(57)【要約】 【課題】  均一な微粒子速度と微粒子濃度を実現させることができる複合構造物作製装置を提供する。【解決手段】  脆性材料の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に向けてノズルより噴射して、前記エアロゾルを大気圧未満の環境下で前記基板表面に衝突させ、前記微粒子の構成材料からなる構造物を前記基材上に形成させる複合構造物作製装置の一部を構成するノズルに特徴を有し、このノズルのノズル本体は硬質材にて構成され、このノズル本体には前記分散筒に連続して接続される単一のスリット状導入開口、エアロゾルが通過する空間およびエアロゾルを噴射する単一のスリット状導出開口が形成され、これらスリット状をなす導入開口および導出開口の長辺寸法は等しく、導入開口の短辺寸法は導出開口の短辺寸法より大きいか等しい設定されている。【選択図】        図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
脆性材料の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に向けてノズルより噴射して、前記エアロゾルを大気圧未満の環境下で前記基板表面に衝突させ、前記微粒子の構成材料からなる構造物を前記基材上に形成させる複合構造物作製装置であって、
この複合構造物作製装置はエアロゾルを発生させる１または複数のエアロゾル発生器と、このエアロゾル発生器の下流側に前記エアロゾル中で前記微粒子を分散させる空間を有する分散筒とを備え、
また前記ノズルのノズル本体は硬質材にて構成され、このノズル本体には前記分散筒に連続して接続される単一のスリット状導入開口、エアロゾルが通過する空間およびエアロゾルを噴射する単一のスリット状導出開口が形成され、これらスリット状をなす導入開口の長辺寸法は導出開口の長辺寸法に対して０．８〜１．２とされ、また導入開口の短辺寸法は導出開口の短辺寸法より大きいか等しいことを特徴とする複合構造物形成装置。
【請求項２】
請求項１に記載の複合構造物形成装置において、前記分散筒にはエアロゾル中に含まれる微粒子の凝集を解砕する解砕機能が設けられていることを特徴とする複合構造物作製装置。
【請求項３】
脆性材料の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に向けてノズルより噴射して、前記エアロゾルを大気圧未満の環境下で前記基板表面に衝突させ、前記微粒子の構成材料からなる構造物を前記基材上に形成させる複合構造物作製装置であって、
この複合構造物作製装置はエアロゾルを発生させる１または複数のエアロゾル発生器を備え、
また前記ノズルのノズル本体は硬質材にて構成され、このノズル本体には前記エアロゾル発生器に連続して接続される単一のスリット状導入開口、エアロゾルが通過する空間およびエアロゾルを噴射する単一のスリット状導出開口が形成され、これらスリット状をなす導入開口の長辺寸法は導出開口の長辺寸法に対して０．８〜１．２とされ、前記導入開口の短辺寸法は導出開口の短辺寸法より大きいか等しく、
また前記エアロゾル発生器から発生されるエアロゾルが、前記ノズルの前記導入開口のスリット長辺寸法に応じて、帯状に発生することを特徴とする複合構造物形成装置。
【請求項４】
脆性材料の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に向けてノズルより噴射して、前記エアロゾルを大気圧未満の環境下で前記基板表面に衝突させ、前記微粒子の構成材料からなる構造物を前記基材上に形成させる複合構造物作製装置であって、
この複合構造物作製装置はエアロゾルを発生させる１または複数のエアロゾル発生器と、このエアロゾル発生器の下流側に前記エアロゾル中の凝集粒を解砕する解砕器とを備え、
また前記ノズルのノズル本体は硬質材にて構成され、このノズル本体には前記エアロゾル発生器に連続して接続される単一のスリット状導入開口、エアロゾルが通過する空間およびエアロゾルを噴射する単一のスリット状導出開口が形成され、これらスリット状をなす導入開口の長辺寸法は導出開口の長辺寸法に対して０．８〜１．２とされ、また導入開口の短辺寸法は導出開口の短辺寸法より大きいか等しく、
また前記エアロゾル発生器から発生されるエアロゾルが、前記ノズルの前記導入開口のスリット長辺寸法に応じて、帯状に発生することを特徴とする複合構造物形成装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れかに記載の複合構造物作製装置において、前記ノズルのスリット状導出開口の長辺と短辺との比が１０より大きいことを特徴とする複合構造物作製装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５の何れかに記載の複合構造物作製装置において、前記導入開口と前記導出開口との距離が、前記ノズルから噴射される微粒子の平均速度が５０〜４５０ｍ／ｓとなるように設定されていることを特徴とする複合構造物作製装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項５の何れかに記載の複合構造物作製装置において、前記導入開口と前記導出開口との距離が、前記ノズルから噴射される微粒子の平均速度が１００〜４５０ｍ／ｓとなるように設定されていることを特徴とする複合構造物作製装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項５の何れかに記載の複合構造物作製装置において、前記導入開口と前記導出開口との距離が、前記ノズルから噴射される微粒子の平均速度が１５０〜４５０ｍ／ｓとなるように設定されていることを特徴とする複合構造物作製装置。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８の何れかに記載の複合構造物作製装置に組み込まれるノズル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脆性材料の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基板に吹き付け、微粒子の構成材料からなる構造物を基板上に形成させる複合構造物作製装置のうち、特にノズルに特徴をもたせたものに関する。
【背景技術】
【０００２】
基材表面に脆性材料の構造物を形成させる方法として、エアロゾルデポジション法と呼ばれる手法が認知されている（特許文献１）。
【０００３】
この手法は脆性材料などの微粒子をガス中に分散させたエアロゾルをノズルから基材に向けて噴射し、金属やガラス、セラミックスやプラスチックなどの基材に微粒子を衝突させ、この衝突の衝撃により脆性材料微粒子を変形や破砕を起させしめてこれらを接合させ、基材上に微粒子の構成材料からなる構造物をダイレクトで形成させることを特徴としており、特に加熱手段を必要としない常温で構造物が形成可能であり、焼成体同等の機械的強度を保有する構造物を得ることができる。この方法に用いられる装置は、基本的にエアロゾルを発生させるエアロゾル発生器と、エアロゾルを基材に向けて噴射するノズルとからなり、ノズルの開口よりも大きな面積で構造物を作製する場合には、基材とノズルを相対的に移動・揺動させる位置制御手段を有し、減圧下で作製を行う場合には構造物を形成させるチャンバーと真空ポンプを有し、またエアロゾルを発生させるためのガス発生源を有することが一般的である。
【０００４】
前記エアロゾルデポジション法のプロセス温度は常温であり、微粒子材料の融点より十分に低い温度、すなわち数百℃以下で構造物形成が行われるところにひとつの特徴がある。
【０００５】
またエアロゾルデポジション法で使用される微粒子はセラミックスや半導体などの脆性材料を主体とし、同一材質の微粒子を単独であるいは混合させて用いることができるほか、異種の脆性材料微粒子を混合させたり、複合させて用いることが可能である。また一部金属材料や有機物材料などを脆性材料微粒子に混合させたり、脆性材料微粒子表面にコーティングさせて用いることも可能である。これらの場合でも構造物形成の主となるものは脆性材料である。
【０００６】
エアロゾルデポジション法によって形成される構造物において、結晶性の脆性材料微粒子を原料として用いる場合、構造物の脆性材料部分は、その結晶子サイズが原料微粒子のそれに比べて小さい多結晶体であり、その結晶は実質的に結晶配向性がない場合が多く、脆性材料結晶同士の界面にはガラス層からなる粒界層が実質的に存在しないと言え、さらに構造物の一部は基材表面に食い込むアンカー層を形成することが多いという特徴がある。
【０００７】
またエアロゾルデポジション法により形成される構造物は、微粒子同士が圧力によりパッキングされ、物理的な付着で形態を保っている状態のいわゆる圧粉体とは明らかに異なり、十分な強度を保有している。
【０００８】
この構造物形成において、脆性材料微粒子が破砕・変形を起していることは、原料として用いる脆性材料微粒子および形成された脆性材料構造物の結晶子サイズをX線回折法で測定することにより判断できる。すなわちエアロゾルデポジション法で形成される構造物の結晶子サイズは、原料微粒子の結晶子サイズよりも小さい値を示す。微粒子が破砕や変形をすることで形成されるずれ面や破面には、もともと内部に存在し別の原子と結合していた原子が剥き出しの状態となった新生面が形成される。この表面エネルギーが高い活性な新生面が、隣接した脆性材料表面や同じく隣接した脆性材料の新生面あるいは基板表面と接合することにより構造物が形成されるものと考えられる。また微粒子の表面に水酸基が程よく存在する場合では、微粒子の衝突時に微粒子同士や微粒子と構造物との間に生じる局部のずり応力により、メカノケミカルな酸塩基脱水反応が起き、これら同士が接合するということも考えられる。外部からの連続した機械的衝撃力の付加は、これらの現象を継続的に発生させ、微粒子の変形、破砕などの繰り返しにより接合の進展、緻密化が行われ、脆性材料構造物が成長するものと考えられる。
【０００９】
上記のエアロゾルデポジション法に適用するノズルとして、本発明者は特許文献２及び特許文献３に開示されるものを既に提案している。
これら特許文献２及び特許文献３に開示されるノズルは、ノズル本体に矩形状（スリット状）をなすエアロゾルの導入開口及び導出開口を備え、導入開口から導出開口に向かって短辺方向の寸法を徐々に小さくし、長辺方向の寸法を徐々に大きくする内容が開示されている。特に導出開口の長辺方向の寸法を大きくした場合、噴出するエアロゾルの濃度が不均一になりやすいので、これを解消すべく複数の導入開口を設け、途中で合流する構造も提案されている。
【００１０】
また、エアロゾルデポジション法ではないが、粉体を噴出するノズルとして特許文献４〜６に開示されるものも公知である。特許文献４にはエッチングを行うための砥粒の噴出ノズルが開示され、特許文献５には熱処理を行って被膜とする前段階で微粒子を被加工物に向けて噴出して一次固定するノズルが開示され、特許文献６にはエッチングとデポジションの両方が可能なパウダービーム法に用いるノズルが開示されている。
これら特許文献４〜６に開示されるノズルは何れも粉体を噴出する開口の形状として、矩形状（スリット状）のものが提案されている。
【特許文献１】特許第３３４８１５４号公報
【特許文献２】特開２００３−２４７０８０号公報
【特許文献３】特開２００３−２５１２２７号公報
【特許文献４】特許第２９４００２３号公報（第３図）
【特許文献５】特開平４−３５０１７５号公報
【特許文献６】特開平６−６３８６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
エアロゾルデポジション法によって、比較的広い面積に製膜する場合、上記した特許文献２〜６に開示されるように、エアロゾルの噴出口（導出開口）の形状をスリット状にすれば有利である。
【００１２】
一方、エアロゾルデポジション法の場合、微粒子の衝突エネルギーが膜形成そのものや膜の緻密化に関係するため、大面積製膜を行う場合に均質な特性の膜を良好な膜厚精度で形成するには、ノズルから噴出されるエアロゾルの速度分布がばらつかないこと及びノズルから噴出されるエアロゾルの濃度分布にばらつきがないことが必要である。
【００１３】
しかしながら、従来のノズルにあっては、エアロゾル発生器から導出されるエアロゾルをチューブ状の配管を用いて搬送するために導入開口はこれに応じた形状、即ち円形かこれに近い矩形形状をしている。そのため、導入開口から導出開口に至るまでの広がりが大きく、エアロゾル中の微粒子がスリット状をなす導出開口の長手方向（長辺方向）に広がりきらず、導出開口付近でエアロゾルの濃度や速度が不均一となる不具合がある。
【００１４】
また、導出開口の長手方向（長辺方向）寸法を短くしたノズルを複数本並列して使用することは有効な手法であるが、ノズル幅方向より大きな製膜体を形成させる場合は、基材とノズルを２軸方向に繰り返し相対移動させて製膜する必要があること、またノズル端部付近のエアロゾルの速度および濃度がどうしても不均一となり、一度に製膜される膜において、複数存在するその端部の膜特性が低下し、最終的に形成された一定面積の膜内に特性の低い部分を散在させてしまうという問題がある。
【００１５】
更に、導入開口を複数個設け、途中で合流させれば上記の不具合は解消されるが、この場合はノズル構造が複雑になるとともに、エアロゾル中に質量の違う微粒子が存在する場合、小さな導入開口からこれら異なる粒子のノズルスリット長辺方向への広がり具合が異なるために、ノズルスリット長手方向（長辺方向）を基準としたエアロゾルの濃度分布に偏りが発生する。即ち、導出開口においてガスの流れ分布を均一にするようにデザインされたノズルを用いた場合でも、粒子はその質量による慣性の影響を受けて、ガスの流れに追随せず、質量が大きいものは広がりきらずに比較的直進傾向を示すため均一にはならない。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決すべく請求項１に係る発明は、脆性材料の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に向けてノズルより噴射して、前記エアロゾルを大気圧未満の環境下で前記基板表面に衝突させ、前記微粒子の構成材料からなる構造物を前記基材上に形成させる複合構造物作製装置であって、この複合構造物作製装置はエアロゾルを発生させる１または複数のエアロゾル発生器と、このエアロゾル発生器の下流側に前記エアロゾル中で前記微粒子を分散させる空間を有する分散筒とを備えたもので、更に前記ノズルのノズル本体は硬質材にて構成され、このノズル本体には前記分散筒に連続して接続される単一のスリット状導入開口、エアロゾルが通過する空間およびエアロゾルを噴射する単一のスリット状導出開口が形成され、これらスリット状をなす導入開口の長辺寸法は導出開口の長辺寸法に対して０．８〜１．２、好ましくは１．０とされ、前記導入開口の短辺寸法は導出開口の短辺寸法より大きいか等しい構成とした。
前記分散筒にはエアロゾル中に含まれる微粒子の凝集を解砕する解砕機能を設けることが可能である。
【００１７】
また請求項３に係る発明は、脆性材料の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に向けてノズルより噴射して、前記エアロゾルを大気圧未満の環境下で前記基板表面に衝突させ、前記微粒子の構成材料からなる構造物を前記基材上に形成させる複合構造物作製装置であって、この複合構造物作製装置はエアロゾルを発生させる１または複数のエアロゾル発生器を備え、更に前記ノズルのノズル本体は硬質材にて構成され、このノズル本体には前記エアロゾル発生器に連続して接続される単一のスリット状導入開口、エアロゾルが通過する空間およびエアロゾルを噴射する単一のスリット状導出開口が形成され、これらスリット状をなす導入開口の長辺寸法は導出開口の長辺寸法に対して０．８〜１．２、好ましくは１．０とされ、前記導入開口の短辺寸法は導出開口の短辺寸法より大きいか等しく、また前記エアロゾル発生器から発生されるエアロゾルが、前記ノズルの前記導入開口のスリット長辺寸法に応じて、帯状に発生する構成とした。
【００１８】
また請求項４に係る発明は、脆性材料の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に向けてノズルより噴射して、前記エアロゾルを大気圧未満の環境下で前記基板表面に衝突させ、前記微粒子の構成材料からなる構造物を前記基材上に形成させる複合構造物作製装置であって、この複合構造物作製装置はエアロゾルを発生させる１または複数のエアロゾル発生器と、このエアロゾル発生器の下流側に前記エアロゾル中の凝集粒を解砕する解砕器とを備え、また前記ノズルのノズル本体は硬質材にて構成され、このノズル本体には前記エアロゾル発生器に連続して接続される単一のスリット状導入開口、エアロゾルが通過する空間およびエアロゾルを噴射する単一のスリット状導出開口が形成され、これらスリット状をなす導入開口の長辺寸法は導出開口の長辺寸法に対して０．８〜１．２とされ、また導入開口の短辺寸法は導出開口の短辺寸法より大きいか等しく、また前記エアロゾル発生器から発生されるエアロゾルが、前記ノズルの前記導入開口のスリット長辺寸法に応じて、帯状に発生する構成とした。
【００１９】
ここで、本発明において微粒子とは、一次粒子が緻密質粒子である場合は、粒度分布測定や走査型電子顕微鏡で同定される平均粒径が１０μｍ以下のものを指し、一次粒子が衝撃によって破砕しやすい多孔質粒子である場合は、平均粒径が５０μｍ以下のものを指す。
【００２０】
また本発明においてエアロゾルとは、ヘリウム、窒素、アルゴン、酸素、乾燥空気、これらの混合ガスなどのガス中に前述の微粒子を分散させたものであり、一次粒子が分散している状態が望ましいが、通常はこの一次粒子が凝集した凝集粒を含む。エアロゾルのガス圧力と温度は任意であるが、ガス中の微粒子の濃度は、ガス圧を１気圧、温度を２０℃と換算した場合に、ノズルから噴射される時点において０.０００３ｍＬ／Ｌ〜０.０６ｍＬ／Ｌの範囲内であることが構造物の形成にとって望ましい。
【００２１】
前記導入開口および導出開口の形状としてのスリット状とは、矩形、長円形、楕円形あるいはこれらより派生する一群の形状を指し、長円形や楕円形の場合には、矩形の短辺に相当するのは短軸、長辺に相当するのは長軸であり、またスリットの一部に切欠などによる広がり部分がある場合には、スリット短辺は、最も大きな幅部分の寸法を指し、スリット長辺は、最も大きな長さ部分の寸法を指す。
【００２２】
また、前記分散筒にはエアロゾル中に含まれる微粒子の凝集を解砕する解砕機能を設けることが好ましい。また、ノズルのスリット状導出開口の長辺と短辺との比が１０より大きいことが好ましい。
【００２３】
スリット状導出開口のスリット短辺寸法は例えば０．１ｍｍから１ｍｍなどが用いられるが、スリット状導出開口のスリット長辺寸法は所望する構造物面積にあわせて幅を大きく取り、ノズルと基材を相対的にノズルスリット短辺方向に一軸で走査させて構造物を形成させることが考えられ、１ｃｍ〜５ｍ程度のスリット長辺寸法が選択されることがある。
【００２４】
前記分散筒の中で流れるエアロゾルの進行方向に対しておおよそ直角の面での分散筒断面のノズルスリット長辺方向の寸法は、例えばノズルのスリット長辺より大きな寸法を有しており、この一定の空間体積をもつ分散筒にてエアロゾル中の微粒子が分散され、その濃度が均一化され、この均一化が図られたエアロゾルがノズルに導入されることから、ノズルから噴射されるエアロゾルの速度や濃度はスリット長辺方向で均一化されている。
【００２５】
微粒子がサブミクロン粒径である場合などは、エアロゾル発生器から発生したエアロゾル中の微粒子は往々にして数〜数十μmの凝集粒を多く含んでいる。このような凝集粒は構造物形成に寄与しないばかりか、構造物形成を阻害することが考えられる。この場合は、エアロゾル発生器から分散筒へ導入されるエアロゾルを例えば衝突板などに衝突させて解砕し、一次粒子が多く含まれるエアロゾルへと変換させることが好適である。このような解砕作業を行うことで、分散筒における微粒子の均一分散化も行いやすくなる。
【００２６】
分散筒の出口やエアロゾル発生器の出口、すなわちノズルの導入開口付近のエアロゾル中の微粒子の速度は比較的に低い。そこで導入開口のスリット短辺寸法をやや大きめにすることで、ノズルの導入開口に微粒子が付着するのを防止できる。
【００２７】
ある一定のスリット長辺寸法を有するノズルの導出開口から噴射されるエアロゾル中の微粒子の速度及び濃度を均一とさせることが本発明の目的であり、そのため本発明ではノズルの導入開口のスリット長辺寸法は極力その導出開口のスリット長辺寸法と一致させている。しかしながら、導入されるエアロゾルが導入開口近傍で偏りを持っている場合は、いくら導入開口の形状を工夫させても効果が薄い。従って、このようなノズルを使用する場合は、エアロゾル発生器で発生させるエアロゾルの発生の仕方に工夫を加え、ノズル導入開口に応じた幅を持ったエアロゾルの発生及びノズルへの導入を行うことが好適である。
【００２８】
またエアロゾル発生器にて発生したエアロゾルが凝集粒を多く有する場合は、ノズルから噴射される前に凝集粒を解砕させることが望ましい。そのため解砕機能を分散筒のみでなくノズルにも付与させるなどのことが考えられる。その手法として例えば、ノズル内にラバル機構を与えてエアロゾルを急加速させて、解砕をさせたり、加熱させて水分架橋凝集を解いたり、エアロゾル流とは別にノズルにガスの導入口を設けて、ガスを混合させるときの衝撃で解砕させたりなどのことが考えられる。この場合は、ノズルの長さを５ｃｍ〜１ｍなどと大きくすることも効果的である。
【００２９】
また本発明におけるノズルの一態様としては、ノズル本体おける、導入開口と導出開口をつなぐ空間領域において、エアロゾルが流れる方向に垂直の面で切り取った断面の面積が、導出開口の面積より小さくなる領域を有するようにしてもよい。
【００３０】
また、ノズル内部に窄まった領域を設けることで、ラバル効果を発生させて、微粒子をここで加速させることが可能となる。窄まりは、ノズルスリット長辺側で設けてもよいし、ノズルスリット短辺方向で設けてもよい。しかしながら、スリット長辺方向で設ける場合は、エアロゾルの流れを大きく変向させる場合があれば、微粒子の流れに影響を及ぼすため、注意が必要である。
【００３１】
エアロゾル発生器から導出されるエアロゾルがチューブ状の配管を通して搬送される場合は、配管とノズルとの間に分散空間を設け、一度エアロゾルを空間中でできるだけ均一な濃度分布にしておき、これをノズルの導入開口から導入させることが有効である。またエアロゾル発生器から導出されるエアロゾル中の微粒子が凝集粒を含んでいる場合は、エアロゾルにガス衝撃や衝突衝撃などの物理的衝撃を与えて、凝集粒を解砕した後、ノズルにエアロゾルを導入させることが好適である。
【００３２】
一方、スリット状導出開口から噴出する微粒子の平均速度は導入開口と導出開口との距離によって制御することができる。そしてこの距離によって制御される微粒子の平均速度は５０〜４５０ｍ／ｓが好ましく、より好ましくは１００〜４５０ｍ／ｓとし、最も好ましくは１５０〜４５０ｍ／ｓとする。
【００３３】
大気圧未満の減圧状態で構造物形成を行うことで、緻密度や硬度などにおいて良好な構造物形成が行われやすいが、この場合ガス密度が小さいため、微粒子を加速する力が高圧の場合に較べて低く、ノズルが短すぎるなどの場合は微粒子の加速が十分に取れずに、基板に衝突する際の運動エネルギーを十分大きく取ることができないことが考えられる。従って、ノズルの長さを例えば５ｃｍ以上として加速長を与え、微粒子を十分に加速させる工夫、あるいはノズル内部にラバル効果を発揮させる形状（例えばノズルスリット短辺方向にいったん狭めてのちに広げるなど）を保有させることで、微粒子を十分に加速させる工夫などを採用することが好適である。
ノズルの長さが長いと微粒子の濃度分布が均一になりやすく好適であるが、実用的には１ｍ以下がよい。
【００３４】
微粒子の速度については、速度が５０ｍ／ｓ未満などと遅い場合は基材に衝突した際に微粒子の運動エネルギーが低く、微粒子同士が物理的引力により結合した状態である圧粉体の形成に終わる。これらは例えば水中で超音波を照射すると容易に崩壊する。５０ｍ／ｓ以上であれば、構造物の形成が行われやすいが、速度が比較的低い場合は内部に気孔を持つポーラス体となることがあり、望ましくは微粒子速度は１００ｍ／ｓ以上がよい。なお望ましくは１５０ｍ／ｓ以上がよく、この場合は内部に気孔を殆ど有しない緻密な構造物が形成されやすい。緻密か否かは、室温、大気中で構造物の体積抵抗率を測定し、ポアのない焼成体と比較して判断するとわかりやすい。ポーラス体では、水分を膜内に取込んでいるため体積抵抗が比較的低い。
【００３５】
エアロゾル中の微粒子の速度が４５０ｍ／ｓを越える場合などでは、微粒子の運動エネルギーが大きくなりすぎ、基材を削るエッチングや、構造物形成が例え起こってもこれを削り取ってしまい、構造物が堆積していかない減少が起こり、好適でない。
【００３６】
上記微粒子の平均速度の測定は図１０に示す速度測定装置を用い、以下の方法にて算出する。
先ず、速度測定装置２はエアロゾルを噴射するノズル２１が開口を上に向けて設置され、その先にモーターによって回転運動する回転羽根２２の先に設置された基板２３およびその基板表面から１９ｍｍ下に離れて固定された幅０．５ｍｍの切り欠きをもつスリット２４を有する粒子速度測定装置２を配置する。ノズル２１の開口から基板表面までの距離は２４ｍｍである。これらの値については、大幅に変更しなければ、測定上は特に問題はない。
【００３７】
次に粒子速度測定方法を記す。エアロゾルの噴射は、実際の複合構造物作製方法に準じて行う。構造物形成装置内で構造物を形成する基板の代わりに、図１０の粒子速度測定装置２を設置して行うことが好適である。ノズル２１から粒子を含むエアロゾルが噴射させ、この状態で粒子速度測定装置２を一定回転速度で運転させる。ノズル２１の開口から飛び出した粒子は、基板２３がノズル２１の上部に来た際にその一部がスリット２４の切り欠きの隙間を通過して基板表面に衝突し、基板２３上に構造物（衝突痕）を形成する。粒子がスリットから１９ｍｍ離れた基板表面に到達する間に基板２３は回転羽根２２の回転によって位置を変化させているため、基板２３上におけるスリット２４の切り欠きからの垂線交差位置よりその変位量分ずれた位置に衝突する。この垂線交差位置から衝突して形成された構造物までの距離を表面凹凸測定により計測し、この距離およびスリット２４と基板表面からの距離、回転羽根２２の回転速度の値を用いて、ノズル２１から噴射された粒子の速度としては、ノズル２１の開口から５ｍｍ離れた場所から２４ｍｍ離れた場所までの平均速度を算出し、これを本件における粒子の平均速度とした。
【発明の効果】
【００３８】
本発明に係る複合構造物作製装置は、ノズルの形状に工夫を凝らすことで、ノズル内部のガスの流れが不必要に拡がったり偏向したりなどさせずに流れ場を形成させ、これに微粒子を乗せることで、均一な微粒子速度と微粒子濃度を実現させることができる。
【００３９】
特にノズルの導入開口と導出開口のスリット長辺の比が０．８から１．２、好ましくは１．０としたことで、ガスの流れ場はおおよそ並行流れとなり、様々な質量をもつ微粒子の流れも均一となる。導入開口と導出開口のスリット長辺の比が１の場合が最も良い。  
【００４０】
また、微粒子が十分加速していない導入開口付近で、場合によってはエアロゾル中の微粒子の付着、堆積が起こり、導入開口の一部を塞ぐという不具合が発生し、従って導出開口における微粒子の濃度分布の不均一を生じさせる場合があるが、導入開口のスリットの短辺を導出開口のスリットの短辺より大きく設定し、例えば導入開口のスリット短辺寸法を１〜１０ｍｍとすることで、上記の不具合を防ぐことができる。尚、導出開口のスリットの短辺については、例えば０．１〜１ｍｍとすることでガス流れの局部的集中を避けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
図１は従来のエアロゾルデポジション装置１０を示したものであり、窒素ガスボンベ１０１の先にガス搬送管１０２を介してエアロゾル発生器１０３が設置され、その下流側に例えば直径２ｍｍのエアロゾル搬送管１０４を介して構造物形成室１０５内に配置された例えば直径２ｍｍの導入開口と長辺１０ｍｍ×短辺０．４ｍｍの導出開口をもつノズル１０６に接続されている。エアロゾル発生器１０３内には脆性材料微粒子例えば酸化アルミニウム微粒子粉体が充填されている。ノズル１０６の開口の先には、ＸＹステージ１０７に保持された基材１０８が配置されている。構造物形成室１０５は真空ポンプ１０９と接続されている。
【００４２】
以下に従来のエアロゾルデポジション装置１０の作用を述べる。窒素ガスボンベ１０１を開栓し、ガス搬送管１０２を通じてガスをエアロゾル発生器１０３内に送り込み、同時にエアロゾル発生器１０３を運転させて脆性材料微粒子と窒素ガスが適当比で混合されたエアロゾルを発生させる。また真空ポンプ１０９を稼動させ、エアロゾル発生器１０３と構造物形成室１０５の間に差圧を生じさせる。エアロゾルはこの差圧に乗って下流側のエアロゾル搬送管１０４に導入されて加速し、ノズル１０６より基材１０８に向けて噴射する。基材１０８はＸＹステージ１０７により２軸に揺動され、エアロゾル衝突位置を変化させつつ、微粒子の衝突により基材１０８上に膜状の脆性材料構造物が形成されていく。
【００４３】
図２では、本発明に基づくエアロゾルデポジション装置の基本形態を示す。エアロゾルデポジション装置２０は、窒素ガスボンベ２０１の先にガス搬送管２０２を介してエアロゾル発生器２０３が設置され、その下流側に分散空間を有する分散筒２０４が配設され、この先に構造物形成装置２０５に挿入される形の、例えばスリット長辺１００ｍｍ×スリット短辺２ｍｍの導入開口とスリット長辺１００ｍｍ×スリット短辺０．４ｍｍの導出開口をもつノズル２０６に接続されている。エアロゾル発生器２０３内には脆性材料微粒子例えば酸化アルミニウム微粒子粉体が充填されている。ノズル２０６の開口の先には、ＸＹステージ２０７に保持された基材２０８が配置されている。構造物形成室２０５は真空ポンプ２０９と接続されている。
【００４４】
以下に本発明に基づくエアロゾルデポジション装置２０の作用を述べる。窒素ガスボンベ２０１を開栓し、ガス搬送管２０２を通じてガスをエアロゾル発生器２０３内に送り込み、同時にエアロゾル発生器２０３を運転させて脆性材料微粒子と窒素ガスが適当比で混合されたエアロゾルを発生させる。また真空ポンプ２０９を稼動させ、エアロゾル発生器２０３と構造物形成室２０５の間に差圧を生じさせる。エアロゾルはこの差圧に乗って下流側に搬送され、分散筒２０４内で空間中になるべく均一な濃度になるように分散され、ノズル２０６に導入されて加速され、ノズル２０６から基材２０８に向けて噴射される。基材２０８はＸＹステージ２０７により１軸あるいは２軸に揺動され、エアロゾル衝突位置を変化させつつ、微粒子の衝突により基材２０８上に膜状の脆性材料構造物が形成されていく。
【００４５】
図２において、エアロゾル発生器がエアロゾルをノズルスリット長辺方向に帯状に均一に発生させることができるならば、分散空間を設けなくてもよい。
【００４６】
またノズルスリット長辺寸法が大きい場合には図３のように、エアロゾル発生器を複数分散筒に配設させることが有効である。図３のエアロゾルデポジション装置３０では、同一のエアロゾル発生器３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃを分散筒３０２に配設し、そのさきにスリット長辺の大きいノズル３０３を接続した装置である。その他の構成、作用はエアロゾルデポジション装置２０に準じる。
【００４７】
またこの場合、エアロゾル発生器３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃから発生するエアロゾル中に多くの凝集粒を含む場合は、分散筒の上流側に解砕器を設けて、凝集粒を解砕し、一次粒子が多いエアロゾルに変換させて、分散筒３０２へ導入させてやることが好適である。
【００４８】
エアロゾル発生器と分散筒は連続して接続されるが、その形態としては、図４のように分散筒３０２ａとノズル３０３ａのように、その内面空間を滑らかに接合させる形でも良いし、図５のように分散筒３０２ｂとノズル３０３ｂのように、分散筒にノズルが差し込まれた形でもよい。
【００４９】
図４、図５では、分散筒とノズルの接続部をノズルスリット短辺方向で切断した断面図として示している。
【００５０】
図６には、本発明に基づくノズルの一態様を示す。ノズル４０は、ノズル本体４１とスリット状の導入開口４２と同じくスリット状の導入開口４３からなり、ノズル本体４１は金属やセラミックス材質から構成される。導入開口４２は例えば１００ｍｍ×２ｍｍなどの矩形であり、導出開口４３は例えば１００ｍｍ×０．８ｍｍなどの矩形である。スリット長辺は所望の膜面積にあわせてさらに延長、短縮することが可能である。ノズル本体４１の長さは任意であるが、１００から５００ｍｍの範囲内が好適採用される。スリット短辺は導入開口４２から本体内部で徐々に寸法を低下させて導出開口４３に一致するデザインとなっている。
【００５１】
上記において、ノズルの導入開口と導出開口のスリット長辺の比が０．８から１．２、好ましくは１．０としたことで、ガスの流れ場はおおよそ並行流れとなり、様々な質量をもつ微粒子の流れも均一となる。導入開口と導出開口のスリット長辺の比が１の場合が最も良い。
またノズルの導入開口の短辺寸法と導出開口の短辺寸法を、好ましくは０．１〜１ｍｍの範囲において等しくすることで、ノズル内部のガスの流れが不必要に拡がったり偏向したりなどさせずに流れ場を形成させ、これに微粒子を乗せることで、均一な微粒子速度と微粒子濃度を実現させることができる。
【００５２】
図２あるいは図３に記載したエアロゾルデポジション装置において、エアロゾルのスピードに着目すると、エアロゾル発生直後あるいは均一分散を目的とするためにある一定量の空間体積を有する分散筒の出口側では、エアロゾルの速度、特にそのうち微粒子の速度が比較的遅い。すなわちエアロゾル発生器にノズルを直結した場合、あるいは分散筒の下流側にノズルを設置した場合は、ノズルの導入開口付近では微粒子の速度は遅いと見られる。この場合ノズルの導入開口が狭いと、開口部付近で微粒子がノズルに付着堆積し、開口の一部を閉塞させるという不具合が生じ、ノズル内部のエアロゾル流の均一性を失わせ、形成させる構造物の膜厚の不均一や特性の不均一を生じさせる場合がある。従って場合によっては、微粒子が付着しないようにノズルの導入開口のスリット短辺は１〜１０ｍｍ程度とすることが好適である。
【００５３】
図７には、本発明に基づくノズルの別の一態様を示す。ノズル５０は、ノズル本体５１とスリット状の導入開口５２と同じくスリット状の導出開口５３からなる。開口の形状は図４と同等である。両開口をつなぐノズル本体５１内の形状が、スリット長辺方向で短縮され、途中で窄まった形状となっている。
【００５４】
図８には、本発明に基づくノズルの別の一態様を示す。ノズル６０は、ノズル本体６１とスリット状の導入開口６２と同じくスリット状の導出開口６３からなる、開口の形状は図４と同等である。両開口をつなぐノズル本体６１内の形状が、スリット短辺方向で短縮され、途中で窄まった形状となっている。
【００５５】
図９には、本発明に基づくノズルの開口あるいはノズル本体のエアロゾル流れ方向に垂直の面で切り取った断面の空間形状を示す。７１は矩形である。７２は楕円形である。７３は長円形である。７４、７５は多角形である。７６は端部がスリット領域とは不連続な形状である。７７はスリット領域部分でガスの整流を促す整流突起が設けてある。これらのように、開口やノズル本体の断面はスリット状であることを基本として、様々な形態が考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】従来のエアロゾルデポジション装置の基本形態を示す図
【図２】本発明に係るエアロゾルデポジション装置の基本形態を示す図
【図３】別実施例に係るエアロゾルデポジション装置の基本形態を示す図
【図４】分散筒とノズルの接続部をノズルスリット短辺方向で切断した断面図
【図５】分散筒とノズルの接続部をノズルスリット短辺方向で切断した断面図
【図６】本発明に基づくノズルの一態様を示す図
【図７】本発明に基づくノズルの一態様を示す図
【図８】本発明に基づくノズルの一態様を示す図
【図９】導出開口の形状の別実施例を示す図
【図１０】速度測定装置の基本形態を示す図
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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