JP2005069809A - 高エネルギー粒子照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 単位面積当りの貫通孔数のばらつきが小さい多孔性フィルムを製造可能な高エネルギー粒子照射装置を提供すること。
【解決手段】 固体重元素源２０１Ｈと、固体軽元素源２０１Ｌと、レーザー２０２Ａと、レーザー２０２Ｂと、パルス制御装置２０３とを備え、同じ極性で質量数の異なる２種類のイオンをパルス状に発生させることにより、軽いイオン群からなるパルスを重いイオン群からなるパルスに接近させて、イオンの空間分布をばらつきが減少するように変化させる。軽いイオンのフィルム１０３上での衝突場所に応じて貫通孔はエッチングにより形成されるので、フィルム１０３の単位面積あたりの孔数のばらつきが減少する。
【選択図】 図１

Description

本発明は多孔性フィルムの製造に用いられる高エネルギー粒子照射装置に関する。

従来の高エネルギー粒子照射装置としては、放射性物質から発する放射線を用いるものがあった（例えば、非特許文献１参照）。また、希ガス分子などのイオンを電場で加速するもの（例えば、特許文献１参照）や、イオンをパルス状に照射するもの（例えば、特許文献２参照）があった。図８は、前記非特許文献1に記載された従来の高エネルギー粒子照射装置を示す。

図８において、放射性物質１０１は核分裂反応に伴う放射線１０２を放出している。放射性物質１０１とフィルム１０３は排気１０４された真空容器１０５内部に配置され、放射線１０２は大気分子と衝突することなくフィルム１０３の膜面にほぼ垂直に入射し貫通して、フィルム内部にトラックと呼ばれる損傷領域を発生させている。続いてフィルム１０３を真空容器１０５から取り出し、エッチング液に浸している。トラックは選択的にエッチングされ、フィルム面に垂直に貫通する孔を形成する。
W. D. Williams and N. Giordano : Rev. Sci. Instrum. v.55 (n.3), March 1984, p.410-412. 特開平５−５１４７９号公報 特表平９−５１１０１６号公報

前記従来の構成では、放射線を構成する高エネルギー粒子の発生は不規則で、飛来する高エネルギー粒子間には相互作用がなく、その衝突する位置（フィルム面上）がランダムとなり、トラックエッチング後に形成されるフィルム面上単位面積当りの孔数のばらつきが大きいという課題を有していた。

この様なばらつきの存在により、例えば液体を濾過するフィルターに多孔性フィルムを用いた際に、フィルター面の水圧分布にばらつきが発生したり、また孔数密度が平均値より著しく高い箇所が存在し、エッチングにより複数の孔が１つの大きな孔へと変化するなど好ましくない現象が生じていた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、フィルム面における単位面積当りの貫通孔数のばらつきが小さい多孔性フィルムを形成可能な高エネルギー粒子照射装置を提供することを目的とする。

本発明の高エネルギー粒子照射装置は、同じ極性で質量数の異なる２種類のイオンをパルス状に発生させる設備を有し、重いイオン群からなるパルスと軽いイオン群からなるパルスを接近させ相互作用させる。

本構成によって、フィルム面衝突時、軽いイオン群からなるパルスは、重いイオン群からなるパルスから斥力を受けて軽いイオン群のパルス幅は狭くなる。そのため、各イオン間に斥力が働き、軽いイオンによるトラックの位置はランダムではなく互いに避けるように存在することとなる。従って、トラックエッチ後のフィルムに形成される貫通孔分布のばらつきは、イオンがランダムに飛来した場合より低減されたものにすることができる。なお、重いイオン群もトラックを形成するが、その深さは軽いイオン群によるものより浅く、フィルムを貫通しないので、軽いイオンのみが貫通孔の形成に寄与する。

本発明の高エネルギー粒子照射装置によれば、照射フィルムをトラックエッチングした後に形成される貫通孔の面内分布ばらつきを低減することができる。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における高エネルギー粒子照射装置の構成図である。図１において、図８と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

図１において、固体重元素源２０１Ｈは冷却した基台に重い分子を吸着させることにより形成した分子性固体であり、レーザー２０２Ａから照射されるレーザー光が照射されたときのみ分子が脱離し、パルス状の分子を発生させる中性粒子発生源を構成しており、特に重い分子としてキセノンを材料に用いており、冷却温度は１０Ｋ以下としている。

固体軽元素源２０１Ｌは冷却した基台に軽い分子を吸着させることにより形成した分子性固体であり、レーザー２０２Ｂから照射されるレーザー光が照射されたときのみ分子が脱離し、ガス状の軽い分子を発生させる中性粒子発生源を構成しており、特に軽い分子として水素を材料に用いており、冷却温度は１０Ｋ以下としている。

なお、固体元素源２０１Ｈ及び２０１Ｌに対し照射するレーザー２０２Ａ及び２０２Ｂの波長は限定するものではなく、紫外光であれば脱離過程がアブレーションになることが期待されるし、赤外光であれば熱励起になることが期待される。

パルス制御装置２０３は前記レーザー２０２Ａおよび２０２Ｂの発光のタイミングを制御する。イオン化室２０４は前記固体軽元素源２０１Ｌおよび前記固体重元素源２０１Ｈから前記レーザー２０２Ａおよび２０２Ｂの照射より脱離する中性粒子（キセノン原子及び水素分子）に１００ｅＶ程度の電子線を照射しイオン化（Ｘｅ⁺及びＨ₂ ⁺）する、イオン源を構成している。引き出し電極２０５は前記イオン化室２０４で生成されるイオン２０７を加速電極２０６により電界加速する領域に引き出す。

かかる構成によれば軽元素と重元素のイオンパルスの発生タイミングを調整することにより、軽元素のイオンの被照射物体表面における衝突位置間隔が均一となり、被照射物体表面における単位面積当りの貫通孔数のばらつきを低下させることができる。

被照射物体表面におけるイオン衝突位置間隔が均一化するメカニズムを、図２に示すイオンパルスの発生タイミングを用いて説明する。図２の横軸は時間軸でｔ１＜ｔ２＜ｔ３＜ｔ４＜ｔ５＜ｔ６であり、縦軸は強度を示す。

図２（ａ）はパルス制御装置２０３からレーザー２０２Ａに対して送信された制御信号に基づいて発振した、レーザーパルスである。レーザー２０２Ａは時刻ｔ１から一定時間だけ発振する。

図２（ｂ）はパルス制御装置２０３からレーザー２０２Ｂに対して送信された制御信号に基づいて発振した、レーザーパルスである。レーザー２０２Ｂは時刻ｔ２から一定時間だけ発振する。

図２（ｃ）は引き出し電極２０５近傍（引き出されたばかりの位置）でのイオンの飛来状態を示しており、レーザー２０２Ａのパルスによって固体重元素源２０１Ｈから脱離したキセノン原子がイオン化室２０４を通過してイオン化し、時刻ｔ３に図２(ａ)のパルス幅と同程度のパルス幅で飛来しており、レーザー２０２Ｂのパルスによって固体軽元素源２０１Ｌから脱離した水素分子がイオン化室２０４を通過してイオン化し、時刻ｔ４に図２(ｂ)のパルス幅と同程度のパルス幅で飛来している。このようにパルスレーザーを用いることによりナノ秒以下の短いパルスを発生でき、イオンパルスの時間幅を短くすることができる。

レーザー２０２Ａからはレーザー２０２Ｂより強度の強いパルスを発振させており、そのため、図２(ｃ)の時刻ｔ３に飛来するキセノンイオン数のほうが図２(ｃ)の時刻ｔ４に飛来する水素イオン数より多い。図２（ｄ）はフィルム１０３直上（イオンがフィルム１０３に衝突する直前の位置）でのイオンの飛来状態を示しており、時刻ｔ５にキセノンイオンが時刻ｔ６に水素イオンが飛来する。時間差ｔ６−ｔ５はｔ４−ｔ３より小さく、イオンのパルス幅程度以下となるようにパルス制御装置２０３でパルスのタイミングを調整する。

キセノンイオンが水素イオンより重いため、加速電極２０６による加速に時間がかかり、後から発生した水素イオンがキセノンイオンに追いつき、このような前後関係のパルス列となる。

この時、水素イオン群は、キセノンイオン群に接近するので、同じ極性（＋）を有するために圧縮され、そのパルス幅は短くなる。その結果、水素イオン間にも相互作用が無視できなくなり、水素イオンは互いに避け合う位置関係を有するようになる。すなわち、被照射物体表面における水素イオン衝突位置間隔のばらつきが減少する。

この際、水素イオンは被照射物体（フィルム１０３）を貫通する様にエネルギーを与えられているが、キセノンイオンは水素イオンに比較し、衝突断面積が大きいため、被照射物体表面の表層にしか注入されず、その後のエッチング処理によって貫通孔を形成することはない。従って、被照射物体表面における水素イオン衝突位置間隔のばらつき減少により、フィルム１０３に形成される貫通孔の分布ばらつきが減少する。

なお、本実施の形態において、中性粒子発生源として固体重元素源２０１Ｈおよび固体軽元素源２０１Ｌを設けたが、キセノンや水素とは異なる、室温で固体の物質（例えば重い元素であればビスマス）を選び、分子性固体ではなく金属結合や共有結合に基づいた物質を用いることにより固体元素源を冷却しない構造としても良い。

なお、本実施の形態において、イオン化室２０４として電子衝撃による正イオンを発生させる設備を設けたが、負イオンを発生させる設備を設けて負イオンを加速し照射してもかまわない。

また、フィルム１０３と引き出し電極２０５との間の距離は、５ｃｍ以上２０ｃｍ以下であることが好ましい。この距離が５ｃｍ未満である場合には、引き出し電極２０５と加速電極２０６との間で放電が生じる可能性が高くなる。一方、この距離が２０ｃｍを越えると、後述する図４（ｅ）に示される谷間を構成するキセノンイオンの２つのパルスと、当該谷間の間に挟まれる水素イオンのパルスとがぼけてしまう可能性が高くなる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２の高エネルギー粒子照射装置の構成図である。図３において、図１および図８と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

図３において、レーザー２０２Ｃはレーザー２０２Ａと固体重元素源２０１Ｈとでパルス状の分子を発生させる中性粒子発生源を構成している。

かかる構成によればレーザー２０２Ａが発生するレーザーパルスの消失直後（レーザーパルス時間幅程度の時間以内）、レーザー２０２Ｃによりレーザーパルスを発生させることにより、２つのパルス状分子群の時間差を非常に小さくすることができ、２つの重いイオン群により、軽いイオン群を閉じ込める時間幅を小さくすることができる。（一般に、１台のレーザーパルスの繰返し周期はパルス幅に対して比較的長く、レーザー２０２Ａ１台のみではこの様なパルス幅程度に接近させた２つのパルスを発生させることは出来ない。）そのような時間的に狭い空間に閉じ込められた軽いイオンは互いに相互作用する結果、互いに避け合う位置関係を有するようになる。すなわち、被照射物体表面におけるイオン衝突位置間隔のばらつきが減少する。

被照射物体表面におけるイオン衝突位置間隔が均一化するメカニズムを、図４に示すイオンパルスの発生タイミングを用いて説明する。図２の横軸は時間軸でｔ１＜ｔ２＜ｔ３＜ｔ４＜ｔ５＜ｔ６＜ｔ７＜ｔ８＜ｔ９である。

図４（ａ）はレーザー２０２Ａからのレーザーパルスである。レーザー２０２Ａは時刻ｔ１からパルス幅の時間だけ発振する。図４（ｂ）はレーザー２０２Ｃからのレーザーパルスである。レーザー２０２Ｃは時刻ｔ２からパルス幅の時間だけ発振する。図４（ｃ）はレーザー２０２Ｂからのレーザーパルスである。レーザー２０２Ｂは時刻ｔ３からパルス幅の時間だけ発振する。

図４（ｄ）は引き出し電極２０５近傍（引き出されたばかりの位置）でのイオンの飛来状態を示しており、レーザー２０２Ａおよび２０２Ｃのパルスによって固体重元素源２０１Ｈから脱離したキセノン原子がイオン化室２０４を通過してイオン化し、時刻ｔ４およびｔ５に図４(ａ)および（ｂ）のパルス幅と同程度のパルス幅で飛来しており、レーザー２０２Ｂのパルスによって固体軽元素源２０１Ｌから脱離した水素分子がイオン化室２０４を通過してイオン化し、時刻ｔ６に図４（ｃ）のパルス幅と同程度のパルス幅で飛来している。

レーザー２０２Ａおよびレーザー２０２Ｃからはレーザー２０２Ｂより強度の強いパルスを発振させており、そのため、図４(ｄ)の時刻ｔ４およびｔ５に飛来するキセノンイオン数のほうが、図４(ｄ)の時刻ｔ６に飛来する水素分子イオン数より多い。

図４（ｅ）はフィルム１０３直上（イオンがフィルム１０３に衝突する直前の位置）でのイオンの飛来状態を示しており、時刻ｔ８に水素イオンが時刻ｔ７、ｔ９にキセノンイオンが飛来する。水素イオンはキセノンイオンの２つのパルスからなる谷間に入っており、その理由はキセノンイオンが水素イオンより重いため、加速電極２０６による加速に時間が掛かり、後から発生した水素分子イオンに追いぬかれてしまうためである。この時、水素イオン群は、２つのキセノンイオン群に挟まれることとなり、同じ極性（＋）を有するために圧縮され、そのパルス幅は短くなる。

その結果、水素イオン間にも相互作用が無視できなくなり、水素イオンは互いに避け合う位置関係を有するようになる。すなわち、被照射物体表面におけるイオン衝突位置間隔のばらつきが減少する。

本発明のより具体的な実施例について説明する。
（実施例１）
図５に本発明の実施の形態１におけるイオン照射されたフィルムの断面図を示す。フィルム１０３は、厚さ１０μｍのポリカーボネートであった。イオン照射は実施の形態１において示した高エネルギー粒子照射装置を用いた。レーザー２０２Ａ及び２０２Ｂはフェムト秒レーザーを用い、波長８００ｎｍ、パルス幅１５０ｆｓであった。イオンの加速電圧は１ＭｅＶであった。イオン照射面側には、重いイオン（Ｘｅ⁺）によるトラック３０１Ｈが表層部分まで形成されており、貫通しているのは軽いイオン（Ｈ₂ ⁺）によるトラック３０１Ｌであった。重いイオンの照射量は５×１０¹⁰個／ｃｍ²、軽いイオンの照射量は３×１０⁸個／ｃｍ²であり、トラック３０１Ｈの数密度はトラック３０１Ｌのものより充分高くなっていた。

図６（ａ）に本発明の実施の形態１におけるエッチング後のフィルムの断面を示す。フィルム１０３をエッチング液に漬けることによりトラックが選択的にエッチングされ、孔が開いた。エッチング時間と共に孔径は増大し、０．０１０〜１０μｍの範囲で制御できた。表層の重いイオンによるトラック３０１Ｈは数密度が高いため、この表層領域はすべてエッチングされてしまい、その結果フィルムがこの表層分だけ薄くなってしまった。軽いイオンによるトラックがエッチングされてできた貫通孔３０２Ｌのみが、薄くなったフィルムに残った。本フィルムの外観図は図６（ｂ）に示す。

図７に本発明の実施の形態１におけるフィルム面上の孔数分布図を示す。実線が測定値で、単位面積は０．５×０．５μｍ²である。平均値は０．７０４個、標準偏差は０．６３であった。一方、破線は平均値０．７０４として計算したポアソン分布である。従来の高エネルギー粒子照射装置では、この破線に合致した分布が得られていた。平均値が同じであるにも関わらず、この破線の標準偏差は０．８４と大きく、本発明の標準偏差の方が小さかった。すなわち、フィルム表面における貫通孔のばらつきが減少したことを確認した。

（実施例２）
イオン照射は実施の形態２において示した高エネルギー粒子照射装置を用いて行った。その結果、図７とほぼ同じ、実線で表される孔数分布の多孔質フィルムを得た。すなわち、フィルム表面における貫通孔のばらつきが減少した。

なお、以上の実施の形態および実施例においては、重い水素を構成する元素としてキセノンを用いたが、ＶＩＩＩ族に分類される他の不活性ガスを用いても良い。ただし、原子量が大きい方が本発明には好適であるので、重い水素を構成する元素としてはキセノンが最適である。

本発明にかかる高エネルギー粒子照射装置は、高いエネルギーをもったイオンを、ばらつきを押えて均一に物質表面に照射する機能を有し、トラックエッチングフィルムの作製等として有用である。また、重いイオンを、被照射物体中を貫通させず被照射物体中に埋め込むエネルギーを与えることにより、注入イオンの分布のばらつきが低減されたイオン注入を行うことが可能となり、半導体の製造等の用途にも応用できる。

本発明の実施の形態１における高エネルギー粒子照射装置の構成図 本発明の実施の形態１におけるイオンパルスの発生タイミング図 本発明の実施の形態２における高エネルギー粒子照射装置の構成図 本発明の実施の形態２におけるイオンパルスの発生タイミング図 本発明の実施の形態１におけるイオン照射されたフィルムの断面図 （ａ）本発明の実施の形態１におけるエッチング後のフィルムの断面および外観図（ｂ）本発明の実施の形態１におけるエッチング後のフィルムの外観図 本発明の実施の形態１におけるフィルム面上の孔数分布図 従来の高エネルギー粒子照射装置の構成図

符号の説明

１０１ 放射性物質
１０２ 放射線
１０３ フィルム
１０４ 排気
１０５ 真空容器
２０１Ｈ 固体重元素源
２０１Ｌ 固体軽元素源
２０２Ａ レーザー
２０２Ｂ レーザー
２０２Ｃ レーザー
２０３ パルス制御装置
２０４ イオン化室
２０５ 引き出し電極
２０６ 加速電極
２０７ イオン
３０１Ｈ 重いイオンによるトラック
３０１Ｌ 軽いイオンによるトラック
３０２Ｈ トラックエッチングによる貫通

Claims (8)

1. 極性が同じで且つ質量数が異なる２種類のイオンをパルス状に発生させる設備と、
   当該イオンを加速しそのエネルギーを高める設備と、
   重いイオン群からなるパルスが照射面に衝突する時間と、軽いイオン群からなるパルスが照射面に衝突する時間との差が飛来するイオン群のパルス幅程度であるように各パルスの発生時間を制御する設備とを備えた高エネルギー粒子照射装置。
2. 吸着分子にパルス状のレーザー光を照射する設備と、
   当該レーザー光により脱離した分子をイオン化する手段とを備えた請求項１記載の高エネルギー粒子照射装置。
3. 軽いイオン群が形成するトラックが被照射物体を貫通する深さを有し、かつ重いイオン群が形成するトラックが被照射物体の表層に限られる深さを有する状態に各イオンを加速する請求項１記載の高エネルギー粒子照射装置。
4. 重いイオン群のパルスに含まれるイオン数が、軽いイオン群のパルスに含まれるイオン数より多い請求項１記載の高エネルギー粒子照射装置。
5. 軽いイオン群からなる１つのパルスと、重いイオン群からなる２つのパルスを発生させ、各パルスが照射面に衝突する順序が、重いイオン群、次に軽いイオン群、最後に重いイオン群となるように各パルスの発生時間を制御する回路を備えた請求項１記載の高エネルギー粒子照射装置。
6. 重いイオン群を発生させる固体物質に照準を合わせた２台のレーザーを有する請求項５記載の高エネルギー粒子照射装置。
7. 重いイオン群がキセノンからなる請求項１記載の高エネルギー粒子照射装置。
8. 軽いイオン群が水素からなる請求項１記載の高エネルギー粒子照射装置。
   
   

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