JP3282193B2 - 膜形成装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、膜形成装置に係り、と
くに固体粒子膜を構成する固体粒子の粒径の均一化およ
び膜厚の均一化対策に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、固体粒子膜は、非常に薄くなる
と特異な性質を示すので、例えば、ミクロンオーダ以下
の膜厚の薄膜が、エレクトロニクス分野を始め各種産業
分野に広く利用されている。

【０００３】従来、膜の形成は、数μｍ程度までの厚さ
では真空蒸着により、これ以上の厚さでは精密印刷によ
り行われているが、近年、加熱を必要としない等の優れ
た特徴により、微粒子をノズルから基板上に吹き付けて
膜を形成する方法が注目されている。

【０００４】この種の膜形成装置には、「超微粒子 創
造科学技術」（林 主税、上田 良二、田崎 明編、三
田出版会発行、１９８８年）のｐ２９９に記載されてい
るように、ガス・デポジッション法による超微粒子の膜
形成装置が開示されており、この膜形成装置は、生成直
後の超微粒子を不活性ガス中に浮游させ、この固気混合
流（ａ）をノズルから数１０〜１００m/s の速度でベー
スに噴出する一方、ベースを移動し、ノズルとほぼ同じ
幅で線状の超微粒子膜を形成している。

【０００５】また、同書ｐ３１５，ｐ３１６にはガス・
デポジッション法以外の方法による超膜形成装置とし
て、Ｓn 超微粒子を用いたガス感応膜についての膜形成
装置が挙げられている。この膜形成装置は、ガス反応法
で生成した酸化Ｓn 超微粒子を直ちに膜形成室に導入
し、この超微粒子を臨界ノズルにより約２００m/s に加
速して、基板に噴出し、超微粒子膜を形成している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記膜形成
装置においては、基板に固体粒子を衝突させるだけで高
品質の薄膜を形成するには、基板上に堆積した膜の膜厚
が均一であることが要求される。さらに、高機能かつ高
品質の膜を得るには、噴出する固体粒子の粒径を小さく
かつ均一にしなければならない。

【０００７】しかしながら、高機能かつ高品質の膜を得
る上で、粒径については小粒径の固体粒子を供給すれば
問題はないが、粒径の均一性については、供給すべき小
粒径の固体粒子を分級して粒径を均一にしなければなら
ない。ところが、上記膜形成装置に使用するノズルには
分級作用がないため、高機能かつ高品質の膜の形成は望
めない。そこで、粒径を均一にするには分級装置を設け
ることが必要になるが、分級装置を設けると、装置全体
が大型化、複雑化するという問題がある。

【０００８】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
であって、均一な膜厚の固体粒子膜を形成できること、
および別途分級装置を設けることなく固体粒子の噴出の
際に微細な粒子を高い分級精度で分級して膜形成を行う
ことができることを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る発明が講じた手段は、基板の前方に
定在衝撃波を形成して固体粒子を分級した後、固体粒子
のうち大粒子と小粒子とを速やかに排出する一方、中間
粒径の固体粒子を基板上に衝突させて、粒径のそろった
中間粒径の固体粒子膜を形成するものである。

【００１０】具体的には、図６に示すように、気体中に
固体粒子が混入した固気混合流（ａ）を超音速状態で出
口（９）より噴出させる超音速気流発生手段（１）と、
該超音速気流発生手段（１）の出口（９）に連続する膜
形成室（２）とを備えた膜形成装置を前提としている。

【００１１】そして、上記膜形成室（２）の内部には、
基板（５）と上記超音速気流発生手段（１）の出口
（９）に流路開口（２８）が対峙して上記固体粒子のう
ちの大粒子が流入する大粒子排出通路（２１）とを備
え、該基板（５）の前方で衝撃波を生じさせる衝撃波発
生手段（２０）が配設された構成としている。

【００１２】さらに、上記基板（５）は、定在衝撃波
（１１）により流れの方向が変化する気流によって分級
される固体粒子のうち大粒子より粒径が小さく小粒子よ
り大きい中間粒子が上記基板（５）上に衝突して固体粒
子膜Ｍが形成されるように配設された構成としている。

【００１３】一方、上記衝撃波発生手段（２０）の外側
の膜形成室（２）内には、上記固体粒子のうちの小粒子
を流通させるための小粒子排出通路（２７）が形成され
た構成としている。

【００１４】また、請求項２に係る発明が講じた手段
は、基板に堆積する粒子量が均等になるように、出口と
基板との間の距離Ｌを特定の関係の範囲に設定するもの
である。

【００１５】具体的には、図９および図１０に示すよう
に、上記膜形成装置に加えて、膜形成室（２）内には、
基板（５）の前方で定在衝撃波（１１）を生じさせて、
上記出口（９）より噴出された固体粒子を上記基板
（５）に衝突させる衝撃波発生手段（２０）が配設され
た構成としている。

【００１６】さらに、上記超音速気流発生手段（１）の
出口（９）と基板（５）との距離Ｌは、上記基板（５）
の衝突面に沿う気流方向における上記出口（９）の幅を
Ｄとすると、 ０．５Ｄ≦Ｌ≦５Ｄ の範囲に設定されている。

【００１７】

【作用】上記の構成により、超音速気流発生手段（１）
に供給される固気混合流（ａ）のうち気体は出口（９）
で超音速になり、これにともなって気流中の固体粒子の
慣性力も非常に大きくなる。また、基板（５）の前面に
は定在衝撃波（１１）が発生する。

【００１８】この定在衝撃波（１１）により、気流は外
方へ急減速、急旋回すると共に、固体粒子のうち小粒子
は気流にのって流通する一方、固体粒子のうち大粒子は
そのまま直進し、固体粒子が慣性分級されることにな
る。固気混合流（ａ）は、定在衝撃波（１１）を境にし
て大きく減速すると共に、気流の方向が鋭くかつ大きく
曲げられる。このため、固体粒子は分級され、気流の中
心から流れの変化方向へ向かって大粒子から小粒子まで
に分級されることになる。

【００１９】固体粒子は非常に大きな慣性力を持つ一
方、気流は急減速および急旋回するので、分級作用が大
きく分離可能な粒径が低下する一方、異なる粒径の粒子
群の間における粒子の混入が激減して分級精度が向上す
る。したがって、非常に粒径が小さく、しかも粒径のそ
ろった固体粒子を基板（５）に衝突させることができる
ことになり、均一な粒径の微細な固体粒子の堆積膜が形
成されることになる。

【００２０】そして、請求項１に係る発明によれば、衝
撃波発生手段により、基板（５）の前方に定在衝撃波
（１１）が生じ、この定在衝撃波（１１）によって固体
粒子が分級されると、分級された固体粒子のうち、大粒
子は大粒子排出通路（２１）に、小粒子は小粒子排出通
路（２７）に速やかに排出される。一方、基板（５）に
は中間粒子の固体粒子膜Ｍが形成されることになる。

【００２１】ところで、気流の流速が変化すれば、固体
粒子の慣性力が変化して基板上に堆積する粒子量も変化
することになる。

【００２２】そこで、請求項２に係る発明によれば、超
音速気流発生手段（１）の出口（９）と基板（５）との
距離Ｌは、出口幅Ｄに対して、０．５Ｄ≦Ｌ≦５Ｄの範
囲に設定されている。これにより、基板（５）の衝突面
に沿う気流成分は均一になり、基板（５）に堆積する粒
子量が衝突面に沿う気流方向にわたって均一になり、粒
径の変化方向における膜厚分布は均一になる。

【００２３】したがって、例えば、出口（９）が矩形ノ
ズルの場合において、図２における上下方向と左右方向
のうち左右方向だけが気流の方向が変化して分級による
粒径の変化が生じる場合には、上下方向の膜厚分布は均
一である一方、上記構成により、左右方向の膜厚分布も
均一になるので、基板（５）全域において膜厚は均一に
なる。また、出口（９）が円形ノズルでは、衝突面に沿
う気流方向は半径方向であり、基板（５）には出口
（９）を中心として円形の領域に膜厚が均一な領域が形
成される。

【００２４】

【発明の効果】以上のように、上記の構成によれば、固
体粒子に非常に大きな慣性力を付与する一方、気流を急
減速および急旋回するので、非常に大きな分級効果を得
ることができると共に分級精度を大きく向上することが
できる。このため、とくに分級装置を設けることなく、
粒径のそろった非常に微細な粒子を基板（５）に堆積さ
せることができ、高機能かつ高品質の固体粒子膜Ｍを形
成することができる。この結果、上記膜形成装置によ
り、全体装置の大型化、複雑化を招くことなく、真空蒸
着装置やスクリーン印刷機のごとき精密印刷機に比べて
簡単な装置で薄膜を形成することができるばかりか、複
数の原料粉を含む超伝導材料等を良好な混合状態で出口
（９）から噴出することができるので、良好な超伝導薄
膜等を形成することもできる。

【００２５】また、請求項１に係る発明によれば、定在
衝撃波（１１）によって分級された固体粒子のうち大粒
子と小粒子とを大粒子排出通路（２１）と小粒子排出通
路（２７）とにより速やかに排出できる一方、基板
（５）は中間粒子の固体粒子膜Ｍが形成される領域に配
置されているので、分級された粒子群のうち大粒子や小
粒子に比べて捕集の難しい中間粒子の固体粒子膜Ｍを選
択的に形成することができる。

【００２６】また、請求項２に係る発明によれば、超音
速気流発生手段（１）の出口（９）と基板（５）との距
離Ｌを粒径の変化方向における出口幅Ｄについての所定
の範囲に設定することにより、基板（５）に形成される
膜厚を均一にすることができる。この結果、膜厚の高品
質化および一層の薄膜化が可能になる。

【００２７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づき説明す
る。

【００２８】本発明の膜形成装置は、図示しないが、微
粒子製造装置に連結されて微粒子の供給を受け、該微粒
子を慣性分級すると同時に、分級された微粒子を基板上
に衝突させて固体粒子膜Ｍを形成している。

【００２９】図１〜図３に本発明の前提技術を含む第１
実施例の膜形成装置の概略構造を示す。この膜形成装置
は、所定のサイズにカットした基板（５）を次々と膜形
成していくバッチ式の膜形成装置であり、超音速気流発
生手段としてのラバール管（１）と、このラバール管
（１）に連続配置される膜形成室（２）と、定在衝撃波
（１１）の発生と分級した固体粒子の膜を形成する基板
（５）と、この基板（５）を支持する基板支持手段
（３）とから構成されている。

【００３０】ラバール管（１）は、図１に示すように、
固気混合流（ａ）が供給される入り口部（６）と、内面
が絞り形成されたスロート部（７）と、流路面積が出口
（９）に向かって拡大する拡大部（８）とが順に形成さ
れている。スロート部（７）と拡大部（８）とは、図１
の奥行きの幅が一定であって、左右の幅が変化するよう
に構成されている。

【００３１】入り口部（６）の圧力は大気圧に設定され
る一方、膜形成室（２）を非容積形の真空ポンプで吸引
することにより、ラバール管（１）の出口圧力は大気圧
より低圧、すなわち、真空に設定されている。そして、
ラバール管（１）内を流通する固気混合流（ａ）は、入
り口部（６）で亜音速に、スロート部（７）で音速に、
出口（９）で超音速になる。

【００３２】このラバール管（１）は、矩形状に形成さ
れており、サイズアップしやすくなっている。そして、
気流は、図１および図２に示すように、中央から基板
（５）の左右の外方に分かれるようになっている。

【００３３】入り口部（６）に供給する固気混合流
（ａ）としては、気体に窒素やＨe ，Ａr 等の不活性ガ
スが、固体粒子には粗粒子を除いた細粒子（ｂ）と超微
粒子（ｃ）の混合体が用いられ、これらの固体粒子は気
相法、粉砕、超臨界圧法、液相法等を使用する各種微粒
子製造装置によって製造される。

【００３４】上記膜形成室（２）は、図２に示すよう
に、ケーシング（１７）により矩形状に形成されてお
り、内部には、図１に示すように、基板（５）を支持す
る基板支持手段（３）と、この基板支持手段（３）を移
動する移動手段（１２）とが設けられている。

【００３５】基板支持手段（３）は、支持杆（１４）
と、この支持杆（１４）の上端に配設された基板（５）
を載せる載置台（１５）とからなり、この載置台（１
５）は、基板（５）がラバール管（１）の出口（９）に
対峙するように配設されており、該基板（５）の前方に
定在衝撃波（１１）が生じて、該定在衝撃波（１１）に
より流れの方向が変化する気流によって分級された固体
粒子が上記基板（５）上に衝突して固体粒子膜Ｍが形成
されるように構成されている。

【００３６】そして、基板（５）は、図２に示すよう
に、矩形状の薄板であって、図中の上下に対向するケー
シング（１７）の２側面（１７ａ），（１７ｂ）の間に
配置されている。

【００３７】定在衝撃波（１１）は、圧力波であって、
出口（９）と基板（５）との間の一定位置に発生し、そ
の形態は、図２のような基板（５）の上下の配置に対応
して、図１のような断面形状で図２の上下方向（基板の
長辺方向）に一様に形成される。

【００３８】このような形態の定在衝撃波（１１）によ
り、固気混合流（ａ）は急減速すると共に、固気混合流
（ａ）のうちの気体は左右の外方へ向かって急旋回す
る。このため、供給される固体粒子のうち慣性力の大き
い大粒径のものはそのまま直進する一方、慣性力の小さ
い小粒径のものは気流にのって左右の外方へ進行する。
したがって、固気混合流（ａ）の中心から左右の外方へ
向かって大粒径から小粒径へ変化するように固体粒子は
分級され、基板（５）の配置される位置によって固体粒
子膜Ｍを構成する固体粒子の粒径は変化することにな
る。基板（５）に衝突する固体粒子は堆積して薄膜を形
成する。

【００３９】そして、図１に示すように、基板支持手段
（３）によって基板（５）が細粒子（ｂ）が流通する領
域に配置されている場合には、基板（５）には細粒子
（ｂ）の固体粒子膜Ｍが形成されることになる。

【００４０】また、移動手段（１２）は、基板支持手段
（３）を衝突面に沿う気流方向（図１〜図３の左右方
向）に向かって移動すると共に、さらに所定位置に停止
させてその停止状態に保持し、これにより、基板（５）
にあらかじめ設定された粒径の固体粒子膜Ｍが形成され
るよう構成されている。

【００４１】また、膜形成室（２）には、図示しない
が、この膜形成室（２）に連続して設けられ、固体粒子
が付着しないように多数の基板（５）を収納しておく収
納部と、この収納部と基板支持手段（３）の載置台（１
５）との間で基板（５）を搬送する搬送手段とが配設さ
れている。

【００４２】次に、上記膜形成装置の作動について説明
する。

【００４３】超音速気流発生手段（１）に供給される固
気混合流（ａ）のうち気体は出口（９）で超音速にな
り、これにともなって気流中の固体粒子の流速も非常に
大きくなり、慣性力が大きくなる。超音速にまで加速さ
れた気流は出口（９）に対峙する基板（５）により急旋
回すると共に、その前面に定在衝撃波（１１）が発生す
る。

【００４４】この定在衝撃波（１１）により、気流は急
減速、急旋回すると共に、左右の外方へ変化すると共
に、固体粒子のうち超微粒子（ｃ）は気流にのって流通
する一方、固体粒子のうち細粒子（ｂ）はそのまま直進
する。膜形成室（２）内における粒径分布は、気流の中
心から流れの変化方向（図１〜図３の左右方向）へ向か
って固体粒子の粒径は小さくなるように形成される。

【００４５】固気混合流（ａ）は、定在衝撃波（１１）
を境にして大きく減速すると共に、気流の方向が鋭くか
つ大きく曲げられるため、固体粒子は非常に大きな慣性
力を持つ一方、気流は急減速および急旋回する。このた
め、細粒子（ｂ）と超微粒子（ｃ）との分級が可能にな
る一方、高い分級精度が得られることによって両粒子群
の間における固体粒子の混入が激減する。そして、図１
の基板（５）の位置では、図３に示すように、非常に粒
径のそろった細粒子（ｂ）だけを基板（５）に衝突させ
ることができ、細粒子（ｂ）の均一な粒径の堆積膜が形
成されることになる。

【００４６】さらに、図３に示すように、移動手段（１
２）によって基板（５）を粒径の変化方向の外方（図中
の左右いずれかの方向）に向かって移動し、超微粒子
（ｃ）が流通する領域に基板（５）を停止して停止位置
に保持すれば、基板（５）に超微粒子（ｃ）の固体粒子
膜Ｍが形成されることになる。

【００４７】以上より、超音速気流発生手段（１）と基
板支持手段（３）とにより、固体粒子に非常に大きな慣
性力を付与する一方、気流を急減速および急旋回させる
ので、非常に大きな分級効果を得ることができると共に
分級精度を大きく向上することができる。このため、と
くに分級装置を設けることなく、粒径のそろった非常に
微細な粒子を基板（５）に堆積させることができ、高機
能かつ高品質の固体粒子膜Ｍを形成することができる。
この結果、上記膜形成装置により、全体装置の大型化、
複雑化を招くことなく、真空蒸着装置やスクリーン印刷
機のごとき精密印刷機に比べて簡単な装置で薄膜を形成
することができるばかりか、複数の原料粉を含む超伝導
材料等を良好な混合状態で出口（９）から噴出すること
ができるので、良好な超伝導薄膜等を形成することもで
きる。

【００４８】さらに、移動手段（１２）により、超音速
気流発生手段の出口（９）から噴出する固体粒子のうち
所定の粒径のものだけを選択して膜形成に用いることが
でき、供給される固体粒子の粒径分布の範囲内において
自由に膜形成に用いる固体粒子の粒径を選択することが
できる。したがって、例えば、粒径分布にバラツキがあ
る製造直後の粒子について、このバラツキに対応して常
に一定の粒径の固体粒子膜Ｍを形成することができる。

【００４９】次に、図４に第２実施例を示す。この実施
例は、ラバール管（１）と膜形成室（２）とが円形に形
成されたものである。ラバール管（１）は、入り口部
（６）、スロート部（７）および拡大部（８）の直径を
変化させてなり、これにより、分級による粒径の変化方
向は半径方向となっている。その他の構成並びに作用効
果は前実施例と同様である。

【００５０】次に、図５に第３実施例を示す。この実施
例は、膜形成室（２）を形成するケーシング（１７）
が、図５の上下に対向する２側面（１７ａ），（１７
ｂ）の中央部を上下に拡張され、長尺の基板（５）を膜
形成室（２）内に上下に移動可能に収容できるようにし
ている。移動手段（１２）により、基板（５）は図中の
上下に移動されて膜形成が行われる。これにより、バッ
チ処理であっても基板（５）の品質の均一性を向上する
ことができると共に、基板（５）交換の回数を減少して
製造能力を向上することができる。その他の構成並びに
作用効果は第１実施例と同様である。

【００５１】次に、図６〜図８に第４実施例を示す。こ
の実施例は、分級された固体粒子のうち中間粒子だけを
選択的に基板（５）に衝突させて、中間粒子の固体粒子
膜Ｍを形成するものである。供給する固気混合流（ａ）
の固体粒子としては、粗粒子（ｄ）、細粒子（ｂ）およ
び超微粒子（ｃ）を含む混合体が用いられる。

【００５２】具体的には、この実施例の膜形成装置は、
図７に示すように、膜形成室（２）内に外部から基板
（５）を通過させていき、連続して膜形成を行う連続式
の膜形成装置である。そして、膜形成室（２）に基板
（５）を連続供給する構造としては、図示しないが、膜
形成室（２）を形成するケーシング（１７）の対向する
２側面（１７ａ），（１７ｂ）に、基板挿通口と、各基
板挿通口からの外気の侵入を遮断するシール手段とが配
設されている。なお、膜形成中の基板（５）は、停止さ
せていても、移動させていてもよい。

【００５３】上記膜形成室（２）の内部には、図６およ
び図７に示すように、上記基板（５）の前方で衝撃波を
生じさせる衝撃波発生手段（２０）が配設されている。
この衝撃波発生手段（２０）は、大粒子排出通路（２
１）が形成された仕切部材（２２）と、この仕切部材
（２２）の左右両側に支持された２枚の基板（５），
（５）とから構成されている。そして、仕切部材（２
２）の上端部（２２ａ）と基板（５）とは、図６に示す
ように、ラバール管（１）の出口（９）に対峙して配設
されている。

【００５４】仕切部材（２２）は、一対の区画壁（２
４），（２４）が所定の間隔を隔てて並設されてなる。
この両区画壁（２４），（２４）の上端（２４ａ），
（２４ａ）は、上記出口（９）との間に一定の間隔を隔
てて設けられている一方、膜形成室（２）内を左右に仕
切り、中央部に固体粒子のうち粗粒子（ｄ）が流通する
大粒子排出通路（２１）を、左右の周辺部に固体粒子の
うち細粒子（ｂ）が流通する小粒子排出通路（２７），
（２７）を形成している。

【００５５】そして、仕切部材（２２）の上端部（２２
ａ）には、大粒子排出通路（２１）の流路開口（２８）
が形成されることになる。また、大粒子排出通路（２
１）は、図示しないが、真空ポンプの吸引により排気さ
れ、流路開口（２８）に流入する気体の流速、および内
部を流通する気体の流速が出口（９）の気体の流速より
小さく設定されている。なお、真空ポンプは、上記基板
挿通口から真空の膜形成室（２）への外気の侵入を考慮
して、やや排気速度を大きくしている。

【００５６】このような流路開口（２８）および大粒子
排出通路（２１）内の低流速により、出口（９）から流
出した固気混合流（ａ）が大粒子排出通路（２１）内に
流入しにくくなり、流路開口（２８）を含めた仕切部材
（２２）の上端部（２２ａ）の全面が固気混合流（ａ）
に対して障害壁のように挙動し、図６に示すように、出
口（９）と上端部（２２ａ）との間に定在衝撃波（１
１）が形成されるようになっている。発生する定在衝撃
波（１１）は、基板（５），（５）の前方にまで及び、
図６のような断面形状の定在衝撃波（１１）が図７の上
下方向（基板の長辺方向）に一様に形成される。

【００５７】定在衝撃波（１１）による分級作用は第１
実施例と同様であり、分級された固体粒子は、衝突面に
沿う気流の方向（図６〜図８の左右方向）へ向かって粗
粒子（ｄ）から超微粒子（ｃ）にまで分布する。図８に
示すように、慣性力が大きい粗粒子（ｄ）はそのまま直
進して仕切部材（２２）の大粒子排出通路（２１）内に
流入する一方、慣性力が小さい超微粒子（ｃ）は気流に
のって小粒子排出通路（２７），（２７）に入り、速や
かに排出される。

【００５８】そして、上記基板（５），（５）は、図６
および図８に示すように、両区画壁（２４），（２４）
の上端（２４ａ），（２４ａ）の外面に面一状に配設さ
れると共に、中間粒子である細粒子（ｂ）が流通する領
域に配置されている。

【００５９】以上より、基板（５），（５）の前方に定
在衝撃波（１１）が生じ、この定在衝撃波（１１）によ
って固体粒子が分級されることになる。分級された固体
粒子のうち、粗粒子は大粒子排出通路（２１）に、超微
粒子は小粒子排出通路（２７），（２７）に速やかに排
出される。一方、基板（５），（５）は、細粒子（ｂ）
が流通する領域に配置されており、細粒子（ｂ）の固体
粒子膜Ｍが形成されることになる。

【００６０】この実施例によれば、定在衝撃波（１１）
によって分級された固体粒子のうち粗粒子（ｄ）と超微
粒子（ｃ）とを大粒子排出通路（２１）と小粒子排出通
路（２７），（２７）とにより速やかに排出できる一
方、基板（５）は固体粒子膜Ｍが形成される領域に配置
されているので、分級された粒子群のうち大粒子（粗粒
子）や小粒子（超微粒子）に比べて捕集の難しい中間粒
子（細粒子）の固体粒子膜Ｍを選択的に形成することが
できる。

【００６１】次に、図９〜図１５に第５実施例を示す。
この実施例は、基板（５）に形成される固体粒子膜Ｍの
膜厚を均一にするものである。固気混合流（ａ）の固体
粒子としては、第１実施例と同様に、粗粒子を除いた細
粒子（ｂ）と超微粒子（ｃ）の混合体が用いられる。

【００６２】具体的には、例えば、上記図１および図２
に示す第１実施例の膜形成装置を用いる。この第１実施
例の膜形成装置は、ラバール管（１）の出口（９）が矩
形状であり、図２の上下方向（基板（５）の長辺方向）
の気流の流れは一様であるので、この方向の固体粒子の
慣性力は均一になり、矩形状の基板（５）に形成された
固体粒子膜Ｍの長辺方向の膜厚は均一になる。なお、こ
の実施例では、第１実施例の移動手段（１２）を設けて
もよいが、設けなくてもよい。

【００６３】一方、図１の左右方向（基板の短辺方向）
は、衝突面に沿う気流の方向となっており、この方向で
は気流の流速分布も変化する可能性があるために、基板
（５）上の膜厚が不均一になるおそれがある。

【００６４】そこで、この実施例の特徴として、ラバー
ル管（１）の出口（９）と基板（５）との距離Ｌは、基
板（５）の衝突面に沿う気流の方向における上記出口
（９）の幅をＤとすると、 ０．５Ｄ≦Ｌ≦５Ｄ の範囲に設定されている。

【００６５】これにより、基板（５）の短辺が出口幅Ｄ
以上の場合には、図９（ａ），（ｂ）に示すように、衝
突面に沿う気流の方向である短辺方向（図９の左右方
向）に向かう気流の流速分布は均一になり、固体粒子の
慣性力も均一になる。このため、基板（５）の短辺の全
域にわたって堆積する粒子量が均一になり、短辺方向に
おける固体粒子膜Ｍの膜厚分布が均一になる。このよう
な膜厚の形態は、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、
基板（５）の短辺が出口幅Ｄより小さい場合も同様であ
る。

【００６６】上記距離Ｌの下限を０．５Ｄとするのは、
０．５Ｄよりも基板（５）が出口（９）に接近する場合
には、衝突面に沿う気流の方向である短辺方向（図１１
の左右方向）の気流の流速分布は不均一になるからであ
る。例えば、基板（５）の短辺が出口幅Ｄ以上の場合に
は、図１１（ａ），（ｂ）に示すように、基板（５）上
に形成された固体粒子膜Ｍは、短辺方向の膜厚分布が波
打つ形態になる。これは、短辺方向の気流の流速分布
が、中央部と周辺部で流速が大きくなる一方、中間部で
流速が小さく、いわば波打ったような形態になるため、
この流速分布に対応して固体粒子の慣性力も変化し、短
辺方向に堆積する粒子量も変化するからである。

【００６７】また、基板（５）の短辺が出口幅Ｄより小
さい場合には、図１２（ａ），（ｂ）に示すように、粒
径の変化方向の気流の流速分布は、基板（５）の中央部
で流速が小さく、左右の周辺部で大きくなるため、固体
粒子膜Ｍの短辺方向の膜厚分布は中央部で小さく左右の
周辺部で大きい形態になる。

【００６８】さらに、上記距離Ｌが出口（９）から５Ｄ
を超えて離れている場合には、基板（５）の短辺が出口
幅Ｄ以上の場合には、図１３（ａ），（ｂ）に示すよう
に、短辺方向（図１３の左右方向）の気流の流速分布
は、基板（５）の中央部で流速が大きく、左右の周辺部
で小さくなるため、短辺方向の膜厚分布は中央部で大き
く左右の周辺部で小さい形態になる。このような膜厚の
形態は、図１４（ａ），（ｂ）に示すように、基板
（５）の短辺が出口幅Ｄより小さい場合も同様である。

【００６９】次に、基板（５）と出口（９）との距離Ｌ
を各種に変えて、膜厚差△ｔを調べた。膜厚差△ｔは、
図１１（ｂ）に示すように、最大膜厚ｔmax と最小膜厚
ｔmin との差である。ラバール管（１）は、入口部圧力
を大気圧、出口圧力を０．２atm に設定し、出口（９）
における気流の流速をマッハ２として基板（５）に固気
混合流（ａ）を噴出した。最大膜厚ｔmax が１０μｍの
堆積膜を形成した時の最小膜厚ｔmin を測定し、膜厚差
△ｔを算出した。測定結果を図１５に示す。図１５にお
いて、曲線ｍは基板（５）の短辺が出口幅Ｄ以上の場合
の膜厚差△ｔであり、曲線ｎは基板（５）の短辺が出口
幅Ｄより小さい場合の膜厚差△ｔである。

【００７０】両曲線ｍ，ｎのいずれの場合においても、
距離Ｌが０．５Ｄ≦Ｌ≦５Ｄの範囲でほぼ平坦な曲線に
なり、曲線ｍでは膜厚差△ｔは２．０μｍ前後の値にな
り、曲線ｎでは膜厚差△ｔは１．０μｍ前後になった。
一方、基板（５）が出口（９）に０．５Ｄより近づき過
ぎる場合および５Ｄより離れ過ぎる場合には、膜厚差△
ｔは、両曲線ｍ，ｎについて急激に増大し、基板（５）
上の膜厚分布は不均一であった。

【００７１】以上より、距離Ｌを、出口幅Ｄに対して、
０．５Ｄ≦Ｌ≦５Ｄの範囲に設定することにより、短辺
方向に堆積する粒子量が均一になり、短辺方向の膜厚分
布は均一になる。したがって、基板（５）に形成された
固体粒子膜Ｍは、長辺方向だけでなく短辺方向について
も膜厚が均一になり、基板（５）全域において膜厚は均
一になる。

【００７２】なお、出口（９）が円形ノズルでは、衝突
面に沿う気流の方向は半径方向であり、基板（５）には
出口（９）を中心として円形の領域に膜厚が均一な領域
が形成されることになる。

【００７３】この実施例によれば、ラバール管（１）の
出口（９）と基板（５）との距離Ｌを粒径の変化方向に
おける出口幅Ｄについての上記した所定範囲に設定する
ことにより、基板（５）に形成される膜厚を均一にする
ことができる。この結果、膜厚の高品質化および一層の
薄膜化が可能になる。

【００７４】なお、第１実施例の移動手段（１２）は、
基板（５）を直接移動するように構成されていてもよ
い。

【００７５】また、移動手段（１２）は、なくてもよ
い。

【００７６】また、第４実施例では、衝撃波発生手段
（２０）のうち両区画壁（２４），（２４）の上端（２
４ａ），（２４ａ）により定在衝撃波（１１）を生じさ
せているが、基板（５）だけにより、あるいは仕切部材
（２２）と基板（５）の双方により生じるように基板
（５）と両区画壁（２４），（２４）を構成してもよ
い。

【００７７】また、第４実施例の基板（５）と両区画壁
（２４），（２４）との配置関係は、必ずしも基板
（５）を両区画壁（２４），（２４）の上端（２４
ａ），（２４ａ）に面一状に設けた配置関係に限定する
必要はなく、定在衝撃波（１１）の発生や基板（５）へ
の細粒子（ｂ）の衝突を妨げない範囲で、自由に設定す
ることができる。

【００７８】また、第４実施例の大粒子排出通路（２
１）は、二つ以上形成してもよく、例えば、仕切部材
（２２）の中心部に最も粗い粒子を回収するための第１
大粒子排出通路を、該第１粗粒子（ｄ）回収通路の外側
に、次に粗い粒子を回収するための第２大粒子排出通路
を形成する構成であってもよい。

【００７９】また、基板（５）を加熱するようにすれ
ば、より緻密な固体粒子膜が形成できる一方、断熱膨脹
による冷熱場を利用すればポーラスなアモルファス状の
固体粒子膜を形成することができる。

【００８０】また、第５実施例の膜形成装置は、第１実
施例以外の膜形成装置にも適用できることはもちろんで
ある。

【００８１】また、上記すべての実施例の超音速気流発
生装置は、ラバール管（１）以外の装置、例えば、減圧
インパクタであってもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例を示し、ラバール管を示す断面図で
ある。

【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。

【図３】第１実施例を示し、基板（５）の拡大図であ
る。

【図４】第２実施例を示し、図２の相当図である。

【図５】第３実施例を示し、図２の相当図である。

【図６】第４実施例を示し、図１の相当図である。

【図７】第４実施例を示し、図６のＢ−Ｂ線断面図であ
る。

【図８】第４実施例を示し、衝撃波発生手段の拡大図で
ある。

【図９】第５実施例を示し、基板の短辺が出口の幅以上
の場合であり、（ａ）は要部拡大図であり、（ｂ）は固
体粒子膜の形態を示す模式図である。

【図１０】第５実施例を示し、基板の短辺が出口の幅よ
り小さい場合であり、（ａ）は要部拡大図であり、
（ｂ）は固体粒子膜の形態を示す模式図である。

【図１１】第５実施例の比較例を示し、基板が超音速気
流発生手段の出口に接近し過ぎており、基板の短辺が出
口の幅以上の場合であり、（ａ）は要部拡大図であり、
（ｂ）は固体粒子膜の形態を示す模式図である。

【図１２】第５実施例の比較例を示し、基板が超音速気
流発生手段の出口に接近し過ぎており、基板の短辺が出
口の幅より小さい場合であり、（ａ）は要部拡大図であ
り、（ｂ）は固体粒子膜の形態を示す模式図である。

【図１３】第５実施例の比較例を示し、基板が超音速気
流発生手段の出口より離れ過ぎており、基板の短辺が出
口の幅以上の場合であり、（ａ）は要部拡大図であり、
（ｂ）は固体粒子膜の形態を示す模式図である。

【図１４】第５実施例の比較例を示し、基板が超音速気
流発生手段の出口より離れ過ぎており、基板の短辺が出
口の幅より小さい場合であり、（ａ）は要部拡大図であ
り、（ｂ）は固体粒子膜の形態を示す模式図である。

【図１５】第５実施例を示し、基板と出口との距離と、
膜厚差と関係を示す特性図である。

【符号の説明】 １ ラバール管（超音速気流発生手段） ２ 膜形成室 ３ 基板支持手段 ５ 基板 ９ ラバール管の出口 １１ 定在衝撃波 ２０ 衝撃波発生手段 ２１ 大粒子排出通路 ２７ 小粒子排出通路 ２８ 大粒子排出通路の流路開口 ａ 固気混合流 Ｍ 固体粒子膜

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B01J 19/00 - 19/32

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 気体中に固体粒子が混入した固気混合流
   （ａ）を超音速状態で出口（９）より噴出させる超音速
   気流発生手段（１）と、 該超音速気流発生手段（１）の出口（９）に連続する膜
   形成室（２）とを備えた膜形成装置であって、上記膜形成室（２）の内部には、基板（５）と上記超音
   速気流発生手段（１）の出口（９）に流路開口（２８）
   が対峙して上記固体粒子のうちの大粒子が流入する大粒
   子排出通路（２１）とを備え、該基板（５）の前方で衝
   撃波を生じさせる衝撃波発生手段（２０）が配設され、 上記基板（５）は、定在衝撃波（１１）により流れの方
   向が変化する気流によって分級される固体粒子のうち大
   粒子より粒径が小さく小粒子より大きい中間粒子が上記
   基板（５）上に衝突して固体粒子膜Ｍが形成されるよう
   に配設されている一方、 上記衝撃波発生手段（２０）の外側の膜形成室（２）内
   には、上記固体粒子のうちの小粒子を流通させるための
   小粒子排出通路（２７）が形成されていることを特徴と
   する膜形成装置。
2. 【請求項２】 気体中に固体粒子が混入した固気混合流
   （ａ）を超音速状態で出口（９）より噴出させる超音速
   気流発生手段（１）と、 該超音速気流発生手段（１）の出口（９）に連続する膜
   形成室（２）とを備えた膜形成装置であって、該膜形成室（２）内には、基板（５）の前方で定在衝撃
   波（１１）を生じさせて、上記出口（９）より噴出され
   た固体粒子を上記基板（５）に衝突させる衝撃波発生手
   段（２０）が配設され、 上記超音速気流発生手段（１）の出口（９）と基板
   （５）との距離Ｌは、上記基板（５）の衝突面に沿う気
   流方向における上記出口（９）の幅をＤとすると、 ０．５Ｄ≦Ｌ≦５Ｄ の範囲に設定されていることを特徴とする膜形成装置。