(57)【要約】【課題】  任意の表面のワイヤ内にも微小空洞を好適に形成する、微小空洞形成システムを提供する。【解決手段】  ワイヤ（特に、タングステンフィラメント・ワイヤ）内に微小空洞を形成するシステム（１０）は、ワイヤ（１４）を受け取り、ワイヤにポリマーコーティングを適用するコーティングステーション（２０）を有する。マスク形成ステーション（４０）は、ポリマーコーティングされたワイヤを受け取り、その上に湿り空気を吹きつけることにより、ポリマーコーティング内に穴を残す気泡を形成して、マスクを生成する。エッチングステーション（６０）は、マスク形成ステーションから、ポリマーマスクでコーティングされたワイヤを受け取り、ポリマーマスク内の穴を介してワイヤをエッチングすることより、ワイヤ内に微小空洞を形成する。ストリッピングステーション（８０）は、ワイヤからポリマーマスクを取り除き、微小空洞を有するワイヤを残す。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワイヤ内に微小空洞を形成する、微小空洞形成システムであって、
該ワイヤの供給源から該ワイヤを受け取り、該ワイヤにポリマーコーティングを適用する、コーティングステーションと、
該コーティングステーションから該ポリマーコーティングされたワイヤを受け取り、該ポリマーコーティングされたワイヤ上に湿り空気を吹きつけることにより、該ポリマーコーティング内に穴を残す気泡を形成し、それによりマスクを生成する、マスク形成ステーションと、
該マスク形成ステーションから該ポリマーマスクでコーティングされた該ワイヤを受け取り、該ポリマーマスク内の該穴から該ワイヤをエッチングすることにより、該ワイヤ内に微小空洞を形成する、エッチングステーションと、
該エッチングステーションから該ワイヤを受け取り、該ワイヤから該ポリマーマスクを取り除き、微小空洞を有する該ワイヤを残す、ストリッピングステーションと
を備えた、微小空洞形成システム。
【請求項２】
前記ワイヤはタングステンである、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記コーティングステーションは、急速に蒸発する溶媒に前記ポリマーの溶液を収容するタンクを備える、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記溶液は、ポリマーの０．１重量パーセントから１０重量パーセントを含む、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記ポリマーはポリスチレンであり、前記溶媒は、ベンゼン、トルエン、二硫化炭素からなるグループから選択される、請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
前記溶媒は、二硫化炭素である、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記マスク形成ステーションは、前記ワイヤが動く制御された雰囲気を決めるチャンバーを備える、請求項２に記載のシステム。
【請求項８】
前記雰囲気は、少なくとも３０パーセントの湿度を有する、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記エッチングステーションは、エッチング槽を保持する容器を備える、請求項２に記載のシステム。
【請求項１０】
前記エッチング槽は、過酸化水素である、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記ストリッピングステーションは、溶媒バスを収容する囲いを備える、請求項２に記載のシステム。
【請求項１２】
ワイヤ内に微小空洞を形成する処理であって、
（ａ）該ワイヤの供給源から該ワイヤを受け取り、該ワイヤにポリマーコーティングを適用するステップと、
（ｂ）該ポリマーコーティングされたワイヤ上に湿り空気を吹きつけることにより、該ポリマーコーティングに穴を残す気泡を形成し、それによりマスクを生成するステップと、
（ｃ）該ポリマーマスク内の該穴から該ワイヤをエッチングすることにより、該ワイヤ内に微小空洞を形成するステップと、
（ｄ）該ワイヤから該ポリマーマスクを取り除き、微小空洞を有する該ワイヤを残すステップと
を包含する、微小空洞を形成する処理。
【請求項１３】
前記ワイヤはタングステンである、請求項１２に記載の処理。
【請求項１４】
前記ポリマーは、急速に蒸発する溶媒内の前記ポリマーの溶液として適用される、請求項１３に記載の処理。
【請求項１５】
前記溶液は、ポリマーの０．１重量パーセントから１０重量パーセントを含む、請求項１４に記載の処理。
【請求項１６】
前記ポリマーはポリスチレンであり、前記溶媒は、ベンゼン、トルエン、二硫化炭素からなるグループから選択される、請求項１５に記載の処理。
【請求項１７】
前記溶媒は、二硫化炭素である、請求項１６に記載の処理。
【請求項１８】
ステップ（ａ）は、前記ポリマーコーティングの厚さは、乾いたときに約０．０５から１マイクロメートルまでであるように、前記ワイヤに適用される該ポリマーコーティングの厚さを制御するステップを包含する、請求項１２に記載の処理。
【請求項１９】
前記ポリマーコーティングされたワイヤ上に吹きつけられる前記湿り空気の、温度、湿度、および速度を制御するステップをさらに包含する、請求項１２に記載の処理。
【請求項２０】
前記ポリマーコーティングされたワイヤ上に吹きつけられる前記湿り空気の前記速度は、毎分３０から３００メートルの間である、請求項１９に記載の処理。
【請求項２１】
ステップ（ｂ）は、前記ワイヤが制御された雰囲気を通って引かれる間に行われる、請求項１２に記載の処理。
【請求項２２】
前記雰囲気は、少なくとも３０パーセントの湿度を有する、請求項２１に記載の処理。
【請求項２３】
ステップ（ｃ）は、前記ポリマーコーティングされたワイヤが過酸化水素のエッチング槽を通過するステップを包含する、請求項１３に記載の処理。
【請求項２４】
ステップ（ｃ）の前に、前記処理は、前記気泡によって生成された前記穴が前記ポリマーマスク内に完全に広がることを保証するために、該ポリマーマスクの予備エッチングを包含する、請求項１２に記載の処理。
【請求項２５】
ステップ（ｂ）は、前記穴から前記気泡を抜くステップを包含する、請求項１２に記載の処理。
【請求項２６】
穴のアレイを有しており、かつ任意の湾曲した表面を含む、実質的に任意の表面に適合するエッチングマスクを形成する処理であって、
（ａ）エッチングされるための該表面を提供するステップと、
（ｂ）ポリマーコーティングを該表面に適用するステップと、
（ｃ）該ポリマーコーティングされた表面上に湿り空気を吹きつけることにより、該ポリマーコーティング内に穴を残す気泡を形成し、それによりマスクを生成するステップと
を包含する、処理。
【請求項２７】
前記穴はマイクロメートル未満からマイクロメートルの大きさである、請求項２６に記載の処理。
【請求項２８】
前記ポリマーは、急速に蒸発する溶媒内の該ポリマーの溶液として適用される、請求項２６に記載の処理。
【請求項２９】
前記溶液は、ポリマーの０．１重量パーセントから１０重量パーセントを含む、請求項２８に記載の処理。
【請求項３０】
前記ポリマーはポリスチレンであり、前記溶媒は、ベンゼン、トルエン、二硫化炭素からなるグループから選択される、請求項２８に記載の処理。
【請求項３１】
ステップ（ｂ）は、前記ポリマーコーティングの厚さは、乾いたときに約０．０５から１マイクロメートルまでであるように、前記表面に適用される該ポリマーコーティングの厚さを制御するステップを包含する、請求項２６に記載の処理。
【請求項３２】
前記ポリマーコーティングされた表面上に吹きつけられる前記湿り空気の、温度、湿度、および速度を制御するステップをさらに包含する、請求項２６に記載の処理。
【請求項３３】
前記ポリマーコーティングされた表面上に吹きつけられる前記湿り空気の前記速度は、毎分３０から３００メートルの間である、請求項２６に記載の処理。
【請求項３４】
ステップ（ｃ）は、前記表面の周囲にあり、かつ前記湿り空気が吹きつけられる雰囲気を制御する間、行われる、請求項２６に記載の処理。
【請求項３５】
前記雰囲気は、少なくとも３０パーセントの湿度を有する、請求項３４に記載の処理。
【請求項３６】
前記気泡によって生成された前記穴が前記ポリマーマスク内に完全に広がることを保証するために、該ポリマーマスクをエッチングするステップをさらに包含する、請求項２６に記載の処理。
【請求項３７】
ステップ（ｃ）は、前記穴から前記気泡を抜くステップを包含する、請求項２６に記載の処理。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、穴のエッチングアレイにおいて有用なマスクを適合させること全般に関する。特に、本発明は、放射効率を向上させるフィラメントワイヤ内に微小空洞を形成する、大量製造する環境に適する、装置と処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気を生成し購入するコストは、世界的に史上最高記録まで上がった。そのような上昇は、電気に対する需要が高い多数の人口を有する国々に加えて、電気の供給が限られている低開発国においては特に当てはまる。この需要に促進されて、エネルギー効率が良く、電気の使用コストを最小化する照明源を生成する要求がかつてないほど高まっている。
より効率的な照明源の１つは、白熱電球である。過去２世紀に渡って、科学者と発明者とは、コスト効率の良く、実用的で、寿命の長い白熱電球を開発しようと努力してきた。寿命の長い、高温のフィラメントを開発することが、実用的な白熱電球を設計する点で主要な要素である。
【０００３】
タングステンフィラメントが発見されたことにより、高い融点（３，４１０°Ｃまたは６，１７０°Ｆ）、高温で低い蒸発速度（２，７５７°Ｃまたは４，９９５°Ｆで１０−４トートル）、およびスチールより高い抗張力といった、照明アプリケーションにとって好ましい性質が多く提供される。これらの性質によって、フィラメントは高温まで熱せられて、好ましい寿命を有するより明るい光を提供し、そしてタングステンを、商業的に利用可能な白熱電球のフィラメントにとって好まれる材料にする。
【０００４】
白熱電球のフィラメントは、その中を十分な大きさの電流が流れるとき、可視光線と非可視光線を発する。しかし、フィラメントは、可視光線の形では、一般的に６から１０パーセントの比較的少量のエネルギーを発する。発せられたエネルギーのうち残りのもののほとんどが、光のスペクトルの赤外領域内にあり、熱の形で無くなる。その結果、可視の波長で発せられた電力の、全体の波長に渡って放射された総電力に体する比によって計測される、一般的なタングステンフィラメントの放射の効率は、比較的低く、およそ６％以下である。
【０００５】
白熱のフィラメントによって発せられた可視光線の量を増やす従来技術は、加える電流を増やすことによって、フィラメントから利用可能なエネルギー量を増やすことに依存する。しかし、電流を増やすことは、さらに多くのエネルギー量を消耗する。エネルギーの消費量を増やすことなく、増加した可視光線を発するタングステンフィラメントが必要とされる。
【０００６】
もう１つの関心事項は、フィラメントの寿命である。タングステンフィラメントは、非常に耐久性がある。それにもかかわらず、長時間後は、大きな電流により度を超えて電子が曲がることが引き起こされ、電子の屈曲は、電子がフィラメント内で衝突し原子を移動させるときに生じる。やがて、この効果はフィラメントが擦れ減り、最終的に破壊する原因になる。
【０００７】
タングステンといったフィラメントの材料の放射の効率は、フィラメントの表面にサブマイクロメートルサイズのフィーチャ（ｆｅａｔｕｒｅ）を用いてテクスチャリングすることによって増加し得る。非選択性のリアクティブ・イオン・エッチング技術を用いて、タングステンのサンプルの表面上にサブマイクロメートルのフィーチャを形成する方法は、Ｈ．Ｃｒａｉｇｈｅａｄ，Ｒ．Ｈｏｗａｒｄ、およびＤ．Ｔｅｎｎａｎｔによる「Ｓｅｌｅｃｔｉｖｉｔｙ  Ｅｍｉｓｓｉｖｅ  Ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｓｕｒｆａｃｅ」３８応用物理レター７４（１９８１）で開示される。Ｃｒａｉｇｈｅａｄらは、改良された放射の効率は、タングステンからの可視光線の放射率における上昇から生じることを開示する。放射率は、所与の波長で（タングステンといった）物質の表面からの放射フラックスの、同じ条件の下で黒体によって発せられる放射フラックスに対する比である。黒体は、その上に入射する放射線を吸収するものと想定される。
【０００８】
Ｃｒａｉｇｈｅａｄらは、テクスチャー加工のタングステン表面からの可視光線の放射率は、折り目のついていないタングステン表面からの可視光線の放射率の２倍であると開示する。著者らは、その増加は、テクスチャー加工のタングステン表面からの電磁放射線が自由空間により効率的に連結した結果であると提案する。Ｃｒａｉｇｈｅａｄ他によって開示されたタングステンのサンプルのテクスチャー加工の表面は、フィラメントの表面の上に約０．３マイクロメートル突出している柱状構造によって分けられた表面に窪みを有する。
【０００９】
タングステン光明のフィラメントの表面を修正することによって、白熱電球の効率を強化するもう１つの方法は、Ｊ．Ｗａｙｍｏｕｔｈによる論文「Ｗｈｅｒｅ  Ｗｉｌｌ  ｔｈｅ  Ｎｅｘｔ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｌａｍｐｓ  Ｃｏｍｅ  Ｆｒｏｍ？」のページ２２−２５およびの図２０、（ｔｈｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｏｆ  Ａｌｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｓｏｕｒｃｅｓに関する第５回国際シンポジウム、イギリス、ヨーク、１９８９年９月１０日から１４日、にて提示）に開示される。Ｗａｙｍｏｕｔｈは、直径０．３５マイクロメートル、深さ７マイクロメートルで、０．１５マイクロメートルの厚さの壁によって分離したフィラメント表面の穿孔は、導波管として作用することにより、タングステンと自由空間との間の可視波長における放射を連結するが、非可視波長の放射を抑止すると仮定する。Ｗａｙｍｏｕｔｈは、フィラメント上の穿孔は半導体のリソグラフィ技術によって形成され得ることを開示するが、そのような穿孔の直径は、現在の技術能力の状態を超越する。
【００１０】
白熱電球の赤外線の放射を減らすもう１つの方法は、Ｊａｆｆｅらによる米国特許第５，９５５，８３９号明細書（特許文献１）にて記載されている。記載されているように、フィラメント内に微小空洞があることにより、放射の指向性を制御するより大きな制御権が提供され、所与の帯域幅の放射の効率を上げられる。そのような光源は、たとえば、直径１マイクロメートルから１０マイクロメートルの微小空洞を有し得る。これらの直径を有する特徴が、ミクロ電子工学の処理技術を用いてある材料内に形成され得るが、白熱フィラメントに一般的に用いられる、タングステンのような金属内にその特徴を形成することは困難である。
【００１１】
白熱光源の赤外線の放射を減らすさらに別の方法は、Ｌｉｕらによる、名称「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ  Ｐｕｌｓｅｓ  ｔｏ  Ｍａｋｅ  ａｎ  Ａｒｒａｙ  ｏｆ  Ｍｉｃｒｏｃａｖｉｔｙ  Ｈｏｌｅｓ」の米国特許第６，４３３，３０３号明細書（特許文献２）にて開示される。開示された方法は、レーザー光線を用いて金属フィルム内に個々の微小空洞を形成する。最適なマスクは、レーザー光線を複数の光線に分割し、レンズシステムは、複数の光線を金属フィルムに集中させて微小空洞を形成する。彼ら自身の研究で、本発明者は、フェムトセカンドのレーザーパルスを用いて、平らなタングステン表面上に穴を開ける。そのようなレーザー穴あけは、研究のサンプルを提供するのには十分であるが、レーザー穴あけは、穴あけ処理のコストが高いので、大量生産には適していない。さらに、平らというよりはむしろ湾曲した表面の穴あけは、さらなる問題を提示する。
【００１２】
さらに別の方法が、Ｂｉｇｉｏらによる米国特許第５，３８９，８５３号明細書（特許文献３）にて開示される。Ｂｉｇｉｏらは、改良された可視光線の放射を有するフィラメントを示す。タングステン・フィラメントの放射率は、マイクロメートル未満からマイクロメートルの微結晶の層をタングステン・フィラメント上に堆積することによって改善される。微結晶は、タングステンまたは、１パーセントまでのトリウムと１０パーセントまでの少なくとも１つのレニウム、タンタル、ニオビウムを含むタングステン合金から形成される。
【００１３】
これらの従来の方法は微小空洞を形成し、光の放射率を上げるが、それらは複雑で費用を要する。これらの方法のうち、コストと効率が重要な要素である大量製造の環境に適するものはない。その結果、大量製造の環境に適切な、フィラメント内に微小空洞を作成する方法の必要性がまだ存続する。
【特許文献１】米国特許第５，９５５，８３９号明細書
【特許文献２】米国特許第６，４３３，３０３号明細書
【特許文献３】米国特許第５，３８９，８５３号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この必要性とその他の必要性を満たすために、そして、その目的を考慮して、本発明は、ワイヤ（特にタングステンフィラメント・ワイヤ）内に微小空洞を生成する、微小空洞を形成するシステムを提供する。このシステムは、ワイヤの供給源からワイヤを受け取り、ワイヤにポリマーコーティングを加えるコーティングステーションを有する。マスク形成ステーションは、コーティングステーションからポリマーコーティングされたワイヤを受け取り、ポリマーコーティングされたワイヤ上に湿り空気を吹きつけることにより、ポリマーコーティング内に穴を残す気泡を形成し、それによりマスクを生成する。エッチングステーションは、マスク形成ステーションからポリマーマスクでコーティングされたワイヤを受け取り、ポリマーマスク内の穴からワイヤをエッチングすることにより、ワイヤ内に微小空洞を形成する。ストリッピングステーションは、エッチングステーションからワイヤを受け取り、ワイヤからポリマーマスクを取り除くことで微小空洞を有するワイヤを後に残す。
【００１５】
ワイヤ内に微小空洞を形成する処理がさらに提供される。その処理は、ワイヤの供給源からワイヤを受け取るステップと、ワイヤにポリマーコーティングするステップを含む。湿り空気は、ポリマーコーティングされたワイヤ上に吹きつけられることにより、ポリマーコーティング内に穴を残す気泡を形成し、それによりマスクを生成する。ワイヤは、ポリマーマスク内の穴からエッチングされることにより、ワイヤ内に微小空洞を形成する。最後に、ポリマーマスクは、微小空洞を有するワイヤを残して、ワイヤから取り除かれる。
【００１６】
穴のアレイを有するエッチングマスクを生成する処理がさらに提供される。マスクは、任意の湾曲した表面を含む、実質的にいかなる表面にも一致する。その処理は、（ａ）エッチングされるための表面を提供するステップ、（ｂ）表面にポリマーコーティングをするステップ、および（ｃ）ポリマーコーティングされた表面上に湿り空気を吹きつけることにより、ポリマーコーティング内に穴を残す気泡を形成し、それによりマスクを生成するステップを含む。
【００１７】
前記の一般的な説明と以下の詳細な説明との両方が例示であり、本発明を制限するものではないと理解されたい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の実施形態の好ましい特徴は、図を参照して説明される。本発明は、図示するために選択された実施形態に限られるものではないと理解されたい。むしろ、以下で説明されるいかなる構成や材料は本発明の範囲内で修正され得る。
【００１９】
本発明は、マイクロメートル未満の大きさの穴の規則的配列構造（微小空洞アレイと呼ばれる）がタングステンワイヤ内に作成される、タングステン（Ｗ）の白熱灯の照明要素の改良されたタイプに向けられた研究から生まれた。微小空洞アレイの目的は、赤外領域の光の放射を抑制もしくは減少させることであり、これによって、熱の発生を抑えて照明の効率を上げる。放射をカットオフした波長は、穴の直径に比例する。
【００２０】
この研究で直面した障害は、タングステンワイヤ内に微小空洞アレイを大量に生産する方法を見つけることである。研究者は、１つの見込みある方法としてリソグラフィを発見し、そこでは、穴を有するマスクはレジストの上に描かれる。レジストは現像され、穴は、パターニングされたレジストを介してタングステンにエッチングされる。しかし、マスクを用いる従来のリソグラフィは、平らな表面のみに働き、タングステンワイヤの円柱型の表面をパターニングするためには使用できない。加えて、従来のリソグラフィは、微小空洞のタングステンワイヤを大量に製造するために経費がかかり過ぎ得る。従来のリソグラフィに関するより詳細な説明が以下に続く。
【００２１】
マスクは、金属、ポリマー、またはオープンパターンを備えるその他の材料の薄いシートもしくは層である。マスクは、半導体のような基板の選択された部分、もしくは、堆積またはエッチングの処理の間に他の表面をシールドするために使用される。レジストと呼ばれる、マスクのある特定のタイプは、リソグラフィの処理で使用される。
【００２２】
フォトリソグラフィと呼ばれる、ある特定のタイプのリソグラフィは、パターンを基板の上に移す最適な処理である。これは、本質的に、リソグラフィの印刷で使用される処理と同じ処理である。パターンは最初に、描くことが可能なフォトレジスト層に転写される。フォトレジストは、所望のパターンに露光され、基板の上に堆積する膜であり、後に続く処理のための選択的に置かれた層に現像される。
【００２３】
従来のアプローチを用いて、均一の厚さを有するレジスト層を適用することはしばしば困難である。均一のレジスト層を形成することは、レジストは製造される装置（たとえば、半導体チップ、サーボ書き込みヘッド等）の特徴をパターニングするために用いられるので、特に重要な事柄である。レジストの厚さが均一ではないと、パターンの質、特に極小の大きさとタイトな幾何公差を有するパターンの質が直接悪影響を及ぼされえる。より具体的には、均一の厚さを有するレジスト層を曲線状の表面に適用することは特に困難である。一般的に、リソグラフィ処理において表面の屈曲を補償しなければならい。Ｂｅｃｋらの米国特許第６，６４７，６１３号は、磁気の書き込みヘッドの製造中、曲線のある表面にレジスト層を適用する状況で、そのような補償について議論する。
【００２４】
従って、実質的に均一な厚さを有する改良されたマスクが、曲線のある基盤の表面に調節されることができる必要性が残る。このような改良されたマスクは、白熱電球のフィラメントを製造する処理において、特定のアプリケーションを見つける。このアプリケーションはここで注意が向けられる。
【００２５】
図１を参照すると、本発明の例示的なタングステンのフィラメント製造システム１０は、タングステンワイヤ１４の供給源１２、コーティングステーション２０、マスク形成ステーション４０、エッチングステーション６０、ストリッピングステーション８０、およびコイリング装置１００を備える。動作において、タングステンワイヤ１４は供給源１２からコーティングステーション２０に移動する。タングステンワイヤ１４は、コーティングステーション２０において、ポリマー２２のような材料でコーティングされる。次に、タングステンワイヤ１４は、マスク形成ステーション４０に移動し、ここで、ポリマー２２内に気泡を形成するために、コーティングされたワイヤ１４上に湿り空気「Ａ」が（示された方向に）吹きつけられる。マスク形成ステーション４０における処理に続いて、タングステンワイヤ１４上のポリマーコーティング１６は、ポリマーコーティング１６がマスクとして機能することを可能にする穴を有する。タングステンワイヤ１４は、それから、エッチングステーション６０に移動し、ここでタングステンワイヤ１４は、ポリマーコーティング１６の穴からエッチングされることにより、タングステンワイヤ１４内に微小空洞アレイを形成する。ストリッピングステーション８０において、ポリマーコーティング１６はタングステンワイヤ１４から取り除かれる。最後に、微小空洞アレイを有するタングステンワイヤ１４は、たとえば、コイリング装置１００を用いて包装および出荷されるために処理される。システム１０の各ステージまたはステーションは、以下でより詳しく議論される。
【００２６】
１．コーティングステーション２０
図２は、図１のシステム１０のコーティングステーション２０を強調して表示する概略図である。図２に示されるように、タングステンワイヤ１４は、コーティングステーション２０においてポリマー２２のような材料でコーティングされる。示された例では、ポリマー２２はタンク２４内に含まれた溶液として提供される。適切な溶液は、ベンゼン（Ｃ６Ｈ６）、トルエン（ＣＨ３Ｃ６Ｈ５）、二硫化炭素（ＣＳ２）のような蒸発が早い溶媒にポリスチレン（好ましくは、重量平均分子量が５０，０００とアタクティック（ａｔｔａｔｉｃ）である）のようなコイルのようなポリマーを含む。溶液は、低濃度の（０．１重量パーセントから１０重量パーセントで、より好ましくは０．１重量パーセントから５重量パーセント）ポリマーを含むことが所望される。
【００２７】
研究者は、これまでに３つの異なるタイプのポリマーと複数の溶媒が利用可能であることを発見した。ある場合には、タングステンワイヤ１４の表面は、疎水性であり得て、（つまり、表面は、はじいたり、水と混ざらないようにしたりする傾向があり、拮抗的であり得る）、特定のポリマー溶液を使用することをより困難にする。この困難は、タングステンワイヤ１４の表面を、界面活性剤でコーティングすることにより、ポリマー溶液とタングステンワイヤ１４との間の溶着を強化することで克服される。また、ポリマーコーティング１６の厚さを制御するために注意を払わなければならない。できれば、コーティング条件を制御することにより、ポリマーコーティングが乾いたときに、その厚さが約０．０５から１マイクロメートルまでのポリマーコーティング１６を生成する。
【００２８】
ディップコーティングの処理として図示されているが、他の処理がコーティングステーション２０のために描かれる。スプレーまたはブラッシュコーティングは、ポリマーコーティング１６をタングステンワイヤ１４に適用するのに適切な処理の２つの他の例である。しかし、これらの処理は比較的扱いにくく、マイクロメートル未満の幾何公差にとって十分に精製されていない可能性がある。回転することによるポリマーコーティング１６を適用することもまた可能であるが、タングステンワイヤ１４の長さと幅の比が一体性よりはるかに大きいので、困難であり得る。
【００２９】
図２Ａは、本発明の実施形態に従って、図２で示されたコーティングステップ後の、ポリマーコーティングされたタングステンワイヤの断面図である。タングステンワイヤ１４は、実質的に、ポリマーコーティング１６の均一な層を有する。
【００３０】
２．マスク形成ステーション４０
図３は、図１のシステム１０のマスク形成ステーション４０を強調して表示する概略図である。マスク形成ステーション４０で、ポリマーエッチングマスクは、本発明の実施形態に従って、タングステンワイヤ１４上に形成される。マスク形成ステーション４０で完了する処理のステップは、Ｍ．Ｓｒｉｎｉｖａｓａｒａｏらによる「Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｌｙ  Ｏｒｄｅｒｅｄ  Ａｒｒａｙ  ｏｆ  Ａｉｒ  Ｂｕｂｂｌｅｓ  ｉｎ  ａ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｆｉｌｍ」２９２  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ７９（２００１年４月６日）で議論された原則に基づく。
【００３１】
全般的に、著者は、熱毛細管（ｔｈｅｒｍｏｃａｐｉｌｌａｒｙ）の対流に基づいたテンプレートする仕組みからポリマーフィルム内の単分散孔径の気泡の３次元に整理されたアレイの構造を教える。揮発性の溶媒に、単純でコイルのようなポリマーの低濃度の溶液は、表面を渡って流れる湿り空気がある中で生成される。蒸発冷却は、球形の気泡として、最終的な固体ポリマーフィルム内に保存される単層または多層の六角形にパックされた水滴の構造をもたらす。これらの気泡の直径は、表面を渡る気流の速度を変化させることによって簡単に制御され得る。
【００３２】
より具体的には、図３で示されるように、マスク形成ステーション４０は、ポリマー溶媒バスのポリマーコーティング１６を有するタングステンワイヤ１４の周りの雰囲気を制御するチャンバー４２を含む。タングステンワイヤ１４は、矢印「Ｂ」の方向にチャンバー４２を貫き、その間に矢印「Ｃ」の方向にも回転する。湿り空気Ａは、図示された矢印の方向でチャンバー４２の中を通って、コーティングされたタングステンワイヤ１４の上を通る。吹きつけ湿り空気Ａの、温度、湿度、および速度は、所望の結果を得るために慎重に制御される（以下で説明される）。
【００３３】
湿り空気Ａがタングステンワイヤ１４を越えた後数秒以内に、溶媒（たとえば、トルエン、ベンゼン、二硫化炭素）は蒸発する。溶媒の高い蒸気圧と湿り空気Ａの表面を越える速度は、急速に表面を冷却し、溶媒の蒸発を促進する。溶媒を冷却するこの急速な蒸発は、溶液の温度を下げ、部屋の温度よりも２５℃ほども下回り、蒸発するポリマーの表面は０℃近くになる。
【００３４】
より暖かい湿り空気Ａからの湿気は、比較的に冷えている溶液の表面上に凝縮し、核形成と成長を通して、ビリヤードボールのようにきっちりとパックされた、均一な大きさの水滴または「ブレスフィギュア」（ブレスフィギュアは、冷えた固体または液体の表面が湿り空気に触れると形成される）の層を形成する。水滴は、時間の関数で大きくなる。溶液の表面は、蒸発冷却のためにより冷たいが、水滴は、凝縮の潜熱のためにより温かい。この大きな温度差により、熱毛細管の対流が生じ、ポリマー溶液の表面上にまたは表面に凝縮する水滴を固定させる。蒸発のために溶液の表面上の対流の流れと連結した溶液の表面を越える気流は、水滴を六角形にパックされたアレイに整理またはパックすることを促進する。
【００３５】
表面が完全に水滴によって覆われたとき、表面と水滴との間の温度差は、最終的に分散し、水滴は、溶媒よりも濃度が高いので溶液の中に沈下する。溶液の表面が開放されると、蒸発冷却、水滴濃度、およびそれに続く指示の処理の全体が、繰り返す。従って、水は溶媒よりも濃度が高いので、水滴の層は、ポリマー溶液内に沈下し、もう１つの層を溶液の表面に即座に形成することを可能にする。水滴が溶液に沈下するために、溶媒は水よりも濃度が低くなければならない。全ての溶媒が蒸発し、ポリマーフィルム内に保存されたきっちりとパックされた水滴の３次元パターンを生成するまで、１、２分の間この処理が繰り返される。それから水は層毎に蒸発し、気泡の相互接続されたネットワークを残す。図３Ａは、自己組織化したポリマー構造４６内の気泡４４を示す。３０マイクロメートルから４０マイクロメートルの厚さのポリマー構造４６は、１５層ほどの気泡４４を含み得る。
【００３６】
ベンゼンやトルエンといった、水よりも濃度が低い溶媒が使用される場合、六角形アレイがポリマーフィルム中に増殖する。整理された構造の各層がその後に続く層とは異なる、整理された３次元構造が生じる。それとは対照的に、二硫化炭素といった、水よりも濃度が高い溶媒から生成されたサンプルでは、単層の気泡のみが形成され、３次元アレイは生成されない。単層の気泡は、フィラメントワイヤ内の微小空洞を形成する特定のアプリケーションから好まれる。
【００３７】
溶媒の全てが蒸発すると、ポリマーフィルムは室温に戻らなければならない。室温で水滴は蒸発し、固体のポリマー表面上に実質的に均一な大きさの穴の整理されたアレイを残す。これらの穴の大きさは、単に溶液の表面を越える気流の速度を変化させることで、容易に調節することができ、０．２マイクロメートルから２０マイクロメートルの間（さらに好ましくは、０．２マイクロメートルから１マイクロメートルの間）のレンジ内でダイナミックに制御され得る。水滴が蒸発するのを待つよりも、たとえば、界面活性剤を用いて水滴を取り除くことが所望され得る。適切な界面活性剤は、水を引き付けるが、溶媒は引き付けない。
【００３８】
処理は単純に見えるが、この処理の成功は通常ではない現象にかかっている。つまり、小さい水滴が分離している状態を維持し、くっついて大きな水滴を形成させないという通常ではない現象にかかっている。この現象の理由は完全には理解されていないが、１００年以上前にイギリスの物理学者Ｌｏｒｄ  Ｒａｙｌｅｉｇｈによって成された観察および現代の科学者たちによる観察により、説明が提示される。ブレスフィギュアが成長する処理の初期ステージにおいて、水滴は水滴間で相互作用しない分離した物体として大きくなる。温かい湿り空気Ａと冷たい溶液の表面との間の温度差により、水滴は回転し、水滴ともに流れる空気を即座に引く。空気はこれらの小さい水滴が分離した状態を維持し、水滴がくっついて大きな水滴になることを防ぐ。蒸発する溶媒によって引き起こされた温度の大幅な低下により、水滴は小さいアイスボールになり得る。
【００３９】
水滴の直径は、ポリマー溶液上を流れる湿り空気Ａの速度と関係する。気流の速度が毎分３０メートルから毎分３００メートルに上昇するにつれて、水滴の大きさは６マイクロメートルから０．２マイクロメートルに小さくなる。速度がより早いと、５０ナノメートルほども小さい多孔性の構造を生成することができる。もう１つの重要な条件は、湿度であり、小さい水滴を生成するためには少なくとも３０パーセントでなければならない。
【００４０】
図３Ｂは、本発明の実施形態に従った、図３で図示されたマスク形成ステップに続くタングステンワイヤ１４の斜視図である。タングステンワイヤ１４は、実質的に均一な層のポリマーコーティング１６を有し、ポリマーコーティング１６は直径０．２マイクロメートルから１マイクロメートルまでで、規則正しく密集パックされた穴１８を有する。ポリマーコーティング１６はタングステンワイヤ１４をエッチングするのに必要なマスクを提供する。もちろん、ポリマーコーティング１６はタングステンワイヤ１４内の微小空洞を形成するマスクのほかに、多様なアプリケーションのためのマスクとしても機能し得る。
【００４１】
３．エッチングステーション６０
図４は、図１のシステム１０のエッチングステーション６０を強調して表示する概略図である。エッチングステーション６０で、タングステンワイヤ１４は、本発明の実施形態に従って、マスクまたはポリマーコーティング１６からエッチングされる。図示された例では、エッチングの処理は、過酸化水素（好ましくは、３０％の過酸化水素）といったエッチング槽６２内のウェットエッチングを介して行われる。エッチング槽６２は、容器６４内に保持されている。エッチング槽６２は、ポリマーコーティング１６の穴１８を貫通することにより、タングステンワイヤ１４内に微小空洞９０（図６参照）を生成する。他に様々なエッチングの処理が、ポリマーコーティング１６を介してタングステンワイヤ１４内に微小空洞９０を生成するのに適している。そのような処理は、当業者にとって周知の範囲内であり、たとえば、過酸化水素の蒸気といった適切な環境における気相化学エッチングを含む。
【００４２】
ある場合において、特に単層の気泡のみが形成される場合、気泡が、マスクまたはポリマーコーティング１６を形成する間、所望通りに広がってポリマーフィルムを完全に貫通し得ないことがあり得る。そのような場合、エッチングステーション６０は、気泡によって生成された穴がポリマーコーティング１６を完全に貫通するよう広がることを保証するために、ポリマーコーティング１６の予備エッチングまたは初期エッチングを含み得る。マスクの初期のエッチングは、タングステンワイヤ１４のエッチングを実行する前に止められる。
【００４３】
加えて、ポリマーコーティング１６の穴に気泡が残ることにより、エッチャントがそれらの穴に浸透することが避けられる。従って、穴から気泡を抜く追加のステップは所望され得る。そのようなステップは、エッチングステップが始まる前に行われる。
【００４４】
４．ストリッピングステーション８０
図５は、図１のシステム１０のストリッピングステーション８０を強調して表示する概略図である。ストリッピングステーション８０で、本発明の実施形態に従って、エッチングの処理の間のマスクとしての機能を完了したポリマーコーティング１６は、タングステンワイヤ１４から剥がされる。図示された例では、ストリッピングの処理は、ポリマーコーティング１６を溶解する溶媒槽８２を用いて行われる。溶媒槽８２は、囲い（ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ）８４の中に収容されている。他に様々な可能性のあるストリッピングの処理が、タングステンワイヤ１４からポリマーコーティング１６を取り除くことに適している。そのような処理は当業者にとって周知の範囲内であり、たとえば、ポリマーコーティング１６を焼き落とす処理を含む。
【００４５】
５．最終生成物
マスクまたはポリマーコーティング１６がタングステンワイヤ１４から取り除かれると、最終生成物が得られる。図６は、本発明の実施形態に従って図５で図示されたストリッピングステップの後のタングステンワイヤ１４の斜視図である。図６で描かれるように、タングステンワイヤ１４は、均一な大きさで正確に分布された微小空洞９０を複数有する。
【００４６】
本発明は、フィラメントワイヤ１４内に微小空洞９０を形成する従来の処理上に改善点を提供する。つまり、本発明は経費と効率が重要な要因である、大量生産の製造環境に適している。本発明は、複雑で費用のかかる装置を要求しない。その代わりに、本発明は単純で機械的な構成成分を用いて、微小空洞９０を形成する。また、本発明は、従来のフィラメント製造の生産ラインに対する最小の変更で実行され得る。つまり、本発明の処理は、工場内の既存のタングステンワイヤの製造処理に採用され得る。
【００４７】
本発明は、あるポリマー内の自己アセンブリングした穴の形成という固有な性質を取り込む。本発明の処理は、また、穴のアレイを有する（任意の曲がった表面上の）コンフォーマルなマスクを作成する一般的な処理である。その処理は、任意の表面上にサブマイクロメートルからマイクロメートルまでの大きさの穴のアレイのマスクを形成することができ、平らな表面のみに限られない。従って、その処理は、レーザードリルまたは従来のフォトリソグラフィといった他の処理に比べて安価であると期待される。
【００４８】
ある特定の実施形態および例に関して、上で図示および記載されるが、それでもなお、本発明は、示された詳細に限られるものと意図されていない。むしろ、請求項に相当するものの範囲内、および本発明の精神から逸脱することなく、様々な修正が詳細においてなされ得る。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明に従った、タングステンフィラメント内に微小空洞を形成するシステムの概略図である。
【図２】本発明の実施形態に従った、ディップコーティングを適用する、図１のシステムのコーティングステーションを強調して表示する概略図である。
【図２Ａ】本発明の実施形態に従った、図２に図示されたコーティングステップに続く、ポリマーコーティングされたタングステンワイヤの断面図である。
【図３】本発明の実施形態に従った、タングステンワイヤ上にポリマーエッチングマスクを形成する、図１のシステムのマスク形成ステーションを強調して表示する概略図である。
【図３Ａ】自己組織化するポリマー構造内の気泡を示すイメージである。
【図３Ｂ】本発明の実施形態に従った、図３に図示されたマスク形成ステップ後のワイヤの斜視図である。
【図４】本発明の実施形態に従った、ポリマーマスクを介してタングステンワイヤをエッチングする、図１のシステムのエッチングステーションを強調する概略図である。
【図５】本発明の実施形態に従った、タングステンワイヤからポリマーマスクを剥がす、図１のシステムのストリッピングステーションを強調する概略図である。
【図６】本発明の実施形態に従った、図５に図示されたストリッピングステップ後のワイヤの斜視図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０  システム
１２  供給源
１４  タングステンワイヤ
１６  ポリマーコーティング
１８  穴
２０  コーティングステーション
２２  ポリマー
２４  タンク
４０  マスク形成ステーション
４２  チャンバー
４４  気泡
４６  ポリマー構造
６０  エッチングステーション
６２  エッチング槽
６４  容器
８０  ストリッピングステーション
８２  溶媒槽
８４  囲い
９０  微小空洞
１００  コイリング装置
【図１】
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【図２】
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【図２Ａ】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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