(57)【要約】【課題】金属ナノ粒子を物体表面に物理的に密着させ、かつ配列している金属ナノ粒子を所望の領域に形成することができ、さらに形成される金属ナノ粒子の平均直径および単位面積あたりの個数を所望の範囲に制御することができる電子線ナノ粒子化装置を提供する。【解決手段】電子ビーム２０を発生して走査する電子線集束偏向部１と、物体１０を保持して移動可能なステージ９と、ステージ９を収容する加工室２とを備え、電子線集束偏向部１により、物体１０表面に形成された金属薄膜１１の所望の位置に電子ビーム２０を照射し、金属薄膜１１から物体１０表面に密着した金属ナノ粒子２８を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームを発生して走査する電子線集束偏向部と、物体を保持して移動可能なステージと、該ステージを収容する加工室とを備え、
前記電子線集束偏向部により、物体表面に形成された金属薄膜の所望の位置に電子ビームを照射し、前記金属薄膜から前記物体表面に密着した金属ナノ粒子を形成することを特徴とする電子線ナノ粒子化装置。
【請求項２】
前記電子線集束偏向部を制御することにより、前記金属薄膜への電子ビームの照射位置と照射時間を制御し、金属ナノ粒子を形成する位置を制御することを特徴とする請求項１記載の電子線ナノ粒子化装置。
【請求項３】
電子ビームの焦点と金属ナノ粒子形成場所の三次元的位置合わせを電子ビームの照射位置と焦点を調節することにより行い、二次元及び／又は三次元構造の物体表面に金属ナノ粒子を形成することを特徴とする請求項１記載の電子線ナノ粒子化装置。
【請求項４】
電子ビームの焦点と金属ナノ粒子形成場所の三次元的位置合わせを前記ステージの位置と高さを調節することにより行い、二次元及び／又は三次元構造の物体表面に金属ナノ粒子を形成することを特徴とする請求項１記載の電子線ナノ粒子化装置。
【請求項５】
電子ビームの焦点合わせをＣＡＤ情報をもとに自動的に行い、二次元及び／又は三次元構造の物体表面に金属ナノ粒子を形成することを特徴とする請求項１記載の電子線ナノ粒子化装置。
【請求項６】
電子ビームの走査と前記ステージの移動を組み合わせることにより、二次元及び／又は三次元構造の物体表面の局所領域から広領域に渡り金属ナノ粒子を形成することを特徴とする請求項１記載の電子線ナノ粒子化装置。
【請求項７】
前記電子線集束偏向部の下部または前記ステージの上方に熱遮蔽機構または冷却機構を設けたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電子線ナノ粒子化装置。
【請求項８】
赤外線源、高輝度光源あるいは粒子線源などの加熱手段で被加工個所を補助加熱する補助加熱源を備えたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電子線ナノ粒子化装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の電子線ナノ粒子化装置を用い、膜の厚さを制御した金属薄膜の形成と電子ビームの照射を交互に繰り返すことにより、所望の平均直径および単位面積あたりの個数の金属ナノ粒子を形成することを特徴とする金属ナノ粒子の形成方法。
【請求項１０】
異なる厚さの金属薄膜を使うことにより、異なる平均直径の金属ナノ粒子を同一領域に形成することを特徴とする請求項９記載の金属ナノ粒子の形成方法。
【請求項１１】
孔または突起または線状構造を形成した物体表面に金属薄膜を形成し、請求項１及至８のいずれか１項に記載の電子線ナノ粒子化装置を用い、前記金属薄膜の表面に電子ビームを照射し、前記物体表面に配列された孔または突起または線状構造に対応する配置をなすように金属ナノ粒子を形成することを特徴とする金属ナノ粒子の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子線ナノ粒子化装置に係り、特に基板等の物体の表面に形成された金属薄膜に電子ビーム（電子線）を照射することにより、物体表面に密着した金属ナノ粒子を形成する電子線ナノ粒子化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、金属ナノ粒子はその特異的な性質から注目を集め、医薬品、化粧品、触媒、高密度磁気記録媒体、表面装飾、センサーなどへの応用が広がっている。この金属ナノ粒子を使って高密度記録媒体、表面装飾、センサーなどを作製するためには、基板上にこれらを配置させ密着させる必要がある。
【０００３】
一つの例として、基板上の金属膜にレーザーを照射することにより金属ナノ粒子を形成する方法がいくつか報告されている。しかしながら、この方法によって基板に物理的に密着した金属ナノ粒子を形成することができるが、局所領域から広領域に渡り所望の直径および単位面積あたりの個数の金属ナノ粒子を任意に形成することに成功したという事例の報告は無い。
今後、金属ナノ粒子を使った機能表面の研究および応用技術が発展していくためには、固体表面に密着した金属ナノ粒子を局所領域から広領域に渡り容易に形成でき、また直径だけでなく、単位面積あたりの個数の制御が容易にできる技術が必要になってくることが予想されるが、現在そのような技術は確立されていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、金属ナノ粒子を物体表面に物理的に密着させ、かつ配列している金属ナノ粒子を所望の領域に形成することができ、さらに形成される金属ナノ粒子の平均直径および単位面積あたりの個数を所望の範囲に制御することができる電子線ナノ粒子化装置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】
【０００５】
上述の目的を達成するためには、本発明は、電子ビームを発生して走査する電子線集束偏向部と、物体を保持して移動可能なステージと、該ステージを収容する加工室とを備え、前記電子線集束偏向部により、物体表面に形成された金属薄膜の所望の位置に電子ビームを照射し、前記金属薄膜から前記物体表面に密着した金属ナノ粒子を形成することを特徴とするものである。
本発明の１態様によれば、前記電子線集束偏向部を制御することにより、前記金属薄膜への電子ビームの照射位置と照射時間を制御し、金属ナノ粒子を形成する位置を制御することを特徴とする。
【０００６】
本発明の１態様によれば、電子ビームの焦点と金属ナノ粒子形成場所の三次元的位置合わせを電子ビームの照射位置と焦点を調節することにより行い、二次元及び／又は三次元構造の物体表面に金属ナノ粒子を形成することを特徴とする。
本発明の１態様によれば、電子ビームの焦点と金属ナノ粒子形成場所の三次元的位置合わせを前記ステージの位置と高さを調節することにより行い、二次元及び／又は三次元構造の物体表面に金属ナノ粒子を形成することを特徴とする。
本発明の１態様によれば、電子ビームの焦点合わせをＣＡＤ情報をもとに自動的に行い、二次元及び／又は三次元構造の物体表面に金属ナノ粒子を形成することを特徴とする。
【０００７】
本発明の１態様によれば、電子ビームの走査と前記ステージの移動を組み合わせることにより、二次元及び／又は三次元構造の物体表面の局所領域から広領域に渡り金属ナノ粒子を形成することを特徴とする。
本発明の１態様によれば、前記電子線集束偏向部の下部または前記ステージの上方に熱遮蔽機構または冷却機構を設けたことを特徴とする。
本発明の１態様によれば、赤外線源、高輝度光源あるいは粒子線源などの加熱手段で被加工個所を補助加熱する補助加熱源を備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明の金属ナノ粒子の形成方法によれば、上記電子線ナノ粒子化装置を用い、膜の厚さを制御した金属薄膜の形成と電子ビームの照射を交互に繰り返すことにより、所望の平均直径および単位面積あたりの個数の金属ナノ粒子を形成することを特徴とするものである。
本発明の１態様によれば、異なる厚さの金属薄膜を使うことにより、異なる平均直径の金属ナノ粒子を同一領域に形成することを特徴とする。
【０００９】
本発明の金属ナノ粒子の形成方法によれば、孔または突起または線状構造を形成した物体表面に金属薄膜を形成し、上記電子線ナノ粒子化装置を用い、前記金属薄膜の表面に電子ビームを照射し、前記物体表面に配列された孔または突起または線状構造に対応する配置をなすように金属ナノ粒子を形成することを特徴とするものである。
【００１０】
本発明によれば、金属ナノ粒子は、物体表面に形成された金属薄膜に電子ビームを照射することにより形成される。電子ビームの照射領域では、電子の運動エネルギーが熱に変換され金属膜が加熱される。金属膜の温度が融点以上になると、膜を形成している金属粒子が流動し、凝集して金属ナノ粒子が形成される。金属ナノ粒子の底面は、球の一部が平面で切り取られた形状をしており、その断面が物体表面と面で接触しているため、ファンデルワールス力による強い密着力が発生する。そのため、ブローワーで強く吹いても金属ナノ粒子が動くことはない。一般に知られている完全に球状をした金属ナノ粒子を物体表面に配置させた場合には、金属ナノ粒子と物体表面が点で接触するため、ファンデルワールス力による密着力が極端に弱くなり、金属ナノ粒子の位置を保持することが難しくなる。
【００１１】
金属ナノ粒子の平均直径は膜厚に依存するため、膜厚を制御することにより平均直径を制御することができる。また、一度金属ナノ粒子を形成した面にスパッタリングあるいは蒸着などの手法で薄膜を形成すると、金属ナノ粒子の影になる部分は薄膜が形成されず金属ナノ粒子と薄膜とは絶縁された状態となる。このような状態で、電子ビームを照射して金属ナノ粒子を形成すると、既存のナノ粒子と合体することなく独立した金属ナノ粒子が形成される。ここで１回目の成膜による膜の厚さと粒子の平均直径をｔ１、ｄ１、２回目の膜の厚さと粒子の平均直径をｔ２、ｄ２とするとｔ１≒ｔ２の場合、ｄ１≒ｄ２となり、ほぼ同じ平均直径の金属ナノ粒子が形成され、単位面積あたりの個数が増加する。この工程を繰り返すことにより単位面積あたりの個数の制御を行なうことができる。ｔ１＞ｔ２の場合、ｄ１＞ｄ２となり、同一領域に異なる平均直径の金属ナノ粒子が混在した状態を形成することができる。
【００１２】
電子ビームの照射位置と照射時間を制御することにより、配列された金属ナノ粒子を形成することができる。たとえば、シリコン（Ｓｉ）上に二酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜を形成した物体表面に金（Ａｕ）を成膜して電子ビームを照射した場合、温度の高い領域の金が低い領域に流れていくため、粒子を形成したい箇所の温度を周辺より低くすることにより、任意の位置での金の凝集および金属ナノ粒子の形成を引き起こすことができる。電子ビームの照射位置は数ナノメートル（ｎｍ）以下での位置制御が可能であり、照射時間はマイクロ秒（μｓｅｃ）単位で制御できるため、これらを制御することにより、周期的な温度分布を作り出し、それにより配列された金属ナノ粒子の形成が実現できる。
【００１３】
電子ビームの照射位置の制御は、三次元情報に基づき行なう。電子ビームに垂直な平面での位置は、ステージの移動と、電子ビームの偏向により制御する。電子ビームに垂直な方向での位置は電子ビームの焦点位置の調整、またはステージの移動により行い、電子ビームの焦点が常に被加工箇所の表面位置にくるように制御する。
【００１４】
電子ビームの照射領域の制御は、電子ビームの走査とステージの移動を組み合わせることにより行なう。電子ビームは数ｍｍ以下の領域で走査できるため、数μｍから数ｍｍの領域での選択的な照射は電子ビームの走査を使って行い、数ｍｍ以上の広い領域での照射はこれにステージ移動を組み合わせて行なう。
【００１５】
１μｍ以下の微小な領域に選択的に金属ナノ粒子を形成する場合、電子ビームを細くしぼる必要があるが、電子ビームを細く絞ると一般的に電子ビームの電流が減りパワーが減少するため、金属薄膜を融点以上に加熱できない場合がある。
本発明では補助加熱源で金属薄膜の温度をその融点より数百度低い温度まで加熱することにより、細く絞った小さいパワーの電子ビームの照射で、微小部分を融点まで加熱し、１μｍ以下の領域での選択的な金属ナノ粒子の形成を実現できる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、固体表面に密着し、かつ配列している金属ナノ粒子の形成が局所領域および広領域で容易に行なうことができる。したがって、本発明は、新しい金属ナノ粒子の応用技術の発展に寄与することとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。図１は本発明に係る電子線ナノ粒子化装置の全体構成を示すブロック図である。図１に示すように、電子線ナノ粒子化装置は、電子線集束偏向部１と、電子線集束偏向部１の下方に配置された加工室２とを備えている。電子線集束偏向部１は、集束偏向部３内に収容された電子銃４、ブランキング５、コンデンサレンズ６、対物レンズ７、電子線偏向器８等から構成されている。集束偏向部３および加工室２内は、加工室２の下方に配置され真空ポンプを備えた真空排気系（図示せず）により排気され、所定の真空度に保たれている。
【００１８】
加工室２内には被加工物であるワーク１０を保持するステージ９が設置されている。被加工物である物体からなるワーク１０の表面には金属薄膜１１が形成されている。ステージ９はステージ駆動モータ２２に連結されており、ステージ９は、直交する二軸（Ｘ，Ｙ軸）の方向に移動可能で水平面上の所望の位置に位置決め可能であるとともにＺ軸の方向（高さ方向）に移動可能で垂直方向の所望の位置に位置決め可能な構造になっている。
【００１９】
また、加工室２内には二次電子検出器２３が配設されており、二次電子検出器２３により被加工物に電子ビームを照射した際に被加工物から放出される二次電子を検出するようになっている。
なお、二次電子検出器に代えて、被加工物から放出された一次電子である反射電子を検出する反射電子検出器を用いてもよい。
【００２０】
前記電子銃４は電子銃制御ユニット１２に接続され、コンデンサレンズ６および対物レンズ７はレンズ制御ユニット１３に接続されている。ブランキング５はブランキング制御ユニット１４に接続されている。偏向器８は偏向器制御ユニット１５に接続されている。電子銃制御ユニット１２、レンズ制御ユニット１３、ブランキング制御ユニット１４および偏向器制御ユニット１５はコンピューター１６に接続されている。ステージ駆動モータ２２はモータドライバー２４に接続されており、モータドライバー２４はコンピューター１６に接続されている。二次電子検出器２３は信号増幅器２５を介してコンピューター１６に接続されている。コンピューター１６には、ＣＡＤデータ１７および表示器１８が接続されている。
【００２１】
また、加工室２内には、赤外線源、高輝度光源あるいは粒子線源などの加熱手段を有した補助加熱源２６が配置されており、補助加熱源２６によりワーク１０、金属薄膜１１を加熱することができるようになっている。加熱されたワーク１０、金属薄膜１１からの輻射熱が電子線集束偏向部１に伝わり電子光学系の安定性を損なう恐れがあるため、電子線集束偏向部１の下部または最底部、又はステージ９の上方には熱遮蔽機構２７が設けられている。なお、熱遮蔽機構２７に代えて、電子線集束偏向部１の下部または最底部を冷却する冷却機構を設けてもよい。
【００２２】
上述の構成において、電子銃４から出射された電子ビーム（電子線）は、コンデンサレンズ６および対物レンズ７により細く絞られた後に偏向器８を通してステージ９上に載置されたワーク１０の表面に形成された金属薄膜１１に焦点を結ぶ。
【００２３】
ブランキング制御ユニット１４は電子ビームの照射時間を制御し、偏向器制御ユニット１５は電子ビームを走査する振幅を制御する。電子銃制御ユニット１２により電子ビームの強度を下げ、偏向器制御ユニット１５により電子ビームを走査する振幅を制御して広い領域を走査することで、金属ナノ粒子を形成させる領域周囲の拡大像を二次電子検出器２３で検出した信号を使って表示器１８に表示し、その拡大像を元に電子ビームを照射する領域の位置合わせをステージ９を移動させることにより行う。電子ビームの照射位置が確定した後、電子銃制御ユニット１２により電子ビームの強度を上げ、ブランキング制御ユニット１４および偏向器制御ユニット１５により電子ビームの走査と照射時間を制御し、モータドライバー２４によりステージ９の移動を制御することで金属薄膜１１の任意の領域に電子ビームを照射し、金属ナノ粒子を形成していく。微小な領域での金属ナノ粒子の形成は、細く絞った電子ビームを照射することにより行なう。電子ビームを細く絞ると電流が減り、加熱温度が下がるため、必要があれば補助加熱源２６を動作させて補助加熱を行なう。
【００２４】
金属薄膜１１の二次元及び／又は三次元情報はＣＡＤデータ１７からコンピューター１６に送られ、コンピューター１６は、ＣＡＤデータ１７に基づいて、電子銃制御ユニット１２、レンズ制御ユニット１３、ブランキング制御ユニット１４、偏向器制御ユニット１５、モータードライバー２４を介して、電子ビームおよびステージ９を制御して電子ビームが常に物体からなるワーク１０の表面に形成された金属薄膜１１に焦点を結ぶようにする。金属薄膜１１の微小部分に照射する電子ビームのエネルギーを制御して、次々と隣接する場所を電子ビームで照射するとともに、ワーク１０の表面形状が異なっている場合は、照射される電子ビームのエネルギーを調整して、常に所定の加熱をするようにＣＡＤデータ１７に基づいて制御する。上記操作を繰返し行うことにより、細く絞った電子ビームの照射で、微小部分を融点まで加熱し、所定の領域での選択的な金属ナノ粒子の形成を実現できる。
【００２５】
図２は、本発明の電子線ナノ粒子化装置による金属ナノ粒子形成方法を示す概念図である。図２に示すように、ワーク１０の表面に形成された金属薄膜１１への周期的な走査Ｓとステージ９の移動Ｍを組み合わせ、所望の領域に配列された金属ナノ粒子を形成する。
【００２６】
図３は、金属ナノ粒子の単位面積あたりの個数の制御方法を示す概念図である。図３（ａ）に示すように、ワーク１０の表面に形成された金属薄膜１１に電子ビーム２０を照射すると、金属薄膜１１の微小部分が融点まで加熱され、図３（ｂ）に示すように、金属が粒子化して金属ナノ粒子２８となる。次に、図３（ｃ）に示すように、図３（ａ）に示す金属薄膜とほぼ同じ厚さの金属薄膜１１を再度成膜して電子ビーム２０を照射すると、図３（ｂ）で示す工程で形成された金属ナノ粒子と平均直径が等しい金属ナノ粒子が形成され、図３（ｄ）に示すように、金属ナノ粒子２８の単位面積あたりの個数が増加する。この工程を繰り返すことにより金属ナノ粒子の単位面積あたりの個数を制御することができる。また、金属ナノ粒子の平均直径は、金属薄膜１１の厚さにより制御できるため、所望の平均直径および単位面積あたりの個数の金属ナノ粒子を形成することが可能となる。
【００２７】
図４は、異なる平均直径の金属ナノ粒子を同一領域に形成する方法を示す概念図である。図４（ａ）に示すように、ワーク１０の表面に形成された金属薄膜１１に電子ビーム２０を照射すると、金属薄膜１１の微小部分が融点まで加熱され、図４（ｂ）に示すように、金属が粒子化して金属ナノ粒子２８となる。次に、図４（ｃ）に示すように、図４（ａ）に示す金属薄膜より薄い金属薄膜１１を成膜して電子ビーム２０を照射すると、図４（ｄ）に示すように、図４（ｂ）に示す金属ナノ粒子２８より平均直径が小さい金属ナノ粒子２８ｓが形成されて、同一領域に異なる平均直径の金属ナノ粒子が形成される。
図５は、図４に示す方法によって同一領域に異なる平均直径の金属ナノ粒子を形成した実例を示す図である。図５に示す写真には、比較的大きい平均直径の金属ナノ粒子と比較的小さい平均直径の金属ナノ粒子とが形成された状態が示されている。
【００２８】
図６は、規則的に配列された金属ナノ粒子を形成する方法を示す概念図である。図６（ａ）、図６（ｂ）および図６（ｃ）の各図において、上の図はワーク１０の概略断面図であり、下の図はワーク１０の概略平面図である。図６（ａ）乃至図６（ｃ）に示すように、ワーク１０には、縦横に所定ピッチで規則的に配列された孔２９が形成されている。図６（ａ）に示すように、孔２９が規則的に形成されたワーク１０の表面に金属薄膜１１を形成し、金属薄膜１１に電子ビーム２０を照射すると、金属薄膜１１が加熱される。金属薄膜１１の温度が融点以上になると、膜を形成している金属粒子は流動および凝集して表面積を減らすことにより安定化しようとする。孔２９の部分は、金属薄膜が不連続なため、特に不安定で、この孔２９の部分から膜の流動が優先的に起こる。
【００２９】
孔２９の付近の金属薄膜１１には、図６（ｂ）に示すように、表面張力により孔２９から遠ざかる方向に駆動力が働く。その結果、最終的には、図６（ｃ）に示すように、孔２９から最も遠い点、すなわち、４つの孔２９で囲まれた領域に、膜を形成している金属粒子が凝集して金属ナノ粒子２８が形成される。
【００３０】
図６においては、ワーク１０の表面に孔２９を規則的に形成し、金属薄膜１１を形成する例を説明したが、ワーク１０の表面に突起を規則的に形成しても、図６に示す例と同様に、４つの突起で囲まれた領域に金属ナノ粒子を形成できる。さらに、孔又は突起に代えて、線状の溝又は線状の突起等の線状構造をワーク１０の表面に形成した場合も、線状構造に対応し配列された金属ナノ粒子を形成できる。
【００３１】
図７は、図６に示す方法により、規則的に配列された金属ナノ粒子を形成した実例を示す図である。図７に示す写真には、金属ナノ粒子が孔のピッチに対応して規則的に形成された状態が示されている。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る電子線ナノ粒子化装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の電子線ナノ粒子化装置による金属ナノ粒子形成方法を示す概念図である。
【図３】金属ナノ粒子の単位面積あたりの個数の制御方法を示す概念図である。
【図４】異なる平均直径の金属ナノ粒子を同一領域に形成する方法を示す概念図である。
【図５】図４に示す方法によって同一領域に異なる平均直径の金属ナノ粒子を形成した実例を示す図である。
【図６】孔が規則的に形成された物体表面に、規則的に配列された金属ナノ粒子を形成する方法を示す概念図である。
【図７】図６に示す方法によって規則的に配列された金属ナノ粒子を形成した実例を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１    電子線集束偏向部
２    加工室
３    集束偏向部
４    電子銃
５    ブランキング
６    コンデンサレンズ
７    対物レンズ
８    電子線偏向器
９    ステージ
１０  ワーク
１１  金属薄膜
１２  電子銃制御ユニット
１３  レンズ制御ユニット
１４  ブランキング制御ユニット
１５  偏向器制御ユニット
１６  コンピューター
１７  ＣＡＤデータ
１８  表示器
２０  電子ビーム
２２  ステージ駆動モータ
２３  二次電子検出器
２４  モータドライバー
２５  信号増幅器
２６  補助加熱源
２７  熱遮蔽機構
２８，２８ｓ  金属ナノ粒子
２９  孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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