JP2007076943A - 成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 噴霧されたミストの流れを制御することにより、基板上の熱拡散を抑制して、形成される膜の厚さを均一にすることを可能とした成膜装置を提供すること。
【解決手段】 本発明の成膜装置は、スプレー熱分解法により被処理体の一面上に薄膜を形成する成膜装置であって、前記被処理体を載置する支持手段と、前記被処理体の一面の中心域に向けて、前記薄膜の原料溶液からなるミストを噴霧する吐出手段と、前記被処理体の近傍に排気口を配してなる排気手段と、を少なくとも備え、前記吐出手段は、その吐出口を前記被処理体の一面の中心付近で、その上方近傍に配置してなり、前記排気手段は、前記吐出口から噴霧されたミストを、前記被処理体の一面近傍を漂うように誘導することを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、スプレー熱分解法による成膜装置に関するものである。

スプレー熱分解法は、加熱された基板に向けて原料溶液を噴霧することにより、反応初期には基板表面に付着した液滴中の溶媒蒸発と、溶質の熱分解に続く加水分解反応、および熱酸化反応することにより結晶が形成する。反応が進むと基板上に形成した結晶（多結晶膜）上に液滴が付着、液滴中の溶媒の蒸発とともに溶質および下部の結晶間で結晶成長が進む、という一連の反応を応用した技術である。

スプレー熱分解法による従来の成膜装置を図４に示す。この成膜装置１００は、基板１１０を載置する支持手段１２０と、原料溶液をスプレー状に噴射する吐出手段１３０とを具備している（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、これらの提案では、特別な排気装置に関する記述は無い。このため、成膜時のミストの吹き付けから拡散、そして排気までを制御することが考慮されていないことが明らかである。

従来の装置では、基板に噴霧したミストの排気に関しては考慮することがなかった。このため、基板上に形成される膜の厚さが不均一になる原因となっていた。
また、成膜室として、隔壁を設けていない開放系にて成膜を行っていたことから、上昇気流が生じて基板上の熱拡散が大きくなりやすくなり、加熱基板温度を高くする必要があった。

さらに、ミストが上方へ自由に拡散することから、ノズル等の装置を構成する部材や壁面等へミストが付着してしまい、基板への粉末飛散による汚れが発生していた。このため、装置の洗浄等のメンテナンスが短い周期で必要になっていた。
実開平０６−０１２４４６号公報

本発明は、このような従来の実情に鑑みて考案されたものであり、噴霧されたミストの流れを制御することにより、基板上の熱拡散を抑制して、形成される膜の厚さを均一にすることを可能とした成膜装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る成膜装置は、スプレー熱分解法により被処理体の一面上に薄膜を形成する成膜装置であって、前記被処理体を載置する支持手段と、前記被処理体の一面の中心域に向けて、前記薄膜の原料溶液からなるミストを噴霧する吐出手段と、前記被処理体の近傍に排気口を配してなる排気手段と、を少なくとも備え、前記吐出手段は、その吐出口を前記被処理体の一面の中心付近で、その上方近傍に配置してなり、前記排気手段は、前記吐出口から噴霧されたミストを、前記被処理体の一面近傍を漂うように誘導することを特徴とする。
本発明の請求項２に係る成膜装置は、請求項１において、前記被処理体と前記吐出手段とを含む空間を包み込むようなフードを備えてなることを特徴とする。
本発明の請求項３に係る成膜装置は、請求項１又は２において、前記排気口は、前記被処理体の外周近傍にあって、その側方または上方に配されていることを特徴とする。
本発明の請求項４に係る成膜装置は、請求項１又は２において、前記排気口を複数備えていることを特徴とする。
本発明の請求項５に係る成膜装置は、請求項１又は２において、前記複数の排気口は、前記被処理体に対し対称な位置に設けられていることを特徴とする。
本発明の請求項６に係る成膜装置は、請求項１又は２において、前記吐出口は、前記被処理体の一面近傍を漂うミスト空間に含まれない位置（高さ）に配されていることを特徴とする。

本発明では、吐出口から噴霧されたミストを、排気手段により被処理体の一面近傍を漂うように誘導することで、被処理体表面の面内温度分布のばらつきを抑制することができる。その結果、形成される薄膜の膜厚分布のばらつきを小さくすることができる。

以下、本発明に係る成膜装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１および図２は、本発明の成膜装置を模式的に示す図である。
本発明の成膜装置１は、スプレー熱分解法により被処理体２上に薄膜を形成する成膜装置であって、前記被処理体２を載置する支持手段１１と、前記被処理体２の一面の中心域に向けて、前記薄膜の原料溶液からなるミスト３を噴霧する吐出手段１２と、前記被処理体２の近傍に排気口１３ａを配してなる排気手段１３と、を少なくとも備える。

そして本発明の成膜装置１において、排気手段１３は、吐出手段１２から被処理体２の一面の中心付近に向けて噴霧されたミスト３を、排気することにより被処理体２の一面近傍を漂うように誘導する。
これにより、被処理体２の中心付近に向けて吹き付けられたミスト３は、図３に示すように中心部から周辺部へ向かうように被処理体２上を流れ、排気口１２ａから排気される。このため、被処理体２表面の面内温度分布のばらつきを抑制することができる。その結果、形成される薄膜の膜厚分布のばらつきを小さくすることができる。

また、吐出手段１２から被処理体２の間の空間に余分な噴霧が浮遊していると、被処理体２に到達する前に浮遊物が結晶化し、それが被処理体２上に異物として付着する。本発明の成膜装置１では、浮遊する余分な噴霧を排気手段１３により強制的に排気することにより、ミストが浮遊物により阻害されない。これにより異物の発生を抑制することができる。

支持手段１１は、被処理体２の被成膜面を所定の温度に保ちながら薄膜を形成するため、被処理体２の加熱・保持・冷却機能を備えた温度制御手段を内蔵している。温度制御手段は、例えばヒータである。

前記吐出手段１２は、その吐出口１２ａを前記被処理体２の一面の中心付近で、その上方近傍に配置される。
吐出手段１２は、例えばノズルである。そして吐出手段１２から噴霧する原料溶液は、ミスト３（液状微粒子）とされている。
このミスト３は、後述する調整室２０において予め原料溶液を噴霧することにより生成されたものであってもよい。

吐出手段１２は、ミスト３を、成膜室１０の空間に配置された被処理体２上に吹き付けるものである。吐出口１２ａは、前記被処理体２の一面近傍を漂うミスト空間に含まれない位置（高さ）に配されている。吐出口１２ａからは、流速１００〜１００，０００ｃｍ／分でミスト３が噴霧される。また、吐出口１２ａと被処理体２表面間の距離は、５〜２００ｍｍで制御されている。
また、被処理体２は、上記温度制御手段からの伝熱等により表面が加熱されており、２００〜６００℃の温度範囲に制御されている。

また、被処理体２と前記吐出手段１２とを含む空間は、フード１４により包み込まれていることが好ましい。
フード１４は、ステンレススチール等の耐食性金属により構成されている。底部近傍の両側に開口部が形成されている。

成膜装置１では、フード１４が吐出手段１２と対向する位置に配される被処理体２との間の空間を包み込むように配置されているので、吐出手段１２の吐出口１２ａからスプレー状に噴射された原料溶液は外気の影響を受けることなく、吐出口１２ａから被処理体２に向かう放射状空間に噴霧された状態を安定に保つことができる。換言すると、フード１４はその内部空間から装置への外部へ原料溶液が飛散し、無駄な使用量が増加するのも防ぐ働きもする、これにより、原料溶液は薄膜の形成に有効に使われる。

また、吐出手段１２と被処理体２との間を包み込むようにフード１４が配置されているので、成膜時に、被処理体２からの放熱を抑制することができる。その結果、被処理体２の加熱に要する熱量を低減することが可能となり、被処理体２の表面温度の制御性が向上した。

前記排気手段１３は、前記吐出口１２ａから噴霧されたミスト３を、前記被処理体２の一面近傍を漂うように誘導する。
前記排気口１３ａは、図１および図２に示すように、前記被処理体２の外周近傍にあって、その側方または上方に配されていることが好ましい。排気口１３ａを、被処理体２の側方または上方に設けることにより、浮遊物を巻き込むことなく除去することができる。

また、排気口１３ａを複数備えていることが好ましい。図２に示す例では、排気口１３ａを４つ備えた場合を例に挙げて示している。さらに、これら複数の排気口１３ａは、被処理体２に対し対称な位置に設けられていることが好ましい。複数の排気口１３ａを被処理体２に対し対称な位置に設けることにより、排気がより均一に行われ、被処理体２の表面温度の面内分布のばらつきをより効果的に抑制することができる。また、形成される薄膜への浮遊物の巻き込みをより少なくすることができる。図２では、４つの排気口１３ａを９０°の間隔で基板の周囲を取り囲むように設けた場合を示している。

また、この成膜装置１は、予め原料溶液を噴霧することにより前記ミスト３を生成する調整室２０と、前記ミスト３を前記調整室２０から前記吐出手段１２まで移動させる空間からなる搬送手段とをさらに備えていてもよい。
調整室２０では、上記の吐出手段１２とは異なる噴霧手段により原料溶液を予備噴霧し、径の小さい(細かな)液滴だけをミスト３として効率よく取り出してサイズを均一化するよう選別する制御を行う。より細かいミストを吹き付けることができるため、特性のよい膜を形成できる。
この生成されるミスト３は、６０．０〜９８．８ｖｏｌ％のエアーを含んでいることが好ましい。

搬送手段は、生成されたミスト３を誘導しながら搬送する空間としての搬送路２１を有している。
搬送路２１は、仕切り部材によって外部と隔離され、内壁の温度がミスト３と同じかあるいは高めで、かつ、原料溶液の溶媒の蒸発速度が極端とならない温度を保つように制御されている。すなわち、ミストの温度＞搬送路内壁の温度＞溶媒の蒸発温度という関係にある。

そして、搬送路２１内のミスト３には、流速１００〜１００，０００ｃｍ／分の流れがある。
また。搬送路２１の内壁は、フッ素樹脂等の撥水性を有する材料を採用するか、または表面に撥水性を付与する処理を施すことにより、外部と隔離されている。この際、搬送路２１を金属等の熱伝導性の良好な材料を使用したものとすると、外気温度の影響を受けやすく、搬送路内壁へのミスト３の付着に繋がることから、塩化ビニル樹脂やフッ素樹脂等の熱伝導の低い樹脂材料を採用することが好ましい。なお、金属材料を採用する場合は、搬送路外壁の温度制御を行うことで対応できる。

また、薬液として塩酸や硫酸、硝酸等を使用する場合、ミスト３と直接接触する内壁には、耐薬品性の材料を使用するか、あるいは耐薬品性の材料による表面処理を施すことが必要になる。
さらに、搬送路２１の距離は短いほど望ましい。しかしながら、ミスト温度や内壁温度、各手段の配置からの制約などの設計の観点から距離を必要とする場合も考えられることを考慮し、長くする場合は、１０ｍ未満とすることが望ましい。

次に、この成膜装置１を用いてスプレー熱分解法により被処理体２上に薄膜を形成する方法について説明する。
なお、以下の説明では、本発明の成膜装置１を用いて、被処理体２である基板上に、透明導電膜としてＩＴＯ膜を形成する場合を例に挙げて説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、様々な薄膜を形成するのに用いることができる。

まず、表面が清浄面とされた基板を台板上に載置し、この基板を台板ごと所定の位置に保持する。
基板としては、例えば、ソーダガラス、耐熱ガラス、石英ガラスなどのガラスからなる厚さが０．３〜５ｍｍ程度のガラス板が好適に用いられる。
基板表面温度が所定の温度に到達し、安定したら、ＩＴＯ膜の成膜を開始する。

調整室２０において、噴霧手段によりＩＴＯ膜の原料溶液を予備噴霧し、ミスト３とする。
ＩＴＯ膜の原料溶液としては、加熱することによりスズ添加インジウム（ＩＴＯ）等の導電性金属酸化物となる成分を含む溶液が好適に用いられる。
ＩＴＯ膜の原料溶液としては、塩化インジウム・四水和物を０．２ｍｏｌ／Ｌ含有した水溶液、またはエタノール溶液、さらにはエタノール−水混合溶液に対し、塩化スズ・五水和物を０．０１ｍｏｌ／Ｌ含有した水溶液、またはエタノール溶液、さらにはエタノール−水混合溶液が好適に用いられる。

調整室２０において生成されたミスト３は、搬送路２１を介して成膜室１０に搬送され、成膜室１０の上部に配された噴霧ノズル（吐出手段１２）から基板上に向かって噴霧される。このミスト３が所定の温度に加熱された基板の表面に付着することにより、ミスト中の溶媒が急速に蒸発するともに残った溶質が急速に化学反応してＩＴＯ等の導電性金属酸化物に変化する。これにより、基板の表面に導電性金属酸化物からなる結晶が速やかに生成し、短時間の間に透明導電膜（ＩＴＯ膜）を形成することとなる。

図３に示すように、吐出口１２ａから基板の中心付近に吹き付けられたミスト３は、排気手段１３により誘導され、中心部から周辺部へ向かうように基板上を漂うように流れ、排気口１２ａから排気される。
ＩＴＯ膜の成膜が終了したら、基板温度が所定の温度になるまで冷却し、基板を取り出す。
以上のようにして、基板上にＩＴＯ膜からなる透明導電膜が形成される。

この成膜装置１では、ミスト３を噴霧する成膜室１０を隔壁（上面と周囲）で囲い、基板上へ噴霧したミスト３を排気する排気口１３ａを設けたことによって、基板上を流れるミスト３を制御することが可能となる。このため、基板面内の温度分布のばらつきが抑制される。また、排気口１３ａを設けてミスト流れを制御することにより薄膜への異物混入を抑制することができる。
その結果、このようにして得られる透明導電膜は、膜厚分布のばらつきが抑制されたものとなり、例えば導電性等の薄膜特性の面内均一性が確保されたものとなる。また、異物混入が抑制され、これにより特性に優れた高品質のものとなる。
さらに、ミスト流れを制御することにより、成膜室の隔壁やノズル等の部材へのミスト付着が防止され、洗浄のためのメンテナンスに要する時間を低減することができた。

以上、本発明の成膜装置について説明してきたが、本発明は上記の例に限定されるものではなく、必要に応じて適宜変更が可能である。
例えば、上述した説明では、排気口を４つ設けた場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、排気口の数は３つ以下であってもよいし、５つ以上であってもよい。また、排気口の配置も、上記の例に限定されるものではない。

本発明の成膜装置を用いて、基板上に透明導電膜としてＩＴＯ膜を形成した。
まず、以下のようにして、原料溶液を調製した。
＜ＩＴＯ原料溶液の調製＞
塩化インジウム（ＩＩＩ）五水和物（ＩｎＣｌ_３・４Ｈ_２Ｏ）５．５８ｇ／１００ｍｌと塩化スズ（ＩＶ）五水和物（ＳｎＣｌ_４・５Ｈ_２Ｏ）０．３６ｇ／１００ｍｌの比の薬剤を水に溶解させて調製した。

（実施例）
＜ＩＴＯ成膜＞
５００ｍｍ×５００ｍｍ×２ｍｍの硼珪酸ガラス基板（TEMPAX#8330）を支持台上に設置し、室温から３５０〜４００℃の表面温度に達するまで加熱した。なお、加熱方法は、ガラス基板の下部に配された加熱基板からの伝熱に加えて、フード上部に配された赤外線ランプからの熱線照射によるものとした。
基板表面温度が安定したことを確認してから、ＩＴＯ成膜を開始した。
ＩＴＯ原料溶液は調整室において予備噴霧され、ミスト（液状微粒子）とされている。調整室および搬送路におけるミスト条件を表１に示す。なお、搬送路には、伸縮性を有する塩ビ製蛇腹パイプを採用し、内壁にはテフロン（登録商標）樹脂コートを施して撥水性を確保した。

成膜室においては、スリット型の噴霧ノズル（ノズル出口サイズ：７×２７０ｍｍ）４本を正方形に配置して、調整室から搬送されたＩＴＯ原料溶液のミストを、基板上に噴霧した。このとき、ノズル出口におけるミスト温度は４０℃であり、ノズル出口におけるミスト流速は、２２５００ｃｍ／分であった。
また、５００ｍｍ角成膜を実現するため、噴霧ノズルとガラス基板間距離は２０ｍｍとし、基板側でＸ方向に±１５０ｍｍ、ノズル側でＹ方向に±１５０ｍｍづつ揺動させることで噴霧濃度の偏りを防いだ。ＩＴＯ膜の成膜に要した時間は、１５分であった。
さらに、成膜室において、９０°の間隔で基板の周囲を取り囲むように４本の排気口を設け、４方向より排気した。

（比較例）
比較例では、フードを配さずに、成膜室、排気構造ともに開放系の構造を有する成膜装置を用いたこと以外は、実施例と同様にしてガラス基板上にＩＴＯ膜を形成した。
以上のようにしてガラス基板上にＩＴＯ膜を形成した。

成膜時の加熱基板設定温度と、ガラス基板表面の実際の温度との比較を表２に示す。

表２から明らかなように、吐出手段と基板との間を包み込むようにフードを配した実施例では、開放系により行った比較例と比較して、基板からの放熱が抑制され、成膜時の基板設定温度を低くした条件でも、成膜温度条件（３００〜４５０℃）を保持することが可能となった。

また、実施例および比較例でＩＴＯ膜が形成された基板の特性比較を表３に示す。

表３から明らかなように、実施例では、排気することにより上方への流れが制御されたことや基板表面のミスト流れが制御されたことにより、基板の空間的時間的な温度分布が抑制され、結果として膜厚およびシート抵抗分布が均一化した。

また、１０枚成膜後、２０枚成膜後において、形成されたＩＴＯ膜表面に存在する、０．１ｍｍ以上の異物数を数えた。その結果を表４に示す。

表４から明らかなように、実施例では、ミスト流れを制御することで成膜室の構成部材へのミスト付着が抑制され、その結果、１０枚および２０枚成膜後においても成膜基板上の０．２ｍｍ以上の異物の発生が抑えられた。

本発明は、スプレー熱分解法により透明導電膜等の薄膜を形成する成膜装置に適用可能である。

本発明に係る成膜装置の一例を模式的に示す図である。 図１に示す成膜装置において排気口の配置を上面から示す図である。 本発明に係る成膜装置を用いて成膜する際のミスト流れを模式的に示す図である。 従来の成膜装置の一例を模式的に示す図である。

符号の説明

１ 成膜装置、２ 被処理体、３ ミスト、１０ 成膜室、１１ 支持手段、１２ 吐出手段、１２ａ 吐出口、１３ 排気手段、１３ａ 排気口、１４ フード、２０ 調整室、２１ 搬送路。

Claims (6)

1. スプレー熱分解法により被処理体の一面上に薄膜を形成する成膜装置であって、
   前記被処理体を載置する支持手段と、
   前記被処理体の一面の中心域に向けて、前記薄膜の原料溶液からなるミストを噴霧する吐出手段と、
   前記被処理体の近傍に排気口を配してなる排気手段と、を少なくとも備え、
   前記吐出手段は、その吐出口を前記被処理体の一面の中心付近で、その上方近傍に配置してなり、
   前記排気手段は、前記吐出口から噴霧されたミストを、前記被処理体の一面近傍を漂うように誘導することを特徴とする成膜装置。
2. 前記被処理体と前記吐出手段とを含む空間を包み込むようなフードを備えてなることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記排気口は、前記被処理体の外周近傍にあって、その側方または上方に配されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の成膜装置。
4. 前記排気口を複数備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の成膜装置。
5. 前記複数の排気口は、前記被処理体に対し対称な位置に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の成膜装置。
6. 前記吐出口は、前記被処理体の一面近傍を漂うミスト空間に含まれない位置（高さ）に配されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の成膜装置。
   

Images