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Rapid deposition of oxide semiconductor film by innovative atmospheric solution precursor spray using vortex thermal plasma flow

使用涡流热等离子体流通过创新的大气溶液前驱体喷射快速沉积氧化物半导体薄膜

基本信息

批准号：
20K03918
负责人：
安藤康高
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Ashikaga University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

液相前駆体プラズマ溶射（Solution Precursor Plasma Spray; SPPS）は、液相前駆体を出発原料とするプラズマ溶射であり、減圧下で施工した場合には、従来のCVDと同様の緻密質薄膜の形成が可能であるうえ、薄膜の微細組織や組成の制御も容易である事から、機能性薄膜の高速形成プロセスとしての実用化が期待されている。しかしながら、大気圧下でのSPPSにより形成された薄膜は、強度が低く実用性に乏しいのが現状である。そこで本研究では、高強度機能性薄膜の形成が可能な大気SPPS装置の開発を目的として、上流部と下流部に設置した2台のプラズマトーチにより構成された複合トーチを有する大気SPPS装置を考案・試作し、当該装置の高強度TiO2薄膜形成能力の検証を行っている。当該装置の上流部熱プラズマでは噴霧された出発原料からのTiO2微粒子形成、下流部熱プラズマではTiO2微粒子の溶融および基板上への輸送を行うことにより、機能性、強度とも従来の機能性薄膜形成プロセス（CVD、PVD、噴霧熱分解法など）で形成されたものと同等のTiO2薄膜の高速合成を可能とする。2021年度までに、複合トーチによる高強度薄膜形成が可能であることを明らかにし、2022年度は高強度薄膜形成メカニズムに関する検証を行った。その結果、出発原料に蒸留水を混合させなかった場合には高強度薄膜が形成されなかったのに対し、出発原料に蒸留水を添加した場合は溶射距離を短くするにつれて形成された薄膜のビッカース硬さは向上した。この結果から、上流で微粒子が形成されない場合は前駆体のまま基板に到達するため、溶射距離が短い場合前駆体が熱分解されるのに対し、上流で微粒子が形成される場合は、溶射距離が短い場合基板に到達した微粒子が焼結され高強度薄膜になる事が明らかになった。

Solution Precursor Plasma Spray (SPPS) is expected to provide high speed formation of functional thin films and easy fabrication of thin films with CVD and the same dense thin films under reduced pressure conditions. SPPS is formed under high pressure, but its strength is low and its usability is insufficient. In this study, the formation of high-strength functional thin films is possible for the development of large-scale SPPS devices. In addition, two sets of high-strength functional thin films are arranged in the upstream and downstream parts of the device. When the device is heated at the upper part to form TiO2 fine particles from the raw material, heated at the lower part to melt TiO2 fine particles, and transported on the substrate, the functional film formation process (CVD, PVD, spray pyrolysis) is possible, and the equivalent TiO2 film is formed at a high speed. In 2021, the formation of high strength thin films is possible due to the combination of materials, and in 2022, the formation of high strength thin films is possible due to the combination of materials. As a result, the evaporation of raw materials is mixed, and the formation of high-strength films is difficult. As a result, the particles are formed in the upstream direction when the precursor reaches the substrate, when the distance between the precursor and the substrate is short, and when the particles are formed in the upstream direction when the distance between the precursor and the substrate is short, when the particles reach the substrate and when the high strength film is sintered.