新規成膜技術
超音速フリージェットPVDによる高品質コーティング
芝浦工業大学 工学部 材料工学科教授 湯本 敦史
2019年6月13日

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＜従来技術＞薄膜／コーティング技術［ドライプロセス］
・ PVD（真空蒸着，スパッタ，PLD 等 ）・ CVD（熱CVD，MOCVD，レーザーCVD 等 ）・ 溶射（プラズマ溶射，SPS，コールドスプレー 等 ）［ウェットプロセス］
・ めっき（電気めっき，無電解めっき 等 ）・ ゾルゲル
・ 塗布法

目的（膜／基材材質，膜厚，成膜面積）に合わせてプロセスを選択
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＜従来技術＞薄膜／コーティング技術の現状
Film thickness

厚膜
薄膜
超薄膜
極超薄膜

10mm 100mm 1mm
1mm
10nm 100nm
1nm

thick5mmthin

プロセス開発工具用硬質膜
耐熱・熱遮蔽膜
環境保護膜
耐摩耗膜
ＭＥＭＳ
マイクロモータ
全固体二次電池
電磁デバイス
熱電変換膜
パワー半導体

ＬＳＩの配線・電極
太陽電池膜
超電導膜

磁気記録媒体磁性膜
磁気抵抗効果膜
光磁気記録膜ハーフミラー用金属膜
金属超格子膜
単原子層膜

材料設計

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現在検討されている新規コーティングプロセス
PVD ：EB-PVD ， HIPIMS（大電力パルスマグネトロンスパッタリング）

CVD ：レーザCVD ， MOCVD ， ミストCVD

Spray ： SPS/SPPS（サスペンション・プリカーサ溶液プラズマ溶射法）
Cold Spray, PS-PVD（Plasma Spray PVD）
Twin Hybrid Plasma Spray, ウォームスプレー
Aerosol Deposition/HAD
4コーティング（厚膜）形成技術への期待［要求性能］
・高い成膜速度・歩留まり・緻密な皮膜の形成・組織制御
・高い密着性・低応力
・低温成膜

高い成膜速度＋緻密な厚膜を可能とする新規プロセスの開発が期待されている．

［用途別機能・拡張機能］・難成膜材料の施工
・マスクレス・パターン成膜（必要な部位に成膜）
・結晶構造制御5

ナノ粒子 ・ ナノテクノロジ

6ガス中蒸発（Gas Evaporation）

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＜新技術の概要＞ 超音速フリージェットPVD
ガス中蒸発により生成させたナノ粒子を，超音速ガス流により加速させナノ粒子に高い運動エネルギを付加し，基板にナノ粒子を堆積させることにより成膜させる新しい原理による成膜法．
Step①：直径数nm程度のナノ粒子を生成
Step②：マッハ4.2（5000m/s程度）の超音速ガス流によりナノ粒子を高速に加速
Step③：高速に加速させた生成直後の活性なナノ粒子を基板に吹き付け，ナノ粒子の堆積させることより膜形成させる
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超音速フリージェットPVD
生成直後の活性なナノ粒子をチャンバ間の差圧により基板が設置されている膜形成室まで搬送し、超音速ノズルによりマッハ4.2（5km/s以上）高速ガス流で加速させた粒子を基板上に堆積させ，膜が形成される．

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主な成膜制御因子
皮膜原料（Source materials）

金属、セラミックス、高分子、etc．

加熱方式・電力量（Evaporation power）

アーク、抵抗加熱、レーザ、etc．

ノズルタイプ（Nozzle）

一次元ノズル、特性曲線ノズル、etc．

キャリアガス（Carrier Gas）

He, Ar, N2, O2, etc.

ノズル加熱（Nozzle heater）

無加熱～700℃

基板温度（Substrate heater）

無加熱

成膜範囲（Deposition Area）

任意

基板移動速度（Scanning speed）～11.2 (mm/s)

成膜時間（Deposition time）

任意10

超音速フリージェットPVDの特徴（概略）①：膜原料を高い歩留まりで成膜，高い成膜速度の達成が可能 → 数mm～1mm程度の膜厚の皮膜の形成が可能②：皮膜の結晶粒が微細（ナノ結晶膜）①+②を同時に達成可能なことが既存の成膜法と比較して本法が特に優れている特徴。
③：金属，セラミックス，粒子分散膜など幅広い種類の膜形成が可能
高い成膜速度（生産性） と ナノ結晶膜（高品質） が両立
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本法における重要技術
本法のkey technology

超音速ノズル・ノズルによって成膜される皮膜の特性，密着性が異なる・膜材質によって最適なノズルを選定する必要がある

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超音速ノズル
ThroatGas flow
Outlet

Inlet

1M

2
1p0pb

1p0 : Static pressure
pb : Back pressure
M :Mach number at thenozzle outlet
γ : Ratio of specific heats13

プラントルマイヤー関数を用いたノズル設計手法

The design for not generating anext expansion wave

Expansion wave
Next expansion wave14

特性曲線法を用いた超音速ノズル設計

特性曲線網をノズルの物理面とホドグラフ面において構築していくことで,ノズル出口において希望するマッハ数の一様な流れを得ることのできるノズル15

超音速ノズル設計による噴流状態の差異（解析）

ケース2

ケース3

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超音速ノズル形状が膜性状に及ぼす効果

Photograph of the coated area. No
uniform film was formed. (a) Dark part:
brittle film, bright part: substrate (by OM).
(b) Higher magnification of the dark partof (a). The film consists of coarse
particles with crack (by SEM). (c) Thecoarse Ti particles shown in (b). A coarse
particle consists of agglomerated
particles of 5μm in diameter, and theparticle consists of sub-micron particles.
(by SEM)17

超音速ノズル形状が膜性状に及ぼす効果

Photograph of the surface of a Ti film.
(a) Uniform film was formed, and (b) The film surface consists ofnanoparticles.
18ガス流速が膜性状に及ぼす効果
200℃

400℃

0W

400W

800W

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本法による厚膜の密着性(1)Indentation at the interface between Ti film and Al substrate by micro
Vickers hardness tester with applied load of 4.9N. No crack isobserved at the interface.

20本法による厚膜の密着性(2)21金属膜の断面組織(異なるノズル形状)
特性曲線

等加速度

特性曲線

等加速度Fe film

Fe film

Substrate

Substrate

単調増加

直線

ナノ粒子生成室圧力：90kPa

単調増加

直線

ナノ粒子生成室圧力：70kPa
50μm
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本法によるナノ結晶厚膜23

異種ナノ粒子の混合24

TiAl膜のその場合成
SEM imageTi mapAl map

SEM image and the characteristic X-ray mappings of Al and Ti taken from thecross-sections of Ti-Al coating on Ti. The specimen was produced by mixing
Ti and Al nanoparticles from the two evaporation chambers with samedeposition rate. Smooth, compact and defect-free interface and coating films
have been formed.
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Al-Siナノコンポジット膜

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セラミックス膜の形成

Photographs of surface and cross-section of graded TiN film27

超音速フリージェットPVDの特徴と可能性
低温で高密度皮膜の形成が可能
生成直後の活性なナノ粒子を超音速のガス流により加速，高い運動エネルギを付与して基材に堆積・皮膜形成させるため低温で緻密な皮膜を形成させることができる．
高効率・高い成膜速度の達成
蒸発させた原子を捕集しナノ粒子として，基材に堆積・皮膜形成させるため膜素材を効率良く皮膜にすることが可能であり，高い成膜速度を達成することができる．
ナノサイズの結晶粒，ナノコンポジット膜の達成
ナノ粒子の堆積により皮膜形成させ，基板温度を高温にする必要がないので，ナノサイズの皮膜結晶組織が得られる．また，異種ナノ粒子を基板上で混合させることで，ナノコンポジット膜の形成も容易である．
幅広い基材と皮膜の組み合わせ，傾斜組成が可能
ナノ粒子を物理的に堆積させ皮膜形成させるため，基材と皮膜の組み合わせの自由度が広く，異種ナノ粒子を基板上で混合させることで皮膜組成を自由に制御することが可能であり，基材からの連続性を保った傾斜組成皮膜を形成させることが可能である．
特別なエネルギや高真空環境が必要ない
本法では，差圧により生起するガス流を超音速に加速する超音速ノズルは，チャンバ間の圧力比さえ一定に保てば良く，高価なエネルギを必要とせずにナノ粒子に高い運動エネルギを付与させることが可能である．また，必ずしも減圧雰囲気にする必要性が無いため高真空環境を必要とせず，使用する雰囲気ガスも循環利用することが可能である等，コストや前後工程数（時間）の面でのメリットも大きい．

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想定される用途• 本技術の特徴を生かすためには、数百nm～数百μmの厚膜を高品質で成膜する必要がある箇所に適用することで生産性のメリットが大きいと考えられる。皮膜を必要な個所（任意の形状）に成膜できることも本法のメリット．
• 上記以外に、ナノ結晶膜による効果（優れた磁気特性，電気抵抗率）が得られることも期待される．
• また、達成された皮膜材質の種類に着目すると、様々な分野や用途に展開することも可能であると思われる。
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実用化に向けた課題• 現在，各種金属およびセラミックス皮膜の形成に成功し，本法による皮膜はナノ結晶由来の優れたな特徴を有していることが明らかとなっている。
• 今後は、実応用を念頭に，アプリケーションに合わせた皮膜の特性評価，皮膜の再現性について検討する必要がある。
• 大型基材への成膜／更なる成膜速度の向上について検討，プロセスを開発・装置の最適化を図る必要もあり。
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企業への期待• 実用化に向けたアプリケーションの決定（用途探索）と，実使用環境下でのデバイス化・性能評価。
• 大面積成膜に向けた装置の大型化・プロセスの最適化。
本技術を利用した製品開発を一緒に推進して頂ける企業を広く募集します。
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本技術に関する知的財産権•

発明の名称：
超音速フリージェット物理蒸着装置で用いる超音速ノズル，超音速フリージェット物理蒸着装置で用いる超音速ノズルの製造方法，超音速フリージェット物理蒸着装置で用いる超音速ノズルの設計方法及びコンピュータ
プログラム•

出願番号： 特願2017-036799•出願人 ： 芝浦工業大学•

発明者 ： 湯本敦史

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産学連携の経歴
2014年-2015年 JST研究成果展開事業
研究成果最適展開支援プログラム（A-step）FSステー
ジ シーズ顕在化タイプに採択

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お問い合わせ先
芝浦工業大学
研究推進室 研究企画課
産学官連携コーディネータ 篠宮 学
ＴＥＬ 03-5859-7180
ＦＡＸ 03-5859-7181
e-mail shinomiya.manabu＠ow.shibaura-it.ac.jp34