JP2007506861A - 薄膜状構造部材を製造する方法と製造設備 - Google Patents

Abstract

本発明は、高温超伝導体（ＨＴＳＬ）のベルト（１６）を基板ベルト（１２）上に製造する方法に関する。例えば物理蒸着法や電気的析出法による製造プロセスに基づき、基板ベルトとベルト状構造部材との間に著しい粘着力が生じる。従って本発明では、強力に接着しているベルト状構造部材の基板ベルトからの剥離を、分離装置（１５）内で加熱又は冷却することで活性化される形状記憶力により補助する。基板ベルトの変形は、両ベルト間の界面に熱膨張係数の違いにより生じる応力により、組織内に応力を利用し、ベルトを基板ベルトから剥離するのを補助し、或いは剥離を容易にする。更に本発明は、基板ベルトが形状記憶合金からなる製造設備（１１）も提供する。

Description

本発明は、基板ベルト上の構造部材を、基板を被覆することで形成する薄膜状構造部材の製造方法に関し、その際基板が形状記憶合金からなり、構造部材で被覆された基板を、形状記憶特性によりある形に変形し、構造部材を基板ベルトから外すべく温度調節する。

米国特許第６０２４９０７号明細書から、プラスチック箔を適切な製造装置により製造する方法は公知である。この箔を引続き表面処理のため、形状記憶合金よりなり、適切な表面構造を持つ無端のベルト上に置く。このベルトの被着は、２回の圧延）により行う。引続きこの構造化されたベルトを基板ベルトから容易に剥離できるように、基板ベルトの形状記憶特性を加熱又は冷却により活性化し、こうしてその形の変化に基づき基板ベルトとプラスチック箔との間に生じた応力がプラスチック箔の剥離を容易にする。

類似の方法は、米国特許第４５３０７３９号明細書から公知である。この明細書に開示の方法の場合、薄膜状構造部材を無端のベルト形の基板の役目をし、回転しているローラ上に形成する。そのため回転するローラを電気めっき槽に浸漬し、該ローラ上に製造されるべき構造部材を析出させる。この薄膜状構造部材が所望の厚さに達すると、直ちにこれをローラから剥離し、例えば貯蔵用ローラ上に巻上げる。

この薄膜状構造部材を基板ローラから剥離する処理は、薄膜状構造部材及び基板ローラの加熱もしくは冷却により促進できる。基板ローラと製造した薄膜状構造部材の異なる熱膨張係数に伴う歪み、即ち基板ローラと薄膜状構造部材の構造内の歪み（格子応力）のため、その共有界面に沿って機械的応力（以後ストレスとも呼ぶ）が生じ、この応力は、界面内の原子の結合を弱め、こうして薄膜状構造部材の基板ローラからの剥離を容易なものとし、それどころか剥離を生じさせる。この分離過程で加熱又は冷却を補助する作用の効率は、基板ローラと薄膜状構造部材の熱膨張係数の相異に依存する。

本発明の課題は、薄膜状構造部材を基板から分離するのに、形状記憶効果を特に利点を生ずるように使用し、基板上に薄膜状構造部材を製造する方法を提供することにある。

本発明はこの課題を、薄膜状構造部材を準（quasi）エピタキシャルに成長させて構造部材上に基板ベルトのテクスチュア構造を転写することで解決する。引続き基板を被覆した後、形状記憶特性による基板の変形を、基板を被覆した後の基板と構造部材の分離を容易なものとする応力を基板と構造部材との間の共有界面に沿って生ずるべく利用する。この形状記憶効果は、例えば上に構造部材を製造した後の基板ベルトを、縦方向に沿って収縮させ、基板と構造部材の間の接着により生じる格子歪みで界面に沿って応力を生じさせることで得る。その際応力は、構造部材を基板から剥離するに必要な力を低下させ、更には分離さえ生じさせ、その結果基板ベルトからの剥離を、殆ど力を加えずに行える。

この方法は、本発明によれば、薄膜状構造部材の基板上への準エピタキシャル成長と、それに次ぐ剥離に使用できる。この準エピタキシャルな成長の際、基板のテクスチュア構造は成長する薄膜状構造部材上に転写され、その結果この構造部材は同じテクスチュア構造を持つ。この準エピタキシャルな成長は、例えばＰＶＤ法や電気的析出法にて行える。該方法で、例えばＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇（ＹＢＣＯ）等の高温超伝導体（ＨＴＳＬ）又はこのようなＨＴＳＬの析出に適した、テクスチュア構造を持つ基板を価格的に有利に製造できる。準エピタキシャルにＨＴＳＬ薄膜を成長させる方法は、例えば独国特許出願公開第１０１３６８９０号明細書に記載されている。

準エピタキシャルに成長させた、薄膜の形の構造部材を基板から剥離すべく、本発明方法ではその分離を基板と構造部材との間の界面に形成された応力により容易なものとし、特に有利に使用できる。つまり、構造部材と基板のテクスチュア構造が、言わば鍵が錠前に適合するのに等しいことから、基板のテクスチュア構造を薄膜状構造部材に転写する製造プロセスにより、基板と製造された構造部材との間の接着力も極めて大きくなる。従ってこの両者間の接着力を減らすことは、分離すべき相手に応力を形成することにより、特に薄い膜状構造部材を総じて基板から引き剥がすことを可能にする、組織内に必要な前提条件である。更に基板に対し界面を形成する薄膜状構造部材の表面が、一方ではその基板表面を分離プロセスの後にも、できるだけ欠陥なくテクスチュア構造が復元されるべきであり、それにより例えばその基板を何回も、準エピタキシャルな成長に使用でき、又は薄膜状構造部材自体も同時に、準エピタキシャルに成長するもう１つの製造工程の基板として使用できる。この表面の少なくとも十分に欠陥を免除された表面は、その分離を本発明方法による応力の形成により生じさせた場合にのみに達成される。

本発明の第１の実施形態では、基板を被覆前に変形し、被覆後基板が変形しない形に移行するよう、基板を加熱して一方向効果を利用する。形状記憶合金による一方向効果の場合、その状態を一定の温度範囲内で合金を擬似塑性的に変形し、即ちこの擬似塑性的変形がこの温度範囲を離れる際に、加熱により元の状態に戻し、形状記憶合金から成る構造部材をその元の変形前の形に戻すべく利用できる。この方法では、例えば基板ベルトを使用すると、簡単な手段で伸張し、次いで被覆でき、一方向効果、即ちベルトの収縮を利用して、基板ベルトから被覆物（薄膜状構造部材）を外し得る。この方法で、基板、特に形状記憶効果に関し予想可能な、優れた特性を有する基板ベルトを形成でき、該特性は、ベルトを基板ベルト上に形成する際の比較的多数の製造工程を耐え得る。

本発明の第２の実施形態では、被覆前に基板が１つの形に移行するよう温度調整し、かつ基板の被覆後に別の形に移行するよう温度調整する二方向効果を利用する。この形状記憶合金の二方向効果を、形状記憶効果を利用して構造部材に、まず特殊な処理（トレーニングと呼ばれる）を施す際に利用する。その際、従来最もよく使用されている方法では、構造部材中に所望の如く、形状記憶合金の組織内に応力を惹起させる組織の欠陥を発生させる不可逆的変形が生ずる。この組織内応力は、複数のトレーニングコースを経た後に異方性に組織内に形成され、該異方性により二方向効果を生じさせる。形状記憶合金から成る構造部材の加熱時、該合金は、既に述べた一方向効果の後にトレーニングにより生じた不可逆的変形部分を有する形になる。該構造部材を冷却すると、部材中にトレーニングにより生じた特徴的な応力分布により、構造部材はトレーニングにより習得した変形状態に戻る。この部材を交互に加熱・冷却することで、この工程を繰返し得る。

薄膜状構造部材の製造方法にとって、二方向効果は、形状記憶効果のみに基づき、このプロセスの適切な温度操作、即ち必要な温度範囲内での加熱及び冷却により補助するのに特に好適である。その際、基板を被覆後に交互に温めたり、冷却したりして、交互に１つの形から別の形に移行させると特によい。何回も基板の形を変化させることで、基板と構造部材との間の剥離プロセスを複数の工程で行え、完全な、即ち少なくとも取外しに十分な剥離を、最初の形状記憶に条件付けられた基板の変形時に必ずしも行う必要がない。

更に本発明は、基板ベルトからベルト状の薄膜状構造部材を製造する製造設備に関し、その際基板ベルトを構造部材の製造装置と、該部材を回収するための温度調節可能な分離装置に通す。この基板ベルトは形状記憶合金からなる。この種の分離装置は、既に冒頭に記載した米国特許第６０２４９０７号明細書に開示されている。この分離装置の機能は、冒頭に既に詳しく説明した。

本発明の課題は、薄膜状構造部材を基板から分離の促進に形状記憶効果を特に有利に使用可能な、基板上にある構造部材を分離するための装置を提供することにある。

この課題は、本発明によれば、薄膜状構造部材を基板上に準エピタキシャルに成長させる、特にＰＶＤによる被覆装置又は電気的析出装置からなる製造設備により解決される。それと同時に、基板ベルトと薄膜状構造部材との分離を、形状記憶効果を利用して補助する温度調節による分離装置も使用できる。こうして製造した構造部材を特に丁寧に基板ベルトから剥離することができる利点がある。基板ベルトの形状記憶効果を、基板ベルトから準エピタキシャルに基板上に成長させた構造部材の分離に利用でき、その利点は、既に本発明による方法に関して詳細に説明したことから明らかである。

基板と薄膜状構造部材の分離は、他の効果により付加的に容易になし得ることは自明である。例えば、冒頭に述べた米国特許第４５３０７３９号明細書のように、基板と構造部材を冷却又は加熱すると、異なる熱膨張係数が存在する際に、形状記憶に基づくストレスが著しく強まり、重畳されて付加的ストレスが生ずることになる。もう１つの別の可能な方法では、パートナー（即ち基板ベルト又は構造部材）の少なくとも一方が強磁性であるなら磁気歪みの効果を利用する。このため、薄膜状構造部材を備えた基板を、磁気歪み効果により強磁性のパートナーの形に変形させる磁場に曝す。磁場を適切に配向させると、付加的ストレスが基板と構造部材との界面に生ずる。

本発明の１実施形態では、製造装置に変形装置、特に基板ベルト用伸張装置を予め連結させて設ける。この変形装置により、例えば基板を伸張させ、引続き製造装置内で薄膜状構造部材により被覆し、かつ該部材を基板の加熱による一方向性効果を利用して基板から剥離するようにし、本発明方法に関し重要な全工程を製造設備内で一体化できる。

本発明の更に別の形態では、製造装置に基板ベルト用の温度調節装置を前置接続する。該装置は、「基板にトレーニングにより習得させた」二方向効果の利用に使用できる。

本発明の最後の形態では、基板ベルトを、製造設備内を周回する無端ベルトとして形成する。こうしてプロセスを特に効率よく実施でき、該製造設備は大規模工業に適する。

本発明のその他の詳細について、以下に図面の基づき記載する。

図１は基板ベルト１２を送りローラ１３で案内し、駆動する製造設備１１を示す。基板ベルト１２は無端ベルトとし、設備内を矢印で示す如く周回させる。該設備１１は、ベルト状の薄膜状構造部材１６の製造装置１４と分離装置１５を有し、製造装置１４と分離装置１５を通って延び、製造設備１１を通る搬送路を、基板ベルト１２で規定している。

製造装置１４は、電気的析出槽１７を含み、その中でベルト状構造部材１６を準エピタキシャルに成長させる。基板ベルトのテクスチュア構造が電気的析出槽内で基板ベルト１２を被覆することにより製造されるベルト１６上に転写される。次いで、ベルト１６で被覆された基板ベルト１２を分離装置１５に運び、そこで基板ベルト１２と形成されたベルト１６との間の接着力が低下し或いは完全に消滅し、こうしてベルト１６を基板ベルト１２から剥離し、貯蔵ローラ１８上に巻上げることが可能になる。この基板ベルト１２はベルト１６を剥離した後、無端ベルトとして再び被着槽１７内に戻される。

分離装置１５内で、ベルト１６は冷却装置１９ａ、加熱装置２０及びもう１つの冷却装置１９ｂを順次通過する。分離装置内を適切に冷却及び加熱することで、基板ベルトの分離が起る。基板ベルト１２が分離装置１５から電気的析出槽１７に戻る間に、基板ベルトは被覆を適切に準備する役目をする加工条件調整装置を更に通過し、こうして分離装置内での被覆後、その形状記憶効果を分離の補助又は分離の実現に利用可能となる。この加工条件調整装置は、一方では加熱装置２２を持ち、また更に順次回転する特別な送りローラ１３ａから成る伸張装置２３を有する。基板ベルトは、相前後して巻き戻す特別な送りローラ１３ａ間を通り、各々隣接する送りローラ１３ａの圧迫により基板ベルト１２の滑りを阻止しつつ通過する。ベルトの伸張は、加熱装置２２の奥にある送りローラ１３ａが、加熱装置２２の手前の送りローラ１３ａより高速で走ることで達成される。

利用する形状記憶効果に応じ、分離装置１４と加工条件調整装置２１は、順次調整された種々の機能状態で記憶される。一方向記憶効果を利用した場合、加熱装置２２による加熱を必要とせず、伸張装置２３が基板ベルト１２の変形に使用される。従って電気的析出槽１７の通過後、分離装置内の加熱装置２０を介しての加熱のみで、基板ベルトがその形状記憶力を利用して、伸張されない形への移行を保証せねばならない。

二方向効果を利用する場合、伸張装置２３は、全ての送りローラ１３ａの回転数の同期化により効力を失っている。その代わりに加熱は、基板ベルト内の形状記憶効果を１方向に作動させる加熱装置２２内で行う。電気的析出槽１７の通過後、少なくとも冷却器１９ａの使用で、形状記憶効果を少なくとも１回、もう１つの方向に活性化できる。加熱装置２０と冷却器１９ｂの使用により、二方向効果の二回目のコースを通過し、その結果基板ベルト１２とベルト１６との間の結合力の著しい低下が起る。二方向効果を利用するもう１つの方法は、冷却装置１９ａ、１９ｂと加熱装置２０、２２を相互に交換する点にあり、その結果基板ベルト内の二方向効果を、上述の経過を相補う形で利用できる。

図２は、例えばＮｉ−Ｔｉ（ニチノール合金）等の形状記憶合金中で進行し、形状記憶効果を生じる相変化を示す。該形状記憶効果は熱弾性のマルテンサイトの相変化を示す。この効果は熱弾性のマルテンサイトの相変化を可能にする合金中に起る。形状記憶力を持つ構造部材は単相組織を有さねばならない。その低温相中で、この組織はマルテンサイトαとして存在する。この組織を加熱すると、オーステナイト発生温度Ａ_S以上で、オーステナイト組織βが徐々に生じ、その際Ａ_F温度（オーステナイト組織の終了温度）以上で１００％迄β相が生ずる。このオーステナイトを冷却すると、Ｍ_s（マルテンサイトの発生温度）からＭ_f（マルテンサイト終了温度）の範囲内で、再びマルテンサイトαに変換し、その際上記のプロセス中にヒステリシスが進行する。Ｍ_S〜Ｍ_f範囲内で構造部材は擬似弾性挙動を示す。これは、オーステナイト組織中に応力を生ずるマルテンサイトが形成されることを意味し、これは応力を除去すると再生成される。

Ｍ_f温度以下で、この構造部材は擬似塑性的に挙動する。即ち構造部材は取り敢えず変形した儘であってもよいが、但しこの構造部材の加熱はＡ_f以上の温度で構造部材中の形状記憶効果を活性化し、こうして構造部材は一方向効果を利用して再度変形する。

二方向効果は、構造部材の塑性変形を含むトレーニングにより、Ｍ_f温度以下で不可逆性部分をトレーニングにより習得させる。該二方向効果を利用すべく、構造部材を交互にＭ_f温度以下とＡ_f温度以上に加熱、冷却することで、可逆的に２つの形が入れ代わる。

本発明による製造設備の概略的に示す図。 温度Ｔに依存する形状記憶効果のα→β→αの組織変換を示す図。

符号の説明

１１ 製造設備、１２ 基板、１３、１３ａ 送りローラ、１４ 製造装置、１５ 分離装置、１６ ベルト状構造部材、１７ 電気的析出槽、１８ 貯蔵ローラ、１９ａ、１９ｂ 冷却装置、２０ 加熱装置、２１ 加工条件調整装置、２２ 基板ベルト用加熱装置、２３ 基板ベルト用伸張装置

Claims (9)

1. 薄膜状構造部材（１６）の製造方法において、
   形状記憶合金より成る基板（１２）上の構造部材（１６）を、該基板（１２）を被覆することにより製造し、
   構造部材（１６）で被覆された基板（１２）を、該基板が、形状記憶効果により変形するように温度調整し、
   構造部材（１６）を基板ベルト（１２）と分離する
   薄膜状構造部材（１６）の製造方法において、
   前記基板ベルトのテクスチュア構造を、この薄膜状構造部材（１２）の準エピタキシャルな成長により基板上に転写することを特徴とする方法。
2. 基板（１２）を被覆する前に変形し、被覆後に基板が元の形に移行するように加熱することで一方向効果を利用することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 被覆前に基板（１２）を１つの形に変形し、被覆後に基板（１２）が別の形に移行するように温度調整して二方向効果を利用することを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 被覆後に基板（１２）が１つの形に、次いで別の形に移行するように、交互に加熱、冷却することを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 基板ベルト（１２）を、構造部材用製造装置と、構造部材を製造するための温度調整可能な分離装置に案内し、かつ形状記憶合金より成る基板ベルト（１２）を使用して、ベルト形の薄膜状構造部材（１６）を製造する、基板ベルトを有する製造設備において、
   前記基板ベルト（１２）上に薄膜状構造部材（１６）を準エピタキシャルに成長させる製造装置を備えることを特徴とする基板ベルト（１２）によりベルト状の薄膜状構造部材を製造する製造設備。
6. 製造装置が、ＰＶＤによる被覆装置又は電気的析出装置であることを特徴とする請求項５記載の製造設備。
7. 製造装置（１７）に変形装置が前置接続されたことを特徴とする請求項５又は６記載の製造設備。
8. 製造装置（１７）に基板ベルト用温度調節装置（２２）が前置接続されたことを特徴とする請求項５又は６記載の製造設備。
9. 基板ベルト（１２）を、製造設備内を周回する無端のベルトとして形成したことを特徴とする請求項５から８の１つに記載の製造設備。

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