JP5458300B2 - 微細構造物の蒸着装置及び方法 - Google Patents
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Description
本発明は、微細構造物を所定の位置に形成する微細構造物の蒸着装置及び方法に関する。
フラーレン（Ｃ６０）とは、炭素の同位体の１つであり、その分子を構成する炭素原子の骨格が正五角形と正六角形の組み合わせからなる閉多面体構造のものである。このようなフラーレンやカーボンナノチューブなどの機能性分子は様々な機能を持つことが知られている。
しかし、機能性分子等の分子サイズは非常に小さく（フラーレンの場合、直径約１ｎｍ）、その位置を正確に制御することは非常に難しい。そのため、このような微細構造物を所定の位置に形成する位置制御手段として、本発明の出願人らは、先に、特許文献１を創案し出願している。
なお、その他の微細構造物の位置制御手段として、特許文献２，３が開示されている。
しかし、機能性分子等の分子サイズは非常に小さく（フラーレンの場合、直径約１ｎｍ）、その位置を正確に制御することは非常に難しい。そのため、このような微細構造物を所定の位置に形成する位置制御手段として、本発明の出願人らは、先に、特許文献１を創案し出願している。
なお、その他の微細構造物の位置制御手段として、特許文献２，３が開示されている。
特許文献１は、微細構造物の位置や微細構造物を形成する構成要素間の相対位置を高精度に制御することを目的とし、図１に模式的に示すように、基板１の表面に表面弾性波の定在波２を発生させ、該定在波によって微細構造物の材料（量子ドット３）が付着する位置つまり微細構造物の位置を設定するものである。なおこの図において、４は電極である。
しかし、特許文献１に開示された方法及び装置は、以下の問題点があった。
（１）形成される微細構造物の位置が、基板の表面状態によって大きく左右される。
（２）高周波の電源への反射が多く、真空中における基板への高周波の伝送効率が低い。
（１）形成される微細構造物の位置が、基板の表面状態によって大きく左右される。
（２）高周波の電源への反射が多く、真空中における基板への高周波の伝送効率が低い。
本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、基板の表面状態の影響を低減して微細構造を所定の位置に形成でき、かつ基板に効率よく高周波を伝送できる微細構造物の蒸着装置及び方法を提供することにある。
本発明によれば、圧電体の表面に間隔を隔てて位置する少なくとも１対の電極を有する表面弾性波素子と、
該表面弾性波素子の表面に２以上の物質を真空蒸着可能な真空蒸着装置と、
表面弾性波素子の前記電極間に高周波電圧を印加する高周波印加装置とを備え、
前記高周波電圧の印加により表面弾性波素子の表面に表面弾性波の定在波を発生させた状態で、複数の薄膜層を構成し、前記定在波の特定位置に微細構造物を蒸着する、ことを特徴とする微細構造物の蒸着装置が提供される。
該表面弾性波素子の表面に２以上の物質を真空蒸着可能な真空蒸着装置と、
表面弾性波素子の前記電極間に高周波電圧を印加する高周波印加装置とを備え、
前記高周波電圧の印加により表面弾性波素子の表面に表面弾性波の定在波を発生させた状態で、複数の薄膜層を構成し、前記定在波の特定位置に微細構造物を蒸着する、ことを特徴とする微細構造物の蒸着装置が提供される。
本発明の好ましい実施形態によれば、前記複数の薄膜層は、表面弾性波素子の表面全体にフラーレンの層を蒸着により形成し、次いで前記定在波の特定位置に微細構造物を蒸着する。
また、前記真空蒸着装置は、表面弾性波素子を収容し内部を所定の真空度に真空減圧可能な真空チャンバと、該真空チャンバ内に高周波電流を導入する真空コネクタとを有し、
前記高周波印加装置は、所定の周波数の高周波電圧を発生する高周波発生装置と、
インピーダンスが整合した入力導電膜と接地導電膜を有し表面弾性波素子に高周波電圧を入力する素子ホルダと、
インピーダンスが整合した中心導体とシールド金属を有し高周波発生装置から真空コネクタを介して素子ホルダまで高周波電圧を伝播させる同軸ケーブルとを備える。
前記高周波印加装置は、所定の周波数の高周波電圧を発生する高周波発生装置と、
インピーダンスが整合した入力導電膜と接地導電膜を有し表面弾性波素子に高周波電圧を入力する素子ホルダと、
インピーダンスが整合した中心導体とシールド金属を有し高周波発生装置から真空コネクタを介して素子ホルダまで高周波電圧を伝播させる同軸ケーブルとを備える。
また、前記入力導電膜と接地導電膜は、絶縁基板上にＮｉＣｒ薄膜とＡｕ薄膜を介してメッキされ、かつ前記高周波の表皮深さより十分厚いＣｕ膜である、ことが好ましい。
また本発明によれば、圧電体の表面に間隔を隔てて位置する少なくとも１対の電極を有する表面弾性波素子を、真空チャンバ内に収容して所定の真空度に真空減圧し、
前記電極間に高周波電圧を印加して表面弾性波素子の表面に表面弾性波の定在波を発生させ、
この状態で、表面弾性波素子に複数の薄膜層を構成し、前記定在波の特定位置に微細構造物を蒸着する、ことを特徴とする微細構造物の蒸着方法が提供される。
前記電極間に高周波電圧を印加して表面弾性波素子の表面に表面弾性波の定在波を発生させ、
この状態で、表面弾性波素子に複数の薄膜層を構成し、前記定在波の特定位置に微細構造物を蒸着する、ことを特徴とする微細構造物の蒸着方法が提供される。
本発明の好ましい実施形態によれば、前記複数の薄膜層は、表面全体にフラーレンの層を蒸着させ、次いで前記定在波の特定位置に微細構造物を蒸着する。
また、前記フラーレンの層は、基板温度が室温〜２００℃、蒸着レートが０．６〜１．７Å／ｍｉｎ、蒸着厚さが３０Å〜１０ｎｍで蒸着する。
また、前記表面弾性波素子は、隣接する電極間の距離が５００〜９００ｎｍ、中心周波数が８５０〜９００ＭＨｚのＳＡＷデバイスである、ことが好ましい。
また、前記微細構造物の蒸着において、高周波電圧の周波数を順次高めて、表面弾性波の前記定在波を順次高次モードに変化させ、該定在波の節に該当する位置に微細構造物を蒸着する、ことが好ましい。
上記本発明の装置及び方法によれば、表面弾性波素子、真空蒸着装置及び高周波印加装置を備え、圧電体の表面に間隔を隔てて位置する少なくとも１対の電極を有する表面弾性波素子を、真空チャンバ内に収容して所定の真空度に真空減圧し、前記電極間に高周波電圧を印加して表面弾性波素子の表面に表面弾性波の定在波を発生させ、この状態で、複数の薄膜層を構成することにより、表面全体に均質な薄膜層を形成することができる。
特に、この状態で、表面弾性波素子の表面全体にフラーレンを蒸着させることにより、フラーレンの拡散距離を大きくしてフラーレンクラスタを一様に分散させ、表面全体に均質なフラーレン層を形成することができる。
フラーレン（Ｃ６０）は機能性分子であり、フラーレン分子は分子同士がファンデルワールス結合するので、圧電基板上にフラーレンを数層吸着させることで大きな拡散距離が得られる。
従って、次いで、前記電極間に高周波電圧を印加して表面弾性波素子の表面に表面弾性波の定在波を発生させ、この状態でフラーレン層の上に微細構造物（例えばＡｇ）を蒸着することにより、高周波電圧による定在波の特定位置（例えば節部）に微細構造物を蒸着することができる。
従って、基板（表面弾性波素子）の表面状態の影響を低減して微細構造を所定の位置に形成できる。
従って、次いで、前記電極間に高周波電圧を印加して表面弾性波素子の表面に表面弾性波の定在波を発生させ、この状態でフラーレン層の上に微細構造物（例えばＡｇ）を蒸着することにより、高周波電圧による定在波の特定位置（例えば節部）に微細構造物を蒸着することができる。
従って、基板（表面弾性波素子）の表面状態の影響を低減して微細構造を所定の位置に形成できる。
また、インピーダンスが整合した入力導電膜と接地導電膜を有し表面弾性波素子に高周波電圧を入力する素子ホルダと、インピーダンスが整合した中心導体とシールド金属を有し高周波発生装置から真空コネクタを介して素子ホルダまで高周波電圧を伝播させる同軸ケーブルとを備えるので、素子ホルダ及び同軸ケーブルにおいて、電源への高周波の反射を極小にでき、基板（表面弾性波素子）に効率よく高周波を伝送できる。
以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
本発明の発明者らは、ナノスケール物質のような微細構造物の位置制御手段として、表面弾性波（ｓｕｒｆａｃｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｗａｖｅ：ＳＡＷ）を用いることに着目した。
図２は、クラドニ図形の説明図である。クラドニ図形とは、粉体５を金属板６などに撒き、そこに定在波２を発生させると定在波の節の位置に粉体５が集まり図形が描き出される現象をいう。
クラドニ図形はマクロなスケールの現象だが、ナノスケール物質においても、定在波２の腹と節の位置における物質の拡散長が異なれば、表面弾性波を用いた定在波を発生させることで位置分布が変化する可能性があり、物質の位置制御の技術として利用できる。
クラドニ図形はマクロなスケールの現象だが、ナノスケール物質においても、定在波２の腹と節の位置における物質の拡散長が異なれば、表面弾性波を用いた定在波を発生させることで位置分布が変化する可能性があり、物質の位置制御の技術として利用できる。
本発明の発明者らは、予備的な実験として、圧電素子であるニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）基板上に、隣接する電極間の距離が１００μｍのくし型電極（Ｉｎｔｅｒ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ：ＩＤＴ）を作製し、粒子サイズが数μｍ〜数１０μｍのシリコンパウダーを分散させた後、基板表面に表面弾性波の定在波を発生させ、散布への影響を光学顕微鏡で観察した。
またその際、高周波の周波数や、入力信号の強度を変化させることで、シリコンパウダーの挙動が変化することを確認し、表面弾性波による基板上の物質への影響があることが明らかになった。
しかし、こうした予備実験の結果は、微粒子の形状のばらつきや、シリコンパウダーの帯電など、様々な不確定な要因が考えられた。また、くし型電極への高周波導入経路における伝送損失の問題など不明確な点があり、それらの問題を明確にする必要があった。
またその際、高周波の周波数や、入力信号の強度を変化させることで、シリコンパウダーの挙動が変化することを確認し、表面弾性波による基板上の物質への影響があることが明らかになった。
しかし、こうした予備実験の結果は、微粒子の形状のばらつきや、シリコンパウダーの帯電など、様々な不確定な要因が考えられた。また、くし型電極への高周波導入経路における伝送損失の問題など不明確な点があり、それらの問題を明確にする必要があった。
以下、本出願において、「圧電基板」とは、電圧を加えると歪を生じる圧電性をもつ基板を意味する。また、「表面弾性波」とは、弾性体の表面付近にのみエネルギーが集中して伝播する弾性波を意味する。
図３は、くし型電極の模式図である。
この図に示すように、圧電基板１の上にくし型電極７を作製し高周波交流電源８により電界を印加すると、圧電基板１の内部に入り込んだ電界により圧電効果が起こるため表面付近が歪み、表面弾性波が発生する。
圧電基板１によって伝わる表面弾性波の音速ｖは、ｖ＝ｆλ・・・式（１）により決定され、表面弾性波を発生させるために必要な周波数ｆは電極７間の距離λに依存する。くし型電極７の各部分は同相で振動することから電極部分が腹、電極間が節となる定在波２が発生する。
「電気機械結合係数Ｋ」とは、圧電物質における静電エネルギーＵｉと、弾性エネルギーＵａの間の変換性能を表す。Ｋ＝（Ｕａ／Ｕｉ）０．５ ・・・式（２）が成り立つ。ここでＫ２は、レーリー波に対して、水晶の場合約０．１［％］、タンタル酸リチウムの場合約０．７５［％］であり、シェアー・ホリゾンタル（ＳＨ）波に対しては、タンタル酸リチウムの場合約７．６［％］である。
この図に示すように、圧電基板１の上にくし型電極７を作製し高周波交流電源８により電界を印加すると、圧電基板１の内部に入り込んだ電界により圧電効果が起こるため表面付近が歪み、表面弾性波が発生する。
圧電基板１によって伝わる表面弾性波の音速ｖは、ｖ＝ｆλ・・・式（１）により決定され、表面弾性波を発生させるために必要な周波数ｆは電極７間の距離λに依存する。くし型電極７の各部分は同相で振動することから電極部分が腹、電極間が節となる定在波２が発生する。
「電気機械結合係数Ｋ」とは、圧電物質における静電エネルギーＵｉと、弾性エネルギーＵａの間の変換性能を表す。Ｋ＝（Ｕａ／Ｕｉ）０．５ ・・・式（２）が成り立つ。ここでＫ２は、レーリー波に対して、水晶の場合約０．１［％］、タンタル酸リチウムの場合約０．７５［％］であり、シェアー・ホリゾンタル（ＳＨ）波に対しては、タンタル酸リチウムの場合約７．６［％］である。
本発明では微細構造物（ナノスケール物質）の位置制御を目的とし、現象をサイズダウンするために必要となる高周波に対応した蒸着装置を製作し、位置制御のスケールに見合った拡散距離を持つ物質を選び実験を行った。
図４は、本発明による微細構造物の蒸着装置の全体構成図である。
この図において、本発明の蒸着装置は、表面弾性波素子１０、真空蒸着装置２０及び高周波印加装置３０を備える。
この図において、本発明の蒸着装置は、表面弾性波素子１０、真空蒸着装置２０及び高周波印加装置３０を備える。
表面弾性波素子１０は、圧電体１１の表面に間隔を隔てて位置する少なくとも１対の電極１２，１３を有する。
圧電体１１は、水晶、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３などの圧電体から形成された平板である。また、電極１２，１３は、好ましくは、間隔が一定に設定された櫛型の対向電極である。この表面弾性波素子１０は、高周波電子デバイスの１つであるＳＡＷデバイスに類似した構造を有している。
従って、表面弾性波素子１０として、隣接する電極間の距離が５００〜９００ｎｍ、中心周波数が８５０〜９００ＭＨｚのＳＡＷデバイスを用いることができる。
圧電体１１は、水晶、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３などの圧電体から形成された平板である。また、電極１２，１３は、好ましくは、間隔が一定に設定された櫛型の対向電極である。この表面弾性波素子１０は、高周波電子デバイスの１つであるＳＡＷデバイスに類似した構造を有している。
従って、表面弾性波素子１０として、隣接する電極間の距離が５００〜９００ｎｍ、中心周波数が８５０〜９００ＭＨｚのＳＡＷデバイスを用いることができる。
真空蒸着装置２０は、表面弾性波素子１０の表面に２以上の物質Ａ，Ｂを真空蒸着できるようになっている。物質Ａ，Ｂは、後述する例では、フラーレン（Ｃ６０）と銀（Ａｇ）であるが、その他の金属又は半導体であってもよい。
真空蒸着装置２０は、表面弾性波素子１０を収容し内部を所定の真空度に真空減圧可能な真空チャンバ２２と、真空チャンバ２２内に高周波電流を導入する真空コネクタ２４とを有する。
この真空蒸着装置２０における蒸着は、加熱蒸着、スパッタ、各種ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）あるいはＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）のいずれでも良い。また、この真空蒸着装置２０は、表面弾性波素子１０の表面を洗浄するためのイオンスパッタ機能を兼ねるのがよい。
また、この例において、真空蒸着装置２０は、さらに基板ヒータ２６を備え、基板（表面弾性波素子１０）を所望の温度まで加熱できるようになっている。
この真空蒸着装置２０における蒸着は、加熱蒸着、スパッタ、各種ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）あるいはＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）のいずれでも良い。また、この真空蒸着装置２０は、表面弾性波素子１０の表面を洗浄するためのイオンスパッタ機能を兼ねるのがよい。
また、この例において、真空蒸着装置２０は、さらに基板ヒータ２６を備え、基板（表面弾性波素子１０）を所望の温度まで加熱できるようになっている。
高周波印加装置３０は、表面弾性波素子１０の１対の電極１２，１３に高周波電圧を印加する。
高周波印加装置３０は、高周波発生装置３２、増幅器３３、素子ホルダ３４及び同軸ケーブル３６を備える。
高周波発生装置３２は、所定の周波数（例えば数〜数十ＧＨｚ）の高周波電圧を発生する。
増幅器３３は、発生した高周波電圧を増幅する。なお、増幅器３３は、省略することもできる。
高周波印加装置３０は、高周波発生装置３２、増幅器３３、素子ホルダ３４及び同軸ケーブル３６を備える。
高周波発生装置３２は、所定の周波数（例えば数〜数十ＧＨｚ）の高周波電圧を発生する。
増幅器３３は、発生した高周波電圧を増幅する。なお、増幅器３３は、省略することもできる。
素子ホルダ３４は、インピーダンスが整合した入力導電膜（図示せず）と接地導電膜（図示せず）を有し、表面弾性波素子１０に高周波電圧を入力する。
同軸ケーブル３６は、インピーダンスが整合した中心導体（図示せず）とシールド金属（図示せず）を有し、高周波発生装置３２から真空コネクタ２４を介して素子ホルダ３４まで高周波電圧を伝播させる。
同軸ケーブル３６は、インピーダンスが整合した中心導体（図示せず）とシールド金属（図示せず）を有し、高周波発生装置３２から真空コネクタ２４を介して素子ホルダ３４まで高周波電圧を伝播させる。
上述した装置を用い、本発明の微細構造物の蒸着方法では、
（Ａ）圧電体１１の表面に間隔を隔てて位置する少なくとも１対の電極１２，１３を有する表面弾性波素子１０を、真空チャンバ２２内に収容して所定の真空度に真空減圧する。表面弾性波素子１０は、隣接する電極間の距離が５００〜９００ｎｍ、中心周波数が８５０〜９００ＭＨｚのＳＡＷデバイスであるのがよい。
（Ｂ）次に、電極１２，１３間に高周波電圧を印加して表面弾性波素子１０の表面に表面弾性波の定在波を発生させる。
（Ｃ）この状態で、表面弾性波素子１０の表面全体にフラーレンを蒸着させる。このフラーレンの蒸着は、基板温度が室温〜２００℃、蒸着レートが０．６〜１．７Å／ｍｉｎ、蒸着厚さが３０Å〜１０ｎｍであるのがよい。
（Ｄ）次いで、フラーレン層の高周波電圧による定在波の特定位置に微細構造物を蒸着する。
（Ａ）圧電体１１の表面に間隔を隔てて位置する少なくとも１対の電極１２，１３を有する表面弾性波素子１０を、真空チャンバ２２内に収容して所定の真空度に真空減圧する。表面弾性波素子１０は、隣接する電極間の距離が５００〜９００ｎｍ、中心周波数が８５０〜９００ＭＨｚのＳＡＷデバイスであるのがよい。
（Ｂ）次に、電極１２，１３間に高周波電圧を印加して表面弾性波素子１０の表面に表面弾性波の定在波を発生させる。
（Ｃ）この状態で、表面弾性波素子１０の表面全体にフラーレンを蒸着させる。このフラーレンの蒸着は、基板温度が室温〜２００℃、蒸着レートが０．６〜１．７Å／ｍｉｎ、蒸着厚さが３０Å〜１０ｎｍであるのがよい。
（Ｄ）次いで、フラーレン層の高周波電圧による定在波の特定位置に微細構造物を蒸着する。
上述した電極１２，１３間に高周波発生装置３２から所定周波数の高周波電圧を印加すると、電極１２，１３間にはその周波数に応じた表面弾性波の定在波２が発生する。
この定在波２は、１次モードに限定されず、定在波２の次数は、高周波電圧の周波数、電極１２，１３間の距離及び基板（表面弾性波素子１０）の表面（形成面）における表面弾性波の伝播速度によって決定される。
従って、例えば可変設定が容易な高周波電圧の周波数を調節することによって、定在波２の次数は任意に設定可能である。
この定在波２は、１次モードに限定されず、定在波２の次数は、高周波電圧の周波数、電極１２，１３間の距離及び基板（表面弾性波素子１０）の表面（形成面）における表面弾性波の伝播速度によって決定される。
従って、例えば可変設定が容易な高周波電圧の周波数を調節することによって、定在波２の次数は任意に設定可能である。
例えば、高周波電圧の周波数を順次高めて、表面弾性波の定在波２を順次高次モードに変化させ、定在波２の節に該当する位置に、微細構造物を蒸着することができる。
電極１２，１３における表面弾性波の波の位相がπ（１８０°）ずれた場合、電極１２，１３間における定在波の腹と節の位置は固定位置となる。また、形成面は節において鉛直方向に変位しないが、この節から離れるに従って形成面の変位は大きくなる。
すなわち、形成面は、定在波２に起因して、その部位に応じて鉛直方向の空間的状態が異なる。鉛直方向の変位が最も小さい部位（定在波の節に相当する部位）は、他の部位に比較して空間的状態が安定しているので、蒸気化した材料が付着し易い。これに対して空間的状態が安定していない部位は蒸気化した材料が付着し難い特徴がある。
上述した本発明の装置及び方法によれば、表面弾性波素子１０、真空蒸着装置２０及び高周波印加装置３０を備え、圧電体１１の表面に間隔を隔てて位置する少なくとも１対の電極１２，１３を有する表面弾性波素子１０を、真空チャンバ２２内に収容して所定の真空度に真空減圧し、電極１２，１３間に高周波電圧を印加して表面弾性波素子１０の表面に表面弾性波の定在波２を発生させ、この状態で、複数の薄膜層を構成することにより、表面全体に均質な薄膜層を形成することができる。
特に、この状態で、表面弾性波素子１０の表面全体にフラーレンを蒸着させることにより、フラーレンの拡散距離を大きくしてフラーレンクラスタを一様に分散させ、表面全体に均質なフラーレン層を形成することができる。
フラーレン（Ｃ６０）は機能性分子であり、フラーレン分子は分子同士がファンデルワールス結合するので、圧電基板上にフラーレンを数層吸着させることで大きな拡散距離が得られる。
従って、次いで、電極１２，１３間に高周波電圧を印加して表面弾性波素子１０の表面に表面弾性波の定在波２を発生させ、この状態でフラーレン層の上に微細構造物（例えばＡｇ）を蒸着することにより、高周波電圧による定在波の特定位置（例えば節部）に微細構造物を蒸着することができる。
従って、基板（表面弾性波素子１０）の表面状態の影響を低減して微細構造を所定の位置に形成できる。
従って、次いで、電極１２，１３間に高周波電圧を印加して表面弾性波素子１０の表面に表面弾性波の定在波２を発生させ、この状態でフラーレン層の上に微細構造物（例えばＡｇ）を蒸着することにより、高周波電圧による定在波の特定位置（例えば節部）に微細構造物を蒸着することができる。
従って、基板（表面弾性波素子１０）の表面状態の影響を低減して微細構造を所定の位置に形成できる。
また、インピーダンスが整合した入力導電膜と接地導電膜を有し表面弾性波素子に高周波電圧を入力する素子ホルダ３４と、インピーダンスが整合した中心導体とシールド金属を有し高周波発生装置から真空コネクタを介して素子ホルダまで高周波電圧を伝播させる同軸ケーブル３６とを備えるので、素子ホルダ３４及び同軸ケーブル３６において、電源への高周波の反射を極小にでき、基板（表面弾性波素子１０）に効率よく高周波を伝送できる。
以下、本発明の実施例を説明する。
（実験方法）
（１） 蒸着装置の高周波対応
本発明における実験は、すべて高真空度の真空チャンバ２２内において行った。ナノスケールの表面弾性波の発振時に蒸着を行うためには真空チャンバ２２内に外部から数百ＭＨｚ〜数ＧＨｚの高周波を導入する必要がある。そこで、高周波対応の真空コネクタ２４と、高周波に対応するように設計・加工した素子ホルダ３４を使用した。
（１） 蒸着装置の高周波対応
本発明における実験は、すべて高真空度の真空チャンバ２２内において行った。ナノスケールの表面弾性波の発振時に蒸着を行うためには真空チャンバ２２内に外部から数百ＭＨｚ〜数ＧＨｚの高周波を導入する必要がある。そこで、高周波対応の真空コネクタ２４と、高周波に対応するように設計・加工した素子ホルダ３４を使用した。
図５は、実験に使用した表面弾性波素子１０の回路構成を示す図である。この図において、表面弾性波素子１０は、圧電体１１、電極１２，１３、及び反射器１４（リフレクタ）を有する。電極１２，１３は、くし型電極（ＩＤＴ）であり、電極１２，１３の間に表面弾性波を発生させるようになっている。反射器１４は、表面弾性波による振動を高める機能を有する。
この例において、表面弾性波素子１０は、上下に１組が設けられ、一方（例えば下側）で発生した表面弾性波を他方（例えば上側）に伝播させ、かつこれらを共振させるようになっている。
なおかかる表面弾性波素子１０は、ＳＡＷデバイスとして市販されている。
この例において、表面弾性波素子１０は、上下に１組が設けられ、一方（例えば下側）で発生した表面弾性波を他方（例えば上側）に伝播させ、かつこれらを共振させるようになっている。
なおかかる表面弾性波素子１０は、ＳＡＷデバイスとして市販されている。
図６は、素子ホルダ３４の平面図である。この図において、３４ａは入力導電膜、３４ｂは接地導電膜、３４ｃは絶縁基板（ガラス）である。入力導電膜３４ａと接地導電膜３４ｂは、使用する高周波の表皮深さより十分厚いＣｕ膜であり、絶縁基板３４ｃ上にＮｉＣｒ薄膜（図示せず）とＡｕ薄膜（図示せず）を介してメッキされている。なお、Ｃｕ膜はＡｕ膜であってもよい。
一般的に，ある物質の表皮深さｄ（高周波の強度が１／ｅになる深さ）は、ｄ＝１／（πｆμσ）０．５・・・（３）で与えられる。ここで、ｆは周波数［Ｈｚ］、μは透磁率、σは電気伝導率である。
銅の場合、μ＝４π×１０−７［Ｈ／ｍ］、σ＝５．８２×１０７［Ｓ／ｍ］であり、発振周波数がｆ＝８８０ＭＨｚの場合、表皮深さｄは、約２．２μｍとなる。従って、上記「十分厚いＣｕ膜」として、膜の厚さを約２０μｍ程度以上にすることで、高周波の漏れをほぼ無くすことができる。
銅の場合、μ＝４π×１０−７［Ｈ／ｍ］、σ＝５．８２×１０７［Ｓ／ｍ］であり、発振周波数がｆ＝８８０ＭＨｚの場合、表皮深さｄは、約２．２μｍとなる。従って、上記「十分厚いＣｕ膜」として、膜の厚さを約２０μｍ程度以上にすることで、高周波の漏れをほぼ無くすことができる。
本発明の実施例では、Ｃｕ膜の厚さを約８０μｍとし、ＮｉＣｒ薄膜（約１０ｎｍ厚）とＡｕ薄膜（約１００ｎｍ厚）を介してＣｕ膜をメッキした。ＮｉＣｒ薄膜とＡｕ薄膜を介した理由は、絶縁基板（ガラス）にＣｕ膜を直接メッキしても剥離しやすいため、絶縁基板（ガラス）にメッキ可能なＮｉＣｒ薄膜と、銅メッキが可能なＡｕ薄膜とを中間層としたものである。
また、素子ホルダ３４の大きさ（幅約２０ｍｍ、長さ約２５ｍｍ）とＣｕ膜の厚さ（約８０μｍ）は、入力導電膜３４ａと接地導電膜３４ｂによるインピーダンスが電源側及び基板側と整合するように設定した。
また、素子ホルダ３４の大きさ（幅約２０ｍｍ、長さ約２５ｍｍ）とＣｕ膜の厚さ（約８０μｍ）は、入力導電膜３４ａと接地導電膜３４ｂによるインピーダンスが電源側及び基板側と整合するように設定した。
図７は、素子ホルダ３４と表面弾性波素子１０との結線図である。この図において、１２ａは電極１２の入力端子、１３ａは電極１３の入力端子、１５は接地端子、１７（太線）はボンディング線（Ａｕ線）である。
この例ではボンディング線１７により、入力端子１２ａと入力導電膜３４ａ、入力端子１３ａと接地導電膜３４ｂ、及び接地端子１５と接地導電膜３４ｂを電気的に接続している。
この例ではボンディング線１７により、入力端子１２ａと入力導電膜３４ａ、入力端子１３ａと接地導電膜３４ｂ、及び接地端子１５と接地導電膜３４ｂを電気的に接続している。
また、上述した同軸ケーブル３６の中心導体が入力導電膜３４ａの一方（例えば右側）に電気的に接続され、かつ同軸ケーブル３６のシールド金属が接地導電膜３４ｂに電気的に接続される。
この構成により、素子ホルダ３４及び同軸ケーブル３６において、高周波の漏れと電源への反射を大幅に低減でき、基板（表面弾性波素子１０）に効率よく高周波を伝送できる。
この構成により、素子ホルダ３４及び同軸ケーブル３６において、高周波の漏れと電源への反射を大幅に低減でき、基板（表面弾性波素子１０）に効率よく高周波を伝送できる。
さらに本発明では、スペクトラムアナライザ（図示せず）を備え、スペクトラムアナライザを同軸ケーブルにより入力導電膜３４ａの他方（例えば左側）と接地導電膜３４ｂに電気的に接続し、表面弾性波素子１０に表面弾性波が発生したことを検出できるように検出手段を改良した。
（２）拡散距離の見積もり
くし型電極を用いて表面弾性波を発生させ、微細構造物（ナノスケール物質）の位置変化の観察を行うには、圧電基板上での吸着物質の拡散距離が、くし型電極の間隔の１／３程度である必要がある。フラーレン分子は分子同士がファンデルワールス結合することが知られており、圧電基板上にフラーレンを数層吸着させることで大きな拡散距離が得られると考えられる。そこで圧電基板であるＬｉＮｂＯ３基板上にフラーレンを蒸着し、表面上での拡散距離を見積もった。その際、基板温度と蒸着レートをパラメータとして変化させた。
くし型電極を用いて表面弾性波を発生させ、微細構造物（ナノスケール物質）の位置変化の観察を行うには、圧電基板上での吸着物質の拡散距離が、くし型電極の間隔の１／３程度である必要がある。フラーレン分子は分子同士がファンデルワールス結合することが知られており、圧電基板上にフラーレンを数層吸着させることで大きな拡散距離が得られると考えられる。そこで圧電基板であるＬｉＮｂＯ３基板上にフラーレンを蒸着し、表面上での拡散距離を見積もった。その際、基板温度と蒸着レートをパラメータとして変化させた。
（３）ＳＡＷデバイスを発振させての実験
間隔１μｍ程度のくし型電極を備えている表面弾性波を使用したフィルターとして市販されている表面弾性波デバイス（以下、「ＳＡＷデバイス」という）を用いて実験を行った。ＳＡＷデバイスは、くし型電極を固有振動数で共鳴させ周波数フィルターとして用いられていることから、電極間に安定な表面弾性波の定在波を発生させることができる。水晶基板のＳＡＷデバイス（村田製作所製）と、水晶基板より電気機械結合係数の大きなタンタル酸リチウム基板のＳＡＷデバイス（日立メディアエレクトロニクス製）での実験を行った。ＳＡＷデバイスの加熱はタングステン線による通電加熱で行い、その温度測定はアルメル−クロメル熱電対を素子ホルダ３４に取り付けて行った。
間隔１μｍ程度のくし型電極を備えている表面弾性波を使用したフィルターとして市販されている表面弾性波デバイス（以下、「ＳＡＷデバイス」という）を用いて実験を行った。ＳＡＷデバイスは、くし型電極を固有振動数で共鳴させ周波数フィルターとして用いられていることから、電極間に安定な表面弾性波の定在波を発生させることができる。水晶基板のＳＡＷデバイス（村田製作所製）と、水晶基板より電気機械結合係数の大きなタンタル酸リチウム基板のＳＡＷデバイス（日立メディアエレクトロニクス製）での実験を行った。ＳＡＷデバイスの加熱はタングステン線による通電加熱で行い、その温度測定はアルメル−クロメル熱電対を素子ホルダ３４に取り付けて行った。
（実験結果）
＜拡散距離の見積＞
蒸着後に観察したＳＥＭ像からクラスタ間の平均的な距離を求めた。その結果を表１に示す。この実験結果から、見かけ上の拡散距離は１００〜２００ｎｍ程度であり、基板との吸着エネルギーは、約０．０６ｅＶと見積もられた。したがって、隣接する電極の間隔が約１μｍ程度であれば、表面弾性波による影響を観察できることが分かった。
＜拡散距離の見積＞
蒸着後に観察したＳＥＭ像からクラスタ間の平均的な距離を求めた。その結果を表１に示す。この実験結果から、見かけ上の拡散距離は１００〜２００ｎｍ程度であり、基板との吸着エネルギーは、約０．０６ｅＶと見積もられた。したがって、隣接する電極の間隔が約１μｍ程度であれば、表面弾性波による影響を観察できることが分かった。
＜水晶基板のＳＡＷデバイスによる実験＞
隣接する電極間の距離が９００ｎｍ程度で、中心周波数が８６８ＭＨｚの水晶基板のＳＡＷデバイスを励振させて、フラーレンを真空蒸着した。
高周波は高周波発生装置３２（ＲＦ発振器）から１７ｄＢｍで出力し、増幅器３３（パワーアンプ）で３０ｄＢｍ（１０１．３倍）に増幅して、くし型電極１２，１３へ印加した。
フラーレンの直径が約１ｎｍであることから、吸着エネルギーとの比較を行なうために、ＲＦ発振器からの出力値を用いて、くし型電極部分の単位面積（１ナノ平方メートル）に対する１秒あたりの弾性波のエネルギーを算出したところ２．５２×１０４［ｅＶ／ｎｍ２］であった。それゆえ、基板上でのフラーレン分子の平均滞在時間が１０‐６［ｓｅｃ］程度であれば、吸着エネルギーとほぼ等しくなり、基板の振動によって吸着物質が拡散しやすくなることが予想できる。
フラーレンの蒸着条件は、２００ｎｍ以上の拡散距離が見込まれた基板温度２００℃、蒸着レート０．６〜０．８Å／ｍｉｎ、蒸着厚さ３０Åで行なった。また、表面弾性波発振の確認は、蒸着チャンバ内に設置したアンテナで受信し、スペクトルアナライザーで検出した。
隣接する電極間の距離が９００ｎｍ程度で、中心周波数が８６８ＭＨｚの水晶基板のＳＡＷデバイスを励振させて、フラーレンを真空蒸着した。
高周波は高周波発生装置３２（ＲＦ発振器）から１７ｄＢｍで出力し、増幅器３３（パワーアンプ）で３０ｄＢｍ（１０１．３倍）に増幅して、くし型電極１２，１３へ印加した。
フラーレンの直径が約１ｎｍであることから、吸着エネルギーとの比較を行なうために、ＲＦ発振器からの出力値を用いて、くし型電極部分の単位面積（１ナノ平方メートル）に対する１秒あたりの弾性波のエネルギーを算出したところ２．５２×１０４［ｅＶ／ｎｍ２］であった。それゆえ、基板上でのフラーレン分子の平均滞在時間が１０‐６［ｓｅｃ］程度であれば、吸着エネルギーとほぼ等しくなり、基板の振動によって吸着物質が拡散しやすくなることが予想できる。
フラーレンの蒸着条件は、２００ｎｍ以上の拡散距離が見込まれた基板温度２００℃、蒸着レート０．６〜０．８Å／ｍｉｎ、蒸着厚さ３０Åで行なった。また、表面弾性波発振の確認は、蒸着チャンバ内に設置したアンテナで受信し、スペクトルアナライザーで検出した。
図８は、この実験で得られた基板表面のＳＥＭ像である。
図８の基板上においてフラーレンのクラスタは、ほぼ一様に分布しており、クラスタ間の距離もＬｉＮｂＯ３基板上で見られたものよりもはるかに短いことが分かる。その原因として、水晶基板の最終的な表面処理が不明であるため、汚れなどによる不均一核形成が起こったとも考えられる。そこで、このＳＥＭ像から表面弾性波の影響について判断することは難しいと考え、より電気機械結合係数の大きなＬｉ系基板を使用しているＳＡＷデバイスを基板として用いることにした。また、蒸着チャンバ内での高周波の伝送損失があると考えられたため、導入経路について再度の改良を行なった。
上述した図６の素子ホルダ３と図７の結線は、この改良後の構成である。
図８の基板上においてフラーレンのクラスタは、ほぼ一様に分布しており、クラスタ間の距離もＬｉＮｂＯ３基板上で見られたものよりもはるかに短いことが分かる。その原因として、水晶基板の最終的な表面処理が不明であるため、汚れなどによる不均一核形成が起こったとも考えられる。そこで、このＳＥＭ像から表面弾性波の影響について判断することは難しいと考え、より電気機械結合係数の大きなＬｉ系基板を使用しているＳＡＷデバイスを基板として用いることにした。また、蒸着チャンバ内での高周波の伝送損失があると考えられたため、導入経路について再度の改良を行なった。
上述した図６の素子ホルダ３と図７の結線は、この改良後の構成である。
＜タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）基板のＳＡＷデバイスによる実験＞
隣接する電極間の距離が５００ｎｍ程度で、中心周波数が８８１ＭＨｚのＬｉＴａＯ３基板のＳＡＷデバイスを励振させて、フラーレンの蒸着実験を行なった。
当初、高周波の出力が１７ｄＢｍ、基板温度２００℃の条件での実験を試みたが、くし型電極の破損等の問題が生じたため、高周波の出力を７ｄＢｍ（１／１０）、基板温度を室温にして実験を行なった。
水晶デバイスの時と同様に、単位面積あたりの弾性波のエネルギーを算出したところ、１秒あたり１．３４×１０５［ｅＶ／ｎｍ２］であり、水晶での実験時よりやや劣るが、高周波導入経路の改良により、サンプル直近まで同軸ケーブルで伝送することが可能となったため、より大きな振幅を与えることが予想された。
隣接する電極間の距離が５００ｎｍ程度で、中心周波数が８８１ＭＨｚのＬｉＴａＯ３基板のＳＡＷデバイスを励振させて、フラーレンの蒸着実験を行なった。
当初、高周波の出力が１７ｄＢｍ、基板温度２００℃の条件での実験を試みたが、くし型電極の破損等の問題が生じたため、高周波の出力を７ｄＢｍ（１／１０）、基板温度を室温にして実験を行なった。
水晶デバイスの時と同様に、単位面積あたりの弾性波のエネルギーを算出したところ、１秒あたり１．３４×１０５［ｅＶ／ｎｍ２］であり、水晶での実験時よりやや劣るが、高周波導入経路の改良により、サンプル直近まで同軸ケーブルで伝送することが可能となったため、より大きな振幅を与えることが予想された。
これまでにフラーレンの蒸着レートは１．７Å／ｍｉｎ程度で、蒸着量を変え観測を行っているが、蒸着量が５０Åの場合には、クラスタの分布に明確な影響は、観測されておらず、蒸着量と高周波の投入パワーを上げた場合について実験を行った。また、表面弾性波発振の確認は、上述したように、検出の確実性を増すためにＳＡＷデバイスのアウトプット側から同軸ケーブルを用いて伝送し、スペクトルアナライザーで検出を行った。
図９は、高周波電圧を印加し基板にフラーレンを蒸着した場合の、基板表面のＳＥＭ像である。
この蒸着条件は、基板温度は室温、蒸着レートは１．７Å／ｍｉｎ、フラーレン膜の蒸着量５ｎｍ、高周波印加は、７ｄＢｍであった。
図９において、フラーレンのクラスタが、基板及び電極の全面にほぼ一様に分散し、表面全体に均質なフラーレン層が形成されていることがわかる。
この蒸着条件は、基板温度は室温、蒸着レートは１．７Å／ｍｉｎ、フラーレン膜の蒸着量５ｎｍ、高周波印加は、７ｄＢｍであった。
図９において、フラーレンのクラスタが、基板及び電極の全面にほぼ一様に分散し、表面全体に均質なフラーレン層が形成されていることがわかる。
図１０は、図９で示した基板を用い、電極間に高周波電圧を印加して表面弾性波素子の表面に表面弾性波の定在波を発生させ、この状態でフラーレン層の上にＡｇを蒸着した場合の、基板表面のＳＥＭ像である。
微細構造物の蒸着条件は、基板温度は室温、蒸着レートは１．７Å／ｍｉｎ、フラーレンの膜厚さ５ｎｍ、Ａｇの膜厚さ２ｎｍ、高周波印加は、７ｄＢｍであった。
図１０において、Ａｇの微細構造が、高周波電圧による定在波の特定位置（入力電極１２の節部）にのみ蒸着されており、基板（表面弾性波素子１０）の表面状態の影響を低減して微細構造を所定の位置に形成できることがわかった。
微細構造物の蒸着条件は、基板温度は室温、蒸着レートは１．７Å／ｍｉｎ、フラーレンの膜厚さ５ｎｍ、Ａｇの膜厚さ２ｎｍ、高周波印加は、７ｄＢｍであった。
図１０において、Ａｇの微細構造が、高周波電圧による定在波の特定位置（入力電極１２の節部）にのみ蒸着されており、基板（表面弾性波素子１０）の表面状態の影響を低減して微細構造を所定の位置に形成できることがわかった。
上述した本発明によれば、高周波発生装置３２で発生した高周波は，伝送ケーブル３６と真空コネクタ２４を経由して真空チャンバ２２内に入り，さらに導波路（素子ホルダ３４）を経由してＳＡＷデバイス１０に到達し，そこで表面弾性波の定在波２を発生させる。定在波２が発生していることは，スペクトラムアナライザで検出する。
定在波２を発生した状態で、２層の真空蒸着を行う。このとき，第１層目にフラーレン等の大きな分子を用い、第２層目に所望の材料を用いる。
定在波により基板に表面エネルギーの高いスポットが形成され、そこに蒸着微粒子が集まり、ナノ構造を形成できる。
定在波２を発生した状態で、２層の真空蒸着を行う。このとき，第１層目にフラーレン等の大きな分子を用い、第２層目に所望の材料を用いる。
定在波により基板に表面エネルギーの高いスポットが形成され、そこに蒸着微粒子が集まり、ナノ構造を形成できる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
２ 定在波、７ くし型電極、
１０ 表面弾性波素子（基板、ＳＡＷデバイス）、１１ 圧電体、
１２ 電極、１２ａ 入力端子、１３ 電極、１３ａ 入力端子、
１４ 反射器（リフレクタ）、１５ 接地端子、１７ ボンディング線、
２０ 真空蒸着装置、２２ 真空チャンバ、
２４ 真空コネクタ、２６ 基板ヒータ、
３０ 高周波印加装置、３２ 高周波発生装置、
３３ 増幅器、
３４ 素子ホルダ、３４ａ 入力導電膜、
３４ｂ 接地導電膜、３４ｃ 絶縁基板（ガラス）、
３６ 同軸ケーブル
１０ 表面弾性波素子（基板、ＳＡＷデバイス）、１１ 圧電体、
１２ 電極、１２ａ 入力端子、１３ 電極、１３ａ 入力端子、
１４ 反射器（リフレクタ）、１５ 接地端子、１７ ボンディング線、
２０ 真空蒸着装置、２２ 真空チャンバ、
２４ 真空コネクタ、２６ 基板ヒータ、
３０ 高周波印加装置、３２ 高周波発生装置、
３３ 増幅器、
３４ 素子ホルダ、３４ａ 入力導電膜、
３４ｂ 接地導電膜、３４ｃ 絶縁基板（ガラス）、
３６ 同軸ケーブル
Claims (7)
- 圧電体の表面に間隔を隔てて位置する少なくとも１対の電極を有する表面弾性波素子と、
該表面弾性波素子の表面に２以上の物質を真空蒸着可能な真空蒸着装置と、
表面弾性波素子の前記電極間に高周波電圧を印加する高周波印加装置とを備え、
前記高周波電圧の印加により表面弾性波素子の表面に表面弾性波の定在波を発生させた状態で、表面弾性波素子の表面全体にフラーレンの層を蒸着により形成し、次いで前記定在波の特定位置に微細構造物を蒸着する、ことを特徴とする微細構造物の蒸着装置。 - 前記真空蒸着装置は、表面弾性波素子を収容し内部を所定の真空度に真空減圧可能な真空チャンバと、該真空チャンバ内に高周波電流を導入する真空コネクタとを有し、
前記高周波印加装置は、所定の周波数の高周波電圧を発生する高周波発生装置と、
インピーダンスが整合した入力導電膜と接地導電膜を有し表面弾性波素子に高周波電圧を入力する素子ホルダと、
インピーダンスが整合した中心導体とシールド金属を有し高周波発生装置から真空コネクタを介して素子ホルダまで高周波電圧を伝播させる同軸ケーブルとを備える、ことを特徴とする請求項１に記載の微細構造物の蒸着装置。 - 前記入力導電膜と接地導電膜は、絶縁基板上にＮｉＣｒ薄膜とＡｕ薄膜を介してメッキされ、かつ前記高周波の表皮深さより十分厚いＣｕ膜である、ことを特徴とする請求項２に記載の微細構造物の蒸着装置。
- 圧電体の表面に間隔を隔てて位置する少なくとも１対の電極を有する表面弾性波素子を、真空チャンバ内に収容して所定の真空度に真空減圧し、 前記電極間に高周波電圧を印加して表面弾性波素子の表面に表面弾性波の定在波を発生させ、 この状態で、表面弾性波素子の表面全体にフラーレンの層を蒸着させ、次いで前記定在波の特定位置に微細構造物を蒸着する、ことを特徴とする微細構造物の蒸着方法。
- 前記フラーレンの層は、基板温度が室温〜２００℃、蒸着レートが０．６〜１．７Å／ｍｉｎ、蒸着厚さが３０Å〜１０ｎｍで蒸着する、ことを特徴とする請求項４に記載の微細構造物の蒸着方法。
- 前記表面弾性波素子は、隣接する電極間の距離が５００〜９００ｎｍ、中心周波数が８５０〜９００ＭＨｚのＳＡＷデバイスである、ことを特徴とする請求項４に記載の微細構造物の蒸着方法。
- 前記微細構造物の蒸着において、高周波電圧の周波数を順次高めて、表面弾性波の前記定在波を順次高次モードに変化させ、該定在波の節に該当する位置に微細構造物を蒸着する、ことを特徴とする請求項４に記載の微細構造物の蒸着方法。
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