JP3864232B2 - ナノギャップ電極の製造方法及び該方法により製造されたナノギャップ電極を用いた素子 - Google Patents
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Description
このようなナノ分子構造を直接利用したデバイスを作製するためには、この構造を下回るギャップ幅を持つ電極が必要である。
(1)Nano Lett.3(2003) 1371(非特許文献2)
この論文で報告されている技術は、電子ビーム描写を用いて微細なシャドウマスクを作製し、このマスクにより500nm程度の電極パターンを作製するものである。しかし、この技術では、シャドウマスクの端で金属がマイグレーションを起こしやすく、100nm以下のギャップ幅の電極の作製は難しいと考えられる。
(2)Appl. Phys. Lett.82(2003) 793(非特許文献3)
この論文で報告されている技術は、PDMS(Polydimethylsiloxane)と呼ばれる軟らかい有機分子基板上に光露光などでレジストをパターンニングしナノギャップ電極を作製するものである。この技術で作製した電極を、分子を展開した基板の上にハンコを押す要領で押し付けて、トップコンタクト型のナノギャップ電極が実現される。ここに開示されている手法ではギャップ幅が150nm〜25μmの電極が実現され、特殊な材料を用いた場合には50nmのギャップ幅の電極が実現することができると報告されているが、このような手法では、一般には100nm以下のギャップ幅を有する電極構造の作製は困難である。
また、本発明は、光露光や電子ビーム露光などのウェットプロセスを用いることなく、ミクロンオーダー程度のパターンニング精度の技術を用いて、上記のようなギャップ幅のナノギャップ電極を製造する方法及び該方法により製造されたトップコンタクト型ナノギャップ電極を用いた素子を提供することを別の課題とする。
(1)(A)基板上に、ナノレベルで平坦な壁面エッジを持つプレートをあてがうプレート適用工程と、
(B)プレートを第一のマスクとして、基板面及びプレートのエッジ面に対して導電性材料を斜め蒸着し、電極エッジ角度θ1(0°<θ1<90°)となるように第一番目の電極層を設ける第一の蒸着工程と、
(C)第一のマスク取り外し工程と、
(D)スリットを持つメタルマスクを第二のマスクとして、基板上に形成された第一番目の電極に対して該スリットが直角となる方向にあてがうメタルマスク適用工程と、
(E)前記蒸着方向と同じ方向から基板面に対して蒸着角度θ2(0°<θ2<θ1<90°)で導電性材料を斜め蒸着し、ナノメートルスケール・オーダーのギャップが形成されるように第二番目の電極層を設ける第二の蒸着工程と、
(F)第二のマスク取り外し工程と
からなることを特徴とするナノギャップ電極の製造方法。
(2)(A)基板上に機能性薄膜又は機能性ナノ構造体を展開する展開工程と、
(B)機能性薄膜又は機能性ナノ構造体が展開された基板上に、ナノレベルで平坦な壁面エッジを持つプレートをあてがうプレート適用工程と、
(C)該プレートを第一のマスクとして、導電性材料を斜め蒸着し、基板面及びプレートのエッジ面に対して導電性材料を斜め蒸着し、電極エッジ角度θ 1 (0°<θ1<90°)となるように第一番目の電極層を設ける第一の蒸着工程と、
(D)第一のマスク取り外し工程と、
(E)スリットを持つメタルマスクを第二のマスクとして、基板上に形成された第一番目の電極に対して該スリットが直角となる方向にあてがうメタルマスク適用工程と、
(F)前記蒸着方向と同じ方向から基板面に対して蒸着角度θ2(0°<θ2<θ1<90°)で導電性材料を斜め蒸着し、200nm幅以下のギャップが形成されるように第二番目の電極層を設ける第二の蒸着工程と、
(G)第二のマスク取り外し工程と
からなることを特徴とするナノギャップ電極の製造方法。
(3)前記(1)又は(2)の方法により製造されたナノギャップ電極を用いた素子。
また、本発明によれば、上記と同様の手法により、上記と同様なギャップ幅のトップコンタクト型ナノギャップ電極及び該トップコンタクト型ナノギャップ電極を用いた素子を
本発明のナノギャップ電極の製造方法は、
(A)基板上に、ナノレベルで平坦な壁面エッジを持つプレートをあてがうプレート適用工程、
(B)プレートを第一のマスクとして、基板面及びプレートのエッジ面に対して導電性材料を斜め蒸着し、電極エッジ角度θ1(0°<θ1<90°)となるように第一番目の電極層を設ける第一の蒸着工程、
(C)第一のマスク取り外し工程、
(D)スリットを持つメタルマスクを第二のマスクとして、基板上に形成された第一番目の電極に対して該スリットが直角となる方向にあてがうメタルマスク適用工程、
(E)前記蒸着方向と同じ方向から基板面に対して蒸着角度θ2(0°<θ2<θ1<90°)で導電性材料を斜め蒸着し、ナノメートルスケール・オーダーのギャップが形成されるように第二番目の電極層を設ける第二の蒸着工程、
(F)第二のマスク取り外し工程
の各工程からなる。
(A)基板上に機能性薄膜又は機能性ナノ構造体を展開する展開工程、
(B)機能性薄膜又は機能性ナノ構造体が展開された基板上に、ナノレベルで平坦な壁面エッジを持つプレートをあてがうプレート適用工程、
(C)該プレートを第一のマスクとして、導電性材料を斜め蒸着し、基板面及びプレートのエッジ面に対して導電性材料を斜め蒸着し、電極エッジ角度θ 1 (0°<θ1<90°)となるように第一番目の電極層を設ける第一の蒸着工程、
(D)第一のマスク取り外し工程、
(E)スリットを持つメタルマスクを第二のマスクとして、基板上に形成された第一番目の電極に対して該スリットが直角となる方向にあてがうメタルマスク適用工程と、
(F)前記蒸着方向と同じ方向から基板面に対して蒸着角度θ2(0°<θ2<θ1<90°)で導電性材料を斜め蒸着し、ナノメートルスケール・オーダーのギャップが形成されるように第二番目の電極層を設ける第二の蒸着工程、
(G)第二のマスク取り外し工程
の各工程からなる。
本発明方法では、図2(a)に示すような、基板上に有機分子を展開させた基板においても適応ができる。なお、本明細書中において「展開」とは、真空蒸着、スピンコートなど様々な手法で有機分子を基板上に吸着させることを意味する。有機分子の展開の形態は、機能性薄膜又は機能性ナノ構造体(例えば、後述する自己組織化一次元構造体)とすることができる。
図2(b)に示すように、ナノレベルで平坦な壁面エッジを持つプレートを、基板上に重ねる。そして、プレートをマスクにして(プレートのエッジ面を電極エッジ部分のマスクにする)金属を斜め蒸着する。これにより電極エッジ角度がθ1の電極が形成される。その後、プレートを外す。なお、本明細書中「ナノレベルで平坦」とは、ナノスケール以下の凹凸で平坦であるという意味である。また、本明細書中「エッジ」とは、対象となるもの(プレート、電極など)の角の部分という意味である。
次に、図2(c)に示すように、スリットを有するメタルマスクを、作製した電極に対して直角になるように重ねて、図の方向にθ2の角度をつけて金属を斜め蒸着する。
最後に、メタルマスクを外して、図2(d)に示すようなナノギャップ型電極が得られる。
G=H(cotanθ2−cotanθ1) (1)
の関係が有り、蒸着の条件によりギャップサイズの制御ができる。現在、本発明者らは、この技術により、10nm〜200nmのギャップサイズを実現している。
まず一回目の蒸着の前にθ1のエッジ角度がどの程度の大きさになるのか前もって検証する必要がある。今回の蒸着条件ではこの電極エッジ角度θ1は大よそ35°であった。使用した基板は膜厚400nmの酸化シリコン層が表面を覆っているシリコン基板を用いた。また、電極の金属は、接着層に2nm程度のCr層を用い、その上に金電極を蒸着したものとした。金属電極の蒸着厚さは式(1)に従い調節した。本例ではH=50nm,θ2=30°で行った。
より詳しくは、膜厚400nmの酸化シリコン層が表面を覆っているシリコン基板上に、劈開したシリコンプレートを密着させ、上記の条件で金属を斜め蒸着させた(Cr+Au)。次に、シリコンプレートを取り外し、スリットを有するメタルマスクを、スリットが、先に形成された金属電極と直角となるように重ね、二回目の金属斜め蒸着を行った(Cr+Au)。その後、メタルマスクを取り外すと、ナノギャップ電極が得られた。
ポルフィリン系の分子であるTPPS(5,10,15,20−tetraphenyl−21H,23H−porphine tetrasulfonic acid)(分子構造は図5参照)水溶液を基板に滴下すると、特徴的な自己組織化一次元構造を形成された(図6の原子間力顕微鏡(AFM)像参照)。この一次元構造は図5のTPPSがπ−スタッキングしたことによるナノスケール針状結晶構造である(図6中の模式図参照)。この結晶を展開した基板の上に当該技術によりナノギャップ電極を作製した。ナノギャップ電極の作製条件は次の通りである。
基板:膜厚400nmの酸化シリコン層が表面を覆っているシリコン基板
プレート:劈開したシリコンプレート
第一回目の蒸着金属:Cr+Au
θ1:35°
第二回目の蒸着金属:Cr+Au
θ2:15°
H:100nm
作製した試料のAFM像を図7に示す。AFM像及び高さ解析の結果、このナノギャップ電極のギャップサイズは約80nmであり、ナノギャップ構造が形成されていることがわかる。また、左右の電極に渡ってTPPSの自己組織化構造が崩れずに構造が保たれているため、電極作製による影響があまりないことがわかる。図8は当電極によるTPPS分子のI−V測定の結果を示している。このように本発明の当該技術により基板表面の自己組織化構造に極力影響を与えず、100nm以下のギャップサイズで電気特性評価に成功した。
Claims (3)
- (A)基板上に、ナノレベルで平坦な壁面エッジを持つプレートをあてがうプレート適用工程と、
(B)プレートを第一のマスクとして、基板面及びプレートのエッジ面に対して導電性材料を斜め蒸着し、電極エッジ角度θ1(0°<θ1<90°)となるように第一番目の電極層を設ける第一の蒸着工程と、
(C)第一のマスク取り外し工程と、
(D)スリットを持つメタルマスクを第二のマスクとして、基板上に形成された第一番目の電極に対して該スリットが直角となる方向にあてがうメタルマスク適用工程と、
(E)前記蒸着方向と同じ方向から基板面に対して蒸着角度θ2(0°<θ2<θ1<90°)で導電性材料を斜め蒸着し、ナノメートルスケール・オーダーのギャップが形成されるように第二番目の電極層を設ける第二の蒸着工程と、
(F)第二のマスク取り外し工程と
からなることを特徴とするナノギャップ電極の製造方法。 - (A)基板上に機能性薄膜又は機能性ナノ構造体を展開する展開工程と、
(B)機能性薄膜又は機能性ナノ構造体が展開された基板上に、ナノレベルで平坦な壁面エッジを持つプレートをあてがうプレート適用工程と、
(C)該プレートを第一のマスクとして、基板面及びプレートのエッジ面に対して導電性材料を斜め蒸着し、電極エッジ角度θ1(0°<θ1<90°)となるように第一番目の電極層を設ける第一の蒸着工程と、
(D)第一のマスク取り外し工程と、
(E)スリットを持つメタルマスクを第二のマスクとして、基板上に形成された第一番目の電極に対して該スリットが直角となる方向にあてがうメタルマスク適用工程と、
(F)前記蒸着方向と同じ方向から基板面に対して蒸着角度θ2(0°<θ2<θ1<90°)で導電性材料を斜め蒸着し、ナノメートルスケール・オーダーのギャップが形成されるように第二番目の電極層を設ける第二の蒸着工程と、
(G)第二のマスク取り外し工程と
からなることを特徴とするナノギャップ電極の製造方法。 - 請求項1又は2の方法により製造されたナノギャップ電極を用いた素子。
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