(57)【要約】【目的】溝幅，溝深さが原子レベルで制御された超微細チャンネル構造をもち、高機能素子として有用な酸化物薄膜を提供する。【構成】ステップ高さ，テラス幅が原子レベルで制御された単結晶酸化物基板の表面に酸化物薄膜をエピタキシャル成長させた後、４００〜１５５０℃の高温雰囲気で酸化物薄膜をアニールする。アニール時の物質拡散で、基板表面を倣って溝幅，溝深さが原子レベルで制御された超微細チャンネル構造が酸化物薄膜に作り込まれる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステップ高さ，テラス幅が原子レベルで制御された単結晶酸化物基板の表面に酸化物薄膜又は窒化物薄膜をエピタキシャル成長させた後、４００〜１５５０℃の高温雰囲気で酸化物薄膜又は窒化物薄膜をアニールし、単結晶酸化物基板のステップに対応する溝が酸化物薄膜又は窒化物薄膜に形成されるようにステップ近傍の酸化物薄膜又は窒化物薄膜を優先的に蒸発，物質拡散させることを特徴とする超微細チャンネル構造の作製方法。
【請求項２】
気相成長法，レーザＭＢＥ法，スパッタリング法，ＣＶＤ法，ゾル−ゲル法，ＭＢＥ法の何れかで酸化物薄膜又は窒化物薄膜をエピタキシャル成長させる請求項１記載の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、感度や効率が極めて高い半導体素子，発光素子，センサ，触媒，化学反応集積マイクロチップ媒体，ＤＮＡデバイス担持体，マイクロ燃料電池用素子としての使用が期待される超微細チャンネル構造を単結晶酸化物基体上に作り込む方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種機能を呈する薄膜が積層されるサファイア単結晶等の絶縁基板は、機能薄膜に対する良好な接合状態を得るため所定の結晶面を表面に露出させた後で鏡面状態に研磨される。特定結晶面は、単結晶基板をダイヤモンドカッター等で切断する際に切断角度の調整によって基板表面に露出する。切断後の基板は、ダイヤモンド研磨粉を用いて研磨した後、コロイダルシリカ等を含む用液中で化学エッチングされる。機械研磨，化学研磨された単結晶基板は、表面粗さ１ｎｍ程度の極めて平滑な状態に鏡面仕上げされている。
【０００３】
通常の半導体素子を搭載する場合、従来の機械研磨，化学研磨で鏡面仕上げされたサファイア単結晶基板でも十分に必要とする接続が得られる。しかし、高機能化，高密度化が急速に進行している機能素子を対象にするとき、機械研磨，化学研磨により鏡面仕上げされた平滑面では満足できる接続が得られない場合がある。たとえば、ＧａＮ青色発光素子を搭載したサファイア単結晶基板では、素子／基板間の接続が発光出力に大きく影響し、接続界面に乱れがあると青色発光の出力効率が低下する。ＳＯＳ型（Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｏｎ−Ｓａｐｐｈｉｒｅ）では、シリコン薄膜／基板の界面に乱れがあると満足できる特性が得られない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
高機能化，高密度化に伴う欠陥発生は、単結晶基板の表面にある不規則な凹凸や異種結晶面の露出等に由来している。具体的には、機械研磨，化学研磨で鏡面仕上げされたサファイア単結晶基板は、表面粗さ１ｎｍ程度に平滑化されているものの、凹凸分布に規則性がない。原子レベルでの観察結果は、所定結晶面以外の結晶方位をもつ異種結晶面が凹凸の斜面等に露出していることを示している。
【０００５】
不規則な凹凸のある表面上にシリコン等の薄膜を成長させると、多数の凹凸部で結晶成長が生じ、成長初期段階で数多くの島状結晶の成長が促進される。島状結晶は、成膜の進行に応じて相互に連結しながら成長し、結果として島状結晶の間に粒界，刃状転位，ラセン転位等の結晶欠陥が生成しやすくなる（Ｊ．  Ｃ．  Ｂｅａｎ，  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．，  ３６（１９８０）  ｐ．７４１−７４３）。結晶欠陥は、基板表面に形成される薄膜の特性に悪影響を及ぼす。
表面に露出した異種結晶面は、当該結晶面上に成長する薄膜に設計したエピタキシャル成長以外の成長方位を与える。異種結晶面は凹凸部の斜面に現れやすく，島状結晶の成長と相俟って異種結晶粒を界面等に生成させる原因となる。その結果、完全な単結晶薄膜が得られず、界面の乱れに起因して機能素子の特性が劣化する。
【０００６】
本発明者は、サファイア単結晶表面にある原子の再配列が熱処理条件に応じて結晶面ごとに異なることを見出し、従来の機械研磨，化学研磨による鏡面仕上げに代わる熱処理による表面平滑化を紹介した（特許第３０１５２６１号明細書）。紹介した方法では、結晶面に応じて加熱温度，加熱時間を選択することにより特定結晶面を優先的に再配列させ、サファイア単結晶基板の原子ステップ高さ，テラス幅を制御している。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、特許第３０１５２６１号明細書で紹介した方法を更に発展させたものであり、原子ステップ高さ，テラス幅が制御されたサファイア単結晶基板の表面構造を活用して機能薄膜をエピタキシャル成長させることにより、溝幅，溝深さが原子レベルで規制された超微細チャンネル構造を得ることを目的とする。
【０００８】
本発明の作製方法は、その目的を達成するため、ステップ高さ，テラス幅が原子レベルで制御された単結晶酸化物基板の表面に酸化物薄膜又は窒化物薄膜をエピタキシャル成長させた後、４００〜１５５０℃の高温雰囲気で酸化物薄膜又は窒化物薄膜をアニールし、単結晶酸化物基板のステップに対応する溝が酸化物薄膜又は窒化物薄膜に形成されるようにステップ近傍の酸化物薄膜又は窒化物薄膜を優先的に蒸発，物質拡散させることを特徴とする。
酸化物薄膜又は窒化物薄膜のエピタキシャル成長には、気相成長法，レーザＭＢＥ法，スパッタリング法，ＣＶＤ法，ゾル−ゲル法，ＭＢＥ法等を採用できる。
【０００９】
【作用及び実施の形態】
本発明では、ステップ高さ，テラス幅が原子レベルで制御された平滑表面をもつ単結晶酸化物基板を対象にしている。原子ステップ高さ，テラス幅は、基板の面方位に応じて選択された加熱温度，加熱時間で基板をアニールする特許第３０１５２６１号明細書の方法に限らず、フッ酸，硫酸，リン酸等を用いた湿式エッチングや印加電位を掃引する電解エッチングによっても制御できる。単結晶酸化物基板も、サファイア単結晶に限らず、ＴｉＯ２（ルチル），ＹＳＺ（イットリア安定型ジルコニア），ＳｒＴｉＯ３，ＬａＡｌＯ３等を使用できる。
原子ステップ高さ、テラス幅が制御された単結晶酸化物基板の表面に酸化物薄膜又は窒化物薄膜をエピタキシャル成長させると、原子レベルのテラス，ステップに沿って結晶核が形成され、基板の単結晶性が反映されたエピタキシャル成長が進行する。
【００１０】
酸化物薄膜にはＮｉＯ，ＹＳＺ，ＴｉＯ２，ＩＴＯ，ＺｎＯ，ＳｎＯ２，ＣｕＯ等、窒化物薄膜にはＧａＮ，ＡｌＮ，ＩｎＮ等があり、何れも気相成長法，レーザＭＢＥ法，スパッタリング法，ＣＶＤ法，ゾル−ゲル法，ＭＢＥ法等により単結晶酸化物基板の上でエピタキシャル成長させることができる。気相成長法でエピタキシャル成長させる場合、１．３３×１０−６〜１．３３×１０１Ｐａの酸素又は窒素雰囲気下、常温〜１０００℃に保持した単結晶酸化物基板上に１００〜１０００ｎｍ／時の成膜速度で酸化物又は窒化物を蒸着させる。
【００１１】
次いで、酸化物薄膜又は窒化物薄膜をエピタキシャル成長させた単結晶酸化物基板を真空，不活性ガス，酸化雰囲気等の制御雰囲気下におき、４００〜１５５０℃の温度域で１０分以上加熱すると、原子レベルのステップ付近で結晶原子配列の乱れ欠陥が増加し、優先的な蒸発，物質拡散が局部的に生じる。その結果、ステップをなぞったナノスケールの溝が形成される。ステップ近傍での局部的な蒸発，物質拡散を促進させる上で、熱処理条件が４００〜１５５０℃×１０分以上に定められる。
【００１２】
局部的な蒸発，物質拡散で形成されたナノスケールの溝により、各テラスの上にある酸化物薄膜又は窒化物薄膜が相互に分離され、超微細チャンネル構造が現れる。エピタキシャル薄膜の膜厚に比例した深さのナノスケールの溝が形成されるため、エピタキシャル薄膜の膜厚によってナノスケールの溝の深さ制御が可能である。また、ステップ形状を倣った溝となるため直線状，蛇行状等、ナノスケールの溝を種々の形状に整形できる。更に、溝の面内密度は，原子ステップの密度に比例することから結晶面のオフ角によって制御できる。
作製された超微細チャンネル構造は、ナノスケールの溝を流路に使用するケミカルチップ，凹凸表面を活用するセンサー，触媒，吸着剤等に使用される。
【００１３】
【実施例１】
表面を清浄化したサファイア単結晶基板の（０００１）面を空気中で１２００℃に１０時間加熱した後、空冷する熱処理を施した。熱処理されたサファイア単結晶基板の（０００１）面を大気中でＡＦＭ観察した結果、不規則な凹凸が検出されず、幅約８０ｎｍと比較的広い面積のテラス，高さ約０．２ｎｍの原子ステップ高さをもつ原子が１層づつ積み重なった極めて平坦な表面状態であった。
【００１４】
次いで、１．３３×１０−３Ｐａの酸素雰囲気下、出力１Ｊ／ｃｍ２のＫｒＦエキシマレーザ（波長：２４８ｎｍ，パルス幅：約２０ｎｓ）を用いたレーザＭＢＥ法で室温のサファイア（０００１）基板上に成膜速度１００ｎｍ／時で膜厚２５ｎｍのＮｉＯ薄膜を室温でエピタキシャル成長させた。
エピタキシャル成長の初期段階では基板のステップ形状が残っていたが、厚くなるに従ってエピタキシャル薄膜の膜面が基板のステップ，テラスを倣った凹凸面になった。ラフネスが約１ｎｍ程度の凹凸のレベルであり、全体としては平坦度の高い膜面であった。
【００１５】
次いで、ＮｉＯ薄膜を堆積させたサファイア単結晶基板を大気雰囲気下７００℃で３時間アニールした。アニールされたＮｉＯ薄膜は、図１のＡＦＭ観察結果にみられるように、基板のステップ，テラスを反映して幅２０ｎｍ，深さ約１ｎｍの溝が約８０ｎｍ間隔で平行に配列していた。断面プロフィルも、膜厚変動が最大でも１．０ｎｍの範囲に収まっていた（図２）。
酸化物薄膜の超微細チャンネル構造が基板の原子ステップ高さ，テラス幅を反映していることは、素子／基板間の接続が良好であることを意味する。チャンネルは、基板の原子ステップの間隔に良く一致した間隔で、チャンネル方向も基板の原子ステップに一致していた。
【００１６】
【実施例２】
実施例１と同じ条件下で用意したサファイア（０００１）基板を用い、ＫｒＦエキシマレーザ（波長：２４８ｎｍ，パルス幅：約２０ｎｓ）でＹＳＺ（Ｙ２Ｏ３を８．０モル％含有するＺｒＯ２）ターゲットを照射し、対向位置に配置されたサファイア（０００１）基板上に膜厚約２９ｎｍのＹＳＺ薄膜を７００℃でエピタキシャル成長させた。成膜直後のＹＳＺ薄膜の状態は、径３０ｎｍのナノ粒子が面内に並んだ平坦な膜面を呈し、約１ｎｍのラフネスであった。
次いで、ＹＳＺ薄膜を堆積させたサファイア単結晶基板を大気雰囲気下１１００℃で３時間アニールした。アニールされたＹＳＺ薄膜は、図３のＡＦＭ観察結果にみられるように、基板のステップ，テラスを反映した周期的な溝をもつ超微細チャンネル構造をもち、膜厚変動も最大２．５ｎｍと極僅かであった（図４）。
【００１７】
【発明の効果】
以上に説明したように、原子レベルでステップ幅，テラス幅が制御された単結晶酸化物基板の平滑表面で酸化物薄膜をエピタキシャル成長させ、アニールすることにより、基板表面を倣って幅，深さが原子レベルで制御された溝をもつ超微細チャンネル構造が酸化物薄膜に作り込まれる。作製された酸化物薄膜は、素子／基板間の接続が極めて良好なことと相俟って、超微細化の要求が過酷な半導体素子，光学素子，超高感度センサ，超効率触媒，ＤＮＡデバイス，マイクロチップ媒体，燃料電池用等、広範な分野における超高機能素子として使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１で作製したＮｉＯ薄膜のＡＦＭ像
【図２】同ＮｉＯ薄膜の断面プロフィル
【図３】実施例２で作製したＹＳＺ薄膜のＡＦＭ像
【図４】同ＹＳＺ薄膜の断面プロフィル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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