(57)【要約】【課題】本発明は、構造物形成室から回収した粒子で構造物を形成した場合でも構造物の剥離や材料利用効率の低下を抑制可能な構造物作製装置および方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、ガス中に固体粒子を分散させるエアロゾル発生器と、前記エアロゾル発生器に接続された構造物形成室と、前記構造物形成室中に分散した固体粒子を回収する粒子回収装置と、前記エアロゾル発生器と前記粒子回収装置とに接続され、前記粒子回収装置で回収した固体粒子の結晶性を回復させる結晶性回復処理部とを備えることを特徴とする構造物作製装置を提供する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス中に固体粒子を分散させるエアロゾル発生器と、
前記エアロゾル発生器に接続された構造物形成室と、
前記構造物形成室中に分散した固体粒子を回収する粒子回収装置と、
前記エアロゾル発生器と前記粒子回収装置とに接続され、前記粒子回収装置で回収した固体粒子の結晶性を回復させる結晶性回復処理部とを備えることを特徴とする構造物作製装置。
【請求項２】
前記結晶性回復処理部を通過した固体粒子のＸ線回折ピークの半値幅は前記結晶性回復処理部を通過する前の固体粒子のＸ線回折ピークの半値幅よりも減少していることを特徴とする請求項１に記載の構造物作製装置。
【請求項３】
前記粒子回収装置と前記結晶性回復処理部の間及び前記結晶性回復処理部と前記エアロゾル発生器の間にそれぞれ開閉可能な弁を備えることを特徴とする請求項１に記載の構造物作製装置。
【請求項４】
前記結晶性回復処理は加熱処理であることを特徴とする請求項１に記載の構造物作製装置。
【請求項５】
前記結晶性回復処理部と前記エアロゾル発生器との間に固体粒子の凝集体除去処理を施す凝集体除去処理部を備えることを請求項１に記載の特徴とする構造物作製装置。
【請求項６】
前記凝集体除去処理は、乾式流体分級処理、フィルタ処理、ミル処理の少なくともいずれか１つを含むことを特徴とする請求項５に記載の構造物作製装置。
【請求項７】
外部と前記構造物形成室との間に接続され、圧力制御が可能なロードロック室を備えることを特徴とする請求項１に記載の構造物作製装置。
【請求項８】
ガス中に固体粒子を分散させ、
前記固体粒子を構造物形成室中にある基板に噴射し、
前記構造物形成室中の固体粒子を回収し、
回収した前記固体粒子に結晶性を回復させる結晶性回復処理を施し、
結晶性回復処理を施した前記固体粒子を前記基板に噴射することを特徴とする構造物作製方法。
【請求項９】
結晶性回復処理を施された固体粒子のＸ線回折ピークの半値幅結晶性回復処理を施される前の固体粒子のＸ線回折ピークの半値幅よりも減少していることを特徴とする請求項８に記載の構造物作製方法。
【請求項１０】
前記結晶性回復処理におけるガス圧力またはガス種を前記構造物形成室とは独立して制御することを特徴とする請求項８に記載の構造物作製方法。
【請求項１１】
前記結晶性回復処理は加熱処理であることを特徴とする請求項８に記載の構造物作製方法。
【請求項１２】
結晶性回復処理を施した前記固体粒子に凝集体除去処理を施すことを特徴とする請求項８に記載の構造物作製方法。
【請求項１３】
前記凝集体除去処理は、乾式流体分級処理、フィルタ処理、ミル処理の少なくともいずれか１つを含むことを特徴とする請求項１２に記載の構造物作製方法。
【請求項１４】
前記構造物形成室を真空にすることを特徴とする請求項８に記載の構造物作成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造物作製装置および構造物作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本技術分野の背景技術として、特許第４３１１０４１号公報（特許文献１）がある。この公報には、粉体供給容器から供給された材料微粒子をガス中に分散させ、基板に衝突させたエアロゾルを吸引し、エアロゾル中の材料微粒子を捕捉し貯留する微粒子回収容器を備える複合構造物作製装置が記載されている。
【０００３】
他に本技術分野の背景技術として、特開２００８−８８５５９号公報（特許文献２）がある。この公報には、プラズマ照射またはマイクロ波照射により原料微粒子粉体の表面の付着物を除去する複合構造物作製装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４３１１０４１号公報
【特許文献２】特開２００８−８８５５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、エアロゾルデポジション法による構造物形成において、従来材料利用効率が著しく低いゆえに構造物形成室内に廃棄されていた材料粒子を粒子回収容器に貯留し、再利用することを可能としている。しかし、粒子回収容器に貯留された粒子を再び基板に衝突させ構造物を形成させる場合、基板に一度衝突した粒子の結晶性が低下することが考慮されていない。そのため、形成途中で構造物の一部に欠陥が生じる、材料利用効率が低下するといった課題がある。
【０００６】
特許文献２では、エアロゾルデポジション法による構造物形成において、プラズマ照射やマイクロ波照射により、材料粒子表面の付着物を除去することで、作製される構造物の強度向上を可能にしている。しかし、材料粒子表面の付着物を除去する程度のエネルギー照射では結晶性の回復には不十分である。そのため、構造物の一部が欠陥が生じる、材料利用効率が低下するといった課題がある。
【０００７】
上記問題点に鑑み、本発明は、構造物形成室から回収した粒子で構造物を形成した場合でも構造物に生じる欠陥や材料利用効率の低下を抑制可能な構造物作製装置および方法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】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
【０００９】
本発明はその一例を挙げるならば、ガス中に固体粒子を分散させるエアロゾル発生器と、前記エアロゾル発生器に接続された構造物形成室と、前記構造物形成室中に分散した固体粒子を回収する粒子回収装置と、前記エアロゾル発生器と前記粒子回収装置とに接続され、前記粒子回収装置で回収した固体粒子の結晶性を回復させる結晶性回復処理部とを備えることを特徴とする構造物作製装置を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、構造物形成室から回収した粒子で構造物を形成した場合でも構造物に生じる欠陥や材料利用効率の低下を抑制可能な構造物作製装置および方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１における構造物作製装置の模式図である。
【図２】原料粒子を用いて形成した構造物の表面ＳＥＭ像である。
【図３】結晶性回復処理を施していない回収粒子を用いて形成した構造物の表面ＳＥＭ像である。
【図４】結晶性回復処理を施した回収粒子を用いて形成した構造物の表面ＳＥＭ像である。
【図５】実施例１における構造物作製装置の変形例１の模式図である。
【図６】実施例１における構造物作製装置の変形例２の模式図である。
【図７】実施例２における構造物作製装置の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１に、本実施例における構造物作製装置の模式図を示す。
【００１４】
本実施例における構造物形成装置は、ガス源１から配管１０を通して搬送したガス中に固体粒子を分散させるエアロゾル発生器２と、配管１１を通して搬送したエアロゾル中の固体粒子を基板６に噴射するノズル３と、エアロゾル発生器２と配管１１、ノズル３を解して接続され、配管１２を通して真空ポンプ４が接続され内部の圧力調整が可能な構造物形成室５と、ノズル３から噴射された固体粒子を回収する粒子回収装置７と、粒子回収装置７と配管１３で接続され粒子回収装置７内の固体粒子に結晶性を回復を行う結晶性回復処理を施す結晶性回復処理部８を有する。基材６は基板保持体９により固定されており、基板保持体９がノズル３に対する基材６の相対位置を変えることで、基板６上の構造物形成箇所を制御することができる。粒子回収装置７として、重力集塵、電気集塵、遠心力集塵、慣性力集塵などのいずれの方法も使用できる。結晶性回復処理部８を経た固体粒子は、配管１４を通してエアロゾル発生器２に搬送され、繰り返し構造物形成に使用される。以下では、ノズル３から一度も噴射されていない固体粒子を原料粒子、ノズル３から噴射された後、構造物形成室５に残った固体粒子を回収粒子と記す。
【００１５】
回収粒子は、一度基材６に衝突した影響で粒子内の歪量が増加し、原料粒子に比べ結晶性が低下している。結晶性が低下した状態で回収粒子を構造物形成に使用した場合、構造物の剥離や材料利用効率の低下が生じる。材料利用効率とは、基材６に衝突した粒子重量に対する基材６に形成された構造物の重量比である。材料利用効率が低下すると、使用粒子量の増加、構造物形成時間の増加が必要となるため、構造物形成コストが増加する。
【００１６】
本実施例における構造物形成装置では、粒子回収装置７で回収された回収粒子に対して、結晶性回復処理部８で結晶性を回復させる結晶性回復処理を行うことで回収粒子の結晶性を回復させることができ、回収粒子を用いて構造物を形成した場合でも、構造物の剥離や材料利用効率の低下が生じない。
【００１７】
結晶性の評価方法として、例えばＸ線回折ピークの半値幅が利用できる。原料粒子、結晶性回復処理部８を通過する前であって結晶性回復処理を施していない回収粒子、結晶性回復処理部８を通過し、結晶性回復処理を施した回収粒子のＸ線回折ピークの半値幅と材料利用効率を表１に示す。
【００１８】
【表１】
2014145103.tif 000003
【００１９】
固体粒子は平均粒径２．８μｍのα−Ａｌ２Ｏ３を例に、（０１２）面の回折ピークの半値幅を比較した。測定の使用したＸ線はＣｕＫα線、測定幅は０．０２００ｄｅｇ、測定速さは５．００００ｄｅｇ／ｍｉｎ、発散スリットは１．００ｄｅｇ、散乱スリットは１．００ｄｅｇ、受光スリットは０．１５ｍｍである。結晶性回復処理として、大気中において６００℃１時間の加熱処理を実施した。結晶性回復処理を施していない回収粒子の半値幅は、原料粒子に比べ増加し、結晶性と材料利用効率がともに低下している。一方、結晶性回復処理を施した回収粒子の半値幅は、原料粒子と同等であり、結晶性回復処理により原料粒子と同程度の結晶性に回復している。材料利用効率も原料粒子を用いた場合と同等である。以上より、結晶性回復処理により、回収粒子のＸ線回折ピークの半値幅が原料粒子よりも減少したことがわかる。
【００２０】
原料粒子、結晶性回復処理を施していない回収粒子、結晶性回復処理を施した回収粒子を用いて作製した構造物の表面ＳＥＭ像をそれぞれ図２、図３、図４に示す。図３に示すように、結晶性回復処理を施していない回収粒子の場合、構造物表面に剥離箇所が確認される。一方、図４に示すように結晶性回復処理を施した回収粒子の場合、構造物表面に剥離箇所はなく、図２に示す原料粒子を用いた場合と同等の表面組織が得られる。
【００２１】
結晶性回復処理は回収粒子の結晶性を回復させる効果のある加熱処理であれば、抵抗加熱、誘導加熱、電子ビーム加熱、熱プラズマ加熱、レーザービーム加熱などのいずれの方法も使用できる。
【００２２】
原料粒子はエアロゾル発生器２または結晶性回復処理部８のいずれか、またはその両方に入れることができる。原料粒子を結晶性回復処理部８に入れ、結晶性回復処理を施した場合、結晶性回復処理が原料粒子表面の水分、有機物を除去する効果があるため、作製される構造物の強度向上、不純物の混入防止が可能である。
【００２３】
また図５に示す本実施例の変形例１のように、配管１３、１４にそれぞれ開閉可能な弁１５、１６がついていてもよい。結晶性回復処理部８のガス圧力やガス種を構造物形成室５やエアロゾル発生器２と独立して制御できるため、原料粉末の特性に応じた結晶性回復処理が可能になる。例えば、固体粒子をＡｌＮとしたときに窒素中または真空中で行うことにより、固体粒子の酸化や組成変化を防止することができる。
【００２４】
また、図６に示す本実施例の変形例２のように、構造物形成室５には真空ポンプに接続され、圧力調整が可能なロードロック室１７が接続されていてもよい。ロードロック室１７は、構造物形成室５を大気開放させないために外部と構造物形成室５との間にバッファとして設けられたものである。基材６の設置や取出しをロードロック室１７を介して行い、構造物形成室５とロードロック室１７とが連通するときにロードロック室を真空にする。これにより、基材６の設置や取出しによっても構造物形成室５を大気開放されないため、大気中の水分や有機物が構造物形成室５内部に残留し、不純物として構造物に混入することを防ぐことができる。
【００２５】
本実施例によれば、結晶性回復処理部８により一度基材６に衝突して結晶性の低下した回収粒子の結晶性を回復させることで構造物の剥離や材料利用効率の低下を抑制させることができる。
【実施例２】
【００２６】
図７に本実施例における構造物形成装置の模式図を示す。
【００２７】
本実施例では、実施例１と比較して、結晶性回復処理部８とエアロゾル発生器２との間に凝集体除去処理部１８を設けた構造物形成装置の例を説明する。その他構成は、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有するので、それらの説明は省略する。
【００２８】
固体粒子の材料によっては、粒子回収装置７や結晶性回復処理部８の内部において回収粒子同士が接触すると、回収粒子が凝集体となる場合がある。凝集体を含んだ固体粒子を構造物形成に用いると、構造物の強度低下や材料利用効率低下を引き起こすため、凝集体を取り除く必要がある。そこで、本実施例では、結晶性回復処理部８とエアロゾル発生器２との間に凝集した回収粒子に対して凝集体除去処理を施す凝集体除去処理部１８を設けた。
【００２９】
凝集体除去処理としては、気流中で運動する粒子に重力などの外力や慣性力を作用させ、
粒子の重量に応じて変化する気流流線からのずれの大小で粒子を分離する乾式流体分級処理、流体中で運動する粒子をある目開きをもったフィルタに通すことで、目開き以下の大きさの粒子のみを通過させ、粒子の大きさに応じて粒子を分離するフィルタ処理などによる凝集体の分離や、ボールミル、ジェットミルといったメディアと粒子を衝突させ、粒子を磨砕することで粒子の大きさを小さくするミル処理による凝集体の破砕が挙げられる。
【００３０】
本実施例によれば、凝集体除去処理部１８によって結晶性回復処理部８の内部で凝集した回収粒子を分離・粉砕することで構造物の強度低下や材料利用効率の低下を抑制することができる。
【００３１】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１    ガス源
２    エアロゾル発生器
３    ノズル
４    真空ポンプ
５    構造物形成室
６    基材
７    粒子回収装置
８    結晶性回復処理部
９    基板保持体
１０、１１、１２、１３、１４  配管
１５、１６  弁
１７  ロードロック室
１８  凝集体除去処理部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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