WO2024034222A1 - マスク治具、成膜方法および成膜装置 - Google Patents

Abstract

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）を備える。本体部（１１）は、第１面（１１ａ）と、第２面（１１ｂ）とを含む。第２面（１１ｂ）は、第１面（１１ａ）とは反対側に位置する。本体部（１１）には、第１面（１１ａ）から第２面（１１ｂ）にまで到達する貫通穴（１２）が形成される。貫通穴（１２）は、第１面（１１ａ）を開口するように形成された第１貫通穴（１２ａ）と、第２面（１１ｂ）を開口するように形成された第２貫通穴（１２ｂ）とが連なっている。第１貫通穴（１２ａ）の第１面（１１ａ）に沿う方向の幅である第１幅（Ｘ１）よりも、第２貫通穴（１２ｂ）の第１面（１１ａ）に沿う方向の幅である第２幅（Ｘ２）の方が大きい。本体部（１１）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。

　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２０１５－１９４４７９号公報、および特開２００１－０４９４１９号公報参照）。

特開２０１５－１９４４７９号公報 特開２００１－０４９４１９号公報

　コールドスプレー法などの溶射法に用いられるマスク治具は、治具への成膜を防ぐ観点から、ポリアミドイミドにより形成されることがある。しかし当該溶射法においては、２００℃以上４００℃以下程度の圧縮ガスが噴き付けられる。このためマスク治具の厚みが薄ければ、熱により変形し、成膜の再現性が低下することがある。一方、マスク治具を厚くすれば、成膜効率が低下する。つまりマスク治具が厚い分だけ、成膜用の粉末の供給源から基材の成膜領域までの距離が長くなる。その長い距離を粉末が移動する間にマスク治具の貫通穴の内壁などに粉末が衝突し、粉末が反射することが多くなる。このような反射は、粉末が成膜のために正常に基材の成膜領域に向かうことに対する阻害となる。

　以上のように、マスク治具を薄くしても厚くしても上記のような問題が起こり得るが、上記の各特許文献にはこのような問題に対する解決手段について開示されていない。

　本開示は上記の課題に鑑みなされたものである。その目的は、成膜の再現性の低下、および成膜効率の低下の双方を抑制可能なマスク治具、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るマスク治具であって、本体部を備える。本体部は、第１面と、第２面とを含む。第２面は、第１面とは反対側に位置する。本体部には、第１面から第２面にまで到達する貫通穴が形成される。貫通穴は、第１面を開口するように形成された第１貫通穴と、第２面を開口するように形成された第２貫通穴とが連なっている。第１貫通穴の第１面に沿う方向の幅である第１幅よりも、第２貫通穴の第１面に沿う方向の幅である第２幅の方が大きい。本体部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、マスク治具の貫通穴を介して、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。

　本開示によれば、成膜の再現性の低下、および成膜効率の低下の双方を抑制できる。

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を示す斜視図である。 図２中のＡ－Ａ線に示す貫通穴およびその真下の基材の第１例を示す概略断面図である。 図３にノズルと粉末の吸引部とを描き加えた概略断面図である。 マスク治具の第１比較例であって、図３に対応する概略断面図である。 マスク治具の第２比較例であって、図３に対応する概略断面図である。 図２中のＡ－Ａ線に示す貫通穴およびその真下の基材の第２例を示す概略断面図である。 図７にノズルと粉末の吸引部とを描き加えた概略断面図である。 図２中のＡ－Ａ線に示す貫通穴およびその真下の基材の第３例を示す概略断面図である。 図２中のＡ－Ａ線に示す貫通穴およびその真下の基材の第４例を示す概略断面図である。 図５の第１比較例に係るマスク治具の貫通穴内を流れる動作ガスのシミュレーション結果である。 図３の本実施の形態の第１例に係るマスク治具の貫通穴内を流れる動作ガスのシミュレーション結果である。 図７の本実施の形態の第２例に係るマスク治具の貫通穴内を流れる動作ガスのシミュレーション結果である。 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。

　＜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、粉末回収装置４０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。

　粉末回収装置４０は、ノズル２ｂから噴出された粉末１０を吸引などにより回収する。粉末回収装置４０は、回収本体部４０ａと、吸引部４０ｂとを有している。回収本体部４０ａは、真空装置などにより構成され、集塵などにより粉末１０を吸引可能とする。吸引部４０ｂは回収本体部４０ａに取り付けられたノズル状の部材である。吸引部４０ｂはその先端部にて粉末１０を回収本体部４０ａ側へ回収する。粉末回収装置４０は一般公知の掃除機のようなものであってもよい。したがって図１の粉末回収装置４０は模式的に示されており、実際の形状は図１に示すものとは大きく異なってもよい。またたとえば回収本体部４０ａと、粉末供給部３とが接続されてもよい。これにより、回収本体部４０ａに回収された粉末１０を再度、粉末供給部３からの供給に用いることができる。

　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には貫通穴１２（図２参照）が形成されている。当該貫通穴１２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の内部には、その延在方向（図１の左右方向）に延びるノズル空洞２ｂｃが形成されている。配管５からの粉末１０は、ノズル２ｂ内に形成された空洞部であるノズル空洞２ｂｃ内に達し、ノズル空洞２ｂｃ内をマスク治具１および基材２０の方へ流れる。

　その後、ノズル空洞２ｂｃ内を流れる粉末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の貫通穴１２（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を示す斜視図である。なお説明の便宜のため、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向が導入されている。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を備える。本体部１１は、第１面１１ａと、第２面１１ｂとを含む。第２面１１ｂは、第１面１１ａとは反対側に位置する。図２においては、第１面１１ａはＺ方向の下側に位置し、第２面１１ｂはＺ方向の上側に位置する。第２面１１ｂが図１のノズル２ｂに近い側である。

　本体部１１には、第１面１１ａから第２面１１ｂにまで到達する貫通穴１２が形成されている。貫通穴１２は、図２においては円形の平面形状を有している。ただしこれに限らず、貫通穴１２の平面形状は、正方形、正六角形などの正多角形であっても、楕円形であってもよい。

　貫通穴１２は、図２においてはＸ方向に間隔をあけて４列、Ｙ方向に間隔をあけて２列形成されているが、貫通穴１２の形成される数はこれに限らず、適宜変更されてもよい。複数の貫通穴１２は、図２のように平面視においてたとえば線対称または点対称の位置関係となるように、偏在なく均等に配置されることが好ましい。

　より具体的には、マスク治具１には、本体部１１を第１面１１ａから第２面１１ｂまで貫通するようにねじ止め穴１３が形成されている。複数のねじ止め穴１３が互いに間隔をあけて複数（一例として図２ではＸ方向に３列、Ｙ方向に３列）形成されている。複数のねじ止め穴１３は図２のように平面視においてたとえば線対称または点対称の位置関係となるように、偏在なく均等に配置されることが好ましい。ねじ止め穴１３を通すボルトなどの締結材を用いて、後述するベース治具がマスク治具１に固定される。このとき、ねじ止め穴１３および貫通穴１２が偏在なく均等に配置されれば、複数の貫通穴１２のいずれにもほぼ同じ圧力が加えられる。

　図３は、図２中のＡ－Ａ線に示す貫通穴およびその真下の基材の第１例を示す概略断面図である。図３は、Ｚ軸に沿って延びる直線（貫通穴１２の中心線）が乗る断面である。図３を参照して、貫通穴１２は、第１貫通穴としての成膜貫通穴１２ａと、第２貫通穴としての開口貫通穴１２ｂとがＺ方向に連なった２段構造である。成膜貫通穴１２ａは、第１面１１ａを開口するように形成されている。開口貫通穴１２ｂは、第２面１１ｂを開口するように形成されている。このためＺ方向について、成膜貫通穴１２ａは下側に、開口貫通穴１２ｂは上側に、形成されている。

　成膜貫通穴１２ａの第１面１１ａに沿う方向（たとえばＸ方向またはＹ方向）の幅を第１幅Ｘ１とする。開口貫通穴１２ｂの第１面１１ａに沿う方向の幅を第２幅Ｘ２とする。このとき、第１幅Ｘ１よりも第２幅Ｘ２の方が大きい。

　マスク治具１の本体部１１は、イミド系樹脂であるたとえばポリアミドイミド（ＰＡＩ）により形成される。イミド系樹脂として、ポリアミドイミドの他にたとえばポリイミドが用いられてもよい。

　成膜貫通穴１２ａは、第１面１１ａに垂直なＺ方向についての長さＺ１が２ｍｍ以下である。長さＺ１は１ｍｍ以上であることが好ましい。成膜貫通穴１２ａの長さＺ１と開口貫通穴１２ｂの長さＺ２とを合計した値が、本体部１１のＺ方向の厚みＺ３となる。本体部１１の厚みＺ３は、第１面１１ａと第２面１１ｂとのＺ方向の距離である。本体部１１の厚みＺ３は５ｍｍ以上であることが好ましい。このため開口貫通穴１２ｂのＺ方向の長さＺ２は、３ｍｍ～４ｍｍ以上であることが好ましい。上記の長さＺ１などの寸法は、一般公知の寸法測定方法により測定できる。

　図３の貫通穴１２の第１例は、成膜貫通穴１２ａ、開口貫通穴１２ｂともに、内壁面が第１面１１ａに垂直なＺ方向に沿って延びている。具体的には、成膜貫通穴１２ａの内壁面である第１内壁面１２ｄは、その全体がＺ方向に沿って延びている。ここで第１内壁面１２ｄがＺ方向に沿って延びるとは、ＸＹ平面に対して第１内壁面１２ｄが完全に垂直な場合に限らず、完全に垂直なＺ方向に対して１度以内の誤差を有する場合を含む。

　開口貫通穴１２ｂのＸ方向（Ｙ方向）の寸法Ｘ２は成膜貫通穴１２ａの同寸法Ｘ１よりも大きい。このため開口貫通穴１２ｂは、最も成膜貫通穴１２ａに近い部分（最下部）に底面としての第２底部１２ｅを有する。第２底部１２ｅはＸＹ平面に沿う（ほぼ平行となる）ように拡がっている。第２底部１２ｅはその一部（たとえばＺ方向からの平面視における最も中央に近い部分）が成膜貫通穴１２ａに連なっている。また開口貫通穴１２ｂの内壁面である第２内壁面１２ｆは第１内壁面１２ｄと同様に、その全体がＺ方向に沿って延びている。

　マスク治具１のたとえばＺ方向下側には、ベース治具２１が設置される。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３のようにマスク治具１を構成する本体部１１の第１面１１ａ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１１ａに接しないように（第１面１１ａとの間に隙間を有するように）設置されてもよい。

　基材２０には、図１の粉末１０による成膜領域２０ａが存在する。なお図３では見やすくする観点から、成膜領域２０ａがＺ方向に延び、長方形状を有するように示している。しかし実際には図３の基材２０のＺ方向上側の表面上に成膜領域２０ａが存在する。Ｚ方向からの平面視にて成膜領域２０ａと重なる位置に成膜貫通穴１２ａが配置される。

　図４は、図３にノズルと粉末の吸引部とを描き加えた概略断面図である。ただし図４以降の各図では、ノズル２ｂの全体ではなく、ノズル２ｂのうち実際に粉末１０および動作ガスが流通するノズル空洞２ｂｃの部分のみが示される。つまり図４以降では、ノズル２ｂのうちノズル空洞２ｂｃの外側の筒状部材の部分の図示は省略される。図４を参照して、ノズル空洞２ｂｃは、たとえばＺ方向について開口貫通穴１２ｂと対向するように配置され、特に開口貫通穴１２ｂに最も近い領域において、Ｚ方向に沿って延びることが好ましい。ノズル空洞２ｂｃの幅である第３幅Ｘ１１よりも、開口貫通穴１２ｂの第２幅Ｘ２の方が大きい。この場合において、ノズル空洞２ｂｃの外側の筒状部材を含むノズル２ｂ全体の最外部は、第２幅Ｘ２より大きな幅を有してもよい。また開口貫通穴１２ｂの第２内壁面１２ｆとノズル空洞２ｂｃの最外部とのＸ方向（Ｙ方向）に沿う距離αが０．５ｍｍ以上であることが好ましい。この距離αは、図４のＺ方向からの平面視における、ノズル空洞２ｂｃの最外部と、第２内壁面１２ｆとの１周分の全体において０．５ｍｍ以上を有することがより好ましい。したがって第２幅Ｘ２は第３幅Ｘ１１よりも１．０ｍｍ以上大きいことが好ましい。ただしＺ方向からの平面視における第２内壁面１２ｆの１周分の全体にて、上記距離αが一定である必要はない。たとえば図４の左側の距離αよりも右側の距離αの方が大きくてもよい。第２幅Ｘ２、第３幅Ｘ３の寸法は、一般公知の寸法測定方法により測定できる。

　ノズル２ｂから成膜領域２０ａへの動作ガスおよび粉末１０が噴射されると同時に、成膜領域２０ａに到達しなかった一部の粉末１０が吸引部４０ｂから回収本体部４０ａ（図１参照）内に回収される。吸引部４０ｂは図４のように、たとえばノズル２ｂに隣接しその先端部が開口貫通穴１２ｂの方を向くように配置されてもよい。これにより成膜と粉末１０の回収とが同時に可能となる。ただし吸引部４０ｂの配置態様は図４に限られない。

　次に、現状と課題について適宜述べながら、本実施の形態の作用効果について説明する。

　＜現状の課題＞
　図５は、マスク治具の第１比較例であって、図３に対応する概略断面図である。図５を参照して、図中の基材２０およびベース治具２１は図３のものと同じであるため説明を繰り返さない（次の図６の説明においても同様）。第１比較例のマスク治具１０１は、本体部１１１のＺ方向の厚みＺ３を有する。厚みＺ３は第１面１１１ａと第２面１１１ｂとのＺ方向の距離である。厚みＺ３は、図３の成膜貫通穴１２ａの長さＺ１に等しい。マスク治具１０１においては、本体部１１１に、第１内壁面１２ｄを有する成膜貫通穴１２ａのみが形成されている。したがって第１比較例のマスク治具１０１は、図３の本実施の形態のマスク治具１よりも厚みＺ３が薄い。

　このような薄いマスク治具１０１を用いて基材２０に成膜する場合、マスク治具１０１は溶射時の熱の影響を受けて変形する。マスク治具１０１が変形すれば、その変形に応じて成膜領域２０ａが変化する。このため成膜の再現性が低下したり、成膜領域２０ａ内の意図された位置以外の位置に成膜されたりすることがある。

　図６は、マスク治具の第２比較例であって、図３に対応する概略断面図である。図６を参照して、第２比較例のマスク治具１０２は、本体部１１２のＺ方向の厚みＺ３を有する。厚みＺ３は第１面１１２ａと第２面１１２ｂとのＺ方向の距離である。厚みＺ３は、図３の成膜貫通穴１２ａでの長さＺ１に相当する長さＺ４に等しい。長さＺ４は、図３の長さＺ１よりも長く、たとえば図３の厚みＺ３に等しいか、図３の厚みＺ３よりも厚い。図６も図５と同様に、本体部１１２には第１内壁面１２ｄを有する成膜貫通穴１２ａのみが形成されている。したがって第２比較例のマスク治具１０１は、図３の本実施の形態のマスク治具１よりも厚みＺ３が厚いか、同じ厚みである。

　図５のように薄いマスク治具１０１を用いた場合の課題を解決する観点から、図６のようにマスク治具１０２を厚くすることが考えられる。しかしこの場合、マスク治具１０１のように薄い場合に比べて、粉末１０が流通すべき貫通穴１２ａのＺ方向の距離が長くなる。このため貫通穴１２内を成膜領域２０ａに向けてＺ方向下側へ流れる粉末１０が、途中で第１内壁面１２ｄに衝突する確率が高くなる。第１内壁面１２ｄに衝突した粉末１０は、そこで跳ね返り、成膜領域２０ａから離れるよう、たとえばＸＹ平面の成分を有するように下向きに進む。このことは成膜領域２０ａへの粉末１０の到達による正常な成膜を阻害する。つまりその粉末１０がＸＹ方向に沿って進むため、ＸＹ方向についての本来成膜すべき位置とは異なる位置に到達し、意図せぬ位置に成膜する場合がある。また跳ね返った粉末１０は成膜のためにＺ方向上側から下側へ流れる他の粉末１０と衝突する。この衝突は、衝突された上記の他の粉末１０の、下降および成膜に必要なエネルギーの低下につながる。このため粉末１０の第１内壁面１２ｄでの跳ね返りにより成膜が阻害される。以上により成膜の効率が低下することがある。

　また図５、図６ともに、一部の粉末１０はマスク治具の表面（第２面１１１ｂ，１１２ｂ）に衝突した後、その表面に平行な方向へ流れる。これにより、意図しない領域に成膜されるなど、他の領域への影響が生じる。

　＜作用効果＞
　上記の課題を解決する観点から、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を備える。本体部１１は、第１面１１ａと、第２面１１ｂとを含む。第２面１１ｂは、第１面１１ａとは反対側に位置する。本体部１１には、第１面１１ａから第２面１１ｂにまで到達する貫通穴１２が形成される。貫通穴１２は、第１面１１ａを開口するように形成された第１貫通穴（成膜貫通穴１２ａ）と、第２面１１ｂを開口するように形成された第２貫通穴（開口貫通穴１２ｂ）とが連なっている。成膜貫通穴１２ａの第１面１１ａに沿う方向の幅である第１幅Ｘ１よりも、開口貫通穴１２ｂの第１面１１ａに沿う（ＸＹ平面に沿う）方向の幅である第２幅Ｘ２の方が大きい。本体部１１はイミド系樹脂により形成される。

　成膜貫通穴１２ａと開口貫通穴１２ｂとを有するため、たとえば成膜貫通穴１２ａのみを有する場合と比べて本体部１１が厚くなる。このため本体部１１１が薄い図５のマスク治具１０１のような、熱の影響による変形が抑制され、成膜領域２０ａの変化が抑制される。これにより成膜の再現性を向上できる。

　また成膜貫通穴１２ａよりも、その上の開口貫通穴１２ｂの方が、ＸＹ平面に沿う方向の幅が大きい。このため開口貫通穴１２ｂ内では成膜貫通穴１２ａ内よりも内壁面における粉末１０の衝突および反射による成膜領域２０ａでの成膜の阻害が抑制できる。すなわち、衝突などが起こった粉末１０が成膜領域２０ａを成膜するエネルギーを奪われ成膜を阻害されたり、粉末１０が意図せぬ方向に動き他の粉末１０に干渉したりする確率が低下する。したがって、厚い本体部１１２の全体に狭い成膜貫通穴１２ａのみが形成された図６のマスク治具１０２にて想定される、成膜の阻害が抑制され、成膜の効率を向上できる。

　なお成膜貫通穴１２ａは開口貫通穴１２ｂよりも幅が小さいが、成膜領域２０ａと同じ幅となる。このため成膜領域２０ａを決定する役割の成膜貫通穴１２ａと、本体部１１を厚くして成膜の再現性および効率を上げる役割の開口貫通穴１２ｂとの双方を有することにより、図５のように薄いマスク治具１０１の課題と図６のように厚いマスク治具１０１の課題との双方を解決できる。

　さらに成膜貫通穴１２ａよりも幅が広い開口貫通穴１２ｂが存在することで、ノズルから噴射された貫通穴１２内の粉末１０および動作ガスの一部は開口貫通穴１２ｂ内に入る。開口貫通穴１２ｂに入った粉末１０のなかには、成膜領域２０ａに向かう速度が増加せず、成膜に要するエネルギーを有さないものがある。また貫通穴１２の内壁面に衝突してＸＹ方向の成分を有するように下向きに進む粉末１０もある。そのような成膜に寄与しなかった粉末１０のうち、たとえば第２底部１２ｅに当たったものを、幅の広い開口貫通穴１２ｂの上側から効率よく回収できる。したがって、粉末１０および動作ガスが比較例のように第２面１１１ｂ，１１２ｂに衝突したあと第２面１１１ｂ，１１２ｂに平行に進み、意図せぬ領域を成膜する不具合が生じる可能性が低減される。

　上記マスク治具１において、成膜貫通穴１２ａは、第１面１１ａに垂直な第１方向（Ｚ方向）についての長さＺ１が２ｍｍ以下であってもよい。仮に成膜貫通穴１２ａの長さＺ１が２ｍｍを超えれば、第１内壁面１２ｄがＺ方向に長くなり粉末１０が衝突する確率が上がるため成膜効率の低下につながる。長さＺ１を２ｍｍ以下とすることにより、このような成膜効率の低下を抑制できる。

　なお成膜貫通穴１２ａの長さＺ１は１ｍｍ以上であることが好ましい。仮にこれを１ｍｍ未満とすれば、本体部１１が変形および衝撃に弱くなる。長さＺ１を１ｍｍ以上とすることで、このような不具合を抑制できる。

　一方、開口貫通穴１２ｂのＺ方向の長さＺ２は、３ｍｍ～４ｍｍ以上であることが好ましい。これにより、成膜貫通穴１２ａの長さＺ１との合計により、本体部１１全体の厚みＺ３が概ね５ｍｍ以上となる。本体部１１の厚みが５ｍｍ程度以上となれば、これを射出成形により形成可能となる。一方、本体部１１の厚みが上記よりも薄くなれば、イミド系樹脂の材料の充填が困難であり、射出成形による形成が困難であるため、切削加工を行なう必要が生じる。射出成形は切削加工よりもコストが低減できる。このため本体部１１を厚くすれば、製造コストを削減できる。

　本開示に係る成膜装置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、粉末回収装置４０と、上記マスク治具１とを備える。粉末供給部３は、スプレーガン２に成膜原料となる粉末を供給する。ガス供給部４は、スプレーガン２に動作ガスを供給する。粉末回収装置４０は、ノズル２ｂから噴出された粉末１０を回収する。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。

　この場合、上述したマスク治具１を用いることで、当該マスク治具１に対する成膜原料の堆積を抑制できるので、マスク治具１を用いた成膜プロセスを連続的に行うことができる時間を長くすることができる。また粉末回収装置４０により、成膜に寄与せず上昇した粉末１０を集塵し回収できる。回収された粉末１０を成膜用に再使用すれば、粉末１０の使用効率が高められる。

　上記成膜装置１００において、ノズル２ｂ内に形成された、粉末１０および動作ガスが流通する空洞部（ノズル空洞２ｂｃ）の幅である第３幅Ｘ１１よりも、開口貫通穴１２ｂの第２幅Ｘ２の方が大きいことが好ましい。このようにすれば、たとえ第２内壁面１２ｆでの衝突により粉末１０が跳ね返ったとしても、それに起因する成膜の阻害が抑制される。このため粉末１０はよりスムーズに成膜領域２０ａまで流れ、成膜効率が高められる。

　上記第２幅Ｘ２は第３幅Ｘ１１よりも１．０ｍｍ以上大きいことが好ましい。開口貫通穴１２ｂの幅が十分に広ければ、たとえ開口貫通穴１２ｂ内の粉末１０および動作ガスの一部が成膜領域２０ａから離れるように上昇しても、粉末回収装置４０の集塵により効率よく回収できる。

　＜マスク治具の変形例＞
　図７は、図２中のＡ－Ａ線に示す貫通穴およびその真下の基材の第２例を示す概略断面図である。図８は、図７にノズルと粉末の吸引部とを描き加えた概略断面図である。図７および図８を参照して、マスク治具１の第２例について、第１例と同一の部分には原則同一の符号を付し、機能等が同一である限りその説明を繰り返さない。ただし図７および図８においては、開口貫通穴１２ｂの一部に傾斜内壁面１２ｃが形成されている。傾斜内壁面１２ｃは、図７および図８の断面において、Ｚ方向に対して傾斜する方向に延びる。傾斜内壁面１２ｃは、ＸＹ平面に対して完全に垂直なＺ方向に対して１度を超える傾斜角を有する。傾斜内壁面１２ｃは、Ｚ方向に対して３０°以上４５°以下の傾斜角を有することが好ましい。その中でも、３５°以上４０°以下の傾斜角を有することが特に好ましい。

　傾斜内壁面１２ｃは、開口貫通穴１２ｂのうち成膜貫通穴１２ａに隣接する側と反対側（Ｚ方向上側）において、第２内壁面１２ｆに連なり、第２面１１ｂに達する。つまり傾斜内壁面１２ｃは第２面１１ｂを開口するように形成される。傾斜内壁面１２ｃは、Ｚ方向について、開口貫通穴１２ｂの寸法Ｚ２のたとえば半分であるＺ２／２の寸法を有してもよいが、これに限られない。たとえば傾斜内壁面１２ｃのＺ方向の寸法はＺ２／３であってもよく、Ｚ２／４であってもよい。傾斜内壁面１２ｃは、第２面１１ｂに向けて、第１面１１ａに沿う方向Ｘ方向の幅が広くなっている。このため傾斜内壁面１２ｃが第２面１１ｂに開口する最上部のＸ方向（Ｙ方向）の幅Ｘ３は、第２幅Ｘ２よりも大きい。図７および図８中に示される、Ｘ３以外の各寸法（Ｘ２など）は、図３の第１例に示す同一符号の寸法と同じである。このことは以降の各図についても同様である。

　図９は、図２中のＡ－Ａ線に示す貫通穴およびその真下の基材の第３例を示す概略断面図である。ただし図９には説明の必要上、ノズル空洞２ｂｃが図示される。図９を参照して、マスク治具１の第３例について、第２例と同一の部分には原則同一の符号を付し、機能等が同一である限りその説明を繰り返さない。ただし図９においては、開口貫通穴１２ｂのうち傾斜内壁面１２ｃの幅の最大値、すなわち第２面１１ｂに開口する部分の幅Ｘ５は、ノズル空洞２ｂｃの第３幅Ｘ１１よりも大きい。Ｚ方向からの平面視における、ノズル空洞２ｂｃの最外部と、傾斜内壁面１２ｃの最上部とのＸ方向（Ｙ方向）に沿う距離βは０．５ｍｍ以上である。ただし開口貫通穴１２ｂのうち傾斜内壁面１２ｃ以外の第２内壁面１２ｆの部分の幅Ｘ４は、第３幅Ｘ１１以下の寸法である。このような構成であっても、傾斜内壁面１２ｃを有する限り、以下に記載する作用効果を奏する。

　図１０は、図２中のＡ－Ａ線に示す貫通穴およびその真下の基材の第４例を示す概略断面図である。図１０を参照して、マスク治具１の第４例について、第２例と同一の部分には原則同一の符号を付し、機能等が同一である限りその説明を繰り返さない。ただし図１０においては、傾斜内壁面１２ｃの代わりに曲面状内壁面１２ｒが形成されている。傾斜内壁面１２ｃは平面形状であるのに対し、曲面状内壁面１２ｒは曲面形状である。曲面状内壁面１２ｒは球面の一部を切り取った形状であってもよいし、球面以外の曲面形状であってもよい。

　図８～図１０のマスク治具１はいずれも、開口貫通穴１２ｂのうち少なくとも成膜貫通穴１２ａに隣接する領域、および成膜貫通穴１２ａの全体は、内壁面がＺ方向に沿って延びる。つまり開口貫通穴１２ｂの下側半分の第２内壁面１２ｆ、および第１内壁面１２ｄはＺ方向に沿って延びている。ここで成膜貫通穴１２ａおよびそれに隣接する領域がＺ方向に沿って延びるとは、ＸＹ平面に対して完全に垂直な場合に限らず、完全に垂直なＺ方向に対して１度以内の誤差を有する場合を含む。

　開口貫通穴１２ｂのうち成膜貫通穴１２ａに隣接する領域（Ｚ方向の下側の領域）および成膜貫通穴１２ａでは、仮に傾斜面が形成され、そこで粉末１０が反射すれば、その粉末１０が下降しながらＸＹ方向に沿って流される。その粉末１０はＸＹ方向に意図せず移動することにより、想定したＸＹ方向の位置とは異なる位置に到達し成膜するなど、成膜に影響する恐れがある。また粉末１０が反射等すれば、周囲の他の粉末１０の成膜を阻害する可能性が高くなる。つまり貫通穴１２内の下方の領域の傾斜面は、成膜態様に意図せぬ影響を及ぼす恐れがある。下方の領域と成膜領域２０ａとのＺ方向の距離が比較的小さいことと、成膜貫通穴１２ａの幅が狭いこととに起因する。上記の不具合を抑制する観点から、成膜領域２０ａに近い下方の領域では内壁面がＺ方向に沿って（垂直に）延びることが好ましい。このようにすれば、図３にて述べたように成膜貫通穴１２ａは長さＺ１が短いため、もともと粉末１０の衝突する可能性は低い。内壁面に衝突していない粉末１０は、内壁面の方向に沿って、すなわち動作ガスの流れの通りに成膜領域２０ａへ向かうため、高精度な成膜が可能となる。

　しかし逆に、上記各変形例のように、開口貫通穴１２ｂのうち第２面１１ｂに隣接する領域（Ｚ方向の上側の領域）には傾斜内壁面１２ｃ（曲面状内壁面１２ｒを含む）を有してもよい。このようにすれば、たとえ開口貫通穴１２ｂ内の粉末１０および動作ガスの一部が成膜領域２０ａから離れるように上昇しても、吸引部４０ｂによりこれを回収する効率がいっそう高められる。特に上部における開口貫通穴１２ｂのＸ方向の寸法が大きくなり、上方からの回収のための間口が広くなるためである。粉末１０が上方から回収される可能性が高くなるため、成膜しようとする他の粉末１０の流れを阻害する可能性を低減できる。また開口貫通穴１２ｂの上方の傾斜内壁面１２ｃと成膜領域２０ａとのＺ方向の距離は比較的大きい。このためたとえ第２内壁面１２ｆ、およびそれよりも幅が広い傾斜内壁面１２ｃに粉末１０が衝突して跳ね返ったとしても、そのことが成膜領域２０ａに近い領域を下降し成膜しようとする粉末１０に影響する可能性が少ない。以上のように上部に形成される傾斜内壁面１２ｃは、成膜の阻害を抑制しつつ、粉末１０の回収を高効率化できる。

　図１１は、図５の第１比較例に係るマスク治具の貫通穴内を流れる動作ガスのシミュレーション結果である。図１２は、図３の本実施の形態の第１例に係るマスク治具の貫通穴内を流れる動作ガスのシミュレーション結果である。図１３は、図７の本実施の形態の第２例に係るマスク治具の貫通穴内を流れる動作ガスのシミュレーション結果である。ここでは、粉末１０の流れは各図が示す動作ガスの流れと同様と考える。図１１の第１比較例では、Ｘ１＝２．３ｍｍ、Ｘ１１＝５ｍｍ、Ｚ１＝１．０ｍｍとした。図１２の本実施の形態の第１例では、Ｘ１＝２．３ｍｍ、Ｘ２＝８．３ｍｍ、Ｘ１１＝５ｍｍ、Ｚ１＝１．０ｍｍ、Ｚ２＝４．０ｍｍとした。図１３の本実施の形態の第２例では、基本的に図１２と同一寸法であるが、傾斜内壁面１２ｃの高さはＺ２／２＝２．０ｍｍとした。

　図１１を参照して、比較例の場合、成膜貫通穴１２ａ内に入る動作ガスと、第２面１１１ｂにて流通方向がほぼ直角に転向し、第２面１１１ｂに沿うように流れる動作ガスとに二分される。一方で、上方に向けてまっすぐ上がる動作ガスはほとんど確認できない。

　図１２を参照して、本実施の形態の第１例の場合、ノズル空洞２ｂｃの第３幅Ｘ１１よりも開口貫通穴１２ｂの第２幅Ｘ２の方が１．０ｍｍ以上大きい。このため成膜に寄与しない粉末１０は開口貫通穴１２ｂからまっすぐ上方に上がっていることがわかる。このまっすぐ上がる粉末１０を上側から適切に集塵すれば、効率よく回収できるといえる。

　図１３を参照して、図１２と同様に、上方に流れる動作ガスが多いため、これに乗って流れる粉末１０を効率よく回収可能である。また傾斜内壁面１２ｃが存在しても、成膜領域に近い成膜貫通穴１２ａ内の動作ガス（粉末１０）の流れは阻害されておらず、まっすぐ下方に向かう流れが存在することが確認できた。

　以上により、本実施の形態の各例による作用効果が確認できた。
　＜成膜方法＞
　図１４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１４を参照して、当該成膜方法は、図３、図７、図９、図１０に示した貫通穴１２を有するマスク治具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１１ａ（図３参照）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。

　成膜工程（Ｓ２０）では、マスク治具１の貫通穴１２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。

　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。

　１，１０１，１０２　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、２ｂｃ　ノズル空洞、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、１１，１１１，１１２　本体部、１１ａ，１１１ａ，１１２ａ　第１面、１１ｂ，１１１ｂ，１１２ｂ　第２面、１２　貫通穴、１２ａ　成膜貫通穴、１２ｂ　開口貫通穴、１２ｃ　傾斜内壁面、１２ｄ　第１内壁面、１２ｅ　第２底部、１２ｆ　第２内壁面、１２ｒ　曲面状内壁面、１３　ねじ止め穴、２０　基材、２０ａ　成膜領域、２１　ベース治具、４０　粉末回収装置、４０ａ　回収本体部、４０ｂ　吸引部、Ｘ１　第１幅、Ｘ２　第２幅。

Claims (7)

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面とを含む本体部を備え、
   　前記本体部には、前記第１面から前記第２面にまで到達する貫通穴が形成され、
   　前記貫通穴は、前記第１面を開口するように形成された第１貫通穴と、前記第２面を開口するように形成された第２貫通穴とが連なっており、
   　前記第１貫通穴の前記第１面に沿う方向の幅である第１幅よりも、前記第２貫通穴の前記第１面に沿う方向の幅である第２幅の方が大きく、
   　前記本体部はイミド系樹脂により形成される、マスク治具。
2. 　前記第１貫通穴は、前記第１面に垂直な第１方向についての長さが２ｍｍ以下である、請求項１に記載のマスク治具。
3. 　前記第２貫通穴のうち少なくとも前記第１貫通穴に隣接する領域、および前記第１貫通穴は、内壁面が前記第１方向に沿って延びる、請求項２に記載のマスク治具。
4. 　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、
   　前記マスク治具の前記貫通穴を介して、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。
5. 　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、
   　前記ノズルから噴出された前記粉末を回収する粉末回収装置と、
   　基材と前記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。
6. 　前記ノズル内に形成された、前記粉末および前記動作ガスが流通する空洞部の幅である第３幅よりも、前記第２貫通穴の前記第２幅の方が大きい、請求項５に記載の成膜装置。
7. 　前記第２幅は前記第３幅よりも１．０ｍｍ以上大きい、請求項６に記載の成膜装置。

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