JP2008110293A - エアロゾル吐出ノズルおよび被膜形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基材との設置間隔が狭い場合でも使用でき、長時間にわたり安定して緻密で均一な被膜を形成可能なエアロゾル吐出ノズル、および該ノズルを用いた被膜形成装置を提供する。
【解決手段】微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材の成膜部に向けて吐出する、先端部１ｂに吐出開口２ｃを有するエアロゾル吐出ノズル１であって、該吐出開口２ｃは、同長の両短辺と、この両短辺の上端、下端同士をそれぞれ結ぶ２本の連結長辺とからなる略矩形形状であり、上記両短辺間の少なくとも中央位置における２本の連結長辺間の距離が短辺の長さよりも短く、この吐出開口２ｃと、先端部１ｂにおけるエアロゾルを導入するための矩形形状の先端導入開口２ｂとが連続的に繋がっている。本発明の被膜形成装置は、このエアロゾル吐出ノズル１を備えてなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、微粒子を含むエアロゾルを基板等に吹付け、被膜や構造物を基板上に形成するエアロゾルデポジション（以下、ＡＤと記す）法において使用されるエアロゾル吐出ノズルおよび該ノズルを用いた被膜形成装置に関する。

基板上の膜の形成方法として、微粒子ビーム堆積法あるいはＡＤ法と呼ばれる脆性材料の膜や構造物の形成方法がある。ＡＤ法は、脆性材料の微粒子を含むエアロゾルをノズルから基板に向けて吐出し、基板に微粒子を衝突させて、その機械的衝撃力を利用して脆性材料の多結晶構造物を基板上にダイレクトに形成する方法である（例えば、特許文献１参照）。

また、ノズルを用いた膜および構造物の形成法であるＡＤ法は、以下の原理で成膜する。つまり、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壁開面に沿って結晶格子のズレを生じたり、あるいは破砕される。そして、これらの現象が起こると、ズレ面や破面には、もともと内部に存在し別の原子として結合していた原子が剥き出しの状態となった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、粒子の変形、破砕などの繰返しにより接合の進展、緻密化が行なわれ、脆性材料構造物が形成される。そして、機械的衝撃を搬送ガスにて脆性材料を基板に衝突させるようにした方法がＡＤ法であるとされる（特許文献２参照）。

ＡＤ法で使用されるノズルの構造としては、噴出した微粒子流束のうち速度の遅い粒子成分を基板に到達させない構成とするため、ノズルから噴出される微粒子流束のうちの外周部にあたる速度の遅い流束成分の一部または全部が基板へ到達することを阻止し、残りの速度の速い流速成分を選択的に基板に衝突させる構造等が挙げられる（特許文献３参照）。

しかしながら、この変向板を用いる構造は、長時間の成膜作業において例えばセラミックス微粒子の連続衝撃により変向板が変形や損傷をうけ、初期の遮蔽機能が低下もしくは、毀損する不具合が生じた。また、ノズルと基板との間隔を狭くして基板に衝突する微粒子の衝撃力を大きくしようとするとき、設置スペースがとれないなどの障害が生じた。
また、先端部の吐出開口形状が単純な矩形形状である（図５、比較例参照）と開口中心部と壁面近傍部の微粒子速度差はやはり大きく、このため面状成膜時にノズル開口中央部に相当する部分がエッチングされたり、または成膜しても中央相当成膜部の膜中に微小欠陥が生じ外観上白色化し、均一な成膜面が得られにくい場合が生じるという問題があった。
特開平１１−２１６７７号公報 特開２００３−２４７０８０号公報 特開２００２−３２０８７９号公報

本発明はこのような問題に対処するためになされたものであり、基材との設置間隔が狭い場合でも使用でき、長時間にわたり安定して緻密で均一な被膜を形成可能なエアロゾル吐出ノズル、および該ノズルを用いた被膜形成装置を提供することを目的とする。

本発明のエアロゾル吐出ノズルは、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材の成膜部に向けて吐出する、先端部に吐出開口を有するエアロゾル吐出ノズルであって、該吐出開口は、同長の両短辺と、この両短辺の上端、下端同士をそれぞれ結ぶ２本の連結長辺とからなる略矩形形状であり、上記両短辺間の少なくとも中央位置における上記２本の連結長辺間の距離が、上記短辺の長さよりも短いことを特徴とする。
なお、基材の成膜部とは、基材上の被膜等を形成する部分（表面）である。また、両短辺間の少なくとも中央位置とは、平行である両短辺の上端または下端を結ぶ線分の中央位置であり、該位置における２本の連結長辺間の距離とは、該位置における２本の連結長辺を結ぶ短辺と平行な線分の長さである。

上記エアロゾル吐出ノズルの先端部は、上記エアロゾルを導入するための矩形形状の先端導入開口を有し、該導入開口と上記吐出開口とが連続的に繋がっていることを特徴とする。

上記吐出開口は、上記２本の連結長辺間の距離が、上記両短辺側から両短辺間の中央位置まで連続的に短くなる形状であることを特徴とする。

上記微粒子はセラミックス微粒子であり、平均粒子径が 0.1μm〜2μm であることを特徴とする。

本発明の被膜形成装置は、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを、真空チャンバー内でエアロゾル吐出ノズルから基材上に吐出し衝突させて成膜を行なう被膜形成装置であって、このエアロゾル吐出ノズルが上記本発明のエアロゾル吐出ノズルであることを特徴とする。

本発明のエアロゾル吐出ノズルは、その先端部の吐出開口が、同長の両短辺と、この両短辺の上端、下端同士をそれぞれ結ぶ２本の連結長辺とからなる略矩形形状であり、両短辺間の少なくとも中央位置における２本の連結長辺間の距離が短辺の長さよりも短いので、吐出開口の中心部と壁面近傍部の吐出微粒子の速度差を小さくし速度分布を均一化させることができる。この均一な速度分布を有する微粒子を基材上に衝突させることにより緻密で均一な機械的強度に優れる被膜の形成が可能となる。

また、ノズル外部に、吐出後のエアロゾルを遮蔽する変向板等の付加構造を設けずノズル自体の吐出開口形状を所定の形状とするだけなので、長時間の成膜において付加構造の損傷等による成膜性能の低下のおそれがなく、また、衝突する微粒子の衝撃力を大きくするためにノズルと基板との間隔を狭くすることができる。

本発明の被膜形成装置は、上記エアロゾル吐出ノズルを用いるので、ＡＤ法において長時間にわたり緻密で均一な機械的強度に優れる被膜を形成できる。

本発明においてＡＤ法は、セラミックス等の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に向けてエアロゾル吐出ノズルより吐出し、エアロゾルを基材表面に高速で衝突させ、微粒子の構成材料からなる被膜を基材上に形成させる方法である。
従来、エアロゾル吐出ノズル先端部の吐出開口は、図５に示す単純な矩形形状であるのに対し、本発明ではこの吐出開口形状を、図２〜図４に示す矩形形状の中央部に段差（くぼみ）等を設けたような略矩形形状とすることで、吐出開口の中心部と壁面近傍部の吐出微粒子の速度差を小さくし速度分布を均一化させている。よって、ノズル吐出位置によるバラツキの少ない吐出速度で安定した機械的衝撃力を確保でき、長時間にわたり継続的に安定して緻密で均一な被膜を形成できる。

本発明の一実施例に係るエアロゾル吐出ノズルを図１に基づいて説明する。図１は本発明のエアロゾル吐出ノズルを示す斜視図である。図２は図１のエアロゾル吐出ノズルの先端部の内部開口形状の実施例を示す図である。
図１に示すように、本発明のエアロゾル吐出ノズル１は、正方形の導入開口２ａから矩形状の先端導入開口２ｂに向かって連続して変位している内部開口形状を有するノズル本体１ａと、矩形状の先端導入開口２ｂから吐出開口２ｃに向かって連続して変位している内部開口形状を有するノズル先端部１ｂとからなる。

吐出開口２ｃは、図２に示すように矩形開口の長辺中央部上下にそれぞれ等しい高さの段差を設けて形成される断面Ｉ字状の開口形状を有する。より詳細には、平行で同長の両短辺２ｃａと、この両短辺２ｃａの上端、下端同士をそれぞれ結ぶ２本の連結長辺２ｃｂとからなる略矩形形状であり、両短辺間距離Ｔｂの中央位置における２本の連結長辺間の距離Ｔｃが、短辺２ｃａの長さＴａよりも短い形状である。図２に示すように、連結長辺２ｃｂは、２本とも直角に連結した５つの直線から構成されている。

２本の連結長辺間の距離がＴｃである部分の長さＴｄ、および、段差合計幅（Ｔａ−Ｔｃ）は、吐出微粒子の速度差を小さくし速度分布を均一化できるよう適宜決定する。
なお、吐出開口２ｃの長辺方向幅すなわち両短辺間距離Ｔｂは、特に限定されないが平均粒子径 0.1μm〜2μm 程度の微粒子を用いるＡＤ法においては 5 mm〜20 mm 程度であり、吐出開口２ｃの短辺方向幅すなわち短辺の長さＴａは、特に限定されないが 0.5mm〜5 mm 程度である。

本発明の他の実施例に係るエアロゾル吐出ノズルを図３に基づいて説明する。図３は図１のエアロゾル吐出ノズル先端部の内部開口形状を変えた他の実施例を示す図である。
吐出開口２ｄは、図３に示すように矩形開口の長辺中央部上に、段差を設けて形成される断面凹型の開口形状を有する。より詳細には、平行で同長の両短辺２ｄａと、この両短辺２ｄａの上端、下端同士をそれぞれ結ぶ２本の連結長辺２ｄｂとからなる略矩形形状であり、両短辺間距離Ｔｂの中央位置における２本の連結長辺間の距離Ｔｃが、短辺２ｄａの長さＴａよりも短い形状である。図３に示すように、連結長辺２ｄｂは、短辺上端同士を繋ぐものが直角に連結した５つの直線から構成され、短辺下端同士を繋ぐものが一直線で構成されている。
２本の連結長辺間の距離がＴｃである部分の長さＴｄ、および、段差幅（Ｔａ−Ｔｃ）は、吐出微粒子の速度差を小さくし速度分布を均一化できるよう適宜決定する。

本発明の他の実施例に係るエアロゾル吐出ノズルを図４に基づいて説明する。図４は図１のエアロゾル吐出ノズル先端部の内部開口形状を変えた他の実施例を示す図である。
吐出開口２ｅは、図４に示すように開口長辺中心に向かって、短辺の上端および下端から等しい勾配をもって形成される断面鼓型の開口形状を有する。より詳細には、平行で同長の両短辺２ｅａと、この両短辺２ｅａの上端、下端同士を、それぞれ結ぶ２本の連結長辺２ｅｂとからなる略矩形形状であり、この２本の連結長辺間の距離が、両短辺側から両短辺間距離Ｔｂの中央位置まで連続的に短くなる形状である。図４に示すように、連結長辺２ｅｂは、２本とも傾斜して連結した２つの直線から構成されている。また、連続的に短くなる形状としては、図４に示すような直線状ではなく、曲線状であってもよい。
２本の連結長辺間の距離は、両短辺間距離Ｔｂの中央位置で最短距離Ｔｅとなり、該最短距離Ｔｅの長さは、吐出微粒子の速度差を小さくし速度分布を均一化できるよう適宜決定する。なお、図４において２本の連結長辺間の距離とは、連結長辺２ｅｂ上の任意の位置における、２本の連結長辺を結ぶ短辺２ｅａと平行な線分の長さである。

本発明のエアロゾル吐出ノズルおよび被膜形成装置において使用できる微粒子としては被膜形成可能なものであればよく、主にセラミックス微粒子が挙げられる。セラミックス微粒子としては、例えば、アルミナ、ジルコニア、チタニア等の酸化物、炭化ケイ素、窒化ケイ素等の微粒子が挙げられる。これらの中で、それぞれのセラミックスの高純度グレードにおいて、真比重が小さい方がエアロゾル化しやすいことから、アルミナ微粒子が好ましい。
セラミックス微粒子以外でも、シリコン、ゲルマニウムなどのへき開性の強い脆性材料の微粒子を使用することも可能である。

本発明のエアロゾル吐出ノズルおよび被膜形成装置において使用する微粒子の平均粒子径は、0.1μm 〜 2μm であることが好ましい。0.1μm 未満では凝集しやすくエアロゾル化は困難であり、2μm をこえるとＡＤ法での膜形成はできない（膜成長しない）。なお、本発明において平均粒子径は日機装株式会社製：レーザー式粒度分析計マイクロトラックＭＴ３０００によって測定した値である。
また、被膜形成を良好に行なうため、基材への衝突時に微粒子が容易に粉砕するように、ボールミル、ジェットミル等の粉砕機を用いて微粒子にクラックを予め形成しておくことが好ましい。

本発明の一実施例に係る被膜形成装置を図６に基づいて説明する。図６は平板基材上にセラミックス被膜を形成する場合の被膜形成装置を示す図である。
図６に示すように、ＡＤ法による被膜形成装置３は、エアロゾル発生装置４と、真空チャンバー５を有する。真空チャンバー５内には、セラミックス被膜形成対象である基材６と、上述した本発明のエアロゾル吐出ノズル１とが配設されている。真空チャンバー５の内部は真空ポンプ７によって減圧されるとともに、セラミックス微粒子の混入を防止するため、真空ポンプ７の直前に微粒子フィルター８が設けられている。基材６は、真空チャンバー５内において、ＸＹテーブル９上に固定され軸方向に移動させられる（図中Ａ）。

内部にセラミックス微粒子を有するエアロゾル発生装置４は、外部にガス供給設備１０を備え、ガス供給設備１０から供給される搬送ガスによってセラミックス微粒子と搬送ガスとからなるエアロゾルが形成され、搬送ガスの流れと真空ポンプ７の吸引とによりエアロゾルは真空チャンバー５内のエアロゾル吐出ノズル１に供給される。エアロゾルの搬送ガスとしては、不活性ガスを使用する。使用可能な不活性ガスとしては、アルゴン、窒素、ヘリウム等が挙げられる。
なお、以上の構成において、エアロゾル吐出ノズル以外のエアロゾル発生装置等については、ＡＤ法において通常使用される任意の装置・部品等を利用できる。

本発明の被膜形成装置においてエアロゾル吐出ノズル１は、１本であっても複数本であってもよい。また、エアロゾル吐出ノズル１は、真空チャンバー５内で変位可能に構成してもよい。
エアロゾル吐出ノズル１からエアロゾルを吐出しつつ、基材６をＸＹテーブル９により水平方向に移動させて、または、エアロゾル吐出ノズル１を移動させて、基材６上に所望の形状・厚さの被膜を形成する。

実施例１
図２に示す 10 mm× 2 mm の矩形形状の先端導入開口２ｂ、および、吐出開口２ｃを有するノズル先端部１ｂを有するエアロゾル吐出ノズルを備えた、図６に示す被膜形成装置３を用いて、基材６（ＳＵＪ２製、30 mm×30 mm×2 mm （鏡面仕上げ））の表面にアルミナ微粒子からなる被膜をＡＤ法により形成した。
吐出開口２ｃは、両短辺間距離Ｔｂを 10 mm、短辺長さＴａを 3 mm、一つの段差幅（（Ｔａ−Ｔｃ）/ 2 ）を 1 mm、長さＴｄを 8 mmとした。
ＡＤ法は、真空チャンバー５内において 100 Pa 以下の減圧下で、固定したエアロゾル吐出ノズル１のノズル先端部１ｂの吐出開口２ｃからアルミナ微粒子を含むエアロゾルを、上記基材６に向けて吐出して被膜形成を行なった。基材６は 10 mm/分の速度でストローク 15 mm で往復動させて 10 分間成膜した。
アルミナ微粒子は、大明化学工業社製：タイミクロンＴＭ-ＤＡＲを用い、平均粒子径 0.16μm で、10 Pa 以下の減圧下、加熱乾燥処理して使用した。なお、搬送ガスにはヘリウムを用い、粒子速度は搬送ガス流量で制御した。

実施例２
実施例１においてノズル先端部１ｂの吐出開口２ｃを、図３に示す吐出開口２ｄの形状に変えて実施例１と同様に処理して、基材６に成膜した。吐出開口２ｄは、両短辺間距離Ｔｂを 10 mm、短辺長さＴａを 2 mm、段差幅（Ｔａ−Ｔｃ）を 1 mm、長さＴｄを 8 mmとした。

実施例３
実施例１においてノズル先端部１ｂの吐出開口２ｃを、図４に示す吐出開口２ｅの形状に変えて実施例１と同様に処理して、基材６に成膜した。吐出開口２ｅは、両短辺間距離Ｔｂを 10 mm、短辺長さＴａを 3 mm、最短距離Ｔｅを 1 mmとした。

比較例１
実施例１においてノズル先端部１ｂの吐出開口２ｃを、図５に示す吐出開口２ｆの形状（ 10 mm× 1 mmの矩形形状）に変えて実施例１と同様に処理して、基材６に成膜した。

成膜した基材をエタノール溶液で超音波洗浄後、断面観察したところ実施例１〜実施例３では緻密かつ透明で滑らかな表面を有するαアルミナ被膜が 4μm の厚さで形成していた。一方比較例１では、表面が荒れた被膜が 1 μm以下の厚さで形成していた。

本発明のエアロゾル吐出ノズルを備えた被膜形成装置は、長時間にわたり安定して緻密で均一な被膜を形成可能であるので、各種産業部品等へのセラミックス被膜形成等に好適に利用できる。

本発明のエアロゾル吐出ノズルを示す斜視図である。 図１のエアロゾル吐出ノズル先端部の内部形状を示す斜視図である。 エアロゾル吐出ノズル先端部の内部形状の他の実施例を示す斜視図である。 エアロゾル吐出ノズル先端部の内部形状の他の実施例を示す斜視図である。 エアロゾル吐出ノズル先端部の内部形状の比較例を示す斜視図である。 本発明の被膜形成装置の一実施例を示す図である。

符号の説明

１ エアロゾル吐出ノズル
２ ノズル開口
３ 被膜形成装置
４ エアロゾル発生装置
５ 真空チャンバー
６ 基材
７ 真空ポンプ
８ 微粒子フィルター
９ ＸＹテーブル
１０ ガス供給設備

Claims (5)

1. 微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材の成膜部に向けて吐出する、先端部に吐出開口を有するエアロゾル吐出ノズルであって、
   該吐出開口は、同長の両短辺と、この両短辺の上端、下端同士をそれぞれ結ぶ２本の連結長辺とからなる略矩形形状であり、前記両短辺間の少なくとも中央位置における前記２本の連結長辺間の距離が、前記短辺の長さよりも短いことを特徴とするエアロゾル吐出ノズル。
2. 前記エアロゾル吐出ノズルの先端部は、前記エアロゾルを導入するための矩形形状の先端導入開口を有し、該先端導入開口と前記吐出開口とが連続的に繋がっていることを特徴とする請求項１記載のエアロゾル吐出ノズル。
3. 前記吐出開口は、前記２本の連結長辺間の距離が、前記両短辺側から両短辺間の中央位置まで連続的に短くなる形状であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のエアロゾル吐出ノズル。
4. 前記微粒子はセラミックス微粒子であり、平均粒子径が 0.1μm〜2μm であることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載のエアロゾル吐出ノズル。
5. 微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを、真空チャンバー内でエアロゾル吐出ノズルから基材上に吐出し衝突させて成膜を行なう被膜形成装置であって、
   前記エアロゾル吐出ノズルが、請求項１ないし請求項４のいずれか一項記載のエアロゾル吐出ノズルであることを特徴とする被膜形成装置。

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