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技術 プラズマCVD装置

出願人 小島プレス工業株式会社
発明者 渡邉祐二加納裕治羽田野泰弘
出願日 2014年2月19日 (6年10ヶ月経過) 出願番号 2014-029775
公開日 2015年8月24日 (5年4ヶ月経過) 公開番号 2015-151627
状態 特許登録済
技術分野 プラズマの発生及び取扱い CVD
主要キーワード 平面板材 移動用ラック 各回転シャフト 移動用ピニオン 閾値密度 延設端 水平移動用 付け範囲
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2015年8月24日)のものです。
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図面 (9)

課題

簡素、小型な設備にて、曲面等の非平面形状である基材に対しても均一な成膜の可能なプラズマCVD装置を提供する。

解決手段

真空チャンバ内の基材18を、第1軸方向及び第1軸とは直交する第2軸方向に移動可能な搬送治具と、基材18に対して成膜材料を含んだプラズマを吹き付けるプラズマトーチ14A、14Bと、プラズマトーチ14A、14Bを第1軸及び第2軸に直交する第3軸周りに回転可能な回転手段16とを備え、プラズマトーチの14A、14B可動範囲は第3軸周りの回転のみであるプラズマCVD装置。

概要

背景

従来から、基材表面への成膜手段として、成膜材料活性化してプラズマを発生させることで基材表面への成膜を行う、プラズマCVDが知られている。このような成膜装置として、基材に対してプラズマを吹き付けるプラズマトーチを備えた、プラズマCVD装置が知られている。この装置では、真空チャンバ内にプラズマトーチおよび基材を配置する。プラズマトーチには、金属配管などのガス配管を通して、外部から反応ガスキャリアガスが供給される。これらのガスが供給されたプラズマトーチは、基材に対して成膜材料を含むプラズマを吹き付ける。これにより基材表面に膜が形成される。

スプレーガン等と同様に、トーチから吹き付けられたプラズマは略放射状略円錐状)に拡散する。つまり、トーチから離間するにつれてプラズマ密度が低下する。基材表面に形成される膜厚を均一にするために、プラズマの吹きつけの際には、基材表面とプラズマトーチとの離間距離を一定にする。例えば基材が長尺平面板材である場合、プラズマトーチと基材表面との離間距離を一定に保ちながら、その離間方向とは垂直方向に基材を送る(流す)。

さらに、基材が曲面等の非平面形状である場合には、基材表面への成膜の均一化を図るために、離間距離を一定にすることに加えて、プラズマトーチが常に基材表面の吹き付け面に正対する(正面を向く)ような位置関係となるように、プラズマトーチ及び基材を位置決めする。例えば特許文献1では、複数軸方向に移動及び回転可能な移動機構を備えたコンベヤーを設けるとともに、このコンベヤーに基材を載せている。複数軸方向に基材を移動させることで、プラズマトーチと基材表面との離間距離が一定に保たれる。また、基材を回転させることで、基材表面がプラズマトーチの正面に向けられる。

概要

簡素、小型な設備にて、曲面等の非平面形状である基材に対しても均一な成膜の可能なプラズマCVD装置を提供する。真空チャンバ内の基材18を、第1軸方向及び第1軸とは直交する第2軸方向に移動可能な搬送治具と、基材18に対して成膜材料を含んだプラズマを吹き付けるプラズマトーチ14A、14Bと、プラズマトーチ14A、14Bを第1軸及び第2軸に直交する第3軸周りに回転可能な回転手段16とを備え、プラズマトーチの14A、14B可動範囲は第3軸周りの回転のみであるプラズマCVD装置。

目的

本発明は、従来よりも簡素、小型な設備にて、均一な成膜の可能な、プラズマCVD装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

真空チャンバ内の基材を、第1軸方向及び前記第1軸とは直交する第2軸方向に移動可能な搬送治具と、前記基材に対して成膜材料を含んだプラズマを吹き付けるプラズマトーチと、前記プラズマトーチを、前記第1軸及び第2軸に直交する、第3軸周りに回転可能な回転手段と、を備え、前記プラズマトーチの可動範囲が、前記第3軸周りの回転のみであることを特徴とする、プラズマCVD装置

請求項2

請求項1に記載のプラズマCVD装置であって、前記回転手段は、前記第3軸周りに前記プラズマトーチを回転させることで、当該プラズマトーチを、前記基材のプラズマ吹き付け面に正対させることを特徴とする、プラズマCVD装置。

請求項3

請求項1または2に記載のプラズマCVD装置であって、前記プラズマトーチは、前記第3軸に沿って複数設けられ、それぞれの配置間隔が、前記基材表面上に吹き付けられたプラズマの径未満となるように、前記複数のプラズマトーチが配置され、隣り合う一方の前記プラズマトーチにより吹き付けられたプラズマと、他方の前記プラズマトーチにより吹き付けられたプラズマが、前記基材表面上で一部重複することを特徴とする、プラズマCVD装置。

技術分野

0001

本発明は、プラズマCVD装置に関する。

背景技術

0002

従来から、基材表面への成膜手段として、成膜材料活性化してプラズマを発生させることで基材表面への成膜を行う、プラズマCVDが知られている。このような成膜装置として、基材に対してプラズマを吹き付けるプラズマトーチを備えた、プラズマCVD装置が知られている。この装置では、真空チャンバ内にプラズマトーチおよび基材を配置する。プラズマトーチには、金属配管などのガス配管を通して、外部から反応ガスキャリアガスが供給される。これらのガスが供給されたプラズマトーチは、基材に対して成膜材料を含むプラズマを吹き付ける。これにより基材表面に膜が形成される。

0003

スプレーガン等と同様に、トーチから吹き付けられたプラズマは略放射状略円錐状)に拡散する。つまり、トーチから離間するにつれてプラズマ密度が低下する。基材表面に形成される膜厚を均一にするために、プラズマの吹きつけの際には、基材表面とプラズマトーチとの離間距離を一定にする。例えば基材が長尺平面板材である場合、プラズマトーチと基材表面との離間距離を一定に保ちながら、その離間方向とは垂直方向に基材を送る(流す)。

0004

さらに、基材が曲面等の非平面形状である場合には、基材表面への成膜の均一化を図るために、離間距離を一定にすることに加えて、プラズマトーチが常に基材表面の吹き付け面に正対する(正面を向く)ような位置関係となるように、プラズマトーチ及び基材を位置決めする。例えば特許文献1では、複数軸方向に移動及び回転可能な移動機構を備えたコンベヤーを設けるとともに、このコンベヤーに基材を載せている。複数軸方向に基材を移動させることで、プラズマトーチと基材表面との離間距離が一定に保たれる。また、基材を回転させることで、基材表面がプラズマトーチの正面に向けられる。

先行技術

0005

特表2008−508424号公報

発明が解決しようとする課題

0006

ところで、基材を複数軸方向に移動及び回転させる機構を設ける場合、プラズマトーチ周辺の空間を十分に確保しておく必要がある。このことは、図8のように、例えば基材100が車両部品であるなど、プラズマトーチ102に対して基材100が大型である場合に顕著となる。プラズマCVDプロセスは真空チャンバ104内で行われることから、プラズマトーチ102周辺の空間を十分に確保しようとすると、真空引きする空間が増大することになり、真空装置の大型化等のコストの増加に繋がる。

0007

そこで、基材を動かす代わりに、プラズマトーチ側を動かす、つまりプラズマトーチを可動型にすることが考えられる。しかし、この場合、プラズマトーチの前後方向や上下方向の移動に追従可能とするために、当該プラズマトーチに反応ガスやキャリアガスを送り込むガス配管を、従来用いられている金属管等の剛性材料配管部材から、可撓性のチューブ部材に変更する必要がある。可撓性のチューブ部材は剛性材料の配管部材よりも一般的に耐久性が低いため、取り替え頻度が相対的に高くなる。このため、真空チャンバへのガスリークを防止しつつ取替えが容易な構造とするなど、設備や構造が複雑になるおそれがある。そこで、本発明は、従来よりも簡素、小型な設備にて、均一な成膜の可能な、プラズマCVD装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0008

本発明に係るプラズマCVD装置は、真空チャンバ内の基材を、第1軸方向及び前記第1軸とは直交する第2軸方向に移動可能な搬送治具と、前記基材に対して成膜材料を含んだプラズマを吹き付けるプラズマトーチと、前記プラズマトーチを、前記第1軸及び第2軸に直交する、第3軸周りに回転可能な回転手段と、を備える。前記プラズマトーチの可動範囲は、前記第3軸周りの回転のみとなる。

0009

また、上記発明において、前記回転手段は、前記第3軸周りに前記プラズマトーチを回転させることで、当該プラズマトーチを、前記基材のプラズマ吹き付け面に正対させることが好適である。

0010

また、上記発明において、前記プラズマトーチは、前記第3軸に沿って複数設けられ、前記複数のプラズマトーチの配置間隔が、前記基材表面上に吹き付けられたプラズマの径未満となるように前記複数のプラズマトーチが配置され、隣り合う一方の前記プラズマトーチにより吹き付けられたプラズマと、他方の前記プラズマトーチにより吹き付けられたプラズマが、前記基材表面上で一部重複することが好適である。

発明の効果

0011

本発明によれば、従来よりも簡素、小型な設備にて、均一な成膜の可能な、プラズマCVD装置を提供できる。

図面の簡単な説明

0012

本実施形態に係るプラズマCVD装置とその周辺機器を例示する断面図である。
本実施形態に係るプラズマCVD装置を例示する斜視図である。
本実施形態に係るプラズマCVD装置を例示する断面図である。
プラズマトーチのティーチングについて説明する図である。
プラズマの吹き付け範囲を説明する図である。
プラズマトーチの配置について説明する図である。
プラズマトーチの配置について説明する図である。
従来のプラズマCVD装置を説明する図である。

実施例

0013

図1,2に、本実施形態に係るプラズマCVD装置10を例示する。図1は、真空チャンバ17およびその周辺機器も含めた側面断面図を示し、図2は、真空チャンバ17内の斜視図を示している。プラズマCVD装置10は、搬送治具12、プラズマトーチ14、回転モータ16、ガス供給配管28A〜28C、及び電力ケーブル30を備える。プラズマCVD装置10は、真空チャンバ17内に設けられる。

0014

搬送治具12は、真空チャンバ17内の基材18を移動させる。図1に示すように、搬送治具12は、スライド機構11、リフト機構13、及びステージ27を備える。スライド機構11は、水平移動用ラック15、水平移動用ピニオン29、及び水平ガイド19を備える。水平移動用ピニオン29は、図示しないサーボモータ等によって回転させられる。この回転によって、水平ガイド19に沿って水平移動用ラック15が水平方向(第1軸L方向)に移動可能となる。

0015

リフト機構13は、鉛直移動用ラック21、鉛直移動用ピニオン23、及び鉛直ガイド25を備える。鉛直移動用ピニオン23は、図示しないサーボモータ等によって回転させられる。この回転によって、鉛直ガイド25に沿って鉛直移動用ラック21が鉛直方向(第2軸H方向)に移動可能となる。スライド機構11及びリフト機構13によって、ステージ27が水平方向及び鉛直方向に移動可能となる。

0016

なお、スライド機構11及びリフト機構13はともに、ラック・ピニオン機構に代えて、ピストン機構によってそれぞれステージ27を水平方向及び鉛直方向に移動可能としてもよい。

0017

搬送治具12のステージ27上には、基材18が保持、固定される。基材18は、曲面や、複数の平面を繋ぎ合わせたような形状であってよい。基材18は、成膜される表面が後述する第3軸Rに平行となるように、予めステージ27に保持、固定される。基材18は、例えば車両の窓部材等であってよい。基材18は、例えばポリカーボネート等の樹脂材料から構成されていてよい。

0018

また、搬送治具12のステージ27は、接地されていることが好適である。このようにすることで、Ar+等を含むプラズマを、基材18表面に誘導することが可能となる。

0019

図2に示すように、ガス供給配管28A〜28Cは、それぞれ、プラズマトーチ14のケーシング26内に反応ガス、キャリアガス、及び酸化剤ガスを供給する。反応ガスは、例えば、基材18表面にガラス膜を形成可能な材料を含んでいてよく、モノシランガスや、シリコン(Si)に有機官能基が結合した有機シリコンガスであってよい。キャリアガスは、基材18表面に吸着しないような成分であればよく、例えばアルゴンガス等の希ガスが用いられる。酸化剤ガスは、酸素ガスであってよい。

0020

ガス供給配管28A〜28Cは、それぞれ、真空チャンバ17外の気体源36A〜36C(図1参照)から、後述するケーシング26内の反応ガスチャンバ42、キャリアガスチャンバ44、及び酸化剤ガスチャンバ46に、反応ガス、キャリアガス、及び酸化剤ガスを供給する。ガス供給配管28A〜28Cは、剛性材料から構成されてよく、例えば金属配管やセラミック配管から構成されてよい。

0021

また、図3に示すように、ガス供給配管28A〜28Cのケーシング側端部は、ケーシング26の回転軸R軸に沿って延伸させられるとともに、後述する反応ガスチャンバ42、キャリアガスチャンバ44、及び酸化剤ガスチャンバ46に接続される。

0022

電力ケーブル30は、後述する高周波誘導コイル47に高周波電力を供給する。電力ケーブル30は、ガス供給配管28A〜28Cと同様にして、真空チャンバ17外の交流電源38から(図1参照)から高周波誘導コイル47に交流電力を供給する。

0023

図2に示すように、プラズマトーチ14は、基材18に対して成膜材料を含んだプラズマを吹き付ける。プラズマトーチ14は、プラズマノズル20、反応ガスノズル22、酸化剤ノズル24、ケーシング26、及び回転シャフト32を備える。

0024

ケーシング26は、ガス供給配管28A〜28Cのそれぞれと、反応ガスノズル22、プラズマノズル20及び酸化剤ノズル24のそれぞれを、相対回転可能な状態で接続する、気体継手の機能を備える。

0025

ケーシング26にはスリット40が形成されている。スリット40は、後述するようにケーシング26の回転周方向に沿って延設されて(切り込まれて)いる。スリット40はケーシング26に複数形成されており、それぞれのスリット40に、ガス供給配管28A〜28C及び電力ケーブル30が挿入される。電力ケーブル30が可撓性ケーブルである場合には、当該電力ケーブル30に対するスリット40は設けなくてもよい。

0026

図3に、ケーシング26の鉛直平面(H−R平面)断面図を例示する。ケーシング26内には、反応ガスチャンバ42、キャリアガスチャンバ44、及び酸化剤ガスチャンバ46が形成されている。各チャンバ42、44、46は、それぞれ、反応ガスノズル22、プラズマノズル20、及び酸化剤ノズル24に接続される。ケーシング26は、これらのチャンバ42、44、46を保持するとともに、これらを回転軸R軸周りに回転させる。

0027

キャリアガスチャンバ44には、高周波誘導コイル47が設けられている。希ガス(キャリアガス)が導入されたキャリアガスチャンバ44内に高周波電力を印加することによってプラズマが生成される。

0028

反応ガスチャンバ42、キャリアガスチャンバ44、及び酸化剤ガスチャンバ46の各側壁には開口が設けられ、回転軸R方向に延伸するガス供給配管28A〜28Cのそれぞれの端部が、当該開口から各チャンバ内に挿入される。

0029

各チャンバ42、44、46のそれぞれの側壁と、ガス供給配管28A〜28C端部のフランジとに挟まれるようにして、シール部材48が設けられている。シール部材48は、例えば各チャンバに固定されるとともに、各ガス供給配管28A〜28Cと摺接可能な部材から構成される。

0030

このように、本実施形態においては、各ガス供給配管28A〜28Cと各チャンバ42、44、46のそれぞれを相対回転可能としている。したがって、各チャンバ42、44、46の回転時であっても、各ガス供給配管28A〜28Cは静止状態を維持することができる。加えて、図2に示すように、ガス供給配管28A〜28Cは、ケーシング26の回転周方向に沿って延設されたスリット40から、ケーシング26内に挿入される。つまり、回転周方向に遊びを持った状態で、ガス供給配管28A〜28Cが、ケーシング26内に挿入される。このような構成を備えることで、ケーシング26(プラズマトーチ14)の回転時における、ケーシング26のガス供給配管28A〜28Cへの当接を避けることができる。

0031

プラズマノズル20は、キャリアガスチャンバ44と連通しており、当該チャンバ44にて生成されたプラズマが送られる。これによりプラズマノズル20からプラズマが吹き出される。また、プラズマノズル20はケーシング26とともに回動する。

0032

反応ガスノズル22は、反応ガスチャンバ42と連通している。反応ガスノズル22の吹出口は、プラズマノズル20の噴出軸Aに向けられていてよい。例えば、反応ガスノズル22は、噴出軸Aと平行に、プラズマノズル20の吹出口よりも下流(基材18側)まで延設されるとともに、その延設端から、噴出軸Aに向かって吹出口が向くように屈曲される。このようにすることで、プラズマノズル20から噴き出されたプラズマ中に反応ガスが含まれて、その結果、反応ガスが活性化された状態で基材18表面に吹き付けられる。

0033

酸化剤ノズル24は、酸化剤ガスチャンバ46と連通している。反応ガスノズル22と同様に、酸化剤ノズル24の吹出口は、噴出軸Aに向けられていてよい。例えば、酸化剤ノズル24は、噴出軸Aと平行に、プラズマノズル20の吹出口よりも下流まで延設されるとともに、その延設端から、噴出軸Aに向かって吹出口が向くように屈曲される。

0034

このような構成にすることで、プラズマノズル20から噴き出されたプラズマに反応ガス及び酸化剤ガスが含まれる。その結果、基材18の表面にSiO2膜等の酸化物を成膜させることが可能となる。

0035

回転モータ16は、回転シャフト32を介して、プラズマトーチ14を第3軸R周りに回転させる。R軸は、L軸及びH軸に直交するように設けられる。本実施形態では、プラズマトーチ14を動かす手段を回転モータ16のみから構成し、また、水平方向(L軸方向)及び鉛直方向(H方向)の移動機能は搬送治具12に持たせている。このようにすることで、プラズマトーチ14の可動範囲が、第3軸R周りの回転のみとなり、プラズマトーチ14を水平方向及び鉛直方向に移動させなくて済む。加えて、上述した構成により、プラズマトーチ14の回動に伴う、ガス供給配管28A〜28Cの移動、変形は避けられる。このことから、ガス供給配管28A〜28Cを耐久性の高い(取り替え頻度の少ない)剛性材料からなる配管とすることが可能となる。

0036

さらに、搬送治具を移動及び回転させる場合と比較して、基材18の移動量が低減する(回転させなくて済む)ので、基材18を収容する真空チャンバ17の容積の増大を抑制することが可能となる。

0037

回転モータ16は、噴出軸Aが基材18表面に対して所定の角度となるように、プラズマトーチ14を回転駆動させる。例えば、プラズマノズル20が基材18の成膜対象表面33(吹き付け面)に正対する(正面を向く)ように、すなわち、噴出軸Aが基材18の成膜対象表面33に対して略垂直となるように、プラズマトーチ14を回転させる。

0038

回転モータ16によるプラズマトーチ14の回転パターンは、予めティーチングによって、回転モータ16を制御する制御部(図示せず)に記憶させるようにしてよい。例えば搬送治具12の位置と同期した回転量を、ティーチングによって制御部に記憶させる。このようにすることで、角度センサ等を用いた精密測定と比較して、測定器具等を設置するコストを低減させることが可能となる。

0039

プラズマノズル20を基材18の成膜対象表面33(吹き付け面)に正対させる手段として、例えば図4に示す手段を用いる。図4では、水平L軸−鉛直H軸平面断面図が示されている。この図において、プラズマノズル20から放射状(円錐状)に噴出されたプラズマの有効吹き付け範囲の境界線B,Cと基材18の成膜対象表面33との交点d,eを求める。プラズマの有効吹き付け範囲の境界線B,Cは、例えば、事前にプラズマの密度分布を求めるとともに、閾値密度となる領域を求めることで得られる。

0040

続いて、交点d,eを結んだ中点から垂線を引く。この垂線とプラズマノズル20の噴出軸Aが一致するように、回転軸(R軸)周りにプラズマトーチ14を回転させる。このようにすることで、プラズマノズル20を基材18の成膜対象表面33に略正対させることができる。

0041

次に、プラズマトーチ14の配置について説明する。プラズマトーチ14は、複数設けられていてよい。この場合、図2に示すように、プラズマトーチ14A,14Bは、第3軸Rに沿って設けられてよい。例えば、一台のプラズマトーチ14では基材18表面の全幅に亘ってプラズマを吹き付けられない場合、言い換えると、基材18の第3軸R方向の幅が、一台のプラズマトーチ14から吹き付けられるプラズマの、基材18表面上の径より大きい場合に、プラズマトーチ14を複数台設ける。このようにすることで、プラズマトーチ14を第3軸R沿いに移動させる必要がなく、プラズマトーチ14の可動範囲の増大を抑制することができる。

0042

複数のプラズマトーチ14A,14Bを設ける場合、回転シャフト32を共通として、プラズマトーチ14A,14Bを同期回転させてよい。また、回転シャフト32を個別に設けて、プラズマトーチ14A,14Bを個別に回転させるようにしてもよい。この場合、各回転シャフト32は第3軸Rと平行とすることが好適である。

0043

また、基材18への均一な成膜のために、複数のプラズマトーチ14A,14Bを設ける場合、その配置間隔は、基材18表面に吹き付けられるプラズマの径を基準に設定することが好適である。図5に例示するように、プラズマトーチ14から噴出されたプラズマは拡散して基材18の成膜対象表面33に至る。このとき、成膜対象表面33に形成される膜厚は、図中破線で示すように、噴出軸A上の中心付近で最大となり、周辺に向かって薄くなる。そこで、隣り合うプラズマトーチ14A,14Bによるプラズマの周辺部を重ねることで、周辺部の膜厚を厚くする。

0044

具体的には、図6に示すように、プラズマトーチ14A,14Bの配置間隔W2(隣り合うプラズマノズル20の噴出軸Aの間隔)が、成膜対象表面33上に吹き付けられたプラズマの径W1未満となる(W2<W1)ように、プラズマトーチ14A,14Bを配置する。このようにすることで、隣り合う一方のプラズマトーチ14Aにより吹き付けられたプラズマと、他方のプラズマトーチ14Bにより吹き付けられたプラズマが、その周辺部において、成膜対象表面33上で重複する。

0045

なお、図7に示すように、複数配置されたプラズマトーチ14A〜14Cのうち、両端のプラズマトーチ14A,14Cから噴出されたプラズマは、その両端において、他のプラズマトーチ14によるプラズマと重ならない。そのため、他の領域と比較して、成膜対象表面33上に形成された膜厚が薄くなる場合がある。そこで、プラズマの両端部については、成膜対象表面33に吹き付けないような構成としてもよい。具体的には、基材18(成膜対象表面33)の幅W3(第3軸Rに沿った幅)が、複数のプラズマトーチ14A〜14Cによるプラズマの延べ幅W4未満となる(W3<W4)ように、プラズマトーチ14及び基材18を配置する。このとき、成膜対象表面33からはみ出したプラズマが成膜対象表面33と対向する裏面に回りこむことを防ぐために、成膜対象表面33の周辺にプラズマを受けるホルダ34を設けてもよい。

0046

10プラズマCVD装置、11スライド機構、12搬送治具、13リフト機構、14A-14Cプラズマトーチ、16回転モータ、17真空チャンバ、18基材、20プラズマノズル、22反応ガスノズル、24酸化剤ノズル、26ケーシング、28A-28Cガス供給配管、33成膜対象表面、40スリット、42反応ガスチャンバ、44キャリアガスチャンバ、46酸化剤ガスチャンバ。

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