(57)【要約】  プラズマ中電子の高効率加熱を実現し得て、誘導フラーレンの収率向上が可能な誘導フラーレンの製造装置を提供する。  マイクロ波発信器と、ミラー磁場形成コイルと、４位相制御ヘリカルアンテナとを備えたプラズマ生成手段により高電子温度プラズマを生成できるので、誘導対象イオンの生成効率が向上し、誘導フラーレンの収率が向上する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導対象原子Mを含むガスから一価の正イオンM+を生成するための高電子温度プラズマ生成手段と、前記高電子温度プラズマ生成手段の下流に設けられて、プラズマ中の電子エネルギーを制御するための電子エネルギー制御手段と、M+及び電子を含むプラズマ中にフラーレンを導入しフラーレンイオンを生成するフラーレン導入手段と、前記プラズマにおけるフラーレンイオンとM+との反応により生成した誘導フラーレンを堆積する堆積基板とを備えた誘導フラーレンの製造装置。
【請求項２】
誘導対象原子Mを含むガスから一価の正イオンM+を生成するための高電子温度プラズマ生成手段と、フラーレンを導入するフラーレン導入手段と、M+を含むプラズマを照射し、同時に前記フラーレン導入手段からフラーレンを噴射することにより、M+とフラ−レンの反応により誘導フラーレンを生成、堆積する堆積基板とを備えた誘導フラーレンの製造装置。
【請求項３】
前記高電子温度プラズマ生成手段の下流に設けられて、プラズマ中の電子エネルギーを制御するための電子エネルギー制御手段を備えた請求項２記載の誘導フラーレンの製造装置。
【請求項４】
前記高電子温度プラズマ生成手段が、前記ガスの導入手段と、前記ガスを励起し前記正イオンを生成するマイクロ波発信器と、生成された正イオンの分散を抑制するためのミラー磁場を形成する一対のコイルと、該一対のコイル間に配置された４位相制御ヘリカルアンテナとを備えていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の誘導フラーレンの製造装置。
【請求項５】
前記高電子温度プラズマ生成手段における電子エネルギーが15〜50eVであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか1項記載の誘導フラーレンの製造装置。
【請求項６】
前記電子エネルギー制御手段が、前記高電子温度プラズマ生成手段の下流側に配置された制御電極であることを特徴とする請求項１又は３乃至５のいずれか1項に記載の誘導フラーレンの製造装置。
【請求項７】
前記制御された電子エネルギーが1〜10eVであることを特徴とする請求項１又は３乃至６のいずれか1項記載の誘導フラーレンの製造装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項記載の誘導フラーレンの製造装置による誘導フラーレンの製造方法。
【請求項９】
前記誘導対象原子が、窒素、水素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、又は、ボロンであることを特徴とする請求項８記載の誘導フラーレンの製造方法。
【請求項１０】
前記誘導フラーレンが、内包フラーレン又はヘテロフラーレンであることを特徴とする請求項８又は９のいずれか1項記載の誘導フラーレンの製造方法。
【請求項１１】
前記誘導フラーレンが、N@C60、C59 N又はC58 BNであることを特徴とする請求項８記載の誘導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、誘導対象原子を含むガスを真空容器内に導入し、該真空容器内において誘導対象原子のプラズマ流を形成し、該プラズマ流にフラーレンを導入して誘導フラーレンを堆積させる誘導フラーレンの製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】WO 2004/060799
【０００３】
誘導フラーレンの一種である原子内包フラーレンの製造技術としては、特許文献１に示す技術が提案されている。【０００４】
この技術は、真空容器内において、高周波誘導方式のプラズマ源を用い内包対象原子をプラズマ化し、内包対象原子のプラズマ流に、フラーレンを噴射し、プラズマ流の下流に配置した電位体に内包フラーレンを堆積させることにより原子内包フラーレンを製造する技術である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記の如く構成された原子内包フラーレンの製造装置により、例えば、窒素を内包対象原子とする内包フラーレンを製造すると、内包フラーレンの収率が極めて低いという問題があった。【０００６】
内包対象原子である窒素分子N2を一旦単原子化するための解離エネルギー（N2 -> N）に約9.8eVを必要とし、さらにその窒素原子をイオン化するためのイオン化エネルギー(N -> N+)に約14.5eVを必要とする。そのため、窒素分子にエネルギーを与えるプラズマ中の電子温度として少なくとも15eV程度のエネルギーが必要であった。しかし、上述した構成では窒素分子をイオン化するために必要な15eVを実際に確保することが困難だった。【０００７】
本発明は、上記問題を解決するため、プラズマ中電子の高効率加熱を実現し得て、生成収率を向上させることができる誘導フラーレンの製造装置及び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】
【０００８】
本発明（１）は、誘導対象原子Mを含むガスから一価の正イオンM+を生成するための高電子温度プラズマ生成手段と、前記高電子温度プラズマ生成手段の下流に設けられて、プラズマ中の電子エネルギーを制御するための電子エネルギー制御手段と、M+及び電子を含むプラズマ中にフラーレンを導入しフラーレンイオンを生成するフラーレン導入手段と、前記プラズマにおけるフラーレンイオンとM+との反応により生成した誘導フラーレンを堆積する堆積基板とを備えた誘導フラーレンの製造装置である。【０００９】
本発明（２）は、誘導対象原子Mを含むガスから一価の正イオンM+を生成するための高電子温度プラズマ生成手段と、フラーレンを導入するフラーレン導入手段と、M+を含むプラズマを照射し、同時に前記フラーレン導入手段からフラーレンを噴射することにより、M+とフラ−レンの反応により誘導フラーレンを生成、堆積する堆積基板とを備えた誘導フラーレンの製造装置である。【００１０】
本発明（３）は、前記高電子温度プラズマ生成手段の下流に設けられて、プラズマ中の電子エネルギーを制御するための電子エネルギー制御手段を備えた請求項２記載の誘導フラーレンの製造装置である。【００１１】
本発明（４）は、前記高電子温度プラズマ生成手段が、前記ガスの導入手段と、前記ガスを励起し前記正イオンを生成するマイクロ波発信器と、生成された正イオンの分散を抑制するためのミラー磁場を形成する一対のコイルと、該一対のコイル間に配置された４位相制御ヘリカルアンテナとを備えていることを特徴とする前記発明（１）乃至前記発明（３）の誘導フラーレンの製造装置である。【００１２】
本発明（５）は、前記高電子温度プラズマ生成手段における電子エネルギーが15〜50eVであることを特徴とする前記発明（１）乃至前記発明（４）の誘導フラーレンの製造装置である。【００１３】
本発明（６）は、前記電子エネルギー制御手段が、前記高電子温度プラズマ生成手段の下流側に配置された制御電極であることを特徴とする前記発明（１）又は前記発明（３）乃至前記発明（５）の誘導フラーレンの製造装置である。【００１４】
本発明（７）は、前記制御された電子エネルギーが1〜10eVであることを特徴とする前記発明（１）又は前記発明（３）乃至前記発明（６）の誘導フラーレンの製造装置である。【００１５】
本発明（８）は、前記発明（１）乃至前記発明（７）の誘導フラーレンの製造装置による誘導フラーレンの製造方法である。【００１６】
本発明（９）は、前記誘導対象原子が、窒素、水素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、又は、ボロンであることを特徴とする前記発明（８）の誘導フラーレンの製造方法である。【００１７】
本発明（１０）は、前記誘導フラーレンが、内包フラーレン又はヘテロフラーレンであることを特徴とする前記発明（８）又は前記発明（９）の誘導フラーレンの製造方法である。【００１８】
本発明（１１）は、前記誘導フラーレンが、N@C60、C59 N又はC58 BNであることを特徴とする前記発明（８）の誘導フラーレンの製造方法である。
【発明の効果】
【００１９】
（１）請求項１及び８に係る本発明の誘導フラーレンの製造装置及び製造方法によれば、高温度電子により誘導対象イオンを励起するので、一価の窒素などの誘導対象イオンからなる高密度プラズマを効率的に生成でき、誘導フラーレンの収率を向上できる。
（２）請求項１及び６乃至８に係る本発明の誘導フラーレンの製造装置及び製造方法によれば、高電子温度プラズマ生成手段の下流に設けた電子エネルギー制御手段により電子温度を制御した低電子温度プラズマを生成し、該低電子温度プラズマ中にフラーレン蒸気を導入するので、フラーレン正イオンの生成を抑制し、フラーレン負イオンを効率的に生成できる。
（３）請求項２及び８に係る本発明の誘導フラーレンの製造装置及び製造方法によれば、堆積基板に対し、誘導対象イオンからなる高密度プラズマを照射し、同時にフラーレン蒸気を噴射することにより、誘導フラーレンの収率をさらに向上することができる。
（４）請求項３及び６乃至８に係る本発明の誘導フラーレンの製造装置及び製造方法によれば、堆積基板に対し誘導対象イオンからなる高密度プラズマを照射し、同時にフラーレン蒸気を噴射して誘導フラーレンを生成する際に、制御電極により誘導対象イオンを堆積基板に向かう方向に加速制御できるので、プロセスの制御性が向上する。
（５）請求項４、５及び８に係る本発明の誘導フラーレンの製造装置及び製造方法によれば、誘導対象原子を含むガスを効率よく励起し、かつ、ミラー磁場により励起したイオンと電子からなるプラズマを限られた空間内に閉じ込めることができるため、高温高密度の電子を含むプラズマを生成することができる。
（６）請求項９乃至１１に係る本発明の誘導フラーレンの製造方法によれば、特異な物性を持ち、エレクトロニクス、医療などの分野での応用が期待される工業材料の効率的な生成が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の誘導フラーレンの製造装置の概念図である。
【図２】本発明の誘導フラーレンの製造装置の断面図である。
【図３】(a)及び(b)は、本発明の誘導フラーレンの製造装置の断面図である。
【図４】フラーレンの電子付着断面積と電子エネルギーとの関係を示すグラフ図である。
【図５】アルゴンガスを使用した場合の仕様一覧の図表である。
【図６】堆積膜の質量分析データである。
【図７】堆積膜の質量分析による強度比Ｉ(722)/Ｉ(720)のデータである。
【符号の説明】
【００２１】
２１、４１  製造装置
２、２２、４２  高電子温度プラズマ生成室
３、２３、４３  誘導フラーレン生成室
４、２４、４４  真空ポンプ
５、２５、４５  マイクロ波発信器
６、２６、４６  ガス導入管
７１、７２、２７１、２７２、４７１、４７２  電磁コイル
８、２８、４８  ＰＭＨアンテナ
９、２９、４９  フラーレン昇華オーブン
１０、３０、５０  フラーレン導入管
１１、１２、３１、３２、５１、５２  電磁コイル
１３、３３、５３  誘導フラーレン膜
１４、３４、５４  堆積基板
１５、３５、５５  基板バイアス電源
１６、３５、５６  高電子温度プラズマ
１７、５７  低電子温度プラズマ
１８、５８  制御電極
１９、５９  電子温度制御電源
２０  筒
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
（用語の説明）
以下、本発明に係る各用語の意義について明らかにすると共に、本発明の最良形態について説明する。【００２３】
「フラーレン」とは、化学式がCn（n = 60, 70, 76, 78, 80, 82…）で示される篭状の分子構造を持つ炭素クラスター物質である。
「誘導フラーレン」とは、内包フラーレン、ヘテロフラーレンなどのフラーレンの誘導体のことである。
「内包フラーレン」とは、篭状のフラーレン分子の中空部に原子が内包されているフラーレンのことである。
「ヘテロフラーレン」とは、フラーレン分子を構成する一つ又は複数の炭素原子を炭素以外の原子で置き換えたフラーレンのことである。【００２４】
本発明に係る誘導フラーレンの製造方法として、「フラーレンプラズマ反応方式」と「フラーレン蒸気噴射方式」がある。
「フラーレンプラズマ反応方式」は、プラズマ生成室で生成した誘導対象原子からなる正イオンと電子を含むプラズマ流中に、フラーレン蒸気を導入し、フラーレン分子に電子を付着させてフラーレンの負イオンを生成し、該誘導対象イオンとフラーレンイオンの反応により誘導フラーレンを生成し、プラズマ流の下流に配置した堆積基板上に誘導フラーレンを堆積する方式である。
「フラーレン蒸気噴射方式」は、プラズマ生成室で生成した誘導対象イオンを含むプラズマ流をプラズマ流の下流に配置した堆積基板に照射し、同時に、フラーレンオーブンからフラーレン蒸気を堆積基板に向けて噴射することにより、誘導対象イオンとフラーレン分子又はフラーレンイオンの反応により堆積基板上に誘導フラーレンを生成する方式である。【００２５】
（フラーレンプラズマ反応方式）
図１は本発明のフラーレンプラズマ反応方式による誘導フラーレンの製造装置の概念図であり、図２は本発明のフラーレンプラズマ反応方式による誘導フラーレンの製造装置の断面図である。図１、図２において、誘導フラーレンの製造装置１は、内包対象原子を有するガスM（例えば、水素又は窒素）を導入するガス導入口６と、ガスMの元素をM+にするための高電子温度プラズマ生成室２と、高電子温度プラズマ生成室２の下流に設けられた高電子温度プラズマの電子エネルギーを1〜10eVにする電子エネルギー制御手段としての制御電極１８と、低電子温度プラズマ１７中へフラーレンを導入するフラーレン導入手段と生成された誘導フラーレンを堆積する堆積基板１４を有した誘導フラーレン生成室３とを備えている。【００２６】
（高電子温度プラズマの生成）
高電子温度プラズマ生成室２は、絶縁性材料（例えば、石英）から構成されている。また、高電子温度プラズマ生成室２は、ガス導入口６よりもプラズマ流の上流側に設けられたマイクロ波発信器５と、高電子温度プラズマ生成室２の外周に位置して生成したイオンM+の分散を抑制するためのミラー磁場を形成する一対のコイル７１、７２と、このコイル７１、７２の間に巻回された４位相制御ヘリカルアンテナ８とを備えている。【００２７】
マイクロ波発信器５から発信されるマイクロ波の発振周波数は、ガスMを窒素とした場合、2.45GHz周辺が好ましい。また、ミラー磁場のミラー比(Rm)は、1.2〜3.0が好ましい。【００２８】
コイル７１、７２は、例えば、高電子温度プラズマ生成室２を取り巻くように円形とされたものを互いに離間状態で配置し、同方向に電流を流す。各コイル７１、７２の近傍では強い磁場が形成され、各コイル７１、７２の間では弱い磁場が形成される。強い磁場のところでイオンや電子の跳ね返えりが起きるので、一時的に閉じ込められたプラズマが形成される。なお、このミラー磁場を形成するものとしては、上述した円形のコイル７１、７２のほか、一つのコイルで硬式ボールの縫い目状としたものなども使用可能であり、特に円形に限定されるものではない。【００２９】
４位相制御ヘリカルアンテナ（ＰＭＨアンテナ）８は、複数のコイルエレメントの位相を変えて高周波電力(13.56MHz、MAX2kW)を供給するもので、各コイルエレメント間にはより大きな電界差が生じることになる。従って、高電子温度プラズマ生成室２内において発生するプラズマはその全域においてより高密度なものになり、これによりイオンやラジカルなどの生成物の生成効率が一層向上して、誘導フラーレン生成室３内に昇華されたフラーレンに付着する電子の数を多くすることができる。【００３０】
高電子温度プラズマの生成条件を、例えば、Arガスを励起してプラズマを発生する場合について、図５に記載した。【００３１】
本発明に係る構成により、高電子温度プラズマ生成室２の内部では、電子温度が15〜50eVの範囲の高電子温度プラズマを容易に生成することができる。そのため中性の窒素分子から、一価の窒素イオンを効率的に生成することが可能である。【００３２】
（プラズマの輸送）
誘導フラーレン生成室３には、電磁コイル１１が設けてある。生成したプラズマは電磁コイル１１により形成された均一磁場（B=2〜7kG）に沿って誘導フラーレン生成室３内の軸方向に閉じ込められる。この磁界のためプラズマが閉じ込められて、高電子温度プラズマ生成室２から流れ出す高密度のプラズマ流が得られる。なお、電磁コイル１１は、図２に示すように、その下流側で磁場を異ならせた電磁コイル１２を配置しても良い。また、誘導フラーレン生成室３には、フラーレン導入手段としてのフラーレン昇華オーブン９が設けられている。【００３３】
（電子温度制御、フラーレンイオンの生成）
高電子温度プラズマ生成室２の下流に設けられた制御電極１８により10eV以下（好ましくは、5eV以下）の低電子温度プラズマ１７を容易に生成することが可能となる。なお、制御電極１８の電位は可変としてもよい。【００３４】
例えば、制御電極１８に負の電圧を印加することにより、電子エネルギーを低減することができる。電子エネルギーを10eV以下とすることにより、低電子温度プラズマ１７中の電子はフラーレンに容易に付着する。従って、マイナスのフラーレンイオンを高濃度に得ることができる。なお、制御の困難性の観点から下限としては1eVが好ましい。図４は、このような電子付着断面積と電子エネルギーとの関係を示すグラフである。
電子エネルギーが20eVを超える電子がフラーレン分子に衝突すると、フラーレン中の電子をたたき出してしまい、フラーレンの正イオンが生成する。フラーレンの正イオンは、誘導対象原子の正イオンと反応しにくいため、誘導フラーレンの生成のためには、フラーレンの正イオンの量は少ないほうが好ましい。電子エネルギーを10eV以下とすることにより、フラーレンの正イオンの生成を抑制することができる。【００３５】
（堆積基板）
さらに、誘導フラーレン生成室３におけるプラズマ流の下流終端部寄りには、イオン速度制御手段としての電位体からなる堆積基板１４が設けられている。この堆積基板１４には、正のバイアス電圧を印加することが好ましい。正のバイアス電圧を印加すると、フラーレンの負イオンと誘導対象原子の正イオンとの相対速度が小さくなる。この相対速度を小さくすることにより、両イオンの間にはクーロン相互作用が強く働き誘導対象原子はフラーレンの内部に入る、または、フラーレンの炭素原子と置き換わる。また、誘導フラーレン生成室３内にプラズマ特性測定用のプローブ（図示せず）を設けておき、フラーレンイオンと誘導対象イオンとの速度を算出しながら誘導フラーレンの生成を図ることが好ましい。相対速度が小さくなるように堆積基板１４に印加する電圧を制御することが好ましい。【００３６】
堆積基板に印加するバイアス電圧としては、例えば、誘導フラーレンとしてN@C60を生成する場合には、0V以上、40V以下の電圧を印加するのが好ましい。【００３７】
堆積基板の径や、プラズマ流の径は、製造装置の大きさや、製造する誘導フラーレンの種類に応じて適宜の大きさに設定することができる。プラズマ流の径については、電磁コイル１１、１２の磁界強度を変えることによっても調整することができる。【００３８】
（冷却手段）
なお、誘導フラーレン生成室３の外周には冷却手段（図示せず）を設けてある。冷却手段により誘導フラーレン生成室３の内壁は冷却され、誘導フラーレン生成室３の内壁において中性ガス分子をトラップするようにしてある。中性ガス分子を内壁にトラップすることにより不純物を含まないプラズマが生成可能となり、堆積基板１４上に純度の高い誘導フラーレンを得ることが可能となる。誘導フラーレン生成室３の内壁温度としては、室温以下とすることが好ましく、０℃以下とすることがより好ましい。かかる温度とすることにより中性分子のトラップが行われやすくなり、より高純度の誘導フラーレンを高い収率で得ることが可能となる。【００３９】
（再昇華円筒）
低電子温度プラズマ１７の途中にプラズマ流を覆うように、銅製の筒２０が設けてある。この筒２０にはフラーレン導入管１０が設けてあり、この導入管１０からフラーレンをプラズマ流中に導入する。その際、筒２０はフラーレンが再昇華可能な温度に加熱しておくことが好ましく、具体的には、400〜650℃とするのが好ましい。筒２０に導入された後にプラズマ中でイオン化されずに筒の内面に付着したフラーレンは再昇華される。【００４０】
筒２０の内半径としては、プラズマ流の半径をRとすると、R＋５ｍｍ以上とすることが好ましい。
筒２０の内半径がR＋５ｍｍ未満の場合には、プラズマ流と筒２０との相互作用が大きくなり、プラズマ保持が低下して誘導フラーレンの収率が減少してしまう。
また、筒２０の内半径が大きすぎる場合には、装置が大型になる、筒２０によるプラズマの閉じ込め効果が小さくなるなどの問題がある。従って、筒２０の内半径は、好ましくは、R＋５ｃｍ以下とする。筒２０の内半径がR＋５ｃｍ以下であれば、プラズマの閉じ込め効果が得られる。また、筒２０の内半径は、より好ましくは、R＋２ｃｍ以下とする。R＋２ｃｍ以下とすることにより、プラズマの密度を十分高くすることができ、誘導フラーレンの形成に必要な、粒子間の反応が高い確率で起きる。【００４１】
フラーレンの導入速度は、フラーレン昇華用オーブン９の温度上昇率により制御すればよい。温度上昇率としては、100℃/分以上が好ましい。上限としては、突沸が生じない温度上昇率である。【００４２】
（真空容器）
本発明に係る誘導フラーレンの生成は、真空容器の中で行う。高電子温度プラズマ生成室２及び誘導フラーレン生成室３は、連通しており、真空ポンプ４により真空に排気可能となっている。【００４３】
真空容器内の初期真空度は10-3Pa以下が好ましい。10-6Pa以下がより好ましい。【００４４】
なお、真空容器乃至筒２０の表面にクロム酸化物からなる不動態膜（鉄酸化物を実質的に含まない不動態膜）を形成しておくことが好ましい。その他に、酸素、あるいは水分の付着が少なく、また、付着しても脱離が容易な膜を形成することが好ましい。また、導入するガス中における不純物（特に、水分、酸素）の濃度を10ppb以下とすることが好ましい。より好ましくは1ppb以下、さらに好ましくは100ppt以下である。【００４５】
（フラーレン蒸気噴射方式）
フラーレン蒸気噴射方式の誘導フラーレンの製造装置は、フラーレンプラズマ反応方式による製造装置と異なり、フラーレン蒸気を堆積基板に直接噴射する。同時に、誘導対象イオンを含むプラズマを堆積基板に照射する。誘導フラーレンは、クーロン引力を用いずに、フラーレンに誘導対象イオンが衝突することで生成される。誘導対象イオンの衝突エネルギーは、堆積基板に負のバイアス電圧を印加することで制御することができ、制御性が高い。また、フラーレン蒸気噴射方式は、フラーレンプラズマ反応方式に比べ誘導対象イオンとフラーレンの衝突確率を高くすることができる。【００４６】
（フラーレン蒸気噴射方式の第一具体例）
フラーレン蒸気噴射方式の製造装置における、高電子温度プラズマの生成、プラズマの輸送、冷却手段、真空室については、フラーレンプラズマ反応方式の製造装置と同様であり、すでに詳細に説明してあるので、その説明を省略する。
図３(a)は、本発明のフラーレン蒸気噴射方式による誘導フラーレンの製造装置の第一具体例の断面図である。図３(a)において、誘導フラーレンの製造装置２１は、内包対象原子を有するガスMを導入するガス導入口２６と、ガスMの元素をM+にするための高電子温度プラズマ生成室２２と、プラズマ生成室２２で生成した高電子温度プラズマ３５とフラーレン昇華オーブン２９で昇華させたフラーレン蒸気とを堆積基板３４上に導入し、堆積基板３４上で誘導フラーレンを生成する誘導フラーレン生成室２３とを備えている。
堆積基板３４上で、フラーレンガス導入管３０から噴射されたフラーレン分子又はフラーレンイオンにプラズマ３５中の誘導対象イオンが衝突することで誘導フラーレンが生成する。誘導対象イオンの衝突エネルギーを、堆積基板に印加した負のバイアス電圧により制御することができる。フラーレンの負イオンを生成する必要がないため、プラズマ中の電子温度を制御する電極は必ずしも必要ではない。【００４７】
（フラーレン蒸気噴射方式の第二具体例）
図３(b)は、本発明のフラーレン蒸気噴射方式による誘導フラーレンの製造装置の第二具体例の断面図である。図３(b)において、誘導フラーレンの製造装置４１は、内包対象原子を有するガスMを導入するガス導入口４６と、ガスMの元素をM+にするための高電子温度プラズマ生成室４２と、高電子温度プラズマ生成室４２の下流に設けられた高電子温度プラズマの電子エネルギーを1〜10eVにする電子エネルギー制御手段としての制御電極５８と、高電子温度プラズマ生成室４２から流入する低電子温度プラズマ５７と、フラーレン昇華オーブン４９で昇華させたフラーレン蒸気とを堆積基板５４上に導入し、堆積基板５４上で誘導フラーレンを生成する誘導フラーレン生成室４３を備えている。
第二具体例に係る誘導フラーレンの製造装置では、制御電極５８に負のバイアス電圧を印加することにより、誘導対象イオンを堆積基板５４の方向に加速し、電子を減速することができる。プラズマ中の誘導対象イオンと電子のエネルギーを、誘導フラーレンの生成に適した状態に制御することができる。堆積基板に印加するバイアス電圧だけでなく、制御電極に印加する電圧によっても、誘導フラーレンの生成工程を制御できるので、プロセスの制御性がさらに向上する。【００４８】
（誘導対象原子）
上記実施の形態では、ガスMとして窒素を主として説明したが、本発明に係る誘導フラーレンの製造装置及び製造方法は、ガスMとして水素、アルゴン、ヘリウム、又は、ネオンを用い、それぞれの元素を誘導対象原子とする場合についても適用できる。また、BF3などのボロンを含むガス或いはボロンを含むガスと窒素の混合ガスを用い、ボロン又はボロンと窒素を誘導対象原子とする誘導フラーレンの製造を行う場合にも、本発明に係る誘導フラーレンの製造装置及び製造方法を適用することが可能である。【００４９】
本発明に係る誘導フラーレンの製造装置及び製造方法は、原料となるガス分子を高温の電子で励起できることに特徴があり、イオン生成に高いエネルギーが必要な誘導対象原子例えば、窒素を誘導対象原子とする誘導フラーレンを製造する場合に特に大きな効果が得られる。窒素誘導フラーレンは、例えば、内包フラーレンN@C60 が量子コンピュータの材料として、また、C59 NやC58 BNが超伝導材料、超高硬度材料としての応用が期待されている。
（実施例）【００５０】
製造例
（窒素誘導へテロフラーレン製造例）
フラーレンを構成する１個の炭素原子をNで置換したヘテロフラーレンC59Nの製造には、円筒形状のステンレス製容器の周囲に電磁コイルを配置した、図３(b)に示す構造の製造装置を用いた。
高電子温度プラズマ生成室４２と誘導フラーレン生成室４３を連通する真空容器を真空度1.0×10-4Paまで排気し、電磁コイルにより、磁場強度0.13Tの磁界を発生させた。ガス導入口４６から窒素ガスを流量10sccmで高電子温度プラズマ生成室４２に導入し、発振周波数2.45GHz、パワー800Wのμ波で窒素原子を励起し、ミラー磁場のミラー比を2.4として、電子温度15eVの窒素プラズマを発生させた。発生した窒素プラズマに対し、制御電極５８にバイアス電圧-20Vを印加することにより、電子温度を2eVまで低下させた。誘導フラーレン生成室４３内に低電子温度プラズマ５７を導入し、堆積基板５４にプラズマ５７を照射した。同時に、フラーレン昇華オーブン４９において580℃に加熱して昇華させたフラーレンC60からなる蒸気を堆積基板５４に噴射した。堆積基板５４には、-30Vのバイアス電圧を印加し、堆積基板表面にヘテロフラーレンC59Nを含む薄膜を堆積した。２時間の堆積を行い、厚さ3μmの薄膜が堆積した。【００５１】
（堆積膜の質量分析）
図６は、上記ヘテロフラーレンの製造例で生成した堆積膜の質量分析データである。C60に対応する質量数720のピークと、C59Nに対応する質量数722のピークが観測された。それぞれのピークの強度比I(722)/I(720)を計算すると、VG  -20V、VB  -30Vの条件では、強度比が約5であることがわかる。【００５２】
図７は、VBを-30V一定にして、VGを-100Vから+20Vまで変化させて生成した堆積膜の質量分析による強度比I(722)/I(720)をプロットしたものである。VG=-20VでC59Nの生成効率が最大になることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
以上のように、本発明に係る誘導フラーレンの製造装置及び製造方法は、エレクトロニクス、医療などの分野で応用が期待される誘導フラーレンの生産効率の向上に有用であり、特に、イオンの生成に高いエネルギーを必要とする原子を誘導する誘導フラーレンの生産に有用である。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成17年10月3日(2005.10.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２】誘導対象原子Ｍを含むガスから一価の正イオンＭ＋を生成するための電子エネルギーが１５〜５０ｅＶである高電子温度プラズマ生成手段と、フラーレンを導入するフラーレン導入手段と、Ｍ＋を含むプラズマを照射し、同時に前記フラーレン導入手段からフラーレンを噴射することにより、Ｍ＋とフラーレンの反応により誘導フラーレンを生成、堆積する堆積基板とを備えた誘導フラーレンの製造装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項３】前記高電子温度プラズマ生成手段が、少なくとも、生成された正イオンの分散を抑制するためのミラー磁場を形成する一対のコイルを備えていることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項記載の誘導フラーレンの製造装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項４】前記高電子温度プラズマ生成手段が、少なくとも、生成された正イオンの分散を抑制するためのミラー磁場を形成する一対のコイルと、該一対のコイル間に配置された４位相制御ヘリカルアンテナとを備えていることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項記載の誘導フラーレンの製造装置。
【手続補正４】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項５】前記高電子温度プラズマ生成手段が、前記ガスの導入手段と、前記ガスを励起し前記正イオンを生成するマイクロ波発信器と、生成された正イオンの分散を抑制するためのミラー磁場を形成する一対のコイルと、該一対のコイル間に配置された４位相制御ヘリカルアンテナとを備えていることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項記載の誘導フラーレンの製造装置。
【手続補正５】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項６】前記高電子温度プラズマ生成手段の下流に設けられて、プラズマ中の電子エネルギーが１〜１０ｅＶの範囲になるように制御するための電子エネルギー制御手段を備えた請求項１乃至５のいずれか１項記載の誘導フラーレンの製造装置。
【手続補正６】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項７】前記電子エネルギー制御手段が、前記フラーレン導入手段の上流に配置した電極に、制御電圧を印加することにより電子エネルギーを制御する制御手段であることを特徴とする請求項６記載の誘導フラーレンの製造装置。
【国際調査報告】
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