(57)【要約】【課題】線幅が細く、その均一性が高く、導電性に優れた金属ナノワイヤを提供すること。【解決手段】平均直径が０．７〜１０ｎｍであり、かつ、直径分布（数基準）を正規分布に近似した場合における標準偏差σの２倍の値２σが前記平均直径の４０％以下の値であることを特徴とする金属ナノワイヤ。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均直径が０．７〜１０ｎｍであり、かつ、直径分布（数基準）を正規分布に近似した場合における標準偏差σの２倍の値２σが前記平均直径の４０％以下の値であることを特徴とする金属ナノワイヤ。
【請求項２】
複数個の金属クラスタが接触することにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載の金属ナノワイヤ。
【請求項３】
前記複数個の金属クラスタが４〜５５個の範囲内の同一の金属原子数を有するものであることを特徴とする請求項２に記載の金属ナノワイヤ。
【請求項４】
貴金属、貴金属の合金及び貴金属と卑金属との合金からなる群から選択される少なくとも１種の金属からなることを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載の金属ナノワイヤ。
【請求項５】
請求項１〜４のうちのいずれか一項に記載の金属ナノワイヤからなる金属電極を備えることを特徴とする電子素子。
【請求項６】
単一の金属原子数を有し、金属原子１個当たりの運動エネルギーが１．５〜４ｅＶである金属クラスタイオンからなる金属クラスタイオンビームの軌跡を電場により制御しながら、前記金属クラスタイオンビームを基板に照射して金属クラスタを前記基板上に堆積させることによって、所定の形状の金属ナノワイヤを形成することを特徴とする金属ナノワイヤの製造方法。
【請求項７】
前記金属クラスタイオンの金属原子数を４〜５５個の範囲内の単一の金属原子数に制御することを特徴とする請求項６に記載の金属ナノワイヤの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属ナノワイヤ、それを用いた電子素子、及び金属ナノワイヤの製造方法に関に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属ナノワイヤは透明性及び導電性に優れており、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）材料に代わる導電性材料として注目されている。また、集積回路の小型化、高密度化に伴う細線化技術においても金属ナノワイヤは注目されている。
【０００３】
このような金属ナノワイヤの製造方法としては、例えば、国際公開第２０１２／０８１１６０号（特許文献１）には、Ｎ置換（メタ）アクリルアミドを含む重合性モノマーを重合することによって得られる重合体を含有する銀ナノワイヤ成長制御剤と銀化合物とをポリオール中で反応させる方法が記載されている。また、国際公開第２０１３／１４６５０９号（特許文献２）には、低分子分散剤の存在下、水溶媒中で金属イオンを還元して金属ナノワイヤを合成し、さらに、前記低分子分散剤で表面修飾された前記金属ナノワイヤを含む水分散液と高分子分散剤と剥離溶液とを混合して前記低分子分散剤を前記金属ナノワイヤから剥離することによって金属ナノワイヤを製造する方法が記載されている。しかしながら、これらの方法では、金属ナノワイヤが銀ナノワイヤ成長制御剤や高分子分散剤を含有する溶液中に分散した状態で得られるため、銀ナノワイヤ成長制御剤や高分子分散剤を除去する必要があり、また、例えば、基板上の所定の位置に１本ずつ配置する場合には金属ナノワイヤを１本ずつ単離する必要もあった。
【０００４】
また、特開２００６−１５０４８０号公報（特許文献３）には、自己組織化により繊維状構造を形成する化合物を用いてナノスケールの繊維状構造を形成し、この繊維状構造との選択的な相互作用により金属等のナノ粒子を配列させることによって金属ナノワイヤを製造する方法が記載されている。しかしながら、この方法では、鋳型である繊維状構造体を除去する必要があり、また、得られる金属ナノワイヤにおいては、金属ナノ粒子同士が十分に接触しておらず、導電性に劣るという問題があった。
【０００５】
特開２００６−７５９６１号公報（特許文献４）には、微細金属配線に高密度電子流を与えてエレクトロマイグレーションを発生させて金属原子を拡散させ、拡散した金属原子を物理的に拘束して集約させ、これを成長させることによって金属ナノワイヤを製造する方法が記載されている。しかしながら、この方法では、基板上の所定の位置に金属ナノワイヤを配置することが容易ではなく、また、得られる金属ナノワイヤは線幅の太いものであった。
【０００６】
特開２０１０−２４０８１号公報（特許文献５）には、金属微粒子を触媒として結晶基板の表面と平行な方向に前記結晶基板に接するナノワイヤを成長させることによってナノワイヤを製造する方法が記載されている。しかしながら、この方法では、結晶基板の表面に予めナノワイヤを成長させる方向に溝又はステップを形成する必要があり、また、ナノワイヤを構成する成分はＩｎＰ等の触媒反応によって成長するものに限定され、さらに、触媒を用いて結晶成長させるため、製造後に触媒や副生成物を除去する必要があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２０１２／０８１１６０号
【特許文献２】国際公開第２０１３／１４６５０９号
【特許文献３】特開２００６−１５０４８０号公報
【特許文献４】特開２００６−７５９６１号公報
【特許文献５】特開２０１０−２４０８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、線幅が細く、その均一性が高く、導電性に優れた金属ナノワイヤ、並びに、このような金属ナノワイヤを、精製することなく得ることができ、基板上の所望の位置に容易に配置することが可能な金属ナノワイヤの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、単一の金属原子数を有し、運動エネルギーが特定の範囲内に制御された金属クラスタイオンからなる金属クラスタイオンビームを照射して金属クラスタを基板上に堆積させることによって、線幅が細く、その均一性が高く、導電性に優れた金属ナノワイヤを精製することなく得られることを見出し、さらに、金属クラスタイオンビームを基板に照射する際に、その軌跡を電場により制御することによって、基板上の所望の位置に金属ナノワイヤを容易に配置できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、本発明の金属ナノワイヤは、平均直径が０．７〜１０ｎｍであり、かつ、直径分布（数基準）を正規分布に近似した場合における標準偏差σの２倍の値２σが前記平均直径の４０％以下の値であることを特徴とするものである。
【００１１】
このような金属ナノワイヤは、複数個の金属クラスタが接触することにより形成されていることが好ましく、前記複数個の金属クラスタは、４〜５５個の範囲内の同一の金属原子数を有するものであることが好ましい。
【００１２】
また、本発明の金属ナノワイヤは、貴金属、貴金属の合金及び貴金属と卑金属との合金からなる群から選択される少なくとも１種の金属からなることが好ましい。
【００１３】
本発明の電子素子は、前記本発明の金属ナノワイヤからなる金属電極を備えることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明の金属ナノワイヤの製造方法は、単一の金属原子数を有し、金属原子１個当たりの運動エネルギーが１．５〜４ｅＶである金属クラスタイオンからなる金属クラスタイオンビームの軌跡を電場により制御しながら、前記金属クラスタイオンビームを基板に照射して金属クラスタを前記基板上に堆積させることによって、所定の形状の金属ナノワイヤを形成することを特徴とするものである。
【００１５】
このような金属ナノワイヤの製造方法においては、前記金属クラスタイオンの金属原子数を４〜５５個の範囲内の単一の金属原子数に制御することが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、線幅が細く、その均一性が高く、導電性に優れた金属ナノワイヤを、精製することなく得ることができ、さらに、このような金属ナノワイヤを基板上の所望の位置に容易に配置することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に用いられる金属クラスタイオンビーム照射装置を模式的に示す概略図である。
【図２】実施例１で得られたＰｔクラスタ堆積物（Ｐｔナノワイヤ）を示す電子顕微鏡写真である。
【図３】比較例１で得られたＰｔクラスタ堆積物を示す電子顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明をその好適な実施形態に即して詳細に説明する。
【００１９】
〔金属ナノワイヤ〕
先ず、本発明の金属ナノワイヤについて説明する。本発明の金属ナノワイヤは０．７〜１０ｎｍの平均直径を有し、直径分布（数基準）を正規分布に近似した場合における標準偏差σの２倍の値２σが前記平均直径の４０％以下の値を有するものである。このような金属ナノワイヤは、線幅が細く、その均一性が高いため、電気抵抗が小さく、導電性に優れており、電流が流れたときの発熱量が少なくなる。一方、金属ナノワイヤの平均直径が前記下限未満になると、金属ナノワイヤの強度が低下して断線しやすく、電気抵抗が大きくなるため、導電性が低下し、電流が流れたときの発熱量が多くなる。他方、金属ナノワイヤの平均直径が前記上限を超えると、金属ナノワイヤ接合部の電気抵抗が大きくなるため、導電性が低下し、電流が流れたときの発熱量が多くなる。また、２σが平均直径の４０％を超える値になると、金属ナノワイヤ接合部の電気抵抗が大きくなるため、導電性が低下し、電流が流れたときの発熱量が多くなる。
【００２０】
さらに、前記金属ナノワイヤの平均直径としては、下限については接合部の断面積が大きくなり、上限については線幅が細くなることによって、電気抵抗が小さくなるため、導電性が向上し、電流が流れたときの発熱量が更に少なくなるという観点から、１〜８ｎｍが好ましく、１〜５ｎｍがより好ましい。また、２σとしては、線幅の均一性が高くなり、電気抵抗が小さくなることによって、導電性が向上し、電流が流れたときの発熱量が更に少なくなるという観点から、平均直径の３５％以下の値であることが好ましい。
【００２１】
なお、本発明において、金属ナノワイヤの平均直径は、走査型電子顕微鏡写真において無作為に抽出した３０本の金属ナノワイヤの直径を測定し、これらを算術平均することによって求めることができる。また、金属ナノワイヤの直径分布（数基準）を正規分布に近似した場合における標準偏差σは、走査型電子顕微鏡写真において無作為に抽出した３０本の金属ナノワイヤの直径を測定して数基準の直径分布を求め、これを正規分布に近似することによって求めることができる。
【００２２】
本発明の金属ナノワイヤは、複数個の金属クラスタが接触することにより形成されていることが好ましい。隣接する金属クラスタとの間に隙間が存在すると、隣接する金属クラスタ間の電気抵抗が大きくなるため、導電性が低下し、電流が流れたときの発熱量が多くなる傾向にある。また、このような複数個の金属クラスタは同一の金属原子数を有していることが好ましい。複数個の金属クラスタの金属原子数が異なると、金属ナノワイヤの一部に線幅が細い部分が存在することとなり、その部分の電気抵抗が大きくなるため、導電性が低下し、電流が流れたときの発熱量が多くなる傾向にある。さらに、金属クラスタの金属原子数としては４〜５５個が好ましく、５〜４０個がより好ましく、８〜３０個が更に好ましく、１０〜３０個が特に好ましく、１０〜２０個が最も好ましい。金属クラスタの金属原子数が前記下限未満になると、金属クラスタ同士の接触面積が小さく、また、金属クラスタ自体の金属性が低下し、電気抵抗が大きくなるため、導電性が低下し、電流が流れたときの発熱量が多くなる傾向にあり、他方、前記上限を超えると、金属クラスタ内の金属原子同士の接触面積が相対的に小さくなり、金属クラスタ間の電気抵抗が大きくなるため、導電性が低下し、電流が流れたときの発熱量が多くなる傾向にある。
【００２３】
このような金属ナノワイヤを形成する金属としては、導電性を有するものであれば特に制限はないが、導電性に優れているという観点から、貴金属（例えば、金、銀、ロジウム、白金）、卑金属（例えば、銅、マグネシウム、アルミニウム）、貴金属の合金（例えば、白金−ロジウム合金、白金−イリジウム合金）、貴金属と卑金属との合金（例えば、白金−ニッケル合金、白金−タングステン合金）が好ましく、貴金属が特に好ましい。これらの金属は１種を単独で使用しても２種以上を併用してもよい。
【００２４】
〔金属ナノワイヤの製造方法〕
次に、本発明の金属ナノワイヤの製造方法について説明する。本発明の金属ナノワイヤの製造方法は、単一の金属原子数を有し、原子１個当たりの運動エネルギーが１．５〜４ｅＶである金属クラスタイオンからなる金属クラスタイオンビームの軌跡を電場により制御しながら、前記金属クラスタイオンビームを基板に照射して金属クラスタを前記基板上に堆積させることによって、所定の形状の金属ナノワイヤを形成するものである。
【００２５】
以下、図面を参照しながら、本発明の金属ナノワイヤの製造方法について詳細に説明するが、本発明の金属ナノワイヤの製造方法は前記図面に限定されるものではない。なお、以下の説明及び図面中、同一又は相当する要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する場合もある。
【００２６】
図１は、金属クラスタイオンビーム照射装置を模式的に示す概略図である。図１に示す金属クラスタイオンビーム照射装置は、基本的には、クラスタイオンビーム生成手段１と、対向偏向電極２と、基板Ｍを載置する台座（図示なし）を内蔵する堆積処理容器３とを備えるものである。さらに、図１に示す金属クラスタイオンビーム照射装置は、クラスタイオンビーム生成手段１と対向偏向電極２との間にクラスタイオン選別手段４（イオンガイド４１、マスフィルタ４２、イオンガイド４３）を備えており、対向偏向電極２とクラスタイオン選別手段４との間にクラスタイオン偏向器５及び静電レンズ６を備えており、クラスタイオンビーム生成手段１とクラスタイオン選別手段４との間にイオンファンネル７を備えている。また、矢印Ｂは基本的に金属クラスタイオンビームの流れる方向を概念的に示すものである。
【００２７】
本発明の金属ナノワイヤの製造方法においては、先ず、クラスタイオンビーム生成手段１において、エネルギー照射装置（図示なし）を用いて金属ターゲット材料（図示なし）にエネルギーを照射して金属ターゲット材料から金属イオンを生成させ、この金属イオンを凝集させてクラスタ化し、金属クラスタイオンからなる金属クラスタイオンビームＢを出射させる。
【００２８】
クラスタイオンビーム生成手段１は、エネルギー照射装置と、それを収容するクラスタイオン生成処理容器（図示なし）とを備える装置である。エネルギー照射装置としては、エネルギーを照射して金属ターゲット材料から金属イオンを生成させることが可能な装置を適宜利用することができ、例えば、イオンスパッタ装置、マグネトロンスパッタ装置、イオンビームスパッタ装置等の公知のスパッタ装置や、イオン蒸着等に用いることが可能なレーザー照射装置等を適宜利用することができる。
【００２９】
クラスタイオン生成処理容器としては特に制限はなく、その容器内において金属クラスタイオンを生成させることが可能な容器を適宜選択して用いることができる。また、クラスタイオン生成処理容器は壁面の温度を調整できるような構成としてもよく、例えば、壁面を冷却できるようにクラスタイオン生成処理容器に液体窒素シュラウドを設けてもよい。このような液体窒素シュラウドの構成は特に制限はなく、目的に応じて設計を適宜変更できる。なお、クラスタイオンビーム生成手段１においては、金属クラスタイオンを生成する際に、エネルギー照射装置によりエネルギーを照射して金属イオンを生成させるための金属ターゲット材料（図示なし）も配置されている。
【００３０】
金属ターゲット材料としては導電性を有する金属からなるものであれば特に制限はないが、導電性に優れているという観点から、貴金属（例えば、金、銀、ロジウム、白金）、卑金属（例えば、銅、マグネシウム、アルミニウム）、貴金属の合金（例えば、白金−ロジウム合金、白金−イリジウム合金）、貴金属と卑金属との合金（例えば、白金−ニッケル合金、白金−タングステン合金）が好ましく、貴金属が特に好ましい。これらの金属からなるターゲット材料は１種を単独で使用しても２種以上を併用してもよい。また、金属ターゲット材料の形状としては特に制限はなく、用いるエネルギー照射装置の種類等に応じて、その形状等を適宜変更することができる。このような金属ターゲット材料は、エネルギー照射装置によりエネルギーを照射して金属イオンが生成するように、クラスタイオン生成処理容器内に適宜配置すればよい。
【００３１】
また、クラスタイオンビーム生成手段１には、クラスタイオン生成処理容器内にガスを導入するためのガス導入管（図示なし）が接続されており、ガスボンベ等を用いてクラスタイオン生成処理容器内に気体（例えば、ヘリウムやアルゴン等の希ガス）を導入することが可能である。これにより、クラスタイオン生成処理容器内のガス雰囲気を適宜変更することができる。また、クラスタイオン生成処理容器は、スパッタの際の容器内の圧力を調整するという観点から、脱気装置等に適宜接続してもよい。
【００３２】
金属ターゲット材料にエネルギーを照射する方法としては特に制限はないが、効率よく金属イオンを生成させるという観点から、イオンスパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法、イオンビームスパッタリング法等の公知のスパッタリング法や、いわゆるレーザー蒸発法で利用される公知のレーザー照射方法を採用することが好ましい。
【００３３】
金属ターゲット材料へのエネルギー照射条件としては、金属ターゲット材料から金属イオンを放出させることが可能な条件であれば特に制限はなく、使用するエネルギー照射装置の種類に応じて適宜設定することができる。例えば、エネルギー照射装置としてマグネトロンスパッタ装置を用いる場合には、より効率よく金属イオンを放出させ、クラスタ化できるという観点から、金属ターゲット材料表面の磁場を０〜２０００ガウス（より好ましくは２００〜２０００ガウス）に設定し、放電気体としてヘリウムやアルゴン等の希ガス（不活性ガス）を用い、放電電力を１５〜１００Ｗ（より好ましくは２０〜４５Ｗ）、放電電流を１０〜４００ｍＡ（より好ましくは１００〜３００ｍＡ）に設定することが好ましい。
【００３４】
このような条件で金属ターゲット材料にエネルギーを照射すると、金属ターゲット材料から金属イオンが気相中に放出され、この金属イオンはエネルギー照射装置が収容されているクラスタイオン生成処理容器（図示なし）の出口に向かって飛行する。このとき、金属ターゲット材料から放出された金属イオンを凝集させる空間の雰囲気がヘリウムやアルゴン等の希ガス雰囲気であることが好ましい。金属ターゲット材料から放出された金属イオンは希ガスとの衝突により他の金属イオンに接触し、これらが凝集、成長して、種々の金属原子数を有する金属クラスタイオンが形成される。また、希ガス雰囲気では、金属イオンや金属クラスタイオンの内部エネルギーが効率よく奪われ、金属クラスタイオンの成長が促進される。
【００３５】
クラスタイオン生成処理容器内の温度としては特に制限はないが、金属クラスタイオンが効率よく生成されるという観点から、１０〜１５０Ｋ（ケルビン）が好ましい。また、クラスタイオン生成処理容器内の圧力としては特に制限はないが、１〜２０ｋＰａが好ましい。クラスタイオン生成処理容器内の圧力が前記下限未満になると、金属クラスタイオンが生成しにくくなる傾向にあり、他方、前記上限を超えると、生成した金属クラスタイオンがクラスタイオン生成処理容器から出射されにくくなる傾向にある。
【００３６】
このようにして生成した金属クラスタイオンの金属原子１個当たりの運動エネルギーは、阻止電場法により阻止電位を測定することによって求めることができる。このとき、求めた運動エネルギーが所定の許容運動エネルギーより大きい場合には、前記許容運動エネルギー分を差引いた電位を基板に印加することによって、金属クラスタイオンの金属原子１個当たりの運動エネルギーを所定の運動エネルギーに調整することができる。また、ヘリウムやアルゴン等の希ガスに接触させることによって運動エネルギー幅を調整することができる。具体的には、クラスタイオン生成処理容器内への希ガスの導入量を毎分３０〜５００ｍｌの範囲内で変化させることによって、金属クラスタイオンの運動エネルギー幅を減少させることができる。
【００３７】
本発明の金属ナノワイヤの製造方法においては、生成した金属クラスタイオンの金属原子１個当たりの運動エネルギーが１．５〜４ｅＶとなるように調整される。金属クラスタイオンの運動エネルギーが前記下限未満になると、基板上に堆積した金属クラスタが隣接する金属クラスタと接触せず、金属ナノワイヤを得ることができない。他方、金属クラスタイオンの運動エネルギーが前記上限を超えると、金属クラスタの分裂や基板の変形が発生する。また、金属クラスタイオンの運動エネルギーとしては、金属原子間の結合を保持するという観点から、金属原子１個当たり、１．５〜３．０ｅＶが好ましく、１．５〜２．３ｅＶがより好ましい。
【００３８】
このようにして運動エネルギーを調整した金属クラスタイオンからなる金属クラスタイオンビームＢはクラスタイオン生成処理容器（図示なし）の出口から出射され、イオンファンネル７に導入することが好ましい。イオンファンネル７としては特に制限はなく、例えば、大きさの異なる穴の開いた複数の電極を、金属クラスタイオンビームＢの進行方向に向かって前記穴の大きさが徐々に小さくなるように配置した構造を有する公知のイオンファンネルを適宜使用することができる。このようなイオンファンネル７に金属クラスタイオンビームＢを通過させることによって、金属クラスタイオンビームＢは細く集束され、効率よくクラスタイオン選別手段４に供給することが可能となる。
【００３９】
イオンファンネル７の電極に印加する直流電場の電圧や交流電場の電圧及び周波数としては、金属クラスタイオンビームＢを集束させることが可能な条件であれば特に制限はなく、使用するイオンファンネルの種類に応じて適宜設定することができる。例えば、直流電場の電圧としては１〜２０Ｖが好ましく、２〜１０Ｖがより好ましく、交流電場の電圧としては３〜１５Ｖが好ましく、５〜１０Ｖがより好ましく、交流電場の周波数としては１０〜３００ｋＨｚが好ましく、７０〜２００ｋＨｚがより好ましい。
【００４０】
このようにして集束した金属クラスタイオンビームＢはイオンガイド４１に流入してこれを通過し、マスフィルタ４２に導入される。イオンガイド４１を使用することによって、効率よくマスフィルタ４２に金属クラスタイオンを導入することができる。イオンガイド４１としては特に制限はなく、公知のイオンガイドを適宜利用することができ、例えば、多極構造のイオンガイド（多数のイオンガイドのロッド電極が金属クラスタイオンが通過する経路に平行に配置され、かつ、その経路の中心軸から距離が同一となるように等間隔に配置されたもの。例えば、四極子イオンガイド、六極子イオンガイド、八極子イオンガイド）を利用することが好ましい。
【００４１】
また、マスフィルタ４２に導入された種々の金属原子数を有する金属クラスタイオンは、マスフィルタ４２によって、その中から金属クラスタイオンのサイズに基づいて所定の単一の金属原子数を有する金属クラスタイオンが選別される。これにより、単一の金属原子数を有する金属クラスタイオンからなる金属クラスタイオンビームＢを基板に照射することが可能となり、線幅の均一性の高い金属ナノワイヤを形成することができる。
【００４２】
マスフィルタ４２としては金属クラスタイオンのサイズに基づいて所定の単一の金属原子数を有する金属クラスタイオンを選別できるものであれば特に制限はなく、例えば、多重極子質量分析器や磁場偏向型質量分析器、飛行時間型分析器等の公知の分析器を適宜用いることができる。このような分析器の中でも、金属クラスタイオンの強度の観点からは、多重極子質量分析器（例えば四重極子質量分析器）が好ましく、より高度な分解能が得られるという観点からは、磁場偏向型質量分析器が好ましい。また、金属クラスタイオンの選別方法としては特に制限はなく、例えば、マスフィルタ４２として多重極子質量分析器を用いる場合には、多重極子間の電場を制御することによって、所定の単一の金属原子数を有する金属クラスタイオンを質量選別することができる。
【００４３】
本発明の金属ナノワイヤの製造方法において、質量選別された金属クラスタイオンの単一の金属原子数としては４〜５５個が好ましく、５〜４０個がより好ましく、８〜３０個が更に好ましく、１０〜３０個が特に好ましく、１０〜２０個が最も好ましい。これにより、線幅の細い金属ナノワイヤを形成することができる。一方、金属クラスタイオンの金属原子数が前記下限未満になると、基板上に堆積した金属クラスタ同士の接触面積が小さく、また、金属クラスタ自体の金属性が低下し、電気抵抗が大きくなるため、導電性が低下し、電流が流れたときの発熱量が多くなる傾向にあり、他方、前記上限を超えると、金属クラスタ内の金属原子同士の接触面積が相対的に小さくなり、金属クラスタ間の電気抵抗が大きくなるため、導電性が低下し、電流が流れたときの発熱量が多くなる傾向にある。
【００４４】
このようにして質量選別された所定の単一の金属原子数を有する金属クラスタイオンからなる金属クラスタイオンビームＢはマスフィルタ４２から放出され、イオンガイド４３を通過してクラスタイオン偏向器５に導入される。イオンガイド４３を使用することによって、効率よくクラスタイオン偏向器５に金属クラスタイオンを導入することができる。イオンガイド４３としては特に制限はなく、公知のイオンガイドを適宜利用することができ、例えば、多極構造のイオンガイド（多数のイオンガイドのロッド電極が金属クラスタイオンが通過する経路に平行に配置され、かつ、その経路の中心軸から距離が同一となるように等間隔に配置されたもの。例えば、四極子イオンガイド、六極子イオンガイド、八極子イオンガイド）を利用することが好ましい。
【００４５】
また、クラスタイオン偏向器５においては、マスフィルタ４２によって質量選別された所定の単一の金属原子数を有する金属クラスタイオンのみを偏向（例えば、９０°偏向）させ、マスフィルタ４２によって質量選別できなかった中性金属クラスタ等の非選別物質を偏向せずに通過させる。これにより、中性金属クラスタ等の非選別物質を排除することができる。クラスタイオン偏向器５としては電場により金属クラスタイオンの進行方向を偏向させることが可能な公知のイオンディフレクタ（例えば、金属クラスタイオンの進行方向を９０°偏向させることが可能なイオンディフレクタ）等を適宜用いることができる。
【００４６】
このようにして進行方向を偏向された所定の単一の金属原子数を有する金属クラスタイオンからなる金属クラスタイオンビームＢは、静電レンズ６を通過して対向偏向電極２に導入され、その軌跡を電場により制御しながら、堆積処理容器３内の台座（図示なし）に載置されている基板Ｍに照射される。
【００４７】
静電レンズ６は３枚の電極により構成されており、端の２枚の電極はアース電位を保ち、中央の電極だけが高電圧電源（図示なし）に接続され、この電極の電圧を調節することによって、レンズ作用の大きさを変えることができるレンズである。静電レンズ６においては、金属クラスタイオンは加速も減速もされず、レンズ作用のみが与えられ、例えば、中央の電極の電圧を調節することによって、金属クラスタイオンビームＢの焦点を基板Ｍの表面に合わせることができる。このような静電レンズ６としてはアインツェルレンズ（Ｅｉｎｚｅｌ  Ｌｅｎｓ）等が挙げられる。
【００４８】
また、対向偏向電極２は、金属クラスタイオンビームＢの周囲に、金属クラスタイオンビームＢが通過する空隙を挟んで対向して配置されており、これに電源（図示なし）及び制御装置（図示なし）が接続され、電極対に与える電圧が供給される。このような対向偏向電極２に電圧を印加して電場を形成し、この電場を調節することによって、金属クラスタイオンビームＢを偏向させ、基板Ｍの表面に照射される金属クラスタイオンビームＢの軌跡を制御することができる。このような対向偏向電極２としては、例えば、平行平板型、四極子、八極子又はそれ以上の多極子等の静電偏向器が挙げられる。このような対向偏向電極の中でも、Ｘ軸方向に対向配置した一組の偏向電極とＹ軸方向に対向配置した一組の偏向電極とを有しており、その対向方向が互いに平行な対称形の対向偏向電極が好ましい。このような対向偏向電極を用いることによって、金属クラスタイオンビームＢを基板Ｍの表面のＸ−Ｙ方向に偏向させることができ、基板Ｍの表面の所望の位置に金属クラスタイオンビームＢを照射して金属クラスタイオンを堆積させ、所望の形状の金属ナノワイヤを基板Ｍの表面に（好ましくは、基板Ｍの表面に平行な方向で）形成することが可能となる。
【００４９】
さらに、このような対向偏向電極２としては、電界方向が基板Ｍに対して平行となるように第１の電場（電界）を発生する第１の対向偏向電極と、電界方向が前記第１の電場（電界）に直交かつ基板Ｍに対して平行となるように第２の電場（電界）を発生する第２の対向偏向電極とを備えており、基板Ｍの金属クラスタイオン照射領域内において前記２組の対をなす対向偏向電極から発生する電場（電界）により、基板Ｍの表面を金属クラスタイオンビームＢでラスタスキャンすることが可能な対向偏向電極が好ましい。これにより、基板Ｍの表面の所望の位置に金属クラスタイオンを堆積させ、所望の形状の金属ナノワイヤを基板Ｍの表面に（好ましくは、基板Ｍの表面に平行な方向で）形成することが可能となる。
【００５０】
なお、金属クラスタイオンビームＢの軌跡は、上述した電場による制御の代わりに又は電場による制御とともに、堆積処理容器３内の台座としてマイクロステージを用い、このマイクロステージを少しずつ移動させることによって制御してもよい。
【００５１】
また、堆積処理容器３は、基板Ｍを載置する台座（図示なし）を内蔵する容器であり、真空中で、マスフィルタ４２により質量選別された金属クラスタイオンを導入するための領域（空間）を有している容器であればよい。このような堆積処理容器３の材質やサイズ等は特に制限はなく、設計に応じて適宜変更できる。また、堆積処理容器３には、内部を真空状態とすることができるように、脱気装置（図示なし）が接続されている。このような脱気装置としては特に制限はなく、真空ポンプ等の公知の脱気装置を適宜利用することができる。
【００５２】
このような堆積処理容器３の内部の温度としては特に制限はなく、例えば、−２００〜−１００℃が好ましい。堆積処理容器内の温度が前記上限を超えると、クラスタ収率が急激に低下する傾向にある。
【００５３】
基板Ｍは、堆積処理容器３の台座（図示なし）に載置され、金属クラスタイオンビームＢの進行方向上に配置されている。このような基板Ｍとしては特に制限はなく、例えば、アルミニウム、銅等の導電性を有する金属からなる基板、表面にアルミニウム、銅等の導電性を有する金属薄膜を備える基板等、電子素子に用いられる基板が挙げられる。対向偏向電極２において偏向された金属クラスタイオンビームＢはそのまま堆積処理容器３に導入され、金属クラスタイオンが堆積処理容器３内に載置されている基板Ｍに衝突して基板Ｍの表面に堆積することによって、所望の形状の金属ナノワイヤが基板Ｍの表面に（好ましくは、基板Ｍの表面に平行な方向で）形成される。
【実施例】
【００５４】
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００５５】
（実施例１）
図１に示す金属クラスタイオンビーム照射装置を用いてアルミナ基板（ＮｉＡｌ合金上にアルミナ薄膜を備えるもの）上にＰｔ原子数が１５個のＰｔクラスタからなるＰｔナノワイヤを形成した。
【００５６】
クラスタイオンビーム生成手段１におけるエネルギー照射装置（図示なし）としては、マグネトロンスパッタ装置（Ａｎｇｓｔｒｏｍ社製「ＯＮＹＸ−１」）を使用し、クラスタイオン生成処理容器（図示なし）としては、直径５０ｃｍ、長さ８０ｃｍのステンレス製の筒状容器を使用した。このクラスタイオン生成処理容器においては、生成した金属クラスタイオンの放出口（金属クラスタイオンビーム出射口）が形成されている面から気体導入用のガス流入管（図示なし）が接続された面に向かって７０ｃｍの範囲で、その側面を液体窒素シュラウドにより７７Ｋに冷却した。また、クラスタイオン生成処理容器には、脱気装置（図示なし）を接続して内部の圧力を調整するとともに、アルゴンガスとヘリウムガスをガス流入管から流入させた。スパッタの金属ターゲット材料としては、直径２インチ、厚さ１／８インチの白金板（白金の含有量：９９．９９質量％）を使用した。イオンファンネル７としては、孔径０．４〜４ｃｍの中空状のステンレス板（外径：６ｃｍ）２７枚を積層した筒状容器（長さ：１５ｃｍ）を使用した。イオンガイド４１及び４３としては、四極子イオンガイド（Ｅｘｔｒｅｌ社製）を使用した。マスフィルタ４２としては、四重極子質量分析器（Ｅｘｔｒｅｌ社製）を使用した。クラスタイオン偏向器５としては、Ｅｘｔｒｅｌ社製の偏向器を使用し、マスフィルタ４２から放出された金属クラスタイオンを９０°偏向させた。静電レンズ６としては、アインツェルレンズ（Ｅｉｎｚｅｌ  Ｌｅｎｓ、Ｅｘｔｒｅｌ社製）を使用した。対向偏向電極２としては、特開２０１６−５１５２４号公報に記載された、一対のＸ軸方向電極（ＳＵＳ製）と一対のＹ軸方向電極（ＳＵＳ製）が２段で構成された対向偏向電極を使用した。堆積処理容器３としては、直径３５ｃｍ、長さ８０ｃｍのステンレス製の筒状容器を使用し、容器内を真空状態にできるように脱気装置と接続した。基板Ｍとしては、ＮｉＡｌ（１１０）基板（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ社製、縦１０ｍｍ×横６ｍｍ×厚さ２ｍｍ）の表面にアルミナ薄膜を形成したものを使用した。
【００５７】
クラスタイオンビーム生成手段１を下記条件で作動させてマグネトロンスパッタ法によりＰｔイオンを生成させ、生成したＰｔイオンをアルゴンとヘリウムとの混合ガスに接触させてＰｔクラスタイオンを生成させた。生成したＰｔクラスタイオンを更にアルゴンとヘリウムとの混合ガスに接触させ、阻止電場法により阻止電位を測定してＰｔクラスタイオンのＰｔ原子１個当たりの運動エネルギーを求めながら、必要に応じて基板Ｍに電位を印加して、ＰｔクラスタイオンのＰｔ原子１個当たりの運動エネルギーを２ｅＶに調整した。
【００５８】
［クラスタイオンビーム生成手段１］
エネルギー照射装置：マグネトロンスパッタ装置
金属ターゲット材料：直径２インチ、厚さ１／８インチの白金板（白金の濃度：９９．９９重量％以上）
ターゲット面の磁場：１３００ガウス
放電気体：アルゴン（毎分８０ｍｌの流量で導入）、ヘリウム（毎分２００ｍｌの流量で導入）
放電電力：２５Ｗ
放電電流：２００ｍＡ
クラスタイオン生成処理容器の金属クラスタイオン放出口における圧力：０．１Ｐａ
クラスタイオン生成処理容器の前記放出口が形成されている面の近傍の側面の温度：７７Ｋ（液体窒素温度）。
【００５９】
次に、Ｐｔ原子１個当たりの運動エネルギーを２ｅＶに調整したＰｔクラスタイオンからなるＰｔクラスタイオンビームをクラスタイオンビーム生成手段１から出射させ、イオンファンネル７（無作動）に導入して集束させた後、イオンガイド４１を介して下記条件で作動しているマスフィルタ４２に導入して質量選別を行い、Ｐｔ原子数が１５個のＰｔクラスタイオンからなるＰｔクラスタイオンビームＢをマスフィルタ４２から放出させた。
【００６０】
［マスフィルタ４２］
マスフィルタ：四重極子質量分析器（質量数１ａ．ｍ．ｕの差を認識できる装置）
選別質量：２９５５Ｄａ
分解能：ｍ／ｄｍ＝３００（質量数）。
【００６１】
次に、放出したＰｔクラスタイオンビームＢを、イオンガイド４３を介してクラスタイオン偏向器５に導入して９０°偏向させるとともに、中性Ｐｔクラスタ等の非選別物質を除去した。偏向したＰｔクラスタイオンビームＢを静電レンズ６及び対向偏向電極２を通過させ、静電レンズ６をＰｔクラスタイオンビームＢの焦点が基板Ｍの表面に合うように調整し、また、基板Ｍの表面におけるＰｔクラスタイオンビームＢの軌跡が直線状となるように対向偏向電極２のＸ軸方向電極とＹ軸方向電極に電圧を印加することによって、下記条件の堆積処理容器３内の台座に載置されている基板Ｍの表面をＰｔクラスタイオンビームＢでラスタスキャンし、基板Ｍの表面にＰｔ原子数が１５個のＰｔクラスタを直線状に堆積させた。
【００６２】
［堆積処理容器３］
基板：ＮｉＡｌ（１１０）基板の表面にアルミナ薄膜を形成したもの
容器内の圧力：１０−８Ｐａ
金属クラスタイオンのイオン電流の強度：２００ｐＡ
基板温度：室温
堆積処理時間：１２０分。
【００６３】
（比較例１）
クラスタイオンビーム生成手段１において、アルゴンの流量を毎分３０ｍｌ、ヘリウムの流量を毎分２５０ｍｌに変更し、必要に応じて基板Ｍに電位を印加して、ＰｔクラスタイオンのＰｔ原子１個当たりの運動エネルギーを１ｅＶに調整した以外は実施例１と同様にして、基板Ｍの表面をＰｔクラスタイオンビームＢでラスタスキャンして基板Ｍの表面にＰｔ原子数が１５個のＰｔクラスタを堆積させた。
【００６４】
（比較例２）
マスフィルタ４２によるＰｔクラスタイオンの質量選別を行わなかった以外は実施例１と同様にして、ＰｔクラスタイオンのＰｔ原子１個当たりの運動エネルギーを２ｅＶに調整し、基板Ｍの表面をＰｔクラスタイオンビームＢでラスタスキャンして基板Ｍの表面に様々なＰｔ原子数を有するＰｔクラスタを堆積させた。
【００６５】
＜顕微鏡観察＞
実施例１及び比較例１〜２で得られた、基板上のＰｔクラスタ堆積物を低温走査型トンネル顕微鏡（オミクロン株式会社製「ＬＴ−ＳＴＭ」）を用いて観察した。図２及び図３には、実施例１及び比較例１で得られたＰｔクラスタ堆積物の走査トンネル顕微鏡写真（ＳＴＭ像）を示す。
【００６６】
図２に示したように、実施例１で得られたＰｔクラスタ堆積物においては、Ｐｔクラスタが互いに接触しており、基板上にその表面に平行な方向でＰｔナノワイヤが形成されていることが確認された。また、比較例２で得られたＰｔクラスタ堆積物においても、Ｐｔクラスタが互いに接触しており、基板上にその表面に平行な方向でＰｔナノワイヤが形成されていた（図面なし）。一方、図３に示したように、比較例１で得られたＰｔクラスタ堆積物においては、Ｐｔクラスタは互いに接触しておらず、Ｐｔナノワイヤは形成されていなかった。これらの結果から、原子１個当たりの運動エネルギーが所定の範囲にある金属クラスタイオンからなる金属クラスタイオンビームを基板表面に照射することによって、金属クラスタが接触した金属ナノワイヤが基板上にその表面に平行な方向で形成されることが確認された。
【００６７】
＜平均直径及び直径分布の標準偏差＞
実施例１及び比較例２で得られたＰｔクラスタ堆積物の各ＳＴＭ像において、無作為に抽出した３０本のＰｔナノワイヤの直径を測定し、これらを算術平均して平均直径を求めた。また、前記３０本のＰｔナノワイヤについての数基準の直径分布を正規分布に近似して標準偏差σを求めた。これらの結果を表１に示す。
【００６８】
【表１】
2019178376.tif 000002
【００６９】
表１に示したように、実施例１で得られたＰｔナノワイヤは、標準偏差σの２倍の値２σが平均直径の３３％であり、線幅の均一性が高いものであることが確認された。一方、比較例２で得られたＰｔナノワイヤ標準偏差σの２倍の値２σが平均直径の８３％であり、線幅の均一性が低いものであることがわかった。これらの結果から、単一の金属原子数の金属クラスタイオンからなる金属クラスタイオンビームを照射することによって、線幅の均一性が高い金属ナノワイヤが形成されることが確認された。
【００７０】
＜導電性及び発熱量＞
温度可変走査型トンネル顕微鏡（オミクロン株式会社製「ＶＴ−ＳＴＭ」）を用いて、実施例１及び比較例２で得られたＰｔナノワイヤの導電率及び０．１μＡの電流を流した場合の発熱量を測定した。その結果、実施例１で得られたＰｔナノワイヤの導電率は、比較例２で得られたＰｔナノワイヤの約２．３倍であった。また、実施例１で得られたＰｔナノワイヤの発熱量は比較例２で得られたＰｔナノワイヤの約４５％であった。これらの結果から、線幅の均一性が高い金属ナノワイヤは、線幅の均一性が低い金属ナノワイヤに比べて、導電率が大きく、発熱量が少ないことがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
以上説明したように、本発明によれば、線幅が細く、その均一性が高い金属ナノワイヤを精製することなく得ることができ、さらに、このような金属ナノワイヤを基板上の所望の位置に容易に配置することができる。したがって、本発明の金属ナノワイヤは、導電性に優れており、電流が流れたときの発熱量が小さいため、太陽電池、リチウム電池、トランジスタ、メモリ素子、光センサー、バイオセンサー、発光ダイオード、導波管、発光素子、キャパシタ等の電子素子に用いられる金属電極材料等として有用である。
【符号の説明】
【００７２】
１：クラスタイオンビーム生成手段
２：対向偏向電極
３：堆積処理容器
４：クラスタイオン選別手段
４１：イオンガイド
４２：マスフィルタ
４３：イオンガイド
５：クラスタイオン偏向器
６：静電レンズ
７：イオンファンネル
Ｂ：金属クラスタイオンビーム
Ｍ：基板
【図１】
2019178376.tif 000003
【図２】
2019178376.tif 000004
【図３】
2019178376.tif 000005