JPH11222669A

JPH11222669A - ガスデポジション方法及び装置

Info

Publication number: JPH11222669A
Application number: JP9243798A
Authority: JP
Inventors: Chikara Hayashi; 主税林
Original assignee: Vacuum Metallurgical Co Ltd
Current assignee: Vacuum Metallurgical Co Ltd
Priority date: 1997-12-05
Filing date: 1998-03-20
Publication date: 1999-08-17

Abstract

(57)【要約】【課題】効率よく、長時間、超微粒子でなる膜又は小
塊を形成することのできるガスデポジション方法又は装
置を提供すること。【解決手段】生成室内に配設された蒸発材料を蒸発さ
せて超微粒子を生成し、該超微粒子を搬送ガスと共に、
搬送管を介して膜形成室に搬送させて、該膜形成室内に
配設された基板上に前記超微粒子の膜又は小塊を形成す
るガスデポジション方法において、前記蒸発材料が線状
又は棒状でなり、該蒸発材料の先端を、該蒸発材料を摺
動可能に支持する支持部材より突出させ、該先端にのみ
レーザー光を照射させるようにして、該先端を局部的に
加熱し、前記蒸発材料を蒸発させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超微粒子をガスと
共に搬送し、ノズルより噴射させて基板上に超微粒子の
膜又は小塊を形成するガスデポジション方法及びその装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のガスデポジション装置は、図５に
１として示されている。このガスデポジション装置１
は、超微粒子が蒸発材料Ｓ’から生成される超微粒子生
成室２１’と、基板４２に超微粒子の膜又は小塊が形成
される膜形成室４１と、超微粒子生成室２１’から膜形
成室４１へと、搬送ガスと共に超微粒子を搬送する搬送
管３１とを有しており、これらがほぼ垂直方向に配設さ
れている。

【０００３】超微粒子生成室２１’には、蒸発材料Ｓ’
を入れたルツボ２２が配設されている。このルツボ２２
には、黒鉛又はセラミックス（これはＡｌ₂ Ｏ₃ 、Ｍｇ
Ｏなどの酸化物セラミックス、ＳｉＮやＴｉＮなどの窒
化物セラミックス、ＳｉＣなどの炭化物セラミックスな
どがある）が主に使用されている。また、ルツボ２２の
外周には、高周波誘導加熱用コイル２３が巻装されてお
り、この高周波誘導加熱用コイル２３は誘導加熱電源２
４に接続されている。この高周波誘導加熱用コイル２３
は、高周波電流を流すことにより、ルツボ２２及び／又
は蒸発材料Ｓ’による渦電流損失及び／又は誘電損失に
より、蒸発材料Ｓ’を加熱して、蒸発材料を蒸発（これ
には昇華も含まれる）させている。また、超微粒子生成
室２１’には、圧力計６が取り付けられており、更にバ
ルブ５５を介して、排気ポンプ５４に接続されている。
更に、超微粒子生成室２１’には、搬送管３１の下端部
３１ａが挿入され、この外周は吸込管３４により覆われ
ている。吸込管３４は、超微粒子生成室２１’の外部で
搬送管３１と分岐しており、バルブ３５を介して、Ｈｅ
循環ポンプ３６に接続されている。なお、Ｈｅ循環ポン
プ３６は、Ｈｅ循環システム５９に供給されている。こ
のＨｅ循環システム５９は、特開平６−５７４１３号公
報に記載されているガス循環装置であり、これを通過す
ることによって、Ｈｅ（ヘリウム）ガスから油分や超微
粒子等の不純物が除去され、これが、バルブ６５を介し
て、再び超微粒子生成室２１’へと供給されている。

【０００４】膜形成室４１には、超微粒子の膜又は小塊
が形成される基板４２が配設されている。この基板４２
は、ヒーターを内蔵し基板を保持する基板移動機構９に
取り付けられ、水平方向に可動となっている。また、こ
の基板４２に対向して、噴出するように、搬送管３１の
上端部３１ｂにノズル３２が配設されている。なお、基
板４２には、図示しないが、基板４２の表面温度を測定
するための熱電対が設けられている。更に、膜形成室４
１は、圧力計７が設けられ、この膜形成室４１は、バル
ブ５７を介して排気ポンプ５６に接続され、かつＨｅ循
環システム５９に接続されているＨｅ循環ポンプ５にバ
ルブ４を介して接続されている。

【０００５】次に、従来例のガスデポジション装置１の
作用について説明すると、まず、高周波電流を流すこと
によって、蒸発材料Ｓ’を加熱し、この蒸発材料Ｓ’を
蒸発させる。このとき、超微粒子生成室２１’の内部
が、例えばＨｅなどの不活性ガスのガス雰囲気となって
いるため、蒸発した蒸発材料Ｓ’は超微粒子となる（い
わゆるガス中蒸発法）。そして、この超微粒子になった
蒸発材料は、例えば超微粒子生成室２１’（これは例え
ば０．５ＭＰａに設定されている）と膜形成室４１（こ
れは例えば、１０³ Ｐａ以下に設定されている）との差
圧によって、搬送ガス（例えばＨｅなどの不活性ガス）
と共に、搬送管３１を介して、膜形成室４１へと搬送さ
れる。すなわち超微粒子は、搬送管３１のノズル３２か
ら基板４２上に噴出され、基板４２上に膜又は小塊を形
成する。

【０００６】ところで、ガスデポジションの効率をより
向上させるためには、すなわち膜形成速度を上昇させる
ためには、超微粒子の生成速度を大きくすればよく、こ
の生成速度を大きくするには、蒸発材料の溶湯温度を高
くすればよい。ただし、このガスデポジション装置１を
工業生産用として用いる場合には、所定の堆積速度を、
長時間、例えば１０時間以上、継続できるものとしなけ
ればならない。

【０００７】しかしながら、従来の方法では、蒸発材料
Ｓ’を高温で長時間加熱すると、ルツボ２２と蒸発材料
Ｓ’の界面で、これらが反応し、その後、この反応が進
行することになる。例えば、蒸発材料Ｓ’がＡｌ（アル
ミニウム）でなり、１２００℃以上の高温溶融Ａｌに一
般に使用されている黒鉛（Ｃ）がルツボ２２として使用
される場合には、Ａｌが加熱されて、１４００℃を越え
るとＡｌとＣ（炭素）とが反応し、ＡｌＣ（炭化アルミ
ニウム）の化合物が生成される。そして、この反応は、
時間の経過と共に、また温度上昇と共に進行する。特
に、Ａｌは、ぬれ性が高いため、ルツボ２２内に入れて
おくと、Ａｌがルツボ２２の側面をはい上がるといった
現象が生じる。そのため、ＡｌとＣでなるルツボ２２と
の接触面が大きくなり、ＡｌＣが多量に発生してしま
う。

【０００８】すなわち、超微粒子の生成速度を大きくす
るために、蒸発材料を高温で加熱しても、その供給され
た熱は、蒸発して超微粒子を生成されるために使われず
に、ルツボ２２との化学反応に使用されてしまう。その
ため、この蒸発材料とルツボとが反応する温度以上で
は、蒸発材料の蒸発速度は低下し続け、所定時間後に
は、蒸発材料が全く蒸発しなくなり、基板４２上に膜又
は小塊が形成されなくなる。すなわち、基板４２上に
は、蒸発材料Ｓ’でなる超微粒子の膜又は小塊を、長時
間、安定して効率よく形成することができなかった。

【０００９】また、蒸発材料として、合金（すなわち２
種類以上の金属を混合したもの）を用いる場合には、ル
ツボ２２内に入れられている２種類（又はそれ以上）の
金属のうち、蒸気圧の高い元素は、その蒸発速度が大き
いので、先に蒸発してしまう。そのため、蒸発の進行と
共に、ルツボ２２内の蒸発材料Ｓ’では、その蒸気圧の
高い元素の濃度が低下する。すなわち、時間の経過に伴
って、膜の組成比が変動してしまう。そして、これを制
御することはできなかった。従って、２種類以上の超微
粒子からなる合金の膜を形成する際には、長時間、所望
の組成比の膜を得ることができなかった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述の問題
に鑑みてなされ、蒸発材料を支持している支持部材と蒸
発材料とが反応せず、長時間、安定して超微粒子を発生
させ、また、膜を形成する蒸発材料が２種類以上の元素
からなる場合でも、所望の組成比の膜を、長時間、安定
して得ることができるガスデポジション方法及び装置を
提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】以上の課題は、生成室内
に配設された蒸発材料を蒸発させて超微粒子を生成し、
該超微粒子を搬送ガスと共に、搬送管を介して膜形成室
に搬送させて、該膜形成室内に配設された基板上に前記
超微粒子の膜又は小塊を形成するガスデポジション方法
において、前記蒸発材料が線状又は棒状でなり、該蒸発
材料の先端を、該蒸発材料を摺動可能に支持する支持部
材より突出させ、該先端にのみレーザー光を照射させる
ようにして、該先端を局部的に加熱し、前記蒸発材料を
蒸発させることを特徴とするガスデポジション方法、に
よって解決される。

【００１２】又は、以上の課題は、膜又は小塊を形成す
る超微粒子を生成する生成室と、該生成室内に配設され
る蒸発材料と、該蒸発材料を支持する支持部材と、前記
蒸発材料を加熱して蒸発させるための加熱手段と、前記
膜又は前記小塊が形成される基板が配設された膜形成室
と、前記生成室から前記膜形成室へと前記超微粒子を搬
送ガスと共に搬送する搬送管とを備えたガスデポジショ
ン装置において、前記蒸発材料が線状又は棒状で成り、
前記支持部材が前記蒸発材料の先端を突出させて摺動可
能に前記蒸発材料を支持しており、前記加熱手段が前記
蒸発材料の前記先端を局部的に加熱するレーザー光であ
り、該レーザー光を発振するレーザー発振器を前記生成
室の外部に設けたことを特徴とするガスデポジション装
置、によって解決される。

【００１３】このような方法又は構成にすることによっ
て、レーザーからの高エネルギーを受けて、その蒸発材
料の先端は、直接、加熱されて、蒸発され、超微粒子が
生成される。しかしながら、支持部材は、溶融した蒸発
材料からの輻射及び伝導により加熱されても、直接、加
熱されることはない。また、レーザーが照射されている
先端は、蒸発材料を支持している支持部材より突出して
いるため、支持部材と蒸発材料とが接触している部分の
温度は、先端の温度より低くなっている。更に、加熱さ
れた蒸発材料からの熱伝導により他の部分に比べて高温
となっている部分、すなわち蒸発材料と接触する部分の
面積も小さい。そのため、蒸発材料と支持部材の材料と
の反応はほとんどない。従って、長時間、加熱を行って
も、超微粒子の生成速度は同じであり、長時間、安定し
て膜又は小塊を形成することができる。また、レーザー
により局部的に加熱された先端から直接、蒸発材料が蒸
発して、超微粒子が生成されるので、２種類以上の元素
の超微粒子から成る膜を形成する際には、ほとんど同じ
組成比の膜が長時間、得られる。更に、蒸発材料をレー
ザーで局部的に加熱しているので、エネルギー密度を大
きく取れ、必要によりパルス状に加熱することも可能で
ある。また、レーザーを発振するレーザー発振器を、生
成室の外部に設けているので、出力の調節、メンテナン
スが容易であり、長時間の運転が容易にできる。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明では、生成室に配設されて
いる支持部材に摺動可能に支持されている棒状又は線状
の材料を蒸発材料とし、この蒸発材料の先端を支持部材
から突出させ、この先端にのみレーザーを照射させて、
この先端を局部的に加熱して、蒸発材料を蒸発させて超
微粒子を生成する。そして、この超微粒子を搬送ガスと
共に、搬送管を介して膜形成室に搬送し、膜形成室に配
設されている基板に向けて噴射して、基板上に超微粒子
の膜又は小塊を形成する。このようにすることで、レー
ザーによって加熱された蒸発材料の先端は、蒸発材料が
蒸発するのに充分な温度となっているが、他方、支持部
材は直接、加熱されないため、蒸発材料が支持部材と接
触する部分の温度は、先端の温度より低くなっている。
そのため、蒸発材料と支持部材の材料とは、ほとんど反
応することがなく、レーザーからの加熱は、蒸発材料を
蒸発するために使われて、蒸発速度を大きくし、効率よ
く、膜又は小塊を形成することができる。

【００１５】なお、本発明において、この方法を達成す
るために、膜又は小塊を形成する超微粒子を生成する生
成室と、この生成室内に配設される線状又は棒状で成る
蒸発材料と、この先端を突出させて摺動可能に支持する
支持部材と、蒸発材料の先端を加熱して蒸発させるため
のレーザー光と、このレーザー光を発振し、生成室の外
部に設けられたレーザー発振器と、超微粒子の膜又は小
塊が形成される基板が配設された膜形成室と、生成室か
ら膜形成室へと超微粒子を搬送ガスと共に搬送する搬送
管とを備えたガスデポジション装置とする。このよう
に、蒸発材料の先端を局部的に加熱するレーザーを発振
するレーザー発振器を、生成室の外部に設ける構造とし
たので、出力の調節、メンテナンスが容易であり、長時
間の運転が容易にできる。

【００１６】また、本発明では、レーザーを照射した先
端部から（場合によってはこの近傍からも）、蒸発材料
が蒸発されるので、蒸発材料が、２元素から成る、いわ
ゆる合金や化合物である場合には、従来例のような、蒸
発の進行とともに溶融している蒸発材料中の蒸気圧の高
い元素の濃度低下が防止でき、長時間に渡って、組成比
がほぼ同じ膜又は小塊が形成される。

【００１７】更に、蒸発材料が、蒸発に必要な温度が１
９００℃〜２０００℃と高温が必要なＴｉの場合に、本
発明を用いると特に有効である。従来例の方法では、こ
のＴｉと反応しない材料はなく、必ず、反応物が生成さ
れてしまっていたが、本発明の方法を用いると、支持部
材は直接、加熱されていないので、仮に、溶融したＴｉ
が支持部材に接触するとしても、溶融したＴｉは、蒸発
に必要な温度よりかなり低い温度となって支持部材と接
触することになり、Ｔｉと反応して生成される反応物は
少ない。また、この支持部材を所定温度以下（例えば１
０００℃以下）に冷却すると、特に、Ｔｉと支持部材の
材料との反応を極めて小さくすることができ、長時間、
大きく変動しない超微粒子の生成速度で、膜又は小塊を
形成することができる。すなわち、支持部材を所定温度
以下に冷却すると、蒸発材料と支持部材の材料との反応
を抑えることができるので好ましい。

【００１８】なお、支持部材の、蒸発材料の先端が突出
している周辺部には、レーザー光によって局部加熱さ
れ、溶融した蒸発材料が垂れ下がって接触することもあ
るが、蒸発材料がＡｌなどのぬれ性の高い材料であって
も、その支持部材と接する部分の温度が低くなるので、
流動性が減少し、他の部分には拡がりにくくなり、はい
上りを少なくできる。また、この場合には、結果的に蒸
発する面積が拡がったことになり、蒸発速度を大きくす
ることができる。なお、支持部材の中心に孔を設け、こ
の孔の中に蒸発材料を挿入し、この孔の開口部をテーパ
ーとすれば、支持部材と接する溶融した部分が、開口部
に溜まり、四方八方に拡がることが防止できる。

【００１９】また、長時間、膜形成を行う場合には、先
端から蒸発材料が蒸発する速度に応じて、蒸発材料を間
欠的あるいは連続的に供給し、常に支持部材より突出す
るようにするのが好ましい。このように、棒状又は線状
の蒸発材料は、突出する方向に供給され（移動され）な
がら、先端がレーザー光により加熱されるので、蒸発材
料と支持部材の材料との反応が進行することなく、長時
間の運転が行える。

【００２０】更に、蒸発材料の外径以下の径でレーザー
光が照射されるようにすれば、すなわち、支持部材にレ
ーザー光が照射されるという恐れは全くなる。なお、材
料の外径としては約０．１ｍｍ〜約５ｍｍ、先端に照射
されるレーザー光の径も約０．１ｍｍ〜約５ｍｍが好ま
しい。勿論、照射される蒸発材料溶融の温度を高くする
ためには、レーザー光の径及び蒸発材料の径は、小さい
方が好ましいと考えられるが、蒸発材料及び照射される
レーザー光の径があまり小さくなりすぎると、レーザー
光の照射にずれが生じやすくなり、好ましくない。

【００２１】更に、線状又は細い棒状の蒸発材料の先端
に高密度エネルギーのパルスレーザーを照射して、この
蒸発材料の固相表面からの昇華もしくはフラッシュ蒸発
で気化させるようにして、蒸発材料の溶融部が支持部材
など異種の材料と接触させないようにしている。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の各実施例について、図面を参
照して説明するが、上記従来技術と同一な部分について
は、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

【００２３】本発明の第１実施例によるガスデポジショ
ン装置１０は、図１に示されているが、これは、上記従
来例と同様に、超微粒子を生成する超微粒子生成室２１
と、超微粒子の膜又は小塊が形成される基板４２が配設
された膜形成室４１と、生成室２１と膜形成室４１とを
連通し、超微粒子を搬送ガスと共に、超微粒子生成室２
１から膜形成室４１へと搬送する搬送管３１を有してお
り、これらはほぼ垂直方向に配置されている。

【００２４】膜形成室４１の構造は、従来例と全く同様
であり、図示しないヒーターを内蔵し基板を保持する基
板移動機構９に基板４２が取り付けられており、基板４
２は、Ｘ−Ｙ−Ｚ方向に移動可能となっている。本第１
実施例では、この基板４２と、約２ｍｍ程度の距離をお
いて対向するようにノズル３２が配設されている。この
ノズル３２は、例えば内径１ｍｍを有し、例えば内径６
ｍｍの搬送管３１の上端部３１ｂに取り付けられてい
る。

【００２５】超微粒子生成室２１は、従来と同様に、搬
送管３１の下端部３１ａが開口しており、この搬送管３
１を覆っている吸込管３４は、従来と同様に、バルブ３
５を介してＨｅ循環ポンプ３６に接続されている。この
Ｈｅ循環ポンプ３６は、Ｈｅ循環システム５９に送り込
まれ、９９．９９９％の純度に精製された後、加圧し
て、バルブ６５を介して超微粒子生成室２１に供給され
る。

【００２６】更に、超微粒子生成室２１において、搬送
管３１のほぼ直下方に、支持ブロック１５が配設されて
いる（これらは図１において誇張して示している）。こ
の支持ブロック１５は、黒鉛（Ｃ）で成り、水冷を施さ
れており、外径Ｅがφ６０ｍｍ、長さＬが８０ｍｍの円
筒形状をしている。また、その中央には、例えば内径Ｄ
がφ４．０５ｍｍの貫通孔１５ａを有しており、この貫
通孔１５ａの上方の開口部１５ａａがテーパーになって
いる。支持ブロック１５の貫通孔１５ａには、外径ｄが
φ４ｍｍの蒸発材料であるＡｌ棒Ｓが貫通して、上下に
摺動可能に支持されている。また、Ａｌ棒Ｓの上端部Ｓ
_U は、支持ブロック１５から突出している。また、支持
ブロック１５の下方には、蒸発材料供給機構１６が取り
付けられており、これは、例えば、測定されるＡｌ棒Ｓ
の蒸発したために減少した量に応じた速度で、間欠的あ
るいは連続的にＡｌ棒Ｓを押し上げる。

【００２７】また、超微粒子生成室２１の外部には、Ｃ
Ｏ₂ （炭酸ガス）レーザー発振器１１が配設されてい
る。このＣＯ₂ レーザー発振器１１は、連続発振方式で
あり、その出力は３ＫＷである。発振されたレーザー光
Ｒは、偏光鏡１２、集光レンズ１３、レーザー光導入窓
１４を介して、図２のＡに示すように、Ａｌ棒Ｓの上端
部Ｓ_U 上に斜め上方から照射される。なお、このレーザ
ー光Ｒは、Ａｌ棒Ｓの上端部Ｓ_U において、直径約２ｍ
ｍ程度の大きさである。

【００２８】本第１実施例のガスデポジション装置は以
上のように構成されているが、次に、この作用について
述べる。

【００２９】まず、Ａｌ棒Ｓを支持ブロック１５に配置
し、バルブ５５、５７を介して接続された排気ポンプ５
４、５６によって、超微粒子生成室２１及び膜形成室４
１を真空引きする。そして、バルブ５５、５７を閉じて
排気ポンプ５４、５６が止められ、バルブ６５を介して
Ｈｅ循環シムテム５９及び図示しないＨｅガスボンベか
ら、毎分約４０リットルのＨｅガスが、超微粒子生成室
２１に供給され、その圧力は０．５ＭＰａ（５気圧）以
下に保たれる。このとき、膜形成室４１の圧力はＨｅ循
環ポンプ５によって１×１０³ Ｐａ以下に維持される。
この状態で、ＣＯ₂ レーザー発振器１１からレーザー光
ＲがＡｌ棒Ｓの上端部Ｓ_U に照射される。すなわち、こ
の照射された部分ｅには、エネルギー（本第１実施例で
はそのエネルギー密度は１０⁵ Ｗ／ｍｍ² 程度）が供給
されるため、照射された部分からＡｌが蒸発する。な
お、蒸発したＡｌは、超微粒子生成室２１がＨｅのガス
雰囲気にあるため、すぐさま超微粒子となる。一方、Ａ
ｌ棒の照射された部分の周囲は、レーザーによる熱が伝
導されるので溶融する。本第１実施例では、蒸発材料が
ぬれ性が高いＡｌのため、溶融したＡｌは、支持ブロッ
ク１５の表面で拡がり、テーパーとなっている開口部１
５ａａに溜まり、図２のＢで示す状態となる。なお、図
２のＢにおいて、ｂは固相部分Ｗと液相部分Ｖとの固液
相境界である。このとき、レーザーＲが照射されている
部分ｅの温度は約１５００℃であり、開口部１５ａａに
あり支持部材１５と当接している部分ｔの温度は１１０
０℃〜１２００℃である。

【００３０】他方、生成された超微粒子は、Ｈｅガス中
に浮遊して搬送管３１に吸い込まれ、ノズル３２からＨ
ｅガスのほぼ音速に近い速度で噴出し、基板４２の表面
に衝突して、Ａｌの超微粒子の堆積膜を形成する。な
お、このとき、基板４２は、ノズル３２と約２ｍｍの間
隔をおいた状態で、水平方向、すなわちＸ−Ｙ方向に移
動して、堆積膜を基板表面に均一に形成する。

【００３１】本第１実施例では、支持部材である支持ブ
ロック１５は、溶融Ａｌからの輻射及び伝熱による加熱
はあるが、直接、加熱されない。また、蒸発材料である
Ａｌ棒Ｓは、レーザー光Ｒによって局部的に加熱されて
いるため、支持ブロック１５と接している部分ｔの温度
は、１１００℃〜１２００℃と、ＡｌとＣとの反応温度
より低い。従って、支持ブロック１５の黒鉛とＡｌとの
反応はごくわずかである。また、Ａｌ棒Ｓは、蒸発材料
供給機構１６により上部に押し上げられて、加熱されて
いる部分すなわちレーザＲが照射されている部分ｅに供
給されるため、長期の加熱をしたとしても、その熱が他
の部分に伝導して、反応が進行するということはない。
更に、Ａｌはぬれ性が高いため、図２のＢで示すよう
に、開口部１５ａａに拡がるが、むしろ蒸発面積が増
え、蒸発速度を大きくするのに寄与している。

【００３２】なお、本第１実施例では、超微粒子生成室
２１での超微粒子の生成速度は２×１０^-4ｇ／ｓであっ
た。この超微粒子の生成速度は、上述した図５に示した
従来例のガスデポジション装置１において、内径３２ｍ
ｍの黒鉛でなるルツボ２２で、蒸発材料Ｓ’を１４００
℃に加熱したときの蒸発開始直後の生成速度と、ほぼ同
じである。更に、従来では、この１４００℃では、蒸発
開始直後から蒸発材料Ｓ’の溶融表面にＡｌＣ反応膜が
生成し（一部はその溶融内で浮遊する）、超微粒子の生
成速度は低下の一途をたどっていたのにもかかわらず、
本第１実施例では、１０時間、その蒸発を継続しても、
その蒸発速度の変動は、わずか１５％以内であった。

【００３３】次に、本発明の第２実施例について、図
３、図４を参照して説明する。なお、第１実施例と同一
な部分については、同一の符号を付し、その詳細な説明
は省略する。

【００３４】図３に本第２実施例のガスデポジション装
置２０を示す。これは、超微粒子を生成する超微粒子生
成室２１”と、超微粒子の膜又は小塊が形成される基板
４２が配設された膜形成室４１”と、生成室２１”と膜
形成室４１”とを連通し、超微粒子を搬送ガスと共に、
超微粒子生成室２１”から膜形成室４１”へと搬送する
搬送管３１”を有しており、これらはほぼ垂直方向に配
置されているが、第１実施例と異なり、搬送管３１”に
対して、超微粒子生成室２１”を上方に、膜形成室４
１”を下方に配置している。これは、後述するように第
２実施例においては、蒸発材料Ｓ”を溶融させることな
く蒸発させるので、超微粒子生成室２１”を上方に配置
しても、蒸発材料Ｓ”が溶融して下方へ垂れるというこ
とを考えなくてよいからである。

【００３５】膜形成室４１”には、図示しないヒーター
を内蔵し基板を支持する基板移動機構９”の上に基板４
２が取り付けられており、基板４２は、Ｘ−Ｙ−Ｚ方向
に移動可能となっている。そして、この基板４２と、約
２ｍｍ程度の距離をおいて対向するようにノズル３２”
が配設されている。このノズル３２”は例えば内径１ｍ
ｍを有し、例えば内径６ｍｍの搬送管３１”の下端部３
１ｂ”に取り付けられている。

【００３６】超微粒子生成室２１”には、搬送管３１”
の上端部３１ａ”が開口しており、この搬送管３１”を
覆っている吸込管３４”は、第１実施例と同様に、バル
ブ３５を介してＨｅ循環ポンプ３６に接続されている。

【００３７】更に、超微粒子生成室２１”には、搬送管
３１”のほぼ直上方に、円錐台形状の支持部材２５が配
設されている。この支持部材２５は、接触する蒸発材料
Ｓ”との反応を皆無とするため、銅製で水冷を施されて
いる。また、この支持部材２５は、中心軸のまわりに回
転可能となっており、この中心軸から例えば、３０度傾
斜して、１２０度間隔に配設された３本の貫通孔２５
ａ、２５ｂ、２５ｃが設けられている。（図４参照）。
この貫通孔２５ａ、２５ｂ、２５ｃの内径Ｄ”は３つと
も例えば４．０５ｍｍとなっている。この貫通孔２５
ａ、２５ｂ、２５ｃの延長線上では一点で交わるように
なっている。そして、貫通孔２５ａ、２５ｂ、２５ｃに
は、線状又は棒状の蒸発材料をそれぞれに支持させるこ
とが可能である。蒸発材料は、太くなると熱伝導による
損失のため、昇華もしくはフラッシュ蒸発に不利であ
り、また細くなるとレーザー光の照射がずれたり、集束
に不利となる。このため、蒸発材料の熱的な特性も考慮
に入れて、蒸発材料の直径は０．１ｍｍ〜５ｍｍが適当
とする。本第２実施例においては外径ｄ”が４ｍｍのＡ
ｌ棒Ｓ”を貫通孔２５ｃに挿入して、Ａｌ棒Ｓ”がその
長さ方向に摺動可能となるように支持されており、Ａｌ
棒Ｓ”の先端部Ｓ_U ”が支持部材２５からわずかに突き
出ている。Ａｌ棒Ｓ”の先端部Ｓ_U ”が長く突き出して
いると、細いＡｌ棒Ｓ”の変形によりレーザー光がはず
れる（空振り）ことが生じてしまうからである。また、
支持部材２５の上方には、蒸発材料供給機構２６ａ、２
６ｂ、２６ｃが、それぞれ貫通孔２５ａ、２５ｂ、２５
ｃに取りつけられており、Ａｌ棒Ｓ”の蒸発による消耗
に対応する速度で、Ａｌ棒Ｓ”を間欠的あるいは連続的
に押し出すようにしている。

【００３８】また、超微粒子生成室２１”の外部には、
ＹＡＧレーザー発振器２７が配設されている。このＹＡ
Ｇレーザー発振器２７は、パルス発振方式であり、その
出力は２００Ｗ、パルス幅１ｍｓ以下、パルス繰り返し
数０．１〜２ｋｐ／ｓである。発振されたレーザー光
Ｒ”は、偏光鏡１２、集光レンズ１３、レーザー光導入
窓１４を介して、図４に示すように、Ａｌ棒Ｓ”の先端
部Ｓ_U ”に斜め下方から照射される。なお、このレーザ
ー光Ｒ”のスポット径は、Ａｌ棒Ｓ”の先端部Ｓ_U ”に
おいて、直径約３ｍｍ程度の大きさである。（Ａｌ棒
Ｓ”の直径は４ｍｍ）。

【００３９】本第２実施例のガスデポジション装置は以
上のように構成されているが、次に、この作用について
述べる。

【００４０】まず、Ａｌ棒Ｓ”を支持ブロック２５の貫
通孔２５ｃに配置する。そして、第１実施例と同様に、
バルブ５５、５７を介して接続された排気ポンプ５４、
５６によって、超微粒子生成室２１”及び膜形成室４
１”を真空引きする。そして、バルブ５５、５７を閉じ
て排気ポンプ５４、５６が止められ、バルブ６５を介し
てＨｅ循環シムテム５９及び図示しないＨｅガスボンベ
から、毎分約４０リットルのＨｅガスが、超微粒子生成
室２１”に供給され、その圧力は０．５ＭＰａ（５気
圧）以下に保たれる。このとき、膜形成室４１”の圧力
はＨｅ循環ポンプ５によって１×１０³ Ｐａ以下に維持
される。この状態で、ＹＡＧレーザー発振器２７からレ
ーザー光Ｒ”がＡｌ棒Ｓ”の先端部Ｓ_U ”に照射され
る。

【００４１】平均出力１２０Ｗのレーザー光Ｒ”を、パ
ルス幅１００ｎｓ、パルスの繰り返し数２ｋｐ／ｓで照
射すると、Ａｌ棒Ｓ”は溶湯を形成することなく、Ａｌ
棒Ｓ”が溶ける以前に原子状で飛び出す昇華現象で、Ａ
ｌが原子状で飛び出し、Ａｌ棒Ｓ”の先端部Ｓ_U ”の極
く近くでのＨｅガス分子との衝突の繰り返しでＡｌ超微
粒子が生成する。

【００４２】ここで、レーザー出力とパルス発振条件を
変えることにより、Ａｌ棒Ｓ”の先端部Ｓ_U ”では、昇
華からフラッシュ蒸発に移行する。すなわち、パルス出
力２００Ｗ、パルス幅１ｍｓ、パルスの繰り返し数１０
０ｐ／ｓでは、Ａｌ棒Ｓ”の先端部Ｓ_U ”が極めて高温
にされることによる、瞬時に溶融、蒸発するフラッシュ
蒸発現象で（このときも、溶湯は形成されない）、Ａｌ
が原子状で飛び出し、やはり昇華のときと同様にＡｌ超
微粒子が生成する。

【００４３】他方、生成された超微粒子は、Ｈｅガス中
に浮遊して搬送管３１”に吸い込まれ、ノズル３２”か
らＨｅガスのほぼ音速に近い速度で噴出し、基板４２の
表面に衝突して、Ａｌの超微粒子の堆積膜を形成する。
なお、このとき、基板４２は、ノズル３２”と約２ｍｍ
の間隔をおいた状態で、水平方向、すなわちＸ−Ｙ方向
に移動して、堆積膜を基板表面に均一に形成する。

【００４４】ノズル３２”から噴出したＨｅガスは、第
１実施例と同様に、Ｈｅ循環ポンプ５により排気され、
Ｈｅ循環システム５９に送り込まれ、純化された後加圧
されて超微粒子生成室２１”に送り込まれる。

【００４５】なお、昇華による気化条件でのＡｌ超微粒
子生成速度は、２×１０^-5ｇ／ｓで、図５に示した従来
法で内径１８ｍｍの黒鉛ルツボ２２で溶湯を１３００℃
に加熱したときの蒸発開始直後のＡｌ超微粒子生成速度
に合致する。しかし、この従来の場合、その後に溶湯表
面にスラグ（ＡｌＣ）反応膜が生成、浮遊し、この温度
ではＡｌ超微粒子生成速度は低下の一途をたどる。

【００４６】他方、フラッシュ蒸発による気化条件での
Ａｌ超微粒子生成速度は、２×１０^-4ｇ／ｓで、従来法
で内径３２ｍｍの黒鉛ルツボ２２で溶湯を１４００℃に
加熱したときの蒸発開始直後のＡｌ超微粒子生成速度に
合致する。しかし、従来での、その後の時間経過による
生成速度は、前述と同じように低下する。

【００４７】以上述べたように本第２実施例において
は、パルス方式のレーザー２７を用いている。連続発振
方式では、準定常状態で加熱され、蒸発部周辺に（あた
かも線香花火のような）小さい溶湯が形成され、これが
高温になると粘性の低下で垂れ下がりや溶け落ちとな
り、更に、支持部材との反応の進行と共に、熱伝導によ
る熱損失なども生じる。一方、適正な条件での繰り返し
パルス加熱では、蒸発材料Ｓ”に吸収された熱が周辺に
熱拡散して損失する前に、供給される熱が有効に蒸発に
利用される。そして、蒸発材料Ｓ”を溶融させることな
く蒸発させるので、溶融した蒸発材料Ｓ”と支持部材２
５との接触による問題を解消でき、大きい成膜速度で長
時間、安定して運転ができる。

【００４８】また、第１実施例（図１）や、従来のガス
デポジション装置（図５）では、基板を基板移動機構の
下面に取りつける必要があり、その取りつけの作業や位
置決めに手間取り、また機構も複雑となっている。一
方、本第２実施例においては、蒸発材料Ｓ”の溶融によ
る垂れが起こらないので、超微粒子生成室２１”を上方
に、膜形成室４１”を下方に配置することが可能となっ
ており、このことにより、搬送管３１”のノズル３２”
と基板移動機構９”における移動テーブル９ａ”上の基
板４２の配置など、構造がシンプルとなり、操作しやす
く、また保守も容易である。これは、ガスデポジション
の生産設備では大きいメリットとなる。

【００４９】また、Ａｌ超微粒子生成において、超微粒
子の粒径は昇華の場合では２〜１０ｎｍ前後、フラッシ
ュ蒸発では５〜７０ｎｍの粒径となっており、粒径の制
御は生成室２１”の圧力や照射レーザーの条件（パルス
条件）で、ある程度の制御が可能である。これにより、
現在実用化の超微粒子（粒径数〜数十ｎｍ）とともに、
極超微粒子（ナノパーティクルあるいはクラスターとも
呼ばれている。粒径２〜４ｎｍ）の生成とこの粒子の堆
積膜の形成も可能となる。

【００５０】また、積層膜の場合は、支持部材２５の貫
通孔２５ａ、２５ｂ、２５ｃから、材質の異なる蒸発材
料を互いに接触させることなく１本づつレーザースポッ
トに供給すればよく、支持部材２５を回転させることに
より、３本の蒸発材料を交互に蒸発させることができ
る。また、混合膜の場合は、それぞれの蒸発材料を、接
触する位置まで突き出し、レーザースポット径を大きく
（例えば５ｍｍ）して同時に照射すればよい。このと
き、更に、それぞれの材料の組成比や材料特性に応じ
て、供給速度の調節や材料の径の調節を行なえば、より
意にかなう混合膜を形成させることができる。このよう
に、本第２実施例のガスデポジション装置によれば、合
金膜、積層膜、複合膜、傾斜機能膜など膜の組成の選択
や調節が可能で、成膜方法として多様化できる。

【００５１】以上、本発明の実施例について説明した
が、本発明はこれらに限定されることなく、本発明の技
術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

【００５２】以上の第２実施例では、超微粒子生成室２
１”を膜形成室４１”の上方に設け、蒸発材料Ｓ”を下
向きとしたが、超微粒子生成室２１”を膜形成室４１”
の下方に設け蒸発材料Ｓ”を上向きにする、あるいは超
微粒子生成室２１”と膜形成室４１”を水平方向に配設
して、蒸発材料Ｓ”を水平にするようにしても、蒸発面
のすぐ近くに搬送管３１”の入口があり、ガスがかなり
の速度で流れ込むので、この流れが支配的になり、蒸発
面からの蒸気や周辺の加熱されたガスの熱対流の影響を
無視できる。よって、生成される膜の性質に違いが出る
ことはない。

【００５３】また、上記第１、第２実施例では、支持部
材の貫通孔に蒸発材料を入れて、摺動可能に支持する構
造としたが、摺動可能に蒸発材料を支持できればよく、
蒸発材料を挟持するような構成としてもよい。

【００５４】また、上記第１実施例では、支持部材１５
の材料に黒鉛を、第２実施例では、支持部材２５の材料
に銅を用いたが、それぞれ、この他の材料、例えば、Ａ
ｌ₂Ｏ₃ 、ＭｇＯ、などの酸化物セラミックス、ＳｉＮ
やＴｉＮなどの窒化物セラミックス、ＳｉＣなどの炭化
物セラミックスなどを使用してもよい。

【００５５】また、上記実施例では、蒸発材料として棒
状のＡｌ棒を用いた例について説明したが、棒状よりも
細い線状の蒸発材料であってもよい。更に、蒸発材料と
して、Ｔｉ、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｎｂなどの高融点、活性
金属、更に実用金属のＣｕ（これらは、従来では大きい
超微粒子生成速度を長時間安定して持続する場合に適し
たルツボ材が見当たらなかった）やセラミックス材料、
高分子材料（これらは従来の溶融、蒸発法では無機化合
物の組成で超微粒子の生成はほとんど不可能であった）
を用いてもよい。

【００５６】また、上記実施例では、不活性ガスとして
Ｈｅガスを使用したが、これ以外の不活性ガス、例え
ば、Ｎｅ（ネオン）やＡｒ（アルゴン）を使用してもよ
い。

【００５７】以上述べたように、本発明のガスデポジシ
ョン方法及び装置によれば、蒸発材料と支持部材との反
応を抑制し、蒸発材料から生成される超微粒子を長時
間、効率よく発生することができ、従って、超微粒子に
よる膜又は小塊を長時間、効率よく形成することができ
る。また、形成される膜が２種類以上の元素からなる場
合であっても、長時間にわたって、組成比がほぼ同じ膜
又は小塊を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例によるガスデポジション装
置を示す概略図である。

【図２】本発明の第１実施例によるガスデポジション装
置の主要部を示す拡大断面図であり、Ａはレーザー光が
照射された直後、蒸発材料が溶融される前の状態を示
し、Ｂは蒸発材料にレーザー光を照射させて、蒸発材料
から超微粒子を生成している状態を示している。

【図３】本発明の第２実施例によるガスデポジション装
置を示す概略図である。

【図４】本発明の第２実施例によるガスデポジション装
置の要部の拡大図である。

【図５】従来例のガスデポジション装置を示す概略図で
ある。

【符号の説明】

１０ガスデポジション装置１１ＣＯ₂ レーザー発振器１５支持ブロック１５ａ貫通孔１５ａａ開口部１６蒸発材料供給機構２１超微粒子生成室３１搬送管４１膜形成室Ｒレーザー光ＳＡｌ棒Ｓ_U 上端部Ｖ液相部分Ｗ固相部分

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】生成室内に配設された蒸発材料を蒸発さ
せて超微粒子を生成し、該超微粒子を搬送ガスと共に、
搬送管を介して膜形成室に搬送させて、該膜形成室内に
配設された基板上に前記超微粒子の膜又は小塊を形成す
るガスデポジション方法において、前記蒸発材料が線状
又は棒状でなり、該蒸発材料の先端を、該蒸発材料を摺
動可能に支持する支持部材より突出させ、該先端にのみ
レーザー光を照射させるようにして、該先端を局部的に
加熱し、前記蒸発材料を蒸発させることを特徴とするガ
スデポジション方法。
【請求項２】前記レーザー光はパルス状に照射させる
ことを特徴とする請求項１に記載のガスデポジション方
法。
【請求項３】前記レーザー光のパルス発振条件を変更
することにより、前記蒸発材料を溶融及び／又は昇華さ
せるようにしたことを特徴とする請求項２に記載のガス
デポジション方法。
【請求項４】前記支持部材に材質の異なる複数本の線
状又は棒状の蒸発材料を支持させて、交互又は同時に加
熱蒸発させることを特徴とする請求項１乃至請求項３の
何れかに記載のガスデポジション方法。
【請求項５】前記先端から前記蒸発材料が蒸発する速
度に応じて、該蒸発材料が、前記支持部材より突出する
ように供給される請求項１乃至請求項４の何れかに記載
のガスデポジション方法。
【請求項６】前記蒸発材料の外径以下の径で、前記レ
ーザー光が照射されている請求項１乃至請求項５の何れ
かに記載のガスデポジション方法。
【請求項７】前記支持部材が、所定の温度以下に冷却
されている請求項１乃至請求項６の何れかに記載のガス
デポジション方法。
【請求項８】膜又は小塊を形成する超微粒子を生成す
る生成室と、該生成室内に配設される蒸発材料と、該蒸
発材料を支持する支持部材と、前記蒸発材料を加熱して
蒸発させるための加熱手段と、前記膜又は前記小塊が形
成される基板が配設された膜形成室と、前記生成室から
前記膜形成室へと前記超微粒子を搬送ガスと共に搬送す
る搬送管とを備えたガスデポジション装置において、前
記蒸発材料が線状又は棒状で成り、前記支持部材が前記
蒸発材料の先端を突出させて摺動可能に前記蒸発材料を
支持しており、前記加熱手段が前記蒸発材料の前記先端
を局部的に加熱するレーザー光であり、該レーザー光を
発振するレーザー発振器を前記生成室の外部に設けたこ
とを特徴とするガスデポジション装置。
【請求項９】前記レーザ発振器はパルス発振方式であ
ることを特徴とする請求項８に記載のガスデポジション
装置。
【請求項１０】前記レーザー光の発振条件を変更する
ことにより、前記蒸発材料を溶融及び／又は昇華させる
ようにしたことを特徴とする請求項９に記載のガスデポ
ジション装置。
【請求項１１】前記支持部材には複数の孔が設けら
れ、前記線状又は棒状の蒸発材料を複数本、それぞれ前
記複数の孔の中に挿入して支持するようにしていること
を特徴とする請求項８乃至請求項１０の何れかに記載の
ガスデポジション装置。
【請求項１２】前記複数本の蒸発材料は相互に異なっ
た材質でなることを特徴とする請求項１１に記載のガス
デポジション装置。
【請求項１３】前記膜形成室を前記搬送管の下方に、
前記生成室を前記搬送管の上方に配設したことを特徴と
する請求項９に記載のガスデポジション装置。
【請求項１４】前記支持部材の中心に孔が設けられ、
該孔の中に前記蒸発材料が挿入されており、該蒸発材料
の先端が突出している前記孔の開口部がテーパになって
いる請求項８に記載のガスデポジション装置。
【請求項１５】前記超微粒子が蒸発する速度に応じ
て、前記蒸発材料が支持部材より突出するように、該蒸
発材料を供給する蒸発材料供給系を具備している請求項
８乃至請求項１４の何れかに記載のガスデポジション装
置。
【請求項１６】前記蒸発材料の外径以下の径で前記レ
ーザ光が照射されている請求項８乃至請求項１５の何れ
かに記載のガスデポジション装置。
【請求項１７】前記支持部材を所定の温度以下に冷却
する冷却手段を具備している請求項８乃至請求項１６の
何れかに記載のガスデポジション装置。