JP2008029977A - エアロゾル吐出ノズルおよび被膜形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基材との設置間隔が狭い場合でも使用でき、長時間にわたり安定して緻密で均一な被膜を形成可能なエアロゾル吐出ノズル、および該ノズルを用いた被膜形成装置を提供する。
【解決手段】微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材の成膜部に向けて吐出するための矩形形状の吐出開口部１ａを有するエアロゾル吐出ノズル１であって、該エアロゾル吐出ノズル１は、吐出開口部１ａ長辺の両端部に、該ノズル内において吐出開口部長辺の両端側１ｂを通過する微粒子を成膜部に向かない方向に変向して吐出させる逃がし穴１ｃを有する。本発明の被膜形成装置は、このエアロゾル吐出ノズル１を備えてなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、微粒子を含むエアロゾルを基板等に吹付け、被膜や構造物を基板上に形成するエアロゾルデポジション（以下、ＡＤと記す）法において使用されるエアロゾル吐出ノズルおよび該ノズルを用いた被膜形成装置に関する。

基板上の膜の形成方法として、微粒子ビーム堆積法あるいはＡＤ法と呼ばれる脆性材料の膜や構造物の形成方法がある。ＡＤ法は、脆性材料の微粒子を含むエアロゾルをノズルから基板に向けて吐出し、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する方法である（例えば、特許文献１参照）。
従来のＡＤ法におけるノズル先端部形状の一例を図３を参照して説明する。図３に示すように、ノズル２は、矩形形状の吐出開口部２ａを有し、該開口部２ａから微粒子を含むエアロゾルを吐出している。このように矩形形状の吐出開口部２ａを有するノズル２では、該ノズル２から吐出されるエアロゾル中の微粒子速度は、吐出開口部の中央付近に比べて吐出開口部長辺の両端側２ｂにおいて遅くなる（図中矢印参照）。基板上において衝突する微粒子の速度が遅い部分では、堆積物や構造物の密度が上がらず、機械的強度が小さくなるため、被膜や構造物の均一性が損なわれる等の問題がある。

このような問題に対処するものとして、噴出した微粒子流速のうち速度の遅い粒子成分を基板に到達させない構成とするため、ノズルから噴出される微粒子流速のうちの外周部にあたる速度の遅い流速成分の一部または全部が基板へ到達することを阻止し、残りの速度の速い流速成分を選択的に基板に衝突させるようにノズルの先端部に変向板を設けた構造等が開示されている（特許文献２参照）。

しかしながら、特許文献２のような変向板を用いる構造では、長時間の成膜作業において、例えばセラミックス微粒子の連続衝撃により変向板が変形や損傷をうけ、初期の遮断機能が低下もしくは、毀損する不具合が生じるおそれがある。
また、ノズルと基板との間隔を狭くして基板に衝突する微粒子の衝撃力を大きくしようとするとき、設置スペースがとれない等の障害が生じるという問題もある。
さらにその上、前述のようにエアロゾル中の微粒子速度は、吐出開口部の中央付近に比べて吐出開口部長辺の両端側２ｂにおいて遅くなる（図中矢印参照）と、均一に成膜できないといった問題があった。
特開平１１−２１６７７号公報 特開２００２−３２０８７９号公報

本発明はこのような問題に対処するためになされたものであり、基材との設置間隔が狭い場合でも使用でき、長時間にわたり安定して緻密で均一な被膜を形成可能なエアロゾル吐出ノズル、および該ノズルを用いた被膜形成装置を提供することを目的とする。

本発明のエアロゾル吐出ノズルは、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材の成膜部に向けて吐出するための矩形形状の吐出開口部を有するエアロゾル吐出ノズルであって、該エアロゾル吐出ノズルは、上記吐出開口部長辺の両端部に、該ノズル内において上記吐出開口部長辺の両端側を通過する上記微粒子を上記成膜部に向かない方向に変向して吐出させる逃がし穴を有することを特徴とする。なお、基材の成膜部とは、基材上の被膜等を形成する部分（表面）である。

上記微粒子はセラミックス微粒子であり、平均粒子径が 0.1〜2μm であることを特徴とする。また、上記セラミックス微粒子は、アルミナ微粒子であることを特徴とする。
また、上記ガスは、アルゴン、窒素またはヘリウムを含む不活性ガスであることを特徴とする。

本発明の被膜形成装置は、微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを、真空チャンバー内でエアロゾル吐出ノズルから基材上に吐出し衝突させて成膜を行なう被膜形成装置であって、このエアロゾル吐出ノズルが上記本発明のエアロゾル吐出ノズルであることを特徴とする。

本発明のエアロゾル吐出ノズルは、矩形形状の吐出開口部長辺の両端部に逃がし穴を有するので、ノズル内において吐出開口部長辺の両端側を通過する速度の遅い流速成分の微粒子が、成膜部に向かない方向に変向して吐出させられるため成膜には寄与せず、この遅い流速成分以外の微粒子が基材上に衝突して緻密で均一な機械的強度に優れる被膜の形成が可能となる。
また、ノズル外部に、吐出後のエアロゾルを遮蔽する変向板等の付加構造を設けずノズル自体に逃がし穴を設けるだけなので、長時間の成膜において付加構造の損傷等による成膜性能の低下のおそれがなく、また、衝突する微粒子の衝撃力を大きくするためにノズルと基板との間隔を狭くすることができる。

本発明の被膜形成装置は、上記エアロゾル吐出ノズルを用いるので、ＡＤ法において長時間にわたり緻密で均一な機械的強度に優れる被膜を形成できる。

本発明においてＡＤ法は、セラミックス等の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に向けてエアロゾル吐出ノズルより吐出し、エアロゾルを基材表面に高速で衝突させ、微粒子の構成材料からなる被膜を基材上に形成させる方法である。ＡＤ法における成膜原理を以下に説明する。
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、結晶同士の界面等のへき開面に沿って結晶格子のズレを生じたり、あるいは破砕される。そして、これらの現象が起こると、ズレ面や破面には、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あるいは基材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、破砕等の繰り返しにより接合の進展、緻密化が行なわれ、脆性材料からなる被膜や構造物が形成される。
本発明では、簡易な構造で吐出されるエアロゾル中の速度が遅い流速成分の微粒子を選択的に除外して成膜を行なうので、ノズル吐出位置によるバラツキの少ない吐出速度で安定した機械的衝撃力を確保でき、長時間にわたり継続的に安定して緻密で均一な被膜を形成できる。

本発明の一実施例に係るエアロゾル吐出ノズルを図１に基づいて説明する。図１はエアロゾル吐出ノズルの先端部を示す正面図、側面図、および底面図である。
図１に示すように、本発明のエアロゾル吐出ノズル１は、矩形形状の吐出開口部１ａを有する。該吐出開口部１ａから微粒子を含むエアロゾルを基材の成膜部に向けて垂直に吐出する（図２参照）。エアロゾル吐出ノズル１は、吐出開口部１ａの長辺の両端部に逃がし穴１ｃを有する。逃がし穴１ｃから、吐出開口部１ａの長辺の両端側１ｂを通過する微粒子を成膜部に向かない方向に変向して吐出させる。吐出開口部１ａの長辺の両端側１ｂを通過する微粒子は、速度が遅い流速成分の微粒子（図中矢印参照）であり、この遅い流速成分の微粒子が逃がし穴１ｃから吐出され成膜から選択的に除外される。
エアロゾル吐出ノズルの材質は、セラミックス、金属およびプラスチック等目的とする形状に賦形でき、かつ成膜時にエアロゾルの吐出で甚大な摩耗損傷を生じなければ使用することができる。例えばプラスチックの場合、光造形法などで本ノズルを製作してもよい。
また、特に限定されないが吐出開口部１ａは長辺の長さが 5 mm〜20 mm 程度である。

逃がし穴１ｃは、吐出開口部１ａの長辺の両端側１ｂを通過する微粒子を成膜部に向かない方向、すなわち吐出開口部１ａからの微粒子吐出方向と異なる方向に変向できる形状であればよい。例えば、図１に示すようにノズルの矩形短辺（側面）側に抜ける傾斜穴形状の他、ノズルの矩形長辺側に抜ける傾斜穴形状であってもよい。
また、図１に示す吐出開口部１ａからの微粒子吐出方向に対する、逃がし穴の傾斜角度αは、ノズル内壁に微粒子が衝突および堆積するのを防止するため、90度未満とすることが好ましい。
逃がし穴１ｃの吐出開口部長辺方向の幅ｔは、吐出開口部１ａの長辺をＬとするとＬ/ｔの値が 1.3〜18 程度となる長さとする。吐出開口部１ａのＬ/ｔが 18 をこえると、吐出開口部１ａの両端において遅い流速成分の微粒子が存在し、吐出開口部１ａのＬ/ｔが 1.3 より小さいと逃がし穴１ｃからのエアロゾル吐出量が多くなり、成膜効率が低下する。

本発明のエアロゾル吐出ノズルおよび被膜形成装置において使用できる微粒子としては被膜形成可能なものであればよく、主にセラミックス微粒子が挙げられる。セラミックス微粒子としては、例えば、アルミナ、ジルコニア、チタニア等の酸化物、炭化ケイ素、窒化ケイ素等の微粒子が挙げられる。これらの中で、それぞれのセラミックスの高純度グレードにおいて、真比重が小さい方がエアロゾル化しやすいことから、アルミナ微粒子が好ましい。
セラミックス微粒子以外でも、シリコン、ゲルマニウムなどのへき開性の強い脆性材料の微粒子を使用することも可能である。

本発明のエアロゾル吐出ノズルおよび被膜形成装置において使用する微粒子の平均粒子径は、0.1μm〜2μm であることが好ましい。0.1μm 未満では凝集しやすくエアロゾル化は困難であり、2μm をこえるとＡＤ法での膜形成はできない（膜成長しない）。なお、本発明において平均粒子径は日機装株式会社製：レーザー式粒度分析計マイクロトラックＭＴ３０００によって測定した値である。
また、被膜形成を良好に行なうため、基材への衝突時に微粒子が容易に粉砕するように、ボールミル、ジェットミル等の粉砕機を用いて微粒子にクラックを予め形成しておくことが好ましい。

本発明の一実施例に係る被膜形成装置を図２に基づいて説明する。図２は平板基材上にセラミックス被膜を形成する場合の被膜形成装置を示す図である。
図２に示すように、ＡＤ法による被膜形成装置３は、エアロゾル発生装置４と、真空チャンバー５を有する。真空チャンバー５内には、セラミックス被膜形成対象である基材６と、エアロゾル吐出ノズル１とが配設されている。真空チャンバー５の内部は真空ポンプ７によって減圧されるとともに、セラミックス微粒子の混入を防止するため、真空ポンプ７の直前に微粒子フィルター８が設けられている。基材６は、真空チャンバー５内において、ＸＹテーブル９上に固定され軸方向に移動させられる（図中Ａ）。

内部にセラミックス微粒子を有するエアロゾル発生装置４は、外部にガス供給設備１０を備え、ガス供給設備１０から供給される搬送ガスによってセラミックス微粒子と搬送ガスとからなるエアロゾルが形成され、搬送ガスの流れと真空ポンプ７の吸引とによりエアロゾルは真空チャンバー５内のエアロゾル吐出ノズル１に供給される。エアロゾルの搬送ガスとしては、不活性ガスを使用する。使用可能な不活性ガスとしては、アルゴン、窒素、ヘリウム等が挙げられる。
なお、以上の構成において、エアロゾル吐出ノズル以外のエアロゾル発生装置等については、ＡＤ法において通常使用される任意の装置・部品等を利用できる。

エアロゾル吐出ノズル１の先端部は、図１に示す構造であり、矩形形状の吐出開口部１ａから基材表面に向けてセラミックス微粒子を含むエアロゾルを吐出する。速度が遅い流速成分の微粒子が、逃がし穴１ｃから吐出され成膜から選択的に除外される。この結果、基材６上に緻密で均一なセラミックス被膜を形成できる。
またエアロゾル吐出ノズル１の外部に、付加構造を設けずエアロゾル吐出ノズル１自体に逃がし穴１ｃを設けた簡易な構造であるので、長時間の成膜において付加構造の損傷等による成膜性能の低下のおそれがない。また、微粒子材料や基材材質に応じて、衝突する微粒子の衝撃力を大きくするためにエアロゾル吐出ノズル１と基材６との間隔を任意に狭くすることができる。
なお、逃がし穴１ｃから吐出されるセラミックス微粒子は、逃がし穴１ｃを基材６に対して傾斜させて基材に衝突させないように吐出させる。

本発明の被膜形成装置においてエアロゾル吐出ノズル１は、１本であっても複数本であってもよい。また、エアロゾル吐出ノズル１は、真空チャンバー５内で変位可能に構成してもよい。
エアロゾル吐出ノズル１からエアロゾルを吐出しつつ、基材６をＸＹテーブル９により水平方向に移動させて、または、エアロゾル吐出ノズル１を移動させて、基材６上に所望の形状・厚さの被膜を形成する。

図２に示す被膜形成装置３を用い、基材６（ＳＵＪ２製、30 mm×30 mm×2 mm （鏡面仕上げ））に表面にアルミナ微粒子からなる被膜をＡＤ法により形成した。エアロゾル吐出ノズル１としては、吐出開口部サイズ 長辺 9 mm× 1 mm 、逃がし穴幅ｔ 1.5 mm、傾斜角度α ＝35 度（図１参照）を用いた。
ＡＤ法は、真空チャンバー５内において 100 Pa 以下の減圧下で、固定したエアロゾル吐出ノズル１の吐出開口部１ａからアルミナ微粒子を含むエアロゾルを、基材６に向けて吐出して被膜形成を行なった。基材６は 10 mm/分の速度でストローク 15 mm で往復動させて 10 分間成膜した。
アルミナ微粒子は、大明化学工業社製：タイミクロンＴＭ-ＤＡＲを用い、平均粒子径 0.16μm で、10 Pa 以下の減圧下、加熱乾燥処理して使用した。なお、搬送ガスにはヘリウムを用い、粒子速度は搬送ガス流量で制御した。

成膜した基材をエタノール溶液で超音波洗浄後、断面観察したところ緻密かつ透明で滑らかな表面を有するαアルミナ被膜が 4μm の厚さで形成していた。

本発明のエアロゾル吐出ノズルを備えた被膜形成装置は、長時間にわたり安定して緻密で均一な被膜を形成可能であるので、各種産業部品等へのセラミックス被膜形成等に好適に利用できる。

本発明のエアロゾル吐出ノズルの先端部を示す図である。 本発明の被膜形成装置の一実施例を示す図である。 従来のエアロゾル吐出ノズルの先端部を示す図である。

符号の説明

１ エアロゾル吐出ノズル
１ａ 吐出開口部
１ｃ 逃がし穴
２ エアロゾル吐出ノズル
３ 被膜形成装置
４ エアロゾル発生装置
５ 真空チャンバー
６ 基材
７ 真空ポンプ
８ 微粒子フィルター
９ ＸＹテーブル
１０ ガス供給設備

Claims (5)

1. 微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材の成膜部に向けて吐出するための矩形形状の吐出開口部を有するエアロゾル吐出ノズルであって、
   該エアロゾル吐出ノズルは、前記吐出開口部長辺の両端部に、該ノズル内において前記吐出開口部長辺の両端側を通過する前記微粒子を前記成膜部に向かない方向に変向して吐出させる逃がし穴を有することを特徴とするエアロゾル吐出ノズル。
2. 前記微粒子はセラミックス微粒子であり、平均粒子径が 0.1μm 〜 2μm であることを特徴とする請求項１記載のエアロゾル吐出ノズル。
3. 前記セラミックス微粒子は、アルミナ微粒子であることを特徴とする請求項２記載のエアロゾル吐出ノズル。
4. 前記ガスは、アルゴン、窒素またはヘリウムを含む不活性ガスであることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載のエアロゾル吐出ノズル。
5. 微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを、真空チャンバー内でエアロゾル吐出ノズルから基材上に吐出し衝突させて成膜を行なう被膜形成装置であって、
   前記エアロゾル吐出ノズルが、請求項１ないし請求項４のいずれか一項記載のエアロゾル吐出ノズルであることを特徴とする被膜形成装置。

Images