JP3464103B2 - 超微細構造体の製造方法 - Google Patents

超微細構造体の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、金属や半導体等の
超微粒子を利用した超微細構造体製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】金属粒子や金属酸化物粒子等の化合物粒
子には、その粒径が 100nm以下というように超微粒子化
すると、通常の粒子(例えば 1μm 以上)とは異なる特
性が出現する。これは、全原子数に対して表面に存在す
る原子数が増加する、すなわち比表面積が増大するため
に、粒子の特性に対して表面エネルギーの影響が無視で
きなくなるためである。
【0003】上述したような超微粒子は、新しい表面現
象の発見やその概略の掌握等に適している。また超微粒
子ではバルクに比べて融点や焼結温度の低下等が起こる
等、バルク材とは異なる特性を示したり、さらには超微
粒子間にトンネル効果が生じたり、また量子力学的効果
(量子井戸、ミニバンド等)、高い触媒特性等が発現す
る可能性がある。これらを利用することにより、材料の
特性改善、超微細な各種デバイスや触媒等の機能材料へ
の応用等が可能であることから、超微粒子自体の物性等
に関する研究や超微粒子の応用に関する研究等が進めら
れている。
【0004】ところで、従来、超微粒子は例えば以下に
示すような物理的方法や化学的方法で作製されている。
すなわち、物理的な超微粒子の製造方法としては、不活
性ガス中で金属等を蒸発させ、ガスとの衝突により冷却
・凝縮させて超微粒子を生成するガス中蒸発法、蒸発源
としてスパッタ現象を利用するスパッタリング法、真空
下で金属を加熱し、蒸発した金属原子を有機溶剤と共に
有機溶剤の凝固点以下に冷却した基板上に共蒸着させて
超微粒子を得る金属蒸気合成法、オイル上に金属を蒸着
させる流動油上真空蒸発法等が例示される。
【0005】また、液相を利用した化学的な超微粒子の
製造方法としては、高分子界面活性剤を共存させたアル
コール中で貴金属塩を還流条件下で還元するコロイド
法、金属アルコキシドの加水分解を利用するアルコキシ
ド法、金属塩の混合液に沈殿剤を加えて沈殿粒子を得る
共沈法等が、さらに気相を利用した化学的な超微粒子の
製造方法としては、金属カルボニル化合物等の熱分解反
応により金属超微粒子を得る有機金属化合物の熱分解
法、金属塩化物を反応ガス気流中で還元・酸化または窒
化して超微粒子を得る金属塩化物の還元・酸化・窒化
法、酸化物・含水化物を水素気流中で加熱して還元する
水素中還元法、金属塩溶液をノズルより噴霧し熱風乾燥
させる溶媒蒸発法等が例示される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の超微
粒子に対する研究や開発は、主として超微粒子の集合体
に関するものであり、超微粒子単体としての性質や応用
に関する研究は十分に行われているとは言えない。これ
は、上述した従来の超微粒子の製造方法にも起因してお
り、従来の製造方法では超微粒子を粒子単体として得る
ことが困難であったためである。
【0007】また、超微粒子をデバイスや各種機能材料
等に応用することが一部で進められているが、従来の製
造方法では超微粒子をたとえ粒子単体として得ることが
できても、その形成位置までは十分に制御することがで
きない。従って、超微粒子を利用した超微細配線、超微
細デバイス、超微細機能材料等の超微細構造体は到底得
ることができず、これが超微粒子の応用展開を妨げてい
る。
【0008】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、各種材料からなる超微粒子の形成位
置等の制御を可能にすることによって、超微粒子を利用
した超微細配線、超微細デバイス、超微細機能材料等を
実現可能にした超微細構造体製造方法を提供すること
を目的としている。
【0009】
【0010】
【0011】
【0012】
【課題を解決するための手段】 発明の超微細構造体の
製造方法は、請求項に記載したように、基板上に、
が0.1〜100μmのスリットを有し、かつ厚さが0.1〜100
μmのターゲット材を配置する工程と、前記ターゲット
材のスリット内壁に対して、前記スリットの長手方向の
形状に沿って同時にまたは連続的に、高エネルギービー
ムを入射角が15〜60度の範囲となるように斜め方向から
照射し、前記ターゲット材の構成原子または構成分子を
離脱させて前記基板上に直径が2〜200nmの複数の超微
粒子を、隣接する前記超微粒子間が接続するように前記
スリットの形状に応じて形成する工程と、前記基板上に
形成した前記複数の超微粒子に電子線を照射し、隣接す
る前記超微粒子間を融合させて連続パターンの超微細構
造体を作製する工程とを具備することを特徴としてい
る。
【0013】本発明の超微細構造体の製造方法は、請求
に記載したように、前記スリットの形状および材質
の少なくとも一方が異なる複数の前記ターゲット材を用
い、これら複数のターゲット材に対して前記高エネルギ
ービームの斜め方向からの照射をそれぞれ行うようにし
てもよい。
【0014】なわち本発明は、基板上にスリットを有
するターゲット材を配置し、このターゲット材のスリッ
ト内壁に対して高エネルギービームを斜め方向から照射
して、ターゲット材の構成原子または構成分子を離脱さ
せることによって、このターゲット材の構成原子または
構成分子からなる複数の超微粒子を連続配置してなる超
微細構造体を、基板上にスリット形状に対応させて形成
し得ることを見出したことに基いて成されたものであ
る。
【0015】本発明の製造方法により得られる超微細構
造体は、基本的に最小幅等を超微粒子の形状により設定
可能であると共に、その形状はスリット形状に対応させ
ることができる。また、超微粒子の構成材料は、ターゲ
ット材の種類、さらには高エネルギービーム照射時の雰
囲気等により決定することができるため、金属超微粒
子、半導体超微粒子、化合物超微粒子等の各種材料の超
微粒子を用いて、さらには材質が異なる複数種の超微粒
子を用いて、ナノオーダーで所望形状の超微細配線、超
微細デバイス、超微細機能材料等を作製することが可能
である。
【0016】また、ターゲット材のスリット内壁への高
エネルギービームの斜め照射により得た複数の超微粒子
に、さらに電子線を照射することによって、隣接する超
微粒子間を融合することができる。これによって、連続
配置した複数の超微粒子からなる超微細構造体の接続関
係の信頼性を高めることができる。
【0017】
【発明の実施の形態】以下、本発明を実施するための形
態について説明する。
【0018】図1は、本発明の超微細構造体の製造工程
の一実施形態を模式的に示す断面図である。同図におい
て、1は超微細構造体形成用の基板であり、この基板1
には各種の固体材料を用いることができる。具体的に
は、結晶基板や非晶質基板等を問わず、種々の固体材料
からなる基板1、例えば金属基板、非金属基板、半導体
基板、化合物基板等を使用することができる。
【0019】上記したような基板1上に、図1(a)に
示すように、超微粒子の形成原料となるターゲット材2
を配置する。このターゲット材2は、図2に示すよう
に、目的とする超微細構造体の形状、すなわち超微粒子
の連続配置形状に応じたスリット3を有しており、この
スリット3の内壁4に対して後述するように高エネルギ
ービーム5が上方斜め方向から照射され、この高エネル
ギービーム5の斜め照射により超微粒子が形成され、さ
らにはそれらを連続配置した超微細構造体が形成され
る。
【0020】スリット3の形状は、図2に示したような
直線形状に限らず、例えば図3に示すように曲折部を有
するようなものであってもよく、またさらに複雑な形状
を有するスリット3を適用することも可能である。この
ようなターゲット材2としては、所望の材料からなるフ
ィルム等にエッチング等の化学的方法や電気化学的方法
でスリット3を形成したり、あるいはレーザビーム等で
スリット3を形成したものを使用することができる。な
お、使用するターゲット材2は 1つに限られるものでは
なく、後述するように複数のターゲット材を組合せて使
用することができる。
【0021】上記したターゲット材2としては、Pt、
Au、Cu、Al等の各種単体金属や合金、Si等の半
導体、金属酸化物、金属塩化物、金属フッ化物、金属ホ
ウ化物等の各種化合物等、種々の固体材料を用いること
ができるが、ターゲット材2の高エネルギービーム5に
対する耐衝撃性、言い換えるとターゲット材2の結晶の
結合エネルギーによりほぼ決定される、ターゲット材2
からの構成原子または構成分子の離脱性等を考慮して、
各種条件を設定するものとする。
【0022】ターゲット材2のスリット3は、超微細構
造体の形成位置を提供すると共に、その内壁4が超微粒
子の形成材料、すなわちターゲット材2の構成原子や構
成分子の供給面となる。従って、スリット3の形状やタ
ーゲット材2の厚さ等は、形成する超微粒子の形状およ
びそれを連続配置した超微細構造体の形状、さらには高
エネルギービーム5の入射角θ等を考慮して設定するも
のとする。
【0023】具体的には、スリット3の高エネルギービ
ーム5の照射方向に対して平行方向の幅wは0.1〜100μ
m、ターゲット材2の厚さは0.1〜100μmの範囲とするこ
とが好ましい。スリット3の幅があまり小さかったり、
またターゲット材2があまり薄いと、高エネルギービー
ム5の入射角θが制限を受けて超微粒子の形成、ひいて
は超微細構造体の形成が困難となるおそれがあり、また
スリット3の幅があまり大きすぎたり、またターゲット
材2があまり厚くても、超微粒子さらには超微細構造体
の形成が困難となる。
【0024】また、スリット3の幅wとターゲット材2
の厚さtは、高エネルギービーム5の入射角θに影響を
及ぼし、この高エネルギービーム5の入射角θは直径2
〜200nmの範囲の超微粒子からなる超微細構造体を得る
上で、15〜60°の範囲となるように設定することが好ま
しいことから、スリット3の幅wおよびターゲット材2
の厚さtは、tan-1(t/w)が15〜60°の範囲とな
るように設定することが好ましい。さらに好ましくは、
tan-1(t/w)が30〜45°の範囲となるように、ス
リット3の幅wおよびターゲット材2の厚さtを設定す
る。
【0025】上述したようなターゲット材2のスリット
内壁4に対して、図1(b)および図4に示すように、
高エネルギービーム5を上方斜め方向から照射する。こ
の高エネルギービーム5の斜め照射は、スリット内壁4
全体に対して同時に(一括して)行ってもよいし、また
ビーム径を絞った高エネルギービーム5を、スリット内
壁4に沿って繰り返し連続的に照射してもよい。さら
に、スリット内壁4のある位置に対して所望粒径の超微
粒子6が基板1上に形成されるまで高エネルギービーム
5の斜め照射を実施した後、スリット3の長手方向に照
射位置をずらして同様にスリット内壁4に対してイオン
ビーム4を照射し、これをスリット3の形状に沿って連
続して実施する等、種々の照射形態を採用することがで
きる。
【0026】上記したスリット内壁4に対する高エネル
ギービーム5の斜め照射によって、ターゲット材2の構
成原子または構成分子が離脱(図中、点線矢印で示す)
し、これらが基板1上に付着して超微粒子6を形成す
る。ここで、照射する高エネルギービーム5は、特に限
定されるものではなく、ターゲット材2から構成原子や
構成分子を離脱させ得るエネルギーを有していればよ
い。例えば、加速電圧 2〜5kV、ビーム電流 0.1〜 1mA
程度のアルゴンイオンビームのようなイオンビーム、こ
のイオンビームと同等の衝撃をターゲット材2に与える
ことができる電子線、レーザビーム、X線、γ線、中性
子線等が挙げられる。
【0027】高エネルギービーム5としてイオンビーム
を用いる場合、加速電圧やビーム電流が小さすぎるとタ
ーゲット材2から構成原子や構成分子を効率よく離脱さ
せることができず、一方加速電圧やビーム電流が大きす
ぎるとターゲット材2の損傷のみが増大して構成原子や
構成分子の離脱状態を制御することが困難となる。高エ
ネルギービーム5として電子線、レーザビーム、X線、
γ線、中性子線等を用いる場合についても同様である。
また、高エネルギービーム5の照射雰囲気は、使用ビー
ムに応じて設定すればよく、例えば真空雰囲気、アルゴ
ン雰囲気のような不活性雰囲気等が挙げられ、また化合
物からなる超微粒子を形成する場合には酸素含有雰囲気
や窒素雰囲気等を用いることもできる。
【0028】上記した高エネルギービーム5の斜め照射
を一定時間継続して、ターゲット材2から連続して構成
原子や構成分子を離脱させることによって、超微粒子6
を目的形状まで成長させる。ここで、超微粒子6の個々
の形状は、最終的な超微細構造体の形状等に応じて適宜
設定するものとするが、本発明の目的であるナノオーダ
ーの超微細構造体を得る上で、超微粒子6の直径は 2〜
200nmの範囲とすることが好ましい。直径が 2nm未満の
超微粒子6は形成が困難であり、一方超微粒子6の直径
が 200nmを超えるとナノオーダーの超微細構造体として
の効果が損われてしまう。超微粒子6の直径は 2〜 100
nmの範囲とすることがさらに好ましく、またさらには 2
〜50nmの範囲とすることが望ましい。高エネルギービー
ム5の照射時間は、高エネルギービーム5の強度や目的
する超微粒子6の大きさ等に応じて適宜設定するものと
する。
【0029】そして、上述した超微粒子6の形成を、例
えば高エネルギービーム5の斜め照射をスリット内壁4
全体に対して同時にもしくは連続して行うことによっ
て、図1(c)に示すように、スリット3の長手方向の
形状に沿って超微粒子6が連続配置されるため、複数の
超微粒子6を所望形状に連続配置した超微細構造体7を
形成することができる。また、高エネルギービーム5を
スリット内壁4に沿って順に照射する場合においても、
高エネルギービーム5の各照射位置を制御することによ
って、複数の超微粒子6を所望形状に連続配置すること
ができ、これにより所望形状に連続配置された複数の超
微粒子6からなる超微細構造体7を得ることができる。
【0030】なお、図1(c)では、基板1上にスリッ
ト3の幅w方向および高さt方向に1つずつ超微粒子6
を連続配置して超微細構造体7を作製した場合を示した
が、本発明の超微細構造体7はこれに限らず、スリット
3の幅w方向や高さt方向に複数の超微粒子6を配置し
つつ、スリット3の長手方向に超微粒子6を連続配置し
て超微細構造体7を作製することもできる。
【0031】上記した高エネルギービーム5を照射する
際の基板1は、室温に保持された状態であってもよい
し、また加熱した状態としてもよい。これら基板1の温
度は、得られる超微粒子6の結晶状態に影響を及ぼし、
基板1を室温状態とした場合には、結晶性の低いあるい
は非晶質状態の超微粒子6が得られやすい。また、基板
1を加熱した場合には、その温度により超微粒子6の結
晶状態を制御することができる。また、この超微粒子6
の結晶状態は、超微粒子形成後の基板加熱や電子線照射
等によっても制御することができる。
【0032】ここで、高エネルギービーム5の斜め照射
により形成した超微細構造体7は、基本的には連続して
いるものの、形成条件によっては隣接する超微粒子6間
の接続状態が不安定な場合がある。このような場合にお
いても、例えば図1(d)に示すように、超微細構造体
7全体に例えば電子線8を照射することによって、隣接
する超微粒子6間を融合させることができる。これによ
って、超微粒子6間を融合させた連続パターンの超微細
構造体7′を得ることができる。このように、超微粒子
6間を融合させることによって、超微粒子6間の接続状
態、例えば電気的な接続状態等は大幅に改善される。超
微粒子6間の融合に使用する電子線7としては、例えば
1×1019e/cm2 ・sec 以上の強度を有するものが好まし
く、これにより超微粒子6間の融合を安定して行うこと
ができる。
【0033】このようにして得られる超微細構造体7
(融合させた超微細構造体7′を含む)は、基板1上の
形成位置をターゲット材2のスリット3に対応させた上
で、その最小幅を超微粒子6の直径、例えば 2〜 200nm
程度、さらには 2〜 100nm程度に制御することができ
る。なお、超微粒子6の大きさ等は、基板1の温度、高
エネルギービーム5の強度、照射時間、照射雰囲気、タ
ーゲット材2の厚さ、スリット3の幅等によって制御す
ることができ、超微細構造体7の形状に応じて種々の超
微粒子6を得ることができる。
【0034】上述した実施形態では、 1種類のターゲッ
ト材2を用いる場合について説明したが、例えば以下に
示すように、スリット形状が異なる同材質の複数のター
ゲット材、材質が異なる複数のターゲット材、スリット
形状および材質が異なる複数のターゲット材等、各種形
態で複数のターゲット材を組合せて使用することができ
る。
【0035】例えば、図5(a)に示すように、第1の
パターンのスリット3Aを有する第1のターゲット材2
Aをまず基板1上に配置し、上述した高エネルギービー
ムの斜め照射を行い、超微粒子を第1のパターンに連続
配置する。次いで、図5(b)に示すように、ターゲッ
ト材を第2のパターンのスリット3Bを有する第2のタ
ーゲット材2Bに取換え、この第2のターゲット材2B
に対して高エネルギービームの斜め照射を実施して、超
微粒子を第2のパターンに連続配置する。
【0036】このように、スリット3A、3Bのパター
ンが異なる複数のターゲット材2A、2Bを用いること
によって、図5(c)に示すように、第1のパターンに
連続配置された超微粒子6aと第2のパターンに連続配
置された超微粒子6bとからなる超微細構造体7を得る
ことができる。
【0037】上記したように、スリット形状が異なる複
数のターゲット材を用いることによって、より複雑なパ
ターンを有する超微細構造体7を作製することができ
る。またこの際に、ターゲット材2A、2Bの材質を変
えることによって、材質の異なる超微粒子を組合せた超
微細構造体を作製することができる。さらに、スリット
形状が同一で、材質が異なる複数のターゲット材を用い
れば、材質の異なる複数種の超微粒子の混合物、化合
物、合金等からなる超微細構造体を得ることもできる。
このように、ターゲット材の材質やスリットの形状は任
意に選択できるため、種々の形態の超微細構造体を得る
ことが可能である。
【0038】上述したように、ターゲット材2のスリッ
ト内壁4への高エネルギービーム5の斜め照射により、
複数の超微粒子6を所望形状に連続配置して形成した超
微細構造体7は、スリット3により全体形状を制御する
ことができると共に、その幅を超微粒子6の直径に応じ
てナノオーダーとすることができため、超微粒子を利用
したナノオーダーの超微細配線、超微細デバイス、超微
細機能材料等を実現することが可能となる。
【0039】例えば、幅10nm程度の超微細構造体7を超
微細配線に適用することによって、集積度が 5〜 10Gク
ラスの配線を実現することが可能となる。また、材質の
異なる複数のターゲット材2を使用して、例えば導電性
の金属超微粒子と半導体超微粒子と絶縁性の金属酸化物
等からなる化合物超微粒子とを組合せて配置することに
よって、超微細構造体7を超微細トランジスタ、超微細
ダイオード、超微細超電導デバイス等の超微細電子デバ
イス、さらには超微細光デバイスや超微細磁気デバイス
等として利用することができる。さらに、スリット3の
形状を適宜選択し、超微細構造体7を部分的に断続形成
することによって、例えば超微粒子間のトンネル効果や
量子力学的効果(量子井戸、ミニバンド等)を利用した
超微細電子デバイス等として、超微細構造体7を使用す
ることも可能である。
【0040】これら以外に、非線形光学材料、触媒、生
体用材料、原子フィルタ等の各種機能材料に、本発明の
超微細構造体7を応用することができる。さらに、上記
した各種電子デバイスや機能材料等に本発明の超微細構
造体7を応用する際に、超微粒子6の構成材料や結晶状
態等を制御できることから、応用可能性の探索や応用範
囲の拡大等を図ることが可能となる。
【0041】
【実施例】次に、本発明の具体的な実施例について述べ
る。
【0042】実施例1 まず、図1に示した超微細構造体の製造工程において、
基板1として炭素フィルムを用い、この炭素フィルム上
にターゲット材2として、幅 0.5μm の直線形状のスリ
ット3を有する厚さ 0.5μm のAlターゲット材を配置
した。これらを真空室内の室温ステージ上にセットし
た。
【0043】次いで、Alターゲット材のスリットの長
手方向の内壁全体に対して、加速電圧 3.5kV、ビーム電
流 0.5mAのArイオンビームを斜め方向から 180秒間照
射した。Arイオンビームの入射角θは40°とした。ま
た、Arイオンビーム照射時の雰囲気は、 1×10-3Pa程
度の真空(Arを含む)とした。
【0044】上記したArイオンビームの照射後に、炭
素フィルム上をTEM観察したところ、炭素フィルム上
にはスリット形状に対応して、直径約 5nm程度の複数の
Al超微粒子が連続配置されていることが確認された。
【0045】上述した複数のAl超微粒子は、隣接する
Al超微粒子間がほぼ接続していたが、さらに 1×1020
e/cm2 ・sec の電子線を 300秒間照射したところ、Al
超微粒子間が融合して、連続パターン化することが確認
された。
【0046】このように、Alターゲット材のスリット
内壁に対して、Arイオンビームを斜め方向からスリッ
ト形状に沿って同時照射することによって、Alターゲ
ット材からAl原子(Alクラスター)を離脱させてA
l超微粒子が形成されると共に、形成されたAl超微粒
子はスリット形状に沿って連続配置されるため、所望形
状にAl超微粒子を連続配置した超微細構造体、例えば
Al超微細配線等を形成することができる。
【0047】実施例2 ターゲット材を同様なスリットを有するSiターゲット
に代える以外は、実施例1と同様に、Arイオンビーム
の斜め照射を実施したところ、炭素フィルム上のスリッ
トに対応した位置に、複数のSi超微粒子が連続配置さ
れていることが確認された。なお、Si超微粒子の直径
は約 8nm程度であった。
【0048】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば超
微粒子を利用した各種形状、各種特性の超微細構造体を
得ることができる。従って、超微粒子を利用した超微細
配線、超微細デバイス、超微細機能材料等の応用開発に
大きく貢献するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の超微細構造体の一実施形態による製
造工程を模式的に示す断面図である。
【図2】 本発明の超微細構造体を製造する際に用いる
ターゲット材の一構成例を示す図である。
【図3】 本発明の超微細構造体を製造する際に用いる
ターゲット材の他の構成例を示す図である。
【図4】 本発明の超微細構造体の製造過程における高
エネルギービームの照射工程を一部断面で示す斜視図で
ある。
【図5】 本発明の超微細構造体の他の実施形態による
製造工程を模式的に示す斜視図である。
【符号の説明】
1……基板 2、2A、2B……ターゲット材 3、3A、3B……スリット 4……スリット内壁 5……高エネルギービーム 6……超微粒子 7……超微細構造体 7′…融合させた超微細構造体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C23C 14/00 - 14/58 H01L 21/203

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上に、幅が0.1〜100μmのスリット
    を有し、かつ厚さが0.1〜100μmのターゲット材を配置
    する工程と、 前記ターゲット材のスリット内壁に対して、前記スリッ
    トの長手方向の形状に沿って同時にまたは連続的に、
    エネルギービームを入射角が15〜60度の範囲となるよう
    斜め方向から照射し、前記ターゲット材の構成原子ま
    たは構成分子を離脱させて前記基板上に直径が2〜200
    nmの複数の超微粒子を、隣接する前記超微粒子間が接続
    するように前記スリットの形状に応じて形成する工程
    前記基板上に形成した前記複数の超微粒子に電子線を照
    射し、隣接する前記超微粒子間を融合させて連続パター
    ンの超微細構造体を作製する工程と を具備する ことを特
    徴とする超微細構造体の製造方法。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の超微細構造体の製造方法
    において、 前記超微粒子として金属超微粒子、半導体超微粒子また
    は化合物超微粒子から選ばれる少なくとも1種を形成す
    ることを特徴とする超微細構造体の製造方法。
  3. 【請求項3】 請求項記載の超微細構造体の製造方法
    において、 前記スリットの形状および材質の少なくとも一方が異な
    る複数の前記ターゲット材を用い、これら複数のターゲ
    ット材に対して前記高エネルギービームの斜め方向から
    の照射をそれぞれ行うことを特徴とする超微細構造体の
    製造方法。
  4. 【請求項4】 請求項記載の超微細構造体の製造方法
    において、 前記高エネルギービームとして、イオンビームを用いる
    ことを特徴とする超微細構造体の製造方法。
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