(57)【要約】【課題】固体表面に微細で規則的なパターンを高い自由度でかつ効率的に形成する手段を提供する。【解決手段】  液体金属放出ヘッドは、自己組織化の過程を通じて形成された細孔を有するカーボンナノチューブ１と、溶融金属のリザーバ４を成すように対向配置されるヘッド上面部２及びヘッド下面部５とを有する。カーボンナノチューブ１は、接合部３によりヘッド上面部２の溝２１内に固定される。ヘッド下面部５は、圧電体からなり、その圧電体を駆動してリザーバ４内に充填された溶融金属に圧力を作用させることにより、溶融金属をリザーバ４から溝２１を介しカーボンナノチューブ１の供給側開口部１ｂに供給し、その内壁１ａに沿ってカーボンナノチューブ１内を通過させ、その先端側開口部１ｃから吐出させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自己組織化の過程を通じて形成された細孔を有し且つ該細孔の両端側に開口部を有する細孔体を備え、
前記細孔体は、前記細孔の一端側の開口部に供給される溶融した金属を、該細孔内を通過させて該細孔の他端側の開口部から吐出することを特徴とする溶融金属吐出源。
【請求項２】
前記細孔体は、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、及びこれらに類する針状物質のいずれかから成ることを特徴とする請求項１に記載の溶融金属吐出源。
【請求項３】
前記細孔体は、陽極酸化による自己組織化の過程を通じて形成されたアルミナナノホールを有する部材から成ることを特徴とする請求項１に記載の溶融金属吐出源。
【請求項４】
前記溶融金属を吐出するための駆動力が、該溶融金属に加える機械的な圧力、該溶融金属に作用するクーロン力、該溶融金属に作用するローレンツ力、及びこれらを組み合わせた力のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の溶融金属吐出源。
【請求項５】
前記溶融金属の流路を成して互いに対向配置される第１及び第２の面状部材をさらに有し、
前記細孔体は、前記第１の面状部材に固定配置され、
前記溶融金属は、前記第１及び第２の面状部材が成す流路を介して前記細孔体に供給されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の溶融金属吐出源。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の溶融金属吐出源を備えることを特徴とする微細パターン形成装置。
【請求項７】
自己組織化の過程を通じて形成された両端に開口部を有する細孔を用意する工程と、
前記細孔の一端側の開口部に溶融した金属を供給する工程と、
該細孔内を通過させて該細孔の他端側の開口部から溶融した金属を吐出することで金属パターンを形成する工程とを有することを特徴とする金属パターン形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶融金属吐出源及びこれを用いて微細な金属パターンを形成する装置に関わり、特にナノメーターオーダーの構造を形成することにより発現する量子効果デバイスや微細な配線パターンを形成する装置および手法に関する。
【背景技術】
【０００２】
小さなノズル孔から液体を吐出させる装置として、インクジェットプリンタがよく知られており、近年の技術開発によりピコリットル程度の微小なインク液滴を吐出する製品が市販されている。また、市販のインクジェットプリンタと同様な動作原理をもつ装置を電子デバイスの形成に応用した例として、有機ＴＦＴデバイスの形成装置（特許文献１参照）、有機ＥＬデバイスの形成装置（特許文献２参照）、電子源デバイスの形成装置（特許文献３参照）等が開示されている。これらの例は、ピコリットル程度の液滴から形成されるデバイスパターンをマスクレスでしかも効率的に作製する手段として優れた方法である。
【０００３】
一方、近年注目されているナノテクノロジーの分野では、さらに桁違いに小さなスケールのデバイスサイズを必要としており、そのようなサイズを実現するための手段が探索されている。これらの方法は、通常「トップダウン方式」と「ボトムアップ方式」に分類される。「トップダウン方式」とは、リソグラフィー等に代表される人為的な加工手段を示し、「ボトムアップ方式」とは、構成分子の拡散、集合や化学反応過程を積み上げていく方式であり、本質的には自己組織化現象を利用するものである。
【特許文献１】特開２０００−２９４０３号公報
【特許文献２】特開２００２−２３１４４８号公報
【特許文献３】特開平８−１７１８５０号公報
【特許文献４】特開２００１−９８００号公報
【非特許文献１】Yihua Gao 他１名、「Nanotechnology: Carbon nanothermometer containing gallium」、ネイチャー（Nature）、第４１５巻、２００２年２月７日、ｐ．５９９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前述のボトムアップ方式は、自然の摂理を巧みに利用した方法であるが、自然の摂理であるが故の制約もある。すなわち、ボトムアップ方式によって形成される規則的なパターンは自己形成されるものであるから、自在にそのパターンを制御することは困難である。
【０００５】
一方、前述のトップダウン方式にも、当然ながら種々の制約や限界がある。極端な例としては、走査プローブ顕微鏡のプローブ先端を用いて個々の原子、分子の位置を制御することも今日では可能になってきているが、パターン形成にかかる時間やコストを考慮すれば、そのような方法が少なくとも大量生産に適するとは考えられない。
【０００６】
本発明は、上述した従来のボトムアップ方式やトップダウン方式に関わる問題点を解決し、固体表面に微細で規則的なパターンを高い自由度でかつ効率的に形成する手段を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の原理は、溶融した金属を微小な孔径をもつノズルを通して基板上に吐出することにより微細なパターンを形成するものであり、この際、上記の微小な孔径をもつノズルとして自己組織化の過程を通じて形成された細孔を用いることを特徴とする。
【０００８】
ここで、自己組織化の過程で形成される細孔として、たとえばカーボンナノチューブを用いることができる。カーボンナノチューブは、ナノメータサイズの直径をもつ円柱状の中空領域をグラファイト層で覆った構造をもち、単層グラファイト層をもつものはＳＷＣＮＴ（Single Walled Carbon Nanotube）、多層グラファイト層をもつものはＭＷＣＮＴ（Multi-Walled Carbon Nanotube）と呼ばれている。
【０００９】
上記カーボンナノチューブの作製法は、黒鉛を用いたアーク放電による方法、ＣＶＤ法、等が知られているが、本発明では、カーボンナノチューブの作製法について、とくに限定を加えるものではない。また、その作製法や作製条件に応じてカーボンナノチューブの先端は閉じた構造をもつ場合と、開放された構造をもつ場合があることが知られている。本発明のノズルとして用いるカーボンナノチューブが両端に開口部をもつことが必要であり、好ましくは自己組織化の過程ですでに開口構造を備えることが望ましい。しかし、両端が閉じたカーボンナノチューブに対して後処理により開口部を形成することも可能である。
【００１０】
また、開口端をもたせたカーボンナノチューブに表面張力の作用により液体を注入できること、さらに低融点金属であるＧａをカーボンナノチューブに注入すると、熱膨張によりナノチューブ中のＧａ液体表面が移動することを利用して、微小な温度計として用いることができることが報告されている（例えば、非特許文献１参照）。
【００１１】
本発明は、上記文献に示されているようにカーボンナノチューブ内に液体を注入し、滑らかに移動させることができるという事実に着目し、一方の開口端から溶融金属を供給し、他方の開口端から該溶融金属を吐出させることにより、微小な吐出面積を有する液体材料の吐出源を実現したものである。
【００１２】
溶融金属の吐出面積は、開放端におけるカーボンナノチューブの内径により決まるので、本発明を用いるならばナノメーターオーダーの微小な吐出サイズを形成することも容易である。さらに本発明によれば、液体金属が放出部に達するまでのナノチューブ内の経路はナノチューブの内壁により外部環境から保護され、雰囲気の影響を受けにくい。しかも自己組織化によって形成されたナノチューブは原子レベルの平滑性を持つため、安定で定常的な流れを形成する理想的な構造である。
【００１３】
また、自己組織化によって形成される細孔として、上記カーボンナノチューブの他には、たとえば陽極酸化によって形成されるアルミナナノホールを用いることができる。規則的に配列したなアルミナナノホールを形成する手段はいくつか開示されている（例えば、特許文献４等参照）。
【００１４】
本発明では、アルミナナノホールを形成する具体的な手段は問わないが、最終的には両端が開口部をもつように何らかの処置を施されたアルミナナノホールを用い、一方の開口部から溶融金属を供給し、細孔を通して他方の開口部より吐出させることを特徴とする。アルミナナノホールは一般に複数の細孔を持つため、単一の細孔を用いる場合に比べてより効率的なパターン形成が可能になる。
【００１５】
本発明は、微細パターンの形成方法としてはトップダウン方式に分類されるものであり、パターンの配列に関する自由度が高い。ただし、本発明の構成要素としては自己組織化によるボトムアップ方式を応用し、より完成度の高い微細なノズル形状を実現している。上記の特徴により、トップダウン方式とボトムアップ方式の両方式が抱える問題点を解決し、高精度かつ効率的に微細パターンを形成することが可能になる。
【００１６】
なお、本発明は、溶融金属を吐出する駆動方法を特に限定するものではないが、たとえば１）圧電体を用いて機械的な圧力を溶融金属に与えることにより吐出させる方法、２）溶融金属にクーロン力を作用させることにより吐出させる方法、３）溶融金属にローレンツ力を作用させることにより吐出させる方法、あるいは４）これらを組み合わせた方法を用いることができる。どの方法を採用するかは、どのようなパターンを形成するかに関わっており、たとえば圧電体を用いて機械的な圧力を溶融金属に与える方法では、液体は連続的に吐出するのではなく、液滴形状として不連続に吐出される。したがって、この方法は基板上に不連続なドット形状を配列する場合に対して、より適した方法であるといえる。一方、基板上に細線を形成するような場合は、ノズルから液体が連続的に噴出する方が望ましい。このような場合には、一定の力を作用して連続的に液体を吐出できる上記２）、３）の方法を採用すればよい。また、これらの手法を組み合わせた４）の方法を用いることにより、より自由度の高いパターン形成が可能になる。
【００１７】
なお、本発明で用いる溶融金属としては、Ｇａ、Ｉｎ等、融点の低い材料が好ましいが、とくに融点を限定するものではない。さらに本発明で用いる吐出材は必ずしも金属に限定する必要はなく、液体状態に保持できるものであれば、有機、無機を問わずどのような材料であってもよい。
【００１８】
本発明は、上記のような着想のもとに完成されたものである。
【００１９】
すなわち、本発明に係る溶融金属吐出源は、自己組織化の過程を通じて形成された細孔を有し且つ該細孔の両端側に開口部を設けて成る細孔体を備え、前記細孔体は、前記細孔の一端側の開口部に供給される溶融金属を、該細孔内を通過させて該細孔の他端側の開口部から吐出することを特徴とする。
【００２０】
前記細孔体は、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、及びこれらに類する針状物質のいずれかで構成されてもよく、或いは陽極酸化による自己組織化の過程を通じて形成されたアルミナナノホールを有する部材で構成されてもよい。また、前記溶融金属を吐出する駆動力は、該溶融金属に加える機械的な圧力、該溶融金属に作用するクーロン力、該溶融金属に作用するローレンツ力、及びこれらを組み合わせた力のいずれかであってもよい。
【００２１】
本発明において、前記溶融金属の流路を成して互いに対向配置される第１及び第２の面状部材をさらに有し、前記細孔体は、前記第１の面状部材に固定配置され、前記溶融金属は、前記第１及び第２の面状部材が成す流路を介して前記細孔体に供給されてもよい。
【００２２】
また、本発明に係る微細パターン形成装置は、上記いずれかに記載の溶融金属放出源を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、固体表面に微細なパターンを高い自由度でかつ効率的に形成する手段を提供することができる。特に、本発明では、ナノテクノロジーの分野に対して有効なデバイス作製手段を提供することができ、この分野における先進的な技術と組み合わせることによって、より大きな効果を発揮させることが大いに期待される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明に係る溶融金属吐出源を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００２５】
本実施例は、本発明の溶融金属吐出源として、液体金属放出ヘッド（溶融金属吐出装置）に適用したものである。この液体金属放出ヘッドの構造を図１に示す。以下、図面を参照しながら、本実施例を説明する。
【００２６】
図１（ａ）は本実施例の液体金属放出ヘッドの断面図、同図（ｂ）はその液体金属放出ヘッドを上面方向から見たときの透視図を示す。図１（ａ）及び（ｂ）において、１は自己組織化の過程を通じて形成されたナノメートルサイズの孔径をもつ細孔（ノズル孔）を有する細孔体としての多層カーボンナノチューブ（以下「カーボンナノチューブ」）、１ａはカーボンナノチューブ１の内壁、１ｂはカーボンナノチューブ１の一端側の開口部（以下「供給側開口部」）、１ｃはカーボンナノチューブ１の他端側の開口部（以下「吐出側開口部」）をそれぞれ示す。
【００２７】
また、２はＳｉからなるヘッド上面部（第１の面状部材）、３はハイドロカーボンからなる接合部、４は溶融金属が保持されるリザーバ（あるいは流路）、５は圧電体からなるヘッド下面部（第２の面状部材）をそれぞれ表している。さらに、２１はヘッド上面部２に設けられる正四角錐状（断面テーパ状）の溝、２１ａは溝２１の内壁（溝内壁）、２１ｂは溝２１の一方側の開口部（以下「流路側開口部」）、２１ｃは溝２１の他方側の開口部（以下「先端側開口部」）をそれぞれ示す。
【００２８】
上記液体金属放出ヘッドの製造方法を説明する。
【００２９】
まず、カーボンナノチューブ１として、アーク放電によるカーボン生成物を走査電子顕微鏡で観察し、適当な形状をもつカーボンナノチューブを上記走査電子顕微鏡に付属したマイクロマニピュレータにより取り出したものを用いた。
【００３０】
また、ヘッド上面部２として、Ｓｉ（１００）ウェハーを予め適当な厚さに研磨し、表面を通常のフォトリソグラフィーの手法により正方形の開口をもつレジストでパターニングした後、フッ酸を用いた異方性エッチングにより４つの(１１１)面を内壁２１ａとしその両端に開口部、すなわち流路側開口部２１ｂ及び先端側開口部２１ｃを有するピラミッド状の溝２１を形成したものを用いた。
【００３１】
この溝２１の先端側開口部２１ｃの面積は、エッチングの終点を制御することにより調整できる。その他の溝２１の形成方法として、先端側開口部２１ｃが形成されていない時点でエッチングを終了し、その後、先端側開口部２１ｃの表面側から等方性の化学エッチング、又は機械研磨、あるいはイオンビームによるエッチングを行うことによっても形成することができる。
【００３２】
次いで、上記で形成されたカーボンナノチューブ１及びヘッド上面部２を、マイクロマニユピレータが装備された走査電子顕微鏡内に導入し、そのマイクロマニユピレータでカーボンナノチューブ１を保持してヘッド上面部２に移動した後、走査電子顕微鏡による電子ビームを照射して、溝２１の先端側開口部２１ｃ及びその周辺部に接合部３としてハイドロカーボンを成長させることにより、その接合部３を介してカーボンナノチューブ１とヘッド上面部２とを接合した。
【００３３】
そして、このようにカーボンナノチューブ１が接合されたヘッド上面部２との間で溶融金属が充填可能なリザーバ１０となる空間（流路）を確保する状態で、圧電体からなるヘッド下面部５を設けて、液体金属放出ヘッドを形成した。なお、圧電体の形成方法については省略する。
【００３４】
次に、上記液体金属放出ヘッドの動作を説明する。
【００３５】
まず、上記工程で形成された液体金属放出ヘッドには、不図示のヒータが装着されており、このヒータにより、リザーバ４内に充填した金属が溶融状態に保持される。この溶融金属として、たとえばＧａがリザーバ４に充填され、上記ヒータでＧａが溶融する温度（融点約３０℃）に保持される。
【００３６】
この状態で、液体金属放出ヘッドにおいて、ヘッド下面部５を成す圧電体を駆動して、リザーバ４内の溶融Ｇａに圧力を作用させることにより、溶融Ｇａがリザーバ４から溝２１を介してカーボンナノチューブ１の供給側開口部１ｂに供給され（図中の矢印Ｆ１参照）、そこから内壁１ａに沿ってカーボンナノチューブ１内を通過し、カーボンナノチューブ１の先端に位置する吐出側開口部１ｃから微小なＧａ液滴（あるいはＧａ微粒子）として吐出される（図中の矢印Ｆ２参照）。
【００３７】
従って、本実施例によれば、吐出されるＧａ液滴のサイズは、カーボンナノチューブ１の開口面積を選択することにより規定できるため、目的に応じた微小な吐出サイズを実現することができる。また、カーボンナノチューブ１の内壁１ａは、溶融金属の定常的な流れを形成する上で理想的な経路になっており、これにより、安定な吐出特性を得ることができる。
【実施例２】
【００３８】
本実施例における液体金属放出ヘッドの構造を図２に示す。以下、図面を参照しながら、本実施例を説明する。
【００３９】
図２（ａ）は本実施例の液体金属放出ヘッドの断面図、同図（ｂ）はその液体金属放出ヘッドを上面方向から見た模式図を示す。図２（ａ）及び（ｂ）において、７は膜圧方向に貫通するナノメートルサイズの孔径をもつ複数の細孔（ノズル孔を成すアルミナナノホール）を有する細孔体としてのアルミナナノホール膜、７１はアルミナナノホール膜の細孔、７１ａは細孔７１の内壁、７１ｂは細孔７１の一端側の開口部（以下「供給側開口部」）、７１ｃは細孔７１の他端側の開口部（以下「吐出側開口部」）をそれぞれ示す。
【００４０】
また、８はＳｉからなるヘッド上面部（第１の面状部材）、９はエポキシ樹脂からなる接着層、１０は溶融金属が保持されるリザーバ（あるいは流路）、１１は圧電体からなるヘッド下面部（第２の面状部材）を各々表している。さらに、８１はヘッド上面部８に設けられる正四角錐状（断面テーパ状）の溝、８１ａは溝２１の内壁（溝内壁）、８１ｂは溝８１の一方側の開口部（以下「流路側開口部」）、８１ｃは溝８１の他方側の開口部（以下「先端側開口部」）をそれぞれ示す。
【００４１】
上記液体金属放出ヘッドの製造方法を説明する。
【００４２】
まず、アルミナナノホール膜７として、アルミニウムの厚膜を陽極酸化した後、下面側をアルゴンイオンビームでエッチングすることによって貫通した細孔７１をノズルとして形成したものを用いた。細孔７１の径及びその配列の形成条件は、ノズルの使用目的に応じて適宜調整した。
【００４３】
また、ヘッド上面部８として、Ｓｉ（１００）ウェハーを予め適当な厚さに研磨し、表面を通常のフォトリソグラフィーの手法により正方形の開口をもつレジストでパターニングした後、フッ酸を用いた異方性エッチングにより４つの(１１１)面を内壁８１ａとしその両端に開口部、すなわち流路側開口部８１ｂ及び先端側開口部８１ｃを有するピラミッド状の溝８１を形成したものを用いた。
【００４４】
この溝８１の先端側開口部８１ｃの面積は、エッチングの終点を制御することにより調整できる。その他の溝８１の形成方法として、先端側開口部８１ｃが形成されていない時点でエッチングを終了し、その後、先端側開口部８１ｃの表面側から等方性の化学エッチング、又は機械研磨、あるいはイオンビームによるエッチングを行うことによっても形成することができる。
【００４５】
次いで、上記で形成されたアルミナナノホール膜７とヘッド上面部８を、接着層９を成すエポキシ樹脂を用いて接着した。そして、このようにアルミナナノホール膜７が接着されたヘッド上面部８との間で溶融金属が充填可能なリザーバ１０となる空間（流路）を確保する状態で、圧電体からなるヘッド下面部１１を設けて、液体金属放出ヘッドを形成した。なお、圧電体の形成方法については省略する。
【００４６】
次に、上記液体金属放出ヘッドの動作を説明する。
【００４７】
まず、上記工程により形成された液体金属放出ヘッドには、不図示のヒータが接合されており、このヒータによりリザーバ１０内に装填した金属が溶融状態に保持される。この状態で、液体金属放出ヘッドにおいて、ヘッド下面部１１を成す圧電体を駆動して、リザーバ１０内の溶融金属に圧力を作用させることにより、溶融金属がリザーバ１０から溝８１を介してアルミナナノホール膜７の細孔７１の供給側開口部７１ｂに供給され（図中の矢印Ｆ１参照）、そこから細孔７１内をその内壁７１ａに沿って通過し、細孔７１の吐出側開口部７１ｃから微小な金属液滴（あるいは金属微粒子）として吐出される（図中の矢印Ｆ２参照）。
【００４８】
従って、本実施例では、目的に応じてノズルとなる細孔の径や配列を、その形成条件により調整できるので、単一のノズルを用いる吐出源に比べて、より効率的なパターン形成が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
以上説明したように、本発明は、装置や手法の使用目的を限定するものではなく、上述した溶融金属の吐出手段を備える微細パターン形成装置および微細パターン形成方法全般を対象とし、特にナノメーターオーダーの構造を形成することにより発現する量子効果デバイスや微細な配線パターンを形成する装置および手法、例えばインクジェットプリンタや、これと同様な動作原理をもつ装置を電子デバイスの形成に応用した装置、例えば有機ＴＦＴデバイスの形成装置、有機ＥＬデバイスの形成装置、及び電子源デバイスの形成装置等にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施例１に係る液体金属放出ヘッドの構造を示す図である。
【図２】本発明の実施例２に係る液体金属放出ヘッドの構造を示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１  多層カーボンナノチューブ
１ａ  内壁
１ｂ  供給側開口部
１ｃ  吐出側開口部
２  ヘッド上面部
３  接合部
４  リザーバ
５  ヘッド下面部
７  アルミナナノホール膜
８  ヘッド上面部
９  接着層
１１  ヘッド下面部
２１  溝
２１ａ  内壁
２１ｂ  流路側開口部
２１ｃ  先端側開口部
７１  細孔（アルミナナノホール）
７１ａ  内壁
７１ｂ  供給側開口部
７１ｃ  吐出側開口部
８１  溝
８１ａ  内壁
８１ｂ  流路側開口部
８１ｃ  先端側開口部
【図１】
2005279816.tif 000003
【図２】
2005279816.tif 000004