JP4164797B2 - Film forming apparatus and film forming method - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は製膜装置及び製膜方法に関するものであり、詳しくは、金属化合物の溶液であるゾルを噴霧させて基板上にゲルを堆積させる際のゲル間の吸引力を高める構成に特徴のある製膜装置及び製膜方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、金属化合物の溶液、ゾル溶液を用いた製膜方法により製膜された薄膜は、超伝導材料、イオン導電性材料、キャパシター材料などの電子材料として、または、耐熱性コーティング、耐摩耗性コーティング、反射防止膜などの機能材料として、圧電性、焦電性を利用したセンサー、アクチュエータ、光導波路などと幅広く用いられている。
【0003】
この金属化合物の溶液、ゾル溶液を用いた製膜方法においては、ゾル溶液をスピンコート、ディップコート、スプレー法などの方法を用いて基板に塗られていた。
【0004】
しかし、これらの方法では基板に塗られたゾルをゲル化せるときに、ゲル化が均一に起こらず、均一な膜を効率良く作成するのが困難であった。
また、より緻密な膜を作成しようとすると、ゲル化した部分間に平面方向の吸引力(毛管力)が働き、表面に亀裂が生じるなどの問題が生じる。
【0005】
この吸引力(毛管力)を基板上で発生させないために、スプレーパイロシス法( 例えば、特許文献1参照)や、霧化したゾルの溶媒を基板に付着させる前に、溶媒をほとんど蒸発させゲル化させる方法(例えば、特許文献2参照)や、Aerosol Deposition Method(ADM)等の製造方法(例えば、特許文献3参照)が開発されている。
【0006】
これらの方法では、ゾルを空中に噴霧して溶媒をほぼ完全に蒸発させ、ゲル化させるため、基板には乾燥したゲルが積み重なり、基板上でゲル同士の間に吸引力(毛管力)が働かず、緻密で均一な膜を作成することができる。
【0007】
【特許文献1】
特開平5−294761号公報
【特許文献2】
特開平7−173634号公報
【特許文献3】
特開平11−131247号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、積み重ねた乾燥したゲル同士に吸着力がないため、噴霧速度を高めることによってゲルを基板に勢いよく叩きつけるなどの方法によって緻密さを高める工夫を必要とするため、叩きつける際の物理的ダメージにより酸素空孔や小さい散乱点等の膜欠陥が生じてしまう問題があった。
【0009】
したがって、本発明は、膜欠陥を発生させることなく、均一で緻密な膜を製膜することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
図1は本発明の原理的構成図であり、この図1を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図1参照
上記目的を達成するため、本発明は、製膜装置において、ゲル化させる物質を含む溶液4を帯電機構を設けることなく霧状ゾルとして噴霧する噴霧部1と、前記噴霧部1と基板3との空間における雰囲気を霧状ゾル中の溶媒の蒸発を抑制する雰囲気にする雰囲気制御機構を備えたことを特徴とする。
【0011】
この様に、噴霧部1と基板3との空間における雰囲気を霧状ゾル中の溶媒の蒸発を抑制する雰囲気にする雰囲気制御機構を備えることによって、ゲル化を溶媒雰囲気中で行うことができ、それによって、ゲル間に吸引力が働くので均一で緻密な膜を製膜することができる。
また、乾燥したゲルを叩きつける構成ではないので、製膜した薄膜に酸素空孔や小さい散乱点等の膜欠陥が発生することがない。
【0012】
なお、噴霧部1と基板3との空間における雰囲気を制御するために、噴霧口2と基板3との空間を水、アルコール、或いは、溶媒を含んだ雰囲気に調整する機構を設けることが望ましい。
【0013】
この場合、霧状ゾルに、紫外線からマイクロ波の波長範囲の電磁波を照射して霧状ゾルのゲル化を促進する機構を備えることが望ましく、それによって、溶媒を含んだゲルの状態で堆積することができるので、ゲル同士の間に3次元方向の吸引力を働かせることができる。
【0014】
また、製膜装置のチャンバー6内の雰囲気のpHを調整するpH調整機構を備えることによって、ゲルの形状を鎖状から球形のものまで制御することができる。
なお、酸性にした場合には鎖状になり、塩基性にした場合には球形になる。
【0015】
また、噴霧部1と基板3との空間における雰囲気を制御するための雰囲気制御機構として、チャンバー6内に原料供給機構とは別個に溶媒を収容する液槽を設けることが望ましく、簡単な装置構成で雰囲気をより厳密に制御することができる。
【0016】
また、噴霧部1の噴射口を鉛直方向に向けることによって、従来装置の構成を変更することなく噴霧部1を取り付けることができるので、装置作成が簡単になる。
この場合、噴射口を複数備えることによって、基板3面内における薄膜の均質化が可能になる。
【0017】
また、噴霧部1の噴射口を水平方向に向けることによって、液滴の粒径の揃った霧状ゾルのみを基板3上に堆積することができ、それによって、薄膜の均一化が容易になる。
【0018】
また、ゲル化させる物質を含む溶液4を帯電機構を設けることなく霧状ゾルとして噴霧するとともに、噴霧部1と基板3との空間における溶媒の蒸発量を抑制した状態で、部分的にゲル化させたゾル溶液5を基板3上に堆積させることによって、ゲル間に微小な吸引力を働らかせ、それによって、ゲル同士を吸着させることができるので、緻密な薄膜の製膜が可能になる。
【0019】
この場合、霧状ゾルの液滴径としては、100μm以下、より好適には、1〜5μmが望ましく、液滴があまり大きいと均一な膜を得ることが困難になる。
【0020】
また、ゲル化させる物質を含む溶液4は、予め部分的にゲル化させることが望ましく、それによって、溶媒を含んだ状態でゲルを堆積することができる。
この場合、ゲル化させる物質を含む溶液4に、予め微小粒径のゲル化させる物質の粉末等を混入しても良い。
【0021】
【発明の実施の形態】
ここで、図2乃至図4を参照して、本発明の第1の実施の形態を説明する。
図2参照
図2は、本発明の第1の実施の形態の製膜装置の概念的構成図であり、チャンバー11の内部にはヒータ13を収容し、基板14を載置するステージ12、ゾル溶液を噴霧するスプレーノズル15、チャンバー11の内部の雰囲気を制御する上記を導入する複数のガス導入口16が設けられるとともに、チャンバー11の内部を真空に排気する真空ポンプ23、雰囲気及び反応生成物等を排出する排気口24が取り付けられている。
なお、ヒータ13は、400℃まで加熱できる程度のヒータで良い。
【0022】
この場合のスプレーノズル15は、100μm以下の液滴の霧状ゾルを噴霧できるものであれば良いが、1〜5μmの範囲の液滴の霧状ゾルを噴霧することができる超微霧発生流体ノズルであることが望ましい。
【0023】
このスプレーノズル15にはゾル溶液供給装置17から、配管18を介してゲル化する物質を含むゾル溶液が供給される。
ここでは、圧電材料であるPZT(PbZr0.52Ti0.483 )を製膜するために、ゾル溶液としては、PZTゾル・ゲル溶液を用いる。
【0024】
このPZTゾル・ゲル溶液は、酢酸鉛、ジルコニウムプロポキシド、チタンテトラプロポキシドを前駆体として用い、これらを溶媒である2−メトキシエタノールに溶解し、還流を行うことによって作成する。
【0025】
また、複数に分散させたガス導入口16には、配管22を介して水蒸気発生装置19、アルコール蒸気発生装置20、及び、溶媒蒸気発生装置21が接続されており、Arガス或いはN2 ガス等のキャリアガスによってバブリングされた水蒸気、アルコール蒸気、或いは、溶媒蒸気がキャリアガスとともにガス導入口16からチャンバー11内に導入され、スプレーノズル15と基板14との間の空間の雰囲気を制御する。
【0026】
次に、図3も合わせて参照して、本発明の第1の実施の形態の製膜工程を説明する。
図3(a)及び(b)参照
図3(a)は、本発明の第1の実施の形態における製膜状態の模式的説明図であり、また、図3(b)は、その部分拡大図である。
まず、SrTiO3 からなる基板14を加熱しない状態で、スプレーノズル15からPZTゾル・ゲル溶液を1〜5μmの液滴の霧状ゾルとして噴霧する。
【0027】
この時、ガス導入口16から、水蒸気、アルコール蒸気、或いは、溶媒蒸気の少なくとも一つを導入して霧状ゾル中の溶媒蒸発量を制御することによって、チャンバー11内を浮遊する霧状ゾルの内部において部分的にゲル化が進行してゲルを含む霧状ゾル25となり、この状態で基板14上に所定の時間堆積させて、所望の膜厚を得る。
【0028】
基板14上には溶媒を含んだ状態でゲル27が順次堆積していくが、基板に堆積したゾル溶液26の表面部においては流動的なゲル27と既に整列したゲル27との間に溶媒を介して微小な吸引力28が3次元方向に均一に作用して吸着するので、緻密性の高い膜が得られることになる。
【0029】
次いで、ヒータ13により基板14を、例えば、100℃まで加熱してさらにゲル化を進行させたのち、チャンバー11より基板14を取り出し、次いで、400℃に加熱することによって薄膜中の残留有機成分を蒸発させる。
最後に、例えば、酸素雰囲気中で、650℃で焼結することによって、ペロブスカイト構造のPZT(PbZr0.52Ti0.483 )を得る。
【0030】
図4(a)及び(b)参照
図4(a)は、本発明の第1の実施の形態により製膜した試料表面のX線回折(XRD)パターンであり、図4(b)は従来の製膜方法により製膜した試料表面のX線回折パターンである。
図を比較するとわかるように、本発明の第1の実施の形態においては、2θ≒22°近傍の〔001〕面のピーク及び2θ≒44°近傍の〔002〕面のピークが図4(b)のピークに比べて強度が大きく、基板に対して配向粒成長していることがわかる。
【0031】
このように、本発明の第1の実施の形態においては、チャンバー内の雰囲気を制御することによって、部分的にゲル化を進行させてゲルを含む霧状ゾル25の状態で基板14上に堆積させているので、ゲル間に吸引力が働き、それによって、緻密で密着性に優れた膜を得ることができる。
【0032】
また、吸引力は3次元方向に均一に作用するので、従来の方法で問題となった表面の亀裂が生じなくなる。
また、霧とした溶液を化学的な反応により接合するため、空孔などの膜欠陥が発生することがない。
【0033】
次に、図5を参照して本発明の第2の実施の形態の製膜装置を説明するが、スプレーノズルの配置以外は上記の第1の実施の形態の製膜装置と同様であるので、スプレーノズルの配置のみを説明する。
図5参照
図5は、本発明の第2の実施の形態の製膜装置の概念的平面図であり、ここでは、4つのスプレーノズル15を円周上に等間隔で配置したものである。
このように、複数のスプレーノズル15を設けることによって、基板14上に堆積する霧状ゾルの基板面内分布が均一化される。
【0034】
即ち、スプレーノズル15から噴霧される霧状ゾルの内、液滴の大きなものはあまり拡がらずにスプレーノズル15の直下近傍に堆積し、液滴の小さなものは拡がって、スプレーノズル15から離れた領域に堆積するので、ノズルが一個の場合には、基板14に対してラジアル方向に液滴の大きさの順に分布することになる。
しかし、スプレーノズル15を複数個配置することによって、液滴分布が重複した状態になるので、霧状ゾルの基板面内分布が均一化される。
【0035】
次に、図6を参照して本発明の第3の実施の形態の製膜装置を説明するが、チャンバーの底部に液槽部を設けた以外は上記の第1の実施の形態の製膜装置と同様であるので、変更部分のみを説明する。
図6参照
図6は、本発明の第3の実施の形態の製膜装置の概念的構成図であり、チャンバー11の底部の液槽部29を設け、この液槽部29に溶媒30を収容したものである。
【0036】
この液槽部29に収容された溶媒30を、例えば、150℃に加熱することによって溶媒蒸気を発生させ、この溶媒蒸気の発生量によってチャンバー11内の雰囲気を制御する。
【0037】
このように、本発明の第3の実施の形態においては、チャンバー11の一部を変形させて液槽部29を設けるだけの簡単な構成により、チャンバー11内の雰囲気をより厳密に制御することができる。
【0038】
次に、図7及び図8を参照して本発明の第4の実施の形態の製膜装置を説明するが、スプレーノズルを噴霧方向が水平方向になるように取付けた以外は、上記の第1の実施の形態の製膜装置と同様であるので、変更部分のみを説明する。
図7参照
図7は、本発明の第4の実施の形態の製膜装置の概念的構成図であり、スプレーノズル15をチャンバー11の側壁部に取付け、ゲルを含む霧状ゾル25を水平方向に噴霧するものである。
【0039】
図8参照
図8は、本発明の第4の実施の形態における堆積状況の説明図であり、スプレーノズル15から噴霧されたゲルを含む霧状ゾル25の内、液滴の粒径の大きな霧状ゾル31はすぐに落下し、一方、液滴の粒径の小さな霧状ゾル33は落下が遅いので基板14上に落下することない。
【0040】
一方、粒径が中間で液滴の粒径が揃っている霧状ゾル33のみが基板14上に堆積することになるので、均一な霧状ゾル33からなり、より平坦な表面を有するゲルからなる堆積膜を得ることができる。
【0041】
以上、本発明の各実施の形態を説明したが、本発明は各実施の形態に記載した構成及び条件に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記の各実施の形態においては、霧状ゾルが浮遊した状態において雰囲気を制御することによって、内部からゲル化させているが、さらに、ゲル化を促進させるために、予めある程度ゲル化したゾル溶液を使用しても良いものである。
なお、予めある程度ゲル化させるためには、噴霧する前に、ゾル溶液を加熱したり、水を加えれば良い。
【0042】
或いは、ゾル溶液中にPZTの粉末等を含ませ、ゾル溶液を噴霧しても良いものである。
【0043】
また、噴霧後の霧状ゾル内部からのゲル化を促進させるため、霧状ゾルに赤外線、マイクロ波、紫外線等を照射しても良いものである。
この場合の赤外線照射装置、マイクロ波照射装置、或いは、紫外線照射装置の構成は特に限定されるものではなく、赤外線ランプや紫外線ランプを用いたり、或いは、マイクロ波導波管を介してマイクロ波を照射するようにしても良い。
【0044】
また、基板に堆積したときのゲル同士に働く吸引力或いはゲルの形状を制御するために、チャンバー内にHCl或いはHNO3 等の酸や、NH3 等の塩基を導入するようにしても良いものである。
酸を導入した場合には、ゲルは2次元的な鎖状になり、塩基を導入した場合には3次元的な球状になる。
【0045】
また、上記の各実施の形態においては、基板を加熱しない状態で製膜しているが、予め基板を、例えば、100℃に加熱した状態で霧状ゾルを堆積させても良いものである。
【0046】
また、上記の第2の実施の形態においては、4つのスプレーノズルを配置しているが、スプレーノズルの数は任意であり、できるだけ中心点に対して回転対称に配置することが望ましい。
【0047】
また、上記の各実施の形態においては、PZTの製膜方法として説明しているが、本発明はPZTに限られるものではなく、他の金属酸化物膜の堆積方法にも適用されるものであり、さらには、従来からゾル・ゲル法が採用されている各分野において適用されるものである。
【0048】
ここで、再び図1を参照して、改めて本発明の詳細な特徴を説明する。
再び、図1参照
(付記1) ゲル化させる物質を含む溶液4を帯電機構を設けることなく霧状ゾルとして噴霧する噴霧部1と、前記噴霧部1と基板3との空間における雰囲気を霧状ゾル中の溶媒の蒸発を抑制する雰囲気にする雰囲気制御機構を備えたことを特徴とする製膜装置。
(付記2) 上記霧状ゾルに、紫外線からマイクロ波の波長領域の電磁波を照射して霧状ゾルのゲル化を促進する機構を備えたことを特徴とする付記1記載の製膜装置。
(付記3) 上記製膜装置のチャンバー6内の雰囲気のpHを調整するpH調整機構を備えたことを特徴とする付記1または2に記載の製膜装置。
(付記4) 上記噴霧部1と基板3との空間における雰囲気を制御するための雰囲気制御機構が、上記製膜装置のチャンバー6内に原料供給機構とは別個に設けられた溶媒を収容する液槽であることを特徴とする付記1乃至3のいずれか1に記載の製膜装置。
(付記5) 上記噴霧部1の噴射口を鉛直方向に向けたことを特徴とする付記1乃至4のいずれか1に記載の製膜装置。
(付記6) 上記噴射口を、複数備えたことを特徴とする付記5記載の製膜装置。
(付記7) 上記噴霧部1の噴射口を水平方向に向けたことを特徴とする付記1乃至4のいずれか1に記載の製膜装置。
(付記8) ゲル化させる物質を含む溶液4を帯電機構を設けることなく霧状ゾルとして噴霧するとともに、噴霧部1と基板3との空間における溶媒の蒸発量を抑制した状態で、部分的にゲル化させたゾル溶液5を前記基板3上に堆積させ、ゲル間に働く微小な吸引力によりゲル同士を吸着させることを特徴とする製膜方法。
(付記9) 上記霧状ゾルの液滴径が100μm以下であることを特徴とする付記8記載の製膜方法。
(付記10) 上記ゲル化させる物質を含む溶液4を、予め部分的にゲル化させ、内部に高分子ゲルを含む液滴からなる霧状ゾルを発生させることを特徴とする付記8または9に記載の製膜方法。
(付記11) 上記ゲル化させる物質を含む溶液4に、予め微小粒径のゲル化させる物質の粉末を混入することを特徴とする付記8乃至10のいずれか1に記載の製膜方法。
【0049】
【発明の効果】
本発明によれば、金属化合物の溶液、ゾルを原料とした製膜方法において、液滴の状態で内部において部分的にゲル化させるとともに、溶媒雰囲気中でゲル同士を吸引・堆積させているので、酸素空孔や微小散乱点等の膜欠陥を発生させることなく、均一で緻密な薄膜を製膜することができ、それによって、各種のデバイスの性能向上に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理的構成の説明図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態の製膜装置の概念的構成図である。
【図3】本発明の第1の実施の形態における製膜状態の模式的説明図である。
【図4】本発明の第1の実施の形態により製膜した試料表面のX線回折パターンの説明図である。
【図5】本発明の第2の実施の形態の製膜装置の概念的平面図である。
【図6】本発明の第3の実施の形態の製膜装置の概念的構成図である。
【図7】本発明の第4の実施の形態の製膜装置の概念的構成図である。
【図8】本発明の第4の実施の形態における堆積状況の説明図である。
【符号の説明】
1 噴霧部
2 噴霧口
3 基板
4 ゲル化する物質を含む溶液
5 部分的にゲル化させたゾル溶液
6 チャンバー
11 チャンバー
12 ステージ
13 ヒータ
14 基板
15 スプレーノズル
16 ガス導入口
17 ゾル溶液供給装置
18 配管
19 水蒸気発生装置
20 アルコール蒸気発生装置
21 溶媒蒸気発生装置
22 配管
23 真空ポンプ
24 排気口
25 ゲルを含む霧状ゾル
26 基板に堆積したゾル溶液
27 ゲル
28 吸引力
29 液槽部
30 溶媒
31 液滴の粒径の大きな霧状ゾル
32 液滴の粒径の揃った霧状ゾル
33 液滴の粒径の小さな霧状ゾル
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a film forming apparatus and a film forming method, and more specifically, is characterized in that the suction force between gels is increased when a sol that is a solution of a metal compound is sprayed to deposit the gel on a substrate. The present invention relates to a film forming apparatus and a film forming method.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a thin film formed by a film formation method using a solution of a metal compound or a sol solution is used as an electronic material such as a superconducting material, an ionic conductive material, or a capacitor material, or a heat resistant coating or wear resistance. As functional materials such as coatings and antireflection films, they are widely used as sensors, actuators, optical waveguides and the like using piezoelectricity and pyroelectricity.
[0003]
In the film forming method using the metal compound solution and the sol solution, the sol solution is applied to the substrate using a method such as spin coating, dip coating, or spraying.
[0004]
However, in these methods, when the sol applied to the substrate is gelled, gelation does not occur uniformly, and it is difficult to efficiently produce a uniform film.
In addition, when trying to create a denser film, a planar suction force (capillary force) acts between the gelled portions, causing problems such as cracks on the surface.
[0005]
In order not to generate this suction force (capillary force) on the substrate, the solvent is almost evaporated before the spray pyrolysis method (see, for example, Patent Document 1) or the atomized sol solvent is attached to the substrate. A manufacturing method (for example, refer to Patent Document 3) such as a method for making it (for example, refer to Patent Document 2) and an Aerosol Deposition Method (ADM) have been developed.
[0006]
In these methods, since the sol is sprayed in the air to evaporate the solvent almost completely and gel it, the dried gel is stacked on the substrate, and suction force (capillary force) works between the gels on the substrate. Therefore, a dense and uniform film can be formed.
[0007]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 5-294661 [Patent Document 2]
JP-A-7-173634 [Patent Document 3]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-1312247
[Problems to be solved by the invention]
However, since the stacked dried gels have no adsorptive power, it is necessary to devise a method to increase the density by vigorously striking the gel against the substrate by increasing the spraying speed. There has been a problem that film defects such as oxygen vacancies and small scattering points occur.
[0009]
Accordingly, an object of the present invention is to form a uniform and dense film without causing film defects.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
FIG. 1 is a block diagram showing the principle of the present invention. Means for solving the problems in the present invention will be described with reference to FIG.
See FIG. 1 In order to achieve the above object, the present invention provides, in a film forming apparatus, a spray unit 1 that sprays a solution 4 containing a substance to be gelled as a mist sol without providing a charging mechanism, and the spray unit 1 An atmosphere control mechanism is provided in which the atmosphere in the space with the substrate 3 is an atmosphere that suppresses evaporation of the solvent in the atomized sol.
[0011]
Thus, by providing an atmosphere control mechanism that makes the atmosphere in the space between the spray unit 1 and the substrate 3 an atmosphere that suppresses evaporation of the solvent in the mist sol , gelation can be performed in the solvent atmosphere, Thereby, since a suction force acts between the gels, a uniform and dense film can be formed.
In addition, since the dried gel is not struck, film defects such as oxygen vacancies and small scattering points do not occur in the formed thin film.
[0012]
In order to control the atmosphere in the space between the spray unit 1 and the substrate 3, it is desirable to provide a mechanism for adjusting the space between the spray port 2 and the substrate 3 to an atmosphere containing water, alcohol, or a solvent.
[0013]
In this case, it is desirable to provide a mechanism for accelerating gelation of the mist sol by irradiating the mist sol with electromagnetic waves in the wavelength range from ultraviolet to microwave, thereby depositing in a gel state containing a solvent. Therefore, a three-dimensional suction force can be applied between the gels.
[0014]
Further, by providing a pH adjusting mechanism for adjusting the pH of the atmosphere in the chamber 6 of the film forming apparatus, the shape of the gel can be controlled from a chain shape to a spherical shape.
When it is acidified, it becomes a chain, and when it is basic, it becomes a sphere.
[0015]
In addition, as an atmosphere control mechanism for controlling the atmosphere in the space between the spray unit 1 and the substrate 3, it is desirable to provide a liquid tank that contains a solvent in the chamber 6 separately from the raw material supply mechanism. The atmosphere can be controlled more strictly.
[0016]
Moreover, since the spraying part 1 can be attached without changing the structure of the conventional apparatus by orienting the injection port of the spraying part 1 in the vertical direction, the device creation is simplified.
In this case, it is possible to homogenize the thin film in the surface of the substrate 3 by providing a plurality of injection ports.
[0017]
Further, by directing the spray port of the spray unit 1 in the horizontal direction, only a mist-like sol having a uniform particle size of droplets can be deposited on the substrate 3, thereby facilitating uniformization of the thin film. .
[0018]
In addition, the solution 4 containing the substance to be gelled is sprayed as a mist sol without providing a charging mechanism , and partially gelated in a state where the amount of solvent evaporation in the space between the spraying part 1 and the substrate 3 is suppressed. By depositing the sol solution 5 on the substrate 3, a minute suction force is exerted between the gels, and the gels can be adsorbed to each other, so that a dense thin film can be formed. .
[0019]
In this case, the droplet diameter of the mist sol is preferably 100 μm or less, more preferably 1 to 5 μm. If the droplets are too large, it is difficult to obtain a uniform film.
[0020]
The solution 4 containing the substance to be gelled is desirably partially gelled in advance, so that the gel can be deposited in a state containing the solvent.
In this case, the solution 4 containing the substance to be gelled may be mixed in advance with a powder of the substance to be gelled having a fine particle diameter.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Here, the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
2 is a conceptual configuration diagram of the film forming apparatus according to the first embodiment of the present invention. A heater 13 is accommodated in the chamber 11, a stage 12 on which a substrate 14 is placed, a sol A spray nozzle 15 for spraying the solution, a plurality of gas introduction ports 16 for introducing the above to control the atmosphere inside the chamber 11, a vacuum pump 23 for evacuating the inside of the chamber 11, an atmosphere and a reaction product An exhaust port 24 for discharging the gas etc. is attached.
The heater 13 may be a heater capable of heating up to 400 ° C.
[0022]
The spray nozzle 15 in this case may be any one that can spray a mist sol of droplets of 100 μm or less, but an ultra fine mist generating fluid capable of spraying a mist sol of droplets in the range of 1 to 5 μm. A nozzle is desirable.
[0023]
The spray nozzle 15 is supplied with a sol solution containing a substance that gels from a sol solution supply device 17 through a pipe 18.
Here, in order to form PZT (PbZr 0.52 Ti 0.48 O 3 ), which is a piezoelectric material, a PZT sol-gel solution is used as the sol solution.
[0024]
This PZT sol-gel solution is prepared by using lead acetate, zirconium propoxide, and titanium tetrapropoxide as precursors, dissolving them in 2-methoxyethanol as a solvent, and refluxing.
[0025]
In addition, a plurality of gas inlets 16 are connected to a water vapor generating device 19, an alcohol vapor generating device 20, and a solvent vapor generating device 21 through a pipe 22, such as Ar gas or N 2 gas. Water vapor, alcohol vapor, or solvent vapor bubbled by the carrier gas is introduced into the chamber 11 from the gas inlet 16 together with the carrier gas, and the atmosphere in the space between the spray nozzle 15 and the substrate 14 is controlled.
[0026]
Next, referring to FIG. 3 as well, the film forming process of the first embodiment of the present invention will be described.
Reference to FIGS. 3A and 3B FIG. 3A is a schematic explanatory view of a film forming state in the first embodiment of the present invention, and FIG. 3B is a partially enlarged view thereof. FIG.
First, the PZT sol / gel solution is sprayed from the spray nozzle 15 as a mist of 1-5 μm droplets without heating the substrate 14 made of SrTiO 3 .
[0027]
At this time, by introducing at least one of water vapor, alcohol vapor, or solvent vapor from the gas introduction port 16 to control the amount of solvent evaporation in the atomized sol, the atomized sol floating in the chamber 11 is removed. Gelation partially progresses inside to form a mist-like sol 25 containing gel. In this state, the gel is deposited on the substrate 14 for a predetermined time to obtain a desired film thickness.
[0028]
The gel 27 is sequentially deposited on the substrate 14 in a state containing the solvent, but the solvent is placed between the fluid gel 27 and the already aligned gel 27 on the surface of the sol solution 26 deposited on the substrate. Since the minute suction force 28 acts and adsorbs uniformly in the three-dimensional direction, a highly dense film can be obtained.
[0029]
Next, after the substrate 14 is heated to, for example, 100 ° C. by the heater 13 and further gelation proceeds, the substrate 14 is taken out from the chamber 11 and then heated to 400 ° C. to remove residual organic components in the thin film. Evaporate.
Finally, for example, PZT having a perovskite structure (PbZr 0.52 Ti 0.48 O 3 ) is obtained by sintering at 650 ° C. in an oxygen atmosphere.
[0030]
4 (a) and 4 (b) FIG. 4 (a) is an X-ray diffraction (XRD) pattern of the sample surface formed according to the first embodiment of the present invention, and FIG. It is the X-ray diffraction pattern of the sample surface formed into a film by this film forming method.
As can be seen by comparing the figures, in the first embodiment of the present invention, the peak of the [001] plane near 2θ≈22 ° and the peak of the [002] plane near 2θ≈44 ° are shown in FIG. It can be seen that the strength is larger than the peak of), and oriented grains are grown on the substrate.
[0031]
As described above, in the first embodiment of the present invention, by controlling the atmosphere in the chamber, the gelation is partially progressed and deposited on the substrate 14 in the state of the atomized sol 25 containing the gel. Therefore, a suction force acts between the gels, whereby a dense and excellent film can be obtained.
[0032]
Further, since the suction force acts uniformly in the three-dimensional direction, the surface cracks which have been a problem in the conventional method are not generated.
Further, since the mist solution is joined by a chemical reaction, film defects such as vacancies do not occur.
[0033]
Next, the film forming apparatus according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 5, but is the same as the film forming apparatus according to the first embodiment except for the arrangement of the spray nozzle. Only the arrangement of the spray nozzle will be described.
FIG. 5 is a conceptual plan view of a film forming apparatus according to a second embodiment of the present invention. Here, four spray nozzles 15 are arranged on the circumference at equal intervals.
As described above, by providing the plurality of spray nozzles 15, the in-plane distribution of the atomized sol deposited on the substrate 14 is made uniform.
[0034]
That is, among the mist sol sprayed from the spray nozzle 15, large droplets do not spread so much but accumulate in the vicinity of the spray nozzle 15, and small droplets spread and leave the spray nozzle 15. When the number of nozzles is one, the droplets are distributed in the radial direction with respect to the substrate 14 in the order of the size of the droplets.
However, by disposing a plurality of spray nozzles 15, the droplet distribution is overlapped, so that the in-plane distribution of the atomized sol is made uniform.
[0035]
Next, a film forming apparatus according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 6. The film forming apparatus according to the first embodiment described above except that a liquid tank is provided at the bottom of the chamber. Since it is the same as the apparatus, only the changed part will be described.
FIG. 6 is a conceptual configuration diagram of a film forming apparatus according to a third embodiment of the present invention. A liquid tank section 29 is provided at the bottom of the chamber 11, and a solvent 30 is accommodated in the liquid tank section 29. It is a thing.
[0036]
The solvent 30 accommodated in the liquid tank portion 29 is heated to, for example, 150 ° C. to generate solvent vapor, and the atmosphere in the chamber 11 is controlled by the generated amount of the solvent vapor.
[0037]
As described above, in the third embodiment of the present invention, the atmosphere in the chamber 11 is more strictly controlled by a simple configuration in which a part of the chamber 11 is deformed and the liquid tank portion 29 is provided. Can do.
[0038]
Next, a film forming apparatus according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 7 and 8, except that the spray nozzle is mounted in such a manner that the spray direction is a horizontal direction. Since it is the same as that of the film forming apparatus of 1 embodiment, only a changed part is demonstrated.
FIG. 7 is a conceptual block diagram of a film forming apparatus according to a fourth embodiment of the present invention, in which a spray nozzle 15 is attached to a side wall portion of a chamber 11 and a mist sol 25 containing gel is horizontally oriented. To be sprayed.
[0039]
FIG. 8 is an explanatory view of the deposition state in the fourth embodiment of the present invention. Of the mist sol 25 containing the gel sprayed from the spray nozzle 15, the mist having a large droplet diameter The sol 31 falls quickly, while the mist sol 33 having a small droplet diameter does not fall on the substrate 14 because the fall is slow.
[0040]
On the other hand, since only the mist sol 33 having an intermediate particle size and the same particle size of the droplets is deposited on the substrate 14, the mist sol 33 is made of a uniform mist sol 33 and has a flatter surface. A deposited film can be obtained.
[0041]
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the configurations and conditions described in the embodiments, and various modifications can be made.
For example, in each of the above embodiments, gelation is performed from the inside by controlling the atmosphere in a state where the mist-like sol is suspended. A sol solution may be used.
In addition, in order to gelatinize to some extent in advance, the sol solution may be heated or water may be added before spraying.
[0042]
Alternatively, PZT powder or the like may be included in the sol solution, and the sol solution may be sprayed.
[0043]
Further, in order to promote gelation from the inside of the atomized sol after spraying, the atomized sol may be irradiated with infrared rays, microwaves, ultraviolet rays or the like.
In this case, the configuration of the infrared irradiation device, the microwave irradiation device, or the ultraviolet irradiation device is not particularly limited, and an infrared lamp or an ultraviolet lamp is used, or microwave irradiation is performed through a microwave waveguide. You may make it do.
[0044]
In addition, an acid such as HCl or HNO 3 or a base such as NH 3 may be introduced into the chamber in order to control the attractive force acting between the gels when deposited on the substrate or the shape of the gel. It is.
When an acid is introduced, the gel becomes a two-dimensional chain, and when a base is introduced, it becomes a three-dimensional sphere.
[0045]
In each of the above embodiments, the film is formed without heating the substrate. However, the mist sol may be deposited in advance with the substrate heated to 100 ° C., for example.
[0046]
In the second embodiment, four spray nozzles are arranged. However, the number of spray nozzles is arbitrary, and it is desirable to arrange them as rotationally symmetrical as possible with respect to the center point.
[0047]
In each of the above embodiments, the PZT film forming method has been described. However, the present invention is not limited to PZT, and can be applied to other metal oxide film deposition methods. Furthermore, it is applied in each field where the sol-gel method is conventionally employed.
[0048]
Here, the detailed features of the present invention will be described again with reference to FIG.
See FIG. 1 again. (Supplementary note 1) The spray part 1 that sprays the solution 4 containing the substance to be gelled as a mist sol without providing a charging mechanism, and the atmosphere in the space between the spray part 1 and the substrate 3 is mist-like. A film-forming apparatus comprising an atmosphere control mechanism that makes an atmosphere that suppresses evaporation of a solvent in a sol.
(Additional remark 2) The film forming apparatus of Additional remark 1 provided with the mechanism which irradiates the electromagnetic wave of the wavelength range of a microwave from an ultraviolet-ray to the said misty sol, and accelerates | stimulates gelatinization of the misty sol.
(Additional remark 3) The film forming apparatus of Additional remark 1 or 2 provided with the pH adjustment mechanism which adjusts the pH of the atmosphere in the chamber 6 of the said film forming apparatus.
(Additional remark 4) The liquid which accommodates the solvent in which the atmosphere control mechanism for controlling the atmosphere in the space of the said spray part 1 and the board | substrate 3 was provided in the chamber 6 of the said film forming apparatus separately from the raw material supply mechanism 4. The film forming apparatus according to any one of appendices 1 to 3, wherein the film forming apparatus is a tank.
(Supplementary note 5) The film forming apparatus according to any one of supplementary notes 1 to 4, wherein the spray port of the spray unit 1 is directed in a vertical direction.
(Supplementary note 6) The film forming apparatus according to supplementary note 5, wherein a plurality of the injection ports are provided.
(Supplementary note 7) The film forming apparatus according to any one of supplementary notes 1 to 4, wherein the spray port of the spray unit 1 is oriented in the horizontal direction.
(Additional remark 8) While spraying the solution 4 containing the substance to be gelatinized as a mist-like sol without providing a charging mechanism, and suppressing the amount of evaporation of the solvent in the space between the spray part 1 and the substrate 3, it is partially A film forming method comprising depositing a gelled sol solution 5 on the substrate 3 and adsorbing the gels with a minute suction force acting between the gels.
(Additional remark 9) The droplet diameter of the said mist-like sol is 100 micrometers or less, The film forming method of Additional remark 8 characterized by the above-mentioned.
(Supplementary note 10) In Supplementary note 8 or 9, wherein the solution 4 containing the substance to be gelated is partially gelled in advance to generate a mist-like sol composed of droplets containing a polymer gel inside. The film forming method described.
(Additional remark 11) The film forming method of any one of Additional remarks 8 thru | or 10 which mix | blends the powder of the substance to be gelatinized of a fine particle diameter previously with the solution 4 containing the substance to be gelatinized.
[0049]
【The invention's effect】
According to the present invention, in a film forming method using a metal compound solution or sol as a raw material, gels are partially gelled inside in a droplet state, and gels are sucked and deposited in a solvent atmosphere. In addition, a uniform and dense thin film can be formed without generating film defects such as oxygen vacancies and minute scattering points, which greatly contributes to improving the performance of various devices.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a basic configuration of the present invention.
FIG. 2 is a conceptual configuration diagram of a film forming apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic explanatory view of a film forming state in the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram of an X-ray diffraction pattern of a sample surface formed according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a conceptual plan view of a film forming apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a conceptual configuration diagram of a film forming apparatus according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a conceptual configuration diagram of a film forming apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is an explanatory diagram of a deposition state in the fourth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Spraying part 2 Spraying port 3 Substrate 4 Gel containing substance 5 Partially gelled sol solution 6 Chamber 11 Chamber 12 Stage 13 Heater 14 Substrate 15 Spray nozzle 16 Gas inlet 17 Sol solution supply device 18 Piping DESCRIPTION OF SYMBOLS 19 Steam generator 20 Alcohol vapor generator 21 Solvent vapor generator 22 Piping 23 Vacuum pump 24 Exhaust port 25 Mist sol 26 containing gel 27 Sol solution 27 deposited on substrate 27 Gel 28 Suction power 29 Liquid tank part 30 Solvent 31 Droplet Mist sol with a large particle size 32 mist sol with a uniform droplet size 33 mist sol with a small particle size

Claims (5)

ゲル化させる物質を含む溶液を帯電機構を設けることなく霧状ゾルとして噴霧する噴霧部と、前記噴霧部と基板との空間における雰囲気を前記霧状ゾル中の溶媒の蒸発を抑制する雰囲気にする雰囲気制御機構を備えたことを特徴とする製膜装置。A spray part that sprays a solution containing a substance to be gelled as a mist sol without providing a charging mechanism, and an atmosphere in the space between the spray part and the substrate is an atmosphere that suppresses evaporation of the solvent in the mist sol. A film forming apparatus comprising an atmosphere control mechanism. 上記霧状ゾルに、紫外線からマイクロ波の波長範囲の電磁波を照射して霧状ゾルのゲル化を促進する機構を備えたことを特徴とする請求項1記載の製膜装置。  2. The film forming apparatus according to claim 1, further comprising a mechanism for irradiating the atomized sol with electromagnetic waves in a wavelength range from ultraviolet to microwave to promote gelation of the atomized sol. 上記製膜装置のチャンバー内の雰囲気のpHを調整するpH調整機構を備えたことを特徴とする請求項1または2に記載の製膜装置。  The film forming apparatus according to claim 1, further comprising a pH adjusting mechanism that adjusts a pH of an atmosphere in a chamber of the film forming apparatus. 上記噴霧部と基板との空間における雰囲気を制御するための雰囲気制御機構が、上記製膜装置のチャンバー内に原料供給機構とは別個に設けられた溶媒を収容する液槽であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の製膜装置。  The atmosphere control mechanism for controlling the atmosphere in the space between the spray unit and the substrate is a liquid tank containing a solvent provided separately from the raw material supply mechanism in the chamber of the film forming apparatus. The film forming apparatus according to any one of claims 1 to 3. ゲル化させる物質を含む溶液を帯電機構を設けることなく霧状ゾルとして噴霧するとともに、噴霧部と基板との空間における溶媒の蒸発量を抑制した状態で、部分的にゲル化させたゾル溶液を前記基板上に堆積させ、ゲル間に働く微小な吸引力によりゲル同士を吸着させることを特徴とする製膜方法。A solution containing a substance to be gelled is sprayed as a mist sol without providing a charging mechanism, and a partially gelled sol solution is prepared in a state where the evaporation amount of the solvent in the space between the spray part and the substrate is suppressed. A film forming method comprising depositing on the substrate and adsorbing the gels with a minute suction force acting between the gels.
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