(57)【要約】【課題】  ナノメータサイズの微粒子を基板上の所望の領域に所望の大きさで堆積させたナノデバイスの作製方法並びにナノデバイスを提供する。【解決手段】  ナノメータサイズの微粒子１３からなる微粒子列１４を堆積させることにより、ナノデバイスの作製する際に、所定の膜厚で構成されるパターニング層１２が部分的に形成されてなる基板１１に対して微粒子１３を含む溶液を接触させる。このとき、基板１１とパターニング層１２との間で形成される境界線の形状に加えて、基板１１並びにパターニング層１２の濡れ性、基板１１に対して加える動き、基板１１に対して照射する光の波長等のパラメータのうち何れか１つ以上を制御するようにしてもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノメータサイズの微粒子からなる微粒子列を堆積させたナノデバイスの作製方法において、
所定の膜厚で構成されるパターニング層が部分的に形成されてなる基板に対して、上記微粒子を含む溶液を接触させること
を特徴とするナノデバイスの作製方法。
【請求項２】
上記パターニング層に対して濡れ性の異なる材料で構成された基板に対して、上記微粒子を含む溶液を接触させること
を特徴とする請求項１記載のナノデバイスの作製方法。
【請求項３】
上記微粒子を含む溶液が接触された上記基板に対して動きを加えること
を特徴とする請求項１記載のナノデバイスの作製方法。
【請求項４】
上記基板に対して、Ａｕの微粒子を含む溶液を接触させること
を特徴とする請求項１記載のナノデバイスの作製方法。
【請求項５】
稜線が形成されるように突出させたパターニング層が形成されてなる基板に対して、上記微粒子を含む溶液を接触させること
を特徴とする請求項１又は４記載のナノデバイスの作製方法。
【請求項６】
上記微粒子を含む溶液が接触された上記基板に対して、波長が制御された光を照射すること
を特徴とする請求項５記載のナノデバイスの作製方法。
【請求項７】
ナノメータサイズの微粒子からなる微粒子列を堆積させたデバイスの作製方法において、
波長が制御された光を照射しつつ、Ａｕの微粒子を含む溶液を基板に対して接触させること
を特徴とするナノデバイスの作製方法。
【請求項８】
所定の膜厚で構成されるパターニング層が部分的に形成されてなる基板と、
上記基板と上記パターニング層との間で形成される境界線の形状に応じた列状となるように、上記基板又は上記パターニング層の何れかに堆積されるナノメータサイズの微粒子からなる微粒子列とを備え、
上記微粒子列を構成するナノメータサイズの微粒子は、当該微粒子列の先端からそのサイズ及び数量がより小さくなるように堆積されてなること
を特徴とするナノデバイス。
【請求項９】
上記パターニング層は、上記基板に対して濡れ性の異なる材料で構成されてなること
を特徴とする請求項８記載のナノデバイス。
【請求項１０】
上記微粒子列を構成するナノメータサイズの微粒子は、Ａｕであること
を特徴とする請求項８記載のナノデバイス。
【請求項１１】
稜線が形成されるように突出させた突出部が部分的に形成されてなる基板と、
上記突出部に形成される稜線に沿って列状となるように堆積されるナノメータサイズの微粒子からなる微粒子列とを備えること
を特徴とするナノデバイス。
【請求項１２】
上記微粒子列を構成するナノメータサイズの微粒子は、Ａｕであること
を特徴とする請求項１１記載のナノデバイス。
【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デバイスの作製方法並びにナノデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の情報通信技術の発展により、２０１５年には、光デバイスに要求される素子サイズは１００nm以下になると予想されている。
【０００３】
このようなナノデバイスを形成させるためには、そのサイズに見合った微細なパターンや導波路等を作製する必要があるが、そのためには、これらを構成するナノメータサイズの微粒子を基板上の所望の領域に所望の大きさで堆積させる必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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、ナノメータサイズの微粒子を基板上の所望の領域に所望の大きさで堆積させたナノデバイスの作製方法並びにナノデバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係るナノデバイスの作製方法は、上述した課題を解決するために、ナノメータサイズの微粒子からなる微粒子列を堆積させたナノデバイスの作製方法において、所定の膜厚で構成されるパターニング層が部分的に形成されてなる基板に対して微粒子を含む溶液を接触させる。
【０００６】
また、本発明に係るナノデバイスの作製方法は、ナノメータサイズの微粒子からなる微粒子列を堆積させたデバイスの作製方法において、波長が制御された光を照射しつつ、Ａｕの微粒子を含む溶液を基板に対して接触させる。
【０００７】
本発明に係るナノデバイスは、上述した課題を解決するために、所定の膜厚で構成されるパターニング層が部分的に形成されてなる基板と、基板とパターニング層との間で形成される境界線の形状に応じた列状となるように、基板又はパターニング層の何れかに堆積されるナノメータサイズの微粒子からなる微粒子列とを備え、微粒子列を構成するナノメータサイズの微粒子は、当該微粒子列の先端からそのサイズ及び数量がより小さくなるように堆積されてなる。
【０００８】
また、本発明に係るナノデバイスは、稜線が形成されるように突出させた突出部が部分的に形成されてなる基板と、上記突出部に形成される稜線に沿って列状となるように堆積されるナノメータサイズの微粒子からなる微粒子列とを備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、所定の膜厚で構成されるパターニング層が部分的に形成されてなる基板に対して微粒子を含む溶液を接触させる。これにより、先端の微粒子からそのサイズ及び数量がより小さくなるように列状に配列させることができ、ひいては、ナノメータサイズの微粒子を基板上の所望の領域に所望の大きさで堆積させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための最良の形態として、堆積させたナノメータサイズの微粒子より構成されるナノデバイスにつき、図面を参照して詳細に説明をする。
【００１１】
本発明を適用したナノデバイス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基板１１と、基板１１の表面２１上において部分的に形成されてなるパターニング層１２と、基板１１又はパターニング層１２の何れかに堆積されるナノメータサイズの微粒子１３からなる微粒子列１４とを有している。
【００１２】
基板１１は、例えばシリコン基板等からなる。この基板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や、ガラス等の等方性媒質を適用してもよい。
【００１３】
パターニング層１２は、例えばＳｉＯ２薄膜等からなり、基板１１の表面２１上において所定の膜厚となるように形成されている。このパターニング層１２をＳｉＯ２薄膜として構成する場合には、例えば熱酸化法に基づいて酸素と熱反応させることにより、全体に酸化膜を形成後、フォトリソグラフィー法によりパターニング層を形成できる。ちなみに、図１に示す例では、パターニング層１２に円形状の開口部を設け、当該開口部を介して基板１１を露出させたパターンとしている。
【００１４】
微粒子列１４は、その先端の微粒子１３ａからそのサイズ及び数量がより小さくなるように列状に堆積される。この微粒子列１４を形作る微粒子１３は、直径２０〜４０ｎｍからなる球状のガラス,Ａｕ,Ａｇ,Ｃｒ,プラチナ等で構成されるが、この直径１μｍ以下のナノメータサイズのものであればよい。ちなみに、この図１に示す例では、パターニング層１２に微粒子列１４が堆積されている場合につき示しているが、これに限定されるものではなく、基板１１上に微粒子列１４が直接的に堆積されていてもよい。
【００１５】
なお、この微粒子列１４は、基板１１とパターニング層１２との間で形成される境界線の形状に応じた列状となるように堆積される。
【００１６】
例えば図２(a)に示すように、基板１１とパターニング層１２との間で境界線３１が形成されている場合には、当該境界線３１に沿って微粒子列１４が形成される。この微粒子列１４を拡大すると、図２(b)に示すように、その先端の微粒子１３ａからそのサイズ及び数量がより小さくなるように列状に堆積されているのが分かる。
【００１７】
また図３(a)に示す堆積傾向は、基板１１とパターニング層１２との間で形成される境界線３２で囲まれる領域の中間において微粒子列１４が堆積している状況を示している。この堆積された微粒子列１４を拡大すると、図３(b)に示すように、その先端の微粒子１３ａの集合からそのサイズ及び数量がより小さくなるように列状に配列していることが分かる。
【００１８】
ちなみに、堆積される微粒子列１４は、あくまで基板１１とパターニング層１２との間で形成される境界線に応じて列状に形成されていればよい。換言すれば、本発明は、パターニング層１２中に設けられた円形状の開口部を介して基板１１を露出させるパターン以外のものであっても、その境界線に応じて何らかの微粒子列１４が形成されていればよい。
【００１９】
なお本発明を適用したナノデバイスは、図４(a)に示すように、突出部の稜線に沿って微粒子を堆積させたナノデバイス４に適用してもよい。
【００２０】
このナノデバイス４は、稜線５１が形成されるように突出させたパターニング層としての突出部４２が部分的に形成されてなる基板４１と、稜線５１に沿って列状となるように堆積されるナノメータサイズの微粒子１３からなる微粒子列４４とを有している。この図４において、基板４１の構成は、上述した図１の基板１１の構成の説明を引用し、ここでの説明を省略する。
【００２１】
突出部４２は、基板４１と同一の材質により構成してもよいし、また、これと別の材質により構成してもよい。例えば、基板４１をシリコン基板により構成し、突出部４２をＳｉＯ２により構成する場合には、先ず図５(a)に示すように、基板４１上に積層させたＳｉＯ２層６１の表面に、さらにレジスト６２を一面に亘って塗布する。次にこのＳｉＯ２層６１が形成された基板４１に対して、２２ｗｔ％のＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）等をエッチング溶液とした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、ＳｉＯ２層６１の側面に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。その結果、図５(b)に示すようにエッジ状の突出部４２が形成されることになる。
【００２２】
なお、この突出部４２の形状は、エッジ状に限定されるものではなく、多角錐のように稜線が形成されるものであれば、いかなる形状であってもよい。
【００２３】
微粒子列４４は、上述した微粒子列１４と同様の微粒子１３より構成されるが、その先端の微粒子からそのサイズ及び数量がより小さくなるように堆積されていることは必須とならない。
【００２４】
上述の如き構成からなるナノデバイス１,４では、ナノメータサイズの微粒子が基板上の所望の領域に所望のサイズで堆積されている。このため、ナノデバイス１,４は、その微粒子を基にしたナノメータサイズの導波路等を作製することができるデバイスとして応用することができ、さらにナノメータサイズのグルーブ内にこの微粒子１３を堆積させたメディアにも応用することができる。特に、ナノデバイス４では、稜線にＡｕの微粒子を形成させることにより、さらにその上に図４(b)に示すようなナノメータサイズのロッドを堆積させることができる。これは、形成させたＡｕの触媒効果によりロッドの堆積位置を高精度に制御することができるからである。
【００２５】
次に、本発明を適用したナノデバイス１の作製方法について説明する。
【００２６】
先ずＡｕやガラスからなる微粒子１３を含む溶液を調整する。この溶液については、当該微粒子１３を含むコロイド溶液としてもよい。
【００２７】
次に、パターニング層１２が部分的に形成された基板１１に対して、この微粒子１３を含む溶液を接触させる。ちなみにこの基板１１は、パターニング層１２の膜厚に応じた段差が存在する。このため、高さの低い基板１１上に溜まっている溶液１３は、図６(a)に示すように表面張力が作用しやすい境界線付近に移動することになる。このとき、基板１１の温度を上昇させることにより、かかる溶液移動を促進させてもよい。また、この微粒子１３の配列化を助長させるべく、基板１１全体を傾けるようにしてもよい。
【００２８】
最後に、この溶液を乾燥させることにより、図１に示すように、パターニング層１２の表面上に微粒子１３を列状に堆積させることができる。なお、境界線に沿って線状に集まった溶液に含まれる微粒子１３は、端部からそのサイズ及び数量がより小さくなるように拡散される。このため、この溶液を乾燥させることにより、先端の微粒子１３ａからそのサイズ及び数量がより小さくなるように列状に配列させることができる。
【００２９】
基板１１とパターニング層１２の濡れ性を互いに異ならせることにより、上述の溶液移動を促進させることができる。例えば、基板１１がシリコン基板であり、またパターニング層１２は、ＳｉＯ２薄膜からなる場合には、図６(b)に示すように、疎水性のシリコン基板（基板１１）が溶液をはじくとともに、親水性の高いＳｉＯ２薄膜（パターニング層１２）側に溶液が移動する結果、最終的にはパターニング層１２の表面において上述の境界線に沿って溶液が線状に集まることになる。
【００３０】
この基板１１とパターニング層１２の濡れ性の大小関係は任意であり、基板１１を親水性の材料で構成し、パターニング層１２を疎水性の材料で構成するようにしてもよい。かかる場合には、溶液を接触させた場合に親水性の基板１１表面において、パターニング層１２との境界線に沿って溶液が集まることになる。
【００３１】
なお、この溶液を基板１１に接触させた過程において、基板１１を回転させるようにしてもよい。かかる場合には、例えばスピンコート法に基づき、基板１１を１分間当たり３０００回程度で回転させることにより、溶媒を気化させる。このとき、基板１１とパターニング層１２との間で形成される境界線のパターンが存在する場合には、これに応じて溶液の流れが変わり、最終的にはかかる境界線に沿って線状に集まる。即ち、溶液の接触とともに基板１１に回転運動を付加することにより、上述した溶液移動を助長させることができる。この基板１１に回転運動を加える場合に限定されるものではなく、他のいかなる動きを加えても、それに応じた溶液移動が生じることになる。
【００３２】
また、この溶液を基板１１に接触させた過程において、さらに波長が制御された光を基板１１に照射させるようにしてもよい。例えば、Ａｕからなる微粒子１３を含むＨＡｕＡｌＯ４等の溶液を接触させる場合には、かかる溶液内のカルボニル基が微粒子１３に付着する。このため、微粒子１３は全体的に負に帯電し、互いに斥力が作用する結果、微粒子１３間の距離を互いに接近させた微粒子列１４を作製することができず、導波路等への応用が困難となる。このため、かかる溶液を基板１１に接触させた場合には、波長が制御された光を照射させることにより、かかるカルボニル基を解離させて、微粒子１３間の距離を互いに接近させた状態で凝集させることができる。その結果、かかるＡｕからなる微粒子１３を列状に並べて構成したナノメータ幅の金細線を作製することも可能となる。
【００３３】
Ａｕからなる微粒子１３を含む溶液を基板１１に接触させる場合には、図７(a)に示すように、パターニング層１２が積層されていない基板１１に対しても同様に微粒子を堆積させることができる。かかる場合には図７(a)に示すような平滑な基板１１表面に対して微粒子１３を含む溶液を接触させつつ、波長６９０ｎｍ、強度２５ｍＷ／ｍｍ２の光を照射する。その結果、Ａｕの微粒子１３を並べて構成したナノメータ幅の金細線を同様に作製することもできる。
【００３４】
このように、本発明を適用したナノデバイス１の作製方法では、基板１１とパターニング層１２との間で形成される境界線の形状に加えて、基板１１並びにパターニング層１２の濡れ性、基板１１に対して加える動き、基板１１に対して照射する光の波長等のパラメータのうち何れか１つ以上を制御することにより、堆積させる微粒子列１４の配列傾向を制御することができる。このため、ナノデバイス１の用途に応じてパラメータを制御することにより、微粒子１３を形成させる領域に加え、各微粒子１３の大きさや数量を制御することができる。
【００３５】
特に上述したプロセスにおいて割り当てられたパラメータに対する、微粒子列１４の堆積傾向に関する規則性を順次取得しておき、新たに微粒子列１４を形成する際に、これらを引用することにより、微粒子列１４を所望の領域に所望の大きさで堆積させることができる。
【００３６】
次に、本発明を適用したナノデバイス４の作製方法について説明をする。
【００３７】
突出部４２が部分的に形成された基板４１に対して、図７(b)に示すように、微粒子１３を含む溶液を接触させる。この接触させられた溶液は、基板４１上に設けられた、突出部４２の形状に応じた移動する。最後に、この溶液を乾燥させることにより、ナノデバイス１の作製方法と同様の作用が働き、基板４１又は突出部４２上に微粒子を列状に堆積させることができる。
【００３８】
仮にＡｕからなる微粒子１３を含む溶液を接触させる場合には、波長が制御された光を照射させることによりカルボニル基を解離させて微粒子１３間の距離を互いに接近させた状態で凝集させることができる。
【００３９】
特に図７(b)に示すように、基板４１をガラスで構成し、また突出部４２をシリコンで構成する場合において、基板４１の底面７１へ光を照射することにより、突出部５２の稜線に沿って微粒子１３を堆積させることができる。この底面７１へ照射された光は、そのまま基板４１を下から上へかけて伝搬し、突出部４２の先端へ集光することになる。そしてこの集光した光が突出部４２先端から滲み出ることにより生じる近接場光が、Ａｕの微粒子１３に付着したカルボニル基を解離させる。カルボニル基が解離されたＡｕの微粒子１３は、そのまま突出部４２先端に堆積され、最終的には突出部４２先端を連ねた稜線に沿って微粒子１３を精度よく並べることができる。
【００４０】
なお、本発明を適用したナノデバイス１,４の作製方法において、なお、Ａｕの微粒子１３を含む溶液を接触させる場合には、さらに所望の領域に正の電荷を帯電させるようにしてもよい。カルボニル基に帯電した負の電荷がかかる正の電荷と打ち消し合う結果、カルボニル基自身を微粒子１３から解離させることができ、最終的に当該所望の領域にＡｕの微粒子を互いに密着させた状態で堆積させることができる。
【００４１】
なお、本発明を適用したナノデバイス１の作製方法は、さらに特定のサイズの微粒子のみを選択的に堆積させるためのフィルタに適用してもよい。例えば、基板１１上において、さらに図３(a)に示すような形となるようにパターニング層１２を形成させることにより、境界線３２で囲まれる領域の中間において微粒子列１４を堆積させることができるが、かかる境界線３２の形状を最適化することにより、形成させる微粒子１３のサイズを制御することができる。
【００４２】
なお、本発明を適用したナノデバイス１において、パターニング層の膜厚を２００ｎｍ以下にするようにしてもよい。これにより、特にウェットプロセスでパターニングを行う際に、垂直にパターニングすることができ、より微細化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明を適用したナノ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デバイスにおける微粒子の形成例を示す図である。
【図３】本発明を適用したナノデバイスにおける微粒子の他の形成例を示す図である。
【図４】突出部の稜線に沿って微粒子を堆積させたナノデバイスの構成を示す図である。
【図５】基板上に突出させた突出部の形成方法につき説明するための図である。
【図６】溶液の移動傾向につき説明するための図である。
【図７】Ａｕからなる微粒子を含む溶液を基板に接触させる例につき説明するための図である。
【符号の説明】
【００４４】
１,４  ナノデバイス、１１,４１  基板、１２  パターニング層、１３  微粒子、１４,４４  微粒子列
【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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