JP2007203282A - 微粒子サイズ選別装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ナノ粒子（主として直径１０ｎｍ以下）と呼ばれる微粒子を高スループットで確実且つ容易にサイズ選別する。
【解決手段】インパクタは、微粒子の排気口４が設けられた微粒子サイズ選別室１と、選別対象となる微粒子を含むキャリアガスを微粒子サイズ選別室１内へ放出するノズル２と、微粒子サイズ選別室１内に設けられており、ノズル２から放出された微粒子を選択的に捕集する微粒子捕集手段である補集板３とを備えて構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光材料の分野、或いは、化粧品の分野等、その他多くの分野で用いられようとしているナノ粒子のサイズを選別する微粒子サイズ選別装置及び方法に関する。

一般に、ナノメートルオーダーのサイズの微粒子、いわゆるナノ粒子は、サイズ効果によって現れる特異な性質、或いは、大きな比表面積を持つことから、近年、多くの分野で応用を目指した研究が盛んに行われている。そのような応用の例としては、発光材料としてのシリコンナノ粒子の利用（例えば、非特許文献１を参照。）、或いは、化粧品としての酸化チタンナノ粒子の利用等が知られていて、何れの応用においても、ナノ粒子のサイズを制御するということが非常に重要である。

特開２００５−２２８８６号公報 T.Oriiら Appl.Phys. Lett.83(2003)3395. Shouheng Sunら Science 287, 1989(2000) P.A.Baron, K.Willeke, Aerosol Measurments: Principles, Techniques, and Applications, 2nd ed. Wiley, New York, 2001 鈴木ら，APPLIED PHYSICS LETTER，VOL．78，p．2043, 2001年

ナノ粒子の生成方法としては、主として液相系での方法と気相系での方法とに分けることができ、液相系での反応を利用する方法（例えば、非特許文献２を参照。）は、比較的粒子サイズが揃う、という利点はあるものの、界面活性剤や有機溶媒等を使用することから、本発明者が着目している電気的な応用に関しては不純物の存在が懸念される。

また、気相系での反応を利用する方法、例えば、レーザブレーション法やプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等では、一般に清浄な微粒子が得られるものの、均一なサイズの微粒子を得ることは容易ではない。このような微粒子のサイズを選別するため、微分式静電分級器（Differential Mobility Analyzer：ＤＭＡ）がしばしば用いられる。

ＤＭＡは、微粒子のガス中に於ける電気移動度を利用し、微粒子をサイズ選別する装置であって、エアロゾルの分野で頻繁に用いられている。ＤＭＡを用いてナノ粒子を選別した場合、粒子径を良く揃えることができるため、本出願人の付属研究機関においても多用されている（例えば、特許文献１を参照。）。

しかしながら、そのＤＭＡも万全なものではなく、使用分野によっては致命的ともいうべき欠点も存在している。その欠点は、特に、ナノ粒子の選別にＤＭＡを用いた場合、選別で得られる微粒子の量（スループット）が非常に少ない、ということである。

通常、ＤＭＡによるサイズ選別では、微粒子が荷電されていることが必要であるが、ナノ粒子、特に１０ｎｍ以下のナノ粒子を高効率で荷電することは困難であることから、前記したような問題が起こってしまう。因みに、例えば１０ｎｍ以下のサイズの微粒子がＤＭＡによりサイズ選別されて得られる確率は、実際に存在する量の高々２〜３％である。これは、サイズが揃った微粒子を商用ベースで実用に供する場合には、非常に大きな問題となる。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、ナノ粒子（主として直径１０ｎｍ以下）と呼ばれる微粒子を高スループットで確実且つ容易にサイズ選別することを可能とする微粒子サイズ選別装置及び方法を提供することを目的とする。

本発明の微粒子サイズ選別装置は、微粒子の排気口が設けられた微粒子サイズ選別室と、選別対象となる微粒子を含むキャリアガスを前記微粒子サイズ選別室内へ放出するノズルを有する微粒子導入手段と、前記微粒子サイズ選別室内に設けられており、前記ノズルから放出された微粒子を選択的に捕集する微粒子捕集手段とを含み、前記ノズルから放出された微粒子のうち、前記微粒子捕集手段に捕集されないことでサイズが揃えられた微粒子を、前記排気口から放出する。

本発明の微粒子サイズ選別方法は、選別対象となる微粒子を含むキャリアガスを微粒子サイズ選別室内へ放出し、前記微粒子サイズ選別室内に設けられている微粒子捕集手段により微粒子を選択的に捕集するとともに、前記微粒子捕集手段に捕集されないことでサイズが揃えられた微粒子を収集する。

本発明によれば、ナノ粒子と呼ばれる微粒子を高スループットで確実且つ容易にサイズ選別することが可能となり、サイズが揃った微粒子を大量に実用に供することができる。本発明の微粒子サイズ選別装置及び方法は、発光材料の電気的分野や化粧品材料等の分野において、供給不足を懸念することなく用いることができる。

本発明では、高スループットで微粒子のサイズ選別を行うため、微粒子の荷電状態に依存するのではなく、微粒子の慣性を利用する方法を用いている。具体的には、いわゆるインパクタを低圧下において利用し、微粒子のサイズ選別を実行する。

図１は、本発明のインパクタの原理を理解するために必要な要部説明図である。
インパクタは、微粒子の排気口４が設けられた微粒子サイズ選別室１と、選別対象となる微粒子を含むキャリアガスを微粒子サイズ選別室１内へ放出するノズル２と、微粒子サイズ選別室１内に設けられており、ノズル２から放出された微粒子を選択的に捕集する微粒子捕集手段である補集板３とを備えて構成されている。

図示のように、このインパクタは、ノズル２の正面に補集板（邪魔板）３が配置された構造とされており、ガスと共に運ばれてきた微粒子は、サイズが或程度以上のもの、従って、慣性が或程度以上のものはガスの流れに追随することができず、ノズル２の下流に配置された捕集板３に衝突して捕集される。ここで、捕集されるか否かは、通常、無次元のストークス数と呼ばれるパラメータ（微粒子サイズ、ノズル２の内径、ガス速度等の関数）で記述される（非特許文献２）。このインパクタでは、捕集板３に捕集されないことでサイズが揃えられた（同一サイズの）微粒子が排気口４から放出され、収集される。

インパクタは、エアロゾルの分野で、主としてミクロンサイズからサブミクロンサイズの微粒子の捕集に用いられている。本発明では、このようなインパクタをナノ粒子のサイズ選別に応用するために様々な改良を施している。

図２は、本実施形態による微粒子サイズ選別装置を示す要部説明図である。ここで、図１において用いた符号と同符号については、同じ部分を示すか或いは同じ意味を持つものとする。

この微粒子サイズ選別装置は、微粒子サイズ選別室１と、ノズル２を有する微粒子導入部１０と、捕集板３とを備えて構成されている。
微粒子導入部１０は、ノズル２に加え、微粒子が含まれるキャリアガスを輸送する輸送管１１と、ノズル２と別体に設けられてなるキャリアガスのガス排出口１３と、ガス排出口１３の上流に設けられており、キャリアガスの流量を調節するコンダクタンス調整用バルブ１２とを備えて構成されている。ここで、１４は、選別されて排気口４から放出される微粒子を示している。

補集板３は、表面がポーラス構造（多孔性構造）とされており、表面に垂直な方向の回転軸を有し、所定速度で回転自在とされた円板状部材であり、上下左右に移動（スライド）自在に配設されている。更に、低圧或いは真空中で交換することができる構造になっている。これについては後に詳細に説明する。

本実施形態においては、サイズ選別された微粒子として、インパクタ下流に排出されたものを利用する。通常、インパクタは、あるサイズ以上の微粒子を捕集する作用をするため、下流の微粒子としては、そのサイズに満たない微粒子全てを含み、サイズの分布は一般的に広くなる。

ところで、ナノサイズ、特に１０ｎｍ以下のナノ粒子は、安定に存在を継続することはできず、時間と共に凝集等で小さいサイズのものが減少していくため、粒子サイズには下限が存在することになる。その結果、大きなサイズのナノ粒子をインパクタで取り除くだけで、サイズ選別装置としては充分に機能することになる。

本発明では、上記小さいサイズのナノ粒子の減少度合いを制御することで、ナノ粒子のサイズ下限も積極的に制御する。

本発明の微粒子サイズ選別装置に採り入れるため、インパクタについて、ナノ粒子の選別を行なう上で種々な改善を施しており、それ等をまとめると以下の通りである。

（１）低圧の利用：
１０ｎｍ以下のナノ粒子の慣性を利用して選別するため、微粒子のサイズ選別時に微粒子サイズ選別室１の内部を低圧、例えば２．６７×１０³Ｐａ（２０Torr）以下に維持することが好適である。これは例えば、微粒子サイズ選別室１の内部を真空ポンプ等で真空引きし、２．６７×１０³Ｐａ以下の所定値に調節すれば良い。

（２）ヘリウムガスの利用：
制御性良くインパクタを利用するためには、音速以下のガス速度でインパクタを利用する必要がある。一般に、ガス速度が速いほど小さいナノ粒子を選別し易いので、不活性で音速が大きいへリウムガスをキャリアガスとして使用する。

（３）ノズル２及び捕集板３の交換機構：
上記のストークス数を制御するためには、ノズル２の直径を変えることも必要であるが、低圧下であるため、設定された低圧（真空）状態を乱すことなく、ノズル２を交換することができる機構を設けた。また、捕集板３に微粒子が過度に堆積すると分級性能が低下するため、捕集板３をノズル２に対してスキャンする機構、及び捕集板３を真空中で交換することができる機構を設けた。

（４ノズル２の上流に、コンダクタンス調整可能なガス排気口１３の設置：
ノズル上流の排気口１３は、通常、コンダクタンス調整用バルブ１２を通して直接ポンプ等に接続され、ガスと共に運ばれた微粒子は廃棄される。また、排気口１３はポンプでなく、別の堆積室に接続されても良い。排気口１３からのガス排気量と、ノズル２へのガス流量を制御することにより、輸送管１１中での拡散損失・凝集を利用して小さいサイズの粒子を取り除いたり、或いは、その逆に小さい粒子をより多くノズル２の下流に導いたりすることができる。なお、この詳細は実施例として後に詳述する。

（５）補集板３に新材料を適用：
従来、インパクタにおいて、補集板に衝突した微粒子が反跳するのを防止するため、補集板の表面にシリコーンオイルが塗布される（例えば、非特許文献３を参照。）。しかしながら、ナノ粒子を電気的応用に供する場合など、清浄度が要求される場合には、シリコーンオイルを塗布した補集板等は使用することができない。これを解決するため、本発明では、補集板３の表面に工夫を加えた。具体的には、アルミニウムの陽極酸化板など、複雑な多孔性構造の表面を持つものを利用している。その入り組んだ構造でナノ粒子の反跳を防止することができる。また、カーボンナノチューブのようなナノ構造を基板上に成長、或いは、塗布したものも有効である。

本発明では、上述したような種々の改善を施したことにより、インパクタをナノ粒子のサイズ選別に有効に利用することが可能となった。以下、諸実施例により本発明の詳細を説明する。

（実施例１）
図３は、実施例１による微粒子サイズ選別装置を表す要部説明図である。
図示のように、２１は微粒子生成室、２２はコバルトのターゲット、２３はＮｄ：ＹＡＧからなるパルスレーザ、２４は微粒子を含むキャリアガスの輸送管、２５はコンダクタンス調整用バルブ、２６はコンダクタンス調整用ガス排気口、２７は微粒子サイズ選別室、２８はノズル、２９は捕集板、３１は排気口、３２は微粒子堆積室、３３は基板をそれぞれ示している。なお、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ２３の発振波長は５３２ｎｍ、出力は４Ｗ、繰り返し周波数は２０Ｈｚ、また、ノズル２８の先端開口径は３．２５ｍｍ、更に、微粒子堆積室３２内の圧力は１．３３×１０^-3Ｐａ（１０^-5Torr）に調節されている。

本実施例においては、コバルトからなるターゲット２２をレーザブレーションすることによりコバルト微粒子を発生させる。即ち、圧力が６．６７×１０²Ｐａ〜１．３３×１０³（５Torr〜１０Torr）に調整された微粒子生成室２１内に配置されたコバルトからなるターゲット２２を、パルスレーザ２３で発生させたレーザビームによって叩いてコバルト蒸気を発生させる。

この蒸気は、流量が０．５ｓｌｐｍ〜１ｓｌｐｍ( スタンダードリッター毎分) のＨｅからなるキャリアガスにより冷却されて微粒子を生成する。その微粒子は、長さが約１ｍの輸送管２４を通して、ノズル２８及び捕集板２９を主要素とするインパクタ部に運ばれる。

ノズル２８の上流には、コンダクタンス調整可能なバルブ２５を介してコンダクタンス調整用ガス排気口２６が設けられ、その先は排気ポンプに接続されている。本実施例では、バルブ２５を調節することにより、排気口２６に０〜０．５ｓｌｐｍのヘリウムが流され、残りのヘリウムは、微粒子と共にノズル２８に導かれる。ここで、排気口２６からのヘリウムの流量を０とすることは、微粒子導入部に言わばバルブ２５及び排気口２６を設けず、輸送管２４に導入された微粒子を含むヘリウムの放出口がノズル２８のみである構成と同等である。この場合、本実施例では、バルブ２５を調節して排気口２６からのヘリウム流量を０としても良いし、微粒子導入部にバルブ２５及び排気口２６を設けない構成としても良い。なお、図３では輸送管とノズルが垂直に、輸送管とコンダクタンス調整用ガス排気口が水平に配置されているが、位置関係はこれに限定されるものではない。

図４は、実施例１におけるインパクタの詳細を表す要部斜面図である。ここで、図３において用いた符号と同符号のものについては、同じ部分を示すか或いは同じ意味を持つものとする。
図４において、４１は低圧又は真空に維持される微粒子サイズ選別室、４２は捕集板２９のホルダー、４３は先端開口径を異にするノズルの複数の放出口２８を有するノズルプレート、４４は放出口２８とは別体とされ、微粒子を含むキャリアガスを送入するためのチューブ、４５はフランジ、４６はＯ−リング、４７はノズルプレート４３の駆動機構、４８は捕集板２９の駆動機構をそれぞれ示している。

図示のノズルプレート４３は、例えば厚み約１０ｍｍの板に先端開口径を異にするノズルの複数の放出口２８が設けられており、このノズルプレート４３を上下に移動することで複数の放出口２８の何れかを選択することが可能である。

本実施例では、先端開口が４ｍｍ、３．６ｍｍ、３．２５ｍｍ、３ｍｍである複数の放出口２８をノズルプレート４３に彫り込んであるが、後述する例では３．２５ｍｍのものを用いることが多い。

ノズルプレート４３を駆動することで、例えば、開口径が３．２５ｍｍの放出口２８を選択し、その放出口２８をチューブ４４におけるＯ−リング４６をもつフランジ４５に押し付けることでチューブ４４とノズル２８とが連結固定される。この作業は、低圧乃至真空を維持している微粒子サイズ選別室４１内において、その低圧の真空状態を破ることなく実施することができる。

ノズル２８の下流には、ノズル内径の約２倍離れた位置に捕集板２９が配置され、この捕集板２９は、図４に見られるように、駆動機構４８により、ノズル２８に垂直な方向、及び、円周方向に自由にスキャンすることができる。

図示の例では、捕集板２９には、直径１０ｃｍの円板を用い、縦方向、及び、円周方向にスキャンニング可能であり、その際、縦方向速度：１ｍｍ／秒、回転速度：２ｒｐｍであり、また、この場合、捕集板２９の表面（微粒子が捕集される面）は、陽極酸化されてなる例えば膜厚１００ｎｍ程度のアルミニウム酸化膜で覆われている。

図５は、陽極酸化されたアルミニウム酸化膜で覆われた捕集板の表面のＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）像を示している。
捕集板２９の表面に形成されたアルミニウム酸化膜６１は、例えば図６に示すように、ポーラス構造になっており、各孔６２が約５０ｎｍピッチで直径２０ｎｍ〜２５ｎｍ程度、深さ１００ｎｍ程度に形成されている。なお、この孔サイズは可変であり、この値に限定されるものではない。

また、アルミニウム酸化膜の代わりに、捕集板２９の表面にカーボンナノチューブを形成しても良い。図７は、捕集板２９の表面にカーボンナノチューブが形成された様子を示す要部斜面図である。
ここでは、捕集板２９の表面における微粒子の反跳を抑止するため、当該表面にカーボンナノチューブ４９を形成した。捕集板２９の表面には、カーボンナノチューブ４９が捕集板２９の表面の上方へ配向成長されている。

この場合、カーボンナノチューブ４９の直径、長さ、本数などについて、特に限定する必要はないのであるが、例えば、直径１０ｎｍ程度、長さ５０００ｎｍ程度のカーボンナノチューブを１ｃｍ²当たりで１０¹⁰本程度成長したものを用いたところ、捕集板として極めて有効であることが判っている。

なお、図７では、捕集板２９の表面の上方に配向したカーボンナノチューブ４９を示したが、チューブ４９が倒れて絡み合っている図８のような構造も有効である。
また、カーボンナノチューブに限らず、これを形成する代わりに、高アスペクト比構造を持つシリコン、酸化亜鉛等のいわゆるナノワイヤを捕集板２９の表面に成長、或いは載置した構成も、同様に有効である。この場合も直径、長さ、本数等は限定されないが、例えば、直径１５ｎｍ程度、長さ１０００ｎｍ程度のナノワイヤを１ｃｍ²当たりで５×１０⁹本程度成長したものが有効であることが確認されている。

また、捕集板における基板としてはＳｉウェーハを利用することができる。この場合、捕集板は、通常の半導体プロセスにおけるウェーハの搬送と同様にロードロック等を介して真空或いは低圧の下で交換することが可能であり、捕集板のホルダーへの固定にはフック状の留め具を利用したり、或いは、静電チャックを利用することもできる。

ところで、放出口２８に流れる微粒子を含むキャリアガスの流量が５００ｓｃｃｍで、圧力が４．７９×１０²Ｐａ（３．６Torr）である場合には、捕集板２９に約１．５ｎｍ以上の微粒子が堆積される、一方、捕集されなかった微粒子は、排気口３１を通って堆積室３２に導かれる。この例では、堆積室３２は差動排気により１．３３×１０^-3Ｐａ（１０^-5Torr）程度に保たれていて、微粒子が慣性で確実に基板３３上に堆積できるようになっている（例えば、特許文献１を参照。）。

本実施例においては、コンダクタンス調整用ガス排気口２６の存在が重要である。ここで、状況を簡略化するため、コンダクタンス調整用ガス排気口２６を第１排気口とし、また、排気口３１を第２排気口とする。この場合、この第１排気口及び第２排気口に流れるヘリウムガスの量により、基板３３に堆積される微粒子量やサイズ分布がどのように変化するかについて以下で説明する。なお、ここで、第１排気口及び第２排気口に流れるガスの量、微粒子のサイズ、微粒子数については、図９の特性図を参照されると良い。

（１）第１排気口：０ｓｌｐｍ、第２排気口：０．５ｓｌｐｍの場合
このとき、微粒子生成室の圧力が６．５３×１０²Ｐａ（４．９Torr）、インパクタ部の圧力が５．０７×１０²Ｐａ（３．８Torr）となる。この場合、インパクタには、約１．５ｎｍ以上のナノ粒子が捕集される（この場合、カットサイズ１．５ｎｍと言う。）。その結果、インパクタ下流で得られる微粒子のサイズ分布は図９に見られる通りとなる。ここで、総流量は０．５ｓｌｐｍと比較的少なめであることから、生成室とインパクタの間の輸送管で多くの特に小さめのナノ粒子が壁面に付着して失われる。実際、ナノ粒子の輸送管の通過量は、流量に指数関数的に依存する。その結果、得られるナノ粒子の量は比較的少ないものになる。

（２）第１排気口：０ｓｌｐｍ、第２排気口：１ｓｌｐｍの場合
この場合、流量の増加から、微粒子生成室の圧力が１．０９×１０³Ｐａ（８．２Torr）、インパクタ部の圧力が９．２×１０²Ｐａ（６．９Torr）となる。ここで、ノズルの内径を変えないと、圧力の上昇からカットサイズは上昇して、２．５ｎｍになる。この時のナノ粒子の分布は図９に示されている通りである。この場合、流量が大きいため、輸送管でのナノ粒子の損失は比較的少ない筈である。実際、比較的大きめのナノ粒子量は増加することが認められた。しかしながら、小さめのナノ粒子、例えば、１ｎｍ〜２ｎｍの粒子の量は特に増えていない。これは、生成室の圧力が高いと、小さめのナノ粒子が得られ難い、という理由による。

生成室の圧力を低下させることができればこの問題は解決するが、ノズルにより排気量が制限を受けていることから、簡単に解決できる訳ではない。この結果は、小さいナノ粒子を得ることが目的の場合には良い結果とは言えないが、逆に言うならば、小さいナノ粒子を減らしてサイズ分布を狭くできた、ということであり、別な面における効果が得られることを意味する。

（３）第１排気口：０．５ｓｌｐｍ、第２排気口：０．５ｓｌｐｍの場合
小さめのナノ粒子、即ち、１ｎｍ〜２ｎｍのナノ粒子を大量に得るためには、総流量を１ｓｌｐｍとし、そのうち０．５ｓｌｐｍを第１排気口から廃棄すれば良い。この場合、１ｓｌｐｍなる総流量でありながら、ノズルのコンダクタンスに影響されないノズル上流で０．５ｓｌｐｍが排気されることから、生成室の圧力は７．４６×１０²Ｐａ（５．６Torr）程度であって、さほどの圧力上昇ではない。

それ故、比較的小さい微粒子が生成され、さらに輸送管を流れる流量は１ｓｌｐｍであるから、損失も上記（１）の場合に比較すると少なくなり、通過量は１．５ｎｍの場合１０倍以上になる。
その結果、第１排気口で半分のナノ粒子を捨てたとしても、結局、より多くの小さめの粒子が得られる。この場合、インパクタ部の圧力は上記（１）と同じでカットサイズも変わらない。しかしながら、インパクタ下流で得られるナノ粒子のサイズ分布は、図９に見られる通り、より小さいものが大量に得られることになる。

以上説明したように、インパクタのノズル上流に新たな排気口を設ける簡単な構成によって、ナノ粒子のサイズ分布や量を従来技術に比較して良好に制御できることが理解されよう。また、サイズ選別後のナノ粒子量はＤＭＡを使用した場合の１００倍程度にもなり、ナノ粒子の応用を進める上で大変好ましい結果が得られた。

ここで、実施例１による微粒子サイズ選別装置により、ナノ粒子を選別した結果を、比較例との比較に基づき説明する。
図１０（ａ）は、レーザーアブレーションのみで分級手段がない場合における微粒子の直径分布を示す比較例であり、非特許文献４で紹介されているものである。このように、一般に分級手段がない場合、微粒子サイズの幾何標準偏差は、１．６〜２．０程度であることが多い。ここで、幾何標準偏差が例えば１．６とは、標準偏差が約６０％とほぼ同義である。

図１０（ｂ）は、本発明による微粒子サイズ選別装置（例えば、実施例１の図３と同様の装置構成であり、微粒子捕集手段として円板状の捕集板を有する。）を利用した際の微粒子のサイズ分布を示す一例である。微粒子種類はコバルトであり、キャリアガスであるＨｅの流量は１．９ｓｌｐｍ、ノズルの先端開口径は５．５ｍｍ、微粒子サイズ選別室内の圧力は８４０Ｐａであった。また、コンダクタンス調整用排気口への流量はゼロであった。この場合の幾何平均は３．８ｎｍ、幾何標準偏差は１．２１と、サイズ分布は非常に狭いものとなった。このように、本発明によるインパクタを備えた微粒子サイズ選別装置を利用することにより、比較的サイズの揃ったナノ粒子を得ることが可能になる。

（実施例２）
本実施例では、インパクタ、特に微粒子捕集手段の別形態について説明する。
実施例１では、微粒子捕集手段として円板状の捕集板を用い、それを上下左右、あるいは回転方向にスキャンすることにより微粒子の捕集位置を変えていた。

しかしながら、実施例１のような形態を採った場合、図１１に示すように、捕集されない微粒子が捕集板上を通過する距離が、ノズルと捕集板の相対位置によって異なる。そのような微粒子は、捕集板上を通過する際に一部が捕集板上に捕捉されるため、図１１に示す位置Ａと位置Ｂとでは、インパクタを通過して微粒子堆積室（例えば、図３の微粒子堆積室３２）に導かれる微粒子量が数１０％異なる懸念がある。更には、微粒子堆積室に導かれる微粒子サイズも異なってくる。

本実施例では、本発明の実施例１の構成が抱える若干の問題点を解消すべく、図１２に示すように、捕集板３（２９）に代わる微粒子捕集手段として、帯状の捕集シート５１を利用する。

この捕集シート５１は、時間経過と共に長手方向のみに移動し、図示の例では一端部５２から他端部５３に向かって例えば図示の矢印方向に巻き取るように構成される。当該構成により、微粒子５０の捕集シート５１上の通過距離は常に一定（捕集シート５１の幅の半値程度）であり、微粒子５０は捕集シート５１の表面で常に微粒子堆積のない新しい部分に指向する（捕獲或いは捕獲されずに通過する。図示の例では通過する場合を例示する。）ことになる。

捕集シート５１は、捕集板２９（例えば図６の状態）と同様に、表面が陽極酸化によるアルミニウム酸化膜で覆われている。また、アルミニウム酸化膜の代わりに、当該表面にカーボンナノチューブを形成したり（例えば図７，図８と同様の状態）、高アスペクト比構造を持つシリコン、酸化亜鉛等のナノワイヤを捕集シート５１の表面に成長、或いは載置した構成としても好適である。

本実施例では、ノズル２の先端開口径は約３．２５ｍｍ、捕集板の短辺の長さは約２０ｍｍである。この例では、捕集シート５１として、厚み約５０μｍ程度のステンレスシートに図７のようにカーボンナノチューブを５μｍ程度成長したものを用いている。捕集シート５１の送り速度は、例えば０．０５ｍｍ／ｓ程度である。この捕集シート５１は、ロール状とされているため、短期に取り替えることを要せずに長時間使用することができる。このような捕集シート５１を微粒子捕集手段として用いた結果、微粒子堆積室に導かれる微粒子量の時間変動は数％以内の低値となった。

本発明においては、前記説明した実施形態及び諸実施例を含め、多くの形態で実施することができる。以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。

（付記１）微粒子の排気口が設けられた微粒子サイズ選別室と、
選別対象となる微粒子を含むキャリアガスを前記微粒子サイズ選別室内へ放出するノズルを有する微粒子導入手段と、
前記微粒子サイズ選別室内に設けられており、前記ノズルから放出された微粒子を選択的に捕集する微粒子捕集手段と
を含み、
前記ノズルから放出された微粒子のうち、前記微粒子捕集手段に捕集されないことでサイズが揃えられた微粒子を、前記排気口から放出することを特徴とする微粒子サイズ選別装置。

（付記２）前記微粒子サイズ選別室は、微粒子のサイズ選別時にその内部が２．６７×１０³Ｐａ以下の低圧に維持されることを特徴とする付記１に記載の微粒子サイズ選別装置。

（付記３）前記微粒子導入手段は、前記ノズルと別体に前記キャリアガスのガス排出口を有することを特徴とする付記１又は２に記載の記載の微粒子サイズ選別装置。

（付記４）前記微粒子導入手段は、前記ガス排出口の上流に前記キャリアガスの流量を調節するバルブを有しており、前記バルブの調節により前記ガス排出口及び前記ノズルにおける前記キャリアガスの流量をそれぞれ制御することを特徴とする付記３に記載の微粒子サイズ選別装置。

（付記５）前記微粒子導入手段は、前記キャリアガスを前記微粒子サイズ選別室へ導入する微粒子導入管を有しており、
前記ノズルは、サイズの異なる口径の複数の放出口を有し、選択された前記放出口が前記微粒子導入管と接続されるように、前記微粒子導入管と別体に配設されていることを特徴とする付記１〜４のいずれか１項に記載の微粒子サイズ選別装置。

（付記６）前記微粒子捕集手段は、表面に垂直な方向の回転軸を有し、所定速度で回転自在とされた円板状部材であり、上下左右に移動自在に配設されていることを特徴とする付記１〜６のいずれか１項に記載の微粒子サイズ選別装置。

（付記７）前記微粒子捕集手段は、低圧に維持された前記微粒子サイズ選別室内で交換自在に配設されていることを特徴とする付記６に記載の微粒子サイズ選別装置。

（付記８）前記微粒子捕集手段は、帯状のシート部材であることを特徴とする付記１〜６のいずれか１項に記載の微粒子サイズ選別装置。

（付記９）前記微粒子捕集手段は、前記ノズルから放出された微粒子の捕集位置が変わるように、前記捕集位置が長手方向に時間経過と共に移動自在とされていることを特徴とする付記８に記載の微粒子サイズ選別装置。

（付記１０）前記微粒子捕集手段は、表面にポーラス構造を有することを特徴とする付記１〜９のいずれか１項に記載の微粒子サイズ選別装置。

（付記１１）前記微粒子捕集手段は、表面にアルミニウム酸化膜が形成されていることを特徴とする付記１〜１０のいずれか１項に記載の微粒子サイズ選別装置。

（付記１２）前記微粒子捕集手段は、表面にカーボンナノチューブが設けられていることを特徴とする付記１〜９のいずれか１項に記載の微粒子サイズ選別装置。

（付記１３）前記微粒子捕集手段は、表面にナノワイヤが設けられていることを特徴とする付記１〜９のいずれか１項に記載の微粒子サイズ選別装置。

（付記１４）選別対象となる微粒子を含むキャリアガスを微粒子サイズ選別室内へ放出し、前記微粒子サイズ選別室内に設けられている微粒子捕集手段により微粒子を選択的に捕集するとともに、前記微粒子捕集手段に捕集されないことでサイズが揃えられた微粒子を収集することを特徴とする微粒子サイズ選別方法。

（付記１５）前記微粒子サイズ選別室内を、微粒子のサイズ選別時に２．６７×１０³Ｐａ以下の低圧に維持することを特徴とする付記１４に記載の微粒子サイズ選別方法。

（付記１６）前記ノズルと別体に前記キャリアガスのガス排出口設けるとともに、前記ガス排出口の上流に前記キャリアガスの流量を調節するバルブを設け、前記バルブの調節により前記ガス排出口及び前記ノズルにおける前記キャリアガスの流量をそれぞれ制御することを特徴とする付記１４又は１５に記載の微粒子サイズ選別方法。

（付記１７）前記微粒子捕集手段は、表面に垂直な方向の回転軸を有し、所定速度で回転自在とされた円板状部材であり、上下左右に移動自在に配設されていることを特徴とする付記１４〜１６のいずれか１項に記載の微粒子サイズ選別方法。

（付記１８）前記微粒子捕集手段は、帯状のシート部材であることを特徴とする付記１４〜１６のいずれか１項に記載の微粒子サイズ選別方法。

（付記１９）前記微粒子捕集手段は、前記ノズルから放出された微粒子の捕集位置が変わるように、前記捕集位置が長手方向に時間経過と共に移動自在とされていることを特徴とする付記１８に記載の微粒子サイズ選別方法。

本発明のインパクタの原理を理解するために必要な要部説明図である。 本実施形態による微粒子サイズ選別装置を示す要部説明図である。 実施例１による微粒子サイズ選別装置を表す要部説明図である。 実施例１におけるインパクタの詳細を表す要部斜面図である。 陽極酸化されたアルミニウム酸化膜で覆われた捕集板の表面のＳＥＭ像の写真を示す図である。 捕集板の表面に形成されたアルミニウム酸化膜の様子を模式的に示す要部斜視図である。 捕集板の表面にカーボンナノチューブが形成された一例を示す要部斜面図である。 捕集板の表面にカーボンナノチューブが形成された他の例を示す要部斜面図である。 基板に堆積される微粒子量やサイズ分布を示す特性図である。 微粒子サイズ選別装置により、ナノ粒子を選別した結果を、比較例との比較に基づいて示す分布図である。 実施例１における若干の問題を説明するための特性図である。 実施例２における捕集帯の様子を表す要部斜面図である。

符号の説明

１ 微粒子サイズ選別室
２ ノズル
３，２９ 補集板
４ 排気口
１０ 微粒子導入部
１１ 輸送管
１２ コンダクタンス調整用バルブ
１３ コンダクタンス調整用ガス排気口
２１ 微粒子生成室
２２ コバルトのターゲット
２３ Ｎｄ：ＹＡＧからなるパルスレーザ
２４ 微粒子を含むキャリアガスの輸送管
２５ コンダクタンス調整用バルブ
２６ コンダクタンス調整用ガス排気口
２７ 微粒子サイズ選別室
２８ ノズル
３１ 排気口
３２ 微粒子堆積室
３３ 基板
４１ 微粒子サイズ選別室
４２ 捕集板のホルダー
４３ ノズルプレート
４４ チューブ
４５ フランジ
４６ Ｏ−リング
４７ ノズルプレートの駆動機構
４８ 捕集板の駆動機構
４９ カーボンナノチューブ
５０ 微粒子
５１ 捕集シート
５２ 一端部
５３ 他端部
６１ アルミニウム酸化膜
６２ 孔

Claims (10)

1. 微粒子の排気口が設けられた微粒子サイズ選別室と、
   選別対象となる微粒子を含むキャリアガスを前記微粒子サイズ選別室内へ放出するノズルを有する微粒子導入手段と、
   前記微粒子サイズ選別室内に設けられており、前記ノズルから放出された微粒子を選択的に捕集する微粒子捕集手段と
   を含み、
   前記ノズルから放出された微粒子のうち、前記微粒子捕集手段に捕集されないことでサイズが揃えられた微粒子を、前記排気口から放出することを特徴とする微粒子サイズ選別装置。
2. 前記微粒子導入手段は、前記ノズルとは別体に前記キャリアガスのガス排出口を有するとともに、前記ガス排出口の上流に前記キャリアガスの流量を調節するバルブを有しており、前記バルブの調節により前記ガス排出口及び前記ノズルにおける前記キャリアガスの流量をそれぞれ制御することを特徴とする請求項１に記載の微粒子サイズ選別装置。
3. 前記微粒子導入手段は、前記キャリアガスを前記微粒子サイズ選別室へ導入する微粒子導入管を有しており、
   前記ノズルは、サイズの異なる口径の複数の放出口を有し、選択された前記放出口が前記微粒子導入管と接続されるように、前記微粒子導入管と別体に配設されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の微粒子サイズ選別装置。
4. 前記微粒子捕集手段は、表面に垂直な方向の回転軸を有し、所定速度で回転自在とされた円板状部材であり、上下左右に移動自在に配設されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の微粒子サイズ選別装置。
5. 前記微粒子捕集手段は、帯状のシート部材であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の微粒子サイズ選別装置。
6. 前記微粒子捕集手段は、前記ノズルから放出された微粒子の捕集位置が変わるように、前記捕集位置が長手方向に時間経過と共に移動自在とされていることを特徴とする請求項５に記載の微粒子サイズ選別装置。
7. 前記微粒子捕集手段は、表面にポーラス構造を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の微粒子サイズ選別装置。
8. 前記微粒子捕集手段は、表面にカーボンナノチューブが設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の微粒子サイズ選別装置。
9. 選別対象となる微粒子を含むキャリアガスを微粒子サイズ選別室内へ放出し、前記微粒子サイズ選別室内に設けられている微粒子捕集手段により微粒子を選択的に捕集するとともに、前記微粒子捕集手段に捕集されないことでサイズが揃えられた微粒子を収集することを特徴とする微粒子サイズ選別方法。
10. 前記ノズルと別体に前記キャリアガスのガス排出口設けるとともに、前記ガス排出口の上流に前記キャリアガスの流量を調節するバルブを設け、前記バルブの調節により前記ガス排出口及び前記ノズルにおける前記キャリアガスの流量をそれぞれ制御することを特徴とする請求項９に記載の微粒子サイズ選別方法。

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