JP4016105B2 - Manufacturing method of silicon nanowires - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、半導体等の情報通信用デバイスあるいはナノマシン用部材等として有用なシリコンワイヤーの製造方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、切断、組み立てが容易で次世代3次元半導体の材料、ナノマシン用軸、ナノピンセット等に好適なシリコンのナノワイヤーの製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術とその課題】
従来より、シリコンナノワイヤーは、溶融法等により製造されることが知られている(文献1)。
【0003】
しかしながら、この溶融法では結晶方位や長さが均質なナノワイヤーを得るために不可欠である高精度の温度制御が困難である。
【0004】
また、電気炉による加熱で製造することも報告されている(文献2)。
【0005】
だが、この方法でも、温度が均一でなく、高精度の温度制御が困難であるだけでなく、製造工程においてシリコンの他にSiO2等の酸化物を加えることが必要であるため不均一な構造のシリコンナノワイヤーしか得られていない。
【0006】
【文献】
文献1:特願2001−333257号
文献2:Z.W.Pan, Z.R.Dai, L.Xu, S.T.Lee, Z.L.Wang, J.Phys.Chem.,B2001,105, p2507-2514
【0007】
そこで、この出願の発明は、以上のとおりの従来技術の問題点を解消し、簡便でしかも結晶方位が揃いサイズが一定で、かつ直線部分が数mmにもおよぶシリコンナノワイヤーまたはシリコン合金のナノワイヤーの製造を可能とする新しい方法を提供することを課題としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第1には、キャリアーガスの流通下において、シリコンあるいはシリコン・ゲルマニウム合金をその融点よりも低い温度で蒸発させ、キャリアーガスの流通下流域の均熱部において900℃以上1300℃以下の温度範囲でシリコンのナノワイヤーを成長させることを特徴とするシリコンナノワイヤーの製造方法を提供する。
【0009】
また、第2には、上記方法において、1300℃を超えて1400℃以下の温度にてシリコンを蒸発させることを特徴とするシリコンナノワイヤーの製造方法を、第3には、均熱部の温度は、蒸発温度の降下の過程の温度として、100℃以内の温度変動幅で安定化されていることを特徴とするシリコンナノワイヤーの製造方法を、第4には、キャリアーガスは、アルゴンガス、水素ガスまたはその混合ガスであることを特徴とするシリコンナノワイヤーの製造方法を、第5には、キャリアーガスの流量が1cm3/min〜1000cm3/minであって、均熱部の区分長さが5cm以上であることを特徴とするシリコンナノワイヤーの製造方法を提供する。
【0010】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【0011】
この出願の発明の方法では、前記のとおり、キャリアーガスの流通下において、シリコンをその融点よりも低い温度で蒸発させ、キャリアーガスの流通下流域の均熱部において900℃以上1300℃以下の温度範囲でシリコンのナノワイヤーを成長させることにより、これらナノワイヤーの成長速度を高精度に制御することを可能としている。従来法のように、反応過程で酸化物等の異物を添加する必要がなく、しかも均一な温度分布帯が形成される、長尺のナノワイヤ生成領域としての均熱部でナノワイヤーが生成されるため、シリコンナノワイヤーは、その結晶方位が揃い、サイズが一定で、かつ数mmにおよぶ長さの直線的な形状をもつものとなる。
【0012】
この出願の発明においては、シリコンナノワイヤーを製造するが、前記の蒸発では、シリコンの粉末あるいはその圧粉体、さらには仮焼した焼成体のいずれの形態のものでも蒸発の対象とすることができる。この場合の蒸発については、融点より低い温度において行われるが、実際的には、1300℃を超えて1400℃以下の温度にてシリコンを蒸発させることが好ましい。
【0013】
そして、均熱部の温度は、蒸発温度の降下の過程の温度として、150℃以内の、より好ましくは、100℃以内の温度変動幅で安定化されていることが考慮される。
【0014】
キャリアーガスとしては、希ガスや水素ガスが考慮されるが、実際的には、アルゴンガス、水素ガスまたはその混合ガスであることが好ましい。
【0015】
反応装置の大きさや形状によっても相違するが、この出願の発明においては、たとえば、キャリアーガスの流量を1cm3/min〜1000cm3/minとし、均熱部の区分長さを5cm以上とすることが一般的な目安として考慮される。
【0016】
たとえば、図1は、この出願の発明の方法を実施するための反応装置の一例を示した構成図である。この図1に沿って説明すると、キャリアーガス(5)の流通下にある反応管(1)は、蒸発部(A)を有し、均熱部(B−C)の区分を有し、この反応管(1)は、加熱炉(2)内に装入されている。
【0017】
蒸発部(A)では、たとえばシリコン(4)が加熱されて蒸発し、主として、均熱部(B−C)において900℃以上1300℃以下の温度範囲で加熱されることで、シリコンナノワイヤー(3)が成長することになる。
【0018】
図2はこの反応装置における位置(A)(B)(C)の距離と、温度の分布を例示した図である。この例では、蒸発部(A)において、シリコン(4)の融点(m.p.1420℃)より低い温度(1340℃)でシリコン(4)を蒸発させている。そして、位置(B)および(C)は、各々、1270℃および1290℃に保たれ、この位置(B)と(C)の間が均熱部を構成している。
【0019】
そこで以下に、図1の反応装置を用い、図2の温度分布に沿った実施例を示し、さらに詳しく説明する。もちろん、以下の例によって発明が限定されることはない。
【0020】
【実施例】
純度99.999%のシリコン粉末を乳鉢で300メッシュ(約50μm粒径)になるように微粉末化する。得られた微粉末シリコンを10-6Torrの減圧に保持して1170℃で2時間かけて仮焼結する。仮焼結されたシリコンを図1に例示した反応装置の反応管(1)内のアルミナボートに入れる。また、ナノワイヤー成長基板を反応管(1)内下流側にセットする。
【0021】
シリコン(4)を、大気圧下で、流量20cm3/minのアルゴンガスの流通下に、蒸発部(A)の温度を1340℃として蒸発させる。
【0022】
蒸発部(A)から10cm下流側の地点(B)から、さらに10cm下流側の地点(C)までの間を均熱部として、図2のとおりの温度プロファイルとなるようにした。
【0023】
均熱部において生成、生成されたシリコンナノワイヤーの走査型電子顕微鏡(SEM)像を示したものが図3および図4である。
【0024】
生成されたシリコンナノワイヤーは図3および図4から明らかなように数mmの直線形状をしている。さらに透過型電子顕微鏡で観察すると図5に示すように直線的でかつ、電子線回折パターンから見られるように、結晶性でかつ均一なシリコンナノワイヤーであって、一本一本のナノワイヤーの径は数50nm〜100nmであり、長さが数mmであることが確認される。
【0025】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、簡便な方法で、切断、組み立てなどが容易な、次世代3次元半導体の材料、ナノマシン用軸、ナノピンセット等の部材として好適なシリコンナノワイヤーを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】反応装置を例示した構成図である。
【図2】図1の装置における位置と温度プロファイルを例示した図である。
【図3】シリコンナノワイヤーの走査型電子顕微鏡写真である。
【図4】拡大した走査型電子顕微鏡写真である。
【図5】シリコンナノワイヤーの透過型電子顕微鏡写真と電子線回折結果を示した図である。
【符号の説明】
1 反応管
2 加熱炉
3 シリコンナノワイヤー
4 シリコン
5 キャリアーガス[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The invention of this application relates to a method for producing a silicon wire useful as an information communication device such as a semiconductor or a member for a nanomachine. More specifically, the invention of this application, cutting, those assembled easily the next generation three-dimensional semiconductor materials, nanomachines for shaft, a method for manufacturing a nanowire suitable silicone on to nano tweezers.
[0002]
[Prior art and its problems]
Conventionally, it is known that silicon nanowires are manufactured by a melting method or the like (Reference 1).
[0003]
However, it is difficult to control the temperature with high accuracy, which is indispensable for obtaining nanowires having a uniform crystal orientation and length in this melting method.
[0004]
Moreover, manufacturing by heating with an electric furnace has also been reported (Reference 2).
[0005]
However, even with this method, the temperature is not uniform and high-precision temperature control is difficult, and it is necessary to add an oxide such as SiO 2 in addition to silicon in the manufacturing process. Only silicon nanowires can be obtained.
[0006]
[Literature]
Literature 1: Japanese Patent Application No. 2001-333257 Literature 2: ZWPan, ZRDai, L.Xu, STLee, ZLWang, J.Phys.Chem., B2001,105, p2507-2514
[0007]
Therefore, the invention of the present application solves the problems of the prior art as described above, is simple, has a uniform crystal orientation, a constant size, and a nanowire of silicon nanowire or silicon alloy having a linear portion of several millimeters. It is an object to provide a new method capable of manufacturing a wire.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the invention of this application firstly, under the circulation of the carrier gas, silicon or silicon-germanium alloy is evaporated at a temperature lower than its melting point, and the downstream region of the carrier gas circulation to provide a method of manufacturing silicon nanowires, wherein the growing the nanowires silicon emissions at a temperature range of 900 ° C. or higher 1300 ° C. in the following soaking section.
[0009]
The second, in the above method, a method of manufacturing silicon nanowires, characterized in that evaporating the silicon down at exceed 1300 ° C. 1400 ° C. or less of the temperature, the third, the soaking unit The temperature is stabilized with a temperature fluctuation range of 100 ° C. or less as a temperature in the process of lowering the evaporation temperature. Fourth, the carrier gas is an argon gas. the method of manufacturing silicon nanowires, which is a hydrogen gas or a gas mixture, the fifth, the flow rate of the carrier gas is a 1cm 3 / min~1000cm 3 / min, partitioned soaking section Provided is a method for producing silicon nanowires having a length of 5 cm or more.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The invention of this application has the features as described above, and an embodiment thereof will be described below.
[0011]
In the method of the invention of this application, as described above, in the distribution of a carrier gas, evaporated silicon down at a temperature lower than its melting point, the flow downstream region of the carrier gas in the soaking
[0012]
In the invention of this application, although producing a silicon nanowire over, in the evaporation, the powder or its green compact silicon down, it further of interest also evaporated intended any form of sintered bodies were calcined Can do. This for the evaporation of the case is carried out at a temperature lower than the melting point, in practice, it is preferable to evaporate the silicon down at exceed 1300 ° C. 1400 ° C. or lower.
[0013]
And it is considered that the temperature of the soaking part is stabilized within a temperature fluctuation range of 150 ° C. or less, more preferably 100 ° C. or less, as the temperature in the process of lowering the evaporation temperature.
[0014]
As the carrier gas, a rare gas or a hydrogen gas is considered, but in practice, an argon gas, a hydrogen gas, or a mixed gas thereof is preferable.
[0015]
Which varies also depending on the size and shape of the reactor, in the invention of this application, for example, the flow rate of the carrier gas was 1cm 3 / min~1000cm 3 / min, the classification length of the soaking part and more 5cm that Is considered as a general guide.
[0016]
For example, FIG. 1 is a configuration diagram showing an example of a reaction apparatus for carrying out the method of the invention of this application. Referring to FIG. 1, the reaction tube (1) under the flow of the carrier gas (5) has an evaporation part (A) and a soaking part (B-C), The reaction tube (1) is charged in the heating furnace (2).
[0017]
In the evaporation part (A), for example, silicon (4) is heated and evaporated, and mainly heated in a temperature range of 900 ° C. or more and 1300 ° C. or less in the soaking part (B-C). 3) will grow.
[0018]
FIG. 2 is a diagram illustrating the distance of positions (A), (B), and (C) and the temperature distribution in this reactor. In this example, in the evaporation part (A), silicon (4) is evaporated at a temperature (1340 ° C.) lower than the melting point (mp 1420 ° C.) of silicon (4). The positions (B) and (C) are maintained at 1270 ° C. and 1290 ° C., respectively, and the positions (B) and (C) constitute a soaking part.
[0019]
Therefore, in the following, the embodiment shown in the temperature distribution of FIG. Of course, the invention is not limited by the following examples.
[0020]
【Example】
Finely pulverize silicon powder with a purity of 99.999% in a mortar to 300 mesh (about 50 μm particle size). The obtained fine powder silicon is pre-sintered at 1170 ° C. for 2 hours while maintaining a reduced pressure of 10 −6 Torr. The pre-sintered silicon is put in an alumina boat in the reaction tube (1) of the reactor illustrated in FIG. Further, the nanowire growth substrate is set on the downstream side in the reaction tube (1).
[0021]
Silicon (4) is evaporated at an atmospheric pressure of 1340 ° C. under an argon gas flow rate of 20 cm 3 / min.
[0022]
The temperature profile as shown in FIG. 2 was obtained by setting the temperature soaking section from the point (B) 10 cm downstream from the evaporation part (A) to the point (C) further 10 cm downstream.
[0023]
3 and 4 show scanning electron microscope (SEM) images of the silicon nanowires generated and generated in the soaking part.
[0024]
The generated silicon nanowire has a linear shape of several mm as is apparent from FIGS. Further, when observed with a transmission electron microscope, as shown in FIG. 5, the silicon nanowires are linear and crystalline as shown in FIG. It is confirmed that the diameter is several 50 nm to 100 nm and the length is several mm.
[0025]
【The invention's effect】
As described above in detail, the invention of this application, a simple method, cutting, etc. is easy assembly, manufacture next generation three-dimensional semiconductor materials, nanomachines for shaft, a suitable silicon nanowires over a member, such as a nanotweezers can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a reaction apparatus.
FIG. 2 is a diagram illustrating a position and a temperature profile in the apparatus of FIG. 1;
FIG. 3 is a scanning electron micrograph of silicon nanowires.
FIG. 4 is an enlarged scanning electron micrograph.
FIG. 5 is a view showing a transmission electron micrograph and electron diffraction results of silicon nanowires.
[Explanation of symbols]
1
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