JP2014037618A - 堆積装置および堆積方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】堆積させる材料粒子の粒径を制御することができる堆積装置を提供する。
【解決手段】堆積装置１００は、材料粒子Ｐを堆積させる堆積装置１００であって、材料粒子Ｐが供給される反応室において、光電効果により、材料粒子Ｐをイオン化するイオン化部２０と、イオン化された材料粒子Ｐをクーロン力によって所与の領域に導く電極部３２，３４と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、堆積装置および堆積方法に関する。
材料を基板に堆積させる堆積装置として、例えば、スパッタ装置、真空蒸着装置、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置等が知られている。このような堆積装置として、イオンプレーティング装置は、密着性の良い良好な膜を形成できるため、注目されている。例えば、特許文献１には、プラズマ電子銃からの電子ビームによって蒸発材料をイオン化し、イオン化された蒸発材料（材料粒子）を基板に堆積させるイオンプレーティング装置が開示されている。
特開平９−２５６１４８号公報
しかしながら、特許文献１に記載の堆積装置では、堆積される材料粒子の粒径のばらつきが大きく、堆積される材料粒子の粒径を制御することができないという問題があった。
本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、堆積させる材料粒子の粒径を制御することができる堆積装置を提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、堆積させる材料粒子の粒径を制御することができる堆積方法を提供することにある。
（１）本発明に係る堆積装置は、
材料粒子を堆積させる堆積装置であって、
前記材料粒子が供給される反応室において、光電効果により、前記材料粒子をイオン化するイオン化部と、
イオン化された前記材料粒子をクーロン力によって所与の領域に導く電極部と、
を含む。
このような堆積装置によれば、イオン化部が光電効果により材料粒子をイオン化するため、イオン化された材料粒子は、粒径が小さいほど単位質量あたりの電荷密度は大きくなる。そのため、材料粒子の粒径が小さいほど、材料粒子に作用するクーロン力の影響は大きくなる。したがって、イオン化部によってイオン化された材料粒子に、電極部によってクーロン力を作用させることにより、堆積される材料粒子の粒径を制御することができる。
（２）本発明に係る堆積装置において、
前記イオン化部は、電磁波を照射して前記材料粒子をイオン化してもよい。
このような堆積装置によれば、例えば反応室を高い真空度に保った状態で、材料粒子をイオン化することができる。
（３）本発明に係る堆積装置において、
前記材料粒子を前記反応室に供給する材料粒子供給部を含んでいてもよい。
（４）本発明に係る堆積装置において、
前記材料粒子供給部は、第１電極と、第２電極と、を有し、前記第１電極と前記第２電極との間に放電を発生させて、前記材料粒子を供給してもよい。
（５）本発明に係る堆積装置において、
前記材料粒子供給部は、電磁波を照射して原料を気化させ、前記材料粒子を供給してもよい。
（６）本発明に係る堆積装置において、
前記材料粒子供給部は、前記材料粒子を含む流体を供給してもよい。
（７）本発明に係る堆積装置において、
前記材料粒子の温度を制御する温度制御部を含んでいてもよい。
このような堆積装置によれば、例えば温度によって材料粒子の粒径が変わるような場合、反応室に供給される材料粒子の粒径を制御することができる。
（８）本発明に係る堆積装置において、
イオン化された前記材料粒子の経路に磁界を発生させる磁界生成部を含んでいてもよい。
このような堆積装置によれば、イオン化された材料粒子を磁気的な性質に応じて選別することができる。
（９）本発明に係る堆積装置において、
イオン化された前記材料粒子を質量に応じて選択する質量フィルター部を含んでいてもよい。
このような堆積装置によれば、堆積される材料粒子の粒径を、より制御することができる。
（１０）本発明に係る堆積装置において、
前記反応室と、イオン化された前記材料粒子が堆積される試料室と、の間に配置されているバルブを含んでいてもよい。
このような堆積装置によれば、堆積される材料粒子の堆積量を制御することができる。
（１１）本発明に係る堆積装置において、
前記電極部は、光電効果によって前記材料粒子から放出された電子を捕集するための電子捕集電極と、イオン化された前記材料粒子を捕集するための材料粒子捕集電極と、を有していてもよい。
（１２）本発明に係る堆積装置において、
前記材料粒子捕集電極上に堆積された前記材料粒子に荷電粒子を供給して、前記材料粒子捕集電極上の前記材料粒子を中性化するニュートライズ部を含んでいてもよい。
このような堆積装置によれば、材料粒子捕集電極上に堆積された材料粒子をニュートライズ（中性化）することができる。
（１３）本発明に係る堆積方法は、
材料粒子を堆積させる堆積方法であって、
前記材料粒子を反応室に供給する工程と、
前記反応室に供給された前記材料粒子を、光電効果により、イオン化する工程と、
イオン化された前記材料粒子をクーロン力によって所与の領域に導いて堆積させる工程と、
を含む。
このような堆積方法によれば、光電効果により材料粒子をイオン化するため、イオン化された材料粒子は、粒径が小さいほど単位質量あたりの電荷密度は大きくなる。そのため、材料粒子の粒径が小さいほど、材料粒子に作用するクーロン力の影響は大きくなる。したがって、光電効果によってイオン化された材料粒子に、クーロン力を作用させることにより、堆積される材料粒子の粒径を制御することができる。
本実施形態に係る堆積装置を模式的に示す斜視図。 本実施形態に係る堆積装置の構成を説明するための概略図。 本実施形態係る材料粒子の堆積方法の一例を示すフローチャート。 本実施形態の第１変形例に係る堆積装置の構成を説明するための概略図。 本実施形態の第２変形例に係る堆積装置の構成を説明するための概略図。 本実施形態の第３変形例に係る堆積装置の構成を説明するための概略図。 本実施形態の第４変形例に係る堆積装置の構成を説明するための概略図。 本実施例の試料を走査型電子顕微鏡で観察した結果を示すＳＥＭ写真。 本実施例の試料を透過型電子顕微鏡で観察した結果を示すＴＥＭ写真。 本実施例の試料を透過型電子顕微鏡で観察した結果を示すＴＥＭ写真。 本実施例の試料を透過型電子顕微鏡で観察した結果を示すＴＥＭ写真。 本実施例の試料を透過型電子顕微鏡で観察した結果を示すＴＥＭ写真。 比較例の試料を走査型電子顕微鏡で観察した結果を示すＳＥＭ写真。 比較例の試料を走査型電子顕微鏡で観察した結果を示すＳＥＭ写真。
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
１． 堆積装置
まず、本実施形態に係る堆積装置について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る堆積装置１００を模式的に示す斜視図である。図２は、本実施形態に係る堆積装置１００の構成を説明するための概略図である。なお、便宜上、図１では、チャンバー２、温度制御部１４の図示を省略している。
堆積装置１００は、図１および図２に示すように、イオン化部２０と、電極部３０と、を含む。堆積装置１００は、例えば、さらに、チャンバー２と、材料粒子供給部１０と、質量フィルター部４０と、を有することができる。
堆積装置１００は、材料粒子Ｐを堆積させる装置である。具体的には、堆積装置１００では、材料粒子供給部１０がチャンバー２の反応室２ａに材料粒子Ｐを供給し、イオン化部２０が反応室２ａに供給された材料粒子Ｐを光電効果によりイオン化し、電極部３０が
イオン化された材料粒子Ｐをクーロン力によって材料粒子捕集電極３４に導くことにより、材料粒子Ｐを堆積させることができる。
材料粒子Ｐは、例えば、カーボンナノチューブ、金属や半導体を包埋したカーボンナノチューブ、フラーレン、金属、絶縁体（セラミック等）、有機物（タンパク質、細胞、ウイルス等）、トナー等の粒や、当該粒の塊である。なお、材料粒子Ｐが、タンパク質、細胞、ウイルスなど、電磁波（例えば紫外線）によって物理的、科学的性質が変化する物質である場合、材料粒子Ｐに電磁波を吸収する電磁波吸収材を付加してもよい。材料粒子Ｐの形状は特に限定されず、例えば、球、多面体、針状など様々な形状を取り得る。材料粒子Ｐの粒径は、例えば、数ｎｍ〜数十μｍ程度である。ここで、材料粒子Ｐの形状が球でない場合、材料粒子Ｐの粒径とは、等体積球相当径をいい、具体的には、材料粒子Ｐと同一体積の球の直径をいう。
チャンバー２は、材料粒子Ｐをイオン化するための反応室２ａと、材料粒子Ｐが堆積される試料室２ｂと、を有している。反応室２ａと試料室２ｂとの間には、開閉可能なバルブ４が配置されている。バルブ４を開くことにより、反応室２ａと試料室２ｂとが連通する。なお、図示の例では、チャンバー２内が、反応室２ａと試料室２ｂとに分けられているが、チャンバー２内が１つの空間であってもよい。すなわち、反応室２ａと試料室２ｂとが区画されておらず一つの空間であってもよい。チャンバー２内は、排気管６に接続された真空排気装置（図示せず）によって真空排気される。チャンバー２内は、例えば、真空雰囲気である。ここで、真空とは、大気圧よりも圧力の低い状態であることをいう。図示はしないが、チャンバー２内には、材料粒子捕集電極３４上に堆積される材料粒子Ｐの堆積量（膜厚）を制御するためのシャッターが設けられていてもよい。
材料粒子供給部１０は、反応室２ａに材料粒子Ｐを供給する。材料粒子供給部１０は、図示の例では、保持台１２と、保持台１２を支持する支持部１３と、を有している。保持台１２は、原料Ｍを保持可能に設けられている。保持台１２は、円筒状の電子捕集電極３２内に配置されている。保持台１２は、例えば、抵抗加熱用ボートである。材料粒子供給部１０では、保持台１２によって原料Ｍを加熱すること（真空加熱）により原料Ｍを蒸発させて、材料粒子Ｐを得ることができる。
なお、材料粒子供給部１０において、原料Ｍを蒸発させる方法は特に限定されない。例えば、保持台１２上の原料Ｍに電磁波（例えばレーザー光）を照射することにより、原料Ｍを蒸発させて材料粒子Ｐを得てもよい（レーザーアブレーション）。このとき、紫外線レーザーを用いることにより、原料Ｍを蒸発させ、かつ、材料粒子Ｐをイオン化することができる。したがって、原料Ｍを蒸発させるための材料粒子供給部１０の光源と、材料粒子Ｐをイオン化するためのイオン化部２０の光源と、を共通化することができる。
反応室２ａにおいて、材料粒子Ｐは、温度制御部１４によって温度が制御される。温度制御部１４は、材料粒子Ｐの温度を制御することができる。温度制御部１４は、図示の例では、反応室２ａに連通する管から反応室２ａに流体を供給して材料粒子Ｐの温度を制御する。温度制御部１４から供給される流体としては、例えば、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスを用いることができる。例えば、原料Ｍから蒸発するときの温度によって材料粒子Ｐの粒径が変わる場合、温度制御部１４が材料粒子Ｐの温度を制御することにより、反応室２ａに供給される材料粒子Ｐの粒径を制御することができる。
イオン化部２０は、反応室２ａにおいて、光電効果により、材料粒子Ｐをイオン化することができる。イオン化部２０は、図示の例では、材料粒子Ｐの仕事関数よりも高いエネルギーを有する電磁波Ｌを照射して、材料粒子Ｐをイオン化する。イオン化部２０は、電磁波Ｌを発生させる光源であり、例えば、紫外線を照射する紫外線ランプである。より具
体的には、イオン化部２０は、例えば、水銀灯、カーボンアーク灯、キセノンランプ等である。
イオン化部２０は、反応室２ａの外に配置されており、チャンバー２の窓部８から、反応室２ａ内に電磁波Ｌを照射する。窓部８は、電磁波Ｌを透過することができる。なお、図示はしないが、イオン化部２０は、レンズやミラーを介して、反応室２ａ内の材料粒子Ｐに電磁波Ｌを照射してもよい。
ここで、イオン化部２０が材料粒子Ｐの仕事関数よりも高いエネルギーを有する電磁波Ｌを材料粒子Ｐに照射することにより、材料粒子Ｐの内部の電子が励起され空間中に飛び出す（光電効果）。これにより、材料粒子Ｐは、電子を失い陽イオン化される。光電効果によってイオン化された材料粒子Ｐの電荷量は、材料粒子Ｐの表面積に比例する。また、材料粒子Ｐの質量は、材料粒子Ｐの体積に比例する。そのため、材料粒子Ｐの単位質量あたりの電荷密度は、材料粒子Ｐの半径に反比例、すなわち、材料粒子Ｐの粒径に反比例する。したがって、材料粒子Ｐの粒径が小さいほど、単位質量あたりの電荷密度は大きくなる。
また、材料粒子Ｐから飛び出す電子は、電磁波Ｌの強さに依存し、電磁波Ｌの強さが大きいほど多い。したがって、電磁波Ｌの強さを制御することによって、材料粒子Ｐの単位質量あたりの電荷密度を制御することができる。
なお、イオン化部２０の構成は、材料粒子Ｐに光電効果を生じさせることができれば、特に限定されない。例えば、イオン化部２０は、反応室２ａ内にＡｒ、Ｎｅ、Ｈｅ等のガスを導入し、反応室２ａ内の電極（図示せず）に電圧を印加して紫外線を含む電磁波（光）を発生させ（例えばグロー放電）、材料粒子Ｐに光電効果を生じさせてもよい。
電極部３０は、イオン化された材料粒子Ｐをクーロン力によって所与の領域に導くことができる。電極部３０は、反応室２ａに配置されている電子捕集電極３２と、試料室２ｂに配置されている材料粒子捕集電極３４と、を有している。
電子捕集電極３２は、図示の例では、陽極である。そのため、光電効果によって材料粒子Ｐから放出された電子を捕集することができる。また、電子捕集電極３２は、陽イオン化された材料粒子Ｐとの間にクーロン力（斥力）を生じさせることができる。これにより、イオン化された材料粒子Ｐは、電子捕集電極３２から離れる方向に加速する。電子捕集電極３２の形状は、例えば、円筒状である。
材料粒子捕集電極３４は、図示の例では、陰極である。そのため、材料粒子捕集電極３４と材料粒子Ｐとの間にはクーロン力（引力）が生じ、イオン化された材料粒子Ｐが引き寄せられる。これにより、材料粒子捕集電極３４には、材料粒子Ｐが堆積される。例えば、材料粒子捕集電極３４上に基板（図示せず）を配置することで、基板上に材料粒子Ｐを堆積させることができる。材料粒子捕集電極３４の形状は、例えば、板状であり、図示の例では、円板状である。
ここで、上述したように光電効果によってイオン化された材料粒子Ｐは、粒径が小さいほど、単位質量あたりの電荷密度は大きくなる。そのため、材料粒子Ｐの粒径が小さいほど、材料粒子Ｐに作用するクーロン力の影響は大きくなる。すなわち、イオン化された材料粒子Ｐは粒径が小さいほど、電子捕集電極３２によって加速され、材料粒子捕集電極３４によって引き寄せられやすい。したがって、電極部３０の電圧を制御することによって、堆積される材料粒子Ｐの粒径を制御することができる。例えば、電極３２，３４間の電圧を高くすることで、堆積される材料粒子Ｐの粒径の上限を大きくすることができ、電極
３２，３４間の電圧を低くすることで、堆積される材料粒子Ｐの粒径の上限を小さくすることができる。
なお、ここでは、電極部３０が２つの電極３２，３４を有する場合について説明したが、電極部３０を構成する電極の数は、特に限定されず、電極部３０は、１つの電極を有していてもよいし、３つ以上の電極を有していてもよい。例えば、図示はしないが、電極部３０は、電子捕集電極３２のみで構成されていてもよいし、材料粒子捕集電極３４のみで構成されていてもよい。
質量フィルター部４０は、材料粒子捕集電極３４に向かって進行するイオン化された材料粒子Ｐの経路に配置されている。図示の例では、質量フィルター部４０は、試料室２ｂに配置されている。質量フィルター部４０は、イオン化された材料粒子Ｐを質量に応じて選択することができる。具体的には、質量フィルター部４０は、所与の質量の範囲の材料粒子Ｐを通過させ、当該所与の質量の範囲に含まれない材料粒子Ｐの進行方向を変えて、材料粒子捕集電極３４に向けて進行させないことができる。質量フィルター部４０は、例えば、４本の円柱状電極を有する四重極型の質量フィルターである。なお、堆積装置１００では、質量フィルター部４０を設けずに、イオン化された材料粒子Ｐを、直接、材料粒子捕集電極３４上に堆積させてもよい。
なお、図示はしないが、堆積装置１００には、反応室２ａにガスを供給するガス供給部が設けられていてもよい。ガス供給部は、イオン化もしくは帯電したガスを反応室２ａに供給することにより、材料粒子Ｐのイオン化を補助することができ、さらに、材料粒子Ｐの帯電量の制御を行うことができる。なお、ガス供給部を設けずに、温度制御部１４が、ガス供給部として機能してもよい。
次に、本実施形態に係る堆積装置１００を用いた、材料粒子の堆積方法について説明する。図３は、本実施形態に係る材料粒子の堆積方法の一例を示すフローチャートである。本実施形態に係る材料粒子の堆積方法は、材料粒子Ｐを反応室２ａに供給する工程Ｓ１０と、反応室２ａに供給された材料粒子Ｐを、光電効果により、イオン化する工程Ｓ１２と、イオン化された材料粒子Ｐをクーロン力によって所与の領域に導いて堆積させる工程Ｓ１３と、を含む。
まず、材料粒子供給部１０が、材料粒子Ｐを反応室２ａに供給する（Ｓ１０）。材料粒子供給部１０は、真空加熱や電磁波（レーザー光）を照射することにより、原料Ｍを蒸発させて、材料粒子Ｐを反応室２ａに供給する。このとき、温度制御部１４が材料粒子Ｐの温度を制御することにより、生成される材料粒子Ｐの粒径を制御することができる。チャンバー２内は、排気管６を介して、真空排気されている。
次に、イオン化部２０が、光電効果によって、反応室２ａに供給された材料粒子Ｐを、イオン化する（Ｓ１２）。イオン化部２０は、反応室２ａに供給された材料粒子Ｐに、電磁波Ｌを照射することにより、材料粒子Ｐをイオン化する。光電効果により材料粒子Ｐから飛び出した電子は、電子捕集電極３２に捕集される。
次に、電極部３０が、イオン化された材料粒子Ｐをクーロン力によって材料粒子捕集電極３４に導いて堆積させる（Ｓ１４）。電極部３０は、電子捕集電極３２および材料粒子捕集電極３４によって、イオン化された材料粒子Ｐにクーロン力を作用させ、材料粒子捕集電極３４に導く。これにより、材料粒子捕集電極３４上に材料粒子Ｐが堆積される。光電効果によってイオン化された材料粒子Ｐは、材料粒子Ｐの粒径が小さいほど、単位質量あたりの電荷密度が大きいため、例えば電磁波Ｌの強さや電極部３０の電圧を制御することによって、堆積される材料粒子Ｐの粒径を制御することができる。また、イオン化され
た材料粒子Ｐの経路には、質量フィルター部４０が配置されている。そのため、所与の質量の範囲の材料粒子Ｐは通過して材料粒子捕集電極３４上に堆積され、当該所与の質量の範囲に含まれない材料粒子Ｐは進行方向が変わり、材料粒子捕集電極３４上に堆積されない。これにより、堆積される材料粒子Ｐの粒径をより制御することができる。また、バルブ４の開閉によって、材料粒子Ｐの堆積量を制御することができる。
以上の工程により、材料粒子Ｐを堆積させることができる。
本実施形態に係る堆積装置１００および本実施形態に係る堆積方法は、例えば、以下の特徴を有する。
堆積装置１００では、イオン化部２０が光電効果により材料粒子Ｐをイオン化し、電極部３０がイオン化された材料粒子Ｐをクーロン力によって所与の領域（材料粒子捕集電極３４）に導くことにより、堆積される材料粒子Ｐの粒径を制御することができる。さらに、イオン化された材料粒子Ｐをクーロン力によって加速して堆積させるため、堆積された材料粒子Ｐは被堆積物（材料粒子捕集電極３４や基板）に対する吸着力が強い。そのため、ファンデルワールス力等による材料粒子Ｐの凝集を防ぐことができる。したがって、材料粒子Ｐが被堆積物上で凝集して、大きな粒となることを防ぐことができる。
このように、堆積装置１００によれば、堆積される材料粒子Ｐの粒径を制御することができるため、粒径が揃った材料粒子Ｐの膜を得ることができる。また、様々な粒径の材料粒子Ｐが混在した試料から、所望の粒径の材料粒子Ｐを選択的に得ることができる。
堆積装置１００では、イオン化部２０は、電磁波Ｌを照射して材料粒子Ｐをイオン化することができる。これにより、チャンバー２内を高い真空度に保った状態で、材料粒子Ｐをイオン化することができる。例えば、ガスプラズマを利用して材料粒子Ｐをイオン化する場合、プラズマを発生させるためのガスが必要となるため、チャンバー内の真空度が低くなり、不純物が被堆積物に付着しやすくなるという問題が生じる場合がある。堆積装置１００では、電磁波Ｌを照射して材料粒子Ｐをイオン化するため、このような問題が生じない。
堆積装置１００では、材料粒子供給部１０は、電磁波Ｌを照射して原料Ｍを気化させ、材料粒子Ｐを供給することができる。これにより、電磁波Ｌによって、原料Ｍを蒸発させ、かつ、材料粒子Ｐをイオン化することができる。したがって、原料Ｍを蒸発させるための材料粒子供給部１０の光源と、材料粒子Ｐをイオン化するためのイオン化部２０の光源と、を共通化することができる。そのため、装置の構成を簡易化することができる。
堆積装置１００では、材料粒子Ｐの温度を制御する温度制御部１４を含む。例えば、原料Ｍから蒸発するときの温度によって材料粒子Ｐの粒径が変わる場合、温度制御部１４が材料粒子Ｐの温度を制御することにより、反応室２ａに供給される材料粒子Ｐの粒径を制御することができる。したがって、堆積される材料粒子Ｐの粒径をより制御することができる。
堆積装置１００では、質量フィルター部４０が、イオン化された材料粒子Ｐを質量に応じて選択することができるため、より堆積される材料粒子Ｐの粒径を制御することができる。
堆積装置１００では、反応室２ａと、イオン化された材料粒子Ｐが堆積される試料室２ｂと、の間に配置されているバルブ４を含むため、材料粒子捕集電極３４上に堆積される材料粒子Ｐの堆積量（膜厚）を制御することができる。
堆積装置１００では、電極部３０は、光電効果によって材料粒子Ｐから放出された電子を捕集するための電子捕集電極３２と、イオン化された材料粒子Ｐを捕集するための材料粒子捕集電極３４と、を有する。これにより、効率よく材料粒子Ｐを材料粒子捕集電極３４に導くことができる。
本実施形態に係る堆積方法によれば、材料粒子Ｐを反応室２ａに供給する工程と、反応室２ａに供給された材料粒子Ｐを、光電効果により、イオン化する工程と、イオン化された材料粒子Ｐをクーロン力によって所与の領域に導いて堆積させる工程と、を含む。したがって、堆積される材料粒子Ｐの粒径を制御することができる。さらに、イオン化された材料粒子Ｐをクーロン力によって堆積させるため、材料粒子Ｐの凝集を防ぐことができる。
２． 変形例
次に、本実施形態の変形例に係る堆積装置について説明する。以下、本実施形態の変形例に係る堆積装置において、上述した堆積装置１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
（１）第１変形例
まず、第１変形例に係る堆積装置について図面を参照しながら説明する。図４は、第１変形例に係る堆積装置２００の構成を説明するための概略図である。
堆積装置１００の例では、図１および図２に示すように、材料粒子供給部１０は、真空加熱や電磁波（レーザー光）を照射することにより原料Ｍを蒸発させて、反応室２ａに材料粒子Ｐを供給した。
これに対し、堆積装置２００では、図４に示すように、材料粒子供給部１０は、第１電極２１０と第２電極２１２との間に放電を発生させて、反応室２ａに材料粒子Ｐを供給する。電極２１０，２１２間で発生させる放電は、例えば、グロー放電、アーク放電等である。
材料粒子供給部１０は、第１電極２１０と、第２電極２１２と、支持部２１４と、を有している。
第１電極２１０および第２電極２１２は、それぞれ支持部２１４に支持されている。第１電極２１０および第２電極２１２は、円筒状の電子捕集電極３２内に配置されている。第１電極２１０および第２電極２１２は、電源（図示せず）に接続されており、この電源によって電極２１０，２１２間に電圧が印加され、放電を生じさせることができる。材料粒子供給部１０では、電極２１０，２１２間に放電を生じさせることにより、電極２１０，２１２の少なくとも一方の表面から材料粒子Ｐを放出させることができる。例えば、電極２１０，２１２の少なくとも一方の材質を、炭素を含む材料とすることで、材料粒子Ｐとして、カーボンナノチューブやフラーレンの粒や当該粒の塊を供給することができる。また、例えば、電極２１０，２１２の少なくとも一方の材質を、金属とすることで、材料粒子Ｐとして、金属粒子を供給することができる。
（２）第２変形例
次に、第２変形例に係る堆積装置について図面を参照しながら説明する。図５は、第２変形例に係る堆積装置３００の構成を説明するための概略図である。
堆積装置１００の例では、図１および図２に示すように、材料粒子供給部１０は、真空
加熱や電磁波（レーザー光）を照射することにより原料Ｍを蒸発させて、反応室２ａに材料粒子Ｐを供給した。
これに対し、堆積装置３００では、図５に示すように、材料粒子供給部１０は、材料粒子Ｐを含む流体を反応室２ａに供給する。
堆積装置３００では、材料粒子供給部１０は、反応室２ａに連通する材料粒子供給管３１０を有している。材料粒子供給管３１０は、反応室２ａと、材料粒子Ｐを含む流体が充填された容器（図示せず）と、を接続している。ここで、流体としては、例えば、不活性ガスを用いることができる。材料粒子供給部１０は、材料粒子供給管３１０を介して、容器内の材料粒子Ｐを含む流体を反応室２ａに供給する。
（３）第３変形例
次に、第３変形例に係る堆積装置について図面を参照しながら説明する。図６は、第３変形例に係る堆積装置４００の構成を説明するための概略図である。
堆積装置４００は、図６に示すように、イオン化された材料粒子Ｐの経路に磁界を発生させる磁界生成部４１０を含む。
磁界生成部４１０は、図示の例では、試料室２ｂに配置されている。より具体的には、磁界生成部４１０は、質量フィルター部４０と材料粒子捕集電極３４との間に配置されている。なお、磁界生成部４１０の配置は、イオン化された材料粒子Ｐの経路に磁界を発生させることができれば、特に限定されない。磁界生成部４１０は、静磁界を発生させてもよいし、交流磁界を発生させてもよい。磁界生成部４１０が、イオン化された材料粒子Ｐの経路に磁界を発生させることにより、材料粒子Ｐを磁気的な性質に応じて選別することができる。したがって、堆積装置４００によれば、材料粒子Ｐが、磁性材料と非磁性材料とを含む場合、磁性材料のみを堆積させたり、非磁性材料のみを堆積させたりすることができる。このような堆積装置４００では、例えば、磁性材料と非磁性材料とを含むトナー材料から磁性材料（磁性トナー）を選別したり、非磁性材料（非磁性トナー）を選別したりすることができる。
なお、図示の例では、堆積装置４００は、質量フィルター部４０と磁界生成部４１０とを有しているが、質量フィルター部４０を設けずに、磁界生成部４１０を設けてもよい。
（４）第４変形例
次に、第４変形例に係る堆積装置について図面を参照しながら説明する。図７は、第４変形例に係る堆積装置５００の構成を説明するための概略図である。
堆積装置５００は、図７に示すように、材料粒子捕集電極３４上に堆積された材料粒子Ｐに、電子やイオン等の荷電粒子を供給して、中性化（ニュートライズ）するニュートライズ部５１０を含む。
ニュートライズ部５１０は、例えば、試料室２ｂに設けられている。ニュートライズ部５１０は、例えば、電子ビームやイオンビームを発生させ、発生した電子ビームやイオンビームを、材料粒子捕集電極３４上に堆積された材料粒子Ｐに向けて放出する。ニュートライズ部５１０は、例えば、電子銃や、イオンガン等である。
なお、ニュートライズ部５１０は、イオン化させた流体を材料粒子捕集電極３４上の材料粒子Ｐに供給して、材料粒子Ｐをニュートライズしてもよい。例えば、イオン化させた流体を温度制御部１４から供給してもよい。このようなニュートライズ部５１０としては
、例えば、イオナイザー等を用いることができる。
堆積装置５００では、ニュートライズ部５１０を含むため、材料粒子捕集電極３４上に堆積された材料粒子Ｐをニュートライズ（中性化）することができる。ここで、例えば材料粒子Ｐが絶縁体の場合、チャージ（帯電）した材料粒子Ｐが材料粒子捕集電極３４上に堆積することで、材料粒子捕集電極３４の表面の電位が、見かけ上、電子捕集電極３２と同電位になる場合がある。これにより、電極３２，３４間の電界が消失し、結果として光電効果により材料粒子Ｐを帯電させても材料粒子捕集電極３４には材料粒子Ｐが堆積しなくなってしまうという問題が生じる。堆積装置５００では、材料粒子捕集電極３４上に堆積された材料粒子Ｐをニュートライズ（中性化）することができるため、このような問題が生じない。
堆積装置５００では、例えば、図３に示すステップＳ１０、ステップＳ１２、ステップＳ１４を行うことにより、材料粒子捕集電極３４上に材料粒子Ｐを堆積させた後、ニュートライズ部５１０が、荷電粒子を材料粒子捕集電極３４上に堆積された材料粒子Ｐに供給して、材料粒子捕集電極３４上に堆積されたチャージした材料粒子Ｐをニュートライズ（中性化）する。そして、再び、ステップＳ１０、ステップＳ１２、ステップＳ１４を行い、さらに、材料粒子捕集電極３４上に材料粒子Ｐを堆積させる。この材料粒子Ｐの堆積、材料粒子Ｐのニュートライズを繰り返すことにより、材料粒子捕集電極３４上に材料粒子Ｐを継続的に堆積させることができる。
上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。
例えば、上述した実施形態および変形例では、材料粒子Ｐが陽イオン化される場合について説明したが、材料粒子Ｐは陰イオン化されてもよい。例えば、材料粒子Ｐと、他の粒子と、を反応室２ａに供給し、当該他の粒子の仕事関数よりも高いエネルギーを有する電磁波を照射する。これにより、光電効果によって当該他の粒子から電子が飛び出す。この飛び出した電子を材料粒子Ｐが得て、材料粒子Ｐが陰イオン化される。このように材料粒子Ｐが陰イオン化された場合、電極３２が陰極となり、電極３４が陽極となる。
また、例えば、上述した実施形態および変形例では、チャンバー２内が真空雰囲気である場合について説明したが、チャンバー２内の雰囲気は、光電効果によって材料粒子Ｐをイオン化することができれば特に限定されない。例えば、チャンバー２内は、大気圧雰囲気であってもよいし、液体雰囲気であってもよい。例えば、フッ素オイルやシリコーンオイル等をチャンバー２内に充填することで、チャンバー２内を液体雰囲気にすることができる。
また、例えば、実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。
３． 実施例
以下、本発明を、実施例を挙げてさらに具体的に説明する。本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
３．１． 試料作製
ここでは、上述した図４に示す堆積装置２００を用いて、実験を行った結果を説明する。
材料粒子捕集電極３４は、ステンレス製とし先端有効直径約２０ｍｍで電圧−５００Ｖの電圧を印加した。材料粒子捕集電極３４上には約１０ｍｍ角のシリコンウエハをカーボンテープで固定し、このシリコンウエハ上に堆積された材料粒子Ｐを観察用の試料とした
。材料粒子供給部１０は、炭素電極を用いたアーク放電方式とした。すなわち、本実施例では、材料粒子Ｐは、炭素粒子である。
電子捕集電極３２は、ステンレス製で＋１０００Ｖの電圧を印加した。イオン化部２０としては、浜松ホトニクス株式会社製の重水素ランプを用い、材料粒子Ｐに対して紫外線照射を行った。バルブ４は、ＶＡＴ株式会社製の高真空シールタイプのものを用いた。温度制御部１４からは株式会社堀場エステック製マスフローコントローラを用いてＨｅガスを数ｓｃｃｍ流入させた。
反応室２ａおよび試料室２ｂ内をターボ分子ポンプで５×１０-4Ｐａまで排気した後、上記の条件のもと、電極２１０，２１２でアーク放電を発生させ、蒸発した炭素を材料粒子捕集電極３４上のシリコンウエハ上に堆積させて試料（以下、「本実施例の試料」という）を作製した。
なお、比較例として、イオン化部２０および電極部３０を有していない従来のアーク放電蒸着装置、およびイオン化部２０および電極部３０を有していない従来のアークフラッシュ放電蒸着装置でシリコンウエハ上に炭素を堆積させて試料（以下、「比較例の試料」という）を作製した。なお、従来のアークフラッシュ放電蒸着装置では、パルス状の電圧を印加してアーク放電を起こし、これにより炭素を蒸着させる（アークフラッシュ方式）。
３．２． 実験
本実施例の試料の観察を、日本電子株式会社製走査型電子顕微鏡ＪＳＭ−７００１Ｆおよび日本電子株式会社製透過型電子顕微鏡ＪＥＭ−２１００で行った。
比較例の試料の観察を、日本電子株式会社製走査型電子顕微鏡ＪＳＭ−７００１Ｆで行った。
３．３． 結果
図８（Ａ）および図８（Ｂ）は、本実施例の試料を日本電子株式会社製走査型電子顕微鏡ＪＳＭ−７００１Ｆで観察した結果を示すＳＥＭ写真である。なお、図８（Ａ）では、観察倍率２００，０００倍、加速電圧１．５ｋＶで観察を行った。また、図８（Ｂ）では、観察倍率１００，０００倍、加速電圧１．５ｋＶで観察を行った。
図９〜図１２は、本実施例の試料を日本電子株式会社製透過型電子顕微鏡ＪＥＭ−２１００で観察した結果を示すＴＥＭ写真である。なお、図９〜図１２では、それぞれ視野が異なっている。また、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）に示す像の一部を拡大して観察した結果を示すＴＥＭ写真である。図１０〜図１２についても同様である。
図１３（Ａ）〜図１３（Ｄ）は、従来のアーク放電蒸着装置で作製した比較例の試料を日本電子株式会社製走査型電子顕微鏡ＪＳＭ−７００１Ｆで観察した結果を示すＳＥＭ写真である。図１４（Ａ）〜図１４（Ｄ）は、従来のアークフラッシュ放電蒸着装置で作製した比較例の試料を、日本電子株式会社製走査型電子顕微鏡ＪＳＭ−７００１Ｆで観察した結果を示すＳＥＭ写真である。
図８に示す本実施例の試料の観察結果では、炭素粒子らしきものが一部確認できるものの鮮明な像を得ることができなかった。これは、炭素粒子の直径が小さく、走査型電子顕微鏡の分解能では炭素粒子の観察が困難であったことが原因と考えられる。
図９〜図１２に示す本実施例の試料の観察結果では、直径３〜３０ｎｍ程度の炭素粒子
が、１０〜１００ｎｍ程度の間隔で点在していることがわかる。
通常、ナノメートルオーダーの微粒子は、微粒子同士の凝集力が強く、独立して存在することが困難である。堆積装置２００では、電極部３０によって、シリコンウエハ上に加速されながら微粒子（炭素粒子）が堆積し、かつ、微粒子（炭素粒子）同士が同じ極性にイオン化されているため、微粒子（炭素粒子）同士は反発しながらシリコンウエハ上に堆積する。そのため、図９〜図１２に示すように、微粒子（炭素粒子）同士は凝集せず、ある程度の距離を保ちながらシリコンウエハ上に堆積されたものと考えられる。
また、本実施例の試料は、図８に示すように、走査型電子顕微鏡でもチャージアップすることなく観察が出来ている。このように、炭素粒子が、距離を隔てて点在しているにもかかわらずチャージアップが起こらないことから、トンネル効果により各炭素粒子が電気的に接続されていると考えられる。
これらの現象は、従来例の試料の炭素粒子同士がファンデルワールス力などによって凝集してしまうという点を解決し、かつ、均一に炭素粒子を生成したことによる効果である。
また、図９（Ｂ）、図１０（Ｂ）、図１１（Ｂ）の観察結果には、炭素粒子の結晶を反映した格子縞が観察されている。このことから、本実施例の試料の炭素粒子は、結晶性を有していることがわかる。
上述した、図８に示す走査型電子顕微鏡で観察した結果から得られたトンネル効果により各炭素粒子が電気的に接続されていること、および図９〜図１１に示す透過側電子顕微鏡で観察した結果から得られた炭素粒子が結晶性を有していることから、本実施例の試料の炭素粒子は、グラフェン構造を有しているものと考えられる。
これに対して、図１３に示すアーク放電方式で作製した従来例の試料の観察結果では、粒状のものは確認できない。また従来例の試料は、茶色く着色されており堆積した膜の厚さは約１０ｎｍ程度である。このことから、従来例の試料は、非晶質（いわゆるアモルファス）の堆積物と考えられる。非晶質の炭素膜は、電気伝導率がグラフェン構造のものと比べてとても低い特徴がある。走査型電子顕微鏡などでチャージアップを防ごうとする場合、従来のアーク方式ではある程度厚く膜をつける必要がある。
図１４に示すアークフラッシュ方式で作製した従来例の試料の観察結果では、３０〜５０ｎｍ程度の炭素粒子が確認できるものの、炭素粒子同士が凝集している部分が確認できる。また、図１４（Ｄ）に示す観察倍率２００，０００倍のＳＥＭ写真ではチャージアップにより像が不鮮明になっており、アークフラッシュ方式での炭素粒子の電気伝導率があまり高くないことを示している。
このように、本実施例から、本発明に係る堆積装置では、凝集させることなく材料粒子を堆積させることができることがわかった。
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
２…チャンバー、２ａ…反応室、２ｂ…試料室、４…バルブ、８…窓部、１０…材料粒子供給部、１２…保持台、１３…支持部、１４…温度制御部、２０…イオン化部、３０…電極部、３２…電子捕集電極、３４…材料粒子捕集電極、４０…質量フィルター部、１００…堆積装置、２００…堆積装置、２１０…第１電極、２１２…第２電極、２１４…支持部、３００…堆積装置、３１０…材料粒子供給管、４００…堆積装置、４１０…磁界生成部、５００…堆積装置、５１０…ニュートライズ部

Claims (13)

  1. 材料粒子を堆積させる堆積装置であって、
    前記材料粒子が供給される反応室において、光電効果により、前記材料粒子をイオン化するイオン化部と、
    イオン化された前記材料粒子をクーロン力によって所与の領域に導く電極部と、
    を含む、堆積装置。
  2. 請求項１において、
    前記イオン化部は、電磁波を照射して前記材料粒子をイオン化する、堆積装置。
  3. 請求項１または２において、
    前記材料粒子を前記反応室に供給する材料粒子供給部を含む、堆積装置。
  4. 請求項３において、
    前記材料粒子供給部は、第１電極と、第２電極と、を有し、前記第１電極と前記第２電極との間に放電を発生させて、前記材料粒子を供給する、堆積装置。
  5. 請求項３において、
    前記材料粒子供給部は、電磁波を照射して原料を気化させ、前記材料粒子を供給する、堆積装置。
  6. 請求項３において、
    前記材料粒子供給部は、前記材料粒子を含む流体を供給する、堆積装置。
  7. 請求項１ないし６のいずれか１項において、
    前記材料粒子の温度を制御する温度制御部を含む、堆積装置。
  8. 請求項１ないし７のいずれか１項において、
    イオン化された前記材料粒子の経路に磁界を発生させる磁界生成部を含む、堆積装置。
  9. 請求項１ないし８のいずれか１項において、
    イオン化された前記材料粒子を質量に応じて選択する質量フィルター部を含む、堆積装置。
  10. 請求項１ないし９のいずれか１項において、
    前記反応室と、イオン化された前記材料粒子が堆積される試料室と、の間に配置されているバルブを含む、堆積装置。
  11. 請求項１ないし１０のいずれか１項において、
    前記電極部は、光電効果によって前記材料粒子から放出された電子を捕集するための電子捕集電極と、イオン化された前記材料粒子を捕集するための材料粒子捕集電極と、を有する、堆積装置。
  12. 請求項１１において、
    前記材料粒子捕集電極上に堆積された前記材料粒子に荷電粒子を供給して、前記材料粒子捕集電極上の前記材料粒子を中性化するニュートライズ部を含む、堆積装置。
  13. 材料粒子を堆積させる堆積方法であって、
    前記材料粒子を反応室に供給する工程と、
    前記反応室に供給された前記材料粒子を、光電効果により、イオン化する工程と、
    イオン化された前記材料粒子をクーロン力によって所与の領域に導いて堆積させる工程と、
    を含む、堆積方法。
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