JP2007331953A - Atom-involved silicon cluster and its producing method - Google Patents

Atom-involved silicon cluster and its producing method Download PDF

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Toshiro Kaneko
俊郎 金子
Rikizo Hatakeyama
力三 畠山
Yasuhiko Kasama
泰彦 笠間
Kenji Omote
研次 表
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Tohoku University NUC
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Tohoku University NUC
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve such a problem that the synthesis of an atomic metal-involved silicon cluster is reported up to now as a silicon cluster to be anticipated as a new electronics material but since the efficiency is extremely low when an ionized metal is produced, the silicon cluster can not be mass-produced. <P>SOLUTION: An atomic gas-involved silicon cluster is synthesized by reacting an atomic gas with silicon. An ionized gas is produced more easily in higher efficiency in comparison with the ionized metal. As a result, the silicon cluster can be mass-produced. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、ガス原子を内包したシリコンクラスター材料、及び、その製造方法に関する。 The present invention relates to a silicon cluster material containing gas atoms and a method for manufacturing the same.

特開2004-99349号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2004-99349 S.M.Beck, J.Chem.Phys. 87 (1987) 4233S.M.Beck, J.Chem.Phys. 87 (1987) 4233 M.Ohara et al., Chem. Phys. Lett. 371 (2003) 490M. Ohara et al., Chem. Phys. Lett. 371 (2003) 490 K.Jackson et al., Chem. Phys. Lett. 254 (1996) 249K. Jackson et al., Chem. Phys. Lett. 254 (1996) 249

近年、カーボンフラーレンやカーボンナノチューブなど、炭素原子からなるナノクラスターが、優れた物性を示す新規材料として盛んに研究されている。炭素と同じIV族の元素であるシリコンは、現在の半導体産業にとって最も重要なデバイス材料であり、バルクシリコンについてはこれまで多くの研究資産が蓄積されている。一方、シリコン原子からなるナノクラスター、すなわち、シリコンクラスターは、バルクシリコンにない優れた物性とシリコンプロセスとの高い整合性が期待され、新規な半導体素子、3次元電子素子、発光素子など新規デバイスを実現する材料として研究が進められている。   In recent years, nanoclusters composed of carbon atoms, such as carbon fullerenes and carbon nanotubes, have been actively studied as new materials exhibiting excellent physical properties. Silicon, the same group IV element as carbon, is the most important device material for the current semiconductor industry, and many research assets have been accumulated for bulk silicon. On the other hand, nanoclusters consisting of silicon atoms, that is, silicon clusters, are expected to have excellent physical properties not found in bulk silicon and high consistency with silicon processes. Research is progressing as a material to realize.

1987年、S.M.Beckらは、反応室中にSiH4/Heガスを導入し、金属ターゲットに対しレーザ光を照射するレーザーアブレーション法を用いて、シリコンクラスターMSi(M=W, Co, Cr, Mo, Cu, n=15, 16)を合成した(非特許文献1)。
その後、金山らは、反応室中にSiH4/Heガスと金属蒸気を導入し、電子ビームを照射してSiイオンと金属イオンを発生させ、四重極イオントラップ法を用いて、金属原子内包シリコンクラスターMSin (M=W, Nb, Ta, Re, Ir, Mo, Hf, n=10, 12, 14, 16)を合成した(特許文献1)。
さらに、2003年に、茅らは、金属ロッドとSiロッドに対しレーザ光を照射するレーザーアブレーション法を用いて金属とSiを気化し、発生した蒸気を高圧のHeガス中で冷却し、金属原子内包シリコンクラスターMSin (M=Ti, Hf, Mo, W, n=15, 16)を合成した(非特許文献2)。
1987, SMBeck et al, introduced a SiH 4 / the He gas into the reaction chamber, by using a laser ablation method of irradiating a laser beam to the metal target, a silicon cluster MSi n (M = W, Co , Cr, Mo , Cu, n = 15, 16) (Non-patent Document 1).
After that, Kanayama et al. Introduced SiH 4 / He gas and metal vapor into the reaction chamber, radiated an electron beam to generate Si ions and metal ions, and used a quadrupole ion trap method to encapsulate metal atoms. silicon cluster MSi n was synthesized (M = W, Nb, Ta , Re, Ir, Mo, Hf, n = 10, 12, 14, 16) and (Patent Document 1).
Furthermore, in 2003, Sakai et al. Vaporized metal and Si using a laser ablation method in which a metal rod and a Si rod were irradiated with laser light, and the generated vapor was cooled in high-pressure He gas to produce metal atoms. An embedded silicon cluster MSi n (M = Ti, Hf, Mo, W, n = 15, 16) was synthesized (Non-patent Document 2).

シミュレーションによれば、シリコンクラスターは、Si以外の原子を内包することにより、安定に存在できるようになると言われている(非特許文献3)。一方、これまでシミュレーション、合成実験の報告のあった原子内包シリコンクラスターは、すべて金属原子を内包するシリコンクラスターであった。すなわち、実際にシリコンクラスターの合成に成功し、シリコンクラスターを安定に生成できることを実証できた原子は金属原子だけであった。
報告された金属原子内包シリコンクラスターは、特殊なトラップ装置(特許文献1)やレーザーアブレーション法(非特許文献1、2)により合成されており、装置構成が複雑であった。また、金属原子はイオン化効率が悪く、シリコンクラスターを大量に合成することができないという問題があった。エレクトロニクス分野で優れた新規材料として期待されるシリコンクラスターを工業利用可能なレベルで大量に生産するには、より簡単な構成の装置を用い高い生成効率で合成可能な製造方法の開発が望まれていた。
According to the simulation, it is said that silicon clusters can exist stably by including atoms other than Si (Non-patent Document 3). On the other hand, all the silicon clusters containing atoms that have been reported in simulations and synthesis experiments so far were silicon clusters containing metal atoms. In other words, the metal atoms were the only atoms that succeeded in the synthesis of silicon clusters and proved that silicon clusters could be generated stably.
The reported metal atom-containing silicon clusters were synthesized by a special trap device (Patent Document 1) or a laser ablation method (Non-Patent Documents 1 and 2), and the device configuration was complicated. In addition, metal atoms have poor ionization efficiency, and there is a problem that a large amount of silicon clusters cannot be synthesized. In order to mass-produce silicon clusters, which are expected to be excellent new materials in the electronics field, at a level that can be industrially used, it is desired to develop a production method that can be synthesized with high production efficiency using a device with a simpler configuration. It was.

本発明(1)は、不活性ガス原子を内包する原子内包シリコンクラスターである。   The present invention (1) is an atom-containing silicon cluster that contains an inert gas atom.

本発明(2)は、化学式がX@Sin(X=He, Ne, Ar, n=12〜18)で表現される前記発明(1)の原子内包シリコンクラスターである。 The present invention (2) is the atomically encapsulated silicon cluster of the invention (1) whose chemical formula is represented by X @ Si n (X = He, Ne, Ar, n = 12 to 18).

本発明(3)は、プラズマ中で不活性ガスイオンとシリコンイオンを反応させることにより、不活性ガス原子を内包するシリコンクラスターを生成する原子内包シリコンクラスターの製造方法である。   The present invention (3) is a method for producing an atomically encapsulated silicon cluster that generates a silicon cluster that encapsulates inert gas atoms by reacting inert gas ions with silicon ions in plasma.

本発明(4)は、真空容器中に不活性ガスを導入し、高周波誘導により前記不活性ガスを励起して不活性ガスプラズマを生成し、同時に前記真空容器中でシリコンイオンを生成して前記不活性ガスプラズマ中に導入することにより前記不活性ガスイオンと前記シリコンイオンを反応させることを特徴とする前記発明(3)の原子内包シリコンクラスターの製造方法である。   The present invention (4) introduces an inert gas into a vacuum vessel, excites the inert gas by high frequency induction to generate an inert gas plasma, and simultaneously generates silicon ions in the vacuum vessel. The method for producing an atomically encapsulated silicon cluster according to the invention (3), wherein the inert gas ions and the silicon ions are reacted by being introduced into an inert gas plasma.

本発明(5)は、少なくとも、真空容器と、前記真空容器中に不活性ガスを導入するガス導入管と、前記不活性ガスをイオン化するプラズマ生成手段と、前記真空容器中にシリコンプラズマを供給するシリコンプラズマ生成手段とからなる原子内包シリコンクラスターの製造装置である。   The present invention (5) provides at least a vacuum vessel, a gas introduction pipe for introducing an inert gas into the vacuum vessel, a plasma generating means for ionizing the inert gas, and supplying silicon plasma into the vacuum vessel This is an apparatus for producing an atomically-encapsulated silicon cluster comprising silicon plasma generating means.

1.金属原子を内包する場合だけでなく、ガス原子を内包する場合にも、シリコンクラスターが、原子内包シリコンクラスターとして安定に生成され得ることが実証された。
2.ガス原子は、金属原子と比べ、イオン化が容易で、イオン生成効率が高い。ガス原子を内包することで、簡単な構成の装置でシリコンクラスターを製造でき、大量生産が可能になった。
3.シリコンクラスターに内包するガス原子として不活性ガスを用いることにより、合成作業の安全性が高くなった。
1. It has been demonstrated that silicon clusters can be stably generated as atomic-encapsulated silicon clusters not only when encapsulating metal atoms but also when encapsulating gas atoms.
2. Gas atoms are easier to ionize and have higher ion generation efficiency than metal atoms. By including gas atoms, silicon clusters can be manufactured with a simple configuration, enabling mass production.
3. By using an inert gas as the gas atoms contained in the silicon cluster, the safety of the synthesis work has increased.

以下、本発明の最良形態について説明する。   The best mode of the present invention will be described below.

(ガス原子内包シリコンクラスター)
本発明の原子内包シリコンクラスターは、ガス原子を内包したクラスターであることを特徴とする。ガス原子内包クラスターについては、炭素クラスターにおいて、いくつか合成に成功したとの報告例がある。しかし、ガス原子内包シリコンクラスターについて言及した論文はこれまで提出されておらず、また、実際に合成に成功したとの報告例もこれまで出されていなかった。
発明者らは、電子ビームによりSiプラズマを生成し、同時に、誘導結合Arプラズマを生成して、SiイオンとArイオンを反応させることにより、初めて、Ar内包シリコンクラスターの合成に成功した。原子を内包することでシリコンクラスターは安定に生成されると言われているが、内包原子は従来報告されてきた金属原子だけでなく、ガス原子とした場合でも、シリコンクラスターを安定に生成できることが確認できた。
内包原子として、金属原子を用いるよりも、ガス原子を用いるほうが、装置構成が簡単で、イオン生成効率が高い。一般的な金属原子は、常温では固体であるため、イオン化するためには、加熱や電子ビーム、イオンビームの照射により気化する必要がある。そのためイオン生成装置が複雑で、また、イオン生成効率も低い。それに対し、ガス原子は、イオン化が容易で、イオン生成効率も高い。
内包するガス元素としては、特に、不活性ガスを用いるのが、安全性が高く取扱いが容易で、イオン化し易いという点で好ましい。また、不活性ガスプラズマ中では、SiイオンやSiラジカルのライフタイムが長くなり、シリコンクラスターの生成量が増えるという効果もある。発明者らは、He、Ne、Ar、Krを用いてシリコンクラスターの合成を試みた。He、Ne、Arについては原子内包シリコンクラスターの生成が確認できたが、Krについては、内包が確認できなかった。Krは、原子の粒径が比較的大きいためにクラスターに内包できなかったと考えられる。
(Gas atom inclusion silicon cluster)
The atomically encapsulated silicon cluster of the present invention is characterized in that it is a cluster encapsulating gas atoms. There are some reports of successful synthesis of gas atom inclusion clusters in carbon clusters. However, no papers mentioning gas-encapsulated silicon clusters have been submitted so far, and there have been no reports of successful synthesis.
The inventors have succeeded in synthesizing an Ar-containing silicon cluster for the first time by generating Si plasma by an electron beam and simultaneously generating inductively coupled Ar plasma to react Si ions with Ar ions. It is said that silicon clusters can be generated stably by including atoms. However, not only metal atoms that have been reported in the past but also silicon clusters can be generated stably even when gas atoms are used. It could be confirmed.
The use of gas atoms rather than metal atoms as the encapsulated atoms has a simpler device configuration and higher ion generation efficiency. Since general metal atoms are solid at room temperature, in order to be ionized, it is necessary to vaporize them by heating, electron beam irradiation, or ion beam irradiation. Therefore, the ion generation apparatus is complicated and the ion generation efficiency is low. In contrast, gas atoms are easily ionized and have high ion generation efficiency.
As the gas element to be included, it is particularly preferable to use an inert gas because it is safe, easy to handle, and easily ionized. In addition, in the inert gas plasma, the lifetime of Si ions and Si radicals is increased, and the amount of silicon clusters generated is also increased. The inventors tried to synthesize silicon clusters using He, Ne, Ar, and Kr. For He, Ne, and Ar, generation of atomic inclusion silicon clusters was confirmed, but for Kr, inclusion was not confirmed. It is considered that Kr could not be included in the cluster due to the relatively large atomic particle size.

ここで、「クラスター」とは、せいぜい100個程度の複数の原子や分子が結合してできる集合体を意味する。1個の集合体の大きさは、ナノメートルオーダーであるため、ナノクラスターとも言われている。原子や分子が、球状に結合したクラスターを「フラーレン」と呼び、筒状に集まったクラスターを「ナノチューブ」と呼ぶ。
ガス原子を内包することによるクラスターの物性への影響については、カーボンフラーレンにおいていくつか報告があり、特に、不活性ガスのHe、Ar、Kr、Xeでも、フラーレンの物性を変化させ得ることが報告されている。従って、不活性ガスを内包するシリコンクラスターにおいても、シリコンクラスターの物性を変化させ、新たに優れた物性のシリコンクラスター材料が得られることが十分予測できる。
Here, the “cluster” means an aggregate formed by combining a plurality of atoms and molecules of about 100 at most. Since the size of one aggregate is on the order of nanometers, it is also called a nanocluster. Clusters in which atoms and molecules are bonded in a spherical shape are called “fullerenes”, and clusters that are gathered in a cylindrical shape are called “nanotubes”.
The effects of inclusion of gas atoms on the physical properties of clusters have been reported for carbon fullerenes. In particular, the inert gas He, Ar, Kr, and Xe also reported that the physical properties of fullerenes can be changed. Has been. Accordingly, it can be sufficiently predicted that a silicon cluster material having excellent physical properties can be obtained by changing the physical properties of the silicon cluster even in the silicon cluster containing the inert gas.

(ガス原子内包シリコンクラスターの製造装置)
図1(a)は、本発明に係るガス原子内包シリコンクラスターの製造装置の具体例の概略図である。図1(a)に示す製造装置は、真空容器1、真空ポンプ2、Siプラズマ源3、不活性ガス導入管4、グリッド電極板5、高周波誘導コイル6、堆積基板7から構成される。
プラズマの生成、シリコンクラスターの合成は、以下に述べる手順で行う。最初に、真空容器1を真空ポンプ2により減圧する。背景真空度は約10-3Pa以下とするのが好ましい。次に、不活性ガス、例えば、Arガスを不活性ガス導入管4から真空容器1中に導入し、高周波誘導コイル6に高周波電流を流し、Arガスを励起してArの正イオンと電子からなるプラズマ8を生成する。高周波誘導コイル7に電力を供給する電源は、高周波電源10、マッチングボックス11、ブロッキングコンデンサ12から構成される。高周波電源10は周波数13.56MHzの高周波電力を供給する電源で、高周波電力は0〜300Wの範囲で制御可能である。次に、Siプラズマ源3を作動させ、Siの正イオンをプラズマ中に導入する。高周波誘導コイル6とSiプラズマ源3の間には、グリッド電極板5が配置されている。グリッド電極板5の電位は接地電位とする。これにより、プラズマ8の電位を制御でき、同時に、プラズマ8のSiプラズマ源3への流入を防止できる。
図1(b)は、図1(a)に示すSiプラズマ源3の詳細図であり、Siプラズマを生成する原理の説明図である。Siプラズマ源3は、るつぼ15、電子ビーム加速電源17、フィラメント加熱電源18、電子ビーム生成フィラメント19、電磁コイルなどの磁界印加手段から構成される。るつぼ15の中にSi固体原料16を入れる。まず、フィラメント加熱電源18により電子ビーム生成フィラメント19に電流を供給し、フィラメント19から電子を発生させる。図では、フィラメント加熱電源18として交流電源を用いているが、直流電源を用いることも可能である。電子ビーム加速電源17により、電子ビーム生成フィラメント19とるつぼ15の間に約4kVの加速電圧を印加する。同時に、磁界BEBを印加する。フィラメント19から発生した電子は、加速電圧により加速され、磁界により進行方向を曲げられて、るつぼ15の中のSi固体原料16に照射される。電子の衝突によりSi固体原料16は、加熱され蒸発するとともに、電離して、Siイオン20と電子21からなるプラズマになる。Siイオンの生成は、電子のエミッション電流IEBを測定して制御した。
図1(a)において、高周波誘導コイル6に囲まれた位置に、ステンレス製の堆積基板7をステンレス製の棒により支持して配置する。プラズマ8にSiイオン20が流入し、プラズマ8中のArイオンとSiイオンが反応し、堆積基板7に反応生成物が堆積する。プラズマ8の状態を測定するために、高周波誘導コイル6の近傍にプラズマ測定用プローブ9が配置されている。
実施例において説明するように、Ar内包シリコンクラスターの存在が、堆積基板上の反応生成物の中に確認された。ガス原子として、Ar以外に、He、Neについてもクラスター合成実験を行い、いずれの場合も、ガス原子内包シリコンクラスターの生成が確認できた。
(Production equipment for silicon clusters containing gas atoms)
FIG. 1 (a) is a schematic view of a specific example of the apparatus for producing a gas atom-containing silicon cluster according to the present invention. The manufacturing apparatus shown in FIG. 1 (a) includes a vacuum vessel 1, a vacuum pump 2, a Si plasma source 3, an inert gas introduction tube 4, a grid electrode plate 5, a high-frequency induction coil 6, and a deposition substrate 7.
Plasma generation and silicon cluster synthesis are performed according to the following procedure. First, the vacuum vessel 1 is depressurized by the vacuum pump 2. BACKGROUND vacuum is preferably not more than about 10 -3 Pa. Next, an inert gas, for example, Ar gas is introduced into the vacuum vessel 1 from the inert gas introduction tube 4, a high-frequency current is passed through the high-frequency induction coil 6, and the Ar gas is excited to generate Ar ions and positive ions. A plasma 8 is generated. A power source that supplies power to the high-frequency induction coil 7 includes a high-frequency power source 10, a matching box 11, and a blocking capacitor 12. The high-frequency power supply 10 is a power supply that supplies high-frequency power with a frequency of 13.56 MHz, and the high-frequency power can be controlled in the range of 0 to 300 W. Next, the Si plasma source 3 is operated to introduce Si positive ions into the plasma. Between the high frequency induction coil 6 and the Si plasma source 3, a grid electrode plate 5 is disposed. The potential of the grid electrode plate 5 is a ground potential. Thereby, the potential of the plasma 8 can be controlled, and at the same time, the plasma 8 can be prevented from flowing into the Si plasma source 3.
FIG. 1 (b) is a detailed view of the Si plasma source 3 shown in FIG. 1 (a) and is an explanatory view of the principle of generating Si plasma. The Si plasma source 3 includes a magnetic field applying means such as a crucible 15, an electron beam acceleration power source 17, a filament heating power source 18, an electron beam generating filament 19, and an electromagnetic coil. The Si solid raw material 16 is put into the crucible 15. First, a current is supplied to the electron beam generating filament 19 from the filament heating power source 18 to generate electrons from the filament 19. In the figure, an AC power source is used as the filament heating power source 18, but a DC power source can also be used. An acceleration voltage of about 4 kV is applied between the electron beam generating filament 19 and the crucible 15 by the electron beam acceleration power source 17. At the same time, the magnetic field B EB is applied. Electrons generated from the filament 19 are accelerated by an acceleration voltage, bent in a traveling direction by a magnetic field, and irradiated onto the Si solid material 16 in the crucible 15. The Si solid raw material 16 is heated and evaporated by the collision of electrons, and is ionized to become plasma composed of Si ions 20 and electrons 21. The generation of Si ions was controlled by measuring the electron emission current I EB .
In FIG. 1A, a stainless steel deposition substrate 7 is supported by a stainless steel rod at a position surrounded by the high frequency induction coil 6. Si ions 20 flow into the plasma 8, and Ar ions and Si ions in the plasma 8 react to deposit reaction products on the deposition substrate 7. In order to measure the state of the plasma 8, a plasma measurement probe 9 is disposed in the vicinity of the high frequency induction coil 6.
As described in the examples, the presence of Ar-encapsulated silicon clusters was confirmed in the reaction product on the deposition substrate. In addition to Ar, cluster synthesis experiments were also conducted for He and Ne in addition to Ar. In each case, formation of gas atom-containing silicon clusters was confirmed.

(製造装置の他の構成例)
図1(a)に示す概略図では、ガスプラズマを高周波誘導により生成しているが、高周波誘導に限らず、直流放電、電子ビーム照射、マイクロ波放電を用いてもガスプラズマの生成、シリコンクラスターの合成が可能である。
また、Siイオンの生成は、図1(b)で説明した電子ビーム照射だけでなく、例えば、不活性ガスイオンを静電場により加速してSi原料に衝突させてイオン化してもよい。さらに、シランガスを不活性ガスと同時に真空容器に導入し、例えば、高周波誘導によりイオン化してもよい。
(Other configuration examples of manufacturing equipment)
In the schematic diagram shown in FIG. 1 (a), the gas plasma is generated by high frequency induction. However, the plasma generation is not limited to the high frequency induction, and the generation of the gas plasma or silicon cluster is also possible using direct current discharge, electron beam irradiation, or microwave discharge. Can be synthesized.
The generation of Si ions is not limited to the electron beam irradiation described with reference to FIG. 1B. For example, inert gas ions may be accelerated by an electrostatic field and collided with a Si raw material to be ionized. Furthermore, the silane gas may be introduced into the vacuum vessel simultaneously with the inert gas and ionized by, for example, high frequency induction.

(金属原子内包シリコンクラスターの製造装置)
図1(a)に示すガス原子内包シリコンクラスターの製造装置に金属ターゲット電極を取り付ける簡単な改造を行うことにより、金属原子を内包するシリコンクラスターを製造することができる。図2(a)は、金属原子内包シリコンクラスターの製造装置の具体例の概略図である。図1(a)に示す装置に対し、新たに、タングステン(W)製のターゲット電極板13が取り付けられており、バイアス電圧印加電源14により負の電圧が印加される。バイアス電圧は、例えば、-500Vとする。
図2(b)は、図2(a)に示す製造装置においてWプラズマを生成する原理の説明図である。高周波誘導で生成したプラズマ8中のArの正イオン22は、ターゲット電極板13に印加されたバイアス電圧により加速され、ターゲット電極板13に衝突する。ターゲット電極板13を構成するW原子は、Arイオン22の衝突により、電離してWイオン23になる。生成したWイオン23とプラズマ8中のSiイオン20は反応して、W内包シリコンクラスターとなり、堆積基板7上に堆積する。堆積した生成物を質量分析した結果、W内包シリコンクラスターの存在が確認された。
W以外の金属材料を用いて作製したターゲット電極板を使用することにより、異なる種類の金属内包シリコンクラスターを合成することが可能である。例えば、Nb, Ta, Re, Ir, Mo, Hf ,Co, Cr, Cu, Tiを内包する金属内包シリコンクラスターの合成が可能である。
不活性ガスプラズマ中で、金属原子をイオン化するので、金属イオンや金属ラジカルのライフタイムが長くなる。そのため、従来の金属内包シリコンクラスターの製造方法と比較して、シリコンクラスターの生成効率が高くなる。
(Metal atom inclusion silicon cluster production equipment)
By performing a simple modification to attach a metal target electrode to the gas atom-containing silicon cluster manufacturing apparatus shown in FIG. 1A, a silicon cluster including metal atoms can be manufactured. FIG. 2A is a schematic diagram of a specific example of a device for producing metal atom-containing silicon clusters. A target electrode plate 13 made of tungsten (W) is newly attached to the apparatus shown in FIG. 1A, and a negative voltage is applied by a bias voltage application power source 14. For example, the bias voltage is -500V.
FIG. 2B is an explanatory diagram of the principle of generating W plasma in the manufacturing apparatus shown in FIG. Ar positive ions 22 in the plasma 8 generated by high frequency induction are accelerated by a bias voltage applied to the target electrode plate 13 and collide with the target electrode plate 13. The W atoms constituting the target electrode plate 13 are ionized to become W ions 23 by the collision of Ar ions 22. The generated W ions 23 and Si ions 20 in the plasma 8 react to form W-containing silicon clusters, which are deposited on the deposition substrate 7. Mass analysis of the deposited product confirmed the presence of W-containing silicon clusters.
By using a target electrode plate produced using a metal material other than W, it is possible to synthesize different types of metal-containing silicon clusters. For example, it is possible to synthesize a metal-encapsulated silicon cluster that includes Nb, Ta, Re, Ir, Mo, Hf, Co, Cr, Cu, and Ti.
Since metal atoms are ionized in an inert gas plasma, the lifetime of metal ions and metal radicals is prolonged. Therefore, the generation efficiency of the silicon cluster is higher than that of the conventional method for producing a metal-encapsulating silicon cluster.

(プラズマパラメータの測定)
図1(a)に示すガス原子内包シリコンクラスターの製造装置を用いて、Siプラズマの生成、Si-Arプラズマの生成、及び、クラスターの合成を行った。プロセス条件としては、高周波電力PRF、Arガス圧力PAr、Siプラズマ源のエミッション電流IEBを制御した。プラズマパラメータとしては、電子密度neと電子温度Teをプラズマ測定プローブにより測定した。
図3(a)は、高周波電力を投入せず、また、Arガスを導入せずに、Siプラズマ源のみ作動させて生成したSiプラズマの電子密度neと電子温度Teのエミッション電流IEB依存性のグラフである。エミッション電流IEBを50mA以上にすることにより、電子密度が108(cm-3)オーダーのSiプラズマを生成できることが確認できた。
図3(b)は、Siプラズマ源を作動させ、エミッション電流IEBを100mAに設定し、同時に、Arガスを導入し、高周波電力を投入して生成したSi-Arプラズマの電子密度neと電子温度Teの高周波電力PRF依存性のグラフである。Arガスの圧力PArは、0.1Paとした。高周波電力PRFが0Wの時の電子密度はSiプラズマによるものである。高周波電力PRFを増加させることにより電子密度が増加しているが、これは、Arプラズマ生成によるものであり、例えば、400Wの高周波電力投入によりSiのみのプラズマに対し、約1桁の電子密度の増加が観測された。
(Measurement of plasma parameters)
Generation of Si plasma, generation of Si-Ar plasma, and synthesis of the cluster were performed using the apparatus for manufacturing silicon clusters containing gas atoms shown in FIG. As process conditions, high-frequency power P RF , Ar gas pressure P Ar , and emission current I EB of the Si plasma source were controlled. As plasma parameters, the electron density ne and the electron temperature Te were measured with a plasma measurement probe.
3 (a) it is not high-frequency power, also without introducing Ar gas, the electron density of the Si plasma generated by operating only Si plasma source n e and the electron temperature T e emission current I EB of It is a dependency graph. It was confirmed that Si plasma with an electron density of the order of 10 8 (cm -3 ) can be generated by setting the emission current I EB to 50 mA or more.
FIG. 3 (b), actuates the Si plasma source, set the emission current I EB to 100 mA, at the same time, Ar gas is introduced, and the electron density n e of the Si-Ar plasma generated by high-frequency power it is a high-frequency power P RF dependency graph of electron temperature T e. The Ar gas pressure P Ar was set to 0.1 Pa. The electron density when the high frequency power P RF is 0 W is due to Si plasma. Increasing the high-frequency power P RF increases the electron density, but this is due to the generation of Ar plasma. For example, by applying 400 W of high-frequency power, the electron density is about an order of magnitude higher than that of Si-only plasma. An increase in was observed.

(質量スペクトル)
図4(a)、(b)は、それぞれ、Siプラズマ、及び、Si-Arプラズマにより合成した生成物の質量分析データである。質量分析は、レーザ脱離飛行時間型質量分析装置(LDTOF-MS)を用い、ネガティブモードで計測した。
図4(a)は、Siのみのプラズマで合成した生成物の質量分析結果である。プロセス条件は、IEB=100mA, PAr=0Pa, PRF=0W, 合成時間=10分であった。黒丸で示すピークが、Si、及びSiクラスターに対応する質量ピークである。Si10までは質量ピークは緩やかに低下するが、Si10を超えると質量ピークは急激に低下し、Si17までのピークが観測できることがわかる。これは、原子を内包していない大きなシリコンクラスターは安定に存在できないことを意味している。
図4(b)は、Si-Arプラズマで合成した生成物の質量分析結果である。プロセス条件は、IEB=100mA, PAr=0.1Pa, PRF=300W, 合成時間=10分であった。質量数が0〜300の領域で、図4(a)に示すスペクトルにおける質量ピークと同様のピークが観測される。さらに、質量数が300〜600の領域で、Siの質量数28の整数倍のピークに対し、Arの質量数に対応する40だけずれた位置に黒四角で示す新たなピークが観測される。これらのピークは、Siプラズマに対しArプラズマを重畳させた時のみ観測され、SiクラスターにArが作用した新たな物質が生成したものと考えられる。ArSin(n=12〜18)に対応する質量数に顕著なピークが観察され、特に、ArSin(n=15,16)に対応する質量数に大きなピークが観測された。また、Arガス圧力を、0.05Pa-0.3Paの範囲に設定した場合に、これらの新規物質に対応する質量ピークが観測された。
(Mass spectrum)
FIGS. 4A and 4B are mass spectrometry data of products synthesized by Si plasma and Si-Ar plasma, respectively. Mass spectrometry was performed in a negative mode using a laser desorption time-of-flight mass spectrometer (LDTOF-MS).
FIG. 4 (a) is a mass analysis result of a product synthesized with a plasma containing only Si. The process conditions were I EB = 100 mA, P Ar = 0 Pa, P RF = 0 W, synthesis time = 10 minutes. The peaks indicated by black circles are mass peaks corresponding to Si and Si clusters. Mass peak until Si 10 gradually decrease, but the mass peaks exceeds Si 10 drops sharply, it can be seen that the peak to Si 17 can be observed. This means that a large silicon cluster that does not contain atoms cannot exist stably.
FIG. 4 (b) shows the mass analysis result of the product synthesized by Si-Ar plasma. The process conditions were I EB = 100 mA, P Ar = 0.1 Pa, P RF = 300 W, synthesis time = 10 minutes. In the region where the mass number is 0 to 300, the same peak as the mass peak in the spectrum shown in FIG. Further, in the region of mass number 300 to 600, a new peak indicated by a black square is observed at a position shifted by 40 corresponding to the mass number of Ar with respect to a peak that is an integral multiple of the mass number 28 of Si. These peaks are observed only when Ar plasma is superimposed on Si plasma, and it is considered that a new substance with Ar acting on the Si cluster was generated. A prominent peak was observed in the mass number corresponding to ArSi n (n = 12 to 18), and in particular, a large peak was observed in the mass number corresponding to ArSi n (n = 15, 16). In addition, when Ar gas pressure was set in the range of 0.05 Pa-0.3 Pa, mass peaks corresponding to these new substances were observed.

(XPSによる組成分析)
図5(a)及び(b)は、それぞれ、Siプラズマ、及び、Si-Arプラズマにより合成した生成物のXPS分析データである。
図5(a)は、Siのみのプラズマで合成した生成物のXPS分析データである。プロセス条件は、IEB=100mA, PAr=0Pa, PRF=0W, 合成時間=10分であった。図5(a)に示すデータにおいて、Siの存在を示すピークが観測される。また、CとOの存在を示すピークも観測されるが、これらは、空気中から混入した不純物によるものと考えられる。
図5(b)は、Si-Arプラズマで合成した生成物のXPS分析データである。プロセス条件は、IEB=100mA, PAr=0.1Pa, PRF=300W, 合成時間=10分であった。図5(b)に示すデータにおいて、Arの存在を示すピークが新たに確認された。
XPSによる組成分析データにおいて、Siクラスター以外にArの存在が確認されたことから、ArとSiクラスターからなる新規物質が生成されたことがわかる。また、レーザー脱離飛行時間型の質量分析において、Arが解離せずにSiクラスターに取り込まれた物質が観測されていることから、新規物質におけるArがSiクラスターの外に存在するものとは考えにくい。これらは、生成された新規物質が、Ar内包シリコンクラスターであることを示すものである。
(Composition analysis by XPS)
FIGS. 5A and 5B are XPS analysis data of products synthesized by Si plasma and Si-Ar plasma, respectively.
FIG. 5A shows XPS analysis data of a product synthesized with a plasma containing only Si. The process conditions were I EB = 100 mA, P Ar = 0 Pa, P RF = 0 W, synthesis time = 10 minutes. In the data shown in FIG. 5 (a), a peak indicating the presence of Si is observed. In addition, peaks indicating the presence of C and O are also observed, but these are thought to be due to impurities mixed in from the air.
FIG. 5 (b) is XPS analysis data of the product synthesized with Si-Ar plasma. The process conditions were I EB = 100 mA, P Ar = 0.1 Pa, P RF = 300 W, synthesis time = 10 minutes. In the data shown in FIG. 5 (b), a new peak indicating the presence of Ar was confirmed.
In the compositional analysis data by XPS, the presence of Ar in addition to the Si clusters was confirmed, indicating that a new substance consisting of Ar and Si clusters was generated. In addition, in the laser desorption time-of-flight mass spectrometry, Ar was not dissociated, but the substance incorporated into the Si cluster was observed. Therefore, it is considered that Ar in the new substance exists outside the Si cluster. Hateful. These indicate that the generated new substance is an Ar-containing silicon cluster.

(a)及び(b)は、それぞれ、本発明に係るガス原子内包シリコンクラスターの製造装置の具体例の概略図、及び、Siプラズマ生成原理の説明図である。(a) And (b) is the schematic of the specific example of the manufacturing apparatus of the gas atom inclusion silicon cluster which concerns on this invention, respectively, and explanatory drawing of the Si plasma production | generation principle. (a)及び(b)は、それぞれ、金属原子内包シリコンクラスターの製造装置の具体例の概略図、及び、Wプラズマ生成原理の説明図である。(a) And (b) is the schematic of the specific example of the manufacturing apparatus of a metal atom inclusion silicon cluster, respectively, and explanatory drawing of the W plasma production | generation principle. (a)及び(b)は、それぞれ、Siプラズマ、及び、Si-Arプラズマにおける電子密度と電子温度のデータである。(a) and (b) are data of electron density and electron temperature in Si plasma and Si-Ar plasma, respectively. (a)及び(b)は、それぞれ、Siプラズマ、及び、Si-Arプラズマにより合成した生成物の質量分析データである。(a) and (b) are mass spectrometric data of the products synthesized by Si plasma and Si-Ar plasma, respectively. (a)及び(b)は、それぞれ、Siプラズマ、及び、Si-Arプラズマにより合成した生成物のXPS分析データである。(a) and (b) are XPS analysis data of products synthesized by Si plasma and Si-Ar plasma, respectively.

符号の説明Explanation of symbols

1 真空容器
2 真空ポンプ
3 Siプラズマ源
4 不活性ガス導入管
5 グリッド電極板
6 高周波誘導コイル
7 堆積基板
8 プラズマ
9 プラズマ測定用プローブ
10 高周波電源
11 マッチングボックス
12 ブロッキングコンデンサ
13 Wターゲット電極板
14 バイアス電圧印加電源
15 るつぼ
16 Si固体原料
17 電子ビーム加速電源
18 フィラメント加熱電源
19 電子ビーム生成フィラメント
20 Siイオン
21 電子
22 Arイオン
23 Wイオン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vacuum container 2 Vacuum pump 3 Si plasma source 4 Inert gas introduction tube 5 Grid electrode plate 6 High frequency induction coil 7 Deposition substrate 8 Plasma 9 Probe for plasma measurement 10 High frequency power supply 11 Matching box 12 Blocking capacitor 13 W Target electrode plate 14 Bias Voltage application power source 15 Crucible 16 Si solid material 17 Electron beam acceleration power source 18 Filament heating power source 19 Electron beam generating filament 20 Si ion 21 Electron 22 Ar ion 23 W ion

Claims (5)

不活性ガス原子を内包する原子内包シリコンクラスター。 Atomic silicon clusters that contain inert gas atoms. 化学式がX@Sin(X=He, Ne, Ar, n=12〜18)で表現される請求項1記載の原子内包シリコンクラスター。 The atomic inclusion silicon cluster according to claim 1, wherein the chemical formula is represented by X @ Si n (X = He, Ne, Ar, n = 12 to 18). プラズマ中で不活性ガスイオンとシリコンイオンを反応させることにより、不活性ガス原子を内包するシリコンクラスターを生成する原子内包シリコンクラスターの製造方法。 A method for producing an atomically encapsulated silicon cluster, wherein a silicon cluster enclosing an inert gas atom is generated by reacting an inert gas ion and a silicon ion in plasma. 真空容器中に不活性ガスを導入し、高周波誘導により前記不活性ガスを励起して不活性ガスプラズマを生成し、同時に前記真空容器中でシリコンイオンを生成して前記不活性ガスプラズマ中に導入することにより前記不活性ガスイオンと前記シリコンイオンを反応させることを特徴とする請求項3記載の原子内包シリコンクラスターの製造方法。 An inert gas is introduced into a vacuum vessel, and the inert gas is excited by high frequency induction to generate an inert gas plasma. At the same time, silicon ions are generated in the vacuum vessel and introduced into the inert gas plasma. 4. The method for producing an atomically encapsulated silicon cluster according to claim 3, wherein the inert gas ions and the silicon ions are reacted. 少なくとも、真空容器と、前記真空容器中に不活性ガスを導入するガス導入管と、前記不活性ガスをイオン化するプラズマ生成手段と、前記真空容器中にシリコンプラズマを供給するシリコンプラズマ生成手段とからなる原子内包シリコンクラスターの製造装置。 At least a vacuum vessel, a gas introduction pipe for introducing an inert gas into the vacuum vessel, a plasma generation means for ionizing the inert gas, and a silicon plasma generation means for supplying silicon plasma into the vacuum vessel An atomic inclusion silicon cluster manufacturing device.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2010010477A (en) * 2008-06-27 2010-01-14 Sumitomo Heavy Ind Ltd Dechucking mechanism, vacuum device, dechucking method, and component for dechucking

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