(57)【要約】      （修正有）【課題】ナノメートルサイズの電子回路において特定のマイクロワイヤを特定のナノワイヤに接続する方法を提供する。【解決手段】ナノワイヤと、マイクロワイヤおよびリソグラフィで作成された電子回路のその他の素子との間に制御された接続が提供される。インプリントスタンプは概ね平行なナノワイヤのアレイを形成するように構成される。ナノワイヤは(1)Ｘ方向においてマイクロスケールの寸法を有し、(2)Ｙ方向においてナノスケールの寸法とナノスケールの間隔とを有し、Ｚ方向において３以上の異なる高さを有する。特定のナノワイヤをマイクロスケールのワイヤまたはパッドの特定のマイクロスケールの領域に接続が可能になる。モールドの突出パターンは薄いポリマーフィルムに溝を形成し、ポリマーフィルムはモールドのパターンの反転したものを得る。モールドを外した後、そのポリマーパターンを基板上の金属／半導体パターンに転写することができる。【選択図】図７
2004363584.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１）Ｘ方向においてミクロンスケールの寸法を有し、（２）Ｙ方向においてナノメートルスケールの寸法およびナノメートルスケールの間隔を有し、（３）Ｚ方向において少なくとも３つの異なる高さ(12a,12b,12c)を有する概ね平行なナノワイヤ(118a,118b)を作成するための突出パターン(110a,110b)を有するモールド(110)。
【請求項２】
特定の個々のナノワイヤ(118,318)をマイクロスケールのワイヤ(116,316)またはパッドの特定のマイクロスケールの領域に接続するための、請求項１のモールド(110)。
【請求項３】
（１）デマルチプレクサを作成するため、（２）ナノワイヤアレイ(218)をマイクロスケールのワイヤ(216a,216b,216c,216d)若しくはパッドに接続し、信号の一般的な入力／出力を行なったり、異なる電圧の電力を特定のナノワイヤに供給したりするため、（３）複数のナノワイヤ(318)を１本のマイクロワイヤ(316b)に接続して該マイクロワイヤ(316b)をデジタル信号用のバスとして使用するため、（４）ナノワイヤ(418)を従来のリソグラフィ処理によってバイアとして形成されたミクロンスケールのパッド(416)の二次元アレイに接続するため、又は、（５）ナノワイヤの異なる層に属するナノワイヤ(418a,418b)間を選択的に接続するための、請求項１のモールド(110)。
【請求項４】
請求項１のモールド(110)を作成する方法であって、Ｚ方向において前記少なくとも３つの全く異なる高さ(12a,12b,12c)を有する前記モールド(110)に前記突出パターンを形成することを含む、請求項１のモールドを作成する方法。
【請求項５】
前記モールド(110)は、集束イオンビーム堆積若しくはエッチングによって、若しくは電子ビーム触媒化学気相成長若しくはエッチングによって、若しくはナノメートルスケールの走査型プローブ電気化学堆積若しくはエッチングによって、若しくは電子ビーム２層リソグラフィレジストから、若しくは電子ビームリソグラフィ、フォトリソグラフィおよび集束イオンビームリソグラフィの組み合わせによって、又は超格子構成をイオンビーム若しくは電子ビーム若しくはナノメートルスケールの走査型プローブを用いた堆積若しくはエッチングで、若しくは電子ビームリソグラフィ若しくはフォトリソグラフィ若しくはそれらの任意の組み合わせで修飾することを含む溶媒への異なる可溶性を有する２つの材料を交互に重ねた層を含む超格子構成を用いることによって、作成される、請求項４の方法。
【請求項６】
請求項１に記載のモールドによって作成された、（１）Ｘ方向においてミクロンスケールの寸法を有し、（２）Ｙ方向においてナノメートルスケールの寸法およびナノメートルスケールの間隔を有し、（３）Ｚ方向において少なくとも３つの異なる高さ(12a,12b,12c)を有するナノワイヤ(118a,118b)のパターン。
【請求項７】
請求項６に記載のパターンを作成する方法であって、
基板(114,314)上に支持されたポリマーフィルム(112)を設けるステップと、
突出パターン(12a,12b,12c)の少なくとも３つの段を有するモールド(110)を作成するステップと、
前記モールド(110)を前記ポリマーフィルム(112)に圧入し、該ポリマーフィルムに少なくとも３つの段を形成するステップと、
前記３つの段のそれぞれに前記ナノワイヤ(118)を形成するステップと
からなる方法。
【請求項８】
前記ナノワイヤ(118)は、
絶縁性部分(114)と該絶縁性部分の上に配置されたマイクロワイヤ(116)のアレイの層とを含む基板であって、前記マイクロワイヤの層の上に前記ポリマーフィルムが形成された基板を設けるステップと、
前記ポリマーフィルム(112)の上にリソグラフィレジスト(212)を形成するステップと、
前記モールド(110)を前記ポリマーフィルム(112)に圧入して多段レリーフを形成することにより、前記突出パターンの一部(110a)で前記マイクロワイヤ(116)のアレイの層を貫通して前記層を露出させ、前記突出パターンの他の部分(110b)で下の前記リソグラフィレジスト(212)を前記ポリマーフィルム(112)の中まで貫通して該ポリマーフィルム(112)の一部を露出させるとともに、前記突出パターンのさらに他の部分が前記リソグラフィレジスト(212)を貫通しないようにするステップと、
前記マイクロワイヤ(116)のアレイの層の前記露出部分の上と、前記ポリマーフィルム(112)の前記露出部分の上と、それ以外の貫通していない前記リソグラフィレジスト(212)の上とに、導電性材料(18)を全面堆積するステップと、
前記レジスト(212)の一部を溶解して該レジストの上にある導電性材料(18)を除去し、前記マイクロワイヤ(116)のアレイの層の露出部分に接触する前記１組のナノワイヤ(118a)を残すとともに、前記マイクロワイヤ(116)のアレイの層の上に前記ポリマーフィルム(112)によって支持されたさらに別の少なくとも１組のナノワイヤ(118b)とからなる導電性材料を残すようにするステップと
からなるリフトオフ処理によって形成される、請求項７の方法。
【請求項９】
前記ナノワイヤ(118)は、
絶縁性部分(314)と該絶縁性部分の上に配置された導電層(318)とを含む前記基板(314)であって前記導電層(318)の上に前記ポリマーフィルムが形成された前記基板を設けるステップと、
前記モールド(110)を前記ポリマーフィルム(312)に圧入して多段レリーフを形成するステップと、
前記ポリマーフィルム(312)をエッチングして前記リソグラフィレジスト(312)の前記多段レリーフを下方の導電層(318)に転写し、長手方向に多段レリーフを有するナノワイヤ(318a,318b)を形成するステップと、
絶縁性材料(319)を用いて一番高い導電層で平坦化し、該一番高い導電層(318b)を露出させた状態にするステップと、
露出させた前記一番高い導電層(318b)を、パターニングされたマイクロワイヤ(316)に電気的に接触させるステップと
からなるエッチング処理によって形成される、請求項７の方法。
【請求項１０】
前記ナノワイヤ(118)が予め作成され、該ナノワイヤ(118)が、
絶縁性材料を含む前記基板(114)を設けるステップと、
前記絶縁性基板(114)上にポリマーフィルム(112)を形成するステップと、
前記モールド(110)を前記ポリマーフィルム(112)に圧入し、トレンチ(112a,112b)を含む多段レリーフを形成するステップと、
前記ポリマーフィルム(112)に形成された前記トレンチ(112a,112b)を用いて、前記予め作成されたナノワイヤ(118)の堆積および位置合わせを誘導するステップと
からなる手順に従って所定の位置に配置され、
（１）前記絶縁性基板(114)上に前記ポリマーフィルム(112)を形成する前に該絶縁性基板(114)上にマイクロワイヤ(116)が堆積された場合、前記モールドレリーフの最も遠くまで突出する表面によって前記ポリマーフィルム(112)に形成された窓が、前記マイクロワイヤ(116)の一部を露出させて前記予め作成されたナノワイヤ(118)に電気的に接触させ、又は
（２）前記ナノワイヤ(118)の上にマイクロワイヤ(116)が堆積された場合、エッチング処理を最初に実施して前記多段レリーフを前記基板(114)に転写し、次いで前記堆積されたナノワイヤ(118)が前記多段レリーフを複製し、次いで絶縁性材料(319)を用いて平坦化し、前記ナノワイヤ(118)の確定的な露出部分を残し、さらに前記マイクロワイヤ(116)をパターニングして前記予め作成されたナノワイヤ(118)の部分の上に形成し、前記露出部分に対してのみ電気的に接触させる、請求項７の方法。
【請求項１１】
前記パターンは、特定の個々のナノワイヤ(118)をマイクロスケールのワイヤ(116)またはパッドの特定のマイクロスケールの領域に接続できるようにする、請求項７の方法。
【請求項１２】
ナノメートルスケールの回路用のマルチプレクサ／デマルチプレクサであって、
（ａ）主面を有する基板(114)と、
（ｂ）前記主面上に形成された複数の底部通信ワイヤ(116)と、
（ｃ）複数の第１のくぼみ(112a)と複数の第２のくぼみ(112b)とを有するポリマーフィルム(112)であって、前記第１のくぼみ(112a)が前記第２のくぼみ(112b)よりも深く、前記第１のくぼみ(112a)が前記底部通信ワイヤ(116)の１つまたは複数の部分を露出させるように構成された、ポリマーフィルムと、
（ｄ）前記第１のくぼみ(112a)と前記第２のくぼみ(112b)との両方の底部に形成され、前記底部通信ワイヤ(116)の上方を０度以外の角度で横切るワイヤ(118)を形成する、金属層(18)とからなり、
前記第２のくぼみ(112b)内の前記ワイヤ(118b)が前記底部通信ワイヤ(116)と電気的に接触しないように構成され、前記第１のくぼみ(112a)内の前記ワイヤ(118a)が前記底部通信ワイヤ(116)と電気的に接触(20)するように構成された、ナノメートルスケールの回路用のマルチプレクサ／デマルチプレクサ。
【請求項１３】
ナノメートルスケールの回路用のマルチプレクサ／デマルチプレクサであって、
（ａ）主面を有する基板(314)と、
（ｂ）前記主面上に形成され、長手方向に多段レリーフを有する、複数の底部ナノワイヤ(318a,318b)と、
（ｃ）前記底部ナノワイヤ(318a,318b)上に形成され、一番高いレリーフ段を含む部分を除いて前記ナノワイヤ(318a,318b)の全てを覆う、絶縁性フィルム(319)と、
（ｄ）前記底面ナノワイヤ（３１８）の上方を０度以外の角度で横切り、前記ナノワイヤ(318b)の前記絶縁性フィルムに覆われていない一番高いレリーフ段部分(318b)においてのみ前記ナノワイヤ(318b)と電気的に接触する、複数の上側通信ワイヤ(316)と
からなる、ナノメートルスケールの回路用のマルチプレクサ／デマルチプレクサ。
【請求項１４】
前記複数のナノワイヤ(118,318)が互いに概ね平行である、請求項１２または請求項１３のマルチプレクサ／デマルチプレクサ。
【請求項１５】
前記複数の通信ワイヤ(116,316)が互いに概ね平行である、請求項１２または請求項１３のマルチプレクサ／デマルチプレクサ。
【請求項１６】
前記ナノワイヤ(118,318)は、約１〜１０００ｎｍの範囲の高さと、約１〜１０００ｎｍの範囲の幅とを有する、請求項１２または請求項１３のマルチプレクサ／デマルチプレクサ。
【請求項１７】
インプリントおよびリフトオフ処理により、請求項１２に記載のマルチプレクサ／デマルチプレクサを作成する方法であって、
基板(114)の主面上に少なくとも１つの底部通信ワイヤ(116)を有する基板(114)を設けるステップと、
前記基板(114)の前記主面上に第１の厚さを有するポリマー層(112)を形成するステップと、
前記第１のポリマー層(112)の上に、第２の厚さを有し、前記第１のポリマー(112)よりも速い速度で溶媒に溶解させること可能な、第２のポリマー層を形成するステップと、
複数のワイヤ状突出部(110a,110b)を有するモールド(110)であって、該突出部のそれぞれが第１の高さまたは第２の高さを有し、前記第１の高さが前記第２の高さよりも高く、前記第１の高さが前記第１の厚さと前記第２の厚さの合計に等しく、前記第２の高さが前記第２の厚さよりも小さい、モールドを作成するステップと、
前記モールド(110)の前記ワイヤ状突出部(110a,110b)を前記第１のポリマー層(112)および前記第２のポリマー層(212)に圧入し、前記第１の高さで前記第１のポリマーおよび前記第２のポリマーを前記底部通信ワイヤ(116)まで貫通して、複数の浅いくぼみ(112b)および複数の深いくぼみ(112a)を形成するステップと、
前記第２のポリマー上ならびに前記浅いくぼみおよび前記深いくぼみに、金属層(18)を全面堆積させるステップと、
前記第２のポリマー(212)と、該第２のポリマー上の前記金属層(18)とを除去し、前記浅いくぼみ(112b)内に前記底部通信ワイヤ(116)と電気的に接触しない金属(118b)を残すとともに、前記深いくぼみ(112a)内に前記底部通信ワイヤ(116)と電気的に接触する金属(118a)を残すようにするステップと
からなる方法。
【請求項１８】
前記モールド(110)は、集束イオンビームを用いて前記第１の高さおよび前記第２の高さの前記突出部(110a,110b)を選択的にエッチングすることにより作成される、請求項１７の方法。
【請求項１９】
インプリントおよびエッチング処理により、請求項１３に記載のマルチプレクサ／デマルチプレクサを作成する方法であって、
（ａ）主面を有する基板(314)を設けるステップと、
（ｂ）前記基板(314)の前記主面上に導電層(318)を形成するステップと、
（ｃ）前記導電層(318)の上に、厚さのあるポリマー層(312)を形成するステップと、
（ｄ）平坦な表面と、複数のワイヤ状くぼみとを有するモールド(310)であって、前記くぼみ部分のそれぞれが第１の深さ(310b)または第２の深さ(310a)を有し、前記第１の深さが前記第２の深さよりも深く、前記第１の深さが前記ポリマーの厚さ以上であり、前記第２の深さが前記ポリマーの厚さ未満である、モールドを作成するステップと、
（ｅ）前記モールド(310)を前記ポリマー層(312)に圧入して前記平坦な表面で前記ポリマー(312)を前記導電層(318)まで貫通し、多段レリーフを有する複数のワイヤ状ポリマー突出部であって、該突出部のそれぞれが第１の高さまたは第２の高さ有する、複数のワイヤ状ポリマー突出部を形成するステップと、
（ｆ）１以上のエッチング処理により、前記圧入後のポリマー層(312)の前記多段レリーフを前記導電層(318)に転写し、多段レリーフを有する導電性ワイヤ(318a,318b)であって、該ワイヤ部分のそれぞれが第１の高さまたは第２の高さを有し、前記第１の高さが前記第２の高さよりも高い、導電性ワイヤを形成するステップと、
（ｊ）堆積処理または成長処理により、前記導電性ワイヤ(318)の上に絶縁層(319)を形成するステップと、
（ｋ）前記絶縁層(319)を前記第１の高さを有する最も高い導電性ワイヤ部分の高さで平坦化し、前記第１の高さを有する部分で露出された導電性ワイヤを除いて、前記絶縁層(319)によって覆われた複数の導電性ワイヤ(318)を残すようにするステップと、
（ｌ）前記平坦化後の絶縁層(319)に支持され、該絶縁層(319)によって覆われない前記第１の高さの部分においてのみ前記下側の導電性ワイヤ(318a)と電気的に接触する、複数の上側通信ワイヤ(316)を形成するステップと
からなる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して、分子エレクトロニクス等のようなナノメートルサイズの電子回路に関し、詳しくは、電気信号の効率的な入出力を行なうための、ナノメートルサイズの電子回路を含むナノワイヤと、ミクロンサイズの電子回路を含むマイクロワイヤとの間のインタフェースを提供することに関する。
【０００２】
米国連邦政府から資金提供を受けた研究または開発に関する表明
合衆国政府は、本発明におけるペイドアップ・ライセンスと、特定状況における権利とを有し、特許権者は、米国防総省国防高等研究事業局（ＤＡＲＰＡ）によって規定された契約ＤＡＢＴ−６３−９９−３−０００３およびＭＤＡ９７２−０１−２−０００５の条項に定められているような妥当な条件に基づいて他者に実施許諾しなければならない。
【背景技術】
【０００３】
高い素子密度を有し、動作速度が速く、製造コストが低いナノメートルサイズの電子回路の製造は、将来の電子素子において様々な応用形態が見込まれている。しかしながら、ナノエレクトロニクスには、ナノワイヤと外部のマイクロワイヤとの間のインタフェースを作成するための方法を開発しなければならないという大きな問題がある。そのようなインタフェースは、外部回路からの電気信号をナノワイヤに対して効率的に入出力し、電力を選択的に供給および分配し、ナノワイヤ間の内部相互接続を行なうのに必要となる。従来のマイクロエレクトロニクスでは、電子素子間を選択的に相互接続することで、それらの問題を解決している。その一例は、図１に示し、以下で詳細に説明するマルチプレクサ／デマルチプレクサインタフェースである。ナノメートルスケールにおいて、そのようなインタフェースは、各交点でナノワイヤとマイクロワイヤとの間を選択的に接続または切断する必要がある。そのため、その特徴形状部のマイクロワイヤの方向におけるサイズは、ナノワイヤの幅と、それらの間隔とに相当するものにする必要があり、特徴形状部のサイズそのものをナノメートルスケールにする必要がある。１組の特徴形状部を他の特徴形状部の上に位置決めすることは、現在の機械的精度を有する従来のフォトリソグラフィ手段では不可能である。
【０００４】
ナノワイヤとマイクロワイヤとの間のそのような相互接続の一例は、特許文献１に開示されている。この特許は、クロスバーネットワークの各接合部において交差ワイヤ対を接続するコネクタ化学種として双安定性分子を使用し、複数のナノメートルスケールのスイッチからなる二次元アレイ（分子ワイヤクロスバーネットワーク）に対しランダムにパターニングされたデマルチプレクサを開示している。本特許出願は、本明細書に開示し特許請求の範囲に記載するように、所定パターンのナノワイヤ−マイクロワイヤ間接続を設けることより、必要とされるマイクロワイヤの数を削減するとともに、マルチプレクサ／デマルチプレクサによって占有される面積を削減するという点で、文献１の特許よりも優れた改良である。
【特許文献１】米国特許第６，２５６，７６７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特定のマイクロワイヤから特定のナノワイヤへ任意の接続を行なう方法が、必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書に開示する実施形態では、インプリントプロセスにより、突出パターンを有するモールドを薄いポリマーフィルムに圧入する。ナノワイヤと、マイクロワイヤやリソグラフィにより作成された電子回路のその他の素子との間に、制御された接続を設ける。インプリントスタンプは、概ね平行なナノワイヤのアレイを形成するように構成され、該ナノワイヤは、（１）Ｘ方向においてミクロンスケールの寸法（長さ）を有し、（２）Ｙ方向においてナノメートルスケールの寸法（幅）およびナノメートルスケールの間隔を有し、（３）Ｚ方向においてナノメートルスケールの３以上の異なる高さを有する。従って、形成されたスタンプを用いると、１つのポリマー層（または複数の層）に多段インプリントを形成することができ、それにより、特定のナノワイヤをミクロンスケールのワイヤまたはパッドの特定微小領域に接続することが可能になる。
【０００７】
モールド上の突出パターンは薄いポリマーフィルムにくぼみを形成し、ポリマー層には、モールド上のパターンを反転したものが得られる。モールドを外した後、薄いポリマーフィルムを処理してくぼんだエリア内のポリマーを除去することで、下にある基板を露出させる。このポリマーパターンの基板上の金属／半導体パターンへの転写は、パターニングしたポリマーをマスクとして用い、下にある導電性フィルムにくぼみをエッチングすることにより、または、パターニングしたポリマー上に導電性金属を蒸着し、残りのポリマーをリフトオフして、下にある基板に接触してない部分を全て除去することにより、行なうことができる。
【０００８】
この制御された接続を用いると例えば、（１）デマルチプレクサを作成すること、（２）信号の一般的な入出力のためにナノワイヤアレイをミクロンスケールのワイヤまたはパッドに接続したり、異なる電圧の電力を特定のナノワイヤに供給したりすること、（３）複数のナノワイヤを１本のマイクロワイヤに接続してそのマイクロワイヤをデジタル信号用のバスとして使用すること、（４）ナノワイヤを、従来のリソグラフィプロセスでバイアとして形成されたミクロンスケールパッドの２次元アレイに接続すること、（５）異なる層に属するナノワイヤ間を選択的に接続すること、などが可能である。
【０００９】
本発明は、外部回路とナノワイヤとの間の選択的接続の問題を解決する。また本発明によると、ナノワイヤとマルチプレクサ／デマルチプレクサとを同時に製造することが可能になる。従って、本発明は、確定的なナノメートルスケール集積回路、すなわちランダムな接続によらないナノメートルスケール集積回路を製造する方法を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
定義
用語「ミクロンスケール寸法」とは、サイズが１マイクロメートル〜数マイクロメートルの範囲の寸法を言う。
【００１１】
用語「サブミクロンスケール寸法」とは、０．０４マイクロメートル〜１マイクロメートルの範囲の寸法を言う。
【００１２】
用語「ナノメートルスケール寸法」とは、０．１ナノメートル〜４０ナノメートル（０．０４マイクロメートル）の範囲の寸法を言う。
【００１３】
用語「マイクロワイヤ」とは、ミクロンスケールまたはサブミクロンスケールの幅または直径のワイヤを言う。
【００１４】
用語「ナノワイヤ」とは、ナノメートルスケールの幅または直径のワイヤを言う。
【００１５】
用語「電気的接触」とは、任意の２本のワイヤ間の電気的接続であって、その接続が２端子オーミック特性、ダイオード電気特性または３端子トランジスタ電気特性を有するものを言う。
【００１６】
インプリントプロセス
まず図１を参照する。図１は、基本的なデマルチプレクサ回路を示す概略図である。８本のナノワイヤ（１〜８で示す）は６本の通信ワイヤを用いてアドレス指定することができる。それらの通信ワイヤは、３つの論理入力（Ａ、ＢおよびＣで示す）により２本１組で制御される。各組の上側のワイヤは、入力値（１または０）の補数を表す電圧でバイアスされ、下側のワイヤは入力値を表す電圧でバイアスされる。Ａ、ＢおよびＣにおける０、１の組み合わせはいずれも、８本のナノワイヤのうちの１本を一意にアドレス指定する。例えば、Ａが１で、Ｂが１で、Ｃが０の場合、ナノワイヤ６がアドレス指定される、といった具合である。一般に、この種のマルチプレクサ／デマルチプレクサ回路を用いると、２ｎ本の外部マイクロワイヤを２ｎ本のナノワイヤに接続することができる。言い換えれば、デマルチプレクサに一対の通信ワイヤを追加することで、アドレス指定可能なナノワイヤの数は２倍になる。しかしながら、上記のように、通信ワイヤ（Ａ、Ｂ、Ｃ）の方向に沿った特徴形状部のサイズは、ナノワイヤの幅と、それらのワイヤ間の間隔とに相当するものにする必要があり、特徴形状部のサイズそのものをナノメートルスケールにする必要があるため、従来のフォトリソグラフィ手段でこれを実現するのは、現時点では不可能である。
【００１７】
インプリントリソグラフィは、ナノメートルスケール回路を製造するための有効で低コストな方法である。１９９８年６月３０日にS. Y Chouに付与された「Nanoimprint Lithography」と題する米国特許第５，７７２，９０５号を参照して欲しい。図２は、リフトオフを実施するためのインプリントプロセスを示す図であり、突出パターン１０ａを有するモールド１０を薄いポリマーフィルム１２に圧入した後の状態を示している。ポリマーフィルム１２は基板１４に支持される。
【００１８】
圧入の際、モールド１０上の突出パターン１０ａは、対応するくぼみ１２ａを薄いポリマーフィルム１２に形成する。ポリマーフィルム１２には、モールド上のパターンを反転したものが得られる。モールド１０を外した後、ポリマーフィルム１２は、くぼみエリア１２ａ内に残ったポリマーが全て除去され（突出部１０ａが基板１４の表面に完全に接触しない場合）、下にある基板１４の対応部分が露出されるように処理される。ここで示すリフトオフの実施態様の場合、上から導電性の薄いフィルムを堆積させ、ポリマー部分１２ｂを溶媒に溶かすことにより、ポリマー上に堆積された導体をそのポリマーと共に除去する。こうして、くぼみ１２ａ内に残った導体だけがそのまま残され、所望のパターン、例えば導電性ワイヤ（図示せず）が形成される。
【００１９】
図３ａおよび図３ｂは、エッチングの実施態様の場合の従来技術によるインプリントプロセスを示す図である。図３ａに示すように、基板１４は、薄い導電性フィルム１８と薄いポリマーフィルム１２とを支持する。モールド１０がポリマー１２に圧入され、くぼみ１２ａが形成され、導電性フィルム１８の一部が露出された状態を示している。後続のエッチング処理で、導電性フィルム１８の露出部分を全て除去する。パターニングされたポリマー１２によって保護されたフィルム１８の部分だけが残る。次いでこのパターニングされたポリマー１２は例えば溶媒に溶かすことによって除去することができ、図３ｂに示すようなパターニングされた導電性ワイヤ１８が残る。
【００２０】
本明細書に開示する実施形態によれば、インプリントリソグラフィ技術を用いてマルチプレクサ／デマルチプレクサ／相互接続インタフェースを製造する方法が得られる。この方法は、ナノメートルサイズにまで縮小することができ、また、素子のナノワイヤ部分とマルチプレクサセクション部分とを同時に製造することができる。
【００２１】
インプリントプロセスにより、突出パターンを備えたモールドを薄いポリマーフィルムに圧入する。ナノワイヤと、マイクロワイヤやリソグラフィにより作成された電子回路のその他の素子との間に、制御された接続を設ける。インプリントスタンプすなわちモールドは、概ね平行なナノワイヤのアレイを形成するように構成され、該ナノワイヤは、（１）Ｘ方向においてミクロンスケールの寸法を有し、（２）Ｙ方向においてナノメートルスケールの寸法およびナノメートルスケールの間隔を有し、（３）Ｚ方向において３以上の異なる高さを有する。従って、形成されたスタンプを用いると、１つのポリマー層（または複数の層）に多段のインプリントを形成することができ、それにより、特定のナノワイヤをミクロンスケールのワイヤまたはパッドの特定微小領域に接続することが可能になる。
【００２２】
図２に示した従来技術ではインプリントモールド１０の突出したワイヤ状部分１０ａの高さがモールドの高さと同じであったが、多段インプリントモールドの突出したワイヤ状部分は、図４ａおよび図７に示すように、マルチプレクサ／デマルチプレクサ領域において様々な高さを有する。具体的には、図４ａを参照すると、モールド１１０の高い方の部分１１０ａは、対応する深いくぼみ１１２ａを薄いポリマーフィルム１１２、２１２に作成する。技術的には、２層の薄いポリマーフィルム１１２、２１２を用いることが望ましい場合もある。
【００２３】
次に、リフトオフ処理を含むワイヤ形成の一例について、図４ａおよび図４ｂを参照して説明する。ワイヤ形成の他の例については後で説明する。
【００２４】
図４ａは、通信マイクロワイヤ１１６を支持する基板１１４を示す。図１に示したようなマルチプレクサ／デマルチプレクサを作成する際、この通信ワイヤ１１６に対して、電気的接触を行なったり行なわなかったりする。突出部１１０ａおよび１１０ｂの高さは１〜５００ｎｍであり、突出部１１０ａは突出部１１０ｂよりも約０．１〜１００ｎｍ高い。
【００２５】
実際には、複数の通信マイクロワイヤ１１６を基板１１４上に形成し、それらを互いに概ね平行に配置する。そのような通信マイクロワイヤ１１６の形成は、従来通りのものであり、本発明の一部を構成するものではない。通信ワイヤ１１６は通常、アルミニウム、プラチナまたは金属シリサイド等のような金属を含む。あるいは、適当なレベルまでドープした単結晶シリコンまたは多結晶シリコンを通信ワイヤ１１６として用いることもできる。
【００２６】
モールド１１０を外した後、深い方のくぼみ領域にあるポリマーを除去し、その下にある通信マイクロワイヤ１１６を露出させる。しかしながら、浅い方のくぼみ領域にあるポリマーは完全には除去されないので、それらの領域では、その下にある通信ワイヤ１１６が露出されないであろう。
【００２７】
次に、構造全体の上に金属１８を全面堆積させる（図４ｂ）。適当な金属の例としては、上で挙げた金属、金属シリサイドおよびシリコン（ドープしたもの）などが挙げられる。後続のリフトオフ処理の際、薄いポリマーフィルム２１２は溶媒に溶解させ、薄いポリマーフィルム１１２はそのまま残す（この処理は、溶媒がポリマー２１２だけを溶解しポリマー１１２を溶解しないように、ポリマーの組み合わせを具体的に選択することに依存している）。そのようなポリマーの組み合わせや適当な溶媒の選択については、よく知られている。例えば、薄いポリマーフィルム２１２には、アセトン溶媒に溶解させることが可能なＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）を用い、薄いポリマーフィルム１１２には、アセトンには溶解しないポリイミドを用いることができる。
【００２８】
リフトオフの後、回路（図示せず）にナノワイヤが作成される。マルチプレクサ／デマルチプレクサ領域において、浅い方のくぼみ領域にあるナノワイヤ１１８ａは通信ワイヤ１１６と電気的に接触しない（図４ｃおよび図５ａを参照）のに対し、深い方のくぼみ領域にあるナノワイヤ１１８ｂは通信ワイヤ１１６と電気的に接触する（図４ｃおよび図５ｂを参照）。ナノワイヤ回路とマルチプレクサ／デマルチプレクサは、同時に画定される。
【００２９】
リフトオフ処理において実質的に必要となる基板は、比較的厚みのある絶縁性材料１１４の上に大きなマイクロワイヤの確定的アレイ１１６を配置したものから構成される。リフトオフ処理は、多段モールド１１０を複数層の柔らかいリソグラフィレジスト１１２、２１２に圧入し、多段レリーフを形成することからなる。レジスト層の上に堆積された材料は、そのレリーフパターンに従ってナノワイヤ１１８を形成する。一番上のレジスト表面上にあるナノワイヤ間の余分な材料は、その直ぐ下にある支持レジスト層を溶解することによって除去される。インプリントモールドの最も突出した表面１１０ａ全てにおいて、ナノワイヤ１１８とマイクロワイヤ１１６との間の電気的接触が成される。
【００３０】
形成されたナノワイヤ１１８ａ、１１８ｂのレリーフは、突出部１１０ａ、１１０ｂの高さに関連する。突出部１１０ａ、１１０ｂの高さは１〜５００ｎｍである。ナノワイヤ１１８ａ、１１８ｂの厚さは、約１〜１０００ｎｍである。
【００３１】
ナノワイヤ１１８ａ、１１８ｂは、互いに概ね平行に形成され、通信マイクロワイヤ１１６の上方を０度以外の角度で横切るように構成される。通常は、図１に示したように通信マイクロワイヤ１１６と直交するように構成される。図１の様々な交点に記した丸印は、ナノワイヤ１１８ｂが通信マイクロワイヤ１１６と電気的に接触する領域に相当し、図１の丸印のない交点は、ナノワイヤ１１８ａが通信マイクロワイヤ１１６と電気的に接触しない領域に相当するということは、当業者には明らかであろう。
【００３２】
次に、エッチング処理を含むワイヤ形成の第２の例について、図６ａ〜図６ｅを参照して説明する。必要となる基板は、厚みのある絶縁性材料３１４の上に素子材料３１８、すなわち金属または半導体の薄い層を配置したものから構成される。エッチング処理は、第１の深さのくぼみ３１０ｂおよび第２の深さのくぼみ３１０ａを有する多段モールド３１０を単層または複数層の柔らかいリソグラフィレジスト３１２に圧入し、多段レリーフを有するワイヤ状のポリマー突出部を形成することからなる。各突出部は第１の高さ３１２ｂまたは第２の高さ３１２ａを有する（図６ａおよび図６ｂ）。次に、ドライエッチング（例えば、反応性イオンエッチング）またはウエット化学エッチングによる１以上のエッチングステップにより、その多段レリーフをレジストから薄い素子材料層３１８に転写する（図６ｃ）。この時点で、連続した素子材料層３１８は、厚い絶縁性基板の上に多段の厚さ、すなわち複数の高さ３１８ｂおよび３１８ａを有するナノワイヤにパターニングされる。次に、絶縁性材料３１９を用いて最も高い素子材料３１８ｃの高さで平坦化し、大部分が埋め込まれたナノワイヤの隔離された露出部分３１８ｃを有する平坦な表面を形成する（図６ｄ）。次に、それらの隔離された露出部分３１８ｃに、従来のリソグラフィ技術によって堆積されパターニングされた大きな寸法のマイクロワイヤ３１６を接触させる（図６ｅ）。絶縁性材料３１９は、絶縁性基板３１４の気相成長または電気化学的成長、あるいは類似の、または異なる絶縁性材料の全面堆積などにより、複数の方法で形成することができる。平坦化は、化学的研磨および／または機械的研磨によって実施することができる。
【００３３】
本教示は、インプリントによってマルチプレクサ／デマルチプレクサ／相互接続を作成する手段を提供し、製造工程を簡略化するとともに、マルチプレクサ／デマルチプレクサ／相互接続と、ナノ回路とを同時に製造することを可能にする。従って、本教示は、分子電子回路を含むナノメートルスケールの回路に関する接続／通信の問題を解決する。
【００３４】
応用形態
本明細書の教示は、ナノワイヤと、マイクロワイヤやリソグラフィにより作成された電子回路のその他の素子との間に制御された接続を作成するための汎用的方法を提供する。種々の実施形態は、インプリントスタンプを作成し、概ね平行なナノワイヤからなる機構を形成する。このナノワイヤは、Ｘ方向においてミクロンスケールの寸法を有し、Ｙ方向においてナノメートルスケールの寸法およびナノメートルスケールの間隔を有し、Ｚ方向において３以上の異なる高さを有する。このスタンプを用いると、特定のナノワイヤをミクロンスケールのワイヤまたはパッドの特定微小領域に接続することが可能になる。図７を参照して欲しい。
【００３５】
図７に示すように、ポリマー１０に圧入された３段モールドは、通信ワイヤ１１６ａ、１１６ｂの上面まで延びる窓１５を通して露出された第１の段１２ａと、一連のナノワイヤ１１８ａ、１１８ｂを画定する第２の段１２ｂと、第３の段１２ｃとを含む、３次元形状を形成する。段１２ｂにある各溝はそれぞれ独自に１組の窓１５を有し、それらの窓が圧入されたポリマー１０の真下にあるマイクロワイヤ１１６ａ〜１１６ｃを露出させる。金属の堆積およびリフトオフ（図示せず）の後、段１２ｂにナノワイヤ１１８を形成する。この処理は、その段の輪郭に沿ってナノワイヤ１１８を形成し、窓１５が存在する場合は窓１５の中にもナノワイヤ１１８を形成することを含む。ナノワイヤ１１８は、窓１５を通してのみマイクロワイヤ１１６と位置２０で接触する。図７に示したこの特定の実施形態の場合、ナノワイヤ１１８ｂは、マイクロワイヤ１１６ａおよび１１６ｂに接続されているが、マイクロワイヤ１１６ｃには接続されていない（図７では、マイクロワイヤ１１６ｂとナノワイヤ１１８ａとの間の接続が隠れているため、符号２２で示してある）。
【００３６】
図７には、Ｘ−Ｙ−Ｚ座標系が併記されている。図７において、モールドすなわちインプリントスタンプは、概ね平行なナノワイヤ１１８のアレイを形成するように構成され、該ナノワイヤは、（１）Ｘ方向においてミクロンスケールの寸法を有し、（２）Ｙ方向においてナノメートルスケールの寸法およびナノメートルスケールの間隔を有し、（３）Ｚ方向において３つ以上の異なる高さ（図７には、３つのそのような高さが示してある）を有する。
【００３７】
（１）一実施形態において、図７に示した接続は、デマルチプレクサの作成に使用される。図８を参照して欲しい。図８に示すように、概ねマイクロメートルサイズの通信ワイヤ対２１６ａ、２１６ｂ、２１６ｃおよび２１６ｄは、図示のようにそれぞれ独自のやり方で１６本のナノワイヤ２１８の集合を半分に分割する。例えば、ナノワイヤ２１８の下にある黒い部分２０は、そのナノワイヤ２１８が通信ワイヤ２１６と電気的に接触する場所であることを示している。白抜きの丸印は論理演算ＮＯＴを示す。その結果、２１６ａ、２１６ｂ、２１６ｃおよび２１６ｄに送信された０、１の組み合わせは、いずれもナノワイヤ２１８を１本だけ選択する。外部信号２６は全てのナノワイヤ２１８を通して送信されるが、その信号をナノワイヤ回路（図示していないが、矢印２８で示す）へ伝達するのは、その選択されたワイヤだけである。
【００３８】
ナノワイヤ回路には例えば、２０００年１０月３日にPhilip J. Kuekes他に付与され本特許出願と同じ譲受人に譲渡された「Molecular Wire Crossbar Memory」と題する米国特許第６，１２８，２１４号に開示されているような、ナノワイヤ−ナノワイヤ・クロスバー構造を用いることができる。全交点が、記憶素子（記憶回路）または論理素子（コンピュータ論理回路）になっている。したがって、各ナノワイヤ回路はいずれも、少なくとも２つのデマルチプレクサを有する必要がある。すなわち、１つはナノワイヤのＸ方向のアレイに関するもので、もう１つはＹ方向のアレイに関するものである。図８に示したデマルチプレクサの場合、ミクロンスケールのワイヤ２１６は、半導体（ドープしたもの）または金属が望ましく、ナノワイヤ２１８は、金属または半導体が望ましい。マイクロワイヤとナノワイヤとの間の電気的接触部の特性は、オーミック特性でも、ダイオード特性でも、トランジスタ特性でもよい。デマルチプレクサ回路の場合、ダイオード特性またはトランジスタ特性が最も望ましい。
【００３９】
ナノワイヤ回路は、全ての交点がナノメートルスケールセンサまたアクチュエータ素子で構成された、ナノワイヤ−ナノワイヤ・クロスバー構造でもよい。
【００４０】
ナノワイヤ回路は、各ナノワイヤがセンサまたはアクチュエータとして機能する概ね平行なナノワイヤの単一集合から構成することもでき、ナノワイヤは化学的または生物学的官能基でコーティングされる場合もある。
【００４１】
（２）他の実施形態において、図７に示した接続は、信号の一般的な入出力のためにナノワイヤアレイをミクロンスケールのワイヤまたはパッドに接続したり、異なる電圧の電力を特定のナノワイヤ（図示せず）に供給したりするのに使用される。
【００４２】
（３）さらに他の実施形態では、複数のナノワイヤ３１８を１本のマイクロワイヤ３１６ｂに接続し（他のマイクロワイヤ３１６ａ、３１６ｃには接続せず）、そのマイクロワイヤを共通信号用のバス３０として使用する場合がある。図９を参照して欲しい。短いマイクロワイヤ３１６ｂが幾つかの選択されたナノワイヤ３１８に接続され、それらのナノワイヤが短いマイクロワイヤと電気的に接触する場所が、それらのナノワイヤの下に黒い部分２０で図示されている。
【００４３】
（４）さらに他の実施形態において、ナノワイヤ４１８は、従来のリソグラフィ処理によってバイアとして形成されたミクロンスケールのパッド４１６の二次元アレイに接続される場合がある。図１０および図１０ａを参照して欲しい。この実施形態では、複数層のマイクロワイヤ４１６ａ、４１６ｂに対し、高密度の接続が可能である。複数の層にナノメートルスケールの接続部が存在するため、ナノワイヤ４１８と、ミクロンスケールのパッドすなわちバイア４１６との間に接続部２０を作成する。ミクロンスケールのバイア４１６およびミクロンスケールのワイヤすなわち導電性経路５１６は、従来のリソグラフィによって作成される。ミクロンスケールのバイア４１６ａ、４１６ｂは、ナノメートルスケールのワイヤ４１８と電気的に接触２０するくらい十分近くに持ってくる。ミクロンスケールのバイア４１６ｂは導体の第１の層５１６ｂまで延びる一方、ミクロンスケールのバイア４１６ａはさらに深く導体の第２の層５１６ａまで延びる。多層回路の場合、ミクロンスケールのバイア４１６によってナノメートルスケールのワイヤ４１８に接続されたそのような導体層５１６が複数存在する場合もある。これが、バイアを通してナノワイヤを任意の深さまで接続する仕組みである。
【００４４】
１つの重大な問題は、ミクロンスケールの導体５１６ａ、５１６ｂがナノワイヤ４１８に比べてはるかに大きいことである。電気的接続部２０を作成したい場合、その作成は、作成可能な接続部の数によって制約を受ける場合がある。バイア４１６は、さらに深い層を用いて、接続部の数を増やすことを可能にする（余談として、回路で満たされた領域、たとえば２次元の領域があり、外部環境に接続したい場合、それらの回路をラインに入れることができる。各回路からのラインは、囲まれるのを「逃れ」なければならない。バイア４１６を用いることにより、多数の層上に逃れることができる）。面積がＮの場合、回路数はＮ2であるが、Ｎ本のラインしか利用できない。しかしながら、Ｎ段あれば、全回路にアクセスすることが可能になる。
【００４５】
第２の重要な利点は、接続部２０によって可能となる特定の接続である。次に説明する図１１は、バスの概念を複数の面に一般化したものを示す。図１０は、これを行なう方法を示している。
【００４６】
（５）さらに他の実施形態では、図７に示した基本的な手法を用いて、異なる層に属するナノワイヤ４１８を選択的に接続することができる。これは、２つの隣り合ったナノワイヤ層３６ａ、３６ｂから選択したワイヤをそれらの間に挟まれたマイクロワイヤ４１６ａ、４１６ｂに接続することにより行なう。これは、異なるナノワイヤ層を互いに接続し、３次元のナノワイヤネットワークおよび回路を形成するための方法を提供する。図１１を参照して欲しい。アレイ３６ａ内のナノワイヤ４１８ａをバイア４１６ａに選択的に接続する。アレイ３６ｂ内のナノワイヤ４１８ｂをバイア４１６ｂに選択的に接続する。バイア４１６ａとバイア４１６ｂを互いに接続する。その結果、異なる段に属する個々のナノワイヤの特定の接続が可能になる。
【００４７】
図１１は、ナノメートルスケールのアレイ３６の接続に関する図である。バイア４１６は、図１０に示した構造を考慮して、２つのそのような構造を背合わせに接続することにより、ナノアレイ３６に簡単に接続することができる。ナノワイヤ４１８ａが最前面にある。次に前面に近いのは接続部２０ａである。バイア４１６ａはバイア４１６ｃの前にある。バイア４１６ｂはバイア４１６ａと同じ面にある。バイア４１ｂはバイア４１６ａの前にある。最も遠い面はナノワイヤ４１８ｂを含む。
【００４８】
ナノクロスバー技術および従来のミクロンスケールのリソグラフィを用いて、回路を形成することができる。ここで示すのは、１つの方向のクロスバー４１８ａである。バイア４１６が導電性であるので、これは４１８ａと４１８ｂとの間に導電性を与える。従って、複数の異なるバス（４１６ａ〜４１６ｃ；４１６ｂ〜４１６ｄ）を用いて、同じ面（クロスバーによってなされることもできる）または異なる面において、１以上のナノワイヤ４１８を互いに接続することができる。原理的には、分子クロスバー回路を積み重ねたサンドイッチ構造を形成し、任意の固定パターンを用いてそれらの回路が互いに垂直方向に通信できるようにすることが可能である。この構成では、ｘ方向およびｙ方向のマイクロワイヤ４１６を用いた直接的な物理接続を行なうことなく、電気的接続を用いた任意のルーティングが可能になる。バイア４１６とナノワイヤ４１８との間の電気的接続部の特性は、オーミック特性でも、ダイオード特性でも、トランジスタ特性でもよい。
【００４９】
当業者であれば、本明細書の教示がナノメートルスケールで複雑に接続された集積電子回路を製造するための方法を提供ものであることは明らかであろう。
【００５０】
材料と接続
本明細書で説明したマイクロワイヤおよびナノワイヤは、それらの製造に使用される材料に応じて、金属でも、半導体でも、絶縁体でもよい。あるいは、それらのワイヤは有機導体や分子性導体でもよい。そのため、ナノワイヤとマイクロワイヤとの間の電気的接続部の特性は、オーミック特性であっても、ダイオード特性であっても、トランジスタ特性であってもよい。あるいは、接続部は絶縁性にすることもでき、例えば、特定の電界をかけることにより絶縁破壊するように設計されたトンネル障壁またはアンチヒューズでもよい。本明細書の教示は、特定タイプのワイヤに対する選択的接続を行なう方法を提供する。例えば、一部のナノワイヤだけを金属のマイクロワイヤに接続し、他のナノワイヤは半導体マイクロワイヤに接続する場合がある。あるいは、同一のナノワイヤを、１以上の金属マイクロワイヤに接続するとともに、１以上の半導体マイクロワイヤにも接続する場合がある。
【００５１】
さらに、マイクロワイヤとナノワイヤの間の接触部に分子膜を配置することもできる。図１２はそのような構成を示す。図１２は、２本のナノワイヤ１１８ａ、１１８ｂとともに、３本のマイクロワイヤ１１６ａ〜１１６ｃを示している。マイクロワイヤ１１６の表面に複数の分子４０ａを含む分子膜４０を形成し、ナノワイヤ１１８がマイクロワイヤ１１６と接触するときには常に、該分子膜４０がナノワイヤ１１８との間に挟まれるようにしている。例えば、ナノワイヤ１１８ａは、マイクロワイヤ１１６ｂおよび１１６ｃ上の分子膜４０と接触し（マイクロワイヤ１１６ａの分子膜には接触しない）、ナノワイヤ１１８ｂは、マイクロワイヤ１１６ａおよび１１６ｂ上の分子膜４０と接触する（マイクロワイヤ１１６ｃ上の分子膜には接触しない）。
【００５２】
この分子膜４０中の分子４０ａは、受動電気素子でも、能動電子素子でもよい。受動素子の場合、それらの分子は、ナノワイヤ１１８とナノワイヤ１１６との間の良好な電気的接続性を向上させたり、その接続の整流機能やトランジスタ機能を向上させたりすることができる。能動素子の場合、それらの分子は、複数状態スイッチまたはトランジスタとして働く。
【００５３】
ナノワイヤ１１８とマイクロワイヤ１１６との間の接触領域２０には、分子と同様に、他の物質を配置することもできる。それらの物質としては、金属、絶縁体、半導体、ポリマーまたナノ粒子からなる１以上の層がある。さらに、それらの物質は、合金、異なる種類のナノ粒子からなる混合物、およびさらに複雑な化合物などでもよい。
【００５４】
３．幾何学構造
本教示は、まずマイクロワイヤ１１６を作成し、次いでその上にナノワイヤ１１８をインプリントにより作成するという製造手順を開示する。しかしながら、その順番は逆にすることもできる。すなわち、まずナノワイヤ１１８をインプリントし、次いでそのナノワイヤの上にマイクロワイヤ１１６を作成するという手順でもよい。
【００５５】
さらに、マイクロワイヤ１１６は、ナノワイヤアレイ３６のフットプリントの外側だけでなく内側にも配置することができる。
【００５６】
最後に、本明細書の種々の実施形態の教示によれば、ミクロンスケールの特徴形状部１１６から、直線状のナノワイヤ１１８に対する接続だけでなく、概ね平行な曲線状のナノワイヤからなる機構に対する接続も作成することができる。図１３を参照して欲しい。インプリントによって作成された曲線状ナノワイヤ７１８の機構は、様々なリソグラフィによって作成されたマイクロワイヤ７１６に対して選択的に電気的に接続される。このマイクロワイヤは、曲線状であっても曲線状でなくてもよい。
【００５７】
４．製造方法
一実施形態では、上記のように、リフトオフ処理を用いる場合がある。
【００５８】
他の実施形態では、上記のように、エッチング処理を用いる場合がある。
【００５９】
さらに他の実施形態では、予め作成したナノワイヤを配置するためのパターンを用いる場合がある。必要とされる基板は、厚い絶縁性材料からなる。本処理は、多段モールドを多層の軟らかいリソグラフィレジストにインプリントし、多段レリーフを形成することからなる。次いで、そのレジストに形成されたトレンチにしたがって、例えばカーボン・ナノチューブ等のような予め作成されたナノワイヤを堆積させ、位置合わせする。それらのナノワイヤ１１８は、リフトオフ処理の最初の基板作成の後、下にあるマイクロワイヤ１１６と接触させることもできるし、エッチング処理の最後のステップの後、上にあるマイクロワイヤと接触させることもできる。
【００６０】
さらに他の実施形態では、その場（基板上）でナノワイヤを成長させるためのパターンを用いる場合もある。この方法は、インプリントの後、レジスト１１２に形成されたレリーフトレンチ１１２ａ、１１２ｂを用いて、例えばシリコンナノワイヤやカーボンナノチューブ等のような素子材料の成長をその場で開始する点を除き、上記のパターン処理とほぼ同じである。これらのナノワイヤは、リフトオフ処理の最初の基板作成の後、下にあるマイクロワイヤと接触させることもできるし、エッチング処理の最後のステップの後、上にあるマイクロワイヤと接触させることもできる。
【００６１】
５．モールド設計
５ａ．２段モールド
２段モールドに関する従来技術は、Stephen Y. Chouによる米国特許第５，７７２，９０５号「Nanoimprint Lithography」に記載されている。この特許は、２つの異なる特徴形状部高さを有する硬いモールドを作成し、そのモールドを、基板上の薄いポリマーフィルムに圧入する処理を記載している。インプリント処理中の温度および圧力を制御することにより、ポリマー層にインプリント（圧跡）が形成される。次いで、そのインプリントを光エッチング処理によって掃除し、インプリントの溝の底部にある余分なポリマーを除去する。そして、残ったポリマーは、基板をさらにエッチングして溝を形成するためのエッチングマスクとして用いることができ、あるいは、金属その他の堆積材料のための堆積マスクとして用いることもできる。
【００６２】
５ｂ．３段モールド
本教示は、モールドの３つの異なる段に特徴形状部が存在する硬いモールドの製造に関する。このモールドを基板に圧入すると、３つの異なる高さをもつ圧跡が残る。すなわち、基板表面の高さまたはそれに極めて近い高さと、基板表面より上にある中間の第２の高さと、第２の高さよりも高い第３の高さである。基板自体が絶縁性基板上の薄い金属フィルムである場合、この機構を適当な異方性エッチングによってエッチングすると、２つの異なるワイヤ高さを有する表面が形成される。さらに、モールドの厚さを変更すれば、特定ワイヤの高さを２つの異なる高さの間で互い違いにすることができる。
【００６３】
５ｃ．４段（または５段以上の）モールド
この３段以上のモールドを形成する原理は、４段以上の機構に拡張することもできる。そのようなモールドでは、３以上の厚さを有するワイヤを有する表面を形成することができるようになる。そのような機構は、ナノワイヤを基にした複雑な３次元回路を形成する際に有用な場合がある。
【００６４】
６．モールドの作成
多層モールドを形成する方法は多数存在し、そのうちのいくつかは本明細書で説明している。大部分の方法は、複数の技術の組み合わせを利用する。すなわち、最終的な素子におけるナノワイヤのテンプレートとなる複数のナノメートル幅の特徴形状部を形成するための何らかのタイプの処理と、そのテンプレートに変更を加え、さらに段を追加してパターンをさらに複雑にする（すなわち情報内容を増やす）ことが可能な何らかの他のタイプの一連の処理との組み合わせを利用する。
【００６５】
６ａ．超格子
非常に長い平行なラインを１００ｎｍ以下の長さの間隔で作成することは、いずれのリソグラフィ処理にとっても極めて難しい問題である。そのようなラインをインプリントするためのモールドを作成する１つの方法は、ＳｉとＳｉＧｅの合金、またはＧａＡｓとＡｌＧａＡｓの合金といったような、２つの材料からなる超格子を成長させることである。よく知られた高度に制御された方法を用いて、正確な厚さの２つの材料を自動的に成長させることができる。ウェーハを成長面に対して垂直に切断した後、２つの材料のうちの一方をエッチングによって選択的に除去すると、所定の幅および高さを有する複数の正確に平行なラインを備えたインプリントモールドが形成される。３段の特徴形状部を形成するためには、続いて、このモールドに対して局部に集中したエッチング技術または堆積技術を用いて変更を施し、材料を除去または追加して、超格子の平行ラインを横切る任意のパターンを形成する。
【００６６】
６ｂ．局部集中エッチング
本発明の処理において重要なステップは、異なる突出部高さ１１０ａ、１１０ｂを有するモールド１１０を作成するステップである。１つの適当な方法は、限定された場所に集束されたエネルギー源、例えば集束イオンビームまたはナノメートルスケールの走査型電気化学プローブを用いて、既に存在するモールド、例えば上記の超格子法を用いて予め作成されたモールド１１０をエッチングすることである。ナノワイヤモールド１１０を作成した後、その突出部１１０ａを集束ビームで選択的かつ局部的にエッチングすることで、突出部１１０ｂを形成することができる。任意のパターンの多段モールドを作成することができる。高さの変化は、例えばエッチング時間等のようなエッチング条件によって調節することができる。この集中エッチング法は、平坦な基板から開始して多段モールド全体を形成する際にも用いることができる。
【００６７】
６ｃ．局部集中堆積
他の適当な方法は、限定された場所に集束されたエネルギー源、例えば、集束イオンビーム、触媒化学気相成長集束電子ビーム、またはナノメートルスケールの走査型電気化学プローブを用いて、既に存在するモールド１１０上に材料を選択的に堆積することを含む。例えば、一様な形の突出部１１０ｂを有するナノワイヤモールド１１０を形成した後、集束ビームを用いてその突出部１１０ｂの上に付加的な材料を局部堆積させることで、さらに高い突出部１１０ａを形成することができる。任意のパターンの多段モールドを形成することもでき、そのレリーフの高さは堆積条件、例えば堆積時間によって調節される。この集中堆積技術は、平坦な基板から開始して多段モールド全体を形成するのにも用いることができる。
【００６８】
６ｄ．局部集中化学修飾
材料を直接エッチングしたり堆積したりする代わりに、局部に集束されたエネルギー源を用いて、既に存在するモールド１１０を局部的に化学修飾することもできる。次いで化学的な堆積環境に曝すことにより、モールドの局部修飾された領域に材料を堆積させる。あるいは、化学的エッチング環境を用いて、モールドの局部修飾された領域から材料を除去することもできる。いずれの方法でも、任意のパターンの多段モールドを生成することができる。
【００６９】
６ｅ．パターニングした超格子
超格子を作成し、それをパターニングすることによって、上記のような多段モールドを形成することもできる。あるいは、このパターニングは超格子の作成中に行なってもよい。この方法では、２つの材料「Ａ」および「Ｂ」からなる薄い層を基板上に交互に成長させる。特定の湿潤化学環境または乾燥化学環境において、材料「Ａ」は材料「Ｂ」よりもはるかに遅くエッチングされる。材料「Ａ」を堆積させる際に、その層の特定領域を遮蔽して空き領域を残し、次いで次の層を堆積させる際に、その空き領域を材料「Ｂ」で埋める。それらの遮蔽領域は、ナノメートルスケールである必要はない。従って、それらの遮蔽領域のサイズおよび厳密な位置は、従来のフォトリソグラフィ処理によって調節することができる。それらの遮蔽領域のパターンは、材料「Ａ」の様々な層に対して異なるものにするとともに一意のパターンにする。
【００７０】
全ての層を堆積させた後、超格子を、材料「Ａ」の遮蔽領域を通して切断する。その後、超格子の側面をエッチング液に曝して、材料「Ａ」の層間から材料「Ｂ」を除去し、材料「Ａ」の層内にある遮蔽領域から材料「Ｂ」を除去する。従って、超格子側面の縁部には、材料「Ａ」の突出部分に固有のパターンが露出される。その後、この超格子の側面は、モールドとして使用することができる。この方法の場合、ナノワイヤの幅は材料「Ａ」の層の厚さで調節する。そのため、この方法は、ナノメートルスケールに及ぶマルチプレクサを製造することができる。２つの異なる材料の層を交互に使用する同様の方法は、米国特許第６，２９４，４５０号に開示され、特許請求されている。
【００７１】
３層モールドの形成方法の一例について、図１４ａ〜図１４ｇを参照して説明する。図１４ａに示すように、ナノメートルスケールの厚さの第１の層５０ａを設け、その中を貫通する第１の開口部５２ａを設ける。層５０ａは第１の組成を有する材料を含む。開口部５２ａはミクロンスケールの横方向寸法を有する。
【００７２】
次に、図１４ｂに示すように、開口部５２ａを第２の組成を有する材料５４ａで満たす。
【００７３】
次に、図１４ｃに示すように、第２の組成を有する材料の第２の層１５４を第１の層５０ａ上に堆積させる。第２の層１５４は、層５０ａと同様にナノメートルスケールの厚さを有する。
【００７４】
続いてこの処理は、図１４ｄに示すように第１の組成の第３の層５０ｂを追加し、その第３の層を貫通する第２の開口部５２ｂを形成する。第２の開口部５２ｂは、第１の開口部５２ａの上に形成されるのではなく、その位置から横方向にずらして形成される。第３の層５０ｂは、先に形成した層と同様にナノメートルスケールの厚さを有する一方、開口部５２ｂは、開口部５２ａと同様にミクロンスケールの横方向寸法を有する。
【００７５】
上記のように、開口部５２ｂは、図１４ｅに示すように第２の組成を有する材料５４ｂで満たされる。
【００７６】
次に、図１４ｅに示すように構造体２１０を符号５６で示す線に沿って開口部５２ａ、５２ｂを通して切断し、図１４ｆに示すような構造体２１０ａを形成して、構造体２１０の内部を開口部５２ａ、５２ｂの材料５４ａ、５４ｂとともに露出させる。
【００７７】
最後に、第２の材料を第１の材料よりも速くエッチングするようなエッチング液を選択し、構造体２１０ａを側面からエッチングして、図１４ｇに示すような３つの段１２ａ、１２ｂ、１２ｃを有する適当なモールド２１０ｂを作成する。
【００７８】
６ｆ．ナノ粒子を有する超格子
代替として、図１４ａ〜図１４ｇに示した超格子パターニング法は、ナノメートルスケールの粒子を用いて実施することもできる。超格子を作成する際、図１５ａに示すように、１つ置きの層５０の中にナノ粒子５５を混入させる。面５０におけるナノ粒子の配置は、例えばリソグラフィや自己組織化などの方法によって、確定的にパターニングすることができる。次いで、超格子を１つ置きの面５０、１５４に対して垂直に切断し、ナノ粒子５５が露出された縁部５５を作成する（図１５ｂ）。層１５４をエッチングし、上記のような２段モールドを形成する。ナノ粒子の材料には、層５０とは異なるエッチング特性を有するものを選択する。続いて層５０またはナノ粒子５５をエッチングし、図１５ｃに示すように突出した表面１２ａ上に多段レリーフを形成する。ナノ粒子と突出した表面との間の相対的なエッチング速度に応じて、ナノ粒子５５は、突出した表面１２ａから突出するか、または、その表面の中にくぼみ込む。
【００７９】
２００１年７月３日にPhilip J. Kuekes他に付与され、本特許出願と同じ譲受人に譲渡された「Demultiplexer for a Molecular Wire Crossbar Network（ＭＷＣＮ Ｄｅｍｕｘ）」と題する米国特許第６，２５６，７６７号に開示されているように、ナノ粒子の配置はランダムにパターニングすることもでき、その場合、マルチプレクサ機能をうまく実現することが比較的難しくなるが、それでも可能である。
【００８０】
６ｇ．Ｅビーム２層レジスト
３層モールドを形成するための他の方法としては、基板上に電子ビームレジストの２つの異なる層を堆積させる方法がある。あるビーム強度でこの２層に書き込みを行い、レジストの一番上の層だけを露出させると同時に、もっと高い強度のビーム電流で書き込みを行ない、レジストの両方の層を露出させる。レジストを現像した後、現像後のレジストを剥がすと、３層機構が残る。その後、その３層機構を適当な異方性エッチングによってエッチングすることで、モールド基板にすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
インプリントプロセスによってナノメートルスケールの回路にマルチプレクサ／デマルチプレクサを作成する本方法は、分子電子回路やポリマー電子回路等のような、ナノメートルスケールの電子回路の製造において用途を見いだすことが期待される。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】基本的な抵抗ロジックまたはダイオードロジックまたはトランジスタロジックのデマルチプレクサ回路の一例を示す概略図である。この回路は、従来の回路に接続された３対のアドレス線（水平方向）を用いて８本のナノワイヤ（垂直方向）の中から１本を選択する。丸印は、水平ワイヤと垂直ワイヤとの間の電気的（物理的）接触を表し、丸印のない所は、ワイヤ間の電気的または物理的な接続がないこと、つまり絶縁層によって分離されていることを表す。
【図２】モールドの特徴形状部が２段だけである従来のインプリントプロセスを示す斜視図である。
【図３ａ】モールドの特徴形状部が２段だけである従来のインプリントおよびエッチング処理を示す斜視図である。
【図３ｂ】モールドの特徴形状部が２段だけである従来のインプリントおよびエッチング処理を示す斜視図である。
【図４ａ】３段モールドを用いてマルチプレクサ／デマルチプレクサインタフェースを作成する際の一連のステップのうちの一ステップの一実施形態を示す断面図である。
【図４ｂ】３段モールドを用いてマルチプレクサ／デマルチプレクサインタフェースを作成する際の一連のステップのうちの一ステップの一実施形態を示す断面図である。
【図４ｃ】３段モールドを用いてマルチプレクサ／デマルチプレクサインタフェースを作成する際の一連のステップのうちの一ステップの一実施形態を示す断面図である。
【図５ａ】図４ａ〜図４ｃで得られた構造を紙面に対して垂直に切断して見たときの断面図である。得られた構造が、電気的に接触しないものであること、すなわち上側ワイヤと下側ワイヤとの間に薄い絶縁性フィルムが存在することを示す。
【図５ｂ】図４ａ〜図４ｃで得られた構造を垂直に切断して見たときの断面図である。得られた構造が、電気的に接触するものであること、すなわち上側ワイヤと下側ワイヤとが物理的に直接接触することを示す。
【図６ａ】ナノワイヤの組とマイクロワイヤの組とを接続したものを形成するための、エッチング処理を含む他の実施形態の一ステップを示す図である。
【図６ｂ】ナノワイヤの組とマイクロワイヤの組とを接続したものを形成するための、エッチング処理を含む他の実施形態の一ステップを示す図である。
【図６ｃ】ナノワイヤの組とマイクロワイヤの組とを接続したものを形成するための、エッチング処理を含む他の実施形態の一ステップを示す図である。
【図６ｄ】ナノワイヤの組とマイクロワイヤの組とを接続したものを形成するための、エッチング処理を含む他の実施形態の一ステップを示す図である。
【図６ｅ】ナノワイヤの組とマイクロワイヤの組とを接続したものを形成するための、エッチング処理を含む他の実施形態の一ステップを示す図である。
【図７】本明細書の教示による実施形態に従ったナノワイヤ−マイクロワイヤ接続の一例を示す図である。ナノワイヤは、それよりも大きな幾つかの特定のワイヤと物理的に接触するが、他の大きなワイヤとの間には絶縁性障壁があるため、物理的または電気的に接触しない。
【図８】本明細書の教示による種々の実施形態を実施する際に用いられる従来のデマルチプレクサ方式を示す図である。黒い部分は、上側ワイヤと下側ワイヤとの間に物理的および電気的な接触があることを示し、黒くない部分は、上側ワイヤと下側ワイヤが物理的および電気的に接触していないこと、つまりそれらのワイヤが絶縁性障壁によって分離されていることを示す。
【図９】何本かのナノワイヤをそのナノワイヤアレイのナノワイヤ領域の外側まで延存しないマイクロワイヤに電気的に接続（中央のマイクロワイヤに黒い部分で示す）する一実施形態を示す図である。この実施形態は、特定のナノワイヤの組を互いに接続したり、特定のナノワイヤの組を大きいワイヤ（例えば、図示のワイヤは回路の下層からのバイアを表している）の面の下に存在する何らかの回路素子に接続したりするのに用いられる。
【図１０】ナノワイヤと２つの異なる段にあるマイクロサイズのバイアとの間の選択的接続を示す図である。ナノワイヤが一番手前にあり、それらのナノワイヤの下に第１のマイクロワイヤがあり、第１のマイクロワイヤは、この例ではただ１本のナノワイヤに対する接続に使用されるバイアを有し、さらに、第１のマイクロワイヤの下に第２のマイクロワイヤがあり、第２のマイクロワイヤは、異なるナノワイヤに対する接続に使用されるバイアを有する。
【図１０ａ】ナノワイヤとマイクロワイヤとの間の電気的接触を示す、図１０の一部の拡大図である。
【図１１】ナノワイヤの異なる層間の２つの相互接続を示す図である。特定のバイアによって、各層にある１本のナノワイヤ間の接続が可能になり、他のバイアによって、それらの層における２本の異なるナノワイヤ間の接続が可能になる。
【図１２】マイクロワイヤ上に切替え可能な分子膜を配置したときの、ナノワイヤの選択部分のマイクロワイヤの選択部分に対する電気的接触を示す斜視図である。
【図１３】１組の不規則な形状のマイクロワイヤまたはマクロパッドに選択的に接続された１組の曲線状ナノワイヤを示す図である。
【図１４ａ】本明細書の教示による実施形態を実施する際に有用な３段モールドを作成する処理の一ステップを示す図である。
【図１４ｂ】本明細書の教示による実施形態を実施する際に有用な３段モールドを作成する処理の一ステップを示す図である。
【図１４ｃ】本明細書の教示による実施形態を実施する際に有用な３段モールドを作成する処理の一ステップを示す図である。
【図１４ｄ】本明細書の教示による実施形態を実施する際に有用な３段モールドを作成する処理の一ステップを示す図である。
【図１４ｅ】本明細書の教示による実施形態を実施する際に有用な３段モールドを作成する処理の一ステップを示す図である。
【図１４ｆ】本明細書の教示による実施形態を実施する際に有用な３段モールドを作成する処理の一ステップを示す図である。
【図１４ｇ】本明細書の教示による実施形態を実施する際に有用な３段モールドを作成する処理の一ステップを示す図である。
【図１５ａ】本明細書の教示による実施形態を実施する際に有用な３段モールドを作成するための、ナノ粒子を用いた超格子処理の一ステップを示す図である。
【図１５ｂ】本明細書の教示による実施形態を実施する際に有用な３段モールドを作成するための、ナノ粒子を用いた超格子処理の一ステップを示す図である。
【図１５ｃ】本明細書の教示による実施形態を実施する際に有用な３段モールドを作成するための、ナノ粒子を用いた超格子処理の一ステップを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図６ｄ】
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【図６ｅ】
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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１０ａ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４ａ】
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【図１４ｂ】
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【図１４ｃ】
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【図１４ｄ】
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【図１４ｅ】
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【図１４ｆ】
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【図１４ｇ】
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【図１５ａ】
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【図１５ｂ】
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【図１５ｃ】
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