JP5029864B2

JP5029864B2 - 成膜方法

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Publication number: JP5029864B2
Application number: JP2006137781A
Authority: JP
Inventors: 隆広乗松
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2006-05-17
Filing date: 2006-05-17
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2026-05-17
Also published as: JP2007308748A

Description

本発明は、成膜方法に関する。

例えばインクジェットプリンタのプリンタヘッド等に用いられる圧電アクチュエータ等の製造方法として、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）と呼ばれるものがある。これは、圧電材料の微粒子を気体中に分散させたもの（エアロゾル）をノズルから基板表面に向けて噴射させ、微粒子を基板上に衝突・堆積させることにより圧電膜を形成させるものである（例えば特許文献１）。
特開２００１−１５２３６０公報

ところが、上記のような方法では、成膜中の配管の目詰まりや粉体の消費による減少等によって、ノズルからの材料粒子の噴出量にはムラが生じることがある。このような場合には、形成される圧電膜の厚さにもムラが生じ、膜の圧電特性に悪影響を与える。

本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、膜の厚さムラを低減できる成膜方法を提供することにある。

本発明者らは、膜の厚さムラを低減できる成膜方法および成膜装置を開発すべく鋭意研究してきたところ、エアロゾル吹き付け中の基板の電位と形成される膜の膜厚とが相関性を有することを見出した。

エアロゾルの吹き付け条件によって基板の電位が変化するメカニズムは、必ずしも明らかではないが、(i)材料粒子が基板に衝突して粉砕する際に電子が飛び出し基板に当たること、(ii)エアロゾル中で帯電した材料粒子が基板に衝突する際に静電気がリークすること、によるものと推測される。すなわち、基板の電位の変化は基板に衝突する粒子の数、および衝突速度と相関しているものと考えられる。したがって、基板の電位を指標としてエアロゾルの吹き付け条件を調整することによって、膜の厚さムラを低減し、所望の厚さの膜を形成することが可能になる。本発明は、かかる新規な知見に基づいてなされたものである。

本発明の成膜方法は、キャリアガスに材料粒子を分散させてエアロゾルを発生させるエアロゾル発生工程と、前記エアロゾルを前記噴射ノズルから噴出させて前記基板に吹き付けることにより前記材料粒子を前記基板上に付着させて膜を形成する膜形成工程と、を含む成膜方法であって、前記膜形成工程が、前記基板とは別に設けた検査用基板に前記エアロゾルを吹き付けつつ前記検査用基板の電位を測定する仮成膜工程と、前記仮成膜工程によって得られた測定結果に基づいて前記エアロゾルの吹き付け条件が予め定めた本成膜条件に合致するか否かを判定する判定工程と、前記本成膜条件に従って前記基板に前記エアロゾルを吹き付ける本成膜工程と、を含むものである。

調整工程において調整するエアロゾルの吹き付け条件としては、例えば噴射ノズル−基板間距離、基板に対するエアロゾルの吹き付け角度、あるいはエアロゾル濃度が挙げられる。
特に、容器に収容された材料粒子にキャリアガスを吹き付けつつ、この容器に加振装置による振動を加えてエアロゾルを発生させる機構を備えたものでは、振動の振動数またはキャリアガスの流量を調整することにより、容易にエアロゾル濃度を調整することができる。

本発明に用いられる基板としては、例えば金属基板等の導電性基板の他、電気抵抗が測定可能な材質のものであれば使用可能であり、シリコン基板、半導体基板等も使用できる。
また、粒子は帯電するものであれば良く、セラミックス（例えばＰＺＴ、アルミナ）等の無機粉体、または樹脂等の有機粉体を使用できる。
また、キャリアガスとしてはエアロゾルデポジション法に通常に用いられるものであれば特に制限はなく、例えばヘリウム、窒素、酸素、空気等が使用できる。

本発明によれば、基板の電位を測定することにより、吹き付けられているエアロゾルの状態をリアルタイムで把握できる。したがって、吹き付け操作の途中であっても基板電位を測定してその結果をエアロゾルの吹き付け条件にフィードバックし、膜厚を均一化することができる。また、吹き付け中の基板の電位を一定とすれば一定の厚さの膜が得られることから、基板の電位を指標として吹き付け条件を調整することにより、所望の厚さの膜を容易に形成することができる。

＜参考例＞
以下、本発明を具体化した参考例について、図１を参照しつつ詳細に説明する。
図１には、本発明を具体化した成膜装置１を示す。この成膜装置１は、材料粒子Ｍをキャリアガスに分散させてエアロゾルＺを形成するエアロゾル発生部１０、およびエアロゾルＺを噴射ノズル２３から噴出させて金属基板Ｂ１に付着させるための成膜チャンバ２０を備えている。

エアロゾル発生部１０には、内部に材料粒子Ｍを収容可能なエアロゾル室１１（本発明の容器に該当する）と、このエアロゾル室１１に取り付けられてエアロゾル室１１を振動する超音波加振装置１２とが備えられている。エアロゾル室１１には、キャリアガスを導入するためのガスボンベＧがガス供給管１４（本発明の第１のガス供給部に該当する）を介して接続されている。ガス供給管１４の先端はエアロゾル室１１内部において底面付近に位置し、材料粒子Ｍ中に埋没するようにされている。キャリアガスとしては、例えばヘリウム、アルゴン、窒素等の不活性ガスや空気、酸素等を使用することができる。なお、ガス供給管１４には、ガスボンベＧからエアロゾル室１１に供給されるキャリアガスの流量を調整するためのマスフローコントローラ１５Ａ（本発明の第１のバルブ部に該当する）が設けられている。
また、このエアロゾル室１１には、エアロゾル供給管１３（本発明のエアロゾル送出経路に該当する）の一方の端部が挿入されている。

成膜チャンバ２０には、基板を取り付けるためのステージ２１と、このステージ２１の下方に設けられた噴射ノズル２３が備えられている。噴射ノズル２３は、全体として上下に開口した円筒状に形成されており、上側の開口部は、スリット状の噴出口２３Ａとされている。また、下側の開口部はエアロゾル供給管１３の他方の端部に接続されており、エアロゾル室１１内のエアロゾルＺがエアロゾル供給管１３を通って噴射ノズル２３に供給されるようになっている。なお、このエアロゾル供給管１３からは、流量調整管１６（本発明の第２のガス供給部に該当する）が分岐しており、この流量調整管１６はガスボンベＧに接続されている。なお、流量調整管１６には、ガスボンベＧからエアロゾル供給管１３に流入するキャリアガスの流量を調整するためのマスフローコントローラ１５Ｂ（本発明の第２のバルブ部に該当する）が設けられている。

ステージ２１は絶縁性の材料により矩形板状に形成されており、ステージ移動機構２２によって水平姿勢で天井から吊り下げられて、下面側に金属基板Ｂ１を保持することができるようになっている。ステージ移動機構２２は、図示しない制御装置からの指令に応じて駆動されるものであり、ステージ２１をその板面と平行な面内において移動させる。これにより、噴射ノズル２３を金属基板Ｂ１に対して相対的に移動させることが可能とされている。

ステージ２１に取り付けられる金属基板Ｂ１には、この金属基板Ｂ１の電位を測定するための電圧計２４（本発明の電位測定機構に該当する）が接続されている。この電圧計２４は、コントローラ２５（本発明のバルブ制御部に該当する）に接続されている。コントローラ２５は、エアロゾル発生部１０に接続されており、電圧計２４による金属基板Ｂ１の電位の測定結果に基づいて、超音波加振装置１２、およびマスフローコントローラ１５Ａ、１５Ｂを制御する。これらのコントローラ２５、超音波加振装置１２、およびマスフローコントローラ１５Ａ、１５Ｂが本発明のエアロゾル濃度制御機構を構成する。

また、この成膜チャンバ２０には、ブースターポンプ２６およびロータリーポンプ２７が接続されており、その内部を減圧できるようにされている。

次に、上記のように構成された本参考例の作用および効果について説明する。

成膜装置１を用いて材料粒子Ｍの膜を形成する際には、まず、金属基板Ｂ１をステージ２１にセットする。次いで、エアロゾル室１１の内部に材料粒子Ｍを投入する。材料粒子Ｍとしては、例えば圧電材料であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を使用することができる。

そして、ガスボンベＧからガス供給管１４を介してエアロゾル室１１内部にキャリアガスを導入し、そのガス圧で材料粒子Ｍを舞い上がらせる。それとともに、超音波加振装置１２によってエアロゾル室１１を振動することで、材料粒子Ｍとキャリアガスとを混合してエアロゾルＺを発生させる（エアロゾル発生工程）。

続いて、成膜チャンバ２０内をブースターポンプ２６およびロータリーポンプ２７により減圧する。すると、エアロゾル室１１と成膜チャンバ２０との間の差圧により、エアロゾル室１１内のエアロゾルＺが高速に加速しつつエアロゾル供給管１３に吸い込まれ、噴射ノズル２３から噴出される。噴出したエアロゾルＺに含まれる材料粒子Ｍは金属基板Ｂ１に衝突して固着し、圧電膜を形成する。このとき、ステージ移動機構２２によってステージ２１を動かすことで金属基板Ｂ１に対する噴射ノズル２３の相対位置を少しずつずらしながらエアロゾルＺの吹き付けを行うことによって、金属基板Ｂ１の全面にわたって膜を形成する（膜形成工程）。このとき、金属基板Ｂ１に接続された電圧計２４により、エアロゾルＺが吹き付けられている状態での金属基板Ｂ１の電位を計測する。

電圧計２４により計測された電位のデータはコントローラ２５に送られ、コントローラ２５により電位の変化がモニタリングされる。コントローラ２５では、受信した電位のデータの変化に応じてエアロゾル発生部１０に指示を送り、エアロゾルＺの濃度を調整する。例えば、吹き付けを継続すると、エアロゾル室１１内の材料粒子Ｍが消費されて減ることにより、エアロゾルＺの濃度が低下する。この場合、コントローラ２５は超音波加振装置１２を制御して発せられる振動周波数を増大させるか、あるいは、ガス供給管１４側のマスフローコントローラ１５Ａを制御してエアロゾル室１１へ供給されるキャリアガスの流量を増大させるか、その両方を行う。このようにすれば、凝集した材料粒子Ｍが粉砕されて微細化することによりキャリアガス中に巻き上げられる量が増大し、エアロゾルＺの濃度が維持される。

なお、流量調整管１６側のマスフローコントローラ１５Ｂは、コントローラ２５により、ガス供給管１４側のマスフローコントローラ１５Ａの流量の変動に応じて、２台のマスフローコントローラ１５Ａ、１５Ｂから吐出されるキャリアガスの流量の合計が常に一定となるように制御される。ここで、エアロゾル室１１に供給されるキャリアガスの流量が変動すると、噴射ノズル２３から噴出されるエアロゾルＺの流量が変動し、材料粒子Ｍの衝突エネルギーも変動してしまう。しかし、本実施形態のようにエアロゾル室１１から噴射ノズル２３へのエアロゾル供給経路（エアロゾル供給管１３）にもキャリアガスを供給し、両者に供給されるキャリアガス量の合計が常に一定となるように調整することによって、噴射ノズル２３から噴出されるエアロゾルＺの流量を変えることなくエアロゾルＺの濃度を調整することができる。

金属基板Ｂ１に衝突した後のエアロゾルは、ブースターポンプ２６およびロータリーポンプ２７の吸引力によって成膜チャンバ２０の外部へ排出される。

以上のように本参考例によれば、金属基板Ｂ１の電位を測定することにより、吹き付けられているエアロゾルＺの状態をリアルタイムで把握できる。したがって、吹き付け操作の途中であっても基板電位を測定してその結果をエアロゾルＺの吹き付け条件にフィードバックし、膜厚を均一化することができる。また、吹き付け中の金属基板Ｂ１の電位を一定とすれば一定の厚さの膜が得られることから、金属基板Ｂ１の電位を指標として吹き付け条件を調整することにより、所望の厚さの膜を容易に形成することができる。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態について、図２を参照しつつ説明する。
本実施形態の成膜装置３０には、成膜チャンバ２０内においてステージ２１の側方に、検査用基板３１が設置されている。この検査用基板３１はステンレス等の導電性材料により形成されたものであって、電位測定のための電圧計２４が接続されている。また、噴射ノズル２３は、この検査用基板３１−ステージ２１間を移動可能とされている。その余の構成は参考例と同様であるので同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の成膜装置３０を用いて成膜を行う場合には、まず、本成膜用の基板Ｂ２を参考例と同様にステージ２１にセットする。なお、本実施形態では参考例と異なり、本成膜用の基板Ｂ２については基板電位の測定を行わないため、この基板Ｂ２の材質に特に制限はなく、電気抵抗が測定可能な材質のものでなくても構わない。
次に、参考例と同様にして、エアロゾル発生部１０でエアロゾルＺを発生させる（エアロゾル発生工程）。

続いて、噴射ノズル２３を検査用基板３１の下方に移動させる。そして、成膜チャンバ２０内をブースターポンプ２６およびロータリーポンプ２７により減圧し、エアロゾル室１１内のエアロゾルＺを噴射ノズル２３から噴出させ、検査用基板３１に吹き付ける（仮成膜工程）。このとき、検査用基板３１に接続された電圧計２４により、エアロゾルＺが吹き付けられている状態での検査用基板３１の電位を計測する。

電圧計２４により計測された電位のデータはコントローラ２５に送られ、コントローラ２５により電位の変化がモニタリングされる。コントローラ２５では、受信した電位のデータの変化に応じてエアロゾル発生部１０に指示を送り、検査用基板３１の電位の測定値が所定の基準値となるよう、エアロゾル濃度を調整する。エアロゾル濃度の調整は、参考例と同様に、超音波加振装置１２から発せられる超音波の振動周波数を変化させ、あるいはガス供給管１４側のマスフローコントローラ１５Ａを制御してガスボンベＧからエアロゾル室１１内部へ供給されるキャリアガスの流量を変化させることにより行うことができる。なお、流量調整管１６側のマスフローコントローラ１５Ｂは、参考例と同様に、２台のマスフローコントローラ１５Ａ、１５Ｂから吐出されるキャリアガスの流量の合計が常に一定となるように制御される。

電圧計２４による検査用基板３１の電位の測定値が所定の基準値に達したら、エアロゾルＺの吹き付け条件が所望の状態になったと判定する（判定工程）。なお、この基準値としては、あらかじめ試験成膜を行って膜厚と基板電位との関係を調べておき、所望の厚さの膜が形成されたときの基板電位を採用すれば良い。

次いで、噴射ノズル２３をステージ２１の下方へ移動させて、判定工程により判定された吹き付け条件で基板Ｂ２への吹き付けを行い、膜を形成させる（本成膜工程）。

以上のように本実施形態によれば、あらかじめ検査用基板３１への仮成膜工程によってエアロゾル濃度を調整してから、基板Ｂへの本成膜を行うので、成膜操作ごとの成膜条件のばらつきを抑制して膜の厚さムラを防ぎ、品質の均質化を図ることができる。また、検査用基板３１の基板電位を指標として吹き付け条件を調整することで、望みの厚さの膜を容易に得ることができる。

［試験例］
以下、試験例を挙げて本発明をさらに詳細に説明する。

＜試験例１＞
基板としては、長さ３０ｍｍ、幅１５ｍｍ、厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ４３０基板を用いた。また、材料粒子としてはアルミナ（昭和電工製１６０ＳＧ−３）を用いた。
塩化ビニル粘着テープ上に基板を貼り付けて固定し、この基板に電圧計を接続した。この基板の表面に、上記参考例と同様の構成の成膜装置を用いて成膜を行った。成膜は、電圧計により基板電圧をモニタリングしつつ、噴射ノズルを基板の長さ方向に沿って複数回往復走査しながら材料粒子のエアロゾルを吹き付けることにより行った。キャリアガスとしてはヘリウムガスを使用し、ガス供給管側、流量調整管側の２台のマスフローコントローラによってキャリアガスの流量を制御することにより、２台のマスフローコントローラから吐出されるキャリアガスの流量の合計が常に一定となるように調整した。またノズルスキャン速度を５０ｍｍ/ｍｉｎ、ノズル−基板間距離を１２ｍｍ、成膜チャンバ内の気圧を１００Ｐａ、噴出ノズルからのエアロゾルガス流量を８．６Ｌ/ｍｉｎとした。なお、電圧計としては株式会社キーエンス製データ収拾システムＮＲ１０００を、マスフローコントローラとしては株式会社堀場エスペック製マスフローコントローラＳＥＣ−Ｅ５０を用いた。
成膜後、形成された膜の厚さを株式会社東京精密製サーフコム１４００Ｄにより測定した。

表１には、試験を行った３つのサンプルについての基板電圧、膜厚の測定値、走査往復回数、２台のマスフローコントローラ（ガス供給管側をＡ、流量調整管側をＢとする）から吐出されるキャリアガスの流量、および一往復走査当たりの膜厚（膜厚の測定値を往復走査回数で除した値）を示した。また、図３〜図５には、３つのサンプルについての成膜中の基板電圧の推移を示すチャートをそれぞれ示した。

＜試験例２＞
試験例１と同様の条件で成膜を行った。
表２には、試験を行った８つのサンプルについての基板電圧、膜厚の測定値、走査往復回数、２台のマスフローコントローラ（ガス供給管側をＡ、流量調整管側をＢとする）から吐出されるキャリアガスの流量、および一往復走査当たりの膜厚（膜厚の測定値を往復走査回数で除した値）を示した。また、基板電圧と一往復走査当たりの膜厚との関係を示すグラフを図６に示した。

上記試験例１および試験例２より、基板電圧と一往復走査当たりの膜厚とがほぼ直線的な相関関係にあることが分かった。

本発明の技術的範囲は、上記した実施形態によって限定されるものではなく、例えば、次に記載するようなものも本発明の技術的範囲に含まれる。その他、本発明の技術的範囲は、均等の範囲にまで及ぶものである。
（１）参考例においては基板として金属基板Ｂ１を用いたが、基板の材質は金属でなくてもよく、例えばシリコンであっても構わない。

（２）上記各実施形態では、コントローラ２５はエアロゾル発生部１０に接続され、電圧計２４による金属基板Ｂ１または検査用基板３１の電位の測定結果に基づいて、超音波加振装置１２から発せられる超音波の振動周波数、およびエアロゾル室１１に供給されるキャリアガスの流量を調整していたが、例えばコントローラが噴射ノズルに接続され、金属基板Ｂ１または検査用基板３１の電位の測定結果に基づいて噴射ノズル−基板間距離・基板に対するエアロゾルの吹き付け角度等を調整するようにされていても良い。

（３）上記各実施形態では、エアロゾル室１１を振動させるために超音波加振装置１２を備えているが、エアロゾル室１１を振動させるものであれば、超音波によらない加振装置であってもよい。

参考例の成膜装置の全体概略図第１実施形態の成膜装置の全体概略図試験例１におけるサンプル１についての成膜中の基板電圧の推移を示すチャート試験例１におけるサンプル２についての成膜中の基板電圧の推移を示すチャート試験例１におけるサンプル３についての成膜中の基板電圧の推移を示すチャート試験例２における基板電圧と一往復走査当たりの膜厚との関係を示すグラフ

１、３０…成膜装置
１０…エアロゾル発生部
１１…エアロゾル室（容器）
１２…超音波加振装置（エアロゾル濃度制御機構）
１３…エアロゾル供給管（エアロゾル送出経路）
１４…ガス供給管（第１のガス供給部）
１５Ａ…マスフローコントローラ（第１のバルブ部、エアロゾル濃度制御機構）
１５Ｂ…マスフローコントローラ（第２のバルブ部、エアロゾル濃度制御機構）
１６…流量調整管（第２のガス供給部）
２３…噴射ノズル
２４…電圧計（電位測定機構）
２５…コントローラ（バルブ制御部、エアロゾル濃度制御機構）
Ｂ１…金属基板（基板）
Ｍ…材料粒子
Ｚ…エアロゾル

Claims

キャリアガスに材料粒子を分散させてエアロゾルを発生させるエアロゾル発生工程と、
前記エアロゾルを噴射ノズルから噴出させて基板に吹き付けることにより前記材料粒子を前記基板上に付着させて膜を形成する膜形成工程と、を含む成膜方法であって、
前記膜形成工程が、
前記基板とは別に設けた検査用基板に前記エアロゾルを吹き付けつつ前記検査用基板の電位を測定する仮成膜工程と、
前記仮成膜工程によって得られた測定結果に基づいて前記エアロゾルの吹き付け条件が予め定めた本成膜条件に合致するか否かを判定する判定工程と、
前記本成膜条件に従って前記基板に前記エアロゾルを吹き付ける本成膜工程と、
を含むものである成膜方法。