JPH0627329B2 - 導電および誘電性固体薄膜のガスジェット付着方法および装置とそれによって製造される生産物 - Google Patents

導電および誘電性固体薄膜のガスジェット付着方法および装置とそれによって製造される生産物

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JPH0627329B2
JPH0627329B2 JP60500942A JP50094285A JPH0627329B2 JP H0627329 B2 JPH0627329 B2 JP H0627329B2 JP 60500942 A JP60500942 A JP 60500942A JP 50094285 A JP50094285 A JP 50094285A JP H0627329 B2 JPH0627329 B2 JP H0627329B2
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Description

【発明の詳細な説明】 １．発明の分野 この発明は一般的にはサブストレート材料の上に固体薄
膜の形をした材料を形成する技術である固体薄膜被覆付
着技法の分野に関する。特に、ここに記述する発明は他
の技法によって要求される場合よりも低い真空条件で古
い材料と新しい材料の付着を可能にする。そのような被
覆材料は特に、エレクトロニクス、光学、衣服表面、保
護被覆、触媒材料、粉末冶金、および生物医学的移植片
表面被覆の領域において独特で非常に有用な特性を発揮
することができる。
２．発明の背景 近年、従来技術では支持材料のため化学的な保護を与え
る腐食防止材料（たとえば航空エンジンタービン羽根の
酸化物被覆）のごとき支持固体サブストレート材料を覆
う固体薄膜状の種々の有用な材料を製造するために経済
的にものになる技術を開発することに多くの努力が払わ
れてきた。今日、使用されている他の多くの技法が存在
するが、それらはすべて次の５つのカテゴリの１つに分
類できる。
１） 物理的蒸着 ２） 化学的蒸着 ３） エレクトロおよびエレクトロニクス付着 ４） 熱スプレー法 ５） 重合体被覆法 しかしながら、これらの種々の方法はすべて次の３つの
工程を含む。すなわち（１）付着種の合成；（２）付着
種の発生源または合成場所から付着用地への付着種の移
動；（３）付着および引き続く膜の成長。
従来例では同じ薄膜材料がいくつかの別の方法で形成さ
れやすいということがわかる。たとえばソーラ電力変換
技術で使用できるアモルファス水素化合シリコン薄膜は
３つの基本的に異なった方法で作成される：すなわち
（１）プラズマ付着；（２）スパッタリングおよび
（３）化学的蒸着である（たとえばＭ．Ｈ．ブロドスキ
ーによる「アモルファスシリコン膜のプラズマプリパレ
ーション」Ｔhin Ｓolid Ｆilms ５０，１９７８
Ｅlesevier Ｓequoia Ｓ．Ａ．，Ｌausanne −−オラ
ンダ；Ｔ．Ｄ．マウスタカスその他による「ＲＦスパッ
タリングによる高光導電アモルファスシリコン」Ｓolid
Ｓtate Ｃommunications ２３，１９７７ Ｐerga
mon Ｐress −−イギリス；Ｓ．Ｃ．ガウその他によ
る「化学的蒸着による高級シランからのアモルファスシ
リコンのプリパレーション」Ａpplied Ｐhysics Ｌet
ters ３９（５）１９８１ Ａmerican Ｉnstitute
of Ｐhisicxcsを参照）。付着方法における革新はしば
しばそれ自身を生成物材料における直接的な改善として
でなく、むしろプロセス技術における経済的な改善とし
て現われる。装置と方法の両方についての私の発明が簡
単な流れシステムの使用で薄膜材料の付着を行なうのを
可能にするというのはプロセスにおける改善にほかなら
ない。なお、以前には複雑な高真空装置を使用する方法
が必要であった。前記の結果、公知の化学的種の新しい
構造の合成と付着も可能となる。
３．発明の要約 私の発明はキャリアガスに希釈濃度で存在する付着化学
種を凝縮と付着が起こるサブストレート材料に蒸着種の
合成が起こる用地から輸送する不活性キャリアガスの高
速ジェットを使って気相から飽和化学的蒸気種をサブス
トレート材料の上に付着することによって有効な固体薄
膜材料を製造するのを可能にする。
私の発明の他の目的、利益、および新規な特徴、ならび
に「有用な薄い固体材料」という広い言葉を使う必要性
と動機は私の発明から逸脱することなしに以下の私の発
明の好ましい実施例の詳細な説明と添付図面を吟味する
ことによって現在および将来当業者に明白となるであろ
う。第１図は私の発明にとって有効な装置の好ましい実
施例を描写している。そこには、ノズル１−１と、該ノ
ズル１−１の下流にここでは付着室と名付けられる室１
−２が示されている。流線１−３のように示されている
不活性流れガスはキャリア流体として働く。機械的なポ
ンプ１−４は入口１−６に通じるガス供給源１−５から
の不活性キャリアガス１−３の安定な流れを生じさせ
る。その流れはノズル１−１を通って付着室１−２へ進
みその付着室１−２でジェット１−７を形成する。その
流れは出口１−６を通って出ていく。もし望むのであれ
ば、その流れを再流通ルーブ１−９によって再流通させ
てもよい。室１−２内にサブストレート１−１０が配置
され、そのサブストレート上に製造薄膜１−１１が付着
される。図では、その膜の厚みは誇張されている。ノズ
ル１−１に直接対向するサブストレート１−１０表面の
領域を変化させて、より広い部分に被覆するためにノズ
ル１−１とサブストレート１−１０を互いに相対移動さ
せてもよい。移送メカニズム１−１２はサブストレート
を動かすことによってこの動きを実現している。あるい
は、ノズル１−１は固定的なサブストレート１−１０に
対しノズルを相対移動させるメカニズム上に取付けるこ
ともできる。サブストレートの表面の広い領域を被覆す
る相対移動の概念は第１１図に示されている。サブスト
レートを加熱および／もしくは冷却する装置１−１３も
示されており同様にキャリアガスをそれが入口１−７か
らノズル１−１に入る前に加熱または冷却する手段１−
１４も示されている。ポート１−１５は付着室１−２に
対するアクセスを与える。図式的に第１図の破線内に含
まれるフローフィールドの範囲Ｒ１とＲ２は以下で示す
プロセスの説明において重要である。
第２図は特別な材料、このケースではタングステン酸化
物が付着される好ましい方法の特別な例を示している。
第２図でも同じ指示番号が付されている第１図に示され
る装置の一般的な特徴に加えて、タングステン酸化物の
付着に必要な特徴も図示されている。流線１−３で示さ
れているキャリアガスは（他のどんな不活性流体であっ
ても採用可能であるが）ヘリウムである。ガス供給源１
−５内に含まれているヘリウム１−３に混合されている
希釈濃度の酸素２−１（オープンループで示される誇張
化された酸素分子）は入口１−７を通して入ってくる。
タングステンフィラメント２−２が示されている（それ
は第２図の面を横切って曲げられる固体の円筒状棒であ
る）。蒸発したタングステン原子２−３（閉じた円）お
よびタングステン酸化物基２−４（開いた円と閉じた円
の結合対）も示されている。タングステン酸化物付着は
用意されたサブストレート１−１０上に形成されて示さ
れている。タングステン酸化物付着の形成方法は以下説
明する。
第３図は第１図の要部拡大図である。その部分は流れの
上流に最も遠い流れ領域Ｒ１部分を含むフローフィール
ドのノズル出口領域である。ノズル壁３−１は第１図に
おける１−１で表わされるようにノズル、ノズル喉、お
よび出口の集中した部分の端部を表わす。流線１−３は
ノズルを通る不活性キャリアガスの流れを表わしてい
る。飽和した化学的蒸気種３−２（小さな円で表わされ
る分子）はフローフィールドにおいて集中された、或る
源３−３（大きな開いた円として示される）で発生す
る。キャリア流体の流れはこの凝縮分子種を乗せてノズ
ルを通してまたノズルの出口３−４を越えて、それらを
伝送する。凝縮種を含むフローフィールドの領域は破線
によって分離されており、その領域はここで領域Ｒ１と
名付けられる。
第４図は化学反応先駆物質種を不活性キャリア流体の流
れに混ざる希釈成分としてもたらす１つのメカニズムを
示している。第１図のノズル１−１と入口１−６ならび
に不活性キャリアガス流線１−３をここで再現する。第
１図の装置の残りの部分は適当な位置にあると考えられ
るが、第４図には示されていない。このメカニズムでは
飽和を受けた蒸気状先駆物質種４−１（その分子は開円
として示される）は入口のキャリア流体の上流で混合さ
れている。
第５図は先駆物質種をキャリア流体の流れの中にもたら
す付加的なメカニズムを示している。再び第１図のノズ
ル、入口１−６、および流線１−３が再現される。しか
し、第１図において示されている装置の残りの表わされ
ていない特徴は適当な位置にあると想定されたい。それ
らはちょうど第５図では再現していない。このメカニズ
ムでは、先駆物質種は初め固体もしくは液体状態で与え
られる。この固体もしくは液体材料５−１（大きな開円
として表わされている）はフローフィールドにおける適
当な位置に保持される。そして加熱されて分子５−２を
気相中に蒸発（または昇華）させる（これらの分子は小
さな開円として示されている）。これらの分子はキャリ
アガスの流れに乗せられノズルを通して伝送される。
第６図は先駆物質種の導入の他の方法を示している。再
び第１図のノズル１−１、入口１−６、および流線１−
３が再現される。第１図に示される装置も残りの部分は
適当な位置にあると考えられるが示していない。このメ
カニズムでは、反応種６−１（その分子は開円として示
されている）は気相または液相であり領域Ｒ１に出る薄
いチューブ６−２を通してもたらされる。反応先駆物質
は図示されていない供給源から生じると考えられる。
第７図は分岐部を備えるノズル（しばしばラバルノズル
と名付けられる）を示している。ガスの流れは流線１−
３によって示されているその流れは最も大きな狭窄点で
あるノズル喉に達するまで、ノズルの集中部分１−１を
通して加速される。喉を越えてもその流れはまだ集中部
分８−２内に入っている（喉の端部に出口を持ったノズ
ルの場合に比し）。ガスの流れは集中部分の端部で外に
出てジェット１−７を形成する。そのようなノズルは集
中部分のみを持ったものとして第１図に図式的に示され
ているノズル１−１に対し第１図の装置において置換さ
れ得る。
第９図、第１０図および第１１図はキャリアガスの通っ
た流れと、幾何学的に区別される３つのタイプのサブス
トレートへの凝縮種の付着とを示す。これらのサブスト
レートは第１図における装置のサブストレート１−１０
に取って変えることができる。これらの図において現に
再現される第１図の唯一の特徴は流線として示されるキ
ャリアガスジェット１−７である。しかしその装置の残
りのものは適当な位置にあると想定される。それは全く
示されていない。これらの図はサブストレートの幾何学
的形状の３つの可能な一般化したケースと、それによる
ガス混合物のフローフィールドと付着プロセスへのこれ
らのケースの影響を示すのに役立つ。
第８図は曲率が低いかまたは零の一般化した絶壁体また
はサブストレート９−１を通り過ぎるジェット１−７の
流れを示している。曲率はジェット１−７の幅に匹敵し
なければならない。キャリアガスジェット１−７の流線
はその面に突き当たり、それからここで「よどみ点」と
名突けられる突き当たり位置から離れた面に沿って流れ
る。付着種の分子９−２はそれらが凝縮して薄膜被覆９
−３を形成するサブストレート表面へキャリアガス流に
よって伝送される。付着の厚みはこの図では図解の目的
のために誇張されている。付着はよどみ点９−４に最も
集中される。
第９図はジェット１−７の流れの中にエッジが向けられ
た「鋭いエッジ」のサブストレートのまわりのフローフ
ィールドを図示している。この場合、よどみ点１０−４
はエッジそれ自身に起こり、付着はそこに集中される。
再び、付着種の分子１０−２は凝縮し薄膜被覆１０−３
を形成する。
第１０図は大きな曲率のサブストレート１１−１を通り
過ぎるジェット１−７の流れを示す。曲率はジェット１
−７の幅に匹敵するものでなければならない。この場
合、キャリアガスジェット１−７の流線はサブストレー
ト１０−１のまわりを流れ下流で再合流する。付着種の
分子１１−２はそれらが付着して薄膜被覆１１−３を形
成するサブストレート１１−１の表面へキャリア流体１
−７によって伝送される。この場合にも、付着が最も集
中するよどみ点１１−４が存在する。
第１１図はジェット１−７に対しサブストレート１−１
５（もしくはジェットはノズルから放射されるのでノズ
ル１−１）を相対的に動かす第１図の装置のメカニズム
１−１２を採用した場合の概念を示している。あるいは
固定したサブストレート１−１０に対しノズル１−１を
動かすメカニズムであってもよい。それゆえ、ジェット
１−７に対するサブストレートの一般的な動きを図解す
るためには、第１図のジェット１−７とサブストレート
１−１０がここで再現されるだけでよい。なお、第１図
の装置の残りの部分は好適な位置にあると想定される。
また、図解という目的のために、第８図で示されている
ような絶壁体がここではサブストレート１２−１として
示されている。なお、鋭いエッジのサブストレート（第
９図参照）またはジェット１−７の幅に対して大きな曲
率を持ったサブストレート（第１０図参照）をサブスト
レート１２−１に好適に置換えることもできる。第１１
図が示すポイントは、サブストレート１２−１がジェッ
ト１−７に対して動くと凝縮種の付着が最も集中する位
置でもある、キャリアガスの流れのよどみ点１２−４が
サブストレート１２−１の表面を横切って動くというこ
とである。（ジェット１−７に対するサブストレート１
２−１の相対的な動きの方向は第１１図に示されてい
る。）このように、付着が集中するサブストレート１２
−１の表面上の点は１つだけではなく、むしろ集中付着
はその表面を横切って生じる。そして、もしその動きが
均一の割合であれば（もちろん、凝縮種１２−２が一定
の割合でよどみ点に達するという前提で）、均一な厚み
の薄膜１２−３がサブストレート１２−１の表面に凝縮
されるであろう）。
第１２図は第１図に示される装置はサブストレートのバ
ッチ被覆のための「バッチモード」で使用する場合を示
している。第１図のジェット１−７だけが第１２図に示
されている。なお、第１図の装置の残りの部分は適当な
位置にあると想定される。第１図のサブストレート１−
１０の変わりに使用されるのはジェット１−７の流れの
中へ、およびそれを通して個々のサブストレート１３−
２を保持し、移動させるメカニズム１３−１であり、ジ
ェット１−７の流れでサブストレートはジェット１−７
が個々のサブストレート１３−２の表面に凝縮種１３−
４を輸送したとき、それらの薄膜被覆１３−３を受け
る。第９図の鋭いエッジのサブストレートは第１１図で
個々のサブストレート１３−２として示されているが、
第９図と第１１図に示される他のサブストレートの幾何
学的形状もバッチモード時の個々のサブストレートとし
て可能である。個々のサブストレート１３−２のすべて
は第１図の付着室（図示せず）に含まれる。サブストレ
ート１３−２の全バッチが被覆された後、付着が完成
し、付着室１−２は被覆されたサブストレート１３−２
を取出すために開かれる。
第１３図は付着の「半連続」モードにおける第１図の装
置の使用を示している。ここでは第１図のジェット１−
７のみが再現されており、第１図に示されている装置の
残りのものは適当な位置にあると想定される。第１図の
サブストレート１−１０の代わりに使用されているのは
ロールストック（たとえばロールシート金属）の形をし
たサブストレート１４−１である。このロールストック
は１つのスプール１４−２からほどかれて、ロールスト
ックの表面へ凝縮種１４−３を運ぶジェットを通過し、
そのよどみ点で薄膜被覆１４−４を受ける。最後に、被
覆されたサブストレートストックは他のスプール１４−
６に巻取られる。どちらのスプールも第１図の付着室１
−２（ここでは図示せず）内に含まれる。ロールストッ
クが被覆され受信スプール１４−６に巻かれると、付着
は完成し、付着室が開かれる。そして被覆されたサブス
トレートが取出される。絶壁体サブストレート（第８図
参照）−−たとえばロールシートメタル−−または大き
な曲率を持ったサブストレート（第１０図参照）−−た
とえばコイル線−−のどちらも半連続モードで薄膜材料
を被覆できる。鋭いエッジのサブストレート（第９図参
照）でさえもロール化またはコイル化可能であればこの
方法で被覆できる。
第１４図は冶金学において使用されるような粉末材料の
生産に第１図の装置を示した場合を表わしている。ここ
では第１図のジェット１−７だけが再現されているが、
第１図に示される全装置は適当な位置であると想定され
る。第１図のサブストレート１−１０の変わりに使用さ
れているのは回転ドラム１５−１（凝縮が生ずるターゲ
ット表面領域として働くサイドを持つ）である。ジェッ
ト１−７は付着がよどみ点１５−３で起こるドラム１５
−１の表面付着種１５−２を輸送する。付着種１５−２
が凝縮し回転ドラム１５−１上に薄膜１５−４を形成す
ると、薄膜材料１５−４がその後ドラム１５−１ととも
に回転し、ドラム１５−１から材料１５−４を取り除く
スクレーパ１５−５に当たる。この材料は粉末の形１５
−６でホッパ１５−７内に収集される。第１４図の装置
全体は第１図の付着室１−２（図示せず）毎に含まれ
る。ホッパ１５−７が粉末１５−６によって一杯になる
と付着プロセスは止まり、付着室１−２は粉末冶金にお
いて使用される粉末を除くように開かれる。また、付着
と粉末化プロセスを容易にするためにドラム表面を加熱
および／もしくは冷却するための加熱と冷却メカニズム
１５−８も示されている。
第１５図は第１４図に図解されている装置に類似した第
１図に示される装置の他の実施例を示している。第１５
図は第１図のサブストレート１−１０の代わりに使用さ
れ、また薄いシート材料の生産に使用される装置を表わ
している。ここで再現されている第１図の唯一の特徴は
ジェット１−７であり、その装置の残りの部分は適当な
位置にあると想定される。ジェット１−７は付着種１６
−２を回転ドラム１６−１の表面（これはターゲット凝
縮領域として働く）に輸送する。その表面では前記種が
よどみ点１６−３で凝縮して薄膜１６−４を形成する。
ドラム１６−１は回転し膜１６−４は膜をドラム１６−
１から離すスクレーパ１６−５に当たる。その結果材料
は薄いシート１６−７の形になる。メカニズム１６−６
はシート材料１６−７をドラム１６−１から引張りかつ
輸送する。装置全体は第１図の付着室１−２（図示せ
ず）内に含まれる。シート材料１６−７の作成の後、付
着プロセスは終わり、室１−２はシートストック１６−
７が取出せるように開かれる。付着と、離しプロセスを
容易にするためのドラム１６−１を加熱および／もしく
は冷却するメカニズム１６−８が示されている。
第１６図は実験装置を示している。ガス流は貯蔵シリン
ダ（図示せず）で発生し、入口１７−１からパイプを通
して装置に入る。その流れはニードル弁１７−２と絞り
弁１７−１４によって調整される。小さな開口１７−４
の上流の圧力は１７−３で流れシステムに取付けられた
水銀圧力計（図示せず）によって測定される。ノズル１
７−１０の上流の流れ圧力は１７−７で取付けられた油
圧計（図示せず）によって測定される。ガスはノズル１
７−１０からガラス製の鐘状ピンの付着室１７−８へ流
れる。（クロスハッチした部分はマシンド・ブラスであ
る。）付着室における下方の圧力は１７−１３に取付け
られる油圧計（図示せず）によって測定される。ガスの
流れは、それがノズル１−１０を出たときジェットを形
成する。そのジェットはサブストレート１７−１１（通
常顕微鏡のスライド）に当たる。サブストレートとノズ
ルの距離は蝶ねじ１７−１２で調整される。タングステ
ンフィラメント１７−９がノズル喉部分（第１７図参
照）のちょうど上流に（ノズルの直径内）配置される。
光照準器１７−５がフィラメント１７−９に対し維持さ
れており、その結果フィラメントの温度測定は光学的比
重ピン１７−６を用いて行なうことができる。流れは最
後に絞り弁１７−１４を通して出て行き、１７−１５に
取付けられるロータリポンプ（図示せず）によって汲み
取られる。
第１７図は実験的実例で使用される２つのノズルの断面
図を示している。どちらも円錐的に対称であり、真鍮で
できている。喉の直径と長さの寸法が示されている。
第１８図は実験で使用される２つのノズルの断面と、喉
の寸法を示している。
好ましい実施例の詳細な説明 図面に戻って詳細に述べる前に、私の発明は従来の実務
から非常にかけ離れているので、私の発明の背景となる
理論のいくつかを説明する。物理化学の現状の理論が教
えるところによれば化学反応は特別な反応メカニズムと
励起エネルギ（そのエネルギは輻射または熱伝導によっ
てもたらすことができる）に従って化学種を構成する、
その反応で分子の振舞を支配する圧力、温度等のごとき
熱力学的変数によって完全に特定されるということであ
る。この付着技術はそれらの変数を特定する上で大きな
優通性とコントロールを与えるので潜在的に次の説明す
る方法によって生じる非常に多くの化学反応が損する。
そのような反応の最後の生成物は薄膜形をした固体の望
ましい有効な姿である。これは、それが残るサブストレ
ート上の付着であり、また別の場合としてそれが取り除
かれるターゲット領域に集められた付着である（第１５
図と第１６図参照）。この別の場合の実施例は言わば粉
末冶金に使用するのが好ましい。
可能で予期できる有効なすべての反応の完璧なリストを
提示しようとするよりはむしろ次の要約が３つのステッ
プにおいて私の好ましい実施例で具体化されているよう
に本件技術による薄膜を付着する一般的な問題を処理し
ている； １） 付着する蒸気種の合成または形成 ２） 供給源からサブストレートへの前記種の移送 ３） 種の凝縮と膜形成 私のプロセスの３つのステップを用いることによって、
化学的種は蒸気状態から支持固体物質の表面を被覆する
有効な固体薄膜の形に凝縮する場合の一般的な問題は新
しい結果をもって解決される。
希釈濃度の飽和した金属蒸気種を、その種が被覆される
対象物に合成されかつ凝縮が起こる位置から移送させる
キャリアメカニズムとして膨張不活性ガスの高速の密集
束を用いることによって固体薄膜製品が形成できる（金
属または金属化合物）。この方式を用いる利点はいくつ
もある。その第１は不活性キャリアガスが飽和した金属
蒸気を、被覆される対象物以外のどんなものにも凝縮が
起こる時間がないほど速く移送するということである
（すなわち、装置の室壁への不本意な付着はほとんど回
避される）。このように、合成される付着種のほとんど
１００％が薄膜の形成に用いられる。他の利点としては
付着種の形成のためにガス状態の化学的作用の十分な融
通性を利用すること；その方式が高付着率を許容するこ
と；メカニズムが耐えず自浄作用をすること；および焼
き入れ率の独立した制御を与えることを含む。最後の利
点はサブストレートの温度が凝縮中に意のまま変わるこ
とによって生ずる。
私の発明の有効な装置の好ましい実施例が第１図に示さ
れている。そこにはノズル１−１と該ノズル１−１の下
流にここでは付着室と名付けられる室１−２が示されて
いる。流線１−３のように示されている不活性流れガス
はキャリア流体として働く。機械的なポンプ１−４は入
口１−６およびノズル１−１に通じる供給源１−５から
の不活性キャリアガス１−３の安定な流れを生じさせ
る。ノズル１−１を通して流れる速い移動ガスは付着室
１−２へ入り、ジェット１−７を形成する。付着種（図
示せず）の移送を実現するのはサブストレート１−１０
に突き当たるこのジェット１−７である。付着種はフロ
ーフィールドの領域Ｒ１において合成でき、その領域Ｒ
１はノズル喉のちょうど上流から、喉領域を通って延び
（第３図参照）、そしてジェットの長さを延ばす。付着
はサブストレートの表面を境界付ける領域Ｒ２において
生じる。最後に、ガスは出口１−８を通して外に出て排
出されるかもしくは、もし望まれるのであればキャリア
ガス１−３は再流通ループ１−９を通して再流通しても
よい。サブストレート１−１０は付着室１−２内に予め
配置され、その上に生成物薄膜１−１１が付着される。
移動メカニズム１−１２はノズル１−１を過ぎて、また
ジェット１−７を通ってサブストレート１−１０を移動
させる。好ましい他の実施例はノズル１−１したがって
ジェット１−７を固定サブストレート１−１０に対し移
動させるメカニズムである。ジェット１−７は第１１図
に詳細に示されているようにサブストレートのより広い
領域を被覆するためにサブストレート１−１０に対して
動かされる。メカニズム１−１３は薄膜１−１１の作成
を容易にするために付着時にサブストレート１−１０を
加熱および／もしくは冷却する。またメカニズム１−１
４は付着種の移送を容易にし、また合成と凝縮反応を支
配する熱力学条件を緩和するためにキャリアガス１−３
を加熱または冷却する。ポート１−１０は付着プロセス
の前と後で付着室１−２にアクセスするのを可能にす
る。
流れの幾何学的形状、流れの速度およびキャリアガスの
圧力は付着飽和蒸気種の合成が形成ジェットの中央近く
で生じ、また領域Ｒ１を境界付ける装置の壁にこれらの
種が拡散する時間を持たせないように調整される。これ
は流れ領域Ｒ１の初めの部分の拡大である第３図に詳細
に示されている。第３図において、飽和した種３−２は
流線１−３で示される不活性キャリア流体のフローフィ
ールドの中央に配された源３−３で発生する。速い移動
キャリア流体１−３は飽和した種３−２を種がノズル１
−１の喉壁３−１に向けて拡散する時間を持つ前にノズ
ル１−１の喉壁３−１を通り過ぎて伝送する。この方法
では、喉の壁への不所望な凝縮は回避される。付着種３
−２はノズルの出口３−４を越えて付着室１−２（図示
せず）中へ移送される。そして、その流れはフリージェ
ット１−７を構成する。
再び第１図に戻って、ジェット１−７の流れ速度はそれ
が領域Ｒ２内の固体サブストレート１−１０に遭遇した
とき遅くなる。そして、ここで飽和した蒸気種は付着を
形成する対象物の固体表面に移住する。不活性キャリア
および反応してないガス状の反応先駆物質分子は下流に
流れ、出口１−８で汲み出される。もし、反応していな
いガス状種を含むガス混合体が再流通ループ１−９を通
して再流通されるなら、これらの反応体ならびにキャリ
アガスはさらに使用するために再生される。一般的な付
着プロセスの、より詳細は以下のとおりである。
第２図は以下に従う付着方向の一般化された議論を明ら
かにする具体的な例を与えるためにこれから記述される
方法の特別な例を示す。第１図の一般的な装置の特徴の
すべては第２図（第１図と同じ参照番号を使用してい
る）に再現されている。但し流れ領域Ｒ１とＲ２は区別
されていない。また、特別な材料、たとえばタングステ
ン酸化物の付着に必要な付加的な特別の素子が含まれて
いる。供給源１−５において発生しヘリウム１−３（流
線で示される）中に酸素（開円）の希釈濃度を含むガス
混合物が入口１−６を通して入り、タングステンフィラ
メント（第２図の面を横切るように曲げられた固体タン
グステンシリンダの断面を表わす大きな陰円）を越えて
流れる。電源（図示せず）からの電流がタングステンフ
ィラメント２−２を流れ、それをタングステン酸化物の
蒸発が起こる温度まで加熱する。流れの中の酸素は厚い
固体フィラメントと反応して表面の酸化物を形成する。
この酸化物はタングステンフィラメント２−１の高い温
度によって蒸発する。そしてタングステン酸化物の蒸気
分子２−３と２−４（図式的には開円と、１つの開円お
よび１つの陰円との対円として示される）がフィラメン
トのまわりを流れるヘリウムに載せられる。これらの飽
和した蒸気分子２−３と２−４（ヘリウム流が冷たいの
で飽和される）は下流の流れ１−３によってそれらがタ
ングステン酸化物付着を形成するために凝縮する冷たい
サブストレート１−１０へ伝送される。
本発明によれば固体薄膜は下に記述される私の種々の好
ましいステップのプロセスで算出される。
１． 付着種の合成 このステップは以下に説明するように物理的および／も
しくは化学的な現象を利用したいくつかの方法で成就さ
れる。私のプロセスにおいて、一般のガス温度で飽和す
るすべての蒸気種がフローフィールドの領域Ｒ１（第１
と第３図参照）に幽閉されなければならないということ
を守ることは重要である。この温度は所与の反応種の速
すぎる凝縮を避けるために第１図に示される装置のガス
加熱／冷却メカニズム１−１４を採用することによって
広い範囲にわたって可変される。しかし、多くの反応に
とってガスは単に部屋温度であることが必要とされるこ
とは予期できる。すべての実験上の立証は加熱しないガ
スで行なわれた。しかし、ガス温度の唯一の理論的な制
限は凝縮が所望の方法で起こるためには流れ範囲Ｒ２で
十分に冷たくなければならないということである。この
重要なポイントは一度飽和蒸気種が領域Ｒ１で形成され
ると、それはノズル壁に凝縮する時間がないほど速く移
送されなければならないということである。（第３図お
よびそれを記載したテキストを参照。）このように問題
は反応先駆物質分子を領域Ｒ１へ与えることと、付着種
を合成する反応を生じるようにすることである。
この救助は第４図，第５図および第６図に示されるよう
に３つの個別の方法において達成することができる。す
なわち１）第４図に示されている先駆物質（または複数
の先駆物質）が蒸気またはガスの種１４−１となり、そ
れはガスの状態でキャリアガス１−１の一般の温度で飽
和を受ける。それから、それは上流から遠いキャリアに
混入されノズル１−１に通じるキャリア１−３の流れに
沿って領域Ｒ１に導入される。そこでは先駆物質４−１
が続いて凝縮可能な種を合成するような駆動される。
（そのような動作の説明は簡単にする。）このメカニズ
ムは付着金属蒸気を合成するのに使用される金属ベアリ
ングガス状分子（言わばシランもしくは有機金属塩）を
導入するために採用してもよい。もしくは金属化合物付
着（言わば金属酸化物）の形成において金属蒸気と反応
する反応ガス（言わば酸素またはハロゲン）を導入する
のに使用してもよい。あるいは２）第５図に示されてい
るように先駆物質種は物質５−１（大円として示されて
いる）として固体または液体であってもよい。それは領
域Ｒ１でノズル１−１を通してガス１−３のフローフィ
ールドに直接配置され、続いて（図示していない何かの
手段によって、たとえば材料それ自身を抵抗加熱、また
は加熱源との接触により、またはレーザで）加熱され分
子５−２を蒸発（または昇華）する。そして、その分子
はキャリアガス流１−３に乗せられる。あるいは３）第
６図に示されているように反応体壁は薄いチューブ６−
２を通して流れ領域Ｒ１に注入された流体の分子６−１
でもよく、それらはそこでノズル１−１を通してキャリ
アガス１−３の流れに乗せられる。
いくつもの種を導入するために各メカニズムは同じ装置
に多数使用できる。すなわちキャリア流体に予め混合さ
れる２つまたはそれ以上の反応体を設けることができる
（メカニズム１）；あるいは流れの中に置かれた数個の
固体もしくは液体材料（メカニズム２）；あるいは各々
が別の種を移送する、領域Ｒ１中に存在する数個の薄い
チューブ（メカニズム３）。付着種の合成を達成するた
めに３つの方法すべてを同時に使用して領域Ｒ１に２つ
またはそれ以上の反応体種を与えるようにしてもよい。
第２図に示される特別に好ましい実施例としてタングス
テン酸化物薄膜が供給メカニズム１と２を利用するプロ
セスで形成される。
固体からの蒸発による供給（メカニズム１）は凝固しや
すい蒸気種を生ずる。したがって付着を達成するために
他のアクションが不要である。蒸発した原子はそれがサ
ブストレート上に付着を形成する領域Ｒ２へジェットに
よって簡単に輸送される。その結果は現在使用されてい
る他の蒸気被覆技術の結果と類似するであろう。しかし
ながら、他の応用では所望の付着種を合成するためにこ
れらの蒸発種にさらに反応を受けるようにさせることが
望まれる。
私の発明のプロセスおよび装置の特別な利点はキャリア
ガスと混合する成分として確実に導入されたどんな先駆
物質種も付着種を合成するためにさらに行動するという
ことである。この行動は次の形をとる： １） 他の種との化学的な反応 ２） 加熱された固体面での熱分解による化学種の分離 ３） 輻射の吸収により同様の種の分離（光化学） ４） プラズマまたは放電破壊による分離（アーク加
熱） ５） １またはそれ以上の供給メカニズムによって導入
される１またはそれ以上の種に作用するこれらの方法の
組合わせ この行動の広い変化は私の発明において可能であり、そ
れはまさにキャリアガスのジェットによる非常に反応的
で飽和した付着種の移送がサブストレート表面での実際
の凝縮反応が合成化学反応を空間的に孤立させるように
働くからである。このように化学的に反応するガス混合
物の振舞を支配する熱力学的および気体力学的な流れ条
件（ならびに他の条件たとえば放射強度）は合成反応と
凝縮反応の双方独立に楽観するためにジェットの各端部
で広く変化する。当然、ジェットの初め（付着種の合成
反応が始まる位置）での流れ条件はジェットの終わり
（ネットワーク固体を形成する凝縮反応の位置）でのサ
ブストレート表面における条件と結合される。しかし、
この依存性は非常に複雑であるけれども、以下に述べる
ようにそれは流れの幾何学的形状、ガス圧、温度、混合
物濃度等を制御することによってコントロールできる。
一度合成反応が始まると、それは反応体種がジェットに
移送されている限り続く。実際、キャリアガスがノズル
を通して広がるとそれはその熱エネルギを機械エネルギ
に変換し冷える。その膨張したキャリアガスは反応体を
も冷し、起るかもしれないどんな発熱反応に対してもヒ
ートシンクを与える。（同種の核形成を含む）これらの
継続する反応はガス混合体がノズルを通して広がり、ジ
ェットを形成するとき流れの展開する熱力学条件に依存
する。その条件はノズルの幾何学的形状によって動きを
コントロールされる膨張割合に依存している。（この開
示を読む当業者はおそらくノズルの流れについての気体
力学のより詳細な背景を必要とするであろう。この目的
の文献としては、Ｊ．Ｄ．アンダーソン，ジュニアの
「近代圧縮性流れ」，１９８２ Ｍc Ｇraw −Ｈill ，
ニューヨークまたはＨ．Ｗ．ディープマンとＡ．ロシコ
の「ガス力学の要素」，１９５７ Ｊ．Ｗiley，ニュー
ヨークがあり、それらはここにリファレンスとして特別
に組み込む。）流れがノズルを出てフリージェットを形
成する前に膨張割合をコントロールするために分岐部分
がノズルに設けられてもよい。実際に分岐部分を付加す
ると、核形成割合を。数オーダの大きさ変化させること
ができる。（再び、種の巻かれた電子ビーム群のガス状
態での核形成のより詳細な背景を必要とする当業者のた
めの参考として読者はＯ．アブラハムその他の「非常に
小さいラバールノズルの気体力学」、Ｐhysics of Ｆ
luids ２２４（６）、１９８１ Ａmerican Ｉnsti
tute of ＰhysicsとＯ．Ｆ．ハーゲナの「ノズル源か
らの群ビーム」Ｇasdynamics vol ．４、１９７４ Ｍ
arcel Ｄekker ，ニューヨークを参照されたい。これ
らは特別にここにリファレンスとして組み込む。） ２．付着種の移送 一度、合成ステップが始まる（合成は反応体が移送され
ている間続く）と、移送ステップは同じ方法で常に行な
われる。キャリアガスの高速流れは付着分子を乗せてそ
れらを流れ領域Ｒ２（第１図参照）へ伝達する。この領
域Ｒ２は被覆される対象物に境界付けをしている。反応
体分子は（１モル％またはそれより以下のオーダの）希
釈濃度で与えられるので、或る点ではフローフィールド
は不活性キャリア流体の振舞に大きく支配されるであろ
う。流れが同じ流れ条件の下で全く純粋なキャリア流体
であるとして付着種の分子がキャリアガスの流れに乗せ
られる程度を試験することによってその流れを分析する
ことができる。これは移送される種がキャリアガスと平
衡であるか否かという問題になる。後でわかるように、
この平衡（または不平衡）の問題は付着の正確なメカニ
ズムを決定するのにも極めて重要である。
同一の流体力学条件の下における純粋なキャリアと比較
しての混合物フローフィールドの相違は主に混合物成分
の分子の質量の相違に基づき、また合成反応によって起
こされるエネルギの負荷または消耗に基づく。もし特に
小さな分子量を持ったキャリアガス（たとえば水素もし
くはヘリウム）を使用することを選ぶと、大抵の付着種
は１もしくは数オーダの大きさの分子量（たとえば多く
の金属または金属酸化物基）を持つことになるであろ
う。二量重合、三量重合および最終的に群核形成の可能
性はこの出力の相違を増大させることであろう。そして
重要な群形成によって付着種の振舞を分子またはエーロ
ゾル粒子の振舞としてとらえることは不正確となる。ど
んな場合にもたとえ付着種が混合物成分のたった１％だ
け与えられた場合であっても、その量、運動量およびエ
ネルギはキャリア流体のそれとは異なるように無視でき
なくなるであろう。実際それは軽いバスの高速流れにお
ける重分子の行動の研究であった。それはこの付着技術
の発明を生気付けた。
したがって重い種の動きの型を作ろうとするときはエー
ロゾルとの類似性を利用することは全く異なる出力の混
合物の場合に有益であることがわかるであろう。たとえ
付着種がエーロゾルというより、はっきり分子である場
合であっても、その行動を支配する慣性効果は非常に重
要となり得る。（この開示を読む当業者はおそらく全く
異なる出力の混合物の気体力学と特別な速度持続効果に
おけるより詳細な背景を必要とするであろう。この目的
のためには文献してＪ．ヘルナンデス・デ・ラ・モーラ
の「異種分子量の非常に速力を減じたガス混合物におけ
る慣性不平衡」、Ｐhysical Ｒeveview Ａ２５
（２）、１９８２ Ｔhe Ａmerican Ｐhysical Ｓ
ociety；またはＪ．ヘルナンデス・デ・ラ・モーラの
「重分子の速度持続効果の簡単化した運動力学的扱い；
種分離への応用」、Ｆrom Ｒarified Ｇas Ｄynam
ics 、Ｖol．７４ of Ｐrogress in Ａstronautics
and Ａeronautics，１９８１ Ａmerican Ｉnsti
tute of Ａeronautics and Ａstronautics があ
り、そのどちらもリファレンスとしてここに盛り込
む。）我々の高速流れの管理状況では、重い付着種はキ
ャリア流体と極端に不平衡の状態とすることができ、そ
れゆえ、連続性機械学の従来理論は必ずしも当てはまら
ない。しかしながら、重い付着種は混合物の分子の小部
分を表わしているので、混合物の流れは前に概略したよ
うに扱うことができる；すなわち、まず純粋なキャリア
ガスのフローフィールドを観察しまたは理論から見積り
して重い分子がキャリアの流れに対して遅れる程度を決
定することである。
希釈濃度の付着種を与えることはキャリアの流れを重大
には妨げない。それゆえ、キャリアのフローフィールド
は従来の方法で扱うことができる。そのような扱いは次
のパラメータに完全に依存するキャリア流体ジェットの
気体力学的知識によるということになる。
１） 初め（停滞）の圧力 ２） 初め（停滞）の温度 ３） ノズルの幾何学的形状 ４） 初めの圧力と下流の圧力（ノズルの出口からの）
との比 ５） ガス粘性 ６） キャリアガスの特別な熱の比、１つは一定圧力で
の熱，または一定分量での熱 記述した私のプロセスと装置の結果として輸送と付着を
変えることになるフローフィールドを根本的に変えるこ
とによって、キャリアガスと付着種の所与の選択のため
にパラメータ１、２、３、および４を独立に変えること
ができるということが今認識されよう。
付着種の動きはキャリアフローフィールドのマーチ数
（ディメンションガスのスピード）とストークス数に完
全に依存するであろう；この後者のパラメータはキャリ
ア流体の流れに対する重い付着分子の流れを表わすであ
ろう。そのような遅れはしばしば速度の持続性または慣
性と名付けられ、連続性機械学によって予見される分子
の動きからの背離を表わす。この方法において、ストー
ク数は重い付着種がキャリアバスと力学的に不平衡とな
る程度を表わす。このようにして十分に確立された理論
を通して容易に決定される、キャリアガスのフローフィ
ールドの知識と、そのフローフィールドにおける付着種
の速度遅れの正確な見積りによって付着種の移送を決定
しかつコントロールすることができる。
さて流れ速度の一般的な表現はマーチ数であり、それは
ガス加熱速度（Ｃ）に対する流れ速度（Ｕ）の大きさの
比として表わされるディメンションなしの気体力学的な
パラメータである。
（１） Ｍ≡Ｕ／Ｃ さて付着の定常状態を考えてみよう。この状態では流れ
の管理状況、合成および付着反応が確立されかつ所望の
薄膜の厚みが成就されるまで不変のまま続く。定常状態
ではフローフィールドは時間の経過にわたって一定に保
持されこれは理論的な扱いを容易になす。所与の幾何学
的形状のためにフローフィールドはキャリアガスが純粋
であると仮定して、また従来の連続性機械学を採用して
計算される。適用に従って、最善のフローフィールドは
音速以下または音速以上である。かなり大きなレーノル
ド数でノズルを通して流れるどんなガスに対しても
（１）とほぼ（２）との間（ほとんどどんなガスでも）
のノズルを横切る圧力比（すなわち量Ｐｉ／Ｐｂ、ここ
でＰｉはノズルの上流のガス圧、そしてＰｂは付着室に
おけるベース圧）は音速以下に対応する。しかるに約
（２）以上の圧力比は音速以上の流れを引き起こすであ
ろう。当然大きな圧力比は流れを維持するためにより大
きなポンプ吸引容量を必要とする。（実験では流れのマ
ーチ数は１０分の１（０．１）から約（１）までの範囲
であった。）非常によく使用されているキャリアガスは
１秒間に約１kmという部屋温度での音速をもつヘリウム
である。付着種が移送される距離はせいぜい数センチメ
ートルであるから、移送は明らかに非常に速く行なわれ
る。
キャリアガスのフローフィールドについての知識から人
はストークス数の見積りを始めることができる。繰返し
て言うとストークス数は付着種の分子がキャリアガス分
子の音速移動に遅れる程度を表わすものである。たとえ
ば、もし付着される分子がフローフィールドの領域Ｒ１
に配された固体フィラメントで発生してガス流れの中に
蒸発するものの場合には、それはまわりのガス流れのス
ピードに対し実質的に静止している状態から加速されな
ければならない。この加速には或る時間がかかる。スト
ークス数は或る意味ではその時間を表わすものである。
ストークス数は実際には２つの時間の比である；すなわ
ち１）顕微鏡的な粒子の緩和時間（τ）と２）流れの全
体の力学的な加速時間（t ）。
（２） Ｓ≡τ／ｔ 緩和時間は主流体との速度平衡を成就するために付着種
の分子に要求される平均時間である。ガスにおける平衡
はそれらの構成分子間の衝突から生じる。たとえば、分
子がガスにおける他のすべての分子の並の速度から根本
的に異なる速度で動くなら（すなわちもしそれが不平衡
であれば）、衝突は分子間にエネルギと運動量の移動を
引き起こし、それは稀な分子の速度を並の流れ速度以上
にもたらすように働く。緩和時間は統計的な確立でであ
り、極めて多くの分子に対し意味を持つにすぎないとい
うことは強調されるべきである。類似の質量を持った分
子間の衝突はエネルギと運動量の移動に非常に有効であ
り、それゆえおそらく等しい出力を持った他の分子のガ
スに１つの分子を緩和させるのに単に１回の衝突が必要
となるだけであろう。しかしながら重い粒子から軽い粒
子へのエネルギと運動量の移動は比較的不十分であり、
したがって重い分子をより軽い分子と平衡させるのに多
くの衝突が必要であろう。もちろん、これらの衝突は時
間がかかる。それゆえ、多くの衝突が必要であり、緩和
時間（τ）は長くかかる。
当然、付着種の分子同士の間でも衝突がある。しかし混
合物中におけるそれらの濃度が非常に小さいので、それ
らの数密度は極めて小さく、したがって衝突は非常に少
ない。（実際に、キャリア分子がない場合には、付着種
の密度は極超音速の理論において扱われる極めて浄化さ
れた管理状況での流れに対応する。）実際に付着種のこ
れらの自己衝突の周波数は合成反応、核形成および或る
程度まで付着割合を決定するのに重要であろう。しかし
今は付着種の分子がキャリアガスとの平衡を達成する程
度について問題にしているのである。統計的機械学から
次のアインシュタインの公式によって緩和時間（τ）を
近似することができる。
（３） τ＝m ｄＤ／（ＫＢＴ） ここでm ｄ≡付着種の分子量 Ｄ≡拡散係数（キャリアにおける沈澱） ＫＢ≡ボルツマン定数 Ｔ≡絶対温度 拡散係数は標準な実験で測定できるかまたはチャプマン
・エンスコグ理論を使って見積ることができる。（この
開示を読む当業者はガス状態の質量移送理論における、
より大きな背景を求めるかもしれない。この目的のため
に、文献としてＤ．Ｅ．ロスナーの「化学的に反応する
流体におけるエネルギ、質量および運動量移送への導
入」、（印刷で）１９８４ Ｊ．Ｗiley−ＥＸＸＯＮ、
１９８４ ニューヨーク、を挙げておく。これは特にリ
ファレンスとしてここに盛り込む。）このようにして
（τ）は公知の数値から容易に計算できる。
ストークス数の定義（等式２）に現われる他の時間は加
速についての流体の流れの肉眼的時間（t ）である。こ
の時間を決定するのに人は流れの幾何学的形状の特有の
長さ（d ）（たとえばノズル喉の直径）とその長さにわ
たる平均の流れ速度（Ｕ）を選ぶ。次の関係から（t ）
を得る。
（４） t ＝d ／Ｕ （d ）の選択はむしろ主観的である。それゆえに、その
最適な距離は注意深く選ばなければならない。等式２、
３および４を組合わせて我々は次の式を得る。
（５） Ｓ＝m ｄＤＵ／（d ＫＢＴ） またはこれを次のように書くために完全な気体法則を利
用して選ぶこともできる。
（６） Ｓ＝m ＤＵｐ／（dmｃＰ） ここでp≡キャリアガス密度 m ｃ≡キャリアガスの分子量 Ｐ≡ガス圧 平衡状態ではストーク数は１に比し非常に小さい。そし
て、これは平衡状態では分子の緩和が全体の流れ速度の
変化よりもずっと速く生じるという事実に対応してい
る。しかしながら、等式６はキャリア流体の分子量に対
する付着種の比（m ｄ／m ｄ）の増加がストーク数を増
加させるということを示唆しているということに注意さ
れたい。実際、もしこの比が１００のオーダであれば、
たとえ音速以下の流れであってもストークス数を１に近
づけることは可能である。１に近いストークス数は極端
な不平衡条件に対応し、そこでは重い種の慣性がキャリ
ア流体の粘着力を支配する。
これらの慣性の効果は付着種が加速キャリア流体の流れ
に乗らないようにし、かつそれらの独立した自由弾道を
すぼめさせる。この慣性の振舞はキャリア流体と不平衡
な肉眼的エーロゾル粒子の行動に類似している。目新し
さは、そのような効果は重い分子にも観察できるという
ことを注目することにある。まず注文に応じてそのよう
な効果は通常圧力拡散に起因する重い種の行動を説明す
る。
さてキャリア流体のフローフィールドのストークス数に
ついての知識で人は付着種の移送を説明することができ
る。移送を成就するために凝縮種はキャリアの流れに乗
せられなければならず、そしてこの乗りを最大にするた
めにはストークス数を最小にしなければならない。しか
して、所与の付着種のためにこれは類似の分子量を持っ
たキャリアガスの選択を含むであろう。しかしながら、
付着ステップについて述べるこの文書の次のサブセクシ
ョンにおいてわかるように高いストークス数の管理状況
は移送ステップの終わりで望まれる。それゆえ或る適用
では付着種の分子質量に比しずっと低い分子質量のキャ
リアガスを選択することが非常に望まれる。
マーチ数（すなわち流れ速度）、ストークス数、および
しかして移送は次のパラメータに完全に依存する。
１） 初めの圧力 ２） 初めの温度 ３） 圧力比（ノズルを横切る） ４） ノズルの幾何学的形状 ５） 小数種の濃度 ６） 質量比（キャリア種に対する付着種 ７） 拡散係数（キャリア中の付着種） ８） キャリアガスの粘度 ９） キャリアガスの特別な加熱比 再び付着種とキャリア流体の所与の選択のために私のプ
ロセスを採用する場合にパラメータ１ないし５は独立に
変えることができる。私の好ましい実施例の１つとして
ノズルの幾何学的形状は下に述べるように設計されるべ
きであり、その結果たとえ異なる出力の混合物を使用し
ても付着種は加速中のキャリア流体に効果的に乗る。そ
れからそのような異なる出力の混合物は付着を成就する
ために慣性効果を用いることを許す（この説明はわずか
にする）。このノズルの設計は特別な化学的な適用とと
もに変わり、下で述べるようにナビヤ−ストークスの流
体幾何学的な数学上のモデルを使うことによってなされ
る。図式は第３図に示されておりこの第３図は合成反応
が起こる流れ領域Ｒ１の上流部分を十分に示すために第
１図のノズル１−１の喉部分を拡大した図である。凝縮
可能な種３−２がノズル１−１を通る流れ１−３のセン
ターライン近くに形成された（たとえば、そこに設置さ
れたフィラメント蒸発）た場合、この種はノズル１−１
の固体壁３−１に向けて外へ拡散し始める。しかし、そ
れはまたそれを下流に運ぶ流れキャリアガス１−３の分
子量との衝突を経験する。囲った領域は種が初めのジェ
ット１−７の軸から外方へ広がったときに凝縮用種３−
２によって住まれる領域Ｒ１を示す。なお、その種は下
流へ輸送される。（示されているように）最善の条件は
凝縮可能な種がノズルの喉壁３−１へ拡散する前にノズ
ルの出口３−４を通り過ぎて伝達され、それによってノ
ズル１−１自身への凝縮が回避されるということであ
る。ノズル喉の上流のフィラメント３−３を設置するこ
との利益は付着種がキャリアバスに乗って追加され、そ
れによって乗りが高められるということである。異なる
移送特性を持った他の幾何学的形状は可能である。
実際に下に述べるように所与の種の高結果の移送が流れ
の割合（すなわち圧力比Ｐｉ／Ｐｂ）の広い範囲にわた
って達成できる。したがって、これは合成反応を最適に
なすためにこの範囲内で熱力学的および気体力学的条件
の変更を可能にする。等式６がキャリア圧力を増加する
ことはストークス数を減少しそれによって乗り込み割合
を増加させることを意味していることを注目されたい。
もし、他のすべてが一定のままであれば、圧力比を上げ
ることによって流れ割合を増大させることができ、それ
によって移送割合を増大できる。さらに合成反応が始ま
る位置を調整することによって（たとえば蒸発中にフィ
ラメントの配置を変えることによって）および／もしく
は被覆される対象物の配置を変えることによって、ガス
状態のジェットにおける付着種の全体の居住時間をコン
トロールできる。この居住時間のコントロールは濃度を
設定する広い範囲に沿って合成反応を支配するために使
用される。また合成反応を変えるために反応種の濃度を
単に変えることもできる。当然、所与の付着種のために
どんな不活性キャリア流体を選ぶことも自由である。そ
の選択はその適用に特有の基準によるであろう。これら
の多数の自由度は特別な付着を生じさせるように意図さ
れる装置を設計するのに大きな融通性を与える。心に描
かれた各適用は最善の形を見い出すために、これらのパ
ラメータのシステム的な変更を必要とするであろう。
移送プロセスの分析は合成反応が移送中起こり続けるか
もしれないという事実によって複雑化される。結果とし
て実験が表明しているように装置の幾何学的形状のわず
かな変化は反応体のガス状態との居住時間に深い影響を
持つことができる。なおその居住時間は反応の産出物を
大きく変えるであろう。ノズルに分岐部分を付加する
（第７図参照）ことはガスの膨張割合にコントロールを
与えることになろう。それは（第１０図に示されるよう
な）フリージェットの場合には得られない。そのような
部分は蒔かれた種の核形成割合を大きなオーダの大きさ
だけ変えるものとして、示されている。このようにし
て、分岐部分は合成反応と移送割合に他の意味のコント
ロールを与えることができる。
不運にも群生の程度を理論的および実験的に決定するこ
とは極めて困難であるということが気体力学で認められ
ている。しかししばしばもし群生が大規模であれば粒子
の構造は付着の形態学に固執するであろう。これが望ま
しいかどうかは所与の適用に依存する（言わば、それは
媒体材料の付着にある。というのは、その触媒は粒子の
構造をした触媒材料の増大した表面積から利益を受ける
からである。） 重要な点はこの現象がかなりの程度までコントロールで
きるということである。（コントロール手段の取扱いは
下に与えられている。）このようにして合成と移送ステ
ップが遂行される。なおそれらは既述したように同時に
生じることができる。それらは全体の付着反応において
初めのステップである。
３） 付着と膜成長 一度付着種が合成されてフローフィールドの領域Ｒ２へ
伝達されると、その分子は次の２つのメカニズムの１つ
によって代わる代わるもしくは相対結合してサブストレ
ート表面へ移住する。
１） 分子拡散 ２） 慣性のインパクション 実際の付着においてどのメカニズムが支配するかは流れ
についてのストークス数に依存する。ガスの混合物がノ
ズルを通して膨張すると、それはジェットを形成する。
このジェットがフローフィールドの領域Ｒ２に設置され
ている被覆されるべき対象物に出会うと、そのガスの流
れは減速する。そこでは再び流れ速度は変える状況が起
こるとともにもし重大な質量の相違があれば付着種に速
度持続の可能性が生じる。この可能性はストークス数に
よって特定されるであろう。
被覆される対象物（すなわち第１図のサブストレート１
−１０）は絶壁体であってもよく、あるいは鋭いエッジ
を持っていてもよい。（ジェットの直径に比べて小さな
直径の楔、円錐、および円筒を含む。）そのような一般
的に特徴づけられたボディを通り過ぎる流れは音速以下
および超音速のいずれの場合にも流体力学の理論につい
ての大きなテキストで見られる文書を基礎として算定で
きる。（この開示を読む当業者はおそらく固体ボディを
通り過ぎる流体の流れの理論におけるより詳細な背景を
必要とするであろう。この目的のために文献として、
Ｇ．Ｋ．バーチェラの「流体力学の紹介」，１９６７
ケンブリッジ大学出版、イギリスを挙げておく。なおこ
れは特にリファレンスとしてここに盛り込む。）絶壁体
に突き当たる音速以下の流れの場合をまず取扱い、それ
から鋭いエッジと超音速の流れの場合を取扱うことにす
る。
鈍角なボディへのジェットの突き当たり（第８図参照）
はいわゆる「よどみ点」の流れにたとえられる。そして
実際、そのよどみ点９−４の周囲に付着が凝縮されるで
あろう。もし対象物９−１がジェット１−７よりも大き
なオーダの大きさの幅を持っているなら−−それはもち
ろんノズル１−１の穴の直径（第１図参照）に匹敵する
ものであるが−−それは実質的にジェット１−７の幅に
比べて無限に大きい幅を持った絶壁平面体と考えられ
る。たとえ対象物が実際には平面でなくても、その理論
は、その形状がジェット１−７の幅に比べてまさに小さ
な曲率を持っている限り適用可能である。
（流線として示されている）ジェット１−７はサブスト
レート９−１の表面近くに付着種を移送する。ストーク
ス数が十分に小さいとき、すなわちジェット１−７の速
度がまさしく遅い場合、またはキャリア流体が付着種の
速度に匹敵し得る分子量を持っている場合、または圧力
が十分に高い場合に連続性機械学ははぶりをきかせるこ
とになろうし、その混合物が平衡していると考えること
ができるし、また格差が付着プロセスを支配するであろ
う。ジェット１−７はサブストレート９−１の表面近く
に凝縮種９−２を伝送するであろう。そして、その流れ
スピードは遅くなってしまうので、この表面に対する分
子の拡散には十分な時間となるであろう。付着９−２の
種はその表面に凝縮できるのでサブストレート９−１は
気相からこの種を捕獲し、そして固体付着９−３が形を
なす。サブストレート９−１は少なくとも前記種が気相
種であるという意味で凝縮種９−２に対する質量シンク
のように作用する。しかし付着種が気相から取り除かれ
るので、ガス混合物におけるその濃度はサブストレート
９−１の表面に接触するフローフィールドの部分（この
流れ領域は第１図でＲ２と名付けられる）で減少する。
もちろん、これは空間の濃度勾配を引き起こす。この勾
配はサブストレート９−１の表面に向けて付着種の混合
物におけるより多くの気相拡散をかきたてる。このプロ
セスがガスが絶壁体サブストレート９−１の無限の幅に
沿って流れる間続く。そして本質的に付着種９−２のす
べてが気相から凝縮する。このようにして、合成付着種
９−２のほとんどすべてが薄膜９−３の形に凝縮する。
キャリアガスは付着室の下流へ出て、それに沿って凝縮
種を発生する合成反応において十分消費されていない気
相に残っている反応体種を伝送する。しかしながらキャ
リアガスが再流通ループ１−９を通して再流通される
（第１図参照）なら、これらの反応体種も再生され、そ
れらはノズル１−１を通して流れに、および流れ領域Ｒ
１に再導入される。その領域Ｒ１で、それらは連続合成
反応に消費されるチャンスを再び持つことになる。それ
ゆえ、特別に好ましい実施例が、気相反応先駆物質を所
望の付着種に変換することに単に部分的に有効にすぎな
い化学合成反応ステップを含む付着プロセスを使った薄
膜の形成を含む場合であっても、その器具を使うことに
依然大きな効果がある。なぜなら、負反応な気相種が簡
単に再生、再使用できるからである。このようにして薄
膜を付着する方法と装置についての私の発明は初めの原
料の化学的物質をほとんど全部所望の薄膜材料に変える
ことによって大きな効果がある。
他の付着メカニズムは流れのストークス数が大きいとき
に起こる。しかしたとえ慣性のインパクトが支配的なメ
カニズムであっても、拡散はたとえそれが慣性的にイン
パクトされる不十分な速度を持つ付着種の分子群の小さ
な部分でもすべての付着種が凝縮するのを依然として保
証する。
慣性のインパクションの扱いはこの減少の最も重要な面
の議論で始まる。というのはそれが凝縮反応に影響を与
えるからである。分子の出力に大きな差異がある（すな
わちm ｄ／m ｃが大きい）場合には付着種分子の通常の
エネルギが高ければ流れの速度は速くなる。この大きな
エネルギは重い種がサブストレート表面の原子に衝突す
るので、その表面の化学反応に影響を与えることができ
る。（この開示を読む当業者はおそらく表面インパクト
化学の分野における、より詳細な背景を必要とするであ
ろう。この目的のために文献としてＭ．Ｓ．コモリその
他による「表面における分子のインパクトによる化学反
応の活性化」，Ｊournal of Ｐhysical Ｃhemistry
８５（３），１９８１ Ａmerican Ｃhemical Ｓ
ociety；もしくはＥ．コーロドネイその他による「サフ
ァイヤ上の分子ヨウ素の衝突誘導解離」Ｊournall of
Ｐhysics ７９（９）、１９８３ Ａmerican Ｉns
titute of Ｐhysicsを挙げておく。それらはどちらも
特にリファレンスとしてここに盛り込む。）キャリアガ
スの膨張につい考えてみよう。膨張が始まる前にキャリ
アガスは次に与えられるエンタルピー（Ｈ）を有してい
る。
（７） Ｈ＝ＫＢＴｉγ／（γ−１） ここでγ≡キャリアガスの特別な加熱比 ＫＢ≡ボルツマン定数 Ｔ１≡始めの（停滞）絶対温度 ファクタ［γ／（γ−１）］はガスに依存するが常に１
のオーダであるので、エンタルピーは常に（ＫＢＴｉ）
のオーダである。膨張がもし全く空であった領域中に起
こるとするとこのエンタルピーは大抵軽いガスの流れ
（Ｋ）の運動エネルギーに伝達されるであろう。
（８） Ｋ≡（m ｃ／２）Ｕ２Ｈ ここでm ｃ≡キャリアの分子量 Ｕ≡流れ速度 膨張が十分遅い割合で進行し、それによってストークス
数が低いままであると仮定すると、流れに分散される付
着種の重い分子は有効に乗せられ、したがってこの速度
（Ｕ）を分配しかつ次に示されるそれら自身の運動エネ
ルギ（Ｋｄ）を持つことになろう。
（９） Ｋｄ≡（mｄ／２）Ｕ２＝（mｄ／m ｃ）Ｈ ここでm ｄ≡付着種分子の質量 前に観察したように質量比は１００のオーダにすること
が可能であり、そうすれば重い種の運動エネルギは初め
の熱エネルギよりも非常に高くかつずっと大きくするこ
とができる。たとえ流れが音速以下のままであっても、
そのような重い種はマーチ数が（１よりは小さいが）大
きく重い分子が十分乗せられると仮定すると、分子につ
き数電子の機械エネルギを持つことになろう。この付着
種の機械的エネルギが非常に大きい場合には、初めの熱
エネルギはその全エネルギのうちのわずかなものとな
り、そのため分子は非常に活発になる。（この開示を読
む当業者はノズルビームの流れエネルギ、特に軽いガス
の流れにばら撒かれた重い分子群の間のエネルギ分布の
詳しい背景を必要とするかもしれない。この目的のため
に文献としてＪ．Ｂ．アンダーソンの「ノズル源からの
分子ビーム」，Ｇasdynamics，Ｖol．４，１９７４ Ｍ
arcel Ｄekker ，ニューヨークを挙げておく。）高速
度または重い分子の非常に高い運動量をも意味してお
り、これらから慣性効果が生じる。
よどみ点の重要な特徴は、そこでは連続的な流れが現実
に零の流れ速度を持つということである。当然ガスは直
接平坦なプレートで平坦なプレートに垂直な速度を持た
ないし、ガスの有限の粘性はプレートのすぐ近くの流体
層中におけるガスの横方向の流れのないことを補償す
る。これはいわゆるニュートン流体の「滑りのない条
件」である。これらの特徴はよどみ点のすぐ近くの流れ
が非常に遅いということを意味している。さて、付着種
が高いマーチ数の流れにおいてノズルで加速されるの
で、それは室温でヘリウムや水素のような軽いガスの場
合、毎秒１kmのオーダの音声に匹敵するキャリア流体の
速度を持つであろう。それで、ジェットがよどみ点領域
に出会うと、その流れは零速度（固体表面で零）近くに
減速するはずである。明らかに、極端に高い原則の状況
はフローフィールド中に設定できる。もし、ストーク数
スが十分に大きい（それは加速に比例するので）場合に
は、キャリア流体の粘着力は連続状態における重い分子
を維持するのに十分なほど大きくはない。それらはキャ
リアの連続流れから降され独立した軌道に従う。そして
有限の速度でプレートに出会い、そこで付着を形成する
ためインパクトする。その行動はいわゆるエーロゾル粒
子の慣性インパクションに類似している。（この開示を
読む当業者はエーロゾル物理学におけるもっと詳細な背
景を必要とするかもしれない。この目的のために、文献
としてＤ．Ｔ．ショーの「エーロゾル化学における最近
の開発」、１９７８ Ｊ．Ｗiley、ニューヨークを挙げ
ておく。これはここで特にリファレンスとして盛り込
む。） 付着プロセスは一連の化学反応として把握されるべきで
ある。前に注目したように種が慣性的にインパクトされ
るとその大きな運動エネルギはこの凝縮反応において重
要な役割を演じることができる。実際、超音速の流れ速
度でアンテナ種はインパクションの衝突エネルギによっ
て単独に分離するようにされ得る。流れ速度における変
化はインパクションのエネルギを変えることができ、そ
のエネルギ変化は異種反応と、それによって生成される
薄膜の質に著しく影響を与えることができる。前に述べ
たように、流れの速度における変化および反応体種の濃
度（部分的な圧力）における変化は合成反応に影響を与
えることができる。しかしながら、もし付着種の同一性
が一定のままであると仮定すると、サブストレートの濃
度とともにこれらのパラメータは（付着種分子がサブス
トレート表面に導入される割合のそれらの支配と、それ
らの運動エネルギを通じて）凝縮化学反応を支配する主
な変数である。これらの変数はもちろんコントロールで
きるしそれらを設定するのに大きな自由度がある。それ
ゆえ、各々がこの広い可能な条件範囲内の特別な条件で
好適に事を行なう多くの有効な付着反応を引き起こすこ
とが可能である。
この理論は鋭いエッジのサブストレートの場合に拡張で
きる。その鋭いエッジがジェット１−７の流れに向けら
れるように方向付けされた楔もしくはフェンスの場合
（第９図参照）には、よどみ点１０−４は（たとえ非常
に鋭いエッジの分子の尺度で見て鈍角であるとしても）
そのエッジに起こるであろう。どんな慣性のインパクシ
ョンでも鋭いエッジ上またはその近くのみに起こるであ
ろう。しかしながら粘度は楔の両サイドを通り過ぎる流
れを遅らせるであろう。その結果、分子の拡散による付
着はこれらのサイドに発生するであろう。それらのメカ
ニズムの各々の相対的な重要性はキャリアと付着種の流
れの速さの同一性、および特別な流れの幾何学的形状に
依存する。
ジェット１−７の直径よりも小さな直径の円筒または球
体（第１０図参照）の場合、インパクションは高速度で
の唯一のメカニズムであり、よどみ点がある上流に生ず
る：しかるに低速度では拡散がさらに下流のサブストレ
ート１１−１の表面の領域に凝縮を行なわせる。しかし
ながら、サブストレートはジェット１−７の幅に匹敵す
る大きさであるので、拡散はすべての付着種分子１１−
２がサブストレート１１−１に遭遇して付着するのを補
償しない。いくつかの分子１１−２はミスをし、下流へ
伝送されてしまう。
これらの概念は超音速の場合によく当てはまる。最も重
い種の運動エネルギはこの場合に実現される。それが分
子につき１０電子ボルトのオーダとすることができる。
そのような高エネルギは従来の化学蒸着付着や蒸気的被
覆プロセスでは不可能であり、それらはスパッタリング
や従来の蒸気的被覆および他の付着技術で要求される高
真空と違って低真空雰囲気で成就される。超音速の場
合、領域Ｒ２に設置された鈍角な対象物の前に離れ衝撃
が生じ（第１図参照）、一方鋭いエッジの対象物に当た
り衝撃が生じる。後者の場合重い付着種は衝撃当たり点
（鋭いエッジ自身）に高いエネルギでインパクトされ
る。でなければ流れは衝撃を通して減速され、その結果
付着種はそれ自身の高いフリーな流れ速度を或る程度失
う。離れ衝撃の場合には、流れのストークス数（等式４
と６）を計算するために固有の長さ（d ）の最適な選択
が対象物と距離に対する衝撃である。
要約すれば私の好ましい付着プロセスは開示した３つの
ステップを含んでいる。
１）付着種の合成 ２）前記種の移送 ３）付着および膜成長 付着プロセスは付着種を合成する反応とともに始まり、
その種が凝縮反応における付着を形成するときに終わる
１つの長い安定な状態の気相化学反応として観察でき
る。後者の反応は異質であり、サブストレート表面と化
学的な結合したネットワーク固体を形成することにな
る。発達する化学反応をコントロールする手段を次に説
明する。
移送についてキャリア流体メカニズムを使う利点は不活
性キャリアの主流が気相不純物を持った装置を清浄する
ように働くということであり、このようにして付着室の
コントロールが実現される。特に付着が始まる前に純粋
なキャリア流体の流れは装置を通して確立される。（周
囲の雰囲気を受入れやすい）真空システムの内部に導入
される不所望な種はキャリア流体に乗せられ、そして外
へ伝送される。もし装置にリークがなければ、その流れ
は純粋なキャリア流体となるであろう。（その流れは非
常に純粋な不活性ガスの供給で満たされた貯蔵室から発
生すると考えられる。）次に、反応体の流れが確立さ
れ、付着反応が始まる。この方法で合成および付着反応
体に含まれている種の同一性はコントロールされる。
たとえ付着室壁に小さなリークがあったとしても、キャ
リアガスはサブストレートとこれらの壁との間を流れ、
これらの不純物源から付着反応を孤立させるわずかな動
的障壁をもたらす。言い換えれば、速いキャリアガスは
雰囲気の不純物がサブストレートへの流れを横切って拡
散する時間が存する前にそれらを（または室の固体表面
の外気による不純物を）下流へ運ぶ。（当然、この効果
はシステムにおけるリークの大きさと位置に大きく依存
するであろう。）さらに全体の付着は雰囲気圧よりも常
に高いキャリアガス圧を持ったシステムにおいて生ずる
ことができるものと考えられる。このようにして、どん
なリークもリークアウトするであろう。この概念を除外
する基本的な理論的反応は存しない。しかしながら、そ
のような高い圧力−−したがってそのような高いマス・
フラックス−−で動作するのが必要となる膨大なポンプ
は実験室の実例での使用では手に入らなかった。（当
然、実際にはそのようなポンプを動作させる経済的なコ
ストは高圧プロセスの利点に対しバランスされなければ
ならない。）どんな場合にも不活性ガスの主流は始めに
装置を清浄し、付着のためのコントロールされた雰囲気
を維持するのに役立つ。このようにして、唯一の出現種
は不活性キャリアと反応体の種である。それらの相対的
な濃度はもし反応体のトータルな数の密度がキャリアの
それに比して小さいままであれば変えることができる。
それらがキャリア流体と平衡である程度に依存して反応
体の部分的な圧力と温度はキャリアガスの圧力と温度に
よって決定されるであろう。そのキャリアガスの圧力と
温度はフローフィールドを通して膨張する前のそれらの
発明の値（ＰｉとＴｉ）、およびノズルの（可変な）幾
何学的形状、および流れの圧力比（Ｐｉ／Ｐｂ、ここで
Ｐｂ は付着室の背景の圧力である）に依存する。これ
らのパラメータはフローフィールドを通じて速度、圧
力、および温度の領域をコントロールするであろう（な
お、合成反応によるエネルギの負荷と消費を無視可能と
する）。そして、このようにしてプロセスの化学的差異
を支配するこれらの後者の熱力学的条件は想像される合
成および凝縮反応を最適にするように扱うことができ
る。ガス混合物における不平衡による特異性、または流
れに対しもしくは流れからも無視できないエネルギ変位
によって起こされる特異性は化学的に反応する流体流に
おける質量やエネルギ輸送の理論に用いられる他の標準
的な技法に従ってストークス数を使用することによって
見積ることができる。
安定な状態条件の下で化学的に反応する流体では、反応
が距離を越えて起こる；反応時間は流れが距離を越えて
かつ反応を通して反応体を運ぶのに必要な時間である。
このように、フローフィールドが反応のエネルギを決定
するだけでなく、速度領域や装置の幾何学的形状（たと
えば、ノズルとサブストレートの距離、またはフリージ
ェットの長さ）が気相中の反応種の居住時間、したがっ
て反応時間を決定する。より正確に言えば、濃度、自己
衝突時間、および反応体の居住時間が相互作用の確立を
特定するであろう。この確立は分子の相互作用のエネル
ギに沿って合成反応を決定するであろう。確立のエネル
ギもともに次の巨視的な変数によってこのシステムにお
いて大きくコントロールできる。
１） キャリアガスの選択 ２） 装置の幾何学的形状 ３） 混合物濃度 ４） 混合物の初めの圧力 ５） 混合物の初めの温度 ６） 付着室における基本的な圧力 これらの変数によってシステムは合成反応全体にコント
ロールを与える。最適な条件は各応用に依存する。
付着反応はサブストレートの温度と付着分子のエネルギ
によって大きくコントロールすることもできる。サブス
トレートの温度をコントロールすることによって形成さ
れる薄膜固体の熱温度をコントロールできる。焼き入れ
の割合は生成物の固体状態の材料特性を決定するのに極
めて重要である。流れキャリア流体と付着種が平衡であ
る場合には、付着分子がサブストレート表面に出会うと
きそのエネルギは流れの温度によって決定される。しか
し慣性のインパクションが起こる極端な不平衡の場合に
は、付着分子は（前に議論したように）非常に大きな変
換エネルギでサブストレートに当たる。もちろんそのエ
ネルギは付着反応に影響を与える。
前に述べたように不平衡の温度はストークス数で表わさ
れる。インパクションの前にジェットの加速が起こる距
離（d ）を正確に算出するためには流れを支配するナビ
ア・ストークス数の方程式を解かなれけばならない。な
お（d ）はストークス数を規定する等式（６）に現われ
る。これは比較的複雑な仕事である。しかしながら、多
くの幾何学的形状に関しエーロゾルインパクタ設計の開
発された理論を借用することができる。（この開示を読
む当業者はエーロゾルインパクタの分野における詳細な
背景を必要とするかもしれない。この目的のために文献
としてＫ．ウイレッケその他による「慣性のインパクタ
の遂行に対する流れの入口と収集面の影響」、Ｊournal
of Ｃolloid and Ｉnterface Ｓcience ５３
（１）、１９８３ Ａmerican Ｉnstitute of Ｐhy
sics；およびＶ．Ａ．マープルその他の「インパクタ設
計」、Ａtmospheric Ｅnvioronment １０，１９７６
Ｐergamon Ｐress，を挙げておく。これらはここに
特別に引例として盛り込む。）マープルその他は（d ）
が流水のフリージェットの直径と等しくなければならな
いと述べている。（円形をした開口の場合には流水の直
径は全く開口の直径と同じであり、一方矩形の開口では
流水の直径は開口幅の半分である。）この結論は高いア
ーノルド数でかつ発達する音速以下のジェットのために
ノズルの出口とサブストレートとの間の十分な距離があ
る場合のみに有効である。後者の条件はその距離がノズ
ル開口の固有の幅よりも大きければ充足される。マープ
ルの研究開発に従って等式（６）の速度としてフリージ
ェットの速度（Ｕ）を用いることができる。フリージェ
ットの速度はガスが純粋なキャリア流体からのみなると
仮定して連続性機械学の標準理論を使って計算でき
る。）ここで、重い分子はこの速度を軽いガスと分け合
う、あるいは言い換えて言えば送れないと仮定しなけれ
ばならない。
軽いキャリアのフリージェット内で平衡する重い種の場
合、それらはノズルを通してキャリアの加速流に効果的
に乗せられなければならない。これを保証するためにノ
ズルは流れの加速部分におけるストークス数を最小にす
るように設計されなければならない。（ウイレッケその
他およびマープルその他が行なったような）加速流の完
全なナビア・ストークス方程式を解くよりも、むしろノ
ズルを通るキャリアの流れの標準的な寸法概算で始める
ことができる。（再びＪ．Ｐ．アンダーソン，ジュニア
の「近代圧縮流」，前に引用済み，を参照されたい。）
流れの速度は他の成分は無視してＸ軸と呼ぶノズル軸に
沿う速度成分として概算する。流れの速度（Ｕ）はこの
概算における計りであり、所与のマスフラックスの場合
には、ノズルの幾何学的形状に完全に依存するであろ
う。特に１（Ｘ）での流れ速度（Ｕ）は流れがその位置
を通過しなければならないノズルダクトの断面積（Ａ）
に反比例する。これは質量保存の単なる結果である。そ
れで（Ｘ）の関数としての（Ｕ）は（Ｘ）の関数として
の（Ａ）に依存する（すなわち速度はノズルの機械学的
形状に依存する）。局部のストークス数を定めることが
できる。
（１０） Ｓ≡τ（d Ｕ／d Ｘ） ここでd Ｕ／d Ｘ≡Ｕの場所勾配 d Ｕ／d Ｘが最小になる部分であるフローフィールドの
加速部分を求めることによってストークス数も小さくな
る。これは今度は（Ｘ）の関数としての（Ａ）を確立す
ることになり、それによってノズルの幾何学的形状を特
定する。（Ｓ＜＜１でありさえすれば付着種は平衡とな
り、したがって十分に乗せられるということを思い出さ
れたい。）実際、種の慣性インパクションを実現するた
めに加速ストークス数を最小にすることと減速ストーク
ス数を最大にすることとの間で妥協しなければならな
い。各応用はそれ自身の特別な要求を持っているであろ
う。もちろん、これらの要求を付着種の適当な合成を実
現するために流れ条件を最適にすることとバランスされ
なければならない。これらの変数のすべては所望の応用
に依存するであろう。
さらに各応用ではノズルの幾何学的形状の選択とサブス
トレートの形状および材料の選択が要求されるであろ
う。すべての実験例は円錐ノズルで行なったが、広い領
域を被覆するためには、（大きな寸法の）矩形ノズルを
採用してもよい。大きな領域を被覆する（第１１図参
照）ために、サブストレート１２−１はジェット１−７
を貫いて移動するようにできる。付着種１２−２の凝縮
はよどみ点１２−４に集中されるけれど、この、（もし
くは矩形ノズルの場合にはライン）はサブストレート１
２−１の表面を横切って移動する。その結果付着は全表
面を横切って生じる。動きの割合はそのようにして形成
される薄膜付着の厚みと（エッジ効果を減少する）平坦
性を決定することになろう。
実際には気体はバッチモード（第１２図参照）で被覆す
るようにできる。そこでは付着室は外気からシールされ
る前に多くの個別のサブストレート１３−２で一杯にさ
れ、それからメカニズム１３−１が各個別のサブストレ
ート１３−２をジェット１−７の下に付着種１３−４が
伝送されそれに凝縮するときその薄膜被覆１３−１３を
受取るように位置決めする。これとは別にサブストレー
ト材料としてロール化されまたはコイル化されたストッ
クの場合には、付着が半連続モード（第１３図参照）で
生じ、そこでは付着室にサブストレート材料１４−１の
スプール１４−２が詰められる。この材料１４−１は連
続的にほどかれてジェット１−７を経過しそれを受取る
よう位置決めされた他のスプール１４−６上に巻装され
る。サブストレート材料１４−１はジェット１−７が突
き当たるよどみ点１４−５で薄膜付着１４−４を受取
る。そのよどみ点１４−５で付着種が凝縮する。最後の
生成物は被覆材料のロールまたはコイルである。第１３
図に示される全体の装置は第１図の付着室１−２（ここ
では示されていない）内に含まれており、第１図の一般
化されたサブストレートの代わりに使用される。
連続付着は付着室がその雰囲気を受入れるようになって
いれば成就できるであろう。この場合には、いくらかの
キャリアガスがオープンポートから流れ出ることができ
るように、また大気中の種が内部に拡散しないのを保証
するために、この室の圧力を周囲の圧力よりもわずかに
高く維持する必要がある。ガスゲートメカニズムは室の
気圧コントロールを維持できる。もちろん、付着室が約
１気圧であればキャリアガスの初めの圧力はかなり高く
しなければならない。それからサブストレートはそのガ
スゲートを通して付着室に設置され他のゲートを通して
取り除かれる。実際には、これらの付加される複雑性
と、失われたキャリアガスの費用、ならびに付着環境に
必要となるコントロールの程度が連続動作の必要性に対
しバランスされなければならない。
好ましい他の実施例、言わば粉末冶金応用は第１５図に
示されている付着モードである。回転ドラム１５−１は
第１図の一般装置の付着室１−２（図示せず）内に含ま
れている。ドラム１５−１は第１図の一般のサブストレ
ート１−１０の代わりに使用される。ドラム１５−１が
回転すると、ジェット１−７中に配されるその表面部分
が代わり、よどみ点１５−３で凝縮する付着種１５−２
が回転ドラム１５−１の表面を薄膜１５−４で被覆し始
める。ドラム１５−１の表面の他の点に回転ドラム１５
−１から薄膜付着１５−４を取り除くスクレーパ１５−
５が配置されている。このようにして形成された粉末１
５−６はホッパ１５−７内に収集される。また付着と粉
末プロセスを容易にするために回転ドラム１５−１の表
面を加熱したり冷却したりするメカニズム１５−８も示
されている。ホッパ１５−７が粉末で一杯になると付着
が終わり、粉末１５−６の生成物ホッパ１５−７を取出
すために付着室が開けられる。この技術はコントロール
される蒸気圧や、いわゆる「スーパーアロイ」の超純粋
粉末の生産に非常に有効である。なお、スーパーアロイ
は後でヘリコプターのロータハブ、ジェットエンジン部
品等のような高臨界パーツに成形される。さらに、許さ
れる非常に高い圧力での私の装置の動作はその装置をコ
ントロールされた境界の管理や粉末材料の鋳造のための
他の高圧デバイスに併合するのを容易にするであろう。
サブストレートから生成物の薄膜付着を取り除くことに
よってシートまたはリボンを生成するのに好ましい実施
例であり、第１４図の実施例に類似する他の実施例で
は、回転ドラム１６−１（第１５図参照）がサブストレ
ート１−１０の代わりに付着室１−２（図示せず、第１
図参照）に設置される。付着種１６−２を運ぶジェット
１−７はドラム１６−１に突き当たり付着種１６−２が
よどみ点領域１６−３に凝縮する。ドラム１６−１がそ
の表面をよどみ点１６−３を貫いて回転させると、薄膜
付着１６−４ができて、その表面を被覆する。ドラム１
６−１の表面の他の点に、その表面から薄膜付着１６−
４を剥がすナイフが設置されている。生成物リボンまた
はシート材料１６−７はメカニズム１６−６によって表
面から引張る。付着と、剥がしプロセスを容易にするた
めドラム１６−１の表面を加熱または冷却する要素１６
−８が示されている。第１５図に示されているような装
置はエレクトロニクス応用でしばしば使用される薄い金
属箔の生産に極めて有効であろう。ドラム１６−１は高
いまたは低い温度に維持できるので、高い温度状態の金
属合金が凝縮され部屋温度で準安定状態に冷却される。
この方法では、いわゆるアモルファス金属が製造でき
る。事実、第１５図に示される装置はアモルファス金属
リボンを生成するために使用される他の回転ドラム装置
に或る点で類似しているように見える。但し、これらの
装置が溶融物から金属を冷却するのに対し、私の方法は
蒸気状態から冷すことを含んでいる。
２つの回転ドラム装置が第１４図と第１５図に示されて
おり、特に粉末材料とリボン材料の生産用に設計された
好ましい実施例に使用されている。これらの結果は他の
連続的に動く表面を有するデバイス、言わば回転ディス
ク、またはスピンドル状のベルトと等しく好適に得られ
る。表面の連続動きのテーマについてのそのような簡単
な変更は分かれた図にはそれぞれ示されておらず、むし
ろ第１４図と第１５図に示されていると考えられる。
さらに特別な実施例の説明 私の発明の特別な実例であるいくつかの実験がガスジェ
ット付着の概念を明らかにするために行なわれた。その
実験装置が第１６図に示されている。しかるに円錐ノズ
ルの幾何学的形状の正確な寸法は第１７図に示される。
キャリアガス、および或る例では希釈濃度の混合された
反応体種が１７−１で装置に入る。続いて、それはマス
フラックスをコントロールするニードル弁を通って流
れ、それから小さな開口１７−４（直径０．２mm）を通
して閉塞される。上流の圧力は１７−３で測定される。
小さな開口の上流の圧力（Ｐｕ）の測定もマスフラック
スの間接的な測定である。なぜなら、小さな開口を通る
流れは超音速に保持されるからである。そして、マスフ
ラックスは次のように与えられる。
（１１） m ＝［2/(γ+1)］〔γ/(γ-1)］(πdso 2Pu/4)√［p/(RITu)］ ここでγ≡特別な加熱比 d so≡小さな開口の直径 Ｐｕ≡上流の圧力（膨張前） Ｔｕ≡上流の温度 ＲＩ≡理想ガス定数 この場合、上流の温度（Ｔｕ）は部屋温度と想定でき
る。したがって所与のガスと開口のある場合には、マス
フラックスは単に上流の圧力（Ｐｕ）に依存するだけで
ある。実験ではマスフラックスは１秒につき約５ミリグ
ラムである。
ノズル１７−１０に入った後、ガスはタングステンフィ
ラメント（直径０．２mm、長さ約１mmの線）上を流れ
る。そのフィラメントは流れに垂直で、ノズル軸上に集
められ、かつノズル喉部分（第１７図参照）の入口の１
ノズル径（d ｎ＝２．０mm）内にセットされている。こ
のフィラメント１７−９は抵抗加熱され付着種源とな
る。ガスはこれらの種を乗せてジェットを形成するノズ
ル喉を通して広がる。そのジェットは速度（Ｕ）で付着
室１７−８に入り、最後にガラスプレート１７−１１に
当たる。そのガラスプレートはノズルの出口下流の数ノ
ズル径に配される。付着室１７−８からの流れは１７−
１５に位置されている機械的なポンプによって毎秒１６
０リットルの割合で除去される。
ノズル１７−１０の上流の圧力は１７−７で測定でき
る。しかるに、付着室１７−８における基本的な圧力は
１７−１３で測定される。締付弁１７−１４はジェット
のマーチ数の調節を許す。そのマーチ数は等エントロピ
ー膨張（高レーノルド数での好適な概算）を想定して次
の等式で計算される。
（１２） Ｍ＝√≪［2/(γ-1)］〔Pi/Pb 〔(1-γ)γ］-1〕≫ ここでＰｉ≡ノズル上流の始めの圧力 Ｐｂ≡付着室における基本的な圧力 すべての圧力は油圧計または水銀圧力計で測定し、一方
タングステンフィラメント１７−９の温度（Ｔｆ）は光
学的比重瓶１７−６を使って測定した。
ジェットのレーノルド数は等式（１１）で与えられるマ
スフラックスから計算できる。（安定状態で）前システ
ムを通して出力の保存が次の関係を要求するからであ
る。
（１３） m ＝πρＵd ｎ ２／４ ここでρ≡キャリアガス密度 ｄｎ≡ノズルの直径 Ｕ≡ジェット速度 ジェットのアーノルド数（Ｒ）の転移は （１４） Ｒ≡ρＵd ｎ／μ ここでμ≡キャリアガスの粘性 （１３）を（１４）に代入して、 （１５） Ｒ＝４m ／（πμd ｎ） 動作中、レーノルド数は１００のオーダであった。それ
は実際にマーチ数の計算（等式（１２））の背後の等エ
ントロピー想定を満足するほど十分には大きくない。し
かしながら数字的な分析はなく、等式１２はマーチ数を
見積る唯一の手段であり、それは（Ｒ〜１００）では極
めて正確であるはずである。
これらのマーチ数（Ｍ）の等式（等式１２）とレーノル
ド数（Ｒ）（等式１４）は音速以下の流れで有効である
にすぎず、またそれらは厚いフィラメントによるどんな
エネギの負荷をも無視している。また、キャリアガスだ
けの特別な加熱比（γ）も混合物のどんな反応体の存在
をも無視して使っている。しかも、これらの等式はフロ
ーフィールドの基本的な性質の正確な見積りをそれらの
有効な範囲内において引出さなければならない。
第１６図の装置は（第１７図におけるNo.１の幾何学的
形状のノズルで）使用された本技術の３つの個別の実例
のために３つの種を付着した。
実験（１）：ヘリウム中に（０．５モル％の）シランの
混合物がシステムを通して流れた。上流の流れは圧力
（Ｐ〜４００toor）に保持され、一方フィラメントは温
度（Ｔｆ〜２４００Ｃ）に加熱された。この温度におい
て、シランはフィラメントで種々の凝縮リンコン水酸化
物基に分解した。そしてガラスのスライド中に付着がで
きた。付着はマーチ数の非常に広い範囲（０．４＜Ｍ＜
１）にわたってできた。初めの圧力（Ｐｉ）−−フィラ
メントでの圧力−−は膨張する前は１toorのオーダであ
り、一方付着室における基本的な圧力Ｐｂはそれ以下で
あった。圧力比は（１．３＜Ｐｉ／Ｐｂ＜２）の範囲に
わたった。
ヘリウムに対するシランの分子質量比はこれらの音速以
下の流れ（Ｍ＜１）で約８（m ｄ／m ｃ〜８）にすぎな
いので、付着の主なメカニズムが拡散であったのは確か
である。この幾何学的形状によって超音速の流れを生ず
るのに必要な大きなポンプは手に入らなかった。
４倍の喉長さを持った点以外には類似の幾何学的形状を
有するノズル（第１７図のNo.２を参照）もまたテスト
した。この場合に粘着性は流れをかなり遅らせ、気相に
おける凝縮可能な種の居住時間を増大させた。気相群の
重要な核形成が生じ粒子の性質は付着の形態に残った。
実際、装置の幾何学的形状の小さな変化は付着の質に大
きな影響を与える。
第１の手段によって形成されたアモルファス水酸化シリ
コン付着についての赤外線分析は雰囲気の不純物の痕跡
を何ら示さず、しかして付着中に雰囲気がコントロール
されていたことを明らかにした。
薄膜形成における水酸化アモルファスシリコンの汚染さ
れない実例は半導電性性質を示すことができる。さらに
これらの材料は同種接合を形成するためにドープされて
もよい。よく使われる添加物はボロンと燐である。私の
方法では水酸化アモルファスシリコンのドーピングは単
に添加物を含む低濃度（シランの濃度に比べて）のガス
（たとえばホスフィンもしくはダイボレン）をシランと
不活性キャリアガスの流れガス混合物に混ぜることによ
って達成される。これらの添加物を含む種はシランがそ
うであるようにフィラメントの厚い面で分解するであろ
う。そしてその添加物を含む基はシランとともに凝縮
し、アモルファスシリコン固体に組み込まれることにな
ろう。そのようものは第４図に示されている反応体導入
メカニズム１の有用性の１つであり、その場合それは数
個の異なる反応体種を導入するように使用されている。
フッ素と合金されたアモルファスシリコン薄膜材料のシ
リコン四フッ化物の気相種からプラズマ放電装置におい
て付着されたという研究が文献に報告されている。これ
らの材料は半導電特性をも示す。シリコン四フッ化物は
（ＳｉＨ４）に代えて（ＳｉＦ４）を使用するという点
を除けば上述したと全く同様な工程で私の装置において
も付着させることができる。
実験（２）：ヘリウムにおける酸素のわずかな量（〜１
モル％）を上流の圧力（Ｐｕ〜４００torr）からシステ
ムを通して流した。タングステンフィラメントは表面の
酸化が起こる温度（Ｔｆ〜１４００Ｃ）に維持された。
酸素の流れはタングステンの表面を酸化し、フィラメン
トから蒸発した酸化物はヘリウムの流れに乗せられ、付
着を形成した。実験は付着の慣性効果を調べるためマー
チ数の広い範囲（０．１＜Ｍ＜１．０）にわたって、し
たがって圧力比の広い範囲（１＜Ｐｉ／Ｐｂ＜２）にわ
たって行なわれた。ノズルシステムを通しての圧力は常
に１torrのオーダであった。低い速度では付着は広範囲
であったが、これはタングステン酸化物の分子がジェッ
トに放射方向に拡散する時間があったということを意味
している。しかしながら高い速度では、その逆のことに
なり、分子は慣性的にインパクトされ、よどみ点近くに
集中される。
このようにして（第２図の装置のような）金属酸化物の
薄膜被覆を付着する非常に一般的な方法が明らかにされ
る。もちろん、そのような金属酸化物（たとえばアルミ
ニウム酸化物、またはマグネシウム酸化物）から形成さ
れた絶縁薄膜層は電子デバイスのパーツとして非常に有
益である。或る酸化物は有効な導電特性をも有すること
ができる（たとえばＩＴＯ，Ｍb ＳｎＯ４またはＳｎＯ
２（Ｓｂがドープ））。
シリコン酸化物の薄膜をもまた電子デバイスの構成要素
として使用される。この種は（最終の応用に従って）ガ
ラス形成用添加物または結晶形成用添加物とともに付着
され得る。１つの方法はノズルの上流で不活性ガスの流
れにシランガスを混合することである（導入方法１、第
４図参照）。添加物を含む種（たとえばダイボレン）も
また薄膜付着が所望の添加物濃度を持つように選ばれた
濃度で不活性キャリアシラン混合物に混ぜることができ
る。流れ領域Ｒ１に、酸素は別のチューブ（導入メカニ
ズム３，第６図参照）を介して導入できる。シランおよ
び添加物を含む種が酸化してその結果生ずるシリコン酸
化物と低濃度の添加酸化物が（残余の水素原子ととも
に）凝縮しサブストレートのよどみ点に付着を形成する
であろう。続いて、不所望な水素を払拭するために徐冷
を行なうことができる。他のメカニズムは酸素分子が先
に蒔かれている不活性ガス（放出メカニズム１、第４図
参照）の中へ固体シリコンからのシリコン原子の蒸発
（放出メカニズムに、第５図参照）を含む。シリコン酸
化物付着のプロセスは第２図に示されているアルミニウ
ム酸化物付着に類似している。このプロセスはガラス光
ファイバの被覆に有効であり、有効なガラス薄膜の付着
において他の応用を行なうことができる。
金属酸化物被覆はそれらの有効性ゆえに、サブストレー
トを高い温度で支持する場合に化学的な保護を与えるの
にも有用であることを認識されたい。粉末の金属酸化物
はまたセラミックにも使用できる。
他の応用では不活性ガスの流れの中に混ぜられる、加熱
金属を酸化させる気相の酸化種として他の種（たとえば
窒素、塩素）が代用される。たとえば、チタニウムは不
活性ガス流に混ぜられた窒素分子と酸化する蒸発金属原
子となる。この方法では、チタニウム窒化物被覆はサブ
ストレート表面に形成できる。チタニウム窒化物の薄膜
はそれらの非常な硬さに価値がある。それゆえ、もしサ
ブストレートが言わば切削工具であるとすると、チタニ
ウム窒化物付着は工具被覆材料として役立つことになる
だろう。
金属原子は純粋な固体金属サンプルから蒸発させる（第
５図に示されている反応体種導入メカニズム２）という
よりは金属酸化物付着の生成を含む他の特別な応用で
は、金属原子は普通の（すなわち部屋の）温度で非常に
高い蒸気圧を持った化学種（たとえば金属カルボニル）
の一部としてまず導入される。このようにして、そのよ
うな種は簡単な不活性キャリア流体に混ぜることができ
る（第４図に示される導入メカニズム１）、一方酸化物
は薄いチューブを介してフローフィールド（第６図に示
される放出メカニズム３）の反応領域Ｒ１（第１図参
照）へ導入される。この方法では、酸化反応が流れ領域
Ｒ１に生じ、しかして普通の方法で所与のサブストレー
トに付着される凝縮可能な金属酸化物基を生成する。
実験（３）：この上流圧力（Ｐu〜４００torr）からス
タートして純粋なヘリウムがシステムを通して、またタ
ングステンフィラメントのまわりに包まれた金箔を越え
て流れた。フィラメントは金の原子が蒸発する温度まで
加熱され、そしてこれらはジェットによって移送されか
つ付着された。再び付着はマーチ数の広い範囲（０．１
＜Ｍ＜１）にわたって行なわれるようにできた。再び初
めの圧力と基本の圧力は１toorのオーダであった。この
ようにして固体の金属薄膜の付着についての一般的な方
法が確認される。金属原子が放出メカニズム２（第５図
に示される）によって気相中に導入されるので、流れ領
域Ｒ１（第１図参照）における金属材料は高い温度に加
熱される。しかし領域Ｒ２のサブストレートは冷たいま
まにできる。これは高い温度を持続できない材料（たと
えばプラスチック、紙等）の上に固体の金属薄膜を作成
することを可能にする。そのような金属膜は電子デバイ
スの導電層として適用することができるであろう。ま
た、触媒材料（たとえばプラチニウム）も同じような方
法で薄膜上に付着できる。
金属箔を生成するために金属の蒸気被覆を第１５図に示
されている装置と関連して用いることができる。私の方
法によって与えられ得る高い焼き入れ率はアモルファス
金属リボンの凝縮と生成を可能にする。そのアモルファ
ス金属リボン材料は結晶格子のライン欠陥の欠乏によっ
て非常に高い強度を持つことができる。
数個の金属を数個の純粋な固体金属サンプルから同時に
蒸発でき、各々はフローフィールドの領域Ｒ１に設置さ
れかつ加熱される（放出メカニズム２の多重使用、第１
と第５図を参照）。この方法では金属合金が生成され
る。たとえば、（通常は同時スパッタリングによって生
成される）チタニウム・ニッケル、またはアルミニウム
・ニッケル合金薄膜付着が生成できる。これらの薄膜材
料は低濃度の三元素子（通常希土類金属）と適当に合金
化されると、水素の化学的吸収に大きな能力を発揮する
ことができる。そのような材料を水素貯蔵システムとし
て使用すると、バッテリや燃料電池技術に応用できる。
薄膜被覆状のクロミニウム・コバルト化合物は最近コン
ピュータのディスクメモリデバイスに使用される材料と
して電子情報記憶技術で適用されるようになった。
有機分子もまた被覆を形成するべき付着できる。固体バ
ルク状の有機材料（たとえばアントラセン）は加熱され
て長連鎖分子を気相へ蒸発する。その結果、それらは不
活性キャリアガス流によって伝送される（第５図参
照）。サブストレートは、その表面に凝縮した長連鎖分
子の引き続く重合と交差結合促進または抑圧するために
付着中に加熱または冷却してもよい。これとは違って単
量体が気相において合成されてもよく、それであればそ
れらが凝縮するサブストレートへのジェットによるそれ
らの移送中に重合できるようになる。そのような気相合
成反応の構成要素反応体は第４図と第６図に示されるメ
カニズムを介して流れの中へ導入できる。重合体の被覆
は有効な絶縁特性を持つことができ、それらは化学的保
護被覆として使用され、または或る重合体は導電性と半
導電性特性を持つことが知られている。
これら３つの実例は多くの種々の固体薄膜材料を作るの
に使用される一般的な方法を示す。これらの膜は導電
性、半導電性または絶縁性であるが、それらの使用はそ
れらの電子的特性を利用することに限定されるものでは
ない。
窺知できるように、私は次の化学種からなる固体の層ま
たは薄膜（そして、もし望まれるのであればさらにパワ
ーへプロセスされる）ごとき生成物として導体または誘
電体を付着できる方法と装置を開示してきた：シリコ
ン，金，タングステン，アルミニウム，マグネシウム，
鉄，カーボン，クロミニウム，コバルト，プラチニウ
ム，チタニウム，ゲルマニウムおよび他の金属；固体状
態の酸化物，窒化物，水素化合物，フッ化物，および酸
化媒体を含む化合物；結晶，多結晶またはアモルファス
状態の混合物と合金とその化合物。さらに、生成物は有
機固体または重合体も可能である。開示した発明の付加
的な理解はこの開示クレームを読むことによってわかる
だろう。

Claims (26)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】不活性キャリアガスに搬送された凝縮可能
    なガス状物質をサブストレート表面に固体として堆積さ
    せる方法であって、前記方法は、 （ａ） 不活性キャリアガスの流れを形成するステップ
    と、 （ｂ） 前記サブストレート上に堆積されるべき凝縮可
    能なガス状成分を前記不活性キャリアガスのジェットを
    生成する手段内またはそれに隣接して生成するステップ
    と、 （ｃ） 前記凝縮可能なガス状材料および不活性キャリ
    アガスの流れを前記サブストレートに向けて前記ジェッ
    ト形成手段を通して搬送するステップと、 （ｄ） 不活性キャリアガスのジェット気流を前記サブ
    ストレートに衝突させることによって減速させ、それに
    よって前記凝縮可能なガス状物質の固体膜を堆積させる
    ステップを含む、方法。
  2. 【請求項２】ガス雰囲気が不活性キャリアガスの流れに
    よって制御される、特許請求の範囲第１項に記載の方
    法。
  3. 【請求項３】流体混合物の流れが再流通チューブを介し
    て付着システムのガス入口へ再流通される、特許請求の
    範囲第１項に記載の方法。
  4. 【請求項４】前記付着される凝縮可能なガス組成は付着
    種を含み、 前記付着種の凝縮可能な分子の数が前記種を移送する不
    活性ガスの流れの下流に分子があるのを保証する流れ領
    域において維持され、付着種の飽和した凝縮可能な蒸気
    はそれらが前記表面に拡散して凝縮する時間を持つ前に
    前記ガスを向けるように設けられたガス表面を通り過ぎ
    て伝送され、反応種の流れはノズルを出てジェットを形
    成するキャリア流体内で混ぜられ、前記領域はジェット
    の長さに沿って上流部から延び、前記流れのよどみ点で
    終了し、このよどみ点は前記第２の領域内でかつジェッ
    トが標的サブストレートに衝突する点の近くにあり、そ
    して前記流れる不活性ガス連続体の第１領域で付着種が
    合成され、一方飽和した凝縮可能な蒸気が前記第２領域
    で標的サブストレートに付着される特許請求の範囲第１
    項に記載の方法。
  5. 【請求項５】発達合成反応で消費されるように予定され
    た反応体先駆物質種が初めは固体または液相のバルク状
    をしており、その後その蒸気圧が反応体種の所望のマス
    フラックスが不活性ガス中へ蒸発または昇華されるよに
    う上がるまで加熱される、特許請求の範囲第１項に記載
    の方法。
  6. 【請求項６】１以上の反応体種が１以上の固体または液
    体バルク材料源からガスの流れ領域へ蒸発される、特許
    請求の範囲第５項に記載の方法。
  7. 【請求項７】解離を含む合成反応が次のいずれかのエネ
    ルギ手段によって分子にエネルギ付加することにより活
    性化される特許請求の範囲第１項に記載の方法： １） 熱い固体表面に加熱、または ２） 放射熱の吸収、または ３） プラズマもしくはガス放電による相互作用、また
    は ４） 前記エネルギ手段のいずれかの組合せ。
  8. 【請求項８】異なる材料よりなる被覆の付着層が１つの
    層続いて次の層を付着する１またはそれ以上のノズルを
    使用することにより形成される特許請求の範囲第１項に
    記載の方法。
  9. 【請求項９】次の化学種からなる生成膜を付着する特許
    請求の範囲第１項に記載の方法： シリコン、金、タングステン、アルミニウム、マグネシ
    ウム、鉄、カーボン、クロミニウム、コバルト、プラス
    チニウム、チタニウム、ゲルマニウムおよび他の金属；
    固体状態の酸化物、窒化物、水素化合物、フッ化物、お
    よび酸化媒体を含む化合物；または結晶、多結晶または
    アモルファス状態の混合物と合金とその化合物。
  10. 【請求項１０】前記変遷領域の場所と標的エリア領域に
    起こる付着の形式とをコントロールするためにガスジェ
    ット連続体の流れがストークス度を変化させる絞り弁に
    よって局部のストークス数を規定するよう調節される、
    特許請求の範囲第１項に記載の方法。
  11. 【請求項１１】付着種の飽和し凝縮可能な蒸気がガスジ
    ェット連続体のフローフィールード領域内に制限され、
    そしてその飽和した凝縮可能な種が標的表面に隣接する
    第２領域に到達するまでに実質的にガスすら移住が起こ
    らないような速度で下流へ移住される特許請求の範囲第
    １項に記載の方法。
  12. 【請求項１２】前記ガスジェット連続体のフィールド内
    の空気力学的な制限を規定するフローフィールド内でガ
    スジェットが標的サブストレートに到達する前に付着種
    の形成を確立する反応が起こる、特許請求の範囲第１項
    に記載の方法。
  13. 【請求項１３】ガスジェット連続体が０．１マッハ以上
    の速度で流れる、特許請求の範囲第１項に記載の方法。
  14. 【請求項１４】標的サブストレートのサブストレート温
    度が付着の間変えることができ、サブストレートの異な
    る温度での付着の割合はサブストレート温度とは実質的
    に独立である、特許請求の範囲第１項に記載の方法。
  15. 【請求項１５】飽和した凝縮可能な蒸気が合成または分
    解反応によって形成されるガスジェットのフローフィー
    ルド内で、その飽和した凝縮可能な蒸気は第２領域に達
    するまで周囲の面に凝縮することなしにガスジェット連
    続体内に乗ったままである、特許請求の範囲第１項に記
    載の方法。
  16. 【請求項１６】付着種の凝縮可能な蒸気としての合成と
    形成はガスジェット連続体のフローフィールドにおい
    て、第２領域における標的エリアで起こるその凝縮可能
    な蒸気の拡散または慣性のインパクションによる凝縮か
    ら孤立されている、特許請求の範囲第１項に記載の方
    法。
  17. 【請求項１７】不活性のガスジェット連続性流体は第２
    領域に到達した後、そして付着種が標的サブストレート
    に乗せられた後、実質的に乗っている付着種がない不活
    性ガスとして再流通される、特許請求の範囲第１項に記
    載に方法。
  18. 【請求項１８】不活性キャリアガスに運ばれる凝縮可能
    なガス状の材料をサブストレート表面に固体として付着
    させる装置であって、前記装置は、 （ａ） 不活性キャリアガスの流れを形成する手段と、 （ｂ） 前記サブストレート上に付着される凝縮可能な
    ガス上の組成を生成する手段と、 （ｃ） 前記凝縮可能なガス状材料と不活性キャリアガ
    スの流れを前記サブストレートに向けて搬送するための
    ガスジェットを形成するガスジェット手段と、 （ｄ） 前記不活性キャリアガスと凝縮可能なガス状材
    料からなるジェットの流れを前記サブストレートに対し
    て衝突させるために位置決めし、それによって前記凝縮
    可能なガス状材料を固体状に付着する手段と、 （ｅ） 前記サブストレート表面上に均一な厚さの固体
    の凝縮可能なガス材料を付着させるために、前記サブス
    トレート表面と不活性キャリアガスとの間で相対的に横
    方向の動きを行なう手段とを含む、装置。
  19. 【請求項１９】前記相対的移動手段は前記サブストレー
    トの上において第１の位置から第２の位置に種が付着さ
    れるように移動される、特許請求の範囲第１８項に記載
    の装置。
  20. 【請求項２０】種が付着されるサブストレートを加熱お
    よび／もしくは徐冷する手段をさらに含む、特許請求の
    範囲第１８項に記載の装置。
  21. 【請求項２１】キャリアガスをさらに加熱および／もし
    くは徐冷する手段をさらに含む、特許請求の範囲第１８
    項に記載の装置。
  22. 【請求項２２】ガス再流通手段をさらに含む、特許請求
    の範囲第１８項に記載の装置。
  23. 【請求項２３】化学合成反応を促進しかつ最適になすた
    めにノズルの幾何学的形状は熱力学的および気体力学的
    流れ条件をコントロールする、特許請求の範囲第１８項
    に記載の装置。
  24. 【請求項２４】前記サブストレートは付着ジェットの幅
    よりもずっと大きな全幅を有する絶壁体形状である、特
    許請求の範囲第１８項に記載の装置。
  25. 【請求項２５】粉末材料の生産のために連続的に動く標
    的エリアが設けられており、前記標的エリアは前記標的
    エリアへジェットが衝突する点のその表面によどみ点を
    持っており、そして前記標的エリアから材料を除去する
    手段が設けられており、それによってその材料が粉末化
    される、特許請求の範囲第１８項に記載の装置。
  26. 【請求項２６】標的エリアとその標的エリアから付着材
    料をリボンまたはシート状に剥がす手段が設けられてい
    る、特許請求の範囲第１８項に記載の装置。
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