JP2014019944A - 粒子衝突型成膜装置およびそれを用いて形成した成膜体およびその製造方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、凝集した原料粉末を取り込むことなく、欠陥密度が低い緻密な成膜体を長期間安定的に供給可能な粒子衝突型成膜装置を提供することである。
【解決手段】本発明はキャリアガスを供給するガス供給装置と、キャリアガス中に原料粉末を分散させる分散装置と、前記原料粉末中の凝集体を分離してから前記原料粉末が分散したキャリアガスを噴射する噴射ノズルとを備える粒子衝突型成膜装置を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明はセラミックや金属の粒子衝突型成膜およびその成膜装置およびそれを用いて形成した成膜体およびその製造方法に関する。

近年、原料粉末をキャリアガスに分散した後に高い圧力で基材に衝突させ、原料粒子の変形によって基材に付着させる、エアロゾルデポジション法やコールドスプレー法に代表される粒子衝突型成膜法の開発が盛んである。粒子衝突型成膜法により、セラミックや金属が室温から数百度程度の低温で成膜可能となり、樹脂や低融点金属との複合化および直接接合を応用した電子機器の性能向上が実現されている。例えば、半導体モジュール、特に、大電流をスイッチ制御するパワー半導体モジュールでは、半導体デバイスの高出力化、高集積化に伴って半導体デバイスの発熱量が増大するため、半導体デバイスの冷却効率向上が要求されている。

そこで特許文献１にあるように、エアロゾルデポジション法を用いてアルミニウムや銅などの冷却板にセラミック絶縁層を低温で直接形成した絶縁性放熱部材を半導体モジュールに適用する方法が開発されている。

また、特許文献２に記載されるように、セラミック凝集体の解砕機構を原料粉末分散器と噴射ノズルの間の配管にキャリアガス流路の一部を塞ぐ障壁部を配置し、凝集体同士の衝突によって一次粒子化させる一次粒子化機構を設置する方法が発明されている。

特開２００３−２１８２６９号公報 特開２００６−１９３７８５号公報

特許文献１によれば、はんだや樹脂などの熱抵抗が大きい接着剤が不要となるため、半導体デバイスの冷却効率向上が見込める。

一方、エアロゾルデポジション法やコールドスプレー法に代表される粒子衝突型成膜法では、原料粉末のハンドリング技術が重要となる。例えば、セラミック絶縁層を成膜する場合、吸湿などによって凝集したセラミック粒子が原料粉末中やキャリアガス中にコンタミすると、成膜体に付着した脆弱な凝集体が成膜後に欠落し、絶縁層の耐電圧を低下させてしまう。

そこで、特許文献２による方法があるが、一次粒子化機構を噴射ノズルの手前に設置する場合、一次粒子化機構での原料粉末の目詰まりや、噴射ノズル到達前に原料粉末が再凝集する問題があり、成膜の長期安定性や絶縁層の耐電圧が低下する課題があった。そこで、本発明は上記の課題に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、凝集した原料粉末を取り込むことなく、欠陥密度が低い緻密な成膜体を長期間安定的に供給可能な粒子衝突型成膜装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明はキャリアガスを供給するガス供給装置と、キャリアガス中に原料粉末を分散させる分散装置と、前記原料粉末中の凝集体を分離してから前記原料粉末が分散したキャリアガスを噴射する噴射ノズルとを備える粒子衝突型成膜装置を提供する。

また、本発明は上記粒子衝突型成膜装置を用いて形成した成膜体を提供する。

また、本発明は、上記粒子衝突型成膜装置を用いて成膜体を形成することを特徴とする成膜体の製造方法を提供する。

本発明によれば、凝集した原料粉末を成膜体中に取り込むことなく、欠陥密度が低い緻密な成膜体を長期間安定的に供給可能な粒子衝突型成膜装置を提供することができる。

本発明の実施形態における粒子衝突型成膜装置の概略構成図である。 本発明の実施形態における噴射ノズルの概略構成図である。 本発明の比較例における粒子衝突型成膜装置の概略構成図である。 本発明に係る実施例及び比較例の酸化アルミニウム膜の特性比較した図である。

本発明を実施するための形態について、図１、２を用いて説明する。

図１は、本発明の実施形態における粒子衝突型成膜装置の概略構成図である。本発明の実施形態における粒子衝突型成膜装置は、高圧のキャリアガスを供給する複数のガス供給装置（１ａおよび１ｂ）と、キャリアガス中に原料粉末を分散させる分散装置２と、原料粉末を分散したキャリアガスを噴射する噴射ノズル３と、噴射ノズル３が内在し、かつ成膜基材４と成膜基材４を支持する基材支持体５を備えた成膜室６と、成膜室６内部を真空に保つための真空ポンプ７が成膜室６に接続されている。尚、噴射ノズル３内部には、原料粉末中の凝集体を分離する機構が内蔵されており、分離された凝集体は凝集体回収装置８に蓄積される構成となっている。また、ガス供給装置（１ａおよび１ｂ）、分散装置２、噴射ノズル３、凝集体回収装置８はキャリアガス配管９を介して接続されている。分散装置２に原料粉末を投入し、ガス供給装置１と真空ポンプ７を作動することで、噴射ノズル３内で凝集体を一切含有しない原料粉末が分散したキャリアガス流１０が噴射され、基材支持体５に固定した成膜基材４上に欠陥のない緻密な成膜体１１が形成される。基材支持体５を三次元で移動および回転させることで、様々な形状の成膜体が形成できる。

ガス供給装置（１ａおよび１ｂ）には、キャリアガスが充填されており、簡易的には高圧ガスボンベが用いられる。ガス供給装置は自由にキャリアガスの供給圧力を調整できることが望ましく、レギュレータ、コンプレッサー、マスフローコントローラを設置してもよい。

キャリアガスとしては、ガスの種類に特に制限はないが、原料粉末が酸化しやすい場合には、ヘリウム、窒素、アルゴンなどの不活性ガスを用いることが望ましい。

分散装置２には、装置内に原料粉末が充填されており、キャリアガスを導入する配管と、原料粉末が分散したキャリアガスを噴射ノズルに搬送する配管が接続されている。キャリアガスに原料粉末を分散させる方法には制限がなく、キャリアガス導入に伴う原料粉末の気流攪拌でもよく、超音波、電磁力などを利用した加振器を設けてもよい。また、原料粉末を加熱乾燥するためのヒータなどを組み合わせてもよい。

噴射ノズル３は、原料粉末の凝集体を分離する機構と、キャリアガス中の原料粒子を所定の粒子速度に加速する機構を併せ持っている。粒子速度は、分散装置２と成膜室６の間の圧力差によって決まり、この圧力差はガス供給装置１と真空ポンプ７によって制御する。凝集体を分離する機構には、コアンダ効果を用いることが好ましい。コアンダ効果とは、流体の流れ場の中に物体を置いたときにその物体に沿って流れの向きが変わる粘性の有る流体の性質である。コアンダ効果を用いた噴射ノズルの構造について図２を用いて説明する。図２は本発明の実施形態における噴射ノズルの概略構成図である。分散装置２に接続され、原料粉末が分散するキャリアガスの入気口２１と、ガス供給装置１ｂに接続され、分離する凝集体を凝集体回収装置８に誘導するためのキャリアガスの他の入気口２２と、分離した凝集体が排出される出気口２３と、凝集体が分離された原料粉末が分散するキャリアガスの噴射口２４を有する。コアンダブロック２５は、キャリアガスを噴射口２４に誘導する曲面を有する。入気口２１から導入される原料粉末を含むキャリアガスは、コアンダブロック２５の曲面に沿って偏向し、噴射口２４から排出される。他の入気口２２から導入される原料粉末を含まないキャリアガスは側壁２６に沿って流れ、出気口２３から排出される。ここで、入気口２１から導入されたキャリアガス中に原料粉末を分散させる場合、原料粉末中の凝集した粒子は、サイズが大きい、すなわち質量が大きいため、慣性力によって、出気口２３に流れる。一方、凝集していない粒子は入気口２１から導入したキャリアガスの偏向に伴って流れ、噴射口２４に導入される。ここで、入気口２１からコアンダブロックへの経路とコアンダブロックから噴射口２４への経路とがなす角度（優角）は、入気口２１からコアンダブロックへの経路とコアンダブロックから出気口２３への経路とがなす角度（優角）よりも大きくなっている。即ち、慣性力が働きやすい凝集した粒子は、入気口２１からコアンダブロックへの経路から角度を変えずにそのまま出気口２３へ向かう。一方、慣性力が働きにくい凝集していない粒子はコアンダ効果により、入気口２１からコアンダブロックへの経路から角度を急激に変えてコアンダブロック２５の曲面に沿って噴射口２４へ向かう。これにより、原料粉末中の凝集体は凝集体回収装置８に分離され、凝集していない粒子のみが成膜基材４上に噴射されて、緻密な成膜体１１を形成することができる。

また、他の入気口２２は、他の入気口２２からコアンダブロックへの経路とコアンダブロックから噴射口２４への経路とがなす角度（優角）が入気口２１からコアンダブロックへの経路とコアンダブロックから噴射口２４への経路とがなす角度（優角）よりも小さくなるような位置に形成される。これにより、入気口２１から導入されたキャリアガス中の原料粉末は、他の入気口２２から流入されるキャリアガスに妨げられることなくコアンダ効果によって円滑に噴射口２４へと流入する。また、他の入気口２２からコアンダブロックへの経路とコアンダブロックから出気口２３への経路とがなす角度を１８０度に近くすることで、キャリアガスが出気口２３に向けて円滑に流れやすくなる。

さらに、入気口２１からコアンダブロックへの経路と他の入気口２２からコアンダブロックへの経路とがなす角度は５度〜５５度であることが好ましい。５度よりも小さいと、コアンダ効果よりも慣性力が大きくなり、噴射口２４に原料粉末が流れにくくなる。一方、５５度よりも大きいと、入気口２１から導入したキャリアガスと他の入気口２２からから導入されたキャリアガスとが合流する位置で乱流を起こし、キャリアガスや原料粉末が円滑に流れにくくなる。

噴射口２４の形およびキャリアガスの圧力は、噴射口２４から噴射される原料粒子の粒子速度が５０ｍ／ｓ〜８００ｍ／ｓとなれば特に制限はないが、噴射口２４の形は、矩形であることが望ましい。本成膜装置は、噴射口２４から噴射するキャリアガスを成膜基材４上に掃引することを繰り返して平滑な成膜体を形成するため、噴射口の長軸側が極力長くなるような矩形とすることで、大面積の成膜が可能となる。

成膜基材４が固定されている基材支持体５は、三次元で移動または回転が可能であることが望ましく、噴射ノズル３に対する成膜基材４の位置と移動速度を制御して、様々な形の成膜体が得られる。尚、基材支持体５を固定化し、噴射ノズル３を三次元で移動または回転させて成膜してもよい。

成膜室６内部は、成膜室６と接続されている真空ポンプ７によって排気されており、所定の真空度に保たれた構造となっている。この構造は、分散装置２と成膜室６の間の圧力差によって原料粒子の粒子速度を制御するためであり、所定の粒子速度が得られれば、必ずしも真空である必要はなく、この場合真空ポンプは不要となる。

凝集体回収装置８は、原料粉末の凝集体を回収して取り出せる構造とするため、噴射ノズル内部よりガス圧力を低くする必要があり、キャリアガスのリーク弁などを設置することが望ましい。尚、回収した凝集体を取り出し、再度解砕して原料粉末として再利用できる。特に、凝集体回収装置８内を大気圧状態とすると、成膜装置を稼働させながら凝集体を回収できるため、成膜装置の生産性が向上する。

本発明の実施の形態に係る粒子衝突型成膜装置の効果について説明する。図１および図２に示す本発明の実施の形態に係る粒子衝突型成膜装置を用いて成膜した酸化アルミニウム膜の特性と図３に示す本発明の比較例に係る粒子衝突型成膜装置を用いて成膜した酸化アルミニウム膜の特性とを図４に比較して示す。

図１および図２に示す本発明の実施の形態に係る粒子衝突型成膜装置を用いて成膜を行って得た酸化アルミニウム膜の特性を図４に実施例の欄に示す。成膜基材４には、厚さ３ｍｍの銅板を用いた。はじめに、平均粒径０．５μｍの酸化アルミニウム粉末を分散装置に投入し、次に、ガス供給装置１ａおよび１ｂには、高圧窒素ガスボンベとレギュレータを用いた。分散装置内に導入したガス流によって原料粉末を気流攪拌し、キャリアガス中に分散した。噴射口２４から噴射される原料粒子の粒子速度が２００ｍ／ｓとなるように、ガス供給装置１ａおよび１ｂのガス圧力を調整した。また、成膜室は真空度を１０Ｐａ以下とした。尚、成膜体の膜厚は、４８μｍとした。作製した成膜体について以下２つの評価を行った。凝集体の付着、剥離によって生じた低密度な欠陥を超音波映像装置（ＳＡＴ）によって観察し、サイズ３０μｍφ以上の欠陥について、単位成膜面積あたりの欠陥密度を評価した。さらに、耐電圧試験器（菊水電子工業製ＴＯＳ５１０１）を用いて成膜体の耐電圧を測定した。

結果、凝集体付着に伴う欠陥密度は０．１個／ｃｍ２であり、耐電圧は４．２ｋＶであった。

図３に示す粒子衝突型成膜装置を用いて成膜を行って得た酸化アルミニウム膜の特性を図４に比較例の欄に示す。成膜基材４には、厚さ３ｍｍの銅板を用いた。はじめに、平均粒径０．５μｍの酸化アルミニウム粉末を分散装置に投入し、次に、ガス供給装置１ａには、高圧窒素ガスボンベとレギュレータを用いた。分散装置内に導入したガス流によって原料粉末を気流攪拌し、キャリアガス中に分散した。噴射口２４から噴射される原料粒子の粒子速度が２００ｍ／ｓとなるように、ガス供給装置１ａのガス圧力を調整した。また、成膜室は真空度を１０Ｐａ以下とした。尚、成膜体の膜厚は、４９μｍとした。続いて、実施例１と同様の評価を行った。

結果、凝集体付着に伴う欠陥密度は７．０個／ｃｍ２であり、耐電圧は１．４ｋＶであった。

図４に示すとおり、実施の形態に係る粒子衝突型成膜装置を用いて成膜を行った場合、本発明の比較例に係る粒子衝突型成膜装置を用いて成膜を行った場合と比較して凝集体付着に伴う欠陥密度を低下させ、成膜体の耐電圧を大幅に向上できることがわかる。

以上より、本発明の実施形態によれば、噴射ノズルにコアンダ効果を用いた凝集体分離機構を備えることで、成膜体の欠陥密度が低下し、成膜体が酸化アルミニウムのような絶縁層の場合、成膜体の耐電圧を大幅に向上することができる。

なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、さまざまな変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。

１ａ、１ｂ・・・ガス供給装置
２・・・分散装置
３・・・噴射ノズル
４・・・成膜基材
５・・・基材支持体
６・・・成膜室
７・・・真空ポンプ
８・・・凝集体回収装置
９・・・キャリアガス配管
１０・・・原料粉末が分散したキャリアガス流
１１・・・成膜体
２１、２２・・・入気口
２３・・・出気口
２４・・・噴射口
２５・・・コアンダブロック
２６・・・側壁

Claims (10)

1. キャリアガスを供給するガス供給装置と、
   前記ガス供給装置から供給されたキャリアガス中に原料粉末を分散させる分散装置と、
   前記原料粉末中の凝集体を分離してから前記原料粉末が分散したキャリアガスを噴射する噴射ノズルとを備える粒子衝突型成膜装置。
2. 前記噴射ノズルは、前記原料粉末が分散したキャリアガスが流入する入気口と、原料粉末が分散したキャリアガスが噴射される噴射口と、前記キャリアガスを前記噴射口へ誘導する曲面を有するコアンダブロックと、分離した凝集体が流出する出気口とを有することを特徴とする請求項１に記載の粒子衝突型成膜装置。
3. 前記入気口から前記コアンダブロックへ向かう経路と前記コアンダブロックから前記噴射口へ向かう経路とがなす角度（優角）は前記入気口から前記コアンダブロックへ向かう経路と前記コアンダブロックから前記出気口へ向かう経路とがなす角度（優角）よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の粒子衝突型成膜装置。
4. 前記噴射ノズルは、キャリアガスが流入する他の入気口を設け、前記入気口から前記コアンダブロックへ向かう経路と前記コアンダブロックから前記噴射口へ向かう経路とがなす角度（優角）は、前記他の入気口から前記コアンダブロックへ向かう経路と前記コアンダブロックから前記噴射口へ向かう経路とがなす角度（優角）よりも大きいことを特徴とする請求項３に記載の粒子衝突型成膜装置。
5. 前記入気口から前記コアンダブロックへ向かう経路と前記他の入気口から前記コアンダブロックへ向かう経路とがなす角度は５度〜５５度であることを特徴とする請求項４に記載の粒子衝突型成膜装置。
6. 前記噴射ノズルはコアンダ効果により前記原料粉末中の凝集体を分離することを特徴とする請求項１に記載の粒子衝突型成膜装置。
7. 前記噴射ノズルで分離した凝集体を回収する凝集体回収機構を設けたことを特徴とする請求項１に記載の粒子衝突型成膜装置。
8. 前記凝集体回収機構にキャリアガスを大気に開放するリーク弁を設けることを特徴とする請求項３に記載の粒子衝突型成膜装置。
9. 請求項１ないし８に記載の粒子衝突型成膜装置を用いて形成した成膜体。
10. 請求項１ないし８に記載の粒子衝突型成膜装置を用いて成膜体を形成することを特徴とする成膜体の製造方法。

Images