JP2003197530A

JP2003197530A - 微粒子・クラスターの捕集・堆積方法

Info

Publication number: JP2003197530A
Application number: JP2001392243A
Authority: JP
Inventors: Nobuyasu Suzuki; 信靖鈴木; Yuka Yamada; 由佳山田; Toshiharu Makino; 俊晴牧野; Takehito Yoshida; 岳人吉田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-12-25
Filing date: 2001-12-25
Publication date: 2003-07-11

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、微粒子・クラスターを堆積基板の
二次元面内における任意の位置、または任意の付着強度
で捕集・堆積でき、かつ、堆積基板での不純物の発生を
抑制し、堆積基板へ捕集・堆積された微粒子・クラスタ
ーの結晶性制御を効率良く行うことができる、微粒子・
クラスターの捕集・堆積方法を提供することを課題とす
る。【解決手段】パルスレーザー光１０１をターゲット１
０２に照射して荷電状態の微粒子・クラスター１０３を
ガス流１０９中で生成しマスク形状の電極１０４と堆積
基板１０８間に電界を印加してパターンを形成する微粒
子・クラスターの堆積方法、並びに輻射赤外線１０６を
堆積基板１０８に照射して基板加熱を行うガス流中の微
粒子・クラスターの堆積方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガス流中で荷電し
た微粒子・クラスターの捕集・堆積方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】微粒子やクラスターを成膜技術に応用す
る試みは、１９７０年代に開始された。例えば、文献
（井出他、精密機械３８．３７，１９７２）は、１０^-4
Ｔｏｒｒ以下の真空チャンバー内で、粒径サブミクロン
以下の微粒子を静電的に加速し、高速で材料表面に衝突
させることによって、被膜を形成している。

【０００３】さらに、文献（Ｓ．Ｋａｓｈｕｅｔ
ａｌ，Ｊｐｎ．ＪＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２３，
Ｌ９１０，１９８４）では、微粒子をガスと混合
し、小径のノズルを介することによりガスの圧力差を用
いてビーム状の微粒子を基板上に吹き付けて成膜を行う
ガスデポジション法が開発されている。

【０００４】加えて、文献（明渡純、応用物理第６８
巻第１号ｐｐ．４４、１９９９）に示されている
ように微粒子の速度を数百ｍ／ｓに加速し、基板に衝突
させることにより生じる機械的な衝撃力に基づいた強固
な付着・堆積現象を利用した、機能性セラミックス材料
を用いた微小な電器・機械デバイスの製作への応用も試
みられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】微粒子やクラスターを
成膜技術に応用するために、機能材料又は機能素子とし
て、荷電状態にある微粒子・クラスターを直接、あるい
は集合化して使用する場合、サイズに特有の機能性を保
持するために微粒子・クラスターの融合・凝集等を制御
しつつ、所定パターンで基板上に規則配列させることが
必要である。

【０００６】しかしながら、対象とする微粒子・クラス
ターの表面活性度が高い場合や表面における格子軟化や
融解効果が著しい場合、従来法では融合・凝集等の制御
や規則配列が困難であり、任意の位置に規則正しく捕集
・堆積することはできなかった。

【０００７】また、機能材料又は機能素子として、微粒
子・クラスターを直接、あるいは集合化して使用する場
合、微粒子・クラスターの特性を一層強調し、あるいは
異種機能を付与する処理が必要とされる。ところが、こ
の種の処理は、微粒子・クラスター本来の特性を損な
う。

【０００８】本発明は上記の課題に鑑みなされたもので
あって、ガス流中の微粒子・クラスターを任意の位置と
付着強度で、かつ微粒子・クラスター本来の特性を損な
うことなく捕集・堆積できる方法を提供することを目的
とし、特に量子サイズ効果からバルクにはない様々な機
能発現が期待できる平均粒径１００ｎｍ未満のナノ粒子
・クラスターに関して、ガス流中で荷電状態にあるもの
を用いて効率的に任意のパターンを形成し得るととも
に、表面原子の露出割合が大きいために欠陥や不純物に
非常に敏感なナノ粒子・クラスターの堆積時における基
板加熱を、汚染を抑制しつつ制御性良くなし得る、優れ
た微粒子・クラスターの捕集・堆積方法を提供すること
を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、ガス流中で荷電した微粒子・クラスター
を捕集・堆積する前に電界又は磁界のどちらか一方を印
加する工程を行い、また、捕集・堆積基板に対して赤外
線輻射を行うことを特徴としたものである。

【００１０】これにより、量子サイズ効果からバルクに
はない様々な機能発現が期待できる平均粒径１００ｎｍ
未満のナノ粒子・クラスターに関して、ガス流中で荷電
状態にあるものを用いて効率的に任意のパターンを形成
し得るとともに、表面原子の露出割合が大きいために欠
陥や不純物に非常に敏感なナノ粒子・クラスターの堆積
時における基板加熱を、汚染を抑制しつつ制御性良くな
し得ることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】請求項１に記載の発明は、ガス流
中で荷電した微粒子・クラスターを捕集・堆積する前に
電界を印加する工程を有することを特徴とする微粒子・
クラスターの捕集・堆積方法であり、ガス流中で荷電状
態にある微粒子・クラスターを任意の方向に偏向でき、
捕集・堆積基板上で任意のパターンを形成することがで
きる。

【００１２】請求項２に記載の発明は、電界を印加する
工程を、電界の方向をガス流の方向と垂直にして行うこ
とを特徴とする微粒子・クラスターの捕集・堆積方法で
あり、捕集・堆積基板の二次元面内の任意の位置で微粒
子・クラスターを捕集・堆積することができる。

【００１３】請求項３に記載の発明は、電界を印加する
工程を、所定の位置に穴を開けたマスク状の導電体を用
い、ガス流の方向に導電体の面が向くように設けて行う
ことを特徴とする微粒子・クラスターの捕集・堆積方法
であり、捕集・堆積基板上にマスク形状に応じたパター
ン形成を行うとともに、微粒子・クラスターを加速し、
高速で基板表面に衝突させることにより付着強度を高め
ることができる。

【００１４】請求項４に記載の発明は、ガス流中で荷電
した微粒子・クラスターを捕集・堆積する前に磁界を印
加する工程を有することを特徴とする微粒子・クラスタ
ーの捕集・堆積方法であり、ガス流中で荷電状態にある
微粒子・クラスターを任意の方向に偏向でき、さらに微
粒子・クラスターを構成する材料が磁性材料であった場
合には堆積される構造体の自己組織化を促すことができ
る。

【００１５】請求項５に記載の発明は、磁界を印加する
工程を、磁界の印加をガス流と同方向にして行うことを
特徴とする微粒子・クラスターの捕集・堆積方法であ
り、捕集・堆積基板上の二次元面内の任意の位置で微粒
子・クラスターを捕集・堆積でき、さらに微粒子・クラ
スターを構成する材料が磁性材料であった場合には堆積
される構造体の自己組織化による成長方向を制御するこ
とができる。

【００１６】請求項６に記載の発明は、ガス流中の微粒
子・クラスターの捕集・堆積工程時に、捕集・堆積基板
に対して赤外線輻射を行う基板加熱工程を有することを
特徴とする微粒子・クラスターの捕集・堆積方法であ
り、捕集・堆積基板を選択的に急速加熱することがで
き、汚染物質が堆積物に付着するのを抑制するととも
に、堆積物の結晶性制御を行うことができる。

【００１７】（実施の形態１）以下、本発明の第１の実
施の形態を図１、図２に基づいて詳細に説明する。

【００１８】図１において、１０１はパルス・レーザー
光、１０２は単結晶シリコンターゲット、１０３はシリ
コンナノ粒子、１０４は導電体マスク、１０５は直流電
源、１０６は輻射赤外線、１０７は堆積基板フォルダ、
１０８は堆積基板、１０９は雰囲気ガス、１１０は熱抵
抗の大きい物質（例えば、石英やアルミナセラミック
等）である。

【００１９】雰囲気ガス供給装置（図示しない）より供
給される一定質量流量（例えば１．０ｌ／ｍｉｎ）で流
れる雰囲気ガス１０９（例えば高純度ヘリウム、不純物
濃度０．５ｐｐｂ以下）中で、単結晶シリコンターゲッ
ト１０２は、回転機構を有するターゲットフォルダー
（図示しない）に固定されている。シリコンターゲット
１０２近傍では、回転に伴って回転気流が生じている。
また、単結晶シリコンターゲット１０２表面には、雰囲
気ガス流１０９に対し４５度の位置に配された集光レン
ズ（図示しない）で集光されたパルス・レーザー光１０
１（例えばＱスイッチＮｄ−ＹＡＧレーザー第二次高調
波、波長５３２ｎｍ、パルス幅７ｎｓ、パルスエネルギ
ー０．５Ｊ）が照射され、レーザーアブレーションを行
う。

【００２０】ここでレーザーアブレーションとは、ター
ゲットにレーザーをパルス的に照射し、レーザーの高密
度エネルギーによってターゲット表面から中性原子や、
正または負に帯電した微粒子・クラスターを噴出させる
現象である。本実施の形態では、この現象を利用してタ
ーゲットからの微粒子・クラスターを、対向して設けら
れている基板上に捕集・堆積する。

【００２１】しかしながら、レーザーアブレーションを
行う際に生じる物質は、中性原子や、正または負に帯電
した微粒子だけではなく、パルス・レーザー光１０１の
連続照射は、単結晶ターゲット１０２表面を荒してしま
い、不純物（ドロップレット）が発生する。前述したよ
うに単結晶シリコンターゲット１０２は、回転機構を有
するターゲットフォルダー（図示しない）に固定されて
いるが、これは単結晶シリコンターゲット１０２を回転
させることにより、不純物（ドロップレット）をターゲ
ット１０２の回転接線方向に放出させて、基板への堆積
を防ぐようにしたものである。

【００２２】レーザーアブレーションを行うと、単結晶
シリコンターゲット１０２から脱離・射出された微粒子
は、雰囲気ガス１０９の分子に運動エネルギーを散逸
し、ガス中での凝縮・成長を促し、例えば、平均粒径が
数ｎｍのシリコンナノ粒子１０３が生成される。生成さ
れたシリコンナノ粒子１０３は、ガス排気系（図示しな
い）により差動排気される雰囲気ガス１０９とともに、
堆積基板１０８の方向に搬送される。また、レーザーア
ブレーションは、噴出した粒子の一団（アブレーション
プルームと呼ばれている）を、高温プラズマ状態にする
ので、そこで生成されたシリコンナノ粒子１０３も荷電
状態となる。

【００２３】単結晶シリコンターゲット１０２、堆積基
板１０８の間には導電体マスク１０４が介設されてい
る。シリコンナノ粒子１０３は堆積基板１０８に堆積さ
れる前に、図１（ｂ）に示すような所定の間隔、または
パターンで穿設された導電体マスク１０４の穴を通過す
る際に捕集され、堆積基板１０８には導電体マスク１０
４で穿設された所定の間隔、またはパターンで堆積され
る。導電体マスク１０４の穿設パターンを方眼状にすれ
ば、図２に示すように方眼状２０２に堆積基板２０１へ
堆積できる。導電体マスク１０４の穿設パターンは任意
に設定できる。

【００２４】また、導電体マスク１０４と堆積基板１０
８との間に直流電源１０５を用いて、静電界を生じさせ
ることにより、シリコンナノ粒子１０３の堆積基板１０
８への雰囲気ガス１０９による搬送速度を、加減速制御
することが可能となる。これにより、シリコンナノ粒子
１０３の堆積基板１０８への付着強度も制御することが
できる。このように、所定、又は任意に穿設された導電
体マスク１０４と直流電源１０５の入力操作とにより、
堆積基板１０８の二次元面内における任意の位置でシリ
コンナノ粒子１０３を堆積することができる。

【００２５】また、堆積基板１０８は、熱抵抗の大きい
物質１１０（例えば石英やアルミナセラミック等）を介
して固定された堆積基板フォルダ１０７上に配置されて
いる。そして、堆積基板１０８のシリコンナノ粒子１０
３が堆積しない側の面を、輻射赤外線１０６により他の
部品等に熱が逃げない状態で急速加熱する。これは、堆
積基板１０８へ捕集・堆積されたシリコンナノ粒子１０
３の結晶性制御を効率良く、かつ短時間に行うためであ
り、これにより、堆積基板１０８での不純物の発生を抑
制し、堆積物に不純物が付着するのを防止できる。

【００２６】以上、本実施の形態によれば、所定または
任意に穿設された導電体マスク１０４と直流電源１０５
の入力操作とにより、堆積基板１０８の二次元面内の任
意の位置、又は付着強度でシリコンナノ粒子１０３を捕
集・堆積することができる。また、堆積基板１０８にお
いてシリコンナノ粒子１０３が堆積しない側の面に、輻
射赤外線１０６（図１参照）で急速加熱することによ
り、堆積基板１０８での不純物の発生を抑制し、堆積物
に不純物が付着するのを防止でき、堆積基板１０８へ捕
集・堆積されたシリコンナノ粒子１０３の結晶性制御を
効率良く、かつ短時間に行うことができる。

【００２７】なお、本実施の形態ではレーザーアブレー
ションによって、ナノ粒子の生成を行っているが、微粒
子・クラスターの生成方法はスパッタリング法や化学的
気相成長法を用いても良く、本発明を限定するものでは
ない。

【００２８】また、ナノ粒子の原材料としてシリコンを
例に挙げたが、これはナノ粒子の原材料を特に限定する
ものではなく、原材料としてはシリコンと同様にＩＶ族
半導体であるゲルマニウムや、タングステン、プラチナ
等の高融点金属、酸化物、窒化物等の化合物でも一向に
構わない。

【００２９】さらに、捕集・堆積される対象を、本実施
の形態では平均粒径数ｎｍのナノ粒子としたが、これは
一例であって、捕集・堆積される対象は、粒径１ｎｍ以
下のクラスター並びに粒径数十ｎｍ（平均粒径１００ｎ
ｍ未満）のナノ粒子でもかまわない。

【００３０】（実施の形態２）以下、本発明の第２の実
施の形態を図３に基づいて説明するが、実施の形態１と
同様の構成には、同一の符号を付した。

【００３１】本実施の形態では、ナノ微粒子の計測等で
使用される微分型電気移動度分級装置を例にして微粒子
・クラスターの堆積方法を説明する。図３において、３
０１は微粒子・クラスター、３０２は搬送ガス、３０３
はオリフィス、３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃは偏向電
極、１０５は直流電源、１０８は堆積基板である。

【００３２】微分型電気移動度分級装置によって単一粒
径（粒径分布の幾何標準偏差が１．２以下）に制御され
た、正極に単一荷電状態な微粒子・クラスター３０１
は、オリフィス３０３を搬送ガス３０２とともに搬送さ
れる。その後、微粒子・クラスター３０１は、直交する
２対の偏向電極３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ、及び電
極３０４ｃに対向して設けられた偏向電極（図示しな
い）の間を通る。

【００３３】ここで、直流電源１０５の入力操作により
電界印加を行い、微粒子・クラスター３０１を任意の方
向に偏向することにより、堆積基板１０８の二次元面内
における任意の位置、任意の付着強度で捕集・堆積す
る。

【００３４】そして、堆積基板１０８へ捕集・堆積され
た微粒子・クラスター３０１の結晶性制御を効率良く、
かつ短時間に行うために、本実施の形態２でも実施の形
態１と同様に、堆積基板１０８の微粒子・クラスター３
０１が堆積しない側の面に、輻射赤外線（図１参照）で
急速加熱して、堆積基板１０８での不純物の発生を抑制
し、堆積物に不純物が付着するのを防止する。

【００３５】以上、本実施の形態によれば、ガス流の搬
送方向と平行して設けられている直交する２対の電極３
０４と、直流電源１０５とを設けることにより、直流電
源１０５の入力操作で、荷電状態の微粒子・クラスター
３０１を任意の方向に偏向することができ、堆積基板１
０８の二次元面内において任意の位置、任意の付着強度
で捕集・堆積することができる。また、堆積基板１０８
のシリコンナノ粒子１０３が堆積しない側の面に、輻射
赤外線１０６を急速加熱することにより、堆積基板１０
８での不純物の発生を抑制し、堆積物に不純物が付着す
るのを防止できる。

【００３６】（実施の形態３）以下、本発明の第３の実
施の形態を図４に基づいて説明するが、実施の形態２と
同様の構成には、同一の符号を付した。

【００３７】本実施の形態も実施の形態２と同様、ナノ
微粒子の計測等に使用される微分型電気移動度分級装置
を例にして微粒子・クラスターの堆積方法を説明する。
図４において、３０１は微粒子・クラスター、３０２は
搬送ガス、３０３はオリフィス、４０１はソレノイド、
４０２は電流、４０３は磁界、１０８は堆積基板であ
る。

【００３８】微分型電気移動度分級装置によって単一粒
径（粒径分布の幾何標準偏差が１．２以下）に制御され
た、正極に単一荷電状態な微粒子・クラスター３０１
は、オリフィス３０３を搬送ガス３０２とともに搬送さ
れる。その後、微粒子・クラスター３０１は、搬送ガス
３０２と同方向に磁界４０３を形成するソレノイド４０
１を通る。

【００３９】ここで、ソレノイド４０１に電流供給装置
（図示しない）から電流４０２を流すことにより、荷電
状態の微粒子・クラスター３０１は搬送ガス３０２によ
る搬送方向とは垂直な方向に偏向される。電流供給装置
（図示しない）での電流４０２の供給を制御し、微粒子
・クラスター３０１を任意の方向に偏向することによ
り、堆積基板１０８の二次元面内の任意の位置、任意の
付着強度で捕集・堆積する。

【００４０】そして、堆積基板１０８へ捕集・堆積され
た微粒子・クラスター３０１の結晶性制御を効率良く、
かつ短時間に行うために、本実施の形態３でも実施の形
態１や実施の形態２と同様に、堆積基板１０８の微粒子
・クラスター３０１が堆積しない側の面に、輻射赤外線
（図１参照）で急速加熱して、堆積基板１０８での不純
物の発生を抑制している。

【００４１】以上、本実施の形態によれば、ガス流の搬
送方向と同方向に磁界４０３を形成するソレノイド４０
１に流れる電流４０２の供給を制御することにより、微
粒子・クラスター３０１を任意の方向に偏向することが
でき、堆積基板１０８の二次元面内において任意の位
置、任意の付着強度で捕集・堆積することができる。ま
た、堆積基板１０８においてシリコンナノ粒子１０３が
堆積しない側の面に、輻射赤外線１０６（図１参照）で
急速加熱することにより、堆積基板１０８での不純物の
発生を抑制し、堆積物に不純物が付着するのを防止でき
る。

【００４２】なお、本発明の微粒子・クラスターの捕集
・堆積方法は、実施の形態１乃至３に限定されるもので
は無く、例えば、微粒子・クラスターが、ハードディス
クに用いられるようなコバルト系の磁性材料で構成され
ていると、上記のような方法での任意のパターン形成が
可能であるだけではなく、微粒子・クラスターが堆積さ
れることにより、自己組織化で形成される構造体の成長
方向を電磁界に沿った方向に制御することが可能であ
る。

【００４３】

【発明の効果】以上、本発明によれば、ガス流中で荷電
した微粒子・クラスターを堆積する前に電界又は磁界の
どちらか一方を印加する工程を行うことにより、堆積基
板の二次元面内における任意の位置、または任意の付着
強度で捕集・堆積することができる。また、捕集・堆積
基板に対して赤外線輻射を行うので、堆積基板での不純
物の発生を抑制し、堆積物に不純物が付着するのを防止
でき、堆積基板へ捕集・堆積された微粒子・クラスター
の結晶性制御を効率良く、かつ短時間に行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）本発明の実施の形態の微粒子・クラスタ
ーの捕集・堆積を行う装置の概略構成図（ｂ）マスク状
の導電体を示す図

【図２】堆積基板に微粒子・クラスターを方眼状に捕集
・堆積した様子を示す図

【図３】本発明の実施の形態において荷電微粒子・クラ
スターの電界を用いたパターン形成工程を示す図

【図４】本発明の実施の形態における荷電微粒子・クラ
スターの磁界を用いたパターン形成工程を示す図

【符号の説明】

１０１パルス・レーザー光１０２単結晶シリコンターゲット１０３シリコンナノ粒子１０４導電体マスク１０５直流電源１０６輻射赤外線１０７堆積基板フォルダ１０８堆積基板１０９雰囲気ガス１１０熱抵抗の大きい物質２０１堆積基板２０２方眼状３０１微粒子・クラスター３０２搬送ガス３０３オリフィス３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ偏向電極４０１ソレノイド４０２電流４０３磁界

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者牧野俊晴大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者吉田岳人大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 4K029 DA08 DB20 DD03 HA03 5F103 AA07 DD16 GG10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガス流中で荷電した微粒子・クラスター
を捕集・堆積する前に電界を印加する工程を有すること
を特徴とする微粒子・クラスターの捕集・堆積方法。
【請求項２】前記電界を印加する工程を、電界の方向
をガス流の方向と垂直にして行うことを特徴とする請求
項１に記載の微粒子・クラスターの捕集・堆積方法。
【請求項３】前記電界を印加する工程を、所定の位置
に穴を設けたマスク状の導電体を用い、ガス流の方向に
前記導電体の面が向くようにして行うことを特徴とする
請求項１に記載の微粒子・クラスターの捕集・堆積方
法。
【請求項４】ガス流中で荷電した微粒子・クラスター
を捕集・堆積する前に磁界を印加する工程を有すること
を特徴とする微粒子・クラスターの捕集・堆積方法。
【請求項５】前記磁界を印加する工程を、磁界の印加
をガス流と同方向で行うことを特徴とする請求項４に記
載の微粒子・クラスターの捕集・堆積方法。
【請求項６】ガス流中の微粒子・クラスターの捕集・
堆積工程時に、捕集・堆積基板に対して赤外線輻射を行
う基板加熱工程を有することを特徴とする請求項１から
５のいずれかに記載の微粒子・クラスターの捕集・堆積
方法。