JP2967604B2 - デポジション方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はデポジション方法に係
り、とくにパウダービームを噴射して被加工物上に膜を
形成するようにしたデポジション方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば回路基板上に薄膜や１００μｍ以
下の厚さの厚膜を形成する方法として、ＰＶＤ（Ｐｈｙ
ｓｉｃａｌ Ｖａｖｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、物
理蒸着）、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄ
ｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、化学蒸着）、水性ガラスコーティ
ング、爆発溶射、レーザ蒸着、プラズマ溶射等の方法が
用いられていた。

【０００３】ＰＶＤは真空蒸着、イオンプレーティン
グ、スパッタの３つの方法の総称である。これらの方法
においては、主に炭化物（ＷＣ、ＶＣ、ＴｉＣ）、窒化
物（ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＶＮ、ＴａＮ）、酸化物
（ＴｉＯ₂ 、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＺｒＯ₂ ）の膜を得ることが
できる。

【０００４】ＣＶＤは種々の原料ガス（例えばＴｉＣ被
膜を得る場合にはＴｉＣｌ₄ 、ＣＨ ₄ 、Ｈ₂ 等のガス、
Ａｌ₂ Ｏ₃ 被膜を得るにはＡｌＣｌ₃ 、ＣＯ₂ 、Ｈ₂ 、
Ａｌ（ＣＨ₃ ）₃ 、Ｎ₂ Ｏ等のガス）を５００〜２００
０℃に加熱された基板上に導き、その表面に気相から反
応生成物を析出させる方法である。この方法によると、
ＰＶＤと同じく窒化物や炭化物、酸化物の膜を得ること
ができる。

【０００５】水性ガラスコーティングは、主にシリカ
（けい酸化合物）を結合剤としたものが中心になってい
る。シリカとしては、例えば水ガラス、シリカゾル、ア
ルキルシリケート等がある。コーティング液の性能は、
バインダであるシリカ以外に機能性フィラー（例えばア
ルミナ、ジルコニア、ＳｉＣ、ＢＮ、ＳＵＳ、マイ
カ）、硬化剤等によって左右される。

【０００６】爆発溶射による方法は、アセチレンガスの
爆発を利用したデトネーションガンの内部（内部温度３
３００℃）にコーティングパウダーを入れ、銃口から音
速の２倍の速度で物体に激突させて、数十μｍのコーテ
ィング膜を得る方法である。

【０００７】レーザ蒸着には、ＣＯ₂ 、ＹＡＧ、エキシ
マ、ルビー等のレーザを用い、材料ガスをレーザ光で励
起して分解・反応させ、固体生成物を膜状に滞積させる
方法（レーザＣＶＤ法）と、集光照射させることによっ
て高融点セラミックスを蒸発、滞積させる方法（レーザ
ＰＶＤ法）とがある。

【０００８】プラズマ溶射は、高温の熱源を用い、コー
ティングする材料のパウダーを瞬時に溶融して吹付ける
ものである。酸素と燃料ガスを使ったガス式溶射と異な
り、材料の変質し難い不活性ガスを用いる点に特徴があ
る。

【０００９】パウダービームデポジションは、粒径が
０．０１〜３μｍのパウダーを５０ｍ／ｓｅｃ以上のス
ピードとなるように、高圧ガスの流速を利用して加速
し、図７に示すようにノズル１によって基板２に対して
直角あるいはこれに対して±４０°以内の角度で吹付け
るもので、大気中でしかも室温でサブμｍ〜数百μｍの
厚さの膜を形成するものである。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ＰＶＤは、膜構造の制
御が可能で、高純度の膜が得られ、平滑な被膜が得られ
る等利点が多いが、膜の析出速度が一般に１００〜１０
００オングストローム／ｍｉｎであって、析出速度が遅
い欠点がある。また複雑な形状の物体に対しては均一な
膜厚にならず、装置が高価である等の問題点があった。

【００１１】ＣＶＤは、比較的良質な膜が得られるとと
もに、複雑な形状の物体にも均一な厚さの膜が得られる
等の利点がある。ところがこの方法も析出速度が遅く
（２００〜２５００オングストローム／ｍｉｎ）、膜の
形成温度が高く（５００〜２０００℃）、有害ガスを使
う等の問題がある。

【００１２】つぎに水性ガラスコーティングは、塗布機
と高温炉のみで簡単に膜が得られるという利点がある
が、膜内部に気泡が発生し易く、緻密で強度のある膜が
得らない問題がある。

【００１３】爆発溶射は、簡単に膜を作ることができる
反面、膜がポーラスになり易く、融点の低い基板には形
成できない等の問題がある。

【００１４】レーザ蒸着は、硬質で緻密な膜が得られる
反面、基板との密着性が悪く、しかも装置が大型化し高
価になるという欠点がある。

【００１５】プラズマ溶射は良質の被膜を形成できるこ
とに特徴があるが、膜がポーラスになり易く、融点の低
い基板には形成できない等の問題がある。

【００１６】パウダービームデポジション法は、膜の成
長速度が速くなると、膜自身の強度が弱くなり、切断、
研磨等の機械加工時にボロボロに欠けるという問題があ
る。また膜厚が２０μｍ以上の厚さになっても、同じよ
うにボロボロに欠ける問題がある。

【００１７】このような現象は、膜を形成する基板２の
表面が図８に示すように平面でない場合にとくに顕著で
ある。例えば深さが１０μｍ以上の溝がある場合や、深
さが１０μｍ以上の突起や穴がある場合に弱い膜ができ
易い。

【００１８】本発明はこのような問題点に鑑みてなされ
たものであって、常温の大気中で、緻密な膜を高速で形
成できるとともに、そのための装置も安価なデポジショ
ン方法を提供することを目的とするものである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、軟化点が
異なる２種類以上のパウダーを混合して固気２相流とし
て被加工物に噴射し、該被加工物上に膜を形成し、混合
されたパウダーの内の最も軟化点が低いパウダーが溶け
るまで昇温してアニールするようにしたものである。

【００２０】第２の発明は、噴射されるパウダーは粒径
が０．０１〜３μｍの範囲内であって、５０ｍ／ｓｅｃ
以上の速度で被加工物上に噴射されるようにしたもので
ある。

【００２１】

【作用】第１の発明によれば、軟化点が異なる２種類以
上のパウダーが固気２相流として被加工物上に噴射さ
れ、パウダーによって被加工物上にデポジションによっ
て膜が形成される。そしてその後にアニールが行なわ
れ、融点が低いパウダーが溶けて強度の大きな膜になる
とともに、応力の緩和が行なわれる。

【００２２】第２の発明によれば、０．０１〜３μｍの
粒径のパウダーが５０ｍ／ｓｅｃ以上の流速で被加工物
上に噴射されるようになり、安定的に被加工物上にデポ
ジションによって膜が形成されることになる。

【００２３】

【実施例】図１によって第１の実施例を説明する。この
実施例においては、軟化点が３００℃であって平均粒径
が０．５μｍの鉛ガラスパウダーと、軟化点が８００℃
であって平均粒径が０．５μｍのソーダガラスパウダー
とが用いられる。これら２種類のガラスパウダーは混合
工程において均一に混合される。

【００２４】つぎに混合された２種類のパウダーを５０
ｍ／ｓｅｃ以上のスピードで基板１０の表面に固気２相
流の噴流として衝突させる。すると鉛ガラスとソーダガ
ラスの二成分のガラス膜１１が形成される。この膜１１
は緻密で空孔のほとんど存在しない膜である。しかしこ
の状態においては、内部応力が不均一に分布し、膜自身
の強度が弱い状態である。

【００２５】膜１１が表面に形成された基板１０を電気
炉に入れ、３００〜３５０°に昇温し、１０分間放置し
て炉冷する。このとき鉛ガラスの成分は軟化し、ソーダ
ガラスの成分と反応して、融点の異なった新しいガラス
膜に変化する。また内部応力が緩和され、均一化されて
膜自身の強度も向上する。

【００２６】つぎにこの第１の実施例の応用例を図２に
よって説明する。この応用例は、磁気ヘッドのガラスモ
ールド部への応用に関するものである。ヘッドブロック
１４には予めギャップ１５を形成するとともに、ギャッ
プ１５を横切るように形成される穴１６の部分に噴射ノ
ズル１７によって上記のパウダーを噴射する。そしての
パウダーによってヘッドブロック１４の全体にわたって
穴１６を埋める。

【００２７】つぎに３００〜３５０℃でアニールする。
すると穴１６の部分に形成された膜内の応力が緩和さ
れ、また鉛ガラス成分とソーダガラス成分とが反応して
膜の強度が増加する。ヘッドブロック１４は切断線１８
のところで切断されてヘッドチップになる。そして先端
側の部分を円弧状に研磨することによって磁気ヘッド２
０が完成することになる。

【００２８】このような方法は、３５０℃以下の低温プ
ロセスで磁気ヘッド２０が完成するために、磁気特性の
良いアモルファス磁性材料が使用できる（ＭＩＧヘッド
の場合）。またフェライブロック１４の磁気特性の劣化
が少ない。これはガラスの拡散が抑えられるとともに、
熱歪による特性の劣化が抑えられることによる。これに
よって磁気ヘッド２０の特性を向上させることが可能に
なる。

【００２９】つぎに第２の実施例について説明する。ポ
リエチレン、セルロース、ポリイミド等の熱可塑性樹脂
のパウダーであって平均粒径が０．０１〜３μｍのパウ
ダーと、アルミナ、炭化珪素、炭化ボロン、フェライ
ト、チタニア、フォルステライト等のセラミックのパウ
ダーであって平均粒径が０．０１〜３μｍのパウダーを
均一に混合する。

【００３０】そして２種類のパウダーを混合したもの
を、上記の第１の実施例と同様にノズルによって噴射
し、膜を形成する。この後に電気炉でアニールする。こ
のときのアニール温度は樹脂のパウダーが軟化する温度
である。

【００３１】このようにして形成された膜を耐摩耗性が
必要な部品の表面処理に使用すると、セラミックの種
類、樹脂パウダーとセラミックパウダーの配合比を変化
させることによって、任意の耐摩耗性をもつ表面を得る
ことができる。

【００３２】この第２の実施例は例えばつぎのようなも
のに応用される。現在航空機内のインフライト機器（例
えばＴＶ、ビデオ、オーディオ等）のケースは、アルミ
ニウム合金で製作されている。アルミニウム合金は軽量
であってインフライト機器には適しているが、化粧ケー
スとしては傷つき易いという欠点がある。

【００３３】樹脂パウダーとセラミックパウダーを上述
の如く混合して噴射することによって形成されたデポジ
ション膜は、傷つき難いために、アルミニウムケースの
耐久性を向上できる効果がある。また樹脂パウダーを着
色することによってアルミニウムケースの表面を任意の
色に化粧することも可能である。

【００３４】つぎに第３の実施例について説明する。上
記と同じ熱可塑性樹脂のパウダーと、銅、アルミニウ
ム、銀、タングステン、ニッケルクロム等の金属パウダ
ー（平均粒径が０．０１〜３μｍ）を均一に混合する。
つぎにパウダービームデポジションによって、緻密な膜
を形成する。この後に電気炉に入れて昇温し、樹脂パウ
ダーを溶解して、強度の大きい膜を得ることができる。

【００３５】このようにして形成された膜は、電気抵抗
膜として使用される。金属パウダーの種類や金属パウダ
ーと樹脂パウダーの配合比を変えることによって、膜の
電気抵抗を任意に制御できるようになる。

【００３６】第３の実施例の応用例を図３を参照して説
明する。現在樹脂に金属パウダーを混合して行なってい
るスクリーン印刷による厚膜抵抗は、印刷して焼結する
だけで簡単に抵抗膜を得ることができる。しかしパター
ン幅が５０μｍ以上のものは印刷することが不可能であ
り、厚さは５０μｍ程度が主流であって、任意に変更す
ることが困難である。

【００３７】パウダービームデポジションの方法を用い
ることによって、上記の問題は容易に解決することがで
きる。例えば図３に示すように、アルミナと炭化珪素か
ら成るセラミック基板２３上に抵抗膜の形状に対応した
レジストパターン２４を形成しておく。これにパウダー
の噴射によって膜を形成する（図３Ａ）。

【００３８】つぎにレジスト膜２４を除去し、焼結する
と抵抗膜が得られる（図３Ｃ）。この方法によると、パ
ターン２６の幅はレジストパターン２４の解像度で決ま
り、５０μｍ以下数μｍまでの値が可能になる。また任
意の膜厚にすることができる。この結果抵抗の大きい膜
から抵抗が小さい膜まで容易に実現できるようになる。
またパウダービームを噴射するノズルの先端の出口を細
くして膜を形成することによって、レジストパターン２
４を形成することなく直接パターンを作ることも可能で
ある。

【００３９】上記第１、第２、および第３の実施例で得
られる膜は、熱膨張係数が異なる物体を接合する接着の
際の表面処理としても利用できる。すなわち熱膨張の大
きい物体と熱膨張の小さい物体を接着するときは、その
中間の熱膨張の膜を形成して、この膜同士を接着する。
このとき膜の熱膨張はパウダーの配合比を変えることに
よって任意に調整することができる。

【００４０】つぎに２種類以上のパウダーを噴射して膜
を形成するための装置について説明する。なお以下に３
種類のパウダーを混合して噴射する場合について説明す
るが、これ以外でも原理は同じである。

【００４１】図４は３種類のパウダーを共通の混合タン
ク３０で混合するようにしたものである。混合タンク３
０で混合されたパウダーはミキサ３１によって高圧エア
と混合され、ノズル３２を通して基板３３の表面に噴射
され、膜が形成されるようになっている。

【００４２】図５は３種類のパウダーについてそれぞれ
独立したタンク３７、３８、３９を設けるとともに、こ
れらのタンク３７〜３９の出口側をミキサ４０、４１、
４２とそれぞれ接続するようにしている。そしてミキサ
４０〜４２の先端側にノズル４３〜４５をそれぞれ接続
するようにしている。

【００４３】しかもこの装置は回転テーブル４６を備
え、このテーブル４６によって円周方向に配列された基
板４７を回転させながら成膜する。このときの回転数を
変えることによって、各パウダーの混合状態を調整する
ようにしている。

【００４４】図６の装置もそれぞれのパウダーについて
対応するタンク３７〜３９を備えている。それぞれのタ
ンク３７〜３９内のパウダーは対応するエゼクタ５１、
５２、５３によってそれぞれ吸引され、ミキサ５４に供
給されるようになっている。ミキサ５４によって３種類
のパウダーとエアとを混合してノズル５５から固気２相
流として噴射し、基板５６上に膜５７を形成するように
している。

【００４５】この装置を使って膜の物性値が傾斜した膜
を作製することができる。例えば金属製部品の耐熱性を
上げるために、表面にセラミックの膜を形成する。この
ときに最初は金属パウダーの配合比を大きくしておき、
次第にセラミックパウダーの配合比を大きくして、最後
はセラミックだけにする。このような膜を傾斜薄膜とい
い、耐久性のある耐熱性の膜を得ることができるように
なる。

【００４６】図４〜図６の装置によれば、大気中で室温
でセラミックの膜を０．１〜１００μｍの厚さで形成で
きるようになる。またその膜厚の形成速度も２〜３μｍ
／ｓｅｃの高速成形を行なうことができる。またこのと
きに１０μｍの厚膜とするとともに、その膜の強度をも
大きくすることができる。あるいはまた１０μｍ以上の
凹凸のある面に形成した膜の強度も大きくすることが可
能になる。

【００４７】形成された膜はアニールによってその内部
に存在する応力が緩和されることになる。また膜はその
物性値を任意に変えることができ、各種の機能性の膜と
することができる。すなわち膜によって電気抵抗を構成
したり、物質の表面に耐摩耗性を付与したり、接着面の
熱膨張を緩和する境界層として機能したり、物性傾斜膜
とすることができる。

【００４８】

【発明の効果】第１の発明によれば、軟化点が異なる２
種類以上のパウダーを混合して固気２相流として被加工
物に噴射し、被加工物上に膜を形成し、混合されたパウ
ダーの内の最も軟化点が低いパウダーが溶けるまで昇温
してアニールするようにしたものである。従って混合さ
れたパウダーから成るデポジション膜を被加工物上に形
成することが可能になるとともに、軟化点が低いパウダ
ーをアニールによって溶解することによって、膜の強度
を高め、内部応力を緩和できるようになる。

【００４９】第２の発明によれば、噴射されるパウダー
はその粒径が０．０１〜３μｍの範囲内であって、５０
ｍ／ｓｅｃ以上の速度で被加工物上に噴射されるように
なっている。従って混合されたパウダーによって被加工
物上に安定にデポジションが行なわれるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例のデポジション方法を示す正面図
である。

【図２】第１の実施例の応用例を示す斜視図である。

【図３】第３の実施例の応用例の工程図である。

【図４】混合されたパウダービームの噴射装置の正面図
である。

【図５】別のパウダービームの噴射装置を示す正面図で
ある。

【図６】さらに別のパウダービームの噴射装置を示す正
面図である。

【図７】従来のパウダービームデポジションを示す要部
断面図である。

【図８】凹凸のある基板上に噴射する状態を示す要部拡
大断面図である。

【符号の説明】

１ ノズル ２ 基板 １０ 基板 １１ 厚膜 １４ ヘッドブロック １５ ギャップ １６ 穴 １７ 噴射ノズル １８ 切断線 ２０ 磁器ヘッド ２３ セラミック基板 ２４ レジストパターン ２６ 抵抗膜 ３０ 混合タンク ３１ ミキサ ３２ ノズル ３３ 基板 ３４ 膜 ３７〜３９ タンク ４０〜４２ ミキサ ４３〜４５ ノズル ４６ 回転テーブル ４７ 基板 ５１〜５３ エゼクタ ５４ ミキサ ５５ ノズル ５６ 基板 ５７ 膜

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 軟化点が異なる２種類以上のパウダーを
   混合して固気２相流として被加工物に噴射し、該被加工
   物上に膜を形成し、混合されたパウダーの内の最も軟化
   点が低いパウダーが溶けるまで昇温してアニールするよ
   うにしたことを特徴とするデポジション方法
2. 【請求項２】 噴射されるパウダーは粒径が０．０１〜
   ３μｍの範囲内であって、５０ｍ／ｓｅｃ以上の速度で
   被加工物上に噴射されることを特徴とする請求項１に記
   載にデポジション方法。