JP4673070B2 - 微小構造の成長制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、成長制御方法に関し、特に、基板上に微小な構造（微小島）を成長させる微小構造の成長制御方法に関する。

量子効果を発現する数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の微小な構造を、位置とサイズを制御しつつ自己組織的に形成する研究が進んでいる。自己組織的な形成は、初期条件を与えるだけで後は自然に所望の構造が形成されるので、複雑な処理工程が不要であり、コストが安いという特徴がある。
微小な構造の従来の自己組織的な形成方法は、結晶基板上に、これとは異なる物質を堆積させたとき、界面エネルギーや歪エネルギーの上昇を避けるよう、島状成長する現象を利用している。例えば、シリコン結晶基板上にゲルマニウムを成長させると、初期は層状に成長するが、厚くなるにつれ歪エネルギーが蓄積し、ついに島状成長に移行する。しかし、ゲルマニウム島ができる位置やタイミングは、統計的な不確定性があるため、位置とサイズの制御が難しい。

この制御性を高める方法として、リソグラフィー法により基板表面にパターンを形成し、このパターンの特定の位置に微小島が優先的に形成されることを利用する成長制御方法がある。この方法により、位置の制御はもちろんのこと、微小島の原子を取り込む領域がどの微小島についても平均的に同じであるため、サイズの均一性を高めることもできる（例えば、特許文献１を参照）。

なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
特開２０００−２１７７７号公報 Y.Watanabe, H.Hibino, S.Bhunia, K.Tateno and T.Sekiguchi, Physica E 24, 133 (2004) C.A.Mirkin, R.L.Letsinger, R.C.Mucic, and J.J.Storhoff, Nature 382, 607 (1996)

そもそも、微小な構造の自己組織的な形成には、複雑な処理工程が不要であり、コストが安いという特徴がある。しかし、微小な構造の位置とサイズを制御するためにリソグラフィーを用いることは、上述した自己組織的な形成の特徴を相殺することになる。
また、リソグラフィーを用いることにより、形成される微小な構造のサイズや周期性が制限を受けることになる。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、複雑で高コストとなる処理工程を経ることなく、微小な構造の自己組織的な形成において、位置制御性およびサイズ均一性を高めることにある。
また、他の目的は、従来よりもさらに小さく、周期性が高い微小構造を形成できるようにすることにある。

このような目的を達成するために、本発明に係る微小構造の成長制御方法は、第１の物質からなる基板の複数のステップが存在している結晶表面に第２の物質を堆積させ、この第２の物質からなる二次元表面相を形成する第１の工程と、二次元表面相の上に第３の物質を配置することにより二次元表面相上のステップに第３の物質を含む液滴を配列させる第２の工程と、液滴を結晶化させることにより微小構造を形成する第３の工程とを備え、第３の物質は、第２の物質と同一であり、第１の工程では、二次元表面相が基板表面を覆いつくすまで堆積を続けることを特徴とする。

ここで、第２の物質として、第２の工程において液滴が形成される温度条件の下で、ステップの形状が維持される物質を用いることができる。また、第３の物質として、第２の物質と同一の物質を用いることもできる。
また、第２の工程は、液滴をそれぞれ１本のステップの上に配置することもできるし、液滴をそれぞれ複数のステップの上に跨って配置することもできる。

また、上述した成長制御方法は、微小構造の形成位置に結晶を成長させる第４の工程をさらに備えていてもよい。また、微小構造の形成位置に、特定の基をその端部にもつ機能性分子を選択的に固定させる第５の工程をさらに備えていてもよい。

また、本発明に係るデバイスは、第１の物質からなる基板と、第２の物質からなりステップが規則的に配列した表面相を有する堆積層と、第３の物質からなり前記表面相上のステップに配列した微小構造とを備えることを特徴とする。
このデバイスは、上述した成長制御方法を用いて製造することもできる。

本発明では、基板の上に複数のステップが規則的に配列する表面相を形成し、この表面相の上に物質を配置してこの物質を含む液滴を表面相上のステップに配列させる。さらに、この液滴を結晶化させて微小構造を形成する。これにより、液滴および微小構造が形成される位置を正確に制御できる。また、ステップに形成される液滴はそれぞれ同じタイミングで形成されるので、それぞれの液滴および微小構造のサイズを均一にできる。
また、本発明は、微小構造の位置制御やサイズ均一性を実現するに当たって、リソグラフィーのような複雑で高コストとなる処理工程を必要としない。また、リソグラフィーを用いる従来の方法よりも、さらに小さく、周期性が高い微小構造を形成できる。

以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本実施の形態に係る微小構造の成長制御方法の主要な工程を示すフローチャートである。図２および図３は、本実施の形態に係る微小構造の成長制御方法の主要な工程を示す概念図である。

図２（ａ）に示すように、基板１の結晶表面（基板表面）には、規則的に配列する複数のステップ２が存在している。隣り合う２つのステップ２の間の平らな領域をテラス３という。このような表面構造が現れるように、基板表面を清浄化する（図１の工程Ｓ１）。
この際、基板方位を低指数方位から傾斜させる角度により、基板表面のステップ２の方向と周期性を指定できる。また、ステップ２の方向に依存して、直線的なステップや周期的に折れ曲がったステップが得られる。さらに、基板表面にその基板を構成する第１の物質（基板物質）をステップフロー様式で成長させることにより、ステップ２の形状や配置を変化させることもできる。

ついで、図２（ｂ）に示すように、基板表面に基板物質とは異なる第２の物質を堆積させる。図中の符号１１Ａは第２の物質の原子、符号１Ａは基板の原子を示す。
基板表面に第２の物質を堆積させることにより、図３（ｃ）に示すような、複数のステップ１２が規則的に配列する二次元表面相１１が形成される（図１の工程Ｓ２）。この二次元表面相１１は、堆積した第２の物質に特有のものである。
二次元表面相１１が堆積量に応じて様々に変化する場合には、そのうち最も多い堆積量を要する二次元表面相が基板表面を覆いつくすまで堆積を続ける。二次元表面相１１の形成の際には、基板物質の質量輸送が起きるため、テラス１３に二次元的な島や穴が形成されないように、基板物質の拡散が十分長い成長条件を用いる。また、基板物質の質量輸送を利用すれば、二次元表面相１１の形成中に、ステップ１２の形状を意図的に変化させることも可能である。

ついで、図３（ｄ）に示すように、二次元表面相１１を形成した第２の物質と同一または異なる第３の物質を、この第３の物質が液化する条件下で、二次元表面相１１に配置する。これにより、ステップ１２の近傍に、第３の物質を含む微小な液滴が形成される。この液滴を液滴島２１と呼ぶ（図１の工程Ｓ３）。
なお、二次元表面相１１の上に配置された第３の物質が、薄い二次元表面相１１を介して基板物質を取り込み、合金を形成する場合もある。この場合には、合金が液化する温度条件に設定することにより、合金からなる液滴島２１をステップ１２の近傍に形成することができる。
ステップ１２の近傍に液滴島２１が優先的に形成される理由については、後で詳しく説明する。

ついで、基板温度を下げて液滴島２１を結晶化することにより、図３（ｅ）に示すように、量子効果を発現する微小島２２が完成する（図１の工程Ｓ４）。なお、結晶が大きくなると融点が上がるので、基板温度を下げなくても結晶化する場合もある。
このようにして形成された微小島２２は、二次元表面相１１に規則的に配列しているステップ１２の近傍に形成される。したがって、二次元表面相１１上の微小島２２には、ステップ１２の間隔に基づく周期性がある。

なお、二次元表面相１１を形成する第２の物質としては、液滴島２１を形成するための低温下でも、二次元表面相１１のステップ１２の形状が維持される物質が用いられる。

このように、本実施の形態に係る微小構造の成長制御方法は、微小な液滴島２１が二次元表面相１１上のステップ１２の近傍に優先的に形成されることを利用して、微小島２２をステップ１２に配列するものである。液滴島２１がステップ１２の近傍に優先的に形成されるのは、以下の少なくとも１つの理由によるものと考えられる。第１の理由は、ステップ１２上では、例えば液滴島２１の表面積を大きくとれるため、液滴島２１がエネルギー的に安定となるからである。第２の理由は、基板物質の取り込み易さに関するものである。ステップ１２とテラス１３との間では、常に基板物質原子１Ａの放出と取り込みを繰り返しており、テラス１３における基板物質の吸着子濃度は、ステップ１２の近傍で高い。このため、基板物質と反応して合金化した液滴島２１は、基板物質を取り込みやすいステップ１２の近傍に優先的に形成される。

たまたまステップ１２から離れたテラス１３上に液滴島２１が形成されたとしても、エネルギー勾配または吸着子の濃度勾配に起因して液滴島２１がテラス１３上を移動し、ステップ１２の近傍に到達する。したがって、液滴島２１およびこれから形成される微小島２２の位置選択性は高い。

液滴島２１を形成する第３の物質の拡散長がステップ１２の間隔より長い場合には、ステップ１２の近傍に効率的に液滴島２１の核を形成できる。テラス１３上に液滴島２１が形成されると、どの位置に形成されるかによってそれぞれの島形成のタイミングにばらつきが生じるが、ステップ１２の近傍に形成することにより、それぞれの島形成のタイミングを一致させることができる。その結果、島形成時間に応じた液滴島２１、およびこれから形成される微小島２２のサイズのばらつきを抑えることができる。なお、これらのサイズは、二次元表面相１１に配置する第２の物質の量（堆積量）により制御することができる。

しかし、第３の物質の拡散長を長くしすぎると、個々の液滴島２１の密度が小さくなり、ばらつきが大きくなる。このため、液滴島２１を形成する際には、液滴島２１がテラス１３に形成されない限度となる成長条件を用いることが好ましい。これにより、ステップ１２の近傍に形成される個々の微小島２２の密度を大きくし、均一性を高めることができる。具体的には、成長温度と成長速度を最適化する。ただし、成長温度には、核形成時に微小島２２が液化しているという温度下限が課される。

一方、液滴島２１は、ステップ１２の曲がった箇所や、突出した箇所に形成され易い。したがって、延在方向の形状が周期的に変化するステップ１２を用い、液滴島２１の形成され易さを同一のステップ１２上で変化させることにより、ステップ１２の間隔に基づく周期性だけでなく、ステップ１２に沿った方向に規則的に配列した微小島２２を形成できる。このとき、それぞれの微小島２２が原子を取り込む範囲が等しくなるので、微小島２２のサイズの均一性も高まる。

本発明の実施例１として、シリコン（１１１）基板１の二次元表面相１１上の原子ステップ１２に金の微小島２２を形成する条件を示す。本実施例では、１本１本の原子ステップ１２の上に微小島２２を形成することが可能である。なお、原子ステップとは、基板の結晶構造によって決まる最小のステップのことである。

まず、シリコン（１１１）基板１を化学的にクリーニングした後、超高真空に導入し、基板温度６００℃で脱ガスを行った。その後、１２００℃で加熱し、清浄化することにより、基板表面に等間隔で直線的なステップ列が現れた。この基板表面に、基板温度７００℃で約１原子層の金を蒸着し、金の二次元表面相１１である√３×√３構造を形成した。その後、基板温度を約４１０℃に保ち、さらに金を蒸着した。
図４は、成長後に冷却し、室温で撮影した電子顕微鏡写真である。この写真から分かるように、金の微小島の原子ステップヘの配列を実現できた。このときの微小島の形成は、二次元表面相１１が√３×√３構造から６×６構造に変化した後、短い時間を経て一斉に起きた。

本発明の実施例２として、シリコン（１１１）基板１の二次元表面相１１上の原子ステップ２に、金とシリコンとの合金結晶（金シリサイド）を形成する条件を示す。基板１の準備、二次元表面相１１の形成は実施例１と同様に行い、その後の蒸着を約３６０℃で行う。
図５は、成長後に冷却し、室温で撮影した電子顕微鏡写真である。図５中において、白い点が合金結晶の島、黒い点が成長中は液滴であった島に対応している。このように、成長条件を選ぶことにより、ステップ１２の下側に合金結晶を形成することができる。

本発明の実施例３として、シリコン（１１１）基板１の二次元表面相１１上の原子ステップ１２にガリウムの微小島２２を形成する条件を示す。基板１の準備は実施例１と同様に行う。基板表面に、基板温度６００℃で約１原子層のガリウムを蒸着し、ガリウムの二次元表面相１１である６．３×６．３構造を形成した。その後、基板温度を約３００℃に保ち、さらにガリウムを蒸着した。
図６は、成長後に冷却し、室温で撮影した電子顕微鏡写真である。この写真から分かるように、ガリウムの微小島の原子ステップヘの配列を実現できた。

本発明の実施例４として、シリコン（１１１）基板１の二次元表面相１１に原子ステップ１２の間隔が広い（ステップ１２が疎）領域と狭い（密）領域とがある場合に、ステップ１２が密の領域において、優先的に複数のステップ１２の上に跨って金の微小島２２を形成できることを示す。基板１の準備、二次元表面相１１の形成は実施例１と同様に行う。ただし、√３×√３構造の発生が特定のテラス１３で優先的に起こり、そのテラス１３が拡大したため、ステップ１２が疎の領域の中にところどころステップ１２が密の領域が存在する。このような二次元表面相１１に蒸着を約４４０℃で行う。
図７は、成長後に冷却し、室温で撮影した電子顕微鏡写真である。金の微小島は、２つのステップが連続した二層ステップの近傍に形成されているが、二層ステップに隣接した単層ステップには形成されていない。

本発明の実施例５として、実施例１で示した一次元に配列した金の微小島２２を種として、この微小島２２の位置に選択的に柱状結晶を成長させる方法を示す。まず、実施例１の方法で、微小島２２の一次元配列を形成する。ついで、化学蒸着法や有機金属気相エピタキシー法（ＭＯＶＰＥ）により、シリコンやインジウムリン、ガリウム砒素などの結晶成長を行う。具体的には、金の微小島２２を形成した基板１を、ＭＯＶＰＥ反応管で５５０℃に加熱し、基板１の酸化膜を除去した後、基板温度４５０℃で、水素ガスで希釈したトリメチルインジウムとターシャルブチルフォスフィンを１３．３Ｐａで流し、インジウムリン結晶を成長させる。このような温度では、基板１上の金は、シリコンとの合金となって液滴として存在しており、Vapor-Liquid-Solid機構として知られている現象により、金の微小島２２の位置に選択的にインジウムリンの柱状結晶を形成できる（非特許文献１を参照）。同様の方法により、基板物質と同一、または、基板物質，第２の物質、第３の物質のいずれとも異なる第４の物質からなる結晶を形成することも可能である。

本発明の実施例６として、実施例１で示した一次元に配列した金の微小島２２を種として、この微小島２２の位置に選択的にデオキシリボ核酸（ＤＮＡ）を固定する方法を示す。まず、実施例１の方法で、微小島２２の一次元配列を形成する。アルカンチオール基で終端したＤＮＡは水溶液中で金微粒子に固定されることが報告されている（非特許文献２を参照）。この方法を用いることにより、一次元的に配列した金の微小島２２にＤＮＡを固定し、特定のＤＮＡの検出する装置やＤＮＡネットワークとして利用可能である。ここでは、ＤＮＡを固定する例を示したが、端部に特定の基をもつ他の機能性分子を微小島２２の位置に選択的に固定することも可能である。

本発明は、量子効果をもつ微小な構造、および、複数の微小な構造を繋ぐネットワークの製造に適している。本発明によって製造されたデバイスは、上述したＤＮＡ検出装置をはじめ、様々な分野での応用が期待されている。

本発明の一実施の形態に係る微小構造の成長制御方法の主要な工程を示すフローチャートである。 本発明の一実施の形態に係る微小構造の成長制御方法の主要な工程を示す概念図である。 図２に引き続く工程を示す概念図である。 本発明の実施例１により形成したシリコン（１１１）基板上の単層ステップに配列した金の微小島の低速電子顕微鏡写真である。 本発明の実施例２により形成したシリコン（１１１）基板上の単層ステップに配列した金シリサイドの微小島の低速電子顕微鏡写真である。 本発明の実施例３により形成したシリコン（１１１）基板上の単層ステップに配列したガリウムの微小島の低速電子顕微鏡写真である。 本発明の実施例４により形成したシリコン（１１１）基板上の二層ステップに選択的に配列した金の微小島の低速電子顕微鏡写真である。

符号の説明

１…基板、１Ａ…基板の原子、２…ステップ、３…テラス、１１…二次元表面相、１１Ａ…第２の物質の原子、１２…ステップ、１３…テラス、２１…液滴島、２１Ａ…第３の物質の原子、２２…微小島。

Claims (6)

1. 第１の物質からなる基板の複数のステップが存在している結晶表面に第２の物質を堆積させ、この第２の物質からなる二次元表面相を形成する第１の工程と、
   前記二次元表面相の上に第３の物質を配置することにより前記二次元表面相上の前記ステップに前記第３の物質を含む液滴を配列させる第２の工程と、
   前記液滴を結晶化させることにより微小構造を形成する第３の工程と
   を備え、
   第３の物質は、第２の物質と同一であり、
   前記第１の工程の温度条件に比較して前記第２の工程の温度条件の方を低い温度とし、
   前記第１の工程では、前記二次元表面相が前記基板表面を覆いつくすまで堆積を続けることを特徴とする微小構造の成長制御方法。
2. 請求項１に記載の成長制御方法において、
   前記第２の物質は、前記第２の工程において前記液滴が形成される温度条件の下で、前記ステップの形状が維持される物質であることを特徴とする微小構造の成長制御方法。
3. 請求項１または２記載の成長制御方法において、
   前記第２の工程は、前記液滴をそれぞれ１本のステップの上に配置することを特徴とする微小構造の成長制御方法。
4. 請求項１または２記載の成長制御方法において、
   前記第２の工程は、前記液滴をそれぞれ複数のステップの上に跨って配置することを特徴とする微小構造の成長制御方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の成長制御方法において、
   前記微小構造の形成位置に結晶を成長させる第４の工程をさらに備えることを特徴とする微小構造の成長制御方法。
6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の成長制御方法において、
   前記微小構造の形成位置に、特定の基をその端部にもつ機能性分子を選択的に固定させる第５の工程をさらに備えることを特徴とする微小構造の成長制御方法。

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