JP6192894B2 - 多元系のナノ粒子膜形成装置及びこれを用いたナノ粒子膜形成方法 - Google Patents
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Description
本発明は、多元系のナノ粒子膜形成装置及びこれを用いたナノ粒子膜形成方法に関する。
超微粒子膜形成方法及び超微粒子膜形成装置が特許文献１に記載されている。この装置は、材料から蒸気原子を発生させ、これを不活性ガスとともに搬送管を移動させて基板に超微粒子膜を形成するものである。このような粒子膜形成装置及び方法を一般的な表現で換言すると、チャンバを上下に設置して細管でこれらを連通させる。そして、上部チャンバを真空引きして下部チャンバに冷却ガスを流す。そして、蒸発した金属が冷却されるとともに、圧力差により上部チャンバに移動する。そして、上部チャンバの基板に粒子状態で捕集される。冷却ガスは例えばヘリウムやアルゴンガスであり、これを流すことで粒子が移動中の凝集や粒成長を防いでいる。
しかしながら、特許文献１に記載の装置を用いて複数の金属材料を蒸発させて多元系の金属ナノ粒子として基板に成膜しようとした場合、金属材料の種類により蒸発圧や粒子の質量が異なるため、基板に対する各金属粒子の集積率や集積量が異なってしまう。例えばＭｇとＮｉの材料を下部チャンバに並べて同条件にて蒸発させた場合、Ｍｇは蒸発圧が高いため少しの加熱で蒸発し、Ｎｉはあまり蒸発しないため、ほとんどがＭｇの粒子として基板に成膜されてしまう。また、金属材料の熱影響を他の金属材料に及ぼすことがあるため、高い融点の金属材料の隣に低い融点の金属材料を配置できない等、金属材料の設置位置にも制約がある。以上より、所望の多元系の金属ナノ粒子を得るためには、温度制御が困難であり、粒子径や粒子量の調整も困難である。
本発明は、上記従来技術を考慮したものであり、複数の金属材料ごとの蒸発圧にかかわらず、また互いの熱影響を受けないで適切な径及び量のナノ粒子を金属材料ごとに発生させることができ、基板に対して多元系のナノ粒子を成膜することができる多元系のナノ粒子膜形成装置及びこれを用いたナノ粒子膜形成方法を提供することを目的とする。
前記目的を達成するため、本発明では、複数の金属材料が配設され、前記金属材料ごとのナノ粒子から多元系のナノ粒子が生成する生成室と、前記多元系のナノ粒子が成膜されるべき基板が配設された成膜室と、前記生成室と前記成膜室とを接続する連通管と、前記成膜室を排気する排気ユニットと、前記生成室に冷却ガスを導入する冷却ガス導入ユニットと、前記複数の金属材料ごとに対応して前記生成室内に配設された粒子化ユニットとを備え、前記粒子化ユニットは、前記金属材料を覆う容器と、該容器内に配設されたヒータと、前記容器に設けられて前記ナノ粒子が流出する流出口と、前記容器に設けられて前記冷却ガスが導入される導入口とを有し、前記金属材料ごとに前記容器内の容量及び前記流出口から前記連通管までの距離がそれぞれ異なることを特徴とする多元系のナノ粒子膜形成装置を提供する。
好ましくは、前記冷却ガス導入ユニットと前記粒子化ユニットのそれぞれの前記導入口との間に、前記冷却ガスの導入量を前記容器ごとに調整する流量調整手段を更に有する。
また、本発明では、前記粒子化ユニットごとに前記金属材料からナノ粒子を生成するナノ粒子生成工程と、前記生成室内で複数の前記ナノ粒子を結合させて多元系のナノ粒子を生成するナノ粒子結合工程と、前記多元系のナノ粒子が前記連通管を通過し、前記成膜室内の前記基板に成膜する成膜工程とを備えたことを特徴とする多元系のナノ粒子膜形成装置を用いた多元系のナノ粒子膜形成方法も提供する。
また、本発明では、前記粒子化ユニットごとに前記金属材料からナノ粒子を生成するナノ粒子生成工程と、前記生成室内で複数の前記ナノ粒子を結合させて多元系のナノ粒子を生成するナノ粒子結合工程と、前記多元系のナノ粒子が前記連通管を通過し、前記成膜室内の前記基板に成膜する成膜工程とを備えたことを特徴とする多元系のナノ粒子膜形成装置を用いた多元系のナノ粒子膜形成方法も提供する。
好ましくは、前記ナノ粒子生成工程にて、前記ヒータによる加熱温度及び前記容器内に導入される前記冷却ガスの導入量は、前記粒子化ユニット内に配された前記金属材料ごとに異なるように調整される。
本発明によれば、生成室に配設された金属材料ごとに独立した粒子化ユニットが設けられているので、各金属材料をそれぞれの材料ごとに適した条件で蒸発させてナノ粒子を得ることができる。したがって、複数の金属材料ごとの異なる蒸発圧にかかわらず、また互いの熱影響を受けないで適切な径及び量のナノ粒子を金属材料ごとに発生させることができ、基板に対して多元系のナノ粒子を成膜することができる。
また、金属材料ごとに最適な容器内の容量とすれば、各金属材料の蒸発圧に適して蒸発させることができる。また、金属材料ごとに流出口から連通管までの距離を最適な距離とすれば、各金属材料の質量による速度の違いを調整できる。
また、ナノ粒子生成工程にて粒子化ユニットごとに金属材料を蒸発させてそれぞれのナノ粒子を生成させるので、各金属材料は互いの熱影響を受けず、また重さや蒸発圧の違いにかかわらずそれぞれの金属材料に適した条件でナノ粒子を発生させることができる。
また、ナノ粒子生成工程にて粒子化ユニットごとに金属材料を蒸発させてそれぞれのナノ粒子を生成させるので、各金属材料は互いの熱影響を受けず、また重さや蒸発圧の違いにかかわらずそれぞれの金属材料に適した条件でナノ粒子を発生させることができる。
また、粒子化ユニットごとにヒータも別々に設けられ、ヒータによる加熱温度を異なるように調整するので、各金属材料に適した温度で加熱することができる。さらに、粒子化ユニットごとに冷却ガスの導入量を異なるように調整するので、各金属材料に適した冷却が可能となる。
図１に示すように、本発明に係るナノ粒子膜形成装置１は、生成室２と、成膜室３とを備えている。生成室２には複数の金属材料（図では３つの金属材料４ａ〜４ｃ）が配設されている。生成室２は、これらの金属材料４ａ〜４ｃのナノ粒子８ａ〜８ｃが結合した多元系のナノ粒子９を生成するためのものである。この金属材料４ａ〜４ｃは例えばマグネシウムやニッケル、あるいはこれらの合金からなる金属線を用いることができる。生成室２には冷却ガス導入ユニット１０が取り付けられていて、この冷却ガス導入ユニット１０から冷却ガスが導入される。
成膜室３には排気ユニット（図では真空ファン）５が取り付けられていて、この排気ユニット５により成膜室３は真空引きされる（矢印Ｄ方向）。生成室２は連通管６を介して成膜室３と接続されている。連通管６としては、例えば１／８管を用いることができる。したがって、生成室２と成膜室３との間には圧力差が生じ、この圧力差により生成室２で生成された多元系のナノ粒子９は素早く連通管６を通って成膜室３に流入する。成膜室３には基板７が配設されていて、多元系のナノ粒子９はこの基板７に成膜される。
生成室２には、金属材料４ａ〜４ｃのそれぞれに対応して粒子化ユニット１１ａ〜１１ｃが配設されている。この粒子化ユニット１１ａ〜１１ｃは、それぞれ対応する金属材料４ａ〜４ｃを覆う容器１２ａ〜１２ｃを有している。各容器１２ａ〜１２ｃは、ナノ粒子８ａ〜８ｃが流出する流出口１３ａ〜１３ｃと冷却ガスが導入される導入口１４ａ〜１４ｃとを有し、この流出口１３ａ〜１３ｃ及び導入口１４ａ〜１４ｃのみが開口されている。図では容器１２ａ〜１２ｃは略円錐台形状であり、上面を流出口１３ａ〜１３ｃとし、下面を導入口１４ａ〜１４ｃとしている。また、各容器１２ａ〜１２cにはそれぞれ別々にヒータ１５ａ〜１５cが配設されている。各金属材料４ａ〜４ｃは、それぞれ対応するヒータ１５ａ〜１５ｃによって加熱されることにより蒸発してナノ粒子８ａ〜８ｃを生成する。ヒータ１５ａ〜１５ｃとしては、るつぼやプラズマ発生装置等を用いることができる。
このように、ナノ粒子膜形成装置１には、生成室２に配設された金属材料４ａ〜４ｃごとに独立した粒子化ユニット１１ａ〜１１ｃが設けられているので、各金属材料４ａ〜４ｃをそれぞれの材料４ａ〜４ｃごとに適した条件で蒸発させてナノ粒子８ａ〜８ｃを得ることができる。したがって、複数の金属材料４ａ〜４ｃごとの異なる蒸発圧にかかわらず、また互いの熱影響を受けないで適切な径及び量のナノ粒子８ａ〜８ｃを金属材料４ａ〜４ｃごとに発生させることができ、基板７に対して多元系のナノ粒子９を成膜することができる。
また、容器１２ａ〜１２ｃの容量を金属材料４ａ〜４ｃごとに最適なものとすれば、金属材料４ａ〜４ｃごとに適した蒸発圧で蒸発させることができる。上述したように、図では、容器１２ａ〜１２ｃは略円錐台形状であり、径や長手方向の長さがそれぞれの容器１２ａ〜１２ｃごとに異なっている。蒸発圧が高い金属材料を覆う容器の容量は大きくなるように設定される。また、流出口１３ａ〜１３ｃから連通管６までの距離Ａ〜Ｃを金属材料４ａ〜４ｃごとに最適な距離とすれば、各金属材料４ａ〜４ｃの質量による移動速度の違いを調整できる。移動速度を調整できれば、多元系のナノ粒子９としたときの組成比が調整しやすくなるというメリットがある。
以上説明したようなナノ粒子膜形成装置１を用いたナノ粒子膜形成方法について以下に説明する。
まず、ナノ粒子生成工程を行う。この工程は、生成室２、より詳しくは各粒子化ユニット１１ａ〜１１ｃ内で行われる。ここでは、粒子化ユニット１１ａを例にして説明するが、粒子化ユニット１１ｂ及び１１ｃでも同様である。容器１２ａ内に金属線からなる金属材料４ａを配する。そして、冷却ガス導入ユニット１０を駆動させて冷却ガス（ヘリウム又はアルゴンガスを含む冷却ガス）を導入口１４ａから容器１２ａ内に導入するとともに、ヒータ１５ａにより金属材料４ａを加熱する。そして、金属材料４ａを蒸発させることによりナノ粒子８ａを得る。このように、気相環境にてナノ粒子８ａを生成するので、金属材料４ａが例えばマグネシウム等の酸化されやすい金属である場合であっても、不要な酸化を防止できる。生成されたナノ粒子８ａは、容器１２ａの流出口１３ａから流出する。
まず、ナノ粒子生成工程を行う。この工程は、生成室２、より詳しくは各粒子化ユニット１１ａ〜１１ｃ内で行われる。ここでは、粒子化ユニット１１ａを例にして説明するが、粒子化ユニット１１ｂ及び１１ｃでも同様である。容器１２ａ内に金属線からなる金属材料４ａを配する。そして、冷却ガス導入ユニット１０を駆動させて冷却ガス（ヘリウム又はアルゴンガスを含む冷却ガス）を導入口１４ａから容器１２ａ内に導入するとともに、ヒータ１５ａにより金属材料４ａを加熱する。そして、金属材料４ａを蒸発させることによりナノ粒子８ａを得る。このように、気相環境にてナノ粒子８ａを生成するので、金属材料４ａが例えばマグネシウム等の酸化されやすい金属である場合であっても、不要な酸化を防止できる。生成されたナノ粒子８ａは、容器１２ａの流出口１３ａから流出する。
このナノ粒子生成工程にて、上述したように金属材料４ａ〜４ｃごとに設けた粒子化ユニット１１ａ〜１１ｃを用いているので、金属材料４ａ〜４ｃごとに最適な条件でナノ粒子を生成できる。すなわち、上述したように、容器１２ａ〜１２ｃの容量と流出口１３ａ〜１３ｃから連通管６までの距離Ａ〜Ｃを最適なものにすることで各金属材料４ａ〜４ｃのナノ粒子を生成できる。さらに、粒子化ユニット１１ａ〜１１ｃにはそれぞれ別々にヒータ１５ａ〜１５ｃが備わっているので、各金属材料４ａ〜４ｃに対する加熱温度を調整できるので、各金属材料４ａ〜４ｃに適した温度で加熱することができる。また、各容器１２ａ〜１２ｃに導入される冷却ガスの導入量を変更させることで、各金属材料４ａ〜４ｃに適した冷却が可能となる。冷却ガスの導入量の調整は、例えば導入口１４ａ〜１４ｃの開口面積（開口率）を容器１２ａ〜１２ｃごとに異ならせたり、冷却ガス導入ユニット１０から容器１２ａ〜１２ｃに通じる導入管（不図示）を設けてここに流量調整バルブ（不図示）を設けて行う。図では矢印の大きさで冷却ガスの導入量の大小を表していて、矢印Ｅで表した容器１２ｂに導入される導入量が一番大きく、その次が矢印Ｆで表した容器１２ａへの導入量であり、矢印Ｇで表した容器１２ｃへの導入量が最も小さい。
次に、ナノ粒子結合工程を行う。この工程は、生成室２で行われる。具体的には、粒子化ユニット１１ａ〜１１ｃで生成されたナノ粒子８ａ〜８ｃが、それぞれの容器１２ａ〜１２ｃの流出口１３ａ〜１３ｃから流出したときに互いに結合する。これにより、多元系のナノ粒子９が生成される。
次に、成膜工程を行う。ナノ粒子結合工程にて形成された多元系のナノ粒子９は成膜室３と生成室２との間の圧力差により、連通管６を通って成膜室３に流入する。そして、多元系のナノ粒子９は成膜室３内に配設された基板７に成膜される。十分に基板７に多元系のナノ粒子９が成膜されたら、基板７を交換して新たに成膜工程を行う。基板７を交換する際の基板７の移動手段は、基板７をロールで巻きながら送り出すようにしてもよいし、あるいはローラコンベヤ等の搬送装置を用いて移動させてもよい。このような移動手段で移動している基板７に成膜することも可能である。
１ ナノ粒子膜形成装置
２ 生成室
３ 成膜室
４ａ〜４ｃ 金属材料
５ 排気ユニット
６ 連通管
７ 基板
８ａ〜８ｃ ナノ粒子
９ 多元系のナノ粒子
１０ 冷却ガス導入ユニット
１１ａ〜１１ｃ 粒子化ユニット
１２ａ〜１２ｃ 容器
１３ａ〜１３ｃ 流出口
１４ａ〜１４ｃ 導入口
１５ａ〜１５ｃ ヒータ
２ 生成室
３ 成膜室
４ａ〜４ｃ 金属材料
５ 排気ユニット
６ 連通管
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８ａ〜８ｃ ナノ粒子
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１０ 冷却ガス導入ユニット
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１４ａ〜１４ｃ 導入口
１５ａ〜１５ｃ ヒータ
Claims (4)
- 複数の金属材料が配設され、前記金属材料ごとのナノ粒子から多元系のナノ粒子が生成する生成室と、
前記多元系のナノ粒子が成膜されるべき基板が配設された成膜室と、
前記生成室と前記成膜室とを接続する連通管と、
前記成膜室を排気する排気ユニットと、
前記生成室に冷却ガスを導入する冷却ガス導入ユニットと、
前記複数の金属材料ごとに対応して前記生成室内に配設された粒子化ユニットと
を備え、
前記粒子化ユニットは、前記金属材料を覆う容器と、該容器内に配設されたヒータと、前記容器に設けられて前記ナノ粒子が流出する流出口と、前記容器に設けられて前記冷却ガスが導入される導入口とを有し、
前記金属材料ごとに前記容器内の容量及び前記流出口から前記連通管までの距離がそれぞれ異なることを特徴とする多元系のナノ粒子膜形成装置。 - 前記冷却ガス導入ユニットと前記粒子化ユニットのそれぞれの前記導入口との間に、前記冷却ガスの導入量を前記容器ごとに調整する流量調整手段を更に有することを特徴とする請求項１に記載の多元系のナノ粒子膜形成装置。
- 前記粒子化ユニットごとに前記金属材料からナノ粒子を生成するナノ粒子生成工程と、
前記生成室内で複数の前記ナノ粒子を結合させて多元系のナノ粒子を生成するナノ粒子結合工程と、
前記多元系のナノ粒子が前記連通管を通過し、前記成膜室内の前記基板に成膜する成膜工程と
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の多元系のナノ粒子膜形成装置を用いた多元系のナノ粒子膜形成方法。 - 前記ナノ粒子生成工程にて、前記ヒータによる加熱温度及び前記容器内に導入される前記冷却ガスの導入量は、前記粒子化ユニット内に配された前記金属材料ごとに異なるように調整されることを特徴とする請求項３に記載の多元系のナノ粒子膜形成方法。
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