高出力マグネトロン・スパッタリングを用いた ナノクラスター超原子の生成

KEIO UNIVERSITY
CREST/さきがけ/ERATO新技術説明会
2016年2月1日
高出力マグネトロン・スパッタリングを用いた
ナノクラスター超原子の生成技術
科学技術振興機構 ERATO研究総括
慶應義塾大学理工学部教授
中嶋 敦
慶應義塾大学理工学部専任講師
角山 寛規
（JST特別重点「中嶋ナノクラスター集積制御プロジェクト）
株式会社アヤボと共同
1/21
中嶋プロジェクトご紹介
使う
ナノデバイス応用
作る
p
精密大量合成
i n
シリコンシングル
ナノテクノロジー
1 1 1 0 0 1
ナノクラスター
集積物質科学の創出
ナノクラスターの特長：
電子構造が離散的（量子的）
なので特異的な触媒活性点や
磁性が発現する．
表面原子の割合が高い：
正20面体構造の例
原子
第2層
第3層
観る
■
■
第1層
有機金属デバイス
ナノクラスター
バルク固体
バルク固体
物性機能計測
Ti@Si16
1cm
1
1
12
13
42
55
92
147
1
10,000,000
∆E>>kT
∆E≒kT
∆E=0
∆E：エネルギー準位の間隔、kT：熱エネルギー
Wavelength (nm)
2/21
ナノクラスターの活用ポテンシャル
従来技術：レーザー蒸発法によるアブレーション法
：直流電源マグネトロンスパッタリング法
・触媒の高効率化
・高効率広帯域な太陽電池材料
・極低消費電力の微小メモリ素子
・単電子トランジスタ素子
3/21
ナノクラスターの気相合成・従来技術とその問題点
従来技術：レーザー蒸発法によるアブレーション法
：直流電源マグネトロンスパッタリング法
問題点
・レーザー蒸発による生成量の激しい経時変化
・生成源の温度上昇の制約によるスパッタ
効率の制約
・クラスター成長とイオン量の限界
広く利用されるまでには至っていない。
4/21
新技術の特徴・従来技術との比較
• 従来技術のレーザー蒸発法の問題点である
生成量の激しい経時変化（ふらつき）を改良
• 従来はスパッタ率が上げられずイオン量に限界
→電源をパルス化することでスパッタ率が向上し、
ナノクラスターイオンの生成効率が向上
• 時間分割したイオン生成で標的ナノクラスターの
選択性が１桁以上向上。
5/21
新技術の概要
目的：
ナノクラスターの生成効率と質量・構
造の選別精度を大幅に向上させた、
パルス・マグネトロンスパッタリング
装置を提供する。
装置
技術の概要；
HiPIMS（高出力インパルス・マグネトロンス
パッタリング）をナノクラスター生成装置に組み
込み、放電パルスの強度、間隔、デューティ比
放電パルスの強度、間隔、デューティ比
を調整し、これら電気的パラメータに応じた2
を調整し、これら電気的パラメータに応じた
種類の不活性ガス（プラズマガス及び冷却ガ
ス）の導入量、分圧及び導入場所を変化させ
ることに加え、イオンビーム取り出し口に設け
ることに加え、イオンビーム取り出し口に設け
たイオンゲートに放電パルスに遅延同期させ
たパルス阻止電場を印加して、これらの相乗
効果によって上記目標を達成する。
特許「ナノクラスター生成装置」
2014年3月14日査定登録・P5493139
PCT/JP2014/063877
株式会社アヤボと共同
6/21
新技術によるナノクラスター
これまで確認されている機能ナノクラスターの例
・金属ナノクラスター
Ag, Pt, Au, Cu, Pd, Ni, ….
・半導体ナノクラスター
Si, Ge,….
・シリコン複合ナノクラスター
Ru, Rh, Pd, Ag, Co, Ni, Mo, W
Ta, Nb, V, Ti, Lu
－ Si
Ta@Si16
7/21
（実施例1
（実施例1） 銀 (Ag) ナノクラスターの質量スペクトル
本技術
2倍から10倍の
イオン量を実現
従来技術
(直流マグネトロンスパッタリング）
直流マグネトロンスパッタリング）
8/21
（実施例2）
（実施例 ）
イオンゲート電場の遅延時間による質量スペクトルの変化
（時間分割されたＡｇナノクラスターの生成）
時間分割により
選択性を向上
異種元素混合
では顕在化
9/21
（実施例3）イオンゲート電場の遅延時間による
（実施例 ）イオンゲート電場の遅延時間による
質量スペクトルの変化（TaSi16ナノクラスター）
質量スペクトルの変化（
10/21
HiPIMS法の適用範囲
HiPIMS法の適用範囲
⽩⾦
ナノクラスター負イオン
パラジウム
ナノクラスター負イオン
種々の金属・半導体および複合ナノクラスターに適用可能
11/21
従来の気相生成法との比較
従来技術
本技術
pAオーダー
オーダー
nAオーダー
オーダー
105以上
103～104
質量選択性
低
高
イオンゲートによる阻止電場遅延同期
―
有
イオンゲートによる質量選択性の向上
―
大
クラスター生成量（イオンビーム強度）
クラスターサイズ制御範囲（m/z）
）
クラスターサイズ制御範囲（
12/21
市販ナノ粒子との比較
既存「ナノ粒子」
との
粒径比較
「2011年 微粉体市場
の現状と将来展望(富
士キメラ総研）」を元に
作図
★本技術によって既存商品よりも2～3桁小さい、1nmレベルのナノ
粒子が得られる。
★しかも、その物性は既存製品には無い特異なものとなる可能性が
13/21
高い：「ナノ粒子」から「ナノクラスターへ」
応用展開のイメージ
1. リサーチツール
生成精度向上、収量増加によって
ナノクラスターの応用研究を加速
「ナノクラスター分散液と
その製造装置」（出願中）
2.ナノクラスター、
2.ナノクラスター、
ナノ粒子製造装置
改良
技術
生成したナノクラスターを液
中に捕集。
アプリケーション
質量・構造の選別精度を大幅に向上させた、
直流パルス・マグネトロンスパッタリング装置
凝集せず
長期間安定
3. 高精密触媒
・デバイス
ナノクラスターを固体上に担持
4. 製膜高度化のた
めの基盤技術
前駆体としてのナノクラスター解析・制御
14/21
新技術の応用
• 機能ナノクラスターの選択的大量合成手法
• 製膜：界面の乱れを起こさない金属ナノクラスター
付着によって有機デバイスへの効率的な電極づけ
M. Nakaya et. al.,
Adv. Func. Mater. 2013.
• デバイス：MEMSによるナノ構造と金属ナノクラス
ターの光学応答とを制御した光電変換センサー
M. Nakaya et. al.,
Nanoscale 2014.
Ta@Si16 M. Shibuta et al.
J. Am. Chem. Soc. 2015. 15/21
想定される製品
• ナノクラスター、ナノ粒子製造装置
• ナノクラスター生成から
高精密触媒 ･ 製膜高度化
のための基盤技術に展開も可能。
16/21
実用化に向けた課題
既存商品よりも2～3桁小さい、
1 nmレベルのナノ粒子が得られる。
・現在：ナノクラスターの生成手法
直径50 mmの円盤ターゲットで実施可能
・課題：ユーザビリティの向上とコスト削減
・今後：種々のナノクラスターの生成の実証
ユーザーフレンドリーな制御システムの構築
17/21
企業への期待
・パルススパッタリング電源の技術
関連企業との共同研究を希望
→ナノクラスター生成の汎用化とコストダウン
各国電源の事情に合わせた電源技術の最適化
・製膜技術を開発中の企業、触媒分野への展開
→ナノクラスターの機能を最大限化
用途開発に向けた共同研究を希望。
→製膜技術およびそれを基礎とした触媒分野
電子・光デバイス等への展開も探索
18/21
本技術に関する知的財産権
• 発明の名称
• 出願番号
• 登録番号
• 出願人
• 発明者
：ナノクラスター生成装置
：特願2013-112995
（2013年5月29日）
：PCT/JP2014/063877
：特許5493139 （2014年3月14日）
：国立研究開発法人 科学技術振興機構
株式会社 アヤボ
：中嶋敦、角山寛規、張初航、赤塚 紘
己、塚本 恵三
19/21
産学連携
産学連携の経歴
の経歴
• 2009年-2016年 JST・ERATO事業に採択
• 2013年アヤボ社と共同開発実施
• 2015年-2017年 アヤボ社と共同研究実施
20/21
お問い合わせ先
お問い合わせ先
技術問合せ：
慶應義塾大学 先端科学技術研究センター（KLL）
研究員（産学連携担当） 田巻 一彦
TEL: 045－566－1708
FAX: 045－566－1697
e-mail: [email protected]
ライセンス問合せ：
国立研究開発法人 科学技術振興機構
主任調査員 小澤 修二
TEL: 03－5214－8486
FAX: 03－5214－8417
e-mail: [email protected]
21/21