JP3825455B2 - エアロゾル発生装置、複合構造物作製装置及び複合構造物作製方法 - Google Patents

Description

本発明は、粉体をガス中に分散させてエアロゾルを発生させるエアロゾル発生装置、エアロゾル発生方法、このエアロゾル発生装置を組み込んだ複合構造物作製装置及び複合構造物作製方法に関する。

近年、粉体をガス中に分散させてエアロゾルを発生させるエアロゾル発生装置が、エアロゾルディポジション法による脆性材料微粒子の常温製膜技術等に利用されている（特許文献１）。

また、プラズマ中に粉末をキャリヤガスとともに供給し、予め配置されている試料に粉末を蒸着するシステムにおける粉末供給装置として、回転可能な粉末供給盤に形成された溝に、粉末容器から粉末を落とし込む装置が提案されている。（特許文献２）

エアロゾルディポジション法では、基本的に１次粒子が０．１〜５μｍ程度の脆性材料微粒子をガス中に分散させて得たエアロゾルを基板に亜音速程度の高速で吹き付けて製膜体を得る。ここにおいて、均質な製膜を行うには、エアロゾル中の脆性材料微粒子ができるだけ凝集していない状態で基板に吹き付けられるようにする必要がある。そのために、上記エアロゾル発生装置として、筐体内にセラミック微粒子を収納する容器を設置するとともに、該筐体にガス導入管とエアロゾル導出管を接続し、ガス導入管からのガスによって容器内のセラミック微粒子をエアロゾル化し、このエアロゾルをエアロゾル導出管から取り出すようにしたエアロゾル発生装置が提案されている。（特許文献３）

更に、エアロゾルを安定して発生させるために、ガス導入管とエアロゾル導出管が接続された容器内にセラミック微粒子を収納し、容器を往復動（重力ベクトル方向と直角となる方向）或いは偏心回転させることでガスによる破壊力と振動によってセラミック微粒子をエアロゾル化する提案がなされている。（特許文献４）

：特開２００１−１８１８５９号 ：特開平５−２３９６２７号 ：特開２００１−３４８６５８号 ：特開２００３−１６６０７６号

上述した装置は量産化に適していない。即ち、量産化のためには、長時間エアロゾルを安定して発生させる必要があるが、従来の装置では連続してエアロゾルを発生させることができない。また、一旦装置を止めて微粒子を補給したのでは、均一な濃度でエアロゾルを発生させるのが困難になる。さらには流動性の悪い、もしくは凝集し易い粉体では装置内での詰まりやブリッジングが起こりやすく、粉体搬送の長期安定化が困難である。

特に特許文献２に開示された装置は、圧縮ガスによって粉体を攪拌するがエアロゾルとするわけではなく、また攪拌室内の粉体がなくなると作業を中断しなければならない。
また特許文献３では、容器に収納されているセラミック微粒子を使いきってしまうとエアロゾルガスデポジション作業を中断しなければならない。
更に特許文献４でも特許文献３と同様に、容器内のセラミック微粒子を使いきってしまうとエアロゾルガスデポジション作業を中断しなければならない。

また、微粒子が金属酸化物のような場合には、凝集固着性が強く装置内で容易に詰まりやブリッジングを起こす。また、大気と触れることで水分を吸収し、さらに詰まりやブリッジングを起こしやすくしなり、かつエアロゾル化できなくなることがあるが従来技術ではその改善策が示されていない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、長時間エアロゾルを発生させても、初期状態と同じ濃度で安定してエアロゾルを発生させることができるエアロゾル発生装置とこのエアロゾル発生装置及びその方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決すべく第１の発明は、一次粒子が０．１〜５μｍの脆性材料の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に向けてノズルより噴出して、前記エアロゾルを前記基材表面に衝突させ、前記微粒子の構成材料からなる構造物を前記基材上に形成させる複合構造物作製装置に用いるエアロゾル発生装置であって、このエアロゾル発生装置は微粒子を収容する粉体収容部と、この粉体収容部からの微粒子を定量供給する粉体供給部と、ガスの導入管及びエアロゾルの導出管に直接接続され、前記ガスの導入管からのガスで前記粉体供給部からの微粒子を前記エアロゾルの導出管より導出するエアロゾル化部とを備えた構成とした。
また、第２の発明は、一次粒子が０．１〜５μmの脆性材料の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に向けてノズルより噴出して、前記エアロゾルを前記基材表面に衝突させ、前記微粒子の構成材料からなる構造物を前記基材上に形成させる複合構造物作製装置に用いるエアロゾル発生装置であって、このエアロゾル発生装置は微粒子を収容する粉体収容部と、この粉体収容部からの微粒子を搬送する循環式輸送手段である粉体供給部と、ガスの導入管及びエアロゾルの導出管に直接接続され、前記ガスの導入管からのガスで前記粉体供給部からの微粒子を前記エアロゾルの導出管より導出するエアロゾル化部とを備えた構成とした。

本発明において、エアロゾルとは、微粒子が気体に分散した状態の固気混合相を指す。エアロゾルデポジション法に使用されるエアロゾルにおいては、微粒子が１次粒子の状態で分散しているものが良いが、凝集粒を含む場合もある。

本発明のエアロゾル発生装置の好ましい態様においては、前記粉体供給部、粉体収納部およびエアロゾル化部を真空系内に収納する。
真空系内に収容する第一の理由として、エアロゾルデポジションを行う構造物形成室は微粒子が酸化したり反応するのを防ぐため真空に維持する必要がある。この構造物形成室に繋がるエアロゾル化部、或いはエアロゾル化部に連通する粉体供給部や粉体収納部を大気圧にしておくと、構造物形成室の真空状態を維持することが困難となる。そこで、エアロゾル化部、粉体供給部および粉体収納部を真空系内に収納して、構造物形成室よりは真空度は低いがある程度の減圧雰囲気内にエアロゾル化部、粉体供給部および粉体収納部を配置する。第二の理由として、エアロゾルデポジションによる構造物形成プロセスには純度の高いガスを使用する必要がある。ガスの種類により粉体の搬送速度が異なり、構造物の特性を大きく左右することが解明されている。よって純度の高いガスを使用し常に粉体の搬送の速度を安定させる必要がある。また大気が混入するとコンタミが構造物内に混入するなどの問題が発生することが考えられ、これらを防ぐ必要がある。
このような真空系に配置した粉体収納部に作業を中断することなく微粒子（粉体）を補給するにはロードロック室を付設する。

また、本発明に係る複合構造物作製装置は、上記のエアロゾル発生装置と、エアロゾルを基材に吹き付けるためのノズルを備える。
また、本発明に係るエアロゾル発生方法は、微粒子の補給が可能な粉体収納部から粉体供給部に微粒子を送り込み、この粉体供給部によって所定量の粉体を連続してエアロゾル化部に供給し、エアロゾル化部においてガス中に微粒子が分散したエアロゾルを生成する。
更に、本発明に係る複合構造物作製方法は上記のエアロゾル発生方法で生成せしめたエアロゾルを複合構造物作製装置のノズルに供給し、ノズルからエアロゾルを基材表面に衝突させ、この衝突の衝撃によって前記微粒子を破砕・変形させて接合させ、前記微粒子の構成材料からなる構造物を前記基材上に形成させる。

本発明によるエアロゾル発生装置を用いることによって、長時間、初期状態と同じ濃度でエアロゾルを発生させることができる。
また、粉体(微粒子)を補給する際にも装置を停止せずに行えるので、エアロゾル発生の条件が変化することなく安定した状態でエアロゾルをノズルに供給することができる。

請求項に記載の装置の使用の場の一つとして考えられるエアロゾルデポジション法は脆性材料などの微粒子をガス中に分散させたエアロゾルをノズルから基材に向けて噴射し、金属やガラス、セラミックスやプラスチックなどの基材に微粒子を衝突させ、この衝突の衝撃により脆性材料微粒子を変形や破砕を起させしめてこれらを接合させ、基材上に微粒子の構成材料からなる構造物をダイレクトで形成させることを特徴としており、特に加熱手段を必要としない常温で構造物が形成可能であり、焼成体同等の機械的強度を保有する構造物を得ることができる。この方法に用いられる装置は、基本的にエアロゾルを発生させるエアロゾル発生器と、エアロゾルを基材に向けて噴射するノズルとからなり、ノズルの開口よりも大きな面積で構造物を作製する場合には、基材とノズルを相対的に移動・揺動させる位置制御手段を有し、減圧下で作製を行う場合には構造物を形成させるチャンバーと真空ポンプを有し、またエアロゾルを発生させるためのガス発生源を有することが一般的である。

エアロゾルデポジション法のプロセス温度は常温であり、微粒子材料の融点より十分に低い温度、すなわち数百℃以下で構造物形成が行われるところにひとつの特徴がある。

また使用される微粒子はセラミックスや半導体などの脆性材料を主体とし、同一材質の微粒子を単独であるいは混合させて用いることができるほか、異種の脆性材料微粒子を混合させたり、複合させて用いることが可能である。また一部金属材料や有機物材料などを脆性材料微粒子に混合させたり、脆性材料微粒子表面にコーティングさせて用いることも可能である。これらの場合でも構造物形成の主となるものは脆性材料である。

この手法によって形成される構造物において、結晶性の脆性材料微粒子を原料として用いる場合、構造物の脆性材料部分は、その結晶子サイズが原料微粒子のそれに比べて小さい多結晶体であり、その結晶は実質的に結晶配向性がない場合が多く、脆性材料結晶同士の界面にはガラス層からなる粒界層が実質的に存在しないと言え、さらに構造物の一部は基材表面に食い込むアンカー層を形成することが多いという特徴がある。

この方法により形成される構造物は、微粒子同士が圧力によりパッキングされ、物理的な付着で形態を保っている状態のいわゆる圧粉体とは明らかに異なり、十分な強度を保有している。

この構造物形成において、脆性材料微粒子が破砕・変形を起していることは、原料として用いる脆性材料微粒子および形成された脆性材料構造物の結晶子サイズＸ線回折法で測定することにより判断できる。すなわちエアロゾルデポジション法で形成される構造物の結晶子サイズは、原料微粒子の結晶子サイズよりも小さい値を示す。微粒子が破砕や変形をすることで形成されるずれ面や破面には、もともと内部に存在し別の原子と結合していた原子が剥き出しの状態となった新生面が形成される。この表面エネルギーが高い活性な新生面が、隣接した脆性材料表面や同じく隣接した脆性材料の新生面あるいは基板表面と接合することにより構造物が形成されるものと考えられる。また微粒子の表面に水酸基が程よく存在する場合では、微粒子の衝突時に微粒子同士や微粒子と構造物との間に生じる局部のずり応力により、メカノケミカルな酸塩基脱水反応が起き、これら同士が接合するということも考えられる。外部からの連続した機械的衝撃力の付加は、これらの現象を継続的に発生させ、微粒子の変形、破砕などの繰り返しにより接合の進展、緻密化が行われ、脆性材料構造物が成長するものと考えられる。

以下、本発明の実施の形態を、図面により詳細に説明する。図１は、本発明に係るエアロゾル発生装置を組み込んだ複合構造物作製装置の装置図であり、複合構造物作製装置はエアロゾルデポジションを行う構造物形成室１０と、この構造物形成室１０にエアロゾルを供給するエアロゾル発生装置２０からなり、構造物形成室１０はポンプ１１によって高真空に維持され、また構造物形成室１０内にはエアロゾルを噴出する矩形の開口を備えたノズル１２と、コンピュータにより上下（Ｚ）、前後左右（ＸＹ）に制動できる基板ホルダ１３と、この基板ホルダ１３に取付けられる基材１４が配置され、またノズル１２へのエアロゾルの濃度を測定するセンサ１５からの信号を外部のフィードバック制御回路１６へ送って処理し、エアロゾル発生装置２０や搬送用の窒素ガスを充填したガスボンベ３０のそれぞれの制御部へ配線１７を介して信号が送られ、エアロゾル濃度を制御するとともに基材に衝突するエアロゾルの量を任意量供給するように制御を行う。

一方、前記エアロゾル発生装置２０は、図２に示すように、セラミックや金属酸化物などの微粒子の補充が可能な粉体収納部２１と、この粉体収納部２１からの微粒子を定量供給する粉体供給部２２と、この粉体供給部２２から供給された微粒子をエアロゾル化するエアロゾル化部２３とを備える。エアロゾル化部２３にはガスの導入管２４とエアロゾルの導出管２５が接続されている。

前記粉体供給部２２には微粒子の供給量をコントロールする機構を設けることができる。この機構としては図３（ａ）に示すように、流路の開口２６を形成した粉体供給部２２の底板にスライド板２７を摺動可能に重ね、スライド板２７に形成した開口２８と開口２６との共通する部分で流路を絞る構造が考えられる。また図３(ｂ)に示すように、流路の開口２６に円錐形バルブ２９を昇降自在に配置する構成も考えられる。

図４は粉体収納部２１の断面図であり、粉体収納部２１は前記したように減圧されている。そこで、ロードロック室４０を付設している。このロードロック室４０と粉体収納部２１の間はゲート４１で仕切られている。
粉体収納部２１内に粉体(微粒子)を供給するには、ゲート４１を閉じた状態で、ロードロック室４０の蓋体４２を開け、内部に粉体(微粒子)を充填し、蓋体４２を閉じた後、吸引パイプ４３を介してロードロック室４０内を粉体収納部２１内とほぼ同圧になるまで減圧し、その後、ゲート４１を開いて粉体収納部２１内に新たな粉体(微粒子)を供給する。この時ゲート４１を急激に開くと粉体（微粒子）が短時間で大量に粉体収容部２１内に供給され、粉体収容部２１の底にある粉体（微粒子）が圧粉され、性状が変化してしまう。これを防止するために、ゲート４１の開閉を自動で制御する駆動装置をつけ、低速で開くことで粉体収容部２１に供給する粉体（微粒子）の量を微量に調整してやると良い。

また、前記粉体供給部２２はエアロゾル化部２３への微粒子の供給量を調整可能とするため、図５〜図９に示す構造のものが考えられる。
図５に示す粉体供給部２２は粉体収納部２１とエアロゾル化部２３との間に無端ベルト５０を配置し、この無端ベルト５０に形成した溝５１内に粉体収納部２１から粉体を供給し無端ベルト５０が走行することでエアロゾル化部２３へ所定量の粉体を供給するようにしている。尚、無端ベルト５０の走行速度を調整する、もしくは溝５１の幅や深さの寸法や形状を変えることでエアロゾル化部２３への供給量が制御される。

また、図６に示す粉体供給部２２は粉体収納部２１とエアロゾル化部２３との間に回転テーブル６０を配置し、この回転テーブル６０の周縁部に形成した切欠き溝６１と、この切欠き溝６１の外周側面に沿って配置される半環状ガイド６２とで形成される矩形溝６３内に粉体収納部２１から粉体を供給する。この矩形溝６３に供給された粉体は回転テーブル６０が回転することで、擦切り板６４まで搬送される。搬送された溝６３内の粉体が擦切り板６４によって擦切られエアロゾル化部２３へ供給される。尚、回転テーブル６０の回転速度調整、もしくは溝６３の幅、深さの寸法や形状を変えることでエアロゾル化部２３への供給量が制御される。

図７に示す粉体供給部２２は、粉体収容部２１とエアロゾル化部２３との間に一定の隙間を持たせた回転テーブル８０を配置し、粉体収容部２１に収容された粉体が、この分体収容部２１と回転テーブル８０の間の隙間を回転テーブル８０が回転し通過することにより擦切られ、回転テーブル８０上に厚み均一に敷き詰められた状態で供給される。回転テーブル８０が回転することで回転テーブル上に敷き詰められた粉体は、エアロゾル化部２３まで搬送される。エアロゾル化部２３は回転テーブルとの間に一定の隙間を保持しており、この隙間を粉体が通過してエアロゾル化部内部に搬送される。

次にエアロゾル化部内部を図８に示す。エアロゾル化部と回転テーブルの隙間を通過してエアロゾル化部内部に導入された粉体８２はガス導入管２４より噴出したガスで拡散、解砕されエアロゾル化される。さらに掻き出し機構８１をガス導入管２４とエアロゾル導入管の間に掻き出し機構８１を設けることができる。これにより固着・凝集してエアロゾル化されない粉体を確実に掻き出しエアロゾル化の効率を上げることが可能となる。尚、回転テーブル８０の回転速度調整もしくは粉体収容部２１と回転テーブル８０との隙間間隔を変えることでエアロゾル化部２３への供給量が制御される。さらに掻き出し機構８１の大きさや形状を変えることによりエアロゾル発生器の濃度を制御することが可能である。

図９に示す粉体供給部２２は粉体収納部９１とエアロゾル化手段９４との間には循環式の輸送手段９２として回転テーブルを配置している。
粉体収容部９１内の粉体は、粉体の自重や攪拌体を使用したり、粉体収容部９１に振動を与える等を利用して、回転テーブル９２上にある溝９３へ粉体を供給する。
具体的には、回転テーブル９２の水平な上面に円環状の溝９３が形成され、粉体収納部９１内に粉体が供給され、次いでスキージ板等によって溝９３から上方に溢れた粉体が取り除かれ、この状態で回転テーブル９２の回転によって溝９３内の粉体はエアロゾル化手段９４に送られ、エアロゾルとなってノズルへ供給される。
前記溝９３の大きさを変更したり駆動手段にて回転速度を変更したりすることによって、粉体輸送量を調節することが可能である。

本発明に係るエアロゾル発生装置を組み込んだ複合構造物作製装置の全体構成図 同エアロゾル発生装置を構成する各部の配置を示す図。 （ａ）及び（ｂ）は粉体供給部の別例を示す図 ロードロック室の構造を示す図 粉体供給部の具体例を示す斜視図 粉体供給部の具体例を示す斜視図 粉体供給部の具体例を示す斜視図 図７の要部拡大断面図 粉体供給部の具体例を示す斜視図

符号の説明

１０…構造物形成室、１１…ポンプ、１２…ノズル、１３…基板ホルダ、１４…基材、１５…センサ、１６…フィードバック制御回路、１７…配線、２０…エアロゾル発生装置、２１…粉体収納部、２２…粉体供給部、２３…エアロゾル化部、２４…ガスの導入管、２５…エアロゾルの導出管、2６…流路の開口、２７…スライド板、２８…開口、２９…円錐形バルブ、４０…ロードロック室、４１…ゲート、４２…蓋体、４３…吸引パイプ、５０…無端ベルト、５１…溝、６０…回転テーブル、６１…溝、６２…擦切り板、８０…回転テーブル、８１…解砕機構、８２…粉体、９１…粉体収納部、９２…回転テーブル、９３…溝，９４…エアロゾル化手段。

Claims (4)

1. 一次粒子が０．１〜５μｍの脆性材料の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に向けてノズルより噴出して、前記エアロゾルを前記基材表面に衝突させ、前記微粒子の構成材料からなる構造物を前記基材上に形成させる複合構造物作製装置に用いるエアロゾル発生装置であって、このエアロゾル発生装置は微粒子を収容する粉体収容部と粉体供給部とエアロゾル化部とを備え、前記粉体供給部は前記粉体収容部からの微粒子を前記エアロゾル化部に搬送する無端の循環式輸送手段である粉体供給部であり、前記エアロゾル化部は、ガスの導入管及びエアロゾルの導出管に直接接続され、前記ガスの導入管からのガスで前記粉体供給部からの微粒子を前記エアロゾルの導出管より導出するエアロゾル化部であることを特徴とするエアロゾル発生装置。
2. 請求項１に記載のエアロゾル発生装置において、前記粉体供給部、粉体収納部およびエアロゾル化部は真空系内に配置されていることを特徴とするエアロゾル発生装置。
3. エアロゾル発生装置と、エアロゾルを基材に吹き付けることで該基材表面に衝突させて、前記微粒子の構成材料からなる構造物を前記基材上に形成させるためのノズルを備える複合構造物作製装置であって、エアロゾル発生装置として請求項１または２記載のエアロゾル発生装置を備えることを特徴とする複合構造物作製装置。
4. 請求項３に記載の複合構造物作製装置を用いた複合構造物の作製方法であって、前記エアロゾル化部においてガス中に微粒子が分散したエアロゾルを生成し、このエアロゾルを複合構造物作製装置のノズルに供給し、ノズルからエアロゾルを基材表面に衝突させ、この衝突の衝撃によって前記微粒子を接合させ、前記微粒子の構成材料からなる構造物を前記基材上に形成させる複合構造物作製方法。