WO2022254945A1 - マスク治具、成膜方法および成膜装置 - Google Patents

Abstract

基材の表面に安定した品質の膜を、効率的に形成することが可能なマスク治具（１）は、本体部（１１）と、マスクカバー（１２）とを備える。本体部（１１）は、第１面（１１ｓ１）と、その反対側に位置する第２面（１１ｓ２）とを含む。マスクカバー（１２）は、本体部（１１）の第２面（１１ｓ２）側に、本体部（１１）と重なるように配置され、第３面（１２ｓ１）と、その反対側に位置する第４面（１２ｓ２）とを含む。マスクカバー（１２）はイミド系樹脂により形成される。

Description

マスク治具、成膜方法および成膜装置

　本開示は、マスク治具、成膜方法および成膜装置に関する。

　従来、溶射法の１つであるコールドスプレー法が知られている。コールドスプレー法では、キャリアガスと共に成膜材料を基材に噴射することで、当該基材上に成膜する（たとえば、特開２０１７－１７０３６９号公報参照）。

　また、上述したコールドスプレー法などの溶射法において、成膜範囲を規定するため基材の表面上に配置されるマスク治具が用いられる（たとえば、特開２００２－３６１１３５号公報参照）。マスク治具に形成された貫通穴を介して基材の表面に成膜材料が供給されることにより、成膜領域の平面形状を規定できる。

特開２０１７－１７０３６９号公報 特開２００２－３６１１３５号公報

　上述したコールドスプレー法などの溶射法において、マスク治具を用いる場合には、マスク治具の表面にも成膜材料からなる膜が形成される。マスク治具の表面に膜が形成されると、結果的にマスク治具の貫通穴を介して成膜材料が基板の表面に供給される際のプロセス条件（成膜条件）が成膜開始当初の条件から変化する場合がある。この結果、基材の表面に安定して膜を形成することが困難となる。さらに、基材の表面に形成する膜の品質を担保するため、マスク治具の表面に形成された膜の除去といった処理を一定時間ごとに実施する必要がある。この結果、基材の表面に安定した品質の膜を、効率的に形成することは難しかった。特開２００２－３６１１３５号公報では、マスク治具の表面への成膜を抑制する検討がなされている。しかし基材の表面に安定した品質の膜をより効率的に形成する観点からは、マスク治具を成膜しにくい材料で製造するなど、さらなる改善がなされることが好ましい。

　本開示の目的は、基材の表面に安定した品質の膜を、効率的に形成することが可能なマスク治具、成膜方法および成膜装置を提供することである。

　本開示に係るマスク治具は、溶射法において用いられる。マスク治具は、本体部と、マスクカバーとを備える。本体部は、第１面と、第１面とは反対側に位置する第２面とを含む。マスクカバーは、本体部の第２面側に、本体部と重なるように配置され、第３面と、第３面とは反対側に位置する第４面とを含む。マスクカバーはイミド系樹脂により形成される。

　本開示に係る成膜方法は、基材の表面に対向するように、上記マスク治具を配置する工程を備える。配置する工程では、マスク治具の第１面が基材の表面に面するように、マスク治具が配置される。本開示に係る成膜方法は、マスク治具の第１貫通孔および第２貫通孔を介して、コールドスプレー法により成膜原料となる粉末を基材の表面に吹き付ける工程を備える。

　本開示に係る成膜装置は、ノズルを含むスプレーガンと、粉末供給部と、ガス供給部と、上記マスク治具とを備える。粉末供給部は、スプレーガンに成膜原料となる粉末を供給する。ガス供給部は、スプレーガンに動作ガスを供給する。マスク治具は、基材とスプレーガンとの間に配置される。

　上記によれば、基材の表面に安定した品質の膜を、効率的に形成することができる。

本実施の形態に係る成膜装置の構成を示す模式図である。 本実施の形態に係るマスク治具、およびこれが設置される基材およびベース治具を示す概略断面図である。 図２中の点線で囲まれた領域Ａの態様の第１例を拡大して示す概略断面図である。 図２中の点線で囲まれた領域Ａの態様の第２例を拡大して示す概略断面図である。 図２中の点線で囲まれた領域Ａの態様の第３例を拡大して示す概略断面図である。 図２中の点線で囲まれた領域Ａの態様の第４例を拡大して示す概略断面図である。 図２中の点線で囲まれた領域Ａの態様の第５例を拡大して示す概略断面図である。 図２のマスク治具のさらなる変形例を総括して示す概略断面図である。 本実施の形態に係る成膜方法を示すフローチャートである。 実施例３において用いられたマスク治具の態様の第１例を示す概略断面図である。 実施例３において用いられたマスク治具の態様の第２例を示す概略断面図である。 実施例３において用いられたマスク治具の態様の第３例を示す概略断面図である。 実施例３の試料１１の本体部に形成された傾斜部の内壁における成膜原料の付着態様を上方から見た写真である。 実施例３の試料１２の本体部に形成された傾斜部の内壁における成膜原料の付着態様を上方から見た写真である。 実施例３の試料１３の本体部に形成された傾斜部の内壁における成膜原料の付着態様を上方から見た写真である。

　以下、本開示の実施の形態を説明する。なお、同一の構成には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。

　＜成膜装置の構成＞
　図１は、本実施の形態に係る成膜装置の構成を示す模式図である。図１を参照して、成膜装置１００は、ノズル２ｂを含むスプレーガン２と、粉末供給部３と、ガス供給部４と、マスク治具１とを主に備える。

　スプレーガン２は、スプレーガン本体部２ａと、ノズル２ｂと、ヒータ２ｃと、温度センサ９とを主に含む。スプレーガン本体部２ａの先端側である第１端にはノズル２ｂが接続されている。スプレーガン本体部２ａの後端側である第２端には配管６が接続されている。当該配管６はバルブ７を介してガス供給部４に接続されている。ガス供給部４は、配管６を介してスプレーガン２に動作ガスを供給する。バルブ７を開閉することで、ガス供給部４からスプレーガン２に対する動作ガスの供給状態を制御できる。配管６には圧力センサ８が設置されている。圧力センサ８はガス供給部４から配管６に供給される動作ガスの圧力を測定する。

　スプレーガン本体部２ａの第２端からスプレーガン本体部２ａの内部に供給される動作ガスは、ヒータ２ｃにより加熱される。ヒータ２ｃはスプレーガン本体部２ａの第２端側に配置されている。スプレーガン本体部２ａの内部を矢印３１に沿って動作ガスが流れる。ノズル２ｂとスプレーガン本体部２ａとの接続部に温度センサ９が接続されている。温度センサ９はスプレーガン本体部２ａの内部を流れる動作ガスの温度を測定する。

　ノズル２ｂには配管５が接続されている。配管５は粉末供給部３に接続されている。粉末供給部３は、配管５を介してスプレーガン２のノズル２ｂに成膜原料となる粉末を供給する。

　マスク治具１は、基材２０とスプレーガン２との間に配置される。マスク治具１には第１貫通孔１１ｃおよび第２貫通孔１２ａ（図２参照）が形成されている。当該第１貫通孔１１ｃおよび第２貫通孔１２ａは基材２０の表面における成膜領域を規定する。マスク治具１の具体的な構成は後述する。

　＜成膜装置の動作＞
　図１に示した成膜装置１００では、矢印３０に示すようにガス供給部４から配管６を介して動作ガスがスプレーガン２に供給される。動作ガスとしては、たとえば窒素、ヘリウム、ドライエアまたはそれらの混合物を用いることができる。動作ガスの圧力はたとえば１ＭＰａ程度である。動作ガスの流量はたとえば３００Ｌ／分以上５００Ｌ／分以下である。スプレーガン本体部２ａの第２端に供給された動作ガスは、ヒータ２ｃによって加熱される。動作ガスの加熱温度は、成膜原料の組成に応じて適宜設定されるが、たとえば１００℃以上５００℃以下とすることができる。スプレーガン本体部２ａからノズル２ｂに動作ガスは流れる。ノズル２ｂには、配管５を介して粉末供給部３から矢印３２に示すように成膜原料となる粉末１０が供給される。粉末１０としては、たとえばニッケル粉末、錫粉末、または錫粉末と亜鉛粉末との混合材料を用いることができる。あるいは粉末として、たとえばアルミニウムの粉末が用いられてもよい。粉末１０の粒径は、たとえば１μｍ以上５０μｍ以下である。

　ノズル２ｂに供給された粉末１０は、動作ガスとともにノズル２ｂの先端から基材２０に向けて噴射される。基材２０の表面にはマスク治具１が配置されている。噴射された粉末１０はマスク治具１の第１貫通孔１１ｃおよび第２貫通孔１２ａ（図２参照）を介して基材２０の表面に到達する。基材２０の表面では、噴射された粉末１０を原料とする膜が形成される。

　＜マスク治具の構成＞
　図２は、本実施の形態に係るマスク治具、およびこれが設置される基材およびベース治具を示す概略断面図である。図２を参照して、マスク治具１は、溶射法の一例であるコールドスプレー法において用いられる。マスク治具１は、本体部１１と、マスクカバー１２とを備える。

　本体部１１は、第１面１１ｓ１と、第２面１１ｓ２とを含む。第２面１１ｓ２は、第１面１１ｓ１とは反対側に位置する。第１面１１ｓ１および第２面１１ｓ２はたとえば矩形状である。本体部１１の厚みである第１面１１ｓ１から第２面１１ｓ２までの距離は、本体部１１の全体にわたってほぼ一定である。したがって本体部１１は、矩形の平面形状を有する板状の部材である。

　マスクカバー１２は、第３面１２ｓ１と、第４面１２ｓ２とを含む。第４面１２ｓ２は、第３面１２ｓ１とは反対側に位置する。第３面１２ｓ１および第４面１２ｓ２はたとえば矩形状である。マスクカバー１２の厚みＴである第３面１２ｓ１から第４面１２ｓ２までの距離は、マスクカバー１２の全体にわたってほぼ一定である。したがってマスクカバー１２は、矩形の平面形状を有する板状の部材である。マスクカバー１２は、本体部１１の第２面１１ｓ２側すなわち図２の上側に、本体部１１と重なるように配置される。マスクカバー１２は、第３面１２ｓ１が本体部１１の第２面１１ｓ２と対向し互いに接触するように配置される。

　マスクカバー１２は、イミド系樹脂により形成される。具体的には、マスクカバー１２はたとえばポリアミドイミドにより形成される。なおマスクカバー１２は、ポリアミドイミドの代わりに、たとえばポリイミドにより形成されてもよい。

　本体部１１には、第１貫通孔１１ｃが形成されている。第１貫通孔１１ｃは、第１面１１ｓ１から第２面１１ｓ２にまで到達するように、本体部１１を貫通している。第１貫通孔１１ｃの平面形状は任意であり、たとえば平面視において円形であってもよいし、矩形状（特に正方形状）であってもよい。

　第１貫通孔１１ｃは、本体部１１を構成する部材が欠落する部分であり、柱状部１１ａと傾斜部１１ｂとを有していてもよい。柱状部１１ａは、その内壁が全体において第１面１１ｓ１および第２面１１ｓ２にほぼ直交する方向に延びている。つまり図２の断面図において、柱状部１１ａの内壁のうち、中心に対して互いに１８０°ずれた位置に配置され互いに対向する２つの部分同士が互いに平行に延びている。このため図２の断面図での柱状部１１ａの左端の内壁と右端の内壁とが互いに平行となっている。なお、ここでのほぼ直交する方向とは、完全な直角方向に対し±１°以内の誤差を有することを許容する。傾斜部１１ｂは、その内壁が、第１面１１ｓ１および第２面１１ｓ２にほぼ直交する方向に対して傾斜する方向に延びている。つまり図２の断面図において傾斜部１１ｂの左端の内壁と右端の内壁とがいずれも、柱状部１１ａの内壁とは異なる方向に延びている。傾斜部１１ｂの左端の内壁と右端の内壁はいずれも、第１面１１ｓ１および第２面１１ｓ２に対して傾斜する方向に延びている。

　傾斜部１１ｂは、図２に示すように、柱状部１１ａよりも第２面１１ｓ２側に形成され、第１面１１ｓ１側から第２面１１ｓ２側に向けて、その径が漸次大きくなるように内壁が傾斜していることが好ましい。ただしこれに限らず、たとえば傾斜部１１ｂが柱状部１１ａよりも第１面１１ｓ１側に形成されてもよい。傾斜部１１ｂは、第１面１１ｓ１側から第２面１１ｓ２側に向けてその径が漸次小さくなるように内壁が傾斜していてもよい。あるいはたとえば傾斜部１１ｂが第１面１１ｓ１および第２面１１ｓ２のいずれとも接することなく第１面１１ｓ１と第２面１１ｓ２とを結ぶ方向の中央部のみに形成されてもよい。この場合、傾斜部１１ｂの第１面１１ｓ１側に第１面１１ｓ１に達する柱状部１１ａが形成され、傾斜部１１ｂの第１面１１ｓ１側に第１面１１ｓ１に達する柱状部１１ａが形成される。互いに隣り合う柱状部１１ａと傾斜部１１ｂとの境界において、柱状部１１ａの内壁と傾斜部１１ｂの内壁とが連続することが好ましい。

　なお図２においては一例として、第１貫通孔１１ｃは柱状部１１ａと傾斜部１１ｂとの双方を有している。ただしこれに限らず、第１貫通孔１１ｃは柱状部１１ａのみを有してもよいし、傾斜部１１ｂのみを有してもよい。また第１貫通孔１１ｃなどの径は、これの平面形状が円形の場合には当該円形の直径である。ただし第１貫通孔１１ｃなどの平面形状が正方形状の場合には、その径は当該正方形状の１辺の長さである。

　マスクカバー１２には、第２貫通孔１２ａが形成されている。第２貫通孔１２ａは、第３面１２ｓ１から第４面１２ｓ２にまで到達するように、マスクカバー１２を貫通している。第２貫通孔１２ａは、柱状部１１ａと同様に、その内壁が全体において第１面１１ｓ１および第２面１１ｓ２にほぼ直交する方向に延びている。ただし、第２貫通孔１２ａも傾斜部１１ｂと同様に、その内壁が第３面１２ｓ１および第４面１２ｓ２にほぼ直交する方向に対して傾斜する方向に延びてもよい。第２貫通孔１２ａの内壁の第３面１２ｓ１に直交する方向に対する傾斜角度は、たとえば第３面１２ｓ１に直交する方向に対して１０°以下であってもよい。

　図示されないが、第１貫通孔１１ｃおよび第２貫通孔１２ａは、図２の紙面奥行方向についてマスク治具１の全体にわたり延びているのではなく、当該紙面奥行方向の一部の領域のみに形成される。つまり第１貫通孔１１ｃおよび第２貫通孔１２ａの図２の紙面奥行方向の寸法は比較的短い。具体的には、図２の第１貫通孔１１ｃおよび第２貫通孔１２ａの紙面奥行方向の寸法は、図２の左右方向の寸法に等しいか、左右方向の寸法よりわずかに増減された程度である。

　ベース治具２１は、成膜対象である基材２０を設置するための部材である。ベース治具２１は、矩形の平面形状を有する板状の部材である。ベース治具２１の一方の主表面側、つまり図２の上側の主表面は、図２のようにマスク治具１を構成する本体部１１の第１面１１ｓ１に接するように設置されてもよい。しかし図１のように、ベース治具２１の一方の主表面は第１面１１ｓ１に接しないように（第１面１１ｓ１との間に隙間を有するように）設置されてもよい。

　ベース治具２１の第１面１１ｓ１に対向する主表面には、溝部２２が形成されている。溝部２２は、ベース治具２１の一方の主表面の一部に、主表面と直交する方向に凹んだ凹部として形成されている。溝部２２内に基材２０が嵌め込まれることにより、基材２０がベース治具２１に設置される。

　互いに接触するように積層されたマスクカバー１２、本体部１１およびベース治具２１のすべてを貫通するように、ねじ止め穴１３が形成されている。ねじ止め穴１３は、マスクカバー１２、本体部１１およびベース治具２１に形成されたもののすべてが平面視にて重なるように形成される。このように、マスクカバー１２は、ねじ止めによって本体部１１およびベース治具２１に固定できる。このためマスクカバー１２および本体部１１を単独で交換できる。この結果、マスクカバー１２と本体部１１との寿命が異なる場合に、本体部１１とマスクカバー１２とが一体となっている構成に比べて、交換時のコストを抑えられる。

　図２のように、ねじ止め穴１３の径は、ベース治具２１においてマスクカバー１２および本体部１１よりも小さく、マスクカバー１２および本体部１１においては同じ大きさであってもよい。ただしねじ止め穴１３の径は、本体部１１およびベース治具２１において同じ大きさであり、マスクカバー１２において本体部１１よりも大きくてもよい。

　次に、以上の各部材を構成する材料、サイズ等について説明する。マスク治具１の本体部１１は、任意の材料を採用できるが、たとえば放熱性の高い金属材料である銅が用いられてもよい。これにより、基材２０への熱的な影響を緩和できる。ただし本体部１１として、銅の代わりに、たとえばステンレス鋼、鋼などの金属、カーボン、アルミナなどのセラミックスなどを適用できる。

　本体部１１は、上記のたとえば銅の表面上に薄膜が形成されてもよい。その薄膜は、たとえばマスク治具１を用いて成膜しようとする材料と親和性が低い材料からなることが好ましい。つまりたとえばマスク治具１が溶射法によるアルミニウムの成膜に用いられる場合、銅で形成された本体部１１の表面上に、アルミニウムと親和性が低い（アルミニウムと接触しにくい：混ざりにくい：結合しにくい）材料である、たとえばスズの薄膜が形成されることが好ましい。

　本体部１１に形成される第１貫通孔１１ｃのうち、特に傾斜部１１ｂの内壁と、第１面１１ｓ１および第２面１１ｓ２とのなす最小角度θ１およびθ２は、３０°以上６０°以下であることが好ましい。つまり図２に示す、第１面１１ｓ１などに平行な一点鎖線と、傾斜部１１ｂの内壁とのなす角度θ１およびθ２が、３０°以上６０°以下であることが好ましい。角度θ１と角度θ２とは等しくてもよいが、異なっていてもよい。当該内壁は、部分的に曲面を含んでいてもよい。また、内壁は、その全体について傾斜角度θ１，θ２が一定であってもよいが、局所的に傾斜角度θ１，θ２が異なる面を含んでいてもよい。

　マスク治具１のマスクカバー１２は、第３面１２ｓ１と第４面１２ｓ２との距離である厚みＴが０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であることが好ましい。ベース治具２１は、放熱性の高い金属材料により形成されることが好ましい。具体的には、ベース治具２１は、銅系の金属材料およびアルミニウム系の金属材料のいずれかにより形成されることが好ましい。なお本体部１１は、第１面１１ｓ１と第２面１１ｓ２との距離である厚みが１．５ｍｍ以上３ｍｍ以下であることが好ましい。マスク治具１においては本体部１１よりもマスクカバー１２の方が薄い方が好ましい。ただしこれに限らず、本体部１１とマスクカバー１２との厚みが等しくてもよい。あるいはマスクカバー１２の方が本体部１１よりも厚くてもよい。

　第２貫通孔１２ａの径は、第１貫通孔１１ｃの径以上の大きさである。「以上」とは、等しい場合とそれよりも大きい（多い）場合との双方を含む。つまり、第２貫通孔１２ａの径は、第１貫通孔１１ｃの径と同じであってもよいし、第１貫通孔１１ｃの径よりも大きくてもよい。なお、第２貫通孔１２ａの径が第１貫通孔１１ｃの径よりも大きい場合に、第２貫通孔１２ａの平面視における中心を通る第２中心軸１２ａｓは、第１貫通孔１１ｃの平面視における中心を通る第１中心軸１１ａｓと同一直線上であってもよい。つまり図２のように第２中心軸１２ａｓと第１中心軸１１ａｓとが同軸となるように重なってもよい。あるいは図示されないが、たとえば図２の第１中心軸１１ａｓが第２中心軸１２ａｓに対して右側または左側にずれた位置に配置され、両者が異なる位置の軸となってもよい。ここで、第１貫通孔１１ｃと第２貫通孔１２ａとの径の大小関係について、以下のように想定可能な変形例を含めて説明する。

　図３は、図２中の点線で囲まれた領域Ａの態様の第１例を拡大して示す概略断面図である。図３を参照して、第１例において、本体部１１の第１貫通孔は柱状部１１ａのみからなりその全体において径が一定である。マスクカバー１２の第２貫通孔１２ａは柱状部１１ａと同様にその全体において径が一定である。柱状部１１ａの径と、第２貫通孔１２ａの径とが等しい。このような構成であってもよい。

　図４は、図２中の点線で囲まれた領域Ａの態様の第２例を拡大して示す概略断面図である。図４を参照して、第２例において、第１例と同様に、本体部１１の第１貫通孔は柱状部１１ａのみからなり、マスクカバー１２の第２貫通孔１２ａは柱状部１１ａと同様にその全体において径が一定である。第２貫通孔１２ａの径は、柱状部１１ａの径よりも大きい。図４の第２例では、図３のような柱状部１１ａと第２貫通孔１２ａとの径が等しい場合は除外される。このような構成であってもよい。

　図５は、図２中の点線で囲まれた領域Ａの態様の第３例を拡大して示す概略断面図である。図５を参照して、第３例において、本体部１１の第１貫通孔は傾斜部１１ｂのみからなる。傾斜部１１ｂは、第１面１１ｓ１側から第２面１１ｓ２側に向けて、その径が漸次大きくなるように、内壁が、第１面１１ｓ１および第２面１１ｓ２に直交する方向に対して傾斜している。傾斜部１１ｂの平面視における径のうち最大値である最大径Ｄ１は第２面１１ｓ２に形成され、傾斜部１１ｂの平面視における径のうち最小値である最小径Ｄ２は第１面１１ｓ１に形成される。一方、マスクカバー１２の第２貫通孔１２ａは柱状部１１ａと同様にその全体において径Ｄ３が一定である。第２貫通孔１２ａの径Ｄ３は、傾斜部１１ｂの最小径Ｄ２より大きく、傾斜部１１ｂの最大径Ｄ１より小さい。このような構成であってもよい。

　図６は、図２中の点線で囲まれた領域Ａの態様の第４例を拡大して示す概略断面図である。図６を参照して、第４例において、第３例と同様に、本体部１１の第１貫通孔は傾斜部１１ｂのみからなり、第１面１１ｓ１側から第２面１１ｓ２側に向けて、その径が漸次大きくなるように内壁が傾斜している。マスクカバー１２の第２貫通孔１２ａはその全体において径Ｄ３が一定である。第２貫通孔１２ａの径Ｄ３は、傾斜部１１ｂの最小径Ｄ２より大きく、傾斜部１１ｂの最大径Ｄ１に等しい。このような構成であってもよい。

　図７は、図２中の点線で囲まれた領域Ａの態様の第５例を拡大して示す概略断面図である。図６を参照して、第５例において、第１貫通孔および第２貫通孔１２ａの形状は、第３例および第４例と同様であるため説明を繰り返さない。第２貫通孔１２ａの径Ｄ３は、傾斜部１１ｂの最小径Ｄ２に等しく、傾斜部１１ｂの最大径Ｄ１より小さい。このような構成であってもよい。

　なお図示されないが、仮にマスクカバー１２の第２貫通孔１２ａが第１貫通孔１１ｃの傾斜部１１ｂと同様に内壁が傾斜する傾斜部のみを有する（あるいは次に述べるようにその一部に傾斜部を有する）構成である場合、上記において、第２貫通孔１２ａの径は、その最小値と考える。

　＜さらなる変形例＞
　図８は、図２のマスク治具のさらなる変形例を総括して示す概略断面図である。マスクカバー１２の第２貫通孔１２ａは、図２のように第４面１２ｓ２と交差する端部にて交差（直交）するように形成されてもよい。しかし図８を参照して、第２貫通孔１２ａは第４面１２ｓ２と交差する端部にてたとえば球面の一部（曲面）のように丸く形成されてもよい。つまり図８の断面図において、第２貫通孔１２ａと第４面１２ｓ２とが交差する部分が曲線状（たとえば円弧状または楕円の一部の形状）を有する曲面１２Ｒとされてもよい。第２貫通孔１２ａと第３面１２ｓ１とが交差する端部についても同様である。

　またマスクカバー１２の第２貫通孔１２ａが第３面１２ｓ１などに直交する方向に対して傾斜する方向に延びる場合、当該傾斜部の傾斜角が２段階以上となるように形成されてもよい。つまり当該傾斜部の傾斜角が異なる２つ以上の傾斜部を有するように形成されてもよい。一例として図８では、第２貫通孔１２ａの内壁が、互いに第３面１２ｓ１に対する角度の異なる２つの傾斜部１２ａ１と傾斜部１２ａ２とを有している。

　以上はマスクカバー１２に限らず、本体部１１についても同様である。本体部１１の傾斜部１１ｂの内壁も、その傾斜角が２段階以上となるように形成されてもよい。一例として、たとえば図８の一部の傾斜部１１ｂは、互いに第１面１１ｓ１に対する角度の異なる２つの傾斜部１１ｂ１と傾斜部１１ｂ２とを有している。また第１面１１ｓ１および第２面１１ｓ２の少なくともいずれかと交差する第１貫通孔１１ｃの端部が曲面のように丸く（図８の断面図において曲線状となるように）形成されてもよい。

　＜作用効果＞
　本開示に係るマスク治具１は、溶射法において用いられる。マスク治具１は、本体部１１と、マスクカバー１２とを備える。本体部１１は、第１面１１ｓ１と、第１面１１ｓ１とは反対側に位置する第２面１１ｓ２とを含む。マスクカバー１２は、本体部１１の第２面１１ｓ２側に、本体部１１と重なるように配置される。マスクカバー１２は、第３面１２ｓ１と、第３面１２ｓ１とは反対側に位置する第４面１２ｓ２とを含む。マスクカバー１２はイミド系樹脂により形成される。

　耐熱性の高い樹脂材料であるイミド系樹脂により形成されるマスクカバー１２の表面には、溶射法により形成される膜の材料が形成されにくい。したがって、マスクカバー１２側から成膜に用いる材料の粉末１０（図１参照）が供給されれば、マスク治具１よりも粉末の下流側に成膜対象の基材などが配置されたとき、成膜されるべきでないマスク治具１の表面上への成膜が抑制される。またマスクカバー１２が本体部１１の第２面１１ｓ２側に本体部１１と重なるように（本体部１１の表面を覆うように）配置され、本体部１１の表面上への成膜が抑制される。このため成膜条件が、成膜開始当初に設定された条件から変化することが抑制される。これにより、基材の表面に安定した品質の膜を、たとえば形成されたマスクに後処理として表面処理を施す場合に比べて効率的に形成できる。

　上記マスク治具１において、本体部１１には、第１面１１ｓ１から第２面１１ｓ２にまで到達する第１貫通孔１１ｃが形成される。マスクカバー１２には、第３面１２ｓ１から第４面１２ｓ２にまで到達する第２貫通孔１２ａが形成される。第２貫通孔１２ａの径は前記第１貫通孔１１ｃの径以上の大きさである。このような構成であってもよい。第２貫通孔１２ａの径は第１貫通孔１１ｃの径よりも大きくてもよい。

　基材の表面のうち成膜される領域は、基材に隣接する本体部１１に形成された第１貫通孔１１ｃにより規定される。第１貫通孔１１ｃが形成された領域と重なる領域に成膜されるためである。第２貫通孔１２ａの径を第１貫通孔１１ｃの径以上（径よりも大きい）とすることにより、本体部１１の第１貫通孔１１ｃの内側の成膜される領域が、マスクカバー１２の貫通孔以外の領域に覆われ、成膜が妨げられることが抑制される。マスクカバー１２による膜質の安定化、成膜の効率化に加え、第１貫通孔１１ｃの一部をマスクカバー１２が塞ぐことにより成膜できなくなる不具合を抑制できる。つまりマスク治具１に形成される貫通孔により、マスク治具１はマスクとしての機能を維持できる。

　さらに、第２貫通孔１２ａの径を第１貫通孔１１ｃの径よりも大きくすれば、次のような効果が得られる。成膜回数を重ねることによって、マスクカバー１２のうち第２貫通孔１２ａに隣接する領域が使用時の熱により変形し、第２貫通孔１２ａの形状が歪むことがある。このような場合においても、第２貫通孔１２ａの径を第１貫通孔１１ｃの径よりも大きくすれば、本体部１１の第１貫通孔１１ｃの内側の成膜される領域はマスクカバー１２の貫通孔以外の領域と重ならない。第２貫通孔１２ａが大きいことにより、たとえマスクカバー１２が変形してもマスクカバー１２が第１貫通孔１１ｃ内の一部を塞がないためのマージンが生じるためである。このためマスクカバー１２を含むマスク治具１のマスクとしての機能が維持できる。

　上記マスク治具１において、本体部１１には、第１面１１ｓ１から第２面１１ｓ２にまで到達する第１貫通孔１１ｃが形成される。マスクカバー１２には、第３面１２ｓ１から第４面１２ｓ２にまで到達する第２貫通孔１２ａが形成される。第１貫通孔１１ｃの内壁は、第１面１１ｓ１および第２面１１ｓ２に直交する方向に対して傾斜する方向に延びる。第２貫通孔１２ａの径Ｄ３は、第１貫通孔１１ｃの最小径Ｄ２以上であり、第１貫通孔１１ｃの最大径Ｄ１以下である。このような構成であってもよい。

　基材の表面のうち成膜される領域は、基材に隣接する本体部１１に形成された第１貫通孔１１ｃの最小径Ｄ２により規定される。第１貫通孔１１ｃの最小径Ｄ２内と重なる領域に成膜されるためである。第２貫通孔１２ａの径Ｄ３が最小でも第１貫通孔１１ｃの最小径Ｄ２と同じ大きさを有する。したがって本体部１１の第１貫通孔１１ｃの内側の成膜される領域と、マスクカバー１２の第２貫通孔１２ａ以外の領域とが重なることが抑制される。このためマスクカバー１２による膜質の安定化、成膜の効率化に加え、第１貫通孔１１ｃ内の一部をマスクカバー１２が塞ぐことによりその塞がれた部分が成膜できなくなる不具合を抑制できる。つまりマスク治具１に形成される貫通孔により、マスク治具１はマスクとしての機能を維持できる。

　また、マスクカバー１２の第２貫通孔１２ａを通過する粉末１０（図１参照）が第２貫通孔１２ａの内壁に付着しようとする場合がある。ここでマスク治具１においては、第１貫通孔１１ｃの内壁が傾斜部１１ｂを有する。このため内壁が第１面１１ｓ１に直交する方向に対して傾斜しない場合に比べて、マスクカバー１２の第２貫通孔１２ａ内を通過する粉末１０（図１参照）が第１貫通孔１１ｃの内壁に衝突する際の衝突エネルギを低減できる。このためマスク治具１の貫通孔の縁すなわち内壁への成膜が抑制できる。

　上記マスク治具１において、第１貫通孔１１ｃの内壁と、第１面１１ｓ１および第２面１１ｓ２とのなす最小角度は３０°以上６０°以下であってもよい。これにより上記のように、マスクカバー１２の第２貫通孔１２ａ内を通過する粉末１０（図１参照）が第１貫通孔１１ｃの内壁に衝突する際の衝突エネルギを低減できる。このためマスク治具１の貫通孔の縁すなわち内壁への成膜が抑制できる。

　上記マスク治具１において、上記の作用効果を高める観点から、マスクカバー１２の厚みは０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であってもよい。

　＜成膜方法＞
　図９は、本実施の形態に係る成膜方法を示すフローチャートである。図９を参照して、本実施の形態に係る成膜方法は、図１～図７に示したマスク治具１および成膜装置１００を用いて実施される成膜方法であって、準備工程（Ｓ１０）と、成膜工程（Ｓ２０）と、後処理工程（Ｓ３０）とを主に備える。

　準備工程（Ｓ１０）では、図１に示すように基材２０の表面に対向するように、上記マスク治具１を配置する工程を含む。当該配置する工程では、マスク治具１の第１面１１ｓ１（図２～図７参照）が基材２０の表面に面するように、マスク治具１が配置される。上記のように、マスク治具１のうちの本体部１１は、次の成膜工程（Ｓ２０）にて吹き付けられる粉末の材料と親和性が低い材料により形成されることが好ましい。

　成膜工程（Ｓ２０）では、マスク治具１の第１貫通孔１１ｃおよび第２貫通孔１２ａ（図２参照）を介して、成膜装置１００を用いてコールドスプレー法により成膜原料となる粉末を基材２０の表面に吹き付ける。この結果、基材２０の表面に成膜原料からなる膜が形成される。

　後処理工程（Ｓ３０）では、基材２０の表面上からマスク治具１が除去される。その後、基材２０に対する加工など必要な処理を実施する。このようにして、基材２０の表面に膜を形成することができる。

　上述した成膜方法では、本実施形態に係るマスク治具１を用いるため、当該マスク治具１に対する成膜原料の付着量を低減できるので、成膜工程（Ｓ２０）を連続的に実施できる時間を長くできる。あるいは、上記マスク治具１を用いることで当該マスク治具１を繰り返し使用できる回数を増やすことができる。

　以下、本開示に係るマスク治具の効果を確認するための各実施例を説明する。

　＜試料＞
　マスクカバー１２を有さず、本体部１１のみからなるマスク治具を、図１および図２のように基材２０の表面に対向するように配置し、図１の成膜装置１００で成膜したときに、本体部１１の表面における成膜原料の付着量が調査された。なお用いられた本体部１１の第１貫通孔１１ｃは傾斜部１１ｂのみからなり、第１面１１ｓ１との間でなす角度θ１、θ２（図２参照）は４５°とした。このような本体部１１のみからなり、材質が異なるマスク治具の試料を準備した。具体的には、ステンレス鋼ＳＵＳ３０４で形成された試料１、炭素鋼で形成された試料２、および銅で形成された試料３を準備した。各試料の平面形状は四角形状であり、そのサイズは、横４２ｍｍ×縦３０ｍｍ×厚さ３ｍｍとした。傾斜部１１ｂの最大径は６ｍｍ、最小径は２ｍｍとされた。第１貫通孔１１ｃは、平面視における縦方向（短辺方向）に互いに間隔をあけて２つ、これに直交する横方向（長辺方向）に互いに間隔をあけて３つ、行列状に形成された。

　＜成膜プロセスおよび結果＞
　上述した試料１～試料３を用いて、コールドスプレー法により基材表面に膜を形成した。成膜原料としてはアルミニウムからなる粉末を用いた。当該アルミニウム粉末の形状は球状であり、直径は１０μｍとした。基材２０の材料はアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）とした。基材２０の形状は平面形状が四角形状の板状とした。基材のサイズは、横４２ｍｍ×縦３０ｍｍ×厚さ３ｍｍとした。

　成膜条件としては、動作ガスとして乾燥空気を用い、動作ガスの温度を２７０℃、動作ガスの流量を４００リットル／分、動作ガスの圧力を約０．７ＭＰａとした。成膜装置からマスク治具の表面に対して成膜原料が噴射される領域の幅（ノズル幅）は５ｍｍとした。また、マスク治具の表面において、貫通孔が形成された領域を含むように成膜原料が噴射される領域を移動させる速度（掃引速度）を５ｍｍ／秒とした。マスク治具の表面における成膜範囲（成膜原料が噴射される領域）のサイズは幅５ｍｍ×長さ３０ｍｍとした。各試料において、当該成膜範囲に５回成膜原料が噴射され、基材表面に膜が形成された。

　上述の条件により、各試料１～３を用いて基材表面に膜を形成しながら、各試料１～３の成膜原料が噴射された領域において、１回噴射されるごとの成膜原料の付着量（ｍｇ／ｐａｓｓ）および５回噴射された後の成膜原料の付着量（ｍｇ）が測定された。その結果を以下の表１に示す。

　表１より、試料３のように本体部１１の材質が銅であれば、他の材質に比べて成膜原料の付着量を低減できた。つまり本体部１１（マスク治具）には熱伝導率の高い材質が用いられる方が、熱伝導率の低い材質が用いられる場合に比べて、成膜原料の付着量を低減できた。

　次に、本体部１１の材質を銅とし、その表面に、成膜原料との親和性が低い材料の薄膜を形成（表面処理）したうえで上記と同じ測定が行なわれた。具体的には、試料３と同様の試料の表面に、成膜原料であるアルミニウムとの親和性が低いスズの薄膜がめっきにより形成された試料４が準備された。また試料３と同様の試料の表面に、クロムの薄膜がめっきにより形成された試料５が準備された。上記表１の試料３の結果と、試料４，５の測定結果を比較したものを、以下の表２に示す。

　表２より、成膜原料であるアルミニウムとの親和性が低いスズの薄膜が表面に形成された試料４において、試料３，５に比べて、成膜原料の付着量を低減できた。

　＜試料＞
　実施例１と同様に本体部１１のみからなりマスクカバーを有さないマスク治具の試料と、本実施の形態と同様に本体部１１およびマスクカバー１２を備えるマスク治具１の試料とを用いて、図１の成膜装置１００で成膜したときに、マスク治具の本体部に形成された柱状部への成膜原料の付着量が比較された。具体的には、実施例１の試料１と同様にステンレス鋼ＳＵＳ３０４で形成されるが、第１貫通孔１１ｃが柱状部１１ａのみからなる、図３および図４と同様の態様を有する本体部１１のみからなる試料６が準備された。また当該試料６と同様の本体部１１とその上に設けられたマスクカバー１２とを備える試料１０とが準備された。試料１０のマスク治具１を構成すべく準備されたマスクカバー１２は、ポリアミドイミドにより形成された。マスクカバー１２は、第３面１２ｓ１（図２参照）に直交する方向に延びる第２貫通孔１２ａを有するものとした。マスクカバー１２は、その厚みが１．５ｍｍ、第２貫通孔１２ａの径は５ｍｍとされた。平面視にて第１貫通孔１１ｃと重なるマスクカバー１２の位置に、第２貫通孔１２ａが形成された。

　＜成膜プロセス＞
　上述した試料６および試料１０を用いて、コールドスプレー法により基材表面に膜を形成した。成膜原料としてはアルミニウムからなる粉末を用いた。当該アルミニウム粉末の形状は球状であり、直径は１０μｍとした。基材２０の材料はステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）とした。基材２０の形状およびサイズは実施例１と同様とした。

　成膜条件としては、動作ガスとして乾燥空気を用い、動作ガスの温度を２７０℃、動作ガスの流量を４００リットル／分、動作ガスの圧力を約０．７ＭＰａとした。ノズル幅は５ｍｍとした。掃引速度を１０ｍｍ／秒とした。成膜範囲のサイズは幅５ｍｍ×長さ３０ｍｍとした。各試料において、成膜範囲に１回だけ成膜原料が噴射される領域を形成した。

　上述の条件により、各試料１１～１３を用いて基材表面に膜を形成しながら、各試料６，１０の本体部１１の柱状部１１ａの内壁において、表面に付着した成膜原料の重さ（付着量）を測定、観察した。その結果を次の表３に示す。

　表３において、ポリアミドイミドのマスクカバー１２を有する試料１０の積層量が負の値とされているが、これは成膜原料の付着がまったくなかったことを示す。表３より、本体部１１の材質がステンレス鋼ＳＵＳ３０４であれば、耐熱性のイミド系樹脂で形成されたマスクカバー１２を被せることにより、成膜原料のマスク治具１への付着を抑制できた。

　＜試料＞
　図１０は、実施例３において用いられたマスク治具の態様の第１例を示す概略断面図である。図１１は、実施例３において用いられたマスク治具の態様の第２例を示す概略断面図である。図１２は、実施例３において用いられたマスク治具の態様の第３例を示す概略断面図である。図１０～図１２を参照して、図１０に示す構成のマスク治具１の試料１１と、図１１に示す構成のマスク治具１の試料１２と、図１２に示す構成のマスク治具１の試料１３とを準備した。

　具体的には、図１０の試料１１、図１１の試料１２、図１２の試料１３はいずれも、大筋で図２のマスク治具１と同様の態様を有している。すなわち本体部１１の第１貫通孔１１ｃは、柱状部１１ａと傾斜部１１ｂとの双方を有しており、マスクカバー１２の第２貫通孔１２ａは、第１面１１ｓ１（図２参照）などに直交する方向に延びている。柱状部１１ａの径は２ｍｍとし、傾斜部１１ｂの最大径は６ｍｍとした。マスクカバー１２の厚みは１．５ｍｍとした。なお本体部１１は銅により形成され、マスクカバー１２はポリアミドイミドにより形成された。

　図１０の試料１１と、図１１の試料１２と、図１２の試料１３とは、第２貫通孔１２ａの径が試料ごとに異なるマスク治具１の試料を準備した。具体的には、図１０の試料１１は、第２貫通孔１２ａの径が最も大きく、傾斜部１１ｂの最大径よりも十分に大きな径とされた。図１１の試料１２は、第２貫通孔１２ａの径が、傾斜部１１ｂの最大径よりも若干小さいが、傾斜部１１ｂの最小径よりも十分に大きくされた。具体的には図１１の試料１２は第２貫通孔１２ａの径が５ｍｍとされた。図１２の試料１３は、第２貫通孔１２ａの径が、傾斜部１１ｂの最小径と同程度とされた。具体的には図１２の試料１３は第２貫通孔１２ａの径が２ｍｍとされた。つまり図１１は図５または図６に類似の態様とされ、図１２は図７に類似の態様とされた。図１０は図３～図７のいずれにも近似しない。

　＜成膜プロセス＞
　上述した試料１１～試料１３を用いて、コールドスプレー法により基材表面に膜を形成した。成膜原料としてはアルミニウムからなる粉末を用いた。当該アルミニウム粉末の形状は球状であり、直径は１０μｍとした。基材２０の材料はステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）とした。基材２０の形状およびサイズは実施例１と同様とした。

　成膜条件としては、動作ガスとして乾燥空気を用い、動作ガスの温度を２７０℃、動作ガスの流量を４００リットル／分、動作ガスの圧力を約０．７ＭＰａとした。ノズル幅は５ｍｍとした。掃引速度を５ｍｍ／秒とした。成膜範囲のサイズは幅５ｍｍ×長さ３０ｍｍとした。各試料において、成膜範囲に１回だけ成膜原料が噴射される領域を形成した。

　上述の条件により、各試料１１～１３を用いて基材表面に膜を形成した後、各試料１１～１３の本体部１１の傾斜部１１ｂの内壁において、表面に付着した成膜原料の重さ（付着量）を測定、観察した。

　＜結果＞
　各試料の傾斜部１１ｂの内壁における付着量：
　図１３は、実施例３の試料１１の本体部に形成された傾斜部の内壁における成膜原料の付着態様を上方から見た写真である。図１４は、実施例３の試料１２の本体部に形成された傾斜部の内壁における成膜原料の付着態様を上方から見た写真である。図１５は、実施例３の試料１３の本体部に形成された傾斜部の内壁における成膜原料の付着態様を上方から見た写真である。図１３～図１５を参照して、試料１１の付着量は８０ｍｇであった。これに対して、試料１２および試料１３には付着しなかった。この結果、本開示に係るマスク治具（特に図５および図７のような寸法の貫通孔を有するもの）において成膜原料の付着量が低減されることが示された。

　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。矛盾のない限り、今回開示された実施の形態の少なくとも２つを組み合わせてもよい。本開示の基本的な範囲は、上記した説明ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。

　１　マスク治具、２　スプレーガン、２ａ　スプレーガン本体部、２ｂ　ノズル、２ｃ　ヒータ、３　粉末供給部、４　ガス供給部、５，６　配管、７　バルブ、８　圧力センサ、９　温度センサ、１０　粉末、１１　本体部、１１ａ　柱状部、１１ａｓ　第１中心軸、１１ｂ，１１ｂ１，１１ｂ２，１２ａ１，１２ａ２　傾斜部、１１ｃ　第１貫通孔、１１ｓ１　第１面、１１ｓ２　第２面、１２　マスクカバー、１２ａ　第２貫通孔、１２ａｓ　第２中心軸、１２Ｒ　曲面、１２ｓ１　第３面、１２ｓ２　第４面、１３　ねじ止め穴、２０　基材、２１　ベース治具、２２　溝部、１００　成膜装置。

Claims (8)

1. 　溶射法において用いるマスク治具であって、
   　第１面と、前記第１面とは反対側に位置する第２面とを含む本体部と、
   　前記本体部の前記第２面側に、前記本体部と重なるように配置され、第３面と、前記第３面とは反対側に位置する第４面とを含むマスクカバーとを備え、
   　前記マスクカバーはイミド系樹脂により形成される、マスク治具。
2. 　前記本体部には、前記第１面から前記第２面にまで到達する第１貫通孔が形成され、
   　前記マスクカバーには、前記第３面から前記第４面にまで到達する第２貫通孔が形成され、
   　前記第２貫通孔の径は前記第１貫通孔の径以上の大きさである、請求項１に記載のマスク治具。
3. 　前記第２貫通孔の径は前記第１貫通孔の径よりも大きい、請求項２に記載のマスク治具。
4. 　前記本体部には、前記第１面から前記第２面にまで到達する第１貫通孔が形成され、
   　前記マスクカバーには、前記第３面から前記第４面にまで到達する第２貫通孔が形成され、
   　前記第１貫通孔の内壁は、前記第１面および前記第２面に直交する方向に対して傾斜する方向に延び、
   　前記第２貫通孔の径は、前記第１貫通孔の最小径以上であり、前記第１貫通孔の最大径以下である、請求項１に記載のマスク治具。
5. 　前記内壁と、前記第１面および前記第２面とのなす最小角度は３０°以上６０°以下である、請求項４に記載のマスク治具。
6. 　前記マスクカバーの厚みは０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である、請求項１～５のいずれか１項に記載のマスク治具。
7. 　基材の表面に対向するように、請求項１に記載のマスク治具を配置する工程を備え、
   　前記配置する工程では、前記マスク治具の前記第１面が前記基材の前記表面に面するように、前記マスク治具が配置され、さらに、
   　前記マスク治具の第１貫通孔および第２貫通孔を介して、コールドスプレー法により成膜原料となる粉末を前記基材の前記表面に吹き付ける工程を備える、成膜方法。
8. 　ノズルを含むスプレーガンと、
   　前記スプレーガンに成膜原料となる粉末を供給する粉末供給部と、
   　前記スプレーガンに動作ガスを供給するガス供給部と、
   　基材とスプレーガンとの間に配置される、請求項１に記載のマスク治具とを備える、成膜装置。

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