JP5951838B2 - エピタキシャル構造体の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、エピタキシャル構造体の製造方法に関するものである。
近年、特に、ＬＥＤに用いられている窒化ガリウム層などのエピタキシャル構造体が、半導体デバイスの主な材料として注目されている。現在、窒化ガリウム（ＧａＮ）をサファイア基板上に結晶成長させる方法が広く採用されているが、窒化ガリウムとサファイア基板との格子定数及び熱膨張係数（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）は異なるため、エピタキシャル成長した窒化ガリウム層に、多くの欠陥が発生する問題が起こっている。また、サファイア基板とエピタキシャル成長した窒化ガリウム層との間には大きな応力が存在するので、窒化ガリウム層は破壊され易い。これらの問題を解決するために、従来の技術では、窒化ガリウム（ＧａＮ）を非平坦な成長表面を有するサファイア基板上に結晶成長させる。このサファイア基板の非平坦な成長表面は、サファイア基板の結晶成長用の成長表面に対して、フォトエッチング（ｐｈｏｔｏｅｔｃｈｉｎｇ）微細加工方法によって、複数の溝を設けることにより形成されるものである。しかし、フォトエッチング微細加工方法は、工程が複雑で、コストが高く、また、サファイア基板の結晶成長用の成長表面の汚染によって、エピタキシャル構造体の品質に影響を与える。
中国特許出願公開第１０１４９７４３６号明細書 中国特許出願公開第１０１２３９７１２号明細書
Ｋａｉｌｉ Ｊｉａｎｇ、Ｑｕｎｑｉｎｇ Ｌｉ、Ｓｈｏｕｓｈａｎ Ｆａｎ、"Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｙａｒｎｓ"、Ｎａｔｕｒｅ、２００２年、第４１９巻、ｐ．８０１
従って、前記課題を解決するために、本発明は製造方法が容易で、汚染されず、且つ高品質なエピタキシャル構造体の製造方法を提供する。
本発明のエピタキシャル構造体の製造方法は、基板を提供し、基板は成長表面を有する第一ステップと、基板の成長表面に、第一カーボンナノチューブフィルムを設置する第二ステップであって、第一カーボンナノチューブフィルムは複数の第一間隙を有し、成長表面の一部を複数の第一間隙から露出させる第二ステップと、成長表面にマスク層を堆積し、第一カーボンナノチューブフィルムを被覆する第三ステップであって、マスク層の厚さは第一カーボンナノチューブフィルムの厚さより薄く、且つマスク層は第一カーボンナノチューブフィルムの表面及び露出された成長表面に堆積する第三ステップと、第一カーボンナノチューブフィルムを除去し、パターン化されたマスク層を取得する第四ステップであって、パターン化されたマスク層は複数の開口を有し、成長表面の一部を複数の開口から露出させる第四ステップと、基板の成長表面にエピタキシャル構造層を成長させる第五ステップと、を含む。
本発明のエピタキシャル構造体は、基板を提供し、基板は成長表面を有する第一ステップと、基板の成長表面に、第一カーボンナノチューブフィルムを設置する第二ステップであって、第一カーボンナノチューブフィルムは、相互に平行して、且つ間隔をあけて設置された複数の第一カーボンナノチューブを含む第二ステップと、第一カーボンナノチューブフィルムの表面に第二カーボンナノチューブフィルムを設置する第三ステップであって、第二カーボンナノチューブフィルムは、相互に平行して、且つ間隔をあけて設置された複数の第二カーボンナノチューブを含み、第二カーボンナノチューブの延伸方向は、第一カーボンナノチューブの延伸方向と角度を成し、且つ該角度は、０°より大きい第三ステップと、成長表面にマスク層を堆積して、第一カーボンナノチューブフィルム及び第二カーボンナノチューブフィルムを被覆する第四ステップであって、マスク層の厚さは第一カーボンナノチューブフィルムの厚さと第二カーボンナノチューブフィルムの厚さとの総和より薄い第四ステップと、少なくとも第二カーボンナノチューブフィルムを除去し、パターン化されたマスク層を取得する第四ステップであって、パターン化されたマスク層は複数の開口を有し、成長表面の一部を複数の開口から露出させる第四ステップと、基板の成長表面にエピタキシャル構造層を成長させる第五ステップと、を含む。
従来の技術と比べて、本発明のエピタキシャル構造体の製造方法は簡単で、フォトエッチングによってパターン化されたマスク層を形成する必要がないため、コストが低く、また、基板の成長表面は汚染されない。
本発明の第一実施形態に係るエピタキシャル構造体の製造工程を示す図である。 本発明の図１のＳ１１における第一カーボンナノチューブフィルムの平面図である。 本発明の第一実施形態で採用する水平カーボンナノチューブアレイの走査型電子顕微鏡写真である。 第一実施形態で採用するドローン構造カーボンナノチューブフィルムの走査型電子顕微鏡写真である。 図４に示すカーボンナノチューブフィルムのカーボンナノチューブセグメントの構造を示す図である。 本発明の第一実施形態に係るカーボンナノチューブフィルムの構造を示す概略図である。 図６に示すカーボンナノチューブフィルムの一部の拡大図である。 本発明の第一実施形態において取得した交差して設置された二層のナノチューブフィルム構造の走査型電子顕微鏡写真である。 本発明の第一実施形態に係るカーボンナノチューブフィルムを引っ張る方法を示す図である。 本発明の第一実施形態に係る引っ張った後のカーボンナノチューブフィルムの走査型電子顕微鏡写真である。 本発明の第一実施形態に係るエピタキシャル構造体の成長工程を示す図である。 本発明の第二実施形態に係るエピタキシャル構造体の製造工程を示す図である。 図１２におけるＳ２３において形成した構造体のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿った断面図である。 図１２におけるＳ２４において形成した構造体のＸＩＶ−ＸＩＶ線に沿った断面図である。 本発明の第三実施形態に係るエピタキシャル構造体の製造工程を示す図である。
以下、本発明のエピタキシャル構造体の製造方法の実施形態について説明する。以下の各実施形態において、同じ部材は同じ記号で表示する。
（実施形態１）
図１を参照すると、本発明の実施形態１は、エピタキシャル構造体１０の製造方法を提供する。エピタキシャル構造体１０の製造方法は、基板１２０を提供し、基板１２０は成長表面１２２を有するステップ（Ｓ１０）と、基板１２０の成長表面１２２に、第一カーボンナノチューブフィルム１００を設置するステップ（Ｓ１１）であって、第一カーボンナノチューブフィルム１００は複数の第一間隙１０１を有し、成長表面１２２の一部を複数の第一間隙１０１から露出させるステップ（Ｓ１１）と、成長表面１２２にマスク層１１０を堆積し、第一カーボンナノチューブフィルム１００を被覆するステップ（Ｓ１２）であって、該マスク層１１０の厚さは、第一カーボンナノチューブフィルム１００の厚さより薄く、また、マスク層１１０は、第一カーボンナノチューブフィルム１００の表面及び露出された成長表面１２２の表面に堆積するステップ（Ｓ１２）と、第一カーボンナノチューブフィルム１００を除去し、パターン化されたマスク層１１２を取得するステップ（Ｓ１３）であって、パターン化されたマスク層１１２は、複数の開口１１４を有し、成長表面１２２の一部を複数の開口１１４から露出させるステップ（Ｓ１３）と、基板１２０の成長表面１２２にエピタキシャル構造層１３０を成長させるステップ（Ｓ１４）と、を含む。
ステップ（Ｓ１０）において、基板１２０は、エピタキシャル層１３０に結晶成長させるための成長表面１２２を提供し、成長表面１２２は、エピタキシャル層１３０の結晶成長を支持する。基板１２０の成長表面１２２は、平滑な表面であり、且つ酸素又は炭素などの不純物は含まれない。また、基板１２０は、単層構造又は多層構造である。基板１２０が単層構造である場合、基板１２０は、単結晶構造体である。この場合、基板１２０は、少なくとも一つの結晶面を含み、該結晶面はエピタキシャル層１３０の成長表面１２２として用いられる。基板１２０が多層構造である場合、基板１２０は、少なくとも一層の単結晶構造体を含み、この単結晶構造体は、少なくとも一つの結晶面を含み、該結晶面は、エピタキシャル層１３０の成長表面１２２として用いられる。基板１００の単結晶構造体は、ＧａＡｓ、ＧａＮ、Ｓｉ、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｓｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＭｇＯ、ＺｎＯ、ＬｉＧａＯ２、ＬｉＡｌＯ２及びＡｌ２Ｏ３の一種又は数種からなる。基板１２０の材料は、製造しようとするエピタキシャル層１３０の材料に応じて選択可能であるが、エピタキシャル層１３０の材料と類似する格子定数及び熱膨張係数を有することが好ましい。基板１２０の厚さ、サイズ及び形状は制限されず、必要に応じて選択できる。
図２を併せて参照すると、ステップ（Ｓ１１）において、第一カーボンナノチューブフィルム１００は、自立構造体であり、相互に平行であり、且つ間隔をあけて位置する複数の第一カーボンナノチューブ１０４を含む。該複数の第一カーボンナノチューブ１０４は、分子間力によって端と端とが接続され、同じ方向に沿って配列され、隣接する第一カーボンナノチューブ１０４の間には第一間隙１０１を有する。第一カーボンナノチューブフィルム１００を基板１２０の成長表面１２２に設置した際、第一カーボンナノチューブフィルム１００における複数の第一カーボンナノチューブ１０４の延伸方向は、基板１２０の成長表面１２２に基本的に平行する。第一カーボンナノチューブフィルム１００における複数の第一カーボンナノチューブ１０４の延伸方向は、基板１２０の結晶方向に沿って延伸しても良い、或いは基板１２０の結晶方向と交差して角度を成しても良い。またこの際、成長表面１２２の一部は、複数の第一間隙１０１から露出する
第一カーボンナノチューブフィルム１００のサイズは、成長表面１２２のサイズより大きいので、第一カーボンナノチューブフィルム１００は、基板１２０の成長表面１２２を完全に被覆し、且つ基板１２０の成長表面１２２からはみ出している。これにより、後の第一カーボンナノチューブフィルム１００を機械剥離する工程において、第一カーボンナノチューブフィルム１００を効果的に剥離できる。好ましくは、図２に示すように、端と端とが接続されている第一カーボンナノチューブ１０４の長さは、第一カーボンナノチューブ１０４の延伸方向における基板１２０の長さより長い。
図３を参照すると、第一カーボンナノチューブフィルム１００は、水平カーボンナノチューブアレイでも良い。具体的には、水平カーボンナノチューブアレイは、第一カーボンナノチューブフィルム１００の表面と基本的に平行する複数の第一カーボンナノチューブ１０４を含む。複数の第一カーボンナノチューブ１０４の長さは基本的に同じである。第一カーボンナノチューブ１０４の長さは１ｃｍより長い。第一カーボンナノチューブフィルム１００における、隣接する二つの第一カーボンナノチューブ１０４の距離は数μｍ〜数十μｍである。本実施形態において、好ましくは、第一カーボンナノチューブ１０４の長さは３ｃｍより長く、隣接する二つの第一カーボンナノチューブ１０４の距離は５μｍ〜２０μｍである。第一カーボンナノチューブ１０４の直径は１０ｎｍより大きく、好ましくは、２０ｎｍ〜１００ｎｍである。水平カーボンナノチューブアレイの構造及び製造方法は、特許文献１に掲載されている。
図４〜図７を参照すると、第一カーボンナノチューブフィルム１００は、カーボンナノチューブアレイから引き出したドローン構造カーボンナノチューブフィルムでも良い。第一カーボンナノチューブフィルム１００は、複数の第一カーボンナノチューブ１０４及び複数の第三カーボンナノチューブ１０６からなる自立構造体である。即ち、第一カーボンナノチューブフィルム１００は、複数の第一カーボンナノチューブ１０４及び複数の第三カーボンナノチューブ１０６が互いに緊密に結合して形成された単純な構造体である。
ここで自立構造体とは、支持体材を利用せず、第一カーボンナノチューブフィルム１００を独立して利用することができる形態のことである。即ち、第一カーボンナノチューブフィルム１００を対向する両側から支持して、第一カーボンナノチューブフィルム１００の構造を変化させずに、第一カーボンナノチューブフィルム１００を懸架させることができることを意味する。具体的には、第一カーボンナノチューブフィルム１００における第一カーボンナノチューブ１０４が同じ方向に沿って配列されて、分子間力で端と端とが接続されており、また、第三カーボンナノチューブ１０６はランダムに分散している。これにより、第一カーボンナノチューブフィルム１００は、自立構造体を実現することができる。端と端とが接続されているとは、軸方向において隣接する第一カーボンナノチューブ１０４の端と端とが接続して配列されていることを意味する。複数の第一カーボンナノチューブ１０４及び第三カーボンナノチューブ１０６は、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブの少なくとも一種を含む。カーボンナノチューブが単層カーボンナノチューブである場合、直径は０．５ｎｍ〜５０ｎｍであり、カーボンナノチューブが二層カーボンナノチューブである場合、直径は１．０ｎｍ〜５０ｎｍであり、カーボンナノチューブが多層カーボンナノチューブである場合、直径は１．５ｎｍ〜５０ｎｍである。
第一カーボンナノチューブフィルム１００において、複数の第一カーボンナノチューブ１０４は、基本的に同じ方向に沿って配列されている。複数の第一カーボンナノチューブ１０４の延伸する方向は、第一カーボンナノチューブフィルム１００の表面と基本的に平行である。また、複数のカーボンナノチューブは分子間力で接続されている。具体的には、複数の第一カーボンナノチューブ１０４における各カーボンナノチューブは、延伸する方向において分子間力によって、隣接するカーボンナノチューブの端と端とが接続されている。また、第一カーボンナノチューブフィルム１００は、少数のランダムに分散された第三カーボンナノチューブ１０６を含む。しかし、大部分の第一カーボンナノチューブ１０４が同じ方向に沿って配列されているので、このランダムに分散された第三カーボンナノチューブ１０６の延伸方向は、第一カーボンナノチューブ１０４の延伸方向に影響を与えない。具体的には、第一カーボンナノチューブフィルム１００における多数の第一カーボンナノチューブ１０４は、絶対的に直線状ではなくやや湾曲している。または、延伸する方向に完全に配列せず、少しずれている場合もある。従って、同じ方向に沿って配列している多数の第一カーボンナノチューブ１０４において、隣接する第一カーボンナノチューブ１０４は部分的に接触する可能性がある。
図５を参照すると、第一カーボンナノチューブフィルム１００は、複数のカーボンナノチューブセグメント１０８を含む。複数のカーボンナノチューブセグメント１０８は、長さ方向に沿って分子間力で端と端とが接続されている。各カーボンナノチューブセグメント１０８は、相互に平行に分子間力で結合された複数のカーボンナノチューブを含む。カーボンナノチューブセグメント１０８の長さ、厚さ、形状及び均一性は制限されない。第一カーボンナノチューブフィルム１００は、カーボンナノチューブアレイの選択された一部を引き出すことによって形成される。形成された第一カーボンナノチューブフィルム１００の厚さは０．５ｎｍ〜１００μｍであり、例えば、１０ｎｍ、５０ｎｍ、２００ｎｍ、５００ｎｍ、１μｍ、１０μｍ、５０μｍである。形成された第一カーボンナノチューブフィルム１００の幅は、選択されたカーボンナノチューブアレイの幅に関係し、形成されたカーボンナノチューブフィルムの長さは制限されない。カーボンナノチューブフィルムの構造及び製造方法は、特許文献１に掲載されている。
図６及び図７を参照すると、第一カーボンナノチューブフィルム１００は、間隔をあけて且つ基本的に平行に設置された複数のカーボンナノチューブワイヤ１０２と、隣接する二つのカーボンナノチューブワイヤ１０２の間にランダムに連接された少数の第三カーボンナノチューブ１０６と、からなる。カーボンナノチューブワイヤ１０２は、複数の第一カーボンナノチューブ１０４が同じ方向に沿って端と端とが接続されて形成されている。本実施形態において、複数の第一カーボンナノチューブ１０４の延伸する方向をＤ１方向と定義する。第一カーボンナノチューブフィルム１００の平面において、Ｄ１方向に垂直である方向をＤ２方向と定義する。各カーボンナノチューブワイヤ１０２における隣接する第一カーボンナノチューブ１０４は、Ｄ１方向に分子間力によって端と端とが接続されて配列し、基本的にはＤ２方向に平行に配列して分子間力によって連接されて、カーボンナノチューブセグメント１０８を形成する。この際、隣接するカーボンナノチューブワイヤ１０２の間、或いは隣接する第一カーボンナノチューブ１０４の間には、複数の間隙１０１を有する。
第一カーボンナノチューブフィルム１００は、少数のランダムに分散された第三カーボンナノチューブ１０６を有するので、フィルム構造体を維持したままＤ２方向に引っ張ることができる。第一カーボンナノチューブフィルム１００をＤ２方向に引っ張ると、第一カーボンナノチューブフィルム１００は変形し、複数の第一カーボンナノチューブ１０４間の距離も変化する。Ｄ２方向における第一カーボンナノチューブフィルム１００の変形率の増加に伴い、Ｄ２方向における複数の第一カーボンナノチューブ１０４間の距離も大きくなる。第一カーボンナノチューブフィルム１００を引っ張る前において、隣接する二つの第一カーボンナノチューブ１０４が分離しているものと、隣接する二つの第一カーボンナノチューブ１０４が分離していないものとを含むので、隣接する二つの第一カーボンナノチューブ１０４間の距離は０μｍ〜１０μｍである。第一カーボンナノチューブフィルム１００をＤ２方向に引っ張ると、隣接する二つの第一カーボンナノチューブ１０４が分離しているものと、隣接する二つの第一カーボンナノチューブ１０４が分離していないものとを含むので、隣接する二つの第一カーボンナノチューブ１０４間の距離は０μｍ〜５０μｍとなる。複数の平行する第一カーボンナノチューブ１０４及び少数のランダムに分散された第三カーボンナノチューブ１０６の数量比或いは質量比は、２：１〜６：１である。好ましくは、複数の平行する第一カーボンナノチューブ１０４及び少数のランダムに分散された第三カーボンナノチューブ１０６の数量比或いは質量比は、４：１〜６：１である。少数のランダムに分散された第三カーボンナノチューブ１０６の数量が多くなると、Ｄ２方向における第一カーボンナノチューブフィルム１００の変形率も大きくなる。第一カーボンナノチューブフィルム１００のＤ２方向における変形率は３００％以下である。第一カーボンナノチューブフィルム１００のＤ２方向における変形率が３００％以下であるとは、第一カーボンナノチューブフィルム１００にＤ２方向に対して所定の力を加えて引っ張ると、Ｄ２方向における第一カーボンナノチューブフィルム１００の幅は、引っ張る前の第一カーボンナノチューブフィルム１００のＤ２方向における幅の３倍以下であり、この際、第一カーボンナノチューブフィルム１００は一体性を有して、損傷しないことを意味する。本実施形態において、平行する複数の第一カーボンナノチューブ１０４及び少数のランダムに分散された第三カーボンナノチューブ１０６の数量比は、４：１である。
第一カーボンナノチューブフィルム１００は、カーボンナノチューブアレイから引き出して得られる。第一カーボンナノチューブフィルム１００の製造方法は以下のステップを含む。
第一ステップでは、カーボンナノチューブアレイを提供する。カーボンナノチューブアレイは、超配列カーボンナノチューブアレイであり、該超配列カーボンナノチューブアレイの製造方法は、化学気相蒸着法によって超配列カーボンナノチューブアレイを製造する。化学気相蒸着法によって超配列カーボンナノチューブアレイを製造する工程は、次のステップを含む。ステップ（ａ）では、平らな基材を提供する。該基材はｐ型のシリコン基材、ｎ型のシリコン基材及び酸化層が形成されたシリコン基材のいずれか一種である。本実施形態においては、４インチ（略１０１．６ｍｍ）のシリコン基材を選択することが好ましい。ステップ（ｂ）では、平らな基材の表面に、触媒層を均一に形成する。該触媒層の材料は、鉄、コバルト、ニッケル或いはこれら２種以上を組み合わせて製造された合金のうちの何れか一種である。ステップ（ｃ）では、触媒層が形成された基材を７００℃〜９００℃の空気で３０分〜９０分間アニーリングする。ステップ（ｄ）では、アニーリングされた基材を反応炉に置き、保護ガスによって５００℃〜７４０℃の温度で加熱した後、カーボンを含むガスを導入して、５分〜３０分間反応を行って、超配列カーボンナノチューブアレイ（Ｓｕｐｅｒａｌｉｇｎｅｄ ａｒｒａｙ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，非特許文献１）を成長させる。該超配列カーボンナノチューブアレイは、互いに平行し、且つ基材に対して垂直に生長する複数のカーボンナノチューブからなる。カーボンナノチューブアレイは、生長の条件を制御することによって、例えば、アモルファスカーボンや残存する触媒である金属粒子などの不純物は含まれない。
第二ステップでは、カーボンナノチューブアレイから、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを引き伸ばす。まず、ピンセットなどの工具を利用して複数のカーボンナノチューブの端部を持つ。例えば、一定の幅を有するテープを利用して複数のカーボンナノチューブの端部を持つ。次に、所定の速度で複数のカーボンナノチューブを引き出して、端と端とが接続されている複数のカーボンナノチューブセグメント１０８からなる連続した第一カーボンナノチューブフィルム１００を形成する。カーボンナノチューブを引き出す方向は、カーボンナノチューブアレイの成長方向と角度を成す。該角度は０°〜９０°（０°を含まず）である。本実施形態において、カーボンナノチューブを引き出す方向は、カーボンナノチューブアレイの成長方向に対して垂直である。
複数のカーボンナノチューブを引き出す工程において、複数のカーボンナノチューブセグメント１０８をそれぞれ基材から脱離させると、カーボンナノチューブセグメント１０８は、その端と端とが分子間力で接合される。これにより、所定の幅を有する連続した、且つ均一な第一カーボンナノチューブフィルム１００が形成される。該第一カーボンナノチューブフィルム１００の幅は、カーボンナノチューブアレイの寸法に関係する。第一カーボンナノチューブフィルム１００の長さは制限されず、必要に応じて選択できる。カーボンナノチューブアレイの径が４インチ（１０１．６ｍｍ）である場合、第一カーボンナノチューブフィルム１００の幅は、０．５ｎｍ〜１０ｃｍであり、第一カーボンナノチューブフィルム１００の厚さは、０．５ｎｍ〜１０μｍである。
第三ステップでは、第一カーボンナノチューブフィルム１００を基板１２０の成長表面１２２上に設置する。
更に、複数の第一カーボンナノチューブフィルム１００は、相互に連接して一つの面に設置できる、或いは複数の第一カーボンナノチューブフィルム１００は、積層して設置できる。複数の第一カーボンナノチューブフィルム１００を積層して設置した場合、隣接する二つの第一カーボンナノチューブフィルム１００における第一カーボンナノチューブ１０４の延伸方向は同じでも、同じでなくてもよい。複数の第一カーボンナノチューブフィルム１００は分子間力で緊密に結合する。図８を参照すると、本実施形態において、二つの第一カーボンナノチューブフィルム１００は積層して設置され、また、二つの第一カーボンナノチューブフィルム１００における第一カーボンナノチューブ１０４の延伸方向は相互に垂直に交差している。
第一カーボンナノチューブフィルム１００がドローン構造カーボンナノチューブフィルムである場合、ドローン構造カーボンナノチューブフィルムを基板１２０の成長表面１２２上に設置する前に、Ｄ２方向に沿って第一カーボンナノチューブフィルム１００を引っ張ることができる。第一カーボンナノチューブフィルム１００を引っ張ることによって、第一カーボンナノチューブフィルム１００における隣接する二つのカーボンナノチューブ１０４或いは隣接する二つのカーボンナノチューブワイヤ１０２の距離を増大させ、第一カーボンナノチューブフィルム１００の密度を減少させ、第一カーボンナノチューブフィルム１００が被覆される成長表面１２２の面積を減少させることができる。これにより、第一カーボンナノチューブフィルム１００を除去した後、パターン化されたマスク層１１２における複数の開口１１４のサイズは小さくなり、エピタキシャル層１３０の品質を高めることができる。
図９を参照すると、第一カーボンナノチューブフィルム１００を引っ張る方法は次のステップを含む。第一ステップでは、Ｄ２方向に平行である第一カーボンナノチューブフィルム１００の両端を二つの弾性支持体２００にそれぞれ設置して、二つの弾性支持体２００と接触しない第一カーボンナノチューブフィルム１００の部分を懸架させる。二つの弾性支持体２００はストリップ状の構造体であり、Ｄ２方向に沿って延伸している。第二ステップでは、二つの弾性支持体２００をＤ２方向に沿って引っ張る。弾性支持体２００は弾性ゴム、ばね、ゴムひもの何れか一種である。好ましくは、弾性支持体２００を引っ張る速度は１０ｃｍ／ｓより小さい。弾性支持体２００によって第一カーボンナノチューブフィルム１００を引っ張ることで、後のステップ（Ｓ１３）の工程において、第一カーボンナノチューブフィルム１００を効果的に剥離することができる。
第一カーボンナノチューブフィルム１００がドローン構造カーボンナノチューブフィルムである場合、ドローン構造カーボンナノチューブフィルムを基板１２０の成長表面１２２上に設置する前に、有機溶剤によって第一カーボンナノチューブフィルム１００を処理することができる。有機溶剤によって第一カーボンナノチューブフィルム１００を処理する際、霧状の有機溶剤によって第一カーボンナノチューブフィルム１００を処理することができる。この際、懸架された第一カーボンナノチューブフィルム１００に霧状の有機溶剤を浸透させる。この霧状の有機溶剤は、第一カーボンナノチューブフィルム１００を処理する前に準備してもよい。または、霧状の有機溶剤は、第一カーボンナノチューブフィルム１００を処理すると同時に製造してもよい。第一カーボンナノチューブフィルム１００を処理すると同時に霧状の有機溶剤を製造する場合、次のステップを含む。第一ステップでは、揮発性の有機溶剤を提供する。第二ステップでは、有機溶剤を霧化して、分散する複数の有機溶剤霧滴を形成する。第二ステップでは、懸架された第一カーボンナノチューブフィルム１００の表面に複数の有機溶剤霧滴をスプレーして、第一カーボンナノチューブフィルム１００に有機溶剤を浸透させて、第一カーボンナノチューブフィルム１００を収縮させる。有機溶剤霧滴は、周囲の媒体に浮遊する小さな有機溶剤液滴である。超音波霧化、高圧霧化等の方法によって有機溶剤を霧化して、有機溶剤霧滴を形成する。霧化した有機溶剤霧滴の直径は、１０μｍ〜１００μｍであり、例えば、２０μｍ、５０μｍである。有機溶剤霧滴の直径が１０μｍ〜１００μｍである場合、第一カーボンナノチューブフィルム１００と有機溶剤霧滴との間には適当な界面張力が形成されるため、第一カーボンナノチューブフィルム１００を収縮させ、第一カーボンナノチューブフィルム１００におけるカーボンナノチューブを均一に分散させることができる。
有機溶剤は、揮発性が高く揮発し易い。有機溶剤霧滴を第一カーボンナノチューブフィルム１００の表面にスプレーして、第一カーボンナノチューブフィルム１００に浸透させることで、有機溶剤の揮発によって、元の第一カーボンナノチューブフィルム１００における比較的緩んでいるカーボンナノチューブを収縮させる。有機溶剤霧滴の直径は、１０μｍ〜１００μｍであり、有機溶剤霧滴のサイズは小さいので、各有機溶剤霧滴が第一カーボンナノチューブフィルム１００に浸透する面積は小さい。これにより、第一カーボンナノチューブフィルム１００におけるカーボンナノチューブを収縮させて形成されたカーボンナノチューブ束の直径は小さく、１０μｍより小さい。カーボンナノチューブ束の直径は小さいので、肉眼で見ることはできず、第一カーボンナノチューブフィルム１００の透明性を高めることができる。また、有機溶剤霧滴をスプレーする工程において、有機溶剤霧滴をスプレーする際の気流の圧力を制御して、第一カーボンナノチューブフィルム１００を損傷しないようにしなければならない。
ステップ（Ｓ１２）において、成長表面１２２にマスク層１１０を堆積する方法は制限されず、例えば、物理気相成長法、化学気相成長法、マグネトロンスパッタリング方法、原子層堆積法などの何れか一種又は多種である。マスク層１１０の材料は、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、酸化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素の何れか一種又は多種である。マスク層１１０の厚さは、１０ｎｍ〜１００ｎｍであり、好ましくは、２０ｎｍ〜５０ｎｍである。マスク層１１０は、第一間隙１０１によって露出された成長表面１２２及び第一カーボンナノチューブフィルム１００における各第一カーボンナノチューブ１０４の表面に堆積される。該マスク層１１０の厚さは、第一カーボンナノチューブフィルム１００の厚さより薄いので、第一間隙１０１によって露出された成長表面１２２及び第一カーボンナノチューブフィルム１００における各第一カーボンナノチューブ１０４の表面に堆積されたマスク層１１０は、間隔をあけて設置されるため、連続した層状構造体が形成され難く、又は、第一間隙１０１によって露出された成長表面１２２上に堆積されたマスク層１１０と第一カーボンナノチューブフィルム１００における各第一カーボンナノチューブ１０４の表面に堆積されたマスク層１１０との結合力は弱い。これにより、第一カーボンナノチューブフィルム１００を除去するステップにおいて、第一カーボンナノチューブフィルム１００における各第一カーボンナノチューブ１０４の表面に堆積されたマスク層１１０は第一カーボンナノチューブフィルム１００と共に除去でき、この際、第一間隙１０１によって露出された成長表面１２２に堆積されたマスク層１１０は成長表面１２２に残り、パターン化されたマスク層１１２が形成される。第一カーボンナノチューブフィルム１００における第一カーボンナノチューブ１０４の直径は小さく、数十ナノメートルであるので、パターン化されたマスク層１１２における複数の開口１１４の幅は、数十ナノメートルに達することができる。
本実施形態において、マスク層１１０は、酸化アルミニウムナノ材料層である。原子層堆積法によって、第一カーボンナノチューブフィルム１００の表面及び第一間隙１０１によって露出された成長表面１２２上に、酸化アルミニウムナノ材料層を堆積する。成長源は、トリメチルアルミニウム及び水であり、キャリアガスは窒素ガスである。しかし、成長源は、トリメチルアルミニウム及び水に制限されず、必要に応じて選択できる。
本実施形態のステップ（Ｓ１２）は、第一カーボンナノチューブフィルム１００が設置された基板１２０を、原子層堆積システムの真空容器内に置くステップ（Ｓ１２１）と、キャリアガスによって、原子層堆積システムの真空容器にトリメチルアルミニウム及び水を交互に導入して、カーボンナノチューブフィルム１００の表面及び第一間隙１０１によって露出された成長表面１２２に酸化アルミニウム層を形成するステップ（Ｓ１２２）と、を含む。
ステップ（Ｓ１２２）において、キャリアガスは窒素ガスである。キャリアガスの流量は５ｓｃｃｍである。原子層堆積システムの到達圧力（Ｕｌｔｉｍａｔｅ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）は０．２３Ｔｏｒｒである。原子層堆積システムの真空容器に、トリメチルアルミニウム及び水を交互に導入する工程において、原子層堆積システムの真空容器にトリメチルアルミニウムを一回導入した後、水を一回導入することを一つのサイクルとする。具体的には、一つのサイクルにおいて、真空容器にトリメチルアルミニウムを一回導入した際、真空容器の真空度は０．２６Ｔｏｒｒに達する。この後、真空容器を２５秒間真空にして、真空容器の真空度を０．２３Ｔｏｒｒに戻す。次いで、真空容器に水を導入する。これにより、真空容器の真空度は再度０．２６Ｔｏｒｒに達する。この後、真空容器を５０秒間真空にして、真空容器の真空度を０．２３Ｔｏｒｒに戻す。これらの工程において、酸化アルミニウムの堆積速度は、０．１４ｎｍ／ｃｙｃｌｅである。従って、サイクルの回数を制御することによって、酸化アルミニウム層の厚さを制御できる。酸化アルミニウム層は、第一間隙１０１によって露出された成長表面１２２及び第一カーボンナノチューブフィルム１００における各第一カーボンナノチューブ１０４の表面に堆積される。
ステップ（Ｓ１３）において、機械剥離法、酸化法、接着テープによって、第一カーボンナノチューブフィルム１００を除去する。機械剥離法によって、第一カーボンナノチューブフィルム１００を除去する場合、第一カーボンナノチューブフィルム１００における各第一カーボンナノチューブ１０４の表面に堆積されたマスク層１１０は、第一カーボンナノチューブフィルム１００と共に除去され、この際、第一間隙１０１によって露出された成長表面１２２に堆積されたマスク層１１０は成長表面１２２に残り、パターン化されたマスク層１１２が形成される。接着テープによって、第一カーボンナノチューブフィルム１００を除去する場合、第一カーボンナノチューブフィルム１００と基板１２０との結合力は、マスク層１１０と基板１２０との結合力より弱く、且つ成長表面１２２に堆積されたマスク層１１０と第一カーボンナノチューブフィルム１００における第一カーボンナノチューブ１０４の表面のマスク層１１０との結合力は弱いので、適当な接着度を有する接着テープによって、第一カーボンナノチューブフィルム１００における各第一カーボンナノチューブ１０４の表面に堆積されたマスク層１１０は、第一カーボンナノチューブフィルム１００と共に除去できる。酸化法によって、第一カーボンナノチューブフィルム１００を除去する場合、まず、第一カーボンナノチューブフィルム１００が設置された基板１２０を電気炉に置いて、酸素ガスの雰囲気でアニーリングして、第一カーボンナノチューブフィルム１００を除去した後、第一カーボンナノチューブフィルム１００における各第一カーボンナノチューブ１０４の表面に堆積されたマスク層１１０を成長表面１２２に落とす。次いで、超音波振動によって、成長表面に落ちたマスク層１１０を洗浄して除去する。又は第一カーボンナノチューブフィルム１００を除去した後、第一カーボンナノチューブフィルム１００における各第一カーボンナノチューブ１０４の表面に堆積されたマスク層１１０は、重力によって、成長表面１２２から落とすことができる。この際、マスク層１１０の落とす方向に対応して、第一カーボンナノチューブフィルム１００を基板１２０の下方に位置させる。アニーリング温度は、５００℃〜１０００℃である。
パターン化されたマスク層１１２は、複数の開口１１４を有する。複数の開口１１４のパターンは、第一カーボンナノチューブフィルム１００のパターンと同じである。本実施形態において、複数の開口１１４は、基本的には、平行して、且つ間隔をあけて設置されたストリップ状の複数の溝である。開口１１４は、成長表面１２２の一端から該一端と対向する端部まで延伸している。開口１１４の幅は、１０ｎｍ〜１００ｎｍであり、好ましくは、２０ｎｍ〜５０ｎｍである。パターン化されたマスク層１１２は、一部の成長表面１２２を被覆して、パターン化されたマスク層１１２が被覆されていない成長表面１２２にエピタキシャル構造層１３０を成長させる。本発明のパターン化されたマスク層１１２の製造工程は簡単で、フォトエッチングよりも、コストが低く、且つ基板１２０の成長表面１２２は汚染されない。また、開口１１４の幅は、カーボンナノチューブの直径に相当し、約数十ナノメートルである。これにより、エピタキシャル構造層１３０の品質を高めることができる。
ステップ（Ｓ１４）において、エピタキシャル構造層１３０は、基板１２０の成長表面１２２に成長した単晶構造体である。エピタキシャル構造層１３０の材料は、基板１２０の材料と同じでも或いは同じでなくても良い。エピタキシャル構造層１３０の厚さは、必要に応じて選択できる。具体的には、エピタキシャル構造層１３０の厚さは、０．５ｎｍ〜１ｍｍである。例えば、１００ｎｍ〜５００μｍ、２００ｎｍ〜２００μｍ或いは５００ｎｍ〜１００μｍである。エピタキシャル構造層１３０は、半導体、金属又は合金のエピタキシャル構造層であることができる。半導体のエピタキシャル構造層の材料は、ＧａＭｎＡｓ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＳｉＧｅ、ＩｎＰ、Ｓｉ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＩｎＮ、ＧａＡｌＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどである。金属のエピタキシャル構造層の材料は、アルミニウム、プラチナ、銅、銀などである。合金のエピタキシャル構造層の材料は、ＭｎＧａ、ＣｏＭｎＧａ、Ｃｏ２ＭｎＧａなどである。
図１１を参照すると、エピタキシャル構造層１３０の成長工程は、基板１２０の成長表面１２２が露出した部分に、エピタキシャル構造層１３０の核を形成する。この際の核の寸法は、主に成長表面１２２に垂直する方向に沿って増加して、複数のエピタキシャル結晶粒１３２を形成するステップ（１４１）と、複数のエピタキシャル結晶粒１３２による横方向結晶成長及び隣接するエピタキシャル結晶粒１３２同士の合体によって、連続したエピタキシャル膜１３４を形成するステップ（１４２）と、エピタキシャル膜１３４が成長表面１２２に垂直する方向に成長して、エピタキシャル構造層１３０を形成するステップ（１４３）と、を含む。
ステップ（１４１）において、エピタキシャル結晶粒１３２は、パターン化されたマスク層１１２における開口１１４によって露出された基板１２０の成長表面１２２から、開口１１４を貫通して成長する。ここで、形成しようとするエピタキシャル構造層１３０の核が、主に成長表面１２２に垂直する方向に沿って成長することを縦方向結晶成長と定義する。
ステップ（１４２）において、隣接するエピタキシャル結晶粒１３２同士の合体によって、複数のエピタキシャル結晶粒１３２は互いに接続されて、一体構造を有するエピタキシャル膜１３４を形成する。隣接するエピタキシャル結晶粒１３２及びエピタキシャル膜１３４は、共にパターン化されたマスク層１１２を囲んで被覆する。
ステップ（１４３）において、エピタキシャル膜１３４は、成長表面１２２に垂直な方向に増大する。従って、エピタキシャル構造層１３０を形成する時間は長くなる。しかし、基板１２０の成長表面１２２に、パターン化されたマスク層１１２が設置されているので、ステップ（１４２）において、エピタキシャル膜１３４の欠陥は少ない。従って、エピタキシャル膜１３４が成長表面１２２に垂直な方向に増大して形成されたエピタキシャル構造層１３０も欠陥は少ない。
エピタキシャル構造層は、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、化学ビームエピタキシー法（ＣＢＥ）、減圧エピタキシャル成長法、低温エピタキシー法、選択エピタキシー法、液相エピタキシー法（ＬＰＥ）、有機金属気相エピタキシー法（ＭＯＶＰＥ）、超高真空化学気相堆積法（ＵＨＶＣＶＤ）、ハイドライド気相エピタキシー法（ＨＶＰＥ）及び有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）などの一種又は数種の方法によって成長させる。
本実施形態において、基板１２０はサファイア基板であり、且つパターン化されたマスク層１１２は、酸化アルミニウムナノ材料層からなる。該酸化アルミニウムナノ材料層は交差した酸化アルミニウムナノチューブからなる二層構造体である。エピタキシャル構造層を、前記有機金属気相成長法によって、基板１２０の成長表面１２２に成長させる。ここで、高純度アンモニア（ＮＨ３）を窒素源ガスとして、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）又はトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）をガリウム（Ｇａ）の原料ガスとして、窒素（Ｎ２）又は水素（Ｈ２）又はこれらの混合気体をキャリアガスとして用いる。
本実施形態において、エピタキシャル構造層１３０の成長方法は、パターン化されたマスク層１１２が設置されたサファイア基板を真空反応室に設置して、反応室を１１００℃〜１２００℃まで加熱した後キャリアガスを反応室に導入して、サファイア基板を２００秒〜１０００秒にわたって焼成するステップ（ａ）と、キャリアガスの雰囲気で、反応室の温度を５００℃〜６５０℃まで下げて、同時にガリウムの原料ガス及び窒素源ガスを反応室に導入して、１０ｎｍ〜５０ｎｍの低温ＧａＮバッファ層（図示せず）を成長させるステップ（ｂ）と、ガリウムの原料ガスの導入を停止して、キャリアガス及び窒素源ガスはそのまま導入し続け、反応室の温度を１１００℃〜１２００℃まで昇温し、反応室のガス圧を１１００Ｔｏｒｒ〜１２００Ｔｏｒｒに維持したまま、３０秒〜３００秒にわたってアニーリング処理するステップ（ｃ）と、反応室の温度を１０００℃〜１１００℃に維持し、ガリウムの原料ガスを再び導入して、高品質の第一半導体層１３０を成長させるステップ（ｄ）と、を含む。
（実施形態２）
図１２を参照すると、本発明の実施形態２は、エピタキシャル構造体２０の製造方法を提供する。エピタキシャル構造体２０の製造方法は、基板１２０を提供し、基板１２０は、成長表面１２２を有するステップ（Ｓ２０）と、基板１２０の成長表面１２２に、第一カーボンナノチューブフィルム１００を設置するステップ（Ｓ２１）であって、第一カーボンナノチューブフィルム１００は、相互に平行して、且つ間隔をあけて設置された複数の第一カーボンナノチューブ１０４を含むステップ（Ｓ２１）と、第一カーボンナノチューブフィルム１００の表面に第二カーボンナノチューブフィルム１０３を設置するステップ（Ｓ２２）であって、第二カーボンナノチューブフィルム１０３は、相互に平行して、且つ間隔をあけて設置された複数の第二カーボンナノチューブ１０５を含み、第二カーボンナノチューブ１０５の延伸方向は、第一カーボンナノチューブ１０４の延伸方向と角度を成し、且つ該角度は、０°より大きいステップ（Ｓ２２）と、成長表面１２２にマスク層１１０を堆積して、第一カーボンナノチューブフィルム１００及び前記第二カーボンナノチューブフィルム１０３を被覆するステップ（Ｓ２３）であって、該マスク層１１０の厚さは、第一カーボンナノチューブフィルム１００の厚さより厚く、且つ第一カーボンナノチューブフィルム１００の厚さと第二カーボンナノチューブフィルム１０３との厚さの総和より小さいステップ（Ｓ２３）と、第二カーボンナノチューブフィルム１０３を除去し、パターン化されたマスク層１１２を取得するステップ（Ｓ２４）であって、パターン化されたマスク層１１２は複数の開口１１４を有し、成長表面１２２の一部を複数の開口１１４から露出させるステップ（Ｓ２４）と、基板１２０の成長表面１２２にエピタキシャル構造層１３０を成長させるステップ（Ｓ２５）と、を含む。
本実施形態２のエピタキシャル構造体２０の製造方法は、実施形態１のエピタキシャル構造体１０の製造方法と基本的に同じであるが、以下の点が異なる。基板１２０の成長表面１２２にマスク層１１０を堆積するステップの前に、交差して積層された第一カーボンナノチューブフィルム１００及び第二カーボンナノチューブフィルム１０３を、基板１２０の成長表面１２２に設置する。また、基板１２０の成長表面１２２にマスク層１１０を堆積するステップにおいて、マスク層１１０の厚さは、第一カーボンナノチューブフィルム１００の厚さより厚く、且つ第一カーボンナノチューブフィルム１００の厚さと第二カーボンナノチューブフィルム１０３の厚さとの総和より薄い。ステップ（Ｓ２４）において、第二カーボンナノチューブフィルム１０３のみを除去する。
ステップ（Ｓ２３）において、好ましくは、第二カーボンナノチューブ１０５の延伸方向と第一カーボンナノチューブ１０４の延伸方向とが成す角度は３０°より大きい。本実施形態において、第二カーボンナノチューブ１０５の延伸方向と第一カーボンナノチューブ１０４の延伸方向とが成す角度は９０°である。
ステップ（Ｓ２３）において、図１３及び図１４を参照すると、マスク層１１０の厚さは、第一カーボンナノチューブフィルム１００の厚さより厚く、且つ第一カーボンナノチューブフィルム１００の厚さと第二カーボンナノチューブフィルム１０３の厚さの総和より薄い。これにより、マスク層１１０は、成長表面１２２、第一カーボンナノチューブフィルム１００の表面及び第二カーボンナノチューブフィルム１０３の表面に堆積し、且つ第一カーボンナノチューブフィルム１００を被覆する。また、第二カーボンナノチューブフィルム１０３を除去すると同時に、第二カーボンナノチューブフィルム１０３における第二カーボンナノチューブ１０５の表面に堆積されたマスク層１１０を除去できる。この際、成長表面１２２及び第一カーボンナノチューブフィルム１００の表面に堆積されたマスク層１１０は残り、パターン化されたマスク層１１２が形成される。パターン化されたマスク層１１２は、複数の開口１１４を有し、成長表面１２２の一部を複数の開口１１４から露出させる。複数の開口１１４は、相互に平行して、且つ間隔をあけて設置された溝である。開口１１４の延伸方向は、第一カーボンナノチューブ１０４の延伸方向と垂直である。また、第一カーボンナノチューブ１０４の一部を複数の開口１１４から露出させる。
ステップ（Ｓ２４）において、機械剥離法、接着テープによって、第二カーボンナノチューブフィルム１０３を除去する。この際、第一カーボンナノチューブフィルム１００は、マスク層１１０に被覆されているので、機械剥離法、接着テープによって、第一カーボンナノチューブフィルム１００は除去されない。
（実施形態３）
図１５を参照すると、本発明の実施形態３は、エピタキシャル構造体３０の製造方法を提供する。エピタキシャル構造体３０の製造方法は、基板１２０を提供し、基板１２０は、成長表面１２２を有するステップ（Ｓ３０）と、基板１２０の成長表面１２２に、第一カーボンナノチューブフィルム１００を設置するステップ（Ｓ３１）であって、第一カーボンナノチューブフィルム１００は、相互に平行して、且つ間隔をあけて設置された複数の第一カーボンナノチューブ１０４を含むステップ（Ｓ３１）と、第一カーボンナノチューブフィルム１００の表面に第二カーボンナノチューブフィルム１０３を設置するステップ（Ｓ３２）であって、第二カーボンナノチューブフィルム１０３は、相互に平行して、且つ間隔をあけて設置された複数の第二カーボンナノチューブ１０５を含み、第二カーボンナノチューブ１０５の延伸方向は、第一カーボンナノチューブ１０４の延伸方向と角度を成し、且つ該角度は、０°より大きいステップ（Ｓ３２）と、成長表面１２２にマスク層１１０を堆積して、第一カーボンナノチューブフィルム１００及び前記第二カーボンナノチューブフィルム１０３を被覆するステップ（Ｓ３３）であって、該マスク層１１０の厚さは、第一カーボンナノチューブフィルム１００の厚さより薄いステップ（Ｓ３３）と、第一カーボンナノチューブフィルム１００及び第二カーボンナノチューブフィルム１０３を除去して、パターン化されたマスク層１１２を取得するステップ（Ｓ３４）であって、パターン化されたマスク層１１２は、複数の開口１１４を有し、成長表面１２２の一部を複数の開口１１４から露出させるステップ（Ｓ３４）と、基板１２０の成長表面１２２にエピタキシャル構造層１３０を成長させるステップ（Ｓ３５）と、を含む。
本実施形態３のエピタキシャル構造体３０の製造方法は、実施形態２のエピタキシャル構造体２０の製造方法と基本的に同じであるが、異なる点は、ステップ（Ｓ３３）及びステップ（Ｓ３４）である。具体的には、ステップ（Ｓ３３）において、マスク層１１０の厚さは、第一カーボンナノチューブフィルム１００の厚さより薄い。ステップ（Ｓ３４）において、第一カーボンナノチューブフィルム１００及び第二カーボンナノチューブフィルム１０３を除去する。
ステップ（Ｓ３３）において、マスク層１１０を成長表面１２２、第一カーボンナノチューブフィルム１００の表面及び第二カーボンナノチューブフィルム１０３の表面に堆積する。マスク層１１０の厚さは、第一カーボンナノチューブフィルム１００の厚さより薄い。
ステップ（Ｓ３４）において、第一カーボンナノチューブフィルム１００及び第二カーボンナノチューブフィルム１０３を除去すると同時に、第一カーボンナノチューブフィルム１００の表面及び第二カーボンナノチューブフィルム１０３の表面に堆積されたマスク層１１０を共に除去して、パターン化されたマスク層１１２を形成する。パターン化されたマスク層１１２は、複数の開口１１４を有し、成長表面１２２の一部を複数の開口１１４から露出させる。複数の開口１１４は、相互に平行して、且つ間隔をあけて設置された溝である。該複数の開口１１４は交差して設置される。本実施形態において、複数の開口１１４は直交する。
１０、２０、３０ エピタキシャル構造体
１００ 第一カーボンナノチューブフィルム
１０１ 第一間隙
１０２ カーボンナノチューブワイヤ
１０３ 第二カーボンナノチューブフィルム
１０４ 第一カーボンナノチューブ
１０５ 第二カーボンナノチューブ
１０６ 第三カーボンナノチューブ
１０８ カーボンナノチューブセグメント
１１０ マスク層
１１２ パターン化されたマスク層
１１４ 開口
１２０ 基板
１２２ 成長表面
１３０ エピタキシャル構造層
１３２ エピタキシャル結晶粒
１３４ エピタキシャル膜
２００ 弾性支持体

Claims (2)

  1. 基板を提供し、前記基板は成長表面を有する第一ステップと、
    前記基板の前記成長表面に、第一カーボンナノチューブフィルムを設置する第二ステップであって、前記第一カーボンナノチューブフィルムは複数の第一間隙を有し、前記成長表面の一部を複数の前記第一間隙から露出させる第二ステップと、
    前記成長表面にマスク層を堆積し、前記第一カーボンナノチューブフィルムを被覆する第三ステップであって、前記マスク層の厚さは、前記第一カーボンナノチューブフィルムの厚さより薄く、且つ前記マスク層は、前記第一カーボンナノチューブフィルムの表面及び露出された前記成長表面の表面に堆積する第三ステップと、
    前記第一カーボンナノチューブフィルムを除去し、パターン化されたマスク層を取得する第四ステップであって、前記パターン化されたマスク層は複数の開口を有し、前記成長表面の一部を複数の前記開口から露出させる第四ステップと、
    前記基板の前記成長表面にエピタキシャル構造層を成長する第五ステップと、
    を含むことを特徴とするエピタキシャル構造体の製造方法。
  2. 基板を提供し、前記基板は成長表面を有する第一ステップと、
    前記基板の前記成長表面に、第一カーボンナノチューブフィルムを設置する第二ステップであって、前記第一カーボンナノチューブフィルムは、相互に平行して、且つ間隔をあけて設置された複数の第一カーボンナノチューブを含む第二ステップと、
    前記第一カーボンナノチューブフィルムの表面に第二カーボンナノチューブフィルムを設置する第三ステップであって、前記第二カーボンナノチューブフィルムは、相互に平行して、且つ間隔をあけて設置された複数の第二カーボンナノチューブを含み、前記第二カーボンナノチューブの延伸方向は、前記第一カーボンナノチューブの延伸方向と角度を成し、且つ該角度は、０°より大きい第三ステップと、
    前記成長表面にマスク層を堆積して、前記第一カーボンナノチューブフィルム及び前記第二カーボンナノチューブフィルムを被覆する第四ステップであって、前記マスク層の厚さは、前記第一カーボンナノチューブフィルムの厚さと前記第二カーボンナノチューブフィルムの厚さとの総和より薄い第四ステップと、
    少なくとも前記第二カーボンナノチューブフィルムを除去し、パターン化されたマスク層を取得する第四ステップであって、前記パターン化されたマスク層は複数の開口を有し、前記成長表面の一部を複数の前記開口から露出させる第四ステップと、
    前記基板の前記成長表面にエピタキシャル構造層を成長させる第五ステップと、
    を含むことを特徴とするエピタキシャル構造体の製造方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN105668540B (zh) * 2014-11-19 2017-11-14 清华大学 一种纳米线阵列的制备方法
CN108132582B (zh) * 2016-12-01 2020-06-09 清华大学 光刻掩模板
CN108288583B (zh) * 2017-01-10 2020-07-10 清华大学 一种采用硅基底生长氮化镓外延的方法
CN108695162B (zh) * 2017-04-12 2021-04-09 联华电子股份有限公司 鳍状结构的制造方法
CN112301325A (zh) * 2019-08-01 2021-02-02 北京飓芯科技有限公司 一种3d叠层掩模衬底结构及其制备方法和外延生长方法

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JP2000058454A (ja) * 1998-08-05 2000-02-25 Sony Corp 横方向エピタキシャル成長用マスクの形成方法および横方向エピタキシャル成長方法
JP5276852B2 (ja) * 2008-02-08 2013-08-28 昭和電工株式会社 Ｉｉｉ族窒化物半導体エピタキシャル基板の製造方法
KR101407209B1 (ko) * 2010-10-07 2014-06-16 포항공과대학교 산학협력단 미세 패턴 형성 방법 및 이를 이용한 미세 채널 트랜지스터 및 미세 채널 발광트랜지스터의 형성방법
CN102079507B (zh) * 2010-12-31 2013-06-05 清华大学 在碳纳米管表面形成缺陷的方法
CN102593272B (zh) * 2011-01-12 2016-09-14 清华大学 外延结构的制备方法
CN102719888B (zh) * 2011-03-29 2015-11-25 清华大学 具有纳米微结构基板的制备方法
US9024310B2 (en) * 2011-01-12 2015-05-05 Tsinghua University Epitaxial structure
CN102760797B (zh) * 2011-04-29 2015-04-01 清华大学 发光二极管
TWI441940B (zh) * 2011-06-09 2014-06-21 Shih Hua Technology Ltd 圖案化導電元件的製備方法
CN103367553B (zh) * 2012-03-28 2016-01-20 清华大学 外延衬底的制备方法
CN103378223B (zh) * 2012-04-25 2016-07-06 清华大学 外延结构体的制备方法

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