(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微粒子をガス中に分散させて発生させたエアロゾルをノズルから基板に向けて高速で噴射させて前記微粒子を前記基板に衝突させることにより、前記基板の表面上に膜を形成するようにした成膜装置において、
前記エアロゾルを噴射する前記ノズルを、少なくとも一対のノズルブロックと、これら一対のノズルブロックの間に挟持され、かつ、互いに間隔を隔てて対向配置される少なくとも２枚のシムプレートとを構成要素として備える分割構造とし、これらのノズルブロックとシムプレートとにより形成されるエアロゾル噴射通路の形状を前記シムプレートの交換により変更し得るように構成すると共に、
前記互いに間隔を隔てて対向配置される少なくとも２枚のシムプレートの間に、エアロゾル流動方向に沿って徐々に幅狭となる収縮形状の絞り部と、前記絞り部よりもエアロゾル流動方向の後流側において前記絞り部に連設された一定幅形状の粒子加速部とを設け、前記絞り部における流速分布により微粒子同士を互いに衝突させて、不純物の混入なく成膜直前に微粒子を粉砕するようにしたこと、
を特徴とする成膜装置。
【請求項２】
微粒子をガス中に分散させて発生させたエアロゾルをノズルから基板に向けて高速で噴射させて前記微粒子を前記基板に衝突させることにより、前記基板の表面上に膜を形成するようにした成膜装置において、
前記エアロゾルを噴射する前記ノズルを、少なくとも一対のノズルブロックと、これら一対のノズルブロックの間に挟持され、かつ、互いに間隔を隔てて対向配置される少なくとも２枚のシムプレートとを構成要素として備える分割構造とし、これらのノズルブロックとシムプレートとにより形成されるエアロゾル噴射通路の形状を前記シムプレートの交換により変更し得るように構成すると共に、
前記互いに間隔を隔てて対向配置される少なくとも２枚のシムプレートの間に、エアロゾル流動方向に沿って徐々に幅狭となる収縮形状の絞り部と、前記絞り部よりもエアロゾル流動方向の後流側において前記絞り部に連設された幅狭のスロート部と、前記スロート部よりもエアロゾル流動方向の後流側において前記スロート部に連設され、かつ、エアロゾル流動方向に沿って徐々に幅広となる拡張形状の粒子加速部とを設け、前記絞り部及びスロート部において微粒子の破砕並びに２次微粒子の分散化を行ない、前記粒子加速部における微粒子速度の更なる向上並びに微粒子の分級により、最適の粒径と速度を有した微粒子のみを選択的に基板に衝突させるようにしたこと、
を特徴とする成膜装置。
【請求項３】
前記一対のノズルブロックの間にシムプレートを複数枚並べることによって、複数のエアロゾル噴射通路若しくはエアロゾル流路を設け、これにより複数のノズルを一体に構成するようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の成膜装置。
【請求項４】
前記複数のノズルのエアロゾル噴射孔の向きを、その孔軸の延長線が前記基板上の一点で交わるように設定したことを特徴とする請求項３に記載の成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属，セラミックス，高分子材料等の超微粒子，或いはこれらを混合した超微粒子を高速で基板に衝突させて基板の表面上にこれを堆積させるようにした成膜装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、金属，セラミックス等の微粒子をガス中に分散させてエアロゾル化し、ノズルを通して加速し、これを基板上に噴射して衝突させることにより、強固な皮膜を形成する方法として、例えば特公平３−１４５１２号（特許番号第１６６０７９９号）に開示された方法がある。図１０は、特公平３−１４５１２号において開示されている成膜方法を施行するための成膜装置１００を示している。
【０００３】
上述の成膜装置１００を用いて基板１０１の表面上に皮膜（堆積膜）を形成する際には、まず、成膜前に予め用意した粒径１μｍ以下の超微粒子１０２をエアロゾル化容器１０３に入れておき、ここにＡｒ，Ｈｅ等の不活性ガスやＨ２  等の還元性ガス，Ｎ２  等の非酸化性ガス等の圧縮ガスから成る搬送ガス（キャリアガス）を搬送ガスボンベ１０４から搬送ガス導入管１０５を通して吹き込むことにより、ガス中に超微粒子１０２を分散させたエアロゾルとする。そして、このエアロゾルを、エアロゾル化容器１０３の上部に接続されたエアロゾル搬送管１０６を通して搬送し、成膜容器１０７内に挿入配置されかつエアロゾル搬送管１０６の先端に接続された微小孔ノズル１０８より噴射させ、この微小孔ノズル１０８の先端の噴射口（微小孔）に対応する位置に配置された基板１０１の表面に衝突させることによってこの基板１０１の表面上に皮膜を形成するようにしている。なお、図１０において、１０９は成膜容器１０７内に送り込む不活性ガスが充填された不活性ガスボンベ、１１０は成膜容器１０７の内部に配置された基板載置用の移動台、１１１はこの移動台１１０を基板１０１と一緒に移動させるための移動機構、１１２は成膜装置１０７の内部に配置された赤外線スポット加熱装置である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如き従来の成膜装置１００及びこの成膜装置１００を用いた成膜方法では、事前に粉砕等の方法によって１μｍ以下の粒径の超微粒子１０２を準備する必要があるが、粉砕時や粉砕直後における超微粒子１０２の表面は一般的に活性が非常に高いために、その後のハンドリング中に水分，ガス，不純物等の吸着による汚染が生じる可能性が高いのが実状である。また、特に金属のサブミクロン粒子の場合には、粉砕後からエアロゾル化容器１０３へ搬送して充填するまでの間のハンドリング中に、急速な酸化による発火・爆発を誘発する危険性が高いという問題がある。
【０００５】
更に、粒径が１μｍ以下の超微粒子となると、分子間引力や液架橋力等の力の影響が非常に大きくなるために、エアロゾル化容器１０３内に充填された超微粒子１０２は、通常、凝集した２次粒子を形成してしまい、簡単にガス中で単分散粒子を得るのは困難である。このため、粒径が１μｍ以上の２次粒子（凝集粒子）が分散したエアロゾルとなるので、これをそのまま微小孔ノズル１０８から噴射しても、重量が大きくて十分に加速できず、その結果、成膜効率が悪化するという問題がある。
【０００６】
一方、このような問題を解消できる装置及び方法が、特開２００１−１８１８５９号に提案されている。特開２００１−１８１８５９号に記載の成膜装置２００は、図１１に示すように、ノズル２０１とは別個に、解砕機能及び分散機能を有する解砕・分散装置２０２を備えた装置である。この成膜装置２００を用いて成膜を行う場合には、エアコンプレッサ２０３を作動させてエアロゾル発生容器２０４内にエアロゾルを発生させて解砕・分散装置２０２に導入し、この解砕・分散装置２０２でエアロゾル中の微粒子を解砕及び分散してノズル２０１に導入し、次いで基板ホルダ２１０にて保持された基板２０５にノズル２０１からエアロゾルを吹き付けるようにしている。なお、上述の解砕・分散装置２０２は、図１２に示す如く、容器２０６にエアロゾル導入部２０７を設けると共に、容器２０６内にエアロゾル導入方向に対して４５度の角度で衝撃板２０８を配置して成るものである。
【０００７】
しかしながら、上述の如き成膜装置２００を用いて成膜を行う場合には、成膜装置２００の構造が複雑となりコストアップにつながると共に、衝撃板２０８の材料が摩耗して不純物として膜に混入したり、解砕・分散装置２０２内の解砕箇所及び分散箇所において、ガス流速が遅くなる滞留部が発生し、ここに粒子が貯まることとなるため、粉体供給性能が徐々に変化して膜質が一定にならない等の不具合を生じるという問題がある。
【０００８】
本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、使用する原料粉末の特性に応じて最適なノズル形状を容易に得ることができると共に、これを用いてノズルに解砕器／粉砕機としての機能を与えることもできて不純物等の混入の少ない高品質の皮膜を高効率で得ることができるような成膜装置を提供することにある。また、本発明は、凝集した２次粒子を不純物の混入なく解砕して搬送ガス中に分散させ、或いは、インプロセスで大粒径の粒子を粉砕することにより超微粒子を作製しながら、更にノズルの形状を工夫することによって、粒子速度を向上させ、効率良く高品質の複合材料膜を合成することができる成膜装置を提供することを目的とする。すなわち、本発明は、微粒子を搬送ガス（キャリアガス）の噴流にのせて加速し、基板に衝突させることで膜を形成するようにしたガスデポジション装置において、ガス加速用のノズル形状を容易に変更できる成膜装置を提供すると共に、ノズル形状の適正化により凝集2次粒子の分散化及び粒子速度の向上に加えて、複数材料の混合吹付を可能とすることにより、成膜効率の向上並びに新しい複合材料の合成装置を提供することを目的とする。
【０００９】
上述の目的を達成するために、本発明では、微粒子をガス中に分散させて発生させたエアロゾルをノズルから基板に向けて高速で噴射させて前記微粒子を前記基板に衝突させることにより、前記基板の表面上に膜を形成するようにした成膜装置において、前記エアロゾルを噴射する前記ノズルを、少なくとも一対のノズルブロックと、これら一対のノズルブロックの間に挟持され、かつ、互いに間隔を隔てて対向配置される少なくとも２枚のシムプレートとを構成要素として備える分割構造とし、これらのノズルブロックとシムプレートとにより形成されるエアロゾル噴射通路の形状を前記シムプレートの交換により変更し得るように構成すると共に、前記互いに間隔を隔てて対向配置される少なくとも２枚のシムプレートの間に、エアロゾル流動方向に沿って徐々に幅狭となる収縮形状の絞り部と、前記絞り部よりもエアロゾル流動方向の後流側において前記絞り部に連設された一定幅形状の粒子加速部とを設け、前記絞り部における流速分布により微粒子同士を互いに衝突させて、不純物の混入なく成膜直前に微粒子を粉砕するようにしている。
また、本発明では、微粒子をガス中に分散させて発生させたエアロゾルをノズルから基板に向けて高速で噴射させて前記微粒子を前記基板に衝突させることにより、前記基板の表面上に膜を形成するようにした成膜装置において、前記エアロゾルを噴射する前記ノズルを、少なくとも一対のノズルブロックと、これら一対のノズルブロックの間に挟持され、かつ、互いに間隔を隔てて対向配置される少なくとも２枚のシムプレートとを構成要素として備える分割構造とし、これらのノズルブロックとシムプレートとにより形成されるエアロゾル噴射通路の形状を前記シムプレートの交換により変更し得るように構成すると共に、前記互いに間隔を隔てて対向配置される少なくとも２枚のシムプレートの間に、エアロゾル流動方向に沿って徐々に幅狭となる収縮形状の絞り部と、前記絞り部よりもエアロゾル流動方向の後流側において前記絞り部に連設された幅狭のスロート部と、前記スロート部よりもエアロゾル流動方向の後流側において前記スロート部に連設され、かつ、エアロゾル流動方向に沿って徐々に幅広となる拡張形状の粒子加速部とを設け、前記絞り部及びスロート部において微粒子の破砕並びに２次微粒子の分散化を行ない、前記粒子加速部における微粒子速度の更なる向上並びに微粒子の分級により、最適の粒径と速度を有した微粒子のみを選択的に基板に衝突させるようにしている。
また、本発明では、前記一対のノズルブロックの間にシムプレートを複数枚並べることによって、複数のエアロゾル噴射通路若しくはエアロゾル流路を設け、これにより複数のノズルを一体に構成するようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の成膜装置。
また、本発明では、前記複数のノズルのエアロゾル噴射孔の向きを、その孔軸の延長線が前記基板上の一点で交わるように設定している。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図１〜図９を参照して説明する。
【００１１】
図１〜図３は、本発明の第１実施形態に係る成膜装置１を説明するためのものであって、この成膜装置１では、エアロゾル噴射用ノズルとして、複数の構成要素から成る分割構造ノズル２が用いられている。本成膜装置１は、図１に示すように、真空ポンプ３によって内部が真空状態に設定される成膜室４と、この成膜室４内に固定配置された分割構造ノズル２と、金属，セラミックス等の原料粒子５が充填されたエアロゾル化室６と、Ｈｅ，Ｎ２，Ｈ２，空気等の搬送ガスを充填した圧縮ガスボンベ７とをそれぞれ具備している。また、搬送ガス導入管８の一端が圧縮ガスボンベ７に接続されると共に、その他端がエアロゾル化室６の原料粒子５内に挿入配置されている。さらに、エアロゾル化室６の上部空間（原料粒子５よりも上方の空間部分）にエアロゾル導入管９の一端が接続されると共に、このエアロゾル導入管９の他端が前記分割構造ノズル２に接続されている。
【００１２】
一方、上述の成膜室４内には基板ホルダ１０が配設されており、この基板ホルダ１０は成膜室４に取付けられた移動機構（Ｘ−Ｙ−Ｚ・θステージ）１１によってＸ軸及びＹ軸方向（水平面方向）並びにＺ方向（上下方向）に移動可能に、かつ、図外のピボット軸を中心にθ方向（回転方向）に回転し得るように構成されている。また、上述のエアロゾル化室６内の原料粒子５は、図外の振動機構により例えば上下方向に振動攪拌されるようになっている。
【００１３】
また、分割構造ノズル２は、図２に示すように、互いに対向して配置される一対のノズルブロック１２，１３と、これら一対のノズルブロック１２，１３の間に挟持状態で配置される全体として長方形状の２枚のシムプレート１４ａ，１４ｂとを構成要素（構成部品）として有するような分割構造となされている。ノズルブロック１２，１３は、共に、全体としてほぼ直方体形状に形成されており、互いに対向するノズルブロック１２，１３の対向面部１２ａ，１３ａには、エアロゾル流動方向Ｒ（図２参照）の前流側端部に半円筒形状を成すエアロゾル導入部１５がそれぞれ形成されると共に、これらのエアロゾル導入部１５にそれぞれ連続しかつエアロゾル流動方向Ｒに向けて先細りとなるような半円錐形状の絞り用凹部１６がそれぞれ形成されている。なお、前記絞り用凹部１６は、図２に示すように、ノズルブロック１２，１３のエアロゾル流動方向Ｒの中間箇所において終端となるよう形成されている。
【００１４】
また、一方のノズルブロック１２には、他方のノズルブロック１３に対向する対向面部１２ａ上であって、かつ、その４つの隅部に４つの位置決めピン１７が起立状態で設けられている。さらに、一方のノズルブロック１２の対向面部１２ａには複数のねじ穴１８が形成されると共に、他方のノズルブロック１３には前記ねじ穴１８にそれぞれ対応するねじ挿通孔１９が形成されている。
【００１５】
一方、一対のノズルブロック１２，１３間に挟持されかつ互いに間隔を隔てて対向配置されるシムプレート１４ａ，１４ｂには、前記位置決めピン１７にそれぞれ対応する４つのＵ字形状の位置決めノッチ２０がシムプレート１４ａ，１４ｂの両側部に形成されると共に、前記ねじ穴１８及びねじ挿通孔１９に対応する複数のＵ字形状のねじ挿通用切欠き２１がシムプレート１４ａ，１４ｂの長手方向の両辺部にそれぞれ３つ形成されている。さらに、シムプレート１４ａ，１４ｂのエアロゾル流動方向Ｒの前流側部分には、前記ノズルブロック１２，１３のエアロゾル導入用凹部１５に対応する矩形形状の凹部２２が形成されている。なお、位置決めピン１７、前記位置決めノッチ２０、ねじ穴１８、ねじ挿通用切り欠き２１の数、位置、形状は前記のものに限られるわけではなく、ノズルの形状やサイズに応じて、任意に変更可能である。
【００１６】
かくして、２枚のシムプレート１４ａ，１４ｂの位置決めノッチ２０内にノズルブロック１２の位置決めピン１７をそれぞれ挿入配置することにより、これらのシムプレート１４ａ，１４ｂを前記ノズルブロック１２の対向面部１２ａ上に相対的に位置決めした状態で互いに横並びの配置（同一平面上で互いに間隔を隔てて対向配置）をもってノズルブロック１２に組み付け、しかる後に他方のノズルブロック１３を前記シムプレート１４ａ，１４ｂに重ね合わせ、前記ねじ穴１８及びねじ挿通孔１９を利用して一対のノズルブロック１２，１３をねじ締付力にて締め付けて一体に結合することにより、一対のノズルブロック１２，１３間に２枚のシムプレート１４ａ，１４ｂを横並びの状態で挟持してこれらの各部材を互いに一体に保持して成る分割構造ノズル２がエアロゾル噴射用ノズルとして用いられるようになっている。なお、ノズルブロック１２，１３を締結する方法としては、前記のようにねじで締結する方法の他に、別途、万力のような固定部品を用いて挟み込む方法も考えられる。
【００１７】
このように構成された分割構造ノズル２にあっては、一対のノズルブロック１２，１３間の領域であって、かつ、これらの間に挟持状態で保持された２枚のシムプレート１４ａ，１４ｂ間の領域に断面積の小さな隙間が形成される。更に具体的に述べると、ノズルブロック１２，１３のエアロゾル導入用凹部１５とシムプレート１４ａ，１４ｂの凹部２２とにより取り囲まれた領域にエアロゾル導入部αが形成されると共に、ノズルブロック１２，１３の絞り用凹部１６とシムプレート１４ａ，１４ｂの対向辺部２３とによって取り囲まれた領域にエアロゾル流動方向Ｒの前流側にいくにつれて徐々に幅狭になる収縮形状（先細り形状）の絞り部βが形成され、さらに、ノズルブロック１２，１３の対向面部１２ａ，１３ａとシムプレート１４ａ，１４ｂの対向辺部２３とによって取り囲まれた領域に断面積が均一で一定幅形状の粒子加速部（平行流路）γが形成されるようになっている（図２参照）。なお、上述のエアロゾル導入部α，絞り部β，及び粒子加速部γはエアロゾル流動方向Ｒに沿って順次に連通され、これらにより断面積が段階的に狭くなる一連のエアロゾル噴射通路（エアロゾル流路）２４が形成され、粒子加速部γの先端には、微小な断面積を有する長方形状のエアロゾル噴射孔２５（図３参照）が設けられるようになっている。
【００１８】
このように複数の構成要素から構成した分割構造ノズル２を用いた成膜装置１にて基板３０の表面上に皮膜３１（図１参照）を形成する際の手順について述べると、次の通りである。まず、真空ポンプ３を作動させて成膜室４内の内部を減圧雰囲気に設定する。このような状態の下で、搬送ガスを圧縮ガスボンベ７から搬送ガス導入管８を通してエアロゾル化室６内に導入すると共に、エアロゾル化室６を図外の振動機構にて例えば上下方向に振動させる。これに伴い、エアロゾル化室６の内部の原料粒子５が攪拌され、搬送ガスに原料粒子４を均一に分散（浮遊）させたエアロゾルが生成される。次いで、このようにして生成されたエアロゾルをエアロゾル導入管９により、成膜室６内に配置された分割構造ノズル７のエアロゾル導入部αに導入する。すると、エアロゾルが前記エアロゾル導入部αから分割構造ノズル２の絞り部β及び粒子加速部γを順次に通る際に分割構造ノズル２内で加速され、その後に分割構造ノズル２の粒子加速部γの先端部に形成された断面長方形状のエアロゾル噴射孔２３から、基板ホルダ１０に保持された基板３０に向けてエアロゾル噴流Ｋが噴射される。これに伴い、基板３０の表面上にエアロゾル中の原料粒子５が高速で衝突し、その表面上に当該原料粒子５から成る皮膜３１が形成される（図１参照）。なお、この際、移動機構により基板ホルダ１０を基板３０と一緒にＸ−Ｙ−Ｚ・θ方向に適宜に移動させることにより、皮膜の形成パターンを特定する。
【００１９】
以上の構成からなる成膜装置１にて種々の原料粒子５（粉末）を用いて成膜を行う場合、適切な粒子速度は、原料粒子５の種類によって様々に変わってくるが、成膜装置１で用いられている分割構造ノズル２にあっては、予め原料粒子５に応じた粒子速度が出せるような形状のシムプレート１４ａ，１４ｂを準備しておくことにより、原料粒子５の種類に応じてノズル形状を容易にかつ迅速に変更することができる。
【００２０】
また、図４は、本発明の第２実施形態に係る成膜装置１に用いる分割構造ノズル２のシムプレート４０ａ，４０ｂを示している。これらのシムプレート４０ａ，４０ｂには、既述のシム部レート１４ａ，１４ｂと同様に凹部２２及び対向辺部２３が設けられており、そして凹部２２と対向辺部２３との間の領域に傾斜部２６がそれぞれ設けられている。かくして、本実施形態の場合には、ノズルブロック１２，１３のエアロゾル導入用凹部１５とシムプレート１４ａ，１４ｂの凹部２２とにより取り囲まれた領域にエアロゾル導入部αが形成されると共に、ノズルブロック１２，１３の絞り用凹部１６とシムプレート１４ａ，１４ｂの傾斜部２６とによって取り囲まれた領域にエアロゾル流動方向Ｒの前流側に向けて先細りとなる絞り部βが形成され、さらに、ノズルブロック１２，１３の対向面部１２ａ，１３ａとシムプレート１４ａ，１４ｂの対向辺部２３とによって取り囲まれた領域に断面積が均一の粒子加速部（平行流路）γが形成されるようになっている（図４参照）。なお、上述のエアロゾル導入部α，絞り部β，及び粒子加速部γは、それぞれエアロゾル流動方向Ｒに沿って順次に連通されてその流路の断面積が段階的に狭まるように設定されており、粒子加速部γの先端のエアロゾル噴射孔２５は、既述の第１実施形態の場合と同様に微小な断面積を有する長方形状の断面となされている。
【００２１】
このようなシムプレート４０ａ，４０ｂを備えた分割構造ノズル２を用いた場合には、図１のエアロゾル導入管９から送られたエアロゾルは、エアロゾル導入部αに送られた後に、絞り部βにおいて圧縮・加圧される。そして、その後の粒子加速部γにおいては、粒子加速に十分な長さの平行流路の中で原料粒子５が加速され、基板３０に向けて噴射される。
【００２２】
上述のような構成のシムプレート４０ａ，４０ｂを構成要素として有する分割構造ノズル２の作用・効果について図５を参照しながら説明すると、次の通りである。まず、分割構造ノズル２から噴射する前のエアロゾル中の原料粒子５は、ある場合には原料の超微粒子が凝集して数ミクロン以上の粒径の凝集２次粒子（粗大粒子）５０を形成していることがある。この凝集２次粒子５０が分散したエアロゾル流が分割構造ノズル２の絞り部β（スロート部）に流入すると、搬送ガスは圧縮されて流速が上昇する。この際、絞り部βにおけるノズル壁面５１ではエアロゾル流の流速がゼロなのに対し、流路中央では音速に達することになるため、大きな速度勾配が生ずる。このため、凝集２次粒子５０の速度もノズル壁面５１の近くと流路中央部とでは大きな速度差がつくために、速度の遅い粒子が、後から来た速度の速い粒子に衝突する等といった、粒子同士の相互衝突５２により粒径の小さな１次粒子５３に分散されるため、その後の粒子加速部γにおいて加速され易い状態になるという効果がある。
【００２３】
一方、もともと１０μｍ程度以上の粒径の原料粒子５を使用した場合には、スロート部である絞り部βにおいて上述と同様の理由によって、粒子同士の相互衝突５２により粒子の粉砕が生じて超微粒子５３が生成される。この場合には、事前に超微粒子を準備しておく場合に比べて、粒子表面が吸着物で汚染されることが少ないのと同時に、従来のような衝突板２０８（図１２参照）に粒子を衝突させて解砕する場合に比べて不純物の混入が少ないという利点がある。さらに、本実施形態の場合には、成膜直前で粒子の粉砕を行うことによって、活性表面を露出した状態で超微粒子５３が基板３０の表面上に到達することになるので、成膜効率が向上するという効果も得られる。
【００２４】
また、図６は本発明の第３実施形態に係る成膜装置１に用いる分割構造ノズル２のシムプレート６０ａ，６０ｂを示している。これらのシムプレート６０ａ，６０ｂは、図６に示すように、既述のシムプレート４０ａ，４０ｂと同様に凹部２２及び傾斜部２６が形成されており、傾斜部２６よりもエアロゾル流動方向Ｒの後流側に前記傾斜部２６の傾斜方向とは逆の方向に傾斜する傾斜部２７が形成されている。かくして、シムプレート６０ａ，６０ｂを用いた分割構造ノズル２は、図６に示すように、エアロゾル導入部αと、このエアロゾル導入部αに後続する絞り部βと、この絞り部βに後続する幅狭のスロート部δと、このスロート部２５に後続する拡張流路（エアロゾル流動方向に沿って徐々に幅広になる拡張部）から成る粒子加速部γとから成るエアロゾル噴射通路２４を有する。
【００２５】
このようなシムプレート６０ａ，６０ｂを備えた分割構造ノズル２を用いた場合には、図１のエアロゾル導入管９から送られたエアロゾルは、エアロゾル導入部αに送られた後に、絞り部βにおいて圧縮・加圧される。そして、スロート部δを通過した後の粒子加速部（拡張部）γでは、搬送ガスが成膜室４の背圧に達するまで膨張することによって、超音速まで加速される。本実施形態の場合には、上述の粒子加速部γを十分に長く設計することによって、エアロゾル中の原料粒子５も音速以上に加速されて基板３０に向けて噴射される。
【００２６】
上述のような構成のシムプレート６０ａ，６０ｂを構成要素として有する分割構造ノズル２の作用・効果を説明すると、次の通りである。まず、この分割構造ノズル２の絞り部β及びスロート部δにおいては、既述の第２実施形態において説明したのと同様の効果によって、凝集２次粒子５０の解砕や、大粒径の原料粒子５の相互衝突（粉砕／解砕）５２によって、超微粒子５３が生成される。このようにして生成された超微粒子５３は、後段の膨張部から成る粒子加速部γにおいて発生する超音速流によって、超音速まで加速される。すなわち、絞り部β及びスロート部δにおいて微粒子（原料粒子５）の破砕並びに２次微粒子の分散化が行なわれ、粒子加速部γにおける微粒子速度の更なる向上並びに微粒子の分級により、最適の粒径と速度を有した微粒子のみが選択的に基板３０に噴射されて衝突される。従って、この場合には、成膜直前における超微粒子５３の生成と超音速加速によって、低速では成膜性の悪い高融点金属等を、不純物の混入を抑えた状態で、常温で成膜できるという効果がある。
【００２７】
図７は、本発明の第４実施形態に係る成膜装置７０を示し、図８は、この成膜装置７０に用いられる分割構造ノズル７１の４つのシムプレート７２ａ，７２ｂ，７２ｃ，７２ｄを示している。本成膜装置７０は、２系統以上のエアロゾル供給系統（１つの系統は、圧縮ガスボンベ７，搬送ガス導入管８，エアロゾル化室６，及びエアロゾル導入管９から成る）を有し、これに対応する本数の流路を持つ分割構造ノズル７１のそれぞれのエアロゾル噴射孔（本実施形態では３つのエアロゾル噴射孔７３ａ，７３ｂ，７３ｃ）から、それぞれ別々にエアロゾル（第１〜第３の種類の原料粒子Ａ，Ｂ，Ｃを含んだエアロゾル）を噴射する構成となっている。なお、この分割構造ノズル７１は、エアロゾル導入部αと、絞り部βと、スロート部δと、粒子加速部（拡張部）γから成るエアロゾル噴射通路（エアロゾル流路）を、少なくとも２つ以上有している。なお、本実施形態の場合には、図８に示す如くエアロゾル噴射通路２４を３つ有しており、各エアロゾル噴射孔７３ａ，７３ｂ，７３ｃの中心線（孔軸）Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の延長線は所定の一点で交わるように設計されている。
【００２８】
また、本実実施形態においては、分割構造ノズル７１の中央個所に配設されているエアロゾル噴射孔７３ｂからは粗大粒子（粒径が相対的に大きな粒子）を含んだエアロゾル噴流Ｒ１が吹き出され、エアロゾル噴射孔７３ｂの両側のエアロゾル噴射孔７３ａ，７３ｃからは超微粒子（粒径が前記粗大粒子の粒径よりも相対的に小さな粒子）を含んだエアロゾル噴流Ｒ２が吹き出されるように設定されている（図８参照）。
【００２９】
以上の如き構成からなる分割構造ノズル７１の作用・効果を以下に説明する。
【００３０】
例えば、図８に示すように、分割構造ノズル７１の１つの側部の流路には原料粒子Ａを、もう１つの中央の流路には原料粒子Ｂを、更にもう一方の側部の流路には原料粒子Ｃを含んだエアロゾルを同時に流すことによって、基板３０の表面上にこれらの原料粒子Ａ，Ｂ，Ｃの混合粒子（混合粉末）から成る皮膜（複合材料膜）３１が生成される。このような複合材料膜の皮膜３１を生成するための従来の方法としては、予め混合粉末からなるエアロゾルを単一の流路に流して単一のエアロゾル噴射孔から吹き付けるようにした方法があったが、この装置では粒子の流動性・密度・粒径等の違いにより必ずしも均一に混合した混合粉末が得られず、濃度のムラが生じてしまうという問題があった。
【００３１】
これに対して本実施形態の成膜装置７０によれば、予め各粉末の流動性・粒径・密度に応じた複数の粉末供給系を備えるようにしたので、各粒子の混合割合を任意に制御できることになり、例えば、始めに耐熱合金粉末のみを成膜し、その後、徐々に耐熱セラミックス粉末の割合を増加させていく等して、膜厚方向に沿って耐熱セラミックスの含有割合が徐々に変化するような複合材料堆積膜を形成することが容易に可能となる。
【００３２】
一方、前記原料粒子Ａ及びＣを前記原料粒子Ｂと同一成分から成る大粒径の粒子とし、かつ前記原料粒子Ｂを超微粒子とした場合、成膜初期には、大粒径の粒子Ａ及びＣのみを基板３０に吹き付けることにより基板３０の表面をショットピーニング作用による前処理でクリーニング効果を付与することができる。また、成膜中には、超微粒子から成る原料粒子Ｂのみを基板３０に吹き付けて膜を堆積させる操作と、原料粒子Ａ及びＣを吹き付けて膜を突き固めて緻密化させる操作とを繰り返して行うことによって、緻密でしかも膜厚の厚い皮膜を合成することもできる（図９参照）。なお、図９は粗大粒子の衝突による堆積膜の圧縮効果を示すものであって、図９において、９０は超微粒子が基板３０の表面上に堆積してできた堆積膜、９１はこの堆積膜９０に衝突する前の粗大粒子、９２は堆積膜９０に衝突してこの堆積膜９０を圧縮する粗大粒子、９３は堆積膜９０に衝突して跳ね返えった粗大粒子、９４は粗大粒子の衝突で堆積層９０の表面にできた圧痕である。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による成膜装置及び成膜方法によれば、複数の構成要素から成る分割構造のノズルをエアロゾル噴射用ノズルとして用いるようにしたので、使用する原料粉末の特性に応じて最適なノズル形状を容易に得ることができると共に、これを用いてノズルに解砕器／粉砕機としての機能を与えることもできるため、不純物等の混入の少ない高品質の皮膜を高効率で得ることができる。従って、成膜効率と膜質の向上を図ることが可能となる。また、エアロゾル噴射通路若しくはエアロゾル流路を複数設けて、それらの先端のエアロゾル噴射孔の孔軸（中心線）の延長線が一点で交わるようにして、各々のエアロゾル噴射通路から種類の異なるエアロゾルを吹き付けることによって、各エアロゾル毎に最適な吹付条件にすることができるため、高効率で高品質の複合材料膜を得ることができる。更に、一方のエアロゾル噴射通路から微小粒径の粒子を、他方のエアロゾル噴射通路からは大粒径の粒子を吹き付けることにより、大粒径粒子の衝突による基板表面のクリーニング効果により、原料粒子の堆積効率の向上を図ることができると共に、微小粒径粒子の堆積膜を大粒径粒子が押し固める効果（大粒径粒子が堆積膜に衝突することによるショットピーニング効果）があるため、緻密な皮膜を基板の表面上に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る成膜装置の構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る成膜装置に用いる分割構造ノズルの構成を示す分解斜視図である。
【図３】上述の分割構造ノズルの構成要素である２枚のシムプレートの配置状態を示す平面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る成膜装置の分割構造ノズルに用いられる２枚のシムプレートの配置状態を示す平面図である。
【図５】図４のシムプレートを構成要素として備える分割構造ノズルの絞り部（スロート部）における原料粒子の粉砕，解砕，及び分散の効果を説明する図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る成膜装置の分割構造ノズルに用いられる２枚のシムプレートの配置状態を示す平面図である。
【図７】本発明の第４実施形態に係る成膜装置の構成図である。
【図８】図７の成膜装置に用いる分割構造ノズルの４枚のシムプレートの配置状態を示す平面図である。
【図９】図７の成膜装置を用いて基板の表面上に複合材料膜を形成する成膜方法を施行する際の粗大粒子衝突による堆積膜の圧縮効果を説明する図である。
【図１０】従来の成膜装置
【図１１】解砕器を備えた成膜装置の公知例
【図１２】解砕器の公知例
【符号の説明】
１  成膜装置
２  分割構造ノズル
４  成膜室
５  原料粒子
６  エアロゾル化室
１２，１３  ノズルブロック
１４ａ，１４ｂ  シムプレート
３０  基板
３１  皮膜
４０ａ，４０ｂ  シムプレート
６０ａ，６０ｂ  シムプレート
７０  成膜装置
７１  分割構造ノズル
７２ａ〜７２ｄ  シムプレート
Ａ，Ｂ，Ｃ  原料粒子
α  エアロゾル導入部
β  絞り部
γ  粒子加速部
δ  スロート部
Ｐ１〜Ｐ３  中心線（孔軸）
【図１】
0003613255.tif 000002
【図２】
0003613255.tif 000003
【図３】
0003613255.tif 000004
【図４】
0003613255.tif 000005
【図５】
0003613255.tif 000006
【図６】
0003613255.tif 000007
【図７】
0003613255.tif 000008
【図８】
0003613255.tif 000009
【図９】
0003613255.tif 000010
【図１０】
0003613255.tif 000011
【図１１】
0003613255.tif 000012
【図１２】
0003613255.tif 000013