成膜方法
【課題】膜剥離を確実に防止しつつ高圧電特性の緻密な膜を形成する。
【解決手段】材料粒子１２が収容されたエアロゾル生成器１０に、第１ガス供給管１３から酸素ガスを吹き込み、第２ガス供給管１６からヘリウムガスを吹き込んで、酸素とヘリウムとの混合ガスをキャリアガスとし、酸素ガスによる攪拌で材料粒子１２の流動性を高め、ヘリウムガスによる破砕効果で材料粒子１２の凝集塊を解いたエアロゾルを発生する。そして発生したエアロゾルを成膜室３０に導いて、エアロゾル生成器１０と成膜室３０との差圧により、噴射ノズル２１から基板３１の表面に高速で吹き付け、基板３１の表面に材料粒子１２による膜を形成する。
【解決手段】材料粒子１２が収容されたエアロゾル生成器１０に、第１ガス供給管１３から酸素ガスを吹き込み、第２ガス供給管１６からヘリウムガスを吹き込んで、酸素とヘリウムとの混合ガスをキャリアガスとし、酸素ガスによる攪拌で材料粒子１２の流動性を高め、ヘリウムガスによる破砕効果で材料粒子１２の凝集塊を解いたエアロゾルを発生する。そして発生したエアロゾルを成膜室３０に導いて、エアロゾル生成器１０と成膜室３０との差圧により、噴射ノズル２１から基板３１の表面に高速で吹き付け、基板３１の表面に材料粒子１２による膜を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エアロゾルを高速で基板に吹き付けることによって成膜を行う成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばインクジェットプリンタ等に用いられる圧電アクチュエータにおける圧電膜を形成する成膜方法として、近年、エアロゾルデポジション法が注目されている。エアロゾルデポジション法は、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（例えば特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３６２５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来技術においては、エアロゾルに用いる気体（キャリアガス）として、例えば、ヘリウム、窒素、アルゴン、酸素、乾燥空気等を使用している。しかしながら、例えば、キャリアガスをヘリウムのように直進性の強いガスのみで構成した場合、低流量で吹き付けを行うと、成膜された膜の中央部が他の部位よりも厚い凸形状となり、厚膜部から膜剥離を生じやすい（膜厚制御、膜質制御の困難性）。逆に高流量で吹き付けを行うと、成膜された膜における上記の凸形状は解消され膜厚分布が均一化されるものの、基板への衝突力の増大によって膜応力が増大して膜剥離が生じやすくなる（膜質制御の困難性）。
【０００５】
一方、キャリアガスを酸素のように分散性の強いガスのみで構成した場合、低流量で吹き付けを行うと、エアロゾル中に含まれる材料粒子の流動性が悪くエアロゾル中の材料粒子の濃度が安定しないため、所望の膜厚の成膜を行うことが困難となる（膜厚制御の困難性）。逆に高流量で吹き付けを行うと、均一な膜厚分布での成膜が可能となるが、エアロゾル中に粗大粒子を巻き込むため、成膜された膜中に圧粉体を形成しやすくなる（膜質制御の困難性）。
【０００６】
すなわち、上記従来技術では、エアロゾルを用いた成膜において膜厚制御と膜質制御との両方を確実に実行し、膜剥離を確実に防止しつつ高圧電特性の緻密な膜を形成することは困難であった。ここで、緻密とは、膜中に隙間があって短絡してしまう圧粉体とは異なる良好な状態であり、圧電材料をよく含んだ膜密度が高い状態である。
【０００７】
本発明の目的は、膜剥離を確実に防止しつつ高圧電特性の緻密な膜を形成することができる、成膜方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、第１の発明は、材料粒子を含むキャリアガスからなるエアロゾルをエアロゾル流として基板に吹き付けることにより前記基板上に成膜を行う成膜方法であって、前記キャリアガスとして、前記エアロゾル中で前記材料粒子を分散させる分散性を有する第１ガスと、前記エアロゾル中で前記材料粒子を直進させる直進性を有する第２ガスとを少なくとも含む、混合ガスを用いることを特徴とする。
【０００９】
第２発明は、上記第１発明において、前記混合ガスに含まれる前記第１ガスの分子量が、前記第２ガスの分子量より大きいことを特徴とする。
【００１０】
第３発明は、上記第１又は第２発明において、前記第２ガスは、凝集した前記材料粒子を壊砕する機能を備え、前記第１ガスは、前記エアロゾル中における前記材料粒子の攪拌、又は、前記吹き付けのために前記エアロゾルを希釈分散する機能を備える。
【００１１】
第４発明は、上記第１乃至第３発明のいずれかにおいて、前記キャリアガスに占める前記第２ガスの流量比を、５０％以下としたことを特徴とする。
【００１２】
本願発明では、材料粒子にキャリアガスを分散させてエアロゾルを形成し、このエアロゾルを所定の流速のエアロゾル流として基板に吹き付けて成膜を行う。本願発明においては、直進性の強い第２ガスと分散性の強い第１ガスとの両方を含む混合ガスを、キャリアガスとして用いる。これにより、直進性と分散性とを兼ね備えたキャリアガスを実現し、膜厚制御と膜質制御との両方を確実に実行することができる。この結果、均一な膜厚分布の成膜を行うことができ、さらに衝突時の膜応力増大の防止や圧粉体の発生防止を図ることができる。したがって、膜剥離を確実に防止しつつ、高圧電特性の緻密な膜を形成することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、膜剥離を確実に防止しつつ、高圧電特性の緻密な膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態の成膜方法で使用する成膜装置を示す概略構成図である。
【図２】本発明の一実施例において、キャリアガスに占めるヘリウムガスの流量比を種々変化させて成膜した場合の膜厚分布を表す図である。
【図３】本発明の一実施例において、キャリアガスの流量を変化させたときの膜厚のバラツキ及び成膜品質を示した図である。
【図４】キャリアガスとして純ヘリウムガスを用いる第１比較例における膜厚分布を示す図である。
【図５】第１比較例と、キャリアガスとして純酸素ガスを用いる第２比較例とにおいて、キャリアガスの流量を変化させたときの膜厚のバラツキ及び成膜品質を示した図である。
【図６】第２比較例における膜厚分布を示す図である。
【図７】本発明の一実施例において、キャリアガス（ヘリウムガス＋酸素ガス）の総流量を変化させたときの、ヘリウムガス流量比による膜厚バラツキの挙動を表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００１６】
（１）成膜装置及び成膜方法の概略
図１は、本実施形態の成膜方法で使用するエアロゾルデポジション成膜装置を示す概略構成図である。
【００１７】
図１において、この成膜装置１００は、キャリアガスに材料粒子１２を分散させてエアロゾルを発生させるエアロゾル生成器１０と、発生したエアロゾルを基板３１に高速で吹き付けて、基板３１の表面に膜を形成する成膜室３０とを備えている。
【００１８】
エアロゾル生成器１０は、材料粒子１２を収容する筒状の容器１１を備えている。容器１１は、混合ガス（後述）が吹き込まれることによって材料粒子１２が分散され、その混合ガスをキャリアガスとした材料粒子１２のエアロゾルが発生する。
【００１９】
上記材料粒子１２としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を初めとして、例えば酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ）、亜鉛ニオブ酸鉛等のセラミックスや有機樹脂等を使用することができる。
【００２０】
上記混合ガスとしては、エアロゾル中で材料粒子１２を分散させる分散性を備えた第１ガスと、エアロゾル中で材料粒子１２を直進させる直進性を備えた第２ガスとの、少なくとも２種類のガスを含むものを用いる。第１ガスとしては、酸素、窒素等、比較的分子量が大きい（少なくとも第２ガスよりは大きい）ガスを使用することができる。第２ガスとしては、ヘリウム、アルゴン等、比較的分子量が小さいガスを使用することができる。本実施形態では、以下、第１ガスとして酸素を用い、第２ガスとしてヘリウムを用いた場合を例にとって説明する。
【００２１】
上記容器１１には、第１ガス供給管１３と、第２ガス供給管１６と、エアロゾル供給管１９とが取り付けられている。
【００２２】
第１ガス供給管１３は、第１ガス源１５に接続され、第１ガス源１５からの酸素ガスを容器１１に導く。第１ガス供給管１３のうち、第１ガス源１５からのガス流れに沿った上流側の端部は、調圧弁１４ｂ及び開閉バルブ１４ｃを介して、上記第１ガス源１５に接続されている。第１ガス供給管１３のうち、第１ガス源１５からのガス流れに沿った下流側は上・下供給管１３ａ，１３ｂに分岐する。
【００２３】
下供給管１３ａは、流量制御器１４ａ１（ＭＦＣ：Ｍａｓｓ Ｆｌｏｗ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）を介し、容器１１の下端に位置する基部１１ａに接続されている。下供給管１３ａを介し、容器１１の底部に収納された所定量の材料粒子１２に対し、下方向から酸素ガスが吹き込まれる。この結果、分散性が強い酸素ガスが有する攪拌力によって材料粒子１２を効率よく攪拌し、生成されるエアロゾルの流動性を高めることができる。
【００２４】
上供給管１３ｂは、流量制御器１４ａ２を介し、エアロゾル供給管１９に接続されている。上供給管１３ｂを介し、容器１１から導出されエアロゾル供給管１９内を流れるエアロゾルの流れに対し、酸素ガスが吹き込まれる。この結果、第２ガスのヘリウムよりも分子量が重い酸素ガスが有する希釈分散性能によって、エアロゾルの流れを均一化することができる。
【００２５】
第２ガス供給管１６は、第２ガス源１８に接続され、第２ガス源１８からのヘリウムガスを容器１１に導く。
【００２６】
第２ガス供給管１６のうち、ガス流れに沿った上流側は、流量制御器１７ａ、調圧弁１７ｂ、及び開閉バルブ１７ｃを介し、上記第２ガス供給源１８に接続されている。第２ガス供給管１６のうち、ガス流れに沿った下流側は、容器１１の上端から挿入して容器１１内を下部まで延設されている。その延設された端部は、容器１１の下部に達し、この例ではさらに容器１１の径方向内方に向けて折り曲げられた形状となっている。第２ガス供給管１６を介し、容器１１の底部に収納された材料粒子１２に対しヘリウムガスが吹き込まれる。この結果、直進性が強いヘリウムガスが有する破砕力により材料粒子１２の凝集塊を壊砕し、材料粒子１２を、凝集塊がばらばらに解された細粒化粒子の状態にすることができる。なお、容器１１の基部１１ａ内に例えば超音波加振装置（図示せず）を設置して材料粒子１２に下方から振動を加えることで、材料粒子１２の凝集の壊砕を補助するようにしてもよい。
【００２７】
以上のようにして、エアロゾル生成器１０において、酸素ガスとヘリウムガスとを混合した混合ガスをキャリアガスとする、材料粒子１２のエアロゾルが発生する。この際、流量制御器１４ａ１，１４ａ２によって酸素ガスの流量が制御され、また流量制御器１７ａによってヘリウムガスの流量が制御されることにより、酸素ガスとヘリウムガスの総流量及び流量比が制御される。発生したエアロゾルは、エアロゾル生成器１０の容器１１の圧力と成膜室３０の圧力との差圧によって、エアロゾル供給管１９に吸い込まれる。
【００２８】
エアロゾル供給管１９は、容器１１の上部に一方側端部が挿入され、容器１１で発生したエアロゾルを成膜室３０に導く。エアロゾル供給管１９の他方側（容器１１と反対側）は、開閉バルブ２０を介して成膜室３０内に挿入されている。成膜室３０内に挿入された、エアロゾル供給管１９の先端には、噴射ノズル２１が装着されている。噴射ノズル２１は、成膜室３０に設置された上記基板３１に対し所定の傾斜角度で対向されている。
【００２９】
成膜室３０は、側壁に真空ポンプ３２を連結した真空チャンバから構成されている。成膜室３０の天井には、３次元方向のそれぞれに移動可能な移動ステージ３３が設置されている。移動ステージ３３には、基板ホルダ３４が設置され、この基板ホルダ３４に基板３１が水平に取り付けられている。
【００３０】
基板３１は、移動ステージ３３によって高さ方向及び前後左右の水平方向に位置調整され、上記噴射ノズル２１に対し、所定の間隔をあけて対向配置される。また、基板３１は、成膜中、２列（２枚）の基板３１の成膜を同一バッチにて行えるように、移動ステージ３３によって水平面内で前後左右方向に往復動される。すなわち、噴射ノズル２１の噴射方向に対して２つの基板３１，３１を対向して並列配置する。そして、まず、（ａ）噴射ノズル２１を一方の基板３１に向かって近づけて対向させる。その後、（ｂ）噴射ノズル２１を噴射方向とほぼ直角に他方の基板３１側へと移動して他方の基板３１に対向させた後、（ｃ）他方の基板３１から一旦遠ざかるように移動させる。その後、（ｄ）噴射ノズル２１を再び他方の基板３１に向かって近づけて対向させる。そして、（ｅ）噴射ノズル２１を噴射方向とほぼ直角に上記一方の基板３１側へと移動させて当該一方の基板３１に対向させる。その後、（ｆ）一方の基板３１から遠ざかるように移動させた。以降、（ａ）〜（ｆ）の動き（いわゆる「コの字」の移動）を繰り返すように、移動ステージ３３を移動させる。なお、基板３１の材料としては、ステンレス（ＳＵＳ）を初めとして、例えば他の金属、シリコン、半導体、樹脂等を使用することができる。
【００３１】
成膜室３０は、基板３１への成膜に先立って、真空ポンプ３２により、内部が１０〜２０Ｐａ程度の所定の高真空度に減圧される。その後、エアロゾル生成器１０からエアロゾル供給管１９を介し成膜室３０に導かれたエアロゾルが、噴射ノズル２１の先端から高速のエアロゾル流３５となって噴出し、基板３１の表面に向けて吹き付けられる。基板３１の表面に吹き付けられたエアロゾルは、材料粒子１２が基板３１の表面に高速で衝突することにより、局所的な衝撃エネルギを発生する。この衝撃エネルギにより、材料粒子１２に誘起されるメカノケミカル反応によって、材料粒子１２の膜が、基板３１の表面に形成（成膜）される。
【００３２】
（２）本発明の原理
上述したように、本実施形態では、エアロゾル中で分散性を備えた第１ガス（この例では酸素）と、エアロゾル中で直進性を備えた第２ガス（この例ではヘリウム）の２種類のガスを容器１１に吹き込む。これにより、この２種類のガスを混合した混合ガスをキャリアガスとしてエアロゾルを発生させる。これは、分散性の強い酸素ガスと直進性の強いヘリウムガスとを混合することによって、直進性と分散性とを兼ね備えたキャリアガスを実現し、膜厚制御と膜質制御との両方を確実に実行可能とするためである。
【００３３】
すなわち、キャリアガスを、直進性の強いガス、例えばヘリウムのみで構成した場合は、エアロゾルを低流量で吹き付けを行うと、基板３１に成膜された膜の中央部が他の部位よりも厚い凸形状となり、厚膜部から膜剥離を生じやすい（膜厚制御、膜質制御の困難性）。逆に、高流量で吹き付けを行うと、基板３１に成膜された膜における上記の凸形状は解消され膜厚分布が均一化されるものの、基板への衝突力の増大によって膜応力が増大して膜剥離が生じやすくなる（膜質制御の困難性）。
【００３４】
一方、キャリアガスを分散性の強いガス、例えば酸素のみで構成した場合、低流量で吹き付けを行うと、エアロゾル中に含まれる材料粒子１２の流動性が悪く、エアロゾル中の材料粒子１２の濃度が安定しないため、所望の膜厚の成膜を行うことが困難となる（膜厚制御の困難性）。逆に高流量で吹き付けを行うと、均一な膜厚分布での成膜が可能となるが、エアロゾル中に粗大粒子を巻き込むため、成膜された膜中に圧粉体を形成しやすくなる（膜質制御の困難性）。
【００３５】
これに対し、本実施形態では、分散性の強い酸素ガスと直進性の強いヘリウムガスとを混合した混合ガスをキャリアガスとして用いる。直進性を備えたヘリウムガスが有する、凝集した材料粒子１２を壊砕する機能により、事前に粗大粒子を細かくすることができるので、エアロゾル中に粗大粒子が巻き込まれることがなく、成膜された膜中に圧粉体が形成されるのを防止することができる。一方、分散性を備えた酸素ガスが有するエアロゾルの希釈分散機能により、高速の吹き付けによって膜厚分布を均一化することができる。また、分散性を備えた酸素ガスが有する材料粒子１２の攪拌機能により、エアロゾル中に含まれる材料粒子１２の流動性を増大させ、エアロゾル中の材料粒子１２の濃度を安定化することができる。
【００３６】
以上の結果、均一な膜厚分布の成膜を行うことができ、さらに衝突時の膜応力増大を防止や圧粉体の発生防止を図ることができる。したがって、膜剥離を確実に防止しつつ、高圧電特性の緻密な膜を形成することができる。
【００３７】
また本実施形態では特に、キャリアガスに含まれる酸素ガスの分子量３２は、ヘリウムガスの分子量１８よりも大きくなっている。
【００３８】
ヘリウムガスよりも分子量が大きい酸素ガスを用いることで、直進性よりも分散性の強い性質を確実に実現することができる。
【００３９】
また本実施形態では特に、ヘリウムガスが、エアロゾル中において凝集した材料粒子１２を壊砕する機能を備え、酸素ガスが、エアロゾル中における材料粒子１２の攪拌、又は、吹き付けのためにエアロゾルを希釈分散する機能を備える。
【００４０】
ヘリウムガスによる、凝集した材料粒子１２を壊砕する機能により、事前に粗大粒子を細かくすることができるので、エアロゾル中に粗大粒子が巻き込まれることなく、成膜された膜中に圧粉体が形成されるのを防止することができる。また、酸素ガスによるエアロゾルの希釈分散機能により、高速の吹き付けによって膜厚分布を均一化することができる。さらに、酸素ガスによる材料粒子１２の攪拌機能により、エアロゾル中に含まれる材料粒子１２の流動性を増大させ、エアロゾル中の材料粒子１２の濃度を安定化することができる。
【００４１】
また、本実施形態では特に、キャリアガスに占めるヘリウムガスの流量比を５０％以下としている。これにより、膜厚のバラツキを抑制できる。
【００４２】
なお、上記では、酸素ガスを用いたが、分散性を備えたガスであれば、酸素ガス以外のガスを第１ガスとして用いてもよい。同様に、直進性を備えたガスであれば、ヘリウムガス以外のガスを第２ガスとして用いてもよい。
【実施例】
【００４３】
以下に実施例を掲げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００４４】
（実施例１）
１．拡散防止層及び下部電極の形成
幅１５ｍｍ、奥行き３５ｍｍ、厚さ０．４ｍｍである拡散接合ＳＵＳ板（ヘッド）及び評価用ＳＵＳ板に対して、上述した実施形態に基づくエアロゾルデポジション法に基づいた成膜装置１００にて、拡散防止層としてこの例ではＡｌ２Ｏ３膜を約２μｍ厚で形成した。
【００４５】
以下本工程を具体的に説明する。エアロゾル生成器１０にＡｌ２Ｏ３粉末（昭和電工製ＡＬ−１６０ＳＧ−４）：１４０ｇを投入した。基板ホルダ３４にＳＵＳの基板３１をセットし、成膜範囲以外をテープで貼付した。基板ホルダ３４を成膜室３０内の移動ステージ３３にセットし、往復スキャンを開始した。なお、ステージ移動は前述した態様の移動を繰り返しており、２列（２枚）成膜を同一バッチにて行った。成膜室３０を真空ポンプ３２により真空引きして、到達真空圧：１０〜２０Ｐａとした。キャリアガスとして前述したヘリウムガス及び酸素ガスを、上記上供給管１３ｂ、下供給管１３ａ、及び第２ガス供給管１６の３系統から導入した。なお、第１ガス上供給管１３ｂは希釈分散、第１ガス下供給管１３ａは原料粉体の流動攪拌、第２ガス供給管１６は原料粉体の壊砕する用途にて導入している。所定の総流量（３系統の合計）に合わせ、流動状態を見ながら流動ガス流量を一定に定めた後、ヘリウムガスと酸素ガスの比率を変更することで所望のエアロゾル濃度に調整した。成膜範囲外で５分の空噴射を行った後、所定の成膜時間でＳＵＳ基板３１上にエアロゾル噴射した。所定の成膜時間が終了した後、成膜ガスを止め、成膜室３０を真空開放した。基板ホルダ３４を移動ステージ３３から取り外し、所望の成膜条件のＡｌ２Ｏ３膜を形成した。
【００４６】
Ａｌ２Ｏ３膜が上部に形成されたＳＵＳ基板３１に対して１分間の超音波洗浄を行い、当該ＳＵＳ基板３１に付着した粉体を除去した。１５０℃での乾燥処理を３０分行い、水分除去した。段差計を用いて、各ＳＵＳ基板３１上におけるＡｌ２Ｏ３厚を測定した。その後スパッタ装置を用いて、Ａｌ２Ｏ３膜の表面に、下部電極として０．０５μｍのＴｉ層及び０．５μｍのＰｔ層をこの順序で積層して形成した。さらにマッフル炉を用いて、５００℃でのアニール処理を３０分間行い、Ｐｔ残留応力を開放した。このようにして、ＳＵＳ基板３１による拡散防止層とＡｌ２Ｏ３膜による下部電極との積層構造を形成した。
【００４７】
２．圧電層の形成
上記のようにして形成した基板３１のＡｌ２Ｏ３膜の上面に対して、上述と同様のエアロゾルデポジション法（ただしＡｌ２Ｏ３粉末：１４０ｇの代わりに堺化学工業製ＰＺＴ−ＬＱからなるＰＺＴ粉末：２００ｇを使用）にてＰＺＴ膜からなる圧電層を形成した。その後、表面をエアブローし、付着した粉体を除去した。
【００４８】
３．膜厚の検出
得られたＰＺＴ膜について、段差計を用いて膜厚を測定した。
【００４９】
４．アニール処理
マッフル炉を用いて、８５０℃でのアニール処理を３０分行い、ＳＵＳ基板３１上に形成された上記ＰＺＴ膜の結晶粒を成長させた。
【００５０】
５．膜質の判定
アニール後のＰＺＴ膜の外観形状を目視観察し、膜剥離の有無と、膜剥離があった場合には全面剥離であるか一部剥離であるかを判定した。また、膜中に圧粉体を含むかどうかも目視観察により判定した。
【００５１】
６．データ収集
キャリアガスの流量（すなわちエアロゾル流の流速）と、成膜時間を種々変更しながら、「２．圧電層の形成」〜「５．膜質の判定」の工程を繰り返し、薄膜の膜厚及び膜質についてのデータを収集した。
【００５２】
収集したデータに基づき算出した膜厚分布を、横軸に基板３１の中心からの距離（右方向をプラス、左方向をマイナスとする）をとり、縦軸に全サンプルの膜厚平均値を１００としたときの各サンプルの膜厚相対値をとった図２にまとめた。また、上記収集したデータに基づき算出した膜質変化を、横軸にキャリアガス（ヘリウムガス及び酸素ガス）の総流量をとり、縦軸に基板３１への成膜時における全サンプルの膜厚バラツキをとった図３にまとめた。
【００５３】
なお、このバラツキは、膜厚最大値ｍａｘ、膜厚最小値：ｍｉｎとして、
膜厚バラツキ（％）＝{（ｍａｘ−ｍｉｎ）÷（ｍａｘ＋ｍｉｎ）}×１００
・・（式１）によって算出したものである。
【００５４】
（第１比較例）
各成膜工程において、キャリアガスとして、前述したヘリウムガス及び酸素ガスに代えてヘリウムガスのみをエアロゾル生成器１０に導入し、それ以外は実施例と同様にして、同様の工程を繰り返し、データ収集を行った。上記と同様、収集したデータに基づき算出した膜厚分布及び膜質変化をそれぞれ図４及び図５にまとめた。
【００５５】
（第２比較例）
各成膜工程において、キャリアガスとして、前述したヘリウムガス及び酸素ガスに代えて酸素ガスのみをエアロゾル生成器１０に導入し、それ以外は実施例と同様にして、同様の工程を繰り返し、データ収集を行った。上記と同様、収集したデータに基づき算出した膜厚分布及び膜質変化をそれぞれ図６及び上記図５にまとめた。
【００５６】
（実施例と第１及び第２比較例との考察結果）
以上において、第１比較例では、図４に示すように、基板中心側を略中心とする概ね凸形状の膜厚分布となっている。この第１比較例では、前述したように、キャリアガスとして直進性を備えたヘリウムのみを使用している。この結果、単位時間当たりに流れるガスの容積である流量について、４．２Ｌ／ｍｉｎ→５．６Ｌ／ｍｉｎ→７．０Ｌ／ｍｉｎ→１１．２Ｌ／ｍｉｎ→…と概ね高流量になるほど、ヘリウムガスによる凝集塊の破壊効果により材料粒子が細粒化され、低流量のときよりも膜厚分布のバラツキが小さくなっている。しかしながら、図５中に△や×で示されるように、第１比較例では、低流量及び高流量のいずれの場合でも基板３１からの膜の一部剥離又は全面剥離が生じている。そして、キャリアガスの流量を低流量側から高流量側まで種々制御しても、膜剥離する成膜条件しか得られていないことがわかる。
【００５７】
一方、図６において、第２比較例でも、基板中心側を略中心とする概ね凸形状の膜厚分布となっており、全体的に、第１比較例よりも膜厚分布のバラツキが小さくなっている。しかしながら、この第２比較例では、キャリアガスとして分散性を備えた酸素のみを使用している。この結果、上記図５に□印で示されるように、高流量となると、酸素ガスによる材料粒子の攪拌効果に基づく流動化によって、エアロゾル中への粗大粒子の巻き込みが生じ、成膜された膜が圧粉体を含むようになる。すなわち、膜密度が粗で高電圧に対する耐性が低い、低品質の膜しか得られないことがわかる。
【００５８】
これに対して、実施例では、キャリアガスとして、直進性を備えたヘリウムガスと分散性を備えた酸素ガスとを混合した、混合ガスを用いている。これにより、酸素ガスによる材料粒子１２の攪拌効果と、ヘリウムガスによる材料粒子１２の凝集塊の破壊効果とにより、材料粒子１２が細粒化されかつ流動化されたエアロゾルを得ることができる。この結果、図２に示されるように、成膜された膜は、ヘリウムガスの流量比の相違に拘わらず、バラツキが非常に少ない膜厚分布になる。このときの膜厚分布のバラツキは、図３に示されるように、３０％以下となっている。またこのとき、各サンプルにおいて、膜の緻密性、高圧電特性に優れた良品の膜が得られていることがわかる。
【００５９】
（実施例の追加考察）
【００６０】
図７は、横軸にキャリアガス流量に占めるヘリウムガス流量比（％）をとり縦軸に図３と同様の膜厚バラツキをとった図である。図７に示すように、キャリアガス中に占めるヘリウムガスの流量比を増大させるほど、膜厚のバラツキが増大する傾向となる。一方、同一のヘリウムガスの流量比の値でみたときのバラツキの値（横軸同一値でみたときの縦軸の値）は、キャリアガスの総流量の値に依存して変化する。ヘリウムガスと酸素ガスをあわせたキャリアガスの総流量の値を、総流量４．６［Ｌ／ｍｉｎ］→５．８［Ｌ／ｍｉｎ］→６．８［Ｌ／ｍｉｎ］と徐々に増加させていくとまずバラツキが低下する傾向となる。しかしながら、その低下はある総流量の値で下げ止まり、その後は、キャリアガスの総流量６．８［Ｌ／ｍｉｎ］→８．７［Ｌ／ｍｉｎ］→１０．８［Ｌ／ｍｉｎ］という増加と共に逆にバラツキが再び増加する傾向となる。
【００６１】
図７によれば、上記のような挙動の中でも、キャリアガス総流量に対するヘリウムガスの流量比が５０％以下であれば、膜厚バラツキを、少なくともほぼ３０％以下に抑制できることがわかる。なお、図７には、参考値として、キャリアガスに純ヘリウムガスを用いた場合についても併せて示している（第１比較例に相当。図中×印）。
【００６２】
その他、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。
【符号の説明】
【００６３】
１０ エアロゾル生成器
１１ 容器
１２ 材料粒子
３０ 成膜室
３１ 基板
３５ エアロゾル流
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エアロゾルを高速で基板に吹き付けることによって成膜を行う成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばインクジェットプリンタ等に用いられる圧電アクチュエータにおける圧電膜を形成する成膜方法として、近年、エアロゾルデポジション法が注目されている。エアロゾルデポジション法は、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（例えば特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３６２５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来技術においては、エアロゾルに用いる気体（キャリアガス）として、例えば、ヘリウム、窒素、アルゴン、酸素、乾燥空気等を使用している。しかしながら、例えば、キャリアガスをヘリウムのように直進性の強いガスのみで構成した場合、低流量で吹き付けを行うと、成膜された膜の中央部が他の部位よりも厚い凸形状となり、厚膜部から膜剥離を生じやすい（膜厚制御、膜質制御の困難性）。逆に高流量で吹き付けを行うと、成膜された膜における上記の凸形状は解消され膜厚分布が均一化されるものの、基板への衝突力の増大によって膜応力が増大して膜剥離が生じやすくなる（膜質制御の困難性）。
【０００５】
一方、キャリアガスを酸素のように分散性の強いガスのみで構成した場合、低流量で吹き付けを行うと、エアロゾル中に含まれる材料粒子の流動性が悪くエアロゾル中の材料粒子の濃度が安定しないため、所望の膜厚の成膜を行うことが困難となる（膜厚制御の困難性）。逆に高流量で吹き付けを行うと、均一な膜厚分布での成膜が可能となるが、エアロゾル中に粗大粒子を巻き込むため、成膜された膜中に圧粉体を形成しやすくなる（膜質制御の困難性）。
【０００６】
すなわち、上記従来技術では、エアロゾルを用いた成膜において膜厚制御と膜質制御との両方を確実に実行し、膜剥離を確実に防止しつつ高圧電特性の緻密な膜を形成することは困難であった。ここで、緻密とは、膜中に隙間があって短絡してしまう圧粉体とは異なる良好な状態であり、圧電材料をよく含んだ膜密度が高い状態である。
【０００７】
本発明の目的は、膜剥離を確実に防止しつつ高圧電特性の緻密な膜を形成することができる、成膜方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、第１の発明は、材料粒子を含むキャリアガスからなるエアロゾルをエアロゾル流として基板に吹き付けることにより前記基板上に成膜を行う成膜方法であって、前記キャリアガスとして、前記エアロゾル中で前記材料粒子を分散させる分散性を有する第１ガスと、前記エアロゾル中で前記材料粒子を直進させる直進性を有する第２ガスとを少なくとも含む、混合ガスを用いることを特徴とする。
【０００９】
第２発明は、上記第１発明において、前記混合ガスに含まれる前記第１ガスの分子量が、前記第２ガスの分子量より大きいことを特徴とする。
【００１０】
第３発明は、上記第１又は第２発明において、前記第２ガスは、凝集した前記材料粒子を壊砕する機能を備え、前記第１ガスは、前記エアロゾル中における前記材料粒子の攪拌、又は、前記吹き付けのために前記エアロゾルを希釈分散する機能を備える。
【００１１】
第４発明は、上記第１乃至第３発明のいずれかにおいて、前記キャリアガスに占める前記第２ガスの流量比を、５０％以下としたことを特徴とする。
【００１２】
本願発明では、材料粒子にキャリアガスを分散させてエアロゾルを形成し、このエアロゾルを所定の流速のエアロゾル流として基板に吹き付けて成膜を行う。本願発明においては、直進性の強い第２ガスと分散性の強い第１ガスとの両方を含む混合ガスを、キャリアガスとして用いる。これにより、直進性と分散性とを兼ね備えたキャリアガスを実現し、膜厚制御と膜質制御との両方を確実に実行することができる。この結果、均一な膜厚分布の成膜を行うことができ、さらに衝突時の膜応力増大の防止や圧粉体の発生防止を図ることができる。したがって、膜剥離を確実に防止しつつ、高圧電特性の緻密な膜を形成することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、膜剥離を確実に防止しつつ、高圧電特性の緻密な膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態の成膜方法で使用する成膜装置を示す概略構成図である。
【図２】本発明の一実施例において、キャリアガスに占めるヘリウムガスの流量比を種々変化させて成膜した場合の膜厚分布を表す図である。
【図３】本発明の一実施例において、キャリアガスの流量を変化させたときの膜厚のバラツキ及び成膜品質を示した図である。
【図４】キャリアガスとして純ヘリウムガスを用いる第１比較例における膜厚分布を示す図である。
【図５】第１比較例と、キャリアガスとして純酸素ガスを用いる第２比較例とにおいて、キャリアガスの流量を変化させたときの膜厚のバラツキ及び成膜品質を示した図である。
【図６】第２比較例における膜厚分布を示す図である。
【図７】本発明の一実施例において、キャリアガス（ヘリウムガス＋酸素ガス）の総流量を変化させたときの、ヘリウムガス流量比による膜厚バラツキの挙動を表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００１６】
（１）成膜装置及び成膜方法の概略
図１は、本実施形態の成膜方法で使用するエアロゾルデポジション成膜装置を示す概略構成図である。
【００１７】
図１において、この成膜装置１００は、キャリアガスに材料粒子１２を分散させてエアロゾルを発生させるエアロゾル生成器１０と、発生したエアロゾルを基板３１に高速で吹き付けて、基板３１の表面に膜を形成する成膜室３０とを備えている。
【００１８】
エアロゾル生成器１０は、材料粒子１２を収容する筒状の容器１１を備えている。容器１１は、混合ガス（後述）が吹き込まれることによって材料粒子１２が分散され、その混合ガスをキャリアガスとした材料粒子１２のエアロゾルが発生する。
【００１９】
上記材料粒子１２としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を初めとして、例えば酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ）、亜鉛ニオブ酸鉛等のセラミックスや有機樹脂等を使用することができる。
【００２０】
上記混合ガスとしては、エアロゾル中で材料粒子１２を分散させる分散性を備えた第１ガスと、エアロゾル中で材料粒子１２を直進させる直進性を備えた第２ガスとの、少なくとも２種類のガスを含むものを用いる。第１ガスとしては、酸素、窒素等、比較的分子量が大きい（少なくとも第２ガスよりは大きい）ガスを使用することができる。第２ガスとしては、ヘリウム、アルゴン等、比較的分子量が小さいガスを使用することができる。本実施形態では、以下、第１ガスとして酸素を用い、第２ガスとしてヘリウムを用いた場合を例にとって説明する。
【００２１】
上記容器１１には、第１ガス供給管１３と、第２ガス供給管１６と、エアロゾル供給管１９とが取り付けられている。
【００２２】
第１ガス供給管１３は、第１ガス源１５に接続され、第１ガス源１５からの酸素ガスを容器１１に導く。第１ガス供給管１３のうち、第１ガス源１５からのガス流れに沿った上流側の端部は、調圧弁１４ｂ及び開閉バルブ１４ｃを介して、上記第１ガス源１５に接続されている。第１ガス供給管１３のうち、第１ガス源１５からのガス流れに沿った下流側は上・下供給管１３ａ，１３ｂに分岐する。
【００２３】
下供給管１３ａは、流量制御器１４ａ１（ＭＦＣ：Ｍａｓｓ Ｆｌｏｗ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）を介し、容器１１の下端に位置する基部１１ａに接続されている。下供給管１３ａを介し、容器１１の底部に収納された所定量の材料粒子１２に対し、下方向から酸素ガスが吹き込まれる。この結果、分散性が強い酸素ガスが有する攪拌力によって材料粒子１２を効率よく攪拌し、生成されるエアロゾルの流動性を高めることができる。
【００２４】
上供給管１３ｂは、流量制御器１４ａ２を介し、エアロゾル供給管１９に接続されている。上供給管１３ｂを介し、容器１１から導出されエアロゾル供給管１９内を流れるエアロゾルの流れに対し、酸素ガスが吹き込まれる。この結果、第２ガスのヘリウムよりも分子量が重い酸素ガスが有する希釈分散性能によって、エアロゾルの流れを均一化することができる。
【００２５】
第２ガス供給管１６は、第２ガス源１８に接続され、第２ガス源１８からのヘリウムガスを容器１１に導く。
【００２６】
第２ガス供給管１６のうち、ガス流れに沿った上流側は、流量制御器１７ａ、調圧弁１７ｂ、及び開閉バルブ１７ｃを介し、上記第２ガス供給源１８に接続されている。第２ガス供給管１６のうち、ガス流れに沿った下流側は、容器１１の上端から挿入して容器１１内を下部まで延設されている。その延設された端部は、容器１１の下部に達し、この例ではさらに容器１１の径方向内方に向けて折り曲げられた形状となっている。第２ガス供給管１６を介し、容器１１の底部に収納された材料粒子１２に対しヘリウムガスが吹き込まれる。この結果、直進性が強いヘリウムガスが有する破砕力により材料粒子１２の凝集塊を壊砕し、材料粒子１２を、凝集塊がばらばらに解された細粒化粒子の状態にすることができる。なお、容器１１の基部１１ａ内に例えば超音波加振装置（図示せず）を設置して材料粒子１２に下方から振動を加えることで、材料粒子１２の凝集の壊砕を補助するようにしてもよい。
【００２７】
以上のようにして、エアロゾル生成器１０において、酸素ガスとヘリウムガスとを混合した混合ガスをキャリアガスとする、材料粒子１２のエアロゾルが発生する。この際、流量制御器１４ａ１，１４ａ２によって酸素ガスの流量が制御され、また流量制御器１７ａによってヘリウムガスの流量が制御されることにより、酸素ガスとヘリウムガスの総流量及び流量比が制御される。発生したエアロゾルは、エアロゾル生成器１０の容器１１の圧力と成膜室３０の圧力との差圧によって、エアロゾル供給管１９に吸い込まれる。
【００２８】
エアロゾル供給管１９は、容器１１の上部に一方側端部が挿入され、容器１１で発生したエアロゾルを成膜室３０に導く。エアロゾル供給管１９の他方側（容器１１と反対側）は、開閉バルブ２０を介して成膜室３０内に挿入されている。成膜室３０内に挿入された、エアロゾル供給管１９の先端には、噴射ノズル２１が装着されている。噴射ノズル２１は、成膜室３０に設置された上記基板３１に対し所定の傾斜角度で対向されている。
【００２９】
成膜室３０は、側壁に真空ポンプ３２を連結した真空チャンバから構成されている。成膜室３０の天井には、３次元方向のそれぞれに移動可能な移動ステージ３３が設置されている。移動ステージ３３には、基板ホルダ３４が設置され、この基板ホルダ３４に基板３１が水平に取り付けられている。
【００３０】
基板３１は、移動ステージ３３によって高さ方向及び前後左右の水平方向に位置調整され、上記噴射ノズル２１に対し、所定の間隔をあけて対向配置される。また、基板３１は、成膜中、２列（２枚）の基板３１の成膜を同一バッチにて行えるように、移動ステージ３３によって水平面内で前後左右方向に往復動される。すなわち、噴射ノズル２１の噴射方向に対して２つの基板３１，３１を対向して並列配置する。そして、まず、（ａ）噴射ノズル２１を一方の基板３１に向かって近づけて対向させる。その後、（ｂ）噴射ノズル２１を噴射方向とほぼ直角に他方の基板３１側へと移動して他方の基板３１に対向させた後、（ｃ）他方の基板３１から一旦遠ざかるように移動させる。その後、（ｄ）噴射ノズル２１を再び他方の基板３１に向かって近づけて対向させる。そして、（ｅ）噴射ノズル２１を噴射方向とほぼ直角に上記一方の基板３１側へと移動させて当該一方の基板３１に対向させる。その後、（ｆ）一方の基板３１から遠ざかるように移動させた。以降、（ａ）〜（ｆ）の動き（いわゆる「コの字」の移動）を繰り返すように、移動ステージ３３を移動させる。なお、基板３１の材料としては、ステンレス（ＳＵＳ）を初めとして、例えば他の金属、シリコン、半導体、樹脂等を使用することができる。
【００３１】
成膜室３０は、基板３１への成膜に先立って、真空ポンプ３２により、内部が１０〜２０Ｐａ程度の所定の高真空度に減圧される。その後、エアロゾル生成器１０からエアロゾル供給管１９を介し成膜室３０に導かれたエアロゾルが、噴射ノズル２１の先端から高速のエアロゾル流３５となって噴出し、基板３１の表面に向けて吹き付けられる。基板３１の表面に吹き付けられたエアロゾルは、材料粒子１２が基板３１の表面に高速で衝突することにより、局所的な衝撃エネルギを発生する。この衝撃エネルギにより、材料粒子１２に誘起されるメカノケミカル反応によって、材料粒子１２の膜が、基板３１の表面に形成（成膜）される。
【００３２】
（２）本発明の原理
上述したように、本実施形態では、エアロゾル中で分散性を備えた第１ガス（この例では酸素）と、エアロゾル中で直進性を備えた第２ガス（この例ではヘリウム）の２種類のガスを容器１１に吹き込む。これにより、この２種類のガスを混合した混合ガスをキャリアガスとしてエアロゾルを発生させる。これは、分散性の強い酸素ガスと直進性の強いヘリウムガスとを混合することによって、直進性と分散性とを兼ね備えたキャリアガスを実現し、膜厚制御と膜質制御との両方を確実に実行可能とするためである。
【００３３】
すなわち、キャリアガスを、直進性の強いガス、例えばヘリウムのみで構成した場合は、エアロゾルを低流量で吹き付けを行うと、基板３１に成膜された膜の中央部が他の部位よりも厚い凸形状となり、厚膜部から膜剥離を生じやすい（膜厚制御、膜質制御の困難性）。逆に、高流量で吹き付けを行うと、基板３１に成膜された膜における上記の凸形状は解消され膜厚分布が均一化されるものの、基板への衝突力の増大によって膜応力が増大して膜剥離が生じやすくなる（膜質制御の困難性）。
【００３４】
一方、キャリアガスを分散性の強いガス、例えば酸素のみで構成した場合、低流量で吹き付けを行うと、エアロゾル中に含まれる材料粒子１２の流動性が悪く、エアロゾル中の材料粒子１２の濃度が安定しないため、所望の膜厚の成膜を行うことが困難となる（膜厚制御の困難性）。逆に高流量で吹き付けを行うと、均一な膜厚分布での成膜が可能となるが、エアロゾル中に粗大粒子を巻き込むため、成膜された膜中に圧粉体を形成しやすくなる（膜質制御の困難性）。
【００３５】
これに対し、本実施形態では、分散性の強い酸素ガスと直進性の強いヘリウムガスとを混合した混合ガスをキャリアガスとして用いる。直進性を備えたヘリウムガスが有する、凝集した材料粒子１２を壊砕する機能により、事前に粗大粒子を細かくすることができるので、エアロゾル中に粗大粒子が巻き込まれることがなく、成膜された膜中に圧粉体が形成されるのを防止することができる。一方、分散性を備えた酸素ガスが有するエアロゾルの希釈分散機能により、高速の吹き付けによって膜厚分布を均一化することができる。また、分散性を備えた酸素ガスが有する材料粒子１２の攪拌機能により、エアロゾル中に含まれる材料粒子１２の流動性を増大させ、エアロゾル中の材料粒子１２の濃度を安定化することができる。
【００３６】
以上の結果、均一な膜厚分布の成膜を行うことができ、さらに衝突時の膜応力増大を防止や圧粉体の発生防止を図ることができる。したがって、膜剥離を確実に防止しつつ、高圧電特性の緻密な膜を形成することができる。
【００３７】
また本実施形態では特に、キャリアガスに含まれる酸素ガスの分子量３２は、ヘリウムガスの分子量１８よりも大きくなっている。
【００３８】
ヘリウムガスよりも分子量が大きい酸素ガスを用いることで、直進性よりも分散性の強い性質を確実に実現することができる。
【００３９】
また本実施形態では特に、ヘリウムガスが、エアロゾル中において凝集した材料粒子１２を壊砕する機能を備え、酸素ガスが、エアロゾル中における材料粒子１２の攪拌、又は、吹き付けのためにエアロゾルを希釈分散する機能を備える。
【００４０】
ヘリウムガスによる、凝集した材料粒子１２を壊砕する機能により、事前に粗大粒子を細かくすることができるので、エアロゾル中に粗大粒子が巻き込まれることなく、成膜された膜中に圧粉体が形成されるのを防止することができる。また、酸素ガスによるエアロゾルの希釈分散機能により、高速の吹き付けによって膜厚分布を均一化することができる。さらに、酸素ガスによる材料粒子１２の攪拌機能により、エアロゾル中に含まれる材料粒子１２の流動性を増大させ、エアロゾル中の材料粒子１２の濃度を安定化することができる。
【００４１】
また、本実施形態では特に、キャリアガスに占めるヘリウムガスの流量比を５０％以下としている。これにより、膜厚のバラツキを抑制できる。
【００４２】
なお、上記では、酸素ガスを用いたが、分散性を備えたガスであれば、酸素ガス以外のガスを第１ガスとして用いてもよい。同様に、直進性を備えたガスであれば、ヘリウムガス以外のガスを第２ガスとして用いてもよい。
【実施例】
【００４３】
以下に実施例を掲げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００４４】
（実施例１）
１．拡散防止層及び下部電極の形成
幅１５ｍｍ、奥行き３５ｍｍ、厚さ０．４ｍｍである拡散接合ＳＵＳ板（ヘッド）及び評価用ＳＵＳ板に対して、上述した実施形態に基づくエアロゾルデポジション法に基づいた成膜装置１００にて、拡散防止層としてこの例ではＡｌ２Ｏ３膜を約２μｍ厚で形成した。
【００４５】
以下本工程を具体的に説明する。エアロゾル生成器１０にＡｌ２Ｏ３粉末（昭和電工製ＡＬ−１６０ＳＧ−４）：１４０ｇを投入した。基板ホルダ３４にＳＵＳの基板３１をセットし、成膜範囲以外をテープで貼付した。基板ホルダ３４を成膜室３０内の移動ステージ３３にセットし、往復スキャンを開始した。なお、ステージ移動は前述した態様の移動を繰り返しており、２列（２枚）成膜を同一バッチにて行った。成膜室３０を真空ポンプ３２により真空引きして、到達真空圧：１０〜２０Ｐａとした。キャリアガスとして前述したヘリウムガス及び酸素ガスを、上記上供給管１３ｂ、下供給管１３ａ、及び第２ガス供給管１６の３系統から導入した。なお、第１ガス上供給管１３ｂは希釈分散、第１ガス下供給管１３ａは原料粉体の流動攪拌、第２ガス供給管１６は原料粉体の壊砕する用途にて導入している。所定の総流量（３系統の合計）に合わせ、流動状態を見ながら流動ガス流量を一定に定めた後、ヘリウムガスと酸素ガスの比率を変更することで所望のエアロゾル濃度に調整した。成膜範囲外で５分の空噴射を行った後、所定の成膜時間でＳＵＳ基板３１上にエアロゾル噴射した。所定の成膜時間が終了した後、成膜ガスを止め、成膜室３０を真空開放した。基板ホルダ３４を移動ステージ３３から取り外し、所望の成膜条件のＡｌ２Ｏ３膜を形成した。
【００４６】
Ａｌ２Ｏ３膜が上部に形成されたＳＵＳ基板３１に対して１分間の超音波洗浄を行い、当該ＳＵＳ基板３１に付着した粉体を除去した。１５０℃での乾燥処理を３０分行い、水分除去した。段差計を用いて、各ＳＵＳ基板３１上におけるＡｌ２Ｏ３厚を測定した。その後スパッタ装置を用いて、Ａｌ２Ｏ３膜の表面に、下部電極として０．０５μｍのＴｉ層及び０．５μｍのＰｔ層をこの順序で積層して形成した。さらにマッフル炉を用いて、５００℃でのアニール処理を３０分間行い、Ｐｔ残留応力を開放した。このようにして、ＳＵＳ基板３１による拡散防止層とＡｌ２Ｏ３膜による下部電極との積層構造を形成した。
【００４７】
２．圧電層の形成
上記のようにして形成した基板３１のＡｌ２Ｏ３膜の上面に対して、上述と同様のエアロゾルデポジション法（ただしＡｌ２Ｏ３粉末：１４０ｇの代わりに堺化学工業製ＰＺＴ−ＬＱからなるＰＺＴ粉末：２００ｇを使用）にてＰＺＴ膜からなる圧電層を形成した。その後、表面をエアブローし、付着した粉体を除去した。
【００４８】
３．膜厚の検出
得られたＰＺＴ膜について、段差計を用いて膜厚を測定した。
【００４９】
４．アニール処理
マッフル炉を用いて、８５０℃でのアニール処理を３０分行い、ＳＵＳ基板３１上に形成された上記ＰＺＴ膜の結晶粒を成長させた。
【００５０】
５．膜質の判定
アニール後のＰＺＴ膜の外観形状を目視観察し、膜剥離の有無と、膜剥離があった場合には全面剥離であるか一部剥離であるかを判定した。また、膜中に圧粉体を含むかどうかも目視観察により判定した。
【００５１】
６．データ収集
キャリアガスの流量（すなわちエアロゾル流の流速）と、成膜時間を種々変更しながら、「２．圧電層の形成」〜「５．膜質の判定」の工程を繰り返し、薄膜の膜厚及び膜質についてのデータを収集した。
【００５２】
収集したデータに基づき算出した膜厚分布を、横軸に基板３１の中心からの距離（右方向をプラス、左方向をマイナスとする）をとり、縦軸に全サンプルの膜厚平均値を１００としたときの各サンプルの膜厚相対値をとった図２にまとめた。また、上記収集したデータに基づき算出した膜質変化を、横軸にキャリアガス（ヘリウムガス及び酸素ガス）の総流量をとり、縦軸に基板３１への成膜時における全サンプルの膜厚バラツキをとった図３にまとめた。
【００５３】
なお、このバラツキは、膜厚最大値ｍａｘ、膜厚最小値：ｍｉｎとして、
膜厚バラツキ（％）＝{（ｍａｘ−ｍｉｎ）÷（ｍａｘ＋ｍｉｎ）}×１００
・・（式１）によって算出したものである。
【００５４】
（第１比較例）
各成膜工程において、キャリアガスとして、前述したヘリウムガス及び酸素ガスに代えてヘリウムガスのみをエアロゾル生成器１０に導入し、それ以外は実施例と同様にして、同様の工程を繰り返し、データ収集を行った。上記と同様、収集したデータに基づき算出した膜厚分布及び膜質変化をそれぞれ図４及び図５にまとめた。
【００５５】
（第２比較例）
各成膜工程において、キャリアガスとして、前述したヘリウムガス及び酸素ガスに代えて酸素ガスのみをエアロゾル生成器１０に導入し、それ以外は実施例と同様にして、同様の工程を繰り返し、データ収集を行った。上記と同様、収集したデータに基づき算出した膜厚分布及び膜質変化をそれぞれ図６及び上記図５にまとめた。
【００５６】
（実施例と第１及び第２比較例との考察結果）
以上において、第１比較例では、図４に示すように、基板中心側を略中心とする概ね凸形状の膜厚分布となっている。この第１比較例では、前述したように、キャリアガスとして直進性を備えたヘリウムのみを使用している。この結果、単位時間当たりに流れるガスの容積である流量について、４．２Ｌ／ｍｉｎ→５．６Ｌ／ｍｉｎ→７．０Ｌ／ｍｉｎ→１１．２Ｌ／ｍｉｎ→…と概ね高流量になるほど、ヘリウムガスによる凝集塊の破壊効果により材料粒子が細粒化され、低流量のときよりも膜厚分布のバラツキが小さくなっている。しかしながら、図５中に△や×で示されるように、第１比較例では、低流量及び高流量のいずれの場合でも基板３１からの膜の一部剥離又は全面剥離が生じている。そして、キャリアガスの流量を低流量側から高流量側まで種々制御しても、膜剥離する成膜条件しか得られていないことがわかる。
【００５７】
一方、図６において、第２比較例でも、基板中心側を略中心とする概ね凸形状の膜厚分布となっており、全体的に、第１比較例よりも膜厚分布のバラツキが小さくなっている。しかしながら、この第２比較例では、キャリアガスとして分散性を備えた酸素のみを使用している。この結果、上記図５に□印で示されるように、高流量となると、酸素ガスによる材料粒子の攪拌効果に基づく流動化によって、エアロゾル中への粗大粒子の巻き込みが生じ、成膜された膜が圧粉体を含むようになる。すなわち、膜密度が粗で高電圧に対する耐性が低い、低品質の膜しか得られないことがわかる。
【００５８】
これに対して、実施例では、キャリアガスとして、直進性を備えたヘリウムガスと分散性を備えた酸素ガスとを混合した、混合ガスを用いている。これにより、酸素ガスによる材料粒子１２の攪拌効果と、ヘリウムガスによる材料粒子１２の凝集塊の破壊効果とにより、材料粒子１２が細粒化されかつ流動化されたエアロゾルを得ることができる。この結果、図２に示されるように、成膜された膜は、ヘリウムガスの流量比の相違に拘わらず、バラツキが非常に少ない膜厚分布になる。このときの膜厚分布のバラツキは、図３に示されるように、３０％以下となっている。またこのとき、各サンプルにおいて、膜の緻密性、高圧電特性に優れた良品の膜が得られていることがわかる。
【００５９】
（実施例の追加考察）
【００６０】
図７は、横軸にキャリアガス流量に占めるヘリウムガス流量比（％）をとり縦軸に図３と同様の膜厚バラツキをとった図である。図７に示すように、キャリアガス中に占めるヘリウムガスの流量比を増大させるほど、膜厚のバラツキが増大する傾向となる。一方、同一のヘリウムガスの流量比の値でみたときのバラツキの値（横軸同一値でみたときの縦軸の値）は、キャリアガスの総流量の値に依存して変化する。ヘリウムガスと酸素ガスをあわせたキャリアガスの総流量の値を、総流量４．６［Ｌ／ｍｉｎ］→５．８［Ｌ／ｍｉｎ］→６．８［Ｌ／ｍｉｎ］と徐々に増加させていくとまずバラツキが低下する傾向となる。しかしながら、その低下はある総流量の値で下げ止まり、その後は、キャリアガスの総流量６．８［Ｌ／ｍｉｎ］→８．７［Ｌ／ｍｉｎ］→１０．８［Ｌ／ｍｉｎ］という増加と共に逆にバラツキが再び増加する傾向となる。
【００６１】
図７によれば、上記のような挙動の中でも、キャリアガス総流量に対するヘリウムガスの流量比が５０％以下であれば、膜厚バラツキを、少なくともほぼ３０％以下に抑制できることがわかる。なお、図７には、参考値として、キャリアガスに純ヘリウムガスを用いた場合についても併せて示している（第１比較例に相当。図中×印）。
【００６２】
その他、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。
【符号の説明】
【００６３】
１０ エアロゾル生成器
１１ 容器
１２ 材料粒子
３０ 成膜室
３１ 基板
３５ エアロゾル流
【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料粒子を含むキャリアガスからなるエアロゾルをエアロゾル流として基板に吹き付けることにより前記基板上に成膜を行う成膜方法であって、
前記キャリアガスとして、
前記エアロゾル中で前記材料粒子を分散させる分散性を有する第１ガスと、前記エアロゾル中で前記材料粒子を直進させる直進性を有する第２ガスとを少なくとも含む、混合ガスを用いる
ことを特徴とする成膜方法。
【請求項２】
前記混合ガスに含まれる前記第１ガスの分子量が、前記第２ガスの分子量より大きいことを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
【請求項３】
前記第２ガスは、
前記エアロゾル中において凝集した前記材料粒子を壊砕する機能を備え、
前記第１ガスは、
前記エアロゾル中における前記材料粒子の攪拌、又は、前記吹き付けのために前記エアロゾルを希釈分散する機能を備える
ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の成膜方法。
【請求項４】
前記キャリアガスに占める前記第２ガスの流量比を、５０％以下とした
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の成膜方法。
【請求項１】
材料粒子を含むキャリアガスからなるエアロゾルをエアロゾル流として基板に吹き付けることにより前記基板上に成膜を行う成膜方法であって、
前記キャリアガスとして、
前記エアロゾル中で前記材料粒子を分散させる分散性を有する第１ガスと、前記エアロゾル中で前記材料粒子を直進させる直進性を有する第２ガスとを少なくとも含む、混合ガスを用いる
ことを特徴とする成膜方法。
【請求項２】
前記混合ガスに含まれる前記第１ガスの分子量が、前記第２ガスの分子量より大きいことを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
【請求項３】
前記第２ガスは、
前記エアロゾル中において凝集した前記材料粒子を壊砕する機能を備え、
前記第１ガスは、
前記エアロゾル中における前記材料粒子の攪拌、又は、前記吹き付けのために前記エアロゾルを希釈分散する機能を備える
ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の成膜方法。
【請求項４】
前記キャリアガスに占める前記第２ガスの流量比を、５０％以下とした
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の成膜方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−２２９５３３（Ｐ２０１０−２２９５３３Ａ）
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−８０９３８（Ｐ２００９−８０９３８）
【出願日】平成２１年３月３０日（２００９．３．３０）
【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２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月３０日（２００９．３．３０）
【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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