クラスター生成装置
【課題】実質的なクラスター生成効率を高めたクラスター生成装置を提供する。
【解決手段】エネルギー照射を受けてクラスター構成物質を放出する放出源を減圧室内に配置し、該放出されたクラスター構成物質のイオンを冷却ガスとの接触下でクラスター化させてイオンクラスターとし、生成した該イオンクラスターを該減圧室のクラスター出口から室外へ供給するクラスター生成装置において、
上記放出源から上記クラスター出口に至る軸線を取り巻く環状の電極、および
上記イオンクラスターの帯電極性と同じ極性の電位を上記電極に印加する直流電源
を備えたことを特徴とするクラスター生成装置。
【解決手段】エネルギー照射を受けてクラスター構成物質を放出する放出源を減圧室内に配置し、該放出されたクラスター構成物質のイオンを冷却ガスとの接触下でクラスター化させてイオンクラスターとし、生成した該イオンクラスターを該減圧室のクラスター出口から室外へ供給するクラスター生成装置において、
上記放出源から上記クラスター出口に至る軸線を取り巻く環状の電極、および
上記イオンクラスターの帯電極性と同じ極性の電位を上記電極に印加する直流電源
を備えたことを特徴とするクラスター生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クラスター生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
スパッタリングやレーザアブレーションによりターゲットにエネルギー照射し、照射部からターゲットの原子を放出させると、放出原子が複数個凝集してクラスターを形成することがある。同一の材料でも、クラスターの状態では、単原子やバルク材料の状態とは異なる性質を示すことがある。これを利用すれば、単原子やバルク材料では得られない性質をクラスター化により得ることも期待できる。ただし、クラスターの性質は漸く一部が知られるようになってきたばかりであり、多くは今後の研究により解明すべき未知の分野である。
【０００３】
クラスターの性質を研究するには、効率よくクラスターを生成する装置が必要である。これまでに多種多様なクラスター生成方法が提案されている。例えば特許文献１には、スパッタリングにより生成したクラスターの出口にスキマーを配置してクラスターのサイズ分布を狭くする方法が提案されている。また特許文献２には、複数種類の金属ターゲットを用いて合金または化合物のクラスターを生成させる方法が提案されている。あるいは特許文献３には、レーザアブレーションにより基板上に薄膜を形成する際に、雰囲気ガス圧の増加により基板到達時のクラスターサイズを増大させる方法が提案されている。
【０００４】
しかし、上記従来の方法ではいずれも、クラスター生成装置を構成する密閉容器の内壁に多量のクラスターが付着堆積してしまい、密閉容器のクラスター出口から外部へ供給されるクラスターの量は生成したクラスターの量に対してごく少量に過ぎない。そのため、実質的なクラスター生成効率が低いという問題があった。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−３０７００２号公報
【特許文献２】特開２０００−３０９８６６号公報
【特許文献３】特開２００５−２５９６３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、実質的なクラスター生成効率を高めたクラスター生成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】
【０００７】
上記の目的を達成するために、本発明のクラスター生成装置は、エネルギー照射を受けてクラスター構成物質を放出する放出源を減圧室内に配置し、該放出されたクラスター構成物質のイオンを冷却ガスとの接触下でクラスター化させてイオンクラスターとし、生成した該イオンクラスターを該減圧室のクラスター出口から室外へ供給するクラスター生成装置において、
上記放出源から上記クラスター出口に至る軸線を取り巻く環状の電極、および
上記イオンクラスターの帯電極性と同じ極性の電位を上記電極に印加する直流電源
を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のクラスター生成装置においては、クラスター構成物質の放出源からクラスター出口に至る軸線を取り巻く環状の電極に、イオンクラスターの帯電極性と同じ極性の電位を印加することにより、環状電極とイオンクラスターとの間に静電力に基づく反発力を作用させ、イオンクラスターが周囲へ拡散するのを拘束する。すなわち環状電極は１種の静電レンズとして作用する。その結果、イオンクラスターの流れは放出源からクラスター出口へ向かう軸線に沿って集束され、クラスター出口から外部へのクラスター供給量が増加し、クラスター生成装置による実質的なクラスター生成効率が高まる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明においては、クラスター構成物質の放出源は典型的にはスパッタリングやレーザアブレーションのターゲットであるが、これらに限定する必要はない。他に適当な放出源があれば、用いることができる。以下においては、説明を簡潔にするために、放出源としてスパッタガンを用いた場合を例示する。
【００１０】
図１に、本発明によるクラスター生成装置の構成例を示す。図示したクラスター生成装置１００は、両端密閉の筒状減圧室１内に、クラスター構成物質の放出源としてスパッタガン２が配置されている。スパッタガン２の例えばＰｔ等の貴金属ターゲット３から典型的には原子状のＰｔ粒子が放出される。放出はターゲット３の表面から前方へほぼ無指向性の放射状に行なわれる。放出されたＰｔ粒子のうちターゲット３の表面に対して垂直に放出された一部の粒子がクラスター出口４へ向かって直進飛翔し、飛翔過程での冷却によりエネルギーを失った単原子が凝集してクラスターを形成する。放出Ｐｔ粒子の一部は正イオン化している。図示したモデルでは、ターゲット３から放出された単原子粒子は、飛翔過程に沿って原子２個のクラスターＰ１、原子３個のクラスターＰ２、原子４個のクラスターＰ３というように成長する。正イオン化したＰｔ粒子が凝集したクラスターは正イオンクラスターとなる。
【００１１】
減圧室１の左側密閉端１Ａでは、スパッタ用のＡｒガス供給源（ボンベ）１０からのＡｒガス導入管１１と、冷却用のＨｅガス供給源（ボンベ）１２からのＨｅガス導入管１３が減圧室１の内部へ貫通している。クラスター生成装置１００のクラスター出口４を通ってクラスター流Ｓが流出する外部空間Ｖは、このように供給されたクラスターを種々の目的で利用するために真空ポンプ１４により減圧されている。減圧室１内はクラスター出口４を介して真空ポンプ１４により間接的に減圧されている。クラスター生成量を確保するために必要な内圧を減圧室１内に維持できるように、クラスター出口４の開口はできるだけ小さくしてある。
【００１２】
従来は、上記のように無指向で放射状に放出された粒子はターゲット３の表面からほぼ均等に四散してしまい、その大部分が減圧室１の内壁に付着堆積していたため、クラスター出口４から外部へ供給されるクラスターの量は、実際に生成したクラスターの量のごく一部に過ぎなかった。
【００１３】
本発明のクラスター生成装置の特徴として、放出源２（詳しくはターゲット３）からクラスター出口４に至る軸線Ｘを取り巻く環状の電極５と、イオンクラスターの帯電極性と同じ極性の電位を環状電極５に印加する直流電源６とを備えている。この例では、正に帯電しているＰｔイオンと同じ正の電位を電源６により電極５に印加する。なお、Ｐｔターゲット３には別の直流電源１５により負の電位が印加されている。
【００１４】
Ｐｔターゲット３から放出された正イオンとしてのＰｔ粒子は、環状電極５から静電力に基づく反発力を受けて四散を妨げられ、軸線Ｘに沿って集束させられる。このように、従来の無指向で放射状に四散していた場合に比べて、本発明の装置によればＰｔクラスターＰ１、Ｐ２、Ｐ３は軸線Ｘの方向に指向性を付与され、優先的にクラスター出口４に向かう割合が飛躍的に高まる。その結果、Ｐｔターゲット３から放出されたＰｔ粒子およびそのクラスターが、クラスター出口４から室外へ供給される効率が大幅に向上する。
【００１５】
なお以上の説明では、環状電極５はＰｔターゲット３の直前に１個のみ配置した例を示したが、これに限定する必要はない。複数個の電極を軸線Ｘに沿って複数段階に配置しても良いし、これら複数個の電極の個々に異なる電位を印加することもできる。複数個の電極は直径を種々に変えても良い。これらの電極配置形態により更にクラスターの集束度を高めることができる。
【００１６】
また環状電極５は、必要なクラスター集束作用を確保できる限り形態は限定する必要はなく、一体として連続した単体であってもよいし、複数個の電極要素を環状に配列して構成しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００１７】
本発明によれば、実質的なクラスター生成効率を高めたクラスター生成装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明のクラスター生成装置の一実施形態を示す配置図である。
【符号の説明】
【００１９】
１００ クラスター生成装置
１ 減圧室
２ クラスター構成物質の放出源（スパッタガン）
３ ターゲット（Ｐｔターゲット）
４ クラスター出口
５ 環状電極
６ 直流電源
１０ Ａｒ供給源（ボンベ）
１１ Ａｒ導入管
１２ Ｈｅ供給源（ボンベ）
１３ Ｈｅ導入管
１４ 真空ポンプ
１５ 直流電源
Ｐ１ クラスター（原子２個で構成）
Ｐ２ クラスター（原子３個で構成）
Ｐ３ クラスター（原子４個で構成）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クラスター生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
スパッタリングやレーザアブレーションによりターゲットにエネルギー照射し、照射部からターゲットの原子を放出させると、放出原子が複数個凝集してクラスターを形成することがある。同一の材料でも、クラスターの状態では、単原子やバルク材料の状態とは異なる性質を示すことがある。これを利用すれば、単原子やバルク材料では得られない性質をクラスター化により得ることも期待できる。ただし、クラスターの性質は漸く一部が知られるようになってきたばかりであり、多くは今後の研究により解明すべき未知の分野である。
【０００３】
クラスターの性質を研究するには、効率よくクラスターを生成する装置が必要である。これまでに多種多様なクラスター生成方法が提案されている。例えば特許文献１には、スパッタリングにより生成したクラスターの出口にスキマーを配置してクラスターのサイズ分布を狭くする方法が提案されている。また特許文献２には、複数種類の金属ターゲットを用いて合金または化合物のクラスターを生成させる方法が提案されている。あるいは特許文献３には、レーザアブレーションにより基板上に薄膜を形成する際に、雰囲気ガス圧の増加により基板到達時のクラスターサイズを増大させる方法が提案されている。
【０００４】
しかし、上記従来の方法ではいずれも、クラスター生成装置を構成する密閉容器の内壁に多量のクラスターが付着堆積してしまい、密閉容器のクラスター出口から外部へ供給されるクラスターの量は生成したクラスターの量に対してごく少量に過ぎない。そのため、実質的なクラスター生成効率が低いという問題があった。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−３０７００２号公報
【特許文献２】特開２０００−３０９８６６号公報
【特許文献３】特開２００５−２５９６３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、実質的なクラスター生成効率を高めたクラスター生成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】
【０００７】
上記の目的を達成するために、本発明のクラスター生成装置は、エネルギー照射を受けてクラスター構成物質を放出する放出源を減圧室内に配置し、該放出されたクラスター構成物質のイオンを冷却ガスとの接触下でクラスター化させてイオンクラスターとし、生成した該イオンクラスターを該減圧室のクラスター出口から室外へ供給するクラスター生成装置において、
上記放出源から上記クラスター出口に至る軸線を取り巻く環状の電極、および
上記イオンクラスターの帯電極性と同じ極性の電位を上記電極に印加する直流電源
を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のクラスター生成装置においては、クラスター構成物質の放出源からクラスター出口に至る軸線を取り巻く環状の電極に、イオンクラスターの帯電極性と同じ極性の電位を印加することにより、環状電極とイオンクラスターとの間に静電力に基づく反発力を作用させ、イオンクラスターが周囲へ拡散するのを拘束する。すなわち環状電極は１種の静電レンズとして作用する。その結果、イオンクラスターの流れは放出源からクラスター出口へ向かう軸線に沿って集束され、クラスター出口から外部へのクラスター供給量が増加し、クラスター生成装置による実質的なクラスター生成効率が高まる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明においては、クラスター構成物質の放出源は典型的にはスパッタリングやレーザアブレーションのターゲットであるが、これらに限定する必要はない。他に適当な放出源があれば、用いることができる。以下においては、説明を簡潔にするために、放出源としてスパッタガンを用いた場合を例示する。
【００１０】
図１に、本発明によるクラスター生成装置の構成例を示す。図示したクラスター生成装置１００は、両端密閉の筒状減圧室１内に、クラスター構成物質の放出源としてスパッタガン２が配置されている。スパッタガン２の例えばＰｔ等の貴金属ターゲット３から典型的には原子状のＰｔ粒子が放出される。放出はターゲット３の表面から前方へほぼ無指向性の放射状に行なわれる。放出されたＰｔ粒子のうちターゲット３の表面に対して垂直に放出された一部の粒子がクラスター出口４へ向かって直進飛翔し、飛翔過程での冷却によりエネルギーを失った単原子が凝集してクラスターを形成する。放出Ｐｔ粒子の一部は正イオン化している。図示したモデルでは、ターゲット３から放出された単原子粒子は、飛翔過程に沿って原子２個のクラスターＰ１、原子３個のクラスターＰ２、原子４個のクラスターＰ３というように成長する。正イオン化したＰｔ粒子が凝集したクラスターは正イオンクラスターとなる。
【００１１】
減圧室１の左側密閉端１Ａでは、スパッタ用のＡｒガス供給源（ボンベ）１０からのＡｒガス導入管１１と、冷却用のＨｅガス供給源（ボンベ）１２からのＨｅガス導入管１３が減圧室１の内部へ貫通している。クラスター生成装置１００のクラスター出口４を通ってクラスター流Ｓが流出する外部空間Ｖは、このように供給されたクラスターを種々の目的で利用するために真空ポンプ１４により減圧されている。減圧室１内はクラスター出口４を介して真空ポンプ１４により間接的に減圧されている。クラスター生成量を確保するために必要な内圧を減圧室１内に維持できるように、クラスター出口４の開口はできるだけ小さくしてある。
【００１２】
従来は、上記のように無指向で放射状に放出された粒子はターゲット３の表面からほぼ均等に四散してしまい、その大部分が減圧室１の内壁に付着堆積していたため、クラスター出口４から外部へ供給されるクラスターの量は、実際に生成したクラスターの量のごく一部に過ぎなかった。
【００１３】
本発明のクラスター生成装置の特徴として、放出源２（詳しくはターゲット３）からクラスター出口４に至る軸線Ｘを取り巻く環状の電極５と、イオンクラスターの帯電極性と同じ極性の電位を環状電極５に印加する直流電源６とを備えている。この例では、正に帯電しているＰｔイオンと同じ正の電位を電源６により電極５に印加する。なお、Ｐｔターゲット３には別の直流電源１５により負の電位が印加されている。
【００１４】
Ｐｔターゲット３から放出された正イオンとしてのＰｔ粒子は、環状電極５から静電力に基づく反発力を受けて四散を妨げられ、軸線Ｘに沿って集束させられる。このように、従来の無指向で放射状に四散していた場合に比べて、本発明の装置によればＰｔクラスターＰ１、Ｐ２、Ｐ３は軸線Ｘの方向に指向性を付与され、優先的にクラスター出口４に向かう割合が飛躍的に高まる。その結果、Ｐｔターゲット３から放出されたＰｔ粒子およびそのクラスターが、クラスター出口４から室外へ供給される効率が大幅に向上する。
【００１５】
なお以上の説明では、環状電極５はＰｔターゲット３の直前に１個のみ配置した例を示したが、これに限定する必要はない。複数個の電極を軸線Ｘに沿って複数段階に配置しても良いし、これら複数個の電極の個々に異なる電位を印加することもできる。複数個の電極は直径を種々に変えても良い。これらの電極配置形態により更にクラスターの集束度を高めることができる。
【００１６】
また環状電極５は、必要なクラスター集束作用を確保できる限り形態は限定する必要はなく、一体として連続した単体であってもよいし、複数個の電極要素を環状に配列して構成しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００１７】
本発明によれば、実質的なクラスター生成効率を高めたクラスター生成装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明のクラスター生成装置の一実施形態を示す配置図である。
【符号の説明】
【００１９】
１００ クラスター生成装置
１ 減圧室
２ クラスター構成物質の放出源（スパッタガン）
３ ターゲット（Ｐｔターゲット）
４ クラスター出口
５ 環状電極
６ 直流電源
１０ Ａｒ供給源（ボンベ）
１１ Ａｒ導入管
１２ Ｈｅ供給源（ボンベ）
１３ Ｈｅ導入管
１４ 真空ポンプ
１５ 直流電源
Ｐ１ クラスター（原子２個で構成）
Ｐ２ クラスター（原子３個で構成）
Ｐ３ クラスター（原子４個で構成）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギー照射を受けてクラスター構成物質を放出する放出源を減圧室内に配置し、該放出されたクラスター構成物質のイオンを冷却ガスとの接触下でクラスター化させてイオンクラスターとし、生成した該イオンクラスターを該減圧室のクラスター出口から室外へ供給するクラスター生成装置において、
上記放出源から上記クラスター出口に至る軸線を取り巻く環状の電極、および
上記イオンクラスターの帯電極性と同じ極性の電位を上記電極に印加する直流電源
を備えたことを特徴とするクラスター生成装置。
【請求項２】
請求項１において、上記エネルギー照射をスパッタリングまたはレーザアブレーションにより行なうことを特徴とするクラスター生成装置。
【請求項３】
請求項１または２において、上記原子が金属原子であり、上記直流電源が上記電極に正の電位を印加することを特徴とするクラスター生成装置。
【請求項１】
エネルギー照射を受けてクラスター構成物質を放出する放出源を減圧室内に配置し、該放出されたクラスター構成物質のイオンを冷却ガスとの接触下でクラスター化させてイオンクラスターとし、生成した該イオンクラスターを該減圧室のクラスター出口から室外へ供給するクラスター生成装置において、
上記放出源から上記クラスター出口に至る軸線を取り巻く環状の電極、および
上記イオンクラスターの帯電極性と同じ極性の電位を上記電極に印加する直流電源
を備えたことを特徴とするクラスター生成装置。
【請求項２】
請求項１において、上記エネルギー照射をスパッタリングまたはレーザアブレーションにより行なうことを特徴とするクラスター生成装置。
【請求項３】
請求項１または２において、上記原子が金属原子であり、上記直流電源が上記電極に正の電位を印加することを特徴とするクラスター生成装置。
【図１】
【公開番号】特開２００９−２２８０５６（Ｐ２００９−２２８０５６Ａ）
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−７４３７４（Ｐ２００８−７４３７４）
【出願日】平成２０年３月２１日（２００８．３．２１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月２１日（２００８．３．２１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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