CN104704144B - 成膜方法以及成膜装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种成膜方法以及成膜装置，能够抑制成膜中的被膜的氧化，能够使装置简化且低价，并且不耗费精力和时间就能够更换成膜对象的基材。成膜装置(100)使原料的粉末(2)与气体一并加速，将该粉末(2)保持为固相状态向基材(1)的表面喷涂，使该粉末(2)堆积，由此进行成膜，其中，所述成膜装置具备：腔室(10)；保持部(11)，其设置在该腔室(10)，保持基材(1)；喷嘴(12)，其将粉末(2)与非活性气体一并喷射；以及驱动部(15)，其使喷嘴(12)与保持部(11)中的一者相对于另一者移动，利用喷嘴(12)所喷射的非活性气体使腔室(10)内成为正压。

Description

成膜方法以及成膜装置
技术领域
本发明涉及成膜方法以及成膜装置，在该成膜方法中，通过使原料的粉末与气体一并加速，将该粉末保持为固相状态向基材的表面喷涂，使该粉末堆积，由此进行成膜。
背景技术
近年来，公知被称作冷喷涂法的成膜方法。在冷喷涂法中，将处于熔点或者软化点以下的状态的金属材料的粉末与氦气、氩气、氮气等非活性气体一并从喷嘴喷射，保持固相状态与成膜对象的基材碰撞，在基材的表面形成被膜(例如，参照专利文献1)。在冷喷涂法中，与使材料的粉末熔融而向基材喷涂的热喷涂法(例如，参照专利文献2)不同，在比较低的温度下进行成膜。因此，采用冷喷涂法，能够缓和热应力的影响，能够获得不存在相变且抑制了氧化的金属被膜。特别是，在基材以及形成被膜的材料均是金属的情况下，在金属材料的粉末与基材(或者之前形成的被膜)碰撞时，在粉末与基材之间产生塑性变形，获得锚固效果，并且彼此间的氧化被膜被破坏，产生新生面彼此所进行的金属结合，因此能够获得紧贴强度高的层叠体。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008－302311号公报
专利文献2：日本特开平5－171399号公报
发明要解决的课题
然而，通常，冷喷涂法在大气中实施。另外，在冷喷涂法中，由于通过压缩气体将粉末加速至高速，因此相对于基材而使用口径小的喷嘴。因此，在从喷嘴喷射的粉末所喷涂的成膜中的区域以外，已经形成的被膜曝露于大气中的氧气，存在氧化的可能。其结果是，在已氧化的被膜的上层进一步进行成膜，导致上层与下层之间的接合不充分，对接合强度、电气性质等被膜的特性造成影响。
为了抑制被膜向氧气曝露，考虑在减压后的腔室内进行成膜。然而，在这种情况下，需要在腔室中设置排气装置，因此装置构成变复杂，并且装置费用变得昂贵。另外，在将基材配置于腔室内之后，距形成减压环境为止需要长时间，成膜的开始延迟。此外，在更换基材时，需要减压环境的打开、基材的更换、再次减压这样的顺序，还存在耗费精力和时间的问题。
另一方面，作为抑制被膜向氧气曝露的另一个手段，也考虑利用非活性气体充满腔室内，从而排除氧气而进行成膜。然而，在这种情况下，也需要在腔室另外设置非活性气体的供给装置，装置费用上升。另外，在将基材设置于腔室内之后，需要将腔室内的大气更换为非活性气体的时间，基材的更换依然耗费精力和时间。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供能够抑制成膜中的被膜的氧化、能够使装置简单且低价地构成、并且不耗费精力和时间就能够更换成膜对象的基材的成膜方法以及成膜装置。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题而实现目的，本发明的成膜方法使原料的粉末与气体一并加速，将该粉末以保持固相状态的方式直接向基材的表面喷涂，并使该粉末堆积，由此进行成膜，所述成膜方法的特征在于，包括以下工序：基材配置工序，在该基材配置工序中，将所述基材配置在腔室内；以及成膜工序，在该成膜工序中，将所述粉末以及非活性气体从喷嘴朝向所述基材喷射，利用所述非活性气体使所述腔室内处于正压，并且使所述粉末堆积在所述基材的表面上，形成被膜。
所述成膜方法的特征在于，一边将所述非活性气体从所述腔室排出，一边进行所述成膜工序。
所述成膜方法的特征在于，一边对所述腔室内的所述非活性气体进行整流，一边进行所述成膜工序。
所述成膜方法的特征在于，通过从与所述喷嘴不同的机构向所述腔室内供给非活性气体，由此对所述非活性气体进行整流。
本发明的成膜装置使原料的粉末与气体一并加速，将该粉末以保持固相状态的方式直接向基材的表面喷涂，并使该粉末堆积，由此进行成膜，所述成膜装置的特征在于，具备：腔室；保持部，其设置于所述腔室内，保持所述基材；喷嘴，其将所述粉末与非活性气体一并喷射；以及移动机构，其使所述喷嘴与所述保持部中的任一者相对于另一者移动，利用所述喷嘴所喷射的所述非活性气体使所述腔室内成为正压。
所述成膜装置的特征在于，所述成膜装置还具备从所述腔室内排出气体的排气部。
所述成膜装置的特征在于，所述成膜装置还具备对所述腔室内的所述非活性气体进行整流的整流机构。
所述成膜装置的特征在于，所述整流机构是向所述腔室内供给非活性气体的气体供给部。
所述成膜装置的特征在于，所述整流机构是设置在所述腔室内的整流构件。
所述成膜装置的特征在于，所述腔室具有在内部设置有所述保持部的容器、以及安装于所述喷嘴的盖部。
所述成膜装置的特征在于，所述腔室具有安装于所述喷嘴且覆盖所述保持部的外罩。
发明效果
根据本发明，由于将原料的粉末以及非活性气体从喷嘴朝向基材喷射，利用非活性气体使腔室内成为正压，并且使粉末堆积在基材的表面，因此基材不会向氧气曝露，能够抑制成膜中的被膜的氧化。另外，根据本发明，由于不需要在腔室设置排气装置、非活性气体的供给装置等追加的装置，因此能够使装置简单且低价地构成。此外，根据本发明，由于不需要在成膜之前进行腔室内的减压、气体的更换等追加的作业，因此不耗费精力及时间就能够更换基材。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式1的成膜装置的示意图。
图2是示出本发明的实施方式1的成膜方法的流程图。
图3是示出本发明的实施方式1的成膜装置的变形例1的示意图。
图4是示出设置在腔室内的整流部的另一例的示意图。
图5是示出本发明的实施方式2的成膜装置的示意图。
图6是示出实施例以及比较例的试件的特性的图表。
具体实施方式
以下，参照附图对用于实施本发明的方式进行详细说明。需要说明的是，并不通过以下实施方式来限定本发明。另外，在以下说明中参照的各附图仅是以能够理解本发明的内容的程度简要示出形状、大小以及位置关系。即，本发明不限于各附图所例示的形状、大小以及位置关系。
(实施方式1)
图1是示出本发明的实施方式1的成膜装置的结构的示意图。如图1所示，实施方式1的成膜装置100是所谓的冷喷涂装置，通过向基材1的表面喷涂并堆积原料的粉末2来进行成膜，具备腔室10、保持基材1的保持部11、将粉末2与非活性气体一并喷射的喷嘴12、向该喷嘴12供给粉末2的粉末供给部13以及粉末用配管13a、将非活性气体加热后向喷嘴12供给的气体加热部(气体供给部)14以及气体用配管14a、使喷嘴12移动的驱动部15、以及对驱动部15的动作进行控制的控制部16。需要说明的是，在图1中仅示出腔室10的剖面。
腔室10具有形成为有底柱状的容器10a、以及覆盖容器10a的开口的盖部10b。容器10a的具体形状不特别限定，在实施方式1中，形成为在有底圆柱设置有从开口朝向外周延伸突出的凸缘的形状。另外，将盖部10b的形状规定为与容器10a的开口形状相应，在实施方式1中形成为圆盘形状。
盖部10b通过连结、粘合或者焊接等安装于喷嘴12，被喷嘴12的未图示的支承机构支承为能够三维移动。另外，如图1所示，在进行基材1的成膜时，盖部10b被支承为，能够以从容器10a的开口面10c略微(至少能够供气体通过的程度)浮起的状态在与开口面10c平行的面内(在图1中的水平方向上)移动。此时，容器10a与盖部10b之间的间隙10d作为将腔室10内的气体向外部排出的排气口而发挥功能。
根据喷嘴12的可动范围，将盖部10b的直径设计为比容器10a的开口直径大，以便在进行成膜时，即便在使该盖部10b在与开口面10c平行的面内移动时，容器10a的开口也不会暴露。
保持部11例如设置在容器10a的底部。保持部11具备静电卡盘等保持机构，在使基材1的成膜面1a朝向喷嘴12侧的状态下保持基材1。需要说明的是，在图1中示出成膜面1a形成为平面的板状的基材1，但基材1的整体形状以及成膜面1a的形状不特别限定，只要具有能够成膜的面即可。
喷嘴12利用通过气体加热部14供给的非活性气体对从粉末供给部13供给的粉末2进行加速，例如以340m/s以上的超音速进行喷射。
从外部向粉末供给部13以及气体加热部14供给将氦气、氩气、氮气等非活性气体压缩而成的压缩气体。需要说明的是，在粉末供给部13以及气体加热部14分别设置有调节压缩气体的供给量的未图示的阀。
在粉末供给部13收容有成为被膜的原料的金属或者合金的粉末2。粉末供给部13将粉末2与从外部供给的非活性气体一并经由粉末用配管13a向喷嘴12供给。
气体加热部14将从外部供给的非活性气体加热至规定的温度后经由气体用配管14a向喷嘴12供给。对非活性气体进行加热的温度例如是50℃以上，根据粉末2的种类而设定为粉末2不熔融的程度(例如300℃～900℃左右)。
驱动部15是设置于喷嘴12且使喷嘴12与盖部10b一并移动的移动机构的一部分。需要说明的是，作为移动机构能够应用公知的一般技术，在图1中省略了移动机构整体的记载。通过使该驱动部15动作，使喷嘴12在与容器10a的开口面10c平行的面内移动，由此利用从喷嘴12喷射的粉末2扫过基材1的成膜面1a。控制部16控制上述的驱动部15的动作。需要说明的是，从喷嘴12的前端开始的虚线的箭头示意性地表示非活性气体的流动。
接下来，对实施方式1的成膜方法进行说明。图2是示出实施方式1的成膜方法的流程图。
首先，在工序S1中，将基材1配置在腔室10内。基材1的材料不特别限制，能够使用铜、铜合金、锌、锌合金、铝、铝合金、镁、镁合金、镍、镍合金、铁、铁合金、钛、钛合金、铬、铬合金、铌、铌合金、钼、钼合金、银、银合金、锡、锡合金、钽、钽合金等金属或者合金、氧化铝、氧化锆、氧化钇、氧化钇稳定氧化锆等陶瓷等。需要说明的是，也可以对由这些材料形成的基材1预先适当地实施表面处理。在腔室10内，将基材1保持并固定于保持部11。
在接下来的工序S2中，将成为形成于基材1的被膜的原料的粉末2填充至粉末供给部13。粉末2的种类不特别限定，可以根据被膜的用途而适当地选择铜、铜合金、锌、锌合金、铝、铝合金、镁、镁合金、镍、镍合金、铁、铁合金、钛、钛合金、铬、铬合金、铌、铌合、钼、钼合金、银、银合金、锡、锡合金、钽、钽合金等金属或者合金。另外，粉末2的平均颗粒直径只要是能够进行冷喷涂的尺寸(例如5～100μm左右)，也不特别限定。
在接下来的工序S3中，使成膜装置100起动。由此，开始向粉末供给部13以及气体加热部14供给压缩气体(非活性气体)，粉末2以及加热后的非活性气体向喷嘴12供给。在喷嘴12中，粉末2向压缩后的非活性气体的超音速流中投入并被加速，保持为固相状态与非活性气体一并从喷嘴12喷射。
由此，通过从喷嘴12喷射的非活性气体将大气从间隙10d排出，腔室10内成为正压。因此，从喷嘴12喷射的非活性气体在如图1的虚线所示那样与基材1的表面碰撞之后，在腔室10内循环，从间隙10d向腔室10外排出。此时，由于腔室10内处于正压，因此外部的大气不会向腔室10内侵入。
这里，优选将向喷嘴12供给的非活性气体的压力设为1～5MPa左右。通过将压力调节为该程度，能够在较早的阶段利用非活性气体将腔室10内形成为正压，并且在之后的工序S4中，能够实现基材1与形成在该基材1上的被膜的紧贴强度的提高。
在工序S4中，对基材1进行成膜。即，一边从喷嘴12喷射粉末2并向成膜面1a喷涂，一边使喷嘴12在水平方向上移动，在成膜面1a上堆积粉末2。此时，由于腔室10内充满从喷嘴12喷射的非活性气体，因此，成膜面1a上的被膜不会向大气中的氧气曝露，能够抑制被膜的氧化。
在向成膜面1a上形成所希望的厚度的被膜之后，使成膜装置100停止(工序S5)。之后，在工序S6中，从容器10a拆下盖部10b，取出基材1。由此，得到通过冷喷涂法形成的被膜。需要说明的是，之后，也可以将另一个基材保持于成膜装置100的保持部11，继续进行成膜。
如上所述，根据实施方式1，由于利用从喷嘴12喷射的非活性气体将腔室10内充满而形成为正压，并且进行成膜，因此，能够抑制所形成的被膜向大气中的氧气曝露而氧化。因此，能够提高被膜内的接合强度、电气性质等物理性质值。
另外，根据实施方式1，由于不需要设置用于从腔室10内去除大气的追加的装置(排气装置或者气体供给装置等)，因此能够简化装置结构，能够抑制装置费用的上升。
此外，根据实施方式1，由于利用从喷嘴12喷射的非活性气体将腔室10内形成为正压，因此，在将基材1配置于腔室10内之后，不需要用于从腔室10去除大气的追加的作业(排气或者气体更换等)、等待时间。因此，基材1的更换变得容易，能够进行高效的成膜。
(变形例1)
接下来，对实施方式1的变形例1进行说明。
图3是示出实施方式1的变形例1的成膜装置的示意图。图3所示的成膜装置110还具备在腔室10内对非活性气体进行整流的整流部17以及气体供给部18。
整流部17通过使筒状构件的一端向内周侧弯曲而成，设置为在容器10a的底部附近包围保持部11。整流部17将从喷嘴12喷射的非活性气体的流动调整为在腔室10内循环后从间隙10d排出。
气体供给部18包括设置在容器10a的底部附近的气体喷出口18a，通过向腔室10内供给非活性气体而形成在腔室10内循环的非活性气体的流动。这样，通过使非活性气体以从容器10a的底部附近沿着内壁面的方式流动，能够在腔室10内使非活性气体高效地循环。
通过设置这样的整流部17以及气体供给部18，能够快速排出残留在腔室10内的大气，能够利用从喷嘴12喷射的非活性气体而迅速充满腔室10内。因此，能够更加有效地抑制形成于基材1的被膜的氧化。
需要说明的是，在成膜装置110中，也可以仅设置整流部17以及气体供给部18中的任一者。另外，关于整流部17的形状以及配置，只要能够形成上述的非活性气体的流动，不限定于图3所示的例子。作为整流部的另一例，如图4所示，也可以将通过使板状构件的中心部弯曲而形成有开口的圈状的整流部19如凸边那样设置在容器10a的内壁侧面的中间的高度。关于气体喷出口18a的位置、方向，只要能够形成上述的非活性气体的流动，也不限定于图3所示的例子。
(变形例2)
接下来，对实施方式1的变形例2进行说明。
在所述实施方式1中，以设置在容器10a与盖部10b之间的间隙10d作为排气口，但是排气口的形态不限定于图1所示的例子。例如，也可以在盖部10b设置开口，以此作为排气口。或者也可以在容器10a的侧面的上方设置开口，以此作为排气口。在这些情况下，能够将盖部10b直接载置在容器10a的开口面10c上。
(实施方式2)
接下来，对本发明的实施方式2进行说明。
图5是示出本发明的实施方式2的成膜装置的示意图。如图5所示，实施方式2的成膜装置200具备代替图1所示的腔室10而安装于喷嘴12且设置在基体20上的外罩部21。
需要说明的是，图5所示的保持部11、喷嘴12、粉末供给部13以及粉末用配管13a、气体加热部14以及气体用配管14a、驱动部15以及控制部16的功能以及动作与实施方式1相同。另外，在图5中，仅示出基体20以及外罩部21的剖面。此外，在图5中省略喷嘴12的支承机构以及移动机构整体的记载，仅示出移动机构中的、设置于喷嘴12的驱动部15。
在实施方式2中，保持部11直接设置在基体20上，外罩部21配置为覆盖保持部11。外罩部21既可以由金属、陶瓷、玻璃、丙烯酸等硬质构件(难以变形的构件)形成，也可以由橡胶、聚乙烯等柔软构件(容易变形的构件)形成。或者，也可以将硬质构件与柔软构件组合而形成外罩部21。例如，能够利用金属等硬质构件形成骨架并利用聚乙烯片材等柔软构件覆盖该骨架来形成外罩部21。
在外罩部21的上方(比保持于保持部11的基材1高的位置)设置有一个或者多个(图5中是两个)开口21a。开口21a作为将外罩部21内的气体向外部排出的排气口而发挥功能。这样的外罩部21与该外罩部21的材料相应地通过连结、粘合或者焊接等安装于喷嘴12，与喷嘴12一并移动。
在通过成膜装置200进行成膜时，将基材1保持于保持部11，从喷嘴12喷射原料的粉末2以及非活性气体。由此，外罩部21内被非活性气体充满而成为正压。并且，一边朝向基材1的成膜面1a喷涂粉末2，一边使喷嘴12与外罩部21一并在与基体20平行的面内移动，从而在成膜面1a上堆积粉末2。其结果是，能够在不使形成于成膜面1a上的被膜曝露于氧气的情况下进行成膜。
如上所述，根据实施方式2，由于能够利用安装于喷嘴12的外罩部21形成腔室，因此能够进一步简化成膜装置200的结构。例如，也能够通过在具有通常结构的冷喷涂装置上添加外罩部21来实现成膜装置200。
需要说明的是，也可以与实施方式1相同地在成膜装置200上进一步设置整流部17、气体供给部18。
在以上说明的实施方式1、2中，将基材1固定，使喷嘴12移动，但只要能够使一者相对于另一者移动，也可以使基材1以及喷嘴12中的任一者移动。例如，既可以将喷嘴12侧固定，使基材1侧移动，也可以使两者移动。
实施例
以下，对本发明的实施例进行说明。
在实施例中，使用实施方式1的成膜装置100，在基材1上形成纯铜的被膜。此时，改变喷嘴12中的非活性气体的压力，形成多种被膜。然后，切割这些被膜，制作2mm×2mm×40mm的试件，通过四端子法测量导电率。另一方面，在比较例中，使用通常的冷喷涂装置，在大气中形成纯铜的被膜。然后，与实施例同样地制作试件，测量导电率。
图6是示出针对实施例以及比较例的试件的测量结果的图。在图6中，横轴表示非活性气体的压力(气体压力：MPa)，纵轴表示以经过退火处理后的纯铜的导电率作为基准的各试件的导电率(IACS：International Annealed Copper Standard：％)。
如图6所示，在实施例的情况下，与气体压力的大小无关地得到接近100％的导电率。与此相对，在比较例的情况下，呈现出越是提高气体压力，导电率越是上升的趋势，但是在任一情况下均没有达到实施例的导电率。
附图标记说明
1 基材
1a 成膜面
2 粉末
10 腔室
10a 容器
10b 盖部
10c 开口面
10d 间隙
11 保持部
12 喷嘴
13 粉末供给部
13a 粉末用配管
14 气体加热部(气体供给部)
14a 气体用配管
15 驱动部
16 控制部
17、19 整流部
18 气体供给部
18a 气体喷出口
20 基体
21 外罩部
21a 开口
100、110、200 成膜装置

Claims (9)

1.一种成膜方法，其使原料的粉末与气体一并加速，将该粉末以保持固相状态的方式直接向基材的表面喷涂，并使该粉末堆积，由此进行成膜，
所述成膜方法的特征在于，
所述成膜方法包括以下工序：
基材配置工序，在该基材配置工序中，将所述基材配置在腔室内；以及
成膜工序，在该成膜工序中，将所述粉末以及非活性气体从喷嘴朝向所述基材喷射，利用所述非活性气体使所述腔室内处于正压，并且使所述粉末堆积在所述基材的表面上，形成被膜，
一边将所述非活性气体从所述腔室排出，一边进行所述成膜工序。
2.根据权利要求1所述的成膜方法，其特征在于，
一边对所述腔室内的所述非活性气体进行整流，一边进行所述成膜工序。
3.根据权利要求2所述的成膜方法，其特征在于，
通过从与所述喷嘴不同的机构向所述腔室内供给非活性气体，由此对所述非活性气体进行整流。
4.一种成膜装置，其使原料的粉末与气体一并加速，将该粉末以保持固相状态的方式直接向基材的表面喷涂，并使该粉末堆积，由此进行成膜，
所述成膜装置的特征在于，
所述成膜装置具备：
腔室；
保持部，其设置在所述腔室内，保持所述基材；
喷嘴，其将所述粉末与非活性气体一并喷射；
排气部，其从所述腔室内排出气体；以及
移动机构，其使所述喷嘴与所述保持部中的任一者相对于另一者移动，
利用所述喷嘴喷射的所述非活性气体使所述腔室内成为正压。
5.根据权利要求4所述的成膜装置，其特征在于，
所述成膜装置还具备对所述腔室内的所述非活性气体进行整流的整流机构。
6.根据权利要求5所述的成膜装置，其特征在于，
所述整流机构是向所述腔室内供给非活性气体的气体供给部。
7.根据权利要求5所述的成膜装置，其特征在于，
所述整流机构是设置在所述腔室内的整流构件。
8.根据权利要求4所述的成膜装置，其特征在于，
所述腔室具有在内部设置有所述保持部的容器、以及安装于所述喷嘴的盖部。
9.根据权利要求4所述的成膜装置，其特征在于，
所述腔室具有安装于所述喷嘴且覆盖所述保持部的外罩。
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