JP2003119574A - 複合構造物とその製造方法および複合構造物形成用脆性材料粒子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 脆性材料粒子を高速で基板に衝突させ、この
衝突により、基板上に脆性材料構造物を形成させる複合
構造物の形成に関する不具合を解消してエッチングによ
る欠損部分をなくし、また構造物の形成速度の向上が可
能となる脆性材料微粒子およびこれを用いて作製された
脆性材料構造物とその製造方法を提供する 【解決手段】 原料の脆性材料粒子粉体に熱や熱風等を
加える方法によりそれに含まれる水分の量を抑制するこ
とで、その水分量を０．４５％以下あるいは０．４０％
以下としたことにより原料粉体の凝集が少なく安定した
エアロゾルが得られ、その発生量も制御し易くした。水
分量０．４５％以下になると構造物の形成が可能で、か
つエッチング等による構造物の剥離も見られにくくな
り、均質な性状の膜を得る事が出来る。更に望ましくは
水分量０．４０％以下においては均質な性状の構造物を
より速い形成速度で得る事が出来る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、脆性材料粒子を高
速で基板に衝突させ、この衝突により、基板上に脆性材
料構造物を形成させる複合構造物とその製造方法、並び
にこの複合構造物の形成に用いられる脆性材料粒子に関
する。

【０００２】

【従来の技術】脆性材料粒子を高速で基板に衝突させ、
この衝突により、基板上に脆性材料構造物を形成させる
構造物の製造方法には、脆性材料粒子をガス中に分散さ
せたエアロゾルを加速させ、ノズルより基板材料に向け
て噴射させる方法である微粒子ビーム堆積法あるいはエ
アロゾルデポジション法と呼ばれる手法があり、特開平
１１−２１６７７号公報、特開２０００−２１２７６６
号公報に開示されるものが知られている。特開平１１−
２１６７７号公報に開示される技術は、前記した超微粒
子を含むエアロゾルを搬送する際あるいはセラミックス
などを加熱蒸発させる際に、超微粒子同士が凝集して大
きな粒子となるのを防止するために、中間の経路に分級
装置を配置するようにしている。特開２０００−２１２
７６６号公報は、粒径が１０ｎｍから５μｍの範囲にあ
るセラミックスなどの超微粒子をガスに分散させてエア
ロゾルとした後、ノズルより高速の超微粒子流として基
板に向けて噴射して堆積物を形成させる。このときに超
微粒子や基板に、イオン、原子、分子ビームや低温プラ
ズマなどの高エネルギー原子などを照射して作製される
構造物を強固なものとする工夫がなされている。

【０００３】

【発明を解決するための課題】まず脆性材料粒子より脆
性材料構造物を形成させるエアロゾルデポジション法に
ついて説明する。延展性を持たない脆性材料（セラミッ
クス）に機械的衝撃力を付加すると、結晶子同士の界面
などの劈開面に沿って結晶格子のずれを生じたり、ある
いは破砕される。そして、これらの現象が起こると、ず
れ面や破面には、もともと内部に存在し別の原子と結合
していた原子が剥き出しの状態となり新生面が形成され
る。この新生面の原子一層の部分は、もともと安定した
原子結合状態から外力により強制的に不安定な表面状態
に晒され、表面エネルギーが高い状態となり、この活性
面が隣接した脆性材料表面や同じく隣接した脆性材料の
新生面あるいは基板表面と接合して安定状態に移行す
る。外部からの連続した機械的衝撃力の付加は、この現
象を継続的に発生させ、微粒子の変形、破砕などの繰り
返しにより接合の進展、緻密化が行われ、脆性材料構造
物が形成される。この際の機械的衝撃力の付与手段とし
てガス中に脆性材料粒子を分散させたエアロゾルを基材
に向けて高速で噴射させて衝突させ、基材表面上で上述
した構造物形成を起こさしめ、基材と脆性材料構造物か
らなる複合構造物を形成させる方法がエアロゾルデポジ
ション法である。

【０００４】しかしながら、従来のエアロゾルデポジシ
ョン法においては，原料に用いる粉体が大気中に含まれ
る水分を多量に吸着すると粉体同士が凝集してしまうな
どして良好なエアロゾルの発生が困難となるという問題
があった。すなわちエアロゾル中に凝集粒（二次粒子あ
るいはこれ以上に大きな固まり）が含まれるとその凝集
粒が基板に衝突する際に既に形成されていた構造物を削
ってしまうエッチングという不具合が生じていた。ま
た、凝集粒などによりエアロゾル濃度が不安定になると
均一な性状の構造物を得る事が困難となるという問題が
あった。更に、良好なエアロゾルを得られないとエアロ
ゾル中の一次粒子が減少し、場合によっては構造物形成
ができないなどの問題があった。本発明では，上記問題
を解決して、構造物の形成に関する不具合を解消してエ
ッチングによる欠損部分をなくし、また構造物の形成速
度の向上が可能となる脆性材料微粒子およびこれを用い
て作製された脆性材料構造物とその製造方法を提供する
ことを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明では、その一実施
態様においては、水分量が０．４５％以下の脆性材料粒
子を高速で基板に衝突させ、この衝突により、基板上に
脆性材料からなる構造物を形成させることを特徴とする
複合構造物の製造方法を提供する。

【０００６】また本発明では、その一実施態様において
は、水分量が０．４０％以下の脆性材料粒子を高速で基
板に衝突させ、この衝突により、基板上に脆性材料から
なる構造物を形成させることを特徴とする複合構造物の
製造方法を提供する。

【０００７】本発明の好ましい実施態様においては、前
記脆性材料粒子を高速で基板に衝突させる方法は、脆性
材料粒子をガス中に分散させたエアロゾルを、高速で基
板材料に向けて噴射する方法であることを特徴とする。

【０００８】また本発明では、上述の方法を用いて作製
された基板と脆性材料の構造物からなる複合構造物を提
供し、好ましくは脆性材料からなる構造物の相対密度が
８０％以上であり、好ましくは脆性材料からなる構造物
のビッカース硬度が５００以上とする。

【０００９】また本発明では前記脆性材料からなる構造
物を形成するための脆性材料粒子を提供し、好ましくは
その粒子径は平均粒径０．１〜５μｍであることを特徴
とする。

【００１０】構造物粉体の水分量の多少は、機械的衝撃
力を加えたときに構造物ができやすいか否かに関係し、
水分量がある程度少ない場合になって良好な構造物形成
が行われる。特に機械的衝撃力の付加手段としてエアロ
ゾルデポジション法を用いる場合においては、エアロゾ
ル中の粉体の凝集等を抑制して一次粒子が多く存在し濃
度も一定の良好なエアロゾルを発生させることが出来、
このエアロゾルの基板への衝突が構造物が順調に形成さ
れるための条件となりまたその形成速度を上昇させる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に、本発明につき、より詳述
する。まず、本発明により粉体の水分量を制御すること
で構造物の形成が可能となる、あるいは形成速度が上昇
する理由につき説明する。それは、本発明の構造物の形
成に用いられる脆性材料粒子が水分を多く有する場合で
は、粒子同士の凝集などによりエアロゾルの発生が困難
となることが考えられる。すなわちエアロゾルの発生が
少なくなったり不安定になれば構造物の形成が不可能と
なったり、構造物の形成速度が低下することとなる。ま
た凝集粒を多く含むエアロゾルを使用した場合、構造物
形成時に順調に形成されていく構造物にこの凝集粒がア
タックしてエッチングを引き起こしたり、構造物中に取
り込まれて構造物の強度を脆弱化させるなどの不具合を
起こす。エッチングは構造物の形成速度を低下させる一
つの要因であるばかりか、構造物の部分的欠損を引き起
こすため不良品率を上昇させる大きな要因となる。

【００１２】本発明で構造物の形成が可能となったり、
その形成速度を上昇させることができた理由は、原料の
脆性材料粒子粉体に熱や熱風等を加える方法によりそれ
に含まれる水分の量を抑制することで、その水分量を
０．４５％以下あるいは０．４０％以下としたことによ
り原料粉体の凝集が少なく安定したエアロゾルが得ら
れ、その発生量も制御し易くしたことである。ここで言
う熱や熱風を加える方法としては具体的に乾燥機やドラ
イヤー等を用いることが考えられる。

【００１３】次に、以下に本発明の請求項に使用されて
いる語につき説明する。本発明においての「脆性材料」
とは、例えば、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化亜
鉛、酸化錫、酸化鉄、酸化ジルコニウム、酸化イットリ
ウム、酸化クロム、酸化ハフニウム、酸化ベリリウム、
酸化マグネシウム、酸化珪素等の単一金属の酸化物や、
チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸リチウム、チ
タン酸ストロンチウム、チタン酸アルミニウム、ＰＺ
Ｔ、ＰＬＺＴ、ニッケルフェライト、マンガンフェライ
ト、マンガンジンクフェライト、超伝導材料等の複合金
属酸化物などの金属酸化物、ダイヤモンド、炭化硼素、
炭化珪素、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化バナジ
ウム、炭化ニオブ、炭化クロム、炭化タングステン、炭
化モリブデン、炭化タンタルなどの炭化物、窒化硼素、
窒化チタン、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化ニオ
ブ、窒化タンタルなどの窒化物、硼素、硼化アルミニウ
ム、硼化珪素、硼化チタン、硼化ジルコニウム、硼化バ
ナジウム、硼化ニオブ、硼化タンタル、硼化クロム、硼
化モリブデン、硼化タングステンなどの硼化物、あるい
はこれらの混合物や多元系の固溶体などを示す。

【００１４】また、「水分量」とは３００℃の乾燥機中に
２４時間放置した原料粉体の水分量を基準として、構造
物の形成に使用する粉体が含んでいる水分の量を重量パ
ーセント示したものであり、測定にはケツト科学研究所
の微量水分計ＦＭ−３００を用い、外気を遮断した閉鎖
系の中で粉体約１ｇを３００℃に加熱して含有する水分
を蒸発させて吸着剤に選択吸着させ、その水分の質量を
測定して水分量を求めた。

【００１５】また、「高速」とは例えばエアロゾルデポジ
ション法において実施例２で説明する方法で測定した値
において、５０〜５００ｍ／ｓ、好ましくは１００〜４
５０ｍ／ｓ、より好ましくは１５０〜４００ｍ／ｓのこ
とを指す。

【００１６】また、「ガス」とはここでは窒素ガスを用い
ている。ほかには乾燥空気、ヘリウム、酸素、アルゴ
ン、水素やこれらの混合ガスなどが挙げられる。

【００１７】また、「構造物の形成速度」とは単位時間あ
たり単位面積における構造物の膜厚すなわち形成高さを
日本真空技術株式会社製触針式表面形状測定器Ｄｅｋｔ
ａｋ３０３０を用いて測定することにより、算出した。

【００１８】また、「構造物の相対密度」は、本発明記
載の構造物についての嵩密度として、アルキメデス法
（構造物の乾燥重量：Ｗ１、水中での重量：Ｗ２、飽水
の重量：Ｗ３から算出）にて測定算出した。その値をＭ
Ｏｘの真比重にて割り、％にて表示した。また複合構造
物を液体窒素中に浸積し、基材から剥離した構造物の嵩
密度を測定した。

【００１９】また、「構造物のビッカース硬度」は、膜
の硬度は、島津製作所製ダイナミック超微小硬度計ＤＵ
Ｈ−Ｗ２０１を用いてビッカース圧子を５０ｇの荷重で
１５秒間印加し求めた結果を，５点測定行い平均値を求
めた。

【００２０】「平均粒径０．１〜５μｍ」であること
は、島津製作所製のレーザー式沈降型粒度分布測定器Ｓ
ＡＬＤ−２０００による測定に基づく。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。まず複合構造物作製装置の態
様について述べる。エアロゾルデポジション法による複
合構造物の形成を行う際に使用する典型的な複合構造物
作製装置の構成とその作用は次のとおりである。図１は
複合構造物作製装置１を示したものであり、窒素ガスボ
ンベ１０１の先にガス搬送管１０２を介してエアロゾル
発生器１０３が設置され、その下流側にエアロゾル搬送
管１０４を介して構造物形成室１０５内にノズル１０６
が設置されている。エアロゾル発生器１０３内には脆性
材料微粒子例えば酸化アルミニウム微粒子粉体が充填さ
れている。ノズル１０６の開口の先には真鍮の基板１０
７が配置され、基板１０７はＸＹステージ１０８に固定
されている。構造物形成室１０５は真空ポンプ１０９と
接続されている。

【００２２】以下に複合構造物作製装置１の作用を述べ
る。窒素ガスボンベ１０１を開栓し、ガスをエアロゾル
発生器１０３内に送り込み、同時にエアロゾル発生器１
０３を運転させて脆性材料微粒子と窒素ガスが適当比で
混合されたエアロゾルを発生させる。また真空ポンプ１
０９を稼動させ、エアロゾル発生器１０３と構造物形成
室１０５の間に差圧を生じさせる。このエアロゾルをエ
アロゾル搬送管１０４を通して加速させ、ノズル１０６
より基板１０７に向けて噴射する。基板１０７はＸＹス
テージ１０８により揺動され、エアロゾル衝突位置を変
化させつつ、微粒子の衝突により基板１０７上に膜状の
脆性材料構造物が形成されていく。ノズル１０６と基板
１０７を相対的に移動させることにより必要面積に脆性
材料構造物を形成させる。

【００２３】

【実施例】（実施例１）本発明に基づく複合構造物作製
に使用する複合構造物形成用脆性材料粒子につき、実施
例をあげて説明する。複合構造物形成用脆性材料粒子で
ある微粒子粉体サンプルとして平均粒径０．６μｍの酸
化アルミニウム微粒子を用いた。この酸化アルミニウム
微粒子を温度、湿度を制御する事でその粉体に含まれる
水分量の異なる微粒子粉体サンプルを作製した。具体的
には、酸化アルミニウム微粒子粉体約１００ｇを室温放
置すなわち２５℃湿度８０％、５０℃２４時間乾燥、１
００℃２４時間乾燥、１５０℃２４時間乾燥、２００℃
２４時間乾燥の各条件で作製した。それぞれの水分量は
０．５０％、０．４５％、０．４０％、０．３０％、
０．２３％であった。また、酸化アルミニウム微粒子粉
体をさらに多湿の環境で放置することにより水分量は１
０％、５％の微粒子粉体サンプルも作製した。

【００２４】これらの粉体サンプルを使用して、上述し
た複合構造物作製装置に相当する装置にてエアロゾルデ
ポジション法により金属基板上に酸化アルミニウム構造
物の形成を試みた。使用したガスは超高純度窒素であ
り、ガス流量は毎分５リットルとした。得られた構造物
に関して、以下に酸化アルミニウム粉体中の水分量とエ
アロゾルデポジション法による構造物形成速度について
の結果を述べる。図２は酸化アルミニウム粉体中の水分
量と構造物形成速度との関係を示したグラフである。図
２より、水分量０．５０％以下になると構造物の形成が
可能となる事が分かる。しかしながら、水分量０．５０
％の粉体を用いた構造物では、エアロゾル中に含まれる
凝集粒が多いためにエッチングが起こりやすく、構造物
形成は可能なものの、構造物は部分的に剥離や欠損が起
こっておりその性状は均質でない。水分量０．４５％以
下になると構造物の形成が可能で、かつエッチング等に
よる構造物の剥離も見られにくくなり、均質な性状の膜
を得る事が出来る。更に望ましくは水分量０．４０％以
下においては均質な性状の構造物をより速い形成速度で
得る事が出来ることが分かる。

【００２５】（実施例２）前記した粒子の速度の測定に
は次の方法を用いた。図３に粒子速度測定装置を示す。
図示しないチャンバー内にエアロゾルを噴射するノズル
２１が開口を上に向けて設置され、その先にモーターに
よって回転運動する回転羽根２２の先に設置された基板
２３およびその基板表面から１９ｍｍ下に離れて固定さ
れた幅０．５ｍｍの切りかきをもつスリット２４を有す
る粒子速度測定装置２を配置する。ノズル２１の開口か
ら基板表面までの距離は２４ｍｍである。

【００２６】次に粒子速度測定方法を記す。エアロゾル
の噴射は、実際の複合構造物作製方法に準じて行う。構
造物形成装置内で構造物を形成する基板の代わりに、図
の粒子速度測定装置２を設置して行うことが好適であ
る。図示しないチャンバーを減圧下におき、数Torr以下
の圧力としたのちにノズル２１から粒子を含むエアロゾ
ルが噴射させ、この状態で粒子速度測定装置２を一定回
転速度で運転させる。ノズル２１の開口から飛び出した
粒子は、基板２３がノズル２１の上部に来た際にその一
部がスリット２４の切りかきの隙間を通過して基板表面
に衝突し、基板２３上に構造物（衝突痕）を形成する。
粒子がスリットから１９ｍｍ離れた基板表面に到達する
間に基板２３は回転羽根２２の回転によって位置を変化
させているため、基板２３上におけるスリット２４の切
りかきからの垂線交差位置よりその変位量分ずれた位置
に衝突する。この垂線交差位置から衝突して形成された
構造物までの距離を表面凹凸測定により計測し、この距
離およびスリット２４と基板表面からの距離、回転羽根
２２の回転速度の値を用いて、ノズル２１から噴射され
た粒子の速度としては、ノズル２１の開口から５ｍｍ離
れた場所から２４ｍｍ離れた場所までの平均速度を算出
し、これを本件における粒子の速度とした。

【００２７】

【本発明の効果】本発明によれば、脆性材料粒子に含ま
れる水分量を０．４５％以下とすることで構造物の形成
に関する不具合であるエッチングによる欠損部分をなく
し、さらに０．４０％以下にすることで構造物の形成速
度の向上が可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】 複合構造物作製装置１を示す模式図

【図２】 酸化アルミニウム粉体中の水分量と構造物形
成速度との関係図

【図３】 粒子速度測定装置

【符号の説明】

１…複合構造物作製装置 １０１…窒素ガスボンベ １０２…ガス搬送管 １０３…エアロゾル発生器 １０４…エアロゾル搬送管 １０５…構造物形成室 １０６…ノズル １０７…基板 １０８…ＸＹステージ １０９…真空ポンプ

フロントページの続き (72)発明者 清原 正勝 福岡県北九州市小倉北区中島２丁目１番１ 号 東陶機器株式会社内 (72)発明者 森 勝彦 福岡県北九州市小倉北区中島２丁目１番１ 号 東陶機器株式会社内 (72)発明者 横山 達郎 福岡県北九州市小倉北区中島２丁目１番１ 号 東陶機器株式会社内 (72)発明者 吉田 篤史 福岡県北九州市小倉北区中島２丁目１番１ 号 東陶機器株式会社内 (72)発明者 伊藤 朋和 福岡県北九州市小倉北区中島２丁目１番１ 号 東陶機器株式会社内 (72)発明者 安田 基 福岡県北九州市小倉北区中島２丁目１番１ 号 東陶機器株式会社内 (72)発明者 辻道 万也 福岡県北九州市小倉北区中島２丁目１番１ 号 東陶機器株式会社内 (72)発明者 山口 香緒里 福岡県北九州市小倉北区中島２丁目１番１ 号 東陶機器株式会社内 (72)発明者 明渡 純 茨城県つくば市東１−１−１ 独立行政法 人 産業技術総合研究所 つくばセンター 内 Ｆターム(参考） 4K044 AA06 AB05 BA12 BA13 BA18 BB01 BC06 CA23 CA29 CA53

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水分量が０．４５％以下の脆性材料粒子
   を高速で基板に衝突させ、この衝突により、基板上に脆
   性材料からなる構造物を形成させることを特徴とする複
   合構造物の製造方法。
2. 【請求項２】 水分量が０．４０％以下の脆性材料粒子
   を高速で基板に衝突させ、この衝突により、基板上に脆
   性材料からなる構造物を形成させることを特徴とする複
   合構造物の製造方法。
3. 【請求項３】 前記脆性材料粒子を高速で基板に衝突さ
   せる方法は、前記脆性材料粒子をガス中に分散させたエ
   アロゾルを、高速で基板材料に向けて噴射する方法であ
   ることを特徴とする請求項１または２に記載の複合構造
   物の製造方法。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３の製造方法によって作製
   されることを特徴とする複合構造物。
5. 【請求項５】 前記脆性材料からなる構造物の相対密度
   が８０％以上であることを特徴とする請求項４に記載の
   複合構造物。
6. 【請求項６】 前記脆性材料からなる構造物のビッカー
   ス硬度が５００以上であることを特徴とする請求項４又
   は５に記載の複合構造物。
7. 【請求項７】 請求項４乃至６に記載の脆性材料からな
   る構造物を形成するための脆性材料粒子であって、水分
   量が０．４５％以下であることを特徴とする複合構造物
   形成用脆性材料粒子。
8. 【請求項８】 請求項４乃至６に記載の脆性材料からな
   る構造物を形成するための脆性材料粒子であって、水分
   量が０．４０％以下であることを特徴とする複合構造物
   形成用脆性材料粒子。
9. 【請求項９】 請求項７又は８に記載の脆性材料粒子で
   あって、その粒子径は平均粒径０．１〜５μｍであるこ
   とを特徴とする複合構造物形成用脆性材料粒子。