WO2006075691A1 - プラズマ源、イオン源、及び、イオン生成方法 - Google Patents

プラズマ源、イオン源、及び、イオン生成方法 Download PDF

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Yasuhiko Kasama
Kenji Omote
Kuniyoshi Yokoo
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    • H05H2240/00—Testing
    • H05H2240/10—Testing at atmospheric pressure

Definitions

  • the present invention relates to a plasma source that generates metal ions by a contact ionization method, an ion source, and
  • the present invention relates to an ion generation method.
  • Non-patent document 1 Journal of Plasma and Fusion Research Vol.75 No.8 August 1999 p.9 27-933 "Properties and Applications of Fullerene Plasma"
  • Encapsulated fullerenes are carbon clusters in which fullerenes encapsulate atoms to be encapsulated such as alkali metals and alkaline earth metals.
  • a plasma is generated from a plasma source in a vacuum vessel, which includes internal atomic ions and electron power, and the generated plasma is irradiated to a deposition plate disposed downstream, and at the same time, fullerene vapor is emitted.
  • a method of generating endohedral fullerenes by generating fullerene ions by injecting them into plasma and reacting endohedral atomic ions with fullerene ions.
  • the inclusion target atom is an alkali metal or alkaline earth metal having a low ionization voltage
  • a plasma with less noise compared to the discharge plasma can be generated by using a plasma source of a contact ionization method.
  • the contact ionization type plasma source the vapor of encapsulated atoms is sprayed onto the heated metal body, ionizing the encapsulated atoms on the surface of the heated metal body, and generating plasma that also has the ions and electron force of the encapsulated atoms.
  • a magnetic field it is possible to generate a high-density plasma flow consisting of ions and electron force, and to irradiate the target substrate with the plasma flow.
  • Endohedral fullerenes are expected to be used as materials for pharmaceuticals, electronic devices, recording media, fuel cells, etc., utilizing their unique molecular structure, electronic properties, and magnetic properties.
  • a metal-encapsulated fullerene encapsulating a metal atom such as an alkali metal or an alkaline earth metal is interesting and has a characteristic as an inclusion target atom.
  • the production of endohedral fullerene itself has not yet left the field of research and development, and sufficient results have not been obtained in terms of application to products. Therefore, it is desired to establish a method for producing a high-purity endohedral fullerene in an amount sufficient for use as an industrial material.
  • FIG. 4 (a) is a schematic view of a conventional contact ionization type plasma source.
  • a flat disk-shaped heating metal body 102 having W (tungsten) force is attached to the tip of the plasma source 101 and is heated by a heating wire incorporated in the plasma source.
  • the metal sublimation oven 103 is filled with Li, heated by the heating wire 105 to generate Li vapor, and heated through the nozzle-like metal vapor introduction pipe 104. Li steam is injected toward the body 102.
  • the conventional plasma source cannot generate sufficiently high-density ions, and when the heated metal body 102 having a diameter of 4 cm is used, the ion current is only about 0.1 mA. Power that cannot be generated.
  • the present invention (1) is an ion source and a plasma source that generate metal ions by spraying a vapor made of metal onto a heated metal body and simultaneously irradiating the heated metal body with light.
  • the present invention (2) is an ion source and a plasma source that generate metal ions by injecting vapor made of metal onto a heated metal body having a surface roughness coefficient of 10 or more and 1000 or less.
  • the present invention (3) is an ion source and a plasma source that generate metal ions by injecting vapor made of metal onto a heated metal body made of Re, Os, or Ir.
  • the present invention (4) is the ion source and plasma source according to the invention (1), wherein the wavelength of light applied to the heated metal body is 200 nm or more and 800 nm or less.
  • the present invention (5) is the ion source or plasma source according to any one of the inventions (1) to (4), wherein the metal is an alkali metal or an alkaline earth metal.
  • the present invention (6) is the ion source or plasma source according to any one of the inventions (1) to (5), wherein the temperature of the heated metal body is 1000 ° C or higher and 3000 ° C or lower. is there.
  • the present invention (7) is an ion production method for producing metal ions by the ion source of the invention (1) to the invention (6).
  • the present invention (8) is a plasma generation method for generating metal ions from the plasma source of the inventions (1) to (6).
  • the present invention (9) is a method for producing an endohedral fullerene that produces metal-encapsulated fullerene using the plasma source of the inventions (1) to (6).
  • Alkali metal or alkaline earth metal has a low ionization voltage, so that a sufficient amount of ions can be generated by contact ionization.
  • FIG. 2 (a) and (b) are schematic views of a plasma source according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 (a) and (b) are diagrams for explaining the principle of metal ion generation according to the plasma source of the present invention.
  • FIG. 4 (a) is a schematic diagram of a conventional plasma source, and (b) is a diagram for explaining the principle of metal ion generation according to the conventional plasma source.
  • Fullerene is a concept that includes repetitive bonds (ionic bonds, covalent bonds, etc.) of fullerenes such as fullerenes, heterofullerenes, chemically modified fullerenes, and fullerene dimers. Includes telofullerene and acid fullerene.
  • Fullerene includes mixed fullerenes.
  • Metal inclusion is defined as a state in which metal atoms other than carbon are confined in the hollow portion of the cage-like fullerene molecule.
  • the number of encapsulated metal atoms may be one or more, but the maximum number of encapsulated metal atoms is limited by the size of the fullerene molecule and the size of the metal atoms.
  • C contains Li, it contains 1 or 2 metal atoms
  • atoms may not be included in all fullerene units (for example, in the case of a dimer, only one fullerene atom is included). Can do).
  • Pulsma refers to a group of charged particles that include positively charged particles and negatively charged particles, and that are generally substantially electrically neutral.
  • a “plasma source” is an apparatus that generates plasma. Plasma exhibits unique properties such as the flow of electric current due to the movement of charged particles that interact with each other due to Coulomb forces between charged particles.
  • a plasma source excites atoms by ionization methods such as gas discharge, impact ionization, and contact ionization to generate plasma that is ion and electron force.
  • Plasma can control the movement of charged particles by an external electric field or an external magnetic field, and is applied to microfabrication technologies such as CVD, sputtering, and etching.
  • An “ion source” is an apparatus that generates an ion or ion beam.
  • ion sources use a method in which a plasma including ions and electrons is generated by a plasma source, and only necessary ions are accelerated and extracted as an ion beam by applying an electric field by an extraction electrode and mass spectrometry.
  • the ion beam generated by the ion source is used for ion implantation, FIB, etc. Applied to microfabrication technology.
  • “Surface roughness coefficient” is a coefficient indicating the degree of surface roughness of an object.
  • the surface roughness coefficient is defined as the effective surface area I reference surface area, where the effective surface area is the surface area that takes into account the unevenness of the object surface, and the surface area when the object surface is assumed to be flat is the reference surface area.
  • the heated metal body according to the present invention (3) may contain a component other than Re, Os, or Ir, or may be a material mixed with Re, Os, or Ir.
  • Li is used as an ion generation target atom, but the effect of the present invention is also achieved when an alkali metal other than Li or an alkaline earth metal is used as an ion generation target atom. It is clear that is obtained.
  • FIG. 4 (b) is a diagram for explaining the principle of Li ion generation according to a conventional plasma source.
  • On the left side of the figure is the energy level diagram of the tungsten crystals that make up the heated metal body, and on the right side of the figure is the energy level diagram of the U atoms that make up Li vapor.
  • the outermost electrons of Li atoms are at an energy level lower than the vacuum level E0 by an ionization voltage of 5.36 eV, and when the outermost electrons shown by black circles come into contact with a high-temperature heated metal body, they obtain thermal energy and obtain tungsten crystals.
  • the vacuum level force is also a level lower by a work function of 4.55 eV. Li atoms are deprived of electrons and become positive ions. At the same time, thermoelectrons are emitted from the heated metal body, so that the surface force Liion of the heated metal body and plasma with electron force are generated.
  • Probability of ionization by contact ionization Pi is expressed by the following equation, where W is the work function of the heated metal body and Ei is the ionization voltage of the target atom.
  • ⁇ represents the probability that the ion generation target atom collides with the heated metal body.
  • K is the Boltzmann constant (1.38 X 10—J / K)
  • T is the surface temperature of the heated metal body.
  • the material for the heating metal body is made of a material having a work function larger than W, thereby improving the ionization probability.
  • the material of the heating metal body it is preferable to use a material having a high melting point so that it does not melt even when heated to a high temperature.
  • Re rhenium
  • Os osmium
  • Ir iridium
  • FIG. 3 (b) is a diagram for explaining the principle of Li ion generation according to the plasma source of the present invention.
  • the energy level diagram of the rhenium crystal composing the heated metal body is shown on the left side of the figure, and the energy level diagram of the U atom composing Li vapor is shown on the right side of the figure.
  • the outermost electron of the L source is at an energy level lower than the vacuum level E0 by an ionization voltage of 5.36 eV.
  • the outermost electron shown by a black circle comes into contact with a high-temperature heated metal body, it obtains thermal energy and rhenium. It moves to the energy level of vacancies indicated by white circles in the crystal (vacuum level and a level lower by 4.96 eV than the work function). Li atoms are deprived of electrons and become positive ions.
  • thermoelectrons are emitted from the heated metal body, so that Li ion and electron plasma are generated from the surface of the heated metal body.
  • the number of ions is 8 times higher than when W is used. The probability of conversion can be improved.
  • the ionization probability can be improved by more than 5 times compared to the case of using W.
  • Ir cannot be heated up to 2500 ° C, but Ir is a material having a large work function, and even when heated to 1000 ° C or 2000 ° C,
  • the heating temperature of the heated metal body is 1500 to 3000 ° C when W, Re, and Os are used for the heated metal body, and 1000 to 2000 ° C when Ir is used for the heated metal body. Is preferable in terms of improving the ionization probability and improving the thermal electron emission rate.
  • Re is an expensive material
  • the thickness of the heated metal body is preferably as low as possible in order to reduce the member cost.
  • a metal foil with a thickness of 50 m is used, there is a problem that it is deformed or damaged when heated to a high temperature. Therefore, it is also possible to use a metal plate having a multilayer structure in which a Re thin film is formed on a tungsten plate by a method such as sputtering. Also
  • the thickness of the heated metal body is preferably 100 ⁇ m or more.
  • FIG. 1 (a) is a schematic view of a plasma source according to the second method of the present invention.
  • a disc-shaped heated metal body 4 with tungsten force is attached at the tip of the plasma source 1.
  • FIG. 1 (b) is a diagram showing the planar shape of the heating metal body
  • FIG. 1 (c) is a diagram showing the shape of the heating wire built in the plasma source.
  • Li when Li is used as the target atom, Li is filled in the metal sublimation oven 5, Li vapor is generated by heating with the heating wire 7, and the heated metal is passed through the nozzle-shaped metal vapor introduction pipe 6. Inject Li vapor toward body 4.
  • the heating metal body 4 is irradiated with light from the light source 9.
  • a ruby laser light source having a wavelength of 694 nm is used as the light source.
  • Light with a wavelength of 694 nm gives 1.79 eV of energy to the electrons in the Li atom, so that the electrons are excited and easily transferred to the vacant state energy of the heated metal body, and the ion probability is improved.
  • FIG. 3 (a) is a diagram for explaining the principle of Li ion generation according to the plasma source of the present invention.
  • the energy level diagram of the tungsten crystal composing the heated metal body is shown on the left side of the figure, and the energy level diagram of the U atom composing Li vapor is shown on the right side of the figure.
  • the outermost electrons of the L source are at an energy level lower than the vacuum level E0 by an ionization voltage of 5.36 eV.
  • the outermost electrons shown by black circles are excited by light irradiation, and the vacancy energy shown by white circles in the tungsten crystal. It moves to the level (vacuum level force is also low by work function 4.55eV, level). Li atoms are deprived of electrons and become positive ions.
  • thermoelectrons are emitted from the heated metal body, so that a plasma with surface force Li ions and electron force of the heated metal body is generated.
  • the intensity of the irradiated light is preferably lmW or more and 100W or less.
  • the irradiation light does not necessarily need to be laser light.
  • a commercially available light source having a wavelength range of 200 nm to 800 nm in the range of ultraviolet light to visible light can be easily obtained. This wavelength range corresponds to 1.55 eV to 6.2 eV in terms of energy, and can give appropriate excitation energy to the electrons in the metal atom.
  • the plasma generation method of the present invention generates ions by combining contact ionization and light irradiation rather than performing ionization by the action of either contact ionization or light irradiation. It is possible to increase the ionization probability due to the effect.
  • the surface shape of the heated metal plate is recessed. By making it convex, the ionization probability was improved.
  • FIG. 2 (a) is a schematic view of the plasma source when the surface of the heated metal plate is uneven. Vapor of the metal for which ions are generated is jetted from the metal vapor introducing pipe 24 to the heated metal plate 22 having a concave and convex shape, and plasma 27 is generated by contact ionization.
  • the plasma source shown in Fig. 2 (a) has irregularities on the surface of the heated metal plate 22, so that the contact probability of metal atoms to the heated metal plate is low. Improve ionization probability
  • the heated metal body is processed by, for example, sandblasting or chemical etching to form irregularities on the surface. Further, as the degree of unevenness on the surface of the heated metal body, it is preferable that the surface roughness coefficient defined above is 10 or more and 1000 or less from the viewpoint of improving the ion probability and processing.
  • the shape of the heating metal body does not necessarily have to be a plate shape such as a disk.
  • metal vapor is jetted from the metal sublimation oven 28 onto the mesh-shaped heating metal body 32, and at the same time, the light source 33 irradiates the heating metal body 32 with light to generate plasma 34. It is a source of plasma.
  • the probability that the metal vapor comes into contact with the heated metal body is increased, and at the same time, irradiation with light excites electrons in the metal atom, so that the ion probability increases.
  • W, Re, Os, and Ir can be used as the material for the mesh-shaped heating metal body 32, and the effect of improving the probability of ionization is high.
  • the apparatus for generating ions by the contact ionization method of the present invention has been described mainly with respect to the plasma source used in the endohedral fullerene production apparatus.
  • the plasma source of the present invention is not limited to the endohedral fullerene production apparatus. It can also be used for general plasma application equipment such as plasma processing equipment.
  • it can also be used as an ion source to extract only ions by applying an electric field, and is highly effective in improving ion current.
  • Such an ion source of the present invention can be used in a general ion application apparatus such as ion implantation.
  • the plasma source of the present invention When the plasma source of the present invention is applied to a device that requires a high ion current, such as an endohedral fullerene production device, but requires a low energy plasma flow so as not to destroy the fullerene, A particularly high effect is obtained.
  • the plasma In the endohedral fullerene production apparatus disclosed in Non-Patent Document 1, after generating plasma with ions and electron force, the plasma is confined by a magnetic field. However, the plasma flow can be transported to the deposition plate while maintaining a high plasma density.
  • the plasma source of the present invention is used in such an apparatus, it is possible to improve the productivity of the manufacturing apparatus particularly by utilizing the high ion current and the characteristics.
  • a plasma source using a Re hot plate was fabricated and compared with a plasma source using a W hot plate.
  • the shape of the hot plate was a disc made of Re with a thickness of 1 mm and a diameter of 50 mm, and a product of W made of a disc with a thickness of 4 mm and a diameter of 50 mm.
  • the plasma source was placed in a vacuum chamber, and the hot plate was heated to 1700-1900 ° C by a heater placed on the back of the hot plate. Li vapor was sprayed onto the hot plate surface to ionize Li molecules and generate plasma.
  • the plasma was confined by a magnetic field generated by an electromagnetic coil placed around the vacuum chamber, and the Li ion current in the plasma was measured with an ion probe.
  • FIG. 5 is a graph showing measurement data of hot plate temperature dependence of Li ion current.
  • the temperature of the Li sublimation oven was 540 ° C.
  • the power applied to the heater that heats the hot plate was 2 to 2.4kW, and the magnetic field strength was 0.03T for the Re plasma source and 0. IT for the W plasma source. From the graph, the ion current increases as the temperature rises for both the Re and W plasma sources. You can see that In addition, it can be seen that the Re plasma source can take about 3.8 times more ion current force than the W plasma source.
  • the Re plasma source is attached to the Li-encapsulated fullerene production device, Li ion plasma generated by the plasma source is irradiated onto the deposition substrate, and at the same time, fullerene sublimation oven power fullerene vapor is jetted onto the deposition substrate, and Li-encapsulated fullerene is deposited on the deposition substrate Was synthesized.
  • the synthesis conditions are as follows.
  • Hot plate input power 2.3 ⁇ 2.5kW
  • magnetic field strength 0.03T
  • substrate bias voltage -30V
  • Li ion current 4.5 ⁇ 6.6mA
  • C60 oven temperature 580 ⁇ 600 ° C
  • synthesis time 4 hours
  • Figure 6 This is mass spectrometric data by LDTOF-MASS of the composite. Indicates the existence of Li @ C
  • Alkali metal or alkaline earth metal has a low ionization voltage, so that a sufficient amount of ions can be generated by contact ionization.
  • (6) By changing the temperature of the heated metal body from 1000 ° C to 3000 ° C, a sufficient amount of contact ionization can be achieved by using W, Re, Os, Ir, which have high melting points, as the heated metal body. It is possible to generate

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Abstract

　内包フラーレンの製造などに用いられる接触電離方式のプラズマ源は、タングステン製の平坦な円板状加熱金属体にイオン生成対象の金属蒸気を噴射して金属イオンを発生していたが、イオン化確率が小さく、十分なイオン電流がとれないという問題があった。 　イオン生成対象の金属蒸気に加熱金属体上で光を照射し金属原子における電子を励起することにした。加熱金属体の材料として、仕事関数の大きいRe、Os、又はIrを用いることにした。さらに、加熱金属体の表面を凹凸状に加工することにより、イオン化確率を高め、大きなイオン電流の取り出しが可能になった。

Description

プラズマ源、イオン源、及び、イオン生成方法
技術分野
[0001] 本発明は、接触電離方式により金属イオンを発生するプラズマ源、イオン源、及び
、イオン生成方法に関する。
背景技術
[0002] 非特許文献 1 :プラズマ ·核融合学会誌 第 75卷第 8号 1999年 8月 p.9 27〜933「フラーレンプラズマの性質と応用」
[0003] 内包フラーレンは、フラーレンに、例えば、アルカリ金属やアルカリ土類金属などの 内包対象原子を内包した炭素クラスターである。
[0004] 内包フラーレンの製造方法としては、真空容器中でプラズマ源から内包原子イオン と電子力 なるプラズマを発生させ、発生したプラズマを下流に配置した堆積プレー トに照射し、同時に、フラーレン蒸気をプラズマ中に噴射してフラーレンイオンを発生 させ、内包原子イオンとフラーレンイオンを反応させることにより内包フラーレンを生 成する方法が知られている。 （非特許文献 1)
[0005] 内包対象原子が、電離電圧の低いアルカリ金属やアルカリ土類金属である場合は 、接触電離方式のプラズマ源を使用することにより、放電プラズマと比較してノイズの 少ないプラズマを生成することができる。接触電離方式のプラズマ源では、内包対象 原子の蒸気を加熱金属体に噴射し、加熱金属体表面で内包対象原子を電離させ、 内包対象原子のイオンと電子力もなるプラズマを生成する。生成したプラズマを磁界 で閉じ込めることにより、イオンと電子力 なる高密度のプラズマ流を発生させ、該プ ラズマ流をターゲット基板に照射することができる。
[0006] 従来の接触電離方式のプラズマ源では、オーブンで加熱昇華させた内包対象原 子蒸気を、 1500〜3000°Cに加熱した平坦なタングステン製の円板状金属体に噴射し ていた。
発明の開示
発明が解決しょうとする課題 [0007] 内包フラーレンは、その特異な分子構造、電子的特性、磁気的特性を利用して、医 薬品、電子デバイス、記録媒体、燃料電池などの材料として応用が期待されている。 特に、内包対象原子として、アルカリ金属又はアルカリ土類金属などの金属原子を内 包した金属内包フラーレンが興味深 、特性を示すとの報告がなされて 、る。しかし、 新規材料としての期待は大きいものの、内包フラーレンの生成自体がまだ研究開発 の領域を出ておらず、製品への応用という点では十分な成果が得られていない。従 つて、工業用材料として用いるのに十分な量の高純度内包フラーレンの製造方法の 確立が望まれている。
[0008] 内包フラーレンを大量に生産するには、（1)高電流プラズマ源の開発、（2)高効率フ ラーレン昇華オーブンの開発、（3)内包原子とフラーレンの反応確率（内包確率)の向 上、（4)内包フラーレンの高純度高効率精製方法の確立が必要である。
[0009] 以上の課題の中で、特に、従来、内包フラーレンを大量に生成できな 、大きな原因 として、高 、イオン電流でプラズマを生成することのできる金属プラズマ源がな力つた という問題がある。
[0010] 図 4(a)は、従来の接触電離方式のプラズマ源の概略図である。プラズマ源 101の 先端には、 W (タングステン)力もなる平坦な円板状の加熱金属体 102が取り付けられ ており、プラズマ源に内蔵された電熱線により加熱される。内包対象原子として例え ば Liを用いる場合、金属昇華オーブン 103に Liが充填されており、電熱線 105でカロ 熱することにより Li蒸気を発生させ、ノズル状の金属蒸気導入管 104を通して加熱金 属体 102に向けて Li蒸気を噴射する。
[0011] しかし、従来のプラズマ源では、十分に高密度なイオンを発生することができず、直 径 4cmの加熱金属体 102を用いた時に、イオン電流にして約 0.1mA程度のイオンし か発生させることができな力つた。
課題を解決するための手段
[0012] 本発明（1)は、金属からなる蒸気を加熱金属体に噴射し、同時に、前記加熱金属 体に光を照射することにより金属イオンを生成するイオン源及びプラズマ源である。
[0013] 本発明（2)は、表面粗さ係数が 10以上、 1000以下の加熱金属体に、金属からなる 蒸気を噴射することにより金属イオンを生成するイオン源及びプラズマ源である。 [0014] 本発明（3)は、 Re、 Os、又は Irからなる加熱金属体に、金属からなる蒸気を噴射す ることにより金属イオンを生成するイオン源及びプラズマ源である。
[0015] 本発明（4)は、前記加熱金属体に照射する光の波長が 200nm以上、 800nm以下で あることを特徴とする前記発明（1)のイオン源及びプラズマ源である。
[0016] 本発明（5)は、前記金属がアルカリ金属又はアルカリ土類金属であることを特徴と する前記発明（1)乃至前記発明（4)のイオン源及びプラズマ源である。
[0017] 本発明（6)は、前記加熱金属体の温度が 1000°C以上 3000°C以下であることを特徴 とする前記発明（1)乃至前記発明（5)のイオン源及びプラズマ源である。
[0018] 本発明（7)は、前記発明（1)乃至前記発明（6)のイオン源により金属イオンを生成 するイオン生成方法である。
[0019] 本発明（8)は、前記発明（1)乃至前記発明（6)のプラズマ源により金属イオンを生 成するプラズマ生成方法である。
[0020] 本発明（9)は、前記発明（1)乃至前記発明（6)のプラズマ源を用い金属内包フラ 一レンを生成する内包フラーレンの製造方法である。
発明の効果
[0021] (1)接触電離方式のプラズマ源又はイオン源において、金属原子からなる蒸気を噴 射する加熱金属体に光を照射して、金属原子中の電子エネルギーを高めることによ り、金属原子が電離しやすくなるので、イオンィ匕確率が向上し、イオン電流を大きくす ることがでさる。
(2)加熱金属体の表面粗さ係数を 10以上、 1000以下とすることにより、金属原子と加 熱金属体が接触する確率が大きくなるので、イオン化確率が向上し、イオン電流を大 さくすることがでさる。
(3)加熱金属体の材料に仕事関数の大きい Re、 Os、 Irを用いることにより、金属原子 が電離しやすくなるので、イオン化確率が向上し、イオン電流を大きくすることができ る。
(4)照射する光の波長を 200nm以上、 800nm以下とすることにより、イオン化確率を効 率的に高めるだけの光エネルギーを金属原子中の電子に対して与えることが可能で ある。 (5)アルカリ金属又はアルカリ土類金属は、電離電圧が低いので、接触電離により十 分な量のイオンを生成することが可能である。
(6)加熱金属体の温度を 1000°Cから 3000°Cとすることにより、融点の高い金属材料 である W、 Re、 Os、 Irを加熱金属体に使用して、接触電離により十分な量のイオンを 生成することが可能である。
(7)本発明の高電流プラズマ源を用いることで、アルカリ金属やアルカリ土類金属内 包フラーレンの大量生成が可能になる。
図面の簡単な説明
[0022] [011(a), (b)、及び (c)は、本発明の第一の実施形態に係るプラズマ源の概略図であ る。
[図 2](a)及び (b)は、本発明の他の実施形態に係るプラズマ源の概略図である。
[図 3](a)及び (b)は、本発明のプラズマ源に係る金属イオンの生成原理を説明するた めの図である。
[図 4](a)は、従来のプラズマ源の概略図であり、（b)は、従来のプラズマ源に係る金属 イオンの生成原理を説明するための図である。
[図 5]Liイオン電流の測定データである。
[図 6]内包フラーレンの質量分析データである。
符号の説明
[0023] 1、 21、 101 プラズマ源
2 絶縁被膜
3、 7、 8、 25、 26、 29、 105、 106 電熱線
4、 22、 32、 102 カロ熱金属体
5、 23、 28、 103 金属昇華オーブン
6、 24、 104 金属蒸気導入管
9、 33 光源
10、 27、 34、 107 プラズマ
30 金属
31 金属蒸気 発明を実施するための最良の形態
[0024] 以下、本発明に係る各用語の意義について明らかにすると共に、本発明の最良形 態について説明する。
[0025] 「フラーレン類」とは、フラーレン、ヘテロフラーレン、化学修飾フラーレン、フラーレ ンダイマーのようなフラーレン同士の繰り返し結合体 (イオン結合、共有結合等）を包 含する概念であり、例えば、窒素へテロフラーレンや酸ィ匕フラーレンを含む。ここで、 「 フラーレン」とは、 C (n=60, 70, 76, 78, · · ·)で示される中空の炭素クラスタ一物 質であり、例えば、 C やじ を挙げることができる。「フラーレン類」には、混合フラーレ
60 70
ンと呼ばれる nの異なるフラーレンの混合物も含まれる。
[0026] 「金属内包」とは、篕状のフラーレン分子の中空部に炭素以外の金属原子を閉じ込 めた状態として定義される。内包される金属原子の数は、一個でもよいし、複数個で もよいが、内包される金属原子の最大数は、フラーレン分子の大きさと金属原子の大 きさに制限される。 C に Liを内包する場合は、 1個または 2個の金属原子を内包する
60
のが好ましい。また、繰り返し結合体に金属を内包した内包フラーレンは、すべての フラーレン単位中に原子が内包されていなくともよい（例えば、ダイマーの場合、一方 のフラーレンのみ原子が内包されて 、る態様を挙げることができる）。
[0027] 「プラズマ」とは、正の荷電粒子と負の荷電粒子を含み、全体的にほぼ電気的中性 を保った荷電粒子集団のことである。
「プラズマ源」とは、プラズマを生成する装置のことである。プラズマは、荷電粒子間 にクーロン力による相互作用が働ぐ荷電粒子の移動により電流が流れるなど特有の 性質を示す。通常、プラズマ源では、気体放電、衝突電離、接触電離などの電離方 法で原子を励起してイオンと電子力 なるプラズマを生成する。プラズマは、外部電 界ゃ外部磁界により荷電粒子の動きを制御でき、 CVD、スパッタリング、エッチングな どの微細加工技術に応用されている。
「イオン源」とは、イオン又はイオンビームを生成する装置のことである。通常、ィォ ン源では、プラズマ源によりイオンと電子を含むプラズマを生成し、引き出し電極によ る電界印加と質量分析により必要なイオンだけ加速してイオンビームとして取り出す 方式が用いられている。イオン源で生成したイオンビームは、イオン注入、 FIBなどの 微細加工技術に応用されている。
[0028] 「表面粗さ係数」とは、対象物の表面粗さの程度を示す係数である。対象物表面の 凹凸を考慮した表面積を実効表面積とし、対象物表面が平坦であると仮定した時の 表面積を基準表面積とした時に、表面粗さ係数を、実効表面積 I基準表面積 とし て定義する。
[0029] 「からなる」とは、「のみ力もなる」 t 、う概念と「含む」と 、う概念を意味する。従って、 本発明（3)に係る加熱金属体は、 Re、 Os、又は Ir以外の成分を含有していてもよいし 、 Re、 Os、又は Irが混合した材料であってもよい。
[0030] (接触電離によるイオン化確率）
以下の説明では、イオン生成対象原子として、例えば、 Liを用いた場合について説 明するが、 Li以外のアルカリ金属や、アルカリ土類金属をイオン生成対象原子とした 場合についても、本発明の効果が得られることは明らかである。
[0031] まず、発明者等は、加熱金属体の材料として従来使用されてきたタングステンと代 表的なイオン生成対象原子であるリチウムのエネルギー準位に注目し、プラズマのィ オン電流を改善する方法を検討した。
[0032] 図 4(b)は、従来のプラズマ源に係る Liイオンの生成原理を説明するための図である 。図中左側には加熱金属体を構成するタングステン結晶のエネルギー準位図が示さ れ、図中右側には Li蒸気を構成する U原子のエネルギー準位図が示されている。 Li 原子の最外殻電子は真空準位 E0から電離電圧 5.36eVだけ低いエネルギー準位に あり、黒丸で示す最外殻電子は高温の加熱金属体に接触すると、熱エネルギーを得 て、タングステン結晶における白丸で示す空位のエネルギー準位 (真空準位力も仕 事関数 4.55eVだけ低い準位）に移動する。 Li原子は電子を奪われ正イオンになる。 同時に加熱金属体からは熱電子が放出されて 、るので、加熱金属体の表面力 Liィ オンと電子力 なるプラズマが発生する。
[0033] 接触電離によるイオン化確率 Piは、加熱金属体の仕事関数を W、イオン生成対象 原子の電離電圧を Eiとして、式
Pi = p / [ 1 + 2 exp( e ( W - Ei ) / kT ) ] · ' ·(1)
で表される。ここで、 ρはイオン生成対象原子が加熱金属体に衝突する確率を表す 係数であり、 kはボルツマン定数（1.38 X 10— J/K)、 Tは加熱金属体の表面温度であ る。
[0034] (加熱金属体の材料）
従来の Wからなる加熱金属体を用いて Liイオンを生成する場合のイオンィ匕確率 Piは 、式 (1)により、；0 =1と仮定した場合、例えば、加熱金属体の温度が 2500°Cの時に、 Pi(W、 Liゝ 2500°C) = 0.0166
になる。
[0035] 本発明に係るイオンィ匕確率向上の第一の方法として、加熱金属体の材料を Wよりも 仕事関数の大きい材料を用いることで、イオン化確率を向上させた。加熱金属体の 材料としては、高温に加熱しても熔解しないように、融点の高い材料を用いることが好 ましぐ例えば、 Re (レニウム）、 Os (オスミウム）、 Ir (イリジウム）を用いることができる。 材料 仕事関数
Re 4.96Ev 3180°C
Os 4.83eV 3045°C
Ir 5.27eV 2443°C
W 4.35eV 3407°C
[0036] 図 3(b)は、本発明のプラズマ源に係る Liイオンの生成原理を説明するための図であ る。図中左側には加熱金属体を構成するレニウム結晶のエネルギー準位図が示され 、図中右側には Li蒸気を構成する U原子のエネルギー準位図が示されている。 L源 子の最外殻電子は真空準位 E0から電離電圧 5.36eVだけ低いエネルギー準位にあり 、黒丸で示す最外殻電子は高温の加熱金属体に接触すると、熱エネルギーを得て、 レニウム結晶における白丸で示す空位のエネルギー準位 (真空準位カゝら仕事関数 4. 96eVだけ低い準位）に移動する。 Li原子は電子を奪われ正イオンになる。同時に加 熱金属体からは熱電子が放出されて 、るので、加熱金属体の表面から Liイオンと電 子力 なるプラズマが発生する。
[0037] Reの仕事関数のデータにより、 2500°Cの場合の Liのイオンィ匕確率を計算すると、 Pi(Re、 Liゝ 2500°C) = 0.0857
となり、加熱金属体の材料に Reを用いれば、 Wを用いた場合に比べ 8倍以上にイオン 化確率を向上させることが可能になる。
同様に、 Osの仕事関数のデータにより、 2500°Cの場合の Liのイオンィ匕確率を計算す ると、
Pi(Osゝ Liゝ 2500°C) = 0.0516
となり、加熱金属体の材料に Osを用いれば、 Wを用いた場合に比べ 5倍以上にィォ ン化確率を向上させることが可能になる。
[0038] 一方、 Irは 2500°Cまで加熱することはできな 、が、 Irは仕事関数が大きな材料であり 、 1000°C又は 2000°Cに加熱するだけでも、
Pi(Irゝ Liゝ 1000°C) = 0.1804
Pi(Ir、 Li、 2000°C) = 0.2400
と低い加熱温度でもイオン化確率を向上することが可能で、加熱に要する電力消費 を低減できるという効果もある。
[0039] 加熱金属体の加熱温度は、加熱金属体に W、 Re、 Osを用いた場合は、 1500〜300 0°Cとし、加熱金属体に Irを用いた場合は、 1000〜2000°Cとするのが、イオン化確率 向上と熱電子放出率向上の点で好ましい。
また、例えば、 Reは高価な材料であり、部材コスト低減のためには、加熱金属体の 厚さは薄いほう力 S好ましい。しかし、厚さ 50 mの金属箔にすると高温に加熱したとき に変形又は破損するという問題がある。そのため、タングステンの板の上に Re薄膜を スパッターなどの方法で形成した多層構造の金属板を用いることも可能である。また
、加熱金属体の厚さが薄いとイオン電流の面内均一性が悪いという問題もある。ィォ ン電流の面内均一性向上のためには、加熱金属体の厚さは 100 μ m以上とするのが 好ましい。
[0040] (光照射）
本発明に係るイオンィ匕確率向上の第二の方法として、イオン生成対象の金属蒸気 を加熱金属体に噴射する時、同時に、加熱金属体に光を照射することで、金属原子 中の電子エネルギーを高め、イオン化確率を向上した。
[0041] 図 1(a)は、本発明の第二の方法に係るプラズマ源の概略図である。プラズマ源 1の 先端には、タングステン力もなる円板状の加熱金属体 4が取り付けられており、プラズ マ源に内蔵された電熱線により加熱される。図 1(b)は、加熱金属体の平面形状を示 す図であり、図 1(c)は、プラズマ源に内蔵された電熱線の形状を示す図である。内包 対象原子として例えば Liを用いる場合、金属昇華オーブン 5に Liが充填されており、 電熱線 7で加熱することにより Li蒸気を発生させ、ノズル状の金属蒸気導入管 6を通 して加熱金属体 4に向けて Li蒸気を噴射する。この時、同時に、光源 9から光を加熱 金属体 4に照射する。光源として、例えば、波長 694nmのルビーレーザー光源を用い る。波長 694nmの光は、 Li原子中の電子に 1.79eVのエネルギーを与えるので、電子 は励起されて加熱金属体の空位の状態エネルギーに移りやすくなるので、イオンィ匕 確率が向上する。
[0042] 図 3(a)は、本発明のプラズマ源に係る Liイオンの生成原理を説明するための図であ る。図中左側には加熱金属体を構成するタングステン結晶のエネルギー準位図が示 され、図中右側には Li蒸気を構成する U原子のエネルギー準位図が示されている。 L 源子の最外殻電子は真空準位 E0から電離電圧 5.36eVだけ低いエネルギー準位に あり、黒丸で示す最外殻電子は光照射により励起されて、タングステン結晶における 白丸で示す空位のエネルギー準位 (真空準位力も仕事関数 4.55eVだけ低 、準位） に移動する。 Li原子は電子を奪われ正イオンになる。同時に加熱金属体からは熱電 子が放出されて 、るので、加熱金属体の表面力 Liイオンと電子力 なるプラズマが 発生する。
[0043] 照射する光の強度は lmW以上、 100W以下が好ましい。また、照射光は、必ずしも レーザー光である必要はない。照射光の波長は、 200nmから 800nmの紫外光から可 視光の範囲が好ましぐ市販の光源を容易に入手することができる。この波長範囲は 、エネルギーに換算すると 1.55eVから 6.2eVに対応し、金属原子中の電子に適切な 励起エネルギーを与えることが可能である。
[0044] 本発明のプラズマ生成方法は、接触電離又は光照射のいずれか一方の作用により 、電離を行うのではなぐ接触電離と光照射を組み合わせてイオンを生成しているの で、それぞれの相乗効果によりイオン化確率を高くすることが可能である。
[0045] (加熱金属体の形状）
本発明に係るイオンィ匕確率向上の第三の方法として、加熱金属板の表面形状を凹 凸のあるものとすることで、イオン化確率を向上した。
[0046] 図 2(a)は、加熱金属板の表面を凹凸とした場合の、プラズマ源の概略図である。凹 凸のある加熱金属板 22に対し、金属蒸気導入管 24からイオン生成対象金属の蒸気 を噴射し、接触電離によりプラズマ 27を発生する。加熱金属板の表面が平坦な従来 のプラズマ源と比較し、図 2(a)に示すプラズマ源は、加熱金属板 22の表面に凹凸が あるので、金属原子の加熱金属板への接触確率が向上し、イオン化確率も向上する
[0047] 加熱金属体は、例えば、サンドブラスト処理又はケミカルエッチングで加工して表面 に凹凸を形成する。また、加熱金属体表面の凹凸の程度としては、先に定義した表 面粗さ係数を 10以上、 1000以下とするのが、イオンィ匕確率の向上と加工のしゃすさと いう点で好ましい。
[0048] また、加熱金属体の形状は、必ずしも、円板などの板状にする必要はな 、。例えば 、図 2(b)は、メッシュ状の加熱金属体 32に、金属昇華オーブン 28から金属蒸気を噴 射し、同時に光源 33により、光を加熱金属体 32に照射し、プラズマ 34を生成するプ ラズマ源である。金属蒸気が加熱金属体に接触する確率が大きくなり、同時に、光を 照射して金属原子中の電子を励起するので、イオンィ匕確率が大きくなる。メッシュ状 の加熱金属体 32の材料として、 W以外に、 Re、 Os、 Irを用いることも可能であり、さら にイオンィ匕確率向上の効果が高 、。
[0049] (本発明に係る手段の組み合わせ）
本発明に係るイオンィ匕確率向上方法として、以上説明した第一の方法から第三の 方法を組み合わせてプラズマ源又はイオン源を構成することも可能であり、各方法を 単独で実施した場合にくらべ、より高 ヽイオン電流をとれるプラズマ源又はイオン源を つくることができる。
[0050] (プラズマ源及びイオン源の応用）
以上、本発明の接触電離方式によりイオンを生成する装置に関しては、内包フラー レンの製造装置に用いられるプラズマ源を中心に説明してきたが、本発明のプラズマ 源は、内包フラーレンの製造装置以外にもプラズマ加工装置などの一般的なプラズ マ応用装置にも使用可能である。また、プラズマを発生した後、引き出し電極などか らの電界印加によりイオンのみ取り出すイオン源としても使用することができ、イオン 電流を向上する効果が高い。係る本発明のイオン源は、イオン注入などの一般的な イオン応用装置に使用することができる。
[0051] 本発明のプラズマ源は、内包フラーレンの製造装置のように、高イオン電流は必要 であるが、フラーレンを破壊しな 、ように低エネルギーのプラズマ流が必要な装置に 適用する場合、特に高い効果が得られる。非特許文献 1に開示された内包フラーレ ン製造装置では、イオンと電子力 なるプラズマを生成した後、磁界によりプラズマを 閉じ込めることで、イオンと電子の相互作用によりプラズマが発散せず、低エネルギ 一でも高 、プラズマ密度を維持したまま、堆積プレートまでプラズマ流を輸送すること ができる。このような装置で本発明のプラズマ源を使用した場合に、特に、高イオン電 流と 、う特徴を生力して、製造装置の生産性を向上することができる。
実施例
[0052] 以下、実施例を挙げて本発明について詳細に説明する力 本発明は以下の実施 例に限定されるものではない。
[0053] (Re製ホットプレートを用いたプラズマ源）
Re製ホットプレートを用いたプラズマ源を作製し、 W製ホットプレートを用いたプラズ マ源と比較した。ホットプレート (加熱金属板）の形状は、 Re製が厚さ lmm、直径 50mm の円板、 W製が厚さ 4mm、直径 50mmの円板とした。
[0054] (イオン電流の測定）
プラズマ源を真空室中に配置し、ホットプレートの裏面に配置した加熱ヒータにより ホットプレートを 1700〜1900°Cに加熱した。ホットプレート表面に、 Li蒸気を噴射して L i分子をイオンィ匕しプラズマを生成した。真空室の周りに配置した電磁コイルで発生さ せた磁場によりプラズマを閉じ込め、イオンプローブによりプラズマ中の Liイオン電流 を測定した。
図 5は、 Liイオン電流のホットプレート温度依存性の測定データを示すグラフである 。 Li昇華オーブンの温度は 540°Cとした。ホットプレートを加熱するヒータに印加した 電力は 2〜2.4kW、磁場強度は、 Reプラズマ源では 0.03T、 Wプラズマ源では 0. ITとし た。グラフから、 Reプラズマ源、 Wプラズマ源とも、温度が上昇するとイオン電流が増 加することがわかる。また、 Reプラズマ源は Wプラズマ源と比較して、イオン電流力 〜3.8倍多くとれることがわかる。
[0055] (Li内包フラーレンの合成実験）
Reプラズマ源を Li内包フラーレン製造装置に取付け、プラズマ源により生成した Li イオンプラズマを堆積基板に照射し、同時に、フラーレン昇華オーブン力 フラーレ ン蒸気を堆積基板に噴射して Li内包フラーレンを堆積基板上に合成した。合成条件 は以下の通りである。
ホットプレート投入電力： 2.3〜2.5kW、磁場強度： 0.03T、基板バイアス電圧：- 30V、 Liイオン電流： 4.5〜6.6mA、 C60オーブン温度： 580〜600°C、合成時間： 4時間 図 6は、合成物の LDTOF-MASSによる質量分析データである。 Li@C の存在を示
60
す 727のピークがあり、 Re製ホットプレートを用いて内包フラーレンを合成可能なこと が確認できた。
産業上の利用可能性
[0056] (1)接触電離方式のプラズマ源又はイオン源において、金属原子からなる蒸気を噴 射する加熱金属体に光を照射して、金属原子中の電子エネルギーを高めることによ り、金属原子が電離しやすくなるので、イオンィ匕確率が向上し、イオン電流を大きくす ることがでさる。
(2)加熱金属体の表面粗さ係数を 10以上、 1000以下とすることにより、金属原子と加 熱金属体が接触する確率が大きくなるので、イオン化確率が向上し、イオン電流を大 さくすることがでさる。
(3)加熱金属体の材料に仕事関数の大きい Re、 Os、 Irを用いることにより、金属原子 が電離しやすくなるので、イオン化確率が向上し、イオン電流を大きくすることができ る。
(4)照射する光の波長を 200nm以上、 800nm以下とすることにより、イオン化確率を効 率的に高めるだけの光エネルギーを金属原子中の電子に対して与えることが可能で ある。
(5)アルカリ金属又はアルカリ土類金属は、電離電圧が低いので、接触電離により十 分な量のイオンを生成することが可能である。 (6)加熱金属体の温度を 1000°Cから 3000°Cとすることにより、融点の高い金属材料 である W、 Re、 Os、 Irを加熱金属体に使用して、接触電離により十分な量のイオンを 生成することが可能である。
(7)本発明の高電流プラズマ源を用いることで、アルカリ金属やアルカリ土類金属内 包フラーレンの大量生成が可能になる。

Claims

請求の範囲
[1] 金属からなる蒸気を加熱金属体に噴射し、同時に、前記加熱金属体に光を照射する ことにより金属イオンを生成するイオン源及びプラズマ源。
[2] 表面粗さ係数が 10以上、 1000以下の加熱金属体に、金属からなる蒸気を噴射するこ とにより金属イオンを生成するイオン源及びプラズマ源。
[3] Re、 Os、又は Irからなる加熱金属体に、金属からなる蒸気を噴射することにより金属ィ オンを生成するイオン源及びプラズマ源。
[4] 前記加熱金属体に照射する光の波長が 200nm以上、 800nm以下であることを特徴と する請求項 1記載のイオン源及びプラズマ源。
[5] 前記金属がアルカリ金属又はアルカリ土類金属であることを特徴とする請求項 1乃至
4の 、ずれか 1項記載のイオン源及びプラズマ源。
[6] 前記加熱金属体の温度が 1000°C以上 3000°C以下であることを特徴とする請求項 1乃 至 5の 、ずれか 1項記載のイオン源及びプラズマ源。
[7] 請求項 1乃至 6のいずれか 1項記載のイオン源により金属イオンを生成するイオン生 成方法。
[8] 請求項 1乃至 6のいずれか 1項記載のプラズマ源により金属イオンを生成するプラズ マ生成方法。
[9] 請求項 1乃至 6のいずれか 1項記載のプラズマ源を用い金属内包フラーレン類を生 成する内包フラーレンの製造方法。
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