JP3962061B2 - 目標物に対する膜の形成方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は目標物に対する膜の形成方法及び装置、特に、常温大気圧下で半導体基板や人の歯などの目標物上にセラミックス又はハイドロキシアパタイトなどの膜を形成する方法及び装置に関するものである。

近年、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム（ＭＥＭＳ）やマイクロアクチュエータなど、微小機械部品のニーズが高まってきている。それらに用いられる１０μｍ以下のサイズのセラミックス部品加工は、バルク材から機械的に加工する方法、あるいは蒸着法や溶射法などビルドアップ法により加工される。前者の加工法には加工中の破損などの問題がある。また後者には成膜速度が遅く加工能率が低いという問題がある。このような加工ニーズを実現する一つの手法として、非特許文献１には超微粒子を高速気流で加速し、減圧環境下で基板に衝突させ膜を生成するガスデポジション法（ＧＤ法）が記載されている。また非特許文献２にはこの方法を発展させＰＺＴ厚膜の成膜が記載されている。

S. Kasyu, E. Fuchita, T. Manabe, and C. Hayashi, Jpn. J. Appl. Phys. 23 (1984) L910 J. Akedo, M. Ichiki, K. Kiuchi, and R. Maeda, Sensors & Actuators, A-phys 69 (1998 ) 106

然しながら、上記いずれの方法も減圧環境で行うため微粒子の集塵が実用化する際に問題となっている。また焼結させるために熱処理が必要であるという欠点があった。

また、う蝕（虫歯）の治療は、う蝕部を機械的に切削除去し、その欠損部（窩洞部）にレジン，金属，セラミックス等で作製したインレーを合着（接着）して修復することにより行われている。しかしインレーや合着材、ならびにこれらと歯質との界面性状が、治療の予後に大きく関わっている。すなわちインレー・合着剤・歯質における界面（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）の組成的，機械的，熱的性質の違いや、細菌等の侵入により、経年的にインレーが脱落する場合が多かった。

本発明は上記の欠点を除くようにしたものである。

本発明の目標物に対する膜の形成装置は、ハイドロキシアパタイト粒子を１０μｍ以下の粒径に分級せしめる分級装置と、ノズル先端を歯目標物に対して１ｍｍ〜２ｍｍ離間しているガス噴射ノズルと、上記分級装置により分級したハイドロキシアパタイト粒子を、加速ガスにより１００ｍ／ｓ〜２００ｍ／ｓに加速して上記歯目標物上に噴射せしめる手段とよりなり、常温大気圧下において、上記噴射により上記目標物上に膜が形成されることを特徴とする。

本発明の目標物に対する膜の形成方法は、１０μｍ以下の粒径のハイドロキシアパタイト粒子を選別する工程と、常温大気圧下において、ガス噴射ノズル先端と歯目標物の距離を１ｍｍ〜２ｍｍとして、加速ガスにより上記選別したハイドロキシアパタイト粒子を１００ｍ／ｓ〜２００ｍ／ｓに加速して上記歯目標物上に噴射せしめ、上記目標物上に膜を形成せしめる工程とより成ることを特徴とする。

本発明の目標物に対する膜の形成方法は、１０μｍ以下の粒径のハイドロキシアパタイト粒子を選別する第一の工程と、常温大気圧下において、ガス噴射ノズル先端と歯目標物の距離を１ｍｍ〜２ｍｍとして、加速ガスにより上記選別したハイドロキシアパタイト粒子を１００ｍ／ｓ〜２００ｍ／ｓに加速して歯目標物上に噴射せしめ、上記目標物上に第１の膜を形成せしめる第二の工程と、常温大気圧下において、ガス噴射ノズル先端と歯目標物の距離を１ｍｍ〜２ｍｍとして、加速ガスにより上記選別したハイドロキシアパタイト粒子とレジン粒子とを１００ｍ／ｓ〜２００ｍ／ｓに加速して上記第１の膜上に噴射せしめ、上記第１の膜上にハイドロキシアパタイト粒子とレジン粒子の混合物の第２の膜を形成せしめる第三の工程と、上記第三の工程におけるハイドロキシアパタイト粒子の量に対するレジン粒子の量の割合をより増やして、常温大気圧下において、ガス噴射ノズル先端と歯目標物の距離を１ｍｍ〜２ｍｍとして、加速ガスにより上記選別したハイドロキシアパタイト粒子とレジン粒子とを１００ｍ／ｓ〜２００ｍ／ｓに加速して上記混合物の第２の膜上に噴射せしめ、上記混合物の第２の膜上にハイドロキシアパタイト粒子とレジン粒子の混合物の第３の膜を形成せしめる第四の工程と、上記第四の工程を繰り返して、上記歯目標物上にハイドロキシアパタイト粒子の量に対するレジン粒子の量の割合が徐々に増える混合物の膜を形成せしめる第五の工程と、上記混合膜上に充填材を付着せしめる第六の工程とより成ることを特徴とする。

次に発明の効果を説明する。

本発明の目標物に対する膜の形成方法及び装置によれば、常温大気圧下において目標物上に任意の膜厚のセラミックス膜を形成できるため簡単な集塵機でセラミックス粒子の集塵が可能となる。

また、熱処理を行うことなく必要な強度のセラミックス膜を形成せしめることができる。

また、本発明によれば、人の歯質と同様のハイドロキシアパタイトを歯質上に直接付着・築盛できる。

また、上記の方法で人の歯質上に付着、築盛したハイドロキシアパタイト上に、上記ハイドロキシアパタイト粒子とレジン粒子を噴射せしめ、上記ハイドロキシアパタイト上に上記ハイドロキシアパタイトとレジンとの混合物を付着・築盛せしめれば、この混合物上に上記レジンとの接合相性のよい充填物を付着せしめることができるようになり、耐久性のある歯の補修をすることができる。

以下図面によって本発明の実施例を説明する。

本発明の目標物に対する膜の形成装置は、図１に示すように、セラミックス粒子を所望の粒径に分級する精密分級装置１と、分級されたセラミックス粒子２が浮遊した状態で供給される供給管３と、上記供給管３と上記精密分級装置１とを接続した接続管４と、上記供給管３に直交し貫通して設けた微粒子噴射ノズル５と、上記供給管３内で上記ノズル５に設けた開口部６と、上記ノズル５の基部に設けた、Ｎ₂ガスなどの加速ガスを導入せしめる導入管７と、上記ノズル５の先端部に一定の距離離間して対向せしめた、ガラス（ＢＫ７）基板又はシリコン単結晶基板などの基板８と、上記ノズル５と上記基板８との間の側方に設けた、上記セラミックス粒子２を吸引するサイクロン集塵器９とよりなる。

本発明の目標物に対する膜の形成装置は上記のような構成であるから、図１及び図２に示すように、上記精密分級装置１によりＡｌ₂Ｏ₃粒子（酸化アルミニウム粒子）のセラミックス粒子２を、例えば粒径が０．６μｍのセラミックス粒子２に分級し、この分級したセラミックス粒子２をコンプレッサー（図示せず）等により上記接続管４を介して上記供給管３内で浮遊せしめ、上記ノズル５内に上記導入管７からの加速ガスを導入されたとき上記開口部６より上記ノズル５内に導入せしめ、上記ノズル５の先端から上記セラミックス粒子２を上記加速ガスと共に基板８に向って噴射せしめる。なお、３軸直交ロボット（図示せず）により上記ノズル５を上記基板８に対して相対的に毎秒例えば１．０ｍｍの割合で移動せしめる。

上記ノズル５の先端部と上記基板８との距離ｄは例えば１．０ｍｍ、上記基板８に対する上記ノズル５の噴射角θを６０度、上記噴射ノズル５の内径を０．８ｍｍ、噴射ノズルの噴射圧を０．５ＭＰａとする。上記セラミックス粒子２の速度は上記ノズル５の内径や噴射圧を変えることにより変更できる。

また、上記基板８に付着しなかったセラミックス粒子は上記集塵器９により集塵する。

本発明によれば、図３に示すように基板上に滑らかな表面の膜を形成できる。この表面をＳＥＭ及び白色干渉顕微鏡によって測定した結果、膜の最大表面粗さが０．２μｍ、算術平均粗さが１９ｎｍであった。

なお、図４はノズル５からの噴射圧と成膜した膜のビッカース硬さとの関係を示す図であり、図４から分かるように噴射圧ｐを大きくすれば、ビッカース硬さを大きくすることができるようになる。

また、成膜した膜の強度試験において、押し込み試験では、上記成膜した膜のビッカース硬さは最大で９ＧＰａとなり、ビッカース硬さはバルク材の４５〜７５％の値を達成できた。

先端が球形状の圧子に垂直荷重を加えながら上記膜を引掻き、膜の剥離強度を調べるスクラッチ試験を行った。試験条件を表１に示す。試験中の圧子に垂直に加える荷重と、圧子と厚膜間の摩擦力の関係を図５に示す。３００ｇまでは摩擦力は緩やかに増加していく。摩擦係数を観察すると３５０ｇから徐々に増加し始め、４００ｇから大きく変動が始まり５００ｇで大きく摩擦係数が変化した。試験後の試料のスクラッチ痕ａが図６，図７，図８である。

なお、図６は圧子に３５０ｇ〜４００ｇの荷重を加えたときのスクラッチ痕ａ、図７は４３０ｇの荷重を加えたときのスクラッチ痕ａ、図８は７００ｇの荷重を加えたときのスクラッチ痕ａを示す。

図７に示すように摩擦係数が上昇し始めたあたりから圧痕にリングクラックｂが発生し、圧痕の脇に流動による摩耗粉が発生していることがわかる。さらに、摩擦係数が最初に跳ね上がる４３０ｇの部分で図７のように膜内で大規模な破壊が起こったことがわかった。摩擦係数が変化した後は図８に示すように完全に基板が露出して圧子と基板の接触になっている。従ってスクラッチ試験による臨界剥離強度は４３０ｇという値であった。

なお、図９は上記ノズル５から噴射したセラミックス粒子２の粒径とガラス（ＢＫ７）基板またはシリコン単結晶基板上にできる最大膜厚との関係を示す図である（なお、膜厚のマイナス値は基板の除去厚を示す）。ここで実線はガラス基板上に粒子を噴射したときの関係を示し、点線はシリコン単結晶基板上に粒子を噴射したときの関係を示す。

図９から分かるように、ガラス基板とシリコン単結晶基板いずれも粒径が大きい場合には基板が除去され溝加工となり、粒子が小さくなるにつれて除去量が減少し、さらに粒径を小さくするにしたがって成膜される。

従って、基板の種類とセラミックス粒子の種類から基板上に成膜され始める粒径を実験等で調べ、その粒径以下の粒径に分級したセラミックス粒子を基板に噴射せしめれば、上記基板上に成膜が可能となり、また、セラミックス膜厚の制御が容易となる。

また、上記基板８上にセラミックス膜を形成せしめた後に、再度このセラミックス膜上にセラミックス粒子２を噴射せしめ成膜せしめてもよい。

図１０は基板上の同じ部分に膜を形成せしめる回数（パス）と膜厚の関係を示し、実線はガラス（ＢＫ７）基板上に粒子を噴射したときの関係、点線はシリコン単結晶基板上に粒子を噴射したときの関係を示し、図１０から分かるように、繰り返し噴射せしめることによりセラミックス膜厚を厚くすることができ、これにより膜厚制御が可能となる。

なお、上記精密分級装置１、供給管３、接続管４を用いず、予め所望の粒径に分級した粒子をタンクに積み、このタンク内のセラミックス粒子を、例えば、後述する第２の実施例の粒子噴射装置を用いて、基板上に粒子を噴射せしめてもよい。

次に実施例２を説明する。

本発明の第２の実施例においては、図１１に示す粒子噴射装置１０を用いて、人体の歯の虫歯の除去、歯の修復を行う。

図１１において、１１は粒子供給管、１２は上記粒子供給管１１の一端に設けた、圧縮ガスの供給をオン・オフする高速電磁弁、１３は所望の粒径に分級した粒子１４を入れたタンク、１５は上記タンク１３内の粒子１４を上記粒子供給管１１内に充填するための上記粒子供給管１１に設けた粒子供給部、１６は上記粒子供給管１１の他端に設けた混合室、１７は上記混合室１６内にＮ₂などの加速用ガスを導入する導入口、１８は粒子噴射ノズル、１９は上記高速電磁弁１２を制御せしめるパソコンである。

上記粒子噴射装置１０においては、上記パソコン１９を操作して上記高速電磁弁１２をオンとすれば、上記粒子供給管１１内に圧縮ガスが供給され、これにより上記粒子供給部１５付近は負圧になるから、上記タンク１３内の上記粒子１４が上記粒子供給管１１内に充填され上記混合室１６に押し出され、上記混合室１６内で加速用ガスと混合して、上記ノズル１８から噴射される。

なお、噴射粒子の量や混合割合を変化させるには、上記電磁弁１２への信号のオン時間あるいは周波数を変化せしめる。

本発明の第２の実施例においては、まず、図１２及び図１３に示すように、人体の歯２０の虫歯部分を含む周辺部２１に、上記周辺部２１を除去できる所定の粒径に分級したセラミックス粒子２２を上記粒子噴射装置１０の噴射ノズル１８から噴射せしめ、窩洞部２３を形成せしめる。なお、この窩洞部２３は機械的な切削除去により形成せしめてもよい。

次に、図１４及び図１５に示すように、上記窩洞部２３に、上記窩洞部２３上に、歯質成分（ハイドロキシアパタイト。以下ＨＡという。）の例えば、分級した平均粒径１０μｍの粒子２４を上記粒子噴射装置１０のノズル１８から加速ガスにより１００〜２００ｍ／ｓに加速して１００Ｈｚで間欠的に噴射し、上記窩洞部２３上にＨＡを付着、築盛せしめる。

なお、上記ノズル１８の内径を０．８ｍｍ、噴射時間５秒、加速用ガス圧力を０．２ＭＰａ、供給用ガス圧力を０．８ＭＰａ、上記ノズル１８と上記周辺部２１との距離を約２．０ｍｍとし、常温大気圧とする。

本発明の第２の実施例によれば、虫歯を削った後の窩洞部２３を人体の歯２０のエナメル質と同じ成分のＨＡで密に充填することができ、歯を合着材を用いずに補修することができるようになる。

また、人の歯のエナメル質と同じ硬度を得ることができるようになる。

なお、加速圧力を高めれば、１度に付着するＨＡ膜の最大厚さ小さくなるが、粒子間結合量は多くすることができる。

また、ＨＡ粒子の平均粒径を例えば２．７μｍと小さくすると、粒径が１０μｍの場合に比べてＨＡ膜の最大厚さは小さくなるが、強固に付着せしめることができる。

また、フッ素でターミネート（処理）した平均粒径が３μｍのＨＡ粒子の場合には、処理していないＨＡ粒子よりも膜厚を大きくすることができ、目標物との結合を強くせしめることができる。

なお、窩洞部２３が大きいような場合には、図１６に示すように、窩洞部２３にＨＡ膜２５を付着、築盛した後、上記ＨＡ膜２５上に、上記と同様の方法で、一定の粒径に分級したＨＡ粒子２４とレジン粒子２６と加圧ガスとを上記粒子噴射装置１０のノズル１８から噴射せしめて、上記ＨＡ膜２５上にＨＡとレジンの混合物２７を付着、築盛せしめ、次にこの混合物２７上に、上記よりもレジン粒子２６の量の割合を増やして、ＨＡ粒子２４とレジン粒子２６を噴射せしめ、上記混合物２７上にＨＡとレジンの混合物２７を付着、築盛せしめ、同様に、順次レジン粒子の割合を増やして築盛し（傾斜構造）、上記レジンの割りが多くなった混合物上に、レジンとの接合相性のよい金属などの充填材を付着せしめ、上記窩洞部２３を塞ぐようにしてもよい。

なお、上記レジン粒子は上記分級した粒子径と略同径が好ましい。

この実施例によれば、歯質と金属などの充填材との界面の組成的、機械的、熱的性質の違いがあっても、最初は人の歯質と同じＨＡを付着せしめ、ＨＡに徐々に充填材と接合相性のよい材質の割合を増やして築盛し、最終的には充填材と接合相性のいい材質とし、その上に充填材を付着したので、経年的な充填材の脱落を防止することができるようになる。

本発明の目標物に対する膜の形成装置の説明図である。 本発明の目標物に対する膜の形成装置の説明図である。 本発明の目標物に対する膜の形成方法及び装置により基板上に形成せしめたセラミックス膜の断面図である。 本発明の目標物に対する膜の形成方法及び装置におけるノズルの噴射圧とビッカース硬さとの関係を示す図である。 本発明の目標物に対する膜の形成方法及び装置により作成せしめたセラミックス膜のスクラッチ試験における圧子の荷重と摩擦力との関係を示す図である。 スクラッチ試験におけるセラミックス膜を形成せしめた基板上のスクラッチ痕を示す図である。 スクラッチ試験におけるセラミックス膜を形成せしめた基板上のスクラッチ痕を示す図である。 スクラッチ試験におけるセラミックス膜を形成せしめた基板上のスクラッチ痕を示す図である。 本発明の目標物に対する膜の形成方法及び装置における噴射粒子の粒径と最大膜厚との関係を示す図である。 本発明の目標物に対する膜の形成方法及び装置による成膜する回数と膜厚の関係を示す図である。 本発明の目標物に対する膜の形成方法の他の実施例に使用する粒子噴射装置の説明図である。 本発明の目標物に対する膜の形成方法の他の実施例の説明用縦断側面図である。 本発明の目標物に対する膜の形成方法の他の実施例の説明用縦断側面図である。 本発明の目標物に対する膜の形成方法の他の実施例の説明用縦断側面図である。 本発明の目標物に対する膜の形成方法の他の実施例の説明用縦断側面図である。 本発明の目標物に対する膜の形成方法の他の実施例の説明用縦断側面図である。

符号の説明

１ 精密分級装置
２ セラミックス粒子
３ 供給管
４ 接続管
５ ノズル
６ 開口部
７ 導入管
８ 基板
９ サイクロン集塵器
１０ 粒子噴射装置
１１ 粒子供給管
１２ 高速電磁弁
１３ タンク
１４ 粒子
１５ 粒子供給部
１６ 混合室
１７ 導入口
１８ 粒子噴射ノズル
１９ パソコン
２０ 人体の歯
２１ 周辺部
２２ セラミックス粒子
２３ 窩洞部
２４ ＨＡ粒子
２５ ＨＡ膜
２６ レジン粒子
２７ レジンの混合物

Claims (3)

1. ハイドロキシアパタイト粒子を１０μｍ以下の粒径に分級せしめる分級装置と、ノズル先端を歯目標物に対して１ｍｍ〜２ｍｍ離間しているガス噴射ノズルと、上記分級装置により分級したハイドロキシアパタイト粒子を、加速ガスにより１００ｍ／ｓ〜２００ｍ／ｓに加速して上記歯目標物上に噴射せしめる手段とよりなり、常温大気圧下において、上記噴射により上記目標物上に膜が形成されることを特徴とする目標物に対する膜の形成装置。
2. １０μｍ以下の粒径のハイドロキシアパタイト粒子を選別する工程と、
   常温大気圧下において、ガス噴射ノズル先端と歯目標物の距離を１ｍｍ〜２ｍｍとして、加速ガスにより上記選別したハイドロキシアパタイト粒子を１００ｍ／ｓ〜２００ｍ／ｓに加速して上記歯目標物上に噴射せしめ、上記目標物上に膜を形成せしめる工程と
   より成ることを特徴とする目標物に対する膜の形成方法。
3. １０μｍ以下の粒径のハイドロキシアパタイト粒子を選別する第一の工程と、
   常温大気圧下において、ガス噴射ノズル先端と歯目標物の距離を１ｍｍ〜２ｍｍとして、加速ガスにより上記選別したハイドロキシアパタイト粒子を１００ｍ／ｓ〜２００ｍ／ｓに加速して歯目標物上に噴射せしめ、上記目標物上に第１の膜を形成せしめる第二の工程と、
   常温大気圧下において、ガス噴射ノズル先端と歯目標物の距離を１ｍｍ〜２ｍｍとして、加速ガスにより上記選別したハイドロキシアパタイト粒子とレジン粒子とを１００ｍ／ｓ〜２００ｍ／ｓに加速して上記第１の膜上に噴射せしめ、上記第１の膜上にハイドロキシアパタイト粒子とレジン粒子の混合物の第２の膜を形成せしめる第三の工程と、
   上記第三の工程におけるハイドロキシアパタイト粒子の量に対するレジン粒子の量の割合をより増やして、常温大気圧下において、ガス噴射ノズル先端と歯目標物の距離を１ｍｍ〜２ｍｍとして、加速ガスにより上記選別したハイドロキシアパタイト粒子とレジン粒子とを１００ｍ／ｓ〜２００ｍ／ｓに加速して上記混合物の第２の膜上に噴射せしめ、上記混合物の第２の膜上にハイドロキシアパタイト粒子とレジン粒子の混合物の第３の膜を形成せしめる第四の工程と、
   上記第四の工程を繰り返して、上記歯目標物上にハイドロキシアパタイト粒子の量に対するレジン粒子の量の割合が徐々に増える混合物の膜を形成せしめる第五の工程と、
   上記混合膜上に充填材を付着せしめる第六の工程と
   より成ることを特徴とする目標物に対する膜の形成方法。

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