WO2006078063A1 - 目標物に対する膜の形成方法及び装置 - Google Patents

Abstract

従来、減圧下でなければ、超微粒子を目標物上に衝突させて目標物上に膜を形成せしめることができないという欠点があった。本発明の目標物に対する膜の形成装置は、微粒子と、上記微粒子の加速ガスと、上記微粒子と上記加速ガスを目標物上に噴射せしめる手段とよりなり、上記噴射により上記目標物上に膜を形成せしめることを特徴とする。また、目標物に対する膜の形成方法は、微粒子を選別する工程と、上記選別した微粒子と加速ガスを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。上記微粒子又は第1の微粒子はセラミックス粒子又は金属粒子である。上記第2の微粒子はレジン粒子又は金属粒子である。上記セラミックス粒子が歯質成分粒子であり、目標物は歯である。

Description

目標物に対する膜の形成方法及び装置

技術分野

明

本発明は 目標物に対する膜の形成方法及び装置、 特に、 田

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 ス又は金属などの膜を形成する方法及び装置に関す るものである。

背景技術 近年、 マイ ク ロ ' エレク ト ロ . メ カ二力ノレ ' システム （M EM S ) やマイ ク ロアクチユエータなど、 微小機械部品の二 ーズが高まってきている。 それらに用いられる 1 Ο μ πι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 ( S. Kasyu, E. Fuchita, T . Manabe , and C . Hayashi , Jpn . J . Appl . Phys . 23 ( 1984 ) L910 ) 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 （G D法） が記載されている。 また非特許文献 2 ( J . Akedo , M . Ichiki, K . Kiuchi , and R . Mae da , Sensors & Actuators , A— phys 69 ( 1998 ) 106 ) に ίまこの方法を発展 させ Ρ Ζ Τ厚膜の成膜が記載されている。 発明の開示

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 関わつ ている。 すなわちイ ン レー · 合着剤 · 歯質における界面 （ i n t e r f a c e ) 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、 微粒子と、 上 記微粒子の加速ガス と、 上記加速ガスを 目標物上に噴射せ しめる手段と よ り な り 、 上記噴射によ り 上記目標物上に膜 を形成せしめる 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、 微粒子を選別 する工程と 、 上記選別した微粒子と加速ガスを 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、 第 1 の微粒子 を選別する工程と、 上記選別 した第 1 の微粒子と加速ガス を 目標物上に噴射せしめ、 上記目標物上に第 1 の膜を形成 せしめる工程と、 上記選別した第 1 の微粒子と第 2 の微粒 子と加速ガスを上記第 1 の膜上に噴射せしめ、 上記第 1 の 膜上に第 1 の微粒子と第 2 の微粒子の混合物の膜を形成せ しめる工程と よ り なる事を特徴とする。

上記微粒子又は第 1 の微粒子は、 セラ ミ ック ス粒子又は 金属粒子である。

上記第 2 の微粒子は、 レジン粒子又は金属粒子である。 上記微粒子又は第 1 の微粒子は、 歯質成分粒子であ り 、 上記目標物が歯である こ と を特徴とする。 図面の簡単な説明

1 図は本発明の目標物に対する膜の形成装置の説明図 で o

第 2 図は本発明の目標物に対する膜の形成装置の説明図 であ

第 3図は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 o

4図は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。

5図は本発明の目標物に対する膜の形成方法及ぴ装置 によ り 作成せしめたセラ 、 ッタス膜のス ク ラ ツチ試験にお ける圧子の荷重と摩擦力との関係を示す図である。

6図はスク 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 クチ痕を示す図である。

7図はスク 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 ツチ痕を示す図である。

第 8 図はスク 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 ツチ痕を示す図である。

第 9 図は本発明の 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。

第 1 0 図は本発明の 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。

第 1 1 図は本発明の 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。

第 1 2 図は本発明の 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。

第 1 3 図は本発明の 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。

第 1 4 図は本発明の 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。

第 1 5 図は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。

第 1 6 図は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。 発明を実施するための最良の形態

以下図面によって本発明の実施例を説明する。

実施例 1

本発明の目標物に対する膜の形成装置は、 第 1 図に示す 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、 N ₂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、 石英ガラス基板、 ガラス （ B K 7 ) 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、 第 1 図及び第 2図に示すよ う に、 上記精密 分級装置 1 によ り A 1 ₂ 0 ₃ 粒子などのセラ ミ ッ ク ス粒子 2 を、 例えば粒径が 0 . 6 ju m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 . O m m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 . O mm、 上記基板 8 に対する上記ノ ズル 5 の噴射角 Θ を 6 0度、 上記噴射ノ ズル 5 の内径を 0 . 8 m m、 噴射ノ ズルの噴射圧を 0 . 5 M P a 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、 第 3 図に示すよ 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 S E M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 . 2 m、 算術平均粗さが 1 9 n mであった。

なお、 第 4 図はノ 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 、 第 4 図から分かる よ う に噴射圧 p を大き く すれば、 ビッカース硬ざを大き 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 9 G P a と な り 、 ビッカース硬さはバルク材の 4 5 〜 7 5 %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 搔き、 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第 5 図に示す。 3 0 0 g 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 3 5 0 g 力 ら徐々 に増カ卩し始め、 4 0 0 g 力 ら大き く 変動が始ま り 5 0 0 g 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 が第 6 図， 第 7 図， 第 8 図であ る。 表¹ スケラッチ試験条件

圧子 サファイア

圧子先端半径 ΙΟΟμπι

荷重:^荷方

負荷荷重 ( OOOg 引搔き距離 20mm

テーブル移動速度 1.Omm/sec

なお、 第 6図は圧子に 3 5 0 g 〜 4 0 0 gの荷重を加え たと き のスクラ クチ痕 a 、 第 7図は 4 3 0 g の荷重を加え たと きのスクラ ッチ痕 a 、 第 8図は 7 0 0 g の荷重を加え たと き のスクラ クチ痕 a を示す。

第 7図に示すよ う に 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 摩耗粉が発生してレヽる - とがわかる。 さ らに、 摩擦係数が 最初に跳ね上がる 4 3 0 gの部分で第 7図のよ うに膜内で 大規模な破壊が こつたことがわかった。 摩擦係数が変化 した後は第 8図に示すよ う に完全に基板が露出して圧子と 基板の接触になつている 。 従ってスク ラ ッチ試験による臨 界剥離強度は 4 3 0 g という値であった。

なお、 第 9図は上記ノズル 5から噴射したセラ ミ ックス 粒子 2 の粒径とガラス （ B K 7 ) 基板またはシ リ コ ン単結 晶基板上にでき る最大膜厚ど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。

第 9 図から分かる 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、 基板の種類とセフ 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 V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。

第 1 0 図は基板上の同 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 （ B K 7 ) 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、 第 1 0 図から分 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 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 クク ス粒子を 、 例えば、 後述する第 2 の 実施例の粒子噴射装 を用いて 、 基板上に粒子を噴射せし めてあ よレ、

また 、 本発明におレ、てはセラ ミ ック ス粒子を基板上に噴 射せしめ 、 板上にセラ ミ ック膜を形成せしめたが、 セラ ミ ッ ク ス粒子の代り に 、 上記と 同様の方法で金属粒子を噴 射せしめ 、 板上に金属膜を形成せしめる こ と も可能であ る。

実施例 2

本発明の第 2 の実施例においては、 第 1 1 図に示す粒子 噴射装置 1 0 を用いて、 人体の歯の虫歯の除去、 歯の修復 を行 う。

第 1 1 図において、 1 1 は粒子供給管、 1 2 は上記粒子 供給管 1 1 の一端に設けた、 圧縮ガスの供給をオン · ォフ する高速電磁弁 、 1 3 は所望の粒径に分級した粒子 1 4 を 入れたタ ンク 、 1 5 は上記タ ンク 1 3 内の粒子 1 4 を上記 粒子供給管 1 1 内に充填するための上記粒子供給管 1 1 に 設けた粒子供給部 、 1 6 は上記粒子供給管 1 1 の他端に fx. けた混合室、 1 7 は上記混合室 1 6 内に N ₂な どの加 -) S.用 ガスを導入する 入口、 1 8 は粒子噴射ノ ズル、 1 9 は上 記高速電磁弁 1 2 を制御せしめるパ ソ コ ンである。

上記粒子噴射装置 1 0 においては、 上記パソ コ ン 1 9 を 操作して上記高速電磁弁 1 2 をオンとすれば、 上記粒子供 給管 1 1 内に圧縮ガスが供給され、 これによ り 上記粒子供 給部 1 5付近は負圧になるから、 上記タ ンク 1 3 内の上記 粒子 1 4 が上記粒子供給管 1 1 内に充填され上記混合室 1 6 に押し出され、 上記混合室 1 6 内で加速用ガス と混合し て、 上記ノ ズル 1 8 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 1 2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、 第 1 2 図及ぴ 第 1 3 図に示すよ う に、 人体の歯 2 0 の虫歯部分を含む周 辺部 2 1 に、 上記周辺部 2 1 を除去できる所定の粒径に分 級したセラ ミ ッ ク ス粒子 2 2 を上記粒子噴射装置 1 0の嘖 射ノズル 1 8から噴射せしめ、 窩洞部 2 3 を形成せしめる 。 なお、 こ の窩洞部 2 3 は機械的な切削除去によ り形成せ しめてもよい。

次に、 第 1 4図及び第 1 5図に示すよ う に、 上記窩洞部 2 3 に、 上記窩洞部 2 3上に、 歯質成分 （ハイ ド口キシァ パタイ ト。 以下 H Aと い う。） の例えば、 分級した平均粒 径 1 0 μ πιの粒子 2 4 を上記粒子噴射装置 1 0 のノ ズル 1 8力 ら加速ガスによ り例えば、 1 0 0〜 2 0 0 m s に加 速して 1 0 O H z で間欠的に噴射し、 上記窩洞部 2 3上に H Aを付着、 築盛せしめる。

なお、 上記ノ ズル 1 8の内径を 0. 8 m m、 噴射時間 5 秒、 加速用ガス圧力を 0. 2 M P a 、 供給用ガス圧力を 0 . 8 M P a 、 上記ノ ズル 1 8 と上記周辺部 2 1 と の距離を 約 2. O mm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 2 3 を人体の歯 2 0 のエナメル質と同じ成分の H A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 H A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、 H A粒子の平均粒径を例えば 2. 7 μ πιと小さ く する と、 粒径が 1 0 μ ΐηの場合に比べて Η Α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 した平均粒径が 3 μ πιの Η Α粒子の場合には、 処理していない H A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 2 3 が大きいよ う な場合には、 第 1 6 図に 示すよ う に、 窩洞部 2 3 に H A膜 2 5 を付着、 築盛した後 、 上記 H A膜 2 5上に、 上記と 同様の方法で、 一定の粒径 に分級した H A粒子 2 4 と レジン粒子 2 6 と加圧ガス と を 上記粒子噴射装置 1 0の ノ ズル 1 8.から噴射せしめて、 上 記 HA膜 2 5上に H Aと レジンの混合物 2 7 を付着、 築盛 せしめ、 次にこの混合物 2 7上に、 上記よ り も レジン粒子 2 6の量の割合を増やして、 H A粒子 2 4 と レジン粒子 2 6 を噴射せしめ、 上記混合物 2 7 上に H A と レジンの混合 物 2 7 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 2 3 を塞ぐよ う に して も よい。

なお、 レジン粒子の代り に金属粒子、 又はレジン粒子及 び金属粒子の混合物を用いても良い。 また、 上記レジン粒 子、 金属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 H Aを付着せしめ、 H A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。 産業上の利用可能性

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 ス又は金属膜を形成できるため簡単な集塵機でセラ ミ ッ タ ス粒子又は金属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 又は金属膜を形成せしめるこ とができる。

また、 本発明によれば、 人の歯質と同様の歯質成分を歯 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、 築盛した歯質成 分上に、 上記歯質成分粒子と レジン粒子又は金属粒子を噴 射せしめ、 上記歯質成分上に上記歯質成分と レジン又は金 属との混合物を付着 ' 築盛せしめれば、 この混合物上に上 記レジン又は金属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。

Claims

請 求 の 範 囲 微粒子と、 上記微粒子の加速ガスと、 上記加速ガスを 目標物上に噴射せしめる手段と よ り な り 、 上記噴射に よ り上記目標物上に膜を形成せしめるこ と を特徴とす る 目標物に対する膜の形成装置。

2 . 上記微粒子がセラ ミ ッ ク ス粒子であるこ と を特徴とす る請求項 1 記載の目標物に対する膜の形成装置。

3 . 上記微粒子が金属粒子であるこ とを特徴とする請求項

1記載の目標物に对する膜の形成装置。

4 . 上記微粒子が歯質成分粒子であり 、 上記目標物が歯で あるこ と を特徴とする請求項 1 記載の目標物に対する 膜の形成装置

5 . 微粒子を選別する工程と、

上記選別した微粒子と加速ガスを目標物上に噴射せし 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

6 . 上記微粒子はセラ ミ ッ ク ス粒子であるこ と を特徴とす る請求項 5記載の目標物に対する膜の形成方法。

7 . 上記微粒子は金属粒子であるこ と を特徴とする請求項

5記載の目標物に対する膜の形成方法。

8 . 上記微粒子が歯 成分粒子であ り 、 上記目標物が歯で あるこ と を特徴とする請求項 5記載の目標物に対する 膜の形成方法。

9 . 第 1 の微粒子を 別するェ程と、

上記選別した第 1 の微粒子と加速ガスを目標物上に噴 射せしめ、 上記 s標物上に第 1 の膜を形成せしめるェ 程と、

上記選別した第 1 の微粒子と第 2の微粒子と加速ガス を上記第 1 の膜上に噴射せしめ、 上記第 1 の膜上に第

1 の微粒子と第 2 の微粒子の混合物の膜を形成せしめ る工程と

よ り なる事を特徴とする 目標物に対する膜の形成方法

10. 上記第 1 の微粒子はセラ ミ ッ ク ス粒子である こ と を 特徴とする請求項 9記載の目標物に対する膜の形成方 法。

11 . 上記第 1 の微粒子は金属粒子である こ と を特徴とす る請求項 9記載の目標物に対する膜の形成方法。

12. 上記第 1 の微粒子が歯質成分粒子であ り 、 上記目標 物が歯であるこ と を特徴とする請求項 9記載の目標物 に対する膜の形成方法。

13. 上記第 2 の微粒子はレジ ン粒子である こ と を特徴と する請求項 9、 1 0、 1 1 または 1 2記載の目標物に 対する膜の形成方法。

14. 上記第 2 の微粒子は金属粒子である こ と を特徴とす る請求項 9 、 1 0、 1 1 または 1 2記載の目標物に対 する膜の形成方法。