(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
長尺方向に下流に行くに従って径が小さくなるように形成された複数本の円錐電極を全体の外径が下流に行くに従って径が小さくなるように構成するとともに、前記長尺方向の断面方向に蜂の巣形状を有するハニカム型特殊六極電場電極を具備し、七本の六回対称軸がそれぞれ各分子ビーム軸に一致するように固定されるとともに、前記電場の上流にパルスバルブとビームスキマーとビームコリメーターとを備え、前記パルスバルブの本数の調整により分子ビーム密度の調整を可能にすることを特徴とする超高密度パルス配向分子ビーム発生装置。
【請求項２】
請求項１記載の超高密度パルス配向分子ビーム発生装置において、原材料気体の圧力の調整により分子ビーム密度の調整を可能にすることを特徴とする超高密度パルス配向分子ビーム発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アモルファス太陽電池高効率化のための表面反応の選択的促進、半導体などナノ表面デバイスの微細加工や放射光励起と組み合わせたナノ表面デバイスの微細加工に好適なハニカム型特殊六極電場を用いた超高密度パルス配向分子ビーム発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
今日、超高速デバイスや電子−光融合デバイスなどナノ表面デバイスの次世代製造テクノロジーの開発が求められている。配向分子ビームを用いたエピタキシャル表面加工技術は原子レベルで反応を制御でき、しかも煩わしい副反応を避けることができるので、今日考えられる範囲で最も理想的なデバイス製造技術である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、配向分子ビーム法の最大の弱点は、その分子ビーム強度の弱さである。標準配向分子ビームの数密度強度は１０-6Ｐａと推定されているが、さらに信号強度や反応度を高めたい場合、一般に分子ビームノズル圧を上げたり、噴出ノズル径を大きくするが、そうすると分子ビームがクラスター化したり速度分布、回転温度など配向分子ビーム特性が大きく変化して、結果的に分子ビーム強度を上げる目的が達成できない。
【０００４】
本発明は、上記状況に鑑みて、従来の技術のように分子ビームノズル圧を上げたり、噴出ノズル径を大きくすることによる、配向分子ビーム特性を変えることなく、超高密度配向分子ビームを発生させることができるハニカム型特殊六極電場を用いた超高密度パルス配向分子ビーム発生装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕超高密度パルス配向分子ビーム発生装置において、長尺方向に下流に行くに従って径が小さくなるように形成された複数本の円錐電極を全体の外径が下流に行くに従って径が小さくなるように構成するとともに、前記長尺方向の断面方向に蜂の巣形状を有するハニカム型特殊六極電場電極を具備し、七本の六回対称軸がそれぞれ各分子ビーム軸に一致するように固定されるとともに、前記電場の上流にパルスバルブとビームスキマーとビームコリメーターとを備え、前記パルスバルブの本数の調整により分子ビーム密度の調整を可能にすることを特徴とする。
【０００６】
〔２〕上記〔１〕記載の超高密度パルス配向分子ビーム発生装置において、原材料気体の圧力の調整により分子ビーム密度の調整を可能にすることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【０００８】
図１は本発明の実施例を示す超高密度配向分子ビーム発生装置の側面図である。図２はその超高密度配向分子ビーム発生装置のハニカム型特殊六極電場電極の断面図、図３は本発明の実施例を示す超高密度配向分子ビーム発生装置の要部構成図であり、図３（ａ）はその側面図〔図３（ａ−１）は右側面図、図３（ａ−２）は長尺方向の側面図〕、図３（ｂ）はその上面図〔図３（ｂ−１）は右側面図、図３（ｂ−２）は長尺方向の上面図〕である。
【０００９】
これらの図において、１は第１の真空チャンバー、２は第２の真空チャンバー、３は第３の真空チャンバー、４はパルスバルブ、５はビームスキマー、６はビームコリメーター、７は長尺方向に下流に行くに従って径が小さくなるように形成された複数本の円錐電極（上流端１５ｍｍφ、下流端７．５ｍｍφ）を全体の外径が下流に行くに従って径が小さくなるように構成するとともに、断面形状が蜂の巣形状であるハニカム型特殊六極電場電極、１０はそのハニカム型特殊六極電場の出口、１１は固定外枠部材、１２は固定外枠部材１１に固定されるパルスバルブ４の支持部材、１３は固定外枠部材１１に固定されるビームスキマー５の支持部材、１４は固定外枠部材１１に固定されるビームコリメーター６の支持部材、１５は固定外枠部材１１に固定されるハニカム型特殊六極電場電極（２４本）７の第１の支持部材、１６は固定外枠部材１１に固定されるハニカム型特殊六極電場電極（２４本）７の第２の支持部材、１７は固定外枠部材１１に固定されるハニカム型特殊六極電場電極（２４本）７の第３の支持部材、２１は第４の真空チャンバー、２２は質量分析計である。
【００１０】
この超高密度配向分子ビーム発生装置は、図２及び図３に示すように、長尺方向に複数本の円錐電極を有するとともに、その長尺方向の断面方向にハニカム形状を有する電極による電場を用いている。より具体的には、２４本の円錐電極から成るハニカム型特殊六極電場電極７を用いるようにしている。
【００１１】
図１の左側から、７本の分子ビームを同時に発生させ、各々分子ビームが２３４０ｍｍ前方で一点に集束するように７個のパルスバルブ４、ビームスキマー５、ビームコリメーター６が扇状に並べられている。引続き右隣の第３の真空チャンバー３に１メートル長の２４本の円錐電極から成るハニカム型特殊六極電場電極７が、７本の六回対称軸がそれぞれ各分子ビーム軸に一致するように固定されている。
【００１２】
従って、分子ビーム軸に垂直な断面は、図２に示すように、六角形が７つ組み合わされた蜂の巣の形状をしており、電極の電位は隣同士が正負と互い違いになるように印加電圧がかけられる。パルスバルブ４とビームスキマー５は１０インチ油拡散ポンプ（図示なし）により左端の第１の真空チャンバー１を真空排気し、ビームスキマー５とビームコリメーター６間は別の分子ターボ真空ポンプ（図示なし）により、第２の真空チャンバー２を、さらに、ビームコリメーター６より右側のハニカム型特殊六極電場電極７は更に別の分子ターボ真空ポンプ（図示なし）による作動により、第３の真空チャンバー３を排気する。
【００１３】
ハニカム型特殊六極電場の出口１０から１メートル前方に分子ビーム強度を測定するために質量分析計２２が設置されており、その第４の真空チャンバー２１も独自の分子ターボ真空ポンプ（図示なし）によって排気する。すなわち、隔壁で合計４つに区切られた真空チャンバー１，２，３，２１で構成されている。到達真空度は、約１×１０-5Ｐａである。
【００１４】
装置各部位の寸法を、図３に示す。例えば、パルスバルブ４の支持部材１２とビームスキマー５の支持部材１３との間隔Ｌ1 は７０ｍｍ、ビームスキマー５の支持部材１３とビームコリメーター６の支持部材１４との間隔Ｌ2 は２００ｍｍ、ビームコリメーター６の支持部材１４とハニカム型特殊六極電場電極（２４本）７の左端との間隔Ｌ3 は５０ｍｍ、ハニカム型特殊六極電場電極（２４本）７の左端と右端との間隔Ｌ4 は１０００ｍｍ、ハニカム型特殊六極電場電極（２４本）７の右端と分子ビームの集束点の距離Ｌ5 は１０２０ｍｍである。
【００１５】
以下、本発明の超高密度配向分子ビーム発生装置の作用について説明する。
【００１６】
図１において、まず、パルスバルブ４から原材料気体ガスを真空中に噴出させ、ビームスキマー５を用いて、噴出ガス流の超音速化された中心部のみを取り出して、ビームコリメーター６を通過させる。そこで分子ビーム外径を制限する。
【００１７】
引続きハニカム型特殊六極電場電極７へ、外径の決まった７本の分子ビームを導入して、２４本のハニカム型特殊六極電場電極７に正負交代静電場を印加し、六極電極で囲まれた７つの空間で不均一電場を発生させる。
【００１８】
次に、各々の六極電場でシュタルク効果を利用して、原材料分子の回転量子状態（すなわち分子配向状態）を選択し、ハニカム型特殊六極電場の出口１０より１メートル先の質量分析計２２を用いて、配向分子ビームのビーム強度を測定する。７本の配向分子ビームは一集束点に取り付けられている質量分析計２２で総和としてビーム強度の測定を行う。
【００１９】
なお、この図においては、ビーム強度の測定を行うために、第４の真空チャンバー２１内に質量分析計２２が配置されているが、本発明の超高密度パルス配向分子ビーム発生装置は、この分子ビームによる各種デバイスの微細加工などを行うために、質量分析計２２に代わって処理の対象となるデバイスが配置され、微細加工処理などが行われることは言うまでもない。
【００２０】
本発明によれば、このように構成したので、以下のような効果を奏することができる。
【００２１】
図４に原材料気体としてアルゴンガス（Ａｒ）を用いて、２０ｋＰａ、１０ｋＰａ、３ｋＰａの３種類のガス圧条件で、パルスバルブから噴出する分子ビーム数を順次増やして行ったときの、質量分析計における分子ビーム強度の総和を示す。図４（ａ）にその特性図、図４（ｂ）にそのノズルの配置図が示されている。  図から明らかなように、どのガス圧条件でもビーム本数と総和ビーム強度によい直線関係があることがわかる。
【００２２】
図５に原材料気体としてアルゴン（Ａｒ）〔９４％のアルゴン（Ａｒ）の混合気体〕にアセトニトリル（ＣＨ3 ＣＮ）を６％希釈した混合ガスを使った電場電圧依存性を示す。アセトニトリル分子は六極電場でシュタルク効果を示す標準気体であるので、ハニカム型特殊六極電場が設計通りにシュタルク効果を示すかどうかを確かめることができる。
【００２３】
ハニカム型特殊六極電場の印加電圧を上げると、予想される通りの配向分子ビーム強度の増大が見られ、ハニカム型特殊六極電場は、設計通り正常に働いていることがわかる。加えて確認のため計算機シミュレーションを行った結果、実測点をすべてうまく再現することができた。その時の分子ビームの回転温度（Ｔｒ）は４０Ｋ、流れ速度（Ｖｓ）は５１０ｍ／ｓが最適であった。
【００２４】
本発明によれば、上記したように、ハニカム型特殊六極電場（１メートル長×２４ハニカム型特殊六極電場電極）の製作に成功した。したがって、真空中で分子ビーム特性を損なうことなく制御しながら超高密度で超音速のパルス配向分子ビームを発生させることができた。
【００２５】
標準配向分子ビームの数密度強度は１０-4Ｐａと推定されているが、この装置を用いると同様の分子ビーム特性を保ったままで７倍の分子ビーム強度の増大が可能である。ハニカム型特殊六極電場電極を増やせば、原理的には、１０倍〜数１０倍の配向分子ビームの高密度化も可能である。
【００２６】
本発明のハニカム型特殊六極電場を用いた超高密度パルス配向分子ビーム発生装置を使用すれば、特定の表面反応の選択的促進、半導体などナノ表面デバイスの微細加工、放射光励起と組み合わせたナノ表面デバイスの微細加工などが可能となる。
【００２７】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００２８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００２９】
（Ａ）真空中で分子ビーム特性を損なうことなく制御しながら超高密度で超音速のパルス配向分子ビームを発生させることができる。
【００３０】
（Ｂ）標準配向分子ビームの数密度強度は１０-4Ｐａと推定されているが、この装置を用いると同様の分子ビーム特性を保ったままで７倍分子ビーム強度の増大が可能である。円錐電極数を増やせば、原理的には１０倍〜数１０倍の配向分子ビームの高密度化も可能である。
【００３１】
（Ｃ）ハニカム型特殊六極電場を用いた超高密度パルス配向分子ビーム発生装置によれば、特定の表面反応の選択的促進、半導体などナノ表面デバイスの微細加工、放射光励起と組み合わせたナノ表面デバイスの微細加工などが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例を示す超高密度配向分子ビーム発生装置の側面図である。
【図２】  本発明の実施例を示す超高密度配向分子ビーム発生装置のハニカム型特殊六極電場電極の断面図である。
【図３】  本発明の実施例を示す超高密度配向分子ビーム発生装置の要部構成図である。
【図４】  本発明の実施例を示す超高密度配向分子ビーム発生装置の信号強度のノズル数とビーム強度との依存特性図である。
【図５】  本発明の実施例を示す原材料気体としてアルゴン（Ａｒ）〔９４％のアルゴン（Ａｒ）の混合気体〕にアセトニトリル（ＣＨ3 ＣＮ）を６％希釈した混合ガスを使った電場電圧依存性を示す図である。
【符号の説明】
１    第１の真空チャンバー
２    第２の真空チャンバー
３    第３の真空チャンバー
４    パルスバルブ
５    ビームスキマー
６    ビームコリメーター
７    ハニカム型特殊六極電場電極
１０    ハニカム型特殊六極電場の出口
１１    固定外枠部材
１２    パルスバルブの支持部材
１３    ビームスキマーの支持部材
１４    ビームコリメーターの支持部材
１５    ハニカム型特殊六極電場電極（２４本）の第１の支持部材
１６    ハニカム型特殊六極電場電極（２４本）の第２の支持部材
１７    ハニカム型特殊六極電場電極（２４本）の第３の支持部材
２１    第４の真空チャンバー
２２    質量分析計
【図１】
0003727584.tif 000002
【図２】
0003727584.tif 000003
【図３】
0003727584.tif 000004
【図４】
0003727584.tif 000005
【図５】
0003727584.tif 000006