JPH0318013A

JPH0318013A - マイクロクラスターデバイス並びにその製造方法及び装置

Info

Publication number: JPH0318013A
Application number: JP15277789A
Authority: JP
Inventors: Itsuo Koukuse; 交久瀬　五雄; Motoshi Iketani; 池谷　元伺
Original assignee: Research Development Corp of Japan
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1989-06-14
Filing date: 1989-06-14
Publication date: 1991-01-25
Anticipated expiration: 2015-08-07
Also published as: JP3074175B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、物質の超微粒子よりもはるかに小さな数個乃
至数十個の原子からなる大きさの揃った金属、半導体、
セラミックスのマイクロクラスター（原子集合体）のイ
オンビームを質量分別装置で分離精製して、融解薄膜化
させることなく軟着陸的に基板上に付着捕集し、他のマ
トリックス物質の蒸着薄膜中に、場合によっては基板上
の位置を制御して埋め込むことにより、新しい機能を持
ったマイクロクラスターデバイス並びにその魁造方法及
び装置に関する。

〔従来の技術〕

物質を希ガス中で加熱蒸発させてその蒸気を希ガス原子
との衝突により冷却結晶化させる超微粒子の研究により
、数十〜百オングストローム程度の超微粒子が得られて
いる。このような超微粒子の諸物性が測定され、表面積
の大きいことを利用して触媒作用や、全く新しい材料と
して工学的応用も進んでいるが、その粒径をさらに極限
まで小さくし粒径を制御する手法は、まだ確立していな
い。

上記のように超微粒子を加速して基板に衝突させたり、
あるいは蒸発原子集団に電子ビームを照射してクラスタ
ーイオンビームを作り、イオン源より引き出して基板に
照射するイオン工学の手法によって薄膜を製造する方法
が工業的にも利用されており、電子材料や機器の製造に
利用されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

これらは、いずれも加速の運動エネルギーが基板との衝
突により放出されてクラスター分子の分解に用いられ、
基板上に薄膜を生成する。従っていずれも原子のクラス
ター（集合体）イオンを利用して薄膜を製造する方法で
あり、マイクロクラスターそのものを材料や機器の１部
として利用するものではない。

マイクロクラスターは、その大きさによって物性が大き
く異なる事が知られている。従って、新しい機能をもち
規格の揃ったマイクロクラスター利用の電子機器やマイ
クロクラスター極限物質を製造する場合には、大きさの
揃ったマイクロクラスターを捕集し、さらに制御して空
間配置する技術を開発する必要がある。

しかし、従来の超微粒子製造方法では、量子論的効果が
顕著になった新しい素材として利用するには粒径が大き
すぎる上に、粒径の揃った超微粒子を得ることができな
い。また、イオン工学におけるマイクロクラスターのイ
才ンビームや、超微粒子の加速では、運動エネルギーが
大きすぎ、基板との衝突の際薄膜が形成されてしまう。

さらに、ＧａＮ％Ｇａｐ，ＧａＡｓ，ＩｎＮ，ＩｎＰ，
ＩｎＡｓ等の■ｖ族化合物半導体、ＩＩＶＩ族化合物半
導体や合金のマイクロクラスターを生成する場合には、
各々の原子のクラスターが出来てしまい、特定の原子の
クラスターのみを選択抽出することはできない。

本発明は、上記課題を解決するものであって、大きさの
揃ったマイクロクラスターを壊さずに基板上に捕集し、
さらに基板上に選択的に配置させ、付着、埋め込むよう
にしたマイクロクラスターデバイス並びにその製造方法
及び装置を提供することを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

そのために本発明のマイクロクラスターデバイスは、イ
オン照射やレーザー光照射、プラズマのスパッタリング
により生成し質量分別したマイクロクラスターの正（又
は負）イオンを遺択的に基板上に付着させてなることを
特徴とするものであり、その製造方法は、マイクロクラ
スターイオンを生成し加速して質量分別装置で質量分別
し、分別後に電圧をかけたグリッド又は基板上の電極に
より減速してマイクロクラスターを基板上に選択的に付
着させることを特徴とし、製造装置は、イオン源部、マ
イクロクラスターを加速して質量毎に分別する質量分別
部、及び該質量分別部で分別されたマイクロクラスター
を減速させて基板上に選的に捕集するクラスター捕集部
を備えたことを特徴とするものである。

〔作用〕

本発明のマイクロクラスターデバイス並びにその製造方
法及び装置では、イオン源で生成したマイクロクラスタ
ーイオンを加速して質量分別し、減速して基板上に選択
的に捕集、付着させるので、マイクロクラスターの大き
さ、基板上の位置を自由に選択し、マイクロクラスター
デバイスを作製することができ、ＬＳＩや光ＬＳＩなど
の電子素子や光電子素子の製作や新しい蛍光体材料、触
媒材料の型造が可能になる。

〔実施例〕

以下、図面を参照しつつ実施例を説明する。

第１図は本発明に係るマイクロクラスターデバイス製造
装置の１実施例構成を示す図、第２図はマイクロクラス
ターデバイスの製造方法を説明するための図である。図
中、Ａはイオン源部、Ｂは質量分別部、Ｃはクラスター
捕集部、１は１次イオン源、２はクラスター母材、３と
１３はクラスターイオンビーム、４は前置グリッド、５
は捕集用基板、１１は導電性材料、１２は絶縁物、１４
は蒸着膜用蒸発分子を示す。

第ｌ図において、イオン源部Ａは、クラスタ−イオンビ
ーム３を生成するものであり、１次イオン源１とクラス
ター母材２からなる。質量分別部Ｂは、質量分析装置と
同じ原理に基づくものであって、電界や磁界をかけてク
ラスターイ才ンビーム３を加速しながら質量に応じ分別
するものである。クラスター捕集部Ｃは、捕集用基板５
の前に前置グリッド４を有し、この前置グリッド４で分
離されたクラスターを減速して捕集用基板５に軟着陸的
に付着させるものである。なお、クラスターの減速は、
前置グリッド４を用いずに捕集用基板５上の電極に減速
電圧を印加することにより行うようにしてもよい。

また、減速したマイクロクラスターのイオンを基板上に
軟着陸させるに際し、第２図に示すように基板１２に予
め半導体の微細加工の技術を用いて電極１１を描き、そ
の部分に正又は負の電圧をかけることによって、クラス
ターイオンビーム１３の軟着陸位置を制御すると、ＬＳ
Ｉや光ＬＳＩを製造することができる。さらに、この際
に、逆電圧（正又は負）を印加すると、選択的に特定の
電極近傍に付着させることもできる。

上記のように本発明は、原子数にして数個乃至数十個か
らなるマイクロクラスターを生成するためにイオン源部
Ａ．では、イオンビームやレーザー光、プラズマによる
スパッタリングを利用する。

そして、このような方法で作られたマイクロクラスター
のイオンビームは大きさが不揃いであるため、質量分別
部Ｂを通して大きさに応じクラスターを分別精製する。

また、クラスター捕集部Ｃでは、減速電圧を基板５やそ
の前面のグリット４にかけ、クラスター捕集用基板５と
の衝突の際の運動エネルギーを小さくして薄膜生成を防
ぎ、基板上に軟着陸させるようにしている。さらに、減
速したマイクロクラスターのイオンを基板上に軟着陸さ
せるに際し、基板に予め半導体の微細加工の技術を用い
て電極を描き、その部分に負または正の電圧をかけると
、着陸位置を制御してＬＳＩや光ＬＳＩを製造すること
ができる。

クラスター捕集部Ｃでは、例えば基板上の電極にクラス
ターｌ分子当たりの結合エネルギーのｅ■より小さな電
圧をかけると、最初の前置グリッド（減速電極）により
エネルギーを失ったクラスターイ才ンはクーロン力で引
きつけられて電極上に付着する。この時の衝突のエネル
ギーは小さいので、基板上で分散して薄膜にならず付着
する。

また、この際に、例えば絶縁物からなるマトリックス物
質の中性の蒸気かまたは数量的に多量のマトリックス物
質を含むクラスターイオンを付着させると、クラスター
分子の衝突と大きな結晶粒への戊長を防げることができ
る。さらに、基板上の電極に逆電圧（正または負）を印
加すると、第２図に示すようにその電極部分を避けて、
特定の電極近傍に付着させることができる。このように
すると、量子論的にしか扱えないマイクロクラスターの
点状物質（クオンタムドット）を制御してセラミックス
や半導体または金属のマトリックスの薄膜．中に埋め込
むことが可能となる。

次に本発明により製造されるデバイスの例を説明する。

第３図はＩｎを（Ｘｅ−１−Ｎ）”でスパッターしたス
ペクトルの例を示す図、第４図はＧａＡｓクラスターの
発光特性の例を示す図である。

まず、電極付き化合物半導体（ｒｎＮ）として、Ｉｎｓ
クラスターを説明する。

これまで、マイクロクラスターのイオンを作るイオン源
として、従来のイオン源を用いると、化合物分子のマイ
クロクラスターの作製は困難であった。すなわち、化合
物をプラズマ化すると、各々の原子として凝集析出し、
化合物としてのマイクロクラスターの収量は低いのが普
通である。そこで、本発明により、化合物の構戊する原
子単体の材料を標的として、化合させる他の原子のイオ
ンプラズマを加速して打ち込みながら同時にスパッター
させる方法を用いて化合物マイクロクラスターを多量に
生産した。例えば、ＭｇＯ，　Ａ　ｌ　２０．、Ｆｅ○
、Ｔ　ｉ　Ｏ　２などの酸化物やＣＮ，１ｎＨなどの窒
化物の場合は、酸素や窒素のプラズマを用いて化合物の
他の単体原子に衝突させスパッターして酸化物や窒化物
のマイクロクラスターを得た。

実施例として、一例をあげるとＩｎ金属を窒素を含むプ
ラズマイオンでスバッターして生じた化合物半導体マイ
クロクラスターの質量分布を第３図に示す。図から明ら
かなように、（Ｉｎ），〜（ＩｎＮ），のマイクロクラ
スターに（Ｉｎ）．の金属クラスターがついた化合物半
導体と金属の接合クラスター、またはＩｎを電極とする
Ｉｎ電極付きの半導体マイクロクラスターを捕集するこ
とができた。

上記のようにクラスターを制御して軟着陸させると、各
々のクラスターの物性に応じて基板上に選択的に位置を
制御して付着させることができる。

さらに他のセラミックスをマトリックスとして蒸着させ
ながら付着させることによりマイクロクラスターを基板
に埋め込むことが出来る。

次に、新しい蛍光体材料として、ＧａＡｓマイクロクラ
スターの例を説明する。

ガリュームヒ素（ＧａＡｓ）材料をＸｅイオンで衝撃し
生成したマイ．クロクラスターをＮ　ａ　Ｃ　ｌ　，Ｋ
ＣＩ等の絶縁体の蒸気とともに金属電極上に捕集すると
、可視紫外光励起による発光スペクトルは、第４図に示
すようにＧａＡｓそのもののバルクの発光スペクトルよ
り大きく短波長側にずれたものとなる。ＧａＡｓの超薄
膜とＧａΔＩＡｓとの交互の層構造により、ＧａＡｓの
蛍光の非線形性を利用した半導体素子が光ＬＳＩなどと
も関連して調べられている。その発光スペクトルは、薄
膜厚さが１０００オングストロームになると量子効果が
現れ、短波長側ヘシフトするとの報告もある（日本物理
学会ｌ９８８年秋の分科会講演要旨集、イオン結晶・光
物性）。本発明の装置で製作したデバイスは、絶縁体中
に埋め込まれた量子サイズの点状粒子であり、その発光
スペクトルは、ＧａＡｓの発光帯より短波長側に大きく
づれ、マイクロクラスターの励起子発光の量子効果を実
証するものである。分極の非線形効果などを利用した電
子素子が可能なことは、バルクや量子井戸と呼ばれる極
超薄膜のＧａＡｓやＧａＡｓ−ＧａＡＩ　Ａ　Ｓ　２と
かわらない。

このように、マイクロクラスターは担体材料と異なる物
質と見なすことができ、セラミックス中に蛍光体マイク
ロクラスターを埋め込んだ新しい蛍光体材料を作ること
ができる。また、ＧａＡｓをＬｉＮｂ○３のような光道
波回路付の光ＬＳＩ上に分散した状態で集積させること
により、その分極特性、非線形効果による偏光を利用し
た光ＬＳＩを作ることもできる。

また、炭素基板を水素イオンで衝撃した場合、質量数５
００程度までのあらゆる種類の炭化水素を得ることがで
きる。興味深いことにスパッタリングの速さを調整する
ためのＸｅ，Ａｒ，Ｈｅなどの不活性ガスを混入すると
炭化水素クラスターの大きさがコントロール出来ること
が明らかになった。このようにして反応に関係ない第３
の希ガスを導入することによりマイクロクラスターの製
造においても、粒径分布を制訂できる。さらに質量分別
器を通せば、特定の質量のものを集め、軟着陸的に基板
上に捕集してマ｝　ＩＪックス物質の蒸着膜中に埋め込
むことが出来る。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、生成
したマイクロクラスターを加速し質量分別するので、粒
径の揃った超微粒子を得ることができる。しかも、分別
したマイクロクラスターを減速し基板上に軟着陸させ付
着させるので、運動エネルギーが極めて小さくなり、基
板との衝突により際薄膜が形成されてしまうのを回避す
ることができる。また、ＧａＮ，ＧａＰ，ＧａＡｓ，１
ｎＮ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ等のＩＶ族化合物半導体、ＩＩ
ＶＩ族化合物半導体や合金のマイクロクラスターを生成
する場合、各々の原子のクラスターが出来てしまっても
、質量分別装置により特定の原子のクラスターのみを選
択抽出することができる。したがって、マイクロクラス
ターを選別抽出して、基板上の位置を自由に遺択し、マ
イクロクラスターデバイスを作製することができ、ＬＳ
Ｉや光ＬＳＩなどの電子素子や光電子素子の製作や新し
い蛍光体材料、触媒材料の製造が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第ｌ図は本発明に係るマイクロクラスターデバイス製造
装置の１実施例構成を示す図、第２図はマイクロクラス
ターデバイスの製造方法を説明するための図、第３図は
Ｉｎを（Ｘ　ｅ　＋Ｎ）＋でスバッターしたスペクトル
の例を示す図、第４図はＧａＡｓクラスターの発光特性
の例を示す図である。Ａ・・・イオン源部、Ｂ・・・質量分別部、Ｃ・・・ク
ラスター捕集部、１・・・１次イオン源、２・・・クラ
スター母材、３とｌ３・・・クラスターイオンビーム、
４・・・前置グリッド、５・・・捕集用基板、ｌ１・・
・導電性材料、１２・・・絶縁物、ｉ４・・・蒸着膜用
蒸発分子。（Ａ）第１図出　願　人　　新技術開発事業団

Claims

【特許請求の範囲】

（１）イオン照射やレーザー光照射、プラズマのスパッ
タリングにより生成し質量分別したマイクロクラスター
イオンを選択的に基板上に付着させてなることを特徴と
するマイクロクラスターデバイス。
（２）化合物マイクロクラスターイオンを付着させてな
ることを特徴とする請求項１記載のマイクロクラスター
デバイス。
（３）化合物半導体において半導体構成の金属が過剰な
マイクロクラスターを基板上に付着させてなることを特
徴とする請求項２記載のマイクロクラスターデバイス。
（４）同時に絶縁物を蒸着することによりマイクロクラ
スターを基板上に付着させ埋め込んだことを特徴とする
請求項１記載のマイクロクラスターデバイス。
（５）基板上の電極部分と電極以外の部分にマイクロク
ラスターを選択的に捕集してなることを特徴とする請求
項１ないし４のいずれかに記載のマイクロクラスターデ
バイス。
（６）イオン照射やレーザー光照射、プラズマのスパッ
タリングによりマイクロクラスターイオンを生成し加速
して質量分別装置で質量分別し、分別後に電圧をかけた
グリッド又は基板上の電極により減速してマイクロクラ
スターを基板上に選択的に付着させることを特徴とする
マイクロクラスターデバイス製造方法。
（７）化合物を形成する元素からなる基板に化合物のも
う一方の元素のイオンビームを照射して化合物を作りな
がら同時にスパッタリングして化合物マイクロクラスタ
ーイオンを生成することを特徴とする請求項６記載のマ
イクロクラスターデバイス製造方法。
（８）不活性ガスを共存させて化合物マイクロクラスタ
ーの大きさの生成割合を制御することを特徴とする請求
項７記載のマイクロクラスターデバイス製造方法。
（９）基板上に同時に絶縁物を蒸着することを特徴とす
る請求項６記載のマイクロクラスターデバイス製造方法
。
（１０）微細加工技術により基板上に電極を形成し、該
電極に与える電位を制御することによって電極部分と電
極以外の部分にマイクロクラスターを選択的に捕集する
ことを特徴とする請求項６ないし９のいずれかに記載の
マイクロクラスターデバイス製造方法。
（１１）イオン照射やレーザー光照射、プラズマのスパ
ッタリングによりマイクロクラスターイオンを生成する
イオン源部、マイクロクラスターを加速して質量毎に分
別する質量分別部、及び該質量分別部で分別されたマイ
クロクラスターを減速させて基板上に選的に捕集するク
ラスター捕集部を備えたことを特徴とするマイクロクラ
スターデバイス製造装置。