(57)【要約】【課題】カーボン・ナノチューブの合成方法およびカーボン・ナノチューブで形成された構造を提供すること。【解決手段】この方法は、第１基板にサポートされた複数の合成サイト上にカーボン・ナノチューブを形成するステップと、ナノチューブ合成を中断するステップと、第２基板に各カーボン・ナノチューブの自由端部を載置するステップと、この第１基板を除去するステップを含む。各カーボン・ナノチューブはこの合成サイトの１つによってキャップされ、そのサイトには成長反応物質が容易にアクセス可能になっている。再開されたナノチューブ合成中は、各カーボン・ナノチューブが伸長する際、この合成サイトへのアクセスは妨げられないままである。【選択図】図６
2005170785.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のカーボン・ナノチューブを、第１基板に載置された複数の合成サイト上で第１の長さにまで合成するステップと、
前記複数のカーボン・ナノチューブの前記合成を中断するステップと、
前記複数のカーボン・ナノチューブそれぞれの自由端部を第２基板からサポートするステップと、
前記複数の合成サイトを前記第１基板から分離するステップと、
前記複数の合成サイトで前記複数のカーボン・ナノチューブの前記合成を再開して、前記複数のカーボン・ナノチューブを前記第１の長さより長い第２の長さにまで伸長させるステップとを含む、カーボン・ナノチューブを量産する方法。
【請求項２】
前記自由端部をサポートするステップが、
前記複数の合成サイトおよび前記複数のカーボン・ナノチューブを、対向する第１および第２表面を備える層で覆うステップと、
前記層の前記第１表面を前記第２基板にボンディングするステップと、
前記層の前記第２表面を、前記複数のカーボン・ナノチューブのそれぞれと前記複数の合成サイトのうちの対応するサイトとの界面が露出するのに充分な深さまで陥凹させるステップとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記複数のカーボン・ナノチューブがそれぞれ先端部を備え、前記層を陥凹させるステップが、
前記複数のカーボン・ナノチューブそれぞれの先端部が前記層内に埋まったままになるように前記層の前記陥凹させるステップを制限するステップを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記複数の合成サイトがそれぞれ、カーボン・ナノチューブの合成をサポート可能な触媒材料のシード・パッドを備える、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記複数のカーボン・ナノチューブを合成するステップが、
前記複数の合成サイトそれぞれの前記シード・パッドと前記複数のカーボン・ナノチューブのうちの対応するカーボン・ナノチューブとの界面に反応物質を供給するステップを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
合成を中断するステップが、
前記界面に反応物質を供給するステップを中止するステップを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記カーボン・ナノチューブの合成を再開するステップが、
前記界面に反応物質を供給するステップを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記複数の合成サイトそれぞれの前記シード・パッドを、前記第１基板を含む平面に実質的に平行なナノチューブの合成を妨げるスペーサで取り囲むステップをさらに含む、請求項３に記載の方法。
【請求項９】
前記複数の合成サイトを前記第１基板から分離するステップが、
前記第１基板の剥離が促進されるように前記第１基板と前記複数の合成サイトとの間に位置する剥離層を操作するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記複数のカーボン・ナノチューブそれぞれが第１基板を含む水平面に対して実質的に垂直な向きになるように、前記第１基板を含む前記水平面内で横方向のナノチューブ合成を妨げるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記横方向のナノチューブ合成を妨げるステップが、
前記複数の合成サイトのそれぞれを横方向のナノチューブ合成を止めさせるスペーサで取り囲むステップを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
単一のカーボン・ナノチューブが、前記複数の合成サイトそれぞれに載置される、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１基板上で前記複数の合成サイトを形成するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記複数の合成サイトそれぞれを、前記複数のカーボン・ナノチューブのうちの１つの合成をサポートするように寸法設定する、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記複数のカーボン・ナノチューブを合成するステップが、
前記複数の合成サイトで化学的気相堆積法を実施するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記複数の合成サイトそれぞれが、前記複数のカーボン・ナノチューブの合成をサポートすることのできる触媒材料からなるシード・パッドを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記化学的気相堆積法を実施するステップが、
前記複数のカーボン・ナノチューブを合成するために前記触媒材料の触媒作用を受ける反応物質を前記シード・パッドに供給するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記複数のカーボン・ナノチューブの合成を再開するステップが、
前記複数の合成サイトで化学的気相堆積法を実施するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記複数の合成サイトそれぞれが、前記複数のカーボン・ナノチューブの合成をサポートすることのできる触媒材料からなるシード・パッドを備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
化学的気相堆積法を実施するステップが、
前記複数のカーボン・ナノチューブを合成するために、前記触媒材料の触媒作用を受ける反応物質を前記シード・パッドに供給するステップを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記複数のカーボン・ナノチューブが多重壁（多層）カーボン・ナノチューブである、請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
前記複数のカーボン・ナノチューブが実質的に均一な長さである、請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
前記自由端部をサポートするステップが
前記複数の合成サイトおよび前記複数のカーボン・ナノチューブを、第１層および第２層で覆うステップと、
前記第２層を前記第２基板にボンディングするステップと、
前記第１層を、前記複数の合成サイトが露出するのに充分な深さまで前記第２層に対して選択的に除去するステップとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１層上に前記第２層を形成する前に、前記複数のカーボン・ナノチューブそれぞれの自由端部が前記第２層内に埋め込まれるように、前記複数のカーボン・ナノチューブそれぞれの前記自由端部が露出するのに充分な深さまで前記第１層を除去するステップをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記第１層を除去するステップが、前記複数のカーボン・ナノチューブのうちの少なくとも１つの長さを短くする、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
基板と、
前記基板と結合された第１端部と第２端部との間にそれぞれ延びる複数のカーボン・ナノチューブと、
前記複数のカーボン・ナノチューブのうちの対応するカーボン・ナノチューブの前記第２端部とそれぞれが結合された複数の合成サイトとを備える構造。
【請求項２７】
前記複数の合成サイトそれぞれを、単一のカーボン・ナノチューブの合成をサポートするように寸法設定する、請求項２６に記載の構造。
【請求項２８】
前記複数のカーボン・ナノチューブそれぞれが、前記複数の合成サイトのうちの対応するサイトに載置される、請求項２６に記載の構造。
【請求項２９】
前記基板が、
前記複数の合成サイトおよび前記複数のカーボン・ナノチューブを覆い、前記基板にボンディングされた第１表面、および第２表面を有する層をさらに備える、請求項２６に記載の構造。
【請求項３０】
前記複数のカーボン・ナノチューブの前記第１端部が、前記層内に埋め込まれる、請求項２９に記載の構造。
【請求項３１】
前記層の前記第２表面を、前記複数の合成サイトが露出するのに充分な深さまで陥凹させる、請求項２９に記載の構造。
【請求項３２】
前記複数のカーボン・ナノチューブが、多重壁カーボン・ナノチューブである、請求項２６に記載の構造。
【請求項３３】
前記複数のカーボン・ナノチューブが実質的に均一な長さである、請求項２６に記載の構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体デバイスの製作に関し、より詳細には安定したカーボン・ナノチューブの合成を促進させる方法および構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：field effect transistor）は、集積回路（ＩＣ）チップの複雑な回路の基本的な構成単位（buildingblock）として広く取り入れられている従来からよく知られたデバイスである。ＦＥＴ寸法の小型化によって回路性能が向上し、ＩＣチップ上に詰め込まれるＦＥＴの機能が増大している。しかし、デバイス寸法を今後も引き続き縮小するには、従来材料に伴う寸法の限界およびリソグラフィ・パターン形成に伴うコストが障害になる可能性がある。
【０００３】
カーボン・ナノチューブは、半導電性（semiconducting）の電子状態または導電性の電子状態のどちらかをとり得るカーボン原子の六角形のリングからなるアスペクト比の高いナノスケールの円筒である。ハイブリッド（混成）ＦＥＴは、半導電性カーボン・ナノチューブをチャネル領域として用い、基板表面にある金ソース電極と金ドレイン電極の間を延びるこの半導電性カーボン・ナノチューブの両端でコンタクト（contact）を形成することによりうまく製作されている。ゲート電極は、このカーボン・ナノチューブの下にある基板内、一般にソース電極とドレイン電極の間に画定される。基板の酸化表面は、埋め込みゲート電極とカーボン・ナノチューブの間に位置するゲート誘電体を画定する。ナノチューブによるハイブリッドＦＥＴの構造は、カーボン・ナノチューブの寸法が小さいため、同等のシリコン系デバイス構造に比べてかなり低い消費電力で確実にスイッチングするはずである。このようなＦＥＴ構造は、実験室段階では原子間力顕微鏡を使用して単一の半導電性カーボン・ナノチューブを操作して正確に載置することによって、あるいはランダムに分散した半導電性カーボン・ナノチューブの群からソース電極とドレイン電極の間に単一の半導電性カーボン・ナノチューブを同時に載置（coincidentalplacement）することによってうまく形成されている。
【０００４】
カーボン・ナノチューブの供給能力およびその合成コストが、ＩＣチップなどの潜在的に量産可能な様々な最終製品への導入を妨げている主な問題である。従来のカーボン・ナノチューブを合成する方法は、基板上に触媒材料の層を堆積させるものである。この層をパターン形成して、カーボン前駆体（carbonaceous precursor）を使用した化学的気相堆積法（ＣＶＤ）による成長のためのシード領域として働く小さなドットのアレイ（array）を形成することができる。基板にくっ付いたままのシード領域の触媒材料と各ナノチューブ界面に活性化されたカーボン原子を挿入することによって、このカーボン・ナノチューブを成長させ、伸長させる。カーボン・ナノチューブが伸長するにつれて、ＣＶＤ反応物質（reactant）のシード領域への流れが、特にシード領域の密集したアレイで制限されてくる。具体的には、反応物質が流れるように開いている、隣り合うカーボン・ナノチューブ同士の間隔が狭くなることがある。反応物質は、カーボン・ナノチューブの自由先端部の近傍からこの開いた空間を通って流れて触媒材料に到達して成長反応に参加しなければならない。この流れの制限によってシード領域のナノチューブ合成が遅くなり停止することさえある。したがって、ナノチューブ長さの増大と共に、成長速度は劇的に遅くなり成長が終わることもある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、基板に載置された触媒材料のシード・パッドのために触媒材料との合成界面への反応物質の流れ制限によって制限されない、ＣＶＤによるカーボン・ナノチューブの合成方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の原理によれば、カーボン・ナノチューブを製造する方法は、基板に載置された複数の合成サイト上でカーボン・ナノチューブを合成するステップを含んでいる。半導電性カーボン・ナノチューブを量産する方法は、第１基板に載置された複数の合成サイト（synthesis site）上で第１の長さまで複数のカーボン・ナノチューブを合成するステップを含んでいる。この複数のカーボン・ナノチューブの合成を中断（interrupt）し、複数のカーボン・ナノチューブそれぞれの自由端部を第２基板でサポートする。この方法は、この複数の合成サイトを第１基板から分離するステップと、この複数のカーボン・ナノチューブの合成をこの複数の合成サイトで再開して、第１の長さより長い第２の長さまでこの複数のカーボン・ナノチューブを伸長させるステップをさらに含む。その結果、各合成サイトと対応するカーボン・ナノチューブとの界面が、カーボン・ナノチューブを最終の長さまで伸長させるために連続的に、妨げられずに（unoccluded）反応物質ガスに自由にアクセスできる。
【０００７】
本発明は、それぞれ第１端部と第２端部の間を延びる複数のカーボン・ナノチューブを備える構造も対象としている。複数のカーボン・ナノチューブの各第１端部は基板にサポートされている。この複数のカーボン・ナノチューブの各第２端部は、複数の合成サイトのうちの１つと結合されて（couple）いる。
【０００８】
本発明の原理による簡単な調製法を用いて、カーボン・ナノチューブを大量に製造し回収することができる。本発明は、その様々な実施形態において、長いカーボン・ナノチューブを速い成長速度で合成する方法の必要性を満たす。本発明の諸方法を使用して、カーボン・ナノチューブをその潜在的および実際の任意の用途に使用するために大量生産することができる。その用途は、半導体デバイス製作用でもよく、他の様々な用途でもよい。反応物質の合成サイトへの流れに関してカーボン・ナノチューブの密集したアレイを問題なく形成することができる。
【０００９】
本明細書の添付図面は、本発明の諸実施形態を示し、上記の概略説明と以下に述べる諸実施形態についての詳細な説明とともに本発明の原理を説明するのに役立つ。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、その様々な実施形態において、成長促進触媒材料からなるシード・パッド（seedpad）上に化学的気相堆積法によって合成されあるいは成長したカーボン・ナノチューブを安定して合成する方法を提供する。一般的に、この方法は第１基板によってサポート（support：支持）された合成サイトにカーボン・ナノチューブを形成するステップと、ナノチューブ合成を中断するステップと、各カーボン・ナノチューブの自由端部を第２基板に搭載するステップと、第１基板を除去するステップからなる。その結果、各カーボン・ナノチューブは、合成サイトのうちの１つによってキャップ（cap）され、カーボン・ナノチューブの伸長によって合成サイトへの反応物質のアクセスが妨げられない自立（freestanding）構造になる。この妨げられない（non-occluded）構造を形成した後で、合成サイトでナノチューブ合成を再開してカーボン・ナノチューブを伸長させる。
【００１１】
図１を参照すると、基板１２上に複数の相隔たる合成サイト１０が設けられている。これらの合成サイト１０は、たとえば、基板１２の表面の周囲に延びる周期的な行（row）と列（column）のアレイ（array）として配列させることができる。それぞれの合成サイト１０は、メサ（mesa）またはピラー（pillar）１６の上側表面に位置し、カーボン・ナノチューブ合成に適した触媒材料からなるシード・パッド１４を備える（図２）。基板１２は、それだけには限らないが、シリコン（Ｓｉ）およびガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ガラス、炭化シリコン（ＳｉＣ）、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、またはナノチューブ触媒として働かない適切な金属などを含めてカーボン・ナノチューブの成長をサポートしないどんな適切なサポート基板材料から成るものでもよい。ピラー１６はシード・パッド１４のサポート素子であり、同様にカーボン・ナノチューブの成長をサポートしない任意の適切な材料から形成してもよい。このシード・パッド１４の周辺部を取り囲んで、ピラー１６の上に、カーボン・ナノチューブの合成または成長をサポートしない材料からなるスペーサ１８が存在する。この合成サイト１０の下にエッチ・ストップ（etchstop）としても働く剥離層（release layer）２０があり、この剥離層２０に加えて別個のエッチ・ストップ層（図示せず）を設けることもできる。この剥離層２０の水平面に沿って、劈開面（cleavingblane）が画定される。
【００１２】
本発明の一実施形態では、剥離層２０は、ウェット・エッチングまたは当業者に知られた他の任意の従来技法によって除去可能な材料である。それだけには限らないが、金属ハライド、金属配化物、金属カルボニルなどの適切な前駆体（precursor）を使用する化学的気相堆積法（ＣＶＤ）、スパッタリング、および物理的気相堆積法（ＰＶＤ）を含めて従来の任意の堆積技法によって絶縁層１２上に触媒材料のブランケット（blanket）層を堆積させ、次いで標準的なリソグラフィ法およびサブトラクティブ・エッチング法を用いてこのブランケット層をパターン形成することによって、パターン化されたシード・パッド１４を形成することができる。標準の堆積法およびエッチング法によってこのシード・パッド１４の周囲にスペーサ１８を形成することができる。次いで、シード・パッド１４およびスペーサ１８をマスクとして利用し、基板１２の材料をシード・パッド１４およびスペーサ１８を構成する材料を剥離層２０の深さまで選択的にエッチングする自己整合型異方性エッチングを実施することによって、離隔したピラー１６を画定する。
【００１３】
触媒パッド１０内の触媒材料は、ナノチューブ成長を促進するのに適する化学反応条件下で適切な反応物質にさらしたとき、カーボン・ナノチューブ成長の核生成およびサポートが可能な任意の材料である。適切な触媒材料は、たとえば、それだけには限らないが、鉄、ニッケル、コバルト、これらの各金属の合金、および金属シリサイドや金属酸化物などのこれらの金属の化合物を含む。
【００１４】
本明細書で「垂直」、「水平」などの用語についての言及は、基準（reference）の枠組みを確立するための一例としてなされたものであり、限定するものではない。本明細書で使用する「水平」という用語は、向き（orientation）に関係なく基板１２の当初の平面または表面に平行な平面と定義する。「垂直」という用語は、今定義した水平に対して垂直方向を指す。「上の（on）」、「上方の（above）」、「の下の（below）」、「側面の（side）」（たとえば「側壁」などの場合）、「より高く（higher）」、「より低く（lower）」、「の上に（over）」、「の下に（beneath）」、および「下の（under）」などの用語は、この水平面に対して定義する。本発明の精神と範疇から逸脱することなく、様々な他の基準の枠組みを使用できることは理解されよう。
【００１５】
図２を参照すると、カーボン・ナノチューブ２２が、任意の適切な成長技法によってシード・パッド１４上に成長され、あるいはその他の方法で合成されている。このカーボン・ナノチューブ２２の合成を、比較的短い平均長さが得られたとき一時的に停止する。本発明の一実施形態では、カーボン・ナノチューブ２２が約１００ｎｍ〜約２００ｎｍの平均長さになったとき合成を中断する。カーボン・ナノチューブ２２は半導電性の電子状態か、導電性の電子状態のどちらかを特徴とする。合成を一時的に停止するこの特定の長さは、本明細書で説明するように、ナノチューブ合成を再開した後のナノチューブ２２の最終的な長さより短い。スペーサ１８は、シード・パッド１４の側面から横方向または水平なナノチューブ合成を妨げる。シード・パッド１４の表面積を制限し、あるいは各シード・パッド１４が単一のカーボン・ナノチューブ２２の合成のみをサポートするように合成条件を調整することが好ましいが、本発明はそれだけには限定されない。というのは、１つあるいは複数のシード・パッド１４が、垂直に突き出る複数のカーボン・ナノチューブ２２を載置することができるからである。
【００１６】
本発明の一実施形態では、シード・パッド１４を形成する触媒材料上へのカーボン・ナノチューブの成長を促進させる適切な成長条件のもとで、それだけには限らないが、一酸化炭素（ＣＯ）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、メタン（ＣＨ４）、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）、アセチレンとアンモニア（ＮＨ３）の混合物、アセチレンと窒素（Ｎ２）の混合物、アセチレンと水素（Ｈ２）の混合物、およびキシレン（Ｃ６Ｈ４（ＣＨ３）２）を含む任意の適切なガス状のまたは気化した炭素質の反応物質を用いた、化学的気相堆積法（ＣＶＤ）またはプラズマ強化ＣＶＤによってカーボン・ナノチューブ２２を成長させる。ＣＶＤ成長を促進または加速させるためあるいはその両方のために適切な温度まで基板１２を加熱することもできる。単一壁（単層）のナノチューブ（single-wall nanotube）、および多重壁（多層）のナノチューブ（multi-wall nanotube）の合成を促進させるため、あるいはナノチューブの伸長速度または長さを増大させるために添加剤（additives）を反応物質に混合することもできる。
【００１７】
この反応物質をそれぞれのシード・パッド１４に分配または供給し、そこでこの反応物質が触媒材料と化学的に反応して、カーボン・ナノチューブ２２を核生成させ、核生成後にそれらが成長するのを持続させる。シード・パッド１４の触媒材料は、露出表面で生じている化学反応によってそれ自体変換されあるいは消費されることなく、カーボン・ナノチューブ２２を形成する反応の活性化エネルギを低減させることによって、カーボン・ナノチューブ合成に参加している。カーボン・ナノチューブ２２は、半導電性の電子状態または導電性の電子状態のどちらもランダムに有する集合体（collection）すなわちポピュレーション（population）として成長する。というのは、成長中に電子状態を選択することはできず、したがって所与のシード・パッド１４上の任意の所与のナノチューブ２２の電子状態も確実には予測できないからである。カーボン・ナノチューブ２２は、結合した炭素原子の正確に配列された六角形リングからなる中空の円筒チューブを構成する。これらのカーボン・ナノチューブ２２は同心円筒のような多重壁面ナノチューブのこともあり、あるいは単一壁面のこともある。
【００１８】
これらのカーボン・ナノチューブ２２は、平均すると、シード・パッド１４の水平表面に直交する、あるいは少なくともほぼ直交する向きでこのシード・パッド１４から上にほぼ垂直に延びる。これらのカーボン・ナノチューブ２２は、自由端部すなわち先端部（leading tip）２４と、対応するシード・パッド１４に電気的に結合された基部（base）２６との間で個々に測定された高さすなわち長さが統計的な分布を有すると予想される。それぞれのカーボン・ナノチューブ２２と対応するシード・パッド１４との界面２７に炭素原子を加えることによって成長が起きると予想される。本発明では、カーボン・ナノチューブ２２の１つあるいはすべてが、本明細書で定義した垂直方向からわずかに傾くことがあり得ること、およびナノチューブの向きが平均としてほぼ垂直な統計的分布を特徴としていることを企図している。
【００１９】
図３を参照すると、カーボン・ナノチューブ２２を完全に覆い隣の合成サイト１０との間の空間を完全に充填する厚さで、基板１２上に層２８を共形に（conformally）堆積させる。層２８は、たとえば、シリコン前駆体としてテトラエチルオルソシリケート（ＴＥＯＳ）またはシランを使用する化学的気相堆積法（ＣＶＤ）法によって堆積させた酸化シリコン（ＳｉＯ２）によって構成することができるが、本発明はそれだけには限定されない。
【００２０】
図４を参照すると、化学的機械研磨（ＣＭＰ）法または任意の他の適切な平坦化技法によってこの層２８の露出表面３０を平坦に研磨する。一般的に、ＣＭＰ法では、研磨パッドと層２８の間に導入された適切なスラリによって化学的に支援された研磨作用すなわち機械的な摩滅作用を使用する。本発明のいくつかの実施形態では、このＣＭＰ法は任意選択であり必要がないこともある。当業者に知られた任意の従来技法によって、ハンドリング・ウェハ３２を層２８の露出表面３０にボンディングする。このハンドリング・ウェハ３２は、たとえば、シリコン・ウェハまたは金属ウェハであってもよい。このハンドリング・ウェハ３２を、たとえば、高温接着剤の層の使用、あるいは適切な熱処理によって層２８にボンディングさせることができる。ボンディングを支援するために、任意選択で、このハンドリング・ウェハ３２を酸化膜で被覆することもでき、あるいは他の層で被覆することもできる（図示せず）。次いで、合成サイト１０および誘電体層２８を後に残すように基板１２を剥離層２０の巧みに操作して除去し、その結果ハンドリング・ウェハ３２が不可欠な機械的なサポートを提供する。たとえば、剥離層２０は、ウェット・エッチング法で巧みに操作することができる。一般的には、図４に示すように、本形成プロセスのこの段階で、このハンドリング・ウェハ３２を逆さまにするが、本発明はそれだけには限定されない。
【００２１】
図５を参照すると、シード・パッド１４および各カーボン・ナノチューブ２２と対応するシード・パッド１４の１つと間でシード・パッドに対応する界面２７を露出させる深さまで、層２８を除去する。合成サイト１０内の材料および各カーボン・ナノチューブ２２に対して選択的に層２８を除去する一技法は、層２８がＳｉＯ２で構成されている場合、緩衝（buffered）フッ化水素酸（ＨＦ）溶液などの適切なエッチング液による等方性ウェット・エッチングである。このナノチューブ２２およびそれに結合した合成サイト１０は、ハンドリング・ウェハ３２に対して実質的に垂直に延びる構造を形成する。層２８が陥凹している（recess:くぼみがつけられている）ので、各カーボン・ナノチューブ２２の基部２６および各基部２６とそれに結合したシード・パッド１４との界面２７に通じる、塞がれていない、ナノチューブ成長の反応物質用の反応物質（すなわち、ガス）通路が存在する。
【００２２】
図６を参照すると、結合したシード・パッド１４との界面２７に成長反応物質を供給することによって半導電性のカーボン・ナノチューブ２２の成長または合成を再開させる。成長は、元のより短い半導電性のカーボン・ナノチューブ２２の形成する際に活性であった界面と同じ、触媒材料との界面２７で進行する。カーボン・ナノチューブ２２が伸長する際、この界面２７の周囲の環境は一定のままである。言い換えれば、カーボン・ナノチューブ２２が伸長する際、ナノチューブ２２と結合したシード・パッド１４との界面に通じる反応物質の通路が、元の密集した、合成サイト１０のアレイの場合であっても、成長プロセスによって、塞がれまたは他の方法で一部変更されることがない。その結果、ナノチューブ２２の伸長によって妨げられずに成長は進行する。
【００２３】
カーボン・ナノチューブ２２を所望の長さまで合成し、次いで、電界効果型表示装置用のエミッタ・アレイなどのマイクロエレクトロニクス・デバイスや他の構造の形成に使用するために、合成サイト１０を切り取り、ハンドリング・ウェハ３２から剥離する。当業者に明らかな任意の適切な選別法を使用して、半導電性および導電性のカーボン・ナノチューブ２２を分離することもできる。あるいは、やはり当業者に明らかなように、カーボン・ナノチューブ２２を組み込んだデバイス構造をハンドリング・ウェハ３４上に直接形成することもできる。
【００２４】
図７を参照すると、本発明の代替実施形態により、図２に示した処理方法の段階で、ＣＶＤ法により堆積されたポリシリコンなどの第１材料の層４０で基板１２を覆う。層４０は、共形的にカーボン・ナノチューブ２２を被覆し、その結果、露出表面が不規則になる。
【００２５】
図８を参照すると、ＣＭＰプロセスを使用して層４０の表面４２を平坦に研磨する。ＣＭＰプロセスは、カーボン・ナノチューブ２２の長さを等しくする働きもする。というのは、層４０の厚さが減少するにつれて、長いカーボン・ナノチューブ２２の先端部２４が除去されるからである。ＣＭＰプロセス後の、カーボン・ナノチューブ２２の均一な長さは、表面４２とシード・パッド１４に面した表面との間の層４０の厚さに等しい。いくつかのカーボン・ナノチューブ２２は、ＣＭＰプロセス後の、等しくなったすなわち均一な長さより短く、表面４２の下の層４０内に埋もれたままになることがあることを理解されたい。
【００２６】
図９を参照すると、次いで、カーボン・ナノチューブ２２に対して層４０を選択的に除去する反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）プロセスを使用して、層４０の露出表面４２をカーボン・ナノチューブ２２に対してさらに陥凹させる。あるいは、ＳｉＯ２用の緩衝フッ化水素酸（ＨＦ）溶液などの適切なエッチング液を使用したウェット・エッチング法を用いることもできる。次いで、第２材料の層４４を露出表面４２上に堆積させる。カーボン・ナノチューブ２２の露出した先端部２４を層４４内に埋め込む。層４４は、層４０を形成する材料に対して選択的にエッチングし、カーボン・ナノチューブ合成をサポートしない任意の材料である。層４０が、たとえばポリシリコンの場合、層４４は、たとえばＳｉＯ２である。というのは、ポリシリコンは、塩素含有ガス、臭素含有ガス、またはそれらの混合ガスを使用するＲＩＥプロセスによって、ＳｉＯ２に対して選択的にエッチングすることができるからである。
【００２７】
図１０を参照すると、当業者に知られた任意の従来技法によって、シリコン・ウェハや金属ウェハなどのハンドリング・ウェハ４６を層４４にボンディングさせる。このハンドリング・ウェハ４６を、たとえば、高温接着剤の層の使用、あるいは適切な熱処理によって層４４にボンディングさせることができる。ボンディングを支援するために、任意選択で、このハンドリング・ウェハ４６を酸化膜で被覆することもでき、あるいは他の層で被覆することもできる（図示せず）。次いで、合成サイト１０および層４０および層４４を後に残すように剥離層２０を巧みに操作して基板１２を除去し、その結果ハンドリング・ウェハ４６が不可欠な機械的なサポートを提供する。一般的には、図１０に示すように、本形成プロセスのこの段階でこのハンドリング・ウェハ４６を逆さまにするが、本発明はこれだけには限定されない。
【００２８】
図１１を参照すると、エッチング・プロセスに対するエッチ・ストップ層として働く層４４を構成する材料に対して選択的なエッチング法によって層４０を除去する。このエッチング法ではまた、合成サイト１０内の材料およびカーボン・ナノチューブ２２に対して層４０を選択的に除去する。カーボン・ナノチューブ２２および結合した合成サイト１０は、ハンドリング・ウェハ４６の水平面に対してほぼ垂直に延びる構造を形成する。層４０を除去することにより、各カーボン・ナノチューブ２２の基部２６および各基部２６とそれに結合したシード・パッド１４との界面２７に通じる、塞がれていないナノチューブ成長の反応物質用ガス通路が存在する。
【００２９】
図１２を参照すると、各カーボン・ナノチューブ２２の基部２６にまだ貼り付いている結合したシード・パッド１４との界面２７に成長反応物質を供給することによって、半導電性のカーボン・ナノチューブ２２の合成を再開させる。成長は、より短いカーボン・ナノチューブ２２を形成する際に、触媒材料が活性であった界面と同じ、元の界面２７で進行する。カーボン・ナノチューブ２２が伸長する際、この界面２７の周囲の反応物質の流れの環境は一定不変なままである。言い換えれば、カーボン・ナノチューブ２２が伸長する際、合成サイト１０の密集した元のアレイの場合においても、ナノチューブ２２と結合したシード・パッド１４との界面２７に通じるガス通路が、成長プロセスによって、塞がれたり他の方法で一部変更されたりしない。というのは、シード・パッド１４が、伸長するナノチューブ２２と共に、ハンドリング・ウェハ４６から剥離されるからである。その結果、ナノチューブ２２の伸長によって妨げられずに合成は進行する。カーボン・ナノチューブ２２を所望の長さにまで合成し、次いで回収するかあるいはデバイス構造内に組み込む。本発明のこの実施形態により、カーボン・ナノチューブ２２は、どんな長さで成長を終了させた場合も実質的に均一な長さ分布になる。
【００３０】
本発明を様々な実施形態の説明によって例示し、これらの実施形態をかなり詳細に記述してきたが、特許請求の範囲をこのような詳細に制限したりあるいはいかなる形でも限定することは本出願者らの意図するところではない。追加の利益および修正は当業者には容易に明らかになるであろう。したがって、本発明は、その幅広い態様において、具体的な詳細、説明した装置および方法、ならびに示し記述した例に限定されるものではない。したがって、本出願者らが意図した発明の概念の一般的な精神および範疇から逸脱することなくこのような詳細から逸脱することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施形態による処理方法の一段階における基板の一部分の断面図である。
【図２】本発明の実施形態による処理方法の一段階における基板の一部分の断面図である。
【図３】本発明の実施形態による処理方法の一段階における基板の一部分の断面図である。
【図４】本発明の実施形態による処理方法の一段階における基板の一部分の断面図である。
【図５】本発明の実施形態による処理方法の一段階における基板の一部分の断面図である。
【図６】本発明の実施形態による処理方法の一段階における基板の一部分の断面図である。
【図７】本発明の代替実施形態による処理方法の一段階における基板の一部分の断面図である。
【図８】本発明の代替実施形態による処理方法の一段階における基板の一部分の断面図である。
【図９】本発明の代替実施形態による処理方法の一段階における基板の一部分の断面図である。
【図１０】本発明の代替実施形態による処理方法の一段階における基板の一部分の断面図である。
【図１１】本発明の代替実施形態による処理方法の一段階における基板の一部分の断面図である。
【図１２】本発明の代替実施形態による処理方法の一段階における基板の一部分の断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０  合成サイト
１２  基板
１４  シード・パッド
１６  メサまたはピラー
１８  スペーサ
２０  剥離層
２２  （導電性）カーボン・ナノチューブ
２４  カーボン・ナノチューブの先端部、自由端部
２６  カーボン・ナノチューブの基部
２７  基部とシード・パッドの界面
２８  誘電体層
３０  誘電体層の露出表面
３２  ハンドリング・ウェハ
４０  第１材料の層
４２  層４０の表面
４４  第２材料の層
４６  ハンドリング・ウェハ
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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