物理蒸着装置
【課題】超高真空環境でもアウトガスを発生させない非移行型のプラズマトーチを用いて生成させた微粒子を超音速のガス流により加速させ、基板に堆積させた微粒子により皮膜形成する物理蒸着装置を提供する。
【解決手段】内部にプラズマトーチ（１６，２６）と蒸発源（１５，２５）を有する蒸発チャンバー（１０，２０）と、超音速ノズル３５と成膜対象基板３３を有する成膜チャンバー３０を有し、各プラズマトーチは、略円筒形の導電性のアノード４０と、その内側に挿入された、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管５０と、絶縁管５０の内側に挿入された棒状のカソード６０を有する。アノード４０とカソード６０に電圧印加して得たプラズマで蒸発源（１５，２５）から微粒子を生成し、超音速ノズル３５から噴出して超音速ガス流に乗せ、成膜対象基板３３に物理蒸着させる。
【解決手段】内部にプラズマトーチ（１６，２６）と蒸発源（１５，２５）を有する蒸発チャンバー（１０，２０）と、超音速ノズル３５と成膜対象基板３３を有する成膜チャンバー３０を有し、各プラズマトーチは、略円筒形の導電性のアノード４０と、その内側に挿入された、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管５０と、絶縁管５０の内側に挿入された棒状のカソード６０を有する。アノード４０とカソード６０に電圧印加して得たプラズマで蒸発源（１５，２５）から微粒子を生成し、超音速ノズル３５から噴出して超音速ガス流に乗せ、成膜対象基板３３に物理蒸着させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は物理蒸着装置に関し、特に蒸発源から蒸発させた原子により生成させた微粒子を超音速ジェットに乗せて噴き出し、成膜対象基板に堆積させる物理蒸着装置に関する。
【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および非特許文献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、成膜対象基板上に堆積する。
【０００５】
上記のＳＦＪ−ＰＶＤ装置を用いることにより、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】
プラズマトーチは、大きく移行型と非移行型に分類できる。
図１１（Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ従来例に係る移行型（transfer type）と非移行型（non-transfer type）のプラズマトーチの模式構成図である。
図１１（Ａ）に示すように、移行型のプラズマトーチは、略円筒形のプラズマチップ１の内側の中心部に、陰極となる棒状の内部電極３が挿入されて組み立てられている。被加熱物Ｓに正電圧、内部電極３に負電圧を印加することにより、被加熱物Ｓと内部電極３との間での放電により生起するアークプラズマにより被加熱物Ｓを加熱する。
【０００７】
一方、図１１（Ｂ）に示すように、非移行型のプラズマトーチは、略円筒形のプラズマチップ１の内側の中心部に内部電極３が挿入されており、プラズマチップ１を陽極（アノード）、内部電極３を陰極（カソード）として両極間にアーク放電を生起させ、両極間にプラズマガスＧを供給し、プラズマ化したガスを媒体として被加熱物Ｓを加熱する。
【０００８】
移行型のプラズマトーチは、被加熱物に電流が流れてジュール熱を発生させるので、エネルギー効率が高いという利点があるが、プラズマを発生させ、被加熱物が溶けて導電性を持つまでプラズマを保持するための電極が必要であり、絶縁物を加熱、溶解するのに適していない。また、アーク放電時におけるアーク電圧を一定に保つためには両極間の距離を一定に保つ必要がある。しかし、陽極側である被加熱物は溶融および蒸発によりその形状および体積が逐次変わるため、被加熱物からの蒸発量を精密に制御する事は容易では無い。
一方、非移行型のプラズマトーチは、被加熱物に電流は流れないので、被加熱物の材質に影響されずにプラズマを発生させることができ、プラズマの始動性および安定性が高く、移行型のプラズマトーチによる加熱に比べ加熱量の制御性が良いという利点がある。
【０００９】
ところで、非移行型のプラズマトーチはトーチ内に陽極（プラズマチップ）と陰極（内部電極）の２つの電極を有しており、これらは互いに絶縁される必要がある。このため、従来の非移行型プラズマトーチでは、上記の両電極間の絶縁を確保するためにベークライトなどの高分子系絶縁材料を用いている。
上記の高分子系絶縁材料およびその他のトーチ構成材料のために、従来の非移行型のプラズマトーチを超高真空環境で使用するとアウトガスが発生してしまう。
このため、ＳＦＪ−ＰＶＤ装置において、プラズマトーチで生成したプラズマにより蒸発源からナノ粒子を生成するような場合、得られたナノ粒子をアウトガスで汚染してしまうことになる。
【００１０】
さらに、複数の蒸発チャンバーを有する場合、例えば第１微粒子と第２微粒子を均一に混合することが必要である。この場合、第１微粒子を含む第１流体と、第の微粒子を含む第２流体を混合することになる。
例えば、図１２に示すＹ字型流体混合装置を用いて、上記の第１および第２の流体の混合を行うことができる。
Ｙ字型流体混合装置は、第１流体１００が流される第１流入口１０１と第２流体１１０が流される第２流入口１１１が合流部１２０で合流して混合し、第１流体１００と第２流体１１０の混合物が取り出し口１３０からから取り出される構成である。
【００１１】
上記のＹ字型流体混合装置において、第１流体と第２流体をそれぞれ同時に流入させても、流体の粘性などの影響で、合流部において混合しないで実質的に分離したままで取り出し口から出てきてしまい、均一に混合させることが困難なことがある。
ここで、第１流体と第２流体をより均一に混合するために、外部からの電気エネルギーを用いて、第１流体と第２流体の取り出し口への流入を機械的に制御する。より具体的には、図１２に示すように、第１流体と第２流体が交互に取り出し口に流入するようにする。この交互に流入させる流体の量をより少なくすることにより、第１流体と第２流体をより均一に混合することが可能となる。
【００１２】
ここで、上記のような第１流体および第２流体の混合を行うのに、従来のＹ字型混合装置のように外部からの電気などのエネルギーを必要とせず、機械的な可動部を持たないで流体を混合する方法が求められている。
【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および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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
解決しようとする問題点は、従来の物理蒸着装置で用いられていたベークライトを使用している非移行型のプラズマトーチは、超高真空環境ではアウトガスを発生させるなどの問題を引き起こしてしまう点である。
さらに、従来の物理蒸着装置において複数の蒸発チャンバーを有する場合、２つの流体の混合を行うのに、外部からの電気などのエネルギーを用いず、機械的な可動部を用いないで混合することが困難である点である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の物理蒸着装置は、内部に蒸発源とプラズマトーチを備え、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記プラズマトーチで発生させたプラズマ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超音速ノズルと成膜対象基板を備え、前記蒸発チャンバーから移送された前記微粒子を前記超音速ノズルが生み出す超音速ガス流に乗せ、前記成膜対象基板に前記微粒子を物理蒸着させる成膜チャンバーとを有し、前記プラズマト−チは、略円筒形の導電性のアノードと、前記アノードの内側に挿入された、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管と、前記アノードに接しないように、前記絶縁管の内側に挿入された棒状のカソードとを有し、前記カソードに負電圧を、前記アノードおよび／または前記蒸発源に正電圧を印加してプラズマを形成する。
【００１５】
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し、蒸発チャンバーは内部に蒸発源とプラズマトーチを備え、一方、成膜チャンバーは内部に超音速ノズルと成膜対象基板を備えている。
ここで、上記のプラズマトーチは、略円筒形の導電性のアノードと、アノードの内側に挿入された、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管と、アノードに接しないように、絶縁管の内側に挿入された棒状のカソードとを有し、カソードに負電圧を、アノードおよび／または蒸発源に正電圧を印加して発生させたプラズマにより蒸発源から微粒子を生成し、得られた微粒子を超音速ノズルが生み出す超音速ガス流（超音速フリージェットの気流）に乗せ、成膜対象基板に物理蒸着させる構成となっている。
以下、本明細書中において、略円筒形状とは円筒形状および略円筒形状を含むものとする。
【００１６】
上記の本発明の物理蒸着装置は、好適には、前記超音速ノズルは、ノズル内部径が変化している縮小―拡大管であり、前記蒸発チャンバーと前記成膜チャンバー間の差圧により生起するガス流を超音速まで高める。
さらに好適には、前記超音速ノズルは、マッハ数１．２以上の超音速ガス流を生み出す。
【００１７】
上記の本発明の物理蒸着装置は、好適には、前記超音速ノズルは、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前記成膜チャンバーの排気能力に応じて設計されており、前記移送管の先端に接続され、あるいは前記移送管の先端部分と一体に形成されている。
また好適には、前記超音速ノズルおよび／または前記移送管の内部を通過する前記微粒子を含むガスを加熱するための加熱手段が前記超音速ノズルおよび／または前記移送管自体にあるいは前記超音速ノズルおよび／または前記移送管の外周に設けられている。
また好適には、前記超音速ノズルおよび前記移送管の少なくとも一部が石英からなり、
前記超音速ノズルおよび／または前記移送管の内部を通過する前記微粒子を含むガスをプラズマ化するためのＲＦコイルが前記超音速ノズルおよび／または前記移送管の外周に設けられている。
【００１８】
上記の本発明の物理蒸着装置は、好適には、前記プラズマト−チにおいて、前記カソードの先端近傍で、前記アノードと前記カソードの間に、前記アノードと前記カソードの相対位置を位置決めし、前記カソードに対して供給されるプラズマガスを均等に行き渡らせるセラミクスのプラズマガスディストリビュータが設けられている。
また、好適には、前記絶縁管が、石英、マシナブルセラミクス、ボロンナイトライド、アルミナあるいはフッ素系樹脂からなる。
【００１９】
上記の本発明の物理蒸着装置は、好適には、前記プラズマト−チにおいて、前記カソードは、内部構造として、中心に配置された第１中空部と、前記第１中空部の外周に配置された第２中空部と、前記第２中空部の外周に配置された第３中空部とを有する３層構造となっている。
さらに好適には、前記プラズマト−チにおいて、前記カソードの前記第１中空部がプラズマガス供給管である。
さらに好適には、前記プラズマト−チにおいて、前記カソードの前記第２中空部が冷却媒の導入管であり、前記カソードの前記第３中空部が前記冷却媒の導出管である。
【００２０】
上記の本発明の物理蒸着装置は、好適には、前記プラズマト−チにおいて、前記アノードが冷却管を内蔵している。
【００２１】
上記の本発明の物理蒸着装置は、好適には、前記プラズマト−チにおいて、真空シールとしてＶＣＲ継ぎ手および／またはＩＣＦフランジが用いられている。
【００２２】
上記の本発明の物理蒸着装置は、好適には、前記プラズマト−チにおいて、前記アノードと前記カソードにそれぞれ正電圧と負電圧を印加してプラズマを形成する方式と、加熱対象である前記蒸発源と前記カソードにそれぞれ正電圧と負電圧を印加してプラズマを形成する方式とで切り替えまたは併用可能である。
【００２３】
また、本発明の物理蒸着装置は、内部に蒸発源とプラズマトーチを備え、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記プラズマトーチで発生させたプラズマ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超音速ノズルと成膜対象基板を備え、前記蒸発チャンバーから移送された前記微粒子を前記超音速ノズルが生み出す超音速ガス流に乗せ、前記成膜対象基板に前記微粒子を物理蒸着させる成膜チャンバーとを有し、前記プラズマト−チは、略円筒形の導電性のアノードと、前記アノードの内側に挿入された、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管と、前記アノードに接しないように、前記絶縁管の内側に挿入された棒状のカソードと、前記アノードの外周部に配置された保持管とを有し、前記保持管は、前記カソードに電気的に接続して前記カソードを機械的に保持する第１保持部材と、前記アノードに電気的に接続して前記カソードを機械的に保持する第２保持部材と、前記第１保持部材および前記第２保持部材を介して前記アノードおよび前記カソードを機械的に保持する第３保持部材とを有し、少なくとも前記第１保持部材と前記第２保持部材の間および前記第２保持部材と前記第３保持部材の間がセラミクスの絶縁部材に溶接によって接合され、前記第１保持部材、前記第２保持部材および前記第３保持部材が互いに絶縁しながら一体化されており、前記アノード、前記カソードおよび前記保持管の真空シールとしてＶＣＲ継ぎ手および／またはＩＣＦフランジが用いられており、前記カソードに負電圧を、前記アノードおよび／または前記蒸発源に正電圧を印加してプラズマを形成する。
【００２４】
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し、蒸発チャンバーは内部に蒸発源とプラズマトーチを備え、一方、成膜チャンバーは内部に超音速ノズルと成膜対象基板を備えている。
ここで、上記のプラズマトーチは、略円筒形の導電性のアノードと、アノードの内側に挿入された、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管と、アノードに接しないように、絶縁管の内側に挿入された棒状のカソードと、アノードの外周部に配置された保持管とを有する。
上記の保持管は、カソードに電気的に接続してカソードを機械的に保持する第１保持部材と、アノードに電気的に接続してカソードを機械的に保持する第２保持部材と、第１保持部材および第２保持部材を介してアノードおよびカソードを機械的に保持する第３保持部材とを有し、少なくとも第１保持部材と第２保持部材の間および第２保持部材と第３保持部材の間がセラミクスの絶縁部材に溶接によって接合され、第１保持部材、第２保持部材および第３保持部材が互いに絶縁しながら一体化されている。また、アノード、カソードおよび保持管の真空シールとしてＶＣＲ継ぎ手および／またはＩＣＦフランジが用いられている。
カソードに負電圧を、アノードおよび／または蒸発源に正電圧を印加して発生させたプラズマにより蒸発源から微粒子を生成し、得られた微粒子を超音速ノズルが生み出す超音速ガス流（超音速フリージェットの気流）に乗せ、成膜対象基板に物理蒸着させる構成となっている。
【００２５】
また、本発明の物理蒸着装置は、内部に第１蒸発源と第１プラズマトーチを備え、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第１プラズマトーチで発生させたプラズマにより前記第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蒸発源と第２プラズマトーチを備え、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第２プラズマトーチで発生させたプラズマにより前記第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流体混合部および超音速ノズルと成膜対象基板を備え、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微粒子を前記超音速ノズルが生み出す超音速ガス流に乗せ、前記成膜対象基板に混合された前記第１微粒子と前記第２微粒子を物理蒸着させる成膜チャンバーとを有し、前記第１プラズマト−チおよび第２プラズマトーチは、それぞれ、略円筒形の導電性のアノードと、前記アノードの内側に挿入された、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管と、前記アノードに接しないように、前記絶縁管の内側に挿入された棒状のカソードとを有し、前記カソードに負電圧を、前記アノードおよび／または前記第１あるいは第２蒸発源に正電圧を印加してプラズマを形成し、前記流体混合部は、略矩形形状の第１噴き出し口を有する第１混合ノズルと、前記第１噴き出し口と同じ形状の第２噴き出し口を有し、前記第１混合ノズルと同軸上に対向して設けられた第２混合ノズルとを有し、第１噴き出し口から前記第１微粒子を含む第１流体を噴き出し、前記第２噴き出し口から前記第２微粒子を含む第２流体を噴き出し、前記第１噴き出し口と前記第２噴き出し口の間の空間において前記第１流体と前記第２流体とを混合する。
【００２６】
上記の本発明の物理蒸着装置は、第１蒸発チャンバー第２蒸発チャンバーと成膜チャンバーを有し、第１蒸発チャンバーは内部に第１蒸発源と第１プラズマトーチを備え、第２蒸発チャンバーは内部に第２蒸発源と第２プラズマトーチを備え、また、成膜チャンバーは内部に流体混合部と超音速ノズルと成膜対象基板を備えている。
上記の第１および第２プラズマトーチは、それぞれ、略円筒形の導電性のアノードと、アノードの内側に挿入された、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管と、アノードに接しないように、絶縁管の内側に挿入された棒状のカソードとを有し、カソードに負電圧を、アノードおよび／または第１あるいは第２蒸発源に正電圧を印加してプラズマを形成し、得られたプラズマにより第１および第２蒸発源から第１および第２微粒子を生成する。
流体混合部は、第１蒸発チャンバーから移送された前記第１微粒子と第２蒸発チャンバーから移送された第２微粒子を混合する。
混合された第１微粒子と第２微粒子を超音速ノズルが生み出す超音速ガス流（超音速フリージェットの気流）に乗せ、成膜対象基板に混合された第１微粒子と第２微粒子を物理蒸着させる。
また、上記の流体混合部は、略矩形形状の第１噴き出し口を有する第１混合ノズルと、第１噴き出し口と同じ形状の第２噴き出し口を有し、第１混合ノズルと同軸上に対向して設けられた第２混合ノズルとを有し、第１噴き出し口から第１微粒子を含む第１流体を噴き出し、第２噴き出し口から第２微粒子を含む第２流体を噴き出し、第１噴き出し口と第２噴き出し口の間の空間において第１流体と前記第２流体とを混合する構成となっている。
以下、本明細書中において、略矩形形状とは矩形形状および略矩形形状を含むものとする。
【００２７】
上記の本発明の物理蒸着装置は、好適には、前記流体混合部において、前記略矩形形状の短辺の長さａと長辺の長さｂのアスペクト比（ｂ／ａ）が４〜６である。
【００２８】
上記の本発明の物理蒸着装置は、好適には、前記流体混合部において、前記第１混合ノズルと前記第２混合ノズルのノズル間距離が、前記略矩形形状の短辺の長さの４〜３５倍の距離である。
【００２９】
上記の本発明の物理蒸着装置は、好適には、前記流体混合部において、前記第１混合ノズルは、前記第１噴き出し口の近傍において、前記第１噴き出し口へと向かって前記第１流体が流れる空間の広さが、前記第１噴き出し口に近い下流側よりも前記第１噴き出し口から遠い上流側ほど広いテーパー形状となっている部分を有し、前記第２混合ノズルは、前記第２噴き出し口の近傍において、前記第２噴き出し口へと向かって前記第２流体が流れる空間の広さが、前記第２噴き出し口に近い下流側よりも前記第２噴き出し口から遠い上流側ほど広いテーパー形状となっている部分を有する。
【００３０】
上記の本発明の物理蒸着装置は、好適には、前記流体混合部において、前記第１噴き出し口と前記第２噴き出し口の間の空間を挟んで対向するように、前記略矩形形状の長辺方向に配置され、前記第１流体と前記第２流体が前記略矩形形状の長辺方向に拡散していくのを防止する一対の仕切り板を有する。
さらに好適には、前記流体混合部において、前記一対の仕切り板の間の距離が、前記略矩形形状の長辺の長さと略等しい。
【００３１】
また、本発明の物理蒸着装置は、内部に第１蒸発源と第１プラズマトーチを備え、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第１プラズマトーチで発生させたプラズマにより前記第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蒸発源と第２プラズマトーチを備え、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第２プラズマトーチで発生させたプラズマにより前記第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流体混合部および超音速ノズルと成膜対象基板を備え、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微粒子を前記超音速ノズルが生み出す超音速ガス流に乗せ、前記成膜対象基板に混合された前記第１微粒子と前記第２微粒子を物理蒸着させる成膜チャンバーとを有し、前記第１プラズマト−チおよび前記第２プラズマトーチは、それぞれ、略円筒形の導電性のアノードと、前記アノードの内側に挿入された、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管と、前記アノードに接しないように、前記絶縁管の内側に挿入された棒状のカソードと、前記アノードの外周部に配置された保持管とを有し、前記保持管は、前記カソードに電気的に接続して前記カソードを機械的に保持する第１保持部材と、前記アノードに電気的に接続して前記カソードを機械的に保持する第２保持部材と、前記第１保持部材および前記第２保持部材を介して前記アノードおよび前記カソードを機械的に保持する第３保持部材とを有し、少なくとも前記第１保持部材と前記第２保持部材の間および前記第２保持部材と前記第３保持部材の間がセラミクスの絶縁部材に溶接によって接合され、前記第１保持部材、前記第２保持部材および前記第３保持部材が互いに絶縁しながら一体化されており、前記アノード、前記カソードおよび前記保持管の真空シールとしてＶＣＲ継ぎ手および／またはＩＣＦフランジが用いられており、前記カソードに負電圧を、前記アノードおよび／または前記第１あるいは第２蒸発源に正電圧を印加してプラズマを形成し、前記流体混合部は、略矩形形状の第１噴き出し口を有する第１混合ノズルと、前記第１噴き出し口と同じ形状の第２噴き出し口を有し、前記第１混合ノズルと同軸上に対向して設けられた第２混合ノズルとを有し、第１噴き出し口から前記第１微粒子を含む第１流体を噴き出し、前記第２噴き出し口から前記第２微粒子を含む第２流体を噴き出し、前記第１噴き出し口と前記第２噴き出し口の間の空間において前記第１流体と前記第２流体とを混合する。
【００３２】
上記の本発明の物理蒸着装置は、第１蒸発チャンバー第２蒸発チャンバーと成膜チャンバーを有し、第１蒸発チャンバーは内部に第１蒸発源と第１プラズマトーチを備え、第２蒸発チャンバーは内部に第２蒸発源と第２プラズマトーチを備え、また、成膜チャンバーは内部に流体混合部と超音速ノズルと成膜対象基板を備えている。
上記の第１および第２プラズマトーチは、それぞれ、略円筒形の導電性のアノードと、アノードの内側に挿入された、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管と、アノードに接しないように、絶縁管の内側に挿入された棒状のカソードと、アノードの外周部に配置された保持管とを有する。
上記の保持管は、カソードに電気的に接続してカソードを機械的に保持する第１保持部材と、アノードに電気的に接続してカソードを機械的に保持する第２保持部材と、第１保持部材および第２保持部材を介してアノードおよびカソードを機械的に保持する第３保持部材とを有し、少なくとも第１保持部材と第２保持部材の間および第２保持部材と第３保持部材の間がセラミクスの絶縁部材に溶接によって接合され、第１保持部材、第２保持部材および第３保持部材が互いに絶縁しながら一体化されている。また、アノード、カソードおよび保持管の真空シールとしてＶＣＲ継ぎ手および／またはＩＣＦフランジが用いられている。
カソードに負電圧を、アノードおよび／または第１あるいは第２蒸発源に正電圧を印加してプラズマを形成し、得られたプラズマにより第１および第２蒸発源から第１および第２微粒子を生成する。
流体混合部は、第１蒸発チャンバーから移送された前記第１微粒子と第２蒸発チャンバーから移送された第２微粒子を混合する。
混合された第１微粒子と第２微粒子を超音速ノズルが生み出す超音速ガス流（超音速フリージェットの気流）に乗せ、成膜対象基板に混合された第１微粒子と第２微粒子を物理蒸着させる。
また、上記の流体混合部は、略矩形形状の第１噴き出し口を有する第１混合ノズルと、第１噴き出し口と同じ形状の第２噴き出し口を有し、第１混合ノズルと同軸上に対向して設けられた第２混合ノズルとを有し、第１噴き出し口から第１微粒子を含む第１流体を噴き出し、第２噴き出し口から第２微粒子を含む第２流体を噴き出し、第１噴き出し口と第２噴き出し口の間の空間において第１流体と前記第２流体とを混合する構成となっている。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の物理蒸着装置は、プラズマトーチとして、プラズマチップと電極とを絶縁するために、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管を用いており、ベークライトを用いていないので超高真空環境でもアウトガスをより発生させずに使用することができ、より汚染されていない活性な表面を有する微粒子を堆積させることで緻密な膜を成膜することができる。
【００３４】
さらに、第１微粒子と第２微粒子を混合する流体混合部として、同軸対向衝突噴流の発振現象を利用して、外部からの電気などのエネルギーを用いず、機械的な可動部を用いないで、均一に混合することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下に、本発明に係る物理蒸着装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００３６】
第１実施形態
図１は本実施形態に係る超音速フリージェット（Supersonic Free Jet:ＳＦＪ）物理蒸着（Physical Vapor Deposition：ＰＶＤ）装置の模式構成図である。
本実施形態のＳＦＪ−ＰＶＤ装置は、第１蒸発チャンバー１０、第２蒸発チャンバー２０およ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。
【００３７】
第１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。
【００３８】
第１蒸発チャンバー１０内には、水冷された銅製のるつぼ１４が設けられ、この中に第１蒸発源材料１５が入れられている。第１蒸発源材料１５の近傍に第１プラズマトーチ１６が設けられており、第１プラズマトーチ１６を構成するプラズマチップと内部電極間での放電により発生するプラズマガスを媒体として、非移行式で第１蒸発源材料１５が加熱されて蒸発し、第１蒸発源材料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１７を通して成膜チャンバー３０へと移送される。
【００３９】
第２蒸発チャンバー２０も第１蒸発チャンバー１０と同様の構成を有する。
即ち、第２蒸発チャンバー２０に接続した排気管２１から真空ポンプ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、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。
また、第２蒸発チャンバー２０内に設けられたるつぼ２４の中に第２蒸発源材料２５が入れられ、この近傍に設けられた第２プラズマトーチ２６により発生するプラズマガスを媒体として、非移行式で第２蒸発源材料２５が加熱されて蒸発し、第２蒸発源材料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２７を通して成膜チャンバー３０へと移送される。
【００４０】
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に成膜対象基板３３が固定される。
成膜対象基板としては、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。
【００４１】
第１蒸発チャンバー１０からの移送管１７の先端と、第２蒸発チャンバー２０からの移送管２７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超音速ノズル（ラバールノズル）３５が設けられている。各移送管（１７，２７）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。
【００４２】
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および第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ナノ粒子および第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において混合し、流体混合部３４の中央部に取り付けられた超音速ノズル（ラバールノズル）３５から超音速ガス流（超音速フリージェットの気流）として成膜チャンバー３０中に、成膜対象基板３３に向けて噴出する。即ち、第１ナノ粒子と第２ナノ粒子が流体混合部３４において混合する。
超音速ノズル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、移送管の先端に接続され、あるいは移送管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。
第１ナノ粒子と第２ナノ粒子は、例えば、超音速ノズル３５によってマッハ数３．６程度の超音速にまで加速され、超音速ガス流に乗って成膜チャンバー３０中に噴出し、成膜対象基板３３上に堆積（物理蒸着）する。
【００４３】
次に、上記の第１プラズマトーチ１６および第２プラズマトーチ２６として用いられているプラズマトーチについて説明する。
図２は本実施形態に係る物理蒸着装置を構成するプラズマトーチの一部断面構造を示す模式構成図である。また、図３は図２中のＡ部の拡大図である。
本実施形態に係るプラズマトーチは、略円筒形の導電性のアノード４０と、アノードの内側に挿入された、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管５０と、アノード４０に接しないように絶縁管５０の内側に挿入された棒状のカソード６０とを有する。
【００４４】
アノード４０は、略円筒形状のアノード第１部材４０ａと、アノード第１部材４０ａの先端に設けられたアノード第２部材４０ｂとが銅製のシール剤４０ｃを介して接続されて組み立てられている。アノード第１部材４０ａおよびアノード第２部材１０ｂは、例えば、ステンレス、銅、タングステンなどの金属材料から構成されている。
【００４５】
アノード第１部材４０ａは、肉厚の略円筒形状であって部分的に中空構造となっており、冷却水導入口４１ａと冷却水導出口４１ｂに接続されている水冷系統４１が内部に埋め込まれて、冷却水４１ｆにより冷却されている。
冷却系統４１により、プラズマ生成で加熱されてしまうアノード４０を効率的に冷却することができる。
【００４６】
アノード第２部材４０ｂは、略円筒形状のアノード第１部材４０ａの一端部に蓋をするように設けられており、その中心部に開口部４０ｈを有する。アノード第２部材４０ｂの内径は、例えば、アノード第１部材４０ａの内径から数段階で徐々に狭められている構造となっており、アノード第２部材４０ｂの外径は、例えば、アノード第１部材４０ａの外径からなめらかに先端程狭められているテーパー状となっている。
このようにして、カソード６０の先端近傍で、アノード４０の径が狭められた形状となっている。
【００４７】
絶縁管５０は、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の材料からなり、例えば、石英、マシナブルセラミクス、ボロンナイトライド（ＢＮ）、アルミナあるいはフッ素系樹脂などからなる。例えば、石英やマシナブルセラミクスは、アウトガスを実質的に出さない材料であり、本実施形態に用いるために管状の形状とするのに相対的に安価に用意することができる。特に石英管は様々なサイズのものが市販されており、容易に所望のサイズの絶縁管を容易することができる。
【００４８】
上記のマシナブルセラミクスとは、機械的加工が容易なセラミクスであり、内部にマイカなどの層状構造物を含有するものと、微細なクラックが多数構造的に含まれているものに大別される。前者としては、例えばＫＭｇ3ＡｌＳｉ3Ｏ10Ｆ2のフッ素金雲母などのマイカ結晶化ガラスがあり、また、後者としては、チタン酸アルミニウムなどがある。
【００４９】
絶縁管５０の外径は、アノード第１部材４０ａおよびアノード第２部材４０ｂなどからなるアノード４０の内径に適合するサイズとなっており、アノード第１部材４０ａを貫通して、アノード第２部材４０ｂの内側の階段状の構造で係止されるようにアノード４０の内側に挿入されている。
【００５０】
カソード６０は、先端部に設けられたカソード第１部材６０ａとカソード第１部材６０ａを支持するカソード第２部材６０ｂが接続されて組み立てられている。カソード第１部材６０ａおよびカソード第２部材６０ｂは、例えば、ステンレス、銅、タングステンなどの金属材料から構成されている。
【００５１】
カソード第１部材６０ａは、根本をカソード第２部材６０ｂに支持されるとともに、先端近傍をガストリビュータ５１に係止するように保持されている。ガストリビュータ５１は、アノード第２部材４０ｂの内側の階段状の構造で係止されるように絶縁管５０の先端に嵌め込まれて設けられている。
上記のガストリビュータ５１は、例えばセラミックなどの非高分子系絶縁材料からなり、超高真空環境下においてもアウトガスを実質的に出さない材料からなり、カソードの先端近傍で、アノードとカソードの間に、アノードとカソードの相対位置を位置決めし、アノードとカソードが接しないようにして両者の短絡を防止するように設けられている。また、ガストリビュータ５１には微細な開口部が設けられていて、カソードに対して供給されるプラズマガスを均等に行き渡らせることができる。
【００５２】
カソード第２部材６０ｂは、内部構造として、中心に配置された第１中空部６１と、第１中空部の外周に配置された第２中空部６２ａと、第２中空部６２ａの外周に配置された第３中空部６２ｂとを有する３層構造となっている
ここで、カソード第２部材６０ｂ内の第１中空部６１がプラズマガス供給管である。ここから、上記のガストリビュータ５１を介してアノード４０およびカソード６０の先端部分にプラズマガス６１ｆを供給することができる。
【００５３】
また、カソード第２部材６０ｂ内の第２中空部６２ａが冷却媒である冷却水６２ｆの導入管であり、第３中空部６２ｂが冷却水の導出管である。
第２中空部６２ａおよび第３中空部６２ｂからなる冷却系統６２というアノード４０の冷却系統４１と分離された冷却系統を有することで、熱伝導性の高くない絶縁管５０に内側に挿入されたカソード６０を効率的に冷却することができる。
【００５４】
また、本実施形態のプラズマトーチにおいては、アノード４０の外周部に保持管６５が配置されている。
保持管６５は、カソード６０に電気的に接続してカソードを機械的に保持する第１保持部材６６と、アノード４０に電気的に接続してカソードを機械的に保持する第２保持部材６７と、第１保持部材６６および第２保持部材６７を介してアノード４０およびカソード６０を機械的に保持する第３保持部材６８とを有し、少なくとも第１保持部材６６と第２保持部材６７の間および第２保持部材６７と第３保持部材６８の間がセラミクスの絶縁部材（６９ａ，６９ｂ）に溶接によって接合され、第１保持部材６６、第２保持部材６７および第３保持部材６８が互いに絶縁しながら一体化されている。
【００５５】
上記のように、本実施形態に係るプラズマトーチは、アノードおよびカソードはステンレスなどの金属材料からなり、それらを絶縁管によって絶縁している構造となっている。
さらに、本実施形態に係るプラズマトーチは、真空シールとしてＶＣＲ継ぎ手および／またはＩＣＦフランジが用いられている。
【００５６】
アノード６０およびカソード６０の先端部分において、アノード第２部材４０ｂの内壁とカソード第１部材６０ａの先端とが所定の距離で離間しており、この領域にプラズマガス６１ｆを供給し、さらにアノードとカソードにそれぞれ正電圧と負電圧を印加することにより、アノードとカソード間の放電によってプラズマを発生させる。即ち、いわゆる非移行型のプラズマトーチとなっている。
得られたプラズマは、アノード先端の開口部４０ｈからプラズマトーチの外部に供給することができる。
【００５７】
上記のように、本実施形態のＳＦＪ−ＰＶＤ装置のプラズマトーチは、プラズマチップと電極とを絶縁するために、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管を用いており、ベークライトを用いていないので超高真空環境でもアウトガスをより発生させずに使用することができる。
また、アノードの外周にプラズマトーチ全体を保持し、アノードおよびカソードに所定の電位を印加する保持管を有することで、アウトガスを発生させないようにして超高真空環境に対応することができる。
従って、本実施形態に係るＳＦＪ−ＰＶＤ装置において、プラズマトーチで生成したプラズマにより蒸発源からナノ粒子を生成する場合、上記のプラズマトーチを用いることにより、アウトガスで汚染しないでナノ粒子を生成することができる。このように、本実施形態にプラズマトーチを超高真空環境下あるいはガス置換雰囲気下で使用することで、加熱対象物に不純物が混入することを防止でき、より汚染されていない活性な表面を有する微粒子を堆積させることで緻密な膜を成膜することができる。
また、本実施形態に係るＳＦＪ−ＰＶＤ装置は、１０-10ｔｏｒｒ程度の超高真空環境から大気圧下まで、幅広い雰囲気圧力で使用することができる。
【００５８】
本実施形態に係るＳＦＪ−ＰＶＤ装置は、例えば、アノードとカソードにそれぞれ正電圧と負電圧を印加してプラズマを形成する非移行型と、加熱対象である第１あるいは第２蒸発源とカソードにそれぞれ正電圧と負電圧を印加してプラズマを形成する移行型とで、切り替えを行い、あるいは、２つの型を併用して、動作させることができるようになっている。
これらを切り替え、あるいは併用することで、移行型のエネルギー効率が高いという長所と、非移行型の非加熱物の材質に係わらず使用でき、プラズマの始動性や安定性が高く、制御性がよいという長所を享受でき、より効率的に加熱対象を加熱することができる。移行型と非移行型のいずれにおいても、超高真空環境下の使用で実質的にアウトガスを発生させることがない。
【００５９】
次に、上記の流体混合部３４について説明する。
図４（Ａ）は本実施形態に係る物理蒸着装置の流体混合部の模式構成図である。
第１混合ノズル７０の第１噴き出し口７１と、第２混合ノズル８０の第２噴き出し口８１が同軸上に対向して配置されている。
第１噴き出し口７１と第２噴き出し口８１は同じ略矩形形状であり、第１噴き出し口７１から第１微粒子を含む第１流体を第１噴流７１として噴き出し、第２噴き出し口８１から第２微粒子を含む第２流体を第２噴流８２として噴き出して、第１噴き出し口７１と第２噴き出し口８１の間の空間（混合領域ＭＲ）において、第１流体と第２流体とを混合する。
【００６０】
上記の流体混合部は、２つの流体を導入する矩形の吹き出し口が形成された混合ノズルを持ち、混合しようとする第１流体および第２流体の流路がそれぞれこの混合ノズルに接続される。混合ノズルの対向する噴き出し口から噴き出された流体は、噴流となって互いに衝突する。
【００６１】
図４（Ｂ）〜（Ｄ）は、第１流体と第２流体とが混合するメカニズムを説明する模式図である。このメカニズムは、非特許文献３に記載の同軸対向衝突噴流の発振現象を利用したものである。
これらの図面において、相対的に高圧である領域を実線で囲み、相対的に低圧である領域を破線で囲んで示している。
【００６２】
図４（Ｂ）に示すように、第１混合ノズル７０の第１噴き出し口７１から圧力Ｐ1で第１流体の第１噴流７２を噴き出し、一方、第２混合ノズル８０の第２噴き出し口８１から圧力Ｐ2で第２流体の第２噴流８２を噴き出す。
このとき、第１噴き出し口７１と第２噴き出し口８１の間の空間において、第１噴流７２と第２噴流８２が噴流となって衝突する。
この第１噴流７２と第２噴流８２が衝突することにより、第１噴き出し口７１と第２噴き出し口８１の間の空間の中心部に高圧ＰＭの領域が生じ、この結果、第１噴流７２と第２噴流８２の流れが不安定となる。
【００６３】
上記のように流れが不安定となった第１噴流７２および第２噴流８２は、図４（Ｃ）に示すように、なんらかの外乱によって互いに逆方向に偏向する。第１噴流７２および第２噴流８２の偏向側は巻込みのために低圧となり、逆に非偏向側は噴流の干渉のために高圧となり、さらに衝突面は高圧であるので、第１噴流７２および第２噴流８２の偏向はますます増加する。
第１噴流７２および第２噴流８２の偏向が大きくなると、双方の噴流は互いにすれ違う。このすれ違い面は双方の噴流の巻き込みにより低圧となる。
【００６４】
上記の圧力低下は、各ノズルの噴き出し口（７１，８１）のノズル軸に垂直方向に圧力分布を逆転させ、第１噴流７２および第２噴流８２を再び引き寄せて衝突状態を形成する。圧力分布が各ノズルの噴き出し口（７１，８１）のノズル軸に垂直方向に逆転しているので、第１噴流７２および第２噴流８２の偏向も逆転し、図４（Ｄ）に示すような状態となる。
【００６５】
上記の各ノズルの噴き出し口（７１，８１）のノズル軸に垂直方向に圧力分布と噴流の偏向が逆転する過程が繰り返され、同軸対向して衝突する噴流の発振が生じる。この発振を持続させることで、第１噴流７２と第２噴流８２を混合することができる。
【００６６】
第１噴流７２と第２噴流８２の混合に適した第１混合ノズル７０および第２混合ノズル８０の形状やノズル間距離、ストロハル数などは、流体の種類やレイノルズ数によって決められ、本実施形態のように第１ナノ粒子を含む気相の第１流体と第２ナノ粒子を含む気相の第２流体を混合するには、第１混合ノズル７０の第１噴き出し口７１および第２混合ノズル８０の第２噴き出し口８１において、略矩形形状の短辺の長さａと長辺の長さｂのアスペクト比（ｂ／ａ）が４〜６であることが好ましい。
また、第１混合ノズルと第２混合ノズルのノズル間距離は、略矩形形状の短辺の長さの４〜３５倍の距離であることが好ましい。
【００６７】
さらに、第１噴き出し口７１と第２噴き出し口８１の間の空間を挟んで対向するように、略矩形形状の長辺方向に配置され、第１流体と第２流体が略矩形形状の長辺方向に拡散していくのを防止する一対の仕切り板（９０，９１）を有することが好ましい。
上記の仕切り板を設けることにより、衝突した噴流が発振しやすくなって、より均一に混合することができる。
またさらに、一対の仕切り板（９０，９１）の間の距離は、略矩形形状の長辺の長さと略等しいことがさらに好ましい。これにより第１流体の第１噴流７２と第２流体の第２噴流８２が、各噴き出し口の略矩形形状の長辺方向に拡散していくのを防止され、発振しやすくする効果を高めることができる。
【００６８】
上記の本実施形態に係るＳＦＪ−ＰＶＤ装置を構成する流体混合部によれば、同軸対向衝突噴流の発振現象を利用して、外部からの電気などのエネルギーを用いず、機械的な可動部を用いないで、気体の噴流中にナノ粒子を流した固気二相流同士を混合することができ、２つの噴流中の異種材料粉体を精密混合することができる。ＳＦＪ−ＰＶＤ装置において、蒸発源から得た異種ナノ粒子を混合し、これを対象基板上に蒸着させることで異種材料を均一に物理蒸着することができる。
【００６９】
また、上記の流体混合部は、機械的可動部を必要としないため、加工・寸法の制約が少なくコンパクトな形状にすることができるため、狭い空間にも設置できる。
【００７０】
図５（Ａ）は第１実施形態に係る物理蒸着装置の流体混合部の具体例の模式構成図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す流体混合部の構造を示すために部分毎に分解して示した模式図である。
また、図６（Ａ）は図５（Ａ）の流体混合部のＡ方向からの側面図であり、図６（Ｂ）はＢ方向からの正面図である。
また、図７（Ａ）は図５（Ａ）の流体混合部のＣ−Ｃ’における断面図であり、図７（Ｂ）は平面Ｄにおける断面図である。
【００７１】
略矩形形状の第１噴き出し口７１が設けられた円盤状の第１混合ノズル７０と、同じく略矩形形状の第２噴き出し口８１が設けられた円盤状の第２混合ノズル８０とが、一対の仕切り板（９０，９１）で架橋するように接続されている。
第１噴き出し口７１と第２噴き出し口８１の間の空間が、第１流体の第１噴流と第２流体の第２噴流を混合させる混合領域ＭＲとなる。
【００７２】
第１混合ノズル７０、第２混合ノズル８０および一対の仕切り板（９０，９１）は、例えば一体に形成されており、例えば真鍮やステンレスなどの材料から、ＮＣ付きワイヤーカット放電加工装置などを用いて形成されている。あるいは、例えば各部分毎に形成されたものが組み立てられていてもよい。
【００７３】
第１噴き出し口７１と第２噴き出し口８１の形状は、例えば短辺の長さａが〜数ｍｍ程度であり、長辺の長さｂが数〜十数ｍｍ程度であり、短辺の長さａと長辺の長さｂのアスペクト比（ｂ／ａ）が４〜６となっていることが好ましい。
また、第１混合ノズル７０の第１噴き出し口７１と第２混合ノズル８０の第２噴き出し口８１の間のノズル間距離ｃは、例えば第１噴き出し口７１および第２噴き出し口８１の略矩形形状の短辺ａの長さの４〜３５倍の距離であることが好ましい。
例えば、第１噴き出し口７１および第２噴き出し口８１の略矩形形状の短辺の長さａが１ｍｍ程度、長辺の長さｂが４ｍｍ程度、アスペクト比（ｂ／ａ）が４、ノズル間距離が１６ｍｍである。
【００７４】
また、一対の仕切り板（９０，９１）の間の距離ｄは、第１噴き出し口７１および第２噴き出し口８１の略矩形形状の長辺の長さｂと略等しく設けられている。
【００７５】
図８は図５（Ａ）に示す流体混合部を用いて流体を混合する様子を示す模式図である。
例えば、第１混合ノズル７０の混合領域ＭＲと反対側に面に、第１流体供給管Ｔ１を接続し、一方、第２混合ノズル８０の混合領域ＭＲと反対側に面に、第２流体供給管Ｔ２を接続する。
ここで、第１流体供給管Ｔ１から第１ナノ粒子を含む第１流体を供給し、第２流体供給管Ｔ２から第２ナノ粒子を含む第２流体を供給する。第１流体は第１噴流７２となって第１噴き出し口７１から混合領域ＭＲへと噴き出し、また、第２流体は第２噴流８２となって第２噴き出し口８１から混合領域ＭＲへと噴き出し、同軸対向衝突噴流の発振現象により、第１流体と第２流体が混合領域ＭＲで混合する。
混合領域ＭＲに臨む開口部（９２，９３）から混合領域ＭＲの外部へと、混合した流体（９４，９５）が流れだし、さらに例えば合流した流体９６として、超音速ノズルへと流れていく。
【００７６】
ここで、第１流体供給管Ｔ１および第２流体供給管Ｔ２で供給する流体の圧力と、各流体を噴き出す前の混合領域の圧力としては、例えば、第１流体供給管Ｔ１および第２流体供給管Ｔ２で供給する流体の圧力を６０〜９０ｋＰａ、各流体を噴き出す前の混合領域の圧力を０．５〜２ｋＰａとし、噴き出し口の上流と下流における圧力比を例えば４５程度に設定する。
【００７７】
上記の第１流体と第２流体の混合の状況は、例えば、流体混合部の混合領域における圧力の振動を観測することで、確認することが可能である。
また、本実施形態に係るＳＦＪ−ＰＶＤ装置において蒸発源から得た異種ナノ粒子を混合して蒸着して、成膜された蒸着膜の均一性を測定することで、第１流体と第２流体の混合の状況を確認することができる。
【００７８】
上記の本実施形態に係るＳＦＪ−ＰＶＤ装置においては、蒸発チャンバーのプラズマトーチとして、プラズマチップと電極とを絶縁するために、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管を用いており、ベークライトを用いていないので超高真空環境でもアウトガスをより発生させずに使用することができ、より汚染されていない活性な表面を有する微粒子を堆積させることで緻密な膜を成膜することができる。
さらに、第１微粒子と第２微粒子を混合する流体混合部として、同軸対向衝突噴流の発振現象を利用して、外部からの電気などのエネルギーを用いず、機械的な可動部を用いないで、均一に混合することができ、これによって膜質の均一な膜を成膜できる。
【００７９】
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をセットすることで、成膜チャンバーの成膜対象基板にＴｉＡｌ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をセットし、さらに第１および第２蒸発チャンバーのそれぞれに雰囲気ガスとして窒素を流すことで、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎを成膜することができる。
この他、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。
【００８０】
第２実施形態
図９（Ａ）は本実施形態に係る物理蒸着装置の流体混合部の模式構成図であり、図９（Ｂ）は模式断面図である。
第１混合ノズル７０および第２混合ノズル８０が、第１噴き出し口７１および第２噴き出し口８１の近傍において、第１噴き出し口７１および第２噴き出し口８１へと向かって第１流体および第２流体が流れる空間の広さが、それぞれ、第１噴き出し口７１および第２噴き出し口８１に近い下流側よりも第１噴き出し口７１および第２噴き出し口８１から遠い上流側ほど広いテーパー形状となっている部分を有しており、これ以外の構成については、第１実施形態に係る物理蒸着装置と同様である。
【００８１】
本実施形態に係る流体混合部を有する物理蒸着装置では、第１混合ノズル１０および第２混合ノズル２０から噴き出す第１噴流１２と第２噴流２２の噴流速度を高め、第１流体と第２流体をより均一に混合させることができ、さらに膜質の均一な膜を成膜できる。
【００８２】
第３実施形態
図１０は本実施形態に係るＳＦＪ−ＰＶＤ装置の模式構成図である。
実質的に第１実施形態に係るＳＦＪ−ＰＶＤ装置と同様であるが、蒸発チャンバーとして１つ蒸発チャンバーのみが設けられている。即ち、蒸発チャンバー１０およ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。
【００８３】
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。
【００８４】
蒸発チャンバー１０内には、水冷された銅製のるつぼ１４が設けられ、この中に蒸発源材料１５が入れられている。蒸発源材料１５の近傍にプラズマトーチ１６が設けられており、プラズマトーチ１６を構成するプラズマチップと内部電極間での放電により発生するプラズマガスを媒体として、非移行式で蒸発源材料１５が加熱されて蒸発し、蒸発源材料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（ナノ粒子）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１７を通して成膜チャンバー３０へと移送される。
【００８５】
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に成膜対象基板３３が固定される。
蒸発チャンバー１０からの移送管１７の先端に超音速ノズル（ラバールノズル）３５が設けられている。移送管１７の超音速ノズル３５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。
【００８６】
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移送管を通して成膜チャンバー３０へと移送される。
ナノ粒子を含む流体が超音速ノズル（ラバールノズル）３５から超音速ガス流（超音速フリージェットの気流）Ｊとして成膜チャンバー３０中に、成膜対象基板３３に向けて噴出する。
超音速ノズル３５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。
ナノ粒子は、超音速ノズル３５によってマッハ３．６程度の超音速にまで加速され、超音速ガス流に乗って成膜チャンバー３０中に噴出し、成膜対象基板３３上に堆積（物理蒸着）する。
【００８７】
本実施形態に係るＳＦＪ−ＰＶＤ装置においては、第１実施形態と同様に、蒸発チャンバーのプラズマトーチとして、プラズマチップと電極とを絶縁するために、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管を用いており、ベークライトを用いていないので超高真空環境でもアウトガスをより発生させずに使用することができ、より汚染されていない活性な表面を有する微粒子を堆積させることで緻密な膜を成膜することができる。
【００８８】
上記の各実施形態に係るＳＦＪ−ＰＶＤ装置において、超音速ノズルおよび／または移送管の内部を通過する微粒子を含むガスを加熱するための加熱手段が、超音速ノズルおよび／または移送管自体に、あるいは、超音速ノズルおよび／または移送管の外周に設けられている構成としてもよい。
また、超音速ノズルおよび前記移送管の少なくとも一部が石英からなり、超音速ノズルおよび／または移送管の内部を通過する微粒子を含むガスをプラズマ化するためのＲＦコイルが超音速ノズルおよび／または移送管の外周に設けられている構成としてもよい。
上記の各構成とすると、成膜の制御をより精密に行うことができる。
【００８９】
本発明は上記の説明に限定されない。
例えば、上記の実施形態のプラズマトーチにおいては、アノードの外周に配置される保持管として第１〜第３保持部材が絶縁部材を介して互いに絶縁しながら一体化された構成しているが、これに限らず、アノードおよびカソードに所定の電位を印加可能とし、冷却系統やガス供給系統を実現しながら、ベークライトを用いることなく、アノードおよびカソードを超高真空環境下に対応可能とする構成となっていればよい。
また、例えば、流体混合部において、第１流体と第２流体が混合領域から各噴き出し口の略矩形形状の長辺方向に拡散していくのを防止する一対の仕切り板は、設けられている方が好ましいが、必ずしもなくてもよい。
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。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明の物理蒸着装置は、例えば数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方法として適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【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装置を構成するプラズマトーチの一部断面構造を示す模式構成図である。
【図３】図３は図２中のＡ部の拡大図である。
【図４】図４（Ａ）は第１実施形態に係る物理蒸着装置の流体混合部の模式構成図であり、図４（Ｂ）〜（Ｄ）は、第１流体と第２流体とが混合するメカニズムを説明する模式図である。
【図５】図５（Ａ）は第１実施形態に係る物理蒸着装置の流体混合部の具体例の模式構成図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す流体混合部の構造を示すために部分毎に分解して示した模式図である。
【図６】図６（Ａ）は図５（Ａ）の流体混合部のＡ方向からの側面図であり、図６（Ｂ）はＢ方向からの正面図である。
【図７】図７（Ａ）は図５（Ａ）の流体混合部のＣ−Ｃ’における断面図であり、図７（Ｂ）は平面Ｄにおける断面図である。
【図８】図８は図５（Ａ）に示す流体混合部を用いて流体を混合する様子を示す模式図である。
【図９】図９（Ａ）は第２実施形態に係る物理蒸着装置の流体混合部の模式構成図であり、図９（Ｂ）は模式断面図である。
【図１０】図１０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１１】図１１（Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ従来例に係る移行型と非移行型のプラズマトーチの模式構成図である。
【図１２】図１２は従来例に係るＹ字型流体混合装置の模式図である。
【符号の説明】
【００９２】
１…プラズマチップ
３…内部電極
１０…（第１）蒸発チャンバー
１１，２１…排気管
１２…マスフローコントロール
１３…ガス供給源
１４，２４…るつぼ
１５…（第１）蒸発源材料
１６…（第１）プラズマトーチ
１７，２７…移送管
２０…第２蒸発チャンバー
２５…第２蒸発源材料
２６…第２プラズマトーチ
３０…成膜チャンバー
３１…排気管
３２…ステージ
３３…成膜対象基板
３４…流体混合部
３５…超音速ノズル
４０…アノード
４０ａ…アノード第１部材
４０ｂ…アノード第２部材
４０ｃ…シール剤
４０ｈ…開口部
４１…冷却系統
４１ａ…冷却水導入口
４１ｂ…冷却水導出口
４１ｆ…冷却水
５０…絶縁管
５１…ガストリビュータ
６０…カソード
６１…第１中空部
６１ｆ…プラズマガス
６２…冷却系統
６２ａ…第２中空部
６２ｂ…第３中空部
６２ｆ…冷却水
６５…保持管
６６…第１保持部材
６７…第２保持部材
６８…第３保持部材
６９ａ，６９ｂ…絶縁部材
７０…第１混合ノズル
７１…第１噴き出し口
７２…第１噴流
８０…第２混合ノズル
８１…第２噴き出し口
８２…第２噴流
９０，９１…仕切り板
９２，９３…開口部
Ｔ１…第１流体供給管
Ｔ２…第２流体供給管
９４，９５…混合した流体
９６…合流した流体
１００…第１流体
１０１…第１流入口
１１０…第２流体
１１１…第２流入口
１２０…合流部
１３０…取り出し口
Ｓ…被加熱物
Ｇ…プラズマガス
ＶＰ１，ＶＰ２，ＶＰ３…真空ポンプ
ＭＲ…混合領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は物理蒸着装置に関し、特に蒸発源から蒸発させた原子により生成させた微粒子を超音速ジェットに乗せて噴き出し、成膜対象基板に堆積させる物理蒸着装置に関する。
【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および非特許文献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、成膜対象基板上に堆積する。
【０００５】
上記のＳＦＪ−ＰＶＤ装置を用いることにより、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】
プラズマトーチは、大きく移行型と非移行型に分類できる。
図１１（Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ従来例に係る移行型（transfer type）と非移行型（non-transfer type）のプラズマトーチの模式構成図である。
図１１（Ａ）に示すように、移行型のプラズマトーチは、略円筒形のプラズマチップ１の内側の中心部に、陰極となる棒状の内部電極３が挿入されて組み立てられている。被加熱物Ｓに正電圧、内部電極３に負電圧を印加することにより、被加熱物Ｓと内部電極３との間での放電により生起するアークプラズマにより被加熱物Ｓを加熱する。
【０００７】
一方、図１１（Ｂ）に示すように、非移行型のプラズマトーチは、略円筒形のプラズマチップ１の内側の中心部に内部電極３が挿入されており、プラズマチップ１を陽極（アノード）、内部電極３を陰極（カソード）として両極間にアーク放電を生起させ、両極間にプラズマガスＧを供給し、プラズマ化したガスを媒体として被加熱物Ｓを加熱する。
【０００８】
移行型のプラズマトーチは、被加熱物に電流が流れてジュール熱を発生させるので、エネルギー効率が高いという利点があるが、プラズマを発生させ、被加熱物が溶けて導電性を持つまでプラズマを保持するための電極が必要であり、絶縁物を加熱、溶解するのに適していない。また、アーク放電時におけるアーク電圧を一定に保つためには両極間の距離を一定に保つ必要がある。しかし、陽極側である被加熱物は溶融および蒸発によりその形状および体積が逐次変わるため、被加熱物からの蒸発量を精密に制御する事は容易では無い。
一方、非移行型のプラズマトーチは、被加熱物に電流は流れないので、被加熱物の材質に影響されずにプラズマを発生させることができ、プラズマの始動性および安定性が高く、移行型のプラズマトーチによる加熱に比べ加熱量の制御性が良いという利点がある。
【０００９】
ところで、非移行型のプラズマトーチはトーチ内に陽極（プラズマチップ）と陰極（内部電極）の２つの電極を有しており、これらは互いに絶縁される必要がある。このため、従来の非移行型プラズマトーチでは、上記の両電極間の絶縁を確保するためにベークライトなどの高分子系絶縁材料を用いている。
上記の高分子系絶縁材料およびその他のトーチ構成材料のために、従来の非移行型のプラズマトーチを超高真空環境で使用するとアウトガスが発生してしまう。
このため、ＳＦＪ−ＰＶＤ装置において、プラズマトーチで生成したプラズマにより蒸発源からナノ粒子を生成するような場合、得られたナノ粒子をアウトガスで汚染してしまうことになる。
【００１０】
さらに、複数の蒸発チャンバーを有する場合、例えば第１微粒子と第２微粒子を均一に混合することが必要である。この場合、第１微粒子を含む第１流体と、第の微粒子を含む第２流体を混合することになる。
例えば、図１２に示すＹ字型流体混合装置を用いて、上記の第１および第２の流体の混合を行うことができる。
Ｙ字型流体混合装置は、第１流体１００が流される第１流入口１０１と第２流体１１０が流される第２流入口１１１が合流部１２０で合流して混合し、第１流体１００と第２流体１１０の混合物が取り出し口１３０からから取り出される構成である。
【００１１】
上記のＹ字型流体混合装置において、第１流体と第２流体をそれぞれ同時に流入させても、流体の粘性などの影響で、合流部において混合しないで実質的に分離したままで取り出し口から出てきてしまい、均一に混合させることが困難なことがある。
ここで、第１流体と第２流体をより均一に混合するために、外部からの電気エネルギーを用いて、第１流体と第２流体の取り出し口への流入を機械的に制御する。より具体的には、図１２に示すように、第１流体と第２流体が交互に取り出し口に流入するようにする。この交互に流入させる流体の量をより少なくすることにより、第１流体と第２流体をより均一に混合することが可能となる。
【００１２】
ここで、上記のような第１流体および第２流体の混合を行うのに、従来のＹ字型混合装置のように外部からの電気などのエネルギーを必要とせず、機械的な可動部を持たないで流体を混合する方法が求められている。
【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および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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
解決しようとする問題点は、従来の物理蒸着装置で用いられていたベークライトを使用している非移行型のプラズマトーチは、超高真空環境ではアウトガスを発生させるなどの問題を引き起こしてしまう点である。
さらに、従来の物理蒸着装置において複数の蒸発チャンバーを有する場合、２つの流体の混合を行うのに、外部からの電気などのエネルギーを用いず、機械的な可動部を用いないで混合することが困難である点である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の物理蒸着装置は、内部に蒸発源とプラズマトーチを備え、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記プラズマトーチで発生させたプラズマ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超音速ノズルと成膜対象基板を備え、前記蒸発チャンバーから移送された前記微粒子を前記超音速ノズルが生み出す超音速ガス流に乗せ、前記成膜対象基板に前記微粒子を物理蒸着させる成膜チャンバーとを有し、前記プラズマト−チは、略円筒形の導電性のアノードと、前記アノードの内側に挿入された、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管と、前記アノードに接しないように、前記絶縁管の内側に挿入された棒状のカソードとを有し、前記カソードに負電圧を、前記アノードおよび／または前記蒸発源に正電圧を印加してプラズマを形成する。
【００１５】
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し、蒸発チャンバーは内部に蒸発源とプラズマトーチを備え、一方、成膜チャンバーは内部に超音速ノズルと成膜対象基板を備えている。
ここで、上記のプラズマトーチは、略円筒形の導電性のアノードと、アノードの内側に挿入された、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管と、アノードに接しないように、絶縁管の内側に挿入された棒状のカソードとを有し、カソードに負電圧を、アノードおよび／または蒸発源に正電圧を印加して発生させたプラズマにより蒸発源から微粒子を生成し、得られた微粒子を超音速ノズルが生み出す超音速ガス流（超音速フリージェットの気流）に乗せ、成膜対象基板に物理蒸着させる構成となっている。
以下、本明細書中において、略円筒形状とは円筒形状および略円筒形状を含むものとする。
【００１６】
上記の本発明の物理蒸着装置は、好適には、前記超音速ノズルは、ノズル内部径が変化している縮小―拡大管であり、前記蒸発チャンバーと前記成膜チャンバー間の差圧により生起するガス流を超音速まで高める。
さらに好適には、前記超音速ノズルは、マッハ数１．２以上の超音速ガス流を生み出す。
【００１７】
上記の本発明の物理蒸着装置は、好適には、前記超音速ノズルは、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前記成膜チャンバーの排気能力に応じて設計されており、前記移送管の先端に接続され、あるいは前記移送管の先端部分と一体に形成されている。
また好適には、前記超音速ノズルおよび／または前記移送管の内部を通過する前記微粒子を含むガスを加熱するための加熱手段が前記超音速ノズルおよび／または前記移送管自体にあるいは前記超音速ノズルおよび／または前記移送管の外周に設けられている。
また好適には、前記超音速ノズルおよび前記移送管の少なくとも一部が石英からなり、
前記超音速ノズルおよび／または前記移送管の内部を通過する前記微粒子を含むガスをプラズマ化するためのＲＦコイルが前記超音速ノズルおよび／または前記移送管の外周に設けられている。
【００１８】
上記の本発明の物理蒸着装置は、好適には、前記プラズマト−チにおいて、前記カソードの先端近傍で、前記アノードと前記カソードの間に、前記アノードと前記カソードの相対位置を位置決めし、前記カソードに対して供給されるプラズマガスを均等に行き渡らせるセラミクスのプラズマガスディストリビュータが設けられている。
また、好適には、前記絶縁管が、石英、マシナブルセラミクス、ボロンナイトライド、アルミナあるいはフッ素系樹脂からなる。
【００１９】
上記の本発明の物理蒸着装置は、好適には、前記プラズマト−チにおいて、前記カソードは、内部構造として、中心に配置された第１中空部と、前記第１中空部の外周に配置された第２中空部と、前記第２中空部の外周に配置された第３中空部とを有する３層構造となっている。
さらに好適には、前記プラズマト−チにおいて、前記カソードの前記第１中空部がプラズマガス供給管である。
さらに好適には、前記プラズマト−チにおいて、前記カソードの前記第２中空部が冷却媒の導入管であり、前記カソードの前記第３中空部が前記冷却媒の導出管である。
【００２０】
上記の本発明の物理蒸着装置は、好適には、前記プラズマト−チにおいて、前記アノードが冷却管を内蔵している。
【００２１】
上記の本発明の物理蒸着装置は、好適には、前記プラズマト−チにおいて、真空シールとしてＶＣＲ継ぎ手および／またはＩＣＦフランジが用いられている。
【００２２】
上記の本発明の物理蒸着装置は、好適には、前記プラズマト−チにおいて、前記アノードと前記カソードにそれぞれ正電圧と負電圧を印加してプラズマを形成する方式と、加熱対象である前記蒸発源と前記カソードにそれぞれ正電圧と負電圧を印加してプラズマを形成する方式とで切り替えまたは併用可能である。
【００２３】
また、本発明の物理蒸着装置は、内部に蒸発源とプラズマトーチを備え、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記プラズマトーチで発生させたプラズマ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超音速ノズルと成膜対象基板を備え、前記蒸発チャンバーから移送された前記微粒子を前記超音速ノズルが生み出す超音速ガス流に乗せ、前記成膜対象基板に前記微粒子を物理蒸着させる成膜チャンバーとを有し、前記プラズマト−チは、略円筒形の導電性のアノードと、前記アノードの内側に挿入された、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管と、前記アノードに接しないように、前記絶縁管の内側に挿入された棒状のカソードと、前記アノードの外周部に配置された保持管とを有し、前記保持管は、前記カソードに電気的に接続して前記カソードを機械的に保持する第１保持部材と、前記アノードに電気的に接続して前記カソードを機械的に保持する第２保持部材と、前記第１保持部材および前記第２保持部材を介して前記アノードおよび前記カソードを機械的に保持する第３保持部材とを有し、少なくとも前記第１保持部材と前記第２保持部材の間および前記第２保持部材と前記第３保持部材の間がセラミクスの絶縁部材に溶接によって接合され、前記第１保持部材、前記第２保持部材および前記第３保持部材が互いに絶縁しながら一体化されており、前記アノード、前記カソードおよび前記保持管の真空シールとしてＶＣＲ継ぎ手および／またはＩＣＦフランジが用いられており、前記カソードに負電圧を、前記アノードおよび／または前記蒸発源に正電圧を印加してプラズマを形成する。
【００２４】
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し、蒸発チャンバーは内部に蒸発源とプラズマトーチを備え、一方、成膜チャンバーは内部に超音速ノズルと成膜対象基板を備えている。
ここで、上記のプラズマトーチは、略円筒形の導電性のアノードと、アノードの内側に挿入された、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管と、アノードに接しないように、絶縁管の内側に挿入された棒状のカソードと、アノードの外周部に配置された保持管とを有する。
上記の保持管は、カソードに電気的に接続してカソードを機械的に保持する第１保持部材と、アノードに電気的に接続してカソードを機械的に保持する第２保持部材と、第１保持部材および第２保持部材を介してアノードおよびカソードを機械的に保持する第３保持部材とを有し、少なくとも第１保持部材と第２保持部材の間および第２保持部材と第３保持部材の間がセラミクスの絶縁部材に溶接によって接合され、第１保持部材、第２保持部材および第３保持部材が互いに絶縁しながら一体化されている。また、アノード、カソードおよび保持管の真空シールとしてＶＣＲ継ぎ手および／またはＩＣＦフランジが用いられている。
カソードに負電圧を、アノードおよび／または蒸発源に正電圧を印加して発生させたプラズマにより蒸発源から微粒子を生成し、得られた微粒子を超音速ノズルが生み出す超音速ガス流（超音速フリージェットの気流）に乗せ、成膜対象基板に物理蒸着させる構成となっている。
【００２５】
また、本発明の物理蒸着装置は、内部に第１蒸発源と第１プラズマトーチを備え、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第１プラズマトーチで発生させたプラズマにより前記第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蒸発源と第２プラズマトーチを備え、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第２プラズマトーチで発生させたプラズマにより前記第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流体混合部および超音速ノズルと成膜対象基板を備え、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微粒子を前記超音速ノズルが生み出す超音速ガス流に乗せ、前記成膜対象基板に混合された前記第１微粒子と前記第２微粒子を物理蒸着させる成膜チャンバーとを有し、前記第１プラズマト−チおよび第２プラズマトーチは、それぞれ、略円筒形の導電性のアノードと、前記アノードの内側に挿入された、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管と、前記アノードに接しないように、前記絶縁管の内側に挿入された棒状のカソードとを有し、前記カソードに負電圧を、前記アノードおよび／または前記第１あるいは第２蒸発源に正電圧を印加してプラズマを形成し、前記流体混合部は、略矩形形状の第１噴き出し口を有する第１混合ノズルと、前記第１噴き出し口と同じ形状の第２噴き出し口を有し、前記第１混合ノズルと同軸上に対向して設けられた第２混合ノズルとを有し、第１噴き出し口から前記第１微粒子を含む第１流体を噴き出し、前記第２噴き出し口から前記第２微粒子を含む第２流体を噴き出し、前記第１噴き出し口と前記第２噴き出し口の間の空間において前記第１流体と前記第２流体とを混合する。
【００２６】
上記の本発明の物理蒸着装置は、第１蒸発チャンバー第２蒸発チャンバーと成膜チャンバーを有し、第１蒸発チャンバーは内部に第１蒸発源と第１プラズマトーチを備え、第２蒸発チャンバーは内部に第２蒸発源と第２プラズマトーチを備え、また、成膜チャンバーは内部に流体混合部と超音速ノズルと成膜対象基板を備えている。
上記の第１および第２プラズマトーチは、それぞれ、略円筒形の導電性のアノードと、アノードの内側に挿入された、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管と、アノードに接しないように、絶縁管の内側に挿入された棒状のカソードとを有し、カソードに負電圧を、アノードおよび／または第１あるいは第２蒸発源に正電圧を印加してプラズマを形成し、得られたプラズマにより第１および第２蒸発源から第１および第２微粒子を生成する。
流体混合部は、第１蒸発チャンバーから移送された前記第１微粒子と第２蒸発チャンバーから移送された第２微粒子を混合する。
混合された第１微粒子と第２微粒子を超音速ノズルが生み出す超音速ガス流（超音速フリージェットの気流）に乗せ、成膜対象基板に混合された第１微粒子と第２微粒子を物理蒸着させる。
また、上記の流体混合部は、略矩形形状の第１噴き出し口を有する第１混合ノズルと、第１噴き出し口と同じ形状の第２噴き出し口を有し、第１混合ノズルと同軸上に対向して設けられた第２混合ノズルとを有し、第１噴き出し口から第１微粒子を含む第１流体を噴き出し、第２噴き出し口から第２微粒子を含む第２流体を噴き出し、第１噴き出し口と第２噴き出し口の間の空間において第１流体と前記第２流体とを混合する構成となっている。
以下、本明細書中において、略矩形形状とは矩形形状および略矩形形状を含むものとする。
【００２７】
上記の本発明の物理蒸着装置は、好適には、前記流体混合部において、前記略矩形形状の短辺の長さａと長辺の長さｂのアスペクト比（ｂ／ａ）が４〜６である。
【００２８】
上記の本発明の物理蒸着装置は、好適には、前記流体混合部において、前記第１混合ノズルと前記第２混合ノズルのノズル間距離が、前記略矩形形状の短辺の長さの４〜３５倍の距離である。
【００２９】
上記の本発明の物理蒸着装置は、好適には、前記流体混合部において、前記第１混合ノズルは、前記第１噴き出し口の近傍において、前記第１噴き出し口へと向かって前記第１流体が流れる空間の広さが、前記第１噴き出し口に近い下流側よりも前記第１噴き出し口から遠い上流側ほど広いテーパー形状となっている部分を有し、前記第２混合ノズルは、前記第２噴き出し口の近傍において、前記第２噴き出し口へと向かって前記第２流体が流れる空間の広さが、前記第２噴き出し口に近い下流側よりも前記第２噴き出し口から遠い上流側ほど広いテーパー形状となっている部分を有する。
【００３０】
上記の本発明の物理蒸着装置は、好適には、前記流体混合部において、前記第１噴き出し口と前記第２噴き出し口の間の空間を挟んで対向するように、前記略矩形形状の長辺方向に配置され、前記第１流体と前記第２流体が前記略矩形形状の長辺方向に拡散していくのを防止する一対の仕切り板を有する。
さらに好適には、前記流体混合部において、前記一対の仕切り板の間の距離が、前記略矩形形状の長辺の長さと略等しい。
【００３１】
また、本発明の物理蒸着装置は、内部に第１蒸発源と第１プラズマトーチを備え、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第１プラズマトーチで発生させたプラズマにより前記第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蒸発源と第２プラズマトーチを備え、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第２プラズマトーチで発生させたプラズマにより前記第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流体混合部および超音速ノズルと成膜対象基板を備え、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微粒子を前記超音速ノズルが生み出す超音速ガス流に乗せ、前記成膜対象基板に混合された前記第１微粒子と前記第２微粒子を物理蒸着させる成膜チャンバーとを有し、前記第１プラズマト−チおよび前記第２プラズマトーチは、それぞれ、略円筒形の導電性のアノードと、前記アノードの内側に挿入された、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管と、前記アノードに接しないように、前記絶縁管の内側に挿入された棒状のカソードと、前記アノードの外周部に配置された保持管とを有し、前記保持管は、前記カソードに電気的に接続して前記カソードを機械的に保持する第１保持部材と、前記アノードに電気的に接続して前記カソードを機械的に保持する第２保持部材と、前記第１保持部材および前記第２保持部材を介して前記アノードおよび前記カソードを機械的に保持する第３保持部材とを有し、少なくとも前記第１保持部材と前記第２保持部材の間および前記第２保持部材と前記第３保持部材の間がセラミクスの絶縁部材に溶接によって接合され、前記第１保持部材、前記第２保持部材および前記第３保持部材が互いに絶縁しながら一体化されており、前記アノード、前記カソードおよび前記保持管の真空シールとしてＶＣＲ継ぎ手および／またはＩＣＦフランジが用いられており、前記カソードに負電圧を、前記アノードおよび／または前記第１あるいは第２蒸発源に正電圧を印加してプラズマを形成し、前記流体混合部は、略矩形形状の第１噴き出し口を有する第１混合ノズルと、前記第１噴き出し口と同じ形状の第２噴き出し口を有し、前記第１混合ノズルと同軸上に対向して設けられた第２混合ノズルとを有し、第１噴き出し口から前記第１微粒子を含む第１流体を噴き出し、前記第２噴き出し口から前記第２微粒子を含む第２流体を噴き出し、前記第１噴き出し口と前記第２噴き出し口の間の空間において前記第１流体と前記第２流体とを混合する。
【００３２】
上記の本発明の物理蒸着装置は、第１蒸発チャンバー第２蒸発チャンバーと成膜チャンバーを有し、第１蒸発チャンバーは内部に第１蒸発源と第１プラズマトーチを備え、第２蒸発チャンバーは内部に第２蒸発源と第２プラズマトーチを備え、また、成膜チャンバーは内部に流体混合部と超音速ノズルと成膜対象基板を備えている。
上記の第１および第２プラズマトーチは、それぞれ、略円筒形の導電性のアノードと、アノードの内側に挿入された、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管と、アノードに接しないように、絶縁管の内側に挿入された棒状のカソードと、アノードの外周部に配置された保持管とを有する。
上記の保持管は、カソードに電気的に接続してカソードを機械的に保持する第１保持部材と、アノードに電気的に接続してカソードを機械的に保持する第２保持部材と、第１保持部材および第２保持部材を介してアノードおよびカソードを機械的に保持する第３保持部材とを有し、少なくとも第１保持部材と第２保持部材の間および第２保持部材と第３保持部材の間がセラミクスの絶縁部材に溶接によって接合され、第１保持部材、第２保持部材および第３保持部材が互いに絶縁しながら一体化されている。また、アノード、カソードおよび保持管の真空シールとしてＶＣＲ継ぎ手および／またはＩＣＦフランジが用いられている。
カソードに負電圧を、アノードおよび／または第１あるいは第２蒸発源に正電圧を印加してプラズマを形成し、得られたプラズマにより第１および第２蒸発源から第１および第２微粒子を生成する。
流体混合部は、第１蒸発チャンバーから移送された前記第１微粒子と第２蒸発チャンバーから移送された第２微粒子を混合する。
混合された第１微粒子と第２微粒子を超音速ノズルが生み出す超音速ガス流（超音速フリージェットの気流）に乗せ、成膜対象基板に混合された第１微粒子と第２微粒子を物理蒸着させる。
また、上記の流体混合部は、略矩形形状の第１噴き出し口を有する第１混合ノズルと、第１噴き出し口と同じ形状の第２噴き出し口を有し、第１混合ノズルと同軸上に対向して設けられた第２混合ノズルとを有し、第１噴き出し口から第１微粒子を含む第１流体を噴き出し、第２噴き出し口から第２微粒子を含む第２流体を噴き出し、第１噴き出し口と第２噴き出し口の間の空間において第１流体と前記第２流体とを混合する構成となっている。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の物理蒸着装置は、プラズマトーチとして、プラズマチップと電極とを絶縁するために、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管を用いており、ベークライトを用いていないので超高真空環境でもアウトガスをより発生させずに使用することができ、より汚染されていない活性な表面を有する微粒子を堆積させることで緻密な膜を成膜することができる。
【００３４】
さらに、第１微粒子と第２微粒子を混合する流体混合部として、同軸対向衝突噴流の発振現象を利用して、外部からの電気などのエネルギーを用いず、機械的な可動部を用いないで、均一に混合することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下に、本発明に係る物理蒸着装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００３６】
第１実施形態
図１は本実施形態に係る超音速フリージェット（Supersonic Free Jet:ＳＦＪ）物理蒸着（Physical Vapor Deposition：ＰＶＤ）装置の模式構成図である。
本実施形態のＳＦＪ−ＰＶＤ装置は、第１蒸発チャンバー１０、第２蒸発チャンバー２０およ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。
【００３７】
第１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。
【００３８】
第１蒸発チャンバー１０内には、水冷された銅製のるつぼ１４が設けられ、この中に第１蒸発源材料１５が入れられている。第１蒸発源材料１５の近傍に第１プラズマトーチ１６が設けられており、第１プラズマトーチ１６を構成するプラズマチップと内部電極間での放電により発生するプラズマガスを媒体として、非移行式で第１蒸発源材料１５が加熱されて蒸発し、第１蒸発源材料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１７を通して成膜チャンバー３０へと移送される。
【００３９】
第２蒸発チャンバー２０も第１蒸発チャンバー１０と同様の構成を有する。
即ち、第２蒸発チャンバー２０に接続した排気管２１から真空ポンプ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、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。
また、第２蒸発チャンバー２０内に設けられたるつぼ２４の中に第２蒸発源材料２５が入れられ、この近傍に設けられた第２プラズマトーチ２６により発生するプラズマガスを媒体として、非移行式で第２蒸発源材料２５が加熱されて蒸発し、第２蒸発源材料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２７を通して成膜チャンバー３０へと移送される。
【００４０】
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に成膜対象基板３３が固定される。
成膜対象基板としては、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。
【００４１】
第１蒸発チャンバー１０からの移送管１７の先端と、第２蒸発チャンバー２０からの移送管２７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超音速ノズル（ラバールノズル）３５が設けられている。各移送管（１７，２７）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。
【００４２】
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および第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ナノ粒子および第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において混合し、流体混合部３４の中央部に取り付けられた超音速ノズル（ラバールノズル）３５から超音速ガス流（超音速フリージェットの気流）として成膜チャンバー３０中に、成膜対象基板３３に向けて噴出する。即ち、第１ナノ粒子と第２ナノ粒子が流体混合部３４において混合する。
超音速ノズル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、移送管の先端に接続され、あるいは移送管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。
第１ナノ粒子と第２ナノ粒子は、例えば、超音速ノズル３５によってマッハ数３．６程度の超音速にまで加速され、超音速ガス流に乗って成膜チャンバー３０中に噴出し、成膜対象基板３３上に堆積（物理蒸着）する。
【００４３】
次に、上記の第１プラズマトーチ１６および第２プラズマトーチ２６として用いられているプラズマトーチについて説明する。
図２は本実施形態に係る物理蒸着装置を構成するプラズマトーチの一部断面構造を示す模式構成図である。また、図３は図２中のＡ部の拡大図である。
本実施形態に係るプラズマトーチは、略円筒形の導電性のアノード４０と、アノードの内側に挿入された、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管５０と、アノード４０に接しないように絶縁管５０の内側に挿入された棒状のカソード６０とを有する。
【００４４】
アノード４０は、略円筒形状のアノード第１部材４０ａと、アノード第１部材４０ａの先端に設けられたアノード第２部材４０ｂとが銅製のシール剤４０ｃを介して接続されて組み立てられている。アノード第１部材４０ａおよびアノード第２部材１０ｂは、例えば、ステンレス、銅、タングステンなどの金属材料から構成されている。
【００４５】
アノード第１部材４０ａは、肉厚の略円筒形状であって部分的に中空構造となっており、冷却水導入口４１ａと冷却水導出口４１ｂに接続されている水冷系統４１が内部に埋め込まれて、冷却水４１ｆにより冷却されている。
冷却系統４１により、プラズマ生成で加熱されてしまうアノード４０を効率的に冷却することができる。
【００４６】
アノード第２部材４０ｂは、略円筒形状のアノード第１部材４０ａの一端部に蓋をするように設けられており、その中心部に開口部４０ｈを有する。アノード第２部材４０ｂの内径は、例えば、アノード第１部材４０ａの内径から数段階で徐々に狭められている構造となっており、アノード第２部材４０ｂの外径は、例えば、アノード第１部材４０ａの外径からなめらかに先端程狭められているテーパー状となっている。
このようにして、カソード６０の先端近傍で、アノード４０の径が狭められた形状となっている。
【００４７】
絶縁管５０は、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の材料からなり、例えば、石英、マシナブルセラミクス、ボロンナイトライド（ＢＮ）、アルミナあるいはフッ素系樹脂などからなる。例えば、石英やマシナブルセラミクスは、アウトガスを実質的に出さない材料であり、本実施形態に用いるために管状の形状とするのに相対的に安価に用意することができる。特に石英管は様々なサイズのものが市販されており、容易に所望のサイズの絶縁管を容易することができる。
【００４８】
上記のマシナブルセラミクスとは、機械的加工が容易なセラミクスであり、内部にマイカなどの層状構造物を含有するものと、微細なクラックが多数構造的に含まれているものに大別される。前者としては、例えばＫＭｇ3ＡｌＳｉ3Ｏ10Ｆ2のフッ素金雲母などのマイカ結晶化ガラスがあり、また、後者としては、チタン酸アルミニウムなどがある。
【００４９】
絶縁管５０の外径は、アノード第１部材４０ａおよびアノード第２部材４０ｂなどからなるアノード４０の内径に適合するサイズとなっており、アノード第１部材４０ａを貫通して、アノード第２部材４０ｂの内側の階段状の構造で係止されるようにアノード４０の内側に挿入されている。
【００５０】
カソード６０は、先端部に設けられたカソード第１部材６０ａとカソード第１部材６０ａを支持するカソード第２部材６０ｂが接続されて組み立てられている。カソード第１部材６０ａおよびカソード第２部材６０ｂは、例えば、ステンレス、銅、タングステンなどの金属材料から構成されている。
【００５１】
カソード第１部材６０ａは、根本をカソード第２部材６０ｂに支持されるとともに、先端近傍をガストリビュータ５１に係止するように保持されている。ガストリビュータ５１は、アノード第２部材４０ｂの内側の階段状の構造で係止されるように絶縁管５０の先端に嵌め込まれて設けられている。
上記のガストリビュータ５１は、例えばセラミックなどの非高分子系絶縁材料からなり、超高真空環境下においてもアウトガスを実質的に出さない材料からなり、カソードの先端近傍で、アノードとカソードの間に、アノードとカソードの相対位置を位置決めし、アノードとカソードが接しないようにして両者の短絡を防止するように設けられている。また、ガストリビュータ５１には微細な開口部が設けられていて、カソードに対して供給されるプラズマガスを均等に行き渡らせることができる。
【００５２】
カソード第２部材６０ｂは、内部構造として、中心に配置された第１中空部６１と、第１中空部の外周に配置された第２中空部６２ａと、第２中空部６２ａの外周に配置された第３中空部６２ｂとを有する３層構造となっている
ここで、カソード第２部材６０ｂ内の第１中空部６１がプラズマガス供給管である。ここから、上記のガストリビュータ５１を介してアノード４０およびカソード６０の先端部分にプラズマガス６１ｆを供給することができる。
【００５３】
また、カソード第２部材６０ｂ内の第２中空部６２ａが冷却媒である冷却水６２ｆの導入管であり、第３中空部６２ｂが冷却水の導出管である。
第２中空部６２ａおよび第３中空部６２ｂからなる冷却系統６２というアノード４０の冷却系統４１と分離された冷却系統を有することで、熱伝導性の高くない絶縁管５０に内側に挿入されたカソード６０を効率的に冷却することができる。
【００５４】
また、本実施形態のプラズマトーチにおいては、アノード４０の外周部に保持管６５が配置されている。
保持管６５は、カソード６０に電気的に接続してカソードを機械的に保持する第１保持部材６６と、アノード４０に電気的に接続してカソードを機械的に保持する第２保持部材６７と、第１保持部材６６および第２保持部材６７を介してアノード４０およびカソード６０を機械的に保持する第３保持部材６８とを有し、少なくとも第１保持部材６６と第２保持部材６７の間および第２保持部材６７と第３保持部材６８の間がセラミクスの絶縁部材（６９ａ，６９ｂ）に溶接によって接合され、第１保持部材６６、第２保持部材６７および第３保持部材６８が互いに絶縁しながら一体化されている。
【００５５】
上記のように、本実施形態に係るプラズマトーチは、アノードおよびカソードはステンレスなどの金属材料からなり、それらを絶縁管によって絶縁している構造となっている。
さらに、本実施形態に係るプラズマトーチは、真空シールとしてＶＣＲ継ぎ手および／またはＩＣＦフランジが用いられている。
【００５６】
アノード６０およびカソード６０の先端部分において、アノード第２部材４０ｂの内壁とカソード第１部材６０ａの先端とが所定の距離で離間しており、この領域にプラズマガス６１ｆを供給し、さらにアノードとカソードにそれぞれ正電圧と負電圧を印加することにより、アノードとカソード間の放電によってプラズマを発生させる。即ち、いわゆる非移行型のプラズマトーチとなっている。
得られたプラズマは、アノード先端の開口部４０ｈからプラズマトーチの外部に供給することができる。
【００５７】
上記のように、本実施形態のＳＦＪ−ＰＶＤ装置のプラズマトーチは、プラズマチップと電極とを絶縁するために、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管を用いており、ベークライトを用いていないので超高真空環境でもアウトガスをより発生させずに使用することができる。
また、アノードの外周にプラズマトーチ全体を保持し、アノードおよびカソードに所定の電位を印加する保持管を有することで、アウトガスを発生させないようにして超高真空環境に対応することができる。
従って、本実施形態に係るＳＦＪ−ＰＶＤ装置において、プラズマトーチで生成したプラズマにより蒸発源からナノ粒子を生成する場合、上記のプラズマトーチを用いることにより、アウトガスで汚染しないでナノ粒子を生成することができる。このように、本実施形態にプラズマトーチを超高真空環境下あるいはガス置換雰囲気下で使用することで、加熱対象物に不純物が混入することを防止でき、より汚染されていない活性な表面を有する微粒子を堆積させることで緻密な膜を成膜することができる。
また、本実施形態に係るＳＦＪ−ＰＶＤ装置は、１０-10ｔｏｒｒ程度の超高真空環境から大気圧下まで、幅広い雰囲気圧力で使用することができる。
【００５８】
本実施形態に係るＳＦＪ−ＰＶＤ装置は、例えば、アノードとカソードにそれぞれ正電圧と負電圧を印加してプラズマを形成する非移行型と、加熱対象である第１あるいは第２蒸発源とカソードにそれぞれ正電圧と負電圧を印加してプラズマを形成する移行型とで、切り替えを行い、あるいは、２つの型を併用して、動作させることができるようになっている。
これらを切り替え、あるいは併用することで、移行型のエネルギー効率が高いという長所と、非移行型の非加熱物の材質に係わらず使用でき、プラズマの始動性や安定性が高く、制御性がよいという長所を享受でき、より効率的に加熱対象を加熱することができる。移行型と非移行型のいずれにおいても、超高真空環境下の使用で実質的にアウトガスを発生させることがない。
【００５９】
次に、上記の流体混合部３４について説明する。
図４（Ａ）は本実施形態に係る物理蒸着装置の流体混合部の模式構成図である。
第１混合ノズル７０の第１噴き出し口７１と、第２混合ノズル８０の第２噴き出し口８１が同軸上に対向して配置されている。
第１噴き出し口７１と第２噴き出し口８１は同じ略矩形形状であり、第１噴き出し口７１から第１微粒子を含む第１流体を第１噴流７１として噴き出し、第２噴き出し口８１から第２微粒子を含む第２流体を第２噴流８２として噴き出して、第１噴き出し口７１と第２噴き出し口８１の間の空間（混合領域ＭＲ）において、第１流体と第２流体とを混合する。
【００６０】
上記の流体混合部は、２つの流体を導入する矩形の吹き出し口が形成された混合ノズルを持ち、混合しようとする第１流体および第２流体の流路がそれぞれこの混合ノズルに接続される。混合ノズルの対向する噴き出し口から噴き出された流体は、噴流となって互いに衝突する。
【００６１】
図４（Ｂ）〜（Ｄ）は、第１流体と第２流体とが混合するメカニズムを説明する模式図である。このメカニズムは、非特許文献３に記載の同軸対向衝突噴流の発振現象を利用したものである。
これらの図面において、相対的に高圧である領域を実線で囲み、相対的に低圧である領域を破線で囲んで示している。
【００６２】
図４（Ｂ）に示すように、第１混合ノズル７０の第１噴き出し口７１から圧力Ｐ1で第１流体の第１噴流７２を噴き出し、一方、第２混合ノズル８０の第２噴き出し口８１から圧力Ｐ2で第２流体の第２噴流８２を噴き出す。
このとき、第１噴き出し口７１と第２噴き出し口８１の間の空間において、第１噴流７２と第２噴流８２が噴流となって衝突する。
この第１噴流７２と第２噴流８２が衝突することにより、第１噴き出し口７１と第２噴き出し口８１の間の空間の中心部に高圧ＰＭの領域が生じ、この結果、第１噴流７２と第２噴流８２の流れが不安定となる。
【００６３】
上記のように流れが不安定となった第１噴流７２および第２噴流８２は、図４（Ｃ）に示すように、なんらかの外乱によって互いに逆方向に偏向する。第１噴流７２および第２噴流８２の偏向側は巻込みのために低圧となり、逆に非偏向側は噴流の干渉のために高圧となり、さらに衝突面は高圧であるので、第１噴流７２および第２噴流８２の偏向はますます増加する。
第１噴流７２および第２噴流８２の偏向が大きくなると、双方の噴流は互いにすれ違う。このすれ違い面は双方の噴流の巻き込みにより低圧となる。
【００６４】
上記の圧力低下は、各ノズルの噴き出し口（７１，８１）のノズル軸に垂直方向に圧力分布を逆転させ、第１噴流７２および第２噴流８２を再び引き寄せて衝突状態を形成する。圧力分布が各ノズルの噴き出し口（７１，８１）のノズル軸に垂直方向に逆転しているので、第１噴流７２および第２噴流８２の偏向も逆転し、図４（Ｄ）に示すような状態となる。
【００６５】
上記の各ノズルの噴き出し口（７１，８１）のノズル軸に垂直方向に圧力分布と噴流の偏向が逆転する過程が繰り返され、同軸対向して衝突する噴流の発振が生じる。この発振を持続させることで、第１噴流７２と第２噴流８２を混合することができる。
【００６６】
第１噴流７２と第２噴流８２の混合に適した第１混合ノズル７０および第２混合ノズル８０の形状やノズル間距離、ストロハル数などは、流体の種類やレイノルズ数によって決められ、本実施形態のように第１ナノ粒子を含む気相の第１流体と第２ナノ粒子を含む気相の第２流体を混合するには、第１混合ノズル７０の第１噴き出し口７１および第２混合ノズル８０の第２噴き出し口８１において、略矩形形状の短辺の長さａと長辺の長さｂのアスペクト比（ｂ／ａ）が４〜６であることが好ましい。
また、第１混合ノズルと第２混合ノズルのノズル間距離は、略矩形形状の短辺の長さの４〜３５倍の距離であることが好ましい。
【００６７】
さらに、第１噴き出し口７１と第２噴き出し口８１の間の空間を挟んで対向するように、略矩形形状の長辺方向に配置され、第１流体と第２流体が略矩形形状の長辺方向に拡散していくのを防止する一対の仕切り板（９０，９１）を有することが好ましい。
上記の仕切り板を設けることにより、衝突した噴流が発振しやすくなって、より均一に混合することができる。
またさらに、一対の仕切り板（９０，９１）の間の距離は、略矩形形状の長辺の長さと略等しいことがさらに好ましい。これにより第１流体の第１噴流７２と第２流体の第２噴流８２が、各噴き出し口の略矩形形状の長辺方向に拡散していくのを防止され、発振しやすくする効果を高めることができる。
【００６８】
上記の本実施形態に係るＳＦＪ−ＰＶＤ装置を構成する流体混合部によれば、同軸対向衝突噴流の発振現象を利用して、外部からの電気などのエネルギーを用いず、機械的な可動部を用いないで、気体の噴流中にナノ粒子を流した固気二相流同士を混合することができ、２つの噴流中の異種材料粉体を精密混合することができる。ＳＦＪ−ＰＶＤ装置において、蒸発源から得た異種ナノ粒子を混合し、これを対象基板上に蒸着させることで異種材料を均一に物理蒸着することができる。
【００６９】
また、上記の流体混合部は、機械的可動部を必要としないため、加工・寸法の制約が少なくコンパクトな形状にすることができるため、狭い空間にも設置できる。
【００７０】
図５（Ａ）は第１実施形態に係る物理蒸着装置の流体混合部の具体例の模式構成図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す流体混合部の構造を示すために部分毎に分解して示した模式図である。
また、図６（Ａ）は図５（Ａ）の流体混合部のＡ方向からの側面図であり、図６（Ｂ）はＢ方向からの正面図である。
また、図７（Ａ）は図５（Ａ）の流体混合部のＣ−Ｃ’における断面図であり、図７（Ｂ）は平面Ｄにおける断面図である。
【００７１】
略矩形形状の第１噴き出し口７１が設けられた円盤状の第１混合ノズル７０と、同じく略矩形形状の第２噴き出し口８１が設けられた円盤状の第２混合ノズル８０とが、一対の仕切り板（９０，９１）で架橋するように接続されている。
第１噴き出し口７１と第２噴き出し口８１の間の空間が、第１流体の第１噴流と第２流体の第２噴流を混合させる混合領域ＭＲとなる。
【００７２】
第１混合ノズル７０、第２混合ノズル８０および一対の仕切り板（９０，９１）は、例えば一体に形成されており、例えば真鍮やステンレスなどの材料から、ＮＣ付きワイヤーカット放電加工装置などを用いて形成されている。あるいは、例えば各部分毎に形成されたものが組み立てられていてもよい。
【００７３】
第１噴き出し口７１と第２噴き出し口８１の形状は、例えば短辺の長さａが〜数ｍｍ程度であり、長辺の長さｂが数〜十数ｍｍ程度であり、短辺の長さａと長辺の長さｂのアスペクト比（ｂ／ａ）が４〜６となっていることが好ましい。
また、第１混合ノズル７０の第１噴き出し口７１と第２混合ノズル８０の第２噴き出し口８１の間のノズル間距離ｃは、例えば第１噴き出し口７１および第２噴き出し口８１の略矩形形状の短辺ａの長さの４〜３５倍の距離であることが好ましい。
例えば、第１噴き出し口７１および第２噴き出し口８１の略矩形形状の短辺の長さａが１ｍｍ程度、長辺の長さｂが４ｍｍ程度、アスペクト比（ｂ／ａ）が４、ノズル間距離が１６ｍｍである。
【００７４】
また、一対の仕切り板（９０，９１）の間の距離ｄは、第１噴き出し口７１および第２噴き出し口８１の略矩形形状の長辺の長さｂと略等しく設けられている。
【００７５】
図８は図５（Ａ）に示す流体混合部を用いて流体を混合する様子を示す模式図である。
例えば、第１混合ノズル７０の混合領域ＭＲと反対側に面に、第１流体供給管Ｔ１を接続し、一方、第２混合ノズル８０の混合領域ＭＲと反対側に面に、第２流体供給管Ｔ２を接続する。
ここで、第１流体供給管Ｔ１から第１ナノ粒子を含む第１流体を供給し、第２流体供給管Ｔ２から第２ナノ粒子を含む第２流体を供給する。第１流体は第１噴流７２となって第１噴き出し口７１から混合領域ＭＲへと噴き出し、また、第２流体は第２噴流８２となって第２噴き出し口８１から混合領域ＭＲへと噴き出し、同軸対向衝突噴流の発振現象により、第１流体と第２流体が混合領域ＭＲで混合する。
混合領域ＭＲに臨む開口部（９２，９３）から混合領域ＭＲの外部へと、混合した流体（９４，９５）が流れだし、さらに例えば合流した流体９６として、超音速ノズルへと流れていく。
【００７６】
ここで、第１流体供給管Ｔ１および第２流体供給管Ｔ２で供給する流体の圧力と、各流体を噴き出す前の混合領域の圧力としては、例えば、第１流体供給管Ｔ１および第２流体供給管Ｔ２で供給する流体の圧力を６０〜９０ｋＰａ、各流体を噴き出す前の混合領域の圧力を０．５〜２ｋＰａとし、噴き出し口の上流と下流における圧力比を例えば４５程度に設定する。
【００７７】
上記の第１流体と第２流体の混合の状況は、例えば、流体混合部の混合領域における圧力の振動を観測することで、確認することが可能である。
また、本実施形態に係るＳＦＪ−ＰＶＤ装置において蒸発源から得た異種ナノ粒子を混合して蒸着して、成膜された蒸着膜の均一性を測定することで、第１流体と第２流体の混合の状況を確認することができる。
【００７８】
上記の本実施形態に係るＳＦＪ−ＰＶＤ装置においては、蒸発チャンバーのプラズマトーチとして、プラズマチップと電極とを絶縁するために、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管を用いており、ベークライトを用いていないので超高真空環境でもアウトガスをより発生させずに使用することができ、より汚染されていない活性な表面を有する微粒子を堆積させることで緻密な膜を成膜することができる。
さらに、第１微粒子と第２微粒子を混合する流体混合部として、同軸対向衝突噴流の発振現象を利用して、外部からの電気などのエネルギーを用いず、機械的な可動部を用いないで、均一に混合することができ、これによって膜質の均一な膜を成膜できる。
【００７９】
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をセットすることで、成膜チャンバーの成膜対象基板にＴｉＡｌ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をセットし、さらに第１および第２蒸発チャンバーのそれぞれに雰囲気ガスとして窒素を流すことで、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎを成膜することができる。
この他、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。
【００８０】
第２実施形態
図９（Ａ）は本実施形態に係る物理蒸着装置の流体混合部の模式構成図であり、図９（Ｂ）は模式断面図である。
第１混合ノズル７０および第２混合ノズル８０が、第１噴き出し口７１および第２噴き出し口８１の近傍において、第１噴き出し口７１および第２噴き出し口８１へと向かって第１流体および第２流体が流れる空間の広さが、それぞれ、第１噴き出し口７１および第２噴き出し口８１に近い下流側よりも第１噴き出し口７１および第２噴き出し口８１から遠い上流側ほど広いテーパー形状となっている部分を有しており、これ以外の構成については、第１実施形態に係る物理蒸着装置と同様である。
【００８１】
本実施形態に係る流体混合部を有する物理蒸着装置では、第１混合ノズル１０および第２混合ノズル２０から噴き出す第１噴流１２と第２噴流２２の噴流速度を高め、第１流体と第２流体をより均一に混合させることができ、さらに膜質の均一な膜を成膜できる。
【００８２】
第３実施形態
図１０は本実施形態に係るＳＦＪ−ＰＶＤ装置の模式構成図である。
実質的に第１実施形態に係るＳＦＪ−ＰＶＤ装置と同様であるが、蒸発チャンバーとして１つ蒸発チャンバーのみが設けられている。即ち、蒸発チャンバー１０およ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。
【００８３】
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。
【００８４】
蒸発チャンバー１０内には、水冷された銅製のるつぼ１４が設けられ、この中に蒸発源材料１５が入れられている。蒸発源材料１５の近傍にプラズマトーチ１６が設けられており、プラズマトーチ１６を構成するプラズマチップと内部電極間での放電により発生するプラズマガスを媒体として、非移行式で蒸発源材料１５が加熱されて蒸発し、蒸発源材料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（ナノ粒子）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１７を通して成膜チャンバー３０へと移送される。
【００８５】
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に成膜対象基板３３が固定される。
蒸発チャンバー１０からの移送管１７の先端に超音速ノズル（ラバールノズル）３５が設けられている。移送管１７の超音速ノズル３５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。
【００８６】
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移送管を通して成膜チャンバー３０へと移送される。
ナノ粒子を含む流体が超音速ノズル（ラバールノズル）３５から超音速ガス流（超音速フリージェットの気流）Ｊとして成膜チャンバー３０中に、成膜対象基板３３に向けて噴出する。
超音速ノズル３５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。
ナノ粒子は、超音速ノズル３５によってマッハ３．６程度の超音速にまで加速され、超音速ガス流に乗って成膜チャンバー３０中に噴出し、成膜対象基板３３上に堆積（物理蒸着）する。
【００８７】
本実施形態に係るＳＦＪ−ＰＶＤ装置においては、第１実施形態と同様に、蒸発チャンバーのプラズマトーチとして、プラズマチップと電極とを絶縁するために、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管を用いており、ベークライトを用いていないので超高真空環境でもアウトガスをより発生させずに使用することができ、より汚染されていない活性な表面を有する微粒子を堆積させることで緻密な膜を成膜することができる。
【００８８】
上記の各実施形態に係るＳＦＪ−ＰＶＤ装置において、超音速ノズルおよび／または移送管の内部を通過する微粒子を含むガスを加熱するための加熱手段が、超音速ノズルおよび／または移送管自体に、あるいは、超音速ノズルおよび／または移送管の外周に設けられている構成としてもよい。
また、超音速ノズルおよび前記移送管の少なくとも一部が石英からなり、超音速ノズルおよび／または移送管の内部を通過する微粒子を含むガスをプラズマ化するためのＲＦコイルが超音速ノズルおよび／または移送管の外周に設けられている構成としてもよい。
上記の各構成とすると、成膜の制御をより精密に行うことができる。
【００８９】
本発明は上記の説明に限定されない。
例えば、上記の実施形態のプラズマトーチにおいては、アノードの外周に配置される保持管として第１〜第３保持部材が絶縁部材を介して互いに絶縁しながら一体化された構成しているが、これに限らず、アノードおよびカソードに所定の電位を印加可能とし、冷却系統やガス供給系統を実現しながら、ベークライトを用いることなく、アノードおよびカソードを超高真空環境下に対応可能とする構成となっていればよい。
また、例えば、流体混合部において、第１流体と第２流体が混合領域から各噴き出し口の略矩形形状の長辺方向に拡散していくのを防止する一対の仕切り板は、設けられている方が好ましいが、必ずしもなくてもよい。
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。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明の物理蒸着装置は、例えば数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方法として適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【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装置を構成するプラズマトーチの一部断面構造を示す模式構成図である。
【図３】図３は図２中のＡ部の拡大図である。
【図４】図４（Ａ）は第１実施形態に係る物理蒸着装置の流体混合部の模式構成図であり、図４（Ｂ）〜（Ｄ）は、第１流体と第２流体とが混合するメカニズムを説明する模式図である。
【図５】図５（Ａ）は第１実施形態に係る物理蒸着装置の流体混合部の具体例の模式構成図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す流体混合部の構造を示すために部分毎に分解して示した模式図である。
【図６】図６（Ａ）は図５（Ａ）の流体混合部のＡ方向からの側面図であり、図６（Ｂ）はＢ方向からの正面図である。
【図７】図７（Ａ）は図５（Ａ）の流体混合部のＣ−Ｃ’における断面図であり、図７（Ｂ）は平面Ｄにおける断面図である。
【図８】図８は図５（Ａ）に示す流体混合部を用いて流体を混合する様子を示す模式図である。
【図９】図９（Ａ）は第２実施形態に係る物理蒸着装置の流体混合部の模式構成図であり、図９（Ｂ）は模式断面図である。
【図１０】図１０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１１】図１１（Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ従来例に係る移行型と非移行型のプラズマトーチの模式構成図である。
【図１２】図１２は従来例に係るＹ字型流体混合装置の模式図である。
【符号の説明】
【００９２】
１…プラズマチップ
３…内部電極
１０…（第１）蒸発チャンバー
１１，２１…排気管
１２…マスフローコントロール
１３…ガス供給源
１４，２４…るつぼ
１５…（第１）蒸発源材料
１６…（第１）プラズマトーチ
１７，２７…移送管
２０…第２蒸発チャンバー
２５…第２蒸発源材料
２６…第２プラズマトーチ
３０…成膜チャンバー
３１…排気管
３２…ステージ
３３…成膜対象基板
３４…流体混合部
３５…超音速ノズル
４０…アノード
４０ａ…アノード第１部材
４０ｂ…アノード第２部材
４０ｃ…シール剤
４０ｈ…開口部
４１…冷却系統
４１ａ…冷却水導入口
４１ｂ…冷却水導出口
４１ｆ…冷却水
５０…絶縁管
５１…ガストリビュータ
６０…カソード
６１…第１中空部
６１ｆ…プラズマガス
６２…冷却系統
６２ａ…第２中空部
６２ｂ…第３中空部
６２ｆ…冷却水
６５…保持管
６６…第１保持部材
６７…第２保持部材
６８…第３保持部材
６９ａ，６９ｂ…絶縁部材
７０…第１混合ノズル
７１…第１噴き出し口
７２…第１噴流
８０…第２混合ノズル
８１…第２噴き出し口
８２…第２噴流
９０，９１…仕切り板
９２，９３…開口部
Ｔ１…第１流体供給管
Ｔ２…第２流体供給管
９４，９５…混合した流体
９６…合流した流体
１００…第１流体
１０１…第１流入口
１１０…第２流体
１１１…第２流入口
１２０…合流部
１３０…取り出し口
Ｓ…被加熱物
Ｇ…プラズマガス
ＶＰ１，ＶＰ２，ＶＰ３…真空ポンプ
ＭＲ…混合領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に蒸発源とプラズマトーチを備え、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記プラズマトーチで発生させたプラズマ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超音速ノズルと成膜対象基板を備え、前記蒸発チャンバーから移送された前記微粒子を前記超音速ノズルが生み出す超音速ガス流に乗せ、前記成膜対象基板に前記微粒子を物理蒸着させる成膜チャンバーと
を有し、
前記プラズマト−チは、
略円筒形の導電性のアノードと、
前記アノードの内側に挿入された、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管と、
前記アノードに接しないように、前記絶縁管の内側に挿入された棒状のカソードと
を有し、
前記カソードに負電圧を、前記アノードおよび／または前記蒸発源に正電圧を印加してプラズマを形成する
物理蒸着装置。
【請求項２】
前記超音速ノズルは、ノズル内部径が変化している縮小―拡大管であり、前記蒸発チャンバーと前記成膜チャンバー間の差圧により生起するガス流を超音速まで高める
請求項１に記載の物理蒸着装置。
【請求項３】
前記超音速ノズルは、マッハ数１．２以上の超音速ガス流を生み出す
請求項２に記載の物理蒸着装置。
【請求項４】
前記超音速ノズルは、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前記成膜チャンバーの排気能力に応じて設計されており、前記移送管の先端に接続され、あるいは前記移送管の先端部分と一体に形成されている
請求項１に記載の物理蒸着装置。
【請求項５】
前記超音速ノズルおよび／または前記移送管の内部を通過する前記微粒子を含むガスを加熱するための加熱手段が前記超音速ノズルおよび／または前記移送管自体にあるいは前記超音速ノズルおよび／または前記移送管の外周に設けられている
請求項１に記載の物理蒸着装置。
【請求項６】
前記超音速ノズルおよび前記移送管の少なくとも一部が石英からなり、
前記超音速ノズルおよび／または前記移送管の内部を通過する前記微粒子を含むガスをプラズマ化するためのＲＦコイルが前記超音速ノズルおよび／または前記移送管の外周に設けられている
請求項１に記載の物理蒸着装置。
【請求項７】
前記プラズマト−チにおいて、前記カソードの先端近傍で、前記アノードと前記カソードの間に、前記アノードと前記カソードの相対位置を位置決めし、前記カソードに対して供給されるプラズマガスを均等に行き渡らせるセラミクスのプラズマガスディストリビュータが設けられている
請求項１に記載の物理蒸着装置。
【請求項８】
前記絶縁管が、石英、マシナブルセラミクス、ボロンナイトライド、アルミナあるいはフッ素系樹脂からなる
請求項１に記載の物理蒸着装置。
【請求項９】
前記プラズマト−チにおいて、前記カソードは、内部構造として、中心に配置された第１中空部と、前記第１中空部の外周に配置された第２中空部と、前記第２中空部の外周に配置された第３中空部とを有する３層構造となっている
請求項１に記載の物理蒸着装置。
【請求項１０】
前記プラズマト−チにおいて、前記カソードの前記第１中空部がプラズマガス供給管である
請求項９に記載の物理蒸着装置。
【請求項１１】
前記プラズマト−チにおいて、
前記カソードの前記第２中空部が冷却媒の導入管であり、
前記カソードの前記第３中空部が前記冷却媒の導出管である
請求項９に記載の物理蒸着装置。
【請求項１２】
前記プラズマト−チにおいて、前記アノードが冷却管を内蔵している
請求項１に記載の物理蒸着装置。
【請求項１３】
前記プラズマト−チにおいて、真空シールとしてＶＣＲ継ぎ手および／またはＩＣＦフランジが用いられている
請求項１に記載の物理蒸着装置。
【請求項１４】
前記プラズマト−チにおいて、前記アノードと前記カソードにそれぞれ正電圧と負電圧を印加してプラズマを形成する方式と、加熱対象である前記蒸発源と前記カソードにそれぞれ正電圧と負電圧を印加してプラズマを形成する方式とで切り替えまたは併用可能である
請求項１に記載の物理蒸着装置。
【請求項１５】
内部に蒸発源とプラズマトーチを備え、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記プラズマトーチで発生させたプラズマ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超音速ノズルと成膜対象基板を備え、前記蒸発チャンバーから移送された前記微粒子を前記超音速ノズルが生み出す超音速ガス流に乗せ、前記成膜対象基板に前記微粒子を物理蒸着させる成膜チャンバーと
を有し、
前記プラズマト−チは、
略円筒形の導電性のアノードと、
前記アノードの内側に挿入された、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管と、
前記アノードに接しないように、前記絶縁管の内側に挿入された棒状のカソードと、
前記アノードの外周部に配置された保持管と
を有し、
前記保持管は、前記カソードに電気的に接続して前記カソードを機械的に保持する第１保持部材と、前記アノードに電気的に接続して前記カソードを機械的に保持する第２保持部材と、前記第１保持部材および前記第２保持部材を介して前記アノードおよび前記カソードを機械的に保持する第３保持部材とを有し、少なくとも前記第１保持部材と前記第２保持部材の間および前記第２保持部材と前記第３保持部材の間がセラミクスの絶縁部材に溶接によって接合され、前記第１保持部材、前記第２保持部材および前記第３保持部材が互いに絶縁しながら一体化されており、
前記アノード、前記カソードおよび前記保持管の真空シールとしてＶＣＲ継ぎ手および／またはＩＣＦフランジが用いられており、
前記カソードに負電圧を、前記アノードおよび／または前記蒸発源に正電圧を印加してプラズマを形成する
物理蒸着装置。
【請求項１６】
内部に第１蒸発源と第１プラズマトーチを備え、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第１プラズマトーチで発生させたプラズマにより前記第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蒸発源と第２プラズマトーチを備え、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第２プラズマトーチで発生させたプラズマにより前記第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流体混合部および超音速ノズルと成膜対象基板を備え、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微粒子を前記超音速ノズルが生み出す超音速ガス流に乗せ、前記成膜対象基板に混合された前記第１微粒子と前記第２微粒子を物理蒸着させる成膜チャンバーと
を有し、
前記第１プラズマト−チおよび第２プラズマトーチは、それぞれ、
略円筒形の導電性のアノードと、
前記アノードの内側に挿入された、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管と、
前記アノードに接しないように、前記絶縁管の内側に挿入された棒状のカソードと
を有し、
前記カソードに負電圧を、前記アノードおよび／または前記第１あるいは第２蒸発源に正電圧を印加してプラズマを形成し、
前記流体混合部は、
略矩形形状の第１噴き出し口を有する第１混合ノズルと、
前記第１噴き出し口と同じ形状の第２噴き出し口を有し、前記第１混合ノズルと同軸上に対向して設けられた第２混合ノズルと
を有し、
第１噴き出し口から前記第１微粒子を含む第１流体を噴き出し、前記第２噴き出し口から前記第２微粒子を含む第２流体を噴き出し、前記第１噴き出し口と前記第２噴き出し口の間の空間において前記第１流体と前記第２流体とを混合する
物理蒸着装置。
【請求項１７】
前記流体混合部において、前記略矩形形状の短辺の長さａと長辺の長さｂのアスペクト比（ｂ／ａ）が４〜６である
請求項１６に記載の物理蒸着装置。
【請求項１８】
前記流体混合部において、前記第１混合ノズルと前記第２混合ノズルのノズル間距離が、前記略矩形形状の短辺の長さの４〜３５倍の距離である
請求項１６に記載の物理蒸着装置。
【請求項１９】
前記流体混合部において、前記第１混合ノズルは、前記第１噴き出し口の近傍において、前記第１噴き出し口へと向かって前記第１流体が流れる空間の広さが、前記第１噴き出し口に近い下流側よりも前記第１噴き出し口から遠い上流側ほど広いテーパー形状となっている部分を有し、前記第２混合ノズルは、前記第２噴き出し口の近傍において、前記第２噴き出し口へと向かって前記第２流体が流れる空間の広さが、前記第２噴き出し口に近い下流側よりも前記第２噴き出し口から遠い上流側ほど広いテーパー形状となっている部分を有する
請求項１６に記載の物理蒸着装置。
【請求項２０】
前記流体混合部において、前記第１噴き出し口と前記第２噴き出し口の間の空間を挟んで対向するように、前記略矩形形状の長辺方向に配置され、前記第１流体と前記第２流体が前記略矩形形状の長辺方向に拡散していくのを防止する一対の仕切り板を有する
請求項１６に記載の物理蒸着装置。
【請求項２１】
前記流体混合部において、前記一対の仕切り板の間の距離が、前記略矩形形状の長辺の長さと略等しい
請求項２０に記載の物理蒸着装置。
【請求項２２】
前記第１プラズマトーチおよび／または前記第２プラズマトーチにおいて、前記カソードの先端近傍で、前記アノードと前記カソードの間に、前記アノードと前記カソードの相対位置を位置決めし、前記カソードに対して供給されるプラズマガスを均等に行き渡らせるセラミクスのプラズマガスディストリビュータが設けられている
請求項１６に記載の物理蒸着装置。
【請求項２３】
前記第１プラズマトーチおよび／または前記第２プラズマトーチにおいて、前記カソードは、内部構造として、中心に配置された第１中空部と、前記第１中空部の外周に配置された第２中空部と、前記第２中空部の外周に配置された第３中空部とを有する３層構造となっている
請求項１６に記載の物理蒸着装置。
【請求項２４】
前記第１プラズマトーチおよび／または前記第２プラズマトーチにおいて、前記カソードの前記第１中空部がプラズマガス供給管である
請求項２３に記載の物理蒸着装置。
【請求項２５】
前記第１プラズマトーチおよび／または前記第２プラズマトーチにおいて、前記カソードの前記第２中空部が冷却媒の導入管であり、前記カソードの前記第３中空部が前記冷却媒の導出管である
請求項１６に記載の物理蒸着装置。
【請求項２６】
前記第１プラズマトーチおよび／または前記第２プラズマトーチにおいて、前記アノードが冷却管を内蔵している
請求項１６に記載の物理蒸着装置。
【請求項２７】
前記第１プラズマトーチおよび／または前記第２プラズマトーチにおいて、真空シールとしてＶＣＲ継ぎ手および／またはＩＣＦフランジが用いられている
請求項１６に記載の物理蒸着装置。
【請求項２８】
前記第１プラズマトーチおよび／または前記第２プラズマトーチにおいて、前記アノードと前記カソードにそれぞれ正電圧と負電圧を印加してプラズマを形成する方式と、加熱対象である前記第１あるいは第２蒸発源と前記カソードにそれぞれ正電圧と負電圧を印加してプラズマを形成する方式とで切り替えまたは併用可能である
請求項１６に記載の物理蒸着装置。
【請求項２９】
内部に第１蒸発源と第１プラズマトーチを備え、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第１プラズマトーチで発生させたプラズマにより前記第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蒸発源と第２プラズマトーチを備え、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第２プラズマトーチで発生させたプラズマにより前記第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流体混合部および超音速ノズルと成膜対象基板を備え、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微粒子を前記超音速ノズルが生み出す超音速ガス流に乗せ、前記成膜対象基板に混合された前記第１微粒子と前記第２微粒子を物理蒸着させる成膜チャンバーと
を有し、
前記第１プラズマト−チおよび前記第２プラズマトーチは、それぞれ、
略円筒形の導電性のアノードと、
前記アノードの内側に挿入された、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管と、
前記アノードに接しないように、前記絶縁管の内側に挿入された棒状のカソードと、
前記アノードの外周部に配置された保持管と
を有し、
前記保持管は、前記カソードに電気的に接続して前記カソードを機械的に保持する第１保持部材と、前記アノードに電気的に接続して前記カソードを機械的に保持する第２保持部材と、前記第１保持部材および前記第２保持部材を介して前記アノードおよび前記カソードを機械的に保持する第３保持部材とを有し、少なくとも前記第１保持部材と前記第２保持部材の間および前記第２保持部材と前記第３保持部材の間がセラミクスの絶縁部材に溶接によって接合され、前記第１保持部材、前記第２保持部材および前記第３保持部材が互いに絶縁しながら一体化されており、
前記アノード、前記カソードおよび前記保持管の真空シールとしてＶＣＲ継ぎ手および／またはＩＣＦフランジが用いられており、
前記カソードに負電圧を、前記アノードおよび／または前記第１あるいは第２蒸発源に正電圧を印加してプラズマを形成し、
前記流体混合部は、
略矩形形状の第１噴き出し口を有する第１混合ノズルと、
前記第１噴き出し口と同じ形状の第２噴き出し口を有し、前記第１混合ノズルと同軸上に対向して設けられた第２混合ノズルと
を有し、
第１噴き出し口から前記第１微粒子を含む第１流体を噴き出し、前記第２噴き出し口から前記第２微粒子を含む第２流体を噴き出し、前記第１噴き出し口と前記第２噴き出し口の間の空間において前記第１流体と前記第２流体とを混合する
物理蒸着装置。
【請求項１】
内部に蒸発源とプラズマトーチを備え、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記プラズマトーチで発生させたプラズマ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超音速ノズルと成膜対象基板を備え、前記蒸発チャンバーから移送された前記微粒子を前記超音速ノズルが生み出す超音速ガス流に乗せ、前記成膜対象基板に前記微粒子を物理蒸着させる成膜チャンバーと
を有し、
前記プラズマト−チは、
略円筒形の導電性のアノードと、
前記アノードの内側に挿入された、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管と、
前記アノードに接しないように、前記絶縁管の内側に挿入された棒状のカソードと
を有し、
前記カソードに負電圧を、前記アノードおよび／または前記蒸発源に正電圧を印加してプラズマを形成する
物理蒸着装置。
【請求項２】
前記超音速ノズルは、ノズル内部径が変化している縮小―拡大管であり、前記蒸発チャンバーと前記成膜チャンバー間の差圧により生起するガス流を超音速まで高める
請求項１に記載の物理蒸着装置。
【請求項３】
前記超音速ノズルは、マッハ数１．２以上の超音速ガス流を生み出す
請求項２に記載の物理蒸着装置。
【請求項４】
前記超音速ノズルは、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前記成膜チャンバーの排気能力に応じて設計されており、前記移送管の先端に接続され、あるいは前記移送管の先端部分と一体に形成されている
請求項１に記載の物理蒸着装置。
【請求項５】
前記超音速ノズルおよび／または前記移送管の内部を通過する前記微粒子を含むガスを加熱するための加熱手段が前記超音速ノズルおよび／または前記移送管自体にあるいは前記超音速ノズルおよび／または前記移送管の外周に設けられている
請求項１に記載の物理蒸着装置。
【請求項６】
前記超音速ノズルおよび前記移送管の少なくとも一部が石英からなり、
前記超音速ノズルおよび／または前記移送管の内部を通過する前記微粒子を含むガスをプラズマ化するためのＲＦコイルが前記超音速ノズルおよび／または前記移送管の外周に設けられている
請求項１に記載の物理蒸着装置。
【請求項７】
前記プラズマト−チにおいて、前記カソードの先端近傍で、前記アノードと前記カソードの間に、前記アノードと前記カソードの相対位置を位置決めし、前記カソードに対して供給されるプラズマガスを均等に行き渡らせるセラミクスのプラズマガスディストリビュータが設けられている
請求項１に記載の物理蒸着装置。
【請求項８】
前記絶縁管が、石英、マシナブルセラミクス、ボロンナイトライド、アルミナあるいはフッ素系樹脂からなる
請求項１に記載の物理蒸着装置。
【請求項９】
前記プラズマト−チにおいて、前記カソードは、内部構造として、中心に配置された第１中空部と、前記第１中空部の外周に配置された第２中空部と、前記第２中空部の外周に配置された第３中空部とを有する３層構造となっている
請求項１に記載の物理蒸着装置。
【請求項１０】
前記プラズマト−チにおいて、前記カソードの前記第１中空部がプラズマガス供給管である
請求項９に記載の物理蒸着装置。
【請求項１１】
前記プラズマト−チにおいて、
前記カソードの前記第２中空部が冷却媒の導入管であり、
前記カソードの前記第３中空部が前記冷却媒の導出管である
請求項９に記載の物理蒸着装置。
【請求項１２】
前記プラズマト−チにおいて、前記アノードが冷却管を内蔵している
請求項１に記載の物理蒸着装置。
【請求項１３】
前記プラズマト−チにおいて、真空シールとしてＶＣＲ継ぎ手および／またはＩＣＦフランジが用いられている
請求項１に記載の物理蒸着装置。
【請求項１４】
前記プラズマト−チにおいて、前記アノードと前記カソードにそれぞれ正電圧と負電圧を印加してプラズマを形成する方式と、加熱対象である前記蒸発源と前記カソードにそれぞれ正電圧と負電圧を印加してプラズマを形成する方式とで切り替えまたは併用可能である
請求項１に記載の物理蒸着装置。
【請求項１５】
内部に蒸発源とプラズマトーチを備え、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記プラズマトーチで発生させたプラズマ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超音速ノズルと成膜対象基板を備え、前記蒸発チャンバーから移送された前記微粒子を前記超音速ノズルが生み出す超音速ガス流に乗せ、前記成膜対象基板に前記微粒子を物理蒸着させる成膜チャンバーと
を有し、
前記プラズマト−チは、
略円筒形の導電性のアノードと、
前記アノードの内側に挿入された、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管と、
前記アノードに接しないように、前記絶縁管の内側に挿入された棒状のカソードと、
前記アノードの外周部に配置された保持管と
を有し、
前記保持管は、前記カソードに電気的に接続して前記カソードを機械的に保持する第１保持部材と、前記アノードに電気的に接続して前記カソードを機械的に保持する第２保持部材と、前記第１保持部材および前記第２保持部材を介して前記アノードおよび前記カソードを機械的に保持する第３保持部材とを有し、少なくとも前記第１保持部材と前記第２保持部材の間および前記第２保持部材と前記第３保持部材の間がセラミクスの絶縁部材に溶接によって接合され、前記第１保持部材、前記第２保持部材および前記第３保持部材が互いに絶縁しながら一体化されており、
前記アノード、前記カソードおよび前記保持管の真空シールとしてＶＣＲ継ぎ手および／またはＩＣＦフランジが用いられており、
前記カソードに負電圧を、前記アノードおよび／または前記蒸発源に正電圧を印加してプラズマを形成する
物理蒸着装置。
【請求項１６】
内部に第１蒸発源と第１プラズマトーチを備え、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第１プラズマトーチで発生させたプラズマにより前記第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蒸発源と第２プラズマトーチを備え、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第２プラズマトーチで発生させたプラズマにより前記第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流体混合部および超音速ノズルと成膜対象基板を備え、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微粒子を前記超音速ノズルが生み出す超音速ガス流に乗せ、前記成膜対象基板に混合された前記第１微粒子と前記第２微粒子を物理蒸着させる成膜チャンバーと
を有し、
前記第１プラズマト−チおよび第２プラズマトーチは、それぞれ、
略円筒形の導電性のアノードと、
前記アノードの内側に挿入された、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管と、
前記アノードに接しないように、前記絶縁管の内側に挿入された棒状のカソードと
を有し、
前記カソードに負電圧を、前記アノードおよび／または前記第１あるいは第２蒸発源に正電圧を印加してプラズマを形成し、
前記流体混合部は、
略矩形形状の第１噴き出し口を有する第１混合ノズルと、
前記第１噴き出し口と同じ形状の第２噴き出し口を有し、前記第１混合ノズルと同軸上に対向して設けられた第２混合ノズルと
を有し、
第１噴き出し口から前記第１微粒子を含む第１流体を噴き出し、前記第２噴き出し口から前記第２微粒子を含む第２流体を噴き出し、前記第１噴き出し口と前記第２噴き出し口の間の空間において前記第１流体と前記第２流体とを混合する
物理蒸着装置。
【請求項１７】
前記流体混合部において、前記略矩形形状の短辺の長さａと長辺の長さｂのアスペクト比（ｂ／ａ）が４〜６である
請求項１６に記載の物理蒸着装置。
【請求項１８】
前記流体混合部において、前記第１混合ノズルと前記第２混合ノズルのノズル間距離が、前記略矩形形状の短辺の長さの４〜３５倍の距離である
請求項１６に記載の物理蒸着装置。
【請求項１９】
前記流体混合部において、前記第１混合ノズルは、前記第１噴き出し口の近傍において、前記第１噴き出し口へと向かって前記第１流体が流れる空間の広さが、前記第１噴き出し口に近い下流側よりも前記第１噴き出し口から遠い上流側ほど広いテーパー形状となっている部分を有し、前記第２混合ノズルは、前記第２噴き出し口の近傍において、前記第２噴き出し口へと向かって前記第２流体が流れる空間の広さが、前記第２噴き出し口に近い下流側よりも前記第２噴き出し口から遠い上流側ほど広いテーパー形状となっている部分を有する
請求項１６に記載の物理蒸着装置。
【請求項２０】
前記流体混合部において、前記第１噴き出し口と前記第２噴き出し口の間の空間を挟んで対向するように、前記略矩形形状の長辺方向に配置され、前記第１流体と前記第２流体が前記略矩形形状の長辺方向に拡散していくのを防止する一対の仕切り板を有する
請求項１６に記載の物理蒸着装置。
【請求項２１】
前記流体混合部において、前記一対の仕切り板の間の距離が、前記略矩形形状の長辺の長さと略等しい
請求項２０に記載の物理蒸着装置。
【請求項２２】
前記第１プラズマトーチおよび／または前記第２プラズマトーチにおいて、前記カソードの先端近傍で、前記アノードと前記カソードの間に、前記アノードと前記カソードの相対位置を位置決めし、前記カソードに対して供給されるプラズマガスを均等に行き渡らせるセラミクスのプラズマガスディストリビュータが設けられている
請求項１６に記載の物理蒸着装置。
【請求項２３】
前記第１プラズマトーチおよび／または前記第２プラズマトーチにおいて、前記カソードは、内部構造として、中心に配置された第１中空部と、前記第１中空部の外周に配置された第２中空部と、前記第２中空部の外周に配置された第３中空部とを有する３層構造となっている
請求項１６に記載の物理蒸着装置。
【請求項２４】
前記第１プラズマトーチおよび／または前記第２プラズマトーチにおいて、前記カソードの前記第１中空部がプラズマガス供給管である
請求項２３に記載の物理蒸着装置。
【請求項２５】
前記第１プラズマトーチおよび／または前記第２プラズマトーチにおいて、前記カソードの前記第２中空部が冷却媒の導入管であり、前記カソードの前記第３中空部が前記冷却媒の導出管である
請求項１６に記載の物理蒸着装置。
【請求項２６】
前記第１プラズマトーチおよび／または前記第２プラズマトーチにおいて、前記アノードが冷却管を内蔵している
請求項１６に記載の物理蒸着装置。
【請求項２７】
前記第１プラズマトーチおよび／または前記第２プラズマトーチにおいて、真空シールとしてＶＣＲ継ぎ手および／またはＩＣＦフランジが用いられている
請求項１６に記載の物理蒸着装置。
【請求項２８】
前記第１プラズマトーチおよび／または前記第２プラズマトーチにおいて、前記アノードと前記カソードにそれぞれ正電圧と負電圧を印加してプラズマを形成する方式と、加熱対象である前記第１あるいは第２蒸発源と前記カソードにそれぞれ正電圧と負電圧を印加してプラズマを形成する方式とで切り替えまたは併用可能である
請求項１６に記載の物理蒸着装置。
【請求項２９】
内部に第１蒸発源と第１プラズマトーチを備え、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第１プラズマトーチで発生させたプラズマにより前記第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蒸発源と第２プラズマトーチを備え、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記第２プラズマトーチで発生させたプラズマにより前記第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流体混合部および超音速ノズルと成膜対象基板を備え、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微粒子を前記超音速ノズルが生み出す超音速ガス流に乗せ、前記成膜対象基板に混合された前記第１微粒子と前記第２微粒子を物理蒸着させる成膜チャンバーと
を有し、
前記第１プラズマト−チおよび前記第２プラズマトーチは、それぞれ、
略円筒形の導電性のアノードと、
前記アノードの内側に挿入された、ベークライトよりもアウトガスの少ない高分子系または非高分子系の絶縁管と、
前記アノードに接しないように、前記絶縁管の内側に挿入された棒状のカソードと、
前記アノードの外周部に配置された保持管と
を有し、
前記保持管は、前記カソードに電気的に接続して前記カソードを機械的に保持する第１保持部材と、前記アノードに電気的に接続して前記カソードを機械的に保持する第２保持部材と、前記第１保持部材および前記第２保持部材を介して前記アノードおよび前記カソードを機械的に保持する第３保持部材とを有し、少なくとも前記第１保持部材と前記第２保持部材の間および前記第２保持部材と前記第３保持部材の間がセラミクスの絶縁部材に溶接によって接合され、前記第１保持部材、前記第２保持部材および前記第３保持部材が互いに絶縁しながら一体化されており、
前記アノード、前記カソードおよび前記保持管の真空シールとしてＶＣＲ継ぎ手および／またはＩＣＦフランジが用いられており、
前記カソードに負電圧を、前記アノードおよび／または前記第１あるいは第２蒸発源に正電圧を印加してプラズマを形成し、
前記流体混合部は、
略矩形形状の第１噴き出し口を有する第１混合ノズルと、
前記第１噴き出し口と同じ形状の第２噴き出し口を有し、前記第１混合ノズルと同軸上に対向して設けられた第２混合ノズルと
を有し、
第１噴き出し口から前記第１微粒子を含む第１流体を噴き出し、前記第２噴き出し口から前記第２微粒子を含む第２流体を噴き出し、前記第１噴き出し口と前記第２噴き出し口の間の空間において前記第１流体と前記第２流体とを混合する
物理蒸着装置。
【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２００６−１１１９２１（Ｐ２００６−１１１９２１Ａ）
【公開日】平成１８年４月２７日（２００６．４．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３００１２２（Ｐ２００４−３００１２２）
【出願日】平成１６年１０月１４日（２００４．１０．１４）
【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１８年４月２７日（２００６．４．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１０月１４日（２００４．１０．１４）
【出願人】（８００００００８０）タマティーエルオー株式会社 (255)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]