JP2003119575A

JP2003119575A - 複合構造物の形成方法及び複合構造物形成装置

Info

Publication number: JP2003119575A
Application number: JP2001314444A
Authority: JP
Inventors: Hironori Hatono; 広典鳩野; Masakatsu Kiyohara; 正勝清原; Katsuhiko Mori; 勝彦森; Tatsuro Yokoyama; 達郎横山; Tomokazu Ito; 朋和伊藤; Atsushi Yoshida; 篤史吉田; Motoi Yasuda; 基安田; Kazuya Tsujimichi; 万也辻道; Kaori Yamaguchi; 香緒里山口; Jun Aketo; 純明渡
Original assignee: Toto Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: Toto Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2001-10-11
Filing date: 2001-10-11
Publication date: 2003-04-23

Abstract

(57)【要約】【課題】噴射開始直後の速度及び濃度の不安定な微粒
子を排除できる遮断板を提供する。【解決手段】ノズル１０７と支持台１０９の間に遮断
板１１２を設置し、この遮断板１１２はステージ１１３
を動かすことによって必要に応じて挿入可能である。噴
射開始直後の速度及び濃度が不安定な微粒子ビームは一
旦遮断板１１２によって遮られ、安定な状態に移行して
から遮断板を移動させ基板１０８に吹き付けられる。こ
れによって、安定した微粒子ビームのみを基板に噴射す
ることが可能になり、均一かつ損傷のない構造物を形成
することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の技術分野】本発明は、脆性材料、金属材料ある
いは有機化合物の微粒子を基板に高速で衝突させて基板
上にこれらの構造物を形成する複合構造物形成方法およ
び複合構造物形成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】超微粒子材料をノズルから基材に向けて
吹き付け堆積物を作製する方法としては、従来ガスデポ
ジション法（加集誠一郎：金属１９８９年１月号）な
どが提案されている。これは金属やセラミックス等の超
微粒子をガス攪拌にてエアロゾル化し、微小なノズルを
通して加速せしめ、基材表面に超微粒子の圧粉体層を形
成させ、これを加熱して焼成させることにより被膜を形
成する方法である。

【０００３】金属系のガスデポジション法に関して、吹
き付ける超微粒子のエアロゾルの流れを遮断する方法
が、特開平５−４４０１９号公報に開示されている。こ
のガスデポジション装置は、搬送管途中にシャッターを
設け、該シャッターよりも上流側に回送管を設け、更に
シャッターより下流側の前記搬送管にガス導入管が接続
される構成となっている。キャリアガスを停止する際
は、搬送管内に残存した粒子をキャリアガスとともに回
送管に回送し、シャッターより下流側の搬送管内にガス
を導入することで、下流側の搬送管内の粒子を排出する
ようにしている。これによって搬送管やシャッター内に
粒子の沈降物が付着してこれらを閉塞することがなく、
シャッターを再度開放した際、搬送管内を粒子が円滑に
搬送されて均一で裾引きの少ない膜を形成することが可
能となっている。

【０００４】一方で基材上に脆性材料の薄膜若しくは厚
膜などの構造物を形成する方法として、例えば本発明者
らが提案した特開２０００―２１２７６６公報に記載さ
れているような脆性材料微粒子を用いた方法がある。こ
の方法は、粒径が数ｎm〜数十μmの微粒子（前記先行技
術と異なり加熱蒸発させて得たものではない）を搬送ガ
スを用いて高速で基板に衝突させる手法で、微粒子を含
む搬送ガス（これをエアロゾルと呼ぶ）に、イオンビー
ム、原子ビーム、分子ビームあるいは低温プラズマなど
を照射することにより、微粒子を溶融せしめることなく
活性化し、この状態のままノズルより高速噴出させて高
速で基板に直接吹き付けることで、微粒子相互の結合を
促進するようにしたものである。この方法によって得ら
れた構造物は緻密で良好な膜物性を持ち、基材への良好
な密着性を有する。この方法をここでは微粒子ビーム堆
積法（Fine particles beam deposition method）若し
くはエアロゾルデポジション法（Aerosol deposition m
ethod）と呼ぶこととする。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述の特開平５−４４
０１９号公報に記載されている様に、金属系のガスデポ
ジション法においては、バルブ操作によって配管内に残
存した凝集粒は回避できる。しかし、バルブ操作直後は
瞬間的にエアロゾルの濃度が不安定になるのは必須であ
る。噴射開始直後から、基板若しくはノズルを相対的に
移動させつつ超微粒子を基板上に堆積させる場合は、こ
の状態のエアロゾルが噴射されてしまうことで、不均一
な膜性状の堆積物が形成されるといった不具合が生じる
ため、この方法では上記の課題を回避するには不十分で
あった。

【０００６】一方で、セラミックス系のエアロゾルデポ
ジション法に関しては、エアロゾル中の微粒子の速度が
膜性状に大きな影響を与える。上述の特開平５−４４０
１９号公報記載の方法を適用した場合、金属系と同様に
バルブ操作直後のエアロゾル流速も不安定な状態とな
る。特にセラミックス微粒子の粒径が数百ｎｍから数μ
ｍレベルである場合は、不安定なキャリアガス流速に追
随できないため、微粒子は加速されにくい。この状態の
エアロゾルが基板に噴射されると、微粒子がもつ速度が
不十分なために、圧粉体（粒子間に化学結合を有さず、
圧力によって押し固められた状態）からなる堆積物を形
成したり、それが構造物に含まれることによって、密度
が上がらなかったり、構造物が脆弱になるといった問題
があった。

【０００７】セラミックス材料の場合、これらを回避す
るため、予め基材以外の箇所、例えば基材を支持する支
持台などに、エアロゾル中の微粒子速度及び濃度が安定
するまで吹き付けることも考えられるが、この場合でも
微粒子が基材以外の箇所で反射して、間接的に基材表面
に付着してしまうといった問題が生じた。間接的に基材
表面に付着した微粒子は、基材との結合力が弱く、これ
が構造物に内包されることで、構造物の機械強度が著し
く低下し、剥離、割れといった不具合を引き起こした。

【０００８】

【課題を解決しようとする手段】すなわち本発明では上
記課題を解決すべく、本発明では、微粒子を含むエアロ
ゾルをノズルから支持台に支持された基材に向けて噴射
させて前記基材表面に前記微粒子の構成材料からなる構
造物を形成させる複合構造物形成方法において、前記ノ
ズルと前記支持台との間に介在可能な遮断手段を設け、
前記遮断手段は少なくとも噴射直後には、前記基材表面
に前記エアロゾルが到達しないように前記ノズルと前記
支持台を遮断する位置にあることを特徴とする複合構造
物形成方法を提供するものである。

【０００９】また、本発明では、微粒子を含むエアロゾ
ルをノズルから支持台に支持された基材に向けて噴射さ
せて前記基材表面に前記微粒子の構成材料からなる構造
物を形成させる複合構造物形成方法において、前記ノズ
ルと前記支持台との間に介在可能な遮断手段を設け、前
記遮断手段は、前記エアロゾルの濃度及び速度が定常状
態になるまでは、前記基材表面に前記エアロゾルが到達
しないように前記ノズルと前記支持台を遮断する位置に
あることを特徴とする複合構造物形成方法を提供するも
のである。

【００１０】また、本発明では、微粒子をノズルから基
材に向けて噴射させて前記基材表面に前記微粒子の構成
材料からなる構造物を形成させる複合構造物形成方法に
おいて、前記基材を支持する支持台と、微粒子を含むエ
アロゾルを発生するエアロゾル発生器と、前記ノズル
と、このノズルに前記エアロゾル発生器で発生したエア
ロゾルを供給する搬送手段と、前記ノズルと前記支持台
との間に介在可能な遮断手段とを備え、前記遮断手段は
少なくとも噴射直後には、前記基材表面に前記エアロゾ
ルが到達しないように前記ノズルと前記支持台を遮断す
る位置にあることを特徴とする複合構造物形成装置を提
供するものである。

【００１１】また、本発明では、微粒子をノズルから基
材に向けて噴射させて前記基材表面に前記微粒子の構成
材料からなる構造物を形成させる複合構造物形成装置に
おいて、前記基材を支持する支持台と、微粒子を含むエ
アロゾルを発生するエアロゾル発生器と、前記ノズル
と、このノズルに前記エアロゾル発生器で発生したエア
ロゾルを供給する搬送手段と、前記ノズルと前記支持台
との間に介在可能な遮断手段とを備え、前記遮断手段
は、前記エアロゾルの濃度及び速度が定常状態になるま
では、前記基材表面に前記エアロゾルが到達しないよう
に前記ノズルと前記支持台を遮断する位置にあることを
特徴とする複合構造物形成装置を提供するものである。

【００１２】これらの装置及び方法は、微粒子ビーム噴
射開始直後の速度の遅い微粒子を含むエアロゾルを排除
し、圧粉体や密着性の低い構造物の形成を防ぐことが可
能になり好適である。また配管内に残存した微粒子の凝
集体の突発的な噴射や、不安定な微粒子濃度のエアロゾ
ルの噴射を回避することが可能になり、堆積物の形状が
不均一になるといった問題が解消できる。

【００１３】また、これらの装置及び方法によれば、エ
アロゾルを連続噴射しつつ、微粒子の基板表面への到達
を避けることができるため、支持台などに衝突し、反射
した微粒子が間接的に基材表面に付着することを防ぐこ
とが可能となり、構造物の剥離、割れといった不具合を
改善できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下にエアロゾルデポジション法
の原理、及び作用について説明する。セラミックスは自
由電子をほとんど持たない共有結合性あるいはイオン結
合性が強い原子結合状態にある。それゆえ硬度は高いが
衝撃に弱い。従ってこれらの脆性材料に機械的衝撃力を
印加した場合、例えば結晶同士の界面などの劈開面にそ
って結晶格子のずれを生じたり、あるいは破砕されたり
などする。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、すなわち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
される。すなわち表面エネルギーが高い状態となる。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、それによって形成された構
造物の緻密化が行われる。このようにして脆性材料の構
造物が形成される。また構造物と基材との界面には、微
粒子が衝突する衝撃を受けて微細な凹凸が形成される。
こうして構造物が食い込んだアンカー層が形成されるこ
とにより、構造物と基材の間に非常に大きな密着力が生
み出される。

【００１５】構造物が形成されるか否か、また構造物の
強度やアンカー層による基材と構造物との密着強度を語
る場合、微粒子の速度の最適化は大きな要因であり、速
度の小さい粒子の衝突は、構造物を脆弱にし、かつ密着
性を低下させる原因となり好ましくない。エアロゾル噴
射直後に見られる速度の低い微粒子はまさにこれらの要
因として懸念されるものであった。本発明では、遮断手
段は少なくとも噴射直後には前記ノズルと前記支持台を
遮断する位置にあるようにするので、エアロゾル噴射直
後に見られる速度の低い微粒子が基材上に衝突しない。

【００１６】以下に、エアロゾルデポジション法の適用
例について図に基づき説明する。図１に本発明に基づく
複合構造物形成装置の一態様としてのエアロゾルデポジ
ション装置の装置図を示す。図１では、エアロゾルデポ
ジション装置１０は、窒素ガスボンベ１０１が、搬送管
１０２を介してエアロゾル発生器１０３に接続され、そ
の下流側に解砕器１０４が、さらに下流側に分級器１０
５が設置されている。これらを通じている搬送管１０２
の先に構造物作製室１０６内に固定されたノズル１０７
が配置される。ノズル１０７の上方には支持台１０９に
固定された複数の基板１０８が配置され、支持台１０９
はＸＹステージ１１０によって２次元で駆動可能であ
る。ノズル１０７と支持台１０９の間には遮断板１１２
が配置され、遮断板１１２は駆動装置１１３に接続され
る。構造物作製室１０６は真空ポンプ１１１に接続され
ている。エアロゾル発生器１０３はたとえば酸化アルミ
ニウム微粒子を内蔵している。

【００１７】以上の構成からなるエアロゾルデポジショ
ン装置１０の作用を次に述べる。予め図示しない歪付与
装置である遊星ミルにて粉砕することにより、内部ひず
みを与えられた酸化アルミニウム微粒子を準備し、これ
をエアロゾル発生器１０３内に充填する。窒素ガスボン
ベ１０１より搬送管１０２を通じて微粒子を装填したエ
アロゾル発生器１０３内に窒素ガスを導入し、エアロゾ
ル発生器１０３を作動させて酸化アルミニウム微粒子を
含むエアロゾルを発生させる。エアロゾル中の微粒子は
凝集しており、おおよそ１００μｍの二次粒子を形成し
ているが、これを搬送管１０２を通じて解砕器１０４に
導入して一次粒子を多く含むエアロゾルに変換する。そ
の後分級器１０５に導入して、解砕器１０４では解砕し
きれずにエアロゾル中にまだ存在している粗大な二次粒
子を除去してさらに一次粒子リッチなエアロゾルに変換
し、構造物作製室１０６内に設置されたノズルから基板
１０８に向けて高速で微粒子ビームとして噴射する。噴
射開始直後の微粒子ビームは、一旦遮断板１１２によっ
て遮られる。微粒子の速度及び濃度が安定した後に、遮
断板１１２は駆動装置１１３によって微粒子ビームが衝
突しない位置まで移動して、微粒子ビームを基板１０８
に到達させる。それと同時に基板１０８をＸＹステージ
１１０により揺動させて、基板１０８上の一定面積の上
に厚膜構造物を形成させる。構造物作製室１０６は真空
ポンプ１１１により数ｋＰａの減圧環境下に置かれる。
図２は構造物作製室内の概略を示す図である。ＸＹステ
ージ１１０はプログラムによって運転される。微粒子ビ
ームが支持台上の複数の基板１０８間を移動する場合
は、再び遮断板１１２が挿入され、その間にＸＹステー
ジ１１０によって支持台１０９が移動する。その際、微
粒子ビームは連続的に噴射されているが、微粒子は遮断
板１１２と衝突後は、少なくとも基板より下方に反射す
るため基材１０８には到達しない。基板１０８を所定の
位置まで移動させた後、遮断板１１２を取り除き、再び
微粒子ビームを基板１０８へ到達させて構造物の成形を
開始する。この工程を繰り返して複数個の構造物を形成
させる。

【００１８】次に本例の効果を説明する。遮断板１１２
によって初期の不安定な微粒子ビームを遮って、十分な
速度をもった安定した状態のビームのみを噴射させるこ
とにより、均一な形状の構造物を形成できる。

【００１９】また、噴射開始直後に見られた凝集体（粗
大粒・高濃度ビーム）は遮断板によって遮られるため、
構造物の損傷する確率は大幅に低減する。

【００２０】微粒子ビームの基板への堆積を繰り返し行
う場合においては、遮断板１１２を挿入することによっ
て遮断し、必要に応じて移動させて噴射を再開すれば良
い。これによってバルブ操作は必要なく、常に安定な微
粒子ビームを供給できる。また、微粒子ビームが遮断さ
れている間に基板を移動させることも可能であり、間接
的に基板表面に付着した微粒子による基板の汚染がなく
なる。

【００２１】次に本発明における複合構造物形成装置の
別の一態様について述べる。使用する酸化アルミニウム
粉体及び、構造物作製室外の構成は実施例１に準ずる。
図３に構造物作製室内の構成を示す。変形可能な搬送管
３０１がノズル３０２と接続され、ノズル３０２は駆動
装置３０３によって、二次元に駆動可能である。その上
方には、固定された支持台３０４に支持された基材３０
５が配置される。また、ノズル３０２と支持台３０４の
間には遮断板３０６が、支持台の一部と重なりをもって
支持台上に設置される。尚、遮断板３０６の面積は少な
くともノズル３０２の開口部よりも大きいものを使用す
る。

【００２２】以上の構成からなる構造物作製室内の作用
を次に述べる。駆動装置３０３によって駆動可能なノズ
ル３０２は、予め遮断板３０６の下方に配置される。ノ
ズル搬送管３０１を通じて搬送されたエアロゾルはノズ
ル３０２に導入され、ノズル３０２の上部に設けられた
開口部から上方に配置された遮断板３０６に向けて高速
で微粒子ビームとして噴射される。微粒子は遮断板３０
６と衝突後は、少なくとも基板より下方に反射するた
め、基板３０５上に微粒子が到達することはない。微粒
子ビームが安定したら、駆動装置３０３によってノズル
３０２を移動させる。この時、駆動装置はプログラム運
転され、基板３０５上には所定の面積の構造物が形成さ
れる。

【００２３】本例の効果については前述の態様のそれに
準ずる。尚、本例では、最も簡易な例として、遮断板３
０６は支持台３０４に固定されている構成となっている
が、支持台が基材より小さいときは、支持台と独立して
配置させても良いし、駆動可能であっても良い。

【００２４】また、基板上に複数の構造物を形成する際
は、その数に合わせて遮断板を用意しても良いし、遮断
板をノズルに対応させて駆動させても良い。

【００２５】

【本発明の効果】以上のように、本発明にかかる前記遮
断板を用いることで、ノズルから噴射を開始した直後の
速度の遅い微粒子を排除でき、濃度が安定した状態の微
粒子ビームのみを供給することが可能であり、これによ
って均一な形状の構造物が得られる。また、噴射を繰り
返し行う際にも、配管途中でバルブの開閉操作を行う必
要がなく、微粒子が基板以外の箇所へ衝突し反射するこ
とによって、基板表面を汚染するといった問題も解決で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる一態様としての製膜中のエア
ロゾルデポジション装置の構造物作製室内概略図。

【図２】本発明にかかる一態様としての構造物作製室
内の概略を示す図。

【図３】本発明にかかる一態様としての構造物作製室
内の概略を示す図。

【符号の簡単な説明】

１０…エアロゾルデポジション装置、１０１…ガスボン
ベ、１０２…搬送管、１０３…エアロゾル発生器、１０
４…解砕器、１０５…分級器、１０６…構造物作製室、
１０７…ノズル、１０８…基板、１０９…支持台、１１
０…ＸＹステージ、１１１…真空ポンプ、１１２…遮断
板、１１３…駆動装置、３０１…搬送管、３０２…ノズ
ル、３０３…駆動装置、３０４…支持台、３０５…基
板、３０６…遮断板。

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） 4D073 AA01 AA07 BB06 DB04 DB17 DB39 4D075 AA02 AA26 AA53 AA62 AA65 AD16 CA02 CA13 DA06 EA02 EB01 EB05 4F033 QA01 QB02Y QB05 QB13Y QB18 QB19 QB20 QC07 QD02 QD11 QE05 QF02Y QF15Y QH05 QH10 QH13 4K044 AA01 AB02 BA13 BA18 BB01 BC12 CA12 CA29 CA71

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】微粒子を含むエアロゾルをノズルから支
持台に支持された基材に向けて噴射させて前記基材表面
に前記微粒子の構成材料からなる構造物を形成させる複
合構造物形成方法において、前記ノズルと前記支持台と
の間に介在可能な遮断手段を設け、前記遮断手段は少な
くとも噴射直後には、前記基材表面に前記エアロゾルが
到達しないように前記ノズルと前記支持台を遮断する位
置にあることを特徴とする複合構造物形成方法。
【請求項２】微粒子を含むエアロゾルをノズルから支
持台に支持された基材に向けて噴射させて前記基材表面
に前記微粒子の構成材料からなる構造物を形成させる複
合構造物形成方法において、前記ノズルと前記支持台と
の間に介在可能な遮断手段を設け、前記遮断手段は、前
記ノズルから前記基材に向けて噴射された前記エアロゾ
ルの濃度及び速度が定常状態になるまでは、前記基材表
面に前記エアロゾルが到達しないように前記ノズルと前
記支持台を遮断する位置にあることを特徴とする複合構
造物形成方法。
【請求項３】請求項１乃至２記載のエアロゾルに含ま
れる微粒子は、脆性材料の微粒子であることを特徴とす
る複合構造物形成方法。
【請求項４】微粒子をノズルから基材に向けて噴射さ
せて前記基材表面に前記微粒子の構成材料からなる構造
物を形成させる複合構造物形成装置において、前記基材
を支持する支持台と、微粒子を含むエアロゾルを発生す
るエアロゾル発生器と、前記ノズルと、このノズルに前
記エアロゾル発生器で発生したエアロゾルを供給する搬
送手段と、前記ノズルと前記支持台との間に介在可能な
遮断手段とを備え、前記遮断手段は少なくとも噴射直後
には、前記基材表面に前記エアロゾルが到達しないよう
に前記ノズルと前記支持台を遮断する位置にあることを
特徴とする複合構造物形成装置。
【請求項５】微粒子をノズルから基材に向けて噴射さ
せて前記基材表面に前記微粒子の構成材料からなる構造
物を形成させる複合構造物形成装置において、前記基材
を支持する支持台と、微粒子を含むエアロゾルを発生す
るエアロゾル発生器と、前記ノズルと、このノズルに前
記エアロゾル発生器で発生したエアロゾルを供給する搬
送手段と、前記ノズルと前記支持台との間に介在可能な
遮断手段とを備え、前記遮断手段は、少なくとも前記ノ
ズルから前記基材に向けて噴射された前記エアロゾルの
濃度及び速度が定常状態になるまでは、前記基材表面に
前記エアロゾルが到達しないように前記ノズルと前記支
持台を遮断する位置にあることを特徴とする複合構造物
形成装置。
【請求項６】請求項４または５記載のエアロゾルに含
まれる微粒子は、脆性材料の微粒子であることを特徴と
する複合構造物形成装置。