(57)【要約】【課題】  エアロゾルがノズルから高速に空間に噴出するような、自由流の濃度および測定において、自由流の流れに影響を及ぼす事なく、流れの濃度および濃度分布を高感度でリアルタイムに測定できる測定方法、測定装置および測定装置を利用した複合構造物作製装置を提供する。【解決手段】  本発明では、エアロゾル５に対してレーザー投光部２よりレーザー６を投光する、次いでレーザーの投光により回折、散乱された光をカメラ４で受光する、次いで受光した光の輝度画像よりエアロゾル濃度を測定する。回折、散乱光の輝度は、粒子径の分布が一定であれば、粒子濃度に比例することが知られているため、回折、散乱光の輝度から、粒子濃度を測定することができる。そこで、この方法により、空間を流れるエアロゾル自由流の流れに影響を与える事なく、エアロゾル濃度測定を可能とした。【選択図】  図１
2005049228.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の粒子濃度を測定する方法であって、被測定エアロゾルに対してレーザーを投光する工程、次いで該レーザーの投光により回折、散乱された光を受光する工程、次いで該受光した光の輝度よりエアロゾル自由流の粒子濃度を測定する工程とからなることを特徴とするエアロゾルの粒子濃度測定方法。
【請求項２】
前記受光した光の輝度の分布によりエアロゾル自由流の粒子濃度分布を測定することを特徴とする請求項１記載のエアロゾルの粒子濃度測定方法。
【請求項３】
脆性材料の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルの粒子濃度または粒子濃度分布を測定する装置であって、被測定エアロゾルに対してレーザーを投光する手段と、該レーザーの投光により回折、散乱された光を受光する手段と、該受光した光の輝度または輝度分布を解析しエアロゾルの粒子濃度またはエアロゾルの粒子濃度分布を計算する手段とを有することを特徴とするエアロゾルの粒子濃度測定装置。
【請求項４】
前記受光する手段により一次元または二次元の画像が得られることを特徴とする請求項３に記載のエアロゾルの粒子濃度測定装置。
【請求項５】
前記受光する手段がカメラであることを特徴とする請求項３または４に記載のエアロゾルの粒子濃度測定装置。
【請求項６】
前記輝度または輝度分布を解析する手段が、画像処理手段であることを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載のエアロゾルの粒子濃度測定装置。
【請求項７】
前記画像処理手段が、少なくとも画像全体または一部の輝度を積算する処理を含む画像処理手段であることを特徴とする請求項３から６のいずれかに記載のエアロゾルの粒子濃度測定装置。
【請求項８】
前記画像処理手段が、少なくとも画像全体または一部の輝度を２値化する処理および２値化された画像の面積を計算する処理を含む画像処理手段であることを特徴とする請求項３から６のいずれかに記載のエアロゾルの粒子濃度測定装置。
【請求項９】
前記画像処理手段が、少なくとも画像の複数の領域における輝度を積算する処理を含む画像処理手段であることを特徴とする請求項３から６のいずれかに記載のエアロゾルの粒子濃度測定装置。
【請求項１０】
前記画像処理手段が、少なくとも画像全体または一部の輝度を２値化する処理および２値化された画像について複数の領域における面積を計算する処理を含む画像処理手段であることを特徴とする請求項３から６のいずれかに記載のエアロゾルの粒子濃度測定装置。
【請求項１１】
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材表面に衝突させ、この衝突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板上に形成させる複合構造物作製装置において、
前記エアロゾルに対してレーザーを投光する手段と、該レーザーの投光により回折、散乱された光を受光する手段と、該受光した光の輝度または輝度分布を解析しエアロゾルの粒子濃度またはエアロゾルの粒子濃度分布を計算する手段とを有するエアロゾルの粒子濃度測定装置を備えることを特徴とする複合構造物作成装置。
【請求項１２】
前記受光する手段により一次元または二次元の画像が得られることを特徴とする請求項１１に記載の複合構造物作成装置。
【請求項１３】
前記受光する手段がカメラであることを特徴とする請求項１１または１２に記載の複合構造物作成装置。
【請求項１４】
前記輝度を解析する手段が、画像処理手段であることを特徴とする請求項１１から１３のいずれかに記載の複合構造物作成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微粒子がガス中に分散させたエアロゾル高速自由流の粒子濃度、粒子濃度分布測定方法、測定装置および測定装置を利用した複合構造物作製装置に係り、特に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おいて吹き付けるエアロゾル自由流の粒子濃度、粒子濃度分布リアルタイム連続測定方法、測定装置およびこれを利用した複合構造物作製装置に関する。 
【背景技術】
【０００２】
微粒子がガス中に分散されたエアロゾル濃度を測定する方法については、従来、特開2000-46722のようにレーザ回折・散乱法による粒度分布測定装置の測定系を利用し濃度を測定する。すなわち、エアロゾルを透明なセルに導き、そのセルにレーザー光を照射し、その散乱光強度から濃度を測定する方法が提案されている。（特許文献１参照）
【０００３】
また、金属を加熱蒸発させ、エアロゾル状になった金属をガスで搬送し、基板に高速噴射するガスデポジション装置において、蒸発した金属の吸込み口付近に存在するエアロゾルにレーザー光線を投光させ、散乱光強度を測定することによりエアロゾルの分布を検出する装置が提案されている。（特許文献２参照）
【特許文献１】特開２０００−４６７２２
【特許文献２】特開平５−２９５５５０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に記載の方法は、エアロゾルがノズルから空間に噴出するような、自由流の測定においては流れがセルの影響を大きく受け、測定は不可能である。また、エアロゾルの濃度が高い場合には、セル汚れの影響を受けるため長時間連続で測定をすることは難しい。さらに、自由流の濃度分布を求める事も流れをセルに導く方法では不可能である。
【０００５】
また、上記特許文献２の装置では、非常に狭い範囲のエアロゾルしか測定できない。したがって広い範囲を測定するためには、複数の測定装置を設置するかまたはレーザー光線を移動させて測定する必要があり、構成が複雑になり、レーザー光線を移動させて測定する場合には時間がかかる欠点がある。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、本発明の目的は、エアロゾルがノズルから高速に空間に噴出するような、自由流の濃度および測定において、自由流の流れに影響を及ぼす事なく、流れの濃度および濃度分布を高感度でリアルタイムに測定できる測定方法、測定装置および測定装置を利用した複合構造物作製装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために発明の方法は、脆性材料の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルの粒子濃度を測定する方法であって、被測定エアロゾルに対してレーザーを投光する工程、次いで該レーザーの投光により回折、散乱された光を受光する工程、次いで該受光した光の輝度よりエアロゾル自由流の粒子濃度を測定する工程とからなることを特徴とする。
回折、散乱光の輝度は、粒子径の分布が一定であれば、粒子濃度に比例することが知られているため、回折、散乱光の輝度から、粒子濃度を測定することができる。そこで、この方法により、空間を流れるエアロゾル自由流の流れに影響を与える事なく、エアロゾル濃度測定を可能とした。
【０００７】
さらに、本発明の好ましい態様として、受光した輝度の分布からエアロゾル自由流の粒子濃度分布を測定する。
この方法により、空間のエアロゾル粒子濃度分布測定を可能とした。
【０００８】
また、上記目的を達成するために本発明の濃度測定装置は、脆性材料の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルの粒子濃度または粒子濃度分布を測定する装置であって、被測定エアロゾルに対してレーザーを投光する手段と、該レーザーの投光により回折、散乱された光を受光する手段と、該受光した光の輝度または輝度分布を解析しエアロゾルの粒子濃度またはエアロゾルの粒子濃度分布を計算する手段とを有することを特徴とする。
本構成によりエアロゾルの粒子濃度測定装置を実現した。
【０００９】
さらに本発明の好ましい態様として、前記受光する手段により一次元または二次元の画像が得られることを特徴とする。
レーザー投光により回折、散乱された光を受光する手段を、一次元または二次元の画像として受光する手段とする事により、測定範囲のエアロゾルの回折、散乱された光を一度に受光することができるため、広い測定範囲に対しても粒子濃度または濃度分布を複数の測定装置を設置する、またはレーザー光線を移動させることなしに測定できるエアロゾルの粒子濃度測定装置を実現した。
【００１０】
また、本発明の好ましい態様として、前記受光する手段がカメラであることを特徴とする。
レーザー投光により回折、散乱された光を受光する手段を、カメラとする事により、レーザー投光により回折、散乱された光を瞬時に受光できるため、高速に測定できるエアロゾルの粒子濃度測定装置を実現した。
【００１１】
また、本発明の好ましい態様として、前記輝度または輝度分布を解析する手段が、画像処理手段であることを特徴とする。
受光した光の輝度または輝度分布を解析する手段を画像処理手段とすることにより、受光した光の輝度または輝度分布を解析するための処理を高速にかつ、柔軟なアルゴリズムで実行できる。したがって、高速かつ高感度に測定できるエアロゾルの粒子濃度測定装置を実現した。
【００１２】
さらに本発明の好ましい態様として、前記画像処理手段が、少なくとも画像全体または一部の輝度を積算する処理を含む画像処理手段であることを特徴。
少なくとも画像全体または一部の輝度を積算する処理を含む画像処理を行ない、画像の輝度の総和から粒子濃度を測定する事によりエアロゾルの粒子濃度を測定する装置を実現した。
【００１３】
また、本発明の好ましい態様として、前記画像処理手段が、少なくとも画像全体または一部の輝度を２値化する処理および２値化された画像の面積を計算する処理を含む画像処理手段であることを特徴とする。
少なくとも画像全体または一部の輝度を２値化する処理および２値化された画像の面積を計算する処理を含む画像処理を行ない、輝度の高い部分の面積の総和から粒子濃度を測定する事によりエアロゾルの粒子濃度を測定する装置を実現した。適切な２値化閾値を選定それば、輝度の高い部分の面積の総和と濃度は比例に近い関係となるため、輝度の高い部分の面積の総和からエアロゾル粒子濃度を測定する事ができる。
【００１４】
さらに本発明の好ましい態様として、前記画像処理手段が、少なくとも画像の複数の領域における輝度を積算する処理を含む画像処理手段であることを特徴とする。
少なくとも画像の複数の領域における輝度を積算する処理を含む画像処理を行ない、各画像領域ごとの輝度の総和から各領域における粒子濃度を測定する事によりエアロゾルの粒子濃度分布を測定する装置を実現した。
【００１５】
また、本発明の好ましい態様として、前記画像処理手段が、少なくとも画像全体または一部の輝度を２値化する処理および２値化された画像について複数の領域における面積を計算する処理を含む画像処理手段であることを特徴とする。
少なくとも画像全体または一部の輝度を２値化する処理および２値化された画像について複数の領域における面積を計算する処理を含む画像処理を行ない、各画像領域ごとの面積の総和から各領域における粒子濃度を測定する事によりエアロゾルの粒子濃度分布を測定する装置を実現した。
【００１６】
また、発明によれば、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材表面に衝突させ、この衝突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板上に形成させる複合構造物作製装置において、前記エアロゾルに対してレーザーを投光する手段と、該レーザーの投光により回折、散乱された光を受光する手段と、該受光した光の輝度または輝度分布を解析しエアロゾルの粒子濃度またはエアロゾルの粒子濃度分布を計算する手段とを有するエアロゾルの粒子濃度測定装置を備えることを特徴とする。
脆性材料の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルの粒子濃度測定装置を複合構造物作成装置の監視または制御等に利用する構造物作成装置を実現した。
ここで、前記エアロゾルを基材表面に衝突させ、この衝突によって前記微粒子を破砕・変形させて接合させ、構造物を基板上に形成する場合に使用される微粒子としては、粒径が１０ｎｍから５μｍで、そのエアロゾルの速度としては数１０ｍ／Ｓから数１００ｍ／Ｓが一般的に知られている。
【００１７】
また、本発明の好ましい態様として、前記エアロゾルの粒子濃度測定装置を備える複合構造物作製装置において、前記受光する手段により一次元または二次元の画像が得られることを特徴とする。
レーザー投光により回折、散乱された光を受光する手段を、一次元または二次元の画像として受光する手段とする事により、測定範囲のエアロゾルの回折、散乱された光を一度に受光することができるため、広い測定範囲に対しても粒子濃度または濃度分布を測定でき、複合構造物作成装置の監視または制御等が容易にできる。
【００１８】
また、本発明の好ましい態様として、前記エアロゾルの粒子濃度測定装置を備える複合構造物作製装置において、前記受光する手段がカメラであることを特徴とする。
レーザー投光により回折、散乱された光を受光する手段を、カメラとする事により、レーザー投光により回折、散乱された光を瞬時に受光し、高速に測定できるため、複合構造物作成装置の監視または制御が容易にできる。
【００１９】
また、本発明の好ましい態様として、前記エアロゾルの粒子濃度測定装置を備える複合構造物作製装置において、前記輝度を解析する手段が、画像処理手段であることを特徴とする。
受光した光の輝度または輝度分布を解析する手段を画像処理手段とすることにより、受光した光の輝度または輝度分布を解析するための処理を高速にかつ、柔軟なアルゴリズムで実行するため、複合構造物作成装置の監視または制御が容易にできる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、微粒子がガス中に分散させたエアロゾル高速自由流の粒子濃度、特に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おいて吹き付けるエアロゾル自由流の粒子濃度を自由流の流れに影響を及ぼす事なく、高感度でリアルタイムに測定できる方法および装置を実現できるという効果がある。さらに、この測定方法および装置を構造物作製装置の監視や制御等に利用することにより、高品質の構造物を高速に作成できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の実施の形態につき、以下に実施例を用いて説明する。
【実施例】
【００２２】
図１および図２は、本発明によるエアロゾル粒子濃度測定装置の被測定エアロゾル５、レーザー投光部２、および受光部であるレンズ３、カメラ４の配置例を示す図である。図１が正面図、図２が側面図である。ノズル１から噴出するエアロゾル５に対してエアロゾル５の噴出方向と直角にレーザー光６をレーザー投光部２から投光する。エアロゾル５に当ったレーザー光６は回折、散乱し、この回折、散乱光をレンズ３で集光しカメラ４で画像化する。レーザー投光部２と受光部であるレンズ３、カメラ４の配置は図に示す配置でなくともよい。少なくともレーザー光６がエアロゾル５の濃度測定領域を照射でき、レンズ３およびカメラ４が測定領域を撮影できる位置であればよい。たとえばノズル幅全体の濃度分布を測定する場合には、図に示す配置例が好ましいが、一部の領域のみ測定する場合には、レーザー光６と受光部であるレンズ３、カメラ４の角度をより大きな角度とすれば、回折、散乱光量は、直角に配置した場合より大きくなり、感度が向上する。
【００２３】
レーザー投光部２は波長４５０〜７８０ｎｍ出力１００ｍW以下程度の半導体レーザーを選択する。
また、レーザー投光部２から出力されるレーザーのビーム形状は、円、楕円またはスリット形状等から必要な領域に照射できる形状のものを適宜選択する。図に示す配置例のようにノズル幅全体の濃度分布を測定する場合にはレーザー光６のビーム形状がレーザー投光部２との距離によって変化の少ないコリメートビーム光学系を持つレーザー投光部２の使用が好ましい。
また、散乱、回折光を受光するためのカメラ４は、たとえば１次元または２次元のＣＣＤカメラを用いる。回折、散乱光量が低い場合には、カメラ４はイメージインテンシファイアを装着した高感度ＣＣＤカメラとすることもできる。
【００２４】
図３は、図１および図２の配置例における、２次元ＣＣＤカメラで撮影したエアロゾルの回折、散乱光画像の例である。エアロゾルにレーザー光が当り、回折、散乱光が発生した部分７の輝度が高くなり、エアロゾル濃度は回折、散乱光輝度に比例するため、この回折、散乱光が発生した部分７の輝度はエアロゾル濃度に比例する。この画像を画像処理により解析し、エアロゾル濃度およびエアロゾル濃度分布を測定する。本図では２次元ＣＣＤカメラを使用し撮影したが、１次元ＣＣＤカメラを使用し、回折、散乱光が発生した部分７のみ直線状に撮影した画像でも測定は可能である。
【００２５】
また、広い範囲における任意領域のエアロゾル濃度をリアルタイムに測定する装置についても以下の方法で実現できる。レーザー投光部２および回折、散乱光を受光するためのレンズ３およびカメラ４をたとえばモーターで駆動され位置決めができる自動ステージに取付け、希望の測定領域が測定できる位置に移動させれば、任意の領域での測定が可能である。また、レンズ３およびカメラ４を移動させる代わりに、レンズ３およびカメラ４を複数台設置する方法や、ガルバノミラー等を利用し、光学的にレーザー光６および回折、散乱光の光路を変化させる方法によっても同一の機能が実現できる。以上説明した方法を応用すれば複数のノズル１が配置された場合にも、以下説明する方法により測定できることは言うまでもない。
【００２６】
なお、実際に適用する場合にはノズル１の配置、測定範囲、設置スペース等により、さまざまな方法が考えられるが、ここでは代表例を挙げて説明する。まず、複数のノズル１が直線状に配置された場合には、レーザー投光部２は、複数のノズル１に対して共用し、１本の直線状のレーザー光６を各ノズル１の濃度測定領域に投光する。散乱、回折光を受光するためのレンズ３およびカメラ４は、１台で全ノズル１の濃度測定領域を撮影でき、撮影した画像により必要な精度の濃度測定が可能であれば、共用できる。そうでない場合には、レンズ３およびカメラ４を必要に応じて複数台設置する、または、レンズ３およびカメラ４をたとえば、モーターで駆動され位置決めができる自動ステージに取付け、ステージを移動させながら全ノズル１の濃度測定領域を順次撮影する。
次に、複数のノズル１が垂直に整列配置された、すなわちスタック状に配置された場合には、レーザー投光部２を、複数のノズル１に対して共用し、スリット状のビーム形状を持つレーザー光６を全ノズル１の濃度測定領域に投光する。散乱、回折光を受光するためのレンズ３およびカメラ４は、１台で全ノズル１の濃度測定領域を撮影でき、撮影した画像により必要な精度の濃度測定が可能であれば、共用できる。そうでない場合には、レンズ３およびカメラ４を必要に応じて複数台設置する、または、レンズ３およびカメラ４をたとえば、モーターで駆動され位置決めができる自動ステージに取付け、ステージを移動させながら全ノズル１の濃度測定領域を順次撮影する。
【００２７】
図４は、本発明によりエアロゾル濃度の時間的変動を測定した結果の例である。ＣＣＤカメラは、図３に示すエアロゾルの回折、散乱光画像を連続して、時系列で出力することができる。この時系列に出力される画像を順次画像処理により解析すれば、エアロゾル濃度の時間的変化を図４のように測定できる。エアロゾル濃度を測定する画像処理方法としては、さまざまな手法が考えられるが、代表的手法として以下２手法を挙げる。
【００２８】
１例目の手法は、画像の全画素の輝度値を積算し、その積算値からエアロゾル濃度を求める手法である。２次元CCDカメラは、たとえば横６４０×縦４８０程度の画素を持ち、６４０×４８０個の全画素が輝度値を持っている。エアロゾル濃度は回折、散乱光輝度に比例するため、これらの輝度を積算した値もエアロゾル濃度に比例する。そこで、画像の全画素の輝度値を積算し、この値からエアロゾル濃度を求めることができる。濃度の時間的変動を相対的に測定する場合には、輝度を積算した値をそのままエアロゾル濃度としても差し支えはないが、濃度の絶対値を測定したい場合には、既知のエアロゾル濃度のエアロゾルを噴出させ、得られる輝度の積算値と既知のエアロゾル濃度より、輝度の積算値とエアロゾル濃度の変換係数を求め、測定した輝度の積算値と変換係数から、絶対濃度に換算する。
【００２９】
２例目の手法は、画像をある閾値で２値化し、輝度が閾値より高い部分は白、それ以外の部分は黒の領域に分け、白い領域の総面積を計算し、その値からエアロゾル濃度を求める手法である。１例目と同様に２次元CCDカメラは、たとえば横６４０×縦４８０程度の画素を持ち、６４０×４８０個の全画素が輝度値を持っている。この輝度値をある適切な閾値で白と黒の２領域に分ければ、輝度の高い白の領域の面積は、回折、散乱光輝度にほぼ比例する。そこで、この面積からエアロゾル濃度を測定することができる。濃度の絶対値を測定したい場合には、１例目と同様に既知のエアロゾル濃度のエアロゾルを噴出させ、得られる輝度の積算値と既知のエアロゾル濃度より、輝度の積算値とエアロゾル濃度の変換係数を求める。２値化により１例目に比べ計算するデータ量は少なくなり、計算に要する時間が短縮できる。また、回折、散乱光が発生した部分７が画像の一部にしか写っていない場合には、回折、散乱光が発生した部分７のみ画像処理の対象とすることにより、画像の不要な部分によるノイズを低減し、かつ計算に要する時間を短縮することができる事は言うまでもない。
【００３０】
図５は、エアロゾルの濃度分布を測定するため、エアロゾルの回折、散乱光画像に複数の部分領域を設定した例である。画像内で回折、散乱光が発生した部分７についてたとえば、領域１（８）から領域５（１２）までの部分領域を設定する。次にこの各々の領域に対して、画像処理による解析を行ない、各領域のエアロゾル濃度を計算することによりエアロゾル濃度分布を測定する。各領域のエアロゾル濃度を測定するための画像処理手法は、前項で説明した手法と同様に各領域の全画素の輝度値を積算し、その積算値から測定する手法や、画像をある閾値で２値化し、輝度が閾値より高い部分は白、それ以外の部分は黒の領域に分け、各領域における白い領域の総面積を計算し、その値からエアロゾル濃度を求める手法等を利用する。
【００３１】
図６は、前記方法を用いてエアロゾルの濃度分布を測定したグラフの例である。領域１（８）から領域５（１２）の各領域ごとにエアロゾルの回折、散乱光からエアロゾル濃度を計算することによりエアロゾル濃度分布を測定している。
【００３２】
図７は、本発明によるエアロゾル粒子濃度測定装置全体の構成を示す図である。ノズル１から噴出するエアロゾル５に対してエアロゾル５の噴出方向と直角にレーザー光６をレーザー投光器２から投光する。エアロゾル５に当ったレーザー光６は回折、散乱し、この回折、散乱光をレンズ３で集光しカメラ４で画像化する。カメラ４は、画像入力ボードおよび画像処理解析プログラムを内蔵したパーソナルコンピュータ等の画像解析装置１４に接続される。カメラ４の画像は画像入力ボードにより、リアルタイムに画像解析装置１４に入力と同時に画像処理により解析され、エアロゾル濃度またはエアロゾル濃度分布を測定する。測定したエアロゾル濃度は、画像解析装置１４の画面に数字またはグラフで表示することもでき、さらに、画像解析装置８から外部機器制御用にアナログ信号やディジタル信号を出力することもできる。また、エアロゾルの濃度測定範囲が広い場合には、レーザー光の出力をエアロゾルの濃度に合わせて最適に調整する必要がある。このような場合に、画像解析装置１４とレーザーの出力を制御するためのレーザーコントローラー１３とを接続し、画像解析装置１４からレーザーの出力を制御できるようにする。そこで画像解析装置１４に入力されるカメラ４の画像が測定に最適となるよう画像解析装置１４でレーザー出力を自動調整すれば、広いエアロゾルの濃度測定範囲に対応することができる。
【００３３】
図８は本発明によるエアロゾル粒子濃度測定装置を利用した複合構造物作製装置の全体の構成を示す図である。ここで言う複合構造物作製装置とは、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、エアロゾルを基材２１表面に衝突させ、この衝突によって微粒子を破砕・変形させて接合させ、微粒子の構成材料からなる構造物をを基板２１上に形成させる装置である。
【００３４】
複合構造物作製装置は、エアロゾル発生部１５、ノズル１、エアロゾル発生部１５とノズルを接続する配管１６、ステージ１７、真空チャンバ１８、装置制御部１９から構成される。エアロゾル発生部１５は配管１６により真空チャンバ１８内に設置されたノズル１と接続されている。エアロゾル発生部１５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発生させ、ノズル１へエアロゾルを供給する。また、エアロゾル発生部１５は、信号ケーブルA２０により装置制御部１９と接続される。必要の都度、装置制御部１９は信号ケーブルA２０を介してエアロゾル濃度や流量等の条件をエアロゾル発生部１５に設定し、エアロゾル発生部１５は、設定値に従いエアロゾルを発生させノズル１に供給する。
エアロゾルはノズル１より高速で噴出し、ステージ１７に取付けられた基材２１に高速で衝突し、基材２１表面には脆性材料の膜が形成される。
【００３５】
一方、ステージ１７には基材２１が取付られ、ステージ１７は必要な範囲に必要な膜厚を形成させるため、基材をノズル１に対して移動させる。ステージ１７と装置制御部１９は、信号ケーブルB２２により装置制御部１９と接続される。必要の都度、装置制御部１９は信号ケーブルB２２を介してステージの移動方向、速度あるいは位置の指令をステージ１７に設定し、ステージ１７は、設定された指令に従って基材２１をノズル１に対して移動させる。ステージ１７は、たとえばモーターで駆動されるXYZΘステージを用い、基材２１をノズル１に対して３次元的な位置決めや移動ができる機能を持つ。また、基材２１を固定し、ノズル１をステージ１７に取付け、３次元的に動かしても同様の効果が得られる。また、ステージ１７は、膜の形成範囲や品質によっては、１次元や２次元の移動や位置決めができるＸステージやＸＹステージで対応できる場合もある。
【００３６】
以上説明した複合構造物作製装置に、エアロゾル粒子濃度測定装置を次のように取付ける。レーザー投光部２をレーザー光がノズル１のエアロゾル噴出部付近を照射するように設置する。また、レンズ３を取付けたカメラ４をエアロゾルの回折、散乱光が受光できるような位置に設置する。レーザー投光部２および受光部のレンズ３およびカメラ４は、ノズル１の設置された真空チャンバー１８の内部に必ずしも設置する必要はない。真空チャンバー１８壁面の一部をガラスにして、レーザー光の光路および回折、散乱光の光路を確保すれば、レーザー投光部２および受光部のレンズ３およびカメラ４を真空チャンバーの外に設置できる。
【００３７】
カメラ４で受光されたエアロゾルの回折、散乱光画像は、画像解析装置８で解析され、エアロゾル濃度または、エアロゾル濃度分布がリアルタイムに測定される。測定されたエアロゾル濃度または、エアロゾル濃度分布データは、画像解析装置８から、信号ケーブルＣを介して、装置制御部１９に伝達される。画像解析装置８で測定されたエアロゾル濃度、またはエアロゾル濃度分布データを利用し装置制御部は、監視や制御を行ない、装置の信頼性や複合構造物の品質、生産性を向上させることができる。なお、ここで言う複合構造物の品質とは、基材２１に形成される膜厚の均一性、膜の欠陥および膜の硬度や絶縁耐圧等の膜の物理特性等の性能を総合したものである。また、複合構造物の生産性とは、基材２１に形成される膜を要求品質を満足しつつ形成するために要する時間のことを言う。
以下、測定されたエアロゾル濃度、またはエアロゾル濃度分布データを利用し、複合構造物作製装置の監視、制御の実施例を説明する。
【００３８】
第一の例は、画像解析装置１４から出力されるエアロゾル濃度、またはエアロゾル濃度分布を装置制御部１９で、リアルタイムに監視し、あらかじめ設定された適正な濃度範囲から外れた状態が一定時間以上経過したら装置制御部１９に接続された警報装置２４により警報を出す、または、複合構造物作製装置の動作を停止させる事により複合構造物における品質不良を防止する。さらにエアロゾル濃度分布については、濃度分布の不均一つまり、各測定領域における濃度差がある設定範囲より大きくなった場合にも警報を出すようにすれば、より精度の高い監視ができる。
【００３９】
第二の例は画像解析装置１４から出力されるエアロゾル濃度、またはエアロゾル濃度分布の時間変化を打ち消すように、装置制御部１９でエアロゾル発生部１５のエアロゾル濃度設定や流量等の条件設定をリアルタイムに変更する。いわゆるフィードバック制御を行なう事により、エアロゾル濃度を安定化し、複合構造物の品質、生産性を向上させる。
画像解析装置１４から出力されるエアロゾル濃度またはエアロゾル濃度分布の時間変化を打ち消すように、装置制御部１９でステージ１７の移動方向、速度あるいは位置の指令をリアルタイムに変更する。いわゆるフィードバック制御を行なう事により、エアロゾル濃度を安定化し、複合構造物の品質、生産性を向上させる。
【００４０】
第三の例は、画像解析装置１４から出力されるエアロゾル濃度分布を平均化するように、装置制御部１９でステージ１７の移動方向、速度あるいは位置の指令をリアルタイムに変更する。いわゆるフィードバック制御を行なう事により、エアロゾル濃度を安定化し、複合構造物の品質、生産性を向上させる。ノズル１から出るエアロゾルは、幅方向に濃度分布を持つ場合がある。このような場合には、基材２１に形成される膜厚も濃度分布と概同様の分布となる。この現象に対応するため、ステージ１７をたとえば、基材２１の膜形成面全体が、均等にノズル１の濃度が高い箇所と濃度が低い場所を通過するように制御すれば、結果として均一な膜厚を得る事ができ、複合構造物の品質、生産性を向上させる。
【００４１】
第四の例は、エアロゾルの出口は１個であり、エアロゾル供給のための供給口が複数箇所設けられたノズル１を持ち、ノズル１の供給口に複数のエアロゾル発生部１５が配管１６により接続され、ノズル１出口の各位置の濃度を、各々のエアロゾル発生部１５により制御できる複合構造物作製装置に関する例である。画像解析装置１４から出力されるエアロゾル濃度分布に応じて、濃度分布が均一になるよう、装置制御部１９でエアロゾル発生部１５のエアロゾル濃度設定や流量等の条件設定をリアルタイムに変更する。いわゆるフィードバック制御を行なう事により、ノズル１のエアロゾル濃度分布が均一となり。結果として、均一な膜厚を得る事ができ、複合構造物の品質、生産性を向上させる。また。ノズル１の複数の供給口に１台のエアロゾル発生部１５から複数分岐した配管１６により接続されている場合には、配管途中にエアロゾル濃度や流量等の条件を装置制御部１９により設定できる装置を設け、画像解析装置１４から出力されるエアロゾル濃度分布に応じて、濃度分布が均一になるよう、同様にフィードバック制御すれば同一の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の被測定エアロゾルとレーザー投光部、受光部の配置例を示す正面図である。
【図２】本発明の被測定エアロゾルとレーザー投光部、受光部の配置例を示す側面図である。
【図３】本発明において２次元ＣＣＤカメラで撮影したエアロゾルの回折、散乱光画像の例を示す図である。
【図４】本発明によりエアロゾル濃度の時間的変動を測定した結果の例を示す図である。
【図５】本発明によりエアロゾルの濃度分布を測定するため、エアロゾルの回折、散乱光画像に複数の部分領域を設定した例を示す図である。
【図６】本発明によりエアロゾルの濃度分布を測定したグラフの例を示す図である。
【図７】本発明によるエアロゾル粒子濃度測定装置全体の構成を示す図である。
【図８】本発明によるエアロゾル粒子濃度測定装置を利用した複合構造物作製装置の全体の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１…ノズル
２…レーザー投光部
３…レンズ
４…カメラ
５…エアロゾル
６…レーザー光
７…回折、散乱光が発生した部分
８…領域１
９…領域２
１０…領域３
１１…領域４
１２…領域５
１３…レーザーコントローラー
１４…画像解析装置
１５…エアロゾル発生部
１６…配管
１７…ステージ
１８…真空チャンバ
１９…装置制御部
２０…信号ケーブルＡ
２１…基材
２２…信号ケーブルＢ
２３…信号ケーブルＣ
２４…警報装置
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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