JP4574634B2 - シリコンワイヤを含み構成される物品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、シリコンワイヤを含み構成される物品の製造方法に関する。さらに詳しくは、シリコンワイヤが一様な方向に整列している、シリコンワイヤを含み構成される物品の製造方法に関する。

シリコンワイヤとは、直径が数ｎｍから数十ｎｍ（具体的には、例えば２ｎｍから３０ｎｍ）で、長さが０．０５μｍから数百μｍ程度（具体的には、例えば０．１μｍから３００μｍ）であるワイヤ状分子のことである。ナノオーダであることから、特にシリコンナノワイヤといわれる場合もある。

このシリコンワイヤの作製方法としては、例えば、シリコンウェハ上にＡｕのナノ粒子を単分散し、この単分散させたＡｕナノ粒子を触媒として、高温ＣＶＤ法を用いてＳｉＨ_４ガス中でＳｉを成長させて形成する方法がある（非特許文献１参照）。

シリコンナノワイヤの特徴として、極細で長い、構造的に安定している、電気的特性が優れている、電気的特性の制御が容易である、といった点が挙げられる。このような利点から現在、電子材料として期待されている。例えば、図４に示すように、シリコンナノワイヤにドープを行うことによりｎ−ｐ−ｎ接合を形成し、ゲート絶縁膜と電極を設けることで、高性能なトランジスタを作製することができる。
米国特許第６８８２０５１号明細書 米国特許第６０３６７７４号明細書 米国特許第６８７２６４５号明細書 米国特許第６８３５６１３号明細書 Ｃｈａｒｌｅｓ Ｌｉｅｂｅｒ， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．， ７８， ２２１４−２２１６（２００１）

しかしながら、シリコンナノワイヤは非常に細いため、電極上に配置する際に、図５に示すように、素子間のシリコンナノワイヤの配置角度がばらつくという問題があった。このために、基板上にシリコンナノワイヤからなる素子を複数形成した場合、各素子の電気的特性がばらついていた。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、複数のシリコンワイヤが特定の方向に整列している物品およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、シリコンワイヤを含み構成される物品の製造方法であって、溶媒中でポリマーを複数の該シリコンワイヤに被覆する工程と、該ポリマーに被覆された複数の該シリコンワイヤを、溶媒中で長手方向の向きが揃うように並べる工程と、該向きが揃った複数のシリコンワイヤを固定化する工程と、を有することを特徴とする。また、前記ポリマーは、前記シリコンワイヤと親和性のある疎水性のポリマーであることを特徴とする。また、前記ポリマーは、絶縁性を有していることを特徴とする。また、前記シリコンワイヤの長手方向の向きが揃うように並べる工程は、該シリコンワイヤに交流電界および／または交流磁場を印加することによってなされることを特徴とする。また、前記シリコンワイヤの長手方向の向きが揃うように並べる工程において用いられる溶媒は、該シリコンワイヤの極性と逆の極性を有することを特徴とする。また、前記シリコンワイヤを固定化する工程は、該シリコンワイヤへの紫外線あるいは赤外線の照射、または該シリコンワイヤの加熱によってなされることを特徴とする。また、前記シリコンワイヤを固定化する工程の前に、該シリコンワイヤを溶媒中から基体上にすくい上げ、その後に該シリコンワイヤを固定化することを特徴とする。また、前記複数のシリコンワイヤは、単層をなすことを特徴とする。

さらに、本発明は、複数のシリコンワイヤを含み、かつ、それぞれの該シリコンワイヤの長手方向の向きが揃った状態で、ポリマーを介して互いが固定化されていることを特徴とするシリコンワイヤを含み構成される物品である。また、前記シリコンワイヤの表面には、酸化膜が形成されていることを特徴とする。また、前記ポリマーは、前記シリコンワイヤと親和性のある疎水性のポリマーであることを特徴とする。また、前記ポリマーは、絶縁性を有していることを特徴とする。また、前記複数のシリコンワイヤは、単層をなすことを特徴とする。

またさらに、本発明は、ワイヤを含み構成される物品の製造方法であって、溶媒中でポリマーを複数の該ワイヤに被覆する工程と、該ポリマーに被覆された複数の該ワイヤを、溶媒中で長手方向の向きが揃うように並べる工程と、該向きが揃った複数のワイヤを固定化する工程と、を有することを特徴とする。

以上述べたように、本発明によれば、シリコンワイヤが特定の方向に整列して構成される物品やその製造方法が提供される。

また、本発明によってシリコンナノワイヤシートまたはリボンを、素子中の所望の位置に簡単に整列配置させることが可能であることから、シリコンナノワイヤを用いたトランジスタを安価に提供することが可能となる。また、シリコンナノワイヤを整列させたシートまたはリボン構造体をトランジスタとして用いることにより、高性能の量子装置や電子応用装置を実現することが可能となる。

これより、本発明に係る物品の製造方法を図面を用いて詳述するが、本発明は以下の製造方法に限定されるものではない。

最初に、溶液中で、複数のシリコンワイヤをポリマーによって被覆する。それにはまず、図１（ａ）に示すように、溶媒中にシリコンナノワイヤ１１とシリコンナノワイヤと親和性のある疎水性のポリマー１２を分散させる。次に、図１（ｂ）に示すように、（ａ）の溶媒ａを攪拌することで、シリコンナノワイヤが前記ポリマーで被覆される（図１（ｂ）の拡大図）。本実施形態では、ポリマーとして、シリコンワイヤと親和性のある疎水性のポリマーを用いたが、使用されるポリマーは、後の工程で固定化に利用できるポリマーであれば特に限定されるものではない。また、前記ポリマーとして、絶縁性を有しているものも利用することができる。

次に、ポリマーに被覆されている複数のシリコンワイヤを、その長手方向の向きが揃うように並べる。ポリマーに被覆されている複数の前記シリコンワイヤの長手方向の向きを揃えるためには、例えば、交流電界および／または交流磁場を利用する。また、前記シリコンワイヤと極性を逆にした溶媒中で、前記シリコンワイヤに交流電界および／または交流磁場を印加することもできる。交流電界および／または交流磁場を印加することによって、前記シリコンワイヤ群は一様な方向に整列する。

図１の本実施形態では、ポリマーで被覆されたシリコンナノワイヤが分散している溶液（シリコンナノワイヤと極性を逆にした溶媒ｂを用いる）に、数ＭＨｚの周波数で交流電界または交流磁場をかけている。そうすることで、図１（ｃ）に示したように、溶液の水面上にシリコンナノワイヤポリマ１３が単層の状態で整列する。

そして次に、複数の前記シリコンワイヤを、その長手方向の向きが揃った状態で、前記ポリマーを利用して固定化する。固定化は、前記ポリマーで被覆されているシリコンワイヤに紫外線あるいは赤外線を照射するか、あるいは前記シリコンワイヤを加熱することによってなされる。すなわち、図１（ｄ）のように、整列したシリコンナノワイヤポリマ１３に紫外線１４等を照射することで、架橋反応または重合反応が生じ、シリコンナノワイヤ１１が固定化される。

なお、シリコンワイヤを固定化する前に、前記シリコンワイヤを溶媒中から基体上にすくい上げ、その後に固定化することも可能である。

以上の方法で、複数のシリコンワイヤを含み構成され、かつ、それぞれのシリコンワイヤの長手方向の向きが揃った状態で、ポリマーを介して互いに固定化されている物品１５が提供される。ここでいう物品は、シリコンナノワイヤシート１５またはシリコンナノワイヤリボン１５ということもできる。また、用いられるシリコンワイヤの表面に、自然酸化膜や表層の酸化工程により形成された酸化膜が設けられていてもよい。

以上、シリコンワイヤを例に説明しているが、特にシリコンからなるワイヤに本発明は限定されるものではない。例えば、カーボンナノチューブや、ＳｉＧｅやＧａＡｓなどの化合物半導体からなるワイヤあるいはワイヤ状のものを利用することもできる。したがって、本発明には、ワイヤを含み構成される物品の製造方法に関する発明が含まれる。つまり、上述したシリコンワイヤの場合と全く同じやり方で前記ワイヤを含み構成される物品を製造することが可能である。すなわち、溶液中で、ポリマーにより被覆されている複数のワイヤの、その長手方向の向きを揃え、複数の前記ワイヤを、その長手方向の向きが揃った状態で、前記ポリマーを利用して、固定化することができる。

また、ワイヤとしては、シリコン以外の化合物半導体や、シリコンの導電性をｐ型あるいはｎ型にする為に、シリコンに、リンや砒素などがドープされているシリコンワイヤも包含する。

これより、上述したことがらについて、より詳細に説明する。

まず、シリコンナノワイヤ１１をポリマー１２で被覆する理由としては次のことが挙げられる。第一に、シリコンナノワイヤ同士が重なり合わない、第二に、絶縁性が確保できる、第三に、溶媒中での分散性が良好となる。更には、第四に、単分子配列しやすい（ＬＢ膜形成）、第五に、ポリマーの架橋反応や重合反応を利用して構造体を固定化できる等の効果がある。

使用するポリマー１２は、シリコンナノワイヤ１１の表面と親和性のあるものであればどのようなものでもよいが、例えば、Ｓｉ原子またはπ共役結合を分子骨格中に有するポリマーを使用することが好ましい。また、絶縁性ポリマーとしては、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート等が挙げられる。また、架橋または重合反応により強固に結合する性質を有するポリマーとしては、ポリアリーレンエチニレン、ポリジアセチレン、ポリビニルピリジン、ポリジベンゾジシラアゼピン等が好ましい。

シリコンナノワイヤポリマ１３を固定化するには、ポリマーの架橋反応や重合反応を利用する。ポリマーの種類により、紫外線照射、赤外線照射あるいは加熱等を選択する。

また、使用する溶媒ａ１６は、ポリマーを溶解させることができるものであればどのようなものでもよく、例えば、１、２−ジクロロエタン、テトラヒドロフランなどを使用することができる。

次に、上記シリコンナノワイヤのシートまたはリボン１５を、ガラスやフレキシブル基板（テープやシート）等の基体上に形成する手法としては、一般的に用いられるＬＢ（ラングミュア−ブロジェット）法がある。この手法は、図２（ｄ）に示したように、水溶液２７上に単分子膜で配列しているポリマーを、基体を水面中からすくい上げることで、基体上に単分子配列のまま写し取ることのできるものである。シリコンナノワイヤの整列方向としては、その長軸方向が、図３（ａ）に示したように、基体の引き上げ方向に対して垂直に配列させることも可能であり、図３（ｂ）に示したように、基体の引き上げ方向に対して平行に配列させることも可能である。図３（ａ）の場合は、ポリマーの長手方向は、印加する電界または磁界の方向で制御できる。一方、図３（ｂ）の場合は、流路に沿って概ね自然整列しているシリコンナノワイヤポリマに対して、基体を流路の方向に平行に動かしてすくい上げる例である。

以上説明したように、図３（ａ）または（ｂ）の手法で基体上にシリコンナノワイヤポリマを形成する場合は、図２（ｄ）に示したようになる。すなわち、基体上にシリコンナノワイヤのシートまたはリボンを掬い取った後に、図２（ｅ）に示したように紫外線等を照射することで、ポリマーの架橋反応または重合反応を生じさせ、シートまたはリボン構造体を固定化する。

上記シリコンナノワイヤのシートまたはリボンを、ガラスやフレキシブル基板（テープやシート）等の基体上に形成する理由としては次のことが挙げられる。すなわち、シートやリボンの取扱い（ハンドリング）が容易となる、基体に依存しないシリコンナノワイヤ構造体が作製できる、素子に直接シリコンナノワイヤを形成する場合の素子へのダメージの防止、シートやリボンの面積を有効利用できる等である。

また、シリコンナノワイヤは、多層よりも単層である方が、その電気的特性が安定していて好ましいが、本発明は多層あるいは単層のＳｉワイヤに限定されるものではない。

また、本発明に係るＳｉワイヤには、不純物がドープされていてもよい。したがって、ｎ型あるいはｐ型のＳｉワイヤも本発明に適用できる。更に、Ｓｉワイヤの表面に酸化膜（自然酸化膜を含む）を設けておいてもよい。

なお、本実施形態に係る発明には、参照により特許文献１、特許文献２、特許文献３および特許文献４に記載の技術が、本発明群と矛盾する要素を除いて組み込まれる。

また、本発明により、複数のシリコンワイヤが、特定の方向に配向して構成される物品が得られる。ここで、配向とは、Ｓｉワイヤの長軸方向の向きが複数のワイヤ間で揃っていることを意味する。

そして、このワイヤは、電界効果型トランジスタのチャネルに利用することができる。例えば、ソース電極とドレイン電極間に、この配向したＳｉワイヤ群を設けることで、ＴＦＴのチャネルに利用するのである。Ｓｉワイヤ群とは、複数のワイヤ、つまり２本以上のワイヤであることを意味する。

また、ワイヤに関してはシリコンを例に挙げて説明したが、本発明は、前述したように、シリコンワイヤに限らず、カーボンナノチューブや化合物半導体からなるナノワイヤにも適用され得る。

また、シリコンナノワイヤが一様な方向に整列しているために、トランジスタに適用したときに、安定した電気特性を有する、高性能の量子装置や電子応用装置を作ることができる。

以下に具体的な実施例を詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
まず、シリコンウェハ上に直径約２０ｎｍのＡｕナノ粒子を単分散し、この単分散させたＡｕナノ粒子を触媒として、高温ＣＶＤ法を用いてＳｉＨ_４ガス中でＳｉを成長させて、シリコンナノワイヤを形成した。ここで得られたシリコンナノワイヤの大きさは、直径約５０ｎｍ、長さが約５μｍであった。

次に、上記手法で作製したシリコンナノワイヤを、図１（ａ）に示したように、ポリマーと共に溶媒に投入し、約１分間超音波攪拌した後、静置した。ここで、ポリマーとしては、ポリジベンゾジシラアゼピンを用い、溶媒としては、１、２−ジクロロエタンを用いた。超音波攪拌した後、静置した後の溶媒は、図１（ｂ）に示したように、シリコンナノワイヤの１本ずつがポリマー（ポリジベンゾジシラアゼピン）で被覆され、溶媒全体に一様に分散した状態となっていた。

次に、上記ポリマーで被覆されたシリコンナノワイヤを取り出し、親和性の溶媒ｂ１７（ここでは、ＩＰＡ水溶液とした）中に投入したところ、ポリマーで被覆されたシリコンナノワイヤが水面上に浮上した（図１（ｃ））。次に、５００エルステッドの交流磁場（１ＭＨｚ）を加えたところ、図１（ｄ）と図１（ｅ）に示したようにポリマーで被覆されたシリコンナノワイヤが整列した。次に、該シリコンナノワイヤーに向けて紫外線１４を約１分照射した。すると、ポリマーの架橋反応が進行し、整列したシリコンナノワイヤ１５が固定された（図１（ｅ））。

すなわち、本発明によって、整列配置したシリコンナノワイヤシートが形成された（図１（ｅ））。

（実施例２）
実施例１において、親和性の溶媒上に浮上して整列したポリマー被覆のシリコンナノワイヤシート（単層）（図１（ｃ））をＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート、１００μｍ厚）基板上にすくい上げて取り出した（図２（ｄ））。ポリマー被覆のシリコンナノワイヤシートの整列方向と、基体のＰＥＴのすくい上げ方向の関係は、図３（Ａ）に示したように垂直とした。すなわち、ポリマー被覆したシリコンナノワイヤ３３は、印加した電界に対して平行に整列した。一方、ＬＢ膜としては、シリコンナノワイヤの長手方向に垂直な方向に圧力をかけて整列させた。そして、基体は、その圧縮方向と同じ方向に動かしてすくい上げた。

以上のようにして得られたＰＥＴ基体上に整列配列形成したシリコンナノワイヤに、紫外線を１分間照射した（図２（ｅ））。すると、シリコンナノワイヤを被覆していたポリマーが架橋反応を起こし、シートが固定化された。

すなわち、本発明によって、基体２８上に整列配置したシリコンナノワイヤシート２５が形成された。

（実施例３）
実施例２で得られたＰＥＴ（このＰＥＴ上には、レーザーで昇華する中間層が形成されている。不図示）上に形成された、ポリマーで被覆されたシリコンナノワイヤシートを、図６（ａ）に示したように、電極形成後に電極上に逆向きに置き、シリコンナノワイヤを配置させたい部分にのみレーザー６３を上面（基体面側）から照射した。すると、レーザーを照射した部分の中間層が熱で昇華し、その部分のポリマー被覆されたシリコンナノワイヤ６４のみが電極側に転写した（図６（ｂ））。すなわち、ＰＥＴ基板上に形成したシリコンナノワイヤシート６１を、配置させたい部分にのみ転写６４することに成功した。

すなわち、本発明によると、実施例１のシリコンナノワイヤシート（基体無し）を素子の所望の位置に転写させることができる。

したがって、本発明によると、整列させたシリコンナノワイヤを所望の位置に形成した並列接続のトランジスタの形成が可能となる。また、これらのトランジスタ素子は、ガラス基板上に多数個同時に作製することが可能であることから、例えば各種ディスプレイの各画素のスイッチングトランジスタとして用いることができる。

（実施例４）
実施例１で得られた溶液上に単層整列したシリコンナノワイヤシート（ＬＢ膜）に対して、図６（ａ）に示したように、電極まで形成した素子を基体として、シリコンナノワイヤを配置させたい部分のみが開口部となっているマスク（不図示）を用意した。そして、ＬＢ法により基体上の所望の位置にのみシリコンナノワイヤシートを塗布形成した。このとき、シリコンナノワイヤの整列向きは、電極間をまたがる向きとした（図６（ｂ）と同じ）。次に、電極上の不要な部分に形成されたシリコンナノワイヤを、ドライエッチング法を用いて除去した。

以上、本発明によると、実施例１のシリコンナノワイヤシート（基体無し）を、素子の所望の位置に配置形成させることに成功した。

（比較例１）
実施例１および実施例４において、形成したシリコンナノワイヤをポリマー被覆しないで、溶液の流れだけを利用して（シリコンナノワイヤの向きが概ね流路に沿うことを利用）いわゆるＬＢ法（図２（ｄ））により基体上にシリコンナノワイヤ膜を形成した。そうしたところ、図５に示したように、シリコンナノワイヤが重なったり、交差したりしている部分が多数存在した。すなわち、本比較例では、素子間のチャネル間距離のばらつきやゲート電極からの距離のばらつき等に依存する素子間の電気的特性のばらつきが大きな素子が形成された。

本発明は上記の実施形態を参照して記載されているが、開示された実施形態に限定されはしない。附属の請求項の範囲は、その実施形態の全ての修正および同等の構造かつ機能を包含する、最も広い解釈と一致している。

本発明の物品の作製方法（実施例１）を説明する図である。 本発明の物品を基体上に形成する方法（実施例２）を説明する図（１）である。 本発明の物品を基体上に形成する方法（実施例２）を説明する図（２）である。 本発明のシリコンワイヤを用いたＴＦＴ素子の構造を説明する図である。 従来例および比較例１のシリコンワイヤの配置を説明する図である。 本発明の物品を素子に転写するプロセスを説明する図である。

符号の説明

１１、２１、４１、５１ シリコンナノワイヤ
１２、２２ ポリマー
１３、２３、３３ ポリマーを被覆したシリコンナノワイヤ
１４、２４ 紫外線照射
１５、２５、６１ 物品（シリコンナノワイヤシートまたはリボン）
１６、２６ 溶媒ａ
１７、２７ 溶媒ｂ
２８、３８ 基体
６４ 転写した物品（シリコンナノワイヤシートまたはリボン）
６３ レーザー
６２ ＰＥＴ（基体）
４６、６９ ＴＦＴ基板
４４、６７ 絶縁層
４７ 半導体層
４８ 保護層
４２、５２、６５ ソース電極
４３、５３、６６ ドレイン電極
４５、６８ ゲート電極

Claims (7)

1. 複数のワイヤを含み構成される物品の製造方法であって、
   前記複数のワイヤの表面と親和性のある疎水性のポリマーを溶解可能な第１の溶媒に、該複数のワイヤと該ポリマーとを分散させる工程と、
   前記第１の溶媒に分散している前記複数のワイヤに前記ポリマーを被覆する工程と、
   前記ポリマーに被覆された前記複数のワイヤの極性と逆の極性を有する第２の溶媒の水面上に、該ポリマーに被覆された前記複数のワイヤを浮上させる工程と、
   前記第２の溶媒の水面上に浮上する前記複数のワイヤに対して、交流電界あるいは交流磁場を印加する工程と、
   前記印加する工程によって長手の方向が揃うように並べられた前記複数のワイヤを固定化する工程と、を含むことを特徴とする製造方法。
2. 前記印加する工程によって前記交流電界あるいは前記交流磁界の方向に前記長手の方向が揃うことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
3. 前記複数のワイヤは、複数のシリコンワイヤであり、
   前記物品は、前記長手の方向が揃うように並べられた状態で、絶縁性の前記ポリマーを介して前記固定化されている前記複数のシリコンワイヤであることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の製造方法。
4. 前記固定化する工程は、
   前記長手の方向が揃うように並べられた前記複数のワイヤに紫外線あるいは赤外線を照射する工程、または、
   前記長手の方向が揃うように並べられた前記複数のワイヤを加熱する工程を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の製造方法。
5. 前記固定化する工程の前に、前記長手の方向が揃うように並べられた前記複数のワイヤを前記第２の溶媒からすくい上げる工程を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の製造方法。
6. 前記固定化する工程の前に、
   前記長手の方向が揃うように単層の状態で並べられた前記複数のワイヤを、前記第２の溶媒から、前記長手の方向あるいは該長手の方向に対して略垂直な方向にすくい上げる工程と、
   前記すくい上げられた前記複数のワイヤを基体上に前記単層の状態で並べて配置する工程と、を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の製造方法。
7. 前記固定化する工程は、
   前記基体上に前記単層の状態で並べて配置された前記複数のワイヤの一部に、該基体を介して紫外線あるいは赤外線を照射する工程と、
   前記一部のワイヤを前記基体とは別の基体に転写する工程と、を含むことを特徴とする請求項６に記載の製造方法。