(57)【要約】【課題】  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性薄膜をエピタキシャル成長させることにより、ワイヤー幅、ワイヤー高さが原子レベルで規制された超微細ワイヤー構造を得ることを目的とする。【解決手段】  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または窒化物薄膜をエピタキシャル成長させた後、100°C〜400°Cの高温雰囲気で酸化物薄膜または窒化物薄膜を加熱し、酸化物基板のステップに対応するワイヤーが酸化物薄膜または窒化物薄膜に形成される。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラス幅、ステップ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、100°C〜400°Cの高温雰囲気で酸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ワイヤ状の直線突起が酸化物薄膜に形成されるようにステップ付近の酸化物薄膜を優先的に物質拡散させることを特徴とする超微細ワイヤ構造の作成方法。
【請求項２】
気相成長法、スパッタリング法、CVD(化学的気相堆積)法、レーザMBE（分子線エピタキシー）法、MBE法、ゾルーゲル法のいずれかで酸化物をエピタキシャル成長させる請求項１記載の作成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は効率や感度がきわめて高い半導体素子、センサ、発光素子、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ワイヤ構造を単結晶酸化物基板上に作り込む方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種機能を呈する薄膜が積層されるサファイヤ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などで切断する際に、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後、コロイダルシリカなどを含む溶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程度のきわめて平滑な状態に鏡面研磨される。
【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、化学研磨による鏡面研磨により鏡面仕上げされた平滑面では不十分な接続しか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-saphire) 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。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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などに由来している。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、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など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など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、螺旋転位、刃状転位など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まって異種結晶粒を界面など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い出し、従来の機械研磨、化学研磨による鏡面仕上げにか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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、特許第3015261号明細書で紹介した方法をさらに発展したものである。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性薄膜をエピタキシャル成長させることにより、ワイヤー幅、ワイヤー高さが原子レベルで規制された超微細ワイヤー構造を得ることを目的とする。
【０００８】
本発明の作成方法は、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をエピタキシャル成長させた後、100°C〜400°Cの高温雰囲気で酸化物薄膜を加熱し、酸化物基板のステップに対応するワイヤーが酸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を優先的に物質拡散させることを特徴とする。
【０００９】
酸化物薄膜のエピタキシャル成長には、気相成長法、スパッタリング法、レーザーMBE法、CVD法、MBE法、ゾルゲル法などを採用できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明においては、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、高さが原子レベル制御された壁をもつ超微細ワイヤー構造が酸化物薄膜に作り込まれる。作成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まって、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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、リン酸などを用いた湿式エッチングや印加電位をスイープ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、LaAlO2などを使用できる。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。
【００１２】
酸化物薄膜にはNiO、YSZ、TiO2、ITO、ZnO、SnO2、CuOなど、いづれも気相成長法、レーザーMBE法、MBE法、CVD法、ゾルゲル法など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 X10 -6 〜1.33 X 10 1 Pa の酸素雰囲気下、常温〜1000℃に保持した単結晶酸化物基板上に100〜1000 nm/時の成膜速度で酸化物を蒸着させる。
【００１３】
酸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、酸化物雰囲気等の制御雰囲気下におき、100℃〜400℃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、優先的な物質拡散が局部的に生じる。その結果、ステップに沿ったナノスケールの突起が形成される。ステップ付近での局部的な物質拡散を促進させる上で、熱処理が100℃〜400℃、１０分以上に定められる。
【００１４】
局部的な物質拡散で形成されたナノスケールのワイヤー状突起により、各テラスの上にある酸化物薄膜が相互に分離され、超微細ワイヤー構造が現れる。エピタキシャル薄膜の膜厚にほぼ比例した高さのナノスケールの突起が形成されるため、エピタキシャル薄膜の膜厚によってナノスケールの突起の高さが制御可能である。また、ステップ形状を倣った壁となるため直線状、蛇行状など、ナノスケールのワイヤーを種々の形状に成形できる。さらに、ワイヤー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。作成された超微細ワイヤー構造は、ナノスケールワイヤーを流壁に使用するケミカルチップ、凹凸表面を活用するセンサ、触媒、吸着剤等に使用できる。
【実施例】
【００１５】
＜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（原子間力顕微鏡）観察した結果、不規則な凹凸が検出されず、幅約 80 nmと比較的広い面積のテラス、高さ約0.2 nmの原子ステップ高を有する原子が１層ずつ積み重なった極めて平坦な表面状態であった。
【００１６】
続いて、1.33 X 10 -3 Paの酸素雰囲気下、出力1J/cm2のKrFエキシマレーザ（波長248 nm、パルス幅:約20 ns）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100 nm/時で膜厚約７０nm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、膜厚が大き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1 nm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。
【００１７】
次に、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300℃で１時間アニールした。アニールされたNiO薄膜は図１のAFM観察結果に見られるように、基板のステップ、テラスを反映して幅30 nm、高さ約2 nmのワイヤーが約80 nm間隔で平行に配列していた。断面プロファイルも、高さ変動が最大0.5 nmの範囲であった（図２）。
【００１８】
酸化物薄膜の超微細ワイヤー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／基板の接続が良好であることを意味する。基板の原子ステップの間隔に良く一致した間隔で、ワイヤー方向も基板の原子ステップに一致していた。
【００１９】
＜実施例２＞
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 80 nm  と比較的広い面積のテラス、高さ約0.2 nmの原子ステップ高を有する原子が１層ずつ積み重なった極めて平坦な表面状態であった。
【００２０】
続いて、1.33 X 10-3 Paの酸素雰囲気下、出力1J/cm2のKrFエキシマレーザ（波長248 nm、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100 nm/時で膜厚約10 nm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、膜厚が大き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1 nm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。
【００２１】
次に、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300℃で１時間アニールした。アニールされたNiO薄膜は図３のAFM観察結果に見られるように、基板のステップ、テラスを反映して幅30 nm、高さ約2 nmのワイヤーが約80 nm間隔で平行に配列していた。断面プロファイルも、高さ変動が最大0.5 nmの範囲いた（図４）。
【００２２】
酸化物薄膜の超微細ワイヤー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／基板の接続が良好であることを意味する。基板の原子ステップの間隔に良く一致した間隔で、ワイヤー方向も基板の原子ステップに一致していた。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施例１で作製したNiO薄膜のAFM像である。
【図２】実施例１で作製したNiO薄膜の断面プロファイルである。
【図３】実施例２で作製したNiO薄膜のAFM像である。
【図４】実施例２で作製したNiO薄膜の断面プロファイルである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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