JP4328855B2

JP4328855B2 - ナノワイヤー又はナノドット及びその製造方法

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Publication number: JP4328855B2
Application number: JP2003282093A
Authority: JP
Inventors: 彰矢部; 悟藤澤; 徳志木塚
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-07-29
Filing date: 2003-07-29
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2023-07-29
Also published as: JP2005046955A

Description

この発明は、広くは半導体の微細加工技術および電気配線作製技術に関し、特にナノ構造操作技術、集積回路内部の記憶素子と配線の作製技術、および走査プローブ顕微鏡の探針作製技術に関する。

従来、細く不均一なシリコン突起構造を作製する技術としては、シリコンナノチップ（「チップ」とは、先端が槍の穂先のようにとがった形状をしたものを意味し、ナノメートルオーダーのチップを本明細書においては「ナノチップ」という。）とシリコン基板を10^-7Pa以下の圧力中で、まずシリコンナノチップとシリコン基板上の酸化皮膜を700℃よりも高い温度に加熱してそれらを除去し、両者を接合させて引き離す、複雑な過程をとる手法が知られている。
Appl.Phys.Lett.,Vol.70,No.14,7 April 1997

しかしながら、酸化皮膜のあるシリコンナノチップとシリコン基板を用いて、10^-5Pa以上の圧力中、もしくは大気圧中で、直径が1〜10nm、長さが50nm以上のシリコンナノワイヤー（本明細書において「ナノワイヤー」とは、ナノメートルオーダーのワイヤーをいう。）や、直径10nm以下のシリコンナノドット（本明細書において、「ドット」とは微粒子状の小さな塊をいう。）を作製することは不可能であった。また、それにより作製される突起は幅20nmより太く、しかも不均一な太さであるためワイヤーとは言い難い。ナノドットに関しては類似する手法で作製されることはなく、プラズマエッチングなどを用いて、0.1マイクロメートル程度のドット状突起を作製する程度である。
従来、ナノチップ先端に、その先端より細く長いワイヤー状の物質をつけた複合的材料は、原子間力顕微鏡等の走査探針として作製・利用されている。この複合的材料は、ナノワイヤーを作製後、ナノチップ先端に付着させて作製されているが、付着には強度の弱い非導電性の物質が使用されるため、付着していない方のワイヤー先端には電気が流れず、原子間力顕微鏡と同じ走査型顕微鏡である走査トンネル顕微鏡には利用できなかった。またその強度も付着のための接着材によって定まり、原子間力顕微鏡などで力を測定する際には、測定誤差を大きくする原因となっていた。

本発明は、第１に、従来不可能であった直径が1〜10nm、長さが50nm以上の半導体材料または金属材料からなるナノワイヤ−もしくは、直径10nm以下のナノドットの作製をナノチップの電極反応を利用して可能とすることを目的とする。
第２に、従来のように、金属ガスケットを用いて真空容器の密閉性を高くし、容器の洗浄と焼きだしによってガス放出を除去する高度の真空技術を要する１０^−７Ｐａ以下の圧力中で、１０００℃以上で加熱処理をしてナノワイヤーを作製するのではなく、高分子ゴムのシールで焼きだしを必要としないで手軽に得られる１０^−５Ｐａ以上から大気圧までの圧力の空気中、もしくは液体中で、かつ加熱処理をしないで常温でナノワイヤーを作製することを目的とする。すなわち、本手法は、従来よりも簡便なコストのかからない方法で、これまでには得られない細いナノワイヤーを作製することを目的とする。

（１）本発明のナノワイヤー又はナノドット製造方法は、１０^−５Ｐａ〜大気圧の圧力に設定された容器内に、電気を流す材料で形成されたナノチップと表面に酸化被膜が形成された半導体材料又は金属材料で形成された原料側部材とを対向して配置し、前記ナノチップと前記原料側部材の間に前記酸化被膜が破壊される大きさの電圧を印加しながら、前記ナノチップを前記原料側部材に接触させた後に引き離すことにより直径が１〜１０ｎｍのナノワイヤー又は直径１０ｎｍ以下のナノドットを作製することを特徴とする。
（２）また、本発明のナノワイヤー又はナノドット製造方法は、ナノワイヤー又はナノドットを作製後、電気を流す材料で形成されたナノチップ及び半導体材料又は金属材料で形成された原料側部材を引き離し、ナノワイヤー又はナノドットを、前記ナノチップ又は前記原料側部材のどちらか一方又は双方に保持させることを特徴とする。すなわち、電気を流す材料で形成されたナノチップもしくは半導体材料又は金属材料で形成された原料側部材の表面加工に応用できることを特徴とする。この電気を流す材料で形成されたナノチップに保持されたワイヤーは、絶縁破壊されたときに、前記ナノチップと電気的に接続された状態で形成されるため、ナノワイヤー先端は電気的に導電体になっている。このため、この電気を流す材料で形成されたナノチップとこれに保持されたナノワイヤーの複合的材料は、原子間力顕微鏡だけでなく、基板との通電信号で情報を得る走査トンネル顕微鏡の探針としても利用可能になることも特徴である。
（３）また、本発明のナノワイヤー又はナノドット製造方法は、原料側部材をシリコンで形成することを特徴とする。

ナノチップ先端を基板側部材に接触させてから、高精度な微動機構を用いて接近・接触させ、引き離すことにより、ナノワイヤーとナノドットを作製し、引き延ばす作業のぶれを十分小さくして非常にゆっくり行うことを可能とし、ナノワイヤーが切断されるほどの大きさの力や速度などを加えることなく、接触境界付近を引き延ばして細くすることができる。

本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）従来不可能であった、酸化皮膜の存在する状態において、シリコン材料からなる直径が1〜10nm、長さが50nm以上のナノワイヤー又は直径10nm以下のナノドットを作製することができる。
（２）ナノワイヤー又はナノドットの材料としては、シリコンに限らず酸化皮膜を形成する半導体または金属材料が適用可能である。
（３）１０^−５Ｐａ以上から大気圧までの圧力の空気中、もしくは液体中で、かつ、常温で作製できる。
（４）製造時における酸化皮膜の除去作業が不要となる。
（５）ナノチップとこれに保持されたナノワイヤーの複合的材料は、原子間力顕微鏡だけでなく、基板との通電信号で情報を得る走査トンネル顕微鏡の探針としても利用可能である。

本発明に係るナノワイヤー又はナノドット及びその製造方法の最良の形態を実施例に基づいて図面を参照して以下に説明する。

以下、本発明による実施例を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明によるシリコンナノワイヤー又はシリコンナノドットの製造方法および製造装置の概略を示したものである。
常温において、真空ポンプにより１０^−５Ｐａ程度の圧力に設定された真空容器１０内にシリコンナノチップ１とシリコン基板２をその先端が対向するように配置する。
一方のシリコンナノチップ１は、例えばピエゾ素子からなる微動機構５に支持されて、他方のシリコン基板２の方向に移動可能となっている。シリコンナノチップ１は電極反応用電源６に接続され、シリコンナノチップ１とシリコン基板２間には電圧が印加されるようになっている。両者の位置は微動機構５を制御するチップ微動操作系７の電気信号８によりモニター９上で把握できる。
真空容器１０内の圧力は、１０^−５Ｐａ程度の圧力であれば十分に作製可能であり、また、１０^−５Ｐａ以下の圧力でも作製できることはいうまでもない。
また、ナノチップの材料はシリコンに限らず、電気を流すものであれば良く、また、基板の材料はシリコンに限らず酸化皮膜を形成する半導体または金属材料が適用可能である。
更に、平板状の基板の代わりに、微動機構５に支持されているナノチップ１と同様なナノチップを用いてもよい。したがって、本明細書においては、ナノチップ１と対向する側に配置する基板又はナノチップの両者を総称して「原料側部材」という。

電極反応用電源により酸化被膜が破壊される大きさの直流電圧をかけながら、シリコンナノチップ１とシリコン基板２の先端同士を高精度な微動機構５を用いて位置調整し、接触させる。その際、シリコンナノチップ１とシリコン基板２の表面には、酸化被膜が形成されているが、前記直流電圧により直径数ナノメートルの接触領域にわたり、酸化被膜が絶縁破壊される。このため、シリコンナノチップ１とシリコン基板２が接触したときに、直径１０nm以下（下限については１ｎｍまで確認できる。）のシリコンナノドット４が作製され、ここで電圧印加を止めれば、シリコンナノドット４が作製される。電圧印加を止めずに、シリコンナノドットができた後に、微動機構５を用いてシリコンナノチップ１を１０ｎｍ／ｓ以下、望ましくは０．０５〜２ｎｍ／ｓの範囲、更に望ましくは０．２ｎｍ／ｓの速度で引き離すと、ナノドットを核として、それが一方向に成長し、シリコンナノチップ１先端とシリコン基板２表面間に、直径１〜１０ｎｍのシリコンナノワイヤー３が作製される。この時のナノワイヤーの直径は、絶縁破壊された領域の大きさによって決まる。図１では、シリコンナノワイヤー３及びシリコンナノドット４の両者が作製された状態を示している。

すなわち、ナノチップ１の先端と基板の表面が引き離される時に、初めのうちはナノドット４が製造されるが、徐々に引き延ばされるうちにワイヤー３状になり、長さが５０ｎｍに達する。５ｎｍ以下の長さでは単結晶、それ以上では多結晶である。
酸化被膜を絶縁破壊する電圧の大きさは、シリコン材料の場合約１０Ｖであり、この電圧は材料によって変わるものであるが、１０〜１００Ｖ、望ましくは１０〜数１０Ｖの範囲である。印加する電圧が高いほど絶縁破壊される領域が大きくなり作成されるナノワイヤーの直径は大きくなり、この電圧で望む直径のナノワイヤーを得ることが可能になる。
以上の条件で作製されたシリコンナノドット及びシリコンナノワイヤー表面は、シリコン酸化物に覆われている。

図２は、本発明の実施例により作製されたシリコンナノワイヤー又はシリコンナノドットの透過型電子顕微鏡画像である。
シリコンナノチップ１の先端とシリコン基板２表面の状態が示されており、シリコンナノワイヤー３とシリコンナノドット４が存在している。このままシリコン基板２とシリコンナノワイヤーを引き離せば、ワイヤーの突き出たナノチップが作製でき、走査プローブ顕微鏡用のプローブとして利用できる。

図３は、シリコンナノチップ１とシリコン基板２との間でシリコンナノワイヤー３を順次複数形成する状況を示したもので、シリコン基板２の方にシリコンナノワイヤー３が片持ち状に複数作製されている。
図４は、２つのシリコンナノチップ１及び２の間でシリコンナノワイヤー３を形成するもので、図３に示すように下方のシリコンナノチップ２の方にシリコンナノワイヤー３を残すか、あるいは、図５に示すように双方のシリコンナノチップ１及び２にシリコンナノワイヤー３を残し形成しても良い。
図６は、シリコンナノチップ１とシリコン基板２との間でシリコンナノドット４を順次複数形成するもので、シリコン基板２の方にシリコンナノドット４が複数作製されている。

本発明により作製されたナノワイヤーは、各種電子機器のデバイス内信号線及び支持用構造線に、又、ナノチップに電気的にも接続されたナノワイヤーは、原子間力顕微鏡用あるいは走査型トンネル顕微鏡用高分解能カンチレバー及び微細加工用工具に利用できる。更に、本発明により作製されたナノドットは、メモリー用ドットに利用可能である。

本発明の実施の形態に係るシリコンナノワイヤー又はシリコンナノドットの製造方法および製造装置の概略を示した正面図である。本発明の実施の形態に係る製造方法および製造装置により作製されたシリコンナノワイヤー又はシリコンナノドットの透過型電子顕微鏡画像である。本発明の実施の形態に係るシリコンナノチップとシリコン基板との間でシリコンナノワイヤーを順次複数形成する状況を示した正面図で、シリコン基板の方にシリコンナノワイヤーが片持ち状に複数作製されている。本発明の実施の形態に係る２つのシリコンナノチップの間でシリコンナノワイヤーを形成する状況を示した正面図である。本発明の実施の形態に係る双方のシリコンナノチップにシリコンナノワイヤーを残し形成する状況を示す正面図である。本発明の実施の形態に係るシリコンナノチップとシリコン基板との間でシリコンナノドットを順次複数形成する状況を示す正面図である。

符号の説明

１シリコンナノチップ
２シリコン基板
３シリコンナノワイヤー
４シリコンナノドット
５微動機構
６電極反応用電源
７チップ微動操作系
８電気信号
９モニター
１０真空容器

Claims

１０^−５Ｐａ〜大気圧の圧力に設定された容器内に、電気を流す材料で形成されたナノチップと表面に酸化被膜が形成された半導体材料又は金属材料で形成された原料側部材とを対向して配置し、前記ナノチップと前記原料側部材との間に、前記酸化被膜が破壊される大きさの電圧を印加しながら、前記ナノチップを前記原料側部材に接触させた後に引き離すことにより、直径が１〜１０ｎｍのナノワイヤー又は直径１０ｎｍ以下のナノドットを作製することを特徴とするナノワイヤー又はナノドット製造方法。
ナノワイヤー又はナノドットを作製後、電気を流す材料で形成されたナノチップ及び半導体材料又は金属材料で形成された原料側部材を引き離し、ナノワイヤー又はナノドットを、前記ナノチップ又は前記原料側部材のどちらか一方又は双方に保持させることを特徴とする請求項１記載のナノワイヤー又はナノドット製造方法。
原料側部材をシリコンで形成することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のナノワイヤー又はナノドット製造方法。