物理蒸着装置及び物理蒸着方法
【課題】タングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いることができる物理蒸着装置及びそれを用いた方法を提供する。
【解決手段】内部に蒸発源１５を備え、レーザ光源１６ａからのレーザ光を照射して加熱する加熱部を有し、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において加熱部により蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から微粒子を生成する蒸発チャンバー１０と、内部に蒸発チャンバーから微粒子を含むガスの搬送する経路となる移送管１８に接続されたノズル３５と成膜対象である基板３３を備え、蒸発チャンバーから移送された微粒子をノズルからガス流Ｊに乗せて基板に向けて噴出し、基板に微粒子を物理蒸着させる成膜チャンバー３０とを有する構成とする。
【解決手段】内部に蒸発源１５を備え、レーザ光源１６ａからのレーザ光を照射して加熱する加熱部を有し、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において加熱部により蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から微粒子を生成する蒸発チャンバー１０と、内部に蒸発チャンバーから微粒子を含むガスの搬送する経路となる移送管１８に接続されたノズル３５と成膜対象である基板３３を備え、蒸発チャンバーから移送された微粒子をノズルからガス流Ｊに乗せて基板に向けて噴出し、基板に微粒子を物理蒸着させる成膜チャンバー３０とを有する構成とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物理蒸着装置及び物理蒸着方法に関し、特に、成膜チャンバー中の基板に対して材料粒子を含むガスを噴出して基板に材料粒子を堆積させて成膜する物理蒸着装置及び物理蒸着方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、コーティング技術の重要性が急速に高まってきており、種々のコーティング法が開発されている。
しかし、数１０〜数１００μｍ程度の膜厚の高密度なコーティング膜を低温で施工することが可能なコーティング法は知られていなかった。
【０００３】
非特許文献１及び非特許文献２は、超音速フリージェット（Supersonic Free Jet:ＳＦＪ）物理蒸着（Physical Vapor Deposition：ＰＶＤ）装置について開示している。
このＳＦＪ−ＰＶＤ装置は、蒸発チャンバーと成膜チャンバーを備える。
蒸発チャンバー内には、水冷されたハース上に設置した蒸発源材料と、高融点金属（具体的にはタングステン）製の電極が備えられており、一度蒸発チャンバー内を所定の圧力に減圧した後、所定のガス雰囲気に置換して、蒸発源をアノード（陽極）とし、アノードと一定間隔離れた位置にある高電導性金属製電極をカソード（陰極）とし、それぞれ負電圧と正電圧を印加して両極間にアーク放電を生起させる移行式アークプラズマによって、蒸発源材料が加熱されて蒸発する。所定のガス雰囲気とした蒸発チャンバー内では、蒸発源の加熱により蒸発した原子は互いに凝集しナノメートルオーダーの直径の微粒子（以下ナノ粒子と称する）が得られる。
【０００４】
得られたナノ粒子は蒸発チャンバーと成膜チャンバー間の差圧（真空度差）により生起するガス流に乗って移送管を通して成膜チャンバーへと移送される。成膜チャンバー内には、成膜対象である基板が設置されている。
差圧によるガス流は、蒸発チャンバーから成膜チャンバーへと接続する移送管の先端に取り付けられた特別に設計された超音速ノズル（ラバールノズル）によりマッハ数３．６程度の超音速にまで加速され、ナノ粒子は超音速フリージェットの気流に乗って高速に加速されて成膜チャンバー中に噴出し、基板上に堆積する。
【０００５】
上記のＳＦＪ−ＰＶＤ装置を用いることにより、従来難しかった、数１０〜数１００μｍ程度の膜厚の高密度なコーティング膜を低温で施工することが可能となっている。
【０００６】
上記のようなＳＦＪ−ＰＶＤ装置及びそれを用いて形成された膜に関しては、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４及び特許文献５などに記載がある。
また、非特許文献３には、上記のようなＳＦＪ−ＰＶＤ装置において用いることが可能な混合装置に適用できる同軸対向衝突噴流の発振現象が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−３３０５１７号公報（Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ膜）
【特許文献２】特開２００６−４５６１６号公報（Ａｌ−Ｓｉ膜）
【特許文献３】特開２００６−１１１９２１号公報（ＰＶＤ装置）
【特許文献４】特開２００８−１９４１７５号公報（ハイドロキシアパタイト）
【特許文献５】特開２００８−１９５９９６号公報（ＰＶＤ装置 蒸発源＋粉体）
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】A. Yumoto, F. Hiroki, I. Shiota, N. Niwa, Surface and Coatings Technology, 169-170, 2003, 499-503
【非特許文献２】湯本敦史、廣木富士男、塩田一路、丹羽直毅：超音速フリージェットＰＶＤによるＴｉ及びＡｌ膜の形成、日本金属学会誌、第６５巻、第７号（２００１）ｐｐ６３５−６４３
【非特許文献３】山本圭治郎、野本明、川島忠雄、中土宣明：同軸対向衝突噴流の発振現象、油圧と空気圧（１９７５）ｐｐ６８−７７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
解決しようとする課題は、上記の従来の技術では蒸発源の加熱部としてプラズマトーチなどを用いているため、例えばタングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いることが困難であることである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の物理蒸着装置は、内部に蒸発源を備え、レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する加熱部を有し、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記加熱部により前記蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から微粒子を生成する蒸発チャンバーと、
内部に前記蒸発チャンバーから前記微粒子を含むガスの搬送する経路となる移送管に接続されたノズルと成膜対象である基板を備え、前記蒸発チャンバーから移送された前記微粒子を前記ノズルからガス流に乗せて前記基板に向けて噴出し、前記微粒子を前記基板に物理蒸着させる成膜チャンバーとを有する。
【００１１】
上記の本発明の物理蒸着装置は、蒸発チャンバーと成膜チャンバーを有する。
蒸発チャンバーは、内部に蒸発源を備え、レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する加熱部を有し、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において加熱部により蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から微粒子を生成する。
成膜チャンバーは、内部に蒸発チャンバーから微粒子を含むガスの搬送する経路となる移送管に接続されたノズルと成膜対象である基板を備え、蒸発チャンバーから移送された微粒子をノズルからガス流に乗せて基板に向けて噴出し、微粒子を基板に物理蒸着させる。
【００１２】
また、本発明の物理蒸着装置は、内部に第１蒸発源を備え、第１レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第１加熱部を有し、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第１加熱部により前記第１蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第１微粒子を生成する第１蒸発チャンバーと、内部に第２蒸発源を備え、第２レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第２加熱部を有し、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第２加熱部により前記第２蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第２微粒子を生成する第２蒸発チャンバーと、内部に前記第１蒸発チャンバーから前記第１微粒子を含むガスの搬送する経路となる第１移送管及び前記第２蒸発チャンバーから前記第２微粒子を含むガスの搬送する経路となる第２移送管に接続された流体混合部及びノズルと成膜対象である基板を備え、前記第１蒸発チャンバーから移送された前記第１微粒子と前記第２蒸発チャンバーから移送された前記第２微粒子を前記流体混合部で混合し、混合された前記第１微粒子と前記第２微粒子を前記ノズルからガス流に乗せて前記基板に向けて噴出し、混合された前記第１微粒子と前記第２微粒子を前記基板に物理蒸着させる成膜チャンバーとを有する。
【００１３】
上記の本発明の物理蒸着装置は、第１蒸発チャンバーと、第２蒸発チャンバーと、成膜チャンバーとを有する。
第１蒸発チャンバーは、内部に第１蒸発源を備え、第１レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第１加熱部を有し、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において第１加熱部により第１蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第１微粒子を生成する。
第２蒸発チャンバーは、内部に第２蒸発源を備え、第２レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第２加熱部を備え、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において第２加熱部により第２蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第２微粒子を生成する。
成膜チャンバーは、内部に第１蒸発チャンバーから第１微粒子を含むガスの搬送する経路となる第１移送管及び第２蒸発チャンバーから第２微粒子を含むガスの搬送する経路となる第２移送管に接続された流体混合部及びノズルと成膜対象である基板を備え、第１蒸発チャンバーから移送された第１微粒子と第２蒸発チャンバーから移送された第２微粒子を流体混合部で混合し、混合された第１微粒子と第２微粒子をノズルからガス流に乗せて基板に向けて噴出し、混合された第１微粒子と第２微粒子を基板に物理蒸着させる。
【００１４】
また、本発明の物理蒸着装置は、内部に第１蒸発源を備え、第１レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第１加熱部を有し、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第１加熱部により前記第１蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第１微粒子を生成する第１蒸発チャンバーと、内部に第２蒸発源を備え、第２レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第２加熱部を有し、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第２加熱部により前記第２蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第２微粒子を生成する第２蒸発チャンバーと、内部に前記第１蒸発チャンバーから前記第１微粒子を含むガスの搬送する経路となる第１移送管に接続された第１ノズルと前記第２蒸発チャンバーから前記第２微粒子を含むガスの搬送する経路となる第２移送管に接続された第２ノズルと成膜対象である基板を備え、前記第１蒸発チャンバーから移送された前記第１微粒子を前記第１ノズルからガス流に乗せて噴出し、かつ、前記第２蒸発チャンバーから移送された前記第２微粒子を前記第２ノズルからガス流に乗せて前記基板に向けて噴出し、前記第１微粒子と前記第２微粒子を前記基板に物理蒸着させる成膜チャンバーとを有する。
【００１５】
上記の本発明の物理蒸着装置は、第１蒸発チャンバーと、第２蒸発チャンバーと、成膜チャンバーとを有する。
第１蒸発チャンバーは、内部に第１蒸発源を備え、第１レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第１加熱部を有し、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において第１加熱部により第１蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第１微粒子を生成する。
第２蒸発チャンバーは、内部に第２蒸発源を備え、第２レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第２加熱部を備え、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において第２加熱部により第２蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第２微粒子を生成する。
成膜チャンバーは、内部に第１蒸発チャンバーから第１微粒子を含むガスの搬送する経路となる第１移送管に接続された第１ノズルと第２蒸発チャンバーから第２微粒子を含むガスの搬送する経路となる第２移送管に接続された第２ノズルと成膜対象である基板を備え、第１蒸発チャンバーから移送された第１微粒子を第１ノズルからガス流に乗せて噴出し、かつ、第２蒸発チャンバーから移送された第２微粒子を第２ノズルからガス流に乗せて基板に向けて噴出し、第１微粒子と第２微粒子を基板に物理蒸着させる。
【００１６】
また、本発明の物理蒸着装置は、内部に蒸発源を備え、レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する加熱部を有し、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記加熱部により前記蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から微粒子を生成する蒸発チャンバーと、内部に粉体を備える粉体供給源と、内部に前記蒸発チャンバーから前記微粒子を含むガスの搬送する経路となる第１移送管及び前記粉体供給源から前記粉体を含むガスの搬送する経路となる第２移送管に接続された流体混合部及びノズルと成膜対象である基板を備え、前記蒸発チャンバーから移送された前記微粒子と前記粉体供給源から移送された前記粉体を前記流体混合部で混合し、混合された前記微粒子と前記粉体を前記ノズルからガス流に乗せて前記基板に向けて噴出し、混合された前記微粒子と前記粉体を前記基板に物理蒸着させる成膜チャンバーとを有する。
【００１７】
上記の本発明の物理蒸着装置は、蒸発チャンバーと、粉体供給源と、成膜チャンバーとを有する。
蒸発チャンバーは、内部に蒸発源を備え、レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する加熱部を備え、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において加熱部により蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から微粒子を生成する。
粉体供給源は、内部に粉体を備える。
成膜チャンバーは、内部に蒸発チャンバーから微粒子を含むガスの搬送する経路となる第１移送管及び粉体供給源から粉体を含むガスの搬送する経路となる第２移送管に接続された流体混合部及びノズルと成膜対象である基板を備え、蒸発チャンバーから移送された微粒子と粉体供給源から移送された粉体を流体混合部で混合し、混合された微粒子と粉体をノズルからのガス流に乗せて基板に向けて噴出し、混合された微粒子と粉体を基板に物理蒸着させる。
【００１８】
上記の本発明の物理蒸着装置は、好適には、前記蒸発源として複数個の蒸発源を有し、
前記加熱部が、前記レーザ光源からのレーザ光を複数に分割して複数個の前記蒸発源にそれぞれ照射する光学系を含む。
あるいは好適には、前記第１蒸発源及び前記第２蒸発源の少なくともいずれか一方が複数個の蒸発源を有し、前記複数個の蒸発源に対応して、前記第１加熱部及び前記第２加熱部の少なくともいずれか一方が、前記第１レーザ光源及び前記第２レーザ光源からのレーザ光を複数に分割して前記複数個の蒸発源にそれぞれ照射する光学系を含む。
【００１９】
上記の本発明の物理蒸着装置は、好適には、前記加熱部が、前記レーザ光源として複数個のレーザ光源を有し、前記複数個のレーザ光源からのレーザ光をそれぞれ前記蒸発源に照射する光学系を含む。
あるいは好適には、前記第１加熱部及び前記第２加熱部の少なくともいずれか一方が、前記第１レーザ光源及び前記第２レーザ光源の少なくともいずれか一方として複数個のレーザ光源を有し、前記複数個のレーザ光源に対応して、前記複数個のレーザ光源からのレーザ光をそれぞれ前記第１蒸発源及び前記第２蒸発源の少なくともいずれか一方に照射する光学系を含む。
【００２０】
上記の本発明の物理蒸着装置は、好適には、前記成膜チャンバー内部に配設され、前記基板に向けて酸素を供給する酸素供給部をさらに有する。
【００２１】
上記の本発明の物理蒸着装置は、好適には、前記成膜チャンバー内に備えられる前記基板として、表面に繊維材料が固定された基板が用いられる。
【００２２】
上記の本発明の物理蒸着装置は、好適には、前記ガス流が超音速のガス流である。
あるいは、好適には、前記ガス流が亜音速または遷音速のガス流である。
【００２３】
また、本発明の物理蒸着方法は、成膜チャンバーの内部に成膜対象である基板を配置する工程と、内部に蒸発源を備え、レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する加熱部を有する蒸発チャンバーにおいて、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記加熱部により前記蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から微粒子を生成する工程と、前記蒸発チャンバーから前記微粒子を含むガスを移送管により前記成膜チャンバーの内部に設けられたノズルへと搬送し、前記微粒子を前記ノズルからガス流に乗せて前記基板に向けて噴出し、前記微粒子を前記基板に物理蒸着させて物理蒸着膜を形成する工程とを有する。
【００２４】
上記の本発明の物理蒸着方法は、まず、成膜チャンバーの内部に成膜対象である基板を配置し、一方で内部に蒸発源を備え、レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する加熱部を備えた蒸発チャンバーにおいて、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において加熱部により蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から微粒子を生成する。
次に、蒸発チャンバーから微粒子を含むガスを移送管により成膜チャンバーの内部に設けられたノズルへと搬送し、微粒子をノズルからガス流に乗せて基板に向けて噴出し、微粒子を基板に物理蒸着させて物理蒸着膜を形成する。
【００２５】
また、本発明の物理蒸着方法は、成膜チャンバーの内部に成膜対象である基板を配置する工程と、内部に第１蒸発源を備え、第１レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第１加熱部を有する第１蒸発チャンバーにおいて、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第１加熱部により前記第１蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第１微粒子を生成する工程と、内部に第２蒸発源を備え、第２レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第２加熱部を有する第２蒸発チャンバーにおいて、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第２加熱部により前記第２蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第２微粒子を生成する工程と、第１移送管により前記第１蒸発チャンバーから前記第１微粒子を含むガスを流体混合部に移送させ、第２移送管により前記第２蒸発チャンバーから前記第２微粒子を含むガスを前記流体混合部に移送させ、前記流体混合部において前記第１微粒子と前記第２微粒子とを混合させる混合工程と、前記流体混合部から混合された前記第１微粒子と前記第２微粒子を前記成膜チャンバーの内部に設けられたノズルへと搬送し、前記第１微粒子と前記第２微粒子を前記ノズルからガス流に乗せて前記基板に向けて噴出し、混合された前記第１微粒子と前記第２微粒子を前記基板に物理蒸着させて物理蒸着膜を形成する工程とを有する。
【００２６】
上記の本発明の物理蒸着方法は、まず、成膜チャンバーの内部に成膜対象である基板を配置し、一方で、内部に第１蒸発源を備え、第１レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第１加熱部を有する第１蒸発チャンバーにおいて、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において第１加熱部により第１蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第１微粒子を生成し、また、内部に第２蒸発源を備え、第２レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第２加熱部を有する第２蒸発チャンバーにおいて、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において第２加熱部により第２蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第２微粒子を生成する。
次に、第１移送管により第１蒸発チャンバーから第１微粒子を含むガスを流体混合部に移送させ、第２移送管により第２蒸発チャンバーから第２微粒子を含むガスを流体混合部に移送させ、流体混合部において第１微粒子と第２微粒子とを混合させる。
次に、流体混合部から混合された第１微粒子と第２微粒子を成膜チャンバーの内部に設けられたノズルへと搬送し、第１微粒子と第２微粒子をノズルからのガス流に乗せて基板に向けて噴出し、混合された第１微粒子と第２微粒子を基板に物理蒸着させて物理蒸着膜を形成する。
【００２７】
また、本発明の物理蒸着方法は、成膜チャンバーの内部に成膜対象である基板を配置する工程と、内部に第１蒸発源を備え、第１レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第１加熱部を有する第１蒸発チャンバーにおいて、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第１加熱部により前記第１蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第１微粒子を生成する工程と、内部に第２蒸発源を備え、第２レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第２加熱部を有する第２蒸発チャンバーにおいて、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第２加熱部により前記第２蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第２微粒子を生成する工程と、前記第１蒸発チャンバーから前記第１微粒子を含むガスを第１移送管により前記成膜チャンバーの内部に設けられた第１ノズルへと搬送し、前記第１微粒子を前記第１ノズルからガス流に乗せて前記基板に向けて噴出し、かつ、前記第２蒸発チャンバーから前記第２微粒子を含むガスを第２移送管により前記成膜チャンバーの内部に設けられた第２ノズルへと搬送し、前記第２微粒子を前記第２ノズルからガス流に乗せて前記基板に向けて噴出し、前記第１微粒子と前記第２微粒子を前記基板に物理蒸着させて物理蒸着膜を形成する工程とを有する。
【００２８】
上記の本発明の物理蒸着方法は、まず、成膜チャンバーの内部に成膜対象である基板を配置し、一方で、内部に第１蒸発源を備え、第１レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第１加熱部を有する第１蒸発チャンバーにおいて、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において第１加熱部により第１蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第１微粒子を生成し、また、内部に第２蒸発源を備え、第２レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第２加熱部を有する第２蒸発チャンバーにおいて、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において第２加熱部により第２蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第２微粒子を生成する。
次に、第１蒸発チャンバーから第１微粒子を含むガスを第１移送管により成膜チャンバーの内部に設けられた第１ノズルへと搬送し、第１微粒子を第１ノズルからガス流に乗せて基板に向けて噴出し、かつ、第２蒸発チャンバーから第２微粒子を含むガスを第２移送管により成膜チャンバーの内部に設けられた第２ノズルへと搬送し、第２微粒子を第２ノズルからガス流に乗せて基板に向けて噴出し、第１微粒子と第２微粒子を基板に物理蒸着させて物理蒸着膜を形成する。
【００２９】
また、本発明の物理蒸着方法は、成膜チャンバーの内部に成膜対象である基板を配置する工程と、内部に蒸発源を備え、レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する加熱部を有する蒸発チャンバーにおいて、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記加熱部により前記蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から微粒子を生成する工程と、第１移送管により前記蒸発チャンバーから前記微粒子を含むガスを流体混合部に移送させ、第２移送管により粉体供給源から粉体を含むガスを前記流体混合部に移送させ、前記流体混合部において前記微粒子と前記粉体とを混合させる混合工程と、前記流体混合部から混合された前記微粒子と前記粉体を前記成膜チャンバーの内部に設けられたノズルへと搬送し、前記微粒子と前記粉体を前記ノズルからガス流に乗せて前記基板に向けて噴出し、混合された前記微粒子と前記粉体を前記基板に物理蒸着させて物理蒸着膜を形成する工程とを有する。
【００３０】
上記の本発明の物理蒸着方法は、まず、成膜チャンバーの内部に成膜対象である基板を配置し、一方で、内部に蒸発源を備え、レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する加熱部を有する蒸発チャンバーにおいて、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において加熱部により蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から微粒子を生成する。
次に、第１移送管により蒸発チャンバーから微粒子を含むガスを流体混合部に移送させ、第２移送管により粉体供給源から粉体を含むガスを流体混合部に移送させ、流体混合部において微粒子と粉体とを混合させる。
次に、流体混合部から混合された微粒子と粉体を成膜チャンバーの内部に設けられたノズルへと搬送し、微粒子と粉体をノズルからガス流に乗せて基板に向けて噴出し、混合された微粒子と粉体を基板に物理蒸着させて物理蒸着膜を形成する。
【００３１】
上記の本発明の物理蒸着方法は、好適には、前記蒸発源として複数個の蒸発源を用い、前記加熱部により、前記レーザ光源からのレーザ光を複数に分割して複数個の前記蒸発源にそれぞれ照射する。
あるいは好適には、前記第１蒸発源及び前記第２蒸発源の少なくともいずれか一方として複数個の蒸発源を用い、前記複数個の蒸発源に対応して、前記第１加熱部及び前記第２加熱部の少なくともいずれか一方により、前記第１レーザ光源及び前記第２レーザ光源からのレーザ光を複数に分割して前記複数個の蒸発源にそれぞれ照射する。
【００３２】
上記の本発明の物理蒸着方法は、好適には、前記加熱部が前記レーザ光源として複数個のレーザ光源を有し、前記複数個のレーザ光源からのレーザ光をそれぞれ前記蒸発源に照射する。
あるいは好適には、前記第１加熱部及び前記第２加熱部の少なくともいずれか一方が、前記第１レーザ光源及び前記第２レーザ光源の少なくともいずれか一方として複数個のレーザ光源を有し、前記複数個のレーザ光源に対応して、前記複数個のレーザ光源からのレーザ光をそれぞれ前記第１蒸発源及び前記第２蒸発源の少なくともいずれか一方に照射する。
【００３３】
上記の本発明の物理蒸着方法は、好適には、前記物理蒸着膜を形成する工程において、前記成膜チャンバー内部に配設された酸素供給部から前記基板に向けて酸素を供給し、酸化物である前記物理蒸着膜を形成する。
【００３４】
上記の本発明の物理蒸着方法は、好適には、前記成膜チャンバー内に基板を配置する工程において、表面に繊維材料が固定された基板を配置し、前記物理蒸着膜を形成する工程において、前記繊維材料が内包された繊維強化複合材料膜を形成する。
【００３５】
上記の本発明の物理蒸着方法は、好適には、前記ガス流が超音速のガス流である。
あるいは好適には、前記ガス流が亜音速または遷音速のガス流である。
【発明の効果】
【００３６】
本発明の物理蒸着装置は、タングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いることができる。
【００３７】
本発明の物理蒸着方法は、タングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は本発明の第１実施形態に係る物理蒸着装置の模式構成図である。
【図２】図２は本発明の第１実施形態に係る物理蒸着膜が形成された基板の模式断面図である。
【図３】図３は本発明の第２実施形態に係る物理蒸着装置の模式構成図である。
【図４】図４は本発明の第３実施形態に係る物理蒸着装置の模式構成図である。
【図５】図５は本発明の第４実施形態に係る物理蒸着装置の模式構成図である。
【図６】図６は本発明の第４実施形態に係る物理蒸着膜が形成された基板の模式断面図である。
【図７】図７は本発明の第５実施形態に係る物理蒸着装置の模式構成図である。
【図８】図８（ａ）は本発明の第６実施形態に係る物理蒸着膜が形成された基板の斜視図であり、図８（ｂ）及び（ｃ）は模式断面図である。
【図９】図９（ａ）は本発明の第６実施形態に係る物理蒸着装置及び方法で用いる基板の斜視図であり、図９（ｂ）及び（ｃ）は模式断面図である。
【図１０】図１０は本発明の第６実施形態に係る物理蒸着装置及び方法を示す模式図である。
【図１１】図１１は本発明の第７実施形態に係る物理蒸着装置の一部の構成図である。
【図１２】図１２は本発明の第８実施形態に係る物理蒸着装置の一部の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下に、本発明に係る物理蒸着装置及び物理蒸着方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００４０】
＜第１実施形態＞
［物理蒸着装置の模式構成］
図１は本実施形態に係る物理蒸着装置の模式構成図である。
本実施形態の物理蒸着装置は、蒸発チャンバー１０及び成膜用の真空チャンバーである成膜チャンバー３０を備える。
【００４１】
蒸発チャンバー１０には真空ポンプＶＰ１に接続した排気管１１が設けられており、真空ポンプＶＰ１の作動により蒸発チャンバー１０内が排気され、例えば１０−１０Ｔｏｒｒ程度の超高真空雰囲気とされる。
さらに、蒸発チャンバー１０にマスフローコントローラ１２を介して設けられたガス供給源１３から、必要に応じて、ＨｅあるいはＮ２などの雰囲気ガスが蒸発チャンバー１０内に所定の流量で供給される。あるいは大気雰囲気としてもよい。
【００４２】
蒸発チャンバー１０内には、回転駆動可能に構成されたテーブル１４が設けられ、この上にチタン、タングステン、アルミニウム、ニオブあるいはシリコンなどの蒸発源１５が配置されている。
蒸発チャンバー１０には、レーザ光源１６ａとレーザ光源１６ａから出射されるレーザ光１７を導く光学系が設けられている。光学系は、例えば、アパーチャ１６ｂ、ミラー１６ｃ、レンズ１６ｄ及びミラー１６ｅなどから構成される。光学系としては、上記以外のミラーやレンズなどを適宜さらに用いた構成としてもよい。レーザ光源１６ａからのレーザ光１７は、レンズで集光されながら、蒸発チャンバー１０に設けられた石英などからなる光照射窓１０ａから蒸発チャンバー１０の内部に導かれ、蒸発源１５に照射され、蒸発源１５が加熱される。
蒸発源１５は加熱されて蒸発し、蒸発源１５から蒸発した原子からナノメートルオーダーの直径の微粒子（以下ナノ粒子とも称する）が得られる。
得られたナノ粒子は、蒸発チャンバー１０内の雰囲気ガスとともに移送管１８を通して成膜チャンバー３０へと移送される。
【００４３】
レーザ光源１６ａは、例えばＱ−スイッチを用いたＮｄ：ＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザ、エキシマレーザなどを適宜用いることができる。
Ｎｄ：ＹＡＧレーザの場合、例えば非線形結晶を用いて基本波１０６４ｎｍの光を２倍波５３２ｎｍの光に変換して用いることができる。例えば、パルスエネルギーが２１０ｍＪ、パルス幅が４．５〜５．５ｎｓ、パルスの周波数が２０Ｈｚである。
【００４４】
成膜チャンバー３０には真空ポンプＶＰ３に接続した排気管３１が設けられており、真空ポンプＶＰ３の作動により成膜チャンバー３０内が排気され、例えば１０−１０Ｔｏｒｒ程度の超高真空雰囲気とされる。
成膜チャンバー３０内には、Ｘ−Ｙ方向に駆動するステージ３２が設けられ、このステージ３２に成膜対象である基板３３が固定される。また、ステージ３２はＸ−Ｙ−Ｚ方向に駆動する方式としてもよく、さらに基板３３を回転移動させる方式を組み合わせてもよい。あるいは、一方向に延伸する板状の基板を当該一方向に駆動させる方式のステージ、あるいは円盤状あるいはその他の形状の基板を回転移動させる方式のステージでもよい。
基板３３としては、特に限定はないが、例えば、純チタン板（ＪＩＳグレード１）、Ａ１０５０アルミニウム合金板、ＳＵＳ３０４ステンレススチール板などを用いることができる。成膜対象基板は、成膜チャンバーにセットする前にアセトン中で超音波洗浄してから用いることが好ましい。
【００４５】
蒸発チャンバー１０からの移送管１８の先端に、蒸発チャンバー１０で得られたナノ粒子を雰囲気ガスとともに成膜チャンバー３０内に噴出するノズル３５が設けられている。移送管１８の外周には、不図示のコイルヒーターが設けられて加熱可能となっていてもよい。
【００４６】
上記の蒸発チャンバー１０と成膜チャンバー３０の間において、圧力差によりガスの流れが生じる。上記のナノ粒子は雰囲気ガスとともに移送管を通して成膜チャンバー３０へと移送され、ノズル３５からガス流Ｊとして成膜チャンバー３０中において基板３３に向けて噴出される。
【００４７】
ノズル３５は、１次元もしくは２次元の圧縮性流体力学理論を基にガスの種類と組成および成膜チャンバーの排気能力に応じて設計されており、移送管１８の先端に接続され、あるいは移送管１８の先端部分と一体に形成されている。
具体的には、ノズル内部径が変化している縮小−拡大管であり、蒸発チャンバーと成膜チャンバー間の差圧により生起するガス流を、例えばマッハ数１．２以上の超音速まで高めることができる。
【００４８】
上記の構成のノズル３５によって、ナノ粒子と雰囲気ガスを含むガス流を超音速にまで加速し、ナノ粒子をガス流Ｊに乗せて成膜チャンバー３０中において基板３３に向けて噴出し、基板３３上に物理蒸着させ、物理蒸着膜を形成する。
【００４９】
ここで、上記の蒸発チャンバー１０、成膜チャンバー３０あるいは移送管１８に適宜ナノ粒子と反応させるガスを添加することができる。例えば、窒素を添加することで、窒化物のナノ粒子を得ることができ、窒化物の物理蒸着膜が成膜可能である。また、酸素を添加することで酸化物のナノ粒子を得ることができ、酸化物の物理蒸着膜を成膜可能である。また、蒸発チャンバー１０、成膜チャンバー３０あるいは移送管１８などに、水素を適宜添加してもよく、これにより成膜しやすくなる利点がある。
【００５０】
例えば、タングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いる場合、従来型のプラズマトーチによる加熱ではナノ粒子化することが困難であることがあった。
本実施形態の物理蒸着装置によれば、レーザ光を用いて加熱することで蒸発源の蒸発に寄与する大きなエネルギーを与えることが可能となる。これにより、例えばタングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いることが可能となる。
【００５１】
あるいは、ノズル３５は、ノズル内部径が変化している縮小管あるいは例えばノズル出口マッハ数０．７５以下の亜音速、同マッハ数０．７５〜１．０の遷音速あるいは１．０〜１．２５程度の縮小−拡大管であり、蒸発チャンバーと成膜チャンバー間の差圧により生起するガス流を、例えばマッハ数０．７５以下の亜音速あるいはマッハ数０．７５〜１．２５の遷音速まで高めることができる構成でもよい。
上記の構成のノズル３５によって、ナノ粒子と雰囲気ガスを含むガス流を亜音速あるいは遷音速にまで加速し、ナノ粒子をガス流Ｊに乗せて成膜チャンバー３０中において基板３３に向けて噴出し、基板３３上に物理蒸着させ、物理蒸着膜を形成する。
【００５２】
上記のナノ粒子と雰囲気ガスを含むガス流を亜音速あるいは遷音速にまで加速する構成の場合には、例えば、蒸発チャンバー１０は、０．１５ｋＰａ（１．１Ｔｏｒｒ）〜９０ｋＰａ（７００Ｔｏｒｒ）の高真空雰囲気とされ、成膜チャンバー３０は、０．１ｋＰａ（０．７Ｔｏｒｒ）〜６０ｋＰａ（４５０Ｔｏｒｒ）の高真空雰囲気とされる。
【００５３】
上記のノズル３５としては、例えば耐熱ガラス製の縮小管のノズルを使用可能である。この場合、移送管と一体に形成することが可能である。これにより、ＲＦ加熱が可能となる。また、ノズル内でのプラズマ化が可能となり、成膜が難しい組成の物理蒸着膜の成膜ができる可能性がある。
【００５４】
上記のナノ粒子と雰囲気ガスを含むガス流を亜音速あるいは遷音速にまで加速する構成の場合には、ガス流の速度が亜音速または遷音速であるので、使用されるノズルの設計の自由度が高くなり、設計自体及び製作が容易となり、物理蒸着装置としてのコストを削減できる。
【００５５】
ガス流を超音速にまで加速する場合、物理蒸着を可能にするために、衝撃波の発生を極力抑え、かつ衝撃波の影響を考慮してノズル内径の変化がなされている縮小−拡大管の設計が必須となる。
一方、ガス流の加速は亜音速または遷音速とする場合、超音速領域のガス流に発生する衝撃波の影響がない、あるいは非常に小さくすることができる。
【００５６】
また、ガス流の速度を亜音速または遷音速とする場合、さらに以下のような効果を享受することができる。
（１）ナノ粒子が成膜対象の基板に衝突する際にも、超音速に加速されたガス流は基板に衝突する際に衝撃波が発生し、ナノ粒子は衝撃波の影響で質の高い膜が得られにくい可能性がある。本実施形態では、衝撃波の影響がない、あるいは非常に小さいので、成膜条件によっては超音速のガス流を用いた場合より質の高い膜を形成できる可能性がある。
【００５７】
（２）蒸発チャンバーと成膜チャンバーの圧力差を小さくできるので、成膜チャンバーのポンプ性能を低くすることが可能となり、これにより物理蒸着装置のコストを削減可能である。
【００５８】
（３）蒸発チャンバーと成膜チャンバーの圧力差を小さくできるので、蒸発チャンバーの圧力を低くでき、ヘリウムの流量を少なくすることができ、これによりコストを削減することが可能である。
【００５９】
（４）蒸発チャンバーと成膜チャンバーの圧力差を小さくできるので、蒸発チャンバーの圧力を低くでき、蒸気圧の低い材料を蒸発源の材料として選択することが可能となる。
例えば、Ａｌなどの蒸気圧の低い材料を蒸発源の材料として用いる場合、Ａｌナノ粒子を得るために蒸発チャンバー真空度が高いほど得やすくなる。
一方で、超音速フリージェットを用いる場合には、蒸発チャンバーと成膜チャンバーにある程度の圧力差が必要であり、蒸発チャンバー内の圧力を所定以上に下げることが困難となってしまう。
本実施形態では、蒸発チャンバーと成膜チャンバーの圧力差が小さくても可能であるため、蒸発チャンバー内の圧力を下げることが可能であり、これにより蒸発源として蒸気圧の小さい材料を用いることが可能となり、材料として可能な選択肢を増やすことができる。
【００６０】
（５）ガス流の速度が亜音速または遷音速でよいことから成膜チャンバー内に設けられるノズルと成膜対象である基板間の距離の自由度が増加する。
例えば、超音速フリージェットを用いる場合には、衝撃波をなくすように設計されているものの、現実にはシュリーレン法によれば衝撃波が交錯する領域があるとされており、ノズルの基板間の距離にはある程度の制約がある。
本実施形態では、ガス流の速度が亜音速または遷音速でよいことから衝撃波の影響がない、あるいは非常に小さいので、ノズルと基板間の距離を自由に設定することが可能となる。
【００６１】
［物理蒸着方法］
本実施形態の物理蒸着方法は、まず、成膜チャンバー３０の内部に成膜対象である基板３３を配置し、一方で内部に蒸発源１５を備え、レーザ光源１６ａからのレーザ光１７を照射して加熱する加熱部を有する蒸発チャンバー１０において、所定のガス雰囲気下あるいは大気下においてレーザ光１７の照射により蒸発源１５を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から蒸発した原子からナノメートルオーダーの直径の微粒子（ナノ粒子）を生成する。
【００６２】
次に、蒸発チャンバー１０と成膜チャンバー３０の間の圧力差により、蒸発チャンバー１０からナノ粒子を含むガスを移送管１７により成膜チャンバー３０の内部に設けられたノズル３５へと搬送し、ナノ粒子をノズル３５から超音速、亜音速または遷音速のガス流Ｊに乗せて基板３３に向けて噴出し、ナノ粒子を基板３３に物理蒸着させて物理蒸着膜を形成する。
【００６３】
図２は上記の物理蒸着装置及び物理蒸着方法により成膜された物理蒸着膜の断面図である。
例えば、チタンあるいはチタン合金などの金属、セラミックス、あるいは高分子などからなる基板３３上に、ＴｉＡｌあるいはＴｉＡｌＮなどからなる物理蒸着膜１が形成されている。
【００６４】
物理蒸着膜１の膜厚は、例えば、数μｍ〜１０００μｍ程度であり、好ましくは１０μｍ以上、さらに好ましくは３０μｍ以上である。
【００６５】
上記の物理蒸着膜１は、膜全体で組成が均一であってもよく、例えば厚み方向に組成が変化するようなプロファイルを持っていてもよい。
【００６６】
上記の物理蒸着膜１は、上記の物理蒸着装置及び物理蒸着方法により成膜された膜である。
例えば、蒸発チャンバーに蒸発源としてＴｉＡｌをセットし、成膜チャンバーの成膜対象基板にＴｉＡｌ膜を成膜することができる。
また、例えば上記と同様に蒸発源としてＴｉＡｌをセットし、さらに蒸発チャンバーに雰囲気ガスとして窒素を流すことで、ＴｉＡｌＮ膜を成膜することができる。
上記の他、金属とセラミックスなど、通常の方法では組成を混合して成膜することが困難な膜なども、組成を自由に制御して、緻密に成膜することができる。
【００６７】
ここで、蒸発チャンバー１０、成膜チャンバー３０あるいは移送管１７に適宜ナノ粒子と反応させるガスを添加することができる。例えば、窒素を添加することで、窒化物のナノ粒子を得ることができ、窒化物の物理蒸着膜が成膜可能である。また、酸素を添加することで酸化物のナノ粒子を得ることができ、酸化物の物理蒸着膜を成膜可能である。また、蒸発チャンバー１０、成膜チャンバー３０など移送管１７などに、水素を適宜添加してもよく、これにより成膜しやすくなる利点がある。
【００６８】
本実施形態の物理蒸着方法によれば、レーザ光を用いて加熱することで蒸発源の蒸発に寄与する大きなエネルギーを与えることが可能となる。これにより、例えばタングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いることが可能となる。
【００６９】
また、本実施形態の物理蒸着方法においてガス流の速度を亜音速または遷音速とする場合、用いるノズルの設計の自由度が高くなり、設計自体及び製作が容易となり、物理蒸着膜を形成するコストを削減できる。
【００７０】
＜第２実施形態＞
［物理蒸着装置の模式構成］
図３は本実施形態に係る物理蒸着装置の模式構成図である。
本実施形態の物理蒸着装置は、第１蒸発チャンバー１０、第２蒸発チャンバー２０及び成膜用の真空チャンバーである成膜チャンバー３０を備える。
【００７１】
第１蒸発チャンバー１０には真空ポンプＶＰ１に接続した第１排気管１１が設けられており、真空ポンプＶＰ１の作動により第１蒸発チャンバー１０内が排気され、例えば１０−１０Ｔｏｒｒ程度の超高真空雰囲気とされる。
さらに、第１蒸発チャンバー１０にマスフローコントローラ１２を介して設けられたガス供給源１３から、必要に応じて、ＨｅあるいはＮ２などの雰囲気ガスが第１蒸発チャンバー１０内に所定の流量で供給される。あるいは大気雰囲気としてもよい。
【００７２】
第１蒸発チャンバー１０内には、回転駆動可能に構成されたテーブル１４が設けられ、この上にチタン、タングステン、アルミニウム、ニオブあるいはシリコンなどの第１蒸発源１５が配置されている。
第１蒸発チャンバー１０には、第１レーザ光源１６ａと第１レーザ光源１６ａから出射されるレーザ光１７を導く光学系が設けられている。光学系は、例えば、アパーチャ１６ｂ、ミラー１６ｃ、レンズ１６ｄ及びミラー１６ｅなどから構成される。光学系としては、上記以外のミラーやレンズなどを適宜さらに用いた構成としてもよい。第１レーザ光源１６ａからのレーザ光１７は、レンズで集光されながら、第１蒸発チャンバー１０に設けられた石英などからなる第１光照射窓１０ａから第１蒸発チャンバー１０の内部に導かれ、第１蒸発源１５に照射され、第１蒸発源１５が加熱される。
第１蒸発源１５は加熱されて蒸発し、第１蒸発源１５から蒸発した原子からナノメートルオーダーの直径の第１微粒子（以下第１ナノ粒子とも称する）が得られる。
得られた第１ナノ粒子は、第１蒸発チャンバー１０内の雰囲気ガスとともに移送管１８を通して成膜チャンバー３０へと移送される。
【００７３】
第２蒸発チャンバー２０には真空ポンプＶＰ２に接続した第２排気管２１が設けられており、真空ポンプＶＰ２の作動により第２蒸発チャンバー２０内が排気され、例えば１０−１０Ｔｏｒｒ程度の超高真空雰囲気とされる。
さらに、第２蒸発チャンバー２０にマスフローコントローラ２２を介して設けられたガス供給源２３から、必要に応じて、ＨｅあるいはＮ２などの雰囲気ガスが第２蒸発チャンバー２０内に所定の流量で供給される。あるいは大気雰囲気としてもよい。
【００７４】
第２蒸発チャンバー２０内には、回転駆動可能に構成されたテーブル２４が設けられ、この上にチタン、タングステン、アルミニウム、ニオブあるいはシリコンなどの第２蒸発源２５が配置されている。
第２蒸発チャンバー２０には、第２レーザ光源２６ａと第２レーザ光源２６ａから出射されるレーザ光２７を導く光学系が設けられている。光学系は、例えば、アパーチャ２６ｂ、ミラー２６ｃ、レンズ２６ｄ及びミラー２６ｅなどから構成される。光学系としては、上記以外のミラーやレンズなどを適宜さらに用いた構成としてもよい。第２レーザ光源２６ａからのレーザ光２７は、レンズで集光されながら、第２蒸発チャンバー２０に設けられた石英などからなる第２光照射窓２０ａから第２蒸発チャンバー２０の内部に導かれ、第２蒸発源２５に照射され、第２蒸発源２５が加熱される。
第２蒸発源２５は加熱されて蒸発し、第２蒸発源２５から蒸発した原子からナノメートルオーダーの直径の第２微粒子（以下第２ナノ粒子とも称する）が得られる。
得られた第２ナノ粒子は、第２蒸発チャンバー２０内の雰囲気ガスとともに移送管２８を通して成膜チャンバー３０へと移送される。
【００７５】
第１レーザ光源１６ａ及び第２レーザ光源２６ａは、例えばＱ−スイッチを用いたＮｄ：ＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザ、エキシマレーザなどを適宜用いることができる。
Ｎｄ：ＹＡＧレーザの場合、例えば非線形結晶を用いて基本波１０６４ｎｍの光を２倍波５３２ｎｍの光に変換して用いることができる。例えば、パルスエネルギーが２１０ｍＪ、パルス幅が４．５〜５．５ｎｓ、パルスの周波数が２０Ｈｚである。
【００７６】
成膜チャンバー３０には真空ポンプＶＰ３に接続した排気管３１が設けられており、真空ポンプＶＰ３の作動により成膜チャンバー３０内が排気され、例えば１０−１０Ｔｏｒｒ程度の超高真空雰囲気とされる。
成膜チャンバー３０内には、Ｘ−Ｙ方向に駆動するステージ３２が設けられ、このステージ３２に成膜対象である基板３３が固定される。また、ステージ３２はＸ−Ｙ−Ｚ方向に駆動する方式としてもよく、さらに基板３３を回転移動させる方式を組み合わせてもよい。あるいは、一方向に延伸する板状の基板を当該一方向に駆動させる方式のステージ、あるいは円盤状あるいはその他の形状の基板を回転移動させる方式のステージでもよい。
基板３３としては、特に限定はないが、例えば、純チタン板（ＪＩＳグレード１）、Ａ１０５０アルミニウム合金板、ＳＵＳ３０４ステンレススチール板などを用いることができる。成膜対象基板は、成膜チャンバーにセットする前にアセトン中で超音波洗浄してから用いることが好ましい。
【００７７】
第１蒸発チャンバー１０からの第１移送管１８の先端と、第２蒸発チャンバー２０からの第２移送管２８の先端との合流部に流体混合部３４が設けられており、流体混合部３４の中央部から延びるようにノズル３５が設けられている。各移送管（１８，２８）の流体混合部３４側の外周には、不図示のコイルヒーターが設けられて加熱可能となっていてもよい。
【００７８】
上記の第１蒸発チャンバー１０において第１ナノ粒子が生成され、第２蒸発チャンバー２０において第２ナノ粒子が生成されると、第１及び第２蒸発チャンバー（１０，２０）と成膜チャンバー３０の間の圧力差によりガスの流れが生じ、第１ナノ粒子及び第２ナノ粒子は雰囲気ガスとともに移送管を通して成膜チャンバー３０へと移送される。
第１ナノ粒子を含む第１流体と、第２ナノ粒子を含む第２流体とが、流体混合部３４において混合する。
ここで、上記の第１ナノ粒子と第２ナノ粒子の混合には、非特許文献３及び特許文献３に記載の同軸対向衝突噴流の発振現象を利用して混合することができる。
混合された第１ナノ粒子と第２ナノ粒子が、流体混合部３４の中央部に取り付けられたノズル３５からガス流Ｊとして成膜チャンバー３０中において基板３３に向けて噴出される。
【００７９】
ノズル３５は、１次元もしくは２次元の圧縮性流体力学理論を基にガスの種類と組成および成膜チャンバーの排気能力に応じて設計されており、流体混合部３４に接続され、あるいは流体混合部３４と一体に形成されている。
具体的には、ノズル内部径が変化している縮小−拡大管であり、蒸発チャンバーと成膜チャンバー間の差圧により生起するガス流を、例えばマッハ数１．２以上の超音速まで高めることができる。
【００８０】
上記の構成のノズル３５によって、混合された第１ナノ粒子と第２ナノ粒子と雰囲気ガスを含むガス流を超音速にまで加速し、第１ナノ粒子と第２ナノ粒子をガス流Ｊに乗せて成膜チャンバー３０中において基板３３に向けて噴出し、基板３３上に物理蒸着させ、物理蒸着膜を形成する。
【００８１】
ここで、上記の第１蒸発チャンバー１０、第２蒸発チャンバー２０、成膜チャンバー３０、第１移送管１８あるいは第２移送管２８に、適宜ナノ粒子と反応させるガスを添加することができる。例えば、窒素を添加することで、窒化物のナノ粒子を得ることができ、窒化物の物理蒸着膜が成膜可能である。また、酸素を添加することで酸化物のナノ粒子を得ることができ、酸化物の物理蒸着膜を成膜可能である。また、第１蒸発チャンバー１０、第２蒸発チャンバー２０、成膜チャンバー３０、第１移送管１８あるいは第２移送管２８などに、水素を適宜添加してもよく、これにより成膜しやすくなる利点がある。
【００８２】
本実施形態の物理蒸着装置によれば、レーザ光を用いて加熱することで蒸発源の蒸発に寄与する大きなエネルギーを与えることが可能となる。これにより、例えばタングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いることが可能となる。
【００８３】
あるいは、ノズル３５は、ノズル内部径が変化している縮小管あるいは例えばノズル出口マッハ数０．７５以下の亜音速、同マッハ数０．７５〜１．０の遷音速あるいは１．０〜１．２５程度の縮小−拡大管であり、蒸発チャンバーと成膜チャンバー間の差圧により生起するガス流を、例えばマッハ数０．７５以下の亜音速あるいはマッハ数０．７５〜１．２５の遷音速まで高めることができる構成でもよい。
上記の構成のノズル３５によって、混合された第１ナノ粒子と第２ナノ粒子と雰囲気ガスを含むガス流を亜音速あるいは遷音速にまで加速し、ナノ粒子をガス流Ｊに乗せて成膜チャンバー３０中において基板３３に向けて噴出し、基板３３上に物理蒸着させ、物理蒸着膜を形成する。
【００８４】
上記の混合された第１ナノ粒子と第２ナノ粒子と雰囲気ガスを含むガス流を亜音速あるいは遷音速にまで加速する構成の場合には、例えば、第１蒸発チャンバー１０及び第２蒸発チャンバー２０は、０．１５ｋＰａ（１．１Ｔｏｒｒ）〜９０ｋＰａ（７００Ｔｏｒｒ）の高真空雰囲気とされ、成膜チャンバー３０は、０．１ｋＰａ（０．７Ｔｏｒｒ）〜６０ｋＰａ（４５０Ｔｏｒｒ）の高真空雰囲気とされる。
【００８５】
上記のノズル３５としては、例えば耐熱ガラス製の縮小管のノズルを使用可能である。この場合、移送管と一体に形成することが可能である。これにより、ＲＦ加熱が可能となる。また、ノズル内でのプラズマ化が可能となり、成膜が難しい組成の物理蒸着膜の成膜ができる可能性がある。
【００８６】
上記のナノ粒子と雰囲気ガスを含むガス流を亜音速あるいは遷音速にまで加速する構成の場合には、ガス流の速度が亜音速または遷音速であるので、使用されるノズルの設計の自由度が高くなり、設計自体及び製作が容易となり、物理蒸着装置としてのコストを削減できる。
【００８７】
また、ガス流の速度を亜音速または遷音速とする場合、さらに以下のような効果を享受することができる。
（１）蒸発チャンバーと成膜チャンバーの圧力差を小さくできるので、成膜チャンバーのポンプ性能を低くすることが可能となり、これにより物理蒸着装置のコストを削減可能である。
（２）蒸発チャンバーと成膜チャンバーの圧力差を小さくできるので、蒸発チャンバーの圧力を低くでき、ヘリウムの流量を少なくすることができ、これによりコストを削減することが可能である。
（３）蒸発チャンバーと成膜チャンバーの圧力差を小さくできるので、蒸発チャンバーの圧力を低くでき、蒸気圧の低い材料を蒸発源の材料として選択することが可能となる。
（４）ガス流の速度が亜音速または遷音速でよいことから成膜チャンバー内に設けられるノズルと成膜対象である基板間の距離の自由度が増加する。
【００８８】
［物理蒸着方法］
本実施形態の物理蒸着方法は、まず、成膜チャンバー３０の内部に成膜対象である基板３３を配置し、一方で、内部に第１蒸発源１５を備え、第１レーザ光源１６ａからのレーザ光１７を照射して加熱する加熱部を有する第１蒸発チャンバー１０において、所定のガス雰囲気下あるいは大気下においてレーザ光１７の照射により第１蒸発源１５を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から蒸発した原子からナノメートルオーダーの直径の第１微粒子（第１ナノ粒子）を生成する。
また、内部に第２蒸発源２５を備え、第２レーザ光源２６ａからのレーザ光２７を照射して加熱する加熱部を有する第２蒸発チャンバー２０において、所定のガス雰囲気下あるいは大気下においてレーザ光２７の照射により第２蒸発源２５を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から蒸発した原子からナノメートルオーダーの直径の第２微粒子（第２ナノ粒子）を生成する。
【００８９】
次に、第１移送管１８により第１蒸発チャンバー１０から第１ナノ粒子を含むガスを流体混合部３４に移送させ、第２移送管２８により第２蒸発チャンバー２０から第２ナノ粒子を含むガスを流体混合部３４に移送させ、流体混合部３４において第１ナノ粒子と第２ナノ粒子とを混合させる。
【００９０】
次に、流体混合部３４から混合された第１ナノ粒子と第２ナノ粒子を成膜チャンバー３０の内部に設けられたノズル３５へと搬送し、第１ナノ粒子と第２ナノ粒子をノズル３５から超音速、亜音速または遷音速のガス流Ｊに乗せて基板３３に向けて噴出し、混合された第１ナノ粒子と第２ナノ粒子を基板３３に物理蒸着させて物理蒸着膜を形成する。
【００９１】
上記の物理蒸着装置及び物理蒸着方法により、第１実施形態と同様の物理蒸着膜を成膜できる。
例えば、第１蒸発チャンバーに第１蒸発源としてＴｉをセットし、第２蒸発チャンバーに第２蒸発源としてＡｌをセットし、成膜チャンバーの成膜対象基板にＴｉＡｌ膜を成膜することができる。
また、例えば上記と同様に第１蒸発源としてＴｉをセットし、第２蒸発源としてＡｌをセットし、さらに第１蒸発チャンバーまたは第２蒸発チャンバーに雰囲気ガスとして窒素を流すことで、成膜チャンバーの成膜対象基板にＴｉＡｌＮ膜を成膜することができる。
また、例えば第１蒸発源としてＡｌをセットし、第２蒸発源としてＳｉをセットし、成膜チャンバーの成膜対象基板にＡｌＳｉ膜を成膜することができる。
上記の他、金属とセラミックスなど、通常の方法では組成を混合して成膜することが困難な膜なども、組成を自由に制御して、緻密に成膜することができる。
【００９２】
ここで、第１蒸発チャンバー１０、第２蒸発チャンバー２０、成膜チャンバー３０、第１移送管１８あるいは第２移送管２８に、適宜ナノ粒子と反応させるガスを添加することができる。例えば、窒素を添加することで、窒化物のナノ粒子を得ることができ、窒化物の物理蒸着膜が成膜可能である。また、酸素を添加することで酸化物のナノ粒子を得ることができ、酸化物の物理蒸着膜を成膜可能である。また、第１蒸発チャンバー１０、第２蒸発チャンバー２０、成膜チャンバー３０、第１移送管１８あるいは第２移送管２８などに、水素を適宜添加してもよく、これにより成膜しやすくなる利点がある。
【００９３】
本実施形態の物理蒸着方法によれば、レーザ光を用いて加熱することで蒸発源の蒸発に寄与する大きなエネルギーを与えることが可能となる。これにより、例えばタングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いることが可能となる。
【００９４】
また、本実施形態の物理蒸着方法においてガス流の速度を亜音速または遷音速とする場合、用いるノズルの設計の自由度が高くなり、設計自体及び製作が容易となり、物理蒸着膜を形成するコストを削減できる。
【００９５】
＜第３実施形態＞
［物理蒸着装置の模式構成］
図４は本実施形態に係る物理蒸着装置の模式構成図である。
本実施形態の物理蒸着装置は、第１蒸発チャンバー１０、第２蒸発チャンバー２０及び成膜用の真空チャンバーである成膜チャンバー３０を備える。
【００９６】
第１蒸発チャンバー１０には真空ポンプＶＰ１に接続した第１排気管１１が設けられており、真空ポンプＶＰ１の作動により第１蒸発チャンバー１０内が排気され、例えば１０−１０Ｔｏｒｒ程度の超高真空雰囲気とされる。
さらに、第１蒸発チャンバー１０にマスフローコントローラ１２を介して設けられたガス供給源１３から、必要に応じて、ＨｅあるいはＮ２などの雰囲気ガスが第１蒸発チャンバー１０内に所定の流量で供給される。あるいは大気雰囲気としてもよい。
【００９７】
第１蒸発チャンバー１０内には、回転駆動可能に構成されたテーブル１４が設けられ、この上にチタン、タングステン、アルミニウム、ニオブあるいはシリコンなどの第１蒸発源１５が配置されている。
第１蒸発チャンバー１０には、第１レーザ光源１６ａと第１レーザ光源１６ａから出射されるレーザ光１７を導く光学系が設けられている。光学系は、例えば、アパーチャ１６ｂ、ミラー１６ｃ、レンズ１６ｄ及びミラー１６ｅなどから構成される。光学系としては、上記以外のミラーやレンズなどを適宜さらに用いた構成としてもよい。第１レーザ光源１６ａからのレーザ光１７は、レンズで集光されながら、第１蒸発チャンバー１０に設けられた石英などからなる第１光照射窓１０ａから第１蒸発チャンバー１０の内部に導かれ、第１蒸発源１５に照射され、第１蒸発源１５が加熱される。
第１蒸発源１５は加熱されて蒸発し、第１蒸発源１５から蒸発した原子からナノメートルオーダーの直径の第１微粒子（以下第１ナノ粒子とも称する）が得られる。
得られた第１ナノ粒子は、第１蒸発チャンバー１０内の雰囲気ガスとともに移送管１８を通して成膜チャンバー３０へと移送される。
【００９８】
第２蒸発チャンバー２０には真空ポンプＶＰ２に接続した第２排気管２１が設けられており、真空ポンプＶＰ２の作動により第２蒸発チャンバー２０内が排気され、例えば１０−１０Ｔｏｒｒ程度の超高真空雰囲気とされる。
さらに、第２蒸発チャンバー２０にマスフローコントローラ２２を介して設けられたガス供給源２３から、必要に応じて、ＨｅあるいはＮ２などの雰囲気ガスが第２蒸発チャンバー２０内に所定の流量で供給される。あるいは大気雰囲気としてもよい。
【００９９】
第２蒸発チャンバー２０内には、回転駆動可能に構成されたテーブル２４が設けられ、この上にチタン、タングステン、アルミニウム、ニオブあるいはシリコンなどの第２蒸発源２５が配置されている。
第２蒸発チャンバー２０には、第２レーザ光源２６ａと第２レーザ光源２６ａから出射されるレーザ光２７を導く光学系が設けられている。光学系は、例えば、アパーチャ２６ｂ、ミラー２６ｃ、レンズ２６ｄ及びミラー２６ｅなどから構成される。光学系としては、上記以外のミラーやレンズなどを適宜さらに用いた構成としてもよい。第２レーザ光源２６ａからのレーザ光２７は、レンズで集光されながら、第２蒸発チャンバー２０に設けられた石英などからなる第２光照射窓２０ａから第２蒸発チャンバー２０の内部に導かれ、第２蒸発源２５に照射され、第２蒸発源２５が加熱される。
第２蒸発源２５は加熱されて蒸発し、第２蒸発源２５から蒸発した原子からナノメートルオーダーの直径の第２微粒子（以下第２ナノ粒子とも称する）が得られる。
得られた第２ナノ粒子は、第２蒸発チャンバー２０内の雰囲気ガスとともに移送管２８を通して成膜チャンバー３０へと移送される。
【０１００】
第１レーザ光源１６ａ及び第２レーザ光源２６ａは、例えばＱ−スイッチを用いたＮｄ：ＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザ、エキシマレーザなどを適宜用いることができる。
Ｎｄ：ＹＡＧレーザの場合、例えば非線形結晶を用いて基本波１０６４ｎｍの光を２倍波５３２ｎｍの光に変換して用いることができる。例えば、パルスエネルギーが２１０ｍＪ、パルス幅が４．５〜５．５ｎｓ、パルスの周波数が２０Ｈｚである。
【０１０１】
成膜チャンバー３０には真空ポンプＶＰ３に接続した排気管３１が設けられており、真空ポンプＶＰ３の作動により成膜チャンバー３０内が排気され、例えば１０−１０Ｔｏｒｒ程度の超高真空雰囲気とされる。
成膜チャンバー３０内には、Ｘ−Ｙ方向に駆動するステージ３２が設けられ、このステージ３２に成膜対象である基板３３が固定される。また、ステージ３２はＸ−Ｙ−Ｚ方向に駆動する方式としてもよく、さらに基板３３を回転移動させる方式を組み合わせてもよい。あるいは、一方向に延伸する板状の基板を当該一方向に駆動させる方式のステージ、あるいは円盤状あるいはその他の形状の基板を回転移動させる方式のステージでもよい。
基板３３としては、特に限定はないが、例えば、純チタン板（ＪＩＳグレード１）、Ａ１０５０アルミニウム合金板、ＳＵＳ３０４ステンレススチール板などを用いることができる。成膜対象基板は、成膜チャンバーにセットする前にアセトン中で超音波洗浄してから用いることが好ましい。
【０１０２】
第１蒸発チャンバー１０からの第１移送管１８の先端に第１ノズル３６が設けられている。第１移送管１８の外周には、不図示のコイルヒーターが設けられて加熱可能となっていてもよい。
また、第２蒸発チャンバー２０からの第２移送管２８の先端に第２ノズル３７が設けられている。第２移送管２８の外周には、不図示のコイルヒーターが設けられて加熱可能となっていてもよい。
【０１０３】
上記の第１蒸発チャンバー１０において第１ナノ粒子が生成されると、第１蒸発チャンバー１０と成膜チャンバー３０の間の圧力差によりガスの流れが生じ、第１ナノ粒子は雰囲気ガスとともに第１移送管１８を通して成膜チャンバー３０へと移送される。
第１ナノ粒子が第１ノズル３６からガス流Ｊ１として成膜チャンバー３０中において基板３３に向けて噴出される。
また、上記の第２蒸発チャンバー２０において第２ナノ粒子が生成されると、第２蒸発チャンバー２０と成膜チャンバー３０の間の圧力差によりガスの流れが生じ、第２ナノ粒子は雰囲気ガスとともに第２移送管２８を通して成膜チャンバー３０へと移送される。
第２ナノ粒子が第２ノズル３７からガス流Ｊ２として成膜チャンバー３０中において基板３３に向けて噴出される。
【０１０４】
第１ノズル３６及び第２ノズル３７は、１次元もしくは２次元の圧縮性流体力学理論を基にガスの種類と組成および成膜チャンバーの排気能力に応じて設計されており、第１移送管１８あるいは第２移送管２８の先端に接続され、あるいは第１移送管１８あるいは第２移送管２８の先端部分と一体に形成されている。
具体的には、ノズル内部径が変化している縮小−拡大管であり、蒸発チャンバーと成膜チャンバー間の差圧により生起するガス流を、例えばマッハ数１．２以上の超音速まで高めることができる。
【０１０５】
上記の構成の第１ノズル３６によって第１ナノ粒子と雰囲気ガスを含むガス流Ｊ１を超音速にまで加速し、第１ナノ粒子をガス流Ｊ１に乗せて成膜チャンバー３０中において基板３３に向けて噴出し、かつ、第２ノズル３７によって第２ナノ粒子と雰囲気ガスを含むガス流Ｊ２を超音速にまで加速し、第２ナノ粒子をガス流Ｊ２に乗せて成膜チャンバー３０中において基板３３に向けて噴出し、第１ナノ粒子と第２ナノ粒子を基板３３上に物理蒸着させ、物理蒸着膜を形成する。
【０１０６】
ここで、上記の第１蒸発チャンバー１０、第２蒸発チャンバー２０、成膜チャンバー３０、第１移送管１８あるいは第２移送管２８に、適宜ナノ粒子と反応させるガスを添加することができる。例えば、窒素を添加することで、窒化物のナノ粒子を得ることができ、窒化物の物理蒸着膜が成膜可能である。また、酸素を添加することで酸化物のナノ粒子を得ることができ、酸化物の物理蒸着膜を成膜可能である。また、第１蒸発チャンバー１０、第２蒸発チャンバー２０、成膜チャンバー３０、第１移送管１８あるいは第２移送管２８などに、水素を適宜添加してもよく、これにより成膜しやすくなる利点がある。
【０１０７】
本実施形態の物理蒸着装置によれば、レーザ光を用いて加熱することで蒸発源の蒸発に寄与する大きなエネルギーを与えることが可能となる。これにより、例えばタングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いることが可能となる。
【０１０８】
あるいは、第１ノズル３６及び第２ノズル３７は、ノズル内部径が変化している縮小管あるいは例えばノズル出口マッハ数０．７５以下の亜音速、同マッハ数０．７５〜１．０の遷音速あるいは１．０〜１．２５程度の縮小−拡大管であり、蒸発チャンバーと成膜チャンバー間の差圧により生起するガス流を、例えばマッハ数０．７５以下の亜音速あるいはマッハ数０．７５〜１．２５の遷音速まで高めることができる構成でもよい。
上記の構成の第１ノズル３６によって、第１ノズル３６によって第１ナノ粒子と雰囲気ガスを含むガス流Ｊ１を亜音速あるいは遷音速にまで加速し、第１ナノ粒子をガス流Ｊ１に乗せて成膜チャンバー３０中において基板３３に向けて噴出し、かつ、第２ノズル３７によって第２ナノ粒子と雰囲気ガスを含むガス流Ｊ２を亜音速あるいは遷音速にまで加速し、第２ナノ粒子をガス流Ｊ２に乗せて成膜チャンバー３０中において基板３３に向けて噴出し、第１ナノ粒子と第２ナノ粒子を基板３３上に物理蒸着させ、物理蒸着膜を形成する。
【０１０９】
上記の第１ナノ粒子と雰囲気ガスを含むガス流と第２ナノ粒子と雰囲気ガスを含むガス流を亜音速あるいは遷音速にまで加速する構成の場合には、例えば、第１蒸発チャンバー１０及び第２蒸発チャンバー２０は、０．１５ｋＰａ（１．１Ｔｏｒｒ）〜９０ｋＰａ（７００Ｔｏｒｒ）の高真空雰囲気とされ、成膜チャンバー３０は、０．１ｋＰａ（０．７Ｔｏｒｒ）〜６０ｋＰａ（４５０Ｔｏｒｒ）の高真空雰囲気とされる。
【０１１０】
上記の第１ノズル３６及び第２ノズル３７としては、例えば耐熱ガラス製の縮小管のノズルを使用可能である。この場合、移送管と一体に形成することが可能である。これにより、ＲＦ加熱が可能となる。また、ノズル内でのプラズマ化が可能となり、成膜が難しい組成の物理蒸着膜の成膜ができる可能性がある。
【０１１１】
上記の第１ナノ粒子と雰囲気ガスを含むガス流及び第２ナノ粒子と雰囲気ガスを含むガス流を亜音速あるいは遷音速にまで加速する構成の場合には、ガス流の速度が亜音速または遷音速であるので、使用されるノズルの設計の自由度が高くなり、設計自体及び製作が容易となり、物理蒸着装置としてのコストを削減できる。
【０１１２】
また、ガス流の速度を亜音速または遷音速とする場合、さらに以下のような効果を享受することができる。
（１）蒸発チャンバーと成膜チャンバーの圧力差を小さくできるので、成膜チャンバーのポンプ性能を低くすることが可能となり、これにより物理蒸着装置のコストを削減可能である。
（２）蒸発チャンバーと成膜チャンバーの圧力差を小さくできるので、蒸発チャンバーの圧力を低くでき、ヘリウムの流量を少なくすることができ、これによりコストを削減することが可能である。
（３）蒸発チャンバーと成膜チャンバーの圧力差を小さくできるので、蒸発チャンバーの圧力を低くでき、蒸気圧の低い材料を蒸発源の材料として選択することが可能となる。
（４）ガス流の速度が亜音速または遷音速でよいことから成膜チャンバー内に設けられるノズルと成膜対象である基板間の距離の自由度が増加する。
【０１１３】
［物理蒸着方法］
本実施形態の物理蒸着方法は、まず、成膜チャンバー３０の内部に成膜対象である基板３３を配置し、一方で、内部に第１蒸発源１５を備え、第１レーザ光源１６ａからのレーザ光１７を照射して加熱する加熱部を有する第１蒸発チャンバー１０において、所定のガス雰囲気下あるいは大気下においてレーザ光１７の照射により第１蒸発源１５を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から蒸発した原子からナノメートルオーダーの直径の第１微粒子（第１ナノ粒子）を生成する。
また、内部に第２蒸発源２５を備え、第２レーザ光源２６ａからのレーザ光２７を照射して加熱する加熱部を有する第２蒸発チャンバー２０において、所定のガス雰囲気下あるいは大気下においてレーザ光２７の照射により第２蒸発源２５を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から蒸発した原子からナノメートルオーダーの直径の第２微粒子（第２ナノ粒子）を生成する。
【０１１４】
次に、第１蒸発チャンバー１０から第１ナノ粒子を含むガスを第１移送管１８により成膜チャンバー３０の内部に設けられた第１ノズル３６へと搬送し、第１ナノ粒子を第１ノズル３６から超音速、亜音速または遷音速のガス流Ｊ１に乗せて基板３３に向けて噴出し、かつ、第２蒸発チャンバー２０から第２ナノ粒子を含むガスを第２移送管２８により成膜チャンバー３０の内部に設けられた第２ノズル３７へと搬送し、第２ナノ粒子を第２ノズル３７から超音速、亜音速または遷音速のガス流Ｊ２に乗せて基板３３に向けて噴出し、第１ナノ粒子と第２ナノ粒子を基板３３に物理蒸着させて物理蒸着膜を形成する。
【０１１５】
上記の物理蒸着装置及び物理蒸着方法により、第１実施形態と同様の物理蒸着膜を成膜できる。
例えば、第１蒸発チャンバーに第１蒸発源としてＴｉをセットし、第２蒸発チャンバーに第２蒸発源としてＡｌをセットし、成膜チャンバーの成膜対象基板にＴｉＡｌ膜を成膜することができる。
また、例えば上記と同様に第１蒸発源としてＴｉをセットし、第２蒸発源としてＡｌをセットし、さらに第１蒸発チャンバーまたは第２蒸発チャンバーに雰囲気ガスとして窒素を流すことで、成膜チャンバーの成膜対象基板にＴｉＡｌＮ膜を成膜することができる。
また、例えば第１蒸発源としてＡｌをセットし、第２蒸発源としてＳｉをセットし、成膜チャンバーの成膜対象基板にＡｌＳｉ膜を成膜することができる。
上記の他、金属とセラミックスなど、通常の方法では組成を混合して成膜することが困難な膜なども、組成を自由に制御して、緻密に成膜することができる。
【０１１６】
ここで、第１蒸発チャンバー１０、第２蒸発チャンバー２０、成膜チャンバー３０、第１移送管１８あるいは第２移送管２８に、適宜ナノ粒子と反応させるガスを添加することができる。例えば、窒素を添加することで、窒化物のナノ粒子を得ることができ、窒化物の物理蒸着膜が成膜可能である。また、酸素を添加することで酸化物のナノ粒子を得ることができ、酸化物の物理蒸着膜を成膜可能である。また、第１蒸発チャンバー１０、第２蒸発チャンバー２０、成膜チャンバー３０、第１移送管１８あるいは第２移送管２８などに、水素を適宜添加してもよく、これにより成膜しやすくなる利点がある。
【０１１７】
本実施形態の物理蒸着方法によれば、レーザ光を用いて加熱することで蒸発源の蒸発に寄与する大きなエネルギーを与えることが可能となる。これにより、例えばタングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いることが可能となる。
【０１１８】
また、本実施形態の物理蒸着方法においてガス流の速度を亜音速または遷音速とする場合、用いるノズルの設計の自由度が高くなり、設計自体及び製作が容易となり、物理蒸着膜を形成するコストを削減できる。
【０１１９】
＜第４実施形態＞
［物理蒸着装置の模式構成］
図５は本実施形態に係る物理蒸着装置の模式構成図である。
本実施形態の物理蒸着装置は、蒸発チャンバー１０、粉体供給源４０及び成膜用の真空チャンバーである成膜チャンバー３０を備える。
【０１２０】
蒸発チャンバー１０には真空ポンプＶＰ１に接続した排気管１１が設けられており、真空ポンプＶＰ１の作動により蒸発チャンバー１０内が排気され、例えば例えば１０−１０Ｔｏｒｒ程度の超高真空雰囲気とされる。
さらに、蒸発チャンバー１０にマスフローコントローラ１２を介して設けられたガス供給源１３から、必要に応じて、ＨｅあるいはＮ２などの雰囲気ガスが蒸発チャンバー１０内に所定の流量で供給される。あるいは大気雰囲気としてもよい。
【０１２１】
蒸発チャンバー１０内には、回転駆動可能に構成されたテーブル１４が設けられ、この上にチタン、タングステン、アルミニウム、ニオブあるいはシリコンなどの蒸発源１５が配置されている。
蒸発チャンバー１０には、レーザ光源１６ａとレーザ光源１６ａから出射されるレーザ光１７を導く光学系が設けられている。光学系は、例えば、アパーチャ１６ｂ、ミラー１６ｃ、レンズ１６ｄ及びミラー１６ｅなどから構成される。光学系としては、上記以外のミラーやレンズなどを適宜さらに用いた構成としてもよい。レーザ光源１６ａからのレーザ光１７は、レンズで集光されながら、蒸発チャンバー１０に設けられた石英などからなる光照射窓１０ａから蒸発チャンバー１０の内部に導かれ、蒸発源１５に照射され、蒸発源１５が加熱される。
蒸発源１５は加熱されて蒸発し、蒸発源１５から蒸発した原子からナノメートルオーダーの直径の微粒子（以下ナノ粒子とも称する）が得られる。
得られたナノ粒子は、蒸発チャンバー１０内の雰囲気ガスとともに移送管１８を通して成膜チャンバー３０へと移送される。
【０１２２】
粉体供給源４０内には、ハイドロキシアパタイト粒子などの粉体が収容されている。粉体供給源４０を構成する容器内の圧力は、特に限定されないが、操作性の面から大気雰囲気であることが好ましい。
上記のハイドロキシアパタイト粒子は市販のものを用いることができる。ハイドロキシアパタイト粒子の粒径は、例えば数１０μｍ以下、好ましくは０．１〜１０μｍ程度であり、例えば平均粒径が５μｍ程度である。また、六方晶構造の粒子を用いることが好ましい。
例えば、粉体供給源４０の容器を振動させるなどして、容器内で粉体状の粒子を巻き上がらせ、巻き上がった粉体状の粒子を容器内の雰囲気ガスとともに第２移送管４１を通して成膜チャンバー３０へと移送させる。
【０１２３】
レーザ光源１６ａは、例えばＱ−スイッチを用いたＮｄ：ＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザ、エキシマレーザなどを適宜用いることができる。
Ｎｄ：ＹＡＧレーザの場合、例えば非線形結晶を用いて基本波１０６４ｎｍの光を２倍波５３２ｎｍの光に変換して用いることができる。例えば、パルスエネルギーが２１０ｍＪ、パルス幅が４．５〜５．５ｎｓ、パルスの周波数が２０Ｈｚである。
【０１２４】
成膜チャンバー３０には真空ポンプＶＰ３に接続した排気管３１が設けられており、真空ポンプＶＰ３の作動により成膜チャンバー３０内が排気され、例えば１０−１０Ｔｏｒｒ程度の超高真空雰囲気とされる。
成膜チャンバー３０内には、Ｘ−Ｙ方向に駆動するステージ３２が設けられ、このステージ３２に成膜対象である基板３３が固定される。また、ステージ３２はＸ−Ｙ−Ｚ方向に駆動する方式としてもよく、さらに基板３３を回転移動させる方式を組み合わせてもよい。あるいは、一方向に延伸する板状の基板を当該一方向に駆動させる方式のステージ、あるいは円盤状あるいはその他の形状の基板を回転移動させる方式のステージでもよい。
基板３３としては、特に限定はないが、例えば、純チタン板（ＪＩＳグレード１）、Ａ１０５０アルミニウム合金板、ＳＵＳ３０４ステンレススチール板などを用いることができる。成膜対象基板は、成膜チャンバーにセットする前にアセトン中で超音波洗浄してから用いることが好ましい。
【０１２５】
蒸発チャンバー１０からの第１移送管１７の先端と、粉体供給源４０からの第２移送管４１の先端との合流部に流体混合部３４が設けられており、流体混合部３４の中央部から延びるようにノズル３５が設けられている。各移送管（１８，４１）の流体混合部３４側の外周には、不図示のコイルヒーターが設けられて加熱可能となっていてもよい。
【０１２６】
上記の蒸発チャンバー１０においてナノ粒子が生成されると、蒸発チャンバー１０と成膜チャンバー３０の間の圧力差によりガスの流れが生じ、ナノ粒子は雰囲気ガスとともに第１移送管１８を通して成膜チャンバー３０へと移送される。
また、粉体供給源４０と成膜チャンバー３０の間の圧力差によりガスの流れが生じ、粉体状の粒子は雰囲気ガスとともに第２移送管４１を通して成膜チャンバー３０へと移送される。
ナノ粒子を含む第１流体と、粉体状の粒子を含む第２流体とが、流体混合部３４において混合する。
ここで、上記のナノ粒子と粉体状の粒子の混合には、非特許文献３及び特許文献３に記載の同軸対向衝突噴流の発振現象を利用して混合することができる。
混合されたナノ粒子と粉体状の粒子が、流体混合部３４の中央部に取り付けられたノズル３５からガス流Ｊとして成膜チャンバー３０中において基板３３に向けて噴出される。
【０１２７】
ノズル３５は、１次元もしくは２次元の圧縮性流体力学理論を基にガスの種類と組成および成膜チャンバーの排気能力に応じて設計されており、流体混合部３４に接続され、あるいは流体混合部３４と一体に形成されている。
具体的には、ノズル内部径が変化している縮小−拡大管であり、蒸発チャンバーと成膜チャンバー間の差圧により生起するガス流を、例えばマッハ数１．２以上の超音速まで高めることができる。
【０１２８】
上記の構成のノズル３５によって、混合されたナノ粒子と粉体状の粒子と雰囲気ガスを含むガス流を超音速にまで加速し、ナノ粒子と粉体状の粒子をガス流Ｊに乗せて成膜チャンバー３０中において基板３３に向けて噴出し、基板３３上に物理蒸着させ、物理蒸着膜を形成する。
【０１２９】
ここで、上記の第１蒸発チャンバー１０、第２蒸発チャンバー２０、成膜チャンバー３０、第１移送管１８あるいは第２移送管２８に、適宜ナノ粒子と反応させるガスを添加することができる。例えば、窒素を添加することで、窒化物のナノ粒子を得ることができ、窒化物の物理蒸着膜が成膜可能である。また、酸素を添加することで酸化物のナノ粒子を得ることができ、酸化物の物理蒸着膜を成膜可能である。また、第１蒸発チャンバー１０、第２蒸発チャンバー２０、成膜チャンバー３０、第１移送管１８あるいは第２移送管２８などに、水素を適宜添加してもよく、これにより成膜しやすくなる利点がある。
【０１３０】
本実施形態の物理蒸着装置によれば、レーザ光を用いて加熱することで蒸発源の蒸発に寄与する大きなエネルギーを与えることが可能となる。これにより、例えばタングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いることが可能となる。
【０１３１】
あるいは、ノズル３５は、ノズル内部径が変化している縮小管あるいは例えばノズル出口マッハ数０．７５以下の亜音速、同マッハ数０．７５〜１．０の遷音速あるいは１．０〜１．２５程度の縮小−拡大管であり、蒸発チャンバーと成膜チャンバー間の差圧により生起するガス流を、例えばマッハ数０．７５以下の亜音速あるいはマッハ数０．７５〜１．２５の遷音速まで高めることができる構成でもよい。
上記の構成のノズル３５によって、混合されたナノ粒子と粉体状の粒子と雰囲気ガスを含むガス流を亜音速あるいは遷音速にまで加速し、ナノ粒子をガス流Ｊに乗せて成膜チャンバー３０中において基板３３に向けて噴出し、基板３３上に物理蒸着させ、物理蒸着膜を形成する。
【０１３２】
上記の混合されたナノ粒子と粉体状の粒子と雰囲気ガスを含むガス流を亜音速あるいは遷音速にまで加速する構成の場合には、例えば、蒸発チャンバー１０は、０．１５ｋＰａ（１．１Ｔｏｒｒ）〜９０ｋＰａ（７００Ｔｏｒｒ）の高真空雰囲気とされ、成膜チャンバー３０は、０．１ｋＰａ（０．７Ｔｏｒｒ）〜６０ｋＰａ（４５０Ｔｏｒｒ）の高真空雰囲気とされる。
【０１３３】
上記のノズル３５としては、例えば耐熱ガラス製の縮小管のノズルを使用可能である。この場合、移送管と一体に形成することが可能である。これにより、ＲＦ加熱が可能となる。また、ノズル内でのプラズマ化が可能となり、成膜が難しい組成の物理蒸着膜の成膜ができる可能性がある。
【０１３４】
上記のナノ粒子と粉体状の粒子と雰囲気ガスを含むガス流を亜音速あるいは遷音速にまで加速する構成の場合には、ガス流の速度が亜音速または遷音速であるので、使用されるノズルの設計の自由度が高くなり、設計自体及び製作が容易となり、物理蒸着装置としてのコストを削減できる。
【０１３５】
上記のガス流の速度を亜音速または遷音速とする場合には、使用されるノズルの設計の自由度が高くなり、設計自体及び製作が容易となり、物理蒸着装置としてのコストを削減できる。
【０１３６】
また、ガス流の速度を亜音速または遷音速とする場合、さらに以下のような効果を享受することができる。
（１）蒸発チャンバーと成膜チャンバーの圧力差を小さくできるので、成膜チャンバーのポンプ性能を低くすることが可能となり、これにより物理蒸着装置のコストを削減可能である。
（２）蒸発チャンバーと成膜チャンバーの圧力差を小さくできるので、蒸発チャンバーの圧力を低くでき、ヘリウムの流量を少なくすることができ、これによりコストを削減することが可能である。
（３）蒸発チャンバーと成膜チャンバーの圧力差を小さくできるので、蒸発チャンバーの圧力を低くでき、蒸気圧の低い材料を蒸発源の材料として選択することが可能となる。
（４）ガス流の速度が亜音速または遷音速でよいことから成膜チャンバー内に設けられるノズルと成膜対象である基板間の距離の自由度が増加する。
【０１３７】
［物理蒸着方法］
本実施形態の物理蒸着方法は、まず、成膜チャンバー３０の内部に成膜対象である基板３３を配置し、一方で、内部に蒸発源１５を備え、レーザ光源１６ａからのレーザ光１７を照射して加熱する加熱部を有する蒸発チャンバー１０において、所定のガス雰囲気下あるいは大気下においてレーザ光１７の照射により蒸発源１５を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から蒸発した原子からナノメートルオーダーの直径の微粒子（ナノ粒子）を生成する。
【０１３８】
次に、第１移送管１８により蒸発チャンバーから微粒子を含むガスを流体混合部に移送させ、第２移送管４１により粉体供給源４０から粉体状の粒子を含むガスを流体混合部３４に移送させ、流体混合部３４においてナノ粒子と粉体状の粒子とを混合させる。
【０１３９】
次に、流体混合部３４から混合されたナノ粒子と粉体状の粒子を成膜チャンバー３０の内部に設けられたノズル３５へと搬送し、ナノ」粒子と粉体状の粒子をノズル３５から超音速、亜音速または遷音速のガス流Ｊに乗せて基板３３に向けて噴出し、混合されたナノ粒子と粉体状の粒子を基板３３に物理蒸着させて物理蒸着膜を形成する。
【０１４０】
上記の物理蒸着装置及び物理蒸着方法により、第１実施形態と同様の物理蒸着膜を成膜できる。
例えば、蒸発チャンバーに蒸発源としてチタンあるいはチタン合金などの金属をセットし、粉体供給源４０にハイドロキシアパタイト粒子を収容し、成膜チャンバーの成膜対象基板にハイドロキシアパタイト分散金属膜を成膜することができる。
【０１４１】
図６は、上記のようにして形成される本実施形態に係るハイドロキシアパタイト分散金属膜の模式断面図である。
例えば、チタンあるいはチタン合金などからなる基板３３上に金属膜１ａが形成されており、金属膜１ａ中にハイドロキシアパタイト粒子などの粉体１ｂが分散されており、物理蒸着膜１が構成されている。
【０１４２】
例えば、上記の金属膜１ａは、例えば生体親和性の高い膜とする場合などにおいてチタン膜であることが好ましい。
【０１４３】
上記のハイドロキシアパタイト粒子の粒径は、例えば、１μｍ以上、数１０μｍ以下であり、好ましくは０．１μｍ〜１０μｍである。
【０１４４】
金属膜１ａの膜厚は、ハイドロキシアパタイト粒子の粒径にもよるが、下限はハイドロキシアパタイト粒子の粒径相当の５〜１０μｍ程度であり、上限は１ｍｍ程度の膜厚まで可能である。好ましくは、１０μｍ〜１００μｍの膜厚である。
【０１４５】
例えば、５μｍ〜１０μｍ程度の粒径のハイドロキシアパタイト粒子が５０μｍの膜厚の金属膜中に分散されている場合、ハイドロキシアパタイト粒子の層が厚さ方向に３〜５層積層した状態で分散されている。例えば、最表面のハイドロキシアパタイト粒子は、一部が金属膜の表面から露出した状態で保持されている。
【０１４６】
また、ハイドロキシアパタイト粒子は、例えば生体親和性の高い膜とする場合などにおいて、六方晶構造を有することが好ましい。
【０１４７】
ここで、蒸発チャンバー１０、成膜チャンバー３０あるいは第１移送管１８に、適宜ナノ粒子と反応させるガスを添加することができる。例えば、窒素を添加することで、窒化物のナノ粒子を得ることができ、窒化物の物理蒸着膜が成膜可能である。また、酸素を添加することで酸化物のナノ粒子を得ることができ、酸化物の物理蒸着膜を成膜可能である。また、蒸発チャンバー１０、成膜チャンバー３０あるいは第１移送管１８などに、水素を適宜添加してもよく、これにより成膜しやすくなる利点がある。
【０１４８】
本実施形態の物理蒸着方法によれば、レーザ光を用いて加熱することで蒸発源の蒸発に寄与する大きなエネルギーを与えることが可能となる。これにより、例えばタングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いることが可能となる。
【０１４９】
また、本実施形態の物理蒸着方法においてガス流の速度を亜音速または遷音速とする場合、用いるノズルの設計の自由度が高くなり、設計自体及び製作が容易となり、物理蒸着膜を形成するコストを削減できる。
【０１５０】
＜第５実施形態＞
［物理蒸着装置の模式構成］
図７は本実施形態に係る物理蒸着装置の模式構成図である。
本実施形態の物理蒸着装置は、蒸発チャンバー１０及び成膜用の真空チャンバーである成膜チャンバー３０を備える。
成膜チャンバー内部に、基板に向けて酸素を供給する酸素供給部が設けられている。酸素供給部は、例えば、マスフローコントローラ５０、酸素供給源５１及び酸素供給管５２から構成される。
上記を除いては、第１〜第４実施形態に係る物理蒸着装置と同様の構成である。図７においては、代表して第１実施形態に対応する構成の物理蒸着装置を示している。
【０１５１】
蒸発チャンバー１０内には、回転駆動可能に構成されたテーブル１４が設けられ、この上にチタン、タングステン、アルミニウム、ニオブあるいはシリコンなどの蒸発源１５が配置されている。
蒸発チャンバー１０には、レーザ光源１６ａとレーザ光源１６ａから出射されるレーザ光１７を導く光学系が設けられている。光学系は、例えば、アパーチャ１６ｂ、ミラー１６ｃ、レンズ１６ｄ及びミラー１６ｅなどから構成される。光学系としては、上記以外のミラーやレンズなどを適宜さらに用いた構成としてもよい。レーザ光源１６ａからのレーザ光１７は、レンズで集光されながら、蒸発チャンバー１０に設けられた石英などからなる光照射窓１０ａから蒸発チャンバー１０の内部に導かれ、蒸発源１５に照射され、蒸発源１５が加熱される。
蒸発源１５は加熱されて蒸発し、蒸発源１５から蒸発した原子からナノメートルオーダーの直径の微粒子（以下ナノ粒子とも称する）が得られる。
【０１５２】
レーザ光源１６ａは、例えばＱ−スイッチを用いたＮｄ：ＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザ、エキシマレーザなどを適宜用いることができる。
Ｎｄ：ＹＡＧレーザの場合、例えば非線形結晶を用いて基本波１０６４ｎｍの光を２倍波５３２ｎｍの光に変換して用いることができる。例えば、パルスエネルギーが２１０ｍＪ、パルス幅が４．５〜５．５ｎｓ、パルスの周波数が２０Ｈｚである。
【０１５３】
得られたナノ粒子は蒸発チャンバー１０内の雰囲気ガスとともに移送管１８を通して成膜チャンバー３０へと移送され、ナノ粒子と雰囲気ガスを含む流体はノズル３５から超音速、亜音速または遷音速のガス流Ｊとして成膜チャンバー３０中において基板３３に向けて噴出される。
上記のようにナノ粒子がガス流Ｊに乗って成膜チャンバー３０中に噴出し、成膜対象である基板３３上に堆積（物理蒸着）して、金属膜が形成される。
【０１５４】
一方、成膜チャンバー３０には真空ポンプＶＰ３に接続した排気管３１が設けられており、真空ポンプＶＰ３の作動により成膜チャンバー３０内が排気され、所定の真空雰囲気とされるが、さらに、成膜チャンバー３０において、マスフローコントローラ５０を介して酸素供給源５１が設けられており、これに接続された酸素供給管５２から基板３３に向けて酸素ガス５３が吹き付けられるように構成されている。
上記のようにして堆積した金属膜は、上記の酸素供給管５２から酸素ガス５３が吹き付けられることにより、金属膜を構成する金属が酸化されて金属酸化膜となる。
【０１５５】
ここで、上記の蒸発チャンバー１０、成膜チャンバー３０あるいは移送管１８に、適宜ナノ粒子と反応させるガスを添加することができる。例えば、窒素を添加することで、窒化物のナノ粒子を得ることができ、窒化物の物理蒸着膜が成膜可能である。また、酸化物の物理蒸着膜を成膜するために、上記の酸素供給管５２からの酸素の供給に合わせて、蒸発チャンバー１０、成膜チャンバー３０あるいは移送管１８に酸素を添加してもよい。また、蒸発チャンバー１０、成膜チャンバー３０あるいは移送管１８などに、水素を適宜添加してもよく、これにより成膜しやすくなる利点がある。
【０１５６】
本実施形態の物理蒸着装置によれば、レーザ光を用いて加熱することで蒸発源の蒸発に寄与する大きなエネルギーを与えることが可能となる。これにより、例えばタングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いることが可能となる。
【０１５７】
また、ガス流の速度を亜音速または遷音速とする場合、ノズルの設計の自由度が高くなり、設計自体及び製作が容易となり、物理蒸着装置としてのコストを削減できる。
【０１５８】
［物理蒸着方法］
本実施形態の物理蒸着方法は、上記の構成の物理蒸着装置を用いて、物理蒸着膜を形成する工程において、成膜チャンバー内部に配設された酸素供給部から基板に向けて酸素を供給し、酸化物である前記物理蒸着膜を形成する。
上記を除いて、第１〜第４実施形態に係る物理蒸着方法と同様にして実施することができる。
【０１５９】
本実施形態の物理蒸着方法は、レーザ光を用いて加熱することで蒸発源の蒸発に寄与する大きなエネルギーを与えることが可能となる。これにより、例えばタングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いることが可能となる。
【０１６０】
また、ガス流の速度を亜音速または遷音速とする場合、ノズルの設計の自由度が高くなり、設計自体及び製作が容易となり、物理蒸着装置としてのコストを削減できる。
【０１６１】
上記の本実施形態の物理蒸着装置及び物理蒸着方法は、好適には、物理蒸着膜を形成する工程において、成膜温度を８００℃以下として形成する。さらに好適には、成膜温度を６００℃以下とし、最も好適には成膜温度を室温程度とする。
従来方法でのＣＶＤ法や溶射法と比較して低温処理で成膜可能であり、形成される金属酸化膜は応力によって破壊されにくい膜となる。
【０１６２】
上記の本実施形態の物理蒸着装置及び物理蒸着方法は、物理蒸着膜を形成する工程において、１０μｍ以上の膜厚の物理蒸着膜を形成する。
物理蒸着であるので、スパッタリング法に比べて速い成膜速度を実現でき、例えば、数μｍ〜１０００μｍ程度、好ましくは１０μｍ以上、さらに好ましくは３０μｍ以上の厚い膜を容易に形成することができる。
【０１６３】
上記の物理蒸着装置及び物理蒸着方法において、成膜チャンバー３０内の酸素の供給量を変化させることで、成膜される金属酸化膜を厚み方向に組成が変化するようなプロファイルとすることができる。
成膜チャンバー３０内の酸素の供給量を成膜初期でゼロとし、ゼロから増加させることで、基板上に、酸素の組成比がゼロから徐々に増加するように厚み方向に組成が変化するプロファイルの酸化膜を形成できる。
【０１６４】
また、蒸発チャンバー１０、成膜チャンバー３０あるいは移送管１８に、適宜ナノ粒子と反応させるガスを添加することができる。例えば、窒素を添加することで、窒化物のナノ粒子を得ることができ、窒化物の物理蒸着膜が成膜可能である。また、酸化物の物理蒸着膜を成膜するために、上記の酸素供給管２２からの酸素の供給に合わせて、蒸発チャンバー１０、成膜チャンバー３０あるいは移送管１８に酸素を添加してもよい。また、蒸発チャンバー１０、成膜チャンバー３０あるいは移送管１８などに、水素を適宜添加してもよく、これにより成膜しやすくなる利点がある。
【０１６５】
＜第６実施形態＞
［物理蒸着装置の模式構成］
本実施形態に係る物理蒸着装置は、成膜チャンバー内に備えられる基板として、表面に繊維材料が固定された基板が用いられることを除いて、第１〜第４実施形態に係る物理蒸着装置と同様の構成である。
【０１６６】
図８（ａ）は本実施形態に係る物理蒸着装置により形成された物理蒸着膜である繊維強化複合材料膜の模式的な斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）中のＸ−Ｘ’における断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）中のＹ−Ｙ’における断面図である。
例えば、チタンあるいはチタン合金などの金属、セラミックス、あるいは高分子などからなる基板３３上に、チタン、タングステン、アルミニウム、ニオブあるいはシリコンなどの金属、酸化チタン、酸化タングステン、酸化アルミニウム、酸化ニオブあるいは酸化シリコンなどの金属酸化物、あるいはその他のセラミックスなどからなる物理蒸着膜１が形成されている。
【０１６７】
物理蒸着膜１の内部には、例えば、炭化シリコン（ＳｉＣ）ファイバ、炭化タングステン（ＷＣ）ファイバ、カーボンファイバなどの繊維材料（２ａ，２ｂ）が配されている。
上記のようにして、本実施形態に係る繊維強化複合材料膜である物理蒸着膜が形成されている。物理蒸着膜の内部に繊維材料が埋め込まれた構成とすることで、機械的な強度が高められた複合材料膜となっている。
【０１６８】
物理蒸着膜１の膜厚は、例えば、数μｍ〜１０００μｍ程度であり、好ましくは１０μｍ以上、さらに好ましくは３０μｍ以上である。
物理蒸着膜１は、膜全体で組成が均一であってもよく、例えば厚み方向に組成が変化するようなプロファイルを持っていてもよい。
【０１６９】
また、繊維材料（２ａ，２ｂ）は、例えば、一定間隔で並べられた第１層の繊維材料２ａの上層に、第１層に接して、第２層の繊維材料２ｂが一定間隔で並べられた構成となっている。
繊維材料（２ａ，２ｂ）は、例えば、直径が数μｍ〜数１００μｍ程度となっている。
【０１７０】
上記のように繊維材料が複数の層を有する構成の場合、上記のように、第１層の繊維材料２ａが第１の方向に沿って並べられ、第２層の繊維材料２ｂが第１の方向と直行する第２の方向に沿って並べられた構成とすることができる。あるいは、第１の方向と第２の方向が同じ方向、またはその他の異なる方向としてもよい。
上記の繊維材料（２ａ，２ｂ）の各層は、上記のように互いに接していてもよく、接さないように設けられてもよい。
あるいは、１層のみの構成で設けられていてもよい。
【０１７１】
また、上記の繊維材料としては、複数の方向に沿って並べられた繊維材料が編みこまれた状態で、物理蒸着膜１内に配置されている構成としてもよい。
【０１７２】
上記の物理蒸着膜１は、不活性ガス雰囲気で金属や金属酸化物などの蒸発源の加熱により膜形成材料粒子を生成し、得られた膜形成材料粒子を移送し、超音速、亜音速または遷音速の加速されたガス流に乗せて真空チャンバー中に噴出して、真空チャンバー中に配置された基板上に物理蒸着させて形成した膜である。
成膜の前に基板３３の表面に繊維材料を固定しておくことで、繊維材料が膜中に埋め込まれるように形成された膜となっている。
【０１７３】
ここで、物理蒸着装置を構成する蒸発チャンバー、成膜チャンバーあるいは移送管などに、適宜ナノ粒子と反応させるガスを添加することができる。例えば、窒素を添加することで、窒化物のナノ粒子を得ることができ、窒化物の物理蒸着膜が成膜可能である。また、酸素を添加することで酸化物のナノ粒子を得ることができ、酸化物の物理蒸着膜を成膜可能である。また、蒸発チャンバー、成膜チャンバーあるいは移送管などに、水素を適宜添加してもよく、これにより成膜しやすくなる利点がある。
【０１７４】
本実施形態の物理蒸着装置によれば、レーザ光を用いて加熱することで蒸発源の蒸発に寄与する大きなエネルギーを与えることが可能となる。これにより、例えばタングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いることが可能となる。
【０１７５】
また、ガス流の速度を亜音速または遷音速とする場合、ノズルの設計の自由度が高くなり、設計自体及び製作が容易となり、物理蒸着装置としてのコストを削減できる。
【０１７６】
［物理蒸着方法］
本実施形態の物理蒸着方法は、上記の構成の物理蒸着装置を用いて、成膜チャンバー内に基板を配置する工程において、表面に繊維材料が固定された基板を配置し、物理蒸着膜を形成する工程において、繊維材料が内包された繊維強化複合材料膜を形成する。
上記を除いて、第１〜第４実施形態に係る物理蒸着方法と同様にして実施することができる。
【０１７７】
まず、表面に繊維材料が固定された基板３３を成膜チャンバー３０に配置する。
図９（ａ）は本実施形態に係る繊維強化複合材料膜の製造工程における上記の工程を示す模式的な斜視図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）中のＸ−Ｘ’における断面図、図９（ｃ）は図９（ａ）中のＹ−Ｙ’における断面図である。
例えば、チタンなどからなる基板３３上に、炭化シリコンファイバ、炭化タングステンファイバ、カーボンファイバなどからなる繊維材料を配置する。ここでは、例えば、基板３３に接するように、一定間隔で第１層の繊維材料２ａを並べ、その上層に、第１層に接して、第２層の繊維材料２ｂを一定間隔で並べる。
本実施形態においては、例えば、上記の第１層の繊維材料２ａが並べられる第１の方向と、第２層の繊維材料２ｂが並べられる第２の方向とが直行する関係とする。
上記の繊維材料（２ａ，２ｂ）の各層は、上記のように互いに接していてもよく、接さないように設けられてもよい。
基板３３の表面への繊維材料の固定は、例えば接着テープ３あるいは接着剤で固定する方法、あるいは、物理的に押さえるクリップ材などで固定する方法がある。また、基板３３の成膜面が鉛直上方を向いている場合には、おもりなどを置いて繊維材料の押さえとすることも可能である。
【０１７８】
図１０は本実施形態に係る物理蒸着方法における物理蒸着膜の形成工程を示す模式的な斜視図である。
蒸発チャンバーと成膜チャンバーの間の圧力差によりガスの流れを生じさせ、蒸発チャンバーで生成された膜形成材料粒子を雰囲気ガスとともに移送管を通して成膜チャンバーへと移送し、図１０に示すように、ノズル３５から、膜形成材料粒子を超音速、亜音速または遷音速に加速されたガス流Ｊに乗せて成膜チャンバー中に噴出して、成膜チャンバー中に配置された基板３３上に堆積（物理蒸着）させる。
以上のようにして、図８（ａ）〜（ｃ）に示す膜形成材料粒子からなる物理蒸着膜中に繊維材料が内包されて機械的強度が強化された繊維強化複合材料膜を形成する。
上記を除いて、第１〜第４実施形態に係る物理蒸着方法と同様にして実施することができる。
【０１７９】
ここで、蒸発チャンバー、成膜チャンバーあるいは移送管などに、適宜ナノ粒子と反応させるガスを添加することができる。例えば、窒素を添加することで、窒化物のナノ粒子を得ることができ、窒化物の物理蒸着膜が成膜可能である。また、酸素を添加することで酸化物のナノ粒子を得ることができ、酸化物の物理蒸着膜を成膜可能である。また、蒸発チャンバー、成膜チャンバーあるいは移送管などに、水素を適宜添加してもよく、これにより成膜しやすくなる利点がある。
【０１８０】
本実施形態の物理蒸着方法によれば、レーザ光を用いて加熱することで蒸発源の蒸発に寄与する大きなエネルギーを与えることが可能となる。これにより、例えばタングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いることが可能となる。
【０１８１】
また、ガス流の速度を亜音速または遷音速とする場合、ノズルの設計の自由度が高くなり、設計自体及び製作が容易となり、物理蒸着装置としてのコストを削減できる。
【０１８２】
上記の本実施形態の物理蒸着方法は、好適には、物理蒸着膜を形成する工程において、成膜温度を６００℃以下として形成する。さらに好適には、成膜温度を室温程度とする。
従来方法でのＣＶＤ法や溶射法と比較して低温処理で成膜可能であり、形成される繊維強化複合材料膜は応力によって破壊されにくい膜となる。
【０１８３】
上記の本実施形態の物理蒸着方法は、物理蒸着膜を形成する工程において、１０μｍ以上の膜厚の物理蒸着膜を形成する。
物理蒸着であるので、スパッタリング法に比べて速い成膜速度を実現でき、例えば、数μｍ〜１０００μｍ程度、好ましくは１０μｍ以上、さらに好ましくは３０μｍ以上の厚い繊維強化複合材料膜を容易に形成することができる。
【０１８４】
＜第７実施形態＞
［物理蒸着装置の模式構成］
本実施形態に係る物理蒸着装置は、上記の各実施形態の蒸発チャンバーとして、以下の構成することを除いて、第１〜第６実施形態に係る物理蒸着装置と同様の構成である。
なお、本実施形態においては第１実施形態、第４実施形態及び第５実施形態の蒸発チャンバーあるいは第２実施形態及び第３実施形態の第１蒸発チャンバーの変形形態として示しているが、その他の蒸発チャンバーとして適用することも可能である。
【０１８５】
図１１は本実施形態に係る物理蒸着装置の一部の構成図であり、第１実施形態、第４実施形態及び第５実施形態の蒸発チャンバーあるいは第２実施形態及び第３実施形態の第１蒸発チャンバーの変形形態である。
【０１８６】
蒸発チャンバー１０には真空ポンプＶＰ１に接続した排気管１１が設けられており、真空ポンプＶＰ１の作動により蒸発チャンバー１０内が排気され、例えば１０−１０Ｔｏｒｒ程度の超高真空雰囲気とされる。
さらに、蒸発チャンバー１０にマスフローコントローラ１２を介して設けられたガス供給源１３から、必要に応じて、ＨｅあるいはＮ２などの雰囲気ガスが蒸発チャンバー１０内に所定の流量で供給される。あるいは大気雰囲気としてもよい。
蒸発チャンバー１０内には、回転駆動可能に構成された第１テーブル１４ａが設けられ、この上にチタン、タングステン、アルミニウム、ニオブあるいはシリコンなどの第１蒸発源１５ａが配置されている。
【０１８７】
また、蒸発チャンバー１０内には、回転駆動可能に構成された第２テーブル１４ｂが設けられ、この上にチタン、タングステン、アルミニウム、ニオブあるいはシリコンなどの第２蒸発源１５ｂが配置されている。
蒸発チャンバー１０には、レーザ光源１６ａとレーザ光源１６ａから出射されるレーザ光１７を導く光学系が設けられている。光学系は、例えば、アパーチャ１６ｂ、ミラー１６ｃ、レンズ１６ｄ及びミラー１６ｅなどから構成される。光学系としては、上記以外のミラーやレンズなどを適宜さらに用いた構成としてもよい。レーザ光源１６ａからのレーザ光１７ａは、レンズで集光されながら、蒸発チャンバー１０に設けられた石英などからなる第１光照射窓１０ａから蒸発チャンバー１０の内部に導かれ、第１蒸発源１５ａに照射され、第１蒸発源１５ａが加熱される。
また、光学系にビームスプリッタ１６ｆ及びレンズ１６ｇが含まれており、ビームスプリッタ１６ｆで分割されたレーザ光１７ｂが、レンズで集光されながら、蒸発チャンバー１０に設けられた石英などからなる第２光照射窓１０ｂから蒸発チャンバー１０の内部に導かれ、第２蒸発源１５ｂに照射され、第２蒸発源１５ｂが加熱される。
第１蒸発源１５ａは加熱されて蒸発し、第１蒸発源１５ａから蒸発した原子からナノメートルオーダーの直径の第１微粒子（以下第１ナノ粒子とも称する）が得られる。また、第２蒸発源１５ｂは加熱されて蒸発し、第２蒸発源１５ｂから蒸発した原子からナノメートルオーダーの直径の第２微粒子（以下第２ナノ粒子とも称する）が得られる。
ここで、ビームスプリッタ１６ｆの透過率と反射率の分離比率を適宜選択することで、各蒸発源に照射されるレーザ光のエネルギー量を制御することができる。
得られた第１ナノ粒子と第２ナノ粒子は、蒸発チャンバー１０内の雰囲気ガスとともに移送管１８を通して成膜チャンバー３０へと移送される。
【０１８８】
上記のように、本実施形態では、蒸発源として複数個の蒸発源を有し、加熱部が、レーザ光源からのレーザ光を複数に分割して複数個の蒸発源にそれぞれ照射する光学系を含む。
複数の蒸発チャンバーを有する場合、両者が上記の構成であってもよい。
上記を除いて、第１〜第６実施形態に係る物理蒸着装置と同様の構成である。
【０１８９】
本実施形態の物理蒸着装置によれば、レーザ光を用いて加熱することで蒸発源の蒸発に寄与する大きなエネルギーを与えることが可能となる。これにより、例えばタングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いることが可能となる。
【０１９０】
また、ガス流の加速は亜音速または遷音速とする場合、超音速領域のガス流に発生する衝撃波の影響がない、あるいは非常に小さくすることができる。
【０１９１】
［物理蒸着方法］
本実施形態に係る物理蒸着方法は、上記を除いて、第１〜第６実施形態に係る物理蒸着方法と同様に行うことができる。
【０１９２】
本実施形態の物理蒸着方法によれば、レーザ光を用いて加熱することで蒸発源の蒸発に寄与する大きなエネルギーを与えることが可能となる。これにより、例えばタングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いることが可能となる。
【０１９３】
また、本実施形態の物理蒸着方法においてガス流の速度を亜音速または遷音速とする場合、用いるノズルの設計の自由度が高くなり、設計自体及び製作が容易となり、物理蒸着膜を形成するコストを削減できる。
【０１９４】
＜第８実施形態＞
［物理蒸着装置の模式構成］
本実施形態に係る物理蒸着装置は、上記の各実施形態の蒸発チャンバーとして、以下の構成することを除いて、第１〜第６実施形態に係る物理蒸着装置と同様の構成である。
なお、本実施形態においては第１実施形態、第４実施形態及び第５実施形態の蒸発チャンバーあるいは第２実施形態及び第３実施形態の第１蒸発チャンバーの変形形態として示しているが、その他の蒸発チャンバーとして適用することも可能である。
【０１９５】
図１２は本実施形態に係る物理蒸着装置の一部の構成図であり、第１実施形態、第４実施形態及び第５実施形態の蒸発チャンバーあるいは第２実施形態及び第３実施形態の第１蒸発チャンバーの変形形態である。
【０１９６】
蒸発チャンバー１０には真空ポンプＶＰ１に接続した排気管１１が設けられており、真空ポンプＶＰ１の作動により蒸発チャンバー１０内が排気され、例えば１０−１０Ｔｏｒｒ程度の超高真空雰囲気とされる。
さらに、蒸発チャンバー１０にマスフローコントローラ１２を介して設けられたガス供給源１３から、必要に応じて、ＨｅあるいはＮ２などの雰囲気ガスが蒸発チャンバー１０内に所定の流量で供給される。あるいは大気雰囲気としてもよい。
蒸発チャンバー１０内には、回転駆動可能に構成されたテーブル１４が設けられ、この上にチタン、タングステン、アルミニウム、ニオブあるいはシリコンなどの蒸発源１５が配置されている。
【０１９７】
蒸発チャンバー１０には、第１レーザ光１７ａを導く光学系１９ａにより第１レーザ光１７ａが石英などからなる第１入射窓１０ａから蒸発チャンバー１０内に導かれ、第１レーザ光１７ａが蒸発源１５に照射される。
また、第２レーザ光１７ｂを導く光学系１９ｂにより第２レーザ光１７ｂが石英などからなる第２入射窓１０ｂから蒸発チャンバー１０内に導かれ、第２レーザ光１７ｂが蒸発源１５に照射される。
例えば、第１レーザ光１７ａは蒸発源１５を溶融させる、あるいは所定の温度まで加熱するのに用いられ、第２レーザ光１７ｂは溶融した蒸発源の蒸発、第１レーザ光１７ａで加熱された蒸発源の蒸発に用いられる。その他、種々のエネルギーのレーザ光を組み合わせることで、従来蒸発源材料として用いられなかった材料を適用することが可能となる。
【０１９８】
第１レーザ光源１７ａ及び第２レーザ光源１７ｂは、例えばＱ−スイッチを用いたＮｄ：ＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザ、エキシマレーザなどを適宜用いることができる。
Ｎｄ：ＹＡＧレーザの場合、例えば基本波１０６４ｎｍの光を用いることができる。例えば、第１レーザ光源１７ａは最大パルスエネルギーが１５０Ｊ、パルス幅が１０ｍｓであり、第２レーザ光源１７ｂは最大パルスエネルギーが１０Ｊ、パルス幅が０．２ｍｓである。
【０１９９】
上記のように、本実施形態では、加熱部が、複数個のレーザ光源を有し、複数個のレーザ光源に対応して、複数個のレーザ光源からのレーザ光をそれぞれ蒸発源に照射する光学系を含む。
複数の蒸発チャンバーを有する場合、両者が上記の構成であってもよい。
上記を除いて、第１〜第６実施形態に係る物理蒸着装置と同様の構成である。
【０２００】
本実施形態の物理蒸着装置によれば、レーザ光を用いて加熱することで蒸発源の蒸発に寄与する大きなエネルギーを与えることが可能となる。これにより、例えばタングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いることが可能となる。
【０２０１】
また、ガス流の加速は亜音速または遷音速とする場合、超音速領域のガス流に発生する衝撃波の影響がない、あるいは非常に小さくすることができる。
【０２０２】
［物理蒸着方法］
本実施形態に係る物理蒸着方法は、上記を除いて、第１〜第６実施形態に係る物理蒸着方法と同様に行うことができる。
【０２０３】
本実施形態の物理蒸着方法によれば、レーザ光を用いて加熱することで蒸発源の蒸発に寄与する大きなエネルギーを与えることが可能となる。これにより、例えばタングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いることが可能となる。
【０２０４】
また、本実施形態の物理蒸着方法においてガス流の速度を亜音速または遷音速とする場合、用いるノズルの設計の自由度が高くなり、設計自体及び製作が容易となり、物理蒸着膜を形成するコストを削減できる。
【０２０５】
本発明は上記の説明に限定されない。
例えば、第５実施形態の酸化膜を形成する物理蒸着装置の構成及び方法は、第１〜第４実施形態の物理蒸着装置及び方法に適宜適用することができる。
また、第６実施形態に係る表面に繊維材料が固定された基板を用いて繊維強化複合材料膜を形成する物理蒸着装置及び方法は、第１〜第４実施形態の物理蒸着装置及び方法に適宜適用することができる。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【０２０６】
１…物理蒸着膜
１ａ…金属膜
１ｂ…粉体
２ａ，２ｂ…繊維材料
３…接着テープ
１０…（第１）蒸発チャンバー
１０ａ…（第１）光入射窓
１０ｂ…第２光入射窓
１１…（第１）排気管
１２…マスフローコントローラ
１３…ガス供給源
１４…（第１）テーブル
１４ａ…第１テーブル
１４ｂ…第２テーブル
１５…（第１）蒸発源
１５ａ…第１蒸発源
１５ｂ…第２蒸発源
１６ａ…（第１）レーザ光源
１６ｂ…アパーチャ
１６ｃ…ミラー
１６ｄ…レンズ
１６ｅ…ミラー
１６ｆ…ビームスプリッタ
１６ｇ…レンズ
１７…（第１）レーザ光
１７ａ…第１レーザ光
１７ｂ…第２レーザ光
１８…（第１）移送管
１９ａ…第１光学系
１９ｂ…第２光学系
２０…第２蒸発チャンバー
２０ａ…第２光入射窓
２１…第２排気管
２２…マスフローコントローラ
２３…ガス供給源
２４…第２回転テーブル
２５…第２蒸発源
２６ａ…第２レーザ光源
２６ｂ…第２アパーチャ
２６ｃ…第３ミラー
２６ｄ…第２レンズ
２６ｅ…第４ミラー
２７…第２レーザ光
２８…第２移送管
３０…成膜チャンバー
３１…排気管
３２…ステージ
３３…基板
３４…流体混合部
３５…ノズル
３６…第１ノズル
３７…第２ノズル
４０…粉体供給源
４１…第２移送管
５０…マスフローコントローラ
５１…酸素供給源
５２…酸素供給管
５３…酸素ガス
Ｊ，Ｊ１，Ｊ２…ガス流
ＶＰ１，ＶＰ２，ＶＰ３…真空ポンプ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物理蒸着装置及び物理蒸着方法に関し、特に、成膜チャンバー中の基板に対して材料粒子を含むガスを噴出して基板に材料粒子を堆積させて成膜する物理蒸着装置及び物理蒸着方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、コーティング技術の重要性が急速に高まってきており、種々のコーティング法が開発されている。
しかし、数１０〜数１００μｍ程度の膜厚の高密度なコーティング膜を低温で施工することが可能なコーティング法は知られていなかった。
【０００３】
非特許文献１及び非特許文献２は、超音速フリージェット（Supersonic Free Jet:ＳＦＪ）物理蒸着（Physical Vapor Deposition：ＰＶＤ）装置について開示している。
このＳＦＪ−ＰＶＤ装置は、蒸発チャンバーと成膜チャンバーを備える。
蒸発チャンバー内には、水冷されたハース上に設置した蒸発源材料と、高融点金属（具体的にはタングステン）製の電極が備えられており、一度蒸発チャンバー内を所定の圧力に減圧した後、所定のガス雰囲気に置換して、蒸発源をアノード（陽極）とし、アノードと一定間隔離れた位置にある高電導性金属製電極をカソード（陰極）とし、それぞれ負電圧と正電圧を印加して両極間にアーク放電を生起させる移行式アークプラズマによって、蒸発源材料が加熱されて蒸発する。所定のガス雰囲気とした蒸発チャンバー内では、蒸発源の加熱により蒸発した原子は互いに凝集しナノメートルオーダーの直径の微粒子（以下ナノ粒子と称する）が得られる。
【０００４】
得られたナノ粒子は蒸発チャンバーと成膜チャンバー間の差圧（真空度差）により生起するガス流に乗って移送管を通して成膜チャンバーへと移送される。成膜チャンバー内には、成膜対象である基板が設置されている。
差圧によるガス流は、蒸発チャンバーから成膜チャンバーへと接続する移送管の先端に取り付けられた特別に設計された超音速ノズル（ラバールノズル）によりマッハ数３．６程度の超音速にまで加速され、ナノ粒子は超音速フリージェットの気流に乗って高速に加速されて成膜チャンバー中に噴出し、基板上に堆積する。
【０００５】
上記のＳＦＪ−ＰＶＤ装置を用いることにより、従来難しかった、数１０〜数１００μｍ程度の膜厚の高密度なコーティング膜を低温で施工することが可能となっている。
【０００６】
上記のようなＳＦＪ−ＰＶＤ装置及びそれを用いて形成された膜に関しては、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４及び特許文献５などに記載がある。
また、非特許文献３には、上記のようなＳＦＪ−ＰＶＤ装置において用いることが可能な混合装置に適用できる同軸対向衝突噴流の発振現象が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−３３０５１７号公報（Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ膜）
【特許文献２】特開２００６−４５６１６号公報（Ａｌ−Ｓｉ膜）
【特許文献３】特開２００６−１１１９２１号公報（ＰＶＤ装置）
【特許文献４】特開２００８−１９４１７５号公報（ハイドロキシアパタイト）
【特許文献５】特開２００８−１９５９９６号公報（ＰＶＤ装置 蒸発源＋粉体）
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】A. Yumoto, F. Hiroki, I. Shiota, N. Niwa, Surface and Coatings Technology, 169-170, 2003, 499-503
【非特許文献２】湯本敦史、廣木富士男、塩田一路、丹羽直毅：超音速フリージェットＰＶＤによるＴｉ及びＡｌ膜の形成、日本金属学会誌、第６５巻、第７号（２００１）ｐｐ６３５−６４３
【非特許文献３】山本圭治郎、野本明、川島忠雄、中土宣明：同軸対向衝突噴流の発振現象、油圧と空気圧（１９７５）ｐｐ６８−７７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
解決しようとする課題は、上記の従来の技術では蒸発源の加熱部としてプラズマトーチなどを用いているため、例えばタングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いることが困難であることである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の物理蒸着装置は、内部に蒸発源を備え、レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する加熱部を有し、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記加熱部により前記蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から微粒子を生成する蒸発チャンバーと、
内部に前記蒸発チャンバーから前記微粒子を含むガスの搬送する経路となる移送管に接続されたノズルと成膜対象である基板を備え、前記蒸発チャンバーから移送された前記微粒子を前記ノズルからガス流に乗せて前記基板に向けて噴出し、前記微粒子を前記基板に物理蒸着させる成膜チャンバーとを有する。
【００１１】
上記の本発明の物理蒸着装置は、蒸発チャンバーと成膜チャンバーを有する。
蒸発チャンバーは、内部に蒸発源を備え、レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する加熱部を有し、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において加熱部により蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から微粒子を生成する。
成膜チャンバーは、内部に蒸発チャンバーから微粒子を含むガスの搬送する経路となる移送管に接続されたノズルと成膜対象である基板を備え、蒸発チャンバーから移送された微粒子をノズルからガス流に乗せて基板に向けて噴出し、微粒子を基板に物理蒸着させる。
【００１２】
また、本発明の物理蒸着装置は、内部に第１蒸発源を備え、第１レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第１加熱部を有し、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第１加熱部により前記第１蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第１微粒子を生成する第１蒸発チャンバーと、内部に第２蒸発源を備え、第２レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第２加熱部を有し、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第２加熱部により前記第２蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第２微粒子を生成する第２蒸発チャンバーと、内部に前記第１蒸発チャンバーから前記第１微粒子を含むガスの搬送する経路となる第１移送管及び前記第２蒸発チャンバーから前記第２微粒子を含むガスの搬送する経路となる第２移送管に接続された流体混合部及びノズルと成膜対象である基板を備え、前記第１蒸発チャンバーから移送された前記第１微粒子と前記第２蒸発チャンバーから移送された前記第２微粒子を前記流体混合部で混合し、混合された前記第１微粒子と前記第２微粒子を前記ノズルからガス流に乗せて前記基板に向けて噴出し、混合された前記第１微粒子と前記第２微粒子を前記基板に物理蒸着させる成膜チャンバーとを有する。
【００１３】
上記の本発明の物理蒸着装置は、第１蒸発チャンバーと、第２蒸発チャンバーと、成膜チャンバーとを有する。
第１蒸発チャンバーは、内部に第１蒸発源を備え、第１レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第１加熱部を有し、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において第１加熱部により第１蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第１微粒子を生成する。
第２蒸発チャンバーは、内部に第２蒸発源を備え、第２レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第２加熱部を備え、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において第２加熱部により第２蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第２微粒子を生成する。
成膜チャンバーは、内部に第１蒸発チャンバーから第１微粒子を含むガスの搬送する経路となる第１移送管及び第２蒸発チャンバーから第２微粒子を含むガスの搬送する経路となる第２移送管に接続された流体混合部及びノズルと成膜対象である基板を備え、第１蒸発チャンバーから移送された第１微粒子と第２蒸発チャンバーから移送された第２微粒子を流体混合部で混合し、混合された第１微粒子と第２微粒子をノズルからガス流に乗せて基板に向けて噴出し、混合された第１微粒子と第２微粒子を基板に物理蒸着させる。
【００１４】
また、本発明の物理蒸着装置は、内部に第１蒸発源を備え、第１レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第１加熱部を有し、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第１加熱部により前記第１蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第１微粒子を生成する第１蒸発チャンバーと、内部に第２蒸発源を備え、第２レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第２加熱部を有し、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第２加熱部により前記第２蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第２微粒子を生成する第２蒸発チャンバーと、内部に前記第１蒸発チャンバーから前記第１微粒子を含むガスの搬送する経路となる第１移送管に接続された第１ノズルと前記第２蒸発チャンバーから前記第２微粒子を含むガスの搬送する経路となる第２移送管に接続された第２ノズルと成膜対象である基板を備え、前記第１蒸発チャンバーから移送された前記第１微粒子を前記第１ノズルからガス流に乗せて噴出し、かつ、前記第２蒸発チャンバーから移送された前記第２微粒子を前記第２ノズルからガス流に乗せて前記基板に向けて噴出し、前記第１微粒子と前記第２微粒子を前記基板に物理蒸着させる成膜チャンバーとを有する。
【００１５】
上記の本発明の物理蒸着装置は、第１蒸発チャンバーと、第２蒸発チャンバーと、成膜チャンバーとを有する。
第１蒸発チャンバーは、内部に第１蒸発源を備え、第１レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第１加熱部を有し、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において第１加熱部により第１蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第１微粒子を生成する。
第２蒸発チャンバーは、内部に第２蒸発源を備え、第２レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第２加熱部を備え、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において第２加熱部により第２蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第２微粒子を生成する。
成膜チャンバーは、内部に第１蒸発チャンバーから第１微粒子を含むガスの搬送する経路となる第１移送管に接続された第１ノズルと第２蒸発チャンバーから第２微粒子を含むガスの搬送する経路となる第２移送管に接続された第２ノズルと成膜対象である基板を備え、第１蒸発チャンバーから移送された第１微粒子を第１ノズルからガス流に乗せて噴出し、かつ、第２蒸発チャンバーから移送された第２微粒子を第２ノズルからガス流に乗せて基板に向けて噴出し、第１微粒子と第２微粒子を基板に物理蒸着させる。
【００１６】
また、本発明の物理蒸着装置は、内部に蒸発源を備え、レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する加熱部を有し、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記加熱部により前記蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から微粒子を生成する蒸発チャンバーと、内部に粉体を備える粉体供給源と、内部に前記蒸発チャンバーから前記微粒子を含むガスの搬送する経路となる第１移送管及び前記粉体供給源から前記粉体を含むガスの搬送する経路となる第２移送管に接続された流体混合部及びノズルと成膜対象である基板を備え、前記蒸発チャンバーから移送された前記微粒子と前記粉体供給源から移送された前記粉体を前記流体混合部で混合し、混合された前記微粒子と前記粉体を前記ノズルからガス流に乗せて前記基板に向けて噴出し、混合された前記微粒子と前記粉体を前記基板に物理蒸着させる成膜チャンバーとを有する。
【００１７】
上記の本発明の物理蒸着装置は、蒸発チャンバーと、粉体供給源と、成膜チャンバーとを有する。
蒸発チャンバーは、内部に蒸発源を備え、レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する加熱部を備え、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において加熱部により蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から微粒子を生成する。
粉体供給源は、内部に粉体を備える。
成膜チャンバーは、内部に蒸発チャンバーから微粒子を含むガスの搬送する経路となる第１移送管及び粉体供給源から粉体を含むガスの搬送する経路となる第２移送管に接続された流体混合部及びノズルと成膜対象である基板を備え、蒸発チャンバーから移送された微粒子と粉体供給源から移送された粉体を流体混合部で混合し、混合された微粒子と粉体をノズルからのガス流に乗せて基板に向けて噴出し、混合された微粒子と粉体を基板に物理蒸着させる。
【００１８】
上記の本発明の物理蒸着装置は、好適には、前記蒸発源として複数個の蒸発源を有し、
前記加熱部が、前記レーザ光源からのレーザ光を複数に分割して複数個の前記蒸発源にそれぞれ照射する光学系を含む。
あるいは好適には、前記第１蒸発源及び前記第２蒸発源の少なくともいずれか一方が複数個の蒸発源を有し、前記複数個の蒸発源に対応して、前記第１加熱部及び前記第２加熱部の少なくともいずれか一方が、前記第１レーザ光源及び前記第２レーザ光源からのレーザ光を複数に分割して前記複数個の蒸発源にそれぞれ照射する光学系を含む。
【００１９】
上記の本発明の物理蒸着装置は、好適には、前記加熱部が、前記レーザ光源として複数個のレーザ光源を有し、前記複数個のレーザ光源からのレーザ光をそれぞれ前記蒸発源に照射する光学系を含む。
あるいは好適には、前記第１加熱部及び前記第２加熱部の少なくともいずれか一方が、前記第１レーザ光源及び前記第２レーザ光源の少なくともいずれか一方として複数個のレーザ光源を有し、前記複数個のレーザ光源に対応して、前記複数個のレーザ光源からのレーザ光をそれぞれ前記第１蒸発源及び前記第２蒸発源の少なくともいずれか一方に照射する光学系を含む。
【００２０】
上記の本発明の物理蒸着装置は、好適には、前記成膜チャンバー内部に配設され、前記基板に向けて酸素を供給する酸素供給部をさらに有する。
【００２１】
上記の本発明の物理蒸着装置は、好適には、前記成膜チャンバー内に備えられる前記基板として、表面に繊維材料が固定された基板が用いられる。
【００２２】
上記の本発明の物理蒸着装置は、好適には、前記ガス流が超音速のガス流である。
あるいは、好適には、前記ガス流が亜音速または遷音速のガス流である。
【００２３】
また、本発明の物理蒸着方法は、成膜チャンバーの内部に成膜対象である基板を配置する工程と、内部に蒸発源を備え、レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する加熱部を有する蒸発チャンバーにおいて、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記加熱部により前記蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から微粒子を生成する工程と、前記蒸発チャンバーから前記微粒子を含むガスを移送管により前記成膜チャンバーの内部に設けられたノズルへと搬送し、前記微粒子を前記ノズルからガス流に乗せて前記基板に向けて噴出し、前記微粒子を前記基板に物理蒸着させて物理蒸着膜を形成する工程とを有する。
【００２４】
上記の本発明の物理蒸着方法は、まず、成膜チャンバーの内部に成膜対象である基板を配置し、一方で内部に蒸発源を備え、レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する加熱部を備えた蒸発チャンバーにおいて、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において加熱部により蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から微粒子を生成する。
次に、蒸発チャンバーから微粒子を含むガスを移送管により成膜チャンバーの内部に設けられたノズルへと搬送し、微粒子をノズルからガス流に乗せて基板に向けて噴出し、微粒子を基板に物理蒸着させて物理蒸着膜を形成する。
【００２５】
また、本発明の物理蒸着方法は、成膜チャンバーの内部に成膜対象である基板を配置する工程と、内部に第１蒸発源を備え、第１レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第１加熱部を有する第１蒸発チャンバーにおいて、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第１加熱部により前記第１蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第１微粒子を生成する工程と、内部に第２蒸発源を備え、第２レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第２加熱部を有する第２蒸発チャンバーにおいて、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第２加熱部により前記第２蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第２微粒子を生成する工程と、第１移送管により前記第１蒸発チャンバーから前記第１微粒子を含むガスを流体混合部に移送させ、第２移送管により前記第２蒸発チャンバーから前記第２微粒子を含むガスを前記流体混合部に移送させ、前記流体混合部において前記第１微粒子と前記第２微粒子とを混合させる混合工程と、前記流体混合部から混合された前記第１微粒子と前記第２微粒子を前記成膜チャンバーの内部に設けられたノズルへと搬送し、前記第１微粒子と前記第２微粒子を前記ノズルからガス流に乗せて前記基板に向けて噴出し、混合された前記第１微粒子と前記第２微粒子を前記基板に物理蒸着させて物理蒸着膜を形成する工程とを有する。
【００２６】
上記の本発明の物理蒸着方法は、まず、成膜チャンバーの内部に成膜対象である基板を配置し、一方で、内部に第１蒸発源を備え、第１レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第１加熱部を有する第１蒸発チャンバーにおいて、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において第１加熱部により第１蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第１微粒子を生成し、また、内部に第２蒸発源を備え、第２レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第２加熱部を有する第２蒸発チャンバーにおいて、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において第２加熱部により第２蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第２微粒子を生成する。
次に、第１移送管により第１蒸発チャンバーから第１微粒子を含むガスを流体混合部に移送させ、第２移送管により第２蒸発チャンバーから第２微粒子を含むガスを流体混合部に移送させ、流体混合部において第１微粒子と第２微粒子とを混合させる。
次に、流体混合部から混合された第１微粒子と第２微粒子を成膜チャンバーの内部に設けられたノズルへと搬送し、第１微粒子と第２微粒子をノズルからのガス流に乗せて基板に向けて噴出し、混合された第１微粒子と第２微粒子を基板に物理蒸着させて物理蒸着膜を形成する。
【００２７】
また、本発明の物理蒸着方法は、成膜チャンバーの内部に成膜対象である基板を配置する工程と、内部に第１蒸発源を備え、第１レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第１加熱部を有する第１蒸発チャンバーにおいて、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第１加熱部により前記第１蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第１微粒子を生成する工程と、内部に第２蒸発源を備え、第２レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第２加熱部を有する第２蒸発チャンバーにおいて、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第２加熱部により前記第２蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第２微粒子を生成する工程と、前記第１蒸発チャンバーから前記第１微粒子を含むガスを第１移送管により前記成膜チャンバーの内部に設けられた第１ノズルへと搬送し、前記第１微粒子を前記第１ノズルからガス流に乗せて前記基板に向けて噴出し、かつ、前記第２蒸発チャンバーから前記第２微粒子を含むガスを第２移送管により前記成膜チャンバーの内部に設けられた第２ノズルへと搬送し、前記第２微粒子を前記第２ノズルからガス流に乗せて前記基板に向けて噴出し、前記第１微粒子と前記第２微粒子を前記基板に物理蒸着させて物理蒸着膜を形成する工程とを有する。
【００２８】
上記の本発明の物理蒸着方法は、まず、成膜チャンバーの内部に成膜対象である基板を配置し、一方で、内部に第１蒸発源を備え、第１レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第１加熱部を有する第１蒸発チャンバーにおいて、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において第１加熱部により第１蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第１微粒子を生成し、また、内部に第２蒸発源を備え、第２レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第２加熱部を有する第２蒸発チャンバーにおいて、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において第２加熱部により第２蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第２微粒子を生成する。
次に、第１蒸発チャンバーから第１微粒子を含むガスを第１移送管により成膜チャンバーの内部に設けられた第１ノズルへと搬送し、第１微粒子を第１ノズルからガス流に乗せて基板に向けて噴出し、かつ、第２蒸発チャンバーから第２微粒子を含むガスを第２移送管により成膜チャンバーの内部に設けられた第２ノズルへと搬送し、第２微粒子を第２ノズルからガス流に乗せて基板に向けて噴出し、第１微粒子と第２微粒子を基板に物理蒸着させて物理蒸着膜を形成する。
【００２９】
また、本発明の物理蒸着方法は、成膜チャンバーの内部に成膜対象である基板を配置する工程と、内部に蒸発源を備え、レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する加熱部を有する蒸発チャンバーにおいて、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記加熱部により前記蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から微粒子を生成する工程と、第１移送管により前記蒸発チャンバーから前記微粒子を含むガスを流体混合部に移送させ、第２移送管により粉体供給源から粉体を含むガスを前記流体混合部に移送させ、前記流体混合部において前記微粒子と前記粉体とを混合させる混合工程と、前記流体混合部から混合された前記微粒子と前記粉体を前記成膜チャンバーの内部に設けられたノズルへと搬送し、前記微粒子と前記粉体を前記ノズルからガス流に乗せて前記基板に向けて噴出し、混合された前記微粒子と前記粉体を前記基板に物理蒸着させて物理蒸着膜を形成する工程とを有する。
【００３０】
上記の本発明の物理蒸着方法は、まず、成膜チャンバーの内部に成膜対象である基板を配置し、一方で、内部に蒸発源を備え、レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する加熱部を有する蒸発チャンバーにおいて、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において加熱部により蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から微粒子を生成する。
次に、第１移送管により蒸発チャンバーから微粒子を含むガスを流体混合部に移送させ、第２移送管により粉体供給源から粉体を含むガスを流体混合部に移送させ、流体混合部において微粒子と粉体とを混合させる。
次に、流体混合部から混合された微粒子と粉体を成膜チャンバーの内部に設けられたノズルへと搬送し、微粒子と粉体をノズルからガス流に乗せて基板に向けて噴出し、混合された微粒子と粉体を基板に物理蒸着させて物理蒸着膜を形成する。
【００３１】
上記の本発明の物理蒸着方法は、好適には、前記蒸発源として複数個の蒸発源を用い、前記加熱部により、前記レーザ光源からのレーザ光を複数に分割して複数個の前記蒸発源にそれぞれ照射する。
あるいは好適には、前記第１蒸発源及び前記第２蒸発源の少なくともいずれか一方として複数個の蒸発源を用い、前記複数個の蒸発源に対応して、前記第１加熱部及び前記第２加熱部の少なくともいずれか一方により、前記第１レーザ光源及び前記第２レーザ光源からのレーザ光を複数に分割して前記複数個の蒸発源にそれぞれ照射する。
【００３２】
上記の本発明の物理蒸着方法は、好適には、前記加熱部が前記レーザ光源として複数個のレーザ光源を有し、前記複数個のレーザ光源からのレーザ光をそれぞれ前記蒸発源に照射する。
あるいは好適には、前記第１加熱部及び前記第２加熱部の少なくともいずれか一方が、前記第１レーザ光源及び前記第２レーザ光源の少なくともいずれか一方として複数個のレーザ光源を有し、前記複数個のレーザ光源に対応して、前記複数個のレーザ光源からのレーザ光をそれぞれ前記第１蒸発源及び前記第２蒸発源の少なくともいずれか一方に照射する。
【００３３】
上記の本発明の物理蒸着方法は、好適には、前記物理蒸着膜を形成する工程において、前記成膜チャンバー内部に配設された酸素供給部から前記基板に向けて酸素を供給し、酸化物である前記物理蒸着膜を形成する。
【００３４】
上記の本発明の物理蒸着方法は、好適には、前記成膜チャンバー内に基板を配置する工程において、表面に繊維材料が固定された基板を配置し、前記物理蒸着膜を形成する工程において、前記繊維材料が内包された繊維強化複合材料膜を形成する。
【００３５】
上記の本発明の物理蒸着方法は、好適には、前記ガス流が超音速のガス流である。
あるいは好適には、前記ガス流が亜音速または遷音速のガス流である。
【発明の効果】
【００３６】
本発明の物理蒸着装置は、タングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いることができる。
【００３７】
本発明の物理蒸着方法は、タングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は本発明の第１実施形態に係る物理蒸着装置の模式構成図である。
【図２】図２は本発明の第１実施形態に係る物理蒸着膜が形成された基板の模式断面図である。
【図３】図３は本発明の第２実施形態に係る物理蒸着装置の模式構成図である。
【図４】図４は本発明の第３実施形態に係る物理蒸着装置の模式構成図である。
【図５】図５は本発明の第４実施形態に係る物理蒸着装置の模式構成図である。
【図６】図６は本発明の第４実施形態に係る物理蒸着膜が形成された基板の模式断面図である。
【図７】図７は本発明の第５実施形態に係る物理蒸着装置の模式構成図である。
【図８】図８（ａ）は本発明の第６実施形態に係る物理蒸着膜が形成された基板の斜視図であり、図８（ｂ）及び（ｃ）は模式断面図である。
【図９】図９（ａ）は本発明の第６実施形態に係る物理蒸着装置及び方法で用いる基板の斜視図であり、図９（ｂ）及び（ｃ）は模式断面図である。
【図１０】図１０は本発明の第６実施形態に係る物理蒸着装置及び方法を示す模式図である。
【図１１】図１１は本発明の第７実施形態に係る物理蒸着装置の一部の構成図である。
【図１２】図１２は本発明の第８実施形態に係る物理蒸着装置の一部の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下に、本発明に係る物理蒸着装置及び物理蒸着方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００４０】
＜第１実施形態＞
［物理蒸着装置の模式構成］
図１は本実施形態に係る物理蒸着装置の模式構成図である。
本実施形態の物理蒸着装置は、蒸発チャンバー１０及び成膜用の真空チャンバーである成膜チャンバー３０を備える。
【００４１】
蒸発チャンバー１０には真空ポンプＶＰ１に接続した排気管１１が設けられており、真空ポンプＶＰ１の作動により蒸発チャンバー１０内が排気され、例えば１０−１０Ｔｏｒｒ程度の超高真空雰囲気とされる。
さらに、蒸発チャンバー１０にマスフローコントローラ１２を介して設けられたガス供給源１３から、必要に応じて、ＨｅあるいはＮ２などの雰囲気ガスが蒸発チャンバー１０内に所定の流量で供給される。あるいは大気雰囲気としてもよい。
【００４２】
蒸発チャンバー１０内には、回転駆動可能に構成されたテーブル１４が設けられ、この上にチタン、タングステン、アルミニウム、ニオブあるいはシリコンなどの蒸発源１５が配置されている。
蒸発チャンバー１０には、レーザ光源１６ａとレーザ光源１６ａから出射されるレーザ光１７を導く光学系が設けられている。光学系は、例えば、アパーチャ１６ｂ、ミラー１６ｃ、レンズ１６ｄ及びミラー１６ｅなどから構成される。光学系としては、上記以外のミラーやレンズなどを適宜さらに用いた構成としてもよい。レーザ光源１６ａからのレーザ光１７は、レンズで集光されながら、蒸発チャンバー１０に設けられた石英などからなる光照射窓１０ａから蒸発チャンバー１０の内部に導かれ、蒸発源１５に照射され、蒸発源１５が加熱される。
蒸発源１５は加熱されて蒸発し、蒸発源１５から蒸発した原子からナノメートルオーダーの直径の微粒子（以下ナノ粒子とも称する）が得られる。
得られたナノ粒子は、蒸発チャンバー１０内の雰囲気ガスとともに移送管１８を通して成膜チャンバー３０へと移送される。
【００４３】
レーザ光源１６ａは、例えばＱ−スイッチを用いたＮｄ：ＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザ、エキシマレーザなどを適宜用いることができる。
Ｎｄ：ＹＡＧレーザの場合、例えば非線形結晶を用いて基本波１０６４ｎｍの光を２倍波５３２ｎｍの光に変換して用いることができる。例えば、パルスエネルギーが２１０ｍＪ、パルス幅が４．５〜５．５ｎｓ、パルスの周波数が２０Ｈｚである。
【００４４】
成膜チャンバー３０には真空ポンプＶＰ３に接続した排気管３１が設けられており、真空ポンプＶＰ３の作動により成膜チャンバー３０内が排気され、例えば１０−１０Ｔｏｒｒ程度の超高真空雰囲気とされる。
成膜チャンバー３０内には、Ｘ−Ｙ方向に駆動するステージ３２が設けられ、このステージ３２に成膜対象である基板３３が固定される。また、ステージ３２はＸ−Ｙ−Ｚ方向に駆動する方式としてもよく、さらに基板３３を回転移動させる方式を組み合わせてもよい。あるいは、一方向に延伸する板状の基板を当該一方向に駆動させる方式のステージ、あるいは円盤状あるいはその他の形状の基板を回転移動させる方式のステージでもよい。
基板３３としては、特に限定はないが、例えば、純チタン板（ＪＩＳグレード１）、Ａ１０５０アルミニウム合金板、ＳＵＳ３０４ステンレススチール板などを用いることができる。成膜対象基板は、成膜チャンバーにセットする前にアセトン中で超音波洗浄してから用いることが好ましい。
【００４５】
蒸発チャンバー１０からの移送管１８の先端に、蒸発チャンバー１０で得られたナノ粒子を雰囲気ガスとともに成膜チャンバー３０内に噴出するノズル３５が設けられている。移送管１８の外周には、不図示のコイルヒーターが設けられて加熱可能となっていてもよい。
【００４６】
上記の蒸発チャンバー１０と成膜チャンバー３０の間において、圧力差によりガスの流れが生じる。上記のナノ粒子は雰囲気ガスとともに移送管を通して成膜チャンバー３０へと移送され、ノズル３５からガス流Ｊとして成膜チャンバー３０中において基板３３に向けて噴出される。
【００４７】
ノズル３５は、１次元もしくは２次元の圧縮性流体力学理論を基にガスの種類と組成および成膜チャンバーの排気能力に応じて設計されており、移送管１８の先端に接続され、あるいは移送管１８の先端部分と一体に形成されている。
具体的には、ノズル内部径が変化している縮小−拡大管であり、蒸発チャンバーと成膜チャンバー間の差圧により生起するガス流を、例えばマッハ数１．２以上の超音速まで高めることができる。
【００４８】
上記の構成のノズル３５によって、ナノ粒子と雰囲気ガスを含むガス流を超音速にまで加速し、ナノ粒子をガス流Ｊに乗せて成膜チャンバー３０中において基板３３に向けて噴出し、基板３３上に物理蒸着させ、物理蒸着膜を形成する。
【００４９】
ここで、上記の蒸発チャンバー１０、成膜チャンバー３０あるいは移送管１８に適宜ナノ粒子と反応させるガスを添加することができる。例えば、窒素を添加することで、窒化物のナノ粒子を得ることができ、窒化物の物理蒸着膜が成膜可能である。また、酸素を添加することで酸化物のナノ粒子を得ることができ、酸化物の物理蒸着膜を成膜可能である。また、蒸発チャンバー１０、成膜チャンバー３０あるいは移送管１８などに、水素を適宜添加してもよく、これにより成膜しやすくなる利点がある。
【００５０】
例えば、タングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いる場合、従来型のプラズマトーチによる加熱ではナノ粒子化することが困難であることがあった。
本実施形態の物理蒸着装置によれば、レーザ光を用いて加熱することで蒸発源の蒸発に寄与する大きなエネルギーを与えることが可能となる。これにより、例えばタングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いることが可能となる。
【００５１】
あるいは、ノズル３５は、ノズル内部径が変化している縮小管あるいは例えばノズル出口マッハ数０．７５以下の亜音速、同マッハ数０．７５〜１．０の遷音速あるいは１．０〜１．２５程度の縮小−拡大管であり、蒸発チャンバーと成膜チャンバー間の差圧により生起するガス流を、例えばマッハ数０．７５以下の亜音速あるいはマッハ数０．７５〜１．２５の遷音速まで高めることができる構成でもよい。
上記の構成のノズル３５によって、ナノ粒子と雰囲気ガスを含むガス流を亜音速あるいは遷音速にまで加速し、ナノ粒子をガス流Ｊに乗せて成膜チャンバー３０中において基板３３に向けて噴出し、基板３３上に物理蒸着させ、物理蒸着膜を形成する。
【００５２】
上記のナノ粒子と雰囲気ガスを含むガス流を亜音速あるいは遷音速にまで加速する構成の場合には、例えば、蒸発チャンバー１０は、０．１５ｋＰａ（１．１Ｔｏｒｒ）〜９０ｋＰａ（７００Ｔｏｒｒ）の高真空雰囲気とされ、成膜チャンバー３０は、０．１ｋＰａ（０．７Ｔｏｒｒ）〜６０ｋＰａ（４５０Ｔｏｒｒ）の高真空雰囲気とされる。
【００５３】
上記のノズル３５としては、例えば耐熱ガラス製の縮小管のノズルを使用可能である。この場合、移送管と一体に形成することが可能である。これにより、ＲＦ加熱が可能となる。また、ノズル内でのプラズマ化が可能となり、成膜が難しい組成の物理蒸着膜の成膜ができる可能性がある。
【００５４】
上記のナノ粒子と雰囲気ガスを含むガス流を亜音速あるいは遷音速にまで加速する構成の場合には、ガス流の速度が亜音速または遷音速であるので、使用されるノズルの設計の自由度が高くなり、設計自体及び製作が容易となり、物理蒸着装置としてのコストを削減できる。
【００５５】
ガス流を超音速にまで加速する場合、物理蒸着を可能にするために、衝撃波の発生を極力抑え、かつ衝撃波の影響を考慮してノズル内径の変化がなされている縮小−拡大管の設計が必須となる。
一方、ガス流の加速は亜音速または遷音速とする場合、超音速領域のガス流に発生する衝撃波の影響がない、あるいは非常に小さくすることができる。
【００５６】
また、ガス流の速度を亜音速または遷音速とする場合、さらに以下のような効果を享受することができる。
（１）ナノ粒子が成膜対象の基板に衝突する際にも、超音速に加速されたガス流は基板に衝突する際に衝撃波が発生し、ナノ粒子は衝撃波の影響で質の高い膜が得られにくい可能性がある。本実施形態では、衝撃波の影響がない、あるいは非常に小さいので、成膜条件によっては超音速のガス流を用いた場合より質の高い膜を形成できる可能性がある。
【００５７】
（２）蒸発チャンバーと成膜チャンバーの圧力差を小さくできるので、成膜チャンバーのポンプ性能を低くすることが可能となり、これにより物理蒸着装置のコストを削減可能である。
【００５８】
（３）蒸発チャンバーと成膜チャンバーの圧力差を小さくできるので、蒸発チャンバーの圧力を低くでき、ヘリウムの流量を少なくすることができ、これによりコストを削減することが可能である。
【００５９】
（４）蒸発チャンバーと成膜チャンバーの圧力差を小さくできるので、蒸発チャンバーの圧力を低くでき、蒸気圧の低い材料を蒸発源の材料として選択することが可能となる。
例えば、Ａｌなどの蒸気圧の低い材料を蒸発源の材料として用いる場合、Ａｌナノ粒子を得るために蒸発チャンバー真空度が高いほど得やすくなる。
一方で、超音速フリージェットを用いる場合には、蒸発チャンバーと成膜チャンバーにある程度の圧力差が必要であり、蒸発チャンバー内の圧力を所定以上に下げることが困難となってしまう。
本実施形態では、蒸発チャンバーと成膜チャンバーの圧力差が小さくても可能であるため、蒸発チャンバー内の圧力を下げることが可能であり、これにより蒸発源として蒸気圧の小さい材料を用いることが可能となり、材料として可能な選択肢を増やすことができる。
【００６０】
（５）ガス流の速度が亜音速または遷音速でよいことから成膜チャンバー内に設けられるノズルと成膜対象である基板間の距離の自由度が増加する。
例えば、超音速フリージェットを用いる場合には、衝撃波をなくすように設計されているものの、現実にはシュリーレン法によれば衝撃波が交錯する領域があるとされており、ノズルの基板間の距離にはある程度の制約がある。
本実施形態では、ガス流の速度が亜音速または遷音速でよいことから衝撃波の影響がない、あるいは非常に小さいので、ノズルと基板間の距離を自由に設定することが可能となる。
【００６１】
［物理蒸着方法］
本実施形態の物理蒸着方法は、まず、成膜チャンバー３０の内部に成膜対象である基板３３を配置し、一方で内部に蒸発源１５を備え、レーザ光源１６ａからのレーザ光１７を照射して加熱する加熱部を有する蒸発チャンバー１０において、所定のガス雰囲気下あるいは大気下においてレーザ光１７の照射により蒸発源１５を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から蒸発した原子からナノメートルオーダーの直径の微粒子（ナノ粒子）を生成する。
【００６２】
次に、蒸発チャンバー１０と成膜チャンバー３０の間の圧力差により、蒸発チャンバー１０からナノ粒子を含むガスを移送管１７により成膜チャンバー３０の内部に設けられたノズル３５へと搬送し、ナノ粒子をノズル３５から超音速、亜音速または遷音速のガス流Ｊに乗せて基板３３に向けて噴出し、ナノ粒子を基板３３に物理蒸着させて物理蒸着膜を形成する。
【００６３】
図２は上記の物理蒸着装置及び物理蒸着方法により成膜された物理蒸着膜の断面図である。
例えば、チタンあるいはチタン合金などの金属、セラミックス、あるいは高分子などからなる基板３３上に、ＴｉＡｌあるいはＴｉＡｌＮなどからなる物理蒸着膜１が形成されている。
【００６４】
物理蒸着膜１の膜厚は、例えば、数μｍ〜１０００μｍ程度であり、好ましくは１０μｍ以上、さらに好ましくは３０μｍ以上である。
【００６５】
上記の物理蒸着膜１は、膜全体で組成が均一であってもよく、例えば厚み方向に組成が変化するようなプロファイルを持っていてもよい。
【００６６】
上記の物理蒸着膜１は、上記の物理蒸着装置及び物理蒸着方法により成膜された膜である。
例えば、蒸発チャンバーに蒸発源としてＴｉＡｌをセットし、成膜チャンバーの成膜対象基板にＴｉＡｌ膜を成膜することができる。
また、例えば上記と同様に蒸発源としてＴｉＡｌをセットし、さらに蒸発チャンバーに雰囲気ガスとして窒素を流すことで、ＴｉＡｌＮ膜を成膜することができる。
上記の他、金属とセラミックスなど、通常の方法では組成を混合して成膜することが困難な膜なども、組成を自由に制御して、緻密に成膜することができる。
【００６７】
ここで、蒸発チャンバー１０、成膜チャンバー３０あるいは移送管１７に適宜ナノ粒子と反応させるガスを添加することができる。例えば、窒素を添加することで、窒化物のナノ粒子を得ることができ、窒化物の物理蒸着膜が成膜可能である。また、酸素を添加することで酸化物のナノ粒子を得ることができ、酸化物の物理蒸着膜を成膜可能である。また、蒸発チャンバー１０、成膜チャンバー３０など移送管１７などに、水素を適宜添加してもよく、これにより成膜しやすくなる利点がある。
【００６８】
本実施形態の物理蒸着方法によれば、レーザ光を用いて加熱することで蒸発源の蒸発に寄与する大きなエネルギーを与えることが可能となる。これにより、例えばタングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いることが可能となる。
【００６９】
また、本実施形態の物理蒸着方法においてガス流の速度を亜音速または遷音速とする場合、用いるノズルの設計の自由度が高くなり、設計自体及び製作が容易となり、物理蒸着膜を形成するコストを削減できる。
【００７０】
＜第２実施形態＞
［物理蒸着装置の模式構成］
図３は本実施形態に係る物理蒸着装置の模式構成図である。
本実施形態の物理蒸着装置は、第１蒸発チャンバー１０、第２蒸発チャンバー２０及び成膜用の真空チャンバーである成膜チャンバー３０を備える。
【００７１】
第１蒸発チャンバー１０には真空ポンプＶＰ１に接続した第１排気管１１が設けられており、真空ポンプＶＰ１の作動により第１蒸発チャンバー１０内が排気され、例えば１０−１０Ｔｏｒｒ程度の超高真空雰囲気とされる。
さらに、第１蒸発チャンバー１０にマスフローコントローラ１２を介して設けられたガス供給源１３から、必要に応じて、ＨｅあるいはＮ２などの雰囲気ガスが第１蒸発チャンバー１０内に所定の流量で供給される。あるいは大気雰囲気としてもよい。
【００７２】
第１蒸発チャンバー１０内には、回転駆動可能に構成されたテーブル１４が設けられ、この上にチタン、タングステン、アルミニウム、ニオブあるいはシリコンなどの第１蒸発源１５が配置されている。
第１蒸発チャンバー１０には、第１レーザ光源１６ａと第１レーザ光源１６ａから出射されるレーザ光１７を導く光学系が設けられている。光学系は、例えば、アパーチャ１６ｂ、ミラー１６ｃ、レンズ１６ｄ及びミラー１６ｅなどから構成される。光学系としては、上記以外のミラーやレンズなどを適宜さらに用いた構成としてもよい。第１レーザ光源１６ａからのレーザ光１７は、レンズで集光されながら、第１蒸発チャンバー１０に設けられた石英などからなる第１光照射窓１０ａから第１蒸発チャンバー１０の内部に導かれ、第１蒸発源１５に照射され、第１蒸発源１５が加熱される。
第１蒸発源１５は加熱されて蒸発し、第１蒸発源１５から蒸発した原子からナノメートルオーダーの直径の第１微粒子（以下第１ナノ粒子とも称する）が得られる。
得られた第１ナノ粒子は、第１蒸発チャンバー１０内の雰囲気ガスとともに移送管１８を通して成膜チャンバー３０へと移送される。
【００７３】
第２蒸発チャンバー２０には真空ポンプＶＰ２に接続した第２排気管２１が設けられており、真空ポンプＶＰ２の作動により第２蒸発チャンバー２０内が排気され、例えば１０−１０Ｔｏｒｒ程度の超高真空雰囲気とされる。
さらに、第２蒸発チャンバー２０にマスフローコントローラ２２を介して設けられたガス供給源２３から、必要に応じて、ＨｅあるいはＮ２などの雰囲気ガスが第２蒸発チャンバー２０内に所定の流量で供給される。あるいは大気雰囲気としてもよい。
【００７４】
第２蒸発チャンバー２０内には、回転駆動可能に構成されたテーブル２４が設けられ、この上にチタン、タングステン、アルミニウム、ニオブあるいはシリコンなどの第２蒸発源２５が配置されている。
第２蒸発チャンバー２０には、第２レーザ光源２６ａと第２レーザ光源２６ａから出射されるレーザ光２７を導く光学系が設けられている。光学系は、例えば、アパーチャ２６ｂ、ミラー２６ｃ、レンズ２６ｄ及びミラー２６ｅなどから構成される。光学系としては、上記以外のミラーやレンズなどを適宜さらに用いた構成としてもよい。第２レーザ光源２６ａからのレーザ光２７は、レンズで集光されながら、第２蒸発チャンバー２０に設けられた石英などからなる第２光照射窓２０ａから第２蒸発チャンバー２０の内部に導かれ、第２蒸発源２５に照射され、第２蒸発源２５が加熱される。
第２蒸発源２５は加熱されて蒸発し、第２蒸発源２５から蒸発した原子からナノメートルオーダーの直径の第２微粒子（以下第２ナノ粒子とも称する）が得られる。
得られた第２ナノ粒子は、第２蒸発チャンバー２０内の雰囲気ガスとともに移送管２８を通して成膜チャンバー３０へと移送される。
【００７５】
第１レーザ光源１６ａ及び第２レーザ光源２６ａは、例えばＱ−スイッチを用いたＮｄ：ＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザ、エキシマレーザなどを適宜用いることができる。
Ｎｄ：ＹＡＧレーザの場合、例えば非線形結晶を用いて基本波１０６４ｎｍの光を２倍波５３２ｎｍの光に変換して用いることができる。例えば、パルスエネルギーが２１０ｍＪ、パルス幅が４．５〜５．５ｎｓ、パルスの周波数が２０Ｈｚである。
【００７６】
成膜チャンバー３０には真空ポンプＶＰ３に接続した排気管３１が設けられており、真空ポンプＶＰ３の作動により成膜チャンバー３０内が排気され、例えば１０−１０Ｔｏｒｒ程度の超高真空雰囲気とされる。
成膜チャンバー３０内には、Ｘ−Ｙ方向に駆動するステージ３２が設けられ、このステージ３２に成膜対象である基板３３が固定される。また、ステージ３２はＸ−Ｙ−Ｚ方向に駆動する方式としてもよく、さらに基板３３を回転移動させる方式を組み合わせてもよい。あるいは、一方向に延伸する板状の基板を当該一方向に駆動させる方式のステージ、あるいは円盤状あるいはその他の形状の基板を回転移動させる方式のステージでもよい。
基板３３としては、特に限定はないが、例えば、純チタン板（ＪＩＳグレード１）、Ａ１０５０アルミニウム合金板、ＳＵＳ３０４ステンレススチール板などを用いることができる。成膜対象基板は、成膜チャンバーにセットする前にアセトン中で超音波洗浄してから用いることが好ましい。
【００７７】
第１蒸発チャンバー１０からの第１移送管１８の先端と、第２蒸発チャンバー２０からの第２移送管２８の先端との合流部に流体混合部３４が設けられており、流体混合部３４の中央部から延びるようにノズル３５が設けられている。各移送管（１８，２８）の流体混合部３４側の外周には、不図示のコイルヒーターが設けられて加熱可能となっていてもよい。
【００７８】
上記の第１蒸発チャンバー１０において第１ナノ粒子が生成され、第２蒸発チャンバー２０において第２ナノ粒子が生成されると、第１及び第２蒸発チャンバー（１０，２０）と成膜チャンバー３０の間の圧力差によりガスの流れが生じ、第１ナノ粒子及び第２ナノ粒子は雰囲気ガスとともに移送管を通して成膜チャンバー３０へと移送される。
第１ナノ粒子を含む第１流体と、第２ナノ粒子を含む第２流体とが、流体混合部３４において混合する。
ここで、上記の第１ナノ粒子と第２ナノ粒子の混合には、非特許文献３及び特許文献３に記載の同軸対向衝突噴流の発振現象を利用して混合することができる。
混合された第１ナノ粒子と第２ナノ粒子が、流体混合部３４の中央部に取り付けられたノズル３５からガス流Ｊとして成膜チャンバー３０中において基板３３に向けて噴出される。
【００７９】
ノズル３５は、１次元もしくは２次元の圧縮性流体力学理論を基にガスの種類と組成および成膜チャンバーの排気能力に応じて設計されており、流体混合部３４に接続され、あるいは流体混合部３４と一体に形成されている。
具体的には、ノズル内部径が変化している縮小−拡大管であり、蒸発チャンバーと成膜チャンバー間の差圧により生起するガス流を、例えばマッハ数１．２以上の超音速まで高めることができる。
【００８０】
上記の構成のノズル３５によって、混合された第１ナノ粒子と第２ナノ粒子と雰囲気ガスを含むガス流を超音速にまで加速し、第１ナノ粒子と第２ナノ粒子をガス流Ｊに乗せて成膜チャンバー３０中において基板３３に向けて噴出し、基板３３上に物理蒸着させ、物理蒸着膜を形成する。
【００８１】
ここで、上記の第１蒸発チャンバー１０、第２蒸発チャンバー２０、成膜チャンバー３０、第１移送管１８あるいは第２移送管２８に、適宜ナノ粒子と反応させるガスを添加することができる。例えば、窒素を添加することで、窒化物のナノ粒子を得ることができ、窒化物の物理蒸着膜が成膜可能である。また、酸素を添加することで酸化物のナノ粒子を得ることができ、酸化物の物理蒸着膜を成膜可能である。また、第１蒸発チャンバー１０、第２蒸発チャンバー２０、成膜チャンバー３０、第１移送管１８あるいは第２移送管２８などに、水素を適宜添加してもよく、これにより成膜しやすくなる利点がある。
【００８２】
本実施形態の物理蒸着装置によれば、レーザ光を用いて加熱することで蒸発源の蒸発に寄与する大きなエネルギーを与えることが可能となる。これにより、例えばタングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いることが可能となる。
【００８３】
あるいは、ノズル３５は、ノズル内部径が変化している縮小管あるいは例えばノズル出口マッハ数０．７５以下の亜音速、同マッハ数０．７５〜１．０の遷音速あるいは１．０〜１．２５程度の縮小−拡大管であり、蒸発チャンバーと成膜チャンバー間の差圧により生起するガス流を、例えばマッハ数０．７５以下の亜音速あるいはマッハ数０．７５〜１．２５の遷音速まで高めることができる構成でもよい。
上記の構成のノズル３５によって、混合された第１ナノ粒子と第２ナノ粒子と雰囲気ガスを含むガス流を亜音速あるいは遷音速にまで加速し、ナノ粒子をガス流Ｊに乗せて成膜チャンバー３０中において基板３３に向けて噴出し、基板３３上に物理蒸着させ、物理蒸着膜を形成する。
【００８４】
上記の混合された第１ナノ粒子と第２ナノ粒子と雰囲気ガスを含むガス流を亜音速あるいは遷音速にまで加速する構成の場合には、例えば、第１蒸発チャンバー１０及び第２蒸発チャンバー２０は、０．１５ｋＰａ（１．１Ｔｏｒｒ）〜９０ｋＰａ（７００Ｔｏｒｒ）の高真空雰囲気とされ、成膜チャンバー３０は、０．１ｋＰａ（０．７Ｔｏｒｒ）〜６０ｋＰａ（４５０Ｔｏｒｒ）の高真空雰囲気とされる。
【００８５】
上記のノズル３５としては、例えば耐熱ガラス製の縮小管のノズルを使用可能である。この場合、移送管と一体に形成することが可能である。これにより、ＲＦ加熱が可能となる。また、ノズル内でのプラズマ化が可能となり、成膜が難しい組成の物理蒸着膜の成膜ができる可能性がある。
【００８６】
上記のナノ粒子と雰囲気ガスを含むガス流を亜音速あるいは遷音速にまで加速する構成の場合には、ガス流の速度が亜音速または遷音速であるので、使用されるノズルの設計の自由度が高くなり、設計自体及び製作が容易となり、物理蒸着装置としてのコストを削減できる。
【００８７】
また、ガス流の速度を亜音速または遷音速とする場合、さらに以下のような効果を享受することができる。
（１）蒸発チャンバーと成膜チャンバーの圧力差を小さくできるので、成膜チャンバーのポンプ性能を低くすることが可能となり、これにより物理蒸着装置のコストを削減可能である。
（２）蒸発チャンバーと成膜チャンバーの圧力差を小さくできるので、蒸発チャンバーの圧力を低くでき、ヘリウムの流量を少なくすることができ、これによりコストを削減することが可能である。
（３）蒸発チャンバーと成膜チャンバーの圧力差を小さくできるので、蒸発チャンバーの圧力を低くでき、蒸気圧の低い材料を蒸発源の材料として選択することが可能となる。
（４）ガス流の速度が亜音速または遷音速でよいことから成膜チャンバー内に設けられるノズルと成膜対象である基板間の距離の自由度が増加する。
【００８８】
［物理蒸着方法］
本実施形態の物理蒸着方法は、まず、成膜チャンバー３０の内部に成膜対象である基板３３を配置し、一方で、内部に第１蒸発源１５を備え、第１レーザ光源１６ａからのレーザ光１７を照射して加熱する加熱部を有する第１蒸発チャンバー１０において、所定のガス雰囲気下あるいは大気下においてレーザ光１７の照射により第１蒸発源１５を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から蒸発した原子からナノメートルオーダーの直径の第１微粒子（第１ナノ粒子）を生成する。
また、内部に第２蒸発源２５を備え、第２レーザ光源２６ａからのレーザ光２７を照射して加熱する加熱部を有する第２蒸発チャンバー２０において、所定のガス雰囲気下あるいは大気下においてレーザ光２７の照射により第２蒸発源２５を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から蒸発した原子からナノメートルオーダーの直径の第２微粒子（第２ナノ粒子）を生成する。
【００８９】
次に、第１移送管１８により第１蒸発チャンバー１０から第１ナノ粒子を含むガスを流体混合部３４に移送させ、第２移送管２８により第２蒸発チャンバー２０から第２ナノ粒子を含むガスを流体混合部３４に移送させ、流体混合部３４において第１ナノ粒子と第２ナノ粒子とを混合させる。
【００９０】
次に、流体混合部３４から混合された第１ナノ粒子と第２ナノ粒子を成膜チャンバー３０の内部に設けられたノズル３５へと搬送し、第１ナノ粒子と第２ナノ粒子をノズル３５から超音速、亜音速または遷音速のガス流Ｊに乗せて基板３３に向けて噴出し、混合された第１ナノ粒子と第２ナノ粒子を基板３３に物理蒸着させて物理蒸着膜を形成する。
【００９１】
上記の物理蒸着装置及び物理蒸着方法により、第１実施形態と同様の物理蒸着膜を成膜できる。
例えば、第１蒸発チャンバーに第１蒸発源としてＴｉをセットし、第２蒸発チャンバーに第２蒸発源としてＡｌをセットし、成膜チャンバーの成膜対象基板にＴｉＡｌ膜を成膜することができる。
また、例えば上記と同様に第１蒸発源としてＴｉをセットし、第２蒸発源としてＡｌをセットし、さらに第１蒸発チャンバーまたは第２蒸発チャンバーに雰囲気ガスとして窒素を流すことで、成膜チャンバーの成膜対象基板にＴｉＡｌＮ膜を成膜することができる。
また、例えば第１蒸発源としてＡｌをセットし、第２蒸発源としてＳｉをセットし、成膜チャンバーの成膜対象基板にＡｌＳｉ膜を成膜することができる。
上記の他、金属とセラミックスなど、通常の方法では組成を混合して成膜することが困難な膜なども、組成を自由に制御して、緻密に成膜することができる。
【００９２】
ここで、第１蒸発チャンバー１０、第２蒸発チャンバー２０、成膜チャンバー３０、第１移送管１８あるいは第２移送管２８に、適宜ナノ粒子と反応させるガスを添加することができる。例えば、窒素を添加することで、窒化物のナノ粒子を得ることができ、窒化物の物理蒸着膜が成膜可能である。また、酸素を添加することで酸化物のナノ粒子を得ることができ、酸化物の物理蒸着膜を成膜可能である。また、第１蒸発チャンバー１０、第２蒸発チャンバー２０、成膜チャンバー３０、第１移送管１８あるいは第２移送管２８などに、水素を適宜添加してもよく、これにより成膜しやすくなる利点がある。
【００９３】
本実施形態の物理蒸着方法によれば、レーザ光を用いて加熱することで蒸発源の蒸発に寄与する大きなエネルギーを与えることが可能となる。これにより、例えばタングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いることが可能となる。
【００９４】
また、本実施形態の物理蒸着方法においてガス流の速度を亜音速または遷音速とする場合、用いるノズルの設計の自由度が高くなり、設計自体及び製作が容易となり、物理蒸着膜を形成するコストを削減できる。
【００９５】
＜第３実施形態＞
［物理蒸着装置の模式構成］
図４は本実施形態に係る物理蒸着装置の模式構成図である。
本実施形態の物理蒸着装置は、第１蒸発チャンバー１０、第２蒸発チャンバー２０及び成膜用の真空チャンバーである成膜チャンバー３０を備える。
【００９６】
第１蒸発チャンバー１０には真空ポンプＶＰ１に接続した第１排気管１１が設けられており、真空ポンプＶＰ１の作動により第１蒸発チャンバー１０内が排気され、例えば１０−１０Ｔｏｒｒ程度の超高真空雰囲気とされる。
さらに、第１蒸発チャンバー１０にマスフローコントローラ１２を介して設けられたガス供給源１３から、必要に応じて、ＨｅあるいはＮ２などの雰囲気ガスが第１蒸発チャンバー１０内に所定の流量で供給される。あるいは大気雰囲気としてもよい。
【００９７】
第１蒸発チャンバー１０内には、回転駆動可能に構成されたテーブル１４が設けられ、この上にチタン、タングステン、アルミニウム、ニオブあるいはシリコンなどの第１蒸発源１５が配置されている。
第１蒸発チャンバー１０には、第１レーザ光源１６ａと第１レーザ光源１６ａから出射されるレーザ光１７を導く光学系が設けられている。光学系は、例えば、アパーチャ１６ｂ、ミラー１６ｃ、レンズ１６ｄ及びミラー１６ｅなどから構成される。光学系としては、上記以外のミラーやレンズなどを適宜さらに用いた構成としてもよい。第１レーザ光源１６ａからのレーザ光１７は、レンズで集光されながら、第１蒸発チャンバー１０に設けられた石英などからなる第１光照射窓１０ａから第１蒸発チャンバー１０の内部に導かれ、第１蒸発源１５に照射され、第１蒸発源１５が加熱される。
第１蒸発源１５は加熱されて蒸発し、第１蒸発源１５から蒸発した原子からナノメートルオーダーの直径の第１微粒子（以下第１ナノ粒子とも称する）が得られる。
得られた第１ナノ粒子は、第１蒸発チャンバー１０内の雰囲気ガスとともに移送管１８を通して成膜チャンバー３０へと移送される。
【００９８】
第２蒸発チャンバー２０には真空ポンプＶＰ２に接続した第２排気管２１が設けられており、真空ポンプＶＰ２の作動により第２蒸発チャンバー２０内が排気され、例えば１０−１０Ｔｏｒｒ程度の超高真空雰囲気とされる。
さらに、第２蒸発チャンバー２０にマスフローコントローラ２２を介して設けられたガス供給源２３から、必要に応じて、ＨｅあるいはＮ２などの雰囲気ガスが第２蒸発チャンバー２０内に所定の流量で供給される。あるいは大気雰囲気としてもよい。
【００９９】
第２蒸発チャンバー２０内には、回転駆動可能に構成されたテーブル２４が設けられ、この上にチタン、タングステン、アルミニウム、ニオブあるいはシリコンなどの第２蒸発源２５が配置されている。
第２蒸発チャンバー２０には、第２レーザ光源２６ａと第２レーザ光源２６ａから出射されるレーザ光２７を導く光学系が設けられている。光学系は、例えば、アパーチャ２６ｂ、ミラー２６ｃ、レンズ２６ｄ及びミラー２６ｅなどから構成される。光学系としては、上記以外のミラーやレンズなどを適宜さらに用いた構成としてもよい。第２レーザ光源２６ａからのレーザ光２７は、レンズで集光されながら、第２蒸発チャンバー２０に設けられた石英などからなる第２光照射窓２０ａから第２蒸発チャンバー２０の内部に導かれ、第２蒸発源２５に照射され、第２蒸発源２５が加熱される。
第２蒸発源２５は加熱されて蒸発し、第２蒸発源２５から蒸発した原子からナノメートルオーダーの直径の第２微粒子（以下第２ナノ粒子とも称する）が得られる。
得られた第２ナノ粒子は、第２蒸発チャンバー２０内の雰囲気ガスとともに移送管２８を通して成膜チャンバー３０へと移送される。
【０１００】
第１レーザ光源１６ａ及び第２レーザ光源２６ａは、例えばＱ−スイッチを用いたＮｄ：ＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザ、エキシマレーザなどを適宜用いることができる。
Ｎｄ：ＹＡＧレーザの場合、例えば非線形結晶を用いて基本波１０６４ｎｍの光を２倍波５３２ｎｍの光に変換して用いることができる。例えば、パルスエネルギーが２１０ｍＪ、パルス幅が４．５〜５．５ｎｓ、パルスの周波数が２０Ｈｚである。
【０１０１】
成膜チャンバー３０には真空ポンプＶＰ３に接続した排気管３１が設けられており、真空ポンプＶＰ３の作動により成膜チャンバー３０内が排気され、例えば１０−１０Ｔｏｒｒ程度の超高真空雰囲気とされる。
成膜チャンバー３０内には、Ｘ−Ｙ方向に駆動するステージ３２が設けられ、このステージ３２に成膜対象である基板３３が固定される。また、ステージ３２はＸ−Ｙ−Ｚ方向に駆動する方式としてもよく、さらに基板３３を回転移動させる方式を組み合わせてもよい。あるいは、一方向に延伸する板状の基板を当該一方向に駆動させる方式のステージ、あるいは円盤状あるいはその他の形状の基板を回転移動させる方式のステージでもよい。
基板３３としては、特に限定はないが、例えば、純チタン板（ＪＩＳグレード１）、Ａ１０５０アルミニウム合金板、ＳＵＳ３０４ステンレススチール板などを用いることができる。成膜対象基板は、成膜チャンバーにセットする前にアセトン中で超音波洗浄してから用いることが好ましい。
【０１０２】
第１蒸発チャンバー１０からの第１移送管１８の先端に第１ノズル３６が設けられている。第１移送管１８の外周には、不図示のコイルヒーターが設けられて加熱可能となっていてもよい。
また、第２蒸発チャンバー２０からの第２移送管２８の先端に第２ノズル３７が設けられている。第２移送管２８の外周には、不図示のコイルヒーターが設けられて加熱可能となっていてもよい。
【０１０３】
上記の第１蒸発チャンバー１０において第１ナノ粒子が生成されると、第１蒸発チャンバー１０と成膜チャンバー３０の間の圧力差によりガスの流れが生じ、第１ナノ粒子は雰囲気ガスとともに第１移送管１８を通して成膜チャンバー３０へと移送される。
第１ナノ粒子が第１ノズル３６からガス流Ｊ１として成膜チャンバー３０中において基板３３に向けて噴出される。
また、上記の第２蒸発チャンバー２０において第２ナノ粒子が生成されると、第２蒸発チャンバー２０と成膜チャンバー３０の間の圧力差によりガスの流れが生じ、第２ナノ粒子は雰囲気ガスとともに第２移送管２８を通して成膜チャンバー３０へと移送される。
第２ナノ粒子が第２ノズル３７からガス流Ｊ２として成膜チャンバー３０中において基板３３に向けて噴出される。
【０１０４】
第１ノズル３６及び第２ノズル３７は、１次元もしくは２次元の圧縮性流体力学理論を基にガスの種類と組成および成膜チャンバーの排気能力に応じて設計されており、第１移送管１８あるいは第２移送管２８の先端に接続され、あるいは第１移送管１８あるいは第２移送管２８の先端部分と一体に形成されている。
具体的には、ノズル内部径が変化している縮小−拡大管であり、蒸発チャンバーと成膜チャンバー間の差圧により生起するガス流を、例えばマッハ数１．２以上の超音速まで高めることができる。
【０１０５】
上記の構成の第１ノズル３６によって第１ナノ粒子と雰囲気ガスを含むガス流Ｊ１を超音速にまで加速し、第１ナノ粒子をガス流Ｊ１に乗せて成膜チャンバー３０中において基板３３に向けて噴出し、かつ、第２ノズル３７によって第２ナノ粒子と雰囲気ガスを含むガス流Ｊ２を超音速にまで加速し、第２ナノ粒子をガス流Ｊ２に乗せて成膜チャンバー３０中において基板３３に向けて噴出し、第１ナノ粒子と第２ナノ粒子を基板３３上に物理蒸着させ、物理蒸着膜を形成する。
【０１０６】
ここで、上記の第１蒸発チャンバー１０、第２蒸発チャンバー２０、成膜チャンバー３０、第１移送管１８あるいは第２移送管２８に、適宜ナノ粒子と反応させるガスを添加することができる。例えば、窒素を添加することで、窒化物のナノ粒子を得ることができ、窒化物の物理蒸着膜が成膜可能である。また、酸素を添加することで酸化物のナノ粒子を得ることができ、酸化物の物理蒸着膜を成膜可能である。また、第１蒸発チャンバー１０、第２蒸発チャンバー２０、成膜チャンバー３０、第１移送管１８あるいは第２移送管２８などに、水素を適宜添加してもよく、これにより成膜しやすくなる利点がある。
【０１０７】
本実施形態の物理蒸着装置によれば、レーザ光を用いて加熱することで蒸発源の蒸発に寄与する大きなエネルギーを与えることが可能となる。これにより、例えばタングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いることが可能となる。
【０１０８】
あるいは、第１ノズル３６及び第２ノズル３７は、ノズル内部径が変化している縮小管あるいは例えばノズル出口マッハ数０．７５以下の亜音速、同マッハ数０．７５〜１．０の遷音速あるいは１．０〜１．２５程度の縮小−拡大管であり、蒸発チャンバーと成膜チャンバー間の差圧により生起するガス流を、例えばマッハ数０．７５以下の亜音速あるいはマッハ数０．７５〜１．２５の遷音速まで高めることができる構成でもよい。
上記の構成の第１ノズル３６によって、第１ノズル３６によって第１ナノ粒子と雰囲気ガスを含むガス流Ｊ１を亜音速あるいは遷音速にまで加速し、第１ナノ粒子をガス流Ｊ１に乗せて成膜チャンバー３０中において基板３３に向けて噴出し、かつ、第２ノズル３７によって第２ナノ粒子と雰囲気ガスを含むガス流Ｊ２を亜音速あるいは遷音速にまで加速し、第２ナノ粒子をガス流Ｊ２に乗せて成膜チャンバー３０中において基板３３に向けて噴出し、第１ナノ粒子と第２ナノ粒子を基板３３上に物理蒸着させ、物理蒸着膜を形成する。
【０１０９】
上記の第１ナノ粒子と雰囲気ガスを含むガス流と第２ナノ粒子と雰囲気ガスを含むガス流を亜音速あるいは遷音速にまで加速する構成の場合には、例えば、第１蒸発チャンバー１０及び第２蒸発チャンバー２０は、０．１５ｋＰａ（１．１Ｔｏｒｒ）〜９０ｋＰａ（７００Ｔｏｒｒ）の高真空雰囲気とされ、成膜チャンバー３０は、０．１ｋＰａ（０．７Ｔｏｒｒ）〜６０ｋＰａ（４５０Ｔｏｒｒ）の高真空雰囲気とされる。
【０１１０】
上記の第１ノズル３６及び第２ノズル３７としては、例えば耐熱ガラス製の縮小管のノズルを使用可能である。この場合、移送管と一体に形成することが可能である。これにより、ＲＦ加熱が可能となる。また、ノズル内でのプラズマ化が可能となり、成膜が難しい組成の物理蒸着膜の成膜ができる可能性がある。
【０１１１】
上記の第１ナノ粒子と雰囲気ガスを含むガス流及び第２ナノ粒子と雰囲気ガスを含むガス流を亜音速あるいは遷音速にまで加速する構成の場合には、ガス流の速度が亜音速または遷音速であるので、使用されるノズルの設計の自由度が高くなり、設計自体及び製作が容易となり、物理蒸着装置としてのコストを削減できる。
【０１１２】
また、ガス流の速度を亜音速または遷音速とする場合、さらに以下のような効果を享受することができる。
（１）蒸発チャンバーと成膜チャンバーの圧力差を小さくできるので、成膜チャンバーのポンプ性能を低くすることが可能となり、これにより物理蒸着装置のコストを削減可能である。
（２）蒸発チャンバーと成膜チャンバーの圧力差を小さくできるので、蒸発チャンバーの圧力を低くでき、ヘリウムの流量を少なくすることができ、これによりコストを削減することが可能である。
（３）蒸発チャンバーと成膜チャンバーの圧力差を小さくできるので、蒸発チャンバーの圧力を低くでき、蒸気圧の低い材料を蒸発源の材料として選択することが可能となる。
（４）ガス流の速度が亜音速または遷音速でよいことから成膜チャンバー内に設けられるノズルと成膜対象である基板間の距離の自由度が増加する。
【０１１３】
［物理蒸着方法］
本実施形態の物理蒸着方法は、まず、成膜チャンバー３０の内部に成膜対象である基板３３を配置し、一方で、内部に第１蒸発源１５を備え、第１レーザ光源１６ａからのレーザ光１７を照射して加熱する加熱部を有する第１蒸発チャンバー１０において、所定のガス雰囲気下あるいは大気下においてレーザ光１７の照射により第１蒸発源１５を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から蒸発した原子からナノメートルオーダーの直径の第１微粒子（第１ナノ粒子）を生成する。
また、内部に第２蒸発源２５を備え、第２レーザ光源２６ａからのレーザ光２７を照射して加熱する加熱部を有する第２蒸発チャンバー２０において、所定のガス雰囲気下あるいは大気下においてレーザ光２７の照射により第２蒸発源２５を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から蒸発した原子からナノメートルオーダーの直径の第２微粒子（第２ナノ粒子）を生成する。
【０１１４】
次に、第１蒸発チャンバー１０から第１ナノ粒子を含むガスを第１移送管１８により成膜チャンバー３０の内部に設けられた第１ノズル３６へと搬送し、第１ナノ粒子を第１ノズル３６から超音速、亜音速または遷音速のガス流Ｊ１に乗せて基板３３に向けて噴出し、かつ、第２蒸発チャンバー２０から第２ナノ粒子を含むガスを第２移送管２８により成膜チャンバー３０の内部に設けられた第２ノズル３７へと搬送し、第２ナノ粒子を第２ノズル３７から超音速、亜音速または遷音速のガス流Ｊ２に乗せて基板３３に向けて噴出し、第１ナノ粒子と第２ナノ粒子を基板３３に物理蒸着させて物理蒸着膜を形成する。
【０１１５】
上記の物理蒸着装置及び物理蒸着方法により、第１実施形態と同様の物理蒸着膜を成膜できる。
例えば、第１蒸発チャンバーに第１蒸発源としてＴｉをセットし、第２蒸発チャンバーに第２蒸発源としてＡｌをセットし、成膜チャンバーの成膜対象基板にＴｉＡｌ膜を成膜することができる。
また、例えば上記と同様に第１蒸発源としてＴｉをセットし、第２蒸発源としてＡｌをセットし、さらに第１蒸発チャンバーまたは第２蒸発チャンバーに雰囲気ガスとして窒素を流すことで、成膜チャンバーの成膜対象基板にＴｉＡｌＮ膜を成膜することができる。
また、例えば第１蒸発源としてＡｌをセットし、第２蒸発源としてＳｉをセットし、成膜チャンバーの成膜対象基板にＡｌＳｉ膜を成膜することができる。
上記の他、金属とセラミックスなど、通常の方法では組成を混合して成膜することが困難な膜なども、組成を自由に制御して、緻密に成膜することができる。
【０１１６】
ここで、第１蒸発チャンバー１０、第２蒸発チャンバー２０、成膜チャンバー３０、第１移送管１８あるいは第２移送管２８に、適宜ナノ粒子と反応させるガスを添加することができる。例えば、窒素を添加することで、窒化物のナノ粒子を得ることができ、窒化物の物理蒸着膜が成膜可能である。また、酸素を添加することで酸化物のナノ粒子を得ることができ、酸化物の物理蒸着膜を成膜可能である。また、第１蒸発チャンバー１０、第２蒸発チャンバー２０、成膜チャンバー３０、第１移送管１８あるいは第２移送管２８などに、水素を適宜添加してもよく、これにより成膜しやすくなる利点がある。
【０１１７】
本実施形態の物理蒸着方法によれば、レーザ光を用いて加熱することで蒸発源の蒸発に寄与する大きなエネルギーを与えることが可能となる。これにより、例えばタングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いることが可能となる。
【０１１８】
また、本実施形態の物理蒸着方法においてガス流の速度を亜音速または遷音速とする場合、用いるノズルの設計の自由度が高くなり、設計自体及び製作が容易となり、物理蒸着膜を形成するコストを削減できる。
【０１１９】
＜第４実施形態＞
［物理蒸着装置の模式構成］
図５は本実施形態に係る物理蒸着装置の模式構成図である。
本実施形態の物理蒸着装置は、蒸発チャンバー１０、粉体供給源４０及び成膜用の真空チャンバーである成膜チャンバー３０を備える。
【０１２０】
蒸発チャンバー１０には真空ポンプＶＰ１に接続した排気管１１が設けられており、真空ポンプＶＰ１の作動により蒸発チャンバー１０内が排気され、例えば例えば１０−１０Ｔｏｒｒ程度の超高真空雰囲気とされる。
さらに、蒸発チャンバー１０にマスフローコントローラ１２を介して設けられたガス供給源１３から、必要に応じて、ＨｅあるいはＮ２などの雰囲気ガスが蒸発チャンバー１０内に所定の流量で供給される。あるいは大気雰囲気としてもよい。
【０１２１】
蒸発チャンバー１０内には、回転駆動可能に構成されたテーブル１４が設けられ、この上にチタン、タングステン、アルミニウム、ニオブあるいはシリコンなどの蒸発源１５が配置されている。
蒸発チャンバー１０には、レーザ光源１６ａとレーザ光源１６ａから出射されるレーザ光１７を導く光学系が設けられている。光学系は、例えば、アパーチャ１６ｂ、ミラー１６ｃ、レンズ１６ｄ及びミラー１６ｅなどから構成される。光学系としては、上記以外のミラーやレンズなどを適宜さらに用いた構成としてもよい。レーザ光源１６ａからのレーザ光１７は、レンズで集光されながら、蒸発チャンバー１０に設けられた石英などからなる光照射窓１０ａから蒸発チャンバー１０の内部に導かれ、蒸発源１５に照射され、蒸発源１５が加熱される。
蒸発源１５は加熱されて蒸発し、蒸発源１５から蒸発した原子からナノメートルオーダーの直径の微粒子（以下ナノ粒子とも称する）が得られる。
得られたナノ粒子は、蒸発チャンバー１０内の雰囲気ガスとともに移送管１８を通して成膜チャンバー３０へと移送される。
【０１２２】
粉体供給源４０内には、ハイドロキシアパタイト粒子などの粉体が収容されている。粉体供給源４０を構成する容器内の圧力は、特に限定されないが、操作性の面から大気雰囲気であることが好ましい。
上記のハイドロキシアパタイト粒子は市販のものを用いることができる。ハイドロキシアパタイト粒子の粒径は、例えば数１０μｍ以下、好ましくは０．１〜１０μｍ程度であり、例えば平均粒径が５μｍ程度である。また、六方晶構造の粒子を用いることが好ましい。
例えば、粉体供給源４０の容器を振動させるなどして、容器内で粉体状の粒子を巻き上がらせ、巻き上がった粉体状の粒子を容器内の雰囲気ガスとともに第２移送管４１を通して成膜チャンバー３０へと移送させる。
【０１２３】
レーザ光源１６ａは、例えばＱ−スイッチを用いたＮｄ：ＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザ、エキシマレーザなどを適宜用いることができる。
Ｎｄ：ＹＡＧレーザの場合、例えば非線形結晶を用いて基本波１０６４ｎｍの光を２倍波５３２ｎｍの光に変換して用いることができる。例えば、パルスエネルギーが２１０ｍＪ、パルス幅が４．５〜５．５ｎｓ、パルスの周波数が２０Ｈｚである。
【０１２４】
成膜チャンバー３０には真空ポンプＶＰ３に接続した排気管３１が設けられており、真空ポンプＶＰ３の作動により成膜チャンバー３０内が排気され、例えば１０−１０Ｔｏｒｒ程度の超高真空雰囲気とされる。
成膜チャンバー３０内には、Ｘ−Ｙ方向に駆動するステージ３２が設けられ、このステージ３２に成膜対象である基板３３が固定される。また、ステージ３２はＸ−Ｙ−Ｚ方向に駆動する方式としてもよく、さらに基板３３を回転移動させる方式を組み合わせてもよい。あるいは、一方向に延伸する板状の基板を当該一方向に駆動させる方式のステージ、あるいは円盤状あるいはその他の形状の基板を回転移動させる方式のステージでもよい。
基板３３としては、特に限定はないが、例えば、純チタン板（ＪＩＳグレード１）、Ａ１０５０アルミニウム合金板、ＳＵＳ３０４ステンレススチール板などを用いることができる。成膜対象基板は、成膜チャンバーにセットする前にアセトン中で超音波洗浄してから用いることが好ましい。
【０１２５】
蒸発チャンバー１０からの第１移送管１７の先端と、粉体供給源４０からの第２移送管４１の先端との合流部に流体混合部３４が設けられており、流体混合部３４の中央部から延びるようにノズル３５が設けられている。各移送管（１８，４１）の流体混合部３４側の外周には、不図示のコイルヒーターが設けられて加熱可能となっていてもよい。
【０１２６】
上記の蒸発チャンバー１０においてナノ粒子が生成されると、蒸発チャンバー１０と成膜チャンバー３０の間の圧力差によりガスの流れが生じ、ナノ粒子は雰囲気ガスとともに第１移送管１８を通して成膜チャンバー３０へと移送される。
また、粉体供給源４０と成膜チャンバー３０の間の圧力差によりガスの流れが生じ、粉体状の粒子は雰囲気ガスとともに第２移送管４１を通して成膜チャンバー３０へと移送される。
ナノ粒子を含む第１流体と、粉体状の粒子を含む第２流体とが、流体混合部３４において混合する。
ここで、上記のナノ粒子と粉体状の粒子の混合には、非特許文献３及び特許文献３に記載の同軸対向衝突噴流の発振現象を利用して混合することができる。
混合されたナノ粒子と粉体状の粒子が、流体混合部３４の中央部に取り付けられたノズル３５からガス流Ｊとして成膜チャンバー３０中において基板３３に向けて噴出される。
【０１２７】
ノズル３５は、１次元もしくは２次元の圧縮性流体力学理論を基にガスの種類と組成および成膜チャンバーの排気能力に応じて設計されており、流体混合部３４に接続され、あるいは流体混合部３４と一体に形成されている。
具体的には、ノズル内部径が変化している縮小−拡大管であり、蒸発チャンバーと成膜チャンバー間の差圧により生起するガス流を、例えばマッハ数１．２以上の超音速まで高めることができる。
【０１２８】
上記の構成のノズル３５によって、混合されたナノ粒子と粉体状の粒子と雰囲気ガスを含むガス流を超音速にまで加速し、ナノ粒子と粉体状の粒子をガス流Ｊに乗せて成膜チャンバー３０中において基板３３に向けて噴出し、基板３３上に物理蒸着させ、物理蒸着膜を形成する。
【０１２９】
ここで、上記の第１蒸発チャンバー１０、第２蒸発チャンバー２０、成膜チャンバー３０、第１移送管１８あるいは第２移送管２８に、適宜ナノ粒子と反応させるガスを添加することができる。例えば、窒素を添加することで、窒化物のナノ粒子を得ることができ、窒化物の物理蒸着膜が成膜可能である。また、酸素を添加することで酸化物のナノ粒子を得ることができ、酸化物の物理蒸着膜を成膜可能である。また、第１蒸発チャンバー１０、第２蒸発チャンバー２０、成膜チャンバー３０、第１移送管１８あるいは第２移送管２８などに、水素を適宜添加してもよく、これにより成膜しやすくなる利点がある。
【０１３０】
本実施形態の物理蒸着装置によれば、レーザ光を用いて加熱することで蒸発源の蒸発に寄与する大きなエネルギーを与えることが可能となる。これにより、例えばタングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いることが可能となる。
【０１３１】
あるいは、ノズル３５は、ノズル内部径が変化している縮小管あるいは例えばノズル出口マッハ数０．７５以下の亜音速、同マッハ数０．７５〜１．０の遷音速あるいは１．０〜１．２５程度の縮小−拡大管であり、蒸発チャンバーと成膜チャンバー間の差圧により生起するガス流を、例えばマッハ数０．７５以下の亜音速あるいはマッハ数０．７５〜１．２５の遷音速まで高めることができる構成でもよい。
上記の構成のノズル３５によって、混合されたナノ粒子と粉体状の粒子と雰囲気ガスを含むガス流を亜音速あるいは遷音速にまで加速し、ナノ粒子をガス流Ｊに乗せて成膜チャンバー３０中において基板３３に向けて噴出し、基板３３上に物理蒸着させ、物理蒸着膜を形成する。
【０１３２】
上記の混合されたナノ粒子と粉体状の粒子と雰囲気ガスを含むガス流を亜音速あるいは遷音速にまで加速する構成の場合には、例えば、蒸発チャンバー１０は、０．１５ｋＰａ（１．１Ｔｏｒｒ）〜９０ｋＰａ（７００Ｔｏｒｒ）の高真空雰囲気とされ、成膜チャンバー３０は、０．１ｋＰａ（０．７Ｔｏｒｒ）〜６０ｋＰａ（４５０Ｔｏｒｒ）の高真空雰囲気とされる。
【０１３３】
上記のノズル３５としては、例えば耐熱ガラス製の縮小管のノズルを使用可能である。この場合、移送管と一体に形成することが可能である。これにより、ＲＦ加熱が可能となる。また、ノズル内でのプラズマ化が可能となり、成膜が難しい組成の物理蒸着膜の成膜ができる可能性がある。
【０１３４】
上記のナノ粒子と粉体状の粒子と雰囲気ガスを含むガス流を亜音速あるいは遷音速にまで加速する構成の場合には、ガス流の速度が亜音速または遷音速であるので、使用されるノズルの設計の自由度が高くなり、設計自体及び製作が容易となり、物理蒸着装置としてのコストを削減できる。
【０１３５】
上記のガス流の速度を亜音速または遷音速とする場合には、使用されるノズルの設計の自由度が高くなり、設計自体及び製作が容易となり、物理蒸着装置としてのコストを削減できる。
【０１３６】
また、ガス流の速度を亜音速または遷音速とする場合、さらに以下のような効果を享受することができる。
（１）蒸発チャンバーと成膜チャンバーの圧力差を小さくできるので、成膜チャンバーのポンプ性能を低くすることが可能となり、これにより物理蒸着装置のコストを削減可能である。
（２）蒸発チャンバーと成膜チャンバーの圧力差を小さくできるので、蒸発チャンバーの圧力を低くでき、ヘリウムの流量を少なくすることができ、これによりコストを削減することが可能である。
（３）蒸発チャンバーと成膜チャンバーの圧力差を小さくできるので、蒸発チャンバーの圧力を低くでき、蒸気圧の低い材料を蒸発源の材料として選択することが可能となる。
（４）ガス流の速度が亜音速または遷音速でよいことから成膜チャンバー内に設けられるノズルと成膜対象である基板間の距離の自由度が増加する。
【０１３７】
［物理蒸着方法］
本実施形態の物理蒸着方法は、まず、成膜チャンバー３０の内部に成膜対象である基板３３を配置し、一方で、内部に蒸発源１５を備え、レーザ光源１６ａからのレーザ光１７を照射して加熱する加熱部を有する蒸発チャンバー１０において、所定のガス雰囲気下あるいは大気下においてレーザ光１７の照射により蒸発源１５を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から蒸発した原子からナノメートルオーダーの直径の微粒子（ナノ粒子）を生成する。
【０１３８】
次に、第１移送管１８により蒸発チャンバーから微粒子を含むガスを流体混合部に移送させ、第２移送管４１により粉体供給源４０から粉体状の粒子を含むガスを流体混合部３４に移送させ、流体混合部３４においてナノ粒子と粉体状の粒子とを混合させる。
【０１３９】
次に、流体混合部３４から混合されたナノ粒子と粉体状の粒子を成膜チャンバー３０の内部に設けられたノズル３５へと搬送し、ナノ」粒子と粉体状の粒子をノズル３５から超音速、亜音速または遷音速のガス流Ｊに乗せて基板３３に向けて噴出し、混合されたナノ粒子と粉体状の粒子を基板３３に物理蒸着させて物理蒸着膜を形成する。
【０１４０】
上記の物理蒸着装置及び物理蒸着方法により、第１実施形態と同様の物理蒸着膜を成膜できる。
例えば、蒸発チャンバーに蒸発源としてチタンあるいはチタン合金などの金属をセットし、粉体供給源４０にハイドロキシアパタイト粒子を収容し、成膜チャンバーの成膜対象基板にハイドロキシアパタイト分散金属膜を成膜することができる。
【０１４１】
図６は、上記のようにして形成される本実施形態に係るハイドロキシアパタイト分散金属膜の模式断面図である。
例えば、チタンあるいはチタン合金などからなる基板３３上に金属膜１ａが形成されており、金属膜１ａ中にハイドロキシアパタイト粒子などの粉体１ｂが分散されており、物理蒸着膜１が構成されている。
【０１４２】
例えば、上記の金属膜１ａは、例えば生体親和性の高い膜とする場合などにおいてチタン膜であることが好ましい。
【０１４３】
上記のハイドロキシアパタイト粒子の粒径は、例えば、１μｍ以上、数１０μｍ以下であり、好ましくは０．１μｍ〜１０μｍである。
【０１４４】
金属膜１ａの膜厚は、ハイドロキシアパタイト粒子の粒径にもよるが、下限はハイドロキシアパタイト粒子の粒径相当の５〜１０μｍ程度であり、上限は１ｍｍ程度の膜厚まで可能である。好ましくは、１０μｍ〜１００μｍの膜厚である。
【０１４５】
例えば、５μｍ〜１０μｍ程度の粒径のハイドロキシアパタイト粒子が５０μｍの膜厚の金属膜中に分散されている場合、ハイドロキシアパタイト粒子の層が厚さ方向に３〜５層積層した状態で分散されている。例えば、最表面のハイドロキシアパタイト粒子は、一部が金属膜の表面から露出した状態で保持されている。
【０１４６】
また、ハイドロキシアパタイト粒子は、例えば生体親和性の高い膜とする場合などにおいて、六方晶構造を有することが好ましい。
【０１４７】
ここで、蒸発チャンバー１０、成膜チャンバー３０あるいは第１移送管１８に、適宜ナノ粒子と反応させるガスを添加することができる。例えば、窒素を添加することで、窒化物のナノ粒子を得ることができ、窒化物の物理蒸着膜が成膜可能である。また、酸素を添加することで酸化物のナノ粒子を得ることができ、酸化物の物理蒸着膜を成膜可能である。また、蒸発チャンバー１０、成膜チャンバー３０あるいは第１移送管１８などに、水素を適宜添加してもよく、これにより成膜しやすくなる利点がある。
【０１４８】
本実施形態の物理蒸着方法によれば、レーザ光を用いて加熱することで蒸発源の蒸発に寄与する大きなエネルギーを与えることが可能となる。これにより、例えばタングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いることが可能となる。
【０１４９】
また、本実施形態の物理蒸着方法においてガス流の速度を亜音速または遷音速とする場合、用いるノズルの設計の自由度が高くなり、設計自体及び製作が容易となり、物理蒸着膜を形成するコストを削減できる。
【０１５０】
＜第５実施形態＞
［物理蒸着装置の模式構成］
図７は本実施形態に係る物理蒸着装置の模式構成図である。
本実施形態の物理蒸着装置は、蒸発チャンバー１０及び成膜用の真空チャンバーである成膜チャンバー３０を備える。
成膜チャンバー内部に、基板に向けて酸素を供給する酸素供給部が設けられている。酸素供給部は、例えば、マスフローコントローラ５０、酸素供給源５１及び酸素供給管５２から構成される。
上記を除いては、第１〜第４実施形態に係る物理蒸着装置と同様の構成である。図７においては、代表して第１実施形態に対応する構成の物理蒸着装置を示している。
【０１５１】
蒸発チャンバー１０内には、回転駆動可能に構成されたテーブル１４が設けられ、この上にチタン、タングステン、アルミニウム、ニオブあるいはシリコンなどの蒸発源１５が配置されている。
蒸発チャンバー１０には、レーザ光源１６ａとレーザ光源１６ａから出射されるレーザ光１７を導く光学系が設けられている。光学系は、例えば、アパーチャ１６ｂ、ミラー１６ｃ、レンズ１６ｄ及びミラー１６ｅなどから構成される。光学系としては、上記以外のミラーやレンズなどを適宜さらに用いた構成としてもよい。レーザ光源１６ａからのレーザ光１７は、レンズで集光されながら、蒸発チャンバー１０に設けられた石英などからなる光照射窓１０ａから蒸発チャンバー１０の内部に導かれ、蒸発源１５に照射され、蒸発源１５が加熱される。
蒸発源１５は加熱されて蒸発し、蒸発源１５から蒸発した原子からナノメートルオーダーの直径の微粒子（以下ナノ粒子とも称する）が得られる。
【０１５２】
レーザ光源１６ａは、例えばＱ−スイッチを用いたＮｄ：ＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザ、エキシマレーザなどを適宜用いることができる。
Ｎｄ：ＹＡＧレーザの場合、例えば非線形結晶を用いて基本波１０６４ｎｍの光を２倍波５３２ｎｍの光に変換して用いることができる。例えば、パルスエネルギーが２１０ｍＪ、パルス幅が４．５〜５．５ｎｓ、パルスの周波数が２０Ｈｚである。
【０１５３】
得られたナノ粒子は蒸発チャンバー１０内の雰囲気ガスとともに移送管１８を通して成膜チャンバー３０へと移送され、ナノ粒子と雰囲気ガスを含む流体はノズル３５から超音速、亜音速または遷音速のガス流Ｊとして成膜チャンバー３０中において基板３３に向けて噴出される。
上記のようにナノ粒子がガス流Ｊに乗って成膜チャンバー３０中に噴出し、成膜対象である基板３３上に堆積（物理蒸着）して、金属膜が形成される。
【０１５４】
一方、成膜チャンバー３０には真空ポンプＶＰ３に接続した排気管３１が設けられており、真空ポンプＶＰ３の作動により成膜チャンバー３０内が排気され、所定の真空雰囲気とされるが、さらに、成膜チャンバー３０において、マスフローコントローラ５０を介して酸素供給源５１が設けられており、これに接続された酸素供給管５２から基板３３に向けて酸素ガス５３が吹き付けられるように構成されている。
上記のようにして堆積した金属膜は、上記の酸素供給管５２から酸素ガス５３が吹き付けられることにより、金属膜を構成する金属が酸化されて金属酸化膜となる。
【０１５５】
ここで、上記の蒸発チャンバー１０、成膜チャンバー３０あるいは移送管１８に、適宜ナノ粒子と反応させるガスを添加することができる。例えば、窒素を添加することで、窒化物のナノ粒子を得ることができ、窒化物の物理蒸着膜が成膜可能である。また、酸化物の物理蒸着膜を成膜するために、上記の酸素供給管５２からの酸素の供給に合わせて、蒸発チャンバー１０、成膜チャンバー３０あるいは移送管１８に酸素を添加してもよい。また、蒸発チャンバー１０、成膜チャンバー３０あるいは移送管１８などに、水素を適宜添加してもよく、これにより成膜しやすくなる利点がある。
【０１５６】
本実施形態の物理蒸着装置によれば、レーザ光を用いて加熱することで蒸発源の蒸発に寄与する大きなエネルギーを与えることが可能となる。これにより、例えばタングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いることが可能となる。
【０１５７】
また、ガス流の速度を亜音速または遷音速とする場合、ノズルの設計の自由度が高くなり、設計自体及び製作が容易となり、物理蒸着装置としてのコストを削減できる。
【０１５８】
［物理蒸着方法］
本実施形態の物理蒸着方法は、上記の構成の物理蒸着装置を用いて、物理蒸着膜を形成する工程において、成膜チャンバー内部に配設された酸素供給部から基板に向けて酸素を供給し、酸化物である前記物理蒸着膜を形成する。
上記を除いて、第１〜第４実施形態に係る物理蒸着方法と同様にして実施することができる。
【０１５９】
本実施形態の物理蒸着方法は、レーザ光を用いて加熱することで蒸発源の蒸発に寄与する大きなエネルギーを与えることが可能となる。これにより、例えばタングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いることが可能となる。
【０１６０】
また、ガス流の速度を亜音速または遷音速とする場合、ノズルの設計の自由度が高くなり、設計自体及び製作が容易となり、物理蒸着装置としてのコストを削減できる。
【０１６１】
上記の本実施形態の物理蒸着装置及び物理蒸着方法は、好適には、物理蒸着膜を形成する工程において、成膜温度を８００℃以下として形成する。さらに好適には、成膜温度を６００℃以下とし、最も好適には成膜温度を室温程度とする。
従来方法でのＣＶＤ法や溶射法と比較して低温処理で成膜可能であり、形成される金属酸化膜は応力によって破壊されにくい膜となる。
【０１６２】
上記の本実施形態の物理蒸着装置及び物理蒸着方法は、物理蒸着膜を形成する工程において、１０μｍ以上の膜厚の物理蒸着膜を形成する。
物理蒸着であるので、スパッタリング法に比べて速い成膜速度を実現でき、例えば、数μｍ〜１０００μｍ程度、好ましくは１０μｍ以上、さらに好ましくは３０μｍ以上の厚い膜を容易に形成することができる。
【０１６３】
上記の物理蒸着装置及び物理蒸着方法において、成膜チャンバー３０内の酸素の供給量を変化させることで、成膜される金属酸化膜を厚み方向に組成が変化するようなプロファイルとすることができる。
成膜チャンバー３０内の酸素の供給量を成膜初期でゼロとし、ゼロから増加させることで、基板上に、酸素の組成比がゼロから徐々に増加するように厚み方向に組成が変化するプロファイルの酸化膜を形成できる。
【０１６４】
また、蒸発チャンバー１０、成膜チャンバー３０あるいは移送管１８に、適宜ナノ粒子と反応させるガスを添加することができる。例えば、窒素を添加することで、窒化物のナノ粒子を得ることができ、窒化物の物理蒸着膜が成膜可能である。また、酸化物の物理蒸着膜を成膜するために、上記の酸素供給管２２からの酸素の供給に合わせて、蒸発チャンバー１０、成膜チャンバー３０あるいは移送管１８に酸素を添加してもよい。また、蒸発チャンバー１０、成膜チャンバー３０あるいは移送管１８などに、水素を適宜添加してもよく、これにより成膜しやすくなる利点がある。
【０１６５】
＜第６実施形態＞
［物理蒸着装置の模式構成］
本実施形態に係る物理蒸着装置は、成膜チャンバー内に備えられる基板として、表面に繊維材料が固定された基板が用いられることを除いて、第１〜第４実施形態に係る物理蒸着装置と同様の構成である。
【０１６６】
図８（ａ）は本実施形態に係る物理蒸着装置により形成された物理蒸着膜である繊維強化複合材料膜の模式的な斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）中のＸ−Ｘ’における断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）中のＹ−Ｙ’における断面図である。
例えば、チタンあるいはチタン合金などの金属、セラミックス、あるいは高分子などからなる基板３３上に、チタン、タングステン、アルミニウム、ニオブあるいはシリコンなどの金属、酸化チタン、酸化タングステン、酸化アルミニウム、酸化ニオブあるいは酸化シリコンなどの金属酸化物、あるいはその他のセラミックスなどからなる物理蒸着膜１が形成されている。
【０１６７】
物理蒸着膜１の内部には、例えば、炭化シリコン（ＳｉＣ）ファイバ、炭化タングステン（ＷＣ）ファイバ、カーボンファイバなどの繊維材料（２ａ，２ｂ）が配されている。
上記のようにして、本実施形態に係る繊維強化複合材料膜である物理蒸着膜が形成されている。物理蒸着膜の内部に繊維材料が埋め込まれた構成とすることで、機械的な強度が高められた複合材料膜となっている。
【０１６８】
物理蒸着膜１の膜厚は、例えば、数μｍ〜１０００μｍ程度であり、好ましくは１０μｍ以上、さらに好ましくは３０μｍ以上である。
物理蒸着膜１は、膜全体で組成が均一であってもよく、例えば厚み方向に組成が変化するようなプロファイルを持っていてもよい。
【０１６９】
また、繊維材料（２ａ，２ｂ）は、例えば、一定間隔で並べられた第１層の繊維材料２ａの上層に、第１層に接して、第２層の繊維材料２ｂが一定間隔で並べられた構成となっている。
繊維材料（２ａ，２ｂ）は、例えば、直径が数μｍ〜数１００μｍ程度となっている。
【０１７０】
上記のように繊維材料が複数の層を有する構成の場合、上記のように、第１層の繊維材料２ａが第１の方向に沿って並べられ、第２層の繊維材料２ｂが第１の方向と直行する第２の方向に沿って並べられた構成とすることができる。あるいは、第１の方向と第２の方向が同じ方向、またはその他の異なる方向としてもよい。
上記の繊維材料（２ａ，２ｂ）の各層は、上記のように互いに接していてもよく、接さないように設けられてもよい。
あるいは、１層のみの構成で設けられていてもよい。
【０１７１】
また、上記の繊維材料としては、複数の方向に沿って並べられた繊維材料が編みこまれた状態で、物理蒸着膜１内に配置されている構成としてもよい。
【０１７２】
上記の物理蒸着膜１は、不活性ガス雰囲気で金属や金属酸化物などの蒸発源の加熱により膜形成材料粒子を生成し、得られた膜形成材料粒子を移送し、超音速、亜音速または遷音速の加速されたガス流に乗せて真空チャンバー中に噴出して、真空チャンバー中に配置された基板上に物理蒸着させて形成した膜である。
成膜の前に基板３３の表面に繊維材料を固定しておくことで、繊維材料が膜中に埋め込まれるように形成された膜となっている。
【０１７３】
ここで、物理蒸着装置を構成する蒸発チャンバー、成膜チャンバーあるいは移送管などに、適宜ナノ粒子と反応させるガスを添加することができる。例えば、窒素を添加することで、窒化物のナノ粒子を得ることができ、窒化物の物理蒸着膜が成膜可能である。また、酸素を添加することで酸化物のナノ粒子を得ることができ、酸化物の物理蒸着膜を成膜可能である。また、蒸発チャンバー、成膜チャンバーあるいは移送管などに、水素を適宜添加してもよく、これにより成膜しやすくなる利点がある。
【０１７４】
本実施形態の物理蒸着装置によれば、レーザ光を用いて加熱することで蒸発源の蒸発に寄与する大きなエネルギーを与えることが可能となる。これにより、例えばタングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いることが可能となる。
【０１７５】
また、ガス流の速度を亜音速または遷音速とする場合、ノズルの設計の自由度が高くなり、設計自体及び製作が容易となり、物理蒸着装置としてのコストを削減できる。
【０１７６】
［物理蒸着方法］
本実施形態の物理蒸着方法は、上記の構成の物理蒸着装置を用いて、成膜チャンバー内に基板を配置する工程において、表面に繊維材料が固定された基板を配置し、物理蒸着膜を形成する工程において、繊維材料が内包された繊維強化複合材料膜を形成する。
上記を除いて、第１〜第４実施形態に係る物理蒸着方法と同様にして実施することができる。
【０１７７】
まず、表面に繊維材料が固定された基板３３を成膜チャンバー３０に配置する。
図９（ａ）は本実施形態に係る繊維強化複合材料膜の製造工程における上記の工程を示す模式的な斜視図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）中のＸ−Ｘ’における断面図、図９（ｃ）は図９（ａ）中のＹ−Ｙ’における断面図である。
例えば、チタンなどからなる基板３３上に、炭化シリコンファイバ、炭化タングステンファイバ、カーボンファイバなどからなる繊維材料を配置する。ここでは、例えば、基板３３に接するように、一定間隔で第１層の繊維材料２ａを並べ、その上層に、第１層に接して、第２層の繊維材料２ｂを一定間隔で並べる。
本実施形態においては、例えば、上記の第１層の繊維材料２ａが並べられる第１の方向と、第２層の繊維材料２ｂが並べられる第２の方向とが直行する関係とする。
上記の繊維材料（２ａ，２ｂ）の各層は、上記のように互いに接していてもよく、接さないように設けられてもよい。
基板３３の表面への繊維材料の固定は、例えば接着テープ３あるいは接着剤で固定する方法、あるいは、物理的に押さえるクリップ材などで固定する方法がある。また、基板３３の成膜面が鉛直上方を向いている場合には、おもりなどを置いて繊維材料の押さえとすることも可能である。
【０１７８】
図１０は本実施形態に係る物理蒸着方法における物理蒸着膜の形成工程を示す模式的な斜視図である。
蒸発チャンバーと成膜チャンバーの間の圧力差によりガスの流れを生じさせ、蒸発チャンバーで生成された膜形成材料粒子を雰囲気ガスとともに移送管を通して成膜チャンバーへと移送し、図１０に示すように、ノズル３５から、膜形成材料粒子を超音速、亜音速または遷音速に加速されたガス流Ｊに乗せて成膜チャンバー中に噴出して、成膜チャンバー中に配置された基板３３上に堆積（物理蒸着）させる。
以上のようにして、図８（ａ）〜（ｃ）に示す膜形成材料粒子からなる物理蒸着膜中に繊維材料が内包されて機械的強度が強化された繊維強化複合材料膜を形成する。
上記を除いて、第１〜第４実施形態に係る物理蒸着方法と同様にして実施することができる。
【０１７９】
ここで、蒸発チャンバー、成膜チャンバーあるいは移送管などに、適宜ナノ粒子と反応させるガスを添加することができる。例えば、窒素を添加することで、窒化物のナノ粒子を得ることができ、窒化物の物理蒸着膜が成膜可能である。また、酸素を添加することで酸化物のナノ粒子を得ることができ、酸化物の物理蒸着膜を成膜可能である。また、蒸発チャンバー、成膜チャンバーあるいは移送管などに、水素を適宜添加してもよく、これにより成膜しやすくなる利点がある。
【０１８０】
本実施形態の物理蒸着方法によれば、レーザ光を用いて加熱することで蒸発源の蒸発に寄与する大きなエネルギーを与えることが可能となる。これにより、例えばタングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いることが可能となる。
【０１８１】
また、ガス流の速度を亜音速または遷音速とする場合、ノズルの設計の自由度が高くなり、設計自体及び製作が容易となり、物理蒸着装置としてのコストを削減できる。
【０１８２】
上記の本実施形態の物理蒸着方法は、好適には、物理蒸着膜を形成する工程において、成膜温度を６００℃以下として形成する。さらに好適には、成膜温度を室温程度とする。
従来方法でのＣＶＤ法や溶射法と比較して低温処理で成膜可能であり、形成される繊維強化複合材料膜は応力によって破壊されにくい膜となる。
【０１８３】
上記の本実施形態の物理蒸着方法は、物理蒸着膜を形成する工程において、１０μｍ以上の膜厚の物理蒸着膜を形成する。
物理蒸着であるので、スパッタリング法に比べて速い成膜速度を実現でき、例えば、数μｍ〜１０００μｍ程度、好ましくは１０μｍ以上、さらに好ましくは３０μｍ以上の厚い繊維強化複合材料膜を容易に形成することができる。
【０１８４】
＜第７実施形態＞
［物理蒸着装置の模式構成］
本実施形態に係る物理蒸着装置は、上記の各実施形態の蒸発チャンバーとして、以下の構成することを除いて、第１〜第６実施形態に係る物理蒸着装置と同様の構成である。
なお、本実施形態においては第１実施形態、第４実施形態及び第５実施形態の蒸発チャンバーあるいは第２実施形態及び第３実施形態の第１蒸発チャンバーの変形形態として示しているが、その他の蒸発チャンバーとして適用することも可能である。
【０１８５】
図１１は本実施形態に係る物理蒸着装置の一部の構成図であり、第１実施形態、第４実施形態及び第５実施形態の蒸発チャンバーあるいは第２実施形態及び第３実施形態の第１蒸発チャンバーの変形形態である。
【０１８６】
蒸発チャンバー１０には真空ポンプＶＰ１に接続した排気管１１が設けられており、真空ポンプＶＰ１の作動により蒸発チャンバー１０内が排気され、例えば１０−１０Ｔｏｒｒ程度の超高真空雰囲気とされる。
さらに、蒸発チャンバー１０にマスフローコントローラ１２を介して設けられたガス供給源１３から、必要に応じて、ＨｅあるいはＮ２などの雰囲気ガスが蒸発チャンバー１０内に所定の流量で供給される。あるいは大気雰囲気としてもよい。
蒸発チャンバー１０内には、回転駆動可能に構成された第１テーブル１４ａが設けられ、この上にチタン、タングステン、アルミニウム、ニオブあるいはシリコンなどの第１蒸発源１５ａが配置されている。
【０１８７】
また、蒸発チャンバー１０内には、回転駆動可能に構成された第２テーブル１４ｂが設けられ、この上にチタン、タングステン、アルミニウム、ニオブあるいはシリコンなどの第２蒸発源１５ｂが配置されている。
蒸発チャンバー１０には、レーザ光源１６ａとレーザ光源１６ａから出射されるレーザ光１７を導く光学系が設けられている。光学系は、例えば、アパーチャ１６ｂ、ミラー１６ｃ、レンズ１６ｄ及びミラー１６ｅなどから構成される。光学系としては、上記以外のミラーやレンズなどを適宜さらに用いた構成としてもよい。レーザ光源１６ａからのレーザ光１７ａは、レンズで集光されながら、蒸発チャンバー１０に設けられた石英などからなる第１光照射窓１０ａから蒸発チャンバー１０の内部に導かれ、第１蒸発源１５ａに照射され、第１蒸発源１５ａが加熱される。
また、光学系にビームスプリッタ１６ｆ及びレンズ１６ｇが含まれており、ビームスプリッタ１６ｆで分割されたレーザ光１７ｂが、レンズで集光されながら、蒸発チャンバー１０に設けられた石英などからなる第２光照射窓１０ｂから蒸発チャンバー１０の内部に導かれ、第２蒸発源１５ｂに照射され、第２蒸発源１５ｂが加熱される。
第１蒸発源１５ａは加熱されて蒸発し、第１蒸発源１５ａから蒸発した原子からナノメートルオーダーの直径の第１微粒子（以下第１ナノ粒子とも称する）が得られる。また、第２蒸発源１５ｂは加熱されて蒸発し、第２蒸発源１５ｂから蒸発した原子からナノメートルオーダーの直径の第２微粒子（以下第２ナノ粒子とも称する）が得られる。
ここで、ビームスプリッタ１６ｆの透過率と反射率の分離比率を適宜選択することで、各蒸発源に照射されるレーザ光のエネルギー量を制御することができる。
得られた第１ナノ粒子と第２ナノ粒子は、蒸発チャンバー１０内の雰囲気ガスとともに移送管１８を通して成膜チャンバー３０へと移送される。
【０１８８】
上記のように、本実施形態では、蒸発源として複数個の蒸発源を有し、加熱部が、レーザ光源からのレーザ光を複数に分割して複数個の蒸発源にそれぞれ照射する光学系を含む。
複数の蒸発チャンバーを有する場合、両者が上記の構成であってもよい。
上記を除いて、第１〜第６実施形態に係る物理蒸着装置と同様の構成である。
【０１８９】
本実施形態の物理蒸着装置によれば、レーザ光を用いて加熱することで蒸発源の蒸発に寄与する大きなエネルギーを与えることが可能となる。これにより、例えばタングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いることが可能となる。
【０１９０】
また、ガス流の加速は亜音速または遷音速とする場合、超音速領域のガス流に発生する衝撃波の影響がない、あるいは非常に小さくすることができる。
【０１９１】
［物理蒸着方法］
本実施形態に係る物理蒸着方法は、上記を除いて、第１〜第６実施形態に係る物理蒸着方法と同様に行うことができる。
【０１９２】
本実施形態の物理蒸着方法によれば、レーザ光を用いて加熱することで蒸発源の蒸発に寄与する大きなエネルギーを与えることが可能となる。これにより、例えばタングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いることが可能となる。
【０１９３】
また、本実施形態の物理蒸着方法においてガス流の速度を亜音速または遷音速とする場合、用いるノズルの設計の自由度が高くなり、設計自体及び製作が容易となり、物理蒸着膜を形成するコストを削減できる。
【０１９４】
＜第８実施形態＞
［物理蒸着装置の模式構成］
本実施形態に係る物理蒸着装置は、上記の各実施形態の蒸発チャンバーとして、以下の構成することを除いて、第１〜第６実施形態に係る物理蒸着装置と同様の構成である。
なお、本実施形態においては第１実施形態、第４実施形態及び第５実施形態の蒸発チャンバーあるいは第２実施形態及び第３実施形態の第１蒸発チャンバーの変形形態として示しているが、その他の蒸発チャンバーとして適用することも可能である。
【０１９５】
図１２は本実施形態に係る物理蒸着装置の一部の構成図であり、第１実施形態、第４実施形態及び第５実施形態の蒸発チャンバーあるいは第２実施形態及び第３実施形態の第１蒸発チャンバーの変形形態である。
【０１９６】
蒸発チャンバー１０には真空ポンプＶＰ１に接続した排気管１１が設けられており、真空ポンプＶＰ１の作動により蒸発チャンバー１０内が排気され、例えば１０−１０Ｔｏｒｒ程度の超高真空雰囲気とされる。
さらに、蒸発チャンバー１０にマスフローコントローラ１２を介して設けられたガス供給源１３から、必要に応じて、ＨｅあるいはＮ２などの雰囲気ガスが蒸発チャンバー１０内に所定の流量で供給される。あるいは大気雰囲気としてもよい。
蒸発チャンバー１０内には、回転駆動可能に構成されたテーブル１４が設けられ、この上にチタン、タングステン、アルミニウム、ニオブあるいはシリコンなどの蒸発源１５が配置されている。
【０１９７】
蒸発チャンバー１０には、第１レーザ光１７ａを導く光学系１９ａにより第１レーザ光１７ａが石英などからなる第１入射窓１０ａから蒸発チャンバー１０内に導かれ、第１レーザ光１７ａが蒸発源１５に照射される。
また、第２レーザ光１７ｂを導く光学系１９ｂにより第２レーザ光１７ｂが石英などからなる第２入射窓１０ｂから蒸発チャンバー１０内に導かれ、第２レーザ光１７ｂが蒸発源１５に照射される。
例えば、第１レーザ光１７ａは蒸発源１５を溶融させる、あるいは所定の温度まで加熱するのに用いられ、第２レーザ光１７ｂは溶融した蒸発源の蒸発、第１レーザ光１７ａで加熱された蒸発源の蒸発に用いられる。その他、種々のエネルギーのレーザ光を組み合わせることで、従来蒸発源材料として用いられなかった材料を適用することが可能となる。
【０１９８】
第１レーザ光源１７ａ及び第２レーザ光源１７ｂは、例えばＱ−スイッチを用いたＮｄ：ＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザ、エキシマレーザなどを適宜用いることができる。
Ｎｄ：ＹＡＧレーザの場合、例えば基本波１０６４ｎｍの光を用いることができる。例えば、第１レーザ光源１７ａは最大パルスエネルギーが１５０Ｊ、パルス幅が１０ｍｓであり、第２レーザ光源１７ｂは最大パルスエネルギーが１０Ｊ、パルス幅が０．２ｍｓである。
【０１９９】
上記のように、本実施形態では、加熱部が、複数個のレーザ光源を有し、複数個のレーザ光源に対応して、複数個のレーザ光源からのレーザ光をそれぞれ蒸発源に照射する光学系を含む。
複数の蒸発チャンバーを有する場合、両者が上記の構成であってもよい。
上記を除いて、第１〜第６実施形態に係る物理蒸着装置と同様の構成である。
【０２００】
本実施形態の物理蒸着装置によれば、レーザ光を用いて加熱することで蒸発源の蒸発に寄与する大きなエネルギーを与えることが可能となる。これにより、例えばタングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いることが可能となる。
【０２０１】
また、ガス流の加速は亜音速または遷音速とする場合、超音速領域のガス流に発生する衝撃波の影響がない、あるいは非常に小さくすることができる。
【０２０２】
［物理蒸着方法］
本実施形態に係る物理蒸着方法は、上記を除いて、第１〜第６実施形態に係る物理蒸着方法と同様に行うことができる。
【０２０３】
本実施形態の物理蒸着方法によれば、レーザ光を用いて加熱することで蒸発源の蒸発に寄与する大きなエネルギーを与えることが可能となる。これにより、例えばタングステンなどの高融点金属を蒸発源として用いることが可能となる。
【０２０４】
また、本実施形態の物理蒸着方法においてガス流の速度を亜音速または遷音速とする場合、用いるノズルの設計の自由度が高くなり、設計自体及び製作が容易となり、物理蒸着膜を形成するコストを削減できる。
【０２０５】
本発明は上記の説明に限定されない。
例えば、第５実施形態の酸化膜を形成する物理蒸着装置の構成及び方法は、第１〜第４実施形態の物理蒸着装置及び方法に適宜適用することができる。
また、第６実施形態に係る表面に繊維材料が固定された基板を用いて繊維強化複合材料膜を形成する物理蒸着装置及び方法は、第１〜第４実施形態の物理蒸着装置及び方法に適宜適用することができる。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【０２０６】
１…物理蒸着膜
１ａ…金属膜
１ｂ…粉体
２ａ，２ｂ…繊維材料
３…接着テープ
１０…（第１）蒸発チャンバー
１０ａ…（第１）光入射窓
１０ｂ…第２光入射窓
１１…（第１）排気管
１２…マスフローコントローラ
１３…ガス供給源
１４…（第１）テーブル
１４ａ…第１テーブル
１４ｂ…第２テーブル
１５…（第１）蒸発源
１５ａ…第１蒸発源
１５ｂ…第２蒸発源
１６ａ…（第１）レーザ光源
１６ｂ…アパーチャ
１６ｃ…ミラー
１６ｄ…レンズ
１６ｅ…ミラー
１６ｆ…ビームスプリッタ
１６ｇ…レンズ
１７…（第１）レーザ光
１７ａ…第１レーザ光
１７ｂ…第２レーザ光
１８…（第１）移送管
１９ａ…第１光学系
１９ｂ…第２光学系
２０…第２蒸発チャンバー
２０ａ…第２光入射窓
２１…第２排気管
２２…マスフローコントローラ
２３…ガス供給源
２４…第２回転テーブル
２５…第２蒸発源
２６ａ…第２レーザ光源
２６ｂ…第２アパーチャ
２６ｃ…第３ミラー
２６ｄ…第２レンズ
２６ｅ…第４ミラー
２７…第２レーザ光
２８…第２移送管
３０…成膜チャンバー
３１…排気管
３２…ステージ
３３…基板
３４…流体混合部
３５…ノズル
３６…第１ノズル
３７…第２ノズル
４０…粉体供給源
４１…第２移送管
５０…マスフローコントローラ
５１…酸素供給源
５２…酸素供給管
５３…酸素ガス
Ｊ，Ｊ１，Ｊ２…ガス流
ＶＰ１，ＶＰ２，ＶＰ３…真空ポンプ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に蒸発源を備え、レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する加熱部を有し、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記加熱部により前記蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から微粒子を生成する蒸発チャンバーと、
内部に前記蒸発チャンバーから前記微粒子を含むガスの搬送する経路となる移送管に接続されたノズルと成膜対象である基板を備え、前記蒸発チャンバーから移送された前記微粒子を前記ノズルからガス流に乗せて前記基板に向けて噴出し、前記微粒子を前記基板に物理蒸着させる成膜チャンバーと
を有する物理蒸着装置。
【請求項２】
内部に第１蒸発源を備え、第１レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第１加熱部を有し、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第１加熱部により前記第１蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第１微粒子を生成する第１蒸発チャンバーと、
内部に第２蒸発源を備え、第２レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第２加熱部を有し、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第２加熱部により前記第２蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第２微粒子を生成する第２蒸発チャンバーと、
内部に前記第１蒸発チャンバーから前記第１微粒子を含むガスの搬送する経路となる第１移送管及び前記第２蒸発チャンバーから前記第２微粒子を含むガスの搬送する経路となる第２移送管に接続された流体混合部及びノズルと成膜対象である基板を備え、前記第１蒸発チャンバーから移送された前記第１微粒子と前記第２蒸発チャンバーから移送された前記第２微粒子を前記流体混合部で混合し、混合された前記第１微粒子と前記第２微粒子を前記ノズルからガス流に乗せて前記基板に向けて噴出し、混合された前記第１微粒子と前記第２微粒子を前記基板に物理蒸着させる成膜チャンバーと
を有する物理蒸着装置。
【請求項３】
内部に第１蒸発源を備え、第１レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第１加熱部を有し、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第１加熱部により前記第１蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第１微粒子を生成する第１蒸発チャンバーと、
内部に第２蒸発源を備え、第２レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第２加熱部を有し、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第２加熱部により前記第２蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第２微粒子を生成する第２蒸発チャンバーと、
内部に前記第１蒸発チャンバーから前記第１微粒子を含むガスの搬送する経路となる第１移送管に接続された第１ノズルと前記第２蒸発チャンバーから前記第２微粒子を含むガスの搬送する経路となる第２移送管に接続された第２ノズルと成膜対象である基板を備え、前記第１蒸発チャンバーから移送された前記第１微粒子を前記第１ノズルからガス流に乗せて噴出し、かつ、前記第２蒸発チャンバーから移送された前記第２微粒子を前記第２ノズルからガス流に乗せて前記基板に向けて噴出し、前記第１微粒子と前記第２微粒子を前記基板に物理蒸着させる成膜チャンバーと
を有する物理蒸着装置。
【請求項４】
内部に蒸発源を備え、レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する加熱部を有し、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記加熱部により前記蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から微粒子を生成する蒸発チャンバーと、
内部に粉体を備える粉体供給源と、
内部に前記蒸発チャンバーから前記微粒子を含むガスの搬送する経路となる第１移送管及び前記粉体供給源から前記粉体を含むガスの搬送する経路となる第２移送管に接続された流体混合部及びノズルと成膜対象である基板を備え、前記蒸発チャンバーから移送された前記微粒子と前記粉体供給源から移送された前記粉体を前記流体混合部で混合し、混合された前記微粒子と前記粉体を前記ノズルからガス流に乗せて前記基板に向けて噴出し、混合された前記微粒子と前記粉体を前記基板に物理蒸着させる成膜チャンバーと
を有する物理蒸着装置。
【請求項５】
前記蒸発源として複数個の蒸発源を有し、
前記加熱部が、前記レーザ光源からのレーザ光を複数に分割して複数個の前記蒸発源にそれぞれ照射する光学系を含む
請求項１または４に記載の物理蒸着装置。
【請求項６】
前記第１蒸発源及び前記第２蒸発源の少なくともいずれか一方が複数個の蒸発源を有し、
前記複数個の蒸発源に対応して、前記第１加熱部及び前記第２加熱部の少なくともいずれか一方が、前記第１レーザ光源及び前記第２レーザ光源からのレーザ光を複数に分割して前記複数個の蒸発源にそれぞれ照射する光学系を含む
請求項２または３に記載の物理蒸着装置。
【請求項７】
前記加熱部が、前記レーザ光源として複数個のレーザ光源を有し、前記複数個のレーザ光源からのレーザ光をそれぞれ前記蒸発源に照射する光学系を含む
請求項１または４に記載の物理蒸着装置。
【請求項８】
前記第１加熱部及び前記第２加熱部の少なくともいずれか一方が、前記第１レーザ光源及び前記第２レーザ光源の少なくともいずれか一方として複数個のレーザ光源を有し、前記複数個のレーザ光源に対応して、前記複数個のレーザ光源からのレーザ光をそれぞれ前記第１蒸発源及び前記第２蒸発源の少なくともいずれか一方に照射する光学系を含む
請求項２または３に記載の物理蒸着装置。
【請求項９】
前記成膜チャンバー内部に配設され、前記基板に向けて酸素を供給する酸素供給部をさらに有する
請求項１〜８のいずれかに記載の物理蒸着装置。
【請求項１０】
前記成膜チャンバー内に備えられる前記基板として、表面に繊維材料が固定された基板が用いられる
請求項１〜９のいずれかに記載の物理蒸着装置。
【請求項１１】
前記ガス流が超音速のガス流である
請求項１〜１０のいずれかに記載の物理蒸着装置。
【請求項１２】
前記ガス流が亜音速または遷音速のガス流である
請求項１〜１０のいずれかに記載の物理蒸着装置。
【請求項１３】
成膜チャンバーの内部に成膜対象である基板を配置する工程と、
内部に蒸発源を備え、レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する加熱部を有する蒸発チャンバーにおいて、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記加熱部により前記蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から微粒子を生成する工程と、
前記蒸発チャンバーから前記微粒子を含むガスを移送管により前記成膜チャンバーの内部に設けられたノズルへと搬送し、前記微粒子を前記ノズルからガス流に乗せて前記基板に向けて噴出し、前記微粒子を前記基板に物理蒸着させて物理蒸着膜を形成する工程と
を有する物理蒸着方法。
【請求項１４】
成膜チャンバーの内部に成膜対象である基板を配置する工程と、
内部に第１蒸発源を備え、第１レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第１加熱部を有する第１蒸発チャンバーにおいて、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第１加熱部により前記第１蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第１微粒子を生成する工程と、
内部に第２蒸発源を備え、第２レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第２加熱部を有する第２蒸発チャンバーにおいて、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第２加熱部により前記第２蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第２微粒子を生成する工程と、
第１移送管により前記第１蒸発チャンバーから前記第１微粒子を含むガスを流体混合部に移送させ、第２移送管により前記第２蒸発チャンバーから前記第２微粒子を含むガスを前記流体混合部に移送させ、前記流体混合部において前記第１微粒子と前記第２微粒子とを混合させる混合工程と、
前記流体混合部から混合された前記第１微粒子と前記第２微粒子を前記成膜チャンバーの内部に設けられたノズルへと搬送し、前記第１微粒子と前記第２微粒子を前記ノズルからガス流に乗せて前記基板に向けて噴出し、混合された前記第１微粒子と前記第２微粒子を前記基板に物理蒸着させて物理蒸着膜を形成する工程と
を有する物理蒸着方法。
【請求項１５】
成膜チャンバーの内部に成膜対象である基板を配置する工程と、
内部に第１蒸発源を備え、第１レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第１加熱部を有する第１蒸発チャンバーにおいて、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第１加熱部により前記第１蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第１微粒子を生成する工程と、
内部に第２蒸発源を備え、第２レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第２加熱部を有する第２蒸発チャンバーにおいて、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第２加熱部により前記第２蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第２微粒子を生成する工程と、
前記第１蒸発チャンバーから前記第１微粒子を含むガスを第１移送管により前記成膜チャンバーの内部に設けられた第１ノズルへと搬送し、前記第１微粒子を前記第１ノズルからガス流に乗せて前記基板に向けて噴出し、かつ、前記第２蒸発チャンバーから前記第２微粒子を含むガスを第２移送管により前記成膜チャンバーの内部に設けられた第２ノズルへと搬送し、前記第２微粒子を前記第２ノズルからガス流に乗せて前記基板に向けて噴出し、前記第１微粒子と前記第２微粒子を前記基板に物理蒸着させて物理蒸着膜を形成する工程と
を有する物理蒸着方法。
【請求項１６】
成膜チャンバーの内部に成膜対象である基板を配置する工程と、
内部に蒸発源を備え、レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する加熱部を有する蒸発チャンバーにおいて、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記加熱部により前記蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から微粒子を生成する工程と、
第１移送管により前記蒸発チャンバーから前記微粒子を含むガスを流体混合部に移送させ、第２移送管により粉体供給源から粉体を含むガスを前記流体混合部に移送させ、前記流体混合部において前記微粒子と前記粉体とを混合させる混合工程と、
前記流体混合部から混合された前記微粒子と前記粉体を前記成膜チャンバーの内部に設けられたノズルへと搬送し、前記微粒子と前記粉体を前記ノズルからガス流に乗せて前記基板に向けて噴出し、混合された前記微粒子と前記粉体を前記基板に物理蒸着させて物理蒸着膜を形成する工程と
を有する物理蒸着方法。
【請求項１７】
前記蒸発源として複数個の蒸発源を用い、
前記加熱部により、前記レーザ光源からのレーザ光を複数に分割して複数個の前記蒸発源にそれぞれ照射する
請求項１３または１６に記載の物理蒸着方法。
【請求項１８】
前記第１蒸発源及び前記第２蒸発源の少なくともいずれか一方として複数個の蒸発源を用い、
前記複数個の蒸発源に対応して、前記第１加熱部及び前記第２加熱部の少なくともいずれか一方により、前記第１レーザ光源及び前記第２レーザ光源からのレーザ光を複数に分割して前記複数個の蒸発源にそれぞれ照射する
請求項１４または１５に記載の物理蒸着方法。
【請求項１９】
前記加熱部が前記レーザ光源として複数個のレーザ光源を有し、前記複数個のレーザ光源からのレーザ光をそれぞれ前記蒸発源に照射する
請求項１３または１６に記載の物理蒸着方法。
【請求項２０】
前記第１加熱部及び前記第２加熱部の少なくともいずれか一方が、前記第１レーザ光源及び前記第２レーザ光源の少なくともいずれか一方として複数個のレーザ光源を有し、前記複数個のレーザ光源に対応して、前記複数個のレーザ光源からのレーザ光をそれぞれ前記第１蒸発源及び前記第２蒸発源の少なくともいずれか一方に照射する
請求項１４または１５に記載の物理蒸着方法。
【請求項２１】
前記物理蒸着膜を形成する工程において、前記成膜チャンバー内部に配設された酸素供給部から前記基板に向けて酸素を供給し、酸化物である前記物理蒸着膜を形成する
請求項１３〜２０のいずれかに記載の物理蒸着方法。
【請求項２２】
前記成膜チャンバー内に基板を配置する工程において、表面に繊維材料が固定された基板を配置し、
前記物理蒸着膜を形成する工程において、前記繊維材料が内包された繊維強化複合材料膜を形成する
請求項１３〜２１のいずれかに記載の物理蒸着方法。
【請求項２３】
前記ガス流が超音速のガス流である
請求項１３〜２２のいずれかに記載の物理蒸着方法。
【請求項２４】
前記ガス流が亜音速または遷音速のガス流である
請求項１３〜２２のいずれかに記載の物理蒸着方法。
【請求項１】
内部に蒸発源を備え、レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する加熱部を有し、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記加熱部により前記蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から微粒子を生成する蒸発チャンバーと、
内部に前記蒸発チャンバーから前記微粒子を含むガスの搬送する経路となる移送管に接続されたノズルと成膜対象である基板を備え、前記蒸発チャンバーから移送された前記微粒子を前記ノズルからガス流に乗せて前記基板に向けて噴出し、前記微粒子を前記基板に物理蒸着させる成膜チャンバーと
を有する物理蒸着装置。
【請求項２】
内部に第１蒸発源を備え、第１レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第１加熱部を有し、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第１加熱部により前記第１蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第１微粒子を生成する第１蒸発チャンバーと、
内部に第２蒸発源を備え、第２レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第２加熱部を有し、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第２加熱部により前記第２蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第２微粒子を生成する第２蒸発チャンバーと、
内部に前記第１蒸発チャンバーから前記第１微粒子を含むガスの搬送する経路となる第１移送管及び前記第２蒸発チャンバーから前記第２微粒子を含むガスの搬送する経路となる第２移送管に接続された流体混合部及びノズルと成膜対象である基板を備え、前記第１蒸発チャンバーから移送された前記第１微粒子と前記第２蒸発チャンバーから移送された前記第２微粒子を前記流体混合部で混合し、混合された前記第１微粒子と前記第２微粒子を前記ノズルからガス流に乗せて前記基板に向けて噴出し、混合された前記第１微粒子と前記第２微粒子を前記基板に物理蒸着させる成膜チャンバーと
を有する物理蒸着装置。
【請求項３】
内部に第１蒸発源を備え、第１レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第１加熱部を有し、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第１加熱部により前記第１蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第１微粒子を生成する第１蒸発チャンバーと、
内部に第２蒸発源を備え、第２レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第２加熱部を有し、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第２加熱部により前記第２蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第２微粒子を生成する第２蒸発チャンバーと、
内部に前記第１蒸発チャンバーから前記第１微粒子を含むガスの搬送する経路となる第１移送管に接続された第１ノズルと前記第２蒸発チャンバーから前記第２微粒子を含むガスの搬送する経路となる第２移送管に接続された第２ノズルと成膜対象である基板を備え、前記第１蒸発チャンバーから移送された前記第１微粒子を前記第１ノズルからガス流に乗せて噴出し、かつ、前記第２蒸発チャンバーから移送された前記第２微粒子を前記第２ノズルからガス流に乗せて前記基板に向けて噴出し、前記第１微粒子と前記第２微粒子を前記基板に物理蒸着させる成膜チャンバーと
を有する物理蒸着装置。
【請求項４】
内部に蒸発源を備え、レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する加熱部を有し、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記加熱部により前記蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から微粒子を生成する蒸発チャンバーと、
内部に粉体を備える粉体供給源と、
内部に前記蒸発チャンバーから前記微粒子を含むガスの搬送する経路となる第１移送管及び前記粉体供給源から前記粉体を含むガスの搬送する経路となる第２移送管に接続された流体混合部及びノズルと成膜対象である基板を備え、前記蒸発チャンバーから移送された前記微粒子と前記粉体供給源から移送された前記粉体を前記流体混合部で混合し、混合された前記微粒子と前記粉体を前記ノズルからガス流に乗せて前記基板に向けて噴出し、混合された前記微粒子と前記粉体を前記基板に物理蒸着させる成膜チャンバーと
を有する物理蒸着装置。
【請求項５】
前記蒸発源として複数個の蒸発源を有し、
前記加熱部が、前記レーザ光源からのレーザ光を複数に分割して複数個の前記蒸発源にそれぞれ照射する光学系を含む
請求項１または４に記載の物理蒸着装置。
【請求項６】
前記第１蒸発源及び前記第２蒸発源の少なくともいずれか一方が複数個の蒸発源を有し、
前記複数個の蒸発源に対応して、前記第１加熱部及び前記第２加熱部の少なくともいずれか一方が、前記第１レーザ光源及び前記第２レーザ光源からのレーザ光を複数に分割して前記複数個の蒸発源にそれぞれ照射する光学系を含む
請求項２または３に記載の物理蒸着装置。
【請求項７】
前記加熱部が、前記レーザ光源として複数個のレーザ光源を有し、前記複数個のレーザ光源からのレーザ光をそれぞれ前記蒸発源に照射する光学系を含む
請求項１または４に記載の物理蒸着装置。
【請求項８】
前記第１加熱部及び前記第２加熱部の少なくともいずれか一方が、前記第１レーザ光源及び前記第２レーザ光源の少なくともいずれか一方として複数個のレーザ光源を有し、前記複数個のレーザ光源に対応して、前記複数個のレーザ光源からのレーザ光をそれぞれ前記第１蒸発源及び前記第２蒸発源の少なくともいずれか一方に照射する光学系を含む
請求項２または３に記載の物理蒸着装置。
【請求項９】
前記成膜チャンバー内部に配設され、前記基板に向けて酸素を供給する酸素供給部をさらに有する
請求項１〜８のいずれかに記載の物理蒸着装置。
【請求項１０】
前記成膜チャンバー内に備えられる前記基板として、表面に繊維材料が固定された基板が用いられる
請求項１〜９のいずれかに記載の物理蒸着装置。
【請求項１１】
前記ガス流が超音速のガス流である
請求項１〜１０のいずれかに記載の物理蒸着装置。
【請求項１２】
前記ガス流が亜音速または遷音速のガス流である
請求項１〜１０のいずれかに記載の物理蒸着装置。
【請求項１３】
成膜チャンバーの内部に成膜対象である基板を配置する工程と、
内部に蒸発源を備え、レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する加熱部を有する蒸発チャンバーにおいて、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記加熱部により前記蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から微粒子を生成する工程と、
前記蒸発チャンバーから前記微粒子を含むガスを移送管により前記成膜チャンバーの内部に設けられたノズルへと搬送し、前記微粒子を前記ノズルからガス流に乗せて前記基板に向けて噴出し、前記微粒子を前記基板に物理蒸着させて物理蒸着膜を形成する工程と
を有する物理蒸着方法。
【請求項１４】
成膜チャンバーの内部に成膜対象である基板を配置する工程と、
内部に第１蒸発源を備え、第１レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第１加熱部を有する第１蒸発チャンバーにおいて、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第１加熱部により前記第１蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第１微粒子を生成する工程と、
内部に第２蒸発源を備え、第２レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第２加熱部を有する第２蒸発チャンバーにおいて、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第２加熱部により前記第２蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第２微粒子を生成する工程と、
第１移送管により前記第１蒸発チャンバーから前記第１微粒子を含むガスを流体混合部に移送させ、第２移送管により前記第２蒸発チャンバーから前記第２微粒子を含むガスを前記流体混合部に移送させ、前記流体混合部において前記第１微粒子と前記第２微粒子とを混合させる混合工程と、
前記流体混合部から混合された前記第１微粒子と前記第２微粒子を前記成膜チャンバーの内部に設けられたノズルへと搬送し、前記第１微粒子と前記第２微粒子を前記ノズルからガス流に乗せて前記基板に向けて噴出し、混合された前記第１微粒子と前記第２微粒子を前記基板に物理蒸着させて物理蒸着膜を形成する工程と
を有する物理蒸着方法。
【請求項１５】
成膜チャンバーの内部に成膜対象である基板を配置する工程と、
内部に第１蒸発源を備え、第１レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第１加熱部を有する第１蒸発チャンバーにおいて、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第１加熱部により前記第１蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第１微粒子を生成する工程と、
内部に第２蒸発源を備え、第２レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する第２加熱部を有する第２蒸発チャンバーにおいて、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第２加熱部により前記第２蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から第２微粒子を生成する工程と、
前記第１蒸発チャンバーから前記第１微粒子を含むガスを第１移送管により前記成膜チャンバーの内部に設けられた第１ノズルへと搬送し、前記第１微粒子を前記第１ノズルからガス流に乗せて前記基板に向けて噴出し、かつ、前記第２蒸発チャンバーから前記第２微粒子を含むガスを第２移送管により前記成膜チャンバーの内部に設けられた第２ノズルへと搬送し、前記第２微粒子を前記第２ノズルからガス流に乗せて前記基板に向けて噴出し、前記第１微粒子と前記第２微粒子を前記基板に物理蒸着させて物理蒸着膜を形成する工程と
を有する物理蒸着方法。
【請求項１６】
成膜チャンバーの内部に成膜対象である基板を配置する工程と、
内部に蒸発源を備え、レーザ光源からのレーザ光を照射して加熱する加熱部を有する蒸発チャンバーにおいて、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記加熱部により前記蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子から微粒子を生成する工程と、
第１移送管により前記蒸発チャンバーから前記微粒子を含むガスを流体混合部に移送させ、第２移送管により粉体供給源から粉体を含むガスを前記流体混合部に移送させ、前記流体混合部において前記微粒子と前記粉体とを混合させる混合工程と、
前記流体混合部から混合された前記微粒子と前記粉体を前記成膜チャンバーの内部に設けられたノズルへと搬送し、前記微粒子と前記粉体を前記ノズルからガス流に乗せて前記基板に向けて噴出し、混合された前記微粒子と前記粉体を前記基板に物理蒸着させて物理蒸着膜を形成する工程と
を有する物理蒸着方法。
【請求項１７】
前記蒸発源として複数個の蒸発源を用い、
前記加熱部により、前記レーザ光源からのレーザ光を複数に分割して複数個の前記蒸発源にそれぞれ照射する
請求項１３または１６に記載の物理蒸着方法。
【請求項１８】
前記第１蒸発源及び前記第２蒸発源の少なくともいずれか一方として複数個の蒸発源を用い、
前記複数個の蒸発源に対応して、前記第１加熱部及び前記第２加熱部の少なくともいずれか一方により、前記第１レーザ光源及び前記第２レーザ光源からのレーザ光を複数に分割して前記複数個の蒸発源にそれぞれ照射する
請求項１４または１５に記載の物理蒸着方法。
【請求項１９】
前記加熱部が前記レーザ光源として複数個のレーザ光源を有し、前記複数個のレーザ光源からのレーザ光をそれぞれ前記蒸発源に照射する
請求項１３または１６に記載の物理蒸着方法。
【請求項２０】
前記第１加熱部及び前記第２加熱部の少なくともいずれか一方が、前記第１レーザ光源及び前記第２レーザ光源の少なくともいずれか一方として複数個のレーザ光源を有し、前記複数個のレーザ光源に対応して、前記複数個のレーザ光源からのレーザ光をそれぞれ前記第１蒸発源及び前記第２蒸発源の少なくともいずれか一方に照射する
請求項１４または１５に記載の物理蒸着方法。
【請求項２１】
前記物理蒸着膜を形成する工程において、前記成膜チャンバー内部に配設された酸素供給部から前記基板に向けて酸素を供給し、酸化物である前記物理蒸着膜を形成する
請求項１３〜２０のいずれかに記載の物理蒸着方法。
【請求項２２】
前記成膜チャンバー内に基板を配置する工程において、表面に繊維材料が固定された基板を配置し、
前記物理蒸着膜を形成する工程において、前記繊維材料が内包された繊維強化複合材料膜を形成する
請求項１３〜２１のいずれかに記載の物理蒸着方法。
【請求項２３】
前記ガス流が超音速のガス流である
請求項１３〜２２のいずれかに記載の物理蒸着方法。
【請求項２４】
前記ガス流が亜音速または遷音速のガス流である
請求項１３〜２２のいずれかに記載の物理蒸着方法。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−２１４０５９（Ｐ２０１１−２１４０５９Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８２８９１（Ｐ２０１０−８２８９１）
【出願日】平成２２年３月３１日（２０１０．３．３１）
【出願人】（８００００００８０）タマティーエルオー株式会社 (255)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月３１日（２０１０．３．３１）
【出願人】（８００００００８０）タマティーエルオー株式会社 (255)
【Ｆターム（参考）】
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