粒子群、複合構造物形成方法、および形成システム
【課題】本発明は、エアロゾル中の微粒子濃度をより安定させることができ、かつ安定した状態を長時間にわたり維持することができる粒子群、複合構造物形成方法、および形成システムを提供する。
【解決手段】エアロゾルデポジション法に用いる粒子群であって、前記粒子群は、複数の脆性材料微粒子を含む微粒子を固めた集合体であり、前記粒子群のスパチュラ角が４６．２°以下であること、を特徴とする粒子群が提供される。
【解決手段】エアロゾルデポジション法に用いる粒子群であって、前記粒子群は、複数の脆性材料微粒子を含む微粒子を固めた集合体であり、前記粒子群のスパチュラ角が４６．２°以下であること、を特徴とする粒子群が提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子群、複合構造物形成方法、および形成システムに関し、より詳細には、脆性材料の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に吹き付け、微粒子の構成材料からなる構造物を基材上に形成させるエアロゾルデポジション法に用いる粒子群、複合構造物の形成方法および形成システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
基材の表面に脆性材料からなる構造物を形成させる方法として、「エアロゾルデポジション法」がある（例えば、特許文献１〜３）。これは、脆性材料を含む微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを吐出口から基材に向けて噴射し、金属やガラス、セラミックスやプラスチックなどの基材に微粒子を衝突させ、この衝突の衝撃により脆性材料微粒子に変形や破砕を起させしめてこれらを接合させ、基材上に微粒子の構成材料からなる膜状構造物をダイレクトに形成させる方法である。この方法によれば、特に加熱手段などを必要とせず、常温で膜状構造物の形成が可能であり、焼成体と比較して同等以上の機械的強度を有する膜状構造物を得ることができる。また、微粒子を衝突させる条件や微粒子の形状、組成などを制御することにより、構造物の密度や機械強度、電気特性などを多様に変化させることが可能である。
【０００３】
このエアロゾルデポジション法において大面積の膜状構造物の形成を実施する場合、微粒子を所定時間供給し続けることが必要となる。特に、膜厚精度が要求される場合においては、微粒子の供給量が常に安定していることが望まれる。
【０００４】
しかし、特許文献１のように、原料となる微粒子が収容される収容機構内でエアロゾル化をさせるようにすると、エアロゾル化させるための容積を稼ぐために収容機構の容積を微粒子の体積よりはるかに大きくする必要があり、大規模な装置が必要となるおそれがある。また、大量の微粒子を収容した場合には、時間の経過とともに微粒子の状態が変化するなどのおそれがあり、エアロゾルの安定供給に課題を有していた。
【０００５】
そこで、特許文献２や３に開示をされているように、微粒子を収容する収容機構と、微粒子をガスと混合してエアロゾル化させるエアロゾル化機構とを分離し、収容機構からエアロゾル化機構に微粒子を必要量ずつ搬送する技術が提案されている。
【０００６】
しかし、一次粒子としてサブミクロン以下の微粒子を用いる場合、粘性、付着性が強いため、収容機構内部や収容機構からエアロゾル化機構へ搬送する過程において壁面への付着やスタックなどの問題が発生しやすく、確実な搬送を実現することが困難となるおそれがある。例えば、収容機構内部での微粒子の攪拌や移動によって微粒子が凝集しやすくなり、その流動性が変化する。そして、ついには収容機構内部でスタックが生じ、このスタックが生じるとエアロゾル化機構への粉体の移動が妨げられるので、供給量の定量性が失われる。また、収容機構内部で付着が発生すると、計画通りの粉体使用量が達成できないといった弊害が生ずるおそれもある。
【０００７】
また、収容機構から搬出される際に、微粒子または所定の大きさや形状に分割される微粒子の集団の形状や密度が不均一となる場合、所定の解砕能力を有するエアロゾル化機構を用いたとしても、終始安定した微粒子濃度のエアロゾルを発生させることが困難となるおそれがある。また、搬送の過程において、所定の大きさや形状に分割された微粒子の集団の形状や密度が変化した場合にも、エアロゾルの微粒子濃度を正確に制御することが困難となるおそれがある。
【特許文献１】特許第３３４８１５４号公報
【特許文献２】特開２００６−２０００１３号公報
【特許文献３】特開２００６−２３３３３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、エアロゾル中の微粒子濃度をより安定させることができ、かつ安定した状態を長時間にわたり維持することができる粒子群、複合構造物形成方法、および形成システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様によれば、エアロゾルデポジション法に用いる粒子群であって、前記粒子群は、複数の脆性材料微粒子を含む微粒子を固めた集合体であり、前記粒子群のスパチュラ角が４６．２°以下であること、を特徴とする粒子群が提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、エアロゾルデポジション法に用いる粒子群であって、前記粒子群は複数の微粒子を含み、前記微粒子の平均粒径が０．１マイクロメータ以上１０マイクロメータ以下、前記粒子群の平均粒子径が１０マイクロメータ以上５００マイクロメータ以下、前記粒子群のスパチュラ角が４６．２°以下であること、を特徴とする粒子群が提供される。
【００１０】
また、本発明の他の一態様によれば、収容機構に収容された上記の粒子群を前記収容機構から搬出してガス供給機構から供給されたガスとともにエアロゾル化機構に搬送し、前記搬送された前記粒子群を解砕させてエアロゾルを形成し、前記エアロゾルを基材に向けて噴射することにより前記粒子群の構成材料からなる構造物と前記基材との複合構造物を形成すること、を特徴とする複合構造物形成方法が提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、収容機構に収容された上記の粒子群を前記収容機構から搬出してエアロゾル化機構に搬送し、ガス供給機構から供給されたガスとともに前記搬送された前記粒子群を解砕させてエアロゾルを形成し、前記エアロゾルを基材に向けて噴射することにより前記粒子群の構成材料からなる構造物と前記基材との複合構造物を形成すること、を特徴とする複合構造物形成方法が提供される。
【００１１】
さらにまた、本発明の他の一態様によれば、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て前記微粒子の構成材料からなる構造物と前記基材との複合構造物を形成する複合構造物形成システムであって、上記の粒子群を収容する収容機構と、前記収容機構から前記粒子群を搬出する供給機構と、前記搬出された粒子群に向けてガスを供給するガス供給機構と、前記ガスを混流した前記粒子群に対して衝撃を加えることで複数の微粒子に解砕しエアロゾルを形成させるエアロゾル化機構と、前記エアロゾルを基板上に噴射する吐出口と、を備えることを特徴とする複合構造物形成システムが提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、エアロゾル中の微粒子濃度をより安定させることができ、かつ安定した状態を長時間にわたり維持することができる粒子群、複合構造物形成方法、および形成システムが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施の形態について説明をする前に、まず、本明細書において用いる用語について説明をする。
本明細書において「微粒子」とは、緻密質粒子である場合は、走査型電子顕微鏡などにより同定される平均粒径が０．１マイクロメータ以上１０マイクロメータ以下のものをいう。また、「一次粒子」とは、微粒子の最小単位（一粒）のことをいう。走査型電子顕微鏡での平均粒径の同定においては、観察像中、任意に１００ヶの微粒子を選択し、その長軸と短軸の平均値を採用して、観察した微粒子全ての平均値から算出することができる。前記微粒子中の脆性材料粒子は、エアロゾルデポジション法における構造物形成の主体となるものであり、一次粒子の平均粒径は０．０１マイクロメータ以上、１０マイクロメータ以下、より望ましくは０．１マイクロメータ以上、５マイクロメータ以下である。
【００１４】
また、「粒子群」とは、複数の脆性材料微粒子を含む微粒子を固めた集合体であって、その形状・密度が意図的に制御されている状態のものをいう。ここで、粒子群の平均粒子径としては、１０マイクロメータ以上５００マイクロメータ以下とすることが好ましい。そして、粒子群の粒径の標準偏差／粒子群の平均粒子径が３３％以内であることが好ましい。
【００１５】
そして、粒子群の中においては、微粒子の殆どが互いに分離したままの状態、または、微粒子が静電気、ファンデルワールス力、水分、微量のバインダー成分による架橋、などによって固められて互いに軽く結合したような状態であることが好ましい。微粒子を意図的に固めることにより、その結合強度、形状、の少なくともいずれかが制御されている。このとき含有される微粒子同士が化学的結合により一次粒子の径より著しく大きく接合固化をしていないことが望ましい。微粒子を固める方法としては、例えば、スプレードライヤー法、パン型造粒機、ポット型造粒機などを用いて製造することができる。固めるにあたりバインダーを加えても良いし、水などを加えても良い。尚、スプレードライヤー法、パン型造粒機、ポット型造粒機などについては既知の技術を用いることができるのでその説明は省略する。
【００１６】
粒子群の平均粒子径及び標準偏差は、例えば、ランダムに選別した１００個の粒子群を光学顕微鏡により径を計測して算出することができる。この場合、粒子群の形状が真球でない場合においては、粒子の投影像の長軸と短軸の平均値を採用して算出することができる。
【００１７】
また、「固気混相流」とは、所定の大きさに制御された前述の粒子群が、ガス流に乗って移動している状態を指す。
【００１８】
また、「凝集体」とは、微粒子の集合体であって、意図的に所定の大きさや形状にされた微粒子の集団でなく、自然発生的に形成され、微粒子が互いに結合した状態をいい、その大きさ、形状や結合の強度についても、制御されていない状態をいうものとする。
【００１９】
また、「エアロゾル」とは、ヘリウムガスやアルゴンガスのような不活性ガス、窒素ガス、酸素ガス、乾燥空気、水素ガス、有機ガス、フッ素ガス、これらを含む混合ガスなどのガス中に前述の微粒子を分散させた状態を指し、一部凝集体を含む場合もあるが、実質的には微粒子が単独で分散している状態をいう。エアロゾルのガス圧力と温度は任意であるが、ガス中の微粒子の濃度は、ガス圧を１気圧、温度を摂氏２０度に換算した場合に、吐出口から噴射される時点において０.０００３ｍＬ／Ｌ〜１０ｍＬ／Ｌの範囲内であることが膜状構造物の形成にとって好ましい。
また、「スタック」とは、容器内や粒子が通過する通路などにおいて、粒子の付着や粒子自体の凝集により粒子の移動が妨げられること、または、そのようになる状態をいう。スタックは、粒子が通過する通路の断面形状が小さくなった場所で発生しやすく、例えば、後述する収容機構の出口、供給機構の入口、搬送路などで発生しやすい。
【００２０】
次に、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明をする。
図１は、本発明の実施の形態にかかる複合構造物形成システムの基本構成を例示するためのブロック図である。すなわち、同図は、エアロゾルデポジション装置の構成を例示するためのブロック図である。
【００２１】
本実施の形態に係るエアロゾルデポジション装置は、収容機構１と、供給機構２と、ガス供給機構３と、エアロゾル化機構４と、吐出口５と、を備えている。
収容機構１の後段には、供給機構２が設置されている。また、供給機構２の後段には、エアロゾル化機構４が設置され、さらにエアロゾル化機構４の後段には、吐出口５が設置されている。そして、ガス供給機構３が、供給機構２に接続されている。
【００２２】
収容機構１には、予め形成された粒子群が収容される。そして、供給機構２は、収容機構１に収容された粒子群を、後段のエアロゾル化機構４に対して粒子群の形状、状態を損なうことなく所定の量供給する。
【００２３】
供給機構２により供給された粒子群はガス供給機構３により供給されたガスと共に固気混相流を形成し（固気混相流発生部）、搬送部（搬送路）を通じてエアロゾル化機構４へと搬送される。搬送された粒子群は、エアロゾル化機構４内で解砕され、微粒子がガス中に分散することでエアロゾルが形成される。エアロゾルは吐出口５より基材７に向けて噴射され、基材７上には膜状構造物６（図５を参照）が形成される。
尚、固気混相流を形成させないで、供給機構２から粒子群を搬送部（搬送路）を通じてエアロゾル化機構４へと搬送し、搬送された粒子群と、ガス供給機構３により供給されたガスとを用いて、エアロゾル化機構４内で粒子群を解砕して、微粒子がガス中に分散したエアロゾルを形成させるようにすることもできる。
ただし、固気混相流を形成させるものとすれば、粒子群を単に搬送するのみならず、エアロゾル化機構４に向けて粒子群を加速させることができるので、エアロゾル化が円滑に行われることになる。
【００２４】
尚、ガス供給機構３は、粒子群を確実にエアロゾル化機構４へと搬送させるために、収容機構１と接続してもよく、エアロゾル中の微粒子濃度を調節するためにエアロゾル化機構４と接続してもよい。
【００２５】
ここで、エアロゾルデポジション法の原理について説明をする。
エアロゾルデポジション法において利用される微粒子は、セラミックスや半導体などの脆性材料を主体とし、同一材質の微粒子を単独であるいは粒径の異なる微粒子を混合させて用いることができるほか、異種の脆性材料微粒子を混合させたり、複合させて用いることも可能である。また、金属材料や有機物材料などの微粒子を脆性材料微粒子に混合させたり、脆性材料微粒子の表面にコーティングさせて用いることも可能である。ただし、これらの場合でも、膜状構造物を形成させる際に主となるものは、脆性材料である。
【００２６】
エアロゾルデポジション法において、微粒子を基材に対して５０〜４５０ｍ／ｓの速度で衝突させるようにすれば、微粒子中の脆性材料微粒子の構成材料からなる構造物を得るのに好適である。
【００２７】
エアロゾルデポジション法のプロセスは、通常は常温で実施され、微粒子材料の融点より十分に低い温度、すなわち摂氏数１００度以下で膜状構造物の形成が可能であるところにひとつの特徴がある。
【００２８】
結晶性の脆性材料微粒子を原料として用いる場合、エアロゾルデポジション法によって形成される複合構造物のうち膜状構造物の部分において、その結晶粒子サイズは原料微粒子のそれに比べて小さい多結晶体となっており、その結晶は実質的に結晶配向性がない場合が多い。また、脆性材料結晶同士の界面には、ガラス層からなる粒界層が実質的に存在しない。また多くの場合、膜状構造物の部分において、基材の表面に食い込む「アンカー層」が形成されている。膜状構造物は、このアンカー層が形成されているため基材に対して極めて高い強度で強固に付着して形成される。
【００２９】
エアロゾルデポジション法により形成される膜状構造物は、微粒子同士が圧力によりパッキングされ物理的な付着で形態を保っている状態のいわゆる「圧粉体」とは明らかに異なり、十分な強度を有している。
【００３０】
この場合、エアロゾルデポジション法において、飛来してきた脆性材料微粒子が基材の上で破砕・変形を起していることは、原料として用いる脆性材料微粒子と、形成された脆性材料構造物の結晶子サイズとをＸ線回折法などで測定することにより確認することができる。
【００３１】
エアロゾルデポジション法で形成された膜状構造物の結晶子サイズは、原料微粒子の結晶子サイズよりも小さい。また、微粒子が破砕や変形をすることで形成される「ずれ面」や「破面」には、もともとの微粒子の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。そして、表面エネルギーが高く活性なこの新生面が、隣接した脆性材料微粒子の表面や同じく隣接した脆性材料の新生面あるいは基材の表面と接合することにより膜状構造物が形成されるものと考えられる。
【００３２】
また、エアロゾル中の微粒子の表面に水酸基がほどよく存在する場合には、微粒子の衝突時に微粒子同士や微粒子と構造物との間に生じる局部のずれ応力などにより、メカノケミカルな酸塩基脱水反応が起き、これら同士が接合するということも考えられる。外部からの連続した機械的衝撃力の付加は、これら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、脆性材料からなる膜状構造物が成長するものと考えられる。
これまでに得られた知見として、微粒子の大きさは平均粒径が０．１マイクロメータ以上、１０マイクロメータ以下の範囲であれば、エアロゾルデポジション法による膜状構造物が得られ、平均粒径が０．１マイクロメータ以下では前記「圧粉体」となる傾向がある。また、１０マイクロメータ以上であれば、基材をブラストする傾向があり、エアロゾルデポジション法に用いる粒子径としては不適当である。
【００３３】
エアロゾル化機構において粒子群を解砕する手法としては、粒子群を壁、突起、回転体などに衝突させることによる機械的衝撃力を利用することが有効である。特に、粒子群をガスと混合させた固気混相流の状態で加速させれば、質量をもった粒子群を慣性力によって壁などに衝突させることが容易となる。この際、解砕エネルギーは、粒子群の質量と速度によって決定されるが、解砕に必要な速度を得るためにはエアロゾル化機構前後の圧力差が必要となる。
【００３４】
ここで、目標とする膜状構造物の厚みや表面粗さなどの品質をより正確にするためには、粒子群の平均粒子径が１０マイクロメータ以上５００マイクロメータ以下に制御されていることが好ましい。微粒子の平均粒径が０．１マイクロメータ以上１０マイクロメータ以下の場合、粒子群の大きさを１０マイクロメータ以上とすると球形により近い粒子群を作りやすいため好適である。また、５００マイクロメータ以下とすることで粒子群を解砕してエアロゾル化させるのに好適である。
更に粒子群の粒径の標準偏差／粒子群の平均粒子径が３３％以内に制御されていることが好ましい。粒子群の粒径が前記範囲とすることで、エアロゾル中の微粒子濃度を安定なものとすることが可能となる。
また、本発明者の得た知見によれば、ガスの種類として、例えば、空気、窒素、酸素のいずれか、或いは前記ガスを主成分とした混合気体を用い、１気圧２５℃換算の場合において、ガスの供給量を搬送路の最小断面積に対して、０．０５Ｌ／（分・ｍｍ2）以上、５０．０Ｌ／（分・ｍｍ2）以下の体積流量とすれば、固気混相流中の粒子群を効率よく加速させることができ、エアロゾル化を確実且つ容易に実施することができる。
ここで、エアロゾルデポジション法において、得られる膜状構造物が大面積にわたって均質で、均一な厚みを持たせるためには、吹き付けるエアロゾル中の微粒子濃度が常に安定していることが必要となる。すなわち、膜の品質・品位を安定させるためには、如何にして安定した微粒子濃度のエアロゾルを形成させるかが、本手法の重要な技術要素となる。
【００３５】
この場合、特許文献１に開示されているような技術では、収容機構に収容された微粒子の状態が時間の経過とともに変化するなどして、安定した微粒子濃度のエアロゾルの発生が困難となるおそれがある。
また、特許文献２や３に開示されているような技術でも、一次粒子としてサブミクロン以下の微粒子を用いる場合、粘性、付着性が強いため、収容機構内部や収容機構からエアロゾル化機構に搬送する過程において壁面への付着やスタックなどの問題が発生しやすく、安定した微粒子濃度のエアロゾルの発生が困難となるおそれがある。
【００３６】
そして、最も安定した微粒子濃度のエアロゾルを形成させることができる特許文献３に開示されている技術でも、収容機構から供給される際、あるいは搬送の過程において、微粒子または所定の大きさや形状に分割される微粒子の集団の形状や密度が不均一となる場合が生じ、瞬間的ではあるが安定した微粒子濃度のエアロゾルを形成させることが困難となるおそれがある。
【００３７】
これに対し、本実施の形態によれば、粘性・付着性の強い微粒子を、予め形状の揃った状態、または結合強度が一定の状態の粒子群とし、そのような状態の粒子群を収容機構に収容することとしている。そして、この粒子群の形状を維持したまま定量的に供給することとしているため、後段に設置されているエアロゾル化機構において、短期的に見ても微粒子濃度が大きく変動することがなく、正確かつ長期間安定した微粒子濃度のエアロゾルを形成させることができる。その結果、吐出口から噴射されるエアロゾル中の微粒子の量を確実に制御することができ、基材上に形成される膜状構造物の膜厚や膜質も確実に制御することができる。
【００３８】
ここで、収容機構内部あるいは搬送の過程において粒子群を安定的、定量的に供給するためには、粒子群の形状が重要となる。
本発明者は検討の結果、スパチュラ角が４６．２°以下となるような粒子群の形状とすれば、収容機構内部や搬送の過程における壁面への付着やスタックなどを抑制することができ、長期間安定した微粒子濃度のエアロゾルを形成させることができるとの知見を得た。
【００３９】
表１は、本発明者が検討をした粒子群のスパチュラ角を例示するための表である。
【表１】
また、図２〜図４は、それぞれのスパチュラ角における搬送の安定性の評価結果を例示するためのグラフ図である。
尚、図２〜図４の図中、実線で示すものは搬送速度（５ｓｅｃ（秒）あたりの搬送量）、破線で表すものは搬送速度の設定値（目標値）、一点鎖線で表すものは累積の搬送量である。
【００４０】
本検討においては、粒子群を形成する微粒子を平均粒子径０．３マイクロメートルの高純度チタン酸バリウムとした。また、スパチュラ角はホソカワミクロン社製パウダーテスター「ＰＴ−Ｒ」を用いて計測した。そして、供給の安定性を評価する手段として、粒子群の供給に振動フィーダーを用いた。尚、供給の安定性の評価は振動フィーダに限定されるわけではなく、例えば、オリフィスやメッシュを通じて落下させるなどで評価することもできる。
【００４１】
図２からは、微粒子が未処理の状態（スパチュラ角が調整されていない状態）では搬送量が安定せず、収容器内でのスタックにより微粒子が供給されない時間帯（図２における１０ｍｉｎ付近）があるなど、安定した供給ができないことがわかる。
【００４２】
一方、図３や図４からわかるように、粒子群のスパチュラ角を４６．２°以下とすれば、搬送量が安定し、スタックも無く目標どおりの安定した供給を達成することができる。
【００４３】
尚、粒子群のスパチュラ角の調整は、転動造粒法、押出し造粒法、圧縮造粒法などの既知の造粒法を用いて粒子群を形成させる際に行うことができるため、その説明は省略する。
【００４４】
図５は、本発明の実施の形態に係る複合構造物形成システム（エアロゾルデポジション装置）の第１の具体例を例示するための模式図である。
尚、図１で説明をしたものと同様の部分には同じ符号を付し説明は省略する。
【００４５】
本具体例においては、構造物形成室８が設けられ、吐出口５の少なくとも先端部分と基材７を支持する支持走査機構１０とが、構造物形成室８の中に配置されている。構造物形成室８の中に搬入された基材７は、支持走査機構１３に内蔵されている、例えば、静電チャックなどで支持される。
【００４６】
構造物形成室８の内部空間は、排気機構９によって減圧状態が維持可能とされている。排気機構９としては、例えば、ロータリーポンプなどを用いることができ、構造物形成室８の内部を大気圧よりも低い減圧雰囲気に維持することができる。
【００４７】
エアロゾル化機構４において生成されたエアロゾルは、吐出口５から基材７に向けて噴射され、基材７上には原料微粒子からなる膜状構造物６が形成される。この時、構造物形成室８内が減圧環境にあるために、エアロゾルは圧力差により加速されて基材７に衝突する。その結果、前述したように強固な膜状構造物を基材７上に形成することができる。
【００４８】
また、構造物形成室８を減圧状態に維持することにより、エアロゾルが基材７に衝突して形成される「新生面」がより長い時間、活性状態を維持することができ、膜状構造物の緻密性や強度を上げることが可能となる。
【００４９】
また、基材７は、支持走査機構１０の上に支持され、ＸＹＺθ方向の少なくともいずれかの方向にその位置を適宜移動させながら膜状構造物６を形成させることができる。すなわち、支持走査機構１０により基材７を適宜走査しつつエアロゾルを吹き付けることで、吐出口５から噴射されるエアロゾルのビームサイズよりも大面積の基材７の表面に膜状構造物６を形成させることができる。
【００５０】
本具体例によれば、所定の形状に調整された粒子群を収容機構１に収納し、その粒子群を供給機構２により確実に供給することで、供給量を容易に定量化することができる。そのため、エアロゾル中の微粒子濃度を一定にすることができる。その結果、吐出口５と基材７とを相対的に走査させることにより大面積の基材７の表面に膜状構造物６を形成させる場合において、エアロゾル中の微粒子濃度を一定に維持することができるので、大面積に亘り膜厚や膜質を均一にすることができる。
【００５１】
図６は、本発明の実施の形態に係る複合構造物形成システム（エアロゾルデポジション装置）の第２の具体例を例示するための模式図である。
尚、図１、図５で説明をしたものと同様の部分には同じ符号を付し説明は省略する。
【００５２】
本具体例においても、収容機構１内部の粒子群が供給機構２によってエアロゾル化機構４に供給される。さらに本具体例においては、図示しない加速手段及び、整流手段を有する吐出口１１を具備し、吐出口１１には支持走査機構１２が接続されている。エアロゾル化機構４において生成されたエアロゾルは、配管１３を介して吐出口１１から基材７ａに向けて噴射される。吐出口１１が有する図示しない加速手段や流路径に差を設けることにより得られるジェット気流、圧縮効果などを利用すればエアロゾルを加速させることができる。
【００５３】
本具体例においては、吐出口１１が支持走査機構１２により支持され、ＸＹＺθの少なくともいずれかの方向に移動可能とされている。基材７ａが立体形状を有している、あるいは膜状構造物６ａを形成させる場所が点在するなどの場合に応じて、吐出口１１と基材７ａ表面との直線距離を保った状態で、吐出口１１を移動させつつエアロゾルを噴射させ、基材７ａ上に大面積に亘り均一な膜状構造物６ａを形成させることができる。尚、この場合、可撓性を有する配管１３を設けるものとすれば、吐出口１１の移動による変位を吸収させることができる。可撓性を有する配管１３としては、例えば、ゴムなどの弾性材料からなる配管や、ベローズ（じゃばら）などの配管を例示することができる。尚、吐出口１１と基材７ａは相対的に移動すればよく、支持走査機構１０をＸＹＺθの少なくともいずれかの方向に移動可能としてもよい。
【００５４】
本具体例においても、所定の形状に調整された粒子群を収容機構１に収納し、その粒子群を供給機構２により確実に供給することで、供給量を容易に定量化することができる。そのため、エアロゾル中の微粒子濃度を一定にすることができる。その結果、吐出口１１と基材７ａとを相対的に走査させることにより、立体形状あるいは膜状構造物６ａを形成させる場所が点在する基材７ａの表面に膜状構造物６ａを形成させる場合においても、エアロゾル中の微粒子濃度を一定に維持することができるので、大面積に亘り膜厚や膜質を均一にすることができる。
【００５５】
図７は、本発明の実施の形態に係る複合構造物形成システム（エアロゾルデポジション装置）の第３の具体例を例示するための模式図である。
尚、図１、図５で説明をしたものと同様の部分には同じ符号を付し説明は省略する。
【００５６】
本具体例においては、吐出口５と基材７との間で、エアロゾル中の微粒子濃度を計量する計量機構１４が設けられている。計量機構１４は、制御機構１５と電気的に接続されている。また、制御機構１５は、後述するフィードバック制御のために、供給機構２、ガス供給機構３、排気機構９とも電気的に接続されている。尚、後述するフィードバック制御のための接続においては、少なくとも供給機構２と電気的に接続されていればよい。
【００５７】
また、計量機構１４は微粒子の量あるいはエアロゾルに含まれる微粒子の濃度を計量可能な場所に設けるようにすることができる。その場合、例えば、図７に示すように、計量機構１４を構造物形成室８の外側または内側に設けるようにしてもよいし、構造物形成室８の内外に設けるようにしてもよい。また、設ける個数についても適宜変更することができる。
本具体例においては、吐出口５から噴射されるエアロゾルに含まれる微粒子の濃度が計量機構１４で計量され、計量された情報が計量機構１４から制御機構１５へと送信される。制御機構１５は、送信されてきた情報に基づいて供給機構２、ガス供給機構３、排気機構９へのフィードバック制御を行う。尚、フィードバック制御は、少なくとも供給機構２に対して行うようにすればよい。
【００５８】
図８は、本実施の形態において用いることができる計量機構を例示する模式図である。 図８に示すように、計量機構１４は、例えば、レーザなどの投光手段１４０２と、その光をモニタする受光手段１４０４などを備えたものとすることができる。この場合、エアロゾルに投光手段１４０２からのレーザを照射し、その透過量をモニタすることにより、エアロゾルに含まれる微粒子の濃度を計量することができる。
【００５９】
尚、図９に例示するように、レーザなどの投光手段１４０２からエアロゾルにレーザを照射し、その反射光をＣＣＤ(Charge Coupled Device)センサなどの受光手段１４０４ａによりモニタしてもよい。
【００６０】
また、図１０に例示するように、供給機構２にロードセルを設け、供給機構２の重量変化を計量することで、供給量を計量することもできる。そして、重量の変化によって振動子の振幅などを変化させるようにすれば、常に一定の重量の粒子群を供給することができる。この場合、重量変化を読み取り易くするために、多段式の供給機構２を設けるようにすれば、より精度の高い供給量の計量とその制御をすることができる。
【００６１】
本具体例においても、所定の形状に調整された粒子群を収容機構１に収納し、その粒子群を供給機構２により確実に供給することで、供給量を容易に定量化することができる。そのため、エアロゾル中の微粒子濃度を一定にすることができる。
また、計量機構１４を設け、制御機構１５により少なくとも供給機構２に対してフィードバック制御をすることで、吐出後のエアロゾルに含まれる微粒子の濃度に揺らぎや経時変化があった場合でも、エアロゾルに含まれる微粒子の濃度を精密に制御することができる。
その結果、エアロゾル中の微粒子濃度を一定に維持することができるので、大面積に亘り膜厚や膜質を均一にすることができる。
以上、本発明の実施の形態に係る複合構造物形成システム（エアロゾルデポジション装置）の全体構成について例示をした。
【００６２】
次に、供給機構２の具体例について例示をする。
図１１は、供給機構２の第１の具体例を例示するための模式図である。
すなわち、図１１は、供給機構２の要部の模式斜視図である。
【００６３】
本具体例においては、粒子群３１が収容された収容機構１の鉛直下方に開口が設けられ、この開口を塞ぐようにローラ２１０が設けられている。ローラ２１０は、その表面に複数の凹部２１２が設けられ、矢印Ａの方向あるいはその反対の方向に回転する。凹部２１２は粒子群３１よりも十分に大きな容積を有している。収容機構１の内部側壁と、ローラ２１０の表面と、の間の隙間はローラ２１０の回転を妨げない範囲で十分に狭くされ、この隙間から粒子群３１がこぼれ落ちないようにされている。尚、収容機構１の内部側壁あるいは開口端に、ゴムなどの弾力性を有するシールを設けてローラ２１０の表面に接触させるようにしてもよい。
【００６４】
収容機構１の中で、粒子群３１はその自重により、ローラ２１０の凹部２１２に充填され、ローラ２１０が回転することにより、収容機構１の外側（下側）に搬出され、凹部２１２が鉛直下方を向くと、粒子群３１は、自重によって落下する。この落下先にエアロゾル化機構４を設けることにより、微粒子の濃度が一定なエアロゾルを形成させることが可能となる。
【００６５】
本具体例においては、凹部２１２に充填された所定量の粒子群３１がローラ２１０の回転に伴って、収容機構１から搬出され、エアロゾル化機構４に向けて落下する。つまり、所定量の粒子群３１を次々に供給することができる。
【００６６】
また、収容機構１の中で、粒子群３１は、その自重によりローラ２１０の凹部２１２に充填されるので、過度に押し固められることはない。つまり、粒子群３１はつぶれることなく搬出されるため、供給機構２から形状の変化した粒子群３１が供給されることを抑制することができる。
またさらに、粒子群３１が凹部２１２の中に過度に押し固められないので、ローラ２１０の回転により凹部２１２が鉛直下方を向いた時に、その中の粒子群３１は、自重により円滑に落下できる。つまり、粒子群３１が凹部２１２の中から落ちにくくなるという問題も抑制することができ、粒子群３１を安定的に供給することができる。そのため、スパチュラ角の調整がされた粒子群３１をそのまま供給することができるので、搬送量が安定し、スタックも無く目標どおりの安定した供給を達成することができる。
【００６７】
図１２は、供給機構２の第２の具体例を例示するための模式図である。
本具体例においても、粒子群３１が収容された収容機構１の鉛直下方に開口が設けられている。そして、この開口を塞ぐようにローラ２２２が設けられている。ローラ２２２の表面には複数の凸部２２４が設けられ、矢印Ａの方向あるいはその反対の方向に回転する。
【００６８】
本具体例においては、ローラ２２２の表面には凸部２２４が設けられているので、ローラ２２２の表面と、収容機構１の内部側壁と、の間には、凸部２２４の高さに対応した隙間が生ずる。ただし、凸部２２４をローラ２２２の表面にある程度、密に設けたり、凸部２２４の形状や配列を適宜調節することにより、収容機構１の下端の開口とローラ２２２の表面との隙間から粒子群３１が連続的にこぼれ落ちることを防止することができる。
【００６９】
そして、ローラ２２２の回転に伴い、収容機構１の中に収容されている粒子群３１が凸部２２４により押し出され、自重により落下してエアロゾル化機構４に供給される。収容機構１に収容されている粒子群３１は、それぞれの凸部２２４により外部に掻き出されるようにして取り出されるので、凸部２２４の形状や頻度、回転数によって粒子群３１の量を制御することができる。
【００７０】
本具体例においては、収容機構１の中で、粒子群３１は、その自重によりローラ２２２の表面に接触し、凸部２２４により外部に押し出されるので、過度に押し固められることはない。つまり、粒子群３１はつぶれることなく搬出されるため、供給機構２から形状の変化した粒子群３１が供給されることを抑制することができる。そのため、スパチュラ角の調整がされた粒子群３１をそのまま供給することができるので、搬送量が安定し、スタックも無く目標どおりの安定した供給を達成することができる。
【００７１】
図１３は、供給機構２の第３の具体例を例示するための模式図である。
本具体例においては、粒子群３１が収容された収容機構１の鉛直下方に略円形の開口が設けられている。そして、この開口にはメッシュ２３０が設けられている。メッシュ２３０は収容機構１の底面に接触しながら、矢印Ａの方向あるいはその反対の方向に回転する。
【００７２】
本具体例においては、メッシュ２３０が回転することにより、粒子群３１がメッシュ２３０の開口を通過して落下する。粒子群３１の落下の量は、メッシュ２３０の開口サイズや回転速度などに応じて変化する。このとき、メッシュの開口サイズの大きさを、粒子群３１の平均粒子径の２倍から７倍の範囲としておけば、メッシュ２３０の静止時に粒子群３１同士をブリッジさせることができるため、不必要な落下を抑制することができる。その結果、メッシュ２３０の回転による粒子群３１の搬送量の制御が容易となる。
【００７３】
本具体例においては、収容機構１の中で、粒子群３１は、その自重によりメッシュ２３０の表面に接触し、開口を通過して外部に落下するので、過度に押し固められることはない。つまり、粒子群３１はつぶれることなく搬出されるため、供給機構２から形状の変化した粒子群３１が供給されることを抑制することができる。そのため、スパチュラ角の調整がされた粒子群３１をそのまま供給することができるので、搬送量が安定し、スタックも無く目標どおりの安定した供給を達成することができる。
【００７４】
またさらに、メッシュ２３０の複数の開口を介して複数の粒子群３１がほぼ同時および連続的に供給される。つまり、エアロゾル化機構４においては、常に多数の粒子群３１が連続的に供給され、粒子群３１の供給量は時間的にみて平均化される。従って、エアロゾル化機構４において、常に一定量の粒子群３１が安定して供給され、一定の微粒子濃度のエアロゾルを安定して発生させることができる。
【００７５】
図１４は、供給機構２の第４の具体例を例示するための模式図である。
本具体例においても、第３の具体例に関して前述したものと同様に、粒子群３１が収容された収容機構１の鉛直下方に円形の開口が設けられている。そして、この開口にはメッシュ２３０が設けられている。メッシュ２３０の上にはブラシ２３２が設置され、メッシュ２３０に接触しながら、矢印Ａの方向あるいはその反対の方向に回転する。そしてさらに、収容機構１には振動子２３４が付設されている。振動子２３４は、収容機構１の壁面などを振動させ、収容機構１に収容されている粒子群３１を円滑にブラシ２３２及びメッシュ２３０に向けて落下供給させる作用を奏する。また、収容機構１の中の粒子群３１に振動を与えることにより、流動性を向上させる効果も得られる。
【００７６】
尚、振動子２３４は、第１〜第３の各具体例についても同様に設けて同様の作用効果を得ることができる。
【００７７】
本具体例においては、ブラシ２３２の回転に伴い、粒子群３１がメッシュ２３０の開口を通過して落下する。粒子群３１の落下の量は、メッシュ２３０の開口サイズと、ブラシ２３２の刷毛の密度や回転速度と、に応じて変化する。このとき、メッシュの開口サイズの大きさを、粒子群３１の平均粒子径の２倍から７倍の範囲としておけば、メッシュ２３０の静止時に粒子群３１同士をブリッジさせることができるため、不必要な落下を抑制することができる。その結果、メッシュ２３０の回転による粒子群３１の搬送量の制御が容易となる。
【００７８】
そして、ブラシ２３２のそれぞれの刷毛の先がメッシュ２３０の開口を通過する動作に応じて粒子群３１が開口から押し出される。つまり、微視的にみると、粒子群３１は軽くメッシュから押し出され、落下してエアロゾル機構４に供給される。つまり、粒子群３１はつぶれることなく搬出されるため、供給機構２から形状の変化した粒子群３１が供給されることを抑制することができる。そのため、スパチュラ角の調整がされた粒子群３１をそのまま供給することができるので、搬送量が安定し、スタックも無く目標どおりの安定した供給を達成することができる。
【００７９】
またさらに、メッシュ２３０の複数の開口を介して複数の粒子群３１がほぼ同時および連続的に供給される。つまり、エアロゾル化機構４においては、常に多数の粒子群３１が連続的に供給され、粒子群３１の供給量は時間的にみて平均化される。従って、エアロゾル化機構４において、常に一定量の粒子群３１が安定して供給され、一定の微粒子濃度のエアロゾルを安定して発生させることができる。
【００８０】
図１５は、供給機構２の第５の具体例を例示するための模式図である。
本具体例においては、粒子群３１が収容された収容機構１の下部には供給路２３５が設けられ、その供給路２３５には振動子２３４が設置されている。収容機構１に収容された粒子群３１は、図示しないオリフィスを通過して所定の量が供給路２３５に供給される。供給路２３５に供給された粒子群３１は、振動子２３４の振動により供給路２３５から搬出される。
【００８１】
本具体例においては、収容機構１の中で、粒子群３１は、その自重により図示しないオリフィスを通過して外部（供給路２３５）に落下するので、過度に押し固められることはない。また、供給路２３５に供給された粒子群３１も振動子２３４の振動により外部に落下するので、粒子群３１の形状が変化することはない。つまり、粒子群３１はその形状が変化することなく供給機構２から外部に供給される。そのため、スパチュラ角の調整がされた粒子群３１をそのまま供給することができるので、搬送量が安定し、スタックも無く目標どおりの安定した供給を達成することができる。
【００８２】
またさらに、複数の粒子群３１がほぼ同時および連続的に供給されることになる。つまり、エアロゾル化機構４においては、常に多数の粒子群３１が連続的に供給され、粒子群３１の供給量は時間的にみて平均化される。従って、エアロゾル化機構４において、常に一定量の粒子群３１が安定して供給され、一定の微粒子濃度のエアロゾルを安定して発生させることができる。
【００８３】
図１６は、供給機構２の第６の具体例を例示するための模式図である。
本具体例においては、粒子群３１が収容された収容機構１の下部に溝が形成された回転盤が配置され、回転盤の回転方向の先にはスクレーパーが配置されている。
【００８４】
回転盤の溝に導入された粒子群３１は、回転盤が回転することで収容機構１より搬出される。そして、溝に導入された粒子群３１はスクレーパーによって掻き出される。
【００８５】
本具体例においては、収容機構１の中で、粒子群３１は、その自重により回転盤の表面に接触し、溝に導入された後スクレーパーによって掻き出されるので、過度に押し固められることはない。つまり、粒子群３１はつぶれることなく搬出されるため、供給機構２から形状の変化した粒子群３１が供給されることを抑制することができる。そのため、スパチュラ角の調整がされた粒子群３１をそのまま供給することができるので、搬送量が安定し、スタックも無く目標どおりの安定した供給を達成することができる。
【００８６】
またさらに、回転盤の複数の溝を介して複数の粒子群３１がほぼ同時および連続的に供給される。つまり、エアロゾル化機構４においては、常に多数の粒子群３１が連続的に供給され、粒子群３１の供給量は時間的にみて平均化される。従って、エアロゾル化機構４において、常に一定量の粒子群３１が安定して供給され、一定の微粒子濃度のエアロゾルを安定して発生させることができる。
【００８７】
図１７は、供給機構２の第７の具体例を例示するための模式図である。
本具体例においては、粒子群３１が収容された収容機構１の下部に、スクリューが設けられ、スクリューの端部にはスクリューを回転させるための図示しないモータが備えられている。また、スクリューをスムーズに回転させるために、スクリューには一定の長さの外壁が設けられており、外壁の両端部は開放されている。スクリューの溝に導入された粒子群３１は、スクリューが回転することで収容機構１より搬出される。このとき、粒子群３１は外壁とのクリアランスで一定量にすりきられて移動し、外壁の端部より一定速度で落下する。
【００８８】
本具体例においては、収容機構１の中で、粒子群３１は、その自重によりスクリューの表面に接触するので、過度に押し固められることはない。つまり、粒子群３１はつぶれることなく搬出されるため、供給機構２から形状の変化した粒子群３１が供給されることを抑制することができる。そのため、スパチュラ角の調整がされた粒子群３１をそのまま供給することができるので、搬送量が安定し、スタックも無く目標どおりの安定した供給を達成することができる。
【００８９】
またさらに、スクリューにより複数の粒子群３１がほぼ同時および連続的に供給される。つまり、エアロゾル化機構４においては、常に多数の粒子群３１が連続的に供給され、粒子群３１の供給量は時間的にみて平均化される。従って、エアロゾル化機構４において、常に一定量の粒子群３１が安定して供給され、一定の微粒子濃度のエアロゾルを安定して発生させることができる。
【００９０】
図１８は、供給機構２の第８の具体例を例示するための模式図である。
本具体例においては、粒子群３１が収容された収容機構１の下部には、オリフィス２３７が設けられ、その下方にはベルトコンベア２３６が地軸に対してほぼ水平に配置されている。
【００９１】
オリフィス２３７によってすりきられた粒子群３１はベルトコンベア２３６の上部に乗って搬出される。ベルトコンベア２３６は一定速度で運転されるため、粒子群３１は所定の長さを移動した後に、ベルトコンベア２３６の端部より一定速度で落下する。
【００９２】
本具体例においては、収容機構１の中で、粒子群３１は、その自重によりオリフィス２３７を通過してベルトコンベア２３６の上に落下するので、過度に押し固められることはない。つまり、粒子群３１はつぶれることなく搬出されるため、供給機構２から形状の変化した粒子群３１が供給されることを抑制することができる。そのため、スパチュラ角の調整がされた粒子群３１をそのまま供給することができるので、搬送量が安定し、スタックも無く目標どおりの安定した供給を達成することができる。
【００９３】
またさらに、ベルトコンベア２３６を介して複数の粒子群３１がほぼ同時および連続的に供給される。つまり、エアロゾル化機構４においては、常に多数の粒子群３１が連続的に供給され、粒子群３１の供給量は時間的にみて平均化される。従って、エアロゾル化機構４において、常に一定量の粒子群３１が安定して供給され、一定の微粒子濃度のエアロゾルを安定して発生させることができる。
【００９４】
図１９は、供給機構２の第９の具体例を例示するための模式図である。
本具体例においては、粒子群３１が収容された収容機構１の下部にオリフィス２３８が設けられ、更にそのオリフィス２３８を開閉するためのシャッター２３９が設けられている。オリフィス２３８の開口形状は粒子群３１の大きさに応じて適宜決定されており、シャッター２３９を開閉することで、粒子群３１の供給と停止をさせることができる。
【００９５】
本具体例においては、収容機構１の中で、粒子群３１は、その自重によりオリフィス２３８を通過して外部に落下するので、過度に押し固められることはない。つまり、粒子群３１はつぶれることなく搬出されるため、供給機構２から形状の変化した粒子群３１が供給されることを抑制することができる。そのため、スパチュラ角の調整がされた粒子群３１をそのまま供給することができるので、搬送量が安定し、スタックも無く目標どおりの安定した供給を達成することができる。
【００９６】
またさらに、オリフィス２３８を介して複数の粒子群３１がほぼ同時および連続的に供給される。つまり、エアロゾル化機構４においては、常に多数の粒子群３１が連続的に供給され、粒子群３１の供給量は時間的にみて平均化される。従って、エアロゾル化機構４において、常に一定量の粒子群３１が安定して供給され、一定の微粒子濃度のエアロゾルを安定して発生させることができる。
【００９７】
次に、エアロゾル化機構４について具体例を例示しながら説明する。
図２０は、エアロゾル化機構の第１の具体例を例示するための模式図である。
エアロゾル化機構４ａには、粒子群３１をガスと共に噴出する供給口１５０２と、その前方に設けられた機械的障壁としての衝撃板１５０４と、排出口１５０５とが設けられている。
【００９８】
供給口１５０２から噴出された粒子群３１は、衝撃板１５０４に衝突した時に、衝撃力を受ける。この衝撃力により、粒子群３１が解砕し、一次粒子３０Ｐ、または数個の一次粒子３０Ｐが凝集した程度の凝集粒３０Ｑを含んだ状態のものがガス中に分散してエアロゾル３２となる。エアロゾル３２はガス流にのって排出口１５０５より排出される。
【００９９】
また、衝撃板１５０４を回転させるようにすれば、粒子群３１の衝突点の運動ベクトルが、エアロゾル３２の噴射の運動ベクトルと略対向するようになるので、粒子群３１に対する衝撃力を増加させることができる。その結果、エアロゾル３２中の微粒子濃度の均質化をより図ることができる。
【０１００】
図２１は、エアロゾル化機構の第２の具体例を例示するための模式図である。
エアロゾル化機構４ｂには、粒子群３１を供給する供給口１５０２と、その前方に設けられた機械的障壁としての衝突板１５０４ａと、排出口１５０５とが設けられている。ガス供給口１５０７は、衝突板１５０４ａに対して略平行となるように設けられ、ガス供給口１５０７の前方には排出口１５０５が設けられている。
【０１０１】
粒子群３１はガス流に乗って供給され、衝突板１５０４ａと衝突することで一次粒子３０Ｐ、または数個の一次粒子３０Ｐが凝集した程度の凝集粒３０Ｑに解砕される。衝突した地点へガス供給口１５０７からガスを噴射することで、衝突板１５０５ａに付着する圧粉体を吹き飛ばすことができ、均一なエアロゾルを発生させることができる。
【０１０２】
図２２は、エアロゾル化機構の第３の具体例を例示するための模式図である。
エアロゾル化機構４ｃには、粒子群３１を供給する供給口１５０２と、その前方に圧力障壁を形成させるためのガス供給口１５０７ａと、排出口１５０５とが設けられている。また、ガス供給口１５０７ａは、排出口１５０５が設けられた管路と略同軸に設けられている。
【０１０３】
粒子群３１はガス流に乗って供給され、ガス供給口１５０７ａにより形成された圧力障壁と衝突する。このとき、粒子群３１には剪断力が働くので、粒子群３１は一次粒子３０Ｐ、または数個の一次粒子３０Ｐが凝集した程度の凝集粒３０Ｑに解砕される。そして、ガス供給口１５０７から噴射されるガスにより、均一なエアロゾルが形成される。
【０１０４】
図２３は、エアロゾル化機構の第４の具体例を例示するための模式図である。
エアロゾル化機構４ｄには、エアロゾルが流れる流路に沿って、流路径の大きい箇所１５０６と小さい箇所１５０８とが交互に設けられている。このようにすると、流路径の小さい箇所１５０８においてはガスが圧縮され、流路径の大きい箇所１５０６においてはガスが膨張する。このような圧縮と膨張とを繰り返すと、エアロゾルに含まれる粒子群３１に剪断力が作用する。この剪断力により、粒子群３１は一次粒子３０Ｐ、または数個の一次粒子３０Ｐが凝集した程度の凝集粒３０Ｑに解砕される。
【０１０５】
尚、流路径の大きい箇所１５０６と小さい箇所１５０８の数は、例示したものに限定されるわけではなく、供給される粒子群３１の大きさなどに応じて適宜変更することができる。
【０１０６】
図２４は、エアロゾル化機構の第５の具体例を例示するための模式図である。
エアロゾル化機構４ｅには、第１のガス供給口１５０７ｂと、第２のガス供給口１５０７ｃとが設けられている。そして、第１のガス供給口１５０７ｂと、第２のガス供給口１５０７ｃとは、その軸線が互いに交差するようにして設けられている。
【０１０７】
そのため、第１のガス供給口１５０７ｂ、第２のガス供給口１５０７ｃから供給された粒子群３１同士を衝突させることができる。この衝突により、粒子群３１は一次粒子３０Ｐ、または数個の一次粒子３０Ｐが凝集した程度の凝集粒３０Ｑに解砕される。尚、本実施の形態によれば、粒子群３１の壁面への衝突が避けられ、不純物が入りにくいという利点がある。
【０１０８】
次に、本発明者が本発明をするに至った過程で行った実験について説明をする。
図２５は、比較実験に用いたエアロゾル発生器を説明するための模式図である。
図２５に示すように、エアロゾル発生器１００には、微粒子３０を収納するための収容部１０１と、収容部１０１にガスを導入するためのガス導入口１０２と、収容部１０１からエアロゾルを導出させるためのエアロゾル導出口１０３と、収容部１０１に水平方向の振動を与えるための振動発生手段１０４と、モータ１０６の出力軸に設けられ回転運動を往復直線運動に変換するクランク１０５と、クランク１０５と振動発生手段１０４とを連結するリンク１０７と、を備えている。
【０１０９】
図示しないガス供給手段からガス導入口１０２を介して収容部１０１内に導入されたガスは、微粒子３０をまき上げるようにしてエアロゾルを形成し、エアロゾル導出口１０３から外部に導出される。また、モータ１０６による回転運動はクランク１０５により往復直線運動に変換され、リンク１０７を介して振動発生手段１０４に伝達される。そのため、振動発生手段１０４が水平方向に往復直線運動をするので、収容部１０１内部の微粒子３０が攪拌されることになる。
【０１１０】
まず、図２５に示したエアロゾル発生器１００を用いた場合と、図１３に例示をした本発明の実施の形態に係る供給機構２を用いた場合におけるエアロゾル中の微粒子濃度（ビーム濃度）の変化を測定した。この際、微粒子は、平均粒子径０．３マイクロメートルの高純度チタン酸バリウムを用いた。また、ガスはヘリウムガスとし、供給量は１４．４L／ｍｉｎとした。
【０１１１】
尚、微粒子濃度はビーム濃度（吐出口より吐出したエアロゾル中の濃度）とし、吐出口より吐出したエアロゾルに対してレーザー光を照射し、散乱光の強度をＣＣＤセンサーで検知してそれを数値化した。
【０１１２】
図２６は、ビーム濃度の変化を例示するためのグラフ図であり、図２６（ａ）は図２５に示したエアロゾル発生器１００を用いた場合、図２６（ｂ）は図１３に例示をした本発明の実施の形態に係る供給機構２を用いた場合である。
図２６（ａ）から分かるように、図２５に示したエアロゾル発生器１００を用いた場合においては、ビーム濃度は安定せず、また、エアロゾル供給量も高く維持することができなかった。これは、エアロゾル発生容器１００内でチタン酸バリウム微粒子が凝集し、エアロゾルが発生しにくい状態へと変化したためである。
【０１１３】
一方、図２６（ｂ）から分かるように、本発明の実施の形態に係る供給機構２を用いた場合においては、高いビーム濃度を長時間にわたり安定して維持することができる。これは、連続的かつ安定的に粒子群がエアロゾル発生機構へ供給されているためであり、また、供給される粒子の状態も終始安定しているためでもある。
【０１１４】
図２７は、本発明の実施の形態に係る供給機構２を用いた場合における膜厚の時間変化を例示するためのグラフ図である。
成膜は、Ｘ方向×Ｙ方向＝２５０ミリメートル×２００ミリメートルの矩形の試料上に行った。そして、吐出口の相対位置をＸ方向においては往復、Ｙ方向においては１方向に走査することで膜状構造物を形成させた。膜厚は、Ｘ方向の中央部の膜厚を計測するものとした。そして、膜厚の計測は、中央部に設けたマスキングにより生じた段差を段差計で計測し、Ｙ方向に計測位置をずらしながら行った。そうすることで、成膜の経時変化を知ることができる。尚、微粒子は、平均粒子径０．３マイクロメートルの高純度チタン酸バリウムを用いた。
【０１１５】
図２７から分かるように、本発明の実施の形態に係る供給機構２を用いるものとすれば、膜厚の精度を±７％程度とすることができ、経時的にも膜厚を均一にすることができる。
【０１１６】
図２８は、本発明の実施の形態に係る粒子群を用いた場合における成膜性を例示するためのグラフ図である。
成膜は、Ｘ方向×Ｙ方向＝２５０ミリメートル×２００ミリメートルの矩形の試料上に行った。そして、吐出口の相対位置をＸ方向においては往復、Ｙ方向においては１方向に走査することで膜状構造物を形成させた。Ｘ方向の往復走査は走査速度を１０ｍｍ／ｓｅｃとし、Ｙ方向には０．５ｍｍずつステップさせるようにした。また、この場合の延べ成膜時間はおよそ１９０分であった。得られた膜の膜厚は、試料上の各所に設けたマスキングにより生じた段差を段差計により計測した。
【０１１７】
尚、粒子群は、平均粒子径０．３マイクロメートルの高純度チタン酸バリウムからなるものとし、スパチュラ角が４６．２°以下となるような形状とした。
また、成膜条件として、ヘリウムガスの供給量を大気圧換算で１４Ｌ／ｍｉｎ、粒子群の供給量を２．０ｇ／ｍｉｎとした。この場合の粒子群使用量は、およそ４００ｇであった。
【０１１８】
図２８から分かるように、平均膜厚を４．５マイクロメートル、標準偏差０．２５、膜厚精度を±５％程度とすることができ、経時的にも膜厚を均一とすることができることが確認できた。
【０１１９】
これは、エアロゾル化機構４へ連続的、安定的に粒子群が供給されているためであり、供給、搬送される粒子群の状態も終始安定していることを示唆している。
【０１２０】
次に、微粒子または粒子群を用いた場合の搬送実験について説明をする。
微粒子は、平均粒子径０．３マイクロメートルの高純度チタン酸バリウムを用いた。また、本発明の実施の形態に係る粒子群も平均粒子径０．３マイクロメートルの高純度チタン酸バリウムから形成させた。尚、粒子群は、スパチュラ角が４６．２°以下となるような形状としている。
搬送実験には、図１５に例示をしたような振動フィーダを用いた。そして、予め粒子群を形成した状態のもの（本発明の実施の形態に係る粒子群）と、微粒子に対して手を加えていない状態のものとを用い、振動フィーダの搬送設定値を一定にした場合におけるそれぞれの搬送重量を計測した。
【０１２１】
図２９は、搬送実験の結果を例示するためのグラフ図であり、図２９（ａ）は累積の搬送量、図２９（ｂ）は５ｓｅｃ（秒）あたりの搬送量（搬送速度）を示している。
図２９から分かるように、微粒子に対して手を加えていない状態のもの（粒子群が形成されていない状態のもの）では、目標搬送量に対して正確な搬送ができず、収容機構内で微粒子がスタックを起こし、供給が停止する現象（図２９における１０ｍｉｎ付近）がみられた。
【０１２２】
一方、本発明の実施の形態に係る粒子群では、目標値に対して安定した搬送性能を維持することができ、収容機構内でのスタックなどの不具合も見られなかった。
【０１２３】
次に、供給機構２の構成に対する微粒子、粒子群の適合性について説明をする。 、本発明の実施の形態に係る粒子群と、微粒子に対して手を加えていない状態のものとを同じ装置構成の供給機構２を用いて供給し、その適合性について検討をした。
【０１２４】
表２は、適合性の検討結果を例示したものである。
【表２】
表２から分かるように、微粒子に対して手を加えていない状態のものを供給するものとすれば、いずれの装置構成の供給機構２を用いたとしても、スタック性（スタックの起こりやすさ）、定量供給性に問題が生ずる。
一方、本発明の実施の形態に係る粒子群を供給するものとすれば、スタック性、定量供給性に優れた供給をすることができる。その結果、エアロゾル中の微粒子濃度を一定にすることができ、大面積を成膜する場合であっても膜厚や膜質を均一にすることができる。
【０１２５】
次に、ガス流量と成膜性能との関係を説明する。
本発明の実施の形態に係る粒子群を用い、成膜時に使用するガス流量を変化させた場合における成膜性能を評価した。
粒子群としては、酸化アルミニウムからなるものを用いた。また、ガスは窒素ガス、ヘリウムガスとし、その流量を、大気圧２５℃換算でエアロゾルが通過する流路の最小断面積に対して０．０１〜１０Ｌ／（ｍｉｎ・ｍｍ２）とした。
また、吐出口の相対位置を３０ｍｍ移動させ、それを３０回往復運動させることで得られた膜の膜厚を計測した。
【０１２６】
図３０は、ガス流量と成膜性能との関係を例示するためのグラフ図である。
図３０から分かるように、窒素ガス、ヘリウムガスの流量が０．０１Ｌ／（ｍｉｎ・ｍｍ２）以下では粒子群がそのまま吐出している様子が観察され、圧粉体状の付着物が基材上に付着した程度で、いわゆるエアロゾルデポジション法で得られる構造物が形成されることはなかった。これは機械的衝撃力が不十分であったことを示唆している。
【０１２７】
一方、ガス流量を増加させれば膜厚を増加させることができ、良好な構造物が得られることが確認できた。尚、窒素ガスの場合は、およそ６Ｌ／（ｍｉｎ・ｍｍ２）程度で膜厚が最大となった。
【０１２８】
以上、本発明の実施の形態について説明をした。しかし、本発明はこれらの記述に限定されるものではない。
【０１２９】
前述の実施の形態、具体例に関して、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。
【０１３０】
例えば、複合構造物形成システム（エアロゾルデポジション装置）、複合構造物形成方法に関して当業者が適宜設計変更して採用したものも、本発明の要旨を有する限りにおいては本発明の範囲に包含される。
【０１３１】
また、微粒子も例示したものに限定されるわけではなく、例えば、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化珪素、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛等の酸化物の他、窒化物、ホウ化物、炭化物、フッ化物などの脆性材料、脆性材料を主成分とした金属や樹脂との複合材料等でもよい。
【０１３２】
また、ガスも例示したものに限定されるわけではなく、例えば、空気、水素ガス、窒素ガス、酸素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスなどの不活性ガスの他、メタンガス、エタンガス、エチレンガス、アセチレンガスなどの有機ガス、また、フッ素ガスなどの腐食性のあるガス等でも良く、必要に応じてこれらの混合ガスを使用してもよい。
【０１３３】
また、前述した各実施の形態、各具体例が備える各要素は、可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【０１３４】
【図１】本発明の実施の形態にかかる複合構造物形成システムの基本構成を例示するためのブロック図である。
【図２】搬送の安定性の評価結果を例示するためのグラフ図である。
【図３】搬送の安定性の評価結果を例示するためのグラフ図である。
【図４】搬送の安定性の評価結果を例示するためのグラフ図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る複合構造物形成システム（エアロゾルデポジション装置）の第１の具体例を例示するための模式図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る複合構造物形成システム（エアロゾルデポジション装置）の第２の具体例を例示するための模式図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る複合構造物形成システム（エアロゾルデポジション装置）の第３の具体例を例示するための模式図である。
【図８】本実施の形態において用いることができる計量機構を例示する模式図である。
【図９】本実施の形態において用いることができる計量機構を例示する模式図である。
【図１０】本実施の形態において用いることができる計量機構を例示する模式図である。
【図１１】供給機構の第１の具体例を例示するための模式図である。
【図１２】供給機構の第２の具体例を例示するための模式図である。
【図１３】供給機構の第３の具体例を例示するための模式図である。
【図１４】供給機構の第４の具体例を例示するための模式図である。
【図１５】供給機構の第５の具体例を例示するための模式図である。
【図１６】供給機構の第６の具体例を例示するための模式図である。
【図１７】供給機構の第７の具体例を例示するための模式図である。
【図１８】供給機構の第８の具体例を例示するための模式図である。
【図１９】供給機構の第９の具体例を例示するための模式図である。
【図２０】エアロゾル化機構の第１の具体例を例示するための模式図である。
【図２１】エアロゾル化機構の第２の具体例を例示するための模式図である。
【図２２】エアロゾル化機構の第３の具体例を例示するための模式図である。
【図２３】エアロゾル化機構の第４の具体例を例示するための模式図である。
【図２４】エアロゾル化機構の第５の具体例を例示するための模式図である。
【図２５】比較実験に用いたエアロゾル発生器を説明するための模式図である。
【図２６】ビーム濃度の変化を例示するためのグラフ図である。
【図２７】本発明の実施の形態に係る供給機構を用いた場合における膜厚の時間変化を例示するためのグラフ図である。
【図２８】本発明の実施の形態に係る粒子群を用いた場合における成膜性を例示するためのグラフ図である。
【図２９】搬送実験の結果を例示するためのグラフ図である。
【図３０】ガス流量と成膜性能との関係を例示するためのグラフ図である。
【符号の説明】
【０１３５】
１ 収容機構、２ 供給機構、３ ガス供給機構、４ エアロゾル化機構、４ａ〜４ｅ エアロゾル化機構、５ 吐出口、６ 膜状構造物、６ａ 膜状構造物、７ 基材、７ａ 基材、８ 構造物形成室、９ 排気機構、１０ 支持走査機構、１１ 吐出口、１２ 支持走査機構、１３ 配管、１４ 計量機構、１５ 制御機構、３０Ｐ 一次粒子、３０Ｑ 凝集粒、３１ 粒子群、１００ エアロゾル発生器、１４０２ 投光手段、１４０４ 受光手段、１４０４ａ 受光手段、
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子群、複合構造物形成方法、および形成システムに関し、より詳細には、脆性材料の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に吹き付け、微粒子の構成材料からなる構造物を基材上に形成させるエアロゾルデポジション法に用いる粒子群、複合構造物の形成方法および形成システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
基材の表面に脆性材料からなる構造物を形成させる方法として、「エアロゾルデポジション法」がある（例えば、特許文献１〜３）。これは、脆性材料を含む微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを吐出口から基材に向けて噴射し、金属やガラス、セラミックスやプラスチックなどの基材に微粒子を衝突させ、この衝突の衝撃により脆性材料微粒子に変形や破砕を起させしめてこれらを接合させ、基材上に微粒子の構成材料からなる膜状構造物をダイレクトに形成させる方法である。この方法によれば、特に加熱手段などを必要とせず、常温で膜状構造物の形成が可能であり、焼成体と比較して同等以上の機械的強度を有する膜状構造物を得ることができる。また、微粒子を衝突させる条件や微粒子の形状、組成などを制御することにより、構造物の密度や機械強度、電気特性などを多様に変化させることが可能である。
【０００３】
このエアロゾルデポジション法において大面積の膜状構造物の形成を実施する場合、微粒子を所定時間供給し続けることが必要となる。特に、膜厚精度が要求される場合においては、微粒子の供給量が常に安定していることが望まれる。
【０００４】
しかし、特許文献１のように、原料となる微粒子が収容される収容機構内でエアロゾル化をさせるようにすると、エアロゾル化させるための容積を稼ぐために収容機構の容積を微粒子の体積よりはるかに大きくする必要があり、大規模な装置が必要となるおそれがある。また、大量の微粒子を収容した場合には、時間の経過とともに微粒子の状態が変化するなどのおそれがあり、エアロゾルの安定供給に課題を有していた。
【０００５】
そこで、特許文献２や３に開示をされているように、微粒子を収容する収容機構と、微粒子をガスと混合してエアロゾル化させるエアロゾル化機構とを分離し、収容機構からエアロゾル化機構に微粒子を必要量ずつ搬送する技術が提案されている。
【０００６】
しかし、一次粒子としてサブミクロン以下の微粒子を用いる場合、粘性、付着性が強いため、収容機構内部や収容機構からエアロゾル化機構へ搬送する過程において壁面への付着やスタックなどの問題が発生しやすく、確実な搬送を実現することが困難となるおそれがある。例えば、収容機構内部での微粒子の攪拌や移動によって微粒子が凝集しやすくなり、その流動性が変化する。そして、ついには収容機構内部でスタックが生じ、このスタックが生じるとエアロゾル化機構への粉体の移動が妨げられるので、供給量の定量性が失われる。また、収容機構内部で付着が発生すると、計画通りの粉体使用量が達成できないといった弊害が生ずるおそれもある。
【０００７】
また、収容機構から搬出される際に、微粒子または所定の大きさや形状に分割される微粒子の集団の形状や密度が不均一となる場合、所定の解砕能力を有するエアロゾル化機構を用いたとしても、終始安定した微粒子濃度のエアロゾルを発生させることが困難となるおそれがある。また、搬送の過程において、所定の大きさや形状に分割された微粒子の集団の形状や密度が変化した場合にも、エアロゾルの微粒子濃度を正確に制御することが困難となるおそれがある。
【特許文献１】特許第３３４８１５４号公報
【特許文献２】特開２００６−２０００１３号公報
【特許文献３】特開２００６−２３３３３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、エアロゾル中の微粒子濃度をより安定させることができ、かつ安定した状態を長時間にわたり維持することができる粒子群、複合構造物形成方法、および形成システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様によれば、エアロゾルデポジション法に用いる粒子群であって、前記粒子群は、複数の脆性材料微粒子を含む微粒子を固めた集合体であり、前記粒子群のスパチュラ角が４６．２°以下であること、を特徴とする粒子群が提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、エアロゾルデポジション法に用いる粒子群であって、前記粒子群は複数の微粒子を含み、前記微粒子の平均粒径が０．１マイクロメータ以上１０マイクロメータ以下、前記粒子群の平均粒子径が１０マイクロメータ以上５００マイクロメータ以下、前記粒子群のスパチュラ角が４６．２°以下であること、を特徴とする粒子群が提供される。
【００１０】
また、本発明の他の一態様によれば、収容機構に収容された上記の粒子群を前記収容機構から搬出してガス供給機構から供給されたガスとともにエアロゾル化機構に搬送し、前記搬送された前記粒子群を解砕させてエアロゾルを形成し、前記エアロゾルを基材に向けて噴射することにより前記粒子群の構成材料からなる構造物と前記基材との複合構造物を形成すること、を特徴とする複合構造物形成方法が提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、収容機構に収容された上記の粒子群を前記収容機構から搬出してエアロゾル化機構に搬送し、ガス供給機構から供給されたガスとともに前記搬送された前記粒子群を解砕させてエアロゾルを形成し、前記エアロゾルを基材に向けて噴射することにより前記粒子群の構成材料からなる構造物と前記基材との複合構造物を形成すること、を特徴とする複合構造物形成方法が提供される。
【００１１】
さらにまた、本発明の他の一態様によれば、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て前記微粒子の構成材料からなる構造物と前記基材との複合構造物を形成する複合構造物形成システムであって、上記の粒子群を収容する収容機構と、前記収容機構から前記粒子群を搬出する供給機構と、前記搬出された粒子群に向けてガスを供給するガス供給機構と、前記ガスを混流した前記粒子群に対して衝撃を加えることで複数の微粒子に解砕しエアロゾルを形成させるエアロゾル化機構と、前記エアロゾルを基板上に噴射する吐出口と、を備えることを特徴とする複合構造物形成システムが提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、エアロゾル中の微粒子濃度をより安定させることができ、かつ安定した状態を長時間にわたり維持することができる粒子群、複合構造物形成方法、および形成システムが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施の形態について説明をする前に、まず、本明細書において用いる用語について説明をする。
本明細書において「微粒子」とは、緻密質粒子である場合は、走査型電子顕微鏡などにより同定される平均粒径が０．１マイクロメータ以上１０マイクロメータ以下のものをいう。また、「一次粒子」とは、微粒子の最小単位（一粒）のことをいう。走査型電子顕微鏡での平均粒径の同定においては、観察像中、任意に１００ヶの微粒子を選択し、その長軸と短軸の平均値を採用して、観察した微粒子全ての平均値から算出することができる。前記微粒子中の脆性材料粒子は、エアロゾルデポジション法における構造物形成の主体となるものであり、一次粒子の平均粒径は０．０１マイクロメータ以上、１０マイクロメータ以下、より望ましくは０．１マイクロメータ以上、５マイクロメータ以下である。
【００１４】
また、「粒子群」とは、複数の脆性材料微粒子を含む微粒子を固めた集合体であって、その形状・密度が意図的に制御されている状態のものをいう。ここで、粒子群の平均粒子径としては、１０マイクロメータ以上５００マイクロメータ以下とすることが好ましい。そして、粒子群の粒径の標準偏差／粒子群の平均粒子径が３３％以内であることが好ましい。
【００１５】
そして、粒子群の中においては、微粒子の殆どが互いに分離したままの状態、または、微粒子が静電気、ファンデルワールス力、水分、微量のバインダー成分による架橋、などによって固められて互いに軽く結合したような状態であることが好ましい。微粒子を意図的に固めることにより、その結合強度、形状、の少なくともいずれかが制御されている。このとき含有される微粒子同士が化学的結合により一次粒子の径より著しく大きく接合固化をしていないことが望ましい。微粒子を固める方法としては、例えば、スプレードライヤー法、パン型造粒機、ポット型造粒機などを用いて製造することができる。固めるにあたりバインダーを加えても良いし、水などを加えても良い。尚、スプレードライヤー法、パン型造粒機、ポット型造粒機などについては既知の技術を用いることができるのでその説明は省略する。
【００１６】
粒子群の平均粒子径及び標準偏差は、例えば、ランダムに選別した１００個の粒子群を光学顕微鏡により径を計測して算出することができる。この場合、粒子群の形状が真球でない場合においては、粒子の投影像の長軸と短軸の平均値を採用して算出することができる。
【００１７】
また、「固気混相流」とは、所定の大きさに制御された前述の粒子群が、ガス流に乗って移動している状態を指す。
【００１８】
また、「凝集体」とは、微粒子の集合体であって、意図的に所定の大きさや形状にされた微粒子の集団でなく、自然発生的に形成され、微粒子が互いに結合した状態をいい、その大きさ、形状や結合の強度についても、制御されていない状態をいうものとする。
【００１９】
また、「エアロゾル」とは、ヘリウムガスやアルゴンガスのような不活性ガス、窒素ガス、酸素ガス、乾燥空気、水素ガス、有機ガス、フッ素ガス、これらを含む混合ガスなどのガス中に前述の微粒子を分散させた状態を指し、一部凝集体を含む場合もあるが、実質的には微粒子が単独で分散している状態をいう。エアロゾルのガス圧力と温度は任意であるが、ガス中の微粒子の濃度は、ガス圧を１気圧、温度を摂氏２０度に換算した場合に、吐出口から噴射される時点において０.０００３ｍＬ／Ｌ〜１０ｍＬ／Ｌの範囲内であることが膜状構造物の形成にとって好ましい。
また、「スタック」とは、容器内や粒子が通過する通路などにおいて、粒子の付着や粒子自体の凝集により粒子の移動が妨げられること、または、そのようになる状態をいう。スタックは、粒子が通過する通路の断面形状が小さくなった場所で発生しやすく、例えば、後述する収容機構の出口、供給機構の入口、搬送路などで発生しやすい。
【００２０】
次に、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明をする。
図１は、本発明の実施の形態にかかる複合構造物形成システムの基本構成を例示するためのブロック図である。すなわち、同図は、エアロゾルデポジション装置の構成を例示するためのブロック図である。
【００２１】
本実施の形態に係るエアロゾルデポジション装置は、収容機構１と、供給機構２と、ガス供給機構３と、エアロゾル化機構４と、吐出口５と、を備えている。
収容機構１の後段には、供給機構２が設置されている。また、供給機構２の後段には、エアロゾル化機構４が設置され、さらにエアロゾル化機構４の後段には、吐出口５が設置されている。そして、ガス供給機構３が、供給機構２に接続されている。
【００２２】
収容機構１には、予め形成された粒子群が収容される。そして、供給機構２は、収容機構１に収容された粒子群を、後段のエアロゾル化機構４に対して粒子群の形状、状態を損なうことなく所定の量供給する。
【００２３】
供給機構２により供給された粒子群はガス供給機構３により供給されたガスと共に固気混相流を形成し（固気混相流発生部）、搬送部（搬送路）を通じてエアロゾル化機構４へと搬送される。搬送された粒子群は、エアロゾル化機構４内で解砕され、微粒子がガス中に分散することでエアロゾルが形成される。エアロゾルは吐出口５より基材７に向けて噴射され、基材７上には膜状構造物６（図５を参照）が形成される。
尚、固気混相流を形成させないで、供給機構２から粒子群を搬送部（搬送路）を通じてエアロゾル化機構４へと搬送し、搬送された粒子群と、ガス供給機構３により供給されたガスとを用いて、エアロゾル化機構４内で粒子群を解砕して、微粒子がガス中に分散したエアロゾルを形成させるようにすることもできる。
ただし、固気混相流を形成させるものとすれば、粒子群を単に搬送するのみならず、エアロゾル化機構４に向けて粒子群を加速させることができるので、エアロゾル化が円滑に行われることになる。
【００２４】
尚、ガス供給機構３は、粒子群を確実にエアロゾル化機構４へと搬送させるために、収容機構１と接続してもよく、エアロゾル中の微粒子濃度を調節するためにエアロゾル化機構４と接続してもよい。
【００２５】
ここで、エアロゾルデポジション法の原理について説明をする。
エアロゾルデポジション法において利用される微粒子は、セラミックスや半導体などの脆性材料を主体とし、同一材質の微粒子を単独であるいは粒径の異なる微粒子を混合させて用いることができるほか、異種の脆性材料微粒子を混合させたり、複合させて用いることも可能である。また、金属材料や有機物材料などの微粒子を脆性材料微粒子に混合させたり、脆性材料微粒子の表面にコーティングさせて用いることも可能である。ただし、これらの場合でも、膜状構造物を形成させる際に主となるものは、脆性材料である。
【００２６】
エアロゾルデポジション法において、微粒子を基材に対して５０〜４５０ｍ／ｓの速度で衝突させるようにすれば、微粒子中の脆性材料微粒子の構成材料からなる構造物を得るのに好適である。
【００２７】
エアロゾルデポジション法のプロセスは、通常は常温で実施され、微粒子材料の融点より十分に低い温度、すなわち摂氏数１００度以下で膜状構造物の形成が可能であるところにひとつの特徴がある。
【００２８】
結晶性の脆性材料微粒子を原料として用いる場合、エアロゾルデポジション法によって形成される複合構造物のうち膜状構造物の部分において、その結晶粒子サイズは原料微粒子のそれに比べて小さい多結晶体となっており、その結晶は実質的に結晶配向性がない場合が多い。また、脆性材料結晶同士の界面には、ガラス層からなる粒界層が実質的に存在しない。また多くの場合、膜状構造物の部分において、基材の表面に食い込む「アンカー層」が形成されている。膜状構造物は、このアンカー層が形成されているため基材に対して極めて高い強度で強固に付着して形成される。
【００２９】
エアロゾルデポジション法により形成される膜状構造物は、微粒子同士が圧力によりパッキングされ物理的な付着で形態を保っている状態のいわゆる「圧粉体」とは明らかに異なり、十分な強度を有している。
【００３０】
この場合、エアロゾルデポジション法において、飛来してきた脆性材料微粒子が基材の上で破砕・変形を起していることは、原料として用いる脆性材料微粒子と、形成された脆性材料構造物の結晶子サイズとをＸ線回折法などで測定することにより確認することができる。
【００３１】
エアロゾルデポジション法で形成された膜状構造物の結晶子サイズは、原料微粒子の結晶子サイズよりも小さい。また、微粒子が破砕や変形をすることで形成される「ずれ面」や「破面」には、もともとの微粒子の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。そして、表面エネルギーが高く活性なこの新生面が、隣接した脆性材料微粒子の表面や同じく隣接した脆性材料の新生面あるいは基材の表面と接合することにより膜状構造物が形成されるものと考えられる。
【００３２】
また、エアロゾル中の微粒子の表面に水酸基がほどよく存在する場合には、微粒子の衝突時に微粒子同士や微粒子と構造物との間に生じる局部のずれ応力などにより、メカノケミカルな酸塩基脱水反応が起き、これら同士が接合するということも考えられる。外部からの連続した機械的衝撃力の付加は、これら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、脆性材料からなる膜状構造物が成長するものと考えられる。
これまでに得られた知見として、微粒子の大きさは平均粒径が０．１マイクロメータ以上、１０マイクロメータ以下の範囲であれば、エアロゾルデポジション法による膜状構造物が得られ、平均粒径が０．１マイクロメータ以下では前記「圧粉体」となる傾向がある。また、１０マイクロメータ以上であれば、基材をブラストする傾向があり、エアロゾルデポジション法に用いる粒子径としては不適当である。
【００３３】
エアロゾル化機構において粒子群を解砕する手法としては、粒子群を壁、突起、回転体などに衝突させることによる機械的衝撃力を利用することが有効である。特に、粒子群をガスと混合させた固気混相流の状態で加速させれば、質量をもった粒子群を慣性力によって壁などに衝突させることが容易となる。この際、解砕エネルギーは、粒子群の質量と速度によって決定されるが、解砕に必要な速度を得るためにはエアロゾル化機構前後の圧力差が必要となる。
【００３４】
ここで、目標とする膜状構造物の厚みや表面粗さなどの品質をより正確にするためには、粒子群の平均粒子径が１０マイクロメータ以上５００マイクロメータ以下に制御されていることが好ましい。微粒子の平均粒径が０．１マイクロメータ以上１０マイクロメータ以下の場合、粒子群の大きさを１０マイクロメータ以上とすると球形により近い粒子群を作りやすいため好適である。また、５００マイクロメータ以下とすることで粒子群を解砕してエアロゾル化させるのに好適である。
更に粒子群の粒径の標準偏差／粒子群の平均粒子径が３３％以内に制御されていることが好ましい。粒子群の粒径が前記範囲とすることで、エアロゾル中の微粒子濃度を安定なものとすることが可能となる。
また、本発明者の得た知見によれば、ガスの種類として、例えば、空気、窒素、酸素のいずれか、或いは前記ガスを主成分とした混合気体を用い、１気圧２５℃換算の場合において、ガスの供給量を搬送路の最小断面積に対して、０．０５Ｌ／（分・ｍｍ2）以上、５０．０Ｌ／（分・ｍｍ2）以下の体積流量とすれば、固気混相流中の粒子群を効率よく加速させることができ、エアロゾル化を確実且つ容易に実施することができる。
ここで、エアロゾルデポジション法において、得られる膜状構造物が大面積にわたって均質で、均一な厚みを持たせるためには、吹き付けるエアロゾル中の微粒子濃度が常に安定していることが必要となる。すなわち、膜の品質・品位を安定させるためには、如何にして安定した微粒子濃度のエアロゾルを形成させるかが、本手法の重要な技術要素となる。
【００３５】
この場合、特許文献１に開示されているような技術では、収容機構に収容された微粒子の状態が時間の経過とともに変化するなどして、安定した微粒子濃度のエアロゾルの発生が困難となるおそれがある。
また、特許文献２や３に開示されているような技術でも、一次粒子としてサブミクロン以下の微粒子を用いる場合、粘性、付着性が強いため、収容機構内部や収容機構からエアロゾル化機構に搬送する過程において壁面への付着やスタックなどの問題が発生しやすく、安定した微粒子濃度のエアロゾルの発生が困難となるおそれがある。
【００３６】
そして、最も安定した微粒子濃度のエアロゾルを形成させることができる特許文献３に開示されている技術でも、収容機構から供給される際、あるいは搬送の過程において、微粒子または所定の大きさや形状に分割される微粒子の集団の形状や密度が不均一となる場合が生じ、瞬間的ではあるが安定した微粒子濃度のエアロゾルを形成させることが困難となるおそれがある。
【００３７】
これに対し、本実施の形態によれば、粘性・付着性の強い微粒子を、予め形状の揃った状態、または結合強度が一定の状態の粒子群とし、そのような状態の粒子群を収容機構に収容することとしている。そして、この粒子群の形状を維持したまま定量的に供給することとしているため、後段に設置されているエアロゾル化機構において、短期的に見ても微粒子濃度が大きく変動することがなく、正確かつ長期間安定した微粒子濃度のエアロゾルを形成させることができる。その結果、吐出口から噴射されるエアロゾル中の微粒子の量を確実に制御することができ、基材上に形成される膜状構造物の膜厚や膜質も確実に制御することができる。
【００３８】
ここで、収容機構内部あるいは搬送の過程において粒子群を安定的、定量的に供給するためには、粒子群の形状が重要となる。
本発明者は検討の結果、スパチュラ角が４６．２°以下となるような粒子群の形状とすれば、収容機構内部や搬送の過程における壁面への付着やスタックなどを抑制することができ、長期間安定した微粒子濃度のエアロゾルを形成させることができるとの知見を得た。
【００３９】
表１は、本発明者が検討をした粒子群のスパチュラ角を例示するための表である。
【表１】
また、図２〜図４は、それぞれのスパチュラ角における搬送の安定性の評価結果を例示するためのグラフ図である。
尚、図２〜図４の図中、実線で示すものは搬送速度（５ｓｅｃ（秒）あたりの搬送量）、破線で表すものは搬送速度の設定値（目標値）、一点鎖線で表すものは累積の搬送量である。
【００４０】
本検討においては、粒子群を形成する微粒子を平均粒子径０．３マイクロメートルの高純度チタン酸バリウムとした。また、スパチュラ角はホソカワミクロン社製パウダーテスター「ＰＴ−Ｒ」を用いて計測した。そして、供給の安定性を評価する手段として、粒子群の供給に振動フィーダーを用いた。尚、供給の安定性の評価は振動フィーダに限定されるわけではなく、例えば、オリフィスやメッシュを通じて落下させるなどで評価することもできる。
【００４１】
図２からは、微粒子が未処理の状態（スパチュラ角が調整されていない状態）では搬送量が安定せず、収容器内でのスタックにより微粒子が供給されない時間帯（図２における１０ｍｉｎ付近）があるなど、安定した供給ができないことがわかる。
【００４２】
一方、図３や図４からわかるように、粒子群のスパチュラ角を４６．２°以下とすれば、搬送量が安定し、スタックも無く目標どおりの安定した供給を達成することができる。
【００４３】
尚、粒子群のスパチュラ角の調整は、転動造粒法、押出し造粒法、圧縮造粒法などの既知の造粒法を用いて粒子群を形成させる際に行うことができるため、その説明は省略する。
【００４４】
図５は、本発明の実施の形態に係る複合構造物形成システム（エアロゾルデポジション装置）の第１の具体例を例示するための模式図である。
尚、図１で説明をしたものと同様の部分には同じ符号を付し説明は省略する。
【００４５】
本具体例においては、構造物形成室８が設けられ、吐出口５の少なくとも先端部分と基材７を支持する支持走査機構１０とが、構造物形成室８の中に配置されている。構造物形成室８の中に搬入された基材７は、支持走査機構１３に内蔵されている、例えば、静電チャックなどで支持される。
【００４６】
構造物形成室８の内部空間は、排気機構９によって減圧状態が維持可能とされている。排気機構９としては、例えば、ロータリーポンプなどを用いることができ、構造物形成室８の内部を大気圧よりも低い減圧雰囲気に維持することができる。
【００４７】
エアロゾル化機構４において生成されたエアロゾルは、吐出口５から基材７に向けて噴射され、基材７上には原料微粒子からなる膜状構造物６が形成される。この時、構造物形成室８内が減圧環境にあるために、エアロゾルは圧力差により加速されて基材７に衝突する。その結果、前述したように強固な膜状構造物を基材７上に形成することができる。
【００４８】
また、構造物形成室８を減圧状態に維持することにより、エアロゾルが基材７に衝突して形成される「新生面」がより長い時間、活性状態を維持することができ、膜状構造物の緻密性や強度を上げることが可能となる。
【００４９】
また、基材７は、支持走査機構１０の上に支持され、ＸＹＺθ方向の少なくともいずれかの方向にその位置を適宜移動させながら膜状構造物６を形成させることができる。すなわち、支持走査機構１０により基材７を適宜走査しつつエアロゾルを吹き付けることで、吐出口５から噴射されるエアロゾルのビームサイズよりも大面積の基材７の表面に膜状構造物６を形成させることができる。
【００５０】
本具体例によれば、所定の形状に調整された粒子群を収容機構１に収納し、その粒子群を供給機構２により確実に供給することで、供給量を容易に定量化することができる。そのため、エアロゾル中の微粒子濃度を一定にすることができる。その結果、吐出口５と基材７とを相対的に走査させることにより大面積の基材７の表面に膜状構造物６を形成させる場合において、エアロゾル中の微粒子濃度を一定に維持することができるので、大面積に亘り膜厚や膜質を均一にすることができる。
【００５１】
図６は、本発明の実施の形態に係る複合構造物形成システム（エアロゾルデポジション装置）の第２の具体例を例示するための模式図である。
尚、図１、図５で説明をしたものと同様の部分には同じ符号を付し説明は省略する。
【００５２】
本具体例においても、収容機構１内部の粒子群が供給機構２によってエアロゾル化機構４に供給される。さらに本具体例においては、図示しない加速手段及び、整流手段を有する吐出口１１を具備し、吐出口１１には支持走査機構１２が接続されている。エアロゾル化機構４において生成されたエアロゾルは、配管１３を介して吐出口１１から基材７ａに向けて噴射される。吐出口１１が有する図示しない加速手段や流路径に差を設けることにより得られるジェット気流、圧縮効果などを利用すればエアロゾルを加速させることができる。
【００５３】
本具体例においては、吐出口１１が支持走査機構１２により支持され、ＸＹＺθの少なくともいずれかの方向に移動可能とされている。基材７ａが立体形状を有している、あるいは膜状構造物６ａを形成させる場所が点在するなどの場合に応じて、吐出口１１と基材７ａ表面との直線距離を保った状態で、吐出口１１を移動させつつエアロゾルを噴射させ、基材７ａ上に大面積に亘り均一な膜状構造物６ａを形成させることができる。尚、この場合、可撓性を有する配管１３を設けるものとすれば、吐出口１１の移動による変位を吸収させることができる。可撓性を有する配管１３としては、例えば、ゴムなどの弾性材料からなる配管や、ベローズ（じゃばら）などの配管を例示することができる。尚、吐出口１１と基材７ａは相対的に移動すればよく、支持走査機構１０をＸＹＺθの少なくともいずれかの方向に移動可能としてもよい。
【００５４】
本具体例においても、所定の形状に調整された粒子群を収容機構１に収納し、その粒子群を供給機構２により確実に供給することで、供給量を容易に定量化することができる。そのため、エアロゾル中の微粒子濃度を一定にすることができる。その結果、吐出口１１と基材７ａとを相対的に走査させることにより、立体形状あるいは膜状構造物６ａを形成させる場所が点在する基材７ａの表面に膜状構造物６ａを形成させる場合においても、エアロゾル中の微粒子濃度を一定に維持することができるので、大面積に亘り膜厚や膜質を均一にすることができる。
【００５５】
図７は、本発明の実施の形態に係る複合構造物形成システム（エアロゾルデポジション装置）の第３の具体例を例示するための模式図である。
尚、図１、図５で説明をしたものと同様の部分には同じ符号を付し説明は省略する。
【００５６】
本具体例においては、吐出口５と基材７との間で、エアロゾル中の微粒子濃度を計量する計量機構１４が設けられている。計量機構１４は、制御機構１５と電気的に接続されている。また、制御機構１５は、後述するフィードバック制御のために、供給機構２、ガス供給機構３、排気機構９とも電気的に接続されている。尚、後述するフィードバック制御のための接続においては、少なくとも供給機構２と電気的に接続されていればよい。
【００５７】
また、計量機構１４は微粒子の量あるいはエアロゾルに含まれる微粒子の濃度を計量可能な場所に設けるようにすることができる。その場合、例えば、図７に示すように、計量機構１４を構造物形成室８の外側または内側に設けるようにしてもよいし、構造物形成室８の内外に設けるようにしてもよい。また、設ける個数についても適宜変更することができる。
本具体例においては、吐出口５から噴射されるエアロゾルに含まれる微粒子の濃度が計量機構１４で計量され、計量された情報が計量機構１４から制御機構１５へと送信される。制御機構１５は、送信されてきた情報に基づいて供給機構２、ガス供給機構３、排気機構９へのフィードバック制御を行う。尚、フィードバック制御は、少なくとも供給機構２に対して行うようにすればよい。
【００５８】
図８は、本実施の形態において用いることができる計量機構を例示する模式図である。 図８に示すように、計量機構１４は、例えば、レーザなどの投光手段１４０２と、その光をモニタする受光手段１４０４などを備えたものとすることができる。この場合、エアロゾルに投光手段１４０２からのレーザを照射し、その透過量をモニタすることにより、エアロゾルに含まれる微粒子の濃度を計量することができる。
【００５９】
尚、図９に例示するように、レーザなどの投光手段１４０２からエアロゾルにレーザを照射し、その反射光をＣＣＤ(Charge Coupled Device)センサなどの受光手段１４０４ａによりモニタしてもよい。
【００６０】
また、図１０に例示するように、供給機構２にロードセルを設け、供給機構２の重量変化を計量することで、供給量を計量することもできる。そして、重量の変化によって振動子の振幅などを変化させるようにすれば、常に一定の重量の粒子群を供給することができる。この場合、重量変化を読み取り易くするために、多段式の供給機構２を設けるようにすれば、より精度の高い供給量の計量とその制御をすることができる。
【００６１】
本具体例においても、所定の形状に調整された粒子群を収容機構１に収納し、その粒子群を供給機構２により確実に供給することで、供給量を容易に定量化することができる。そのため、エアロゾル中の微粒子濃度を一定にすることができる。
また、計量機構１４を設け、制御機構１５により少なくとも供給機構２に対してフィードバック制御をすることで、吐出後のエアロゾルに含まれる微粒子の濃度に揺らぎや経時変化があった場合でも、エアロゾルに含まれる微粒子の濃度を精密に制御することができる。
その結果、エアロゾル中の微粒子濃度を一定に維持することができるので、大面積に亘り膜厚や膜質を均一にすることができる。
以上、本発明の実施の形態に係る複合構造物形成システム（エアロゾルデポジション装置）の全体構成について例示をした。
【００６２】
次に、供給機構２の具体例について例示をする。
図１１は、供給機構２の第１の具体例を例示するための模式図である。
すなわち、図１１は、供給機構２の要部の模式斜視図である。
【００６３】
本具体例においては、粒子群３１が収容された収容機構１の鉛直下方に開口が設けられ、この開口を塞ぐようにローラ２１０が設けられている。ローラ２１０は、その表面に複数の凹部２１２が設けられ、矢印Ａの方向あるいはその反対の方向に回転する。凹部２１２は粒子群３１よりも十分に大きな容積を有している。収容機構１の内部側壁と、ローラ２１０の表面と、の間の隙間はローラ２１０の回転を妨げない範囲で十分に狭くされ、この隙間から粒子群３１がこぼれ落ちないようにされている。尚、収容機構１の内部側壁あるいは開口端に、ゴムなどの弾力性を有するシールを設けてローラ２１０の表面に接触させるようにしてもよい。
【００６４】
収容機構１の中で、粒子群３１はその自重により、ローラ２１０の凹部２１２に充填され、ローラ２１０が回転することにより、収容機構１の外側（下側）に搬出され、凹部２１２が鉛直下方を向くと、粒子群３１は、自重によって落下する。この落下先にエアロゾル化機構４を設けることにより、微粒子の濃度が一定なエアロゾルを形成させることが可能となる。
【００６５】
本具体例においては、凹部２１２に充填された所定量の粒子群３１がローラ２１０の回転に伴って、収容機構１から搬出され、エアロゾル化機構４に向けて落下する。つまり、所定量の粒子群３１を次々に供給することができる。
【００６６】
また、収容機構１の中で、粒子群３１は、その自重によりローラ２１０の凹部２１２に充填されるので、過度に押し固められることはない。つまり、粒子群３１はつぶれることなく搬出されるため、供給機構２から形状の変化した粒子群３１が供給されることを抑制することができる。
またさらに、粒子群３１が凹部２１２の中に過度に押し固められないので、ローラ２１０の回転により凹部２１２が鉛直下方を向いた時に、その中の粒子群３１は、自重により円滑に落下できる。つまり、粒子群３１が凹部２１２の中から落ちにくくなるという問題も抑制することができ、粒子群３１を安定的に供給することができる。そのため、スパチュラ角の調整がされた粒子群３１をそのまま供給することができるので、搬送量が安定し、スタックも無く目標どおりの安定した供給を達成することができる。
【００６７】
図１２は、供給機構２の第２の具体例を例示するための模式図である。
本具体例においても、粒子群３１が収容された収容機構１の鉛直下方に開口が設けられている。そして、この開口を塞ぐようにローラ２２２が設けられている。ローラ２２２の表面には複数の凸部２２４が設けられ、矢印Ａの方向あるいはその反対の方向に回転する。
【００６８】
本具体例においては、ローラ２２２の表面には凸部２２４が設けられているので、ローラ２２２の表面と、収容機構１の内部側壁と、の間には、凸部２２４の高さに対応した隙間が生ずる。ただし、凸部２２４をローラ２２２の表面にある程度、密に設けたり、凸部２２４の形状や配列を適宜調節することにより、収容機構１の下端の開口とローラ２２２の表面との隙間から粒子群３１が連続的にこぼれ落ちることを防止することができる。
【００６９】
そして、ローラ２２２の回転に伴い、収容機構１の中に収容されている粒子群３１が凸部２２４により押し出され、自重により落下してエアロゾル化機構４に供給される。収容機構１に収容されている粒子群３１は、それぞれの凸部２２４により外部に掻き出されるようにして取り出されるので、凸部２２４の形状や頻度、回転数によって粒子群３１の量を制御することができる。
【００７０】
本具体例においては、収容機構１の中で、粒子群３１は、その自重によりローラ２２２の表面に接触し、凸部２２４により外部に押し出されるので、過度に押し固められることはない。つまり、粒子群３１はつぶれることなく搬出されるため、供給機構２から形状の変化した粒子群３１が供給されることを抑制することができる。そのため、スパチュラ角の調整がされた粒子群３１をそのまま供給することができるので、搬送量が安定し、スタックも無く目標どおりの安定した供給を達成することができる。
【００７１】
図１３は、供給機構２の第３の具体例を例示するための模式図である。
本具体例においては、粒子群３１が収容された収容機構１の鉛直下方に略円形の開口が設けられている。そして、この開口にはメッシュ２３０が設けられている。メッシュ２３０は収容機構１の底面に接触しながら、矢印Ａの方向あるいはその反対の方向に回転する。
【００７２】
本具体例においては、メッシュ２３０が回転することにより、粒子群３１がメッシュ２３０の開口を通過して落下する。粒子群３１の落下の量は、メッシュ２３０の開口サイズや回転速度などに応じて変化する。このとき、メッシュの開口サイズの大きさを、粒子群３１の平均粒子径の２倍から７倍の範囲としておけば、メッシュ２３０の静止時に粒子群３１同士をブリッジさせることができるため、不必要な落下を抑制することができる。その結果、メッシュ２３０の回転による粒子群３１の搬送量の制御が容易となる。
【００７３】
本具体例においては、収容機構１の中で、粒子群３１は、その自重によりメッシュ２３０の表面に接触し、開口を通過して外部に落下するので、過度に押し固められることはない。つまり、粒子群３１はつぶれることなく搬出されるため、供給機構２から形状の変化した粒子群３１が供給されることを抑制することができる。そのため、スパチュラ角の調整がされた粒子群３１をそのまま供給することができるので、搬送量が安定し、スタックも無く目標どおりの安定した供給を達成することができる。
【００７４】
またさらに、メッシュ２３０の複数の開口を介して複数の粒子群３１がほぼ同時および連続的に供給される。つまり、エアロゾル化機構４においては、常に多数の粒子群３１が連続的に供給され、粒子群３１の供給量は時間的にみて平均化される。従って、エアロゾル化機構４において、常に一定量の粒子群３１が安定して供給され、一定の微粒子濃度のエアロゾルを安定して発生させることができる。
【００７５】
図１４は、供給機構２の第４の具体例を例示するための模式図である。
本具体例においても、第３の具体例に関して前述したものと同様に、粒子群３１が収容された収容機構１の鉛直下方に円形の開口が設けられている。そして、この開口にはメッシュ２３０が設けられている。メッシュ２３０の上にはブラシ２３２が設置され、メッシュ２３０に接触しながら、矢印Ａの方向あるいはその反対の方向に回転する。そしてさらに、収容機構１には振動子２３４が付設されている。振動子２３４は、収容機構１の壁面などを振動させ、収容機構１に収容されている粒子群３１を円滑にブラシ２３２及びメッシュ２３０に向けて落下供給させる作用を奏する。また、収容機構１の中の粒子群３１に振動を与えることにより、流動性を向上させる効果も得られる。
【００７６】
尚、振動子２３４は、第１〜第３の各具体例についても同様に設けて同様の作用効果を得ることができる。
【００７７】
本具体例においては、ブラシ２３２の回転に伴い、粒子群３１がメッシュ２３０の開口を通過して落下する。粒子群３１の落下の量は、メッシュ２３０の開口サイズと、ブラシ２３２の刷毛の密度や回転速度と、に応じて変化する。このとき、メッシュの開口サイズの大きさを、粒子群３１の平均粒子径の２倍から７倍の範囲としておけば、メッシュ２３０の静止時に粒子群３１同士をブリッジさせることができるため、不必要な落下を抑制することができる。その結果、メッシュ２３０の回転による粒子群３１の搬送量の制御が容易となる。
【００７８】
そして、ブラシ２３２のそれぞれの刷毛の先がメッシュ２３０の開口を通過する動作に応じて粒子群３１が開口から押し出される。つまり、微視的にみると、粒子群３１は軽くメッシュから押し出され、落下してエアロゾル機構４に供給される。つまり、粒子群３１はつぶれることなく搬出されるため、供給機構２から形状の変化した粒子群３１が供給されることを抑制することができる。そのため、スパチュラ角の調整がされた粒子群３１をそのまま供給することができるので、搬送量が安定し、スタックも無く目標どおりの安定した供給を達成することができる。
【００７９】
またさらに、メッシュ２３０の複数の開口を介して複数の粒子群３１がほぼ同時および連続的に供給される。つまり、エアロゾル化機構４においては、常に多数の粒子群３１が連続的に供給され、粒子群３１の供給量は時間的にみて平均化される。従って、エアロゾル化機構４において、常に一定量の粒子群３１が安定して供給され、一定の微粒子濃度のエアロゾルを安定して発生させることができる。
【００８０】
図１５は、供給機構２の第５の具体例を例示するための模式図である。
本具体例においては、粒子群３１が収容された収容機構１の下部には供給路２３５が設けられ、その供給路２３５には振動子２３４が設置されている。収容機構１に収容された粒子群３１は、図示しないオリフィスを通過して所定の量が供給路２３５に供給される。供給路２３５に供給された粒子群３１は、振動子２３４の振動により供給路２３５から搬出される。
【００８１】
本具体例においては、収容機構１の中で、粒子群３１は、その自重により図示しないオリフィスを通過して外部（供給路２３５）に落下するので、過度に押し固められることはない。また、供給路２３５に供給された粒子群３１も振動子２３４の振動により外部に落下するので、粒子群３１の形状が変化することはない。つまり、粒子群３１はその形状が変化することなく供給機構２から外部に供給される。そのため、スパチュラ角の調整がされた粒子群３１をそのまま供給することができるので、搬送量が安定し、スタックも無く目標どおりの安定した供給を達成することができる。
【００８２】
またさらに、複数の粒子群３１がほぼ同時および連続的に供給されることになる。つまり、エアロゾル化機構４においては、常に多数の粒子群３１が連続的に供給され、粒子群３１の供給量は時間的にみて平均化される。従って、エアロゾル化機構４において、常に一定量の粒子群３１が安定して供給され、一定の微粒子濃度のエアロゾルを安定して発生させることができる。
【００８３】
図１６は、供給機構２の第６の具体例を例示するための模式図である。
本具体例においては、粒子群３１が収容された収容機構１の下部に溝が形成された回転盤が配置され、回転盤の回転方向の先にはスクレーパーが配置されている。
【００８４】
回転盤の溝に導入された粒子群３１は、回転盤が回転することで収容機構１より搬出される。そして、溝に導入された粒子群３１はスクレーパーによって掻き出される。
【００８５】
本具体例においては、収容機構１の中で、粒子群３１は、その自重により回転盤の表面に接触し、溝に導入された後スクレーパーによって掻き出されるので、過度に押し固められることはない。つまり、粒子群３１はつぶれることなく搬出されるため、供給機構２から形状の変化した粒子群３１が供給されることを抑制することができる。そのため、スパチュラ角の調整がされた粒子群３１をそのまま供給することができるので、搬送量が安定し、スタックも無く目標どおりの安定した供給を達成することができる。
【００８６】
またさらに、回転盤の複数の溝を介して複数の粒子群３１がほぼ同時および連続的に供給される。つまり、エアロゾル化機構４においては、常に多数の粒子群３１が連続的に供給され、粒子群３１の供給量は時間的にみて平均化される。従って、エアロゾル化機構４において、常に一定量の粒子群３１が安定して供給され、一定の微粒子濃度のエアロゾルを安定して発生させることができる。
【００８７】
図１７は、供給機構２の第７の具体例を例示するための模式図である。
本具体例においては、粒子群３１が収容された収容機構１の下部に、スクリューが設けられ、スクリューの端部にはスクリューを回転させるための図示しないモータが備えられている。また、スクリューをスムーズに回転させるために、スクリューには一定の長さの外壁が設けられており、外壁の両端部は開放されている。スクリューの溝に導入された粒子群３１は、スクリューが回転することで収容機構１より搬出される。このとき、粒子群３１は外壁とのクリアランスで一定量にすりきられて移動し、外壁の端部より一定速度で落下する。
【００８８】
本具体例においては、収容機構１の中で、粒子群３１は、その自重によりスクリューの表面に接触するので、過度に押し固められることはない。つまり、粒子群３１はつぶれることなく搬出されるため、供給機構２から形状の変化した粒子群３１が供給されることを抑制することができる。そのため、スパチュラ角の調整がされた粒子群３１をそのまま供給することができるので、搬送量が安定し、スタックも無く目標どおりの安定した供給を達成することができる。
【００８９】
またさらに、スクリューにより複数の粒子群３１がほぼ同時および連続的に供給される。つまり、エアロゾル化機構４においては、常に多数の粒子群３１が連続的に供給され、粒子群３１の供給量は時間的にみて平均化される。従って、エアロゾル化機構４において、常に一定量の粒子群３１が安定して供給され、一定の微粒子濃度のエアロゾルを安定して発生させることができる。
【００９０】
図１８は、供給機構２の第８の具体例を例示するための模式図である。
本具体例においては、粒子群３１が収容された収容機構１の下部には、オリフィス２３７が設けられ、その下方にはベルトコンベア２３６が地軸に対してほぼ水平に配置されている。
【００９１】
オリフィス２３７によってすりきられた粒子群３１はベルトコンベア２３６の上部に乗って搬出される。ベルトコンベア２３６は一定速度で運転されるため、粒子群３１は所定の長さを移動した後に、ベルトコンベア２３６の端部より一定速度で落下する。
【００９２】
本具体例においては、収容機構１の中で、粒子群３１は、その自重によりオリフィス２３７を通過してベルトコンベア２３６の上に落下するので、過度に押し固められることはない。つまり、粒子群３１はつぶれることなく搬出されるため、供給機構２から形状の変化した粒子群３１が供給されることを抑制することができる。そのため、スパチュラ角の調整がされた粒子群３１をそのまま供給することができるので、搬送量が安定し、スタックも無く目標どおりの安定した供給を達成することができる。
【００９３】
またさらに、ベルトコンベア２３６を介して複数の粒子群３１がほぼ同時および連続的に供給される。つまり、エアロゾル化機構４においては、常に多数の粒子群３１が連続的に供給され、粒子群３１の供給量は時間的にみて平均化される。従って、エアロゾル化機構４において、常に一定量の粒子群３１が安定して供給され、一定の微粒子濃度のエアロゾルを安定して発生させることができる。
【００９４】
図１９は、供給機構２の第９の具体例を例示するための模式図である。
本具体例においては、粒子群３１が収容された収容機構１の下部にオリフィス２３８が設けられ、更にそのオリフィス２３８を開閉するためのシャッター２３９が設けられている。オリフィス２３８の開口形状は粒子群３１の大きさに応じて適宜決定されており、シャッター２３９を開閉することで、粒子群３１の供給と停止をさせることができる。
【００９５】
本具体例においては、収容機構１の中で、粒子群３１は、その自重によりオリフィス２３８を通過して外部に落下するので、過度に押し固められることはない。つまり、粒子群３１はつぶれることなく搬出されるため、供給機構２から形状の変化した粒子群３１が供給されることを抑制することができる。そのため、スパチュラ角の調整がされた粒子群３１をそのまま供給することができるので、搬送量が安定し、スタックも無く目標どおりの安定した供給を達成することができる。
【００９６】
またさらに、オリフィス２３８を介して複数の粒子群３１がほぼ同時および連続的に供給される。つまり、エアロゾル化機構４においては、常に多数の粒子群３１が連続的に供給され、粒子群３１の供給量は時間的にみて平均化される。従って、エアロゾル化機構４において、常に一定量の粒子群３１が安定して供給され、一定の微粒子濃度のエアロゾルを安定して発生させることができる。
【００９７】
次に、エアロゾル化機構４について具体例を例示しながら説明する。
図２０は、エアロゾル化機構の第１の具体例を例示するための模式図である。
エアロゾル化機構４ａには、粒子群３１をガスと共に噴出する供給口１５０２と、その前方に設けられた機械的障壁としての衝撃板１５０４と、排出口１５０５とが設けられている。
【００９８】
供給口１５０２から噴出された粒子群３１は、衝撃板１５０４に衝突した時に、衝撃力を受ける。この衝撃力により、粒子群３１が解砕し、一次粒子３０Ｐ、または数個の一次粒子３０Ｐが凝集した程度の凝集粒３０Ｑを含んだ状態のものがガス中に分散してエアロゾル３２となる。エアロゾル３２はガス流にのって排出口１５０５より排出される。
【００９９】
また、衝撃板１５０４を回転させるようにすれば、粒子群３１の衝突点の運動ベクトルが、エアロゾル３２の噴射の運動ベクトルと略対向するようになるので、粒子群３１に対する衝撃力を増加させることができる。その結果、エアロゾル３２中の微粒子濃度の均質化をより図ることができる。
【０１００】
図２１は、エアロゾル化機構の第２の具体例を例示するための模式図である。
エアロゾル化機構４ｂには、粒子群３１を供給する供給口１５０２と、その前方に設けられた機械的障壁としての衝突板１５０４ａと、排出口１５０５とが設けられている。ガス供給口１５０７は、衝突板１５０４ａに対して略平行となるように設けられ、ガス供給口１５０７の前方には排出口１５０５が設けられている。
【０１０１】
粒子群３１はガス流に乗って供給され、衝突板１５０４ａと衝突することで一次粒子３０Ｐ、または数個の一次粒子３０Ｐが凝集した程度の凝集粒３０Ｑに解砕される。衝突した地点へガス供給口１５０７からガスを噴射することで、衝突板１５０５ａに付着する圧粉体を吹き飛ばすことができ、均一なエアロゾルを発生させることができる。
【０１０２】
図２２は、エアロゾル化機構の第３の具体例を例示するための模式図である。
エアロゾル化機構４ｃには、粒子群３１を供給する供給口１５０２と、その前方に圧力障壁を形成させるためのガス供給口１５０７ａと、排出口１５０５とが設けられている。また、ガス供給口１５０７ａは、排出口１５０５が設けられた管路と略同軸に設けられている。
【０１０３】
粒子群３１はガス流に乗って供給され、ガス供給口１５０７ａにより形成された圧力障壁と衝突する。このとき、粒子群３１には剪断力が働くので、粒子群３１は一次粒子３０Ｐ、または数個の一次粒子３０Ｐが凝集した程度の凝集粒３０Ｑに解砕される。そして、ガス供給口１５０７から噴射されるガスにより、均一なエアロゾルが形成される。
【０１０４】
図２３は、エアロゾル化機構の第４の具体例を例示するための模式図である。
エアロゾル化機構４ｄには、エアロゾルが流れる流路に沿って、流路径の大きい箇所１５０６と小さい箇所１５０８とが交互に設けられている。このようにすると、流路径の小さい箇所１５０８においてはガスが圧縮され、流路径の大きい箇所１５０６においてはガスが膨張する。このような圧縮と膨張とを繰り返すと、エアロゾルに含まれる粒子群３１に剪断力が作用する。この剪断力により、粒子群３１は一次粒子３０Ｐ、または数個の一次粒子３０Ｐが凝集した程度の凝集粒３０Ｑに解砕される。
【０１０５】
尚、流路径の大きい箇所１５０６と小さい箇所１５０８の数は、例示したものに限定されるわけではなく、供給される粒子群３１の大きさなどに応じて適宜変更することができる。
【０１０６】
図２４は、エアロゾル化機構の第５の具体例を例示するための模式図である。
エアロゾル化機構４ｅには、第１のガス供給口１５０７ｂと、第２のガス供給口１５０７ｃとが設けられている。そして、第１のガス供給口１５０７ｂと、第２のガス供給口１５０７ｃとは、その軸線が互いに交差するようにして設けられている。
【０１０７】
そのため、第１のガス供給口１５０７ｂ、第２のガス供給口１５０７ｃから供給された粒子群３１同士を衝突させることができる。この衝突により、粒子群３１は一次粒子３０Ｐ、または数個の一次粒子３０Ｐが凝集した程度の凝集粒３０Ｑに解砕される。尚、本実施の形態によれば、粒子群３１の壁面への衝突が避けられ、不純物が入りにくいという利点がある。
【０１０８】
次に、本発明者が本発明をするに至った過程で行った実験について説明をする。
図２５は、比較実験に用いたエアロゾル発生器を説明するための模式図である。
図２５に示すように、エアロゾル発生器１００には、微粒子３０を収納するための収容部１０１と、収容部１０１にガスを導入するためのガス導入口１０２と、収容部１０１からエアロゾルを導出させるためのエアロゾル導出口１０３と、収容部１０１に水平方向の振動を与えるための振動発生手段１０４と、モータ１０６の出力軸に設けられ回転運動を往復直線運動に変換するクランク１０５と、クランク１０５と振動発生手段１０４とを連結するリンク１０７と、を備えている。
【０１０９】
図示しないガス供給手段からガス導入口１０２を介して収容部１０１内に導入されたガスは、微粒子３０をまき上げるようにしてエアロゾルを形成し、エアロゾル導出口１０３から外部に導出される。また、モータ１０６による回転運動はクランク１０５により往復直線運動に変換され、リンク１０７を介して振動発生手段１０４に伝達される。そのため、振動発生手段１０４が水平方向に往復直線運動をするので、収容部１０１内部の微粒子３０が攪拌されることになる。
【０１１０】
まず、図２５に示したエアロゾル発生器１００を用いた場合と、図１３に例示をした本発明の実施の形態に係る供給機構２を用いた場合におけるエアロゾル中の微粒子濃度（ビーム濃度）の変化を測定した。この際、微粒子は、平均粒子径０．３マイクロメートルの高純度チタン酸バリウムを用いた。また、ガスはヘリウムガスとし、供給量は１４．４L／ｍｉｎとした。
【０１１１】
尚、微粒子濃度はビーム濃度（吐出口より吐出したエアロゾル中の濃度）とし、吐出口より吐出したエアロゾルに対してレーザー光を照射し、散乱光の強度をＣＣＤセンサーで検知してそれを数値化した。
【０１１２】
図２６は、ビーム濃度の変化を例示するためのグラフ図であり、図２６（ａ）は図２５に示したエアロゾル発生器１００を用いた場合、図２６（ｂ）は図１３に例示をした本発明の実施の形態に係る供給機構２を用いた場合である。
図２６（ａ）から分かるように、図２５に示したエアロゾル発生器１００を用いた場合においては、ビーム濃度は安定せず、また、エアロゾル供給量も高く維持することができなかった。これは、エアロゾル発生容器１００内でチタン酸バリウム微粒子が凝集し、エアロゾルが発生しにくい状態へと変化したためである。
【０１１３】
一方、図２６（ｂ）から分かるように、本発明の実施の形態に係る供給機構２を用いた場合においては、高いビーム濃度を長時間にわたり安定して維持することができる。これは、連続的かつ安定的に粒子群がエアロゾル発生機構へ供給されているためであり、また、供給される粒子の状態も終始安定しているためでもある。
【０１１４】
図２７は、本発明の実施の形態に係る供給機構２を用いた場合における膜厚の時間変化を例示するためのグラフ図である。
成膜は、Ｘ方向×Ｙ方向＝２５０ミリメートル×２００ミリメートルの矩形の試料上に行った。そして、吐出口の相対位置をＸ方向においては往復、Ｙ方向においては１方向に走査することで膜状構造物を形成させた。膜厚は、Ｘ方向の中央部の膜厚を計測するものとした。そして、膜厚の計測は、中央部に設けたマスキングにより生じた段差を段差計で計測し、Ｙ方向に計測位置をずらしながら行った。そうすることで、成膜の経時変化を知ることができる。尚、微粒子は、平均粒子径０．３マイクロメートルの高純度チタン酸バリウムを用いた。
【０１１５】
図２７から分かるように、本発明の実施の形態に係る供給機構２を用いるものとすれば、膜厚の精度を±７％程度とすることができ、経時的にも膜厚を均一にすることができる。
【０１１６】
図２８は、本発明の実施の形態に係る粒子群を用いた場合における成膜性を例示するためのグラフ図である。
成膜は、Ｘ方向×Ｙ方向＝２５０ミリメートル×２００ミリメートルの矩形の試料上に行った。そして、吐出口の相対位置をＸ方向においては往復、Ｙ方向においては１方向に走査することで膜状構造物を形成させた。Ｘ方向の往復走査は走査速度を１０ｍｍ／ｓｅｃとし、Ｙ方向には０．５ｍｍずつステップさせるようにした。また、この場合の延べ成膜時間はおよそ１９０分であった。得られた膜の膜厚は、試料上の各所に設けたマスキングにより生じた段差を段差計により計測した。
【０１１７】
尚、粒子群は、平均粒子径０．３マイクロメートルの高純度チタン酸バリウムからなるものとし、スパチュラ角が４６．２°以下となるような形状とした。
また、成膜条件として、ヘリウムガスの供給量を大気圧換算で１４Ｌ／ｍｉｎ、粒子群の供給量を２．０ｇ／ｍｉｎとした。この場合の粒子群使用量は、およそ４００ｇであった。
【０１１８】
図２８から分かるように、平均膜厚を４．５マイクロメートル、標準偏差０．２５、膜厚精度を±５％程度とすることができ、経時的にも膜厚を均一とすることができることが確認できた。
【０１１９】
これは、エアロゾル化機構４へ連続的、安定的に粒子群が供給されているためであり、供給、搬送される粒子群の状態も終始安定していることを示唆している。
【０１２０】
次に、微粒子または粒子群を用いた場合の搬送実験について説明をする。
微粒子は、平均粒子径０．３マイクロメートルの高純度チタン酸バリウムを用いた。また、本発明の実施の形態に係る粒子群も平均粒子径０．３マイクロメートルの高純度チタン酸バリウムから形成させた。尚、粒子群は、スパチュラ角が４６．２°以下となるような形状としている。
搬送実験には、図１５に例示をしたような振動フィーダを用いた。そして、予め粒子群を形成した状態のもの（本発明の実施の形態に係る粒子群）と、微粒子に対して手を加えていない状態のものとを用い、振動フィーダの搬送設定値を一定にした場合におけるそれぞれの搬送重量を計測した。
【０１２１】
図２９は、搬送実験の結果を例示するためのグラフ図であり、図２９（ａ）は累積の搬送量、図２９（ｂ）は５ｓｅｃ（秒）あたりの搬送量（搬送速度）を示している。
図２９から分かるように、微粒子に対して手を加えていない状態のもの（粒子群が形成されていない状態のもの）では、目標搬送量に対して正確な搬送ができず、収容機構内で微粒子がスタックを起こし、供給が停止する現象（図２９における１０ｍｉｎ付近）がみられた。
【０１２２】
一方、本発明の実施の形態に係る粒子群では、目標値に対して安定した搬送性能を維持することができ、収容機構内でのスタックなどの不具合も見られなかった。
【０１２３】
次に、供給機構２の構成に対する微粒子、粒子群の適合性について説明をする。 、本発明の実施の形態に係る粒子群と、微粒子に対して手を加えていない状態のものとを同じ装置構成の供給機構２を用いて供給し、その適合性について検討をした。
【０１２４】
表２は、適合性の検討結果を例示したものである。
【表２】
表２から分かるように、微粒子に対して手を加えていない状態のものを供給するものとすれば、いずれの装置構成の供給機構２を用いたとしても、スタック性（スタックの起こりやすさ）、定量供給性に問題が生ずる。
一方、本発明の実施の形態に係る粒子群を供給するものとすれば、スタック性、定量供給性に優れた供給をすることができる。その結果、エアロゾル中の微粒子濃度を一定にすることができ、大面積を成膜する場合であっても膜厚や膜質を均一にすることができる。
【０１２５】
次に、ガス流量と成膜性能との関係を説明する。
本発明の実施の形態に係る粒子群を用い、成膜時に使用するガス流量を変化させた場合における成膜性能を評価した。
粒子群としては、酸化アルミニウムからなるものを用いた。また、ガスは窒素ガス、ヘリウムガスとし、その流量を、大気圧２５℃換算でエアロゾルが通過する流路の最小断面積に対して０．０１〜１０Ｌ／（ｍｉｎ・ｍｍ２）とした。
また、吐出口の相対位置を３０ｍｍ移動させ、それを３０回往復運動させることで得られた膜の膜厚を計測した。
【０１２６】
図３０は、ガス流量と成膜性能との関係を例示するためのグラフ図である。
図３０から分かるように、窒素ガス、ヘリウムガスの流量が０．０１Ｌ／（ｍｉｎ・ｍｍ２）以下では粒子群がそのまま吐出している様子が観察され、圧粉体状の付着物が基材上に付着した程度で、いわゆるエアロゾルデポジション法で得られる構造物が形成されることはなかった。これは機械的衝撃力が不十分であったことを示唆している。
【０１２７】
一方、ガス流量を増加させれば膜厚を増加させることができ、良好な構造物が得られることが確認できた。尚、窒素ガスの場合は、およそ６Ｌ／（ｍｉｎ・ｍｍ２）程度で膜厚が最大となった。
【０１２８】
以上、本発明の実施の形態について説明をした。しかし、本発明はこれらの記述に限定されるものではない。
【０１２９】
前述の実施の形態、具体例に関して、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。
【０１３０】
例えば、複合構造物形成システム（エアロゾルデポジション装置）、複合構造物形成方法に関して当業者が適宜設計変更して採用したものも、本発明の要旨を有する限りにおいては本発明の範囲に包含される。
【０１３１】
また、微粒子も例示したものに限定されるわけではなく、例えば、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化珪素、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛等の酸化物の他、窒化物、ホウ化物、炭化物、フッ化物などの脆性材料、脆性材料を主成分とした金属や樹脂との複合材料等でもよい。
【０１３２】
また、ガスも例示したものに限定されるわけではなく、例えば、空気、水素ガス、窒素ガス、酸素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスなどの不活性ガスの他、メタンガス、エタンガス、エチレンガス、アセチレンガスなどの有機ガス、また、フッ素ガスなどの腐食性のあるガス等でも良く、必要に応じてこれらの混合ガスを使用してもよい。
【０１３３】
また、前述した各実施の形態、各具体例が備える各要素は、可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【０１３４】
【図１】本発明の実施の形態にかかる複合構造物形成システムの基本構成を例示するためのブロック図である。
【図２】搬送の安定性の評価結果を例示するためのグラフ図である。
【図３】搬送の安定性の評価結果を例示するためのグラフ図である。
【図４】搬送の安定性の評価結果を例示するためのグラフ図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る複合構造物形成システム（エアロゾルデポジション装置）の第１の具体例を例示するための模式図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る複合構造物形成システム（エアロゾルデポジション装置）の第２の具体例を例示するための模式図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る複合構造物形成システム（エアロゾルデポジション装置）の第３の具体例を例示するための模式図である。
【図８】本実施の形態において用いることができる計量機構を例示する模式図である。
【図９】本実施の形態において用いることができる計量機構を例示する模式図である。
【図１０】本実施の形態において用いることができる計量機構を例示する模式図である。
【図１１】供給機構の第１の具体例を例示するための模式図である。
【図１２】供給機構の第２の具体例を例示するための模式図である。
【図１３】供給機構の第３の具体例を例示するための模式図である。
【図１４】供給機構の第４の具体例を例示するための模式図である。
【図１５】供給機構の第５の具体例を例示するための模式図である。
【図１６】供給機構の第６の具体例を例示するための模式図である。
【図１７】供給機構の第７の具体例を例示するための模式図である。
【図１８】供給機構の第８の具体例を例示するための模式図である。
【図１９】供給機構の第９の具体例を例示するための模式図である。
【図２０】エアロゾル化機構の第１の具体例を例示するための模式図である。
【図２１】エアロゾル化機構の第２の具体例を例示するための模式図である。
【図２２】エアロゾル化機構の第３の具体例を例示するための模式図である。
【図２３】エアロゾル化機構の第４の具体例を例示するための模式図である。
【図２４】エアロゾル化機構の第５の具体例を例示するための模式図である。
【図２５】比較実験に用いたエアロゾル発生器を説明するための模式図である。
【図２６】ビーム濃度の変化を例示するためのグラフ図である。
【図２７】本発明の実施の形態に係る供給機構を用いた場合における膜厚の時間変化を例示するためのグラフ図である。
【図２８】本発明の実施の形態に係る粒子群を用いた場合における成膜性を例示するためのグラフ図である。
【図２９】搬送実験の結果を例示するためのグラフ図である。
【図３０】ガス流量と成膜性能との関係を例示するためのグラフ図である。
【符号の説明】
【０１３５】
１ 収容機構、２ 供給機構、３ ガス供給機構、４ エアロゾル化機構、４ａ〜４ｅ エアロゾル化機構、５ 吐出口、６ 膜状構造物、６ａ 膜状構造物、７ 基材、７ａ 基材、８ 構造物形成室、９ 排気機構、１０ 支持走査機構、１１ 吐出口、１２ 支持走査機構、１３ 配管、１４ 計量機構、１５ 制御機構、３０Ｐ 一次粒子、３０Ｑ 凝集粒、３１ 粒子群、１００ エアロゾル発生器、１４０２ 投光手段、１４０４ 受光手段、１４０４ａ 受光手段、
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エアロゾルデポジション法に用いる粒子群であって、
前記粒子群は、複数の脆性材料微粒子を含む微粒子を固めた集合体であり、前記粒子群のスパチュラ角が４６．２°以下であること、を特徴とする粒子群。
【請求項２】
エアロゾルデポジション法に用いる粒子群であって、
前記粒子群は複数の微粒子を含み、前記微粒子の平均粒径が０．１マイクロメータ以上１０マイクロメータ以下、前記粒子群の平均粒子径が１０マイクロメータ以上５００マイクロメータ以下、前記粒子群のスパチュラ角が４６．２°以下であること、を特徴とする粒子群。
【請求項３】
前記粒子群の「粒径の標準偏差／平均粒子径」が３３％以内であること、を特徴とする請求項１または２に記載の粒子群。
【請求項４】
収容機構に収容された請求項１〜３のいずれか１つに記載の粒子群を前記収容機構から搬出してガス供給機構から供給されたガスとともにエアロゾル化機構に搬送し、
前記搬送された前記粒子群を解砕させてエアロゾルを形成し、
前記エアロゾルを基材に向けて噴射することにより前記粒子群の構成材料からなる構造物と前記基材との複合構造物を形成すること、を特徴とする複合構造物形成方法。
【請求項５】
前記エアロゾル化機構への搬送は、前記収容機構から搬出された前記粒子群と、前記ガス供給機構から供給されたガスと、により形成された固気混相流により行われること、を特徴とする請求項４記載の複合構造物形成方法。
【請求項６】
収容機構に収容された請求項１〜３のいずれか１つに記載の粒子群を前記収容機構から搬出してエアロゾル化機構に搬送し、
ガス供給機構から供給されたガスとともに前記搬送された前記粒子群を解砕させてエアロゾルを形成し、
前記エアロゾルを基材に向けて噴射することにより前記粒子群の構成材料からなる構造物と前記基材との複合構造物を形成すること、を特徴とする複合構造物形成方法。
【請求項７】
前記ガスの体積流量は、前記エアロゾル化機構への搬送路の最小断面積に対して、１気圧２５℃換算において０．０５Ｌ／（分・ｍｍ2）以上、５０．０Ｌ／（分・ｍｍ2）以下であることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１つに記載の複合構造物形成方法。
【請求項８】
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て前記微粒子の構成材料からなる構造物と前記基材との複合構造物を形成する複合構造物形成システムであって、
請求項１〜３のいずれか１つに記載の粒子群を収容する収容機構と、
前記収容機構から前記粒子群を搬出する供給機構と、
前記搬出された粒子群に向けてガスを供給するガス供給機構と、
前記ガスを混流した前記粒子群に対して衝撃を加えることで複数の微粒子に解砕しエアロゾルを形成させるエアロゾル化機構と、
前記エアロゾルを基板上に噴射する吐出口と、を備えることを特徴とする複合構造物形成システム。
【請求項９】
前記衝撃は、機械的障壁、圧力障壁、前記粒子群同士の衝突の群より選択された少なくとも１つにより加えられること、を特徴とする請求項８記載の複合構造物形成システム。
【請求項１０】
前記ガスの体積流量は、前記エアロゾル化機構への搬送路の最小断面積に対して、１気圧２５℃換算において０．０５Ｌ／（分・ｍｍ2）以上、５０．０Ｌ／（分・ｍｍ2）以下であることを特徴とする請求項８または９に記載の複合構造物形成システム。
【請求項１】
エアロゾルデポジション法に用いる粒子群であって、
前記粒子群は、複数の脆性材料微粒子を含む微粒子を固めた集合体であり、前記粒子群のスパチュラ角が４６．２°以下であること、を特徴とする粒子群。
【請求項２】
エアロゾルデポジション法に用いる粒子群であって、
前記粒子群は複数の微粒子を含み、前記微粒子の平均粒径が０．１マイクロメータ以上１０マイクロメータ以下、前記粒子群の平均粒子径が１０マイクロメータ以上５００マイクロメータ以下、前記粒子群のスパチュラ角が４６．２°以下であること、を特徴とする粒子群。
【請求項３】
前記粒子群の「粒径の標準偏差／平均粒子径」が３３％以内であること、を特徴とする請求項１または２に記載の粒子群。
【請求項４】
収容機構に収容された請求項１〜３のいずれか１つに記載の粒子群を前記収容機構から搬出してガス供給機構から供給されたガスとともにエアロゾル化機構に搬送し、
前記搬送された前記粒子群を解砕させてエアロゾルを形成し、
前記エアロゾルを基材に向けて噴射することにより前記粒子群の構成材料からなる構造物と前記基材との複合構造物を形成すること、を特徴とする複合構造物形成方法。
【請求項５】
前記エアロゾル化機構への搬送は、前記収容機構から搬出された前記粒子群と、前記ガス供給機構から供給されたガスと、により形成された固気混相流により行われること、を特徴とする請求項４記載の複合構造物形成方法。
【請求項６】
収容機構に収容された請求項１〜３のいずれか１つに記載の粒子群を前記収容機構から搬出してエアロゾル化機構に搬送し、
ガス供給機構から供給されたガスとともに前記搬送された前記粒子群を解砕させてエアロゾルを形成し、
前記エアロゾルを基材に向けて噴射することにより前記粒子群の構成材料からなる構造物と前記基材との複合構造物を形成すること、を特徴とする複合構造物形成方法。
【請求項７】
前記ガスの体積流量は、前記エアロゾル化機構への搬送路の最小断面積に対して、１気圧２５℃換算において０．０５Ｌ／（分・ｍｍ2）以上、５０．０Ｌ／（分・ｍｍ2）以下であることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１つに記載の複合構造物形成方法。
【請求項８】
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て前記微粒子の構成材料からなる構造物と前記基材との複合構造物を形成する複合構造物形成システムであって、
請求項１〜３のいずれか１つに記載の粒子群を収容する収容機構と、
前記収容機構から前記粒子群を搬出する供給機構と、
前記搬出された粒子群に向けてガスを供給するガス供給機構と、
前記ガスを混流した前記粒子群に対して衝撃を加えることで複数の微粒子に解砕しエアロゾルを形成させるエアロゾル化機構と、
前記エアロゾルを基板上に噴射する吐出口と、を備えることを特徴とする複合構造物形成システム。
【請求項９】
前記衝撃は、機械的障壁、圧力障壁、前記粒子群同士の衝突の群より選択された少なくとも１つにより加えられること、を特徴とする請求項８記載の複合構造物形成システム。
【請求項１０】
前記ガスの体積流量は、前記エアロゾル化機構への搬送路の最小断面積に対して、１気圧２５℃換算において０．０５Ｌ／（分・ｍｍ2）以上、５０．０Ｌ／（分・ｍｍ2）以下であることを特徴とする請求項８または９に記載の複合構造物形成システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【公開番号】特開２００８−２７４４２２（Ｐ２００８−２７４４２２Ａ）
【公開日】平成２０年１１月１３日（２００８．１１．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−８８４６０（Ｐ２００８−８８４６０）
【出願日】平成２０年３月２８日（２００８．３．２８）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月１３日（２００８．１１．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月２８日（２００８．３．２８）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
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