JP4236414B2 - 複合構造物作製用ノズル - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、微粒子を含むエアロゾルを基板に吹き付け、構造物を基板上に形成させることによって基板と構造物からなる複合構造物を作製するときに使用する複合物作製用ノズルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板上の膜の形成方法としては数μｍ以上の厚膜の場合、溶射法が一般に知られているが、その他ガスデポジション法（加集誠一郎：金属 １９８９年１月号）が提案されている。この方法は金属やセラミックスの超微粒子をガス攪拌にてエアロゾル化し、微少なノズルを通して加速せしめ、基材表面に超微粒子の圧粉体層を形成させ、これを加熱して焼成させることにより被膜を形成する。
【０００３】
上記ガスデポジション法を改良した先行技術として微粒子ビーム堆積法あるいはエアロゾルデポジション法と呼ばれる脆性材料の膜あるいは構造物の形成方法がある。これは、脆性材料の微粒子を含むエアロゾルをノズルから高速で基板に向けて噴射し、基板に微粒子を衝突させて、その機械的衝撃力を利用して脆性材料の多結晶構造物を基板上にダイレクトに形成させる方法であり、特開平１１−２１６７７号公報、特開２０００−２１２７６６号公報に開示されるものが知られている。
【０００４】
特開平１１−２１６７７号公報に開示される技術は、前記した超微粒子を含むエアロゾルを運搬する際あるいはセラミックスなどを加熱蒸発させる際に、超微粒子同士が凝集して大きな粒子となるのを防止するために、中間の経路に分級装置を配置するようにしている。
【０００５】
特開２０００−２１２７６６号公報は、粒径が１０ｎｍから５μｍの範囲にあるセラミックスなどの超微粒子をガスに分散させてエアロゾルとした後、ノズルより高速の超微粒子流として基板に向けて噴射して堆積物を形成させる。このときに超微粒子や基板に、イオン、原子、分子ビームや低温プラズマなどの高エネルギー原子などを照射して作製される構造物を強固なものにする工夫がなされている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来法においては、エアロゾルデポジション法によって構造物を作製する場合、矩形の開口の長辺方向が最大５ｍｍ程度の比較的小さな導出開口を備えたノズルを使用し、導出開口からエアロゾルを基材に噴射して構造物を作製していた。
従って、例えば、矩形の導出開口の長辺方向以上の被覆面積を持つ構造物を基材に作製させる場合、エアロゾルを基材に噴射している状態で、基材を固定しているステージを長辺方向に垂直な水平方向のみではなく、長辺方向に平行な水平方向にも作動させる必要があった。そのために以下のような問題を生じていた。
１）上記垂直方向から上記水平方向への切り替えがスムーズにいかないとその部分のみ厚膜になる。
２）一度塗布した部分に隣接する部分に構造物を形成する場合に重なり合って厚膜になりやすい。
３）大面積の構造物の形成に時間がかかる。
【０００７】
上記１）〜３）の問題点を解消するために、単純に導出開口の矩形の長辺方向を長くして基材を固定しているステージを長辺方向に垂直な水平方向のみ移動させて複合構造物を形成する方法が考えられるが、この方法では導出開口の矩形の長辺方向の外縁部と中心部と比較した場合に、中心部の方がエアロゾルの濃度が高くなってしまい、エアロゾルの濃度が高い部分には厚く、またエアロゾルの濃度が低い部分には薄く構造物が成膜され、均一な膜厚である構造物を作製することが出来なかった。
【０００８】
又は、特公平３−２３２１８号で開示されている細いノズルを収束せしめた束状ノズルを用い、基材を固定しているステージを長辺方向に垂直な水平方向のみ移動させて複合構造物を形成する場合も短時間で大面積の複合構造物を形成することは可能であるが、ノズル間のクリアランス部分が存在するために、構造物表面に小さな凹凸が存在してしまい、均一な膜厚の構造物を得ることが出来なかった。
【０００９】
本発明では、上記事情に鑑み、一定の比較的大きな面積の複合構造物を形成するに際し、均一な膜厚の構造物を短時間で作製するための複合構造物形成用ノズルを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決しようとする手段】
ここで本発明のノズルを用いた複合構造物形成法であるエアロゾルデポジション法について説明する。
延展性を持たない脆性材料（セラミックス）に機械的衝撃力を付加すると、結晶子同士の界面などの劈開面に沿って結晶格子のずれを生じたり、あるいは破砕される。そして、これらの現象が起こると、ずれ面や破面には、もともと内部に存在し別の原子として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。この新生面の原子一層の部分は、もともと安定した原子結合状態から外力により強制的に不安定な表面状態に晒され、表面エネルギーが高い状態となる。この活性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或いは基板表面と接合して安定状態に移行する。外部からの連続した機械的衝撃力の付加は、この現象を継続的に発生させ、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、脆性材料構造物が形成される。
【００１１】
そして、上記機械的衝撃を搬送ガスにて脆性材料を基板に衝突させるようにした方法がエアロゾルデポジション法である。
この方法は、ガスデポジション法により発展してきた手法であり、脆性材料の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを運搬し、高速で基板表面に噴射して衝突させ、微粒子を破砕・変形せしめ、基板との界面にアンカー層を形成して接合させるとともに、破砕した断片粒子同士を接合させることにより、基材との密着性が良好で強度の大きい脆性材料構造物を基板状にダイレクトに形成させることが出来る。
【００１２】
本発明はエアロゾルデポジション法に都合が良いばかりではなく、ガスデポジション法などの微粒子を噴射させる方法などにも利用できる。
【００１３】
ここで、図面を使用して複合構造物作製装置の一般的な装置構成を説明する。
図１は、複合構造物作製装置の装置図であり、窒素を内蔵するガスボンベ１１は、ホース状の搬送管１２を介してエアロゾル発生器１３に連結され、さらに搬送管を通じて構造物形成室１４内に円形の導入部と矩形の開口を持つ開口部を備えたノズル１５が設置される。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１７に基材１６がノズルに対向して配置される。構造物形成室１４は排気ポンプ１８に接続している。
【００１４】
また、ノズル１５と基材１６の間にエアロゾル濃度を測定するためのセンサ装置２１を配置し、センサ装置２１から出力される信号は、フィードバック制御回路２２へ送られ、そして処理され、エアロゾル発生器１３やガスボンベ１１それぞれの制御部へ配線２３を通って送られ、エアロゾル濃度を制御するように、また、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。
【００１５】
ノズル１５の導入部形状は、ホース状の搬送管１２でエアロゾルが搬送されてくるため、導入部形状はホース径にあわせた形状が望ましい。また、ホース径は大きいとエアロゾルを運搬するためにガス量を多くしなければならないので、数ｍｍ程度が妥当である。また開口部形状は、基材に作製させる複合構造物の大きさに合わせて矩形の長辺方向と短辺方向の長さを決定する。
【００１６】
本発明におけるノズルの一態様としては、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に衝突させ、前記基材表面に前記微粒子の構成材料からなる構造物を形成させる複合構造物形成装置に用いられるノズルにおいて、前記ノズルが、前記エアロゾルが通過するエアロゾル通過空間を有するノズル本体と、前記エアロゾルを導入するための導入開口と、前記エアロゾルを噴射させるための矩形の導出開口とを具備し、前記導入開口を複数有し、且つ前記導出開口は１つとする。
【００１７】
本発明においては、前記導出開口の長辺方向長さを拡大すると、前記導入開口と前記導出開口の距離が短い場合、前記導出開口長辺方向の外縁部まで微粒子が広がらず、前記導出開口から噴射するエアロゾルの濃度に、例えば中央部のエアロゾル濃度が高く、外縁部のエアロゾル濃度が低くなる等のばらつきが生じるが、前記導入開口を複数ヶ備えることによって、例えば、前記導出開口が従来の導出開口を長辺方向に複数個並べた状態と同様の寸法の場合、前記導出開口の長辺方向のエアロゾル濃度は中央部から外縁部まで均一な濃度のエアロゾルを基材に照射することができ、均一な膜厚の構造物を短時間で作製することが可能である。
【００１８】
又、複数の導入開口に対し、１ヶの導出開口のみを持ち合わせ、前記エアロゾル通過空間を構成する前記ノズルに形成された溝は、前記導入開口に通じる複数の上流側部分と、前記上流側部分が合流して前記導出開口に通じる下流側部分からなり、前記導出開口の矩形の短辺方向の上流側部分の寸法が下流側に向かって徐々に小さくなり、前記導出開口の矩形の長辺方向の上流側部分の寸法が下流側に向かって徐々に大きくなるとともに、前記上流側部分では前記エアロゾル通過空間の断面積が下流側に向かって徐々に狭くなるようにしているため、特公平３−２３２１８号で開示されたノズルのように、構造物表面に前記導入開口に対応した小さな凹凸は存在しないので、均一な膜厚の構造物を短時間で作製することが可能である。
【００１９】
又、前記導出開口の長辺寸法を同じにした場合、前記導入開口から前記導出開口までの距離を、前記導入開口を１ヶのみ備えるものに比べて短くすることが出来るため、前記ノズルの大きさを小さくすることが可能となり、複合構造物作製装置の構造物形成室の大きさを小さくすることが可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
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２は、本発明の一態様としての脆性材料構造物作製装置で使用するノズル３１であり、図３はノズルを構成する一方の板状部材の斜視図である。
ノズル３１は金属或いはセラミックからなる２枚の板状部材３１１、３１２を貼り合わせてなり、一方の板状部材３１２の表面には一端が１個の導出開口３２で他端が３個の導入開口３３となる溝３１３が形成され、他方の板状部材３１１には溝を形成していない。尚、両方の板状部材に溝を形成してもよい。
前記溝３１３は３本に分岐した上流側部分３１３ａと１本に合流した下流側部分３１３ｂからなり、上流側部分３１３ａについては、下流側に向かって（Ｚ方向に沿って）、短辺方向（Ｘ方向）の寸法が徐々に小さくなり、長辺方向（Ｙ方向）の寸法が徐々に大きくなるようにし、しかも、上流側部分３１３ａではエアロゾル通過空間の断面積が下流側に向かって徐々に狭くなるようにしている。また下流側部分３１３ｂについては短辺方向及び長辺方向の寸法を変化させずに略等しくしている。
このノズルの具体的な寸法としては、１０ｍｍ×０．５ｍｍの矩形の１個の導出開口３２を持ち、３．０ｍｍ×３．０ｍｍの矩形の３個の導入開口３３を持つ。
尚、図示例はは実施の一例を示したものであり、ノズルの形状は上記に限るものではない。
【００２１】
次に本発明のノズル３１を図１で示した複合構造物製造装置のノズル１５として使用し、３０ｍｍ×３０ｍｍの面積で膜厚が１０μｍで均一の脆性材料構造物を得ようとした場合を述べる。
【００２２】
ノズル３１は導入開口を３ヶ持っているため、各々の導入開口５３にエアロゾル発生器１３を装着する。これにより、エアロゾル発生器１３に負荷をかけることなく、脆性材料構造物を作製する時間を１／３に短縮できる。
【００２３】
又、ノズル３１は、上流側部分３１３ａを複数本に分岐しているため、エアロゾルが溝内で十分に広がり、開口部３２中央部と外縁部とでエアロゾルの濃度差を少なくすることが可能である。よって、研磨工程などの作業なしで３０ｍｍ×３０ｍｍの凹凸の少ないセラミック構造物を作製することが可能であり、セラミック構造物作製時間を短縮することが可能である。
【００２４】
又、ノズル３１は、図３で示したように３０ｍｍ×０．５ｍｍの矩形の導出開口３２を１カ所、３．０ｍｍ×３．０ｍｍの導入開口３３を３カ所持っているため、例えば幅１０ｍｍのノズルを３つ隙間無く並べた場合だと、作製する脆性材料構造物に凹凸部が３カ所出来てしまい、凹凸を平坦にするような研磨加工などの作業が必要になるが、ノズル３１の場合、ノズル内部でエアロゾルの流路が３カ所から１カ所に合流しているため、作製される脆性材料構造物の凹凸が減少して研磨加工などの作業が不必要となるので脆性材料構造物作製時間を短縮することが可能である。
【００２５】
又、上流側部分３１３ａを複数本に分岐しているため、長辺方向の長さを急激に広げなくとも導出開口３２の長辺方向の長さを広げることができ、ノズル３１の導入開口３３から導出開口３２までの距離を従来のノズルに比べて短くすることが可能であり、小型化することが可能である。
【００２６】
又、ノズル３１は導入開口３３に各々エアロゾル発生器１３を備えているため、各々のエアロゾル発生器１３から供給するエアロゾルの濃度をそれぞれ調節することによって、導出開口３２から噴射するエアロゾル濃度に変化を与えることができ、作製される脆性材料構造物の形状を任意に制御することが可能である。
【００２７】
図４は本発明のノズルの使用の一態様を示す斜視図であり、本発明のノズルを使用する場合には、マスクは必ずしも必要としないが、この例にあっては基板４０の表面にマスク４１を被せ、マスク４１の開口４２に倣った形状の脆性材料構造物を形成し、その後マスク４１を剥離するようにしている。この手法は例えば表面に金属薄膜を形成した基板に、所定のパターンで誘電体層を形成して静電チャックとする場合や、同一形状の脆性材料構造物を多数個取りする場合などに応用可能である。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、一定の比較的大きな面積の複合構造物を形成するに際し、均一な膜厚の構造物を短時間で作製するための複合構造物形成用ノズルとして、充分な幅でしかも均一な濃度でエアロゾルを噴出するノズルを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来使用されている複合構造物作製装置の一般的な構成を示した図。
【図２】本発明のノズルの全体構成を示した図。
【図３】ノズルを構成する一方の板状部材の斜視図。
【図４】本発明のノズルの使用の一態様を示す斜視図
【符号の説明】
１１…ガスボンベ、１２…搬送管、１３…エアロゾル発生器、１４…構造物形成室、１５…ノズル、１６…基材、１７…基材ホルダ、１８…排気ポンプ、２１…センサ装置、２２…フィードバック制御回路、２３…配線、３１…ノズル、３２…１０ｍｍ×０．５ｍｍの矩形の導出開口、３３…３．０ｍｍ×３．０ｍｍの矩形の導入開口、３１１、３１２…板状部材、３１３…溝、３１３ａ…溝の上流側部分、３１３ｂ…溝の下流側部分。

Claims (1)

1. 微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に衝突させ、前記基材表面に前記微粒子の構成材料からなる構造物を形成させるエアロゾルデポジション法による複合構造物形成装置に用いられるノズルにおいて、前記ノズルが、前記エアロゾルが通過するエアロゾル通過空間を有するノズル本体と、前記エアロゾルを導入するための導入開口と、前記エアロゾルを噴射させるための矩形の導出開口とを具備し、前記導入開口を複数有し、且つ前記導出開口は１つであり、前記エアロゾル通過空間を構成する前記ノズルに形成された溝は、前記導入開口に通じる複数の上流側部分と、前記上流側部分が合流して前記導出開口に通じる下流側部分からなり、前記導出開口の矩形の短辺方向の上流側部分の寸法が下流側に向かって徐々に小さくなり、前記導出開口の矩形の長辺方向の上流側部分の寸法が下流側に向かって徐々に大きくなるとともに、前記上流側部分では前記エアロゾル通過空間の断面積が下流側に向かって徐々に狭くなることを特徴とする複合構造物形成用ノズル。

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