JP2010041023A - グラフェンナノデバイスの製造 - Google Patents
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Abstract
【課題】 グラフェンナノデバイスの製造を提供する。
【解決手段】 ナノスケールのグラフェン構造製造技術が提供される。マスクとして有用な酸化物ナノワイヤが、グラフェン層上に形成され、次にイオンビームエッチングが実施される。ナノスケールグラフェン構造は、イオンビームエッチング後、残った酸化物ナノワイヤを除去することにより製造される。
【選択図】なし
【解決手段】 ナノスケールのグラフェン構造製造技術が提供される。マスクとして有用な酸化物ナノワイヤが、グラフェン層上に形成され、次にイオンビームエッチングが実施される。ナノスケールグラフェン構造は、イオンビームエッチング後、残った酸化物ナノワイヤを除去することにより製造される。
【選択図】なし
Description
記載される技術は、概してグラフェンナノデバイスの製造に関する。
グラフェンは、安定した特性および高い電気移動度を示し、次世代半導体デバイスに用いる材料として、非常に関心が高まっている。しかしながら、半導体特性を示すには、グラフェンは、典型的に、ナノスケールの線幅を有するチャネルとして形成する必要がある。グラフェンは、基本的に、金属特性を有するからである。
例えば、グラフェンは、シリコンバンドギャップ、すなわち、約１．１１ｅＶを有するようにするには、１〜２ｎｍの線幅を有する必要がある。しかしながら、かかる狭いナノスケールの線幅（３ｎｍ未満）にグラフェンを切断することは、現在利用できる半導体加工技術では不可能である。従って、グラフェンを用いることには関心が高いものの、グラフェン半導体デバイスは、まだ実現されていない。
ナノスケールグラフェン構造を製造するための技術が提供される。一実施形態において、ナノスケールグラフェン構造を製造する方法は、酸化物ナノ構造を、グラフェン層上に形成し、酸化物ナノ構造を、グラフェン層の所定の方向に整列し、整列した酸化物ナノ構造をマスクとして用いることにより異方性エッチングを実施し、異方性エッチング後、残った酸化物ナノ構造を除去することを含む。
他の実施形態において、ナノスケールグラフェン構造を製造するための方法は、金属層をグラフェン層上に形成し、金属層の第１の領域に、疎水性分子層を有する分子層パターンを形成し、疎水性分子層の形成されていない金属層の第２の領域に、酸化物ナノ構造を整列し、整列した酸化物ナノ構造をマスクとして用いて異方性エッチングを実施し、異方性エッチング後、残った酸化物ナノ構造および残った金属層ナノ構造を除去することを含む。
さらに他の実施形態において、ナノスケールグラフェン構造を製造するための方法は、犠牲層をグラフェン層上に形成し、金属層を犠牲層上に形成し、金属層の第１の領域に、疎水性分子層を有する分子層パターンを形成し、疎水性分子層の形成されていない金属層の第２の領域に酸化物ナノ構造を整列し、整列した酸化物ナノ構造をマスクとして用いて異方性エッチングを実施し、異方性エッチング後、残った酸化物ナノ構造、残った金属層ナノ構造および犠牲層ナノ構造を除去することを含む。
上記の概要は、選択した概念を単純化した形態で示すためのものであり、これについて、発明を実施するための最良の形態に、さらに後述する。上記の概要は、主張される主題の主要な特徴または必須の特徴を特定するためのものではなく、主張される主題の範囲を判断する補助として用いることを意図するものでもない。
（詳細な説明）
以下の詳細な説明において、いくつかの例示的実施形態を、図面を参照して、単に例示として、示し、説明する。当業者であれば、記載した実施形態は、本開示の趣旨または範囲から逸脱することなく、様々な異なるやり方で修正できることが理解されるであろう。
以下の詳細な説明において、いくつかの例示的実施形態を、図面を参照して、単に例示として、示し、説明する。当業者であれば、記載した実施形態は、本開示の趣旨または範囲から逸脱することなく、様々な異なるやり方で修正できることが理解されるであろう。
さらに、特に断りのない限り、「含む」という用語、および「含んでいる」、「有する」等の変形語は、挙げられた要素を含むが、他の要素を排除することを含意するものではないことを理解されたい。
層、フィルム、領域または基板等の要素が、他の要素「上に」あると言及されるとき、他の要素の直上にある、または介在要素も存在し得るものと考えられる。これとは対照的に、要素が、他の要素の「直接上に」あると言及されるときは、介在要素は存在しない。
以下の実施形態において、酸化物ナノ構造をマスクとして用いてナノスケール線幅のグラフェン構造を製造するための技術が開示されている。以下の説明では、ナノワイヤを、マスクとして用いるナノ構造の一例として挙げている。しかしながら、円、楕円等の様々なその他の形状のナノ構造も用いることができるものと考えられる。
共有結合を有する酸化物ナノワイヤは、金属結合を有する金属よりも強い結合を示し、イオンビームミリングに関しては、金属よりもはるかに遅いエッチングレートを示す。従って、エッチング期間が、適切に制御されると、周囲の材料を除去するのに、酸化物ナノワイヤを、マスクとして用いることができる。
以降、図１および図２を参照して、第１の例示的実施形態による、グラフェン構造の製造方法について説明する。
図１（Ａ）に示すとおり、グラフェン層１２０を、基板１１０上に形成する（図２のＳ１１０）。本実施形態において、シリコン基板を、基板１１０として用いているが、基板１１０はこれに限られない。デバイスを製造するのに適切であれば、他の材料の固体基板を、基板１１０として用いて構わない。
グラフェン層１２０は、様々な方法により、基板１１０上に形成され得る。一例となる技術を、以下に詳細に説明する。
膨張性グラファイトは、ガスチャンバにおいて、１０００℃および３％水素（Ｈ２）雰囲気で処理され、約３０分間にわたって、超音波により、ジクロロエタン中に分散される。これによって、薄いグラフェンが、溶液中に分散する。基板１１０に、分散したグラフェンの入った溶液を適用すると、グラフェン層１２０が、基板１１０上に形成される。
次に、図１（Ｂ）に示す通り、酸化物ナノワイヤ１３０が、グラフェン層１２０上に形成される（図２のＳ１２０）。本実施形態において、酸化バナジウム（例えば、Ｖ２Ｏ５）ナノワイヤを、酸化物ナノワイヤ１３０として用いる。酸化物ナノワイヤ１３０は、様々なやり方で、グラフェン層１２０上に形成され得る。一例を挙げると、酸化バナジウムナノワイヤは、次のようにして、グラフェン層１２０上に形成される。
誘発電気双極子は、グラフェンの表面上に容易に形成でき、このようにして、誘発電気双極子の形成されたグラフェンは、負電荷を有する酸化バナジウムナノワイヤに親和性を示す。グラフェンを備えた基板（以降、「グラフェン基板」と呼ぶ）を、酸化バナジウムナノワイヤ溶液に浸漬すると、ナノワイヤは、グラフェン層表面に接合する。この場合、酸化バナジウムナノワイヤと基板との間の親和性は、正電圧をグラフェン基板に印加することにより増大し得る。この時、酸化物ナノワイヤ１３０は、指向性なしで形成され、任意の方向に整列する。
図１（Ｃ）に示すとおり、任意の方向に整列した酸化物ナノワイヤ１３０の適用されたグラフェン基板を、超純水に浸漬し、所望の整列方向に沿って、超純水から引き出す（図２のＳ１３０）。すると、酸化物ナノワイヤ１３０は、図１（Ｄ）に示す表面張力により、引く方向に沿って、グラフェン層１２０上に再整列する。
続いて、図１（Ｅ）に示すとおり、再整列された酸化物ナノワイヤ１３０を備えたグラフェン基板を、集束イオンビーム（ＦＩＢ）装置に配置し、次にイオンビームミリングプロセスを実施する（図２のＳ１４０）。すなわち、異方性エッチングプロセスの１種であるイオンビームミリングエッチングプロセスを、グラフェン層１２０に整列したナノワイヤ１３０をマスクとして用いて実施する。
共有結合を有する酸化物ナノワイヤは、金属ボンドを有するグラフェンより、強い結合を示し、イオンビームミリングに関して、グラフェンより、はるかに遅いエッチングレートを示す。従って、エッチング期間が適切に制御されるとき、マスクの周囲でグラフェンを除去するために、酸化物ナノワイヤをマスクとして用い得る。
すなわち、図１（Ｅ）に示すとおり、イオンビームエッチングを、酸化物ナノワイヤ１３０が整列されるグラフェンパターンで実施すると、ナノワイヤ１３０下のグラフェン層１２０は残るが、他の領域のグラフェン層１２０は除去される。ナノワイヤ１３０がマスクとして作用するためである。
イオンビームエッチング後、緩衝液（例えば、１Ｍ ＮａＣｌの水溶液）を用いて、約１０分間、基板１１０を濯ぐ（図２のＳ１５０）。その結果、酸化物ナノワイヤ１３０は完全に除去され、図１（Ｆ）に示すとおり、ナノワイヤスキームのグラフェン構造だけが残る。
第１の実施形態において、酸化バナジウムナノワイヤを、マスクとして用いる酸化物ナノワイヤ１３０の一例とする。酸化バナジウムナノワイヤは、非常に狭いナノスケールサイズで容易に形成することができるからである。
酸化バナジウム以外、イオンビームに関して強い抵抗力を有する材料であれば、いずれを用いてもよい。一例として、五酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）（他の酸化バナジウムＶｘＯｙを用いてもよい）、酸化亜鉛（ＺｎＯ５）および二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）等の酸化物材料は、イオンビームに関して高い抵抗力を示す。これは、一つには、結合強度が高いことによる。さらに、酸化物は、典型的に、絶縁体であるため、イオンビームに露出されたときに生成される電荷は流れずに堆積し、堆積した電荷が、イオンビームの向きを変え得る。
以下、第２の例示的実施形態による、ナノスケールグラフェン構造を製造するための方法を、図３および図４を参照して説明する。この第２の例示的実施形態において、酸化物ナノワイヤを、図１（Ｃ）を参照して上述したような表面張力を用いて、酸化物ナノワイヤを整列する代わりに、分子層パターンの特定の位置および方向に配置する。
酸化物表面を有するナノワイヤは、疎水性分子層で組織化されておらず、酸化物とは反対の極性で帯電した親水性分子層または固体表面で組織化されている。
後述するナノスケールグラフェン構造を製造するための方法は、選択的な組織化特性を利用して、親水性分子の特定の位置および方向に、酸化物ナノワイヤを形成する技術を利用するものであり、以降、選択的組織化方法と呼ぶ。
図３（Ａ）に示すとおり、グラフェン層２６０を、基板２５０上に形成する（図４のＳ２１０）。グラフェン層２６０は、第１の例示的実施形態の説明で述べたように、様々な方法を用いて、基板２５０上に形成され得る。
続いて、図３（Ｂ）に示すとおり、金属層２７０を、熱蒸発器またはスパッタを用いて、グラフェン層２６０の表面上に堆積する（図４のＳ２２０）。本実施形態において、金属層２７０に金を用いているが、他の金属を用いてもよい。
続いて、図３（Ｃ）に示すとおり、疎水性分子層パターン２８４および正電荷で帯電した親水性分子層パターン２８２を含む分子層パターン２８０を、金属層２７０上に形成する（図４のＳ２３０）。
後のプロセスにおいて、疎水性分子層２８４は、酸化物ナノワイヤの吸着を防ぎ、親水性分子層２８２は、親和性を増大することにより、酸化物ナノワイヤの吸着を補助する。親水性分子層２８２を形成することなく、酸化物ナノワイヤは形成され得るが、第２の例示的実施形態によれば、親水性分子層２８２を形成した後、正電圧を金属層２７０に印加することにより、親水性分子層２８２上の酸化物ナノワイヤの吸着が促進される。
分子層パターン２８０は、例えば、マイクロコンタクトプリンティング、フォトリソグラフィーおよびディップペンナノリソグラフィー（ＤＰＮ）等の様々な技術を用いて、形成してよい。負電荷を有する酸化バナジウムナノワイヤは、第２の例示的実施形態において、酸化物ナノワイヤとして用いられるため、オクタデカンチオール（ＯＤＴ）等の材料は、金属層２７０上で疎水性分子層２８４としてパターン化され、システアミン等の材料は、親水性分子層２８２としてパターン化される。
次に、図３（Ｄ）に示すとおり、分子層によりパターン化された基板２５０を、酸化バナジウムナノワイヤ溶液に浸漬し、酸化バナジウムナノワイヤ２９０を、正電荷で帯電した親水性分子層２８２で、選択的に組織化する（図４のＳ２４０）。この場合、酸化バナジウムナノワイヤ２９０は、ナノメートルスケールの解像度で整列する。
続いて、図３（Ｅ）に示すとおり、イオンビームミリングを、酸化バナジウムナノワイヤ２９０が整列した基板２５０上に適用する（図４のＳ２５０）。イオンビームミリングの結果、分子層パターン２８０、金属層２７０およびグラフェン層２６０は除去されるが、酸化バナジウム２９０は残る。すなわち、酸化バナジウムナノワイヤ２９０は、マスクとして作用するため、酸化バナジウムナノワイヤ２９０下にある金属層２７０およびグラフェン層２６０は、イオンビーム露光後残る。
以降、イオンビームエッチング後に残る酸化バナジウムナノワイヤ２９０下の金属層構造は、「金属ナノワイヤ」と呼ぶ。
次に、図３（Ｆ）に示すとおり、基板２５０は、イオンビーム露光後、緩衝液（例えば、１Ｍ ＮａＣｌの水溶液）を用いて、約１０分間にわたって、濯いで（図４のＳ２６０）、酸化バナジウムナノワイヤ２９０を完全に除去し、金属ナノワイヤとグラフェンナノ構造のみが残るようにする。
最後に、図３（Ｇ）に示すとおり、金属ナノワイヤは、金属エッチング溶液により、基板２５０から除去され（図４のＳ２７０）、グラフェンナノ構造のみが、基板２５０に残る。この第２の例示的実施形態において、硝酸と塩酸の混合溶液を、金属エッチング溶液として用い得る。金属ナノワイヤ上の分子層も、金属ナノワイヤが除去されるときに除去される。
第２の例示的実施形態において、イオンビームエッチングのマスクとして用いた酸化バナジウムナノワイヤ２９０は、図３（Ｄ）に示すとおり、金属層２７０上に整列する。金属層２７０は、酸化バナジウムナノワイヤ２９０の前に形成される。酸化バナジウムナノワイヤ２９０を、選択的な組織化プロセスを用いて、グラフェン層２６０の直上に整列させるのが難しい可能性があるためである。
以降、第３の例示的実施形態による、ナノスケールグラフェン構造を製造するための方法を、図５および６を参照して説明する。第２の例示的実施形態で上述したのと同様に、第３の例示的実施形態において、選択的な組織化プロセスを用いて、酸化物ナノワイヤを形成する。ただし、第２の例示的実施形態とは異なり、金属層を、グラフェン層上に堆積する前に、犠牲層を堆積するプロセスを加える。以下の説明において、第２の例示的実施形態で記載したのと実質的に同じプロセスは、説明を簡単にし、理解を促すために、簡略化して記載してある。
図５（Ａ）に示すとおり、グラフェン層３６０を、基板３５０上に形成する（図６のＳ３１０）。次に、図５（Ｂ）に示すとおり、犠牲層３００を、熱蒸発器またはスパッタを用いて、グラフェン層３６０の表面上に堆積する（図６のＳ３２０）。この第３の例示的実施形態において、アルミニウムを犠牲層３００に用い得る。アルミニウムは、比較的高いイオン化傾向を示すため、容易に酸化されて、エッチングされるため、容易に除去される。後に形成される金属層よりも容易に酸化され、エッチングされる材料であれば、アルミニウム以外の材料を、犠牲層３００に用いてよい。
次に、図５（Ｃ）に示すとおり、金属層３７０を、犠牲層３００上に堆積し（図６のＳ３３０）、次に疎水性分子層パターン３８４および正電荷で帯電した親水性分子層パターン３８２を含む分子層パターン３８０を、金属層３７０上に形成する（図６のＳ３４０）。この第３の例示的実施形態において、金（Ａｕ）を、金属層３７０に用い得る。
続いて、図５（Ｃ）に示すとおり、酸化バナジウムナノワイヤ３９０を、選択的組織化プロセスにより、分子層によりパターン化された基板３５０上に整列する（図６のＳ３５０）。
続いて、図５（Ｄ）に示すとおり、分子層パターン３８０、金属層３７０、犠牲層３００およびグラフェン層３６０は、酸化バナジウムナノワイヤ３９０でカバーされていない領域において、イオンビームを、酸化バナジウムナノワイヤ３９０が整列している基板３５０に適用することにより、除去される（図６のＳ３６０）。
続いて、酸化バナジウムナノワイヤ３９０は、イオンビーム露光後、緩衝液（例えば、１Ｍ ＮａＣｌ）を用いて、基板３５０から除去され（図６のＳ３７０）、犠牲層３００は、図５（Ｆ）に示すとおり、完全に除去される（図６のＳ３８０）。
第３の例示的実施形態においては、金属エッチング溶液により、金属層３７０を除去する代わりに、アルミニウムの犠牲層３００が、基板３５０を水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）溶液に浸漬することによりエッチされる。これにより、犠牲層３００上に形成された金属層３７０および分子層パターン３８０が、分離により除去され得る。第２の例示的実施形態とは対照的に、強酸である金属エッチング溶液を用いて金属層３７０を除去する代わりに、この第３の例示的実施形態においては、犠牲層３００は、アルカリであるＴＭＡＨ溶液を用いて除去される。従って、グラフェンに損傷を与えることなく、グラフェンナノ構造が形成され得る。
本開示は、基本的な特徴または特性から逸脱することなく、他の具体的な形態で実施することができる。このように、記載した実施形態は、全ての点に関して例示のためのみであり、限定するものではないものと考えられる。開示の範囲は、従って、上述の説明でなく、添付の特許請求の範囲により示される。特許請求の範囲の等価物の意味および範囲内での全ての変更が、その範囲内に包含されるものとする。
１１０ 基板
１２０ グラフェン層
１３０ 酸化物ナノワイヤ
２５０ 基板
２６０ グラフェン層
２７０ 金属層
２８０ 分子層パターン
２８２ 親水性分子層パターン
２８４ 疎水性分子層パターン
２９０ 酸化バナジウムナノワイヤ
３００ 犠牲層
３５０ 基板
３６０ グラフェン層
３７０ 金属層
３８０ 分子層パターン
３８２ 親水性分子層パターン
３８４ 疎水性分子層パターン
３９０ 酸化バナジウムナノワイヤ
１２０ グラフェン層
１３０ 酸化物ナノワイヤ
２５０ 基板
２６０ グラフェン層
２７０ 金属層
２８０ 分子層パターン
２８２ 親水性分子層パターン
２８４ 疎水性分子層パターン
２９０ 酸化バナジウムナノワイヤ
３００ 犠牲層
３５０ 基板
３６０ グラフェン層
３７０ 金属層
３８０ 分子層パターン
３８２ 親水性分子層パターン
３８４ 疎水性分子層パターン
３９０ 酸化バナジウムナノワイヤ
Claims (24)
- グラフェンナノ構造を製造するための方法であって、
酸化物ナノ構造を、グラフェン層上に形成し、
前記酸化物ナノ構造を、前記グラフェン層上で所定の方向に整列し、
前記整列した酸化物ナノ構造をマスクとして用いることにより異方性エッチングを実施し、
前記異方性エッチング後、残った酸化物ナノ構造を除去することを含む方法。 - 前記グラフェン層が基板上に形成されている請求項１に記載の方法。
- 前記グラフェン層とともに形成された前記基板を、前記酸化物ナノ構造を含む溶液に浸漬して、前記溶液の前記酸化物ナノ構造を、前記グラフェン層上に形成する請求項２に記載の方法。
- 前記酸化物ナノ構造が、前記グラフェン層上に任意の方向で形成されている請求項３に記載の方法。
- 前記酸化物ナノ構造の形成された前記グラフェン層を超純水に浸漬し、次に前記グラフェン層を、所定の方向に沿って前記超純水から引き出すことにより、前記酸化物ナノ構造が、前記グラフェン層上に整列する請求項４に記載の方法。
- 前記異方性エッチングが、前記整列した酸化物ナノ構造をマスクとして用いて実施されるイオンビームエッチングである請求項２に記載の方法。
- 前記酸化物ナノ構造が、酸化物バナジウムナノワイヤを含む請求項１に記載の方法。
- グラフェンナノ構造を製造するための方法であって、
金属層を、グラフェン層上に形成し、
前記金属層の第１の領域に、疎水性分子層を有する分子層パターンを形成し、
前記疎水性分子層が形成されていない前記金属層の第２の領域に、酸化物ナノ構造を整列し、
前記整列した酸化物ナノ構造をマスクとして用いて異方性エッチングを実施し、
前記異方性エッチング後、残った酸化物ナノ構造および残った金属層ナノ構造を除去することを含む方法。 - 前記グラフェン層が基板上に形成されている請求項８に記載の方法。
- 緩衝液を用いて、前記酸化物ナノ構造を除去した後、金属エッチング溶液により、前記金属層ナノ構造を除去することをさらに含む請求項９に記載の方法。
- 親水性分子層が、前記金属層の前記第２の領域上に形成されている請求項９に記載の方法。
- 前記金属層が金（Ａｕ）で形成されている請求項１１に記載の方法。
- 前記疎水性分子層がオクタデカンチオールを含む請求項１２に記載の方法。
- 前記親水性分子層がシステアミンを含む請求項１２に記載の方法。
- 前記異方性エッチングが、前記整列した酸化物ナノ構造をマスクとして用いて実施されるイオンビームエッチングである請求項９に記載の方法。
- 前記酸化物ナノ構造が、酸化バナジウムナノワイヤを含む請求項８に記載の方法。
- グラフェンナノ構造を製造するための方法であって、
犠牲層を、グラフェン層上に形成し、
金属層を、前記犠牲層上に形成し、
前記金属層の第１の領域に、疎水性分子層を有する分子層パターンを形成し、
前記疎水性分子層が形成されていない前記金属層の第２の領域に、酸化物ナノ構造を整列し、
前記整列した酸化物ナノ構造をマスクとして用いて異方性エッチングを実施し、
前記異方性エッチング後、残った酸化物ナノ構造、残った金属層ナノ構造および犠牲層ナノ構造を除去することを含む方法。 - 前記グラフェン層が基板上に形成されている請求項１７に記載の方法。
- 緩衝液を用いて、前記酸化物ナノ構造を除去した後、前記犠牲層ナノ構造を除去することをさらに含む請求項１８に記載の方法。
- 前記金属層が金で形成されており、前記犠牲層がアルミニウムで形成されている請求項１９に記載の方法。
- 前記犠牲層ナノ構造が、水酸化テトラメチルアンモニウム溶液を用いることにより除去される請求項２０に記載の方法。
- 親水性分子層が、前記金属層の前記第２の領域に形成されている請求項１８に記載の方法。
- 前記異方性エッチングが、前記整列した酸化物ナノ構造をマスクとして用いて実施されるイオンビームエッチングである請求項１８に記載の方法。
- 前記酸化物ナノ構造が、酸化物バナジウムナノワイヤを含む請求項１７に記載の方法。
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