(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向して多数設けられた電極を備えた基板上に、上記電極の対向する方向に沿って多数の流路を設けた流路パターンを載置し、上記電極と上記流路にて形成されたトンネル状の流路内にナノチューブを分散させた溶媒を案内させて一方向に流し、単電子としてのナノチューブを対向する電極間に次々に架橋させ、上記溶媒を乾燥後上記流路パターンを上記基板から剥離することを特徴とするナノチューブの位置制御方法。
【請求項２】
上記流路が直線状に形成されることを特徴とする請求項１記載のナノチューブの位置制御方法。
【請求項３】
上記ナノチューブがカーボンナノチューブであることを特徴とする請求項１記載のナノチューブの位置制御方法。
【請求項４】
隣接する上記電極間の間隔と隣接する上記流路間の間隔との間に一定の関係があることを特徴とする請求項１記載のナノチューブの位置制御方法。
【請求項５】
隣接する上記電極間の間隔を隣接する上記流路間の間隔に比し小とすることを特徴とする請求項４記載のナノチューブの位置制御方法。
【請求項６】
隣接する上記電極間の間隔を隣接する上記流路間の間隔に比し大とすることを特徴とする請求項４記載のナノチューブの位置制御方法。
【請求項７】
隣接する上記電極間の間隔と隣接する上記流路間の間隔とが等しいことを特徴とする請求項４記載のナノチューブの位置制御方法。
【請求項８】
上記流路の入り口を上記流路に比し大とすることを特徴とする請求項１記載のナノチューブの位置制御方法。
【請求項９】
上記電極が円形に形成された干渉防止部に設けられることを特徴とする請求項１記載のナノチューブの位置制御方法。
【請求項１０】
隣接する上記電極が洩れ防止路により連結されることを特徴とする請求項１記載のナノチューブの位置制御方法。
【請求項１１】
上記電極と統合電極の間にヒューズ用細線を設けることを特徴とする請求項１記載のナノチューブの位置制御方法。
【請求項１２】
対向して多数設けた電極を備えた基板上に載置されるフィルム状材からなり、上記電極の対向方向に沿って多数の流路を設け、上記各流路は一定の間隔で平行に形成されるとともに、上記電極と上記流路にてトンネル状の流路が形成されるよう、隣接する流路間の間隔が隣接する上記電極間の間隔と一定の関係を有し、上記フィルム状材の端部にナノチューブを分散させた溶媒を付与される液溜部を設け、上記液溜部と上記各流路とを連通し単電子としてのナノチューブを導入することを特徴とするナノチューブ位置制御用流路パターン。
【請求項１３】
上記流路が直線状に形成されることを特徴とする請求項１２記載のナノチューブ位置制御用流路パターン。
【請求項１４】
隣接する上記流路間の間隔を隣接する上記電極間の間隔に比し大とすることを特徴とする請求項１２記載のナノチューブ位置制御用流路パターン。
【請求項１５】
隣接する上記流路間の間隔を隣接する上記電極間の間隔に比し小とすることを特徴とする請求項１２記載のナノチューブ位置制御用流路パターン。
【請求項１６】
隣接する上記流路間の間隔と隣接する上記電極間の間隔とが等しいことを特徴とする請求項１２記載のナノチューブ位置制御用流路パターン。
【請求項１７】
上記流路の入り口を上記流路に比し大とすることを特徴とする請求項１２記載のナノチューブ位置制御用流路パターン。
【請求項１８】
上記フィルム状材がシリコンゴムからなることを特徴とする請求項１２記載のナノチューブ位置制御用流路パターン。
【請求項１９】
基板と、該基板上に対向して設けられる多数の電極と、上記電極間に非交差状態で架橋された単電子ナノチューブとからなり、上記単電子ナノチューブは溶媒に分散された状態で上記電極上に剥離可能に置かれた流路パターンの流路に案内されて一の電極から他の電極に供されることを特徴とするナノチューブを用いた電子素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、ナノチューブの位置制御方法、ナノチューブ位置制御用流路パターン及びナノチューブを用いた電子素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノチューブはナノメートル単位幅の一次元的な構造を有し、その微細構造ゆえナノデバイスの構成素材として注目されている。回路を構成する素材が微細化されれば集積度が飛躍的に向上するから、例えば半導体集積回路の性能が飛躍的に向上する。
【０００３】
しかしながら、ナノチューブはその微細構造性ゆえにその位置や方向の制御が極めて困難であった。
【０００４】
従来の文献としては例えば次の如きものがある。
【特許文献１】特開２００３−３３２２６６号公報
【非特許文献１】第６４回応用物理学会学術講演会講演予稿集（２００３年秋  福岡大学）３／ａＥ−１
【０００５】
特許文献１は、電極と電極の間にカーボンナノチューブを分散したエタノール液を滴下し、電極間に高周波電圧を印加し、電極間にナノチューブを配線する技術である。また非特許文献１の開示技術は、有機溶媒に分散したカーボンナノチューブを絶縁性基板上に滴下しカーボンナノチューブを電極にとるというものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、これらの技術はいずれもカーボンナノチューブを溶媒滴下により基板上に付与するため、電極にカーボンナノチューブが大量に集まってきてしまい、電極間の架橋が偶然性に左右され、安定性に欠けるという欠点がある。たまたまカーボンナノチューブによる架橋があったとしても、上方で浮遊している他のカーボンナノチューブが下方に落下し再架橋してしまうリスクが非常に大であるからである。また非特許文献１の技術は大量生産に不向きである。
【０００７】
本願発明は上記欠点を解消し、ナノチューブによる電極の架橋を安定的にかつ大量生産可能に行なうことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的達成のため、本願発明によるナノチューブの位置制御方法は、対向して多数設けられた電極を備えた基板上に、上記電極の対向する方向に沿って多数の流路を設けた流路パターンを載置し、上記電極と上記流路にて形成されたトンネル状の流路内にナノチューブを分散させた溶媒を案内させて一方向に流し、単電子としてのナノチューブを対向する電極間に次々に架橋させ、上記溶媒を乾燥後上記流路パターンを上記基板から剥離することを特徴とする。
また、上記流路が直線状に形成されること、上記ナノチューブがカーボンナノチューブであること、隣接する上記電極間の間隔と隣接する上記流路間の間隔との間に一定の関係があることを特徴とする。これは、隣接する上記電極間の間隔を隣接する上記流路間の間隔に比し小とすること、隣接する上記電極間の間隔を隣接する上記流路間の間隔に比し大とすること、隣接する上記電極間の間隔と隣接する上記流路間の間隔とが等しいことを特徴とする。また、上記流路の入り口を上記流路に比し大とすること、上記電極が円形に形成された干渉防止部に設けられること、隣接する上記電極が洩れ防止路により連結されること、上記電極と統合電極の間にヒューズ用細線を設けることを特徴とする。
また本願発明は、対向して多数設けた電極を備えた基板上に載置されるフィルム状材からなり、上記電極の対向方向に沿って多数の流路を設け、上記各流路は一定の間隔で平行に形成されるとともに、上記電極と上記流路にてトンネル状の流路が形成されるよう、隣接する流路間の間隔が隣接する上記電極間の間隔と一定の関係を有し、上記フィルム状材の端部にナノチューブを分散させた溶媒を付与される液溜部を設け、上記液溜部と上記各流路とを連通し単電子としてのナノチューブを導入することを特徴とするナノチューブ位置制御用流路パターンを供する。
また上記したナノチューブ位置制御用流路パターンは、上記流路が直線状に形成されること、隣接する上記流路間の間隔を隣接する上記電極間の間隔に比し大とすること、隣接する上記流路間の間隔を隣接する上記電極間の間隔に比し小とすること、隣接する上記流路間の間隔と隣接する上記電極間の間隔とが等しいこと、上記流路の入り口を上記流路に比し大とすること、上記フィルム状材がシリコンゴムからなることを特徴とする。
さらに本願発明は、基板と、該基板上に対向して設けられる多数の電極と、上記電極間に非交差状態で架橋された単電子ナノチューブとからなり、上記単電子ナノチューブは溶媒に分散された状態で上記電極上に剥離可能に置かれた流路パターンの流路に案内されて一の電極から他の電極に供されることを特徴とするナノチューブを用いた電子素子を供する。
【発明の効果】
【０００９】
溶媒中に分散されているナノチューブは、溶媒が流路パターンの流路中を流れて移動し、その移動範囲が流路に沿って規制されるため、ナノチューブがくねった状態で流路内に進入してきたとしても、流路により矯正される。そして流路は直線状に形成されているから、結局ナノチューブの位置及び方向性は矯正され非交差状態にて電極間に架橋されることになる。
【００１０】
ナノチューブを分散させた溶媒は一方向に流れるため、落下による再架橋のおそれが実質上なく、架橋が安定化する。
【００１１】
ナノチューブの上記位置制御は流路パターンにより基板上に大量に行うことができるから、単位電極当たりの歩留りの考慮を無視することができる。よって、生産性が向上するから、生産コストが低下し、大量生産に適する効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、実施の形態を模式的に示す図面に基づき本願発明をさらに詳しく説明する。なお、便宜上同一の機能を奏する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００１３】
図１乃至図３は、本願発明によるナノチューブの位置制御方法を示すとともに、本願発明によるナノチューブを用いた電子素子の製造方法を示す。本願発明によるナノチューブを用いた電子素子の製造は次の（１）乃至（３）の工程を経る。
【００１４】
（１）電極の作成工程
＜１＞基板洗浄
シリコン基板はアセトン溶液に浸して超音波により５分間洗浄後、上記溶液から取り出し、窒素ガスにて基板１上の上記溶液を吹きとばす。次いで上記基板１をエタノール溶液に浸して超音波により５分間洗浄後、上記溶液から取り出し、窒素ガスにて基板１上の上記溶液を吹きとばす。
【００１５】
＜２＞金属薄膜蒸着
真空蒸着装置に＜１＞のシリコン基板をセットし、真空引きする。この条件は、温度：室温、真空度：１０×ｅ−６ｔｏｒｒ、蒸着源：アルミニウム（Ａｌ）又は金（Ａｕ）、膜厚：３０００Åである。蒸着源をヒータで加熱し、基板１に金属薄膜を蒸着させる。所定の膜厚となったら蒸着終了とし、チャンバーを大気に戻し、基板１を取り出す。
【００１６】
＜３＞レジスト塗布
＜２＞の基板１をスピナーの基板ホルダにセットし、基板ホルダをポンプで吸引する。次いで上記基板１に適宜の感光性材料からなるレジスト（図示省略）を適量塗布した後、始めは低速（６００回転／秒）で約５秒、続けて高速（５０００回転／秒）で約９０秒回転する。終了後基板１を基板ホルダから取り出す。
【００１７】
＜４＞レジスト硬化
レジストを塗布した＜３＞の基板１を、オーブンで１８０℃×２０分間程度加熱し、レジストを硬化させる。
【００１８】
＜５＞パターン描画
＜４＞の基板１を電子線描画装置（図示省略）のステージにセットし、真空引きする。フォーカスをレジスト表面に合わせ、予め設定したパターンを描画する。終了後チャンバーを大気に戻し、基板１を取り出す。
【００１９】
＜６＞現像・リンス
パターンを描画した＜５＞の基板１を現像液に約３分３０秒浸して現像する。基板１を現像液から取り出し、基板１上に残った現像液をブロアーで吹き飛ばす。次いで上記基板１をリンス液に約１５秒浸漬後、取り出して基板１上に残ったリンス液をブロアーで吹き飛ばす。
【００２０】
＜７＞ウェットエッチング
＜６＞の基板１を酸性の液に浸漬し、ウェットエッチングを行なう。酸性の液としては、例えばリン酸１ｍｌ、純水９８ｍｌとし、浸漬条件は温度：約３０℃、時間：約６０秒とする。終了後、純水に浸して酸性液を基板１から取り除く。
【００２１】
＜８＞レジスト剥離
＜７＞工程終了後、基板１をレジスト剥離液（例えば３−ペンタノン）に約１０分間浸漬し、レジストを剥離する。終了後、ブロアーで剥離液を飛ばした後、エタノール液に浸す。その後、エタノール液から取り出し、自然乾燥させる。かくして基板１上にアルミニウムＡｌからなる多数の電極３ａ、３ｂが形成される。
【００２２】
（２）流路パターンの作成工程
＜９＞流路のパターン描画
流路パターン基板を電子線描画装置（図示省略）にかけ、予め設計した流路のパターンを描画する。
【００２３】
＜１０＞現像・リンス、ウェットエッチング、シリコンゴム塗布、硬化及び剥離
（１）と同様にして現像・リンス及びウェットエッチング工程後、上記流路パターン基板上にシリコンゴム（ＰＤＭＳ）を適量塗布する。シリコンゴムには硬化剤を予め混合しておく。上記流路パターン基板をホットプレートにて１１０℃×約６分シリコンゴムを硬化させる。次いで上記シリコンゴムを流路パターン基板から剥離し、流路パターン５を作成する。流路パターン５は流路５ａの高さＨが例えば１μｍより小の程度が通常である。
【００２４】
（３）ナノチューブによる架橋工程
＜１１＞配線
上記（１）工程により作成された基板１の電極に配線する。配線１０は、多数の電極３ａ、３ｂに１つひとつするのではなく、電源が接続される統合電極４ａ、４ｂに銀ペースト１１にて付ける。
【００２５】
＜１２＞流路パターン装着
工程（１）にて作成した基板１の多数の電極３ａ、３ｂ上に、工程（２）にて作成した流路パターン５を載置する。この載置は、シリコンゴムの有する吸着力により、多数の電極３ａ、３ｂ上に隙間なく密着する。
【００２６】
＜１３＞溶液供給
電極４ａ、４ｂ間に電圧印可後、カーボンナノチューブが分散したジクロロエタン溶液を液溜部５ｂに付与する。このときの条件は次の通りである。
気圧：大気圧（１気圧）
温度：室温（２３℃）
印加電圧：直流０．０１Ｖ以下
接続抵抗：２００ｋΩ  直列
溶液の量：約０．０１ｍｌ
【００２７】
＜１４＞位置制御
液溜部５ｂに供給された溶媒中のナノチューブ７は電極３ａ、３ｂ間の電界によって電気泳動され架橋する。溶液乾燥後、流路パターン５を基板１から剥離する。かくしてナノチューブ７の位置制御が終了する。
【００２８】
図５はかくして電極３ａ、３ｂ間に架橋され位置制御されたナノチューブ７を示す。即ち、本願発明によるナノチューブを用いた電子素子は、基板１上に蒸着された電極３ａ、３ｂと、該電極３ａ、３ｂ間に架橋されたカーボンナノチューブ７とからなり、これらが例えば１平方センチメートル当たり約２００万個という単位で集積されてなる。上記ナノチューブ７は電極３ａ、３ｂ間に１本ずつ橋渡しされ、非交差状態となっている。本願発明においてナノチューブ７が「非交差状態」というとき、完全な直線状でなくともよく、図５Ａ、Ｂ、Ｃに示すように多少の曲げが許される状態を指称し、とぐろを巻いた状態を排除する趣旨であり、またナノチューブが二本以上同一箇所に架橋された状態を排除する趣旨である。
【００２９】
上記実施の形態によれば次の作用効果がある。まず、溶媒中に分散されているナノチューブ７は、流路５ａが直線状に形成されているから、その位置及び方向性が矯正され非交差状態にて電極３ａ、３ｂ間に架橋されることになる。
【００３０】
この点を図６に基づき詳しく説明する。溶液は流路５ａに流入する際、入り口５ｄが流路５ａより拡大されて形成されているため、層流の流れに変化が生じる。即ち、入口５ｄ部分で一様に入った流れは、流路５ａに沿って矢印で示す境界層が発達する。それに伴い、流路５ａの中央部では境界層で排除された流体が集まって速度が増加する。下流に進むにしたがって境界層の厚さが増し、中央部の速度はさらに大きくなる。入口５ｄは流れの方向に小となっており、かかる場合、流体力学上圧力エネルギから速度エネルギへの変換は容易に行われ、損失も無視できる程度と言われている。ナノチューブ７はこのような状態の流れの中で流路５ａ内に流入し、いわば引張られるような状態で流路５ａ内に流入する。このときその流れによる力によりナノチューブ７の位置及び方向が矯正される。そして流路５ａが直線状に形成されているのと相まって、ナノチューブ７の位置及び方向は確実かつ安定的に矯正され、ナノチューブ７が非交差状態にて電極３ａ、３ｂ間に架橋する。
【００３１】
ナノチューブ７を分散させた溶媒は、毛細管現象により液溜部５ｂより液溜部５ｃ方向に向かって一方向に流れるため、液滴下の場合の如く架橋されているナノチューブ７の上にさらに重畳的にナノチューブ７が供されるおそれがない。よってナノチューブ７による電極間の架橋が安定する。
【００３２】
電極３ａ、３ｂは円形に形成された干渉防止部２に互いに対向するように設けてあるため、電界は電極３ａ、３ｂの先端部に集中し、これにより溶媒中のナノチューブ７が他の部分には向かわず、電極３ａ、３ｂ間に付着する。よってナノチューブ７の位置制御に一層有利である。
【００３３】
流路パターン５は多数の電極３ａ、３ｂの上に載置され、流路パターン５に多数形成された流路５ａによりナノチューブ７を架橋する。よって流路パターン５の位置決め精度が低くてもナノレベルでの位置制御を可能にする。
【００３４】
この点を数値モデルにより説明する。例えば、隣接する対向電極３ａ、３ｂと対向電極３ａ、３ｂ間の間隔Ｍを２０μｍ、隣接する流路５ａと流路５ａ間の間隔Ｎを１９．５μｍ、流路５ａの幅Ｌを４μｍとする場合、流路５ａと対向電極３ａ、３ｂとは、
２０μｍ／（２０μｍ−１９．５μｍ）＝４０
となるので、４０回に１回必ず一致する。これはＭ＜Ｎの場合にも適用できる原理である。そしてＭ、Ｎの数値は製造技術の進歩により非常に接近することを可能とし、近似値となる程ナノチューブ７の位置制御の歩留まりが大となる。理論的にはＭ＝Ｎの場合もあり得、このときは歩留まり１００％となる。
【００３５】
また電極は流路パターンとは分離されているため電極設計が容易になる。
【００３６】
また溶媒は液溜部５ｂから流路５ａを進行し、流路パターン５外には液もれしない。よって液滴下の場合のように電極に付される銀ペーストが、液滴下の場合のように溶解するおそれがない。
【００３７】
隣接する対向電極３ａ、３ｂと対向電極３ａ、３ｂが洩れ防止路６により連結されるから、流路５ａ内を流れるナノチューブ７が隣接する対向電極３ａ、３ｂに流れることを防止する。
【００３８】
印加される電圧が低いため、ナノチューブの特性構造を破壊することなく、電極間３ａ、３ｂを架橋することができる。
【００３９】
また大気中において室温での製作が可能であるから、特別の施設がなくてもよく、この面でも生産コストが低下し、大量生産に適する効果がある。
【００４０】
さらに、対向電極３ａ、３ｂと統合電極４ａ、４ｂの間にヒューズ用細線９を設けた場合、過電流により始めにヒューズ用細線９が断線するから、必要以上の電流を流さないで低電圧下で架橋することができる。よって、ナノチューブの特性構造を維持することが可能となる。ヒューズ用細線９が断線した場合には、断線時の熱が溶液にて緩和されるから、この面でもナノチューブの特性構造を破壊することがない。
【００４１】
本願発明は上記した実施の形態に限定されない。例えば、隣接する対向電極間の間隔Ｍ、隣接する流路間の間隔Ｎ、流路の幅Ｌの寸法は適宜に設計することができる。干渉防止部２の形状も任意である。洩れ防止路６やヒューズ用細線９を設けないこと、設ける場合の寸法、形状は適宜に設計することができる。
【００４２】
基板１、電極３ａ、３ｂ、流路パターン５の素材、ナノチューブを分散する溶媒も任意である。ナノチューブの供給方法は任意である。
【００４３】
ナノチューブにつき、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の同効物質、例えばホウ素カーボン窒素ナノチューブ（ＢＣＮナノチューブ）やホウ素窒素ナノチューブ（ＢＮナノチューブ）、種々の化学修飾されたナノチューブについても本願発明を適用することができる。
【００４４】
流路パターン５は透明体でなくともよい。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本願発明は例えば半導体素子に適用された場合その回路の集積度が飛躍的に向上するから、半導体集積回路の性能が飛躍的に向上する。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本願発明によるナノチューブの位置制御方法に係り、その実施の形態を模式的に示す平面図である。
【図２】図１の一部拡大図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。
【図４】本願発明によるナノチューブ位置制御用流路パターンの実施の形態を示す平面図である。
【図５】Ａ、Ｂ、Ｃは本願発明によるナノチューブを用いた電子素子の実施例を示し、電極間に架橋されたナノチューブの電子顕微鏡写真を模式的に表した図、ＤはＡのＤ−Ｄ断面図、ＥはＡのＥ−Ｅ断面図、ＦはＡのＦ矢視縮小図である。
【図６】本願発明による効果の説明に使用した図である。
【符号の説明】
【００４７】
１          基板
２          干渉防止部
３ａ、３ｂ  電極
４ａ、４ｂ  統合電極
５          流路パターン
５ａ        流路
５ｂ        液溜部
５ｃ        液溜部
５ｄ        入口
６        洩れ防止路
７          ナノチューブ
９          ヒューズ用細線
１０        配線
１１        銀ペースト
【要約】
【課題】  ナノチューブによる電極の架橋を安定的にかつ大量生産可能に行なうこと
【解決手段】  対向する電極３ａ、３ｂ上に、上記電極の対向方向に沿って流路５ａを設けた流路パターン５を載置し、カーボンナノチューブ７を分散させた溶媒を上記流路に案内させて一方向に流し、上記溶媒を乾燥後上記流路パターン５を上記電極から剥離することによりナノチューブ７を位置制御する。隣接する上記電極間の間隔Ｍと隣接する上記流路間の間隔Ｎとの間に一定の関係を設ける。流路パターン５は対向する電極上に載置されるフィルム状材からなり、上記電極の対向方向に沿って多数の流路を設ける。上記各流路は一定の間隔で平行に形成され、隣接する流路間の間隔Ｎが隣接する上記電極間の間隔Ｍと一定の関係を有する。上記フィルム状材の端部にはカーボンナノチューブ７を分散させた溶媒を付与される液溜部５ｂ、５ｃを設け、上記液溜部と上記各流路とを連通する。
【選択図】図１
【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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