JP4941693B2 - シリコンナノパーティクルのパターニング方法及びこの方法に用いる有機分子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所望の形状にシリコンナノパーティクルを吸着させる方法、すなわち、シリコンナノパーティクルのパターニング方法及びこの方法に用いる有機分子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のナノテクノロジーの気運の高まりとともに、ナノパーティクル、カーボンナノチューブ、自己組織化膜などのナノスケールの人工構造物を組み合わせ、より高次な機能を有する新規な分子素子、ナノデバイスを作製する手法の確立が必要とされている。
人工的にナノ構造物をアッセンブルする有望な手法として、ナノ構造自身を機能化し、発現する特異な化学的、電気的相互作用を人為的に制御することで、高次構造を構築することが考えられる。
特に、自己組織化単分子膜（ＳＡＭ膜）は、末端基を様々に化学修飾することができ（機能化）、このような特質を生かした高次ナノ構造のデバイス等が出現することが期待されている。
例えば、シリコン（Ｓｉ）ナノパーティクルは、量子閉じ込め効果、可視光発光といったバルク結晶では実現できない機能を有しており、Ｓｉナノパーティクルを使用したＳＥＴ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、発光デバイスといったデバイスが模索されている。
【０００３】
このようなデバイスの実現には、Ｓｉナノパーティクルの形成方法と共に、Ｓｉナノパーティクルから成る層または膜を任意の形状に加工する技術、すなわち、パターニング技術が必要とされる。
しかしながら、Ｓｉナノパーティクルはナノメーターサイズの粒子であるため、取り扱いが難しく、特に、蒸着などの手段でＳｉナノパーティクルを基板に堆積して用いる場合にはＳｉナノパーティクルと基板との結合力が弱いために、従来の半導体プロセス技術を用いてパターニングすることは難しかった。
また、Ｓｉナノパーティクル供給源と基板との間にマスクを配置して、供給源からのＳｉナノパーティクルを遮蔽してパターニングする方法もあるが、Ｓｉナノパーティクルの回り込みの問題があり、サブミクロンの精度を必要とするデバイスの作製には適用できない。
【０００４】
また、自己組織化単分子膜は、界面が活性な有機分子の極性部分と基板表面との相互作用により有機分子が表面に吸着すると共に、非極性部分に働く分子間相互作用によって有機分子同士が集合して表面上に整然と並ぶことで形成される単分子膜であり、従って、自己組織化単分子膜は正確に一分子層の厚さを有し、また、種々の機能を有する有機物分子を、自己組織化単分子膜として用いることができる。自己組織化単分子膜の表面にＳｉナノパーティクルを選択吸着させることができれば、Ｓｉナノパーティクル層のパターニングのみならず、たとえば、特異な機能を有する有機分子からなる一分子層を、Ｓｉナノパーティクル層と基板で挟んだ任意形状の量子デバイスが可能になる。
しかしながら、従来技術では、自己組織化単分子膜の表面にＳｉナノパーティクルを選択的に吸着させることができなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記課題に鑑み、シリコンナノパーティクルをサブマイクロメーターの精度でパターニングする方法及びこの方法に用いる有機分子を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、アルカンチオールに官能基を修飾することによって、アルカンチオールからなる自己組織化単分子膜の表面が、シリコンナノパーティクルを選択的に吸着、または、非吸着になることを見いだした。本発明者らは、この発見を基に本発明に到達したものである。
上記課題に鑑み、本発明のシリコンナノパーティクルのパターニング方法は、マイクロコンタクトプリンティング法により、パターニングされた自己組織化膜を基板上に形成し、基板上にシリコンナノパーティクルを供給し、自己組織化膜がシリコンナノパーティクルを吸着しないことを利用してパターニングすることを特徴とする。
また、自己組織化膜を構成する有機分子は、有機分子の一端に、ハロゲン基、カルボキシル基、オレフィン基、アンモニア基、または水酸基のいずれか一つの官能基を有するアルカンチオールであることを特徴とする。
また、ハロゲン基は、例えば、−ＣＦ3 である。
この構成によれば、マイクロコンタクトプリンティング法によって、基板上に所望の形状に、サブマイクロメーターの精度でパターニングされた自己組織化膜を形成し、シリコンナノパーティクルを基板上に供給すれば、自己組織化膜を構成する有機分子がシリコンナノパーティクルを吸着しないので、サブマイクロメーターの精度でパターニングされた自己組織化膜の存在しない領域に、シリコンナノパーティクル層を形成することができる。
【０００７】
また、本発明のシリコンナノパーティクルのパターニング方法は、マイクロコンタクトプリンティング法により、サブマイクロメーターの精度でパターニングされた自己組織化膜を基板上に形成し、基板上にシリコンナノパーティクルを供給し、自己組織化膜がシリコンナノパーティクルを吸着することを利用してパターニングすることを特徴とする。
また、自己組織化膜を構成する有機分子は、この有機分子の一端にアルキル基を有するアルカンチオールであることを特徴とする。
アルキル基は、例えば、−ＣＨ3 である。
この構成によれば、マイクロコンタクトプリンティング法によって、基板上に、所望の形状に、サブマイクロメーターの精度でパターニングされた自己組織化膜を形成し、シリコンナノパーティクルを基板上に供給すれば、自己組織化膜を構成する有機分子がシリコンナノパーティクルを選択的に吸着するので、自己組織化膜の表面にシリコンナノパーティクルをパターニングすることができる。
【０００８】
また上記の、シリコンナノパーティクルのパターニング方法に用いる有機分子は、ハロゲン基、カルボキシル基、オレフィン基、アンモニア基及び水酸基のいずれか一つの官能基で修飾されシリコンナノパーティクルを吸着しないアルカンチオールであるか、又は、アルキル基を有しシリコンナノパーティクルを吸着するアルカンチールであることを特徴とする。この有機分子からなる自己組織化膜を用いれば、シリコンナノパーティクルを吸着したり、吸着しなかったりすることでシリコンナノパーティクルのパターニングができる。
【０００９】
本発明によれば、シリコンナノパーティクル層を、サブマイクロメーターの精度の任意の形状に加工することができる。また、有機分子からなる一分子層をＳｉナノパーティクルと基板で挟んだサブマイクロメーター精度の任意形状の量子デバイスが形成される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明のシリコンナノパーティクルのパターニング方法、及びシリコンナノパーティクルの選択吸着方法を示す図である。
始めに、図１（ａ），（ｂ）に示すように、基板１上に、通常の半導体フォトリソグラフィ技術を用いてレジストパターン２を形成し、基板１上にＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）を流し込んで固めてパターンを写し取ったＰＤＭＳフィルム３を作製する。
次に、図１（ｃ）に示すように、ＰＤＭＳフィルム３を、自己組織化膜を構成する有機分子を含む溶液に浸漬し、ＰＤＭＳフィルム３に有機分子４を付着させる。
この際、シリコンナノパーティクルを自己組織化膜に吸着させないことを目的にする場合には、有機分子の一端を、ハロゲン基、カルボキシル基、アンモニア基、水酸基、またはオレフィン基のいずれか一つの官能基で修飾した有機分子を含む溶液を使用する。
また、シリコンナノパーティクルの吸着を目的とする場合には、有機分子の一端を、−ＣＨ3 等のアルキル基で修飾した有機分子を含む溶液に漬ける。
次に、有機分子４を付着させたＰＤＭＳフィルム３を、基板５に押しつけて、ＰＤＭＳフィルム３の凸部分の有機分子４を基板５に転写し、レジストパターン２の反転パターンを有する自己組織化膜６を形成する。
【００１１】
続いて、自己組織化膜６を形成した基板５上にシリコンナノパーティクル７を供給する。供給手段は、シリコンナノパーティクルを供給できる手段であれば、蒸着法でも、ＣＶＤ（化学気相成長法）でも、その他の手段でも良い。
【００１２】
シリコンナノパーティクルを吸着させない有機分子４を用いた場合には、図１（ｅ）に示すように、シリコンナノパーティクルが自己組織化膜６上には吸着せず、また、基板５の表面がＳｉＯ2 等のシリコンナノパーティクル吸着物質で形成されていれば、自己組織化膜６の無い部分に吸着する。このようにして、シリコンナノパーティクルのパターニングができる。
【００１３】
また、シリコンナノパーティクルの吸着する有機分子４を用いた場合には、図１（ｆ）に示すように、シリコンナノパーティクルが自己組織化膜６上に吸着する。ここで、基板５の表面がＳｉ等のシリコンナノパーティクル非吸着物質で形成されていれば、自己組織化膜６の無い部分には吸着しない。また、自己組織化膜６の無い部分にシリコンナノパーティクルを吸着しない自己組織化膜を埋め込んでおいても良い。このようにして、シリコンナノパーティクルのパターニングができる。
【００１４】
なお、上記に説明した方法において、レジストパターンを形成し、このレジストパターンの反転パターンを有するＰＤＭＳフィルムを作製し、このフィルムに自己組織化膜を構成する有機分子を付着させ、この有機分子を転写してパターニングされた自己組織化膜を得る方法は、マイクロコンタクトプリンティング法と呼ばれており、サブマイクロメーターの精度でパターニングできる。
【００１５】
自己組織化膜に用いる有機分子には、アルカン分子の一端をＨＳ（チオール）で修飾した、すなわちアルカンチオールを用いることができる。以下に、用いることができるアルカンチオールの例を示す。ＨＳ（ＣＨ２）５ＣＨ３（Ｐｅｎｔａｎｔｈｉｏｌ）、ＨＳ（ＣＨ２）８ＯＨ（８−ｈｙｄｒｏｘｙ−１−ｈｅｘａｎｔｈｉｏｌ）、ＨＳ（ＣＨ２）１０ＣＯＯＨ（１０−Ｃａｒｂｏｘｙ−１−ｄｅｃａｎｔｈｉｏｌ）、ＨＳ（ＣＨ２）８ＮＨ２（８−Ａｍｉｎｏ−１−ｈｅｘａｎｔｈｉｏｌ）、ＨＳ（ＣＦ２）７（ＣＨ２）２ＣＦ３（１，１，１，４，４，５，５，６，６，７，７，８，８，９，９，１０，１０−ｈｅｐｔａｄｅｃａｆｌｕｏｒｏｄｅｃａｎｔｈｉｏｌ）。
また、アルカン分子の一端をシランで修飾した、Ｈ２Ｎ（ＣＨ２）２ＮＨＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２Ｓｉ（ＯＣＨ３）３；（Ｎ−（２−Ａｍｉｎｏｅｔｈｙ）ａｍｉｎｏｐｒｏｐｉｌｔｒｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌａｎｅ）も使用することができる。
【００１６】
次に、本発明の実施例１を示す。
自己組織化膜を構成する有機分子として、アルカンチオール（ＨＳ（ＣＨ2 ）5 ＣＨ3 ）分子の一端を、−ＣＯＯＨ、−ＯＨ、−ＣＦ3 及び−ＮＨ2 の官能基で修飾した４種類の有機分子を作製した。
Ｓｉナノパーティクルをパターニングする基板として、Ｓｉ基板を用いた。なお、Ｓｉ基板は表面にＳｉＯ2 の自然酸化膜を有している。
Ｓｉナノパーティクルの供給手段は、レーザーアブレーション法を用いた。レーザーアブレーション条件は、ＹＡＧレーザーエネルギー：５０ｍＪ、くり返し周波数：１Ｈｚ、レーザー照射回数：１００回、雰囲気ガス種：Ａｒ、ガス圧：５Ｔｏｒｒである。この条件で形成されるＳｉナノパーティクルの平均粒径は８ｎｍであった。
【００１７】
次に、試料の作製手順を示す。
１．Ｓｉウェハーをピラハー溶液（Ｈ2 ＳＯ4 ＋Ｈ2 Ｏ2 ）で洗浄した。
２．図１に示した方法で、パターンを有するＰＤＭＳフィルムを作製した。
３．ＰＤＭＳフィルムを上記の有機分子の溶液（１ｍモル濃度、エタノール溶媒）に浸積した。
４．有機分子の付着したＰＤＭＳフィルムをＳｉ基板に押しつけ、Ｓｉ基板上に有機分子からなるパターニングされた自己組織化膜を形成した。
５．パターニングされた自己組織化膜を有するＳｉ基板をレーザーアブレーション装置に配置し、Ｓｉナノパーティクルを供給した。
上記手順で作製した試料表面をＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）で観察した。
【００１８】
上記試料の測定結果を示す。
図２は、自己組織化膜を構成する有機分子が−ＮＨ2 基によって修飾されている場合のＳｉ基板上のＳｉナノパーティクルの分布を示す図である。
図中、ＮＨ2 と表示されている部分は自己組織化膜であり、ＳｉＯ2 と表示されている部分は、自己組織化膜の無いＳｉＯ2 部分である。ＳｉＯ2 上の白い斑点はＳｉナノパーティクルである。
図から明らかなように、Ｓｉナノパーティクルは、自己組織化膜上には吸着しておらず、ＳｉＯ2 上のみに吸着している。また、他の官能基を有する有機分子を用いた場合も同様に、自己組織化膜上には吸着せず、ＳｉＯ2 上のみに吸着した。
このことから、−ＣＯＯＨ、−ＯＨ、−ＣＦ3 及び−ＮＨ2 の官能基で修飾したアルカンチオールはＳｉナノパーティクルを吸着しないことがわかる。
すなわち、これらのアルカンチオールを用いてパターニングすれば、所望の形状にＳｉナノパーティクルをパターニングすることができる。
【００１９】
次に、実施例２を示す。
自己組織化膜を構成する有機分子として、アルカンチオール（ＨＳ（ＣＨ２）５ＣＨ３）分子の一端を、−ＣＨ3、−ＣＯＯＨ、−ＯＨ及び−ＮＨ２の官能基で修飾した４種類の有機分子を作製した。
自己組織化膜を形成する基板として、ＭＩＣＡ（雲母）上にＡｕを５０ｎｍ蒸着し、水素バーナーでアニールしたものを用いた。
この基板を、自己組織化膜を構成する有機分子の溶液（１ｍモル濃度、エタノール溶液）に１日浸漬して、基板上に自己組織化膜を形成した。
Ｓｉナノパーティクルの供給は、実施例１と同様にレーザーアブレーション法を用いた。
上記手順で作製した試料表面をＳＴＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で観察した。
【００２０】
上記試料の測定結果を示す。
図３は、自己組織化膜を構成する有機分子が−ＣＨ3 基によって修飾されている場合のＡｕ基板上のＳｉナノパーティクルの分布を示す図である。
図中、白い斑点はＳｉナノパーティクルである。なお、黒い斑点は、自己組織化膜とＡｕとの相互作用によって生ずる自己組織化膜のエッチピットである。
図から明らかなように、Ｓｉナノパーティクルは、自己組織化膜上に吸着していることがわかる。
図４は、自己組織化膜を構成する有機分子が−ＣＯＯＨ基によって修飾されている場合のＡｕ基板上のＳｉナノパーティクルの分布を示す図である。
自己組織化膜上にＳｉナノパーティクルが吸着していないことがわかる。
図５は、自己組織化膜を構成する有機分子が−ＯＨ基によって修飾されている場合のＡｕ基板上のＳｉナノパーティクルの分布を示す図である。
自己組織化膜上にＳｉナノパーティクルが吸着していないことがわかる。
図６は、自己組織化膜を構成する有機分子が−ＮＨ2 基によって修飾されている場合のＡｕ基板上のＳｉナノパーティクルの分布を示す図である。
自己組織化膜上にＳｉナノパーティクルが吸着していないことがわかる。
図３〜図６から明らかなように、自己組織化膜を構成する有機分子が−ＣＨ3 基によって修飾されている場合にのみＳｉナノパーティクルが吸着することがわかる。
【００２１】
従って、Ｓｉナノパーティクルが吸着する官能基で修飾したアルカンチオールと、Ｓｉナノパーティクルが吸着しない官能基で修飾したアルカンチオールとを用いて、マイクロコンタクトプリンティング法を用いてパターニングすれば、マイクロメータの精度でＳｉナノパーティクル層をパターニングできる。また、任意の形状のＳｉナノパーティクルが吸着した自己組織化膜を得ることができ、例えば、有機分子からなる一分子層を、Ｓｉナノパーティクルと基板で挟んだ任意形状の量子デバイスを形成することができる。
【００２２】
【発明の効果】
上記説明から理解されるように、本発明の方法によれば、シリコンナノパーティクルをサブマイクロメーターの精度でパターニングすることができる。
また、本発明の方法によれば、自己組織化単分子膜の表面にＳｉナノパーティクルをサブマイクロメーターの精度で選択吸着させることができる。
また、本発明の有機分子は、シリコンナノパーティクルの吸着、または、非吸着が可能である。
したがって、本発明をＳｉナノパーティクルを用いるナノデバイスのパターニングに用いれば、極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシリコンナノパーティクルのパターニング方法を示す図である。
【図２】自己組織化膜を構成する有機分子が−ＮＨ2 基によって修飾されている場合のＳｉ基板上のＳｉナノパーティクルの分布を示す図である。
【図３】自己組織化膜を構成する有機分子が−ＣＨ3 基によって修飾されている場合のＡｕ基板上のＳｉナノパーティクルの分布を示す図である。
【図４】自己組織化膜を構成する有機分子が−ＣＯＯＨ基によって修飾されている場合のＡｕ基板上のＳｉナノパーティクルの分布を示す図である。
【図５】自己組織化膜を構成する有機分子が−ＯＨ基によって修飾されている場合のＡｕ基板上のＳｉナノパーティクルの分布を示す図である。
【図６】自己組織化膜を構成する有機分子が−ＮＨ2 基によって修飾されている場合のＡｕ基板上のＳｉナノパーティクルの分布を示す図である。
【符号の説明】
１ レジストパターンを形成する基板
２ レジストパターン
３ ＰＤＭＳフィルム
４ 有機分子
５ 基板
６ 自己組成化膜
７ シリコン（Ｓｉ）ナノパーティクル
【発明の属する技術分野】
本発明は、所望の形状にシリコンナノパーティクルを吸着させる方法、すなわち、シリコンナノパーティクルのパターニング方法及びこの方法に用いる有機分子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のナノテクノロジーの気運の高まりとともに、ナノパーティクル、カーボンナノチューブ、自己組織化膜などのナノスケールの人工構造物を組み合わせ、より高次な機能を有する新規な分子素子、ナノデバイスを作製する手法の確立が必要とされている。
人工的にナノ構造物をアッセンブルする有望な手法として、ナノ構造自身を機能化し、発現する特異な化学的、電気的相互作用を人為的に制御することで、高次構造を構築することが考えられる。
特に、自己組織化単分子膜（ＳＡＭ膜）は、末端基を様々に化学修飾することができ（機能化）、このような特質を生かした高次ナノ構造のデバイス等が出現することが期待されている。
例えば、シリコン（Ｓｉ）ナノパーティクルは、量子閉じ込め効果、可視光発光といったバルク結晶では実現できない機能を有しており、Ｓｉナノパーティクルを使用したＳＥＴ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、発光デバイスといったデバイスが模索されている。
【０００３】
このようなデバイスの実現には、Ｓｉナノパーティクルの形成方法と共に、Ｓｉナノパーティクルから成る層または膜を任意の形状に加工する技術、すなわち、パターニング技術が必要とされる。
しかしながら、Ｓｉナノパーティクルはナノメーターサイズの粒子であるため、取り扱いが難しく、特に、蒸着などの手段でＳｉナノパーティクルを基板に堆積して用いる場合にはＳｉナノパーティクルと基板との結合力が弱いために、従来の半導体プロセス技術を用いてパターニングすることは難しかった。
また、Ｓｉナノパーティクル供給源と基板との間にマスクを配置して、供給源からのＳｉナノパーティクルを遮蔽してパターニングする方法もあるが、Ｓｉナノパーティクルの回り込みの問題があり、サブミクロンの精度を必要とするデバイスの作製には適用できない。
【０００４】
また、自己組織化単分子膜は、界面が活性な有機分子の極性部分と基板表面との相互作用により有機分子が表面に吸着すると共に、非極性部分に働く分子間相互作用によって有機分子同士が集合して表面上に整然と並ぶことで形成される単分子膜であり、従って、自己組織化単分子膜は正確に一分子層の厚さを有し、また、種々の機能を有する有機物分子を、自己組織化単分子膜として用いることができる。自己組織化単分子膜の表面にＳｉナノパーティクルを選択吸着させることができれば、Ｓｉナノパーティクル層のパターニングのみならず、たとえば、特異な機能を有する有機分子からなる一分子層を、Ｓｉナノパーティクル層と基板で挟んだ任意形状の量子デバイスが可能になる。
しかしながら、従来技術では、自己組織化単分子膜の表面にＳｉナノパーティクルを選択的に吸着させることができなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記課題に鑑み、シリコンナノパーティクルをサブマイクロメーターの精度でパターニングする方法及びこの方法に用いる有機分子を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、アルカンチオールに官能基を修飾することによって、アルカンチオールからなる自己組織化単分子膜の表面が、シリコンナノパーティクルを選択的に吸着、または、非吸着になることを見いだした。本発明者らは、この発見を基に本発明に到達したものである。
上記課題に鑑み、本発明のシリコンナノパーティクルのパターニング方法は、マイクロコンタクトプリンティング法により、パターニングされた自己組織化膜を基板上に形成し、基板上にシリコンナノパーティクルを供給し、自己組織化膜がシリコンナノパーティクルを吸着しないことを利用してパターニングすることを特徴とする。
また、自己組織化膜を構成する有機分子は、有機分子の一端に、ハロゲン基、カルボキシル基、オレフィン基、アンモニア基、または水酸基のいずれか一つの官能基を有するアルカンチオールであることを特徴とする。
また、ハロゲン基は、例えば、−ＣＦ3 である。
この構成によれば、マイクロコンタクトプリンティング法によって、基板上に所望の形状に、サブマイクロメーターの精度でパターニングされた自己組織化膜を形成し、シリコンナノパーティクルを基板上に供給すれば、自己組織化膜を構成する有機分子がシリコンナノパーティクルを吸着しないので、サブマイクロメーターの精度でパターニングされた自己組織化膜の存在しない領域に、シリコンナノパーティクル層を形成することができる。
【０００７】
また、本発明のシリコンナノパーティクルのパターニング方法は、マイクロコンタクトプリンティング法により、サブマイクロメーターの精度でパターニングされた自己組織化膜を基板上に形成し、基板上にシリコンナノパーティクルを供給し、自己組織化膜がシリコンナノパーティクルを吸着することを利用してパターニングすることを特徴とする。
また、自己組織化膜を構成する有機分子は、この有機分子の一端にアルキル基を有するアルカンチオールであることを特徴とする。
アルキル基は、例えば、−ＣＨ3 である。
この構成によれば、マイクロコンタクトプリンティング法によって、基板上に、所望の形状に、サブマイクロメーターの精度でパターニングされた自己組織化膜を形成し、シリコンナノパーティクルを基板上に供給すれば、自己組織化膜を構成する有機分子がシリコンナノパーティクルを選択的に吸着するので、自己組織化膜の表面にシリコンナノパーティクルをパターニングすることができる。
【０００８】
また上記の、シリコンナノパーティクルのパターニング方法に用いる有機分子は、ハロゲン基、カルボキシル基、オレフィン基、アンモニア基及び水酸基のいずれか一つの官能基で修飾されシリコンナノパーティクルを吸着しないアルカンチオールであるか、又は、アルキル基を有しシリコンナノパーティクルを吸着するアルカンチールであることを特徴とする。この有機分子からなる自己組織化膜を用いれば、シリコンナノパーティクルを吸着したり、吸着しなかったりすることでシリコンナノパーティクルのパターニングができる。
【０００９】
本発明によれば、シリコンナノパーティクル層を、サブマイクロメーターの精度の任意の形状に加工することができる。また、有機分子からなる一分子層をＳｉナノパーティクルと基板で挟んだサブマイクロメーター精度の任意形状の量子デバイスが形成される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明のシリコンナノパーティクルのパターニング方法、及びシリコンナノパーティクルの選択吸着方法を示す図である。
始めに、図１（ａ），（ｂ）に示すように、基板１上に、通常の半導体フォトリソグラフィ技術を用いてレジストパターン２を形成し、基板１上にＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）を流し込んで固めてパターンを写し取ったＰＤＭＳフィルム３を作製する。
次に、図１（ｃ）に示すように、ＰＤＭＳフィルム３を、自己組織化膜を構成する有機分子を含む溶液に浸漬し、ＰＤＭＳフィルム３に有機分子４を付着させる。
この際、シリコンナノパーティクルを自己組織化膜に吸着させないことを目的にする場合には、有機分子の一端を、ハロゲン基、カルボキシル基、アンモニア基、水酸基、またはオレフィン基のいずれか一つの官能基で修飾した有機分子を含む溶液を使用する。
また、シリコンナノパーティクルの吸着を目的とする場合には、有機分子の一端を、−ＣＨ3 等のアルキル基で修飾した有機分子を含む溶液に漬ける。
次に、有機分子４を付着させたＰＤＭＳフィルム３を、基板５に押しつけて、ＰＤＭＳフィルム３の凸部分の有機分子４を基板５に転写し、レジストパターン２の反転パターンを有する自己組織化膜６を形成する。
【００１１】
続いて、自己組織化膜６を形成した基板５上にシリコンナノパーティクル７を供給する。供給手段は、シリコンナノパーティクルを供給できる手段であれば、蒸着法でも、ＣＶＤ（化学気相成長法）でも、その他の手段でも良い。
【００１２】
シリコンナノパーティクルを吸着させない有機分子４を用いた場合には、図１（ｅ）に示すように、シリコンナノパーティクルが自己組織化膜６上には吸着せず、また、基板５の表面がＳｉＯ2 等のシリコンナノパーティクル吸着物質で形成されていれば、自己組織化膜６の無い部分に吸着する。このようにして、シリコンナノパーティクルのパターニングができる。
【００１３】
また、シリコンナノパーティクルの吸着する有機分子４を用いた場合には、図１（ｆ）に示すように、シリコンナノパーティクルが自己組織化膜６上に吸着する。ここで、基板５の表面がＳｉ等のシリコンナノパーティクル非吸着物質で形成されていれば、自己組織化膜６の無い部分には吸着しない。また、自己組織化膜６の無い部分にシリコンナノパーティクルを吸着しない自己組織化膜を埋め込んでおいても良い。このようにして、シリコンナノパーティクルのパターニングができる。
【００１４】
なお、上記に説明した方法において、レジストパターンを形成し、このレジストパターンの反転パターンを有するＰＤＭＳフィルムを作製し、このフィルムに自己組織化膜を構成する有機分子を付着させ、この有機分子を転写してパターニングされた自己組織化膜を得る方法は、マイクロコンタクトプリンティング法と呼ばれており、サブマイクロメーターの精度でパターニングできる。
【００１５】
自己組織化膜に用いる有機分子には、アルカン分子の一端をＨＳ（チオール）で修飾した、すなわちアルカンチオールを用いることができる。以下に、用いることができるアルカンチオールの例を示す。ＨＳ（ＣＨ２）５ＣＨ３（Ｐｅｎｔａｎｔｈｉｏｌ）、ＨＳ（ＣＨ２）８ＯＨ（８−ｈｙｄｒｏｘｙ−１−ｈｅｘａｎｔｈｉｏｌ）、ＨＳ（ＣＨ２）１０ＣＯＯＨ（１０−Ｃａｒｂｏｘｙ−１−ｄｅｃａｎｔｈｉｏｌ）、ＨＳ（ＣＨ２）８ＮＨ２（８−Ａｍｉｎｏ−１−ｈｅｘａｎｔｈｉｏｌ）、ＨＳ（ＣＦ２）７（ＣＨ２）２ＣＦ３（１，１，１，４，４，５，５，６，６，７，７，８，８，９，９，１０，１０−ｈｅｐｔａｄｅｃａｆｌｕｏｒｏｄｅｃａｎｔｈｉｏｌ）。
また、アルカン分子の一端をシランで修飾した、Ｈ２Ｎ（ＣＨ２）２ＮＨＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２Ｓｉ（ＯＣＨ３）３；（Ｎ−（２−Ａｍｉｎｏｅｔｈｙ）ａｍｉｎｏｐｒｏｐｉｌｔｒｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌａｎｅ）も使用することができる。
【００１６】
次に、本発明の実施例１を示す。
自己組織化膜を構成する有機分子として、アルカンチオール（ＨＳ（ＣＨ2 ）5 ＣＨ3 ）分子の一端を、−ＣＯＯＨ、−ＯＨ、−ＣＦ3 及び−ＮＨ2 の官能基で修飾した４種類の有機分子を作製した。
Ｓｉナノパーティクルをパターニングする基板として、Ｓｉ基板を用いた。なお、Ｓｉ基板は表面にＳｉＯ2 の自然酸化膜を有している。
Ｓｉナノパーティクルの供給手段は、レーザーアブレーション法を用いた。レーザーアブレーション条件は、ＹＡＧレーザーエネルギー：５０ｍＪ、くり返し周波数：１Ｈｚ、レーザー照射回数：１００回、雰囲気ガス種：Ａｒ、ガス圧：５Ｔｏｒｒである。この条件で形成されるＳｉナノパーティクルの平均粒径は８ｎｍであった。
【００１７】
次に、試料の作製手順を示す。
１．Ｓｉウェハーをピラハー溶液（Ｈ2 ＳＯ4 ＋Ｈ2 Ｏ2 ）で洗浄した。
２．図１に示した方法で、パターンを有するＰＤＭＳフィルムを作製した。
３．ＰＤＭＳフィルムを上記の有機分子の溶液（１ｍモル濃度、エタノール溶媒）に浸積した。
４．有機分子の付着したＰＤＭＳフィルムをＳｉ基板に押しつけ、Ｓｉ基板上に有機分子からなるパターニングされた自己組織化膜を形成した。
５．パターニングされた自己組織化膜を有するＳｉ基板をレーザーアブレーション装置に配置し、Ｓｉナノパーティクルを供給した。
上記手順で作製した試料表面をＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）で観察した。
【００１８】
上記試料の測定結果を示す。
図２は、自己組織化膜を構成する有機分子が−ＮＨ2 基によって修飾されている場合のＳｉ基板上のＳｉナノパーティクルの分布を示す図である。
図中、ＮＨ2 と表示されている部分は自己組織化膜であり、ＳｉＯ2 と表示されている部分は、自己組織化膜の無いＳｉＯ2 部分である。ＳｉＯ2 上の白い斑点はＳｉナノパーティクルである。
図から明らかなように、Ｓｉナノパーティクルは、自己組織化膜上には吸着しておらず、ＳｉＯ2 上のみに吸着している。また、他の官能基を有する有機分子を用いた場合も同様に、自己組織化膜上には吸着せず、ＳｉＯ2 上のみに吸着した。
このことから、−ＣＯＯＨ、−ＯＨ、−ＣＦ3 及び−ＮＨ2 の官能基で修飾したアルカンチオールはＳｉナノパーティクルを吸着しないことがわかる。
すなわち、これらのアルカンチオールを用いてパターニングすれば、所望の形状にＳｉナノパーティクルをパターニングすることができる。
【００１９】
次に、実施例２を示す。
自己組織化膜を構成する有機分子として、アルカンチオール（ＨＳ（ＣＨ２）５ＣＨ３）分子の一端を、−ＣＨ3、−ＣＯＯＨ、−ＯＨ及び−ＮＨ２の官能基で修飾した４種類の有機分子を作製した。
自己組織化膜を形成する基板として、ＭＩＣＡ（雲母）上にＡｕを５０ｎｍ蒸着し、水素バーナーでアニールしたものを用いた。
この基板を、自己組織化膜を構成する有機分子の溶液（１ｍモル濃度、エタノール溶液）に１日浸漬して、基板上に自己組織化膜を形成した。
Ｓｉナノパーティクルの供給は、実施例１と同様にレーザーアブレーション法を用いた。
上記手順で作製した試料表面をＳＴＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で観察した。
【００２０】
上記試料の測定結果を示す。
図３は、自己組織化膜を構成する有機分子が−ＣＨ3 基によって修飾されている場合のＡｕ基板上のＳｉナノパーティクルの分布を示す図である。
図中、白い斑点はＳｉナノパーティクルである。なお、黒い斑点は、自己組織化膜とＡｕとの相互作用によって生ずる自己組織化膜のエッチピットである。
図から明らかなように、Ｓｉナノパーティクルは、自己組織化膜上に吸着していることがわかる。
図４は、自己組織化膜を構成する有機分子が−ＣＯＯＨ基によって修飾されている場合のＡｕ基板上のＳｉナノパーティクルの分布を示す図である。
自己組織化膜上にＳｉナノパーティクルが吸着していないことがわかる。
図５は、自己組織化膜を構成する有機分子が−ＯＨ基によって修飾されている場合のＡｕ基板上のＳｉナノパーティクルの分布を示す図である。
自己組織化膜上にＳｉナノパーティクルが吸着していないことがわかる。
図６は、自己組織化膜を構成する有機分子が−ＮＨ2 基によって修飾されている場合のＡｕ基板上のＳｉナノパーティクルの分布を示す図である。
自己組織化膜上にＳｉナノパーティクルが吸着していないことがわかる。
図３〜図６から明らかなように、自己組織化膜を構成する有機分子が−ＣＨ3 基によって修飾されている場合にのみＳｉナノパーティクルが吸着することがわかる。
【００２１】
従って、Ｓｉナノパーティクルが吸着する官能基で修飾したアルカンチオールと、Ｓｉナノパーティクルが吸着しない官能基で修飾したアルカンチオールとを用いて、マイクロコンタクトプリンティング法を用いてパターニングすれば、マイクロメータの精度でＳｉナノパーティクル層をパターニングできる。また、任意の形状のＳｉナノパーティクルが吸着した自己組織化膜を得ることができ、例えば、有機分子からなる一分子層を、Ｓｉナノパーティクルと基板で挟んだ任意形状の量子デバイスを形成することができる。
【００２２】
【発明の効果】
上記説明から理解されるように、本発明の方法によれば、シリコンナノパーティクルをサブマイクロメーターの精度でパターニングすることができる。
また、本発明の方法によれば、自己組織化単分子膜の表面にＳｉナノパーティクルをサブマイクロメーターの精度で選択吸着させることができる。
また、本発明の有機分子は、シリコンナノパーティクルの吸着、または、非吸着が可能である。
したがって、本発明をＳｉナノパーティクルを用いるナノデバイスのパターニングに用いれば、極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシリコンナノパーティクルのパターニング方法を示す図である。
【図２】自己組織化膜を構成する有機分子が−ＮＨ2 基によって修飾されている場合のＳｉ基板上のＳｉナノパーティクルの分布を示す図である。
【図３】自己組織化膜を構成する有機分子が−ＣＨ3 基によって修飾されている場合のＡｕ基板上のＳｉナノパーティクルの分布を示す図である。
【図４】自己組織化膜を構成する有機分子が−ＣＯＯＨ基によって修飾されている場合のＡｕ基板上のＳｉナノパーティクルの分布を示す図である。
【図５】自己組織化膜を構成する有機分子が−ＯＨ基によって修飾されている場合のＡｕ基板上のＳｉナノパーティクルの分布を示す図である。
【図６】自己組織化膜を構成する有機分子が−ＮＨ2 基によって修飾されている場合のＡｕ基板上のＳｉナノパーティクルの分布を示す図である。
【符号の説明】
１ レジストパターンを形成する基板
２ レジストパターン
３ ＰＤＭＳフィルム
４ 有機分子
５ 基板
６ 自己組成化膜
７ シリコン（Ｓｉ）ナノパーティクル
Claims (7)
- マイクロコンタクトプリンティング法により、パターニングされた自己組織化膜を基板上に形成し、この基板上にシリコンナノパーティクルを供給し、上記自己組織化膜がシリコンナノパーティクルを吸着しないことを利用してパターニングすることを特徴とする、シリコンナノパーティクルのパターニング方法。
- 前記自己組織化膜を構成する有機分子は、この有機分子の一端に、ハロゲン基、カルボキシル基、オレフィン基、アンモニア基、または水酸基のいずれか一つの官能基を有するアルカンチオールであることを特徴とする、請求項１に記載のシリコンナノパーティクルのパターニング方法。
- 前記ハロゲン基は、−ＣＦ3であることを特徴とする、請求項２に記載のシリコンナノパーティクルのパターニング方法。
- マイクロコンタクトプリンティング法により、パターニングされた自己組織化膜を基板上に形成し、この基板上にシリコンナノパーティクルを供給し、上記自己組織化膜がシリコンナノパーティクルを吸着することを利用してパターニングすることを特徴とする、シリコンナノパーティクルのパターニング方法。
- 前記自己組織化膜を構成する有機分子は、この有機分子の一端に、アルキル基を有するアルカンチオールであることを特徴とする、請求項４に記載のシリコンナノパーティクルのパターニング方法。
- 前記アルキル基は、−ＣＨ3であることを特徴とする、請求項５に記載のシリコンナノパーティクルのパターニング方法。
- シリコンナノパーティクルのパターニング方法に用いる有機分子であって、
上記有機分子は、
ハロゲン基、カルボキシル基、オレフィン基、アンモニア基及び水酸基のいずれか一つの官能基で修飾されシリコンナノパーティクルを吸着しないアルカンチオール、又は、
アルキル基を有しシリコンナノパーティクルを吸着するアルカンチオールであることを特徴とする、シリコンナノパーティクルのパターニング方法に用いる有機分子。
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