(57)【要約】【課題】  エアロゾルデポジション法において、構造物作製時に基板や基板上の構造物に付着した凝集粉により、欠陥が生じるのを防止する。【解決手段】  本発明では、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、前記エアロゾルを前記基板表面に衝突させ、この衝突の衝撃によって前記微粒子を破砕・変形させて接合させ、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において、構造物形成に寄与しなかった前記基板および基板上の構造物に付着した凝集粉を除去するために、エアーブロー機能を備えたことを特徴とする。【選択図】  図３
2005076104.tif 000002
【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、前記エアロゾルを前記基板表面に衝突させ、この衝突の衝撃によって前記微粒子を破砕・変形させて接合させ、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において、前記基板および基板上の構造物に付着し、かつ構造物形成に寄与しなかった凝集粉を除去するための除去手段を備えたことを特徴とする複合構造物作製装置。
【請求項２】
前記除去手段が前記基板に向けてエアーを吹付けるエアーブロー装置であることを特徴とする請求項１に記載の複合構造物作製装置。
【請求項３】
前記除去手段が前記基板表面をこするブラシであることを特徴とする請求項１に記載の複合構造物作製装置。
【請求項４】
前記除去手段が前記基板を振動させる基板振動手段であることを特徴とする請求項１に記載の複合構造物作製装置。
【請求項５】
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、前記エアロゾルを前記基板表面に衝突させ、この衝突の衝撃によって前記微粒子を破砕・変形させて接合させ、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において、構造物形成に寄与しなかった前記基板および基板上の構造物に付着した凝集粉を除去するためにエアーブロー装置、ブラシ、基板振動手段の内の２つ以上を備えたことを特徴とする複合構造物作製装置。
【請求項６】
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、前記エアロゾルを前記基板表面に衝突させ、この衝突の衝撃によって前記微粒子を破砕・変形させて接合させ、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方法において、
前記ノズルからエアロゾルを噴射するのに合わせて、前記基板または基板上の構造物にエアーを吹付けるか、またはブラシを当接させるか、または基板を振動させる内の１つ以上を施し、構造物形成に寄与しなかった前記基板または構造物に付着した凝集粉を除去しながら複合構造物を作製することを特徴とする複合構造物作製方法。
【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。これ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。
【０００３】
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。
【０００４】
また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。
【０００５】
この手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。
【０００６】
この方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。
【０００７】
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くなっていることに大きな特徴がある。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。
【０００８】
本件で使用する語句の説明を以下に行う。
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５μm以下であるものを言う。また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以下であるものを言う。
【０００９】
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、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。
【００１０】
本発明においてノズルとは、エアロゾルが通過する空間を持つノズル本体と、エアロゾルを導入するための導入開口と、エアロゾルを噴射させるための導出開口を有する硬質の構成部であり、所望の構造物形態を獲得するために、ノズル本体の空間形状と、導出開口の形状に工夫を持たせて、エアロゾルを整流して噴出状態を制御するものである。
【００１１】
エアロゾルデポジション法は、エアロゾル中の微粒子の利用効率が悪く、ノズルから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、構造物形成に寄与しなかった微粒子の一部は、基板や基板上の構造物に凝集粉として付着する。この凝集粉が構造物形成の障害物となり、構造物に欠陥が発生する要因になっていた。
【００１２】
この基板に付着した凝集粉を除去するために、付着粒子除去ブレードを基板の移動経路に沿って配設することが提案されている。ただしブレードの材質として硬質ゴムや金属板を用いたのでは、基板や基板上の構造物に付着した凝集粉を取り除くには不十分で、最悪の場合は構造物に機械的ダメージを与えたりすることがあった。（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００１−３８２７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、本発明の課題は、構造物作製時に基板や基板上の構造物に付着した凝集粉を除去することにより、欠陥のない良好な構造物を作製することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するため発明は、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、前記エアロゾルを前記基板表面に衝突させ、この衝突の衝撃によって前記微粒子を破砕・変形させて接合させ、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において、前記基板および基板上の構造物に付着し、かつ構造物形成に寄与しなかった凝集粉を除去するための除去手段を備えたことを特徴とする。
これにより欠陥のない良好な構造物を作製することを可能とした。
【００１５】
また、本発明の好ましい態様として、前記除去手段が前記基板に向けてエアーを吹付けるエアーブロー装置であることを特徴とする。
これにより付着した凝集粉を吹き飛ばす一方、エアーカーテンにより凝集粉を付着し難くし欠陥のない良好な構造物を作製することを可能とした。
【００１６】
また、本発明の好ましい態様として、前記除去手段が前記基板表面をこするブラシであることを特徴とする。
これによりブラシが凝集粉に直接接触し凝集粉を確実に除去するため欠陥のない良好な構造物を作製することを可能とした。
【００１７】
また、本発明の好ましい態様として、前記除去手段が前記基板を振動させる基板振動手段であることを特徴とする。
これにより、凝集粉の付着が基板へ付着い難くし、また付着した凝集粉を除去し欠陥のない良好な構造物を作製することを可能とした。
【００１８】
また、本発明では、構造物形成に寄与しなかった前記基板および基板上の構造物に付着した凝集粉を除去するためにエアーブロー装置、ブラシ、基板振動手段の内の２つ以上を備えたことを特徴とする。
複合構造物作製装置であり、これにより欠陥のない良好な構造物を作製することを可能とした。
【００１９】
また、本発明の作製方法として、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、前記エアロゾルを前記基板表面に衝突させ、この衝突の衝撃によって前記微粒子を破砕・変形させて接合させ、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方法において、前記ノズルからエアロゾルを噴射するのに合わせて、前記基板または基板上の構造物にエアーを吹付けるか、またはブラシを当接させるか、または基板を振動させる内の１つ以上を施し、構造物形成に寄与しなかった前記基板または構造物に付着した凝集粉を除去しながら複合構造物を作製することを特徴とする。
これにより欠陥のない良好な構造物を作製する作製方法が提供できる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、欠陥のない良好な構造物作製を可能にする効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
まず、図１５にエアロゾルデポジション法を用いた構造物作製装置の一般的な概要を示す。構造物１９０を作製される基板１８０は、前後左右（ＸＹ）に制動できるＸＹステージ１７０に固定され、真空チャンバー１１０内に設置される。ガスボンベ１３０から搬送管を介して送られた搬送ガスは、エアロゾル発生器１４０を通過し、ノズル１５０からエアロゾルビーム１６０として噴射され、基板１８０上に構造物１９０を作製する。
【００２２】
図１３に構造物１９０の周辺部詳細図を、その側面図を図１４に示す。基板１８０および構造物１９０に付着する凝集粉は、大きく分けて二つある。ひとつは基板１８０および構造物１９０上のノズル間に付着する凝集粉２００と、もうひとつは図１３で記載した矢印の方向にＸＹステージ１７０が移動する際に、基板１８０および構造物１９０上のノズル後方に付着した凝集粉２１０である。これら凝集粉が、構造物１９０に取り込まれることにより構造物１９０の内部および表面に欠陥を発生させる要因になっている。
【００２３】
本発明にかかる実施例１の詳細図を図１に、その側面図を図２に示す。エアロゾルビーム１６０を噴射する複数のノズル１５０の間に、ブローノズル２２０を設置し、ブローガス２３０を噴射させる。ブローガス２３０とは、エアロゾル粒子を含まないガスを指す。このブローガス２３０により、ノズル間に付着した凝集粉２００は除去される。これは、ブローガス２３０による吹き飛ばし効果と、エアーカーテン効果の両方が想定される。
【００２４】
本発明にかかる実施例２の詳細図を図３に、その側面図を図４に示す。エアロゾルビーム１６０を噴射するノズル１５０の後方に、フラットな形状のブローノズル２２０を設置し、ブローガス２３０を全面噴射させる。このブローガス２３０により、ノズル間に付着した凝集粉２００およびノズル後方に付着した凝集粉２１０は除去される。これは、ブローガス２３０による吹き飛ばし効果と、エアーカーテン効果の両方が想定される。
【００２５】
本発明にかかる実施例３の詳細図を図５に、その側面図を図６に示す。エアロゾルビーム１６０を噴射するノズル１５０の後方に、歯ブラシ状のブラシ２４０を設置する。このブラシ２４０により、ノズル間に付着した凝集粉２００およびノズル後方に付着した凝集粉２１０は除去される。ブラシ２４０の材質としては、金属などの硬質なものでなくプラスチックや繊維、豚毛などの軟らかいものが、構造物１９０にダメージを与えることが無く好適である。
【００２６】
本発明にかかる実施例４の詳細図を図７に、その側面図を図８に示す。エアロゾルビーム１６０を噴射するノズル１５０の後方に、回転ブラシ２５０を設置する。この回転ブラシ２５０により、ノズル間に付着した凝集粉２００およびノズル後方に付着した凝集粉２１０は除去される。回転ブラシ２５０は、自転しながら、かつ構造物の表面を移動するようにするのが好適である。回転ブラシ２５０の材質としては、実施例３と同様に、金属などの硬質なものでなくプラスチックや繊維、豚毛などの軟らかいものが、構造物１９０にダメージを与えることが無く好適である。のが自転の材質としては、金属などの硬質なものでなくプラスチックや繊維、豚毛などの軟らかいものが、構造物１９０にダメージを与えることが無く好適である。
【００２７】
本発明にかかる実施例５の詳細図を図９に、その側面図を図１０に示す。基板１８０に振動装置２６０を設置する。この振動装置２６０により、ノズル間に付着した凝集粉２００およびノズル後方に付着した凝集粉２１０は除去される。振動装置２６０は、超音波振動子や低周波振動子、ノッキング装置など、基板１８０に振動を与えるものであれば特に機構は問わない。
【００２８】
本発明にかかる実施例６の詳細図を図１１に、その側面図を図１２に示す。エアロゾルビーム１６０を噴射するノズル１５０の後方に、フラットな形状のブローノズル２２０を設置し、ブローガス２３０を全面噴射させ、かつ、基板１８０に振動装置２６０を設置する。このブローガス２３０および振動装置２６０により、ノズル間に付着した凝集粉２００およびノズル後方に付着した凝集粉２１０は、より効果的に除去される。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
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方法（および装置ならびに微粒子）に関する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明にかかる実施例１の詳細図である。
【図２】本発明にかかる実施例１の側面図である。
【図３】本発明にかかる実施例２の詳細図である。
【図４】本発明にかかる実施例２の側面図である。
【図５】本発明にかかる実施例３の詳細図である。
【図６】本発明にかかる実施例３の側面図である。
【図７】本発明にかかる実施例４の詳細図である。
【図８】本発明にかかる実施例４の側面図である。
【図９】本発明にかかる実施例５の詳細図である。
【図１０】本発明にかかる実施例５の側面図である。
【図１１】本発明にかかる実施例６の詳細図である。
【図１２】本発明にかかる実施例６の側面図である。
【図１３】従来技術の詳細図である。
【図１４】従来技術の側面図である。
【図１５】構造物作製装置の概略図である。
【符号の説明】
【００３１】
１１０…真空チャンバー
１２０…真空ポンプ
１３０…ガスボンベ
１４０…エアロゾル発生器
１５０…ノズル
１６０…エアロゾルビーム
１７０…ＸＹステージ
１８０…基板
１９０…構造物
２００…ノズル間に付着した凝集粉
２１０…ノズル後方に付着した凝集粉
２２０…ブローノズル
２３０…ブローガス
２４０…ブラシ
２５０…回転ブラシ
２６０…振動装置
【図１】
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【図２】
2005076104.tif 000004
【図３】
2005076104.tif 000005
【図４】
2005076104.tif 000006
【図５】
2005076104.tif 000007
【図６】
2005076104.tif 000008
【図７】
2005076104.tif 000009
【図８】
2005076104.tif 000010
【図９】
2005076104.tif 000011
【図１０】
2005076104.tif 000012
【図１１】
2005076104.tif 000013
【図１２】
2005076104.tif 000014
【図１３】
2005076104.tif 000015
【図１４】
2005076104.tif 000016
【図１５】
2005076104.tif 000017