JPH0817982B2 - 有機薄膜の形成装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、有機薄膜の形成装置の係り、特に複数種の
有機薄膜を累積したヘテロ構造膜を得る装置に関する。

（従来の技術） 近年、有機分子を用いる材料技術の進歩が著しい。こ
れに伴い、有機分子を用いた新しい機能素子を実現しよ
うとする気運が高まっている。特に、有機分子を用いた
超薄膜を利用した素子開発の検討が盛んに行われてい
る。

有機薄膜の形成法として従来より、スピンコート法，
真空蒸着法，ラングミュア・ブロジェット（Langmuir−
Brodgett）法等が知られている。これらのうち特に、ラ
ングミュア・ブロジェット法は、有機分子をÅ単位で配
向して積層することができる唯一の薄膜形成法として近
年多大の注目を集めている。以下の説明では、ラングミ
ュア・ブロジェット法をLB法と略称し、このLB法により
形成される膜をLB膜と称する。LB膜の適用が考えられて
いる素子としては、LB膜を絶縁膜とするMIS型発光素子
やMISトランジスタ、色素分子を用いた光電変換素子、
光記録媒体、各種センサ、極性膜構造を用いた圧電素子
等がある。またLB膜を超微細加工用レジストとして利用
することも検討されている。

ところで通常のLB法では、単一分子からなる両親媒性
分子を水面上に展開し、これを所定の表面圧になるよう
に圧縮して凝縮膜化した後、試料基板をこの単分子膜を
横切って上下動させることにより、基板上に有機分子薄
膜を累積するという方法が採られる。この方法は垂直浸
漬法と呼ばれる。これに対し、展開された単分子膜に平
行に試料基板を接触させて基板上に有機分子薄膜を付着
させる方法は、水平付着法と呼ばれる。これらの方法に
より得られる累積単分子膜の構造には、親水基同士，疎
水基同士が隣接して累積されるＹ型と、親水基に対して
疎水基が隣接して累積されるＸ型およびＺ型がある。基
板表面の親水的若しくは疎水的性質により、最初に付着
する単分子膜の親水基側が基板側になり、その単分子膜
の疎水基に次の単分子膜の親水基が付く形で順次単分子
膜が累積されるのがＸ型であり、これと逆に累積される
のがＺ型である。

以上に述べたいずれの方法でも、単一成分からなる累
積単分子膜では、その応用範囲が限られる。そこで異種
分子の交互累積膜（ヘテロ構造膜）の形成法に関する研
究が増加している。複数種の有機分子膜を累積するため
には、水槽内の異なる領域に異なる有機分子膜を展開し
て、試料基板を順次異なる単分子膜が展開された領域に
浸漬することが必要である。その様な交互累積膜形成装
置として従来提案されているのは、いずれも一つの水槽
内を固定バリアで区切って複数種の単分子膜を展開でき
るようにしたものである。固定バリアで区切られた有機
分子膜展開領域の下部は連通しており、全ての展開領域
の水は共通である。しかしながらこの様な従来の交互累
積膜形成装置には、次のような問題がある。まず、単分
子膜を展開するには、その有機分子に応じて水相（例え
ばpH,温度，イオン濃度）を最適設定することが望まれ
る。しかし、共通の水槽では異なる単分子膜の展開領域
毎に異なるpH値や温度等を設定することができない。従
って展開分子の選択範囲が限定される。また、異なる単
分子膜の展開領域間で試料基板を搬送するためには、
（ａ）固定バリアを可とう性材料により形成してこれに
試料基板支持棒が通過できるようなゲート部を設けるこ
と、（ｂ）固定バリアを回転軸として試料基板をこれに
保持して回転駆動できるようにすること、等が提案され
ている。しかし、（ａ）の構成としてゲート部を通して
試料基板の搬送を行うと、展開分子の相互混入や表面圧
の変動が生じる。これは良質のヘテロ構造膜の形成を難
しくする。またこれらの構成では、交互累積膜の種類が
２種に限定され、３種以上の単分子膜の累積ができな
い。更にこれら従来の装置は試料基板を水槽内部で搬送
しなければならない。このため既に基板に付着している
有機薄膜の剥離が生じる場合がある。

（発明が解決しようとする問題点） 以上のように従来のヘテロ構造膜形成装置では、水槽
が共通であるために、累積膜構成分子の選択範囲が狭
く、また水槽内部で搬送しなければならないという問題
があり、このため多種の構成分子膜からなる良質のヘテ
ロ構造膜を得ることが困難であった。

本発明は、この様な問題を解決したヘテロ構造膜形成
装置を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明のヘテロ構造膜形成装置は、それぞれ両親媒性
有機分子の単分子膜を展開する互いに独立した複数の水
槽を有し、これらの水槽に展開された単分子膜を基板上
に付着させるために各水槽ごとに基板をそれぞれ独立に
上下に駆動可能な基板駆動手段と、基板を各水槽の外部
において各水槽間で搬送する基板搬送手段とを設けてい
る。展開される単分子膜の圧縮駆動系と表面圧検出器と
は、各水槽毎に設けられる。

本発明は更に上記基本構造に加えて、基板の水槽内で
の浸漬領域を仕切手段と、この仕切手段を基板とは独立
に上下に駆動する駆動手段とを設けたことを特徴とす
る。

（作用） 本発明の構成によれば、複数の水槽でそれぞれ所望の
水相組成を設定することができ、またそれぞれの展開分
子膜を所望の凝縮膜とすることができる。また複数の水
槽は独立であって、基板の搬送は水槽の外部で行われる
ため、異種展開分子の混入が防止され、基板に付着した
単分子膜の剥離現象も防止される。従って良質のヘテロ
構造膜を得ることができる。

また、仕切り用カセットを組合わせると、基板の浸漬
時または引上げ時のいずれか一方においてのみ単分子膜
を累積することができる。従ってヘテロ構造膜を、その
積層方向に所望の構成順序で自在に形成することが可能
となる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を説明する。

第１図は、３種類の両親媒性有機分子を展開する３つ
の完全に独立した水槽1,2,3を用いた実施例の膜形成装
置である。各水槽1,2,3は防振架台５に脚４により固定
されている。水槽1,2,3はそれぞれ、基板が浸漬される
深溝部６を有する。これらの水槽1,2,3はその水面上に
展開した分子を所望の表面圧で凝縮膜化するための表面
圧検出器および圧縮駆動系をそれぞれ独立にもってい
る。図では、水槽１上にある表面圧検出器７が示されて
いるが、実際には水槽2,3上にも同様の表面圧検出器が
ある。この表面圧検出器７は例えば、ろ紙を吊下げて展
開された分子膜の表面張力を測定する、電子天秤を用い
たウィルヘルミー（Wilhelmy）型と呼ばれるものであ
る。圧縮駆動系の基本構成要素は、水槽３について説明
すれば、水面に有機分子を展開，圧縮するためのテフロ
ン製可動バリア８である。この可動バリア８は平行バネ
９により支持台10に保持され、この支持台10は架台に固
定されたガイド11に摺動自在に保持されてネジ12に連結
されている。このネジ12は、その両端が支持台14,15に
より保持され、モータ13からの動力が歯車16,17を介し
て伝達されるようになっている。即ちモータ13を駆動す
ることにより、可動バリア８をネジ12に沿って移動させ
ることができ、これにより所定表面圧の凝縮膜を形成す
ることができる。他の水槽１および２についても、圧縮
駆動系の構成は同じである。なお図では、水槽1,2では
左側に、水槽３では右側にそれぞれモータを含む駆動部
を設けているが、これは収納スペースを考慮した結果で
あり、格別の意味はない。膜形成を行うための基板を水
槽内に浸漬したり、引上げたりという上下動駆動をする
ために、基板駆動装置18がある。

第２図は基板駆動装置18の構成を詳細に示す。基板ホ
ルダー19は放射状に伸びるアーム先端部に基板保持部を
有し、複数枚の基板20（20₁,20₂,…）を同一円周上に保
持できるようになつている。この羽根車状の基板ホルダ
ー19は、支持台21上に回転自在に支持され、モータ22の
動力がプーリ23₁,23₂とこれらを連結するベルト25によ
り基板ホルダー19の回転軸24に伝達されるようになって
いる。これにより、水槽に浸漬する一つの基板が選択さ
れる。支持台21は支持基板30に固定されたガイド26に保
持され、ガイド26と平行して配設されたネジ27に連結さ
れている。支持基板30に固定されたモータ29の動力は歯
車28を介してネジ27に伝達され、これにより支持台21と
共に基板ホルダー19の上下動がなされる。

基板ホルダー19の位置には、基板20を水槽内に浸漬す
る際または水槽から引上げる際にその領域を仕切って展
開分子の基板20への付着を阻止する仕切り用カセット31
が設けられている。仕切り用カセット31は、アーム32を
介して支持台33に固定されている。この支持台33はネジ
34に連結され、このネジ34は支持基板30に固定されたモ
ータ35により駆動される。これにより、仕切り用カセッ
ト31は基板ホルダー19とは独立に上下動駆動がなされ、
必要に応じて基板20の水槽内での浸漬領域を仕切ること
ができるようになっている。

基板を３つの水槽1,2,3間で搬送するための機構は、
架台５に固定された柱36₁,36₂上に構成されている。即
ち柱36₁,36₂上に２本のガイドレール37₁,37₂が設けら
れ、基板駆動装置18がこのガイドレール37₁,37₂上に摺
動可能に吊下げられて、ネジ38に連結されている。そし
てガイドレール37₁,37₂上の支持台に固定されたモータ3
9の動力が歯車40を介してネジ38に伝達される。これに
より基板は基板駆動装置18ごとガイドレール37₁,37₂に
沿って、水槽1,2,3間を自由に移動できるようになって
いる。

このように構成された装置により、ヘテロ構造膜を形
成する工程を具体的に次に説明する。水槽の間をどのよ
うな順序で搬送するか、また仕切り用カセットをどのよ
うに使用するか、によって種々のヘテロ構造膜を形成す
ることができる。

第３図は、仕切り用カセット31がない構造、あるいは
仕切り用カセット31を取付けてあるがこれを水槽上部に
引上げた状態に固定して、水槽1,2,3の順に基板を移動
させてヘテロ構造膜を形成した場合の各水槽での単分子
膜の累積の様子を示している。水槽1,2,3にはそれぞれ
異なる分子41,42,43の単分子膜が所定表面圧で形成され
ているとする。まず水槽１に基板20を浸漬して引上げる
工程（１）においては、分子41の親水基側が基板20に接
触する状態で単分子膜が形成される。次にこの基板20を
水槽２上に搬送し、水槽２に浸漬する工程（２）におい
て、分子42の疎水基が既に形成されている分子41の疎水
基に付く形で分子42の単分子膜が累積される。次いで基
板20を引上げる工程（３）で同じ分子42が逆向きに、即
ち既に形成されている分子42と親水基同士を隣り合せる
形で単分子膜が累積される。次にこの基板を水槽３上に
移動させ、水槽２におけると同様に浸漬工程（４），引
上げ工程（５）により分子43の単分子膜を累積する。

第５図は、このようにして累積形成されたヘテロ構造
膜を拡大して模式的に示したものである。

このようにしてこの実施例によれば、複数の独立した
水槽を設けているため、展開分子同士の混入汚染が防止
される。また基板は水槽外部に取出して搬送するため、
水槽内部を搬送する従来技術におけるように付着した単
分子膜が剥離することが防止される。従って良質のヘテ
ロ構造膜を形成することができる。

第４図は、仕切り用カセット31を使用して所望のヘテ
ロ構造膜を形成した場合の各単分子膜の累積の様子を示
す。水槽1,2,3の順に浸漬，引上げを行うことは第３図
の場合と同様である。まず水槽１に基板20を浸漬する工
程（１）では仕切り用カセット31を水槽１内に半分沈め
た状態で保持する。これにより、基板20を浸漬しても、
水面に展開されている分子41は仕切り用カセットに遮ら
れて基板20には付着しない。実際には、仕切り用カセッ
ト31で仕切られた面積内の分子が基板20に付着するが、
これは仕切り用カセットで区切られた面積が基板面積に
比べて十分小さい場合には、基板の端部に僅かに付着す
るだけであって殆ど無視できる。次にこの水槽１から引
上げる工程（２）では、仕切り用カセット31を水面上に
引上げておく。これにより、分子41による単分子膜が基
板20に付着する。続いて水槽２において基板20を浸漬す
る工程（３）では、仕切り用カセット31を引上げた状態
のままとする。この結果、この浸漬時に分子42の単分子
膜が累積される。そして基板引上げ工程（４）では、引
上げに先だって仕切り用カセット31を下ろして水槽２に
半分沈めた状態に保持する。これにより先に工程（１）
で説明したと同様に、仕切り用カセット31の働きにより
分子42の基板20上への累積が阻止される。次に水槽３に
おいて基板20を浸漬する工程（５）では、仕切り用カセ
ット31を水槽３に半分沈めた状態に保持することによ
り、分子43の付着を防止する。そして引上げ工程（６）
で予め仕切り用カセット31を引上げておくことにより、
分子43の単分子膜を累積する。

第６図は、このようにして累積形成されたヘテロ構造
膜の構成を拡大して模式的に示す。この様に仕切り用カ
セット31を適当に組合わせて使用することにより、基板
の浸漬時のみ、あるいは引上げ時のみに選択的に単分子
膜を累積することが可能になる。この結果複数種の単分
子膜を種々の組合わせをもって累積形成することができ
る。

この実施例によれば、仕切り用カセットがない場合、
あるいはこれを用いない場合にはできないヘテロ構造膜
を得ることができる。即ち基板の浸漬時のみ、あるいは
引上げ時のみに単分子膜の累積を行うことができるか
ら、異なる単分子膜を単層ずつ積層することが可能であ
り、その積層方向の層構造を任意に選ぶことができる。

なお、仕切り用カセットを用いて基板の浸漬領域を限
定した場合、前述のように、僅かであるがカセット内に
ある分子は基板に付着する。これを避けるためには例え
ば、基板ホルダーにダミー基板を付けて、これをカセッ
トで仕切られた領域で浸漬，引上げを行ってその領域の
展開分子をダミー基板に付着させてしまうようにすると
よい。これにより、カセットを用いた場合の基板端部で
の不要な分子膜の累積を防止することが可能になる。

本発明は上記実施例に限られるものではない。例えば
実施例では３つの水槽を用いた場合を説明したが、少な
くとも二つの水槽があれば本発明は有効であり、また４
つ以上の水槽を用意して多様な分子を展開して複雑なヘ
テロ構造膜を形成することも可能である。また基板を上
下動させる基板駆動手段や基板搬送手段の具体的な構成
はその趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施するこ
とができる。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、独立した複数の水
槽を設け、試料基板をこれら水槽の外部で搬送するよう
に構成することにより、良質のヘテロ構造膜を累積形成
することのできる有機薄膜形成装置が得られる。また水
槽の水面上に他展開される単分子膜のうち試料基板が浸
漬される一部領域を区切る仕切り用カセットを設け、こ
れを基板の上下動駆動とは独立に上下動駆動できるよう
にすることによって、単分子膜を基板浸漬時または引上
げ時のいずれか一方にのみ累積することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のヘテロ構造膜形成装置を示
す図、第２図はその基板駆動装置部を詳細に示す図、第
３図は仕切り用カセットを用いない場合のヘテロ構造膜
累積の様子を説明するための図、第４図は仕切り用カセ
ットを用いた場合のヘテロ構造膜累積の様子を説明する
ための図、第５図および第６図はそれぞれ第３図および
第４図の方法で得られるヘテロ構造膜を拡大して模式的
に示す図である。 1,2,3……水槽、４……脚、５……架台、６……深溝、
７……表面圧検出器、８……圧縮用可動バリア、９……
平行バネ、10……支持台、11……ガイド、12……ネジ、
13……モータ、14,15……支持台、16,17……歯車、18…
…基板駆動装置、19……基板ホルダー、20……基板、21
……支持台、22……モータ、23……プーリ、24……回転
軸、25……ベルト、26……ガイド、27……ネジ、28……
歯車、29……モータ、30……支持基板、31……仕切り用
カセット、32……アーム、33……支持台、34……ネジ、
35……モータ、36……柱、37……ガイドレール、38……
ネジ、39……モータ、40……歯車、41,42,43……分子。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】それぞれ両親媒性有機分子の単分子膜を展
   開する互いに独立した複数の水槽と、これら水槽に展開
   された単分子膜を基板上に付着させるために各水槽ごと
   に基板をそれぞれ独立に上下に駆動可能な基板駆動手段
   と、前記基板を前記複数の水槽の間で搬送する基板搬送
   手段とを備えたことを特徴とする有機薄膜の形成装置。
2. 【請求項２】それぞれ両親媒性有機分子の単分子膜を展
   開する互いに独立した複数の水槽と、これら水槽に展開
   された単分子膜を基板上に付着させるために基板を上下
   に駆動する基板駆動手段と、前記水槽に展開された単分
   子膜を所定の表面圧にするバリアと、前記基板の水槽内
   での浸漬領域を仕切る仕切手段と、この仕切手段を前記
   基板とは独立に上下に駆動する駆動手段と、前記基板を
   前記複数の水槽の間で搬送する基板搬送手段とを備えた
   ことを特徴とする有機薄膜の形成装置。
3. 【請求項３】前記複数の水槽にそれぞれ、展開される単
   分子膜の圧縮系および表面圧測定器が設けられている特
   許請求の範囲第２項記載の有機薄膜の形成装置。
4. 【請求項４】前記複数の水槽はそれぞれ、前記基板を水
   面に垂直に浸漬するための深い溝を形成されている特許
   請求の範囲第２項記載の有機薄膜の形成装置。
5. 【請求項５】前記基板駆動手段は、複数枚の基板を円周
   上に支持してこれを水面に垂直な面内で回転することに
   より浸漬すべき基板を選択することができる基板ホルダ
   ーと、この基板ホルダーを上下に駆動する手段とを有す
   る特許請求の範囲第２項記載の有機薄膜の形成装置。
6. 【請求項６】前記基板搬送手段は、前記複数の水槽の上
   部に配設されて前記基板駆動手段を摺動可能に吊下げる
   ガイドレールと、このガイドレールに沿って前記基板駆
   動手段を駆動する手段とを有する特許請求の範囲第２項
   記載の有機薄膜の形成装置。