JP2005230631A - ナノ粒子製造方法およびナノ粒子製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】粒子直径が１００ｎｍ級以下の金属及び酸化物等ナノ粒子の製造分野において、量産化対応が可能な技術、即ち投入されたナノ粒子原料からナノ粒子として回収できる割合（回収率）が３０％級以上で、かつ粒径の均一性の高いナノ粒子製造方法及び製造装置を提供すること。
【解決手段】ナノ粒子の原料を蒸発させ、該蒸発物質を堆積させた後ナノ粒子を採集する装置及び方法において、堆積装置を管材で構成し、かつ蒸発装置が該堆積装置によって囲まれる構造を有することを特徴とする。また、該蒸発装置から放出される熱エネルギーの大部分を吸収するように該管材の温度をその内部に挿入する冷却媒体で制御するようにしたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属及び酸化物等の固体原料を電気抵抗加熱方式、熱プラズマ方式、電子ビーム方式、イオンプレーテイング法及びレーザアブレーション方式等により加熱蒸発させて金属ナノ粒子及び酸化物ナノ粒子等を製造する方法および装置に関する。

粒径が１００ｎｍより小さい粒子と定義されているナノ粒子に係わる新技術は、２１世紀をリードするキーテクノロジーと言われ注目されている。特に、医療・医薬品・バイオテクノロジー、エネルギー・環境、エレクトロニクスおよび材料等の分野では、量子サイズ効果による高機能性や新物性の出現等が期待されており、基礎・応用の両面より精力的に研究が実施されている。しかしながら、ナノ粒子を量産化する方法および装置は依然として、完成しておらず、実験室的な方法および装置に頼っている状況にある。ナノ粒子の各方面に亘る社会的ニーズに対応するには、高純度で粒径均一性の高いナノ粒子を量産化可能な製造技術を確立することが必要である。

従来、ナノ粒子を製造できる技術としては、真空蒸着法、熱プラズマ法およびレーザアブレーション法等がある。

真空蒸着法の代表例には、例えば特許文献１がある。熱プラズマ法の代表例には、例えば特許文献２が、レーザアブレーション法の代表例には、例えば特許文献３がある。

先ず、従来の真空蒸着法を代表して、特許文献１記載の真空蒸着法の装置および方法を、図７を参照して説明する。図７は特許文献１記載の真空蒸着法による超微粒子の製造装置の構成図である。符番１０２は真空槽の断面を示し、符番１０３はるつぼ、符番１０４はるつぼ１０３内に置かれた原材料、１０５はるつぼ１０３を加熱するヒータ、１０６は蒸発した原材料を回収する回収手段、１０７は回収手段を冷却する冷却装置である。１０１は真空ポンプ（図示していない）で、真空槽内１０２の真空引きに使われる。符番１０８は不活性ガスを噴出するノズルで、るつぼ１０３の外周に配置されている。符番１０９は排気孔で、真空槽１０２の天井に設置の回収手段１０６の周囲に配置される。

るつぼ１０３に原材料１０４を置き、ヒータ１０５を稼動させて原材料１０４を加熱していくと、固体から液体状になり、さらに加熱を続けると、気体化される。そうすると、気体化された原材料１０４−ａはるつぼ１０３を離れ、真空槽１０２内に拡散する。上方に移動した原材料１０４−ａは回収手段１０６にぶつかり、回収手段１０６に併設された冷却装置１０７で冷却された回収手段１０６上に凝結１１１する。他方、拡散により横方向や斜め上方へ移動する原材料１０４−ａはノズル１０８より噴出した不活性ガスの流れ１１０にぶつかって跳ね返されて、上方に向かうことが期待される。

以上説明したように、特許文献１記載の真空蒸着法の装置および方法によれば、原材料１０４が無機物質の場合でも、有機物質の場合でも、上記不活性ガスの上流方向への流れによる原材料１０４−ａの跳ね返り効果により高い回収率で回収されると考えられている。しかし、次の理由で困難と考えられる。すなわち、真空槽１０２内部は圧力が低いので、ノズル１０８より噴出した不活性ガスは該ノズル内径の１０ないし２０倍の距離で、内部圧力とほぼ等しくなり、該ガス噴出流の境界は不連続でなくなる。したがって、上記のように、原材料１０４−ａがノズル１０８より噴出した不活性ガスの流れ１１０にぶつかって跳ね返される現象は発生しないと考えられる。

次に、従来の熱プラズマ法を代表して、特許文献２記載の熱プラズマ法の装置および方法を、図８を参照して説明する。図８は特許文献２記載の熱プラズマ法の装置の構成図である。図８において、製膜チャンバー２０１の上側にプラズマトーチ２０２でなる低圧高温プラズマ２０３を生成させる手段が設置してあると共に、製膜チャンバー２０１内には、前記プラズマトーチ２０２と対向させて、基板２０４のホルダとして、基板加熱ホルダ２０５が設置してある。前記プラズマトーチ２０２は、窒化ケイ素製の内管２０６と透明石英製の外管２０７の２重構造として構成され、内管２０６の上端部にバルブ２０８を介して不活性ガスの導入系２０９が接続されていると共に、内管２０６の下端が製膜チャンバー２０１内に開口させてある。また、外管２０７の外側には高周波コイル２１０が設置してあり、高周波コイル２１０には高周波電源２１１が接続してある。外管２０７の上下部外側には導入ポート２０７ａ，２０７ｂが設けられて、矢印２１２のように冷却水を流して外管２０７を冷却できるようになっている。

前記製膜チャンバー２０１は主バルブ２１３を介して排気系（図示していない）が接続されているもので、製膜チャンバー２０１内および前記内管２０６の内側を真空排気できるようになっている。このような製膜チャンバー２０１の内側には、シャッター２１４が前記プラズマトーチ２０２の下端開口部と基板加熱ホルダー２０５の間に開閉可能に設置してある。

そして、更に、前記プラズマトーチ２０２の下端開口部の下方にリング状のガス噴出ノズル２１５が設置してある。このガス噴出ノズル２１５にはバルブ２１８を介して活性ガスの導入系２１９が接続してある。前記不活性ガスの導入系２０９には、別の導入系２２０が合流させてあり、この導入系２２０より、不活性ガス中に、蒸着すべき粉末原料２２１を混入できるようになっている。

上記の装置において、ＹＢａＣｕＯ超電導薄膜のプラズマフラッシユ蒸着が以下に説明する手順で実施されている。

主排気系を介して製膜チャンバー２０１内およびプラズマトーチ２０２の内管２０６内を真空（１Ｅ−４Ｔｏｒｒ、即ち１．３３Ｅ−２Ｐａ）に排気した後、不活性ガスの導入系２０９を通してアルゴンガスを１０リットル／分の流量でプラズマトーチ２０２へ導入すると共に、ガス噴出ノズル２１５を通して活性ガスの導入系２１９より酸素ガスを０．５〜１０リットル／分の流量で製膜チャンバー２０１へ導入して、製膜チャンバー２０１内の圧力を２０Ｔｏｒｒ（２，６６６Ｐａ）に調整する。

冷却水を矢印２１２のように流した状態で、高周波電源２１１をＯＮにして高周波コイル２１０に高周波１３．５６ＭＨｚ、１０ＫＷを印加すると、内管２０６の内部に低圧高温プラズマ２０３が生成する。

基板加熱ホルダー２０５に基板２０４をセットし、基板温度を７５０℃に保持した状態で、前記導入系２２０を通して０．５リットル／分の流量のアルゴンガスで、ＹＢａＣｕＯ超電導粉（粒径、約１ミクロン）を微量ずつプラズマトーチ２０２に供給し、プラズマフレームが安定した状態で、シャッター２１４を開けて、基板２０４の表面にＹＢａＣｕＯ超電導薄膜を形成させる。製膜時間２０分で、０．５〜１ミクロンの厚さのＹＢａＣｕＯ超電導薄膜がえられる。

以上説明したように、特許文献２記載の熱プラズマ法の装置および方法によれば、粒径約１ミクロンの原料粉体とアルゴンガス等のキャリアガスを混合して、プラズマトーチ２０２の高温プラズマ化で蒸発させると、超電導薄膜がえられるとのことである。しかしながら、ナノ粒子製造への応用例は見当たらない。また、ナノ粒子の大量生産を目的にした上記熱プラズマ法によるナノ粒子製造装置及び方法は見当たらない。

次に、従来のレーザアブレーション法を代表して、特許文献３記載のレーザアブレーション法の装置および方法を、図９を参照して説明する。図９は特許文献３記載のレーザアブレーション法の装置の構成図である。図９において、気密容器３１０は密閉された耐圧容器からなり、その内部が外部空間から遮断されている。この気密容器３１０には、真空ポンプ３１２が圧力調整器３１４（図示していない）を介し接続されており、真空ポンプ３１２が駆動することにより、気密容器３１０の内部を減圧状態とすることができる。また、通常、圧力検出器（図示せず）を設け、気密容器３１０内部の圧力を検出しておき、圧力調整器３１４を制御して気密容器３１０内部を所定の圧力に保持する。このため、気密容器３１０の内部は真空ポンプ３１２および圧力調整器３１４により所定の減圧状態にできる。

更に、気密容器３１０にはバルブ３１６、流量調整器３１８を介し、ガス源３２０が接続されている。したがって、気密容器３１０内部にガス源３２０からの所望のガスを所定流量ずつ導入することができる。気密容器３１０内部を所定のガス雰囲気状態に維持することもできる。

レーザ発振器３３０は所定のレーザ光３３２を射出するものであり、例えばパルスレーザを発振するエキシマレーザなどが用いられる。そして、レーザ光３３２は集光レンズ３３４（光学系）を通過した後、気密容器３１０に設けられた透過窓３３６を介し、気密容器３１０に導かれる。

一方、気密容器３１０内には、回転テーブル３４０が設けられており、この回転テーブル３４０に被照射物３４２が保持される。すなわち、回転テーブル３４０には、２次モータ３４４が固定されており、この２次モータ３４４の主軸に被照射物ホルダ３４６が固定されている。そして、この被照射物ホルダ３４６に被照射物３４２が固定される。したがって、集光レンズ３３４によって、レーザ光３３２を被照射物３４２に照射する場合、集光レンズ３３４における焦点距離の調整によって、被照射物３４２に照射されるレーザ光の照射パワー密度（エネルギー密度）を調整することができる。これによって、被照射物３４２から放射される放出物の量およびその組成、例えば多価イオンを含む放出物のイオン量や多価イオンの割合を制御できる。

なお、本発明においては、レーザ光を被照射物３４２に照射することにより、この雰囲気にプラズマを発生させるが、このプラズマ密度もレーザ光照射パワー密度の調整によって行うことができる。

また、被照射物３４２のレーザ照射による集中損傷を防ぐために、モータ３４４を駆動し、被照射物ホルダ３４６を回転させる。すなわち、被照射物ホルダ３４６を回転させることにより、被照射物３４２が回転し、集光レンズ３３４によって集光されたレーザ光は被照射物３４２各部に順次照射され、集中損傷を防ぐことができる。

また、回転テーブル３４０をその回転軸を中心に回転することにより、集光レンズ３３４からのレーザ光と被照射物３４２の角度を変更することができる。したがって、被照射物３４２から放出される放出物の飛散方向を制御することができる。

そして、気密容器３１０内の被照射物３４２に対向する位置には、基板ホルダ３５０が配置されており、この基板ホルダ３５０に膜が蒸着形成される基板３５２が装着される。

ここで、この実施例においては、基板３５２の前面側に蒸着手段としての選択透過手段である遮蔽板３６０が設けられている。この遮蔽板３６０には開口３６２（図示していない）が設けられており、被照射物３４２から放出された放出物をこの開口３６２を通過するもののみに限定することができる。つまり、放出物の流通される通路を空間的に限定し、所定の方向に放出された放出物を選択することができる。

したがって、基板３５２の表面に蒸着される物質は、被照射物３４２から開口３６２の方向に放出されたものだけに限定されることとなる。被照射物３４２から放出される放出物の成分は空間的に所定の分布があり、遮蔽板３６０の開口３６２の位置によって、所望の成分の放出物を選択することができ、これを基板３５２上に堆積することができる。

なお、被照射物ホルダ３４６および基板ホルダ３５０には温度制御装置３７０、３７２がそれぞれ付設されており、被照射物３４２および基板３５２の温度を所望のものに制御することができる。

具体例としては、次の条件により、タングステン膜が得られている。すなわち、被照射物３４２はタングステン（Ｗ），基板３５２はガラス、レーザ発振器３３０はＫｒＦエキシマレーザ（波長２４９ｎｍ、パルス幅１６ｎｓｅｃ、パルスエネルギー２５０ｍＪ）、レーザの繰り返し数は２５Ｈｚ、被照射物３４２に対する照射パルス総数は３００００パルス、被照射物３４２に対するレーザ照射面積は６Ｅ−３平方ｃｍ、モータ３４４の回転速度は２０ｒｐｍ、レーザ光３３２の被照射物３４２に対する入射角度は４５°、被照射物３４２と基板３５２の温度は室温、気密容器３１０内の気圧は１Ｅ−５Ｔｏｒｒ以下、被照射物３４２と基板３５２との間隔は３０ｍｍ、遮蔽板３６０を基板３５２に密着設置である。

以上説明したように、上記レーザアブレーション法では、レーザ光３３２を被照射物３４２上に集光して照射すれば、レーザ誘起プラズマが発生すると共に、被照射物３４２から被照射物の中性粒子、クラスタ、液滴粒子、微粒子、多価イオンを含むイオンおよび電子等からなる放出物が放出される。そして、放出された放出物は基板３５２上に堆積するのである。しかしながら、上記レーザアブレーション法のナノ粒子製造への応用例は見当たらない。また、ナノ粒子の大量生産を目的にした上記レーザアブレーション法によるナノ粒子製造装置及び方法は見当たらない。

特開２００２−３３６６８６（第１図） 特公平７−４７８１９（第１図、第２図） 特許番号 第２５８８９７１号（第１図）

医療・医薬品・バイオテクノロジー、エネルギー・環境、エレクトロニクスおよび材料等の各分野において、ナノ粒子製造方法及び装置に関する量産化技術に対するニーズは、年々強くなりつつあり、産業界のみならず、材料・化学・電気・応用物理等の学会においても精力的研究が実施されている。しかしながら、従来技術では、以下に述べるような課題が依然として存在していることから、上記ニーズへの対応が困難視されている。

従来技術、即ち前記真空蒸着法、熱プラズマ法及びレーザアブレーション法等の方法及び装置においては、蒸発源で生成されたナノ粒子を該蒸発源から回収手段近傍まで不活性ガスを用いて搬送し、該ガス中に浮遊のナノ粒子を濃度の勾配に基ずく拡散現象により該回収手段に堆積させている。しかしながら、従来の技術では、第１に、ナノ粒子製造の回収率即ち、投入されたナノ粒子原料からナノ粒子として回収できる割合（歩留まり）が１０％以下と著しく低いという課題がある。また、第２に、製造されるナノ粒子の分散性が悪いこと、すなわちナノ粒子が数珠状に連なった形態で製造されやすいという課題がある。総合的に言い換えれば、回収率向上の困難性に関する本質的原因が依然として不明確、即ち量産化技術のキーポイントが不明確であることが問題である。

以上説明したように、従来の方法及び装置では、ナノ粒子製造における回収率の大幅な向上という第１の課題と分散性の向上という第２の課題がある。そこで、本発明は、上記第１の課題を解決するためになされたもので、回収率の高い、かつ高純度で均一粒径のナノ粒子製造方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明者は、最近、上記第１の課題を解決するアイデイアを創出するに際し、次の事項がキーポイントであることを発見できた。
（１）前記真空蒸着法、熱プラズマ法及びレーザアブレーション法等の従来の方法及び装置における回収率の低いのは、蒸発源で生成されたナノ粒子の大部分が真空容器内に導入された不活性ガスの流れに乗って浮遊し、その流れに乗って下流側へ搬送されることに起因している。すなわち、従来技術によるナノ粒子製造での課題の原因は、搬送ガス中のナノ粒子の振舞い（運動学的性質）を無視した装置構成が採用されていることにある。
（２）具体的には、搬送ガス中のナノ粒子の振舞い（運動学的性質）の特徴は次の通りであるが、従来技術ではその特徴が活用されていない。即ち、粒径がガス分子の平均自由行程Ｌより小さい粒子には、気体の濃度差に起因する拡散力が圧力の高い側から低い側へ向かって働くとともに、粒子の断面積と温度勾配の積に比例する熱泳動力が高温度側から低温度側に向かって働くという現象がある。上記真空蒸着法、熱プラズマ法及びレーザアブレーション法等の従来の方法及び装置において用いられるＡｒ、Ｎ２、Ｏ２、Ｈ２、ＣＨ４及びＳｉＨ４等の圧力及び温度の条件が、それぞれ、１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）以下及び常温以上であれば、気体分子の平均自由行程Ｌは数ミクロン以上である。また、上記熱泳動力及び拡散力の強さは、上記ガス種で上記圧力及び温度条件であれば、熱泳動力の方が著しく強いということは、発明者のこれまでのアモルファスＳｉ系及び微結晶Ｓｉ系薄膜太陽電池製造用プラズマＣＶＤ装置の開発研究における経験上の知見として判明している。なお、粒径が平均自由行程Ｌよりも非常に大きい場合は、粒子の断面積とガス速度の２乗との積に比例する流体力が働くことは公知である。
（３）したがって、上記第１の課題解決には、熱泳動力を活用することがアイデイアのキーポイントである。

上記目的を達成する為に、本願の請求項１記載の発明は、少なくとも、排気系を備えた真空容器と、該真空容器にキャリアガスを供給するガス供給系と、ナノ粒子の原料を供給する原料供給系と、該原料を蒸発させる蒸発装置と、該蒸発装置で蒸発した蒸発物質を堆積させる堆積装置を具備し、前記蒸発装置で前記原料を蒸発させ、該蒸発物質を前記堆積装置に堆積させた後、該堆積物からナノ粒子を採集するナノ粒子製造装置において、前記堆積装置を冷却媒体で冷却される管材で構成し、かつ前記蒸発装置が該堆積装置によって囲まれるようにする構造を有することを特徴とする。

上記目的を達成する為に、本願の請求項２記載の発明は、少なくとも、排気系を備えた真空容器と、該真空容器にキャリアガスを供給するガス供給系と、ナノ粒子の原料を供給する原料供給系と、該原料を蒸発させる蒸発装置と、該蒸発装置で蒸発した蒸発物質を堆積させる堆積装置を具備し、前記原料を前記蒸発装置で蒸発させて、該蒸発物質を前記堆積装置に堆積させた後、該堆積物からナノ粒子を採集するナノ粒子製造方法において、前記堆積装置を冷却媒体で冷却される管材で構成し、前記蒸発装置を該堆積装置で囲うとともに、該堆積装置により該蒸発装置から前記真空容器空間に放出される熱エネルギーの大部分を実質的に吸収するように該管材の温度をその内部に挿入する冷却媒体で制御するようにしたことを特徴とする。

上記目的を達成する為に、本願の請求項３記載の発明は、請求項１において、前記堆積装置が管材を構成部材とする螺旋形又は半球形の構造を有し、該管材の一端を冷却媒体の入口とし、他方の一端を冷却媒体の出口とするという構造を有することを特徴とする。

上記目的を達成する為に、本願の請求項４記載の発明は、請求項２において、前記堆積装置が管材を構成部材とする螺旋形又は半球形の構造を有するとともに、該管材の一端を冷却媒体の入口とし、他方の一端を冷却媒体の出口とするという構造を有することを特徴とする。

上記目的を達成する為に、本願の請求項５記載の発明は、請求項３において、前記堆積装置を構成の管材の断面形状が円形または楕円形または矩形であることを特徴とする。

上記目的を達成する為に、本願の請求項６記載の発明は、請求項４において、前記堆積装置を構成の管材の断面形状が円形または楕円形または矩形であることを特徴とする。

上記目的を達成する為に、本願の請求項７記載の発明は、請求項１、３及び５において、前記堆積装置と前記蒸発装置の間の平均的温度勾配が１ｃｍあたり５０℃以上であることを特徴とする。

上記目的を達成する為に、本願の請求項８記載の発明は、請求項２，４及び６において、前記堆積装置と前記プラズマ発生装置の間の平均的温度勾配が１ｃｍあたり５０℃以上であることを特徴とする。

請求項１のナノ粒子製造装置によれば、少なくとも、排気系を備えた真空容器と、該真空容器にキャリアガスを供給するガス供給系と、ナノ粒子の原料を供給する原料供給系と、該原料を蒸発させる蒸発装置と、該蒸発装置で蒸発した蒸発物質を堆積させる堆積装置を具備し、前記蒸発装置で前記原料を蒸発させ、該蒸発物質を前記堆積装置に堆積させた後、該堆積物からナノ粒子を採集するナノ粒子製造装置において、前記堆積装置を冷却媒体で冷却される管材で構成し、かつ前記蒸発装置が該堆積装置によって囲まれるようにする構造を有するので、前記蒸発装置から放出される熱の流れの実質的な終点の位置を該堆積装置構成部材の管の表面とすることが実現可能である。

その結果、蒸発装置でフラッシュ蒸発されて生成される粒子は、空間的温度勾配の大きさに比例して働く熱泳動力により、熱流線に沿って、効率よく該堆積装置構成部材の管に引きつけられ堆積し、採集される。真空容器内の圧力及び温度の条件が、それぞれ、１３３ＰＡ以下及び常温以上であれば、圧力勾配に依存して作用する拡散現象の力よりも熱泳動力が著しく強く作用する。このことは、蒸発装置がフラッシュ蒸発法で原料を蒸発させる場合、該原料はそのほぼ全てが粒径１００ｎｍ級以下の蒸発物質になるので、粒径１００ｎｍ級以下の粒子が容易に効率よく製造でき、ほぼ全て回収されるということを意味している。

したがって、従来困難視されていたナノ粒子の回収率向上が、簡単にかつ効果的に実現できる。この効果は、医療・バイオテクノロジー、エネルギー・環境、エレクトロニクス及び材料等の各分野において、著しく大きい。

請求項２のナノ粒子製造方法によれば、少なくとも、排気系を備えた真空容器と、該真空容器にキャリアガスを供給するガス供給系と、ナノ粒子の原料を供給する原料供給系と、該原料を蒸発させる蒸発装置と、該蒸発装置で蒸発した蒸発物質を堆積させる堆積装置を具備し、前記原料を前記蒸発装置で蒸発させて、該蒸発物質を前記堆積装置に堆積させた後、該堆積物からナノ粒子を採集するナノ粒子製造方法において、前記堆積装置を冷却媒体で冷却される管材で構成し、前記蒸発装置を該堆積装置で囲うとともに、該堆積装置により該蒸発装置から前記真空容器空間に放出される熱エネルギーの大部分を実質的に吸収するように該管材の温度をその内部に挿入する冷却媒体で制御することが実現可能である。

即ち、該蒸発装置から前記真空容器空間に放出される熱エネルギーの流れは、実質的に該蒸発装置を始点とし該堆積装置を終点とする形態になる。その結果、蒸発装置でフラッシュ蒸発されて生成される粒径１００ｎｍ級以下の蒸発物質は、空間的温度勾配の大きさに比例して働く熱泳動力により、熱流線に沿って、効率よく該堆積装置構成部材の管に引きつけられ堆積し、採集される。真空容器内の圧力及び温度の条件が、それぞれ、１３３ＰＡ以下及び常温以上であれば、圧力勾配に依存して作用する拡散現象の力よりも熱泳動力が著しく強く作用する。このことは、粒径１００ｎｍ級以下の粒子が容易に効率よく製造でき、かつほぼ全て回収されるということを意味している。

したがって、従来困難視されていたナノ粒子の回収率向上が、簡単にかつ効果的に実現できる。この効果は、医療・バイオテクノロジー、エネルギー・環境、エレクトロニクス及び材料等の各分野において、著しく大きい。

請求項３のナノ粒子製造装置によれば、前記堆積装置が管材を構成部材とする螺旋形又は半球形の構造を有し、該管材の一端を冷却媒体の入口とし、他方の一端を冷却媒体の出口とするという構造を有するので、請求項１記載のナノ粒子製造装置を応用するに際し、量産化を実現する確実な手段として、その価値が高い。

請求項４のナノ粒子製造法によれば、前記堆積装置が管材を構成部材とする螺旋形又は半球形の構造を有するとともに、該管材の一端を冷却媒体の入口とし、他方の一端を冷却媒体の出口とするという構造を有するようにしたので、請求項２記載のナノ粒子製造方法を応用するに際し、量産化を実現する確実な方法として、その価値が高い。

請求項５のナノ粒子製造装置によれば、前記堆積装置を構成の管材の断面形状が円形または楕円形または矩形であるので、請求項３記載のナノ粒子製造装置を応用するに際し、量産化を実現する確実な手段として、その価値が高い。

請求項６のナノ粒子製造方法によれば、前記堆積装置を構成の管材の断面形状が円形または楕円形または矩形であるので、請求項４記載のナノ粒子製造方法を応用するに際し、量産化を実現する確実な方法として、その価値が高い。

請求項７のナノ粒子製造装置によれば、前記堆積装置と前記蒸発装置の間の平均的温度勾配が１ｃｍあたり５０℃以上であるので、請求項１、３及び５記載のナノ粒子製造装置を応用するに際し、量産化を実現する確実な手段として、その価値が高い。

請求項８のナノ粒子製造方法によれば、前記堆積装置と前記プラズマ発生装置の間の平均的温度勾配が１ｃｍあたり５０℃以上であるので、請求項２、４及び６記載のナノ粒子製造方法を応用するに際し、量産化を実現する確実な手段として、その価値が高い。

以下、本発明の実施例に係わるナノ粒子製造装置及びナノ粒子製造方法について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、ナノ粒子製造装置及びナノ粒子製造方法の一例として、材料がシリコンであるシリコンナノ粒子を製作する装置および方法が記載されているが、本願の発明対象が下記の例の装置及び方法に限定されるものではない。

（実施例１）
図１ないし図３を参照して、実施例１のナノ粒子製造装置及びナノ粒子製造方法について説明する。図１は実施例１に係わるナノ粒子製造装置の構成図、図２は図１に示した装置の内部に設置される円形管を用いた螺旋形堆積装置の説明図、及び図３は図１に示した円形管を用いた螺旋形堆積装置に吸収される熱の流線を示す説明図である。

先ず、装置の構成を説明する。図１において、符番１ａは真空容器本体、符番１ｂは真空容器上蓋で、第１のフランジ１９及び第２のフランジ２０で接合されている。なお、第１及び第２のフランジ１９、２０の接合部には、図示しない真空シール機能のあるオーリングが設置されており、これにより真空容器本体１ａ及び真空容器上蓋１ｂの内部の真空が保たれている。真空容器１ａ、１ｂの内部には後述の蒸発装置２が設置され、該蒸発装置２の近傍には、後述の円形管を用いた螺旋形堆積装置１３が蒸発装置２を囲むように設置されている。符番２は蒸発装置で、後述の粉末原料３をフラッシュ法で蒸発させる機能がある。なお、ここで言うフラッシュ法とは粉末原料を蒸発装置２に少量ずつ噴きつけて、瞬間的に蒸発させる方法である。符番３は粉末原料供給装置で、所望のナノ粒子の材料である粉末原料を供給するもので、後述の不活性ガス供給管１０ａ、１０ｂ、１０ｃ及び第４のバルブ１１と組み合わせて用いられる。なお、粉末原料を供給量は１分間当たり数ｇの微量であり、上記蒸発装置２及び後述のヒータ４との組み合わせにて、フラッシュ蒸発を発生させられるように調整される。符番４はヒータで上記蒸発装置２を１０００℃ないし２０００℃程度の範囲で任意の温度に加熱する。その温度は、予め、蒸発装置２の温度と後述の電源６の出力の関係について予備試験にてデータを取得しておき、そのデータを基に、電源６の出力を調整することにより設定される。観測窓を設置しておき、輻射温度計で測定しても良い。なお、例えば、蒸発装置２の材料を炭素（黒鉛）とし、蒸発装置を発熱抵抗体にして、電力供給線にタングステン、タンタル、あるいはモリブテンを用いても良い。符番５は真空用電流端子でヒータ４を加熱するための電力を伝送する。符番６は電源でヒータ４に、真空用電流端子５を介して、加熱用電力を供給する。

符番７ａ、７ｂ、７ｃは第１、第２及び第３の真空ポンプで、それぞれ、真空容器内部のガスを排気する。なお、第１の真空ポンプ７ａは、真空容器１ａ、１ｂの大気を排出すために用いられ、第２及び第３の真空ポンプ７ｂ、７ｂは後述の不活性ガスを排出するために用いられる。また、図示しない真空計が設置されており、該真空計により、第１、第２及び第３の真空ポンプ７ａ、７ｂ、７ｃは稼動させられる。符番８ａ、８ｂ、８ｃは第１、第２及び第３のバルブで、それぞれ、第１、第２及び第３の真空ポンプ７ａ、７ｂ、７ｃと真空容器１ａの間の流路の開閉を行う。即ち、第１、第２及び第３のバルブ８ａ、８ｂ、８ｃと第１、第２及び第３の真空ポンプ７ａ、７ｂ、７ｃと第１、第２及び第３の排気管９ａ、９ｂ、９ｃを組み合わせて使用することにより、真空容器内部の排気が行われる。

符番１０ａ、１０ｂ、１０ｃは不活性ガス導入管で、後述の第４のバルブ１１、図示しない不活性ガスボンベ及び粉末原料供給装置３と組み合わせて使用される。符番１１は第４のバルブで、図示しない不活性ガスボンベから供給される不活性ガスと粉末原料供給装置３から供給される粉末原料との混合ガスを真空容器１ａの内部へ導入する際の開閉を行う。符番１２は不活性ガス導入管１０ａより導入された不活性ガスの流線で、不活性ガスの主流を示す。なお、圧力が大気圧以下に減圧されると、不活性ガスの流れは真空容器１ａの内部全体に拡散して流れる。

符番１３は円形管を用いた螺旋形堆積装置で、図２に示すように、円形堆積管１３ａ、冷媒流入管１４ａ、冷媒流出管１４ｂ、第１、第２及び第３の構造部材１６ａ、１６ｂ、１６ｃで構成されている。冷媒流入口１５ａ、冷媒流出口１５ｂは、図示しない冷媒供給装置と冷媒流入管１４ａ及び冷媒流出管１４ｂとの接続点で、冷媒を流入、流出させる。なお、冷媒の温度及び流量は図示しない冷媒供給装置により制御される。また、円形堆積管１３ａの温度は、予め、熱電対温度計を用いて測定しておいた該温度と冷媒の流量及び温度との関係を示すデータを基に設定する。また、図２において、堆積装置を構成の管材の断面形状を円形にするのは、蒸発装置２を管材を用いた螺旋形堆積装置で囲むことにより、蒸発装置２から赤外光及び可視光の形で放射される熱輻射エネルギーを遮蔽し、吸収させるのに際し、円形管の方が矩形管や楕円形の方よりも容易に、かつ安価に製造できるという理由による。符番１８ａ、１８ｂは、管導入フランジで、冷媒流入管１４ａ、１４ｂと真空容器上蓋１ｂ間の真空漏れを防止する。

該円形管を用いた螺旋形堆積装置１３は、冷媒流入管１４ａ、冷媒流出管１４ｂ、及び管導入フランジ１８ａ，１８ｂを介して、蒸発装置２を囲むような配置を保つように上蓋１ｂに取り付けられる。円形堆積管１３ａの温度は、冷媒として水を用いた場合、蒸発装置２の温度が１０００℃ないし１７００℃において、２０℃ないし９０℃程度であり、その範囲で任意に設定できる。

円形管を用いた螺旋形堆積装置１３の寸法は円形堆積管１３ａと蒸発装置２の間の温度勾配の制御上、重要である。図３において、円形管堆積管１３ａの間隔は２ないし１０ｍｍ程度、例えば４ｍｍ、直径は８ないし２０ｍｍ程度、例えば１０ｍｍとする。蒸発装置２の蒸発面中心と円形堆積管１３ａとの距離は、１０ｃｍないし３０ｃｍの範囲、例えば、２０ｃｍとする。該距離が２０ｃｍであれば、後述のように蒸発装置２の蒸発面及び円形堆積管１３ａの温度がそれぞれ、１５５０℃及び６０℃であるので、蒸発装置２の蒸発面中心と円形堆積管１３ａとの間の平均的温度勾配は１ｃｍ当たり７４．５℃となる。平均的温度勾配を１ｃｍ当たり７４．５℃に設定する根拠は次の通りである。

プラズマＣＶＤ装置の分野において、真空容器内部の気相中パーテイクルを除去する手法に熱泳動力の現象を用いることは非常識なことではない。その手法は、アモルファスＳｉ系及び微結晶Ｓｉ系薄膜太陽電池製造用プラズマＣＶＤ装置の開発研究の実験において用いられる。本発明者もそのような経験が豊富にある。その経験的知見によると、発熱体と基板の間の平均的温度、即ち発熱体と基板の温度差を発熱体と基板の距離で除した値がほぼ１ｃｍあたり５０℃以上であれば、熱泳動力を利用するプラズマＣＶＤ装置内の微粒子除去手法が効果を十分に発揮する。即ち、微粒子除去の効果を発揮させるには、微粒子除去の対象部材まわりの温度勾配を、１ｃｍ当たり５０℃以上にすることが重要である。したがって、上記円形管を用いた螺旋形堆積装置１３の寸法選定では、平均的温度勾配が１ｃｍ当たり７４．５℃程度になるように設定する。

次に、上記図１ないし図３図示の構成を持つナノ粒子製造装置を用いて、粒径１０〜１００ｎｍ級のシリコンナノ粒子を製造する方法を説明する。図１及び図２において、予め、第２、第３及び第４のバルブ８ｂ、８ｃ、１１を閉、第１のバルブ８ａを開とし、第１の真空ポンプ７ａを稼動させ、真空容器本体１ａ内の大気及び不純物ガスを排気する。図示しない真空計で圧力を測定し、該圧力が１．０Ｅ−６Ｔｏｒｒ（１．３３Ｅ−４Ｐａ）程度に到達したら、円形管を用いた螺旋形堆積装置１３の構成部材の堆積管１３ａの温度を３０ないし８０℃に設定する。この場合、図示しない冷媒供給装置から、冷媒流入口１５ａを介して堆積管１３ａへ冷媒としての水を１分間当たり１０ないし４０リットル、例えば１分間当たり１５リットルを流す。堆積管１３ａの内部を流れた水は冷媒流出口１５ｂを介して、図示しない冷媒供給装置へ還流させる。この例では堆積管１３ａの温度は約６０℃以下に設定される。そして、電源６及びヒータ４を用いて、蒸発装置２の温度を１５５０℃に設定する。なお、温度設定には、上述したように予備試験で取得しているデータを基に電源６の出力を、例えば１．５ＫＷに設定する。

上記堆積管１３ａの冷媒による冷却を開始した後、該真空容器本体１ａ内の圧力が１．０Ｅ−６Ｔｏｒｒ（１．３３Ｅ−４Ｐａ）程度に維持されていることを確認し、上記第１のバルブ８ａを閉とする。そして、第２及び第３の真空ポンプ７ｂ、７ｃを稼動させ、第２及び第３のバルフ８ｂ、８ｃを開とする。

シリコンの粉末原料の蒸発装置２への噴射は次のようにする。例えば直径数ミクロンのシリコン粉末を粉末原料供給装置３から、不活性ガス供給管１０ａ、１０ｂ、１０ｃ及び第３のバルブと組み合わせて用いて、不活性ガス例えばアルゴンガスと混合して蒸発装置２に噴きつける。アルゴンガスの流量は、１０〜１００ｓｃｃｍ程度、例えば３０ｓｃｃｍ、シリコンの粉末原料の供給量は、１分間に数グラム程度、例えば１ｇとする。ここで、シリコンの粉末原料の供給量を１分間に１ｇとした理由は、多量に供給すると、粒径１００ｎｍ級以上の粒子が形成されるので、それを避けるためである。好ましくは、１桁下げて１分間に０．１ｇ程度にすることが望ましい。真空容器１ａ内圧力は、０．０５〜５Ｔｏｒｒ（６．６５〜６６５Ｐａ）程度で、例えば０．８Ｔｏｒｒ（１０７Ｐａ）とする。

不活性ガス供給管１０ｃよりシリコン粉末とアルゴンガスとの混合ガスが蒸発装置２に噴き付けられると、シリコン粉末は１５５０℃の蒸発装置２に接し、一瞬にして蒸発し、アルゴンガスと一緒に吹き飛ばされる。ここで蒸発されたシリコン粉末は、フラッシュ蒸発と呼ばれるように、大きさが１００ｎｍ級以下のナノ粒子が支配的に発生する。したがって、数１００ｎｍ以上のサイズの粒子は余り、存在しない。蒸発装置２で蒸発生成された１００ｎｍ級以下のシリコン粒子及び原子状Ｓｉ等のフラッシュ蒸発物質はキャリアガスのアルゴンガス分子との衝突があるので、アルゴンガスと混合した状態で、蒸発装置２の蒸発地点からガス分子気流１２に乗って、第２及び第３の真空ポンプ７ｂ、７ｃの方へ移動する。

ここで、蒸発装置２から放出される熱エネルギーの流線を考えてみると、図１及び図２の装置構成によれば、蒸発装置２の熱エネルギーの大部分は蒸発装置２の構成部材の円形堆積管１３ａ内部の冷媒が実質的に全て吸収するようになっている。すなわち、図３に示すように、熱の流線２ａは蒸発装置２の発熱表面を始点に放射状に、円形堆積管１３ａの表面を終点としている。また、上記蒸発装置２の蒸発面及び円形堆積管１３ａの温度は、それぞれ、１５５０℃及び６０℃であるので、蒸発装置２の蒸発面中心と円形堆積管１３ａとの間の平均的温度勾配は１ｃｍ当たり７４．５℃となる。平均的温度勾配が１ｃｍ当たり５０℃以上であれば、熱泳動力の現象を効果的に活用できる。

上記熱の流線２ａの形態が円形堆積管１３ａの表面を終点としていることは、熱泳動力により、蒸発装置２で蒸発生成されたシリコン粒子及び原子状Ｓｉ等の蒸発物質がすべて、円形堆積管１３ａの表面に引きつけられるということを意味している。すなわち、ナノ粒子は、粒子周辺に存在の温度勾配に比例した熱泳動力により円形堆積管１３ａに堆積する。なお、原子状Ｓｉは化学的に活性なので、お互いに結合して結晶あるいは微結晶となるが、円形堆積管１３ａの表面は温度が低いので膜には成長できず球状の粒子及び数珠状の粒子となる。また、アルゴンガスは不活性であるので、気体の状態で排出される。したがって、上記真空容器１ａの圧力及び円形堆積管１３ａの温度条件の下であれば、粒径１０〜１００ｎｍ級のシリコン粒子はその大部分が、温度勾配の高い道筋、即ち蒸発装置２の発熱表面から円形堆積管１３ａ表面に向いた熱流線２ａに沿って移動し、熱速線の終点の円形堆積管１３ａに到達し、付着する。ナノ粒子の製造時間は、特に制限はないが、例えば数時間、２時間程度とする。

なお、上述の装置および方法では、粉末原料の供給量を少なくしてフラッシュ蒸発させることにより１００ｎｍ級以下のナノ粒子を支配的に発生させ、かつそのナノ粒子を熱泳動力を活用して円形堆積管１３ａに堆積させるようにしているので、従来困難視されていたナノ粒子の均一性の高い回収が可能であり、かつ回収効率の向上も実現できる。回収率としては、従来の５倍程度が可能である。上記例では従来の３倍程度が期待できる。

ナノ粒子の製造プロセスを一端終了させるには、上記状態において、第４のバルブ１１を閉にする。そして、粉末原料供給装置３からの粉末供給を零にするとともに、電源６の出力を零にする。また、第２及び第３のバルブ８ａ、８ｂを閉にする。その後、図示しない大気戻し用リークバルブを開にして、真空容器１ａ内の圧力を大気にする。そして、第１及び第２のフランジ１９、２０の接合部を分離して、該円形管を用いた螺旋形堆積装置１３をとりだす。該円形管を用いた螺旋形堆積装置１３の円形堆積管１３ａに付着したナノ粒子を刷毛で拭いてサンプル瓶に収納する。収納されるナノ粒子の形状及び大きさは、分解能が２〜３オングストローム級の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察される。

なお、上記製造装置の操作条件中、特に圧力、不活性ガス流量、及び粉末粒子供給量および蒸発装置２の温度が重要なパラメータであるので、上記回収率をより一層高く、かつ高品質で粒径均一性の高い１００ｎｍ級以下のシリコン粒子を製造するには、それぞれの最適値を予め、把握することが重要である。

以上説明したように、上記装置および方法によれば、フラッシュ蒸発で生成された１００ｎｍ級以下のナノ粒子は、支配的に作用する熱泳動力により蒸発装置２の発熱表面を始点にして円形堆積管１３ａの表面を終点とする熱の流線２ａに沿って移動する。その結果、１００ｎｍ級以下の粒子は堆積管１３ａに到達し、付着する。このことは、高い回収率でナノ粒子を製造可能であることを示している。回収率としては、従来の５倍程度が可能である。上記例では従来の３倍程度が期待できる。

また、上記実施例１では、蒸発源として、電気抵抗加熱方式の装置を用いているが、これに限らず電子ビーム方式、熱プラズマ方式、レーザアブレーション方式を用いることもできる。

（実施例２）
図４ないし図６を参照して、実施例２のナノ粒子製造装置及びナノ粒子製造方法について説明する。図４は実施例２に係わるナノ粒子製造装置の構成図、図５は図４に示した装置の内部に設置される矩形管を用いた螺旋形堆積装置の説明図及び図６は図４に示した円形管を用いた螺旋形堆積装置に吸収される熱の流線を示す説明図である。

先ず、装置の構成を説明する。図４図示のナノ粒子製造装置の構成は、前述の図１における円形管を用いた螺旋形堆積装置１３に代えて、図５図示の矩形管を用いた螺旋形堆積装置２５を設置する。すなわち、全体的な装置構成は図１と同じである。したがって、ここでは、矩形管を用いた螺旋形堆積装置２５の構成を主体に説明し、図１と重複する部材の説明は省略する。

図５において、矩形管を用いた螺旋形堆積装置２５を構成する管材の断面形状を矩形にするのは、蒸発装置２から赤外光及び可視光の形で放射される熱輻射エネルギーを吸収させるのに際し、矩形管の方が円形管よりも容積一定という条件の場合、遮蔽面積を大きく取れることからナノ粒子堆積量が増大可能と言う理由によるものである。また、詳細は省略するが、矩形管に代えて、楕円管を用いても、円形管を用いる場合よりも容積一定という条件の場合、遮蔽面積を大きく取れるのは言うまでもないことである。

符番２５は矩形管を用いた螺旋形堆積装置である。図５に示すように、矩形管を用いた螺旋形堆積装置２５は矩形堆積管２５ａ、冷媒流入管２１ａ、冷媒流出管２１ｂ、図示しない第１、第２及び第３構造部材２３ａ、２３ｂ、２３ｃで構成されている。冷媒流入口２２ａ及び冷媒流出口２２ｂは、それぞれ、図示しない冷媒供給装置と冷媒流入管２１ａ及び冷媒流出管２１ｂとの接続点で、冷媒を流入、流出させる。なお、冷媒の温度及び流量は図示しない冷媒供給装置により制御される。また、矩形堆積管２５ａの温度は、予め、熱電対温度計を用いて測定しておいた該温度と冷媒の流量及び温度との関係を示すデータを基に設定する。

次に、上記図４ないし図６のナノ粒子製造装置を用いて、粒径１０〜１００ｎｍ級のシリコンナノ粒子を製造する方法を説明する。図４において、矩形管を用いた螺旋形堆積装置２５は、冷媒流入管２１ａ、冷媒流出管２１ｂ、及び管導入フランジ１８ａ，１８ｂを介して、蒸発装置２を囲むような配置を保つように上蓋１ｂに取り付けられる。図４および図５において、予め、第２、第３及び第４のバルブ８ｂ、８ｃ、１１を閉、第１のバルブ８ａを開とし、第１の真空ポンプ７ａを稼動させ、真空容器１ａ内の大気及び不純物ガスを排気する。図示しない真空計で圧力を測定し、該圧力が１．０Ｅ−６Ｔｏｒｒ（１．３３Ｅ−４Ｐａ）程度に到達したら、矩形管を用いた螺旋形堆積装置２０の構成部材の矩形堆積管２５ａの温度を３０ないし８０℃に設定する。この場合、図示しない冷媒供給装置から、冷媒流入口２２ａを介して矩形堆積管２５ａへ冷媒としての水を１分間当たり１０ないし４０リットル、例えば１分間当たり１５リットルを流す。矩形堆積管２５ａの内部を流れた水は冷媒流出口２１ｂを介して、図示しない冷媒供給装置へ還流させる。この例では矩形堆積管２５ａの温度は約８０℃以下に設定される。そして、電源６及びヒータ４を用いて、蒸発装置２の温度を１５５０℃に設定する。なお、温度設定には、上記実施例１で説明したように予備試験で取得しているデータを基に電源６の出力を、例えば１．５ＫＷに設定する。

上記矩形堆積管２５ａの冷媒による冷却を開始した後、該真空容器１ａ内の圧力が１．０Ｅ−６Ｔｏｒｒ（１．３３Ｅ−４Ｐａ）程度に維持されていることを確認し、上記第１のバルブ８ａを閉とする。そして、第２及び第３の真空ポンプ７ｂ、７ｃを稼動させ、第２及び第３のバルフ８ｂ、８ｃを開とする。

シリコンの粉末原料の蒸発装置２への噴射は次のようにする。例えば直径数ミクロンのシリコン粉末を粉末原料供給装置３から、不活性ガス供給管１０ａ、１０ｂ、１０ｃ及び第３のバルブと組み合わせて用いて、不活性ガス例えばアルゴンガスと混合して蒸発装置２に噴きつける。アルゴンガスの流量は、１０〜１００ｓｃｃｍ程度、例えば３０ｓｃｃｍ、シリコンの粉末原料の供給量は、１分間に数グラム程度、例えば１ｇとする。ここで、シリコンの粉末原料の供給量を１分間に１ｇとした理由は、多量に供給すると、１００ｎｍ級以下のナノ粒子以上の粒子が形成されるので、それを避けるためである。好ましくは、１桁下げて１分間に０．１ｇ程度にすることが望ましい。真空容器１ａ内圧力は、０．０５〜５Ｔｏｒｒ（６．６５〜６６５Ｐａ）程度で、例えば０．８Ｔｏｒｒ（１０７Ｐａ）とする。

不活性ガス供給管１０ｃよりシリコン粉末とアルゴンガスとの混合ガスが蒸発装置２に噴き付けられると、シリコン粉末は１５５０℃の蒸発装置２に接し、一瞬にして蒸発し、アルゴンガスと一緒に吹き飛ばされる。ここで蒸発されたシリコン粉末は、フラッシュ蒸発と呼ばれるように、大きさが１００ｎｍ級以下のナノ粒子が支配的に発生する。したがって、数１００ｎｍ以上ノサイズの粒子は余り、存在しない。蒸発装置２で蒸発生成された１００ｎｍ級以下のシリコン粒子及び原子状Ｓｉ等のフラッシュ蒸発物質はキャリアガスのアルゴンガス分子との衝突があるので、アルゴンガスと混合した状態で、蒸発装置２の蒸発地点からガス分子気流１２に乗って、第２及び第３の真空ポンプ７ｂ、７ｃの方へ移動する。

ここで、蒸発装置２から放出される輻射熱の流線を考えてみると、図４及び図５の装置構成によれば、蒸発装置２の輻射熱及びガス分子気流の大部分の熱エネルギーは矩形管を用いた螺旋形堆積装置２５の構成部材の矩形堆積管２５ａ内部の冷媒が実質的に全て吸収するようになっている。すなわち、図６に示すように、熱の流線２ａは蒸発装置２の発熱表面を始点に放射状に、矩形堆積管２５ａの表面を終点としている。

上記熱の流線の形が矩形堆積管２５ａの表面を終点としていることは、熱泳動力により、蒸発装置２で蒸発生成された１００ｎｍ級以下のシリコン粒子及び原子状Ｓｉ等のフラッシュ蒸発物質が、矩形堆積管２５ａ表面に引きつけられるということを意味している。なお、原子状Ｓｉは化学的に活性なので、お互いに結合して結晶を形成するが、矩形堆積管２５ａの表面は温度が低いので膜には成長できず球状の粒子及び数珠状の粒子となる。また、アルゴンガスは不活性であるので、Ｓｉとの反応には寄与せずに気体の状態で排出される。したがって、上記真空容器１ａの圧力及び矩形堆積管２５ａの温度条件の下であれば、粒径１０〜１００ｎｍ級のシリコン粒子はその大部分が、温度勾配の高い道筋、即ち蒸発装置２の発熱表面から矩形堆積管２５ａ表面に向いた熱流線２ａに沿って移動し、熱速線の終点の矩形堆積管２５ａに到達し、付着する。ナノ粒子の製造時間は、特に制限はないが、例えば数時間、２時間程度とする。

なお、上述の熱泳動力を活用するナノ粒子の堆積においては、熱の流線の形態を制御することにより、ナノ粒子及びラデイカル種を堆積装置に効果的に堆積できるので、回収効率の向上が実現できる。回収率としては、従来の５倍程度が可能である。上記例では従来の３倍程度が期待できる。

ナノ粒子の製造プロセスを一端終了させるには、上記状態において、第４のバルブ１１を閉にする。そして、粉末原料供給装置３からの粉末供給を零にするとともに、電源６の出力を零にする。また、第２及び第３のバルブ８ａ、８ｂを閉にする。その後、図示しない大気戻し用リークバルブを開にして、真空容器１ａ内の圧力を大気にする。そして、第１及び第２のフランジ１９、２０の接合部を分離して、該矩形管を用いた螺旋形堆積装置２５を取りだす。該矩形管を用いた螺旋形堆積装置２５の構成部材の矩形堆積管２５ａに付着したナノ粒子を刷毛で拭いてサンプル瓶に収納する。収納されるナノ粒子の形状及び大きさは、分解能が２〜３オングストローム級の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察される。

なお、上記製造装置の操作条件中、特に圧力、不活性ガス流量、及び粉末粒子供給量および蒸発装置２の温度が重要なパラメータであるので、上記回収率をより一層高く、かつ高品質で粒径均一性の高い１００ｎｍ級以下のシリコン粒子を製造するには、それぞれの最適値を予め、把握することは重要である。

以上説明したように、上記装置および方法によれば、フラッシュ蒸発で生成された１００ｎｍ級以下のナノ粒子は、温度勾配に比例した熱泳動力により、蒸発装置２の発熱表面を始点にして矩形堆積管２５ａの表面を終点とする熱の流線に沿って移動する。その結果、１００ｎｍ級以下の粒子は矩形堆積管２５ａに到達し、付着する。したがって、ほとんど全てのナノ粒子は矩形堆積管２５ａに堆積し、採集される。このことは、高い回収率でナノ粒子を製造可能であることを示している。回収率としては、従来の５倍程度が可能である。上記例では従来の３倍程度が期待できる。

また、上記実施例１では、蒸発源として、電気抵抗加熱方式の装置を用いているが、これに限らず電子ビーム方式、熱プラズマ方式、レーザアブレーション方式を用いることもできる。

さらに、上記実施例１及び実施例２のおいては、円形管及び矩形管を用いた螺旋形堆積装置を説明したが、螺旋形のもならず、内部に冷媒が流れる構造をもつ半球形の堆積装置でも上述の回収率向上の効果があることは容易に考えられることである。

本発明に関する実施例１に係わるナノ粒子製造装置の構成図。 図１に示した装置の内部に設置される円形管を用いた螺旋形堆積装置の説明図。 図１に示した円形管を用いた螺旋形堆積装置に吸収される熱の流線を示す説明図。 本発明に関する実施例２に係わるナノ粒子製造装置の構成図。 図４に示した装置の内部に設置される矩形管を用いた螺旋形堆積装置の説明図。 図４に示した矩形管を用いた螺旋形堆積装置に吸収される熱の流線を示す説明図。 従来の真空蒸着装置の全体を示す説明図。 従来の熱プラズマ装置の全体を示す説明図。 従来のレーザアブレーション装置の全体を示す説明図。

符号の説明

１ａ．．．真空容器本体、
１ｂ．．．真空容器上蓋、
２．．．該蒸発装置、
２ａ．．．熱の流線、
３．．．粉末原料供給装置、
４．．．ヒータ、
５．．．真空用電流端子、
６．．．電源、
７ａ，７ｂ，７ｃ．．．第１、第２及び第３の真空ポンプ、
８ａ、８ｂ，８ｃ．．．第１、第２及び第３のバルブ、
９ａ、９ｂ，９ｃ．．．第１、第２及び第３の排気管、
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ．．．不活性ガス導入管、
１１．．．第４のバルブ、
１２．．．不活性ガスの流線、
１３．．．円形管を用いた螺旋形堆積装置、
１３ａ．．．円形堆積管、
１４ａ、１４ｂ．．．冷媒流入管、
１５ａ．．．冷媒流入口、
１５ｂ．．．冷媒流出口、
１６ａ，１６ｂ、１６ｃ．．．第１、第２及び第３の構造部材、
１８ａ、１８ｂ．．．管導入フランジ、
１９．．．第１フランジ１９、
２０．．．第２のフランジ。

Claims (8)

1. 少なくとも、排気系を備えた真空容器と、該真空容器にキャリアガスを供給するガス供給系と、ナノ粒子の原料を供給する原料供給系と、該原料を蒸発させる蒸発装置と、該蒸発装置で蒸発した蒸発物質を堆積させる堆積装置を具備し、前記蒸発装置で前記原料を蒸発させ、該蒸発物質を前記堆積装置に堆積させた後、該堆積物からナノ粒子を採集するナノ粒子製造装置において、前記堆積装置を冷却媒体で冷却される管材で構成し、かつ前記蒸発装置が該堆積装置によって囲まれるようにする構造を有することを特徴とするナノ粒子製造装置。
2. 少なくとも、排気系を備えた真空容器と、該真空容器にキャリアガスを供給するガス供給系と、ナノ粒子の原料を供給する原料供給系と、該原料を蒸発させる蒸発装置と、該蒸発装置で蒸発した蒸発物質を堆積させる堆積装置を具備し、前記原料を前記蒸発装置で蒸発させて、該蒸発物質を前記堆積装置に堆積させた後、該堆積物からナノ粒子を採集するナノ粒子製造方法において、前記堆積装置を冷却媒体で冷却される管材で構成し、前記蒸発装置を該堆積装置で囲うとともに、該堆積装置により該蒸発装置から前記真空容器空間に放出される熱エネルギーの大部分を実質的に吸収するように該管材の温度をその内部に挿入する冷却媒体で制御するようにしたことを特徴とするナノ粒子製造方法。
3. 前記堆積装置が管材を構成部材とする螺旋形又は半球形の構造を有し、該管材の一端を冷却媒体の入口とし、他方の一端を冷却媒体の出口とするという構造を有することを特徴とする請求項１記載のナノ粒子製造装置。
4. 前記堆積装置が管材を構成部材とする螺旋形又は半球形の構造を有するとともに、該管材の一端を冷却媒体の入口とし、他方の一端を冷却媒体の出口とするという構造を有することを特徴とする請求項２記載のナノ粒子製造方法。
5. 前記堆積装置を構成の管材の断面形状が円形または楕円形または矩形であることを特徴とする請求項３記載のナノ粒子製造装置。
6. 前記堆積装置を構成の管材の断面形状が円形または楕円形または矩形であることを特徴とする請求項４記載のナノ粒子製造方法。
7. 前記堆積装置と前記蒸発装置の間の平均的温度勾配が１ｃｍあたり５０℃以上であることを特徴とする請求項１、３及び５記載のナノ粒子製造装置。
8. 前記堆積装置と前記プラズマ発生装置の間の平均的温度勾配が１ｃｍあたり５０℃以上であることを特徴とする請求項２、４及び６記載のナノ粒子製造方法。
   

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