JP4560270B2 - 構造体の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ナノスケールの間隔を有するナノサイズの凹凸構造の構造体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
物体表面に微細な構造を作製する技術として、光や電子線によるリソグラフィー技術ではなく、アルミニウムを主成分とする膜や基板の陽極酸化法による数百ｎｍ以下のサイズの細孔の作製技術が従来より知られている。
【０００３】
陽極酸化法は、アルミニウムを主成分とする基板を陽極とし、酸性浴中で電場を印加することで酸化且つ溶解現象を引き起こし、基板表面に細孔を形成するというものである。この細孔は、基板表面から垂直方向に直進して形成され、高いアスペクト比を有し、断面の径の一様性にも優れている。また、細孔の径及び間隔は陽極酸化の際の電流・電圧を調整することにより、また酸化皮膜の厚さ及び細孔の深さは陽極酸化の時間を制御することにより、ある程度の制御が可能である（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００４】
この手法により作製される細孔の位置はランダムであるが、近年規則的に配列した細孔構造を得る手法が提案されている。光リソグラフィやインプリントリソグラフィ等により、アルミニウムを主成分とする基板表面に規則的に配列した凹構造を形成し、これを細孔開始点として陽極酸化を行なうというものである（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
この陽極酸化アルミナの特異な幾何学構造に着目した様々な応用が提案されており、益田らによる詳しい解説がなされている（例えば、非特許文献２参照。）。例えば、陽極酸化膜の耐摩耗性・耐絶縁性を利用した皮膜としての応用や、皮膜を剥離してフィルターへの応用が有る。また、細孔内に金属や半導体や磁性体を充填する技術や、細孔のレプリカ技術を用いることにより、着色・磁気記録媒体・ＥＬ発光素子・エレクトロクロミック素子・光学素子・太陽電池・ガスセンサ・を始めとする様々な応用が試みられている。また、量子細線・ＭＩＭ素子などの量子効果デバイス・細孔を化学反応場として用いる分子センサーなど、多方面への応用が期待されている。
【０００６】
特に磁気記録媒体においては、垂直磁気記録媒体への応用が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。垂直磁気記録方式は、現在主流である長手記録方式では記録密度の限界が指摘されており、それに代わる技術として垂直磁気記録方式が提案されている。これは記録媒体を垂直（膜厚）方向に磁化することでデータを記録する方式であり、記録密度が高くなるほど減磁が起きやすい従来の長手記録方式とは逆に、密度が高いほど反磁界が減ってより安定な状態になる。また、長手記録方式よりも記録膜を厚くすることができるため、原理的に熱揺らぎに対しても強いと言われている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１０−１２１２９２号公報
【特許文献２】
特開平１１−２２４４２２号公報（第３頁）
【非特許文献１】
“ＮＡＴＵＲＥ”Ｖｏｌ．３３７，ｐ１４７，１９８９年
【非特許文献２】
益田“固体物理”３１，ｐ４９３，１９９６年
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のようなナノ構造体を作製するには、リソグラフィ技術とエッチング技術によって成されるのが一般的であるが、その手法では陽極酸化法によるような高アスペクト構造を形成することは非常に困難である。
【０００９】
また上述に示すような磁気記録媒体はディスク形状であるため、情報を記録・再生する時の回転体には微細な振動や偏芯が生じ、記録されたトラックは同心円形状とはならずヘッドとトラックの位置誤差の要因となる。また、装置内の熱分布によるディスクの膨張による変形でも、同様の位置誤差を生じてしまう。そのため、記録領域を情報記録を行うデータ領域とトラック位置を検出するサーボ領域とに分割し、ヘッドによりトラックの位置情報を検出しながら位置補正を行うのだが、近年開発が進んでいるパターンドメディアではサーボ領域を如何に構成していくかという問題点がある。
【００１０】
本発明はこのような課題に着目して成されたものであり、基板上に形成された細孔開始点を１つの陽極酸化電圧で一括して陽極酸化することにより、短時間で複数の周期配列が隣接して形成されたナノ構造体の製造方法を提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の製造方法により得られる構造体は、複数の孔を含み構成され、第１の周期を有する第１の陽極酸化領域と、複数の孔を含み構成され、第２の周期を有する第２の陽極酸化領域とを備え、且つ該第１の陽極酸化領域と該第２の陽極酸化領域との境界に存在する前記複数の孔は、該第１及び第２の陽極酸化領域に共有されていることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、複数の細孔を含み構成される構造体であって、陽極酸化膜が有する細孔の周期配列構造が、複数種類であって、且つ前記周期配列構造が互いに隣接して配列していることを特徴とする構造体である。
【００１４】
前記複数種類の周期配列構造が、互いに隣接し且つその境界である共有部の細孔が、少なくとも２つ以上であることが好ましい。
前記複数種類の周期配列構造が、前記共有部の細孔以外に少なくとも１つ以上の細孔を有することが好ましい。
前記複数種類の周期配列構造は、各々の周期配列構造の第１近接細孔間距離同士が等しいか、または一方の第１近接細孔間距離ともう一方の第２近接細孔間距離が等しか、または第２近接細孔間距離同士が等しいことが好ましい。
前記複数種類の各々の周期配列構造の最近接細孔間の距離が０．７５Ｂ〜１．５Ｂ（但し、Ｂは前記複数種類の周期配列構造に含まれる最近接細孔間距離の最大値から最小値の範囲内に含まれる数値［ｎｍ］）であることが好ましい。
【００１５】
前記複数種類の周期配列構造が、長方格子、正方格子、六方格子、グラファイト状格子または平行四辺形格子であることが好ましい。
前記陽極酸化膜がアルミニウムを主成分とすることが好ましい。
前記細孔の少なくとも１つに充填物を有することが好ましい。
前記充填物が前記陽極酸化膜とは異なる誘電率を有する誘電体、半導体、磁性材料または発光材料であることが好ましい。
【００１８】
上記の構造体を得るための本発明の構造体の製造方法は、異なる格子構造を有する複数の細孔周期配列構造が、互いに隣接して配された構造体の製造方法であって、
アルミニウムを主成分とする基板表面に、第１の格子構造を有する第１の細孔開始点の領域と、該第１の格子構造とは異なる第２の格子構造を有する第２の細孔開始点の領域とを作製する工程（１）と、
前記基板を同じ陽極酸化電圧で同時に陽極酸化して、前記第１の細孔開始点と前記第２の細孔開始点から、異なる格子構造を有する複数の細孔周期配列構造を形成する工程（２）を有し、
前記第１の細孔開始点の領域と前記第２の細孔開始点の領域との隣接境界において、前記第１の格子構造と前記第２の格子構造とで細孔開始点が２つ以上共有されており、
前記第１の細孔開始点と前記第２の細孔開始点は、最近接細孔間の距離が０．７５Ｂ〜１．５Ｂ（但し、Ｂは前記複数の細孔周期配列構造に含まれる最近接細孔間の距離の最大値から最小値の範囲内に含まれる数値［ｎｍ］である。）となる様に形成されることを特徴とする。
【００１９】
前記異なる周期を有する複数の周期配列構造が、互いに隣接し且つその境界である共有部の細孔が、少なくとも２つ以上であることが好ましい。
前記異なる周期を有する複数の周期配列構造が、前記共有部の細孔以外に少なくとも１つ以上の細孔を有することが好ましい。
【００２０】
前記複数の周期配列の構造体の陽極酸化時の印加電圧がＡ［Ｖ］（但し、Ｂ［ｎｍ］＝Ａ［Ｖ］／２．５［Ｖ／ｎｍ］、Ｂは前記複数種類の周期配列構造に含まれる最近接細孔間距離の最大値から最小値の範囲内に含まれる数値）であることが好ましい。
前記工程（１）が、光リソグラフィ、Ｘ線リソグラフィ、電子線リソグラフィ、イオンビームリソグラフィ、インプリントリソグラフィまたは走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）リソグラフィによって作製されることが好ましい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の構造体には、その代表的なものとしてナノ構造体が含まれるために、ナノ構造体について説明する。
【００２３】
本発明におけるナノ構造体は、陽極酸化膜に形成された細孔の周期配列構造であり、複数種類の周期の配列構造が互いに隣接して配列しているものである。
なお、本発明における細孔には、細孔形成後に当該細孔に材料が充填されているものも含むものである。
【００２４】
本発明のナノ構造体の製造方法は、複数の周期配列構造からなる所望の細孔開始点を、アルミニウムを主成分とする基板表面にリソグラフィ法等により作製し、適当な印加電圧下で陽極酸化を行なうものであり、周期配列構造の最近接細孔間の距離を０．７５Ｂ〜１．５Ｂ（但し、Ｂは前記複数の周期配列構造に含まれる最近接細孔間距離の最大値から最小値の範囲内に含まれる数値［ｎｍ］）に限定して構造を作製することにより、１つの電圧による一括した陽極酸化を可能にすることが出来る。ここで、ナノ構造体とは凹凸構造の周期が１μｍ以下である形状の変化乃至組成の変化を有する構造体のことを指す。
【００２５】
本発明のナノ構造体は、陽極酸化膜に形成された細孔の周期配列構造であり、異なる周期を有する複数の周期配列が互いに隣接した構造体である。また、隣接の境界である共有部の細孔は少なくとも２つ以上であり、且つ共有部の細孔以外に少なくとも１つ以上の細孔を有する。周期配列構造の最近接細孔間の距離は０．７５Ｂ〜１．５Ｂ（但し、Ｂは複数周期の最大値から最小値の範囲内に含まれる数値）であることが好ましい。例えば、周期２００ｎｍの六方格子状から成る細孔開始点に、４０Ｖの陽極酸化電圧を印加して陽極酸化を行なうと、４０Ｖ×２．５［ｎｍ／Ｖ］＝１００ｎｍより、４０Ｖは１００ｎｍ周期の陽極酸化電圧に相当するため、細孔開始点が存在しない部分にも細孔が形成されてしまう。拠って、複数種類の周期の配列構造を一括して陽極酸化を行なうためには、複数種類の細孔の最近接間隔が近いほど良く、０．７５Ｂ〜１．５Ｂの範囲を超えるほどに細孔開始点以外の場所からも細孔が形成される確率が高くなる。これらの理由から、一括した陽極酸化（工程（２））における電圧は、構造内に最も多く含まれる最近接間隔から算出することが好ましい。
【００２６】
図１は本発明のナノ構造体を説明する平面図である。例えば、光リソグラフィ等の手法によって、基板表面に図１のような六方格子領域３と、長方格子領域４と、グラファイト状格子領域５からなる複数周期配列構造６の細孔開始点１を作製する。このとき、複数の周期配列構造６の境界に位置する細孔が共有されるような周期構造を連続して配列する。通常の陽極酸化電圧は細孔の周期に依存して一意的に決まるが、細孔開始点を作製した場合は多少の電圧のずれには関係なく、開始点周期と同様の周期の細孔を得ることができる。即ち、周期が多少異なる程度の細孔開始点であれば、配列の乱れを生じることなく、規則的に配列した高アスペクトの細孔を短時間で形成することが可能となる。なお、細孔形成の開始点の作製方法としては、実際に被陽極酸化膜表面に窪みをつけたり、開始点以外の部分をマスクしてもよい。あるいは、予め所定の周期の凹凸を有する基板上に被陽極酸化膜を形成し、下地の凹凸を反映した凹凸を開始点に利用してもよい。
【００２７】
【実施例】
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
【００２８】
実施例１
まず、工程（２）として、アルミニウム薄膜を形成した基板表面に電子ビーム直描法により所望の配列をもつ凹構造を作製し、細孔開始点とする。細孔開始点１の配列は、図１に示すような六方格子領域３と長方格子領域４とグラファイト状格子領域５が隣接したものから成り、各領域の境界部の細孔は、双方の領域に共有されている。即ち、隣接した２つの領域は、その隣接境界において等しい周期の細孔列を有している。図１の六方格子領域３の周期は２００ｎｍ、長方格子領域４の周期はＹ方向が２００ｎｍ、Ｘ方向が２５０ｎｍであり、グラファイト状格子領域５の最近接間隔１０の距離は２００ｎｍである。この構造は、Ｂ＝２００ｎｍとすると周期配列構造の範囲が０．７５Ｂ〜１．５Ｂに含まれる。
【００２９】
次に、工程（２）として作製した細孔開始点をすべて同じ印加電圧で同時に陽極酸化する。陽極酸化電圧は、一般に｛基本周期［ｎｍ］÷２．５［ｎｍ／Ｖ］｝より求められる電圧［Ｖ］が最適であるとされている。最も多い最近接間隔が２００ｎｍであるので、基本周期（陽極酸化周期）を２００ｎｍとすると陽極酸化電圧は８０Ｖとなる。２０℃のリン酸水溶液０．３ｍｏｌ／Ｌ中に基板を浸し、これを陽極として８０Ｖを印加して陽極酸化を行なうと、細孔開始点からアルミニウムが酸化且つ溶解され、高アスペクトの細孔が形成される。
【００３０】
次に、リン酸水溶液中にて酸化アルミニウムの細孔壁を溶解することで、細孔径の拡大制御を行なう。図２に細孔径拡大後の細孔形状を示す。（ａ）六方格子領域の細孔７ａの形状はほぼ円形になり、（ｂ）長方格子領域の細孔７ｂの形状は長方形状に、（ｃ）グラファイト状格子領域の細孔７ｃの形状はこの条件の陽極酸化では細孔開始点のない部分からは細孔は形成されず、三角形状となる。
【００３１】
実施例２
磁性デバイスとして、実施例１と同様の周期を持つ六方格子領域と長方格子領域が繰り返して隣接した細孔を作製する。図３の細孔の配列を示す。作成法は実施例１と同様である。作成した細孔内部に電気めっき法によりコバルトを充填し、磁気記録領域とする。この磁性デバイスは、トラック方向を１３の向きにとり、サーボ領域１１とデータ領域１２に分けて使用する。サーボ領域の一部の磁性体セル群は、データ領域の磁性体セル群のトラック方向に垂直方向の周期から半周期ずれており、ヘッドとトラックの位置制御（オフトラックという）を行なうために有効である。これにより隣接するトラックの情報を間違えて再生したり、既に記録されている隣接トラックに情報を重ね書きする誤りが無くなる。このような配列によりサーボ領域の減少を実現することで、データ領域を確保し、更なる高密度化を図ることができる。
【００３２】
実施例３
デバイスとして、長方格子領域の両側に六方格子領域が配列した細孔を作製する。作製法は実施例１と同様であり、その後に細孔内の一部に発光性色素入りポリスチレンを充填する。長方格子領域と六方格子領域のフォトニックバンド構造は異なるため、各々の構造によって導波しやすい波長が異なる。そのため長方格子領域を伝搬し六方格子領域を伝搬しない波長の光波を、長方格子領域の細孔に垂直方向から入射し（図４参照）、この構造を光導波路とすると、長方格子領域がコア・六方格子領域がクラッドとなって、通常の２次元光導波路に比べ低損失に光波が伝搬する。またコア領域の任意の細孔に発光性色素を充填することで、更に異なる波長の光波を励起・伝搬させることが出来、光学的デバイスに応用することができる。
【００３３】
以上説明した様に、本発明は、基板上に形成された細孔開始点を１つの陽極酸化電圧で一括して陽極酸化することにより、短時間で複数の周期配列が隣接して形成されたナノ構造体の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のナノ構造体を説明する平面図である。
【図２】本発明のナノ構造体を説明する平面図である。
【図３】本発明の実施例２のナノ構造体を説明する概略図である。
【図４】本発明の実施例３のナノ構造体を説明する斜視図である。
【符号の説明】
１ 非共有部細孔開始点
２ 共有部細孔開始点
３ 六方格子領域
４ 長方格子領域
５ グラファイト状格子領域
６ 複数周期配列構造
７ａ，７ｂ，７ｃ 細孔
８ 六方格子領域の最近接間隔
９ 長方格子領域の最近接間隔
１０ グラファイト格子領域の最近接間隔
１１ サーボ領域
１２ データ領域
１３ トラック方向
１４ 共有部細孔
１５ 発光材料

Claims (3)

1. 異なる格子構造を有する複数の細孔周期配列構造が、互いに隣接して配された構造体の製造方法であって、
   アルミニウムを主成分とする基板表面に、第１の格子構造を有する第１の細孔開始点の領域と、該第１の格子構造とは異なる第２の格子構造を有する第２の細孔開始点の領域とを作製する工程（１）と、
   前記基板を同じ陽極酸化電圧で同時に陽極酸化して、前記第１の細孔開始点と前記第２の細孔開始点から、異なる格子構造を有する複数の細孔周期配列構造を形成する工程（２）を有し、
   前記第１の細孔開始点の領域と前記第２の細孔開始点の領域との隣接境界において、前記第１の格子構造と前記第２の格子構造とで細孔開始点が２つ以上共有されており、
   前記第１の細孔開始点と前記第２の細孔開始点は、最近接細孔間の距離が０．７５Ｂ〜１．５Ｂ（但し、Ｂは前記複数の細孔周期配列構造に含まれる最近接細孔間の距離の最大値から最小値の範囲内に含まれる数値［ｎｍ］である。）となる様に形成されることを特徴とする構造体の製造方法。
2. 前記工程（２）において、陽極酸化時の印加電圧がＡ［Ｖ］（但し、Ｂ［ｎｍ］＝Ａ［Ｖ］／２．５［Ｖ／ｎｍ］、Ｂは前記複数の細孔周期配列構造に含まれる最近接細孔間の距離の最大値から最小値の範囲内に含まれる数値）であることを特徴とする請求項１に記載の構造体の製造方法。
3. 前記工程（１）が、光リソグラフィ、Ｘ線リソグラフィ、電子線リソグラフィ、イオンビームリソグラフィ、インプリントリソグラフィまたは走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）リソグラフィによって作製されることを特徴とする請求項１に記載の構造体の製造方法。

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