(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正電荷又は負電荷を帯びた分子ビームを生成する分子ビーム生成装置であって、
大気圧雰囲気又はこれとほぼ同等とされた導入チャンバと、
前記導入チャンバに隣接して設けられ、真空圧雰囲気とされた真空チャンバと、
前記導入チャンバ内に不揮発性分子を含有する試料溶液を液滴状にして噴霧する液滴生成部と、
前記導入チャンバ及び前記真空チャンバの間に介在して設けられ、前記液滴生成部から出た液滴を真空チャンバ内に間欠的に導入するためにパルス駆動される電磁弁を有するパルスノズル部と、
前記液滴を正電荷又は負電荷に帯電させるために、前記液滴生成部に高電圧を印加する高電圧印加部と、
前記パルスノズル部にアース電位に対して所定のバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加部とを具備する分子ビーム生成装置。
【請求項２】
前記真空チャンバ内に設けられ、分子ビームの軌道を電界又は磁界によって制御する軌道制御機構をさらに備える請求項１記載の分子ビーム生成装置。
【請求項３】
正電荷又は負電荷を帯びた分子ビームを生成する分子ビーム生成方法であって、
大気圧又はこれとほぼ同等とされた導入チャンバ内に設けた液滴生成部によって、不揮発性分子を含有する試料溶液を液滴状にして当該導入チャンバ内に噴霧し、
導入チャンバ及び真空チャンバの間に設けたパルスノズル部によって、前記液滴生成部により前記導入チャンバ内に噴射された液滴を前記真空チャンバ内に間欠的に導入し、
前記液滴を正電荷又は負電荷に帯電させるために、前記液滴生成部又は前記パルスノズル部に高電圧を印加する分子ビーム生成方法。
【請求項４】
正電荷又は負電荷を帯びた分子ビームを生成し、当該分子ビームを基板に照射することにより当該基板に分子を堆積させる分子堆積装置であって、
大気圧又はこれとほぼ同等とされた導入チャンバと、
前記導入チャンバに隣接して設けられ、真空雰囲気とされた真空チャンバと、
前記導入チャンバ内に不揮発性分子を含有する試料溶液を液滴状にして噴霧する液滴生成部と、
前記導入チャンバ及び前記真空チャンバの間に介在して設けられ、前記液滴生成部から出た液滴を真空チャンバ内に間欠的に導入するためにパルス駆動される電磁弁を有するパルスノズル部と、
前記液滴を正電荷又は負電荷に帯電させるために、前記液滴生成部又は前記パルスノズル部に高電圧を印加する高電圧印加部と、
前記真空チャンバ内において、前記パルスノズル部と対向する位置とは異なる位置に基板を保持する基板保持機構と、
前記真空チャンバ内に設けられ、分子ビームの軌道を電界又は磁界によって制御して分子ビーム内の帯電した分子を基板に入射させる軌道制御機構とを具備する分子堆積装置。
【請求項５】
前記基板保持機構が、前記パルスノズル部の液滴射出方向と略直交する方向を基板の面方向が向くように保持するものである請求項４記載の分子堆積装置。
【請求項６】
前記真空チャンバ内に設けられ、前記分子ビーム内の帯電した分子の質量を分析する質量分析機構をさらに備え、
前記軌道制御機構が、分子ビーム内の帯電した分子を前記基板又は前記質量分析機構に選択的に入射させるものである請求項４又は５記載の分子堆積装置。
【請求項７】
前記質量分析機構が、前記パルスノズル部の液滴入射方向に沿った位置に設けられている請求項６記載の分子堆積装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、不揮発性分子からなる帯電液滴からパルス化された分子ビームを生成する分子ビーム生成装置及びこの分子ビーム生成装置を用いた分子堆積装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、正電荷又は負電荷に帯電した不揮発性分子の分子ビームを用いたものとして、特許文献１に示すように、液体クロマトグラフィー質量分析装置がある。
【０００３】
この液体クロマトグラフィー質量分析装置は、エレクトロスプレー用のネブライザー（噴霧器）の先端に高電圧を印加しながら、不揮発性分子を溶媒に溶かして生成した溶液試料をそのネブライザーから大気室内に噴霧し、正電荷又は負電荷に帯電した液滴（イオン性分子の液滴）を生成する。また、この質量分析装置は、大気室及び真空室を連通するキャピラリ（capillary）と当該キャピラリーの下流側に設けられたスキマー（Skimmer）とから差動排気機構を構成している。そして、それらに電場を印加することによって、イオン化分子が定常的に真空室内に供給され、連続的な分子ビームが生成される。なお、この質量分析装置は、真空室内にスキマーの下流側に質量選別を行うためのイオントラップや質量選別された分子を検出する検出器等を有する質量分析機構が設けられている。
【０００４】
しかしながら、大気室及び真空室がキャピラリーにより常に連通していることから連続的な分子ビームしか生成することができない。上記のような質量分析用途においては特に問題ではないが、本願発明者が研究している分子ビームを用いた分子堆積用途においては問題である。つまり、上記の構成では、分子ビームを任意の時間幅で任意の時間間隔だけ基板に分子ビームを照射することが難しく、制御性の良い照射が要求される分子堆積には用いることができないという問題がある。
【０００５】
また、大気室と真空室とがキャピラリーにより連通して常に真空室に大気が導入される構成であり、真空室に設けられたターボポンプ等の真空排気系の負担が大きくなってしまうという問題もある。
【０００６】
なお、本願発明者は、特許文献２に示すように、不揮発性中性分子からなる分子ビームを生成する分子ビーム生成装置を考えている。この分子ビーム生成装置は、不揮発性の中性分子を溶媒に溶かして生成した試料溶液を超音波噴霧器等により噴霧して中性分子から溶媒等をできるだけ剥す。そして、この分子ビーム生成装置は、噴霧により生成された液滴をパルスノズルを用いて真空室内にパルス的に導入し、液滴を断熱膨張させて、不揮発性の中性分子の分子ビームをパルス的に発生させる。
【０００７】
しかしながら、この分子ビーム発生装置は、中性分子の分子ビームを生成するものであり、正電荷又は負電荷に帯電した分子からなる分子ビームを生成するものではない。上記構成の分子ビーム生成装置を帯電した分子に単純に適用すると、帯電した分子を真空室にうまく導入することが難しい。また大気室には、剥離された溶媒を排出させるための排出口が設けられているが、この排出口から帯電した分子が排出されてしまい、十分な量の分子ビームを得ることが難しいという問題もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−６４２８９号公報
【特許文献２】特開２００３−３２９５５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、正電荷又は負電荷に帯電した不揮発性分子の分子ビームをパルス化して照射できるようにするとともに、真空室の真空排気系の負担を軽減することをその主たる所期課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
すなわち本発明に係る分子ビーム生成装置は、正電荷又は負電荷を帯びた分子ビームを生成する分子ビーム生成装置であって、大気圧雰囲気又はこれとほぼ同等とされた導入チャンバと、前記導入チャンバに隣接して設けられ、真空圧雰囲気とされた真空チャンバと、前記導入チャンバ内に不揮発性分子を含有する試料溶液を液滴状にして噴霧する液滴生成部と、前記導入チャンバ及び前記真空チャンバの間に介在して設けられ、前記液滴生成部から出た液滴を真空チャンバ内に間欠的に導入するためにパルス駆動される電磁弁を有するパルスノズル部と、前記液滴を正電荷又は負電荷に帯電させるために、前記液滴生成部に高電圧を印加する高電圧印加部と、前記パルスノズル部にアース電位に対して所定のバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加部とを具備することを特徴とする。
【００１１】
このようなものであれば、導入チャンバ内に不揮発性分子の液滴を噴霧し、当該液滴を正電荷又は負電荷に帯電させて、この帯電した液滴を間欠的に真空チャンバ内に導入することができるので、正電荷又は負電荷に帯電した不揮発性分子の分子ビームをパルス化することができる。このとき、パルスノズル部の電磁弁の開閉を制御することにより、分子ビームの照射タイミング及び照射時間を任意に設定することができ、制御性の良い分子ビームを生成することができる。また、導入チャンバ及び真空チャンバのインターフェースをパルスノズル部により構成しているので、導入チャンバ及び真空チャンバが常に連通している従来の構成に比べて、真空チャンバに設けた真空排気系の負担を軽減することができる。さらに、パルスノズル部に所定のバイアス電圧を印加することにより、帯電した分子をパルスノズル部に導入し易くすることができるので、分子ビームの発生量を可及的に多くすることができる。
【００１２】
また、本発明に係る分子ビーム生成方法は、正電荷又は負電荷を帯びた分子ビームを生成する分子ビーム生成方法であって、導入チャンバ内に設けた液滴生成部によって、不揮発性分子を含有する試料溶液を液滴状にして当該導入チャンバ内に噴霧し、導入チャンバ及び真空チャンバの間に設けたパルスノズル部によって、前記液滴生成部により前記導入チャンバ内に噴射された液滴を前記真空チャンバ内に間欠的に導入し、前記液滴を正電荷又は負電荷に帯電させるために、前記液滴生成部又は前記パルスノズル部に高電圧を印加することを特徴とする。
【００１３】
さらに本発明に係る分子堆積装置としては、正電荷又は負電荷を帯びた分子ビームを生成し、当該分子ビームを基板に照射することにより当該基板に分子を堆積させる分子堆積装置であって、大気圧雰囲気又はこれとほぼ同等とされた導入チャンバと、前記導入チャンバに隣接して設けられ、真空圧雰囲気とされた真空チャンバと、前記導入チャンバ内に不揮発性分子を含有する試料溶液を液滴状にして噴霧する液滴生成部と、前記導入チャンバ及び前記真空チャンバの間に介在して設けられ、前記液滴生成部から出た液滴を真空チャンバ内に間欠的に導入するためにパルス駆動される電磁弁を有するパルスノズル部と、前記液滴を正電荷又は負電荷に帯電させるために、前記液滴生成部又は前記パルスノズル部に高電圧を印加する高電圧印加部と、前記真空チャンバ内において、前記パルスノズル部と対向する位置とは異なる位置に基板を保持する基板保持機構と、前記真空チャンバ内に設けられ、分子ビームの軌道を電界又は磁界によって制御して分子ビーム内の帯電した分子を基板に入射させる軌道制御機構とを具備することを特徴とする。
【００１４】
このようなものであれば、正電荷又は負電荷に帯電した不揮発性分子の分子ビームをパルス化して基板に照射することができる。このとき、パルスノズル部の電磁弁の開閉を制御することにより、分子ビームを任意の時間幅で任意の時間間隔だけ基板に分子ビームを照射することができ、制御性の良い照射を実現することができる。また、基板保持機構が基板をパルスノズル部と対向する位置とは異なる位置に保持し、軌道制御機構により分子ビームの軌道を制御して基板に照射させることから、分子ビーム内に中性分子が含まれていたとしても、この中性分子が基板に入射することを防止することができる。
【００１５】
中性分子が基板表面に入射することを確実に防止するとともに、分子堆積装置の構成要素の配置を簡単化するためには、前記基板保持機構が、前記パルスノズル部の液滴射出方向と略直交する方向を基板の面方向が向くように保持するものであることが望ましい。
【００１６】
基板に分子ビームを堆積させるにあたって、分子ビームの質量を分析することにより所望の分子ビームを基板に照射できるようにするためには、前記真空チャンバ内に設けられ、前記分子ビーム内の帯電した分子の質量を分析する質量分析機構をさらに備え、前記軌道制御機構が、分子ビーム内の帯電した分子を前記基板又は前記質量分析機構に選択的に入射させるものであることが望ましい。
【００１７】
前記基板保持機構との関係において分子堆積装置の構成要素の配置を簡単化するためには、前記質量分析機構が、前記パルスノズル部の液滴入射方向に沿った位置に設けられていることが望ましい。
【発明の効果】
【００１８】
このように構成した本発明によれば、正電荷又は負電荷に帯電した不揮発性分子の分子ビームをパルス化して照射できるようにするとともに、真空室の真空排気系の負担を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る分子堆積装置の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に本発明に係る分子堆積装置の一実施形態について図面を参照して説明する。
【００２１】
＜装置構成＞
本実施形態に係る分子堆積装置１００は、正電荷又は負電荷に帯電した不揮発性分子（以下、イオン化分子とも言う。）の分子ビームＭＢを生成し、当該分子ビームＭＢを基板Ｗに照射して、当該分子ビームＭＢに含まれる分子を基板Ｗの表面に堆積するものである。なお、不揮発性分子とは、高温加熱により分解する分子又は高温で加熱しても昇華しない分子である。
【００２２】
具体的にこのものは、図１に示すように、大気圧雰囲気又はこれとほぼ同等とされた導入チャンバ２と、導入チャンバ２に隣接して設けられ、真空圧雰囲気とされた真空チャンバ３と、導入チャンバ２内に設けられた液滴生成部４と、導入チャンバ２及び真空チャンバ３の間に介在して設けられたパルスノズル部５と、液滴を帯電させるために液滴生成部４に高電圧を印加する高電圧印加部６と、真空チャンバ３内において基板Ｗを保持する基板保持機構８と、真空チャンバ３内において分子ビームＭＢの軌道を制御する軌道制御機構９と、真空チャンバ３内に設けられて分子ビームＭＢ内の帯電した分子の質量を分析する質量分析機構１０とを備えている。
【００２３】
導入チャンバ２内に設けられた液滴生成部４は、当該導入チャンバ２内に不揮発性分子を含む試料液体を液滴状にして噴霧するものである。この液滴生成部４は、導入チャンバ２内において、真空チャンバ３側に向かって不揮発性分子を含む液滴を噴霧するものである。本実施形態の液滴生成部４は、エレクトロスプレー用のネブライザー（噴霧器）である。この液滴生成部４には、高電圧印加部６によって高電圧（液滴を正電荷に帯電する場合には例えば＋２ｋＶ）が印加される。そして、液滴生成部（ネブライザー）４及び高電圧印加部６によりエレクトロスプレーが構成される。この高電圧印加部６によって液滴生成部４から噴霧される不揮発性分子の液滴は正電荷又は負電荷に帯電する。なお、本実施形態の高電圧印加部６は、パルスノズル部５に対して高電圧を印加するように構成されている。
【００２４】
導入チャンバ２には、不活性ガス導入口２１から窒素などの不活性ガスが導入され、この不活性ガスと導入チャンバ２内に噴霧された不揮発性分子を含む液滴が衝突を繰り返して、不揮発性分子と結合している溶媒分子が剥ぎ取られる。また、導入チャンバ２には、剥ぎ取られた溶媒分子を排出するための排出口２２が設けられている。
【００２５】
また、導入チャンバ２には、加熱機構（不図示）が設けられており、この加熱機構によっても不揮発性分子と結合している溶媒分子が剥ぎ取られる。なお、溶媒分子を剥ぎ取る手段は、不揮発性分子を含む液滴に不活性ガスを衝突させるだけ、又は不揮発性分子を含む液滴を加熱するだけでも良いが、両者を併用することが望ましい。このように加熱機構により剥ぎ取られた溶媒分子も上記の排出口２２から外部に排出される。
【００２６】
パルスノズル部５は、液滴生成部４の噴霧方向前方に設けられており、液滴生成部４から出た液滴を真空チャンバ３内に間欠的に導入するものである。このパルスノズル部５は、帯電した液滴が通過する通過流路が形成されたノズル（不図示）と、当該ノズルの開放及び閉塞を行うパルス駆動される電磁弁５１を有する。ノズルの開口径は、例えば０．１〜３ミリメートルである。また電磁弁５１は、図示しない制御装置によって、入力電圧がパルス的に印加される。例えば電磁弁５１の開口時間は、１００マイクロ秒〜１０ミリ秒であり、繰り返し周期は２ミリ秒〜１秒である。これにより、パルスノズル部５がパルス的に開閉し、開放時に導入チャンバ２内にある液滴が真空チャンバ３内に導入される結果、真空チャンバ３内に液滴がパルス的に導入される。なお、ノズルが開放されると液滴は、超音波ジェット噴流としてノズルから真空チャンバ３内に流れ込む。また、開閉時間を短くすることにより、真空チャンバ３内の真空度の変化を小さくすることができる。
【００２７】
また、パルスノズル部５には、帯電した液滴がパルスノズル部５に進行しやくするために、バイアス電圧印加部７によってアース電位に対して所定のバイアス電圧が印加されている。このバイアス電圧印加部７は、パルスノズル部５に印加するバイアス電圧を調整可能に構成されており、帯電の極性又は帯電した液滴の種類等に応じて所望のバイアス電圧を印加する。
【００２８】
真空チャンバ３は、ビーム生成用真空室３ａと、分子堆積用真空室３ｂと、質量分析用真空室３ｃとを有する。そして、ビーム生成用真空室３ａには軌道制御機構９が設けられている。分子堆積用真空室３ｂには、基板保持機構８が設けられている。また、質量分析用真空室３ｃには、質量分析機構１０が設けられている。ビーム生成用真空室３ａ、分子堆積用真空室３ｂ及び質量分析用真空室３ｃにはそれぞれターボポンプ等の真空排気系が設けられている。また、ビーム生成用真空室３ａのスキマー９１により仕切られた３つの空間それぞれに真空排気系が設けられており、分子ビームＭＢが進むにつれて（下流に行くに従って）高真空としている。
【００２９】
軌道制御機構９は、分子ビームＭＢの軌道を電界又は磁界によって制御して分子ビームＭＢ中の帯電した分子を基板Ｗに入射させるものである。具体的にこのものは、複数のスキマーから構成される差動排気部９１と、当該差動排気部９１の下流側に設けられたオクタポール等のイオンガイド９２と、そのイオンガイド９２を通過したイオン化分子を選択的に放出するイオントラップ９３と、スリット電極９４と、ポテンシャルスイッチ９５と、ディフレクタ９６とを有する。
【００３０】
そして、この軌道制御機構９により、基板Ｗに入射する分子ビームＭＢは、ディフレクタ９６を屈曲点として略直角に曲がるように制御される。一方、この軌道制御機構９により、質量分析機構１０に入射する分子ビームＭＢは、略直線状となるように制御される。ディフレクタ９６により曲げられて基板Ｗに向かう分子ビームＭＢは、走査電極９７により走査されて基板Ｗに入射する。
【００３１】
軌道制御機構９を構成する各部に印加される電圧は、パルスノズル部５に印加されるバイアス電圧との間で所定の電位差を有するようにされている。例えば正電荷に帯電した分子ビームＭＢを生成する場合には、分子ビームＭＢが進むにつれて（下流側に行くに従って）隣り合う部材の電位差がマイナス電位となるようにされている。一方、負電荷に帯電した分子ビームＭＢを生成する場合には、下流側に行くに従って隣り合う部材の電位差がプラス電位となるようにされている。
【００３２】
基板保持機構８は、真空チャンバ３内において、パルスノズル部５と対向する位置とは異なる位置に基板Ｗを保持するものである。具体的には、パルスノズル部５の液滴射出方向（図１の紙面左右方向（Ｘ方向））と略直交する方向（図１では上下方向（Ｙ方向））を基板Ｗの表面が向くように保持している。この基板保持機構８は、真空チャンバ３外に設けられた操作部８１によって基板Ｗの上下位置を調整可能に構成されている。なお、本実施形態では走査電極９７によって分子ビームＭＢを基板Ｗに対して走査するように構成されているが、基板保持機構８によって基板Ｗを表面方向に沿って走査するように構成しても良い。
【００３３】
質量分析機構１０は、例えば飛行時間型の質量分析計により構成されており、真空チャンバ３内において、パルスノズル部５に対向する位置に設けられている。具体的に質量分析機構１０は、パルスノズル部５の液滴入射方向に沿った位置に設けられている。
【００３４】
また、軌道制御機構９のディフレクタ９６は、分子堆積を行うための分子ビームＭＢの軌道と、質量分析を行うための分子ビームＭＢの軌道との分岐点に配置されており、このディフレクタ９６を構成する電極に印加する電圧を制御することによって、分子ビームＭＢの軌道を選択的に変更可能に構成されている。これにより、分子ビームＭＢ内の帯電した分子を基板又は質量分析機構１０に選択的に入射させることができる。
【００３５】
＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係る分子堆積装置１００によれば、導入チャンバ２内に不揮発性分子の液滴を噴霧し、当該液滴を正電荷又は負電荷に帯電させるとともに、この帯電した液滴を間欠的に真空チャンバ３内に導入することができるので、正電荷又は負電荷に帯電した不揮発性分子の分子ビームＭＢをパルス化することができる。また、導入チャンバ２及び真空チャンバ３のインターフェースをパルスノズル部５により構成しているので、導入チャンバ２及び真空チャンバ３が常に連通している従来の構成に比べて、真空チャンバ３に設けた真空排気系の負担を軽減することができる。さらに、パルスノズル部５に所定のバイアス電圧を印加することにより、帯電した分子をパルスノズル部５に導入し易くすることができるので、分子ビームＭＢの発生量を可及的に多くすることができる。
【００３６】
また、本実施形態の分子堆積装置１００によれば正電荷又は負電荷に帯電した不揮発性分子の分子ビームをパルス化して基板に照射することができる。このとき、パルスノズル部５の電磁弁５１の開閉を制御することにより、分子ビームＭＢを任意の時間幅で任意の時間間隔だけ基板Ｗに分子ビームＭＢを照射することができ、制御性の良い照射を実現することができる。また、基板保持機構８が基板Ｗをパルスノズル部５と対向する位置とは異なる位置に保持し、軌道制御機構９により分子ビームＭＢの軌道を制御して基板に照射させることから、分子ビームＭＢ内に中性分子が含まれていたとしても、この中性分子が基板Ｗに入射することを防止することができる。
【００３７】
＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
【００３８】
例えば、前記実施形態の分子堆積装置は、高電圧印加部６が液滴生成部４に高電圧を印加するものであったが、パルスノズル部５に高電圧を印加する構成としても良い。
【００３９】
その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４０】
１００・・・分子堆積装置
Ｗ    ・・・基板
ＭＢ  ・・・分子ビーム
２    ・・・導入チャンバ
３    ・・・真空チャンバ
４    ・・・液滴生成部
５    ・・・パルスノズル部
６    ・・・高電圧印加部
７    ・・・バイアス電圧印加部
８    ・・・基板保持機構
９    ・・・軌道制御機構
１０  ・・・質量分析機構
Ｘ    ・・・液滴射出方向
【図１】
0005444552.tif 000002