JP4134312B2 - 分子ビーム装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学的に安定な金属クラスター錯体等の多核金属分子を用いることにより、基板の超精密加工や修飾に利用できる多核金属分子ビーム装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
横方向エッチング等、クラスターの優れた特性を利用して、基板を超精密に加工するためにクラスターイオンビーム装置が用いられるが、従来の公知のクラスタービーム源では、例えば、特開２００２−３８２５７号公報、特開２００１−１５８９５６号公報に記載されているように、化学的に不安定な希ガスクラスターを用いているために、安定したビームを得るのが困難であった。
また、クラスターを基板上に堆積させ薄膜を調製する目的で用いられる従来のクラスターイオンビーム装置では不活性ガス雰囲気下で気化した原子の衝突会合を利用するため、クラスターのサイズを揃えるのが困難であった。
更に、クラスターを生成させるための装置が大がかりになるといった問題があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、化学的に安定な金属クラスター錯体等の多核金属分子を使うことによって、サイズの揃ったクラスターのビームを安定に得るとともに、装置の小型化を実現することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の多核金属分子ビーム装置は、多核金属分子を用いてイオンビームを生成することを特徴とする。
また、本発明の多核金属分子ビーム装置は、気化させた多核金属分子をイオン化することを特徴とする。
また、本発明の多核金属分子ビーム装置は、気化させた多核金属分子を電子衝撃によりイオン化することを特徴とする。
また、本発明の多核金属分子ビーム装置は、多核金属分子を光照射によりイオン化することを特徴とする。
また、本発明の多核金属分子ビーム装置は、気化させた多核金属分子を放電によりイオン化することを特徴とする。
また、本発明の多核金属分子ビーム装置は、気化させた多核金属分子を電界によりイオン化することを特徴とする。
また、本発明の多核金属分子ビーム装置は、気化させた多核金属分子を高励起電子の電荷交換を用いてイオン化することを特徴とする。
また、本発明の多核金属分子ビーム装置は、多核金属分子を気化させると同時にイオン化することを特徴とする。
また、本発明の多核金属分子ビーム装置は、多核金属分子をレーザーアブレーションによりイオン化することを特徴とする。
また、本発明の多核金属分子ビーム装置は、多核金属分子を溶媒に溶解後、ミスト状に生成し、多核金属分子のミストに電荷を与えてイオン化することを特徴とする。
また、本発明の多核金属分子ビーム装置は、多核金属分子の気化手段、イオン化手段、加速手段、収束手段，走査手段および電荷中和手段を備えたことを特徴とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による実施の形態を図面に基づき説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明による実施の形態１を示したものであり、Rh４(CO)12等の蒸気圧を有する多核金属分子に適応した例である。
Rh４(CO)12等の多核金属分子１は、小型ルツボ２の中に充填されている。小型ルツボ２の温度を高精度に制御することによって、均一な多核金属分子蒸気３を得ることができる。蒸気となった多核金属分子は、小型ルツボ２の上部から上昇してイオン化室４の部分で電子衝撃、光照射、放電，電界，電荷移動等によってイオン化される。
【０００６】
図２は、電子衝撃により多核金属分子がイオン化される状態を示したものであり、イオン化室４には、通電されると熱電子が生じるタングステン等からなるフィラメント５およびタンタル等からなる対向電極６が備えられている。
フィラメント５に通電することにより生じた熱電子は対向電極６に印加される電圧（数十〜１００Ｖ程度）によって矢印８の方向に加速され、矢印７方向に上昇してくる多核金属分子蒸気３と衝突する。エネルギーを持った電子の衝突により、多核金属分子はイオン化される。
【０００７】
図３は、光照射により多核金属分子がイオン化される状態を示したものであり、イオン化室４には、合成石英製等の窓９から集束レンズ１０で集束されたエキシマレーザー等の光１１が照射されるようになっている。矢印７方向に上昇してくる多核金属分子蒸気３はレーザー等の光１１を照射されて単光子あるいは多光子イオン化によって、イオン化される。
【０００８】
（実施の形態２）
図４、５は、［NEt４］２［Pt１２（CO）２４］等の蒸気圧を持たない多核金属分子をイオン化するところの別の実施の形態を示したものであり、高励起電子（Rydberg電子）の電荷交換を用いてイオン化される状態を示している。
多核金属分子をテトラヒドロフラン（THF）等の適当な溶媒に溶解後、キャピラリー１２に導入し、スキマー１３から差動排気すると、キャピラリー出口１４から多核金属分子溶液のミスト１５が発生する。
一方、小型ルツボ２を用いてセシウム１６の蒸気１７を発生させる。
図５に示すように、色素レーザー等の光１１を集束レンズ１０により集束して窓９を通してセシウム蒸気１７に照射すると、セシウム蒸気１７は高励起状態１８となる。 多核金属分子３のミスト１５は、イオン化室４において高励起状態のセシウム原子１８と衝突し、電荷を受け取ることによって、イオン化される。
【０００９】
イオン化された多核金属分子１９は、図６（ａ）に示すように、イオン化された多核金属分子１９と逆電荷で数百〜数キロボルトの電圧を印加されたタンタル等からなる加速電極２０の作る電場によって矢印の方向に加速され、出口２５の方向に向かう。
加速された多核金属分子イオン１９は、図６（ｂ）に示すように、多核金属分子イオンと同電荷の電圧を印加された収束電極２１の作る電場によって軌道を曲げられ、収束される。収束電極２１に印加する電圧が高いほど強く曲がるので、印加する電圧を制御することによってビームのサイズ，形を制御することができる。
加速・収束された多核金属分子イオン１９のビームは、図６（ｃ）に示すように、該多核金属分子イオンと同電荷の電圧を印加された走査電極２２および多核金属分子イオンと逆電荷の電圧を印加された走査電極２３の作る電場によって軌道を曲げられる。その際、電場の強さを制御することによって、多核金属分子イオンビームの走査を制御することができる。。
多核金属分子イオン１９に高い運動エネルギーを与えると、エッチングによる基板の加工の可能なビームとなる。
また、金属クラスター錯体イオン１９に与える運動エネルギーを小さくすると、基板表面への堆積が可能なビームとなる。
【００１０】
（実施の形態３）
図７は、本発明による実施の形態３を示したものであり、［NEt４］２［Pt１２（CO）２４］等の蒸気圧を持たない多核金属分子に適応した例である。
多核金属分子はテトラヒドロフラン（THF）等の適当な溶媒に溶解後、キャピラリー１２に導入される。キャピラリー１２の周囲に形成された外周通路２６から窒素等の不活性ガスを放出することによって、キャピラリー出口１４から多核金属分子を含む溶液のミスト１５を発生させる。キャピラリー出口１４の前方には少し離れてミスト１５の軸方向のみの並進速度をもつ流れを取り出すためのスキマー１３が設けられている。そして、キャピラリー出口１４とスキマー１３との間に数kVの高電圧を印加することにより多核金属分子のミスト１５に電荷を持たせることができる。
一方、スキマー１３に設けられた円周通路２８の外周から乾燥した窒素ガスを吹き付けて溶媒を蒸発させると、気相の多核金属分子イオン１９を得ることができる。イオンとなった多核金属分子は実施の形態１および２と同様に加速、収束されビームとして放出される。
【００１１】
（実施の形態４）
難溶性でかつ、蒸気圧を持たないあるいは蒸気圧が小さい多核金属分子では、MALDI(Matrix Assisted Laser Desorption Ionization)と呼ばれる手法を利用して実施する。
図８に示すように、この手法では、多核金属分子の粉末を流動パラフィン等のマトリックス２９に分散させ、セットしておく。YAGレーザー等、強力なレーザー光１１を集束レンズ１０で集束し、窓９を通して多核金属分子の粉末の分散された流動パラフィン等のマトリックス２９に照射する。この照射により、マトリックス共々アブレーションを起こさせ、多核金属分子を気化させると同時にイオン化する。ヘリウムガス３０をパルスバルブ３１によりタイミングを同期させて出射し、スキマー１３を通して、真空系に導入する。その後、多核金属分子イオンは、加速、収束されビームとして放出される。
【００１２】
図９に難溶性でかつ蒸気圧の小さいRh6（CO)１６を流動パラフィンに分散させ、355nmのレーザー光を照射して気化させた蒸気の質量分析結果を示す。質量数1066のRh6（CO)１６ から配位子であるＣＯに対応する28毎にピークが観察されており、多核金属分子が金属骨格を保ったままイオンビームとして得られることが証明された。
【００１３】
【発明の効果】
本発明は、化学的に安定な金属クラスター錯体等の多核金属分子を使うことによって、サイズの揃ったクラスターのビームを安定に得るとともに、装置の小型化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る蒸気圧を有する多核金属分子をイオン化する状態を示す正面図である。
【図２】電子衝撃により多核金属分子がイオン化される状態を示す正面図である。
【図３】光照射により多核金属分子がイオン化される状態を示す正面図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る蒸気圧を持たない多核金属分子をイオン化する状態を示す正面図である。
【図５】図４のイオン化室の詳細を示した図である。
【図６】イオン化された多核金属分子の加速、収束、走査の状態を示す説明図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係る蒸気圧を持たない多核金属分子のミストに電荷を与えてイオン化する状態を示す正面図である。
【図８】本発明の実施の形態４に係る難溶性でかつ、蒸気圧を持たないあるいは蒸気圧が小さい多核金属分子を気化させると同時にイオン化する状態を示す正面図である。
【図９】難溶性でかつ蒸気圧の小さいRh6（CO)１６を流動パラフィンに分散させ、355nmのレーザー光を照射して気化させた蒸気の質量分析結果を示したものである。
【符号の説明】
１ 多核金属分子
２ 小型ルツボ
３ 多核金属分子蒸気
４ イオン化室
５ フィラメント
６ 対向電極
９ 窓
１０ 集束レンズ
１１ レーザー
１２ キャピラリー
１３ スキマー
１４ キャピラリー出口
１５ ミスト
１６ セシウム
１７ セシウム蒸気
１８ 高励起状態のセシウム原子
１９ 多核金属分子イオン
２０ 加速電極
２１ 収束電極
２２、２３ 走査電極
２５ 出口
２６ 外周通路
２８ 円周通路
２９ マトリックス
３０ ヘリウムガス
３１ パルスバルブ
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学的に安定な金属クラスター錯体等の多核金属分子を用いることにより、基板の超精密加工や修飾に利用できる多核金属分子ビーム装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
横方向エッチング等、クラスターの優れた特性を利用して、基板を超精密に加工するためにクラスターイオンビーム装置が用いられるが、従来の公知のクラスタービーム源では、例えば、特開２００２−３８２５７号公報、特開２００１−１５８９５６号公報に記載されているように、化学的に不安定な希ガスクラスターを用いているために、安定したビームを得るのが困難であった。
また、クラスターを基板上に堆積させ薄膜を調製する目的で用いられる従来のクラスターイオンビーム装置では不活性ガス雰囲気下で気化した原子の衝突会合を利用するため、クラスターのサイズを揃えるのが困難であった。
更に、クラスターを生成させるための装置が大がかりになるといった問題があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、化学的に安定な金属クラスター錯体等の多核金属分子を使うことによって、サイズの揃ったクラスターのビームを安定に得るとともに、装置の小型化を実現することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の多核金属分子ビーム装置は、多核金属分子を用いてイオンビームを生成することを特徴とする。
また、本発明の多核金属分子ビーム装置は、気化させた多核金属分子をイオン化することを特徴とする。
また、本発明の多核金属分子ビーム装置は、気化させた多核金属分子を電子衝撃によりイオン化することを特徴とする。
また、本発明の多核金属分子ビーム装置は、多核金属分子を光照射によりイオン化することを特徴とする。
また、本発明の多核金属分子ビーム装置は、気化させた多核金属分子を放電によりイオン化することを特徴とする。
また、本発明の多核金属分子ビーム装置は、気化させた多核金属分子を電界によりイオン化することを特徴とする。
また、本発明の多核金属分子ビーム装置は、気化させた多核金属分子を高励起電子の電荷交換を用いてイオン化することを特徴とする。
また、本発明の多核金属分子ビーム装置は、多核金属分子を気化させると同時にイオン化することを特徴とする。
また、本発明の多核金属分子ビーム装置は、多核金属分子をレーザーアブレーションによりイオン化することを特徴とする。
また、本発明の多核金属分子ビーム装置は、多核金属分子を溶媒に溶解後、ミスト状に生成し、多核金属分子のミストに電荷を与えてイオン化することを特徴とする。
また、本発明の多核金属分子ビーム装置は、多核金属分子の気化手段、イオン化手段、加速手段、収束手段，走査手段および電荷中和手段を備えたことを特徴とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による実施の形態を図面に基づき説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明による実施の形態１を示したものであり、Rh４(CO)12等の蒸気圧を有する多核金属分子に適応した例である。
Rh４(CO)12等の多核金属分子１は、小型ルツボ２の中に充填されている。小型ルツボ２の温度を高精度に制御することによって、均一な多核金属分子蒸気３を得ることができる。蒸気となった多核金属分子は、小型ルツボ２の上部から上昇してイオン化室４の部分で電子衝撃、光照射、放電，電界，電荷移動等によってイオン化される。
【０００６】
図２は、電子衝撃により多核金属分子がイオン化される状態を示したものであり、イオン化室４には、通電されると熱電子が生じるタングステン等からなるフィラメント５およびタンタル等からなる対向電極６が備えられている。
フィラメント５に通電することにより生じた熱電子は対向電極６に印加される電圧（数十〜１００Ｖ程度）によって矢印８の方向に加速され、矢印７方向に上昇してくる多核金属分子蒸気３と衝突する。エネルギーを持った電子の衝突により、多核金属分子はイオン化される。
【０００７】
図３は、光照射により多核金属分子がイオン化される状態を示したものであり、イオン化室４には、合成石英製等の窓９から集束レンズ１０で集束されたエキシマレーザー等の光１１が照射されるようになっている。矢印７方向に上昇してくる多核金属分子蒸気３はレーザー等の光１１を照射されて単光子あるいは多光子イオン化によって、イオン化される。
【０００８】
（実施の形態２）
図４、５は、［NEt４］２［Pt１２（CO）２４］等の蒸気圧を持たない多核金属分子をイオン化するところの別の実施の形態を示したものであり、高励起電子（Rydberg電子）の電荷交換を用いてイオン化される状態を示している。
多核金属分子をテトラヒドロフラン（THF）等の適当な溶媒に溶解後、キャピラリー１２に導入し、スキマー１３から差動排気すると、キャピラリー出口１４から多核金属分子溶液のミスト１５が発生する。
一方、小型ルツボ２を用いてセシウム１６の蒸気１７を発生させる。
図５に示すように、色素レーザー等の光１１を集束レンズ１０により集束して窓９を通してセシウム蒸気１７に照射すると、セシウム蒸気１７は高励起状態１８となる。 多核金属分子３のミスト１５は、イオン化室４において高励起状態のセシウム原子１８と衝突し、電荷を受け取ることによって、イオン化される。
【０００９】
イオン化された多核金属分子１９は、図６（ａ）に示すように、イオン化された多核金属分子１９と逆電荷で数百〜数キロボルトの電圧を印加されたタンタル等からなる加速電極２０の作る電場によって矢印の方向に加速され、出口２５の方向に向かう。
加速された多核金属分子イオン１９は、図６（ｂ）に示すように、多核金属分子イオンと同電荷の電圧を印加された収束電極２１の作る電場によって軌道を曲げられ、収束される。収束電極２１に印加する電圧が高いほど強く曲がるので、印加する電圧を制御することによってビームのサイズ，形を制御することができる。
加速・収束された多核金属分子イオン１９のビームは、図６（ｃ）に示すように、該多核金属分子イオンと同電荷の電圧を印加された走査電極２２および多核金属分子イオンと逆電荷の電圧を印加された走査電極２３の作る電場によって軌道を曲げられる。その際、電場の強さを制御することによって、多核金属分子イオンビームの走査を制御することができる。。
多核金属分子イオン１９に高い運動エネルギーを与えると、エッチングによる基板の加工の可能なビームとなる。
また、金属クラスター錯体イオン１９に与える運動エネルギーを小さくすると、基板表面への堆積が可能なビームとなる。
【００１０】
（実施の形態３）
図７は、本発明による実施の形態３を示したものであり、［NEt４］２［Pt１２（CO）２４］等の蒸気圧を持たない多核金属分子に適応した例である。
多核金属分子はテトラヒドロフラン（THF）等の適当な溶媒に溶解後、キャピラリー１２に導入される。キャピラリー１２の周囲に形成された外周通路２６から窒素等の不活性ガスを放出することによって、キャピラリー出口１４から多核金属分子を含む溶液のミスト１５を発生させる。キャピラリー出口１４の前方には少し離れてミスト１５の軸方向のみの並進速度をもつ流れを取り出すためのスキマー１３が設けられている。そして、キャピラリー出口１４とスキマー１３との間に数kVの高電圧を印加することにより多核金属分子のミスト１５に電荷を持たせることができる。
一方、スキマー１３に設けられた円周通路２８の外周から乾燥した窒素ガスを吹き付けて溶媒を蒸発させると、気相の多核金属分子イオン１９を得ることができる。イオンとなった多核金属分子は実施の形態１および２と同様に加速、収束されビームとして放出される。
【００１１】
（実施の形態４）
難溶性でかつ、蒸気圧を持たないあるいは蒸気圧が小さい多核金属分子では、MALDI(Matrix Assisted Laser Desorption Ionization)と呼ばれる手法を利用して実施する。
図８に示すように、この手法では、多核金属分子の粉末を流動パラフィン等のマトリックス２９に分散させ、セットしておく。YAGレーザー等、強力なレーザー光１１を集束レンズ１０で集束し、窓９を通して多核金属分子の粉末の分散された流動パラフィン等のマトリックス２９に照射する。この照射により、マトリックス共々アブレーションを起こさせ、多核金属分子を気化させると同時にイオン化する。ヘリウムガス３０をパルスバルブ３１によりタイミングを同期させて出射し、スキマー１３を通して、真空系に導入する。その後、多核金属分子イオンは、加速、収束されビームとして放出される。
【００１２】
図９に難溶性でかつ蒸気圧の小さいRh6（CO)１６を流動パラフィンに分散させ、355nmのレーザー光を照射して気化させた蒸気の質量分析結果を示す。質量数1066のRh6（CO)１６ から配位子であるＣＯに対応する28毎にピークが観察されており、多核金属分子が金属骨格を保ったままイオンビームとして得られることが証明された。
【００１３】
【発明の効果】
本発明は、化学的に安定な金属クラスター錯体等の多核金属分子を使うことによって、サイズの揃ったクラスターのビームを安定に得るとともに、装置の小型化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る蒸気圧を有する多核金属分子をイオン化する状態を示す正面図である。
【図２】電子衝撃により多核金属分子がイオン化される状態を示す正面図である。
【図３】光照射により多核金属分子がイオン化される状態を示す正面図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る蒸気圧を持たない多核金属分子をイオン化する状態を示す正面図である。
【図５】図４のイオン化室の詳細を示した図である。
【図６】イオン化された多核金属分子の加速、収束、走査の状態を示す説明図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係る蒸気圧を持たない多核金属分子のミストに電荷を与えてイオン化する状態を示す正面図である。
【図８】本発明の実施の形態４に係る難溶性でかつ、蒸気圧を持たないあるいは蒸気圧が小さい多核金属分子を気化させると同時にイオン化する状態を示す正面図である。
【図９】難溶性でかつ蒸気圧の小さいRh6（CO)１６を流動パラフィンに分散させ、355nmのレーザー光を照射して気化させた蒸気の質量分析結果を示したものである。
【符号の説明】
１ 多核金属分子
２ 小型ルツボ
３ 多核金属分子蒸気
４ イオン化室
５ フィラメント
６ 対向電極
９ 窓
１０ 集束レンズ
１１ レーザー
１２ キャピラリー
１３ スキマー
１４ キャピラリー出口
１５ ミスト
１６ セシウム
１７ セシウム蒸気
１８ 高励起状態のセシウム原子
１９ 多核金属分子イオン
２０ 加速電極
２１ 収束電極
２２、２３ 走査電極
２５ 出口
２６ 外周通路
２８ 円周通路
２９ マトリックス
３０ ヘリウムガス
３１ パルスバルブ
Claims (1)
- 金属クラスター錯体を用いてクラスターイオンビームを生成する装置において、金属クラスター錯体を溶媒に溶解後、ミスト状に生成し、該金属クラスター錯体溶液のミストに電荷を与えてイオン化させ、該イオン化された金属クラスター錯体は加速電極の作る電場によって加速され、収束電極の作る電場によって収束されてクラスターイオンビームを生成することを特徴とするクラスターイオンビーム装置。
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