JP3678959B2 - 機能材料作製装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は機能材料作製装置に関し、特に、微粒子の粒径制御、汚染軽減をなし得ることができる機能材料作製装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、Ｓｉ系ＩＶ族材料から構成される半導体微粒子を可視発光等が可能となる光機能素子に用いることが行われている。
【０００３】
元来、ＩＶ族半導体は間接遷移型なので、バンド間遷移においてはフォノンの介在が不可欠であり、必然的に再結合過程では熱の発生が多く、輻射再結合をする確率はきわめて少ない。しかし、ＩＶ族半導体の形状を粒径が数ｎｍレベルの微粒子にすると、バンド間遷移における波数選択則の緩和、振動子強度の増大等の効果が生じる。これにより、ＩＶ族半導体の電子−正孔対の輻射再結合過程の発生確率が増大し、強い発光を呈することが可能となる。このＩＶ族半導体の特性を利用することで、Ｓｉ系ＩＶ族材料から構成される半導体微粒子を可視発光等が可能となる光機能素子に用いることができる。
【０００４】
よって、Ｓｉ系ＩＶ族材料から構成される半導体微粒子を可視発光等が可能となる光機能素子に用いるためには、粒径がｎｍレベルで制御された球状微粒子作製が不可欠である。このｎｍレベルの微粒子作製には、レーザーアブレーション法が好適である。
【０００５】
ターゲット材に対してレーザーアブレーション法を施すことにより作製された微粒子を堆積する機能材料作製装置は、特開平９−２７５０７５号公報に開示されたものがある。図８は、従来の機能材料作製装置の構成図である。以下、図８を用いて従来の機能材料作製装置についての説明をする。
【０００６】
まず、真空反応室８０１内の中央付近に設けられたターゲットフォルダ８０２にターゲット材８０３を配置する。次に、真空反応室８０１をターボ分子ポンプを主体とした高真空排気系８０４により、１×１０-8Ｔｏｒｒの高真空まで排気後、高真空排気系８０４を閉鎖する。
【０００７】
次に、希ガス導入ライン８０５を通じてヘリウムガス（Ｈｅ）を真空反応室８０１内に導入する。その後、マスフローコントローラ８０６による流量制御とドライロータリーポンプを主体とした作動排気系８０７による差動排気により、一定圧力（１．０〜２０．０Ｔｏｒｒ）の低圧希ガス（Ｈｅ）雰囲気に真空反応室８０１を保持する。保持された数ＴｏｒｒのＨｅガス雰囲気下で、ターゲット材８０３表面に高エネルギー密度（例えば、１．０Ｊ／ｃｍ2以上）のレーザー光を照射する。また、レーザー光は、スリット８０８、集光レンズ８０９を通過後、ミラー８１０により方向を９０度変えられた後、レーザー光導入窓８１１から真空反応室８０１に導入され、ターゲット材８０３表面に到達するようになっている。このようにして、ターゲット材８０３から物質の脱離、射出を行っている。
【０００８】
脱離物質は、雰囲気ガス分子に運動エネルギーを散逸し、空中での凝縮、成長が促進され、堆積基板８１２上で粒径数ｎｍから数十ｎｍの微粒子に成長して堆積される。
【０００９】
ここで、発光波長（発光フォトンエネルギー）の制御には、図９に示した微粒子粒径の減少に伴う量子閉じこめ効果による吸収端発光エネルギー（バンドギャップＥgに対応）の増大を利用している。このため、単一発光波長を得るためには微粒子粒径の均一化が不可欠である。つまり、発光波長に対応した粒径の微粒子を可能な限り狭い粒径分布で生成、堆積できれば、単色発光する光機能素子を作製することが可能となる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、半導体微粒子を用いて単一波長の発光を行う光機能素子を作製するためには、粒径分布の抑制された単一粒径の数ｎｍレベルの微粒子の生成、堆積が要求されている。
【００１１】
従来の機能材料作製装置でも、雰囲気希ガスの圧力、ターゲット材と堆積基板の距離等を適切に選んでやることによって、平均粒径をある程度制御することは可能である。しかし、従来の機能材料作製装置では、依然として粒径分布の幅が広いために、例えば幾何標準偏差σgが１．２以下であるような、均一な粒径の半導体微粒子を得ることは困難である。つまり、機能材料作製装置には、より積極的な粒径制御が必要とされている。
【００１２】
また、ｎｍレベルの微粒子はその高い表面原子割合（例えば粒径５ｎｍで約４０％）のために非常に不純物や欠陥の混入に敏感である。このため、機能材料作製装置が採用する生成堆積手法としては、より清浄でダメージの少ないプロセスが求められている。
【００１３】
さらに、半導体微粒子を上記従来の機能材料作製装置のように、直接堆積基板に付着・堆積した場合には、結局は、堆積物の構造が微粒子からなる多孔質形状の薄膜を形成してしまう傾向がある。このような多孔質形状については、電極を接続して光機能素子化することを想定すると、より最適化されたものが求められる場合がある。また、このような多孔質形状の球状微粒子の元来の量子サイズ効果を引き出し、発光等に代表される新たな光機能を発現するためにも、より最適な形状・構造等が求められる場合もある。
【００１４】
付け加えて、前述したようにｎｍレベルの微粒子は非常に表面が敏感なため、安定した透明媒質中に分散あるいは、表面を透明媒質薄膜で被覆する必要が生じることもある。
【００１５】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、汚染、ダメージを軽減した状態で作製された単一粒径、均一構造を有する高純度微粒子を堆積基板に堆積することができる機能材料作製装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、低圧媒質ガス雰囲気下で第１のターゲット体にレザービームを当てることで微粒子を生成し一定流量で導入した高純度希ガスであるキャリアガスと共に排出する微粒子生成手段と、前記微粒子生成手段とパイプで接続され前記パイプを介して前記微粒子生成手段から導入された前記微粒子を含むキャリアガスから所望の粒径の微粒子を一定流量で導入したシースガス中で分級し前記キャリアガスと共に排出する微粒子分級手段と、前記微粒子分級手段と接続され前記微粒子分級手段から前記キャリアガスと共に送られてきた分級された前記微粒子を基板上に捕集するとともに第２のターゲット体にレザービームを当てることで生成された物質を前記基板上に捕集し前記分級された微粒子と前記第２のターゲット体にレザービームを当てることで生成された物質とを前記基板上に堆積する堆積手段と、前記パイプに設けられたバルブと、前記微粒子生成手段を超高真空排気する第１の排出手段と、前記微粒子分級手段に設けられた前記シースガスの流量を一定に保つように排出する第２の排出手段と、前記堆積手段を超高真空に排気するための第３の排気手段と、前記堆積手段に設けられた前記キャリアガスの流量を一定に保つように排出する第４の排出手段と、を具備し、前記バルブを閉じた状態で、前記第１の排出手段により前記微粒子生成手段を超高真空排気し前記微粒子生成手段の圧力が前記第１のターゲット体から生成される微粒子の凝集・成長に最適な圧力になった後に閉鎖することにより当該最適な圧力に保持すると共に、前記第３の排出手段により前記堆積手段の圧力を前記第２のターゲット体から生成される物質の堆積に最適な圧力にし、その後、前記バルブを開き前記第２の排出手段により前記シースガスを排出し前記第３の排出手段により前記キャリアガスを排出することにより前記キャリアガスおよび前記シースガスの流量を一定に保つと共に、前記堆積手段の圧力を前記第２のターゲット体から生成される物質の堆積に最適な圧力に保持する機能材料作製装置である。
【００１７】
これにより、単一粒径・均一構造に作製された高純度微粒子を基板上に堆積することができる。この結果、単一の波長を発光する発光素子を作製することができる。さらに、高純度微粒子を高純度微粒子とは別の媒質とともに基板上に堆積するので、機能材料の汚染、ダメージを軽減できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の態様にかかる機能材料作製装置は、低圧媒質ガス雰囲気下で第１のターゲット体にレザービームを当てることで、微粒子を生成する微粒子生成手段と、前記微粒子生成手段で生成された微粒子から所望の粒径の微粒子をシースガス中で分級する微粒子分級手段と、前記微粒子分級手段で分級された微粒子を基板上に捕集するとともに、第２のターゲット体にレザービームを当てることで生成された物質を前記基板上に捕集し、前記分級された微粒子と前記第２のターゲット体にレザービームを当てることで生成された物質とを前記基板上に堆積する堆積手段と、を具備した。
【００１９】
この構成により、単一粒径・均一構造に作製された第１のターゲットからなる高純度微粒子を基板上に堆積することができる。この結果、単一の波長を発光する発光素子を作製することができる。さらに、高純度微粒子を第２のターゲット体にレーザービームを当てることで生成された物質とともに基板上に堆積するので、機能材料の汚染、ダメージを軽減できる。
【００２０】
本発明の第２の態様は、第１の態様にかかる機能材料作製装置において、前記堆積手段は、前記分級された微粒子を基板上に補集すると実質的に同時に第２のターゲット体にレザービームを当てることで生成された物質を前記基板上に捕集して、前記第２のターゲット体から構成される物質中に前記微粒子を分散して堆積する。
【００２１】
この構成により、単一粒径・均一構造に作製された第１のターゲットからなる高純度微粒子を第２のターゲット体にレーザービームを当てることで生成された物質に埋め込みながら基板上に堆積できるので、機能材料の汚染、ダメージを効果的に軽減できる。
【００２２】
本発明の第３の態様は、第１の態様にかかる機能材料作製装置において、前記堆積手段は、前記分級済みの微粒子を基板に堆積した後に、第２のターゲット体にレザービームを当てることで生成された物質を前記基板上に捕集し、前記分級された微粒子、および第２のターゲット体から構成される物質を交互に堆積する。
【００２３】
この構成により、単一粒径・均一構造に作製された第１のターゲットからなる高純度微粒子と第２のターゲット体にレーザービームを当てることで生成された物質とを交互に基板上に堆積できるので、機能材料の汚染、ダメージを効果的に軽減できる。
【００２４】
本発明の第４の態様は、第１の態様から第３の態様のいずれかにかかる機能材料作製装置において、前記微粒子分級手段は、微分型電気移動度分級装置を用いている。
【００２５】
この構成により、高い収量で第１のターゲットからなる微粒子を分級することが可能になる。よって、単一粒径、均一構造の高純度微粒子を効率的に捕集・堆積することができる。
【００２６】
本発明の第５の態様は、第１の態様から第３の態様のいずれかにかかる機能材料作製装置において、前記微粒子分級手段は、前記微粒子を放射性同位体を用いて荷電する微粒子荷電手段と、荷電した微粒子を分級する微分型電気移動度分級手段とを具備する。
【００２７】
この構成により、微粒子を荷電できるので分級された微粒子の収率を向上することができる。
【００２８】
本発明の第６の態様は、第１の態様から第３の態様のいずれかにかかる機能材料作製装置において、前記微粒子分級手段は、前記微粒子を真空紫外光源を用いて荷電する微粒子荷電手段と、荷電した微粒子を分級する微分型電気移動度分級手段とを具備する。
【００２９】
この構成により、荷電効率を向上させ、単極に第１のターゲットからなる微粒子を荷電することができる。
【００３０】
本発明の第７の態様は、第１の態様から第３の態様のいずれかにかかる機能材料作製装置において、前記微粒子生成手段は、前記レーザービームをパルスレーザー光とし生成された微粒子をパルスレーザーにより形成されたアブレーションプルーム内で荷電する。
【００３１】
この構成により、放射性同位体や真空紫外光源等を用いる微粒子荷電部を装置から省くことができ、装置の小型化・低コスト化が可能となる。さらに、この構成により、第１のターゲットからなる微粒子の搬送過程を短縮可能なため、搬送中の沈着や凝集等の現象を抑制するという作用を有することができる。
【００３２】
本発明の第８の態様は、第５の態様から第７の態様のいずれかにかかる機能材料作製装置において、前記堆積手段は、分級された荷電状態の微粒子が堆積される際に行われる電子の授受を電流として測定する。
【００３３】
この構成により、第１のターゲットからなる微粒子の堆積量の確認、ひいては堆積量の制御が可能となる。
【００３４】
本発明の第９の態様は、第１の態様から第８の態様のいずれかにかかる機能材料作製装置において、前記微粒子生成手段の圧力を、前記第１のターゲット体から生成される微粒子の凝集・成長に最適な圧力に保持し、さらに前記堆積手段の圧力を前記第２のターゲット体から生成される物質の堆積に最適な圧力に保持する。
【００３５】
この構成により、第１のターゲットからなる微粒子および第２のターゲット体にレザービームを当てることで生成された物質媒質をそれぞれに最適な雰囲気ガス圧力下で生成および堆積可能になる。さらに、微粒子生成室と堆積室の間に圧力差を生じさせることができ、生じた圧力差を利用して効率的に微粒子を搬送するという作用を有することができる。
【００３６】
本発明の第１０の態様は、第１の態様から第９の態様のいずれかにかかる機能材料作製装置において、前記堆積手段は、前記第２のターゲット体を第３のターゲット体と交換するターゲット交換機構をさらに具備し、
前記分級済みの微粒子および前記第２のターゲット体から構成される物質の堆積後に、前記第２のターゲット体を第３のターゲット体と交換し、第３のターゲット材である透明電極材にレーザービームを当てることで生成された物質を前記分級済みの微粒子および前記第２のターゲット体から構成される物質上に堆積して透明電極を形成する。
【００３７】
この構成により、汚染・ダメージを軽減した状態で作製された機能材料に接続される透明電極をも堆積手段内で形成することが可能とする。
【００３８】
本発明の第１１の態様は、第１０の態様にかかる機能材料作製装置において、前記堆積手段は、前記第２のターゲット体と、第３のターゲット体との双方あるいは、片方の堆積をスパッタリングによって行う。
【００３９】
このように、第２のターゲットおよび第３のターゲット材の堆積をスパッタリングによって行うと、従来の半導体装置の技術の流用ができる。また、機能材料作製装置の機構部品や光学部品を簡素化することができる。
【００４０】
本発明の第１２の態様は、第１の態様から第１１の態様のいずれかにかかる機能材料作製装置において、前記堆積手段は、前記分級済みの微粒子および第２のターゲット体から構成される物質の堆積を前記基板に対して法線方向から行う。
【００４１】
この構成により、第１のターゲットからなる微粒子および第２のターゲット体にレザービームを当てることで生成された物質の基板への付着や堆積の効率をより向上することが可能となる。
【００４２】
本発明の第１３の態様は、第１の態様から第１２の態様にかかる機能材料作製装置において、前記微粒子分級手段は、前記微粒子の材料のバンドギャップエネルギーが可視光領域になるような平均粒径で分級を行う。
【００４３】
この構成により、可視光領域の波長を発光する機能材料を作製することができる。
【００４４】
本発明の第１４の態様にかかる機能材料は、微粒子生成手段内で、微粒子を媒質ガス雰囲気下で生成し、前記微粒子を前記微粒子分級手段に導入し、前記微粒子分級手段内において前記微粒子をにシースガス中で所望の粒径に分級し、分級された微粒子を基板上にレーザアブレーションにより生成された物質と共に堆積することによって作製される。
【００４５】
このように作製された機能材料は、単一粒径・均一構造の高純度微粒子が堆積されるので、単一の波長を発光する発光素子に用いることができる。さらに、高純度微粒子がレーザーアブレーションにより生成された物質とともに堆積されるので、汚染、ダメージが軽減される。
【００４６】
本発明の第１５の態様は、第１４の態様にかかる機能材料において、前記微粒子のバンドギャップエネルギーが可視光領域になるような平均粒径で分級を行う。
【００４７】
このように作製された機能材料は、可視光領域の波長を発光することができる。
【００４８】
本発明の第１６の態様にかかる光機能素子は、微粒子生成手段内で、微粒子を媒質ガス雰囲気下で生成し、前記微粒子を微粒子分級手段に導入し、前記微粒子分級手段内において前記微粒子をシースガス中において前記微粒子のバンドギャップエネルギーが可視光領域になるような平均粒径で分級し、前記分級された微粒子をレーザアブレーションにより生成された物質中に分散させた層を基板上に形成することで作成される。
【００４９】
このように作製された光機能素子は、可視光領域の波長を発光することができる。
【００５０】
本発明の第１７の態様は、第１６の態様にかかる光機能素子において、前記可視光領域が赤、青、及び緑にそれぞれ対応する波長領域である。
【００５１】
このように作製された光機能素子は、赤、青、及び緑にそれぞれ対応する波長を発光することができる。
【００５２】
以下、本発明の機能材料作製装置を、実施の形態として、図１から図４を用いて詳細に説明する。
【００５３】
図１は、本実施の形態における機能材料作製装置の堆積室の内部構成を示したものである。堆積室１０１の左側部上方には、微粒子堆積用ノズル１０２が設けられている。微粒子堆積用ノズル１０２から、後述する微粒子分級装置で単一な粒径に分級済みの微粒子を含む一定質量流量Ｑa（標準状態１ｌ／ｍｉｎ．）のキャリアガスが堆積室１０１内部に噴出される。
【００５４】
また、堆積室１０１の中心に対して微粒子堆積用ノズル１０２と対象の位置には、エキシマレーザー光１０３を導入するためのレーザー光導入窓１０４が設けられている。また、レーザー光導入窓１０４の近傍であって、堆積室１０１の外部には、エキシマレーザー光１０３の進行方向を９０度変化させるためのミラー１０５が設けられている。また、ミラー１０５の近傍には、エキシマレーザー光１０３を集光するための集光レンズ１０６が設けられている。
【００５５】
そして、集光レンズ１０６で集光されたエキシマレーザー光１０３は、ミラー１０５で方向を９０度変化させられ、レーザー光導入窓１０４を介して堆積室１０１内に導入される。堆積室１０１内に導入されたエキシマレーザー光１０３は、透明媒質ターゲット１０７に到達する。
【００５６】
透明媒質ターゲット１０７は、ターゲットの駆動・交換を行うターゲット駆動・交換機構１０８に固定されている。ターゲット駆動・交換機構１０８は、導入されたエキシマレーザー光１０３が透明媒質ターゲット１０７を照射できるような位置に配置されている。詳細には、ターゲット駆動・交換機構１０８は、堆積室１０１の微粒子堆積用ノズル１０２が設けられている側面と反対側の側面上部近傍に設けられている。また、ターゲット駆動・交換機構１０８には、透明媒質ターゲットである透明電極材ターゲット１０９が固定されている。ターゲット駆動・交換機構１０８を駆動することで、透明媒質ターゲット１０７の位置と透明電極材ターゲット１０９の位置を入れ替えることができる。これにより、エキシマレーザー光１０３を透明電極材ターゲット１０９に照射することができる。
【００５７】
透明媒質ターゲット１０７は、エキシマレーザー光１０３によって励起されてアブレーションプルーム１１０を形成する。アブレーションブルーム１１０の成長方向に、堆積室１０１の略中央部に配置された微粒子および透明媒質、透明電極が堆積される堆積基板１１１が位置するように透明媒質ターゲット１０７および透明電極材ターゲット１０９が配置されている。また、堆積基板１１１は、堆積基板フォルダー１１２に固定されている。
【００５８】
さらに、堆積室１０１の微粒子堆積用ノズル１０２側の側部には、堆積室１０１を光機能素子作製前に＜１×１０-7Ｔｏｒｒの超高真空に排気するための高真空排気系１１３が設けられている。堆積室１０１の堆積基板１１１の下方の側部には、一定圧力Ｐ２に保持されるようにキャリアガスの差動排気を行うためのキャリアガス差動排気系１１４が設けられている。
【００５９】
また、堆積室１０１の底部には、後述する微粒子分級装置にて分級された荷電状態の微粒子が堆積基板１１１に堆積される際に行われる荷電粒子の授受を測定するための微小電流計１１５が設けられている。微小電流計１１５は、この電子の授受を電流として測定する。
【００６０】
本実施の形態における機能材料作製装置２００は、図２に示した全体構成図のように微粒子生成室２０１と、微粒子荷電部２０２と微分型電気移動度分級装置２０３から成る微粒子分級室２０４と、堆積室１０１とで構成されている。微粒子生成室２０１と微粒子分級室２０４とは、微粒子取り込みパイプ２０９によって接続されている。
【００６１】
ここで、図３に示すような断面構造を有する光機能素子の作製に関して図１から図４を用いて説明する。まず、光機能素子の作製プロセス前に、ダメージ・汚染等の影響を排除するために図２に示すバルブ２０５を閉じ、微粒子生成室２０１をターボ分子ポンプを主体とした超高真空排気系２０６によって＜１×１０-8Ｔｏｒｒの超高真空に排気後、超高真空排気系２０６を閉鎖する。
【００６２】
同時に、微粒子分級室２０４および堆積室１０１をターボ分子ポンプを主体とした超高真空排気系１１３によって＜１×１０-7Ｔｏｒｒの超高真空に排気後、超高真空排気系１１３を閉鎖する。
【００６３】
次に、マスフローコントローラ２０７を用いて微粒子生成室２０１に一定質量流量Ｑa（２００ｓｃｃｍ）でキャリアガス２０８（高純度希ガス、例えば純度９９．９９９９％のＨｅ）を導入する。
【００６４】
ここで、上記実施の形態にかかる微粒子生成室の構成について図４を用いて詳細に説明する。微粒子生成室２０１の左側面部にはガス導入系４０１が接続されている。ガス導入系４０１の一端部には、マスフローコントローラ２０７が設けられている。マスフローコントローラ２０７は、微粒子生成室２０１内に一定質量流量Ｑaでキャリアガス２０８を導入する設定になっている。マスフローコントローラ２０７には、微粒子生成室２０１の内部方向に略垂直に延びる雰囲気希ガス導入管４０２が接続されている。雰囲気希ガス導入管４０２は、微粒子生成室２０１の内部の中央よりやや側面よりで、リング状の雰囲気希ガス噴出管４０３に接続されている。雰囲気希ガス導入管４０２は、微粒子生成室２０１の側面に平行に配置されている。雰囲気希ガス噴出管４０３には、８つの雰囲気希ガス噴出口４０４ａ〜４０４ｈが形成されている。雰囲気希ガス噴出口４０４ａ〜４０４ｈは、後述する固体ターゲットである半導体ターゲット４０６を挟んで、略等間隔に配置されるようにリング状の雰囲気ガス排出管４０３に８等配されて設けられている。また、図面では、説明の便宜上、雰囲気希ガス噴出口４０４ｂと４０４ｃ、雰囲気希ガス噴出口４０４ｄと４０４ｅ、および雰囲気希ガス噴出口４０４ｆと４０４ｇとが、それぞれ近接して図示されているが、実際は雰囲気希ガス導入管４０２がリング状形状のため、雰囲気希ガス噴出口４０４ｂは４０４ｃに対して、雰囲気希ガス噴出口４０４ｄは４０４ｅに対して、および雰囲気希ガス噴出口４０４ｆは４０４ｇに対して図面手前に配置されている。これにより、半導体ターゲット４０６に対して、キャリアガス２０８が対称な流れを形成するようになっている。
【００６５】
また、微粒子生成室２０１の底部には、石英製のレーザー光導入窓４０７が設けられており、パルスレーザー光４０８が集光レンズ４０９で集光され、レーザー光導入窓４０７を介して微粒子生成室２０１に導入される。微粒子生成室２０１の略中央には、自転機構を有するターゲットフォルダー４１０に固定された半導体ターゲット４０６が配置されている。また、半導体ターゲット４０６は、ターゲットフォルダー４１０により、微粒子生成時には８ｒｐｍ（回転／分）の速度で自転するようになっている。半導体ターゲット４０６としては高純度Ｓｉ単結晶基板（面方位（１００）、比抵抗１０Ω・ｃｍ）を使用している。
【００６６】
パルスレーザビーム４０８の集光照射としては、Ｑ−スイッチＮｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波（波長：５３２ｎｍ、パルスエネルギー：１０ｍＪ、パルス幅：４０ｎｓ、繰り返し周波数：１０Ｈｚ）を、半導体ターゲット４０６の表面上で１０Ｊ／ｃｍ2のエネルギー密度になるよう集光照射している。
【００６７】
半導体ターゲット４０６は、微粒子生成室２０１内に導入されたパルスレーザー光４０８によって励起される。パルスレーザー光４０８によって励起された半導体ターゲット４０６は、アブレーションプルーム４１１を形成する。また、微粒子生成室２０１のアブレーションプルーム４１１の成長方向には、微粒子取り込みパイプ４１２が配置されている。また、微粒子生成室２０１の左側部には、光機能素子の作製プロセス前に微粒子生成室２０１を超高真空排気する、ターボ分子ポンプを主体とした超高真空排気系２０６が設けられている。また、微粒子生成室２０１の右側部には、ドライスクロールポンプを主体とした差動排気系４１３が設けられている。
【００６８】
次に、機能材料作製装置２００の動作の説明に戻る。図２に示すバルブ２０５を閉じた状態で、図４に示すドライスクロールポンプを主体とした差動排気系４１３を開き、微粒子生成室２０１を一定圧力Ｐ１（例えば５．０Ｔｏｒｒ）に保持する。
【００６９】
ここで、集光されたパルスレーザー光４０８によって半導体ターゲット４０６の表面を励起し、アブレーション反応を生じさせる。これによって、半導体ターゲット４０６の表面に形成されている自然酸化膜、およびターゲット表面に付着している金属・炭素化合物等の不純物を完全に除去し、その後、差動排気系４１３を閉鎖する。この時点では、パルスレーザー光４０８の発振は停止している。
【００７０】
上記のように、半導体ターゲット４０６表面に形成されている自然酸化膜、および半導体ターゲット４０６表面に付着している金属・炭素化合物等の不純物を除去することにより、半導体微粒子に混入する可能性のある、半導体微粒子にとっての不純物である酸化物、およびターゲット表面に付着している金属・炭素化合物等の影響を取り除くことができる。
【００７１】
次に、図２に示すバルブ２０５を開き、微粒子分級室２０４、および堆積室１０１にキャリアガス２０８を一定質量流量Ｑaで導入する。
【００７２】
同時に、マスフローコントローラ２１０を用いて微分型電気移動度分級装置２０３に質量流量Ｑc（標準状態５ｌ／ｍｉｎ．）でシースガス２１１（高純度希ガス、例えば純度９９．９９９９％のＨｅ）を導入する。
【００７３】
ここで、図１に示すドライポンプを主体としたキャリアガス差動排気系１１４を開き、堆積室１０１内が一定圧力Ｐ２（例えば２．０Ｔｏｒｒ）に保持されるようにキャリアガスを一定質量流量Ｑaで排気する。
【００７４】
同時に、図２に示すドライポンプを主体としたシースガス差動排気系２１２を開き、シースガスを一定質量流量Ｑcで排気する。この時点で、微粒子生成室２１０は一定圧力Ｐ１に、堆積室１０１は一定圧力Ｐ２に保持される。
【００７５】
次に、図４に示すパルスレーザー光４０８を発振させ、微粒子生成室２０１に導入する。この時、図４に示す微粒子生成室２０１内では、半導体ターゲット４０６がパルスレーザー光４０８によって励起され、アブレーション反応を起こす。このようにして半導体ターゲット４０６から脱離・射出された物質は、雰囲気希ガス分子に運動エネルギーを散逸するため、空中での凝縮・成長が促され、数ｎｍから数十ｎｍの微粒子に成長する。
【００７６】
ここで、上記のような手段で微粒子生成室２０１を一定圧力Ｐ１に制御・保持することにより、半導体微粒子が最適な条件下で凝集・成長することが可能となる。
【００７７】
次に、図４に示す微粒子生成室２０１で生成された高純度半導体微粒子は、微粒子取り込みパイプ４１２を介して一定質量流量Ｑaのキャリアガスとともに、図３に示す微粒子荷電部２０２に搬送され、放射性同位体によって両極に荷電される。
【００７８】
微粒子荷電部２０２で荷電された高純度半導体微粒子は微分型電気移動度分級装置２０３に送られる。上記実施の形態では、微分型電気移動度分級装置２０３に、二重円筒型分級装置を採用している。微分型電気移動度分級装置２０３の二重円筒部分には、シースガス２１１の流れの方向と垂直に、直流電源により静電界が印可されている。従って荷電された高純度半導体微粒子は各々の電気移動度に応じた軌道を描く。この電気移動度は高純度半導体微粒子の粒径に依存しているため、ある特定粒径の高純度半導体微粒子だけが微分型電気移動度分級装置２０３のシースガス流の下流に側に設けられたスリットに達し、分級されて、スリットに接続された微粒子堆積用ノズル１０２から取り出される。その他の粒径の微粒子は、シースガス２１１と共にシースガス差動排気系２１２から排気されるか、あるいは、二重円筒部内側の集電極へ移動、付着する。このようにして、微粒子は所望の単一粒径に分級される。
【００７９】
ここで、微粒子荷電部２０２で高純度半導体微粒子をＡｒＦエキシマレーザー光（波長１９３ｎｍ）のような真空紫外光源で荷電することにより、高効率で微粒子を単極荷電することができる。これにより、分級された微粒子の収率を向上することができる。なお、ここではＡｒＦエキシマレーザー光を用いたが、真空紫外光源としてエキシマランプや真空紫外（Ｄｅｅｐ Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ： ＤＵＶ）ランプを用いることもできる。
【００８０】
加えて、上記のような手段で導入されるキャリアガス・シースガスの質量流量と、排気されるキャリアガス・シースガスの質量流量がそれぞれ等しくなるように制御してやることにより、微分型電気移動度分級装置２０３における分級精度を理論上の値に近づけることができる。
【００８１】
次に、図２に示す微粒子分級室２０４で分級された高純度半導体微粒子は、図１に示す堆積室１０１内に、一定質量流量Ｑaのキャリアガスとともに、微粒子堆積用ノズル１０２を介して搬送され、堆積基板１１１上に捕集・堆積される。
【００８２】
この時、透明媒質ターゲット１０７がエキシマレーザー光１０３によって励起される。ここで、アブレーション反応によって射出された透明媒質は、堆積基板１１１上に高純度半導体微粒子が捕集・堆積されるのと同時に、堆積基板１１１上に捕集・堆積される。
【００８３】
ここで、上述した手段で堆積室１０１を一定圧力Ｐ２に制御・保持することにより、透明媒質を最適な条件下で堆積することが可能となる。
【００８４】
上記のように分級された高純度半導体微粒子と透明媒質の捕集・堆積を同時に行うことにより、図３（ａ）に示すように、半導体微粒子分散透明媒質層３０１中にＩＶ族半導体微粒子３０２が分散した構造を、下部電極層３０３が表面に形成された堆積基板１１１上に形成することができる。下部電極層３０３は、スパッタリングなどにより堆積基板１１１に形成されている。また、下部電極層３０３は、珪化金属などで構成されており、耐腐食性や耐熱性が高くなっている。
【００８５】
なお、上記実施の形態では、図１に示す堆積室１０１内で、高純度半導体微粒子と透明媒質の捕集・堆積を同時に行っている。これに対し、まず、微粒子堆積用ノズル１０２から高純度半導体微粒子の堆積を行い、一定量の高純度半導体微粒子を堆積させる。そして、その後、堆積基板上への透明媒質の堆積を行うことによって微粒子と透明媒質の層状構造を形成することもできる。さらに、高純度半導体微粒子と透明媒質の堆積を交互に複数回繰り返すことによって、図３（ｂ）に示すように、ＩＶ族半導体微粒子層３０４と透明媒質層３０５が層状に積み重なった構造を形成することができる。
【００８６】
なお、上記実施の形態では、半導体微粒子分散透明媒質層３０１中にＩＶ族半導体微粒子３０２が分散した構造を堆積基板１１１上に直接に形成しているが、堆積基板１１１上に何らかの媒質層を形成し、この媒質層上にＩＶ族半導体微粒子３０２が分散した構造の半導体微粒子分散透明媒質層３０１を形成してもよい。
【００８７】
ここで、高純度半導体微粒子の捕集・堆積と同時に微小電流計１１５によって、電流を測定する。電流の測定は、分級された荷電状態の微粒子が基板上に捕集・堆積される際に行われる電子の授受を測定することで行う。電流の測定をすることで、微粒子の堆積量の確認・制御を行うことができる。
【００８８】
次に、以上のように高純度半導体微粒子および透明媒質を捕集・堆積した後、図１のターゲット駆動・交換機構１０８を用いて、透明媒質ターゲット１０７を透明電極材ターゲット１０９と交換する。
【００８９】
そして、透明電極材ターゲット１０９はエキシマレーザー光１０３によって励起され、アブレーション反応によって透明電極材料を射出する。噴出された透明電極材料は、図３のように半導体微粒子分散媒質層３０１あるいは透明媒質層３０５上に透明電極層３０６を形成する。この時、堆積室１０１内の雰囲気ガス種類、および圧力Ｐ２は透明電極材量を最適な条件下で堆積することが可能なように制御されている（例えば雰囲気ガスは純度９９．９９９％のＯ2、圧力１０−２００ｍＴｏｒｒ）。
【００９０】
このように、汚染・ダメージを軽減した状態で光機能素子に接続される透明電極をも単一の装置で形成することができる。
【００９１】
なお、ここまでに透明媒質ならびに透明電極材量の堆積はレーザー光によるアブレーションを用いて行ったが、図１に示す堆積室１０１において、透明媒質ターゲット１０７、および透明電極材ターゲット１０９の堆積を多元系スパッタリングによって行うことも考えられる。これにより、従来の半導体装置の技術の流用ができ、さらに機構部品・光学部品を簡素化することができる。このスパッタリングの導入は、特に透明電極を形成する際の半導体微粒子に対する酸化の影響を軽減することができ有効である。
【００９２】
ここで、上記実施の形態の変形にかかる堆積室について図５を用いて説明する。図５は、上記実施の形態にかかる堆積室のその他の例の構成図である。なお、すでに説明した部分と同一の部分については、同一の符号を付与し、説明を省く。
【００９３】
図５に示すように堆積室５０１の上面部略中央には、微粒子堆積用ノズル５０２が設けられている。微粒子堆積用ノズル５０２から堆積室５０１の内部に、分級済みの微粒子が一定質量流量Ｑaのキャリアガスとともに流入し、噴出される。
【００９４】
一方、堆積基板１１１は、堆積室５０１の略中央部に配置されている。堆積基板１１１は、堆積基板フォルダー１１２に固定されている。このため、微粒子堆積用ノズル５０２の噴出口が堆積基板１１１の法線方向に位置するようになっている。
【００９５】
透明媒質ターゲット１０７は、ターゲットフォルダー５０３に固定されている。ターゲットフォルダー５０３は、モーター５０４によってターゲットの駆動を行う。また、透明媒質ターゲット１０７は、エキシマレーザー光１０３によって励起される。励起された透明媒質ターゲット１０７は、アブレーションプルーム１１０を生成する。ここで、アブレーションプルーム１１０の成長方向が堆積基板１１１の法線方向となるようにターゲットフォルダー５０３が配置されている。また、透明媒質ターゲット１０７はリング形状になされている。
【００９６】
このように堆積室５０１の内部を構成することで、高純度半導体微粒子、透明媒質の堆積がともに堆積基板１１１に対しての放線方向から行われる。これにより、高純度半導体微粒子、透明媒質の堆積効率が向上する。さらに、高純度半導体微粒子、透明媒質からなる堆積物の分布を均質化することができる。
【００９７】
以上説明したように、上記実施の形態によれば、汚染・ダメージを軽減した状態で単一粒径・均一構造の高純度微粒子を効率的に作製し、基板上に透明媒質と同時に堆積することができ、形状・構造を最適化した光機能素子を作製することができる。
【００９８】
さらに、上記実施の形態によれば、汚染・ダメージを軽減した状態で単一粒径・均一構造の高純度半導体微粒子を効率的に作製し、基板上に透明媒質と交互に堆積することができ、形状・構造を最適化した光機能素子を作製することができる。
【００９９】
次に、上記実施の形態の機能材料作製装置を用いて、実際に生成したｎｍ領域Ｓｉ微粒子の粒径分布の一例を図６（ａ）に示す。この際の分級・堆積条件は以下のとおりである。
【０１００】
生成室Ｈｅガス圧力：５．０Ｔｏｒｒ、堆積室Ｈｅガス圧力：４．５Ｔｏｒｒ、キャリアガス流量：Ｈｅ ０．３３ＳＬＭ（標準状態，ｌ／ｍｉｎ）、シースガス流量：Ｈｅ １．６７ＳＬＭ、ＤＭＡ分級領域印加電圧：−２．５Ｖ、堆積基板印加電圧：−１００Ｖ、および堆積基板温度：常温である。その他、励起レーザーの照射条件等のＳｉ微粒子生成に関する条件は，図４の詳細説明においてすでに述べたものと同様となっている。
【０１０１】
図６（ａ）においては、生成直後のＳｉ微粒子の粒径分布を黒丸で表わし、分級後のＳｉ微粒子の粒径分布を白いヒストグラムで表している。ここで，生成直後のＳｉ微粒子の粒径分布は、ＤＭＡ分級領域印加電圧（静電場強度）をスイープしながら、堆積基板ホルダー１１２での荷電粒子の入射による電流を微小電流計１１５により計測した値をもとに算出した。一方、分級後の粒径分布は、固定したＤＭＡ分級領域印加電圧（−２．５Ｖ）で堆積基板１１１上に堆積し続けたＳｉ微粒子を電子顕微鏡観察することで得た。
【０１０２】
生成されたＳｉ微粒子群の粒径分布の幅は極めて広い（黒丸：幾何標準偏差sg＝１．８）。しかし、生成されたＳｉ微粒子群にＤＭＡ分級を施すことにより、極めて先鋭な粒径分布（白ヒストグラム：幾何標準偏差sg＝１．２）を得ることができる。このように先鋭な粒径分布は、単一粒径あるいは単分散と呼ばれている。
【０１０３】
また、図６（ａ）において、生成直後のＳｉ微粒子群の平均粒経は５．８ｎｍである。なお、ＤＭＡ分級を施す際にＤＭＡ分級領域印加電圧を−２．５Ｖに設定することで、分級後の平均粒径をより小粒径の３．８ｎｍに移動することも可能となった。
【０１０４】
ところで量子力学的原理から，半導体が微粒子化することでその粒径が，内在するキャリアに付随するド・ブロイ波長あるいは内在するエキシトンのボーア半径と同等の領域になると、粒径ｄmに応じてエネルギーバンドギャップＥgが変化することが知られている。すなわち、ｄmが小さくなるにつれて，Ｅgが増大する。微粒子の材料がＳｉである場合、ｄmが２−１０ｎｍの領域では，有効質量近似（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ−ｍａｓｓ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ）と強結合近似（ｔｉｇｈｔ−ｂｉｎｄｉｎｇ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ）を組合わせた解析により、Ｅgが１．７−３．０ｅＶといった可視光領域の中で変化することが判明している。Ｅgはまさしく光吸収や発光の波長（あるいはｐｈｏｔｏｎ ｅｎｅｒｇｙ）を決定する物理量である。
【０１０５】
図６（ｂ）は、図６（ａ）における分級前後のＳｉ微粒子の粒径（ｄｍ）分布に対応するエネルギーバンドギャップ（Ｅｇ）の分布を示す図である。図６（ｂ）から、生成直後（分級前）のＳｉ微粒子群（黒丸）のＥｇ分布の中心は、近赤外領域（１．４ｅＶ）にあることがわかる。このフォトンエネルギー１．４ｅＶは、図６（ａ）における粒径の５．８ｎｍに対応している。これに対し、分級後のＳｉ微粒子群（白ヒストグラム）のＥｇ分布の中心は、可視光領域の赤の波長領域にある。このフォトンエネルギー１．８ｅＶは、図６（ａ）における粒径の３．８ｎｍに対応している。これは、生成された直後のＳｉ微粒子群では，可視光域での光機能を持たせることが不可能であるのに対し、Ｓｉ微粒子群にＤＭＡ分級を施すことにより可視光域での光機能（光吸収や発光など）を発現できることを示している。Ｓｉ微粒子群が可視光域での光機能（光吸収や発光など）を発現できることは、工業上極めて有用な価値をもたらす。
【０１０６】
上述したように、生成直後のＳｉ微粒子を分級することにより、微粒子を単分散させることができる。このように微粒子が単分散の状態になる、すなわち粒径分布において特定粒径にピークが存在するようになると、粒径に対応するエネルギーバンドギャップの分布も揃うことになる。このため、分級された微粒子が多数存在することにより、エネルギーバンドギャップに相当する波長の光を強く発するようになる。したがって、微粒子を分級する際に、可視光域の光の波長相当のエネルギーバンドギャップに対応する粒径に微粒子を分級することにより、可視光域において光機能を発揮する微粒子を実現することができる。なお、ド・ブロイ波長は材料により異なるため、粒径とエネルギーバンドギャップとの間の相対関係は、微粒子の材料により異なる。
【０１０７】
また、光吸収や発光の波長を決定する物理量であるＥgが、Ｓｉ微粒子の粒径ｄmに応じて変化することを利用して、Ｓｉ微粒子群を所望の粒径に分級することで、所望の波長の光を発する光機能素子を作製することもできる。すなわち、可視光域での光機能を発現できるような粒径に分級したＳｉ微粒子群を堆積基板１１１上に堆積することで、可視光域で光機能を発現する光機能素子を作製できる。
【０１０８】
上記実施の形態における生成−分級−堆積連続プロセスシステムを用いて、図７（ａ）に示すような、３つのＳｉ微粒子群を作製する。これらＳｉ微粒子群は、平均粒径を３．９ｎｍ、２．４ｎｍ、および１．９ｎｍに設定して分級を行ったものである。各々のＳｉ微粒子群のsｇは、すべて１．２以内に収まっている。Ｓｉ微粒子群の平均粒径の制御は、ＤＭＡ分級を施す際にＤＭＡ分級領域印加電圧を制御することで行うことができる。これらの３つのＳｉ微粒子群は，図６と同様の解析により、Ｅｇ（対応フォトンエネルギー）分布の中心値がそれぞれ、１．９１ｅＶ、２．２５ｅＶ、および２．７６ｅＶに対応する（図７（ｂ））。これらのＥｇの値は、波長としてはそれぞれ、６５０ｎｍ、５５０ｎｍ、および４５０ｎｍに対応する。これらの波長は、正しく赤、緑、および青の３原色の光の波長である。このような粒径に分級されたＳｉ微粒子群を媒質とともにレーザーアブレーションにより堆積基板１１１上に堆積して光機能層を堆積基板１１１上に形成することで、赤、緑、および青の波長の光を発する光機能素子を作製できる。
【０１０９】
以上のように，Ｓｉ微粒子により可視光域の３原色を発光する光機能素子を実現できることは，光・電子産業において極めて大きな意義を有するものである。
【０１１０】
以上説明したように、上記実施の形態は、半導体ターゲット４０６から生成・分級された微粒子が堆積基板１１１上に捕集すると、実質的に同時に透明媒質ターゲット１０７のアブレーション反応によって生成された堆積基板１１１上に捕集する。これにより、透明媒質ターゲット１０７から構成される物質中に半導体ターゲット４０６から生成・分級された微粒子を分散して堆積することができる。この結果、汚染・ダメージを軽減した状態で単一粒径・均一構造の高純度微粒子を効率的に作製し、基板上に透明媒質と同時に堆積することができる。これにより、光機能素子の形状・構造を高度に構成できるという作用を有することができる。
【０１１１】
また、上記実施の形態は、半導体ターゲット４０６から生成・分級された微粒子および透明媒質ターゲット１０７から構成される薄膜を交互に堆積する。これによっても、汚染・ダメージを軽減した状態で単一粒径・均一構造の高純度微粒子を効率的に作製し、基板上に透明媒質と交互に堆積することができる。
【０１１２】
また、上記実施の形態にかかる微粒子分級室２０４に、微分型電気移動度分級装置２０３を採用している。これにより、高い収量で微粒子を分級することが可能である。この結果、単一粒径・均一構造の高純度微粒子を効率的に捕集・堆積することができる。
【０１１３】
さらに、上記実施の形態によれば、微粒子生成室２０１の圧力を、半導体ターゲット４０６から生成される微粒子の凝集・成長に最適な圧力に保持できる。また、堆積室１０１の圧力を透明媒質ターゲット１０７から生成される物質の堆積に最適な圧力に保持できる。これにより、微粒子・透明媒質をそれぞれに最適な雰囲気ガス圧力下で生成・堆積可能である。さらに微粒子生成室２０１と堆積室１０１の間に圧力差を生じさせることができる。この生じた圧力差を利用して、効率的に微粒子を微粒子生成室２０１から堆積室１０１へ搬送するという作用を有することができる。
【０１１４】
また、上記実施の形態によれば、堆積室１０１に設けたターゲット駆動・交換機構１０８により、透明媒質ターゲット１０７と透明電極材ターゲット１０９との位置を交換することができる。これにより、半導体ターゲット４０６および透明媒質ターゲット１０７から構成される物質の堆積後に、透明電極材ターゲット１０９をエキシマレーザー光１０３で励起することができる。そして、励起した透明電極材ターゲット１０９がアブレーション反応を起こすことによって生成された物質を、半導体ターゲット４０６および透明媒質ターゲット１０７から構成される物質に堆積して透明電極を形成することができる。これにより、機能材料としての活性領域を大気にさらすことなく、汚染・ダメージを軽減した状態で光機能素子に接触される透明電極をも単一の装置で形成することを可能にできる。
【０１１５】
さらに、上記実施の形態の変形例においては、半導体ターゲット４０６および透明媒質ターゲット１０７から構成される物質の堆積を基板に対して法線方向から行えることができる。これにより、微粒子・透明媒質の基板への付着・堆積効率を向上することが可能となる。
【０１１６】
また、上記実施の形態は、微粒子を放射性同位体を用いて荷電する方式の微粒子荷電部２０２を有している。また、微粒子荷電部２０２が微粒子を真空紫外光源を用いて荷電する形態をとることで、荷電効率を向上させることができる。
【０１１７】
また、上記実施の形態の変形例として、生成された微粒子をパルスレーザーによるアブレーションプルーム内で荷電する形態も考えられる。これにより、放射性同位体や真空紫外光源等を用いる微粒子荷電部２０２を装置から省くことも可能である。これにより、装置の小型化・低コスト化が可能となる。さらに、微粒子の搬送過程を短縮可能になる。この結果、搬送中の微粒子の沈着・凝集等の現象を抑制するという作用を有する。
【０１１８】
さらに、上記実施の形態のおいて、透明媒質ターゲット１０７および透明電極材ターゲット１０９の堆積をスパッタリングによって行うようにすることも考えられる。これにより、従来の半導体装置の技術の流用ができ、さらに機構部品・光学部品を簡素化することができる。
【０１１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、汚染、ダメージを軽減した状態で作製された単一粒径、均一構造を有する高純度微粒子を堆積基板に堆積することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態にかかる機能材料作製装置の堆積室の構成を示す図
【図２】上記実施の形態にかかる機能材料作製装置の構成を示す図
【図３】（ａ） 上記実施の形態にかかる機能材料作製装置で作製された第１の機能材料の拡大断面図
（ｂ） 上記実施の形態にかかる機能材料作製装置で作製された第２の機能材料の拡大断面図
【図４】上記実施の形態にかかる機能材料作製装置の微粒子生成室の構成を示す図
【図５】上記実施の形態にかかる機能材料作製装置のその他の例の堆積室の構成を示す図
【図６】（ａ） 生成直後の微粒子の粒径分布と分級後の微粒子の粒径分布を示す図
（ｂ） 生成直後の微粒子の光学ギャップの分布と分級後の微粒子の光学ギャップの分布を示す図
【図７】 （ａ） 多色発光を目的として作製された、３種のＳｉ微粒子群の粒径分布を示す図
（ｂ） 多色発光を目的として作製された、３種のＳｉ微粒子群の光学ギャップの分布を示す図
【図８】従来の機能材料作製装置の構成を示す図
【図９】微粒子粒径とその吸収端発光エネルギーの相関図
【符号の説明】
１０１、５０１ 堆積室
１０２、５０２ 微粒子堆積用ノズル
１０３ エキシマレーザー光
１０４ レーザー光導入窓
１０７ 透明媒質ターゲット
１０８ ターゲット駆動・交換機構
１０９ 透明電極材ターゲット
１１０ アブレーションプルーム
１１１ 堆積基板
１１２ 堆積基板フォルダー
１１３ 超高真空排気系
１１４ キャリアガス差動排気系
１１５ 微小電流計
２０１ 微粒子生成室
２０２ 微粒子荷電部
２０３ 微分型電気移動度分級装置
２０４ 微粒子分級室
２０５ バルブ
２０６ 超高真空排気系
２０７、２１０ マスフローコントローラ
２０９ 微粒子取り込みパイプ
２１２ シースガス差動排気系
５０３ ターゲットフォルダー
【発明の属する技術分野】
本発明は機能材料作製装置に関し、特に、微粒子の粒径制御、汚染軽減をなし得ることができる機能材料作製装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、Ｓｉ系ＩＶ族材料から構成される半導体微粒子を可視発光等が可能となる光機能素子に用いることが行われている。
【０００３】
元来、ＩＶ族半導体は間接遷移型なので、バンド間遷移においてはフォノンの介在が不可欠であり、必然的に再結合過程では熱の発生が多く、輻射再結合をする確率はきわめて少ない。しかし、ＩＶ族半導体の形状を粒径が数ｎｍレベルの微粒子にすると、バンド間遷移における波数選択則の緩和、振動子強度の増大等の効果が生じる。これにより、ＩＶ族半導体の電子−正孔対の輻射再結合過程の発生確率が増大し、強い発光を呈することが可能となる。このＩＶ族半導体の特性を利用することで、Ｓｉ系ＩＶ族材料から構成される半導体微粒子を可視発光等が可能となる光機能素子に用いることができる。
【０００４】
よって、Ｓｉ系ＩＶ族材料から構成される半導体微粒子を可視発光等が可能となる光機能素子に用いるためには、粒径がｎｍレベルで制御された球状微粒子作製が不可欠である。このｎｍレベルの微粒子作製には、レーザーアブレーション法が好適である。
【０００５】
ターゲット材に対してレーザーアブレーション法を施すことにより作製された微粒子を堆積する機能材料作製装置は、特開平９−２７５０７５号公報に開示されたものがある。図８は、従来の機能材料作製装置の構成図である。以下、図８を用いて従来の機能材料作製装置についての説明をする。
【０００６】
まず、真空反応室８０１内の中央付近に設けられたターゲットフォルダ８０２にターゲット材８０３を配置する。次に、真空反応室８０１をターボ分子ポンプを主体とした高真空排気系８０４により、１×１０-8Ｔｏｒｒの高真空まで排気後、高真空排気系８０４を閉鎖する。
【０００７】
次に、希ガス導入ライン８０５を通じてヘリウムガス（Ｈｅ）を真空反応室８０１内に導入する。その後、マスフローコントローラ８０６による流量制御とドライロータリーポンプを主体とした作動排気系８０７による差動排気により、一定圧力（１．０〜２０．０Ｔｏｒｒ）の低圧希ガス（Ｈｅ）雰囲気に真空反応室８０１を保持する。保持された数ＴｏｒｒのＨｅガス雰囲気下で、ターゲット材８０３表面に高エネルギー密度（例えば、１．０Ｊ／ｃｍ2以上）のレーザー光を照射する。また、レーザー光は、スリット８０８、集光レンズ８０９を通過後、ミラー８１０により方向を９０度変えられた後、レーザー光導入窓８１１から真空反応室８０１に導入され、ターゲット材８０３表面に到達するようになっている。このようにして、ターゲット材８０３から物質の脱離、射出を行っている。
【０００８】
脱離物質は、雰囲気ガス分子に運動エネルギーを散逸し、空中での凝縮、成長が促進され、堆積基板８１２上で粒径数ｎｍから数十ｎｍの微粒子に成長して堆積される。
【０００９】
ここで、発光波長（発光フォトンエネルギー）の制御には、図９に示した微粒子粒径の減少に伴う量子閉じこめ効果による吸収端発光エネルギー（バンドギャップＥgに対応）の増大を利用している。このため、単一発光波長を得るためには微粒子粒径の均一化が不可欠である。つまり、発光波長に対応した粒径の微粒子を可能な限り狭い粒径分布で生成、堆積できれば、単色発光する光機能素子を作製することが可能となる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、半導体微粒子を用いて単一波長の発光を行う光機能素子を作製するためには、粒径分布の抑制された単一粒径の数ｎｍレベルの微粒子の生成、堆積が要求されている。
【００１１】
従来の機能材料作製装置でも、雰囲気希ガスの圧力、ターゲット材と堆積基板の距離等を適切に選んでやることによって、平均粒径をある程度制御することは可能である。しかし、従来の機能材料作製装置では、依然として粒径分布の幅が広いために、例えば幾何標準偏差σgが１．２以下であるような、均一な粒径の半導体微粒子を得ることは困難である。つまり、機能材料作製装置には、より積極的な粒径制御が必要とされている。
【００１２】
また、ｎｍレベルの微粒子はその高い表面原子割合（例えば粒径５ｎｍで約４０％）のために非常に不純物や欠陥の混入に敏感である。このため、機能材料作製装置が採用する生成堆積手法としては、より清浄でダメージの少ないプロセスが求められている。
【００１３】
さらに、半導体微粒子を上記従来の機能材料作製装置のように、直接堆積基板に付着・堆積した場合には、結局は、堆積物の構造が微粒子からなる多孔質形状の薄膜を形成してしまう傾向がある。このような多孔質形状については、電極を接続して光機能素子化することを想定すると、より最適化されたものが求められる場合がある。また、このような多孔質形状の球状微粒子の元来の量子サイズ効果を引き出し、発光等に代表される新たな光機能を発現するためにも、より最適な形状・構造等が求められる場合もある。
【００１４】
付け加えて、前述したようにｎｍレベルの微粒子は非常に表面が敏感なため、安定した透明媒質中に分散あるいは、表面を透明媒質薄膜で被覆する必要が生じることもある。
【００１５】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、汚染、ダメージを軽減した状態で作製された単一粒径、均一構造を有する高純度微粒子を堆積基板に堆積することができる機能材料作製装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、低圧媒質ガス雰囲気下で第１のターゲット体にレザービームを当てることで微粒子を生成し一定流量で導入した高純度希ガスであるキャリアガスと共に排出する微粒子生成手段と、前記微粒子生成手段とパイプで接続され前記パイプを介して前記微粒子生成手段から導入された前記微粒子を含むキャリアガスから所望の粒径の微粒子を一定流量で導入したシースガス中で分級し前記キャリアガスと共に排出する微粒子分級手段と、前記微粒子分級手段と接続され前記微粒子分級手段から前記キャリアガスと共に送られてきた分級された前記微粒子を基板上に捕集するとともに第２のターゲット体にレザービームを当てることで生成された物質を前記基板上に捕集し前記分級された微粒子と前記第２のターゲット体にレザービームを当てることで生成された物質とを前記基板上に堆積する堆積手段と、前記パイプに設けられたバルブと、前記微粒子生成手段を超高真空排気する第１の排出手段と、前記微粒子分級手段に設けられた前記シースガスの流量を一定に保つように排出する第２の排出手段と、前記堆積手段を超高真空に排気するための第３の排気手段と、前記堆積手段に設けられた前記キャリアガスの流量を一定に保つように排出する第４の排出手段と、を具備し、前記バルブを閉じた状態で、前記第１の排出手段により前記微粒子生成手段を超高真空排気し前記微粒子生成手段の圧力が前記第１のターゲット体から生成される微粒子の凝集・成長に最適な圧力になった後に閉鎖することにより当該最適な圧力に保持すると共に、前記第３の排出手段により前記堆積手段の圧力を前記第２のターゲット体から生成される物質の堆積に最適な圧力にし、その後、前記バルブを開き前記第２の排出手段により前記シースガスを排出し前記第３の排出手段により前記キャリアガスを排出することにより前記キャリアガスおよび前記シースガスの流量を一定に保つと共に、前記堆積手段の圧力を前記第２のターゲット体から生成される物質の堆積に最適な圧力に保持する機能材料作製装置である。
【００１７】
これにより、単一粒径・均一構造に作製された高純度微粒子を基板上に堆積することができる。この結果、単一の波長を発光する発光素子を作製することができる。さらに、高純度微粒子を高純度微粒子とは別の媒質とともに基板上に堆積するので、機能材料の汚染、ダメージを軽減できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の態様にかかる機能材料作製装置は、低圧媒質ガス雰囲気下で第１のターゲット体にレザービームを当てることで、微粒子を生成する微粒子生成手段と、前記微粒子生成手段で生成された微粒子から所望の粒径の微粒子をシースガス中で分級する微粒子分級手段と、前記微粒子分級手段で分級された微粒子を基板上に捕集するとともに、第２のターゲット体にレザービームを当てることで生成された物質を前記基板上に捕集し、前記分級された微粒子と前記第２のターゲット体にレザービームを当てることで生成された物質とを前記基板上に堆積する堆積手段と、を具備した。
【００１９】
この構成により、単一粒径・均一構造に作製された第１のターゲットからなる高純度微粒子を基板上に堆積することができる。この結果、単一の波長を発光する発光素子を作製することができる。さらに、高純度微粒子を第２のターゲット体にレーザービームを当てることで生成された物質とともに基板上に堆積するので、機能材料の汚染、ダメージを軽減できる。
【００２０】
本発明の第２の態様は、第１の態様にかかる機能材料作製装置において、前記堆積手段は、前記分級された微粒子を基板上に補集すると実質的に同時に第２のターゲット体にレザービームを当てることで生成された物質を前記基板上に捕集して、前記第２のターゲット体から構成される物質中に前記微粒子を分散して堆積する。
【００２１】
この構成により、単一粒径・均一構造に作製された第１のターゲットからなる高純度微粒子を第２のターゲット体にレーザービームを当てることで生成された物質に埋め込みながら基板上に堆積できるので、機能材料の汚染、ダメージを効果的に軽減できる。
【００２２】
本発明の第３の態様は、第１の態様にかかる機能材料作製装置において、前記堆積手段は、前記分級済みの微粒子を基板に堆積した後に、第２のターゲット体にレザービームを当てることで生成された物質を前記基板上に捕集し、前記分級された微粒子、および第２のターゲット体から構成される物質を交互に堆積する。
【００２３】
この構成により、単一粒径・均一構造に作製された第１のターゲットからなる高純度微粒子と第２のターゲット体にレーザービームを当てることで生成された物質とを交互に基板上に堆積できるので、機能材料の汚染、ダメージを効果的に軽減できる。
【００２４】
本発明の第４の態様は、第１の態様から第３の態様のいずれかにかかる機能材料作製装置において、前記微粒子分級手段は、微分型電気移動度分級装置を用いている。
【００２５】
この構成により、高い収量で第１のターゲットからなる微粒子を分級することが可能になる。よって、単一粒径、均一構造の高純度微粒子を効率的に捕集・堆積することができる。
【００２６】
本発明の第５の態様は、第１の態様から第３の態様のいずれかにかかる機能材料作製装置において、前記微粒子分級手段は、前記微粒子を放射性同位体を用いて荷電する微粒子荷電手段と、荷電した微粒子を分級する微分型電気移動度分級手段とを具備する。
【００２７】
この構成により、微粒子を荷電できるので分級された微粒子の収率を向上することができる。
【００２８】
本発明の第６の態様は、第１の態様から第３の態様のいずれかにかかる機能材料作製装置において、前記微粒子分級手段は、前記微粒子を真空紫外光源を用いて荷電する微粒子荷電手段と、荷電した微粒子を分級する微分型電気移動度分級手段とを具備する。
【００２９】
この構成により、荷電効率を向上させ、単極に第１のターゲットからなる微粒子を荷電することができる。
【００３０】
本発明の第７の態様は、第１の態様から第３の態様のいずれかにかかる機能材料作製装置において、前記微粒子生成手段は、前記レーザービームをパルスレーザー光とし生成された微粒子をパルスレーザーにより形成されたアブレーションプルーム内で荷電する。
【００３１】
この構成により、放射性同位体や真空紫外光源等を用いる微粒子荷電部を装置から省くことができ、装置の小型化・低コスト化が可能となる。さらに、この構成により、第１のターゲットからなる微粒子の搬送過程を短縮可能なため、搬送中の沈着や凝集等の現象を抑制するという作用を有することができる。
【００３２】
本発明の第８の態様は、第５の態様から第７の態様のいずれかにかかる機能材料作製装置において、前記堆積手段は、分級された荷電状態の微粒子が堆積される際に行われる電子の授受を電流として測定する。
【００３３】
この構成により、第１のターゲットからなる微粒子の堆積量の確認、ひいては堆積量の制御が可能となる。
【００３４】
本発明の第９の態様は、第１の態様から第８の態様のいずれかにかかる機能材料作製装置において、前記微粒子生成手段の圧力を、前記第１のターゲット体から生成される微粒子の凝集・成長に最適な圧力に保持し、さらに前記堆積手段の圧力を前記第２のターゲット体から生成される物質の堆積に最適な圧力に保持する。
【００３５】
この構成により、第１のターゲットからなる微粒子および第２のターゲット体にレザービームを当てることで生成された物質媒質をそれぞれに最適な雰囲気ガス圧力下で生成および堆積可能になる。さらに、微粒子生成室と堆積室の間に圧力差を生じさせることができ、生じた圧力差を利用して効率的に微粒子を搬送するという作用を有することができる。
【００３６】
本発明の第１０の態様は、第１の態様から第９の態様のいずれかにかかる機能材料作製装置において、前記堆積手段は、前記第２のターゲット体を第３のターゲット体と交換するターゲット交換機構をさらに具備し、
前記分級済みの微粒子および前記第２のターゲット体から構成される物質の堆積後に、前記第２のターゲット体を第３のターゲット体と交換し、第３のターゲット材である透明電極材にレーザービームを当てることで生成された物質を前記分級済みの微粒子および前記第２のターゲット体から構成される物質上に堆積して透明電極を形成する。
【００３７】
この構成により、汚染・ダメージを軽減した状態で作製された機能材料に接続される透明電極をも堆積手段内で形成することが可能とする。
【００３８】
本発明の第１１の態様は、第１０の態様にかかる機能材料作製装置において、前記堆積手段は、前記第２のターゲット体と、第３のターゲット体との双方あるいは、片方の堆積をスパッタリングによって行う。
【００３９】
このように、第２のターゲットおよび第３のターゲット材の堆積をスパッタリングによって行うと、従来の半導体装置の技術の流用ができる。また、機能材料作製装置の機構部品や光学部品を簡素化することができる。
【００４０】
本発明の第１２の態様は、第１の態様から第１１の態様のいずれかにかかる機能材料作製装置において、前記堆積手段は、前記分級済みの微粒子および第２のターゲット体から構成される物質の堆積を前記基板に対して法線方向から行う。
【００４１】
この構成により、第１のターゲットからなる微粒子および第２のターゲット体にレザービームを当てることで生成された物質の基板への付着や堆積の効率をより向上することが可能となる。
【００４２】
本発明の第１３の態様は、第１の態様から第１２の態様にかかる機能材料作製装置において、前記微粒子分級手段は、前記微粒子の材料のバンドギャップエネルギーが可視光領域になるような平均粒径で分級を行う。
【００４３】
この構成により、可視光領域の波長を発光する機能材料を作製することができる。
【００４４】
本発明の第１４の態様にかかる機能材料は、微粒子生成手段内で、微粒子を媒質ガス雰囲気下で生成し、前記微粒子を前記微粒子分級手段に導入し、前記微粒子分級手段内において前記微粒子をにシースガス中で所望の粒径に分級し、分級された微粒子を基板上にレーザアブレーションにより生成された物質と共に堆積することによって作製される。
【００４５】
このように作製された機能材料は、単一粒径・均一構造の高純度微粒子が堆積されるので、単一の波長を発光する発光素子に用いることができる。さらに、高純度微粒子がレーザーアブレーションにより生成された物質とともに堆積されるので、汚染、ダメージが軽減される。
【００４６】
本発明の第１５の態様は、第１４の態様にかかる機能材料において、前記微粒子のバンドギャップエネルギーが可視光領域になるような平均粒径で分級を行う。
【００４７】
このように作製された機能材料は、可視光領域の波長を発光することができる。
【００４８】
本発明の第１６の態様にかかる光機能素子は、微粒子生成手段内で、微粒子を媒質ガス雰囲気下で生成し、前記微粒子を微粒子分級手段に導入し、前記微粒子分級手段内において前記微粒子をシースガス中において前記微粒子のバンドギャップエネルギーが可視光領域になるような平均粒径で分級し、前記分級された微粒子をレーザアブレーションにより生成された物質中に分散させた層を基板上に形成することで作成される。
【００４９】
このように作製された光機能素子は、可視光領域の波長を発光することができる。
【００５０】
本発明の第１７の態様は、第１６の態様にかかる光機能素子において、前記可視光領域が赤、青、及び緑にそれぞれ対応する波長領域である。
【００５１】
このように作製された光機能素子は、赤、青、及び緑にそれぞれ対応する波長を発光することができる。
【００５２】
以下、本発明の機能材料作製装置を、実施の形態として、図１から図４を用いて詳細に説明する。
【００５３】
図１は、本実施の形態における機能材料作製装置の堆積室の内部構成を示したものである。堆積室１０１の左側部上方には、微粒子堆積用ノズル１０２が設けられている。微粒子堆積用ノズル１０２から、後述する微粒子分級装置で単一な粒径に分級済みの微粒子を含む一定質量流量Ｑa（標準状態１ｌ／ｍｉｎ．）のキャリアガスが堆積室１０１内部に噴出される。
【００５４】
また、堆積室１０１の中心に対して微粒子堆積用ノズル１０２と対象の位置には、エキシマレーザー光１０３を導入するためのレーザー光導入窓１０４が設けられている。また、レーザー光導入窓１０４の近傍であって、堆積室１０１の外部には、エキシマレーザー光１０３の進行方向を９０度変化させるためのミラー１０５が設けられている。また、ミラー１０５の近傍には、エキシマレーザー光１０３を集光するための集光レンズ１０６が設けられている。
【００５５】
そして、集光レンズ１０６で集光されたエキシマレーザー光１０３は、ミラー１０５で方向を９０度変化させられ、レーザー光導入窓１０４を介して堆積室１０１内に導入される。堆積室１０１内に導入されたエキシマレーザー光１０３は、透明媒質ターゲット１０７に到達する。
【００５６】
透明媒質ターゲット１０７は、ターゲットの駆動・交換を行うターゲット駆動・交換機構１０８に固定されている。ターゲット駆動・交換機構１０８は、導入されたエキシマレーザー光１０３が透明媒質ターゲット１０７を照射できるような位置に配置されている。詳細には、ターゲット駆動・交換機構１０８は、堆積室１０１の微粒子堆積用ノズル１０２が設けられている側面と反対側の側面上部近傍に設けられている。また、ターゲット駆動・交換機構１０８には、透明媒質ターゲットである透明電極材ターゲット１０９が固定されている。ターゲット駆動・交換機構１０８を駆動することで、透明媒質ターゲット１０７の位置と透明電極材ターゲット１０９の位置を入れ替えることができる。これにより、エキシマレーザー光１０３を透明電極材ターゲット１０９に照射することができる。
【００５７】
透明媒質ターゲット１０７は、エキシマレーザー光１０３によって励起されてアブレーションプルーム１１０を形成する。アブレーションブルーム１１０の成長方向に、堆積室１０１の略中央部に配置された微粒子および透明媒質、透明電極が堆積される堆積基板１１１が位置するように透明媒質ターゲット１０７および透明電極材ターゲット１０９が配置されている。また、堆積基板１１１は、堆積基板フォルダー１１２に固定されている。
【００５８】
さらに、堆積室１０１の微粒子堆積用ノズル１０２側の側部には、堆積室１０１を光機能素子作製前に＜１×１０-7Ｔｏｒｒの超高真空に排気するための高真空排気系１１３が設けられている。堆積室１０１の堆積基板１１１の下方の側部には、一定圧力Ｐ２に保持されるようにキャリアガスの差動排気を行うためのキャリアガス差動排気系１１４が設けられている。
【００５９】
また、堆積室１０１の底部には、後述する微粒子分級装置にて分級された荷電状態の微粒子が堆積基板１１１に堆積される際に行われる荷電粒子の授受を測定するための微小電流計１１５が設けられている。微小電流計１１５は、この電子の授受を電流として測定する。
【００６０】
本実施の形態における機能材料作製装置２００は、図２に示した全体構成図のように微粒子生成室２０１と、微粒子荷電部２０２と微分型電気移動度分級装置２０３から成る微粒子分級室２０４と、堆積室１０１とで構成されている。微粒子生成室２０１と微粒子分級室２０４とは、微粒子取り込みパイプ２０９によって接続されている。
【００６１】
ここで、図３に示すような断面構造を有する光機能素子の作製に関して図１から図４を用いて説明する。まず、光機能素子の作製プロセス前に、ダメージ・汚染等の影響を排除するために図２に示すバルブ２０５を閉じ、微粒子生成室２０１をターボ分子ポンプを主体とした超高真空排気系２０６によって＜１×１０-8Ｔｏｒｒの超高真空に排気後、超高真空排気系２０６を閉鎖する。
【００６２】
同時に、微粒子分級室２０４および堆積室１０１をターボ分子ポンプを主体とした超高真空排気系１１３によって＜１×１０-7Ｔｏｒｒの超高真空に排気後、超高真空排気系１１３を閉鎖する。
【００６３】
次に、マスフローコントローラ２０７を用いて微粒子生成室２０１に一定質量流量Ｑa（２００ｓｃｃｍ）でキャリアガス２０８（高純度希ガス、例えば純度９９．９９９９％のＨｅ）を導入する。
【００６４】
ここで、上記実施の形態にかかる微粒子生成室の構成について図４を用いて詳細に説明する。微粒子生成室２０１の左側面部にはガス導入系４０１が接続されている。ガス導入系４０１の一端部には、マスフローコントローラ２０７が設けられている。マスフローコントローラ２０７は、微粒子生成室２０１内に一定質量流量Ｑaでキャリアガス２０８を導入する設定になっている。マスフローコントローラ２０７には、微粒子生成室２０１の内部方向に略垂直に延びる雰囲気希ガス導入管４０２が接続されている。雰囲気希ガス導入管４０２は、微粒子生成室２０１の内部の中央よりやや側面よりで、リング状の雰囲気希ガス噴出管４０３に接続されている。雰囲気希ガス導入管４０２は、微粒子生成室２０１の側面に平行に配置されている。雰囲気希ガス噴出管４０３には、８つの雰囲気希ガス噴出口４０４ａ〜４０４ｈが形成されている。雰囲気希ガス噴出口４０４ａ〜４０４ｈは、後述する固体ターゲットである半導体ターゲット４０６を挟んで、略等間隔に配置されるようにリング状の雰囲気ガス排出管４０３に８等配されて設けられている。また、図面では、説明の便宜上、雰囲気希ガス噴出口４０４ｂと４０４ｃ、雰囲気希ガス噴出口４０４ｄと４０４ｅ、および雰囲気希ガス噴出口４０４ｆと４０４ｇとが、それぞれ近接して図示されているが、実際は雰囲気希ガス導入管４０２がリング状形状のため、雰囲気希ガス噴出口４０４ｂは４０４ｃに対して、雰囲気希ガス噴出口４０４ｄは４０４ｅに対して、および雰囲気希ガス噴出口４０４ｆは４０４ｇに対して図面手前に配置されている。これにより、半導体ターゲット４０６に対して、キャリアガス２０８が対称な流れを形成するようになっている。
【００６５】
また、微粒子生成室２０１の底部には、石英製のレーザー光導入窓４０７が設けられており、パルスレーザー光４０８が集光レンズ４０９で集光され、レーザー光導入窓４０７を介して微粒子生成室２０１に導入される。微粒子生成室２０１の略中央には、自転機構を有するターゲットフォルダー４１０に固定された半導体ターゲット４０６が配置されている。また、半導体ターゲット４０６は、ターゲットフォルダー４１０により、微粒子生成時には８ｒｐｍ（回転／分）の速度で自転するようになっている。半導体ターゲット４０６としては高純度Ｓｉ単結晶基板（面方位（１００）、比抵抗１０Ω・ｃｍ）を使用している。
【００６６】
パルスレーザビーム４０８の集光照射としては、Ｑ−スイッチＮｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波（波長：５３２ｎｍ、パルスエネルギー：１０ｍＪ、パルス幅：４０ｎｓ、繰り返し周波数：１０Ｈｚ）を、半導体ターゲット４０６の表面上で１０Ｊ／ｃｍ2のエネルギー密度になるよう集光照射している。
【００６７】
半導体ターゲット４０６は、微粒子生成室２０１内に導入されたパルスレーザー光４０８によって励起される。パルスレーザー光４０８によって励起された半導体ターゲット４０６は、アブレーションプルーム４１１を形成する。また、微粒子生成室２０１のアブレーションプルーム４１１の成長方向には、微粒子取り込みパイプ４１２が配置されている。また、微粒子生成室２０１の左側部には、光機能素子の作製プロセス前に微粒子生成室２０１を超高真空排気する、ターボ分子ポンプを主体とした超高真空排気系２０６が設けられている。また、微粒子生成室２０１の右側部には、ドライスクロールポンプを主体とした差動排気系４１３が設けられている。
【００６８】
次に、機能材料作製装置２００の動作の説明に戻る。図２に示すバルブ２０５を閉じた状態で、図４に示すドライスクロールポンプを主体とした差動排気系４１３を開き、微粒子生成室２０１を一定圧力Ｐ１（例えば５．０Ｔｏｒｒ）に保持する。
【００６９】
ここで、集光されたパルスレーザー光４０８によって半導体ターゲット４０６の表面を励起し、アブレーション反応を生じさせる。これによって、半導体ターゲット４０６の表面に形成されている自然酸化膜、およびターゲット表面に付着している金属・炭素化合物等の不純物を完全に除去し、その後、差動排気系４１３を閉鎖する。この時点では、パルスレーザー光４０８の発振は停止している。
【００７０】
上記のように、半導体ターゲット４０６表面に形成されている自然酸化膜、および半導体ターゲット４０６表面に付着している金属・炭素化合物等の不純物を除去することにより、半導体微粒子に混入する可能性のある、半導体微粒子にとっての不純物である酸化物、およびターゲット表面に付着している金属・炭素化合物等の影響を取り除くことができる。
【００７１】
次に、図２に示すバルブ２０５を開き、微粒子分級室２０４、および堆積室１０１にキャリアガス２０８を一定質量流量Ｑaで導入する。
【００７２】
同時に、マスフローコントローラ２１０を用いて微分型電気移動度分級装置２０３に質量流量Ｑc（標準状態５ｌ／ｍｉｎ．）でシースガス２１１（高純度希ガス、例えば純度９９．９９９９％のＨｅ）を導入する。
【００７３】
ここで、図１に示すドライポンプを主体としたキャリアガス差動排気系１１４を開き、堆積室１０１内が一定圧力Ｐ２（例えば２．０Ｔｏｒｒ）に保持されるようにキャリアガスを一定質量流量Ｑaで排気する。
【００７４】
同時に、図２に示すドライポンプを主体としたシースガス差動排気系２１２を開き、シースガスを一定質量流量Ｑcで排気する。この時点で、微粒子生成室２１０は一定圧力Ｐ１に、堆積室１０１は一定圧力Ｐ２に保持される。
【００７５】
次に、図４に示すパルスレーザー光４０８を発振させ、微粒子生成室２０１に導入する。この時、図４に示す微粒子生成室２０１内では、半導体ターゲット４０６がパルスレーザー光４０８によって励起され、アブレーション反応を起こす。このようにして半導体ターゲット４０６から脱離・射出された物質は、雰囲気希ガス分子に運動エネルギーを散逸するため、空中での凝縮・成長が促され、数ｎｍから数十ｎｍの微粒子に成長する。
【００７６】
ここで、上記のような手段で微粒子生成室２０１を一定圧力Ｐ１に制御・保持することにより、半導体微粒子が最適な条件下で凝集・成長することが可能となる。
【００７７】
次に、図４に示す微粒子生成室２０１で生成された高純度半導体微粒子は、微粒子取り込みパイプ４１２を介して一定質量流量Ｑaのキャリアガスとともに、図３に示す微粒子荷電部２０２に搬送され、放射性同位体によって両極に荷電される。
【００７８】
微粒子荷電部２０２で荷電された高純度半導体微粒子は微分型電気移動度分級装置２０３に送られる。上記実施の形態では、微分型電気移動度分級装置２０３に、二重円筒型分級装置を採用している。微分型電気移動度分級装置２０３の二重円筒部分には、シースガス２１１の流れの方向と垂直に、直流電源により静電界が印可されている。従って荷電された高純度半導体微粒子は各々の電気移動度に応じた軌道を描く。この電気移動度は高純度半導体微粒子の粒径に依存しているため、ある特定粒径の高純度半導体微粒子だけが微分型電気移動度分級装置２０３のシースガス流の下流に側に設けられたスリットに達し、分級されて、スリットに接続された微粒子堆積用ノズル１０２から取り出される。その他の粒径の微粒子は、シースガス２１１と共にシースガス差動排気系２１２から排気されるか、あるいは、二重円筒部内側の集電極へ移動、付着する。このようにして、微粒子は所望の単一粒径に分級される。
【００７９】
ここで、微粒子荷電部２０２で高純度半導体微粒子をＡｒＦエキシマレーザー光（波長１９３ｎｍ）のような真空紫外光源で荷電することにより、高効率で微粒子を単極荷電することができる。これにより、分級された微粒子の収率を向上することができる。なお、ここではＡｒＦエキシマレーザー光を用いたが、真空紫外光源としてエキシマランプや真空紫外（Ｄｅｅｐ Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ： ＤＵＶ）ランプを用いることもできる。
【００８０】
加えて、上記のような手段で導入されるキャリアガス・シースガスの質量流量と、排気されるキャリアガス・シースガスの質量流量がそれぞれ等しくなるように制御してやることにより、微分型電気移動度分級装置２０３における分級精度を理論上の値に近づけることができる。
【００８１】
次に、図２に示す微粒子分級室２０４で分級された高純度半導体微粒子は、図１に示す堆積室１０１内に、一定質量流量Ｑaのキャリアガスとともに、微粒子堆積用ノズル１０２を介して搬送され、堆積基板１１１上に捕集・堆積される。
【００８２】
この時、透明媒質ターゲット１０７がエキシマレーザー光１０３によって励起される。ここで、アブレーション反応によって射出された透明媒質は、堆積基板１１１上に高純度半導体微粒子が捕集・堆積されるのと同時に、堆積基板１１１上に捕集・堆積される。
【００８３】
ここで、上述した手段で堆積室１０１を一定圧力Ｐ２に制御・保持することにより、透明媒質を最適な条件下で堆積することが可能となる。
【００８４】
上記のように分級された高純度半導体微粒子と透明媒質の捕集・堆積を同時に行うことにより、図３（ａ）に示すように、半導体微粒子分散透明媒質層３０１中にＩＶ族半導体微粒子３０２が分散した構造を、下部電極層３０３が表面に形成された堆積基板１１１上に形成することができる。下部電極層３０３は、スパッタリングなどにより堆積基板１１１に形成されている。また、下部電極層３０３は、珪化金属などで構成されており、耐腐食性や耐熱性が高くなっている。
【００８５】
なお、上記実施の形態では、図１に示す堆積室１０１内で、高純度半導体微粒子と透明媒質の捕集・堆積を同時に行っている。これに対し、まず、微粒子堆積用ノズル１０２から高純度半導体微粒子の堆積を行い、一定量の高純度半導体微粒子を堆積させる。そして、その後、堆積基板上への透明媒質の堆積を行うことによって微粒子と透明媒質の層状構造を形成することもできる。さらに、高純度半導体微粒子と透明媒質の堆積を交互に複数回繰り返すことによって、図３（ｂ）に示すように、ＩＶ族半導体微粒子層３０４と透明媒質層３０５が層状に積み重なった構造を形成することができる。
【００８６】
なお、上記実施の形態では、半導体微粒子分散透明媒質層３０１中にＩＶ族半導体微粒子３０２が分散した構造を堆積基板１１１上に直接に形成しているが、堆積基板１１１上に何らかの媒質層を形成し、この媒質層上にＩＶ族半導体微粒子３０２が分散した構造の半導体微粒子分散透明媒質層３０１を形成してもよい。
【００８７】
ここで、高純度半導体微粒子の捕集・堆積と同時に微小電流計１１５によって、電流を測定する。電流の測定は、分級された荷電状態の微粒子が基板上に捕集・堆積される際に行われる電子の授受を測定することで行う。電流の測定をすることで、微粒子の堆積量の確認・制御を行うことができる。
【００８８】
次に、以上のように高純度半導体微粒子および透明媒質を捕集・堆積した後、図１のターゲット駆動・交換機構１０８を用いて、透明媒質ターゲット１０７を透明電極材ターゲット１０９と交換する。
【００８９】
そして、透明電極材ターゲット１０９はエキシマレーザー光１０３によって励起され、アブレーション反応によって透明電極材料を射出する。噴出された透明電極材料は、図３のように半導体微粒子分散媒質層３０１あるいは透明媒質層３０５上に透明電極層３０６を形成する。この時、堆積室１０１内の雰囲気ガス種類、および圧力Ｐ２は透明電極材量を最適な条件下で堆積することが可能なように制御されている（例えば雰囲気ガスは純度９９．９９９％のＯ2、圧力１０−２００ｍＴｏｒｒ）。
【００９０】
このように、汚染・ダメージを軽減した状態で光機能素子に接続される透明電極をも単一の装置で形成することができる。
【００９１】
なお、ここまでに透明媒質ならびに透明電極材量の堆積はレーザー光によるアブレーションを用いて行ったが、図１に示す堆積室１０１において、透明媒質ターゲット１０７、および透明電極材ターゲット１０９の堆積を多元系スパッタリングによって行うことも考えられる。これにより、従来の半導体装置の技術の流用ができ、さらに機構部品・光学部品を簡素化することができる。このスパッタリングの導入は、特に透明電極を形成する際の半導体微粒子に対する酸化の影響を軽減することができ有効である。
【００９２】
ここで、上記実施の形態の変形にかかる堆積室について図５を用いて説明する。図５は、上記実施の形態にかかる堆積室のその他の例の構成図である。なお、すでに説明した部分と同一の部分については、同一の符号を付与し、説明を省く。
【００９３】
図５に示すように堆積室５０１の上面部略中央には、微粒子堆積用ノズル５０２が設けられている。微粒子堆積用ノズル５０２から堆積室５０１の内部に、分級済みの微粒子が一定質量流量Ｑaのキャリアガスとともに流入し、噴出される。
【００９４】
一方、堆積基板１１１は、堆積室５０１の略中央部に配置されている。堆積基板１１１は、堆積基板フォルダー１１２に固定されている。このため、微粒子堆積用ノズル５０２の噴出口が堆積基板１１１の法線方向に位置するようになっている。
【００９５】
透明媒質ターゲット１０７は、ターゲットフォルダー５０３に固定されている。ターゲットフォルダー５０３は、モーター５０４によってターゲットの駆動を行う。また、透明媒質ターゲット１０７は、エキシマレーザー光１０３によって励起される。励起された透明媒質ターゲット１０７は、アブレーションプルーム１１０を生成する。ここで、アブレーションプルーム１１０の成長方向が堆積基板１１１の法線方向となるようにターゲットフォルダー５０３が配置されている。また、透明媒質ターゲット１０７はリング形状になされている。
【００９６】
このように堆積室５０１の内部を構成することで、高純度半導体微粒子、透明媒質の堆積がともに堆積基板１１１に対しての放線方向から行われる。これにより、高純度半導体微粒子、透明媒質の堆積効率が向上する。さらに、高純度半導体微粒子、透明媒質からなる堆積物の分布を均質化することができる。
【００９７】
以上説明したように、上記実施の形態によれば、汚染・ダメージを軽減した状態で単一粒径・均一構造の高純度微粒子を効率的に作製し、基板上に透明媒質と同時に堆積することができ、形状・構造を最適化した光機能素子を作製することができる。
【００９８】
さらに、上記実施の形態によれば、汚染・ダメージを軽減した状態で単一粒径・均一構造の高純度半導体微粒子を効率的に作製し、基板上に透明媒質と交互に堆積することができ、形状・構造を最適化した光機能素子を作製することができる。
【００９９】
次に、上記実施の形態の機能材料作製装置を用いて、実際に生成したｎｍ領域Ｓｉ微粒子の粒径分布の一例を図６（ａ）に示す。この際の分級・堆積条件は以下のとおりである。
【０１００】
生成室Ｈｅガス圧力：５．０Ｔｏｒｒ、堆積室Ｈｅガス圧力：４．５Ｔｏｒｒ、キャリアガス流量：Ｈｅ ０．３３ＳＬＭ（標準状態，ｌ／ｍｉｎ）、シースガス流量：Ｈｅ １．６７ＳＬＭ、ＤＭＡ分級領域印加電圧：−２．５Ｖ、堆積基板印加電圧：−１００Ｖ、および堆積基板温度：常温である。その他、励起レーザーの照射条件等のＳｉ微粒子生成に関する条件は，図４の詳細説明においてすでに述べたものと同様となっている。
【０１０１】
図６（ａ）においては、生成直後のＳｉ微粒子の粒径分布を黒丸で表わし、分級後のＳｉ微粒子の粒径分布を白いヒストグラムで表している。ここで，生成直後のＳｉ微粒子の粒径分布は、ＤＭＡ分級領域印加電圧（静電場強度）をスイープしながら、堆積基板ホルダー１１２での荷電粒子の入射による電流を微小電流計１１５により計測した値をもとに算出した。一方、分級後の粒径分布は、固定したＤＭＡ分級領域印加電圧（−２．５Ｖ）で堆積基板１１１上に堆積し続けたＳｉ微粒子を電子顕微鏡観察することで得た。
【０１０２】
生成されたＳｉ微粒子群の粒径分布の幅は極めて広い（黒丸：幾何標準偏差sg＝１．８）。しかし、生成されたＳｉ微粒子群にＤＭＡ分級を施すことにより、極めて先鋭な粒径分布（白ヒストグラム：幾何標準偏差sg＝１．２）を得ることができる。このように先鋭な粒径分布は、単一粒径あるいは単分散と呼ばれている。
【０１０３】
また、図６（ａ）において、生成直後のＳｉ微粒子群の平均粒経は５．８ｎｍである。なお、ＤＭＡ分級を施す際にＤＭＡ分級領域印加電圧を−２．５Ｖに設定することで、分級後の平均粒径をより小粒径の３．８ｎｍに移動することも可能となった。
【０１０４】
ところで量子力学的原理から，半導体が微粒子化することでその粒径が，内在するキャリアに付随するド・ブロイ波長あるいは内在するエキシトンのボーア半径と同等の領域になると、粒径ｄmに応じてエネルギーバンドギャップＥgが変化することが知られている。すなわち、ｄmが小さくなるにつれて，Ｅgが増大する。微粒子の材料がＳｉである場合、ｄmが２−１０ｎｍの領域では，有効質量近似（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ−ｍａｓｓ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ）と強結合近似（ｔｉｇｈｔ−ｂｉｎｄｉｎｇ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ）を組合わせた解析により、Ｅgが１．７−３．０ｅＶといった可視光領域の中で変化することが判明している。Ｅgはまさしく光吸収や発光の波長（あるいはｐｈｏｔｏｎ ｅｎｅｒｇｙ）を決定する物理量である。
【０１０５】
図６（ｂ）は、図６（ａ）における分級前後のＳｉ微粒子の粒径（ｄｍ）分布に対応するエネルギーバンドギャップ（Ｅｇ）の分布を示す図である。図６（ｂ）から、生成直後（分級前）のＳｉ微粒子群（黒丸）のＥｇ分布の中心は、近赤外領域（１．４ｅＶ）にあることがわかる。このフォトンエネルギー１．４ｅＶは、図６（ａ）における粒径の５．８ｎｍに対応している。これに対し、分級後のＳｉ微粒子群（白ヒストグラム）のＥｇ分布の中心は、可視光領域の赤の波長領域にある。このフォトンエネルギー１．８ｅＶは、図６（ａ）における粒径の３．８ｎｍに対応している。これは、生成された直後のＳｉ微粒子群では，可視光域での光機能を持たせることが不可能であるのに対し、Ｓｉ微粒子群にＤＭＡ分級を施すことにより可視光域での光機能（光吸収や発光など）を発現できることを示している。Ｓｉ微粒子群が可視光域での光機能（光吸収や発光など）を発現できることは、工業上極めて有用な価値をもたらす。
【０１０６】
上述したように、生成直後のＳｉ微粒子を分級することにより、微粒子を単分散させることができる。このように微粒子が単分散の状態になる、すなわち粒径分布において特定粒径にピークが存在するようになると、粒径に対応するエネルギーバンドギャップの分布も揃うことになる。このため、分級された微粒子が多数存在することにより、エネルギーバンドギャップに相当する波長の光を強く発するようになる。したがって、微粒子を分級する際に、可視光域の光の波長相当のエネルギーバンドギャップに対応する粒径に微粒子を分級することにより、可視光域において光機能を発揮する微粒子を実現することができる。なお、ド・ブロイ波長は材料により異なるため、粒径とエネルギーバンドギャップとの間の相対関係は、微粒子の材料により異なる。
【０１０７】
また、光吸収や発光の波長を決定する物理量であるＥgが、Ｓｉ微粒子の粒径ｄmに応じて変化することを利用して、Ｓｉ微粒子群を所望の粒径に分級することで、所望の波長の光を発する光機能素子を作製することもできる。すなわち、可視光域での光機能を発現できるような粒径に分級したＳｉ微粒子群を堆積基板１１１上に堆積することで、可視光域で光機能を発現する光機能素子を作製できる。
【０１０８】
上記実施の形態における生成−分級−堆積連続プロセスシステムを用いて、図７（ａ）に示すような、３つのＳｉ微粒子群を作製する。これらＳｉ微粒子群は、平均粒径を３．９ｎｍ、２．４ｎｍ、および１．９ｎｍに設定して分級を行ったものである。各々のＳｉ微粒子群のsｇは、すべて１．２以内に収まっている。Ｓｉ微粒子群の平均粒径の制御は、ＤＭＡ分級を施す際にＤＭＡ分級領域印加電圧を制御することで行うことができる。これらの３つのＳｉ微粒子群は，図６と同様の解析により、Ｅｇ（対応フォトンエネルギー）分布の中心値がそれぞれ、１．９１ｅＶ、２．２５ｅＶ、および２．７６ｅＶに対応する（図７（ｂ））。これらのＥｇの値は、波長としてはそれぞれ、６５０ｎｍ、５５０ｎｍ、および４５０ｎｍに対応する。これらの波長は、正しく赤、緑、および青の３原色の光の波長である。このような粒径に分級されたＳｉ微粒子群を媒質とともにレーザーアブレーションにより堆積基板１１１上に堆積して光機能層を堆積基板１１１上に形成することで、赤、緑、および青の波長の光を発する光機能素子を作製できる。
【０１０９】
以上のように，Ｓｉ微粒子により可視光域の３原色を発光する光機能素子を実現できることは，光・電子産業において極めて大きな意義を有するものである。
【０１１０】
以上説明したように、上記実施の形態は、半導体ターゲット４０６から生成・分級された微粒子が堆積基板１１１上に捕集すると、実質的に同時に透明媒質ターゲット１０７のアブレーション反応によって生成された堆積基板１１１上に捕集する。これにより、透明媒質ターゲット１０７から構成される物質中に半導体ターゲット４０６から生成・分級された微粒子を分散して堆積することができる。この結果、汚染・ダメージを軽減した状態で単一粒径・均一構造の高純度微粒子を効率的に作製し、基板上に透明媒質と同時に堆積することができる。これにより、光機能素子の形状・構造を高度に構成できるという作用を有することができる。
【０１１１】
また、上記実施の形態は、半導体ターゲット４０６から生成・分級された微粒子および透明媒質ターゲット１０７から構成される薄膜を交互に堆積する。これによっても、汚染・ダメージを軽減した状態で単一粒径・均一構造の高純度微粒子を効率的に作製し、基板上に透明媒質と交互に堆積することができる。
【０１１２】
また、上記実施の形態にかかる微粒子分級室２０４に、微分型電気移動度分級装置２０３を採用している。これにより、高い収量で微粒子を分級することが可能である。この結果、単一粒径・均一構造の高純度微粒子を効率的に捕集・堆積することができる。
【０１１３】
さらに、上記実施の形態によれば、微粒子生成室２０１の圧力を、半導体ターゲット４０６から生成される微粒子の凝集・成長に最適な圧力に保持できる。また、堆積室１０１の圧力を透明媒質ターゲット１０７から生成される物質の堆積に最適な圧力に保持できる。これにより、微粒子・透明媒質をそれぞれに最適な雰囲気ガス圧力下で生成・堆積可能である。さらに微粒子生成室２０１と堆積室１０１の間に圧力差を生じさせることができる。この生じた圧力差を利用して、効率的に微粒子を微粒子生成室２０１から堆積室１０１へ搬送するという作用を有することができる。
【０１１４】
また、上記実施の形態によれば、堆積室１０１に設けたターゲット駆動・交換機構１０８により、透明媒質ターゲット１０７と透明電極材ターゲット１０９との位置を交換することができる。これにより、半導体ターゲット４０６および透明媒質ターゲット１０７から構成される物質の堆積後に、透明電極材ターゲット１０９をエキシマレーザー光１０３で励起することができる。そして、励起した透明電極材ターゲット１０９がアブレーション反応を起こすことによって生成された物質を、半導体ターゲット４０６および透明媒質ターゲット１０７から構成される物質に堆積して透明電極を形成することができる。これにより、機能材料としての活性領域を大気にさらすことなく、汚染・ダメージを軽減した状態で光機能素子に接触される透明電極をも単一の装置で形成することを可能にできる。
【０１１５】
さらに、上記実施の形態の変形例においては、半導体ターゲット４０６および透明媒質ターゲット１０７から構成される物質の堆積を基板に対して法線方向から行えることができる。これにより、微粒子・透明媒質の基板への付着・堆積効率を向上することが可能となる。
【０１１６】
また、上記実施の形態は、微粒子を放射性同位体を用いて荷電する方式の微粒子荷電部２０２を有している。また、微粒子荷電部２０２が微粒子を真空紫外光源を用いて荷電する形態をとることで、荷電効率を向上させることができる。
【０１１７】
また、上記実施の形態の変形例として、生成された微粒子をパルスレーザーによるアブレーションプルーム内で荷電する形態も考えられる。これにより、放射性同位体や真空紫外光源等を用いる微粒子荷電部２０２を装置から省くことも可能である。これにより、装置の小型化・低コスト化が可能となる。さらに、微粒子の搬送過程を短縮可能になる。この結果、搬送中の微粒子の沈着・凝集等の現象を抑制するという作用を有する。
【０１１８】
さらに、上記実施の形態のおいて、透明媒質ターゲット１０７および透明電極材ターゲット１０９の堆積をスパッタリングによって行うようにすることも考えられる。これにより、従来の半導体装置の技術の流用ができ、さらに機構部品・光学部品を簡素化することができる。
【０１１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、汚染、ダメージを軽減した状態で作製された単一粒径、均一構造を有する高純度微粒子を堆積基板に堆積することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態にかかる機能材料作製装置の堆積室の構成を示す図
【図２】上記実施の形態にかかる機能材料作製装置の構成を示す図
【図３】（ａ） 上記実施の形態にかかる機能材料作製装置で作製された第１の機能材料の拡大断面図
（ｂ） 上記実施の形態にかかる機能材料作製装置で作製された第２の機能材料の拡大断面図
【図４】上記実施の形態にかかる機能材料作製装置の微粒子生成室の構成を示す図
【図５】上記実施の形態にかかる機能材料作製装置のその他の例の堆積室の構成を示す図
【図６】（ａ） 生成直後の微粒子の粒径分布と分級後の微粒子の粒径分布を示す図
（ｂ） 生成直後の微粒子の光学ギャップの分布と分級後の微粒子の光学ギャップの分布を示す図
【図７】 （ａ） 多色発光を目的として作製された、３種のＳｉ微粒子群の粒径分布を示す図
（ｂ） 多色発光を目的として作製された、３種のＳｉ微粒子群の光学ギャップの分布を示す図
【図８】従来の機能材料作製装置の構成を示す図
【図９】微粒子粒径とその吸収端発光エネルギーの相関図
【符号の説明】
１０１、５０１ 堆積室
１０２、５０２ 微粒子堆積用ノズル
１０３ エキシマレーザー光
１０４ レーザー光導入窓
１０７ 透明媒質ターゲット
１０８ ターゲット駆動・交換機構
１０９ 透明電極材ターゲット
１１０ アブレーションプルーム
１１１ 堆積基板
１１２ 堆積基板フォルダー
１１３ 超高真空排気系
１１４ キャリアガス差動排気系
１１５ 微小電流計
２０１ 微粒子生成室
２０２ 微粒子荷電部
２０３ 微分型電気移動度分級装置
２０４ 微粒子分級室
２０５ バルブ
２０６ 超高真空排気系
２０７、２１０ マスフローコントローラ
２０９ 微粒子取り込みパイプ
２１２ シースガス差動排気系
５０３ ターゲットフォルダー
Claims (10)
- 低圧媒質ガス雰囲気下で第１のターゲット体にレザービームを当てることで微粒子を生成し一定流量で導入した高純度希ガスであるキャリアガスと共に排出する微粒子生成手段と、前記微粒子生成手段とパイプで接続され前記パイプを介して前記微粒子生成手段から導入された前記微粒子を含むキャリアガスから所望の粒径の微粒子を一定流量で導入したシースガス中で分級し前記キャリアガスと共に排出する微粒子分級手段と、前記微粒子分級手段と接続され前記微粒子分級手段から前記キャリアガスと共に送られてきた分級された前記微粒子を基板上に捕集するとともに第２のターゲット体にレザービームを当てることで生成された物質を前記基板上に捕集し前記分級された微粒子と前記第２のターゲット体にレザービームを当てることで生成された物質とを前記基板上に堆積する堆積手段と、前記パイプに設けられたバルブと、前記微粒子生成手段を超高真空排気する第１の排出手段と、前記微粒子分級手段に設けられた前記シースガスの流量を一定に保つように排出する第２の排出手段と、前記堆積手段を超高真空に排気するための第３の排気手段と、前記堆積手段に設けられた前記キャリアガスの流量を一定に保つように排出する第４の排出手段と、を具備し、
前記バルブを閉じた状態で、前記第１の排出手段により前記微粒子生成手段を超高真空排気し前記微粒子生成手段の圧力が前記第１のターゲット体から生成される微粒子の凝集・成長に最適な圧力になった後に閉鎖することにより当該最適な圧力に保持すると共に、前記第３の排出手段により前記堆積手段の圧力を前記第２のターゲット体から生成される物質の堆積に最適な圧力にし、
その後、前記バルブを開き前記第２の排出手段により前記シースガスを排出し前記第３の排出手段により前記キャリアガスを排出することにより前記キャリアガスおよび前記シースガスの流量を一定に保つと共に、前記堆積手段の圧力を前記第２のターゲット体から生成される物質の堆積に最適な圧力に保持することを特徴とする機能材料作製装置。 - 前記堆積手段は、前記分級された微粒子を基板上に補集すると実質的に同時に第２のターゲット体にレザービームを当てることで生成された物質を前記基板上に捕集して、前記第２のターゲット体から構成される物質中に前記微粒子を分散して堆積することを特徴とする請求項１に記載の機能材料作製装置。
- 前記堆積手段は、前記分級済みの微粒子を基板に堆積した後に、第２のターゲット体にレザービームを当てることで生成された物質を前記基板上に捕集し、前記分級された微粒子、および第２のターゲット体から構成される物質を交互に堆積することを特徴とする請求項１に記載の機能材料作製装置。
- 前記微粒子分級手段は、微分型電気移動度分級手段を用いていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の機能材料作製装置。
- 前記微粒子分級手段は、前記微粒子を放射性同位体を用いて荷電する微粒子荷電手段と、荷電した微粒子を分級する微分型電気移動度分級手段とを具備することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の機能材料作製装置。
- 前記微粒子分級手段は、前記微粒子を真空紫外光源を用いて荷電する微粒子荷電手段と、荷電した微粒子を分級する微分型電気移動度分級手段とを具備することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の機能材料作製装置。
- 前記微粒子生成手段は、前記レーザービームをパルスレーザー光とし生成された微粒子をパルスレーザーにより形成されたアブレーションプルーム内で荷電することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の機能材料作製装置。
- 前記堆積手段は、分級された荷電状態の微粒子が堆積される際に行われる電子の授受を電流として測定することを特徴とする請求項５から請求項７のいずれかに記載の機能材料作製装置。
- 前記堆積手段は、前記第２のターゲット体を第３のターゲット体と交換するターゲット交換機構をさらに具備し、前記分級済みの微粒子および前記第２のターゲット体から構成される物質の堆積後に、前記第２のターゲット体を第３のターゲット体と交換し、第３のターゲット体である透明電極材にレーザービームを当てることで生成さ れた物質を前記分級済みの微粒子および前記第２のターゲット体から構成される物質上に堆積して透明電極を形成することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の機能材料作製装置。
- 前記堆積手段は、前記分級済みの微粒子および第２のターゲット体から構成される物質の堆積を前記基板に対して法線方向から行うことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載の機能材料作製装置。
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