(57)【要約】【課題】内包対象原子のイオンとフラーレンイオンからなるプラズマを基板に照射して内包フラーレンを形成する方式の内包フラーレン製造方法では、内包対象原子がフラーレンイオンに比べ軽く、高速で運動するため、堆積基板にバイアス電圧を印加して内包対象原子を減速、フラーレンイオンを加速して、内包対象原子とフラーレン分子の相互作用を大きくすることにより内包フラーレンの生成を行っているが、バイアス電圧が堆積基板のごく近傍にしか作用しないため内包フラーレンの生成効率が低いという問題があった。【解決手段】堆積基板の前面、プラズマ流側にグリッド電極を配置し、内包対象原子イオンの極性に応じて、グリッド電極にプラズマの電位に対し正または負のバイアス電圧を印加することにした。プラズマを構成するイオンの速度を制御できる領域を拡大することができ、内包フラーレンの生成効率が向上する。【選択図】              図２
2005206408.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内において、内包対象原子のプラズマ発生部で発生したプラズマ流に、フラーレン導入部からフラーレンを導入し、該プラズマ流の下流に配置した堆積基板に内包フラーレンを堆積させる内包フラーレンの製造装置において、前記堆積基板のプラズマ流側にバイアス電圧を印加可能なグリッド電極を配置したことを特徴とする内包フラーレンの製造装置。
【請求項２】
前記グリッド電極が前記堆積基板に絶縁部材を介して固定されていることを特徴とする請求項１記載の内包フラーレンの製造装置。
【請求項３】
前記グリッド電極が前記真空容器に絶縁部材を介して固定されていることを特徴とする請求項１記載の内包フラーレンの製造装置。
【請求項４】
前記フラーレンがCn(n=60〜84)であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の内包フラーレンの製造装置。
【請求項５】
前記内包対象原子がアルカリ金属であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の内包フラーレンの製造装置。
【請求項６】
前記内包対象原子がハロゲン元素であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の内包フラーレンの製造装置。
【請求項７】
前記内包対象原子が窒素であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の内包フラーレンの製造装置。
【請求項８】
前記グリッド電極が複数の導電線からなり、前記導電線が格子状に配置されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の内包フラーレンの製造装置。
【請求項９】
前記グリッド電極が複数の導電線からなり、前記導電線がストライプ状に配置されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の内包フラーレンの製造装置。
【請求項１０】
前記グリッド電極が複数の導電線からなり、前記導電線が同心円状に配置されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の内包フラーレンの製造装置。
【請求項１１】
前記グリッド電極と前記堆積基板との間隔が１ｍｍ以上、５０ｍｍ以下の間隔であることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１項記載の内包フラーレンの製造装置。
【請求項１２】
前記導電線と隣接する前記導電線との間隔が０．１ｍｍ以上、２０ｍｍ以下の間隔であることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１項記載の内包フラーレンの製造装置。
【請求項１３】
前記導電線の直径が５μｍ以上、３ｍｍ以下の直径であることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１項記載の内包フラーレンの製造装置。
【請求項１４】
前記導電線の材料が、非磁性のステンレス、または、モリブデンであることを特徴とする請求項８乃至１３のいずれか１項記載の内包フラーレンの製造装置。
【請求項１５】
前記グリッド電極が１つ、又は、複数の開口部を有する導電板からなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の内包フラーレンの製造装置。
【請求項１６】
前記グリッド電極と前記堆積基板との間隔が１ｍｍ以上、５０ｍｍ以下の間隔であることを特徴とする請求項１５記載の内包フラーレンの製造装置。
【請求項１７】
前記開口部の大きさが０．１ｍｍ以上、２０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１５記載の内包フラーレンの製造装置。
【請求項１８】
前記導電板における前記開口部の総面積と前記導電板の断面積の比が50%以上であることを特徴とする請求項１５記載の内包フラーレンの製造装置。
【請求項１９】
前記導電板の材料が、非磁性のステンレス、または、モリブデンであることを特徴とする請求項１５乃至１８記載の内包フラーレンの製造装置。
【請求項２０】
前記プラズマ流におけるイオン密度、または、電子密度を検出する手段を有することを特徴とする請求項１乃至１９記載の内包フラーレン製造装置。
【請求項２１】
前記プラズマ流におけるイオンエネルギー、または、電子エネルギーを検出する手段を有することを特徴とする請求項１乃至１９記載の内包フラーレン製造装置。
【請求項２２】
真空容器内において、内包対象原子のプラズマ発生部で発生したプラズマ流に、フラーレン導入部からフラーレンを導入し、該プラズマ流の下流に配置した堆積基板に内包フラーレンを堆積させる内包フラーレンの製造方法において、前記堆積基板のプラズマ流側にグリッド電極を配置し、前記グリッド電極にバイアス電圧を印加して内包フラーレンを前記堆積基板上に堆積させることを特徴とする内包フラーレンの製造方法。
【請求項２３】
前記フラーレンがCn(n=60〜84)であることを特徴とする請求項２２項記載の内包フラーレンの製造方法。
【請求項２４】
前記内包対象原子がアルカリ金属であることを特徴とする請求項２２又は２３のいずれか１項記載の内包フラーレンの製造方法。
【請求項２５】
前記内包対象原子がハロゲン元素であることを特徴とする請求項２２又は２３のいずれか１項記載の内包フラーレンの製造方法。
【請求項２６】
前記内包対象原子が窒素であることを特徴とする請求項２２又は２３のいずれか１項記載の内包フラーレンの製造方法。
【請求項２７】
前記グリッド電極に印加するバイアス電圧がプラズマ電位に対し+0V以上、+1V以下の電圧であることを特徴とする請求項２４、または、２６のいずれか１項記載の内包フラーレンの製造方法。
【請求項２８】
前記グリッド電極に印加するバイアス電圧がプラズマ電位に対し-1V以上、-0V以下であることを特徴とする請求項２５記載の内包フラーレンの製造方法。
【請求項２９】
前記プラズマ流におけるイオン密度、または、電子密度を検出し、前記イオン密度、または、前記電子密度の検出値に基づいて、前記グリッド電極に印加するバイアス電圧を手動、あるいは、自動で制御することを特徴とする請求項２２乃至２８のいずれか１項記載の内包フラーレンの製造方法。
【請求項３０】
前記プラズマ流におけるイオンエネルギー、または、電子エネルギーを検出し、前記イオンエネルギー、または、前記電子エネルギーの検出値に基づいて、前記グリッド電極に印加するバイアス電圧を手動、あるいは、自動で制御することを特徴とする請求項２２乃至２８のいずれか１項記載の内包フラーレンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空容器内において、内包対象原子のプラズマ流に、フラーレンを導入し、プラズマ流の下流に配置した堆積基板に内包フラーレンを堆積させる内包フラーレンの製造装置、及び、製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
【非特許文献１】プラズマ・核融合学会誌  第７５巻第８号  1999年8月                p.９２７〜９３３「フラーレンプラズマの性質と応用」  （接触電離プラズマ方式の内包フラーレン製造装置）
【０００３】
内包フラーレンは、フラーレンとして知られるC60 、C70 、C76、C78、C82、C84などの球状炭素分子に、例えば、アルカリ金属などの内包対象原子を内包した、エレクトロニクス、医療などへの応用が期待される材料である。内包フラーレンの製造方法としては、真空室中で加熱したホットプレートに対し金属蒸気を噴射してプラズマを発生させ、さらに、発生した金属プラズマ流にフラーレン蒸気を噴射し、プラズマ流の下流に配置した堆積基板に内包フラーレンを堆積させる方法が知られている。従来の内包フラーレンの製造装置は、図１に示すように、メインチャンバー１と、内包対象原子のプラズマ流を形成するための手段と、プラズマ流にフラーレンを導入するための手段と、プラズマ流の下流に配置した堆積基板１６とを有している。アルカリ金属のプラズマ流の形成手段は、ホットプレート７と、アルカリ金属蒸発用オーブン８と、アルカリ金属導入管９とから構成されている。蒸発用オーブン８で発生させたアルカリ金属蒸気をアルカリ金属導入管９からホットプレート７上に噴射すると、接触電離によってアルカリ金属イオンと電子からなるプラズマが生成する。生成したプラズマは電磁コイル４により形成された均一磁場（Ｂ＝２〜７ｋＧ）に沿ってメインチャンバー１内の軸方向に閉じ込められ、ホットプレート７から堆積基板１６に向かって流れるプラズマ流となる。フラーレンを導入するための手段は、フラーレン昇華用オーブン１０と、再昇華円筒１１とから構成されている。再昇華円筒１１において、フラーレン昇華用オーブン１０から昇華したC60などのフラーレン蒸気をプラズマ流に噴射すると、電子親和力が大きいC60にプラズマ流を構成する電子が付着してC60の負イオンが発生する。その結果、アルカリ金属として、例えば、ナトリウムを用いた場合に、
Na -> Na+ + e-
C60 + e- -> C60-
の反応により、プラズマ流はアルカリ金属の正イオン、フラーレンの負イオン、及び残留電子が混在するプラズマ流となる。このようなプラズマ流の下流に堆積基板１６を配置し、堆積基板１６に正のバイアス電圧を印加すると、質量の小さいアルカリ金属イオンが減速され、質量の大きいフラーレンイオンが加速されることでアルカリ金属イオンとフラーレンイオンの相互作用が大きくなり、内包化が起こりやすくなる。また、バイアス電圧制御装置１９により、バイアス電圧を制御して内包率を向上させることが可能である。（非特許文献１)
【０００４】
（高周波誘導プラズマ方式の内包フラーレン製造装置）
内包原子として、ハロゲン元素、例えば、フッ素を内包する内包フラーレンの製造方法としては、図４に示すように、メインチャンバー４１中にCF4などの原料ガスを導入し、真空室周囲に配置した高周波誘導コイル４８に交流電流を流すことにより、前記原料ガスを構成する粒子を励起し、CF3+、F-などのイオンや電子からなるプラズマを発生させる高周波誘導プラズマ方式が知られている。生成したプラズマは磁場コイル４４により形成された均一磁場（Ｂ＝２〜７ｋＧ）に沿ってメインチャンバー４１内の軸方向に閉じ込められ、プラズマ発生部から堆積基板５２に向かって流れるプラズマ流となる。プラズマ流が通るグリッド電極４９に正のバイアス電圧を印加することにより、電子やフッ素イオンなどの負電荷のみを選択的に通過させる。また、グリッド電極により加速された電子は10eV以上のエネルギーを持ち、フラーレン昇華用オーブン５０から噴射されるフラーレン分子に衝突することにより、フラーレン分子から電子を奪うことでフラーレンの正イオンC60+を発生させる。その結果、
F- + C60 -> F- + C60+ + e-
の反応により、プラズマ流はフッ素の負イオン、フラーレンの正イオン、及び残留電子が混在するプラズマ流となる。このようなプラズマ流の下流に堆積基板５２を配置し、堆積基板５２に負のバイアス電圧を印加すると、質量の小さいフッ素イオンが減速され、質量の大きいフラーレンイオンが加速されることでフッ素イオンとフラーレンイオンの相互作用が大きくなり、内包化が起こりやすくなる。また、バイアス電圧制御装置５５により、バイアス電圧を制御して内包率を向上させることが可能である。
【０００５】
（ECRプラズマ方式の内包フラーレン製造装置）
内包原子として、窒素を内包する内包フラーレンの製造方法としては、図７(a)に示すように、メインチャンバー８１中にN２などの原料ガスを導入し、マイクロ波発振器８６により前記原料ガスを構成する粒子を励起するECRプラズマ方式が知られている。磁場コイル８４、８５によりプラズマを閉じ込めることで、プラズマ中の電子温度を効率的に高め、窒素１個からなるN+イオンを多く含むプラズマ８８を発生させることができる。生成したプラズマ８８は、磁場コイル８５により形成された均一磁場（Ｂ＝２〜７ｋＧ）に沿って真空容器８１内の軸方向に閉じ込められ、プラズマ発生部から堆積基板９５に向かって流れるプラズマ流となる。高電子温度プラズマ８８は電子温度制御電極８９を通過する時に電子温度を所定のレベルまで低くすることで、低電子温度プラズマ９２になる。温度を下げ10eV以下にエネルギーを低下させた電子は、フラーレン昇華用オーブン９０から噴射されるフラーレン分子に衝突することで、フラーレンの負イオンC60-を発生させる。その結果、プラズマ流は窒素の正イオン、フラーレンの負イオン、及び残留電子が混在するプラズマ流となる。このようなプラズマ流の下流に堆積基板９５を配置し、堆積基板９５に正のバイアス電圧を印加すると、質量の小さい窒素イオンが減速され、質量の大きいフラーレンイオンが加速されることで窒素イオンとフラーレンイオンの相互作用が大きくなり、内包化が起こりやすくなる。また、バイアス電圧制御装置９８により、バイアス電圧を制御して内包率を向上させることが可能である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
（接触電離プラズマ方式の内包フラーレン製造装置）
図２(c)、(d)は、それぞれ、従来の接触電離プラズマ方式による内包フラーレン製造装置に係る堆積基板の平面図、及び、断面図である。接触電離方式のプラズマ流は、プラズマ流の半径方向のイオン密度分布を測定すると、プラズマを構成するイオンとして、例えば、Naの正イオンとC60の負イオンの密度分布が必ずしも一致しない。内包原子イオン、あるいは、フラーレンイオンの密度が一致しない領域においては、例えば、１個のNa原子を１個のフラーレンイオンに内包させる内包フラーレン膜の生成の場合には、余分なイオンが反応に寄与しないために、内包フラーレンの生成効率が低下するという問題がある。そのため、図２(c)、(d)に示すように、堆積基板を同心円状の複数のプレート２６、２７、２８に分割して、各分割プレートに独立したバイアス電圧を与えることにより、イオン密度分布を制御し、内包フラーレンの生成効率を向上する手段が知られている。例えば、中心のプレート２６に正のバイアス電圧φ１を印加し、周辺のプレート２７、２８にφ１よりも低い電圧φ２、φ３を印加すると、Naイオンの密度分布が半径方向に広がり、フラーレンイオンの密度分布が中心に密度の高い分布に変化する。
【０００７】
図３(b) は、従来の内包フラーレン製造装置に係る堆積基板近傍のプラズマ領域の状態を説明するための図である。堆積基板３５に印加するバイアス電圧がプラズマ流３４に作用する領域はLsで示す堆積基板の近傍領域に限られており、絶対値にして、1Vから10V程度の通常のバイアス電圧条件では、堆積基板からせいぜい1mm程度の領域のイオンに作用するに過ぎず、十分な相互作用が働かない。従って、内包化せずに堆積基板に衝突するイオンが多く、内包フラーレンの生成効率が低いという問題があった。
【０００８】
（高周波誘導プラズマ方式の内包フラーレン製造装置）
図５(c)、(d)は、それぞれ、従来の高周波誘導プラズマ方式による内包フラーレン製造装置に係る堆積基板の平面図、及び、断面図である。高周波誘導方式のプラズマ流は、接触電離方式のプラズマ流と異なり、プラズマを構成するイオンの半径方向の密度分布依存性がなく、従って、バイアス電圧を面内で制御することにより面内のイオン密度分布を制御する必要がない。従って、一般的に、非分割の堆積基板６４が使用され、面内に均一なバイアス電圧を印加して、内包フラーレンの生成が行われる。
【０００９】
図６(b) は、従来の高周波誘導プラズマ方式による内包フラーレン製造装置に係る堆積基板近傍のプラズマ領域の状態を説明するための図である。このように非分割プレートからなる堆積基板７５を使用した場合でも、堆積基板に印加するバイアス電圧がプラズマ流７４に作用する領域はLsで示す堆積基板の近傍領域に限られており、接触電離プラズマ方式の内包フラーレン製造装置の場合と同様に、絶対値にして、1Vから10V程度の通常のバイアス電圧条件では、堆積基板からせいぜい1mm程度の領域のイオンに作用するに過ぎず、十分なイオン間の相互作用が働かない。従って、内包化せずに堆積基板に衝突するイオンが多く、内包フラーレンの生成効率が低いという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
堆積基板の前面にグリッド電極を配置し、グリッド電極にプラズマの電位に対し内包原子イオンの極性に応じたバイアス電圧を印加することにした。具体的には、内包原子が正イオン、フラーレンイオンが負イオンになる場合には、グリッド電極に正のバイアス電圧を印加する。内包原子が負イオン、フラーレンイオンが正イオンになる場合には、グリッド電極に負のバイアス電圧を印加することにした。
【発明の効果】
【００１１】
堆積基板だけでなく、堆積基板の前面に配置したグリッド電極に対しバイアス電圧を印加することで、イオン間の相互作用を大きくし、内包化の確率を高められる領域を拡大することができる。従って、堆積基板に到達する前に、より多くのフラーレンイオンと内包原子が反応するので、堆積基板上に生成する内包フラーレンの量を増やすことができ、内包フラーレンの生成効率を向上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】
【００１２】
図２(a)は、本発明の接触電離プラズマ方式の内包フラーレン製造装置に係る堆積基板の平面図であり、図２(b)は、本発明の接触電離プラズマ方式の内包フラーレン製造装置に係る堆積基板の断面図である。グリッド電極２４は、格子状に配置された導電線から構成され、分割プレート２１、２２、２３からなる堆積基板のプラズマ流が照射される側に絶縁部材２５に支持されて配置されている。グリッド電極２４には、外部の電源からバイアス電圧φ４を印加することが可能である。
【００１３】
図３(a)は、本発明の内包フラーレン製造装置に係る堆積基板近傍のプラズマ領域の状態を説明するための図である。堆積基板３２の前面、プラズマ流３１側にグリッド電極３３を配置して、堆積基板３２にプラズマ電位に対し正のバイアス電圧を印加し、グリッド基板３３にもプラズマ電位に対し正のバイアス電圧をを印加している。図３(b)に示す堆積基板３５のみに正のバイアス電圧を印加する従来の方式では、堆積基板から距離Ls以内の堆積基板に極めて近い領域のみにバイアス電圧を作用可能であったが、図３(a)に示す本発明の方式では、グリッド電極３３によっても、プラズマを構成するイオンにバイアス電圧を作用させることができる。グリッド電極３３と堆積基板３２の距離LgをLsよりも大きくすることにより、バイアス電圧を作用させ、プラズマを構成するNaイオンとフラーレンイオンの相互作用を大きくできる領域を拡大することができる。実験の結果、Lgが、１ｍｍ以上、５０ｍｍ以下の距離の時、内包フラーレンの生成効率を顕著に向上できることが確認できた。また、Lgが、１０ｍｍ以上、３０ｍｍ以下の距離の時、最も高い生成効率が得られた。
【００１４】
また、図２(b)に示す実施例では、グリッド基板２４を絶縁部材２５により堆積基板に固定しているが、グリッド基板は、必ずしも、堆積基板に固定する必要はない。例えば、グリッド基板が堆積基板のプラズマ流側に位置するように内包フラーレン製造装置の真空容器に固定し、バイアス電圧を印加した場合でも、グリッド基板を堆積基板に固定し、バイアス電圧を印加した場合と同様の効果が得られる。
【実施例】
【００１５】
（本発明の高周波誘導プラズマ方式の内包フラーレン製造装置）
図５(a)は、本発明の高周波誘導プラズマ方式の内包フラーレン製造装置に係る堆積基板の平面図であり、図５(b)は、本発明の高周波誘導プラズマ方式の内包フラーレン製造装置に係る堆積基板の断面図である。グリッド電極６３は、格子状に配置された導電線から構成され、堆積基板６１のプラズマ流が照射される側に絶縁部材６２に支持されて配置されている。グリッド電極６３には、外部の電源からバイアス電圧φ２を印加することが可能である。
【００１６】
図６(a)は、本発明の内包フラーレン製造装置に係る堆積基板近傍のプラズマ領域の状態を説明するための図である。堆積基板７２の前面、プラズマ流側にグリッド電極７３を配置して、堆積基板７２にプラズマ電位に対し負のバイアス電圧を印加し、グリッド基板７３にもプラズマ電位に対し負のバイアス電圧をを印加している。図６(b)に示す堆積基板７５のみに正のバイアス電圧を印加する従来の方式では、堆積基板から距離Ls以内の堆積基板に極めて近い領域のみにバイアス電圧を作用可能であったが、図６(a)に示す本発明の方式では、グリッド電極７３によっても、プラズマを構成するイオンにバイアス電圧を作用させることができる。グリッド電極７３と堆積基板７２の距離LgをLsよりも大きくすることにより、バイアス電圧を作用させ、プラズマを構成するFイオンとフラーレンイオンの相互作用を大きくできる領域を拡大することができる。実験の結果、Lgが、１ｍｍから５０ｍｍまでの距離の時、内包フラーレンの生成効率を顕著に向上できることが確認できた。また、Lgが、１０ｍｍ以上、３０ｍｍ以下の距離の時、最も高い生成効率が得られた。
また、図５(b)に示す実施例では、グリッド基板６３を絶縁部材６２により堆積基板６１に固定しているが、グリッド基板は、必ずしも、堆積基板に固定する必要はない。例えば、グリッド基板が堆積基板近傍のプラズマ流側に位置するように内包フラーレン製造装置の真空容器に固定し、バイアス電圧を印加した場合でも、グリッド基板を堆積基板に固定し、バイアス電圧を印加した場合と同様の効果が得られる。
【００１７】
（本発明のECRプラズマ方式の内包フラーレン製造装置）
図７(a)に示すECRプラズマ方式の内包フラーレン製造装置においても、本発明のグリッド電極を用いることにより、内包フラーレンの生成効率を向上することが可能である。図７(b)は、本発明のECRプラズマ方式の内包フラーレン製造装置に係る堆積基板近傍のプラズマ領域の状態を説明するための図である。堆積基板１０３の前面、プラズマ流１０１側にグリッド電極１０２を配置して、堆積基板１０３にプラズマ電位に対し正のバイアス電圧を印加し、グリッド基板１０２にもプラズマ電位に対し正のバイアス電圧を印加している。堆積基板１０３から距離Ls以内の堆積基板に極めて近い領域だけでなく、グリッド電極１０２によっても、プラズマを構成するイオンにバイアス電圧を作用させることができる。グリッド電極１０２と堆積基板１０３の距離LgをLsよりも大きくすることにより、バイアス電圧を作用させ、プラズマを構成するNイオンとフラーレンイオンの相互作用を大きくできる領域を拡大することができる。実験の結果、Lgが、１ｍｍ以上、５０ｍｍ以下の距離の時、内包フラーレンの生成効率を顕著に向上できることが確認できた。また、Lgが、１０ｍｍ以上、３０ｍｍ以下の距離の時、最も高い生成効率が得られた。
【００１８】
（グリッド電極の材質、形状、及び、配置）
グリッド電極の形状、及び、配置に関しては、実験により、以下の結果が得られた。
【００１９】
（１）グリッド電極の導電線の材質としては、プラズマを閉じ込めている磁界を変化させないように、非磁性の導電性材料を使用することが好ましい。また、Naなどの腐食性のある材料を使用する場合には、耐腐食性のある材料を用いるのが好ましい。実験では、非磁性のステンレス、及び、モリブデンからなる導電線を使用したグリッド電極を用いて、内包化率の向上を確認できた。
【００２０】
（２）グリッド電極の平面形状としては、格子状、ストライプ状、及び、同心円状に導電線を配置した場合について堆積実験を行い、いずれの場合でも内包化率向上の効果が確認できた。
【００２１】
（３）グリッド電極を複数の導電線により構成するのではなく、開口部を有する導電性の板により構成した場合についても堆積実験を行った。複数の円形の開口部を有する導電性の板を堆積基板の前面に配置して、導電性の板にバイアス電圧を印加した場合も、内包化率向上の効果が確認できた。
【００２２】
（４）グリッド電極を構成する導電線の格子、ストライプ、あるいは、同心円の間隔が狭すぎると、磁場を印加したプラズマ中でラーモア運動をしているイオンを捕獲する確率が高い。また、広すぎると、バイアス電圧の作用が小さくなる。実験では、格子、ストライプ、あるいは、同心円の間隔が０．１ｍｍ以上、２０ｍｍ以下の場合、内包化率の顕著な向上が得られた。また、グリッド電極として開口部を有する導電性の板を用いた場合は、開口部の大きさが０．１ｍｍ以上、２０ｍｍ以下の場合、内包化率の顕著な向上が得られた。
【００２３】
（５）グリッド電極を構成する導電線の直径が、小さすぎるとバイアス電圧の作用が小さく、大きすぎるとイオンを捕獲する確率が大きくなる。実験では、導電線の直径を５μｍ以上、３ｍｍ以下にした場合、内包化率の顕著な向上が見られた。また、グリッド電極として開口部を有する導電性の板を用いた場合は、導電板の開口部の総面積と堆積基板の断面積の比が５０％以上の場合に内包化率の顕著な向上が見られた。
【００２４】
（バイアス電圧）
グリッド電極に印加するバイアス電圧の値に関しては、内包原子イオンの種類、極性に応じて、適正な電圧を印加する必要がある。例えば、Na内包フラーレンの生成の場合、バイアス電圧が適切であれば、Naイオンが適度に減速されるが、バイアス電圧が高すぎると、Naの正イオンがグリッド電極からの斥力を受けて、グリッド電極を通過できなくなる。同様に、F内包フラーレンの生成の場合、バイアス電圧が低すぎると、Fの負イオンがグリッド電極からの斥力を受けて、グリッド電極を通過できなくなる。内包原子が正イオンになる場合や、負イオンになる場合について、さまざまな種類の原子を内包するフラーレンの生成実験を行った結果、プラズマの電位を基準にして、グリッド電極に絶対値として+1Vより高い電圧を印加すると内包フラーレンの生成効率が極めて低くなることが確認された。従って、アルカリ金属や窒素のように内包原子イオンが正イオンになる場合は、グリッド電極をプラズマ電位に対し+0Vから+1Vの範囲で変化させれば、内包原子を減速し、フラーレンイオンを加速して相互作用が最も大きくなる最適のバイアス電圧をみつけることが可能である。同様に、ハロゲン元素のように内包原子イオンが負イオンになる場合は、グリッド電極をプラズマ電位に対し-0Vから-1Vの範囲で変化させれば、内包原子を減速し、フラーレンイオンを加速して相互作用が最も大きくなる最適のバイアス電圧をみつけることが可能である。
【００２５】
また、グリッド電極に印加するバイアス電圧は、必ずしも、内包フラーレンの堆積中に一定の電圧を印加する必要はない。内包フラーレンの堆積中に、プラズマ流におけるイオンや電子の密度、あるいは、イオンや電子のエネルギーなどのプラズマ状態を検出し、プラズマ状態の検出値によりグリッド電極に印加するバイアス電圧を制御することも可能である。例えば、電子密度を検出する方法としては、ラングミュア・プローブを用いてプローブ電流を測定する方法を用いることもできる。図１に示す内包フラーレンの製造装置においては、再昇華円筒１１と堆積基板１６の間のプラズマ流中にラングミュア・プローブ１４を挿入して、プローブに流れ込む電子による電流を測定して、電子密度を検出している。バイアス電圧の制御は、プラズマ状態の検出値をオペレータが見て手動で制御してもよいし、コンピュータ制御により自動制御を行ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】接触電離プラズマ方式の内包フラーレン製造装置に係る断面図である。
【図２】(a)、 (b)は、それぞれ、本発明の内包フラーレン製造装置に係る堆積基板の平面図、及び、断面図である。(c)、(d)は、それぞれ、従来の内包フラーレン製造装置に係る堆積基板の平面図、及び、断面図である。
【図３】(a)は、本発明の内包フラーレン製造装置に係る堆積基板近傍のプラズマ領域の状態を説明するための図である。(b)は、従来の内包フラーレン製造装置に係る堆積基板近傍のプラズマ領域の状態を説明するための図である。
【図４】高周波誘導プラズマ方式の内包フラーレンの製造装置に係る断面図である。
【図５】(a)、 (b)は、それぞれ、本発明の内包フラーレン製造装置に係る堆積基板の平面図、及び、断面図である。(c)、(d)は、それぞれ、従来の内包フラーレン製造装置に係る堆積基板の平面図、及び、断面図である。
【図６】(a)は、本発明の内包フラーレン製造装置に係る堆積基板近傍のプラズマ領域の状態を説明するための図である。(b)は、従来の内包フラーレン製造装置に係る堆積基板近傍のプラズマ領域の状態を説明するための図である。
【図７】(a)は、ECRプラズマ方式の内包フラーレンの製造装置に係る断面図である。(b)は、本発明の内包フラーレン製造装置に係る堆積基板近傍のプラズマ領域の状態を説明するための図である。
【符号の説明】
【００２７】
１、４１、８１  メインチャンバー
２、４２、８２  ロードロックチャンバー
３、４３、８３  ゲートバルブ
４、４４、８４、８５  磁場コイル
５、６、４５、４６、９８、９９  真空ポンプ
７  ホットプレート
８  アルカリ金属蒸発オーブン
９  アルカリ金属蒸気導入管
４７、８７  内包原子ガス導入管
４８  高周波誘導コイル
４９  グリッド電極
１０、５０、９０  フラーレン昇華用オーブン
１１、５１、９１  再昇華用円筒
１２  アルカリ金属プラズマ
１３  アルカリ金属・フラーレンプラズマ
１４、９４  ラングミュア・プローブ
１５、９３  プローブ電流測定装置
１６、５２、９５  堆積基板
１７、５３、９６  基板挿入ロッド
１８、５４、９７  バイアス電圧供給用配線
１９、５５、９８  バイアス電圧制御装置
８６  マイクロ波発振器
８８  高電子温度プラズマ
８９  電子温度制御電極
９２  低電子温度プラズマ
３１、３４、７１、７４  プラズマ流
２１、２２、２３、２６、２７、２８  分割プレート
２４、３３、６３、７３  グリッド電極
２５、６２  絶縁性保持部材
７５  堆積基板
【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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