(57)【要約】【課題】エアロゾルデポジション法において、構造物形成に与らないエアロゾル中の材料微粒子及び構造物形成時に用いた粉体搬送ガスを回収し再利用する。【解決手段】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たエアロゾルを基板に衝突させて構造物を作製する構造物作製装置において、前記エアロゾルと前記基板との衝突部位の近傍に設置されエアロゾルを吸入する吸引筒と、前記吸引筒に連結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とを有した粉体回収機構と、前記微粒子回収容器から前記粉体供給容器への一方向の流れのみを許可する逆流防止手段と、この逆流防止手段よりも前記微粒子粉体供給容器側に設けられ、前記微粒子回収容器から前記粉体供給容器への流れを生起する駆動源とを有する粉体搬送機構と、から構成されたことを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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たエアロゾルを発生するエアロゾル発生器と、発生したエアロゾルを高速で噴射するノズルとを備え、エアロゾルを基板に衝突させて構造物を作製する複合構造物作製装置において、
前記エアロゾルと前記基板との衝突部位の近傍に設置され前記基板に衝突した後に前記構造物の形成に与らないエアロゾルを吸入する吸引筒と、前記吸引筒に連結し前記構造物の形成に与らない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とを有した粉体回収機構と、
前記微粒子回収容器から前記粉体供給容器への一方向の流れのみを許可する逆流防止手段と、この逆流防止手段よりも前記微粒子粉体供給容器側に設けられ、前記微粒子回収容器から前記粉体供給容器への流れを生起する駆動源とを有する粉体搬送機構と、
から構成されたことを特徴とする複合構造物作製装置。
【請求項２】
前記微粒子回収容器は回収された粉体の重量又は容積を感知するセンサーを装備し、このセンサーが任意の設定量の粉体が回収されたことを検知すると、前記粉体搬送機構に設置された駆動源が作動して粉体を搬送することを特徴とする請求項１記載の複合構造物作製装置。
【請求項３】
前記粉体供給容器は供給用粉体の重量又は容積を感知するセンサーを装備し、このセンサーが任意の設定量以下になると、前記粉体搬送機構に設置された駆動源が作動して粉体を搬送することを特徴とする請求項１記載の複合構造物作製装置。
【請求項４】
請求項１に記載の複合構造物作製装置において、前記微粒子回収容器及び構造物作製を行うチャンバー室と逆流防止手段を介して接続され、排出されたガスを回収するガス回収容器と、前記のガス回収容器で回収したガス圧をあげるためのガス圧縮機構と、前記エアロゾル発生器に対し、始動用あるいは補充用のガスを搬送するガス供給機構と択一的に接続可能な切り替え手段と、を備えたことを特徴とする複合構造物作製装置。
【請求項５】
前記ガス回収容器には容器内の圧力を測定する圧力計を配備し、この圧力計にて測定された圧力が任意に設定した圧力未満になるまでガス回収容器から前記エアロゾル発生器へガスが搬送され、任意に設定した圧力未満になった時点で、前記切り替え手段をエアロゾル発生器と始動用あるいはガスの補充用に用いられるガス供給機構に切り替えることを特徴とする請求項４記載の複合構造物作製装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、材料微粒子粉体を含むエアロゾルを基板に吹き付け、材料構造物を基板上に形成させることによって、基板と材料構造物からなる複合構造物を作製する複合構造物作製装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板上の膜の形成方法としては数μｍ以上の厚膜の場合、溶射法が一般に知られているが、その他ガスデポジション法が提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。
この方法は金属やセラミックスの超微粒子をガス攪拌にてエアロゾル化し、微小なノズルを通して加速せしめ、基材表面に超微粒子の圧粉体層を形成させ、これを加熱して焼成させることにより被膜を形成する。
【０００３】
上記非特許文献１のガスデポジション法を改良した先行技術として微粒子ビーム堆積法あるいはエアロゾルデポジション法と呼ばれる脆性材料の膜あるいは構造物の形成方法がある。これは、脆性材料の微粒子を含むエアロゾルをノズルから高速で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させる方法である（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。
【０００４】
この特許文献１に開示される技術は、前記した超微粒子を含むエアロゾルを搬送する際あるいはセラミックスなどを加熱蒸発させる際に、超微粒子同士が凝集して大きな粒子となるのを防止するために、中間の経路に分級装置を配置するようにしている。
【０００５】
特許文献２においては、粒径が１０ｎｍから５μｍの範囲にあるセラミックスなどの超微粒子をガスに分散させてエアロゾルとした後、ノズルより高速の超微粒子流として基板に向けて噴射して堆積物を形成させる。このときに超微粒子や基板に、イオン、原子、分子ビームや低温プラズマなどの高エネルギー原子などを照射して作製される構造物を強固なものとする工夫がなされている。
【０００６】
【非特許文献１】
加集誠一郎：金属  １９８９年１月号
【特許文献１】
特開平１１−２１６７７号公報
【特許文献２】
特開平２０００−２１２７６６号公報に開示
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ガスデポジション法やエアロゾルデポジション法を利用した複合構造物形成装置は、チャンバーなどの容器のなかにノズルと基板を配置した構造をとっており、多くの場合真空ポンプを使用してチャンバー内を減圧環境とし、ノズルより微粒子を噴射させる。
【０００８】
金属の超微粒子を使って圧粉体層を形成させるガスデポジション法や脆性材料の微粒子粉体をガス中に分散させてエアロゾルとし、これをノズルより基板に向けて噴射して、基板上にダイレクトに脆性材料の構造物を形成させるエアロゾルデポジション法は、用いられる微粒子の利用効率が悪く、特に、エアロゾルデポジション法では、噴射された微粒子のうち構造物となるものは実質的に１％以下である場合が多く、従って構造物形成に与らなかったほとんどの割合を占める微粒子は衝突後のガス流に乗って装置内に飛散しチャンバー内壁に付着したり、真空ポンプに吸い込まれるなどする。このためチャンバー内を掃除する頻度が高く、また真空ポンプへの粉体混入による機能低下の懸念があった。
【０００９】
またチャンバー内にはＸＹステージなど機械装置を設置するため、この駆動部分やセンサ部分に微粒子が付着し、機能障害を引き起こすことがままあった。そこで、真空ポンプの前段に粉体回収フィルターを設ける等の工夫はされているが、この場合はフィルター自体により真空ポンプの吸気性能を絶対的に落としたり、またフィルターに徐々に蓄積する粉体により吸気性能が段々と劣化する問題がある。また原料となる微粒子を大量に用意しても、構造物となった一部以外はすべて廃棄物となるため、資源、コストともに大きな無駄が生じていた。
【００１０】
特に、本方法にて大きな面積や大量の製膜体等の複合構造物を作製する際には、製膜効率等の問題から、長時間の作製時間が必要となり、ガスの使用量及び飛散した材料微粒子粉体の消費が激しく、コストに影響を及ぼし本プロセスを実用化に結びつけるのは厳しく、回収された材料粉体及び分離されたガスを回収し、具体的に再利用するための装置や回収作業を減圧環境下で行う必要がることからその実際の操作方法は重要である。そこで、本発明は、材料微粒子粉体等をノズルより基板に向けて噴射して、基板上にダイレクトに材料構造物を形成させる特に、ガスデポジション法やエアロゾルデポジション法等の複合構造物形成方法で、回収された材料粉体及び分離されたガスを、具体的に再利用するための複合構造物作製装置に関するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する為に本発明においては、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たエアロゾルを発生するエアロゾル発生器と、発生したエアロゾルを高速で噴射するノズルとを備え、エアロゾルを基板に衝突させて構造物を作製する構造物作製装置において、前記エアロゾルと前記基板との衝突部位の近傍に設置され前記基板に衝突した後に前記構造物の形成に与らないエアロゾルを吸入する吸引筒と、前記吸引筒に連結し前記構造物の形成に与らない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とを有した粉体回収機構と、前記微粒子回収容器から前記粉体供給容器への一方向の流れのみを許可する逆流防止手段と、この逆流防止手段よりも前記微粒子粉体供給容器側に設けられ、前記微粒子回収容器から前記粉体供給容器への流れを生起する駆動源とを有する粉体搬送機構と、から構成されたことを特徴とする。ここで示す微粒子回収容器とエアロゾル発生器の粉体供給容器の接合はに配管で接合すること必然性はなく、その仕切に逆流防止手段を介した構造でも良い。
【００１２】
これによって、粉体回収機構と粉体搬送機構がより小型化・簡素化することが可能になる。また、ここで言う逆流防止手段としては、逆流防止弁や逆流防止機構を有する電磁弁が有効である。また、回収され再利用する粉体を粉体供給容器には搬送するための駆動源は、エアロゾル発生器の粉体供給容器に設置されており粉体を効率よく搬送する機構を有する。ここで言う粉体を粉体供給容器には搬送するための駆動源としては、真空ポンプや静電気的力により吸引する粉体搬送機構が考えられる。
【００１３】
ここで示す粉体搬送用の真空ポンプにおいては、粉体の搬送の際に粉体を巻き込みポンプのオイルの劣化及び機構部品の摩滅等の問題が発生するので、ポンプの前方に粉体を除去するフィルターを設置することで、より長寿命化・品質の安定性が確保させる。
【００１４】
このような要素機構部品から構成されたことを特徴とする複合構造物作製装置においては、ステージ機能・ポンプの機能の劣化や構造物形成室内の真空度の上昇が抑制され、作製された構造物の品質の不安定が解消できる。また、形成室内壁の掃除の頻度を減らすことや飛散していた原料粉体を再利用できることから、大幅なコスト削減も可能となる。本手法にて作製された複合構造物のコスト削減に寄与する。特に、この効果は、ダイヤモンドや貴金属を含むような高価な原料粉体材料を用いた場合に顕著な効果が発揮される。
【００１５】
本発明の一実施形態においては、前記粉体回収容器は回収された粉体の重量又は容積を感知するセンサーを装備し、このセンサーが任意の設定量の粉体が回収されたことを検知すると、前記粉体搬送機構に設置された駆動源が作動して粉体を搬送することを特徴とする。
また、前記粉体供給容器は供給用粉体の重量又は容積を感知するセンサーを装備し、このセンサーが任意の設定量以下になると、前記粉体搬送機構に設置された駆動源が作動して粉体を搬送することを特徴とする。
【００１６】
この複合構造物作製装置においては、粉体の供給が自動的に行うことができる。生産性の向上、コストダウンにも繋がる。
なお、各種容器に設置したセンサーは、少なくとも粉体回収容器及び粉体供給容器のどちらか一方に設置されることで、本機能は満足される。また、粉体搬送の駆動源としては、真空ポンプや静電気的力により吸引する粉体搬送機構が考えられる。ここで示す粉体搬送用の真空ポンプにおいては、粉体の搬送の際に粉体を巻き込みポンプのオイルの劣化及び機構部品の摩滅等の問題が発生するので、ポンプの前方に粉体を除去するフィルターを設置することで、より長寿命化・品質の安定性が確保させる。
【００１７】
本発明の別の一実施形態においては、前記微粒子回収容器及び構造物作製を行うチャンバー室と逆流防止手段を介して接続され、排出されたガスを回収するガス回収容器と、前記のガス回収容器で回収したガス圧をあげるためのガス圧縮機構と、前記エアロゾル発生器に対し、始動用あるいは補充用のガスを搬送するガス供給機構と択一的に接続可能な切り替え手段と、を備えたことを特徴とする。
前記ガス回収容器には容器内の圧力を測定する圧力計を配備し、この圧力計にて測定された圧力が任意に設定した圧力未満になるまでガス回収容器から前記エアロゾル発生器へガスが搬送され、任意に設定した圧力未満になった時点で、前記切り替え手段をエアロゾル発生器と始動用あるいはガスの補充用に用いられるガス供給機構に切り替えることを特徴とする。
【００１８】
ここに示すガス回収容器は、回収したガスを圧縮するために、かなり内圧が掛かるために、耐圧容器であるとより安心であり、ガス圧縮機構としては、容器内の容積を機械的な仕掛けにて変化させ内圧を上げる方式や単純に搬送用ガスを吸引してコンプレッサーを用いて加圧する方式が考えられる。
【００１９】
また、ガス回収容器内の圧力を加圧にて上げる際に、せっかく回収したガスが回収配管から逃げないように、排出ガスを回収するための配管あるいは配管との接合部には、逆流防止弁や逆流防止機構を有する電磁弁（逆流防止手段）や、回収容器のエアロゾル発生器へガスを搬送するための配管においては、ガス供給機構と切り替えために用いられる弁が閉じた状態で、ガス回収容器内の加圧が可能になる。ここに示す切り替え弁としては、３方向コックを有した電磁弁であれば、複雑な制御も必要なが有効であると考える。
【００２０】
さらに、このようなシステムにおいては、構造物形成開始の時点と構造物形成中においても粉体回収機構及び構造物形成室から排出回収されたガスが必ずしも１００％回収できるとは限らないためにガス回収容器からエアロゾル発生器へガスを搬送するための配管においては、始動用あるいはガスの補充用に用いられるガス供給機構と前記した切り替え弁を介して接続している必要があり、エアロゾル発生器器へのガス供給切り替えは、回収容器に設置した圧力計によって連動して動作し、加圧処理され圧力が増加したガス回収容器内のガス圧を圧力計で感知し、任意に設定した圧力以上になった時点で、切替え弁が切り替わり、エアロゾル発生器とガス回収容器が繋がり、エアロゾル発生器に加圧された回収ガスが搬送される。
【００２１】
このように、このガス回収機構を用いることにより。これで構造物形成の際に使用されていたガス供給機構から供給される粉体搬送用ガスが大幅な削減が可能となり、本手法にて作製された複合構造物のコスト削減に寄与する。特に、この効果は、Ｈｅガス等の高価なガスを搬送用のガスとして使用していた場合に顕著な効果が発揮される。
【００２２】
【発明の実施の態様】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は請求項６に記載の粉体回収機構、粉体搬送機構とガス回収容器と回収ガス搬送機構から構成された複合構造物作製装置の１例を示したものであり、本発明の一態様として粉体回収機構、粉体搬送機構とガス回収容器と回収ガス搬送機構を有する複合構造物作製装置１を示したものであり、ガスボンベ等によるガス供給機構１０１は、３方向切替え弁１０３を介して、エアロゾル発生器１０４にガス搬送管１０２で連結して設置され、その下流側にエアロゾル搬送管１０６を介して構造物形成室１０７内にノズル１０８が設置されている。エアロゾル発生器１０４内の粉体供給容器１０５には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１０８の先には基板１０９がＸＹステージ１１０に固定されて配置される。ノズル１０８の先端から基板１０９までの距離は１０ｍｍである。構造物形成室１０７は、粉体除去用フィルター１１４を介して真空ポンプ１１５と接続されている。ノズル１０８を取り囲むように中空状で縦横６０ｍｍの開口を基板方向に向けた吸引筒１１１が配置され配管１１２を介して微粒子回収容器１１３が設置されている。さらに下流側に微粒子回収容器１１３は、微粒子回収容器１１３に粉体を吸引するための真空ポンプ１１７に粉体除去用フィルター１１６を介して設置されている。前記それぞれの真空ポンプ１１５及び１１７の排気は配管１１８及び１１９を通って、逆流防止弁１２０を介して、ガス回収容器１２１に接続された構造であり、配管１２６を介して３方向切替え弁１０３に接続した構造である。ガス回収容器１２１には、回収したガスを加圧するためのガス圧縮機構１２２が設置されており、そのガス回収容器１２１に容器内圧を測定する圧力計１２３が設置され、この圧力計１２３は、駆動させる３方向切替え弁１０３とシーケンス回路が組み込まれた制御ボックス１２４を介して配線１２５にて接続されている。一方、粉体回収容器１１３は、逆流防止電磁弁１２８を介して、粉体搬送配管１２７にてエアロゾル発生器１０４の粉体供給容器１０５に接続されている。
【００２３】
以下に本発明によるエアロゾルデポジション法に基づく複合構造物作製装置１の作用を述べる。まず、始動時に、ガス供給機構１０１を動作し、シーケンス回路が組み込まれた制御ボックス１２４にて３方向切替え弁１０３を開け、ガス供給機構１０１とエアロゾル発生器１０４に配管されているガス搬送管１０２にガスを送り込み、同時にエアロゾル発生器１０４を運転させて粉体供給容器内の材料微粒子と搬送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１１５および１１７を稼動させ、エアロゾル発生器１０４と構造物形成室１０７の間に差圧を生じさせる。このエアロゾルをエアロゾル搬送管１０６を通して加速させ、ノズル１０８より基板１０９に向けて噴射する。基板１０９はＸＹステージ１１０により揺動され、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板１０９上に膜状の材料構造物が形成されていく。このとき多くの微粒子は構造物形成に与らず、基板に衝突後四方に跳ね返り飛行するが、これをエアロゾル衝突位置の近傍に設けた吸引筒１１１で受け、構造物形成室１０７内に飛散する微粒子の量を抑える。吸引されたエアロゾル粒は搬送管１１２を通って粉体回収容器１１３内に導入されて、ガスと材料微粒子とが分離され、ガスは、粉体除去フィルター１１６を通過後、真空ポンプ１１７に吸引され、配管１１９を介して構造物形成室１０７の内気圧全体を一定レベルに下げる役割を果たすために設置した真空ポンプ１１５の排気配管１１８に合流する。
【００２４】
粉体除去フィルター１１４の下流に設置された真空ポンプ１１５は構造物形成室の内気圧全体を一定レベルに下げる役割を果たし、真空ポンプ１１７はエアロゾルの流れを吸引筒１１１方向へ誘導し整流する役割を果たしている。この機構を備えることにより、構造物形成室１０７内で散逸する脆性材料微粒子の量を大幅に減少させることが可能となり、従ってＸＹステージ１０９の機構部への材料微粒子が付着してリミッタなどの異常動作を引き起こすなどの故障を大幅に減少させ、また形成室内壁の掃除の頻度が低下した。また真空ポンプ１１５へ流入する材料微粒子が減少したため、ポンプの機能が使用時間とともに劣化して、構造物形成室１０７内の真空度が徐々に上昇するという不具合が解消された。構造物形成室１０７内の真空度は形成される構造物の機械的特性や電気的特性に影響を与える大きな要因であるため、この不具合解消は構造物の品質の安定に寄与する。
【００２５】
排気配管１１８を通ったガスは、逆流防止弁１２０を介してガス回収容器１２１に集められる。集められたガスは任意に設定した時間毎にガス加圧機構１２２が作動し、ガス回収容器１２１内に蓄えられたガスを加圧し、その圧力を圧力計１２３が感知し、任意に設置した圧力以上になった際に、配線１２５にて接続されたシーケンス回路が組み込まれた制御ボックス１２４を介して配線１２５にて、３方向切替え弁１０３が動作し、加圧されたガス回収容器１２１とガス搬送配管１０２を繋ぎエアロゾル発生器１０４に圧縮ガスを送り込む。
【００２６】
また、ガス回収容器１２１内のガス圧が任意に設定したガス圧未満になったことを圧力計１２３が感知した時点で、シーケンス回路が組み込まれた制御ボックス１２４を介して、３方向切替え弁１０３が動作し、搬送ガスの供給サイドをガス供給機構１０１に切り替えるシステムになっている。これによって、回収した搬送ガスを効率よく再利用出来、ガス資源の有効活用ができ、構造物作製のコスト削減に大きく寄与する。
【００２７】
一方、サイクロン方式等により材料微粒子粉体とガスが分離され粉体回収容器１１３に回収蓄積された材料粉体は、エアロゾル発生器１０４の粉体供給容器１０５に設置された粉体量のレベルセンサーと連動して動く逆流防止弁１２８を介して、粉体搬送配管１２７を通って、エアロゾル発生器１０４の粉体供給容器１０５に搬送される。構造物形成に寄与しなかった材料粉体を回収再利用することで、粉体資源を有効的に活用することができ、構造物作製のコスト削減に寄与する。
【００２８】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明によれば、エアロゾルデポジション法による材料構造物形成において、従来利用効率が著しく低いゆえに廃棄されていた材料微粒子や粉体の搬送に用いていたガスの排気ガスを構造物形成室内に散逸させることなく回収し及びガス回収容器に回収し加圧後搬送ガスとして、再利用を可能とした。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一態様である複合構造物作製装置を示す模式図
【符号の説明】
１０１…ガス供給機構
１０２…ガス搬送管
１０３…３方向切替え弁
１０４…エアロゾル発生器
１０５…粉体供給容器
１０６…エアロゾル搬送管
１０７…構造物形成室
１０８…ノズル
１０９…基板
１１０…ＸＹステージ
１１１…吸引筒
１１２…配管
１１３…微粒子回収容器
１１４…粉体除去用フィルター
１１５…真空ポンプ
１１６…粉体除去用フィルター
１１７…真空ポンプ
１１８…配管
１１９…配管
１２０…逆流防止弁
１２１…ガス回収容器
１２２…ガス圧縮機構
１２３…圧力計
１２４…制御ボックス
１２５…配線
１２６…配管
１２７…粉体搬送配管
１２８…逆流防止電磁弁
【図１】
2004267990.tif 000003