JPH06272026A

JPH06272026A - クラスタ分子薄膜成長方法及び装置

Info

Publication number: JPH06272026A
Application number: JP5056267A
Authority: JP
Inventors: Tatsuharu Yamamoto; 立春山本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-03-17
Filing date: 1993-03-17
Publication date: 1994-09-27

Abstract

(57)【要約】【目的】金属、半導体又は炭素のクラスタ分子線の改良
された薄膜成長方法及び装置を提供することにある。【構成】微粒子原料と不活性ガスの混相流を生成室１０
０のプラズマトーチ１１７へ供給し、高周波誘導プラズ
マ法により生成したクラスタ分子１１４を補集体１１６
に付着させる。補集体１１６はイオン化室１８０に搬送
し、ヒータ１２３ｂで加熱しクラスタ分子蒸気１１４を
発生し、イオン化、加速して分析管１９１に送る。クラ
スタ分子イオン１１４ｂは分析管１９１内で質量数によ
って異なる軌道を描いて飛行し、スキーマ１９２を通過
するクラスタ分子１１４ｃのみが基板１２４に照射され
薄膜１２５を形成する。【効果】高純度かつ質量数のそろったクラスタ分子線を
効率的に生成し、必要に応じて他の原料を供給する分子
線源と併用することにより、多様な薄膜形成が可能とな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はクラスタ分子の薄膜成長
方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】クラスタ分子あるいは超微粒子は、直径
が１ｎｍ〜数１０ｎｍ、原子数にして１０〜１０⁴個程
度の原子集団であり、例えば、「粉体及び粉末冶金」第
３８巻、第３号、第315〜321ページ（平成２年度秋季大
会特別講演）に記載の「ナノ化によって何が期待される
か」のように、バルク状態と著しく異なる特性を持つよ
うになる。この種の材料は、これまで磁気記録材料、電
磁波吸収材料、各種センサ材料等で実用化されており、
また近年Ｓｉクラスタの発光素子、酸化物超伝導体、太
陽電池の分野でクラスタ分子の応用研究が進めらてい
る。特に炭素クラスタ（Ｃ₆₀、Ｃ₇₀等）はダイヤモン
ド、グラファイトに次ぐ第３の形態の炭素として位置付
けられ、一般的なクラスタ分子としてのナノサイズ効果
の発現の他に、他の原子を内包させることによってスー
パーアトムを形成する可能性を持つ。

【０００３】クラスタ分子あるいは超微粒子の生成、補
集方法については例えば「超微粒子ハンドブック」（フ
ジテクノシステム）第225〜231ページの「超微粒子の製
造法−物理的方法」に要約されているように、抵抗加熱
法（ガス中蒸発法）、高周波誘導法、プラズマ法、電子
ビーム加熱法、レーザビーム加熱法の５種類の加熱蒸発
方法があり、生成されたクラスタ分子は不活性ガスであ
るＨｅ、Ａｒなどのキャリアガス流によって輸送され、
水冷された補集面に付着させる方法を取るのが一般的で
ある。

【０００４】また、クラスタ分子の薄膜化プロセスの一
例を、ガス・デポジション法として知られる図６により
説明すると、生成室内でガス中加熱蒸発法により生成さ
れたクラスタ分子は、キャリアガスによって輸送管内を
通り膜成長室に輸送される。成長室は真空排気されてお
り、輸送管から送り出されるクラスタ分子はノズルを通
って基板に照射してクラスタ分子薄膜を形成する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のガス・
デポジション法によって生成されるクラスタ分子線には
質量数のバラツキがあるため、形成されるクラスタ分子
薄膜の特性も急峻なものが得られない。これはクラスタ
分子の特性が質量数又はサイズによって異なるためであ
り、質量数のそろったクラスタ分子によって薄膜を形成
することが重要な課題となる。

【０００６】したがって、本発明の目的は上記課題を解
決することにあり、第１の目的は、質量数のそろったク
ラスタ分子によって薄膜を形成する改良されたクラスタ
分子薄膜成長方法を提供することにあり、第２の目的は
その装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記課題
を解決するために種々実験検討したところ、クラスタ生
成室内で発生させたクラスタ分子線を、従来のように成
長室内の薄膜形成用基板上に直接移送して成膜するので
はなく、クラスタ生成室内で一旦所定の捕集体に吸着、
蓄積させてクラスタ分子を捕集し、この捕集体を高真空
に排気された成長室内に連通するクラスタ分子線源ポー
トに搬送し、ここで所定の温度に加熱してクラスタ分子
線を再発生させ、これを基板に照射して成膜を行うと極
めて良好な薄膜が得られるという知見を得た。

【０００８】本発明はかかる知見に基づいてなされたも
のであり、上記第１の目的は、固体原料もしくは粉末原
料を不活性ガス中で加熱蒸発してクラスタ分子を生成す
る段階と、前記生成されたクラスタ分子を捕集体に吸
着、蓄積させる段階と、前記捕集体を真空雰囲気中に移
送し、加熱することによりクラスタ分子線を再発生させ
る段階と、前記再発生させたクラスタ分子線を真空雰囲
気中にて基板上に照射しクラスタ分子薄膜を成長させる
成膜段階とを有して成るクラスタ分子薄膜成長方法によ
り、達成される。

【０００９】更に好ましくは、固体原料もしくは粉末原
料を不活性ガス中で加熱蒸発してクラスタ分子を生成す
る段階と、前記生成されたクラスタ分子を捕集体に吸
着、蓄積させる段階と、前記捕集体を真空雰囲気中に移
送し、加熱することによりクラスタ分子線を再発生させ
る段階と、前記クラスタ分子線を捕集体から再発生させ
る時、もしくは再発生させた後にクラスタ分子線の質量
数を所定値に制御する段階と、質量数が所定値に制御さ
れたクラスタ分子線を真空雰囲気中にて基板上に照射し
てクラスタ分子薄膜を成長させる成膜段階とを有して成
るクラスタ分子薄膜成長方法によって達成される。

【００１０】上記クラスタ分子線の質量数を所定値に制
御する段階としては、以下の二通りの段階がある。すな
わち、その一つは、上記クラスタ分子線を捕集体から再
発生させる時とし、加熱することによりクラスタ分子線
を再発生させる段階において、クラスタ分子の質量数の
違いに基づく蒸発温度の差を利用して、前記捕集体の加
熱温度を特定値に設定することにより、蒸発する前記ク
ラスタ分子の質量数を所定値に制御する段階とするもの
であ。

【００１１】他の一つは、上記クラスタ分子線を捕集体
から再発生させた後とし、前記クラスタ分子線が前記捕
集体から発生し基板に到達する過程で電磁気的相互作用
を利用した質量分離を行う段階として構成し、かかる質
量分離により特定の質量数に分離されたクラスタ分子線
を基板に照射するようにするものである。

【００１２】また、本発明においては上記クラスタ分子
線を真空雰囲気中にて基板上に照射してクラスタ分子薄
膜を成長させる成膜段階において、前記クラスタ分子線
の基板上への照射と共に第２の分子線照射源より異種元
素（例えばアルカリ金属等のドープ材）の分子線を照射
して前記クラスタ分子薄膜に異種元素をドーピングする
段階とすることもでき、これにより異種元素をドープし
たクラスタ分子薄膜を形成することができる。第２の分
子線照射源としては、クヌードセンセル、ガスセル等の
単数、もしくは複数の分子線源が用いられる。

【００１３】上記クラスタ分子の原料を不活性ガス中で
加熱蒸発してクラスタ分子を生成する段階の代表例につ
いて説明すると、加熱蒸発の方法は、高周波誘導プラズ
マ加熱法が一般的であり、クラスタ分子の原料としては
シリコン、ゲルマニウム等の半導体、炭素、金属等の単
一種、もしくは複数種の微粒子原料からなり、これをＨ
ｅ、Ａｒ等の不活性ガスをキャリアガスとする混相流と
してプラズマトーチへ供給して、前記クラスタ分子を生
成する段階とするものである。微粒子原料の大きさは小
さいものほど好ましいが、通常は平均粒径０．０１〜
０．１μｍのものが用いられる。

【００１４】例えば上記クラスタ分子の原料として炭素
微粒子を用いれば、炭素クラスタ分子Ｃ₆₀、Ｃ₇₀、Ｃ₈₂
等を生成することができ、捕集体を介して所定の質量数
の炭素クラスタ分子を基板上に薄膜成長させることがで
きる。

【００１５】また、上記クラスタ分子の原料として例え
ば炭素微粒子と共に、アルカリ金属元素の微粒子を混合
し、これらを不活性ガスをキャリアガスとする混相流と
してプラズマトーチへ供給して蒸発させ、不活性ガスで
冷却すれば、アルカリ金属元素を内包（ドープとは異な
る）した炭素クラスタ分子を生成することができ、これ
を捕集体に吸着、蓄積したものを用いれば、アルカリ金
属元素を内包した炭素クラスタ分子線薄膜を所望の基板
上に形成することができる。

【００１６】また、上記第２の目的は、少なくとも固体
原料もしくは粉末原料を不活性ガス中で加熱蒸発してク
ラスタ分子を生成する手段と、生成したクラスタ分子を
捕集体に吸着、蓄積させる手段とを有するクラスタ分子
生成室と；前記生成室から捕集体を真空雰囲気中に搬送
する手段と、これを加熱してクラスタ分子線を再発生さ
せ、所定の基板に照射してクラスタ分子薄膜を成長させ
る手段とを有するクラスタ分子薄膜成長室とを備えて成
るクラスタ分子薄膜成長装置により、達成される。

【００１７】そして好ましくは、上記捕集体を真空雰囲
気中に搬送して、これを加熱してクラスタ分子線を再発
生させる手段として、加熱温度を制御して所定の質量数
のクラスタ分子線を発生させる温度制御手段を具備する
ことであり、これにより加熱温度を特定温度に設定すれ
ば質量数の違いによる蒸発温度差を利用して蒸発するク
ラスタ分子の質量数を特定の範囲のものに制限すること
ができる。

【００１８】また、上記捕集体を真空雰囲気中に搬送し
て、これを加熱してクラスタ分子線を再発生させる手段
の後に、電磁気的相互作用を利用した質量分離手段を具
備し、所定の質量数のクラスタ分子線を選択的に分離し
て基板に照射するようにすることもできる。この場合、
装置構成はやや大きくなるが、高精度の質量数の分離、
制御が可能となる。

【００１９】上記クラスタ分子薄膜成長室に、ドーピン
グ用の例えばアルカリ金属等の第２の分子線照射源を具
備し、クラスタ分子薄膜の成長と共に第２の分子線のド
ーピングを行う手段を設定することもでき、これにより
クラスタ分子線薄膜に異種元素をドープすることができ
る。

【００２０】また、上記捕集体を真空雰囲気中に搬送し
て、これを加熱してクラスタ分子線を再発生させる手段
の前段に予備加熱用の中間室を配設することもでき、こ
の中間室で捕集体を予備加熱することにより、表面清浄
化することができ高純度のクラスタ分子線を発生するこ
とができる。

【００２１】なお、上記捕集体は固定もしくは巻取り式
の金属薄板で構成することができ、材質も例えばステン
レス鋼、Ａｌ、Ｔａ、Ｎｉ等の金属薄板が用いられる。

【００２２】最後に上記各室の排気レベルについて説明
すると、クラスタ分子生成室は通常数Ｔｏｒｒ〜１００
Ｔｏｒｒ、クラスタ分子薄膜成長室は１０~⁸Ｔｏｒｒ以
下の超高真空、予備加熱用の中間室は１０~³〜１０~⁷Ｔ
ｏｒｒ程度となる。

【００２３】

【作用】上記手段によって、クラスタ分子質量数を限定
し、形成されるクラスタ分子薄膜の特性を急峻なものと
し、不純物の混入による薄膜の特性の劣化を抑え、また
他の固体原料との化合物薄膜を形成することができる。

【００２４】クラスタ分子線の発生方法としては、クラ
スタ分子線の原料となる固体微粒子を、ヘリウム等の不
活性ガスのキャリアガスと共に混相流としてクラスタ分
子線生成室内に輸送し、輸送された微粒子原料を、例え
ば高周波プラズマにより蒸発させ、キャリアガスで冷却
する。この時、キャリアガスは原料微粒子の輸送手段と
して、また生成したクラスタ分子線の冷却手段として重
要な作用する。

【００２５】クラスタ分子線は捕集体に捕集されて更に
成長室に搬送される。成長室は不純物の混入を避けるた
めに超高真空に維持されており、この真空雰囲気中で捕
集体は必要な温度に加熱され、その表面からクラスタ分
子線を放出する。

【００２６】以下、図１の概念図を用いて更に具体的に
本発明の原理を説明する。図示のように、クラスタ分子
線生成室１００に導入された固体原料又は粉末原料１１
１を、Ｈｅ、Ａｒ等の不活性なキャリアガス１１２中で
加熱手段１１３により加熱蒸発してクラスタ分子１１４
を生成する。これは原料蒸気１１４ａがキャリアガス１
１２によって冷却される過程（ガス冷却手段１１５）で
相互結合を繰り返して形成されるものであり、クラスタ
分子１１４の質量数は、蒸発原子の密度、キャリアガス
の圧力、冷却時間によってある程度制御できる。

【００２７】ここで冷却時間とは蒸発原子１１４ａとな
ってから、捕集体１１６の表面に付着するまでの時間で
ある。また、原料の加熱手段１１３は、例えば抵抗加熱
法（ガス中蒸発法）、高周波誘導法、プラズマ法、電子
ビーム加熱法、レーザビーム加熱法等いずれの周知の加
熱蒸発方法も使用可能であるが、どちらかというと高周
波誘導法が好ましい。次ぎにクラスタ分子を吸着、蓄積
させた捕集体１１６は成長室１２０に搬送手段１２１に
より搬送し、排気手段１２２で超高真空状態に排気され
た真空雰囲気中で加熱手段（ヒータ）１２３により加熱
してクラスタ分子線１１４を発生させ、基板１２４に照
射してクラスタ分子薄膜１２５を成長させる。なお、加
熱手段１２３により捕集体１１６からクラスタ分子線１
１４を発生させるに際しては、前述の通り、質量分離す
るために正確な温度制御を行うか、もしくは図面を省略
したが電磁気的相互作用を利用した質量分離手段を介し
て分離された特定質量数のクラスタ分子線を基板に照射
する。

【００２８】なお、捕集体１１６を搬送手段１２１によ
り成長室１２０へ搬送するに際しては、塵の発生を極力
少なくする搬送構成とすることが重要である。

【００２９】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図をもって説明す
る。〈実施例１〉以下、図２〜図４を用いて装置構成の一実
施例を具体的に説明する。図２は、生成室１００でクラ
スタ分子線１１４を生成し、捕集体１１６に吸着、蓄積
する段階の一実施例を示した概略図である。

【００３０】本実施例での加熱蒸発手段１１３は、高周
波誘導プラズマ加熱法であり、クラスタ分子の原料１１
１として単一種、又は複数種の微粒子原料を、Ｈｅ、Ａ
ｒなどの不活性ガスをキャリアガス１１２とする混相流
としてプラズマトーチ１１７へ供給して、クラスタ分子
１１４を生成する。

【００３１】この高周波誘導プラズマは４，０００〜１
０，０００Ｋの超高温場を定常的に発生できるため、特
にＷ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｔａなどの高融点金属やカーボンの
クラスタ生成に適している。生成されたクラスタ分子
は、ステンレス鋼、Ａｌ、Ｔａ、Ｎｉ等の金属薄板で構
成されるフィン状の補集体１１６に付着、蓄積される。
なお、補集体１１６の捕集面は、クラスタ分子線の流れ
を乱さないように流れに平行に配設することが望まし
い。

【００３２】また、補集体１１６の構成は、図３に１１
６ａで示すように、ステンレス鋼、Ａｌ、Ｔａ、Ｎｉ等
の金属薄板で構成され、その捕集面が混相流に対して平
行に設置される巻取り式の補集体１１６ａであってもよ
い。

【００３３】図４は、クラスタ分子薄膜成長装置の全体
構成の一例を示した概略図で、装置の基本構成は、クラ
スタ分子１１４を生成し、捕集体１１６に吸着、蓄積さ
せる生成室１００、捕集体１１６を真空雰囲気中で加熱
して付着しているクラスタ分子を蒸発させクラスタ分子
線を再発生させ、基板１２４に照射してクラスタ分子薄
膜１２５を成長させる成長室１２０、真空ロードロック
と捕集体１１６のクリーニングのための予備加熱機能を
備えた中間室１１０の３室で構成される。これらの各室
は、それぞれの排気手段１２２ａ〜１２２ｃにより、生
成室１００は、数Ｔｏｒｒ〜１００Ｔｏｒｒ、中間室１
１０は１０~³〜１０~⁷Ｔｏｒｒ、成長室１２０は１０~⁸
Ｔｏｒｒ以下の超高真空に排気される。

【００３４】生成室１００でクラスタ分子１１４を吸
着、蓄積した捕集体１１６は、まずゲートバルブ１３０
ａを開いて中間室１１０に搬送機構１２１ａにより搬送
し、ヒータ１２３ａによってクラスタ分子の蒸発温度以
下でクリーニングのための予備加熱を行う。

【００３５】次ぎにゲートバルブ１３０ｂを開いて搬送
機構１２１ｂにより捕集体１１６を成長室１２０に連通
するクラスタ分子線源ポート１４０に搬送し、温度制御
手段１２４により制御されたヒータ１２３ｂによって特
定の質量数に見合った蒸発温度に加熱しクラスタ分子線
１１４を発生させる。

【００３６】成長室１２０は、真空ポンプ１２２ｃによ
り超高真空に排気され、基板１２４を保持し回転を与え
る基板ホルダ１７０とクヌードセンセル１５０、ガスセ
ル１６０等の複数の第２の分子線源とを有し、混晶の成
長やドーピングを行う。なお、１４１、１５１、１６１
は、それぞれの分子線源に対向して設けられたシャッタ
で、これを任意に開閉して成膜を行う。

【００３７】上記のように、この装置では捕集体１１６
をヒータ１２３ｂで加熱してクラスタ分子線１１４を発
生させる際に、クラスタ分子の質量数の違いによる蒸発
温度の差を利用して、捕集体１１６の加熱温度を温度制
御手段１２４で調節することができるようになってお
り、蒸発するクラスタ分子１１４の質量数の範囲を特定
のものに限定することができる構成となっている。

【００３８】〈実施例２〉図５は、電磁気的相互作用を
利用した質量分離機能を備え、特定の質量数のクラスタ
分子線を基板に照射することができるクラスタ分子薄膜
成長装置の他の一実施例を示した概略図である。同図に
おいて装置の基本構成は、クラスタ分子を生成し、捕集
体１１６に吸着、蓄積させる生成室１００、捕集体１１
６を真空雰囲気中で加熱して付着しているクラスタ分子
１１４を蒸発させ、イオン化と加速を行うイオン化室１
８０、イオン化されたクラスタ分子１１４を電磁石１９
０によって偏向し質量分離を行う分析管１９１、分析管
１９１で分離された所定の質量数のクラスタ分子１１４
ｂを基板１２４に照射してクラスタ分子薄膜１２５を成
長させる成長室１２０の４室で構成される。

【００３９】図４に示した実施例１と同様に生成室１０
０でクラスタ分子を吸着、蓄積させた捕集体１１６は、
イオン化室１８０でヒータ１２３ｂによって加熱されク
ラスタ分子蒸気を発生する。この時、捕集体１１６の加
熱温度以下の蒸発温度のクラスタ分子１１４はすべて蒸
発し始める。このクラスタ分子１１４はイオン化電極１
８１によってクラスタ分子イオン１１４ｂとなり、引出
電極１８２によって所定の速度に加速される。

【００４０】加速されたクラスタ分子イオン１１４ｂ
は、スキーマ１８３を通して飛行方向を揃え分析管１９
１に入射させ、電磁石１９０によって図面に垂直方向に
磁場をかけ、特定の半径の軌道を通るイオンだけをスキ
ーマ１９２によって分離し成長室１２０に供給する。こ
れは磁場内でのイオンは質量数が大きくなるに従って軌
道半径が大きくなるのを利用するものであり、イオンの
速度、磁場の強度、スキーマ１９２の位置を変更するこ
とによって成長室１２０に供給される質量数を選択でき
る。成長室１２０は、真空ポンプ１２２ｃにより超高真
空に排気され、基板１２４を保持し回転を与える基板ホ
ルダ１７０とクヌードセンセル１５０、ガスセル１６０
等の複数の第２の分子線源を有し、混晶の成長やドーピ
ングを行う。それぞれの分子線源に対向してシャッタ１
４１、１５１、１６１が設けられている。

【００４１】〈実施例３〉次ぎに、図４で説明したクラ
スタ分子薄膜成長装置を用いて炭素クラスタ分子線Ｃ₆₀
の薄膜を形成する一実施例について説明する。先ず、ク
ラスタ分子の原料１１１としては平均粒子径０．０１μ
ｍのカーボンブラック微粉末を用いた。この微粉末を充
填した容器に、Ｈｅキャリアガス１１２を流し、混相流
を高周波誘導加熱手段１１３により発生させた生成室１
００内のプラズマ中に移送し、炭素微粒子を蒸発させ、
クラスタ分子線１１４を発生させた。捕集体１１６とし
てステンレス板を準備し、これに発生した炭素クラスタ
分子線Ｃ₆₀を吸着、蓄積させた。なお、生成室１００内
の雰囲気は５０Ｔｏｒｒに排気した。

【００４２】次に、予め10~⁷Ｔｏｒｒに排気した予備加
熱用中間室１１０に、ゲートバルブ１３０ａを開いて捕
集体１１６を搬送機構１２１ａにより搬入する。ヒータ
１２３ａで３００℃に約６時間加熱して捕集体表面の不
純物を除去し表面清浄化処理をする。

【００４３】次いでゲートバルブ１３０ｂを開いて搬送
機構１２１ｂにより、捕集体１１６を成長室１２０に連
通するクラスタ分子線源ポート１４０に保持する。ここ
で室内は真空ポンプ１２２ｃにより１０~¹⁰Ｔｏｒｒに
排気しておく。温度制御手段１２４でヒータ１２３ｂを
４００℃に加熱制御して捕集体１１６からＣ₆₀の分子線
を発生させる。この時、分子線の進行方向に設けられた
シャッタ１４１を開いて基板上１２４に照射し、Ｃ₆₀分
子線薄膜１２５を形成する。基板１２４は、ヒータ１２
３ｃにより約１００℃に保持しておき、０．５Å／分の
成長速度で３時間成長させ、７０００Å（０．７μｍ）
の薄膜を得た。得られた薄膜をＳＴＭ（スキャンニング
・トンネル・マイクロスコープ）で表面の結晶像を観察
したところ、１０Åの格子定数が測定され、Ｃ₆₀の分子
線薄膜であることを確認した。

【００４４】〈実施例４〉この例は、実施例３における
成長室１２０での炭素クラスタ分子線薄膜の形成段階に
おいて、第２の分子線源１５０にアルカリ金属のＲｂを
用いてドーピングを行った例を示すものである。第２の
分子線源１５０のルツボに金属Ｒｂを入れて３００℃で
加熱蒸発させる。分子線が安定したところでシャッタ１
５１を開き、炭素クラスタ分子線と共に基板上に照射す
る。その結果、ＲｂがドープされたＣ₆₀の分子線薄膜が
得られた。この試料の物性テストを行ったところ、２８
Ｋにおいて超伝導特性を示した。

【００４５】〈実施例５〉この例は、実施例３における
クラスタ分子線生成室１００にて炭素クラスタ分子線１
１４を発生させる際に、原料炭素微粉１１１にＬａ粉末
を混合し、Ｌａ内包炭素クラスタ分子線を発生させた。
これを捕集体１１６に捕集して実施例３と同様に基板１
２４上にＬａ内包炭素クラスタ分子線薄膜を形成した。
なお、この場合には、クラスタ分子線源ポート１４０で
の捕集体１１６の加熱温度を実施例３の４００℃から５
００℃に上昇させ、炭素クラスタＣ₈₂を主体とするＬａ
内包炭素クラスタ分子線を発生させ、成膜した。

【００４６】以上詳述したように、炭素クラスタ
（Ｃ₆₀、Ｃ₇₀、Ｃ₈₂等）は、ダイヤモンド、グラファイ
トに次ぐ第３の形態の炭素として位置付けられ、一般的
なクラスタ分子としてのナノサイズ効果の発現の他に、
他の原子で修飾したり、他の原子を内包させることが可
能であり、これによって超伝導材料として、あるいはス
ーパーアトムを形成する可能性をも持ち、今後の研究試
料として種々供することができる。また、炭素以外の金
属や半導体等のクラスタ分子線薄膜についても上記実施
例と同様の方法により形成可能である。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように本発明により、所期
の目的を達成することができた。すなわち、高純度かつ
質量数のそろったクラスタ分子線を効率的に生成し、必
要に応じて他の原料を供給する分子線源と併用すること
により、多様な薄膜形成が可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明するクラスタ分子薄膜成長
方法及び装置の概念図である。

【図２】本発明の一実施例となるクラスタ分子生成法の
概略図である。

【図３】同じく他の実施例となるクラスタ分子生成法の
概略図である。

【図４】同じくクラスタ分子薄膜成長装置の一実施例を
示す概略図である。

【図５】同じくクラスタ分子薄膜成長装置の他の実施例
を示す概略図である。

【図６】従来のクラスタ分子薄膜形成技術を説明するガ
ス・デポジション法の概略説明図である。

【符号の説明】

１００…クラスタ分子線生成室、１１０…中間室
（予備加熱）、１１１…原料、１
１２…キャリアガス、１１３高周波誘導加熱手段、
１１４…クラスタ分子線、１１５…ガス冷却、
１１６…捕集体、１１７…プラズマトー
チ、１２０…クラスタ分子線薄膜の成長室、
１２１…搬送機構、１２２…排気手
段、１２３…加熱手段（ヒータ）、１２４…基
板、１２５…分子線薄膜、１３０…ゲー
トバルブ、１４０…クラスタ分子線源ポート、１４１、
１５１、１６１…シャッタ、１５０…クヌードセンセ
ル、１６０…ガスセル、１７０…基板
ホルダ、１８０…イオン化室、１８１…
イオン化電極、１８２…引出電極、１８３、１
９２…スキーマ、１９０…電磁石、
１９１…分析管。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体原料もしくは粉末原料を不活性ガス中
で加熱蒸発してクラスタ分子を生成する段階と、前記生
成されたクラスタ分子を捕集体に吸着、蓄積させる段階
と、前記捕集体を真空雰囲気中に移送し、加熱すること
によりクラスタ分子線を再発生させる段階と、前記再発
生させたクラスタ分子線を真空雰囲気中にて基板上に照
射しクラスタ分子薄膜を成長させる成膜段階とを有して
成るクラスタ分子薄膜成長方法。
【請求項２】固体原料もしくは粉末原料を不活性ガス中
で加熱蒸発してクラスタ分子を生成する段階と、前記生
成されたクラスタ分子を捕集体に吸着、蓄積させる段階
と、前記捕集体を真空雰囲気中に移送し、加熱すること
によりクラスタ分子線を再発生させる段階と、前記クラ
スタ分子線を捕集体から再発生させる時、もしくは再発
生させた後にクラスタ分子線の質量数を所定値に制御す
る段階と、質量数が所定値に制御されたクラスタ分子線
を真空雰囲気中にて基板上に照射してクラスタ分子薄膜
を成長させる成膜段階とを有して成るクラスタ分子薄膜
成長方法。
【請求項３】上記クラスタ分子線の質量数を所定値に制
御する段階を、上記クラスタ分子線を捕集体から再発生
させる時とし、加熱することによりクラスタ分子線を再
発生させる段階において、クラスタ分子の質量数の違い
に基づく蒸発温度の差を利用して、前記捕集体の加熱温
度を特定値に設定することにより、蒸発する前記クラス
タ分子の質量数を所定値に制御する段階として成る請求
項２記載のクラスタ分子薄膜成長法。
【請求項４】上記クラスタ分子線の質量数を所定値に制
御する段階を、上記クラスタ分子線を捕集体から再発生
させた後とし、前記クラスタ分子線が前記捕集体から発
生し基板に到達する過程で電磁気的相互作用を利用した
質量分離を行う段階として構成し、かかる質量分離によ
り特定の質量数に分離されたクラスタ分子線を基板に照
射するようにして成る請求項２記載のクラスタ分子薄膜
成長法。
【請求項５】上記クラスタ分子線を真空雰囲気中にて基
板上に照射してクラスタ分子薄膜を成長させる成膜段階
において、前記クラスタ分子線の基板上への照射と共に
第２の分子線照射源より異種元素の分子線を照射して前
記クラスタ分子薄膜に異種元素をドーピングする段階と
して成る請求項１もしくは２記載のクラスタ分子薄膜成
長法。
【請求項６】上記クラスタ分子の原料を不活性ガス中で
加熱蒸発してクラスタ分子を生成する段階において、前
記加熱蒸発の方法が、高周波誘導プラズマ加熱法であ
り、前記クラスタ分子の原料が単一種、もしくは複数種
の微粒子原料からなり、これを不活性ガスをキャリアガ
スとする混相流としてプラズマトーチへ供給して、前記
クラスタ分子を生成する段階として成る請求項１もしく
は２記載のクラスタ分子薄膜成長法。
【請求項７】上記クラスタ分子の原料として炭素微粒子
を用い、炭素クラスタ分子を生成し、所定の質量数の炭
素クラスタ分子を基板上に薄膜成長して成る請求項１乃
至６何れか記載のクラスタ分子薄膜成長法。
【請求項８】上記クラスタ分子の原料として炭素微粒子
と、アルカリ金属元素の微粒子とを混合し、これらを不
活性ガスをキャリアガスとする混相流としてプラズマト
ーチへ供給して、アルカリ金属元素を内包した炭素クラ
スタ分子を生成して成る請求項６記載のクラスタ分子薄
膜成長法。
【請求項９】少なくとも固体原料もしくは粉末原料を不
活性ガス中で加熱蒸発してクラスタ分子を生成する手段
と、生成したクラスタ分子を捕集体に吸着、蓄積させる
手段とを有するクラスタ分子生成室と；前記生成室から
捕集体を真空雰囲気中に搬送する手段と、これを加熱し
てクラスタ分子線を再発生させ、所定の基板に照射して
クラスタ分子薄膜を成長させる手段とを有するクラスタ
分子薄膜成長室とを備えて成るクラスタ分子薄膜成長装
置。
【請求項１０】上記捕集体を真空雰囲気中に搬送して、
これを加熱してクラスタ分子線を再発生させる手段とし
て、加熱温度を制御して所定の質量数のクラスタ分子線
を発生させる温度制御手段を具備して成る請求項９記載
のクラスタ分子薄膜成長装置。
【請求項１１】上記捕集体を真空雰囲気中に搬送して、
これを加熱してクラスタ分子線を再発生させる手段の後
に、電磁気的相互作用を利用した質量分離手段を具備
し、所定の質量数のクラスタ分子線を選択的に分離して
基板に照射するようにして成る請求項９記載のクラスタ
分子薄膜成長装置。
【請求項１２】上記クラスタ分子薄膜成長室にドーピン
グ用の第２の分子線照射源を具備し、クラスタ分子薄膜
の成長と共に第２の分子線のドーピングを行う手段を有
して成る請求項９乃至１１何れか記載のクラスタ分子薄
膜成長装置。
【請求項１３】上記捕集体を真空雰囲気中に搬送して、
これを加熱してクラスタ分子線を再発生させる手段の前
段に予備加熱用の中間室を配設して成る請求項９、１０
もしくは１２記載のクラスタ分子薄膜成長装置。
【請求項１４】上記捕集体を固定もしくは巻取り式の金
属薄板で構成として成る請求項９記載のクラスタ分子薄
膜成長装置。
【請求項１５】上記捕集体を構成する金属薄板をステン
レス鋼、Ａｌ、Ｔａ、Ｎｉの何れかとして成る請求項１
４記載のクラスタ分子薄膜成長装置。