JP2000021773A - Ｓｉ微結晶構造の製造方法 - Google Patents
Ｓｉ微結晶構造の製造方法Info
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- Y10S117/905—Electron beam
Abstract
(57)【要約】
【課題】 単結晶のＳｉ微結晶の構造を位置およびサイ
ズ制御可能として形成する。 【解決手段】 ４００℃以上の温度において、ＳｉＯ2
基板に電子線照射により電子線励起分解反応させてＳｉ
微結晶を形成する。
ズ制御可能として形成する。 【解決手段】 ４００℃以上の温度において、ＳｉＯ2
基板に電子線照射により電子線励起分解反応させてＳｉ
微結晶を形成する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この出願の発明は、Ｓｉ微結
晶構造の製造方法に関するものである。さらに詳しく
は、この出願の発明は、半導体量子ドット、非線形光学
素子、量子波干渉材料等への応用において有用な、Ｓｉ
微結晶構造とその製造方法に関するものである。
晶構造の製造方法に関するものである。さらに詳しく
は、この出願の発明は、半導体量子ドット、非線形光学
素子、量子波干渉材料等への応用において有用な、Ｓｉ
微結晶構造とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】従来、半導体超格子構造の作
製方法としては、ＭＢＥやＣＶＤを用いた蒸着法を応用
して、一次元の層状構造を作製したり、リソグラフィー
とエッチング技術を応用して、二次元あるいは三次元構
造を作製するものが知られている。ただ、前者の方法で
は配置位置の制御が難しいため、近年は微粒子をランダ
ムに蒸着した後、自己修復過程を利用して規則的な配置
を作り出すことが考えられているが、いまだ技術として
は確立されていない。一方後者の方法の場合、位置の制
御は可能であるが、構造の最小単位は数１０ｎｍであ
り、さらに微細な構造の作製が望まれているのが実情で
ある。
製方法としては、ＭＢＥやＣＶＤを用いた蒸着法を応用
して、一次元の層状構造を作製したり、リソグラフィー
とエッチング技術を応用して、二次元あるいは三次元構
造を作製するものが知られている。ただ、前者の方法で
は配置位置の制御が難しいため、近年は微粒子をランダ
ムに蒸着した後、自己修復過程を利用して規則的な配置
を作り出すことが考えられているが、いまだ技術として
は確立されていない。一方後者の方法の場合、位置の制
御は可能であるが、構造の最小単位は数１０ｎｍであ
り、さらに微細な構造の作製が望まれているのが実情で
ある。
【０００３】このような状況において、より微細な構造
を作製するためのリソグラフィー・エッチング技術の応
用については、集束した電子線を使用することが考えら
れている。たとえば、集束した電子線を結縁体（ＳｉＯ
2 ）に照射すると、ＳｉＯ2 の分解が起こり、Ｓｉが表
面に析出することは電子線励起分解機構（Electron-sti
mulated desorption mechanism，ＥＳＤ）として、知ら
れている（M.L.Knotek andP.J.Feibelman, Surf. Sci.,
９０，７８（１９７９））。また、近年では、電界放
射型電子顕微鏡の集束した電子ビームを利用して、ＥＳ
Ｄにより２ｎｍのＳｉの微粒子を室温で作製し、位置を
制御して非晶質のＳｉＯ2 中に並べる研究が報告されて
もいる（G.S.Chen, C.B.Boothroyd and C.J.Humphreys,
Appl. Phys.Lett., ６２，１９４９（１９９３））。
しかしながら、ＥＳＤによるＳｉ微結晶の形成について
はその詳細な検討は充分でなく、実際、後者の研究で作
製できたＳｉは非晶質構造であるにすぎない。超格子で
の量子サイズ効果は結晶において顕著であり、非晶質で
はバンド構造が粒子サイズに依存しないために量子サイ
ズ効果は小さく、その機能は期待できないのである。
を作製するためのリソグラフィー・エッチング技術の応
用については、集束した電子線を使用することが考えら
れている。たとえば、集束した電子線を結縁体（ＳｉＯ
2 ）に照射すると、ＳｉＯ2 の分解が起こり、Ｓｉが表
面に析出することは電子線励起分解機構（Electron-sti
mulated desorption mechanism，ＥＳＤ）として、知ら
れている（M.L.Knotek andP.J.Feibelman, Surf. Sci.,
９０，７８（１９７９））。また、近年では、電界放
射型電子顕微鏡の集束した電子ビームを利用して、ＥＳ
Ｄにより２ｎｍのＳｉの微粒子を室温で作製し、位置を
制御して非晶質のＳｉＯ2 中に並べる研究が報告されて
もいる（G.S.Chen, C.B.Boothroyd and C.J.Humphreys,
Appl. Phys.Lett., ６２，１９４９（１９９３））。
しかしながら、ＥＳＤによるＳｉ微結晶の形成について
はその詳細な検討は充分でなく、実際、後者の研究で作
製できたＳｉは非晶質構造であるにすぎない。超格子で
の量子サイズ効果は結晶において顕著であり、非晶質で
はバンド構造が粒子サイズに依存しないために量子サイ
ズ効果は小さく、その機能は期待できないのである。
【０００４】そこで、この出願の発明は、以上のとおり
の従来技術の限界を克服し、電子線照射によって単結晶
のＳｉ微結晶構造を、優れた位置制御性と、優れた微結
晶サイズの制御性をもって形成することのできる新しい
方法と、この方法により得られるこれまでに知られてい
ないＳｉ微結晶構造を提供することを課題としている。
の従来技術の限界を克服し、電子線照射によって単結晶
のＳｉ微結晶構造を、優れた位置制御性と、優れた微結
晶サイズの制御性をもって形成することのできる新しい
方法と、この方法により得られるこれまでに知られてい
ないＳｉ微結晶構造を提供することを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この出願の発明は、上記
の課題を解決するものとして、第１には、４００℃以上
の温度において、ＳｉＯ2 基板に電子線を照射して電子
線励起分解反応により単結晶のＳｉ微結晶をＳｉＯ2 基
板に形成することを特徴とするＳｉ微結晶構造の製造方
法を提供する。
の課題を解決するものとして、第１には、４００℃以上
の温度において、ＳｉＯ2 基板に電子線を照射して電子
線励起分解反応により単結晶のＳｉ微結晶をＳｉＯ2 基
板に形成することを特徴とするＳｉ微結晶構造の製造方
法を提供する。
【０００６】また、この出願の発明は、第２には、Ｓｉ
微結晶の大きさを５ｎｍ以下とする製造方法を、第３に
は、Ｓｉ微結晶をＳｉＯ2 基板に二次元に配列した状態
として形成する製造方法を、第４には、Ｓｉ微結晶の大
きさが５ｎｍ以下であり、Ｓｉ微結晶の相互の間隔が５
〜１０ｎｍである製造方法を、第５には、電子線の強度
を２×１０8 Ｃｍ-2ｓ-1以上とし、線量を１×１０9 Ｃ
ｍ-2ｓ-1以上とする製造方法を、第６には、結晶性Ｓｉ
Ｏ2 基板に電子線を照射して非晶質化し、次いで４００
℃以上の温度において、電子線照射による電子線励起分
解反応させる製造方法をも提供する。
微結晶の大きさを５ｎｍ以下とする製造方法を、第３に
は、Ｓｉ微結晶をＳｉＯ2 基板に二次元に配列した状態
として形成する製造方法を、第４には、Ｓｉ微結晶の大
きさが５ｎｍ以下であり、Ｓｉ微結晶の相互の間隔が５
〜１０ｎｍである製造方法を、第５には、電子線の強度
を２×１０8 Ｃｍ-2ｓ-1以上とし、線量を１×１０9 Ｃ
ｍ-2ｓ-1以上とする製造方法を、第６には、結晶性Ｓｉ
Ｏ2 基板に電子線を照射して非晶質化し、次いで４００
℃以上の温度において、電子線照射による電子線励起分
解反応させる製造方法をも提供する。
【０００７】さらにまた、この出願の発明は、ＳｉＯ2
基板上に形成されたＳｉ微結晶構造であって、５ｎｍ以
下の大きさの単結晶のＳｉ微結晶が、５〜１０ｎｍの間
隔で二次元に配列されていることを特徴とするＳｉ微結
晶構造と、Ｓｉ微結晶の大きさが２ｎｍ以下であるその
構造も提供する。
基板上に形成されたＳｉ微結晶構造であって、５ｎｍ以
下の大きさの単結晶のＳｉ微結晶が、５〜１０ｎｍの間
隔で二次元に配列されていることを特徴とするＳｉ微結
晶構造と、Ｓｉ微結晶の大きさが２ｎｍ以下であるその
構造も提供する。
【０００８】
【発明の実施の形態】この発明の方法は上記のとおりの
特徴を持つものであるが、ＥＳＤによるＳｉＯ2 の分解
とＳｉ単結晶の微細形成は、４００℃以上の温度におい
て行うことが本質的な特徴である。４００℃未満におい
ては単結晶のＳｉ微結晶を制御性よく形成することは困
難である。そして、４００℃以上の温度でのＥＳＤ機構
によって、はじめて５ｎｍ以下の大きさのＳｉ単結晶を
析出させることができる。
特徴を持つものであるが、ＥＳＤによるＳｉＯ2 の分解
とＳｉ単結晶の微細形成は、４００℃以上の温度におい
て行うことが本質的な特徴である。４００℃未満におい
ては単結晶のＳｉ微結晶を制御性よく形成することは困
難である。そして、４００℃以上の温度でのＥＳＤ機構
によって、はじめて５ｎｍ以下の大きさのＳｉ単結晶を
析出させることができる。
【０００９】ＳｉＯ2 基板としては、非晶質のものを用
いてもよいし結晶性のもの、たとえば石英等を用いてよ
い。より好適な実施の形態を例示すると、試料に石英
（結晶性のＳｉＯ2 ）を用い、これを電子ビームにより
いったん非晶質し、これを４００℃以上に加熱した状
態で、約１〜１０ｎｍに集束した電子ビームを２×１０
8 Ｃｍ-2ｓ-1以上の強度で超高真空中で５秒以下照射し
て線量を１×１０9 Ｃｍ-2ｓ-1以上を達成し、ＥＳＤ機
構でＳｉＯ2 を分解すると同時に、Ｓｉを結晶化させ、
５ｎｍ以下の単結晶を析出する点にある。電子ビームの
エネルギーは１００ｋｅＶ以下であれば可能である。照
射時間と強度によりＳｉ微結晶の大きさを制御でき、電
子ビームをスポット走査やライン走査をすることで、任
意のパターンが作製できる。
いてもよいし結晶性のもの、たとえば石英等を用いてよ
い。より好適な実施の形態を例示すると、試料に石英
（結晶性のＳｉＯ2 ）を用い、これを電子ビームにより
いったん非晶質し、これを４００℃以上に加熱した状
態で、約１〜１０ｎｍに集束した電子ビームを２×１０
8 Ｃｍ-2ｓ-1以上の強度で超高真空中で５秒以下照射し
て線量を１×１０9 Ｃｍ-2ｓ-1以上を達成し、ＥＳＤ機
構でＳｉＯ2 を分解すると同時に、Ｓｉを結晶化させ、
５ｎｍ以下の単結晶を析出する点にある。電子ビームの
エネルギーは１００ｋｅＶ以下であれば可能である。照
射時間と強度によりＳｉ微結晶の大きさを制御でき、電
子ビームをスポット走査やライン走査をすることで、任
意のパターンが作製できる。
【００１０】石英を非晶質化するときの電子ビーム強度
と温度は厳密ではなく、室温・高温のいずれでもよい。
またビーム強度も１×１０4 Ｃｍ-2ｓ-1以上の通常の観
察時のままでよい。ＥＳＤを作用させるときは２×１０
8 Ｃｍ-2ｓ-1以上の強力な電子ビームとすることが好ま
しく、また、４００℃以上の温度、超高真空環境とする
ことが重要である。
と温度は厳密ではなく、室温・高温のいずれでもよい。
またビーム強度も１×１０4 Ｃｍ-2ｓ-1以上の通常の観
察時のままでよい。ＥＳＤを作用させるときは２×１０
8 Ｃｍ-2ｓ-1以上の強力な電子ビームとすることが好ま
しく、また、４００℃以上の温度、超高真空環境とする
ことが重要である。
【００１１】この際の真空度は、１０-7Ｐａ以下とする
ことが望ましい。そこで以下に実施例を示し、さらに詳
しくこの発明について説明する。
ことが望ましい。そこで以下に実施例を示し、さらに詳
しくこの発明について説明する。
【００１２】
【実施例】電子ビームのエネルギーを１００ｋｅＶとし
て、まず、２×１０7 Ｃｍ-2ｓ-1程度の比較的弱い照射
でいったんＳｉＯ2 単結晶（石英）薄膜を非晶質化した
後、電界放射透過型電子顕微鏡を用いて、６００℃の温
度において２×１０-8Ｐａの超高真空中でビームを約３
ｎｍに集束し、ビーム強度を２×１０8 Ｃｍ-2ｓ-1以上
に増加しスポット走査した。Ｓｉ微結晶は、ビームを縦
５箇所、横５箇所の合計２５箇所のスポットに５秒間停
止して照射して、各スポットへの線量を１×１０9 Ｃｍ
-2以上とし、ＥＳＤ機構により図１に示した構造を得
た。単結晶のＳｉ微結晶の大きさは２ｎｍで、微結晶の
お互いの間隔は１０ｎｍである。微結晶のコントラスト
がはっきり確認できる。図２は作製したＳｉ微結晶の拡
大写真である。２ｎｍの領域がほぼ円形に変化してお
り、その内部に結晶を示す格子縞（結晶中に規則的に並
んだ原子の間隔を示す）が観察できる。また、格子縞に
乱れがないことから、単結晶であると判断される。微結
晶の成分分析は電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ）
を用いて行い、その結果を図３に示した。ＳｉのＬエッ
ジの形状を観察すると、微結晶の部分では約１００ｅＶ
にエッジが肩を持ち、Ｓｉ単体であることがわかる。因
みに周辺部から得られたＬエッジは１０８ｅＶに肩を持
つＳｉＯ2 特有の形状であった。また、ビーム径と照射
時間を増加すると、微結晶のサイズは増加した。これら
の結果は、集束した電子ビームを用いて、位置と大きさ
を制御してＳｉＯ2 中にＳｉ微結晶の配列を作製できる
ことを示している。
て、まず、２×１０7 Ｃｍ-2ｓ-1程度の比較的弱い照射
でいったんＳｉＯ2 単結晶（石英）薄膜を非晶質化した
後、電界放射透過型電子顕微鏡を用いて、６００℃の温
度において２×１０-8Ｐａの超高真空中でビームを約３
ｎｍに集束し、ビーム強度を２×１０8 Ｃｍ-2ｓ-1以上
に増加しスポット走査した。Ｓｉ微結晶は、ビームを縦
５箇所、横５箇所の合計２５箇所のスポットに５秒間停
止して照射して、各スポットへの線量を１×１０9 Ｃｍ
-2以上とし、ＥＳＤ機構により図１に示した構造を得
た。単結晶のＳｉ微結晶の大きさは２ｎｍで、微結晶の
お互いの間隔は１０ｎｍである。微結晶のコントラスト
がはっきり確認できる。図２は作製したＳｉ微結晶の拡
大写真である。２ｎｍの領域がほぼ円形に変化してお
り、その内部に結晶を示す格子縞（結晶中に規則的に並
んだ原子の間隔を示す）が観察できる。また、格子縞に
乱れがないことから、単結晶であると判断される。微結
晶の成分分析は電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ）
を用いて行い、その結果を図３に示した。ＳｉのＬエッ
ジの形状を観察すると、微結晶の部分では約１００ｅＶ
にエッジが肩を持ち、Ｓｉ単体であることがわかる。因
みに周辺部から得られたＬエッジは１０８ｅＶに肩を持
つＳｉＯ2 特有の形状であった。また、ビーム径と照射
時間を増加すると、微結晶のサイズは増加した。これら
の結果は、集束した電子ビームを用いて、位置と大きさ
を制御してＳｉＯ2 中にＳｉ微結晶の配列を作製できる
ことを示している。
【００１３】
【発明の効果】以上詳しく説明したとおり、この発明に
よって、Ｓｉ量子ドット・三次元超格子構造の作製が可
能となる。半導体超格子構造により電子状態を制御する
ためには５〜１０ｎｍ以下の大きさでの周期性が要求さ
れており、これが実現できることになる。半導体量子ド
ット、非線形光学素子、量子波干渉材料等への応用が期
待される。
よって、Ｓｉ量子ドット・三次元超格子構造の作製が可
能となる。半導体超格子構造により電子状態を制御する
ためには５〜１０ｎｍ以下の大きさでの周期性が要求さ
れており、これが実現できることになる。半導体量子ド
ット、非線形光学素子、量子波干渉材料等への応用が期
待される。
【００１４】また、次のような効果も実現されることに
なる。 高速トランジスター、光学素子等が開発できるため、
電子機器の高速化・小型化が可能となる。 ＧａＡｓ等の化合物半導体のような高価な材料で超格
子を作製しなくてすむ。
なる。 高速トランジスター、光学素子等が開発できるため、
電子機器の高速化・小型化が可能となる。 ＧａＡｓ等の化合物半導体のような高価な材料で超格
子を作製しなくてすむ。
【００１５】 ＭＢＥやＣＶＤ等の蒸着装置が不要に
なる。
なる。
【図１】集束電子ビーム照射後のＳｉ微結晶二次元配列
の状態を例示した図面に代わる電子顕微鏡写真である。
縦５個、横５個、合計２５個のＳｉ微結晶が二次元配列
を成して観察される。
の状態を例示した図面に代わる電子顕微鏡写真である。
縦５個、横５個、合計２５個のＳｉ微結晶が二次元配列
を成して観察される。
【図２】１個のＳｉ微結晶を示した図面に代わる電子顕
微鏡写真である。結晶構造特有の格子縞が観察できる。
格子縞に乱れが無く、単結晶であると判断される。
微鏡写真である。結晶構造特有の格子縞が観察できる。
格子縞に乱れが無く、単結晶であると判断される。
【図３】Ｓｉ微結晶とその周辺のＳｉＯ2 から得られた
電子エネルギー損失スペクトルの比較を示した図であ
る。ＳｉのＬエッジを観察。Ｓｉの場合１００ｅＶに肩
が生じ、ＳｉＯ2 の場合１０８ｅＶに肩が生じることか
ら、編成分析ができ、析出粒子がＳｉであると同定でき
る。
電子エネルギー損失スペクトルの比較を示した図であ
る。ＳｉのＬエッジを観察。Ｓｉの場合１００ｅＶに肩
が生じ、ＳｉＯ2 の場合１０８ｅＶに肩が生じることか
ら、編成分析ができ、析出粒子がＳｉであると同定でき
る。
Claims (8)
- 【請求項１】 ４００℃以上の温度において、ＳｉＯ2
基板に電子線を照射して電子線励起分解反応により単結
晶のＳｉ微結晶をＳｉＯ2 基板に形成することを特徴と
するＳｉ微結晶構造の製造方法。 - 【請求項２】 Ｓｉ微結晶の大きさを５ｎｍ以下とする
請求項１の製造方法。 - 【請求項３】 Ｓｉ微結晶をＳｉＯ2 基板に二次元に配
列した状態として形成する請求項１または２の製造方
法。 - 【請求項４】 Ｓｉ微結晶の大きさが５ｎｍ以下であ
り、Ｓｉ微結晶の相互の間隔が５〜１０ｎｍである請求
項３の製造方法。 - 【請求項５】 電子線の強度を２×１０8 Ｃｍ-2ｓ-1以
上で、線量を１×１０9 Ｃｍ-2ｓ-1以上とする請求項１
ないし４のいずれかの製造方法。 - 【請求項６】 結晶性ＳｉＯ2 基板に電子線を照射して
非晶質化し、次いで４００℃以上の温度において、電子
線照射による電子線励起分解反応させる請求項１ないし
５のいずれかの製造方法。 - 【請求項７】 ＳｉＯ2 基板上に形成されたＳｉ微結晶
構造であって、５ｎｍ以下の大きさの単結晶のＳｉ微結
晶が、５〜１０ｎｍの間隔で二次元に配列されているこ
とを特徴とするＳｉ微結晶構造。 - 【請求項８】 Ｓｉ微結晶の大きさが２ｎｍ以下である
請求項７の構造。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10186637A JP2929005B1 (ja) | 1998-07-01 | 1998-07-01 | Ｓｉ微結晶構造の製造方法 |
| US09/342,622 US6344082B1 (en) | 1998-07-01 | 1999-06-29 | Fabrication method of Si nanocrystals |
| EP99305143A EP0969126A3 (en) | 1998-07-01 | 1999-06-30 | Method of fabrication of Si nanostructures |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10186637A JP2929005B1 (ja) | 1998-07-01 | 1998-07-01 | Ｓｉ微結晶構造の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2929005B1 JP2929005B1 (ja) | 1999-08-03 |
| JP2000021773A true JP2000021773A (ja) | 2000-01-21 |
Family
ID=16192079
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10186637A Expired - Lifetime JP2929005B1 (ja) | 1998-07-01 | 1998-07-01 | Ｓｉ微結晶構造の製造方法 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6344082B1 (ja) |
| EP (1) | EP0969126A3 (ja) |
| JP (1) | JP2929005B1 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001345267A (ja) * | 2000-03-27 | 2001-12-14 | Semiconductor Energy Lab Co Ltd | 半導体装置の作製方法 |
| US7887677B2 (en) | 2005-09-26 | 2011-02-15 | Nissin Electric Co., Ltd. | Silicon object forming method and apparatus |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6794265B2 (en) * | 2001-08-02 | 2004-09-21 | Ultradots, Inc. | Methods of forming quantum dots of Group IV semiconductor materials |
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