(57)【要約】本発明は、ナノテクノロジーの分野に関する。とくに、本発明は、長さ、長さおよび幅、もしくは面積が均一な寸法になるように、または長さもしくは面積が特定の分布になるように、種々のカッティング技術を用いて、複数のナノ構造体をカッティングする方法を記載する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）固体基体上にナノ構造体の集合体をコーティングし、ここで、該ナノ構造体は、該基体の表面上に空間的に固定され、
ｂ）ステップ（ａ）のコーティングされたナノ構造体の個別部分をパターニングシステムにより特定し、そして
ｃ）ステップ（ｂ）のナノ構造体の特定された個別部分にカッティング手段を適用し、これにより、該ナノ構造体は、均一な長さまたは長さ分布になるようにカッティングされること
を含んでなる、均一な長さまたは長さ分布になるようにナノ構造体の集合体をカッティングする方法。
【請求項２】
前記ナノ構造体が、チューブ、ロッド、シリンダー、バンドル、ウェーハ、ディスク、シート、プレート、プレーン、コーン、スライバー、グラニュール、エリプソイド、ウェッジ、およびファイバーよりなる群から選択される規定の形状を有する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ナノ構造体が、カーボンナノチューブ、ナノバンドル、高分子ナノファイバー、天然ナノファイバー、および窒化ホウ素ナノファイバーよりなる群から選択されるナノロッドである請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記ナノロッドがナノチューブである請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記ナノ構造体の集合体が、場合により、コーティング前に分散剤溶液中に懸濁される請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記分散剤が、メタクリル系コポリマーおよびホモポリマー、置換ベンゼン、クロロホルム、ジメチルホルムアミド、界面活性剤、ならびにその組合せよりなる群から選択される請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記固体基体が、シリコン、二酸化ケイ素、ガラス、金属、金属酸化物金属合金、ポリマー、セラミックス、クリスタル、およびその組合せよりなる群から選択される材料で構成されている請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記固体基体が、場合により、金属酸化物、金属炭化物、金属窒化物、金属硫化物、金属ホウ化物、ヒ化ガリウム、ヒ化アルミニウム、硫化アルミニウム、硫化ガリウム、界面活性剤、タンパク質、およびその組合せよりなる群から選択される材料でコーティングされる請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記パターニングシステムが、トポグラフィー的誘導エッチング、印刷、成形、およびエンボス加工よりなる群から選択される請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記カッティング手段が、紫外線、Ｘ線よりなる群から選択される電離放射線を利用するフォトン照射、電子照射、イオンビーム照射、プラズマイオン化、および中性原子機械加工である請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記カッティングされたナノ構造体の約８５％〜約１００％が均一な長さまたは均一な長さ分布をもつ請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記ナノ構造体がカッティングされる前記均一な長さが約１０ｎｍ〜約１０００ｎｍである請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ナノ構造体がカッティングされる前記均一な長さが約１０ｎｍ〜約４００ｎｍである請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記ナノ構造体がコーティング前にアラインメントされる請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記ナノ構造体がコーティング前に界面活性剤中に混合される請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記ナノ構造体がコーティング前にＤＮＡ溶液と混合される請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記ナノ構造体がセパレーター材料の層により分離された層の形態で前記固体基体上にコーティングされる請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記セパレーター材料がポリラクチドおよびポリビニルアルコールよりなる群から選択される請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記ナノチューブがナノチューブ剥離剤の存在下の音波処理を含んでなるプロセスにより回収される請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記ナノチューブ剥離剤が強塩基および強酸よりなる群から選択される請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記ナノチューブ剥離剤が、水酸化ナトリウム、硫酸、過酸化水素、およびその組合せよりなる群から選択される請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記パターニングシステムが、フォトマスクを利用するフォトリソグラフィーであり、そして該フォトマスクが、矩形および円形ならびにその組合せよりなる群から選択されるパターンを利用する請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
前記フォトマスクが同心円のパターンを利用する請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
ａ）（ｉ）固体基体と、
（ｉｉ）該基体上に形成された第１の分散剤層と、ここで、該第１の分散剤層は、さまざまな長さをもつナノロッドの集合体を含んでなり、
（ｉｉｉ）該第１の分散剤層上に形成された第２のポジ型レジスト層と、
（ｉｖ）該第２のポジ型レジスト層のすぐ近くの、光透過性領域および光不透過性領域のパターンを有するフォトマスクと、
を含んでなるナノロッドカッティングデバイスを準備し、
ｂ）該ナノロッドカッティングデバイスを光源に暴露し、これにより、光は、該フォトマスクの光透過性領域を透過し、該第２のポジ型レジスト層を該第１の分散剤層のレベルまで分解し、
ｃ）該分解されたポジ型レジストを（ｂ）のデバイスから除去し、これにより、該第１の分散剤層は露出され、
ｄ）（ｃ）のデバイスに照射を行い、これにより、該露出された分散剤層は分解され、そして該ナノロッドはカッティングされ、該フォトマスクの光透過性領域のパターンに対応する均一な長さまたは長さ分布をもつナノロッドの集合体が生成されること
を含んでなる、均一な長さまたは長さ分布をもつようにナノロッドの集合体をカッティングする方法。
【請求項２５】
ａ）（ｉ）固体基体と、
（ｉｉ）該基体上に形成された第１の分散剤層と、ここで、該第１の層は、さまざまな長さをもつナノロッドの集合体を分散剤溶液中に含んでなり、
（ｉｉｉ）該第１の分散剤層上に形成された第２のネガ型レジスト層と、
（ｉｖ）該第２のネガ型レジスト層のすぐ近くの、光透過性領域および光不透過性領域のパターンを有するフォトマスクと、
を含んでなるナノロッドカッティングデバイスを準備し、
ｂ）該ナノロッドカッティングデバイスを光源に暴露し、これにより、光は、該フォトマスクの光透過性領域を透過し、かつ該第２のネガ型レジスト層を該第１の分散剤層のレベルまで架橋し、
ｃ）不安定化された該ネガ型レジストをネガ型レジスト現像液で（ｂ）のデバイスから除去し、これにより、該第１の分散剤層は露出され、そして
ｄ）（ｃ）のデバイスに照射を行い、これにより、該露出された分散剤層は分解され、該ナノロッドはカッティングされ、該フォトマスクの光透過性領域のパターンに対応する均一な長さまたは長さ分布をもつナノロッドの集合体が生成されること
を含んでなる均一な長さまたは長さ分布をもつようにナノロッドの集合体をカッティングする方法。
【請求項２６】
前記コーティングされた基体がステップ（ｄ）の照射時に浸漬油により覆われる請求項２４または２５のいずれかに記載の方法。
【請求項２７】
ａ）（ｉ）固体基体と、
（ｉｉ）該基体上に形成された第１の分散剤層と、ここで、該第１の層は、さまざまな長さをもつナノロッドの集合体を分散剤溶液中に含んでなり、そして
（ｉｉｉ）該第１の分散剤層上に形成された第２のインプリンティング可能なレジスト層と
を含んでなるナノロッドカッティングデバイスを準備し、
ｂ）該分散剤層を露出させた分解領域が該インプリンティング可能なレジストにパターン状に形成されるように（ａ）のデバイスをインプリンティング基体に接触させ、
ｃ）（ｂ）のデバイスに照射を行い、これにより、該露出された分散剤層は分解され、そして該ナノロッドはカッティングされ、該インプリンティング基体により適用されたパターンに対応する均一な長さまたは長さ分布をもつナノロッドの集合体が生成されること
を含んでなる、均一な長さまたは長さ分布をもつようにナノロッドの集合体をカッティングする方法。
【請求項２８】
ａ）（ｉ）固体基体と、
（ｉｉ）該基体上に形成された第１の分散剤層と、ここで、該第１の層は、さまざまな長さをもつナノロッドの集合体を分散剤溶液中に含んでなり、そして
（ｉｉｉ）該第１の分散剤層上に形成された第２の前成形レジスト層と、ここで、該前成形レジストには、該分散剤層を露出させたパターン化分解領域がある、を含んでなるナノロッドカッティングデバイスを準備し、
ｂ）（ａ）のデバイスに照射を行い、これにより、該露出された分散剤層は分解され、該ナノロッドはカッティングされ、該前成形レジストの適用されたパターンに対応する均一な長さまたは長さ分布をもつナノロッドの集合体が生成されること
を含んでなる、均一な長さまたは長さ分布をもつようにナノロッドの集合体をカッティングする方法。
【請求項２９】
ａ）（ｉ）エンドレスコンベヤー手段に固定された固体基体と、
（ｉｉ）分散剤溶液中のナノロッドの第１の浴と、
（ｉｉｉ）第２のレジスト浴と、
（ｉｖ）焼成手段と、
（ｖ）パターニング手段と、
（ｖｉ）第３の現像浴と、
（ｖｉｉ）照射源と、
（ｖｉｉｉ）第４のナノ剥離剤浴と
を含んでなるナノロッドカッティングデバイスを準備し、
ｂ）該コンベヤー手段を介して該固体基体を該分散剤溶液中のナノロッドの第１の浴（ｔｈｅ  ｆｉｒｓｔ  ｂａｔｈ  ｎａｎｏ−ｒｏｄｓ  ｉｎ  ｄｉｓｐｅｒｓａｎｔ  ｓｏｌｕｔｉｏｎ）中に逐次的に移動させ、これにより、該固体基体は、該分散剤溶液中に液浸され、
ｃ）（ｂ）の液浸された該固体基体を該第１の浴から移動させ、これにより、該分散体は乾燥され、該ナノロッドは、該固体基体に固定され、
ｄ）（ｃ）の基体を第２のレジスト浴中に移動させ、ここで、固定された該ナノロッドは、レジストでコーティングされ、
ｅ）（ｄ）の基体を焼成手段に通して移動させ、これにより、該レジストは該基体上で焼成され、
ｆ）（ｅ）の基体を該パターニング手段を介して光に暴露し、これにより、該レジストは該パターニング手段のパターンに従って分解され、
ｇ）（ｆ）の暴露された基体を第３の現像浴中に移動させ、これにより、該レジストは現像され除去され、
ｈ）該基体上のナノロッドが、該パターニング手段により生成されたパターン状にカッティングされるように、（ｇ）のレジストフリーの基体に照射を行い、そして
ｉ）該カッティングされたナノロッドを含有する（ｈ）の基体を該第４のナノ剥離剤浴中に移動させ、これにより、該カッティングされたナノロッドは、該基体から剥離され回収されること
を含んでなる、均一な長さまたは長さ分布をもつようにナノロッドの集合体をカッティングする方法。
【請求項３０】
前記ナノロッドが、カーボンナノチューブ、高分子ナノファイバー、天然ナノファイバー、および窒化ホウ素ナノファイバーよりなる群から選択される請求項２４、２５、または２７〜２９のいずれかに記載の方法。
【請求項３１】
前記ナノロッドが、前記第１の分散剤層中でアラインメントされる請求項２４、２５、または２７〜２９のいずれかに記載の方法。
【請求項３２】
均一な長さをもつ前記ナノロッドの集合体が、場合により、残存するレジストまたは分散剤を溶解させることにより回収される請求項２４、２５、または２７〜２９のいずれかに記載の方法。
【請求項３３】
前記固体基体が、シリコン、二酸化ケイ素、ガラス、金属ポリマーセラミックス、およびクリスタルよりなる群から選択される材料で構成されている請求項２４、２５、または２７〜２９のいずれかに記載の方法。
【請求項３４】
前記固体基体が、場合により、金属酸化物、金属炭化物、金属窒化物、金属硫化物、金属ホウ化物、ヒ化ガリウム、ヒ化アルミニウム、硫化アルミニウム、硫化ガリウム、界面活性剤、タンパク質、およびその組合せよりなる群から選択される材料でコーティングされる請求項２４、２５、または２７〜２９のいずれかに記載の方法。
【請求項３５】
前記分散剤が、メタクリル系コポリマーおよびホモポリマー、置換ベンゼン、クロロホルム、ジメチルホルムアミド、界面活性剤、ならびにその組合せよりなる群から選択される請求項２４、２５、または２７〜２９のいずれかに記載の方法。
【請求項３６】
前記カッティングされたナノロッドの集合体の長さが、約１０ｎｍ〜約１０００ｎｍの範囲の値をとる請求項２４、２５、または２７〜２９のいずれかに記載の方法。
【請求項３７】
前記ナノ構造体がカッティングされる前記均一な長さが、約１０ｎｍ〜約４００ｎｍである請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記光源が紫外領域の光を放出する請求項２４、２５、または２７〜２９のいずれかに記載の方法。
【請求項３９】
前記デバイスが重金属イオンで照射される請求項２４、２５、または２７〜２９のいずれかに記載の方法。
【請求項４０】
前記デバイスがイオンプラズマへの暴露により照射される請求項２４、２５、または２７〜２９のいずれかに記載の方法。
【請求項４１】
前記フォトマスクが矩形および円形ならびにその組合せよりなる群から選択されるパターンを利用する請求項２４、２５、または２７〜２９のいずれかに記載の方法。
【請求項４２】
前記カッティングされた炭素ナノロッドの両端に電極が作製される請求項２４、２５、または２７〜２９のいずれか一項に記載の方法を含んでなるナノ回路の作製方法。
【請求項４３】
（ｉ）固体基体と、
（ｉｉ）該基体上に形成された第１の分散剤層と、ここで、該第１の層は、さまざまな長さをもつアラインメントされたナノロッドの集合体を分散剤溶液中に含んでなり、
（ｉｉｉ）該第１の分散剤層上に形成された第２のレジスト層と、
（ｉｖ）該第２のレジスト層のすぐ近くの、光透過性領域および光不透過性領域のパターンを有するフォトマスクと
を含んでなる、ナノ構造体カッティングデバイス。
【請求項４４】
前記第２のレジスト層がネガ型レジストで構成されている請求項４３に記載のナノ構造体カッティングデバイス。
【請求項４５】
前記第２のレジスト層が、ポジ型レジストで構成されている請求項４３に記載のナノ構造体カッティングデバイス。
【請求項４６】
前記固体基体が、シリコン、二酸化ケイ素、ガラス、金属、ポリマー、セラミックス、およびクリスタルよりなる群から選択される材料で構成されている請求項４３に記載のナノ構造体カッティングデバイス。
【請求項４７】
前記分散剤が、メタクリル系コポリマーおよびホモポリマー、置換ベンゼン、クロロホルム、ジメチルホルムアミド、界面活性剤、ならびにその組合せよりなる群から選択される、請求項４３に記載のナノ構造体カッティングデバイス。
【請求項４８】
前記ナノロッドの集合体の長さが、約１０ｎｍ〜約１０００ｎｍの範囲の値をとる請求項４３に記載のナノ構造体カッティングデバイス。
【請求項４９】
（ａ）固体基体を準備し、
（ｂ）該基体上に第１の分散剤層を形成し、ここで、該第１の層は、さまざまな長さをもつナノ構造体の集合体を分散剤溶液中に含んでなり、
（ｃ）過剰の分散剤を除去しかつ該ナノ構造体を該基体に固定するために該基体上の分散剤層を焼成し、
（ｄ）該第１の分散剤層上に形成される第２のレジスト層を形成し、そして
（ｅ）光透過性領域および光不透過性領域のパターンを有するフォトマスクを該第２のレジスト層のすぐ近くに固定すること
を含んでなる、ナノ構造体カッティングデバイスの作製方法。
【請求項５０】
前記第１の分散剤層が前記基体上にスピンコーティングされる請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
前記第２のレジスト層が前記分散剤層上にスピンコーティングされる請求項４９に記載の方法。
【請求項５２】
長さ分布を有するナノ構造体の集合体。
【請求項５３】
長さ分布を有するナノロッドの集合体。
【請求項５４】
前記ナノロッドが１０ナノメートル〜約１０００ナノメートルの長さ分布を有する請求項５３に記載のナノロッドの集合体。
【請求項５５】
前記ナノロッドが、カーボンナノチューブ、高分子ナノファイバー、天然ナノファイバー、および窒化ホウ素ナノファイバーよりなる群から選択される請求項５２または５３のいずれかに記載のナノロッドの集合体。
【請求項５６】
請求項１、または２４、２５、または２７〜２９のいずれか一項（ａｎｙｏｎｅ）に記載の方法により作製されたナノロッドを含んでなるデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノテクノロジーの分野に関する。特に、本発明は、長さ、幅、直径、または面積が均一な寸法になるように、複数のナノ構造体（とりわけ、ナノチューブ）をカッティングする方法を記載する。
【背景技術】
【０００２】
電子デバイスおよび集積回路の複雑度の増大により、個々の回路素子におけるサイズの減少と相まって、とりわけ、作製パターンの解像度および確度に関して、作製プロセスにさらに厳しい要求が課される。ナノメートルスケールで作製することができれば、たとえば、超小型電子回路や他の用途において、機能デバイスの小型化の継続が保証される。
【０００３】
ナノ構造体のクラスの１つは、寸法および予測される構造敏感性の点で非常に注目されてきたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）である。カーボンナノチューブは、およそ数ナノメートル程度の直径および数マイクロメートルまでの長さを有する。これらの細長いナノチューブは、同心状に配置された炭素ヘキサゴンからなり、チューブの両端は、ペンタゴン含有バックミンスターフラーレン様構造によりキャッピングされている。ナノチューブは、壁のグラファイト状リングの直径および配置のキラリティーに依存して、半導体または金属として作用することができる。さらに、異なるカーボンナノチューブを連結一体化させることにより、興味深い電気的、磁気的、非線形光学的、熱的、および機械的性質を有する分子ワイヤーを形成することが可能である。
【０００４】
ナノチューブの特異な性質により、パネルディスプレイのエレクトロンフィールドエミッター、単分子トランジスター、走査型プローブ顕微鏡チップ、ガス貯蔵および電気化学的エネルギー貯蔵、触媒、タンパク質／ＤＮＡ担体、分子濾過膜、およびエネルギー吸収材料のための新素材を含めて、マテリアルサイエンスおよびナノテクノロジーにおける多数の用途が示唆される。（たとえば、（非特許文献１）、（非特許文献２）、（非特許文献３）を参照されたい）。
【０００５】
カーボンナノチューブ中の原子配置は、ナノチューブの長さ方向に大幅に変化する可能性があるので、その電気的性質も大幅に変化する可能性があることは公知である（非特許文献４）。電気的性質のそのような変化は、カーボンナノチューブにより相互接続されたナノデバイス間の電子輸送の効率に悪影響を及ぼす可能性がある。したがって、上記の用途のほとんどにおいて、個々のナノチューブの性質を評価してデバイス中に効果的に組み入れることができるように、明確に規定された１つまたは複数の特定範囲のナノチューブ長さを生成させることがきわめて望ましい。しかしながら、既存の技術では、均一な長さまたは明確に規定された長さ分布範囲のいずれかを有するナノチューブを作製する手段は準備されず、特定の寸法になるようにナノチューブを迅速にかつ制御下でカッティングする手段も準備されない。
【０００６】
（特許文献１）には、生成されたＣＮＴの長さを制御する試みが記載されている。Ｃ原子結合を切断するのに十分である適切な質量およびエネルギーのイオンを用いてＣＮＴに照射を行い、ナノチューブの全円周のまわりにダングリングボンドを生成させる。次に、新しいＣＮＴをこれらのダングリングボンドから成長させる。この方法は、単一のＣＮＴのカッティングには有効であるが、イオン選択プロセスが経験的であることならびに新たに生成されるＣＮＴのサイズおよび長さを制御できないことなどのいくつかの大きな欠点を抱えている。
【０００７】
（非特許文献５）では、超音波ホモジナイゼーションを用いることによりこの問題を解決しようと試みられているが、なかば成功したにすぎない。この方法は、ポリマー溶液の存在下における強力な超音波ホモジナイゼーションステップ、濾過ステップ、および精製ステップを必要とするので労力がかかり、単一壁カーボンナノチューブだけに限定される。
【０００８】
リソグラフィープロセスは、ナノスケールで材料を物理修飾するために使用されてきた。これらのプロセスの多くは、開発が十分に進んでおり、たとえば、フォトリソグラフィー、干渉リソグラフィー（ホログラフィックリソグラフィーと呼ばれることもある。（非特許文献６）参照）、液浸リソグラフィー（たとえば、（非特許文献７）参照）、Ｘ線リソグラフィー、電子ビームリソグラフィーおよびイオンビームリソグラフィー、マイクロコンタクト印刷（μＣＰ）、機械的スクレーピング（ｓｃａｐｉｎｇ）、マイクロ成形（たとえば、（非特許文献８）参照）、ソフトリソグラフィー（たとえば、（非特許文献９）参照）、サーマルタイプのナノインプリントリソグラフィー（たとえば、（非特許文献１０）参照）およびステップアンドフラッシュインプリントリソグラフィーのような感光タイプのナノインプリントリソグラフィー（たとえば、（非特許文献１１）参照）が挙げられる。しかしながら、リソグラフィーの技術が高度に開発された状態にあるとはいえ、これらの技術のうちのごく小数だけが、均一な物理的パラメーターを有するＣＮＴを生成させるという問題の解決に適用されてきたにすぎない（（非特許文献１２）、（非特許文献１３）、（非特許文献１４））。
【０００９】
以上に記載した方法は、小さいスケールでＣＮＴおよび他のナノ構造体をカッティングするために利用可能であるが、工業スケールのＣＮＴ修飾に適用することは容易ではなく、長さ、幅、直径、および面積の均一な物理的パラメーターを有するナノ構造体の集合体を再現性よく生成させることができないというさらなる制約を抱えている。出願人は、リソグラフィー技術を用いて多数のアラインメントされたナノチューブをカッティングし、均一な物理的性質を有するナノ構造体（とりわけ、ナノチューブ）の集合体を生成する方法を準備することにより、この問題を解決した。
【００１０】
【特許文献１】特開平０７−１７２８０７号公報
【非特許文献１】エム・ドレッセルハウス（Ｍ．Ｄｒｅｓｓｅｌｈａｕｓ）ら著、物理の世界（Ｐｈｙｓ．Ｗｏｒｌｄ）、１月号、ｐ．３３、１９８８年
【非特許文献２】ピー・エム・アジャヤン（Ｐ．Ｍ．Ａｊａｙａｎ）およびティー・ダブリュー・エベッセン（Ｔ．Ｗ．Ｅｂｅｓｓｅｎ）著、物理の進歩に関する報告（Ｒｅｐ．Ｐｒｏｇ．Ｐｈｙｓ．）、第６０巻、ｐ．１０２７、１９９７年
【非特許文献３】アール・ダガニ（Ｒ．Ｄａｇａｎｉ）著、化学技術ニュース（Ｃ＆Ｅ  Ｎｅｗｓ）、１月１１日号、ｐ．３１、１９９９年
【非特許文献４】コリンズ（Ｃｏｌｌｉｎｓ）ら著、科学（Ｓｃｉｅｎｃｅ）、第２７８巻、ｐ．１００（１９９７年１０月３日）
【非特許文献５】湯田坂（Ｙｕｄａｓａｋａ）ら著、応用物理（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．）、第７１巻（第４号）、ｐ．４４９−４５１（２０００年）
【非特許文献６】イー・アンダーソン（Ｅ．Ａｎｄｅｒｓｏｎ）、シー・ホロウィッツ（Ｃ．Ｈｏｒｏｗｉｔｚ）、エイチ・スミス（Ｈ．Ｓｍｉｔｈ）著、応用物理レター（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ）、第４３巻、第９号、ｐ．８７４、１９８３年
【非特許文献７】エム・スウィットケス（Ｍ．Ｓｗｉｔｋｅｓ）、エム・ロスチャイルド（Ｍ．Ｒｏｔｈｓｃｈｉｌｄ）著、真空科学技術誌（Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．）Ｂ１９巻、第６号、ｐ．２３５３−６、２００１年
【非特許文献８】ダイ・エル（Ｄａｉ  Ｌ．）著、高分子科学誌（Ｊ．Ｍａｃｒｏｍｏｌ．Ｓｃｉ．）、高分子化学物理総説（Ｒｅｖ．Ｍａｃｒｏｍｏｌ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．）（１９９９年）第３９巻、ｐ．２７３
【非特許文献９】ワイ・キシア（Ｙ．Ｘｉａ）、ジー・エム・ホワイトサイズ（Ｇ．Ｍ．Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ）著、材料科学年間総説（Ａｎｎｕ．Ｒｅｖ．Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．）、第２８巻、ｐ．１５３−８４、１９９８年
【非特許文献１０】エス・ワイ・チョウ（Ｓ．Ｙ．Ｃｈｏｕ）、ピー・アール・クラウス（Ｐ．Ｒ．Ｋｒａｕｓｓ）、ピー・ジェイ・レンストロム（Ｐ．Ｊ．Ｒｅｎｓｔｒｏｍ）著、Ｓｃｉｅｎｃｅ、２７２、ｐ．８５−８７  １９９６年
【非特許文献１１】エム・コルバーン（Ｍ．Ｃｏｌｂｕｒｎ）、エイ・グロット（Ａ．Ｇｒｏｔ）、エム・アミストソ（Ｍ．Ａｍｉｓｔｏｓｏ）、ビー・ジェイ・チョイ（Ｂ．Ｊ．Ｃｈｏｉ）、ティー・ベイリー（Ｔ．Ｂａｉｌｅｙ）、ジェイ・エケルツ（Ｊ．Ｅｋｅｒｄｔ）、エス・ブイ・スリーニバサン（Ｓ．Ｖ．Ｓｒｅｅｎｉｖａｓａｎ）、ジェイ・ホレンホルスト（Ｊ．Ｈｏｌｌｅｎｈｏｒｓｔ）、シー・グラント・ウィルソン（Ｃ．Ｇｒａｎｔ  Ｗｉｌｌｓｏｎ）著、写真光学計測技術者協会誌（Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ）、第３６７６号、ｐ．３７９−３８９、１９９９年
【非特許文献１２】ファン（Ｆａｎ）ら著、科学（Ｓｃｉｅｎｃｅ）、第２８３号、ｐ．５１２、（１９９９年）
【非特許文献１３】ファング（Ｈｕａｎｇ）ら、ヨネヤ（Ｙｏｎｅｙａ）ら著、応用物理レター（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．）、第７９巻、ｐ．１４６５−１４６７、（２００１年）
【非特許文献１４】ダイ・エル（Ｄａｉ  Ｌ．）著、放射線物理化学（Ｒａｄｉａｔｉｏｎ  Ｐｈｙｓ．  ａｎｄ  Ｃｈｅｍ．）、第６２巻、ｐ．５５−６８、（２００１年）
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、長さまたは面積のいずれかに関して均一な寸法をもつナノ構造体の作製に関する。本発明はまた、長さまたは面積のいずれかに関して特定の寸法分布を有するナノ構造体の作製に関する。本発明はさらに、ナノテクノロジーの多くの領域で実用化するためのそのような材料からのデバイスの構築に関する。
【００１２】
したがって、本発明は、
ａ）固体基体上にナノ構造体の集合体（ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ）をコーティングし、ここで、該ナノ構造体は、該基体の表面上に空間的に固定され、
ｂ）ステップ（ａ）のコーティングされたナノ構造体の個別部分をパターニングシステムにより特定し、
ｃ）ステップ（ｂ）のナノ構造体の特定された個別部分にカッティング手段を適用し、これにより、該ナノ構造体は、均一な長さまたは長さ分布になるようにカッティングされること
を含んでなる、均一な長さまたは長さ分布になるようにナノ構造体の集合体をカッティングする方法を準備する。
【００１３】
本発明に係る好ましいナノ構造体は、固体基体上にコーティングする前に場合により分散剤溶液中に懸濁させることが可能であるカーボンナノチューブである。本発明に係るナノ構造体は、より正確なカッティングを行うために、基体にコーティングする前にアラインメントさせることが可能であるかまたは最初に界面活性剤の溶液中に分散させることが可能である。
【００１４】
場合により、ナノ構造体を固体基体から回収することが可能である。
【００１５】
このほか、本発明は、
ａ）（ｉ）固体基体と、
（ｉｉ）該基体上に形成された第１の分散剤層と、ここで、該第１の分散剤層は、さまざまな長さをもつナノロッドの集合体を含んでなり、
（ｉｉｉ）該第１の分散剤層上に形成された第２のポジ型レジスト層と、
（ｉｖ）該第２のポジ型レジスト層のすぐ近くの、光透過性領域および光不透過性領域のパターンを有するフォトマスクと
を含んでなるナノロッドカッティングデバイスを準備し、
ｂ）該ナノロッドカッティングデバイスを光源に暴露し、これにより、光は、該フォトマスクの光透過性領域を透過し、該第２のポジ型レジスト層を該第１の分散剤層のレベルまで分解し（ｄｅｇｒａｄｅｄ）、
ｃ）分解された該ポジ型レジストを（ｂ）のデバイスから除去し、これにより、該第１の分散剤層は露出され、
ｄ）（ｃ）のデバイスに照射を行い、これにより、露出された該分散剤層は分解され、該ナノロッドはカッティングされ、該フォトマスクの光透過性領域のパターンに対応する均一な長さまたは長さ分布をもつナノロッドの集合体が生成されること
を含んでなる、均一な長さまたは長さ分布をもつようにナノロッドの集合体をカッティングする方法を準備する。
【００１６】
他の実施形態では、本発明は、
ａ）（ｉ）固体基体と、
（ｉｉ）該基体上に形成された第１の分散剤層と、ここで、該第１の層は、さまざまな長さをもつナノロッドの集合体を分散剤溶液中に含んでなり、
（ｉｉｉ）該第１の分散剤層上に形成された第２のネガ型レジスト層と、
（ｉｖ）該第２のネガ型レジスト層のすぐ近くの、光透過性領域および光不透過性領域のパターンを有するフォトマスクと
を含んでなるナノロッドカッティングデバイスを準備し、
ｂ）該ナノロッドカッティングデバイスを光源に暴露し、これにより、光は、該フォトマスクの光透過性領域を透過し、該第２のネガ型レジスト層を該第１の分散剤層のレベルまで架橋し、
ｃ）不安定化された該ネガ型レジストをネガ型レジスト現像液で（ｂ）のデバイスから除去し、これにより、該第１の分散剤層は露出され、そして
ｄ）（ｃ）のデバイスに照射を行い、これにより、露出された該分散剤層は分解され、該ナノロッドはカッティングされ、該フォトマスクの光透過性領域のパターンに対応する均一な長さまたは長さ分布をもつナノロッドの集合体が生成されること
を含んでなる、均一な長さまたは長さ分布をもつようにナノロッドの集合体をカッティングする方法を準備する。
【００１７】
このほか、本発明は、
ａ）（ｉ）固体基体と、
（ｉｉ）該基体上に形成された第１の分散剤層と、ここで、該第１の層は、さまざまな長さをもつナノロッドの集合体を分散剤溶液中に含んでなり、
（ｉｉｉ）該第１の分散剤層上に形成された第２のインプリンティング可能なレジスト層と
を含んでなるナノロッドカッティングデバイスを準備し、そして
ｂ）該分散剤層を露出させた分解領域が該インプリンティング可能なレジストにパターン状に形成されるように（ａ）のデバイスをインプリンティング基体に接触させ、
ｃ）（ｂ）のデバイスに照射を行い、これにより、露出された該分散剤層は分解され、該ナノロッドはカッティングされ、該インプリンティング基体により適用されたパターンに対応する均一な長さまたは長さ分布をもつナノロッドの集合体が生成されること
を含んでなる、均一な長さまたは長さ分布をもつようにナノロッドの集合体をカッティングする方法を準備する。
【００１８】
代替実施形態では、本発明は、
ａ）（ｉ）固体基体と、
（ｉｉ）該基体上に形成された第１の分散剤層と、ここで、該第１の層は、さまざまな長さをもつナノロッドの集合体を分散剤溶液中に含んでなり、そして
（ｉｉｉ）該第１の分散剤層上に形成された第２の前成形レジスト層と、ここで、該前成形レジストには、該分散剤層を露出させたパターン化分解領域がある
を含んでなるナノロッドカッティングデバイスを準備し、そして
ｂ）（ａ）のデバイスに照射を行い、これにより、露出された該分散剤層は分解され、該ナノロッドはカッティングされ、該前成形レジストの適用されたパターンに対応する均一な長さまたは長さ分布をもつナノロッドの集合体が生成されること
を含んでなる、均一な長さまたは長さ分布をもつようにナノロッドの集合体をカッティングする方法を準備する。
【００１９】
他の実施形態では、本発明は、
ａ）（ｉ）エンドレスコンベヤー手段に固定された固体基体と、
（ｉｉ）分散剤溶液中のナノロッドの第１の浴と、
（ｉｉｉ）第２のレジスト浴と、
（ｉｖ）焼成手段と、
（ｖ）パターニング手段と、
（ｖｉ）第３の現像浴と、
（ｖｉｉ）照射源と、
（ｖｉｉｉ）第４のナノ剥離剤浴と、
を含んでなるナノロッドカッティングデバイスを準備し、
ｂ）該コンベヤー手段を介して該固体基体を該分散剤溶液中のナノロッドの第１の浴（ｔｈｅ  ｆｉｒｓｔ  ｂａｔｈ  ｎａｎｏ−ｒｏｄｓ  ｉｎ  ｄｉｓｐｅｒｓａｎｔ  ｓｏｌｕｔｉｏｎ）中に逐次的に（ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌｌｙ）移動させ、これにより、該固体基体は、該分散剤溶液中に液浸され、
ｃ）（ｂ）の液浸された該固体基体を該第１の浴から移動させ、これにより、該分散体は乾燥され、該ナノロッドは、該固体基体に固定され、
ｄ）（ｃ）の基体を第２のレジスト浴中に移動させ、ここで、固定された該ナノロッドは、レジストでコーティングされ、
ｅ）（ｄ）の基体を焼成手段に通して移動させ、これにより、該レジストは該基体上で焼成され、
ｆ）（ｅ）の基体を該パターニング手段を介して光に暴露し、これにより、該レジストは該パターニング手段のパターンに従って分解され、
ｇ）（ｆ）の暴露された基体を第３の現像浴中に移動させ、これにより、該レジストは現像され、かつ除去され、
ｈ）該基体上のナノロッドが、該パターニング手段により生成されたパターン状にカッティングされるように、（ｇ）のレジストフリーの基体に照射を行い、そして、
ｉ）カッティングされた該ナノロッドを含有する（ｈ）の基体を該第４のナノ剥離剤浴中に移動させ、これにより、カッティングされた該ナノロッドは、該基体から剥離され回収されること
を含んでなる、均一な長さまたは長さ分布をもつようにナノロッドの集合体をカッティングする方法を準備する。
【００２０】
他の実施形態では、本発明は、
ａ）（ｉ）固体基体と、そして
（ｉｉ）該基体上に形成された分散剤層と、ここで、該分散剤層は、さまざまな長さをもつナノロッドの集合体を分散剤溶液中に含んでなる、
を含んでなるナノロッドカッティングデバイスを準備し、
ｂ）電子ビームで該分散剤層に衝撃を与え、これにより、該分散剤層は分解され、該ナノロッドはカッティングされ、均一な長さまたは長さ分布をもつナノロッドの集合体が生成されること、
を含んでなる、均一な長さまたは長さ分布をもつようにナノロッドの集合体をカッティングする方法を準備する。
【００２１】
このほか、本発明は、
（ｉ）固体基体と、
（ｉｉ）該基体上に形成された第１の分散剤層と、ここで、該第１の層は、さまざまな長さをもつアラインメントされたナノロッドの集合体を分散剤溶液中に含んでなり、
（ｉｉｉ）該第１の分散剤層上に形成された第２のレジスト層と、
（ｉｖ）該第２のレジスト層のすぐ近くの、光透過性領域および光不透過性領域のパターンを有するフォトマスクと
を含んでなる、ナノ構造体カッティングデバイスを準備する。
【００２２】
他の選択肢として、本発明は、
（ａ）固体基体を準備し、
（ｂ）該基体上に第１の分散剤層を形成し、ここで、該第１の層は、さまざまな長さをもつナノ構造体の集合体を分散剤溶液中に含んでなり、
（ｃ）過剰の分散剤を除去し、そして該ナノ構造体を該基体に固定するために該基体上の分散剤層を焼成し、
（ｄ）該第１の分散剤層上に形成される第２のレジスト層を形成し、そして、
（ｅ）光透過性領域および光不透過性領域のパターンを有するフォトマスクを該第２のレジスト層のすぐ近くに固定することと
を含んでなる、ナノ構造体カッティングデバイスの作製方法を準備する。
【００２３】
このほか、本発明は、長さ分布を有するナノ構造体の集合体、および本発明の方法により作製されたナノロッドを含んでなるデバイスを準備する。
【発明の詳細な説明】
【００２４】
本発明は、長さ、長さおよび幅、もしくは面積が均一な寸法になるように、または長さもしくは面積が特定の分布になるように、種々のカッティング技術を用いて、複数のナノ構造体をカッティングする方法を準備する。本発明は、チューブ、ロッド、シリンダー、バンドル、ウェーハ、ディスク、シート、プレート、プレーン、コーン、スライバー、グラニュール、エリプソイド、ウェッジ、高分子ファイバー、天然ファイバーのような小物体、および約１００ミクロン未満の少なくとも１つの特性寸法を有する他のそのような物体のカッティングに利用される。そのような物体は、固体表面上に空間的に固定され、該表面にカッティングパターンが適用される。カッティング後、カッティングされた表面から遠位にある物体領域がカッティングパターンにより保護されるならば、場合により、物体を、カッティングされた末端で、化学的な官能化、修飾、または終端化のようなカッティング後処理に付すことが可能である。さらに、カッティング後、場合により、物体を表面から剥離することが可能である。このカッティング法は、単一の望ましい長さ分布を生成させるように利用することができるので、工業的に魅力的である。
【００２５】
特定の寸法になるようにカッティングされた金属特性または半導体特性を有するナノ構造体は、エレクトロニクス、コミュニケーションコンピューター、および他の産業に有用なナノスケールの電気機械および回路の構築に有用である。たとえば、均一な長さまたは特定のサイズ分布の属性を有するナノチューブの大規模生産は、エレクトロニクス用途、具体的には、電界放出トランジスター、人工アクチュエーター、分子濾過膜、エネルギー吸収材料、分子トランジスター、および他の光電子デバイス、さらにはガス貯蔵、単電子デバイス、ならびに化学的および生物学的センサーで用いることができる。
【００２６】
本開示では、特許請求の範囲および明細書の説明のために、いくつかの用語および略号を使用する。以下の定義を与える。
【００２７】
走査型電子顕微鏡写真は、「ＳＥＭ」と略記する。
【００２８】
原子間力顕微鏡は、「ＡＦＭ」と略記する。
【００２９】
ｎ−メチルピロリドノンは、「ＮＭＰ」と略記する。
【００３０】
反射防止コーティングは、「ＡＲＣ」と略記する。
【００３１】
テトラヒドロフランは、「ＴＨＦ」と略記する。
【００３２】
「ナノ構造体」という用語は、チューブ、ロッド、シリンダー、バンドル、ウェーハ、ディスク、シート、プレート、プレーン、コーン、スライバー、グラニュール、エリプソイド、ウェッジ、高分子ファイバー、天然ファイバー、および約１００ミクロン未満の少なくとも１つの特性寸法を有する他のものを意味する。
【００３３】
「ナノロッド」という用語は、中空または中実のいずれであってもよくかつ円形の断面形状（ｃｏｒｓｓｅｃｔｉｏｎａｌ  ｓｈａｐｅ）を有していてもいなくてもよいさまざまなナノ構造体を意味する。本発明に係るナノロッドは、ナノチューブ、ナノファイバー、高分子ナノファイバー、バンドル、および多重壁構造体を包含しうる。
【００３４】
「ナノチューブ」という用語は、約１〜２００ｎｍの狭い寸法（直径）および長い寸法（長さ）を有する中空物品を指すが、ただし、長い寸法と狭い寸法の比（すなわち、アスペクト比）は、少なくとも５である。一般的には、アスペクト比は、１０〜２０００である。
【００３５】
本明細書中の「炭素系ナノチューブ」または「カーボンナノチューブ」または「ＣＮＴ」は、主に炭素原子で構成された中空構造体を意味する。カーボンナノチューブは、他の元素（たとえば、金属）でドーピングすることができる。
【００３６】
「リソグラフィー」は、材料をパターニングしパターンに従って材料を分解するシステムにより指定寸法のナノ構造体を作製するために本明細書中で使用される一般的方法を記載する。「フォトリソグラフィー」は、光が分解力として使用される特定形態のリソグラフィーである。フォトリソグラフィー法では、フォトレジストは、電磁放射線（たとえば、紫外光（ＵＶ）、深紫外光（ＤＵＶ）、極紫外光（ＥＵＶ）、またはＸ線）に暴露される。この暴露により、フォトレジスト上に潜像（たとえば、溶解性の異なるパターン）が導入される。これは、レジストの分子構造の化学変化の結果として生じる。潜像は、続いて、現像されて、エッチングによりレリーフ構造になる。電磁放射線の代わりに、電子ビーム照射またはイオンビーム照射を使用することができる。暴露は、通常、放射線源と材料の間にマスクを介在させることにより、または材料の表面を横切って線源の集束スポットを走査することにより、パターニングされる。マスクを使用した場合、リソグラフィープロセスにより、マスク上にパターンのレプリカ（たとえば、サイズの縮小されたレプリカ）が得られる。「ナノインプリント（Ｎａｎｏｉｍｉｐｒｉｎｔ）リソグラフィー」は、フォトレジストの代わりに「インプリンティング可能なレジスト」を利用するリソグラフィー法である。インプリンティング可能なレジストは、典型的には、高分子材料であり、レジストにパターンを適用するインプリンティング基体によりインプリンティングされる。他の選択肢として、前成形（ｐｒｅｍｏｄｅｄ）レジストを用いて、ナノインプリントリソグラフィーを実施することも可能である。「前成形レジスト」は、稜と谷のパターンが形成されるように基体上に注がれた（ｐｏｒｅｄ）液体ポリマーである。「液浸リソグラフィー」は、照射前にレジストとフォトマスクの間に油（「液浸油」）を介在させるフォトリソグラフィーの変法である。このプロセスにおける液浸油の作用は、パターンのサイズを減少させて照射源によりカッティングされる部分がより多く生成されるようにすることである。
【００３７】
「パターニングシステム」という用語は、ナノ構造体の固定された集合体上に好適なパターンをカッティング手段の方向に作製する任意の手段を意味する。フォトリソグラフィー（接触、近接、または投影フォトリソグラフィーを含む）の技術分野において、典型的なパターニングシステムは、フォトマスクの使用を必要とするであろう。干渉リソグラフィーでは、フォトマスクを使用せず、その代わりに、２つの対向した光線の光学干渉により光の変調を引き起こす。液浸リソグラフィーでは、投影式または干渉式のいずれかの場合にも、液浸液の存在により、フォトレジスト中にかなり微細な特徴パターンの生成が可能になり、したがって、より微細なカッティングが可能になるであろう。ナノインプリントリソグラフィーまたはソフトリソグラフィーのような他のリソグラフィー法では、リソグラフィーマスク、マスターレプリカ、またはスタンプが使用される。
【００３８】
「リソグラフィーマスク」または「フォトマスク」またはという用語は、フォトレジストに入射する放射線のパターンを規定するマスターマスクを意味する。本明細書中で使用する場合、フォトマスクは、感光層に入射する放射線を透過する領域と、その放射線を効果的に遮断する相補的領域と、を有する可撓性シート要素を含んでいてもよく、光遮断領域および光透過領域は、感光層に転写される相補的画像特徴部を規定する。典型的には、フォトマスクは、投影リソグラフィーステッパー中に存在し、投影レンズは、フォトマスクとフォトレジスト被覆基体の間に配置され、近接または接触リソグラフィーの場合には、フォトマスクは、カッティングデバイスのレジスト層に「近接」または接触した状態である。当然のことながら、「近接」とは、マスクをフォトンの経路内に存在させることによりレジスト上にパターンを生成させるのに十分な近さであることを意味する。
【００３９】
本明細書中で使用する場合、「プラズマ」とは、粒子の運動が主に電磁力により支配されるイオン、電子、中性原子、および分子の集まりを意味する。プラズマという用語はまた、ほぼ等しい数の正電荷および負電荷ならびになにか他の数の非電離ガス種を含有する部分電離ガスを意味しうる。
【００４０】
「固体基体」という用語は、ナノ構造体を適用することができ、かつナノチューブのパターン化カッティングに耐えることができる任意の好適な基体を意味する。
【００４１】
「焼成手段」とは、レジスト層または分散剤層を、該層が配置される表面に結合するようにまたは該層がなんらかの形で化学変化するように、焼成または乾燥させるための機構を意味する。典型的には、焼成手段は、熱源を組み入れたものである。
【００４２】
「分散」または「分散剤溶液」という用語は、カッティングされる物体を固体基体上に空間的に固定し、基体上へのナノ構造体のコーティングプロセスを可能にする試剤を意味する。
【００４３】
「セパレーター材料」という用語は、ナノ構造体を含有する分散剤の層の分離に有用な任意の材料を意味する。多くの場合、セパレーター材料は、分散剤と同一の材料から構成することが可能であり、多くの場合、高分子の性質をもちうる。
【００４４】
「ナノチューブ剥離剤」という用語は、固体基体からナノチューブおよび他のナノ構造体を剥離するのに有用な溶媒を意味する。
【００４５】
「アラインメントされた（ａｌｉｇｎｅｄ）」という用語は、分散剤溶液中のナノチューブが言及される場合、他のナノチューブに対する個々のナノチューブまたはナノチューブの凝結体の配向を意味する（すなわち、アラインメントされていないナノチューブに対するアラインメントされたナノチューブ）。「アラインメントされた」という用語はまた、基材上のナノ構造体（フラットに配置する）の２次元配向をも意味しうる。
【００４６】
「ナノプレーン」とは、５００ナノメートル未満の１つの特性寸法を有する表面、たとえば、グラファイトシートまたはグラフェンシートの単層または二重層を意味する。
【００４７】
「ナノファイバー」とは、１０００ナノメートル未満の１つの特性寸法を有する天然フィラメントまたは高分子フィラメントを意味する。
【００４８】
本発明は、ａ）固体基体上にナノ構造体の集合体をコーティングすることと、ここで、該ナノ構造体は、該基体の表面上に空間的に固定される、ｂ）ステップ（ａ）のコーティングされたナノ構造体の個別部分をパターニングシステムにより特定することと、ｃ）ステップ（ｂ）のナノ構造体の特定された個別部分にカッティング手段を適用することと、これにより、該ナノ構造体は、均一な長さまたは長さ分布になるようにカッティングされる、を含んでなる、均一な長さまたは長さ分布になるようにナノ構造体の集合体をカッティングする一般的方法を準備する。好ましい実施形態では、本発明は、イオン照射と組み合わされた標準的フォトレジスト技術をカッティングプロセスに利用する。
【００４９】
一般的方法については、図を参照することにより最もよく理解されうる。典型的なフォトレジスト技術を用いる場合、ネガ型またはポジ型レジスト法のいずれかをカッティングプロセスに利用可能である。ネガ型レジスト法を図１に示す。図１に示されるように、ネガ型レジスト（２０）のすぐ近くに配置されたフォトマスク（１０）を備え、さらに該ネガ型レジスト（２０）が分散剤層（３０）に接触した状態にあるナノ構造体カッティングデバイスを組み立てる。フォトマスク（１０）は、光透過性領域（１２）および光不透過性領域（１４）で構成される。
【００５０】
分散剤層（３０）内に混合されているのは、ナノ構造体（４０）の集合体である。分散剤層（３０）は、固体基体（５０）上に配置される。フォトマスクの光不透過性領域（１４）の形状または間隔の調整により、カッティングされたナノ構造体（４０）の長さ、長さ分布、または集合体が変化するであろう。
【００５１】
本方法が進行すると、ネガ型レジストは、フォトマスクの光透過性セクション（１２）を介して電磁放射線に選択的に暴露され、ネガ型レジスト材料（２０）の暴露セクションを架橋させる。場合により、ネガ型レジスト現像液（６０）を適用することにより非架橋材料を除去し、ナノ構造体（４０）の集合体を含有する分散剤層（３０）の一部分を露出させることが可能である。
【００５２】
非架橋ネガ型レジストを除去した後、カッティング手段（７０）（典型的には、イオン、プラズマ、または電子の照射）を露出した分散剤層（３０）に適用すると、分散剤層（３０）中に含まれるナノ構造体（４０）がカッティングされる。
【００５３】
他の好ましい実施形態では、本方法は、ネガ型レジストと対比されるポジ型レジストを利用する。図２を参照して説明すると、カッティングデバイスは、ポジ型レジスト層（８０）がネガ型レジストの代わりに含まれている以外はネガ型レジスト法のときと本質的に同じように集成される。フォトマスク（１０）を光に暴露すると、フォトマスク（１２）の光透過性領域のポジ型フォトレジスト材料は分解され、一方、光不透過性領域（９０）では、フォトレジストは分解されることなく存在しつづける。次に、ポジ型フォトレジスト（８０）の分解された部分を除去するポジ型フォトレジスト現像液（１００）を適用する。カッティング手段（７０）（典型的には、イオン、プラズマ、または電子の照射）を適用したとき、分散剤層（３０）内のナノ構造体（４０）がカッティングされる。
【００５４】
他の好ましい実施形態では、本方法は、ネガ型レジスト（図１参照）またはポジ型レジスト（図２参照）を用いる投影リソグラフィーを利用するが、この場合、フォトマスクは、もはやフォトレジスト層に接触した状態でも近接した状態でもない。投影リソグラフィーステッパーまたは液浸投影リソグラフィーステッパー中のフォトマスクを光に暴露すると、暴露領域でネガ型レジストの架橋またはポジ型フォトレジスト材料の分解が起こる。次に、ネガ型フォトレジストの架橋されていない部分を分解するかまたはポジ型フォトレジストの分解された部分を除去するフォトレジスト現像液を適用する。カッティング手段（典型的には、イオン、プラズマ、または電子の照射）を適用したとき、分散剤層内のナノ構造体がカッティングされる。
【００５５】
他の好ましい実施形態では、本方法は、ポジ型またはネガ型レジストを利用し、カッティングデバイスは、フォトレジスト中に空間的にさまざまな潜像を生成させるのにはフォトマスクが必要ではないこと以外はネガ型レジストケースのときと同じように集成される。その代わりに、任意のリソグラフィー波長で動作する干渉フォトリソグラフィーステッパーを使用し（前掲のスミス（Ｓｍｉｔｈ）またはスウィットケス（Ｓｗｉｔｋｅｓ）の文献に論じられているように３３３．６または１５７ｎｍ光を併用する）、２つの光線の光学干渉によりフォトレジスト層中に空間的にさまざまな強度の光を生成させて潜像を形成する。次に、ポジ型またはネガ型レジストを現像する。図１を参照して説明すると、カッティング手段（７０）（典型的には、イオン、プラズマ、または電子の照射）を適用したとき、分散剤層（３０）内のナノ構造体（４０）がカッティングされる。
【００５６】
他の好ましい実施形態では、本方法は、サーマルタイプのナノインプリントリソグラフィーを利用して、熱変形可能なポリマー層中にマスターマスクパターンのレプリカを生成させる。次に、マスクを除去し、マスターマスクの高分子レプリカをパターン転写層として使用し、カッティングプロセスに供する。図１を参照して説明すると、カッティング手段（７０）（典型的には、イオン、プラズマ、または電子の照射）を適用したとき、分散剤層（３０）内のナノ構造体（４０）がカッティングされる。
【００５７】
他の好ましい実施形態では、本方法は、感光タイプのナノインプリントリソグラフィー（典型的には、ステップアンドフラッシュナノインプリントリソグラフィーと呼ばれる）を利用して、マスターマスクパターンのレプリカを生成させる。この場合、マスターマスクパターンを熱変形可能なポリマー層に接触させて押し込む。次に、マスクを除去し、マスターマスクの高分子レプリカをパターン転写層として使用し、カッティングプロセスに供する。図１を参照して説明すると、カッティング手段（７０）（典型的には、イオン、プラズマ、または電子の照射）を適用したとき、分散剤層（３０）内のナノ構造体（４０）がカッティングされる。
【００５８】
本発明の他の実施形態を図３に示す。この実施形態では、カッティングデバイスは、内部に混合されたナノ構造体（４０）の集合体を有する分散剤層（３０）のみで構成される。分散剤層（３０）は、固体基体（５０）上にコーティングされる。ナノ構造体（４０）が均一にカッティングされるように、電子ビーム（１１０）を含むカッティング手段をパターン化法によりデバイスに適用する。
【００５９】
当業者であればわかるであろうが、基本的方法についての本明細書中の開示内容に従って、本発明の他の適用も可能であろう。たとえば、ナノチューブカッティングデバイスの種々の構成要素を含む浴中に固体基体を通して移動させることのできるシステムを用いてナノチューブの連続カッティング法が可能であると考えられる。たとえば、固体基体をベルトのようなエンドレスコンベヤー手段に取り付ければ、これを達成することができるであろう。分散剤溶液中にカーボンナノチューブを含有する浴中に、基体を含むベルトを移動させることが可能である。分散浴から出たら、溶液を乾燥させ、次に、液体レジストを含有する浴中に基体を移動させうる。ベルトを焼成オーブン中に通して移動させることにより基体上でレジストを焼成し、次に、パターン化光にレジストを暴露すれば、レジストを分解させることが可能である。分解されたレジストを現像浴中に移動させることにより、レジストを除去し、ナノチューブのセクションを露出させうる。また、照射を行えば、露出されたナノチューブがカッティングされ、次に、回収することができるであろう。
【００６０】
ナノ構造体
本発明は、固体基体上に固定された状態でさまざまなナノ構造体をカッティングする手段を準備する。本発明によりカッティングするのに好適なナノ構造体は、チューブ、ロッド、シリンダー、バンドル、ウェーハ、ディスク、シート、プレート、プレーン、コーン、スライバー、グラニュール、エリプソイド、ウェッジ、高分子ファイバー、天然ファイバーをはじめとするさまざまな形状をとることが可能であり、約１００ミクロン未満の少なくとも１つの特性寸法を有していなければならないという制約だけが課される。
【００６１】
たとえば、本発明の方法を用いて、特定の寸法になるようにナノプレーンをカッティングすることが可能である。典型的なナノプレーンは、さまざまな材料（グラファイトが一般的である）で構成しうる。カッティングされたグラファイトシートを用いれば、ナノ電気回路中の２つ以上の位置間の電気接続を同時に行うことができる。３つまたはそれ以上の位置間で同時に電気接続を行う場合（ここで、３つの位置は、直線上にはない）、ちょうど各位置に接点を取り付けるようにグラファイト表面をカッティングすることができる。それにより、１つの物体だけがこの作業を行うために必要となるにすぎない。カッティングされたグラファイトプレーンのこの使用は、すべての接続を同時に行うという利点を有する。典型的には、グラファイトナノプレーンはグラファイトの単層であるが、グラファイトの多層を含んでなるものであってもよい。
【００６２】
本発明に係るとりわけ好適なナノ構造体は、ナノロッドである。本発明のカッティングプロセスに適したナノロッドは、ナノチューブおよびナノファイバー（たとえば、カーボンナノチューブおよび高分子ナノファイバー）、バンドル、ならびに多重壁構造体を包含しうるが、これらに限定されるものではない。
【００６３】
好適な高分子ナノファイバーは、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、ポリエチレングリコール、ナイロン、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリベンゾイミダゾール、ポリアクリロニトリル、ポリウレタン、ポリアリールケトン、ポリイミド、ポリアクリレート、ポリフェニレンスルフィド、高分子ラクトン、ポリスチレン、多糖（ｐｏｌｙｓａｃｈｈａｒｉｄｅｓ）、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアニリン、ポリエチレンオキシド、ポリアラミド、ＤＮＡ、タンパク質、およびコラーゲンをはじめとするさまざまな材料から作製されたナノファイバーを包含するであろう。ファイバーを形成することのできる他のポリマー（たとえば、熱可塑性エラストマーまたは架橋エラストマー）を使用することもできる。
【００６４】
本発明において好ましいナノロッドは、ナノチューブであり、炭素系ナノチューブ（ＣＮＴ）は最も好ましい。本発明に係るナノチューブは、一般的には、約１〜２００ｎｍであるが、ただし、長い寸法と狭い寸法の比（すなわち、アスペクト比）は、少なくとも５である。一般的には、アスペクト比は、１０〜２０００である。カーボンナノチューブは、主に炭素原子で構成されるが、他の元素（たとえば、金属）でドーピングすることができる。本発明に係る炭素系ナノチューブは、多重壁ナノチューブ（ＭＷＮＴ）または単一壁ナノチューブ（ＳＷＮＴ）のいずれであってもよい。たとえば、ＭＷＮＴとしては、それぞれ異なる直径を有するいくつかの同心状ナノチューブが挙げられる。したがって、最小直径のチューブは、より大きい直径のチューブによりカプセル化され、さらには、より大きい直径のチューブは、他のより大きい直径のナノチューブによりカプセル化される。一方、ＳＷＮＴは、ただ１つのナノチューブを含む。
【００６５】
当業者であればわかるであろうが、本発明のカッティング法は、非修飾ナノ構造体だけでなく化学修飾ナノ構造体にも利用されるであろう。可溶性全長単一壁ナノチューブ（ｎａｎｏｔｏｂｅｓ）は、チューブをオクタデシルアンモニウムと反応させることにより形成することができ、ＳＷＮＴ−カルボキシレート双性イオンは、酸修飾ＳＷＮＴとオクタデシルアンモニウムアミンとの反応により形成することができる（たとえば、物理化学誌（Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．）Ｂ．第１０５巻、第１３号、２００１年、ｐ．２５２６を参照されたい）。合理的な修飾を行うと、特定の分散剤へのより大きな溶解性を有するナノ構造体が準備され、カッティングに供されるより高濃度の構造体が得られるであろう。
【００６６】
固体基体上へのナノ構造体の配置
本発明には、ナノ構造体の集合体を固体基体上に配置してカッティングに供することが規定されている。本発明に有用な固体基体は、マイクロリソグラフィー技術またはフォトリソグラフィー技術に広く適合し、カッティング（ｃｕｔｉｎｇ）条件に耐えることができるものである。固体基体は、シリコン、二酸化ケイ素、ガラス、金属、金属酸化物、金属合金、ポリマーセラミックスクリスタル、およびその組合せを含む材料で構成されるが、これらに限定されるものではない。とりわけ好適な基体は、たとえば、石英ガラス、アルミナ、グラファイト、雲母、メソポーラスシリカ、シリコンウェーハ、ナノポーラスアルミナ、およびセラミックプレートで構成されるであろう。好ましくは、基体は、石英ガラスまたはシリコンウェーハである。
【００６７】
場合により、ナノ構造体をより良好に受容し結合するように、固体基体の表面を作製することが有用であろう。たとえば、固体基体をマイクロエッチングするかまたはナノ構造体の接着およびアラインメントを改良する材料でコーティングすることが可能である。基体のコーティングに好適な材料としては、金属酸化物（たとえば、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、およびＭｇＯ）、金属炭化物、金属窒化物、金属硫化物、金属ホウ化物、ヒ化ガリウム、ヒ化アルミニウム、硫化アルミニウム、硫化ガリウム、界面活性剤、タンパク質、およびその組合せが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００６８】
典型的には、固体基体上へのナノ構造体の配置は、ナノ構造体を最初に分散剤材料またはポリマーと混合することにより達成される。好適な分散剤は、ナノ構造体の一様な分布を可能にしかつ熱に応答してキュアまたは乾燥されて堅固な層を形成するものである。
【００６９】
分散剤は、カッティングされる物体（たとえば、カッティングされるナノチューブの集合体）を基材上に拡げて空間的に固定することのできる任意の溶媒またはコーティングであってよい。分散剤は、場合により、カッティングされる物体に対して懸濁媒質としての役割を果たし、カッティングされる物体を基体上に拡げる。たとえば、基体のコーティングは、スピンコーティング、それに続く焼成、その後の基体の冷却により達成しうる。分散剤が溶媒である場合、場合により、コーティングプロセス後に蒸発除去することが可能である。低粘度溶媒は、高分子型分散剤よりも優れた特定の利点を有する。ジクロロベンゼン／クロロホルムのような低粘度分散剤は、基体の表面から蒸発除去することが可能であり、これにより、ナノチューブが高分子材料に埋め込まれたときよりも正確にカッティングされたナノチューブのマットが残る。
【００７０】
いくつかの場合には、ポリマー分散剤材料を用いることが可能である。本発明に有用なのは、高分子分散剤であり、高分子分散剤としては、さまざま官能基およびペンダント基を場合により有していてもよいメタクリル系コポリマーおよびホモポリマーが挙げられるが、これらに限定されるものではない。フォトリソグラフィーの技術分野で使用されるポリマー分散剤の組成は周知であり、その例は、特開平１１−３４９８４２号公報および米国特許第４６５６２２６号明細書に与えられている。これらの文献は、参照により本明細書に組み入れられるものとする。
【００７１】
本発明に有用な溶媒分散剤としては、置換ベンゼン（たとえば、ジクロロベンゼン）および／または溶媒混合物（たとえば、ジクロロベンゼン／クロロホルムおよびクロロホルムとジメチルホルムアミド）が挙げられるが、これらに限定されるものではない。さらに、種々の界面活性剤を分散剤として使用することが可能である。界面活性剤としては、トリトン（ＴｒｉｔｏｎＴＭ）Ｘ１００さらにはテルギトール（ＴｅｒｇｉｔｏｌＴＭ）ＴＭＮ−６（コネチカット州ダンベリーのユニオン・カーバイド（Ｕｎｉｏｎ  Ｃａｒｂｉｄｅ，Ｄａｎｂｕｒｙ，ＣＴ））が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００７２】
典型的には、ナノ構造体またはナノチューブは、分散剤中に懸濁され、固体基体の表面上にスピンコーティングされる。いくつかの場合には、分散剤中に懸濁させるためにナノ構造体をソニケートすることが必要であろう。分散剤の極性およびナノ構造体の組成にもよるが、このプロセスの結果として、カッティング手段に均一に提示されるようにナノチューブをアラインメントすることが可能である。
【００７３】
いくつかの状況下では、カッティング後、ナノチューブの官能化を容易に行えるようにナノチューブの側壁を保護することが有用であろう。これらの場合、分散剤／ナノチューブ組成物の層間にポリマーマトリックスの層を介在させることが有用であろう。これらの状況下では、ナノチューブを含有する分散剤を基体の表面上にコーティングし、続いて、典型的にはポリマーからなるセパレーター材料をコーティングし、さらに、分散剤／ナノチューブの他方の層をコーティングする。この層状化プロセスは、カッティングプロセス時に大きな損傷を受けないようにナノチューブ側壁を保護する効果を有し、基体からナノチューブを回収した後のペンダント基の付加を促進する（ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ）。任意の高分子材料をセパレーター材料として使用することが可能であるが、水溶性ポリマーが好ましく、ポリラクチドおよびポリビニルアルコールが最も好ましい。
【００７４】
好ましい実施形態では、基体上にコーティングする前にナノチューブを分散させることが望ましいであろう。典型的には、ナノチューブは、「ロープ」の形態をとる。高度に分極したナノチューブが凝結すると、大きなファン・デル・ワースル結合エネルギーにより、平行なバンドルすなわちロープが容易に形成される。ナノチューブを分散剤溶液中に配置した場合、ロープのいくらかの分離が起こるが、より正確なカッティングを行うためにさらなる分散を行うことが有用であろう。ナノチューブロープを分散させる方法は、当技術分野で公知であり、一般的には、音波処理または界面活性剤の使用を必要とする（ジェイ・リウ（Ｊ．Ｌｉｕ）ら著、科学（Ｓｃｉｅｎｃｅ）、第２８０巻、ｐ．１２５３（１９９８年）；エム・ジェイ・オコネル（Ｍ．Ｊ．Ｏ‘Ｃｏｎｎｅｌｌ）ら著、化学物理レター（Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．）、第３４２巻、ｐ．２６５（２００１年）；エス・バンドウ（Ｓ．Ｂａｎｄｏｗ）ら著、物理化学誌（Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．）、Ｂ１０１、ｐ．８８３９（１９９７年）；ジェイ・チェン（Ｊ．Ｃｈｅｎ）ら著、科学（Ｓｃｉｅｎｃｅ）、第２８２巻、ｐ．９５（１９９８年）；ジー・エス・デューゼンバーグ（Ｇ．Ｓ．Ｄｕｅｓｂｅｒｇ）、ジェイ・ムスター（Ｊ．Ｍｕｓｔｅｒ）、ブイ・クリスティク（Ｖ．Ｋｒｓｔｉｃ）、エム・バーグハード（Ｍ．Ｂｕｒｇｈａｒｄ）、エス・ロス（Ｓ．Ｒｏｔｈ）著、応用物理（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．）、Ａ６７、ｐ．１１７（１９９８年）；エイ・ビー・ダルトン（Ａ．Ｂ．Ｄａｌｔｏｎ）ら著、物理化学誌（Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．）、Ｂ１０４、ｐ．１００１２（２０００年）；エイ・ビー・ダルトン（Ａ．Ｂ．Ｄａｌｔｏｎ）ら著、合成金属（Ｓｙｎｔｈ．Ｍｅｔａｌｓ）、第１２１巻、ｐ．１２１７（２００１年）；アール・バンジョパドヒャヤ（Ｒ．Ｂａｎｄｙｏｐａｄｈｙａｙａ）、イー・ナティブ・ロス（Ｅ．Ｎａｔｉｖ−Ｒｏｔｈ）、オウ・レゲブ（Ｏ．Ｒｅｇｅｖ）、アール・イェルシャルミ・ロゼン（Ｒ．Ｙｅｒｕｓｈａｌｍｉ−Ｒｏｚｅｎ）著、ナノレター（Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔ．）、第２巻、ｐ．２５（２００２年））。さらに、出願人は、同時係属の米国仮出願第６０／４２８０８７号中に、ＤＮＡ断片にロープを会合させることを必要とするナノチューブロープの分散方法を開示した。
【００７５】
したがって、本発明の好ましい実施形態では、分散剤中に可溶性化させる前に、ナノチューブを分散させる。この場合、音波処理、界面活性剤、またはＤＮＡ会合を用いることが好ましい。
【００７６】
パターニングシステムおよびカッティング手段
本発明は、カッティング手段で使用されるエネルギーをナノ構造体の集合体上に誘導するためにパターニングシステムを利用する。固体表面上に固定されたナノ構造体の集合体をカッティングするのに好適なパターニングシステムとしては、トポグラフィー的誘導（ｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｃａｌｌｙ  ｄｉｒｅｃｔｅｄ）エッチング、印刷、成形、およびエンボス加工を挙げることが可能であるが、これらに限定されるものではない。ナノ構造体を作製しパターニングする方法のレビューについては、たとえば、キシア（Ｘｉａ）ら著、化学総説（Ｃｈｅｍ．Ｒｅｖ．）、米国化学会（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ）、第９９巻、ｐ．１８２３−１８４８、１９９９年を参照されたい。
【００７７】
本発明においてとりわけ好適なのは、イオン照射と組み合わされた標準的フォトレジスト技術をカッティングプロセスに利用する方法に基づくパターニングシステムである。本方法は、分散剤溶液中に予備混合されたナノ構造体またはナノチューブを好適な固体基体の表面上に拡げてチューブを層状化することにより進行する。次に、この層をフォトレジストポリマーで被覆し、フォトレジストポリマー上にフォトマスクを適用する。近接もしくは接触フォトリソグラフィーの場合または投影リソグラフィーの場合、フォトマスクパターンをフォトレジスト層中に投影する。フォトマスクを介してレジストを光に暴露し現像した場合、フォトマスクに対応するパターン状に分散剤／ナノチューブのレベルまでレジストが減少する。次に、典型的には０．２６規定のテトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）のような水性塩基を用いて、フォトレジスト画像を現像し、可溶性フォトレジストをすすいで除去する。レジストの現像および除去に有用な他の溶媒としては、ジメチルアセトアミドＮＭＰ、エタノール、ブタノール、およびＴＨＦが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００７８】
次に、特定のパターンを有するフォトマスクを介して、露出された分散剤／ナノチューブにイオン源を照射し、ナノチューブのカッティングを行う。このようにして、フォトマスクに対応する長さのナノチューブを均一に生成させる。
【００７９】
ネガ型またはポジ型レジスト材料は、光活性材料または放射線感受性材料の２つのファミリーを含んでなる。ネガ型レジストは、放射線に暴露した後、溶解性が低くなる。したがって、非暴露領域は、適切な溶媒または現像液で処理することにより除去することができる。一方、ポジ型レジストは、暴露されると溶解性が増大し、溶媒または現像液中で暴露領域を除去することが可能である。画像形成プロセスおよび現像プロセスの後に残存するレジストの領域は、後続のエッチングステップまたは他の画像転写ステップに供される下側基体をマスキングするために使用される。たとえば、下側基体またはベースがＳｉＯ２である場合、緩衝化フッ化水素酸のようなエッチング液中に構造体を液浸すれば、現像ステップ時に露出された領域のＳｉＯ２が選択的にエッチングされるであろう。レジスト材料は、その放射線応答に基づいてポジ型またはネガ型として分類することができる（トンプソン（Ｔｈｏｍｐｓｏｎ）ら著、マイクロリソグラフィー入門（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｔｏ  Ｍｉｃｒｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）、米国専門家向け参考書（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ  Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  Ｂｏｏｋ）、ｐ．１４−１５および１５５−１５６、米国化学会（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ）、ワシントン市（Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ，ＤＣ）、（１９９４年）。
【００８０】
カッティングされたナノ構造体の特定の分布を生成させることが望まれる場合、フォトマスクの光不透過性領域および光透過性領域のパターンおよび間隔を変化させることが必要であろう。本発明に関連して、矩形もしくは円またはその組合せよりなる群から選択されるパターンを適用するフォトマスクを利用することがとりわけ好適である。
【００８１】
このプロセスの次のステップでは、プレパターニングされたフォトマスクを介してカッティング集成体の望ましい領域を暴露することが必要である。次に、現像された材料がマスクのパターンを有するように、集成構造体を現像する。指定の長さになるようにナノ構造体をカッティングすることに加えて、エッチングプロセスによっても、ウェーハの他の領域から望ましくないナノ構造体が除去される。カッティングは、電離放射線の利用（たとえば、紫外線、Ｘ線などの電離放射線を利用するフォトン照射が挙げられるが、これらに限定されるものではない）、電子照射、イオンビーム照射、プラズマイオン化、および中性原子機械加工により達成される。とくに、２５４〜１２０ｎｍの波長を有する深ＵＶ線、エキシマーレーザー、とくにＡｒＦエキシマーレーザー（１９３ｎｍ）、Ｆ２エキシマーレーザー（１５７ｎｍ）、Ｋｒ２エキシマーレーザー（１４６ｎｍ）、ＫｒＡｒエキシマーレーザー（１３４ｎｍ）、もしくはＡｒエキシマーレーザー（１２１ｎｍ）、Ｘ線、または電子ビームは、とりわけ有用である。
【００８２】
典型的には、カッティングプロセスにより、ナノ構造体の約８５％〜約１００％が均一な長さになるようにカッティングされ、約１０ｎｍ〜約１０００ｎｍの長さを有するナノ構造体が生成されるが、約１０ｎｍ〜約４００ｎｍの長さが典型的である。
【００８３】
続いて、フォトレジスト上の潜像パターンをエッチングし、暴露領域のナノチューブを分解させる。反応性イオンエッチングまたは他の化学的手段を用いてナノチューブを処理することにより、フォトレジストにより保護されていないナノチューブのセクションを分解し、最終的には除去することができる。
【００８４】
エッチングプロセスに続いて、たとえば、ストリッピング、加水分解、溶解、または反応により、レジストを除去する。本発明に有用な現像液としては、たとえば、０．１〜５％、好ましくは２〜３％のテトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）のようなアルカリ水溶液が挙げられよう。現像液は、ディッピング、パッドリング、またはスプレーイングのような従来の方法により、１０秒間〜３分間、好ましくは３０秒間〜２分間かけて適用することが可能である。
【００８５】
当業者には自明であろうが、本明細書に記載されているように、リソグラフィー技術は、ナノチューブのカッティングに使用することが可能である。たとえば、パターニングシステムに従ってカッティングプロセスまたはエッチングプロセスを準備する任意のリソグラフィー法が好適であり、こうしたリソグラフィー法としては、接触フォトリソグラフィー、近接フォトリソグラフィー、投影フォトリソグラフィー、干渉フォトリソグラフィー、液浸投影フォトリソグラフィー、液浸干渉フォトリソグラフィー（ｐｈｏｔｏｌｉｔｈｏｇｒｐａｈｙ）、サーマルタイプのナノインプリント、光学タイプのナノインプリント（ステップアンドフラッシュ）、およびソフトリソグラフィーが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００８６】
カッティングされたナノチューブの回収
照射およびカッティングの後、ナノチューブは、一般的には、固体基体から剥離され、さらなる処理に供される。剥離方法はさまざまであり、たとえば、音波処理または強酸もしくは強塩基のようなナノチューブ剥離剤の適用（過酸化水素のような酸化剤（ｏｘｉｄｉｚｉｎｇ  ａｒｇｅｎｔｓ）の存在下で行うこともある）が挙げられるが、これらに限定されるものではない。固体基体からナノチューブを剥離するのに有用な試剤のいくつかの例としては、水酸化ナトリウム、硫酸、および／または過酸化水素が挙げられる。
【００８７】
ナノチューブを基体から剥離した後、濾過または遠心によりさらに精製することも可能である。
【００８８】
カッティングデバイスの集成および操作
本発明のカッティングデバイスは、公知のリソグラフィー技術を用いて集成される。たとえば、スピンコーティングなどにより、シリコンウェーハのような基体上にレジスト組成物を適用してレジスト膜を形成し、次に、６０℃〜２００℃で１０秒間〜１０分間、好ましくは８０℃〜１５０℃で１／２〜５分間、ホットプレート上で予備焼成する。接触、近接、または投影リソグラフィー法では、次に、所望のパターンを有するパターニングマスクをレジスト膜上に配置し、電子ビームまたは３００ｎｍ未満の波長を有する高エネルギー放射線、たとえば、深ＵＶ線、エキシマーレーザー光、またはＸ線に、マスクを介して、約１〜２００ｍＪ／ｃｍ２、好ましくは約１０〜１００ｍＪ／ｃｍ２の線量で、膜を暴露し、次に、６０℃〜１５０℃で１０秒間〜５分間、好ましくは８０℃〜１３０℃で１／２〜３分間、ホットプレート上で暴露後焼成する（ＰＥＢ）。最後に、ＴＭＡＨのような現像液を用いて現像を行うことが可能である。これらのステップの結果として、基体上に所望のパターンを形成するカッティングデバイスが得られる。
【００８９】
特定の長さ分布のカッティング
カッティングプロセスのとくに有用な適用は、カッティング平面から遠位にあるチューブの領域を、保護されかつ反応しない状態に保持しつつ、予測可能な長さ分布になるように、ナノチューブをカッティングすることである。固体基体上にナノチューブが空間的に固定されるように、マイクロリソグラフィー技術を選択することが可能である。マイクロリソグラフィーを用いれば、チューブがカッティングされる領域およびチューブが保護される領域を規定する任意に造形されたパターンの生成が可能である。
【００９０】
平行な矩形
図４を参照して説明すると、灰色領域は、黒の実線として模式的に示されたナノチューブを保護するレジストコーティングの部分として示されている。灰色パターン内のチューブセクション（１〜６の表記がなされている）は、カッティングされないようにレジストコーティングで保護され、一方、白色領域内のチューブセクションは、除去されるであろう。この例では、白色カッティング領域は、特徴的な分離距離ｃを有し、灰色保護領域に、特徴的な分離距離ｄを有する。我々は、灰色−白色カッティング境界に対する所与のナノチューブの配向角θを定義しうる。本質的にすべてのチューブが、先に示したチューブ１のように、境界平面でカッティング境界に対して垂直な配向角を有するように、ナノチューブをアラインメントすることが可能であるが、それが必要というわけではない。したがって、チューブ１は、それぞれ長さｄをもついくつかのセクションにカッティングされるであろう。チューブ２および３は、長さｄ／ｓｉｎ（θ）をもつわずかに長いセグメントにカッティングされるであろう。ただし、角度は、それぞれチューブごとに与えられる。チューブ４は、保護された灰色レジストコーティング内で末端が終端するので、長さｄよりもわずかに短いセグメントにカッティングされるであろう。チューブ５のセグメントは、完全に白色カッティング領域内に位置するので、保持されないであろう。これに対して、チューブ６の全長は、完全に、保護されたレジストコーティング領域内に位置するので、保持されるであろう。
【００９１】
上記のカッティングパターンについて、測定対象の配向に対する確率分布関数Ｐ（θ）が与えられれば、先に記載した簡単な幾何学形状から、カッティングされる保持セグメントの分布を予測することができる。たとえば、ｃ＝０．０００１、ｄ＝０．０１を選択し、すべてのチューブが、単位長さを有し、ランダムにアラインメントされているとすれば、カッティングプロセスから得られる保持セグメントの分布は、以下の図５の黒の実線の曲線で示される。
【００９２】
図５は、分布で最も確率の高い長さが、保持レジスト層の幅ｄであることを示している。ランダムな配向角を有するチューブであるにもかかわらず、分布は、狭い範囲のチューブ長さで生じる。チューブセグメントの約５％未満の小さい集団が、ｄよりも短い長さを有し、かつチューブの小さい集団が、ｄよりも長い長さを有する。チューブが、カッティング境界に垂直な平面方向に配向していれば、長さｄよりも長いチューブは存在しない。
【００９３】
円形パターン
以下の考察では、カッティングパターンは、円形レジストコーティング内に含まれる保持セグメントの領域を有する。図６を参照して説明すると、灰色円形領域から突出したセグメントはすべて、チューブが円形カッティング境界でカッティングされるときに破壊される。いくつかのカッティング例を図６に示す。ここで、レジスト領域は灰色に着色され、ナノチューブは黒色に着色されている。
【００９４】
チューブ１は、レジスト円内の弦の長さに等しいセグメントを与えるであろう。この長さは円の直径よりも短い。チューブ２は、円の直径にほぼ等しいセグメントを与えるであろう。チューブ３は、同一の長さにカッティングされた弦と等価である円の直径よりも短いセグメントを与えるであろう。円形レジストカッティングパターンは、円の平面内のいかなる方向にアラインメントされたチューブに対しても不変であるカッティングされたセグメントの分布を生成し、最大保持長さは、確実に円の直径になる。チューブが円の平面内ですべての可能な角度方向および並進位置を有すると仮定すれば、この場合にも、簡単な幾何学形状に基づいて、予想されるカッティングされたセグメントの長さの確率分布を誘導することができる。たとえば、図７は、レジストコーティングの円の直径が０．１でありかつチューブの初期長さが１よりもかなり長いときのセグメントの長さの確率分布を示している。この場合、カッティングされたセグメントの長さの確率分布は、ゼロと円の直径の間の長さでは一様になる。円の直径よりも長いセグメント長さは、存在しないであろう。
【００９５】
円と矩形の組合せ
これまでの２つの例の形状要素を組み合わせて円内に閉じ込められた平行線の形態でレジストコーティングパターンを生成させることが有利な場合もある。図８を参照して説明すると、灰色パターン内のチューブセクションは、カッティングされないようにレジストコーティングにより保護され、一方、白色領域内のチューブセクションは除去されるであろう。
【００９６】
この場合、チューブ１、２、および３は、それぞれ、より短い長さのチューブセクションを与えるであろう。また、セクションはすべて、円の直径よりも短いはずである。主要なレジストコーティングの長さが０．０１であり、円の直径が０．０１５であるとすれば、ランダムな配向角を有するチューブについて、図９に示されるものと類似のカッティングされたセグメントの確率分布を予想することができる。
【００９７】
図９に示されるように、レジストコーティングスペースよりも長い長さのテールは、平行灰色領域のアレイに外接する円により末端切断されている。この結果として、第１の例よりもかなり狭い長さ分布が得られる。
【００９８】
同心円環
図１０に示されるように、一連の同心円環状に配置された保護コーティングを用いてカッティングを行うことにより、類似の狭い長さ分布が得られる。
【００９９】
ここで、各灰色円環は、同一の厚さを有する。チューブ１、２、および３は、最大灰色円環内の最大の内接弦よりも短いセグメント長さを与えるであろう。最も確率の高いセグメント長さは、円環厚さに等しいであろう。この結果はまた、カッティングされる初期のチューブの配向角に対して不変である。
【０１００】
さまざまな特性寸法を有する前述のパターンを重ね合わせることにより、ほぼ任意の所望のカッティングされた長さの分布を得ることができる。
【実施例】
【０１０１】
本発明を以下の実施例でさらに明確にする。当然のことながら、これらの実施例は、本発明の好ましい実施形態を示すものではあるが、実例として与えられているにすぎない。上記の考察およびこれらの実施例から、当業者であれば、本発明の本質的特性を確認することが可能であり、その精神および範囲から逸脱することなく、本発明に種々の変更および修正を加えることにより、それを種々の用法および条件に適合させることが可能である。
【０１０２】
実施例１
分散剤層として高分子マトリックスを用いるナノチューブカッティングへのポジ型レジストの適用
水浴中で８時間音波処理することにより、シップレイ（Ｓｈｉｐｌｅｙ）マサチューセッツ州マールボロー（Ｍａｒｌｂｏｒｏｕｇｈ，ＭＡ）ＡＲ２反射防止コーティング（ＡＲＣ）中の０．１％（ｗ／ｗ）カーボンナノチューブのディスパージョンを調製した。このディスパージョンを３０秒間かけて２６００ＲＰＭの速度で４インチのシリコンウェーハ上にスピニングし、次に、ウェーハを２０５℃で１分間焼成した。シップレイ（Ｓｈｉｐｌｅｙ）ポジ型フォトレジストＵＶ１１３．４を３０秒間かけて２８００ＲＰＭの速度でウェーハ上にスピニングした。次に、ウェーハを１３５℃で１分間焼成した。標準解像度パターンフォトマスクを介して、コーティングされたウェーハを５５ｍＪ／ｃｍ２の強度の２４８ｎｍ光に暴露した（ニコン（Ｎｉｋｏｎ）ＮＳＲ１５０５ＥＸ−１ステッパー（日本国東京）を用いて）。暴露されたウェーハを１３０℃で９０秒間焼成し、次に、ＡＺ３００ＭＩＦ水性塩基現像液（ニュージャージー州ソマービレのクラリアント・コーポレーション（Ｃｌａｒｉａｎｔ  Ｃｏｒｐ．，Ｓｏｍｅｒｖｉｌｌｅ，ＮＪ））中で４５秒間現像し、脱イオン水ですすぎ、濾過窒素を用いて乾燥させた。この結果、露出された分散剤層がｕｖ暴露領域に残った。３０ｍＴｏｒｒの圧力でアプライド・マテリアルス（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）（カリフォルニア州サンタバーバラ（Ｓａｎｔａ  Ｂａｒｂａｒａ，ＣＡ））反応性イオンエッチングシステムを用いて、保護レジスト層を除去することなくチューブをカッティングするのに十分な時間をかけて（公称３０秒間）、９０Ｗの酸素プラズマ中でウェーハをエッチングした。使用した酸素プラズマエッチングステップの長さをウェーハ９３および９６について表１に示す。
【０１０３】
【表１】
2005522340.tif 000002
【０１０４】
実施例１のプロセスおよびカッティングデバイスを用いると、ナノチューブは約１０ナノメートル〜約２ミクロンの長さになるようにカッティングされると予想される。
【０１０５】
実施例２
分散剤層として異なる高分子マトリックスを用いるナノチューブカッティングへのポジ型レジストの適用
ブリューアー（Ｂｒｅｗｅｒ）ＤＵＶ５２反射防止コーティング（ＡＲＣ）（ミズーリ州ローラのブリューアー・サイエンス・インコーポレーテッド（Ｂｒｅｗｅｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｉｎｃ．，Ｒｏｌｌａ，ＭＯ））中の０．０１％（ｗ／ｗ）カーボンナノチューブのディスパージョンを音波処理により調製した。このディスパージョンを３０秒間かけて６０００〜６２００ＲＰＭの速度で４インチのシリコンウェーハ上にスピニングし、次に、ウェーハを２０５℃で１分間焼成した。シップレイ（Ｓｈｉｐｌｅｙ）ポジ型フォトレジストＵＶ１１３．４を３０秒間かけて２８００ＲＰＭの速度でウェーハ上にスピニングした。次に、ウェーハを１３５℃で１分間焼成した。パターン化フォトマスクを介して、コーティングされたウェーハを２５ｍＪ／ｃｍ２の強度の２４８ｎｍ光に暴露した（ニコン（Ｎｉｋｏｎ）ＮＳＲ１５０５ＥＸ−１ステッパーＴｏｋｙｏ（日本国東京）を用いて）。暴露されたウェーハを１３０℃で６０〜９０秒間焼成し、次に、ＡＺ３００ＭＩＦ水性塩基現像液（ニュージャージー州ソマービレのクラリアント・コーポレーション（Ｃｌａｒｉａｎｔ  Ｃｏｒｐ．，Ｓｏｍｅｒｖｉｌｌｅ，ＮＪ））中で４５秒間現像し、脱イオン水ですすぎ、濾過窒素を用いて乾燥させた。この結果、露出された分散剤層がｕｖ暴露領域に残った。３０ｍＴｏｒｒの圧力でアプライド・マテリアルス（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）（カリフォルニア州サンタバーバラ（Ｓａｎｔａ  Ｂａｒｂａｒａ，ＣＡ））反応性イオンエッチングシステムを用いて、９０Ｗの酸素プラズマ中でウェーハを９０秒間エッチングした。使用した酸素プラズマエッチングステップの長さをウェーハ３７１〜３７４およびウェーハ４２９〜４３２について表２に示す。ウェーハ３７４のＳＥＭ画像を図１１に示す。分散されたカーボンナノチューブのカッティングは、走査電子顕微鏡法（ＳＥＭ）（日立（Ｈｉｔａｃｈｉ）Ｓ２１００）を用いて示されている。典型的な分析では、処理されたウェーハの小片（約１×１ｃｍ２概略値）を画像化した。この図には、ウェーハ３７４が示されている。カッティングされたカーボンナノチューブは、反射防止コーティング中に示されている。
【０１０６】
【表２】
2005522340.tif 000003
【０１０７】
実施例２のプロセスおよびカッティングデバイスを用いると、ナノチューブは約１０ナノメートル〜約２ミクロンの長さになるようにカッティングされると予想される。
【０１０８】
実施例３
分散剤層として高分子マトリックスを用いるナノチューブカッティングへのネガ型レジストの適用
カーボンナノチューブを２０ｍＬシップレイ（Ｓｈｉｐｌｅｙ）ＡＲ２反射防止コーティング中に分散させ、水浴中で１２時間ソニケートした。このディスパージョンを３０秒間かけて２６００ＲＰＭの速度で４インチのシリコンウェーハ上にスピニングし、次に、ウェーハを２０５℃で１分間焼成した。シップレイ（Ｓｈｉｐｌｅｙ）ネガ型フォトレジストＵＶＮ３０を３０秒間かけて３０００ＲＰＭの速度でウェーハの分散剤層上にスピニングした。次に、ウェーハを１１０℃で１分間焼成した。標準解像度パターンフォトマスクを介して、コーティングされたウェーハを２８．５ｍＪ／ｃｍ２の強度の２４８ｎｍ光に暴露した（ニコン（Ｎｉｋｏｎ）ＮＳＲ１５０５ＥＸ−１ステッパーを用いて）。暴露されたウェーハを１０５℃で６０秒間焼成し、次に、ＡＺ３００ＭＩＦ現像液中で３０秒間現像し、ＤＩ水ですすぎ、濾過窒素を用いて乾燥させた。この結果、露出された分散剤層がＵＶ非暴露領域に残った。３０ｍＴｏｒｒの圧力でアプライド・マテリアルス（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）反応性イオンエッチングシステムを用いて、９０Ｗの酸素プラズマ中でウェーハ１５４を３０秒間エッチングした。使用した酸素プラズマエッチングステップの長さをウェーハ１５４〜１６２について表３に示す。ウェーハの周辺で、かつ暴露ステップ間で、カーボンナノチューブが完全に破壊され除去されることにも注目すべきである。
【０１０９】
【表３】
2005522340.tif 000004
【０１１０】
実施例３のプロセスおよびカッティングデバイスを用いると、ナノチューブは約１０ナノメートル〜約２ミクロンの長さになるようにカッティングされると予想される。
【０１１１】
実施例４
低粘度分散剤層を用いるナノチューブカッティングへのネガ型レジストの適用
水浴中で音波処理することにより、クロロホルムとジクロロベンゼンとの５０／５０混合物中の０．０１％（ｗ／ｗ）カーボンナノチューブのディスパージョンを調製した。このディスパージョンを４インチのシリコンウェーハ上にピペットで添加し、６０秒間放置し、その後、１０００ＲＰＭの速度で６０秒間スピニングした。カーボンナノチューブディスパージョンでウェーハをコーティングする先のステップを４回繰り返し、ウェーハ上のカーボンナノチューブのローディング量を増大させた。３０００ＲＰＭの速度で３０秒間かけてウェーハをマイクロプライム（Ｍｉｃｒｏｐｒｉｍｅ）Ｐ−２０プライマー（信越化学工業株式会社（ＳＨＩＮ−ＥＴＳＵ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏ．））でコーティングした。シップレイ（Ｓｈｉｐｌｅｙ）ネガ型フォトレジストＵＶＮ３０を３０秒間かけて３０００ＲＰＭの速度でウェーハ上にスピニングした。次に、ウェーハを１００℃で１分間焼成した。パターン化フォトマスクを介して、コーティングされたウェーハを２８ｍＪ／ｃｍ２の強度の２４８ｎｍ光に暴露した（ニコン（Ｎｉｋｏｎ）ＮＳＲ１５０５ＥＸ−１ステッパー（日本国東京）を用いて）。暴露されたウェーハを１００℃で６０秒間焼成し、次に、ＡＺ３００ＭＩＦ水性塩基現像液（ニュージャージー州ソマービレのクラリアント・コーポレーション（Ｃｌａｒｉａｎｔ  Ｃｏｒｐ．，Ｓｏｍｅｒｖｉｌｌｅ，ＮＪ））中で３０秒間現像し、脱イオン水ですすぎ、濾過窒素を用いて乾燥させた。この結果、カッティングされ露出されたカーボンナノチューブの領域がＵＶ暴露領域に残った。３０ｍＴｏｒｒの圧力でアプライド・マテリアルス（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）（カリフォルニア州サンタバーバラ（Ｓａｎｔａ  Ｂａｒｂａｒａ，ＣＡ））反応性イオンエッチングシステムを用いて、９０Ｗの酸素プラズマ中でウェーハ４７３を３０秒間エッチングした。使用した酸素プラズマエッチングステップの長さを表４に示す。
【０１１２】
【表４】
2005522340.tif 000005
【０１１３】
実施例５
低粘度分散剤層を用いるナノチューブカッティングへのポジ型レジストの適用
サンプルは、次の点：すなわち、シップレイ（Ｓｈｉｐｌｅｙ）ポジ型フォトレジストＵＶ１１３を３０秒間かけて３０００ＲＰＭの速度でウェーハ上にスピニングしたこと以外は、実施例４のときと同様に処理した。次に、ウェーハを１１０℃で１分間焼成した。パターン化フォトマスクを介して、コーティングされたウェーハを２５ｍＪ／ｃｍ２の強度の２４８ｎｍ光に暴露した（ニコン（Ｎｉｋｏｎ）ＮＳＲ１５０５ＥＸ−１ステッパー（日本国東京）を用いて）。暴露されたウェーハを１３０℃で９０秒間焼成し、次に、ＡＺ３００ＭＩＦ水性塩基現像液（ニュージャージー州ソマービレのクラリアント・コーポレーション（Ｃｌａｒｉａｎｔ  Ｃｏｒｐ．，Ｓｏｍｅｒｖｉｌｌｅ，ＮＪ））中で３０秒間現像し、脱イオン水ですすぎ、濾過窒素を用いて乾燥させた。この結果、カッティングされ露出されたカーボンナノチューブの領域がｕｖ暴露領域に残った。３０ｍＴｏｒｒの圧力でアプライド・マテリアルス（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）（カリフォルニア州サンタバーバラ（Ｓａｎｔａ  Ｂａｒｂａｒａ，ＣＡ））反応性イオンエッチングシステムを用いて、９０Ｗの酸素プラズマ中でウェーハ４６７を６０秒間エッチングした。使用した酸素プラズマエッチングステップの長さをウェーハ４６７〜４７０および５７４〜５８３について表５に示す。
【０１１４】
【表５】
2005522340.tif 000006
【０１１５】
実施例６
カッティングされたＣＮＴからのネガ型レジストの除去
ジメチルアセトアミドの浴中で１０分間超音波処理することにより、実施例４のウェーハ４７４をさらに処理した。次に、ウェーハを取り出し、エタノール中で洗浄し、そして乾燥させた。分散されたカーボンナノチューブのカッティングを例示するウェーハ４７４の典型的な走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）（日立（Ｈｉｔａｃｈｉ）Ｓ２１００）画像を図１２に示す。
【０１１６】
類似の結果を与える他の溶媒としては、ＮＭＰ、エタノール、ブタノール、およびＴＨＦが挙げられる。
【０１１７】
実施例７
カッティングされたＣＮＴからのＡｒｃおよびレジスト層の除去
実施例２のサンプルをテトラメチルアンモニウムヒドロキシド（１０％、５０℃）中でさらに処理し、反射防止コーティングを除去した。次に、サンプルをエタノールの１０％溶液中で４時間加熱した。その後、ウェーハを取り出し、エタノール中で洗浄し、そして乾燥させた。図１３に示されるウェーハ３７４のＳＥＭ（日立（Ｈｉｔａｃｈｉ）Ｓ２１００）画像は、明確に規定されてカッティングされたカーボンナノチューブを示している。
【０１１８】
実施例８
カッティングされたＣＮＴからのＡＲＣおよびポジ型レジスト層の除去、それに続く基体からのカーボンナノチューブの剥離
ジメチルホルムアミドのような溶媒中で加熱することにより、実施例７のサンプルをさらに処理した。ＤＭＦ中、５０℃で、ウェーハを一晩加熱し、次に、超音波浴中でウェーハを３分間ソニケートした。ＳＥＭ（図１４）は、カッティングされたカーボンナノチューブが分離された状態になり、ウェーハから剥離されたことを示している。図１４に見られる実線および明線は、エッチングプロセスにより残されたパターンであるが、セイファー（ｓａｆｅｒ）からほとんどすべてのＣＮＴが剥離されたことを示している。
【０１１９】
実施例９
カッティングされたＣＮＴからのネガ型レジスト層の除去、それに続く基体からのカーボンナノチューブの剥離
実施例４のウェーハ４７３をジメチルアセトアミド中で５分間ソニケートし、続いて、０．２５Ｍ水酸化ナトリウム（２０ｍｌ）中で７分間処理した。次に、アルミナ濾過膜（約０．１〜０．２ミクロンの細孔径を有する）を用いて、溶液を濾過した。その後、フィルターを水で洗浄し、そして放置して乾燥させた。ＳＥＭにより、フィルター上にナノチューブが存在することを確認した。
【０１２０】
実施例１０
カッティングされたＣＮＴからのポジ型レジストの除去、それに続く基体からのカーボンナノチューブの剥離
実施例５のウェーハ５８０をｎ−メチルピロリドノン（ＮＭＰ）中で洗浄し、レジスト層を除去した。
【０１２１】
次に、１片のこのウェーハをナノ剥離液（カリフォルニア州フレモントのシアンテク・コーポレーション（Ｃｙａｎｔｅｋ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｆｒｅｍｏｎｔ，ＣＡ）から入手可能な硫酸と過酸化水素との混合物）中に室温で４時間入れた。それを水中ですすぎ、続いて、エタノール中ですすいだ。次に、ウェーハをエタノール（約２０ｍｌ）の浴中で１時間ウルトラソニケートした。その後、シリンジを用いて溶液を０．１ミクロンサイズのフィルターに通し、エタノールで洗浄し、放置して乾燥させた。回収されたナノチューブは、図１５に示されるように、走査電子顕微鏡法を用いて容易に観察可能であった。
【０１２２】
実施例１１
カッティングされた末端を金金属層で再接続することにより後処理されたカッティングされたＣＮＴ
金属エバポレーター中で実施例５のサンプル５７７に１０ｎｍチタンおよび５０ｎｍ金金属のコーティングを施した。実施例１０に記載のものと同様のＮＭＰによる溶媒ベースのリフトオフプロセスを用いて、ウェーハ上の金被覆レジスト領域を除去し、各末端で金金属表面に接続させたカッティングされたカーボンナノチューブを残した。金属化ナノチューブの存在は、ＳＥＭにより確認された。この実施例は、カッティングされたナノチューブをデバイスとして所定の位置で使用しうるプロセスを実証する。
【０１２３】
実施例１２
カッティングのための電子ビームパターニング
実施例４で作製したカーボンナノチューブを４”ウェーハ（＃４６５）にコーティングした。ジクロロベンゼンとクロロホルムとの５０％／５０％混合物中のＨｉＰＣｏ単一壁カーボンナノチューブの０．０１％懸濁液をソニケートし、４”Ｓｉウェーハ上にスピニングした。ウェーハを２００℃で５分間焼成した。プライマーＰ２０をウェーハ上に３０００ｒｐｍで３０秒間スピニングした。水素シルセスキオキサン（Ｆｏｘ−１７、ダウ・コーニング・インコーポレーテッド（Ｄｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇ，Ｉｎｃ．））レジストをウェーハ上に３０００ｒｐｍで３０秒間スピニングした。得られたウェーハを２００℃で２分間焼成した。５００マイクロクーロン／ｃｍ２の最低電子ビーム線量を使用し各位置ごとに１．０７５倍に増大させて、ライカ（Ｌｅｉｃａ）１００ＫｅＶ電界放出ＶＢ６ｅビームツールにより、公称長さ２８０ミクロンならびに幅５、１０、２０、４０、８０、１６０、および３２０ｎｍのラインを４×４アレイ（１６位置）で書き込んだ。暴露されたウェーハを１４．５分間現像した（現像液ＴＭＡＨ／ＭＦ３２１を用いて）。現像後、原子間力顕微鏡法を用いて、ウェーハを検査した。図１６は、３２０ｎｍレジストラインおよびカッティングされていないナノチューブのマットを有するその右側の領域を示している。
【０１２４】
ウェーハを、パワー４０％、流量２ｓｃｆｈ、および圧力１０ｐｓｉで、マイクロ波酸素プラズマに２分間暴露した。図１７は、プラズマ暴露に耐えたレジストラインの近傍のＡＦＭ画像を示している。しかしながら、レジストにより保護されていないカーボンナノチューブはプラズマにより除去され、レジストライン下にカッティングされたナノチューブが残ったと推定される。ｅビームリソグラフィーにより、幅８ｎｍ程度から幅１０ミクロンまでの細いラインを印刷できることがはっきりと確認される。
【０１２５】
実施例１３
連続カッティング
この実施例は、すべてのステップを連続的に行うことができるプロセスを例示する。シートメタルもしくはフォイル（たとえば、アルミニウムもしくはスチール）または金属化マイラー（Ｍｙｌａｒ）のような可撓性材料から構築された連続ベルトを準備することにより、開始することが可能である。ベルト幅は、１０ｍｍ〜１０ｍの間の値をとることができ、速度は、１００ミクロン／秒〜１ｍ／秒の値をとることができる。このベルトは、連続的に移動する。最初に、好適な溶媒中に分散された所望のナノチューブまたは他のナノ構造体の浴に入る。好適であると思われるタイプとしては、ジクロロベンゼンおよびクロロホルム中に分散されたＣＮＴ、レジストまたはＡＲＣ中に分散されたＣＮＴ、および界面活性剤で分散された水性ＣＮＴが挙げられる。一般的には、以上の実施例に記載されている分散系はいずれも、好適であろう。ベルトが分散系から出て乾燥されると、ベルト上にナノチューブが堆積される。その後、場合により、ベルトは、フォトレジスト（たとえば、シップレイ（Ｓｈｉｐｌｅｙ）ネガ型フォトレジストＵＶＮ３０またはシップレイ（Ｓｈｉｐｌｅｙ）ポジ型フォトレジストＵＶ１１３）をその溶媒中に含んでなる浴に入る。最初の２つの浴浸漬を繰り返して、多層を形成することが可能である。場合により、他の浴により中間剥離層を堆積させることができる。また場合により、後続の層を堆積させる前に各層を焼成する。たとえば、ＵＶ１１３を８０〜１５０℃で１０〜３００秒間焼成する。各層の厚さは、典型的には、１ｎｍ〜１０ミクロンの範囲である。所望の層（ナノチューブ＋レジスト）を得た後、パターン化された光にフォトレジストが選択的に暴露されるようにベルトに暴露を行う。パターニングは、いくつかの技術のうちの１つにより達成される。大規模なパターニングは、アンダーソン（Ａｎｄｅｒｓｏｎ）ら（イー・アンダーソン（Ｅ．Ａｎｄｅｒｓｏｎ）、シー・ホロウィッツ（Ｃ．Ｈｏｒｏｗｉｔｚ）、エイチ・スミス（Ｈ．Ｓｍｉｔｈ）著、応用物理レター（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ）、第４３巻、第９号、ｐ．８７４、１９８３年）により論じられているような干渉リソグラフィーもしくはホログラフィックリソグラフィーまたはスウィットケス（Ｓｗｉｔｋｅｓ）ら（エム・スウィットケス（Ｍ．Ｓｗｉｔｋｅｓ）、エム・ロスチャイルド（Ｍ．Ｒｏｔｈｓｃｈｉｌｄ）、真空科学技術誌（Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．）Ｂ１９巻、第６号、ｐ．２３５３−６、２００１年）により論じられているような液浸干渉リソグラフィーを用いて達成される。幅全体を前後にラスター走査するステッパーにより、達成することもできる。最終浸漬後かつ暴露処理前にベルトに可変長フォールドを導入することにより、ベルトを局所的に固定状態に保持するとともにステッパーをラスター走査する。暴露後、ベルトは、場合により、８０〜２００℃の範囲の温度および１〜６００秒の間の滞留時間の暴露後焼成オーブンに入る。その後、ベルトは、現像液浴（他の実施例を相互参照されたい）に入る。滞留時間は、１秒〜６００秒の間の値をとる。ベルトは、溶媒もしくは水によるスプレーイングおよび／または浴中へのディッピングによ��すすがれてクリーンな状態にされる。暴露されたナノチューブをカッティングするために、１秒〜２００秒の範囲の時間をかけてベルトを酸素プラズマに暴露する。カッティング後、オプションのすすぎステップが存在する。残存するレジストラインおよびナノチューブは、リフトオフ溶媒（他の実施例を相互参照されたい）の１つ以上の浴中に浸漬することにより除去される。残りの回収操作は、他の実施例のときと同じである。
【０１２６】
実施例１４
末端および側部ＣＮＴ官能化
前の実施例のときの酸素プラズマの代わりに、塩素または他のハロゲンのプラズマを使用することが可能である。場合により、これをアンモニアに暴露すると、アミンまたはアミドを末端にもつナノチューブが得られる。
【０１２７】
酸素プラズマによるカッティングの後、カーボンナノチューブは、カルボン酸末端官能化を受けた状態になる。カルボン酸は、一連の活性官能基、たとえば、アシルクロリド（カルボン酸とチオニルクロリドＳＯＣｌ２との反応による）に変換することができる。アシルクロリド末端カーボンナノチューブは、アミン末端ナノ粒子（たとえば、金）と反応させて、アミド連結末端結合金ナノ粒子を形成することができる。他の選択肢として、カルボジイミド結合化学過程（カルボン酸とアミンとの結合）により、カルボン酸をアミン修飾分子または粒子に結合させることができる。
【０１２８】
実施例１５
ナノチューブカッティングへの干渉フォトリソグラフィーの適用
実施例１で作製したフォトレジスト被覆ウェーハはまた、２４８ｎｍ光、１９３ｎｍ光、または１５７ｎｍ光などのような４００ｎｍ未満の任意の好適なリソグラフィー波長で干渉または液浸干渉リソグラフィーステッパーを使用し（前掲のスウィットケス（Ｓｗｉｔｋｅｓ）の文献に記載されているように）かつ選択されたリソグラフィー波長に適したポジ型またはネガ型フォトレジストを使用すれば、フォトマスクを用いることなく暴露することも可能である。次に、暴露されたウェーハを１３０℃のような適切な暴露後焼成（ＰＥＢ）温度で９０秒間焼成し、その後、ＡＺ３００ＭＩＦ  ＴＭＡＨ現像液中で４５秒間現像し、脱イオン水ですすぎ、濾過窒素を用いて乾燥させる。この結果、露出された分散剤層がｕｖ暴露領域に残るであろう。次に、３０ｍＴｏｒｒの圧力でアプライド・マテリアルス（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）反応性イオンエッチングシステムを用いる１０秒間の９０Ｗ酸素プラズマ処理のようなカッティング法のうちの１つにより、パターン化ウェーハをエッチングすることができる。使用する酸素プラズマエッチングステップの長さは、さまざまな時間値をとることができる。また、ナノチューブは約１０ナノメートル〜約２ミクロンの長さになるようにカッティングされると予想される。
【０１２９】
実施例１６
ナノチューブカッティングへの投影液浸フォトリソグラフィーの適用
実施例１で作製したフォトレジスト被覆ウェーハはまた、２４８ｎｍ光、１９３ｎｍ光、または１５７ｎｍ光などのような４００ｎｍ未満の任意の好適なリソグラフィー波長で投影液浸リソグラフィーステッパーを用いて（前掲のスウィットケス（Ｓｗｉｔｋｅｓ）の文献に記載されているように）かつ選択されたリソグラフィー波長に適したポジ型またはネガ型フォトレジストを用いて、暴露することも可能である。次に、暴露されたウェーハを１３０℃のような適切な暴露後焼成（ＰＥＢ）温度で９０秒間焼成し、その後、ＡＺ３００ＭＩＦ  ＴＭＡＨ現像液中で４５秒間現像し、脱イオン水ですすぎ、濾過窒素を用いて乾燥させる。この結果、露出された分散剤層がｕｖ暴露領域に残るであろう。次に、３０ｍＴｏｒｒの圧力でアプライド・マテリアルス（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）反応性イオンエッチングシステムを用いる１０秒間の９０Ｗ酸素プラズマ処理のようなカッティング法のうちの１つにより、パターン化ウェーハをエッチングすることができる。使用する酸素プラズマエッチングステップの長さは、さまざまな時間値をとることができる。また、ナノチューブは約１０ナノメートル〜約２ミクロンの長さになるようにカッティングされると予想される。
【０１３０】
実施例１７
ナノチューブカッティングへのサーマルタイプのナノインプリントリソグラフィーの適用
実施例１で作製した分散系被覆ウェーハはまた、チョウ（Ｃｈｏｕ）ら（エス・ワイ・チョウ（Ｓ．Ｙ．Ｃｈｏｕ）、ピー・アール・クラウス（Ｐ．Ｒ．Ｋｒａｕｓｓ）、ピー・ジェイ・レンストロム（Ｐ．Ｊ．Ｒｅｎｓｔｒｏｍ）著、科学（Ｓｃｉｅｎｃｅ）、第２７２巻、ｐ．８５−８７、１９９６年）により論じられているようなサーマルタイプのナノインプリントリソグラフィーを用いてパターン化することもできる。この場合、分散系被覆ウェーハはさらに、スピンコーティングプロセスおよびたとえば１２０℃で６０秒間の適切な適用後焼成（ＰＡＢ）により、ＰＭＭＡまたはポリカーボネートのような熱可塑性ポリマーでコーティングされる。その後、たとえばエッチングされたＳｉＯ２石英のマスターマスクまたはエンボス加工マスクを用いて（この場合、マスクパターンはレリーフ画像である）、マスターマスクを機械的にプレスしてポリマー被覆ウェーハに接触させ、ポリマーのガラス転移温度（たとえば、２００℃）を超えてマスクおよびウェーハを加熱すると、ポリマー層は、マスターマスクパターンに応じて変形するであろう。冷却したら、分散系およびポリマーで被覆されたウェーハとの接触からマスターマスクを開放し、マスクのレプリカ画像をポリマー中に残存させる。この結果、ポリマー層がサーマルフローにより除去された領域には、露出された分散剤層が残るであろう。次に、３０ｍＴｏｒｒの圧力でアプライド・マテリアルス（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）反応性イオンエッチングシステムを用いる１０秒間の９０Ｗ酸素プラズマ処理のようなカッティング法のうちの１つにより、パターン化ウェーハをエッチングすることができる。使用する酸素プラズマエッチングステップの長さは、さまざまな時間値をとることができる。また、ナノチューブは約１０ナノメートル〜約２ミクロンの長さになるようにカッティングされると予想される。
【０１３１】
実施例１８
ナノチューブカッティングへのステップアンドフラッシュタイプのインプリントリソグラフィーの適用
実施例１で作製した分散系被覆ウェーハはまた、コルバーン（Ｃｏｌｂｕｒｎ）ら（エム・コルバーン（Ｍ．Ｃｏｌｂｕｒｎ）、エイ・グロット（Ａ．Ｇｒｏｔ）、エム・アミストソ（Ｍ．Ａｍｉｓｔｏｓｏ）、ビー・ジェイ・チョイ（Ｂ．Ｊ．Ｃｈｏｉ）、ティー・ベイリー（Ｔ．Ｂａｉｌｅｙ）、ジェイ・エケルツ（Ｊ．Ｅｋｅｒｄｔ）、エス・ブイ・スリーニバサン（Ｓ．Ｖ．Ｓｒｅｅｎｉｖａｓａｎ）、ジェイ・ホレンホルスト（Ｊ．Ｈｏｌｌｅｎｈｏｒｓｔ）、シー・グラント・ウィルソン（Ｃ．Ｇｒａｎｔ  Ｗｉｌｌｓｏｎ）著、写真光学計測技術者協会誌（Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ）、第３６７６巻、ｐ．３７９−３８９、１９９９年）により論じられているようなステップアンドフラッシュタイプのナノインプリントリソグラフィーを用いてパターン化することもできる。この場合、最初に、分散系被覆ウェーハを、たとえばエッチングされたＳｉＯ２石英のマスターマスク、テンプレート、もしくはエンボス加工マスク、またはさらには適切な高分子材料で作製されたソフトマスクに接触させる。このとき、マスクパターンはレリーフ画像であり、マスターマスクは、機械的にプレスされて分散系被覆ウェーハに接触される。この時点で、有機シリコン溶液のようなＵＶ感受性高分子液体をマスターマスクと分散系被覆基材との間に堆積させる。感光性液体がマスクレリーフパターンに流入したら、マスクに背面から投光し、ポリマー溶液の架橋（たとえば、ネガ型フォトレジスト系で行われるような架橋）を行う。次に、テンプレートを基体から分離させ、ポリマー層上にマスクテンプレートのポリマーレプリカを残存させる。この結果、ポリマー層がサーマルフローにより除去された領域には、露出された分散剤層が残るであろう。次に、３０ｍＴｏｒｒの圧力でアプライド・マテリアルス（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）反応性イオンエッチングシステムを用いる１０秒間の９０Ｗ酸素プラズマ処理のようなカッティング法のうちの１つにより、パターン化ウェーハをエッチングすることができる。使用する酸素プラズマエッチングステップの長さは、さまざまな時間値をとることができる。また、ナノチューブは約１０ナノメートル〜約２ミクロンの長さになるようにカッティングされると予想される。
【０１３２】
実施例１９
長さ分布の測定
実施例６のウェーハ＃４７４上の残留レジストを除去した後、ラインによりカッティングされたナノチューブの長さ分布を測定した。基体上のカッティングされたナノチューブの走査電子顕微鏡画像を撮影した。これを、図１８Ａ、Ｂ、およびＣに示す。
【０１３３】
各画像をディジタル化した。個々の長さ（３７０個の個別値）およびレジストの線幅ｄを測定した。各バンドルの厚さにより、長さの測定値のスケールを調整した。図１９は、予測分布：
【０１３４】
【数１】
2005522340.tif 000007
【０１３５】
と比較して、測定された長さ分布を示している。ここで、「ｘ」軸には、カッティングされたチューブの規格化された長さｌ’＝ｌ／ｄ（自由端をもつ部分を有限のチューブの長さに基づいて補正した）がプロットされている。測定された分布が予測された分布とよく一致したことから、制御された分布がこのようにして得られることが示唆される。レジストの線幅を測定したところ２８０ｎｍであったので、カッティングされたナノチューブの分布は、約２７０ｎｍ〜約３７０ｎｍの範囲である。
【図面の簡単な説明】
【０１３６】
【図１】ネガ型フォトレジストを必要とする基本的方法を例示する。
【図２】ポジ型フォトレジストを必要とする基本的方法を例示する。
【図３】電子ビームによるカッティングを必要とする基本的方法を例示する。
【図４】特定の長さ分布を有するナノ構造体を含んでなる組成物の生成を例示する。ここでは、矩形パターニングシステムを使用する。
【図５】特定の長さ分布を有するナノ構造体を含んでなる組成物を生成する場合についてｃ＝０．０００１およびｄ＝０．０１のときの確率分布を示すグラフである。ここでは、矩形パターニングシステムを使用する。
【図６】特定の長さ分布を有するナノ構造体を含んでなる組成物の生成を例示する。ここでは、円形パターニングシステムを使用する。
【図７】円形カッティングパターンを用いたときの確率分布を示すグラフである。レジストコーティングの円の直径は０．１であり、チューブの初期長さは１よりもかなり長い。
【図８】特定の長さ分布を有するナノ構造体を含んでなる組成物の生成を例示する。ここでは、円形および矩形パターニングシステムの両方を使用する。
【図９】円形および矩形カッティングパターンを併用したときの確率分布のグラフである。主要なレジストコーティングの長さは０．０１であり、円の直径は０．０１５である。
【図１０】特定の長さ分布を有するナノ構造体を含んでなる組成物の生成を例示する。ここでは、環状パターニングシステムを使用する。
【図１１】走査電子顕微鏡法を用いて、実施例２の分散されたカーボンナノチューブのカッティングを示す。
【図１２】走査電子顕微鏡法を用いて、実施例６の分散されたカーボンナノチューブからのレジストの除去を示す。
【図１３】走査電子顕微鏡法を用いて、実施例７の分散されたカーボンナノチューブからのレジストの除去を示す。
【図１４】実施例８に記載されている固体基体ウェーハからのカッティングされたナノチューブの除去を示すＳＥＭである。
【図１５】実施例１０の回収されたナノチューブを示すＳＥＭである。
【図１６】ｅビームプロセスから得られた幅３２０ｎｍのレジストラインに隣接したカッティングされていないカーボンナノチューブを示す原子間力顕微鏡画像を示す。
【図１７】残存するレジストラインを示すカーボンナノチューブエッチング後の原子間力顕微鏡画像を示す。ただし、非被覆領域にカーボンナノチューブは存在しない。
【図１８Ａ−１８Ｃ】走査電子顕微鏡法を用いて、実施例１９の分散されたカーボンナノチューブのカッティングを示す。
【図１９】図１８Ａ〜１８Ｃのカッティングされたナノチューブの測定された分布を示す。
【図１Ａ】
2005522340.tif 000008
【図１Ｂ】
2005522340.tif 000009
【図２Ａ】
2005522340.tif 000010
【図２Ｂ】
2005522340.tif 000011
【図３Ａ】
2005522340.tif 000012
【図３Ｂ】
2005522340.tif 000013
【図４Ａ】
2005522340.tif 000014
【図４Ｂ】
2005522340.tif 000015
【図５】
2005522340.tif 000016
【図６】
2005522340.tif 000017
【図７】
2005522340.tif 000018
【図８】
2005522340.tif 000019
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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