(57)【要約】本発明は、基板表面上の２つの接触子の間に導電性ナノ電線を形成する方法であって、接触子間の領域内で基板に複数のナノ粒子を蒸着させ、接触子間の通電を監視し、通電が開始すると蒸着を止め、かつ／またはナノ粒子にナノ電線を形成させる構造的特徴を達成するために基板を改質するか、または既存の当該構造的特徴を利用することによって、実質的に２つの接触子の間を通る単一のナノ電線を形成する方法に関する。得られる導電性ナノ電線、ならびに当該ナノ電線を組み込んだデバイスも請求の対象とする。
2005500678.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上のいくつかの接触子の間に少なくとも単一の導電性ナノ粒子鎖を形成する方法であって、
ａ．基板上に接触子を形成するステップと、
ｂ．複数のナノ粒子を作製するステップと、
ｃ．基板上の少なくとも接触子の間の領域に複数のナノ粒子を蒸着するステップと、
ｄ．接触子の間に導電性ナノ粒子鎖を形成するステップとを含む方法。
【請求項２】
１０ミクロン未満の距離をおいて配置された２つの接触子が存在する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
該接触子は１０００ｎｍ未満の距離をおいて配置される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
該接触子は１００ｎｍ未満の距離をおいて配置される、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
ナノ粒子は、同一の元素であってもなくてもよい２つ以上の原子で構成される、請求項２から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
ナノ粒子のサイズは均一であっても不均一であってもよく、ナノ粒子の平均直径は０．５ｎｍから１０００ｎｍである、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
ナノ粒子作製ステップおよび蒸着ステップは不活性ガス凝集を介して行われ、ナノ粒子は、同一元素であってもなくてもよい複数の原子から構成された原子クラスタである、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
基板は絶縁または半導体である、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
基板は、珪素、窒化珪素、酸化珪素、酸化アルミニウム、インジウム錫酸化物、ゲルマニウム、砒化ガリウムもしくは任意の他のＩＩＩからＶ族の半導体、石英またはガラスから選択される、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
ナノ粒子は、ビスマス、アンチモン、アルミニウム、珪素、ゲルマニウム、銀、金、銅、鉄、ニッケルまたはコバルト・クラスタから選択される、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
リソグラフィにより接触子が形成される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
少なくとも単一の導電鎖の形成は、
ｉ．接触子間の通電を監視し、通電の開始またはその付近で蒸着を止めること、および／または、
ｉｉ．基板表面を改質するか、または既存の構造的特徴を利用して、ナノ粒子が改質または構造的特徴の領域に蒸着したときにナノ電線を形成するようにすることによって行われる、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
導電性ナノ粒子鎖を形成するステップがステップｉであり、同じ粒子の巨視的な膜またはその一部では通電が通常期待されない表面被覆率でナノ粒子鎖が形成される可能性を高めるために、互いに相対的な接触子の配置構造、およびナノ粒子サイズに対する接触子の配置構造が最適化される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
最適化は透過理論計算によって行われ、透過理論は当該装置またはシステムが導電性を有するようになる透過限界を定め、最適化によって、透過限界より小さい表面被覆率における通電が生じる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
ナノ粒子の平均直径は０．５ｎｍから１０００ｎｍで、接触子は、ナノ粒子の平均直径の４から６倍の間隔を設けて配置され、各接触子の幅は、接触子の間隔の１０倍を実質的に上回る、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
接触子の全体的な配置構造は嵌合配置構造である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
温度、表面平滑性および／または素性を含む条件は、基板表面上のナノ粒子の拡散を阻止するものである、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
導電性ナノ粒子鎖を形成するステップはステップｉｉを介して行われ、ナノ粒子の平均直径は０．５ｎｍから１０００ｎｍである、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
改質は、基板表面の実質的に２つの接触子の開を通る段差、窪みまたは隆起を形成することを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
改質は、実質的に接触子の間を通る、実質的にＶ形の断面を有する溝を形成することを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
温度、表面平滑性および／または表面タイプおよび／または素性を含む条件は、基板表面上のナノ粒子の拡散を促進するものである、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
改質はリソグラフィおよびエッチングによって行われる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
実質的に請求項１から２２のいずれか一項に記載の方法に従って作製される、基板上のいくつかの接触子の間の単一の導電性ナノ粒子鎖。
【請求項２４】
基板表面上の２つの接触子の間に導電性ナノ電線を形成する方法であって、
ａ．基板上に接触子を形成するステップと、
ｂ．複数のナノ粒子を作製するステップと、
ｃ．基板上の少なくとも接触子の間の領域に複数のナノ粒子を蒸着するステップと、
ｄ．２つの接触子間の通電を監視し、通電が開始すると蒸着を止めることによって、導電性ナノ電線の形成を監視するステップとを含み、
接触子は、１０ミクロン未満の距離をおいて配置される方法。
【請求項２５】
接触子は１０００ｎｍ未満の距離をおいて配置される、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
接触子は１００ｎｍ未満の距離をおいて配置される、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
ナノ粒子は、０．５ｎｍから１０００ｎｍの平均直径を有し、サイズが均一であっても不均一であってもよい、請求項２４から２６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２８】
ナノ粒子作製ステップおよび蒸着ステップは不活性ガス凝集を介して行われ、ナノ粒子は、同一元素であってもなくてもよい複数の原子から構成された原子クラスタである、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
透過理論計算によって接触子の配置構造を最適化して、接触子間に領域における、透過限界被覆率未満の基板上のナノ粒子の表面被覆率で導電性ナノ電線を設けた、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
表面被覆率が７０％未満である、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
表面被覆率が３０％未満である、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
表面被覆率が実質的に２０％の範囲内である、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
最適な配置構造は、
−接触子間に矩形領域（または、嵌合接触子の如き幾何学的に同等の領域）が存在すること、
−接触子がナノ粒子の平均直径の６０倍未満の距離をおいて配置されること、および
−各接触子の幅が、接触子間隔の１０倍より大きいことを必要とする、請求項３０から３２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３４】
−接触子は、ナノ粒子の平均直径の４から６倍の距離をおいて配置され、
−各接触子の長さは、実質的に接触子間隔の１０倍より大きい、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
ナノ粒子の平均直径が実質的に０．５ｎｍから１０００ｎｍである、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
接触子の全体的な配置構造が嵌合配置構造である、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
温度、表面平滑性および／または表面タイプおよび／または素性を含む条件は、基板表面上のナノ粒子の拡散を阻止するものである、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
接触子間の領域における基板の構造は、接触子間のナノ粒子の導電路の形成を促進するものである、請求項２８に記載の方法。
【請求項３９】
ステップａ）またはｂ）の前または後で少なくともステップｃ）の後に、導電路を設けるために、表面を改質して、蒸着ナノ粒子の配置を構造的に支援する追加的なステップｉ）を含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
改質は、基板表面の実質的に２つの接触子の間を通る段差、窪みまたは隆起を形成することを含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
改質は、実質的に接触子の間を通る、実質的にＶ形の断面を有する溝を形成することを含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
改質はリソグラフィおよびエッチングによって行われる、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
温度、表面平滑性および／または表面タイプおよび／または素性を含む条件は、基板表面上のナノ粒子の拡散を促進するものである、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
基板は絶縁または半導体である、請求項３７または４３に記載の方法。
【請求項４５】
基板は、珪素、窒化珪素、酸化珪素、酸化アルミニウム、インジウム錫酸化物、ゲルマニウム、砒化ガリウムもしくは任意の他のＩＩＩからＶ族の半導体、石英またはガラスから選択される、請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
ナノ粒子は、ビスマス、アンチモン、アルミニウム、珪素、ゲルマニウム、銀、金、銅、鉄、ニッケルまたはコバルト・クラスタから選択される、請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
実質的に請求項２４から４６のいずれか一項に記載の方法に従って作製される、基板表面上の２つの接触子間の導電性ナノ電線。
【請求項４８】
基板上の２つの接触子の間に導電性ナノ電線を形成する方法であって、
ａ．基板上に接触子を形成するステップと、
ｂ．複数のナノ粒子を作製するステップと、
ｃ．基板上の接触子の間の領域に複数のナノ粒子を蒸着するステップと、
ｄ．ｉ．接触子間の通電を監視し、通電が開始されると蒸着を止めること、および／または
ｉｉ．基板を改質して、ナノ粒子にナノ電線を形成させる構造的特徴を達成する、または既存の該構造的特徴を利用することによって、２つの接触子の間を実質的に通る単一のナノ電線を達成するステップとを含む方法。
【請求項４９】
接触子が１０ミクロン未満の距離をおいて配置される、請求項４８に記載の方法。
【請求項５０】
接触子が１０００ｍｎ未満の距離をおいて配置される、請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
接触子が１００ｍｎ未満の距離をおいて配置される、請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
ナノ粒子の平均直径は０．５ｎｍから１０００ｎｍで、サイズが均一であっても不均一であってもよい、請求項４９から５１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５３】
ナノ粒子作製ステップおよび蒸着ステップは不活性ガス凝集を介して行われ、ナノ粒子は、同一元素であってもなくてもよい複数の原子から構成された原子クラスタである、請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
リソグラフィにより接触子が形成される、請求項５３に記載の方法。
【請求項５５】
基板は絶縁または半導体である、請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
基板は、珪素、窒化珪素、酸化珪素、酸化アルミニウム、インジウム錫酸化物、ゲルマニウム、砒化ガリウムもしくは任意の他のＩＩＩからＶ族の半導体、石英またはガラスから選択される、請求項５５に記載の方法。
【請求項５７】
ナノ粒子は、ビスマス、アンチモン、アルミニウム、珪素、ゲルマニウム、銀、金、銅、鉄、ニッケルまたはコバルト・クラスタから選択される、請求項５６に記載の方法。
【請求項５８】
実質的に請求項４８から５７のいずれか一項に記載の方法に従って作製される、基板表面上の２つの接触子の間の導電性ナノ電線。
【請求項５９】
基板上に形成された２つの接触子の間に導電路を含む、または必要とするナノスケール・デバイスを製造する方法であって、
Ａ．請求項１から２２、２４から４６または４８から５８のいずれか一項に記載されるように基板表面上の２つの接触子の間に導電性ナノ電線を作製するステップと、
Ｂ．接触子およびナノ電線をナノスケール・デバイスに組み込むステップとを含む方法。
【請求項６０】
デバイスは複数の接触子を含み、１つまたは複数の導電性ナノ電線を含む、請求項５９に記載の方法。
【請求項６１】
接触子およびナノ電線を組み込むステップにより、以下の実施形態のうちの任意の１つまたは複数の実施形態が得られる、請求項６０に記載の方法：
１．導電性ナノ電線を間に有する２つの一次接触子、および一次接触子に電気的に接触されないことにより、増幅またはスイッチング・デバイス、トランジスタまたは同等物におけるゲートまたは他の要素として作用することが可能な基板上の少なくとも１つの第３の接触子、および／または
２．導電性ナノ電線を間に有する２つの一次接触子、絶縁体の上部層または下部層、上部層または下部層の一次接触子から遠位側に配置されることにより、スイッチング・デバイス、トランジスタまたは同等物におけるゲートまたは他の要素として作用することが可能な少なくとも１つの第３の接触子、および／または
３．接触子および／またはナノ電線を酸化物または他の非金属もしくは半導電膜で保護して、それを保護し、かつ／またはその特性を向上させること、および／または
４．上記３の膜であってもなくてもよい、（ドープされていてもいなくてもよい）キャッピング層を、接触子およびナノ電線を有する基板の表面に設けること、
５．ナノ粒子を基板の表面でアニールすること、
６．基板に塗布され、次いでリソグラフィを用いて処理されるレジストもしくは他の有機化合物または酸化物もしくは他の絶縁層によってナノ粒子の位置を制御して、ナノ粒子が接触子間の通電に関与しうる１つまたは複数の領域、あるいはナノ粒子が導電性ネットワークから隔離される他の１つまたは複数の領域を定めること。
【請求項６２】
デバイスは、トランジスタもしくは他のスイッチング・デバイス、膜蒸着制御デバイス、磁界センサ、化学センサ、発光もしくは検出デバイスまたは温度センサである、請求項６１に記載の方法。
【請求項６３】
デバイスは、ナノ粒子の膜の蒸着を監視する蒸着センサで、同じ粒子の巨視的な膜では通電が通常期待されない表面被覆率で通電が開始するように配置構造が最適化された少なくとも一対の接触子を含み、通電の開始時またはその付近の表面被覆率を変化させるように接触子間隔を選択することができ、あらかじめ定められた接触子間隔により、ナノ粒子膜における通電の開始を利用して、膜における所定のナノ粒子被覆率が達成されたときを感知する、請求項６１に記載の方法。
【請求項６４】
デバイスは蒸着センサで、トンネリング通電の開始を利用して膜の厚さが監視されるように、ナノ粒子をリガンドまたは絶縁層に塗布する、請求項６３に記載の方法。
【請求項６５】
粒子の蒸着時または蒸着後に、印加電圧または電流によって鎖の通電が開始される、請求項５１から６４のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項６６】
実質的に請求項５９から６５のいずれか一項に記載の方法に従って作製される、基板上に形成された２つの接触子の間に導電路を含む、または必要とするナノスケール・デバイス。
【請求項６７】
基板上に形成された２つの接触子の間に導電路を含む、または必要とするナノスケール・デバイスであって、
ｉ）基板上の少なくとも２つの接触子と、
ｉｉ）接触子間にナノ粒子の導電鎖または導電路を形成する複数のナノ粒子とを備えたナノスケール・デバイス。
【請求項６８】
１０ミクロン未満の距離をおいて配置される２つの接触子が存在する、請求項６７に記載のデバイス。
【請求項６９】
接触子は１０００ｎｍ未満の距離をおいて配置される、請求項６８に記載のデバイス。
【請求項７０】
接触子は１００ｎｍ未満の距離をおいて配置される、請求項６９に記載のデバイス。
【請求項７１】
ナノ粒子は、同一元素であってもなくてもよい複数の原子から構成される、請求項６８から７０のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項７２】
ナノ粒子はサイズが均一であっても不均一であってもよく、ナノ粒子の平均直径は０．５ｎｍから１０００ｎｍである、請求項７１に記載のデバイス。
【請求項７３】
基板は絶縁または半導体である、請求項７２に記載のデバイス。
【請求項７４】
基板は、珪素、窒化珪素、酸化珪素、酸化アルミニウム、インジウム錫酸化物、ゲルマニウム、砒化ガリウムもしくは任意の他のＩＩＩからＶ族の半導体、石英またはガラスから選択される、請求項７３に記載のデバイス。
【請求項７５】
ナノ粒子は、ビスマス、アンチモン、アルミニウム、珪素、ゲルマニウム、銀、金、銅、鉄、ニッケルまたはコバルト・クラスタから選択される、請求項７４に記載のデバイス。
【請求項７６】
少なくとも単一の通電鎖は、
ｉ．接触子間の通電を監視し、通電が開始されると蒸着を止めること、および／または
ｉｉ．基板表面を改質するか、または既存の構造的特徴を利用して、ナノ粒子が改質または構造的特徴の領域に蒸着したときにナノ電線を形成するようにすることによって形成される、請求項６７から７５のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項７７】
少なくとも単一の通電鎖をステップｉによって形成し、ナノ粒子の平均直径は０．５ｎｍから１０００ｎｍで、接触子はナノ粒子の平均直径の４から６倍の間隔を設けて配置され、各接触子の長さは実質的に接触子間隔の１０倍より大きい、請求項７６に記載のデバイス。
【請求項７８】
接触子の全体的な配置構造は嵌合配置構造である、請求項７７に記載のデバイス。
【請求項７９】
導電性ナノ粒子の鎖を形成するステップはステップｉｉによって行われ、ナノ粒子の平均直径は０．５ｎｍから１０００ｎｍである、請求項７８に記載のデバイス。
【請求項８０】
粒子の蒸着時または蒸着後に、印加電圧または電流によって鎖の通電が開始される、請求項７９に記載のデバイス。
【請求項８１】
実質的に、任意の１つまたは複数の図面および／または例を参照しながら本明細書に説明されている、基板上のいくつかの接触子の間の単一の導電性ナノ粒子の鎖。
【請求項８２】
実質的に、任意の１つまたは複数の図面および／または例を参照しながら本明細書に説明されている、基板表面上の２つの接触子の間の導電性ナノ電線。
【請求項８３】
実質的に、任意の１つまたは複数の図面および／または例を参照しながら本明細書に説明されている、基板上のいくつかの接触子の間の単一の導電性ナノ粒子の鎖を作製する方法。
【請求項８４】
実質的に、任意の１つまたは複数の図面および／または例を参照しながら本明細書に説明されている、基板表面上の２つの接触子の間の導電性ナノ電線を作製する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子デバイスに使用される導電性ナノスケール電線状構造体の製造方法、および当該方法によって形成されるデバイスに関する。より具体的には、本発明は、導電性ナノ粒子の集成による当該構造体の製造方法に関するが、それに限定されない。
【背景技術】
【０００２】
ナノテクノロジは、２１世紀の最重要技術といわれてきた。この技術は、数十万分の一のスケールの電子デバイス、光学デバイス、および電子光学デバイスを製造する能力に焦点をおく。将来、当該デバイスは、新しいコンピューティングおよび通信技術を支え、広範囲な消費財に取り入れることになるであろう。
【０００３】
ナノスケール・デバイスを製造することには多くの利点がある。最も単純な場合は、当該デバイスは、（集積回路に使用されるトランジスタ等の）現行の商用デバイスよりはるかに小さく、そのため充填密度を高め、消費電力を低減し、速度を高める可能性を提供する。加えて、当該小形デバイスは、大スケールで製造されるデバイスに対して根本的に異なる特性を有することができ、これによって全く新しいデバイス用途の可能性が提供される。
【０００４】
この分野における課題の１つは、量子物理学の法則を利用するナノ構造デバイスを開発することである。（単一電子トランジスタおよび量子電線の如き）量子原理に基づいて動作する寸法が１００ｎｍ以下の電気デバイスは、一般に低温（−１００℃未満）においてのみ実証されている。全範囲の量子効果および新規のデバイス機能を室温で得ることが可能になるため、現在の課題は、これらの同じデバイス概念をわずか数ナノメートルの寸法の構造体に変換することである。実際、以下に述べるように、比較的高い温度で当該量子効果を実証するいくつかの試作的なナノスケール・デバイスが製造されている。しかし、以下に述べるように、当該デバイスが商品化されるまでには克服すべき多くの課題が残っている。
【０００５】
概して、ナノスケール・デバイスの製造には以下の２つの異なるアプローチがある。
−「トップダウン」、および
−「ボトムアップ」。
【０００６】
「トップダウン」アプローチでは、リソグラフィとエッチングの組合せによってデバイスを作製する。解像限界は、例えば、リソグラフィ処理に使用される光の波長によって決定される。リソグラフィは、高度に発達し、信頼性の高い技術でスループットも高いが、（ＵＶ放射を用いた）現在の最新技術では、大きな犠牲を払ってもせいぜい１０ｎｍ以下の寸法のデバイスしか達成できない。他のリソグラフィ技術（例えば電子ビーム・リソグラフィ）は（原則的には）より高解像を与えるが、スループットがはるかに低くなる。
【０００７】
「ボトムアップ」アプローチは、ナノスケール・ビルディング・ブロックからデバイスを集成することでナノスケール解像を迅速に達成することを提案するものであるが、このアプローチは、通常、困難であること、高価であること、およびビルディング・ブロックを集成するのに長時間を要することを含めて、数々の他の問題がある。トップダウン・アプローチとボトムアップ・アプローチを組み合わせて、各々のアプローチに特有の問題を回避しながら双方のアプローチの最良の特徴を利用したデバイスを製造できるか否かが重要な問題になる。
【０００８】
このアプローチの組合せの使用を試みた従来技術の開発の例としては、炭素ナノチューブからのトランジスタの製造が大いに成功していることが挙げられる［１］。リソグラフィを用いて接触子を製造し、（１ナノメートルの厚さの炭素ナノチューブの形の）ナノスケール・ビルディング・ブロックを使用して、接触子の間に導電路を設ける。これらのトランジスタは、量子伝達効果を示し、集積回路に使用されるＳｉ−ＭＯＳＦＥＴのトランジスタ特性と同等のトランジスタ特性を有することが証明されたため［２、３］、原則的には商業用途に使用可能である。しかし、単一ナノチューブを単離、操作して再生可能なデバイスを形成することが困難であるため、商業的使用の普及が妨げられるおそれがある。したがって、ナノスケール電線構造体を導電性接触子の間に形成するための新しい技術の開発が、重要な技術的課題になっている。
【０００９】
ナノスケール電線の形成に向けた１つの単純なアプローチは、より太い電線を直径が数アトム程度の破断点に近くなるまで延ばすことである（参考文献［４］およびその中の参考文献を参照のこと。ここでは、走査トンネル顕微鏡を使用して同様の効果を達成することができる）。この時点で、破断接合点が、量子化導電性を示しうる。この技術は、興味深いが、制御が困難で、一度に単一の電線しか製造できず、多端末デバイスを容易に達成できないため、デバイス形成に十分適しているとはいえない。
【００１０】
他のアプローチは、リソグラフ技術と電子化学技術の組合せを用いて、細線および／またはナノメートル・スケールの間隔の接触子を達成する［５］。Ｃｕの電気化学蒸着により量子化導電性を確認することが可能になり、これらの微小電線から化学センサが開発された［６］。これらのデバイスは有望であるが、実用化に応じた十分な制御性および再現性で製造できること、またはこの方法を用いて多端末または他の電子デバイスを製造できることを実証する余地がある。
【００１１】
単純な蒸気化技術によって形成されるナノスケール粒子である原子クラスタ（例えば［８、９］を参照）を使用して数ナノメートルのスケールの構造体を形成しうるという提案［７］は、既に、国際的にいくつかのグループの発想に取り入れられている。クラスタは、基板上を拡散し［１１］、次いで特定の表面特徴を成して整列することで、クラスタ構造体［１２、１３、１４］を生成しうることが証明されているが、この場合、それらの鎖は通常不完全で（間隙を有し）、当該鎖は、これまでのところ、非導電性基板上で電気接触子に接続されていない。このアプローチは、電線の幅がクラスタのサイズによって制御されるため有望であるが、有用な基板上に真のデバイスを形成するようにクラスタを配置する問題はまだ解決されていない。
【００１２】
原子クラスタを使用して形成されたデバイスが参考文献［８、１５、１６］に報告されている。イオン・ビーム蒸着法によって、電子ビーム・リソグラフィを用いて定められる２つの接触子の間にクラスタのネットワークが形成される。この作業では、あらかじめ形成されたナノ粒子ではなく、現市場器を基板上に蒸着することによってクラスタが形成された。デバイスは、Ｔ＝７７Ｋにおいてクーロン遮断効果を示すが、室温では、量子化効果がはっきりと確認されない。この作業では、ＡｕＰｄおよびＡｕのクラスタのみが採用され、重要なことは、これらのデバイスでは、クラスタの通電はトンネリングによるものであった。導電路を制御可能に形成する方法は示されておらず、２つの端末デバイスのみが示されており、したがって上述のナノチューブ・トランジスタと同様のデバイスは形成されなかった。
【００１３】
単一（またはごく限られた数の）ナノスケール粒子を取り入れたいくつかのデバイス（例えば［１７、１８、１９］を参照）が製造された。これらのデバイスは潜在的に極めて有力であるが、その分ビルディング・ブロックを集成するのに要する費用および時間に関わる問題が生じる可能性が高い。デバイスからデバイスの再生、および微粒子を配置することが困難であることがさらなる問題になるおそれがある。また、これらのデバイスの好ましい実施形態では、トンネル電流はバリヤの厚さに著しく依存するため、その特性がデバイス性能に極めて重要なトンネル・バリヤによって接触子からナノ粒子を隔離することが必要になる。いくつかの場合は、走査トンネル顕微鏡を使用すると、製造工程が遅く非スケーラブルになる。この分野における最近の進歩により、トンネリングが行われる島として単一原子を用いて第１の単一電子トランジスタが製造されるようになった［１９］。これは大きな成果で、製造における自己集成の要素は魅力的であるが、当該デバイスは商業生産からまだほど遠く、用いられる方法は大規模生産に見合わない。
【００１４】
ウェット化学法（例えば［１７］を参照）もナノスケール・デバイスの製造に関して有用であることが証明されており、ナノ粒子の配置上の問題を克服する方法としてある程度の有望性を与える。これらの方法は、将来重要になる可能性があるが、制約として、これらの技術を用いて形成されうるナノ粒子のタイプが制限されること、およびナノ粒子を誘引する特定の部位を冷却するのが困難であることなどがあり、スケーリングに対する適性に関する疑問に対する答えもまだ得られていない。
【００１５】
最後に、金属ナノ粒子の膜の透過性に関するいくつかの実験（例えば［２０、２１、２２、２３、２４、２５］）が行われたことに言及する。典型的には、電気接触子の間にナノ粒子を蒸着し、透過限界において明確な通電の開始を観察することができる。実験論文には、膜がナノスケールの全体寸法を有する（すなわち接触子間隔が小さい）場合のナノ粒子の膜の透過性についての報告がなく、知る限りでは、ナノスケール・デバイスにおける透過性膜の使用についての提案が論文に記載されていない。巨視的な接触子間隔を用いると、単一粒子またはいくつかの近隣粒子が細線状構造体を形成する細いチャネルが構造体のどこかに存在したとしても、透過限界でも膜の特性が、巨視的なクラスタの集成膜の比較的均一な性質に影響される。ナノスケール電子デバイスにおける透過限界で形成されたナノスケール・クラスタ鎖を使用する提案はこれまでなされていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の目的は、１つまたは複数の先述の短所を克服し、または有用な代替手段を公共に少なくとも提供するナノスケール電線状構造体および／またはそれにより形成されるデバイスを作製する方法を提供することである。加えて、電線状構造体を形成する方法、特にその形成に対する電気的監視を、あらかじめ定めた被覆率でクラスタ膜の形成を検出する方法として用いることができる。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の第１の態様によれば、基板上のいくつかの接触子の間に少なくとも単一の導電性ナノ粒子鎖を形成する方法であって、
ａ．基板上に接触子を形成するステップと、
ｂ．複数のナノ粒子を作製するステップと、
ｃ．基板上の少なくとも接触子の間の領域に複数のナノ粒子を蒸着するステップと、
ｄ．接触子の間に導電性ナノ粒子鎖を形成するステップとを含む方法が提供される。
【００１８】
好ましくは、１０ミクロン未満の距離をおいて配置された２つの接触子が存在し、より好ましくは、それらの接触子は、１０００ｎｍ未満の距離をおいて配置される。
好ましくは、ナノ粒子は、同一の元素であってもなくてもよい２つ以上の原子で構成される。
好ましくは、ナノ粒子のサイズは均一であっても不均一であってもよく、ナノ粒子の平均直径は０．５ｎｍから１０００ｎｍである。
好ましくは、ナノ粒子作製ステップおよび蒸着ステップは不活性ガス凝集を介して行われ、ナノ粒子は、同一元素であってもなくてもよい複数の原子から構成された原子クラスタである。
【００１９】
好ましくは、基板は絶縁または半導体であり、より好ましくは、基板は、珪素、窒化珪素、酸化珪素、酸化アルミニウム、インジウム錫酸化物、ゲルマニウム、砒化ガリウムもしくは任意の他のＩＩＩからＶ族の半導体、石英またはガラスから選択される。
好ましくは、ナノ粒子は、ビスマス、アンチモン、アルミニウム、珪素、ゲルマニウム、銀、金、銅、鉄、ニッケルまたはコバルト・クラスタから選択される。
好ましくは、リソグラフィにより接触子が形成される。
【００２０】
好ましくは、少なくとも単一の導電差の形成は、
ｉ．接触子間の通電を監視し、通電の開始またはその付近で蒸着を止めること、および／または、
ｉｉ．基板表面を改質するか、または既存の構造的特徴を利用して、ナノ粒子が改質または構造的特徴の領域に蒸着したときにナノ電線を形成するようにすることによって行われる。
【００２１】
好ましい一実施形態において、導電性ナノ粒子鎖を形成するステップがステップｉであり、同じ粒子の巨視的な膜またはその一部では通電が通常期待されない表面被覆率でナノ粒子が形成される可能性を高めるために、互いに相対的な接触子の配置構造、およびナノ粒子サイズに対する接触子の配置構造が最適化される。
【００２２】
好ましくは、最適化は透過理論計算によって行われ、透過理論は当該装置またはシステムが導電性を有するようになる透過限界を定め、最適化によって、透過限界より小さい表面被覆率における通電が生じる。
好ましくは、ナノ粒子の平均直径は０．５ｎｍから１０００ｎｍで、接触子は、ナノ粒子の平均直径の４から６倍の間隔を設けて配置され、各接触子の幅は、接触子の間隔の１０倍を実質的に上回る。
【００２３】
好ましくは、接触子の全体的な配置構造は、嵌合配置構造である。
好ましくは、温度、表面平滑性および／または素性を含む条件は、基板表面上のナノ粒子の拡散を阻止するものである。
好ましくは、ナノ電線構造体は、その酸化を防ぎ、ナノ電線から隔離された第３の接触子の作製を可能にするとともに、それ故ゲートとして作用することが可能な絶縁または誘電体に包含される。
【００２４】
好ましくは、ナノ電線構造体は、多層基板上に作製され、そのうちの１つの層は導電性を有するため、ゲートとして作用することができる。
好ましい代替実施形態において、導電性ナノ粒子鎖を形成するステップはステップｉｉを介して行われ、ナノ粒子の平均直径は０．５ｎｍから１０００ｎｍである。
好ましくは、改質は、基板表面の実質的に２つの接触子の間を通る段差、窪みまたは隆起を形成することを含む。
【００２５】
好ましくは、改質は、実質的に接触子の間を通る、実質的にＶ形の断面を有する溝を形成することを含む。
好ましくは、温度、表面平滑性および／または表面タイプおよび／または素性を含む条件は、基板表面上のナノ粒子の拡散を促進するものである。
好ましくは、改質はリソグラフィおよびエッチングによって行われる。
【００２６】
本発明の第２の態様によれば、実質的に上記方法に従って作製される、基板上のいくつかの接触子の間の単一の導電性ナノ粒子鎖が提供される。
【００２７】
本発明の第３の態様によれば、基板表面上の２つの接触子の間に導電性ナノ電線を形成する方法であって、
ａ．基板上に接触子を形成するステップと、
ｂ．複数のナノ粒子を作製するステップと、
ｃ．基板上の少なくとも接触子の間の領域に複数のナノ粒子を蒸着するステップと、
ｄ．２つの接触子間の通電を監視し、通電が開始すると蒸着を止めることによって、導電性ナノ電線の形成を監視するステップとを含み、
接触子は、１０ミクロン未満の距離をおいて配置される方法が提供される。
【００２８】
好ましくは、接触子は、１００ｎｍ未満の距離をおいて配置される。
好ましくは、ナノ粒子は、０．５ｎｍから１０００ｎｍの平均直径を有し、サイズが均一であっても不均一であってもよい。
好ましくは、ナノ粒子作製ステップおよび蒸着ステップは不活性ガス凝集を介して行われ、ナノ粒子は、同一元素であってもなくてもよい複数の原子から構成された原子クラスタである。
【００２９】
好ましい一実施形態において、透過理論計算によって接触子の配置構造を最適化して、接触子間に領域における、７０％の透過限界被覆率未満の基板上のナノ粒子の表面被覆率で導電性ナノ電線を設けた。
好ましくは、表面被覆率が３０％未満で、より好ましくは、表面被覆率が実質的に２０％の範囲内である。
【００３０】
好ましくは、最適な配置構造は、
−接触子間に矩形領域（または、嵌合接触子の如き幾何学的に同等の領域）が存在すること、
−接触子がナノ粒子の平均直径の６０倍未満の距離をおいて配置されること、および
−各接触子の幅が、接触子間隔の１０倍より大きいことを必要とする。
【００３１】
好ましくは、
−接触子は、ナノ粒子の平均直径の４から６倍の距離をおいて配置され、
−各接触子の長さは、実質的に接触子間隔の１０倍より大きい。
好ましくは、ナノ粒子の平均直径が実質的に０．５ｎｍから１０００ｎｍである。
好ましくは、接触子の全体的な配置構造が嵌合配置構造である。
好ましくは、温度、表面平滑性および／または表面タイプおよび／または素性を含む条件は、基板表面上のナノ粒子の拡散を阻止するものである。
【００３２】
代替的な好ましい実施形態において、接触子間の領域における基板の構造は、接触子間のナノ粒子の導電路の形成を促進するものである。
好ましくは、該方法は、ステップａ）またはｂ）の前で少なくともステップｃ）の後に、導電路を設けるために、表面を改質して、蒸着ナノ粒子の配置を構造的に支援する追加的なステップｉ）を含む。
【００３３】
好ましくは、改質は、基板表面の実質的に２つの接触子の間を通る段差、窪みまたは隆起を形成することを含む。
好ましくは、改質は、実質的に接触子の間を通る、実質的にＶ形の断面を有する溝を形成することを含む。
好ましくは、改質はリソグラフィおよびエッチングによって行われる。
好ましくは、温度、表面平滑性および／または表面タイプおよび／または素性を含む条件は、基板表面上のナノ粒子の拡散を促進するものである。
【００３４】
好ましくは、基板は絶縁または半導体であり、より好ましくは、基板は、珪素、窒化珪素、酸化珪素、酸化アルミニウム、インジウム錫酸化物、ゲルマニウム、砒化ガリウムもしくは任意の他のＩＩＩからＶ族の半導体、石英またはガラスから選択される。
【００３５】
好ましくは、ナノ粒子は、ビスマス、アンチモン、アルミニウム、珪素、ゲルマニウム、銀、金、銅、鉄、ニッケルまたはコバルト・クラスタから選択される。
本発明の第４の態様によれば、実質的に上記方法に従って作製される、基板表面上の２つの接触子間の導電性ナノ電線が提供される。
【００３６】
本発明の第５の態様によれば、基板上の２つの接触子の間に導電性ナノ電線を形成する方法であって、
ａ．基板上に接触子を形成するステップと、
ｂ．複数のナノ粒子を作製するステップと、
ｃ．基板上の接触子の間の領域に複数のナノ粒子を蒸着するステップと、
ｄ．ｉ．接触子間の通電を監視し、通電が開始されると蒸着を止めること、および／または
ｉｉ．基板を改質して、ナノ粒子にナノ電線を形成させる構造的特徴を達成する、または既存の該構造的特徴を利用することによって、２つの接触子の間を実質的に通る単一のナノ電線を達成するステップとを含む方法が提供される。
【００３７】
好ましくは、接触子は、１０ミクロン未満の距離をおいて配置され、より好ましくは、接触子は、１００ｎｍ未満の距離をおいて配置される。
好ましくは、ナノ粒子の平均直径は、０．５ｎｍから１０００ｎｍで、サイズが均一であっても不均一であってもよい。
好ましくは、ナノ粒子作製ステップおよび蒸着ステップは不活性ガス凝集を介して行われ、ナノ粒子は、同一元素であってもなくてもよい複数の原子から構成された原子クラスタである。
【００３８】
好ましくは、リソグラフィにより接触子が形成される。
好ましくは、基板は絶縁または半導体である。
好ましくは、基板は、珪素、窒化珪素、酸化珪素、酸化アルミニウム、インジウム錫酸化物、ゲルマニウム、砒化ガリウムもしくは任意の他のＩＩＩからＶ族の半導体、石英またはガラスから選択される。
好ましくは、ナノ粒子は、ビスマス、アンチモン、アルミニウム、珪素、ゲルマニウム、銀、金、銅、鉄、ニッケルまたはコバルト・クラスタから選択される。
【００３９】
本発明の第６態様によれば、実質的に上記方法に従って作製される、基板表面上の２つの接触子の間の導電性ナノ電線が提供される。
【００４０】
本発明の第７の態様によれば、基板上に形成された２つの接触子の間に導電路を含む、または必要とするナノスケール・デバイスを製造する方法であって、
Ａ．上記方法のいずれかに記載されるように、基板上の２つの接触子の間に導電性ナノ電線を作製するステップと、
Ｂ．接触子およびナノ電線をナノスケール・デバイスに組み込むステップとを含む方法が提供される。
【００４１】
好ましくは、デバイスは、複数の接触子を含み、１つまたは複数の導電性ナノ電線を含む。
好ましくは、粒子の蒸着の最中または後に、印加電圧または電流によって鎖の通電を開始する。
好ましくは、接触子およびナノ電線を組み込むステップによって、以下の実施形態のうちの任意の１つまたは複数の実施形態が得られる。
【００４２】
１．導電性ナノ電線を間に有する２つの一次接触子、および一次接触子に電気的に接触されないことにより、増幅またはスイッチング・デバイス、トランジスタまたは同等物におけるゲートまたは他の要素として作用することが可能な基板上の少なくとも１つの第３の接触子、および／または
２．導電性ナノ電線を間に有する２つの一次接触子、絶縁体の上部層または下部層、上部層または下部層の一次接触子から遠位側に配置されることにより、スイッチング・デバイス、トランジスタまたは同等物におけるゲートまたは他の要素として作用することが可能な少なくとも１つの第３の接触子、および／または
３．接触子および／またはナノ電線を酸化物または他の非金属もしくは半導電膜で保護して、それを保護し、かつ／またはその特性を向上させること、および／または
４．上記３の膜であってもなくてもよい、（ドープされていてもいなくてもよい）キャッピング層を、接触子およびナノ電線を有する基板の表面に設けること、
５．ナノ粒子を基板の表面でアニールすること、
６．基板に塗布され、次いでリソグラフィおよび／またはエッチングを用いて処理されるレジストもしくは他の有機化合物または酸化物もしくは他の絶縁層によってナノ粒子の位置を制御して、ナノ粒子が接触子間の通電に関与しうる１つまたは複数の領域、あるいはナノ粒子が導電性ネットワークから隔離される他の１つまたは複数の領域を定めること。
【００４３】
好ましくは、デバイスは、トランジスタもしくは他のスイッチング・デバイス、膜蒸着制御デバイス、磁界センサ、化学センサ、発光もしくは検出デバイスまたは温度センサである。
【００４４】
好ましくは、デバイスは、ナノ粒子の膜の蒸着を監視する蒸着センサで、同じ粒子の巨視的な膜では通電が通常期待されない表面被覆率で通電が開始するように配置構造が最適化された少なくとも一対の接触子を含み、通電の開始時またはその付近の表面被覆率を変化させるように接触子間隔を選択することができ、あらかじめ定められた接触子間隔により、ナノ粒子膜における通電の開始を利用して、膜における所定のナノ粒子被覆率が達成されたときを感知する。
好ましくは、デバイスは蒸着センサで、トンネリング通電の開始を利用して膜の厚さが監視されるように、ナノ粒子をリガンドまたは絶縁層に塗布する。
【００４５】
本発明の第８の態様によれば、実質的に上記方法に従って作製される、基板上に形成された２つの接触子の間に導電路を含む、または必要とするナノスケール・デバイスが提供される。
【００４６】
本発明の第９の態様によれば、基板上に形成された２つの接触子の間に導電路を含む、または必要とするナノスケール・デバイスであって、
ｉ）基板上の少なくとも２つの接触子と、
ｉｉ）接触子間にナノ粒子の導電鎖または導電路を形成する複数のナノ粒子とを備えたナノスケール・デバイスが提供される。
【００４７】
好ましくは、１０ミクロン未満の距離をおいて配置される２つの接触子が存在する。
好ましくは、接触子は、１０００ｎｍ未満の距離をおいて配置される。
好ましくは、粒子の蒸着の最中または後に、印加電圧または電流によって鎖の通電を開始する。
好ましくは、ナノ粒子は、同一元素であってもなくてもよい複数の原子から構成される。
【００４８】
好ましくは、ナノ粒子はサイズが均一であっても不均一であってもよく、ナノ粒子の平均直径は０．５ｎｍから１０００ｎｍである。
好ましくは、基板は絶縁または半導体材料である。
好ましくは、基板は、珪素、窒化珪素、酸化珪素、酸化アルミニウム、インジウム錫酸化物、ゲルマニウム、砒化ガリウムもしくは任意の他のＩＩ１からＶ族の半導体、石英またはガラスから選択される。
好ましくは、ナノ粒子は、ビスマス、アンチモン、アルミニウム、珪素、ゲルマニウム、銀、金、銅、鉄、ニッケルまたはコバルト・クラスタから選択される。
【００４９】
好ましくは、少なくとも単一の通電鎖は、
ｉ．接触子間の通電を監視し、通電が開始されると蒸着を止めること、および／または
ｉｉ．基板表面を改質するか、または既存の構造的特徴を利用して、ナノ粒子が改質または構造的特徴の領域に蒸着したときにナノ電線を形成するようにすることによって形成される。
【００５０】
好ましい実施形態において、少なくとも単一の通電鎖をステップｉによって形成し、ナノ粒子の平均直径は０．５ｎｍから１０００ｎｍで、接触子はナノ粒子の平均直径の４から６倍の間隔を設けて配置され、各接触子の長さは実質的に接触子間隔の１０倍より大きい。
好ましくは、接触子の全体的な配置構造は嵌合配置構造である。
好ましい代替的な実施形態において、導電性ナノ粒子の鎖を形成するステップはステップｉｉによって行われ、ナノ粒子の平均直径は０．５ｎｍから１０００ｎｍである。
【００５１】
本発明の第１０の態様によれば、実質的に、任意の１つまたは複数の図面および／または例を参照しながら本明細書に説明されている、基板上のいくつかの接触子の間の単一の導電性ナノ粒子の鎖が提供される。
【００５２】
本発明の第１１の態様によれば、実質的に、任意の１つまたは複数の図面および／または例を参照しながら本明細書に説明されている、基板表面上の２つの接触子の間の導電性ナノ電線が提供される。
【００５３】
本発明の第１２の態様によれば、実質的に、任意の１つまたは複数の図面および／または例を参照しながら本明細書に説明されている、基板上のいくつかの接触子の間の単一の導電性ナノ粒子の鎖を作製する方法が提供される。
【００５４】
本発明の第１３の態様によれば、実質的に、任意の１つまたは複数の図面および／または例を参照しながら本明細書に説明されている、基板表面上の２つの接触子の間の導電性ナノ電線を作製する方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５５】
定義
本明細書に用いられる「ナノスケール」とは、０．５から１０００ナノメートルの範囲の１つまたは複数の寸法を有することを意味する。
本明細書に用いられる「ナノ粒子」とは、０．５から１０００ナノメートルの範囲の寸法を有し、不活性ガス凝集などによって形成された原子クラスタを含む粒子を意味する。
【００５６】
本明細書に用いられる「ナノ電線」とは、（例えばトンネリング通電に対して）オーム通電により実質的または全体的に通電するナノ粒子集成体によって形成された経路を意味する。図１は当該経路を示す図である。単一の線形形態に限定されず、直接的であっても間接的であってもよい。側鎖、またはそれに関連する他の構造を有していてもよい。ナノ粒子は、通電が可能であれば、部分的または全面的に合着していてもいなくてもよい。ナノ電線の定義は、部分的に均一であるが、限定された数の限界経路を有する粒子の膜をも含むことができるが、均一なナノ粒子の膜、またはナノ粒子の蒸着によって得られる均一な膜を含まない。
【００５７】
本明細書に用いられる「接触子」とは、ナノ電線またはクラスタ蒸着膜と外部回路または他の電子デバイスとの間に電気的接続を与えることを目的とする基板上の領域で、通常は蒸着金属層に限定されない領域を意味する。単一接触子は幅ｗを有し、２つの接触子に関しては、それらは間隔Ｌを設けて配置される（図１を参照）。
【００５８】
本明細書に用いられる「原子クラスタ」または「クラスタ」とは、任意のガス凝集または他の技術［２６］のいずれか１つによって形成され、０．５ｎｍから１０００ｎｍの範囲の直径を有し、典型的には２から１０７個の原子を含む原子のナノスケール凝集体を意味する。
【００５９】
本明細書に用いられる「基板」とは、デバイスの製造のための構造的土台として使用される、１つまたは複数の層を含む絶縁または半導体を意味する。電気接触子の蒸着、ドーピング、または表面テクスチャの形成を目的としたリソグラフィ処理によって基盤を改質することができる。
【００６０】
本明細書に用いられる「通電」とは、オーム通電を含みトンネリング通電を含まない通電を意味する。通電は、半導電性ナノ電線、ならびに金属通電に想定されるように、温度依存性が極めて高い。
【００６１】
本明細書に用いられる「鎖」とは、接続ネットワークの一部でありうる個々の単位から構成される経路または他の構造体を意味する。ナノ電線と同様に、単一の線形形態に限定されず、直接的または間接的であってもよい。側鎖、またがそれに関連する他の構造を有していてもよい。ナノ粒子は、通電が可能であれば、部分的または全面的に合着していてもいなくてもよい。鎖の定義は、部分的に均一であるが、限定された数の限界経路を有する粒子の膜をも含むことができるが、均一なナノ粒子の膜、またはナノ粒子の蒸着によって得られる均一な膜を含まない。
【００６２】
本明細書に用いられる「嵌合接触子」とは、例えば図４に示されるように、各接触子からの１つまたは複数のディジットが他の接触子からのディジットの間に差し込まれるように配列された一対の接触子を意味する。
【００６３】
本明細書に用いられる「透過理論」とは、規則的な部位の格子が存在する（部位透過）、または存在しない（連続透過）、ランダム占有部位の接続構造体の形成の把握を意味する。「透過理論」は、部位のネットワークの導電率、透過確率および相関長さの如き重要なパラメータの計算を可能にする、この理論に関するあらゆる変型を含む。また、部位を接続するボンドに焦点をおく、この理論に関する変型（ボンド透過）を含む。
【００６４】
本明細書に用いられる「透過限界」とは、システムの寸法のいずれか１つにまたがり、かつ／またはシステムの通電を可能にする、部位の接続構造体が存在する、透過理論において利用可能な部位の最小占有率を意味する。
【００６５】
本発明は、導電性ナノ粒子の集成によってナノスケール電線状構造体を製造する我々の方法を開示する。（多くの競合技術と比較した場合の）我々の技術の利点を以下に挙げる。
−単純かつ直接的な技術、すなわちクラスタ蒸着、および比較的低解像度のリソグラフィを用いて導電性ナノ電線を形成することができる。
−得られたナノ電線は、電気接触子に自動的に接続される。
−ナノ電線が形成された瞬間からナノ電線に電流を流すことができる。
−以下に説明する２つの技術のいずれか１つを用いて電線が「自己集成」されるため、ナノ電線を形成するのにクラスタを操作する必要はない。
−選択されるクラスタのサイズによってナノ電線の幅を制御することができる。
【００６６】
Ａ．発明の方法
本発明は、いくつかのステップおよび／または技術に依拠する。
１．接触子および／または他のリソグラフィ描写パターンを基板上に形成する。
２．ナノスケール粒子（原子クラスタ）を形成する。
３．クラスタを基板に蒸着する。
４．ナノ電線経路の形成を監視する。
【００６７】
１．接触子の形成
電子ビーム・リソグラフィおよびフォトリソグラフィは、半導体および集積回路業界において十分に確立された技術で、現在では接触子形成の好ましい手段になっている。これらの技術は、トランジスタから固体レーザに至るまでの多くの電子デバイスを形成するのに日常的に用いられている。我々の技術では、標準的なリソグラフィ法を用いて我々のデバイスに対する接触子のみを製造し、デバイスの活性コンポーネントは、蒸着原子クラスタによって形成されたナノ電線である。当業者であれば理解するように、電子ビーム・リソグラフィおよびフォトリソグラフィに加えて、ナノスケール接触子の形成を可能にする当該技術分野の他の技術、例えばナノインプリント・リソグラフィも本発明の範囲に含められる。
【００６８】
様々なエッチング技術とともに、リソグラフィを用いて、表面テクスチャを生成することができる。特に、例えばシリコンをＫＯＨでエッチングすることにより、Ｖ形溝、および逆ピラミッドの如き関連構造を形成するための十分に確立された様々な手順がある。本発明の範囲には、ナノ電線の形成を支援する表面パターンを達成するために設計された追加的なリソグラフィ工程も含められる。
【００６９】
２．原子クラスタの形成
これは、金属蒸気を蒸発させて流動不活性ガス流とし、それによって金属蒸気を凝縮させて小さな粒子にする単純な方法である。粒子は、分子ビームが形成されるように、不活性ガスによってノズルに通される。ビームからの粒子を好適な基板に蒸着することができる。この方法は不活性ガス凝集（ＩＧＡ）として知られているが、他の任意の設計のクラスタ源を使用してもクラスタを同様に形成することが可能である（例えば論文［２６］に記載のクラスタ源を参照のこと）。
【００７０】
３．クラスタの蒸着
クラスタ蒸着システムの基本設計は参考文献２７に記載されており、その内容が参照により本明細書に組み込まれている。それは、クラスタ源と、クラスタが最終的に基板に蒸着する前のクラスタのイオン化、サイズ選定、加速および集束を可能にする一連の多様排気チャンバとから構成される。実際、このような精錬されたシステムが望ましいが、不可欠ではなく、我々の最初のデバイスは、イオン化、サイズ選定、加速または集束を行うことなく比較的低い真空度で形成された。
【００７１】
４．ナノ電線の形成の監視
本発明の方法は、一対の電気接触子の間の通電を監視し、接触子の間に導電接続が形成されると原子クラスタの蒸着を止めることを含む。代替的な実施形態またはさらなる実施形態は、複数のナノ電線が有用でありうる場合に複数のナノ電線構造体の形成を監視することを含むことができる。
【００７２】
我々は、２つの接触子の間の通電の開始をチェックすることによって形成を監視する。以下に述べるように、これは、蒸着時にデバイス上で電気測定を行うことができるように、蒸着チャンバへの電気的貫通接続体を我々の蒸着システムに組み込むことを必要とする。
【００７３】
この通電監視を必要とせず、例えば蒸着時間の如き他の変数を採用して形成を推定または監視することができる、（「ＴｅＣＡＮ」形成を参照しながら以下に説明するような）本発明のいくつかの態様が存在しうる。
【００７４】
Ｂ．合成技術
本発明の方法、および得られるデバイスを２つの好ましい技術で具体化する。
ａ）．透過クラスタ集成ナノデバイス（以後ＰｅＣＡＮと称する）および関連方法
これらのデバイスは、ナノスケール寸法の間隔を有する一対の電気接触子の間に透過膜が形成されたものである。
【００７５】
我々は、接触子間のクラスタ蒸着（図１０、１１、１２、１３、１９および２０を参照）もよって透過理論によって示されるものと同様の構造体が得られることを見いだした。図１０は、クラスタ処理の概略図である。図１１は、透過クラスタ膜の電気測定の概略図であり、図１２は、平方（Ｌ×Ｌ）接触構造の膜、すなわち接触子の幅と接触子間の間隔が同じである膜に対する電気測定の概略図である。図１３は、矩形（Ｌ×ｗ）接触構造の膜、すなわち接触子の幅（ｗ）と接触子間の間隔（ｌ）が異なる膜に対する電気測定の概略図である。ｗがＬよりはるかに大きい場合には、測定は、図１２に示される種類のＷ／Ｌ平方に対して平均をとるため、通電の最も早い開始点、すなわち母集団の「最も狭い」クラスタ・ネットワークに応答する。
【００７６】
透過とは、格子上の任意の割合ρ（０≦ρ≦１）の部位が占有される単純モデルに対して与えられる名称である。二次元の格子によってクラスタ蒸着膜を近似することができる（図１１を参照）。接続部位によって形成される構造体の数、サイズおよび形状は、透過理論［２８］によって説明される。すなわち、無限平方システムでは、隣り合う占有格子部位を接続することによって生成される構造体は、ｐ＜ｐｃでは小さく、孤立しており、ｐ＞ｐｃでは無限のネットワークを形成する（ただしｐｃ＝０．５９２７４６１は透過限界である）。臨界被覆率ｐｃにおいて、指数法則、ならびに相関長さ、無限構造体を見いだす確率、および導電率の如き量の挙動を示す対応する臨界指数により、幾何学的な二次相転移が生じる。
【００７７】
有限サイズ・システムでは、表面の被覆率ｐが増加するに従って（図１８を参照−被覆率が約０．２０、０．４０、０．６０および０．８０のＬ×Ｌの透過性膜（Ｌは２０以下））、接触子間に導電路が存在する確率が高くなる。これは、異なる被覆率（ｐ）において透過限界を観察する確率を、異なる平方システム・サイズ（Ｌ）に対してプロットした図８に示されている。任意の所定の被覆率において、可能なクラスタ構成の母集団の一部が導電路を形成し、一部が導電路を形成しない。図１７は、例えば、見かけの被覆率が同じである可能な接続（ａ）構造体および被接続（ｂ）構造体を示す図である。透過限界では、接触子間のクラスタのネットワークのどこかに１つまたは複数のナノスケール電線状構造体が存在し（図１および１１を参照）、明確な通電開始を観察することができる。これは、開始通電を示す、間隔が１６００ｎｍの接触子の集合体に（０．２Å／ｓ以下の速度で）蒸着したビスマス・クラスタに対する時間の関数として電流をプロットした図６に示されている。
【００７８】
特に図１を参照すると、間隔Ｌおよび幅ｗを有する一対の接触子の間に蒸着したクラスタの概略図が示されている。クラスタが様々な隔離構造体を形成し、この例では、接触子間の空間にまたがり、通電を可能にする単一ネットワークが強調表示されている。一定の表面被覆率ｐにおいて、クラスタがまたがるネットワークを形成する確率は、Ｌが大きくなるに従って低下する。したがって、導電の開始は、Ｌが大きくなるに従って被覆率の高いほうへ移動する。クラスタの直径の５倍分の接触子間隔を設けることが、電線状構造体を達成する最も効果的な方法である。
【００７９】
我々のデバイスは、この電線状構造体の存在を利用したものである。それ自体ナノスケールである接触子間隔を用いることにより、デバイス全体の特性が、構造体の最も狭い部分に著しく影響され、接触子、および（本質的に連続的なクラスタの膜を含みうる）クラスタ・ネットワークの残り部分の役割が比較的小さくなる。
【００８０】
これらのデバイスでは、量子サイズ効果、クーロン遮断、およびナノ構造体に特有の他の物理的現象が、ネットワークの特性を決定づけることになる。次に、これらの効果が全体的なデバイスの特性を決定づけることになる。同様に、薄弱な局在化等の無秩序な構造体の特性が、デバイスの導電率、および／または電界または磁界に対する導電率の応答を決定づける可能性がある。
【００８１】
蒸着時にデバイスまたは近隣デバイスの導電率を監視することによって、通電の開始を観察し、ナノ粒子のネットワークが透過限界に近づいた時点で（トンネリング形態における通電の開始直前、または接触子が実際にクラスタによって接続される通電の開始直後に）蒸着を停止することが可能になる。複雑なネットワークが生じ、またネットワークの厳密な性質が確率論的に決定される一方、ナノ粒子が接触子の間に１つまたは複数の接続経路および／または非接続経路を形成することによって、電気デバイスを構成する。
【００８２】
本発明の特徴は、透過限界付近で接触子間に単一の電線状経路または少数の経路が存在することである。したがって、粒子を単離したり個々に操作したり、または複雑な製造技術を用いて細線を形成する必要がなくなる。蒸着粒子のサイズによって電線の幅を制御することができる。
【００８３】
我々は、透過理論を研究し、それをこの問題に応用することにより、透過限界で細線状構造体の形成を可能にする接触子の間隔に対する特定の好ましい（矩形の）配置構造を確認した。大形システムでは約６０％の表面被覆率で生じることが通常確認される透過限界が、接触子間隔の小さい矩形システムではより小さい被覆率にシフトするため、ナノ電線構造体が形成される。したがって、接触子間の第１の接続がクラスタ・ネットワークによって形成されると、全表面被覆率が２０％以下になり、これは、接触子間の比較的直接的な経路のみが可能であることを意味する。
【００８４】
我々は、透過限界が大形システムに対する約０．６の被覆率から、接触子間隔が小さいシステムに対する約０．２の被覆率へシフトすることを確認した。粒子蒸着時に電気接蝕子間の導電率を監視することによって、接触子間の第１の接続を容易に観察できる。所定の任意の接触子間隔に対して、異なる被覆率において透過限界が生じることが期待される。したがって、接触子間の接続が形成された瞬間に、透過限界とシステム・サイズのグラフから蒸着粒子の被覆率が確認できる。これにより、準単層形態における膜の厚さを監視することが可能になる。局所的かつリアルタイムに監視を行うことができる。準単層粒子蒸着を局所的かつリアルタイムに監視することは現行技術では不可能である。
【００８５】
ＰｅＣＡＮ技術の１つの利点は、最小限のリソグラフィ処理を用いて、可能な限り単純な方法でナノ電線を形成できることである。接触子間に複数の接触が達成されるデバイス、およびより複雑な透過性ネットワークがデバイスの活性の中心であるデバイスの形成も可能になる。（以下に述べるように）ＰｅＣＡＮ技術を用いて、蒸着制御システムを形成することも可能である。
【００８６】
接触子配置構造は矩形の接触子間隔に近くなるはずであるため、形成されるナノ電線の直径はナノスケールであるが、ＰｅＣＡＮデバイスでは接触パッドのサイズが比較的大きくなる。最適なナノ電線の形成のためには、約５つのクラスタ間隔の接触子間隔が必要であり、接触子の長さを大きくする必要がある（約３００００クラスタ）。最もコンパクトな配置構造に展開した場合でも、接触子は、（５０ｎｍクラスタおよび２００ｎｍ接触子間隔に対して）４０ミクロン×４０ミクロンと同じ大きさの面積を充たすことができるため、全体的なデバイス寸法は、デバイスの活性コンポーネント、すなわちナノ電線よりはるかに大きくなる。したがって、ＰｅＣＡＮデバイスは、集積回路上のトランジスタの如き究極的な全体デバイス・サイズが極めて小さいことを必要とするデバイスの形成にはさほど理想的ではない。
【００８７】
しかし、ＰｅＣＡＮデバイスの形成の単純さは、小さい活性コンポーネントを必要とするものの、全体的なデバイス寸法は重要ではないデバイス、例えば磁界センサまたは化学センサの形成には魅力的である。
【００８８】
ｂ）テンプレート・クラスタ集成ナノデバイス（以後ＴｅＣＡＮと称する）および関連方法
この方法は、クラスタの蒸着、および適切な基板上の電気接触子の作製に加えて、基板をエッチングして（またはパターン化して）ナノ粒子鎖の形成を促進させる点を除いては、ＰｅＣＡＮデバイスと同じ技術に依存する。
【００８９】
小さな粒子は、十分に滑らかな表面に蒸着すると拡散できることが十分に確認されている。粒子は、欠陥または他の粒子に衝突するまで拡散する。表面に到達する粒子束が十分に低い場合は、粒子は、互いに著しく凝集することなく欠陥に凝集する。ＴｅＣＡＮは、好適な欠陥を作ってナノ電線へのクラスタ凝集を達成できるというコンセプトに基づく。
【００９０】
より高度なＴｅＣＡＮ技術は、電気接触子間に表面テクスチャを形成する追加的なリソグラフィ処理を必要とする。ＰｅＣＡＮデバイスについて先述したすべての用途に対してＴｅＣＡＮデバイスを使用することが可能であるが、その技術は、全体寸法がはるかに小さいデバイスの形成を可能にする。したがって、ＴｅＣＡＮデバイスは、より高密度のデバイス、例えばトランジスタを必要とする用途により適している。
【００９１】
好ましい実施形態において、本発明は、標準的なリソグラフィ技術を用いて、一対の電気接触子の間に１つまたは複数のＶ形溝を形成させることを含む（図２８、２９および３１を参照）。Ｖ形溝の平坦側は、クラスタが集中するＶ形溝の山へのクラスタの拡散を可能にする。したがって、クラスタは徐々に凝集して、Ｖ形溝の山の底にナノ電線を形成する。この技術の魅力の１つは、溝の末端に直交面を形成しようとするＶ形溝の性質により、４つの接触子を有する電線を形成する機会が与えられることである。これは、様々な用途において重要であるといえる。
【００９２】
上述したように、通電の開始を測定することによってＶ形溝におけるナノ電線の形成を監視することができる（図３１を参照）。あるいは、電線を形成し、その形成後にはじめてその通電を測定することができる。
上述したＶ形溝のテクスチャは本発明の好ましい形態であるが、表面テクスチャの他の形態も本発明の範囲に含まれることに留意されたい。
【００９３】
拡散／温度要件
ＰｅＣＡＮ技術に対する１つの要件は、クラスタが電気接触子間の絶縁面に蒸着したときに、それらが大きく移動しないことである。このことは、室温においても、比較的大きいクラスタ（直径が約１０ナノメートルを超えるクラスタ）についてほぼ常に当てはまる。より小さいクラスタについては、あるいはより大きいクラスタでも対象となる絶縁面に沿って拡散するという希な場合においては、蒸着前にサンプルを冷却して表面拡散を防ぐことが可能である。対照的に、ＴｅＣＡＮ技術は、ナノ電線の形成のための表面拡散に依存するため、小さな移動性クラスタが好まれる。表面の温度制御を利用してクラスタの拡散率を変化させて、例えば、さもなければクラスタが移動しえない表面をクラスタが拡散することを可能にすることができる。（用いることができる温度の範囲は、クラスタの融解点によって制限されることになる）。クラスタ拡散に関してこれまで実施されてきた研究の数が少ないため、ＴｅＣＡＮ技術を応用できるクラスタ／基板の組合せの多様性は、まだ明確になっていない。しかし、砒化ガリウムおよびシリコンの如き半導体システムは、Ｖ形溝の形成に好適であることが知られており、特に小さいクラスタ・サイズに対しては、格子定数が基板と異なるクラスタ材料によってクラスタ拡散が可能になるものと期待される。対照的に、ＰｅＣＡＮ技術は、ほぼあらゆるクラスタ／基板の組合せに応用可能である。
【００９４】
Ｃ．発明の用途
本発明の方法によって形成されるナノ電線の重要な特性は、概して、それらが、次にいくつかの用途をもたらす多くの異なる外的要因（光、温度、化学物質、磁界または電界など）に敏感なことである。本発明のデバイスをいくつかの用途のいずれか１つに採用することができる。デバイスの用途としては、それらに限定されるものではないが、以下の用途が挙げられる。
【００９５】
−トランジスタまたは他のスイッチング・デバイス
以下に説明するいくつかのデバイスは、電界効果トランジスタと同様のモードを用いたスイッチングが可能である。図１４、１５および３０は当該デバイスを示す図である。図１４は、三端末デバイスの概略図である。ゲートと他の接触子との距離Ｇを変化させて、接触子の機能を定めることができる。図１５は、接触子が同様の間隔を有する四端末デバイスの概略図である。１つの接続が形成されると、接触子の機能が定まる。
【００９６】
電子ビーム・リソグラフィと、電気接触子間への単一ゲート炭素ナノチューブ（単にナノ電線として作用する）の配置との組合せにより形成されるトランジスタがいくつかのグループによって製造され（例えば［１］を参照）、たいていの集積回路に使用されるシリコンＭＯＳＦＥＴデバイスに近いトランスコンダクタンス値で機能することが証明された。ＰｅＣＡＮおよびＴｅＣＡＮの双方の技術を用いて、一対の接触子の間に同等の導電性ナノ電線を形成することができる。この電線を、炭素ナノチューブ・トランジスタにおける炭素ナノチューブの代用品と見なすことができる。ＰｅＣＡＮまたはＴｅＣＡＮ技術を用いてこれらのデバイスを形成することの利点は、ナノ電線を配置するために遅くて煩雑な操作技術を用いる必要がなくなることである。ＰｅＣＡＮおよびＴｅＣＡＮ技術を用いて、ナノ電線を電気接触子に自動的に接続し、ＴｅＣＡＮ技術の場合は、ナノ電線の位置をあらかじめ決定する。
【００９７】
第３の（ゲート）接触子を設けてナノ電線の電流の流れを制御することが重要である。ＴｅＣＡＮ技術の場合もＰｅＣＡＮ技術の場合も、スイッチングを達成するのに、トップ・ゲート（図３０を参照）およびボトム・ゲート技術の双方の使用が考えられる。しかし、好ましい実施形態は、同じ平面内、または同じ平面の近くに第３の接触子を有するＴｅＣＡＮデバイスをナノ電線として使用することである（図１４および１５を参照）。この場合は、ＴｅＣＡＮ系トランジスタは、上述の炭素ナノチューブ・トランジスタ［１］に極めて類似している。
【００９８】
このデバイスの好ましい実施形態は、ゲルマニウム・クラスタの如き半導体ナノ粒子が、シリコンまたは砒化ガリウムの如き異なる半導体であってもよく、あるいは同一の半導体で、基板からナノ電線を隔離するために薄い酸化物の層を設けた半導体であってもよい基板にエッチングしたＶ形溝（または複数のＶ形溝）の山に誘導されるデバイスである。このデバイスのさらに好ましい実施形態は、ビスマスまたはニッケル・ナノ電線の如き金属クラスタを含む。
【００９９】
−蒸着制御システム
上述したように、矩形透過システムにおけるシステム・サイズによる透過限界（通電の開始）のシフトは、あらかじめ規定された平均表面被覆率のクラスタ膜の形成を感知するための機構を提供する。
【０１００】
（産業および科学的研究の双方において）ナノスケール（またはそれより大きい）粒子を基板に蒸着する数多くの方法が存在する。蒸着膜の厚さを測定するのに用いられる最も一般的な方法は水晶蒸着速度モニタである。センサは、蒸着物質の厚さによる水晶の自然発振周波数の変化を利用する。この技術は十分に確立され、信頼性も高いが、いくつかの問題を抱えている。第１に、非常に小さい膜厚保を監視するのが困難である。第２に、粒子ビームの直径が大きくなければ、サンプルへの蒸着と蒸着の監視を交互に行わなければならないことが多い。すなわち、蒸着モニタまたはサンプルを移動させて他方へのアクセスを可能にする必要がある。粒子が分子ビームから蒸着する場合はほぼ常にこのことが当てはまる。第３に、これらのセンサに通常使用される水晶は、典型的には８から１０ｍｍ幅であるため、センサの表面にわたる蒸着厚さの平均測定値が得られるにすぎない。
【０１０１】
ＰｅＣＡＮ技術は、サンプルまたはモニタの移動を必要とせずに、準単層形態における蒸着サンプル・フィルムの厚さをリアルタイムに高い集中度で監視することを可能にする。
【０１０２】
ＰｅＣＡＮ蒸着制御コンセプトは、多くの用途において、クラスタ（またはさらに大きな粒子）が蒸着するサンプルへの嵌合電気接触子を定めることが直接的な手順であるというものである。例えば、単一電子トランジスタのための接触構造体、十分に距離の近い一対の嵌合接触子を作製することによって、ナノ粒子の蒸着による単一電子トランジスタの形成を監視することができるはずである。嵌合接触子間の間隙の間隔および長さを適切に選択することで、通電の開始を指定の膜厚に合わせて移動させ、測定の精度を求める（図２１、２２、２３を参照）。後にシャッタを閉にし、所定の平均被覆率でナノ粒子の蒸着を停止させる単純な電流感知装置によって通電の開始を測定することができる。
【０１０３】
蒸着モニタは一度しか使用できないが、デバイスの製造費用が安いため、一度きりの使用が問題になることはない。明らかに、粒子が蒸着する基板にセンサを取りつけることが不可能な用途においては、それ自体の基板上に作製される独立センサを使用することが可能である。
【０１０４】
蒸着監視システムは、完全導電性ナノ粒子の蒸着以外にいくつかの状況に応用可能であることに留意されたい。例えば、リガンドを塗布したナノ粒子の溶液は、その溶液に仕込まれた基板上に沈降する（すなわち沈殿または蒸着する）ことが知られている。ナノ粒子間の通電は、（リガンドの存在による）トンネリングに依存するが、多くの状況においては、電流の観察が可能になるほど十分に大きい電流が流れる。この信号を使用して、導電接続を形成しない粒子の蒸着の制御を達成することになる。
【０１０５】
最後に、粒子束の時間変動が十分に小さければ、図２１、２２および２３に示される表面被覆率の範囲（すなわちｐ＝０．２から０．６）を超えて蒸着制御のコンセプトを拡大できることを注記する。例えば、必要とされる表面被覆率がＹ単層であるのに、嵌合フィンガ構成が、Ｘ単層での通電の開始を観察するように設計されている場合は、必要な蒸着時間は、通電の開始が観察される時間をＹ／Ｘに乗じたものとなる。したがって、我々の蒸着システムは、厚さの幅が非常に大きい膜であっても、厳密に制御されたナノ粒子膜を必要とする広範囲な工業用途応用可能である。
【０１０６】
−磁界センサ
磁界センサは多くの工業用途に必要とされるが、ここでは、適度に小さい磁界センサを読取りヘッドとして使用しなければならない場合における、高密度ハード・ディスク・ドライブに記憶された磁気情報、またはそのほかの磁気記憶情報に対するセンサとしての具体的な用途に焦点をおく。原理は、読取りヘッドにおける活性コンポーネントが小さく、感度が高いほど、ハード・ディスク上の情報ビットを小さくし、データ記憶密度を高めることができる。
【０１０７】
磁気抵抗は、通常、ゼロ磁界における抵抗の割合として表され、ＭＲは、読取りヘッドの有効性を定めるメリットを示す数字として用いられる。適切なナノ電線は、磁界に対する感度が高いものとして、すなわち大きな磁気抵抗（ＭＲ）が得られるものとして十分に確立されている。例えば、ニッケル・ナノ電線は、室温において３０００パーセントを上回るＭＲを有しうることが最近になって報告されている［２９］。これは、現在商業的に生産されているＧＭＲ効果読取りヘッド・デバイスのＭＲをはるかに上回るものである。
【０１０８】
ＰｅＣＡＮまたはＴｅＣＡＮ技術に基づく読取りヘッドの活性部分は、クラスタ集成ナノ電線、例えば適切な接触子間のクラスタ蒸着によって形成されるニッケルまたはビスマス・ナノ電線（図１４、１５、２６および３０に示されるデバイスと類似している）である。読取りヘッドの解像度はナノ電線のサイズに支配され、全体的なデバイス・サイズに支配されない（すなわち、接触サイズは必ずしも重要でない）ため、ＰｅＣＡＮ技術によっても高感度な読取りヘッドが可能であることに留意されたい。ＰｅＣＡＮまたはＴｅＣＡＮデバイスにおける読取りヘッドに必要とされる高い磁気抵抗を左右する機構は、電線内のシャープな領域にわたるスピン依存電子伝達［２９］、または弱いまたは強い局在性、電子集束、およびクラスタが作製される物質の基本特性（例えば、ビスマス・ナノ電線は大きなＭＲ値を有することが報告されている）の如きいくつかの他の効果（またはこれらの効果の組合せ）のいずれかであるといえる。
【０１０９】
また、適度に高感度な読取りヘッドの形成には、十分に確定されたナノ電線が不可欠なわけではない。磁気記憶情報からの磁界による電子の磁気集束、または他の磁気抵抗効果が可能であるという理由から、より複雑なクラスタ・ネットワークによるデバイスも有用でありうる。電子をソースおよびドレイン以外の電気接触子、および／またはクラスタ・ネットワーク内の死端に集中させる場合は、これによって、特定の衝撃半導電性デバイスに達成されるのと同様に、（ソースとドレインの間で測定される）磁気抵抗の変調が非常に強くなる可能性がある。
【０１１０】
−化学センサ
参考文献「６］に述べられているデバイスは、化学センサに細線が有用で、本発明のデバイスの最も狭い部分に形成された細線の応答により同様の化学感度が可能であることを実証している。非常に細線、すなわち直径がナノメートルのオーダの電線は、量子導電率を示すか否かにかかわらず、電線の表面への分子の付着によって導電率が強く変調されうる。これは、波動関数崩れ、または電線の表面の化学的改質によって起こりうる。電線の導電率の強い変調によって化学的感度が高くなる。
【０１１１】
ＰｅＣＡＮおよびＴｅＣＡＮデバイスに形成されたナノ電線、ならびにネットワークのどこかに臨界電流路を有する比較的大きなクラスタ・ネットワークは、化学的感知用途に有用である。これらの用途としては、工業的工程管理、環境センシング、製品試験、またはいくつかの他の商業環境のいずれかをあげることができる。
【０１１２】
デバイスの好ましい実施形態は、特定の化学物質に敏感なクラスタ物質を使用する、図２６に示されるデバイスに類似している。排他性が有用である。すなわち、対象とする化学物質のみを感知し、他の化学物質を感知しない物質を使用するのが理想的であると思われるが、そのような物質は希である。
【０１１３】
化学的感知デバイスの好ましい実施形態は、それぞれ異なる物質から形成されるＰｅＣＡＮまたはＴｅＣＡＮナノ電線のアレイである。この場合、各々のデバイスは個別的なセンサとして作用し、適切なコンピュータ制御ソフトウェアによってセンサのアレイを読み取って、感知されている気体または液体物質の化学組成を判断する。このデバイスの好ましい実施形態は、金属電気接触子の間に形成された導電性ポリマー・ナノ粒子を使用することになるが、他の多くの物質も同等に使用することができる。
【０１１４】
このデバイスのさらに好ましい実施形態は、それ自体化学的に敏感である、絶縁体に埋め込まれたＰｅＣＡＮまたはＴｅＣＡＮ形成ナノ電線である。絶縁キャップ層に対する化学的誘導変化は、次に、ナノ電線の導電率の変化を引き起こす。このデバイスのさらに好ましい実施形態は、ナノ電線の上に化学的に敏感な層を有するナノ電線を囲む絶縁および不活性キャップ層、例えば好適な導電性ポリマー層（すなわち、図３０と同様であるが、ゲートが化学的に敏感なポリマー層と取り換えられる）を使用することである。次いで、適切な化学物質を導入することによって導電性ポリマーに影響を与える。導電性ポリマー層の電気特性の変化は、次にナノ電線の導電率の変化を引き起こしうるゲートの作用に類似している。現在生産されている同様のデバイスをＣＨＥＭＦＥＴと呼ぶ。
【０１１５】
−発光または検出デバイス
上述のデバイス（および特に図２６に概略的に示したものと同様のデバイス）は、ナノ粒子の光学的特性を利用して、紫外線、可視光または赤外線を含む任意の特定波長または波長範囲の光に応答するか、または放射することによって、光検出器または発光ダイオード、レーザあるいは他の電界発光デバイスを形成するデバイスを達成することができる。
【０１１６】
シリコン技術に基づくＣＣＤは、電子撮像における市場のリーダとして十分に確立されている。ＰｅＣＡＮまたはＴｅＣＡＮ形成ナノ電線のアレイは、撮像目的の光検出器として同等に有用である。当該アレイは、デジタル・カメラ、および一連の他の技術における用途で使用することが可能である。
【０１１７】
ＰｅＣＡＮまたはＴｅＣＡＮ光検出器の好ましい実施形態は半導体ナノ電線、例えば、その導電率が光によって強く変調され、シリコン・ナノ粒子から形成される電線である。この点で、各末端にオーム接触子を有する半導体ナノ電線が適切であるかもしれないが、逆にドープされた一対の接触子に接続された電線のほうが効果的である可能性が高いといえる。図２６は、好ましい実施形態、すなわちクラスタ鎖に基づくフォトダイオードの概略図である。接触子の選定（オームまたはショットキー）が、光に対するデバイスの応答を大きく左右する。クラスタおよび／またはクラスタ集成電線の直径を選択することによって、デバイスが応答する光の波長を調和させることが可能である。これは、量子拘束効果が有効バンドギャップを著しくシフトさせうる半導体ナノ粒子の場合に特に当てはまる。同様のデバイスを作製して発光させることが可能である。ｐ−ｎ接合に組み込まれる半導体量子電線（例えばｐおよびｎタイプに作製された接触子１および２）は発光することが可能で、好適な構造体に組み込まれると、レイジングを達成することができる。
【０１１８】
トランジスタ状デバイス（上記を参照）は、外部またはチップ搭載電子回路への接続に特に適合するため、光センサとして最も適切であるといえる。
クラスタおよび／またはクラスタ集成電線の直径を選択することによって、デバイスが応答する光の波長を調和させることが可能である。これは、量子拘束効果が有効バンドギャップを著しくシフトさせうる半導体ナノ粒子の場合に特に当てはまる。
【０１１９】
上述のデバイスと同様のデバイスを作製して発光させることが可能である。ｐ−ｎ接合に組み込まれる半導体量子電線（例えばｐおよびｎタイプに作製された接触子１および２）は発光することが可能で、好適な構造体に組み込まれると、レイジングを達成することができる。
【０１２０】
−温度センサ
デバイスの特異的な特性としては、温度による導電率の急速または高度に再現可能な変動を挙げることができ、それは温度センサとして有用であるといえる。この点で有用であると思われるデバイスの概略図を図１４、１５、２６および３０に示す。
上記一連の可能な応用形態をいくつかの異なる様式で具体化することができ、これらの具体的な例としては、（本発明の範囲に含められる）以下の様式が挙げられる。
【０１２１】
ｉ）定義のセクションで規定し、図１および１３に示されるように、接触子の間隔Ｌは接触子の幅より小さく、理想的にはｗはＬよりはるかに大きくなるように接触子が配列されたデバイス。このようにして配列された接触子へのクラスタまたはナノ粒子の蒸着により、（単純化された図において）各々にナノ粒子構造体の確率分布が存在する多数のＬ×Ｌ平方に対する平均が達成される。単一の平方では、あらかじめ求めることのできない被覆率において通電が開始する。すなわち、通電の開始は確率論的に測定される（図８および１７）。記載の接触子構成は、通電が比較的低被覆率で開始されるように、当該多くの平方に対して平均をとるため、図１に示されるのと同様のクラスタの鎖、または図１１に示されるのと同様の単一クラスタまたはクラスタの鎖を含む最も狭い点を有するクラスタのネットワークを含む構造体が達成される。このデバイス、および以下に説明する各々のデバイスはＡＣまたはＤＣまたはパルス化モードで作用しうる。
【０１２２】
ｉｉ）蒸着処理をより良好に制御し、またはより良好もしくは多様に機能するデバイスを定め、または１つまたは複数のデバイスを使用して、１つまたは複数の他のデバイスにおける膜厚を制御する、上記１に記載の２つ以上のデバイスから構成されるより大きなデバイス。図７は、二重接触構成および測定回路（上）が示された当該例である。これは、同じ実験操作時の透過限界（下）を観察するのに使用される。抵抗器Ｒ（１０メガオームまで）は、より小さい間隔の接触子を流れる電流を制限し、第２の開始を観察できるようにする。
【０１２３】
ｉｉｉ）（ピコアンメータまたは他の電流測定デバイスを使用して）例えば接触子間隔Ｌ１の１つのデバイスにおける通電の開始を監視し、シャッタにより蒸着を制御することによって、異なる接触子間隔Ｌ２の第２のデバイスにおける表面被覆率を制御することができる。蒸着速度モニタでは局所的なリアルタイムの監視と併せて高度な精度を得ることは通常不可能であるため、これらのデバイスは、単層および準単層レベルでの膜厚の著しく高感度のモニタを提供する。Ｌ２＞Ｌ１の場合は、デバイスが導電性を有さなくても（すなわち、透過限界未満で、クラスタが接触子間の接続を形成しなくても）、この技術により、第２のデバイスにおける表面被覆率（膜厚）が制御されることになる。Ｌ１を慎重に選択することによって、第２の対の接触子の間に接続経路を形成するか、または非接続経路を形成することが可能になる。有限サイズ効果による透過限界の拡大によって、接触子間の間隔が小さいとき、すなわち蒸着する粒子、または表面における凝集もしくは拡散によって形成される粒子のサイズに対する接触子のサイズの比が約１００未満のときに、透過限界、およびＬ×ｗシステムにおける通電の開始がより小さい被覆率のほうへ移行することに留意されたい。これは、正規化された臨界膜厚ｄｃ（Ｌ）／ｄｃ（  ）をシステム・サイズＬ（接触子間隔）の関数として示す図５に示されている。式γｔｃ（Ｌ）／ｔｃ（３２００ｎｍ〜−１∞Ｌ−ｚは実験データに適合している。γ＝ｔｃ（３２００ｎｍ）／ｔｃ（∞）およびｚは適合パラメータで、プロット・データはｔｃ（Ｌ）／ｔｃ（∞）＝ｄｃ（Ｌ）／ｄｃ（∞）になる。
【０１２４】
ｉｖ）間隔が均等または不均等の複数の接触子を任意のパターンで配列し、接触子が、嵌合構成、規則構成または不規則構成を含む任意の形状を有する、上記１に記載のデバイス。図４に示される接触子の嵌合構成は、上記１および２に記載された平均化を果たすコンパクトな配置構造を与えるため、この時点までの我々の研究に広範囲に使用されてきた。図４は、光リソグラフィによって定められるボンディング・パッドを示す倍率５０倍（左）、およびＥＢＬによって定められる嵌合接触構成を示す倍率１０００倍（右）における二重接触構成を示す図である。接触子間の間隔は８００ｎｍ（上）および３２００ｎｍ（下）である。しかし、接触子間の方形もしくは矩形の間隔、または他の任意の形状の間隔を用いることもできることが理解されるであろう。
【０１２５】
ｖ）図１４は、（ソースおよびドレインと標示される）２つの接触子の間に電流を流すことを可能にするクラスタのネットワークを有する基本的な三端末デバイスを示す図である。距離Ｇを大きくすることによって（すなわちソース・ドレイン間隔より大きくすることによって）、後に電流の流れを制御するのに使用できる第３の接触子に膜が接続されない確率を高めることが可能になる。接触子間隔および配置構造を変化させることによって、任意の対の接触子の間の接続の確率を求めることができる。デバイスは電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）に類似する。ゲートに加えられた電圧は、接続経路からの電子引きつける（はじく）ことによって、クラスタ鎖の導電率を高め（低下させ）、デバイスをオン（またはオフ）にする。
【０１２６】
ｖｉ）図１５は、４つの接触子の間の間隔が類似している四端末デバイスを示す図である。どの接触子が、形成される第１のクラスタ鎖によって接続されるかは、あらかじめ把握されない。しかし、この場合は接触子１と３の間に鎖が形成され、原位置での監視を通じて通電の開始が観察されると、接触子を電気的に識別することによって、ソースおよびドレイン（この場合は１および３）として作用する接触子、ならびにゲート（この場合は２および４）として作用する接触子を確認することができる。得られる構造は、基本的にＦＥＴの構造である。
【０１２７】
ｖｉｉ）図１５において、接触子２および４がネットワークに対するオーム接触（すなわち導電接触）を形成しない物質から構成される場合は、それらの接触子は、ゲート、ならびにソースおよびドレインとしての接触子１および３としてあらかじめ確認されることになる。本例では、接触子２および４は、クラスタ・ネットワークに対するショットキー接触を形成することが知られている物質、または酸化されてトンネル・バリヤを形成するアルミニウムもしくはシリコンのような物質から構成されうる。本例では、蒸着に先立って接触パッドの機能を確認することができる。
【０１２８】
ｖｉｉｉ）図２７に示されるように、基板上に酸化物または他の絶縁層を形成し、次いでリソグラフィ技術を用いることによって、その領域に蒸着したクラスタのみが、形成されるクラスタ・ネットワークに実質的に関与するような領域を定める。図２７は、その領域に蒸着したクラスタが電気接触子に接続されないように、その一部に絶縁層（より軽い中央領域）が塗布されたデバイス（図９に示されるものと同じであるが、同一の原理がすべてのデバイスに適用される）の概略図を示す図である。窓（酸化物において塗布されていない領域）に蒸着したクラスタのみが上部および下部の接触子と接続できる。このように、デバイスを互いに隔離し、接触子の機能をあらかじめ確認することができる。この図において、絶縁被覆膜は、ゲート接触子を覆って、それをクラスタ膜から隔離する。自然酸化する物質（アルミニウムなど）で接触子を構成することによっても接触子の隔離を達成することが可能である。この技術を用いて、ゲートまたはオーム接触子である１つまたは複数の接触子の機能をあらかじめ確認することができる。
【０１２９】
ｉｘ）図３０に示されるように、酸化物または他の絶縁層によって全体的にまたは部分的に覆われ、上部ゲートを組み込んでクラスタ集成構造体の電子の流れを制御することにより、電界効果トランジスタまたは他の増幅もしくはスイッチング・デバイスを達成する上述のデバイスのいずれかのデバイス。
【０１３０】
ｘ）ゲートとして作用しうる導電層の上部にそれ自体が配置される絶縁層の上部に作製される前述のデバイスのいずれかのデバイスであって、クラスタ集成構造体の電子の流れを制御することにより、電界効果トランジスタまたは他の増幅もしくはスイッチング・デバイスを達成することができるデバイス。
【０１３１】
ｘｉ）スピン伝達に基づくスイッチングまたは増幅を達成することにより、スピン・バルブ・トランジスタを製造する上述のデバイスのいずれかのデバイス。
【０１３２】
ｘｉｉ）ビスマス・クラスタ、あるいは同等に多くのナノ粒子製造技術のいずれか１つを用いて形成されうる任意のナノ粒子、または任意の元素もしくは合金から製造できるデバイス。ビスマス・クラスタは、キャリヤ濃度が低く、バルク材料における電子に対する平均自由工程が長いため、特に興味深い。有用なデバイスの他の明確な候補としては、シリコン、金、銀および白金ナノ粒子が挙げられる。ＧａＡｓやＣｄＳｅの如き合金ナノ粒子からもデバイスを形成することが可能である。ナノ粒子は、それらが室温のバルク（巨視的）形態において、超電導性、半導電性、半金属製または金属製であるかにかかわらず、任意の化学元素、またはそれらの元素の任意の合金から形成される。導電性ポリマー、または導電性の無機もしくは有機化学種からナノ粒子を形成することができる。同様に、接触子および／またはナノ粒子のいずれかまたは両方が強磁性、強磁性または反強磁性であってもよい。順次または同時に蒸着する複数のタイプのナノ粒子、例えば半導体粒子と金属粒子、または強磁性粒子と非磁性粒子を一緒に使用することができる。磁気コンポーネントを備えたデバイスは、「スピントロン」挙動を、すなわちスピン伝達に起因する挙動を生むことができる。電線内［２９］または電線と接触子の間のシャープな領域の壁にわたるスピン依存電子伝達は、ハード・ドライブの読取りヘッドの如き磁界センサにおける商業利用を可能にする強い磁気抵抗を生むことが可能である。
【０１３３】
ｘｉｉｉ）クラスタの膜が、規則的または不規則的な粒子のアレイを含めて、フラクタル構造体、雪片構造体または他の不均一構造体を含む上述のデバイスのいずれかのデバイス。基板の表面の粒子の表面凝集または拡散によって、当該構造体を接触子間に集成することができる（例えば、表面の粒子の拡散について述べた参考文献［１１、１２、１３、１４］を参照のこと）。本明細書に記載されている他のすべてのデバイスについて、粒子の拡散や粒子の融着を制御するために、または他の理由により、蒸着処理時に表面の温度を制御することができる。概して、表面が滑らかで基板温度が高いと、粒子の拡散が促進されるのに対して、表面が粗く基板温度が低いと拡散が阻害されることになる。ナノ粒子の融着および拡散は材質に依存する。
【０１３４】
ｘｉｖ）電流の流れによって粒子の結合度、デバイスの導電性または膜の形態が改質されるように、蒸着時に接触子間に電圧が印加される上述のデバイスのいずれかのデバイス。当該印加電圧によって、接続が通常存在しない表面被覆率において、接触子間に導電路を形成し（印加バイアスによる通電の急激な開始を示す図３２を参照）、または逆に既存の導電路の破壊を引き起こすことが可能になる。図２４および２５は、オーム低電圧挙動、およびより高いバイアスにおける一連のより緩やかな段階を示す図である。膜特性の改質を制御するために、デバイスに直列または並列接続された抵抗器、ダイオードまたは他の回路要素を使用して、電流の流れを調節することができる。
【０１３５】
ｘｖ）例えばデバイスの誘電率を変化させることによって膜を酸化物、または他の非金属もしくは半導電膜に埋め込んで、それを保護し、かつ／またはその特性を向上させた上述のデバイスのいずれかのデバイス（例えば図３０を参照のこと）。デバイスの導電率を向上、制御または測定するためにイオン注入あるいはドーパントの蒸着により、キャップ層をドープすることができる。
【０１３６】
ｘｖｉ）蒸着粒子の合着を達成するために、または何らかの他の理由により、膜を焼鈍した上述のデバイスのいずれかのデバイス。
【０１３７】
ｘｖｉｉ）レジストまたは他の有機化合物を蒸着または凝集処理の前または後に暴露、展開、洗浄することによりナノ粒子の集成に影響を与えた上述のデバイスのいずれかのデバイス。
【０１３８】
ｘｖｉｉｉ）均一、集束、非集束または干渉パターンの形態で、光源またはレーザ・ビームによる照明によってナノ粒子の集成を制御、あるいはナノ粒子の集成に影響を与えた上述のデバイスのいずれかのデバイス。
【０１３９】
ｘｉｘ）粒子を有機物質またはリガンドで塗布する場合を含めて、液体から粒子を蒸着した上述のデバイスのいずれかのデバイス。
【０１４０】
ｘｘ）表面テクスチャ技術、例えば接触子の間のＶ形溝（図２８を参照）を使用して、Ｖ形溝に沿ってクラスタを電線状構造体に誘導し（図２９を参照）、垂直または他の方向の接続を破壊することによって、特定の一対の接触子の結合度を測定するＴｅＣＡＮデバイス。図１６は、接触子１と３の間に伸びるＶ形溝（谷に蓄積するクラスタによって極めて不明瞭になっている）は、接触子１および３を形成したクラスタ電線に対するオーム接触子として作用させ、接触子２および４がゲートとして作用できるように電線からそれらを隔離する（Ｖ形溝の山は波線で示され、Ｖ字溝の谷は実線で示されている）。
【０１４１】
ｘｘｉ）上記ｘｘ）に記載したデバイスのさらに好ましい実施形態は、単一のＶ形溝を含むため、単一のナノ電線を形成する（図２９）。ナノクラスタは基板を拡散し、次いで整列して特定の表面特徴［１１、１２］を成すことで、ナノスケール電線に似た構造体を生成することができる。ナノスケール表面テクスチャ技術（例えばＳｉウェハ［３０］の表面にエッチングされたＶ形溝、ピラミッド形の窪み、または他の表面特徴）はクラスタを集成させてナノスケール電線にする。Ｖ形溝の表面における移動性クラスタの拡散によって、頂部に鎖または電線が形成される。そのコンセプトは、デバイスに対する比較的大きく単純な電気接触子を作製し、おそらくはＶ形溝を形成するためにのみ高価で遅いナノリソグラフィ法（「トップダウン」アプローチ）が用いられることになる。次いで、ナノスケール粒子の自己集成（「ボトムアップ」アプローチ）を用いてナノスケールの特徴を作製する。デバイスの中心には、ナノテクノロジに対する「トップダウン」アプローチと「ボトムアップ」アプローチの組合せが存在する。
【０１４２】
ｘｘｉｉ）上記ｘｘ）およびｘｘｉ）に記載されているデバイスのさらに好ましい実施形態は、Ｖ形溝または逆ピラミッドの底部に形成されたナノ電線へのオーム接触を可能にする接触構成を有する当該デバイスを含む。（図２９のような）Ｖ形溝の各末端における単一金属接触、Ｖ形溝に垂直な嵌合接触、ならびに逆ピラミッドの各隅における金属接触（図３１を参照）を含めて、多くの当該構成が考えられる。
【０１４３】
ｘｘｉｉｉ）いくつかの接触子またはポートを有し、ナノ粒子の衝撃または非衝撃的電子伝達に依存し、ゼロ磁界において本来の出力ポートではなかった出力ポートに電子を導く磁界の効果に依存し、または任意の磁気集束効果に依存するデバイス。
【０１４４】
ｘｘｉｖ）サイズ選定クラスタの蒸着によって形成され、あるいはサイズ選定されていない粒子の蒸着によって形成される上述のデバイスの任意のデバイス。
【０１４５】
ｘｘｖ）原子蒸気または小クラスタの蒸着によって形成され、ナノ粒子、クラスタ、フィラメント、または蒸着した粒子より大きい他の構造体をもたらす上述のデバイスの任意のデバイス。
【０１４６】
Ｄ．実験
具体例に沿ってセットアップした我々の好ましい実験を以下に開示する。
ａ）リソグラフィ
コンピュータ・シミュレーションによれば、Ｌ＝５からＬ＝８０（ただし、Ｌは接触子の間に蒸着するクラスタの数である）の領域でサイズ依存効果が強くなる。利用可能なビスマス・クラスタの平均サイズは約６０ｎｍであるため、３００ｎｍ程度の接触子間隔を実現しなければならなかった。標準的な光および電子ビーム・リソグラフィを用いて、非導電性で極めて平坦なＳｉＮ表面にＮｉＣｒおよびＡｕ接触子を定めた。２００ｎｍのＳｉｎ絶縁層を有する商用シリコン・ウェハを基板として使用する。最初に、標準的な光リソグラフィ技術を用いて大きな領域のＮｉＣｒおよびＡｕ接触パッドを定め、次いで、電子ビーム・リソグラフィを用いて３００から３２００ｎｍの間隔を有するＮｉＣｒ接触子を定めた。
接触子構成の光学顕微鏡画像が図４に示されている。所定の面積における長さ対幅の比を大きくすることができる配置構造であるため、接触子は嵌合フィンガ・パターンで配列される。
【０１４７】
ｂ）クラスタ形成
イオン化クラスタおよび／またはマス選択システム、例えば参考文献［３１］の設計のマス・フィルタの導入、および標準的な電子ビーム技術によるクラスタのイオン化を蒸着システムに用いることができる。（典型的には、参考文献２７の設計の如きたいていの真空蒸着システムに組み込まれることがない）我々の蒸着システムの特徴は、蒸着チャンバへの貫通接続体を用いて、蒸着時にデバイス上で電気測定を行うことを可能にすることである。当該貫通接続体は、真空設備に携わるたいていの企業が供給する標準的な品目である。
【０１４８】
我々の好ましい装置は、参考文献［３２］に記載されている実験装置の改良型である。ビスマス・クラスタを不活性ガス凝縮源で生成させる。ソース・チャンバ内で、金属を加熱し、８５０℃の温度で蒸発させる。室温のアルゴン・ガスが金属蒸気と混合し、クラスタが核形成し、成長を開始する。クラスタ・ガス混合物は、ほとんどのガスが排気されるように二段階の異なる排気（ソース・チャンバの１トール以下からメイン・チャンバの１０−６トール以下まで）を経る。直径が約１ｍｍで開放角が約０．５°のノズルを介してビームがメイン・チャンバに入射する。サンプルでは、クラスタ・ビームの直径は約４ｍｍである。クラスタ・ビームの強度を測定するために、水晶蒸着速度モニタを使用する。サンプルを可動ロッドに装着し、蒸着時に水晶蒸着速度モニタの前に置く。
【０１４９】
ソース・パラメータの具体的な範囲は重要でないことに留意されたい。広範囲な圧力（０．０１トールから１００トール）および蒸発温度でクラスタを生成させ、１トールから１０−１２トールまでのほぼ任意の圧力で蒸着することができる。任意の不活性ガス、または不活性ガスの混合物を使用して凝集を行うことができ、蒸発させることが可能な任意の物質を使用してクラスタを形成することができる。ガス圧、ガスの種類、金属蒸発温度、および異なる減圧チャンバを接続するのに使用されるノズル・サイズの相互作用によりクラスタ・サイズが決まる。
【０１５０】
（ｃ）蒸着時の測定
測定回路の中心は、１０−１５Ａの分解能のキースリ６５１４電位計であった。したがって、電流分解能に対する制限因子は、システム内のノイズである。出力電圧が１．２１Ｖの電流独立電圧源は、要求される安定電位を供給した。
蒸着時にデバイスに流れる電流を測定することは、いくつかのデバイス設計の実現にとって重要である。
【０１５１】
（ｄ）透過理論：接触子にまたがるクラスタ・ネットワークが存在する確率、および透過ネットワークの導電率の計算
クラスタ蒸着膜の単純なモデルは、任意の割合ρ（０≦ρ≦１）の格子部位が占有される二次元の方形格子である。接続構造体の数、サイズおよび形状は、透過理論［３３］によって説明される。すなわち、無限平方システムでは、隣り合う占有格子部位を接続することによって生成される構造体は、ｐ＜ｐｃでは小さく、孤立しており、ｐ＞ｐｃでは無限のネットワークを形成する（ただしｐｃ＝０．５９２７４６１は透過限界である）。臨界被覆率ｐｃにおいて、指数法則、ならびに相関長さ、無限構造体を見いだす確率、および導電率の如き量の挙動を示す対応する臨界指数により、幾何学的な二次相転移が生じる。普遍性の仮説［３４］によれば、臨界指数は、それぞれのモデルのわずかな基本特性（寸法、相互作用の種類）にのみ依存するため、極めて単純なモデルから得られる臨界指数に対する推定値は、より複雑または実験的なシステムに適用可能である［３５］。実験におけるクラスタが方形格子に蒸着せず、サイズが不均一であっても、普遍性の仮説（および実際に実質的なシミュレーションに基づく文献）は、我々の単純なシミュレーション（均一クラスタ、方形格子）は、ｐｏｎｓｅｔ（Ｌ）のシフトを決定する相関長さνに対する限界指数を含む臨界量の多くに対して同じ値を与えることを示している。［しかし、導電率ｔに対する限界指数のようないくつかの他のパラメータは、モデルに応じて変化する［σ（ｐ）∞（ｐ−ｐｃ）ｔ］］。
【０１５２】
コンピュータ・シミュレーションを用いて、接触子にまたがるクラスタ・ネットワークが存在する確率Ψ（ｐ）、およびクラスタ蒸着膜の導電率を計算した。被覆率ｐの膜を何度もシミュレートし、次いで接触子にまたがるシミュレート構成をカウントすることによって確率Ψ（ｐ）を計算する。各占有格子部位に抵抗を割り当て、次いで抵抗器のネットワーク全体の抵抗を計算することによって導電率を計算する。
【０１５３】
実例として、図１は、接触子間の間隔がＬで接触子の幅がｗ＞＞Ｌの矩形サンプルを概略的に示す図である（Ｌおよびｗは格子間隔で測定される）。例えば、Ｌ＝５では、わずか５つの格子部位が接触子間に存在するように、接触子を矩形の長辺に結合させる。検討対象となる処理が確率論的な性質を有するため、方形アレイではなく矩形アレイを調べた。小形システムでは、統計的変動が徐々に大きくなるため、数多くの独立サンプルに対する平均をとることによってのみ、任意の量に対する期待値の推定値を得ることができる。多数のサンプルに対する平均をとることはシミュレーションでは可能であるが、実験では、時間制限や、数多くの繰返しに対して同一の実験条件を再現することの困難さにより実用的ではない。しかし、我々の矩形構造体は、本質的にｗ／Ｌ平方に対して平均をとるため、単一の蒸着において統計誤差の小さいデータを収集することを可能にする。
【０１５４】
図２１は、様々なＬ×ｗ矩形システムに対する関数としての透過の確率のプロットを示す図である。これらは、我々の実験に使用されたサンプルと類似した寸法を有する様々なＬ×ｗシステムに対するΨ（ｐ）のコンピュータ・シミュレーションの結果である（表１を参照）。有限サイズ効果ｉは非常に明確である。すなわち、接触子間隔Ｌがより小さくなると、接触子にまたがるクラスタ・ネットワークをより小さな被覆率で確認することができる。
【０１５５】
【表１】
2005500678.tif 000003
【０１５６】
図２は、４つの異なるシステム・サイズＬに対する被覆率ｐおよび接触子間隔Ｌ（ｗが非常に大きい場合）の関数としての（単位平方毎に正規化された）導電率ｏ’のコンピュータ・シミュレーションの結果を示す図である。水平線は、特定の範囲の観察可能な最小導電率σｍｉｎを示し、矢印は、本文に記載されているシステム毎の対応するｐｏｎｓｅｔ値を示す。
【０１５７】
導電率における有限サイズ効果は極めて明確である。すなわち、より小さい接触子間隔Ｌに対して、はるかに低い被覆率で通電を測定することができる。有限サイズ・スケーリング理論［３１］は、有限サイズ偏差は、以下のスケーリング展開によって表されうることを示唆している。
【０１５８】
ｏ’（ｐ，Ｌ）＝Ｌ−ｔ／ｉｆｏ’（（ｐ−ｐｃ）Ｌ１／ｉ）          （１）
これは、実際に我々のデータに当てはまる（ｆｏ’は好適なスケーリング係数、ｔは導電率に対する臨界指数、ｉは相関長さに対する臨界指数である）。
【０１５９】
実験において、有効透過限界ｐｏｎｓｅｔ（Ｌ）をいくつかの様式で定めることが可能である。標準的な方法は、ｐｏｎｓｅｔ（Ｌ）を、透過の確率Ψ（ｐ）が一定のレベル（例えば０．５）に達する被覆率と定めることである。実験で使用する実際のサンプルに類似したＬ×ｗシステムをシミュレートすると、Ψ（ｐ）データ［図２１］およびｐｏｎｓｅｔ（Ｌ）データを得ることができる［図２３はΨ（ｐ）＝０．５に対するデータを示す］。図２３は、単純なＬ×Ｌ平方システムに対して想定される以下の関係式が、指数ｚ＝１／ｉとして、我々のサンプルの矩形配置構造において成立することを示している。
【０１６０】
ｐｏｎｓｅｔ（Ｌ）−ｐｃ∝Ｌ          （２）
他の方法は、ｐｏｎｓｅｔ（Ｌ）を、導電率がアンメータによって測定可能な最小導電率ｏ’ｍｉｎに達する被覆率と定めることである。実験との直接的な比較を可能にするために、シミュレーションに同じ定義を用いるのが好ましい。次いで、ｗが大きいシステムについては、図２に示したように、有効透過限界は、ｏ’ｍｉｎの範囲ならびにシステム・サイズＬに依存する。式（１）を用い、小さいｏ’ｍｉｎの限界において、ｚ＝１／ｉ（二次元の格子ではｉ＝４／３）とする式（２）の形のスケーリング関係式が成立することを証明することができる。シミュレーションの結果を用いて、ｏ’ｍｉｎの関数として指数ｚを計算することにより式（２）を確認することができる。Ｌ×ｗシステム［３６］（常にｚ＝１／ｖ）に対する透過限界の従来の定義と対照的に、図３は、観察可能な最小のσｍｉｎの関数としての有効透過限界ｐｏｎｓｅｔ（Ｌ）に対するスケーリング指数を示している。実線は、データに対する三次多項式の符合線である。この符合線は、ｚ＝０．７４６±０．００６において縦軸と交わっており、これは、想定される臨界指数１／ｉ＝０．７５と一致する。この図は、透過限界ｚの我々の定義に対して、ｏ’ｍｉｎとしてのみ１／ｉで、０、すなわち概してｚであることを示しており、（実験とシミュレーションの両方において）十分に小さいｏ’ｍｉｎが選択されるように注意すべきである。
【０１６１】
実験に使用する実際のサンプルに類似した寸法のＬ×ｗシステムに対する計算も行った（表１を参照）。これらの現実的なＬ×ｗサンプルに対するＳ（ｐ）データを直線および対数スケールで図２２に示し、ｐｏｎｓｅｔ（Ｌ）データを図２３にプロットして、（図２１から得られる）従来の透過限界の定義によるｐｏｎｓｅｔ（Ｌ）データとそれらを比較する。図２３では、ｐｏｎｓｅｔ（Ｌ）が二通りで定義されている。菱形は、透過の確率が０．５になる被覆率の値を表す。正方形は、導電率がσｍｉｎ＝１×１０−３の値に達する被覆率を表す。ｐｃは、無限システムにおいて透過限界が生じる被覆率、すなわち０．５９２７４６１である。全く異なる方法で得られたｐｏｎｓｅｔ（Ｌ）データが、同じ値の指数ｖ＝０．７５を与える。Ｌが大きくなると、ｐｏｎｓｅｔ（Ｌ）−ｐｃの差が非常に小さくなるため、データの信頼性が低下することに留意されたい。すなわち、さらに多くの繰返しに対してシミュレーション・データの平均をとって、統計的不確実性がより小さいデータを得る必要がある。
【０１６２】
以下に述べる実験データによって裏づけられるシミュレーションの重要な結果は、接触子幅（ｗ）が適度に広く接触子間隔（Ｌ）が狭い場合は、透過限界が２０％程度の被覆率にシフトすることである。通電の開始時は（すなわち有効透過限界付近では）、被覆率が低いため、導電路は、図１および図１１に概略的に示されるものと類似した狭いクラスタ鎖から構成されるはずである。すなわち、最も狭い部分に隣接するクラスタのネットワークの限られた数の枝によって電線状構造体が形成される。
【０１６３】
ｅ）ＴｅＣＡＮ−Ｖ形溝の形成
本発明のＴｅＣＡＮ型におけるＶ形溝の形成について以下に説明する。
【０１６４】
窒化物を塗布したシリコン・ウェハ（層の厚さは典型的に１００ｎｍ）を切断して８×８ｍｍの基板とすることからサンプルの処理を開始する。＜１１１＞平面の方位を正確に特定するために、最初にフォトレジスト・マスクを介して窒化物層をドライ・エッチングして、２°離れた放射状スロットを形成する。４０重量％のＫＯＨ溶液を使用して、これらのスロットを変形させて、基礎をなすシリコンにＶ形溝を形成する。それが完了すると、さらなるフォトリソグラフィおよびドライ・エッチング段階を通じて、試験スロット（エッチング・プロフィルが最もきれいに整ったものを選択する）に対するデバイスＶ形溝アレイの角度的位置合せを行う。同じＫＯＨ溶液を使用してＶ形溝アレイを形成する。
【０１６５】
このようにして形成され、原子間力顕微鏡法を用いて画像化されたＶ形溝および関連構造体の例を図２８、２９および３１に示す。図２８は、ＫＯＨを使用してシリコンにエッチングされたＶ形溝の原子間力顕微鏡写真である。Ｖ形溝は約５ミクロンで、光フォトグラフを用いて形成される。この技術の魅力の１つは、電子ビーム・リソグラフィを用いて、特徴のサイズを容易にスケールダウンできることである。
【０１６６】
使用される具体的なクラスタ／基板対は、クラスタ集成電線と基板の間を絶縁するために、Ｖ形溝の表面に絶縁層を塗布する必要があるか否かを決定づける。クラスタ／基板の組合せによっては、ショットキー接触子を形成し、基板から電線を限定的に隔離できるようにする。場合によっては、基板上に天然酸化物を設けると十分に隔離される。必要ならば、二通りの方法でＶ形溝の不活性化を行うことができる。現在のところ、好ましい方法は、Ｖ形溝のアレイを形成した直後に基板全体を熱酸化することである。代替的な不活性化方法は、窒化珪素のスパッタ蒸着に基づくものである。
【０１６７】
接触子は、光リソグラフィまたは電子ビーム／光リソグラフィ併用段階を用いて形成される。最初の蒸着、および光学的フォトレジスト・パターンを用いた剥離によって、（１ｕｍ幅より大きい）デバイス・フィンガと、主要な３×３ｍｍデバイス領域に伸びる接触子が形成される。デバイス・フィンガは、バーニア位置決めマークを使用して達成されるサブミクロンの公差で単一または複数のＶ形溝の上に配置される。サブミクロンのフィンガ・ギャップ幅を必要とし、これらの特徴の位置を、第１の光リソグラフィ処理で形成されたパッドに合わせる場合は、電子ビームパターニングを用いる。最終的な蒸着および剥離によって、８×８ｍｍチップの先端に大スケールのデバイス接触子を配置することが可能になる。図２９は、好ましい実施形態の概略図である。Ｖ形溝のＡＦＭ画像を使用して形成されたクラスタ集成ナノ電線の概略図である。Ｖ形溝の平坦面に沿うクラスタの拡散によって得られるクラスタ集成ナノ電線と電気的接触を成すように、上下の接触子の位置をＶ形溝の山に合わせる。クラスタ集成ナノ電線と電気的接触させずに、これらの接触子をゲートとして使用できるように、左右の接触子の位置をＶ形溝のエッジに合わせる。最初にクラスタ集成ナノ電線の上部に絶縁層を蒸着し、次にゲート接触子をリソグラフィ描写することによって作製されたＦＥＴ構造体の側面図が示された図３０に示されるように、電線の上の絶縁層の上面に上部ゲートを作製することによってトランジスタ構造体を達成することも可能である。ＰｅＣＡＮまたはＴｅＣＡＮ技術を用いてナノ電線を形成することができる。
【０１６８】
好ましい実施形態において、デバイスを互いに隔離するために、クラスタ蒸着に先立って基板を不活性化する。これは、スパッタ蒸着した二酸化珪素の層を使用して達成することができる。ドライ・エッチングを伴う光リソグラフィを採用することで、接触子フィンガ／Ｖ形溝領域の真上の二酸化珪素に窓を開けることができる。熱酸化を用いてシリコンＶ形溝を不活性化した場合は、基礎酸化物層の著しい消耗を避けるために、この最終的なドライ・エッチングのタイミングを調節する。
【０１６９】
次に、ＰｅＣＡＮデバイスに対する手順と同様に、必要なすべてのデバイス接触子を備えた専用サンプル・ホルダにサンプルを取りつける。好ましい実施形態において、クラスタ蒸着後の高真空において、デバイスを電子ビーム蒸着絶縁膜（例えばＳｉＯｘ）でシールすることができる。この層は、クラスタの酸化を防止するために使用したり、またはさらなるリソグラフィおよび金属蒸着段階を通じて上部ゲートを作製する前の絶縁層として使用することが可能である。図３０は、当該デバイスの概略図を示す図である（Ｖ形溝は不図示）。
【０１７０】
最後に、ＴｅＣＡＮデバイスは多くの形態の表面テクスチャを利用することができ、Ｖ形溝に限定されないことを注記する。図３１は、「逆ピラミッド」の底部の２つの異なる解像度における原子間力顕微鏡画像を示す。逆ピラミッドは、ＫＯＨ、および（上述のスロットではなく）円形または方形構造のマスクまたは窓を用いてシリコンをエッチングすると形成される。（隆起がＡＦＭ画像の質によるもので、表面の平坦性を表さない図３１の下の画像のように）非常に小さい寸法および極めて平坦な壁を有する逆ピラミッドを達成することが可能である。好ましい実施形態において、電子ビーム・リソグラフィを用いて、逆ピラミッドの４つの隅の各々に電気接触子を定めることによって、小面のエッジに沿って形成されたクラスタ集成電線の四端末測定を可能にする。当該四端末測定は、例えば磁界または化学的センシング用途に対する厳密な導電率の測定に有用である。上部および／または下部ゲートをこれらの構造に応用することもできる。
【０１７１】
実施例
以下の実施例により本発明をさらに説明する。
１．リソグラフィ法
光リソグラフィと電子ビーム・リソグラフィの組合せを用いた。第１の技術は、約４０ミクロンの中程度の間隔を有する微視的なボンディング・パッドを定める。続いて、ＥＢＬは、２つの接触子の微細な構造を定める。作製された接触子の光学顕微鏡写真については、図４を参照されたい。
【０１７２】
（ａ）基板の切断および洗浄
接触子用基板は、実質的に非導電性で極めて平坦な表面を与えるために上部に２００ｎｍ窒化珪素層を設けた０．５５ｍｍ厚さの標準的なウェハから切り出した平坦な方形シリコン・ピースである。
【０１７３】
ウェハを必要なサイズのピースに切断した後に、基板を洗浄する。それは、専ら超音波槽を使用して、最初にアセトンで洗浄し、次いでメタノールで洗浄し、最後にＩＰＡで洗浄することによって達成される。ＩＰＡの後で、基板をＮ２で送風乾燥し、約１５分間にわたって９５℃でベーキングしてからさらなる処理を行う。
【０１７４】
（ｂ）光リソグラフィ
光リソグラフは、１ミクロンまでのサイズのパターンを定める極めて高度に確立された手順である。ＵＶ感応物質（フォトレジスト）の膜を基板上にスピン塗布し、好適なマスクを介してＵＶ光を照射し、現像する。この処理によって、本来クリーンな表面にフォトレジスト物質の確定パターンが形成される。光リソグラフィに使用したレジストは、シップリＳ１８００フォトレジスト・シリーズからの標準的な原料フォトレジストＳ１８１３であった。それを４０００ｒｐｍで６０秒間にわたって基板にスピン塗布し、９５℃で２５秒間にわたってベーキングする。続いて、１２秒間にわたって基板にＵＶ光（波長４３０ｎｍ）を照射し、約３５秒間ＭＦ３２０現像液で現像し、蒸留水で洗浄する。
【０１７５】
接触子を作製する第１のステップは、電線を容易に接着できる比較的大きい接触パッドを描写することである。接触パッドの２つの平行な側面を少なくとも１００μｍに対して４０±１μｍだけ離す。パッドが互いに近くに位置するこの領域を、基本的には、基板が許す限り長くすることができる。しかし、クラスタ・ビームがときどき不均一になるため、照射が比較的少なく比較的細かい間隙が接続される前に、４０μｍの間隙を介して通電が生じる可能性があるため、臨界領域をできるだけ小さくする必要がある。最も容易にこの目標を達成するためには、適切に確定された光リソグラフィ・マスクが最良の手段であるといえる。しかし、現在利用可能な最良のマスクは、４０μｍ幅の長い線を定めるにすぎない。求められるようなパッドを得るためには、最初に、通常の光リソグラフによって基板のフォトレジストの線を定め、その後、繊細なペイント・ブラシを使用して、基板表面の必要な追加部分をレジストで覆った。
【０１７６】
このようにして基板を作製した後に、基板にボンディング・パッドを蒸着することができる。パッドに金を使用する理由は２つある。第１の理由で主な理由としては、電子ビーム・リソグラフィを通じて、続く基板の整列に向けた良好な接触を与え、第２の理由としては、比較的薄い金の層に電線を接着することが可能である。金自体はＳｉＮに対する接着性があまりよくないので、最初に厚さが１０から１２ｎｍのＮｉＣｒ層を蒸着する必要がある。求められる金層の厚さは約５０ｎｍである。
蒸着後、残留するレジストを（超音波槽を使用してアセトンに溶解させて）剥離することによって、接触パッド以外のすべての蒸着金属を除去する。
【０１７７】
（ｃ）電子ビーム・リソグラフィ
ＥＢＬ法の原理は光リソグラフィに極めて似ている。電子感応性レジストは高分子量のポリマー（ＨＭＷ  ＰＭＭＡ）である。ポリマーの鎖は電子に曝されると開裂し、残留するＨＭＷ  ＰＭＭＡ構造を破壊することなく溶解しうる低分子量のポリマー（ＬＭＷ  ＰＭＭＡ）の領域を形成する。したがって、解像度を制限する下面の耐電および電子の後方散乱のような効果を考慮してから、電子ビームを集中できる最小サイズと同程度の寸法のパターンを定めることが可能である。その原理のより効果的な応用としては、二層レジスト処理が採用されている。それは、最初に４％ＬＭＷ  ＰＭＭＡの溶液を基板にスピン塗布し、次いで２．５％ＨＭＷ  ＰＭＭＡの層を設けることからなる。（どちらの場合も、３０００ｒｐｍで６０秒間ＰＭＭＡ溶液をスピン塗布し、１８５℃で３０分間にわたってベーキングする。それにより、両層の厚さが約２００ｎｍになる。）
レジストを調製した後に、基板に電子ビームを照射する。そのために、改良型のフィリップス走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を採用した。近接または重複した矩形の形態で４０９６×４０９６ピクセル構成のパターンを定めることができる。適切なＳＥＭ倍率を選択することによって、基板の異なるサイズの領域を露光することができる。電子ビームをスポット（直径１６０Å）に集中させ、各ピクセルに一定時間を滞留しながら適切なピクセルを走査することによってパターンを露光する。滞留時間は、基板に到達するビーム電流、露光量および倍率から自動的に計算される。
【０１７８】
本願の他の箇所で詳述したように、２つの接触子間に導電整流子をランダムに配置することによってそれらの接触子間に電気接続を確立することは統計的処理である。有意性および再現性を有するデータを得るためには、多くの当該接続に対して平均をとることが不可欠である。それを行う１つの方法は、接続子間の間隙が、幅（接触子間の間隔）が長さよりはるかに小さい矩形の形を有するように接触子を設計することである。嵌合フィンガは、所定領域における長さ対幅の比をさらに大きくすることが可能である。当該パターンの実施態様については、図４を参照されたい。
【０１７９】
制御および解析ソフトウェア・ナノスコープ・ヴァージョンＩＩＩ  ４．４２ｒ４を伴う原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を使用して、得られた接触子間隔を測定して実際の接触子間隔を求めなければならない。
【０１８０】
ＰＭＭＡが二層であっても金パッドの接触が良好であるため、電子ビームの書込み領域の位置を基板の適切な領域に合わせることは簡単である。位置合せ時に基板の照射により１つの問題が生じる可能性がある。電子が基板の表面に衝突することによってＳＥＭにおける視覚情報が生成される。臨界領域を「見る」ことなく電子ビームの位置合せを正確に行うのは不可能であるため、実際のパターンの書込みを開始する前にこの領域を照射することになる。しかし、それらの照射は短時間かつ低倍率に限定されるため、パターンの質が追加的な電子照射に影響されることはない。
【０１８１】
ＨＭＷ  ＰＭＭＡに照射した後で、それを現像する必要がある。現像剤は実際には溶剤、すなわちＭＩＢＫ（４−メチル−２ペンタノン）とＩＰＡの割合が１：３の溶剤である。その反応性は極めて温度依存性が高いため、２３℃の温度に対して３０秒間の現像時間を適用した後に、純粋のＩＰＡで基板を洗浄する。この処理によって、両ＰＭＭＡ層における照射領域を除去し、下部のＬＭＷ  ＰＭＭＡのわずかに大きい領域を溶解することによりＨＭＷ  ＰＭＭＡ層に書き込まれたパターンをくり抜く。これにより、特により繊細なパターンでは、後の剥離がはるかに容易かつ順調に行われることになる。しかし、現像処理によってＳｉＮ表面からレジストのピースが完全に除去されるわけではないため、蒸着金属膜はさほど強く接着しない。この問題を解決するために、５００ワットのエネルギーを有するＲＦ磁界により、１５秒間にわたって蒸着直前に基板を酸素プラズマ中で洗浄する。それによって約５ｎｍの有機層が除去され、ＳｉＮの表面が十分に洗浄され、しかもＨＭＷ  ＰＭＭＡ膜が破壊されることはない。その段階で、残留するＰＭＭＡ層は、中央の非常に小さい照射領域を除いて、基板を完全に覆う。しかし、それらの層は、基板の取り扱い時の傷または他の機械的応力に極めて敏感であり、ＰＭＭＡ層にいくつかの小さな穴またはひび割れが生じる可能性がある。基板の様々な領域の小さな金属付着物を避けるために、基板全体に光フォトレジストを塗布することができる（勿論、中央の領域を確保しておく）。
【０１８２】
最後に微細接触子を蒸着するために、入手が容易であるとともに、より重要なこととしてＳｉＮに対する接着性が非常に良好で、非常に小さい厚さで極めて硬質の膜を形成するという理由から、ＮｉＣｒ（Ｎｉ８０％、Ｃｒ２０％）を選択した。そのため、ＰＭＭＡをアセトンに溶解し、超音波槽と、可能な追加的な手段として一枚の木綿を使用して、フィンガ間のすべての金属片を除去することにより、最終的な剥離が極めて確実に行われる。しかし、特により小さい接触子間隔については、フィンガ間の金属すべてを除去することはしばしば不可能である。そのような場合は、基板を破棄する必要がある。
【０１８３】
２．クラスタ蒸着実験の結果
第１のステップとして、平滑なＳｉＮ表面にビスマス・クラスタを蒸着し、原子間力顕微鏡を使用して得られた膜を調べた。図９には、クラスタ被覆率を高めるための原子間力顕微鏡写真が示されている。表面被覆率を高めた４つの蒸着膜が示されている。これらの調査の結果から、ビスマス・クラスタは、シミュレーションに用いられたモデルと極めて類似した挙動を示すこと、すなわち表面に密着し、異なるより小さいサイズおよび／または異なる材質のクラスタについてしばしば観察されるように拡散や合着を起こさないこと［３７］が確認される。
【０１８４】
加えて、電界放出走査型電子顕微鏡を使用して、リソグラフ描写接触子を有するサンプルに蒸着されたクラスタ膜を調べた。図１９は、２０ｎｍのＢｉクラスタを含む膜に覆われた六対の嵌合接触子を有するサンプルの低解像度の電界放射ＳＥＭ画像を示す図である。分子ビームから生じるスポットおよびサンプル上方の円形開口部の形状に留意されたい。膜に存在する粒子の密度の勾配にも留意されたい。（この場合、通常のクラスタより小さいということは、Ｌが比較的大きいことを意味するため、透過限界の強いシフトは期待されない）。
【０１８５】
図２０は、シミュレーション（連続モデル）の結果と比較した場合における透過クラスタ膜の電界放出ＳＥＭ画像を示す図である。全被覆率（ｐｔｏｔ）の値に対して行われたシミュレーションが示されている。全被覆率は、ｐｔｏｔ＝−１ｎ（ｐ）による第１の層における被覆率に関係するため、第１の層における同等の被覆率を計算することができる。これらの画像は、膜厚が異なるいくつかのサンプル領域の画像である（図１９において、クラスタ膜は明らかに厚さが均一でないことに留意されたい）。クラスタ膜の形態および結合度は、明らかに、粒子を表面にランダムに配置する単純なコンピュータ・プログラムによって生成される画像［連続透過］と極めて類似している。このモデルでは、表面に蒸着する新たな粒子は、既に蒸着した粒子の上に実際に蒸着する確率が、単に表面被覆率ｐになる。次いで、より高い層に粒子を含む全被覆率がｐｔｏｔ＝−１ｎ（１−ｐ）（ただし、ｐは、より単純な単一層モデルのように、第１の層のみにおける被覆率）であることを示すことは簡単なことである。この連続透過モデルにおいて、無限システムに対する透過限界は、ｐｔｏｔ〜１．１４、すなわちクラスタが単一層に限定された場合に表面を完全に被覆するのに必要とされる全被覆率より１４％大きい全被覆率に対応するｐ〜０．６８で得られる。しかし、低い被覆率ｐ〜ｐｔｏｔにおいては、Ｌが十分に小さくｗが十分に大きいＬ×ｗシステムに対するｐｏｎｓｅｔ（Ｌ）の値は影響を受けない。
【０１８６】
ＦＥ−ＳＥＭ画像は、より小さいクラスタはさほど大きく拡散、合着しないことを示している。合着量は限られている−クラスタは近隣クラスタに極めてわずかしか合着しないが、概して、まだ粒子を区別することが可能である。
【０１８７】
第１の原位置電流測定の実験を通じて、単一の接触構成にビスマス・クラスタを蒸着した。典型的な操作は、クラスタ・ビームを生成し、（蒸着速度モニタを使用して）所定の平均クラスタ速度に安定させ、接触子にビームを照射することからなる。照射時に、電流を観察し、照射時間を測定した。残念なことに、蒸着速度モニタと接触子に同時に照射を行うことは不可能であったが、クラスタ蒸着の前後にクラスタ・ビーム強度の平均値を求めることが可能であった。
【０１８８】
一般に、表面被覆率（膜厚）が接触子を接続するのに十分である場合に、数オーダの規模の突然の電流の飛躍がその瞬間を特徴づけた（図６を参照）。残念なことに、クラスタ・ビームの特性のいくつかは我々の実験に完璧に適したものではない。最も厳しいのは、クラスタ・ビーム強度はビーム内の位置に応じて変化すること、すなわちビーム中央の強度が最も高く、外側にいくほど低下することである。この問題により、接触子において直接クラスタ速度を測定することが不可能であるため、異なる操作同士を比較する必要があった。この問題を回避するために、実験のための新たなセットアップを開発した。その中心的な考え方は、同時に照射される、異なる間隔を有する２つの接触子対を使用することであった。図４に示すように、２つの接触子対は電気的に隔離されているが、非常に接近している（直径１００μｍの円内に配置されている）。したがって、一方の接触子と他方の接触子とのクラスタ・ビーム強度のずれは無視できる。理想的には、２つのピコアンメータを使用して、２つの接触子を流れる電流を個別に測定することが可能であったが、高感度の計器は１つしか利用できなかった。したがって、図７（上）に示すように、２つの接触子を並列接続した。（通電の開始が比較的早い）より間隔が小さい接触子と直列に、１０ＧΩ抵抗器を配置し、両接触子を流れる全電流を測定した。より間隔が小さい接触子をクラスタによって接続すると、この経路を流れる電流が抵抗器によって制限される。膜が接触子の第２の集合体を接続するのに十分厚くならなければ、全電流はそれ以上大きくならない。そのように、全電流対時間の曲線は、その限界が異なる接触子に対する異なる通電時間である独自の広がりを示すことになる。
【０１８９】
図７（下）は、想定された挙動を実証する典型的な実験曲線を示す図である。各サンプル毎に、接触子の１つの集合体が３２００ｎｍの間隔を有するサンプルの集合体に対して実験を行った。次いで、３２００ｎｍの間隔に対する臨界膜厚に対して正規化された臨界膜厚ｘ（Ｌ）を測定することは簡単である。
【０１９０】
ｘ（Ｌ）＝ｔｃ（Ｌ）／ｔｃ（３２００ｎｍ）
ｔｃ（Ｌ）は間隔がＬの接触子に対する開始時間である。この式は、平均蒸着速度の比が１であることを示す。この仮定は、クラスタ・ビーム強度が完全に一定である場合、または蒸着時間よりはるかに小さい時間スケールで一定平均値付近の変動を示す場合は正しい。しかし、我々のシステムでは、平均ビーム強度は、蒸着時間のオーダの時間スケールで変動する。
【０１９１】
適合パラメータである、無限接触子間隔ｄｃ（∞）に対する臨界膜厚によって正規化された臨界膜厚ｄｃ（Ｌ）が図５にプロットされている。このデータは、シミュレーションによって提案された有限サイズ効果、すなわち臨界膜厚は接触子間隔が大きくなるに従って減少することを実験的に実証するものである。二次元の方形格子では、単層の約６０％の被覆率が無限透過クラスタに相当する。ビスマス膜では、無限接続（ｄｃ（∞）〜１３０ｎｍ）を確立するのにほぼ２つの単層を充たす必要がある。これは、いくつかの効果の組合せから得られるものと思われるが、支配的な効果を以下に挙げる。
１）先述した関係式ｐｔｏｔ＝−１ｎ（１−ｐ）を導く、任意のクラスタが他のクラスタの上に蒸着される有限確率。
２）粒子間に小さな間隙があるか、または狭いネックしか存在しないか、あるいは真空システム内の水または残留酸素によってクラスタが酸化されるために、ある割合（ζ）のビスマス・クラスタが近隣のクラスタに対して導電接続を形成しない可能性。
ζが０．２以下であれば、２つの効果の組合せによって、ｐｔｏｔが２．０以下になる。
【０１９２】
いくつかの蒸着の結果は、導電率対時間の明確なステップ状の挙動を示す（図６）。それらのステップは、明らかに、ネットワーク全体の導電率（印加電圧１．２Ｖで電流を割った値）を著しく左右するネットワーク内の点におけるクラスタの蒸着に起因すると思われる。この極端な例は、２つの接触子の接続を完成させる、単一クラスタ、または小数のクラスタの蒸着に起因する導電の初期の開始である。図６において、導電率の限界を超えた電流のステップは、接触子を接続するネットワークの一部における追加的なクラスタの到来による電流経路の変化に起因する。
【０１９３】
最後に、平均直径が異なるビスマス粒子の異なる接触子間隔および被覆率を用いて調製した様々なサンプルの標準的なＡＣ閉鎖およびＩ（Ｖ）技術を用いて、導電率を調べた。観察される挙動の例を図２４および２５に示す。図２４は、再現可能な直線的低電圧挙動を示す、二種類の温度におけるビスマス・クラスタ膜に対する電流−電圧特性を示す図である。この図は、低電圧ではＩ（Ｖ）曲線は通常直線で、オーム通電を示す。それに対して、図２５は、直線的な低電圧挙動、およびより高い電圧における抵抗のステップを伴う、室温におけるビスマス・クラスタ膜に対する電流−電圧特性を示す図である。これは、より高い電圧では、通電における新たなステップ状の特徴を観察することができ、そのうちのいくつかはいくつかの電圧周期に対して再現性があり、いくつかは再現性がない。導電率の増減が確認されるが、増加のほうが高頻度である。クラスタ間の接続も切断も印加電流／電圧によって誘導することが可能であることが明らかである。極端な例では、印加電流／電圧によってデバイスの導電率を著しく低下させ、非オーム挙動を得ることができる。最初はオーム通電を可能にするほど被覆率が十分ではない他の場合では、印加電流／電圧は、オームまたは近オーム通電による電流供給状態を生成することができる。これは、実際に、大気によって酸化されて本質的に絶縁状態になったサンプルに対して当てはまることが確認されている。すなわち、当該デバイスでは、オームまたは近オーム通電による電流供給状態をときどき再生することができる。
以上、本発明について説明した。当業者にとって明白な代替形態および改良形態も本発明の範囲内に含めるものとする。
【図面の簡単な説明】
【０１９４】
【図１】間隔Ｌおよび幅ｗを有する一対の接触子の間に蒸着したクラスタの概略図である。
【図２】４つの異なるシステム・サイズＬに対するｐの関数としての正規化導電率を示す図である。
【図３】最小可測導電率σｍｉｎの関数としての有効透過限界ｐｏｎｓｅｔ（Ｌ）に対するスケーリング指数ｚを示す図である。
【図４】光リソグラフィによって定められるボンディング・パッドを示す倍率５０の二重接触構成（左）、およびＥＢＬによって定められる嵌合接触構成を示す倍率１０００の二重接触構成（右）を示す図である。
【図５】システム・サイズＬ（接触間隔）の関数としての正規化臨界膜厚ｄｃ（Ｌ）／ｄｃ（  ）を示す図である。
【図６】開始通電を示す、間隔１６００ｎｍの接触子の単一集合体に（０．２Å／ｓ以下の速度で）蒸着したビスマス・クラスタに対する時間の関数としての電流を示す図である。
【図７】同じ実験操作（下）を通じて透過限界を観察するのに使用される二重接触構成および測定回路（上）を示す図である。
【図８】異なる平方システム・サイズ（Ｌ）に対する異なる被覆率（ｐ）における透過限界の観察の確率を示す図である。
【図９】クラスタ被覆率を高めるための原子間力の顕微鏡写真である。
【図１０】クラスタ蒸着プロセスの概略図である。
【図１１】透過クラスタ膜の電気測定の概略図である。
【図１２】平方（Ｌ×Ｌ）接触構造の膜に対する電気測定の概略図である。
【図１３】矩形（Ｌ×ｗ）接触構造、すなわち接触子の幅（ｗ）と接触子間の間隔（Ｌ）が異なる膜に対する電気測定の概略図である。
【図１４】三端末デバイスの概略図である。
【図１５】接触子が同様の間隔を有する四端末デバイスの概略図である。
【図１６】図１５のデバイスと類似しているが、接触子１と接触子３の間にＶ形溝を有するデバイスを示す図である。
【図１７】見かけの被覆率が同じである接続（ａ）構造体および非接続（ｂ）構造体を示す図である。
【図１８】被覆率が約０．２０、０．４０、０．６０および０．８０のＬ×Ｌの透過膜（Ｌは２０以下）を示す図である。
【図１９】２０ｎｍのＢｉクラスタを含む膜で覆われた六対の嵌合接触子を有するサンプルの低解像度の電界放射ＳＥＭ画像を示す図である。
【図２０】シミュレーション（連続モデル）の結果と比較した透過クラスタ膜の電界放射ＳＥＭ画像を示す図である。
【図２１】Ｌ×ｗの様々な矩形システムに対する被覆率の関数としての透過確率のプロットを示す図である。
【図２２】Ｌ×ｗの様々な矩形システムに対する被覆率の関数としての導電率のプロットを示す図である。上は、直線垂直スケールを示し、下は、対数垂直スケールを示す。
【図２３】Ｌｘｗ矩形システムに対する、ｐｏｎｓｅｔ（Ｌ）−ｐｃとシステム・サイズＬの値の対数−対数プロットを示す図である。
【図２４】再現可能な直線的低電圧挙動を示す、二種類の温度におけるビスマス・クラスタ膜の電流−電圧特性を示す図である。
【図２５】直線的低電圧挙動、およびより高い電圧における抵抗の段階を示す、室温におけるビスマス・クラスタ膜の電流−電圧特性を示す図である。
【図２６】クラスタ鎖に基づくフォトダイオードの概略図である。
【図２７】一部に絶縁層を塗布したデバイスの概略図である。
【図２８】ＫＯＨを使用してシリコンにエッチングしたＶ形溝の原子間力顕微鏡画像である。
【図２９】Ｖ形溝のＡＭＦ画像を使用して作成されたクラスタ集成ナノ電線の概略図である。
【図３０】最初にクラスタ集成ナノ電線の上部に絶縁層を積層し、次いでゲート接触子をリソグラフィ描写することによって製造されたＦＥＴ構造体の側面図である。
【図３１】ＫＯＨを使用してシリコンにエッチングした「逆ピラミッド」の底部の２つの異なる解像度における原子間力顕微鏡画像である。
【図３２】印加電圧／電流によるクラスタ膜の改質を示す抵抗対電圧のデータを示す図である。
【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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【図７】
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【図８】
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【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１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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