JP2016516286A - アモルファス半導体量子ドットの金属誘起ナノ結晶化 - Google Patents

アモルファス半導体量子ドットの金属誘起ナノ結晶化 Download PDF

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Abstract

真空凝集チャンバ内にアモルファス半導体粒子を形成する工程と、前記真空凝集チャンバ内に形成された前記アモルファス半導体粒子を、内部に基板が設置された真空堆積チャンバに移動させる工程と、前記真空凝集チャンバ内の前記基板に移動中の前記アモルファス半導体粒子に金属触媒の蒸気を供給し、移動中に前記金属触媒により前記アモルファス半導体粒子の少なくとも一部の結晶化を誘起し、これにより前記金属触媒の付着した結晶化半導体粒子を前記基板に堆積させる工程と、を有する結晶化半導体粒子の製造方法。

Description

本発明は、アモルファス半導体の金属誘起結晶化に関し、特にアモルファス半導体微小ドットおよび量子ドットの金属誘起結晶化に関する。２０１３年３月１３日付けの米国仮出願第６１／７７８，９６７号の内容はそっくりそのまま本願に含まれる。
結晶度およびグレイン構造の制御は、古来の日本刀（非特許文献Ｎｏ．１）から現代のナノ工学トランジスタゲート電極（非特許文献Ｎｏ．２および３）まで、何世紀にもわたって応用材料工学や金属学の中心的要素であった。グレインのサイズ、結晶粒界の沈殿物、結晶欠陥の密度、不純物などのパラメータを制御することで、（２〜３例を挙げると）機械的、光学的、電磁気的性質を調整することができる（非特許文献Ｎｏ．４〜６）。金属誘起結晶化（Metal-induced Crystallization：ＭＩＣ）は、適切な金属触媒の存在下において、比較的低温でアモルファス半導体材料を結晶化することができる現象である（非特許文献７および８）。まったく異なる物質相互作用を有する幅広いバルク材料（例えばＮｉ、ＡｌおよびＡｇ）について、ＭＩＣが報告されてきた（非特許文献９〜１３）。アモルファス半導体の金属誘起結晶化（ＭＩＣ）は、太陽電池や電界効果トランジスタへの応用のため、大いに研究されてきた。
Ｓｉ−Ａｇ系は最近３０年以上にわたって広く研究されてきた（非特許文献１４〜１７）。特に、Ｓｉ含有量が１１％の二成分系は、摂氏８３０〜８４５℃の共晶温度を有する（参考までに、Ｓｉバルク、Ａｇバルクの融点は、それぞれ摂氏１４１４℃、摂氏９６２℃である）（非特許文献Ｎｏ．１５）。多くの遷移金属／Ｓｉ系とは異なり，ＡｇとＳｉの固体状態での相互融解度は無視でき（非特許文献Ｎｏ．１６）、このことは重要な特性である。ボコノフとコルチャギンによるアモルファスＳｉ膜／Ａｇ粒子系についての近年の研究はＭＩＣを支配するメカニズムを簡潔にまとめている。準安定な珪化銀の形成を伴うアモルファスＳｉへの金属の拡散が、共晶の形成に先立つ。続いての系の冷却は、準安定珪化物の分解と、それに続く多結晶性Ｓｉと金属銀の進化を導く（非特許文献Ｎｏ．１７）。
しかし、今日に到るまで、これらの研究や進展は３次元バルクや２次元薄膜に限られていた。
M. Durand-Charre, "Microstructure of steels and cast iron" Springer p.28 (2003) X. Duan, R. Gao, P. Xie, T. Cohen-Karni, Q. Qing, H. S. Choe, B. Tian, X. Jiang, C. M. Lieber, Nature Nanotechnol. 7, 174 (2012) M. A. Green, J. Zhao, A. Wang, P. J. Reece, M. Gal, Nature 412, 805 (2001) H. A. Atwater, A. Polman, Nature Mater. 9, 205 (2010) W. Wang, S. Wu, K. Reinhardt, Y. Lu, S. Chen, Nano Lett. 10, 2012 (2010) J. P. Wilcoxon, B. L. Abrams, Chem. Soc. Rev. 35, 1162 (2006) J. D. Hwang, L. C. Luo, T. J. Hsueh, S. B. Hwang, Appl. Phys. Lett. 101, 152108 (2012) J. A. Farmer, C. T. Campbell, Science 329, 933 (2010) O. G. Shpyrko et al., Science 313, 77 (2006) S. Kumagai et al., Jpn. J. Appl. Phys. 51, 11PA03 (2012) M. Itakura, S. Masumori, N. Kuwano, H. Kanno, T. Sadoh, M. Miyao, Appl. Phys. Lett. 96, 182101 (2010) C. W. Lin, S. C. Lee, Y. S. Lee, J Mater Sci: Mater Electron 21, 270 (2010) O. Nast, Andreas J. Hartmann, J. Appl. Phys. 88, 716 (2000) R. W. Oleslnski, A. B. Gokhale, G. J. Abbaschlan, Bulletin of Alloy Phase Diagrams 635, 10 (1989) A. V. Nomoev and S. P. Bardakhanov, Tech. Phys. Lett. 38, 375 (2012) J. H. Choi et al., J. Mater. Chem. 21, 13256 (2011) B. Bokhonov, M. Korchagin, Journal of Alloys and Compound 335, 149 (2002)
多様なバイオイメージング、バイオセンシングへの応用、水素貯蔵、および／または光学機器に有用なアモルファスシリコンナノスケール微小粒子または量子ドットの金属誘起結晶化についての報告はない。
そこで本発明は、多方面の半導体工学および製造に有用なアモルファス微小スケール粒子および量子ドットの金属誘起結晶化を目的とする。
本発明の目的は、アモルファス微小スケール粒子および量子ドットの金属誘起結晶化方法、および当該方法により得られる、多様な半導体工学および製造に有用な金属誘起結晶化されたナノスケール粒子または量子ドットを提供することである。
本発明の目的に従って、且つ、これらの利点及びその他の利点を達成するために、具現化しかつ広く記載されているように、１つの態様では、本発明は、気中修飾および金属誘起結晶化（ＭＩＣ）により、半導体量子ドットの内部構造に対する結晶性制御を提供するものである。このことは発明者の知る限りこれまで達成されていない。
別の態様では、本発明は、真空凝集チャンバにアモルファス半導体粒子を形成する工程と、前記真空凝集チャンバ内に形成されたアモルファス半導体粒子を、内部に基板が設置された真空堆積チャンバに移動させる工程と、前記真空堆積チャンバ中の前記基板に移動中の前記アモルファス半導体粒子に金属触媒の蒸気を供給し、移動中に前記金属触媒により前記アモルファス半導体粒子の少なくとも一部の結晶化を誘起し、これにより前記金属触媒の付着した結晶化半導体粒子を前記基板に堆積させる工程と、を含む、結晶化半導体粒子の形成方法を提供する
別の態様では、本発明は、ナノメートルオーダーの寸法 を有する金属誘起多結晶化半導体粒子を含むナノスケール多結晶化半導体粒子を提供する。
本発明のさらなる又は分けられた特徴と利点は、以下の記載において説明され、一部はその記載から明らかであり、あるいは、本発明の実施により習得することができる。本発明の目的と他の利点は添付図面だけでなくその明細書及び特許請求の範囲において特に指摘される構成によって実現され、達成されるだろう。
上述の一般的な説明と、以下に述べる詳細な説明は具体例であって、例示を目的としており、特許請求されている本発明の範囲の詳しい説明を提供することが意図されていることを理解するべきである。
図１（Ａ）は、本発明の実施形態の製造に使われる改良型コア−シェルナノ粒子堆積システム１００の概略図である。 図１（Ｂ）は、本発明の実施形態に係るＳｉ−Ａｇナノ粒子のＡＦＭ高さ画像と、１０００個以上の粒子の粒子高さの分布（挿入図）である。挿入図にはヒストグラムへの対数正規分布フィッティングが示されている。 図１（Ｃ）は、本発明の実施形態に係るＳｉコア−Ａｇサブシェルナノ粒子の低分解能ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ顕微鏡写真である。Ｓｉコアは、いくつかの明るいＡｇナノクラスターで修飾されたグレーのコントラストとして現れている。 図２は、（Ａ）本発明の実施形態に係るＳｉコア−Ａｇサブシェルナノ粒子の高分解能ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ顕微鏡写真（Ｓｉコアは、それぞれ数字１〜４を付された明るいＡｇナノクラスターで修飾されたグレーのコントラストで現れている）、（Ｂ）電子線下で同一の配行を有する（Ａ）のナノ粒子と同じナノ粒子のＨＲＴＥＭ明視野像（以前にＨＡＡＤＦモードで１〜４の数字を付されたＡｇナノクラスターは黒い点のように現れる）、（Ｃ）２つのＡｇナノクラスターと２つのＳｉグレインとを有するナノ粒子のＨＲＴＥＭ明視野像、（Ｄ）３つのＡｇナノクラスターと３つのＳｉグレインとを有するナノ粒子のＨＲＴＥＭ明視野像、（Ｅ）６つのＡｇナノクラスターと６つのＳｉグレインとを有するナノ粒子のＨＲＴＥＭ明視野像、（Ｆ）８つのＡｇナノクラスターと９つのＳｉグレインとを有するナノ粒子のＨＲＴＥＭ明視野像、を示している。ＨＲＴＥＭ明視野像（Ｃ）〜（Ｆ）は、ナノ結晶性Ｓｉグレインの数とその表面上のＡｇナノクラスターの数との間の相関を示している。 図３は、（Ａ）本発明の実施形態に係る、Ａｇスパッタリングのための６０ＷのＤＣマグネトロンパワー下で形成されたナノ粒子のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ画像、（Ｂ）本発明の実施形態に係る、Ａｇスパッタリングのための９０ＷのＤＣマグネトロンパワー下で形成されたナノ粒子のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ画像、（Ｃ）本発明の実施形態に係る、Ａｇスパッタリングのための１２０ＷのＤＣマグネトロンパワー下で形成されたナノ粒子のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ画像、（Ｄ）本発明の実施形態に係る、１２０ＷのＤＣマグネトロンパワー下で形成されたナノ粒子のプラズマ洗浄処理後のＨＲＴＥＭ明視野像、（Ｅ）（Ｄ）に示した１２０ＷのＤＣマグネトロンパワー下で形成されたナノ粒子のプラズマ洗浄処理後のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ画像、（Ｆ）単純な（Ａｇ修飾されていない）アモルファスＳｉ量子ドットのＨＲＴＥＭ明視野像、を示す。 図４は、（Ａ）本発明の実施形態に係るナノ粒子のＴＥＭ明視野概観画像、（Ｂ）（Ａ）に示された形態の直径の分布を表すヒストグラム、（Ｃ）（Ａ）に示されたナノ粒子のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ概観画像、（Ｄ）（Ａ）に示されたナノ粒子の別のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ概観画像、を示す。 図５は、本発明の実施形態に係るＳｉコア／Ａｇサブシェルナノ粒子のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ画像であり、ＦＦＴパターンとともに表示する。 図６は、本発明の実施形態に係るＳｉコア／Ａｇサブシェルナノ粒子上の選択されたＡｇナノクラスターのＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ画像であり、対応するＦＦＴパターンとともに表示する。 図７は、それぞれ１５°、０°、および−１５°の角度に傾けた単一のＳｉコア／ＡｇサブシェルのＨＲＴＥＭ画像を示す。 図８は、（Ａ）アモルファスシリコンナノ粒子のＨＲＴＥＭ画像から得られるＦＦＴパターン、（Ｂ）結晶性シリコンナノ粒子のＨＲＴＥＭ画像から得られるＦＦＴパターンを示す。 図９は、本発明の実施形態に係る、プラズマ洗浄処理後のＳｉコア／Ａｇサブシェル量子ドットの追加画像を示しており、それぞれ（Ａ）および（Ｃ）は明視野像、（Ｂ）および（Ｄ）はＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ画像である。 図１０は、本発明の実施形態に係るＡｇサブシェルに覆われた結晶性Ｓｉ量子ドットのＴＥＭ画像を示しており、（Ａ）は明視野像、（Ｂ）はＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ画像である。 図１１は、ナノ結晶性Ｓｉコア−Ａｇサブシェル量子ドットの成長プロセスの概略図である。挿入図は、結晶粒界の厚さを０．６ｎｍと仮定したときのグレイン間領域の体積分率を、グレインサイズの関数として示す。
１つの観点では、本発明は、銀（Ａｇ）サブシェルナノクラスターを使用して、意図的に結晶化プロセスにシードを供給することで、アモルファスシリコン（Ｓｉ）量子ドットの０次元ナノクラスターにおける制御されたＭＩＣを初めて提供する。その結果は、新規の（ナノ相Ｓｉコア）／（Ａｇサブシェル）ナノ粒子である（Ｓｉコアはナノ結晶質である／Ｓｉナノグレイン（結晶質）を含む）。
本発明のある観点では、Ｓｉ量子ドットにおけるグレインの最終的な数は制御することができ、サブシェルを形成するＡｇナノクラスターの数に比例する。ハイブリッドＳｉ−Ａｇ系の堆積後、Ａｇ触媒はそのまま残すこともでき、またプラズマエッチングにより除去し、所望の結晶性の無傷なＳｉコアを残すこともできる。この方法は、改良したマグネトロンスパッタ不活性ガス凝縮技術を基礎としており、半導体ＱＤ（量子ドット）の制御されたＭＩＣの一般的な方法、および多成分の多結晶性（半導体コア）／（金属サブシェル）ナノ粒子の成長を提供する。
これら新規な多成分ナノ粒子は、
（ｉ）マルチモードバイオイメージングおよびバイオセンサー（シリコンは光輝性であり、一方銀はプラズモニック材料である。このため、ハイブリッド粒子の独特な構造により、シリコンコアと銀サブシェルの両方が利用可能となる）、
（ｉｉ）水素貯蔵（シリコンコアは結晶粒界でより多くの水素を吸着するのに適したナノ相の材料である。その一方で金属は比較的低温でも水素の吸着および脱離処理のスピードを上げる触媒として機能することができる）、および
（ｉｉｉ）コアおよびサブシェルの材料の特徴的な光学的特性による赤外線検出器および太陽光発電のような光電デバイス、
のような多くの技術分野で非常に際立った応用をすることができる。
さらに、本発明の実施形態のいくつかの形態では、ここで説明されるナノ相ハイブリッド粒子の小さなサイズのため、無秩序な結晶粒界の中の原子の体積は、ナノ粒子全体の体積のうち変則的に大きな割合を占める。このため、同じ成分でグレインサイズが５０ｎｍ以上の従来の粗粒な多結晶性材料と比較して、いくつかの実施形態において、本発明のナノ粒子は、高い熱膨張率、大きな比熱、高い強度、および低密度など、この材料の応用範囲をさらに広げる改善された物理的性質を有する。
ある観点では、本発明は、典型的な系としてＳｉ−Ａｇを使い、０次元半導体（ＱＤ）系において制御されたＭＩＣを初めて提供する。カスタマイズされたガス凝縮スパッタリングシステムが用いられ、Ａｇナノクラスターを、新たにスパッタされたアモルファスＳｉ量子ドットの気中での結晶化を誘起するシードとして供給する。この技術は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ量子ドットのいずれか１つと、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕなど他の金属との組み合わせのように、他の半導体／金属触媒の組み合わせにも適用可能である。以下に述べるように、分子動力学法（ＭＤ）シミュレーションを実行し、Ａｇ原子の相互作用とＳｉＱＤコア上の核生成の過程をうまく説明した。
他の観点では、本発明は、核生成チャンバから堆積基板への経路の途中にある、新たに核生成された量子ドットの動的で制御可能な構造を独自に明らかにし、０次元半導体材料の結晶化度および機能性を制御し、設計することに興味深い新たな一面を提供する。
設備および手順の概要
本発明の多様な実施形態は、図１（Ａ）に示された、改良型ガス凝縮スパッタリングシステムを用いて製造される。図１（Ａ）は、本発明の実施形態の製造に使われる改良型コア−シェルナノ粒子堆積システム１００の概略図である。不活性ガス凝縮を用いたマグネトロンスパッタリングによる粒子形成の原理は十分に確立されている（非特許文献Ｎｏ．１８および１９）。いくつかの実施形態では、冷水式不活性ガス凝集チャンバ１０２内に設置されたＤＣマグネトロンヘッド１０４上のスパッタリングターゲット材料１０６から過飽和Ｓｉ蒸気が生成された。この凝集ゾーン１１２内では、（比較的高圧の）不活性ガス雰囲気中で微小液体ＳｉＱＤ（量子ドット）の核生成が行われ、合体によるさらに大きな液体ＳｉＱＤの核生成と成長が後に続く。ＳｉＱＤのサイズの分布は、凝集ゾーンの長さ、凝集チャンバの圧力、およびマグネトロンパワーを含む実験パラメータの調整により制御することができる。（高圧の）凝集ゾーン１１２と（低圧の）試料堆積チャンバ１０８との間の圧力差により、新たに核生成されたＳｉＱＤは差動排気開口を通り、凝集ゾーンの外に移動する。さらなる操作なしで、移動中にＱＤは安定し、室温まで冷却される。しかし我々は、急速に冷却されたＳｉＱＤをＡｇの凝集物で修飾するために、凝集ゾーン１１２の出口の直後に、低圧のＡｇ蒸気の入射流束を導入した。凝集チャンバ１０２の凝集ゾーン１１２から試料堆積チャンバ１０８への経路の途中において、ＳｉＱＤコアの飛行の方向と平行に位置するコーティングゾーン１３４内の線形マグネトロンターゲット１３２からＡｇがスパッタされた。より詳しくは以下の各段落で説明される。
実施形態の評価
基板へのランディングおよび不活性ガスグローブボックスへのロードロック移動の後、堆積ナノ粒子のサイズ分布および表面の被覆度を調べるため、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いた。ソフトタッピングモードのＡＦＭ画像およびハイブリッドナノ粒子の高さ分布のヒストグラムを図１（Ｂ）および挿入図にそれぞれ示す。高さ分布は、平均高さ１２．５ｎｍ±０．２ｎｍを有する対数正規関数（挿入図中の曲線）で非常によく近似される。明るい点は２つ以上のナノ粒子の凝集体であり、おそらく基板表面上の２つ以上のナノ粒子の重なり、または合体により生じていると思われる。ＡＦＭ走査では、高さが横方向のサイズよりも、実際の粒径の信頼できる指標であることは良く知られている。ナノ粒子の形状に対して有限なサイズのＡＦＭチップの不確かさにより、横方向のサイズは誤って大きく測定されてしまう。堆積されたハイブリッドナノ粒子のモルフォロジーおよび原子構造を調べるため、さらに透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）をさまざまなイメージングモードで用いた。多様な堆積条件における試料が調べられ、修飾されていない単純なＳｉＱＤはアモルファスであることが確認され、その一方でＡｇ修飾されたＳｉＱＤは多結晶質であることが発見された（ナノ結晶質もナノ相と呼ぶ）。Ａｇ表面シードの数とＳｉ内部グレイン構造の複雑さとの間に相関があることも発見された。低倍率ＴＥＭ画像（以下で議論する図４（Ａ）〜４（Ｄ））から見積もられたナノ粒子の平均直径は、ＡＦＭの結果（図１（Ｂ））と一致する。
図１（Ｃ）は、Ａｇ修飾Ｓｉ量子ドットの低倍率の高角散乱環状暗視野（ＨＡＡＤＦ）走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）概観画像を示す。Ｓｉコアはグレーに見え、このイメージングモードから予想される原子番号またはＺコントラストに対応する明るいＡｇナノクラスターで修飾されている。
図２（Ａ）は、約１３ｎｍのサイズを有し、約２ｎｍの酸化物シェルに包まれた異形の１つのナノ粒子の高分解能ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ顕微鏡画像を示す（ＴＥＭの鏡筒への投入前に試料は大気に暴露された）。図２（Ｂ）には、電子線下で同一の配行を有する（Ａ）のナノ粒子と同じナノ粒子の高分解能ＴＥＭ（ＨＲＴＥＭ）画像が示されている（補完のコントラスト構造を提供する）。Ａｇナノクラスターは１〜４の数字が付された黒い点として見えている。詳細は下記の図７を参照して説明するように、同一のナノ粒子のＴＥＭによる連続傾斜実験により、ＡｇナノクラスターはＳｉコアの表面に位置し、埋め込まれてはいないことが確かめられた。図２（Ａ）および図２（Ｂ）両方における画像は、異なる結晶学的な配向を有する微小な結晶性ナノグレインによりＳｉコアが形成されていることを示している。
多結晶性材料のＴＥＭ格子干渉像は、原理的に、いずれの投射においてもグレインの任意の数、および電子線に対する結晶軸の任意の配向に制限される。これらは観測前にはわからない。例えば位置合わせのミス、多重回折の影響およびモアレ干渉の結果によって、格子干渉パターンおよび関連したフーリエ変換が誤ってまたは過剰に解釈されないように、厳重な注意が払われなければならない。多くのグレインは、偶然にも電子線に対して十分に低い指数の結晶軸をそろえて位置決めされない。このため、一般的にグレインの数は低く見積もられる傾向にあり、結晶構造に欠陥があるように見える。それにも関わらず、選択された場合では、ある領域の偶然の構造と配置とにより、比較的単純な解釈が可能なこともある。
図７に矢印で示したＳｉナノグレインはそうした一例であり、偶然にもＳｉの｛１１１｝格子面が簡単に認識できるように電子線に対して位置していた。複数の双晶形成は明らかであり、１０面体構造に属することを示している。明確さのため、ナノグレインを選択的にマスクし、その後ノイズを低減しコントラスト（すなわちＦＦＴパターン）を強めるため逆フーリエ変換を行って形成されたフーリエフィルタ画像が図５および６に示されている。表面上のＡｇナノクラスターのほとんどは同一の球形を有し、また下に位置するＳｉグレイン格子との重なりのため量的に解釈するのは自明ではないが、Ａｇナノクラスターも結晶性であるという証拠を提供する干渉パターンを示している。
上で簡単に述べたように、ＱＤコア中の結晶性Ｓｉグレインの数と表面上のＡｇナノクラスターの数との間には一般的な相関が見られた。このことは、図２（Ｃ）（コア中に２つのＡｇナノクラスターと２つのＳｉナノグレイン）、図２（Ｄ）（３つのＡｇナノクラスターと３つのＳｉナノグレイン）、図２（Ｅ）（６つのＡｇナノクラスターと６つのＳｉナノグレイン）、図２（Ｆ）（８つのＡｇナノクラスターと９つのナノグレイン）にそれぞれ示されている。このことから、Ａｇナノクラスターが多いほど、Ｓｉナノグレインも多くなる。
さらに、Ａｇマグネトロンスパッタソース１３２のパワーを調整することにより、Ｓｉコア上で核生成するＡｇナノクラスターの数を調整することができる。図３（Ａ）から図３（Ｃ）は、異なるＤＣマグネトロンパワーにより形成されたナノ粒子のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ画像である。図に示すように、６０Ｗのマグネトロンパワーにより低い被覆度が得られ（図３（Ａ））、９０Ｗ（図３（Ｂ））、１２０Ｗ（図３（Ｃ））とパワーが上昇することで被覆度も高くなった。
ＳｉとＡｇとの非混和性は簡潔に上記した。図２（Ａ）の画像は、低原子番号の半導体と高原子番号の金属との混合の形跡のない、分離したＳｉおよびＡｇの部位を示している。この観測は、試料のプラズマ洗浄によりＡｇを除去し、ナノ結晶性Ｓｉコアが無傷で残ったことでさらに裏付けられた。プラズマ洗浄後の例は、図３（Ｅ）のＨＡＡＤ−ＳＴＥＭ顕微鏡画像、図３（Ｄ）および図９のＨＲＴＥＭ明視野像に示されている。これらの図に示したように、ほぼ全てのＡｇ部位がプラズマ洗浄により除去されている。このことは、ナノ粒子の製造に追加の自由度を与えるものである。所与の利用法に有利ならばハイブリッド構造を維持してもよいし、触媒を選択的に除去してコアのみを残してもよい。
本発明は、生成チャンバから堆積基板への移動中に適切な触媒で修飾することで、新たに核生成された量子ドットのナノ構造を意図的に操作するための新規な手法を提供する。本発明は、薄膜材料科学ではよく知られた現象（ＭＩＣ）を、これまで報告されていない構成に適用し、ＱＤナノ構造の制御を容易にし、また異なる分野における多くの潜在的な用途をもたらす。このアプローチは、改良型マグネトロンスパッタ不活性ガス凝縮技術に基づき、半導体ＱＤの制御されたＭＩＣ、および多成分の多結晶性（半導体コア）／（金属サブシェル）ナノ粒子の成長の一般的な方法を提供する。
実施形態のさらなる詳細
以下の説明のいくつかは上述の記載と重なるものであるが、本発明の実施形態の設備および評価のさらなる詳細が以下に説明される。
堆積設備
ＵＨＶ堆積システム（マンティス・デポジション株式会社、ＵＫ）をアモルファス（ａ）Ｓｉおよびナノ結晶性Ｓｉコア／Ａｇサブシェル量子ドット（ＱＤ）の製造に使用した。ＵＨＶシステムの第１のチャンバは、ナノ粒子ビームの形成される凝集チャンバ１０２である。このチャンバはマグネトロンヘッド１０４を含む。マグネトロンヘッド１０４はリニアドライブ１２６により移動可能であり、冷却ジャケットに囲まれており、冷却水用接続ポート１２４から供給される摂氏１６℃の水により定期的に洗浄される。Ａｒ／Ｈｅ混合ガスは、凝集ガスフィード１２８を通じてマグネトロンヘッド１０４に供給され、大きな圧力差のためチャンバ１０２の反対側の端に位置する開口１３０から排出される。Ａｒはスパッタリングガスとして機能し、ヘリウムはキャリアガスとして導入される。
材料（基板およびターゲット）
１”シリコンマグネトロンスパッタリングターゲット（ｎ型Ｓｉ、純度＞９９．９９９％、抵抗率＜０．００１Ω・ｍ、寸法：直径２５ｍｍ×厚さ０．１２５”）をカート・ジェイ・レスカー、ＰＡから購入した。特注の形状の銀マグネトロンスパッタリングターゲット（銀、純度＞９９．９９％、抵抗率〜２×１０−８Ω・ｍ、寸法：長さ１５０ｍｍ×幅５０．８ｍｍ×厚さ３．０ｍｍ）をケーテック株式会社、ＵＫから購入した。ＡＦＭ測定のために、（１００）配向および５ｍｍ×５ｍｍサイズを有するアンドープのＳｉダイスをｍｔｉｘｔｌ、ＵＳＡから購入した。ＴＥＭ／ＳＴＥＭ解析のため、炭素でコーティングされたグリッド（４００メッシュ）をテッド・ペッラ株式会社から購入した。
基板の準備
堆積に先立ち、アセトン、２−プロパノール、および脱イオン純水それぞれの中で５分間、シリコンダイス（ＡＦＭ画像用）に超音波処理を行い、その後に高純度の窒素蒸気の中で乾燥させた。Ｓｉダイスの表面は０．１７ｎｍの一般的なＲＭＳ粗さを示した（コンタクトモードＡＦＭで測定）。ＴＥＭ／ＳＴＥＭ観測のためのＳｉコア／Ａｇサブシェル量子ドットの試料は、ＵＨＶチャンバ中の炭素ＴＥＭグリッドへの直接の堆積により形成された。
Ａ−ＳｉおよびＳｉ−Ａｇナノ粒子の製造
はじめに、不活性ガス雰囲気（分圧７０ＳＣＣＭのＡｒおよび分圧５ＳＣＣＭのＨｅ）中のｎ型ＳｉターゲットからスパッタされたＳｉ原子のフラックスから、気相凝縮によりＳｉナノクラスターを生成する。図１（Ａ）に示すように、ｎ型Ｓｉターゲットは、マンティス・デポジション株式会社製のナノゲントリオイオンクラスターソースの凝集ゾーンとして知られる、水冷されたチューブ内に設置される。図１（Ａ）に示すように、過飽和Ｓｉ蒸気１２０は、不活性ガス雰囲気（分圧７０ＳＣＣＭのＡｒおよび分圧５ＳＣＣＭのＨｅ）中のｎ型Ｓｉターゲットのスパッタリングにより生成される。ガスビームは開口を通じてピックアップチャンバに入り込み、ＤＣマグネトロンにより蒸発したＳｉイオンに衝突する。初期のビームから、Ｓｉ蒸気はＡｒガス分子に捉えられ、凝縮して凝縮液体Ｓｉナノ粒子１１８を生成する。ＳｉＱＤのサイズはピックアップゾーン内の分圧により厳密に制御される。低温のＳｉクラスターを含んだガスビームは、５ｍｍのオリフィスを通り第２ピックアップゾーン（シェルコーターチャンバ１１４）に入る。線形マグネトロンスパッタソース１３２上のＡｇターゲットから生じたＡｇ蒸気は、混和性に応じて、コア・シェルナノ粒子またはバイメタルナノ粒子を形成し、Ａｒガス（ガス流量１０ｓｃｃｍ）に入り込む。試料ホルダは、ファストエントリーロードロックを通ったナノ粒子ビームの前に配置された。試料ホルダには、ナノ結晶性Ｓｉコア／ＡｇサブシェルＱＤの堆積のためのＴＥＭグリッドおよび基板１１０が設置される。凝集チャンバ１０２のピックアップゾーンにおける圧力は約３×１０−１ｍｂａｒだった。基板堆積チャンバにおけるベース圧力は概ね７．０×１０−８ｍｂａｒであり、スパッタリング処理中のＡｒ／Ｈｅの導入により圧力は１．１×１０−３ｍｂａｒまで上昇した。
ナノ結晶性Ｓｉコア／ＡｇサブシェルＱＤの成長は、３つのパラメータ、すなわちマグネトロンに印加されるパワー、凝集ガスの流量と圧力、および凝集ゾーンの長さに大きく依存する。本発明ではこれらのパラメータを適切に調整した。マグネトロンヘッドを最後尾の位置とすることで、凝集ゾーンの長さを最大（９５ｍｍ）とした。いくつかの実施形態では、Ｓｉターゲット（コア）に９０ＷのＤＣパワーのマグネトロン、Ａｇターゲット（コアシェルコーター）に６０Ｗから１２０Ｗを用いて、ナノ結晶性Ｓｉコア／ＡｇサブシェルＱＤを製造する。堆積時間は４０分、基板ホルダの回転は２ｒｐｍだった。
評価
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）はナノ粒子のモルフォロジー特性の評価に用いられた。ロードロック機構は、堆積ＵＨＶシステムから、ＡＦＭ（マルチモード８、ブルカー、ＣＡ）を収納した不活性ガスグローブボックスへの試料の移動を可能とし、これにより大気への暴露が避けられた。０．１ｐｐｍ以下の酸素濃度および湿度を保障されたグローブボックス内の調整されたＮ２環境により、異なるＡＦＭモードを用いた試料の走査が可能である。ノイズレベルを最小化し、最高分解能での動作を確保するため、ＡＦＭスキャナをアクティブ免振テーブル上に設置した。ＡＦＭ走査は、代表的な半径が１０ｎｍ未満のチップをベースとする、市販の窒化シリコンの三角型カンチレバー（バネ定数０．３５Ｎ／ｍ、共振周波数６５ｋＨｚ）を用いたタッピングモードで実施した。高さ分布曲線および二乗平均（ｒｍｓ）粗さは、スキャニング・プローブ・イメージ・プロセッサ（ＳＰＩＰ）ソフトウェア（イメージ・メトロロジー、ホルスホルム、ＤＫ）を使用して、ＡＦＭ画像から算出した。
高分解能明視野（ＢＦ）および高角散乱環状暗視野（ＨＡＡＤＦ）のイメージングは、収差補正ＳＴＥＭイメージング用のプローブ補正装置を備えたＦＥＩタイタン３００ｋＶＴＥＭ／ＳＴＥＭを用いて実行された。ＴＥＭモードでは、球面収差および色収差はそれぞれ１．２ｍｍおよび１．６ｍｍだった。−５０ｎｍから＋６０ｎｍのシェルツァー・デフォーカスの条件において、点分解能は〜０．２０ｎｍだった。ＳＴＥＭモードでは、球面収差は０から５μｍ、色収差は１．８から２．０ｍｍだった。ＳＴＥＭ−ＨＡＡＤＦ分解能の最適値はおよそ０．１ｎｍだった。
上記のように、いくつかの試料をＴＥＭホルダに設置されたままプラズマ洗浄したことで、プラズマ洗浄前後における同一の試料のＴＥＭイメージングが可能であった。ナノ結晶性Ｓｉコア／ＡｇサブシェルＱＤのプラズマ洗浄は、市販のプラズマクリーナー（Ｅ．Ａ．フィチオーネ、モデル１０２０）、ＡｒおよびＯ２の３：１の混合ガスを用い、１３．５６ＭＨｚの振動磁場システム、１２ｅＶ未満と予測されるイオンエネルギーの条件で行った。
図４（Ａ）は、本発明の実施形態に係るナノ粒子のＴＥＭ明視野概観画像である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示された形態の直径の分布を表すヒストグラムである。図４（Ｃ）は、図４（Ａ）に示されたナノ粒子のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ概観画像である。図４（Ｄ）は、図４（Ａ）に示されたナノ粒子の、より高倍率における別のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ概観画像である。図に示すように、この実施形態において平均の直径は１２．４ｎｍであった。
図５は、本発明の実施形態に係るＳｉコア／Ａｇサブシェル量子ドットのＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ画像であり、ＦＦＴパターンとともに表示する。ＦＦＴパターンはこの領域が多結晶質であることを示す。顕微鏡の機械的な不安定性により、ＳＴＥＭスキャニングの欠陥も明白である。
図６は、本発明の実施形態に係るＳｉコア／Ａｇサブシェルナノ粒子上の選択されたＡｇナノクラスターの示された領域のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ画像であり、対応するＦＦＴパターンとともに表示する。ＦＦＴパターンはこれらの領域が結晶質であることを示す。
図７は、それぞれ１５°、０°、および−１５°の角度に傾けた、本発明の実施形態に係る単一のＳｉコア／Ａｇサブシェルナノ粒子のＨＲＴＥＭ画像を示す。これらの画像は、Ｓｉコア／Ａｇサブシェルナノ粒子の上記の構造をさらに確認するものである。
図８（Ａ）は、アモルファスシリコンナノ粒子のＨＲＴＥＭ画像から得られるＦＦＴパターンを示す。図８（Ｂ）は、結晶性シリコンナノ粒子のＨＲＴＥＭ画像から得られるＦＦＴパターンを示す。上記のＦＦＴパターンと比較すると、本発明のナノ粒子が結晶性Ｓｉグレインを有することは明らかである。
図９は、本発明の実施形態に係る、プラズマ洗浄処理後のＳｉコア／ＡｇサブシェルＱＤ（量子ドット）の追加画像を示しており、それぞれ（Ａ）および（Ｃ）は明視野像、（Ｂ）および（Ｄ）はＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ画像である。上記のように、これらの画像はプラズマ洗浄がＳｉコアからＡｇを除去するのに効果的であることを示している。
図１０は、本発明の実施形態に係るＡｇサブシェルに覆われた結晶性ＳｉＱＤのＴＥＭ画像を示しており、（Ａ）は明視野像、（Ｂ）はＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ画像である。これらの画像も、Ａｇサブシェルに覆われたナノスケール結晶化Ｓｉ粒子の上記の特徴を確認するものである。
モデリング
図１１は、ナノ結晶性Ｓｉコア−ＡｇサブシェルＱＤの成長プロセスの概略図である。挿入図は、結晶粒界の厚さを０．６ｎｍと仮定したときのグレイン間領域の体積分率を、グレインサイズの関数として示す。図１１はアモルファスＳｉＱＤからナノ結晶性ＳｉコアＡｇサブシェルナノ粒子への進化の現象論的モデルを示す。最初に、蒸発したＳｉ原子は、液滴へと核生成し、Ｓｉの融点より高い温度で液体の状態にある。これらの粒子は、融点以下に冷却されることで、固体アモルファス構造を形成する。
一方、Ａｇ原子はＡｇスパッタリングターゲットの表面から放出され、アモルファスＳｉクラスターとの相互作用を開始する。ＭＤシミュレーションで確認されているように、微小Ａｇナノクラスターは、Ｓｉの表面で核生成する。この材料の組み合わせの共晶の性質により、Ａｇとの液相結合は、アモルファスＳｉの表面との再反応およびアモルファスＳｉとＡｇサブシェル構造の形成とを同時に引き起こす。共晶点以下に冷却すると、Ａｇクラスターは表面において分離し、両方の材料が結晶構造となる。ここで、Ａｇシードは、アモルファスＳｉの結晶性の向上に中心的な役割を担う。
本発明で説明されたナノ相粒子の微小な寸法のため、無秩序な結晶粒界における原子の体積は、ナノ粒子全体の体積のうちで変則的に大きな割合を占める。Ｓｉグレインの１０面体構造と対応する正１４面体グレイン形状を仮定し、グレインサイズとして短軸ｄ、結晶粒界部分のシェルの厚さｓを有するとすると、グレイン間領域の体積分率は次式で与えられる。
Figure 2016516286
 式１
ここで、下付きのｉｎはグレイン間を意味している。図１１の挿入図は、式１を用いて計算されたグレイン間領域の体積分率を、グレインサイズの関数として示す。我々のナノ粒子の平均直径オーダーのグレインサイズを有するこのモデルによれば、ナノ粒子の平均直径の約半分であるｄ＝６ｎｍにおいて、グレイン間領域の体積分率は２７％である。ｄ＝２．４ｎｍにおいて体積分率は６０％まで増加する、つまりグレイン間領域の体積分率は粒子の体積の約５０％である。このため、同じ成分でグレインサイズが５０ｎｍ以上の従来の粗粒な多結晶体と比較して、本発明のナノ粒子は、高い熱膨張率、大きな比熱、高い強度、および低密度など、良好な物理的特性を示す。
本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく本発明に対して様々な修正及び変形を行えることは当業者には自明であろう。すなわち、本発明は添付の特許請求の範囲とその均等物の範囲内で生じるさまざまな修正及び変形を包含することが意図されている。特に、上述したいずれか２以上の実施形態及びその修正のいずれかの一部又は全体が結合されて本発明の範囲内でみなされることは明示的に熟慮される。
１００ 堆積システム
１０２ 凝集チャンバ
１０４ マグネトロンヘッド（ＤＣマグネトロン）
１０６ スパッタリングターゲット材料
１０８ 試料堆積チャンバ
１１０ 基板
１１２ 凝集ゾーン（ナノ粒子ビームソース）
１１４ シェルコーターチャンバ
１１６ 銀蒸気
１１８ 凝集液体Ｓｉナノ粒子
１２０ 過飽和Ｓｉ蒸気
１２２ 水とガスとの接続ポート
１２４ 冷却水用接続ポート
１２６ ＤＣマグネトロン移動のためのリニアドライブ
１２８ 凝集ガスフィード
１３０ 開口部
１３２ 線形マグネトロンスパッタソース（銀）

Claims (11)

  1. 真空凝集チャンバ内にアモルファス半導体粒子を形成する工程と、
    前記真空凝集チャンバ内に形成された前記アモルファス半導体粒子を、内部に基板が設置された真空堆積チャンバに移動させる工程と、
    前記真空凝集チャンバ内の前記基板に移動中の前記アモルファス半導体粒子に金属触媒の蒸気を供給し、移動中に前記金属触媒により前記アモルファス半導体粒子の少なくとも一部の結晶化を誘起し、これにより前記金属触媒の付着した結晶化半導体粒子を前記基板に堆積させる工程と、を有する結晶化半導体粒子の製造方法。
  2. 前記アモルファス半導体粒子はナノメートルオーダーの寸法を有するアモルファスシリコン粒子である請求項１に記載の結晶化半導体粒子の製造方法。
  3. 前記金属触媒は銀（Ａｇ）である請求項１に記載の結晶化半導体粒子の製造方法。
  4. 前記結晶化半導体粒子にプラズマ洗浄を行い、金属触媒を実質的に除去する工程をさらに有する請求項１に記載の結晶化半導体粒子の製造方法。
  5. 前記アモルファス半導体粒子に前記金属触媒の蒸気を供給する工程は、線形マグネトロンスパッタリングにより前記金属触媒の蒸気を発生させる工程を含む請求項１に記載の結晶化半導体粒子の製造方法。
  6. 前記金属触媒の蒸気を発生させる工程では、平均して所望の数の前記金属触媒からなるドットが前記半導体粒子上に形成されるように、前記線形マグネトロンスパッタリングのパワーを調整する工程を含む請求項５に記載の結晶化半導体粒子の製造方法。
  7. 前記アモルファス半導体粒子に前記金属触媒の蒸気を供給する工程は、各半導体粒子上のドットの数が、形成される多結晶化半導体粒子のそれぞれにおける結晶性グレインの数に対応するように、前記アモルファス半導体粒子上に前記金属触媒からなるドットを形成する工程を含む請求項１に記載の結晶化半導体粒子の製造方法。
  8. 前記アモルファス半導体粒子に前記金属触媒の蒸気を供給する工程において前記アモルファス半導体粒子が多結晶化されることで、前記基板上に多結晶化半導体粒子が堆積される請求項１に記載の結晶化半導体粒子の製造方法。
  9. ナノメートルオーダーの寸法を有する金属誘起多結晶化半導体粒子を含むナノスケール多結晶化半導体粒子。
  10. 前記金属誘起多結晶化半導体粒子は、銀（Ａｇ）により多結晶化されるシリコン粒子である請求項９に記載のナノスケール多結晶化半導体粒子。
  11. 前記金属誘起多結晶化半導体粒子上に銀からなるドットを有する請求項１０に記載のナノスケール多結晶化半導体粒子。
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