JP2003221664A - 金属ナノ線の製造方法 - Google Patents

金属ナノ線の製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、金属ナノ線を、リソグラフィー工
程を行うことなく、工程中に基板上に多量に成長させ得
る金属ナノ線の製造方法を提供しようとするものであ
る。 【解決手段】 基板上に厚さ30μm〜1000μmの自己触媒
金属薄膜としてタングステン薄膜を形成する段階と、前
記自己触媒金属薄膜を形成した基板を低圧ＣＶＤ装置の
チャンバ内部に装入して10秒〜5000秒の間、自己触媒反
応により成長させることで、自己触媒金属薄膜の表面に
ナノ線を成長させる段階と、を順次行うことで金属ナノ
線を製造する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、金属ナノ線(nanow
ire)の製造方法に関し、より詳しくは、金属ナノ線を、
リソグラフィー工程を行うことなく、基板上に多量に成
長し得る金属ナノ線の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、金属ナノ線は、原子間力顕微鏡(A
MF：Atomic Force Microscpe)又は走査トンネル顕微
鏡(STM：Scanning Tunneling Microscope)の探針又は
電子放出表示装置の電子放出用チップ等に使用されてい
るが、主に、高度の微細エッチング工程によって製造さ
れている。
【０００３】近年、半導体素子の小型化及び集積化が、
急速且つ持続的に行われており、この分野でも金属ナノ
線の利用はますます増加すると予想されるが、現在まで
製品化されたシリコンにより具現される金属ナノ線の最
小直径は、約0.35μmで、将来約0.1μmまですることが
可能であると展望されている。しかし、従来のリソグラ
フィー工程によって製造されるものは、0.1μmより細く
するのは困難であり、半導体基板上に微細な金属ナノ線
を形成し得る新しい方式が要求されている。
【０００４】最近、リソグラフィーの技術に依存せず、
ナノ単位の大きさの高集積半導体素子を製造するボトム
アップ方式により、自己組立体(self-assembly)、1次元
量子線(quantum wire)のナノ線及びナノロッド(nano-r
od)を成長させる試みも行われている。ここで、半導体
素子の製造を、現在のトップダウン方式からボトムアッ
プ方式に代置しなければならないと展望されている。前
者の方式は、規則性及び再現性に優れている既に確立さ
れた技術により、半導体素子を集積化することができる
という長所があるが、リソグラフィー技術の発展に絶対
的に依存するという短所がある。一方、後者の方式は、
半導体素子を製造するとき、材料自体がナノ単位の大き
さに形成されるメカニズムを利用するもので、リソグラ
フィー技術に依存してないものの、再現性及び定形化を
達成し難く、分子素子(molecular device)を高歩留り
で集積化することが困難であるという短所がある。
【０００５】従来技術の一例として図６及び図７
（ａ）、（ｂ）に示す前記電子放出用チップにおけるタ
ングステンナノ線は、バルク材料に微細なエッチングを
施して加工するため、広い基底面(base)から上に向かう
ほど鋭くなる構造を有しているが、定形化し難いという
問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】然るに、このような従
来のチップにおいては、チップの模様が夫々異なり、定
形化することが難しいという不都合な点があった。又、
前記各電子放出用チップは、電界放出表示素子(Field
Emission Display Device)又は増幅器の電子放出源(F
ield Emission Source)に夫々適用するために、直径1
μmのホールの中に、均一にエッチング加工して形成す
ることが難しいという不都合な点があった。
【０００７】本発明は、このような従来の課題に鑑みな
されたもので、金属ナノ線を、リソグラフィー工程を行
うことなく、工程中に基板上に多量に成長し得る金属ナ
ノ線の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るため、本発明は、基板上に厚さ30μm〜1000μmの自己
触媒金属薄膜を形成する段階と、前記自己触媒金属薄膜
を、低圧ＣＶＤ装置を用いて、10秒〜5000秒の間、自己
触媒反応により成長させることで、自己触媒金属薄膜の
表面にナノ線を成長させる段階と、を順次行うことを特
徴とする金属ナノ線の製造方法を提供するものである。
【０００９】本発明に係る金属ナノ線の製造方法におい
ては、前記自己触媒金属薄膜を自己触媒反応によって成
長させる時間が重要であり、その理由は下記の通りであ
る。自己触媒金属薄膜が自己触媒反応によって金属ナノ
線に成長するためには、前記自己触媒金属薄膜内に熱エ
ネルギーによる特定値以上の応力が存在する必要があ
る。更に、このような効果を表すためには、その成長時
間が10秒以上である必要があるが、成長時間が5000秒を
超えると、成長し過ぎたナノ線が相互に縺れ合って固ま
り、従来の連続膜の形態に転移するので、成長時間を10
秒〜5000秒にする。
【００１０】請求項２の発明は、前記自己触媒金属薄膜
の形成前に、前記基板の上面に所定厚さの絶縁膜を形成
する段階をさらに含めて構成され、前記絶縁膜は、湿式
酸化法で形成される酸化膜であることを特徴とする。請
求項３のように、前記自己触媒金属薄膜は、99.9％以上
のタングステン金属ソースをスパッタ装置に装着し、25
℃〜300℃の温度でスパッタリングによって形成すると
よい。
【００１１】請求項４のように、前記自己触媒金属薄膜
の成長は、低圧ＣＶＤ装置のチャンバの内部にＡｒ/Ｈ2
ガスを30〜300sccmで注入し、10mtorr〜100torrのガス
圧力及び500〜850℃の温度条件下で行うとよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の金属ナノ線の製造
方法について、実施例に基づき、より詳しく説明する。 実施例 例えばＳｉ基板（ウエハー）を電気炉に入れて、湿式酸
化法(wet air oxidation)を施して基板上に絶縁膜の
酸化膜を厚さ200〜1000nmで形成して、電子ビーム蒸着
装置(E-beam Evaporator)又はスパッタ装置を利用し、
前記酸化膜が形成された基板の表面に自己触媒金属薄膜
(layer of autocatalytic metal)として例えばタン
グステン薄膜を厚さ30〜1000nmで形成する。次いで、前
記タングステン薄膜が形成された基板を、低圧ＣＶＤ装
置を用いて自己触媒反応(autocatalytic reaction)を
施すことで、前記タングステン薄膜の表面に個別又は束
状のタングステンナノ線を成長させる。
【００１３】以下、上記製造方法を、より詳しく説明す
る。本実施例は、ａ）基板上に絶縁膜を形成する段階
と、ｂ）上記絶縁膜の上に自己触媒金属薄膜を形成する
段階と、ｃ）金属ナノ線を成長させる段階からなる。よ
り詳しくは、 ａ） 電気炉の内部に基板を装入して、電気炉を1100℃
の温度下で湿式酸化法を施して前記基板の表面に500nm
の絶縁膜である酸化膜を形成する段階と、 ｂ） 99.9%以上のタングステンから成る金属ソースを
スパッタ装置の内部に装着し、スパッタ装置の内部温度
を25℃〜300℃下でスパッタリングを施して酸化膜表面
に30〜1000nmのタングステン薄膜を形成する、前記絶縁
膜である酸化膜の上に自己触媒金属薄膜を形成する段階
と、 ｃ） 前記タングステン薄膜が形成された基板を低圧Ｃ
ＶＤ装置に入れ、低圧ＣＶＤ装置のチャンバ内部にＡｒ
/Ｈ2ガスを30〜300sccmで注入し、10mtorr〜100torrの
ガス圧力及び500〜850℃の温度に約10秒〜5000秒間保持
することで、タングステン薄膜を自己触媒化させて薄膜
表面にタングステンナノ線を成長させる、金属ナノ線を
成長させる段階とからなっている。
【００１４】図１（ａ）、（ｂ）及び図２に示す本実施
例により成長されたタングステンナノ線は、直径約10〜
100nmで、直径４インチの基板の表面に高密度、かつ均
一に形成されると共に、直線性に優れている。又、タン
グステンナノ線の面密度は、ナノ線の成長時間及び自己
触媒金属薄膜の厚さを変更することで、調節することが
できる。図３及び図４に示したように、ナノ線の成長時
間及びタングステン薄膜の厚さを変化させることでタン
グステンナノ線の面密度が異なることが分かる。特に、
図５に示したように、ナノ線の成長時間が非常に短い場
合（図５（ａ）、10秒未満の場合）にはナノ線の成長が
全然行われず、これと反対に、ナノ線の成長時間が非常
に長い場合（図５（ｃ）、5000秒超過の場合）には自己
触媒金属膜の表面状態が成長前と同じような状態にな
る。図５（ｂ）は、本発明により成長時間を10〜5000秒
とした時、基板の全面に均一に形成された金属ナノ線を
示している。
【００１５】本発明に係る金属ナノ線の製造方法の最も
大きい特徴の一つは、図２〜図４に示したように、ナノ
線の成長過程で、基板に蒸着された金属薄膜の全面積が
自己触媒役割を行うと同時に、金属薄膜自体がナノ線に
成長展開されるということである。即ち、本発明に係る
金属ナノ線の製造方法においては、ナノリソグラフィー
技術を使用することなく、金属ナノ線を工程中に直接基
板上に成長させることができる。
【００１６】従来は、バルクタングステン片又は厚さ数
mmのタングステン線をエッチング溶液に浸漬して全体又
は先端を加工するか、若しくは、半導体微細ホトエッチ
ング及びリソグラフィー工程を施してマイクロチップを
形成していた。しかし、本発明に係る金属ナノ線の製造
方法においては、ナノリソグラフィー工程を行うことな
く、ナノ単位の大きさの直径を有するナノ線を工程中に
基板上に成長させることができる。
【００１７】尚、本発明の技術的思想及び範囲は、上記
実施例により限定されるものではなく、本発明の範囲か
ら外れない限り、金属ナノ線を成長させる基材となる基
板等の単純変更は、本発明の範囲に属する。例えば、金
属ナノ線を成長させる基板としては、Ｓｉの他、通常70
0℃以上の高温で変形が起らない高融点ガラス、アルミ
ナ等を適用することも可能である。
【００１８】また、上記実施例では、本発明により成長
されたナノ線が電子素材分野に応用されることを想定し
て、基板に酸化膜の絶縁膜を形成することを前提として
いるが、絶縁膜の形成が本発明によるナノ線の成長メカ
ニズムに重要な影響を及ぼすものではなく、絶縁膜の形
成段階は省略することができる。
【００１９】
【発明の効果】以上で述べたように、本発明に係る金属
ナノ線の製造方法においては、基板上に直接金属ナノ線
を成長させる方法であって、工程中に基板の所望の位置
に選択的に金属ナノ線を成長させて集積化し得るため、
極めて便利であるという効果がある。
【００２０】又、本発明に係る金属ナノ線の製造方法に
おいては、金属ナノ線を利用したナノ電子/スピン素子
類、ナノ機器類、探針類、電子放出表示装置(electron
emission display)、ナノ生体駆動器(nano-biodrive
r)等の核心作動体(core effector)及び結線を量産する
技術として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）、（ｂ）は本発明の金属ナノ線の製造方
法により基板上に工程中に成長したタングステンナノ線
を示した走査電子顕微鏡写真。
【図２】本発明の金属ナノ線の製造方法により基板上に
工程中に成長したタングステンナノ線を示した走査電子
顕微鏡写真。
【図３】自己触媒薄膜の厚さとナノ線の成長時間を変化
させてナノ線の面密度を調節した状態を示した走査電子
顕微鏡写真。
【図４】自己触媒薄膜の厚さとナノ線の成長時間を変化
させてナノ線の面密度を調節した状態を示した別の走査
電子顕微鏡写真。
【図５】（ａ）〜（ｃ）はナノ線の異なる成長時間によ
って観察された基板の表面状態を示した走査電子顕微鏡
写真。
【図６】従来の微細エッチング工程により製造されたタ
ングステンナノ線を示した走査電子顕微鏡写真。
【図７】（ａ）、（ｂ）は従来の薄膜コーティング工程
により炭素ナノチューブの表面に形成されたタングステ
ンナノ線を示した走査電子顕微鏡写真。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） // Ｈ０１Ｊ 9/02 Ｈ０１Ｊ 9/02 Ｂ (72)発明者 朱 柄 權 大韓民国ソウル特別市城北區城北洞227− ５新元グリーン ビラ、201号 (72)発明者 張 潤 澤 大韓民国ソウル特別市中浪區新内洞東星ア パート402−2207 (72)発明者 崔 昌 勳 大韓民国京畿道城南市壽井區山城洞1632番 地 Ｆターム(参考） 4K029 AA06 BA01 CA05 DC03 EA01 GA01 4M104 AA01 BB18 CC01 DD28 DD31 DD35 DD37 DD78 EE02 EE14 HH14 5C127 AA01 BA09 BA13 BA15 BB02 CC03 DD07 DD08 DD39 EE04 EE17

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】基板上に厚さ30μm〜1000μmの自己触媒金
    属薄膜を形成する段階と、 前記自己触媒金属薄膜を、低圧ＣＶＤ装置を用いて、10
    秒〜5000秒の間、自己触媒反応により成長させること
    で、自己触媒金属薄膜の表面にナノ線を成長させる段階
    と、 を順次行うことを特徴とする金属ナノ線の製造方法。
  2. 【請求項２】前記自己触媒金属薄膜の形成前に、前記基
    板の上面に所定厚さの絶縁膜を形成する段階をさらに含
    めて構成され、前記絶縁膜は、湿式酸化法で形成される
    酸化膜であることを特徴とする請求項１に記載の金属ナ
    ノ線の製造方法。
  3. 【請求項３】前記自己触媒金属薄膜は、99.9％以上のタ
    ングステン金属ソースをスパッタ装置に装着し、25℃〜
    300℃の温度でスパッタリングによって形成することを
    特徴とする請求項１又は２に記載の金属ナノ線の製造方
    法。
  4. 【請求項４】前記自己触媒金属薄膜の成長は、低圧ＣＶ
    Ｄ装置のチャンバの内部にＡｒ/Ｈ2ガスを30〜300sccm
    で注入し、10mtorr〜100torrのガス圧力及び500〜850℃
    の温度条件下で行うことを特徴とする請求項１〜３のい
    ずれか１つに記載の金属ナノ線の製造方法。
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