JP6380932B2 - ナノオーダ構造体の製造方法および製造装置 - Google Patents
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Description
本発明は、基板上にナノオーダ構造体を形成するための製造方法および製造装置、並びに基板上にナノオーダ構造体を備える基板構造体に関する。
金属材料や、各種の有機および無機材料からなり、ナノオーダサイズの寸法を有するナノオーダ構造体の検討が進められている。また、ナノオーダ構造体は、同じ材料でも、バルク材料とは異なる特性を示すことから、電子デバイスなどへのナノオーダ構造体の応用が検討されている。
このようなナノオーダ構造体を平面状に複数製造する技術として、非特許文献１に記載されるように、Dynamic Oblique Deposition 法(動的斜め蒸着法)，DC Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition 法、Hydrothermal Crystallization of Colloidal Precursors 法，Template-synthesis 法，Molecular Beam Epitaxy 法，Reactive Pulsed Laser Deposition 法などが知られている。
特許文献１に記載されるように、上記の動的斜め蒸着法を用いて、銅からなる線径数１００ｎｍ程度および数μｍ程度のナノスプリングを形成する技術が知られている。
また、特許文献２に記載されるように、カーボン材料からなる金型を用いてナノオーダの三次元構造体を形成する製造方法が知られている。さらに、特許文献３に記載されるように、自己組織化によってナノオーダの構造体を製造する技術が知られている。
Takayuki Kitamura et. Al, "FRACTURE NANOMECHANICS"、 PAN STANFORD PUBLISHING (2011), ISBN 978-981-4241-83-0
ナノオーダの構造体を平面状に複数製造する場合、製造方法によって形成できる構造や材料に制限が生じる。動的斜め蒸着法は、テンプレートや金型を用いた製造方法では製造が困難な、らせん形状やジグザグ形状で自立する柱状の構造体の製造に適した製造方法である。しかしながら、従来は、シリコンや酸化タンタルなど、製造できるナノオーダ構造体の材料や、製造可能なナノオーダ構造体の寸法が限定されており、銅やアルミニウムなど工業的に適用範囲の広い材料のナノオーダ構造体を、線径１００ｎｍ未満のような微細な寸法で製造することは困難であった。
そこで、本発明は、ナノオーダ構造体に適用できる材料の種類を拡大すると共に、微細な寸法でナノオーダ構造体を製造することを可能ならしめるナノオーダ構造体の製造方法および製造装置を提供すると共に、工業的に適用範囲の広い材料のナノオーダ構造体を有する基板構造体を提供する。
上記課題を解決するために、本発明による製造方法は、基板の平坦面上に、らせん形状やジグザグ形状の複数のナノオーダ構造体を形成する方法であって、基板の平坦面上に、ナノオーダ構造体の主材料としてニッケルや銅やアルミニウムを蒸着する第１の工程を含み、この第１の工程において、基板の絶対温度を、主材料の融点（絶対温度）の０．１９倍〜０．２５倍にする。
また、上記課題を解決するために、本発明による製造装置は、真空チャンバ内で、らせん形状やジグザグ形状のナノオーダ構造体を形成するものであって、真空チャンバ内に、るつぼと、るつぼ内に配置される材料としてニッケルや銅やアルミニウムに電子ビームを照射して、材料を蒸発させる電子銃と、るつぼに対向し、蒸発した材料を蒸着させる部材を載置するステージと、を配置し、ステージは、回転可能に軸支されると共に、るつぼに対する角度が可変であり、さらに、ステージを冷却する冷却装置と、ステージを加熱する加熱装置と、ステージの温度を検出する温度検出器と、温度検出器によって検出される温度に基づいて、冷却装置および加熱装置を操作して、ステージの温度を制御する制御装置と、を備え、制御装置は、ステージの絶対温度を、材料の融点（絶対温度）の０．１９倍〜０．２５倍に制御する。
また、上記課題を解決するために、本発明による製造方法は、基板の平坦面上に複数のナノオーダ構造体を形成する方法であって、基板の平坦面上に、ナノオーダ構造体の主材料を蒸着する第１の工程を含み、第１の工程において、基板の絶対温度を、主材料の融点（絶対温度）の０．２５倍以下にし、第１の工程によって形成される複数のナノオーダ構造体の上部に、所定材料を蒸着することによって平面層を形成する第２の工程を含み、第１の工程においては基板を回転させ、第２の工程においては基板を回転させない。
また、上記課題を解決するために、本発明による製造方法は、基板の平坦面上に複数のナノオーダ構造体を形成する方法であって、基板の平坦面上に、ナノオーダ構造体の主材料を蒸着する第１の工程を含み、第１の工程において、基板の絶対温度を、主材料の融点（絶対温度）の０．２５倍以下にし、第１の工程の前に、基板の平坦面上に、所定材料を蒸着することによって基板表面層を形成する工程を含み、基板表面層は、基板を回転させずに形成され、第１の工程においては基板を回転させる。
また、上記課題を解決するために、本発明による製造方法は、基板の平坦面上に複数のナノオーダ構造体を形成する方法であって、基板の平坦面上に、ナノオーダ構造体の主材料を蒸着する第１の工程を含み、第１の工程において、基板の絶対温度を、主材料の融点（絶対温度）の０．２５倍以下にし、第１の工程の前に、基板の平坦面上に、所定材料を蒸着することによって基板表面層を形成する工程を含み、基板表面層は、基板を回転させずに形成され、第１の工程においては基板を回転させる。
本発明による製造方法によれば、基板の絶対温度を、ナノオーダ構造体の主材料の融点（絶対温度）の０．２５倍以下にすることにより、所望の材料により、所望の形状を有する微細なナノオーダ構造体を形成することができる。
また、本発明による製造装置によれば、ステージの過熱及び冷却により、所望のナノオーダ構造体が形成されるように、基板温度を制御できるので、所望の材料により、所望の形状を有する微細なナノオーダ構造体を形成することができる。
また、本発明による基板構造体によれば、比較的融点が低い微細なナノオーダ構造体を備える基板構造体が得られるので、ナノオーダ構造体の工業的な適用範囲が拡大できる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
以下、本発明の実施例について、図面を用いて説明する。
図２は、本発明の実施例１であるナノオーダ構造体の製造装置を示す。また、図３（ａ）〜（ｄ）は、図２の製造装置を用いてナノオーダ構造体を形成する際の製造方法を示す。
図２に示す製造装置は、動的斜め蒸着法によりナノオーダ構造体を形成する。このため、本実施例１の製造装置は、図示されない真空ポンプによって内部が略真空になる真空チャンバ１の内部に、るつぼ２と電子銃３と、るつぼ２とに対向するステージ７を備え、ステージ７は、るつぼ２に対して一定の角度を保つと共にこの角度を変える機構と、ステージ７から、るつぼ２に向かう方向を回転軸とする回転機構と、ステージ７面を回転する回転機構を有する。るつぼ２にナノオーダ構造体の材料４を配置して、電子銃３から出射される電子ビーム５を材料４に照射することで、材料４は蒸発し、蒸発流６となる。蒸発流６がステージ７に到達して堆積することで、ナノオーダの構造体が生成される。
このとき、ステージ７の表面に、図３（ａ）に示す平坦な面を持つ基板３１を固定しておくと、一定角度の斜め方向から材料４の原子３２が基板３１の表面に到達し、堆積する。基板３１の表面に堆積した原子３３によって、図３（ｂ）に示す様に、基板３１の表面に堆積した原子の影３４ができる。その結果、原子の影３４ができた後は、堆積した原子の影３４の領域には原子３２が堆積せず、堆積した原子３３の表面のみに堆積するため、図３（ｃ）に示す様に蒸発した原子３２は斜柱３５状に堆積する。このとき、原子３２を堆積させながらステージ７を面内に一定速度で回転させると、堆積した原子３３によって生じる影３４の方向がステージ７の面内回転に伴って変化するため、基板３１上に複数のらせん状に自立したナノオーダ構造体３６が形成される。ここで、ナノオーダ構造体とは、直径が１００ｎｍ未満の構造体を指す。このとき、ステージの角度や回転速度などを制御することで、任意のらせん形状を製造できる。
上記製造方法で適切なナノオーダ構造体を製造するためには、蒸発した原子３２が基板あるいは基板上に堆積した原子３３の上に堆積する際に、堆積した原子の影３４に回り込むことなく、蒸発流の軌道上に堆積することが条件である。蒸発した原子３２が基板あるいは基板上に堆積した原子３３に近づいたときに、堆積した原子の影３４に回り込むエネルギーを持たない様にするために、本実施例１では、基板３１の温度を一定温度以下に制御する。
図４は、主材料をニッケルとして、製造するナノオーダ構造体の形状がらせん形状となる様に基板の回転を制御する場合において、異なる基板温度で製造するときに各温度で形成されるナノオーダ構造体の形状を示す。図４は、各ナノオーダ構造体を形成後に、走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope、ＳＥＭ）で観察した結果である。基板温度はＴｓと表す。
Ｔｓ＝５７３Ｋ（絶対温度：以下、同様）では、所望のらせん形状は形成されず、基板３１上に直径３００ｎｍ程度のニッケル製の塊が複数形成される。Ｔｓ＝４８３Ｋでも、所望のらせん形状は形成されず、直径２００ｎｍ程度のニッケル製の塊が複数形成される。Ｔｓ＝４５３Ｋでは、線径約５０ｎｍのらせん形状に近い形状が形成できるが、成長に伴って線径が大きくなる。Ｔｓ＝３８３Ｋでは、所望とする明確ならせん形状が得られる。ナノオーダ構造体の下部の根本部分での線径は約２０ｎｍであり、成長に伴う線径の増加は小さい。ここで、ニッケルの融点は１７２５Ｋであり、略らせん形状が形成されるＴｓ＝４５３Ｋと融点との比は０．２６であり、明確ならせん形状が得られるＴｓ＝３８３Ｋと融点との比は０．２２である。すなわち、後述するように、基板３１の絶対温度を、ナノオーダ構造体の主材料であるニッケルの融点（絶対温度）の０．２５倍以下にすることにより、所望のらせん形状を有する、線径１００ｎｍ未満の微細なナノオーダ構造体を形成することができる。
本実施例１の製造装置は、図４に示したように広い温度範囲で基板３１の温度Ｔｓを制御するために、図２に示すように、ステージ７に、液体窒素を冷媒とする冷却装置８と、電気ヒータによる加熱装置９が設けられる。さらに、ステージ７には、裏面にステージ７の温度を測定する温度検出器として熱電対１０が配置される。制御装置１１は、熱電対１０によって検出されるステージ７の温度に基づいて、冷却装置と加熱装置を操作して、基板温度を所定の温度あるいは所定の温度範囲に制御する。これにより、所望の材料により、所望の形状を有する微細なナノオーダ構造体を形成することができる。
なお、本実施例１の製造装置においては、冷却装置として、液体窒素を冷媒とする冷却装置が用いられるが、これに限らず、チラー（chiller）装置などを用いても良い。チラー装置を用いる場合は、温度制御が容易である。また、液体窒素を冷媒とする場合は、冷却できる温度の下限値を低減することができるので、制御可能な温度範囲を広くすることができる。
上述したような製造装置および製造方法によって形成されるナノオーダ構造体を有する基板構造体は、比較的融点が低く、また工業的に有用な材料であるニッケルからなる線径１００ｎｍという微細なナノオーダ構造体を備えるので、電子デバイスなどの様々な工業的分野で適用が可能である。
図５は、本発明の実施例２であるナノオーダ構造体を示す。実施例１との相違点は、実施例１ではナノオーダ構造体の主材料がニッケルであるのに対して、本実施例２では銅である点である。図５において、主材料を銅として、実施例１と同様に、ナノオーダ構造体の形状がらせん形状となる様に基板の回転を制御する条件において、異なる基板温度で製造したときに各温度で形成されるナノオーダ構造体の形状を示す。図５は、図４と同様に、各ナノオーダ構造体を形成後におけるＳＥＭ観察の結果である。
Ｔｓ＝４５３Ｋや３５３Ｋでは、所望のらせん形状は形成されず、基板３１上に直径２００ｎｍ程度の銅製の塊が複数形成される。Ｔｓ＝３２３Ｋでは、ナノオーダ構造体の下部の根本部で線径約５０ｎｍの柱状のらせん形状に近い形状が形成される。ただし、成長に伴って線径が大きくなり、根本部から約３００ｎｍ成長したところでは線径は約２００ｎｍまで大きくなる。Ｔｓ＝３００Ｋでは、所望とする明確ならせん形状が得られる。根本部分での線径は約２０ｎｍであり、成長に伴う線径の増加は小さい。さらに基板温度を低下させたＴｓ＝２５３Ｋの条件でも、所望とする明確ならせん形状が得られる。銅の融点は１３０６Ｋであり、略らせん形状が形成されるＴｓ＝３２３Ｋと融点との比は０．２５、所望とする明確ならせん形状が得られるＴｓ＝３００Ｋ，２５３Ｋと融点との比は、それぞれ０．２３，０．１９である。
実施例１におけるニッケル製のナノオーダ構造体でらせん形状が形成されはじめる基板温度Ｔｓが４５３Ｋ、本実施例２における銅製のナノオーダ構造体でらせん形状が形成されはじめる基板温度Ｔｓが３２３Ｋであり、制御すべき基板温度は材料毎に異なる。一方、基板温度と各材料の融点との比に着目すると、実施例１におけるニッケル製のナノオーダ構造体でらせん形状が形成しはじめる基板温度Ｔｓと融点との比が０．２６、本実施例２における銅製のナノオーダ構造体でらせん形状が形成されはじめる基板温度Ｔｓと融点との比が０．２５であり、材料によらず略同じ比で基板温度を制御すればよいことがわかる。
なお、温度制御せずに動的斜め蒸着法で基板上にナノオーダ構造体の材料を蒸着する場合、基板温度は材料の原子のエネルギーを受けて上昇する。これに対し、本実施例２では、基板を冷却しながら動的斜め蒸着法で基板上に蒸着することにより、基板温度Ｔｓを３２３Ｋに制御できるので、らせん形状で微細な銅製のナノオーダ構造体を製造することができる。
上述のように、本実施例２によれば、基板３１の絶対温度を、ナノオーダ構造体の主材料である銅の融点（絶対温度）の０．２５倍以下にすることにより、所望のらせん形状を有する、線径１００ｎｍ未満の微細なナノオーダ構造体を形成することができる。また、本実施例２における基板構造体は、比較的融点が低く、また工業的に有用な材料である銅からなる線径１００ｎｍという微細なナノオーダ構造体を備えるので、電子デバイスなどの様々な工業的分野で適用が可能である。
図６は、本発明の実施例３であるナノオーダ構造体を示す。実施例１，２との相違点は、ナノオーダ構造体の主材料が、実施例１ではニッケル、実施例２では銅であるのに対して、本実施例３ではアルミニウムである点である。図６に、主材料をアルミニウムとして、実施例１，２と同様に、ナノオーダ構造体の形状がらせん形状となる様に基板の回転を制御する条件において、異なる基板温度で製造したときに各温度で形成されるナノオーダ構造体の形状を示す。図６は、図４，５と同様に、各ナノオーダ構造体を形成後におけるＳＥＭ観察の結果である。
Ｔｓ＝３００ＫやＴｓ＝２５３Ｋでは、所望のらせん形状は形成されないが、Ｔｓ＝２３３Ｋでは、所望とする明確ならせん形状が得られ、ナノオーダ構造体株の根本部分での線径は約２０ｎｍであり、成長に伴う線径の増加は小さい。アルミニウムの融点は９３３Ｋであり、所望とする明確ならせん形状が得られるＴｓ＝２３３Ｋと融点との比は０．２５である。
実施例１におけるニッケル製のナノオーダ構造体でらせん形状が形成しはじめる基板温度Ｔｓが４５３Ｋ、実施例２における銅製のナノオーダ構造体でらせん形状が形成しはじめる基板温度Ｔｓが３２３Ｋ、本実施例３におけるアルミニウム製のナノオーダ構造体でらせん形状が形成しはじめる基板温度Ｔｓが２５３Ｋであり、制御すべき基板温度は材料毎に異なる。一方、基板温度と各材料の融点との比に着目すると、実施例１におけるニッケル製のナノオーダ構造体でらせん形状が形成されはじめる基板温度Ｔｓと融点との比が０．２６、実施例２における銅製のナノオーダ構造体でらせん形状が形成されはじめる基板温度Ｔｓと融点との比が０．２５、実施例３におけるアルミニウム製のナノオーダ構造体でらせん形状が形成されはじめる基板温度Ｔｓと融点との比が０．２５であり、材料によらず略同じ比で基板温度を制御すればよいことがわかる。
上述のように、本実施例３によれば、基板３１の絶対温度を、ナノオーダ構造体の主材料であるアルミニウムの融点（絶対温度）の０．２５倍以下にすることにより、所望のらせん形状を有する、線径１００ｎｍ未満の微細なナノオーダ構造体を形成することができる。また、本実施例３における基板構造体は、比較的融点が低く、また工業的に有用な材料であるアルミニウムからなる線径１００ｎｍという微細なナノオーダ構造体を備えるので、電子デバイスなどの様々な工業的分野で適用が可能である。
ここで、図１に、ナノオーダ構造体の主材料の融点と、ナノオーダ構造体の形成温度（基板温度に相当）の関係を示す。実施例１および実施例２並びに本実施例３における各主材料の融点を横軸、形成時の基板温度を縦軸に示し、明確ならせん形状がされる条件を「○」、形成されない条件を「×」、略らせん形状が形成される条件を「△」で示す。図１中に、形成温度／融点＝０．２５の関係式を重ねて示すが、いずれの主材料も形成温度／融点＝０．２５以下の領域で明確ならせん形状あるいは略らせん形状を形成できることがわかる。従って、「形成温度／融点＝０．２５以下」という関係によれば、任意の融点を持つ主材料を用いて、所望の形状を有する、線径１００ｎｍ未満の微細なナノオーダ構造体を製造することができる。なお、上述したように、ナノオーダ構造体形成の初期段階で基板３１上に原子３３が堆積し、堆積した原子３３からなるナノ構造体の核の表面にさらに原子が堆積されて、ナノ構造体が形成される。従って、基板温度は、原子３３が基板３１上にナノ構造体の核を形成するエネルギーを持つことができる温度以上にすることが好ましい。
図７は、本発明の実施例４であるナノオーダ構造体を示す。実施例１〜３との相違点は、ナノオーダ構造体がらせん形状ではなく、ジグザグ形状あるいは折れ線形状（以下、単に「ジグザグ形状」と記す）である点である。本実施例４では、ナノオーダ構造体の主材料は銅である。
ジグザグ形状のナノオーダ構造体は、らせん形状と比較して隣接するナノオーダ構造体との距離を短くすることができるので、単位面積あたりにより多くの本数のナノオーダ構造体を配置できる。その一方、らせん形状のナノオーダ構造体は層の面内方向において幾何学的な違いが小さいのに対して、ジグザグ形状のナノオーダ構造体は層の面内方向において幾何学的な違いが大きい。このような幾何学的な違いを考慮して、本実施例４におけるジグザグ状の形状も含めて、ナノオーダ構造体の形状を選択することにより、ナノオーダ構造体の様々な応用が可能になる。
図８（ａ）〜（ｅ）は、本実施例４のナノオーダ構造体の製造方法を示す。
図８（ａ）に示す平坦な面を持つ基板３１を動的斜め蒸着装置（図２参照）のステージ７に固定し、一定角度の斜め方向から原子３２を基板３１の表面に堆積させる。図８（ｂ）に示すように、実施例１における製造方法と同様に、基板３１の表面に堆積した原子３３ができることで、堆積した原子の影３４ができる。その結果、原子の影３４ができた後は、堆積した原子の影３４の領域には原子３２が堆積せず、堆積した原子３３の表面のみに堆積するため、蒸発した原子３２は図８（ｃ）に示す様に斜柱３５状に堆積する。実施例１の製造方法では、原子３２を堆積させながらステージ７を面内に一定速度で回転させるが、本実施例４の製造方法ではステージ７を固定してナノオーダの斜柱を成長させた後、図８（ｄ）に示すように、ステージ７を面内に１８０度回転させて再び固定する。この回転によって、図８（ｅ）に示すように、ナノオーダの斜柱から異なる方向に斜柱が成長する。この工程を繰り返すことで、ジグザグ状に自立したナノオーダ構造体を製造できる。このとき、ステージの角度や回転させる時間などを制御することで、任意のジグザグ形状を製造できる。
図９は、本発明の実施例５であるナノオーダ構造体を示す。実施例１〜４との違いは、基板３１の表面にナノオーダ構造体の層が形成されているだけでなく、ナノオーダ構造体の上部表面上に、平面層１０１が形成されている点である。
本実施例５では、ナノオーダ構造体７１は、主材料が銅であり、かつジグザグ形状を有する。平面層１０１は、主材料がニッケルであり、かつ厚さが約０．８μｍである。このような平面層１０１によって、ナノオーダ構造体７１は表面に露出しないので、ナノオーダ構造体を保護することができる。
なお、平面層１０１の主材料は、ナノオーダ構造体７１の保護などの目的に応じて、ナノオーダ構造体と同じ主材料が用いられたり、異なる主材料が用いられたりする。例えば、平面層１０１をナノオーダ構造体７１と同じ主材料で形成すれば、平面層１０１上に、さらにナノオーダ構造体７１の層を形成することができる。これにより、実質的に、ナノオーダ構造体７１の層の厚さを増大することができる。また、ナノオーダ構造体７１の上部に他の部材を接合または接着する場合、平面層１０１の主材料を他部材との接合性あるいは接着性の良い材料を選択すれば、ナノオーダ構造体７１と他部材との接合あるいは接着が容易になると共に、接合あるいは接着の信頼性が向上する。
平面層１０１は、異なる主材料を用いて複数層形成しても良い。例えば、ナノオーダ構造体の上部表面に接する第１の平面層を、ナノオーダ構造体との接着性が良い主材料で形成する。さらに、この第１の平面層上に、第２の平面層を、第１の平面層と、他の部材との接着性が良い主材料で形成する。これにより、ナノオーダ構造体との接着性が低い主材料からなる他部材を、ナノオーダ構造体上に信頼性良く接着することができる。
図１０（ａ）〜（ｅ）は、本実施例５のナノオーダ構造体の製造方法を示す。実施例１〜４における製造方法と同様に、図１０（ａ）に示す基板３１の表面に、図１０（ｂ）に示すように、動的斜め蒸着法によって、ナノオーダ構造体３６の層を形成する。図１０（ｂ）中には、らせん形状のナノオーダ構造体３６を示すが、図９に示すジグザグ形状のナノオーダ構造体７１のほか、任意形状のナノオーダ構造体を形成することができる。次に、図１０（ｃ）に示すように、基板３１を回転させずに、基板３１の正面から原子３３を蒸着させると、ナノオーダ構造体の上端部に原子３３が堆積して成長することで隣接するナノオーダ構造体の上端部どうしが連結され、さらに蒸着を続けることで平面層１０１が形成される。
なお、平面層１０１は、図２に示した製造装置を用いて形成しても良いし、別の製造装置を用いて形成しても良い。ナノオーダ構造体の形成に使用する図２の製造装置を用いて平面層１０１を形成すれば、るつぼに主材料を再度セッティングし、同じ製造装置を操作すれば良いので、生産効率が向上する。ここで、さらに、ナノオーダ構造体と同じ主材料で平面層を形成する場合は、ナノオーダ構造体形成時にるつぼにセッティングした材料を続けて使用できるので、主材料の再セッティングすることなく同じ製造装置を操作すれば良いので、生産効率が向上する。
図１１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施例６であるナノオーダ構造体とその製造方法を示す。第１〜５の実施例との違いは、基板３１の表面に直接ナノオーダ構造体を設けるのではなく、基板３１の表面に基板表面層１１１を設け、その表面にナノオーダ構造体を設ける点である。
図１１（ａ）に示すような基板３１の表面に、図１１（ｂ）に示すように、原子３３を蒸着させて基板表面層１１１を形成する。次に、図１１（ｂ）に示すように、動的斜め蒸着法によって、ナノオーダ構造体３６の層を形成する。図１１中には、らせん形状のナノオーダ構造体３６を示すが、実施例４（図７）におけるジグザグ形状のナノオーダ構造体のほか、任意形状のナノオーダ構造体を形成することができる。
本実施例６では、基板表面層１１１をナノオーダ構造体と同じ主材料で形成すれば、実質的に基板３１とナノオーダ構造体３６との接合面積を大きくすることができるので、基板３１とナノオーダ構造体３６の接合の信頼性が向上する。また、基板表面層１１１をナノオーダ構造体と異なる主材料で形成する場合でも、基板３１およびナノオーダ構造３６との接合性が良い主材料を選択することにより、基板３１とナノオーダ構造体３６の接合の信頼性を向上できる。なお、上述した実施例５における平面層と同様に、基板表面層１１１を複数層形成しても良い。
図１２（ａ）〜（ｆ）は、本発明の実施例７として、ナノオーダ構造体の種々の形状例を示す。
図１２（ａ）は、実施例１〜３におけるらせん形状のナノオーダ構造体を示す。
図１２（ｂ）は、実施例４におけるジグザグ形状のナノオーダ構造体を示す。
図１２（ｃ）は、柱状に、基板３１上に立設され自立するナノオーダ構造体を示す。本図１２（ｃ）のナノオーダ構造体は、実施例１の製造方法（図３参照）において、ステージ７の回転速度を大きくして、らせんの外径を小さくすることで製造できる。
図１２（ｄ）は、斜柱状に、基板３１上に立設され自立するナノオーダ構造体を示す。本図１２（ｄ）のナノオーダ構造体は、実施例１あるいは実施例４の製造方法（図３，８参照）において、ステージ７を回転させないことで製造できる。
図１２（ｅ）は、厚さ方向に沿って径寸法が変化する、らせん状に、基板３１上に立設され自立するナノオーダ構造体を示す。本図１２（ｅ）のナノオーダ構造体は、実施例１の製造方法において、ナノオーダ構造体の成長と共にステージ７の回転速度を変更することで製造できる。
図１２（ｆ）は、厚さ方向に複数のナノオーダ構造体の層を有するナノオーダ構造体を示す。本図１２（ｆ）のナノオーダ構造体は、実施例５の製造方法（図１１参照）によって、基板３１上に第１のナノオーダ構造体の層および平面層１２４を形成し、次に表面の平面層１２４の上にさらに動的斜め蒸着法で第２のナノオーダ構造体の層を形成することで製造できる。これにより、平面層１２４を中間層として、積層される二層のナノオーダ構造体の層を形成することができる。なお、このような製造工程を繰り返すことで、３層以上の複数層のナノオーダ構造体の層を形成することができる。これにより、実質的に、ナノオーダ構造体の層の厚さを容易に増大することができる。
以上のように、上記各実施例における動的斜め蒸着法を用いることにより、図１２（ａ）〜（ｆ）に示す形状に限らず、様々な形状のナノオーダ構造体を製造できる。
図１３に、主たる材料の融点（絶対温度）と、その材料から所望の形状を有する線径１００ｎｍ未満の微細なナノオーダ構造体を製造することができる基板の制御温度（絶対温度）を示す。材料によって融点および発明の効果を得るのに必要な基板の制御温度は異なるが、本発明で明らかにした基板の温度を融点の０．２５倍以下にすることで、任意の材料のナノオーダ構造の製造条件を求めることができる。なお、図１３には様々な材料の例を示したが、この表に記載されていない材料であっても、本発明で明らかにした様に、基板の温度を融点の０．２５倍以下に制御することでナノオーダ構造を製造できる。
なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前述した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置き換えをすることが可能である。
１…真空チャンバ
２…るつぼ
３…電子銃
４…材料
５…電子ビーム
６…蒸発流
７…ステージ
３１…基板
３２…原子
３３…堆積した原子
３４…堆積した原子の影
３５…斜柱
３６，７１…ナノオーダ構造体
１０１…平面層
１１１…基板表面層
１２１，１２２，１２３…ナノオーダ構造体
１２４…平面層
２…るつぼ
３…電子銃
４…材料
５…電子ビーム
６…蒸発流
７…ステージ
３１…基板
３２…原子
３３…堆積した原子
３４…堆積した原子の影
３５…斜柱
３６，７１…ナノオーダ構造体
１０１…平面層
１１１…基板表面層
１２１，１２２，１２３…ナノオーダ構造体
１２４…平面層
Claims (11)
- 基板の平坦面上に、らせん形状やジグザグ形状の複数のナノオーダ構造体を形成する製造方法において、
前記基板の前記平坦面上に、前記ナノオーダ構造体の主材料としてニッケルや銅やアルミニウムを蒸着する第１の工程を含み、
前記第１の工程において、前記基板の絶対温度を、前記主材料の融点（絶対温度）の０．１９倍〜０．２５倍にすることを特徴とするナノオーダ構造体の製造方法。 - 請求項１に記載のナノオーダ構造体の製造方法において、
前記ナノオーダ構造体の線径は１００ｎｍ未満であることを特徴とするナノオーダ構造体の製造方法。 - 請求項１に記載のナノオーダ構造体の製造方法において、
前記第１の工程において、前記基板を回転させることを特徴とするナノオーダ構造体の製造方法。 - 請求項１に記載のナノオーダ構造体の製造方法において、
前記第１の工程によって形成される複数の前記ナノオーダ構造体の上部に、所定材料を蒸着することによって平面層を形成する第２の工程を含むことを特徴とするナノオーダ構造体の製造方法。 - 請求項４に記載のナノオーダ構造体の製造方法において、
前記平面層の前記所定材料と、前記ナノオーダ構造体の前記主材料は、同じであることを特徴とするナノオーダ構造体の製造方法。 - 基板の平坦面上に複数のナノオーダ構造体を形成する製造方法において、
前記基板の前記平坦面上に、前記ナノオーダ構造体の主材料を蒸着する第１の工程を含み、
前記第１の工程において、前記基板の絶対温度を、前記主材料の融点（絶対温度）の０．２５倍以下にし、
前記第１の工程によって形成される複数の前記ナノオーダ構造体の上部に、所定材料を蒸着することによって平面層を形成する第２の工程を含み、
前記第１の工程においては前記基板を回転させ、前記第２の工程においては前記基板を回転させないことを特徴とするナノオーダ構造体の製造方法。 - 請求項１に記載のナノオーダ構造体の製造方法において、
前記第１の工程の前に、前記基板の前記平坦面上に、所定材料を蒸着することによって基板表面層を形成する工程を含むことを特徴とするナノオーダ構造体の製造方法。 - 請求項７に記載のナノオーダ構造体の製造方法において、
前記基板表面層の前記所定材料と、前記ナノオーダ構造体の前記主材料は、同じであることを特徴とするナノオーダ構造体の製造方法。 - 基板の平坦面上に複数のナノオーダ構造体を形成する製造方法において、
前記基板の前記平坦面上に、前記ナノオーダ構造体の主材料を蒸着する第１の工程を含み、
前記第１の工程において、前記基板の絶対温度を、前記主材料の融点（絶対温度）の０．２５倍以下にし、
前記第１の工程の前に、前記基板の前記平坦面上に、所定材料を蒸着することによって基板表面層を形成する工程を含み、
前記基板表面層は、前記基板を回転させずに形成され、前記第１の工程においては前記基板を回転させることを特徴とするナノオーダ構造体の製造方法。 - 真空チャンバを備え、前記真空チャンバ内で、らせん形状やジグザグ形状のナノオーダ構造体を形成するナノオーダ構造体の製造装置において、
前記真空チャンバ内に、
るつぼと、
前記るつぼ内に配置される材料としてニッケルや銅やアルミニウムに電子ビームを照射して、前記材料を蒸発させる電子銃と、
前記るつぼに対向し、蒸発した前記材料を蒸着させる部材を載置するステージと、
を配置し、
前記ステージは、回転可能に軸支されると共に、前記るつぼに対する角度が可変であり、
前記ステージを冷却する冷却装置と、
前記ステージを加熱する加熱装置と、
前記ステージの温度を検出する温度検出器と、
前記温度検出器によって検出される温度に基づいて、前記冷却装置および前記加熱装置を操作して、前記ステージの温度を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記ステージの絶対温度を、前記材料の融点（絶対温度）の０．１９倍〜０．２５倍になるように、制御することを特徴とするナノオーダ構造体の製造装置。 - 請求項１０に記載のナノオーダ構造体の製造装置において、
前記冷却装置は、液体窒素を冷媒とすることを特徴とするナノオーダ構造体の製造装置。
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