JP4327254B2 - 極長高安定性原子ワイヤ、これを形成する方法、およびそのナノエレクトロニクスへの応用 - Google Patents
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Description
技術分野
本発明は、極長高安定性原子ワイヤおよびこれを形成する方法に関するものである。
本発明は特にナノエレクトロニクス、光学、およびマイクロメカニクスへ応用される。
先行技術
金属表面あるいは半導体表面上における原子ワイヤの形成に関して様々な研究が行われてきた。
原子ワイヤは、原子スケールでの固体表面の構造的性質、動的性質、および反応性を使用するプロセスにより形成される。
原子ワイヤの形成における問題点は、原子で形成されたワイヤの表示の問題に密接に関係している。
原子ワイヤのサブナノメートルの寸法（１ｎｍ以下）のため、このようなナノ構造の表示および検査はトンネル効果顕微鏡によってしか行うことができない。
原子ワイヤの形成の周知の方法の主なものが以下に示される。
第１の周知の方法は、吸着物を固体表面上へ制御して蒸着することを含んでいる。
この第１の周知の方法によれば、固体表面の異方性の性質を利用と吸着物のフローおよび基板温度の制御とにより、原子ワイヤを構築することが可能である。
このワイヤの形成は、表面の結合係数の異方性、準安定構造の異方性、あるいは拡散の異方性に基づいている。
この点に関して、後で引用される他の文献とともに、この明細書の終わりに掲載した文献（１）ないし（５）を参照するべきである。
第２の周知の方法は、トンネル効果顕微鏡の探針を使ったナノリソグラフィを含んでいる。
トンネル効果顕微鏡の探針から出射された電子を利用して、ナノメートルスケールで分解あるいは脱離反応を起こさせることが可能である。
トンネル効果顕微鏡の探針を移動することによって、原子ワイヤを形成することが可能である。
この点は、文献（６）を参考にするべきである。
これらの周知の方法のパフォーマンスの比較が以下に示される。
制御された蒸着方法により、表面の広範囲にわたって同じ方向に並んだ原子ワイヤ列を形成することが可能である。
これらのワイヤの組成をはっきり決めることができる。
しかしながら、この方法は欠点を有している。
これは、特に使用される基板あるいは吸着物に起因して、得られるワイヤが熱的に不安定だからである。
さらに、この原子ワイヤは一般的に数オングストロームの長さが限界であるとともに、表面上の分布がランダムであるため制御できない。
表面上のこのワイヤの密度は大きく、ワイヤの合体現象が生じるともはやワイヤではなく原子の２次元の集合体になる。
上述の第２の周知の方法により、原子ワイヤの規則性の高い格子を形成することが可能になる。
この原子ワイヤは長くなりうる可能性を秘めている。
しかしながら、この第２の周知の方法は以下の欠点を有している。
原子ワイヤが原子スケールでは質がよくないことである。
加えて、この方法では、原子数が少ないワイヤしか形成することができない。
さらには、この方法は一般には０℃以下の低温に保たれた表面を必要とする。
発明の開示
本発明の目的は、上記の欠点を改善することである。
目的は第１には極長で高安定性の原子ワイヤを得ることである。
本発明は、そのような原子ワイヤを形成する方法にも関わる。
この方法は、表面の広範囲にわたって極長の原子ワイヤの規則的な格子を形成することを可能にする唯一の方法である。
加えて、この方法によって形成された原子ワイヤは全て、１０００℃近傍の温度まで非常に高い熱安定性を有している；これは、他の周知の方法で得られる熱的に安定な原子ワイヤが最高でも２００℃近傍であるので比較にならないほどである。
つまり本発明は、このタイプのサブナノ構造としては現時点での周知の安定性の限界をかなり越えるものである。
さらには、上記の周知の方法とは異なり、本発明の目的である方法では、表面上においては原子ワイヤの超格子から単一の原子ワイヤだけの集まりまでの集合体を形成することを可能にすることによって、原子列あるいは原子ワイヤの数を制御することが可能である。
正確には、本発明の目的は一組のＮ列原子ワイヤである。ここで、Ｎは１以上の整数である。その一組のＮ列原子ワイヤは、ワイヤがSiCの表面上で形成されるとともに、SiかCのいずれかの元素のダイマーの直線状の鎖であり、また、それらの鎖が互いに平行でかつ実質的に互いに等距離であるとともに、基板の一端から他端まで延びており、また、ダイマーの方向に対して垂直の方向に延びていることを特徴している。
この集合体の第１の実施形態によれば、前記表面はシリコン終端したβ-SiC(100)の表面であり、前記列はSi-Siダイマーの鎖である。
第２の実施形態によれば、前記表面はカーボン終端したβ-SiC(100)の表面であり、前記鎖はC-Cダイマーの鎖である。
本発明は、本発明の目的の一つであるＮ列原子ワイヤの集合体を形成する方法にも関わる。この方法は、前記元素の層を前記表面上に形成するとともに前記集合体は前記層が形成された表面をアニーリングすることにより構築し、また、最後のアニーリングによって徐々にその表面から前記元素のダイマー列を選択的に除去してＮ列原子ワイヤの集合体を得ることを特徴とする。
アニーリングの最終段階の温度と継続時間は、一定の長さの原子ワイヤがワイヤに対して垂直にカウントして所望数Ｎ列得られるように決められる。
好ましくは、前記集合体は５×１０-9Pa以下あるいは中性の雰囲気に維持されたチャンバー内で構築される。
本発明の目的である方法の好適な実施形態によれば、SiCの単結晶基板はβ-SiCの立法相(100)に形成され、次いでこの基板は変換されてその表面がSi終端でかつ3×2に再構成され、次にこの変換された基板が１０００℃から１１５０℃の範囲の温度のアニーリングによる選択脱離によって表面から徐々にSi-Siダイマー列が除去され、そしてＮ列原子ワイヤの前記集合体が得られる。
変換された基板がアニールされる時間は表面の構造の特徴に依存する。この時間は５分間から１０分間の範囲で選択することができる。
前記単結晶基板は、Si(100)面から４°微傾斜した表面上に、カーボンを含む第一の化合物気体とシリコンを含む第二の化合物気体とを化学気相蒸着することによって得ることができる。
第一の化合物気体はC3H6でもよいし、第二の化合物気体はSiH4でもよい。
好ましくは、前記単結晶基板がアニーリングによってその表面をカーボンリッチの1×1構造を有する表面にされ、この表面に室温でシリコン層が堆積され、次いでこのシリコン層を備えた基板が略１０００℃でアニールされて、シリコン終端されかつ3×2再構成されたβ-SiC(100)の表面を得る。
本発明は多くの応用が可能である。
すなわち、Ｎ列原子ワイヤの前記集合体を前記材料が堆積される母体として使用することによって、金属材料、磁性材料、高分子材料、有機材料、半導体材料、絶縁体材料あるいは生体材料のワイヤの集合体を製造するのに応用される。
本発明は、０．１ｎｍないし１０ｎｍの厚さを有する原子ワイヤを有する、０．１ｎｍないし１０ｎｍ程度のサイズの電子デバイスの並列アドレッシングにも応用される。
本発明の目的である原子ワイヤは、製造方法においても得られた製品の性質においても先行技術で提案されてきたものとは相違するものである。
これは、基板の選択、使用された方法および得られたワイヤの質が、先行技術から知得されたものとは非常に相違しているからである。
基板の選択に関していうと、得られた原子ワイヤは、不活性な半導体材料例えばシリコンカーバイドの表面上好ましくはそのβ-SiC(100)立法相上に形成される。
シリコンカーバイドは非常に優れた特性、すなわち、高熱安定性、高化学安定性および過酷な環境（高温、イオン照射、攻撃的化学環境）に耐える能力を有する材料である。
また、大きな硬度（ダイヤモンドやボロンナイトライドの硬度に近い）を有するセラミックでもある。
さらには、最も生体適合性の高い材料として知られたものの一つである。
特に、β-SiC(100)上に形成されたシリコンワイヤは熱的に非常に安定（１０００℃程度まで）であり、かつ化学的にも非常に安定であることが確かめられている。
周知の方法では、使用されている基板は、Si(100)あるいは単結晶金属（例えば、Ｐｔ（１１０）あるいはＡｕ(100)）の表面である。
どの場合にも、原子ワイヤは熱的に不安定である。
制御された蒸着法の場合におけるこの不安定性は、表面拡散の温度依存性に基づくこの方法固有のものである。
トンネル効果顕微鏡を使用するナノリソグラフィ法の場合には、その不安定性は３００℃近傍から４００℃で不安定である材料（例えば、Ｈ／Si）を選択することに起因している。
温度の関数としての表面拡散の制御に基づく方法は、ある温度でのみ安定でありかつそれから温度が変わると変化する原子ワイヤを形成することを可能にするものである。
本発明の方法は、好ましくは高温すなわち１０００℃から１１５０℃の間の温度での選択脱離に基づいたものである。
原子ワイヤの密度は表面温度の制御により制御される。
一旦ワイヤが形成されると、ワイヤは１０００℃以下では非常に安定である。
得られた原子ワイヤ、とりわけβ-SiC(100)上に形成されたワイヤの質に関していうと、この原子ワイヤは他の方法では得ることができない独特の特性を有するということがいえる。
この原子ワイヤの長さは形成される基板のみによって制限を受ける。
この原子ワイヤはすべて平行であり、原子スケールで品質がよく、かつ密度が制御可能な格子を形成する。
このワイヤは、化学的にかつ特に略１０００℃までは熱的に非常に安定である。
【図面の簡単な説明】
本発明は、添付図面を参照して、限定されることなく、以下で述べる実施形態の説明によりもっとよく理解されるだろう。
図１は、本発明による高密度（超格子）の原子ワイヤの集合体の概略平面図である。
図２は、本発明によるより低密度の原子ワイヤの集合体の概略平面図である。
図３は、本発明による孤立した原子ワイヤの概略平面図である（Ｎ＝１）。
図４は、Si終端して3×2に再構成したβ-SiC(100)表面の概略断面図である。
図５は、図４の概略平面図である。
図６は、c(4×2)終端されたβ-SiC(100)表面の概略断面図である。
図７は、図６の概略平面図である。
図８および図９は、Si終端でn×2に再構成したβ-SiC(100)表面の概略断面図である（ただし、nは３より大きな奇数）。
図１０は、本発明のナノスケール物体の並列アドレッシングへの応用の概略を示した図である。
実施形態の詳細な開示
従って本発明は、シリコンカーバイド基板の表面上に形成された極長の原子ラインあるいは原子ワイヤに関するものである。
制御された状態で原子ワイヤ間の距離を１nmから数mmの間で変えることが可能である。
これは図１ないし図３の平面図において概略的に示される。
図１及び図２において、原子ワイヤ２が示されているが、それは、符号４で示されたシリコンダイマー（Si-Si）の鎖からなり、その鎖は直線状に延びてかつ全てが同じ方向Ｄを向いている。
この長さＬは、非常に長く（100nmより長い）そして原子ワイヤが形成された基板６の長さによってのみ制限される。
この原子ワイヤは、互いに規則的に離間している。
原子ワイヤは、ダイマーの方向に対して垂直に延びている。
Ｎ列原子ワイヤを温度によって変化させて、数オングストローム程度の距離で互いに離間して配置した原子ワイヤの超格子（図１）から数ナノメートル程度の距離Ａで互いに離間して配置した原子ワイヤの集合体（図２）へ変化させること、そしてさらにこの集合体から数10ナノメートルの距離で互いに離間して配置した孤立した原子ワイヤ２（図３）へ変化させることが可能である。
図１ないし図３にはダイマー４を示しているが、そこには原子ワイヤの方向Ｄがダイマー４の方向ｄに対して垂直であること、そしてその方向ｄが１つのダイマーを構成する２個のシリコン原子の中心を結ぶ直線の方向であることが明示されている。
上記のように、この原子ワイヤは１０００℃近傍まで安定である。
図１ないし図３に示されたタイプのシリカ原子ワイヤを形成する方法が以下で説明される。
出発点は、Si終端されてかつ3×2に再構成したβ-SiC(100)表面である。
このような表面の準備については、参照すべき文献（７）および（８）に記載されている。
この表面から始めて、シリコンの熱脱離によって他の表面再構成c(4×2)に達する。
この点に関しては、文献（７）を参考にすべきである。
本発明において関心のある状態はこれら２つの表面再構成の間に現れる状態である。
シリコンダイマー列は、１０００℃から１１５０℃の間の温度でおよそ５分間から１０分間で変更可能な時間アニーリングすることによって、3×2再構成表面から徐々に除去される。
本発明の目的である原子ワイヤは、3×2再構成からc(4×2)の間の相転移において現れる。
原子ワイヤの数Ｎとそれらの間の間隔Ａとは、このアニーリングの温度と継続時間とに依存する。
原子ワイヤの形成は、密閉されたチャンバー（図示せず）内で5×10-9Pa以下の圧力下で行われる。
使用されるシリコンカーバイド基板は、好ましくはβ-SiC(100)立方相のシリコンカーバイドを厚さ１μm程度の非常に薄い単結晶薄膜である。
この薄膜は、４°傾斜したSi(100)の微傾斜面上にC3H8およびSiH4の化学気相蒸着（あるいはCＶＤ）によって得られる。
基板として、固体SiC単結晶を使用することも可能である。
この点は、文献（９）、（１０）および（１１）を参照すべきである。
次に、β-SiC(100)立方相のシリコンカーバイドの単結晶基板は、一連のアニーリングによって、基板表面からCＶＤ法に起因したシリコンの酸化物および炭素の酸化物とが除去され、カーボンリッチな1×1表面構造となる。
次に、シリコンの層（少なくとも２層）が、この表面上に室温（２０℃近傍）で連続的に蒸着される。
それから、その基板を１０００℃近傍でアニーリングする。
これにより、Si終端された、すなわちシリコンリッチでかつ3×2表面再構成を有するβ-SiC(100)の平坦な表面を得る。
図４は、Si終端されかつ3×2に再構成した表面を有するβ-SiC(100)の概略断面図である。
この図４では、Si(100)のウェーハ上に形成された単結晶シリコンカーバイド８の非常に薄い薄膜が描かれている。
この表面８は、カーボン１２の単層で形成されている。
カーボン１２のこの単層は、シリコン１４の単層で被覆されている。
シリコン１４のこの単層は、シリコン単層の1/3の数のシリコン原子で構成された疎らな単層で被覆されている。
図５は、単層１２および１４と疎らな単層１６を備えた基板の平面図である。
層１２のカーボン原子１８の配列とその層上に位置したシリコン単層１４のシリコン原子２０とが描かれている。
符号２２で示された非対称Si-Siダイマーが描かれており、これらのダイマー２２が疎らなシリコン単層１６を形成する。
基板の最上層を構成するこの層１６においては、非対称ダイマー２２全てが同じ角度で傾斜しており、ダイマー列がダイマーの方向に対して垂直であることが明瞭にわかる。
各ダイマー２２では、上側のシリコン原子が下側のシリコン原子より大きな円で描かれている。
図５において、点線で示された長方形２４は3×2再構成面の基本格子を示している。
距離aはa0/√2に等しい。ここで、a0はβ-SiCの格子パラメータを体積で示したものである。
β-SiC(100)の[110]方向および[-110]方向も示されている。
図６は、表面がc(4×2)再構成された基板の概略断面図である。ここで、その再構成は図４の基板をアニールすることによって得られる。
シリコンウェハー１０，シリコンカーバイド膜８およびカーボン単層１２も描かれている。
さらに、図４の単層が再配列し、疎らな単層１６が消失したシリコン単層２６が描かれている。
図７は、この層１２および２６を備えた基板の平面図である。
さらに、図７において、カーボン単層１２の原子１８が描かれている。
シリコン単層２６の原子も描かれている。
これらの原子もSi-Siダイマーを形成する。
符号２８で示された下配置Si-Siダイマーと符号３０で示された上配置Si-Siダイマーとが描かれ、後者は前者より大きな円で示されている。
図７において、点線で示された長方形３２はβ-SiC(100)のc(4×2)再構成面の基本格子を示している。
図８は、図４と図６との層の間の中間層を描いた概略断面図である。
この中間層は、n×2のタイプの再構成に相当するものである。ここで、nは3より大きい奇数であり、例えば5である。
図８の中間層は図４の構造をアニールすることにより得られ、その最上層では本発明による原子ワイヤ３２が形成される。
これは、図４の疎らな単層１６が変化して得られたものであり、この変化はアニーリングに起因するものである。
図８は、アニーリング効果の下での図４に示した層１４の再秩序化に起因したシリコン単層３４も示している。
図８に示された相はアニーリングに従って形成されるものであり、他の中間層（これもn×2のタイプの再構成に相当するものであり、ここで、nは例えば7である。）は図９に示されたように原子ワイヤが互いにもっと離間したものである。
図９は、アニーリング効果の下での図８示した層３４の再秩序化に起因したシリコン単層３６も示している。
さらなるアニーリングにより図９で示した構造から図６で示した構造へ変化することに注目するべきである。
本発明はシリコン原子ワイヤに限定されない。
C-Cダイマーの配列により形成されるカーボン原子ワイヤにも関わるものである。
このようなカーボン原子ワイヤはシリコンワイヤに用いた方法と同等な方法を用いて得ることが可能である。
本発明の目的である原子ワイヤは多くの応用が考えられる。
まず第一に、シリコンカーバイドが非常に興味深いIV-IV半導体化合物であることを述べておきたい。
これは、この材料がマイクロエレクトロニクス（高周波数用、高温用、高圧用、高電力用）および光エレクトロニクスへの多くの応用が考えられるからである。
加えてシリコンカーバイドは、熱的および化学的安定性の高さのため、航空学、宇宙産業、自動車産業、石油産業、地球物理学及び原子炉において遭遇するタイプの過酷な環境での使用するための非常に魅力的な材料である。
さらには、シリコンカーバイドは、例えば極大硬さ等の非常に興味深い機械的な特性を有しているセラミックスであるとともに、生体とりわけ血液細胞に最も適合した材料の一つである。
まず第一に、本発明の目的である原子ワイヤの最初の応用が示される。
本発明による原子ワイヤの格子は、金属、磁性あるいは高分子のワイヤの類似した格子を形成するための母体として使用することができる。
このためには、金属、磁性、高分子、有機、半導体、絶縁体、あるいは生体材料を本発明による原子ワイヤの格子を有する基板上に蒸着する。それによって、金属、磁性、高分子、有機、半導体、絶縁体、あるいは生体物質のワイヤの類似したネットワークを得ることができる。
本発明はエレクトロニクスにも応用できる。
エレクトロニクスにおける小型化の研究により、益々小型な基本デバイスが製造されるようになり、その大きさは0.2μmあるいは0.3μmになりうる。
しかしながら、原子及び分子を個々に操作する新しい方法によって、もっと小さい、0.1nmから10nmの範囲の大きさのデバイスを構築することさえ構想することが可能である。
この分野では、このサイズのナノ物体を伴うエレクトロニクス用の基礎的な機能を生み出す試みがなされている。
解決する事が困難な問題の一つがこれらのナノ物体のアドレッシングに関するものである。
このアドレッシングには、非常に小さな0.1nmから10nm程度の厚みのワイヤが要求され、かつ、ナノ物体を非常に多数（数１００万個までの範囲になりうる）にわたって並列にエフェクトされることが可能でなければならない。
本発明は例えばβ-SiC(100)上に得られる原子ワイヤの格子によってこの問題を解決することを可能にしたのである。この原子ワイヤの格子は、ある点ではナノメートルスケールでのプリント基板を構成するものである。
原子ワイヤ間の距離は、ほぼ1nmから調整可能である。
図１０は、上記の並列アドレッシングを図解したものである。
この図１０において、基板３８の上に本発明による平行な原子ワイヤ４０が形成されているのが示されている。
このワイヤ４０は、基板３８上に形成されたナノエレクトロニクスデバイス４２の並列アドレッシングが可能である。
この基板３８上に形成されたマイクロエレクトロニクスデバイス４４は、ワイヤ４０によって制御信号をデバイス４２に送る。
本発明によってβ-SiC(100)の表面上形成されたシリコン原子ワイヤは、電子ロックの形成においても興味深いことも述べておいてもよいだろう。
本発明による原子ワイヤ上あるいは原子ワイヤ間に、金属原子または不活性化用の酸素原子または有機あるいは無機分子で接続することを構想することも可能である。
異なるナノ物体間の接続を柔軟に提供するために、トンネル効果顕微鏡の探針を使用して制御された状態で本発明による原子ワイヤをバラバラにカットすることを構想することも可能である。
本発明は光学にも応用が可能である。
本発明により、本発明による原子ワイヤの格子と同じ幾何学特性（長さおよび線間距離）を有するナノメートルの電磁場格子を形成することが可能である。
これは、適当な光ビームを備えたこの格子が該格子が位置する表面を局所的に接近して照明することが、完全に源となる近接電磁場分布を形成すること、あるいは原子ワイヤと同じ空間分布を利用することを可能にするからである。
このナノメートル電磁場格子は、表面上の原子ナノ構造のレーザー誘導脱離において応用が可能である。
本発明はマイクロメカニクスにおいても応用が可能である。
本発明による原子ワイヤを有する表面の摩擦特性は非常に異方的であり、そのため、移動を必要とするマイクロメカニクスデバイスにおいて役に立つ。
この明細書において引用された文献を以下に示す。
（１）H Roder, R Hahn, H Brune, J P Bucker et K Kern, Nature 366, 141(1993).
（２）S Gunther et al, Phys.Rev.Lett. 73, 553 (1994).
（３）H Itoh, J Itoh, A Schmid et T Ichinokawa, Phys.Rev.B 48, 14663 (1993).
（４）J A Yoshikawa, J Nogami, C F Quate et P Piaetta, Surf.Sci, 321, 2183 (1994).
（５）Y W Mo, J Klein, M B Webb et M G Lagally, Surf.Sci, 268, 275 (1992).
（６）T C Shen, C Wang, G L Abeln, J R Tucker, J W Lyding, Ph. Avouriset R E Walkup, Science 268, 1590 (1995).
（７）R Kaplan et V M Bermudez, in Properties of Silicon Carbide, G Harris Editor, EMIS Datareview Series, INSPEC (London), Vol. 13, 101 (1995).
（８）F Semond, P Soukiassian, A Mayne, G Dujardin, L Douillard et C Jaussaud, Phys. Rev.Lett. 77, 2013 (1996).
（９）M Riehl-Chudoba, P Soukiassian et C Jaussaud, J. Appl. Phys. 76, 1332 (1994).
（１０）M Riehl-Chudoba, S Dupont et P Soukiassian, Surf.Sci, 331-333, 625 (1995).
（１１）M Riehl-Chudoba, P Soukiassian, C Jaussaud et S Dupont, Phys.Rev.B 51, 14300 (1995).
本発明は、極長高安定性原子ワイヤおよびこれを形成する方法に関するものである。
本発明は特にナノエレクトロニクス、光学、およびマイクロメカニクスへ応用される。
先行技術
金属表面あるいは半導体表面上における原子ワイヤの形成に関して様々な研究が行われてきた。
原子ワイヤは、原子スケールでの固体表面の構造的性質、動的性質、および反応性を使用するプロセスにより形成される。
原子ワイヤの形成における問題点は、原子で形成されたワイヤの表示の問題に密接に関係している。
原子ワイヤのサブナノメートルの寸法（１ｎｍ以下）のため、このようなナノ構造の表示および検査はトンネル効果顕微鏡によってしか行うことができない。
原子ワイヤの形成の周知の方法の主なものが以下に示される。
第１の周知の方法は、吸着物を固体表面上へ制御して蒸着することを含んでいる。
この第１の周知の方法によれば、固体表面の異方性の性質を利用と吸着物のフローおよび基板温度の制御とにより、原子ワイヤを構築することが可能である。
このワイヤの形成は、表面の結合係数の異方性、準安定構造の異方性、あるいは拡散の異方性に基づいている。
この点に関して、後で引用される他の文献とともに、この明細書の終わりに掲載した文献（１）ないし（５）を参照するべきである。
第２の周知の方法は、トンネル効果顕微鏡の探針を使ったナノリソグラフィを含んでいる。
トンネル効果顕微鏡の探針から出射された電子を利用して、ナノメートルスケールで分解あるいは脱離反応を起こさせることが可能である。
トンネル効果顕微鏡の探針を移動することによって、原子ワイヤを形成することが可能である。
この点は、文献（６）を参考にするべきである。
これらの周知の方法のパフォーマンスの比較が以下に示される。
制御された蒸着方法により、表面の広範囲にわたって同じ方向に並んだ原子ワイヤ列を形成することが可能である。
これらのワイヤの組成をはっきり決めることができる。
しかしながら、この方法は欠点を有している。
これは、特に使用される基板あるいは吸着物に起因して、得られるワイヤが熱的に不安定だからである。
さらに、この原子ワイヤは一般的に数オングストロームの長さが限界であるとともに、表面上の分布がランダムであるため制御できない。
表面上のこのワイヤの密度は大きく、ワイヤの合体現象が生じるともはやワイヤではなく原子の２次元の集合体になる。
上述の第２の周知の方法により、原子ワイヤの規則性の高い格子を形成することが可能になる。
この原子ワイヤは長くなりうる可能性を秘めている。
しかしながら、この第２の周知の方法は以下の欠点を有している。
原子ワイヤが原子スケールでは質がよくないことである。
加えて、この方法では、原子数が少ないワイヤしか形成することができない。
さらには、この方法は一般には０℃以下の低温に保たれた表面を必要とする。
発明の開示
本発明の目的は、上記の欠点を改善することである。
目的は第１には極長で高安定性の原子ワイヤを得ることである。
本発明は、そのような原子ワイヤを形成する方法にも関わる。
この方法は、表面の広範囲にわたって極長の原子ワイヤの規則的な格子を形成することを可能にする唯一の方法である。
加えて、この方法によって形成された原子ワイヤは全て、１０００℃近傍の温度まで非常に高い熱安定性を有している；これは、他の周知の方法で得られる熱的に安定な原子ワイヤが最高でも２００℃近傍であるので比較にならないほどである。
つまり本発明は、このタイプのサブナノ構造としては現時点での周知の安定性の限界をかなり越えるものである。
さらには、上記の周知の方法とは異なり、本発明の目的である方法では、表面上においては原子ワイヤの超格子から単一の原子ワイヤだけの集まりまでの集合体を形成することを可能にすることによって、原子列あるいは原子ワイヤの数を制御することが可能である。
正確には、本発明の目的は一組のＮ列原子ワイヤである。ここで、Ｎは１以上の整数である。その一組のＮ列原子ワイヤは、ワイヤがSiCの表面上で形成されるとともに、SiかCのいずれかの元素のダイマーの直線状の鎖であり、また、それらの鎖が互いに平行でかつ実質的に互いに等距離であるとともに、基板の一端から他端まで延びており、また、ダイマーの方向に対して垂直の方向に延びていることを特徴している。
この集合体の第１の実施形態によれば、前記表面はシリコン終端したβ-SiC(100)の表面であり、前記列はSi-Siダイマーの鎖である。
第２の実施形態によれば、前記表面はカーボン終端したβ-SiC(100)の表面であり、前記鎖はC-Cダイマーの鎖である。
本発明は、本発明の目的の一つであるＮ列原子ワイヤの集合体を形成する方法にも関わる。この方法は、前記元素の層を前記表面上に形成するとともに前記集合体は前記層が形成された表面をアニーリングすることにより構築し、また、最後のアニーリングによって徐々にその表面から前記元素のダイマー列を選択的に除去してＮ列原子ワイヤの集合体を得ることを特徴とする。
アニーリングの最終段階の温度と継続時間は、一定の長さの原子ワイヤがワイヤに対して垂直にカウントして所望数Ｎ列得られるように決められる。
好ましくは、前記集合体は５×１０-9Pa以下あるいは中性の雰囲気に維持されたチャンバー内で構築される。
本発明の目的である方法の好適な実施形態によれば、SiCの単結晶基板はβ-SiCの立法相(100)に形成され、次いでこの基板は変換されてその表面がSi終端でかつ3×2に再構成され、次にこの変換された基板が１０００℃から１１５０℃の範囲の温度のアニーリングによる選択脱離によって表面から徐々にSi-Siダイマー列が除去され、そしてＮ列原子ワイヤの前記集合体が得られる。
変換された基板がアニールされる時間は表面の構造の特徴に依存する。この時間は５分間から１０分間の範囲で選択することができる。
前記単結晶基板は、Si(100)面から４°微傾斜した表面上に、カーボンを含む第一の化合物気体とシリコンを含む第二の化合物気体とを化学気相蒸着することによって得ることができる。
第一の化合物気体はC3H6でもよいし、第二の化合物気体はSiH4でもよい。
好ましくは、前記単結晶基板がアニーリングによってその表面をカーボンリッチの1×1構造を有する表面にされ、この表面に室温でシリコン層が堆積され、次いでこのシリコン層を備えた基板が略１０００℃でアニールされて、シリコン終端されかつ3×2再構成されたβ-SiC(100)の表面を得る。
本発明は多くの応用が可能である。
すなわち、Ｎ列原子ワイヤの前記集合体を前記材料が堆積される母体として使用することによって、金属材料、磁性材料、高分子材料、有機材料、半導体材料、絶縁体材料あるいは生体材料のワイヤの集合体を製造するのに応用される。
本発明は、０．１ｎｍないし１０ｎｍの厚さを有する原子ワイヤを有する、０．１ｎｍないし１０ｎｍ程度のサイズの電子デバイスの並列アドレッシングにも応用される。
本発明の目的である原子ワイヤは、製造方法においても得られた製品の性質においても先行技術で提案されてきたものとは相違するものである。
これは、基板の選択、使用された方法および得られたワイヤの質が、先行技術から知得されたものとは非常に相違しているからである。
基板の選択に関していうと、得られた原子ワイヤは、不活性な半導体材料例えばシリコンカーバイドの表面上好ましくはそのβ-SiC(100)立法相上に形成される。
シリコンカーバイドは非常に優れた特性、すなわち、高熱安定性、高化学安定性および過酷な環境（高温、イオン照射、攻撃的化学環境）に耐える能力を有する材料である。
また、大きな硬度（ダイヤモンドやボロンナイトライドの硬度に近い）を有するセラミックでもある。
さらには、最も生体適合性の高い材料として知られたものの一つである。
特に、β-SiC(100)上に形成されたシリコンワイヤは熱的に非常に安定（１０００℃程度まで）であり、かつ化学的にも非常に安定であることが確かめられている。
周知の方法では、使用されている基板は、Si(100)あるいは単結晶金属（例えば、Ｐｔ（１１０）あるいはＡｕ(100)）の表面である。
どの場合にも、原子ワイヤは熱的に不安定である。
制御された蒸着法の場合におけるこの不安定性は、表面拡散の温度依存性に基づくこの方法固有のものである。
トンネル効果顕微鏡を使用するナノリソグラフィ法の場合には、その不安定性は３００℃近傍から４００℃で不安定である材料（例えば、Ｈ／Si）を選択することに起因している。
温度の関数としての表面拡散の制御に基づく方法は、ある温度でのみ安定でありかつそれから温度が変わると変化する原子ワイヤを形成することを可能にするものである。
本発明の方法は、好ましくは高温すなわち１０００℃から１１５０℃の間の温度での選択脱離に基づいたものである。
原子ワイヤの密度は表面温度の制御により制御される。
一旦ワイヤが形成されると、ワイヤは１０００℃以下では非常に安定である。
得られた原子ワイヤ、とりわけβ-SiC(100)上に形成されたワイヤの質に関していうと、この原子ワイヤは他の方法では得ることができない独特の特性を有するということがいえる。
この原子ワイヤの長さは形成される基板のみによって制限を受ける。
この原子ワイヤはすべて平行であり、原子スケールで品質がよく、かつ密度が制御可能な格子を形成する。
このワイヤは、化学的にかつ特に略１０００℃までは熱的に非常に安定である。
【図面の簡単な説明】
本発明は、添付図面を参照して、限定されることなく、以下で述べる実施形態の説明によりもっとよく理解されるだろう。
図１は、本発明による高密度（超格子）の原子ワイヤの集合体の概略平面図である。
図２は、本発明によるより低密度の原子ワイヤの集合体の概略平面図である。
図３は、本発明による孤立した原子ワイヤの概略平面図である（Ｎ＝１）。
図４は、Si終端して3×2に再構成したβ-SiC(100)表面の概略断面図である。
図５は、図４の概略平面図である。
図６は、c(4×2)終端されたβ-SiC(100)表面の概略断面図である。
図７は、図６の概略平面図である。
図８および図９は、Si終端でn×2に再構成したβ-SiC(100)表面の概略断面図である（ただし、nは３より大きな奇数）。
図１０は、本発明のナノスケール物体の並列アドレッシングへの応用の概略を示した図である。
実施形態の詳細な開示
従って本発明は、シリコンカーバイド基板の表面上に形成された極長の原子ラインあるいは原子ワイヤに関するものである。
制御された状態で原子ワイヤ間の距離を１nmから数mmの間で変えることが可能である。
これは図１ないし図３の平面図において概略的に示される。
図１及び図２において、原子ワイヤ２が示されているが、それは、符号４で示されたシリコンダイマー（Si-Si）の鎖からなり、その鎖は直線状に延びてかつ全てが同じ方向Ｄを向いている。
この長さＬは、非常に長く（100nmより長い）そして原子ワイヤが形成された基板６の長さによってのみ制限される。
この原子ワイヤは、互いに規則的に離間している。
原子ワイヤは、ダイマーの方向に対して垂直に延びている。
Ｎ列原子ワイヤを温度によって変化させて、数オングストローム程度の距離で互いに離間して配置した原子ワイヤの超格子（図１）から数ナノメートル程度の距離Ａで互いに離間して配置した原子ワイヤの集合体（図２）へ変化させること、そしてさらにこの集合体から数10ナノメートルの距離で互いに離間して配置した孤立した原子ワイヤ２（図３）へ変化させることが可能である。
図１ないし図３にはダイマー４を示しているが、そこには原子ワイヤの方向Ｄがダイマー４の方向ｄに対して垂直であること、そしてその方向ｄが１つのダイマーを構成する２個のシリコン原子の中心を結ぶ直線の方向であることが明示されている。
上記のように、この原子ワイヤは１０００℃近傍まで安定である。
図１ないし図３に示されたタイプのシリカ原子ワイヤを形成する方法が以下で説明される。
出発点は、Si終端されてかつ3×2に再構成したβ-SiC(100)表面である。
このような表面の準備については、参照すべき文献（７）および（８）に記載されている。
この表面から始めて、シリコンの熱脱離によって他の表面再構成c(4×2)に達する。
この点に関しては、文献（７）を参考にすべきである。
本発明において関心のある状態はこれら２つの表面再構成の間に現れる状態である。
シリコンダイマー列は、１０００℃から１１５０℃の間の温度でおよそ５分間から１０分間で変更可能な時間アニーリングすることによって、3×2再構成表面から徐々に除去される。
本発明の目的である原子ワイヤは、3×2再構成からc(4×2)の間の相転移において現れる。
原子ワイヤの数Ｎとそれらの間の間隔Ａとは、このアニーリングの温度と継続時間とに依存する。
原子ワイヤの形成は、密閉されたチャンバー（図示せず）内で5×10-9Pa以下の圧力下で行われる。
使用されるシリコンカーバイド基板は、好ましくはβ-SiC(100)立方相のシリコンカーバイドを厚さ１μm程度の非常に薄い単結晶薄膜である。
この薄膜は、４°傾斜したSi(100)の微傾斜面上にC3H8およびSiH4の化学気相蒸着（あるいはCＶＤ）によって得られる。
基板として、固体SiC単結晶を使用することも可能である。
この点は、文献（９）、（１０）および（１１）を参照すべきである。
次に、β-SiC(100)立方相のシリコンカーバイドの単結晶基板は、一連のアニーリングによって、基板表面からCＶＤ法に起因したシリコンの酸化物および炭素の酸化物とが除去され、カーボンリッチな1×1表面構造となる。
次に、シリコンの層（少なくとも２層）が、この表面上に室温（２０℃近傍）で連続的に蒸着される。
それから、その基板を１０００℃近傍でアニーリングする。
これにより、Si終端された、すなわちシリコンリッチでかつ3×2表面再構成を有するβ-SiC(100)の平坦な表面を得る。
図４は、Si終端されかつ3×2に再構成した表面を有するβ-SiC(100)の概略断面図である。
この図４では、Si(100)のウェーハ上に形成された単結晶シリコンカーバイド８の非常に薄い薄膜が描かれている。
この表面８は、カーボン１２の単層で形成されている。
カーボン１２のこの単層は、シリコン１４の単層で被覆されている。
シリコン１４のこの単層は、シリコン単層の1/3の数のシリコン原子で構成された疎らな単層で被覆されている。
図５は、単層１２および１４と疎らな単層１６を備えた基板の平面図である。
層１２のカーボン原子１８の配列とその層上に位置したシリコン単層１４のシリコン原子２０とが描かれている。
符号２２で示された非対称Si-Siダイマーが描かれており、これらのダイマー２２が疎らなシリコン単層１６を形成する。
基板の最上層を構成するこの層１６においては、非対称ダイマー２２全てが同じ角度で傾斜しており、ダイマー列がダイマーの方向に対して垂直であることが明瞭にわかる。
各ダイマー２２では、上側のシリコン原子が下側のシリコン原子より大きな円で描かれている。
図５において、点線で示された長方形２４は3×2再構成面の基本格子を示している。
距離aはa0/√2に等しい。ここで、a0はβ-SiCの格子パラメータを体積で示したものである。
β-SiC(100)の[110]方向および[-110]方向も示されている。
図６は、表面がc(4×2)再構成された基板の概略断面図である。ここで、その再構成は図４の基板をアニールすることによって得られる。
シリコンウェハー１０，シリコンカーバイド膜８およびカーボン単層１２も描かれている。
さらに、図４の単層が再配列し、疎らな単層１６が消失したシリコン単層２６が描かれている。
図７は、この層１２および２６を備えた基板の平面図である。
さらに、図７において、カーボン単層１２の原子１８が描かれている。
シリコン単層２６の原子も描かれている。
これらの原子もSi-Siダイマーを形成する。
符号２８で示された下配置Si-Siダイマーと符号３０で示された上配置Si-Siダイマーとが描かれ、後者は前者より大きな円で示されている。
図７において、点線で示された長方形３２はβ-SiC(100)のc(4×2)再構成面の基本格子を示している。
図８は、図４と図６との層の間の中間層を描いた概略断面図である。
この中間層は、n×2のタイプの再構成に相当するものである。ここで、nは3より大きい奇数であり、例えば5である。
図８の中間層は図４の構造をアニールすることにより得られ、その最上層では本発明による原子ワイヤ３２が形成される。
これは、図４の疎らな単層１６が変化して得られたものであり、この変化はアニーリングに起因するものである。
図８は、アニーリング効果の下での図４に示した層１４の再秩序化に起因したシリコン単層３４も示している。
図８に示された相はアニーリングに従って形成されるものであり、他の中間層（これもn×2のタイプの再構成に相当するものであり、ここで、nは例えば7である。）は図９に示されたように原子ワイヤが互いにもっと離間したものである。
図９は、アニーリング効果の下での図８示した層３４の再秩序化に起因したシリコン単層３６も示している。
さらなるアニーリングにより図９で示した構造から図６で示した構造へ変化することに注目するべきである。
本発明はシリコン原子ワイヤに限定されない。
C-Cダイマーの配列により形成されるカーボン原子ワイヤにも関わるものである。
このようなカーボン原子ワイヤはシリコンワイヤに用いた方法と同等な方法を用いて得ることが可能である。
本発明の目的である原子ワイヤは多くの応用が考えられる。
まず第一に、シリコンカーバイドが非常に興味深いIV-IV半導体化合物であることを述べておきたい。
これは、この材料がマイクロエレクトロニクス（高周波数用、高温用、高圧用、高電力用）および光エレクトロニクスへの多くの応用が考えられるからである。
加えてシリコンカーバイドは、熱的および化学的安定性の高さのため、航空学、宇宙産業、自動車産業、石油産業、地球物理学及び原子炉において遭遇するタイプの過酷な環境での使用するための非常に魅力的な材料である。
さらには、シリコンカーバイドは、例えば極大硬さ等の非常に興味深い機械的な特性を有しているセラミックスであるとともに、生体とりわけ血液細胞に最も適合した材料の一つである。
まず第一に、本発明の目的である原子ワイヤの最初の応用が示される。
本発明による原子ワイヤの格子は、金属、磁性あるいは高分子のワイヤの類似した格子を形成するための母体として使用することができる。
このためには、金属、磁性、高分子、有機、半導体、絶縁体、あるいは生体材料を本発明による原子ワイヤの格子を有する基板上に蒸着する。それによって、金属、磁性、高分子、有機、半導体、絶縁体、あるいは生体物質のワイヤの類似したネットワークを得ることができる。
本発明はエレクトロニクスにも応用できる。
エレクトロニクスにおける小型化の研究により、益々小型な基本デバイスが製造されるようになり、その大きさは0.2μmあるいは0.3μmになりうる。
しかしながら、原子及び分子を個々に操作する新しい方法によって、もっと小さい、0.1nmから10nmの範囲の大きさのデバイスを構築することさえ構想することが可能である。
この分野では、このサイズのナノ物体を伴うエレクトロニクス用の基礎的な機能を生み出す試みがなされている。
解決する事が困難な問題の一つがこれらのナノ物体のアドレッシングに関するものである。
このアドレッシングには、非常に小さな0.1nmから10nm程度の厚みのワイヤが要求され、かつ、ナノ物体を非常に多数（数１００万個までの範囲になりうる）にわたって並列にエフェクトされることが可能でなければならない。
本発明は例えばβ-SiC(100)上に得られる原子ワイヤの格子によってこの問題を解決することを可能にしたのである。この原子ワイヤの格子は、ある点ではナノメートルスケールでのプリント基板を構成するものである。
原子ワイヤ間の距離は、ほぼ1nmから調整可能である。
図１０は、上記の並列アドレッシングを図解したものである。
この図１０において、基板３８の上に本発明による平行な原子ワイヤ４０が形成されているのが示されている。
このワイヤ４０は、基板３８上に形成されたナノエレクトロニクスデバイス４２の並列アドレッシングが可能である。
この基板３８上に形成されたマイクロエレクトロニクスデバイス４４は、ワイヤ４０によって制御信号をデバイス４２に送る。
本発明によってβ-SiC(100)の表面上形成されたシリコン原子ワイヤは、電子ロックの形成においても興味深いことも述べておいてもよいだろう。
本発明による原子ワイヤ上あるいは原子ワイヤ間に、金属原子または不活性化用の酸素原子または有機あるいは無機分子で接続することを構想することも可能である。
異なるナノ物体間の接続を柔軟に提供するために、トンネル効果顕微鏡の探針を使用して制御された状態で本発明による原子ワイヤをバラバラにカットすることを構想することも可能である。
本発明は光学にも応用が可能である。
本発明により、本発明による原子ワイヤの格子と同じ幾何学特性（長さおよび線間距離）を有するナノメートルの電磁場格子を形成することが可能である。
これは、適当な光ビームを備えたこの格子が該格子が位置する表面を局所的に接近して照明することが、完全に源となる近接電磁場分布を形成すること、あるいは原子ワイヤと同じ空間分布を利用することを可能にするからである。
このナノメートル電磁場格子は、表面上の原子ナノ構造のレーザー誘導脱離において応用が可能である。
本発明はマイクロメカニクスにおいても応用が可能である。
本発明による原子ワイヤを有する表面の摩擦特性は非常に異方的であり、そのため、移動を必要とするマイクロメカニクスデバイスにおいて役に立つ。
この明細書において引用された文献を以下に示す。
（１）H Roder, R Hahn, H Brune, J P Bucker et K Kern, Nature 366, 141(1993).
（２）S Gunther et al, Phys.Rev.Lett. 73, 553 (1994).
（３）H Itoh, J Itoh, A Schmid et T Ichinokawa, Phys.Rev.B 48, 14663 (1993).
（４）J A Yoshikawa, J Nogami, C F Quate et P Piaetta, Surf.Sci, 321, 2183 (1994).
（５）Y W Mo, J Klein, M B Webb et M G Lagally, Surf.Sci, 268, 275 (1992).
（６）T C Shen, C Wang, G L Abeln, J R Tucker, J W Lyding, Ph. Avouriset R E Walkup, Science 268, 1590 (1995).
（７）R Kaplan et V M Bermudez, in Properties of Silicon Carbide, G Harris Editor, EMIS Datareview Series, INSPEC (London), Vol. 13, 101 (1995).
（８）F Semond, P Soukiassian, A Mayne, G Dujardin, L Douillard et C Jaussaud, Phys. Rev.Lett. 77, 2013 (1996).
（９）M Riehl-Chudoba, P Soukiassian et C Jaussaud, J. Appl. Phys. 76, 1332 (1994).
（１０）M Riehl-Chudoba, S Dupont et P Soukiassian, Surf.Sci, 331-333, 625 (1995).
（１１）M Riehl-Chudoba, P Soukiassian, C Jaussaud et S Dupont, Phys.Rev.B 51, 14300 (1995).
Claims (13)
- 一組のＮ列原子ワイヤ（Ｎは１より大きいか又は１に等しい整数）であって、原子ワイヤはSiC基板の表面上に形成された、SiまたはCのいずれかの元素のダイマーの直線状の鎖であり、これら鎖は、互いに平行でかつ実質的に互いに等距離であるとともに、前記ダイマーの方向に対して垂直の方向に前記基板の一端から他端まで延びていることを特徴とする一組のＮ列原子ワイヤ。
- 前記表面がSi-終端したβ-SiC(100)の表面であり、前記鎖がSi-Siダイマーの鎖である請求項１に記載の一組のＮ列原子ワイヤ。
- 前記表面がC-終端したβ-SiC(100)の表面であり、前記鎖がC-Cダイマーの鎖である請求項１に記載の一組のＮ列原子ワイヤ。
- 請求項１に記載の一組のＮ列原子ワイヤを形成する方法であって、前記元素の層を前記表面上に形成するとともに前記層を備えた表面をアニーリングすることにより前記組を構築し、最後のアニーリングによって徐々にその表面から前記元素のダイマー列を選択的に除去して、前記Ｎ列原子ワイヤの組を得ることを特徴とする一組のＮ列原子ワイヤを形成する方法。
- 前記アニーリングの最終段階の温度とその継続時間が、一定の長さの原子ワイヤがそのワイヤに対して垂直にカウントして所望数Ｎ列得られるように決められる請求項４に記載の方法。
- 前記組が５×１０-9Pa以下あるいは中性の雰囲気に維持されたチャンバー内で構築される請求項４または請求項５に記載の方法。
- β-SiC(100)立法晶のSiCの単結晶基板が形成され、その表面がSi終端されかつ3×2に再構成されるように前記基板が変換され、この変換された基板が１０００℃から１１５０℃の範囲の温度でアニーリングされることによって、選択脱離により表面からSi-Siダイマー列が徐々に除去されて一組のＮ列原子ワイヤが得られる請求項４から請求項６のいずれかに記載の方法。
- 前記変換された基板が５分間から１０分間の範囲の時間でアニーリングされる請求項７に記載の方法。
- 前記単結晶基板が、Si(100)面から４°微傾斜した表面上にカーボンを含む第一の化合物気体とシリコンを含む第二の化合物気体とを化学気相蒸着することによって得られたものである請求項７に記載の方法。
- 前記第一の化合物気体がC3H6であり、前記第二の化合物気体がSiH4である請求項９に記載の方法。
- 前記単結晶基板をアニーリングして、その表面をカーボンリッチな1×1構造を有する表面にし、この表面に室温でシリコン層を堆積し、このシリコン層を備えた基板を略１０００℃でアニールしてSi-終端されかつ3×2再構成されたβ-SiC(100)の表面を得る請求項９または請求項１０に記載の方法。
- 金属材料、磁性材料、高分子材料、有機材料、半導体材料、絶縁体材料あるいは生体材料の一組のワイヤを形成する方法であって、請求項１に記載の一組のＮ列原子ワイヤを前記材料の堆積物を形成するための母体（マトリックス）として用いる一組のＮ列原子ワイヤを形成する方法。
- ０．１ｎｍないし１０ｎｍ程度のサイズの電子デバイスの並列アドレッシングを行う方法であって、請求項１に記載の一組のＮ列原子ワイヤが０．１ｎｍないし１０ｎｍの厚さを有する原子ワイヤを有する方法。
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