JP3697499B2 - 量子ドット型機能構造体作製装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は量子ドット型機能構造体作製装置に関するものであり、特に、量子サイズ効果から様々な機能発現が期待できる超微粒子の粒径制御、汚染軽減をなし得るとともに、超微粒子が透明媒質中に均質に分散された量子ドット型機能構造体を用いて作製された光機能素子の効率の向上をも可能とする優れた特徴を有する量子ドット型機能構造体作製装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
Si系IV族材料から構成される半導体超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超微粒子作製が不可欠である。さらに、nmレベルの超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。
【０００３】
図８は例えば特開平9-275075号公報に記載された、従来の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、超微粒子を作製堆積するための装置概念図である。
【０００４】
図８においてエキシマレーザー光源802からのレーザー光がスリット803、集光レンズ804、ミラー805、レーザー光導入窓806から構成された光学系を経由し、真空反応室801に導入され、真空反応室801の内部に設置されたターゲットフォルダー807に配置されたターゲット材808の表面に集光照射される。
【０００５】
さらに、ターゲット材808表面の放線方向に堆積基板809が配置されている。ターゲット材808からのレーザーアブレーションによる脱離・射出物質は堆積基板809上に捕集・堆積される。
【０００６】
上記のように構成された装置において、Siをターゲット材とした場合の半導体超微粒子の作製についてやや詳しく述べる。
【０００７】
まず、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812により、1×10-8Torrの超高真空まで排気後、高真空排気系812を閉鎖する。
【０００８】
次に、希ガス導入ライン810を通じてヘリウムガス（He）を真空反応室801内に導入し、マスフローコントローラ811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差動排気系813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し、ターゲット材からの物質の脱離・射出を行う。
【０００９】
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・成長が促され、堆積基板809上で粒径数nmから数十nmの超微粒子に成長して堆積される。
【００１０】
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が、形状を粒径が数nmレベルの超微粒子にすると、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とにより、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。
【００１１】
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に示した超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）の増大を利用する。
【００１２】
つまり、単一発光波長を得るためには超微粒子粒径の均一化が不可欠である。
そして、発光波長に対応した粒径の超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。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の技術で述べたように半導体超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レベルの超微粒子の生成・堆積が要求されている。
【００１４】
従来の技術では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、平均粒径を制御することは可能であるが、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超微粒子を得ることは困難である。
【００１５】
つまり、より積極的な粒径制御が必要とされている。また、nmレベルの超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。
【００１６】
つまり、生成堆積手法として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。さらに、半導体超微粒子を上記従来の技術のように、直接堆積基板に付着・堆積した場合には、結局は、堆積物の構造が超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。
【００１７】
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もあり、また、球状超微粒子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、例えば安定した透明媒質中に均質に分散された構造のような、より最適な形状・構造等が求められる場合もある。
【００１８】
付け加えて、前述したようにnmレベルの超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均質に分散された量子ドット型機能構造体を形成する必要が生じることもある。
【００１９】
本発明は、単一粒径・均一構造を有するnmレベルの高純度超微粒子を汚染・ダメージを軽減した状態で効率的に作製し、堆積基板上に堆積するとともに、超微粒子を安定した透明媒質中に均質に分散した構造である量子ドット型機能構造体を活性層として用いる光機能素子を作製可能な量子ドット型機能構造体作製装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の量子ドット型機能構造体作製装置は、レーザーアブレーションによる超微粒子の生成を行う微粒子生成室、超微粒子の粒径制御を行う微粒子分級室、レーザーアブレーションによる透明媒質の生成を行う透明媒質生成室、基板への超微粒子の堆積と透明媒質への埋め込みを同時に行う堆積室から構成したものである。
【００２１】
これにより、汚染・ダメージを軽減した状態で単一粒径・均一構造の高純度超微粒子を効率的に作製し、基板上に透明媒質とともに堆積することができ、透明媒質中に超微粒子が均質に分散した量子ドット型機能構造体を活性層として用いた光機能素子を作製することができる。
【００２２】
上記のような構成を有する本発明の各種態様として、本発明の請求項１に記載の発明は、微粒子を生成する微粒子生成室と、微粒子生成室で生成された微粒子から所望の粒径の微粒子をガス中で電気移動度分級法により分級する微粒子分級室と、微粒子を搬送するガスを排気するガス排気手段と、微粒子を媒質中に均質に分散可能な透明媒質を生成する透明媒質生成手段と、微粒子分級室で分級された微粒子を基板上に捕集するとともに、透明媒質生成手段で生成された透明媒質を基板上に捕集し、分級された微粒子と透明媒質とを基板上に堆積する堆積室と、を具備し、前記透明媒質生成手段は、堆積室中に第１の透明媒質生成手段が配置されるとともに、独立に第２の透明媒質生成室を具備したことを特徴とする量子ドット型機能構造体作製装置であり、汚染・ダメージを軽減した状態で単一粒径・均一構造の高純度超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、透明媒質中に超微粒子が均質に分散した量子ドット型機能構造体を活性層として用いた光機能素子を作製できるとともに、例えば、透明媒質生成時に堆積基板付近が酸化雰囲気になり得る材料を透明媒質として用いる際に、酸化されやすい材料の微粒子の酸化を抑制することができ、量子ドット型機能構造体を作製する上で材料選択性を高めるという作用を有する。
【００２４】
本発明の請求項２に記載の発明は、微粒子生成室と、微粒子分級室と、堆積室における微粒子の搬送路を一直線上に構成することを特徴とする量子ドット型機能構造体作製装置であり、超微粒子をガス中で搬送する際に搬送路の排気コンダクタンスの低下を抑制することが可能であり、超微粒子搬送時の沈着が防止でき、ひいては超微粒子の収量を向上するという作用を有する。
【００２５】
本発明の請求項３に記載の発明は、微粒子生成室の圧力ならびに、堆積室の圧力を独立に制御することを特徴とする量子ドット型機能構造体作製装置であり、超微粒子ならびに、透明媒質の生成圧力を材料種に最適な値に正確に制御することが可能であり、量子ドット型機能構造体の構造・物性を高度に制御するという作用を有する。
【００２６】
本発明の請求項４に記載の発明は、微粒子を搬送するガスを排気するガス排気手段を堆積室の圧力に基づいて制御することを特徴とする量子ドット型機能構造体作製装置であり、微粒子生成室と堆積室の圧力差を大きく取ることができ、超微粒子の搬送効率を向上するという作用を有する。
【００２７】
本発明の請求項５に記載の発明は、堆積室内における堆積基板が、微粒子ならびに透明媒質の堆積方向に対して回転可能であることを特徴とする量子ドット型機能構造体作製装置であり、超微粒子と透明媒質を交互に堆積する場合に堆積効率を向上するという作用を有する。
【００２８】
本発明の請求項６に記載の発明は、微粒子の搬送路を、一定温度に保持可能な温度制御機構を具備することを特徴とする量子ドット型機能構造体作製装置であり、熱泳動効果により超微粒子の搬送管への沈着を防ぐとともに、超微粒子同士の凝集を抑制が可能になるという作用を有する。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態に係る量子ドット型機能構造体作製装置を、図1から図8を用いて詳細に説明する。
【００４３】
図1は本実施の形態における量子ドット型機能構造体作製装置の全体構成の一例を示したものであり、その基本的な構成は、超微粒子を生成する超微粒子生成室101と、超微粒子生成室101において生成された超微粒子を分級する超微粒子分級室102と、分級された超微粒子が堆積される堆積室103と、透明な媒質を生成する透明媒質生成室104とから構成されている。
【００４４】
ここで、超微粒子生成室101の構成は基本的に、図2のように、超微粒子生成室101内にマスフローコントローラ201を介して一定質量流量Qa（例えば1.0 [l/min：リットル／分] ）でキャリアガス202（例えば純度99.9999％のHe）をリング状に配されたガス噴き出し口214 を介して導入するガス導入系213 と、自転機構２１５を有し半導体ターゲット207（例えば単結晶Siウェハー、面方位(10 0) 、直径50mm、厚さ0.625mm）を固定保持するターゲットフォルダー206と、超微粒子の搬送路に対して45度の位置に配置されパルスレーザー光（例えばNd-YAGレーザーの第2次高調波、波長532nm）205 を集光する集光レンズ203および集光されたレーザー光を超微粒子生成室101の内部へ導入するレーザー光導入窓204を備え、ターゲットフォルダー206に固定された半導体ターゲット207へ向けて上記パルスレーザー光を照射するレーザー光照射系216 と、パルスレーザー光205によって励起された、アブレーションプルーム208の超微粒子の搬送方向と同一の成長方向に配置された超微粒子取り込みパイプ209と、アブレーションプルーム208等のその場観察に用いる一対の観察用窓210、211と、光機能素子の作製プロセス前に超微粒子生成室101を<1×10-9Torrの超高真空に排気する、ターボ分子ポンプを主体とした超高真空排気系212とから成る。
【００４５】
また、超微粒子分級室102の基本的な構成は、図3に示すように、質量流量Qaで搬送される、超微粒子生成室101で生成された超微粒子を、例えばエキシマランプ（Ar2エキシマ、波長126nm）のような真空紫外光源を用いて荷電する荷電室301、超微粒子生成室101から堆積室103に向かって直線方向に配された、例えば4等配して構成される超微粒子流入管302、超微粒子流入管302から荷電された超微粒子が流入され、所望の粒径に超微粒子を分級する、二重円筒構造を有する微分型電気移動度分級装置303、微分型電気移動度分級装置303内で一定質量流量Qc（例えば5[l/min]）の流れを形成するためのシースガス304（例えば純度99.9999％のHe）を微分型電気移動度分級装置303に導入するマスフローコントローラ305、二重円筒間に静電界を形成する直流電源306、シースガスを高コンダクタンスの排気管を介して、ポンプの前段に配されたマスフローメータ307によって制御される、シースガスをヘリカルポンプ等で一定質量流量Qcで排気するシースガス排気系308、微分型電気移動度分級装置303で分級された分級超微粒子とともに、質量流量Qaで流れるキャリアガス202の一部のみをターボ分子ポンプを中心としたポンプを用いて排気する、後述する堆積室の圧力に基づいて制御されるキャリアガス排気系309から成る。 ここで、超微粒子の荷電は、アメリシウム241（Am241）のような放射性同位体を用いても良いし、真空紫外光源と放射性同位体の双方を同時に用いても一向に構わない。
【００４６】
さらに、堆積室103基本的な構成は、図4に示すように、超微粒子生成室で生成された超微粒子が超微粒子分級室で単一な粒径に分級されて、分級済みの超微粒子を含むキャリアガスが流入し噴出される超微粒子堆積用ノズル401、超微粒子堆積用ノズルを一定温度に保持する加熱ヒータ402、加熱ヒータの制御装置403、堆積基板フォルダー404に固定され、超微粒子および透明媒質が堆積される堆積基板405、集光レンズ406で集光され、レーザー光導入窓407を介して堆積室103内に導入されるエキシマレーザー光408によって励起される、ターゲットの定回転駆動（例えば8rpm）を行うターゲットフォルダー409に固定され、エキシマレーザー光408によって励起されたアブレーションプルーム410の成長方向が堆積基板405に向かうように、堆積基板405と平行に配置された透明媒質ターゲット411（例えばIn2O3焼結体、純度99.99%、直径50mm、厚さ3mm）、堆積室103を量子ドット機能構造体作製前に<1×10-9Torrの超高真空に排気するターボ分子ポンプを中心に構成された超高真空排気系412、超微粒子生成室101が一定圧力（例えば4.0Torr）に保持されるようにキャリアガスの差動排気を行うヘリカルポンプを中心に構成された堆積室ガス排気系413、堆積室103において分級された荷電状態の超微粒子が堆積基板405に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微小電流計414、透明媒質生成室104から搬送される透明媒質が噴出される透明媒質堆積用ノズル415から成る。
【００４７】
加えて、透明媒質生成室104の構成は基本的に、透明媒質生成室104内にマスフローコントローラ416を介して一定質量流量QT（0.5 [l/min] ）で雰囲気希ガス417（例えば純度99.9999％のHe）を導入するガス導入系、集光レンズ418で集光されレーザー光導入窓419を介して透明媒質生成室104に導入される、エキシマレーザー光420（例えばArFエキシマレーザー、波長193nm）によって励起される、ターゲットの定回転駆動（例えば8rpm）を行うターゲットフォルダー421に固定された透明媒質ターゲット422（例えばIn2O3 焼結体、純度99.99%、直径50mm、厚さ3mm）、エキシマレーザー光420によって励起されたアブレーションプルーム423の成長方向に配置された透明媒質取り込みパイプ424、アブレーションプルーム423等のその場観察に用いる一対の観察用窓425、426から成る。
【００４８】
ここで、図５に示すような、単一粒径・均一構造の高純度超微粒子501が透明媒質502中に均質に分散した断面構造を有する量子ドット機能構造体の作製に関して図2から図7を用いて説明する。まず、量子ドット機能構造体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3のバルブ310を閉じ、超微粒子生成室101を、ターボ分子ポンプを主体とした図2の超高真空排気系212によって<1×10-9Torrの超高真空に排気後、超高真空排気系212を閉鎖する。
【００４９】
同時に、超微粒子分級室102、堆積室103、透明媒質生成室104を、ターボ分子ポンプを主体とした図4の超高真空排気系412によって<1×10-9Torrの超高真空に排気後、超高真空排気系412を閉鎖する。
【００５０】
次に、図2のマスフローコントローラ201を用いて超微粒子生成室101に質量流量Qa（ここでは0.5 [l/min] ）でキャリアガス202（高純度希ガス、例えば純度99.9999％のHe）を導入する。
【００５１】
次に、図3のバルブ310、バルブ311を開き、ヘリカルポンプを中心に構成された図4の堆積室ガス排気系413を超微粒子生成室101の圧力を基準に制御し、差動排気を行うことで超微粒子生成室101を一定圧力P1（例えば10Torr）に保持する。
【００５２】
ここで、図2の集光されたパルスレーザー光205によって半導体ターゲット207の表面を励起し、アブレーション反応を生じさせ半導体ターゲット207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、図4の堆積室排気系413を閉鎖する。この時点では、パルスレーザー光205の発振は停止している。
【００５３】
上記のように、半導体ターゲット207の表面に形成されている自然酸化膜を除去することにより、半導体超微粒子に混入する可能性のある、半導体超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。
【００５４】
次に、キャリアガス202の流量を変化させ、一定質量流量Qa（標準状態1.0 [l/min] ）で導入する。
【００５５】
同時に、図3のマスフローコントローラ305を用いて微分型電気移動度分級装置303に質量流量Qc（標準状態5.0 [l/min] ）でシースガス304（高純度希ガス、例えば純度99.9999％のHe）を導入する。
【００５６】
ここで、ヘリカルポンプを主体とした堆積室ガス排気系413を開き、超微粒子生成室101内が一定圧力P1（例えば5.0Torr）に保持されるようにキャリアガスを差動排気する。
【００５７】
同時に、超微粒子分級室102に設けられた、ヘリカルポンプを主体としたシースガス排気系308を開き、マスフローメータ307の指示値が5.0 [l/min] となるように、マスフローメータ307の指示値を基準にしてシースガス排気系308を制御することで、シースガスを一定質量流量Qcで排気する。
【００５８】
さらに、同時に、バルブ312を開き、堆積室103内の圧力を基準に制御されるキャリアガス排気系309を用いて、堆積室103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の一部のみを差動排気する。この時点で、堆積室ガス排気系413とキャリアガス排気系309で排気されるガスの質量流量の和は1.0 [l/min] であり、超微粒子生成室は一定圧力P1（5.0Torr）に、堆積室は一定圧力P2（2.0Torr）に保持されている。
【００５９】
上記のような手段でガス排気を行うことにより、超微粒子生成室101の圧力をP1、堆積室の圧力をP2、シースガスの排気質量流量Qcを正確な値に制御することができる。
【００６０】
次に、パルスレーザー光205を発振させ、超微粒子生成室101に導入する。この時、超微粒子生成室101では、パルスレーザー光205によって励起され、アブレーション反応によって半導体ターゲット207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の超微粒子に成長する。
【００６１】
ここで、上記のような手段で超微粒子生成室を一定圧力P1に正確に制御・保持することにより、半導体超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。
【００６２】
次に、超微粒子生成室101で生成された高純度半導体超微粒子は超微粒子取り込みパイプ209を介して一定質量流量Qaのキャリアガスとともに、図6に示すような構成の荷電室301に搬送され、真空紫外光源601から発せられ、光学系602で成形された、真空紫外光603によって単極に荷電される。
【００６３】
荷電室301で単極に荷電された高純度半導体超微粒子は、90度ごとに4等配された超微粒子流入管302を介して、微分型電気移動度分級装置303に流入する。二重円筒型の微分型電気移動度分級装置303に流入した高純度半導体超微粒子は直流電源306（例えば電圧2.5V）によって形成された内外円筒間の静電界によって、所望の単一粒径（例えば粒径3.7nm）に分級される。
【００６４】
ここで、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303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。
【００６５】
次に、超微粒子分級装置303で分級された高純度半導体超微粒子は、堆積室103内に、キャリアガスとともに、超微粒子堆積用ノズル401を介して搬送され、堆積基板405上に捕集・堆積される。さらに、超微粒子堆積用ノズル401を、加熱ヒータの制御装置403で、一定温度（例えば摂氏150度）に成るように制御された加熱ヒータ402を用いて温度制御することにより、熱泳動効果を利用して、超微粒子のノズル管内への沈着を防止する事ができ、堆積効率が向上する。
【００６６】
この時、透明媒質ターゲット411はエキシマレーザー光408によって励起され、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405上に高純度半導体超微粒子が捕集・堆積されるのと同時に、堆積基板405上に捕集・堆積される。
【００６７】
ここで、前述のような手段で堆積室を一定圧力P2（2.0Torr）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。
【００６８】
さらに、キャリアガス202の一部のみをターボ分子ポンプを中心としたポンプを用いて排気する、堆積室の圧力P2に基づいて制御されるキャリアガス排気系309を用いることによってP2の圧力を任意の値に保持することが可能となるため、P1とP2の圧力差をキャリアガス排気系309を用いない場合（P1：5.0Torr、P2：4.0Torr、圧力差1.0Torr）よりも大きく（P1：5.0Torr、P2：2.0Torr、圧力差3.0Torr）する事ができ、圧力差による超微粒子の搬送を効率的に行うことができる。
【００６９】
上記のような分級された高純度半導体超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5に示すような、単一粒径・均一構造の高純度超微粒子501が透明媒質502中に均質に分散した断面構造を有する量子ドット機能構造体を作製することができる。
【００７０】
なお、ここでは堆積室103内で、高純度半導体超微粒子と透明媒質の捕集・堆積を同時に行ったが、まず、超微粒子堆積用ノズル401から高純度半導体超微粒子の堆積を行い、一定量の高純度半導体超微粒子の堆積後、堆積基板上への透明媒質の堆積を行うことによって超微粒子と透明媒質の層状構造を形成することもできる。
【００７１】
上記の量子ドット機能構造体作製手順においては、堆積室103内の透明媒質ターゲット411をエキシマレーザー光408でレーザーアブレーションすることで、透明媒質の堆積を行っているが、透明媒質生成室104内にマスフローコントローラ416を介して一定質量流量QT（0.5l/min）で雰囲気希ガス417（純度99.9999％のHe）を導入し、集光レンズ418で集光されレーザー光導入窓419を介して透明媒質生成室104に導入される、エキシマレーザー光420（ArFエキシマレーザー、波長193nm）によって透明媒質ターゲット422を励起し、エキシマレーザー光420によって励起されたアブレーションプルーム423の成長方向に配置された透明媒質取り込みパイプ424から取り込んだ透明媒質を、堆積室103内の透明媒質堆積用ノズル415から噴出して、堆積基板405上に堆積することもできる。このように、堆積室103内で透明媒質のレーザーアブレーションを行わないことにより酸化雰囲気に敏感な半導体超微粒子の堆積時の酸化を抑制することができる。
【００７２】
また、図7に示すように、堆積基板405を超微粒子堆積用ノズル401、透明媒質ターゲット411、透明媒質堆積用ノズル415のそれぞれに対して平行、あるいは直交するように、堆積基板405の中心を軸として回転可能とすることで、例えば交互堆積時に、超微粒子堆積中は超微粒子の堆積方向701に直交するように堆積基板405の角度を図7中で水平から45度反時計回りに回転させ、透明媒質堆積時には透明媒質ターゲット411と平行に成るように、堆積基板405を図7中で水平にすることで、超微粒子および、透明媒質の堆積効率を向上し、堆積物の分布を均質化することができる。
【００７３】
加えて、堆積基板405に直流電源703を用いてバイアス電圧（例えば100V）を印加し、液体窒素だめ704に液体窒素を導入し堆積基板405を冷却する（例えば摂氏-100度）事により、超微粒子の堆積効率を向上することもできる。
【００７４】
ここで、高純度半導体超微粒子の捕集・堆積と同時に微小電流計414によって、分級された荷電状態の超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電流として測定し、超微粒子の堆積量の確認・制御を行うことができる。
【００７５】
上記のように、微粒子を生成する微粒子生成室と、微粒子生成室で生成された微粒子から所望の粒径の微粒子をガス中で分級する微粒子分級室と、微粒子を搬送するガスを排気するガス排気手段と、透明媒質を生成する透明媒質生成手段と、微粒子分級室で分級された微粒子を基板上に捕集するとともに、透明媒質生成手段で生成された透明媒質を基板上に捕集し、分級された微粒子と透明媒質とを基板上に堆積する堆積室と、を具備したことを特徴とする量子ドット型機能構造体作製装置を用いることにより、単一粒径・均一構造を有するnmレベルの高純度超微粒子を汚染・ダメージを軽減した状態で効率的に作製し、堆積基板上に堆積するとともに、超微粒子を安定した透明媒質中に均質に分散した構造である量子ドット型機能構造体を活性層として用いる光機能素子を作製することができる。
【００７６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、単一粒径・均一構造を有するnmレベルの高純度超微粒子を汚染・ダメージを軽減した状態で効率的に作製し、堆積基板上に堆積するとともに、超微粒子を安定した透明媒質中に均質に分散した構造である量子ドット型機能構造体を活性層として用いる光機能素子を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における量子ドット型機能構造体作製装置の全体構成図
【図２】本発明の実施の形態における超微粒子生成室の断面構成図
【図３】本発明の実施の形態における超微粒子分級室の断面構成図
【図４】本発明の実施の形態における堆積室、及び透明媒質生成室の断面構成図
【図５】本発明の実施の形態における量子ドット型機能構造体の断面構造図
【図６】本発明の実施の形態における荷電室の断面構成図
【図７】本発明の実施の形態における堆積室内の構成図
【図８】従来の超微粒子を作製堆積するための装置概念図
【図９】超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 超微粒子生成室
102 超微粒子分級室
103 堆積室
104 透明媒質生成室
201、305、416、811 マスフローコントローラ
202 キャリアガス
203、406、418、804 集光レンズ
204、407、419、806 レーザー光導入窓
205 パルスレーザー光
206、409、421、807 ターゲットフォルダー
207 半導体ターゲット
208、410、423 アブレーションプルーム
209 超微粒子取り込みパイプ
210、212、425、426 観察用窓
212、412、812 超高真空排気系
301 荷電室
302 超微粒子流入管
303 微分型電気移動度分級装置
304 シースガス
306、703 直流電源
307 マスフローメータ
308 シースガス排気系
309 キャリアガス排気系
401 超微粒子堆積用ノズル
402 加熱ヒータ
403 加熱ヒータ制御装置
404 堆積基板フォルダー
405 堆積基板
408、420 エキシマレーザー光
411、422 透明媒質ターゲット
413 堆積室ガス排気系
414 微小電流計
415 透明媒質堆積用ノズル
424 透明媒質取り込みパイプ
501 高純度超微粒子
502 透明媒質
601 真空紫外光源
602 光学系
603 真空紫外光
701 超微粒子の堆積方向
702 透明媒質生成室からの透明媒質の堆積方向
704 液体窒素だめ
801 真空反応室
802 エキシマレーザー光源
803 スリット
810 希ガス導入ライン
【発明の属する技術分野】
本発明は量子ドット型機能構造体作製装置に関するものであり、特に、量子サイズ効果から様々な機能発現が期待できる超微粒子の粒径制御、汚染軽減をなし得るとともに、超微粒子が透明媒質中に均質に分散された量子ドット型機能構造体を用いて作製された光機能素子の効率の向上をも可能とする優れた特徴を有する量子ドット型機能構造体作製装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
Si系IV族材料から構成される半導体超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超微粒子作製が不可欠である。さらに、nmレベルの超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。
【０００３】
図８は例えば特開平9-275075号公報に記載された、従来の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、超微粒子を作製堆積するための装置概念図である。
【０００４】
図８においてエキシマレーザー光源802からのレーザー光がスリット803、集光レンズ804、ミラー805、レーザー光導入窓806から構成された光学系を経由し、真空反応室801に導入され、真空反応室801の内部に設置されたターゲットフォルダー807に配置されたターゲット材808の表面に集光照射される。
【０００５】
さらに、ターゲット材808表面の放線方向に堆積基板809が配置されている。ターゲット材808からのレーザーアブレーションによる脱離・射出物質は堆積基板809上に捕集・堆積される。
【０００６】
上記のように構成された装置において、Siをターゲット材とした場合の半導体超微粒子の作製についてやや詳しく述べる。
【０００７】
まず、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812により、1×10-8Torrの超高真空まで排気後、高真空排気系812を閉鎖する。
【０００８】
次に、希ガス導入ライン810を通じてヘリウムガス（He）を真空反応室801内に導入し、マスフローコントローラ811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差動排気系813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し、ターゲット材からの物質の脱離・射出を行う。
【０００９】
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・成長が促され、堆積基板809上で粒径数nmから数十nmの超微粒子に成長して堆積される。
【００１０】
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が、形状を粒径が数nmレベルの超微粒子にすると、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とにより、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。
【００１１】
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に示した超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）の増大を利用する。
【００１２】
つまり、単一発光波長を得るためには超微粒子粒径の均一化が不可欠である。
そして、発光波長に対応した粒径の超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。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の技術で述べたように半導体超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レベルの超微粒子の生成・堆積が要求されている。
【００１４】
従来の技術では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、平均粒径を制御することは可能であるが、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超微粒子を得ることは困難である。
【００１５】
つまり、より積極的な粒径制御が必要とされている。また、nmレベルの超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。
【００１６】
つまり、生成堆積手法として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。さらに、半導体超微粒子を上記従来の技術のように、直接堆積基板に付着・堆積した場合には、結局は、堆積物の構造が超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。
【００１７】
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もあり、また、球状超微粒子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、例えば安定した透明媒質中に均質に分散された構造のような、より最適な形状・構造等が求められる場合もある。
【００１８】
付け加えて、前述したようにnmレベルの超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均質に分散された量子ドット型機能構造体を形成する必要が生じることもある。
【００１９】
本発明は、単一粒径・均一構造を有するnmレベルの高純度超微粒子を汚染・ダメージを軽減した状態で効率的に作製し、堆積基板上に堆積するとともに、超微粒子を安定した透明媒質中に均質に分散した構造である量子ドット型機能構造体を活性層として用いる光機能素子を作製可能な量子ドット型機能構造体作製装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の量子ドット型機能構造体作製装置は、レーザーアブレーションによる超微粒子の生成を行う微粒子生成室、超微粒子の粒径制御を行う微粒子分級室、レーザーアブレーションによる透明媒質の生成を行う透明媒質生成室、基板への超微粒子の堆積と透明媒質への埋め込みを同時に行う堆積室から構成したものである。
【００２１】
これにより、汚染・ダメージを軽減した状態で単一粒径・均一構造の高純度超微粒子を効率的に作製し、基板上に透明媒質とともに堆積することができ、透明媒質中に超微粒子が均質に分散した量子ドット型機能構造体を活性層として用いた光機能素子を作製することができる。
【００２２】
上記のような構成を有する本発明の各種態様として、本発明の請求項１に記載の発明は、微粒子を生成する微粒子生成室と、微粒子生成室で生成された微粒子から所望の粒径の微粒子をガス中で電気移動度分級法により分級する微粒子分級室と、微粒子を搬送するガスを排気するガス排気手段と、微粒子を媒質中に均質に分散可能な透明媒質を生成する透明媒質生成手段と、微粒子分級室で分級された微粒子を基板上に捕集するとともに、透明媒質生成手段で生成された透明媒質を基板上に捕集し、分級された微粒子と透明媒質とを基板上に堆積する堆積室と、を具備し、前記透明媒質生成手段は、堆積室中に第１の透明媒質生成手段が配置されるとともに、独立に第２の透明媒質生成室を具備したことを特徴とする量子ドット型機能構造体作製装置であり、汚染・ダメージを軽減した状態で単一粒径・均一構造の高純度超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、透明媒質中に超微粒子が均質に分散した量子ドット型機能構造体を活性層として用いた光機能素子を作製できるとともに、例えば、透明媒質生成時に堆積基板付近が酸化雰囲気になり得る材料を透明媒質として用いる際に、酸化されやすい材料の微粒子の酸化を抑制することができ、量子ドット型機能構造体を作製する上で材料選択性を高めるという作用を有する。
【００２４】
本発明の請求項２に記載の発明は、微粒子生成室と、微粒子分級室と、堆積室における微粒子の搬送路を一直線上に構成することを特徴とする量子ドット型機能構造体作製装置であり、超微粒子をガス中で搬送する際に搬送路の排気コンダクタンスの低下を抑制することが可能であり、超微粒子搬送時の沈着が防止でき、ひいては超微粒子の収量を向上するという作用を有する。
【００２５】
本発明の請求項３に記載の発明は、微粒子生成室の圧力ならびに、堆積室の圧力を独立に制御することを特徴とする量子ドット型機能構造体作製装置であり、超微粒子ならびに、透明媒質の生成圧力を材料種に最適な値に正確に制御することが可能であり、量子ドット型機能構造体の構造・物性を高度に制御するという作用を有する。
【００２６】
本発明の請求項４に記載の発明は、微粒子を搬送するガスを排気するガス排気手段を堆積室の圧力に基づいて制御することを特徴とする量子ドット型機能構造体作製装置であり、微粒子生成室と堆積室の圧力差を大きく取ることができ、超微粒子の搬送効率を向上するという作用を有する。
【００２７】
本発明の請求項５に記載の発明は、堆積室内における堆積基板が、微粒子ならびに透明媒質の堆積方向に対して回転可能であることを特徴とする量子ドット型機能構造体作製装置であり、超微粒子と透明媒質を交互に堆積する場合に堆積効率を向上するという作用を有する。
【００２８】
本発明の請求項６に記載の発明は、微粒子の搬送路を、一定温度に保持可能な温度制御機構を具備することを特徴とする量子ドット型機能構造体作製装置であり、熱泳動効果により超微粒子の搬送管への沈着を防ぐとともに、超微粒子同士の凝集を抑制が可能になるという作用を有する。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態に係る量子ドット型機能構造体作製装置を、図1から図8を用いて詳細に説明する。
【００４３】
図1は本実施の形態における量子ドット型機能構造体作製装置の全体構成の一例を示したものであり、その基本的な構成は、超微粒子を生成する超微粒子生成室101と、超微粒子生成室101において生成された超微粒子を分級する超微粒子分級室102と、分級された超微粒子が堆積される堆積室103と、透明な媒質を生成する透明媒質生成室104とから構成されている。
【００４４】
ここで、超微粒子生成室101の構成は基本的に、図2のように、超微粒子生成室101内にマスフローコントローラ201を介して一定質量流量Qa（例えば1.0 [l/min：リットル／分] ）でキャリアガス202（例えば純度99.9999％のHe）をリング状に配されたガス噴き出し口214 を介して導入するガス導入系213 と、自転機構２１５を有し半導体ターゲット207（例えば単結晶Siウェハー、面方位(10 0) 、直径50mm、厚さ0.625mm）を固定保持するターゲットフォルダー206と、超微粒子の搬送路に対して45度の位置に配置されパルスレーザー光（例えばNd-YAGレーザーの第2次高調波、波長532nm）205 を集光する集光レンズ203および集光されたレーザー光を超微粒子生成室101の内部へ導入するレーザー光導入窓204を備え、ターゲットフォルダー206に固定された半導体ターゲット207へ向けて上記パルスレーザー光を照射するレーザー光照射系216 と、パルスレーザー光205によって励起された、アブレーションプルーム208の超微粒子の搬送方向と同一の成長方向に配置された超微粒子取り込みパイプ209と、アブレーションプルーム208等のその場観察に用いる一対の観察用窓210、211と、光機能素子の作製プロセス前に超微粒子生成室101を<1×10-9Torrの超高真空に排気する、ターボ分子ポンプを主体とした超高真空排気系212とから成る。
【００４５】
また、超微粒子分級室102の基本的な構成は、図3に示すように、質量流量Qaで搬送される、超微粒子生成室101で生成された超微粒子を、例えばエキシマランプ（Ar2エキシマ、波長126nm）のような真空紫外光源を用いて荷電する荷電室301、超微粒子生成室101から堆積室103に向かって直線方向に配された、例えば4等配して構成される超微粒子流入管302、超微粒子流入管302から荷電された超微粒子が流入され、所望の粒径に超微粒子を分級する、二重円筒構造を有する微分型電気移動度分級装置303、微分型電気移動度分級装置303内で一定質量流量Qc（例えば5[l/min]）の流れを形成するためのシースガス304（例えば純度99.9999％のHe）を微分型電気移動度分級装置303に導入するマスフローコントローラ305、二重円筒間に静電界を形成する直流電源306、シースガスを高コンダクタンスの排気管を介して、ポンプの前段に配されたマスフローメータ307によって制御される、シースガスをヘリカルポンプ等で一定質量流量Qcで排気するシースガス排気系308、微分型電気移動度分級装置303で分級された分級超微粒子とともに、質量流量Qaで流れるキャリアガス202の一部のみをターボ分子ポンプを中心としたポンプを用いて排気する、後述する堆積室の圧力に基づいて制御されるキャリアガス排気系309から成る。 ここで、超微粒子の荷電は、アメリシウム241（Am241）のような放射性同位体を用いても良いし、真空紫外光源と放射性同位体の双方を同時に用いても一向に構わない。
【００４６】
さらに、堆積室103基本的な構成は、図4に示すように、超微粒子生成室で生成された超微粒子が超微粒子分級室で単一な粒径に分級されて、分級済みの超微粒子を含むキャリアガスが流入し噴出される超微粒子堆積用ノズル401、超微粒子堆積用ノズルを一定温度に保持する加熱ヒータ402、加熱ヒータの制御装置403、堆積基板フォルダー404に固定され、超微粒子および透明媒質が堆積される堆積基板405、集光レンズ406で集光され、レーザー光導入窓407を介して堆積室103内に導入されるエキシマレーザー光408によって励起される、ターゲットの定回転駆動（例えば8rpm）を行うターゲットフォルダー409に固定され、エキシマレーザー光408によって励起されたアブレーションプルーム410の成長方向が堆積基板405に向かうように、堆積基板405と平行に配置された透明媒質ターゲット411（例えばIn2O3焼結体、純度99.99%、直径50mm、厚さ3mm）、堆積室103を量子ドット機能構造体作製前に<1×10-9Torrの超高真空に排気するターボ分子ポンプを中心に構成された超高真空排気系412、超微粒子生成室101が一定圧力（例えば4.0Torr）に保持されるようにキャリアガスの差動排気を行うヘリカルポンプを中心に構成された堆積室ガス排気系413、堆積室103において分級された荷電状態の超微粒子が堆積基板405に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微小電流計414、透明媒質生成室104から搬送される透明媒質が噴出される透明媒質堆積用ノズル415から成る。
【００４７】
加えて、透明媒質生成室104の構成は基本的に、透明媒質生成室104内にマスフローコントローラ416を介して一定質量流量QT（0.5 [l/min] ）で雰囲気希ガス417（例えば純度99.9999％のHe）を導入するガス導入系、集光レンズ418で集光されレーザー光導入窓419を介して透明媒質生成室104に導入される、エキシマレーザー光420（例えばArFエキシマレーザー、波長193nm）によって励起される、ターゲットの定回転駆動（例えば8rpm）を行うターゲットフォルダー421に固定された透明媒質ターゲット422（例えばIn2O3 焼結体、純度99.99%、直径50mm、厚さ3mm）、エキシマレーザー光420によって励起されたアブレーションプルーム423の成長方向に配置された透明媒質取り込みパイプ424、アブレーションプルーム423等のその場観察に用いる一対の観察用窓425、426から成る。
【００４８】
ここで、図５に示すような、単一粒径・均一構造の高純度超微粒子501が透明媒質502中に均質に分散した断面構造を有する量子ドット機能構造体の作製に関して図2から図7を用いて説明する。まず、量子ドット機能構造体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3のバルブ310を閉じ、超微粒子生成室101を、ターボ分子ポンプを主体とした図2の超高真空排気系212によって<1×10-9Torrの超高真空に排気後、超高真空排気系212を閉鎖する。
【００４９】
同時に、超微粒子分級室102、堆積室103、透明媒質生成室104を、ターボ分子ポンプを主体とした図4の超高真空排気系412によって<1×10-9Torrの超高真空に排気後、超高真空排気系412を閉鎖する。
【００５０】
次に、図2のマスフローコントローラ201を用いて超微粒子生成室101に質量流量Qa（ここでは0.5 [l/min] ）でキャリアガス202（高純度希ガス、例えば純度99.9999％のHe）を導入する。
【００５１】
次に、図3のバルブ310、バルブ311を開き、ヘリカルポンプを中心に構成された図4の堆積室ガス排気系413を超微粒子生成室101の圧力を基準に制御し、差動排気を行うことで超微粒子生成室101を一定圧力P1（例えば10Torr）に保持する。
【００５２】
ここで、図2の集光されたパルスレーザー光205によって半導体ターゲット207の表面を励起し、アブレーション反応を生じさせ半導体ターゲット207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、図4の堆積室排気系413を閉鎖する。この時点では、パルスレーザー光205の発振は停止している。
【００５３】
上記のように、半導体ターゲット207の表面に形成されている自然酸化膜を除去することにより、半導体超微粒子に混入する可能性のある、半導体超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。
【００５４】
次に、キャリアガス202の流量を変化させ、一定質量流量Qa（標準状態1.0 [l/min] ）で導入する。
【００５５】
同時に、図3のマスフローコントローラ305を用いて微分型電気移動度分級装置303に質量流量Qc（標準状態5.0 [l/min] ）でシースガス304（高純度希ガス、例えば純度99.9999％のHe）を導入する。
【００５６】
ここで、ヘリカルポンプを主体とした堆積室ガス排気系413を開き、超微粒子生成室101内が一定圧力P1（例えば5.0Torr）に保持されるようにキャリアガスを差動排気する。
【００５７】
同時に、超微粒子分級室102に設けられた、ヘリカルポンプを主体としたシースガス排気系308を開き、マスフローメータ307の指示値が5.0 [l/min] となるように、マスフローメータ307の指示値を基準にしてシースガス排気系308を制御することで、シースガスを一定質量流量Qcで排気する。
【００５８】
さらに、同時に、バルブ312を開き、堆積室103内の圧力を基準に制御されるキャリアガス排気系309を用いて、堆積室103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の一部のみを差動排気する。この時点で、堆積室ガス排気系413とキャリアガス排気系309で排気されるガスの質量流量の和は1.0 [l/min] であり、超微粒子生成室は一定圧力P1（5.0Torr）に、堆積室は一定圧力P2（2.0Torr）に保持されている。
【００５９】
上記のような手段でガス排気を行うことにより、超微粒子生成室101の圧力をP1、堆積室の圧力をP2、シースガスの排気質量流量Qcを正確な値に制御することができる。
【００６０】
次に、パルスレーザー光205を発振させ、超微粒子生成室101に導入する。この時、超微粒子生成室101では、パルスレーザー光205によって励起され、アブレーション反応によって半導体ターゲット207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の超微粒子に成長する。
【００６１】
ここで、上記のような手段で超微粒子生成室を一定圧力P1に正確に制御・保持することにより、半導体超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。
【００６２】
次に、超微粒子生成室101で生成された高純度半導体超微粒子は超微粒子取り込みパイプ209を介して一定質量流量Qaのキャリアガスとともに、図6に示すような構成の荷電室301に搬送され、真空紫外光源601から発せられ、光学系602で成形された、真空紫外光603によって単極に荷電される。
【００６３】
荷電室301で単極に荷電された高純度半導体超微粒子は、90度ごとに4等配された超微粒子流入管302を介して、微分型電気移動度分級装置303に流入する。二重円筒型の微分型電気移動度分級装置303に流入した高純度半導体超微粒子は直流電源306（例えば電圧2.5V）によって形成された内外円筒間の静電界によって、所望の単一粒径（例えば粒径3.7nm）に分級される。
【００６４】
ここで、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303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。
【００６５】
次に、超微粒子分級装置303で分級された高純度半導体超微粒子は、堆積室103内に、キャリアガスとともに、超微粒子堆積用ノズル401を介して搬送され、堆積基板405上に捕集・堆積される。さらに、超微粒子堆積用ノズル401を、加熱ヒータの制御装置403で、一定温度（例えば摂氏150度）に成るように制御された加熱ヒータ402を用いて温度制御することにより、熱泳動効果を利用して、超微粒子のノズル管内への沈着を防止する事ができ、堆積効率が向上する。
【００６６】
この時、透明媒質ターゲット411はエキシマレーザー光408によって励起され、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405上に高純度半導体超微粒子が捕集・堆積されるのと同時に、堆積基板405上に捕集・堆積される。
【００６７】
ここで、前述のような手段で堆積室を一定圧力P2（2.0Torr）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。
【００６８】
さらに、キャリアガス202の一部のみをターボ分子ポンプを中心としたポンプを用いて排気する、堆積室の圧力P2に基づいて制御されるキャリアガス排気系309を用いることによってP2の圧力を任意の値に保持することが可能となるため、P1とP2の圧力差をキャリアガス排気系309を用いない場合（P1：5.0Torr、P2：4.0Torr、圧力差1.0Torr）よりも大きく（P1：5.0Torr、P2：2.0Torr、圧力差3.0Torr）する事ができ、圧力差による超微粒子の搬送を効率的に行うことができる。
【００６９】
上記のような分級された高純度半導体超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5に示すような、単一粒径・均一構造の高純度超微粒子501が透明媒質502中に均質に分散した断面構造を有する量子ドット機能構造体を作製することができる。
【００７０】
なお、ここでは堆積室103内で、高純度半導体超微粒子と透明媒質の捕集・堆積を同時に行ったが、まず、超微粒子堆積用ノズル401から高純度半導体超微粒子の堆積を行い、一定量の高純度半導体超微粒子の堆積後、堆積基板上への透明媒質の堆積を行うことによって超微粒子と透明媒質の層状構造を形成することもできる。
【００７１】
上記の量子ドット機能構造体作製手順においては、堆積室103内の透明媒質ターゲット411をエキシマレーザー光408でレーザーアブレーションすることで、透明媒質の堆積を行っているが、透明媒質生成室104内にマスフローコントローラ416を介して一定質量流量QT（0.5l/min）で雰囲気希ガス417（純度99.9999％のHe）を導入し、集光レンズ418で集光されレーザー光導入窓419を介して透明媒質生成室104に導入される、エキシマレーザー光420（ArFエキシマレーザー、波長193nm）によって透明媒質ターゲット422を励起し、エキシマレーザー光420によって励起されたアブレーションプルーム423の成長方向に配置された透明媒質取り込みパイプ424から取り込んだ透明媒質を、堆積室103内の透明媒質堆積用ノズル415から噴出して、堆積基板405上に堆積することもできる。このように、堆積室103内で透明媒質のレーザーアブレーションを行わないことにより酸化雰囲気に敏感な半導体超微粒子の堆積時の酸化を抑制することができる。
【００７２】
また、図7に示すように、堆積基板405を超微粒子堆積用ノズル401、透明媒質ターゲット411、透明媒質堆積用ノズル415のそれぞれに対して平行、あるいは直交するように、堆積基板405の中心を軸として回転可能とすることで、例えば交互堆積時に、超微粒子堆積中は超微粒子の堆積方向701に直交するように堆積基板405の角度を図7中で水平から45度反時計回りに回転させ、透明媒質堆積時には透明媒質ターゲット411と平行に成るように、堆積基板405を図7中で水平にすることで、超微粒子および、透明媒質の堆積効率を向上し、堆積物の分布を均質化することができる。
【００７３】
加えて、堆積基板405に直流電源703を用いてバイアス電圧（例えば100V）を印加し、液体窒素だめ704に液体窒素を導入し堆積基板405を冷却する（例えば摂氏-100度）事により、超微粒子の堆積効率を向上することもできる。
【００７４】
ここで、高純度半導体超微粒子の捕集・堆積と同時に微小電流計414によって、分級された荷電状態の超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電流として測定し、超微粒子の堆積量の確認・制御を行うことができる。
【００７５】
上記のように、微粒子を生成する微粒子生成室と、微粒子生成室で生成された微粒子から所望の粒径の微粒子をガス中で分級する微粒子分級室と、微粒子を搬送するガスを排気するガス排気手段と、透明媒質を生成する透明媒質生成手段と、微粒子分級室で分級された微粒子を基板上に捕集するとともに、透明媒質生成手段で生成された透明媒質を基板上に捕集し、分級された微粒子と透明媒質とを基板上に堆積する堆積室と、を具備したことを特徴とする量子ドット型機能構造体作製装置を用いることにより、単一粒径・均一構造を有するnmレベルの高純度超微粒子を汚染・ダメージを軽減した状態で効率的に作製し、堆積基板上に堆積するとともに、超微粒子を安定した透明媒質中に均質に分散した構造である量子ドット型機能構造体を活性層として用いる光機能素子を作製することができる。
【００７６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、単一粒径・均一構造を有するnmレベルの高純度超微粒子を汚染・ダメージを軽減した状態で効率的に作製し、堆積基板上に堆積するとともに、超微粒子を安定した透明媒質中に均質に分散した構造である量子ドット型機能構造体を活性層として用いる光機能素子を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における量子ドット型機能構造体作製装置の全体構成図
【図２】本発明の実施の形態における超微粒子生成室の断面構成図
【図３】本発明の実施の形態における超微粒子分級室の断面構成図
【図４】本発明の実施の形態における堆積室、及び透明媒質生成室の断面構成図
【図５】本発明の実施の形態における量子ドット型機能構造体の断面構造図
【図６】本発明の実施の形態における荷電室の断面構成図
【図７】本発明の実施の形態における堆積室内の構成図
【図８】従来の超微粒子を作製堆積するための装置概念図
【図９】超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 超微粒子生成室
102 超微粒子分級室
103 堆積室
104 透明媒質生成室
201、305、416、811 マスフローコントローラ
202 キャリアガス
203、406、418、804 集光レンズ
204、407、419、806 レーザー光導入窓
205 パルスレーザー光
206、409、421、807 ターゲットフォルダー
207 半導体ターゲット
208、410、423 アブレーションプルーム
209 超微粒子取り込みパイプ
210、212、425、426 観察用窓
212、412、812 超高真空排気系
301 荷電室
302 超微粒子流入管
303 微分型電気移動度分級装置
304 シースガス
306、703 直流電源
307 マスフローメータ
308 シースガス排気系
309 キャリアガス排気系
401 超微粒子堆積用ノズル
402 加熱ヒータ
403 加熱ヒータ制御装置
404 堆積基板フォルダー
405 堆積基板
408、420 エキシマレーザー光
411、422 透明媒質ターゲット
413 堆積室ガス排気系
414 微小電流計
415 透明媒質堆積用ノズル
424 透明媒質取り込みパイプ
501 高純度超微粒子
502 透明媒質
601 真空紫外光源
602 光学系
603 真空紫外光
701 超微粒子の堆積方向
702 透明媒質生成室からの透明媒質の堆積方向
704 液体窒素だめ
801 真空反応室
802 エキシマレーザー光源
803 スリット
810 希ガス導入ライン
Claims (6)
- 微粒子を生成する微粒子生成室と、前記微粒子生成室で生成された微粒子から所望の粒径の微粒子をガス中で電気移動度分級法により分級する微粒子分級室と、前記微粒子を搬送するガスを排気するガス排気手段と、前記微粒子を媒質中に均質に分散可能な透明媒質を生成する透明媒質生成手段と、前記微粒子分級室で分級された微粒子を基板上に捕集するとともに、前記透明媒質生成手段で生成された透明媒質を前記基板上に捕集し、前記分級された微粒子と前記透明媒質とを前記基板上に堆積する堆積室と、を具備し、
前記透明媒質生成手段は、堆積室中に第１の透明媒質生成手段が配置されるとともに、独立に第２の透明媒質生成室を具備したことを特徴とする量子ドット型機能構造体作製装置。 - 微粒子生成室と、微粒子分級室と、堆積室における微粒子の搬送路を一直線上に構成することを特徴とする請求項１に記載の量子ドット型機能構造体作製装置。
- 微粒子生成室の圧力ならびに、堆積室の圧力を独立に制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の量子ドット型機能構造体作製装置。
- ガス排気手段を堆積室の圧力に基づいて制御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量子ドット型機能構造体作製装置。
- 堆積室内における基板は、微粒子ならびに透明媒質の堆積方向に対して回転可能であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の量子ドット型機能構造体作製装置。
- 微粒子の搬送路を、一定温度に保持可能な温度制御機構を具備することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の量子ドット型機能構造体作製装置。
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