JPS6261601A - スパツタリングによる粒子の作成方法 - Google Patents

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） 本願発明は新規な粒子作成方法を提供する。この方法は
高純度の粒子を大愚に作成可能なほか、従来得られなか
った種類の粒子の作成を可能にする。ざらに又粒子の連
続生産にも適する。

（従来の技術） 従来の超微粒子作成方法の一つに、ガス蒸発法が知られ
ている。これは不活性ガス雰囲気中で金属を蒸発さぜ、
蒸発した金属原子を雰囲気ガスと衝突させて冷却し、結
晶成長させて粒子を得る方法である。このガス蒸発法に
おける蒸発手段としては、抵抗加熱法、電子ビーム加熱
法、アーク放電法等が知られている。

抵抗加熱法は例えばタングステン線に電流を流し、抵抗
によって発生する熱で　るつぼを加熱し、金属を溶融蒸
発する方法である。

電子ビーム加熱法は金属に電子ビームを照射し、金属を
加熱し、溶＠蒸発する方法である。

アーク放電法は１！福間でアーク放電を起し、電極表面
から金属原子を溶融蒸発させる方法である。

いずれの方法も金属を溶融し、蒸発させる過程を含むこ
とから ■　高融点物質（例えば、タングステン、モリブデン、
炭素等）の蒸発は困難であり、■　蒸発面積を大きくす
ることが実際上困難であり、人聞生産には適しない。

また抵抗加熱法では ■　るつぼからの不純物質の蒸発を完全には防止できな
い等の問題を生じ、 電子ビーム加熱法では ■　電子ビームは雰囲気ガス中で急激に減衰することか
ら、差動排気システムが必要となり、全体の装置が大規
模とならざるを慢ず、 アーク放ＬＦ１１法では ■　蒸発過程が不安定で制御が困難なこと等の問題があ
る。

（発明が解決しようとする問題点） そこで本発明では上記問題点を解決する新たな蒸発手段
を提供する。これにより上記問題点が解決されるほか、 ■雰囲気ガスと反応させて化合物粒子を作成すること ■既知の蒸発手段では得られなかった結晶構造の粒子を
得ること ■薄膜状粒子を得ること ■ターゲット電極の空間配置を自在に設置し得ること Ｏ＾高融点物質合金あるいは化合物の粒子を得ること 等もあわせて実現しようとする。

（問題点を解決するための手段） 本願発明の方法は、容器内に対向して電極を設けるとと
もに、雰囲気ガスを満たし、電極間に電位差を加えてス
パッタリングを起すことによって実現される。これによ
って電極を構成する原子は昇華し、雰囲気ガスと衝突し
て冷却され、結晶成長し、粒子が得られる。

（作　用） 通常スパッタリングによる昇華手段は雰囲気ガスが０．
００１ＴＯｒｒ程度の低圧雰囲気で用いられ、本願発明
のように蒸発した原子を冷却し、結晶成長させるに充分
な圧の雰囲気中では用いられなかった。これは従来のス
パッタリングによる昇華手段がもっばらｙａｌ！作成も
しくは蒸着の為に用いられていたからである。

ところが出願人らは蒸発した原子を冷却し、粒子化する
に充分な圧の雰囲気ガス中でもスパッタリングが生じる
ことを見出し、この現像を粒子作成手段に利用すること
にした。

この手段によれば、単に電極間に電位差を加えるだけで
、加熱やアーク放電を生じさせないでも充分な昇華が生
じ、ガスＷ＆発法の蒸発手段として充分に利用できる。

なお、本発明の方法による場合、高スパッタリング率の
材料であれば上記のように加熱しなくてもよいが、低ス
パツタリング率の材料の場合には加熱手段を併用するこ
とが望ましい。これによりスパッタリングによる昇華原
子数は増加し、粒子作成が容易となる。また必要に応じ
てマグネトロンスパッタリングを利用して、スパッタリ
ング効率を上昇させる手段もとりえる。さらにまた絶縁
体対しても、高周波電圧を印加することによってスパッ
タリングによる昇華を実現できる。

（実施例） 友ｌ旦ユ 本例は高スパッタリング率を有する材料（例えば銀、銅
）の粒子作成例である。本方法に使用する装置を模式的
に第１図に示す。容器２は直径２１１、高さ３０１であ
り、コック１０を介して臭突ポンプ１１に接続されてい
る。コック７は雰囲気ガス流入のためのコックである。

電極４．５は１．５１の間隔で対向しておかれ、電極５
は銀板であり、電極４は銅板である。各々の電極４．５
は５α角の大きさを持つ。電極４．５はステム６で支え
られ、抵抗９を介して直流電１８に接続されている。

直流電ｉ！［８の接続楡性を逆にすることで、電極４゜
５のいずれをターゲット電極とするか選択できる容器上
部には粒子捕集用のコレクター３がおかれコレクター３
は液体窒素１によって冷却されている。本装置の操作手
順は、まずコック１０をあけて真空ポンプ１１を運転し
、充分真空になったところでコック７をあけて雰囲気ガ
ス（この例ではアルゴンガス）をいれる。図示しない圧
力計で所定圧になるようにコック７とコック１０を調整
する。次に電極間に電位差を加える。このとき８の１！
源を調整して、？ＩｌＩ値を調整することができる電極
間に電位差が加わると、電極表面にスパッタリングが起
り、図示の接続極性では電極５がターゲット電極となり
銀原子が空間中へ飛散する。銀原子は雰囲気ガスと衝突
し、結晶化する。その侵コレクター３で捕集された銀粒
子を採取する。

実験によるとアルゴンガスは０．１ＴＯｒｒ以上、２Ｔ
Ｏｒｒ以下、電位差は３００Ｖ以上１５００Ｖ以下で良
好なスパッタリング及び結晶成長が認められた。得られ
た粒子の電子顕微鏡写真を第２図に示１゛。はぼ粒径３
００Ａ程度の粒子が得られた。粒０　子の作成量を多く
するためには、スパッタリング・　　率（飛散原子数／
雰囲気ガス分子の爵イオンの比）を増大させればよい。

このためには第３図に示すように、電位差を大きくすれ
ばよい。第３図は横軸に電位差、縦軸にスパッタリング
率をとり、雰囲気ガス圧をパラメータとした図であり、
電位差が大きいほどスパッタリング率が大きくなること
を示している。また飛＠原了の絶対数を増加させるため
には、第４図に示すように印加する電力を０　　増加さ
せればよい。第４図は横軸に電位差Ｘ電流値で得られる
電力を、縦軸に昇華率をとり、雰囲気ガス圧をパラメー
タとした図である。ここで昇華率は電極の賀耐の変化か
ら測定した値である。

これから明らかに電力が大きいほど昇華率は高くなる。

第３、第４図のいずれからも、雰囲気ガスの圧力は小さ
いほどスパッタリングは活発なことが確認される。ただ
し２　Ｔｏｒｒ程度でもなお充分なスパッタリングが得
られ、第２図の写真は２　ＴＯｒｒで得られたものであ
る。第５図は電極面積を変えて、単位時間あたりの昇華
也を測定した例で、単位面積あたりの電流を一定とする
限り、その昇華間は電極面積に比例することがわかる。

このことから本方法によれば電極面積を大きくすること
により粒子の大損生産が可能なことがわかる。本方法で
は直流電源８の接続極性を逆にすることにより銅をター
ゲット電極に用いることができ、この方法で作成された
銅粉末を第６図に示す。

さらにまたこの方法では炭素をターゲット電極とするこ
ともできる。この場合には粒径的１０Ａのダイヤモンド
状構造の粒子が得られた。これはスパッタリングで飛散
した炭素原子が励起状態となっており、このためにダイ
ヤモンド状構造をとって結晶成長したものと想像される
。容器のサイズ、雰囲気ガスの改良によりさらに大きな
粒子へ成長させられると予想される。

実施例２ この例はスパッタリング率の低い物質、例えばタングス
テン、モリブデン等に適する。この方法の電極構成の１
例を第７図に示す。電極配置を除いて、容器等はすべて
第１図と同一である。この場合には両極間には抵抗１２
を介してｊＩ流主電源１３接続し、アノード１４は針状
に、カソード（ターゲット）１５はＵ字状に構成されて
いる。

カソード１５の両端はさらに交流電源１６に接続され、
抵抗加熱される。電極材料は実験ではタングステンを使
用した。実験したところ、アルゴンガス０．訂０「「以
上数１００Ｔｏｒｒ以下、電位差が１０から数１００ボ
ルト程度の範囲でスパッタリングと粒子の結晶成長が認
められた。このような高い圧でスパッタリングを生じさ
せるためにはタングステンのカソードは電源１６で加熱
することが必要であり、２０００℃程度に加熱したとこ
ろ、著しいスパッタリングが観測された。なお一度放電
が生じると、その接電ＷＡ１６のスイッチを断としても
、放電は維持された。又カソード自身を加熱するかわり
に、ターゲット近傍に熱電子源をおいてもスパッタリン
グの開始が容易化された。

第８図は横軸にタングステンのカソードの温度、縦軸に
生成された粒子の質積の測定値から求めた粒子生成率を
とって実験値をプロットした図であリ、実線は熱平衡状
態で計口されるタングステンの蒸発速度を示す線である
（右側には参考のため、熱平衡状態での蒸気圧を示して
いる）。この図から明らかに実際の生成率は熱的平衡に
よる原子の蒸発速度に比して１０５倍程度大きいことが
わかり、昇華の大部分はスパッタリングによることがわ
かる。

第９図は雰囲気ガスをアルゴン２　Ｔｏｒｒとし、電位
差８０Ｖ１ｍ流０．６Ａ、タングステンのカソードを２
０４０℃に加熱して作成したタングステン粒子の電子顕
微鏡写真を示す。タングステンは従来の熱的蒸発による
限り、第８図に示すようにほとんど蒸発せず、従って粒
子化困難であったが、本方法によればタングステン粒子
を大愚に作成できる。さらに本方法によってａ融点物質
であるモリブデンもスパッタリングで昇華させることが
できる。

実施例３ 実施例１．２の方法において、雰囲気ガスを不活性ガス
以外のものにして、反応性スパッタリングを利用するこ
ともできる。実験では９　Ｔｏｒｒのアルゴンガス中に
１％のメタンガスを加え、タングステンを昇華させたと
ころ炭化タングステン（ＷＣｌ、）の粒子が作成された
。その電子顕微鏡写真を第１０図に示す。窒素雰囲気中
では窒素化合物粒子を得ることができる。

１亙［４ 第１．７図の装置でコレクター３の上面にガラス板をお
き、アルゴン雰囲気でタングステンを昇華させたところ
、空間中で成長したタングステン微粒子がガラス表面に
凝着し、薄膜を形成することが確認された。この７７９
模では微粒子が島状に堆積しており、結晶構造はＡ−１
５型であった。即ち塊状物質が示すｂｃｃ構造とは異な
る特異な結晶構造が冨められた。

（発明の効果） 本方法によれば粒子材料の溶融を要しないから前記■の
問題点を解消し、又Ｔｉ極を大きくしても格別の不都合
は生じないことから粒子の大同生産に適し、■の問題は
ない。また、るつぼを使用しないから■の問題は生じな
い。さらにまた上記したことから明らかに装置自体は極
めて単純で■の問題もなく、またスパッタリング現象は
安定してなされ■の問題点も解決する。

さらに各２浦例の記載から明らかなように、前記■〜０
の利点も得ることができる。以上のように本発明は新規
で有用な方法である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本願方法に用いられる実施例１の装置、第２図
はこのｉａで得られた銀粒子の電子顕微鏡写真（左下の
写真はこの粒子の電子線回折の結果を示している。）、
第３図は電位差とスパッタリング率の関係を示す図、第
４図−よ昇華率と電力の関係を示す図、第５図は単位時
間あたりの昇化徴と電極面積の関係を示づ図である。第
６図はｆｆ１１図の装置で作成された銅粒子の電子顕微
鏡写真を示しく左下の写真はこの粒子の電子線回折の結
果）、第７図は他の実施例の電極配置例を示し、第８図
はタングステンのカソードの温度と粒子生成率、および
熱平衡状態における蒸発速度を示している。第９図は第
７図の電極配置で作成されたタングステン粒子の顕微鏡
写真であり（左下に（まこの粒子の電子線回折の結果が
示されている。）、第１０図９）はアルゴンとメタンの
混合雰囲気中で得られた炭化タングステン粒子の電子顕
微鏡写真を示す。第１０図０はこの粒子の電子線回折図
形である。 出願人　　　　　八　　　　谷　　　　繁　　　　出出
願人　　　　　山　　　　　内　　　　　健　　　　　
治山願人　　　美　　　演　　　和　　　弘代理人　　
　弁理士　岡田英彦（外２名）１る＝ （ｕｏＨ／ｓｕ、＋０２９）　Ｊ！ ぺ℃りも？へ本命 （〕ａｓ去Ｕコ１５） ＊Ｓ命 （コａｓ７５） 条環ｔυべ東５電冑嘩都

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）容器内に対向して電極を設けるとともに雰囲気ガ
   スを満たし、電極間に電位差を加えてスパッタリングに
   よる電極構成原子の昇華をおこし、この原子を雰囲気ガ
   スと衝突させて冷却し結晶成長させることによつて粒子
   を作成する方法。
2. （２）特許請求の範囲第１項に記載の粒子作成方法にお
   いて、スパッタリングで昇華した原子を雰囲気ガスと反
   応させて、化合物からなる粒子を作成する方法。
3. （３）特許請求の範囲第１項に記載の粒子作成方法にお
   いて、ターゲット電極構成物質を雰囲気ガスと反応させ
   て、スパッタリングで昇華させ、ついで雰囲気ガス中で
   冷却し結晶成長させることによつて化合物からなる粒子
   を作成する方法。
4. （４）特許請求の範囲第１項に記載の粒子作成方法にお
   いて、容器内で電極から所定の距離に物体表面を設置し
   、容器内空間中で作成された粒子を物体表面に薄膜状に
   凝着させることを特徴とする薄膜状の粒子を作成する方
   法。