(57)【要約】【課題】マトリックス基板に埋設されたナノ結晶から、特に保有時間に優れた光メモリを実装する。【解決手段】該ナノ結晶をレーザ照射により融解させ、その後の再結晶化によりナノ結晶内に圧縮応力を発生させる。該圧縮応力は、ナノ結晶格子の振動モードを変化させ、分光学的手段により読み取り可能である、対応するラマンフォノンバンドのエネルギー位置を上下にシフトさせる。これらの異なるフォノンバンド位置で、該光メモリの情報ビットを表現することにより該光メモリを実装する。該圧縮応力は長寿命なので、光メモリの保有時間も半永久的である。【選択図】図１
2008010053.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノ結晶から形成される光メモリであって、前記ナノ結晶は情報ビットを担うメモリ素子が構成される固体マトリックス基板に埋設され、
前記ナノ結晶の振動モードにおける光誘起特性変化により前記情報ビットを表現し、前記光誘導された変化は一個以上のシフトされたフォノンバンドの結果として分光学的手段により光学的に読み取り可能である、ことを特徴とする光メモリ。
【請求項２】
前記シフトされたフォノンバンドは異なる位置（ｃｍ−１）で生成し、前記異なる位置は電子的に読み取り可能な１と０に変換し得る、ことを特徴とする請求項１記載の光メモリ。
【請求項３】
前記メモリ素子は三次元ネットワークを構成する、ことを特徴とする請求項１又は２記載の光メモリ。
【請求項４】
前記光メモリはＳｉＯ２マトリックス基板に埋設されたシリコン（Ｓｉ）ナノ結晶から形成される、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の光メモリ。
【請求項５】
ナノ結晶から形成される光メモリを形成し且つ読み取る方法であって、前記ナノ結晶は情報ビットを担うメモリ素子が構成される固体マトリックス基板に埋設され、
前記方法は、一個以上のフォノンバンドをシフトさせる為に前記埋設ナノ結晶の振動モードを光照射により変化させる段階から成り、
前記振動モードの変化は前記情報ビットを構成して分光学的手段により読み取り可能である、ことを特徴とする方法。
【請求項６】
Ｓｉナノ結晶をＳｉＯ２マトリックス基板に埋設することにより前記光メモリを形成する段階を更に含む、ことを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記光メモリ物質を再結晶化することにより前記振動モードを変化させる段階を更に含む、ことを特徴とする請求項５又は６記載の方法。
【請求項８】
前記埋設ナノ結晶における前記変化をレーザ処理により誘導する段階を更に含む、ことを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記レーザ処理を前記ナノ結晶物質の融解点温度以上の温度で遂行する段階を更に含む、ことを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１０】
結晶化が後続する前記ナノ結晶の前記融解点温度以上の温度での反復レーザ処理により前記光メモリを形成する段階と、
前記段階の結果としての高エネルギーフォノンバンドと、更なる追加レーザ処理の結果としての前記高エネルギーフォノンバンドの低エネルギーフォノンバンドへのシフトを備えるメモリを形成する段階、を更に含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記変化をラマン分光法により読み取る段階を更に含む、ことを特徴とする請求項５乃至１０のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１２】
読み取り温度は前記読み取り可能な変化を消去し得ないほど充分低い、ことを特徴とする請求項５乃至１１のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１３】
ラマン分光法により読み取られた前記フォノンバンドを電子的に読み取り可能な１と０に変換する段階を更に含む、ことを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１４】
前記高温及び低温レーザ処理の後、前記ラマンバンドの位置の関数としてラマン強度を測定する段階と、
前記ラマン強度を１と０に変換する段階、を更に含むことを特徴とする請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
以前の変化を消去する為に、前記ナノ結晶の前記融解点温度以下の温度であり且つ前記変化を消去し得るほど充分高い温度、におけるレーザ処理を遂行する段階を更に含む、ことを特徴とする請求項５乃至１４のいずれか一つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光メモリと、光メモリの形成、読み取り方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
データ格納とは、情報を後の使用で利用可能な形態に維持する為に用いられる媒体と方法、を指す。情報には、直ちに必要な情報もあれば、一方、ある期間の間必要ではない情報もある。従って、異なる使用に対しては異なる方法を用いるのが妥当である。
【０００３】
データ記録の為の特別な方法が、光メモリには使用される。光メモリの形成に使用され得る材料物質の基本的な必要要件は、光学的に検出可能な性質が導入され得て（即ち、書き込まれ得て）、後にそこから読み取り得る、ことである。レーザ処理等の熱処理は、そのようなメモリ材料物質において、光学的に読み取り可能な変化を形成する。次に、メモリにおける該変化は、光学分析計がレーザ光を該メモリ材料物質上に照射することにより、１と０として読み取り動作により読み取られる。光メモリは複数個のメモリ素子を有し、これらのメモリ素子は各々１と０の位置に位置し得る、即ち、情報ビットを表現し得る。１−Ｄ（一次元）メモリは、複数個のメモリ素子を一個の軸（ｘ軸）上に有する。２−Ｄメモリは、二次元（ｘ、ｙ次元）に分布されたメモリ素子を有する。例えば、２−Ｄメモリである通常のＣＤが、この場合に該当する。３−Ｄメモリにおいては、メモリ素子は三次元（ｘ、ｙ、ｚ次元）体積内に分布されている。
【０００４】
光メモリは、光通信システムにおいて電気データバッファの代替物として期待されており、該バッファに付随する現在の光電気変換ハードウェアを無用にするものと展望されている。
【０００５】
光メモリは、格納ドライブ、ディスク、テープ媒体の形態を取り得る。その形成に使用される様々な材料物質として、金属、プラスチック、ガラス、セラミックス、磁気コーティング、及び様々な薄膜を挙げ得る。
【０００６】
光学という分野は、通常、可視、赤外、及び紫外光が関係する諸性質と過程を記述、説明するものである。しかしながら、光は電磁波であるから、光と類似した諸現象がｘ線、マイクロ波、高周波、及び他の形態の電磁輻射においても発生する。従って、光学は、電磁気学の一分野であると見なし得る。こうした光学的諸現象は光の量子的性質の枠内でさえも記述、説明し得て、光学のこの分野は量子力学と関連している。
【０００７】
ラマン分光法は、ある物体の製造に使用される材料物質のみならず、その物体の表面に現れる材料物質の識別をも可能にする技術である。ラマン分光法は、レーザビームを該物体に照射することにより、機能する。このレーザ光の大部分は、反射、散乱、及び透過の諸作用を受けるが、それ自体は変化しない。しかしながら、少量の残余のレーザ光は、材料物質の分子と非線形的に相互作用して、非弾性的に散乱される。レーザ光の該非弾性的に散乱された部分は、その後選択され収束されて、スペクトルを形成する。これは、ラマン効果として知られている。各材料物質は、それと関連する該固有のラマンスペクトルを有する。従って、各スペクトルは、各材料物質を識別する為の指紋として機能する。
【０００８】
該散乱光が材料物質の該散乱分子に回転エネルギー又は振動エネルギーを付与するか、あるいは逆に該散乱分子からエネルギーを奪うかに応じて、散乱光のエネルギー、従ってその振動数と波長、は変化する。ラマンスペクトルは散乱物質に固有のスペクトルなので、ラマン分光法は、物理及び化学研究、特に材料物質の特徴付けに有用な技術である。アラミド及び炭素等のラマン活性ファイバーは、印加された応力により該ラマン振動数がシフトを示す振動モード、を有する。
【０００９】
ラマン分光法を用いて、ある物質系における振動モード、回転モード、及び他の低振動数モードが研究される。ラマン分光法は、通常可視、近赤外、及び近紫外範囲のレーザから発振された単色光のラマン散乱、に依拠するものである。該物質系におけるフォノン又は他の励起子は該レーザ光と結合し、上下にシフト（即ち、反ストークスシフト及びストークスシフト）するレーザフォノンのエネルギーを形成する。このレーザフォノンエネルギーのシフトは、該凝縮物質系におけるフォノンモードに関する情報を提供する。赤外分光は、類似してはいるが相補的な情報を提供する。
【００１０】
物理学において、フォノンとは、（固体の原子格子等の）結晶格子に発生した振動の量子化されたモード、を指す。即ち、フォノンとは、特別なタイプの振動運動の量子力学バージョン、に他ならない。一個の格子の任意の振動運動は、様々な振動数を有する基本振動の重ね合わせである、と考え得る。該振動に関する情報は、分子の化学結合にまさしく固有なものである。従って、該振動情報は、分子の識別を可能にする指紋を提供する。
【００１１】
固体物理学において、自発的ラマン分光法は、例えば、材料物質を特徴付ける、温度を測定する、及び試料の結晶配向を見い出す、ことに利用される。結晶構造が知られている場合には、該結晶配向に対する該ラマン散乱光の偏光及び該レーザ光の偏光は、結晶配向を見い出すことに利用され得る。任意の固体材料物質は、その識別を可能にする固有フォノンモード、を有する。
【００１２】
ある記録媒体において準備し得る検出可能な光学的性質として、レーザビームによる（例えば、米国特許出願第５，５２７，６６１号における等の）屈折率、反射率、又は吸光率を挙げ得る。これらによって情報は記録される。
【００１３】
光メモリの形成に使用される該材料物質は、例えば、日本特許出願第５４−３７２５号におけるように、テルル（Ｔｅ）／テルル酸化物（ＴｅＯ２）、又は、パラジウム（Ｐｄ），ゲルマニウム（Ｇｅ），アンチモン（Ｓｂ）及びテルル（Ｔｅ）、を基材にしている。又、シリコン主組成の光ナノ結晶メモリは、こうした光メモリの実装の可能性を提供する。ナノ結晶とは、ナノメータ単位で測定される寸法を有する結晶性物質、を意味する。即ち、ナノ結晶は、大部分が結晶性構造を有するナノ粒子である。
【００１４】
米国特許出願第２００６／００７５４１８号において、酸化剤成分を添加して金属と選択的に合金化した炭素ナノ結晶、が開示されている。該炭素ナノ結晶の配向方向に対してある偏光を有する照射ビームを用いて、情報格納領域が形成され、又情報が読み取られる。
【００１５】
ナノ結晶シリコンは、特別の構造的、電子的、及び光学的性質を有する。即ち、ナノ結晶シリコンは、近紫外範囲の光を吸収し、該ナノサイズと表面化学の双方によって決定される色を有する可視光を再放射する。ナノ結晶シリコンは、光メモリの形成に使用される他の材料物質と比較して、広範囲の励起スペクトルを有する。これらの特徴因子は、ナノ結晶シリコンをナノテクノロジーの主要な応用の強力な候補とするものである。
【００１６】
水素添加されたシリコンナノ結晶に酸素が吸収された場合には、そのオプトエレクトロニクス的性質に変化が生ずる。例えば、ＳｉＯ２マトリックスは、Ｓｉナノ結晶の物理的性質に影響を与える。この影響は、例えば、影響された該Ｓｉナノ結晶の強力な光ルミネセンス応答を説明するものである。
【００１７】
ＳｉＯ２マトリックス基板に埋設されたシリコンナノ結晶は、例えば以下の文献で報告されている、シリコンテクノロジーの範囲内で形成されて略１．６  ｅＶの光学利得を示すオプトエレクトロニクス的材料物質、を代表するものである：Ｌ．Ｐａｖｅｓｉ，Ｌ．Ｄａｌｎｅｇｒｏ，Ｃ．Ｍａｚｚｏｌｅｎｉ，Ｇ．Ｆｒａｎｚｏ，ａｎｄ  Ｆ．Ｐｒｉｏｌｏ，Ｎａｔｕｒｅ（Ｌｏｎｄｏｎ）４０８，４４０（２０００），Ｌ．Ｋｈｒｉａｃｈｔｃｈｅｖ，Ｍ．Ｒａｓａｎｅｎ，Ｓ．Ｎｏｖｉｋｏｖ，ａｎｄ  Ｊ．Ｓｉｎｋｋｏｎｅｎ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７９，１２４９（２００１），ａｎｄ  Ｊ．Ｒｕａｎ，Ｐ．Ｍ．Ｆａｕｃｅｔ，Ｌ．Ｄａｌｎｅｇｒｏ，Ｍ．Ｃａｚｚａｎｅｌｌｉ，ａｎｄ  Ｌ．Ｐａｖｅｓｉ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８３，５４７９（２００３）。
【００１８】
Ｓｉ極薄膜層とＳｉＯ２極薄膜層の堆積を繰り返す方式により、調整可能な性質を有するＳｉ／ＳｉＯ２超格子を形成し得る。更に、熱アニーリングにより、シリコンの結晶化が促進される。以下の文献が参照され得る：Ｚ．Ｈ．Ｌｕ，Ｄ．Ｊ．Ｌｏｃｋｗｏｏｄ，ａｎｄ  Ｊ．Ｍ．Ｂａｒｉｂｅａｕ，Ｎａｔｕｒｅ（Ｌｏｎｄｏｎ）３７８，２５８（１９９５），Ｍ．Ｚａｃｈａｒｉａｓ，Ｊ．Ｂｌａｓｉｎｇ，Ｐ．Ｖｅｉｔ，Ｌ．Ｔｓｙｂｅｓｋｏｖ，Ｋ．Ｈｉｒｓｃｈｍａｎ，ａｎｄ  Ｐ．Ｍ．Ｆａｕｃｈｅｔ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７４，２６４１（１９９９），ａｎｄ  Ｌ．Ｋｈｒｉａｃｈｔｃｈｅｖ，Ｏ．Ｋｉｌｐｅｌａ，Ｓ．Ｋａｒｉｒｉｎｎｅ，Ｊ．Ｋｅｒａｎｅｎ，ａｎｄ  Ｔ．Ｌｅｐｉｓｔｏ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７８，３２３（２００１）。
【００１９】
パルスレーザアニーリングにより、アモルファス相から多結晶シリコンを形成し得る。更に、十分推察されるように、シリコン結晶化はシリコン融解を介して発生する。例えば、以下の文献を参照せよ：Ｍ．Ｏ．Ｔｈｏｍｐｓｏｎ，Ｇ．Ｊ．Ｇａｌｖｉｎ，Ｊ．Ｗ．Ｍａｙｅｒ，Ｐ．Ｓ．Ｐｅｅｃｙ，Ｊ．Ｍ．Ｐｏａｔｅ，Ｄ．Ｃ．Ｊａｃｏｂｓｏｎ，Ａ．Ｇ．Ｃｕｌｌｉｓ，ａｎｄ  Ｎ．Ｇ．Ｃｈｅｗ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．５２，２３６０（１９８４）。
【００２０】
基板上の試料の場合と対比して自立型膜材料物質は、連続波レーザの照射により効率的に加熱され得る。その結果、異なる現象が発生する。以下の文献を参照せよ：Ｈ．Ｋｏｙａｍａ  ａｎｄ  Ｐ．Ｍ．Ｆａｕｃｈｅｔ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．８７，１７８８（２０００），Ｌ．Ｋｈｒｉａｃｈｔｃｈｅｖ，Ｍ．Ｒａｓａｎｅｎ，ａｎｄ  Ｓ．Ｎｏｖｉｋｏｖ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８６，１４１９１１（２００５）。
【００２１】
一つの関連現象は、材料物質の光ルミネセンスの変化である。幾つかの既知のシリコン主組成のメモリ装置は、ナノ結晶を様々な方式で「充電する」ことにより光ルミネセンス（ＰＬ）強度をモニターしてそれを光学的に読み取る。該光ルミネセンス（ＰＬ）強度はこの場合、該メモリ装置に埋設された該ナノ結晶の平均充電状態に応じて変動するので、測定し得るわけである。この変動は、該充電されたナノ結晶における光ルミネセンスを抑制することにより実現される。更なる詳細に関しては、以下の論文を参照せよ：“Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ  ｍｅｍｏｒｙ”ｉｎ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ｂｙ  Ｒ．Ｊ．Ｗａｌｔｅｒｓ  ｅｔ  ａｌ。
【００２２】
既知の光ストレージは大部分、一次元情報又は二次元情報を格納するものである。新規の報告によると、光互変性材料物質を用いた三次元アプローチの実装が報告されている。該光互変性材料物質とは、レーザによって励起された場合に色が変化する材料物質である。
【００２３】
光メモリの更なる開発において引き続き必要とされる要件は、減衰時間を増大させることにより記録情報の安定性を増大させることと、よりコストパフォーマンスの良い記録媒体と正確な読み取り技術を見い出すこと、である。
【発明の開示】
【００２４】
本発明は、情報ビットを担うメモリ素子が構成されるマトリックス基板に埋設されたナノ結晶、から形成される光メモリ、に関する。光照射により該ナノ結晶に変化を誘導して、これらの変化により該光メモリにおける該情報ビットを表現、構成する。これらの変化は、該ナノ結晶の振動モードの変化である。（これらの変化に起因する）一個以上のシフトされたフォノンバンドの結果、これらの変化は分光学的手段により光学的に読み取り可能である。
【００２５】
このような光メモリを形成する為の本発明の方法は、以下のように遂行される。即ち、一個以上のフォノンバンドをシフトさせる為に、マトリックス基板に埋設されたナノ結晶の振動モードを、光照射により変化させる。これらの振動モードの変化は、光メモリにおける情報ビットを表現、構成する。（該一個以上のシフトされたフォノンバンドの結果、）これらの振動モードの変化は、分光学的手段により光学的に読み取り可能である。
【００２６】
実施次元では、これらの変化はレーザ照射により誘導され、読み取りはラマン分光法により遂行される。
【００２７】
光メモリは、ナノ結晶の融解点温度以上の温度で、（結晶化段階が後続する）反復レーザ処理により形成される。このようにして、エネルギー的にシフトされたフォノンバンドに基づく光メモリ、が生成される。該ナノ結晶のある領域は、レーザ光により更に照射されて更なる変化をする。異なるレーザ処理段階は、異なるスペクトル位置と異なる空間領域におけるフォノンバンドを生成する。異なるフォノンバンド位置はラマン分光法により読み取られ、電子的に読み取り可能な１と０に変換される。任意のスペクトル間隔における該ラマン強度は、該格納ナノ結晶の三次元位置の関数として（高温及び低温レーザ処理の後に）測定されて、電子的に読み取り可能な１と０に変換される。あるレベルのレーザ出力でのレーザ処理はある型の変化（書き込み）を生成し、他のレベルのレーザ出力でのレーザ処理は他の型の変化（読み取り）を生成する。
【００２８】
諸々の利点を有する光メモリは、例えば、透明なＳｉＯ２マトリックス基板に埋設されたシリコン（Ｓｉ）ナノ結晶から形成される。しかしながら、ゲルマニウム酸化物マトリックス基板に埋設されたゲルマニウム（Ｇｅ）結晶等の、他のナノ結晶やマトリックス基板も使用し得る。該ＳｉＯ２マトリックス基板に埋設された所望寸法のシリコンナノ結晶は、既知のシリコンテクノロジーで形成され得る。本発明においては、透明マトリックス基板に埋設されたナノ結晶の圧縮応力の実装が課題である。実験においては、ＳｉＯ２マトリックス基板に埋設されたＳｉナノ結晶は、最初融解し、次にそれが液体相から結晶化する際に該圧縮応力が発生する。
【００２９】
該ナノ結晶は特別な性質を有しており、これは本発明においてはレーザ処理により操作されて、光学的に検出可能な変化が誘導される。該レーザ処理は、固体マトリックス基板に埋設されたナノ結晶を融解させる。レーザ処理の後、融解したナノ結晶の液体相からの結晶化が生じた時にナノ結晶は液体相の時よりも大なる体積を獲得して、ナノ結晶内に該圧縮応力が発生する。この現象は、ナノ結晶と埋設マトリックス基板の相異なる融解点温度に起因する。ナノ結晶の該圧縮応力は、例えばフォノンバンドを特徴的にシフトさせて、ナノ結晶の分光学的性質に影響を与える。
【００３０】
該フォノンバンドは、該応力によりシフトされる。従って、ナノ結晶の振動モードは変化して、ラマンバンドは応力が発生していない状態に比較してシフトされる。フォノンモードの変化の為に、振動モードの該変化はラマン分光法により読み取られ得る。該ラマン分光法は、Ｓｉ融解点温度より充分低い温度に対応するエネルギーのレーザ照射により遂行される。
【００３１】
該誘導された光学的に検出可能な変化が概念的に意味する所は、埋設されたＳｉ主組成の光ナノ結晶に該レーザ処理が言わば署名を残すことにより、該処理されたナノ結晶への書き込みを可能にする、ということである。従って、本発明は、光学手段により書き込まれ、消去され、読み取られ得る、非常に高密度且つ非常に高保有時間の光メモリ、の実装を可能にする。
【００３２】
該変化をラマン分光法により読み取る為にレーザ照射が使用される場合、その読み取り温度は充分低く、該融解点温度より約十倍低く取る。そうでなければ、情報が損傷される可能性があるからである。
【００３３】
該変化を除去（消去）したい場合には、該除去は該融解点温度以下の温度のレーザ処理により遂行される。しかしながら、同時にこの温度は、該応力が解放されるほど充分高く取る必要がある。すると、新規の情報（即ち、新規の変化）が該融解点温度以上の温度のレーザ処理により再度誘導され得て、引き続く結晶化により新規の応力が発生する。
【００３４】
本発明は、以下の理由により、理想的な光メモリを提供する。
１．シリコン（Ｓｉ）が、該諸々の材料物質の準備、形成に使用され得る。Ｓｉは、地球上で最も豊富に存在する元素の一つである。本発明においては、汚染物質を光メモリの形成に使用する必要は皆無である。
２．本発明において該材料物質に対して誘導される該変化の保有性は、現在までに提案された光メモリと比較して、まさしく卓越している。その室温での推定寿命は、我々の銀河系の寿命を凌駕する。数百度の環境においては、その推定寿命は百年である。
３．本発明における光メモリの該材料物質は、Ｓｉ主組成の電子部品に直接に組み込まれ得る。この特徴は、新規の適用と応用に道を開くものである。
４．該メモリ素子は、レーザビームの焦点領域によってのみ限定される、非常な小寸法であり得る。
５．該メモリ素子は、三次元形態に形成し得る。これは、情報密度を飛躍的に増大させるものである。
【００３５】
以下に、本発明の詳細で非限定的な説明を与える。本発明は、更に、実施例を介して説明される。
【００３６】
本発明は、一つ以上の光学的に読み取り可能な分光学的性質を有する光メモリ、に関する。
【００３７】
該光メモリは、（例えばＳｉＯ２マトリックス基板である）透明マトリックス基板に埋設された、（例えば）シリコン（Ｓｉ）のナノ結晶、から形成される。
【００３８】
該分光学的変化は、ナノスケールレベルでの応力を結果的に随伴するレーザ処理により該埋設ナノ結晶の応力を変化させることにより、フォノンバンドの位置を変化させる、ことから構成される。
【００３９】
ナノ結晶材料物質の融解点温度以上の温度の、例えば連続波Ａｒ＋レーザの照射により、自立型マトリックス基板に埋設されたナノ結晶は融解する。一方、基板支持されたナノ結晶材料物質は、パルスレーザの照射により融解する。
【００４０】
普通の状況では、ナノ結晶は固体マトリックス基板の内部においてある一定の応力を有する。該レーザ処理はナノ結晶の融解を促進して、この（融解）高温度で該応力が解放される。次に、（Ｓｉ）ナノ結晶が液体相から結晶化する時に、ナノ結晶の圧縮応力が出現する。この理由は、その液体相粒子と固体相粒子が異なる体積を有するからである。
【００４１】
Ｓｉ／ＳｉＯ２材料物質の場合には、Ｓｉ融解点温度以上の温度のレーザアニーリングにより、Ｓｉ包含物質は融解して、その近傍で応力が解放される。次に、融解物質の結晶化の後、その体積は約１０％増加して、圧縮応力が出現する。この圧縮応力は、体積ＶＳの球状Ｓｉ粒子の体積ＶＭのＳｉＯ２球内への埋設近似モデルで見積りを得て、次式が得られる：
【数１】
2008010053.tif 000003
ここで、ＫはＳｉの圧縮係数（約１００Ｇｐａ）、Ｇはシリカのせん断係数（２８Ｇｐａ）、を示す。測定は室温で遂行されるので、ＶＳとＶＭの値は、ＳｉとＳｉＯ２の異なる熱膨張係数（各々、約３×１０−６１／℃と０．５×１０−６１／℃）に補正されるべきである。全ての数値を集め、我々の見積りでは、２．３Ｇｐａの圧縮応力が得られた。これは、ラマンバンドを７ｃｍ−１だけ上にシフトするものである。該圧縮応力の見積りに関しては、以下の文献が参照され得る：Ｌ．Ｋｈｒｉａｃｈｔｃｈｅｖ，Ｏ．Ｋｉｌｐｅｌａ，Ｓ．Ｋａｒｉｒｉｎｎｅ，Ｊ．Ｋｅｒａｎｅｎ，ａｎｄ  Ｔ．Ｌｅｐｉｓｔｏ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７８，３２３（２００１），ａｎｄ  Ｖ．Ｄｏｍｎｉｃｈ  ａｎｄ  Ｙ．Ｇｏｇｏｔｓｉ，Ｒｅｖ．Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．３，１（２００２）。
【００４２】
該変化を消去する為には、Ｓｉ融解点温度以下の温度のレーザアニーリングが使用される（ただし、同時にこの温度は、該応力が解放されるほど充分高く取る必要がある）。すると、新規の変化がＳｉ融解点温度以上の温度のレーザアニーリングにより誘導され得て、引き続く再結晶化が生ずる。
【００４３】
該レーザ照射温度は、例えばＬ．Ｋｈｒｉａｃｈｔｃｈｅｖ，Ｍ．Ｒａｓａｎｅｎ，ａｎｄ  Ｓ．Ｎｏｖｉｋｏｖ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８６，１４１９１１（２００５）による既知の方法を用いて見積り得る。この方法では、次式の反ストークス／ストークス強度比を用いる：
【数２】
2008010053.tif 000004
ここで、ＥＲはフォノンエネルギー、Ｔは照射領域温度、を示す。該ＩＡＳ／ＩＳ比と該Ｓｉナノ結晶温度間のこの実験的相関式は、Ｍ．Ｂａｌｋａｎｓｋｉ，Ｒ．Ｆ．Ｗａｌｌｉｓ，ａｎｄ  Ｅ．Ｈａｒｏ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ２８，１９２８，（１９８３）に記載されている方式で検証し得る。
【００４４】
この方法は、レーザ照射においてその温度を抽出する為に使用され得る。一例が図２に提示されており、該レーザ照射温度はレーザ出力の一次関数である。レーザ誘導温度は極めて高く、４０μｍ径スポットを通過した約１００ｍＷのレーザ出力が、該Ｓｉナノ結晶の融解点温度（１６８５Ｋ）を与える。図２の挿入図に示されているように、高温レーザ照射が熱放射を与えて、この熱放射強度は温度の指数関数である。この事実は、Ｌ．Ｋｈｒｉａｃｈｔｃｈｅｖ，Ｍ．Ｒａｓａｎｅｎ，ａｎｄ  Ｓ．Ｎｏｖｉｋｏｖ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８６，１４１９１１（２００５）に記載されているような該レーザ高誘導温度を確認するものである。
【００４５】
これらの結果に基づき、図１に提示されているレーザ操作が説明し得る。
【００４６】
図１Ａは、シリコンのラマンスペクトルを示す。記載されているスペクトルは各々（下から上へ）、形成済みの自立型超格子、結晶シリコンウェハ、Ｓｉ融解点温度以上の温度の短時間レーザ加熱後の自立型超格子（ＨＴＡ１）、１０１０Ｋの４５分間レーザ加熱後の自立型超格子（ＬＴＡ１）、Ｓｉ融解点温度以下の温度の追加レーザアニーリング後の自立型超格子（ＬＴＡ２）、Ｓｉ融解点温度以上の温度の追加レーザアニーリング後の自立型超格子（ＨＴＡ２）、のスペクトルである。レーザ励起出力は５ｍＷであり、各ラマンバンドに僅かな効果しか与えない。
【００４７】
さて以下に、試験結果に基づく幾つかの実施例により、本発明を説明する。なお、本発明は、これらの実施例の詳細に限定されるものではない。
【実施例】
【００４８】
該Ｓｉ／ＳｉＯ２超格子が、分子ビーム堆積法を用いてＳｉウェハ上に堆積された。分子ビーム堆積法は薄膜堆積法の一つで、分子は気化されてからウェハ上に堆積される。２ｎｍ厚のＳｉ層とＳｉＯ２層の堆積が、５００回繰り返された。以下の文献を参照：Ｌ．Ｋｈｒｉａｃｈｔｃｈｅｖ，Ｓ．Ｎｏｖｉｋｏｖ，ａｎｄ  Ｊ．Ｌａｈｔｉｎｅｎ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．９２，５８５６（２００２）。該堆積過程は、透過電子顕微鏡を用いて事前に検証された。Ｓｉ／ＳｉＯ２超格子の形成に関しては、以下の文献が参照され得る：Ｌ．Ｋｈｒｉａｃｈｔｃｈｅｖ，Ｏ．Ｋｉｌｐｅｌａ，Ｓ．Ｋａｒｉｒｉｎｎｅ，Ｊ．Ｋｅｒａｎｅｎ，ａｎｄ  Ｔ．Ｌｅｐｉｓｔｏ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７８，３２３（２００１）。
【００４９】
形成された材料物質試料が、窒素環境中で１時間、１１００℃で熱アニーリングされた。二酸化シリコンパターンが、フォトリソグラフィを用いて試料背面に形成された。次に、該パターン間のＳｉ基板が化学エッチングされて、薄膜Ｓｉストライプにより支持された自立型薄膜物質領域が形成された。
【００５０】
Ａｒ＋レーザ（４８８ｎｍ，Ｏｍｎｉｃｈｒｏｍｅ  ５４３−ＡＰ）、単ステージ分光計（Ａｃｔｏｎ  ＳｐｅｃｔｒａＰｒｏ  ５００１，解像度３ｃｍ−１）、及びＣＣＤカメラ（Ａｎｄｏｒ  ＩｎｓｔａＳｐｅｃ  ＩＶ）を用いて，該ラマンスペクトルが記録された。レーザビームが、４０μｍ径スポットに集束された。レーザ処理以前に、形成済みの自立型超格子は、図１Ａの比較的狭いラマンバンド（最下図）で示されているように、ある程度量のＳｉナノ結晶を含んでいる。
【００５１】
先行技術である従来のフォノン閉じ込めモデル（例えば、Ｉ．Ｈ．Ｃａｍｐｂｅｌｌ  ａｎｄ  Ｐ．Ｍ．Ｆａｕｃｈｅｔ，Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｃｏｍｍｕｎ．５８，７３９（１９８６））では、ラマンスペクトルは４ｎｍ寸法のＳｉナノ結晶を示唆しており、得られたラマン強度は結晶シリコンからの信号と比較して低値である。この事実は、類似組成の熱アニーリングされた材料物質間においては典型的な事実である。
【００５２】
短時間で極高出力のレーザ照射（４０μｍ径スポットを通過した１００ｍＶ以上の高温アニーリング）の後（図１ＡのＨＴＡ１）、結晶ピークは急激に増大して、構造的な再組織化の発生を示している。ラマンバンドは、より高エネルギー側（５２５ｃｍ−１）にシフトしている。このエネルギーは、結晶シリコンの散乱エネルギー以上のエネルギーである。
【００５３】
より低出力のレーザ照射（４０乃至８０ｍＶの低温アニーリング）の後では（図１ＡのＬＴＡ１）、図１Ａに見られるように、ラマンバンドはより低エネルギー側にシフトして、実現された最小ラマンシフトは５１５ｃｍ−１である。
【００５４】
次の高温アニーリング（図１ＡのＨＴＡ２）は、５２５ｃｍ−１のラマンシフトを回復させている。
【００５５】
高温バンドの形成とその低エネルギー側へのシフトは、多数回繰り返し得る。対応するラマン強度は、図１Ｂに見られるように、事実上減衰を含まない。図１Ｂは、Ｓｉ融解点温度以上（ＨＴＡ）と以下（ＬＴＡ）の温度の様々なレーザアニーリング段階、の終了後のラマンバンド強度、を示す。
【００５６】
ラマン強度は、ＨＴＡとＬＴＡの終了後に、ラマンバンドの位置の関数として測定された。記録されたグラフは被照射スポットと照射レーザビームとの畳み込みの結果であることを考慮すると、レーザアニーリングの観測された構造的効果は、レーザビームの中心部分に完全に局所化される。
【００５７】
５１８ｃｍ−１のラマン散乱は、応力が存在しない約５ｎｍ径のＳｉナノ結晶に対応する（Ｉ．Ｈ．Ｃａｍｐｂｅｌｌ  ａｎｄ  Ｐ．Ｍ．Ｆａｕｃｈｅｔ，Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｃｏｍｍｕｎ．５８，７３９（１９８６））。その結果、５２５ｃｍ−１のラマンバンドは、該見積られた圧縮応力に対応する。該ラマンバンドは更に、応力分布により幅が拡大される。堆積済みのＳｉ層よりも大なる寸法のＳｉナノ結晶の形成は、類似試料の急速熱アニーリングにより観測されたＳｉＯ２層の結合に基づく。以下の文献を参照せよ：Ｌ．Ｋｈｒｉａｃｈｔｃｈｅｖ，Ｏ．Ｋｉｌｐｅｌａ，Ｓ．Ｋａｒｉｒｉｎｎｅ，Ｊ．Ｋｅｒａｎｅｎ，ａｎｄ  Ｔ．Ｌｅｐｉｓｔｏ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７８，３２３（２００１）。
【００５８】
Ｓｉナノ結晶での該圧縮応力の出現は、図２に見られるように、温度スケールにおいて該Ｓｉ融解と非常に良く相関している。この事実は、ＳｉＯ２マトリックス基板に埋設されたＳｉナノ結晶の該レーザ融解と観測された圧縮応力の該起源、に関する該諸々の結論を支持するものである。
【００５９】
Ｓｉ融解点温度以下のレーザアニーリング温度（ＬＴＡ）は、ラマンバンドを低エネルギー側の約５１６ｃｍ−１にシフトさせる。ＬＴＡで形成されたＳｉナノ結晶粒子は、室温で、ＳｉとＳｉＯ２の異なる熱膨張係数に起因する引っ張り応力を有するであろう。上記の方程式に基づく見積りでは、室温で０．５Ｇｐａまでの引っ張り応力が得られる。この引っ張り応力は、ラマンバンドを応力が存在しない位置から低エネルギー側に約２ＳｉＯ２だけシフトさせる。図１に見られるように、ＨＴＡとＬＴＡ間の見積られた応力差は２．８Ｇｐａである。得られたこの見積り値は、何よりもまず、ＳｉＯ２マトリックス基板に埋設された該Ｓｉナノ結晶の複雑な形態に対する単純化の所産である。以下の文献が参照され得る：Ｍ．Ｚａｃｈａｒｉａｓ，Ｊ．Ｂｌａｓｉｎｇ，Ｐ．Ｖｅｉｔ，Ｌ．Ｔｓｙｂｅｓｋｏｖ，Ｋ．Ｈｉｒｓｃｈｍａｎ，ａｎｄ  Ｐ．Ｍ．Ｆａｕｃｈｅｔ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７４，２６４１（１９９９），Ｇ．Ｆ．Ｇｒｏｍ，Ｄ．Ｊ．Ｌｏｃｋｗｏｏｄ，Ｊ．Ｐ．ＭｃＣａｆｆｒｅｙ，Ｈ．Ｊ．Ｌａｂｂｅ，Ｐ．Ｍ．Ｆａｕｃｈｅｔ，Ｂ．Ｗｈｉｔｅ，Ｊ．Ｄｉｅｎｅｒ，Ｄ．Ｋｏｖａｌｅｖ，Ｆ．Ｋｏｃｈ，ａｎｄ  Ｌ．Ｔｓｙｂｅｓｋｏｖ，Ｎａｔｕｒｅ（Ｌｏｎｄｏｎ）４０７，３５８（２０００），ａｎｄ  Ｌ．Ｋｈｒｉａｃｈｔｃｈｅｖ，Ｏ．Ｋｉｌｐｅｌａ，Ｓ．Ｋａｒｉｒｉｎｎｅ，Ｊ．Ｋｅｒａｎｅｎ，ａｎｄ  Ｔ．Ｌｅｐｉｓｔｏ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７８，３２３（２００１）。
【００６０】
上記の単純化にもかかわらず、実験との一致は驚くほど良好である。いずれにせよ、該ラマンスペクトルは、該３Ｇｐａ範囲におけるＳｉナノ結晶応力に対するレーザ操作、を示すものである。
【００６１】
図３Ａは、Ｓｉナノ結晶応力の温度誘導緩和を示す、７９０Ｋと１０１０Ｋにおけるレーザアニーリング時間の関数としてのラマンシフト、を示す。応力スケールが、マークされている。温度は、該反ストークス／ストークス強度比から得られた。横方向の点線は、Ｓｉナノ結晶のラマンシフトを示す。提示されているラマンシフトは、５ｍＶのレーザ出力で測定されたものである。図３Ａでは、応力緩和過程が、該レーザ誘導された二つの温度に対して提示されている。応力の解放は非常に温度依存性が高い現象で、７００Ｋ以下では事実上検出不能になる。我々は、１Ｇｐａの緩和に要する時間により応力減衰を特徴づけた。該１Ｇｐａの緩和は、５２５ｃｍ−１から５２２ｃｍ−１に至るバンド堆積の変化に対応する。
【００６２】
ＳｉＯ２マトリックス基板に埋設されたＧｅナノ結晶の圧縮応力緩和のメカニズムが、研究された。２．６ｅＶの励起エネルギーの応力印加された粒子から離脱したマトリックス基板原子の拡散フラックスが、該応力緩和メカニズムであるとして示唆された。以下の文献を参照：Ｉ．Ｄ．Ｓｈａｒｐ，Ｄ．Ｏ．Ｙｉ，Ｑ．Ｘｕ，Ｃ．Ｙ．Ｌｉａｏ，Ｊ．Ｗ．Ｂｅｅｍａｎ，Ｚ．Ｌｉｌｉｅｎｔａｌ−Ｗｅｂｅｒ，Ｋ．Ｍ．Ｙｕ，Ｄ．Ｎ．Ｚａｋｈａｒｏｖ，Ｊ．Ｗ．Ａｇｅｒ，Ｄ．Ｃ．Ｃｈｒｚａｎ，ａｎｄ  Ｅ．Ｅ．Ｈａｌｌｅｒ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８６，０６３１０７（２００５）。シリカに埋設されたＳｉナノ結晶に対しては、該励起エネルギーの値（１．６ｅＶ）は小さい。これは、我々のケースにより大なる初期応力と局所形態の相違をもたらす、異なる試料形成の為であり得る。
【００６３】
該レーザ制御された応力は、光学的手段によるデータの書き込み、消去、及び読み取り、即ち光メモリの実装、を可能にする。これらの諸操作は、マイクロラマンマッピングで提供される。該マイクロラマンマッピングは、三次元でサブミクロンの解像度を有する充分に発達した技術である。
【００６４】
例えば、データを読み取りながら、応力が生じたＳｉナノ結晶から５２５ｃｍ−１のラマン強度のマッピングが遂行可能である。潜在的に可能なデータ密度は、本明細書の後半で提示された実施例におけるよりも遥かに高い。実際、サブミクロン寸法でのシリコン融解が実証され（Ｓ．Ｋｏｕｔｅｖａ−Ａｒｇｕｉｒｏｖａ，Ｔ．Ａｒｇｕｉｒｏｖ，Ｄ．Ｗｏｌｆｆｒａｍｍ，ａｎｄ  Ｊ．Ｒｅｉｆ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．９４，４９４６（２００３））、レーザ誘導熱がナノスケール領域に伝送された（Ｂ．ＭｃＣａｒｔｈｙ，Ｙ．Ｚｈａｏ，Ｒ．Ｇｒｏｖｅｒ，ａｎｄ  Ｄ．Ｓａｒｉｄ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８６，１１１９１４（２００５））。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
Ｓｉナノ結晶の現実的見地からして無限の格納保有時間は、重要である。図３Ｂは、Ｓｉナノ結晶の固有応力減衰時間を、温度の逆数の関数として示すものである。図３Ｂは、該格納保有時間を１／Ｔの関数として示す。該関数の勾配は、（１．６±０．２）ｅＶの励起エネルギーを示唆している。該応力寿命は、５００Ｋ以下の温度に対しては現実的見地からして無限と見なし得る。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】Ａは、本発明において使用される異なる材料物質のラマンスペクトルを示す。Ｂは、Ｓｉ融解点温度の上下温度での様々なレーザアニーリング段階後の、ラマンバンド強度を示す。
【図２】レーザ出力に対する典型的な温度依存性を示す。
【図３】Ａは、Ｓｉナノ結晶応力の温度誘導緩和を示す、レーザアニーリング時間の関数としてのラマンシフト、を示す。Ｂは、固有応力減衰時間を温度の逆数の関数として示す。
【符号の説明】
【００６７】
ＨＴＡ１  Ｓｉ融解点温度以上の温度の短時間レーザ加熱
ＬＴＡ１  Ｓｉ融解点温度以下（１０１０Ｋ）の４５分間レーザ加熱
ＬＴＡ２  Ｓｉ融解点温度以下の温度の追加レーザアニーリング
ＨＴＡ２  Ｓｉ融解点温度以上の温度の追加レーザアニーリング
【図１】
2008010053.tif 000005
【図２】
2008010053.tif 000006
【図３】
2008010053.tif 000007
【外国語明細書】
2008010053000001.pdf