転対称軸Ｉｚに対して、第２導入路４６ａ、４６ｂのアシストガス３４導入方向が形成する角度θが０度＜θ＜９０度の範囲に設定される。このことより、アシストガス３４によりエアロゾルガス３３を噴射口４４に向かって加圧することができる。図３（Ｂ）を参照するに、２つの第２導入路４６ａ、４６ｂは互いに対向するように配置され、ガス合流部４２のほぼ中央に向かってアシストガス３４が導入されるように形成されている。したがって、エアロゾルガス３３を２方向からのアシストガス３４によって挟み込んでエアロゾルガス３３を中央付近に狭窄するようにして加圧することができる。
なお、第１導入路４５の開口部付近の内壁の形状は図３（Ａ）に示すように、外に向かって凸となる曲面を形成することが好ましい。エアロゾルガス３３の開口部付近の渦の発生を抑制し、内壁に微粒子が付着することを抑制することができる。
ガス合流部４２は、円筒状の内壁４２ａに囲まれて形成されている。図３（Ｂ）では、ガス合流部４２はほぼ真円となっているが、楕円あってもよく、さらに矩形であってもよい。内壁４２ａにエアロゾルガス３３の微粒子の付着を防止する点では、図３（Ｂ）に示すように、ガス合流部４２の断面形状は真円あるいは楕円形状が好ましい。なお、ガス合流部４２を設けずに、次に説明する噴射部４３がガス合流部４２を兼ねてもよい。
噴射部４３は、ガス合流部４２から噴射口４４に向かって例えばエアロゾルガス３３とアシストガス３４の流路面積が次第に狭くなる形状で形成された狭窄部４３−１、定流路面積部４３−２、末広部４３−３、及び噴射口４４から構成されている。狭窄部４３−１は、例えば頂点を下にした円錐状のテーパー形状の傾斜部分４３ａから形成されている。傾斜部分４３ａを設けることにより、微粒子の付着を防止してアシストガス３４及びエアロゾルガス３３の流速を増加することができる。なお、傾斜部分４３ａの形状は、図３（Ａ）に示す直線状でもよく、外側に向かって凸の曲線状でもよい。定流路面積部４３−２は、流路面積が一定となっており、噴射口４４から噴射されたエアロゾルガス３３の広がりを抑制することができる。末広部４３−３は定流路部４３−２から流路面積が広がる末広形状になっており、噴射口４４周辺の噴射ノズル表面に微粒子が付着することを防止することができる。なお、末広部４３−３は設けてもよく、設けなくてもよい。
図４は、図３に示す噴射ノズルの変形例の概略側断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図４を参照するに、噴射ノズル４７は、図３に示す噴射ノズル１４の噴射部４３が異なる以外は同様に構成されている。噴射ノズル４７の噴射部４８は、テーパー形状の傾斜部分４８ａが噴射口４４に直接接続されて構成されている。図３（Ａ）に示す定流路面積部４３−２を省略することで、エアロゾルガス３３の流れが不安定になったときに、定流路面積部４３−２の内壁面に微粒子が付着することを防止することができる。
図３に戻り、噴射口４４は、断面形状が例えば図３（Ｂ）に示すように矩形（スリット）状に構成されている。円形とした場合よりも一度に成膜できる範囲を拡大することができる。噴射口の長手方向の長さＬ／幅方向の長さＷの比が１／１〜１００／１の範囲に設定されることが好ましい。もちろん形成する膜が円または楕円形状を有する場合は噴射口４４の形状は円形あるいは楕円形でもよい。
図５は、図３に示す噴射ノズル内のエアロゾルガス及びアシストガスの流れを説明するための図である。図５を参照するに、エアロゾルガス３３は第１導入路４５を通過して噴射口４４に向かって流れる。一方、アシストガス３４はガス合流部４２、特に、破線の円Ａで示す領域で２方向からエアロゾルガス３３を挟むように流れる。アシストガス３４の圧力はエアロゾルガス３３の圧力と同程度かそれよりも高く設定する。このようにすることによりエアロゾルガス３３の圧力を高めることができ、さらに、アシストガス３４は、上述したように噴射口４４方向の速度成分を有しているので、エアロゾルガス３３の噴射口４４に向かう流速成分を増加することができる。
そして、噴射口４４に向かうにしたがって流路面積が次第に狭くなっているので、破線の円Ｂで示す領域ではアシストガス３４と共にエアロゾルガス３３の圧力が高まり流速が増大する。したがって、エアロゾルガス３３が噴射口４４から十分な圧力及び流速により噴射される。なお、噴射口４４からアシストガス３４も噴射されるが、エアロゾルガス３３の流束の外側に噴射されるのでエアロゾルガスの流束を乱すことはない。
このように、噴射ノズル１４の内壁に沿ってアシストガス３４が流れるので、エアロゾルガス３３に含まれる微粒子材料が内壁に付着しても、吹き飛ばすことができ、微粒子が内壁に付着することを防止あるいは抑制することができる。一時的にあるいは何らかの原因でエアロゾルガス３３とアシストガス３４の流れが不安定になり、微粒子が内壁に付着した場合であっても、少量であればアシストガス３４により除去することができる。
図６（Ａ）〜（Ｄ）は、第２導入路の他の例を示す平面図である。なお、図６（Ａ）〜（Ｄ）は、図３（Ｂ）と同じ方向から視た図である。
図６（Ａ）に示すように、第１導入路４５を挟んで３つの第２導入路４６ａ〜４６ｃを設けてもよく、図６（Ｂ）に示すように、４つの第２導入路４６ａ〜４６ｃ、４６ｄを９０度おきに設けてもよい。また、図６（Ｃ）に示すように、噴射口４４に対称に４つの第２導入路４６ａ〜４６ｄを設けてもよい。さらに、図６（Ｄ）に示すように、図６（Ａ）に示す第２導入路４６ａ、４６ｂの流路をより広い角度で第１導入路４５を囲むようにしてもよい。いずれの場合であっても、エアロゾルガス３３をアシストガス３４により加圧及び加速することができる。
なお、第２導入路４６ａ〜４６ｃから導入されるアシストガス３４の流量を独立に調整可能なように、それぞれの配管部分にマスフローコントローラを更に配設してもよい。アシストガス３４の流量のバランスを精緻に制御することができる。
図７は、噴射ノズルの他の例の概略側断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図７を参照するに、噴射ノズル５０はガス合流部４２の内壁４２ａ及び傾斜部分４３ａに螺旋状の溝５１が形成されている。溝５１の深さは０．５ｍｍ〜１０ｍｍ、溝５１のピッチは２ｍｍ〜２０ｍｍの範囲に設定される。溝５１を螺旋状に設けることにより、アシストガス３４に内壁４２ａ及び傾斜部分４３ａに沿って回転方向の流れを生じさせて、エアロゾルガス３３が内壁４２ａ及び傾斜部分４３ａに接触することを防止すると共に、微粒子の付着を抑制することができる。
図２に戻り、本発明のＡＤ成膜装置を用いて基板上に微粒子材料よりなる膜を形成する方法について説明する。膜形成材料となる微粒子をエアロゾル発生器１１の容器２１に充填して、ガスボンベ１６から、例えば１９．６Ｐａ（２ｋｇ／ｃｍ2）の圧力のアルゴンガスをキャリアガスとして供給し、微粒子材料を振動機１７により加振してエアロゾル化する。このようにして生成されたエアロゾルガス３３は、容器２１内の圧力よりも低圧に設定されている成膜室１５の噴射ノズル１４に配管２２を通じて供給される。
アシストガスは、ガスボンベ２３から、例えば３９．２Ｐａ（４ｋｇ／ｃｍ2）の圧力のアルゴンガスを配管２６を介して成膜室１５の噴射ノズル１４に供給される。
成膜室１５において噴射ノズル１４からアシストガス３４に加圧・加速されたエアロゾルガス３３が噴射されて、ジェット流となって微粒子が基板１３等の上に堆積し固化して膜が形成される。噴射速度は、エアロゾルガス３３の圧力・流量に加え、アシストガス３４の圧力・流量により制御することができる。エアロゾルガス３３の噴射速度は３ｍ／秒〜４００ｍ／秒（好ましくは２００ｍ／秒〜４００ｍ／秒）の範囲に設定される。この範囲に設定することにより、基板１３等の下地との密着強度が高い膜を形成することができる。微粒子が基板１３との衝突の際に基板１３の表面の汚染層や水分を除去して表面を活性化する。また、微粒子自体の表面も微粒子相互の衝突により同様に活性化される。その結果、微粒子が基板１３の表面に結合し、さらに微粒子同士が結合するので付着強度が高く緻密な膜が形成される。なお、噴射速度が４００ｍ／秒より大となると基板１３に損傷を与えるおそれがあり、３ｍ／秒より小さいと十分な付着強度を確保することができない。
本発明のＡＤ成膜装置を用いて、例えば微粒子材料に絶縁材料を用いることにより回路基板の層間絶縁層を形成することができる。微粒子材料に、例えばＭｇＯ、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＢａＴｉO3、ＢａＺｒＯ3、ＺｒＳｎＴｉＯ4、ＢａＴｉ4Ｏ9、Ｂａ2Ｔｉ9Ｏ20、ＭｇＴｉＯ3、ＭｇＺｒＯ3、Ｂａ（Ｚｎ1/3Ｔａ2/3）Ｏ3、Ｂａ（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3、Ｂａ（Ｍｇ1/3Ｔａ2/3）Ｏ3、Ｂａ（Ｃｏ1/3Ｔａ2/3）Ｏ3、Ｂａ（Ｃｏ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3、Ｂａ（Ｎｉ1/3Ｔａ2/3）Ｏ3、ＳｒＴｉＯ3、ＳｒＺｒＯ3、Ｎｄ2Ｔｉ2Ｏ7、（ＢａＳｒ）ＴｉＯ3、Ｂａ（ＴｉＺｒ）Ｏ3、ＰｂＺｒＴｉＯ3、ＰｂＴｉＯ3、ＰｂＺｒＯ3、Ｐｂ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3、Ｐｂ（Ｎｉ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3、Ｐｂ（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3、３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2(ムライト）、ＭｇＯ・Ａｌ2Ｏ3(スピネル）、２ＭｇＯ・ＳｉＯ2(フォルステライト）、２Ａｌ2Ｏ3・２ＭｇＯ・５ＳｉＯ2(コージエライト）、ＣａＯ・ＳｉO2(ウォラストナイト）、ＣａＯ・Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉO2（アノーサイト）、ＣａＯ・ＭｇＯ・２ＳｉＯ2（ディオプサイド）、２ＣａＯ・Ａｌ2Ｏ3・ＳｉO2（ゲーレナイト）及びこれらから選択される１種あるいは２種以上の混合物を用いることにより、高周波において低誘電損失の層間絶縁層を形成することができる。
また、微粒子材料として導電材料を用いることにより回路基板の配線層や接地面を形成することができる。導電材料としては例えば平均粒径が１０ｎｍ〜１μｍのＣｕの他、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｌ又はこれらの元素からなる合金を含む金属材料や、ＲｕＯ2、ＩｒＯ2、ＯｓＯ2、ＲｈＯ2、ＲｅＯ2、ＭｏＯ2、ＣｒＯ2、ＷＯ2、ＳｎＯ2-xなどの導電性酸化物材料でもよい。
本発明ＡＤ成膜装置を用いて、製造できる受動部品としては、他に積層セラミックコンデンサ、薄膜コイル、積層コイル、あるいはこれらを用いたフィルタ、ストリップラインあるいはマイクロストリップラインを用いたキャパシタ、インダクタ、カップラー、スプリッター、フィルタなどが挙げられる。
以下、本発明の実施例１〜４及び本発明によらない比較例１及び２について説明する。
［実施例１］
平均粒径０．１５μｍのＢａＴｉＯ3粉末（堺化学社製）を、エアロゾル発生器の容器内に充填し、圧力１９．６Ｐａの高純度酸素ガス（純度９９．９％）をキャリアガスとして、キャリアガスの流量を４Ｌ／分に設定してエアロゾル化した。
平均粒径０．１５μｍのＢａＴｉＯ3粉末（堺化学社製）を、エアロゾル発生器の容器内に充填し、圧力１９．６Ｐａの高純度酸素ガス（純度９９．９％）をキャリアガスとして、キャリアガスの流量を４Ｌ／分に設定してエアロゾル化した。
噴射ノズルは、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示す２つのアシストガス導入路を有するものを用い、アシストガスとして圧力３Ｐａの空気を用いて空気の全流量を５Ｌ／分に設定した。
噴射ノズルからガラス基板に向けてエアロゾル化したＢａＴｉＯ3粉末を吹き付け、ガラス基板上にＢａＴｉＯ3膜を形成した。噴射開始直後のエアロゾルの流速は２００ｍ／ｓｅｃであったが、３０分経過後の流速は１８０ｍ／ｓｅｃ（初期流速の９０％）であった。また、エアロゾルの濃度は初期を基準として８０％に低下していた。
形成されたＢａＴｉＯ3膜の膜厚は約１００μｍであり、膜の緻密性を表す吸水率は０．１％以下であった。さらに、膜の密着強度４９×１０6Ｐａ（５ｋｇ／ｍｍ2）であった。また、１ｃｍ角の膜の大きさ１０μｍ以上の欠陥数は１０個であった。
なお、流速は、J. Vac. Sci. Tech., A18(2) (2000) p563-566に示される飛行速度の差分を取って測定する方法により測定した。また、エアロゾルの濃度は、レーザ式パーティクル測定器より測定した。形成された膜の吸水率は、膜が形成された基板を水に１時間浸漬し、その前後の質量の差を膜の質量で割って求めた。吸水率が低いほど緻密性が高いことを示す。また、酸化物誘電体層と基板との密着性はセバスチャン法を用いて測定した。セバスチャン法は、膜が形成された基板を固定し、膜の表面に密着試験子を接着剤で固定する。そして、密着試験子を引き上げて膜が基板から剥がれたときの密着試験子単位面積当りの引き上げ力の大きさを密着性の指標とするものであり、引き上げ力が大きいほど密着性が大きいことが示す。また、欠陥数は顕微鏡と画像処理装置を用いて測定した。
［実施例２］
噴射ノズルに４０ｋＨｚ、振幅５０μｍの振動を印加した以外は実施例１と同様にして成膜を行った。
噴射ノズルに４０ｋＨｚ、振幅５０μｍの振動を印加した以外は実施例１と同様にして成膜を行った。
噴射ノズルからガラス基板に向けてエアロゾル化したＢａＴｉＯ3粉末を吹き付け、ＢａＴｉＯ3膜を形成した。噴射開始直後のエアロゾルの流速は２００ｍ／ｓｅｃであったが、３０分経過後の流速は１９０ｍ／ｓｅｃ（初期流速の９５％）であった。また、エアロゾルの濃度は初期を基準として８０％に低下していた。
形成されたＢａＴｉＯ3膜の膜厚は約１００μｍであり、膜の緻密性を表す吸水率は０．１％以下であった。さらに、膜の密着強度４９×１０6Ｐａ（５ｋｇ／ｍｍ2）であった。また、１ｃｍ角の膜の大きさ１０μｍ以上の欠陥数は５個であった。
［実施例３］
図７に示すガス合流部の内壁に溝を形成した噴射ノズルを用い、アシストガスとして圧力４Ｐａの窒素ガスを用いて窒素ガスの全流量を５Ｌ／分に設定した以外は実施例２と同様にして成膜を行った。
図７に示すガス合流部の内壁に溝を形成した噴射ノズルを用い、アシストガスとして圧力４Ｐａの窒素ガスを用いて窒素ガスの全流量を５Ｌ／分に設定した以外は実施例２と同様にして成膜を行った。
噴射ノズルからガラス基板に向けてエアロゾル化したＢａＴｉＯ3粉末を吹き付け、ＢａＴｉＯ3膜を形成した。 噴射開始直後のエアロゾルの流速は２００ｍ／ｓｅｃであったが、３０分経過後の流速は１９６ｍ／ｓｅｃ（初期流速の９８％）であった。また、エアロゾルの濃度は初期を基準として９０％に低下していた。
形成されたＢａＴｉＯ3膜の膜厚は約１００μｍであり、膜の緻密性を表す吸水率は０．１％以下であった。さらに、膜の密着強度４９×１０6Ｐａ（５ｋｇ／ｍｍ2）であった。また、１ｃｍ角の膜の大きさ１０μｍ以上の欠陥数は５個であった。
［実施例４］
アシストガスにヘリウムガスを用いた以外は実施例３と同様にして成膜を行った。
アシストガスにヘリウムガスを用いた以外は実施例３と同様にして成膜を行った。
噴射ノズルからガラス基板に向けてエアロゾル化したＢａＴｉＯ3粉末を吹き付けＢａＴｉＯ3膜を形成した。
噴射開始直後のエアロゾルの流速は２００ｍ／ｓｅｃであったが、３０分経過後の流速は１９８ｍ／ｓｅｃ（初期流速の９９％）であった。また、エアロゾルの濃度は初期を基準として９５％に低下していた。
形成されたＢａＴｉＯ3膜の膜厚は約１００μｍであり、膜の緻密性を表す吸水率は０．１％以下であった。さらに、膜の密着強度４９×１０6Ｐａ（５ｋｇ／ｍｍ2）であった。また、１ｃｍ角の膜の大きさ１０μｍ以上の欠陥数は３個であった。
［比較例１］
図１に示したアシストガスを使用しない噴射ノズルを用いた以外は実施例１と同様にして成膜を行った。
図１に示したアシストガスを使用しない噴射ノズルを用いた以外は実施例１と同様にして成膜を行った。
噴射ノズルからガラス基板に向けてエアロゾル化したＢａＴｉＯ3粉末を吹き付けＢａＴｉＯ3膜を形成した。 噴射開始直後のエアロゾルの流速は２００ｍ／ｓｅｃであったが、３０分経過後の流速は１５０ｍ／ｓｅｃ（初期流速の７５％）であった。また、エアロゾルの濃度は初期を基準として３０％に低下していた。
形成されたＢａＴｉＯ3膜の膜厚は約１００μｍであり、膜の緻密性を表す吸水率は０．１％以下であった。さらに、膜の密着強度４９×１０6Ｐａ（５ｋｇ／ｍｍ2）であった。また、１ｃｍ角の膜の大きさ１０μｍ以上の欠陥数は５０個であった。
［比較例２］
ＢａＴｉＯ3粉末の代わりに、平均粒径０．５μｍのＡｌ2Ｏ3粉末（高純度化学研究所社製）を用いた以外は比較例１と同様にして成膜を行った。
ＢａＴｉＯ3粉末の代わりに、平均粒径０．５μｍのＡｌ2Ｏ3粉末（高純度化学研究所社製）を用いた以外は比較例１と同様にして成膜を行った。
噴射ノズルからガラス基板に向けてエアロゾル化したＡｌ2Ｏ3粉末を吹き付け、Ａｌ2Ｏ3膜を形成した。
噴射開始直後のエアロゾルの流速は２００ｍ／ｓｅｃであったが、３０分経過後の流速は１２０ｍ／ｓｅｃ（初期流速の６０％）であった。また、エアロゾルの濃度は初期を基準として２０％に低下していた。
形成されたＡｌ2Ｏ3膜の膜厚は約１００μｍであり、膜の緻密性を表す吸水率は０．１％以下であった。さらに、膜の密着強度４９×１０6Ｐａ（５ｋｇ／ｍｍ2）であった。また、１ｃｍ角の膜の大きさ１０μｍ以上の欠陥数は４０個であった。
上記実施例および比較例によれば、噴射流速の減少率及びエアロゾル濃度の変化率は、比較例１及び２は噴射流速の減少率が２５％〜４０％、エアロゾル濃度の変化率が７０％であるのに対して実施例１は噴射流速の減少率が１０％、エアロゾル濃度の変化率が２０％であるので、実施例１は比較例１及び２に対して均一な膜質の膜を形成できることが分かる。このことは、膜中の欠陥率の個数の差違からも明らかである。
実施例１〜４を比較すると、噴射ノズルに加振した実施例２の方が、加振していない実施例１よりも流速減少率が低く、膜中の欠陥が減少していることが分かる。実施例３及び４は、噴射ノズルの内壁に螺旋状の溝を形成したことにより、実施例１及び実施例２より流速減少率が低く、膜中の欠陥が減少していることが分かる。
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
なお、以上の全実施形態に関して更に以下の付記を開示する。
（付記１） 基板を保持する保持台と、
エアロゾル化した微粒子材料を含むエアロゾルガスを生成するエアロゾルガス供給部と、
アシストガス供給部と、
前記エアロゾルガス供給部及びアシストガス供給部が連結され、前記エアロゾルガスを該基板に吹き付ける噴射ノズルと、
を備えたエアロゾルデポジッション成膜装置であって、
前記噴射ノズルは、
前記エアロゾルガスを導入する第１の導入路と、
アシストガスを導入する第２の導入路と、
前記第１の導入路から導入したエアロゾルガスと前記第２の導入路から導入したアシストガスとが合流するガス合流部と、
前記ガス合流部と連通し下流に向かって次第に流路が狭窄されると共に噴射口を有する噴射部とよりなることを特徴とするエアロゾルデポジッション成膜装置。
（付記２） 前記第１の導入路のガス導入方向と、第２の導入路のガス導入方向とが形成する角度は０度より大きく９０度未満の範囲であることを特徴とする付記１記載のエアロゾルデポジッション成膜装置。
（付記３） 前記第１の導入路の周囲に複数の前記第２の導入路が設けられ、
前記ガス合流部において、エアロゾルガスに対してアシストガスが囲むように流動することを特徴とする付記１または２記載のエアロゾルデポジッション成膜装置。
（付記４） 前記アシストガスは、アルゴン、ヘリウム、ネオン、窒素、空気、酸素の群のうち少なくともいずれか一種のガスからなることを特徴とする付記１〜３のうち、いずれか一項記載のエアロゾルデポジッション成膜装置。
（付記５） 前記アシストガスはガス合流部の内壁に沿って流れることを特徴とする付記１〜４のうち、いずれか一項記載のエアロゾルデポジッション成膜装置。
（付記６） 前記アシストガスの圧力はエアロゾルガスの圧力と同じかそれよりも大きいことを特徴とする付記１〜５のうち、いずれか一項記載のエアロゾルデポジッション成膜装置。
（付記７） 前記噴射ノズルの内壁であって、前記第１の導入路の内壁側の周辺が、外側に向かって凸の曲面形状を形成してなることを特徴とする付記１〜６のうち、いずれか一項記載のエアロゾルデポジッション成膜装置。
（付記８） 前記噴射部は、噴射口方向に頂点を有する略円錐の形状の内壁を有し、
複数の前記第２の導入路が前記円錐の軸を中心とする円周上に等間隔で配置されていることを特徴とする付記１〜７のうち、いずれか一項記載のエアロゾルデポジッション成膜装置。
（付記９） 前記ガス合流部及び噴射部の内壁の表面に螺旋状の溝が形成されてなることを特徴とする付記１〜８のうち、いずれか一項記載のエアロゾルデポジッション成膜装置。
（付記１０） 前記噴射ノズルに対する加振手段が設けられていることを特徴とする付記１〜９のうち、いずれか一項記載のエアロゾルデポジッション成膜装置。
（付記１） 基板を保持する保持台と、
エアロゾル化した微粒子材料を含むエアロゾルガスを生成するエアロゾルガス供給部と、
アシストガス供給部と、
前記エアロゾルガス供給部及びアシストガス供給部が連結され、前記エアロゾルガスを該基板に吹き付ける噴射ノズルと、
を備えたエアロゾルデポジッション成膜装置であって、
前記噴射ノズルは、
前記エアロゾルガスを導入する第１の導入路と、
アシストガスを導入する第２の導入路と、
前記第１の導入路から導入したエアロゾルガスと前記第２の導入路から導入したアシストガスとが合流するガス合流部と、
前記ガス合流部と連通し下流に向かって次第に流路が狭窄されると共に噴射口を有する噴射部とよりなることを特徴とするエアロゾルデポジッション成膜装置。
（付記２） 前記第１の導入路のガス導入方向と、第２の導入路のガス導入方向とが形成する角度は０度より大きく９０度未満の範囲であることを特徴とする付記１記載のエアロゾルデポジッション成膜装置。
（付記３） 前記第１の導入路の周囲に複数の前記第２の導入路が設けられ、
前記ガス合流部において、エアロゾルガスに対してアシストガスが囲むように流動することを特徴とする付記１または２記載のエアロゾルデポジッション成膜装置。
（付記４） 前記アシストガスは、アルゴン、ヘリウム、ネオン、窒素、空気、酸素の群のうち少なくともいずれか一種のガスからなることを特徴とする付記１〜３のうち、いずれか一項記載のエアロゾルデポジッション成膜装置。
（付記５） 前記アシストガスはガス合流部の内壁に沿って流れることを特徴とする付記１〜４のうち、いずれか一項記載のエアロゾルデポジッション成膜装置。
（付記６） 前記アシストガスの圧力はエアロゾルガスの圧力と同じかそれよりも大きいことを特徴とする付記１〜５のうち、いずれか一項記載のエアロゾルデポジッション成膜装置。
（付記７） 前記噴射ノズルの内壁であって、前記第１の導入路の内壁側の周辺が、外側に向かって凸の曲面形状を形成してなることを特徴とする付記１〜６のうち、いずれか一項記載のエアロゾルデポジッション成膜装置。
（付記８） 前記噴射部は、噴射口方向に頂点を有する略円錐の形状の内壁を有し、
複数の前記第２の導入路が前記円錐の軸を中心とする円周上に等間隔で配置されていることを特徴とする付記１〜７のうち、いずれか一項記載のエアロゾルデポジッション成膜装置。
（付記９） 前記ガス合流部及び噴射部の内壁の表面に螺旋状の溝が形成されてなることを特徴とする付記１〜８のうち、いずれか一項記載のエアロゾルデポジッション成膜装置。
（付記１０） 前記噴射ノズルに対する加振手段が設けられていることを特徴とする付記１〜９のうち、いずれか一項記載のエアロゾルデポジッション成膜装置。
１０ エアロゾルデポジッション成膜装置
１１ エアロゾル発生器
１２ アシストガス供給部
１３ 基板
１４、５０ 噴射ノズル
１５ 成膜室
１６、２３ ガスボンベ
１７ 振動機
１８、２４ バルブ
２８ 基板保持台
２９ ＸＹＺステージ
３０ 排気系
３３ エアロゾルガス
３４ アシストガス
４１ ガス導入部
４２ ガス合流部
４２ａ 内壁
４３ 噴射部
４３ａ 傾斜部分
４４ 噴射口
４５ 第１導入路
４６ａ〜４６ｄ 第２導入路
５１ 溝
１１ エアロゾル発生器
１２ アシストガス供給部
１３ 基板
１４、５０ 噴射ノズル
１５ 成膜室
１６、２３ ガスボンベ
１７ 振動機
１８、２４ バルブ
２８ 基板保持台
２９ ＸＹＺステージ
３０ 排気系
３３ エアロゾルガス
３４ アシストガス
４１ ガス導入部
４２ ガス合流部
４２ａ 内壁
４３ 噴射部
４３ａ 傾斜部分
４４ 噴射口
４５ 第１導入路
４６ａ〜４６ｄ 第２導入路
５１ 溝
Claims (5)
- 基板を保持する保持台と、
エアロゾル化した微粒子材料を含むエアロゾルガスを生成するエアロゾルガス供給部と、
アシストガス供給部と、
前記エアロゾルガス供給部及びアシストガス供給部が連結され、前記エアロゾルガスを該基板に吹き付ける噴射ノズルと、
を備えたエアロゾルデポジッション成膜装置であって、
前記噴射ノズルは、
前記エアロゾルガスを導入する第１の導入路と、
アシストガスを導入する第２の導入路と、
前記第１の導入路から導入したエアロゾルガスと前記第２の導入路から導入したアシストガスとが合流するガス合流部と、
前記ガス合流部と連通し下流に向かって次第に流路が狭窄されると共に噴射口を有する噴射部とよりなることを特徴とするエアロゾルデポジッション成膜装置。 - 前記第１の導入路のガス導入方向と、第２の導入路のガス導入方向とが形成する角度は０度より大きく９０度未満の範囲であることを特徴とする請求項１記載のエアロゾルデポジッション成膜装置。
- 前記第１の導入路の周囲に複数の前記第２の導入路が設けられ、
前記ガス合流部において、エアロゾルガスに対してアシストガスが囲むように流動することを特徴とする請求項１または２記載のエアロゾルデポジッション成膜装置。 - 前記アシストガスの圧力はエアロゾルガスの圧力と同じかそれよりも大きいことを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか一項記載のエアロゾルデポジッション成膜装置。
- 前記ガス合流部及び噴射部の内壁の表面に螺旋状の溝が形成されてなることを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか一項記載のエアロゾルデポジッション成膜装置。
Priority Applications (1)
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