(57)【要約】【課題】  基板上に超微粒子によって構成されるナノ薄膜複合構造体であって、従来にはない新規な構造を有するものを提供すること。【解決手段】  所定の細隙が設けられたターゲット材からなるマスクを、１０μｍ〜１ｍｍの距離を隔てて基板上に配置せしめた状態において、前記マスクにおける細隙の内壁に対して高エネルギービームを斜め方向から照射することにより、該マスクの構成原子又は構成分子からなる超微粒子を離脱させ、この離脱させた超微粒子を、前記基板における前記マスクの細隙に対応する部位以外の部位に付着させて、ナノ薄膜部を形成せしめると同時に、前記基板における前記マスクの細隙に対応する部位に付着させて、前記ナノ薄膜部を構成する超微粒子より大きな超微粒子を主体とする、該ナノ薄膜部より厚さの厚い集積膜部を形成せしめることにより、目的とするナノ薄膜複合構造体を得た。【選択図】    図  １
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高エネルギービームの照射によって離脱せしめたターゲット材の構成原子又は構成分子からなる超微粒子を、所定の基板上に付着させて、得られるナノ薄膜複合構造体にして、前記基板上に形成された、前記超微粒子より構成されるナノ薄膜部と、前記基板上において、前記ナノ薄膜部に対して相互に連結して一体となって形成され、該ナノ薄膜部を構成する超微粒子より大きな超微粒子を主体として構成された、該ナノ薄膜部より厚さの厚い集積膜部とを、有していることを特徴とするナノ薄膜複合構造体。
【請求項２】
前記集積膜部を主体的に構成する超微粒子が、２０ｎｍ以上の大きさを有するものであることを特徴とする請求項１に記載のナノ薄膜複合構造体。
【請求項３】
所定の細隙が設けられたターゲット材からなるマスクを、１０μｍ〜１ｍｍの距離を隔てて基板上に配置せしめた状態において、前記マスクにおける細隙の内壁に対して高エネルギービームを斜め方向から照射することにより、該マスクの構成原子又は構成分子からなる超微粒子を離脱させ、この離脱させた超微粒子を、前記基板における前記マスクの細隙に対応する部位以外の部位に付着させて、ナノ薄膜部を形成せしめると同時に、前記基板における前記マスクの細隙に対応する部位に付着させて、前記ナノ薄膜部を構成する超微粒子より大きな超微粒子を主体とする、該ナノ薄膜部より厚さの厚い集積膜部を形成せしめることを特徴とするナノ薄膜複合構造体の製造方法。
【請求項４】
前記高エネルギービームが、前記マスクの配置面に対して２３°以下の入射角をもって、上方斜め方向から照射されることを特徴とする請求項３に記載のナノ薄膜複合構造体の製造方法。
【請求項５】
前記マスク及び前記基板が、これらに直交する所定の回転軸を中心に一体的に回転せしめられている状況の下、前記高エネルギービームが照射されることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のナノ薄膜複合構造体の製造方法。
【請求項６】
前記基板が、金属基板、非金属基板、半導体基板、化合物基板又は有機材料基板である請求項３乃至請求項５の何れかに記載のナノ薄膜複合構造体の製造方法。
【請求項７】
前記高エネルギービームが、イオンビームである請求項３乃至請求項６の何れかに記載のナノ薄膜複合構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノ薄膜複合構造体及びその製造方法に係り、特に、その特徴的な構造から、各種デバイスや機能材料等への応用が期待されるナノ薄膜複合構造体と、それを有利に製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、超微粒子の如きナノスケール物質や、基板等の部材上における特定の部位に、微細な文字、図形、回路等を形成することが、マイクロマシンの部品の製造や半導体回路の超微細化にとって重要であることが認識されてきている。そして、そのようなナノ物質等の創製には、大きく分けてトップダウン法とボトムアップ法の二つが知られている。前者は、バルクの物質を壊したり或いは加工して、微細化していく方法であって、例えば、スパッタリング、エッチング、リソグラフィー等の手法によって実現されるものであり、また、後者は、原子や分子を物理的或いは化学的な手法で積み上げて、大きくしていく方法であって、原子や分子の堆積や自己組織化等の手法によって、実現されている。
【０００３】
ところで、それら従来の超微粒子に対する研究や開発は、主として、超微粒子の無秩序な集合体に関するものであって、超微粒子単体としての性質や応用に関する研究は充分に為されているとは言えない。これは、上述した従来の超微粒子の製造方法にも起因しており、従来の製造方法では、超微粒子を粒子単体として得ることが困難であったためである。
【０００４】
また、超微粒子をデバイスや各種機能材料等に応用することが、一部で進められているが、従来の製造方法では、超微粒子を粒子単体として得ることが出来ても、その形成位置までは充分に制御することが出来なかったため、これが、超微粒子からなる各種構造体の開発において大きな障害となっていた。
【０００５】
このため、超微粒子の単体としての物性研究や応用等を容易とするために、超微粒子を単体として作製することを可能にすると共に、超微粒子の形成位置の制御等を実現することが求められているのであり、それに応えるべく、本発明者等は、先に、特開平９−３１２２６１号公報（特許文献１）において、基板上に細孔を有するターゲット材を配置し、このターゲット材の細孔内壁に対して高エネルギービームを斜め方向から照射して、かかるターゲット材の構成原子又は構成分子を離脱させ、そして、この離脱させたターゲット材の構成原子又は構成分子を前記基板に付着させて、かかる基板上の前記ターゲット材の細孔に対応した位置に、超微粒子を形成することからなる超微粒子の製造方法を提案した。このような方法により、目的とする超微粒子を、その形成位置等を制御した上で、単体として得ることが出来、また各種操作、制御、応用展開が可能となったのである。
【０００６】
しかしながら、この本発明者等が先に提案せる方法にあっても、基板等における特定の部位へ超微粒子よりなる回路等を形成するには、未だ充分なものではなく、そのため、超微粒子を利用した超微細デバイス、超微細機能材料等の超微細構造体を得ることは、著しく困難であった。
【０００７】
【特許文献１】特開平９−３１２２６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為されたものであって、その解決すべき課題とするところは、従来にはない新規な構造を有するナノ薄膜複合構造体、具体的には、超微粒子によって構成されるナノ薄膜部及び集積膜部を有するナノ薄膜複合構造体と、かかるナノ薄膜複合構造体を所定の基板上に有利に製造し得る方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そして、本発明にあっては、かかる課題の解決のために、高エネルギービームの照射によって離脱せしめたターゲット材の構成原子又は構成分子からなる超微粒子を、所定の基板上に付着させて、得られるナノ薄膜複合構造体にして、前記基板上に形成された、前記超微粒子より構成されるナノ薄膜部と、前記基板上において、前記ナノ薄膜部に対して相互に連結して一体となって形成され、該ナノ薄膜部を構成する超微粒子より大きな超微粒子を主体として構成された、該ナノ薄膜部より厚さの厚い集積膜部とを、有していることを特徴とするナノ薄膜複合構造体を、その要旨としているのである。
【００１０】
なお、このような本発明に従うナノ薄膜複合構造体の望ましい態様においては、前記集積膜部を主体的に構成する超微粒子が、２０ｎｍ以上の大きさを有するものである。
【００１１】
また、本発明にあっては、上記の本発明に従うナノ薄膜複合構造体を有利に得るべく、所定の細隙が設けられたターゲット材からなるマスクを、１０μｍ〜１ｍｍの距離を隔てて基板上に配置せしめた状態において、前記マスクにおける細隙の内壁に対して高エネルギービームを斜め方向から照射することにより、該マスクの構成原子又は構成分子からなる超微粒子を離脱させ、この離脱させた超微粒子を、前記基板における前記マスクの細隙に対応する部位以外の部位に付着させて、ナノ薄膜部を形成せしめると同時に、前記基板における前記マスクの細隙に対応する部位に付着させて、前記ナノ薄膜部を構成する超微粒子より大きな超微粒子を主体とする、該ナノ薄膜部より厚さの厚い集積膜部を形成せしめることを特徴とするナノ薄膜複合構造体の製造方法をも、その要旨としている。
【００１２】
ここで、本発明に従うナノ薄膜複合構造体の製造方法における望ましい態様の一つにおいては、前記高エネルギービームが、前記マスクの配置面に対して２３°以下の入射角をもって、上方斜め方向から照射される。
【００１３】
また、本発明の製造方法における別の望ましい態様の一つにおいては、前記マスク及び前記基板が、これらに直交する所定の回転軸を中心に一体的に回転せしめられている状況の下、前記高エネルギービームが照射される。
【００１４】
さらに、本発明に係るナノ薄膜複合構造体の製造方法における他の好ましい態様によれば、前記基板としては、金属基板、非金属基板、半導体基板、化合物基板又は有機材料基板が用いられ、そのような基板の上に、目的とするナノ薄膜複合構造体が、マスク内壁面に対する高エネルギービームの斜め照射によって生じた超微粒子によって、効果的に形成されるのである。
【００１５】
そして、本発明に係るナノ薄膜複合構造体の製造方法において、ターゲット材であるマスクに対して照射せしめられる高エネルギービームは、イオンビームであることが望ましく、このようなイオンビームの照射によって、超微粒子がマスクから効果的に発生せしめられて、目的とするナノ薄膜複合構造体が、有利に形成されることとなる。
【発明の効果】
【００１６】
このように、本発明に従うナノ薄膜複合構造体にあっては、ターゲット材の構成原子又は構成分子からなる超微粒子にて形成された、ナノ薄膜部及び集積膜部を有するものであり、従来にはない全く新規な構造を呈するものであるところから、超微細デバイスや超微細機能材料等として、有利に用いられることとなるのである。
【００１７】
また、本発明に係る製造方法に従えば、マスクの細隙を通じて、基板上のかかる細隙に対応する部位に集積膜部を形成せしめると同時に、基板上のその他の部位にはナノ薄膜部を形成せしめ、以て、それらが相互に連結して一体となったナノ薄膜複合構造体を有利に製造することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照しつつ、本発明を実施するための最良の形態について、詳細に説明することとする。
【００１９】
先ず、図１には、本発明に従うナノ薄膜複合構造体の一つを製造する工程が、模式的に部分断面図にて示されている。そこにおいて、２は、所定の支持部材上に配置された超微粒子形成用の基板であって、この基板２には、各種の固体材料を用いることが出来る。具体的には、結晶基板や非晶質基板を問わず、種々の固体材料からなる基板を用いることが出来、例えば、金属基板、非金属基板、半導体基板、化合物基板、有機材料基板等を使用することが出来る。
【００２０】
そして、かかる基板２上に、図１の（ａ）に示される如く、超微粒子の形成原料となるターゲット材にて構成されるマスク４が、所定の距離：Ｌを隔てて配置されるのである。このマスク４には、目的とするナノ薄膜複合構造体を与え得る細隙６が形成されており、この細隙６の内壁６ａに対して、高エネルギービーム８が、マスク４の配置面（基板２の板面）と平行な水平面に対して所定の入射角：θをもって、上方斜め方向から照射せしめられるようになっている。そこで、この細隙６を有するマスク４としては、目的とするナノ薄膜複合構造体において、基板上における集積膜部の形成を希望する部位に対応して、それを貫通する細隙６が形成されてなるものが用いられ、そして、そのような細隙６を形成するために、目的材料からなる薄板やフィルム等に対して、エッチング等の化学的方法や電気化学的方法が適用されたり、或いはレーザービーム照射等の物理的方法が適用されることとなる。
【００２１】
なお、このマスク４を構成するターゲット材の材質としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ａｌ等の各種単体金属やそれらの合金、Ｓｉ等の半導体、金属酸化物、金属塩化物、金属フッ化物、金属ホウ化物等の化合物、高分子材料など、種々の固体材料を用いることが出来るが、それからの構成原子又は構成分子の離脱性等を考慮して、目的とする材質のナノ薄膜複合構造体を与え得る固体材料が、適宜に選択される。
【００２２】
また、ターゲット材にて構成されるマスク４における細隙６は、目的とするナノ薄膜複合構造体を与え得るように、それに対応した形状、厳密には、その内壁６ａの配設形態が、ナノ薄膜複合構造体における集積膜部に対応した形状において、かかるマスク４を貫通するようにして設けられ、その内壁６ａが、超微粒子の形成材料、即ちターゲット材料の構成原子や構成分子の供給面とされるのである。従って、細隙６の形状や配置、更にはマスク４（ターゲット材）の厚さ等は、生成せしめられた超微粒子によって形成されるナノ薄膜複合構造体における集積膜部の形状や配置、高エネルギービーム８の入射角：θ等を考慮して、設定されることとなる。
【００２３】
さらに、そのようなマスク４は、基板２上に、所定の距離：Ｌを隔てて配置せしめられるのであり、この距離：Ｌが短すぎると、基板２上における、マスク４の細隙６に対応する部位（部位Ａ）以外の部位に、効果的にナノ薄膜部（１２）を形成せしめることが困難となるおそれがあり、その一方、距離：Ｌが長すぎると、効率的なナノ薄膜複合構造体の製造が困難となるところから、かかる距離：Ｌは、１０μｍ〜１ｍｍの範囲内において、好ましくは１００〜８００μｍの範囲内において、目的とするナノ薄膜複合構造体の大きさ等に応じて、適宜に設定される。
【００２４】
上記したような基板２及びマスク４について、図１の（ｂ）に示される如く、それらを所定の回転軸を中心に一体的に回転せしめている状況下において、かかるマスク４における細隙６の内壁６ａに対して、高エネルギービーム８を斜め上方から照射すると、マスク４を構成するターゲット材の構成原子又は構成分子が離脱して、超微粒子１０として、基板２上に付着する。そして、かかる高エネルギービーム８の照射を一定時間継続し、マスク４（ターゲット材）から連続して構成原子や構成分子を離脱させることにより、図１の（ｃ）に示されるように、基板２におけるマスク４の細隙６に対応する部位（部位Ａ）以外の部位の上には、超微粒子１０より構成されるナノ薄膜部１２が形成されると共に、基板２におけるマスク４の細隙６に対応する部位（部位Ａ）の上には、ナノ薄膜部１２を構成する超微粒子１０より大きな超微粒子１４を主体として構成される、かかるナノ薄膜部１２より厚さの厚い集積膜部１６が形成され、それらナノ薄膜部１２及び集積膜部１６が相互に連結して一体となった、ナノ薄膜複合構造体１８が、基板２上に形成されるのである。
【００２５】
なお、上述したような高エネルギービーム８の連続的な照射により、基板２におけるマスク４の細隙６に対応する部位（部位Ａ）上に形成される集積膜部１６において、それを主体的に構成する超微粒子が、基板２における部位Ａ以外の部位上に形成されるナノ薄膜部１４の超微粒子１０より大きくなることについてのメカニズムは、本発明者等も未だ完全に解明したものではないが、思うに、基板２における部位Ａ上には、基板上のその他の部位と比較して、より多くの超微粒子１０が付着し、高エネルギービーム８の連続的な照射により、かかる部位Ａに付着した多数の超微粒子１０が融合して、粒成長するものと考えられる。
【００２６】
ここで、本実施形態においては、基板２及びマスク４を、所定の回転軸を中心に一体的に回転せしめながら、高エネルギービーム８の照射を行なっているが、このように基板２及びマスク４を回転せしめながら高エネルギービーム８を照射することにより、基板２の全面に亘って、ナノ薄膜複合構造体１８を形成せしめることが可能となる。なお、かかる回転の際の回転速度は、一般的に、１〜１０ｒｐｍ程度である。
【００２７】
また、照射せしめられる高エネルギービーム８は、特に限定されるものではなく、マスク４（ターゲット材）から構成原子や構成分子を離脱させ得るエネルギーを有していればよく、例えばアルゴン（Ａｒ）イオンビームのようなイオンビームの他、このイオンビームと同等の衝撃とスパッタ効率をマスク４に与えることの出来る電子線、レーザービーム、Ｘ線、γ線、中性子線等を挙げることが出来る。このような各種高エネルギービームにあっては、基板２上に直接照射されないような照射角度（入射角）：θにおいて、マスク４に対して照射されるのであり、かかる照射角度（入射角）：θは、細隙６の形状や大きさ等に応じて適宜に決定されることとなるが、一般に、２３°以下とされる。
【００２８】
特に、かかる高エネルギービーム８として、Ａｒイオンビームの如きイオンビームを用いる場合にあっては、加速電圧としては３〜１０ｋＶ程度、ビーム電流としては０．５〜１．５ｍＡ程度が採用され、更に、照射時間としては、少なくとも１秒以上が、採用されることとなる。中でも、イオンビームの照射時間が長くなればなる程、ナノ薄膜複合構造体１８を構成する超微粒子１０及び超微粒子１４は、何れも、その大きさが大きくなるのであり、また、高さ（膜厚）も高く（厚く）なる。従って、本発明にあっては、有利には３００秒以上、特に４００秒以上の時間の間、イオンビームが照射せしめられ、これにより、その全体において、比較的大きな超微粒子よりなるナノ薄膜複合構造体、特に、そこにおける集積膜部１６を主体的に構成する超微粒子１４が２０ｎｍ以上の大きさを有するものが、効果的に形成されることとなる。
【００２９】
なお、この高エネルギービーム８として、イオンビームを用いる場合において、加速電圧やビーム電流が小さ過ぎると、マスク４から構成原子や構成分子を効率良く離脱させることが出来ず、一方、加速電圧やビーム電流が大き過ぎると、マスク４の損傷のみが増大して、構成原子や構成分子の離脱状態を制御することが困難となる。これらは、高エネルギービーム８として、電子線、レーザービーム、Ｘ線、γ線、中性子線等を用いる場合においても同様である。
【００３０】
また、高エネルギービーム８の照射雰囲気は、使用するビームに応じて設定すればよく、例えば、真空雰囲気、アルゴン雰囲気のような不活性雰囲気等が挙げられ、また、化合物からなる超微粒子を形成する場合には、酸素含有雰囲気や窒素含有雰囲気等を用いることも可能である。
【００３１】
さらに、高エネルギービーム８の照射時の基板２は、室温に保持された状態であってもよく、また、それが加熱された状態であっても、何等差し支えない。この基板２の温度は、得られるナノ薄膜複合構造体の結晶状態に影響を及ぼし、基板２を室温状態とした場合には、結晶性の低い或いは非晶質状態の超微粒子１０及び１４が得られ易くなる。また、基板２を加熱した場合には、その温度により、超微粒子１０及び１４の結晶状態を制御することが出来る。なお、この超微粒子１０及び１４の結晶状態は、ナノ薄膜複合構造体１８製造後の基板加熱や電子線照射等によっても制御することが可能である。
【００３２】
そして、このようにして得られた本発明に従うナノ薄膜複合構造体は、ナノ薄膜部と、かかるナノ薄膜部より厚さの厚い集積膜部を有するものであり、特に、集積膜部にあっては、基板上におけるマスクの細隙に対応する部位に形成されているのであり、これにより、マイクロマシンの部品や電子デバイス等に用いられて、その実現や高精細化に大いに寄与せしめ得るのである。
【実施例】
【００３３】
以下に、本発明の実施例を幾つか示し、本発明を更に具体的に明らかにすることとするが、本発明が、そのような実施例の記載によって、何等の制約をも受けるものでないことは、言うまでもないところである。また、本発明には、以下の実施例の他にも、更には上記の具体的記述以外にも、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加え得るものであることが理解されるべきである。
【００３４】
−実施例１−
先ず、図１に示されるナノ薄膜複合構造体の製造工程に従い、基板２として、アモルファス炭素フィルムを用い、この炭素フィルム上に、ターゲット材となるスズ（Ｓｎ）製ディスク（直径：３ｍｍ、厚さ：５μｍ）を、基板２（炭素フィルム）から５００μｍ離れた位置に、金属製マスク４として配置して、準備した。なお、このマスク４には、直径が３０〜７０μｍ程度の多数の貫通孔が、細隙６として形成されている。そして、この基板２とマスク４とを所定の支持部材上に配置した状態で、イオンミリング装置（gatan DuoMill ）の照射室内の室温ステージ上に、セットした。
【００３５】
次いで、かかる基板２とマスク４とを位置固定に保持し、且つ、それら基板２及びマスク４を、マスク４の中心軸（水平面に対するもの）を回転軸として、回転速度：２ｒｐｍにて回転させながら、Ａｒイオンビームを、マスク４における細孔（細隙６）の内壁（６ａ）に対して、加速電圧：７ｋＶ、照射時間：６００秒、Ａｒイオンビームの水平方向に対する照射角度：θを１０°として、Ａｒイオンビーム照射を行なった。なお、イオンミリング装置の照射室内は、Ａｒガスにて７．３×１０-3Ｐａの圧力下に満たされた。また、そこでは、Ａｒガスの流速は、３．３×１０-8ｍ3 ／秒であった。
【００３６】
その後、イオンミリング装置から、観察のためのＴＥＭ装置（透過型電子顕微鏡：日本電子株式会社製、ＪＥＭ−２０１０）に基板２を移し、このＴＥＭ装置にて、基板２（炭素フィルム）上に生じた生成物のナノ構造を観察した。基板２における細隙６に対応する部位（Ａ）上の生成物のＴＥＭ写真を図２として、また、かかる部位（Ａ）以外の部位上の生成物のＴＥＭ写真を図３として、それぞれ示す。
【００３７】
かかる図２及び図３からも明らかなように、本実施例において得られた生成物にあっては、基板２上の細隙６に対応する部位（Ａ）上には、その大きさが４０ｎｍ程度の超微粒子を主体とする集積膜部（１６）が形成されており、他方、基板２における部位Ａ以外の部位上には、大きさが１０ｎｍ程度の超微粒子よりなるナノ薄膜部（１２）が形成されていることが、確認された。
【００３８】
−実施例２−
基板２として、ディスク状の銅箔（直径：３ｍｍ、厚さ：１０μｍ  を用いた以外は、実施例１と同様の条件に従って、マスク４（スズ製ディスク）における細孔（細隙６）の内壁（６ａ）に対して、Ａｒイオンビーム照射を行なった。そして、イオンミリング装置から基板２（銅箔）及びマスク４を取り出し、基板２上よりマスク４を取り除いた後、かかる基板を、観察のためのＳＥＭ装置（走査型電子顕微鏡：日本電子株式会社製、ＪＳＭ−５９００ＬＶ）に移し、このＳＥＭ装置にて、基板２（銅箔）上に生じた生成物の構造を観察した。基板２における細隙６に対応する部位（Ａ）上の生成物のＳＥＭ写真を図４として、また、倍率を下げて広範囲の生成物の状態を撮影したＳＥＭ写真を図５として、それぞれ示す。
【００３９】
かかる図４及び図５からも明らかなように、本実施例において得られた生成物においても、基板２上の細隙６に対応する部位（Ａ）には、比較的大きな超微粒子を主体としてなる集積膜部（１６）が形成されていることが、確認されたのである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に従うナノ薄膜複合構造体の一つを製造する工程を模式的に示す断面説明図である。
【図２】実施例１において得られたＴＥＭ写真であって、基板２（炭素フィルム）における細隙６に対応する部位（Ａ）上の生成物の形態を示すものである。
【図３】実施例１において得られたＴＥＭ写真であって、基板２（炭素フィルム）における部位Ａ以外の部位上の生成物の形態を示すものである。
【図４】実施例２において得られたＳＥＭ写真であって、基板２（銅箔）における細隙６に対応する部位（Ａ）上の生成物の形態を示すものである。
【図５】実施例２において得られたＳＥＭ写真であって、図４より倍率を下げて、基板上の比較的広範囲に亘る生成物の形態を示すものである。
【符号の説明】
【００４１】
２  基板                                  ４  マスク
６  細隙                                  ６ａ  内壁
８  高エネルギービーム                  １０  超微粒子
１２  ナノ薄膜部                          １４  超微粒子
１６  集積膜部                            １８  ナノ薄膜複合構造体
【図１】
2006255869.tif 000003
【図２】
2006255869.tif 000004
【図３】
2006255869.tif 000005
【図４】
2006255869.tif 000006
【図５】
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