JP5605264B2

JP5605264B2 - 成膜方法及び成膜装置

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Publication number: JP5605264B2
Application number: JP2011037532A
Authority: JP
Inventors: 憲彦高橋
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2011-02-23
Filing date: 2011-02-23
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2031-02-23
Also published as: JP2012172233A

Description

本発明は、成膜方法及び成膜装置に関するものである。

基板等に膜を成膜する方法としては、スパッタリング、真空蒸着、ＣＶＤ、ＡＬＤ、エアロゾルデポジション等が挙げられる。このうちエアロゾルデポジションは成膜時における加熱及び成膜後の熱処理等を必要としないため、熱に弱い基板等に成膜する場合には、特に有望な成膜方法とされている。このように熱に弱い基板としては、例えば、液晶ディスプレイや電子ペーパ等に用いられる樹脂材料からなる基板等が挙げられ、液晶ディスプレイや電子ペーパ等は今後更なる普及が予想されることから、このような基板に成膜する技術が重要となっている。

ところで、エアロゾルデポジションとは、成膜対象となる基板に微粒子を含むエアロゾルを吹きつけることにより、基板に微粒子を堆積させて成膜を行なう方法であり、フレキシブル基板等にも成膜することができる。

特開２００９−５７６３５号公報

しかしながら、エアロゾルデポジション等の成膜方法においては、基板の材質等により微粒子の付着率が異なるため、異なる基板間では成膜速度等が異なり、基板ごとに成膜速度を測定等する必要があった。また、成膜される微粒子の付着率を高くすることができれば、短時間に所定の膜厚を成膜することができる。従って、スループットを向上させることができ、より低コストで基板への成膜を行なうことができる。

このため、異なる基板間においても成膜時間が略均一であって、高い成膜速度で成膜することのできる成膜方法及び成膜装置が望まれている。

本実施の形態の一観点によれば、基板を支持する基板支持部により前記基板の面内方向に圧縮応力を加える工程と、前記圧縮応力が加えられた前記基板の基板面に対し成膜粒子を供給する工程と、を有し、前記成膜粒子を供給する工程は、前記成膜粒子となる微粒子をガス中に分散させたエアロゾルをノズルより噴出することにより行なうものであって、前記基板支持部は凹形状に形成されており、前記凹形状の底面部は、前記基板よりも大きな形状により形成されており、前記基板を形成する材料の熱膨張率よりも、前記基板支持部を形成する材料の熱膨張率の方が低いものであって、前記圧縮応力を加える工程は、前記基板支持部における凹状部の底面部に、前記基板を載置する工程と、前記基板を載置する工程の後、前記基板及び前記基板支持部を加熱する工程と、を有し、前記加熱することにより、熱膨張率の高い前記基板の端が、熱膨張率の低い前記基板支持部の縁部により押さえられ、前記基板の面内方向に圧縮応力が加えられるものであることを特徴とする。

また、本実施の形態の他の一観点によれば、基板を支持する基板支持部と、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを噴出するノズルと、を有し、前記基板支持部により前記基板の面内方向に圧縮応力を加えた状態で、前記ノズルより前記エアロゾルを前記基板に対し噴出し、前記基板の表面に膜を成膜するものであって、前記基板支持部は凹形状に形成されており、前記凹形状の底面部の形状は、前記基板よりも大きな形状により形成されており、前記基板を形成する材料の熱膨張率よりも、前記基板支持部を形成する材料の熱膨張率の方が低いものであって、前記基板及び前記基板支持部を加熱することにより、熱膨張率の高い前記基板の端が、熱膨張率の低い前記基板支持部の縁部により押さえられ、前記基板の面内方向に圧縮応力が加えられるものであることを特徴とする。

開示の成膜方法及び成膜装置によれば、微粒子等の基板への付着率を高めることができ、異なる基板間においても成膜時間が略均一であって、高い成膜速度で成膜することができる。

第１の実施の形態における成膜装置の構造図第１の実施の形態における基板支持部の説明図基板に加えられる応力と付着率との相関図基板に加えられる応力と付着率との関係の説明図基板に加えられる応力の説明図第１の実施の形態における成膜方法の説明図第２の実施の形態における基板支持部の説明図

発明を実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。

〔第１の実施の形態〕
（成膜装置）
図１に基づき、第１の実施の形態における成膜装置について説明する。本実施の形態における成膜装置は、エアロゾルデポジション装置であり、成膜室１０内に基板支持部２０に保持された基板３０と、エアロゾルが供給されるノズル４０とを有している。エアロゾルは、エアロゾル発生器５０において成膜される材料の微粒子と窒素ガス等を適当な混合比で混合することにより発生させることができ、発生したエアロゾルはエアロゾル搬送管５１を介しノズル４０より基板３０に向けて噴射される。成膜室１０には、成膜室１０内を減圧するための真空ポンプ６０が接続されており、成膜室１０とエアロゾル発生器５０との間で差圧が生じるような構造となっている。尚、本実施の形態における微粒子は成膜粒子であり、サブミクロンの粒径、または、これよりも小さな粒径のものであり、微粒子が基板３０上に堆積することにより膜が成膜される。

本実施の形態における成膜装置では、基板支持部２０により基板３０の端の側面に力を加えることにより、基板３０の面内方向に押さえつけられるように基板３０が支持されている。即ち、基板支持部２０により基板３０の面内方向に圧縮応力が発生している状態で支持されている。

次に、図２に基づき、基板３０の面内方向に所定の圧縮応力が生じるように、基板支持部２０により基板３０を支持する方法について説明する。本実施の形態において、基板支持部２０は、平板部２１と、平板部２１の周囲に設けられている縁部２２と、縁部２２を移動させるための応力印加部２３を有している。縁部２２は、中心に近づく方向または遠ざかる方向に平板部２１の面に対し平行に移動させることができる。このように、基板支持部２０では、応力印加部２３により縁部２２を基板３０の中心方向に移動させることにより、基板３０に中心方向に向かう力、即ち、面内方向における圧縮応力を基板３０に加えることができる。

最初に、図２（ａ）に示すように、基板３０を平板部２１上に載置する。この際、縁部２２は広げられており、基板３０が縁部２２で囲まれる領域内の平板部２１上に載置することができるように縁部２２の位置が広がられている。基板３０を平板部２１上に載置した後、図２（ｂ）に示すように、応力印加部２３により縁部２２を基板３０の中心方向に移動させ、基板３０の端、即ち、側面より力を加えることにより基板３０の面内方向に圧縮応力を加える。具体的には、矢印Ａに示されるように、縁部２２より基板３０の中心方向に力を加えることにより、基板３０の面内方向に圧縮応力を加える。尚、このように、基板３０の面内方向に圧縮応力が加えられた状態では、基板３０は基板支持部２０に固定され支持されている。

本実施の形態では、基板３０の面内方向に加えられる圧縮応力は、基板３０の面内方向における幅が５％縮んだ状態となるまで加えられている。尚、本実施の形態において基板３０の面内方向とは、基板３０の面に対し平行な方向を意味する。また、５％の圧縮応力とは、基板３０の面内方向における幅が５％縮んだ状態となるまで加えられている応力であり、５％の引張応力とは、基板３０の面内方向における幅が５％伸びた状態となるまで加えられている応力である。

（シミュレーション）
次に、基板３０の面内方向において応力を加えた場合における微粒子の付着率について説明する。図３は、分子動力学シミュレーションにより基板３０の面内方向に加えられる応力と付着率との関係を求めたものである。尚、この分子動力学シミュレーションでは、基板３０としてＺｎＯ基板を用い、微粒子としてＺｎＯ微粒子を用いている。図３において、３Ａは粒子径が６ｎｍの微粒子を入射速度５５９ｍ／ｓで入射させた場合であり、３Ｂは粒子径が２ｎｍの微粒子を入射速度５５９ｍ／ｓで入射させた場合である。また、３Ｃは粒子径が６ｎｍの微粒子を入射速度５０３ｍ／ｓで入射させた場合であり、３Ｄは粒子径が６ｎｍの微粒子を入射速度４４７ｍ／ｓで入射させた場合である。

３Ｂ及び３Ｄに示す場合では、基板３０に加えられる応力に依存することなく、基板３０の表面における微粒子の付着率は１である。これに対し、３Ａ及び３Ｃに示す場合では、基板３０の幅が５％縮むまで圧縮応力を加えた場合には、基板３０の表面における微粒子の付着率は１となる。しかしながら、基板３０の幅が３％及び１％縮むまで圧縮応力を加えた場合、応力を加えない場合、及び、引張応力を加えた場合では、基板３０の表面における微粒子の付着率は０である。

ここで、３Ａに示す場合を基準とすると、成膜に寄与する微粒子径を小さくすることや、入射速度を低くすることにより、圧縮応力を印加することなく微粒子の付着率は高くなる。また、基板３０の面内方向に圧縮応力を印加することにより、基板３０に付着する微粒子の微粒子径や入射速度における依存性を低くすることができ、微粒子による成膜の初期における成膜速度を高めることができる。

特に、エアロゾルデポジションにおいては、ノズル４０より噴射される微粒子の粒子径や入射速度は一定ではないため、基板３０の面内方向に圧縮応力を加えることにより、基板３０に付着する微粒子の粒子径や入射速度の範囲を広くすることができる。これにより、基板３０の表面により多くの微粒子を付着させることができる。

このように基板３０の面内方向に圧縮応力を加えることにより付着率が高くなることは、以下のように説明することができる。即ち、基板３０に圧縮応力が加えられた状態では、基板３０の表面における原子間の間隔が狭くなり、基板３０の表面において、微粒子と結合することのできる原子の数が多くなる。よって、基板３０の表面には、微粒子が付着しやすくなるものと考えられる。また、基板３０の面内方向に引張応力が加えられた状態では、基板３０の表面における原子間の間隔が広くなり、基板３０の表面において、微粒子と結合することのできる原子の数が少なくなる。よって、基板３０の表面には、微粒子が付着しにくくなるものと考えられる。

以上より、基板３０に圧縮応力が加えられた状態では、基板３０に応力が加えられていない状態や引張応力が加えられた状態と比べ、基板３０の表面における原子間の間隔が狭くなり、微粒子が付着しやすくなるものと考えられる。具体的には、図３に示す場合においては、基板３０の面内方向に基板３０の幅が５％以上縮む圧縮応力を加えることにより、基板３０の表面における原子間の間隔が狭くなり、基板３０への微粒子の付着率が高くなるものと考えられる。このように微粒子の付着率が高くなることにより成膜速度を向上させることができる。

尚、図３は、シミュレーションの一例ではあるが、ＺｎＯ以外の他の材料により基板３０を形成した場合、また、ＺｎＯ以外の他の材料により微粒子を形成した場合においても、同様の傾向にあるものと考えられる。即ち、圧縮応力を加えることにより基板３０の表面の原子間の間隔が狭くなることは、基板３０を形成する材料に依存することなく同様であり、同様に基板３０に圧縮応力を加えることにより微粒子の付着率を高めることができる。このため、基板３０を形成する材料が違っていても、成膜の初期において高い付着率を得ることができ、基板３０を形成する材料の違いによる付着率の差を小さくすることができる。

図４は、図３における３Ａ及び３Ｃの結果を模式的に示すものである。図４（ａ）に示すように基板３０に５％の圧縮応力（矢印Ａに示される方向の応力）が加えられた状態では微粒子７０が基板３０の表面に付着する。しかしながら、図４（ｂ）に示すように基板３０に応力が加えられていない状態及び図４（ｃ）に示すように基板３０に１％〜５％の引張応力（矢印Ｂに示される方向の応力）が加えられた状態では微粒子７０は基板３０の表面に付着しない。尚、図示はしないが基板３０に１％、３％の圧縮応力が加えられた状態は、図４（ａ）と図４（ｂ）に間の状態にあり、この状態においても微粒子７０は基板３０の表面に付着しない。また、図５は、基板３０に加えられた応力の様子を基板３０の上面より示すものである。具体的には、図５（ａ）は、基板３０に矢印Ａに示される圧縮応力が加えられている状態（図４（ａ）における状態）を示すものであり、図５（ｂ）は、基板３０に矢印Ｂに示される引張応力が加えられている状態（図４（ｃ）における状態）を示すものである。

（成膜方法）
次に、図６に基づき本実施の形態における成膜方法について説明する。

本実施の形態における成膜方法は、最初に、ステップ１０２（Ｓ１０２）に示すように、基板３０の面内方向に圧縮応力を加える。具体的には、基板３０を支持するための基板支持部２０により、縁部２２を介し基板３０の端から、基板３０の中心方向に向かう力を加えることにより、基板３０の面内方向に圧縮応力を印加する。

次に、ステップ１０４（Ｓ１０４）に示すように、基板支持部２０に支持された基板３０を成膜装置内に設置し、基板３０に向けて、ノズル４０よりエアロゾルを噴射し、噴射されたエアロゾルの微粒子を基板３０に付着させる。これにより、基板３０の表面に高い付着率で微粒子を付着させることができる。

以上より、本実施の形態における成膜装置及び成膜方法では、基板３０の面内方向に圧縮応力が加えられているため、ノズル４０より噴射されたエアロゾルの微粒子を基板３０の表面に高い付着率で付着させることができ、成膜速度を向上させることができる。また、基板３０に圧縮応力を加えることにより、基板３０を形成する材料が異なる場合においても、最初に付着する微粒子の付着率を高くすることができるため、基板３０を形成する材料の違いによる付着率の差を小さくすることができる。

尚、基板３０における圧縮応力の印加は、成膜の初期段階だけ行ってもよい。微粒子と同一材料であるものの上の付着率は略一定であるものと考えられるため、基板３０と微粒子とが異なる材料である場合等では、基板３０に最初に微粒子が付着する間、基板３０に圧縮応力を印加すれば、基板３０への微粒子の付着率を高くすることができる。

本実施の形態における説明では、エアロゾルデポジションについて説明したが、真空蒸着やスパッタリング等の成膜方法においても同様であるものと考えられる。また、エアロゾルデポジションでは、低温成膜を行なうことができることから、基板３０としては、例えば、樹脂材料等により形成された基板を用いることができる。このような樹脂材料等により形成された基板は、小さな応力を加えることにより容易に変形し、また、割れ等が生じることがないため好ましい。

〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１の実施の形態とは異なる基板支持部を用いた成膜方法及び成膜装置である。

本実施の形態においては、図７に示すような基板支持部１２０が用いられる。基板支持部１２０は、基板３０よりも熱膨張係数の小さな材料により、凹形状に形成されており、凹形状の底部には基板３０を載置することができるように形成されている。具体的には、基板支持部１２０は、凹形状の底部となる底面部１２１と、凹形状の周囲において出っ張っている縁部１２２を有しており、縁部１２２に囲まれた領域内の底面部１２１に基板３０が設置される。このため、基板支持部１２０の凹形状の底面部１２１の形状は、基板３０よりも若干大きな形状であって、基板３０の形状と相似形となる形状により形成されている。

本実施の形態では、図７（ａ）に示すように、最初に、基板支持部１２０の底面部１２１に載置する。この後、成膜装置内の所定の位置に設置し、図７（ｂ）に示すように、基板支持部１２０及び基板３０を加熱する。加熱により基板３０は面内方向に伸びるが、基板支持部１２０は、基板３０よりも熱膨張係数が低いため、基板３０に比べて伸びは小さく、熱により膨張した基板３０は、基板支持部１２０の縁部１２２において押えられる。これにより、基板３０には矢印Ａに示す方向、即ち、基板３０の面内方向において圧縮応力が加えられる。尚、この際行なわれる加熱は、基板３０が変形等することがないように、基板３０に影響を与えない温度範囲、即ち、基板３０の融点未満の温度範囲で行なわれるが、基板３０がガラス転移点を有する材料である場合には、ガラス転移点未満の温度範囲で行なわれる。

本実施の形態では、基板支持部１２０及び基板３０を加熱することにより、基板３０には基板３０が面内方向に５％縮んだ状態となるまで圧縮応力が加えられる。具体的には、加熱による熱膨張を考慮した基板３０の幅に対し、５％縮んだ状態となるような圧縮応力が基板３０に加えられている。

以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施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範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。

上記の説明に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
基板を支持する基板支持部により前記基板の面内方向に圧縮応力を加える工程と、
前記圧縮応力が加えられた前記基板の基板面に対し成膜粒子を供給する工程と、
を有することを特徴とする成膜方法。
（付記２）
前記成膜粒子を供給する工程は、前記成膜粒子となる微粒子をガス中に分散させたエアロゾルをノズルより噴出することにより行なうものであることを特徴とする付記１に記載の成膜方法。
（付記３）
前記圧縮応力は、前記基板の面内方向における幅が５％以上縮む大きさの力であることを特徴とする付記１または２に記載の成膜方法。
（付記４）
前記基板は樹脂材料により形成されたものであることを特徴とする付記１から３のいずれかに記載の成膜方法。
（付記５）
前記基板支持部は、凹形状で形成されており、前記凹形状の底面となる平板部と、前記平板部の周囲に形成された縁部を有しており、
前記圧縮応力を加える工程は、前記基板を前記基板支持部の前記平板部に載置する工程と、
前記平板部に載置された前記基板の端に、前記縁部より前記基板の中心方向に向かう力を加える工程と、
を有し、前記基板の中心方向に向かう力を加えることにより、前記基板の面内方向に圧縮応力が加えられることを特徴とする付記１から４のいずれかに記載の成膜方法。
（付記６）
前記基板支持部は凹形状に形成されており、前記凹形状の底面部は、前記基板よりも大きな形状により形成されており、
前記基板を形成する材料の熱膨張率よりも、前記基板支持部を形成する材料の熱膨張率の方が低いものであって、
前記圧縮応力を加える工程は、前記基板支持部における凹状部の底面部に、前記基板を載置する工程と、
前記基板を載置する工程の後、前記基板及び前記基板支持部を加熱する工程と、
を有し、前記加熱することにより、熱膨張率の高い前記基板の端が、熱膨張率の低い前記基板支持部の縁部により押さえられ、前記基板の面内方向に圧縮応力が加えられるものであることを特徴とする付記１から４のいずれかに記載の成膜方法。
（付記７）
前記加熱される温度は、前記基板の融点未満であることを特徴とする付記６に記載の成膜方法。
（付記８）
前記基板を形成する材料がガラス転位点を有する材料であって、前記加熱される温度は、前記基板のガラス転位点未満であることを特徴とする付記６に記載の成膜方法。
（付記９）
基板を支持する基板支持部と、
微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを噴出するノズルと、
を有し、
前記基板支持部により前記基板の面内方向に圧縮応力を加えた状態で、前記ノズルより前記エアロゾルを前記基板に対し噴出し、前記基板の表面に膜を成膜することを特徴とする成膜装置。
（付記１０）
前記圧縮応力は、前記基板の面内方向における幅が５％以上縮む大きさの力であることを特徴とする付記９に記載の成膜方法。
（付記１１）
前記基板支持部は、凹形状で形成されており、
前記凹形状の底面となる平板部と、前記平板部の周囲に形成された縁部を有しており、
前記基板は前記基板支持部の前記平板部に載置され、前記平板部に載置された前記基板の中心方向に向かう力を前記縁部により加えることができるものであって、
前記基板の中心方向に向かう力を加えることにより、前記基板の面内方向には圧縮応力が加えられることを特徴とする付記９または１０に記載の成膜装置。
（付記１２）
前記基板支持部は凹形状に形成されており、前記凹形状の底面部の形状は、前記基板よりも大きな形状により形成されており、
前記基板を形成する材料の熱膨張率よりも、前記基板支持部を形成する材料の熱膨張率の方が低いものであって、
前記基板及び前記基板支持部を加熱することにより、熱膨張率の高い前記基板の端が、熱膨張率の低い前記基板支持部の縁部により押さえられ、前記基板の面内方向に圧縮応力が加えられるものであることを特徴とする付記９または１０に記載の成膜装置。

１０成膜室
２０基板支持部
２１平板部
２２縁部
２３応力印加部
３０基板
４０ノズル
５０エアロゾル発生器
５１エアロゾル搬送管
６０真空ポンプ

Claims

基板を支持する基板支持部により前記基板の面内方向に圧縮応力を加える工程と、
前記圧縮応力が加えられた前記基板の基板面に対し成膜粒子を供給する工程と、
を有し、
前記成膜粒子を供給する工程は、前記成膜粒子となる微粒子をガス中に分散させたエアロゾルをノズルより噴出することにより行なうものであって、
前記基板支持部は凹形状に形成されており、前記凹形状の底面部は、前記基板よりも大きな形状により形成されており、
前記基板を形成する材料の熱膨張率よりも、前記基板支持部を形成する材料の熱膨張率の方が低いものであって、
前記圧縮応力を加える工程は、前記基板支持部における凹状部の底面部に、前記基板を載置する工程と、
前記基板を載置する工程の後、前記基板及び前記基板支持部を加熱する工程と、
を有し、前記加熱することにより、熱膨張率の高い前記基板の端が、熱膨張率の低い前記基板支持部の縁部により押さえられ、前記基板の面内方向に圧縮応力が加えられるものであることを特徴とする成膜方法。
前記加熱される温度は、前記基板の融点未満であることを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
前記基板を形成する材料がガラス転位点を有する材料であって、前記加熱される温度は、前記基板のガラス転位点未満であることを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
基板を支持する基板支持部と、
微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを噴出するノズルと、
を有し、
前記基板支持部により前記基板の面内方向に圧縮応力を加えた状態で、前記ノズルより前記エアロゾルを前記基板に対し噴出し、前記基板の表面に膜を成膜するものであって、
前記基板支持部は凹形状に形成されており、前記凹形状の底面部の形状は、前記基板よりも大きな形状により形成されており、
前記基板を形成する材料の熱膨張率よりも、前記基板支持部を形成する材料の熱膨張率の方が低いものであって、
前記基板及び前記基板支持部を加熱することにより、熱膨張率の高い前記基板の端が、熱膨張率の低い前記基板支持部の縁部により押さえられ、前記基板の面内方向に圧縮応力が加えられるものであることを特徴とする成膜装置。