(57)【要約】質量、角度、及び速度の広がりを小さくしたナノ結晶のビームを生成する装置及び方法を提供する。クラスタ化された原子のビームを生成する装置は、原子クラスタ源と、前記原子クラスタ源から前記原子クラスタをガス流中に噴出させるノズルとを備え、前記ノズルは、内側に向って傾斜した入口部と外側に向って傾斜した出口部とを有し、前記入口部及び前記出口部の領域における乱流が最小化されている。
2004530792.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子クラスタ源と、
前記原子クラスタ源から前記原子クラスタをガス流中に噴出させるノズルと
を備え、
前記ノズルは、内側に向って傾斜した入口部と外側に向って傾斜した出口部とを有し、前記入口部及び前記出口部の領域における乱流が最小化されていることを特徴とするクラスタ化された原子のビームを生成する装置。
【請求項２】
前記ノズルは、実質的に一定の内径を有して前記入口部と前記出口部との間を連絡しており、層流を生じさせる中心部を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記中心部分は、３〜１５ｍｍの範囲の長さと１〜５ｍｍの範囲の直径とを有することを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記ノズルの前記中心部は、５〜１０ｍｍの範囲の長さと３ｍｍの直径とを有することを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記源は、不活性ガスを供給された第１チャンバに配置され、前記第１チャンバは第２チャンバと壁によって隔てられ、前記第２チャンバは前記第１チャンバより低圧に維持され、前記ノズルは前記壁の開口部に設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記第１チャンバは０．１ｍｂａｒ（０．１ｈＰａ）〜３ｍｂａｒ（３ｈＰａ）の範囲の圧力に維持されていることを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記第２チャンバは、ほぼ１０−３ｍｂａｒ（１０−３ｈＰａ）の圧力に維持されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の装置。
【請求項８】
前記第２チャンバは、高真空チャンバから前記第２チャンバを分離しているスキマーを備えて設けられており、前記スキマーは前記不活性ガスを留める一方で前記ナノ結晶のビームを通過させる漏斗状の開口部を有することを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記クラスタ源はマグネトロン源であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記ノズルの下流に配置され、前記ノズルから噴出させたビームから質量選別されたビームを生成する静電型質量選別器及びステアラを備えたことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
前記静電型質量選別器及びステアラは、一対の静電板と、所望の質量のクラスタを選別するために前記板の間にわたって印加する電圧を制御する手段とを備えたことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
クラスタ化された原子を基板表面上に堆積させる装置であって、請求項１から１１のいずれか一項に記載のクラスタ化させた原子のビームを生成する装置と、ナノ結晶のエネルギを減らし、ナノ結晶を前記基板の表面にソフトに着地させるように前記基板の領域に抑制電圧を印加する手段とを備えたことを特徴とする装置。
【請求項１３】
前記ナノ結晶を搬送するガス流から１０°未満の開き角度を有するナノ結晶のビームを生成する装置であって、前記ガス流を受け入れる内側に傾斜した入口部と、前記ガス流に層流を生じさせるほぼ一定の内径を有する中心部と、前記ナノ結晶のビームを噴出させる外側に傾斜した出口部とを備えたことを特徴とする装置。
【請求項１４】
マグネトロンクラスタ源によって生成されたナノ結晶の質量選別ビームを生成する方法であって、
内側に傾斜した入口部と、ほぼ一定の内径を有する中心部と、外側に傾斜した出口部とを備えたノズルを用いてガス流中にナノ結晶を噴出させるステップと、
前記ノズルから噴出させた前記ビームを、さらにイオン化されることもなく、加速することもなく、静電型質量選別器及びステアラアセンブリに指向させるステップと、
前記静電型質量選別器及びステアラを適当に制御して所望の質量又は質量範囲のナノ結晶を選別するステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１５】
添付図面に記載されたものであることを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１６】
添付図面に記載されたものであることを特徴とする請求項１４に記載のナノ結晶のビームを生成する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノ結晶のビーム生成装置及び方法に関する。特に、本発明は、マグネトロン等の原子クラスタ源から容易に質量分離ができ、基板上に「ソフトに」当てることができるナノ結晶の鋭く、平行なビーム生成に関する。
【背景技術】
【０００２】
「ナノ結晶（nanocrystal）」の用語は周知であって、原子のナノスケールのクラスタを意味する。およそ１０ｎｍより小さいナノ結晶を堆積させる研究は、堆積させたナノ結晶を主要な基礎的単位とする新しい材料やナノ構造体の作製を実現させるために拡大している分野である。例えば、ナノ結晶の２次元超格子は、パターン形成された基板の上にナノ結晶を配置することによって形成される。これらの構造には、高密度磁気記録媒体の作製及び量子結晶レーザの生成を含む多くの興味深い潜在的な用途がある。そのような用途のためには、単分散させたナノ結晶集合体が必要とされる。例えば、主に電子の量子制限によって生成された不均一な広いナノ結晶レーザは、半導体ナノ結晶の大きさの広がりに直接影響する。そのため、クラスタ源の出力の大部分を分離して、実質的に所定エネルギーの狭い平行なビームに集中させる技術を開発する必要がある。
【０００３】
従来のナノ結晶のビームを生成するある方法では、上述のようにマグネトロン・ガス凝集源を用いている。そのような源を用いる場合、従来のマグネトロンを用いて液体窒素を含む被覆ジャケットによっておよそ−１８５℃周辺の温度に冷却したおよそ０．１ｍｂａｒ〜３ｍｂａｒの範囲の圧力の真空チャンバ内でアルゴン及びヘリウムの不活性雰囲気で材料をスパッタリングする。マグネトロン内でターゲット材料の原子は、ガス混合物内にスパッタされて、およそ１．５ｎｍ〜１０ｎｍの寸法範囲で集合してナノ結晶を形成する。ナノ結晶は、真空チャンバから開口部を通ってヘリウム／アルゴンガスを急速に膨張させた膨張チャンバへ取り出され、スキマーによって捕られ、ナノ結晶ビームはそのまま堆積が生じる高真空チャンバへと導かれる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような従来の源によって作成されたナノ結晶は質量の広がりが大きく、そのためほとんどの実際の用途のためには堆積させる前に質量選択を行う必要がある。従来、これには適切な静電型光学部材を用いた次の分離のためのナノ結晶の第１イオン化過程を含む。そのような従来のシステムで生成されたナノ結晶の速度が大きく広がっているので、４極配置等の相対的に高度な光学系が必要となる。さらに、従来のＲＦ４極（RF quadrapole）の場合にはビーム中での輝度が減って相対的に大きな角度の広がりが生じる。
【０００５】
また、速度の大きな広がりは、特定のエネルギー／質量の組み合わせのナノ結晶がほとんどないことを意味している。そのため、従来のシステムでは、実際に使用できるビーム強度を得るためには選択されるナノ結晶における相対的に大きな質量の広がりを我慢しなければならない。従来のイオン化過程が源から生成されたナノ結晶のわずか２％の領域のナノ結晶がイオン化されるという非効率の事実のためにこの問題は悪化させられる。
【０００６】
本発明の目的は、上記欠点を未然に防ぐか又は緩和させてナノ結晶のビームを生成する装置及び方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、クラスタ化された原子のビームを生成する装置であって、該装置は、
原子クラスタ源と、
前記原子クラスタ源から前記原子クラスタをガス流中に噴出させるノズルと
を備え、
前記ノズルは、内側に向って傾斜した入口部と外側に向って傾斜した出口部とを有し、前記入口部及び前記出口部の領域における乱流が最小化されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明の第２の態様によれば、クラスタ化された原子を基板の表面に堆積させる装置であって、該装置は、上述のクラスタ化した原子のビームを生成する装置を備え、前記ナノ結晶ビームのエネルギーを減らして前記基板の表面の上に”ソフトに”着地させるように前記基板の領域に抑制電圧を印加する手段をさらに備える。
【０００９】
本発明の第３の態様によれば、ナノ結晶を伴うガス流から１０°未満のビーム開き角度を有するナノ結晶のビームを生成する装置であって、該装置は、前記ガス流を受け入れる内側に傾斜した入口部と、前記ガス流に層流（laminar gas flow）を生じさせるほぼ一定の内径を有した中央部と、前記ナノ結晶のビームを噴出させる外側に傾斜した出口部とを有するノズルを備える。
【００１０】
本発明の第４の態様によれば、マグネトロンクラスタ源から質量選別されたナノ結晶ビームを生成する方法であって、該方法は、
内側に傾斜した入口部と、ほぼ一定の内径を有する中央部と、外側に傾斜した出口部とを有するノズルを用いてガス流中にナノ結晶を噴出させ、
前記ノズルから噴出させたビームをさらにイオン化や加速をさせることなく、静電型質量選別器及びステアラ（steerer）アセンブリに指向させて、
前記静電型質量選別器及びステアラを適当に制御して所望の質量又は所望の質量範囲のナノ結晶を選別する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
基板上に寸法選択されたナノ結晶を堆積させる装置の概略図である添付図面を参照しながら本発明の特定の実施の形態を一例としてここに説明する。
【００１２】
図を参照すると、およそ装置はナノ結晶生成手段１、質量選別器及びステアラ２、サンプル基板４を支持する開口板３、及び、”飛行時間”計測システム及び静電型分析器５とを備える。図示していない他の部材は以下に説明する。
【００１３】
ナノ結晶生成器１は、画成されたチャンバ１１内に収納され、液体窒素で冷却されたジャケット１１ａによって約−１８５℃の低温で維持されたマグネトロン１０を備え、該チャンバ１１はそれ自体が第２の大きな拡張チャンバ１２に収納されている。チャンバ１２は、漏斗状の開口部１３ａを伴うスキマー１３を一方の端部で支持し、引き込み口１４を介して真空ポンプ（図示せず）に接続されている。開口部１３ａを除いてチャンバ１２はシールされ、それによってチャンバ１２及び１１内は真空ポンプによって陰圧に保たれる。
【００１４】
マグネトロン１０内には適当に配置されたアノード（図示せず）によって囲まれたターゲット材料（図示せず）を支えるカソード板がある。電場はカソード板とアノードとの間に画成され、マグネット（図示せず）がカソード板の後に配置され、板の前方に磁場を生成する。
【００１５】
ヘリウムが入口１５を介してチャンバ１１に供給され、真空ポンプによってほぼ１．３ｍｂａｒ（１．３ｈＰａ）〜１．５ｍｂａｒ（１．５ｈＰａ）の程度の圧力に保たれる。低圧アルゴンガスが連続流１６としてマグネトロン１０内に導かれ、該アルゴンガスはカソード板を支持するターゲットとアノードとの間に画成された電場によってイオン化される。アルゴン原子から分離された電子がターゲットに当り、ターゲット材料の原子を遊離させる。
【００１６】
冷却されたチャンバ１１内では、ガス状のヘリウム原子の存在のためにターゲット原子は限られた移動度しか持たず、そのためガス凝集体の過程によって漂流すると共に動けなくなる傾向があり、それによって様々な寸法のクラスタやナノ結晶が形成される。これらのナノ結晶は冷却されたチャンバ１１からヘリウム及びアルゴン流の中をチャンバ１２に進む。チャンバ１２内では、ヘリウム・アルゴンガス混合物は、速やかに膨張し、スキマー１３の開口部１３ａを通って質量選別器及び基板等を含む高真空チャンバ内に噴出させるターゲットナノ結晶を残してスキマー１３によってこしとられる。
【００１７】
本発明によれば、ナノ結晶は、ジャケット１１に設けられたノズル１７を介した源のままである。特に、ノズルは、内側傾斜入口部１７ａ、一定内径の中心部１７ｂ、外側傾斜出口部１７ｃとを備えた層流膨張ノズルである。中心部は、３ｍｍ〜５ｍｍの範囲の内径と１０ｍｍ又はその程度の長さとを有する。ナノ結晶は、特定のノズルの設計においてノズルの入口と出口の両方で乱流が最も少ないノズルを通って加速されたガス混合物に注入される。出口１７ｃではヘリウム／アルゴンガス混合物は大きな角度で膨張し、ガスのほとんどはスキマー１３によってほぼ除去されビーム強度に何も影響を与えない。
【００１８】
その結果、ノズルの構造にのみ依存する非常に狭い広がり角（例えば６°未満）を持ち、圧力等のマグネトロン源において得られる条件のために主に質量に依存しない略均一な速度を持つナノ結晶ビームが得られる。例えば、ナノ結晶の質量範囲の全体にわたって、ｍ１／２未満の（さらにｍ１／４の程度以下の）速度変化によって、半値全幅の箇所で２％未満の速度広がりΔｖ／ｖが得られる。そのため、ノズルから噴出させたどのナノ結晶のエネルギーも静電型アナライザ５と選別器／弁別器２を用いて所望の質量／寸法のナノ結晶を選別し、分離することができる質量／寸法にちょうど比例する。そのためエネルギーの関数としての強度は出力についての質量分布に変換できる。
【００１９】
さらに、本発明によって実行される測定によって、マグネトロン源を残した３０％から４０％の範囲のナノ結晶が負電荷を有し、同様の正に帯電した一部のナノ結晶が観測されるソース条件に依存することを立証できる。この一部は、少なくともナノ結晶をイオン化するために従来用いられている電子ビームイオン化過程から期待される大きさよりも大きい。そのため、本発明によれば、ナノ結晶のビームは第１イオン化されることなくソースそのままで直接に静電型光学部（electrostatic optics）に送られる。
【００２０】
上述の特徴を全て組み合わせてほぼ平行な高強度の単色のエネルギーのナノ結晶ビームを生成できる。５％未満の質量の広がり（Δｍ／ｍ−半値全幅）は、従来のシステムでの約５０％と比べてすぐに得られる。高いビーム強度は、５％程度のナノ結晶の寸法広がりと同等に扱われる１５％程度のより大きな質量の広がりを容認することで達成される。例えば、本発明はグラファイト基板の上に金のナノ結晶を堆積させるために用いられ、６°のビーム広がりを伴う５つのナノアンプの強度と５％未満の寸法分布を達成できる。
【００２１】
飛行時間測定システムおよび静電型エネルギーアナライザ５は、ナノ結晶の速度及び質量対エネルギー分布を測定する従来のシステムであるので、以下では説明しない。このシステムによる周期的な測定を用いて、質量選別器及びこの例では２つの静電板２ａ、２ｂを備えた単一の静電型ステアラであるステアラ２の操作を制御する。電圧が板２ａ、２ｂにわたって印加された場合には、負帯電させたナノ結晶はその質量及びエネルギーに応じた角度で偏向される。板の間に印加された電圧は、質量選別されたナノ結晶を開口板３の開口部３ａの後に配置されたサンプル基板に向けるように注意深く制御される。その結果、静電板の間に電圧をパルス的に印加することで測定システム５によって周期的に測定される。ナノ結晶のビームはほぼ平行であり、単一エネルギーのナノ結晶は、ナノ結晶とサンプル表面の両方をダメージから保護する基板に抑制電圧（retarding voltage）を印加することによって基板の表面に”ソフト・ランド（soft-landed）”させることができる。また、開き角度が低角度のビームは、ビーム強度で妥協することなく最小エネルギーでナノ結晶を堆積させることができるという点で重要である。
【００２２】
マグネトロンは本発明で用いられる好ましいナノ結晶の源であるが、マグネトロンプラズマ中で生じるナノ結晶の固有のイオン化のために、別のナノ結晶生成源を用いてもよい。本発明は、ナノ結晶を源の形状に依存しないビームに集中させる方法に関する。例えば、本発明は、従来のナノ結晶を帯電させるイオン化装置を追加して設けることによって、中性のナノ結晶を生成する源に直ちに用いられる
【００２３】
上述の装置や方法に種々の変形を行うことができるということは理解されるであろう。例えば、単一の静電型質量選別器が好ましいが、４極型（quadrapole）等の別の型の質量選別器を用いてもよい。例えば、４極型を用いる場合には、スキマー１３とステアラ２との間に置いて用いられ、そのような配置では、ステアラはクラスタの向きを指向させるだけしか用いられず、質量選別には用いられない。したがって、ナノ結晶生成をモニタし、４極型を較正するためにこのシステムを維持することが好ましいが、飛行時間測定システム５はなくてもよい。４極型の詳細については、例えば質量スペクトロメータに用いられているなど当業者によく知られており、ここでは説明しない。同様に、用いられるその他の質量及びエネルギー選別器は当業者にとって明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の基板上に寸法選択されたナノ結晶を堆積させる装置の概略図である。
【符号の説明】
【００２５】
１  ナノ結晶
２  ステアラ
２ａ、２ｂ  静電板
３  開口板
３ａ  開口部
４  サンプル基板
５  静電型アナライザ
１０  マグネトロン
１１  第１チャンバ
１２  第２チャンバ
１３  スキマー
１３ａ  開口部
１４  引き込み部
１５  入口
１６  連続流
１７  ノズル
１７ａ  入口部
１７ｂ  通路部
１７ｃ  出口部
【国際公開パンフレット】
2004530792.tif 000003
2004530792.tif 000004
2004530792.tif 000005
2004530792.tif 000006
2004530792.tif 000007
2004530792.tif 000008
2004530792.tif 000009
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2004530792.tif 000011
2004530792.tif 000012
2004530792.tif 000013
【国際調査報告】
2004530792.tif 000014
2004530792.tif 000015
2004530792.tif 000016