JP2007031164A - Silicon oxide nanostructure body and method for manufacturing the same - Google Patents

Silicon oxide nanostructure body and method for manufacturing the same Download PDF

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ショウチク ショ
Kenji Wada
健二 和田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a silicon oxide nanostructure body exhibiting nano effects, which is easily and inexpensively obtained by anodically oxidizing a silicon base material by an electrolysis operation. <P>SOLUTION: The silicon oxide nanostructure body is manufactured by an extremely simple process including: a step for arranging a film containing aluminum as a main component on a base body containing silicon as a main component; a step for forming an alumina coat having arrayed pores by anodically oxidizing the film containing aluminum as a main component; and a step for anodically oxidizing the base body containing silicon as a main component. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、シリコンを陽極酸化することにより得られるナノ構造体及びその製造方法に関する。詳しくは、シリコンの基体表面にアルミニウム金属を成膜した、Al/Siからなる二層構造物を陽極酸化することにより得られるシリコン酸化物ナノ構造体とその製造方法に関する。   The present invention relates to a nanostructure obtained by anodizing silicon and a method for producing the same. Specifically, the present invention relates to a silicon oxide nanostructure obtained by anodizing a two-layer structure made of Al / Si in which an aluminum metal film is formed on the surface of a silicon substrate, and a method for manufacturing the same.

今日まで、Alを中心としてバルブ金属の箔材、板材および押出材等を用いて、陽極酸化によりその表面に金属酸化物からなるナノ構造体を作製して、様々な利用、用途に供する試み、努力がなされてきた。こうした長年の努力と経験を通じ、各種バルブ金属の中でもとりわけアルミニウムがナノ構造体を作製する上において特別な金属である、ということができ、アルミニウム以外の金属では陽極酸化法によりナノ構造物を得ることは困難であったのに対し、アルミニウムだけが、酸ないしアルカリ溶液中で陽極酸化され、容易にナノ領域の多孔質皮膜やナノロッド、ナノファイバー、ナノチューブ、ナノホールなどのナノ構造体を生成することができ、様々な分野で様々な利用に供することが提案されている(特許文献1、2)。   To date, attempts have been made to produce nanostructures made of metal oxides on the surface by anodization using foil materials, plate materials, extruded materials, etc. of valve metals centering on Al, and to provide various uses and applications, Efforts have been made. Through these years of efforts and experience, it can be said that aluminum is a special metal in the production of nanostructures among various valve metals. For metals other than aluminum, nanostructures can be obtained by anodic oxidation. However, only aluminum can be anodized in acid or alkaline solution, and nanostructured porous films and nanostructures such as nanorods, nanofibers, nanotubes, and nanoholes can be easily formed. It has been proposed to be used in various fields (Patent Documents 1 and 2).

Al以外の金属では、Tiに関し、本発明者らがナノ構造体の作製に成功し、学術文献に発表した(非特許文献1)。また、Mgに関する情報が幾つか見られるものの、Alのようなナノ構造体化にはまだ成功していない。従来のMgの陽極酸化で得られる酸化皮膜は、多孔質構造もAlのように綺麗に配列した構造ではなく、噴火口状およびスポンジ状の大小の孔や穴がランダムに分布した状態を呈し、従って、Alの陽極酸化のようにナノ構造物を作製するテンプレートとして使用することができなかったというのが実情である。   Regarding metals other than Al, the present inventors have succeeded in producing nanostructures regarding Ti, and published them in academic literature (Non-patent Document 1). Moreover, although some information regarding Mg is seen, nanostructure formation like Al has not been succeeded yet. The oxide film obtained by conventional anodization of Mg is not a structure in which the porous structure is neatly arranged like Al, but presents a state where crater-like and sponge-like holes and holes are randomly distributed, Therefore, the actual situation is that it could not be used as a template for producing a nanostructure as in the case of anodic oxidation of Al.

しかし、近年、多様な材料設計を求めるニーズに対応し、バブル金属酸化物のナノ構造体の創出が求められ、TiやMg等についてもナノ効果の発現を期待して、これら金属酸化物のナノ構造体が期待されている。同様のことが他のバブル金属についても云え、例えばTa、Nb、Zr、Y、Si等の金属についてもこれらの金属酸化物のナノ構造化技術が期待されている。しかしながら、今日これらについての報告はきわめて少なく、Nb、Taについては物理的手法による蒸着膜についての結果が僅かに見られるにすぎない。   However, in recent years, in response to the needs for various material designs, the creation of bubble metal oxide nanostructures has been sought. A structure is expected. The same applies to other bubble metals. For example, a technology for nano-structuring these metal oxides is expected for metals such as Ta, Nb, Zr, Y, and Si. However, there are very few reports on these today, and only a few results for the deposited films by physical methods are seen for Nb and Ta.

その中、シリコン酸化物のナノ構造体については、特許文献に開示されている。このナノ構造物の作製プロセスは、アルミニウムの柱状構造体をシリコンで取り囲んだ膜を陽極酸化することによることが開示されているが(特許文献3)、極めて複雑であり、製造効率やコストの点で問題を含み、簡単なプロセスとは言い難いものである。   Among them, silicon oxide nanostructures are disclosed in patent documents. Although this nanostructure fabrication process is disclosed by anodizing a film in which an aluminum columnar structure is surrounded by silicon (Patent Document 3), it is extremely complicated, and is in terms of production efficiency and cost. It is difficult to say that it is a simple process.

シリコン酸化物は、電気材料、光学材料、触媒、セラミックス等々各種技術分野で基本的な材料の一つとして使用され、欠くことのできない材料である。一方、今日の技術革新は、ナノレベルの超微細構造に制御された形態を実現することによって、ナノ効果を発現する材料開発が求められ、このような要請はシリコン酸化物においても例外ではない。しかし、これまでに提案された方法、如上のとおりであり、製造プロセスは極めて複雑で、コストがかかることから、簡単で安価なプロセスによる提供が求められていた。   Silicon oxide is an indispensable material used as one of basic materials in various technical fields such as electric materials, optical materials, catalysts and ceramics. On the other hand, today's technological innovation requires the development of materials that exhibit nano-effects by realizing a form controlled to a nano-level ultrafine structure, and such a request is no exception in silicon oxide. However, the methods proposed so far are as described above, and the manufacturing process is extremely complicated and costly. Therefore, provision of a simple and inexpensive process has been demanded.

電解による陽極酸化技術は、一度に大面積を処理できること、その電解操作と制御は極めて簡単であり、コストも安価であることから、上記要請に適った技術であり、この陽極酸化法の特長を生かし、電解操作によって簡単且つ安価にシリコン酸化物ナノ構造体を提
供することができれば産業の発展に大いに寄与しうることは明らかであり、その技術的確立が早急に求められている。
The anodization technology by electrolysis can process a large area at once, its electrolysis operation and control are extremely simple, and the cost is low. If it is possible to provide silicon oxide nanostructures simply and inexpensively by electrolytic operation, it is clear that it can greatly contribute to industrial development, and its technical establishment is urgently required.

特開平7−62595号公報JP 7-62595 A 特開2003−73859号公報JP 2003-73859 A 特開2003−266400号公報JP 2003-266400 A (社)電気化学会 2003年秋季大会予稿集P162、発行日2003年9月11日The Electrochemical Society of Japan 2003 Fall Meeting Proceedings P162, Publication Date September 11, 2003

本発明は、上記要請に応えうる陽極酸化法を提供しようというものであり、これによって、安価且つ良質なシリコン酸化物ナノ構造体を提供しようというものである。   The present invention is intended to provide an anodizing method capable of meeting the above requirements, and thereby to provide an inexpensive and high-quality silicon oxide nanostructure.

そのため、本発明者らにおいて鋭意研究した結果、シリコンを主成分とする基体表面にアルミニウムを蒸着し、これを陽極酸化することによって、シリコン基体表面のアルミニウムが多孔質アルミナに転換され、この孔を介して下地層シリコンが陽極酸化され、該孔をテンプレートとしてシリコン金属酸化物のナノホール、ナノドット、ナノロッドが生成することを知見した。本発明は、この知見に基づいてなされたものであり、その構成は以下(1)〜(8)に記載の通りである。
(1) シリコンを主成分とする基体を陽極酸化することにより形成されたことを特徴とする、シリコン酸化物ナノ構造体。
(2) 前記シリコン酸化物ナノ構造体がナノホールを有してなる構造体である、請求項第1項に記載するシリコン酸化物ナノ構造体。
(3) 前記シリコン酸化物ナノ構造体がナノロッドを有してなる構造体である、請求項第1項に記載するシリコン酸化物ナノ構造体。
(4) シリコンを主成分とする基体上にアルミニウムを主成分とする皮膜を配置するステップと、
前記アルミニウムを主成分とする皮膜を陽極酸化して細孔が配列するアルミナ皮膜を形成するステップと、
次いで前記シリコンを主成分とする基体を細孔が配列したアルミナ皮膜を介して陽極酸化するステップ、とを有することを特徴とする、
シリコン酸化物ナノ構造体の製造方法。
(5) 前記シリコンを主成分とする基体が、任意の基板上に物理気相成長法により形成して得られてなるものであることを特徴とする、請求項4に記載するシリコン酸化物ナノ構造体の製造方法。
(6) 前記シリコンを主成分とする基体の陽極酸化が定電位または定電流方式であることを特徴とする請求項又は5記載のナノ構造体の製造方法。
(7) 前記シリコンを主成分とする基体の陽極酸化が定電位方式であり、前記定電位方式陽極酸化に使用する電解液が酸性溶液であることを特徴とする請求項4又は5記載のナノ構造体の製造方法。
(8) 前記シリコンを主成分とする基体の陽極酸化が定電流方式であり、前記定電流方式陽極酸化に使用する電解液が、酸性溶液であることを特徴とする請求項4又は5記載のナノ構造体の製造方法。
Therefore, as a result of intensive studies by the present inventors, aluminum was deposited on the surface of a substrate mainly composed of silicon, and this was anodized, whereby the aluminum on the surface of the silicon substrate was converted into porous alumina, and the pores were formed. It was found that the silicon underlayer was anodized through the formation of silicon metal oxide nanoholes, nanodots, and nanorods using the holes as templates. This invention is made | formed based on this knowledge, The structure is as following (1)-(8).
(1) A silicon oxide nanostructure formed by anodizing a substrate mainly composed of silicon.
(2) The silicon oxide nanostructure according to claim 1, wherein the silicon oxide nanostructure is a structure having nanoholes.
(3) The silicon oxide nanostructure according to claim 1, wherein the silicon oxide nanostructure is a structure having nanorods.
(4) disposing a film mainly composed of aluminum on a substrate composed mainly of silicon;
Forming an alumina film in which pores are arranged by anodizing the film containing aluminum as a main component;
Then, anodizing the substrate mainly composed of silicon through an alumina film having pores arranged therein,
A method for producing a silicon oxide nanostructure.
(5) The silicon oxide nanostructure according to claim 4, characterized in that the base body containing silicon as a main component is obtained by physical vapor deposition on an arbitrary substrate. Manufacturing method of structure.
(6) The method for producing a nanostructure according to (5) or (5), wherein the anodic oxidation of the substrate mainly composed of silicon is a constant potential or constant current method.
(7) The nanostructure according to claim 4 or 5, wherein the anodic oxidation of the substrate containing silicon as a main component is a constant potential system, and the electrolytic solution used for the constant potential system anodization is an acidic solution. Manufacturing method of structure.
(8) The anodic oxidation of the substrate containing silicon as a main component is a constant current method, and the electrolytic solution used for the constant current method anodization is an acidic solution. A method for producing a nanostructure.

すなわち、本発明は、(1)シリコンを主成分とする基体を陽極酸化することにより形成されることを特徴とするナノ構造体である。
ここで、シリコンを主成分とする基体は、シリコンを任意の基板上に真空蒸着やスパッタリング等の物理気相成長法で形成したものや薄膜、板材、押出し材等から選択すること
ができる。
ここに、ナノ構造体とは、陽極酸化した基体から切り離した、個々のナノドットやナノロッドのように単独のものも、あるいは、陽極酸化した基体から分離することなく、基体に付着したままの状態のものをも差し、含むものである。
That is, the present invention is (1) a nanostructure formed by anodizing a substrate mainly composed of silicon.
Here, the substrate containing silicon as a main component can be selected from those obtained by forming silicon on an arbitrary substrate by physical vapor deposition such as vacuum deposition or sputtering, thin films, plate materials, extruded materials, and the like.
Here, the nanostructure is a single structure such as individual nanodots or nanorods separated from the anodized substrate, or remains attached to the substrate without separation from the anodized substrate. Including and including things.

また、本発明のナノ構造体は、(2)シリコンを主成分とする基体を陽極酸化することにより形成されたナノホールを有することを特徴とするナノ構造体であり得る。   In addition, the nanostructure of the present invention can be (2) a nanostructure characterized by having nanoholes formed by anodizing a substrate mainly composed of silicon.

さらにまた、本発明のナノ構造体は、(3)シリコンを主成分とする基体を陽極酸化することにより形成されたナノドットを有することを特徴とするナノ構造体であり得る。   Furthermore, the nanostructure of the present invention can be (3) a nanostructure characterized by having nanodots formed by anodizing a substrate mainly composed of silicon.

また、本発明は、(4)シリコンを主成分とする基体上にアルミニウムを主成分とする膜を配置するステップと、前記アルミニウムを主成分とする膜を陽極酸化して細孔が配列するアルミナ皮膜を形成するステップと、前記細孔が配列したアルミナ皮膜を介してシリコンを主成分とする基体を陽極酸化するステップ、とを有することを特徴とするナノ構造体の製造方法である。   The present invention also includes (4) a step of disposing a film containing aluminum as a main component on a silicon-based substrate, and alumina in which pores are arranged by anodizing the film containing aluminum as a main component. A method for producing a nanostructure, comprising: forming a film; and anodizing a substrate mainly composed of silicon through the alumina film in which the pores are arranged.

シリコンを主成分とする基体としては、基板の上にシリコンをスパッタリングや真空蒸着等物理気相成長法により成膜加工したものや、シリコンを圧延したシート等が採用できるが、必ずしも膜状のものに限定されるものではなく、用途によって適当な形状のものを採用することができる。また、シリコンが膜状の場合、特に限定はされないが、20nm〜2000nmが好ましく、望ましくは50nm〜1000nm、さらに望ましくは100nm〜500nmの範囲にあることが効果的である。   As the substrate mainly composed of silicon, a silicon film formed on a substrate by physical vapor deposition such as sputtering or vacuum deposition, a rolled silicon sheet, or the like can be used, but it is not necessarily in the form of a film. It is not limited to the above, and an appropriate shape can be adopted depending on the application. Further, when the silicon is in the form of a film, although not particularly limited, it is preferably 20 nm to 2000 nm, desirably 50 nm to 1000 nm, and more desirably 100 nm to 500 nm.

また、アルミナ皮膜の細孔の直径は、狙いとするナノ構造体の大きさに対応したものであればよく、特に、限定されるものではないが、具体的には、10nm〜600nmの直径のものが好ましく、望ましくは20nm〜200nm、さらに望ましくは20nm〜100nmの直径のものが好適である。また、厚さ(孔の深さ)は、陽極酸化される前のアルミニウム蒸着膜の厚みに依存し、従ってその暑さについては特に限定はないが、形成される上記孔の直径に対応した厚さとしては、100nm〜20μmが通常であり、この範囲から使用目的に応じ、適宜決定すればよく、例えば、望ましくは500nm〜10μm、さらに望ましくは1μm〜5μmの範囲にあることが効果的である。   Moreover, the diameter of the pores of the alumina film is not particularly limited as long as it corresponds to the size of the target nanostructure, and specifically, the diameter is 10 nm to 600 nm. Those having a diameter of 20 nm to 200 nm, more preferably 20 nm to 100 nm are more preferable. The thickness (hole depth) depends on the thickness of the aluminum vapor-deposited film before anodic oxidation. Therefore, the heat is not particularly limited, but the thickness corresponds to the diameter of the hole to be formed. The thickness is usually 100 nm to 20 μm, and may be appropriately determined from this range according to the purpose of use. For example, it is desirably 500 nm to 10 μm, more desirably 1 μm to 5 μm. .

また、本発明は、(5)任意の基板上にシリコンを主成分とする基体を物理気相成長法により形成するステップと、前記基体の表面にアルミニウムを主成分とする膜を物理気相成長法により形成するステップと、前記アルミニウムを主成分とする膜を陽極酸化して細孔が配列するアルミナ皮膜を形成するステップと、前記シリコンを主成分とする基体を陽極酸化するステップと、を有することを特徴とするナノ構造体の製造方法である。   The present invention also includes (5) a step of forming a substrate containing silicon as a main component on an arbitrary substrate by physical vapor deposition, and forming a film containing aluminum as a main component on the surface of the substrate. Forming an alumina film in which pores are arranged by anodizing the aluminum-based film, and anodizing the silicon-based substrate. This is a method for producing a nanostructure.

アルミニウムを主成分とする膜やシリコンを主成分とする基体を物理気相成長法により成膜加工する理由の一つは、成膜により薄膜が均一に形成することができるためである。また、バルク金属と異なり物理気相成長による成膜は、超微粒子が積層し、この積層超微粒子間には微小隙間が存在し、程良い大きさの超微粒子が程良く緻密に積まれているので、陽極酸化時に電解液がこうした微小隙間に浸入して生成する酸化皮膜の細孔径や細孔の配列を適切にするための制御が容易であるためである。また、特に限定されるものではないが、アルミニウムを主成分とする膜の厚さはアルミナ層の厚さに対して直接影響し、これによって生成するナノ構造物の長さも制御しうるので、これらの設計を考慮して決定すれば良い。実施得る領域を例示すると、200nm〜10μmが通常であり、この範囲で適宜決定することができる。ただし、これらは一例でありこれに限定される物ではない。なお、望ましくは500nm〜5μ、さらに望ましくは1μm〜3μmの範囲にあること
が効果的である。
One of the reasons for forming a film containing aluminum as a main component or a substrate containing silicon as a main component by physical vapor deposition is that a thin film can be formed uniformly by film formation. In addition, unlike bulk metal, film formation by physical vapor deposition is performed by stacking ultrafine particles, there are minute gaps between the stacked ultrafine particles, and ultrafine particles of appropriate size are stacked reasonably densely. Therefore, it is easy to perform control for making the pore diameter and the pore arrangement of the oxide film generated by the electrolyte entering the minute gaps during anodic oxidation appropriate. Although not particularly limited, the thickness of the film mainly composed of aluminum directly affects the thickness of the alumina layer, and the length of the nanostructures generated thereby can be controlled. It may be determined in consideration of the design. When the area | region which can be implemented is illustrated, 200 nm-10 micrometers are normal, and can determine suitably in this range. However, these are examples and are not limited thereto. In addition, it is effective that it is desirably in the range of 500 nm to 5 μm, more desirably 1 μm to 3 μm.

また、本発明は、(6)上記(4)又は(5)のナノ構造体の製造方法において、前記シリコンを主成分とする基体の陽極酸化が定電位または定電流方式であることを特徴とするナノ構造体の製造方法である。   The present invention is also characterized in that (6) in the method for producing a nanostructure according to (4) or (5), the anodic oxidation of the substrate mainly composed of silicon is a constant potential or constant current method. This is a method for producing a nanostructure.

また、本発明は、(7)上記(4)又は(5)のナノ構造体の製造方法において、前記シリコンを主成分とする基体の陽極酸化が定電位方式であり、前記定電位方式陽極酸化に使用する電解液が酸性溶液であることを特徴とするナノ構造体の製造方法である。 The present invention is also directed to (7) the method for producing a nanostructure according to (4) or (5), wherein the anodic oxidation of the substrate mainly composed of silicon is a constant potential method, and the constant potential method anodization is performed. The method for producing a nanostructure is characterized in that the electrolytic solution used in is an acidic solution.

酸性溶液としては、単独の無機酸、複数種の無機酸の混合液、単独の有機酸、複数種の有機酸の混合液、さらにそれらの混合液を採用することができる。無機酸としては硫酸、リン酸、クロム酸から選ばれることが好ましい。有機酸としてはマロン酸、シュウ酸から選ばれることが好ましい。また、前記酸性溶液にフッ素イオンを含む塩類又は酸類、塩素酸類及び硝酸または硝酸塩類からなる少なくても一種を添加することも好適である。さらに、電解液がpH2以下の強酸性電解液であることが好ましく、pH1以下の強酸性電解液であればさらに好ましい。このように陽極酸化の条件を定めることにより、容易に酸化シリコンのナノホール(ナノ構造体)を形成することができる。   As the acidic solution, a single inorganic acid, a mixed solution of a plurality of types of inorganic acids, a single organic acid, a mixed solution of a plurality of types of organic acids, or a mixed solution thereof can be used. The inorganic acid is preferably selected from sulfuric acid, phosphoric acid, and chromic acid. The organic acid is preferably selected from malonic acid and oxalic acid. It is also preferable to add at least one kind of salt or acid containing fluorine ions, chloric acid and nitric acid or nitrate to the acidic solution. Furthermore, the electrolytic solution is preferably a strongly acidic electrolytic solution having a pH of 2 or less, and more preferably a strongly acidic electrolytic solution having a pH of 1 or less. By defining the conditions for anodic oxidation in this manner, silicon oxide nanoholes (nanostructures) can be easily formed.

また、本発明は、(8)上記(4)又は(5)のナノ構造体の製造方法において、前記シリコンを主成分とする基体の陽極酸化が定電流方式であり、前記定電流方式陽極酸化に使用する電解液が、酸性溶液であることを特徴とするナノ構造体の製造方法である。   The present invention is also directed to (8) the method for producing a nanostructure according to (4) or (5), wherein the anodic oxidation of the substrate mainly composed of silicon is a constant current method, and the constant current method anodization is performed. The method for producing a nanostructure is characterized in that the electrolytic solution used in the step is an acidic solution.

酸性溶液としては、単独の無機酸、複数種の無機酸の混合液、単独の有機酸、複数種の有機酸の混合液、さらにそれらの混合液を採用することができる。また、Fー、Clー、またはNO3 -イオンを含まないようにすることが好適である。また、前記無機酸としては、硫酸、リン酸の中から1種類又は複数種が選ばれることが好ましい。また、有機酸としては、リンゴ酸、酒石酸、クエン酸、シュウ酸の中から1種類又は複数種が選ばれることが好ましい。電解液がpH3以上の、6.5以下の酸性電解液であることが好ましい。 As the acidic solution, a single inorganic acid, a mixed solution of a plurality of types of inorganic acids, a single organic acid, a mixed solution of a plurality of types of organic acids, or a mixed solution thereof can be used. Further, it is preferable not to contain F-, Cl- or NO 3 - ions. Moreover, as said inorganic acid, it is preferable that 1 type or multiple types is chosen from a sulfuric acid and phosphoric acid. Moreover, as an organic acid, it is preferable that 1 type or multiple types are chosen from malic acid, tartaric acid, a citric acid, and an oxalic acid. The electrolytic solution is preferably an acidic electrolytic solution having a pH of 3 or more and 6.5 or less.

このように陽極酸化の条件を定めることにより、容易に酸化シリコンのナノドット、ナノロッド(ナノ構造体)を形成することができる。   By defining the conditions for anodic oxidation in this way, silicon oxide nanodots and nanorods (nanostructures) can be easily formed.

シリコンを主成分とする基体を反応性のある雰囲気に曝すことなくその表面にアルミニウムを主成分とする膜を物理気相成長法により一体化形成すると、陽極酸化の工程によって、シリコンを主成分とする基体上のアルミニウムを主成分とする膜が剥離することがないので好適である。また、その方法としては、基板にシリコンをスパッタリング法により成膜加工した後、引き続いて真空度を保ったままアルミニウムを成膜する等の方法が採用できる。   When a film mainly composed of aluminum is integrally formed on the surface of the substrate based on silicon by physical vapor deposition without exposing the substrate based on silicon to a reactive atmosphere, the silicon as a main component is formed by an anodic oxidation process. This is preferable because the film containing aluminum as a main component on the substrate does not peel off. As the method, a method of forming a film of silicon on a substrate by a sputtering method and subsequently forming a film of aluminum while maintaining a degree of vacuum can be employed.

本発明のシリコン酸化物ナノ構造体の製造方法によれば、先端技術分野での絶縁材料が短い工程で製造できる。また、回路基板への応用が可能となる。   According to the method for producing a silicon oxide nanostructure of the present invention, an insulating material in the advanced technology field can be produced in a short process. Moreover, application to a circuit board is possible.

以下、本発明の実施の形態を、図4〜図9を参照しながら説明する。本発明においては、図4に示すように、基板1の上に形成されたシリコンを主成分とする基体2表面にアルミニウムを主成分とする膜3を配置するステップと、図5に示すように、アルミニウムを主成分とする膜3を陽極酸化して細孔32が配列するアルミナ皮膜31を形成するステップと、シリコンを主成分とする基体2を陽極酸化するステップからナノ構造体が製造され
る。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. In the present invention, as shown in FIG. 4, a step of disposing a film 3 mainly composed of aluminum on the surface of a substrate 2 mainly composed of silicon formed on the substrate 1, and as shown in FIG. The nanostructure is manufactured from the step of forming the alumina film 31 in which the pores 32 are arranged by anodizing the film 3 containing aluminum as a main component and the step of anodizing the substrate 2 containing silicon as a main component. .

シリコンを主成分とする基体2は、例えば、透明ガラス基板1の上にシリコンをスパッタリングや真空蒸着することにより製造される。また、そのアルミニウムを主成分とする膜3を陽極酸化して細孔32が配列するアルミナ皮膜31を形成する。これらの細孔32は、アルミナ皮膜31の表面から裏面に実質的に貫通していることが必要である。実質的に貫通しているという意味は、アルミナ皮膜31の細孔部分で、シリコンを陽極酸化することができる電気的性質を備えているということである。   The base body 2 containing silicon as a main component is manufactured, for example, by sputtering or vacuum depositing silicon on the transparent glass substrate 1. Further, the film 3 containing aluminum as a main component is anodized to form an alumina film 31 in which the pores 32 are arranged. These pores 32 need to penetrate substantially from the front surface to the back surface of the alumina coating 31. The meaning of substantially penetrating means that the pores of the alumina coating 31 have electrical properties capable of anodizing silicon.

シリコンを主成分とする基体2を陽極酸化する方法としては、定電位又は定電流方式を採用することができる。定電位方式陽極酸化の場合使用する電解液は酸性溶液であることが好ましい。酸性溶液としては、単独の無機酸、複数種の無機酸の混合液、単独の有機酸、複数種の有機酸の混合液、さらにそれらの混合液を採用することができる。無機酸としては硫酸、リン酸、クロム酸から選ばれることが好ましい。有機酸としてはマロン酸、シュウ酸から選ばれることが好ましい。   As a method for anodizing the substrate 2 containing silicon as a main component, a constant potential or constant current method can be employed. In the case of constant potential anodization, the electrolyte used is preferably an acidic solution. As the acidic solution, a single inorganic acid, a mixed solution of a plurality of types of inorganic acids, a single organic acid, a mixed solution of a plurality of types of organic acids, or a mixed solution thereof can be used. The inorganic acid is preferably selected from sulfuric acid, phosphoric acid, and chromic acid. The organic acid is preferably selected from malonic acid and oxalic acid.

また、前記酸性溶液にフッ素イオンを含む塩類又は酸類、塩素酸類及び硝酸または硝酸塩類からなる少なくても一種を添加することも好適である。さらに、電解液がpH2以下の強酸性電解液であることが好ましく、pH1以下の強酸性電解液であればさらに好ましい。このように陽極酸化の条件を定めることにより、図6に示すように、シリコンを主成分とする基体2にナノホール22(ナノ構造体)を容易に形成することができる。ナノホール22はアルミナ層31の細孔32を通してシリコンを主成分とする基体2表面を選択的に強烈に陽極酸化するために形成されるものと考えられる。また、表面のアルミナ皮膜31を除去することにより、図7に示す酸化シリコン21が表面に露出したナノホール構造体を得ることができる。   It is also preferable to add at least one kind of salt or acid containing fluorine ions, chloric acid and nitric acid or nitrate to the acidic solution. Furthermore, the electrolytic solution is preferably a strongly acidic electrolytic solution having a pH of 2 or less, and more preferably a strongly acidic electrolytic solution having a pH of 1 or less. By defining the conditions for anodic oxidation in this way, as shown in FIG. 6, nanoholes 22 (nanostructures) can be easily formed in the substrate 2 mainly composed of silicon. The nanoholes 22 are considered to be formed to selectively and strongly anodize the surface of the substrate 2 mainly composed of silicon through the pores 32 of the alumina layer 31. Further, by removing the alumina film 31 on the surface, a nanohole structure in which the silicon oxide 21 shown in FIG. 7 is exposed on the surface can be obtained.

また、定電流方式陽極酸化に使用する電解液は酸性溶液であることが好ましい。酸性溶液としては、単独の無機酸、複数種の無機酸の混合液、単独の有機酸、複数種の有機酸の混合液、さらにそれらの混合液を採用することができる。また、F-、Cl-、またはNO3 -イオンを含まないようにすることが好適である。また、前記無機酸としては、硫酸、リン酸の中から1種類又は複数種が選ばれることが好ましい。また、有機酸としては、リンゴ酸、酒石酸、クエン酸、シュウ酸の中から1種類又は複数種が選ばれることが好ましい。電解液がpH3以上の、6.5以下の酸性電解液であることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the electrolyte solution used for constant current system anodization is an acidic solution. As the acidic solution, a single inorganic acid, a mixed solution of a plurality of types of inorganic acids, a single organic acid, a mixed solution of a plurality of types of organic acids, or a mixed solution thereof can be used. Further, it is preferable not to contain F , Cl , or NO 3 ions. Moreover, as said inorganic acid, it is preferable that 1 type or multiple types is chosen from a sulfuric acid and phosphoric acid. Moreover, as an organic acid, it is preferable that 1 type or multiple types are chosen from malic acid, tartaric acid, a citric acid, and an oxalic acid. The electrolytic solution is preferably an acidic electrolytic solution having a pH of 3 or more and 6.5 or less.

本発明は、このように陽極酸化の条件を定めることにより、シリコンを主成分とする基体2の溶解速度と酸化物の生成速度との割合をあわせることにより酸化シリコンの生成物23の成長を最適にすることができるので、図8に示すように、細孔32の中に酸化シリコンの生成物23を成長させることができる。酸化シリコンの生成物23の成長度合いを調整することにより、シリコンのナノドット、ナノロッド(ナノ構造体)を形成することができる。また、表面のアルミナ皮膜31を除去することにより、図9に示す酸化シリコン23が表面に露出したナノ構造体を得ることができる。   In the present invention, the growth of the silicon oxide product 23 is optimized by adjusting the ratio of the dissolution rate of the base 2 containing silicon as a main component and the rate of oxide formation by determining the conditions for anodic oxidation in this way. Therefore, as shown in FIG. 8, the silicon oxide product 23 can be grown in the pores 32. Silicon nanodots and nanorods (nanostructures) can be formed by adjusting the degree of growth of the silicon oxide product 23. Further, by removing the alumina film 31 on the surface, a nanostructure in which the silicon oxide 23 shown in FIG. 9 is exposed on the surface can be obtained.

上述の方法でシリコンを主成分とする基体を陽極酸化することにより、電解液や電圧、電流、陽極酸化の時間等を制御することにより、ナノドット、ナノホール等のナノ構造体を製造することができる。   Nanostructures such as nanodots and nanoholes can be manufactured by anodizing a substrate mainly composed of silicon by the above-described method, and controlling the electrolyte, voltage, current, anodic oxidation time, and the like. .

ここで、シリコンの形状は特には限定されないが、通常は膜状のものが好適に採用される。また、シリコンの上とは、シリコンが膜状の場合、シリコン膜の片面又は両面を意味している。   Here, the shape of silicon is not particularly limited, but usually a film-like shape is preferably employed. Further, “on silicon” means one or both sides of a silicon film when the silicon is in a film form.

シリコンは薄く形成された方が、ナノ構造体を効果的に形成できる。薄いシリコンを形成する方法としては、特に限定はされないが、ガラス、セラミック、合成樹脂等の基体上にシリコン層を物理気相成長法により成膜加工することが効果的である。   Thinner silicon can form nanostructures more effectively. A method for forming thin silicon is not particularly limited, but it is effective to form a silicon layer on a substrate such as glass, ceramic, or synthetic resin by physical vapor deposition.

シリコンの上に形成される貫通孔を有するアルミナ皮膜は、アルミニウムをシリコン上に成膜加工し、成膜したアルミニウムを陽極酸化して細孔が配列するアルミナ皮膜とすることが好ましい。   The alumina film having through-holes formed on silicon is preferably formed into an alumina film in which pores are arranged by anodizing aluminum formed on silicon and anodizing the formed aluminum.

透明コーニングガラス板を用いて、表面に300nmの厚さのシリコン層をRF(高周波)スパッタリングにより成膜し、その後に空気に晒すことなく、1.5μmの厚さのAl層をRF(高周波)スパッタリングした基板を用い、前処理としてアセトン中で10分間超音波洗浄した試料を陽極酸化に供した。Alの陽極酸化は、10vol%のリン酸溶液中で165Vにて定電位電解を行い、電流密度が定常状態から急激に落下する段階で電解を中止した。これにより、Al層は完全に酸化し、シリコン上に多孔質アルミナ皮膜を得た。続いて、シリコンの陽極酸化を行った。シリコンの陽極酸化は、10vol%硫酸溶液を主体として、2wt%のフッ化アンモニウム(NH4F)と1vol%の過塩素酸
を添加した混合液中に浸漬し、60Vにて定電位電解を15分行った。アルミナ皮膜を通してシリコンの局部陽極酸化と電解エッチングを同時に行った。この試料を80℃の5vol%のリン酸と3wt%クロム酸との混合溶液中に5分間浸せきによりアルミナ皮膜を溶解除去し、シリカナノ構造体(ナノホール)を製造した(図1)。
Using a transparent coning glass plate, a 300 nm thick silicon layer is formed on the surface by RF (radio frequency) sputtering, and then an Al layer having a thickness of 1.5 μm is RF (radio frequency) without being exposed to air. A sample subjected to ultrasonic cleaning in acetone for 10 minutes as a pretreatment was subjected to anodization using a sputtered substrate. In the anodic oxidation of Al, constant potential electrolysis was performed at 165 V in a 10 vol% phosphoric acid solution, and the electrolysis was stopped when the current density dropped rapidly from the steady state. Thereby, the Al layer was completely oxidized, and a porous alumina film was obtained on silicon. Subsequently, anodization of silicon was performed. Silicon anodic oxidation is performed by dipping in a mixed solution containing 10 vol% sulfuric acid solution as a main component, 2 wt% ammonium fluoride (NH 4 F) and 1 vol% perchloric acid, and performing constant potential electrolysis at 60 V. I went for a minute. The local anodic oxidation and electrolytic etching of silicon were simultaneously performed through the alumina film. The alumina film was dissolved and removed by immersing this sample in a mixed solution of 5 vol% phosphoric acid and 3 wt% chromic acid at 80 ° C. for 5 minutes to produce a silica nanostructure (nanohole) (FIG. 1).

実施例1と同様に、透明コーニングガラス板を用いて、表面に300nmの厚さのシリコン層と1.5μmの厚さのAl層をRF(高周波)スパッタリングした基板を用い、前処理としてアセトン中で10分間超音波洗浄した試料を陽極酸化に供した。始めに試料を0℃の10vol%のリン酸溶液中165Vにて定電位電解を行い、電流が零に近い値になるまで陽極酸化した。次に、この試料を80℃の5vol%のリン酸と3wt%クロム酸との混合溶液中に5分間浸せきによりアルミナ皮膜を溶解除去し、シリカナノ構造体(ナノドット)を製造した(図2)。   As in Example 1, a transparent coning glass plate was used, and a substrate in which a 300 nm thick silicon layer and a 1.5 μm thick Al layer were RF (radio frequency) sputtered on the surface was used as a pretreatment in acetone. The sample which was ultrasonically cleaned for 10 minutes was subjected to anodization. First, the sample was subjected to constant potential electrolysis at 165 V in a 10 vol% phosphoric acid solution at 0 ° C., and anodized until the current reached a value close to zero. Next, this sample was immersed in a mixed solution of 5 vol% phosphoric acid and 3 wt% chromic acid at 80 ° C. for 5 minutes to dissolve and remove the alumina film, thereby producing a silica nanostructure (nanodot) (FIG. 2).

透明コーニングガラス板を用いて、表面に300nmの厚さのシリコン層と1.5μmの厚さのAl層をRF(高周波)スパッタリングした基板を用い、前処理としてアセトン中で10分間超音波洗浄した試料を陽極酸化に供した。試料を15℃の10wt%硫酸溶液中20Vにて定電位電解を行い、電流が零に近い値になるまでにAlの陽極酸化を行った。引き続いて、同じ溶液中10A/m2の定電流にて250Vまで陽極酸化を行った。
次に、この試料を5vol%リン酸と3wt%クロム酸との混合溶液(75℃)中に5分間浸せきしてアルミナ皮膜を溶解除去し、シリカナノ構造体(ナノドット)を製造した(図3)。
Using a transparent coning glass plate, a substrate having a surface of 300 nm thick silicon layer and 1.5 μm thick Al layer RF (radio frequency) sputtered was used and ultrasonically cleaned in acetone for 10 minutes as a pretreatment. The sample was subjected to anodization. The sample was subjected to constant potential electrolysis at 20 V in a 10 wt% sulfuric acid solution at 15 ° C., and anodization of Al was performed until the current became a value close to zero. Subsequently, anodization was performed up to 250 V at a constant current of 10 A / m 2 in the same solution.
Next, this sample was immersed in a mixed solution (75 ° C.) of 5 vol% phosphoric acid and 3 wt% chromic acid for 5 minutes to dissolve and remove the alumina film, thereby producing a silica nanostructure (nanodot) (FIG. 3). .

以上、本発明の実施例を図面により説明したが、本発明の具体的構成はこの実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。   Although the embodiments of the present invention have been described with reference to the drawings, the specific configuration of the present invention is not limited to these embodiments, and the present invention can be changed even if there is a design change or the like without departing from the gist of the present invention. include.

本発明は、基体上に直接接合して配列したシリカナノ構造体が高い比表面積を持ち、耐化学性そして耐熱性(断熱性)、耐磨耗性(硬さ)等の物理的強度に優れ、さらに半導体性、誘電性、圧電性等の電気的特性にも優れたナノ構造体からなる圧電素子・半導体素子・各種電子デバイス・ゲート絶縁膜・光ファイバーコネクターなどの開発に多大な貢献を
なすことができる。
In the present invention, silica nanostructures that are directly bonded and arranged on a substrate have a high specific surface area, and are excellent in chemical strength and physical strength such as heat resistance (heat insulation) and wear resistance (hardness), Furthermore, it can make a great contribution to the development of piezoelectric elements, semiconductor elements, various electronic devices, gate insulating films, optical fiber connectors, etc., consisting of nanostructures with excellent electrical properties such as semiconductor properties, dielectric properties, and piezoelectricity. it can.

本発明のナノ構造体(ナノホール)の電子顕微鏡写真である。It is an electron micrograph of the nanostructure (nanohole) of this invention. 本発明の他のナノ構造体(ナノドット)の電子顕微鏡写真である。It is an electron micrograph of the other nanostructure (nanodot) of this invention. 本発明の他のナノ構造体(ナノドット)の電子顕微鏡写真である。It is an electron micrograph of the other nanostructure (nanodot) of this invention. 本発明のナノ構造体の製造方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the nanostructure of this invention. 図4に続く工程を説明するための断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining a step following the step in FIG. 4. 本発明のナノホールの製造方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the nanohole of this invention. 図6に続く工程を説明するための断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining a step following the step in FIG. 6. 本発明のナノロッドの製造方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the nanorod of this invention. 図8に続く工程を説明するための断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view for explaining a step following the step in FIG. 8.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板
2 シリコンを主成分とする基体
21 酸化物シリコン
22 ナノホール
23 酸化シリコンの生成物
3 アルミニウムを主成分とする膜
31 アルミナ皮膜
32 細孔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Base body mainly composed of silicon 21 Oxide silicon 22 Nanohole 23 Silicon oxide product 3 Film mainly composed of aluminum 31 Alumina coating 32 Pore

Claims (8)

シリコンを主成分とする基体を陽極酸化することにより形成されたことを特徴とする、シリコン酸化物ナノ構造体。   A silicon oxide nanostructure formed by anodizing a substrate mainly composed of silicon. 前記シリコン酸化物ナノ構造体がナノホールを有してなる構造体である、請求項第1項に記載するシリコン酸化物ナノ構造体。   The silicon oxide nanostructure according to claim 1, wherein the silicon oxide nanostructure is a structure having nanoholes. 前記シリコン酸化物ナノ構造体がナノロッドを有してなる構造体である、請求項第1項に記載するシリコン酸化物ナノ構造体。   The silicon oxide nanostructure according to claim 1, wherein the silicon oxide nanostructure is a structure having nanorods. シリコンを主成分とする基体上にアルミニウムを主成分とする皮膜を配置するステップと、
前記アルミニウムを主成分とする皮膜を陽極酸化して細孔が配列するアルミナ皮膜を形成するステップと、
次いで前記シリコンを主成分とする基体を細孔が配列したアルミナ皮膜を介して陽極酸化するステップ、とを有することを特徴とする、シリコン酸化物ナノ構造体の製造方法。
Disposing a film composed mainly of aluminum on a substrate composed mainly of silicon;
Forming an alumina film in which pores are arranged by anodizing the film containing aluminum as a main component;
And a step of anodizing the substrate containing silicon as a main component through an alumina film in which pores are arranged, and a method for producing a silicon oxide nanostructure.
前記シリコンを主成分とする基体が、任意の基板上に物理気相成長法により形成して得られてなるものであることを特徴とする、請求項4に記載するシリコン酸化物ナノ構造体の製造方法。   5. The silicon oxide nanostructure according to claim 4, wherein the silicon-based substrate is obtained by physical vapor deposition on an arbitrary substrate. Production method. 前記シリコンを主成分とする基体の陽極酸化が定電位または定電流方式であることを特徴とする請求項又は5記載のナノ構造体の製造方法。   6. The method for producing a nanostructure according to claim 5, wherein the anodic oxidation of the substrate mainly composed of silicon is a constant potential or constant current method. 前記シリコンを主成分とする基体の陽極酸化が定電位方式であり、前記定電位方式陽極酸化に使用する電解液が酸性溶液であることを特徴とする請求項4又は5記載のナノ構造体の製造方法。   6. The nanostructure according to claim 4, wherein the anodic oxidation of the substrate containing silicon as a main component is a constant potential method, and the electrolytic solution used for the constant potential method anodization is an acidic solution. Production method. 前記シリコンを主成分とする基体の陽極酸化が定電流方式であり、前記定電流方式陽極酸化に使用する電解液が、酸性溶液であることを特徴とする請求項4又は5記載のナノ構造体の製造方法。
6. The nanostructure according to claim 4 or 5, wherein the anodic oxidation of the substrate containing silicon as a main component is a constant current method, and the electrolytic solution used for the constant current method anodization is an acidic solution. Manufacturing method.
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