JP4032264B2 - 量子細線を有する素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板の上に量子細線を有する素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
量子細線は、そのナノメータサイズの効果によってバルクとは異なった新しい物性を得ることができる。例えば、シリコン（Ｓｉ）量子細線は、細線径が小さくなるに従ってバンドギャップが大きくなり、バルクにおいては間接遷移型バンドギャップであったのが直接遷移型バンドギャップを有するように変化する。これにより、シリコン量子細線では、励起された電子−正孔の再結合発光効率が著しく増加し、発光波長も短波長側にシフトして可視光発光が可能になる。
【０００３】
このようなシリコン量子細線の製造方法としては、例えば、ＶＬＳ（Ｖａｐｏｒ−Ｌｉｑｕｉｄ−Ｓｏｌｉｄ）法（E. I. Givargizov, J.Vac.Sci.Techno.B11(2), p.449参照）を用いてシリコン基板の上に直接成長させるものが提案されている。これは、シリコン基板に金（Ａｕ）を蒸着してシリコン基板の表面にシリコンと金との溶融合金滴を形成した後、シリコンの原料ガスを供給しつつ加熱してシリコン量子細線を成長させる方法であり、過去においてはシリコンの原料ガスとして四塩化珪素（ＳｉＣｌ4 ）を用いたものが報告されている（Wagner et al., Appl. Phys. Lett. 4, no. 5, 89 (1964), Givargizov, J. Cryst. Growth, 31, 20 (1975) 参照）。この場合、シリコン量子細線の直径および形成位置は、溶融合金滴の大きさおよび位置によって決定される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来は、溶融合金滴の大きさおよび形成位置を制御することができなかったので、太さの揃ったシリコン量子細線を周期的に形成することができないという問題があった。そのため、実用的な素子として活用することができなかった。
【０００５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、太さおよび形成位置がそれぞれ制御された量子細線を有する素子の製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板の上に量子細線を成長させることにより量子細線を有する素子を製造する方法であって、基板の表面に複数の凹部を形成し、凹部の側面を選択的にエッチングすることにより隣り合う凹部間の各位置に突起部を形成する工程と、突起部が形成された基板の上に、量子細線の成長において触媒となる金属を選択的に蒸着させるための複数の孔を有する形成補助膜を、各突起部がその孔内になるように形成する工程と、形成補助膜の孔内に前記触媒となる金属を蒸着させると共に、加熱することにより、基板を構成する物質と蒸着した金属との溶融合金滴を突起部の位置に凝集させる工程と、溶融合金滴を凝集させたのち、基板を量子細線が成長する際の原料ガスを含有する雰囲気中で加熱することにより、突起部の位置に量子細線を成長させる工程とを含むものである。
【００１１】
本発明の量子細線を有する素子の製造方法では、基板の表面に複数の凹部が形成され、その凹部の側面が選択的にエッチングされることにより隣り合う凹部間の各位置に突起部が形成される。これら突起部が形成された基板の上に、複数の孔を有する形成補助膜が各突起部が各孔内に位置するように形成され、次いで、触媒となる金属が形成補助膜の孔内に選択的に蒸着されると共に、加熱され、基板の構成物質と触媒となる金属との溶融合金滴が突起部の位置に凝集される。次に、原料ガスを含有する雰囲気中で加熱され、その結果、各突起部が形成された位置に量子細線が選択的に成長する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
図１は本発明の一実施の形態に係る細線を有する素子の構成を表すものである。この素子は、シリコンの単結晶よりなる基板１の上に、この基板１に対してほぼ垂直に形成されたシリコンの単結晶よりなる細線２を複数有している。各細線２の形成位置は、周期的に配列するようにそれぞれ制御されている。図１に示した素子では、各細線２の間隔が縦横とも等間隔となるように配列されている。
【００１４】
各細線２の太さはそれぞれ制御されており、図１に示した素子では、それぞれが同じ太さとなっている。なお、図２に示したように、各細線２の太さを異ならせてもよい。例えば、この素子を各細線２の光学特性を利用した発光素子として利用する場合には、図１に示したように各細線２を同じ太さとすれば単一の波長の光を発光させることができ、図２に示したように各細線２の太さを適宜に変化させれば１つの素子で複数の波長の光を発光させることができる。なお、図２に示した素子では、列ごとに各細線２の太さがそれぞれ異なっており、３種類の波長の光を発光するようになっている。例えば、最も太い細線２の直径は３０Å，次に太い細線２の直径は２０Å，最も細い細線２の直径は１０Å程度であり、太い方から順に赤色，緑色，青色の光をそれぞれ発光するようになっている。
【００１５】
また、この素子は、図３に示したように、各細線２に対して配線をそれぞれ接続しマトリクス状に配線したアレイ素子として自発光型フラットディスプレイに用いることもできる。図３に示した素子では、ｐ型またはｎ型の基板１の表面に基板１とは逆の導電型（すなわちｎ型またはｐ型）を有する配線１ａが複数形成され、この各配線１ａの上に各細線２がそれぞれ形成されている。各細線２の間には、二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）または適宜の樹脂よりなる絶縁膜３が形成されている。各細線２の上には、配線１ａと直交する方向に複数のコンタクト線４が適宜の金属により形成されている。これにより、この素子では、各細線２が個別に接続されている。
【００１６】
このように本実施の形態に係る細線を有する素子によれば、各細線２の形成位置をそれぞれ制御するようにしたので、用途に応じて設計された所定の位置に各細線２を配列することができ、素子の実用化を図ることができる。例えば、各細線２を周期的に配列したマトリクス状のアレイ素子を得ることができる。
【００１７】
また、各細線２の太さをそれぞれ制御するようにしたので、用途に応じて各細線２を所定の太さに任意に調節することができる。よって、各細線２の太さを均一に揃えた素子や、異なった太さの細線２を配列させた複数の波長の可視光を発光する素子などを得ることができる。
【００１８】
このような構成を有する素子は、次のようにして製造することができる。
【００１９】
図４および図５は本実施の形態に係る素子の一製造方法における各製造工程を表すものである。なお、図４および図５においては、図２に示した素子の各製造工程を代表して示している。まず、図４（ａ）に示したように、例えば比抵抗が０．４〜４Ωｃｍの（１１１）単結晶シリコン基板１を図示しない反応炉内に挿入して酸化し、基板１の表面に例えば１００ｎｍ程度の厚さの酸化膜を形成補助膜１１として形成する。
【００２０】
次いで、図４（ｂ）に示したように、形成補助膜１１を形成した基板１の上にフォトレジスト膜１２を塗布したのち、これを選択的に露光し各細線２の形成位置に対応して適当な大きさの開口１２ａを形成する。例えば、図２に示した素子を形成する場合には、直径が約１μｍの開口１２ａ1 ，直径が約０．８μｍの開口１２ａ2 ，直径が約０．６μｍの開口１２ａ3 をそれぞれ列ごとに、各開口１２ａ1 ，１２ａ2 ，１２ａ3 の位置の間隔を縦横とも等間隔として形成する。
【００２１】
続いて、基板１を適宜の大きさ（例えば１ｃｍ×４．５ｃｍの長方形）に切断する。そののち、図４（ｃ）に示したように、フォトレジスト膜１２をマスクとして、例えばフッ化水素（ＨＦ）を含むエッチング液を用い形成補助膜１１を適宜の時間（例えば５分間）エッチングし、各細線２の形成位置に対応した複数の孔１１ａを形成補助膜１１にそれぞれ開口する。例えば、図２に示した素子を形成する場合には、直径が約１μｍの孔１１ａ1 ，直径が約０．８μｍの孔１１ａ2 ，直径が約０．６μｍの孔１１ａ3 がそれぞれ列ごとに開口される。これにより、各細線２の形成位置に対応して各孔１１ａをそれぞれ開けた補助手段としての形成補助膜１１が形成される（以上、形成補助膜形成工程；補助手段形成工程）。なお、ここで開口する各孔１１ａの大きさが大きすぎると細線２の太さおよび形成位置を精度よく制御することができない。
【００２２】
形成補助膜１１に各孔１１ａをそれぞれ形成したのち、例えばアセトンによってフォトレジスト膜１２を除去する。そののち、基板１を例えば７０℃に加熱した硝酸（ＨＮＯ3 ）中に１分間浸漬し、更にフッ化水素を含むエッチング液により５秒間エッチングして、形成補助膜１１の各孔１１ａからそれぞれ露出されている基板１の表面を洗浄する。
【００２３】
基板１を洗浄したのち、乾燥させてから、基板１を図示しない反応炉内に挿入する。そののち、この反応炉内を減圧として基板１を適宜に加熱し（例えば７００℃）、図５（ａ）に示したように、基板１の表面に細線２の成長において触媒となる金属（例えば金（Ａｕ））を蒸着する（蒸着工程）。これにより、形成補助膜１１の各孔１１ａからそれぞれ露出された基板１の上に厚さ３ｎｍの触媒層１３がそれぞれ形成される。なお、形成補助膜１１の上には金属が蒸着せず触媒層１３は形成されない。この際、基板１の加熱は、例えば基板１の長軸に沿って直流電流を流して行う。また、金属の蒸着は、例えばタングステン（Ｗ）フィラメントを用いて１分間行う。
【００２４】
触媒層１３を形成したのち、基板１を図示しない反応炉内で適宜に加熱しつつ（例えば７００℃）、そのまま適宜の時間（例えば３０分間）保持する（加熱工程）。これにより、形成補助膜１１の各孔１１ａからそれぞれ露出された基板１の上の触媒層１３は、基板１の表面のシリコンを一部溶解し、凝集して、図５（ｂ）に示したように、溶融合金滴１３ａをそれぞれ形成する。例えば、図２に示した素子を形成する場合には、形成補助膜１１の孔１１ａの大きさに応じて、直径が約１０００Åの溶融合金滴１３ａ1 ，直径が約９００Åの溶融合金滴１３ａ2 ，直径が約８００Åの溶融合金滴１３ａ3 がそれぞれ形成される。
【００２５】
すなわち、各溶融合金滴１３ａの大きさは、形成補助膜１１の各孔１１ａの大きさによってそれぞれ制御される。また、各溶融合金滴１３ａの大きさは、蒸着工程において蒸着する触媒層１３の厚さによっても異なってくる。例えば、触媒層１３の厚さを薄くすれば各溶融合金滴１３ａの大きさは小さくなり、厚くすれば大きくなる。
【００２６】
なお、この加熱工程は、各溶融合金滴１３ａが各孔１１ａにおいてそれぞれ１つになるまで十分に行う。その時間は形成補助膜１１の孔１１ａの大きさや加熱温度によっても異なるが、少なくとも１０分間は行うことが好ましい。
【００２７】
このようにして各溶融合金滴１３ａを形成したのち、基板１を図示しない反応炉内で４５０℃以上（例えば７００℃）に加熱しながら、各細線２を構成するシリコンの原料ガスとして例えばシラン（ＳｉＨ4 ）ガスを導入する（細線成長工程）。導入するシランガスの量は、例えば反応炉内におけるシランガスの分圧が０．５Ｔｏｒｒ未満となるように調節する。なお、好ましくは、０．１５Ｔｏｒｒ以下となるように調節する。
【００２８】
これにより、シランガスは、各溶融合金滴１３ａを触媒として式１に示した分解反応により分解しシリコンを生ずる。
【式１】
ＳｉＨ4 →Ｓｉ＋２Ｈ2
【００２９】
シランガスから分解したシリコンは各溶融合金滴１３ａの中にそれぞれ拡散し、各溶融合金滴１３ａと基板１との界面にそれぞれエピタキシャル結合する。これにより、図５（ｃ）に示したように、各溶融合金滴１３ａの下において選択的に各溶融合金的１３ａの大きさに応じた太さの各細線２がそれぞれ成長する。すなわち、図２に示した素子を形成する場合には、直径が約１０００Åの細線２1 ，直径が約９００Åの細線２2 ，直径が約８００Åの細線２3 がそれぞれ成長する。
【００３０】
なお、この細線成長工程においてシランガスをシリコンの原料ガスとして用いているのは、長さ方向において太さが均一の細線２を成長させることができると共に、他の原料ガスに比べて直径が十分に小さい細線２を得ることができるからである。また、基板１の加熱温度を４５０℃以上，シランガスの分圧を０．５Ｔｏｒｒ未満としているのは、加熱温度が４５０℃未満あるいはシランガスの圧力が０．５Ｔｏｒｒ以上では細線２が基板１に対して垂直に成長せずに屈曲してしまい、良好な形状の細線２を得ることができないからである。
【００３１】
このようにして約２０分間各細線２を成長させたのち、例えば、３５℃の王水（ＨＮＯ3 ：ＨＣｌ＝１：３）に１分間浸漬して、各細線２の先端の合金滴１３ａおよび形成補助膜１１の上の触媒層１３をエッチングして除去する。
【００３２】
そののち、図５（ｄ）に示したように、各細線２が成長された基板１を例えば酸素（Ｏ2 ）ガスの圧力が５００Ｔｏｒｒの酸素ガス含有雰囲気中において７００℃の温度で適宜な時間加熱する（酸化工程）。これにより、各細線２および基板１の表面には形成補助膜１１を含む酸化膜１１ｂが形成され、各細線２の直径は酸化膜１１ｂの分だけそれぞれ小さくなる。例えば、図２に示した素子を形成する場合には、この酸化工程によって各細線２1 ，２2 ，２3 の直径をそれぞれ約３０Å，２０Å，１０Åまで小さくし、赤色，緑色，青色の光をそれぞれ発光できるようにする。
【００３３】
このように各細線２をそれぞれ酸化したのち、各細線２を形成した基板１を必要に応じて室温においてフッ化水素に１分間浸漬し、各細線２および基板１の表面の酸化膜１１ｂ（形成補助膜１１を含む）をエッチングして除去する。これにより、図２に示した素子が形成される。
【００３４】
この際、図３に示したように各細線２の間に絶縁膜４を形成したり、酸化膜１１ｂが各細線２の周囲に形成されていても問題がない場合などは、この酸化膜１１ｂのうち必要な箇所のみ除去すればよく、全体を除去する必要はない。
【００３５】
なお、この製造方法において形成補助膜１１の孔１１ａの大きさおよび加熱工程が細線２に与える影響を調べた。その実験結果を次に説明する。
【００３６】
まず、上述と同様にして、基板１を用意し形成補助膜１１を形成した。その際、形成補助膜１１には、直径が１．５μｍの孔１１ａを複数開口した領域と直径が３μｍの孔１１ａを複数開口した領域を形成した。次いで、上述と同様にして、金を蒸着したのち、３０分間加熱して各孔１１ａに溶融合金滴１３ａをそれぞれ形成し、各細線２を成長させた。そののち、成長させた各細線２を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ；Scanning Electron Microscope）により観察した。
【００３７】
その結果、直径が１．５μｍの孔１１ａを開口した領域においては各孔１１ａの１つに対して１つの細線２が成長しており、各細線２の太さも均一であった。これに対して、直径が３μｍの孔１１ａを開口した領域においては各孔１１ａの１つに対して多くは２つの細線２が成長しており、各細線２の太さも不均一であった。すなわち、形成補助膜１１の孔１１ａは大き過ぎると各細線２の形成位置および太さを制御できないことが分かる。
【００３８】
また、上述と同様にして、基板１を用意し直径が１．５μｍの孔１１ａを複数開口した形成補助膜１１を形成した。次いで、上述と同様にして、金を蒸着したのち、１分間加熱して各孔１１ａに溶融合金滴１３ａをそれぞれ形成し、各細線２を成長させた。そののち、成長させた各細線２をＳＥＭにより観察した。
【００３９】
その結果、この方法では各孔１１ａの１つに対して複数の細線２が成長しており、各細線２の太さも不均一であった。すなわち、加熱工程の維持時間が短く不十分であると各溶融合金滴１３ａが十分に凝集することができず、各孔１１ａの１つに対して複数の溶融合金滴１３ａが存在する状態で各細線２が成長してしまい、各細線２の形成位置および太さを制御できないことが分かる。
【００４０】
このようにこの細線を有する素子の製造方法によれば、基板１の上に形成補助膜１１を介して触媒としての金属を蒸着するようにしたので、形成補助膜１１の各孔１１ａの位置および大きさに応じて各細線２の形成位置および太さを制御することができる。よって、各細線２を精度よく設計どおりの形成位置および太さに形成することができる。
【００４１】
また、蒸着工程ののち細線成長工程の前に、十分な時間加熱して、形成補助膜１１の各孔１１ａに１つの溶融合金滴１３ａをそれぞれ形成するようにしたので、１つの孔１１ａに対して１つの細線２を成長させることができ、各細線２の形成位置および太さを精度よく制御することができる。
【００４２】
更に、細線成長工程ののち成長させた各細線２を酸化するようにしたので、直径が十分に小さい細線２を精度よく形成することができる。
【００４３】
また、本実施の形態に係る素子は次のようにしても製造することができる。
【００４４】
図６および図７は本実施の形態に係る素子の他の製造方法における各製造工程を表すものである。なお、ここでも、図２に示した素子の各製造工程を代表して示す。まず、図６（ａ）に示したように、例えば比抵抗が０．４〜４Ωｃｍの（１１１）単結晶シリコン基板１を図示しない反応炉内に挿入して酸化し、基板１の（１１１）表面に例えば１００ｎｍ程度の厚さの酸化膜を位置制御膜２１として形成する。
【００４５】
次いで、図６（ｂ）に示したように、この位置制御膜２１を例えばフッ化水素を含むエッチング液を用いて選択的にエッチングし、適当な大きさの開口２１ａを適宜（例えば周期的）に複数形成する（位置制御膜形成工程）。例えば、図２に示した素子を形成する場合には、図８に平面図で示したように、直径が約４μｍである複数の開口２１ａを縦横とも中心位置における間隔が互いに約６ｎｍの等間隔となるようにそれぞれ形成する。
【００４６】
続いて、図６（ｃ）に示したように、この位置制御膜２１をマスクとして、例えば六フッ化硫黄（ＳＦ6 ）を用いたプラズマエッチングにより基板１の表面を選択的にエッチングする。その際のエッチング条件は、例えば、出力を２２．５Ｗ，圧力を１６０ｍＴｏｒｒ，エッチング時間を１分間とする。これにより、位置制御膜２１の各開口２１ａに対応して基板１の表面に複数の凹部１ｂが例えば周期的にそれぞれ形成される（凹部形成工程）。例えば、円形で大きさが同一である複数の凹部１ｂが互いに縦横とも等間隔づつ隔ててそれぞれ形成される。
【００４７】
各凹部１ｂを形成したのち、位置制御膜２１を例えばフッ化水素を含むエッチング液を用いてエッチングし、除去する。そののち、基板１の表面を例えば水酸化カリウム（ＫＯＨ）を含むエッチング液を用い８０℃でエッチングする。これにより、図６（ｄ）において矢印で示したように、各凹部１ｂの側面において選択的にエッチングがそれぞれ進む。これは、シリコン単結晶のエッチング速度が各格子面によりそれぞれ異なっており、（１１１）面のエッチング速度は非常に遅いのに対し、凹部１ｂの側面の該当する（−１００）面や（００−１）面や（０−１０）面のエッチング速度は比較的速いためである。なお、格子面の表示は、本来であれば指数のうち負になる方向の上にオーバーラインを引いて表すが、ここでは便宜上、負になる方向の前にマイナスを付して表している。
【００４８】
従って、更にエッチングが進むと（例えば３０秒経過後）、図６（ｅ）に示したように、各凹部１ｂが形成された間の位置（例えば図８において破線で示した位置）に複数の突起部１ｃがそれぞれ形成される。このように、基板１の表面に適宜な大きさの突起部１ｃが形成された状態となった時点でエッチングを終了する（突起部形成工程）。なお、この各突起部１ｃは、後述する工程において各細線２の形成において核となりその位置を決定する位置決定手段（すなわち補助手段）としての役割を有している。よって、ここでは、位置制御膜形成工程において形成する開口２１ａの大きさおよび位置を調節し、各突起部１ｃを各細線２の形成位置に対応して形成するようにする。以上、位置制御膜形成工程から突起部形成工程までが位置決定手段形成工程（すなわち補助手段形成工程）となっている。ちなみに、ここでは後述するように、この位置決定手段形成工程ののち形成補助膜形成工程を行うので、補助手段形成工程は位置決定手段形成工程と補助膜形成工程とを含んでいる。
【００４９】
突起部１ｃを形成したのち、図７（ａ）に示したように、基板１の上に、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）法により２５ｎｍ程度の厚さの二酸化珪素よりなる膜を形成補助膜１１として形成する。そののち、先の製造方法における形成補助膜形成工程と同様にして、形成補助膜１１を選択的にエッチングし、各突起部１ｃに対応させて複数の孔１１ａをそれぞれ形成する。例えば、図２に示した素子を形成する場合には、先の製造方法と同様に、直径が約１μｍの孔１１ａ1 ，直径が約０．８μｍの孔１１ａ2 ，直径が約０．６μｍの孔１１ａ3 をそれぞれ列ごとに開口する。これにより、補助手段としての形成補助膜１１が形成される（形成補助膜形成工程；補助手段形成工程）。なお、この際、各突起部１ｃが各孔１１ａの中央となるようにする必要はなく、各突起部１ｃが各孔１１ａと１対１に対応して表面にそれぞれ露出されるようにすればよい。
【００５０】
形成補助膜１１を形成したのち、先の製造方法と同様にして、形成補助膜１１の各孔１１ａからそれぞれ露出された基板１の表面を洗浄し乾燥させ、その上に細線２の成長において触媒となる金属を蒸着して触媒層１３をそれぞれ形成する（蒸着工程）。この蒸着工程とほぼ同時に、あるいは必要に応じて先の製造方法と同様の加熱工程を行うことにより、図７（ｂ）に示したように、形成補助膜１１の各孔１１ａによりそれぞれ露出された基板１の上において各突起部１ｃを核として触媒層１３がシリコンを一部溶解してそれぞれ凝集し、複数の溶融合金滴１３ａが各突起部１ｃの位置にそれぞれ形成される。この際、各溶融合金滴１３ａの大きさは形成補助膜１１の各孔１１ａの大きさによってそれぞれ制御される。なおこの時、各突起部１ｃの位置が各孔１１ａの中心からずれていたとしても、各溶融合金滴１３ａは各突起部１ｃを核として凝集するので、確実に各突起部１ｃの位置に各溶融合金滴１３ａを形成することができる。
【００５１】
各溶融合金滴１３ａを形成したのち、図７（ｃ）に示したように、先の製造方法と同様にして、各溶融合金滴１３ａの下において選択的に各細線２を成長させる（細線成長工程）。すなわち、各細線２は各突起部１ｃの位置に成長する。これにより、図２に示した素子が形成される。
【００５２】
なお、必要に応じて、先の製造方法と同様に、各細線２を成長させたのち更に酸化工程を行ってもよい。
【００５３】
ここで、図９にこの製造方法により形成した素子のＳＥＭ写真を示す。ちなみに、図９に示した素子は、位置制御膜２１の各開口２１ａをそれぞれ同一の大きさの円形として互いに縦横とも等間隔となるように形成し、形成補助膜１１の各孔１１ａもそれぞれ円形で同一の大きさとしたものである。このように、各細線２は、形成補助膜１１の各孔１１ａにおいてほぼ同一の位置に１つづつ成長しており、それらの太さも均一であった。ちなみに、先の製造方法により形成した素子と比較してみても、この製造方法によれば、各細線２の形成補助膜１１の各孔１１ａにおける位置までをも制御することができ、より精度よく制御できることが分かる。
【００５４】
このようにこの細線を有する素子の製造方法によれば、基板１の上に位置決定手段としての突起部１１ｃを形成するようにしたので、触媒層１３を突起部１１ｃを核として凝集させることにより、各溶融合金滴１３ａを各突起部１１ｃの位置に形成することができる。すなわち、各細線２をより精度よく設計どおりの形成位置に形成することができる。
【００５５】
また、突起部１ｃを形成したのち形成補助膜１１を介して触媒としての金属を蒸着するようにしたので、形成補助膜１１の各孔１１ａの大きさに応じて各細線２の太さを制御することができる。よって、各細線２を精度よく設計どおりの太さに形成することができる。
【００５６】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態においては、各細線２を縦横等間隔で配列するようにしたが、素子の用途に応じて所定の周期で配列する場合も含まれる。この場合も、上記実施の形態と同様にして製造することができる。
【００５７】
また、上記実施の形態においては、形成補助膜１１を二酸化珪素によって形成するようにしたが、例えば、窒化珪素（ＳｉＮ4 ）や適宜の樹脂など蒸着工程において蒸着する金属と溶融合金滴を形成しないものであれば他の物質によって形成するようにしてもよい。
【００５８】
更に、上記実施の形態においては、位置制御膜２１を二酸化珪素によって形成するようにしたが、例えば、適宜の樹脂など他の物質によって形成するようにしてもよい。
【００５９】
加えて、上記実施の形態においては、位置決定手段として基板１の表面に突起部１ｃを形成するようにしたが、位置決定手段は、意図した所定の位置に各溶融合金滴１３ａが凝集するようにその核となり、細線２を形成する際の核となりうるものであればどの様なものでもよい。例えば、微小な溝や、特定の一箇所が最も窪んでいる凹部でもよい。但し、上記実施の形態において説明したような基板１の表面をエッチングして形成した突起部１ｃであれば、溶融合金滴１３ａが凝集する際の核となると共に、細線２がエピタキシャル成長する際の核ともなりうるので好ましい。
【００６０】
更にまた、上記実施の形態においては、細線成長工程でシランガスを図示しない反応炉内に直接導入するようにしたが、シランガスをヘリウム（Ｈｅ）ガスやアルゴン（Ａｒ）ガスなどの不活性ガスで希釈して反応炉内に導入するようにしてもよい。
【００６１】
加えてまた、上記実施の形態においては、細線成長工程でシリコンの原料ガスとしてシランガスを用いるようにしたが、シランガスに代えてジシラン（Ｓｉ2 Ｈ6 ）ガスまたはトリシラン（Ｓｉ3 Ｈ8 ）ガスを用いるようにしてもよく、あるいはシランガス，ジシランガスおよびトリシランガスのうちの少なくとも２種以上を混合した混合ガスを用いるようにしてもよい。これらの場合も、シランガスと同様の条件で直径が十分に小さく良好な形状のシリコン細線を成長させることができる。
【００６２】
更にまた、これらのシランガス，ジシランガスあるいはトリシランガスに限らず、水素（Ｈ2 ）ガスで希釈した塩化珪素（ＳｉＣｌ4 ）ガスなど分解反応によりシリコンを生成し得るガスであればシリコンの原料ガスとして用いることができる。その場合のガス圧や加熱温度はガスの種類に合わせて適宜決定する。
【００６３】
加えてまた、上記実施の形態においては、シリコンよりなる基板１の上にシリコンよりなる細線２を成長させる場合について説明したが、本発明は、基板の上にＶＬＳ法により細線を成長させた素子について広く適用することができる。
【００６４】
更にまた、上記実施の形態においては、本発明に係る素子を発光素子やマトリックス状に配線したアレイ素子として用いる場合について説明したが、本発明に係る素子は、その他ＡＦＭ（Atomic Force Microscope ）の針や、電子放出素子として用いることもできる。
【００６７】
以上説明したように本発明の量子細線を有する素子の製造方法によれば、基板の表面に突起部を形成し、この突起部が形成された基板の上に、複数の孔を有する形成補助膜を各突起部が孔内になるよう形成するようにしたので、触媒となる金属を含む溶融合金滴が孔の内部の突起部の位置に凝集し、そのため突起部が形成された位置に量子細線が成長する。よって、各細線を精度よく設計どおりの位置に形成できると共に、所望の大きさに形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る細線を有する素子の構成を表す斜視図である。
【図２】図１に示した素子の変形例を表す斜視図である。
【図３】図１に示した素子の他の変形例を表す断面図である。
【図４】図２に示した素子の一製造方法における各工程を表す断面図である。
【図５】図４に続く各工程を表す断面図である。
【図６】図２に示した素子の他の一製造方法における各工程を表す断面図である。
【図７】図６に続く各工程を表す断面図である。
【図８】図６に示した一製造工程を表す平面図である。
【図９】図６および図７に示した製造方法により製造した素子における各細線の状態を表すＳＥＭ写真である。
【符号の説明】
１…基板、１ａ…配線、１ｂ…凹部、１ｃ…突起部（位置決定手段；補助手段）、２，２1 ，２2 ，２3 …細線、３…絶縁膜、４…コンタクト線、１１…形成補助膜（補助手段）、１１ａ，１１ａ1 ，１１ａ2 ，１１ａ3 …孔、１１ｂ…酸化膜、１２…フォトレジスト膜、１２ａ，１２ａ1 ，１２ａ2 ，１２ａ3 …開口、１３…触媒層、１３ａ，１３ａ1 ，１３ａ2 ，１３ａ3 …溶融合金滴、２１…位置制御膜、２１ａ…開口
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板の上に量子細線を有する素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
量子細線は、そのナノメータサイズの効果によってバルクとは異なった新しい物性を得ることができる。例えば、シリコン（Ｓｉ）量子細線は、細線径が小さくなるに従ってバンドギャップが大きくなり、バルクにおいては間接遷移型バンドギャップであったのが直接遷移型バンドギャップを有するように変化する。これにより、シリコン量子細線では、励起された電子−正孔の再結合発光効率が著しく増加し、発光波長も短波長側にシフトして可視光発光が可能になる。
【０００３】
このようなシリコン量子細線の製造方法としては、例えば、ＶＬＳ（Ｖａｐｏｒ−Ｌｉｑｕｉｄ−Ｓｏｌｉｄ）法（E. I. Givargizov, J.Vac.Sci.Techno.B11(2), p.449参照）を用いてシリコン基板の上に直接成長させるものが提案されている。これは、シリコン基板に金（Ａｕ）を蒸着してシリコン基板の表面にシリコンと金との溶融合金滴を形成した後、シリコンの原料ガスを供給しつつ加熱してシリコン量子細線を成長させる方法であり、過去においてはシリコンの原料ガスとして四塩化珪素（ＳｉＣｌ4 ）を用いたものが報告されている（Wagner et al., Appl. Phys. Lett. 4, no. 5, 89 (1964), Givargizov, J. Cryst. Growth, 31, 20 (1975) 参照）。この場合、シリコン量子細線の直径および形成位置は、溶融合金滴の大きさおよび位置によって決定される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来は、溶融合金滴の大きさおよび形成位置を制御することができなかったので、太さの揃ったシリコン量子細線を周期的に形成することができないという問題があった。そのため、実用的な素子として活用することができなかった。
【０００５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、太さおよび形成位置がそれぞれ制御された量子細線を有する素子の製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板の上に量子細線を成長させることにより量子細線を有する素子を製造する方法であって、基板の表面に複数の凹部を形成し、凹部の側面を選択的にエッチングすることにより隣り合う凹部間の各位置に突起部を形成する工程と、突起部が形成された基板の上に、量子細線の成長において触媒となる金属を選択的に蒸着させるための複数の孔を有する形成補助膜を、各突起部がその孔内になるように形成する工程と、形成補助膜の孔内に前記触媒となる金属を蒸着させると共に、加熱することにより、基板を構成する物質と蒸着した金属との溶融合金滴を突起部の位置に凝集させる工程と、溶融合金滴を凝集させたのち、基板を量子細線が成長する際の原料ガスを含有する雰囲気中で加熱することにより、突起部の位置に量子細線を成長させる工程とを含むものである。
【００１１】
本発明の量子細線を有する素子の製造方法では、基板の表面に複数の凹部が形成され、その凹部の側面が選択的にエッチングされることにより隣り合う凹部間の各位置に突起部が形成される。これら突起部が形成された基板の上に、複数の孔を有する形成補助膜が各突起部が各孔内に位置するように形成され、次いで、触媒となる金属が形成補助膜の孔内に選択的に蒸着されると共に、加熱され、基板の構成物質と触媒となる金属との溶融合金滴が突起部の位置に凝集される。次に、原料ガスを含有する雰囲気中で加熱され、その結果、各突起部が形成された位置に量子細線が選択的に成長する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
図１は本発明の一実施の形態に係る細線を有する素子の構成を表すものである。この素子は、シリコンの単結晶よりなる基板１の上に、この基板１に対してほぼ垂直に形成されたシリコンの単結晶よりなる細線２を複数有している。各細線２の形成位置は、周期的に配列するようにそれぞれ制御されている。図１に示した素子では、各細線２の間隔が縦横とも等間隔となるように配列されている。
【００１４】
各細線２の太さはそれぞれ制御されており、図１に示した素子では、それぞれが同じ太さとなっている。なお、図２に示したように、各細線２の太さを異ならせてもよい。例えば、この素子を各細線２の光学特性を利用した発光素子として利用する場合には、図１に示したように各細線２を同じ太さとすれば単一の波長の光を発光させることができ、図２に示したように各細線２の太さを適宜に変化させれば１つの素子で複数の波長の光を発光させることができる。なお、図２に示した素子では、列ごとに各細線２の太さがそれぞれ異なっており、３種類の波長の光を発光するようになっている。例えば、最も太い細線２の直径は３０Å，次に太い細線２の直径は２０Å，最も細い細線２の直径は１０Å程度であり、太い方から順に赤色，緑色，青色の光をそれぞれ発光するようになっている。
【００１５】
また、この素子は、図３に示したように、各細線２に対して配線をそれぞれ接続しマトリクス状に配線したアレイ素子として自発光型フラットディスプレイに用いることもできる。図３に示した素子では、ｐ型またはｎ型の基板１の表面に基板１とは逆の導電型（すなわちｎ型またはｐ型）を有する配線１ａが複数形成され、この各配線１ａの上に各細線２がそれぞれ形成されている。各細線２の間には、二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）または適宜の樹脂よりなる絶縁膜３が形成されている。各細線２の上には、配線１ａと直交する方向に複数のコンタクト線４が適宜の金属により形成されている。これにより、この素子では、各細線２が個別に接続されている。
【００１６】
このように本実施の形態に係る細線を有する素子によれば、各細線２の形成位置をそれぞれ制御するようにしたので、用途に応じて設計された所定の位置に各細線２を配列することができ、素子の実用化を図ることができる。例えば、各細線２を周期的に配列したマトリクス状のアレイ素子を得ることができる。
【００１７】
また、各細線２の太さをそれぞれ制御するようにしたので、用途に応じて各細線２を所定の太さに任意に調節することができる。よって、各細線２の太さを均一に揃えた素子や、異なった太さの細線２を配列させた複数の波長の可視光を発光する素子などを得ることができる。
【００１８】
このような構成を有する素子は、次のようにして製造することができる。
【００１９】
図４および図５は本実施の形態に係る素子の一製造方法における各製造工程を表すものである。なお、図４および図５においては、図２に示した素子の各製造工程を代表して示している。まず、図４（ａ）に示したように、例えば比抵抗が０．４〜４Ωｃｍの（１１１）単結晶シリコン基板１を図示しない反応炉内に挿入して酸化し、基板１の表面に例えば１００ｎｍ程度の厚さの酸化膜を形成補助膜１１として形成する。
【００２０】
次いで、図４（ｂ）に示したように、形成補助膜１１を形成した基板１の上にフォトレジスト膜１２を塗布したのち、これを選択的に露光し各細線２の形成位置に対応して適当な大きさの開口１２ａを形成する。例えば、図２に示した素子を形成する場合には、直径が約１μｍの開口１２ａ1 ，直径が約０．８μｍの開口１２ａ2 ，直径が約０．６μｍの開口１２ａ3 をそれぞれ列ごとに、各開口１２ａ1 ，１２ａ2 ，１２ａ3 の位置の間隔を縦横とも等間隔として形成する。
【００２１】
続いて、基板１を適宜の大きさ（例えば１ｃｍ×４．５ｃｍの長方形）に切断する。そののち、図４（ｃ）に示したように、フォトレジスト膜１２をマスクとして、例えばフッ化水素（ＨＦ）を含むエッチング液を用い形成補助膜１１を適宜の時間（例えば５分間）エッチングし、各細線２の形成位置に対応した複数の孔１１ａを形成補助膜１１にそれぞれ開口する。例えば、図２に示した素子を形成する場合には、直径が約１μｍの孔１１ａ1 ，直径が約０．８μｍの孔１１ａ2 ，直径が約０．６μｍの孔１１ａ3 がそれぞれ列ごとに開口される。これにより、各細線２の形成位置に対応して各孔１１ａをそれぞれ開けた補助手段としての形成補助膜１１が形成される（以上、形成補助膜形成工程；補助手段形成工程）。なお、ここで開口する各孔１１ａの大きさが大きすぎると細線２の太さおよび形成位置を精度よく制御することができない。
【００２２】
形成補助膜１１に各孔１１ａをそれぞれ形成したのち、例えばアセトンによってフォトレジスト膜１２を除去する。そののち、基板１を例えば７０℃に加熱した硝酸（ＨＮＯ3 ）中に１分間浸漬し、更にフッ化水素を含むエッチング液により５秒間エッチングして、形成補助膜１１の各孔１１ａからそれぞれ露出されている基板１の表面を洗浄する。
【００２３】
基板１を洗浄したのち、乾燥させてから、基板１を図示しない反応炉内に挿入する。そののち、この反応炉内を減圧として基板１を適宜に加熱し（例えば７００℃）、図５（ａ）に示したように、基板１の表面に細線２の成長において触媒となる金属（例えば金（Ａｕ））を蒸着する（蒸着工程）。これにより、形成補助膜１１の各孔１１ａからそれぞれ露出された基板１の上に厚さ３ｎｍの触媒層１３がそれぞれ形成される。なお、形成補助膜１１の上には金属が蒸着せず触媒層１３は形成されない。この際、基板１の加熱は、例えば基板１の長軸に沿って直流電流を流して行う。また、金属の蒸着は、例えばタングステン（Ｗ）フィラメントを用いて１分間行う。
【００２４】
触媒層１３を形成したのち、基板１を図示しない反応炉内で適宜に加熱しつつ（例えば７００℃）、そのまま適宜の時間（例えば３０分間）保持する（加熱工程）。これにより、形成補助膜１１の各孔１１ａからそれぞれ露出された基板１の上の触媒層１３は、基板１の表面のシリコンを一部溶解し、凝集して、図５（ｂ）に示したように、溶融合金滴１３ａをそれぞれ形成する。例えば、図２に示した素子を形成する場合には、形成補助膜１１の孔１１ａの大きさに応じて、直径が約１０００Åの溶融合金滴１３ａ1 ，直径が約９００Åの溶融合金滴１３ａ2 ，直径が約８００Åの溶融合金滴１３ａ3 がそれぞれ形成される。
【００２５】
すなわち、各溶融合金滴１３ａの大きさは、形成補助膜１１の各孔１１ａの大きさによってそれぞれ制御される。また、各溶融合金滴１３ａの大きさは、蒸着工程において蒸着する触媒層１３の厚さによっても異なってくる。例えば、触媒層１３の厚さを薄くすれば各溶融合金滴１３ａの大きさは小さくなり、厚くすれば大きくなる。
【００２６】
なお、この加熱工程は、各溶融合金滴１３ａが各孔１１ａにおいてそれぞれ１つになるまで十分に行う。その時間は形成補助膜１１の孔１１ａの大きさや加熱温度によっても異なるが、少なくとも１０分間は行うことが好ましい。
【００２７】
このようにして各溶融合金滴１３ａを形成したのち、基板１を図示しない反応炉内で４５０℃以上（例えば７００℃）に加熱しながら、各細線２を構成するシリコンの原料ガスとして例えばシラン（ＳｉＨ4 ）ガスを導入する（細線成長工程）。導入するシランガスの量は、例えば反応炉内におけるシランガスの分圧が０．５Ｔｏｒｒ未満となるように調節する。なお、好ましくは、０．１５Ｔｏｒｒ以下となるように調節する。
【００２８】
これにより、シランガスは、各溶融合金滴１３ａを触媒として式１に示した分解反応により分解しシリコンを生ずる。
【式１】
ＳｉＨ4 →Ｓｉ＋２Ｈ2
【００２９】
シランガスから分解したシリコンは各溶融合金滴１３ａの中にそれぞれ拡散し、各溶融合金滴１３ａと基板１との界面にそれぞれエピタキシャル結合する。これにより、図５（ｃ）に示したように、各溶融合金滴１３ａの下において選択的に各溶融合金的１３ａの大きさに応じた太さの各細線２がそれぞれ成長する。すなわち、図２に示した素子を形成する場合には、直径が約１０００Åの細線２1 ，直径が約９００Åの細線２2 ，直径が約８００Åの細線２3 がそれぞれ成長する。
【００３０】
なお、この細線成長工程においてシランガスをシリコンの原料ガスとして用いているのは、長さ方向において太さが均一の細線２を成長させることができると共に、他の原料ガスに比べて直径が十分に小さい細線２を得ることができるからである。また、基板１の加熱温度を４５０℃以上，シランガスの分圧を０．５Ｔｏｒｒ未満としているのは、加熱温度が４５０℃未満あるいはシランガスの圧力が０．５Ｔｏｒｒ以上では細線２が基板１に対して垂直に成長せずに屈曲してしまい、良好な形状の細線２を得ることができないからである。
【００３１】
このようにして約２０分間各細線２を成長させたのち、例えば、３５℃の王水（ＨＮＯ3 ：ＨＣｌ＝１：３）に１分間浸漬して、各細線２の先端の合金滴１３ａおよび形成補助膜１１の上の触媒層１３をエッチングして除去する。
【００３２】
そののち、図５（ｄ）に示したように、各細線２が成長された基板１を例えば酸素（Ｏ2 ）ガスの圧力が５００Ｔｏｒｒの酸素ガス含有雰囲気中において７００℃の温度で適宜な時間加熱する（酸化工程）。これにより、各細線２および基板１の表面には形成補助膜１１を含む酸化膜１１ｂが形成され、各細線２の直径は酸化膜１１ｂの分だけそれぞれ小さくなる。例えば、図２に示した素子を形成する場合には、この酸化工程によって各細線２1 ，２2 ，２3 の直径をそれぞれ約３０Å，２０Å，１０Åまで小さくし、赤色，緑色，青色の光をそれぞれ発光できるようにする。
【００３３】
このように各細線２をそれぞれ酸化したのち、各細線２を形成した基板１を必要に応じて室温においてフッ化水素に１分間浸漬し、各細線２および基板１の表面の酸化膜１１ｂ（形成補助膜１１を含む）をエッチングして除去する。これにより、図２に示した素子が形成される。
【００３４】
この際、図３に示したように各細線２の間に絶縁膜４を形成したり、酸化膜１１ｂが各細線２の周囲に形成されていても問題がない場合などは、この酸化膜１１ｂのうち必要な箇所のみ除去すればよく、全体を除去する必要はない。
【００３５】
なお、この製造方法において形成補助膜１１の孔１１ａの大きさおよび加熱工程が細線２に与える影響を調べた。その実験結果を次に説明する。
【００３６】
まず、上述と同様にして、基板１を用意し形成補助膜１１を形成した。その際、形成補助膜１１には、直径が１．５μｍの孔１１ａを複数開口した領域と直径が３μｍの孔１１ａを複数開口した領域を形成した。次いで、上述と同様にして、金を蒸着したのち、３０分間加熱して各孔１１ａに溶融合金滴１３ａをそれぞれ形成し、各細線２を成長させた。そののち、成長させた各細線２を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ；Scanning Electron Microscope）により観察した。
【００３７】
その結果、直径が１．５μｍの孔１１ａを開口した領域においては各孔１１ａの１つに対して１つの細線２が成長しており、各細線２の太さも均一であった。これに対して、直径が３μｍの孔１１ａを開口した領域においては各孔１１ａの１つに対して多くは２つの細線２が成長しており、各細線２の太さも不均一であった。すなわち、形成補助膜１１の孔１１ａは大き過ぎると各細線２の形成位置および太さを制御できないことが分かる。
【００３８】
また、上述と同様にして、基板１を用意し直径が１．５μｍの孔１１ａを複数開口した形成補助膜１１を形成した。次いで、上述と同様にして、金を蒸着したのち、１分間加熱して各孔１１ａに溶融合金滴１３ａをそれぞれ形成し、各細線２を成長させた。そののち、成長させた各細線２をＳＥＭにより観察した。
【００３９】
その結果、この方法では各孔１１ａの１つに対して複数の細線２が成長しており、各細線２の太さも不均一であった。すなわち、加熱工程の維持時間が短く不十分であると各溶融合金滴１３ａが十分に凝集することができず、各孔１１ａの１つに対して複数の溶融合金滴１３ａが存在する状態で各細線２が成長してしまい、各細線２の形成位置および太さを制御できないことが分かる。
【００４０】
このようにこの細線を有する素子の製造方法によれば、基板１の上に形成補助膜１１を介して触媒としての金属を蒸着するようにしたので、形成補助膜１１の各孔１１ａの位置および大きさに応じて各細線２の形成位置および太さを制御することができる。よって、各細線２を精度よく設計どおりの形成位置および太さに形成することができる。
【００４１】
また、蒸着工程ののち細線成長工程の前に、十分な時間加熱して、形成補助膜１１の各孔１１ａに１つの溶融合金滴１３ａをそれぞれ形成するようにしたので、１つの孔１１ａに対して１つの細線２を成長させることができ、各細線２の形成位置および太さを精度よく制御することができる。
【００４２】
更に、細線成長工程ののち成長させた各細線２を酸化するようにしたので、直径が十分に小さい細線２を精度よく形成することができる。
【００４３】
また、本実施の形態に係る素子は次のようにしても製造することができる。
【００４４】
図６および図７は本実施の形態に係る素子の他の製造方法における各製造工程を表すものである。なお、ここでも、図２に示した素子の各製造工程を代表して示す。まず、図６（ａ）に示したように、例えば比抵抗が０．４〜４Ωｃｍの（１１１）単結晶シリコン基板１を図示しない反応炉内に挿入して酸化し、基板１の（１１１）表面に例えば１００ｎｍ程度の厚さの酸化膜を位置制御膜２１として形成する。
【００４５】
次いで、図６（ｂ）に示したように、この位置制御膜２１を例えばフッ化水素を含むエッチング液を用いて選択的にエッチングし、適当な大きさの開口２１ａを適宜（例えば周期的）に複数形成する（位置制御膜形成工程）。例えば、図２に示した素子を形成する場合には、図８に平面図で示したように、直径が約４μｍである複数の開口２１ａを縦横とも中心位置における間隔が互いに約６ｎｍの等間隔となるようにそれぞれ形成する。
【００４６】
続いて、図６（ｃ）に示したように、この位置制御膜２１をマスクとして、例えば六フッ化硫黄（ＳＦ6 ）を用いたプラズマエッチングにより基板１の表面を選択的にエッチングする。その際のエッチング条件は、例えば、出力を２２．５Ｗ，圧力を１６０ｍＴｏｒｒ，エッチング時間を１分間とする。これにより、位置制御膜２１の各開口２１ａに対応して基板１の表面に複数の凹部１ｂが例えば周期的にそれぞれ形成される（凹部形成工程）。例えば、円形で大きさが同一である複数の凹部１ｂが互いに縦横とも等間隔づつ隔ててそれぞれ形成される。
【００４７】
各凹部１ｂを形成したのち、位置制御膜２１を例えばフッ化水素を含むエッチング液を用いてエッチングし、除去する。そののち、基板１の表面を例えば水酸化カリウム（ＫＯＨ）を含むエッチング液を用い８０℃でエッチングする。これにより、図６（ｄ）において矢印で示したように、各凹部１ｂの側面において選択的にエッチングがそれぞれ進む。これは、シリコン単結晶のエッチング速度が各格子面によりそれぞれ異なっており、（１１１）面のエッチング速度は非常に遅いのに対し、凹部１ｂの側面の該当する（−１００）面や（００−１）面や（０−１０）面のエッチング速度は比較的速いためである。なお、格子面の表示は、本来であれば指数のうち負になる方向の上にオーバーラインを引いて表すが、ここでは便宜上、負になる方向の前にマイナスを付して表している。
【００４８】
従って、更にエッチングが進むと（例えば３０秒経過後）、図６（ｅ）に示したように、各凹部１ｂが形成された間の位置（例えば図８において破線で示した位置）に複数の突起部１ｃがそれぞれ形成される。このように、基板１の表面に適宜な大きさの突起部１ｃが形成された状態となった時点でエッチングを終了する（突起部形成工程）。なお、この各突起部１ｃは、後述する工程において各細線２の形成において核となりその位置を決定する位置決定手段（すなわち補助手段）としての役割を有している。よって、ここでは、位置制御膜形成工程において形成する開口２１ａの大きさおよび位置を調節し、各突起部１ｃを各細線２の形成位置に対応して形成するようにする。以上、位置制御膜形成工程から突起部形成工程までが位置決定手段形成工程（すなわち補助手段形成工程）となっている。ちなみに、ここでは後述するように、この位置決定手段形成工程ののち形成補助膜形成工程を行うので、補助手段形成工程は位置決定手段形成工程と補助膜形成工程とを含んでいる。
【００４９】
突起部１ｃを形成したのち、図７（ａ）に示したように、基板１の上に、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）法により２５ｎｍ程度の厚さの二酸化珪素よりなる膜を形成補助膜１１として形成する。そののち、先の製造方法における形成補助膜形成工程と同様にして、形成補助膜１１を選択的にエッチングし、各突起部１ｃに対応させて複数の孔１１ａをそれぞれ形成する。例えば、図２に示した素子を形成する場合には、先の製造方法と同様に、直径が約１μｍの孔１１ａ1 ，直径が約０．８μｍの孔１１ａ2 ，直径が約０．６μｍの孔１１ａ3 をそれぞれ列ごとに開口する。これにより、補助手段としての形成補助膜１１が形成される（形成補助膜形成工程；補助手段形成工程）。なお、この際、各突起部１ｃが各孔１１ａの中央となるようにする必要はなく、各突起部１ｃが各孔１１ａと１対１に対応して表面にそれぞれ露出されるようにすればよい。
【００５０】
形成補助膜１１を形成したのち、先の製造方法と同様にして、形成補助膜１１の各孔１１ａからそれぞれ露出された基板１の表面を洗浄し乾燥させ、その上に細線２の成長において触媒となる金属を蒸着して触媒層１３をそれぞれ形成する（蒸着工程）。この蒸着工程とほぼ同時に、あるいは必要に応じて先の製造方法と同様の加熱工程を行うことにより、図７（ｂ）に示したように、形成補助膜１１の各孔１１ａによりそれぞれ露出された基板１の上において各突起部１ｃを核として触媒層１３がシリコンを一部溶解してそれぞれ凝集し、複数の溶融合金滴１３ａが各突起部１ｃの位置にそれぞれ形成される。この際、各溶融合金滴１３ａの大きさは形成補助膜１１の各孔１１ａの大きさによってそれぞれ制御される。なおこの時、各突起部１ｃの位置が各孔１１ａの中心からずれていたとしても、各溶融合金滴１３ａは各突起部１ｃを核として凝集するので、確実に各突起部１ｃの位置に各溶融合金滴１３ａを形成することができる。
【００５１】
各溶融合金滴１３ａを形成したのち、図７（ｃ）に示したように、先の製造方法と同様にして、各溶融合金滴１３ａの下において選択的に各細線２を成長させる（細線成長工程）。すなわち、各細線２は各突起部１ｃの位置に成長する。これにより、図２に示した素子が形成される。
【００５２】
なお、必要に応じて、先の製造方法と同様に、各細線２を成長させたのち更に酸化工程を行ってもよい。
【００５３】
ここで、図９にこの製造方法により形成した素子のＳＥＭ写真を示す。ちなみに、図９に示した素子は、位置制御膜２１の各開口２１ａをそれぞれ同一の大きさの円形として互いに縦横とも等間隔となるように形成し、形成補助膜１１の各孔１１ａもそれぞれ円形で同一の大きさとしたものである。このように、各細線２は、形成補助膜１１の各孔１１ａにおいてほぼ同一の位置に１つづつ成長しており、それらの太さも均一であった。ちなみに、先の製造方法により形成した素子と比較してみても、この製造方法によれば、各細線２の形成補助膜１１の各孔１１ａにおける位置までをも制御することができ、より精度よく制御できることが分かる。
【００５４】
このようにこの細線を有する素子の製造方法によれば、基板１の上に位置決定手段としての突起部１１ｃを形成するようにしたので、触媒層１３を突起部１１ｃを核として凝集させることにより、各溶融合金滴１３ａを各突起部１１ｃの位置に形成することができる。すなわち、各細線２をより精度よく設計どおりの形成位置に形成することができる。
【００５５】
また、突起部１ｃを形成したのち形成補助膜１１を介して触媒としての金属を蒸着するようにしたので、形成補助膜１１の各孔１１ａの大きさに応じて各細線２の太さを制御することができる。よって、各細線２を精度よく設計どおりの太さに形成することができる。
【００５６】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態においては、各細線２を縦横等間隔で配列するようにしたが、素子の用途に応じて所定の周期で配列する場合も含まれる。この場合も、上記実施の形態と同様にして製造することができる。
【００５７】
また、上記実施の形態においては、形成補助膜１１を二酸化珪素によって形成するようにしたが、例えば、窒化珪素（ＳｉＮ4 ）や適宜の樹脂など蒸着工程において蒸着する金属と溶融合金滴を形成しないものであれば他の物質によって形成するようにしてもよい。
【００５８】
更に、上記実施の形態においては、位置制御膜２１を二酸化珪素によって形成するようにしたが、例えば、適宜の樹脂など他の物質によって形成するようにしてもよい。
【００５９】
加えて、上記実施の形態においては、位置決定手段として基板１の表面に突起部１ｃを形成するようにしたが、位置決定手段は、意図した所定の位置に各溶融合金滴１３ａが凝集するようにその核となり、細線２を形成する際の核となりうるものであればどの様なものでもよい。例えば、微小な溝や、特定の一箇所が最も窪んでいる凹部でもよい。但し、上記実施の形態において説明したような基板１の表面をエッチングして形成した突起部１ｃであれば、溶融合金滴１３ａが凝集する際の核となると共に、細線２がエピタキシャル成長する際の核ともなりうるので好ましい。
【００６０】
更にまた、上記実施の形態においては、細線成長工程でシランガスを図示しない反応炉内に直接導入するようにしたが、シランガスをヘリウム（Ｈｅ）ガスやアルゴン（Ａｒ）ガスなどの不活性ガスで希釈して反応炉内に導入するようにしてもよい。
【００６１】
加えてまた、上記実施の形態においては、細線成長工程でシリコンの原料ガスとしてシランガスを用いるようにしたが、シランガスに代えてジシラン（Ｓｉ2 Ｈ6 ）ガスまたはトリシラン（Ｓｉ3 Ｈ8 ）ガスを用いるようにしてもよく、あるいはシランガス，ジシランガスおよびトリシランガスのうちの少なくとも２種以上を混合した混合ガスを用いるようにしてもよい。これらの場合も、シランガスと同様の条件で直径が十分に小さく良好な形状のシリコン細線を成長させることができる。
【００６２】
更にまた、これらのシランガス，ジシランガスあるいはトリシランガスに限らず、水素（Ｈ2 ）ガスで希釈した塩化珪素（ＳｉＣｌ4 ）ガスなど分解反応によりシリコンを生成し得るガスであればシリコンの原料ガスとして用いることができる。その場合のガス圧や加熱温度はガスの種類に合わせて適宜決定する。
【００６３】
加えてまた、上記実施の形態においては、シリコンよりなる基板１の上にシリコンよりなる細線２を成長させる場合について説明したが、本発明は、基板の上にＶＬＳ法により細線を成長させた素子について広く適用することができる。
【００６４】
更にまた、上記実施の形態においては、本発明に係る素子を発光素子やマトリックス状に配線したアレイ素子として用いる場合について説明したが、本発明に係る素子は、その他ＡＦＭ（Atomic Force Microscope ）の針や、電子放出素子として用いることもできる。
【００６７】
以上説明したように本発明の量子細線を有する素子の製造方法によれば、基板の表面に突起部を形成し、この突起部が形成された基板の上に、複数の孔を有する形成補助膜を各突起部が孔内になるよう形成するようにしたので、触媒となる金属を含む溶融合金滴が孔の内部の突起部の位置に凝集し、そのため突起部が形成された位置に量子細線が成長する。よって、各細線を精度よく設計どおりの位置に形成できると共に、所望の大きさに形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る細線を有する素子の構成を表す斜視図である。
【図２】図１に示した素子の変形例を表す斜視図である。
【図３】図１に示した素子の他の変形例を表す断面図である。
【図４】図２に示した素子の一製造方法における各工程を表す断面図である。
【図５】図４に続く各工程を表す断面図である。
【図６】図２に示した素子の他の一製造方法における各工程を表す断面図である。
【図７】図６に続く各工程を表す断面図である。
【図８】図６に示した一製造工程を表す平面図である。
【図９】図６および図７に示した製造方法により製造した素子における各細線の状態を表すＳＥＭ写真である。
【符号の説明】
１…基板、１ａ…配線、１ｂ…凹部、１ｃ…突起部（位置決定手段；補助手段）、２，２1 ，２2 ，２3 …細線、３…絶縁膜、４…コンタクト線、１１…形成補助膜（補助手段）、１１ａ，１１ａ1 ，１１ａ2 ，１１ａ3 …孔、１１ｂ…酸化膜、１２…フォトレジスト膜、１２ａ，１２ａ1 ，１２ａ2 ，１２ａ3 …開口、１３…触媒層、１３ａ，１３ａ1 ，１３ａ2 ，１３ａ3 …溶融合金滴、２１…位置制御膜、２１ａ…開口
Claims (10)
- 基板の上に量子細線を成長させることにより量子細線を有する素子を製造する方法であって、
前記基板の表面に複数の凹部を形成し、前記凹部の側面を選択的にエッチングすることにより隣り合う凹部間の各位置に突起部を形成する工程と、
前記突起部が形成された基板の上に、量子細線の成長において触媒となる金属を選択的に蒸着させるための複数の孔を有する形成補助膜を、前記各突起部が前記孔内になるように形成する工程と、
前記形成補助膜の孔内に前記触媒となる金属を蒸着させると共に、加熱することにより、前記基板を構成する物質と前記蒸着した金属との溶融合金滴を前記突起部の位置に凝集させる工程と、
前記溶融合金滴を凝集させたのち、前記基板を量子細線が成長する際の原料ガスを含有する雰囲気中で加熱することにより、前記突起部の位置に量子細線を成長させる工程と
を含むことを特徴とする量子細線を有する素子の製造方法。 - 前記突起部を周期的に複数形成することを特徴とする請求項１記載の量子細線を有する素子の製造方法。
- 前記形成補助膜の孔の大きさを成長させる量子細線の直径に応じた大きさとすることを特徴とする請求項２記載の量子細線を有する素子の製造方法。
- 前記加熱を、前記溶融合金滴が前記形成補助膜の１つの孔に対して１つ形成されるまで少なくとも維持する
ことを特徴とする請求項１記載の量子細線を有する素子の製造方法。 - 前記溶融合金滴を凝集させる工程は、少なくとも１０分間維持することを特徴とする請求項４記載の量子細線を有する素子の製造方法。
- シリコンよりなる基板の上にシリコンよりなる量子細線を成長させることを特徴とする請求項１記載の量子細線を有する素子の製造方法。
- 更に、成長させた量子細線を酸化して表面に酸化膜を形成する酸化工程を有することを特徴とする請求項１記載の量子細線を有する素子の製造方法。
- 前記触媒となる金属は、金，銀あるいはインジウムのうちのいずれか少なくとも１種であることを特徴とする請求項１記載の量子細線を有する素子の製造方法。
- シランガス，ジシランガスあるいはトリシランガスのいずれか少なくとも１種を原料ガスとして用いることを特徴とする請求項６記載の量子細線を有する素子の製造方法。
- シリコンよりなる基板の上にシリコンよりなる量子細線を成長させると共に、前記凹部を形成する工程において基板の表面を（１１１）面とすることを特徴とする請求項６記載の量子細線を有する素子の製造方法。
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