JPS6320483A - 超微粒子による多層膜の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野］ 未発用は、微粒子の基体への吹き付けに利用される微粒
子の吹き付け加工装置に関するもので、例えば、微粒子
による、成膜加工、複合素材の形成、ドープ加工、また
は微粒子の新たな形成場等への応用が期待されるもので
ある。

本明細書において、微粒子とは、原子、分子、超微粒子
及び一般微粒子をいう、ここで超微粒子とは、例えば、
気相反応を利用した、ガス中蒸発法、プラズマ蒸発法、
気相化学反応法、更には液相反応を利用した、コロイド
学的な沈殿法、溶液噴霧熱分解法等によって得られる、
超微細な（−般には０．５終鳳以下）粒子をいう、一般
微粒子とは、機械的粉砕や析出沈殿処理等の一般的手法
によって得られる微細粒子をいう、また、ビームとは、
流れ方向に断面積がほぼ一定の噴流のことをいい、その
断面形状は問わないものである。

［従来の技術］ 従来、微粒子を基体へ吹き付ける場合においては、ノズ
ルを介して微粒子を噴出させることが行われている。し
かし、この微粒子の吹き付けに用いられているノズルは
、単なる平行管又は先細ノズルに過ぎない、また、微粒
子を基体へ吹き付けて成膜加工等を行った場合に、同じ
系内で当該膜に更に外部エネルギー付与による加工を行
えるものはない。

また、吹き付けたい材ネ゛１によっては不安定なものが
あり、装置を変えることが困難で、吹き付けをできない
ものもある。

材ネ１の吹き付けられた後の状態によっては、次の材料
を吹きつけるまでに加熱、加圧、表面処理等の過程を経
ねばならないものもある。この場合、各工程によって装
置を変えねばならなくなる。

［発明が解決しようとする問題点］ 微粒子を吹き付ける場合、中なる平行管又は先細ノズル
では、噴出する微粒子の流れは、音速を越えて噴出する
ことはなく、またノズルの出口面で拡散されるので、単
に一時的に流路を絞っただけのものに過ぎず、微粒子が
広い範囲に亘って拡散してしまうことを防止することは
できない。

従って、例えば、同じ基体へ異なる微粒子を層状に吹き
付ける場合等においては、微粒子同志の混り合いを防止
するために、−層毎に装置を変えて行わなければならず
、操作が繁雑となる。また、装置に基体を出し入れする
ことによって、得られる積層体の品質も低下しやすい問
題もある。

［問題点を解決するための手段］ 上記問題点を解決するために講じられた１段を、本−：
Ｑ　ＩＩに係る一実施例の説明図である第１図で説明す
ると、縮小拡大ノズルｌを介して微粒子を移動する可使
な基体３へ向けて噴出する上流室２を複数個設けると共
に、基体３に外部エネ」レギーを付４するエネルギー付
与手段４ａ、４ｂ。

４Ｃ・・・・・・を設けた微粒子の吹き付け加工装置と
し、吹き付けられる基体３に、例えば加熱、加圧、光等
の外部エネルギーを付与することにより、成膜された膜
の加工工程を同一系内で行なえるようにすることにより
上記問題点を解決したものである。

本発明における縮小拡大ノズルｌとは、第３図に明示さ
れるように、流入口１ａかも中間部に向って徐々に開口
面積が絞られてのど部１ｂとなり、こののど部１ｂから
流出口１ｃに向って徐々に開口面積が拡大されているノ
ズルをいう。

［作　用］ 縮小拡大ノズル１は、その上流側の圧力Ｐ０と下流側の
圧力Ｐの圧力比Ｐ／ＰＧと、のど部１ｂの開口面ａＡ・
と流出口１ｃの開口面ｊ！ＩＡとの比Ａ／Ａ−とを調節
することによって、噴出する微粒子の流れを高速化でき
る。そして、上流側と下流側の圧力比Ｐ／Ｐ。

が臨界圧力比より大きければ、縮小拡大ノズル１の出口
流速が亜音速以下の流れとなり、微粒子は減速噴出され
る。また、上記圧力比が臨界圧力比以下であれば、縮小
拡大ノズルｌの出口流速は超音速流となり、微粒子を超
音速にて噴出させることができる。

ここで、微粒子流の速度をＵ、その点における音速をａ
、微粒子流の比熱比をγとし、微粒子流を圧縮性の一次
元流で断熱膨張すると仮定すれば、微粒子流の到達マツ
ハ数Ｍは、上流側の圧力Ｐｏと下流側の圧力Ｐとから次
式で定まり、特にＰ／Ｐ、が臨界圧力比以下の場合、Ｍ
は１以上となる。

尚、音速ａは局所温度をＴ、気体定数をＲとすると、次
式で求めることができる。

ａ＝ｒ７１］１ また、流出口１ｃの開口面ＱＡ及びのど部１ｂの開口面
積Ａψとマツハ数Ｍには次の関係がある。

従って、上流側の圧力ＰＧと下流側の圧力Ｐの圧力比Ｐ
／Ｐ、によって（１）式から定まるマツハ数Ｍに応じて
開口面積比Ａ／Ａ・を定めたり、Ａ／Ａ”によって（２
）式から定まるＭに応じてＰ／ＰＧを調整することによ
って、拡大縮小ノズル１から噴出する微粒子流を適正膨
張流として噴出させることができる。

このときの微粒子流の速度Ｕは、次の（３）式によって
求めることができる。

上述のような超音速の適正膨張流として微粒子を一定方
向へ噴出させると、微粒子流は噴出直後の噴流断面をほ
ぼ保ちながら直進し、ビーム化される。従って、この微
粒子の流れもビーム化され、最小限の拡散で下流側内の
空間中を、′Ｆ′流側の壁面との干渉のない空間的に独
立状態で、かつ超音速で移送されることになる。

このように、微粒子がビーム化移送され、移送中の分散
が最小限に抑えられるので、例え複数の縮小拡大ノズル
１から同時に異なる微粒子を噴化させても、これらが互
に混り合うことがほとんどない。

一方、本発明においては、基体３が移動可ｍで、かつ各
縮小拡大ノズルｌがこの基体ｌの移動方向に沿って位置
しているので、各縮小拡大ノズルｌから異なる微粒子を
噴出させると共に基体３を移動させるだけで、異なる微
粒子の積層状態を作り出すことが可１屯である。

また、噴出によって付着させる位こより前、またはその
位置、もしくはその後と、基体３の移動方向による違っ
た位置で外部エネルギーを付与して基体３への微粒子の
付着の状態、付着物表面の改質等を可悌とすることがで
きる。

［実施例］ 第１図は本発明を成膜装置に利用した場合の一実施例の
概略図で、図中１は縮小拡大ノズル、２は上流室、３は
基体、５は調整室、６は下流室である。

下流室６は円筒形を成しており、その岡囲には、各々調
整室５を介して、縮小拡大ノズルｌを有する３個の上流
室２が連結されている。各縮小拡大ノズルｌは、各々下
流室６内の基体３へと向けられており、上流室２と調整
室５を連通させているものである。

下流室６内の基体３は、帯状を成していて、回転ローラ
ー７から送り出されつつ、前方に位置する支持ローラー
８、支持ローラー９、支持加熱ローラー１Ｏ１一対の加
圧ローラー１１、一対の加圧ローラー１２を経て巻取り
ローラー１３へ巻き取られるものである。上記縮小拡大
ノズル１は、この回転ローラー７から巻取りローラー１
３間を移動する基体３の移動方向に沿って並んでいるも
ので、各ローラー８〜１２に導かれて移動する基体３へ
と向けられている。各ローラー８〜１２は、縮小拡大ノ
ズル１による微粒子の吹き付け力を基体３の裏面から支
えたり、圧力、熱等の外部エネルギー付与の手段となっ
ている。

回転ローラー７と支持ローラー８の間には、加熱用の赤
外線を照射する赤外線ランプがエネルギー付与手段４ａ
として設けられており、支持ローラー８と支持ローラー
９の間には、短波長の光を照射する水銀ランプがエネル
ギー付与手段４ｂとして設けられている。また、支持加
熱ローラー１０は、基体３がそこを通過する際に加熱す
るもので、エネルギー付与手段４Ｃを兼ねるものとなっ
ている。尚、１４は、支持ローラー９と支持加熱ローラ
ー１０間の基体３へ、エネルギー付与手段４ｂから光が
照射されるのを防ぐ遮板である。

−上流室２と調整室５内は、ポンプ１５ａにより、調圧
バルブｌｅａ、　１８ｂを介して排気され、これによっ
て縮小拡大ノズルｌの上流側と下流側の圧力を調整でき
るようになっている。調整室５は、この圧力調整をしや
すくするためのもので、下流室６には、縮小拡大ノズル
１からの噴出流を変化させずに通過させ得る範囲のでき
るだけ小さな開口をもって連通させておくことが好まし
い、この調整室５を省略して、縮小拡大ノズルｌを直接
下流室６に連結して装置の簡略化を図ってもよい。

下流室６内は、ポンプ１５ｂで排気できるようになって
おり、これによって下流室６内の余剰ガスや反応生成物
を直に系外へ排出できるようになっている。

上流室２には、導波管１７を介してマイクロ波発生装置
１８が連結されている一方、供給バルブ１３ａ。

１９ｂを介して非成膜ガスと成膜ガスが供給できるよう
になっている。非成膜ガスと共にマイクロ波を供給する
ことによってプラズマを発生させ、このプラズマと成膜
ガスを接触させることによって、成膜ガスを活性化させ
た上で縮小拡大ノズル１から噴出させるものである。こ
こで非成膜ガスとは、例えばＮ２．　Ｎ２．　Ａｒ、　
Ｎｅ等のように、それ自体では成Ｐ！２　ｆＥを生じな
いガスをいう、また成膜ガスとは、活性化することによ
って成膜能を生じるガスで、例えばジシランガス等をい
う。

活性化された成膜ガスは、縮小拡大ノズル１から噴出さ
れて、基体３上へと吹き付けられる。このとき基体３を
移動させておくことにより、３つの縮小拡大ノズルｌか
ら噴出される異なる材料を三層の層状に積層することが
できる。また、基体３を往復移動させれば、六層、六層
・・・・・・と重ねることができる。ａ層は、所望の成
膜材料層とそのバインダー層の交互のａ層や、ドナー層
と７クセブタ一層を交互積層したヘテロ積層とすること
もできる。

基体３への外部エネルギー付与としては、熱や光、圧力
等をかけることができ、各層を形成する直前、または直
後にエネルギー付与を行ない、各層の形成を行ないやす
くしたり、安定化などの効果を出すことができる。これ
により、上記積層も容易に形成できる。

更に第２図によって上流室２及び調整室５について説明
する。

上流室２内には、縮小拡大ノズルｌと相対向する位こに
開口部２０を有する空語共振器２１が設けられている。

空胴共振器２１の後面には、例えば石英板等のマイクロ
波を透過させることのできる材料で構成されたマイクロ
波導入窓２２が設けられていて、そこに連結された導波
管１７からマイクロ波を導入できるようになっている。

また、空胴共振器２１の後面からは、供給バルブ１９ａ
を介して非成膜ガスが供給されるものである。

非成膜ガスを供給しつつマイクロ波を導入すると、空胴
共振器２１内にプラズマが発生する。このプラズマは、
開口部２０から、磁石２３によって縮小拡大ノズル１方
向へと引き出される。空胴共振器２１は、プラズマを効
率良く発生させることができるよう、電子サイクロトロ
ン共鳴（ＥＣＲ）条件を満すものであることが好ましい
、また、磁石２３は省略することもできる。

一方、縮小拡大ノズルｌの直前には、供給バルブ１９ｂ
に連結された環状の供給管２４が設けられており、この
供給管２４に設けられた小孔より成膜ガスが供給されて
プラズマと接触されるようになっている。一方、上流室
２と調整室５は、調圧パルプ１８ａ、　１８ｂを介して
、上流室２側の圧力が高くなるよう排気されているもの
で、プラズマと接触して活性化した成膜ガスは、直に縮
小拡大ノズル１から噴出されるものである。

縮小拡大ノズルｌは、その流入口１ａを上流室２に開口
させ、流出口１ｂを調整室５に開口させているものであ
る。

縮小拡大ノズル１としては、前述のように、流入口１ａ
から徐々に開口面積が絞られてのど部１ｂとなり、再び
徐々に開口面積が拡大して流出口１ｃとなっているもの
であればよいが、第３図（ａ）に拡大して示しであるよ
うに、流出口ＩＣ位８で内周面が中心軸に対してほぼ平
行になっていることが好ましい、これは、噴出される流
れの方向が、ある程度流出口１ｃ内周面の方向によって
影響を受けるので、できるだけ平行流にさせやすくする
ためである。しかし、第３図（ｂ）に示されるように、
のど部１ｂから流出口１ｃへ至る内周面の中心軸に対す
る角度αを、７°以下好ましくは５°以下とすれば、剥
離現象を生じにくく、噴出する流れはほぼ均一に維持さ
れるので、この場合はことさら上記のように平行にしな
くともよい、平行部の形成を省略することにより、縮小
拡大ノズル１の作製が容易となる。また、縮小拡大ノズ
ル１を第３図（Ｃ）に示されるような矩形のものとすれ
ば、スリット状に噴出させることができる。

ここで、前記剥離現象とは縮小拡大ノズル１の内面に突
起物等があった場合に、縮小拡大ノズル１の内面と流過
流体間の境界層が大きくなって、流れが不均一になる現
象をいい、噴出流が高速になるほど生じやすい、前述の
角度αは、この剥離現象防止のために、縮小拡大ノズル
１の内面仕上げ精度が劣るものほど小さくすることが好
ましい、１１ｉｌ小拡大ノズル１の内面は、ＪＩＳ　８
０８０１に定められる、表面仕上げ精度を表わす逆三角
形マークで三つ以上、最適には四つ以上が好ましい、特
に、縮小拡大ノズル１の拡大部における剥離現象が、そ
の後のの流れ状態に大きく影響するので、上記仕上げ精
度を、この拡大部を重点にして定めることによって、縮
小拡大ノズルｌの作製を容易にできる。また、やはり剥
離現象の発生防止のため、のど部１ｂは滑らかな湾曲面
とし、断面積変化率における微係数が■とならないよう
にする必要がある。

縮小拡大ノズル１の材質としては、例えば鉄、ステンレ
ススチールその他の金属の他、アクリル樹脂、ポリ塩化
ビニル、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン
等の合成樹脂、セラミック材料、石英、ガラス等、広く
用いることができる。この材質の選択は、流過成分との
非反応性、加工性、真空系内におけるガス放出性等を考
慮して行えばよい、また、縮小拡大ノズルｌの内面に、
膜の付着・反応を生じにくい材料をメッキ又はコートす
ることもできる。具体例としては、ポリフッ化エチレン
のコート等を挙げることができる。

縮小拡大ノズル１の長さは、装置の大きさ等によって任
意に定めることができる。ところで、縮小拡大ノズルｌ
を流過するときに、流れは、保有する熱エネルギーが運
動エネルギーに変換される。そして、特に超音速で噴出
される場合、熱エネルギーは著しく小さくなって過冷却
状態とすることもできる。流れの中に凝縮成分が含まれ
ている場合、上記冷却状態によって積極的にこれらを凝
縮させ、これによって微粒子を形成させることも可能で
ある。また、この場合、十分な凝縮を行うために、縮小
拡大ノズルｌは長い方が好ましい、一方、上記のような
凝縮を生ずると、これによって熱エネルギーが増加して
速度エネルギーは低下する。従って、高速噴出の維持を
図る上では、縮小拡大ノズルｌは短い方が好ましい。

上流側である上流室２の圧力ＰＧと下流側である調整室
５の圧力Ｐの圧力比Ｐ／ＰＧと、のど部１ｂの開口面積
Ａ°と流出口１ｃの開口面積との比Ａ／Ａ”との関係を
適宜に調整して、上記縮小拡大ノズル１内を流過させる
ことにより、流れはビーム化され、調整室５から下流室
６へと超高速で流れることになる。そして、ビーム化さ
れた流れとして成膜成分が基体３へと吹き付けられて成
膜されることになる。

本実施例では、空胴共振器２１によってプラズマを発生
させているが、第４図に示されるように、これに代えて
スロットアンテナ２５を、導波管１７にマイクロ波導入
窓２２を介して連結したり、第５図に示されるように、
ホーンアンテナ２Ｂを連結することもできる。これらの
場合にも、その出口付近に磁石を設けて、発生するプラ
ズマを効率的に引き出せるようにしてもよい、スロット
アンテナ２５やホーンアンテナ２６を介してマイクロ波
を導入するようにすれば、これらの長さは自由に調整で
きるので、プラズマをより縮小拡大ノズルｌに近い位置
で取出しやすくなる。

第６図は上流室２自体を空胴共振器２１に設計して縮小
拡大ノズルｌを直接付けたものであり、寿命の短い反応
生成物や積層過程に必要な物質には特に有効である。な
おこの時、成膜ガスと非成膜ガスをあらかじめ混合して
供給バルブ１９ａを介して供給しても良い。

本実施例においては、成膜ガスの活性化や上流室２内で
の反応に、マイクロ波によるプラズマを用いているが、
光、熱、マイクロ波以外の？ｆｔｒａ波によるプラズマ
や、Ｘ線、電子線を含む放射線等によるものでも良い。

また、本実施例では、基体３は帯状で１回転ローラー７
と巻取りローラー１３の巻き取り及び巻き戻しによって
移動されるが、基体３を、回転するドラム状としたり、
直線移動する平板状として、この移動方向に上流室２の
縮小拡大ノズルｌを並べてもよい、更に、上流室２は、
２又は４以上とすることもできる。

下流室６内において、例えば加圧ローラー１２を利用し
てラミネート材を供給することにより、ラミネートプロ
セスを設けることも可能である。

［発明の効果］ 本発明によれば、例えば異種材料の積層成膜等を効率的
に、しかも−台の装置内で行えるので、このような良質
の積層膜を量産することができるものである。

【図面の簡単な説明】

＠１図は本発明を成Ｐｆ２’Ａ　２２に利用した場合の
一実施例を示す概略図、第２図はその上流室と調整室部
分の拡大図、第３図（ａ）〜（ｃ）は各々縮小拡大ノズ
ルの形状例を示す図、第４図、第５図及び第６図は各々
他の上流室の例を示す図である。 １：縮小拡大ノズル、１ａ：流入口、 ｌｂ：のど部、ｌｃ：流出口、２二上流室、３：基体、
４ａ　、４ｂ　、４ｃｍ・：ｘネルギー付与手段、５：
調整室、６：下流室、 ７：回転ローラー、８．９＝支持ローラー、１０：支持
ローラー、１１．１２：加圧ローラー、１３：巻取りロ
ーラー、１４：３ｇ板、１５ａ、　１５ｂ：ポンプ、ｌ
ｅａ、　１８ｂ：調圧バルブ、１７：導波管、１８：マ
イクロ波発生装置、１９ａ、　１９ｂ：供給バルブ、２
０：開口部、２１：空胴共振器、２２：マイクロ波導入
窓、２３：磁石、２４：供給管、 ２５ニスロツトアンテナ、２６：ホーンアンテナ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）縮小拡大ノズルを介して微粒子を移動可能な基本へ
   向けて噴出する上流室を複数個設けると共に、基体に外
   部エネルギーを付与するエネルギー付与手段を設けたこ
   とを特徴とする微粒子の吹き付け加工装置。