JP5336140B2 - ナノ構造のクロス構造の製造 - Google Patents
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Description
過去数十年間、シリコンベースのマイクロエレクトロニクスの性能にほぼ一定の指数関数的成長があった。コンピュータチップ上に搭載でき得るトランジスタの数は１８ヶ月ごとに倍増するという、Intel Corporationの共同設立者であるGordon E. Mooreによる予測は真実であることが分かり、電子素子の大きさは飛躍的に小さくなった。しかし、ナノメートルスケールで現在の設計が確実に機能することを妨げる根本的な物理的限界、および高い製造コストなどの経済的限界のため、これらの進歩は次の１０年には続きそうもない。
近年シリコンベース技術の限界を克服するその可能性のため、ナノテクノロジーは多大な注目を集めてきた。例えば興味深い電気的および／または光学的特性を有する、カーボンナノチューブおよび／またはナノワイヤによる様々なナノスケール装置が開発された。加えてカーボンナノチューブおよびナノワイヤなどのナノ構造のクロス構造に基づく、ＰＮダイオードおよび発光ダイオードなどのナノエレクトロニックデバイスが報告されている。しかしナノ構造のクロス構造を大量生産することは非常に困難である。
ナノ構造のクロス構造の製造技術が本明細書に開示される。一実施形態において、ナノ構造のクロス構造の製造方法は、基板を設けるステップと、基板上で第１のマスク層をパターニングするステップと、第１のマスク層が存在しない基板の表面領域上に第１のナノ構造を吸着するステップと、第１のマスク層を基板から除去するステップと、第１のナノ構造が集積した基板上で、第２のマスク層をパターニングするステップと、基板上にナノ構造のクロス構造を製造するのに有効な条件下で、第２のマスク層が存在しない基板の表面領域上に第２のナノ構造を吸着するステップとを含む。
上記の概要は、以下の詳細な説明でさらに説明される概念の選択を簡略化して紹介するために提供される。この概要は特許請求の範囲に記載されている主題の主要な特徴または基本的な特徴を識別することを意図するものではなく、また特許請求の範囲に記載されている主題の範囲を限定するために用いることを意図するものでもない。
以下の詳細な説明において、本開示の一部をなす添付の図面を参照する。図面において、同様な符号は、文脈が特に明瞭に指示しない限り、通例同様な構成要素とする。詳細な説明、図面および特許請求の範囲に記載された例示的実施形態は限定を意図するものではない。他の実施形態を利用し得るとともに、本明細書に提示される主題の趣旨または範囲から逸脱することなく他の変更例をなし得る。本明細書に概説されるとともに図に示されるように、本開示の構成要素が多種多様の構成で配置され、置換され、組み合わされ、設計されてもよく、それらのすべてが明確に検討されているとともに本開示の一部をなすことは容易に理解されよう。
図１Ａ〜１Ｆを参照すると、ナノ構造のクロス構造の製造方法の一実施形態が図示されている。図１Ａに図示するように、上にクロス構造が集積する基板１１０が設けられる。限定ではなく一例として、基板１１０は金、二酸化ケイ素、ガラス、石英、シリコンおよびアルミニウムを含み得る。
次に図１Ｂに図示されるように、第１のマスク層１２０が基板１００の表面上にパターン化される。一実施形態において、第１のマスク層１２０はフォトレジスト材料を含み得る。いくつかの実施形態において、第１のマスク層１２０は、フォトレジストスピンコーティングステップと、ソフト／ハードベーキングステップと、フォトマスクを用いるＵＶ露光ステップと、マスクされていないフォトレジストを除去する現像ステップとを含み得る従来のフォトリソグラフィ法によって、基板１１０の表面上にパターン化され得る。フォトリソグラフィ法に加えて、図１Ｂに図示するように第１のマスク層１２０が基板１１０上に残る結果になる限り他の方法も用い得る。フォトレジスト材料の適当な例には、限定されないが、ＡＺ５２１４Ｅ、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）等がある。
そして図１Ｃに図示するように、第１のナノ構造１３０が基板１１０の表面上に吸着される。一実施形態において、第１のナノ構造１３０はカーボンナノチューブを含み得る。別の実施形態において、第１のナノ構造１３０はナノワイヤを含み得る。ナノワイヤはナノメートルオーダーの直径を有する任意の導電性または半導電性ワイヤを含み得る。
一実施形態において、第１のマスク層１２０がパターン化された基板１１０は、第１のナノ構造１３０を含む溶液内に配置され、溶液内の第１のナノ構造１３０が、第１のマスク層１２０が存在しない基板１１０の表面領域上に選択的に吸着され得る。別の実施形態において、第１のナノ構造１３０を含む溶液は、所定のナノ構造を容易に分散可能な溶媒に浸漬された所定のナノ構造を含み得る。ナノ構造の溶液を用いた第１のナノ構造１３０を吸着するプロセスを、図３を参照することにより詳細に後述する。
次に図１Ｄに図示されるように、第１のマスク層１２０は基板１１０から除去される。一実施形態において、第１のマスク層１２０は、アセトンまたはエッチング液として用いることができる任意の他の溶媒によって除去され得る。第１のマスク層１２０を除去することにより、基板１１０上に第１のナノ構造１３０が集積されたものを得ることができる。
そして図１Ｅに図示するように、第２のマスク層１４０が、上に第１のナノ構造１３０が集積した基板１１０の表面上にパターン化される。第２のマスク層１４０は、第２のナノ構造１５０が吸着される空間を残すようにパターン化され得る。一実施形態において、第２のマスク層１４０はフォトレジスト層を含み得る。別の実施形態において、第２のマスク層１４０は疎水性分子層を含み得る。疎水性分子層は第２のナノ構造１５０の配列特性を向上させ得る。
一実施形態において、第２のマスク層は分子パターニング法によってパターン化され得る。一実施形態において、分子パターニング法は、例えばディップペン・ナノリソグラフィおよびマイクロコンタクト印刷法などの直接分子パターニング法を含み得る。別の実施形態において、分子パターニング法をフォトリソグラフィ法によって行い得る。一実施形態において、フォトリソグラフィによる分子パターニングは、従来の微細加工設備を用い得る。フォトリソグラフィによる分子パターニングプロセスの一実施形態を、図２Ａ〜２Ｅを参照することにより以下に詳細に説明する。
図２Ａおよび２Ｂに図示するように、フォトレジスト層２２０は基板２１０の表面上にパターン化される。一実施形態において、フォトレジストパターニングは、温度９５℃で短いベーキング時間、例えば１０分未満で行われ得る。ベーキング時間を短くすることで、分子堆積後に、基板の表面上に残渣なしに、フォトレジスト層２２０を完全に除去できる。
次に図２Ｃに図示するように、パターン化基板は無水物２３０でリンスされ得る。限定ではなく一例として、無水物２３０は無水へキサン等を含み得る。このようなリンスは基板上の残留表面水を除去し得る。
そして図２Ｄに図示するようにリンスされた基板を、自己集積単分子層（ＳＡＭ）などの第２のマスク層用の物質を含む溶液２４０内に配置する。限定ではなく一例として、ＳＡＭ用物質は１−オクタデカンチオール（ＯＤＴ）またはオクタデシルトリクロロシラン（ＯＴＳ）を含み得る。そしてＳＡＭ用物質を、フォトレジスト層２２０が存在しない基板の表面領域上に選択的に堆積させて、基板２１０上にＳＡＭパターン２５０を形成し得る。
次に図２Ｅに図示するように、フォトレジスト層２２０が除去されて、ＳＡＭパターン２５０を有する基板２１０が得られる。限定ではなく一例として、フォトレジスト層２２０をアセトンなどの溶媒によって除去し得る。除去される前にフォトレジストが存在していた領域は、分子パターニング以前の基板２１０の表面と同じ状態を有し得る一方で、ＳＡＭパターン２５０は、フォトレジストが存在しない領域上に形成し得る。一実施形態において、ＳＡＭパターン２５０は、図１Ｅおよび１Ｆに図示された第２のマスク１４０として作用し得る。
また図１を参照すると、図１Ｆに図示するように、第２のナノ構造１５０が、第２のマスク１４０でパターン化された基板の表面上に吸着される。一実施形態において、第２のナノ構造１５０はカーボンナノチューブを含み得る。別の実施形態において、第２のナノ構造１５０はナノワイヤを含み得る。
一実施形態において、第２のマスク層１４０がパターン化された基板１１０は、第２のナノ構造１５０を含む溶液内に配置され、溶液内の第２のナノ構造１５０が、第２のマスク層１４０が存在しないパターン化基板の表面領域上に選択的に吸着され得る。一実施形態において、第２のナノ構造１５０は、表面領域の極性のため、第２のマスク層が存在しないパターン化基板の表面領域上に自然に吸着され得る。第２のナノ構造の吸着は、図１Ｆに図示するように第１および第２のナノ構造のクロス構造を生じ得る。上述の分子リンカーのない集合方法は、ナノ構造のクロス構造の大量生産を可能にする。ナノ構造の溶液を用いた第２のナノ構造を吸着するプロセスを、以下の図３を参照して以下に詳細に説明する。
図３はナノ構造を基板上に吸着するプロセスの一実施形態を図示する概略図である。限定ではなく一例として、ナノ構造はナノワイヤおよびカーボンナノチューブを含み得る。図３に示すように、マスク層３２０を有する基板３１０は、ナノ構造３３０を含む溶液３４０内に配置され、溶液３４０内のナノ構造３３０が、マスク層３２０が存在しない基板３１０の表面領域上に選択的に吸着され得る。ナノ構造３３０を含む溶液内の溶媒はマスク層３２０を溶解しない。
一実施形態において、ナノ構造３３０は、ナノ構造３３０を容易に分散可能な溶媒に浸漬され得る。限定ではなく一例として、ナノ構造３３０が酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）ナノワイヤである場合、脱イオン化水を溶媒として用い得る一方で、ナノ構造が酸化亜鉛（ＺｎＯ）ナノワイヤである場合、エタノールまたは脱イオン化水を溶媒として用い得る。限定ではなく一例として、ナノ構造３３０がカーボンナノチューブである場合には、１，２−ジクロロベンゼン、１，３，４−トリクロロベンゼン、１，３−ジクロロベンゼン、ジクロロエタン、クロロベンゼン等を溶媒として用い得る。
パターン化基板上へのナノ構造３３０の吸着は、ナノ構造上の電荷およびファン・デル・ワールス相互作用などの様々な要因による。一実施形態において、ナノ構造３３０は、表面領域の極性により、基板３１０の表面上に自然に吸着され得る。別の実施形態において、ナノ構造３３０は基板３１０の表面上に吸着され、その場合電位を用いてナノ構造の吸着をさらに強化し得る。ナノ構造３３０の吸着度および／または量を制御するように電位を基板３１０に印加し得る。
以上により、本開示の様々な実施形態を例示目的のため本明細書に記載したが、本開示の範囲および趣旨から逸脱することなく様々な変更例をなし得ることは理解されよう。従って本明細書に開示する様々な実施形態は限定を意図するものではなく、真の範囲および趣旨は以下の特許請求の範囲によって示される。
Claims (17)
- 基板を設けるステップと、
前記基板上でフォトレジスト材料からなる第１のマスク層をパターニングするステップと、
前記第１のマスク層が存在しない前記基板の表面領域上に第１のナノ構造を吸着するステップと、
前記第１のマスク層を前記基板から除去するステップと、
前記第１のナノ構造が集積した前記基板上で、第２のマスク層をパターニングするステップと、
ナノ構造のクロス構造を製造するのに有効な条件下で、前記第２のマスク層が存在しない前記基板の表面領域上に第２のナノ構造を吸着するステップと
を含み、
前記第１のナノ構造を吸着するステップが、前記第１のナノ構造を含む溶液内にパターニングされた前記第１のマスク層を備える前記基板を配置するステップと、前記基板に電位を印加するステップとを含む、
ナノ構造のクロス構造の製造方法。 - 前記第１のナノ構造がナノワイヤである請求項１に記載の方法。
- 前記第１のナノ構造がカーボンナノチューブである請求項１に記載の方法。
- 前記第２のナノ構造がナノワイヤである請求項１に記載の方法。
- 前記第２のナノ構造がカーボンナノチューブである請求項１に記載の方法。
- 前記第１のマスク層をパターニングするステップがフォトリソグラフィ法により行われる請求項１に記載の方法。
- 前記第２のマスク層をパターニングするステップが、フォトリソグラフィ、ディップペン・ナノリソグラフィ、およびマイクロコンタクト印刷で構成される群から選択される分子パターニング法により行われる請求項１に記載の方法。
- 前記第２のマスク層をパターニングするステップが、疎水性分子層をパターニングするステップを含む請求項１に記載の方法。
- 前記第２のマスク層をパターニングするステップが、自己集積単分子層をパターニングするステップを含む請求項１に記載の方法。
- 前記第２のマスク層をパターニングするステップが、フォトリソグラフィにより行われる請求項７に記載の方法。
- 前記第２のマスク層をパターニングするステップが、
前記第１のナノ構造が集積した前記基板上でフォトレジスト層をパターニングするステップと、
前記フォトレジスト層が存在しない前記基板の表面領域上に前記第２のマスク層を堆積するのに有効な条件下で、第２のマスク層用物質を含む溶液内に前記基板を配置するステップと、
前記フォトレジスト層を前記基板から除去するステップと
を含む請求項１０に記載の方法。 - 前記第２のマスク層をパターニングするステップが、
前記第２のマスク層用物質を含む溶液内に前記基板を配置するステップの前に、前記基板を無水物でリンスするステップをさらに含む請求項１１に記載の方法。 - 前記フォトレジスト層をパターニングするステップが、１０分未満のベーキング時間で行われる請求項１１に記載の方法。
- 前記基板を配置するステップが、前記基板を、１−オクタデカンチオール（ＯＤＴ）およびオクタデシルトリクロロシラン（ＯＴＳ）で構成される群から選択される化合物を含む溶液内に配置するステップを含む請求項１１に記載の方法。
- 前記第２のナノ構造を吸着するステップが、第２のナノ構造を含む溶液内にパターニングされた前記第１のマスク層を備える前記基板を配置するステップを含む請求項１に記載の方法。
- 前記第２のナノ構造を吸着するステップが、前記基板に電位を印加するステップをさらに含む請求項１５に記載の方法。
- 基板を設けるステップと、
前記基板上でフォトレジスト材料からなる第１のマスク層をパターニングするステップと、
前記第１のマスク層が存在しない前記基板の表面領域上に第１のナノ構造を吸着するステップと、
前記第１のマスク層を前記基板から除去するステップと、
前記第１のナノ構造が集積した前記基板上で、第２のマスク層をパターニングするステップと、
ナノ構造のクロス構造を製造するのに有効な条件下で、前記第２のマスク層が存在しない前記基板の表面領域上に第２のナノ構造を吸着するステップと
を含み、
前記第１のナノ構造を吸着するステップが、前記第１のナノ構造を含む溶液内にパターニングされた前記第１のマスク層を備える前記基板を配置するステップと、前記基板に電位を印加するステップとを含む、
方法により製造される、ナノ構造のクロス構造を有する装置。
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