CN116917545A - 掩模治具、成膜方法以及成膜装置 - Google Patents

掩模治具、成膜方法以及成膜装置 Download PDF

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Abstract

提供能够在基材的表面高效地形成品质稳定的膜的掩模治具、成膜方法以及成膜装置。掩模治具(1)是在喷镀法中使用的掩模治具(1)，该掩模治具(1)具备主体部(11)。主体部(11)包括第1面(11a)和第2面(11b)。第2面(11b)位于与第1面(11a)相反的一侧。在主体部(11)形成有自第1面(11a)到达第2面(11b)的贯通孔(13)。第2面(11b)包括相对于第1面(11a)的倾斜角度(θ1、θ2)为30°以上且小于90°的倾斜面(12a、12b)。第2面(11b)中的贯通孔(13)的开口端(13a)形成于倾斜面(12a、12b)。

Description

掩模治具、成膜方法以及成膜装置
技术领域
本公开涉及掩模治具、成膜方法以及成膜装置。
背景技术
以往，公知有作为喷镀法的一种的冷喷涂法。在冷喷涂法中，通过将成膜材料与载气一起向基材喷射，从而在该基材上进行成膜(例如，参照日本特开2017－170369号公报)。
另外，在上述的冷喷涂法等喷镀法中，为了限定成膜范围而使用配置于基材的表面上的掩模治具(例如，参照日本特开2002－361135号公报)。通过经由形成于掩模治具的贯通孔向基材的表面供给成膜材料，从而能够限定成膜区域的平面形状。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2017－170369号公报
专利文献2：日本特开2002－361135号公报
发明内容
发明要解决的问题
在上述的冷喷涂法等喷镀法中，在使用掩模治具的情况下，在掩模治具的表面也形成由成膜材料构成的膜。若在掩模治具的表面形成膜，则结果上存在经由掩模治具的贯通孔向基板的表面供给成膜材料时的处理条件(成膜条件)相对于成膜开始最初的条件而变化的情况。其结果是难以在基材的表面稳定地形成膜。而且，为了保证形成于基材的表面的膜的品质，需要每隔一定时间实施对形成于掩模治具的表面的膜进行去除的处理。其结果是难以在基材的表面高效地形成品质稳定的膜。
本公开的目的在于提供能够在基材的表面高效地形成品质稳定的膜的掩模治具、成膜方法以及成膜装置。
用于解决问题的方案
本公开的掩模治具是在喷镀法中使用的掩模治具，其中，该掩模治具具备主体部。主体部包括第1面和第2面。第2面位于与第1面相反的一侧。在主体部形成有自第1面到达第2面的贯通孔。第2面包括相对于第1面的倾斜角度为30°以上且小于90°的倾斜面。第2面中的贯通孔的开口端形成于倾斜面。
本公开的成膜方法包括以与基材的表面相对的方式配置上述掩模治具的工序。在进行配置的工序中，以掩模治具的第1面面向基材的表面的方式配置掩模治具。本公开的成膜方法包括经由掩模治具的贯通孔利用冷喷涂法向基材的表面吹送作为成膜原料的粉末的工序。
本公开的成膜装置具备喷枪、粉末供给部、气体供给部、上述掩模治具，该喷枪包括喷嘴。粉末供给部向喷枪供给作为成膜原料的粉末。气体供给部向喷枪供给工作气体。掩模治具配置于基材与喷枪之间。
发明的效果
根据上述内容，能够在基材的表面高效地形成品质稳定的膜。
附图说明
图1是表示本实施方式的成膜装置的结构的示意图。
图2是表示本实施方式的掩模治具的俯视示意图。
图3是图2所示的掩模治具的侧面示意图。
图4是表示本实施方式的掩模治具的第1变形例的俯视示意图。
图5是图4所示的掩模治具的侧面示意图。
图6是表示本实施方式的掩模治具的第2变形例的俯视示意图。
图7是图6所示的掩模治具的侧面示意图。
图8是表示本实施方式的成膜方法的流程图。
具体实施方式
以下说明本公开的实施方式。此外，对相同的结构标注相同的附图标记，而不重复其说明。
＜成膜装置的结构＞
图1是表示本实施方式的成膜装置100的结构的示意图。图1所示的成膜装置100主要具备喷枪2、粉末供给部3、气体供给部4、掩模治具1，该喷枪2包括喷嘴2b。
喷枪2主要包括喷枪主体部2a、喷嘴2b、加热器2c、温度传感器9。在喷枪主体部2a的作为前端侧的第1端连接有喷嘴2b。在喷枪主体部2a的作为后端侧的第2端连接有配管6。该配管6经由阀7连接于气体供给部4。气体供给部4经由配管6向喷枪2供给工作气体。通过打开和关闭阀7，能够控制工作气体自气体供给部4相对于喷枪2的供给状态。在配管6配置有压力传感器8。压力传感器8用于测量自气体供给部4向配管6供给的工作气体的压力。
自喷枪主体部2a的第2端向喷枪主体部2a的内部供给的工作气体被加热器2c加热。加热器2c配置于喷枪主体部2a的第2端侧。工作气体在喷枪主体部2a的内部沿着箭头31流动。在喷嘴2b与喷枪主体部2a之间的连接部连接有温度传感器9。温度传感器9测量在喷枪主体部2a的内部流动的工作气体的温度。
在喷嘴2b连接有配管5。配管5连接于粉末供给部3。粉末供给部3经由配管5向喷枪2的喷嘴2b供给作为成膜原料的粉末。
掩模治具1配置于基材20与喷枪2之间。在掩模治具1形成有贯通孔13(参照图2)。该贯通孔13限制基材20的表面上的成膜区域。掩模治具1的具体的结构在之后进行说明。
＜成膜装置的动作＞
在图1所示的成膜装置100中，如箭头30所示，自气体供给部4经由配管6向喷枪2供给工作气体。作为工作气体，例如能够使用氮气、氦气、干燥空气或它们的混合物。工作气体的压力例如为1MPa左右。工作气体的流量例如为300L/分钟以上且500L/分钟以下。供给到喷枪主体部2a的第2端的工作气体被加热器2c加热。工作气体的加热温度能够根据成膜原料的组成而适当设定，例如能够设为100℃以上且500℃以下。工作气体自喷枪主体部2a向喷嘴2b流动。经由配管5自粉末供给部3向喷嘴2b如箭头32所示地供给作为成膜原料的粉末10。作为粉末10，例如能够使用镍粉末、锡粉末或锡粉末与锌粉末的混合材料。粉末10的粒径例如为1μm以上且50μm以下。
供给到喷嘴2b的粉末10与工作气体一起被自喷嘴2b的顶端朝向基材20喷射。在基材20的表面配置有掩模治具1。喷射出的粉末10经由掩模治具1的贯通孔13(参照图2)到达基材20的表面。在基材20的表面，形成将喷射出的粉末10作为原料的膜。
＜掩模治具的结构＞
图2是表示本实施方式的掩模治具的俯视示意图。图3是图2所示的掩模治具的侧面示意图。
图2和图3所示的掩模治具1是在作为喷镀法的一个例子的冷喷涂法中使用的掩模治具1，该掩模治具1具备主体部11。主体部11包括第1面11a和第2面11b。第2面11b位于与第1面11a相反的一侧。
在第2面11b形成有槽12。槽12的内周面包括倾斜面12a、12b。与槽12的延伸方向垂直的面上的该槽12的截面形状如图3所示呈字母V字状。在槽12的内部，在主体部11形成有自第1面11a到达第2面11b的贯通孔13。在一个槽12的内部隔开间隔地形成有两个贯通孔13。多个贯通孔13的数量可以是3个以上的任意的数量。作为槽12的内周面的一部分的倾斜面12a相对于第1面11a的倾斜角度θ1为30°以上且小于90°。作为槽12的内周面的一部分的倾斜面12b相对于第1面11a的倾斜角度θ2为30°以上且小于90°。倾斜面12a的倾斜角度θ1与倾斜面12b的倾斜角度θ2可以相同，也可以不同。第2面11b上的贯通孔13的开口端13a形成于作为第2面11b的一部分的倾斜面12a、12b。从不同的观点来看，贯通孔13在槽12的内周面上形成于包括最接近第1面11a的区域在内的底部12c。也就是说，贯通孔13的开口端13a形成于如下区域，该区域包括连接倾斜面12a和倾斜面12b的角部以及与该角部相邻的倾斜面12a的一部分和倾斜面12b的一部分。
构成掩模治具1的主体部11的材料能够采用任意的材料，例如能够应用不锈钢、钢、铜等金属、碳、氧化铝等陶瓷等。
＜作用效果＞
本公开的掩模治具1为在喷镀法中使用的掩模治具1，该掩模治具1具备主体部11。主体部11包括第1面11a和第2面11b。第2面11b位于与第1面11a相反的一侧。在主体部11形成有自第1面11a到达第2面11b的贯通孔13。第2面11b包括相对于第1面11a的倾斜角度θ1、θ2为30°以上且小于90°的倾斜面12a、12b。第2面11b上的贯通孔13的开口端13a形成于倾斜面12a、12b。
如此，能够在作为加工对象物的基材20表面上以第1面11a面向基材20的方式配置掩模治具1，利用喷镀法将作为成膜原料的粒子经由掩模治具1的贯通孔13向基材20的表面供给，实施成膜处理。此时，相比于掩模治具1的第2面11b平坦的情况，能够抑制掩模治具1的第2面11b上的成膜原料的沉积量。其结果，能够使使用掩模治具1对基材20进行成膜处理时的成膜条件长期稳定，因此，能够提高所形成的膜的膜质。而且，能够延长可使用掩模治具1连续地对基材20实施成膜处理的时间(连续使用时间)。
在此，倾斜角度θ1、θ2的上限小于90°，可以设为80°，但该上限优选设为60°。若倾斜角度θ1、θ2的上限为上述值，则能够使掩模治具1的加工变得容易而抑制该掩模治具1的制造成本，并且能够降低成膜原料相对于掩模治具1的附着量。倾斜角度θ1、θ2的下限为30°，可以设为40°，但优选将该下限设为45°。若倾斜角度θ1、θ2的下限为上述值，则能够充分地降低成膜原料相对于掩模治具1的附着量，能够延长掩模治具1的连续使用时间。
在上述掩模治具1中，也可以是，在第2面11b形成有至少一个槽12。槽12的截面形状可以呈字母V字状。倾斜面12a、12b可以是槽12的内周面。
该情况下，通过在第2面11b形成槽12，在该槽12的内部形成贯通孔13，能够容易地实现上述的掩模治具1。
在上述掩模治具1中，也可以是，贯通孔13在槽12的内周面上形成于包括最接近第1面11a的区域在内的底部12c。
在该情况下，相比于在掩模治具1中将贯通孔13形成于除底部12c以外的区域的情况，能够使贯通孔13的深度较浅。因此，能够提高经由贯通孔13形成于基材20的表面的成膜区域的形状精度。
本公开的成膜装置100具备喷枪2、粉末供给部3、气体供给部4、上述掩模治具1，该喷枪2包括喷嘴2b。粉末供给部3向喷枪2供给作为成膜原料的粉末。气体供给部4向喷枪2供给工作气体。掩模治具1配置于基材20与喷枪2之间。
在该情况下，通过使用上述的掩模治具1，能够抑制成膜原料相对于该掩模治具1的沉积，因此能够延长可连续地进行使用了掩模治具1的成膜工艺的时间。
＜掩模治具的变形例＞
图4是表示本实施方式的掩模治具1的第1变形例的俯视示意图。图5是图4所示的掩模治具1的侧面示意图。图6是表示本实施方式的掩模治具1的第2变形例的俯视示意图。图7是图6所示的掩模治具1的侧面示意图。
图4和图5所示的掩模治具1具备基本上与图2和图3所示的掩模治具1相同的结构，但在第2面11b形成有多个槽12方面以及在各个槽12形成有贯通孔13方面，与图2和图3所示的掩模治具1不同。在图4和图5所示的掩模治具1中，多个槽12以沿着第1方向(图4的上下方向)延伸的方式形成。多个槽12以沿着与第1方向正交的第2方向(图4的左右方向)并列的方式配置。在多个槽12的各个槽12形成有贯通孔13。如图4所示，形成于一个槽12的贯通孔13的数量为两个，但形成于一个槽12的贯通孔13的数量也可以设为3个以上的任意的数量。在图4的左右方向(第2方向)上，贯通孔13的配置排成一列，但在该左右方向上相邻的贯通孔13的位置也可以在上下方向(第1方向)上错开。贯通孔13形成于槽12的底部12c。多个贯通孔13的大小可以如图4所示那样相同，多个贯通孔13也可以包括不同大小的贯通孔13。
如图5所示，各槽12的倾斜面12a、12b的倾斜角度θ1、θ2可以在各槽12之间相同，也可以根据每个槽12而不同。
利用这样的结构的掩模治具1，能够得到与图2和图3所示的掩模治具1同样的效果。而且，在图4和图5所示的掩模治具1中，通过将多个槽12形成于第2面11b，能够容易地形成多个贯通孔13。因此，能够利用一次应用了冷喷涂法的成膜处理，在基材20的表面的多个部位进行成膜。
图6和图7所示的掩模治具1具备基本上与图2和图3所示的掩模治具1同样的结构，但在第2面11b形成有多个槽12方面和在各个槽12形成有贯通孔13方面以及槽12的内部的贯通孔13的配置方面，与图2和图3所示的掩模治具1不同。在图6和图7所示的掩模治具1中，两个槽12以相邻的方式形成。图6中位于左侧的贯通孔13形成于位于左侧的第1槽12的一个倾斜面12a。也就是说，该贯通孔13的开口端位于倾斜面12a内。
图6中位于中央的贯通孔13形成于两个槽12的分界区域。具体而言，该贯通孔13形成于如下分界区域，该分界区域包括位于左侧的第1槽12的倾斜面12b、位于右侧的第2槽12的倾斜面12a、第1槽12与第2槽12的分界部的一部分。图6中位于右侧的贯通孔13形成于位于右侧的第2槽12的一个倾斜面12b。也就是说，该贯通孔13的开口端位于倾斜面12b内。如图6所示，多个贯通孔13在作为槽12的延伸方向的第1方向上的位置互不相同。
利用这样的结构的掩模治具1，也能够得到与图2和图3所示的掩模治具1同样的效果。
此外，在上述的掩模治具1中，也可以在第2面11b的整个面形成多个槽12。或者，如图4至图7所示，也可以在第2面11b中与槽12的延伸方向正交的方向上的两端部形成有未形成槽12的平坦部。
另外，在上述的掩模治具1中，也可以是，形成贯通孔13的倾斜面12a、12b局部地包括曲面。另外，也可以是，倾斜面12a、12b在其整体上倾斜角度θ1、θ2一定，但也可以包括倾斜角度θ1、θ2局部不同的面。
＜成膜方法＞
图8是表示本实施方式的成膜方法的流程图。图8所示的成膜方法是使用图1～图3所示的掩模治具1和成膜装置100实施的成膜方法，该成膜方法主要具备准备工序(S10)、成膜工序(S20)、后处理工序(S30)。
在准备工序(S10)中，包括如图1所示以与基材20的表面相对的方式配置上述掩模治具1的工序。在该配置的工序中，以掩模治具1的第1面11a(参照图3)面向基材20的表面的方式配置掩模治具1。
在成膜工序(S20)中，经由掩模治具1的贯通孔13，使用成膜装置100并利用冷喷涂法向基材20的表面吹送作为成膜原料的粉末。其结果，在基材20的表面形成由成膜原料构成的膜。
在后处理工序(S30)中，自基材20的表面上去除掩模治具1。之后，实施对基材20进行的加工等必要的处理。由此，能够在基材20的表面形成膜。
在上述的成膜方法中，使用本实施方式的掩模治具1，因此能够降低成膜原料相对于该掩模治具1的附着量，因此能够延长可连续地实施成膜工序(S20)的时间。或者，通过使用上述掩模治具1，能够增加可重复使用该掩模治具1的次数。
实施例
以下，说明用于确认本公开的掩模治具的效果的实施例。
＜试样＞
准备图4和图5所示的结构的、且倾斜角度θ1、θ2分别根据每个试样而不同的掩模治具的试样。具体而言，准备倾斜角度θ1、θ2为15°、30°、45°的试样1、试样2、试样3。另外，作为试样4，还准备未形成槽的平板状的掩模治具。各试样的材质为不锈钢SUS304。各试样的平面形状为四边形状，其尺寸设为横42mm×纵30mm×厚3mm。贯通孔的直径设为3mm。
在试样1中，以沿着俯视时的纵向(短边方向)延伸的方式形成两个槽。在试样2和试样3中，以沿着俯视时的纵向(短边方向)延伸的方式形成3个槽。在各个槽的底部形成两个贯通孔。在试样4中，形成3组与试样3同样地沿着纵向排列的两个贯通孔的组。
＜成膜工艺＞
使用上述的试样1～试样4，利用冷喷涂法在基材表面形成膜。作为成膜原料，使用由铝构成的粉末。该铝粉末的形状为球状，直径设为10μm。基材的材料设为氧化铝(Al2O3)。基材的形状的平面形状设为四边形状的板状。基材的尺寸设为横42mm×纵30mm×厚3mm。
作为成膜条件，使用干燥空气作为工作气体，将工作气体的温度设为270℃，将工作气体的流量设为400升/分钟，将工作气体的压力设为大约0.8MPa。自成膜装置相对于掩模治具的表面喷射成膜原料的区域的宽度设为5mm。另外，在掩模治具的表面上，将在以包括形成有贯通孔的区域在内的方式喷射成膜原料的区域移动的速度(扫描速度)设为5mm/秒。掩模治具的表面上的成膜范围(喷射成膜原料的区域)的尺寸设为宽5mm×长30mm。在各试样中，以包括一组在纵向上排列的两个贯通孔的方式，设定上述的成膜范围，在该成膜范围形成仅喷射一次成膜原料的区域1。另外，以包括一组另两个贯通孔的方式，设定上述的成膜范围，在该成膜范围形成喷射5次成膜原料的区域2。
利用上述的条件，使用各试样1～4在基材表面形成了膜之后，在各试样1～4的区域2，测量附着于表面的成膜原料的重量(附着量)。另外，测量经由各试样1～4的区域1形成于基材的表面的膜的膜厚。
＜结果＞
各试样的区域2中的附着量：
试样1的附着量为142.9mg，试样2的附着量为60.9mg，试样3的附着量为35.4mg，试样4的附着量为141.9mg。如此，倾斜角度θ1、θ2为15°的试样1与平板状的试样4(倾斜角度θ1、θ2为0°)的附着量大致相等。另一方面，对于倾斜角度θ1、θ2为30°、45°的试样2、试样3，相比于试样1和试样4，附着量较大程度地减少。另外，倾斜角度θ1、θ2相比于试样2而相对地变大的试样3的附着量少于试样2的附着量。该结果表明，在本公开的掩模治具中，能够降低成膜原料的附着量。
经由各试样的区域1形成于基材的表面的膜的膜厚：
使用试样1成膜的基材上的膜厚为73μm，使用试样2成膜的基材上的膜厚为76μm，使用试样3成膜的基材上的膜厚为86μm，使用试样4成膜的基材上的膜厚为44μm。如此表明，在使用本公开的掩模治具对基材进行成膜的情况下，与以往相比，能够增厚在相同的条件下形成的膜的膜厚。
应该认为，此次公开的实施方式在所有方面为例示，而并非限制。在不矛盾的范围内，也可以将此次公开的实施方式中的至少两者组合。本公开的基本的范围不是由上述的说明表示，而是由权利要求书表示，意图在于包括与权利要求等同的意义和范围内的所有变更。
附图标记说明
1、掩模治具；2、喷枪；2a、喷枪主体部；2b、喷嘴；2c、加热器；3、粉末供给部；4、气体供给部；5、6、配管；7、阀；8、压力传感器；9、温度传感器；10、粉末；11、主体部；11a、第1面；11b、第2面；12、槽；12a、12b、倾斜面；12c、底部；13、贯通孔；13a、开口端；20、基材；30、31、32、箭头；100、成膜装置。

Claims (6)

1.一种掩模治具，在喷镀法中使用该掩模治具，其中，
该掩模治具具备主体部，该主体部包括第1面和位于与所述第1面相反的一侧的第2面，
在所述主体部形成有自所述第1面到达所述第2面的贯通孔，
所述第2面包括相对于所述第1面的倾斜角度为30°以上且小于90°的倾斜面，
所述第2面中的所述贯通孔的开口端形成于所述倾斜面。
2.根据权利要求1所述的掩模治具，其中，
在所述第2面至少形成有一个槽，
所述槽的截面形状呈字母V字状，
所述倾斜面为所述槽的内周面。
3.根据权利要求2所述的掩模治具，其中，
多个所述槽以沿第1方向延伸的方式形成于所述第2面，并且多个所述槽以沿着与所述第1方向正交的第2方向排列的方式配置于所述第2面。
4.根据权利要求2或3所述的掩模治具，其中，
所述贯通孔在所述槽的所述内周面中形成于包括最接近所述第1面的区域在内的底部。
5.一种成膜方法，其中，
该成膜方法包括以与基材的表面相对的方式配置权利要求1所述的掩模治具的工序，
在所述配置的工序中，以所述掩模治具的所述第1面面向所述基材的所述表面的方式配置所述掩模治具，而且，
该成膜方法还包括经由所述掩模治具的所述贯通孔利用冷喷涂法向所述基材的所述表面吹送作为成膜原料的粉末的工序。
6.一种成膜装置，其中，
该成膜装置具备：
喷枪，其包括喷嘴；
粉末供给部，其向所述喷枪供给作为成膜原料的粉末；
气体供给部，其向所述喷枪供给工作气体；以及
掩模治具，其为权利要求1所述的掩模治具，配置于基材与喷枪之间。
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