JP3812660B2 - 複合構造物作製方法及び複合構造物作製装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基板に吹き付け、微粒子の材料からなる構造物を基板上に形成させることによって基板と構造物からなる複合構造物を作製する複合構造物作製方法及び複合構造物作製装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板上の膜の形成方法としては数μｍ以上の厚膜の場合、溶射法が一般に知られているが、その他ガスデポジション法（加集誠一郎：金属 １９８９年１月号）が提案されている。この方法は金属やセラミックスの超微粒子をガス攪拌にてエアロゾル化し、微小なノズルを通して加速せしめ、基板表面に超微粒子の圧粉体層を形成させ、これを加熱して焼成させることにより被膜を形成する。
前記ガスデポジション法による微粒子膜の形成装置において、ノズルの加熱に関する技術としては、特開平６−４９６５６が開示されており、ノズルの先端にノズルを加熱自在とする加熱装置を配置し、またノズルの先端に近接して基板上に堆積される超微粒子を加熱するレーザービーム加熱装置を配置することで、基板上に堆積される超微粒子を加熱された状態での噴射と、基板上に堆積中の超微粒子膜への加熱とを単独に或いは併用して行うことができ、基板上に堆積される超微粒子膜に部分的な特性を有する膜を形成することができるというものであり、実施例として、BaTiO₃超微粒子を使用する際には、約７００℃に加熱したノズルから噴射し、基板に堆積中の超微粒子に表面温度約１０００℃でレーザービームを照射することにより焼成処理を同時に行えるといったものが挙げられている。
ガスデポジション法による微粒子膜の形成装置におけるノズル及び搬送管の加熱に関する技術としては、特開平７−１６６３３２が開示されており、基板上に超微粒子膜あるいは圧粉体を形成させる際に、搬送管単独または搬送管とノズルとの両者を、搬送管は３００℃〜、ノズルは５００℃〜といった高温に加熱することで、その内壁に超微粒子が付着凝集せず、凝集体が再飛散することによる凝集体を含んだ膜の形成やノズル詰まりが抑制されるといったものである。
前記ガスデポジション法を改良した先行技術として微粒子ビーム堆積法あるいはエアロゾルデポジション法と呼ばれる脆性材料の膜あるいは構造物の形成方法がある。エアロゾルデポジション法とは脆性材料の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを搬送し、高速で基板表面に噴射して衝突させ、微粒子を破砕・変形せしめ、基板との界面にアンカー層を形成して接合させるとともに、破砕した断片粒子同士を接合させることにより、基板との密着性が良好で強度の大きい脆性材料構造物を基板上にダイレクトに形成させることができる手法であり、特開平１１−２１６７７号公報、特開２０００−２１２７６６号公報に開示されるものが知られている。特開平１１−２１６７７号公報に開示される技術は、前記した超微粒子を含むエアロゾルを搬送する際、微粒子同士が凝集して大きな粒子となるのを防止するために、中間に分級装置を配置するようにしている。特開２０００−２１２７６６号公報は、粒径が１００ｎｍから５μｍの範囲にあるセラミックスなどの超微粒子をガスに分散させてエアロゾルとした後、ノズルより高速の超微粒子ビームとして基板に向けて噴射して堆積物を形成させる。このときに超微粒子や基板に、イオン、原子、分子ビームや低温プラズマ等の高エネルギー原子などを照射して作製される構造物を強固なものとする工夫がなされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
通常セラミックスや金属等の微粒子は、粒子間に水分、静電気、ファンデルワールス力などの力を受けて、一次粒子が凝集して比較的粒径の大きい二次粒子すなわち凝集粒を形成している。セラミックス等の構造物を基板上にダイレクトで形成させるエアロゾルデポジション法では、エアロゾルに含まれる凝集粒がエアロゾル搬送管内壁やノズル内壁に付着し詰まりが生じ、満足の行く複合構造物を長時間安定して作製できないといった問題やエアロゾル搬送管内壁やノズル内壁に付着した凝集粒が再飛散し、構造物形成時に様々な弊害を起こす不具合があった。すなわち十分な速度まで加速されなかった凝集粒が基板へ衝突する際に、凝集粒の持つ運動エネルギーが凝集粒から一次粒子への解砕に消費されるなどし、一次粒子の破砕が抑制されるため、基板への構造物の形成速度が小さく目的の複合構造物が形成されるのに時間がかかり効率が悪くなったり、凝集粒が形成された構造物に衝突して構造物を削り取るエッチングを発生させたり、あるいは構造物中に凝集粒が取り込まれて、その強度を低下させるなどというこの手法固有の問題があった。さらに基板材料に有機物等を使用する際には、ノズル温度を高温にすると基板が変形する恐れがあるといった問題があった。またこのノズル内壁に付着するという問題は微粒子に金属材料を用いる場合も同様に懸念される。
【０００４】
本発明は前記の問題を解決するためになされたものであり、ノズル内壁への凝集粒の付着を抑制すること、微粒子を十分に加速させることで基板への構造物の形成速度を向上させることにより、膜厚や諸特性が安定した欠陥のない複合構造物を長時間安定的に生産性良く形成させることができる複合構造物作製装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段及び作用、効果】
本発明では、微粒子、特に好適には脆性材料微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを脆性材料もしくは延性材料でできた基板に高速で噴射・衝突させてダイレクトに複合構造物を作製する複合構造物作製方法およびこれに基づく装置であり、エアロゾル発生器と、その下流側のエアロゾル搬送管と、その下流側のノズルを有し、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを前記ノズル先端から基板に吹き付けて微粒子の材料からなる構造物を基板上に形成させることによって基板と構造物からなる複合構造物を作製する複合構造物作製方法或いは複合構造物作製装置において、前記ノズルには、その内壁側が加熱されるように、加熱手段が配設されており、少なくともエアロゾルを基板に吹き付けるときには、ノズル先端の温度が５０℃〜１５０℃になるように制御されるようにした。
【０００６】
ノズル内壁を加熱することで、微粒子を十分に加速し、基板への複合構造物の形成速度を向上させることができる。そしてその形成速度の向上はノズル先端の温度が５０℃〜１５０℃になるときに最大になる。従って、少なくともエアロゾルを基板に吹き付けるときにノズル先端の温度を上記温度域にすれば、生産性が向上する。また、ノズル先端の温度が７５℃以上であると、基板への構造物の形成速度が室温２５℃のときの２倍以上と、より一層向上させることができるのでさらに好適である。ノズル先端の温度が１５０℃以上になるとエッチングがおこり部分的に剥離が生じる恐れがあり、また熱に弱い材料基板を用いた場合などは、基板を変質させる恐れもあるのであまり好適ではない。
また、ノズルの内壁側が加熱されるようにすることで、ノズル内壁の温度がノズルに導入されるエアロゾルの温度より高くなるので、熱対流効果によりノズル内壁への微粒子や凝集粒の付着を大幅に低減させることができる。
さらに、ノズルの内壁からエアロゾルに熱が伝達されるので、エアロゾルをより一層乾燥させ、再凝集を抑制することができる。その結果、凝集粒の少ない微粒子ビームを得ることができ、膜厚や諸特性が安定した複合構造物を長時間安定的に生産性良く形成させることができる。
【０００７】
本発明の好ましい態様においては、ノズル先端における温度がノズルに導入されるエアロゾルの温度より２５℃以上高くすることが好適である。そうすることでノズル内壁の温度がエアロゾル温度より高いことによる熱対流効果が顕著になり、ノズル内壁への微粒子の付着を大幅に低減させることができるので、ノズル内壁に付着し詰まりが生じたり、ノズル内壁に付着した凝集粒が再飛散することが抑制され、微粒子を十分な速度まで加速させた凝集粒の少ない微粒子ビームを得ることができるので、基板への構造物の形成速度を向上させることができる。また、ノズル先端の温度がノズルに導入されるエアロゾルの温度より５０℃以上高くすると、熱対流効果がより一層顕著になる上、基板への構造物の形成速度をより一層向上させることができるのでさらに好適である。
【０００８】
本発明の好ましい態様においては、使用されるガスは乾燥空気、窒素、酸素、アルゴン、ヘリウムなどであるが、これ以外の種類のガスでも良い。脆性材料微粒子は酸化物、窒化物、炭化物、ホウ化物、半導体などであり、その一次粒子径は０．１〜５μｍが適当であるが、これ以外の種類、粒子径のものでも良い。また延性材料としては各種金属材料やプラスチック材料が挙げられ、混合微粒子は単純に脆性材料微粒子と延性材料微粒子をボールミルなどで乾式攪拌混合させて作製する。また複合微粒子は脆性材料微粒子の表面にめっきやＰＶＤ、ＣＶＤ、機械的混砕によるメカノケミカル被覆、吸着、蒸気析出などの表面改質方法にて金属や有機物の層を形成したものである。これら混合、複合微粒子は主体的には脆性材料微粒子であり、本発明で挙げている作用、効果が期待されるものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
まず、以下に、本発明における主要な用語について、説明する。
エアロゾル発生器
本発明において、エアロゾル発生器とは材料微粒子をガス中に分散させることによりエアロゾルを発生させるもので、材料微粒子の粉体を収容する容器と、材料微粒子の粉体に近接させた、ガスを導入する導入部と、エアロゾルを導出する導出部を有する。その一態様としては、容器を振動させつつ導入部よりガスを粉体に吹き付けてエアロゾルを発生させる。さらに粉体とその上部に設置される導出部の相対位置を変動させて、その間の距離を利用してエアロゾル中の材料微粒子の重力分級を行なうことができる。また、微粒子の温度を測定するための熱電対とヒーターを有しもよく、微粒子やエアロゾルを加熱してもよい。加熱手段を使用しないときには、発生するエアロゾルの温度は室温であり、ほぼ２５℃である。
【００１０】
ノズル及びノズルの加熱手段
本発明において、ノズルとは、エアロゾルが通過する空間を持つノズル本体と、エアロゾルを導入するための導入開口部と、エアロゾルを噴射させるための導出開口部とを有する硬質の構成部であり、ノズル本体の空間形状に工夫をもたせて、エアロゾルの噴出状態を安定的に制御する。導入開口部と導出開口部との間に形状の同一性は必要としていない。本発明ではこれに近接して加熱手段が配設される。その一態様としての以下に挙げる実施例に用いているノズルには、ノズル内壁全体を加熱するように、ラバーヒーターをノズルの周囲にノズル外壁に密着するように取り付けてある。またノズル先端には導出開口部から１ｃｍ以内の部位に熱電対の測定部を取り付けてあり、ノズル先端の温度をコントローラーで制御することができる。ノズルの加熱手段としては、ラバーヒーターに限らず、マントルヒーターでノズルを囲ってもよいし、リボンヒーターやニクロム線などの電熱線をノズルに直に巻きつけたり、ノズルに埋め込んだりしてもよい。
【００１１】
エアロゾル搬送管
本発明において、本発明において、エアロゾル搬送管とは、エアロゾル発生器で発生させたエアロゾルをノズルまで搬送するための管状の構成部である。エアロゾル発生器からノズルの導入開口部までの経路は直線でもよいし、エアロゾルの搬送を妨げない程度にたわんでいてもよい。可撓性の部材を使ってもよい。エアロゾル搬送管に接するようにヒーターと熱電対を有してもよく、コントローラーでエアロゾル搬送管の温度を加熱制御してもよい。エアロゾル発生器及びエアロゾル搬送管を共に加熱しないときのエアロゾルの温度は室温であり、ほぼ２５℃である。
【００１２】
以下に本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は、本発明における一態様としての複合構造物作製装置の装置図であり、材料微粒子１０が充填されたエアロゾル発生器１がガスボンベ２と送気管３を介して連結されており、エアロゾル搬送管４を介して構造物形成室５に連結されている。構造物形成室５はエアロゾル搬送管４とつながるノズル６およびこれに対向して配置される基板７を有しており、排気ポンプ８と連結される。基板７はX−Yステージ９上に配置して、ノズル６との相対位置を変動させながら構造物形成を行なえば、所望形状の複合構造物が形成できる。
【００１３】
図２は以下で説明される実施例に用いるノズル６の拡大図であり、ノズル外壁に密着させるようにラバーヒーター１１が取り付けてある。ノズル６の先端には熱電対１２が取り付けてあり、構造物形成室外のコントローラーに連結され、ノズルの温度を制御することができる。
【００１４】
以下で説明される実施例にあっては材料微粒子として内部歪を有する微粒子を用いたため、内部歪を付与するための前処理装置として、図示しない遊星ミルを用いた。材料微粒子１１をエアロゾル発生器１内に設置した後、ガスボンベ２を開き、ガスを送気管３を通じてエアロゾル発生器１に導入し、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを発生させる。このエアロゾルをエアロゾル搬送管４を通じてさらに構造物形成室５の方向へ搬送し、高速に加速しつつノズル６より基板７に向けて噴射させる。このときの微粒子の速度は亜音速から音速程度まで加速されている。十分に加速されて運動エネルギーを得たエアロゾル中の微粒子は、基板７に衝突し、その衝撃のエネルギーにより細かく破砕されて、発生した微細断片粒子が基板７に接合し、さらに微細断片粒子同士が接合して緻密質の複合構造物を形成する。基板７はX−Yステージ９により揺動され、所定の面積を持つ複合構造物が形成されていく。また複合構造物形成中は排気ポンプ８を運転し、構造物形成室５内は圧力が１ｋＰａ以下の低真空状態に置かれている。
【００１５】
【実施例】
（実施例１）
図１に示した複合構造物作製装置を使用して酸化アルミニウムと真鍮の複合構造物を作製する実験を行った。粒径０．４μｍの酸化アルミニウム微粒子に遊星ミルを用いて内部歪を付与し、乾燥させたものをエアロゾル発生器に充填した。また、X-Yステージに真鍮基板を取り付けた。ノズルの先端が１００℃になるようにノズルを加熱しておき、排気ポンプを作動させ構造物形成室の圧力を０．２ｋＰａにした。ボンベを開けてエアロゾル発生器に窒素ガスを毎分５リットルの流量で送気し、エアロゾルを発生させ、エアロゾル搬送管を介して、ノズルより加速したエアロゾルを基板に噴出させ、X-Yステージを操作しながら基板上に１７ｍｍ×１０ｍｍの酸化アルミニウムの膜を形成させた。このときエアロゾル発生器及びエアロゾル搬送管は加熱せず室温２５℃とした。２０分間で膜厚１３μｍの良好な酸化アルミニウム膜と真鍮基板との複合構造物が形成された。構造物形成時にはノズルからの凝集粒の噴出はほとんどみられず、実験後ノズルを分解すると、ノズル内壁に粉体の付着はみられなかった。
【００１６】
（実施例２）
ノズル先端の温度７５℃、それ以外の条件は実施例１と同様にして実験を行ったところ、膜厚１０μｍの良好な酸化アルミニウム膜と真鍮基板との複合構造物が形成された。構造物形成時にはノズルからの凝集粒の噴出はほとんどみられず、実験後ノズルを分解すると、目視ではノズル内壁に粉体の付着はほとんどみられなかった。
【００１７】
（実施例３）
ノズル先端の温度５０℃、それ以外の条件は実施例１と同様にして実験を行ったところ、膜厚７μｍの良好な酸化アルミニウム膜と真鍮基板との複合構造物が形成された。構造物形成時にはノズルからの凝集粒の噴出はほとんどみられず、実験後ノズルを分解すると、目視ではノズル内壁の根元側面部分ににわずかに粉体の付着がみられた。
【００１８】
（実施例４）
ノズル先端の温度１５０℃、それ以外の条件は実施例１と同様にして実験を行ったところ、膜厚１０μｍの酸化アルミニウム膜と真鍮基板との複合構造物が形成された。構造物形成時にはノズルからの凝集粒の噴出はほとんどなかったが、エッチングがおこり部分的に剥離した箇所があった。実験後ノズルを分解すると、ノズル内壁に粉体の付着はみられなかった。
【００１９】
（比較例）
比較のためにノズルを加熱せず室温２５℃で、それ以外の条件は実施例１と同様にして実験を行ったところ、膜厚５μｍの良好な酸化アルミニウム膜と真鍮基板との複合構造物が形成された。構造物形成時には時々ノズルから凝集粒が噴出するのがみられ、実験後ノズルを分解すると、目視ではノズル内壁にかなりの粉体の付着がみられた。
【００２０】
以上の実験結果を表１に示した。表１より、ノズルを加熱しノズル先端の温度を導入するエアロゾル温度より２５℃以上高くすることで構造物の形成速度が向上し、ノズル内壁への粉体の付着を抑制することができ、効率のよい長時間安定した形成が可能となった。さらにノズル先端の温度を導入するエアロゾル温度より５０℃以上高くすることで構造物の形成速度は２倍以上に向上し生産性のよい形成が可能となった。また、ノズル先端の温度を１５０℃と高くしすぎた場合には、エッチングが生じ良好な複合構造物が得られない恐れがあると考えられる。
【００２１】
【表１】

【００２２】
【発明の効果】
上述のように、本発明による複合構造物作製装置を用いれば、材料微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基板に高速で噴射・衝突させて形成される複合構造物を長時間安定的に効率よく形成できるため、様々な複合構造物を作製するのに好適となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例にかかる複合構造物作製装置の装置図である。
【図２】実施例にかかるノズル加熱手段の模式図である。
【符号の説明】
１…エアロゾル発生器
２…窒素ガスボンベ
３…送気管
４…エアロゾル搬送管
５…構造物形成室
６…ノズル
７…基板
８…排気ポンプ
９…X−Yステージ
１０…材料微粒子
１１…ラバーヒーター
１２…熱電対

Claims (6)

1. 微粒子をガス中に分散させたエアロゾルをノズル先端から噴射して基板に吹き付けて微粒子の材料からなる構造物を基板上に形成させることによって基板と構造物からなる複合構造物を作製する複合構造物作製方法において、少なくとも前記エアロゾルを前記基板に吹き付けるときには、前記ノズル先端の温度が５０℃〜１５０℃になるように加熱手段によって制御することを特徴とする複合構造物作製方法。
2. 前記ノズル先端の温度をノズルに導入される前記エアロゾルの温度より２５℃以上高く制御することを特徴とする請求項１に記載の複合構造物作製方法。
3. 前記微粒子には脆性材料微粒子または脆性材料微粒子と延性材料微粒子が混合された混合微粒子または脆性材料微粒子の表面に延性材料を被覆した複合微粒子を使用することを特徴とする請求項１または２に記載の複合構造物作製方法。
4. エアロゾル発生器と、その下流側のエアロゾル搬送管と、その下流側のノズルを有し、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを前記ノズル先端から噴射して基板に吹き付けて微粒子の材料からなる構造物を基板上に形成させることによって基板と構造物からなる複合構造物を作製する複合構造物作製装置において、前記ノズルには、その内壁側が加熱されるように、加熱手段が配設されており、少なくとも前記エアロゾルを前記基板に吹き付けるときには、前記ノズル先端の温度が５０℃〜１５０℃になるように制御されることを特徴とする複合構造物作製装置。
5. 前記ノズル先端の温度がノズルに導入される前記エアロゾルの温度より２５℃以上高く制御することを特徴とする請求項４に記載の複合構造物作製装置。
6. 前記微粒子には脆性材料微粒子または脆性材料微粒子と延性材料微粒子が混合された混合微粒子または脆性材料微粒子の表面に延性材料を被覆した複合微粒子を使用することを特徴とする請求項４または５に記載の複合構造物作製装置。

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