(57)【要約】【課題】  半導体基板の表面に対して水平方向に形成されたナノメータサイズのナノ細線、並びにその作製方法を提供する。【解決手段】  微細構造を表面上に形成させるための半導体基板から突出されてなる細線を有するナノ細線デバイスの作製方法において、シリコン基板の（１００）面上に所定の形状からなるパターンのエッチングマスクを形成するマスク形成工程と、エッチングマスクが形成されたシリコン基板に対してアルカリ性の溶液をエッチング溶液とした面方位依存性の異方性エッチングを施すエッチング工程とを有する。【選択図】図３
2005142444.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微細構造を表面上に形成させるための半導体基板と、
上記表面に対して略水平方向となるように上記半導体基板から突出されてなる直径１０ｎｍ以下の細線とを備えること
を特徴とするナノ細線デバイス。
【請求項２】
上記細線は、２つの半導体基板から突出されてなること
を特徴とする請求項１記載のナノ細線デバイス。
【請求項３】
上記半導体基板は、シリコン基板であること
を特徴とする請求項１記載のナノ細線デバイス。
【請求項４】
上記半導体基板の表面は、（１００）面であること
を特徴とする請求項２記載のナノ細線デバイス。
【請求項５】
微細構造を表面上に形成させる逆錐体状の半導体基板と、
上記表面に対して略水平となるように上記半導体基板から突出されてなる直径１０ｎｍ以下の先鋭部とを備えること
を特徴とするナノ細線デバイス。
【請求項６】
上記半導体基板は、２つで構成され、上記各半導体基板から突出されてなる先鋭部が互いに対向するように配設されること
を特徴とする請求項５記載のナノ細線デバイス。
【請求項７】
上記半導体基板は、シリコン基板であること
を特徴とする請求項５記載のナノ細線デバイス。
【請求項８】
上記半導体基板の表面は、（１００）面であること
を特徴とする請求項７記載のナノ細線デバイス。
【請求項９】
微細構造を表面上に形成させるための半導体基板から突出されてなる細線を有するナノ細線デバイスの作製方法において、
シリコン基板の（１００）面上に所定の形状からなるパターンのエッチングマスクを形成するマスク形成工程と、
上記エッチングマスクが形成されたシリコン基板に対して、アルカリ性の溶液をエッチング溶液とした面方位依存性の異方性エッチングを施すエッチング工程とを有すること
を特徴とするナノ細線デバイスの作製方法。
【請求項１０】
上記エッチング工程では、上記エッチング溶液として、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）を用いること
を特徴とする請求項９記載のナノ細線デバイスの作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノスケールの光通信ネットワーク、光計測等の分野に適用されるナノ細線デバイス及びその作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン結晶等から構成されるナノデバイスは、携帯電話のディスプレイ、音響素子、さらには近接場光スイッチへの応用が期待されている。特に近年において、半導体微細加工技術の発展により、量子力学的効果が顕著に現れるサイズまでに微細な構造をもつ半導体素子が実現され、また、この量子力学的効果を利用した半導体素子として、例えばＨＢＴ(Hetero-junction Bipolar Transistor)や量子井戸レーザ等が実用化されている。更には、かかる量子力学的効果を利用し、単一電子を制御することにより電子の粒子性を極限まで利用するナノスケールの量子ドットが注目されている。
【０００３】
このようなナノデバイスを互いに接続するためには、かかるナノデバイスのサイズに見合ったナノ細線を用意する必要がある。このナノ細線は、例えば図６に示すように、Ａｌ２Ｏ３からなる半導体基板の表面に対して略垂直方向に成長させた結晶を切り出したものであり（例えば、非特許文献１参照。）、切り出したナノ細線をナノデバイスが形成されている半導体基板上に貼着することにより配線を実現する必要があった。
【０００４】
【非特許文献１】W.I.Park and G-C.Yi.,Adv.Mater.15,526(2003).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記配線を実現するために、作製者はナノ細線を切り出して、位置調整並びに貼着を行う必要があるため、労力の負担が過大となるという問題点があった。また、かかる工程を省略して作製にかかる労力、コストを軽減すべく、上述したナノ細線を半導体基板表面に対して垂直方向に形成させる必要があった。
【０００６】
そこで、本発明は上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、半導体基板の表面に対して水平方向に形成されたナノメータサイズのナノ細線、並びにその作製方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では、上述した課題を解決するために、微細構造を形成させるための半導体基板の表面に対して略水平方向となるように突出されてなる直径１０ｎｍ以下の細線を備えるナノ細線デバイスを提供する。
【０００８】
即ち、本発明を適用したナノ細線デバイスは、微細構造を表面上に形成させるための半導体基板と、上記表面に対して略水平方向となるように上記半導体基板から突出されてなる直径１０ｎｍ以下の細線とを備える。
【０００９】
本発明では、上述した課題を解決するために、微細構造を形成させるための逆錐体状の半導体基板の表面に対して略水平方向となるように突出されてなる直径１０ｎｍ以下の先鋭部を備える。
【００１０】
即ち、本発明を適用したナノ細線デバイスは、微細構造を表面上に形成させる逆錐体状の半導体基板と、上記表面に対して略水平となるように上記半導体基板から突出されてなる直径１０ｎｍ以下の先鋭部とを備える。
【００１１】
また本発明では、上述した課題を解決するために、半導体基板の表面上に所定の形状からなるパターンを形成し、これに対してアルカリ性の溶液をエッチング溶液とした面方位依存性の異方性エッチングを施す。
【００１２】
即ち、本発明を適用したナノ細線デバイスの作製方法は、微細構造を表面上に形成させるための半導体基板から突出されてなる細線を有するナノ細線デバイスの作製方法において、シリコン基板の（１００）面上に所定の形状からなるパターンのエッチングマスクを形成するマスク形成工程と、上記エッチングマスクが形成されたシリコン基板に対して、アルカリ性の溶液をエッチング溶液とした面方位依存性の異方性エッチングを施すエッチング工程とを有する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明を適用したナノ細線デバイスは、微細構造を形成させるための半導体基板の表面に対して略水平方向となるように突出されてなる直径１０ｎｍ以下の細線を備え、或いは、微細構造を形成させるための逆錐体状の半導体基板の表面に対して略水平方向となるように突出されてなる直径１０ｎｍ以下の先鋭部を備える。
【００１４】
これにより、各半導体基板における表面上に量子ドット等による微細構造を形成させ、また細線を半導体基板の表面上に形成された互いの微細構造を連結する導線とみなすことにより、これらを横方向に連結した１つのシステムを作ることが可能となる。また、ナノメータサイズの細線を独自に作製して、これを事後的に連結するための作業,処理を省略することができるため、労力の負担を大幅に軽減させることができる。
【００１５】
また本発明では、上述した課題を解決するために、半導体基板の表面上に所定の形状からなるパターンを形成し、これに対してアルカリ性の溶液をエッチング溶液とした面方位依存性の異方性エッチングを施す。
【００１６】
これにより、上述した効果を奏する、半導体基板の表面に対して略水平方向となるように突出されてなる直径１０ｎｍ以下の細線を作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための最良の形態として、ナノスケールの光通信ネットワーク等に適用されるナノ細線デバイスにつき、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１８】
本発明を適用したナノ細線デバイス１は、図１に示すように、微細構造を表面２１上に形成させるための半導体基板１１と、半導体基板１１から突出されてなる細線１２とを備えている。
【００１９】
半導体基板１１は、例えばシリコン基板等からなる。この半導体基板１１は、引き上げ法等により育成して得たシリコンの大型結晶を表面２１が（１００）面になるようにウェハ状に切り出したものである。この切り出した半導体基板１１は、その表面２１上に微細な素子構造を積層させるべく、予め機械研磨や化学研磨等の処理が施されている。ちなみにこの半導体基板１１として、シリコン基板以外に、ＧａＡｓ,ＧａＮ,ＧａＰ等のような異方性を有する材料を適用してもよい。
【００２０】
なお、この半導体基板１１の形状は、例えば図１に示すようないわゆる四角錐状の台座の頂点部分１５において形成されていてもよい。この図１では、四角錐状の台座における各頂点部分１５に（１００）面としての表面２１が２箇所に亘って形成されている例を示しているが、かかる場合に限定されるものではなく、１箇所のみに形成されていてもよいし、また３箇所以上に亘って形成されていてもよい。
【００２１】
細線１２は、（１００）面としての表面２１に対して略水平方向となるように半導体基板１１から突出されて構成される。また、この細線１２は、２箇所に亘って形成されている半導体基板１１の表面２１を連結するように構成されてなる。細線１２は、図２に示すように直径１０ｎｍ以下の領域を含む。この直径１０ｎｍ以下の領域は、最大で約２００ｎｍの長さに亘って形成されていてもよいが、表面２１上に搭載する素子の仕様に応じていかなる長さで形成されていてもよい。
【００２２】
次に、本発明を適用したナノ細線デバイスの作製方法について図３を用いて詳細に説明する。
【００２３】
先ず、上述したシリコンの大型結晶を表面２１が （１００）面になるようにウェハ状に切り出し、切り出した表面２１に対して各種研磨を施した後、図３(a)に示すように熱酸化によりエッチングマスクとなり得るＳｉＯ２層１７を形成させる。次に、フォトリソグラフィーにより、このＳｉＯ２層１７からなる長方形状のマスクパターンを形成させる。
【００２４】
次に、表面２１上にこのＳｉＯ２層１７が形成されたシリコンウェハに対して、いわゆるウェットエッチングを施す。このウェットエッチングでは、エッチング溶液として、通常２２ｗｔ％のＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）を用いるが、かかる場合に限定されるものではなく、例えば、１）ＫＯＨ３４ｗｔ％、２）２９％アンモニア水溶液、３）ヒドラジン、４）ＥＤＰ（エチレンジアミン・ピロカテコール）等に代表されるアルカリ性の溶液であればよい。ちなみに、これらアルカリ性の溶液として例えば１）を用いる場合には８０°で加熱するようにしてもよい。また、２）を用いる場合には、９０°で加熱するようにしてもよい。このアルカリ性の溶液を、シリコン結晶からなる半導体基板１１の表面２１に接触させることにより、液相−固相界面における化学反応を利用したいわゆる化学エッチングを進行させることが可能となる。
【００２５】
ちなみに、このようなエッチング溶液中に上述した半導体基板１１を浸漬することにより、ＳｉＯ２層１７の下部においてエッチング溶液がまわり込むことにより過度の溶解が進行するいわゆるオーバーエッチングも同時に進行する（図３(b)）。エッチングの初期段階では、ＳｉＯ２層１７からなるマスクの角部分から溶解が進むため、この図３(b)における上面図に示すように、略平行四辺形状或いは略菱形状に半導体基板１１が残存することになる。また、深さ方向のエッチングレートは、表面２１から深さ１μｍにおいて最速となるため、かかる部分において選択的にエッチングされてくびれた形状となる。
【００２６】
このようなオーバーエッチングを更に進行させることにより、半導体基板２１中央付近において図３(c)に示すような開口部１８を形成させることができる。これは、ＳｉＯ２層１７より構成されるマスクの角部分では、エッチングレートの低速な（１１１）面の影響を受ける結果、半導体基板２１の中央付近において相対的に早くエッチングが進行するためであると考えられる。エッチング終了後、ＳｉＯ２層１７を除去することにより、直径１０ｎｍの領域を含む細線１２を得ることができる。
【００２７】
即ち、本発明を適用したナノ細線デバイスの作製方法では、半導体基板２１の面方位に依存した異方性エッチングを施すことにより、表面２１に対して略水平方向となるように半導体基板１１から突出されてなる直径１０ｎｍ以下の細線１２を作製することができる。ちなみに、上述したエッチング溶液の横方向のエッチングレートは、溶液温度８０℃の場合において約０．５ｎｍ／ｓであり、また溶液温度４０℃の場合に約０．０５ｎｍ／ｓとなる。かかるエッチングレートに基づいて、エッチング溶液の温度並びにエッチング時間を制御することにより、所望の径からなる細線１２を作り出すことができ、ひいては、直径１０ｎｍ以下の領域を作り出すことができる。
【００２８】
また、エッチング温度、時間を制御することにより、直径４ｎｍ以下の領域を含む細線１２を作製することも可能となる。即ち、この細線１２の直径を４ｎｍ以下とすることにより量子サイズ効果を奏するようになり、細線１２そのものを１つの量子ドットと考えて多様なデバイスを設計することが可能となる。また、ＳｉＯ２層１７の縦横比をかえることにより、所望の直径、長さからなる細線１２を作り出すことが可能となる。
【００２９】
このように、本発明を適用したナノ細線デバイスの作製方法では、半導体基板１１の表面２１上に所定の形状からなるパターンのＳｉＯ２層１７を形成し、これに対してアルカリ性の溶液をエッチング溶液とした面方位依存性の異方性エッチングを施す。
【００３０】
これにより、半導体基板１１から突出されたナノメータサイズの細線１２を作製することができる。特に、上述した形状からなるナノ細線デバイス１において、各半導体基板１１における表面２１上に量子ドット等による微細構造を形成させ、また細線１２を半導体基板１１の表面２１上に形成された互いの微細構造を連結する導線とみなすことにより、これらを横方向に連結した１つのシステムを作ることが可能となる。
【００３１】
また半導体基板１１と一体化した高品質な結晶からなる細線１２を作製することができ、更には、ナノメータサイズの細線を独自に作製して、これを事後的に連結するための作業,処理を省略することができるため、労力の負担を大幅に軽減させることができる。
【００３２】
なお、本発明を適用したナノ細線デバイスの作製方法では、上述した異方性エッチングを更に進行させることにより、図３(d)に示すように細線１２の中央部分を溶解させることができる。かかる状態まで異方性エッチングを進行させた後にＳｉＯ２層１７を除去することにより、図４(a)に示すような中央部分が切断されたいわゆるＢｏｗ−ｔｉｅ形状のナノ細線デバイス５を作製することができる。
【００３３】
ナノ細線デバイス５は、微細構造を（１００）面である表面２１上に形成させるための半導体基板５１と、表面２１に対して略水平となるように半導体基板５１からそれぞれ突出されてなる先鋭部５２とを備えている。
【００３４】
半導体基板１１は、いわゆる四角錐状の台座の頂点部分１５において形成された逆錐体状の基板である。この半導体基板１１は、四角錐状の台座における各頂点部分１５に２箇所に亘って形成されている場合のみならず、１箇所に形成されていてもよいし、また３箇所以上に亘って形成されていてもよい。なお、半導体基板５１の材質は、半導体基板１１と同一であるため、説明を省略する。
【００３５】
先鋭部５２は、直径１０ｎｍ以下となるまで徐々に先細になるように先鋭化されてなる。ちなみに各先鋭部５２は、細線１２の中央部分を溶解させることにより形成させることができるため、その先端が互いに対向することになる。
【００３６】
図４(b)は、互いに対向するように配設された先鋭部５２の間隙を示す図である。この先鋭部５２の先端の間隔は、約２０ｎｍ以下まで制御することができる。これにより、上述した効果に加えて、半導体基板５１並びに先鋭部５２上にある特定の金属を蒸着することにより、この先鋭部５２の先端の間隙に表面プラズマの強い分布を作り出すことができるため、光メモリのヘッド等へこれを応用することが可能となる。
【００３７】
なお、上述したナノ細線デバイス１の作製方法では、あくまでＳｉＯ２層１７による長方形のパターンを形成する場合について例にとり説明をしたが、かかる場合に限定されるものではなく、図５に示すような十字状のマスクパターンを半導体基板１１上に形成するようにしてもよい。このようなマスク形状からなるＳｉＯ２層１７が形成されたシリコンウェハに対して、上述の如き異方性エッチングを施すことにより、各半導体基板６１から突出された互いにクロスする配線構造を直径１０ｎｍ以下の細線６２により構成することが可能となる。
【００３８】
即ち、本発明を適用したナノ細線デバイスの作製方法では、所定の形状からなるパターンのエッチングマスクを形成させることにより、当該形状に応じた配線構造をナノメータサイズの細線により作製することが可能となり、デバイスの横方向における接続環境に応じて最適な配線構造を自在に作製することも可能となる。
【００３９】
なお、本発明を利用したナノ細線デバイスの作製方法では、ウェットエッチングに限定されるものではなく、例えばシラン等を利用したドライエッチングにより作製してもよいことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明を適用したナノ細線デバイスの構成につき示す図である。
【図２】本発明を適用したナノ細線デバイスにおける細線を拡大した図である。
【図３】本発明を適用したナノ細線デバイスの作製方法につき説明するための図である。
【図４】いわゆるＢｏｗ−ｔｉｅ形状のナノ細線デバイスの構成につき示す図である。
【図５】十字状のマスクパターンを半導体基板１１上に形成する場合につき示す図である。
【図６】半導体基板に対してナノ細線を垂直方向に形成させる従来例を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  ナノ細線デバイス、１１  半導体基板、１２  細線、１５  頂点部分、２１  表面
【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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