(57)【要約】【課題】  上記記載のエアロゾルデポジション法で用いるマスクは、加工精度が良いこと、強度が優れることなどの理由により一般的に金属材料が用いられる。しかし、このマスクは構造物作製時に表面に微粒子が衝突し、脆性材料からなる構造物が形成されることから、圧縮残留応力により構造物及びマスクが変形し、基材表面に所望のパターンを形成させる精度が悪くなるといった不具合があった。【解決手段】本発明ではエアロゾルデポジション法で用いるマスクを、金属材料または無機材料からなる基体の噴射ノズル側の表面に、ＤＨｖ２が４０以上８０以下の樹脂、グリース、ワックス、ワセリン、ロウ、エラストマー、動物性油脂の群から選ばれる少なくとも１種の材料で被覆した素材で構成することでマスクの変形を防止した。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
脆性材料微粒子を基材に向けて噴射させて前記基材表面に前記微粒子の構造物を特定のパターンで形成させる複合構造物形成装置であって、エアロゾル発生手段と噴射ノズルと基材支持手段と、少なくとも構造物形成時には前記噴射ノズルと前記基材支持手段との間に介在させて用いるパターン形成手段とを備え、前記パターン形成手段は、金属材料または無機材料からなる基体の前記噴射ノズル側の表面に、ＤＨｖ２が４０以上８０以下の樹脂、グリース、ワックス、ワセリン、ロウ、エラストマー、動物性油脂の群から選ばれる少なくとも１種の材料で被覆した素材で構成したことを特徴とする複合構造物形成装置
【請求項２】
脆性材料微粒子を基材に向けて噴射させて前記基材表面に前記微粒子の構造物を特定のパターンで形成させる複合構造物形成装置であって、エアロゾル発生手段と噴射ノズルと基材支持手段と、少なくとも構造物形成時には前記噴射ノズルと前記基材支持との間に介在させて用いるパターン形成手段とを備え、前記パターン形成手段は、前記微粒子流束により変形されない基体の前記噴射ノズル側の表面に、グリース、ワックス、ワセリン、ロウ、エラストマー、動物性油脂の群から選ばれる少なくとも１種の材料で被覆した素材で構成したことを特徴とする複合構造物形成装置
【請求項３】
脆性材料微粒子を基材に向けて噴射させて前記基材表面に前記微粒子の構造物を特定のパターンで形成させる複合構造物形成用マスクであって、金属材料または無機材料からなる基体の表面に、ＤＨｖ２が４０以上８０以下の樹脂、グリース、ワックス、ワセリン、ロウ、エラストマー、動物性油脂の群から選ばれる少なくとも１種の材料で被覆した層が形成されており、エアロゾル発生手段と噴射ノズルと基材支持手段とを備えた複合構造物形成装置の前記噴射ノズルと前記基板支持手段との間に、前記噴射ノズル側に前記被覆層側を向けて介在させて用いる事を特徴とする複合構造物形成用マスク
【請求項４】
脆性材料微粒子を基材に向けて噴射させて前記基材表面に前記微粒子の構造物を特定のパターンで形成させる複合構造物形成用マスクであって、前記微粒子流束により変形されない基体の表面に、グリース、ワックス、ワセリン、ロウ、エラストマー、動物性油脂の群から選ばれる少なくとも１種の材料で被覆した層が形成されており、エアロゾル発生手段と噴射ノズルと基材支持手段とを備えた複合構造物形成装置の前記噴射ノズルと前記基板支持手段との間に、前記噴射ノズル側に前記被覆層側を向けて介在させて用いる事を特徴とする複合構造物形成用マスク
【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で利用するマスク、より具体的には、脆性材料微粒子を基材に向けて噴射させて前記基材表面に前記微粒子の構造物を特定のパターンで形成させる複合構造物形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
基材表面に脆性材料を主体とする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、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あるいは破砕させ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なプロセスにて、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】
このエアロゾルデポジション法によって形成される構造物は、微粒子が基材に衝突し、その衝突の衝撃によって微粒子同士を再結合せしめることで、基材との境界部にその一部が基材表面に食い込む脆性材料からなるアンカー部を形成し、このアンカー部の上に脆性材料からなる構造物が形成される。アンカー部が形成され構造物が形成される基材としては、例えば金属、セラミックス、ガラスなどがあげられる。
【０００４】
得られる構造物は緻密質で強固であり、アンカー部により、基材との密着性は良好であるが、構造物内に圧縮残留応力が発生し、それゆえ基材が構造物を上にして凸の形にそる変形を起こすという問題がある。これは微粒子を衝突させるというこの手法の特徴ゆえに、構造物形成時に常に構造物は圧縮性衝撃力の印加にさらされ、内部に応力が蓄積されるとともに、構造物が鍛造されて押し広げられるためと考えられる。
【０００５】
一方、このエアロゾルデポジション法により微細な構造物を形成する場合においては、特許文献１によれば、ノズルと基板との間に所定の開口パターンを構成する開口を有するマスクを配置し前記マスクと前記基板上の構造物の成長表面または前記基板の表面との距離を一定に保った状態で前記ノズルを前記マスクに対して相対変位させつつ前記微粒子材料を前記マスクの開口を通して、噴射する方法がとられている。
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２０２１７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記記載のエアロゾルデポジション法で用いるマスクは、加工精度が良いこと、強度が優れることなどの理由により一般的に金属材料が用いられる。しかし、このマスクは構造物作製時に表面に微粒子が衝突し、脆性材料からなる構造物が形成されることから、圧縮残留応力により構造物及びマスクが変形し、基材表面に所望のパターンを形成させる精度が悪くなるといった不具合があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明の一実施形態においては脆性材料微粒子を基材に向けて噴射させて前記基材表面に前記微粒子の構造物を特定のパターンで形成させる複合構造物形成装置であって、エアロゾル発生手段と噴射ノズルと基材支持手段と、少なくとも構造物形成時には前記噴射ノズルと前記基材支持との間に介在させて用いるパターン形成手段とを備え、前記パターン形成手段は、金属材料または無機材料からなる基体の前記噴射ノズル側の表面に、ＤＨｖ２が４０以上８０以下の樹脂、グリース、ワックス、ワセリン、ロウ、エラストマー、動物性油脂の群から選ばれる少なくとも１種の材料で被覆した素材で構成したことを特徴とする複合構造物形成装置を提供する。
【０００９】
上記課題を解決するための本発明の他の実施形態として、脆性材料微粒子を基材に向けて噴射させて前記基材表面に前記微粒子の構造物を特定のパターンで形成させる複合構造物形成装置であって、エアロゾル発生手段と噴射ノズルと基材支持手段と、少なくとも構造物形成時には前記噴射ノズルと前記基材支持との間に介在させて用いるパターン形成手段とを備え、前記パターン形成手段は、前記微粒子流束により変形されない基体の前記噴射ノズル側の表面に、グリース、ワックス、ワセリン、ロウ、エラストマー、動物性油脂の群から選ばれる少なくとも１種の材料で被覆した素材で構成したことを特徴とする複合構造物形成装置を提供する。
【００１０】
また、上記課題を解決するための本発明の他の実施形態として、脆性材料微粒子を基材に向けて噴射させて前記基材表面に前記微粒子の構造物を特定のパターンで形成させる複合構造物形成用マスクであって、金属材料または無機材料からなる基体の表面に、ＤＨｖ２が４０以上８０以下の樹脂、グリース、ワックス、ワセリン、ロウ、エラストマー、動物性油脂の群から選ばれる少なくとも１種の材料で被覆した層が形成されており、エアロゾル発生手段と噴射ノズルと基材支持手段とを備えた複合構造物形成装置の前記噴射ノズルと前記基板支持手段との間に、前記噴射ノズル側に前記被覆層側を向けて介在させて用いる事を特徴とする複合構造物形成用マスクを提供する。
【００１１】
また、上記課題を解決するための本発明の他の実施形態として、脆性材料微粒子を基材に向けて噴射させて前記基材表面に前記微粒子の構造物を特定のパターンで形成させる複合構造物形成用マスクであって、前記微粒子流束により変形されない基体の表面に、グリース、ワックス、ワセリン、ロウ、エラストマー、動物性油脂の群から選ばれる少なくとも１種の材料で被覆した層が形成されており、エアロゾル発生手段と噴射ノズルと基材支持手段とを備えた複合構造物形成装置の前記噴射ノズルと前記基板支持手段との間に、前記噴射ノズル側に前記被覆層側を向けて介在させて用いる事を特徴とする複合構造物形成用マスクを提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、エアロゾルデポジション法において構造物作製時に前記マスクが変形することを防止することができる。それにより、所望の複合構造物を精度良く形成させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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は本発明の複合構造物を形成する作製装置１０を示したものであり、窒素ガスボンベ１０１の先にガス搬送管１０２を介してエアロゾル発生器１０３が設置され、その下流側にエアロゾル搬送管１０４を介して解砕器１０５が配設され、エアロゾル搬送管１０６を解して構造物形成室１０７内に例えば１０ｍｍ×０．４ｍｍの噴射開口をもつノズル１０８に接続されている。エアロゾル発生器１０３内には脆性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と基材１１０の間にはマスク１１２が配置されており、基材１１０は基材支持手段としてのＸＹステージ１０９に保持されている。構造物形成室１０７は真空ポンプ１１１と接続されている。
【００１４】
以下に本発明の複合構造物作製装置１０の作用を述べる。窒素ガスボンベ１０１を開栓し、ガスをエアロゾル発生器１０３内に送り込み、同時にエアロゾル発生器１０３を運転させて脆性材料微粒子と窒素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１１１を稼動させ、エアロゾル発生器１０３と構造物形成室１０７の間に差圧を生じさせる。エアロゾルはこの差圧に乗って下流側の解砕器１０５内に導入され、含まれる凝集粒が解砕され、一次粒子が多く存在するエアロゾルへと変換される。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より基材１１０に向けて噴射する。この際、マスク１１２により基材表面に脆性材料微粒子の構造物を特定のパターンで形成させる。基材１１０はＸＹステージ１０９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材１１０上に膜状の脆性材料構造物が形成されていく。
【００１５】
次に本発明に用いるマスクの実施の形態について図２をもとに説明する。パターン形成手段であるマスク２０は開口部２０４を有する金属材料または無機材料からなる基体２０２の表面に、ＤＨｖ２が４０以上８０以下の樹脂、グリース、ワックス、ワセリン、ロウ、エラストマー、動物性油脂の群から選ばれる少なくとも１種の材料で被覆した層２０３をもって構成され、前記被覆層２０３をノズル２０１に対面するように配置する。ノズル２０１より噴射される微粒子束はマスク２０の開口部２０４を通過して、基材２０５に衝突し、例えば図２に示されるような大小の角型の形状など、所望の形状の特定パターンを有する複合構造物２０６が形成される。マスク開口部２０４は微細な形状から微粒子流束よりも大きな面積まで必要とされる形状とする。
【００１６】
また、基体の材質として、金属ではステンレス、銅、アルミ、真鍮などであり、無機材料としては、ガラス、アルミナなどがあげられる。また、微粒子流束によって変形されない基体とは、金属材料または無機材料以外の場合、ノズルより噴射される微粒子束により変形されることが無いほどの厚みを持つ基体を示し、例えばエポキシ樹脂であれば１００μｍ以上であることが好ましい。
【００１７】
また、本発明における脆性材料微粒子とは、例えばＡｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，ＮｉＯ，ＴｉＯ２，ＣｕＯ，ＺｎＯ，ＺｒＯ２，ＳｎＯ２，ＭｇＯなどの酸化物、ＷＣ，ダイヤモンド、ＳｉＣ，Ｂ４Ｃなどの炭化物，ＡｌＮ，Ｓｉ３Ｎ４などの窒化物、ＣａＦ，ＺｒＦなどのフッ化物、ＢａＴｉＯ３、ＰＺＴなどがあげられる。
【００１８】
またＤＨｖ２が４０以上、８０以下の樹脂とは、例えば、ＰＰ、ＰＣ、ポリスチレン、ガラスエポキシなどがあげられる。
【実施例１】
【００１９】
エアロゾルデポジション法を用いて、各種樹脂基体上への構造物形成の有無を調べた。脆性材料微粒子としては酸化アルミニウムを選定した。具体的には純度９９％以上、平均粒子径０．２μｍのα−アルミナを用いた。樹脂基体には、厚みが１〜２ｍｍ程度のＡＢＳ（アクリロニトリルブタジエンスチレン共重合体）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ポリスチレン、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、エポキシ樹脂ＡＲＡＬＤＩＴＥ  ＸＤ９１１、およびステンレス鋼上に厚み数十μｍで形成したポリイミド膜、電子回路基板として良く用いられるガラス−エポキシ基板の１１種類を用いた。
【００２０】
エアロゾルデポジション法での高純度窒素ガスの流量は７Ｌ／ｍｉｎとした。構造物の形成を１７mm×５ｍｍ面積へ試みた。形成時間は１０分とし、形成環境は室温で行った。得られた構造物の形成結果を表１に示す。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
表１において、構造物形成状況については、構造物の形成が見られた場合（形成される）、形成が見られず目視では基体に何の変化も無かった場合（形成されない）、形成が見られず基体がエッチングされて表面から削り取られていた場合（形成されない・基体削れる）で分けられ、構造物の形成が見られた場合は、その構造物の最大形成厚さを日本真空技術株式会社触針式表面形状測定器Ｄｅｋｔａｋ３０３０を用いて測定した。また基体の硬さを島津製作所製ダイナミック超微小硬度計ＤＵＨ−Ｗ２０１を用いて、ビッカース圧子、試験力１０ｇｆ、負荷速度１．３５０ｇｆ／ｓｅｃ、保持時間１５秒の条件で負荷−除荷試験を行い、材料の塑性変形分を考慮しないダイナミック硬さＤＨｖ１と、材料の塑性変形分を考慮したダイナミック硬さＤＨｖ２の値のそれぞれを示した。
この結果より、基体のダイナミック硬さＤＨｖ２の値が構造物の形成の有無に大きく影響を及ぼしている様子がわかる。図３にはその状況をわかりやすく示したもので、基材のＤＨｖ２を縦軸にとって並べた場合に「形成される」、「形成されない」、「形成されない・基体が削れる」の３水準で数値的に区分けできる。この結果よりＤＨｖ２が４０以上８０以下の樹脂を用いた場合において、エアロゾルデポジション法での脆性材料の構造物形成を防止することができると言える。その他、金属や無機材料基体の噴射ノズル側の面に、ＤＨｖ２が４０以上８０以下の樹脂をフィルム状に貼り付けたり、コーティングして好適に利用できる。
【実施例２】
【００２３】
図１の装置を利用したエアロゾルデポジション法を用いて、液体のり（アラビックヤマト  ヤマト（株）製）、真空グリース（FS高真空グリース  ダウコーニングアジア（株）製）、真空ポンプ油（SMR−１００バキュームポンプオイル  アルヴァック（株）製）をノズルより噴射される脆性材料微粒子が衝突されうる部位に塗布した金属基材上への、構造物形成の有無を調べた。脆性材料微粒子としては酸化アルミニウムを選定した。具体的には純度９９％以上、平均粒子径０．２μｍのα−アルミナを用いた。また金属基材にはステンレス３０４を、ノズルは縦０．４mm横２０mmの開口を持つノズルを用い、搬送ガスとして高純度Heガスを流量７L／minで用いた。構造物の形成面積は１０ｍｍ×１０ｍｍとし、形成時間を５分とした。
【００２４】
図４は構造物形成を試みたあとのステンレス基材表面の状態を示す。図４中のＡの個所は液体のり、Ｂの個所は真空グリース、Ｃの個所は真空ポンプ油をそれぞれ塗布した。また、Ｄの個所には何も塗布しなかった。液体のりを塗布した個所Ａでは硬化したのり４０１が観察され、硬化したのりを取り除いた後４０２に点状の構造物が形成された。真空グリース４０３を塗布した個所Ｂでは、構造物の形成を試みたあとで、真空グリースを拭き取った後４０４では、基材上への構造物の形成はみられなかった。それに対して、真空ポンプ油を塗布した個所Ｃでは何も塗布していない個所Ｄの複合構造物４０６と同様に複合構造物４０５が形成された。この結果より、真空グリース４０３を塗布することでステンレス基材上への構造物の形成を防止できると言える。
【実施例３】
【００２５】
図１の装置を利用したエアロゾルデポジション法を用いて、脆性材料微粒子に純度９９％以上、平均粒径０．２μmの酸化アルミニウムを利用し、厚さ１００μmのステンレス箔をはさみで２０×１０ｍｍに切断した基材上に、ノズルより噴射される微粒子が衝突されうる部位に対して真空グリースを塗布し、構造物の形成を試みたあとのステンレス箔の反りを観察した。また比較として、真空グリースを塗布しないで、同様に構造物の形成を試みたあとのステンレス箔の反りも観察した。このとき用いたノズル及び搬送ガスは実施例２と同様のノズル及びガスを利用し、構造物の形成時間は１０分とした。
【００２６】
図５に構造物の形成を試みたあとのステンレス箔を観察した結果を示す。Ａは真空グリースを塗布したステンレス箔であり、Ｂは真空グリースを塗布していないステンレス箔である。真空グリースを塗布した図５のステンレス箔Ａには構造物の形成は確認されず、反りを生じなかった。一方、真空グリースの塗布を行わなかったステンレス箔Ｂは明らかに凸の形に反っていることが確認された。この結果より、脆性材料微粒子が衝突されうる部位に対して真空グリースを塗布することで、構造物の形成を防止し、金属の変形を防ぐことができると言える。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明における複合構造物作製装置を示す模式図
【図２】本発明におけるマスクの構成を示す模式図
【図３】各種樹脂の硬度（ＤＨＶ１およびＤＨＶ２）と構造物形成の有無との関係を示すグラフ
【図４】エアロゾルデポジション法において金属基材に油等を塗布した際の基材への構造物形成の有無を観察した図
【図５】エアロゾルデポジション法において金属基材に真空グリースを塗布した場合と塗布しない場合の基材の反りを観察した図
【符号の説明】
【００２８】
１０・・・複合構造物作製装置
１０１・・・窒素ガスボンベ
１０２・・・ガス搬送管
１０３・・・エアロゾル発生器
１０４・・・エアロゾル搬送管
１０５・・・解砕器
１０６・・・エアロゾル搬送管
１０７・・・構造物形成室
１０８・・・ノズル
１０９・・・ＸＹステージ
１１０・・・基材
１１１・・・真空ポンプ
１１２・・・マスク
２０・・・マスク
２０１・・・ノズル
２０２・・・基体
２０３・・・被覆層
２０４・・・開口部
２０５・・・基材
２０６・・・複合構造物
４０１・・・硬化したのり
４０２・・・硬化したのりを取り除いた後
４０３・・・真空グリース
４０４・・・真空グリースを拭き取った後
４０５・・・構造物
４０６・・・複合構造物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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