专利名称：物理沉积系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及物理蒸气沉积系统，尤其涉及一种物理蒸气沉积系统，用于发射从蒸发源蒸发出来的原子中产生的微粒，并且依靠超音速喷射将这些微粒沉积到基片上以便于形成膜。
背景技术：
近年来，涂敷技术重要性快速增长。已经开发出了各种各样的涂敷方法。
然而，目前还没有任何涂敷方法能够形成几十到几百微米厚的高密度涂敷膜。
文献(A.Yumoto，F.Hiroki，I.Shioda，N.Niwa，Surface and CoatingsTechnology，169-170，2003，499-503)以及文献(Atsushi Yumoto，Fujio Hiroki，Ichiro Shiota，Naotake NiwaFormation of Ti and Al Films by Supersonic Free JetPVD，Japan Metal Society Journal，Vol.65，No.7(2001)，pp.635-643)揭示了一种超音速自由射流(SFJ)-物理蒸气沉积(PVD)系统。
这种SFJ-PVD系统具有蒸发腔和成膜腔。
蒸发腔具有被置于水冷炉底上的蒸发源材料以及由高熔点金属(特别是钨)制成的电极。蒸发腔的内部一旦减小到预定的压力，则该环境变为预定的气体，然后蒸发源被用作阳极，离阳极有一段距离且由高导电性金属制成的电极被用作阴极，并且将负电压和正电压加到这两个电极上以引发两极之间的弧光放电(即，使用转移型弧光等离子体)来加热并蒸发该蒸发源材料。在已使其成为预定气体环境的蒸发腔中，因加热使蒸发源加热而蒸发出来的原子彼此凝聚成团，由此获得了直径为纳米量级的微粒(下文中被称为“纳米微粒”)。
所获得的纳米微粒漂浮在由蒸发腔和成膜腔之间的压力差(真空度差异)而导致的气流中，穿过转移管，并且被转移到成膜腔中。在成膜腔中，设置一个用于成膜的基片。
用一种专门设计的超音速喷嘴(拉瓦尔喷嘴(Laval nozzle))，将因压力差而产生的气流加速到约3.6马赫的超音速，这种喷嘴被附着在转移管的前端，用于将蒸发腔连接到成膜腔。这些纳米微粒漂浮在超音速自由射流的流中，被加速到很高的速度，被喷射到成膜腔中并且沉积在基片上以便于成膜。
通过使用上述SFJ-PVD系统，便有可能在低温下形成几十到几百微米厚的高密度涂敷膜。
等离子炬(plasma torch)可以大致分为转移类型和非转移类型。
图1A和图1B是根据现有技术转移型和非转移型的等离子炬的配置的示意图。
如图1A所示，转移型等离子炬包括基本上圆柱形的等离子体尖端1，在其内侧中心处插入了一个用作阴极的棒状内部电极3。通过将正电压加到受热物体S上并将负电压加到内部电极3上，因受热物体S和内部电极3之间的放电而引发了弧光等离子体，由此受热物体S被加热。
另一方面，如图1B所示，非转移型等离子炬包括基本上圆柱形的等离子体尖端1，其内部中心处插入了内部电极3。等离子体尖端1被用作阳极，而内部电极3被用作阴极，从而引发出两极之间的弧光放电。等离子体气体G被提供到两极之间。利用等离子体化的气体作为介质，来加热上述受热物体S。
转移型等离子炬具有能效高的优点，因为电流流向受热物体以产生焦耳热，但是需要一个电极来产生等离子体且保持等离子体直到受热物体熔化并变得导电，所以这不适用于加热并熔化绝缘体。此外，为了在弧光放电时保持弧光电压恒定，有必要使两极之间的距离保持恒定。然而，由受热物体构成的阳极一侧因熔化和蒸发会在形状和体积方面连续变化，因此，精确控制受热物体的蒸发量并不容易。
另一方面，非转移型等离子炬具有如下优点它可以在不受受热物体材料的影响的情况下产生等离子体，因为电流并不流向受热物体；以及等离子体的起始特性和稳定性很高，并且与用转移型等离子炬进行加热的情况相比，加热量的可控性更好。
注意到，非转移型等离子炬在枪中具有阳极(等离子体尖端)以及阴极(内部电极)两个电极。它们必须彼此绝缘。为此，在常规的非转移型等离子炬中，使用了基于电木(bakelite)或另一种聚合物的绝缘材料，以确保上述两个电极之间的绝缘。
因为上述聚合物基的绝缘材料以及其它等离子炬材料，当在超高真空环境中使用常规非转移型等离子炬时，最终产生了释气(outgas)。
为此，在SFJ-PVD系统中，当利用等离子炬中所产生的等离子体来从蒸发源中产生纳米微粒时，所获得的纳米微粒最终被上述释气污染了。
此外，当有多个蒸发腔时，有必要使第一微粒和第二微粒均匀混合。在这种情况下，包括第一微粒的第一流体和包括第二微粒的第二流体混合在一起。
例如，可以使用图2所示的Y形流体混合设备，将上述第一和第二流体混合起来。
Y形流体混合设备包括第一流入端口101，第一流体100流入其中；以及第二流入端口111，第二流体110流入其中，从而在合并部分120处进行混合，从出口端130将第一流体100和第二流体110的混合物取出。
在上述Y形混合设备中，即使当第一流体和第二流体同时流入，因为流体的粘度等因素，有时候它们并不在合并部分发生混合，而是在基本上分离的情况下从取出端口排出。均匀混合有时候是困难的。
此处，为了第一流体和第二流体更均匀地混合，使用来自外部的电能以机械方式控制第一流体和第二流体流入到取出端口的流入物。更具体地讲，如图2所示，控制第一流体和第二流体以使它们交替地流向取出端口。通过使流体以更小的量值交替地流动，变得有可能更均匀地混合第一流体和第二流体。
因此，为了像上述那样混合第一流体和第二流体，需要一种像常规Y形混合设备那样不需要外部电能或其它能量且不提供机械移动部件的流体混合方法。
发明内容
本发明要解决的问题要解决的问题是使用电木的非转移型等离子炬(用在常规物理蒸气沉积系统中)在超高真空环境中会产生释气。
此外，还有这样一个问题当常规物理蒸气沉积系统中有多个蒸发腔时，为了使两种流体混合，在不使用外部电能或其它能量且不使用任何机械移动部件的情况下往往很难使这两种流体混合。
解决问题的手段本发明的物理蒸气沉积系统具有蒸发腔，其内部有蒸发源和等离子炬，利用等离子炬在预定的气体环境中或周围空气中所产生的等离子体来加热并蒸发该蒸发源，并且从蒸发的原子产生微粒；以及成膜腔，其内部有超音速喷嘴和成膜基片，该超音速喷嘴连接到用作一通道的转移管以便传送来自蒸发腔且含微粒的气体，使从蒸发腔中转移过来的微粒漂浮在由超音速喷嘴所产生的超音速气流中，并且使这些微粒通过物理蒸气沉积过程沉积在成膜基片上，该等离子炬具有基本上圆柱形的导电阳极、聚合物基或非聚合物基的绝缘管、以及棒状阴极，其中该绝缘管被插入该阳极内部并且产生比电木更少的释气，而该棒状阴极则被插入该绝缘管内以便不接触阳极，负电压被加到阴极上且正电压被加到阳极和/或蒸发源上由此形成等离子体。
上述本发明的物理蒸气沉积系统具有蒸发腔和成膜腔。蒸发腔内部有蒸发源和等离子炬，而成膜腔内部则有超音速喷嘴和成膜基片。
此处，等离子炬具有基本上圆柱形的导电阳极、聚合物基或非聚合物基的绝缘管、以及棒状阴极，其中绝缘管被插入阳极的内部并且产生比电木要少的释气，而棒状阴极则被插入绝缘管内以便不接触阳极，将负电压加到阴极上并将正电压加到阳极和/或蒸发源上从而产生等离子体，利用该等离子体从蒸发源中产生微粒，使所获得的微粒漂浮在由超音速喷嘴所产生的超音速气流(超音速自由射流)中，并通过物理蒸气沉积过程沉积到成膜基片上。
下面，在本说明书中，“基本上圆柱形的形状”包括圆柱形的形状和基本上圆柱形的形状。
在上述本发明的物理蒸气沉积系统中，较佳地，超音速喷嘴是一种“缩小-扩大的”(reducing-expanding)管子，它具有不断变化的喷嘴内径，并且这种管子能使因蒸发腔和成膜腔之间的压力差而导致的气流提高到超音速。
更佳地，超音速喷嘴产生出1.2马赫或更大的超音速气流。
在上述本发明的物理蒸气沉积系统中，较佳地，超音速喷嘴是基于一维或二维压缩流体动力学根据气体的种类和成分以及成膜腔的排气能力等来进行设计的，并且该超音速喷嘴连接到转移管的前端或与转移管的前端部分一体成型。
更佳地，在超音速喷嘴和/或转移管自身处，或者在超音速喷嘴和/或转移管的外围，设置了一种加热装置，用于加热穿过超音速喷嘴和/或转移管内部的含微粒的气体。
更佳地，超音速喷嘴和转移管的至少一部分是由石英制成的，并且在超音速喷嘴和/或转移管的外围设置一种RF线圈，用于使穿过超音速喷嘴和/或转移管内部的含微粒的气体变为等离子体。
在上述本发明的物理蒸气沉积系统中，较佳地，在等离子炬中，在阴极前端附近以及阳极和阴极之间设置了一个由陶瓷制成的等离子体气体分配器，用于对阳极和阴极的相对位置定位，并且确保提供给阴极的等离子体气体被均等地分配。
更佳地，绝缘管由石英、可加工的陶瓷、氮化硼、氧化铝、或氟树脂制成。
在上述本发明的物理蒸气沉积系统中，较佳地，在等离子炬中，阴极具有由三层结构构成的内部结构，这三层结构是位于中心处的第一空心部分；位于第一空心部分的外围的第二空心部分；以及位于第二空心部分的外围的第三空心部分。
更佳地，在等离子炬中，阴极的第一空心部分是等离子体气体供给管。
更佳地，在等离子炬中，阴极的第二空心部分是冷却剂的入口管，而阴极的第三空心部分是冷却剂的出口管。
在上述本发明的物理蒸气沉积系统中，较佳地，在等离子炬中，阳极具有内置的冷却管。
在上述本发明的物理蒸气沉积系统中，较佳地，在等离子炬中，VCR接头和/或ICF法兰被用作真空密封物。
在上述本发明的物理蒸气沉积系统中，较佳地，在等离子炬中，下列两种系统可以彼此切换或可以一起使用将正电压和负电压分别加到阳极和阴极上以形成等离子体的系统；以及将正电压和负电压分别加到待加热的蒸发源和阴极上以形成等离子体的系统。
或者，本发明的物理蒸气沉积系统具有蒸发腔，其内部有蒸发源和等离子炬，利用等离子炬在预定的气体环境中或周围空气中所产生的等离子体来加热并蒸发该蒸发源，并且从蒸发的原子产生微粒；以及成膜腔，其内部有超音速喷嘴和成膜基片，该超音速喷嘴连接到用作一通道的转移管以便传送来自蒸发腔且含微粒的气体，使从蒸发腔中转移过来的微粒漂浮在由超音速喷嘴所产生的超音速气流中，并且使这些微粒通过物理蒸气沉积过程沉积在成膜基片上，该等离子炬具有基本上圆柱形的导电阳极、聚合物基或非聚合物基的绝缘管、棒状阴极以及支撑管，其中该绝缘管被插入该阳极内部并且产生比电木更少的释气，该棒状阴极被插入该绝缘管内以便不接触阳极，而该支撑管则位于阳极的外围，该支撑管具有电连接到阴极且机械地支撑该阴极的第一支撑构件、电连接到阳极且机械地支撑该阴极的第二支撑构件、以及通过第一支撑构件和第二支撑构件来机械地支撑阳极和阴极的第三支撑构件，至少第一支撑构件和第二支撑构件以及第二支撑构件和第三支撑构件通过焊接而连接到陶瓷的绝缘构件，第一支撑构件、第二支撑构件和第三支撑构件一体成型但同时又彼此绝缘，VCR接头和/或ICF法兰被用作阳极、阴极和支撑管的真空密封物，并且负电压被加到阴极上而正电压被加到阳极和/或蒸发源上由此形成了等离子体。
上述本发明的物理蒸气沉积系统具有蒸发腔和成膜腔。蒸发腔内部有蒸发源和等离子炬，而成膜腔内部则有超音速喷嘴和成膜基片。
此处，等离子炬具有基本上圆柱形的导电阳极、聚合物基或非聚合物基的绝缘管、棒状阴极以及支撑管，其中该绝缘管被插入该阳极内部并且产生比电木更少的释气，该棒状阴极被插入该绝缘管内以便不接触阳极，而该支撑管则位于阳极的外围。
该支撑管具有电连接到阴极且机械地支撑该阴极的第一支撑构件、电连接到阳极且机械地支撑该阴极的第二支撑构件、以及通过第一支撑构件和第二支撑构件来机械地支撑阳极和阴极的第三支撑构件。至少第一支撑构件和第二支撑构件以及第二支撑构件和第三支撑构件通过焊接而连接到陶瓷的绝缘构件。第一支撑构件、第二支撑构件和第三支撑构件一体成型但同时又彼此绝缘。此外，VCR接头和/或ICF法兰被用作阳极、阴极和支撑管的真空密封物。
通过将负电压加到阴极上且将正电压加到阳极和/或蒸发源上而产生的等离子体被用于从蒸发源中产生微粒。使所获得的微粒漂浮在超音速喷嘴所产生的超音速气流(超音速自由射流)中，并通过物理蒸气沉积过程而沉积到成膜基片上。
或者，本发明的物理蒸气沉积系统具有第一蒸发腔，其内部有第一蒸发源和第一等离子炬，利用第一等离子炬在预定的气体环境中或周围空气中所产生的等离子体来加热并蒸发该第一蒸发源，并且从蒸发的原子产生第一微粒；第二蒸发腔，其内部有第二蒸发源和第二等离子炬，利用第二等离子炬在预定的气体环境中或周围空气环境中所产生的等离子体来加热并蒸发该第二蒸发源，并且从蒸发的原子产生第二微粒；以及成膜腔，其内部有流体混合部分、超音速喷嘴和成膜基片，该超音速喷嘴连接到用作一通道的转移管以便传送来自蒸发腔且含微粒的气体，用流体混合部分将从第一蒸发腔中转移过来第一微粒和从第二蒸发腔中转移过来的第二微粒混合起来，使混合后的第一微粒和第二微粒漂浮在由超音速喷嘴所产生的超音速气流中，并且使混合后的第一微粒和第二微粒通过物理蒸气沉积过程沉积在成膜基片上，第一等离子炬和第二等离子炬各自具有基本上圆柱形的导电阳极、聚合物基或非聚合物基的绝缘管、以及棒状阴极，其中该绝缘管被插入该阳极内部并且产生比电木更少的释气，而该棒状阴极则被插入该绝缘管内以便不接触阳极，负电压被加到阴极上且正电压被加到阳极和/或第一或第二蒸发源上由此形成等离子体，并且流体混合部分具有第一混合喷嘴和第二混合喷嘴，第一混合喷嘴具有其形状大致为矩形的第一喷射端口，而第二混合喷嘴则具有其形状与第一喷射端口相同的第二喷射端口并且在面对着第一混合喷嘴的情况下共轴地设置，从第一喷射端口中喷射出含第一微粒的第一流体，从第二喷射端口中喷射出含第二微粒的第二流体，并且在第一喷射端口和第二喷射端口之间的空间中使第一流体和第二流体混合。
上述本发明的物理蒸气沉积系统具有第一蒸发腔、第二蒸发腔和成膜腔。第一蒸发腔的内部有第一蒸发源和第一等离子炬，第二蒸发腔的内部有第二蒸发源和第二等离子炬，并且成膜腔的内部有流体混合部分、超音速喷嘴和成膜基片。
第一和第二等离子炬各自具有基本上圆柱形的导电阳极、聚合物基或非聚合物基的绝缘管、以及棒状阴极，其中该绝缘管被插入该阳极内部并且产生比电木更少的释气，而该棒状阴极则被插入该绝缘管内以便不接触阳极。负电压被加到阴极上且正电压被加到阳极和/或第一或第二蒸发源上由此形成等离子体。所获得的等离子体被用于从第一和第二蒸发源中产生第一和第二微粒。
流体混合部分将从第一蒸发腔中转移过来的第一微粒与从第二蒸发腔中转移过来的第二微粒混合起来。
使混合后的第一微粒和第二微粒漂浮在由超音速喷嘴所产生的超音速气流(超音速自由射流)中，并且使混合后的第一微粒和第二微粒通过物理蒸气沉积过程沉积在成膜基片上。
此外，流体混合部分具有第一混合喷嘴和第二混合喷嘴，第一混合喷嘴具有其形状大致为矩形的第一喷射端口，而第二混合喷嘴则具有其形状与第一喷射端口相同的第二喷射端口并且在面对着第一混合喷嘴的情况下共轴地设置。从第一喷射端口中喷射出含第一微粒的第一流体，从第二喷射端口中喷射出含第二微粒的第二流体，并且在第一喷射端口和第二喷射端口之间的空间中使第一流体和第二流体混合。
下面，在本说明书中，“基本上矩形的形状”包括矩形的形状和基本上矩形的形状。
在上述本发明的物理蒸气沉积系统中，较佳地，在流体混合部分中，基本上矩形的形状的短边长度a与长边长度b的长宽比(b/a)是4比6。
在上述本发明的物理蒸气沉积系统中，较佳地，在流体混合部分中，第一混合喷嘴和第二混合喷嘴之间的喷嘴之间的距离是基本上矩形的形状的短边长度的4到35倍。
在上述本发明的物理蒸气沉积系统中，较佳地，在流体混合部分中，第一混合喷嘴具有一个形成锥形的部分，在第一喷射端口附近，与靠近第一喷射端口的下游一侧相比越往远离第一喷射端口的上游一侧，第一流体朝着第一喷射端口流动时所穿过的空间尺寸就变得越大；第二混合喷嘴具有一个形成锥形的部分，在第二喷射端口附近，与靠近第二喷射端口的下游一侧相比越往远离第二喷射端口的上游一侧，第二流体朝着第二喷射端口流动时所穿过的空间尺寸就变得越大。
在上述本发明的物理蒸气沉积系统中，较佳地，在流体混合部分中，提供一对隔离板，它们沿基本上矩形的形状的长边方向排列以便彼此面对面，从而将第一喷射端口和第二喷射端口之间的空间夹在这对隔离板之间并且防止第一流体和第二流体分散到基本上矩形的形状的长边方向上。
更佳地，在流体混合部分中，这对隔离板之间的距离基本上等于上述基本上矩形的形状的长边长度。
或者，本发明的物理蒸气沉积系统具有第一蒸发腔，其内部有第一蒸发源和第一等离子炬，利用第一等离子炬在预定的气体环境中或周围空气环境中所产生的等离子体来加热并蒸发该第一蒸发源，并且从蒸发的原子产生第一微粒；第二蒸发腔，其内部有第二蒸发源和第二等离子炬，利用第二等离子炬在预定的气体环境中或周围空气环境中所产生的等离子体来加热并蒸发该第二蒸发源，并且从蒸发的原子产生第二微粒；以及成膜腔，其内部有流体混合部分、超音速喷嘴和成膜基片，该超音速喷嘴连接到用作一通道的转移管以便传送来自蒸发腔且含微粒的气体，用流体混合部分将从第一蒸发腔中转移过来第一微粒和从第二蒸发腔中转移过来的第二微粒混合起来，使混合后的第一微粒和第二微粒漂浮在由超音速喷嘴所产生的超音速气流中，并且使混合后的第一微粒和第二微粒通过物理蒸气沉积过程沉积在成膜基片上，第一等离子炬和第二等离子炬各自具有基本上圆柱形的导电阳极、聚合物基或非聚合物基的绝缘管、棒状阴极以及支撑管，其中该绝缘管被插入该阳极内部并且产生比电木更少的释气，该棒状阴极被插入该绝缘管内以便不接触阳极，而该支撑管则位于阳极的外围，该支撑管具有电连接到阴极且机械地支撑该阴极的第一支撑构件、电连接到阳极且机械地支撑该阴极的第二支撑构件、以及通过第一支撑构件和第二支撑构件来机械地支撑阳极和阴极的第三支撑构件，至少第一支撑构件和第二支撑构件以及第二支撑构件和第三支撑构件通过焊接而连接到陶瓷的绝缘构件，第一支撑构件、第二支撑构件和第三支撑构件一体成型但同时又彼此绝缘，VCR接头和/或ICF法兰被用作阳极、阴极和支撑管的真空密封物，负电压被加到阴极上且正电压被加到阳极和/或第一或第二蒸发源上由此形成等离子体，并且流体混合部分具有第一混合喷嘴和第二混合喷嘴，第一混合喷嘴具有其形状大致为矩形的第一喷射端口，而第二混合喷嘴则具有其形状与第一喷射端口相同的第二喷射端口并且在面对着第一混合喷嘴的情况下共轴地设置，从第一喷射端口中喷射出含第一微粒的第一流体，从第二喷射端口中喷射出含第二微粒的第二流体，并且在第一喷射端口和第二喷射端口之间的空间中使第一流体和第二流体混合。
上述本发明的物理蒸气沉积系统具有第一蒸发腔、第二蒸发腔和成膜腔。第一蒸发腔内部有第一蒸发源和第一等离子炬，第二蒸发腔内部有第二蒸发源和第二等离子炬，而成膜腔内部则有流体混合部分、超音速喷嘴和成膜基片。
第一和第二等离子炬各自具有基本上圆柱形的导电阳极、聚合物基或非聚合物基的绝缘管、棒状阴极以及支撑管，其中该绝缘管被插入该阳极内部并且产生比电木要少的释气，该棒状阴极被插入该绝缘管内以便不接触阳极，而该支撑管则位于阳极的外围。
上述支撑管具有电连接到阴极且机械地支撑该阴极的第一支撑构件、电连接到阳极且机械地支撑该阴极的第二支撑构件、以及通过第一支撑构件和第二支撑构件来机械地支撑阳极和阴极的第三支撑构件，至少第一支撑构件和第二支撑构件以及第二支撑构件和第三支撑构件通过焊接而连接到陶瓷的绝缘构件，并且第一支撑构件、第二支撑构件和第三支撑构件一体成型但同时又彼此绝缘，此外，VCR接头和/或ICF法兰被用作阳极、阴极和支撑管的真空密封物。
负电压被加到阴极上且正电压被加到阳极和/或第一或第二蒸发源上由此形成等离子体。所获得的等离子体被用于从第一和第二蒸发源中产生第一微粒和第二微粒。
流体混合部分将从第一蒸发腔中转移过来的第一微粒与从第二蒸发腔中转移过来的第二微粒混合起来。使混合后的第一微粒和第二微粒漂浮在由超音速喷嘴所产生的超音速气流(超音速自由射流)中，并且使混合后的第一微粒和第二微粒通过物理蒸气沉积过程沉积在成膜基片上。
此外，流体混合部分具有第一混合喷嘴和第二混合喷嘴，第一混合喷嘴具有其形状大致为矩形的第一喷射端口，而第二混合喷嘴则具有其形状与第一喷射端口相同的第二喷射端口并且在面对着第一混合喷嘴的情况下共轴地设置。从第一喷射端口中喷射出含第一微粒的第一流体，从第二喷射端口中喷射出含第二微粒的第二流体，并且在第一喷射端口和第二喷射端口之间的空间中使第一流体和第二流体混合。
发明效果本发明的物理蒸气沉积系统使用聚合物基或非聚合物基的绝缘管作为等离子炬以使等离子体尖端和电极隔绝开，这种绝缘管产生比电木要少的释气。因为并未使用电木，所以即使是在超高真空环境中使用，所产生的释气也会更少，并且可以沉积出具有污染较少的活性表面的微粒以便形成稠密的膜。
此外，作为用于混合第一微粒和第二微粒的流体混合部分，有可能利用通过使射流共轴地面对面碰撞从而使微粒均匀混合这样一种振荡现象，在这种情况下便无需使用外部的电或其它能量，也无需使用任何机械移动部件。
图1A和1B是现有技术的转移型和非转移型等离子炬的配置的示意图。
图2是现有技术的Y形流体混合设备的示意图。
图3是本发明第一实施方式的物理蒸气沉积系统的配置的示意图。
图4是配置示意图，示出本发明第一实施方式的物理蒸气沉积系统的等离子炬形成部分的局部截面结构。
图5是图4中的A部分的放大图。
图6A是本发明第一实施方式的物理蒸气沉积系统的流体混合部分的配置的示意图，而图6B到图6D则是用于解释第一流体和第二流体混合机理的示意图。
图7A是第一实施方式的物理蒸气沉积系统的流体混合部分的具体示例的配置示意图，而图7B是示出了为显示图7A所示流体混合部分的结构而拆开的各部件的示意图。
图8A是图7A所示流体混合部分从A方向看的侧视图，而图8B是从B方向看的前视图。
图9A是沿图7A所示流体混合部分的C-C’线截取的截面图，而图9B是平面D上的截面图。
图10是示出了通过使用图7A所示流体混合部分来混合各种流体的状态示意图。
图11A是第二实施方式的物理蒸气沉积系统的流体混合部分的配置示意图，而图11B是示意性的截面图。
图12是本发明第三实施方式的物理蒸气沉积系统的配置示意图。
标号描述1……等离子体尖端，3……内部电极，10……(第一)蒸发腔，11、21……排气管，12……质量流动控制，13……气体供给源，14、24……坩埚，15……(第一)蒸发源材料，16……(第一)等离子炬，17、27……转移管，20……第二蒸发腔，25……第二蒸发源材料，26……第二等离子炬，30……成膜腔，31……排气管，32……工作台，33……成膜基片，34……流体混合部分，35……超音速喷嘴，40……阳极，40a……阳极第一构件，40b……阳极第二构件，40c……密封剂，40h……开口，41……冷却系统，41a……水冷入口端，41b水冷出口端，41f……冷却水，50……绝缘管，51……气体分配器，60……阴极，61……第一空心部分，61f……等离子体气体，62……冷却系统，62a……第二空心部分，62b……第三空心部分，62f……冷却水，65……支撑管，66……第一支撑构件，67……第二支撑构件，68……第三支撑构件，69a、69b……绝缘构件，70……第一混合喷嘴，71……第一喷射端口，72……第一射流，80……第二混合喷嘴，81……第二喷射端口，82……第二射流，90、91……隔离板，92、93……开口，T1……第一流体供给管，T2……第二流体供给管，94、95……混合后的流体，96……组合后的流体，100……第一流体，101……第一流入端口，110……第二流体，111……第二流入端口，120……合并部分，130……取出端口，S……受热物体，G……等离子体气体，VP1、VP2、VP3……真空泵，以及MR……混合区。
具体实施例方式
下文，将参照附图来解释本发明的物理蒸气沉积系统的各实施方式。
第一实施方式图3是本实施方式的超音速自由射流(SFJ)-物理蒸气沉积(PVD)系统的配置示意图。
本实施方式的SFJ-PVD系统具有第一蒸发腔10、第二蒸发腔20以及由成膜腔30构成的成膜真空腔。
第一真空腔10具有连接到真空泵VP1的排气管11。第一蒸发腔10的内部是通过操作真空泵VP1而被抽真空的，并且致使它成为约10-10托的超高真空环境。此外，第一蒸发腔10中设置的气体供给源13通过质流控制器12根据需要以预定的流速将环境气体(比如氦或氮)提供到第一蒸发腔10中。或者，可以致使该腔成为周围的空气环境。
第一蒸发腔10具有水冷铜坩锅14，其中放置第一蒸发源材料。第一等离子炬16设置在第一蒸发源材料15附近。通过利用构成第一等离子炬16的等离子体尖端和作为介质的内部电极之间放电而产生的等离子体气体，用非转移型方法来加热并蒸发第一蒸发源材料15，由此从第一蒸发源材料15所蒸发的原子获得了尺寸为纳米量级的第一微粒(在下文中，也被称为“第一纳米粒子”)。
所获得的第一纳米粒子通过转移管17被转移到成膜腔30，一起被转移的还有第一蒸发腔10中的环境气体。
第二蒸发腔20具有与第一蒸发腔10相同的配置。
即，利用连接到第二蒸发腔20的排气管21，通过操作真空泵VP2，对第二蒸发腔20进行抽真空，并且致使它成为约10-10托的超高真空环境。此外，第二蒸发腔20中设置的气体供给源13通过质流控制器12根据需要以预定的流速将环境气体(比如氦或氮)提供到第二蒸发腔20中。或者，可以致使该腔成为周围的空气环境。
此外，第二蒸发腔20中所设置的坩锅24内放置了第二蒸发源材料25。通过利用作为介质的第二蒸发源材料附近所设置的第二等离子炬26所产生的等离子体气体，用非转移型方法来加热并蒸发第二蒸发源材料25，由此从第二蒸发源材料25所蒸发的原子获得了尺寸为纳米量级的第二微粒(在下文中，也被称为“第二纳米粒子”)。
所获得的第二纳米粒子通过转移管27被转移到成膜腔30，一起被转移的还有第二蒸发腔20中的环境气体。
成膜腔30具有连接到真空泵VP3的排气管31。通过操作真空泵VP3，对成膜腔30的内部抽真空，致使其成为约10-10托的超高真空环境。
成膜腔30具有在X-Y方向上被驱动的工作台32。该工作台32具有固定于其上的成膜基片33。
成膜基片并不作特别限定，但是它可以由纯净的钛片(JIS等级1)、A1050铝合金片和SUS304不锈钢片制成。在被设置到成膜腔中之前，最好将成膜基片放到丙酮中进行超声波清洗。
在第一蒸发腔10的转移管17的前端和第二蒸发腔20的转移管27的前端的合并部分，设置了流体混合部分34。设置一个超音速喷嘴(拉瓦尔喷管(Lavalnozzle))35，以便从流体混合部分34的中心处延伸出来。在各转移管(17，27)的流体混合部分34那一侧的外围，可以设置未示出的线圈加热器以便能够进行加热。
当在上述第一蒸发腔10中产生第一纳米粒子且在第二蒸发腔20中产生第二纳米粒子时，因为第一和第二蒸发腔(10，20)与成膜腔30之间有压力差，所以产生了气流，并且第一纳米粒子和第二纳米粒子通过转移管被转移到成膜腔30，一起被转移的还有环境气体。
含第一纳米粒子的第一流体和含第二纳米粒子的第二流体在流体混合部分34处混合，并且作为超音速气流(超音速自由射流)从流体混合部分34的中心所连接的超音速喷嘴(拉瓦尔喷管(Laval nozzle))35喷射到成膜腔30中并且朝着成膜基片33喷射。即，第一纳米粒子和第二纳米粒子在流体混合部分34处混合。
超音速喷嘴35是基于一维或二维压缩流体动力学根据气体的种类和成分以及成膜腔的排气能力等来进行设计的，并且该超音速喷嘴连接到转移管的前端或与转移管的前端部分一体成型。更具体地讲，这是一种“缩小-扩大的”(reducing-expanding)管子，它具有不断变化的喷嘴内径，并且这种管子能使因蒸发腔和成膜腔之间的压力差而导致的气流提高到1.2马赫或更大的超音速。
第一纳米粒子和第二纳米粒子被超音速喷嘴35加速到约3.6马赫的超音速，在漂浮在超音速气流中的同时被喷射到成膜腔30中，并且(通过物理蒸气沉积过程)被沉积到成膜基片33上。
接下来，将解释被用作第一等离子炬16和第二等离子炬26的等离子炬。
图4是本实施方式的物理蒸气沉积系统的等离子炬形成部分的局部截面结构的配置示意图。此外，图5是图4中的A部分的放大图。
本实施方式的等离子炬具有基本上圆柱形的导电阳极40、聚合物基或非聚合物基的绝缘管50以及棒状阴极60，其中该绝缘管50被插入该阳极内部并且产生比电木要少的释气，而该棒状阴极60则被插入该绝缘管50内以便不接触阳极40。
阳极40由下列各项组成阳极第一构件40a，它具有基本上圆柱形的形状；以及阳极第二构件40b，它被设置在阳极第一构件40a的前端上且通过铜密封剂40c相连。例如，阳极第一构件40a和阳极第二构件40b包括不锈钢、铜、钨、或其它金属材料。
阳极第一构件40a具有较厚的基本上圆柱形的形状，并且具有局部空心结构。它具有水冷系统41并且被冷却水41f冷却，该水冷系统41连接到嵌入其中的冷却水入口端41a和冷却水出口端41b。
因为冷却系统41的存在，可以有效地冷却因等离子体的产生而被加热的阳极40。
设置阳极第二构件40b，以便覆盖上述基本上圆柱形的阳极第一构件40a的一端部分，并且阳极第二构件40b在其中心处有一开口40h。阳极第二构件40b的内部直径从阳极第一构件40a的内径起分若干个阶段逐渐地变窄，同时阳极第二构件40b的外直径从阳极第一构件40a的外直径起朝着前端平滑地变窄，从而产生锥形。
这样，在阴极60的前端附近，阳极40的直径变窄了。
绝缘管50由聚合物基或非聚合物基的材料制成，这种材料产生比电木要少的释气。例如，它由石英、可加工的陶瓷、氮化硼(BN)、氧化铝、或氟基树脂构成。例如，石英和可加工的陶瓷是基本上不产生释气的材料，并且可以相对便宜地制备成管形，以便用于本发明中。特别是，具有各种尺寸的石英管都是可以买到的，所以可以很容易制备具有期望尺寸的绝缘管。
上述可加工陶瓷是很容易加工切削的陶瓷。它们可以被大致分为两类一类陶瓷在其内部包含像云母这样的薄层结构；而另一类陶瓷在结构中包含大量的微小裂缝。对于前一类，有KMg3AlSi3O10F2氟金云母和其它云母结晶化玻璃；对于后一类，有钛酸铝等。
使绝缘管50的外直径符合阳极40(由阳极第一构件40a和阳极第二构件40b等构成)的内径，并且绝缘管50被插入阳极40的内部以便穿过阳极第一构件40a并且被阳极第二构件40b内部的阶梯式结构阻挡。
阴极60由下列各项组成阴极第一构件60a，它被设置在前端部分处；以及阴极第二构件60b，用于支撑连在一起的阴极第一构件60a。阴极第一构件60a和阴极第二构件60b由不锈钢、铜、钨、或其它金属材料制成。
阴极第二构件60b支撑着阴极第一构件60a的基部，以致其前端附近与气体分配器接合。气体分配器51被设置成符合绝缘管50的前端，以便被阳极第二构件40b内的阶梯式结构阻挡。
上述气体分配器51由陶瓷或其它非聚合物基的绝缘材料制成。它包括即使在超高真空环境中也基本上不产生释气的材料。它被设置在阳极和阴极之间的阴极前端附近，以便对阳极和阴极的相对位置定位，使得阳极和阴极彼此不接触并且由此防止两者短路。此外，气体分配器51具有细小的开口，并且可以确保均匀分配相对于阴极而提供的等离子体气体。
阴极第二构件60b具有一种作为内部结构的三层结构，分别是第一空心部分61，位于中心处；第二空心部分62a，位于第一空心部分的外围；以及第三空心部分62b，位于第二空心部分62a的外围。
此处，阴极第二构件60b中的第一空心部分61是等离子体气体供给管。从这里，等离子体气体61f可以通过上述气体分配器51而被提供到阳极40和阴极60的前端部分。
此外，阴极第二构件60b中的第二空心部分62a是由冷却水62f构成的冷却剂的入口管，并且第三空心部分62b是冷却水的出口管。
通过具有由第二空心部分62a和第三空心部分62b构成的冷却系统62(即与阳极40的冷却系统41相分离的冷却系统)，可以有效地冷却被插入绝缘管50(绝缘管50不具有很高的导热率)中的阴极60。
此外，在本实施方式的等离子炬中，支撑管65位于阳极40的外围。
支撑管65具有电连接到阴极60且机械地支撑该阴极的第一支撑构件66、电连接到阳极40且机械地支撑该阴极的第二支撑构件67、以及通过第一支撑构件66和第二支撑构件67来机械地支撑阳极40和阴极60的第三支撑构件68。至少第一支撑构件66和第二支撑构件67以及第二支撑构件67和第三支撑构件68通过焊接而连接到陶瓷的绝缘构件(69a，69b)。第一支撑构件66、第二支撑构件67和第三支撑构件68一体成型但同时又彼此绝缘。
如上所述，在本实施方式的等离子炬中，阳极和阴极由不锈钢或其它金属材料制成，并且通过结构中的绝缘管而隔绝。
此外，在本实施方式的等离子炬中，真空密封物由VCR接头和/或ICF法兰制成。
在阳极40和阴极60的前端部分处，阳极第二构件40b的内壁和阴极第一构件60a的前端分隔开一段预定的距离。通过将等离子体气体61f提供到该区域并且进一步将正电压和负电压加到阳极和阴极上，便在阳极和阴极之间的放电过程中产生了等离子体。即，形成了所谓的非转移型等离子炬。
所获得的等离子体可以从阳极前端上的开口40h提供到等离子炬的外部。
如上所述，本实施方式的SFJ-PVD系统的等离子炬使用了聚合物基或非聚合物基的绝缘管以便使等离子体尖端和电极相互绝缘，这种绝缘管产生比电木要少的释气。因为它不使用电木，所以即使在超高真空环境中使用时它也只产生较少的释气。
此外，通过提供支撑管在阳极的外围来支撑整个等离子炬并且将预定的电位加到阳极和阴极上，便可以在不产生释气的情况下应对超高真空环境。
因此，在本实施方式的SFJ-PVD系统中，当利用等离子炬产生的等离子体从蒸发源中产生纳米粒子时，使用上述等离子炬能够产生不受释气污染的纳米粒子。通过以这种方式在超高真空环境中或在气体取代环境中使用本实施方式的等离子炬，便可以防止杂质进入受热的物体，并且可以沉积出具有污染较少的活性表面的微粒，由此可以形成稠密的膜。
此外，本实施方式的SFJ-PVD系统可以用在很广的气压范围中，比如从约10-10托的超高真空环境到大气压。
本实施方式的SFJ-PVD系统可以在下列两种操作方式之间切换或者可以同时使用这两种操作非转移型操作，将正电压和负电压分别加到阳极和阴极上以形成等离子体；以及转移型操作，将正电压和负电压分别加到受热的第一或第二蒸发源以及阴极上以形成等离子体。
通过在这两种操作之间切换或两者一起使用，可以享有转移型的优点(即高能效)和非转移型的优点(即不管非受热物体的材料如何都可以使用)、等离子体的高起始特性和稳定性、以及良好的可控性，因此可以更有效地对受热目标进行加热。在转移型和非转移型操作中，在超高真空环境中基本上都不会产生释气。
接下来，将解释上述流体混合部分34。
图6A是本实施方式的物理蒸气沉积系统的流体混合部分的配置示意图。
第一混合喷嘴70的第一喷射端口71与第二混合喷嘴80的第二喷射端口81被共轴地设置成彼此面对面。
第一喷射端口71和第二喷射端口81具有相同的基本上矩形的形状。含第一微粒的第一流体作为第一射流72从第一喷射端口71中喷射出来，而含第二微粒的第二流体作为第二射流82从第二喷射端口81中喷射出来。在第一喷射端口71和第二喷射端口81之间的空间(混合区MR)中，第一流体和第二流体混合了。
上述流体混合部分具有用矩形喷射端口形成的混合喷嘴，以便于引入两种流体。待混合的第一流体和第二流体的通道都连接到混合喷嘴。从该混合喷嘴的面对面的喷射端口中喷射出来的流体像射流那样彼此碰撞。
图6B-6D是用于解释第一流体和第二流体的混合机理的示意图。该机理利用共轴面对面碰撞的射流的振荡现象，这在下列文献中给予揭示KeijiroYamamoto，Akira Nomoto，Tadao Kawashima，Noriaki NakatsuchiOscillationPhenomenon of Coaxially Facing Colliding Jet Flows，Oil Pressure and AirPressure(1975)pp.68-77。
在这些图中，具有相对高压的区域是用实线圈起来的，而具有相对低压的区域则是用虚线圈起来的。
如图6B所示，第一流体的第一射流72是从第一混合喷嘴70的第一喷射端口71中喷射出来的，其压力为P1；而第二流体的第二射流82是从第二混合喷嘴80的第二喷射端口81中喷射出来的，其压力为P2。
此时，在第一喷射端口71和第二喷射端口81之间的空间中，第一射流72和第二射流82象射流一样发生碰撞。
通过第一射流72和第二射流82的碰撞，在第一喷射端口71和第二喷射端口81之间的空间中心处产生了一个高压区域PM。结果，第一射流72和第二射流82的流动变得不稳定。
因如图6C所示的某种外部扰动，上述在流动过程中已变得不稳定的第一射流72和第二射流82分别偏转到彼此相反的方向上。第一射流72和第二射流82的偏转侧都因涡流而变为低压，而非偏转侧则因射流的干扰变为高压。此外，碰撞表面在压力方面是很高的，所以使第一射流72和第二射流82偏转得更厉害。
当第一射流72和第二射流82的偏转变得更大时，这两个射流彼此穿越。这些穿越表面因这两个气流的涡流而变为低压。
上述压力下降使压力分布在与喷嘴的喷射端口(71，81)的喷嘴轴相垂直的方向上发生反转，再次将第一射流72和第二射流82拉进来从而形成碰撞状态。因为压力分布在与喷嘴的喷射端口(71，81)的喷嘴轴相垂直的方向上发生反转，所以第一射流72和第二射流82也发生反转，从而导致图6D所示的状态。
在与喷嘴的喷射端口(71，81)的喷嘴轴相垂直的方向上压力分布反转以及射流偏转的过程不断重复，由此便发生共轴面对面碰撞的射流的振荡。通过维持这种振荡，可以使第一射流72和第二射流82混合。
适于混合第一射流72和第二射流82的第一混合喷嘴70和第二混合喷嘴80的形状、喷嘴间的距离、斯德鲁哈尔数(Strouhal number)等都是根据流体的类型和雷诺数(Reynolds number)来确定的。为了像本实施方式中那样使含第一纳米粒子的气相第一流体和含第二纳米粒子的气相第二流体混合起来，第一混合喷嘴70的第一喷射端口71以及第二混合喷嘴80的第二喷射端口81最好使上述基本上矩形的形状的短边长度(a)和长边长度(b)之长宽比(b/a)为4比6。
此外，第一混合喷嘴和第二混合喷嘴的喷嘴之间的距离是上述基本上矩形的形状的短边长度的4到35倍。
此外，较佳地，提供一对隔离板(90，91)，它们沿上述基本上矩形的形状的长边方向排列以便彼此面对面，同时将第一喷射端口71和第二喷射端口81之间的空间夹在这对隔离板之间并且防止第一流体和第二流体分散到上述基本上矩形的形状的长边方向上。
通过提供上述隔离板，碰撞的射流很容易振荡并且可以更均匀地混合。
此外，更佳地，这对隔离板(90，91)之间的距离等于上述基本上矩形的形状的长边长度。因此，可以防止第一流体的第一射流72和第二流体的第二射流82分散到喷射端口的矩形形状的长边方向上，并且可以提高有助于振荡的效果。
根据上述本实施方式的SFJ-PVD系统的流体混合部分形成部分，有可能利用共轴面对面碰撞的射流的振荡现象来混合含纳米粒子的固-气两相气流，并且还有可能精确地混合两股射流中不同类型的粉末材料，同时不需要使用外部的电或其它能量且不需要使用任何机械移动部件。在SFJ-PVD系统中，通过混合从蒸发源中获得的不同类型的纳米粒子并且将它们沉积在目标基片上，便可以通过物理蒸气沉积过程对不同类型的材料进行均匀沉积。
此外，上述流体混合部分不需要任何机械移动部件，因此对处理和/或尺寸的限制是很少的，并且可以实现紧凑小巧的形状，所以安装在狭窄的空间中也是可能的。
图7A是第一实施方式的物理蒸气沉积系统的流体混合部分的具体示例的配置示意图，而图7B是示出了为了显示图7A所示流体混合部分的结构而拆开的各部件的示意图。
此外，图8A是从图7A的流体混合部分的A方向看到的侧视图，而图8B是从B方向看到的前视图。
此外，图9A是沿图7A的流体混合部分的C-C’线截取的横截面图，而图9B则是平面D上的截面图。
盘片形的第一混合喷嘴70(带有基本上矩形形状的第一喷射端口71)与盘片形的第二混合喷嘴80(带有基本上矩形形状的第二喷射端口81)通过上述那对隔离板(90，91)以相同的方式被桥接起来。
第一喷射端口71和第二喷射端口81之间的空间变为混合区MR，用于混合第一流体的第一射流和第二流体的第二射流。
第一混合喷嘴70、第二混合喷嘴80以及上述那对隔离板(90，91)是一体成型的。例如，它们都是通过使用NC线切割放电加工装置由黄铜、不锈钢、或其它材料形成的。或者，例如，各个部件可以单独形成或组装。
例如，第一喷射端口71和第二喷射端口81的形状是短边长度(a)长达约几毫米，长边长度(b)长达几毫米到十几毫米。短边长度(a)和长边长度(b)的长宽比(b/a)最好是4比6。
此外，较佳地，第一混合喷嘴70的第一喷射端口71与第二混合喷嘴80的第二喷射端口81之间的喷嘴间距离(c)是第一喷射端口71和第二喷射端口81的基本上矩形形状的短边长度(a)的4到35倍。
例如，第一喷射端口71和第二喷射端口81的基本上矩形形状的短边长度(a)约为1毫米，长边长度(b)约为4毫米，长宽比(b/a)是4，而喷嘴之间的距离是16毫米。
此外，上述那对隔离板(90，91)之间的距离(d)被设置成基本上等于第一喷射端口71和第二喷射端口81的基本上矩形形状的长边长度(b)。
图10是示出了利用图7A所示流体混合部分来混合流体的状态的示意图。
例如，第一流体供给管T1连接到第一混合喷嘴70与混合区MR相反的那个表面，而第二流体供给管T2则连接到第二混合喷嘴80与混合区MR相反的那个表面。
此处，从第一流体供给管T1中供给出含第一纳米粒子的第一流体，并且从第二流体供给管T2中供给出含第二纳米粒子的第二流体。第一流体变为第一射流72并且从第一喷射端口71喷射到混合区MR，而第二流体变为第二射流82并且从第二喷射端口81喷射到混合区MR。通过共轴面对面碰撞的射流的振荡现象，第一流体和第二流体在混合区MR处混合起来。
混合后的流体(94，95)从面对着混合区MR的开口(92，93)中流出来，流到混合区MR的外部，并且作为合并的流体96进一步流向超音速喷嘴。
此处，作为第一流体供给管T1和第二流体供给管T2所提供的流体的压力以及喷射流体之前混合区的压力，例如，可以使第一流体供给管T1和第二流体供给管T2所提供的流体的压力为60-90kPa，并且使喷射流体之前混合区的压力为0.5-2kPa。喷射端口的上游和下游压力比被设置为大约45。
通过观察流体混合部分的混合区中的压力振荡，便可以确认上述第一流体和第二流体的混合状态。
此外，在本实施方式的SFJ-PVD系统中，通过混合并沉积从多个蒸发源中获得的不同类型的纳米粒子并且测量所形成的汽相沉积膜的均匀性，便可以确认第一流体和第二流体的混合状态。
上述本实施方式的SFJ-PVD系统使用聚合物基或非聚合物基的绝缘管作为蒸发腔的等离子炬，以便使等离子体尖端和电极相互绝缘，该绝缘管产生比电木要少的释气。因为它不使用电木，所以即使在超高真空环境中使用它时也只产生较少的释气，并且可以沉积出具有污染较少的活性表面的微粒，由此可以形成稠密的膜。
此外，作为用于混合第一微粒和第二微粒的流体混合部分，有可能利用共轴面对面碰撞的射流的振荡现象来均匀地混合这些粒子，同时不需要使用外部的电或其它能量，并且不需要使用任何机械移动部件，由此形成了具有均匀质量的膜。
例如，通过将钛设置为第一蒸发腔中的第一蒸发源并且将铝设置为第二蒸发腔中的第二蒸发源，便可以在成膜腔的成膜基片上形成TiAl膜。
此外，通过按上述那样设置蒸发源并且还将氮用作第一和第二蒸发腔中的环境气体，便可以形成Ti-Al-N膜。
除此之外，即使是用常规方法通过混合成分而很难形成的膜，例如金属和陶瓷，也可以通过自由控制其成分而稠密地形成。
第二实施方式图11A是本实施方式的物理蒸气沉积系统的流体混合部分的配置示意图，而图11B则是示意性截面图。
第一混合喷嘴70和第二混合喷嘴80具有锥形部分，在第一喷射端口71和第二喷射端口81附近，与靠近第一喷射端口71和第二喷射端口81的下游一侧相比越往上游一侧远离第一喷射端口71和第二喷射端口81，则第一流体和第二流体朝着第一喷射端口71和第二喷射端口81流动时所穿过的空间尺寸就变得越大。其余配置都与第一实施方式的物理蒸气沉积系统相似。
在具有本实施方式的流体混合部分的物理蒸气沉积系统中，从第一混合喷嘴10和第二混合喷嘴20中喷射出来的第一射流12和第二射流22的射流速度都得到提高，第一流体和第二流体可以更均匀地混合，并且可以形成具有更均匀质量的膜。
第三实施方式图12是本实施方式的SFJ-PVD系统的配置示意图。
这与第一实施方式的SFJ-PVD系统基本上相同，但只设置了一个蒸发腔作为蒸发腔。即，提供了蒸发腔10以及由蒸发腔30构成的成膜真空腔。
真空腔10具有连接到真空泵VP1的排气管11。操作真空泵VP1，对蒸发腔10的内部进行抽真空，使其变为约10-10托的超高真空环境。此外，蒸发腔10中设置的气体供给源13通过质流控制器12根据需要以预定的流速将环境气体(比如氦或氮)提供到蒸发腔10中。
成膜腔10具有水冷铜坩锅14。蒸发源材料15被置于其中。等离子炬16被设置在蒸发源材料15的附近。通过利用等离子炬16的等离子体尖端形成部分和作为介质的内部电极之间放电而产生的等离子体气体，用非转移型方法来加热并蒸发上述蒸发源材料15，并且从上述蒸发源材料15所蒸发的原子获得了尺寸为纳米量级的微粒(纳米粒子)。
所获得的纳米粒子通过转移管17被转移到成膜腔30中，一起被转移的还有蒸发腔10中的环境气体。
成膜腔30具有连接到真空泵VP3的排气管31。操作真空泵VP3，对成膜腔30的内部进行抽真空，使其变为约10-10托的超高真空环境。
成膜腔30具有可以在X-Y方向上驱动的一个工作台32。工作台32具有固定于其上的成膜基片33。
超音速喷嘴(拉瓦尔喷管(Laval nozzle))35被设置在蒸发腔10的转移管17的前端上。在转移管17的超音速喷嘴35侧的外围，可以设置一个未示出的线圈加热器以便能够进行加热。
当在上述蒸发腔10中产生纳米粒子时，因为蒸发腔10和成膜腔30之间有压力差，所以会出现气流，并且纳米粒子与环境气体一起通过转移管被转移到成膜腔30。
含纳米粒子的流体作为超音速气流(超音速自由射流)从超音速喷嘴(拉瓦尔喷管(Laval nozzle))35喷射到成膜腔30中，并且朝着成膜基片33喷射。
超音速喷嘴35是一种“缩小-扩大的”(reducing-expanding)管子，它具有不断变化的喷嘴内径，并且这种管子能使因蒸发腔和成膜腔之间的压力差而导致的气流提高到例如1.2马赫或更大的超音速。
纳米粒子被超音速喷嘴35加速到约3.6马赫的超音速，漂浮在要被喷射到成膜腔30中的超音速气流中，并且(通过物理蒸气沉积过程)被沉积到成膜基片33上。
在本实施方式的SFJ-PVD系统中，按照与第一实施方式相同的方式，蒸发系统的等离子炬使用比电木产生较少释气的聚合物基或非聚合物基的绝缘管来使等离子体尖端和电极之间相互绝缘。因为并未使用电木，所以即使是在超高真空环境中使用，所产生的释气也会更少。通过沉积出具有污染较少的活性表面的微粒，便可形成稠密的膜。
在上述实施方式的SFJ-PVD系统中，在超音速喷嘴和/或转移管自身处，或者在超音速喷嘴和/或转移管的外围，可以设置一种加热装置，用于加热穿过超音速喷嘴和/或转移管内部的含微粒的气体。
此外，超音速喷嘴和上述转移管的至少一部分是由石英制成的，并且可以在超音速喷嘴和/或转移管的外围设置一种RF线圈，用于使穿过超音速喷嘴和/或转移管内部的含微粒的气体变为等离子体。
当使用上述构成时，可以更精确地控制成膜过程。
本发明并不限于上述解释。
例如，在上述实施方式的等离子炬中，阳极外围排列的支撑管包括第一到第三支撑构件，它们一体成型同时又通过绝缘构件而彼此隔绝开，但是本发明并不限于此。还有可能将预定的电势加到阳极和阴极上，实现冷却系统或气体供给系统，并且配置阳极和阴极以便在不使用电木的情况下应对超高真空环境。
此外，例如，在流体混合部分中，最好设置一对隔离板，用于防止第一流体和第二流体分散到混合区的各喷射端口基本上矩形形状的长边方向上，但是并不总是需要设置隔离板。
另外，在本发明的要点的范围内，各种修改都是可能的。
工业应用本发明的物理蒸气沉积系统可以应用于在低温下形成几十到几百微米厚的高密度涂敷膜的方法。
权利要求
1.一种物理蒸气沉积系统，包括蒸发腔，蒸发腔内部有蒸发源和等离子炬，通过利用所述等离子炬在预定的气体环境中或周围空气环境中所产生的等离子体来加热并蒸发所述蒸发源，并且从所蒸发出的原子产生微粒；以及成膜腔，成膜腔内部有超音速喷嘴和成膜基片，所述超音速喷嘴连接到转移管，作为传送来自所述蒸发腔的含所述微粒的气体的通道，使从所述蒸发腔中转移过来的微粒漂浮在由所述超音速喷嘴所产生的超音速气流中，并且使所述微粒通过物理蒸气沉积法沉积在所述成膜基片上，所述等离子炬具有基本上圆柱形的导电阳极，聚合物基或非聚合物基的绝缘管，所述绝缘管被插入所述阳极内并且产生比电木要少的释气，以及棒状阴极，所述棒状阴极被插入所述绝缘管内，使之不接触所述阳极，负电压被加到所述阴极上，正电压被加到所述阳极和/或所述蒸发源上，由此形成等离子体。
2.如权利要求1所述的物理蒸气沉积系统，其特征在于，所述超音速喷嘴是一种“缩小-扩大的”管子，它具有不断变化的喷嘴内径，并且这种管子能使因所述蒸发腔和所述成膜腔之间的压力差而导致的气流提高到超音速。
3.如权利要求2所述的物理蒸气沉积系统，其特征在于，所述超音速喷嘴产生1.2马赫或更大的超音速气流。
4.如权利要求1所述的物理蒸气沉积系统，其特征在于，所述超音速喷嘴是基于一维或二维压缩流体动力学根据气体的种类和成分以及所述成膜腔的排气能力等来进行设计的，并且所述超音速喷嘴连接到所述转移管的前端或与所述转移管的前端部分一体成型。
5.如权利要求1所述的物理蒸气沉积系统，其特征在于，在所述超音速喷嘴和/或所述转移管自身处，或者在所述超音速喷嘴和/或所述转移管的外围，设置了加热装置，用于对穿过所述超音速喷嘴和/或所述转移管内部的含微粒的气体进行加热。
6.如权利要求1所述的物理蒸气沉积系统，其特征在于，所述超音速喷嘴和所述转移管的至少一部分是由石英制成的，以及在所述超音速喷嘴和/或所述转移管的外围设置RF线圈，用于使穿过所述超音速喷嘴和/或所述转移管内部的含微粒的气体变为等离子体。
7.如权利要求1所述的物理蒸气沉积系统，其特征在于，在所述等离子炬中，在所述阴极前端附近以及所述阳极和所述阴极之间设置了由陶瓷制成的等离子体气体分配器，用于对所述阳极和所述阴极的相对位置定位并且确保提供给所述阴极的等离子体气体被均等地分配。
8.如权利要求1所述的物理蒸气沉积系统，其特征在于，所述绝缘管由石英、可加工的陶瓷、氮化硼、氧化铝、或氟树脂制成。
9.如权利要求1所述的物理蒸气沉积系统，其特征在于，在所述等离子炬中，所述阴极具有由三层结构构成的内部结构，这三层结构是第一空心部分，位于中心处；第二空心部分，位于所述第一空心部分的外围；以及第三空心部分，位于所述第二空心部分的外围。
10.如权利要求1所述的物理蒸气沉积系统，其特征在于，在所述等离子炬中，所述阴极的第一空心部分是等离子体气体供给管。
11.如权利要求1所述的物理蒸气沉积系统，其特征在于，在所述等离子炬中，所述阴极的第二空心部分是冷却剂的入口管，以及所述阴极的第三空心部分是冷却剂的出口管。
12.如权利要求1所述的物理蒸气沉积系统，其特征在于，在所述等离子炬中，阳极具有内置的冷却管。
13.如权利要求1所述的物理蒸气沉积系统，其特征在于，在所述等离子炬中，VCR接头和/或ICF法兰被用作真空密封物。
14.如权利要求1所述的物理蒸气沉积系统，其特征在于，在所述等离子炬中，可在下列两种系统之间进行切换或一起使用将正电压和负电压分别加到所述阳极和所述阴极上以形成等离子体的系统；以及将正电压和负电压分别加到待加热的所述蒸发源和所述阴极上以形成等离子体的系统。
15.一种物理蒸气沉积系统，包括蒸发腔，蒸发腔内部有蒸发源和等离子炬，通过利用所述等离子炬在预定的气体环境中或周围空气环境中所产生的等离子体来加热并蒸发所述蒸发源，并且从蒸发的原子产生微粒；以及成膜腔，成膜腔内部有超音速喷嘴和成膜基片，所述超音速喷嘴连接到转移管，作为传送来自所述蒸发腔的含所述微粒的气体的通道，使从所述蒸发腔中转移过来的微粒漂浮在由所述超音速喷嘴所产生的超音速气流中，并且使所述微粒通过物理蒸气沉积法沉积在所述成膜基片上，所述等离子炬具有基本上圆柱形的导电阳极，聚合物基或非聚合物基的绝缘管，所述绝缘管被插入所述阳极内并且产生比电木更少的释气，棒状阴极，所述棒状阴极被插入所述绝缘管内，使之不接触所述阳极，以及支撑管，所述支撑管位于所述阳极的外围，所述支撑管具有电连接到所述阴极且机械地支撑所述阴极的第一支撑构件、电连接到所述阳极且机械地支撑所述阴极的第二支撑构件、以及通过所述第一支撑构件和所述第二支撑构件来机械地支撑所述阳极和所述阴极的第三支撑构件，至少所述第一支撑构件和第二支撑构件，以及所述第二支撑构件和第三支撑构件通过焊接而连接到陶瓷的绝缘构件，所述第一支撑构件、所述第二支撑构件和所述第三支撑构件一体成型但同时又彼此绝缘，VCR接头和/或ICF法兰被用作所述阳极、所述阴极和所述支撑管的真空密封物，并且负电压被加到所述阴极上，正电压被加到所述阳极和/或所述蒸发源上，由此形成了等离子体。
16.一种物理蒸气沉积系统，包括第一蒸发腔，在第一蒸发腔内部有第一蒸发源和第一等离子炬，利用所述第一等离子炬在预定的气体环境中或周围空气环境中所产生的等离子体来加热并蒸发所述第一蒸发源，并且从蒸发的原子产生第一微粒；第二蒸发腔，在第二蒸发腔内部有第二蒸发源和第二等离子炬，利用所述第二等离子炬在预定的气体环境中或周围空气环境中所产生的等离子体来加热并蒸发所述第二蒸发源，并且从蒸发的原子产生第二微粒；以及成膜腔，在成膜腔内部有流体混合部分、超音速喷嘴和成膜基片，所述超音速喷嘴连接到转移管，作为传送来自所述蒸发腔的含所述微粒的气体的通道，用所述流体混合部分将从所述第一蒸发腔中转移过来所述第一微粒和从所述第二蒸发腔中转移过来的所述第二微粒混合起来，使混合后的第一微粒和第二微粒漂浮在由所述超音速喷嘴所产生的超音速气流中，并且使混合后的第一微粒和第二微粒通过物理蒸气沉积法沉积在所述成膜基片上，所述第一等离子炬和第二等离子炬各自具有基本上圆柱形的导电阳极，聚合物基或非聚合物基的绝缘管，所述绝缘管被插入所述阳极内并且产生比电木更少的释气，以及棒状阴极，所述棒状阴极则被插入所述绝缘管内，使之不接触所述阳极，负电压被加到所述阴极上，正电压被加到所述阳极和/或所述第一或第二蒸发源上，由此形成等离子体，并且所述流体混合部分具有第一混合喷嘴，所述第一混合喷嘴具有其形状大致为矩形的第一喷射端口，以及第二混合喷嘴，所述第二混合喷嘴具有其形状与所述第一喷射端口相同的第二喷射端口并且被设置成共轴地面对着所述第一混合喷嘴，从所述第一喷射端口中喷射出含所述第一微粒的第一流体，从所述第二喷射端口中喷射出含所述第二微粒的第二流体，并且在所述第一喷射端口和所述第二喷射端口之间的空间中使所述第一流体和所述第二流体混合。
17.如权利要求16所述的物理蒸气沉积系统，其特征在于，在所述流体混合部分中，所述基本上矩形的形状的短边长度a与长边长度b的长宽比b/a是4/6。
18.如权利要求16所述的物理蒸气沉积系统，其特征在于，在所述流体混合部分中，所述第一混合喷嘴和所述第二混合喷嘴之间的喷嘴间距离是所述基本上矩形的形状的短边长度的4到35倍。
19.如权利要求16所述的物理蒸气沉积系统，其特征在于，在所述流体混合部分中，所述第一混合喷嘴具有形成锥形的部分，在所述第一喷射端口附近，与靠近所述第一喷射端口的下游一侧相比越往上游一侧远离所述第一喷射端口，所述第一流体朝着所述第一喷射端口流动时所穿过的空间尺寸就变得越大；所述第二混合喷嘴具有形成锥形的部分，在所述第二喷射端口附近，与靠近所述第二喷射端口的下游一侧相比越往上游一侧远离所述第二喷射端口，所述第二流体朝着所述第二喷射端口流动时所穿过的空间尺寸就变得越大。
20.如权利要求16所述的物理蒸气沉积系统，其特征在于，在所述流体混合部分中，提供一对隔离板，它们沿所述基本上矩形的形状的长边方向排列，使彼此面对面，将所述第一喷射端口和所述第二喷射端口之间的空间夹在这对隔离板之间并且防止所述第一流体和所述第二流体分散到所述基本上矩形的形状的长边方向上。
21.如权利要求20所述的物理蒸气沉积系统，其特征在于，在所述流体混合部分中，所述这对隔离板之间的距离基本上等于所述基本上矩形的形状的长边长度。
22.如权利要求16所述的物理蒸气沉积系统，其特征在于，在所述第一等离子炬和/或所述第二等离子炬中，在所述阴极前端附近以及所述阳极和所述阴极之间设置了由陶瓷制成的等离子体气体分配器，用于对所述阳极和所述阴极的相对位置定位并且确保提供给所述阴极的等离子体气体被均等地分配。
23.如权利要求16所述的物理蒸气沉积系统，其特征在于，在所述第一等离子炬和/或所述第二等离子炬中，所述阴极具有由三层结构构成的内部结构，这三层结构是第一空心部分，位于中心处；第二空心部分，位于所述第一空心部分的外围；以及第三空心部分，位于所述第二空心部分的外围。
24.如权利要求23所述的物理蒸气沉积系统，其特征在于，在所述第一等离子炬和/或所述第二等离子炬中，所述阴极的第一空心部分是等离子体气体供给管。
25.如权利要求16所述的物理蒸气沉积系统，其特征在于，在所述第一等离子炬和/或所述第二等离子炬中，所述阴极的第二空心部分是冷却剂的入口管，并且所述阴极的第三空心部分是所述冷却剂的出口管。
26.如权利要求16所述的物理蒸气沉积系统，其特征在于，在所述第一等离子炬和/或所述第二等离子炬中，所述阳极具有内置冷却管。
27.如权利要求16所述的物理蒸气沉积系统，其特征在于，在所述第一等离子炬和/或所述第二等离子炬中，VCR接头和/或ICF法兰被用作真空密封物。
28.如权利要求16所述的物理蒸气沉积系统，其特征在于，在所述第一等离子炬和/或所述第二等离子炬中，可在下列两种系统之间进行切换或一起使用将正电压和负电压分别加到所述阳极和所述阴极上以形成等离子体的系统；以及将正电压和负电压分别加到待加热的所述蒸发源和所述阴极上以形成等离子体的系统。
29.一种物理蒸气沉积系统，包括第一蒸发腔，在第一蒸发腔内部有第一蒸发源和第一等离子炬，利用所述第一等离子炬在预定的气体环境中或周围空气环境中所产生的等离子体来加热并蒸发所述第一蒸发源，并且从蒸发的原子产生第一微粒；第二蒸发腔，在第二蒸发腔内部有第二蒸发源和第二等离子炬，利用所述第二等离子炬在预定的气体环境中或周围空气环境中所产生的等离子体来加热并蒸发所述第二蒸发源，并且从蒸发的原子产生第二微粒；以及成膜腔，在成膜腔内部有流体混合部分、超音速喷嘴和成膜基片，所述超音速喷嘴连接到转移管，作为传送来自所述蒸发腔且含微粒的气体的通道，用所述流体混合部分将从所述第一蒸发腔中转移过来所述第一微粒和从所述第二蒸发腔中转移过来的所述第二微粒混合起来，使混合后的第一微粒和第二微粒漂浮在由所述超音速喷嘴所产生的超音速气流中，并且使所述混合后的第一微粒和第二微粒通过物理蒸气沉积法沉积在所述成膜基片上，所述第一等离子炬和第二等离子炬各自具有基本上圆柱形的导电阳极，聚合物基或非聚合物基的绝缘管，所述绝缘管被插入所述阳极内并且产生比电木更少的释气，棒状阴极，所述棒状阴极被插入所述绝缘管内，使之不接触所述阳极，以及支撑管，所述支撑管位于所述阳极的外围，所述支撑管具有电连接到所述阴极且机械地支撑所述阴极的第一支撑构件、电连接到所述阳极且机械地支撑所述阴极的第二支撑构件、以及通过所述第一支撑构件和所述第二支撑构件来机械地支撑所述阳极和所述阴极的第三支撑构件，至少所述第一支撑构件和第二支撑构件，以及所述第二支撑构件和第三支撑构件通过焊接而连接到陶瓷的绝缘构件，所述第一支撑构件、所述第二支撑构件和所述第三支撑构件一体成型但同时又彼此绝缘，VCR接头和/或ICF法兰被用作所述阳极、所述阴极和所述支撑管的真空密封物，负电压被加到所述阴极上，正电压被加到所述阳极和/或所述第一或第二蒸发源上，由此形成等离子体，并且所述流体混合部分具有第一混合喷嘴，所述第一混合喷嘴具有其形状大致为矩形的第一喷射端口，以及第二混合喷嘴，所述第二混合喷嘴具有其形状与所述第一喷射端口相同的第二喷射端口并且被设置成共轴地面对着所述第一混合喷嘴，从所述第一喷射端口中喷射出含第一微粒的第一流体，从所述第二喷射端口中喷射出含第二微粒的第二流体，并且在所述第一喷射端口和所述第二喷射端口之间的空间中使所述第一流体和所述第二流体混合。
全文摘要
一种用于形成膜的物理沉积系统，该系统在超高真空环境中通过超音速气流，使利用非移动型等离子炬产生的微粒加速，从而使微粒沉积到基片上而不产生释气。该物理沉积系统包括蒸发腔(10，20)，其内部具有等离子炬(16，26)和蒸发源(15，25)；以及成膜腔(30)，其内部具有超音速喷嘴(35)和用于沉积膜的基片(33)。每个等离子炬包括基本上呈管状的导电阳极(40)；聚合物基或非聚合物基的绝缘管(50)，该绝缘管被插入阳极中并且产生比电木要少的释气；以及棒状阴极(60)，它被插入绝缘管(50)中。通过利用向阳极(40)和阴极(60)加电压而获得的等离子体，便从蒸发源(15，25)中产生微粒，这些微粒从超音速喷嘴(35)中喷射出去并且被超音速气流携载着，由此在基片(33)上物理地沉积了一层膜。
文档编号C23C14/26GK101061249SQ20058003935
公开日2007年10月24日 申请日期2005年10月14日 优先权日2004年10月14日
发明者汤本敦史, 丹羽直毅, 广木富士男, 塩田一路, 山本刚久 申请人:多摩-技术转让机关株式会社