(57)【要約】【課題】ＡＤ法においてエッチング効果等により膜成長を阻害する要因となる粗大な凝集粉等を解砕し、一次粒子の発生割合を容易に増やすことができ、成膜速度および成膜効率に優れる被膜形成装置および該装置を用いる被膜形成方法を提供する。【解決手段】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とするエアロゾル発生装置９と、真空チャンバー３と、真空チャンバー３内に配設されたエアロゾル噴射ノズル２とを備え、エアロゾルデポジション法によりエアロゾル噴射ノズル２からエアロゾルを基材５上に噴射し衝突させて成膜を行なう被膜形成装置であって、上記エアロゾル噴射ノズル２から基材５に対する垂線に対称となる噴射角度でエアロゾルを噴射させ、基材５との衝突前に微粒子同士を衝突させる。【選択図】図４
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【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とするエアロゾル発生装置と、真空チャンバーと、該真空チャンバー内に配設されたエアロゾル噴射ノズルとを備え、エアロゾルデポジション法により前記エアロゾル噴射ノズルからエアロゾルを基材上に噴射し衝突させて成膜を行なう被膜形成装置であって、
前記エアロゾル噴射ノズルは、該噴射ノズルの吐出開口部から噴射された微粒子が基材に衝突する前に、該微粒子同士を衝突させることができるノズルであることを特徴とする被膜形成装置。
【請求項２】
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記載の被膜形成装置。
【請求項３】
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２記載の被膜形成装置。
【請求項４】
前記ガスは、アルゴン、窒素またはヘリウムを含む不活性ガス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記載の被膜形成装置。
【請求項５】
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基材上に噴射し衝突させ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、エアロゾル噴射ノズルから噴射された微粒子同士を衝突させた後、基材に衝突させる工程であることを特徴とする被膜形成方法。
【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、エアロゾル噴射ノズルより噴射されたエアロゾル中の微粒子同士を衝突させた後、基材に衝突させてセラミックス被膜を形成する被膜形成装置および該装置を用いる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板に向けて噴射し、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板上にダイレクトに形成する方法である。
成膜効率を向上させるには、一次粒子のみを基材に衝突させることが好ましい。一次粒子の割合を増やす手法として、被膜形成装置に分級装置を組み込み一次粒子の含有比率の高いエアロゾルをエアロゾル噴射ノズルから噴射する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、被膜形成装置に分級装置と、解砕装置とを組み込み、一次粒子の含有比率の高いエアロゾルをエアロゾル噴射ノズルから噴射する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
しかしながら、これらの方法では装置が大掛かりになる欠点があった。また、このような装置を用いても噴射ノズルを通過する際、再凝集する可能性があった。
すなわち、従来のＡＤ法におけるノズル先端部形状の一例を図３を参照して説明する。図３に示すように、ノズル１２は、矩形形状の吐出開口部１２ａを有し、該開口部１２ａから微粒子を含むエアロゾルを噴射する。エアロゾル中の微粒子は急激に流路が狭くなる吐出開口部１２ａを通過する際、激しく粒子間接触して容易に再凝集してＸＹテーブル４上に取り付けられた基材５に噴射される。噴射された粗大なセラミックス凝集粉は凝集粉同士がほとんど衝突することなく基材５に衝突する。基材に衝突した粗大なセラミックス凝集粉はエッチング効果等により膜成長を阻害する要因となり堆積物や構造物の密度が上がらず、機械的強度が小さくなるため、基材５上に形成される被膜５ａや構造物の均一性が損なわれる等の問題がある。
【特許文献１】特開平１１−２１６７７号公報
【特許文献２】特開２００１−１８１８５９号公報
【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法においてエッチング効果等により膜成長を阻害する要因となる粗大な凝集粉等を解砕し、一次粒子の発生割合を容易に増やすことができ、成膜速度および成膜効率に優れる被膜形成装置および該装置を用い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】
本発明の被膜形成装置は、微粒子をガス中に分散させてエアロゾルとするエアロゾル発生装置と、真空チャンバーと、該真空チャンバー内に配設されたエアロゾル噴射ノズルとを備え、ＡＤ法により上記エアロゾル噴射ノズルからエアロゾルを基材上に噴射し衝突させて成膜を行なう被膜形成装置であって、上記エアロゾル噴射ノズルは、該噴射ノズルの吐出開口部から噴射された微粒子が基材に衝突する前に、該微粒子同士を衝突させることができるノズルであることを特徴とする。
【０００６】
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。また、上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。
また、上記ガスは、アルゴン、窒素またはヘリウムを含む不活性ガスであることを特徴とする。
【０００７】
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基材上に噴射し衝突させ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、エアロゾル噴射ノズルから噴射された微粒子同士を衝突させた後、基材に衝突させる工程であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の被膜形成装置は、微粒子をガス中に分散させてエアロゾルとするエアロゾル発生装置と、真空チャンバーと、該真空チャンバー内に配設されたエアロゾル噴射ノズルとを備え、このエアロゾル噴射ノズルは、該噴射ノズルの吐出開口部から噴射された微粒子が基材に衝突する前に、該微粒子同士を衝突させることができるノズルであるので、微粒子同士の衝突により凝集粉が解砕され、解砕された微粒子が基材に衝突するため、基材上での被膜の均一性に優れ、成膜速度や成膜効率も向上する。
【０００９】
本発明の被膜形成方法は、その成膜工程がエアロゾル噴射ノズルから噴射された微粒子同士を衝突させた後、基材に衝突させる工程であるので、微粒子同士の衝突により凝集粉が解砕され、凝集粉の比率が減少した微粒子が基材に衝突するため、基材上での被膜の均一性に優れ、成膜速度や成膜効率も向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明においてＡＤ法は、セラミックス等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エアロゾル噴射ノズルより噴射し、エアロゾルをこの基材表面に高速で衝突させ、微粒子の構成材料からなる被膜を基材上に形成させる方法である。一般にセラミックス微粒子は、静置保管中の粒子間堆積やエアロゾル形成時の粒子間衝突により一部凝集して二次粒子となりセラミックス凝集粉を形成しやすい。このセラミックス凝集粉等の粗大なセラミックス微粒子を含むエアロゾルはセラミックス被膜の成膜性や緻密性を阻害する。
よって、本発明の被膜形成装置および該装置を用いる被膜形成方法では、エアロゾル噴射ノズルから基材に対してエアロゾルを噴射させ、基材との衝突前に微粒子を相互に衝突させることで凝集粉を解砕し、被膜特性の向上や、成膜速度および成膜効率の向上を図っている。エアロゾル中の一次粒子等の微細なセラミックス微粒子は、衝突により粉砕し、清浄な新生表面を形成し、低温接合を生じさせるので、室温で微粒子同士の接合を実現できる。
【００１１】
本発明の一実施例に係る被膜形成装置の構成例を図４に基づいて説明する。図４は基材表面に被膜を形成する場合の被膜形成装置の構成を示す図である。
図４に示すように、ＡＤ法による被膜形成装置１は、エアロゾル発生装置９と、真空チャンバー３とを有する。真空チャンバー３内には、セラミックス被膜形成対象である基材５と、エアロゾル噴射ノズル２とが配設されている。真空ポンプ８によって真空チャンバー３は減圧下に保たれる。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。
セラミックス微粒子はエアロゾル発生装置９において、ガス供給設備６から供給される搬送ガスと混合され、エアロゾルを形成する。搬送ガスの流れと真空ポンプ８の吸引とにより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。このエアロゾル噴射ノズル２に供給されるエアロゾル中には、セラミックス微粒子と、セラミックス微粒子の一部が凝集し、二次粒子化した凝集粉とが含まれる。
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。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。
【００１２】
エアロゾルは図中Ｂ部分にてエアロゾル噴射ノズル２から噴射され、基材５上に到達する前に、エアロゾル中の微粒子同士が衝突して、凝集粉が解砕された状態で基材５上に衝突しセラミックス被膜が形成される。エアロゾル噴射ノズル２の詳細については、図１および図２を用いて後述する。
基材５は、真空チャンバー３内において、ＸＹテーブル４上に固定され軸方向に移動させられる（図中Ａ）。
なお、以上の構成において、エアロゾル噴射ノズル２以外のエアロゾル発生装置等については、ＡＤ法において通常使用される任意の装置・部品等を利用できる。
【００１３】
図１は本発明に係る一実施例として図４のＢ部分の詳細を示す図である。図１に示すようにエアロゾル噴射ノズル２ｂおよび２ｃは、それぞれ吐出開口部２ｄおよび２ｅから、基材５に対する垂線に対称となる噴射角度αでエアロゾルを基材５に向けて噴射する。噴射角度αで噴射されたエアロゾル中の微粒子はＸＹテーブル４に取り付けられた基材５との衝突前に相互に衝突し、微粒子中の凝集粉は解砕され、一次粒子等の微細なセラミックス微粒子も、衝突により粉砕し、清浄な新生表面を形成して、基材５に衝突して被膜５ｂが形成される。
なおセラミックス微粒子の衝突位置Ｃ点は、エアロゾル噴射ノズル２ｂおよび２ｃのそれぞれの吐出開口部２ｄおよび２ｅの中心から吐出されるセラミックス微粒子の衝突位置を示す。
【００１４】
図２は本発明に係る他の実施例として図４のＢ部分の詳細を示す図である。図２に示すようにエアロゾル噴射ノズル２ｆは、吐出開口部２ｇから、基材５に対する垂線に対称となる噴射角度βでエアロゾルを基材５に向けて噴射する。噴射角度βで噴射されたエアロゾル中の微粒子はＸＹテーブル４に取り付けられた基材５との衝突前に相互に衝突し、微粒子中の凝集粉は解砕され、一次粒子等の微細なセラミックス微粒子も、衝突により粉砕し、清浄な新生表面を形成して、基材５に衝突して被膜５ｃが形成される。
なおセラミックス微粒子の衝突位置Ｄ点は、エアロゾル噴射ノズル２ｆの環状の吐出開口部２ｇの幅の中心から吐出されるセラミックス微粒子の衝突位置を示す。
【００１５】
図１および図２において、エアロゾル噴射ノズルの吐出開口部から噴射されたセラミックス微粒子が基材５に到達する前に、該セラミックス微粒子同士が衝突する状態を、エアロゾルの噴射角度を用いて模式的に説明したが、エアロゾル噴射ノズルの個数やエアロゾル噴射ノズルの吐出開口部は、エアロゾル噴射ノズルの吐出開口部から噴射されるセラミックス微粒子が基材に到達する前に、セラミックス微粒子同士が衝突できる状態であれば、上記実施例に限定されることはない。例えば、エアロゾル噴射ノズルは３個以上でも使用することができ、吐出開口部の形状も星型、多角形等の複雑な形状とすることができる。
なお、複雑形状の場合、光造形法を用いて紫外線硬化型樹脂でノズルを製造することもできる。
【００１６】
本発明の被膜形成装置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。
【００１７】
本発明において使用する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。
【００１８】
本発明の被膜形成方法を、図４に示す被膜形成装置に基づいて説明する。
エアロゾルの形成工程として、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。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。
【００１９】
成膜工程として、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）、エアロゾルを図中Ｂ部分にてエアロゾル噴射ノズル２から、基材５に対して噴射させ、基材５上に到達する前にエアロゾル中のセラミックス微粒子を衝突させて凝集粉を解砕させた状態で基材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。基材に対して噴射させるエアロゾル噴射ノズル２の詳細については、図１および図２を用いて以下に説明する。
【００２０】
本発明の一実施例として図１に示すようにエアロゾル噴射ノズル２ｂおよび２ｃの、それぞれ吐出開口部２ｄおよび２ｅから、基材５に対する垂線に対称となる噴射角度αでエアロゾルを基材５に向けて噴射させ、ＸＹテーブル４に取り付けられた基材５との衝突前に微粒子を衝突させることで、微粒子中の凝集粉が解砕され、かつ一次粒子等の微細なセラミックス微粒子も、衝突により粉砕し、清浄な新生表面を形成するので、基材５に衝突して形成される被膜５ｂの成膜効率を向上させることができる。
【００２１】
本発明の他の実施例として図２に示すようにエアロゾル噴射ノズル２ｆの吐出開口部２ｇから、基材５に対する垂線に対称となる噴射角度βでエアロゾルを基材５に向けて噴射させ、ＸＹテーブル４に取り付けられた基材５との衝突前に微粒子を衝突させることで、微粒子中の凝集粉が解砕され、かつ一次粒子等の微細なセラミックス微粒子も、衝突により粉砕し、清浄な新生表面を形成するので、基材５に衝突して形成される被膜５ｃの成膜効率を向上させることができる。
【実施例】
【００２２】
図４に示す被膜形成装置１および図１に示すエアロゾル噴射ノズルを用い、基材５（ＳＵＪ２製、30 mm×30 mm×2 mm （鏡面仕上げ））に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２ａサイズ 10 mm× 1 mm 、噴射角度 30 度（図１参照）を用いた。
ＡＤ法は、真空チャンバー３内において 100 Pa 以下の減圧下で、固定したエアロゾル噴射ノズル２の吐出開口部２ａ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 10 mm/分の速度でストローク 15 mm で往復動させて 10 分間成膜した。
アルミナ微粒子は、住友化学社製：ＡＫＰ−５０を用い、平均粒子径 0.16μm で、10 Pa 以下の減圧下、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。
【００２３】
成膜した基材をエタノール溶液で超音波洗浄後、断面観察したところ緻密かつ透明で滑らかな表面を有するαアルミナ被膜５ｂが 4μm の厚さで形成していた。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明の被膜形成装置は、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】
【００２５】
【図１】本発明に係る一実施例として図４のＢ部分の詳細を示す図である。
【図２】本発明に係る他の実施例として図４のＢ部分の詳細を示す図である。
【図３】従来のエアロゾル噴射ノズルによる被膜形成を示す図である。
【図４】本発明の被膜形成装置の一実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００２６】
１    被膜形成装置
２    エアロゾル噴射ノズル
２ａ  吐出開口部
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】
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【図２】
2008045191.tif 000004
【図３】
2008045191.tif 000005
【図４】
2008045191.tif 000006