エアロゾル噴射用ノズル、並びに、それを備えた成膜装置及び成膜方法
【課題】エアロゾルデポジション法においてエアロゾル流の粒度分布、粒子速度、又は粒子濃度を、レーザーを利用して正確に測定することが可能な成膜装置及び成膜方法を提供すること。
【解決手段】エアロゾルデポジション法で利用されるエアロゾル噴射用ノズルが、エアロゾル導入開口と、エアロゾル射出開口と、導入開口から射出開口までエアロゾルを通過させるエアロゾル流路と、を備え、エアロゾル流路を画定する内周壁面に、レーザー発出面とレーザー受光面とが設けられ、前記レーザー発出面が、レーザー照射装置のレーザーを発出する面であり、そこからエアロゾル流路中にレーザーが発出され、前記レーザー受光面が、レーザーの物理量を検知するセンサーの受光面であり、レーザー発出面から発出されたレーザーを受光する。
【解決手段】エアロゾルデポジション法で利用されるエアロゾル噴射用ノズルが、エアロゾル導入開口と、エアロゾル射出開口と、導入開口から射出開口までエアロゾルを通過させるエアロゾル流路と、を備え、エアロゾル流路を画定する内周壁面に、レーザー発出面とレーザー受光面とが設けられ、前記レーザー発出面が、レーザー照射装置のレーザーを発出する面であり、そこからエアロゾル流路中にレーザーが発出され、前記レーザー受光面が、レーザーの物理量を検知するセンサーの受光面であり、レーザー発出面から発出されたレーザーを受光する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エアロゾルデポジション法で利用されるエアロゾル噴射用ノズル、並びに、それを用いた成膜装置及び成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電アクチュエータ等として用いられるセラミックス薄膜を形成する方法として、近年、エアロゾルデポジション法が注目されている。この方法は、気体中にセラミックス微粒子を分散してなるエアロゾルをノズルから噴射し、高速で基板表面に吹き付けることによって、当該基板上で微粒子を粉砕し堆積させてセラミックス薄膜を形成するものである。当該方法はセラミックス微粒子の常温衝撃固化現象を利用し、従来のセラミックス薄膜形成法において実施されていた１０００℃以上での焼結プロセスを不要とするものである。そのため、寸法精度を考慮した薄膜設計を行う必要がなくなり、また、微粒子の破砕によって緻密なナノ結晶組織が形成され、きわめて平滑な表面を持つセラミックス薄膜を製造することができる。
【０００３】
エアロゾルデポジション法においては、成膜を実施している過程において、エアロゾル発生装置での微粒子の減少や、キャリアガスの流量の変動、微粒子同士の凝集による凝集巨大粒子の形成、エアロゾル供給管や噴射ノズル等の目詰まりなど種々の要因によって、ノズルから噴射されるエアロゾル流の粒度分布、粒子速度、又は粒子濃度が経時的に変動する場合がある。しかしながらこれらが変動すると、得られるセラミックス薄膜の膜厚にムラが生じ、その性能に悪影響を及ぼすことになる。セラミックス薄膜の膜圧、ひいては性能を均一に維持するには、エアロゾル流の粒度分布、粒子速度、又は粒子濃度をリアルタイムで測定し、その結果に応じてエアロゾルの発生条件や、吹き付け条件等を制御することが望まれる。
【０００４】
一般にエアロゾルの粒度分布の測定は、市販されているレーザー回折・散乱式粒度分布測定装置を利用して行われている。この装置は、エアロゾルにレーザーを照射することによって得られる回折・散乱光の強度分布を測定し、その測定結果を、ミーの散乱理論又はフラウンホーファの回折理論を用いて換算することにより粒度分布を算出するものである（例えば特許文献１等を参照）。この装置は所要時間がきわめて短くて済むことから、エアロゾルデポジション法による成膜中にリアルタイムでエアロゾルの粒度分布を測定するのに適している。
【０００５】
エアロゾルの粒子濃度については、上記のレーザー回折・散乱式粒度分布測定装置を利用し、エアロゾルによって回折・散乱された光の総強度を求め、これを、既知濃度のエアロゾルを測定対象として予め得ておいた回折・散乱光強度の測定結果と対比して算出することができる（例えば特許文献２等を参照）。
【０００６】
エアロゾルの粒子速度については、ドップラー効果を利用したレーザードップラー速度計によって算出できることが知られている（例えば特許文献３等を参照）。この方法においては、エアロゾルにレーザーを照射して得られる散乱光が、ドップラー効果によってエアロゾルの粒子速度に影響された波長を持つことから、入射レーザーの波長と散乱光の波長との対比によってエアロゾルの粒子速度を求めるものである。
【０００７】
特許文献３に記載されているように、従来、エアロゾルデポジション法におけるエアロゾルの粒子速度等の測定は、噴射ノズルから噴出した後のエアロゾル流に対してレーザーを照射することにより行われていた。
【特許文献１】特開２００５−６１９４１号公報
【特許文献２】特開２０００−４６７２２号公報
【特許文献３】特開２００７−３１７３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
エアロゾルデポジション法においては、エアロゾル流として基板表面に吹き付けられたセラミックス微粒子のすべてが薄膜形成のために消費されるわけではない。セラミックス微粒子の多くは基板表面に衝突した後、薄膜の形成に寄与せずに粉砕され反発し、チャンバ内の雰囲気中に飛散し浮遊することになる。また、チャンバ内で浮遊している微粒子はチャンバ内の各種部材に接触して、これに付着する場合も多い。
【０００９】
したがって、噴射ノズルから噴出した後のエアロゾル流にレーザーを照射して当該エアロゾル流の粒度分布、又は粒子速度を測定する際には、測定対象であるエアロゾル流に含まれる微粒子のほかに、測定対象ではない浮遊微粒子をも検出してしまうことから、正確な測定が困難となっていた。
【００１０】
さらに、レーザーの発出面や受光面に浮遊微粒子が付着すると、これによってレーザーや、受光すべき回折・散乱光が散乱して、測定される光強度が低下してしまう問題もある。粒子濃度の測定は回折・散乱光の光強度に基づいたものであるから、粒子濃度についても正確な測定が困難であった。
【００１１】
そこで本発明は、エアロゾルデポジション法においてエアロゾル流の粒度分布、粒子速度、又は粒子濃度を、レーザーを利用して正確に測定することが可能な成膜装置及び成膜方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は上記現状に鑑みてなされたものであり、エアロゾル噴射用ノズルの内部にレーザー発出面とレーザー受光面を組み込むことによって、前記課題を解決するものである。
【００１３】
すなわち、本発明に係るエアロゾル噴射用ノズルは、エアロゾルを導入する導入開口と、エアロゾルを噴射する射出開口と、前記導入開口から前記射出開口までエアロゾルを通過させるエアロゾル流路と、を備えたエアロゾル噴射用ノズルであって、前記エアロゾル流路を画定する内周壁面に、レーザー発出面とレーザー受光面とが設けられ、前記レーザー発出面が、レーザー照射装置のレーザーを発出する面であり、そこから前記エアロゾル流路中にレーザーが発出され、前記レーザー受光面が、レーザーの物理量を検知するセンサーの受光面であり、前記レーザー発出面から発出されたレーザーを受光するものである。
【００１４】
従来のエアロゾルデポジション法による成膜装置では、レーザー発出面とレーザー受光面を噴射ノズルの外部に配置し、噴射ノズルから噴出した後のエアロゾル流に対してレーザーを照射することにより粒度分布等の測定を行っていたが、本発明ではレーザー発出面とレーザー受光面を噴射ノズルの内壁面に配置することによって、噴射ノズル内を流れるエアロゾル流に対してレーザーを照射し、当該エアロゾル流内の材料粒子により回折・散乱した光のみを検出する。噴射ノズルからはエアロゾル流が高速で噴出するので、チャンバ内を浮遊している材料粒子が噴射ノズル内に逆流することはない。したがって、エアロゾル流内の材料粒子によって生じた回折・散乱光のみを検出でき、浮遊材料粒子から生じる回折・散乱光に起因するノイズを排除することができ、エアロゾル流の粒度分布、粒子速度を正確に測定することが可能になる。
【００１５】
本発明に係るエアロゾル噴射用ノズルにおいては、前記内周壁面の一部が、下流に行くに従い前記エアロゾル流路の横断面積を減少させるように形成されたテーパ部であり、前記内周壁面における前記テーパ部よりも下流側の部分に、前記レーザー発出面と前記レーザー受光面とが設けられたことが好ましい。
【００１６】
このようにすると、噴射ノズル内を通過しているエアロゾル流は前記テーパ部によって通過断面積が減少するので加速がされ、その加速された状態で噴射ノズルから噴出し、基板に吹き付けられることになる。エアロゾル流の速度が高速であるほど、材料粒子の周辺部材への付着が抑制されることから、テーパ部よりも下流にレーザー発出面とレーザー受光面とを設けることによって、レーザー発出面とレーザー受光面への材料粒子の付着を防止することができ、よってエアロゾル流の粒子濃度を正確に測定できるようになる。また、当該基板に吹き付けられる最終的なエアロゾル流の粒度分布、粒子速度、粒子濃度を測定することになるので、得られた測定結果を、製造する薄膜の均質化により有効に役立てることができる。
【００１７】
本発明では、前記内周壁面が、前記エアロゾル流路の中心軸を挟んで向かい合う、互いに平行な一対の平面部を含み、前記レーザー発出面と前記レーザー受光面とが該平面部に設けられたことが好ましい。
【００１８】
ここで、エアロゾル流路の中心軸の方向とエアロゾル流の流れ方向とは平行になるものであるから、上記の構成においては、エアロゾル流の流れ方向とレーザー発出面及びレーザー受光面とが平行になる。この構成によって、レーザー発出面とレーザー受光面にエアロゾル流中の材料粒子がより付着しにくくなる。
【００１９】
本発明では、前記レーザー発出面から、前記エアロゾル流路の中心軸線に対する斜めの方向にレーザーが発出されることが好ましい。
【００２０】
このようにすると、エアロゾル流の流れ方向とレーザーの進行方向とが斜めに交差するので、レーザードップラー法に基づいた粒子速度の測定が可能になる。
【００２１】
本発明では、前記レーザー発出面 及び／又は 前記レーザー受光面を、光ファイバ断面によって構成することが好ましい。
【００２２】
この構成によって、微小なサイズのノズルに対してレーザー発出面とレーザー受光面を組み込むことが容易になる。また、当該断面を光ファイバによってレーザー照射機や検出センサに接続すれば、これらをノズルの外部に配置することが可能になる。従来、噴射ノズルの目詰まり防止を目的としてエアロゾル噴射中に噴射ノズルの加熱が行われているが、レーザー照射機やセンサをノズルの外部に配置することによって、ノズルの加熱を容易に行うことができるようになる。
【００２３】
本発明では、前記レーザー発出面 及び／又は 前記レーザー受光面が、前記内周壁面と面一となるように構成されていることが好ましい。
【００２４】
このようにすると、レーザー発出面とレーザー受光面が、エアロゾル流路を画定する内周壁面に対して陥没も突出もしていないから、これらの面にエアロゾル流中の材料粒子がより付着しにくくなる。また、ノズルの目詰まりを防止することもできる。
【００２５】
さらに本発明は、前記エアロゾル噴射用ノズルを使用した成膜装置及び成膜方法でもある。
【００２６】
本発明に係る成膜装置は、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部と、前記エアロゾル発生部に接続されて前記エアロゾルを被処理物に吹き付けるノズルと、を備えた成膜装置であって、前記ノズルが本発明に係るエアロゾル噴射用ノズルであり、さらに、前記ノズルの前記レーザー受光面によって受光されたレーザーの物理量を前記センサーによって感知し、この感知された物理量に基づき、前記ノズルにおける前記エアロゾル流路を通過するエアロゾル流の粒子濃度、粒度分布 又は 速度を算出する算出手段を備え、前記物理量がレーザーの強度 及び／又は 波長である、成膜装置である。
【００２７】
本発明に係る成膜方法は、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、発生したエアロゾルをノズルから噴出させて被処理物に吹き付けることにより前記材料粒子の膜を前記被処理物上に形成する膜形成工程と、を含む成膜方法であって、前記ノズルが本発明に係るエアロゾル噴射用ノズルであり、さらに、前記ノズルにおける前記エアロゾル流路を通過するエアロゾル流に対して、前記ノズルの前記レーザー発出面からレーザーを発出する発出工程と、前記発出工程によって発出されたレーザーを、前記ノズルの前記受光面によって受光する受光工程と、前記受光工程によって受光されたレーザーの物理量を前記センサーで感知し、この感知された物理量に基づいて、前記エアロゾル流の粒子濃度、粒度分布 又は 速度を算出する算出工程と、を含み、前記物理量がレーザーの強度 及び／又は 波長である、成膜方法である。
【発明の効果】
【００２８】
本発明のエアロゾル噴射用ノズル、成膜装置及び成膜方法によれば、エアロゾルデポジション法においてエアロゾル流の粒度分布、粒子速度、又は粒子濃度を、レーザーを利用して正確に測定することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下では本発明の実施形態を、図面を参照しつつ具体的に説明する。
【００３０】
図１は、本発明の一実施形態に係るエアロゾル噴射用ノズル（以下「噴射ノズル」という）２１の形状を、正面、上面、側面、下面、及び縦断面で示した図である。ただし、これ等の図においては、噴射ノズル２１の有する光ファイバに関する記載を省略している。噴射ノズル２１はノズル本体２１ａから構成され、ノズル本体２１ａの下方（上流）端部には、エアロゾルをノズル内部に導入するためのスリット状導入開口２１ｆを有し、上方（下流）端部には、エアロゾルをノズル外部に噴射するためのスリット状射出開口２１ｅを有している。さらにノズル本体２１ａの内部には、エアロゾルを通過させるためにスリット状導入開口２１ｆとスリット状射出開口２１ｅとを連結した空洞として、エアロゾル流路２１ｂが設けられている。ノズル本体２１ａを構成する材質としては金属やセラミックスが挙げられる。
【００３１】
スリット状射出開口２１ｅの形状は、上面図で示すような、短辺が１ｍｍ以下（例えば０．６〜０．８ｍｍ程度）、長辺が１０〜１５ｃｍ程度の矩形である。スリット状導入開口２１ｆの形状は、下面図で示すような、短辺が１ｃｍ程度、長辺が同じく１０〜１５ｃｍ程度の矩形である。すなわち、スリット状射出開口２１ｅの短辺は、スリット状導入開口２１ｆの短辺よりも小さいものとなっている。両開口の長辺は同一の長さである。
【００３２】
エアロゾル流路２１ｂの長さはおよそ１０ｃｍ程度である。
【００３３】
エアロゾル流路２１ｂは、その横断面積が、スリット状導入開口２１ｆからスリット状射出開口２１ｅへの方向に向けて次第に減少するように構成されている。このために、エアロゾル流路２１ｂを画定する内周壁面のうち、幅広の側壁における内周壁面に、一対のテーパ部２１ｄ、２１ｋが設けられている。当該一対のテーパ部はエアロゾル流路２１ｂの横断面積をその横断面の短辺の縮小によって狭めるように、エアロゾル流路２１ｂを上流から下流に向けて見たときに内側方向に緩やかに傾斜している。さらに当該一対のテーパ部はその傾斜角度に関して左右対称である。縦断面図で示すように、テーパ部２１ｄ、２１ｋの存在によって、スリット状導入開口２１ｆの短辺の長さが、スリット状射出開口２１ｅの短辺の長さにまで直線的に絞り込まれる。テーパ部２１ｄ、２１ｋの長さはおよそ５ｃｍ程度である。
【００３４】
テーパ部２１ｄ、２１ｋはスリット状射出開口２１ｅに直接連結しているのではなく、テーパ部２１ｄ、２１ｋと、スリット状射出開口２１ｅとのあいだには、一対の平面部２１ｃ、２１ｊが設けられている。当該一対の平面部は、この流域においてエアロゾル流路２１ｂの横断面積が一定となるように、互いに対して平行になっている。平面部２１ｃ、２１ｊはエアロゾル流の流れ方向に対しても平行である。
【００３５】
さらにテーパ部２１ｄ、２１ｋと、スリット状導入開口２１ｆとのあいだにも、同様に互いに平行な一対の平面部が設けられている。
【００３６】
エアロゾル流は、スリット状導入開口２１ｆからエアロゾル流路２１ｂに進入するが、エアロゾル流路２１ｂの横断面積がテーパ部２１ｄ、２１ｋによって減少するので、当該テーパ部が設けられた中流域で加速した後、平面部２１ｃ、２１ｊが設けられた下流域を通過することによって、スリット状射出開口２１ｅから噴射される。つまり、エアロズル流は、平面部２１ｃ、２１ｊが設けられた下流域を通過するときに、噴射ノズル２１内で最も高速になっている。
【００３７】
図２は、図１で示した噴射ノズル２１についてスリット状射出開口２１ｅ付近の縦断面を拡大し、エアロゾル流２２、レーザー６１、及び回折・散乱光６２、６３と共に概念的に示した図である。この図２には、レーザー発出面を構成する光ファイバやレーザー受光面を構成する光ファイバが表されている。
【００３８】
ノズル本体２１ａの右側壁２１ｇには、レーザー発出用の光ファイバ３２と、回折・散乱光の波長検出用光ファイバ４２とが、エアロゾル流２２の流れ方向（エアロゾル流路の中心軸方向）に対して斜め方向に埋設されている。なお、その埋設箇所は噴射ノズル２１の奥行方向（図１の側面図での短辺）におけるほぼ中央あたりである。レーザー発出用の光ファイバ３２の向きがエアロゾル流２２の流れ方向に対して傾斜しているので、光ファイバ３２を経過して発出されるレーザー６１とエアロゾル流２２は斜めに交差する。
【００３９】
ただし、回折・散乱光の波長検出用光ファイバ４２を設けない場合、すなわちエアロゾルの粒子濃度、及び／又は、粒度分布を測定対象とするが粒子速度を測定対象としない場合には、レーザー発出用の光ファイバ３２をエアロゾル流２２の流れ方向に対して斜めに設ける必要はなく、垂直に設けてもよい。
【００４０】
本形態では、レーザー発出用の光ファイバ３２は、右側壁２１ｇの外壁面から差し込まれ、エアロゾル流２２の上流方向に向けて傾斜するような向きで、右側壁２１ｇ内を進行する。そして、右側平面部２１ｃにおいて右側壁２１ｇの内壁面に達するが、そこで切断されて、レーザー発出面たる光ファイバ断面３１がエアロゾル流路２１ｂ内に露出することになる。光ファイバ断面３１は、平面部２１ｃに対して陥没も突出もしておらず、面一となるように加工されている。
【００４１】
回折・散乱光の波長検出用光ファイバ４２も同じく、右側壁２１ｇの外壁面から差し込まれるが、こちらはエアロゾル流２２の下流方向に向けて傾斜するような向きで右側壁２１ｇ内を進行する。そして、光ファイバ３２の断面３１が配置されている地点よりも上流側の平面部２１ｃにおいて、右側壁２１ｇの内壁面に達する。そこで切断されて、レーザー受光面たる光ファイバ断面４１がエアロゾル流路２１ｂ内に露出することになるが、当該断面も、平面部２１ｃに対して陥没も突出もしておらず、面一となるように加工されている。
【００４２】
回折・散乱光の波長検出用光ファイバ４２の断面４１が、レーザー発出用の光ファイバ３２の断面３１よりも上流側に位置するので、ドップラー効果を利用した速度測定が可能になる。回折・散乱光の波長検出用光ファイバ４２の傾斜角度、及びその断面４１の位置は、回折・散乱光レーザー発出用の光ファイバ３２の傾斜角度、及びその断面３１の位置との関係において、ドップラー効果を利用した速度測定に必要な回折・散乱光の受光に適したものとなるよう調整する。
【００４３】
一方、エアロゾル流路２１ｂを挟んで前記右側壁２１ｇと対向している左側壁２１ｈには、回折・散乱光の強度検出用光ファイバ５２、５２ａが埋設されている。いずれも左側壁２１ｈの外壁面から差し込まれ、左側壁２１ｈ内を進行した後、左側平面部２１ｊにおいて左側壁２１ｈの内壁面に達する。そこで切断されて、レーザー受光面たる光ファイバ断面５１、５１ａが、エアロゾル流路２１ｂ内に露出することになるが、当該断面も、平面部２１ｊに対して陥没も突出もしておらず、面一となるように加工されている。
【００４４】
光ファイバ５２の断面５１は、回折・散乱光レーザー発出用の光ファイバ３２の断面３１から発出するレーザーの直進方向に配置されており、光ファイバ５２の傾斜角度は、断面５１で受光した回折・散乱光が光ファイバ５２内を効率よく伝導するように、光ファイバ３２の傾斜角度とおよそ同一である。
【００４５】
一方、光ファイバ５２ａの断面５１ａは、平面部２１ｊにおいて断面５１の位置よりも下流側に配置されている。断面５１ａで受光した回折・散乱光が光ファイバ５２ａ内を効率よく伝導するよう、断面５１ａの位置に応じて、光ファイバ５２ａの傾斜角度は決定される。
【００４６】
なお、エアロゾル流２２の粒度分布の測定には回折・散乱光の強度分布の算出が必要であり、粒子濃度の測定には回折・散乱光の総強度の算出が必要であるから、これらの測定をより正確に行うにはレーザー受光面の数を増やしたほうがよい。したがって、図２では回折・散乱光の強度検出用光ファイバを２本のみ配置しているが、平面部２１ｃにおいて、より多数配置したほうが好ましい。この場合、左側壁２１ｈ側の平面部２１ｊだけではなく、右側壁２１ｇ側の平面部２１ｃにも配置してよい。
【００４７】
図３は、図１、図２で示した噴射ノズル２１を用いた成膜装置を概略的に示している。この成膜装置は、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部１０と、内部で成膜を行うためのチャンバ２０を備えている。エアロゾル発生部１０は内部に材料粒子が収納され、キャリアガスを導入することができるように構成されている。エアロゾル発生部１０の上部にはエアロゾル供給管１１の一端が挿入されている。エアロゾル供給管１１の他端には噴射ノズル２１が接続されている。
【００４８】
前記材料粒子を構成する材料としては、エアロゾルデポジション法に使用できるものであれば特に限定されず、例えば、圧電材料であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）や、アルミナ等の無機粉体、樹脂等の有機粉体を使用することができる。本形態では、前記材料粒子を構成する材料としてセラミックスを用いる。
【００４９】
前記材料粒子の粒径としても、エアロゾルデポジション法に使用可能な粒径であればよいが、例えば、数μｍ〜数十μｍ程度のものでよい。
【００５０】
前記キャリアガスとしては、エアロゾルデポジション法に使用できるものであれば特に限定されず、例えば、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスや、窒素、空気、酸素等を使用することができる。
【００５１】
チャンバ２０の内部には、被処理物である基板２３を取り付けるための基板ホルダー２４と、その下方に噴射ノズル２１が配置されている。基板ホルダー２４は矩形板状に形成されており、基板ホルダー移動機構２５によって水平姿勢でチャンバ２０の天井からつり下げられ、その下面側に基板２３を保持することができるようになっている。基板ホルダー移動機構２５は制御装置からの指令に応じて駆動できるようになっており、これによって基板ホルダー２４は水平面内において、前後方向及び左右方向に移動することができる。
【００５２】
チャンバ２０には、ブースターポンプ、ロータリーポンプ等が接続されており、その内部を減圧できるように構成されている。
【００５３】
本発明で用いられる基板２３の材料としては特に限定されず、例えば、金属、シリコン、半導体、樹脂等であってよい。
【００５４】
噴射ノズル２１は図１、図２で示したものである。スリット状導入開口２１ｆは、エアロゾル供給管１１の他端に接続されており、ここからエアロゾルがノズル内に導入される。スリット状射出開口２１ｅは、基板ホルダー２４の下面に保持された基板２３の、セラミックス薄膜を形成すべき表面に向けられており、そこからエアロゾル流２２を噴射する。図３では、噴射ノズル２１は、エアロゾル流２２を基板２３に対して垂直に噴射するような向きで配置されているが、基板２３に対して斜めに噴射するような向きに配置されてもよい。
【００５５】
噴射ノズル２１内のエアロゾル流路２１ｂを画定する内周壁面には、上述のとおりレーザー発出面たる光ファイバ断面３１、波長検出用のレーザー受光面たる光ファイバ断面４１、及び強度検出用のレーザー受光面たる光ファイバ断面５１、５１ａが設けられている。光ファイバ断面３１は光ファイバ３２によってレーザー照射機３３に接続されている。光ファイバ断面４１は光ファイバ４２によって光波長検出センサ４３に接続され、さらに当該センサは速度演算部４４に接続されている。光ファイバ断面５１、５１ａは光ファイバ５２、５２ａによって光強度検出センサ５３、５３ａに接続され、さらに当該センサは粒度分布及び／又は粒子濃度の演算部５４に接続されている。
【００５６】
エアロゾル発生部１０では、超音波加振装置を配置して振動を加えたり、内部に巻き上げガスを導入してサイクロン流を生成させたり、床部から流動ガスを供給したりすることによって、キャリアガスに材料粒子を分散させ、エアロゾルを発生させる。ここで、チャンバ２０の内圧をエアロゾル発生部１０の内圧と比較して低圧にすると、その差圧によって、エアロゾル発生部１０内のエアロゾルは、エアロゾル供給管１１に吸い込まれ、これを経由して噴射ノズル２１に供給される。なお、エアロゾル供給管１１の途中には、キャリアガスの総量を調整できるようにキャリアガスを補充するガス補充管が接続されてもよい。
【００５７】
スリット状導入開口２１ｆからエアロゾル流路２１ｂに進入したエアロゾルは、当該流路の中流域にあるテーパ部２１ｄ、２１ｋによって横断面積が減少するので加速がされたうえで、さらに平面部２１ｃ、２１ｊが設けられた下流域を通過し、スリット状射出開口２１ｅから噴射ノズル２１の外部に噴出して基板２３に吹き付けられる。なお、平面部２１ｃ、２１ｊが設けられた下流域を通過するときは、エアロゾル流は最も高速になるとともに流れの方向が平面部２１ｃ、２１ｊと平行になるので、平面部２１ｃ、２１ｊ内に設けられた光ファイバ断面３１、４１、５１、５１ａへの粒子の付着は抑制される。これは、流れの方向が平面部２１ｃ、２１ｊと平行であるために粒子が平面部２１ｃ、２１ｊに接触する機会が少ないことと、粉体に付着していた水分等によって一時的に平面部２１ｃ、２１ｊに付着しても、その付着した粉体に後からくる流れの速い粉体が衝突して、平面部２１ｃ、２１ｊから剥離されるからである。そして、基板２３の表面に衝突した材料粒子は破砕し、堆積することによって、セラミックス薄膜が形成される。エアロゾル流２２の吹き付け時に基板ホルダー２４を水平面内で少しずつ移動させることによって、基板２３の全面にセラミックス薄膜を形成することができる。なお、スリット状射出開口２１ｅと基板２３とのあいだに、所定パターンを有するマスクを設置して、基板２３上の任意の位置に任意の形状でセラミックス薄膜が形成されるようにしてもよい。
【００５８】
粒子速度、粒度分布、及び／又は、粒子濃度を測定するためのレーザーはレーザー照射機３３の発光によって生じ、光ファイバ３２によって伝送され、光ファイバ断面３１からエアロゾル流路２１ｂ内に発出する。発出したレーザー６１は、スリット状射出開口２１ｅから噴出する直前に平面部２１ｃ、２１ｊがある下流域を通過しているエアロゾル流２２を照射する。レーザー６１がエアロゾル流２２によって回折・散乱し生じた回折・散乱光は、レーザーを発出している側の壁面においては光ファイバ断面４１によって、当該壁面と対向している壁面においては光ファイバ断面５１、５１ａによって受光される。
【００５９】
光ファイバ断面４１によって受光された回折・散乱光は、光ファイバ４２によって光波長検出センサ４３にまで伝送され、そこで波長が検出される。検出された波長の出力は速度演算部４４に伝達され、そこでＡ−Ｄ変換器によってデジタル化された後、検出波長に基づいて粒子速度が算出される。
【００６０】
一方、光ファイバ断面５１、５１ａによって受光された回折・散乱光は、光ファイバ５２、５２ａによって光強度検出センサ５３、５３ａにまで伝送され、そこで光強度が検出される。検出された強度の出力は粒度分布及び／又は粒子濃度の演算部５４に伝達され、そこでＡ−Ｄ変換器によってデジタル化された後、強度パターンと総強度が求められ、これらに基づいてそれぞれ、粒度分布と粒子濃度が算出される。
【００６１】
本発明ではエアロゾル流２２の粒子速度、粒子濃度、及び粒度分布をリアルタイムに算出することができるので、エアロゾルデポジション法を実施している最中にあっても、測定された粒子速度、粒子濃度、及び粒度分布の結果を、エアロゾル発生部１０内でエアロゾルを発生させる際の条件や、前記ガス補充管によるガス補充量、エアロゾル流２２を基板に吹き付ける際の条件等にフィードバックし、これらを種々調整することによって、形成されるセラミックス薄膜の膜厚の均一化、ひいては品質の向上を図ることができる。また、リアルタイムで測定されたエアロゾル流２２の粒子速度等に異常が生じた場合には、製造を直ちに中止して製品に何らかの欠陥が生じるのを事前に防止することもできる。
【００６２】
なお、本発明は上述のように、噴射ノズルに埋設した光ファイバと、レーザー照射機、光波長検出センサ、又は光強度検出センサとを連結する形態に限定されるものではなく、レーザー照射機のヘッド、光波長検出センサのヘッド、又は光強度検出センサのヘッドを直接、エアロゾル流路の内周壁面に設ける形態であってよい。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の一実施形態に係るエアロゾル噴射ノズルの形状を、正面、上面、側面、下面、及び縦断面で示した図
【図２】図１で示したエアロゾル噴射ノズルについてスリット状射出開口２１ｅ付近の縦断面を拡大し、エアロゾル流、レーザー及び回折・散乱光と共に概念的に示した図
【図３】図１、図２で示したエアロゾル噴射ノズルを用いた成膜装置を示す概略図
【符号の説明】
【００６４】
１０ エアロゾル発生部
１１ エアロゾル供給管
２０ チャンバ
２１ 噴射ノズル
２１ａ ノズル本体
２１ｂ エアロゾル流路
２１ｃ、２１ｊ 平面部
２１ｄ、２１ｋ テーパ部
２１ｅ スリット状射出開口
２１ｆ スリット状導入開口
２１ｇ 右側壁
２１ｈ 左側壁
２２ エアロゾル流
２３ 基板
２４ 基板ホルダー
２５ 基板ホルダー移動機構
３１ 光ファイバ３２の断面
３２ レーザー発出用光ファイバ
３３ レーザー照射機
４１ 光ファイバ４２の断面
４２ 回折・散乱光の波長検出用光ファイバ
４３ 光波長検出センサ
４４ 速度演算部
５１、５１ａ 光ファイバ５２、５２ａの断面
５２、５２ａ 回折・散乱光の強度検出用光ファイバ
５３、５３ａ 光強度検出センサ
５４ 粒度分布及び／又は粒子濃度の演算部
６１ レーザー
６２、６３ 回折・散乱光
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エアロゾルデポジション法で利用されるエアロゾル噴射用ノズル、並びに、それを用いた成膜装置及び成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電アクチュエータ等として用いられるセラミックス薄膜を形成する方法として、近年、エアロゾルデポジション法が注目されている。この方法は、気体中にセラミックス微粒子を分散してなるエアロゾルをノズルから噴射し、高速で基板表面に吹き付けることによって、当該基板上で微粒子を粉砕し堆積させてセラミックス薄膜を形成するものである。当該方法はセラミックス微粒子の常温衝撃固化現象を利用し、従来のセラミックス薄膜形成法において実施されていた１０００℃以上での焼結プロセスを不要とするものである。そのため、寸法精度を考慮した薄膜設計を行う必要がなくなり、また、微粒子の破砕によって緻密なナノ結晶組織が形成され、きわめて平滑な表面を持つセラミックス薄膜を製造することができる。
【０００３】
エアロゾルデポジション法においては、成膜を実施している過程において、エアロゾル発生装置での微粒子の減少や、キャリアガスの流量の変動、微粒子同士の凝集による凝集巨大粒子の形成、エアロゾル供給管や噴射ノズル等の目詰まりなど種々の要因によって、ノズルから噴射されるエアロゾル流の粒度分布、粒子速度、又は粒子濃度が経時的に変動する場合がある。しかしながらこれらが変動すると、得られるセラミックス薄膜の膜厚にムラが生じ、その性能に悪影響を及ぼすことになる。セラミックス薄膜の膜圧、ひいては性能を均一に維持するには、エアロゾル流の粒度分布、粒子速度、又は粒子濃度をリアルタイムで測定し、その結果に応じてエアロゾルの発生条件や、吹き付け条件等を制御することが望まれる。
【０００４】
一般にエアロゾルの粒度分布の測定は、市販されているレーザー回折・散乱式粒度分布測定装置を利用して行われている。この装置は、エアロゾルにレーザーを照射することによって得られる回折・散乱光の強度分布を測定し、その測定結果を、ミーの散乱理論又はフラウンホーファの回折理論を用いて換算することにより粒度分布を算出するものである（例えば特許文献１等を参照）。この装置は所要時間がきわめて短くて済むことから、エアロゾルデポジション法による成膜中にリアルタイムでエアロゾルの粒度分布を測定するのに適している。
【０００５】
エアロゾルの粒子濃度については、上記のレーザー回折・散乱式粒度分布測定装置を利用し、エアロゾルによって回折・散乱された光の総強度を求め、これを、既知濃度のエアロゾルを測定対象として予め得ておいた回折・散乱光強度の測定結果と対比して算出することができる（例えば特許文献２等を参照）。
【０００６】
エアロゾルの粒子速度については、ドップラー効果を利用したレーザードップラー速度計によって算出できることが知られている（例えば特許文献３等を参照）。この方法においては、エアロゾルにレーザーを照射して得られる散乱光が、ドップラー効果によってエアロゾルの粒子速度に影響された波長を持つことから、入射レーザーの波長と散乱光の波長との対比によってエアロゾルの粒子速度を求めるものである。
【０００７】
特許文献３に記載されているように、従来、エアロゾルデポジション法におけるエアロゾルの粒子速度等の測定は、噴射ノズルから噴出した後のエアロゾル流に対してレーザーを照射することにより行われていた。
【特許文献１】特開２００５−６１９４１号公報
【特許文献２】特開２０００−４６７２２号公報
【特許文献３】特開２００７−３１７３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
エアロゾルデポジション法においては、エアロゾル流として基板表面に吹き付けられたセラミックス微粒子のすべてが薄膜形成のために消費されるわけではない。セラミックス微粒子の多くは基板表面に衝突した後、薄膜の形成に寄与せずに粉砕され反発し、チャンバ内の雰囲気中に飛散し浮遊することになる。また、チャンバ内で浮遊している微粒子はチャンバ内の各種部材に接触して、これに付着する場合も多い。
【０００９】
したがって、噴射ノズルから噴出した後のエアロゾル流にレーザーを照射して当該エアロゾル流の粒度分布、又は粒子速度を測定する際には、測定対象であるエアロゾル流に含まれる微粒子のほかに、測定対象ではない浮遊微粒子をも検出してしまうことから、正確な測定が困難となっていた。
【００１０】
さらに、レーザーの発出面や受光面に浮遊微粒子が付着すると、これによってレーザーや、受光すべき回折・散乱光が散乱して、測定される光強度が低下してしまう問題もある。粒子濃度の測定は回折・散乱光の光強度に基づいたものであるから、粒子濃度についても正確な測定が困難であった。
【００１１】
そこで本発明は、エアロゾルデポジション法においてエアロゾル流の粒度分布、粒子速度、又は粒子濃度を、レーザーを利用して正確に測定することが可能な成膜装置及び成膜方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は上記現状に鑑みてなされたものであり、エアロゾル噴射用ノズルの内部にレーザー発出面とレーザー受光面を組み込むことによって、前記課題を解決するものである。
【００１３】
すなわち、本発明に係るエアロゾル噴射用ノズルは、エアロゾルを導入する導入開口と、エアロゾルを噴射する射出開口と、前記導入開口から前記射出開口までエアロゾルを通過させるエアロゾル流路と、を備えたエアロゾル噴射用ノズルであって、前記エアロゾル流路を画定する内周壁面に、レーザー発出面とレーザー受光面とが設けられ、前記レーザー発出面が、レーザー照射装置のレーザーを発出する面であり、そこから前記エアロゾル流路中にレーザーが発出され、前記レーザー受光面が、レーザーの物理量を検知するセンサーの受光面であり、前記レーザー発出面から発出されたレーザーを受光するものである。
【００１４】
従来のエアロゾルデポジション法による成膜装置では、レーザー発出面とレーザー受光面を噴射ノズルの外部に配置し、噴射ノズルから噴出した後のエアロゾル流に対してレーザーを照射することにより粒度分布等の測定を行っていたが、本発明ではレーザー発出面とレーザー受光面を噴射ノズルの内壁面に配置することによって、噴射ノズル内を流れるエアロゾル流に対してレーザーを照射し、当該エアロゾル流内の材料粒子により回折・散乱した光のみを検出する。噴射ノズルからはエアロゾル流が高速で噴出するので、チャンバ内を浮遊している材料粒子が噴射ノズル内に逆流することはない。したがって、エアロゾル流内の材料粒子によって生じた回折・散乱光のみを検出でき、浮遊材料粒子から生じる回折・散乱光に起因するノイズを排除することができ、エアロゾル流の粒度分布、粒子速度を正確に測定することが可能になる。
【００１５】
本発明に係るエアロゾル噴射用ノズルにおいては、前記内周壁面の一部が、下流に行くに従い前記エアロゾル流路の横断面積を減少させるように形成されたテーパ部であり、前記内周壁面における前記テーパ部よりも下流側の部分に、前記レーザー発出面と前記レーザー受光面とが設けられたことが好ましい。
【００１６】
このようにすると、噴射ノズル内を通過しているエアロゾル流は前記テーパ部によって通過断面積が減少するので加速がされ、その加速された状態で噴射ノズルから噴出し、基板に吹き付けられることになる。エアロゾル流の速度が高速であるほど、材料粒子の周辺部材への付着が抑制されることから、テーパ部よりも下流にレーザー発出面とレーザー受光面とを設けることによって、レーザー発出面とレーザー受光面への材料粒子の付着を防止することができ、よってエアロゾル流の粒子濃度を正確に測定できるようになる。また、当該基板に吹き付けられる最終的なエアロゾル流の粒度分布、粒子速度、粒子濃度を測定することになるので、得られた測定結果を、製造する薄膜の均質化により有効に役立てることができる。
【００１７】
本発明では、前記内周壁面が、前記エアロゾル流路の中心軸を挟んで向かい合う、互いに平行な一対の平面部を含み、前記レーザー発出面と前記レーザー受光面とが該平面部に設けられたことが好ましい。
【００１８】
ここで、エアロゾル流路の中心軸の方向とエアロゾル流の流れ方向とは平行になるものであるから、上記の構成においては、エアロゾル流の流れ方向とレーザー発出面及びレーザー受光面とが平行になる。この構成によって、レーザー発出面とレーザー受光面にエアロゾル流中の材料粒子がより付着しにくくなる。
【００１９】
本発明では、前記レーザー発出面から、前記エアロゾル流路の中心軸線に対する斜めの方向にレーザーが発出されることが好ましい。
【００２０】
このようにすると、エアロゾル流の流れ方向とレーザーの進行方向とが斜めに交差するので、レーザードップラー法に基づいた粒子速度の測定が可能になる。
【００２１】
本発明では、前記レーザー発出面 及び／又は 前記レーザー受光面を、光ファイバ断面によって構成することが好ましい。
【００２２】
この構成によって、微小なサイズのノズルに対してレーザー発出面とレーザー受光面を組み込むことが容易になる。また、当該断面を光ファイバによってレーザー照射機や検出センサに接続すれば、これらをノズルの外部に配置することが可能になる。従来、噴射ノズルの目詰まり防止を目的としてエアロゾル噴射中に噴射ノズルの加熱が行われているが、レーザー照射機やセンサをノズルの外部に配置することによって、ノズルの加熱を容易に行うことができるようになる。
【００２３】
本発明では、前記レーザー発出面 及び／又は 前記レーザー受光面が、前記内周壁面と面一となるように構成されていることが好ましい。
【００２４】
このようにすると、レーザー発出面とレーザー受光面が、エアロゾル流路を画定する内周壁面に対して陥没も突出もしていないから、これらの面にエアロゾル流中の材料粒子がより付着しにくくなる。また、ノズルの目詰まりを防止することもできる。
【００２５】
さらに本発明は、前記エアロゾル噴射用ノズルを使用した成膜装置及び成膜方法でもある。
【００２６】
本発明に係る成膜装置は、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部と、前記エアロゾル発生部に接続されて前記エアロゾルを被処理物に吹き付けるノズルと、を備えた成膜装置であって、前記ノズルが本発明に係るエアロゾル噴射用ノズルであり、さらに、前記ノズルの前記レーザー受光面によって受光されたレーザーの物理量を前記センサーによって感知し、この感知された物理量に基づき、前記ノズルにおける前記エアロゾル流路を通過するエアロゾル流の粒子濃度、粒度分布 又は 速度を算出する算出手段を備え、前記物理量がレーザーの強度 及び／又は 波長である、成膜装置である。
【００２７】
本発明に係る成膜方法は、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、発生したエアロゾルをノズルから噴出させて被処理物に吹き付けることにより前記材料粒子の膜を前記被処理物上に形成する膜形成工程と、を含む成膜方法であって、前記ノズルが本発明に係るエアロゾル噴射用ノズルであり、さらに、前記ノズルにおける前記エアロゾル流路を通過するエアロゾル流に対して、前記ノズルの前記レーザー発出面からレーザーを発出する発出工程と、前記発出工程によって発出されたレーザーを、前記ノズルの前記受光面によって受光する受光工程と、前記受光工程によって受光されたレーザーの物理量を前記センサーで感知し、この感知された物理量に基づいて、前記エアロゾル流の粒子濃度、粒度分布 又は 速度を算出する算出工程と、を含み、前記物理量がレーザーの強度 及び／又は 波長である、成膜方法である。
【発明の効果】
【００２８】
本発明のエアロゾル噴射用ノズル、成膜装置及び成膜方法によれば、エアロゾルデポジション法においてエアロゾル流の粒度分布、粒子速度、又は粒子濃度を、レーザーを利用して正確に測定することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下では本発明の実施形態を、図面を参照しつつ具体的に説明する。
【００３０】
図１は、本発明の一実施形態に係るエアロゾル噴射用ノズル（以下「噴射ノズル」という）２１の形状を、正面、上面、側面、下面、及び縦断面で示した図である。ただし、これ等の図においては、噴射ノズル２１の有する光ファイバに関する記載を省略している。噴射ノズル２１はノズル本体２１ａから構成され、ノズル本体２１ａの下方（上流）端部には、エアロゾルをノズル内部に導入するためのスリット状導入開口２１ｆを有し、上方（下流）端部には、エアロゾルをノズル外部に噴射するためのスリット状射出開口２１ｅを有している。さらにノズル本体２１ａの内部には、エアロゾルを通過させるためにスリット状導入開口２１ｆとスリット状射出開口２１ｅとを連結した空洞として、エアロゾル流路２１ｂが設けられている。ノズル本体２１ａを構成する材質としては金属やセラミックスが挙げられる。
【００３１】
スリット状射出開口２１ｅの形状は、上面図で示すような、短辺が１ｍｍ以下（例えば０．６〜０．８ｍｍ程度）、長辺が１０〜１５ｃｍ程度の矩形である。スリット状導入開口２１ｆの形状は、下面図で示すような、短辺が１ｃｍ程度、長辺が同じく１０〜１５ｃｍ程度の矩形である。すなわち、スリット状射出開口２１ｅの短辺は、スリット状導入開口２１ｆの短辺よりも小さいものとなっている。両開口の長辺は同一の長さである。
【００３２】
エアロゾル流路２１ｂの長さはおよそ１０ｃｍ程度である。
【００３３】
エアロゾル流路２１ｂは、その横断面積が、スリット状導入開口２１ｆからスリット状射出開口２１ｅへの方向に向けて次第に減少するように構成されている。このために、エアロゾル流路２１ｂを画定する内周壁面のうち、幅広の側壁における内周壁面に、一対のテーパ部２１ｄ、２１ｋが設けられている。当該一対のテーパ部はエアロゾル流路２１ｂの横断面積をその横断面の短辺の縮小によって狭めるように、エアロゾル流路２１ｂを上流から下流に向けて見たときに内側方向に緩やかに傾斜している。さらに当該一対のテーパ部はその傾斜角度に関して左右対称である。縦断面図で示すように、テーパ部２１ｄ、２１ｋの存在によって、スリット状導入開口２１ｆの短辺の長さが、スリット状射出開口２１ｅの短辺の長さにまで直線的に絞り込まれる。テーパ部２１ｄ、２１ｋの長さはおよそ５ｃｍ程度である。
【００３４】
テーパ部２１ｄ、２１ｋはスリット状射出開口２１ｅに直接連結しているのではなく、テーパ部２１ｄ、２１ｋと、スリット状射出開口２１ｅとのあいだには、一対の平面部２１ｃ、２１ｊが設けられている。当該一対の平面部は、この流域においてエアロゾル流路２１ｂの横断面積が一定となるように、互いに対して平行になっている。平面部２１ｃ、２１ｊはエアロゾル流の流れ方向に対しても平行である。
【００３５】
さらにテーパ部２１ｄ、２１ｋと、スリット状導入開口２１ｆとのあいだにも、同様に互いに平行な一対の平面部が設けられている。
【００３６】
エアロゾル流は、スリット状導入開口２１ｆからエアロゾル流路２１ｂに進入するが、エアロゾル流路２１ｂの横断面積がテーパ部２１ｄ、２１ｋによって減少するので、当該テーパ部が設けられた中流域で加速した後、平面部２１ｃ、２１ｊが設けられた下流域を通過することによって、スリット状射出開口２１ｅから噴射される。つまり、エアロズル流は、平面部２１ｃ、２１ｊが設けられた下流域を通過するときに、噴射ノズル２１内で最も高速になっている。
【００３７】
図２は、図１で示した噴射ノズル２１についてスリット状射出開口２１ｅ付近の縦断面を拡大し、エアロゾル流２２、レーザー６１、及び回折・散乱光６２、６３と共に概念的に示した図である。この図２には、レーザー発出面を構成する光ファイバやレーザー受光面を構成する光ファイバが表されている。
【００３８】
ノズル本体２１ａの右側壁２１ｇには、レーザー発出用の光ファイバ３２と、回折・散乱光の波長検出用光ファイバ４２とが、エアロゾル流２２の流れ方向（エアロゾル流路の中心軸方向）に対して斜め方向に埋設されている。なお、その埋設箇所は噴射ノズル２１の奥行方向（図１の側面図での短辺）におけるほぼ中央あたりである。レーザー発出用の光ファイバ３２の向きがエアロゾル流２２の流れ方向に対して傾斜しているので、光ファイバ３２を経過して発出されるレーザー６１とエアロゾル流２２は斜めに交差する。
【００３９】
ただし、回折・散乱光の波長検出用光ファイバ４２を設けない場合、すなわちエアロゾルの粒子濃度、及び／又は、粒度分布を測定対象とするが粒子速度を測定対象としない場合には、レーザー発出用の光ファイバ３２をエアロゾル流２２の流れ方向に対して斜めに設ける必要はなく、垂直に設けてもよい。
【００４０】
本形態では、レーザー発出用の光ファイバ３２は、右側壁２１ｇの外壁面から差し込まれ、エアロゾル流２２の上流方向に向けて傾斜するような向きで、右側壁２１ｇ内を進行する。そして、右側平面部２１ｃにおいて右側壁２１ｇの内壁面に達するが、そこで切断されて、レーザー発出面たる光ファイバ断面３１がエアロゾル流路２１ｂ内に露出することになる。光ファイバ断面３１は、平面部２１ｃに対して陥没も突出もしておらず、面一となるように加工されている。
【００４１】
回折・散乱光の波長検出用光ファイバ４２も同じく、右側壁２１ｇの外壁面から差し込まれるが、こちらはエアロゾル流２２の下流方向に向けて傾斜するような向きで右側壁２１ｇ内を進行する。そして、光ファイバ３２の断面３１が配置されている地点よりも上流側の平面部２１ｃにおいて、右側壁２１ｇの内壁面に達する。そこで切断されて、レーザー受光面たる光ファイバ断面４１がエアロゾル流路２１ｂ内に露出することになるが、当該断面も、平面部２１ｃに対して陥没も突出もしておらず、面一となるように加工されている。
【００４２】
回折・散乱光の波長検出用光ファイバ４２の断面４１が、レーザー発出用の光ファイバ３２の断面３１よりも上流側に位置するので、ドップラー効果を利用した速度測定が可能になる。回折・散乱光の波長検出用光ファイバ４２の傾斜角度、及びその断面４１の位置は、回折・散乱光レーザー発出用の光ファイバ３２の傾斜角度、及びその断面３１の位置との関係において、ドップラー効果を利用した速度測定に必要な回折・散乱光の受光に適したものとなるよう調整する。
【００４３】
一方、エアロゾル流路２１ｂを挟んで前記右側壁２１ｇと対向している左側壁２１ｈには、回折・散乱光の強度検出用光ファイバ５２、５２ａが埋設されている。いずれも左側壁２１ｈの外壁面から差し込まれ、左側壁２１ｈ内を進行した後、左側平面部２１ｊにおいて左側壁２１ｈの内壁面に達する。そこで切断されて、レーザー受光面たる光ファイバ断面５１、５１ａが、エアロゾル流路２１ｂ内に露出することになるが、当該断面も、平面部２１ｊに対して陥没も突出もしておらず、面一となるように加工されている。
【００４４】
光ファイバ５２の断面５１は、回折・散乱光レーザー発出用の光ファイバ３２の断面３１から発出するレーザーの直進方向に配置されており、光ファイバ５２の傾斜角度は、断面５１で受光した回折・散乱光が光ファイバ５２内を効率よく伝導するように、光ファイバ３２の傾斜角度とおよそ同一である。
【００４５】
一方、光ファイバ５２ａの断面５１ａは、平面部２１ｊにおいて断面５１の位置よりも下流側に配置されている。断面５１ａで受光した回折・散乱光が光ファイバ５２ａ内を効率よく伝導するよう、断面５１ａの位置に応じて、光ファイバ５２ａの傾斜角度は決定される。
【００４６】
なお、エアロゾル流２２の粒度分布の測定には回折・散乱光の強度分布の算出が必要であり、粒子濃度の測定には回折・散乱光の総強度の算出が必要であるから、これらの測定をより正確に行うにはレーザー受光面の数を増やしたほうがよい。したがって、図２では回折・散乱光の強度検出用光ファイバを２本のみ配置しているが、平面部２１ｃにおいて、より多数配置したほうが好ましい。この場合、左側壁２１ｈ側の平面部２１ｊだけではなく、右側壁２１ｇ側の平面部２１ｃにも配置してよい。
【００４７】
図３は、図１、図２で示した噴射ノズル２１を用いた成膜装置を概略的に示している。この成膜装置は、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部１０と、内部で成膜を行うためのチャンバ２０を備えている。エアロゾル発生部１０は内部に材料粒子が収納され、キャリアガスを導入することができるように構成されている。エアロゾル発生部１０の上部にはエアロゾル供給管１１の一端が挿入されている。エアロゾル供給管１１の他端には噴射ノズル２１が接続されている。
【００４８】
前記材料粒子を構成する材料としては、エアロゾルデポジション法に使用できるものであれば特に限定されず、例えば、圧電材料であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）や、アルミナ等の無機粉体、樹脂等の有機粉体を使用することができる。本形態では、前記材料粒子を構成する材料としてセラミックスを用いる。
【００４９】
前記材料粒子の粒径としても、エアロゾルデポジション法に使用可能な粒径であればよいが、例えば、数μｍ〜数十μｍ程度のものでよい。
【００５０】
前記キャリアガスとしては、エアロゾルデポジション法に使用できるものであれば特に限定されず、例えば、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスや、窒素、空気、酸素等を使用することができる。
【００５１】
チャンバ２０の内部には、被処理物である基板２３を取り付けるための基板ホルダー２４と、その下方に噴射ノズル２１が配置されている。基板ホルダー２４は矩形板状に形成されており、基板ホルダー移動機構２５によって水平姿勢でチャンバ２０の天井からつり下げられ、その下面側に基板２３を保持することができるようになっている。基板ホルダー移動機構２５は制御装置からの指令に応じて駆動できるようになっており、これによって基板ホルダー２４は水平面内において、前後方向及び左右方向に移動することができる。
【００５２】
チャンバ２０には、ブースターポンプ、ロータリーポンプ等が接続されており、その内部を減圧できるように構成されている。
【００５３】
本発明で用いられる基板２３の材料としては特に限定されず、例えば、金属、シリコン、半導体、樹脂等であってよい。
【００５４】
噴射ノズル２１は図１、図２で示したものである。スリット状導入開口２１ｆは、エアロゾル供給管１１の他端に接続されており、ここからエアロゾルがノズル内に導入される。スリット状射出開口２１ｅは、基板ホルダー２４の下面に保持された基板２３の、セラミックス薄膜を形成すべき表面に向けられており、そこからエアロゾル流２２を噴射する。図３では、噴射ノズル２１は、エアロゾル流２２を基板２３に対して垂直に噴射するような向きで配置されているが、基板２３に対して斜めに噴射するような向きに配置されてもよい。
【００５５】
噴射ノズル２１内のエアロゾル流路２１ｂを画定する内周壁面には、上述のとおりレーザー発出面たる光ファイバ断面３１、波長検出用のレーザー受光面たる光ファイバ断面４１、及び強度検出用のレーザー受光面たる光ファイバ断面５１、５１ａが設けられている。光ファイバ断面３１は光ファイバ３２によってレーザー照射機３３に接続されている。光ファイバ断面４１は光ファイバ４２によって光波長検出センサ４３に接続され、さらに当該センサは速度演算部４４に接続されている。光ファイバ断面５１、５１ａは光ファイバ５２、５２ａによって光強度検出センサ５３、５３ａに接続され、さらに当該センサは粒度分布及び／又は粒子濃度の演算部５４に接続されている。
【００５６】
エアロゾル発生部１０では、超音波加振装置を配置して振動を加えたり、内部に巻き上げガスを導入してサイクロン流を生成させたり、床部から流動ガスを供給したりすることによって、キャリアガスに材料粒子を分散させ、エアロゾルを発生させる。ここで、チャンバ２０の内圧をエアロゾル発生部１０の内圧と比較して低圧にすると、その差圧によって、エアロゾル発生部１０内のエアロゾルは、エアロゾル供給管１１に吸い込まれ、これを経由して噴射ノズル２１に供給される。なお、エアロゾル供給管１１の途中には、キャリアガスの総量を調整できるようにキャリアガスを補充するガス補充管が接続されてもよい。
【００５７】
スリット状導入開口２１ｆからエアロゾル流路２１ｂに進入したエアロゾルは、当該流路の中流域にあるテーパ部２１ｄ、２１ｋによって横断面積が減少するので加速がされたうえで、さらに平面部２１ｃ、２１ｊが設けられた下流域を通過し、スリット状射出開口２１ｅから噴射ノズル２１の外部に噴出して基板２３に吹き付けられる。なお、平面部２１ｃ、２１ｊが設けられた下流域を通過するときは、エアロゾル流は最も高速になるとともに流れの方向が平面部２１ｃ、２１ｊと平行になるので、平面部２１ｃ、２１ｊ内に設けられた光ファイバ断面３１、４１、５１、５１ａへの粒子の付着は抑制される。これは、流れの方向が平面部２１ｃ、２１ｊと平行であるために粒子が平面部２１ｃ、２１ｊに接触する機会が少ないことと、粉体に付着していた水分等によって一時的に平面部２１ｃ、２１ｊに付着しても、その付着した粉体に後からくる流れの速い粉体が衝突して、平面部２１ｃ、２１ｊから剥離されるからである。そして、基板２３の表面に衝突した材料粒子は破砕し、堆積することによって、セラミックス薄膜が形成される。エアロゾル流２２の吹き付け時に基板ホルダー２４を水平面内で少しずつ移動させることによって、基板２３の全面にセラミックス薄膜を形成することができる。なお、スリット状射出開口２１ｅと基板２３とのあいだに、所定パターンを有するマスクを設置して、基板２３上の任意の位置に任意の形状でセラミックス薄膜が形成されるようにしてもよい。
【００５８】
粒子速度、粒度分布、及び／又は、粒子濃度を測定するためのレーザーはレーザー照射機３３の発光によって生じ、光ファイバ３２によって伝送され、光ファイバ断面３１からエアロゾル流路２１ｂ内に発出する。発出したレーザー６１は、スリット状射出開口２１ｅから噴出する直前に平面部２１ｃ、２１ｊがある下流域を通過しているエアロゾル流２２を照射する。レーザー６１がエアロゾル流２２によって回折・散乱し生じた回折・散乱光は、レーザーを発出している側の壁面においては光ファイバ断面４１によって、当該壁面と対向している壁面においては光ファイバ断面５１、５１ａによって受光される。
【００５９】
光ファイバ断面４１によって受光された回折・散乱光は、光ファイバ４２によって光波長検出センサ４３にまで伝送され、そこで波長が検出される。検出された波長の出力は速度演算部４４に伝達され、そこでＡ−Ｄ変換器によってデジタル化された後、検出波長に基づいて粒子速度が算出される。
【００６０】
一方、光ファイバ断面５１、５１ａによって受光された回折・散乱光は、光ファイバ５２、５２ａによって光強度検出センサ５３、５３ａにまで伝送され、そこで光強度が検出される。検出された強度の出力は粒度分布及び／又は粒子濃度の演算部５４に伝達され、そこでＡ−Ｄ変換器によってデジタル化された後、強度パターンと総強度が求められ、これらに基づいてそれぞれ、粒度分布と粒子濃度が算出される。
【００６１】
本発明ではエアロゾル流２２の粒子速度、粒子濃度、及び粒度分布をリアルタイムに算出することができるので、エアロゾルデポジション法を実施している最中にあっても、測定された粒子速度、粒子濃度、及び粒度分布の結果を、エアロゾル発生部１０内でエアロゾルを発生させる際の条件や、前記ガス補充管によるガス補充量、エアロゾル流２２を基板に吹き付ける際の条件等にフィードバックし、これらを種々調整することによって、形成されるセラミックス薄膜の膜厚の均一化、ひいては品質の向上を図ることができる。また、リアルタイムで測定されたエアロゾル流２２の粒子速度等に異常が生じた場合には、製造を直ちに中止して製品に何らかの欠陥が生じるのを事前に防止することもできる。
【００６２】
なお、本発明は上述のように、噴射ノズルに埋設した光ファイバと、レーザー照射機、光波長検出センサ、又は光強度検出センサとを連結する形態に限定されるものではなく、レーザー照射機のヘッド、光波長検出センサのヘッド、又は光強度検出センサのヘッドを直接、エアロゾル流路の内周壁面に設ける形態であってよい。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の一実施形態に係るエアロゾル噴射ノズルの形状を、正面、上面、側面、下面、及び縦断面で示した図
【図２】図１で示したエアロゾル噴射ノズルについてスリット状射出開口２１ｅ付近の縦断面を拡大し、エアロゾル流、レーザー及び回折・散乱光と共に概念的に示した図
【図３】図１、図２で示したエアロゾル噴射ノズルを用いた成膜装置を示す概略図
【符号の説明】
【００６４】
１０ エアロゾル発生部
１１ エアロゾル供給管
２０ チャンバ
２１ 噴射ノズル
２１ａ ノズル本体
２１ｂ エアロゾル流路
２１ｃ、２１ｊ 平面部
２１ｄ、２１ｋ テーパ部
２１ｅ スリット状射出開口
２１ｆ スリット状導入開口
２１ｇ 右側壁
２１ｈ 左側壁
２２ エアロゾル流
２３ 基板
２４ 基板ホルダー
２５ 基板ホルダー移動機構
３１ 光ファイバ３２の断面
３２ レーザー発出用光ファイバ
３３ レーザー照射機
４１ 光ファイバ４２の断面
４２ 回折・散乱光の波長検出用光ファイバ
４３ 光波長検出センサ
４４ 速度演算部
５１、５１ａ 光ファイバ５２、５２ａの断面
５２、５２ａ 回折・散乱光の強度検出用光ファイバ
５３、５３ａ 光強度検出センサ
５４ 粒度分布及び／又は粒子濃度の演算部
６１ レーザー
６２、６３ 回折・散乱光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エアロゾルを導入する導入開口と、エアロゾルを噴射する射出開口と、前記導入開口から前記射出開口までエアロゾルを通過させるエアロゾル流路と、を備えたエアロゾル噴射用ノズルであって、
前記エアロゾル流路を画定する内周壁面に、レーザー発出面とレーザー受光面とが設けられ、
前記レーザー発出面が、レーザー照射装置のレーザーを発出する面であり、そこから前記エアロゾル流路中にレーザーが発出され、
前記レーザー受光面が、レーザーの物理量を検知するセンサーの受光面であり、前記レーザー発出面から発出されたレーザーを受光する、エアロゾル噴射用ノズル。
【請求項２】
前記内周壁面の一部が、下流に行くに従い前記エアロゾル流路の横断面積を減少させるように形成されたテーパ部であり、
前記内周壁面における前記テーパ部よりも下流側の部分に、前記レーザー発出面と前記レーザー受光面とが設けられた、請求項１記載のエアロゾル噴射用ノズル。
【請求項３】
前記内周壁面が、前記エアロゾル流路の中心軸を挟んで向かい合う、互いに平行な一対の平面部を含み、
前記レーザー発出面と前記レーザー受光面とが該平面部に設けられた、請求項１又は２記載のエアロゾル噴射用ノズル。
【請求項４】
前記レーザー発出面から、前記エアロゾル流路の中心軸線に対する斜めの方向にレーザーが発出される、請求項１〜３のいずれかに記載のエアロゾル噴射用ノズル。
【請求項５】
前記レーザー発出面 及び／又は 前記レーザー受光面が、光ファイバ断面によって構成されている、請求項１〜４のいずれかに記載のエアロゾル噴射用ノズル。
【請求項６】
前記レーザー発出面 及び／又は 前記レーザー受光面が、前記内周壁面と面一となるように構成されている、請求項１〜５のいずれかに記載のエアロゾル噴射用ノズル。
【請求項７】
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部と、前記エアロゾル発生部に接続されて前記エアロゾルを被処理物に吹き付けるノズルと、を備えた成膜装置であって、
前記ノズルが請求項１〜６のいずれかに記載のエアロゾル噴射用ノズルであり、
さらに、前記ノズルの前記レーザー受光面によって受光されたレーザーの物理量を前記センサーによって感知し、この感知された物理量に基づき、前記ノズルにおける前記エアロゾル流路を通過するエアロゾル流の粒子濃度、粒度分布 又は 速度を算出する算出手段を備え、
前記物理量がレーザーの強度 及び／又は 波長である、成膜装置。
【請求項８】
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、発生したエアロゾルをノズルから噴出させて被処理物に吹き付けることにより前記材料粒子の膜を前記被処理物上に形成する膜形成工程と、を含む成膜方法であって、
前記ノズルが請求項１〜６のいずれかに記載のエアロゾル噴射用ノズルであり、
さらに、前記ノズルにおける前記エアロゾル流路を通過するエアロゾル流に対して、前記ノズルの前記レーザー発出面からレーザーを発出する発出工程と、
前記発出工程によって発出されたレーザーを、前記ノズルの前記受光面によって受光する受光工程と、
前記受光工程によって受光されたレーザーの物理量を前記センサーで感知し、この感知された物理量に基づいて、前記エアロゾル流の粒子濃度、粒度分布 又は 速度を算出する算出工程と、を含み、
前記物理量がレーザーの強度 及び／又は 波長である、成膜方法。
【請求項１】
エアロゾルを導入する導入開口と、エアロゾルを噴射する射出開口と、前記導入開口から前記射出開口までエアロゾルを通過させるエアロゾル流路と、を備えたエアロゾル噴射用ノズルであって、
前記エアロゾル流路を画定する内周壁面に、レーザー発出面とレーザー受光面とが設けられ、
前記レーザー発出面が、レーザー照射装置のレーザーを発出する面であり、そこから前記エアロゾル流路中にレーザーが発出され、
前記レーザー受光面が、レーザーの物理量を検知するセンサーの受光面であり、前記レーザー発出面から発出されたレーザーを受光する、エアロゾル噴射用ノズル。
【請求項２】
前記内周壁面の一部が、下流に行くに従い前記エアロゾル流路の横断面積を減少させるように形成されたテーパ部であり、
前記内周壁面における前記テーパ部よりも下流側の部分に、前記レーザー発出面と前記レーザー受光面とが設けられた、請求項１記載のエアロゾル噴射用ノズル。
【請求項３】
前記内周壁面が、前記エアロゾル流路の中心軸を挟んで向かい合う、互いに平行な一対の平面部を含み、
前記レーザー発出面と前記レーザー受光面とが該平面部に設けられた、請求項１又は２記載のエアロゾル噴射用ノズル。
【請求項４】
前記レーザー発出面から、前記エアロゾル流路の中心軸線に対する斜めの方向にレーザーが発出される、請求項１〜３のいずれかに記載のエアロゾル噴射用ノズル。
【請求項５】
前記レーザー発出面 及び／又は 前記レーザー受光面が、光ファイバ断面によって構成されている、請求項１〜４のいずれかに記載のエアロゾル噴射用ノズル。
【請求項６】
前記レーザー発出面 及び／又は 前記レーザー受光面が、前記内周壁面と面一となるように構成されている、請求項１〜５のいずれかに記載のエアロゾル噴射用ノズル。
【請求項７】
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部と、前記エアロゾル発生部に接続されて前記エアロゾルを被処理物に吹き付けるノズルと、を備えた成膜装置であって、
前記ノズルが請求項１〜６のいずれかに記載のエアロゾル噴射用ノズルであり、
さらに、前記ノズルの前記レーザー受光面によって受光されたレーザーの物理量を前記センサーによって感知し、この感知された物理量に基づき、前記ノズルにおける前記エアロゾル流路を通過するエアロゾル流の粒子濃度、粒度分布 又は 速度を算出する算出手段を備え、
前記物理量がレーザーの強度 及び／又は 波長である、成膜装置。
【請求項８】
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、発生したエアロゾルをノズルから噴出させて被処理物に吹き付けることにより前記材料粒子の膜を前記被処理物上に形成する膜形成工程と、を含む成膜方法であって、
前記ノズルが請求項１〜６のいずれかに記載のエアロゾル噴射用ノズルであり、
さらに、前記ノズルにおける前記エアロゾル流路を通過するエアロゾル流に対して、前記ノズルの前記レーザー発出面からレーザーを発出する発出工程と、
前記発出工程によって発出されたレーザーを、前記ノズルの前記受光面によって受光する受光工程と、
前記受光工程によって受光されたレーザーの物理量を前記センサーで感知し、この感知された物理量に基づいて、前記エアロゾル流の粒子濃度、粒度分布 又は 速度を算出する算出工程と、を含み、
前記物理量がレーザーの強度 及び／又は 波長である、成膜方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００８−２３１５５２（Ｐ２００８−２３１５５２Ａ）
【公開日】平成２０年１０月２日（２００８．１０．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−７６５１５（Ｐ２００７−７６５１５）
【出願日】平成１９年３月２３日（２００７．３．２３）
【出願人】（０００００５２６７）ブラザー工業株式会社 (13,856)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月２日（２００８．１０．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月２３日（２００７．３．２３）
【出願人】（０００００５２６７）ブラザー工業株式会社 (13,856)
【Ｆターム（参考）】
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