(57)【要約】【課題】非常に小さい幾何学的特徴をもつナノ構造のデバイスを製作することができる改善された方法を提供すること。【解決手段】予め決められた形状をもつ一又はそれより多い電気的に帯電された部位を、半導体基板の表面又は半導体基板の不動態化表面である第一の表面上に形成する工程であって、その際、前記一又はそれより多い部位に対応する前記第一の表面の部分と固体材料の道具(9)とを、前記道具と前記第一の表面との間で電荷を移動させるように接触させる工程；  第二の材料の粒子(7)を、前記一又はそれより多い電気的に帯電された部位の近くに流れるようにし、該電気的に帯電された部位の極性に対する該電荷の極性により、該粒子(7)を前記一又はそれより多い電気的に帯電された部位にひきつけるか又は反発させることによって、該粒子(7)を上記形成工程において提供された電気的に帯電された部位に一致させて第一の表面上に堆積させる工程；及び  該堆積させた粒子を使用して、ナノメートルサイズのフィラメント若しくは粒子の鎖(148)、カーボンナノチューブのアレイ若しくはフィラメント(158)、又は半導体性材料若しくは磁性材料のフィラメント若しくはナノロッド(168)をつくる工程、を含む方法によって、半導体基板の表面又は半導体基板の不動態化表面上にナノ構造を形成する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の表面又は半導体基板の不動態化表面上にナノ構造を形成するための方法であって、
予め決められた形状をもつ一又はそれより多い電気的に帯電された部位を、半導体基板の表面又は半導体基板の不動態化表面である第一の表面上に形成する工程であって、その際、前記一又はそれより多い部位に対応する前記第一の表面の部分と固体材料の道具(9)とを、前記道具と前記第一の表面との間で電荷を移動させるように接触させる工程；
第二の材料の粒子(7)を、前記一又はそれより多い電気的に帯電された部位の近くに流れるようにし、該電気的に帯電された部位の極性に対する該電荷の極性により、該粒子(7)を前記一又はそれより多い電気的に帯電された部位にひきつけるか又は反発させることによって、該粒子(7)を上記形成工程において提供された電気的に帯電された部位に一致させて第一の表面上に堆積させる工程；及び
該堆積させた粒子を使用して、ナノメートルサイズのフィラメント若しくは粒子の鎖(148)、カーボンナノチューブのアレイ若しくはフィラメント(158)、又は半導体性材料若しくは磁性材料のフィラメント若しくはナノロッド(168)をつくる工程、
を含む前記方法。
【請求項２】
粒子がナノメートルの寸法である、請求項１記載の方法。
【請求項３】
第二の材料が第一の表面の材料とは異なる、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
一又はそれより多い電気的に帯電された部位が、第一の符号の電荷で帯電され、粒子が第二の符号の電荷で帯電され、該第二の符号が該第一の符号をもつ電荷と逆である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
一又はそれより多い電気的に帯電された部位が、第一の符号の電荷で帯電され、粒子が第二の符号の電荷で帯電され、該第二の符号が該第一の符号と同じである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
粒子各々が一又はそれより多い電荷を帯びる、請求項４又は５に記載の方法。
【請求項７】
電界が、第一の表面に向かう粒子の流れを強くするように、前記第一の表面に向かう方
向に提供される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
電界が、粒子を第一の表面上に堆積させるのに有効である、粒子の電荷分極を誘導する、請求項７記載の方法。
【請求項９】
粒子が、第一の表面上で、一又はそれより多い電気的に帯電された部位により決められた領域に、構造をつくるために堆積される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
粒子が一又はそれより多い電気的に帯電された部位上に堆積される、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
粒子が、表面上で、一又はそれより多い電気的に帯電された部位以外の領域に堆積される、請求項９記載の方法。
【請求項１２】
粒子が電気的に中性であり、且つ、それら粒子が、一又はそれより多い電気的に帯電された部位(176)に対して、電荷を吸収し電気的に帯電された状態で第一の表面から跳ね返
る(178)ように計画された、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
道具が、輪郭が描かれた（contoured）表面を有するスタンプを含み、該スタンプが、
第一の表面と接触し、且つ第一の材料の第一の表面の部分と適合する模様を有する、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
道具が、第一の表面に対して加圧され所望の経路で該第一の表面を横切って一又はそれより多い電気的に帯電された部位を規定する、細長い物体を含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
道具が走査型プローブ顕微鏡のチップである、請求項１記載の方法。
【請求項１６】
第一の表面が、有意な水又は他の導電性夾雑物を含まないように調製された、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
粒子がエアロゾルとして流れるように調整された、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
粒子が液体中の懸濁物として流れるように調整された、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
第二の材料が金属であり、且つ、粒子が第一の表面上に堆積され、続いて該第一の表面がアニールされる、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
方法の第二の段階において、それら工程が、予め決められた異なる形状又はサイズの一又はそれより多い電気的に帯電された異なる部位(128)に関して繰り返される、請求項１〜１９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２１】
堆積させた粒子(7)をシードとして用いる化学蒸着法によってカーボンナノチューブのアレイ若しくはフィラメント(158) をつくる、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２２】
堆積させた粒子(7)をシードとして用いる化学蒸着法によって半導体性材料若しくは磁性体性材料のフィラメント若しくはナノロッド(168) をつくる、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２３】
粒子を第一の表面上に充分な時間堆積させて、第一の表面から上方に立ち上がる第二の材料のフィラメント(148)又はナノチューブ(158)又はナノロッド(168)をつくることを含む、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２４】
道具と第一の表面との間に電圧バイアスを提供することを含む、請求項１〜２３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２５】
半導体基板の表面又は半導体基板の不動態化表面上にナノ構造を形成するための方法であって、
（ａ）予め決められた形状をもつ一又はそれより多い電気的に帯電された部位(5)を、
半導体基板の表面又は半導体基板の不動態化表面である第一の材料の表面上に形成する工程であって、その際、前記一又はそれより多い部位に対応する前記表面の部分と道具(9)
とを、前記道具と前記表面との間で電荷を移動させるように接触させる工程；
（ｂ）前記一又はそれより多い電気的に帯電された部位上に、自己アセンブルされた点(192)をエピタキシャル法により形成する工程；
（ｃ）該自己アセンブルされた点上に中間層(194)を成長させる工程；及び
前記工程（ｂ）及び（ｃ）を所望の回数繰り返す工程
を含む方法。
【請求項２６】
粒子を基板を覆っている絶縁性層上に堆積させ、該粒子を絶縁性層中に組み込み、次いで該層を選択的にエッチングして、フラッシュメモリ構造物用の電極を形成することにより、フラッシュメモリ構造物をつくる、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２７】
請求項２６記載の方法により形成される、フラッシュメモリ構造物。
【請求項２８】
少なくとも一つの材料を、請求項１〜２５のいずれか１項に記載のように、第一の表面の一又はそれより多い電気的に帯電された部位上に堆積させることにより形成される、ナノメートルスケールの電子デバイス又は光電子デバイス。
【請求項２９】
請求項１〜２５のいずれか１項に記載の方法に従って、材料を第一の表面の一又はそれより多い電気的に帯電された部位上に堆積させることにより形成された、改質されたトライボロジー特性を有する表面。
【請求項３０】
請求項１〜２５のいずれか１項に記載の方法に従って、材料を第一の表面の一又はそれより多い電気的に帯電された部位上に堆積させることにより形成された、改質された光学的特性を有する表面。
【請求項３１】
半導体基板の表面又は半導体基板の不動態化表面上にナノ構造を形成するための装置であって、
半導体基板の表面又は半導体基板の不動態化表面である固体の第一の材料の表面(1)上の予め決められた形状の一又はそれより多い部分(5)を、道具及び前記表面の間で電荷を移動させ、それにより、前記表面上に一又はそれより多い電気的に帯電された部位を形成するために、接触させるように構成された固体材料の部分を有する道具(9)と、
第二の材料の粒子(7)を前記一又はそれより多い電気的に帯電された部位の近くに流すようにし、該電気的に帯電された部位の極性に対する該電荷の極性により、該粒子(7)を前記一又はそれより多い電気的に帯電された部位にひきつけるか又は反発させるように構成され、更に、該堆積させた粒子(7)を使用して、ナノメートルサイズのフィラメント若しくは粒子の鎖(148)、カーボンナノチューブのアレイ若しくはフィラメント(158)、又は半導体性材料若しくは磁性材料のフィラメント若しくはナノロッド(168)をつくるように構成された系(20，22)とを含み、
該道具が、該第一の材料の表面を接触させるための、輪郭が描かれた表面を有するスタンプを含み、予め決められた形状の前記一又はそれより多い部分と適合する模様を有し、
該第一の材料が、半導体材料又は半導体材料上の不動態層である、前記装置。
【請求項３２】
粒子をナノメートル寸法を有するように生成させるエアロゾル装置(F1-DMA2)が含まれ
る、請求項３１記載の装置。
【請求項３３】
エアロゾル装置が、粒子を電気的に帯電させるように調整されている、請求項３２記載の装置。
【請求項３４】
電界を、表面に向かう粒子の流れを強くするように、前記表面に向かう方向に生成させるように構成された装置(26)が含まれる、請求項３１〜３３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項３５】
不動態層が、酸化物の表面である、請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小さい寸法をもつ構造、例えば、広くナノ構造として知られるナノメートルの寸法をもつ構造を形成する方法に関し、また微粒子、とりわけナノメートル寸法の粒子と材料表面の相互作用に関係する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、小規模の光デバイス又は電子デバイスは、フォトリソグラフィー加工技術を用いて製作されてきた。サイズが小さくなるにつれ、これまでより短い波長の放射線を使用してフォトレジストを照射する必要があるため、これらのデバイスの幾何学的特徴を充分な解像度で形成するのは難しくなる。
金型を基板上の薄い熱可塑性ポリマーフィルムへプレスして最小サイズ25nmでビアとトレンチをつくる方法が、“Imprint of sub-25nm vias and trenches in
polymers”, Chu et al, Applied Physics Letters 67(21), 20 November 1995, pages 3114-3116に開示されている。
ナノメートルサイズの金属粒子及び半導体粒子(ナノ粒子)は、光デバイス又は量子電子デバイス用の潜在的な構成要素と考えることができる。このようなデバイスを製作するには、ナノ粒子を基板上に堆積させるだけでなく配置することも必要となる。粒子やクラスタをビルディングブロックとして用いてナノメートル規模の構造をつくる多くの異なるやり方が存在し、例えば、毛管力を利用して懸濁液から堆積させて、結晶様構造の粒子の二次元及び三次元配列を与えるやり方がある。
【０００３】
金属クラスタのナノメートル規模の鎖は、200nmより良好な分解能で製作されてきた。それらは、銅を堆積する間に基板とフォトレジストの線との境界に核形成する−“Microfabrication of nanoscale cluster chains on a patterned Si
surface”, Liu et al, Applied Physics Letters, 5 Oct 1995, p 2030-2032。
“An arrangement of micrometer-sized powder particles by electron beam
drawing”, Fudouzi et al, Advanced Powder Technol., 1997, vol.8, no.3, pp251-262には、20μmスケールの帯電された線を絶縁性表面に描くことができることが報告されている。懸濁液中の荷電シリカ球(5μm径)をそのような荷電線の方に制御して向けることができると示されている。
【０００４】
荷電表面に関する話題については、“Electrostatic writing and imaging using a force microscope”Saurenbach, IEEE Transactions on Industry Applications, Volume 28 No.1, 1992年1月, page 256に、タングステン製顕微鏡チップを備える静電気力顕微鏡を使用し、マイクロメートル寸法の“電荷スポット”を生成させるため、小電圧量でポリカーボネート表面に接触するよう調整してその表面に電荷を移動させることが開示されている。
“Charge storage on thin Sr Tr O3 film by contact electrification”Uchihashi et al, Japanese Journal of Applied Physics, Volume 33(1994), pages 5573-5576には、原子力顕微鏡を用いた接触電化による薄膜上への電荷蓄積が開示されている。約60nm隔てた電荷点を弁別することができている。その方法は不揮発性半導体メモリ用に意図されている。
【発明の開示】
【０００５】
発明の要旨
本発明の目的は、非常に小さい幾何学的特徴をもつデバイスを製作することができる改善された方法を提供することである。
本発明の概念は、好ましくは、金属製の道具を制御された方法で絶縁性基板上に接触させることにより、電荷をナノメートル寸法ほどの非常に小さい面積で表面上に誘導することである。次に本発明において第二の工程として、以下に説明するように、エアロゾル又は液相のナノメートル寸法粒子は、基板上に堆積するかさもなければ基板と相互作用するために、基板上の電荷部位により影響を受ける。
【０００６】
第一の側面においては、本発明は、所定の形状の一又はそれより多い電気的にされた部位を、電荷を移動させるための道具手段と接触させることにより、第一の物質の表面上に形成し、第二の物質の粒子を提供し、それらの粒子を前記部位の近くに流して所定の方法で前記部位の電荷と相互作用させる工程を含む。
第二の側面においては、本発明は、第一の物質の表面上で、電荷をそこに移動させるため、所定の形状の一又はそれより多い部位を接触させる道具手段と、第二の物質の粒子を前記部位の近くに流して所定の方法で前記部位と相互作用させる手段とを含む方法を実施する装置を提供する。
【０００７】
更なる側面においては、本発明は、所定の形状の一又はそれより多い電気的に帯電された部位を物質の表面上に形成し、ナノメートル寸法の粒子を提供し、そしてそれらの粒子を前記部位の近くに流して所定の方法で前記部位と相互作用させる工程を含む方法を提供する。
本発明の目的のためには、「ナノメートルの寸法の粒子」とは、300ナノメートル又はそれ未満の直径をもつ粒子を意味するものとする。殆どの用途について好ましくは、粒径は50ナノメートル又はそれ未満であり、例えば光電子工学等の一部の用途について更に好ましくは、粒径は10ナノメートル又はそれ未満である。
【０００８】
道具手段は、ミリメートルの大きい寸法若しくはナノメートルの小さい寸法の外形表面を有するプレスか又はスタンプであればよく、プレス又はスタンプは基板の表面と接触するように配列され、基板上に堆積される電荷の所望なパターン又は配置に合わせて配置される。プレス又はスタンプは、剛性材料、又は例えば金属コートされたゴム材料等の弾性材料からなることができる。
スタンプを使用することの有意な利点は、所定の形状の電気的に帯電された部位が複雑に配置し広い面積にわたって広がっても単一の操作で形成することができるということである。従って、本発明の方法は、電子ビーム描線又は電子ビーム描画等の他の方法よりもはるかに迅速に行うことができる。
【０００９】
また、道具は、針、竿の形態又は他の細長い物体を採用することができ、所望の経路で表面を横切って描画して所望のパターンの電荷をつくる。道具は走査型プローブ顕微鏡のチップであってもよい。道具は通常金属製であるが、第一の物質の作用機能に関連して、電荷を第一の材料の表面へ流れるようにする作用機能を有するいずれか他の適する剛性材料からなることができる。第一の材料は一般には絶縁性材料であるが、半導体材料又は、適用された電荷を本発明の方法を実現するのに充分に長い時間保持するいずれかの材料であってもよい。
【００１０】
局部的に帯電された部位に加えて、第二の材料を堆積させるには、静電沈降場を適用することにより補助してもよい。
好ましくは、第二の材料の粒子は第一のものとは逆符号の第二の電荷を有する。また、第二材料の粒子は第一の電荷と同符号であってもよく、堆積される第二材料のパターンは、一又はそれより多い電気的に帯電された部位からの斥力によって決まる。
粒子を帯電させる必要性はある場合には緩和され得る−粒子は電場において分極されることがあり、電場の勾配により、静電的に帯電された物体に向かって引っ張られる。
【００１１】
別の適用においては、電気的に中性なナノメートル粒子を、表面に対してそれぞれ向けて、各々が一又はそれより多い電荷キャリヤを吸収させ、基板から電気的に帯電された状態で跳ね返るようにすることができる。
接触帯電法と同様、局部的に帯電させた部位をつくるため他のメカニズムを使用してもよく、そのようなメカニズムには、例えばマスクを用いたシンクロトロン光等の光量子での照射により、電荷パターンを誘導することや、レーザー干渉法により極性のある半導体表面上に電荷パターンを誘導することが含まれる。
第二の材料の粒子は、いずれかの適する方法により形成すればよい。粒子をエアロゾルで生成する好ましい方法は以下に説明する。また、レーザーアブレーション等の他の方法を使用してもよい。
本発明の好ましい態様を、単に例示に過ぎないが、現時点で図面を参照しながら説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
好ましい態様の説明
ここで図１を参照すると、シリコンウェーハ３が酸化されて二酸化ケイ素層１が生成され、負の電荷をもつ局在部位５が表面上に刻印される。エアロゾルユニットとして形成されたナノ粒子７は、正の電荷で刻印され、局部電界Ｆの助けによってシリカ表面層の局部的に帯電された部位５にひきつけられる。
【００１３】
局部電荷を表面に適用する一つの方法を図２ａ〜２ｃに説明する。ナノ印刷用スタンプ９は導電性材料(又は金属コートされた絶縁体)から製造され、絶縁性表面１と接触させる。スタンプ９は、その接触表面上に予め決められた配置で形成された突出部11を有する。これらの突出部の幅は、ナノメートルから肉眼で見えるミリメートルまでの寸法であることができ、好ましくは電子ビームリソグラフィーにより製作される。突出部の高さは、部位の定義にとっては本質的ではない。接触後、基板の表面１上には、スタンプ突出部の寸法と構造を正確に反映して、局在した帯電部位が残る。
【００１４】
この方法の基礎は、電荷が絶縁体と接触する金属との界面を横切るということである。金属を取り外した後、電荷は絶縁体上に保持される。移動した電荷の符号と量は、絶縁性基板の仕事関数又はフリーエネルギーに関して、金属の仕事関数又はフリーエネルギーにおおよそ一次で依存する。電荷量は、金属と絶縁体との間に電位差を与えることにより大きくすることができる。この好ましい態様の方法では、平方マイクロメートル当たり105又はそれより少ない電荷が移動すると見積もられる。
【００１５】
基板はこの時点でその表面１上に電荷パターンを有し、図３に示すような、エアロゾルナノ粒子発生器用の堆積チャンバー又は沈殿器中に置かれる。発生器により、制御された電荷、即ち正又は負いずれか一方をもつ粒子が生成される。エアロゾル粒子が基板表面上の電荷と逆の極性をもつ場合には、粒子は基板が帯電されている場所(図１)に優先的に堆積するが、表面の電荷パターンと同じ極性をもつ粒子はパターンから反発して、局部的に帯電された部位同士の間のスペースに堆積される。電場を適用しない場合には、電荷が逆の状況である粒子は基板が帯電している場所に堆積するが、表面の電荷パターンと同じ極性をもつ粒子は堆積しない。
【００１６】
次いで、更なる処理工程に着手して、粒子を永久に表面に固定する。
図３を見ると、電気的に接地したチャンバー20が示され、その上壁にはエアロゾルの形態の粒子７を受け入れるための入口22を備えている。チャンバーの電極24は、電極とチャンバー壁との間に電界を発生させるため電位源26に接続されている。電極24は絶縁チューブ28上に取り付けられている。電気的に帯電されたサンプル１を電極24の表面上に載せる。サンプルは開口部22から数センチメートルの距離である。
使用する際には、粒子23は開口部22を通ってチャンバーに入り、サンプル１に向かって流れる。図１に示すように、サンプル上の電荷は、堆積させるため粒子を引きつけるのに充分であればよい。しかし、示すように、堆積させるのに電極24とチャンバー20の壁との間に存在する電界の助けを得ることができる。
【００１７】
この場合には、粒子の堆積は、(a)異なる極性をもつ粒子を帯電した部位へ引きつけることにより、そして(b)粒子を帯電した部位から偏向させることにより実現することができる。第一の場合には、粒子は帯電した部位に堆積するが、それらの部位の間の領域にも低密度でランダムに堆積する。これは、場の間の距離、適用される巨視的な電界の強度、粒子サイズ及びガス流における粒子速度に依存する。第二の場合には、粒子は帯電した部位の間に堆積するだけである。
また、この態様は、エアロゾル粒子の代わりに液相からのコロイド状粒子を使用できるように改変して、粒子を電荷パターンにより引きつけることもできる。
【００１８】
巨視的な電界に依存しないで粒子を表面近くにもってくる他の方法、例えば慣性による衝突又は熱泳動を使用してもよい。
電荷パターンの創出を絶縁性表面について簡単に示すことができるが、かかる方法は、絶縁性表面と比べて電荷量は小さく電荷持続時間は短いが、半導体表面及び金属表面についても使用することができる。
【００１９】
更なる特徴としては、基板自体又は活性表面層は、非常に薄く、ほんの数ナノメートル、例えば50nmであることができる。これにより、一方の面において電荷パターンの創出が促進され、基板の他方の面上に粒子が堆積する。このように、図２に示すスタンプ装置を図３に示す堆積チャンバーへと組み込むことが可能となり、その結果、サンプルをチャンバー内の適切な場所に保持し、スタンプ装置をサンプルの下側にもってきて電荷のパターンを付与することができる(電極の上面がスタンプを形成してもよい)。次いで、この電荷はサンプルの上面上へ流れるエアロゾル粒子を引きつける役割を果たす。この基板の厚さは、単に基板材料の誘電率、表面に蓄積される電荷の数及び粒子の電気移動度(electric mobility)により制限され、電気移動性自体は、粒子サイズ、粒子上の電荷の数及び粒子を懸濁する媒体の関数である。従って、薄いホイルを基板材料として使用することができる。
【００２０】
図３に示すような装置中で基板表面上に堆積させる電気的に帯電した粒子を発生させるために、この態様においては図４の装置を使用する。これは、エアロゾルを1680cm3/minの体積流量で生成させることができるエアロゾル発生器であり、粒子発生のために粒子濃度をおよそ5×105cm-3とした。図４において、炉F1は昇華により金属粒子を発生させる。電気充電器C1はエアロゾル粒子を帯電させる炉の後に配置する。サイズ選択は示差移動度分析器DMA1で行われる。DMA装置は、一価で帯電された粒子の電気移動度は粒子サイズの単調増加関数であるという事実を活用している。垂直電界において電気的に帯電された粒子の流れを送ると、場は粒子を一方のコンデンサ・プレートへ引きつける。高い電気移動度をもつ粒子はプレートの最も近い部分に沈殿し、低い移動度をもつ粒子は主要なフラッシュ流れに沿って運ばれる。適当な移動度、従って適当な粒子サイズをもつ粒子だけがサンプリングスリット設備へ引きつけられ、そこではスリットを通って流れるガス流れにより粒子が吹き出される。DMAは、数パーセントの標準偏差の範囲内で厳密に制御された寸法をもつ粒子を生成させることができる。これらの粒子は更なる炉F2へ導かれ、そこで後続の組成物の粒子を生成させるため水素化物ガスと混合される。これらの粒子は後続のDMA2において厳密な寸法制御を受ける。所定の粒径について、直径±0.2の直径分布が達成される。粒子の直径は小さく5nmほどであるか、ちょうど分子サイズであることができる。これらの粒子は、図３に示す堆積チャンバーへ導かれる。電位計E1とポンプPuを接続して、粒子濃度を測定し、粒子を堆積チャンバー又は沈殿器中に流すためチャンバー中にガス流れをつくる。
【００２１】
キャリヤガスは周囲圧力、室温での超高純度窒素である。発生過程のために、粒子は一の正か又は一の負いずれかの電荷を帯びる。堆積のためには、エアロゾルが図３に示す装置中を流れる。基板を覆って淀み点流れ(stagnation point flow)が発生した。電界により、帯電した粒子はそれらが堆積する基板表面に向かって導かれる。この場が無いと、粒子はキャリヤガスの流線をたどり、堆積は起こらない。酸化物厚さが500nmで平坦な表面をもつ熱湿潤酸化ケイ素(thermal wet oxidised silicon)(111)を基板として使用した。ケイ素はp+を抵抗率0.01〜0.02Ω-cmでドープされた。窒素で吹かして粗粒子を取り除くこと以外には、特別な洗浄法は行わなかった。
【００２２】
スタンプを使用する代わりとして、圧力を適用することなく基板上を滑るステンレス鋼製の針で、針と基板はどちらも接地して、基板表面の接触帯電を行ってもよい。
サンプル評価のために、走査型電子顕微鏡(SEM)を使用して、基板表面上の粒子配列を得た。
図５は、負に帯電した30nmのインジウム粒子を、静電沈降器の均質な電界において150kV/mの電界強度で堆積させた後の均質な粒子分布を示している。粒子は巨視的電界により表面へ引きつけられる。それらの巨視的な分布はサンプル領域全体にわたって均質である。正に帯電した粒子の負の場における堆積についても、同じ性質が得られる。
【００２３】
図６に示すように、基板が予め負の表面電荷の線でパターン化されており、負に帯電した粒子を基板上に150kV/mで堆積する場合、粒子がない帯域が均質な粒子分布の中に現れる。図６は走査型電子顕微鏡像であり、これらの帯域がおよそ10μmの幅であることを示している。それら帯域の境界にはおよそ300nm幅の狭い遷移部位 (挿入図に示す)があり、遷移部位では粒子密度がゼロから残りの基板でみられる平均密度まで増加する。堆積後に観察される粒子フリー帯域のパターンは、ステンレス製針で適用したパターンと一致した。このことは、基板と針の間の接触領域が負に帯電したことを示している。
【００２４】
正に帯電した粒子を負に帯電した基板上に〜150kV/mの均質な電界で堆積させる場合には、粒子は、図７に示すように200μmの粒子フリー帯域82の中心にあるにおよそ10μmのライン80に堆積する。このライン80内の粒子密度は、残りのサンプル上の平均密度に比べておよそ5〜10の因数だけ高い。また、異なる領域の境界は非常に鮮明である。それらラインは、鋼製の針が基板を横切る場所に位置していた。部位84においては、ライン80から離れており、静電的沈殿による堆積が起こった。
【００２５】
マイクロエレクトロニクス部品の製作に関して、基板の一定の領域を金等の単一の材料で選択的に覆い、残りはなにもせずそのままにしておくのが望ましい場合が多い。このことは、静電的沈殿器の電場により基板が制御されずに被覆されてしまうのを防ぐことが好ましいことを意味する。静電的沈殿器を止めて、すなわち電解を適用しないで、正に帯電した粒子を帯電した基板上に堆積すると、基板上の電荷の量は粒子をガス流れから引きつけるのに充分であるという驚くべき結果に至る。このことは、堆積が非常に選択的となり、帯電されるサンプルのうち一部だけが粒子で覆われるということを意味する。およそ10μmのライン幅を達成することができる。同じ方法を負に帯電した粒子で実施すると、粒子は全く堆積しなかった。
【００２６】
基板を周囲条件下で取り扱う場合、表面を主に水からなる汚染層を有する。接触電化の間に、電荷は酸化ケイ素表面並びに汚染層中に閉じこめられる。後者は移動性であり、汚染層内を移動することができる。このことは、電荷パターンを表面上に広げることにつながる。この汚染層無しの表面を使用すると、帯電した部位と帯電していない部位との境界が改良されて鮮明となる。従って好ましくは、水分のない雰囲気中で基板を加熱する等の処置や手段を施して、水汚染帯域の形成を取り除くか又は防ぐ。
【００２７】
一の具体的な態様においては、1μmの酸化物層をもつケイ素をコンパクト・ディスク(CD)マスターにプレスした。CDマスターはCDのくぼみとなる場所に対応する突出部をもつ金属板である。これらの突出部は1μmスケールである。エアロゾル粒子堆積後の結果を走査型電気顕微鏡像に示す(図８ａ〜ｃ)。これは、粒子は接触電化したスポット上に集まるということを示している。図８ａは、局部的に帯電した部位の無い均一な堆積についての事例である。図８ｂは、図８ａと同じスケールで、CDマスターでプレスすることにより局部的に帯電した部位上の堆積を示している。図８ｃは、図８ｂを縮小したスケールの図である。
【００２８】
本発明の具体的な態様に従えば、図９に示すように、金属製の針を絶縁性(SiO2)層に対してゆっくりスライドさせることによりラインが生成される。このことは、沈殿器において外部電界を適用するしないに関わらず、正又は負に帯電した粒子を回収することができるということを示している。50nm未満の分解能を達成することができる。
【００２９】
電気的に帯電させてキャリヤガス中に分散させることができる物質で、表面をナノメートルの分解能で覆うことができる。構成単位のサイズ範囲は、数百ナノメートルから個々の分子までの範囲である。この方法の柔軟性により、構造物をミリメートルのサイズ範囲(例えば、センサー)から100nm又は更に小さいサイズ範囲(例えば、量子デバイス)の分解能でつくることが可能となる。これにより、巨視的な世界とナノスケール世界との間を一の処理工程で結ぶことができる。異なる粒子密度の粒子鎖を互いに近接して配列することができるという別の結果を観察することができる。
【００３０】
エレクトロニクスナノ構造を製作するためには、帯電処理により基板表面が破壊されず、また汚染されないことが望ましい。例えば、充分に硬い材料をより柔らかい表面にプレスする等、適切な材料の組合せを選択するのであれば、接触圧力が充分に低いことを条件に、表面は永久変形することなく塑性変形する。傷を与えずに接触させると、ちょうど電荷パーターンをつくるのに充分であり何の力も適用されないので、硬質材料により基板を損傷することはない。実際に、例えば、掻き傷等の表面欠陥をつくると、接触帯電の効果が台無しになる。柔らかい材料、即ち表面とバルク原子の間の結合が強くない場合には、材料を接触後に表面上に残すことができる。
【００３１】
明瞭な構造を表面上に製作する方法の構造的な分解能についての制限は、主として、表面に蓄積される電荷の数、堆積される粒子の数及び粒子の電気移動度により与えられる。電気移動度は、粒子サイズ、粒子により運ばれる電荷の数及び粒子が懸濁される媒体の関数である。
本発明により、慣用的なフォトリソグラフィーの限界を回避する特定的な応用が見出される。回路が小さくなるにつれて、チップ上のデバイスに接続するために使用される(ビアと呼ばれる)金属配線層の数が増加し、その結果、チップ製造コストの大きな構成要素のうちの一つとなる。各々の金属層には独立したリソグラフィー工程が必要であり、その工程において、フォトレジストが適用され、照射され、現像され、続いて金属が蒸発され、最後に過剰な金属が除かれる。ここで、リソグラフィー工程無しで基底構造を損傷することなく、ナノメートル寸法のリードを製作することが可能となる。
【００３２】
異なる材料又は異なる材料サイズの逐次的な堆積であっても、第一の電荷パターンをつくり一方の種類の粒子を堆積し、続いて第二の電荷パターンをつくり別の粒子を堆積させることにより実行可能である。ここで、最初に堆積させた粒子について、アニール等の固定工程が必要である。
本発明は、また、化学センサー又は生物センサーに使用される非常に繊細なリソグラフィーの代替として利用することもできる。また、触媒構造物を製作するために使用することもできる。
【００３３】
応答時間ピコ秒未満の光学検出器が(非常に鈍い)電子ビームリソグラフィーとメタライゼーションにより製造されている。このように、交互嵌合した金属−半導体−金属接合が側部の金属−金属を50nmより小さい間隔をあけて形成される。本発明の方法では、ナノ粒子をベースとするオプトエレクトロニクス構成部品等のオプトエレクトロニクスデバイス全体を非常に効率よく製作することができる。これらのうち一部については、粒子を光の波長のスケールで調整することが非常に重要である。そのような構成部品の中には、量子ドットをベースとするレーザーダイオード及び発光ダイオードがある。
【００３４】
また、本方法は、フォトニックバンドギャップ材料に使用することもでき、光の波長のスケールで調整された配列におかれた粒子が光子のバンドギャップを示し、その結果、一部の波長は透過することができなくなる。これにより、光通信における用途がある。
また本発明により、干渉色性、抗反射性コーティングの製作における用途も見出され、ナノ構造の表面製作については、それにより、耐摩耗性等の独特なトライボロジー特性が示される。
更なる用途が、磁気記憶装置、フラッシュメモリデバイス、エレクトロルミネセンスディスプレイの製造において見出されるであろう。また、ナノチューブ及びナノホイスカーの成長を制御して播種することについて、本発明を適用することができる。
【００３５】
また、本方法により帯電された表面部位に向かう高い速度をもつ中性粒子により、表面から粒子への電荷移動がもたらされ、それにより、表面に分散した粒子は電荷を獲得することができる。
本発明により、ガス又は液体からの粒子の除去における用途も見出される。
ここで、図10を見ると、図は、本発明に従った方法によりつくられた封鎖デバイス(blockage device)であるクーロン(Coulomb)の例を示している。図10ａは、ナノ粒子間を跳んでいる電子に基づいて無線単一電子理論を形成するナノ粒子100の鎖を示している。図10ｂは、単一電子トランジスタ構造を示しており、中心のナノ粒子100、102は電極104、106により影響を受けている。
【００３６】
図11は、ナノメートルサイズの金属回路構造物を製作するのに適用される本発明に従った方法の概略図である。予め決められた形状112をもつスタンプ110(概念的に示す)を基板114にプレスして、対応するパターンの帯電した部位116をつくる。次いで、逆の電荷タイプの金属粒子118を基板上に堆積させて、パターン116へ付着する。アニール工程後、粒子が溶け込んで連続的な金属の特徴119を形成する。
ここで図12を見ると、図は、本発明に従って制御してナノ粒子を堆積させることによる、多種金属表面構造物の生成を示している。スタンプ120を基板122にプレスして、基板上に帯電部位124のパターンを形成し、その上に逆に帯電したナノ粒子125を堆積させる。次いで、粒子を基板上に適する方法により固定する。異なるスタンプパターンをもつ更なるスタンプ126を基板122にプレスして、第二のパターン128の帯電部位を生成する。これにより、異なるタイプのナノ粒子129が第二の帯電部位上に着陸することが可能となる。
【００３７】
図13を見ると、図は、本発明に従った方法による量子ドットレーザーの製作を示しており、寸法が20ナノメートル未満のメタライズした突出部をもつスタンプ130を基板134にプレスする。基板の材料は、この例ではレーザー構造物のn-型部分であるが、若しくは基板はレーザーのp-型部分を構成してもよい。メタライズされた突出部により、基板上に帯電部位又は帯電スポットがつくられ、粒子136を局在した電荷部位上に堆積させて、n-型レーザー・アクティブ量子ドット138のパターンをつくることが可能となる。粒子が139にてp-型基板と共にエピタキシャル過成長してレーザー構造物をつくった後、系は最後の処理への準備が整う。
【００３８】
図12及び13の手順は本質的に組み合わせてもよく、その際、p-又はn-型粒子を堆積させ、レーザー構造物の部分を形成させるという繰り返し操作を行うことができ、各々の操作で、異なる直径、従って、異なるレーザー特徴(例えば波長)をもつ粒子を使用できる。最後に、図13に示すようにエピタキシャル過成長を行う。
ここで図14を見ると、本発明に従った方法によるフォトニックバンドギャップ材料の製作について示されており、横方向の寸法が、問題になっている光の波長の４分の１のオーダー(例えば、約10マイクロメートル)である、メタライズした突出部142をもつスタンプ140を、基板144にプレスして類似したパターンの帯電部位をつくる。次いで、マイクロメートルの大きさの粒子146を基板上に堆積させて、局部的に帯電した部位の上に蓄積する。長期の堆積により、粒子は互いの頂部に上陸して、フィラメント148又は粒子の鎖をつくる。これにより、寸法が光の波長のオーダーである所望な格子構造でフィラメントがつくられ、それによってブラッグ反射により、伝達された光についてフォトニックバンドギャップがつくられる。
【００３９】
図15を見ると、本発明に従った方法によるナノチューブアレイの製作について示されており、横方向の寸法が20ナノメートル未満の突出部152をもつスタンプ150を基板154にプレスして、局部的に帯電した部位をつくる。逆の電荷タイプをもつナノメートルの大きさの粒子156を基板上に堆積させて、局部的に帯電した部位へ付着させる。ナノ粒子をシードとして用いて、化学蒸着法によりカーボンナノチューブ158のアレイ又はフィラメントを成長させることができる。このことは、フィールドエミッション用途に適用される。
【００４０】
図16を見ると、本発明に従ったナノロッドアレイの製作が示されており、横方向の寸法が20ナノメートル未満の突出部162をもつスタンプ160を、基板164にプレスして、局部的に帯電した部位をつくる。ナノメートルの大きさの粒子166を局部的に帯電した部位の上に堆積させ、これらの粒子をシードとして用いて、フィラメント又はナノロッド、例えば、半導体性材料又は磁性材料をつくり、それらを化学蒸着法により成長させる。
【００４１】
図17を見ると、エアロゾル粒子を電気的に帯電させる方法が示されている。横方向の寸法がセンチメートルオーダーのメタライズされた突出部172をもつスタンプ170を、基板174にプレスして、帯電部位176をつくる。中性のエアロゾル粒子を高速でその表面に向けると、粒子は基板を跳ね返って、それぞれの電荷単位を帯電部位176から奪いさる。別法として、基板を電気的に帯電しなくてもよい。エアロゾル粒子は、やはり、電荷を基板から衝突法により「抽出」する役割を果たす。
【００４２】
図18を見ると、排気ガス流れからすす粒子を取り除く方法が示されており、本方法では、絶縁性材料のシリンダー180を例えばエンジンの排気筒内に配置する。シリンダーは、筒180の中心にサポート184により取り付けられた回転式金属製ブラシ182を備えている。金属製ブラシには、内壁に接触している金属製フィラメント186が備えられており、回転すると、壁の内面に負の電荷を帯電させる。シリンダーは、酸化ケイ素、ガラス又はセラミック製であればよい。初期段階において、排気ガス中の粒子を、燃焼プロセスの結果として、又は充電器等の独立した手段により、正に帯電させる。次いで、これらの帯電した粒子をシリンダー壁に堆積させる。ブラシは粒子を壁から更なる処理のための排気チャンネル188へとふき取る働きをする。
【００４３】
ここで図19を見ると、本発明に従った方法により、量子ドットの二次元及び三次元アレイについてのエピタキシャル自己組織化ドットの因子を供給する方法が示されている。図19に示すように、局部的に帯電した部位190を本発明に従った方法によりつくる。エピタキシャル法を用いて、自己組織化ドット192を極的に帯電したドット上に形成させる。エピタキシャル法は、分子ビーム、化学ビーム若しくは金属有機物蒸気相エピタキシー、又はそれらのいずれかの組合せであってもよい。次いで、絶縁性層194を粒子192上に成長させ、この方法を繰り返して量子ドットの三次元アレイ196をつくる。
【００４４】
図19ｂにおいて、本方法は図19ａに示す方法と幾らか類似しており、類似した部分を同じ参照番号で示す。しかし、初めの工程において、ナノ粒子(例えば、タングステン)191を、電気的に帯電させたアレイ上に本発明に従った方法により堆積させる。エピタキシャル法を用いて、薄いバッファー層194を成長させて、それら粒子を覆う。次のエピタキシャル工程において、図19ａに説明するように、自己組織化したドット192を、埋め込まれた粒子の頂部に形成する。長時間エピタキシャル処理を行うと、量子ドットの三次元アレイ196がつくられる。
【００４５】
図20を見ると、フラッシュメモリ構造は、ソース電極及びドレイン電極202をもつ基板200を含む。ゲート構造204は導電性チャンネル206の上に重なっている。ゲート構造は、酸化物層208、エピタキシャル過成長212のナノ粒子210を含むナノ粒子層、そして更に酸化物層214を含み、最後に金属製ゲート電極216を備える。ナノ粒子210は電荷を蓄積することができるが、いずれかの適する材料であればよい。構造を形成する際には、酸化物層208を初めに基板の表面上に成長させてから、これまでのように、ナノ粒子をスタンプ法により適用する。エピタキシャル過成長工程と選択的エッチング工程を更に連続すると、図に示す構造がつくられる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】図１は、本発明の方法を説明する概略図である。
【図２】図２ａ〜ｃは、本発明に従って電荷を絶縁性表面の受容体部位に適用することを説明する連続図である。
【図３】図３は、本発明についての、エアロゾルナノ粒子発生器用の堆積チャンバー(沈降分離装置)の概略図である。
【図４】図４は、同じ出願人の同時係属PCT出願No.GB98/03429に説明されている、エアロゾルナノ粒子発生を説明する図である。
【図５】図５は、本発明に従って形成された、その上に粒上の堆積物を有する材料表面の走査型電子顕微鏡像である。
【図６】図６は、本発明に従って形成された、その上に粒上の堆積物を有する材料表面の走査型電子顕微鏡像である。
【図７】図７は、本発明に従って形成された、その上に粒上の堆積物を有する材料表面の走査型電子顕微鏡像である。
【図８】図８ａ〜ｃは、本発明に従って形成された、その上に粒上の堆積物を有する材料表面の走査型電子顕微鏡像である。
【図９】図９は、本発明に従って形成された、その上に粒上の堆積物を有する材料表面の走査型電子顕微鏡像である。
【図１０】図１０ａ〜ｂは、本発明の種々の態様を示す図である。
【図１１】図１１は、本発明の種々の態様を示す図である。
【図１２】図１２は、本発明の種々の態様を示す図である。
【図１３】図１３は、本発明の種々の態様を示す図である。
【図１４】図１４は、本発明の種々の態様を示す図である。
【図１５】図１５は、本発明の種々の態様を示す図である。
【図１６】図１６は、本発明の種々の態様を示す図である。
【図１７】図１７は、本発明の種々の態様を示す図である。
【図１８】図１８は、本発明の種々の態様を示す図である。
【図１９】図１９ａ〜ｂは、本発明の種々の態様を示す図である。
【図２０】図２０は、本発明の種々の態様を示す図である。
【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８】
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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５】
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【図６】
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【図７】
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【図９】
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