(57)【要約】【課題】フォトリソグラフィ技術よりも微細な触媒金属等のパターンを形成することができる基板の製造方法を提供する。【解決手段】鉄（Ｆｅ）よりなる素材基板１０に対して、回折格子を用いたエネルギービームの照射により所望のパターンに応じた熱分布を与え、素材基板１０の表面を溶融させる。そののち、エネルギービームの照射を止めて素材基板１０の表面を放熱させることにより、熱分布１１に応じた位置に突起１４のパターンを形成する。突起１４の周囲の凹部１５に埋込み層１６を形成し、突起１４の上面１４Ａおよび埋込み層１６の上面１６Ａを平坦化する。この突起１４の平坦化された上面１４Ａに露出した鉄を触媒としてカーボンナノチューブ等を形成することができる。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
素材基板の表面に対して所望のパターンに応じて変調された熱分布を与え、前記素材基板の表面を溶融させる溶融工程と、
前記素材基板の表面を放熱させることにより、前記熱分布に応じた位置に突起のパターンを形成する突起形成工程と、
前記突起の上面を平坦化する平坦化工程と
を含むことを特徴とする基板の製造方法。
【請求項２】
前記平坦化工程において、前記突起の周囲の凹部に埋込み層を形成し、前記埋込み層と共に前記突起を平坦化する
ことを特徴とする請求項１記載の基板の製造方法。
【請求項３】
前記平坦化工程を、化学機械研磨により行う
ことを特徴とする請求項１記載の基板の製造方法。
【請求項４】
前記熱分布を、エネルギービームの照射により与える
ことを特徴とする請求項１記載の基板の製造方法。
【請求項５】
前記熱分布を、前記エネルギービームを所望のパターンに応じて一次元方向または二次元方向に回折させることにより与える
ことを特徴とする請求項４記載の基板の製造方法。
【請求項６】
前記素材基板は、触媒機能を有する金属からなる
ことを特徴とする請求項１記載の基板の製造方法。
【請求項７】
前記素材基板は、誘電体材料または磁性体材料からなる
ことを特徴とする請求項１記載の基板の製造方法。
【請求項８】
前記素材基板は、バナジウム（Ｖ），マンガン（Ｍｎ），鉄（Ｆｅ），コバルト（Ｃｏ），ニッケル（Ｎｉ），モリブデン（Ｍｏ），タンタル（Ｔａ），タングステン（Ｗ），白金（Ｐｔ），イットリウム（Ｙ），ルテチウム（Ｌｕ），ホウ素（Ｂ），銅（Ｃｕ），リチウム（Ｌｉ），シリコン（Ｓｉ），クロム（Ｃｒ），亜鉛（Ｚｎ），パラジウム（Ｐｄ），銀（Ａｇ），ルテニウム（Ｒｕ），チタン（Ｔｉ），ランタン（Ｌａ），セリウム（Ｃｅ），プラセオジム（Ｐｒ），ネオジム（Ｎｄ），テルビウム（Ｔｂ），ジスプロシウム（Ｄｙ），ホルミウム（Ｈｏ）およびエルビウム（Ｅｒ）からなる群のうちの少なくとも１種、またはその化合物からなる
ことを特徴とする請求項１記載の基板の製造方法。
【請求項９】
前記埋込み層は半導体材料または絶縁体材料である
ことを特徴とする請求項２記載の基板の製造方法。
【請求項１０】
前記突起の平坦化された上面を被転写基板に転写する上面転写工程を更に含む
ことを特徴とする請求項１記載の基板の製造方法。
【請求項１１】
平坦化された上面を有する複数の突起と、
前記複数の突起の側面を覆うと共に前記複数の突起の上面を露出させる埋込み層と
を備えたことを特徴とする基板。
【請求項１２】
前記突起の間隔が１００ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項１１記載の基板。
【請求項１３】
前記突起の間隔が５０ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項１１記載の基板。
【請求項１４】
素材基板の表面に対して所望のパターンに応じて変調された熱分布を与え、前記素材基板の表面を溶融させた後、前記素材基板の表面を放熱させることにより、前記熱分布に応じた位置に突起のパターンを形成し、前記突起の上面を平坦化して作製された
ことを特徴とする基板。
【請求項１５】
前記突起の平坦化された上面を被転写基板に転写することにより形成された
ことを特徴とする請求項１４記載の基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面の所望の位置に金属触媒等のパターンを有し、カーボンナノチューブ等の製造に好適な基板の製造方法およびその方法により得られた基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のナノテクノロジーの進歩は著しく，なかでもカーボンナノチューブ等の分子構造体は、熱伝導性，電気伝導性，機械的強度などで優れた特性を持つ安定した材料であることから、トランジスタ，メモリ，電界電子放出素子（エミッタ）等の幅広い用途への応用が期待されている。このカーボンナノチューブの大量合成の手法の１つとして、例えば、鉄（Ｆｅ）などの遷移金属のパターンを形成し、その遷移金属パターンを触媒としてカーボンナノチューブを成長させる技術がある（例えば、非特許文献１参照。）。また、触媒から核を形成してアモルファス膜を結晶化させることによって、結晶粒径の位置を制御する技術が知られている（例えば、非特許文献２参照。）。
【０００３】
更に、シリコン（Ｓｉ）基板にニッケル（Ｎｉ）をコーティングすることによってニッケルの突起を有する原盤を作製し、この原盤を非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）基板に押し当ててニッケルを非晶質シリコン基板に転写する技術が知られている（例えば、非特許文献２参照。）。
【０００４】
ところで、基板上に、遷移金属を中心とする金属触媒を所定のパターンで形成する方法としては、半導体の大量生産の技術として用いられるフォトリソグラフィの手法を応用することが考えられる。半導体技術とともに成長してきたフォトリソグラフィは、現在では最小０．０５μｍ（５０ｎｍ）のサイズで構造体を二次元に構成することが可能である。その原理は、一枚のマスクパターンを作製し、このパターンをエネルギービームの助けにより転写することで大量の半導体デバイスの製造を可能とするものである。フォトリソグラフィにより触媒のパターンを形成するには、例えば、基板上にフォトレジストを塗布し、マスクパターンを通過するエネルギービームにより感光させた後、所定の領域のみレジストを除去して、レジストを除去した領域にのみ触媒などのパターンを形成するようにすることができる。
【０００５】
また、本発明に関連する他の技術として、半導体材料から不純物を除去するのに用いられる帯域溶融法（ゾーンメルティング）がある。これは、半導体に高周波加熱などによって幅の狭い溶融帯を作り、この溶融帯をゆっくり移動させることにより、溶融部分に不純物を集めるものである。
【０００６】
【非特許文献１】
日刊工業新聞，平成１４年４月１１日付記事，「ＣＮＴのフィールドエミッター４ボルト低電圧で電子放出」
【非特許文献２】
Ｋ．Ｍａｋｉｈａｒａ  ｅｔ  ａｌ，ＡＭ−ＬＣＤ，‘０２，ｐｐ２５
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のフォトリソグラフィの手法では、微細な加工をするためには、エネルギービームの波長を短くしなければならず、現在の技術ではこれ以上の短波長化は困難である。そのため、フォトリソグラフィにより遷移金属等のパターンを形成する場合には、遷移金属パターンの寸法は、エネルギービームの波長で定まり、現在の技術では０．０５μｍ（５０ｎｍ）以下にすることができず、また、パターンの間隔（ピッチ）は１００ｎｍ以下にすることができない。すなわち、従来の手法では、金属触媒等のより微細なパターンを形成するには限界があるという問題があった。
【０００８】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、より微細なパターンを所望の位置に精度よく形成することが可能な基板の製造方法を提供することにある。
【０００９】
本発明の第２の目的は、より微細なパターンを所定の位置に有し、カーボンナノチューブ等の分子構造体の製造に好適な基板を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による基板の製造方法は、素材基板の表面に対して所望のパターンに応じて変調された熱分布を与え、素材基板の表面を溶融させる溶融工程と、素材基板の表面を放熱させることにより、熱分布に応じた位置に突起のパターンを形成する突起形成工程と、突起の上面を平坦化する平坦化工程とを含むものである。
【００１１】
本発明による第１の基板は、平坦化された上面を有する複数の突起と、複数の突起の側面を覆うと共に前記複数の突起の上面を露出させる埋込み層とを備えた構成を有している。
【００１２】
本発明による第２の基板は、素材基板の表面に対して所望のパターンに応じて変調された熱分布を与え、素材基板の表面を溶融させた後、素材基板の表面を放熱させることにより、熱分布に応じた位置に突起のパターンを形成し、突起の上面を平坦化して作製されたものである。
【００１３】
ここで、「突起」とは、基板の表面から隆起し、その高さが１ｎｍ以上の場合をいい、点在する突起だけでなく、突条形状のものも含む。
【００１４】
本発明による基板の製造方法および本発明による第２の基板では、素材基板の表面に対して所望のパターンに応じて変調された熱分布が与えられ、素材基板の表面が溶融する。そののち、素材基板の表面を放熱させることにより、熱分布に応じた位置に突起のパターンが形成される。続いて、突起の上面が平坦化される。
【００１５】
本発明による第１の基板では、複数の突起が平坦化された上面を有するので、突起の上面の形状および面積のばらつきが小さく、高さが均一になっている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
〔第１の実施の形態〕
まず、図１ないし図３を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る基板の製造方法について説明する。本実施の形態は、表面の所定の位置に、触媒金属等の特定の材料からなり、上面が平坦化された突起のパターンを有する基板を形成するものであり、素材基板１０の表面に所望のパターンに応じて変調された熱分布１１を与え、素材基板１０の表面を溶融させる「溶融工程」と、素材基板１０の表面を放熱させることにより、熱分布１１に応じた位置に、すなわち所望のパターンで突起を形成する「突起形成工程」と、突起の表面を平坦化する「平坦化工程」とを含むものである。得られた基板は、例えばカーボンナノチューブの成長基板として利用される。
【００１８】
（溶融工程）
まず、図１を参照して溶融工程を説明する。素材基板１０は、本実施の形態では金属触媒としての鉄（Ｆｅ）により構成されている。素材基板１０は、厚さが例えば４０ｎｍであり、例えばシリコン（Ｓｉ）により構成された支持体１０Ａにより保持されている。なお、素材基板１０が十分な厚さを有している場合には、支持体１０Ａは不要である。
【００１９】
素材基板１０の材料は、例えばカーボンナノチューブを形成するための金属触媒としては、上述の鉄（Ｆｅ）の他、バナジウム（Ｖ），マンガン（Ｍｎ），コバルト（Ｃｏ），ニッケル（Ｎｉ），モリブデン（Ｍｏ），タンタル（Ｔａ），タングステン（Ｗ）または白金（Ｐｔ）が挙げられる。また、イットリウム（Ｙ），ルテチウム（Ｌｕ），ホウ素（Ｂ），銅（Ｃｕ），リチウム（Ｌｉ），シリコン（Ｓｉ），クロム（Ｃｒ），亜鉛（Ｚｎ），パラジウム（Ｐｄ），銀（Ａｇ），ルテニウム（Ｒｕ），チタン（Ｔｉ），ランタン（Ｌａ），セリウム（Ｃｅ），プラセオジム（Ｐｒ），ネオジム（Ｎｄ），テルビウム（Ｔｂ），ジスプロシウム（Ｄｙ），ホルミウム（Ｈｏ）またはエルビウム（Ｅｒ）を用いてもよい。なお、以上の物質は２種以上同時に使用してもよく、また、これら物質の２種以上からなる化合物を用いてもよい。また、金属フタロシアン化合物，メタセロン、金属塩を用いることも可能である。更に、酸化物あるいはシリサイドであってもよい。
【００２０】
加えて、用途によっては、素材基板１０の材料は、アルミニウム（Ａｌ），シリコン（Ｓｉ），タンタル（Ｔａ），チタン（Ｔｉ），ジルコニウム（Ｚｒ），ニオブ（Ｎｂ），マグネシウム（Ｍｇ），ホウ素（Ｂ），亜鉛（Ｚｎ），鉛（Ｐｂ），カルシウム（Ｃａ），ランタン（Ｌａ），ゲルマニウム（Ｇｅ）などの金属および半金属などの元素の、窒化物，酸化物，炭化物，フッ化物，硫化物，窒酸化物，窒炭化物，または酸炭化物などからなる誘電体材料を用いることが可能である。具体的には、ＡｌＮ，Ａｌ２  Ｏ３  ，Ｓｉ３  Ｎ４  ，ＳｉＯ２  ，ＭｇＯ，Ｙ２  Ｏ３  ，ＭｇＡｌ２  Ｏ４  ，ＴｉＯ２  ，ＢａＴｉＯ３  ，ＳｒＴｉＯ３  ，Ｔａ２  Ｏ５  ，ＳｉＣ，ＺｎＳ，ＰｂＳ，Ｇｅ−Ｎ，Ｇｅ−Ｎ−Ｏ，Ｓｉ−Ｎ−Ｏ，ＣａＦ２  ，ＬａＦ，ＭｇＦ２  ，ＮａＦ，ＴｉＦ４  などである。更にまた、これらの材料を主成分とする材料や、これらの材料の混合物、例えばＡｌＮ−ＳｉＯ２  を用いることも可能である。加えてまた、鉄（Ｆｅ），コバルト（Ｃｏ），ニッケル（Ｎｉ），ガドリニウム（Ｇｄ）等の磁性体材料を用いることもできる。
【００２１】
熱分布１１は、素材基板１０の表面温度がエネルギービーム１２の照射により空間的に変調されて、高温領域１１Ｈと低温領域１１Ｌとが周期的に形成されたものである。エネルギービーム１２は、波長および位相の揃った平行光であり、本実施の形態では、高出力を得るため、例えばＸｅＣｌエキシマレーザを用いる。
【００２２】
本実施の形態では、熱分布１１は、エネルギービーム１２を回折格子１３で回折させることにより与えられる。回折格子１３は、エネルギービーム１２を回折させてエネルギー量を空間的に変調するものであり、例えば、光学ガラス板に、直線状の平行な溝１３Ａが一定の周期間隔Ｐで一次元方向に配列されたものである。本実施の形態では、例えば、石英材料よりなる板に直線状の平行な溝１３Ａが例えば１μｍの周期間隔Ｐで一次元方向に配列され、エネルギービーム１２のエネルギー量を、溝１３Ａが配列されている方向に沿って一次元方向に変調するようになっている。なお、回折格子１３は必ずしも溝などの凹凸を形成したものに限られず、例えば、エネルギービーム１２の透過部分と非透過部分とが印刷により形成されたものであってもよい。
【００２３】
このような回折格子１３を用いることにより、高温領域１１Ｈは、溝１３Ａの延長方向に沿った直線状に形成されると共に、溝１３Ａの配列されている方向に沿って一次元方向に配列される。熱分布１１の空間的周期Ｔ、すなわち高温領域１１Ｈの間隔（ピッチ）は、回折格子１３の周期間隔Ｐおよびエネルギービーム１２の波長λに応じて定まる。波長λを小さくするほど、または、周期間隔Ｐを微細にするほど熱分布１１の空間的周期Ｔを微細化することができる。
【００２４】
エネルギービーム１２のエネルギー量は、低温領域１１Ｌにおいて素材基板１０の表面が溶融する温度となるように設定される。これにより、素材基板１０の表面の全体を溶融させることができる。このとき、エネルギービーム１２としてエキシマレーザを用いると、パルス発光の照射回数によりエネルギー量の制御を行うことができる。本実施の形態では、例えば、エネルギービーム１２のエネルギー量を３５０ｍＪ／ｃｍ２  、パルス照射回数を１００回とする。
【００２５】
（突起形成工程）
次に、図２を参照して突起形成工程を説明する。すなわち、溶融工程において素材基板１０の表面を溶融させたのち、エネルギービーム１２の照射を止めると、素材基板１０の表面の温度は徐々に低下して凝固するが、このとき、溶融工程において照射されたエネルギービーム１２のエネルギー量が一定値を超えている場合には、高温領域１１Ｈに対応する位置に、素材基板１０の表面から隆起した突起１４が形成される。
【００２６】
突起１４は、高温領域１１Ｈが溝１３Ａに対応して一次元方向に配列された直線状であるので、これに対応して、一次元方向に配列された直線状のリブ（突条）のパターンとして形成される。突起１４の幅（線幅）Ｗ、すなわち熱分布１１の変調方向における突起１４の下端部の寸法は、溶融温度および冷却速度により定まる。溶融温度は、エネルギービーム１２のエネルギー量、すなわちエキシマレーザの場合にはパルス照射回数によって制御することができ、溶融温度が高いほど、突起１４の幅Ｗは大きくなる。冷却速度は、素材基板１０または素材基板１０のホルダーを真空中またはガス雰囲気中に配置する方法、ガスフローによる方法、水または液体窒素中で冷却する方法、あるいは加熱しながらゆっくり冷却する方法などによって制御することができ、冷却速度が速いほど突起１４の幅Ｗは大きくなる。突起１４の幅Ｗは、原理的には素材基板１０の構成物質の原子の大きさより大きい任意の値をとり得るものであり、溶融温度および冷却速度を制御することにより従来のフォトリソグラフィ技術では不可能であった５０ｎｍ未満を実現することができる。
【００２７】
突起１４の幅Ｗの具体的な値は、後述する基板の用途によって定められるが、例えばカーボンナノチューブを形成する場合には、突起１４の幅Ｗは、０．４ｎｍ以上５０ｎｍ未満であることが好ましい。カーボンナノチューブの直径が、最小で０．４ｎｍであるからである。
【００２８】
突起１４の幅Ｗは、０．４ｎｍ以上３０ｎｍ以下であればより好ましい。カーボンナノチューブは、直径が０．４ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲にあるものが多いからである。
【００２９】
更に、突起１４の幅Ｗは、０．４ｎｍ以上１０ｎｍ以下であれば更に好ましい。なぜなら、突起１４の幅方向に多数のカーボンナノチューブが接近して屹立する可能性が小さくなるので、これらのカーボンナノチューブを例えば電界電子放射素子（エミッタ）として使用する場合に、カーボンナノチューブの各々の表面における電界強度の低下を防止し、電界放出に必要な印加電圧を小さくすることができるからである。また、例えばカーボンナノチューブを記録装置（メモリ）として利用する場合には、一本の突起１４には幅方向に１本のみのカーボンナノチューブを形成することが必要となる場合があるので、カーボンナノチューブの直径と突起１４の幅Ｗとを一致させることが好ましいからである。
【００３０】
また、突起１４の間隔Ｌ、すなわち熱分布１１の変調方向における突起１４の間隔（ピッチ）は、熱分布１１の空間的周期Ｔに応じて、すなわち回折格子１３の周期間隔Ｐおよびエネルギービーム１２の波長λに応じて定まる。波長λを小さくするほど、または、周期間隔Ｐを微細にするほど突起１４の間隔Ｌを微細化することができ、従来のフォトリソグラフィでは不可能な微細な間隔Ｌで突起１４を形成することが可能である。
【００３１】
突起１４の間隔Ｌは、例えば１００ｎｍ以下であることが好ましい。従来のフォトリソグラフィでは解像限界が５０ｎｍであるため、従来のフォトリソグラフィで形成可能な最小のパターンは、例えば山５０ｎｍ、谷５０ｎｍ、および山５０ｎｍで、その間隔は解像限界の２倍すなわち１００ｎｍとなるからである。更に、突起１４の間隔Ｌは、５０ｎｍ以下とすればより好ましい。従来の電子ビームリソグラフィの解像限界が２５ｎｍ程度であるため、従来の電子ビームリソグラフィで形成可能な最小のパターンの間隔は、同様に解像限界の２倍すなわち５０ｎｍとなるからである。
【００３２】
（平坦化工程）
次に、図３を参照して平坦化工程を説明する。まず、図３（Ａ）に示したように、突起１４の周囲の凹部１５に、埋込み層１６を形成する。この埋込み層１６は、後述するようにＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ  ；化学機械研磨）で突起１４の上面を平坦化する際の平坦化層として用いられるものであり、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ２  ）を、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ  Ｏｎ  Ｇｌａｓｓ  ）により塗布することにより、またはＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などにより形成される。なお、埋込み層１６の材料は、上述の二酸化ケイ素の他、窒化ケイ素（ＳｉＮ），ポリイミド，ポリメチルメタクリレート（Ｐｏｌｙ  Ｍｅｔｈｙｌ  Ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ；ＰＭＭＡ），金属酸化膜などの絶縁体材料、あるいはシリコン，ゲルマニウムなどの半導体材料を用いてもよい。
【００３３】
なお、埋込み層１６の厚さは、突起１４を覆い尽くすように形成してもよく、突起１４の一部、例えば最先端部分が埋込み層１６から突出するように形成してもよい。
【００３４】
続いて、図３（Ｂ）に示したように、突起１４および埋込み層１６を例えばＣＭＰにより研磨し、突起１４の上面１４Ａおよび埋込み層１６の上面１６Ａを平坦化する。これにより、平坦化された上面１４Ａを有する突起１４と、突起１４の側面を覆うと共に突起１４の上面１４Ａを露出させる埋込み層１６とを有する基板１７が得られる。
【００３５】
平坦化された上面１４Ａの幅Ｗａは、突起１４の幅Ｗのとりうる値の範囲内で、ＣＭＰによる研磨時間により制御することができる。すなわち、突起１４は先端になるに従って断面積が小さくなっているので、ＣＭＰによる研磨時間を長くするほど上面１４Ａの幅Ｗａは大きくなる。なお、突起１４の間隔Ｌは、平坦化の前後を通じて同一である。
【００３６】
したがって、突起１４の上面１４Ａを平坦化することにより、上面１４Ａの幅Ｗａを、突起１４の幅Ｗと同様に、従来のフォトリソグラフィ技術では不可能であった５０ｎｍ未満とすると共に、上面１４Ａの面積および形状のばらつきを少なくし、高さを均一にすることができる。
【００３７】
突起１４の上面１４Ａを平坦化したのち、例えば、図４に示したように、この上面１４Ａに露出した鉄を触媒として、基板１７上に複数のカーボンナノチューブ１８が直線状に配列されたカーボンナノチューブ構造体１９を形成することができる。
【００３８】
このように本実施の形態では、素材基板１０の表面に対して熱分布１１を与え、素材基板１０の表面を溶融させたのち、素材基板１０の表面を放熱させることにより、熱分布１１に応じた位置に突起１４のパターンを形成し、そののち突起１４の上面を平坦化するようにしたので、溶融温度および冷却速度を制御することにより、突起１４の幅Ｗおよび上面１４Ａの幅Ｗａを、従来のフォトリソグラフィ技術では不可能であった５０ｎｍ未満とすることが可能となる。また、熱分布１１の空間的周期Ｔを制御することにより突起１４を従来のフォトリソグラフィ技術では不可能であった微細な間隔Ｌで形成することができる。
【００３９】
また、突起１４のパターンを有する基板１７をドライプロセスにより形成することができるので、従来のフォトリソグラフィを利用したプロセスに比べて生産が容易であり、再現性が良く、低コスト化が可能である等の利点を得ることができる。
【００４０】
更に、エネルギービーム１２を回折させることにより熱分布１１を与えるようにしたので、回折格子１３の周期間隔Ｐを微細化することにより熱分布１１の空間的周期Ｔを容易に制御し、突起１４の間隔Ｌを微細化することができる。
【００４１】
加えて、本実施の形態では、突起１４の上面１４Ａを平坦化するようにしたので、上面１４Ａの幅Ｗａを、突起１４の幅Ｗと同様に、従来のフォトリソグラフィ技術では不可能であった５０ｎｍ未満とすると共に、上面１４Ａの面積および形状のばらつきを少なくし、高さを均一にすることができる。
【００４２】
〔第２の実施の形態〕
次に、本発明の第２の実施の形態に係る基板の製造方法について説明する。本実施の形態の方法は、上記第１の実施の形態で得られた基板１７を転写用原盤として、その突起のパターンを、別の被転写基板に転写する上面転写工程を更に含むようにしたものである。
【００４３】
（溶融工程，突起形成工程および平坦化工程）
まず、図５に示したように、上面が平坦化された突起を有する転写用原盤（以下，原盤という）２０を作製する。原盤２０は、上記第１の実施の形態の基板１７と同様に、溶融工程，突起形成工程および平坦化工程を行うことによって形成したものである。すなわち、素材基板１０に突起１４および埋込み層１６を形成し、突起１４の上面１４Ａおよび埋込み層１６の上面１６Ａを平坦化する。
【００４４】
（上面転写工程）
次に、図６を参照して上面転写工程を説明する。まず、図６（Ａ）に示したように、例えば導電性膜２２の配線パターンが予め形成された被転写基板２１を用意する。
【００４５】
続いて、図６（Ｂ）に示したように、原盤２０の突起１４の上面１４Ａと被転写基板２１の導電性膜２２とを対向させて密接させる。このとき、転写特性向上のため、必要に応じて加圧することが好ましい。更に、加熱処理を行うようにすれば、転写特性をいっそう良好にすることができるので、より好ましい。
【００４６】
そののち、原盤２０を被転写基板２１から引き離すと、図６（Ｃ）に示したように、突起１４の上面１４Ａのパターンが、被転写基板２１に転写される。こうして、被転写基板２１の上に、鉄よりなる転写パターン２３が形成された基板２４が形成される。よって、一枚の原盤２０から多数の被転写基板２１に突起１４の上面１４Ａを転写して基板２４を大量に製造することができる。また、突起１４の上面１４Ａは、平坦化工程により面積および形状のばらつきが少なく、高さが均一になっているので、転写パターン２３の面積および形状のばらつきが少なくなる。よって、微細な転写パターン２３を高精度に形成することができる。更に、転写を繰り返すことにより突起１４が磨耗した場合には、再び平坦化工程の研磨を繰り返して突起１４の上面１４Ａの形状を回復させることなどが可能である。
【００４７】
被転写基板２１に転写パターン２３を形成して基板２４を形成したのち、例えば、図７に示したように、この転写パターン２３を触媒として基板２４上にカーボンナノチューブ２５を成長させ、複数のカーボンナノチューブ２５が直線状に配列されたカーボンナノチューブ構造体２６を形成することができる。このように導電性膜２２上に形成されたカーボンナノチューブ構造体２６は、電界電子放出素子として利用することができる。
【００４８】
このように本実施の形態では、突起１４の上面１４Ａを被転写基板２１に転写するようにしたので、一枚の原盤２０から多数の被転写基板２１に突起１４の上面１４Ａを転写して基板２４を大量に製造することができる。また、突起１４Ａの上面１４Ａは、平坦化工程により面積および形状のばらつきが少なく、高さが均一になっているので、転写パターン２３を高精度に形成することができる。
【００４９】
〔第３の実施の形態〕
次に、図８ないし図１５を参照して、第３の実施の形態に係る基板の製造方法について説明する。本実施の形態は、溶融工程において、エネルギービームのエネルギー量を二次元方向すなわちＸ方向およびＹ方向に変調させ、素材基板１０の表面に対してＸ方向熱分布３１ＸおよびＹ方向熱分布３１Ｙを与えるようにしたものである。
【００５０】
（溶融工程）
まず、図８を参照して溶融工程を説明する。Ｘ方向熱分布３１Ｘは、素材基板１０の表面温度がＸ方向に変調されて、Ｘ方向高温領域３１ＸＨとＸ方向低温領域３１ＸＬとが周期的に形成されたものである。また、Ｙ方向温度分布３１Ｙは、素材基板１０の表面温度がＹ方向に変調されて、Ｙ方向高温領域３１ＹＨとＹ方向低温領域３１ＹＬとが周期的に形成されたものである。
【００５１】
Ｘ方向熱分布３１ＸおよびＹ方向熱分布３１Ｙは、例えば、エネルギービーム１２を、非透過部分３２Ａおよび透過部分３２Ｂが二次元方向に配列された回折格子３２で回折させることにより与えられる。回折格子３２としては、例えば、非透過部分３２Ａにエネルギービーム１２を透過させないマスクが印刷されたものなどを用いることができる。
【００５２】
図９は、素材基板１０の表面においてＸ方向温度分布３１ＸとＹ方向温度分布３１Ｙとが重畳されることにより、熱分布３３が形成された状態を表している。図８に示したように、素材基板１０の表面には、Ｘ方向高温領域３１ＸＨとＹ方向高温領域３１ＹＨとの重複する位置に高温領域３３Ｈを有し、Ｘ方向低温領域３１ＸＬとＹ方向低温領域３１ＹＬとの重複する位置に低温領域３３Ｌを有するような熱分布３３が形成される。これにより、高温領域３３Ｈは、非透過部分３２Ａおよび透過部分３２Ｂの配列されている方向に沿って二次元方向に配列される。
【００５３】
熱分布３３のＸ方向における空間的周期ＴＸ、すなわち高温領域３３ＨのＸ方向における間隔（ピッチ）は、回折格子３２のＸ方向における周期間隔ＰＸおよびエネルギービーム１２の波長λに応じて定まる。また、熱分布３３のＹ方向における空間的周期ＴＹ、すなわち高温領域３３ＨのＹ方向における間隔（ピッチ）は、回折格子３２のＹ方向における周期間隔ＰＹおよびエネルギービーム１２の波長λに応じて定まる。波長λを小さくするほど、または周期間隔ＰＸ，ＰＹを微細にするほど熱分布３３の空間的周期ＴＸ，ＴＹを微細化することができる。ここで、本実施の形態では、回折格子３２のＸ方向における周期間隔ＰＸとは、一つの非透過部分３２ＡのＸ方向における寸法と一つの透過部分３２ＢのＸ方向における寸法との和をいい、回折格子３２のＹ方向における周期間隔ＰＹとは、一つの非透過部分３２ＡのＹ方向における寸法と一つの透過部分３２ＢのＹ方向における寸法との和をいう。
【００５４】
回折格子３２のＸ方向における周期間隔ＰＸとＹ方向における周期間隔ＰＹとは、互いに独立に設定することができる。したがって、図１０に示したように、熱分布３３のＸ方向における空間的周期ＴＸとＹ方向における空間的周期ＴＹとを、互いに独立に設定することも可能である。
【００５５】
なお、回折格子３２としては、マスク印刷により非透過部分３２Ａおよび透過部分３２Ｂが形成されたものではなく、凹部または凸部が形成されたものを用いることも可能である。凹凸が形成された回折格子３２の場合には、回折格子３２のＸ方向における周期間隔ＰＸとは、凹部（または凸部）のＸ方向における間隔（ピッチ）をいい、回折格子３１のＹ方向における周期間隔ＰＹとは、凹部（または凸部）のＹ方向における間隔（ピッチ）をいう。
【００５６】
エネルギービーム１２のエネルギー量は、低温領域３３Ｌにおいて素材基板１０の表面が溶融する温度となるように設定される。これにより、素材基板１０の表面の全体を溶融させることができる。このとき、エネルギービーム１２としてエキシマレーザを用いると、パルス発光の照射回数によりエネルギー量の制御を行うことができる。
【００５７】
（突起形成工程）
次に、図１１および図１２を参照して、突起形成工程を説明する。溶融工程において素材基板１０の表面の全体を溶融させたのち、エネルギービーム１２の照射を止めて素材基板１０の表面を放熱させ、熱分布３３に応じた位置すなわち高温領域３３Ｈに対応する位置に突起３４を形成する。
【００５８】
突起３４は、高温領域３３Ｈが素材基板１０の表面に二次元方向に配列されているので、これに対応して、素材基板１０の表面に二次元方向に配列された錘体のパターンとして形成される。突起３４の下端部のＸ方向における寸法（直径）ＤＸおよびＹ方向における寸法（直径）ＤＹは、溶融温度および冷却速度により定まる。溶融温度は、第１の実施の形態と同様に制御することができ、溶融温度が高いほど、突起３４の寸法ＤＸ，ＤＹは大きくなる。また、冷却速度は第１の実施の形態と同様に制御することができ、冷却速度が速いほど突起３４の寸法ＤＸ，ＤＹは大きくなる。突起３４の寸法ＤＸ，ＤＹは、原理的には素材基板１０の構成物質の原子の大きさより大きい任意の値をとりうるものであり、溶融温度および冷却速度を制御することにより従来のフォトリソグラフィ技術では不可能であった５０ｎｍ未満を実現することができる。
【００５９】
突起３４の寸法ＤＸ，ＤＹの具体的な値は、後述する基板の用途によって定められるが、例えばカーボンナノチューブを形成する場合には、突起３４の寸法ＤＸ，ＤＹはそれぞれ、０．４ｎｍ以上５０ｎｍ未満であることが好ましい。カーボンナノチューブの直径が、最小で０．４ｎｍであるからである。
【００６０】
突起３４の寸法ＤＸ，ＤＹはそれぞれ、０．４ｎｍ以上３０ｎｍ以下であればより好ましい。カーボンナノチューブは、直径が３ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲にあるものが多いからである。
【００６１】
更に、突起３４の寸法ＤＸ，ＤＹは、０．４ｎｍ以上１０ｎｍ以下であれば更に好ましい。なぜなら、突起３４のＸ方向またはＹ方向に多数のカーボンナノチューブが接近して屹立する可能性が小さくなるので、これらのカーボンナノチューブを例えば電界電子放出素子として使用する場合に、カーボンナノチューブの各々の表面における電界強度の低下を防止し、電界放出に必要な印加電圧を小さくすることができるからである。また、例えばカーボンナノチューブを記録装置（メモリ）として利用する場合には、一つの突起３４には１本のみのカーボンナノチューブを形成することが必要となる場合があるので、カーボンナノチューブの直径と突起３４の寸法ＤＸ，ＤＹとを一致させることが好ましいからである。
【００６２】
また、突起３４のＸ方向における間隔ＬＸ、およびＹ方向における間隔ＬＹは、熱分布３３の空間的周期ＴＸ，ＴＹに応じて、すなわち回折格子３２の周期間隔ＰＸ，ＰＹおよびエネルギービーム１２の波長λに応じて定まる。波長λを小さくするほど、または、回折格子３２の周期間隔ＰＸ，ＰＹを微細にするほど突起３４の間隔ＬＸ，ＬＹを微細化することができ、従来のフォトリソグラフィでは不可能な微細な間隔ＬＸ，ＬＹで突起３４を形成することも可能である。
【００６３】
突起３４の間隔ＬＸ，ＬＹは、例えば１００ｎｍ以下であることが好ましい。前述のように、従来のフォトリソグラフィでは解像限界が５０ｎｍであるため、従来のフォトリソグラフィで形成可能な最小のパターンは、例えば山５０ｎｍ、谷５０ｎｍ、および山５０ｎｍで、その間隔は解像限界の２倍すなわち１００ｎｍとなるからである。更に、突起３４の間隔ＬＸ，ＬＹは、５０ｎｍ以下とすればより好ましい。従来の電子ビームリソグラフィの解像限界が２５ｎｍ程度であるため、従来の電子ビームリソグラフィで形成可能な最小のパターンの間隔は、同様に解像限界の２倍すなわち５０ｎｍとなるからである。
【００６４】
なお、図１０に示したように熱分布３３のＸ方向における空間的周期ＴＸとＹ方向における空間的周期ＴＹとを、互いに独立に設定した場合には、これに対応して、例えば図１３に示したように突起３４が楕円形に形成される。
【００６５】
（平坦化工程）
次に、図１４（Ａ）に示したように、突起３４の周囲の凹部３５に、第１の実施の形態と同様に、平坦化層としての埋込み層３６を形成する。埋込み層３６の厚さは、突起３４を覆い尽くすようにしてもよく、突起３４の一部、例えば最先端部分が埋込み層３６から突出するように形成してもよい。
【００６６】
続いて、図１４（Ｂ）に示したように、突起３４および埋込み層３６を例えばＣＭＰにより研磨し、突起３４の上面３４Ａおよび埋込み層３６の上面３６Ａを平坦化する。これにより、平坦化された上面３４Ａを有する突起３４と、突起３４の側面を覆うと共に突起３４の上面３４Ａを露出させる埋込み層３６とを有する基板３７が得られる。
【００６７】
平坦化された上面３４ＡのＸ方向における寸法ＤＸａおよびＹ方向における寸法ＤＹａは、突起３４のＸ方向における寸法ＤＸおよびＹ方向における寸法ＤＹのとりうる値の範囲内で、ＣＭＰによる研磨時間により制御することができる。すなわち、突起３４は先端になるに従って断面積が小さくなっているので、ＣＭＰによる研磨時間を長くするほど上面３４ＡのＸ方向における寸法ＤＸａおよびＹ方向における寸法ＤＹａは大きくなる。なお、突起３４のＸ方向における間隔ＬＸおよびＹ方向における間隔ＬＹは、平坦化の前後を通じて同一である。
【００６８】
したがって、突起３４の上面３４Ａを平坦化することにより、上面３４ＡのＸ方向における寸法ＤＸａおよびＹ方向における寸法ＤＹａを、突起３４のＸ方向における寸法ＤＸおよびＹ方向における寸法ＤＹと同様に、従来のフォトリソグラフィ技術では不可能であった５０ｎｍ未満とすると共に、上面３４Ａの面積および形状のばらつきを少なくし、高さを均一にすることができる。
【００６９】
突起３４の上面３４Ａを平坦化したのち、例えば、図１６に示したように、この上面３４Ａに露出した鉄を触媒として基板３７上にカーボンナノチューブ３８を成長させ、カーボンナノチューブ３８が二次元方向に配列されたカーボンナノチューブ構造体３９を形成することができる。
【００７０】
このように本実施の形態では、エネルギービーム１２のエネルギー量を二次元方向に変調させることにより熱分布３３を形成するようにしたので、素材基板１０の表面に二次元方向に配列された突起３４のパターンを形成することが可能となる。
【００７１】
また、回折格子３２を用いてエネルギービーム１２を回折させることにより熱分布３３を形成するようにしたので、回折格子３２の周期間隔ＰＸ，ＰＹを微細化することにより熱分布３３の空間的周期ＴＸ，ＴＹを容易に制御し、突起３４の間隔ＬＸ，ＬＹを微細化することができる。
【００７２】
更に、本実施の形態では、突起３４の上面３４Ａを平坦化するようにしたので、上面３４ＡのＸ方向における寸法ＤＸａおよびＹ方向における寸法ＤＹａを、突起３４のＸ方向における寸法ＤＸおよびＹ方向における寸法ＤＹと同様に、従来のフォトリソグラフィ技術では不可能であった５０ｎｍ未満とすると共に、上面３４Ａの面積および形状のばらつきを少なくし、高さを均一にすることができる。
【００７３】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態では、パルスの照射回数によりエネルギービーム１２のエネルギー量を調整するようにしたが、パルスの照射回数、照射強度およびパルス幅のそれぞれを調整することが可能である。
【００７４】
また、上記実施の形態および変形例では、熱分布１１，３３を回折格子１３，３２を用いて形成するようにしたが、ビームスプリッタおよびミラーを用いて形成してもよい。
【００７５】
更に、第２の実施の形態では、溶融工程，突起形成工程および平坦化工程を第１の実施の形態と同様に行い、リブ状の突起１４を形成するようにしたが、第３の実施の形態と同様に行い、突起を二次元方向に配列させることも可能である。
【００７６】
加えて、上記実施の形態では、ＸｅＣｌエキシマレーザを用いてエネルギービーム１２を照射するようにしたが、ＸｅＣｌエキシマレーザ以外のレーザを用いるようにしてもよく、更に、加熱手段として、変調により熱分布を形成できるものであれば、一般的な汎用の電気加熱炉（拡散炉）もしくはランプなどの他の方法により加熱するようにしてもよい。
【００７７】
更にまた、上記各実施の形態では、突起形成工程での放熱を溶融工程を終了したのちの常温による自然冷却としたが、常温未満の温度により強制的に冷却して突起形成工程を短縮することも可能である。
【００７８】
加えてまた、上記実施の形態では、埋込み層１６，３６を形成したのち、突起１４，３４の上面１４Ａ，３４Ａを研磨により平坦化する場合について説明したが、埋込み層１６，３６を突起１４，３４の例えば最先端部分が突出するように形成し、平坦化を行わずに、埋込み層１６，３６から突出した突起１４，３４の最先端部分を、カーボンナノチューブの成長に用いるようにすることも可能である。
【００７９】
更にまた、上記実施の形態では、素材基板１０を鉄により構成し、この鉄を触媒としてカーボンナノチューブを形成し、電界電子放出素子として用いる場合について説明したが、本発明は素材基板１０を構成する物質を適宜選択することによって他の素子、あるいはその製造にも適用可能である。
【００８０】
加えてまた、素材基板１０の材料として鉄（Ｆｅ）などの磁性体材料を用いることにより、カーボンナノチューブに磁性体を内包したメモリ素子として用いることなども可能である。カーボンナノチューブに磁性体を内包させるには、カーボンナノチューブの先端を開放端としたのちに鉄（Ｆｅ）を含む雰囲気中に配置し、開放端からカーボンナノチューブ内部に磁性体材料を取り込ませる方法などが可能である。
【００８１】
メモリ素子は、上述の鉄（Ｆｅ）の他、スズ（Ｓｎ），チタン（Ｔｉ），ビスマス（Ｂｉ），ゲルマニウム（Ｇｅ），アンチモン（Ｓｂ），鉛（Ｐｂ），アルミニウム（Ａｌ），インジウム（Ｉｎ），硫黄（Ｓ），セレン（Ｓｅ），カドミウム（Ｃｄ），ガドリニウム（Ｇｄ），ハフニウム（Ｈｆ）などを用いることにより形成可能である。
【００８２】
更にまた、上記実施の形態では、筒状炭素分子としてカーボンナノチューブを形成する場合について説明したが、本発明は、カーボンナノチューブに限らず、カーボンナノホーンあるいはカーボンナノファイバー等を形成する場合にも適用可能である。
【００８３】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の基板の製造方法、または請求項１４または請求項１５記載の基板によれば、素材基板の表面に対して所望のパターンに応じて変調された熱分布を与え、素材基板の表面を溶融させたのち、素材基板の表面を放熱させることにより、熱分布に応じた位置に突起のパターンを形成し、その後、突起の上面を平坦化するようにしたので、所望の位置に規則的かつ微細な線幅あるいは直径の突起パターンを形成することができ、これを用いてカーボンナノチューブ等の分子構造体の製造に好適な基板を製造することができる。また、突起の平坦化された上面の面積および形状のばらつきを少なくし、高さを均一にすることができる。
【００８４】
特に、請求項１０記載の基板の製造方法または請求項１５記載の基板によれば、突起の平坦化された上面を被転写基板に転写することにより、微細なパターンを有する基板を大量に製造することが可能になる。
【００８５】
請求項１１ないし請求項１３のいずれか１項に記載の基板によれば、複数の突起が平坦化された上面を有するので、突起の上面の形状および面積のばらつきを少なくし、高さを均一にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る基板の製造方法における溶融工程を模式的に表す斜視図である。
【図２】図１に続く工程（突起形成工程）を模式的に表す斜視図である。
【図３】図２に続く工程（平坦化工程）を模式的に表す一部切り欠き斜視図である。
【図４】図３に示した突起の上面にカーボンナノチューブ構造体を形成した状態を模式的に表す斜視図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る基板の製造方法における原盤を模式的に表す断面図である。
【図６】図５に続く工程（上面転写工程）を模式的に表す断面図である。
【図７】図６（Ｃ）に示した転写パターンにカーボンナノチューブ構造体を形成した状態を模式的に表す断面図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態に係る基板の製造方法における溶融工程を模式的に表す斜視図である。
【図９】図８に示した素材基板の表面に形成されている熱分布の一例を模式的に表す平面図である。
【図１０】図８に示した熱分布の他の例を表す平面図である。
【図１１】図８に続く工程（突起形成工程）を模式的に表す斜視図である。
【図１２】図１１に示した基板の表面の一部を拡大して表す平面図である。
【図１３】図１０に示した熱分布を形成したのちに突起形成工程を行った場合における基板の表面の一部を拡大して表す平面図である。
【図１４】図１１に続く工程（平坦化工程）を模式的に表す斜視図である。
【図１５】図１４（Ｂ）に示した基板の表面の一部を拡大して表す平面図である。
【図１６】図１４（Ｂ）に示した突起の上面にカーボンナノチューブ構造体を形成した状態を模式的に表す斜視図である。
【符号の説明】
１０…素材基板、１１，３３…熱分布、１１Ｈ，３３Ｈ…高温領域、１１Ｌ，３３Ｌ…低温領域、１２…エネルギービーム、１３，３２…回折格子、１３Ａ…溝、１４，３４…突起、１５，３５…凹部、１６，３６…埋込み層、１７，２４，３７…基板、１８，２５，３８…カーボンナノチューブ、１９，２６，３９…カーボンナノチューブ構造体、２０…原盤、２１…被転写基板、２２…導電性膜、２３…転写パターン、３１Ｘ…Ｘ方向熱分布、３１ＸＨ…Ｘ方向高温領域、３１ＸＬ…Ｘ方向低温領域、３１Ｙ…Ｙ方向熱分布、３１ＹＨ…Ｙ方向高温領域、３１ＹＬ…Ｙ方向低温領域、３２Ａ…非透過部分、３２Ｂ…透過部分、４３…被膜、Ｈ…水平面、Ｌ…間隔（ピッチ）、Ｐ，ＰＸ，ＰＹ…周期間隔、Ｔ…空間的周期、Ｗ…幅
【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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