(57)【要約】【課題】エアロゾルデポジション法において基材の表面状態に対応して成膜を行なう成膜速度および成膜効率に優れる被膜形成方法を提供する。【解決手段】微粒子をガス中に分散させてエアロゾルを形成するエアロゾル形成工程と、エアロゾルを真空チャンバー内でエアロゾル噴射ノズルから表面研磨された基材表面上に噴射して成膜を行なう成膜工程とを備えてなり、該成膜工程は、エアロゾル噴射ノズルと基材とを所定の距離を保ちながら平行に相対的に移動させつつ、エアロゾル噴射ノズルから基材表面上にエアロゾルを噴射し衝突させる工程であり、上記移動の方向（成膜方向）は、基材の表面研磨方向と相対角度で 0°±20°または 90°±20°の範囲（図中Ｂ）となる方向である。【選択図】図２
2008069399.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微粒子をガス中に分散させてエアロゾルを形成するエアロゾル形成工程と、前記エアロゾルを真空チャンバー内でエアロゾル噴射ノズルから表面研磨された基材表面上に噴射して成膜を行なう成膜工程とを備えてなる、エアロゾルデポジション法による被膜形成方法であって、
前記成膜工程は、前記エアロゾル噴射ノズルと前記基材とを所定の距離を保ちながら平行に相対的に移動させつつ、前記エアロゾル噴射ノズルから前記基材表面上にエアロゾルを噴射し衝突させる工程であり、
前記移動の方向は、前記基材の表面研磨方向と相対角度で 0°±20°または 90°±20°の範囲となる方向であることを特徴とする被膜形成方法。
【請求項２】
前記基材は金属材料であることを特徴とする請求項１記載の被膜形成方法。
【請求項３】
前記微粒子はセラミックス微粒子であり、平均粒子径が 0.1μm 〜 2μm であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の被膜形成方法。
【請求項４】
前記セラミックス微粒子は、アルミナ微粒子であることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載の被膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エアロゾルデポジション法（以下、ＡＤ法と記す）において、基材の表面状態に対応して成膜を行なう被膜形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
基板上の膜の形成方法として、微粒子ビーム堆積法あるいはＡＤ法と呼ばれる脆性材料の膜や構造物の形成方法がある。ＡＤ法は、脆性材料の微粒子を含むエアロゾルをノズルから基材に向けて噴射し、基板に微粒子を衝突させて、その機械的衝撃力を利用して脆性材料の多結晶構造物を基材上にダイレクトに形成する方法であり、幾つかの発明が出願されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、成膜対象である基材の表面状態と、成膜効率との関係を述べているものは少ない。
【０００３】
ノズルより吐出し基材表面に達したエアロゾル流はセラミックス微粒子を基材上に成膜させる成膜効果と、膜成長を阻害するエッチング効果とを併せ持っている。一般に基材表面には研磨等によって一定の凹凸形状の起伏が形成されており、噴霧されたエアロゾル流が基材表面のどの凹凸部位に衝突するかによってエッチング効果の発現は左右される。したがって成膜効率を向上するには基材の表面状態に応じて、エッチング効果を小さくし、成膜効果を大きくするための的確なエアロゾル流の噴射条件を選定する必要がある。
【特許文献１】特許第３３４８１５４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明はこのような問題に対処するためになされたものであり、ＡＤ法において基材の表面状態に対応して成膜を行なう成膜速度および成膜効率に優れる被膜形成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】
【０００５】
本発明の被膜形成方法は、微粒子をガス中に分散させてエアロゾルを形成するエアロゾル形成工程と、上記エアロゾルを真空チャンバー内でエアロゾル噴射ノズルから表面研磨された基材表面上に噴射して成膜を行なう成膜工程とを備えてなる、ＡＤ法による被膜形成方法であって、上記成膜工程は、上記エアロゾル噴射ノズルと上記基材とを所定の距離を保ちながら平行に相対的に移動させつつ、上記エアロゾル噴射ノズルから上記基材表面上にエアロゾルを噴射し衝突させる工程であり、上記移動の方向（成膜方向）は、上記基材の表面研磨方向と相対角度で 0°±20°または 90°±20°の範囲となる方向であることを特徴とする。
ここで表面研磨方向とは基材表面上を平坦にするために砥石等で研磨したときに基材表面上に残る研磨痕の走る方向をいう。なお、エアロゾル噴射ノズルと基材との相対移動方向が成膜方向である。
【０００６】
上記基材は金属材料であることを特徴とする。また、上記微粒子はセラミックス微粒子であり、平均粒子径が 0.1μm 〜 2μm であることを特徴とする。特にセラミックス微粒子は、アルミナ微粒子であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の被膜形成方法は、成膜工程において、エアロゾル噴射ノズルと基材との相対移動方向である成膜方向を、基材の表面研磨方向と相対角度で 0°±20°または 90°±20°の範囲となる方向に限定するので、エアロゾル流によるエッチング効果を小さくでき、成膜速度や成膜効果を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
成膜効率に優れる被膜形成法について鋭意検討の結果、エアロゾル噴射ノズルよりエアロゾル流を基材に一定の条件で噴射しても基材によって成膜状態は安定しないことから、基材の表面状態に応じてエッチング効果を小さくし、成膜効果を大きくするための的確なエアロゾル流の噴射条件を選定する必要があると考え、成膜方向と基材の表面研磨方向との関係を調査した。
その結果、成膜方向と、基材の表面研磨方向との相対角度を 0°（研磨方向と同方向）±20°または 90°±20°の範囲とするとき成膜効率が上昇することを発見した。本発明は以上のような知見に基づくものである。
【０００９】
本発明の被膜形成方法は、微粒子をガス中に分散させてエアロゾルを形成するエアロゾル形成工程と、エアロゾルを真空チャンバー内でエアロゾル噴射ノズルから表面研磨された基材表面上に噴射して成膜を行なう成膜工程とを備えてなる、ＡＤ法による被膜形成方法であって、この成膜工程は、エアロゾル噴射ノズルと基材とを所定の距離を保ちながら平行に相対的に移動させつつ、エアロゾル噴射ノズルから基材表面上にエアロゾルを噴射し衝突させる工程であり、上記移動の方向（成膜方向）は、基材の表面研磨方向と相対角度で 0°±20°または 90°±20°の範囲となる方向である。
【００１０】
ＡＤ法を利用して、基材表面に面状に被膜を製作する工程では、原材料をエアロゾル化させ、エアロゾル噴射ノズルを使用して基材表面に吹きつける。
エアロゾル噴射ノズルより噴射し基材表面に達したエアロゾル流は、成膜効果とエッチング効果を有している。矩形ノズルの場合、吐出流速分布より中央部分で最もエッチング効果が大きくなる。周辺部は流速が遅くなるため、エッチング効果は小さい。つまり、基材上に成膜効果の優位な領域とエッチング効果の優位な領域が存在する。
この二つの領域の境界部では、成膜した被膜が、即座にエッチングされる現象が繰り返され、見かけ上被膜は成長しないが、繰返し成膜と剥離が発生するため被膜強度が低下する。
【００１１】
成膜方向と、基材の表面研磨方向の相対角度が大きくなると、境界部に、基材表面の凹凸境界線が同時に晒される範囲が拡大する。基材表面に成膜された被膜は境界線を基点に剥離が生じており、境界線が境界部に晒されることで、被膜の剥離が発生する。
具体的には、基材表面の研磨方向と、成膜方向との相対角度が 20°より大きくなるとエッチング作用が大きくなり、成膜効率が減少する。しかし、相対角度が大きくなるにつれて実際のエアロゾル流の方向と被膜表面微小領域との角度が小さくなり、エッチング効果が小さくなる。
一方、基材表面の研磨方向と、成膜方向との相対角度が 70°以上になるとエッチング効果が小さくなることで成膜効率が増加する。
以上より成膜方向と基板研磨方向の角度が 0°±20°または 90°±20°の範囲で成膜効率が増加する。この範囲外では成膜効率が落ち、甚だしくは成膜されない。
【００１２】
本発明の被膜形成方法の対象となる基材としては、表面研磨加工され、研磨痕である凹凸状の形状が一定の方向に形成されている金属材料等が挙げられる。また、対象となる基材の表面粗さとしては、Ｒａ0.05μm 〜 0.4μm 程度である。なお、表面粗さは Taylor-Hobson社製 Form Talysurf-120L により測定した数値である。
基材表面の面粗さとセラミックス微粒子の粒子径を略同一とする場合、成膜した被膜表面の面粗さは基材表面の面粗さと略一致する。
【００１３】
本発明の被膜形成方法において使用できる微粒子としては被膜形成可能なものであればよく、主にセラミックス微粒子が挙げられる。セラミックス微粒子としては、例えば、アルミナ、ジルコニア、チタニア等の酸化物、炭化ケイ素、窒化ケイ素等の微粒子が挙げられる。これらの中で、それぞれのセラミックスの高純度グレードにおいて、真比重が小さい方がエアロゾル化しやすいことから、アルミナ微粒子が好ましい。
セラミックス微粒子以外でも、シリコン、ゲルマニウムなどのへき開性の強い脆性材料の微粒子を使用することも可能である。
【００１４】
本発明において使用するセラミックス微粒子の平均粒子径は、0.1μm 〜2μm であることが好ましい。0.1μm 未満では凝集しやすくエアロゾル化は困難であり、2μm をこえるとＡＤ法での膜形成はできない（膜成長しない）。なお、本発明において平均粒子径は日機装株式会社製：レーザー式粒度分析計マイクロトラックＭＴ３０００によって測定した値である。
また、被膜形成を良好に行なうため、基材への衝突時に微粒子が容易に粉砕するように、ボールミル、ジェットミル等の粉砕機を用いて微粒子にクラックを予め形成しておくことが好ましい。
【００１５】
本発明の被膜形成方法を、図１および図２を参照して説明する。図１は、被膜形成装置の全体構成を示す図であり、図２（ａ）はエアロゾル噴射ノズル周辺の拡大図を、図２（ｂ）は図２（ａ）を上部から見た図をそれぞれ示す。
エアロゾルの形成工程としては、エアロゾル発生装置９にセラミックス微粒子を投入し、真空ポンプ８を起動して真空チャンバー３およびエアロゾル発生装置９を減圧する。微粒子フィルター７は、真空ポンプ８へのセラミックス微粒子の混入を防止するために設けられている。ガス供給設備６からエアロゾル発生装置９に搬送ガスを供給して、セラミックス微粒子と搬送ガスとからなるエアロゾルを形成する。エアロゾルの搬送ガスとしては、不活性ガスを使用する。使用可能な不活性ガスとしては、アルゴン、窒素、ヘリウム等が挙げられる。
エアロゾルは真空チャンバー３内のエアロゾル噴射ノズル２に供給される。エアロゾル噴射ノズル２は、基材５に対して垂直にエアロゾルを噴射でき、かつ、基材５と所定の距離で配置する。エアロゾルのエアロゾル噴射ノズル２への供給速度は、ガス供給設備６からの搬送ガスの供給圧力および真空チャンバー３内の減圧度によって調整される。
【００１６】
成膜工程としては、真空チャンバー３内において、基材５を位置決め用ＸＹテーブル４に取り付け水平方向に移動させつつ（図中Ａ）、エアロゾルをエアロゾル噴射ノズル２から基材５に対して噴射させ、セラミックス微粒子を基材５上に衝突させセラミックス被膜を形成させる。被膜形成は、基材の用途に応じて被膜厚さが所定の膜厚となるまで行なう。
このとき、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、成膜方向と、基材表面において研磨痕５ａの走る方向である表面研磨方向との相対角度を 0°±20°または 90°±20°の範囲（図中Ｂ）に調整する。成膜方向と基材の表面研磨方向との相対角度を所定の範囲（図中Ｂ）に調整する方法としては、上記のようにエアロゾル噴射ノズル２は固定して基材５を位置決め用ＸＹテーブル４を用いて移動させて調整する方法の他、基材５を固定してエアロゾル噴射ノズル２を基材５平面と平行に移動させて調整する方法がある。これらは、いずれの方法を採用してもよい。
【実施例】
【００１７】
実施例１〜実施例４および比較例１〜比較例３
図１に示す被膜形成装置１を用い、基材５（ＳＵＪ２製、30 mm×30mm×2mm （表面粗さ：Ｒａ0.25））の表面にアルミナ微粒子からなる被膜をＡＤ法により形成した。エアロゾル噴射ノズル２としては、吐出開口部サイズ 10 mm× 1 mm を用いた。
ＡＤ法は、真空チャンバー３内において 300 Pa 以下の減圧下で、固定したエアロゾル噴射ノズル２からアルミナ微粒子を含むエアロゾルを、基材５に向けて噴射して被膜形成を行なった。基材５は 0.1 mm/分の速度で、成膜方向と研磨方向とが表１に示す相対角度となるよう往復移動させつつ、 20分間成膜した。
アルミナ微粒子は、大明化学工業社製タイミクロンＴＭ−ＤＡＲを用い、平均粒子径 0.16μm で、加熱乾燥処理して使用した。なお、搬送ガスには窒素を用い、粒子速度は搬送ガス流量で制御した。
得られた被膜の成膜速度を測定し、0.05mm3／分以上を優れていると評価し「◎」を、0.02mm3以上0.05mm3／分未満を可と評価して「○」を、0.02mm3／分未満を不可と評価して「×」を、それぞれ表１に併記した。
【００１８】
【表１】
2008069399.tif 000003
【産業上の利用可能性】
【００１９】
本発明の被膜形成方法は、緻密で均一な被膜を効率よく形成可能であるので、各種産業部品等へのセラミックス被膜形成等に好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の被膜形成方法の一実施例を示す図である。
【図２】エアロゾル噴射ノズル周辺の拡大図である。
【符号の説明】
【００２１】
１    被膜形成装置
２    エアロゾル噴射ノズル
３    真空チャンバー
４    ＸＹテーブル
５    基材
６    ガス供給設備
７    微粒子フィルター
８    真空ポンプ
９    エアロゾル発生装置
【図１】
2008069399.tif 000004
【図２】
2008069399.tif 000005