(57)【要約】【課題】エアロゾルデポジション法においてセラミックス等の微粒子表面を洗浄できるとともに、活性化に必要なエネルギーを微粒子に付与でき、大幅な成膜効率の向上が図れる被膜形成装置を提供する【解決手段】エアロゾル発生装置１１と、真空チャンバー５と、エアロゾル噴射ノズル１２と、捕集装置３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１２から基材７上にエアロゾルを噴射し衝突させて被膜を形成する被膜形成装置１であって、エアロゾル発生装置１１および捕集装置３から選ばれた少なくとも一つの装置に、該装置内においてエアロゾル中の微粒子に高エネルギーの電磁波を照射する手段を設けてなり、上記高エネルギーの電磁波は、レーザー光、赤外線、紫外線またはマイクロ波である。【選択図】図１
2008101253.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、前記エアロゾル発生装置と前記エアロゾル噴射ノズルとの間に設けられ、エアロゾル中の粗大な微粒子を捕集する捕集装置とを備え、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基材上にエアロゾルを噴射し衝突させて被膜を形成する被膜形成装置であって、
前記エアロゾル発生装置および捕集装置から選ばれた少なくとも一つの装置に、該装置内においてエアロゾル中の前記微粒子に高エネルギーの電磁波を照射する手段を設けてなることを特徴とする被膜形成装置。
【請求項２】
前記高エネルギーの電磁波は、レーザー光、赤外線、紫外線またはマイクロ波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記載の被膜形成装置。
【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３記載の被膜形成装置。
【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（以下、ＡＤと記す）法によりセラミックス被膜を形成する被膜形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＡＤ成膜装置は、セラミックス微粒子に搬送ガスを吹き込んで得られたエアロゾルをノズルから基板上に噴射し、基板上にセラミック被膜を形成する装置である。これは、噴射されたセラミックス微粒子が基板や粒子同士が衝突することにより、粒子表面が塑性変形したり、粒子が破砕したりして、基板や他の粒子と密着することにより被膜が形成される。ＡＤ法で使用するセラミックス微粒子は、粒子径が 数百 nm 程度であるため、その表面に水分子が付着したり、汚染層が形成されたりする。このようなセラミックス微粒子をそのまま用いて成膜すると、微粒子同士の密着性が低下し、脆弱で空孔の多い被膜が形成されるという問題がある。
このような問題に対し、従来、粒子にレーザー、赤外線、紫外線、マイクロ波等を照射して微粒子の結晶性を向上させたり、微粒子表面の付着物を除去する方法が知られている（特許文献１参照）。該方法では、配管材にレーザー、赤外線、紫外線、マイクロ波等を透過する材質を用いたり、配管に光学窓を設けて、窓からエアロゾルに対してレーザーを照射している。
【０００３】
しかしながら、この特許文献１の方法では、エアロゾル配管内を高速で移動するエアロゾルに配管壁を介しての照射となるため、セラミックス微粒子の表面洗浄や、活性化に必要なエネルギーの該微粒子への付与が不十分であり、成膜効率等の向上を十分に図れない場合がある。
【特許文献１】特開２００６−１９３７８４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べくなされたものであり、ＡＤ法においてセラミックス等の微粒子表面を洗浄できるとともに、活性化に必要なエネルギーを微粒子に付与でき、大幅な成膜効率等の向上が図れる被膜形成装置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、上記エアロゾル発生装置と上記エアロゾル噴射ノズルとの間に設けられ、エアロゾル中の粗大な微粒子を捕集する捕集装置とを備え、ＡＤ法により上記エアロゾル噴射ノズルから基材上にエアロゾルを噴射し衝突させて被膜を形成する被膜形成装置であって、上記エアロゾル発生装置および捕集装置から選ばれた少なくとも一つの装置に、該装置内においてエアロゾル中の上記微粒子に高エネルギーの電磁波を照射する手段を設けてなることを特徴とする。
また、上記高エネルギーの電磁波は、レーザー光、赤外線、紫外線またはマイクロ波であることを特徴とする。
【０００６】
上記原料セラミックス微粒子の平均粒子径は、0.1μm〜2μm であることを特徴とする。また、上記原料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、エアロゾル中の粗大な微粒子を捕集する捕集装置とを備え、上記エアロゾル発生装置および捕集装置から選ばれた少なくとも一つの装置に、該装置内においてエアロゾル中の上記微粒子に高エネルギーの電磁波を照射する手段を設けてなるので、電磁波の有するエネルギーを直接長時間、セラミックス等の微粒子に伝えることができ、微粒子表面の付着物や水分が除去されるとともに、十分に活性化される。その結果、被膜特性や、成膜速度および成膜効率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】
本発明の一実施例に係る被膜形成装置の構成例を図１に基づいて説明する。図１は被膜形成装置の構成を示す図である。
図１に示すように被膜形成装置１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１１と、真空チャンバー５と、該真空チャンバー５内に配設されたエアロゾル噴射ノズル１２と、エアロゾル発生装置１１とエアロゾル噴射ノズル１２との間に設けられ、エアロゾル中の粗大な微粒子を捕集する捕集装置３とを備え、ＡＤ法によりエアロゾル噴射ノズル１２から基材７上にエアロゾルを噴射し衝突させて被膜を形成する装置である。
エアロゾル発生装置１１および捕集装置３に、該装置内においてエアロゾル中の微粒子に高エネルギーの電磁波を照射する電磁波照射装置９ａ、９ｂが装置壁を貫通してそれぞれ設けられている。
なお、電磁波照射装置は、エアロゾル発生装置１１および捕集装置３から選ばれた少なくとも一つの装置に設置すればよい。また、捕集装置３は不必要であれば設けなくてもよく、この場合は、電磁波照射装置をエアロゾル発生装置１１にのみ設置する。
【０００９】
電磁波照射装置は、電磁波の発生装置と、電磁波照射部とを備え、該照射部は、エアロゾル発生装置や捕集装置の内壁を貫通して取り付けられている（図２参照）。
エアロゾル発生装置および捕集装置は、エアロゾル移送配管の管径よりも大きい胴径を有し、単位断面積あたりの微粒子の通過速度は遅いので、配管管壁を介して電磁波を照射する場合に比べて微粒子に直接電磁波を長時間照射することができる。
【００１０】
微粒子に照射する高エネルギーの電磁波としては、レーザー光、赤外線、紫外線またはマイクロ波を使用することができる。電磁波照射装置は、エアロゾル発生装置や捕集装置それぞれに複数個取り付けることができ、使用する電磁波は同一の電磁波を用いることも、電磁波照射装置ごとに個別に電磁波の種類を変えて用いることもできる。
本発明に使用できる電磁波照射装置としては、例えば、レーザー光装置としてＢ＆Ｗ  ＴＥＫ社製ＢＷＦ-５、赤外線装置としてしてケイヨーテクノ社製ＣＩＲ−Ｓ１５０Ｃ、紫外線装置としてキーエンス社製ＵＶ-４００、マイクロ波装置として（株）ニッシン製ＭＰＳ-１５Ｄ等が挙げられる。
【００１１】
セラミックス等の微粒子はエアロゾル発生装置１１において、振動モータ２等によって振動を加えられ、ガス供給設備１０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。その際エアロゾル発生装置１１に電磁波照射装置９ａが設けられる場合は、エアロゾル中の微粒子は電磁波が照射され表面洗浄および活性化される。
微粒子と、微粒子の一部が凝集し二次粒子化した凝集粉とを含むエアロゾルは捕集装置３に送られる。
【００１２】
捕集装置３は、後述する遠心分離方式、自重沈降方式、遮蔽板衝突方式等の方法によって、エアロゾル中の凝集粉を底部に沈降させて除去し、微粒子と搬送ガスとからなるエアロゾルを真空チャンバー５に供給する。その際、捕集装置３に電磁波照射装置９ｂが設けられる場合は、エアロゾル中の微粒子は電磁波が照射され表面洗浄および活性化される。
【００１３】
真空チャンバー５内には、セラミックス被膜形成対象である基材７と、エアロゾル噴射ノズル１２とが配設されている。上記エアロゾル発生装置および捕集装置を経て、表面洗浄および活性化されたエアロゾルが、エアロゾル噴射ノズル１２から基材７上に噴射・衝突されてセラミックス被膜が形成される。
エアロゾルのエアロゾル噴射ノズル１２への供給速度は、ガス供給設備１０からの搬送ガスの供給圧力および真空チャンバー内の減圧度によって調整される。なお、使用可能な搬送ガスとしては、アルゴン、窒素、ヘリウム等の不活性ガスが挙げられる。
エアロゾル噴射ノズル１２は、長方形等の開口部を有するノズル先端から、基材７に向けてエアロゾルを噴射するものである。なお、エアロゾル噴射ノズル１２は、１本であっても複数本であってもよい。
真空ポンプ６によって真空チャンバー５は減圧下に保たれる。微粒子フィルター４は、真空ポンプ６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。
【００１４】
本発明における捕集装置３の一例として粗大なセラミックス微粒子を遠心分離する方法を図２を参照して説明する。図２は図１における捕集装置部分の詳細図である。
図２に示すように捕集装置３は、捕集装置入口３ａと、捕集装置３内壁を貫通して設けられ電磁波照射装置９ｂと、捕集装置出口３ｂとを備えている。電磁波照射装置９ｂは電磁波発生装置９ｂａと、電磁波照射部９ｂｂとからなる。
捕集装置入口３ａから捕集装置３の内円周に接線方向に供給されたエアロゾルは、捕集装置３内で旋回流となって捕集装置３の上端中央にある捕集装置出口３ｂに向かって捕集装置３の内壁沿いに上昇する。流体抵抗の大きい粗大な凝集粉１３ｂは、遠心力により旋回流中心の外側（捕集装置３の内壁側）に移動するとともにエアロゾル旋回流から脱落して捕集装置３の底部に沈降し、微細な微粒子１３ａのみがエアロゾル旋回流に乗せられて捕集装置出口３ｂに向かって上昇する。
微細な微粒子１３ａは電磁波照射部９ｂｂから電磁波を照射され、セラミックス粒子の表面の付着物や水分が除去され、活性化され、真空チャンバー５内のエアロゾル噴射ノズル１２（図１参照）に供給される。
【００１５】
捕集装置の形状、寸法等は、凝集等により粗大化した粒子径 2μm をこえるような微粒子を底部に沈降させて捕集が可能であり、捕集装置出口３ｂから排出されるセラミックス微粒子の平均粒子径が、0.1〜2μm となるように適宜調整することが好ましい。
【００１６】
本発明の被膜形成装置において使用す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】
本発明の被膜形成装置において使用する原料微粒子（エアロゾル化前）の平均粒子径は、0.1〜2μm 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 をこえると捕集装置で堆積しやすく、成膜には寄与しない微粒子の割合が増加し、成膜効率が低下してコストが高くなる。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】
本発明では、上述した捕集装置により原料微粒子が凝集して二次粒子となった、粗大な微粒子（凝集粉）を捕集装置底部に沈降させて捕集し、エアロゾル噴射ノズルに供給されるエアロゾル中の微粒子の平均粒子径を、原料微粒子と同等の 0.1〜2μm に調整できる。よって、エッチング効果等により膜成長を阻害する要因となる、凝集等により粗大化した粒子径 2μm をこえるようなセラミックス微粒子のエアロゾル中における存在割合を低くできる。
さらに、エアロゾル発生装置および捕集装置において、電磁波の有するエネルギーを直接長時間、微粒子に伝えることができ、微粒子表面の付着物や水分が除去されるとともに、十分に活性化される。
これらの結果、被膜特性、成膜速度および成膜効率を大幅に向上させることができる。
【実施例】
【００１９】
以下の実施例によって本発明をさらに詳細に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００２０】
実施例１
セラミックス微粒子（アルミナ：住友化学社製ＡＫＰ−５０、平均粒子径 0.2μm ）を用いて、以下のようにして被膜の製造を行なった。
得られたセラミックス微粒子を図１に示されるエアロゾル発生装置１１に、装填し、真空ポンプ６を起動した後、振動モータ２により振動を加え、搬送ガスとして窒素ガスを 7 Ｌ／分の流量で装置内に流しながら、エアロゾルを発生させて、電磁波照射装置（キーエンス社製ＵＶ-４００）９ａから紫外線を 2600 mW/cm2 の条件にて照射した。次に、図２に示す捕集装置３ａ（寸法：直径 300×高さ 400 mm、配管径 60 mm ）により凝集粉等の粗大なセラミックス微粒子を除去したエアロゾルを、ステンレス（ＳＵＳ）基材上にエアロゾル噴射ノズル１２から噴射させセラミックス微粒子を微量採取した後、基材上に面積 10 mm×10 mm のアルミナ被膜を形成させた。
採取したセラミックス（アルミナ）微粒子の平均粒子径および水分含有率を測定し、得られたアルミナ被膜について以下に示す膜厚測定試験に供し、それぞれ成膜速度（μm・cm／分）を測定した。
なお採取したアルミナ微粒子の平均粒子径はレーザー式粒度分析計マイクロトラックＭＴ３０００（日機装株式会社製）を、水分含有率は水分測定装置ＡＱ−２１００（平沼産業社製）用いて測定した。これらの測定結果を表１に示す。
【００２１】
＜膜厚測定試験＞
作製したアルミナ被膜の厚さを触針式表面形状測定器（日本真空技術社製、Ｄｅｃｔａｋ３０３０）を用いて測定することにより、アルミナ被膜の成膜速度（μm・cm／分）を算出した。成膜速度（μm・cm／分）は、１分間にスキャン距離１cm につき形成される被膜の厚さ（μm ）を意味する。
【００２２】
実施例２
実施例１においてエアロゾル発生装置に取り付けた電磁波照射装置９ａを、捕集装置３（寸法：直径 300×高さ 400 mm、配管径 60 mm 、エアロゾル投入口：高さ 150 mm、配管径 60 mm ）に電磁波照射装置９ｂとして取り付けたこと以外は実施例１と同様に処理して、噴射エアロゾル中のセラミックス（アルミナ）微粒子の平均粒子径を測定し、得られたアルミナ被膜について成膜速度（μm・cm／分）を測定した。これらの測定結果を表１に併記する。
【００２３】
比較例１
実施例１において用いた電磁波照射装置を真空チャンバー５の直前のエアロゾル配管外壁に取り付け、配管壁を介してエアロゾル中のセラミックス微粒子に電磁波を照射したこと以外は実施例１と同様に処理して、噴射エアロゾル中のセラミックス（アルミナ）微粒子の平均粒子径を測定し、得られたアルミナ被膜について成膜速度（μm・cm／分）を測定した。これらの測定結果を表１に併記する。
【００２４】
【表１】
2008101253.tif 000003
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明の被膜形成装置は、微粒子表面の付着物や水分が除去され、活性化され、被膜特性、成膜速度および成膜効率を大幅に向上させることができるので、各種産業部品等へのセラミックス被膜形成に好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施例に係る被膜形成装置を示す図である。
【図２】図１における捕集装置部分の詳細図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  被膜形成装置
２  振動モータ
３  捕集装置
４  微粒子フィルター
５  真空チャンバー
６  真空ポンプ
７  基材
８  位置決め用ＸＹテーブル
９ａ、９ｂ  電磁波照射装置
１０  ガス供給設備
１１  エアロゾル発生装置
１２  エアロゾル噴射ノズル
１３ａ  微粒子
１３ｂ  凝集粉
【図１】
2008101253.tif 000004
【図２】
2008101253.tif 000005