JP2004277851A

JP2004277851A - Composite structure production device

Info

Publication number: JP2004277851A
Application number: JP2003073441A
Authority: JP
Inventors: Masakatsu Kiyohara; 正勝清原; Hironori Hatono; 広典鳩野
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2003-03-18
Publication date: 2004-10-07

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To recover brittle material fine particles in an aerosol which do not participate in the formation of a structure in an aerosol deposition method. <P>SOLUTION: In the mechanism device, an aerosol obtained by dispersing brittle material fine particles into a gas is sprayed from a nozzle toward a substrate to form a structure of the brittle material on the substrate, further, the aerosol which has been collided against the substrate and did not participate in the formation of the structure is introduced into a powder suction cylinder, and the brittle material fine particles and gas in the aerosol which did not participate in the formation of the structure are separated to recover the fine particles in a powder recovery vessel installed in the downstream thereof. The fine particles can more efficiently be recovered by allowing the shape, installation method and driving of the suction cylinder to follow the movement of the spray nozzle. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、脆性材料微粒子を含むエアロゾルを基板に吹き付け、脆性材料構造物を基板上に形成させることによって、基板と脆性材料構造物からなる複合構造物を作製する複合構造物作製装置に関する。
【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が提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。
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、微小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る（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。
【０００４】
この特許文献１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搬送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】
特許文献２においては、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とする工夫がなされている。
【０００６】
【非特許文献１】
加集誠一郎：金属１９８９年１月号
【特許文献１】
特開平１１−２１６７７号公報
【特許文献２】
特開平２０００−２１２７６６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ガスデポジション装置やエアロゾルデポジション法を利用した複合構造物形成装置は、チャンバーなどの容器のなかにノズルと基板を配置した構造ととっており、多くの場合真空ポンプを使用してチャンバー内を減圧環境とし、ノズルより微粒子を噴射させる。
【０００８】
金属の超微粒子を使って圧粉体層を形成させるガスデポジション法と異なり、脆性材料の微粒子粉体をガス中に分散させてエアロゾルとし、これをノズルより基板に向けて噴射して、基板上にダイレクトに脆性材料の構造物を形成させるエアロゾルデポジション法は、エアロゾル中の微粒子の利用効率が悪く、噴射された微粒子のうち構造物となるものは実質的に１％以下である場合が多く、従って構造物形成に与らなかったほとんどの割合を占める微粒子は衝突後のガス流に乗って装置内に飛散しチャンバー内壁に付着したり、真空ポンプに吸い込まれるなどする。このためチャンバー内を掃除する頻度が高く、また真空ポンプへの粉体混入による機能低下の懸念があった。またチャンバー内にはＸＹステージなど機械装置を設置するため、この駆動部分やセンサ部分に微粒子が付着し、機能障害を引き起こすことがままあった。真空ポンプの前段に粉体回収フィルターを設けることも可能であるが、この場合はフィルター自体により真空ポンプの吸気性能を絶対的に落としたり、またフィルターに徐々に蓄積する粉体により吸気性能が段々と劣化する問題があった。また原料となる微粒子を大量に用意しても、構造物となった一部以外はすべて廃棄物となるため、資源、コストともに大きな無駄が生じていた。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
まず脆性材料構造物を形成す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ある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、微粒子の変形、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。
【００１０】
そして、上記機械的衝撃を搬送ガスにて脆性材料を基材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搬送し、高速で基材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材上にダイレクトに形成させることができる。
【００１１】
このエアロゾルデポジション法で使用される脆性材料構造物作製装置において、次に述べる構造を採用することで、従来抱えていた不具合を解消できた。すなわち、脆性材料微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを高速で基板に衝突させて脆性材料の構造物を作製する脆性材料構造物作製装置において、エアロゾルを高速で基板に向けて噴射するノズルから噴射されたエアロゾルが実際の複合構造物形成に寄与する割合としては１０％以下であり、その残りのほとんどは、チャンバー内や搬送ガスとともに飛散してしまう。そこで、これら構造物形成に寄与しないエアロゾルを有効に利用することが、この複合構造物形成装置での生産性向上及び製造コストの削減に貢献できる。そこで、本発明は、ノズルから噴射され実際の複合構造物形成に寄与しなかったエアロゾルを効率良く回収するためのエアロゾル回収用吸引筒に関する考案である。
【００１２】
請求項１においては、脆性材料微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを高速で基板に衝突させて脆性材料の構造物を作製する脆性材料構造物作製装置において、前記エアロゾルを高速で前記基板に向けて噴射するノズルと、前記エアロゾルと前記基板との衝突部位の近傍に前記基板に衝突した後に構造物の形成に与らないエアロゾルを吸入するための吸引筒が設置され吸引した粉体を再利用して複合構造物を作製する装置において、前記吸引筒の粉体吸入のために前記ノズルと対向する吸引口は、前記基板表面と平行方向に幅広く形成されたことを特徴とする。
吸引筒の粉体吸入のために前記ノズルと対向する吸引口は、前記基板表面と平行方向に幅広く形成することで、構造物の形成に寄与せずチャンバー内に飛散し搬送ガスとともにチャンバーに搬出される粉体を効率良く捕獲することが可能となり、本複合構造物形成装置での生産性向上及び製造コストの削減に多いに貢献できる。
【００１３】
請求項２においては、吸引筒が、構造物の形成を行う基板を装着してこの基板を移動するステージに固定されて、このステージと共に移動可能であり、前記吸引筒の吸引口の幅は、前記ノズル幅よりも大きく、前記ステージ幅以下であることを特徴とする。
エアロゾルの回収の効率をさらに向上させるために、吸引筒を、構造物の形成を行う際に基板が装着されたステージに固定することによって、ノズルから噴射されたエアロゾルが基板に衝突して、構造物形成に寄与しなかったエアロゾルは基材表面に沿って広がろうする。これらのエアロゾルを効率良く吸引するには、吸引筒をステージに固定した構造にしておくことが最も効率的に回収できると考えられる。また、その際の吸引筒の吸引口の幅は、少なくとも対向に配置されたエアロゾルを噴射するノズル幅よりも大きく、ノズルから噴射されたエアロゾルの進行方向に対して垂直方向に駆動するステージ幅の大きさ以下にすることによって、より効率的にかつコンパクトな装置で吸引が可能となる。吸引筒の吸引口は、回収効率を考えた際に大きくした方が良いのは、常識的にわかるが、ここで、ステージ幅以下にした理由としては、ステージが駆動する際に、吸引筒の吸引口が大きいと、ステージの駆動に合わせた稼動容積が拡大し、チャンバー容積を大きくする必要があり非現実的である。また、吸引筒を固定したステージは、大きな面積の構造物を形成する際にＸ−Ｙ方向に駆動する必要が出てくる。そこで、吸引筒と吸引したエアロゾルを回収する容器は、ある程度、伸縮性を持たせる必要があり、フルキシブル性のある配管で接続しておく必要がある。フレキシブル性のある配管としては、蛇腹構造等を有した配管や伸縮性がある樹脂性の配管等が考えられる。これによって、さらに本複合構造物形成装置での生産性向上及び製造コストの削減は請求項１より大きく貢献できる。
【００１４】
請求項３においては、吸引筒が、構造物の形成を行う基板を装着してこの基板を移動するステージとは別に独立したステージに固定されており、前記ノズルと吸引筒の間隔が任意の間隔を維持した状態となるように夫々のステージを駆動することを特徴とする。
本発明では、粉体吸引筒とノズルの位置を任意に調整できること及びノズルの動きに合わせて吸引筒が動くことが可能になるので、エアロゾルの回収効率が上がる。
また、基板上に大きな面積の構造物を形成する際には、エアロゾルを噴射するノズルがＸ−Ｙ方向に駆動する必要が出てくる場合もあるので、吸引筒を固定したステージも、このノズルの動きに連動した動きが必要になり、吸引筒と吸引したエアロゾルを回収する容器は、ある程度、伸縮性を持たせる必要がある。そこで、吸引筒と吸引したエアロゾルを回収する容器は、フルキシブル性のある配管で接続しておく必要がある。フレキシブル性のある配管としては、蛇腹構造等を有した配管や伸縮性がある樹脂性の配管等が考えられる。これによって、本複合構造物形成装置での生産性は、請求項２よりさらに向上及び製造コストの削減に多いに貢献できる。
【００１５】
請求項４においては、吸引筒の吸引口の幅は、前記ノズル幅よりも大きく、前記基板を移動するステージ幅以下であることを特徴とする。
請求項３より高効率的かつコンパクトな装置で吸引が可能となる。
【００１６】
【発明の実施の態様】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。まず従来の複合構造物作製装置の構成とその作用を述べる。
図１は従来の複合構造物作製装置１を示したものであり、窒素ガスボンベ１０１の先にガス搬送管１０２を介してエアロゾル発生器１０３が設置され、その下流側にエアロゾル搬送管１０４を介して構造物形成室１０５内にノズル１０６が設置されている。エアロゾル発生器１０３内には脆性材料微粒子例えば酸化アルミニウム微粒子粉体が充填されている。ノズル１０６の開口の先には基板１０７が配置され、基板１０７はＸＹステージ１０８に固定されている。構造物形成室１０５は真空ポンプ１０９と接続されている。
【００１７】
以下にエアロゾルデポジション法に基づく複合構造物作製装置１の作用を述べる。窒素ガスボンベ１０１を開栓し、ガスをエアロゾル発生器１０３内に送り込み、同時にエアロゾル発生器１０３を運転させて脆性材料微粒子と窒素ガスが適当比で混合されたエアロゾルを発生させる。また真空ポンプ１０９を稼動させ、エアロゾル発生器１０３と構造物形成室１０５の間に差圧を生じさせる。このエアロゾルをエアロゾル搬送管１０６を通して加速させ、ノズル１０６より基板１０７に向けて噴射する。基板１０７はＸＹステージ１０８により揺動され、エアロゾル衝突位置を変化させつつ、微粒子の衝突により基板１０７上に膜状の脆性材料構造物が形成されていく。このとき構造物形成に与る脆性材料微粒子は少なく、残りの脆性材料微粒子は窒素ガスの流れとともに構造物形成室１０５内に飛散する。エアロゾルの衝突角度と基板表面の角度が鉛直の場合は、衝突後のガスの流れは四方に拡散するため、微粒子の飛散方向はランダムであった。そしてその一部は構造物形成室１０５の内壁に付着し、一部はガス流とともに真空ポンプ１０９へ吸い込まれる。ノズルから噴射された脆性材料微粒子の量と、形成された脆性材料構造物の量からその重量比を算出した結果、９９％以上の微粒子が構造物形成に寄与していないことがわかった。これらの微粒子は構造物形成室１０５や真空ポンプ１０９を掃除をすることによりある程度回収することは可能であるが、この際形成室内壁の摩耗粉などコンタミネーションが混入するため再利用は困難である。
【００１８】
図２は本発明の一態様としての複合構造物作製装置２を示したものであり、この図２（ａ）のように、窒素ガスボンベ２０１の先にガス搬送管２０２を介してエアロゾル発生器２０３が設置され、その下流側にエアロゾル搬送管２０４を介して構造物形成室２０５内にノズル２０６が設置されている。エアロゾル発生器２０３内には脆性材料微粒子例えば酸化アルミニウム微粒子粉体が充填されている。ノズル２０６の先には基板２０７が、エアロゾルが衝突する表面からの鉛直線がノズル２０６から噴出するエアロゾル流の流線に対して３０°傾斜した状態で配置される。ノズル２０６の開口から基板２０７のエアロゾル衝突部までの距離は１０ｍｍである。基板２０７はＸＹステージ２０８に固定されている。構造物形成室２０５は真空ポンプ２０９と接続されている。また図２（ｂ）に示すとおり、吸引口が縦２０ｍｍ、横１８０ｍｍでエアロゾルを吸引する吸引筒２１０が配置される。配管２１１を介して微粒子回収容器２１２が設置され、さらに下流側に真空ポンプ２１３が設置される。
【００１９】
以下にエアロゾルデポジション法に基づく複合構造物作製装置２の作用を述べる。エアロゾル発生から衝突までの作用は複合構造物作製装置１に準じるため省略する。ノズル２０６より噴射されたエアロゾルは基板に斜めに衝突するため構造物形成に与らなかった脆性材料微粒子を含むエアロゾル流は衝突後基板に沿っては図２（ａ）の矢印で示されるように右側に方向を向ける。そしてその先に設置してある吸引筒２１０へと導入され、配管２１１を通って微粒子回収容器２１２へと導かれる。この構成の場合、構造物形成に与らなかった脆性材料微粒子が吸引筒に導入される割合は、基板２０７表面のエアロゾル衝突部位から比較的遠い距離として３０ｃｍの位置に吸引筒２１０の開口を置いた場合でも５０％程度であり、ノズル２０６、基板２０７、吸引筒２１０の形状と位置関係を最適化することにより９０％以上の導入が確認された。勿論吸引筒２１０は基板２０７表面のエアロゾル衝突部位に近い方が良いが、実際には基板２０７は揺動しているため、基板２０７と吸引筒２１０の衝突を回避するためにそれに見合った距離を置く必要がある。
【００２０】
ここで微粒子回収容器２１２は、固気分離の際にしばしば利用されるサイクロンを用いても良いし、細孔フィルターを用いても良いし、衝突板にエアロゾルを衝突させて板状に微粒子を堆積させることにより固気を分離させても良いし、静電気により微粒子を回収しても良い、他にもガス中で超音波を作用させて微粒子を凝集させてから重力分級させる方法も有用である。これらの手段で回収した微粒子は再度エアロゾル発生器に戻して利用することが可能であり、資源の有効活用ができる。
【００２１】
次に本発明に係る実施の態様を述べる。
図３は、粉体回収機構を盛り込んだ複合構造物作製装置２においてノズルから噴射されたエアロゾルの回収の効率を向上するために、吸引筒を基板を固定したステージ面に固定した粉体吸引筒機構装置３を示すものである。
【００２２】
図３（ａ）のように、構造物形成室３０１内にノズル３０２が設置されて、ステージ３０３に固定された基板３０４が、エアロゾルが衝突する表面からの鉛直線がノズル３０２から噴出するエアロゾル流の流線に対して３０°傾斜した状態で配置される。ノズル３０２の開口から基板３０４のエアロゾル衝突部までの距離は約１０〜２０ｍｍである。また、Ｘ−Ｙステージ３０３にはエアロゾルを回収するための吸引筒３０５がノズル３０２から噴射されたエアロゾルの進行方向（矢印）に対して垂直方向に固定されている。吸引筒３０５は、伸縮が自由なフレキシブル性を有した配管３０６を介して微粒子回収容器３０７が設置され、さらに下流側に真空ポンプ３０８が設置される。
【００２３】
以下にエアロゾルデポジション法に基づく粉体吸引筒機構装置３の作用を述べる。エアロゾルを噴射されるノズル３０２より構造物の形成に用いられる脆性材料粉体と搬送用ガスの混合状態にあるエアロゾルが噴射され、駆動用ステージ３０３上に固定された基材３０４に高速で衝突し、そのエアロゾルの１部で、基材上に構造物が構成されるが、その他の構造物形成に寄与しなかったエアロゾルは、基材３０４の面上で、矢印方向に流れる。次に、これらのエアロゾルを回収するために、このエアロゾルの進行流れに対して、垂直方向に吸引口を配置した吸引筒３０５をステージ３０３上の固定しておくと、基板３０４と吸引筒３０５の間の隙間がなく、構造物形成に寄与しなく基材３０４の面上で、矢印方向に飛散するエアロゾルを効率良く吸引筒３０５に捕獲することができる。また、この吸引筒３０５は、ステージ３０３に固定していることからステージ３０３の動きに追従する必要があるので、吸引筒３０５は、伸縮が自由なフレキシブル性を有した配管３０６を介して微粒子回収容器３０７が設置され、捕獲したエアロゾルを効率よく微粒子回収容器３０７に送り込むことができる。また、図３の（ｂ）に示すように、ここに用いた吸引筒３０５の吸引口の幅は、エアロゾルが噴射されるノズルの幅より大きく、且つ、Ｘ−Ｙステージのエアロゾルの進行方向に対して垂直な辺の幅以下であることにより、より効率的にエアロゾルの回収が可能である。
【００２４】
図４は、粉体回収機構を盛り込んだ複合構造物作製装置２においてノズルから噴射されたエアロゾルの回収の効率を向上するために、吸引筒をエアロゾルの噴射するノズルに、連動して動くように、エアロゾルを回収する吸引筒を独立させたステージに固定し、構造物形成に寄与しなかったエアロゾルを効率良く回収するための粉体吸引筒機構装置４を示すものである。
【００２５】
図４（ａ）のように、構造物形成室４０１内にノズル４０２が設置されて、ステージ４０３に固定された基板４０４が、エアロゾルが衝突する表面からの鉛直線がノズル４０２から噴出するエアロゾル流の流線に対して３０°傾斜した状態で配置される。ノズル４０２の開口から基板４０４のエアロゾル衝突部までの距離は約１０〜２０ｍｍである。また、Ｘ−Ｙステージ４０５にはエアロゾルを回収するための吸引筒４０６がＸ−Ｙステージ４０３とは独立に設置され、ノズル４０２から噴射されたエアロゾルの進行方向（矢印）に対して垂直方向に吸引筒４０６の吸引口を配置した方向で固定されている。吸引筒４０６は、伸縮が自由なフレキシブル性を有した配管４０７を介して微粒子回収容器４０８が設置され、さらに下流側に真空ポンプ４０９が設置される。
【００２６】
以下にエアロゾルデポジション法に基づく粉体吸引筒機構装置４の作用を述べる。エアロゾルを噴射されるノズル４０２より構造物の形成に用いられる脆性材料粉体と搬送用ガスの混合状態にあるエアロゾルが噴射され、駆動用ステージ４０３上に固定された基材４０４に高速で衝突し、そのエアロゾルの１部で、基材上に構造物が構成されるが、その他の構造物形成に寄与しなかったエアロゾルは、基材４０４の面上で、矢印方向に流れる。次に、これらのエアロゾルを回収するために、このエアロゾルの進行流れに対して、垂直方向に吸引口を配置した吸引筒４０６を基板駆動用ステージ４０３とは独立したステージ４０５上の固定し、エアロゾルノズルとの間隔を一定距離保った状態で、駆動に合わせて吸引筒４０６が常に対になって駆動するように制御する。また、基板４０４の面と吸引筒４０６の幅広吸引口の間は、できるだけ回収を効率行うために隙間を少なくなる用に配置し、構造物形成に寄与しなく基材４０４の面上で、矢印方向に飛散するエアロゾルを効率良く吸引筒４０６に捕獲することができる。また、この吸引筒４０６は、ステージ４０５に固定していることからステージ４０５の動きに追従する必要があるので、吸引筒４０６は、伸縮が自由なフレキシブル性を有した配管４０７を介して微粒子回収容器４０８が設置され、捕獲したエアロゾルを効率よく微粒子回収容器４０８に送り込むことができる。また、ここに用いた吸引筒４０６の吸引口の幅は、図４（ｂ）に示すように、エアロゾルが噴射されるノズルの幅より大きく、且つ、Ｘ−Ｙステージのエアロゾルの進行方向に対して垂直な辺の幅以下であることにより、より効率的にエアロゾルの回収が可能である
【００２７】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明によれば、エアロゾルデポジション法による脆性材料構造物形成において、従来利用効率が著しく低いゆえに廃棄されていた脆性材料微粒子を構造物形成室内に散逸させることなく回収し、再利用を可能とした。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の複合構造物作製装置を示す模式図
【図２】本発明の一態様である複合構造物作製装置を示す模式図
【図３】本発明の一態様である複合構造物作製装置を示す模式図
【図４】本発明の一態様である複合構造物作製装置を示す模式図
【符号の説明】
１…複合構造物作製装置
２…複合構造物作製装置
３…粉体吸引筒機構装置
４…粉体吸引筒機構装置
１０１…窒素ガスボンベ
１０２…ガス搬送管
１０３…エアロゾル発生器
１０４…エアロゾル搬送管
１０５…構造物形成室
１０６…ノズル
１０７…基板
１０８…ＸＹステージ
１０９…真空ポンプ
２０１…窒素ガスボンベ
２０２…ガス搬送管
２０３…エアロゾル発生器
２０４…エアロゾル搬送管
２０５…構造物形成室
２０６…ノズル
２０７…基板
２０８…ＸＹステージ
２０９…真空ポンプ
２１０…吸引筒
２１１…配管
２１２…微粒子回収容器
２１３…真空ポンプ
３０１…構造物形成室
３０２…ノズル
３０３…ＸＹステージ
３０４…基板
３０５…吸引筒
３０６…配管
３０７…微粒子回収容器
３０８…真空ポンプ
４０１…構造物形成室
４０２…ノズル
４０３…ステージ
４０４…基板
４０５…Ｘ−Ｙステージ
４０６…吸引筒
４０７…配管
４０８…微粒子回収容器
４０９…真空ポンプ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a composite structure manufacturing apparatus for forming a composite structure including a substrate and a brittle material structure by spraying an aerosol containing brittle material fine particles on the substrate to form a brittle material structure on the substrate.
[0002]
[Prior art]
As a method of forming a film on a substrate, in the case of a thick film having a thickness of several μm or more, a thermal spraying method is generally known, but other gas deposition methods have been proposed (for example, see Non-Patent Document 1).
In this method, ultrafine particles of metal or ceramics are aerosolized by gas agitation, accelerated through a fine nozzle, a compacted layer of ultrafine particles is formed on the surface of the substrate, and this is heated and fired to form a coating. Form.
[0003]
As a prior art in which the above gas deposition method is improved, there is a method of forming a film or structure of a brittle material called a fine particle beam deposition method or an aerosol deposition method. In this method, an aerosol containing fine particles of a brittle material is jetted from a nozzle toward a substrate at a high speed, and the fine particles collide with the substrate, and the polycrystalline structure of the brittle material is applied to the substrate using the mechanical impact force. This is a method of directly forming (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
[0004]
The technique disclosed in Patent Document 1 is to prevent the ultra-fine particles from aggregating into large particles when transferring the aerosol containing the above-described ultra-fine particles or when heating and evaporating ceramics or the like. A classifier is arranged in the middle path.
[0005]
In Patent Literature 2, ultrafine particles such as ceramics having a particle size in a range of 10 nm to 5 μm are dispersed in a gas to form an aerosol, and then jetted toward a substrate as a high-speed flow of ultrafine particles from a nozzle to deposit the deposit. Let it form. At this time, a structure has been devised to make the structure produced by irradiating the ultrafine particles and the substrate with high-energy atoms such as ions, atoms, molecular beams, and low-temperature plasma.
[0006]
[Non-patent document 1]
Seiichiro Kashu: Metals January 1989 [Patent Document 1]
JP-A-11-21677 [Patent Document 2]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-212766
[Problems to be solved by the invention]
A composite structure forming apparatus using a gas deposition apparatus or an aerosol deposition method has a structure in which a nozzle and a substrate are arranged in a container such as a chamber. In a reduced pressure environment, fine particles are ejected from the nozzle.
[0008]
Unlike the gas deposition method in which a compacted layer is formed using ultrafine metal particles, fine particles of a brittle material are dispersed in a gas to form an aerosol, which is sprayed from a nozzle toward the substrate, In the aerosol deposition method in which a structure of a brittle material is formed directly on the surface, the utilization efficiency of fine particles in the aerosol is low, and the structure of the injected fine particles may be substantially 1% or less. Fine particles, which account for the majority of the particles that did not contribute to the formation of the structure, are scattered in the apparatus along with the gas flow after the collision, adhere to the inner wall of the chamber, or are sucked into a vacuum pump. For this reason, the frequency of cleaning the inside of the chamber is high, and there is a concern that the function may be degraded due to mixing of powder into the vacuum pump. Further, since a mechanical device such as an XY stage is installed in the chamber, fine particles adhere to the driving portion and the sensor portion, which may cause a functional failure. It is possible to provide a powder recovery filter in front of the vacuum pump, but in this case, the filter itself will absolutely reduce the suction performance of the vacuum pump, and the powder that gradually accumulates in the filter will gradually increase the suction performance. There was a problem of deterioration. Even if a large amount of fine particles as a raw material are prepared, all but a part of the structure become waste, so that a great waste of resources and cost is generated.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
First, an aerosol deposition method for forming a brittle material structure will be described. When a mechanical impact force is applied to a brittle material (ceramics) having no extensibility, a crystal lattice shift occurs along a cleavage plane such as an interface between crystallites, or the material is crushed. When these phenomena occur, a new surface is formed on the slip surface or the fracture surface, in which atoms originally existing inside and bonded to another atom are exposed. The layer of one layer of atoms of the new surface is forcibly exposed to an unstable surface state by an external force from the originally stable atomic bond state, and the surface energy becomes high. The active surface is bonded to the surface of the adjacent brittle material or the newly formed surface of the adjacent brittle material or the surface of the substrate, and shifts to a stable state. The application of a continuous mechanical impact force from the outside causes this phenomenon to occur continuously, and the bonding is advanced and densified by repeating deformation and crushing of the fine particles, thereby forming a brittle material structure.
[0010]
An aerosol deposition method is a method in which the mechanical impact is caused to cause a brittle material to collide with a base material using a carrier gas.
This method is a method that has evolved from the gas deposition method, in which an aerosol in which fine particles of a brittle material are dispersed in a gas is conveyed, injected at high speed and collided with the base material, and the fine particles are crushed and deformed. By forming an anchor layer at the interface with the substrate and joining it, and joining the crushed fragment particles together, a brittle material structure with good adhesion to the substrate and high strength is formed directly on the substrate Can be done.
[0011]
In the apparatus for manufacturing a brittle material structure used in the aerosol deposition method, the following problems could be solved by adopting the following structure. In other words, in a brittle material structure manufacturing apparatus that makes a brittle material structure by causing an aerosol in which fine particles of a brittle material are dispersed in a gas to collide with a substrate at a high speed, the aerosol is jetted from a nozzle that jets the aerosol toward the substrate at a high speed. The proportion of the aerosol that contributes to the formation of the actual composite structure is 10% or less, and most of the rest is scattered in the chamber or with the carrier gas. Therefore, effective use of the aerosol that does not contribute to the formation of these structures can contribute to improvement in productivity and reduction in manufacturing cost in the composite structure forming apparatus. Therefore, the present invention is a device relating to an aerosol collecting suction cylinder for efficiently collecting aerosol injected from a nozzle and not contributing to actual formation of a composite structure.
[0012]
According to claim 1, in a brittle material structure producing apparatus for producing a structure of a brittle material by causing an aerosol in which fine particles of a brittle material are dispersed in a gas to collide with a substrate at a high speed, the aerosol is directed toward the substrate at a high speed. A nozzle for injecting the aerosol, and a suction cylinder for sucking aerosol that does not contribute to the formation of a structure after colliding with the substrate are installed in the vicinity of a collision portion between the aerosol and the substrate, and the sucked powder is reused. In the apparatus for producing a composite structure, a suction port facing the nozzle for sucking powder of the suction cylinder is formed wide in a direction parallel to the substrate surface.
The suction port facing the nozzle for sucking powder from the suction cylinder is formed wide in the direction parallel to the substrate surface, so that it does not contribute to the formation of the structure and scatters into the chamber and is carried out together with the carrier gas to the chamber. This makes it possible to efficiently capture the powder to be produced, which can greatly contribute to improving the productivity and reducing the manufacturing cost in the present composite structure forming apparatus.
[0013]
In claim 2, the suction cylinder is mounted on a stage on which a substrate for forming a structure is mounted and moves the substrate, and is movable together with the stage. The width of the suction port of the suction cylinder is It is larger than the nozzle width and equal to or smaller than the stage width.
In order to further improve the aerosol recovery efficiency, the aerosol ejected from the nozzle collides with the substrate by fixing the suction cylinder to the stage on which the substrate is mounted when forming the structure, Aerosols that did not contribute to product formation will spread along the substrate surface. In order to efficiently aspirate these aerosols, it is considered that a structure in which the aspirating cylinder is fixed to the stage can be collected most efficiently. Also, the width of the suction port of the suction cylinder at that time is at least larger than the width of the nozzle that ejects the aerosol disposed oppositely, and the width of the stage that is driven in the direction perpendicular to the traveling direction of the aerosol ejected from the nozzle. By making the size less than or equal to the size, suction can be performed more efficiently and with a compact device. It is common knowledge that it is better to increase the suction port of the suction cylinder when considering the recovery efficiency.However, the reason why the suction port is smaller than the stage width is that when the stage is driven, If the suction port is large, the operating volume in accordance with the driving of the stage increases, and it is necessary to increase the chamber volume, which is impractical. Also, the stage to which the suction cylinder is fixed needs to be driven in the X-Y directions when forming a structure having a large area. Therefore, the suction cylinder and the container for collecting the suctioned aerosol need to have a certain degree of elasticity, and need to be connected by a flexible pipe. Examples of the flexible pipe include a pipe having a bellows structure or the like and a resin pipe having elasticity. Thereby, the productivity improvement and the reduction of the manufacturing cost in the present composite structure forming apparatus can further contribute to the present invention.
[0014]
In claim 3, the suction cylinder is fixed to a stage independent of a stage on which a substrate for forming a structure is mounted and the substrate is moved, and an interval between the nozzle and the suction cylinder is an arbitrary interval. , Each stage is driven such that the state is maintained.
According to the present invention, the positions of the powder suction cylinder and the nozzle can be arbitrarily adjusted, and the suction cylinder can be moved in accordance with the movement of the nozzle.
In addition, when forming a structure having a large area on a substrate, it may be necessary to drive a nozzle for ejecting an aerosol in the X-Y direction. The suction cylinder and the container for collecting the sucked aerosol need to have a certain degree of elasticity. Therefore, the suction cylinder and the container for collecting the suctioned aerosol need to be connected by a flexible pipe. Examples of the flexible pipe include a pipe having a bellows structure or the like and a resin pipe having elasticity. As a result, the productivity of the composite structure forming apparatus can be further improved and the manufacturing cost can be greatly reduced as compared with the second aspect.
[0015]
According to a fourth aspect of the present invention, the width of the suction port of the suction cylinder is larger than the nozzle width and equal to or smaller than the stage width for moving the substrate.
According to the third aspect, suction can be performed with a highly efficient and compact device.
[0016]
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. First, the configuration and operation of a conventional composite structure manufacturing apparatus will be described.
FIG. 1 shows a conventional composite structure manufacturing apparatus 1 in which an aerosol generator 103 is installed via a gas transport pipe 102 at the end of a nitrogen gas cylinder 101, and an aerosol transport pipe 104 is provided downstream thereof. A nozzle 106 is provided in the structure forming chamber 105. The aerosol generator 103 is filled with fine particles of a brittle material, for example, fine particles of aluminum oxide. A substrate 107 is arranged at the end of the opening of the nozzle 106, and the substrate 107 is fixed to an XY stage 108. The structure forming chamber 105 is connected to a vacuum pump 109.
[0017]
The operation of the composite structure manufacturing apparatus 1 based on the aerosol deposition method will be described below. The nitrogen gas cylinder 101 is opened, and the gas is sent into the aerosol generator 103. At the same time, the aerosol generator 103 is operated to generate an aerosol in which fine particles of brittle material and nitrogen gas are mixed at an appropriate ratio. Further, the vacuum pump 109 is operated to generate a pressure difference between the aerosol generator 103 and the structure forming chamber 105. The aerosol is accelerated through the aerosol transport pipe 106 and is ejected from the nozzle 106 toward the substrate 107. The substrate 107 is oscillated by the XY stage 108, and while changing the aerosol collision position, a film-like brittle material structure is formed on the substrate 107 by the collision of the fine particles. At this time, the number of the brittle material fine particles that contribute to the structure formation is small, and the remaining brittle material fine particles are scattered into the structure forming chamber 105 with the flow of the nitrogen gas. When the collision angle of the aerosol and the angle of the substrate surface were vertical, the gas flow after the collision diffused in all directions, so that the scattering direction of the fine particles was random. Then, a part thereof adheres to the inner wall of the structure forming chamber 105, and a part thereof is sucked into the vacuum pump 109 together with the gas flow. As a result of calculating the weight ratio from the amount of the brittle material fine particles injected from the nozzle and the amount of the formed brittle material structure, it was found that 99% or more of the fine particles did not contribute to the structure formation. These fine particles can be recovered to some extent by cleaning the structure forming chamber 105 and the vacuum pump 109, but it is difficult to reuse the fine particles because contamination such as abrasion powder on the inner wall of the forming chamber is mixed. .
[0018]
FIG. 2 shows a composite structure manufacturing apparatus 2 according to one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2A, an aerosol generator 203 is provided via a gas transfer pipe 202 in front of a nitrogen gas cylinder 201. The nozzle 206 is installed in the structure forming chamber 205 via the aerosol transport pipe 204 on the downstream side. The aerosol generator 203 is filled with fine particles of a brittle material, for example, fine particles of aluminum oxide. A substrate 207 is disposed in front of the nozzle 206 in a state where a vertical line from the surface on which the aerosol collides is inclined by 30 ° with respect to the streamline of the aerosol flow ejected from the nozzle 206. The distance from the opening of the nozzle 206 to the aerosol collision portion of the substrate 207 is 10 mm. The substrate 207 is fixed to the XY stage 208. The structure forming chamber 205 is connected to a vacuum pump 209. In addition, as shown in FIG. 2B, a suction tube 210 having a suction port of 20 mm in length and 180 mm in width to suck aerosol is arranged. A fine particle collection container 212 is installed via a pipe 211, and a vacuum pump 213 is installed further downstream.
[0019]
The operation of the composite structure manufacturing apparatus 2 based on the aerosol deposition method will be described below. The operation from the generation of the aerosol to the collision is the same as that of the composite structure manufacturing apparatus 1 and will not be described. The aerosol jetted from the nozzle 206 collides obliquely with the substrate, so that the aerosol flow containing the fine particles of the brittle material that did not contribute to the formation of the structure is formed along the substrate after the collision as shown by the arrow in FIG. Turn to the right. Then, it is introduced into the suction cylinder 210 installed at the tip thereof, and guided to the fine particle collection container 212 through the pipe 211. In the case of this configuration, the rate at which the brittle material fine particles that did not contribute to the formation of the structure are introduced into the suction cylinder is determined by placing the opening of the suction cylinder 210 at a position relatively 30 cm away from the aerosol collision site on the surface of the substrate 207. In this case, it was about 50%, and 90% or more introduction was confirmed by optimizing the shapes and positional relationships of the nozzle 206, the substrate 207, and the suction cylinder 210. Of course, the suction cylinder 210 is preferably closer to the aerosol collision site on the surface of the substrate 207. However, since the substrate 207 is actually oscillating, a distance commensurate with that is necessary to avoid collision between the substrate 207 and the suction cylinder 210. Need to put.
[0020]
Here, the particle collection container 212 may use a cyclone often used for solid-gas separation, a pore filter, or impinge the aerosol on the collision plate to deposit the particles in a plate shape. By doing so, solid-gas may be separated, or fine particles may be collected by static electricity. In addition, a method of causing ultrasonic waves to act in a gas to aggregate the fine particles and then classifying by gravity is also useful. The fine particles collected by these means can be returned to the aerosol generator and used again, and resources can be effectively used.
[0021]
Next, embodiments of the present invention will be described.
FIG. 3 shows a powder suction cylinder in which a suction cylinder is fixed to a stage surface on which a substrate is fixed in order to improve the efficiency of collecting aerosol jetted from a nozzle in the composite structure manufacturing apparatus 2 incorporating a powder recovery mechanism. 2 shows the mechanism device 3.
[0022]
As shown in FIG. 3A, a nozzle 302 is installed in a structure forming chamber 301, and a substrate 304 fixed to a stage 303 is used to form an aerosol flow in which a vertical line from the surface on which the aerosol collides is ejected from the nozzle 302. Are arranged in a state of being inclined at an angle of 30 ° with respect to the streamline. The distance from the opening of the nozzle 302 to the aerosol collision portion of the substrate 304 is about 10 to 20 mm. Further, on the XY stage 303, a suction tube 305 for collecting aerosol is fixed in a direction perpendicular to the traveling direction (arrow) of the aerosol ejected from the nozzle 302. In the suction cylinder 305, a fine particle collection container 307 is installed via a flexible pipe 306 that can freely expand and contract, and a vacuum pump 308 is installed further downstream.
[0023]
Hereinafter, the operation of the powder suction cylinder mechanism device 3 based on the aerosol deposition method will be described. The aerosol in the mixed state of the brittle material powder used for forming the structure and the carrier gas is ejected from the nozzle 302 from which the aerosol is ejected, and collides with the base material 304 fixed on the driving stage 303 at high speed. A part of the aerosol forms a structure on the base material, but the aerosol that has not contributed to the formation of other structures flows in the direction of the arrow on the surface of the base material 304. Next, in order to collect these aerosols, a suction tube 305 having suction ports arranged vertically is fixed on the stage 303 with respect to the advancing flow of the aerosol. There is no gap between them, and the aerosol scattered in the direction of the arrow can be efficiently captured by the suction cylinder 305 on the surface of the base material 304 without contributing to the structure formation. Further, since the suction cylinder 305 is fixed to the stage 303, it is necessary to follow the movement of the stage 303. Therefore, the suction cylinder 305 collects fine particles through a flexible pipe 306 that can freely expand and contract. The container 307 is provided, and the captured aerosol can be efficiently sent to the particle collection container 307. Further, as shown in FIG. 3B, the width of the suction port of the suction tube 305 used here is larger than the width of the nozzle from which the aerosol is jetted, and in the advancing direction of the aerosol on the XY stage. When the width is not more than the width of the side perpendicular to the aerosol, the aerosol can be collected more efficiently.
[0024]
FIG. 4 shows that in order to improve the efficiency of collecting aerosol ejected from the nozzle in the composite structure manufacturing apparatus 2 incorporating the powder collecting mechanism, the suction cylinder is moved in conjunction with the nozzle for ejecting the aerosol. 1 shows a powder suction cylinder mechanism device 4 for fixing a suction cylinder for collecting aerosol to an independent stage and efficiently collecting aerosol that has not contributed to the formation of a structure.
[0025]
As shown in FIG. 4A, a nozzle 402 is installed in a structure forming chamber 401, and a substrate 404 fixed to a stage 403 is used for aerosol flow in which a vertical line from a surface on which the aerosol collides is ejected from the nozzle 402. Are arranged in a state of being inclined at an angle of 30 ° with respect to the streamline. The distance from the opening of the nozzle 402 to the aerosol collision portion of the substrate 404 is about 10 to 20 mm. In addition, a suction cylinder 406 for collecting aerosol is installed on the XY stage 405 independently of the XY stage 403, and the suction tube 406 is perpendicular to the advancing direction (arrow) of the aerosol ejected from the nozzle 402. The suction tube 406 is fixed in the direction in which the suction port is arranged. In the suction cylinder 406, a fine particle collection container 408 is installed via a flexible pipe 407 that can freely expand and contract, and a vacuum pump 409 is installed further downstream.
[0026]
The operation of the powder suction cylinder mechanism device 4 based on the aerosol deposition method will be described below. An aerosol in a mixed state of a brittle material powder used for forming a structure and a carrier gas is ejected from a nozzle 402 to which an aerosol is ejected, and collides with a base material 404 fixed on a driving stage 403 at a high speed. A part of the aerosol forms a structure on the base material, but the aerosol that has not contributed to the formation of other structures flows in the direction of the arrow on the surface of the base material 404. Next, in order to collect these aerosols, a suction tube 406 having suction ports arranged vertically is fixed on a stage 405 independent of the substrate driving stage 403 with respect to the traveling flow of the aerosols. The suction cylinder 406 is controlled so as to always be driven in pairs while keeping the distance from the nozzles at a fixed distance. In addition, the space between the surface of the substrate 404 and the wide suction port of the suction cylinder 406 is arranged so as to reduce the gap in order to perform collection as efficiently as possible. The aerosol scattered in the direction can be efficiently captured by the suction tube 406. Further, since the suction tube 406 is fixed to the stage 405, it is necessary to follow the movement of the stage 405. Therefore, the suction tube 406 collects fine particles through a flexible pipe 407 that can freely expand and contract. The container 408 is provided, and the captured aerosol can be efficiently sent to the particle collection container 408. Further, the width of the suction port of the suction tube 406 used here is larger than the width of the nozzle from which the aerosol is jetted, as shown in FIG. Aerosol can be collected more efficiently by being less than the width of the vertical side.
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in the formation of a brittle material structure by the aerosol deposition method, the brittle material fine particles that have been discarded because of their extremely low utilization efficiency are collected without dissipating into the structure forming chamber. , And allowed reuse.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing a conventional composite structure manufacturing apparatus. FIG. 2 is a schematic view showing a composite structure manufacturing apparatus which is one embodiment of the present invention. FIG. 3 is a composite structure manufacture which is one embodiment of the present invention. FIG. 4 is a schematic view illustrating an apparatus. FIG. 4 is a schematic view illustrating a composite structure manufacturing apparatus according to one embodiment of the present invention.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Composite structure manufacturing apparatus 2 ... Composite structure manufacturing apparatus 3 ... Powder suction cylinder mechanism apparatus 4 ... Powder suction cylinder mechanism apparatus 101 ... Nitrogen gas cylinder 102 ... Gas transport pipe 103 ... Aerosol generator 104 ... Aerosol transport pipe 105 ... Structure formation chamber 106 ... Nozzle 107 ... Substrate 108 ... XY stage 109 ... Vacuum pump 201 ... Nitrogen gas cylinder 202 ... Gas transport pipe 203 ... Aerosol generator 204 ... Aerosol transport pipe 205 ... Structure formation chamber 206 ... Nozzle 207 ... Substrate 208 ... XY stage 209 ... Vacuum pump 210 ... Suction cylinder 211 ... Piping 212 ... Particle collection container 213 ... Vacuum pump 301 ... Structure forming chamber 302 ... Nozzle 303 ... XY stage 304 ... Substrate 305 ... Suction cylinder 306 ... Piping 307 ... Particles Recovery container 308 Vacuum pump 401 Structure forming chamber 402 Nozzle 4 3 ... stage 404 ... substrate 405 ... X-Y stage 406 ... suction tube 407 ... pipe 408 ... particulate collection vessel 409 ... vacuum pump

Claims

脆性材料微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを高速で基板に衝突させて脆性材料の構造物を作製する脆性材料構造物作製装置において、前記エアロゾルを高速で前記基板に向けて噴射するノズルと、前記エアロゾルと前記基板との衝突部位の近傍に前記基板に衝突した後に構造物の形成に与らないエアロゾルを吸入するための吸引筒が設置され、吸引した粉体を再利用して複合構造物を作製する装置において、前記吸引筒の粉体吸入のために前記ノズルと対向する吸引口は、前記基板表面と平行方向に幅広く形成されたことを特徴とする複合構造物作製装置。In a brittle material structure producing apparatus for producing a structure of a brittle material by colliding an aerosol in which fine particles of a brittle material are dispersed in a gas at a high speed to form a structure of a brittle material, a nozzle for jetting the aerosol toward the substrate at a high speed, In the vicinity of the collision portion between the aerosol and the substrate, a suction cylinder for inhaling an aerosol that does not contribute to the formation of a structure after colliding with the substrate is installed, and the sucked powder is reused to form a composite structure. In the apparatus for manufacturing a composite structure, a suction port facing the nozzle for sucking powder of the suction cylinder is formed to be wide in a direction parallel to the substrate surface.

請求項１に記載の吸引筒が、構造物の形成を行う基板を装着してこの基板を移動するステージに固定されて、このステージと共に移動可能であり、前記吸引筒の吸引口の幅は、前記ノズル幅よりも大きく、前記ステージ幅以下であることを特徴とする複合構造物作製装置。The suction cylinder according to claim 1 is fixed to a stage for mounting a substrate on which a structure is formed and moving the substrate, and is movable together with the stage. The width of the suction port of the suction cylinder is: The composite structure manufacturing apparatus, wherein the width is larger than the nozzle width and equal to or smaller than the stage width.

請求項１に記載の吸引筒が、構造物の形成を行う基板を装着してこの基板を移動するステージとは別に独立したステージに固定されており、前記ノズルと吸引筒の間隔が任意の間隔を維持した状態となるように夫々のステージを駆動することを特徴とする複合構造物作製装置。The suction cylinder according to claim 1, wherein the suction tube is fixed to an independent stage separately from a stage on which a substrate for forming a structure is mounted and the substrate is moved, and an interval between the nozzle and the suction tube is arbitrary. Characterized in that each stage is driven so as to maintain the condition.

請求項３に記載の吸引筒の吸引口の幅は、前記ノズル幅よりも大きく、前記基板を移動するステージ幅以下であることを特徴とする複合構造物作製装置。4. The composite structure manufacturing apparatus according to claim 3, wherein a width of the suction port of the suction tube according to claim 3 is larger than the nozzle width and equal to or less than a stage width for moving the substrate.