JP4508711B2 - 自己整列化ナノチャンネルアレイの製造方法及び自己整列化ナノチャンネルアレイを利用したナノドットの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、垂直なナノチャンネルアレイの製造方法及びナノチャンネルアレイを利用したナノドットの製造方法に関し、より詳しくは、２段階の陽極酸化による自己整列化ナノチャンネルアレイの製造方法及び自己整列化ナノチャンネルアレイを利用したナノドットの製造方法に関する。
最近、メモリ、レーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）、フォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode）、トランジスタ、遠赤外線検出器、太陽電池、光変調器などにナノスケールの模様や構造を形成するための研究が活発に進められている。例えば、電子制御に関連するナノドットは、そのサイズに対応して束縛される電子の数が変わる。このようなナノドットを利用する電子素子は、従来の電子素子と比べて、より少ない数の電子で駆動可能であるので、閾値電流レベルが低くなって低電圧駆動が可能となる。かかる電子素子は、低電圧でも高出力を提供できるといった利点も有している。
従来のナノドット製造方法としては、減圧化学気相成長法（ＬＰＣＶＤ：Low Pressure Chemical Vapor Deposition、減圧ＣＶＤともいう）を含む既存の蒸着（堆積）方法を利用してＳｉ、Ｓｉ3Ｎ4の核（nuclei）を形成するものや、ナノ粒子を基板に噴射するものがある。しかし、かかる従来の方法では、ナノ粒子のサイズを制御することが困難である。その上、同じサイズのナノ粒子を噴射しても、均一なナノドットの分布を保証することはできない。
また、他の従来のナノドットの製造方法として、電子ビームリソグラフィまたはレーザビームリソグラフィを利用するものがある。かかる方法では、リソグラフィ工程が有する限界によって所望のサイズのナノドットを得ることが困難であるだけでなく、ナノドットのサイズを縮小化する点においても限界がある。また、リソグラフィは、複雑且つ高コストな工程であることがよく知られている。
一方、シリコン基板上にメタルナノドットを形成する方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。かかる方法は、シリコン基板に形成されたポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ：PolyMethylMethAcrylate）層に型板（mold、鋳型ともいう）でインプリント（刻印）し、ＰＭＭＡ層に所定深さのチャンネルアレイを形成する工程と、チャンネルの底部に残留したＰＭＭＡを除去し、得られた構造物上にメタル層を形成する工程と、基板をエッチング液に浸けて、ＰＭＭＡ層及びこの上に残っている金属をリフトオフする（引き上げる）工程と、を含んでいる。この方法によると、ナノドットのサイズや間隔は型板によって決定される。すなわち、ナノドットのサイズは、フォトリソグラフィなどの型板に対する微細パターニングによって制限される。したがって、フォトリソグラフィ工程が許容する限界以下にナノドットのサイズを縮めることはできない。
また、様々なナノ素子を開発するために有用に利用可能なナノチャンネルアレイ製造方法が提案されている（例えば、非特許文献２参照）。かかる方法は、アルミニウム基板に型板（mold）で浅い凹部を圧縮成形する工程と、陽極酸化を行い自己整列されたチャンネルアレイを形成する工程と、を含んでいる。しかし、この方法は、チャンネル（溝）やアレイ（配列構造）のサイズが型板によって制限されるといった問題を有している。
Stephen Y Chou、他，「Appl.Phys.Lett.」，１９９５年１１月２０日，第６７巻，第２１号 益田秀樹、他，「Appl.Phys.Lett.」，１９９７年１１月１０日，第７１巻，第１９号
Stephen Y Chou、他，「Appl.Phys.Lett.」，１９９５年１１月２０日，第６７巻，第２１号 益田秀樹、他，「Appl.Phys.Lett.」，１９９７年１１月１０日，第７１巻，第１９号
本発明は、自己整列技術を利用して、より小さく且つよく整列されたナノチャンネルアレイをより容易に製造する方法を提供することを課題とする。
また、本発明は、よく整列されたナノチャンネルアレイを利用して、簡易化且つ所要時間が短縮化された工程及び低コスト化が可能なナノドットの製造方法を提供することを課題とする。
前記課題を解決するため、本発明の自己整列化ナノチャンネルアレイの製造方法は、１次陽極酸化によって、アルミニウム基板に多数のチャンネルからなるチャンネルアレイを有する第１アルミナ層を形成する工程と、前記第１アルミナ層を所定深さにエッチングして、前記アルミニウム基板に、前記第１アルミナ層の各チャンネルの底部に対応する多数の凹溝を形成する工程と、２次陽極酸化によって、前記アルミニウム基板に、前記多数の凹溝に対応する多数のチャンネルからなるチャンネルアレイを有する第２アルミナ層を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
一方、他の前記課題を解決するため、本発明の自己整列化ナノチャンネルアレイを利用したナノドットの製造方法は、１次陽極酸化によって、アルミニウム層を備えた型板に、多数のチャンネルからなるチャンネルアレイを有する第１アルミナ層を形成する工程と、前記第１アルミナ層を所定深さにエッチングして、前記アルミニウム層に、前記第１アルミナ層の各チャンネルの底部に対応する多数の凹溝を形成する工程と、２次陽極酸化によって、前記アルミニウム層に、前記多数の凹溝に対応する多数のチャンネルからなるチャンネルアレイを有する第２アルミナ層を形成する工程と、加工対象層が形成された基板に、前記加工対象層を覆うマスク層を形成する工程と、前記型板の前記第２アルミナ層を用いて前記マスク層を圧縮成形して、前記マスク層に前記第２アルミナ層の前記チャンネルアレイの形状を転写する工程と、前記マスク層及び前記加工対象層をエッチングして、前記加工対象層に前記マスク層の圧縮成形された形状を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
前記した自己整列化ナノチャンネルアレイを利用したナノドットの製造方法において、前記マスク層は、フォトレジストまたはポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）からなることが望ましく、さらに、前記加工対象層は、シリコンからなることが望ましい。
本発明に係る自己整列化ナノチャンネルアレイの製造方法は、１次陽極酸化及びエッチングによって自己整列された凹溝を形成し、そして２次陽極酸化によって凹溝から自己整列されたチャンネルアレイを形成する。本発明は、かかる方法によって得られたチャンネルアレイをリソグラフィによって形成された型板の代わりに型板として利用可能であり、したがって、コストのかかるリソグラフィ工程を行う必要がなく、大面積にも適用が可能であり、且つ短時間化された工程を提供することができる。さらに本発明は、陽極酸化工程を通じてナノチャンネルアレイのチャンネル間隔及びサイズを容易に調節することができ、したがって、かかるナノチャンネルアレイを利用して製造されるナノドットアレイのサイズ及び間隔を容易に調節することができる。
以下、添付された図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態に係る自己整列されたナノチャンネルアレイ（self-ordered nanochannel-array、以下、「自己整列化ナノチャンネルアレイ」と記載する）の製造方法及び自己整列化ナノチャンネルアレイを型板（template、鋳型、金型ともいう）として利用したナノドットの製造方法について詳細に説明する。
（自己整列化ナノチャンネルアレイの製造方法）
まず、本発明の実施形態に係る、アルミニウム基板への自己整列化ナノチャンネルアレイの製造方法について説明する。
まず、本発明の実施形態に係る、アルミニウム基板への自己整列化ナノチャンネルアレイの製造方法について説明する。
本発明の実施形態に係る自己整列化ナノチャンネルアレイの製造方法は、２段階の陽極酸化工程を含んでいる。
まず、図１Ａに示すように、アルミニウム基板１１を準備する。ここで、アルミニウム基板１１は、単一のアルミニウム板から構成されていてもよく、アルミニウム層が別体である支持基板上に形成された構造であってもよい。
続いて、図１Ｂに示すように、アルミニウム基板１１を１次陽極酸化によって所定深さに酸化することによって、多孔性のアルミナ層（第１アルミナ層）１３を形成する。１次陽極酸化によって元のアルミニウム基板１１の表面からその下部に向かってアルミナ層１３が拡張される間に、酸化が始まったアルミニウム基板１１の表面の形態の不均一性によって、アルミナ層１３の表面で、チャンネル（空洞部）１３ａの垂直形状が不均一に歪曲形成される。
続いて、図１Ｃに示すように、アルミナ層１３をエッチング液で除去する。この際に、均一なナノサイズの凹溝（凹部）１１ａが、エッチング後に露出されたアルミニウム基板１１（の上部）にアレイ（配列構造）を形成して残留する。
続いて、図１Ｄに示すように、前記１次陽極酸化と同じ条件で２次陽極酸化を行い、多数のチャンネル（空洞部）１４ａを有する多孔性のアルミナ層（第２アルミナ層）１４を所定深さに形成する。
続いて、図１Ｅに示すように、２次陽極酸化における溶液の温度及び濃度、並びに印加電圧値を好適に調節することによって、チャンネル１４ａのサイズを拡大する。かかるチャンネル１４ａの拡大は、必要な場合にのみ行う。
図２（ａ）は、２段階の陽極酸化工程によって形成された自己整列化ナノチャンネルアレイの断面写真であり、図２（ｂ）は、ナノチャンネルの配列状態を示す自己整列化ナノチャンネルアレイの平面写真である。
（ナノドットの製造方法）
前記したナノチャンネルアレイは、本発明の実施形態に係るナノドットの製造方法における型板（template）として利用可能である。以下、本発明の実施形態に係る、自己整列化ナノチャンネルアレイを利用したナノドットの製造方法について説明する。
前記したナノチャンネルアレイは、本発明の実施形態に係るナノドットの製造方法における型板（template）として利用可能である。以下、本発明の実施形態に係る、自己整列化ナノチャンネルアレイを利用したナノドットの製造方法について説明する。
まず、図３Ａに示すように、結晶質または非晶質シリコンからなる加工対象層４が上部に形成されている基板５を準備する。ここで、基板５は、シリコン基板であってもよく、加工対象層４とシリコン基板５との間にはシリコン酸化物（二酸化ケイ素）５ａが形成されている。なお、シリコン酸化物５ａは加工対象層４の下側に存在しうる物質の一例であり、シリコン酸化物５ａ以外の物質が用いられていてもよい。また、加工対象層４は、シリコン以外の物質から形成されていてもよい。すなわち、本発明に係るナノドットの製造方法は、加工対象層４を形成する物質によって制限されることはなく、このような物質を適用した方法は、本発明の他の実施形態に属する。
続いて、図３Ｂに示すように、前記加工対象層４上にフォトレジスト（感光性樹脂）またはＰＭＭＡからなるマスク層６を所定厚さに形成する。ここで、マスク層６の厚さは圧縮成形を考慮して設定される。かかるマスク層形成工程と、一連の自己整列化ナノチャンネルアレイの製造方法（工程）との順序は入れ替え可能であり、また、同時進行であってもよい。
続いて、図３Ｃに示すように、アルミニウム基板１１に多数のチャンネル１４ａ（図１Ｄ参照）からなるチャンネルアレイを有するアルミナ層１４が形成されたものである型板１０を利用して、前記マスク層６を圧縮成形する。この際に、アルミナ層１４をマスク層６に向かいあわせて、アルミナ層１４のチャンネルアレイの形状（profile）をマスク層６に転写する。
続いて、図３Ｄに示すように、型板１０をマスク層６から分離し、図３Ｅに示すように、マスク層６の表面全体をエッチングする。この際に、ＲＩＥまたはイオンミーリングを行うことによって、均一な厚さだけマスク層６をエッチングする。このような条件で十分なエッチングを進めることによって、マスク層６に転写された型板１０の形状を加工対象層４に形成することができる。かかる工程によって、加工対象層４がナノドット状に残留する。
続いて、図３Ｆに示すように、加工対象層４がナノドット状に加工された後にマスク層６の残留物６’が残っている場合には、図３Ｇに示すように、エッチングによって残留物６’を除去する。この工程は、残留物６’がある場合にだけ実施されるものであり、残留物６’が残っていない場合には、この工程をとばして次の工程に移行する。
続いて、図３Ｈに示すように、加工対象層４が非晶質シリコンからなる場合には、加熱によって加工対象層４をアニーリングする。かかるアニーリング工程は、必要に応じて行われるものであり、特に非晶質シリコンを結晶質シリコン化する場合に必要である。
以上、加工対象層４を用いてナノドットを形成するための各工程について概略的に説明した。かかる工程は、電子素子を製造する工程の一部に過ぎず、したがって、本発明は特定の電子素子の製造方法によって制限されない。
以上、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照して詳細に説明したが、特許請求の範囲で定義された本発明の要旨を逸脱しない範囲で、当業者によって適宜設計変更可能であることは自明である。
本発明に係る自己整列化ナノチャンネルアレイの製造方法及び自己整列化ナノチャンネルアレイを利用したナノドットの製造方法は、様々な形態の電子素子の製造に適用可能であり、例えば、メモリ、レーザダイオード、フォトダイオード、トランジスタ、遠赤外線検出器、太陽電池、光変調器などの製造に適用可能である。
４ 加工対象層
５ 基板
６ マスク層
１０ 型板
１１ アルミニウム基板
１１ａ 凹溝
１３ アルミナ層（第１アルミナ層）
１３ａ チャンネル
１４ アルミナ層（第２アルミナ層）
１４ａ チャンネル
５ 基板
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１１ アルミニウム基板
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１４ａ チャンネル
Claims (3)
- １次陽極酸化によって、アルミニウム層を備えた型板に、多数のチャンネルからなるチャンネルアレイを有する第１アルミナ層を形成する工程と、
前記第１アルミナ層を所定深さにエッチングして、前記アルミニウム層に、前記第１アルミナ層の各チャンネルの底部に対応する多数の凹溝を形成する工程と、
２次陽極酸化によって、前記アルミニウム層に、前記多数の凹溝に対応する多数のチャンネルからなるチャンネルアレイを有する第２アルミナ層を形成する工程と、
加工対象層が形成された基板に、前記加工対象層を覆うマスク層を形成する工程と、
前記型板の前記第２アルミナ層を用いて前記マスク層を圧縮成形して、前記マスク層に前記第２アルミナ層の前記チャンネルアレイの形状を転写する工程と、
前記転写されたチャンネルアレイの形状を保ちながら、前記マスク層及び前記加工対象層をエッチングして、前記加工対象層に前記マスク層の圧縮成形された形状を形成する工程と、
を含むことを特徴とする自己整列化ナノチャンネルアレイを利用したナノドットの製造方法。 - 前記マスク層は、フォトレジストまたはポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）からなることを特徴とする請求項１に記載の自己整列化ナノチャンネルアレイを利用したナノドットの製造方法。
- 前記加工対象層は、シリコンからなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の自己整列化ナノチャンネルアレイを利用したナノドットの製造方法。
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