JP5496471B2 - 金属酸化物薄膜の製造方法及び製造装置 - Google Patents
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Description
1.減圧可能な反応室に接続した又はその内部に配置した、筒状の触媒容器ジャケット内に触媒反応容器を収納し、反応ガス噴出ノズルにより触媒容器ジャケットを封鎖した触媒反応装置内に、H2ガスとO2ガス、又はH2O2ガスを導入し、微粒子状の触媒と接触させることにより反応熱により加熱されたH2Oガスを生成する工程と、
前記生成されたH2Oガスを前記反応ガス噴出ノズルから噴出させて亜鉛化合物ガスと反応させる工程と、
前記H2Oガスと亜鉛化合物ガスとの反応により生成された酸化物を基板上に堆積させる工程と、
を含むことを特徴とする酸化亜鉛薄膜の製造方法。
2.前記触媒が平均粒径0.05〜2.0mmの微粒子状の担体に、平均粒径1〜10nmの超微粒子状の触媒成分を担持したものであることを特徴とする1に記載の酸化亜鉛薄膜の製造方法。
3.前記亜鉛化合物がジアルキル亜鉛であり、触媒として微粒子状の酸化物セラミックスに白金、ルテニウム又はイリジウムの超微粒子を担持させたものを使用することを特徴とする1又は2に記載の酸化亜鉛薄膜の製造方法。
4.前記触媒として微粒子状の酸化物セラミックスに白金超微粒子を担持させたものを使用することを特徴とする3に記載の酸化亜鉛薄膜の製造方法。
5.前記触媒として微粒子状のアルミナに白金超微粒子を担持させたものを使用することを特徴とする4に記載の酸化亜鉛薄膜の製造方法。
6.前記触媒反応装置と基板の間に開閉可能なシャッターを設け、反応初期にシャッターを閉じて副生ガスを遮断することを特徴とする1から5のいずれかに記載の酸化亜鉛薄膜の製造方法。
7.前記基板が金属、金属酸化物、ガラス、セラミックス、半導体、プラスチックから選択されたものであることを特徴とする1から6のいずれかに記載の酸化亜鉛薄膜の製造方法。
8.前記基板の温度が室温〜1500℃であることを特徴とする1から7のいずれかに記載の酸化亜鉛薄膜の製造方法。
9.減圧可能な反応室に接続した又はその内部に配置した、筒状の触媒容器ジャケット内に触媒反応容器を収納し、反応ガス噴出ノズルにより触媒容器ジャケットを封鎖した触媒反応装置と、
前記触媒反応装置内に配置したH 2 ガスとO 2 ガス、又はH 2 O 2 ガスと接触させることにより、H 2 Oガスを生成することが可能な触媒と、
前記触媒反応装置内にH 2 ガスとO 2 ガス、又はH 2 O 2 ガスを導入するガス導入手段と、
前記反応室内に亜鉛化合物ガスを導入する亜鉛化合物ガス導入手段と、
前記反応室内に配置した基板を支持するための基板支持手段と、
を有し、
前記生成されたH 2 Oガスと前記亜鉛化合物ガスを化学反応させることにより、前記基板上に酸化亜鉛薄膜を堆積させることを特徴とする酸化亜鉛薄膜の製造装置。
10.前記触媒が平均粒径0.05〜2.0mmの微粒子状の担体に、平均粒径1〜10nmの超微粒子状の触媒成分を担持したものであることを特徴とする9に記載の酸化亜鉛薄膜の製造装置。
11.前記亜鉛化合物がジアルキル亜鉛であり、前記触媒として微粒子状の酸化物セラミックスに白金、ルテニウム又はイリジウムの超微粒子を担持させたものを使用することを特徴とする9又は10に記載の酸化亜鉛薄膜の製造装置。
12.前記触媒として微粒子状の酸化物セラミックスに白金超微粒子を担持させたものを使用することを特徴とする11に記載の酸化亜鉛薄膜の製造装置。
13.前記触媒として微粒子状のアルミナに白金超微粒子を担持させたものを使用することを特徴とする12に記載の酸化亜鉛薄膜の製造装置。
14.前記触媒反応装置と基板の間に開閉可能なシャッターを設けたことを特徴とする9〜13のいずれかに記載の酸化亜鉛薄膜の製造装置。
本発明における第1の実施の形態は、減圧可能な反応室内に配置した反応ガス噴出ノズルを有する触媒反応装置内にH2Oガスの原料を導入し、微粒子状の触媒と接触させて得られた高エネルギーのH2Oガスを触媒反応装置から噴出させて亜鉛化合物ガスと反応させることにより、基板上に酸化亜鉛薄膜を堆積させるものである。
すなわち、H2ガスとO2ガスの混合ガス、又はH2O2ガスを触媒反応装置内で微粒子状の触媒と接触させて反応させることにより、反応熱により高温に加熱されたH2Oガスを発生させ、このH2Oガスを噴出ノズルから噴出させて薄膜の材料となる亜鉛化合物ガスと混合、反応させて基板表面に酸化亜鉛薄膜を形成するものである。
図1及び図2は、本発明で各種の基板上に酸化亜鉛薄膜を形成するのに使用する装置の1例を示す模式図であり、図1は装置全体の構成を示す図、また図2はこの装置内に配置する触媒反応装置の拡大模式図である。
触媒反応容器22内には、微粒子状の担体に超微粒子状の触媒成分を担持させた触媒(図示せず)が配置される。触媒反応容器22の一端部は、H2Oガス原料導入口3を介してH2Oガス原料供給部11に接続されており、他端部には触媒を押さえるために金属メッシュ23が配置されている。
触媒反応容器22内には、微粒子状の担体に超微粒子状の触媒成分を担持させた触媒25が配置される。触媒反応容器22の一端部は、H2Oガス原料導入口3を介してH2Oガス原料供給部11に接続されており、他端部には触媒を押さえるために金属メッシュ23が配置されている構成のものである。
酸化亜鉛薄膜の原料となる亜鉛化合物ガスとしては特に制限はなく、例えばアルキル化合物、アルケニル化合物、フェニルあるいはアルキルフェニル化合物、アルコキシド化合物等が挙げられる。尚、酸化亜鉛薄膜の原料となるものは、有機金属化合物ガス以外のハロゲン化合物等の無機金属化合物ガスであってもよい。具体例として、塩化亜鉛(ZnCl2)等が挙げられる。
好ましい基板としては、サファイア等に代表される化合物単結晶基板、Si等に代表される単結晶基板、ガラスに代表されるアモルファス基板、ポリイミド等のエンジニアリングプラスチック基板等が挙げられる。
尚、担体の形状は、スポンジ状等の多くの孔を有する形状や、ハニカム状等の貫通孔を有する形状等のバルク形状であってもよい。また、担体に担持される白金、ルテニウム、イリジウム、銅等の触媒物質の形状は、微粒子状に限られず、例えば、膜状であっても良い。具体的には、触媒物質の表面積を大きくしたものであれば、本実施の形態における効果が得られるため、例えば、上述の担体の表面に触媒物質の膜を形成したものであれば、触媒物質の表面積を大きくすることができ、微粒子状の場合と同様の効果を得ることができるからである。
尚、触媒反応装置105と基板107の間に開閉可能なシャッター126(図中では開いた状態を示す)を設け、反応初期にシャッターを閉じて副生ガスを遮断するようにしてもよい。このような構成を採用した場合には、基板107上により均一な性状を有する酸化亜鉛薄膜を形成することが可能となる。
本発明における第2の実施の形態について説明する。本実施の形態は、H2ガスとO2ガスを別々に触媒反応装置内に導入し、触媒反応装置内で微粒子状の触媒と接触させて反応させることにより、反応熱により高温に加熱されたH2Oガスを発生させ、このH2Oガスを噴出ノズルから噴出させて薄膜の材料となる亜鉛化合物ガスと混合、反応させて基板表面に酸化亜鉛薄膜を形成するものである。このように、別々に導入することにより、H2ガスとO2ガスとの反応により生じるおそれのあるバックファイヤー(触媒反応装置内でH2Oが生成する際に生じる炎が、触媒反応装置より上流を流れるH2Oガス原料に引火すること)を防止することができるという効果を有している。
図5及び図6は、本実施の形態において各種の基板上に酸化亜鉛薄膜を形成するのに使用する装置の1例を示す模式図であり、図5は装置全体の構成を示す図、また図6はこの装置内に配置する触媒反応装置の拡大模式図である。
また、減圧可能な反応室202内には、薄膜の原料となる亜鉛化合物ガス供給部212に接続された亜鉛化合物ガス導入ノズル206及び基板207を支持する基板ホルダー208を配置したものである。反応室202は、排気管213を介してターボ分子ポンプ214及びロータリーポンプ215に接続されている。
触媒反応容器222内には、微粒子状の担体に超微粒子状の触媒成分を担持させた触媒225が配置される。触媒反応容器222の一端部は、H2ガス導入口203と、O2ガス導入口213を介し、各々H2ガス供給部210と、O2ガス供給部211に接続されており、他端部には触媒を押さえるために金属メッシュ223が配置されている。
酸化亜鉛薄膜の原料となる亜鉛化合物ガスとしては特に制限はなく、例えばアルキル化合物、アルケニル化合物、フェニルあるいはアルキルフェニル化合物、アルコキシド化合物等が挙げられる。尚、酸化亜鉛薄膜の原料となるものは、有機亜鉛化合物ガス以外のハロゲン化合物等の無機亜鉛化合物ガスであってもよい。具体例として、塩化亜鉛(ZnCl2)等が挙げられる。
好ましい基板としては、サファイア等に代表される化合物単結晶基板、Si等に代表される単結晶基板、ガラスに代表されるアモルファス基板、ポリイミド等のエンジニアリングプラスチック基板等が挙げられる。
尚、担体の形状は、スポンジ状等の多くの孔を有する形状や、ハニカム状等の貫通孔を有する形状等のバルク形状であってもよい。また、担体に担持される白金、ルテニウム、イリジウム、銅等の触媒物質の形状は、微粒子状に限られず、例えば、膜状であっても良い。具体的には、触媒物質の表面積を大きくしたものであれば、本実施の形態における効果が得られるため、例えば、上述の担体の表面に触媒物質の膜を形成したものであれば、触媒物質の表面積を大きくすることができ、微粒子状の場合と同様の効果を得ることができるからである。
最初に、ステップ102(S102)に示すように、H2ガス供給部210と、O2ガス供給部211より、H2ガス導入口203と、O2ガス導入口213を介し、触媒反応装置205内に、H2ガスとO2ガスを導入する。これにより、触媒反応装置205内の微粒子状の触媒によりH2ガスとO2ガスとの化合反応が行われる。具体的には、2H2+O2→2H2Oという反応により、H2Oが生成される。この反応は大量の発熱を伴うものであり、この反応熱により加熱された高温のH2Oガスが、反応ガス噴出ノズル204から基板ホルダー208に保持された基板207に向かって勢いよく噴出する。
次に、ステップ106(S106)に示すように、生成された亜鉛酸化物ガス224が基板207の表面に酸化亜鉛薄膜として堆積する。
このような工程により、酸化亜鉛薄膜の成膜が行われる。
平均粒子径0.3mmのγ−Al2O3担体1.0gに塩化白金(IV)酸六水和物0.27gを含浸担持した後、空気中450℃で4時間焼成することにより、10wt%Pt/γ−Al2O3触媒を得た。触媒反応容器22に0.27gの平均粒子径0.3mmのγ−Al2O3を充填した後、0.02gの10wt%Pt/γ−Al2O3触媒を充填し、金属メッシュ23を設置した後、噴出ノズル4を設置し、触媒反応装置5を構成し、減圧可能な反応室2内に設置した。
本構成の触媒反応装置5内にH20.06気圧、O20.06気圧を導入し、触媒表面でこれらH2およびO2を燃焼させ、触媒反応部で1000℃となるH2Oガスを生成した。噴出ノズル4の前面に設置したシャッターを閉じた状態で、噴出ノズル4からこの高温H2Oガスを噴射させた。
サファイア基板温度:400℃
キャリアの移動速度:38.4cm2/Vs
キャリア密度:4.79×1018cm−3
抵抗率:5.09×10−2Ωcm
ZnO薄膜堆積速度:330nm/min
本発明では、触媒反応装置5内に酸化亜鉛薄膜の酸素源となるH2ガスとO2ガスの混合ガス又はH2O2ガスを導入し、微粒子状の触媒と接触させて得られた高エネルギーのH2Oガスを触媒反応装置から噴出させて亜鉛化合物ガスと反応させることによって、大量の電気エネルギーを必要とせずに、基板上に低コストで効率良く酸化亜鉛薄膜を形成することができる。
以上、本発明を実施例により説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能であることは言うまでもない。
2 反応室
3 H2Oガス原料導入口
4 噴出ノズル
5 触媒反応装置
6 亜鉛化合物ガス導入ノズル
7 基板
8 基板ホルダー
11 H2Oガス原料供給部
12 亜鉛化合物ガス供給部
13 排気管
14 ターボ分子ポンプ
15 ロータリーポンプ
21 触媒容器ジャケット
22 触媒反応容器
23 金属メッシュ
24 亜鉛酸化物ガス
25 触媒
Claims (14)
- 減圧可能な反応室に接続した又はその内部に配置した、筒状の触媒容器ジャケット内に触媒反応容器を収納し、反応ガス噴出ノズルにより触媒容器ジャケットを封鎖した触媒反応装置内に、H2ガスとO2ガス、又はH2O2ガスを導入し、微粒子状の触媒と接触させることにより反応熱により加熱されたH2Oガスを生成する工程と、
前記生成されたH2Oガスを前記反応ガス噴出ノズルから噴出させて亜鉛化合物ガスと反応させる工程と、
前記H2Oガスと亜鉛化合物ガスとの反応により生成された酸化物を基板上に堆積させる工程と、
を含むことを特徴とする酸化亜鉛薄膜の製造方法。 - 前記触媒が平均粒径0.05〜2.0mmの微粒子状の担体に、平均粒径1〜10nmの超微粒子状の触媒成分を担持したものであることを特徴とする請求項1に記載の酸化亜鉛薄膜の製造方法。
- 前記亜鉛化合物がジアルキル亜鉛であり、触媒として微粒子状の酸化物セラミックスに白金、ルテニウム又はイリジウムの超微粒子を担持させたものを使用することを特徴とする請求項1又は2に記載の酸化亜鉛薄膜の製造方法。
- 前記触媒として微粒子状の酸化物セラミックスに白金超微粒子を担持させたものを使用することを特徴とする請求項3に記載の酸化亜鉛薄膜の製造方法。
- 前記触媒として微粒子状のアルミナに白金超微粒子を担持させたものを使用することを特徴とする請求項4に記載の酸化亜鉛薄膜の製造方法。
- 前記触媒反応装置と基板の間に開閉可能なシャッターを設け、反応初期にシャッターを閉じて副生ガスを遮断することを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の酸化亜鉛薄膜の製造方法。
- 前記基板が金属、金属酸化物、ガラス、セラミックス、半導体、プラスチックから選択されたものであることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の酸化亜鉛薄膜の製造方法。
- 前記基板の温度が室温〜1500℃であることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の酸化亜鉛薄膜の製造方法。
- 減圧可能な反応室に接続した又はその内部に配置した、筒状の触媒容器ジャケット内に触媒反応容器を収納し、反応ガス噴出ノズルにより触媒容器ジャケットを封鎖した触媒反応装置と、
前記触媒反応装置内に配置したH 2 ガスとO 2 ガス、又はH 2 O 2 ガスと接触させることにより、H 2 Oガスを生成することが可能な触媒と、
前記触媒反応装置内にH 2 ガスとO 2 ガス、又はH 2 O 2 ガスを導入するガス導入手段と、
前記反応室内に亜鉛化合物ガスを導入する亜鉛化合物ガス導入手段と、
前記反応室内に配置した基板を支持するための基板支持手段と、
を有し、
前記生成されたH 2 Oガスと前記亜鉛化合物ガスを化学反応させることにより、前記基板上に酸化亜鉛薄膜を堆積させることを特徴とする酸化亜鉛薄膜の製造装置。 - 前記触媒が平均粒径0.05〜2.0mmの微粒子状の担体に、平均粒径1〜10nmの超微粒子状の触媒成分を担持したものであることを特徴とする請求項9に記載の酸化亜鉛薄膜の製造装置。
- 前記亜鉛化合物がジアルキル亜鉛であり、前記触媒として微粒子状の酸化物セラミックスに白金、ルテニウム又はイリジウムの超微粒子を担持させたものを使用することを特徴とする請求項9又は10に記載の酸化亜鉛薄膜の製造装置。
- 前記触媒として微粒子状の酸化物セラミックスに白金超微粒子を担持させたものを使用することを特徴とする請求項11に記載の酸化亜鉛薄膜の製造装置。
- 前記触媒として微粒子状のアルミナに白金超微粒子を担持させたものを使用することを特徴とする請求項12に記載の酸化亜鉛薄膜の製造装置。
- 前記触媒反応装置と基板の間に開閉可能なシャッターを設けたことを特徴とする請求項9〜13のいずれかに記載の酸化亜鉛薄膜の製造装置。
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