JP7388666B2 - 微細構造付きの原子平滑なデバイス及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、マイクロナノ加工の技術分野に関し、具体的には、微細構造付きの原子平滑なデバイス及びその製造方法に関する。
現在の技術の継続的な進歩に伴い、コンピュータの磁気ヘッド、磁気ディスク、集積回路チップなどの原子平滑な表面の使用がますます広がっている。原子平滑な表面とは、表面に原子層レベルを超える段差がない表面をいい、原子平滑な表面は、多くの優れた性質を有し、その非常に低い起伏により、非常に高い精度の制御を実現することができる。
それと同時に、技術の発展と人類の需要につれて、デバイスの小型化は発展傾向になっている。デバイスが小さくなるに伴い、摩擦と摩耗による損失もますます重要とされ、例えば、マイクロモータは、世界上で最初のマイクロモータが製造された後、わずか１分程度運行しただけで、摩耗により故障した。一方、小型化デバイスに電力を供給する方法も重要な研究方向である。摩擦ナノ発電機などの従来の小型発電機は、内部メカニズムの制限により必然的に摩擦と摩耗を引き起こし、さらに使用寿命が短くなり、さらにそのエネルギー損失も発電機の出力電力を制限する。超潤滑技術をマイクロ発電機に使用すれば、超潤滑の無摩耗、非常に低い摩擦の特性により、発電機の使用寿命と出力電力が大幅に向上する。
コンデンサ式超潤滑発電機は、コンデンサの発電原理を利用し、超潤滑特性と組み合わせた新型のマイクロ発電機である。理論的計算の観点から、その発電効率は非常に高く、電流密度は少なくとも従来のマイクロ発電機の最高密度の１００倍であり、さらに、使用寿命が特に長く、非常に大きな利点を有する未来のマイクロ発電機である。しかし、コンデンサ式超潤滑発電機を実現するためには、微細構造付きの大面積（約１００×１００μｍ２）の原子平滑な表面を製造しなければならない。
平滑な表面を製造する従来のプロセスは、エッチング法、犠牲層法、直接堆積法などがある。しかし、微細構造と平滑な表面は異種材料であるため、材料の接合部には常にいくつかのバリ又はピットがあり、平滑ではなく、起伏は約数十ナノメートルであり、これにより、最終的に微細構造を有するデバイスの表面、特にエッジで原子平滑な表面を形成できない。上記のバリ、ピットの問題をさらに解決するか、又は平滑な表面を達成しようとすれば、高精度の研磨機器と技術的手段が必要である。しかし、研磨プロセスの採用は、精度の制御要求が高く、機器コストも高いだけでなく、比較的複雑な、微細構造を有するデバイスの原子平滑な表面を形成しにくいため、操作しやすく、同時にバリ／ピットなどの問題を回避可能な、微細構造付きの大面積の原子平滑なデバイスの製造方法を提供しなければならない。
上記の問題を解決するために、本発明は二次元材料が有する原子平滑で層間作用力が低い特性を利用し、外力の作用下で、基板と二次元材料を機械的に剥離し、ピット又はバリが出現する可能性のある表面を底面として粘着材料によって基板に接続し、従来の微細加工プロセスによるピット又はバリの現象を効果的に回避し、酸素プラズマを用いてエッチングすると、残留した二次元材料を除去した後、微細構造付きの原子平滑な表面を得ることができる。
下から上に基板、粘着材料、基板上に位置する第２の媒体層、微細構造、第１の媒体層を含む微細構造付きの原子平滑なデバイスを提供し、第１の媒体層の表面は原子平滑な表面であり、直径は１～１００μｍであり、フィルムの下に微細構造を有し、微細構造と第１の媒体層、第２の媒体層とは異種材料であり、且つ微細構造と媒体層の間で反応が発生できず、該原子平滑なデバイスのエッジにバリがなく、内部は少なくとも１０×１０μｍ２の範囲内でバリ又はピットがない。
本発明は微細構造付きの原子平滑なデバイスの製造方法をさらに提供し、まず、二次元材料をテンプレートとして第１の媒体層を成長させて原子平滑なフィルムを得て、次にフィルムに微細構造を製造し、微細構造に第２の媒体層を成長させて基板に接続し、二次元材料を機械的に剥離し、少量の残留した二次元材料、第１の媒体層、微細構造、粘着材料、第２の媒体層を有する構造を得て、酸素プラズマによってエッチングし、前記構造上の少量の残留した二次元材料を除去し、フィルムの下に微細構造付きの大面積の原子平滑なデバイスを得る。該製造プロセスは、従来の微細構造の加工によるエッジのバリ又はピットを効果的に回避し、且つ数百ミクロンスケールの大面積の原子平滑なデバイスを製造することができる。
微細構造付きの原子平滑なデバイスの製造方法は、
二次元材料の表面に第１の媒体層を成長させて原子平滑なフィルムを得るステップ１と、
第１の媒体層に微細加工によって微細構造を製造して得るステップ２と、
微細構造上に第２の媒体層を成長させるステップ３と、
第２の媒体層に粘着材料を塗布するステップ４と、
粘着材料によって第２の媒体層を基板に接続するステップ５と、
二次元材料を機械的に剥離し、少量の残留した二次元材料、第１の媒体層、微細構造、第２の媒体層、粘着材料を有する基板を得るステップ６と、
酸素プラズマを用いてエッチングし、基板上の少量の残留した二次元材料を除去するステップ７と、
微細構造付きの原子平滑なデバイスを得るステップ８とを含む。
さらに、前記二次元材料はグラフェン又は高配向性熱分解グラファイトＨＯＰＧを用いる。
さらに、前記第１の媒体層、第２の媒体層は、いずれも絶縁層が好ましく、好ましくは酸化ケイ素層である。
さらに、前記第１の媒体層、第２の媒体層の成長はいずれも堆積方式を用いて製造可能である。
さらに、前記微細構造は金属電極であり、好ましくはＡｕ、Ｃｕ、Ａｇである。
さらに、金属電極の厚さは１０～１５０ｎｍであり、好ましくは２０～５０ｎｍである。
さらに、前記粘着材料は紫外線硬化型接着剤、樹脂から選ばれる１種又は２種である。
さらに、前記基板は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＳＯＩ、サファイア、マイカ、グラフェン、二硫化モリブデンから選ばれる１つ又はそれらの組み合わせである。
さらに、前記原子平滑なフィルムの直径は１μｍ～１００μｍである。
（１）本発明は異種構造の表面に研磨プロセスを採用せず、超潤滑で平滑な表面を得るために、要求が非常に高い研磨機器及び加工技術を使用することを回避する。
（２）本発明は二次元材料が有する原子平滑で層間作用力が低い特性を利用し、層間が互いに剥離可能であり、外力の作用下で、基板と二次元材料を機械的に剥離する過程において、二次元材料は必然的にせん断されて第１の媒体層に付着し、これにより必要な構造の完全性を確保し、ピット又はバリが出現する可能性のある表面を底面として粘着材料によって基板に接続し、従来の微細加工プロセスによるピット又はバリの現象を効果的に回避し、酸素プラズマを用いてエッチングすると、残留した二次元材料を除去可能であり、且つ酸素プラズマは媒体層と反応せず、目標フィルムの表面を損傷しない。原子平滑なデバイスを得て、直径は１００μｍに達することができ、且つフィルムの下に微細構造を有する。本発明の製造方法は簡単で便利であり、従来の微細構造の加工過程で発生するピット又はバリを効果的に回避することができる。
（３）本発明は二次元材料の表面の原子平滑性、即ち、二次元材料（例えば、グラフェン）がどの大きさの平滑な表面を有することができれば、それに対して成長した第１の媒体層がどの大きさの平滑な表面を有するかも利用しているため、幅広い汎用性を有する。
実施例：フィルム（膜）の下に金属電極付きの原子平滑なデバイスの製造
図１のステップ８に示される構造は本実施例における金属電極付きの原子平滑なデバイスであり、該デバイスは下から上にサファイア基板、紫外線硬化型接着剤、基板上に位置する第２の酸化ケイ素層、使用必要に応じて配置されるＡｕ電極、第１の酸化ケイ素層を含み、第１の酸化ケイ素層の表面は原子平滑な表面であり、直径は１～１００μｍであり、第１の酸化ケイ素層の下のＡｕ電極アレイと第１、第２の酸化ケイ素層の間で反応が発生せず、該原子平滑なデバイスのエッジにバリがなく、内部は少なくとも１０μｍ×１０μｍの範囲内で突起又はピットがなかった。
以下、図１、図２を参照しながら、本発明の実施例のデバイスの製造方法を説明し、酸化ケイ素を絶縁媒体材料とし、Ａｕを金属電極とし、紫外線硬化型接着剤を粘着剤とし、サファイアを基板として例にとる。図１に示すように、まず、ＨＯＰＧを解離し、新しい平滑な表面を得て、次に新しい表面に低温で厚さ１００ｎｍの１層の第１の媒体層酸化ケイ素を成長させてから、酸化ケイ素にコンデンサ式超潤滑発電機の金属極板、例えば、６×６×０．２μｍ３のＡｕ電極アレイを作成し、電極ピッチは６μｍであり、次に低温で厚さ５００ｎｍの第２の媒体層酸化ケイ素を成長させることにより、Ａｕ電極アレイを完全に被覆でき、次に１滴の紫外線硬化型接着剤を第２の媒体層酸化ケイ素の表面に滴下し、スピンコーターで接着剤を均一にし、接着剤の厚さを約１００μｍにし、次に、サイズがＨＯＰＧに相当する厚さ１ｍｍの１枚のサファイアシートを紫外線硬化型接着剤に被覆し、紫外線ランプを用いて照射して両者を接着させ、１分間照射した後に、紫外線硬化型接着剤が硬化する。ＨＯＰＧは層状材料で層間解離エネルギーが低いため、機械的剥離の方法を用いてＨＯＰＧとサファイアを解離するときに、紫外線硬化型接着剤、第２の媒体層酸化ケイ素、Ａｕ電極、第１の媒体層酸化ケイ素フィルム及び一部のＨＯＰＧはサファイア上に保留し、最後に、Ｏ２－ －Ｐｌａｓｍａを用いてサファイア上に残留したＨＯＰＧに衝撃を与え、衝撃時間は残留したＨＯＰＧの厚さに応じて決められる。Ｏ２－は酸化ケイ素と反応しないため、ＨＯＰＧを除去した後にフィルムの下に金属電極付きの大面積の原子平滑なデバイスを得ることができる。原子間力顕微鏡下で該デバイスの表面が原子平滑であることを観察した。
本発明で製造されたフィルムの下に微細構造を有する大面積の原子平滑なデバイスは、直径が１００μｍに達することができる。製造方法は簡単で便利であり、従来の微細構造の加工過程で発生するピット又はバリを効果的に回避することができる。異種構造の表面に研磨プロセスを採用しないことにより、超潤滑で平滑な表面を得るために要求が非常に高い研磨機器及び加工技術を使用することを回避することができるため、幅広い適用性を有する。
比較例：従来のエッチング法での金属電極付きのデバイスの製造
以下、図３、図４、図５を参照しながら、本発明の比較例の製造方法及びその効果を説明し、酸化ケイ素基板、Ａｕ電極を例にとる。図３は従来のプロセスで微細構造付きのデバイスを製造するフローチャートを示す。まず、酸化ケイ素基板に１層のフォトレジストをスピンコーティングし、次にマスクを用いてフォトレジストがコーティングされた基板を露光し、次に現像液を用いて露光されたフォトレジストを洗浄し、後続の金属電極のパターンを形成し、次に、フォトリソグラフィーを行い、酸化ケイ素基板上の金属電極パターンの酸化ケイ素を除去し、即ち、空の金属電極パターンを事前にエッチングし、次に、空の酸化ケイ素基板にＡｕを蒸着し、蒸着の厚さはエッチングの厚さとほぼ同じであり、その後に剥離し、即ち、アセトンなどの溶液を用いてフォトレジストと反応し、フォトレジストとフォトレジスト上に蒸着されたＡｕを除去し、次に、基板に１層の絶縁層酸化ケイ素を成長させることにより、Ａｕと酸化ケイ素を被覆した。
図４は従来のエッチング法で製造された原子平滑なデバイスで、バリ、ピットが発生する模式図である。酸化ケイ素が成長する時にＡｕと酸化ケイ素基板への吸着性が異なるため、両者上に成長する酸化ケイ素の成長速度も異なり、これにより、接合部には常にいくつかのバリ又はピットがあり、平滑ではない。図５に示すように、起伏は約数十ナノメートルであり、これにより、最終的に微細構造を有するデバイスの表面、特にエッジで原子平滑な表面を形成できない。つまり、該異種材料層自体は原子平滑であるという要求を満たすことが困難で、フィルムの下に微細構造を有する原子平滑なデバイスを実現することも困難である。したがって、従来の一般的なプロセス手段の観点から、上記の数十ナノメートルの突起又はバリを解決することは困難であり、原子平滑な表面の要求を満たすことができない。
上記の説明は、本発明の好ましい実施例にすぎず、本発明の特許請求の範囲に従って行われる同等の変更及び修正は、いずれも本発明の特許請求の範囲に含まれる範囲に属するべきである。
Claims (15)
- 順に基板、粘着材料、基板上に位置する第２の媒体層、微細構造、第１の媒体層を含む微細構造付きの原子平滑なデバイスであって、
前記第１の媒体層の表面は原子平滑な表面である、ことを特徴とする原子平滑なデバイス。 - 前記原子平滑な表面の直径は１～１００μｍであり、前記原子平滑なデバイスのエッジにバリがなく、内部は少なくとも１０μｍ×１０μｍの範囲内でバリ又はピットがない、ことを特徴とする請求項１に記載の原子平滑なデバイス。
- 前記微細構造と第１、第２の媒体層とは異種材料であり、且つ微細構造と媒体層の間で反応が発生しない、ことを特徴とする請求項１に記載の原子平滑なデバイス。
- 前記第１の媒体層の厚さは２～１００ｎｍであり、前記第１の媒体層、第２の媒体層は、いずれも絶縁層である、ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の原子平滑なデバイス。
- 前記第１の媒体層、第２の媒体層は、いずれも酸化ケイ素層であり、堆積方式を用いて製造して得られる、ことを特徴とする請求項４に記載の原子平滑なデバイス。
- 前記微細構造は金属電極であり、金属電極の厚さは、１０～１５０ｎｍである、ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の原子平滑なデバイス。
- 前記微細構造はＡｕ、Ｃｕ、Ａｇである、ことを特徴とする請求項６に記載の原子平滑なデバイス。
- 前記金属電極の厚さは２０～５０ｎｍである、ことを特徴とする請求項６に記載の原子平滑なデバイス。
- 請求項１に記載の原子平滑なデバイスの製造方法であって、
二次元材料の表面に第１の媒体層を成長させて原子平滑なフィルムを得るステップ１と、
第１の媒体層に微細加工によって微細構造を製造して得るステップ２と、
微細構造上に第２の媒体層を成長させるステップ３と、
第２の媒体層に粘着材料を塗布するステップ４と、
粘着材料によって第２の媒体層を基板に接続するステップ５と、
二次元材料を剥離し、少量の残留した二次元材料、第１の媒体層、微細構造、第２の媒体層、粘着材料を有する構造を得るステップ６と、
酸素プラズマを用いてエッチングし、前記構造上の前記少量の残留した二次元材料を除去するステップ７と、
微細構造付きの原子平滑なデバイスを得るステップ８とを含む、ことを特徴とする製造方法。 - 前記二次元材料は、グラフェン又は高配向性熱分解グラファイトであり、前記第１の媒体層、第２の媒体層は、いずれも絶縁層である、ことを特徴とする請求項９に記載の製造方法。
- 前記微細構造は金属電極であり、金属電極の厚さは１０～１５０ｎｍである、ことを特徴とする請求項９又は１０に記載の製造方法。
- 前記微細構造はＡｕ、Ｃｕ、Ａｇであり、前記金属電極の厚さは２０～５０ｎｍである、ことを特徴とする請求項１１に記載の製造方法。
- 前記粘着材料は紫外線硬化型接着剤、樹脂から選ばれる１種又は２種である、ことを特徴とする請求項９～１０のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記基板は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＳＯＩ、サファイア、マイカ、グラフェン、二硫化モリブデンから選ばれる１つ又はそれらの組み合わせである、ことを特徴とする請求項９～１０のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記原子平滑なフィルムの直径は１μｍ～１００μｍである、ことを特徴とする請求項９～１０のいずれか一項に記載の製造方法。
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