WO2021149695A1 - ミスト成膜装置及びミスト成膜方法 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、第1の実施の形態によるミスト成膜装置MDEの概略的な全体構成を示す図である。図1において、特に断わりのない限り重力方向をZ方向とするXYZ直交座標系を設定し、図1に示す矢印にしたがって、被処理基板としての可撓性のシート基板P(単に基板Pとも呼ぶ)の搬送方向をX方向、搬送方向と直交するシート基板Pの幅方向をY向とし、ミスト成膜時にシート基板Pの表面は、本実施の形態ではXY面と平行な水平面となるように設定されるものとする。シート基板Pは、本実施の形態では、X方向に長尺なPET(ポリエチレン・テレフタレート)、PEN(ポリエチレン・ナフタレート)、又はポリイミド等の樹脂を母材とした厚みが数百μm~数十μm程度のフレキシブルシートとするが、その他の材料、例えば、ステンレス、アルミ、真鍮、銅等の金属材料を薄く圧延した金属箔シート、厚みを100μm以下にして可撓性を持たせた極薄ガラスシート、セルロースナノファイバーを含有するプラスチックシートであっても良い。なお、シート基板Pは、必ずしも長尺である必要はなく、例えば、A4サイズ、A3サイズ、B4サイズ、B3サイズのように長辺や短辺の寸法が規格化された枚葉のシート基板、或いは規格外の不定型な枚葉のシート基板であっても良い。
以上の第1の実施の形態では、ミスト成膜の際に、シート基板Pが水平に移動するベルト5C上に支持されて、シート基板Pの表面を水平状態(XY面と平行な状態)にしてミスト気体Msgが噴霧される構成とした。このように、ベルト5Cによってシート基板Pを支持する構成の場合、シート基板Pは、例えばA4版、A3版、B4版のように、縦横寸法が決まった枚葉のシート基板とすることができる。しかしながら、数十m~数百mと言った長尺のシート基板に対して、ロールツーロール(Roll to Roll)方式で連続して安定な膜厚状態でミスト成膜する場合、シート基板のベルト5Cへの真空吸着等によるシワの発生が懸念される為、シート基板の長尺方向の一部を回転ドラムの外周面で密着支持してシート基板を連続移動させる搬送機構の利用が考えられる。
図5は、図4に示した中心線AXoと線CLとを含み、ミスト噴出部30のノズル開口部30Aを通るような平面で回転ドラムDRとチャンバー部40とを破断したときの部分断面図である。図5において、回転ドラムDRは軽量化の為に中空構造となっているが、シャフトSftは回転ドラムDRのY方向の両端を貫くように設けられている。シート基板Pは回転ドラムDRの半径Rdの外周面DRaに密着支持される。エンコーダ計測システムのスケール円盤SDは、回転ドラムDRの-Y方向側にシャフトSftと同軸に固定される。図5のスケール円盤SDの半径は、回転ドラムDRの半径Rdとほぼ同じ(半径Rdに対して±10%の半径)に設定され、目盛Gmはスケール円盤SDの外周面に形成される。その為、エンコーダヘッドEH1(又はEH2)は目盛Gmと対向するようにスケール円盤SDの径方向に配置される。
図6は、第2の実施の形態によるミスト成膜装置MDEの全体的な構成を示す概略図であり、直交座標系XYZは図1と同様にZ方向を重力方向とするように設定される。図6のミスト成膜装置MDEは、先の図4と同様に、長尺のシート基板Pを円筒面状に支持する回転ドラムDRの回転によって長尺方向に搬送しつつ、回転ドラムDR上でミスト成膜するように構成される。また、図6のミスト成膜装置MDEにおいて、先の図1~4の各々で示された部材や構成と同じ機能を有する部材や構成については同じ符号を付し、その説明を省略、又は簡略化する。本実施の形態では、ミスト成膜によってシート基板Pの表面に形成される薄い液膜の溶媒(純水等)が乾燥する前に、液膜中に含有されるナノ粒子を電気的な力で振動させて、シート基板Pの表面に堆積するナノ粒子の不均一な厚み分布を一様化する。
図6では、電極板Em、Ef1~Ef4と交流電界発生部90とにより構成される堆積一様化部では、シート基板Pが+X方向に水平搬送される乾燥工程の間、シート基板Pの表面の液膜Lqに対して、一定の周波数fpで一定の強度の交流電界が印加した。しかしながら、シート基板Pの裏面側に配置される4つの電極板Ef1~Ef4は、シート基板Pの水平搬送路に沿って分割されているので、電極板Ef1~Ef4の各々に印加する交流電圧Evと周波数fpとを異ならせても良い。その為には、図7に示した交流電界発生部90内の発振回路90A、調整回路90Bを複数設ける必要がある。
図7に示した電極板Em、Ef1~Ef4と交流電界発生部90とで構成される堆積一様化部は、ナノ粒子npの泳動が可能な厚み(例えばナノ粒子の粒径の数倍以上)で液膜Lqがシート基板P上に形成されていれば機能し得る。従って、シート基板P上に液膜Lqを形成する工程はミスト成膜法に限られず、各種の印刷方式(グラビア印刷、シルク印刷、ダイコータ印刷等)やインクジェット方式の塗布装置で液膜Lqを形成しても良い。特に、インクジェット方式で金属系のナノ粒子を含む微小な液滴を基板Pの表面に選択的に塗布して導電性の配線パターンや電極パターン等を形成する場合、塗布された液滴の乾燥前に、基板Pを図7のような堆積一様化部に通すことにより、基板P上に形成されるナノ粒子による配線パターンや電極パターンの抵抗値を低減させることができる。
第2の実施の形態、変形例3、4では、図7に示した電極板Emと電極板Ef1~Ef4との間、即ち、シート基板P上の液膜Lqが広がる面と垂直な方向に交流電界を印加していた。しかしながら、電極板の構成や配置を変更することで、液膜Lq中のナノ粒子に作用する泳動力fzの向きを縦方向(Z方向)だけでなく、積極的に横方向(XY面内)のベクトルを持たせるように変えることができる。
図14は、第3の実施の形態によるミスト成膜装置MDEの概略的な構成を示し、図14の直交座標系XYZは、先の図1、図6の直交座標系XYZと同じに設定される。本実施の形態は、先の第1の実施の形態の図2に示したミスト成膜部と、第2の実施の形態の図7に示した堆積一様化部とを組み合わせたものである。従って、図14中の各部材のうち、先の図1や図6の部材と実質的に同じ構成、又は同じ機能の部材には、同じ符号を付してある。
図19は、第4の実施の形態によるミスト成膜装置MDEの概略的な構成を示し、直交座標系XYZは、先の図1、図4、図6、図14と同様に、Z方向を重力方向(鉛直方向)とし、XY面を水平方向とする。本実施の形態におけるミスト成膜部は、先の図1~図3B、又は図14に示したコンベア搬送方式によってシート基板Pを長尺方向に移動させながら、シート基板Pの表面にミスト気体Msgを噴霧して液膜Lqを形成する構成となっている。従って、図19に示した装置構成において、先の図1~図3B、或いは図6で示した部材や機構と同じ機能を奏する部材や機構には同じ符号を付し、その説明を簡素化又は省略する。
図19のようにシート基板Pを低温化する構成は、先の図4~図6で示したような、シート基板Pを回転ドラムDRで支持して長尺方向に搬送するミスト成膜装置にも適用可能である。図22は、回転ドラムDRを用いた第5の実施の形態によるミスト成膜装置MDEの構成を示し、基本的な構成、並びに基本的な部材は、先の図4~図6に示した構成や部材と同じであり、それらの部材と同じ機能の部材には同じ符号を付してある。また、直交座標系XYZも図4と同じに設定されている。本実施の形態では、シート基板Pを支持する回転ドラムDRの外周面DRaを冷却する為に、温度調整ユニット(チラー)202からのチューブTPbを介して供給される温調流体(温度制御された気体や液体)が通されるパイプ状の冷却管(熱交換管)HFの複数本(図22では12本)が回転ドラムDRの内部に設けられている。複数本の冷却管HFの各々は、図22の場合、回転ドラムDRの回転の中心線AXoから一定半径の位置に、中心線AXoと平行に延設され、回転ドラムDRの外周面DRaの周方向に関して一定の角度間隔(本変形例では30度)で配置されている。
図23は、先の図19(第4の実施の形態)に示したミスト成膜装置の変形例によるミスト成膜装置MDEの概略的な構成を示す斜視図である。図23において、直交座標系XYZのZ軸は重力方向であり、Z軸と直交するXY面はミスト成膜されるシート基板Pの表面と平行に設定されるものとする。但し、図19の形態と同じように、本変形例でもシート基板PをXY面に対して長尺方向(X方向)に傾けても良い。なお、図23でも、図19で説明したローラ5A、5B、ベルト5C、支持テーブル5D’と同じものがシート基板Pの下方(-Z方向)に設けられ、シート基板Pは低温化されるものとする。
図25は、図1に示したミスト発生部14の変形例を示す部分断面図であり、説明の便宜上、直交座標系XYZのZ軸を重力方向(上下方向)、XY面を水平面として、図25はミスト発生部14をXZ面と平行な面で破断した様子を示す。また、図25中の各部材のうち、図1中のミスト発生部14の部材と同じ機能の部材には同じ符号を付してある。図26は、図25のミスト発生部14のZ方向の高さCjを、XY面と平行な面で破断して、その底面側を上から見た図である。また、図25、図26に示したミスト発生部14は、先の各実施の形態、各変形例、或いは予備実験で使われるミスト気体Msgの発生装置として利用される。
以上の各実施の形態や各変形例において、ミスト気体Msgとしてシート基板Pに噴霧されるミストに含まれる材料物質のナノ粒子が分極する特性を有する場合は、ミスト成膜後に形成されるシート基板P上の液膜に交流電界を印加することで、ナノ粒子のシート基板P上の膜厚分布を一様化することができる。成膜用の材料物質のナノ粒子が分極特性を有さず、磁気に作用する特性を有する場合、シート基板Pを支持する支持テーブル5D、5D’や回転ドラムDRの基板支持面に発磁体(永久磁石や電磁石等)を埋設することにより、ミスト気体Msg中のミストのシート基板Pへの付着率を向上させることもできる。さらに、ミスト成膜後に形成されるシート基板P上の液膜に交流磁界を付与することで、ナノ粒子のシート基板P上の膜厚分布を一様化することも可能になる。
5D、5D’…支持テーブル 10…溶液タンク
14…ミスト発生部
14C、14C1~14C4…超音波振動子
16、17、18…パイプ 30…ミスト噴出部
30A…ノズル開口部 31…ミスト供給部
32、32’…ミスト回収部 40…チャンバー部(導風機構)
60…ミスト帯電装置
70…静電界発生装置(静電界発生部)
90、92…交流電界発生部 100…制御部(CPU)
202…温調(冷却)ユニット(温調部)
212…温度制御ユニット 402…冷却器(温調器)
AXo…中心線
CGS…キャリアガス(キャリア気体)
DR…回転ドラム Ea、Eb…電極
Ec、Ed…電極板 Ef1~Ef4、Em…電極板
Ef’、Em’…電極線 HF…冷却管(熱交換管)
Lq…溶液 Msg…供給されるミスト気体
Msg’…排気されるミスト気体 np…ナノ粒子(微粒子)
OVS…観察部 P…シート基板
SMD…補助ミスト噴霧部 Wq…液体
Claims (28)
- 微粒子を含むミストを基板に供給し、前記基板の表面に前記微粒子を含む膜を形成する成膜装置であって、
前記基板の表面の少なくとも一部を覆う導風部材と、
前記基板の表面と前記導風部材との間の空間に前記ミストを供給するミスト供給部と、を備え、
前記ミスト供給部は、前記ミストを正または負に帯電させる帯電付与部と、前記帯電付与部により帯電された前記ミストを前記空間内に噴出するミスト噴出部と、を含み、
前記導風部材は、前記基板の表面に対向する壁面を有し、
前記帯電付与部により帯電される前記ミストと同じ符号の電位を前記壁面に発生させる静電界発生部を備える、成膜装置。 - 請求項1に記載の成膜装置であって、
前記基板を搬送する搬送部を有し、
前記静電界発生部は、前記壁面に前記ミストと同じ符号の電位を発生させる第1の電極と前記搬送部に前記ミストと反対の符号の電位を発生させる第2の電極とを有する、成膜装置。 - 請求項2に記載の成膜装置であって、
前記静電界発生部は、前記第1の電極と前記第2の電極との間に時間的な平均電位の絶対値が0よりも大きい電圧を印加する、成膜装置。 - 請求項2又は3に記載の成膜装置であって、
前記静電界発生部は、前記第1の電極と前記第2の電極の間に、絶対値が0よりも大きい平均電位を中心に所定の振幅で時間的に電圧変化する交流電圧を印加する、成膜装置。 - 請求項2~4のいずれか1項に記載の成膜装置であって、
前記搬送部は、前記基板を円弧状に支持する導電性の外周面を有する回転ドラムを有し、前記外周面を前記第2の電極とする、成膜装置。 - 微粒子を含有したミストを基板に供給し、基板の表面に前記微粒子を含む膜を形成する成膜装置であって、
前記微粒子を含有する液体を霧化して前記ミストを発生させるミスト発生部と、
前記基板に前記ミストを供給するミスト供給部と、を備え、
前記ミスト供給部は、前記ミストの温度を第1の温度にする温調部と、前記基板の温度を第2の温度にする基板温調部と、を含む、
成膜装置。 - 請求項6に記載の成膜装置であって、
前記基板温調部は、前記第2の温度を前記第1の温度よりも低い温度に設定する、成膜装置。 - 請求項6又は7に記載の成膜装置であって、
前記ミスト供給部は、前記基板を支持する支持部を有し、
前記基板温調部は、前記支持部の温度を調整して前記基板を前記第2の温度に設定する、成膜装置。 - 請求項8に記載の成膜装置であって、
前記基板を前記支持部で支持して搬送する搬送部を有する、成膜装置。 - 請求項9に記載の成膜装置であって、
前記搬送部は、回転ドラムを有する前記支持部で前記基板を円弧状に支持して搬送する、成膜装置。 - 請求項6~10のいずれか1項に記載の成膜装置であって、
前記液体は、純水、又は界面活性剤を含む液体に、前記微粒子を分散させた分散液である、成膜装置。 - 請求項6~11のいずれか1項に記載の成膜装置であって、
前記温調部は、分散液の温度が0℃~15℃の範囲の温度になるように前記第1の温度を設定する、成膜装置。 - 請求項12に記載の成膜装置であって、
前記基板温調部により設定される前記第2の温度は、前記第1の温度よりも低く、かつ、0℃~15℃の範囲の温度に設定される、成膜装置。 - 請求項1~13のいずれか1項に記載の成膜装置と、
前記成膜装置によって成膜された前記基板上のミストを乾燥させる乾燥部と、を含む、導電膜の製造装置。 - 微粒子を含むミストを基板に供給し、前記基板の表面に前記微粒子を含む膜を形成する成膜方法であって、
帯電付与部によって前記ミストを正または負に帯電させ、帯電した前記ミストを前記基板の表面の少なくとも一部を覆う導風部材と前記基板の表面との間の空間にミスト噴出部によって供給するミスト供給工程と、
帯電した前記ミストと同じ符号の電位を前記基板の表面に対向する壁面に発生させる静電界発生工程と、を含む、成膜方法。 - 請求項15に記載の成膜方法であって、
前記ミスト供給工程では、搬送部によって搬送される前記基板に前記ミストを供給し、
前記静電界発生工程では、第1の電極によって前記導風部材に前記ミストと同じ符号の電位を発生させ、第2の電極によって前記搬送部に前記ミストと反対の符号の電位を発生させる、成膜方法。 - 請求項16に記載の成膜方法であって、
前記静電界発生工程では、前記第1の電極と前記第2の電極との間に、時間的な平均電位の絶対値が0よりも大きい電圧を印加する、成膜方法。 - 請求項16又は17に記載の成膜方法であって、
前記静電界発生工程では、前記第1の電極と前記第2の電極の間に、絶対値が0よりも大きい平均電位を中心に所定の振幅で時間的に電圧変化する交流電圧を印加する、成膜方法。 - 請求項16~18のいずれか1項に記載の成膜方法であって、
前記搬送部は、前記基板を円弧状に支持する導電性の外周面を有する回転ドラムを有し、前記外周面を前記第2の電極とする、成膜方法。 - 微粒子を含有したミストを基板に供給し、基板の表面に前記微粒子を含む膜を形成する成膜方法であって、
前記微粒子を含有する液体を霧化してミストを発生させるミスト発生工程と、
前記基板に前記ミストを供給するミスト供給工程と、を備え、
前記ミスト供給工程では、温調部によって前記ミストの温度を第1の温度とし、基板温調部によって前記基板の温度を第2の温度とする、成膜方法。 - 請求項20に記載の成膜方法であって、
前記ミスト供給工程では、前記基板温調部によって前記第2の温度を前記第1の温度よりも低くに設定する、成膜方法。 - 請求項20又は21に記載の成膜方法であって、
前記ミスト供給工程では、支持部によって前記基板を支持し、前記基板温調部によって前記支持部の温度を調整して前記基板を前記第2の温度に設定する、成膜方法。 - 請求項22に記載の成膜方法であって、
前記ミスト供給工程では、前記支持部を有する搬送部によって前記基板を前記支持部で支持して搬送する、成膜方法。 - 請求項23に記載の成膜方法であって、
前記ミスト供給工程では、回転ドラムを有する前記支持部によって前記基板を円弧状に支持する、成膜方法。 - 請求項20~24のいずれか1項に記載の成膜方法であって、
前記液体は、純水、又は界面活性剤を含む液体に、前記微粒子を分散させた分散液である、成膜方法。 - 請求項20~25のいずれか1項に記載の成膜方法であって、
前記ミスト供給工程では、前記温調部によって分散液の温度が0℃~15℃の範囲の温度になるように前記第1の温度を設定する、成膜方法。 - 請求項26に記載の成膜方法であって、
前記ミスト供給工程では、前記基板温調部によって前記第2の温度は、前記第1の温度よりも低くなるように、0℃~15℃の範囲の温度に設定される、成膜方法。 - 請求項15~26のいずれか1項に記載の成膜方法を用いて前記基板上に導電膜材料を成膜する成膜工程と、
成膜された前記基板を乾燥させる乾燥工程と、を含む導電膜の製造方法。
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