JP2021161500A - 成膜装置、成膜方法及び成膜体 - Google Patents

Abstract

【課題】原料使用効率の低下や製造コストの増加を抑えつつ、均質な膜を形成できる成膜装置を提供する。【解決手段】基材Ｋ上に膜を形成する成膜装置１であって、セラミックス原料粉をガス中に分散させたエアロゾルを噴出端１０ａから基材Ｋに向けて噴出するエアロゾル搬送路１０と、開口が形成され、エアロゾル搬送路１０の噴出端１０ａと開口とが対向するようにエアロゾル搬送路１０の噴出端１０ａと基材Ｋとの間に配設されたプレート１１とを備え、エアロゾル搬送路１０の噴出端１０ａの流路断面積に対するプレート１１に形成された開口の面積の比率が１以上である。【選択図】図１

Description

本発明は、基材上に膜を形成する成膜装置及び成膜方法、並びに成膜体に関する。

焼結のような高温での熱処理を経ることなく、金属酸化物材料からなる膜を基材上に形成する方法として、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）と呼ばれる手法がある。このＡＤ法は、金属酸化物などの微粒子からなる原料粉を、ノズルから音速程度でセラミックスやプラスチックなどの基材に向けて噴射し、原料粉が基材に衝突する際のエネルギーによって微粒子を破砕・変形させることで、基材上に緻密な膜を形成する方法である。

ＡＤ法では、基材に衝突する微粒子の衝撃力が膜の緻密度に大きな影響を与えるため、所望とする膜質を均質に得るためには、基材に衝突する微粒子の速度を適正な範囲内に制御する必要がある。中でも、ジルコニア系材料は硬度が高く基材衝突時に塑性変形的な挙動を示し難く、成膜可能なプロセスウィンドウが非常に狭い。そのため、均質な膜を形成するためには高精度に粒子の速度を制御する必要がある。一方、ノズルから噴出されたエアロゾルは、ノズルの流路断面における内壁側から噴出されたものほど衝突時における速度が遅くなり、流路断面内における衝突速度の分布は大きくなり易い。また、ノズルから離れるほど噴出されたエアロゾルは広がり、この広がった部分の粒子は基材に対して斜めから衝突することになるため、エアロゾル中心部の粒子と比較して、基材衝突時における基材に垂直な方向の速度が低下し易い。従来から、これらのことが要因となって膜質の均一性や膜の密着強度に問題が生じることが知られている。

上記問題への対策として、種々の方法が提案されている。例えば、特許文献１には、ノズルと基板（基材）との間に、ノズルと一体化されたマスクを設け、マスクによって所定の速度より遅い粒子流の部分（ノズルの流路断面における内壁側部分）を遮断することで、基材衝突時の速度が所定の速度以上となる粒子を基板に衝突させるようにしている。

特許文献２では、エアロゾルを噴出するノズルに整流ガスを噴出する噴出口を設け、この整流ガス噴出口からエアロゾルの周囲に整流ガスを噴出することにより、エアロゾルの広がりを抑制して、粒子を基板に垂直に衝突させるようにしている。

また、特許文献３では、ノズルから吹き出された粒子の中から密度に応じて特定の粒子を選択して基材に吹き付ける粒子の粒径分布を調整する調整装置を設け、凝集した粒子以外の粒子を選択して基材に吹き付けるようにしている。

特開２００５−００２４６１号公報 特開２００７−２４６９３７号公報 特開２０１３−１８１２３４号公報

上記特許文献１や特許文献３に記載の手法によれば、所定速度以上の速度を有する粒子や凝集した粒子以外の粒子を選択的に基材に衝突させることができるため、基材上への圧粉体の付着等を抑えて膜質の均一性を高めることができる。しかしながら、必要以上に粒子流を遮断してしまう場合があり、原料使用効率の低下を招く虞がある。

また、特許文献２に記載の手法によれば、ノズルから噴出されたエアロゾルの広がりを抑えて粒子を基材に衝突させることができ、上記と同様に膜質の均一性を高めることができる。しかしながら、エアロゾルを発生させるためのガスとは別のガスを追加で流す必要があり、排気設備の増強が必要となる場合があり、製造コストの増加という問題が生じる虞がある。

本発明は以上の実情に鑑みなされたものであり、原料使用効率の低下や製造コストの増加を抑えつつ、均質な膜を形成できる成膜装置及び成膜方法、並びに成膜体の提供を、その目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る成膜装置の特徴構成は、基材上に膜を形成する成膜装置であって、
セラミックス原料粉をガス中に分散させたエアロゾルを噴出端から前記基材に向けて噴出するエアロゾル搬送路と、
開口が形成され、前記エアロゾル搬送路の前記噴出端と前記開口とが対向するように前記エアロゾル搬送路の前記噴出端と前記基材との間に配設されたプレートとを備え、
前記エアロゾル搬送路の前記噴出端における流路断面積に対する前記プレートに形成された前記開口の面積の比率が１以上である点にある。
また、上記目的を達成するための本発明に係る成膜方法の特徴構成は、セラミックス原料粉をガス中に分散させたエアロゾルをエアロゾル搬送路の噴出端から基材に向けて噴出させて前記基材上に膜を形成する方法において、
開口が前記エアロゾル搬送路の前記噴出端と対向するように前記エアロゾル搬送路の前記噴出端と前記基材との間に配設されたプレートの前記開口を通して前記基材に前記エアロゾルを噴出させ、
前記エアロゾル搬送路の前記噴出端における流路断面積に対する前記プレートに形成された前記開口の面積の比率が１以上である点にある。

上記特徴構成によれば、エアロゾル搬送路における噴出端の流路断面積に対するプレートに形成された開口の面積の比率が１以上であることによって、エアロゾル搬送路の噴出端から噴出されたエアロゾルのうち、垂直な方向から基材に入射するエアロゾルを遮蔽することなく、斜め方向から基材に入射するエアロゾルのみを遮蔽することができる。そのため、エアロゾルを必要以上に遮蔽するような事態が生じ難く、基材に衝突した時点でのエネルギーが緻密度の高い膜を形成するのに十分なエネルギーとなるような衝突速度である粒子のみを基材に衝突させることができる。即ち、上記特徴構成によれば、セラミックス原料粉のロスを最小限に抑えて原料使用効率の低下を抑えつつ、圧粉体の付着などによる多孔質の形成を抑制し、均質な膜を形成できる。また、整流ガス等を要しないため、製造コストの増加も抑えることができる。

本発明に係る成膜装置及び成膜方法の更なる特徴構成は、前記比率が２以下である点にある。

上記特徴構成によれば、エアロゾル搬送路の噴出端から噴出されたエアロゾルのうち膨張部分のエアロゾルを必要十分な範囲で遮蔽することができるため、原料使用効率の低下を抑えつつ、均質な膜を形成できる。

本発明に係る成膜装置及び成膜方法の更なる特徴構成は、前記プレートから前記基材までの距離が６０ｍｍ以内である点にある。

プレートを通過して噴出した直後のエアロゾルは、若干の広がりを持って拡散するため、プレートから基材までの距離が離れるほど、基材上に形成される膜面積は大きくなる。基材上に形成される面積が大きくなると、エアロゾル搬送路もしくは基材をスキャンして均質な膜を得る際に、目標とする成膜面積よりも、より広い面積を成膜する必要がある。そうすると、原料粉の使用量が増えてしまい、生産コストが上がってしまう虞がある。上記特徴構成によれば、プレートから基材までの距離が６０ｍｍ以内であることで、生産コストの増加を抑え易くなる。

本発明に係る成膜装置の更なる特徴構成は、２以上の前記プレートを備え、
前記２以上のプレートは、互いに平行となるように前記エアロゾルの噴出方向に沿って配設されている点にある。
また、本発明に係る成膜方法の更なる特徴構成は、互いに平行となるように前記エアロゾルの噴出方向に沿って配設された２以上の前記プレートの前記開口を通して前記基材に前記エアロゾルを噴出させる点にある。

上記特徴構成によれば、斜め方向から基材に入射するエアロゾルをより遮蔽し易くなる。そのため、基材に衝突した時点でのエネルギーが緻密度の高い膜を形成するのに十分なエネルギーとなるような衝突速度である粒子のみを基材により衝突させ易くなる。したがって、圧粉体の付着などによる多孔質の形成をより抑制でき、より均質な膜を形成できるようになる。

本発明に係る成膜装置の更なる特徴構成は、前記２以上のプレートは、プレート間の距離が０．１ｍｍ以上となるように配設されている点にある。
また、本発明に係る成膜方法の更なる特徴構成は、プレート間の距離が０．１ｍｍ以上となるように配設された前記２以上のプレートの前記開口を通して前記基材に前記エアロゾルを噴出させる点にある。

２以上のプレートを設ける場合、プレート間の距離が狭すぎると、プレート間にガスが流れにくくなる。そのため、斜め方向から基材に入射するエアロゾルを遮蔽できなくなる場合がある。上記特徴構成によれば、プレート間で斜め方向から基材に入射するエアロゾルを遮蔽できるようになり均質な膜を形成することができる。

本発明に係る成膜装置の更なる特徴構成は、前記エアロゾル搬送路の前記噴出端と前記基材とが相対的に移動可能であり、
前記プレートは、前記エアロゾル搬送路の前記噴出端に追従する点にある。
また、本発明に係る成膜方法の更なる特徴構成は、前記プレートが前記エアロゾル搬送路の前記噴出端に追従する状態で、前記エアロゾル搬送路の前記噴出端と前記基材とを相対的に移動させながら前記基材に前記エアロゾルを噴出させる点にある。

上記特徴構成によれば、プレートがエアロゾル搬送路の噴出端に追従することで、エアロゾル搬送路の噴出端と基材とを相対的に移動させても、エアロゾル搬送路の噴出端から噴出されたエアロゾルは常にプレートの開口を通るため、斜め方向から基材に入射するエアロゾルを遮蔽した状態で基材上に膜を形成できる。したがって、上記特徴構成によれば、基材上に広範囲にわたって均質な膜を形成できる。

本発明に係る成膜装置及び成膜方法の更なる特徴構成は、前記セラミックス原料粉を構成する粒子の密度が４．０ｇ／ｃｍ^３以上である点にある。

上記特徴構成によれば、密度が４．０ｇ／ｃｍ^３以上である粒子から構成されるセラミックス原料粉を基に均質な膜を形成できる。

本発明に係る成膜装置及び成膜方法の更なる特徴構成は、前記セラミックス原料粉は、安定化ジルコニアである点にある。

本願発明者は、セラミックス原料粉として安定化ジルコニアを用いた際に、均質な膜を形成できることを実験により確認している。

上記目的を達成するための本発明に係る成膜体の特徴構成は、上記成膜装置又は上記成膜方法により形成された点にある。

上記特徴構成によれば、均質で緻密な膜を形成できる成膜装置又は成膜方法により形成されるため、成膜体は均質で緻密なものとなる。

本実施形態に係る成膜装置の構成を示す図である。 エアロゾル搬送管近傍の構成を模式的に示す図である。 エアロゾル搬送管を噴出端側から見た図である。 プレートの上面図である。 プレートがない場合に生じる問題を説明するための図である。 プレートがない場合に形成される膜を模式的に示す図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る成膜装置及び成膜方法について説明する。

〔成膜装置について〕
図１に示すように、本実施形態に係る成膜装置１は、処理室２やエアロゾル発生部６、エアロゾル搬送管１０（エアロゾル搬送路）、複数のプレート１１、搬送ガス送給手段１５などを備える。

処理室２は、気密状の筐体である。処理室２内は、排気設備としてのメカニカルブースターポンプ３及び真空ポンプ４によって気体が排出されることにより、所定圧力（例えば、０．５ｋＰａ程度）以下に減圧される。また、処理室２内には、成膜処理が施される基材Ｋが保持される保持部５や、エアロゾル搬送管１０の噴出端１０ａが配設されている。

エアロゾル発生部６は、セラミックス原料粉をガスに分散させたエアロゾルを発生させる装置である。本実施形態において、エアロゾル発生部６には原料供給管Ｓ１を介して原料粉供給部７が接続されている。また、エアロゾル発生部６には、後述する搬送ガス送給管Ｓ２及びエアロゾル搬送管１０が接続されている。そして、エアロゾル発生部６では、原料粉供給部７から一定速度で供給されるセラミックス原料粉と、搬送ガス送給手段１５によって送給される搬送ガスとを混合したエアロゾルが発生する。この発生したエアロゾルは、エアロゾル搬送管１０に送給される。尚、原料粉供給部７からエアロゾル発生部６へと供給されるセラミックス原料粉の供給速度は、速くすることで目標とする厚みを有した膜を形成するのに要する時間を短くできるが、供給速度が速すぎると、原料粉の供給量に脈動が生じて均質な膜が得られ難くなる。一方、供給速度が遅すぎると、膜質は改善されるが成膜完了までに要する時間が長くなって製造コストが増加する。そのため、セラミックス原料粉の供給速度は、１．５〜３０ｇ／ｍｉｎであることが好ましい。

図１〜図３に示すように、エアロゾル搬送管１０は、その噴出端１０ａが処理室２内の保持部５と対向するように当該処理室２内に配設されている。本実施形態におけるエアロゾル搬送管１０は、噴出端１０ａの内径が所定の流路断面積Ａ１（図３において網掛けで示す部分）である円筒状の直管部材であり、噴出端１０ａと反対の端部がエアロゾル発生部６に接続されている。このエアロゾル搬送管１０によれば、エアロゾル発生部６からエアロゾルが送給され、この送給されたエアロゾルが噴出端１０ａの開口部から噴出される。

図１、図２及び図４に示すように、複数のプレート１１は、それぞれ開口１１ａが所定の面積Ａ２（図４において網掛けで示す部分）である円環板状の部材であり、各プレート１１には、外周側縁部の２か所に貫通孔１１ｂが穿設されている。尚、各プレート１１の開口１１ａは円形であり、各プレート１１の中心に形成されている。各プレート１１の厚みは特に限定されるものではないが、本実施形態において、各プレート１１の厚みは０．６ｍｍである。

本実施形態において、複数のプレート１１は、各プレート１１の開口１１ａがエアロゾル搬送管１０の噴出端１０ａと対向するようにエアロゾル搬送管１０の噴出端１０ａと基材Ｋとの間に配設されている。また、複数のプレート１１は、各プレート１１同士が平行となるように、エアロゾルの噴出方向に沿って配設されている。言い換えれば、複数のプレート１１は、各プレート面がエアロゾルの噴出方向に対して垂直となるように、エアロゾルの噴出方向に沿って配設されている。各プレート１１間の距離Ｉａは特に限定されるものではないが、本実施形態においては０．８ｍｍ又は１．６ｍｍである。尚、距離Ｉａが短すぎると、エアロゾルが流れにくくなる。そのため、斜め方向から基材に入射するエアロゾルを遮蔽できなくなる場合があり、均質な膜を形成することが難しくなる。したがって、長時間にわたって均質な膜を形成するという観点からすれば、距離Ｉａは、０．１ｍｍ以上であることが好ましく、０．６ｍｍ以上であることがより好ましく、０．８ｍｍ以上であることが更に好ましい。一方で、各プレート１１間の距離が長すぎると、セラミックス原料粉が詰まりやすくなる。そのため、プレート１１間の隙間が閉塞してしまい、本来の効果が得られ難くなる。したがって、長時間にわたって本来の効果を十分に得るという観点からすれば、距離Ｉａは、３ｍｍ以下であることが好ましく、１．６ｍｍ以下であることがより好ましい。また、図１及び図２では、７枚のプレート１１を設置した状態を図示したが、これに限られるものでない。尚、プレート１１の設置枚数は、斜め方向から基材に入射するエアロゾルを遮蔽し易くするという観点からすれば、１４枚以上であることが好ましい。

複数のプレート１１のうち最も基材Ｋ側に配設されたプレート１１（先端プレート）から基材Ｋまでの距離Ｉｂは特に限定されるものではないが、本実施形態において、距離Ｉｂは２０ｍｍである。尚、先端プレート１１から基材Ｋまでの距離が離れるほど、基材Ｋ上に形成される膜面積は大きくなる。基材Ｋ上に形成される面積が大きくなると、エアロゾル搬送管１０と基材Ｋと相対的に移動させて均質な膜を得る際に、目標とする成膜面積よりも、より広い面積を成膜する必要がある。そうすると、セラミックス原料粉の使用量が増えてしまい、生産コストが上がってしまう虞がある。このような観点からすれば、距離Ｉｂは６０ｍｍ以内であることが好ましく、４０ｍｍ以下であることがより好ましく、２０ｍｍ以下あることが更に好ましい。一方、先端プレート１１から基材Ｋまでの距離が近すぎると、基材Ｋが歪曲した形状をしている場合、エアロゾル搬送管１０と基材Ｋとを相対的に移動させた際に、プレート１１と基材Ｋが接触してしまう虞がある。このような観点からすれば、距離Ｉｂは２ｍｍ以上であることが好ましい。

更に、本実施形態において、複数のプレート１１は、支持部材１２によって支持され、エアロゾル搬送管１０と一体となっている。具体的に、本実施形態における支持部材１２は、一端がエアロゾル搬送管１０の外壁面に固定された断面円形の棒状部材をＬ字に折り曲げた部材であり、複数のプレート１１は、各プレート１１の２つの貫通孔１１ｂに支持部材１２が挿通され、当該支持部材１２の他端にナットが取り付けられることで、エアロゾル搬送管１０と一体となっている。尚、「エアロゾル搬送管と一体」とは、エアロゾル搬送管１０の噴出端１０ａに追従することを意味する。本実施形態においては、エアロゾル搬送管１０と基材Ｋとが相対的に移動可能になっており、エアロゾル搬送管１０と基材Ｋとが相対的に移動した際に、各プレート１１がエアロゾル搬送管１０に追従するようになっている。例えば、エアロゾル搬送管１０を移動可能な構成とした場合、各プレート１１はエアロゾル搬送管１０の移動に追従し、保持部５を移動可能な構成（即ち、基材Ｋを移動可能な構成）とした場合、各プレート１１は保持部５には追従せず、エアロゾル搬送管１０がその場に留まっていれば、エアロゾル搬送管１０とともにその場に留まる。

搬送ガス送給手段１５は、ガス供給部１６や搬送ガス圧力制御部１７、搬送ガス流量制御部１８、搬送ガス送給管Ｓ２などからなる。

具体的に、ガス供給部１６には、搬送ガス送給管Ｓ２が接続されており、ガス供給部１６は、空気やＮ_２、Ｈｅ、Ａｒなどのガスをコンプレッサーやガスボンベによって搬送ガス送給管Ｓ２内に供給するものである。

本実施形態において、搬送ガス送給管Ｓ２は、ガス供給部１６から供給されるガスを搬送ガスとしてエアロゾル発生部６まで送給するためのものである。具体的に、本実施形態では、ガス供給部１６から送出されたガスが搬送ガスとして、搬送ガス圧力制御部１７、搬送ガス流量制御部１８を順に経由してエアロゾル発生部６まで送給されるようになっており、ガス供給部１６、搬送ガス圧力制御部１７、搬送ガス流量制御部１８及びエアロゾル発生部６の間に接続された複数の配管によって搬送ガス送給管Ｓ２が構成されている。また、搬送ガス送給管Ｓ２における搬送ガス流量制御部１８とエアロゾル発生部６との間には、搬送ガス送給管Ｓ２内の圧力を検出する圧力センサＰ１が設けられている。

搬送ガス圧力制御部１７は、搬送ガス送給管Ｓ２内を流通する搬送ガスを適正圧力に静定するものであり、搬送ガス流量制御部１８は、搬送ガス送給管Ｓ２内を流通する搬送ガスの流量を制御するものである。本実施形態において、搬送ガス圧力制御部１７及び搬送ガス流量制御部１８は、圧力センサＰ１により検出される圧力などを基に、その動作が適宜制御される。

次に、エアロゾル搬送管１０の噴出端１０ａにおける流路断面積Ａ１と、各プレート１１の開口１１ａの面積Ａ２との関係について説明する。

まず、図２、図５及び図６を参照して、プレート１１を設けていない場合の問題について説明する。図５に示すように、プレート１１を設けていない場合、エアロゾル搬送管１００の噴出端から噴出されたエアロゾルは、エアロゾル搬送管１００から離れるほど広がり、この広がった部分のエアロゾルに含まれる粒子は基材Ｋ１に対して斜め方向から衝突することになる。そのため、広がった部分のエアロゾルに含まれる粒子は、エアロゾル中心部に含まれる粒子と比較して、基材Ｋ１衝突時における基材Ｋ１に垂直な方向の速度が遅くなる。それゆえ、図６に示すように、基材Ｋに形成された膜には、エアロゾル搬送管１００の流路断面における中心側から噴出されたエアロゾルが吹き付けられた部分に緻密度の高い高密度領域Ｍ１が存在し、内壁側から噴出されて広がった部分のエアロゾルが吹き付けられた部分（図５中の点線で囲った部分）に圧粉体などからなる多孔質領域Ｍ２が存在した状態になる。したがって、プレート１１を設けていない場合には、膜質の均一性が悪くなる。また、多孔質領域Ｍ２は、高密度領域Ｍ１と比較して密着強度が弱い。そのため、エアロゾル搬送管１００と基材Ｋ１とを相対的に移動させながら基材Ｋ１上の広範囲にわたって膜を形成した場合に、多孔質領域Ｍ２の上に緻密度の高い膜が形成されたとしても、多孔質領域Ｍ２の部分が基材Ｋ１から剥がれると、この上に形成された緻密度の高い膜も一緒に剥がれ落ちることになる。それゆえ、多孔質領域Ｍ２が形成され易いほど、膜全体としての強度が低くなり易い。

そこで、本実施形態に係る成膜装置１では、複数のプレート１１を設けた上で、エアロゾル搬送管１０の噴出端１０ａにおける流路断面積Ａ１に対する各プレート１１の開口面積Ａ２の比率（開口面積Ａ２／流路断面積Ａ１）が１以上となる構成を採用している。複数のプレート１１を設けた構成としたことで、図２に示すように、多孔質領域が形成される要因となるエアロゾル（斜め方向から基材Ｋに入射するエアロゾル）がプレート１１間に入り込み、当該エアロゾルが基材Ｋに到達するのを妨げることができる。更に、上記比率が１以上となる構成を採用していることで、斜め方向から基材Ｋに入射するエアロゾルのみを遮蔽するため、緻密度の高い膜の形成に寄与するエアロゾルを必要以上に遮蔽することなく、多孔質の膜が形成される要因となるエアロゾルのみを遮蔽することができる。

したがって、本実施形態に係る成膜装置１によれば、エアロゾルを必要以上に遮蔽するような事態が生じ難く、基材Ｋに衝突した時点でのエネルギーが緻密度の高い膜を形成するのに十分なエネルギーとなるような衝突速度である粒子のみを基材Ｋに衝突させることができる。よって、セラミックス原料粉のロスを最小限に抑えて原料使用効率の低下を抑えつつ、圧粉体の付着などによる多孔質の形成を抑制し、均質な膜を形成できる。また、整流ガス等を要しないため、製造コストの増加も抑えることができる。

特に、セラミックス原料粉が比較的密度が大きいＹＳＺなどの安定化ジルコニアである場合に、基材Ｋに到達した時点でのエネルギーが緻密度の高い膜を形成するのに十分なエネルギーとなるような衝突速度である粒子のみを基材Ｋに衝突させることができるため、密着性が良好な均質な膜を形成できる。

尚、上記比率が大きすぎる、即ち、各プレート１１の開口面積Ａ２がエアロゾル搬送管１０の噴出端１０ａにおける流路断面積Ａ１よりも大きすぎると、斜め方向から基材に入射するエアロゾルを適切に遮蔽できなくなり、当該エアロゾルが基材Ｋに到達して多孔質領域が発生し易くなる。したがって、上記比率は２以下であることが好ましく、１．５以下であることがより好ましい。

〔セラミックス原料粉について〕
成膜装置１で用いられるセラミックス原料粉を構成する粒子としては、密度４．０ｇ／ｃｍ^３以上であるものが好ましく、このような粒子としては、例えば、ジルコニアにイットリウムやカルシウム、マグネシウム、ハフニウムなどを含有する安定化ジルコニアの粒子である。尚、本実施形態においては、イットリウムを含有するジルコニア（ＹＳＺ）をセラミックス原料粉として用いる。

〔成膜方法について〕
次に、上記成膜装置１を用いた成膜方法により、基材Ｋ上に膜（成膜体）を形成する過程について説明する。本実施形態に係る成膜方法では、搬送ガス圧力制御部１７及び搬送ガス流量制御部１８によって搬送ガス送給管Ｓ２内を流通する搬送ガスの流量や圧力を調整しながらガス供給部１６からエアロゾル発生部６へと搬送ガスを送給する。エアロゾル発生部６では、送給された搬送ガスと原料粉供給部７から供給されたセラミックス原料粉とが混合したエアロゾルが発生する。発生したエアロゾルは、エアロゾル搬送管１０に送給される。

エアロゾル搬送管１０に送給されたエアロゾルは、当該エアロゾル搬送管１０の噴出端１０ａから基材Ｋに向けて噴出され、噴出されたエアロゾルが基材Ｋに衝突することで基材Ｋ上に膜が形成される。本実施形態では、開口１１ａがエアロゾル搬送管１０の噴出端１０ａと対向するようにエアロゾル搬送管１０の噴出端１０ａと基材Ｋとの間に配設されたプレート１１の開口１１ａを通して基材Ｋにエアロゾルが噴出される。尚、エアロゾル搬送管１０の噴出端１０ａにおける流路断面積Ａ１に対するプレート１１の開口面積Ａ２の比率は１以上になっている。

このように、本実施形態における成膜方法においては、開口１１ａがエアロゾル搬送管１０の噴出端１０ａと対向するようにエアロゾル搬送管１０の噴出端１０ａと基材Ｋとの間に配設され、エアロゾル搬送管１０の噴出端１０ａにおける流路断面積Ａ１に対する開口面積Ａ２の比率が１以上であるプレート１１の開口１１ａを通して基材Ｋにエアロゾルを噴出させることができる。これにより、セラミックス原料粉のロスを最小限に抑えて原料使用効率の低下を抑えつつ、圧粉体の付着などによる多孔質の形成を抑制し、均質な膜を形成できる。また、整流ガス等を要しないため、製造コストの増加も抑えることができる。

以下、実施例１〜５及び比較例について説明する。プレートの内径、プレートの枚数、プレート間距離、プレート−基材間距離、噴出端−基材間距離を変えて基材に所定時間成膜処理を施した。尚、実施例１〜５及び比較例で使用した各成膜装置のエアロゾル搬送管は、噴出端の内径が１１ｍｍφのものを使用した。また、実施例１〜５及び比較例ともにセラミックス原料粉としては、密度が５．９ｇ／ｃｍ^３、メジアン径が１．０１μｍであるＹＳＺの粒子を使用した。また、実施例１〜５及び比較例ともに搬送ガスの流量は２００Ｌ／ｍｉｎとし、処理室内の圧力は０．５ｋＰａとした。

表１には、実施例１〜３及び比較例に関する各種条件及び成膜処理後に基材上に形成された多孔質領域の面積をまとめた。また、表２には、実施例１，４，５及び比較例に関する各種条件及び形成された膜の相対密度をまとめた。尚、実施例５では、２４枚のプレートを設置し、そのうち搬送ガスの流通方向上流側の４枚に内径が１１ｍｍφのプレートを使用し、流通方向下流側の２０枚に内径が１５ｍｍφのプレートを使用した。表１中の「多孔質領域の面積」とは、上述した圧粉体などからなる密着強度の低い多孔質領域の面積である。また、表２中の「相対密度」とは、成膜部分の密度（基材上に堆積した膜の重量／体積）を求め、これを理論密度値（本材料では５．９ｇ／ｃｍ^３）で除した値（％）である。

まず、表１を参照して実施例１〜３と比較例とを比べると、プレートを設置していない比較例よりもプレートを設置した実施例１〜３の方が基材上に形成される多孔質領域の面積が小さくなっている。また、噴出端−基材間距離についてみると、噴出端−基材間距離が長くなるほど、噴出されたエアロゾルの広がりが大きくなるため、基材上に形成される多孔質領域も広くなるはずであるが、比較例は噴出端−基材間距離が一番短いにもかかわらず、多孔質領域の面積が大きくなっている。これらの結果から、プレートを設置することで、多孔質領域が形成される要因となるエアロゾルがこのプレートによって遮蔽されて基材への到達が妨げられることで、多孔質領域が形成され難くなることがわかる。

また、実施例１〜３を比較すると、設置したプレートの枚数が多いほど多孔質領域の面積が小さくなっており、実施例１は、噴出端−基材間距離が一番長いにもかかわらず、多孔質領域の面積が一番小さくなっている。この結果から、噴出端−基材間距離が長くとも、プレートの設置枚数を多くするほど、多孔質領域が形成される要因となるエアロゾルをプレートによって遮蔽し易くなるため、多孔質領域が形成され難くなることがわかる。

次に、表２を参照して実施例１と実施例４とを比べると、両者はプレート間距離に違いがあるが、相対密度に大きな違いは見られず、いずれの場合も９０％以上という非常に高い相対密度（比較例では８１％）となっており、プレートを設置していない比較例と比べて、緻密度の高い膜が形成されている。尚、実施例４の方がやや相対密度が低くなっているが、これは、実施例４の方が実施例１よりも噴出端−基材間距離が若干長くなっていることに起因すると考えられる。

また、表２を参照して実施例１と実施例５とを比べると、プレートの一部に噴出端の内径よりも内径が大きいプレートを使用した場合（実施例５）の方が、噴出端の内径と同じ内径のプレートのみを使用した場合（実施例１）よりも相対密度が低くなっているが、いずれの場合もプレートを設置していない比較例と比べて相対密度が高くなっている。このことから、設置するプレートの内径は揃っている方が好ましいが、多少の違いがあってもプレートを設置することによって緻密度を向上させられることがわかる。

以上のことから、本実施形態に係る成膜装置１及び成膜方法のように、エアロゾル搬送管１０の噴出端１０ａと開口１１ａとが対向するようにエアロゾル搬送管１０の噴出端１０ａと基材Ｋとの間にプレート１１を配設し、エアロゾル搬送管１０の噴出端１０ａの流路断面積Ａ１に対するプレート１１の開口面積Ａ２の比率を１以上とすることにより、原料使用効率の低下や製造コストの増加を抑えつつ、均質な膜を形成できることが確認できた。

〔別実施形態〕
〔１〕上記実施形態では、エアロゾル搬送管１０の噴出端１０ａの流路断面の形状を円形とし、プレート１１の開口１１ａの形状を円形としたが、これに限られるものではなく、角形、スリット形状であってもよい。また、噴出端１０ａの流路断面の形状と、プレート１１の開口１１ａの形状とが異なっていてもよい。

〔２〕上記実施形態においては、複数のプレート１１を設けた態様としたが、これに限られるものではなく、プレート１１の枚数は１枚であってもよい。

〔３〕上記実施形態では、エアロゾル搬送管１０の噴出端１０ａと基材Ｋとが相対的に移動可能な態様としたが、これに限られるものではなく、エアロゾル搬送管１０の噴出端１０ａと基材Ｋとが相対的に移動可能でなくてもよい。

〔４〕上記実施形態では、直管部材で構成されるエアロゾル搬送管をエアロゾル搬送路とする態様としたが、これに限られるものではない。エアロゾル搬送路は、直管部材で構成されるエアロゾル搬送管と、当該エアロゾル搬送管の先端にノズルを取り付けた態様であってもよく、この場合、ノズルの先端がエアロゾル搬送路の噴出端となる。

上記実施形態（別実施形態を含む）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。

本発明は、基材上に膜を形成する成膜装置及び成膜方法、並びに成膜体に適用することができる。

１ 成膜装置
１０ エアロゾル搬送管
１０ａ 噴出端
１１ プレート
１１ａ 開口
Ｋ 基材
Ａ１ エアロゾル搬送管の噴出端における流路断面積
Ａ２ プレートに形成された開口の面積

Claims (18)

1. 基材上に膜を形成する成膜装置であって、
   セラミックス原料粉をガス中に分散させたエアロゾルを噴出端から前記基材に向けて噴出するエアロゾル搬送路と、
   開口が形成され、前記エアロゾル搬送路の前記噴出端と前記開口とが対向するように前記エアロゾル搬送路の前記噴出端と前記基材との間に配設されたプレートとを備え、
   前記エアロゾル搬送路の前記噴出端における流路断面積に対する前記プレートに形成された前記開口の面積の比率が１以上である成膜装置。
2. 前記比率が２以下である請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記プレートから前記基材までの距離が６０ｍｍ以内である請求項１又は２に記載の成膜装置。
4. ２以上の前記プレートを備え、
   前記２以上のプレートは、互いに平行となるように前記エアロゾルの噴出方向に沿って配設されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の成膜装置。
5. 前記２以上のプレートは、プレート間の距離が０．１ｍｍ以上となるように配設されている請求項４に記載の成膜装置。
6. 前記エアロゾル搬送路の前記噴出端と前記基材とが相対的に移動可能であり、
   前記プレートは、前記エアロゾル搬送路の前記噴出端に追従する請求項１〜５のいずれか一項に記載の成膜装置。
7. 前記セラミックス原料粉を構成する粒子の密度が４．０ｇ／ｃｍ^３以上である請求項１〜６のいずれか一項に記載の成膜装置。
8. 前記セラミックス原料粉は、安定化ジルコニアである請求項１〜７のいずれか一項に記載の成膜装置。
9. セラミックス原料粉をガス中に分散させたエアロゾルをエアロゾル搬送路の噴出端から基材に向けて噴出させて前記基材上に膜を形成する方法において、
   開口が前記エアロゾル搬送路の前記噴出端と対向するように前記エアロゾル搬送路の前記噴出端と前記基材との間に配設されたプレートの前記開口を通して前記基材に前記エアロゾルを噴出させ、
   前記エアロゾル搬送路の前記噴出端における流路断面積に対する前記プレートに形成された前記開口の面積の比率が１以上である成膜方法。
10. 前記比率が２以下である請求項９に記載の成膜方法。
11. 前記プレートから前記基材までの距離が６０ｍｍ以内である請求項９又は１０に記載の成膜方法。
12. 互いに平行となるように前記エアロゾルの噴出方向に沿って配設された２以上の前記プレートの前記開口を通して前記基材に前記エアロゾルを噴出させる請求項９〜１１のいずれか一項に記載の成膜方法。
13. プレート間の距離が０．１ｍｍ以上となるように配設された前記２以上のプレートの前記開口を通して前記基材に前記エアロゾルを噴出させる請求項１２に記載の成膜方法。
14. 前記プレートが前記エアロゾル搬送路の前記噴出端に追従する状態で、前記エアロゾル搬送路の前記噴出端と前記基材とを相対的に移動させながら前記基材に前記エアロゾルを噴出させる請求項９〜１３のいずれか一項に記載の成膜方法。
15. 前記セラミックス原料粉を構成する粒子の密度が４．０ｇ／ｃｍ^３以上である請求項９〜１４のいずれか一項に記載の成膜方法。
16. 前記セラミックス原料粉は、安定化ジルコニアである請求項９〜１５のいずれか一項に記載の成膜方法。
17. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の成膜装置により形成された成膜体。
18. 請求項９〜１６のいずれか一項に記載の成膜方法により形成された成膜体。

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