JP2003535702A - 自己集積構造体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 材料は、組成物から成る複数の自己集積構造体（６０２〜６１２）を備えた層を含んでいる。構造体は、分離した島に局在しており、その島は、集積組立品の中にあり、層の一部で覆われている。いくつかの実施形態では、組成物は、ナノ粒子を含む。特に、いくつかの実施形態は、平均粒径が約１００ｎｍ未満の無機粒子の自己集積形成体を含む材料に関する。構造体（６０２〜６１２）は、集積部品を含むデバイスとして用いることができる。部品の製造方法は、デバイスの境界で規定された局在化処理と、識別された境界内での自己集積処理を含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】発明の背景 本発明は、例えばマイクロエレクトロニクスへ適用される小スケール構造体形
成デバイスに関する。特に、本発明は、材料構造体の表面上及び／又は表面内の
自己集積構造体に関する。

【０００２】 様々な分野における進歩は、多種類の新材料の要求を生み出してきた。特に、
種々の化学的粉末は、多くの異なる処理状況で使うことができる。とりわけ、化
学粉末は、フラットパネルディスプレイ、電子回路及び光結晶のような電子デバ
イスの生産に使うことができる。

【０００３】 同様に、技術の進歩は、処理パラメータ上の厳しい許容範囲で材料処理を改良
する要求を増してきている。小型化が一層続くので、材料パラメータはより厳し
い許容範囲になくてはならない。現在の集積回路技術は、すでにサブミクロンス
ケールの処理寸法上の許容度を要求している。非常に薄い材料膜の用途に付加的
選択を提供するために自己集積技術が開発されている。しかしながら、自己集積
技術は、一般的に、特定の手法によって付着できるタイプの材料に対しては限界
がある。

【０００４】発明の概要 第１の形態において、本発明は、一つの層を有する材料に関するが、その層は
組成物から成る複数の自己集積構造体から形成される。その構造体は、一体化し
た組成物のその層の一部を覆う個々の島に局在している。

【０００５】 付加的形態において、本発明は、無機粒子の自己集積した形成体から成る材料
に関する。無機粒子は、約１００ｎｍ未満の平均１次粒子径を有する。また、粒
子は、金属／ケイ素酸化物、金属／ケイ素炭化物、金属／ケイ素窒化物及び金属
元素から成る群から選択された組成物を含む。

【０００６】 別の形態において、本発明は、特定の境界内のある層の上にデバイスを生成す
る方法に関する。その方法は、デバイスの境界を局在させて組成物から成る複数
の構造体を堆積させるために自己集積過程を開始することを含む。

【０００７】 さらに別の形態において、本発明は、複数の集積デバイスからなる製品に関し
て、少なくとも一つのデバイスが自己集積した組成物の配列から成っている。

【０００８】実施形態の詳細な説明 非常に小さく、よく規定された構造体、例えば無機粒子は、自己集積技術を用
いて、ある表面に関連して形成することができる。たとえ他の機能的組成物を用
いることができたとしても、非常に均一な寸法のナノ粒子は、自己集積構造体を
形成するのに好ましい構成要素である。ナノ粒子は、自己集積技術の分子識別特
性を利用した製造技術を用いて、よく規定された構造体に構成される。分子識別
には、混合、キーロック関係、ゲスト−ホスト相互作用のような種々の相互作用
を含むことができる。

【０００９】 堆積技術は、得られた構造物を基板表面に沿って分離した島の範囲内に規制す
る局在化技術と組み合わされる。これらの島は、規則正しい配列でも不規則な配
列でもよい。組織的である構造体や島は、よく規定された小型部品を組み込むマ
イクロエレクトロニクス等の製品に好適である。好ましいナノ粒子は、付加的処
理を伴って又は伴わずに、レーザ熱分解によって生成することができる。

【００１０】 関心のある構造は、基板表面上に形成された局在化した小型部品を含む。こう
して、自己集積技術は、従来のマスキング技術に代わる技術と、デバイス構造体
を組み立てるための直接形成技術と、を提供する。従来の多くの自己集積技術と
比べると、好ましい実施形態で形成された構造体は、分子でなくて無機ナノ粒子
を組み込む。規則正しい或いは不規則な配列が、構造体の境界或いは入り混じっ
た構造体の領域内でナノ粒子から形成される。

【００１１】 レーザ熱分解は、狭い平均粒径分布を備えたいろいろなナノスケール粒子を効
果的に生成するのに優れた技術である。特に、レーザ熱分解は、金属元素粒子、
金属／ケイ素酸化物粒子、金属／ケイ素炭化物粒子、金属／ケイ素窒化物粒子及
び金属／ケイ素硫化物粒子のような種々の無機粒子の生成に用いることができる
。代わりに、ナノ粒子は、火炎製造装置を利用して生成することが可能であり、
例えばＨｅｌｂｌｅらの米国特許ＵＳ５４４７７０８、名称「Apparatus for Pr
oducing Nanoscale Ceramic Particles」に装置が記載されており、参照して本
明細書に組み込む。さらに、ナノ粒子は、熱反応チャンバで生成することが可能
であり、例えばＩｎｏｕｅらの米国特許ＵＳ４８４２８３２、名称「Ultrafine
Spherical Particles of Metal Oxide and a Method for the Producition Ther
eof」に記載されており、参照して本明細書に組み込む。

【００１２】 所望の無機ナノ粒子を生成するためにレーザ熱分解をうまく適用した基本的特
性は、金属／ケイ素前駆体化合物と放射光吸収材と一般的に２次反応物質とを含
む反応物質流の生成である。２次反応物質は、所望の生成物のため又は所望の生
成物形成を促進する酸化還元剤のために必要な酸素のような原子源であってもよ
い。前駆物質が強い光の放射により所望の生成物に分解するのであれば、２次反
応物質は必要ない。反応物質流は、強い光ビーム、通常はレーザビームによって
熱分解する。反応物質流がレーザビームから離れると、粒子は急速に冷却される
。

【００１３】 レーザ熱分解により生成したナノ粒子は、組成及び／又は結晶性のような粒子
の性質を変えるための付加的処理を受けることも可能である。例えば、ナノ粒子
は、使用前にガス雰囲気下で熱処理することができる。適当な緩やかな条件下で
、熱処理は、１次粒子のナノスケールサイズや狭い粒径分布を壊すことなく粒子
の特性を変えるのに有効である。

【００１４】 多方面への応用のために、粉末が、液体又は他の流体に分散させて、利用した
り又はさらに処理される。ここで議論される目的のために、粒子分散物は、約８
０重量パーセント以下のナノ粒子の濃度を有する。以下に述べるように、得られ
た分散物の適切な特性は、自己集積技術の特徴に依存してもよい。

【００１５】 マイクロエレクトロニクスや他の小型部品を形成する無機ナノ粒子の好ましい
集合物は、１００ｎｍ未満の平均粒径と、非常に狭い１次粒子径分布を有する。
特に、１次粒子径分布は裾（tail）を持たないのが好ましい。つまり、粒径分布
は急速に低下してゼロに近づくので、平均直径の４倍より大きい粒径の粒子は事
実上存在しない。粒径分布が裾を持たないだけでなく、以下に述べるように、分
布のピーク幅も非常に狭い。

【００１６】 これらの非常に均一なナノ粒子は、基板表面上及び／又は表面中の小構造体や
島の中に堆積することができる。構造体は、マイクロエレクトロニクス部品のよ
うなデバイスを個別に形成でき、それらのデバイスは、他のデバイスと一体化し
て製品を形成する。それらの構造体の形成は、ナノ粒子のよく規定された配向し
た堆積物を生じる自己集積技術を含む。自己集積技術は、ナノ粒子の堆積を直接
形成するために用いることができる。

【００１７】 自己集積技術は、表面に関連した配列を形成する能力を提供するが、自己集積
そのものは、表面の境界内にデバイス形成物のための局在化を備えていない。そ
こで、別の局在化技術が、表面の境界内にデバイスを定めるために必要になる。
適当な局在化技術が自己集積技術と組み合わされて、一般には集積電子回路内の
個々の部品として役に立つ構造体を形成する。局在化技術は、構造体の境界を定
めるために、リソグラフィ、直接形成技術、又は他の局在化技術を利用すること
ができる。そこで、パターン化した基板が形成され、その基板上に、デバイスが
自己集積を用いて組み立てられる。自己集積構造体は、従来の化学的及び物理的
堆積技術で形成した構造体と共に、集積することができる。集積電子回路は、集
積光学部品を含むことができる。

【００１８】 自己集積構造体は、ナノ粒子の分散物を用いて、そして材料表面及び溶液内の
状態を所望の構造形成をもたらすように制御することにより、形成される。ある
実施形態において、リンカーが用いられ、その一端は基板表面と、他端はナノ粒
子と化学結合する。リンカーとの選択的結合は、自己集積過程を方向付けるのに
利用できる。別の代替的技術は、自己集積過程の方向付けを助ける静電的および
化学的相互作用のような自然相互作用を利用する。他の代替的技術では、ナノ粒
子が微細孔に堆積されることにより、ナノ粒子を、多孔領域で定めた境界内に局
在化させる。微細孔は、無機酸化物や二次元有機結晶のようなある種の材料の内
部に見られ、また、例えばイオンエッチングや化学エッチングによって適切な孔
を形成できる。さらに詳細な自己集積技術を以下に述べる。

【００１９】Ａ．ナノ結晶／ナノスケール粒子の生成 レーザ熱分解は、特に、炭素粒子、金属元素粒子、金属／ケイ素酸化物粒子、
金属／ケイ素炭化物粒子、金属／ケイ素窒化物粒子及び金属／ケイ素硫化物粒子
を含むナノスケール無機粒子の生成に有用な手段であることが見出されている。
さらに、レーザ熱分解によって生成した粒子は、望ましい無機ナノ粒子、特に高
い均一性を持つ粒子を製造するための経路を広げるために穏やかな条件下でさら
に加熱処理するための都合のよい材料である。そこで、レーザ熱分解のみの利用
や、付加的処理との組合わせによって、種々のナノスケール粒子を製造すること
が可能である。

【００２０】 反応条件は、熱分解によって生成する粒子の性質を決定する。望ましい特性を
持つ粒子を製造するために、レーザ熱分解のための反応条件は、比較的正確に制
御される。ある種の粒子を生成するための適切な反応条件は、一般に、特別な装
置の設計に依存する。特別な装置において、幾つかの異なるナノ粒子を生成する
のに用いられる特定の条件を以下に参照する。さらに、反応条件と得られた粒子
との関係について幾つかの一般的な観察がなされる。

【００２１】 レーザパワーの増加は、より早い冷却速度をもたらすと同時に、反応領域内で
の反応温度を上昇させる。急速冷却速度は、熱平衡に近い処理では得られない高
いエネルギー相の生成に有利に働く傾向がある。同様に、チャンバ圧を高めるの
も、より高いエネルギー構造体の生成に有利に働く傾向がある。また、酸素源と
なる反応物質のような反応物質の反応物質流内での濃度を高めることは、２次反
応物質からの原子の量が増加して、粒子の生成に有利に働く。

【００２２】 反応物質の流量と反応物質ガス流の速度とは粒径と逆の関係にあるから、反応
物質ガスの流量又は速度の増加により、粒径が小さくなる傾向がある。また、粒
子の成長の動力学は、得られる粒子のサイズに重大な影響を及ぼす。すなわち、
生成化合物の形状が異なると、比較的類似の条件下で、他の相から粒径の異なる
粒子を形成する傾向がある。光の強度／レーザパワーもまた粒径に影響を与え、
光強度の増加は、低融点材料では大きな粒子形成に好都合であり、高融点材料で
は小さな粒子形成に有利である。

【００２３】 レーザ熱分解は、一般に、気相反応物質と共に行われる。多くの金属／ケイ素
前駆体化合物が、ガス状で反応チャンバに供給できる。ガス供給に適した金属／
ケイ素前駆体化合物は、一般に、相応な蒸気圧、すなわち反応物質流中に望まし
い量の前駆物質蒸気を得るのに充分な蒸気圧の金属／ケイ素化合物を含む。液体
或いは固体前駆体化合物を保持する容器は、望むのであれば、金属／ケイ素前駆
物質の蒸気圧を上昇させるために加熱することができる。望ましい量の前駆体蒸
気の供給を促進するために、キャリアガスを液体前駆体に通して泡立てることが
できる。同様に、前駆体蒸気の供給を促進するために、キャリアガスが固体前駆
体上を通過するようにできる。レーザ熱分解装置に固体前駆体を加熱して供給す
るのに適した容器について以下に述べる。固体前駆体は、充分な蒸気圧を作り出
すために、通常は加熱される。

【００２４】 気相反応物質だけの使用は、便利に利用できる前駆体化合物の種類によって若
干制限されている。そこで、レーザ熱分解チャンバに、反応物質前駆体を含むエ
アロゾルを導入する技術が開発されている。反応システム用の改良されたエアロ
ゾル供給装置が、Ｇａｒｄｎｅｒらに譲渡された、係属中の米国特許出願ＵＳ０
９／１８８６７０、名称「Reactant Delivery Apparatuses」に、さらに記載さ
れており、参照して本明細書に組込まれる。

【００２５】 エアロゾル供給装置を用いて、固体前駆体化合物を溶媒に溶解させることによ
って供給することが可能である。または、粉末状前駆体化合物を、エアロゾル供
給のために液体／溶媒に分散させることも可能である。液体前駆体化合物は、そ
のままの液体、複数の液体分散、又は溶液からエアロゾルとして供給される。エ
アロゾル反応物質は、かなりの量の反応物質を供給させるのに使用することがで
きる。溶媒／分散剤は、得られる溶液／分散の望ましい特性を得るために選択さ
れる。適当な溶媒には、水、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール
、他の有機溶媒及びそれらの混合物が含まれる。溶媒を所望の純度にすることに
より、得られる粒子は、望ましい純度を有する。イソプロピルアルコールのよう
な幾つかの溶媒は、ＣＯ_２レーザからの赤外線を著しく吸収する吸収剤であり、
もし、ＣＯ_２レーザが光源として使用されるのであれば、もはやレーザ吸収化合
物を必要としないであろう。

【００２６】 もしエアロゾル前駆体が溶媒の存在で形成されるのであれば、溶媒は、反応チ
ャンバ内で光源によって急速に気化させるのが好ましく、それによって気相反応
を起こすことができる。そこで、レーザ熱分解の基礎的な特性は、エアロゾルの
存在によっては変らない。それでもなお、反応条件はエアロゾルの存在によって
影響を受ける。エアロゾル前駆体を利用するナノ粒子の生成のための特定の条件
を示す種々の参考文献を以下に引用する。これによって、エアロゾル反応物質供
給と関連するパラメータを、以下の記述を基礎にしてさらに検討することができ
る。

【００２７】 多数の好適な固体、金属／ケイ素前駆体化合物は、溶液からのエアロゾルとし
て供給することができる。化合物は、溶液に溶けて、通常、約０．５モル濃度よ
り高い濃度になる。通常は、溶液中の前駆体濃度が高いほど、反応チャンバを通
る反応物質の通過量が多くなる。しかしながら、濃度の増加につれて溶液は粘性
を増して、エアロゾルが所望よりも大きなサイズの液滴になるであろう。そこで
、溶液濃度の選択には、好ましい溶液濃度の選択における複数の因子のバランス
を含む。

【００２８】 酸素源として供給される好ましい２次反応物質は、例えば、Ｏ_２，ＣＯ，ＣＯ_２ ，Ｏ_３及びそれらの混合物を含む。酸素は空気として支給できる。２次反応物
質の化合物は、反応領域に入る前に金属／ケイ素前駆体と著しく反応してはなら
ない。なぜなら、これは一般的には大きい粒子を形成するからである。代わりの
２次反応物質は、所望の生成粒子と前駆体とに基づいて選択することができる。

【００２９】 レーザ熱分解は、種々の振動数の光で行うことができる。光源は、電磁スペク
トルの赤外領域で動作するものが好ましい。ＣＯ_２レーザは、特に好ましい光源
である。反応物質流に含有される赤外線吸収体は、例えば、Ｃ_２Ｈ_４，イソプロ
ピルアルコール，ＮＨ_３，ＳＦ_６，ＳｉＨ_４及びＯ_３を含む。Ｏ_３は赤外線吸収
体としても、酸素源としても働くことが可能である。赤外線吸収体のような放射
線吸収体は、放射ビームからエネルギーを吸収し、熱分解を促進するためにその
エネルギーを他の反応物質に分配する。

【００３０】 好ましくは、光ビームから吸収されたエネルギーは、制御された条件下での発
熱反応によって、一般的に熱が発生する粒子の数十倍もの非常に早い速度で温度
を上昇させる。その処理は、一般に、非平衡条件を含んでいるけれども、温度は
、吸収領域のエネルギーにおよそ基づいて描くことができる。レーザ熱分解処理
は、エネルギー源が反応を始める燃焼反応装置における処理と質的に異なるが、
その反応は、発熱反応によって放出されたエネルギーによって駆動される。そこ
で、この光駆動過程はレーザ熱分解と呼ばれるが、従来の熱分解が熱処理であっ
てもこの熱分解は熱処理ではない。

【００３１】 不活性遮蔽ガスは、反応物質分子の量と、反応物質チャンバ成分と接触する生
成物分子の量を減らすために用いることができる。不活性ガスもまた、キャリア
ガスとして及び／又は反応減速材として反応物質流に導入することができる。適
切な不活性ガスは、例えばＡｒ，Ｈｅ及びＮ_２を含む。

【００３２】 適切なレーザ熱分解装置は、一般に、周囲環境から隔離された反応チャンバを
含んでいる。反応物質供給装置につながった反応物質入口は、反応チャンバを通
って反応物質流を生成する。レーザビーム経路は、反応領域で反応物質流と交差
する。反応物質／生成物流は、反応領域を過ぎて出口まで続き、出口から反応物
質／生成物流は反応チャンバを出て、捕集装置に導入される。一般に、レーザの
ような光源は、反応チャンバの外部に配置し、光源は適切な窓部を通って反応チ
ャンバに入る。

【００３３】 図１によれば、レーザ熱分解システムの特有の実施形態１００は、反応物質供
給装置１０２、反応チャンバ１０４、遮蔽ガス供給装置１０６、捕集装置１０８
及び光源１１０を含む。下記の第１反応供給装置は、ガス状反応物質のみを供給
するために使用できる。代わりの反応物質供給装置が、エアロゾルとして１種又
は２種以上の反応物質を供給するために記載されている。

【００３４】 図２によれば、第１実施形態１１２の反応物質供給装置１０２は、前駆体化合
物源１２０を含む。液体又は固体反応物質のために、１種又は２種以上のキャリ
アガス源１２２からのキャリアガスが、反応物質の供給を促進するために前駆体
源１２０に導入される。前駆体源１２０は、以下に述べるように、液体保持容器
や固体前駆体供給装置であり、又は他の適切な容器である。キャリアガス源１２
２からのキャリアガスは、赤外線吸収剤及び／又は不活性ガスが好ましい。

【００３５】 前駆体源１２０からの気体は、赤外線吸収剤源１２４及び／又は不活性ガス源
１２６からの気体と、配管１２８の一箇所で混ぜ合わせることによって混合され
る。ガスは、反応チャンバ１０４から充分な距離で混合されるので、ガスは、反
応チャンバ１０４に入る前によく混合された状態になる。配管１２８内の混合ガ
スは、ダクト１３０を通ってチャネル１３２に入るが、このチャネル１３２は、
図２の点線で示したように、多数入口供給装置の一部である反応物質入口１３４
と流動的に連通している。

【００３６】 ２次反応物質は、２次反応物質源１３８から供給され、この２次反応物質源１
３８は液体反応物質供給装置、固体反応物質供給装置、ガスシリンダ又は他の適
切な１つ又は２つ以上の容器である。図２に示すように、２次反応物質源１３８
は、配管１２８を経由してダクト１３０に２次反応物質を供給する。その代わり
に、図２に点線で示すように、２次反応物質源１３８は、ダクト１４２を通って
２次反応物質入口１４４へ供給するために、配管１４０に２次反応物質を供給す
ることができる。質量流量制御装置１４６は、図２の反応物質供給システム内で
のガス流量を調節するために用いられる。

【００３７】 図３において、蒸気供給のための固体前駆体供給装置１５０は、コンテナ１５
２と蓋１５４を含む。ガスケット１５６は、コンテナ１５２と蓋１５４との間に
配置する。コンテナ１５２は、バンドヒータ１５８で囲まれ、供給装置１５０の
温度を所望の値に設定するために利用される。前駆体供給装置の他の部分は、前
駆体がコンテナ１５２を出た後に前駆体を気体状態に維持するために、加熱する
ことができる。

【００３８】 熱電対１６０が、蓋１５４を通って容器１５２に挿入されているのが好ましい
。熱電対１６０はＳｗａｇｅｌｏｋ（登録商標）金具１６２又は他の好適な連結
部材を介して挿入することができる。チューブ１６４は、容器１５２にキャリア
ガスの入力流れを提供する。チューブ１６４は、遮断弁１６６を含み、Ｓｗａｇ
ｅｌｏｋ（登録商標）金具１６２又は他の好適な連結部を介して蓋１５４を通っ
て挿入されるのが好ましい。出口チューブ１７０もまた、遮断弁１７２を含むの
が好ましい。出口チューブ１７０は、密封連結部１７４で蓋１５４を貫通して容
器１５２に入るのが好ましい。

【００３９】 上記のように、反応物質流は１種又は２種以上のエアロゾルを含むことができ
る。エアロゾルは反応チャンバ１０４内で、又は反応チャンバ１０４への注入の
前に反応チャンバ１０４の外で、形成することができる。エアロゾルを反応チャ
ンバ１０４への注入前に生成するなら、エアロゾルは、図２の反応物質入口１３
４のようなガス状反応物質用に使用されたものと同等の反応物質入口を通って導
入される。

【００４０】 図４を参照して、反応物質供給システム１０２の別の実施形態２１０を、エア
ロゾルをダクト１３２に供給するのに利用できる。反応物質供給システム２１０
は、外部ノズル２１２と内部ノズル２１４とを含む。外部ノズル２１２は、図４
の挿入図に示したように、外部ノズル２１２の上面にある長方形出口２１８に繋
がる上部チャネル２１６を有する。長方形のノズルは、反応チャンバ内の反応物
質流が所望のように広がるように、寸法が選択される。外部ノズル２１２は、ベ
ースプレート２２２内に廃液チューブ２２０を含む。廃液チューブ２２０は、外
部ノズル２１２から濃縮エアロゾルを除去するために使われる。内部ノズル２１
４は、金具２２４で、外部ノズル２１２に固定される。

【００４１】 ノズル上部は、２つの開口（orifice）を備えた内部混合噴霧装置２２６であ
るのが好ましい。液体は、チューブ２２８を通って噴霧装置に供給され、反応チ
ャンバ導入用のガスは、チューブ２３０を通って噴霧装置に供給される。ガスと
液体の相互作用により、小滴形成が助成される。

【００４２】 反応チャンバ１０４は、メインチャンバ２５０を含む。反応物質供給システム
１０２は、注入ノズル２５２でメインチャンバ２５０と連通する。反応チャンバ
１０４は、装置内の圧力下での反応物質と不活性物質との混合物の露点を越える
表面温度まで加熱される。

【００４３】 注入ノズル２５２の端部には、不活性遮蔽ガスの通過のために環状開口部２５
４と、反応チャンバ内に反応物質流を形成するために反応物質流路用の反応物質
入口２５６（左側下部挿入図）、２５８（右側下部挿入図）と、を有する。反応
物質入口２５６，２５８は、図１の下部挿入図に示したように、スリット状であ
るのが好ましい。環状開口部２５４は、例えば、直径が約１．５インチ、半径方
向の幅が約１／８インチから約１／１６インチを有する。環状開口部２５４を通
る遮蔽ガスの流れは、反応チャンバ１０４の全体に反応ガスと生成粒子が拡散す
るのを防ぐのを助ける。

【００４４】 管状部２６０、２６２が、注入ノズル２５２の両側に位置している。管状部２
６０、２６２はそれぞれ、ＺｎＳｅ窓部２６４、２６６を含む。窓部２６４、２
６６は、直径が約１インチである。窓部２６４、２６６は、チャンバ中心とレン
ズ表面との間の距離に等しい焦点距離のシリンドリカルレンズが好ましく、光ビ
ームをノズル開口部の中心の真下の点に焦点を合わせることができる。窓部２６
４、２６６は、反射防止コーティングされているのが好ましい。適当なＺｎＳｅ
レンズは、カリフォルニア州サンディエゴのＬａｓｅｒ Ｐｏｗｅｒ Ｏｐｔｉｃ
ｓ社から入手可能である。管状部２６０、２６２により、窓部２６４、２６６は
、メインチャンバ２５０から離れるように移動できるので、窓部２６４、２６６
は反応物質及び／又は生成物によって汚染される可能性が少ない。窓部２６４、
２６６は、例えば、メインチャンバ２５０の端から約３ｃｍ離れている。

【００４５】 窓部２６４、２６６は、反応チャンバ１０４への周囲空気の流入を防止するた
めに、管状部２６０、２６２にゴムのＯリングで封止される。管状入口２６８、
２７０は、管状部２６０、２６２へ遮蔽ガスの流れを提供して、窓部２６４、２
６６の汚染を減少させる。管状入口２６８、２７０は、遮蔽ガス供給装置１０６
に接続される。

【００４６】 図１において、遮蔽ガス供給装置１０６は、不活性ガスダクト２８２に接続さ
れた不活性ガス源２８０を含む。不活性ガスダクト２８２は、環状開口部に通じ
る環状チャネル２８４に流れこむ。質量流量制御装置２８６は、不活性ガスダク
ト２８２の不活性ガスの流れを調整する。図２の反応物質供給システム１１２を
用いる場合、不活性ガス源１２６は、望むのであれば、ダクト２８２用の不活性
ガス源としての機能することもできる。図１において、不活性ガス源２８０又は
分離した不活性ガス源は、配管２６８、２７０に不活性ガスを供給するために使
用できる。配管２６８，２７０への流れは、質量流量制御装置２８８によって制
御されるのが好ましい。

【００４７】 光源１１０は、窓部２６４に入り、窓部２６６から出る光ビーム３００を生じ
るように調整されている。窓部２６４、２６６によって、メインチャンバ２５０
を通って反応領域３０２で反応物質流と交差する光路が定められる。窓部２６６
から出た後、光ビーム３００は、光ダンプとしても働くパワーメータ３０４に当
たる。適当なパワーメータは、カリフォルニア州サンタクララのＣｏｈｅｒｅｎ
ｔ Ｉｎｃ．で入手可能である。光源１１０は、レーザ、又はアークランプのよ
うな高強度の従来の光源にすることができる。光源１１０は、赤外線、特にニュ
ージャージー州ランディングのＰＲＣ Ｃｏｒｐ．で入手可能な最大出力１８０
０ワットのレーザのような連続波ＣＯ_２レーザが好ましい。

【００４８】 反応物質は、反応物質入口２５６を通って注入ノズル２５２に入って、反応物
質流を生じる。反応物質流は、金属前駆体化合物に係わる反応が起きている反応
領域３０２を通る。反応領域３０２におけるガスの加熱は、非常に急速で特定の
条件によってはおよそ１０^５℃／秒である。反応は、反応領域３０２を離れるこ
とで急冷され、粒子３０６が反応物／生成物流内に形成される。この過程の非平
衡性により、非常に均一な粒径分布と構造均質性を有するナノ粒子の形成も可能
にする。

【００４９】 反応物質流の進路は、捕集ノズル３１０につながっている。捕集ノズル３１０
は、図１の上部挿入図に示すように、円形開口部３１２を有する。円形開口部３
１２は、捕集システム１０８に接続している。

【００５０】 チャンバ圧は、メインチャンバに取付けられた圧力ゲージ３２０によって監視
される。所望の酸化物の生成のための好ましいチャンバ圧は、通常、約８０Ｔｏ
ｒｒから約６５０Ｔｏｒｒの範囲である。

【００５１】 捕集システム１０８は、捕集ノズル３１０から通じている湾曲チャネル３３０
を含むのが好ましい。粒径が小さいので、生成粒子は湾曲部あたりのガスの流れ
に従う。捕集システム１０８は、生成粒子を集めるために、ガス流内にフィルタ
３３２を含む。湾曲部３３０のために、フィルタはチャンバ直上に支持されない
。テフロン（登録商標）（ポリテトラフルオロエチレン）やガラスファイバ等の
ような種々の材料は、該材料が不活性であり、且つ粒子を捕捉するために十分に
微細なメッシュを有する限り、フィルタとして使うことができる。フィルタとし
て好ましい材料は、例えば、ニュージャージー州バイランドのＡＣＥ Ｇｌａｓ
ｓ Ｉｎｃ.社のガラスファイバーフィルタや、カリフォルニア州サニーベイルの
ＡＦ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｃｏ．社の円筒形のＮｏｍｅｘ（登録商標)を含む。

【００５２】 ポンプ３３４が、捕集システム１０８を選択した圧力に維持するために使用さ
れている。ポンプの排気は、残留反応物を除去するために、大気に排気する前に
スクラバー３３６を通して流すことが望ましい。

【００５３】 排気速度は、ポンプ３３４及びフィルタ３３２との間に挿入された手動ニード
ルバルブ又は自動スロットルバルブ３３８のどちらかによって制御される。フィ
ルタ３３２上に粒子が集積するとチャンバ圧が増加するので、排気速度とそれに
対応するチャンバ圧とを維持するために、手動バルブ又はスロットルバルブを調
整することが可能である。

【００５４】 装置は、コンピュータ３５０によって制御されている。通常、コンピュータは
、光源を制御し、反応チャンバ内の圧力を監視する。コンピュータは、反応物質
及び／又は遮蔽ガスの流れを制御するために使用することができる。

【００５５】 反応は、フィルタ３３２上に充分な粒子が集めらて、ポンプ３３４がフィルタ
３３２を通る抵抗によって反応チャンバ１０４内を所望の圧力にもはや維持する
ことができなくなるまで続けられる。反応チャンバ１０４内の圧力が、望ましい
値にもはや維持できなくなると、反応は終了し、フィルタ３３２が取り外される
。この実施形態では、チャンバ圧が維持できなくなるまでの１回の実施で、約１
〜３００グラムの粒子を集めることができる。１回の実施は、反応物質供給シス
テム、生成される粒子のタイプ、及び使用するフィルタの種類によるが、通常は
約１０時間続けることができる。

【００５６】 別の設計のレーザ熱分解装置が、Ｂｉらの米国特許ＵＳ５９５８３４８、名称
「Effection Production of Particlesby Chemical Reaction」に記載されてお
り、参照して本明細書に組み込む。この別設計は、レーザ熱分解による粒子の商
業的な量の生産を促進することを目的とする。商業的能力のあるレーザ熱分解装
置のための、付加的実施形態や他の適切な特性については、Ｍｏｓｓｏらに譲渡
され係属中の米国特許出願ＵＳ０９／３６２６３１、名称「Particles Producti
on Apparatus」に記載されており、参照して本明細書に組み込む。

【００５７】 商業的能力のあるレーザ熱分解装置の一つの好ましい実施形態において、反応
チャンバは光ビームに沿って長くされて反応物質と生成物の処理量を増加させて
いる。装置の当初の設計は、純粋なガス状反応物質の導入に基づいていた。上記
のエアロゾル反応物質供給のための実施形態は、伸張された反応チャンバ設計に
適用することができる。伸張された反応チャンバへ、１つ又は２つ以上のエアロ
ゾル発生器によるエアロゾルを導入するための付加的実施形態は、Ｇａｒｄｎｅ
ｒらに譲渡され係属中の米国特許出願ＵＳ０９／１８８６７０、名称「Reactant Delivery Apparatuses」に記載されており、参照して本明細書に組み込む。

【００５８】 一般に、伸張された反応チャンバを備えたレーザ熱分解装置は、チャンバ壁の
汚染を減らし、生成能力の増加させ、そして資源を充分に活用できるように設計
されている。これらの目的を達成するために、伸張された反応チャンバは、チャ
ンバの死空間（dead volume）を付随的に増加させることなしに、反応物質と生
成物の処理能力の増加を提供する。チャンバの死空間は、未反応化合物及び／又
は反応生成物で汚染されるであろう。さらに、遮蔽ガスの適切な流れが、反応チ
ャンバを通る流れの中に反応物質と生成物を閉じ込める。反応物質の高い処理量
により、レーザエネルギーが効果的に活用される。

【００５９】 改良した反応チャンバ４００の設計を図５に概略的に示す。反応物質入口４０
２はメインチャンバ４０４につながる。反応物質入口４０２は、一般に、メイン
チャンバ４０４の形に適合する。メインチャンバ４０４は、粒子生成物、未反応
ガス及び不活性ガスを除去するために、反応物質／生成物流れに沿った出口４０
６を含む。遮蔽ガス入口４１０が、反応物質入口４０２の両側に配置されている
。遮蔽ガス入口は、チャンバ壁と反応物質又は生成物との接触を防止するために
、反応物質流の両側に不活性ガス層を形成するのに使用される。伸張された反応
チャンバ４０４と反応物質入口４０２の大きさは、高い粒子生成効率が得られる
ように設計されるのが好ましい。セラミック粒子生成用の反応物質入口４０２の
適当な大きさは、１８００ワットのＣＯ_２レーザが使用されるときには、約５ｍ
ｍから約１メータである。

【００６０】 管状部４２０、４２２は、メインチャンバ４０４から伸びている。管状部４２
０、４２２は、反応チャンバ４００を通る光ビーム路４２８を定める窓部４２４
、４２６を保持している。管状部４２０、４２２は、不活性ガスを管状部４２０
、４２２に導入するために、不活性ガス入口４３０、４３２を含むことができる
。

【００６１】 改良した反応システムは、捕集装置を含み、反応物質流からナノ粒子を除去し
ている。捕集システムは、粒子生産の終了前に、大量の粒子の捕集をバッチ式に
して、粒子を集めるように設計することができる。あるいは、捕集システムは、
捕集装置内の別の複数の粒子捕集機の間で切り替えることによって、又は捕集シ
ステムを周囲雰囲気にさらさない粒子除去を提供することによって、連続生成式
に実施できるように設計することができる。連続粒子生成用の捕集装置の好まし
い実施形態は、Ｇａｒｄｎｅｒらに譲渡され係属中の米国特許出願ＵＳ０９／１
０７７２９、名称「Particle Collection Appratus and Associated Method」に
記載されており、参照して本明細書に組み込む。捕集装置は、図１に示した捕集
装置の湾曲部分に類似した湾曲部品を、流路内に含むことができる。

【００６２】Ｂ．ナノ粒子の熱処理 上記のように、ナノ粒子の性質は、熱処理によって変えることができる。熱処
理に好適な出発材料には、レーザ熱分解によって生成されたナノ粒子を含む。さ
らに、出発材料として使用されたナノ粒子は、異なる条件下での１又は２以上の
予備加熱処理を受けることができる。レーザ熱分解で形成したナノ粒子を熱処理
することによって、付加的加熱処理で、結晶化度を改良でき、炭素元素のような
汚染物を除去でき、そして、もしかすると、例えば、別の酸素や、他のガス状化
合物又はガス状でない化合物からの元素と結合することによって、化学量論を変
えることができる。

【００６３】 ナノ粒子は、一様に均一な加熱を提供するためにオーブン等で加熱されるのが
好ましい。その処理条件は、著しい量の粒子焼結を生じないように、一般に穏や
かである。そこで、加熱温度は、出発材料と生成材料の双方の融点に比べて低い
のが好ましい。もし、加熱処理が組成変化を含むなら、粒子のサイズ及び形態は
、穏やかな加熱温度であっても変化するであろう。

【００６４】 粒子上の雰囲気は、静的にできるが、又は、気体は、システムを通って流れる
ことができる。加熱処理中の雰囲気は、酸化性雰囲気、還元性雰囲気、又は不活
性雰囲気にすることができる。特に、アモルファス粒子から結晶粒子への転換、
又は、基本的には同じ化学量論である結晶構造から別の結晶構造への転換には、
一般的に不活性雰囲気を用いる。

【００６５】 適当な酸化ガスは、例えば、Ｏ_２、Ｏ_３、ＣＯ、ＣＯ_２及びそれらの組合せを
含む。Ｏ_２は空気として供給できる。還元ガスは、例えばＨ_２を含む。酸化ガス
又は還元ガスはＡｒ，Ｈｅ及びＮ_２のような不活性ガスと任意に混合することが
できる。不活性ガスを酸化／還元ガスと混合するとき、ガス混合物は、約１パー
セントから約９９パーセントの酸化／還元ガスを含み、さらに好ましくは、約５
パーセントから約９９パーセントの酸化／還元ガスを含むことができる。代わり
に、所望であれば、本質的に純粋な酸化ガス、純粋な還元ガス、又は純粋な不活
性ガスを使用することができる。高濃度の還元ガスを使うときは、爆発の防止に
対して注意を払わなければならない。

【００６６】 厳密な条件は、生成されるナノ粒子の種類を変えるために変更できる。例えば
、温度、加熱時間、加熱速度と冷却速度、気体、及びガスに対する露出条件は、
所望の生成粒子を生成するために全て選択することができる。一般に、酸化雰囲
気下での加熱では、加熱時間が長いほど、平衡に達するまでにより多くの酸素が
材料に組入れられる。一度平衡状態に達すると、全ての条件が粉末の結晶相を決
定する。

【００６７】 種々のオーブン等が加熱を行うのに使用できる。この処理を行うための装置５
００の例を図６に示す。装置５００は、ガラス又は他の不活性材料から成り、内
部に粒子を収納するジャー５０２を含む。好適なガラス反応ジャーはニュージャ
ージー州バインランドにあるＡＣＥ Ｇｌａｓｓ社から入手できる。ガラスジャ
ー５０２の上面は、ガラス蓋５０４と、ジャー５０２と蓋５０４との間にテフロ
ン（登録商標）製のガスケット５０６と、で密閉する。蓋５０４は、１つ又は２
つ以上の留め金で保持することができる。蓋５０４は、テフロン製ブッシングを
各々に備えた複数のポート５０８を含む。複数刃ステンレス鋼撹拌棒５１０が、
中央のポート５０８を通って蓋５０４に挿入されるのが好ましい。撹拌棒５１０
は、好適なモータに連結される。

【００６８】 １つ又は２つ以上のチューブ５１２が、ガス供給のためのポート５０８を通っ
てジャー５０２に挿入される。チューブ５１２は、ステンレス鋼又は他の不活性
材料から作ることができる。ディフューザー（散布器）５１４がチューブ５１２
の先端に含まれており、ジャー５０２内にガスを分配する。ヒータ／加熱炉５１
６は、通常、ジャー５０２周りに設置される。好適な抵抗ヒータは、インディア
ナ州テレホートにあるＧｌａｓ−ｃｏｌ社から入手可能である。１つのポートが
Ｔ−連結部５１８を含むのが好ましい。ジャー５０２内の温度は、Ｔ−連結部５
１８を通って挿入された熱電対５１８で測定することができる。Ｔ−連結部５１
８は、さらに排出口５２０に接続することができる。排出口５２０は、ジャー５
０２を循環するガスの排出を提供する。排出口２５０は、ヒュームフード又は代
わりの換気装置に対して排出するのが好ましい。

【００６９】 所望のガスは、ジャー５０２に流通されるのが好ましい。チューブ５１２は、
通常、酸化ガス源及び／又は不活性ガス源に接続される。所望の雰囲気を作り出
すために、酸化ガス、不活性ガス又は、それらの組合わせは、適当なガス源から
ジャー５０２内に装入される。種々の流速を使用することができる。流速は、毎
分約１立方センチメートル（ｓｃｃｍ）から約１０００ｓｃｃｍが好ましく、約
１０ｓｃｃｍから約５００ｓｃｃｍがさらに好ましい。もし望むなら、流速とガ
ス組成は、処理中にやがて体系的に変わることもあるが、一般に、流速は、処理
過程と通して一定であるのが好ましい。代わりに、静止ガス雰囲気を利用するこ
ともできる。

【００７０】 ナノ粒子の処理は、一般的に、約５０℃から約６００℃の温度範囲で行う。加
熱は、通常約５分以上続けられ、典型的には、約１時間から約１２０時間続けら
れる。好ましい加熱温度と時間は、特定の出発物質と目的とする生成物による。
ある経験的な調整が、所望の材料を得るのに適した条件を形成するために要求さ
れるであろう。穏やかな条件の利用は、粒子内部の焼結により大きな粒子サイズ
となるのを避けるためである。いくらか制御された粒子焼結を、少し高めの温度
で行うことができ、僅かに大きな平均粒径を得ることができる。

【００７１】 結晶性ＶＯ_２を斜方晶系Ｖ_２Ｏ_５と２−Ｄ結晶性Ｖ_２Ｏ_５とに変換する条件及
びアモルファスＶＯ_２を斜方晶系Ｖ_２Ｏ_５と２−Ｄ結晶性Ｖ_２Ｏ_５とに変換する
条件が、Ｂｉらの米国特許ＵＳ５９８９５１４、名称「Processing of Vanadium
Oxide Particles With Heat」に記載されており、参照して本明細書に組み込む
。金属酸化物ナノ粒子から炭素コーティングの除去のための条件は、米国特許出
願ＵＳ０９／１２３２２５、名称「Metal (Silicon) Oxide/Carbon Composite P
articles」に記載されており、参照して本明細書に組み込む。加熱処理過程にお
ける金属酸化物ナノ粒子へのリチウム塩からのリチウムの取り込みについては、
Ｒｅｉｔｚらに譲渡され係属中の米国特許出願ＵＳ９／３１１５０６、名称「Me
tal Vanadium Oxide Particles」、及び、Ｋｕｍａｒらに譲渡され係属中の米国
特許出願ＵＳ０９／３３４２０３、名称「Reaction Method for Producing Tern
ary Particles」に記載されており、双方とも参照して本明細書に組み込む。

【００７２】Ｃ．粒子の特性 捕集した粒子は、一般に、１次粒子についての約５００ｎｍ未満、好ましくは
約２ｎｍから約１００ｎｍ、代わりに約５ｎｍから約７５ｎｍ、又は約５ｎｍか
ら約５０ｎｍの平均粒径を有する。いくつかの実施形態において、平均粒子サイ
ズは、約１２ｎｍから約１００ｎｍの範囲であり、他の実施形態においては約１
５ｎｍから約５０ｎｍである。粒径は透過型電子顕微鏡によって観察される。好
ましい粒子は、金属元素、金属／ケイ素酸化物、金属／ケイ素窒化物、金属／ケ
イ素硫化物、金属／ケイ素炭化物又は炭素粒子からなる。

【００７３】 １次粒子は、一般に、粗い球状の全体外観を有する。詳細に観察すると、結晶
粒子は、一般的に、基本的な結晶格子に対応する面を有する。それにもかかわら
ず、１次結晶粒子は、三次元的におよそ等しい成長を示す傾向があるので、全体
に球状の外観を与える。アモルファス粒子は、一般的に、より球状の形態を有す
る。好ましい実施形態において、９５パーセント、好ましくは９９パーセントの
１次粒子は、長軸と短軸との寸法比が約２未満になる。非対称な粒子の粒径の測
定は、粒子の主軸に沿った長さ測定の平均に基づく。

【００７４】 それらの小さいサイズの故に、１次粒子は、近接の粒子間のファン・デル・ワ
ールス力及び他の電磁気的な力のために、ゆるい集塊を形成する傾向がある。こ
れらの集塊は、さらに以下に述べるように、かなりの程度、分散することができ
る。２次粒子又は集塊した粒子のサイズは、初期の形成に続く次の粒子処理、及
び粒子の組成と構造に依る。好ましい実施形態において、２次粒子は、約２０ｎ
ｍから約４００ｎｍの平均粒径を有する。

【００７５】 粒子がゆるい集塊を形成しても、透過型電子顕微鏡写真により、ナノメーター
スケールの１次粒子が、明瞭に確認できる。粒子は、電子顕微鏡写真で確認され
る、通常はナノメータースケールの粒子相当の表面積を有する。さらに、粒子は
、その小さいサイズと材料の重量あたりの大きい表面積とによって、特有の性質
を発揮することができる。例えば、酸化バナジウムのナノ粒子は、リチウム電池
内で、驚くべき高エネルギー密度を示し、それはＢｉらの米国特許ＵＳ５９５２
１２５、名称「Batteries With Electroactive Nanoparticles」に記載されてお
り、参照して本明細書に組み込む。

【００７６】 １次粒子は、寸法の均一の程度が高いのが好ましい。上記のように、一般に、
レーザ熱分解によって粒径分布が非常に狭い粒子を得ることができる。さらに、
適当に穏やかな条件下での熱処理は、非常に狭い粒径分布を変えることはない。
レーザ熱分解の反応物エアロゾル供給に関して、粒径分布は、特に反応条件に敏
感である。それにも拘らず、もし反応条件が正確に制御できれば、エアロゾル供
給システムにより、非常に狭い粒径分布を得ることができる。透過型電子顕微鏡
の観察結果から判るように、一般に、１次粒子は、少なくとも９５％、好ましく
は９９％の１次粒子が、平均粒径の約４０％より大きく、１６０％より小さい直
径を有する粒子分布になる。好ましくは、１次粒子は、少なくとも９５％、好ま
しくは９９％の１次粒子が、平均粒径の約６０％より大きく、１４０％より小さ
い直径を有する粒子分布になる。

【００７７】 さらに、好ましい実施形態では、１次粒子は、平均粒径の４倍より大きい粒径
を有さず、好ましくは、平均粒径の３倍より大きい、さらに好ましくは２倍より
大きい粒径を有さない。即ち、粒径分布は、実質上、かなり大きい寸法の粒子が
いくらか存在することを意味する裾（tail）を有さない。これは、狭い反応領域
と、付随した粒子の迅速な急冷によるものである。分布の裾の効果的な除去とは
、平均粒径の上で規定の除去値以上の直径を有する粒子が、１０^６粒のうちの約
１粒より少ないことを示す。狭い粒径分布で、分布の裾がなく、およそ球状の形
態の粒子は、種々の応用に利用できる。

【００７８】 さらに、ナノ粒子は、一般に、非常に高純度である。レーザ熱分解反応と、適
用できれば結晶形成処理は、粒子から不純物が除去する傾向があるので、上記の
方法によって生成したナノ粒子は、反応物よりも高い純度を有すると予想される
。さらに、レーザ熱分解によって生成した結晶ナノ粒子は、結晶化度が高い。同
様に、加熱処理によって生成した結晶ナノ粒子は、結晶化度が高い。粒子表面上
の不純物は、粒子の加熱によって除去されるので、結晶内のみでなく結晶全体が
高純度になる。

【００７９】 いくつかの異なるタイプのナノスケール電気活性粒子は、付加的加熱処理を伴
い又は伴わずに、レーザ熱分解によって生成されている。上記のように、これら
の粒子は、一般に、非常に狭い粒径分布を有する。

【００８０】 特に、酸化バナジウムのナノ粒子の生成は、Ｂｉらに譲渡され係属中の米国特
許出願ＵＳ０８／８９７７７８、名称「Vanadium Oxide Nanoparticles」に記載
されており、参照して本明細書に組み込む。同様に、銀バナジウム酸化物のナノ
粒子が生成されており、それは、係属中の米国特許出願ＵＳ０９／２４６０７６
及びＵＳ０９／３１１５０６、共に名称が「Metal Vanadium Oxide particles」
に記載されており、両方とも参照して本明細書に組み込む。

【００８１】 ナノスケールの酸化マンガン粒子はレーザ熱分解で形成されている。これらの
粒子の生成物は、係属中の米国特許出願ＵＳ０９／１８８７７０、名称「Metal
Oxide Particles」に記載されており、参照して本明細書に組み込む。この出願
は、ＭｎＯ、Ｍｎ_２Ｏ_３、Ｍｎ_３Ｏ_４及びＭｎ_５Ｏ_８の生成物が記載されている
。

【００８２】 さらに、リチウムマンガン酸化物のナノ粒子がレーザ熱分解とそれに続く熱処
理によって生成されており、係属中の米国特許出願ＵＳ０９／１８８７６８、名
称「Composite Metal Oxide Particles」、ＵＳ０９／２０３４１４、名称「Lit
hium Manganese Oxide and Batteries」、及びＫｕｍａｒらに譲渡され係属中の
ＵＳ０９／３３４２０３、名称「Reaction Method for Producing Ternary Part
icles」に記載されており、これら３つを参照して本明細書に組み込む。

【００８３】 酸化ケイ素のナノ粒子の生成が、Ｋｕｍａｒらに譲渡され係属中の米国特許出
願ＵＳ０９／０８５５１４、名称「Silicon Oxide Particles」に記載されてお
り、参照して本明細書に組み込む。この出願は、アモルファスＳｉＯ_２の生成物
について記載している。炭化ケイ素及び窒化ケイ素のレーザ熱分解による合成は
、Ｒｅｉｔｚらに譲渡され係属中の米国特許出願ＵＳ０９／４３３２０２、出願
日１９９９年１１月５日、名称「Particle Dispersions」に記載されており、参
照して本明細書に組み込む。

【００８４】 酸化チタンのナノ粒子の生成が、Ｂｉらに譲渡され係属中の米国特許出願ＵＳ
０９／１２３２５５、名称「Metal (Silicon) Oxide/Carbon Composites」に記
載されており、参照して本明細書に組み込む。特に、この出願は、アナタース型
及びルチル型ＴｉＯ_２の生成物について記載している。酸化アルミニウムナノ粒
子の生成は、Ｋｕｍａｒらに譲渡され係属中の米国特許出願ＵＳ０９／１３６４
８３、名称「Aluminum Oxide Particles」に記載されており、参照して本明細書
に組み込む。特に、この出願では、γ−Ａｌ_２Ｏ_３の生成物について記載してい
る。ガス供給の十分な蒸気圧を伴った、適当な液体のアルミニウム前駆物質は、
例えば、アルミニウム ｓ−ブトキシド（Ａｌ（ＯＣ_４Ｈ_９）_３）を含む。また
、いくつかの適当な固体のアルミニウム前駆化合物が利用でき、例えば、塩化ア
ルミニウム（ＡｌＣｌ_３）、アルミニウムエトキシド（Ａｌ（ＯＣ_２Ｈ_５）_３）
、及びアルミニウムイソプロポキシド（Ａｌ［ＯＣＨ（ＣＨ_３）_２］_３）を含む
。

【００８５】 さらに、酸化スズのナノ粒子が、レーザ熱分解によって生成されており、Ｋｕ
ｍａｒらに譲渡され係属中の米国特許出願ＵＳ０９／０４２２２７、名称「Tin
Oxide Particles」に記載されており、参照して本明細書に組み込む。酸化亜鉛
ナノ粒子の生成物は、Ｒｅｉｔｚらに譲渡され係属中の米国特許出願ＵＳ０９／
２６６２０２、名称「Zinc Oxide Particles」に記載されており、参照して本明
細書に組み込む。特に、この出願では、ＺｎＯナノ粒子の生成物について記載さ
れている。

【００８６】 鉄及び炭化鉄の生成は、Ｂｉらの名称「Nanocrystalline α-Fe, Fe_３C, Fe_７ C_３ and produced by CO_２ laser pyrolysis」、J. Mater. Res. Vol. 8, No. 7
1666-1674の刊行物内に記載されており、参照して本明細書に組み込む。酸化鉄
のナノ粒子の生成物は、Ｒｅｉｔｚらに譲渡され係属中の米国特許出願ＵＳ０９
／３３７８２６、名称「Iron Oxide Particles」に記載されており、参照して本
明細書に組み込む。銀の金属ナノ粒子の生成物は、Ｒｅｉｔｚらに譲渡され係属
中の米国特許出願ＵＳ０９／３１１５０６、名称「Metal Vanadium Oxide Parti
cles」に記載されており、参照して本明細書に組み込む。レーザ熱分解によって
生成されたナノスケール炭素粒子は、Ｂｉらの名称「Nanoscale carbon blacks
produced by CO₂ laser pyrolysis」、J. Mater. Res. Vol. 10, No. 11, 2875-
2884(Nov. 1995)の参考文献内に記載されており、参照して本明細書に組み込む
。

【００８７】 レーザ熱分解による硫化鉄（Ｆｅ_１−ｘＳ）ナノ粒子の生成は、ＢｉらのMate
rial Reserch Society Symposium Proceedings, vol. 286, p. 161-166(1993)に
記述されており、参照して本明細書に組み込む。硫化鉄のレーザ熱分解生成物用
の前駆物質は、ペンタカルボニル鉄（Ｆｅ（ＣＯ）_５）及び硫化水素（Ｈ_２Ｓ）
であった。

【００８８】 酸化セリウムは、上記のように、レーザ熱分解装置を用いて生成できる。エア
ロゾル供給に適した前駆物質には、例えば、硝酸セリウム（Ｃｅ（ＮＯ_３）_３）
、塩化セリウム（ＣｅＣｌ_３）、及びセリウムシュウ酸（Ｃｅ_２（Ｃ_２Ｏ_４）_３ ）を含む。同様に、酸化ジルコニウムは、上記のように、レーザ熱分解装置を用
いて生成できる。エアロゾル供給に適した前駆物質には、例えば、塩化ジルコニ
ウム（ＺｒＣｌ_２）、硝酸ジルコニウム（Ｚｒ（ＮＯ_３）_２）を含む。

【００８９】 ケイ酸アルミニウムとチタン酸アルミニウムの３元素系ナノ粒子の生成が、銀
バナジウム酸化物ナノ粒子の生成物と同様の方法に続いて、レーザ熱分解によっ
て成し遂げることができる。銀バナジウム酸化物ナノ粒子の生成は、Ｒｅｉｔｚ
らに譲渡され係属中の米国特許出願ＵＳ０９／３１１５０６、名称「Metal Vana
dium Oxide Particles」に記載されており、参照して本明細書に組み込む。ケイ
酸アルミニウムの生成に適した前駆物質には、蒸気供給用としては、塩化アルミ
ニウム（ＡｌＣｌ_３）と四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ_４）との混合物を含み、エアロ
ゾル供給用としては、テトラ（Ｎ−ブトキシ）シランとアルミニウムイソプロポ
キサイド（Ａｌ（ＯＣＨ（ＣＨ_３）_２）_３）との混合物を含む。同様に、チタン
酸アルミニウムの生成に適した前駆物質には、エアロゾル供給用としては、硝酸
アルミニウム（Ａｌ（ＮＯ_３）_３）と、硫酸に溶解した二酸化チタン（ＴｉＯ_２ ）粉末と、の混合物、又は、アルミニウムイソプロポキシドとチタニウムイソプ
ロポキシド（Ｔｉ（ＯＣＨ（ＣＨ_３）_２）_４）との混合物を含む。

【００９０】Ｄ．粒子分散物 一般に、回収されたナノ粒子は、自己集積過程に導入するため分散させなくて
はならない。ある状況では、気体中の粉末のように、粒子は十分に分散させるこ
とができる。もし粒子が集塊にならない表面特性を有するなら、アルゴン、窒素
のような不活性ガス、あるいは空気中の分散粒子は、１次粒子として、又は均一
で小さい２次粒子として、自己集積装置に供給することができる。特に、非磁性
材料や無反応表面を持つ材料から形成された粒子は、不活性ガス中に分散するの
に適していると期待できる。同様に、粒子生成装置から流れているガス流から、
直接に粒子を供給するのが適している。そのようなガス流は、例えば、不活性ガ
ス、気体反応生成物、および未反応の反応物を含んでいる。

【００９１】 代わりとして、液相粒子分散物は、自己集積過程で構造物形成に使用できる小
さい２次粒子の原料を提供できる。分散が自己集積装置に供給されると、液体は
、自己集積過程によって決定した所望の位置に小さい２次粒子から成る構造物を
形成したあと、除去され又は固化される。

【００９２】 液体分散物の性質は、一般に、粒子濃度、分散物の組成、及び分散構造に依存
している。特に、分散の程度は、本質的には、粒子間の相互作用、液体と粒子と
の相互作用、及び粒子の表面化学に依存している。熱力学的およびエネルギー的
な考察が必要であろう。分散の程度および分散安定性は、小型装置の生産、特に
工業的応用にとって重要な特性になるであろう。

【００９３】 一般に、ここに記載された液体分散物は、粒子濃度が８０重量％以下の分散物
を指している。粒子分散物の形成において、粒子濃度は、選択された用途に依存
している。５０重量％以上の濃度では、希薄な粒子分散を特徴付けるパラメータ
と比較して、得られる粘性混合物の組成および性質に関する別の要因が顕著にな
る。粒子濃度は、粘度に影響し、そして分散処理の効率に影響を与える。特に、
粒子濃度が高いと、粘度が高くなり、剪断機を用いて粒子分散を助けても、粒子
を小さい２次粒子サイズにして分散させることが難しくなる。

【００９４】 分散物の組成は、分散剤およびナノ粒子の組成に依存している。適切な分散剤
には、例えば、水や、アルコールや炭化水素のような有機溶媒や、それらの組合
わせを含む。好ましい溶媒は、一般に、ナノ粒子の性質によって選択される。そ
こで、分散剤とナノ粒子とは、良好な分散粒子を形成するために融和性であるよ
うに選択するべきである。例えば、γ−アルミナ粒子は、一般に、およそｐＨ３
〜４の酸性で良好に分散し、またシリカ粒子は、一般に、およそｐＨ９〜１１の
アルカリ性で良好に分散する。一般に、表面電荷が少ないナノ粒子は、無極性溶
媒に選択的に分散できる。このように、疎水性の粒子は、無水溶媒または無極性
の共溶媒の水溶液に分散可能で、親水性の粒子は、水性溶媒に分散可能である。

【００９５】 さらに、分散物は、界面活性剤、緩衝剤、塩などの、付加的な組成物を含むこ
とができる。特定の粒子では、分散特性は、ｐＨ及び／又はイオン強度の変更に
よって調節可能である。イオン強度は、塩化ナトリウム、塩化カリウム等の不活
性な塩を添加することにより変えることができる。ｐＨは、一般に、分散粒子の
表面電荷に影響を及ぼす。最小表面電荷は、等電点のｐＨ値で得られる。表面電
荷の減少により、一層集塊するという結果になる。また、表面電荷の量は、以下
に説明するように、自己集積過程にも影響を及ぼす。そこで、次の過程に基づい
た所望の表面電荷量を得るために、ｐＨを選択するのが有効である。

【００９６】 液体は、溶媒型の相互作用の形で、粒子の分散を助ける物理的／化学的な力を
粒子に及ぼす。溶媒型相互作用は、事実上、エネルギー的及び／又はエントロピ
ー的であろう。液体に、界面活性剤のような組成物をさらに加えて、粒子の分散
を助けることができる。適した界面活性剤には、例えば、オクトキシノール（Ｔ
ｒｉｔｏｎ（登録商標）Ｘとして販売されている）、ノンキシノール（Ｄｏｘｆ
ａｘ（登録商標）９Ｎ、およびＴｒｉｔｏｎ（登録商標）Ｎとして販売されてい
る）及びドデシルトリメチル臭化アンモニウム（Ｃ１２ ＴＡＢ、ＣＨ_３（ＣＨ
_２）_１１Ｎ（ＣＨ_３）_３Ｂｒ）が含まれる。

【００９７】 分散物の性質は、一般に、分散形成のための処理に依存する。特に、分散のた
めに行った混合の程度、すなわち、剪断力量は、分散の性質に大きな影響を与え
る。分散において、分散剤及び分散中の他の組成物に作用する化学的／物理的な
力に加えて、機械的な力が、隣接する粒子間のファン・デル・ワールス力や他の
狭い範囲の電磁気的な力によって互いを保持している１次粒子を分離するのに利
用される。

【００９８】 機械的な力は、溶媒中に分散させる前の粉末に作用させることができる。代わ
りとして、剪断応力のような機械的な力を、粉末と液体との配合の後に、混合、
攪拌、ジェット流の衝突、及び／又は超音波処理として加えることができる。

【００９９】 ２次粒子の粒径は、気体又は液体中に粒子を分散した後に、結果として得られ
る粒子集塊の粒径を指している。もし、１次粒子間の集塊力がさらに崩壊すれば
、より小さい２次粒子径が得られる。もし粒子間力を著しく崩壊できれば、１次
粒子の粒径と等しい２次粒子の粒径が、少なくともいくつかのナノ粒子で達成可
能である。界面活性剤と高い剪断応力の利用は、より小さい２次粒子サイズを得
るための助けになる。

【０１００】 気体分散又は液体分散の中の２次粒子サイズは、動的な光散乱法のような確立
した測定方法により測定できる。好適な粒子径分析器には、例えば、動的光散乱
に基づいたＨｏｎｅｙｗｅｌｌのマイクロトラックＵＰＡ計測器や、光相関分光
学に基づいたＭａｌｖｅｒｎの計測器ＺｅｔａＳｉｚｅｒシリーズなどが含まれ
る。液体中の粒径測定における動的光散乱の原理は、よく確立されている。

【０１０１】 小さい２次粒子サイズの存在により、基板上の表面構造の形成に分散を適用す
るのに、顕著な利点がある。例えば、比較的小さい２次粒子径と一般的に小さい
１次粒子径は、自己集積処理によって、より滑らかで及び／又はより小さく一層
均一な構造物を形成するのに役立つ。被覆層の形成において、薄く滑らかな被覆
は、比較的小さい２次粒子を含む分散を用いて形成される。好ましい実施形態で
は、平均２次粒子径は約１０００ｎｍ未満で、より好ましくは約５００ｎｍ未満
で、さらに好ましくは約２ｎｍ〜約３００ｎｍである。さらに好ましくは、約２
ｎｍ〜約２００ｎｍで、さらにより好ましくは約２ｎｍ〜約１００ｎｍである。
いくつかの実施形態では、平均２次粒子径の範囲は、約１２ｎｍ〜約２００ｎｍ
、又は約１５ｎｍ〜約２００ｎｍである。

【０１０２】 分散物は、連続的に機械的な混合や攪拌をしないと、形成されても結局は分離
して、粒子が容器の底に集まるであろう。安定した分散物は、分散から分離しな
い粒子を含んでいる。分散物ごとに、その安定性の程度は異なる。分散物の安定
性は、粒子の性質、分散物の他の組成、分散物の形成過程、そして安定剤の存在
に依存する。適切な安定剤には、例えば、界面活性剤が含まれる。分散が次の過
程の間に著しく分離することなく用いることができるように、分散物は、適度に
安定であるのが好ましい。要求される分散の安定性は、特定の用途に依存する。

【０１０３】Ｅ．ナノ粒子の自己集積構造体 自己集積構造体は、材料／基板の表面上、及び／又はその内部に形成する。好
ましい実施形態では、自己集積構造体は、局在した島を形成するように、境界内
に局在する。このように、それぞれの構造体は、複数素子回路又は複数素子器械
の構成部品のように、素子を形成することができる。特に、それぞれの構造体は
、集積電子回路の構成部品となることができる。集積電子回路は、例えば、電子
部品、光学装置、及び光結晶などを含んでいる。

【０１０４】 規定の境界内に構造体を形成するために、この自己集積構造体の形成は、一般
に、構造体の拡張を限定する処理と、独立した自己集積処理が要求される。境界
限定処理は、一般的には外部的な力を利用して構造体の拡張を制限する。自己集
積処理自体は、一般に、構造体の拡張を制限できない。自己集積は、組成／材料
に付随し、得られる構造体中に自然な配列を与える組成／材料の自然感知的機能
（natural sensing function）に基づいている。処理過程の性質が特定の順番を
定めるにも拘らず、一般的には、局在化処理は、自己集積処理の前又は後にする
ことができる。正味の効果は、境界内への対応するナノ粒子が覆う自己集積構造
体と、粒子が覆わない境界外領域という結果になる。

【０１０５】 分離境界設定処理は、境界内の自己集積処理の活性化により、又は境界外部領
域での脱活性化により、自己集積処理と組み合わされる。一般に、活性化又は脱
活性化は、外部の力を作用させる必要がある。局在化は、マスク等を用いるか、
又は集光した放射線、例えば電子線、イオンビーム及び光線などによるマスク不
用のリソグラフを用いて行なわれる。

【０１０６】 境界設定処理と組合わせることによって、自己集積は、広がりの小さいよく規
定された構造体を形成する強力な方法を提供する。自己集積過程は、基板表面と
結び付いたナノ粒子の規則正しい配列又は不規則な配列を形成する。自己集積は
、非常に幅広い材料に適したデバイスを有効に形成する。例えば、非常に均一な
種々のナノ粒子が上に記載されており、このナノ粒子は、本明細書に記載された
自己集積技術を、自己集積構造体の拡張を限定するための作用される外部の力と
組み合わせて用いることにより、構造体に形成できる。好ましい実施形態では、
集積構造体は、完成した集積部品を形成するために集積される二次元又は三次元
的形状を有する微細構造を形成する。「ナノスコピック（nanoscopic）」の語は
、個々の自己集積デバイス内の構造を指すのに用いられる。得られる三次元構造
体は、超格子又は超構造を構成する。

【０１０７】 本明細書で記載した処理により基板に沿って配置された構造体の一例は、図７
に示されている。図７によれば、基板６００は、複数の構造体もしくは自己集積
した粒子の島６０２、６０４、６０６、６０８、６１０、６１２を含んでいる。
各々の表面構造体６０２〜６１２は、機能的な組成物を含んでいる。好ましい実
施形態では、機能的組成物は、複数のナノスケールの粒子を含んでいる。好まし
いナノスケール粒子は、上記のナノ粒子のように、幅の狭い１次粒子径分布を有
している。同様に、好ましいナノスケール粒子は、上記のような好ましい粒子分
散の利用によって通常は生じる小さい平均２次粒子径を有する。他の適切な組成
物は、無機組成物や有機組成物を含む。好ましい有機組成物には、例えば、タン
パク質、炭化水素、核酸、及びそれらの組合わせのような生物巨大分子を含む。

【０１０８】 各構造体６０２〜６１２内のナノ粒子の精密な構造体は、以下に説明するよう
に、構造を生成するのに用いられた自己集積処理に依存する。特に、ナノ粒子に
基づいた実施形態では、粒子が構造体内部で規則正しい配列又は不規則な配列に
なるので、粒子は、構造体の範囲全体に亘って均一に分配されないであろう。し
かし、各構造体は、基板表面の範囲に沿った明瞭な境界を備えており、その境界
は、境界を越えて構造体直径の少なくともかなりの部分に渡って伸びている十分
な数の粒子が不足している表面部分によって規定される。

【０１０９】 これらの構造体は、図７で、材料表面に沿って同一平面にあるように描写され
ているが、機能的な理由の要求により、材料内の平面とは異なる複数の平面に沿
って、別の構造体を配置することができる。よって、自己集積構造体は、材料表
面上、材料表面近傍、或いは材料内部の適当な深さに存在することができる。材
料内部又はその表面上の別のデバイスは、デバイスと同一層、及び／又は、異な
る層間に集積することができる。

【０１１０】 構造体は、材料表面と平行な平面領域を覆う空間的な広がりを有する。各構造
のおよその空間的寸法は、構造体の縁部から構造体の中央部を通って伸びている
線状切片（ラインセグメント）についての最大直径と最小直径で指示することが
できる。もし、デバイスの機能により大きい構造体が提案される、バッテリーの
ようなこれらのデバイスはミリメートル又はそれ以上の寸法を有することができ
る。他の構造体は、中央を通る最小直径に関して約１０ミクロン以下の寸法を含
むことができ、いくつかの実施形態では約１ミクロン以下、別の実施形態では約
０．２５ミクロン以下、また別の実施形態では約０．１３ミクロン、さらなる実
施形態では０．１０ミクロン以下の寸法を含むことができる。基板表面に対する
「高さ」及び構造に沿った組織（texture）は、一般的に、自己集積技術によっ
て決定する。構造体は、デバイスの機能にふさわしい厚さ、及び自己集積過程に
より制御できる厚さを有している。同一平面に嵌め込んだ構造体を伴う実施形態
では、構造は約２０００ナノメートル未満の厚さを有し、一般的には２５０ナノ
メートル未満、いくつかの実施形態では１００ナノメートル未満、別の実施形態
では約５〜５０ナノメートルの厚さを有する。

【０１１１】 集積構造体は、図８に示すように、垂直方向に集積したいくつかの層を含む積
層構造体にすることができる。図８によれば、集積した超構造又は超格子６４０
は、３つの層６４２、６４４、６４６を含む。一般的に、各層は、複数の集積デ
バイス６４８を含んでいる。１つ又はそれ以上のデバイスは、自己集積材料を含
むことができる。さらに、自己集積構造体は、層間を接続する構造に用いること
ができる。図９によれば、自己集積材料で形成された層間接続部６６０は、３つ
の層６６２、６６４、６６６にまたがっており、デバイス６６８、６７０を接続
している。層間接続部６６０は、導電体にすることが可能であり、また、他の機
能的特性を備えることも可能である。

【０１１２】 構造体、すなわちデバイスやその構成部品は、機能によって材料の表面上及び
／又は表面内部に配置され、他の素子やデバイスと適切に接続される。ナノ粒子
の組成物および特定の構造体内部に集積された別の組成物は、構造体の機能に基
づいて選択される。ナノ粒子を組み込んでいる適切な構造体又は自己集積組成体
は、例えば、電池のようなエネルギー源、光結晶、電界放射装置のような能動電
気素子、及び、電気−光学素子、及び電気接続、障壁層、絶縁層のような受動的
な素子を含む。電池電極は、導電性粒子と共に、自己集積した電気活性粒子から
形成することができる。ナノ粒子から成る小さい電池の構成は、Ｂｕｃｋｌａｙ
らに譲渡された係属中の米国特許出願ＵＳ０９／４３５７４８、名称 「Ｅｌｅ
ｃｔｒｏｄｅｓ」で論議されており、これを参照して本明細書に組み込む。

【０１１３】 光結晶は、約１／４〜約１波長である光結晶の単位セルサイズを有する結晶粒
子の整列である。例えば、可視光は、約３８０ｎｍ〜約７８０ｎｍの波長を有し
ている。一般に、対象となる光結晶は、約１００ｎｍ〜約１０００ｎｍの寸法を
有する。光結晶は、例えば、シリカ、チタニア、又は酸化亜鉛のような結晶性ナ
ノ粒子の規則正しい配列により形成することができる。配列したサイズにより、
光結晶は、どの方向でも光の伝播を防ぐ光バンドギャップを備えることができる
。よって、光結晶は、任意の光放射の制御や、非常に鋭い光の変向に用いること
ができる。

【０１１４】 電気的接続は、導電性粒子、例えば、銀や金のナノ粒子のような金属ナノ粒子
から構成することができる。同様に、光接続は、デバイス間の光伝送を提供する
。集積された光接続は、適切な屈折率を材料から形成することができる。可視光
の伝達のためには、例えばシリカ、アルミナ及び酸化亜鉛を用いることができる
。障壁層は、例えば、酸化ケイ素層又は金属層の下に、窒化ケイ素粒子から形成
することができる。絶縁層は、例えば、酸化ケイ素の粒子から形成することがで
きる。ディスプレイ用の電界放射デバイスは、酸化亜鉛のような蛍光体粒子を組
み込むことができる。

【０１１５】 電界放射デバイスの１実施形態の構造を図１０に示す。図１０によれば、電界
放射デバイスを用いた平面板ディスプレイ６８０は、比較的狭い隙間を隔てて配
置された陽極６８２と陰極６８４を含む。各電極対は、個々にアドレス可能な画
素を構成する。蛍光体層６８６は、それぞれの陽極６８２と陰極６８４との間に
配置される。上記のように、蛍光体層６８６は、蛍光性ナノ粒子を含む。選択さ
れた波長の光を放出する蛍光性ナノ粒子は、特定のアドレス位置に配置すること
ができる。蛍光体層６８６は、陰極６８４から陽極６８２に向かって飛来する低
速度の電子によって励起される。グリッド電極６８８は、蛍光体層６８６方向の
電子の入／切のスイッチとして働くのみならず、電子線の加速と収束のために用
いることができる。電気絶縁層は、陽極６８２とグリッド電極６８８との間に配
置される。図１０に示すように、陽極は、蛍光体６８６の光放出を通過可能にす
るために、部分的に透明でなくてはならない。

【０１１６】 図１０の電界放射デバイス内の１又は２以上の構造体は、本明細書に記載した
自己集積技術により形成することができる。ナノ粒子を用いた電界放出デバイス
の構成は、さらに、Ｋａｍｂｅらに譲渡され係属中の米国特許出願ＵＳ０８／９
６２５１５、名称 「Ｐｈｏｓｐｈｏｒｓ」に記載され、参照して本明細書に組
み込む。この特許出願でも、電界放射デバイス用の他の構造が記載されている。

【０１１７】 図１１によれば、合分波器（coupler/divider）が示されている。合分波器６
９４は、合波アーム６９６と２つの分枝部６９８を含んでいる。合分波器６９４
は、複数のデバイスを、電気伝達又は光伝送によって接続するために使用される
。電気伝達又は光伝送に適した材料は、上記に記載している。

【０１１８】 図１２によれば、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）が示されている。ＦＥＴ
７００は、ソース電極７０２、ドレーン電極７０４、チャンネル７０６、及びゲ
ート電極７０８を含んでいる。１つ又は２つ以上の素子は、本明細書に記載した
技術を用いた自己集積材料を用いて構成することができる。特に、電極７０２、
７０４、７０８は、上記のような導電性材料を用いて形成することができる。チ
ャネル７０６は、電気絶縁性材料から形成することができる。

【０１１９】 自己集積構造体は、極小電気機械デバイス内の制御用電極に用いることができ
る。これらのデバイスは、一般的に、電気制御された極小機械部品を備えている
。例えば、片持ち梁（カンチレバー）を備えた微小電気機器デバイスは、米国特
許ＵＳ６０４０６１１、Ｄｅ Ｌｏｓ Ｓａｎｔｏｓら、名称「Electromechanica
l Device」に記載されており、ここに参照して組み込む。

【０１２０】 適切な活性化又は脱活性化技術の識別は、使用された粒子自己集積技術に依存
するだろう。局在化技術は、一般に、自己集積構造体の配置のための領域の活性
化と、選択された場所から分離した場所の脱活性化した領域の活性化と、の両方
を含む。特に、局在化技術は、自己集積構造体の構成のために、領域を分離する
。適切な物理的な力または化学物質が、活性化／脱活性化を行うために適用され
る。

【０１２１】 これらの目的を達成するために、例えば、合理的な集積電気回路処理技術を含
む様々な技術を適用することができる。特に、マスク技術は、活性化／脱活性化
処理の境界を分離するのに用いることができる。放射線又は化学的応用が、マス
クによって規定された領域に行なわれる。同様に、局在化を行うために、収束し
たビームを用いることができる。表面修飾を行うのに適した集束ビームは、例え
ば、紫外線のような光線や、Ｘ線、レーザ光線、電子線、又はイオンビームを含
み、これらのビームは、活性化又は脱活性化を行うために、選択された領域上に
衝突させるために焦点を合わせることができる。適切な集束方法は、技術的に知
られている。

【０１２２】 活性化処理は、所望の位置に特定の材料の形成を含むことができ、又は所望の
位置の材料又は自己集積を示す組成の除去を含むことができる。特に、粒子材料
は、自己集積処理が起こるのを可能にした境界内に形成することができ、そして
境界外の表面材料は、自己集積過程が不可能である。例えば、リンカー化合物と
結合する酸化物層は、境界内で形成でき、境界外の基板表面は、リンカー化合物
と結合しない異なる化学組成物を有する。同様に、光レジスト層又は他の化合物
層は、リンカー化合物や自己集積処理で要求される他の化合物と結合している表
面物材料を露出するために、境界内領域から除去することができる。光レジスト
又は他の化合物の組成物は、自己集積処理を抑制するように選択され、境界領域
を囲む抑制化合物によって覆われた領域がその後に自己集積処理に関係しないよ
うにする。

【０１２３】 同様に、境界領域外の領域を不活性にすることができる。例えば、自己集積処
理に関係するリンカー化合物又は他の化合物と結合する組成物は、表面前体を覆
って塗布することができる。それから、組成物は、自己集積処理のために選択さ
れた境界領域の外側から除去できる。これによって、自己集積処理は結合領域の
内側のみで行なわれる。さらに、自己集積処理が、抑制材料が除去された境界領
域内でのみ起こるように、抑制材料は、結合領域の外部に特に堆積できる。同様
に、放射線も、境界領域外の化合物を脱活性又は解離するのに用いることができ
る。上記のように、マスク及び／又は集束ビームの方法は、脱活性化処理を行う
のに用いることができる。上述のように、層または膜（strata or layers）は、
三次元的集積構造体を形成するために処理することができる。

【０１２４】 これらの処理は、一般化することができる。例えば、この論議では、個々の結
合領域を述べるが、一般には、完成品の設計に従って、複数の結合領域が、同時
進行の処理において形成される。同様に、複数の自己集積処理や他の堆積処理は
、種々の都合のよい方法と組み合わせることができる。いくつかの実施形態では
、基板表面の一部を除いた全てが、抑制化合物で覆われる。未被覆の部位は、次
いで結合場所内で自己集積を可能にするために活性化される複数の場所に分ける
ことができる。そこで、いくつかの特有の構造が、基板の未被覆部位内に形成さ
れる。選択された部位内部又は基板の複数の部位内部で自己集積が完了した後、
基板表面の残った領域は、要求に合わせて処理される。自己集積処理は、所望の
製品を製造するために、化学蒸着法、イオンビーム析出、スパッタリング等の従
来の堆積方法を含む他の方法と組合わせることができる。

【０１２５】 本明細書に記載された好ましい自己集積技術は、自己集積構造体の中のナノ粒
子の堆積に必要である。構造内でナノ粒子を使用することにより、他の自己集積
構造に比べて、機械的強度の高いデバイスが得られる。しかしながら、局在化技
術は、他の自己集積技術と共に、又は非粒子化合物を必要とする自己集積技術と
組合わせて、用いることができる。例えば、金属酸化物の薄膜は、リンカー化合
物を用いることにより、シリコン基板又はガラス基板上に自己集積できる。基板
は、一端にトリクロロシラン基、他端にＢｒ、ＣＮ、ＳＣＯＣＨ_３、ＳＣＮ、Ｃ
ＯＯＭｅ、ＯＨ、ＣＯＯＨ、ＳＯ_３、ＣＯＯＣＦ_３のような第２官能基、を備え
た、例えば、ビニルポリマーのような長鎖の炭化水素と先に接触する。トリクロ
ロシラン（−ＳｉＣｌ_３）基は、シリコン基板又はガラス基板の表面に位置して
いる酸化物又は水酸化物と結合する。第２官能基は、金属イオンと結合する。次
の加熱で、金属酸化物薄膜は、規則正しい配列で均一な濃度の結晶構造を形成す
る。この処理は、さらに、ＤｅＧｕｉｒｅらの米国特許ＵＳ５３５２４８５、名
称「Synthesis of Metal Oxide Thin Film」に記載されており、参照して本明細
書に組み込む。局在化技術は、基板とトリクロロシラン基との結合を抑制するか
、又は促進することができる。同様に、基板と結合するための官能基とアルデヒ
ド基とを備えたリンカーは、自己集積タンパク質に用いることができる。タンパ
ク質のアミノ酸側鎖は、アルデヒド基と結合する。

【０１２６】 好ましい自己集積技術は、上記の好適な粒子のようなナノ粒子の堆積を必要と
する。ナノ粒子の自己集積処理は、上記の液体拡散又は気体拡散を用いることが
できる。これらの拡散は、良好に拡散したナノ粒子を自己集積位置に供給するの
に有効である。供給過程を助けるために、自己集積過程を行うために拡散全体へ
分散を供給するのに適切なノズルが用いられる。集積電子回路の製造時に用いら
れるノズルは、ナノ粒子拡散の供給に適合している。

【０１２７】 ナノ粒子の自己集積を含むいくつかの実施形態において、基板表面部は、複数
の孔を備えている。この孔は、規則正しい配列、又は不規則な配列になっている
。孔の寸法は、ナノ粒子の粒子径よりも大きくなければならない。好ましい孔径
および孔の密度は、特に、得られるデバイスに要求された性能に依存するが、一
般に、孔は、１ミクロンより小さい直径を有する。

【０１２８】 孔内にナノ粒子を堆積するために、表面に粒子分散物を接触させる。そして、
粒子が表面上および孔内に堆積するように、分散は、粒子に関して不安定にされ
る。拡散は、界面活性剤を希釈したり、低い安定性の拡散になる共溶媒（cosolv
ent）を添加することにより、等電点に対してｐＨを調節するようにｐＨを変更
して不安定にすることができる。所望の量の粒子が堆積した後に、拡散は除去さ
れる。その後に、表面上の粒子は、除去することができる。例えば、表面は、分
散剤でそっと洗い流して、表面上の粒子を除去することができる。その代わりと
して、表面は、例えば機械研磨または化学機械研磨のような研磨によって平坦化
することができる。もし、分散剤が、粒子の拡散において効果的すぎないように
適切に選択されるなら、そして、もし、すすぎがあまりに広範囲でなされなけれ
ば、孔の陰に隠れた粒子は残ったままで、表面に沿った粒子は、優先的に除去す
ることができる。

【０１２９】 孔の規則正しい配列は、二次元結晶のタンパク質を用いて形成することができ
る。適したタンパク質には、例えば、ヘモシアニン、シトクロムオキシダーゼ、
Ｅ．コイル外皮からのポリン、アセチルコリン、およびロドプシンを含む。代わ
りとして、周期的な孔の配列を形成した結晶ゼオライトを、ナノ結晶の表面に沿
って形成することができる。これらの結晶は、エピタキシャル的に形成すること
ができる。同様に、孔は、イオンエッチングで形成することができる。例えば、
アルゴンイオン又は他の適当なイオンは、表面に孔をあけて孔部を形成するため
に粒子パターンに沿って表面に向けることができる。Ｘ線、電子線、粒子線、プ
ラズマ、又はそれらの組合わせのような、他のタイプの放射線を用いて、基板に
孔をあけることができる。孔をあけるための種々の方法は、Ｃｌａｒｋらの米国
特許ＵＳ４７２８５９１に記載されており、参照して本明細書に組み込む。

【０１３０】 さらに、多孔質構造は、陽極酸化アルミニウム酸化物や、他の酸化物を用いて
形成することができる。陽極酸化アルミニウム酸化物は、高い配向性と非常に均
一な孔を形成することができる。孔は、硫酸、リン酸、シュウ酸のような希釈し
た酸の溶液にアルミニウム陽極を配置することにより、陽極のアルミニウム酸化
物内に形成される。アルミニウムが酸化されると、孔を有するアルミニウム酸化
物が形成される。孔径は、少なくとも４〜２００ｎｍの間で変えることができる
。孔は、ミクロンスケールの深さを有する。多孔質の陽極酸化アルミニウム酸化
物の形成は、例えば、D. Al-Mawlawi et al.,"Nano-wires formed in anodic ox
ide nanotemplates", J. Materials Research, 9:1014-1018(1994)、及び D. Al
-Mawlawi et al., "Electrochemical fabrication of metal and semiconductor
nano-wire arrays" in Proc. Symp. Nanostructured Mater. Electrochem., 18
7th Meeting Electrochem. Soc., Reno, NV, May 21-26, 1995, Electrochem. S
oc. 95(8):262-273(1995) に記載されている。

【０１３１】 いくつかの好ましい実施形態では、自己集積技術は、ナノ粒子の基板へのリン
カー化合物を用いた化学結合が必要である。リンカー分子は、好ましくは、少な
くとも２つの官能基を含むが、２つ以上の官能基を含むこともできる。１つの官
能基が基板と結合し、第２の官能基がナノ粒子と結合する。自己集積過程の間に
、一般に、複数のリンカーが１つのナノ粒子と結合する。

【０１３２】 例えば、リンカー分子を用いた、非常に小さい硫化カドミウム結晶の基板への
結合は、Ａｌｉｖｉｓａｔｏｓらの米国特許ＵＳ５７５１０１８、に記載されて
おり、参照して本明細書に組み込む。好ましいリンカー分子は、４〜６の炭素原
子から形成されるが、極度で不適切なリンカーのルーピングがなければ、より長
い不飽和基を用いることができる。チオール基は、硫化物粒子とある種の金属基
板との結合に用いることができる。カルボキシル基は、他の金属基板と金属粒子
との結合に用いることができる。上記のように、トリクロロシリケート官能基（
−ＳｉＣｌ_３）は、縮合反応によって、基板又は粒子の金属酸化物と反応可能で
ある。同様に、アミン基及び水酸基が、金属酸化物及び金属窒化物と結合するこ
とが期待できる。

【０１３３】 Ａｌｉｖｉｓａｔｏｒらの特許に記載されている技術は、ここに記載された、
均一なナノ粒子の広範囲の自己集積に適応可能である。例えば、カルボキシル基
（−ＣＯＯＨ）を備えたリンカーは、金属粒子と結合するのに利用され、トリク
ロロシラン基（−ＳｉＣｌ_３）を備えたリンカーは、金属酸化物粒子と結合する
のに利用される。スルフィド基（−ＳＨ）は、金のようないくつかの金属粒子や
硫化物粒子と結合するのに用いることができる。

【０１３４】 他の自己集積技術は、表面改質に基づいている。イオンビームや電子ビームの
衝突のような好ましい局在化技術は、表面改質を提供するのに用いることができ
る。もし、ナノ粒子又は他の化合物が、適切な改質された特性を有していれば、
それらは、所望の構造を形成するために自己集積される改質表面に付着する。

【０１３５】 さらに、自己集積によって構造体を形成するために、ブロック共重合体を用い
ることができる。ブロック共重合体は、異なる高分子構造体のドメインと接着し
た１つの高分子構成体を伴って、高分子の房（strand）の中にドメインを含んで
いる。もし異なる高分子の構成体が、極性とある一定の疎水性のような異なる特
性とを有するなら、それらのドメインは、規則正しく配列したドメイン内で分離
する傾向がある。図１４によれば、２つの繰返し高分子ドメイン７５２、７５４
を備えた４−ブロックの共重合体７５０は、基板７５６の上の２つのブロッキン
グ領域７５８の間に配置されている。もしブロック組成物が除去可能であれば、
関係した高分子をブロック組成物と共に除去することができるにも拘らず、ブロ
ック組成物は、高分子との関係を阻害するように選択される。基板上では高分子
ドメインが分離偏在して、その間にストリップが基板上に提供され、各々のスト
リップはそのストリップに１組成の高分子を含み、隣接するストリップは異なる
組成の高分子を含む。自己集積高分子列が形成されると、ブロッキング材料７５
８は除去される。もし共重合体又は重合前の対応するモノマーが、一方の高分子
構造と結合するが他方の高分子構造と結合しないナノ粒子７６０と接触すると、
図１５のように、規則正しい自己集積構造体が、高分子とナノ粒子との複合体を
伴って形成される。

【０１３６】 適したブロック共重合体は、例えば、ポリスチレン−ブロック−ポリ（メチル
メタクリレート）、及びポリスチレン−ブロック−ポリブタジエンを含む。他の
構成ブロックや他の種類の高分子化合物のブロック共重合体を用いることができ
る。高分子セグメントは、自己集積過程に役立つ官能側基を含むことができる。
相対的な鎖の長さは、基板上に所望の構造を形成するように選択できる。１００
ナノメータ単位から数ナノメータまでの構造は、ブロック共重合体から、直接形
成することができる。

【０１３７】 どの自己集積技術においても、複数の連続した自己集積技術を用いることがで
きる。例えば、リンカー又は他の活性化合物は、境界領域内で自己集積できる。
リンカー又は他の活性化合物は、その後、活性化合物の位置に、他の所望のデバ
イス粒子又は化合物が自己集積するのを促進する。

【０１３８】 上記の実施形態は、例示であり、これによって限定されない。さらなる実施形
態は、特許請求の範囲にある。本発明は、好ましい実施形態を参照して記載され
ているが、当業者は、この発明の精神と範囲から逸脱することなく、形式にも詳
細にも変更が可能であることを認識するであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】 レーザ熱分解装置の実施形態の、レーザ放射路の中心での概略断
面図である。下部挿入図は、１つ又は２つの反応物質入口を有する注入ノズルの
底面図であり、上部挿入図は、捕集ノズルの底面図である。

【図２】 図１のレーザ熱分解装置への気体反応物質供給のための反応物質
供給装置の概略図である。

【図３】 個体前駆体供給装置の装置中央での概略断面図である。

【図４】 図１のレーザ熱分解装置へのエアロゾル反応物質の供給のための
反応物質供給装置の実施形態の概略側面図である。

【図５】 レーザ熱分解装置の他の実施形態の反応チャンバの概略斜視図で
あり、チャンバの材料は装置の内部を明らかにするために透明体として描かれて
いる。

【図６】 ナノ粒子を熱処理するための装置の概略断面図であり、断面は、
装置の中央で切断されたものである。

【図７】 自己集積無機粒子の島がある基板表面の平面図である。

【図８】 自己集積デバイスを含む多層集積電気回路の概略斜視図である。

【図９】 多層集積電気回路の３層にまたがる内部連結の側面図である。

【図１０】 電解放出デバイスを有するフラットパネルディスプレイの部分
側面図である。

【図１１】 合分波器の上部斜視図である。

【図１２】 電界効果型トランジスタの上面図である。

【図１３】 図１２の電界効果型トランジスタの側面図である。

【図１４】 自己集積ブロック共重合体の側面図である。

【図１５】 自己集積ブロック共重合体と対応するナノ粒子の側面図である
。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ピーター・エス・ダーディ アメリカ合衆国55116ミネソタ州セント・ ポール、マウント・カーブ・ブールバード 574番

Claims (40)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 層を備え、該層が複数の組成物から成る複数の自己集積構造
   体を含んでいる材料であって、 構造体が、上記層の一部分を覆う個々の島に局在化している材料。
2. 【請求項２】 上記複数の組成物が有機化合物から成る請求項１に記載の材
   料。
3. 【請求項３】 上記複数の組成物が無機粒子から成る請求項１に記載の材料
   。
4. 【請求項４】 無機粒子が平均２次粒子径が約２ｎｍ〜約２００ｎｍである
   請求項３に記載の材料。
5. 【請求項５】 無機粒子が、約１００ｎｍ未満の平均２次粒子径と、少なく
   とも約９５％がその平均粒径の４０％より大きく１６０％未満である粒径分布を
   有する１次粒子と、を有する請求項３に記載の材料。
6. 【請求項６】 粒子が、平均粒子径の４倍の粒径の１次粒子を実質的に含ま
   ない請求項３に記載の材料。
7. 【請求項７】 粒子が約１００ｎｍ未満の平均２次粒子径を有し、粒子が層
   内の材料の孔に局在化した請求項３に記載の材料。
8. 【請求項８】 粒子が金属酸化物から成る請求項３に記載の材料。
9. 【請求項９】 組成物が、リンカー分子で表面に付着された請求項１に記載
   の材料。
10. 【請求項１０】 リンカー分子が二官能基有機化合物から成る請求項９に記
    載の材料。
11. 【請求項１１】 粒子が蛍光体粒子である請求項１に記載の材料。
12. 【請求項１２】 組成物が金属から成る請求項１に記載の材料。
13. 【請求項１３】 組成物が生物巨大分子から成る請求項１に記載の材料。
14. 【請求項１４】 組成物が高い屈折率を有する請求項１に記載の材料。
15. 【請求項１５】 無機粒子の自己集積形成体から成る材料で、無機粒子の平
    均１次粒子径が１００ｎｍ未満であり、粒子が金属／ケイ素酸化物、金属／ケイ
    素炭化物、金属／ケイ素窒化物および金属元素から成る群から選択された組成物
    を含む材料。
16. 【請求項１６】 １次粒子は、少なくとも約９５％がその平均粒径の４０％
    より大きく１６０％未満であるような粒径分布を有する請求項１５に記載の材料
    。
17. 【請求項１７】 特定の境界内において、層上にデバイスを生成する方法で
    あって、 デバイスの境界を局在化すること、及び境界内に組成物から成る複数の構造体
    を堆積させるために自己集積処理を開始することを含む方法。
18. 【請求項１８】 組成物が、平均１次粒子径が約１００ｎｍ未満である粒子
    から成る請求項１７に記載の方法。
19. 【請求項１９】 局在化が自己集積処理の前に行なわれる請求項１７に記載
    の方法。
20. 【請求項２０】 自己集積処理が局在化処理の前に行なわれる請求項１７に
    記載の方法。
21. 【請求項２１】 局在化がマスクを用いて行なわれる請求項１７に記載の方
    法。
22. 【請求項２２】 局在化が集束したビームを用いて行なわれる請求項１７に
    記載の方法。
23. 【請求項２３】 局在化が、境界内で自己集積処理が有効になるように境界
    内の表面を活性化することにより行なわれる請求項１７に記載の方法。
24. 【請求項２４】 活性化が、自己集積処理のために、適当な基板への堆積を
    含む請求項２３に記載の方法。
25. 【請求項２５】 活性化が、境界内からの抑制材料の除去を含む請求項２３
    に記載の方法。
26. 【請求項２６】 局在化が境界外の脱活性化により行なわれる請求項１７に
    記載の方法。
27. 【請求項２７】 脱活性化が、自己集積処理を方向付ける材料の除去により
    行なわれる請求項２６に記載の方法。
28. 【請求項２８】 脱活性化が、自己集積処理を抑制する材料の堆積により行
    なわれる請求項２６に記載の方法。
29. 【請求項２９】 さらに複数のデバイスの集積を含む請求項１７に記載の方
    法。
30. 【請求項３０】 複数の集積デバイスを含む部品であって、 少なくとも１つのデバイスが自己集積した組成物の配列から成る部品。
31. 【請求項３１】 デバイスが電界放射デバイス、電界効果型トランジスタで
    ある請求項３０に記載の部品。
32. 【請求項３２】 デバイスが電池である請求項３０に記載の部品。
33. 【請求項３３】 デバイスが光接続である請求項３０に記載の部品。
34. 【請求項３４】 デバイスが平均粒径が約２ｎｍ〜約１００ｎｍの無機粒子
    から成る請求項３０の部品。
35. 【請求項３５】 粒子が、平均粒子径の４倍より大きい粒径の粒子を実質的
    に含まない請求項３４の部品。
36. 【請求項３６】 粒子が金属酸化物から成る請求項３４の部品。
37. 【請求項３７】 粒子が金属から成る請求項３４の部品。
38. 【請求項３８】 集積デバイスが複数の接続した層に配置された請求項３０
    の部品。
39. 【請求項３９】 デバイスが約１ミクロン未満の最小直径を有する請求項３
    ０の部品。
40. 【請求項４０】 デバイスが約０．１３ミクロン未満の最小直径を有する請
    求項３０の部品。