JP2004262667A

JP2004262667A - Substrate and its manufacturing method

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Publication number: JP2004262667A
Application number: JP2003003776A
Authority: JP
Inventors: Durham Pal Gosain; パルゴサインダラム; Hisashi Kajiura; 尚志梶浦; Ryuichiro Maruyama; 竜一郎丸山; Seiji Shiraishi; 誠司白石; Kokin Ko; 厚金黄; Koji Sumino; 宏治角野; Shigeaki Wachi; 滋明和智; Masafumi Ata; 誠文阿多
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-01-09
Filing date: 2003-01-09
Publication date: 2004-09-24

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a substrate which can form a finer pattern of a catalytic metal etc., than that formed through photolithography technology. <P>SOLUTION: A material substrate 10 made of iron (Fe) is irradiated with an energy beam using a diffraction grating to achieve a heat distribution corresponding to a desired pattern. After the surface of the material substrate 10 is melted, the energy beam irradiation is stopped. Heat is dissipated from the surface of the material substrate 10 to form a pattern of projections 14 at positions corresponding to the heat distribution 11. Burying layers 16 are formed in recessed parts 15 around the projections 14, and the upper surfaces 14A and 16A of the projections 14 and the burying layers 16, respectively, are flattened. The iron exposed on the flattened upper layer 14A of the projection 14 is used as a catalyst to form a carbon nanotube, etc. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面の所望の位置に金属触媒等のパターンを有し、カーボンナノチューブ等の製造に好適な基板の製造方法およびその方法により得られた基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のナノテクノロジーの進歩は著しく，なかでもカーボンナノチューブ等の分子構造体は、熱伝導性，電気伝導性，機械的強度などで優れた特性を持つ安定した材料であることから、トランジスタ，メモリ，電界電子放出素子（エミッタ）等の幅広い用途への応用が期待されている。このカーボンナノチューブの大量合成の手法の１つとして、例えば、鉄（Ｆｅ）などの遷移金属のパターンを形成し、その遷移金属パターンを触媒としてカーボンナノチューブを成長させる技術がある（例えば、非特許文献１参照。）。また、触媒から核を形成してアモルファス膜を結晶化させることによって、結晶粒径の位置を制御する技術が知られている（例えば、非特許文献２参照。）。
【０００３】
更に、シリコン（Ｓｉ）基板にニッケル（Ｎｉ）をコーティングすることによってニッケルの突起を有する原盤を作製し、この原盤を非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）基板に押し当ててニッケルを非晶質シリコン基板に転写する技術が知られている（例えば、非特許文献２参照。）。
【０００４】
ところで、基板上に、遷移金属を中心とする金属触媒を所定のパターンで形成する方法としては、半導体の大量生産の技術として用いられるフォトリソグラフィの手法を応用することが考えられる。半導体技術とともに成長してきたフォトリソグラフィは、現在では最小０．０５μｍ（５０ｎｍ）のサイズで構造体を二次元に構成することが可能である。その原理は、一枚のマスクパターンを作製し、このパターンをエネルギービームの助けにより転写することで大量の半導体デバイスの製造を可能とするものである。フォトリソグラフィにより触媒のパターンを形成するには、例えば、基板上にフォトレジストを塗布し、マスクパターンを通過するエネルギービームにより感光させた後、所定の領域のみレジストを除去して、レジストを除去した領域にのみ触媒などのパターンを形成するようにすることができる。
【０００５】
また、本発明に関連する他の技術として、半導体材料から不純物を除去するのに用いられる帯域溶融法（ゾーンメルティング）がある。これは、半導体に高周波加熱などによって幅の狭い溶融帯を作り、この溶融帯をゆっくり移動させることにより、溶融部分に不純物を集めるものである。
【０００６】
【非特許文献１】
日刊工業新聞，平成１４年４月１１日付記事，「ＣＮＴのフィールドエミッター４ボルト低電圧で電子放出」
【非特許文献２】
Ｋ．Ｍａｋｉｈａｒａｅｔａｌ，ＡＭ−ＬＣＤ，‘０２，ｐｐ２５
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のフォトリソグラフィの手法では、微細な加工をするためには、エネルギービームの波長を短くしなければならず、現在の技術ではこれ以上の短波長化は困難である。そのため、フォトリソグラフィにより遷移金属等のパターンを形成する場合には、遷移金属パターンの寸法は、エネルギービームの波長で定まり、現在の技術では０．０５μｍ（５０ｎｍ）以下にすることができず、また、パターンの間隔（ピッチ）は１００ｎｍ以下にすることができない。すなわち、従来の手法では、金属触媒等のより微細なパターンを形成するには限界があるという問題があった。
【０００８】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、より微細なパターンを所望の位置に精度よく形成することが可能な基板の製造方法を提供することにある。
【０００９】
本発明の第２の目的は、より微細なパターンを所定の位置に有し、カーボンナノチューブ等の分子構造体の製造に好適な基板を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による基板の製造方法は、素材基板の表面に対して所望のパターンに応じて変調された熱分布を与え、素材基板の表面を溶融させる溶融工程と、素材基板の表面を放熱させることにより、熱分布に応じた位置に突起のパターンを形成する突起形成工程と、突起の上面を平坦化する平坦化工程とを含むものである。
【００１１】
本発明による第１の基板は、平坦化された上面を有する複数の突起と、複数の突起の側面を覆うと共に前記複数の突起の上面を露出させる埋込み層とを備えた構成を有している。
【００１２】
本発明による第２の基板は、素材基板の表面に対して所望のパターンに応じて変調された熱分布を与え、素材基板の表面を溶融させた後、素材基板の表面を放熱させることにより、熱分布に応じた位置に突起のパターンを形成し、突起の上面を平坦化して作製されたものである。
【００１３】
ここで、「突起」とは、基板の表面から***し、その高さが１ｎｍ以上の場合をいい、点在する突起だけでなく、突条形状のものも含む。
【００１４】
本発明による基板の製造方法および本発明による第２の基板では、素材基板の表面に対して所望のパターンに応じて変調された熱分布が与えられ、素材基板の表面が溶融する。そののち、素材基板の表面を放熱させることにより、熱分布に応じた位置に突起のパターンが形成される。続いて、突起の上面が平坦化される。
【００１５】
本発明による第１の基板では、複数の突起が平坦化された上面を有するので、突起の上面の形状および面積のばらつきが小さく、高さが均一になっている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
〔第１の実施の形態〕
まず、図１ないし図３を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る基板の製造方法について説明する。本実施の形態は、表面の所定の位置に、触媒金属等の特定の材料からなり、上面が平坦化された突起のパターンを有する基板を形成するものであり、素材基板１０の表面に所望のパターンに応じて変調された熱分布１１を与え、素材基板１０の表面を溶融させる「溶融工程」と、素材基板１０の表面を放熱させることにより、熱分布１１に応じた位置に、すなわち所望のパターンで突起を形成する「突起形成工程」と、突起の表面を平坦化する「平坦化工程」とを含むものである。得られた基板は、例えばカーボンナノチューブの成長基板として利用される。
【００１８】
（溶融工程）
まず、図１を参照して溶融工程を説明する。素材基板１０は、本実施の形態では金属触媒としての鉄（Ｆｅ）により構成されている。素材基板１０は、厚さが例えば４０ｎｍであり、例えばシリコン（Ｓｉ）により構成された支持体１０Ａにより保持されている。なお、素材基板１０が十分な厚さを有している場合には、支持体１０Ａは不要である。
【００１９】
素材基板１０の材料は、例えばカーボンナノチューブを形成するための金属触媒としては、上述の鉄（Ｆｅ）の他、バナジウム（Ｖ），マンガン（Ｍｎ），コバルト（Ｃｏ），ニッケル（Ｎｉ），モリブデン（Ｍｏ），タンタル（Ｔａ），タングステン（Ｗ）または白金（Ｐｔ）が挙げられる。また、イットリウム（Ｙ），ルテチウム（Ｌｕ），ホウ素（Ｂ），銅（Ｃｕ），リチウム（Ｌｉ），シリコン（Ｓｉ），クロム（Ｃｒ），亜鉛（Ｚｎ），パラジウム（Ｐｄ），銀（Ａｇ），ルテニウム（Ｒｕ），チタン（Ｔｉ），ランタン（Ｌａ），セリウム（Ｃｅ），プラセオジム（Ｐｒ），ネオジム（Ｎｄ），テルビウム（Ｔｂ），ジスプロシウム（Ｄｙ），ホルミウム（Ｈｏ）またはエルビウム（Ｅｒ）を用いてもよい。なお、以上の物質は２種以上同時に使用してもよく、また、これら物質の２種以上からなる化合物を用いてもよい。また、金属フタロシアン化合物，メタセロン、金属塩を用いることも可能である。更に、酸化物あるいはシリサイドであってもよい。
【００２０】
加えて、用途によっては、素材基板１０の材料は、アルミニウム（Ａｌ），シリコン（Ｓｉ），タンタル（Ｔａ），チタン（Ｔｉ），ジルコニウム（Ｚｒ），ニオブ（Ｎｂ），マグネシウム（Ｍｇ），ホウ素（Ｂ），亜鉛（Ｚｎ），鉛（Ｐｂ），カルシウム（Ｃａ），ランタン（Ｌａ），ゲルマニウム（Ｇｅ）などの金属および半金属などの元素の、窒化物，酸化物，炭化物，フッ化物，硫化物，窒酸化物，窒炭化物，または酸炭化物などからなる誘電体材料を用いることが可能である。具体的には、ＡｌＮ，Ａｌ_２Ｏ_３，Ｓｉ_３Ｎ_４，ＳｉＯ_２，ＭｇＯ，Ｙ_２Ｏ_３，ＭｇＡｌ_２Ｏ_４，ＴｉＯ_２，ＢａＴｉＯ_３，ＳｒＴｉＯ_３，Ｔａ_２Ｏ_５，ＳｉＣ，ＺｎＳ，ＰｂＳ，Ｇｅ−Ｎ，Ｇｅ−Ｎ−Ｏ，Ｓｉ−Ｎ−Ｏ，ＣａＦ_２，ＬａＦ，ＭｇＦ_２，ＮａＦ，ＴｉＦ_４などである。更にまた、これらの材料を主成分とする材料や、これらの材料の混合物、例えばＡｌＮ−ＳｉＯ_２を用いることも可能である。加えてまた、鉄（Ｆｅ），コバルト（Ｃｏ），ニッケル（Ｎｉ），ガドリニウム（Ｇｄ）等の磁性体材料を用いることもできる。
【００２１】
熱分布１１は、素材基板１０の表面温度がエネルギービーム１２の照射により空間的に変調されて、高温領域１１Ｈと低温領域１１Ｌとが周期的に形成されたものである。エネルギービーム１２は、波長および位相の揃った平行光であり、本実施の形態では、高出力を得るため、例えばＸｅＣｌエキシマレーザを用いる。
【００２２】
本実施の形態では、熱分布１１は、エネルギービーム１２を回折格子１３で回折させることにより与えられる。回折格子１３は、エネルギービーム１２を回折させてエネルギー量を空間的に変調するものであり、例えば、光学ガラス板に、直線状の平行な溝１３Ａが一定の周期間隔Ｐで一次元方向に配列されたものである。本実施の形態では、例えば、石英材料よりなる板に直線状の平行な溝１３Ａが例えば１μｍの周期間隔Ｐで一次元方向に配列され、エネルギービーム１２のエネルギー量を、溝１３Ａが配列されている方向に沿って一次元方向に変調するようになっている。なお、回折格子１３は必ずしも溝などの凹凸を形成したものに限られず、例えば、エネルギービーム１２の透過部分と非透過部分とが印刷により形成されたものであってもよい。
【００２３】
このような回折格子１３を用いることにより、高温領域１１Ｈは、溝１３Ａの延長方向に沿った直線状に形成されると共に、溝１３Ａの配列されている方向に沿って一次元方向に配列される。熱分布１１の空間的周期Ｔ、すなわち高温領域１１Ｈの間隔（ピッチ）は、回折格子１３の周期間隔Ｐおよびエネルギービーム１２の波長λに応じて定まる。波長λを小さくするほど、または、周期間隔Ｐを微細にするほど熱分布１１の空間的周期Ｔを微細化することができる。
【００２４】
エネルギービーム１２のエネルギー量は、低温領域１１Ｌにおいて素材基板１０の表面が溶融する温度となるように設定される。これにより、素材基板１０の表面の全体を溶融させることができる。このとき、エネルギービーム１２としてエキシマレーザを用いると、パルス発光の照射回数によりエネルギー量の制御を行うことができる。本実施の形態では、例えば、エネルギービーム１２のエネルギー量を３５０ｍＪ／ｃｍ^２、パルス照射回数を１００回とする。
【００２５】
（突起形成工程）
次に、図２を参照して突起形成工程を説明する。すなわち、溶融工程において素材基板１０の表面を溶融させたのち、エネルギービーム１２の照射を止めると、素材基板１０の表面の温度は徐々に低下して凝固するが、このとき、溶融工程において照射されたエネルギービーム１２のエネルギー量が一定値を超えている場合には、高温領域１１Ｈに対応する位置に、素材基板１０の表面から***した突起１４が形成される。
【００２６】
突起１４は、高温領域１１Ｈが溝１３Ａに対応して一次元方向に配列された直線状であるので、これに対応して、一次元方向に配列された直線状のリブ（突条）のパターンとして形成される。突起１４の幅（線幅）Ｗ、すなわち熱分布１１の変調方向における突起１４の下端部の寸法は、溶融温度および冷却速度により定まる。溶融温度は、エネルギービーム１２のエネルギー量、すなわちエキシマレーザの場合にはパルス照射回数によって制御することができ、溶融温度が高いほど、突起１４の幅Ｗは大きくなる。冷却速度は、素材基板１０または素材基板１０のホルダーを真空中またはガス雰囲気中に配置する方法、ガスフローによる方法、水または液体窒素中で冷却する方法、あるいは加熱しながらゆっくり冷却する方法などによって制御することができ、冷却速度が速いほど突起１４の幅Ｗは大きくなる。突起１４の幅Ｗは、原理的には素材基板１０の構成物質の原子の大きさより大きい任意の値をとり得るものであり、溶融温度および冷却速度を制御することにより従来のフォトリソグラフィ技術では不可能であった５０ｎｍ未満を実現することができる。
【００２７】
突起１４の幅Ｗの具体的な値は、後述する基板の用途によって定められるが、例えばカーボンナノチューブを形成する場合には、突起１４の幅Ｗは、０．４ｎｍ以上５０ｎｍ未満であることが好ましい。カーボンナノチューブの直径が、最小で０．４ｎｍであるからである。
【００２８】
突起１４の幅Ｗは、０．４ｎｍ以上３０ｎｍ以下であればより好ましい。カーボンナノチューブは、直径が０．４ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲にあるものが多いからである。
【００２９】
更に、突起１４の幅Ｗは、０．４ｎｍ以上１０ｎｍ以下であれば更に好ましい。なぜなら、突起１４の幅方向に多数のカーボンナノチューブが接近して屹立する可能性が小さくなるので、これらのカーボンナノチューブを例えば電界電子放射素子（エミッタ）として使用する場合に、カーボンナノチューブの各々の表面における電界強度の低下を防止し、電界放出に必要な印加電圧を小さくすることができるからである。また、例えばカーボンナノチューブを記録装置（メモリ）として利用する場合には、一本の突起１４には幅方向に１本のみのカーボンナノチューブを形成することが必要となる場合があるので、カーボンナノチューブの直径と突起１４の幅Ｗとを一致させることが好ましいからである。
【００３０】
また、突起１４の間隔Ｌ、すなわち熱分布１１の変調方向における突起１４の間隔（ピッチ）は、熱分布１１の空間的周期Ｔに応じて、すなわち回折格子１３の周期間隔Ｐおよびエネルギービーム１２の波長λに応じて定まる。波長λを小さくするほど、または、周期間隔Ｐを微細にするほど突起１４の間隔Ｌを微細化することができ、従来のフォトリソグラフィでは不可能な微細な間隔Ｌで突起１４を形成することが可能である。
【００３１】
突起１４の間隔Ｌは、例えば１００ｎｍ以下であることが好ましい。従来のフォトリソグラフィでは解像限界が５０ｎｍであるため、従来のフォトリソグラフィで形成可能な最小のパターンは、例えば山５０ｎｍ、谷５０ｎｍ、および山５０ｎｍで、その間隔は解像限界の２倍すなわち１００ｎｍとなるからである。更に、突起１４の間隔Ｌは、５０ｎｍ以下とすればより好ましい。従来の電子ビームリソグラフィの解像限界が２５ｎｍ程度であるため、従来の電子ビームリソグラフィで形成可能な最小のパターンの間隔は、同様に解像限界の２倍すなわち５０ｎｍとなるからである。
【００３２】
（平坦化工程）
次に、図３を参照して平坦化工程を説明する。まず、図３（Ａ）に示したように、突起１４の周囲の凹部１５に、埋込み層１６を形成する。この埋込み層１６は、後述するようにＣＭＰ（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ；化学機械研磨）で突起１４の上面を平坦化する際の平坦化層として用いられるものであり、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）を、ＳＯＧ（ＳｐｉｎＯｎＧｌａｓｓ）により塗布することにより、またはＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などにより形成される。なお、埋込み層１６の材料は、上述の二酸化ケイ素の他、窒化ケイ素（ＳｉＮ），ポリイミド，ポリメチルメタクリレート（ＰｏｌｙＭｅｔｈｙｌＭｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ；ＰＭＭＡ），金属酸化膜などの絶縁体材料、あるいはシリコン，ゲルマニウムなどの半導体材料を用いてもよい。
【００３３】
なお、埋込み層１６の厚さは、突起１４を覆い尽くすように形成してもよく、突起１４の一部、例えば最先端部分が埋込み層１６から突出するように形成してもよい。
【００３４】
続いて、図３（Ｂ）に示したように、突起１４および埋込み層１６を例えばＣＭＰにより研磨し、突起１４の上面１４Ａおよび埋込み層１６の上面１６Ａを平坦化する。これにより、平坦化された上面１４Ａを有する突起１４と、突起１４の側面を覆うと共に突起１４の上面１４Ａを露出させる埋込み層１６とを有する基板１７が得られる。
【００３５】
平坦化された上面１４Ａの幅Ｗａは、突起１４の幅Ｗのとりうる値の範囲内で、ＣＭＰによる研磨時間により制御することができる。すなわち、突起１４は先端になるに従って断面積が小さくなっているので、ＣＭＰによる研磨時間を長くするほど上面１４Ａの幅Ｗａは大きくなる。なお、突起１４の間隔Ｌは、平坦化の前後を通じて同一である。
【００３６】
したがって、突起１４の上面１４Ａを平坦化することにより、上面１４Ａの幅Ｗａを、突起１４の幅Ｗと同様に、従来のフォトリソグラフィ技術では不可能であった５０ｎｍ未満とすると共に、上面１４Ａの面積および形状のばらつきを少なくし、高さを均一にすることができる。
【００３７】
突起１４の上面１４Ａを平坦化したのち、例えば、図４に示したように、この上面１４Ａに露出した鉄を触媒として、基板１７上に複数のカーボンナノチューブ１８が直線状に配列されたカーボンナノチューブ構造体１９を形成することができる。
【００３８】
このように本実施の形態では、素材基板１０の表面に対して熱分布１１を与え、素材基板１０の表面を溶融させたのち、素材基板１０の表面を放熱させることにより、熱分布１１に応じた位置に突起１４のパターンを形成し、そののち突起１４の上面を平坦化するようにしたので、溶融温度および冷却速度を制御することにより、突起１４の幅Ｗおよび上面１４Ａの幅Ｗａを、従来のフォトリソグラフィ技術では不可能であった５０ｎｍ未満とすることが可能となる。また、熱分布１１の空間的周期Ｔを制御することにより突起１４を従来のフォトリソグラフィ技術では不可能であった微細な間隔Ｌで形成することができる。
【００３９】
また、突起１４のパターンを有する基板１７をドライプロセスにより形成することができるので、従来のフォトリソグラフィを利用したプロセスに比べて生産が容易であり、再現性が良く、低コスト化が可能である等の利点を得ることができる。
【００４０】
更に、エネルギービーム１２を回折させることにより熱分布１１を与えるようにしたので、回折格子１３の周期間隔Ｐを微細化することにより熱分布１１の空間的周期Ｔを容易に制御し、突起１４の間隔Ｌを微細化することができる。
【００４１】
加えて、本実施の形態では、突起１４の上面１４Ａを平坦化するようにしたので、上面１４Ａの幅Ｗａを、突起１４の幅Ｗと同様に、従来のフォトリソグラフィ技術では不可能であった５０ｎｍ未満とすると共に、上面１４Ａの面積および形状のばらつきを少なくし、高さを均一にすることができる。
【００４２】
〔第２の実施の形態〕
次に、本発明の第２の実施の形態に係る基板の製造方法について説明する。本実施の形態の方法は、上記第１の実施の形態で得られた基板１７を転写用原盤として、その突起のパターンを、別の被転写基板に転写する上面転写工程を更に含むようにしたものである。
【００４３】
（溶融工程，突起形成工程および平坦化工程）
まず、図５に示したように、上面が平坦化された突起を有する転写用原盤（以下，原盤という）２０を作製する。原盤２０は、上記第１の実施の形態の基板１７と同様に、溶融工程，突起形成工程および平坦化工程を行うことによって形成したものである。すなわち、素材基板１０に突起１４および埋込み層１６を形成し、突起１４の上面１４Ａおよび埋込み層１６の上面１６Ａを平坦化する。
【００４４】
（上面転写工程）
次に、図６を参照して上面転写工程を説明する。まず、図６（Ａ）に示したように、例えば導電性膜２２の配線パターンが予め形成された被転写基板２１を用意する。
【００４５】
続いて、図６（Ｂ）に示したように、原盤２０の突起１４の上面１４Ａと被転写基板２１の導電性膜２２とを対向させて密接させる。このとき、転写特性向上のため、必要に応じて加圧することが好ましい。更に、加熱処理を行うようにすれば、転写特性をいっそう良好にすることができるので、より好ましい。
【００４６】
そののち、原盤２０を被転写基板２１から引き離すと、図６（Ｃ）に示したように、突起１４の上面１４Ａのパターンが、被転写基板２１に転写される。こうして、被転写基板２１の上に、鉄よりなる転写パターン２３が形成された基板２４が形成される。よって、一枚の原盤２０から多数の被転写基板２１に突起１４の上面１４Ａを転写して基板２４を大量に製造することができる。また、突起１４の上面１４Ａは、平坦化工程により面積および形状のばらつきが少なく、高さが均一になっているので、転写パターン２３の面積および形状のばらつきが少なくなる。よって、微細な転写パターン２３を高精度に形成することができる。更に、転写を繰り返すことにより突起１４が磨耗した場合には、再び平坦化工程の研磨を繰り返して突起１４の上面１４Ａの形状を回復させることなどが可能である。
【００４７】
被転写基板２１に転写パターン２３を形成して基板２４を形成したのち、例えば、図７に示したように、この転写パターン２３を触媒として基板２４上にカーボンナノチューブ２５を成長させ、複数のカーボンナノチューブ２５が直線状に配列されたカーボンナノチューブ構造体２６を形成することができる。このように導電性膜２２上に形成されたカーボンナノチューブ構造体２６は、電界電子放出素子として利用することができる。
【００４８】
このように本実施の形態では、突起１４の上面１４Ａを被転写基板２１に転写するようにしたので、一枚の原盤２０から多数の被転写基板２１に突起１４の上面１４Ａを転写して基板２４を大量に製造することができる。また、突起１４Ａの上面１４Ａは、平坦化工程により面積および形状のばらつきが少なく、高さが均一になっているので、転写パターン２３を高精度に形成することができる。
【００４９】
〔第３の実施の形態〕
次に、図８ないし図１５を参照して、第３の実施の形態に係る基板の製造方法について説明する。本実施の形態は、溶融工程において、エネルギービームのエネルギー量を二次元方向すなわちＸ方向およびＹ方向に変調させ、素材基板１０の表面に対してＸ方向熱分布３１ＸおよびＹ方向熱分布３１Ｙを与えるようにしたものである。
【００５０】
（溶融工程）
まず、図８を参照して溶融工程を説明する。Ｘ方向熱分布３１Ｘは、素材基板１０の表面温度がＸ方向に変調されて、Ｘ方向高温領域３１ＸＨとＸ方向低温領域３１ＸＬとが周期的に形成されたものである。また、Ｙ方向温度分布３１Ｙは、素材基板１０の表面温度がＹ方向に変調されて、Ｙ方向高温領域３１ＹＨとＹ方向低温領域３１ＹＬとが周期的に形成されたものである。
【００５１】
Ｘ方向熱分布３１ＸおよびＹ方向熱分布３１Ｙは、例えば、エネルギービーム１２を、非透過部分３２Ａおよび透過部分３２Ｂが二次元方向に配列された回折格子３２で回折させることにより与えられる。回折格子３２としては、例えば、非透過部分３２Ａにエネルギービーム１２を透過させないマスクが印刷されたものなどを用いることができる。
【００５２】
図９は、素材基板１０の表面においてＸ方向温度分布３１ＸとＹ方向温度分布３１Ｙとが重畳されることにより、熱分布３３が形成された状態を表している。図８に示したように、素材基板１０の表面には、Ｘ方向高温領域３１ＸＨとＹ方向高温領域３１ＹＨとの重複する位置に高温領域３３Ｈを有し、Ｘ方向低温領域３１ＸＬとＹ方向低温領域３１ＹＬとの重複する位置に低温領域３３Ｌを有するような熱分布３３が形成される。これにより、高温領域３３Ｈは、非透過部分３２Ａおよび透過部分３２Ｂの配列されている方向に沿って二次元方向に配列される。
【００５３】
熱分布３３のＸ方向における空間的周期ＴＸ、すなわち高温領域３３ＨのＸ方向における間隔（ピッチ）は、回折格子３２のＸ方向における周期間隔ＰＸおよびエネルギービーム１２の波長λに応じて定まる。また、熱分布３３のＹ方向における空間的周期ＴＹ、すなわち高温領域３３ＨのＹ方向における間隔（ピッチ）は、回折格子３２のＹ方向における周期間隔ＰＹおよびエネルギービーム１２の波長λに応じて定まる。波長λを小さくするほど、または周期間隔ＰＸ，ＰＹを微細にするほど熱分布３３の空間的周期ＴＸ，ＴＹを微細化することができる。ここで、本実施の形態では、回折格子３２のＸ方向における周期間隔ＰＸとは、一つの非透過部分３２ＡのＸ方向における寸法と一つの透過部分３２ＢのＸ方向における寸法との和をいい、回折格子３２のＹ方向における周期間隔ＰＹとは、一つの非透過部分３２ＡのＹ方向における寸法と一つの透過部分３２ＢのＹ方向における寸法との和をいう。
【００５４】
回折格子３２のＸ方向における周期間隔ＰＸとＹ方向における周期間隔ＰＹとは、互いに独立に設定することができる。したがって、図１０に示したように、熱分布３３のＸ方向における空間的周期ＴＸとＹ方向における空間的周期ＴＹとを、互いに独立に設定することも可能である。
【００５５】
なお、回折格子３２としては、マスク印刷により非透過部分３２Ａおよび透過部分３２Ｂが形成されたものではなく、凹部または凸部が形成されたものを用いることも可能である。凹凸が形成された回折格子３２の場合には、回折格子３２のＸ方向における周期間隔ＰＸとは、凹部（または凸部）のＸ方向における間隔（ピッチ）をいい、回折格子３１のＹ方向における周期間隔ＰＹとは、凹部（または凸部）のＹ方向における間隔（ピッチ）をいう。
【００５６】
エネルギービーム１２のエネルギー量は、低温領域３３Ｌにおいて素材基板１０の表面が溶融する温度となるように設定される。これにより、素材基板１０の表面の全体を溶融させることができる。このとき、エネルギービーム１２としてエキシマレーザを用いると、パルス発光の照射回数によりエネルギー量の制御を行うことができる。
【００５７】
（突起形成工程）
次に、図１１および図１２を参照して、突起形成工程を説明する。溶融工程において素材基板１０の表面の全体を溶融させたのち、エネルギービーム１２の照射を止めて素材基板１０の表面を放熱させ、熱分布３３に応じた位置すなわち高温領域３３Ｈに対応する位置に突起３４を形成する。
【００５８】
突起３４は、高温領域３３Ｈが素材基板１０の表面に二次元方向に配列されているので、これに対応して、素材基板１０の表面に二次元方向に配列された錘体のパターンとして形成される。突起３４の下端部のＸ方向における寸法（直径）ＤＸおよびＹ方向における寸法（直径）ＤＹは、溶融温度および冷却速度により定まる。溶融温度は、第１の実施の形態と同様に制御することができ、溶融温度が高いほど、突起３４の寸法ＤＸ，ＤＹは大きくなる。また、冷却速度は第１の実施の形態と同様に制御することができ、冷却速度が速いほど突起３４の寸法ＤＸ，ＤＹは大きくなる。突起３４の寸法ＤＸ，ＤＹは、原理的には素材基板１０の構成物質の原子の大きさより大きい任意の値をとりうるものであり、溶融温度および冷却速度を制御することにより従来のフォトリソグラフィ技術では不可能であった５０ｎｍ未満を実現することができる。
【００５９】
突起３４の寸法ＤＸ，ＤＹの具体的な値は、後述する基板の用途によって定められるが、例えばカーボンナノチューブを形成する場合には、突起３４の寸法ＤＸ，ＤＹはそれぞれ、０．４ｎｍ以上５０ｎｍ未満であることが好ましい。カーボンナノチューブの直径が、最小で０．４ｎｍであるからである。
【００６０】
突起３４の寸法ＤＸ，ＤＹはそれぞれ、０．４ｎｍ以上３０ｎｍ以下であればより好ましい。カーボンナノチューブは、直径が３ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲にあるものが多いからである。
【００６１】
更に、突起３４の寸法ＤＸ，ＤＹは、０．４ｎｍ以上１０ｎｍ以下であれば更に好ましい。なぜなら、突起３４のＸ方向またはＹ方向に多数のカーボンナノチューブが接近して屹立する可能性が小さくなるので、これらのカーボンナノチューブを例えば電界電子放出素子として使用する場合に、カーボンナノチューブの各々の表面における電界強度の低下を防止し、電界放出に必要な印加電圧を小さくすることができるからである。また、例えばカーボンナノチューブを記録装置（メモリ）として利用する場合には、一つの突起３４には１本のみのカーボンナノチューブを形成することが必要となる場合があるので、カーボンナノチューブの直径と突起３４の寸法ＤＸ，ＤＹとを一致させることが好ましいからである。
【００６２】
また、突起３４のＸ方向における間隔ＬＸ、およびＹ方向における間隔ＬＹは、熱分布３３の空間的周期ＴＸ，ＴＹに応じて、すなわち回折格子３２の周期間隔ＰＸ，ＰＹおよびエネルギービーム１２の波長λに応じて定まる。波長λを小さくするほど、または、回折格子３２の周期間隔ＰＸ，ＰＹを微細にするほど突起３４の間隔ＬＸ，ＬＹを微細化することができ、従来のフォトリソグラフィでは不可能な微細な間隔ＬＸ，ＬＹで突起３４を形成することも可能である。
【００６３】
突起３４の間隔ＬＸ，ＬＹは、例えば１００ｎｍ以下であることが好ましい。前述のように、従来のフォトリソグラフィでは解像限界が５０ｎｍであるため、従来のフォトリソグラフィで形成可能な最小のパターンは、例えば山５０ｎｍ、谷５０ｎｍ、および山５０ｎｍで、その間隔は解像限界の２倍すなわち１００ｎｍとなるからである。更に、突起３４の間隔ＬＸ，ＬＹは、５０ｎｍ以下とすればより好ましい。従来の電子ビームリソグラフィの解像限界が２５ｎｍ程度であるため、従来の電子ビームリソグラフィで形成可能な最小のパターンの間隔は、同様に解像限界の２倍すなわち５０ｎｍとなるからである。
【００６４】
なお、図１０に示したように熱分布３３のＸ方向における空間的周期ＴＸとＹ方向における空間的周期ＴＹとを、互いに独立に設定した場合には、これに対応して、例えば図１３に示したように突起３４が楕円形に形成される。
【００６５】
（平坦化工程）
次に、図１４（Ａ）に示したように、突起３４の周囲の凹部３５に、第１の実施の形態と同様に、平坦化層としての埋込み層３６を形成する。埋込み層３６の厚さは、突起３４を覆い尽くすようにしてもよく、突起３４の一部、例えば最先端部分が埋込み層３６から突出するように形成してもよい。
【００６６】
続いて、図１４（Ｂ）に示したように、突起３４および埋込み層３６を例えばＣＭＰにより研磨し、突起３４の上面３４Ａおよび埋込み層３６の上面３６Ａを平坦化する。これにより、平坦化された上面３４Ａを有する突起３４と、突起３４の側面を覆うと共に突起３４の上面３４Ａを露出させる埋込み層３６とを有する基板３７が得られる。
【００６７】
平坦化された上面３４ＡのＸ方向における寸法ＤＸａおよびＹ方向における寸法ＤＹａは、突起３４のＸ方向における寸法ＤＸおよびＹ方向における寸法ＤＹのとりうる値の範囲内で、ＣＭＰによる研磨時間により制御することができる。すなわち、突起３４は先端になるに従って断面積が小さくなっているので、ＣＭＰによる研磨時間を長くするほど上面３４ＡのＸ方向における寸法ＤＸａおよびＹ方向における寸法ＤＹａは大きくなる。なお、突起３４のＸ方向における間隔ＬＸおよびＹ方向における間隔ＬＹは、平坦化の前後を通じて同一である。
【００６８】
したがって、突起３４の上面３４Ａを平坦化することにより、上面３４ＡのＸ方向における寸法ＤＸａおよびＹ方向における寸法ＤＹａを、突起３４のＸ方向における寸法ＤＸおよびＹ方向における寸法ＤＹと同様に、従来のフォトリソグラフィ技術では不可能であった５０ｎｍ未満とすると共に、上面３４Ａの面積および形状のばらつきを少なくし、高さを均一にすることができる。
【００６９】
突起３４の上面３４Ａを平坦化したのち、例えば、図１６に示したように、この上面３４Ａに露出した鉄を触媒として基板３７上にカーボンナノチューブ３８を成長させ、カーボンナノチューブ３８が二次元方向に配列されたカーボンナノチューブ構造体３９を形成することができる。
【００７０】
このように本実施の形態では、エネルギービーム１２のエネルギー量を二次元方向に変調させることにより熱分布３３を形成するようにしたので、素材基板１０の表面に二次元方向に配列された突起３４のパターンを形成することが可能となる。
【００７１】
また、回折格子３２を用いてエネルギービーム１２を回折させることにより熱分布３３を形成するようにしたので、回折格子３２の周期間隔ＰＸ，ＰＹを微細化することにより熱分布３３の空間的周期ＴＸ，ＴＹを容易に制御し、突起３４の間隔ＬＸ，ＬＹを微細化することができる。
【００７２】
更に、本実施の形態では、突起３４の上面３４Ａを平坦化するようにしたので、上面３４ＡのＸ方向における寸法ＤＸａおよびＹ方向における寸法ＤＹａを、突起３４のＸ方向における寸法ＤＸおよびＹ方向における寸法ＤＹと同様に、従来のフォトリソグラフィ技術では不可能であった５０ｎｍ未満とすると共に、上面３４Ａの面積および形状のばらつきを少なくし、高さを均一にすることができる。
【００７３】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態では、パルスの照射回数によりエネルギービーム１２のエネルギー量を調整するようにしたが、パルスの照射回数、照射強度およびパルス幅のそれぞれを調整することが可能である。
【００７４】
また、上記実施の形態および変形例では、熱分布１１，３３を回折格子１３，３２を用いて形成するようにしたが、ビームスプリッタおよびミラーを用いて形成してもよい。
【００７５】
更に、第２の実施の形態では、溶融工程，突起形成工程および平坦化工程を第１の実施の形態と同様に行い、リブ状の突起１４を形成するようにしたが、第３の実施の形態と同様に行い、突起を二次元方向に配列させることも可能である。
【００７６】
加えて、上記実施の形態では、ＸｅＣｌエキシマレーザを用いてエネルギービーム１２を照射するようにしたが、ＸｅＣｌエキシマレーザ以外のレーザを用いるようにしてもよく、更に、加熱手段として、変調により熱分布を形成できるものであれば、一般的な汎用の電気加熱炉（拡散炉）もしくはランプなどの他の方法により加熱するようにしてもよい。
【００７７】
更にまた、上記各実施の形態では、突起形成工程での放熱を溶融工程を終了したのちの常温による自然冷却としたが、常温未満の温度により強制的に冷却して突起形成工程を短縮することも可能である。
【００７８】
加えてまた、上記実施の形態では、埋込み層１６，３６を形成したのち、突起１４，３４の上面１４Ａ，３４Ａを研磨により平坦化する場合について説明したが、埋込み層１６，３６を突起１４，３４の例えば最先端部分が突出するように形成し、平坦化を行わずに、埋込み層１６，３６から突出した突起１４，３４の最先端部分を、カーボンナノチューブの成長に用いるようにすることも可能である。
【００７９】
更にまた、上記実施の形態では、素材基板１０を鉄により構成し、この鉄を触媒としてカーボンナノチューブを形成し、電界電子放出素子として用いる場合について説明したが、本発明は素材基板１０を構成する物質を適宜選択することによって他の素子、あるいはその製造にも適用可能である。
【００８０】
加えてまた、素材基板１０の材料として鉄（Ｆｅ）などの磁性体材料を用いることにより、カーボンナノチューブに磁性体を内包したメモリ素子として用いることなども可能である。カーボンナノチューブに磁性体を内包させるには、カーボンナノチューブの先端を開放端としたのちに鉄（Ｆｅ）を含む雰囲気中に配置し、開放端からカーボンナノチューブ内部に磁性体材料を取り込ませる方法などが可能である。
【００８１】
メモリ素子は、上述の鉄（Ｆｅ）の他、スズ（Ｓｎ），チタン（Ｔｉ），ビスマス（Ｂｉ），ゲルマニウム（Ｇｅ），アンチモン（Ｓｂ），鉛（Ｐｂ），アルミニウム（Ａｌ），インジウム（Ｉｎ），硫黄（Ｓ），セレン（Ｓｅ），カドミウム（Ｃｄ），ガドリニウム（Ｇｄ），ハフニウム（Ｈｆ）などを用いることにより形成可能である。
【００８２】
更にまた、上記実施の形態では、筒状炭素分子としてカーボンナノチューブを形成する場合について説明したが、本発明は、カーボンナノチューブに限らず、カーボンナノホーンあるいはカーボンナノファイバー等を形成する場合にも適用可能である。
【００８３】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の基板の製造方法、または請求項１４または請求項１５記載の基板によれば、素材基板の表面に対して所望のパターンに応じて変調された熱分布を与え、素材基板の表面を溶融させたのち、素材基板の表面を放熱させることにより、熱分布に応じた位置に突起のパターンを形成し、その後、突起の上面を平坦化するようにしたので、所望の位置に規則的かつ微細な線幅あるいは直径の突起パターンを形成することができ、これを用いてカーボンナノチューブ等の分子構造体の製造に好適な基板を製造することができる。また、突起の平坦化された上面の面積および形状のばらつきを少なくし、高さを均一にすることができる。
【００８４】
特に、請求項１０記載の基板の製造方法または請求項１５記載の基板によれば、突起の平坦化された上面を被転写基板に転写することにより、微細なパターンを有する基板を大量に製造することが可能になる。
【００８５】
請求項１１ないし請求項１３のいずれか１項に記載の基板によれば、複数の突起が平坦化された上面を有するので、突起の上面の形状および面積のばらつきを少なくし、高さを均一にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る基板の製造方法における溶融工程を模式的に表す斜視図である。
【図２】図１に続く工程（突起形成工程）を模式的に表す斜視図である。
【図３】図２に続く工程（平坦化工程）を模式的に表す一部切り欠き斜視図である。
【図４】図３に示した突起の上面にカーボンナノチューブ構造体を形成した状態を模式的に表す斜視図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る基板の製造方法における原盤を模式的に表す断面図である。
【図６】図５に続く工程（上面転写工程）を模式的に表す断面図である。
【図７】図６（Ｃ）に示した転写パターンにカーボンナノチューブ構造体を形成した状態を模式的に表す断面図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態に係る基板の製造方法における溶融工程を模式的に表す斜視図である。
【図９】図８に示した素材基板の表面に形成されている熱分布の一例を模式的に表す平面図である。
【図１０】図８に示した熱分布の他の例を表す平面図である。
【図１１】図８に続く工程（突起形成工程）を模式的に表す斜視図である。
【図１２】図１１に示した基板の表面の一部を拡大して表す平面図である。
【図１３】図１０に示した熱分布を形成したのちに突起形成工程を行った場合における基板の表面の一部を拡大して表す平面図である。
【図１４】図１１に続く工程（平坦化工程）を模式的に表す斜視図である。
【図１５】図１４（Ｂ）に示した基板の表面の一部を拡大して表す平面図である。
【図１６】図１４（Ｂ）に示した突起の上面にカーボンナノチューブ構造体を形成した状態を模式的に表す斜視図である。
【符号の説明】
１０…素材基板、１１，３３…熱分布、１１Ｈ，３３Ｈ…高温領域、１１Ｌ，３３Ｌ…低温領域、１２…エネルギービーム、１３，３２…回折格子、１３Ａ…溝、１４，３４…突起、１５，３５…凹部、１６，３６…埋込み層、１７，２４，３７…基板、１８，２５，３８…カーボンナノチューブ、１９，２６，３９…カーボンナノチューブ構造体、２０…原盤、２１…被転写基板、２２…導電性膜、２３…転写パターン、３１Ｘ…Ｘ方向熱分布、３１ＸＨ…Ｘ方向高温領域、３１ＸＬ…Ｘ方向低温領域、３１Ｙ…Ｙ方向熱分布、３１ＹＨ…Ｙ方向高温領域、３１ＹＬ…Ｙ方向低温領域、３２Ａ…非透過部分、３２Ｂ…透過部分、４３…被膜、Ｈ…水平面、Ｌ…間隔（ピッチ）、Ｐ，ＰＸ，ＰＹ…周期間隔、Ｔ…空間的周期、Ｗ…幅[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing a substrate having a pattern of a metal catalyst or the like at a desired position on the surface and suitable for producing carbon nanotubes and the like, and a substrate obtained by the method.
[0002]
[Prior art]
Recent advances in nanotechnology have been remarkable. Among them, molecular structures such as carbon nanotubes are stable materials with excellent properties such as thermal conductivity, electrical conductivity, and mechanical strength. It is expected to be applied to a wide range of uses such as a field emission device (emitter). As one of the techniques for mass synthesis of carbon nanotubes, for example, there is a technique of forming a pattern of a transition metal such as iron (Fe) and growing the carbon nanotubes using the transition metal pattern as a catalyst (eg, Non-Patent Document) 1). Further, there is known a technique of controlling a position of a crystal grain size by forming a nucleus from a catalyst to crystallize an amorphous film (for example, see Non-Patent Document 2).
[0003]
Further, a master having nickel projections is produced by coating a silicon (Si) substrate with nickel (Ni), and this master is pressed against an amorphous silicon (a-Si) substrate to convert nickel into amorphous silicon. A technique of transferring the image onto a substrate is known (for example, see Non-Patent Document 2).
[0004]
By the way, as a method of forming a metal catalyst centering on a transition metal in a predetermined pattern on a substrate, it is conceivable to apply a photolithography technique used as a technique for mass production of semiconductors. Photolithography, which has been developed together with semiconductor technology, is now capable of two-dimensionally forming a structure with a minimum size of 0.05 μm (50 nm). The principle is that a large number of semiconductor devices can be manufactured by producing a single mask pattern and transferring this pattern with the aid of an energy beam. In order to form a catalyst pattern by photolithography, for example, a photoresist is applied on a substrate, exposed by an energy beam passing through a mask pattern, and then the resist is removed only in a predetermined region, and the resist is removed. A pattern such as a catalyst can be formed only in the region.
[0005]
Another technique related to the present invention is a zone melting method used for removing impurities from a semiconductor material. In this method, a narrow molten zone is formed in a semiconductor by high-frequency heating or the like, and impurities are collected in the molten portion by slowly moving the molten zone.
[0006]
[Non-patent document 1]
Nikkan Kogyo Shimbun, Article dated April 11, 2002, "Emission of CNT field emitter at 4 volts low voltage"
[Non-patent document 2]
K. Makihara et al, AM-LCD, '02, pp25
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional photolithography method, the wavelength of the energy beam must be shortened in order to perform fine processing, and it is difficult to further shorten the wavelength with the current technology. Therefore, when a pattern of a transition metal or the like is formed by photolithography, the size of the transition metal pattern is determined by the wavelength of the energy beam, and cannot be reduced to 0.05 μm (50 nm) or less with the current technology. In addition, the interval (pitch) between the patterns cannot be less than 100 nm. That is, the conventional method has a problem that there is a limit in forming a finer pattern such as a metal catalyst.
[0008]
The present invention has been made in view of such a problem, and a first object of the present invention is to provide a method of manufacturing a substrate capable of accurately forming a finer pattern at a desired position.
[0009]
A second object of the present invention is to provide a substrate having a finer pattern at a predetermined position and suitable for producing a molecular structure such as a carbon nanotube.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The method of manufacturing a substrate according to the present invention provides a heat distribution modulated according to a desired pattern to the surface of the material substrate, a melting step of melting the surface of the material substrate, and radiating the surface of the material substrate. A projection forming step of forming a projection pattern at a position corresponding to the heat distribution, and a flattening step of flattening the upper surface of the projection.
[0011]
A first substrate according to the present invention has a configuration including a plurality of protrusions having a planarized upper surface, and a buried layer that covers side surfaces of the plurality of protrusions and exposes the upper surfaces of the plurality of protrusions. .
[0012]
The second substrate according to the present invention provides a heat distribution modulated according to a desired pattern to the surface of the material substrate, and after melting the surface of the material substrate, radiating the surface of the material substrate, It is formed by forming a pattern of protrusions at positions corresponding to the heat distribution and flattening the upper surfaces of the protrusions.
[0013]
Here, the “projection” refers to a case where the height is 1 nm or more, which protrudes from the surface of the substrate, and includes not only scattered projections but also ridges.
[0014]
In the method for manufacturing a substrate according to the present invention and the second substrate according to the present invention, a heat distribution modulated according to a desired pattern is given to the surface of the material substrate, and the surface of the material substrate is melted. After that, by radiating the surface of the material substrate, a pattern of projections is formed at a position corresponding to the heat distribution. Subsequently, the upper surface of the projection is flattened.
[0015]
In the first substrate according to the present invention, since the plurality of protrusions have the flattened upper surface, variations in the shape and area of the upper surface of the protrusions are small, and the height is uniform.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0017]
[First Embodiment]
First, a method for manufacturing a substrate according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, a substrate made of a specific material such as a catalyst metal and having a pattern of projections having a flattened upper surface is formed at a predetermined position on the surface. By providing a heat distribution 11 modulated according to the pattern and melting the surface of the material substrate 10, and dissipating the heat of the surface of the material substrate 10, a position corresponding to the heat distribution 11, that is, a desired It includes a "projection forming step" for forming projections in a pattern and a "flattening step" for flattening the surface of the projections. The obtained substrate is used, for example, as a growth substrate for carbon nanotubes.
[0018]
(Melting process)
First, the melting step will be described with reference to FIG. In the present embodiment, the material substrate 10 is made of iron (Fe) as a metal catalyst. The material substrate 10 has a thickness of, for example, 40 nm and is held by a support 10A made of, for example, silicon (Si). When the material substrate 10 has a sufficient thickness, the support 10A is unnecessary.
[0019]
The material of the material substrate 10 is, for example, vanadium (V), manganese (Mn), cobalt (Co), nickel (Ni), molybdenum, in addition to the above-mentioned iron (Fe), as a metal catalyst for forming carbon nanotubes. (Mo), tantalum (Ta), tungsten (W) or platinum (Pt). Also, yttrium (Y), lutetium (Lu), boron (B), copper (Cu), lithium (Li), silicon (Si), chromium (Cr), zinc (Zn), palladium (Pd), silver (Ag) ), Ruthenium (Ru), titanium (Ti), lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), terbium (Tb), dysprosium (Dy), holmium (Ho) or erbium (Er). ) May be used. Note that two or more of the above substances may be used simultaneously, or a compound composed of two or more of these substances may be used. It is also possible to use a metal phthalocyanine compound, metaceron, or a metal salt. Further, it may be an oxide or a silicide.
[0020]
In addition, depending on the application, the material of the material substrate 10 may be aluminum (Al), silicon (Si), tantalum (Ta), titanium (Ti), zirconium (Zr), niobium (Nb), magnesium (Mg), boron. (B), zinc (Zn), lead (Pb), calcium (Ca), lanthanum (La), germanium (Ge), and other elements such as metals and metalloids, nitrides, oxides, carbides, fluorides, It is possible to use a dielectric material made of sulfide, nitride oxide, nitride carbide, oxycarbide, or the like. _{_{_{_{Specifically, AlN, Al 2 O 3,}}}} Si 3 N 4, SiO 2, MgO, Y 2 O 3, MgAl 2 O 4, TiO 2, BaTiO 3, SrTiO 3, Ta 2 O 5, SiC, ZnS, _{PbS, Ge-N, Ge-} N-O, Si-N-O, CaF 2, LaF, MgF 2, NaF, TiF 4 , and the like. Furthermore, it is also possible to use a material containing these materials as a main component, or a mixture of these materials, for example, AlN—SiO ₂ . In addition, a magnetic material such as iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), and gadolinium (Gd) can be used.
[0021]
In the heat distribution 11, the surface temperature of the material substrate 10 is spatially modulated by the irradiation of the energy beam 12, and the high temperature region 11H and the low temperature region 11L are periodically formed. The energy beam 12 is parallel light having a uniform wavelength and phase. In the present embodiment, for example, a XeCl excimer laser is used to obtain high output.
[0022]
In the present embodiment, the heat distribution 11 is given by diffracting the energy beam 12 by the diffraction grating 13. The diffraction grating 13 spatially modulates the energy amount by diffracting the energy beam 12. For example, linear parallel grooves 13 A are arranged in a one-dimensional direction at a constant periodic interval P on an optical glass plate. It was done. In the present embodiment, for example, linear parallel grooves 13A are arranged in a one-dimensional direction at a periodic interval P of, for example, 1 μm on a plate made of a quartz material, and the grooves 13A are arranged so that the energy amount of the energy beam 12 is arranged. The light is modulated in a one-dimensional direction along the direction in which it exists. Note that the diffraction grating 13 is not necessarily limited to the one having the unevenness such as the groove, and may be, for example, one in which the transmission part and the non-transmission part of the energy beam 12 are formed by printing.
[0023]
By using such a diffraction grating 13, the high-temperature regions 11H are formed linearly along the extending direction of the grooves 13A, and are arranged one-dimensionally along the direction in which the grooves 13A are arranged. . The spatial period T of the heat distribution 11, that is, the interval (pitch) between the high temperature regions 11H is determined according to the periodic interval P of the diffraction grating 13 and the wavelength λ of the energy beam 12. The spatial period T of the heat distribution 11 can be reduced as the wavelength λ is reduced or the period interval P is reduced.
[0024]
The energy amount of the energy beam 12 is set so as to be a temperature at which the surface of the material substrate 10 melts in the low temperature region 11L. Thereby, the entire surface of the material substrate 10 can be melted. At this time, when an excimer laser is used as the energy beam 12, the amount of energy can be controlled by the number of irradiations of the pulsed light. In the present embodiment, for example, the energy amount of the energy beam 12 is 350 mJ / cm ² , and the number of times of pulse irradiation is 100.
[0025]
(Protrusion forming step)
Next, the projection forming step will be described with reference to FIG. That is, when the irradiation of the energy beam 12 is stopped after the surface of the material substrate 10 is melted in the melting step, the temperature of the surface of the material substrate 10 gradually decreases and solidifies. If the energy amount of the energy beam 12 exceeds a certain value, a protrusion 14 protruding from the surface of the material substrate 10 is formed at a position corresponding to the high temperature region 11H.
[0026]
The protrusions 14 are linear in which the high-temperature regions 11H are linearly arranged in a one-dimensional direction corresponding to the grooves 13A. Is formed as The width (line width) W of the projection 14, that is, the dimension of the lower end of the projection 14 in the modulation direction of the heat distribution 11, is determined by the melting temperature and the cooling rate. The melting temperature can be controlled by the energy amount of the energy beam 12, that is, the number of pulse irradiations in the case of an excimer laser. The cooling rate is determined by a method of disposing the material substrate 10 or the holder of the material substrate 10 in a vacuum or gas atmosphere, a method by gas flow, a method of cooling in water or liquid nitrogen, a method of cooling slowly while heating, or the like. The width W of the projection 14 increases as the cooling rate increases. The width W of the projection 14 can take an arbitrary value larger than the size of the atoms of the constituent material of the material substrate 10 in principle, and cannot be obtained by the conventional photolithography technology by controlling the melting temperature and the cooling rate. It is possible to realize less than 50 nm, which was possible.
[0027]
The specific value of the width W of the projection 14 is determined depending on the use of the substrate described later. For example, when a carbon nanotube is formed, the width W of the projection 14 is preferably 0.4 nm or more and less than 50 nm. . This is because the diameter of the carbon nanotube is at least 0.4 nm.
[0028]
More preferably, the width W of the projection 14 is 0.4 nm or more and 30 nm or less. This is because many carbon nanotubes have a diameter in the range of 0.4 nm or more and 30 nm or less.
[0029]
Further, the width W of the projection 14 is more preferably 0.4 nm or more and 10 nm or less. This is because the possibility that a large number of carbon nanotubes approach and rise in the width direction of the projections 14 is reduced, and when these carbon nanotubes are used as, for example, a field electron emission element (emitter), the surface of each carbon nanotube is reduced. This is because it is possible to prevent a decrease in the electric field strength in the above and to reduce the applied voltage necessary for the field emission. Also, for example, when a carbon nanotube is used as a recording device (memory), it may be necessary to form only one carbon nanotube in the width direction on one projection 14. This is because it is preferable to make the diameter and the width W of the projection 14 coincide.
[0030]
The interval L between the projections 14, that is, the interval (pitch) between the projections 14 in the modulation direction of the heat distribution 11, depends on the spatial period T of the heat distribution 11, that is, the interval P between the diffraction grating 13 and the energy beam 12. It is determined according to the wavelength λ. As the wavelength λ is reduced or the periodic interval P is reduced, the interval L between the projections 14 can be reduced, and the projections 14 can be formed at a fine interval L that cannot be obtained by conventional photolithography. It is possible.
[0031]
The distance L between the projections 14 is preferably, for example, 100 nm or less. Since the resolution limit in conventional photolithography is 50 nm, the minimum patterns that can be formed by conventional photolithography are, for example, peaks 50 nm, valleys 50 nm, and peaks 50 nm, and the interval between them is twice the resolution limit, that is, 100 nm. This is because Further, it is more preferable that the distance L between the protrusions 14 is 50 nm or less. Because the resolution limit of the conventional electron beam lithography is about 25 nm, the minimum pattern interval that can be formed by the conventional electron beam lithography is also twice the resolution limit, that is, 50 nm.
[0032]
(Flattening process)
Next, the flattening step will be described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 3A, a buried layer 16 is formed in a concave portion 15 around a protrusion 14. The buried layer 16 is used as a flattening layer for flattening the upper surface of the protrusion 14 by CMP (Chemical Mechanical Polishing) as described later. For example, silicon dioxide (SiO ₂ ) is used. It is formed by applying by SOG (Spin On Glass) or by CVD (Chemical Vapor Deposition). The material of the burying layer 16 may be an insulating material such as silicon nitride (SiN), polyimide, polymethyl methacrylate (Poly Methyl Methacrylate; PMMA), a metal oxide film, or silicon or germanium, in addition to the silicon dioxide described above. A semiconductor material may be used.
[0033]
The thickness of the buried layer 16 may be formed so as to cover the protrusion 14, or a part of the protrusion 14, for example, a tip portion may be formed to protrude from the buried layer 16.
[0034]
Subsequently, as shown in FIG. 3B, the protrusion 14 and the buried layer 16 are polished by, for example, CMP, and the upper surface 14A of the protrusion 14 and the upper surface 16A of the buried layer 16 are flattened. As a result, a substrate 17 having the projections 14 having the flattened upper surface 14A and the buried layer 16 covering the side surfaces of the projections 14 and exposing the upper surface 14A of the projections 14 is obtained.
[0035]
The width Wa of the flattened upper surface 14A can be controlled by a polishing time by CMP within a range of possible values of the width W of the protrusion 14. That is, since the cross-sectional area of the protrusion 14 becomes smaller toward the tip, the width Wa of the upper surface 14A becomes larger as the polishing time by CMP becomes longer. The interval L between the protrusions 14 is the same before and after the flattening.
[0036]
Therefore, by flattening the upper surface 14A of the protrusion 14, the width Wa of the upper surface 14A is reduced to less than 50 nm, which is impossible with the conventional photolithography technology, similarly to the width W of the protrusion 14, and the upper surface 14A is Variations in area and shape can be reduced, and the height can be made uniform.
[0037]
After the upper surface 14A of the projection 14 is flattened, for example, as shown in FIG. 4, a carbon nanotube in which a plurality of carbon nanotubes 18 are linearly arranged on a substrate 17 using iron exposed on the upper surface 14A as a catalyst. The structure 19 can be formed.
[0038]
As described above, in the present embodiment, the heat distribution 11 is given to the surface of the material substrate 10, the surface of the material substrate 10 is melted, and then the surface of the material substrate 10 is radiated. The pattern of the projection 14 is formed at the position where the projection 14 is formed, and then the upper surface of the projection 14 is flattened. Therefore, by controlling the melting temperature and the cooling rate, the width W of the projection 14 and the width Wa of the upper surface 14A are reduced. It is possible to reduce the thickness to less than 50 nm, which is impossible with the conventional photolithography technology. In addition, by controlling the spatial period T of the heat distribution 11, the protrusions 14 can be formed at a fine interval L that is impossible with the conventional photolithography technology.
[0039]
Further, since the substrate 17 having the pattern of the projections 14 can be formed by a dry process, the production is easier, the reproducibility is better, and the cost can be reduced as compared with a conventional process using photolithography. Etc. can be obtained.
[0040]
Furthermore, since the heat distribution 11 is given by diffracting the energy beam 12, the spatial period T of the heat distribution 11 can be easily controlled by reducing the period interval P of the diffraction grating 13, and The interval L can be reduced.
[0041]
In addition, in the present embodiment, since the upper surface 14A of the projection 14 is flattened, the width Wa of the upper surface 14A, like the width W of the projection 14, cannot be made by the conventional photolithography technology. With less than 50 nm, variations in the area and shape of the upper surface 14A can be reduced, and the height can be made uniform.
[0042]
[Second embodiment]
Next, a method for manufacturing a substrate according to the second embodiment of the present invention will be described. The method of the present embodiment further includes an upper surface transfer step of transferring the pattern of the protrusions to another substrate to be transferred, using the substrate 17 obtained in the first embodiment as a transfer master. Things.
[0043]
(Melting process, protrusion forming process and flattening process)
First, as shown in FIG. 5, a transfer master (hereinafter, referred to as a master) 20 having projections having a flattened upper surface is manufactured. The master 20 is formed by performing a melting step, a projection forming step, and a flattening step, as in the case of the substrate 17 of the first embodiment. That is, the protrusions 14 and the buried layer 16 are formed on the material substrate 10, and the upper surface 14A of the protrusion 14 and the upper surface 16A of the buried layer 16 are planarized.
[0044]
(Top transfer process)
Next, the upper surface transfer step will be described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 6A, for example, a transfer substrate 21 on which a wiring pattern of a conductive film 22 is formed in advance is prepared.
[0045]
Subsequently, as shown in FIG. 6B, the upper surface 14A of the projection 14 of the master 20 and the conductive film 22 of the transfer-receiving substrate 21 are brought into close contact with each other. At this time, it is preferable to pressurize as necessary in order to improve the transfer characteristics. Further, it is more preferable to perform the heat treatment because the transfer characteristics can be further improved.
[0046]
Thereafter, when the master 20 is separated from the transfer substrate 21, the pattern of the upper surface 14A of the projection 14 is transferred to the transfer substrate 21 as shown in FIG. Thus, the substrate 24 on which the transfer pattern 23 made of iron is formed on the substrate 21 to be transferred is formed. Therefore, the substrate 24 can be manufactured in large quantities by transferring the upper surface 14A of the projection 14 from one master 20 to a large number of substrates 21 to be transferred. In addition, since the upper surface 14A of the protrusion 14 has a small area and shape variation and a uniform height due to the flattening step, the area and shape variation of the transfer pattern 23 are small. Therefore, the fine transfer pattern 23 can be formed with high precision. Further, when the projections 14 are worn out by repeating the transfer, the polishing in the flattening step can be repeated again to recover the shape of the upper surface 14A of the projections 14.
[0047]
After the transfer pattern 23 is formed on the transfer substrate 21 to form the substrate 24, for example, as shown in FIG. 7, carbon nanotubes 25 are grown on the substrate 24 using the transfer pattern 23 as a catalyst, and a plurality of carbon nanotubes are formed. The carbon nanotube structure 26 in which the nanotubes 25 are linearly arranged can be formed. The carbon nanotube structure 26 thus formed on the conductive film 22 can be used as a field emission device.
[0048]
As described above, in the present embodiment, the upper surface 14A of the protrusion 14 is transferred to the transfer-receiving substrate 21. Therefore, the upper surface 14A of the protrusion 14 is transferred from one master disk 20 to many transfer-receiving substrates 21. 24 can be manufactured in large quantities. In addition, the upper surface 14A of the projection 14A has a small area and shape variation and a uniform height due to the flattening process, so that the transfer pattern 23 can be formed with high precision.
[0049]
[Third Embodiment]
Next, a method for manufacturing a substrate according to the third embodiment will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, in the melting step, the energy amount of the energy beam is modulated in a two-dimensional direction, that is, in the X direction and the Y direction, and an X-direction heat distribution 31X and a Y-direction heat distribution 31Y are given to the surface of the material substrate 10. It is like that.
[0050]
(Melting process)
First, the melting step will be described with reference to FIG. In the X-direction heat distribution 31X, the surface temperature of the material substrate 10 is modulated in the X direction, and the X-direction high-temperature region 31XH and the X-direction low-temperature region 31XL are periodically formed. In the Y-direction temperature distribution 31Y, the surface temperature of the material substrate 10 is modulated in the Y-direction, and the Y-direction high-temperature region 31YH and the Y-direction low-temperature region 31YL are periodically formed.
[0051]
The X-direction heat distribution 31X and the Y-direction heat distribution 31Y are provided, for example, by diffracting the energy beam 12 by the diffraction grating 32 in which the non-transmission part 32A and the transmission part 32B are arranged in a two-dimensional direction. As the diffraction grating 32, for example, a grating in which a mask that does not transmit the energy beam 12 is printed on a non-transmitting portion 32A can be used.
[0052]
FIG. 9 illustrates a state in which the heat distribution 33 is formed by superimposing the X-direction temperature distribution 31X and the Y-direction temperature distribution 31Y on the surface of the material substrate 10. As shown in FIG. 8, the surface of the material substrate 10 has a high temperature region 33H at a position where the X direction high temperature region 31XH and the Y direction high temperature region 31YH overlap, and the X direction low temperature region 31XL and the Y direction low temperature region A heat distribution 33 having a low-temperature region 33L at a position overlapping with 31YL is formed. Thus, the high-temperature regions 33H are arranged two-dimensionally along the direction in which the non-transmissive portions 32A and the transmissive portions 32B are arranged.
[0053]
The spatial period TX of the heat distribution 33 in the X direction, that is, the interval (pitch) of the high temperature region 33H in the X direction is determined according to the periodic interval PX of the diffraction grating 32 in the X direction and the wavelength λ of the energy beam 12. The spatial period TY of the heat distribution 33 in the Y direction, that is, the interval (pitch) of the high temperature region 33H in the Y direction is determined according to the periodic interval PY of the diffraction grating 32 in the Y direction and the wavelength λ of the energy beam 12. The spatial period TX, TY of the heat distribution 33 can be made smaller as the wavelength λ is made smaller or as the period interval PX, PY is made smaller. Here, in the present embodiment, the periodic interval PX of the diffraction grating 32 in the X direction refers to the sum of the dimension in the X direction of one non-transmissive portion 32A and the dimension in the X direction of one transmissive portion 32B, The periodic interval PY of the diffraction grating 32 in the Y direction refers to the sum of the dimension in the Y direction of one non-transmissive portion 32A and the dimension in the Y direction of one transmissive portion 32B.
[0054]
The periodic interval PX in the X direction and the periodic interval PY in the Y direction of the diffraction grating 32 can be set independently of each other. Therefore, as shown in FIG. 10, the spatial period TX in the X direction and the spatial period TY in the Y direction of the heat distribution 33 can be set independently of each other.
[0055]
It should be noted that the diffraction grating 32 does not have to have the non-transmissive portion 32A and the transmissive portion 32B formed by mask printing, but may have a concave or convex portion. In the case of the diffraction grating 32 having irregularities, the periodic interval PX of the diffraction grating 32 in the X direction refers to the interval (pitch) of the concave portion (or the convex portion) in the X direction, and the periodic interval PX of the diffraction grating 31 in the Y direction. The periodic interval PY refers to an interval (pitch) between the concave portions (or the convex portions) in the Y direction.
[0056]
The energy amount of the energy beam 12 is set such that the surface of the material substrate 10 is melted in the low temperature region 33L. Thereby, the entire surface of the material substrate 10 can be melted. At this time, when an excimer laser is used as the energy beam 12, the amount of energy can be controlled by the number of irradiations of the pulsed light.
[0057]
(Protrusion forming step)
Next, a projection forming step will be described with reference to FIGS. After the entire surface of the material substrate 10 is melted in the melting step, the irradiation of the energy beam 12 is stopped to radiate the surface of the material substrate 10, and the protrusion is formed at a position corresponding to the heat distribution 33, that is, at a position corresponding to the high-temperature region 33 </ b> H. 34 are formed.
[0058]
Since the high-temperature regions 33H are arranged two-dimensionally on the surface of the material substrate 10, the protrusions 34 are formed as corresponding patterns of weights arranged two-dimensionally on the surface of the material substrate 10. You. The dimension (diameter) DX in the X direction and the dimension (diameter) DY in the Y direction of the lower end of the projection 34 are determined by the melting temperature and the cooling rate. The melting temperature can be controlled in the same manner as in the first embodiment, and the higher the melting temperature, the larger the dimensions DX and DY of the projection 34. Further, the cooling rate can be controlled in the same manner as in the first embodiment, and the higher the cooling rate, the larger the dimensions DX and DY of the projection 34. The dimensions DX and DY of the projections 34 can take an arbitrary value larger than the size of the atoms of the constituents of the material substrate 10 in principle, and by controlling the melting temperature and the cooling rate, the conventional photolithography technique can be used. Can be realized less than 50 nm.
[0059]
The specific values of the dimensions DX and DY of the projections 34 are determined depending on the use of the substrate described later. For example, when carbon nanotubes are formed, the dimensions DX and DY of the projections 34 are each 0.4 nm or more and less than 50 nm. It is preferable that This is because the diameter of the carbon nanotube is at least 0.4 nm.
[0060]
More preferably, the dimensions DX and DY of the projections 34 are each 0.4 nm or more and 30 nm or less. This is because many carbon nanotubes have a diameter in the range of 3 nm to 30 nm.
[0061]
Further, it is more preferable that the dimensions DX and DY of the projections 34 are 0.4 nm or more and 10 nm or less. This is because the possibility that many carbon nanotubes approach and rise in the X direction or the Y direction of the projections 34 is reduced, and when these carbon nanotubes are used as, for example, a field electron emission element, the surface of each carbon nanotube is reduced. This is because it is possible to prevent a decrease in the electric field strength in the above and to reduce the applied voltage necessary for the field emission. Further, for example, when a carbon nanotube is used as a recording device (memory), since it is necessary to form only one carbon nanotube on one projection 34, the diameter of the carbon nanotube and the projection 34 may be different. This is because it is preferable to make the dimensions DX and DY coincide with each other.
[0062]
Further, the interval LX in the X direction and the interval LY in the Y direction of the protrusion 34 are determined according to the spatial periods TX and TY of the heat distribution 33, that is, the periodic intervals PX and PY of the diffraction grating 32 and the wavelength λ of the energy beam 12. It is determined according to. As the wavelength λ is reduced or the periodic intervals PX and PY of the diffraction grating 32 are reduced, the intervals LX and LY of the protrusions 34 can be reduced, and the fine intervals LX which cannot be obtained by conventional photolithography. , LY to form the projection 34.
[0063]
The distance LX, LY between the protrusions 34 is preferably, for example, 100 nm or less. As described above, since the resolution limit in the conventional photolithography is 50 nm, the minimum pattern that can be formed by the conventional photolithography is, for example, a peak 50 nm, a valley 50 nm, and a peak 50 nm, and the interval is the resolution limit. This is twice as large as 100 nm, that is, 100 nm. Further, it is more preferable that the distance LX, LY between the protrusions 34 be 50 nm or less. Because the resolution limit of the conventional electron beam lithography is about 25 nm, the minimum pattern interval that can be formed by the conventional electron beam lithography is also twice the resolution limit, that is, 50 nm.
[0064]
When the spatial period TX in the X direction and the spatial period TY in the Y direction of the heat distribution 33 are set independently of each other as shown in FIG. As shown, the protrusion 34 is formed in an elliptical shape.
[0065]
(Flattening process)
Next, as shown in FIG. 14A, a buried layer 36 as a flattening layer is formed in the concave portion 35 around the protrusion 34, as in the first embodiment. The thickness of the buried layer 36 may cover the protrusion 34, or may be formed such that a part of the protrusion 34, for example, a tip portion protrudes from the buried layer 36.
[0066]
Subsequently, as shown in FIG. 14B, the protrusion 34 and the buried layer 36 are polished by, for example, CMP, and the upper surface 34A of the protrusion 34 and the upper surface 36A of the buried layer 36 are flattened. As a result, a substrate 37 having the projection 34 having the flattened upper surface 34A and the embedded layer 36 that covers the side surface of the projection 34 and exposes the upper surface 34A of the projection 34 is obtained.
[0067]
The dimension DXa in the X direction and the dimension DYa in the Y direction of the flattened upper surface 34A are controlled by the polishing time by CMP within a range of possible values of the dimension DX in the X direction and the dimension DY in the Y direction of the protrusion 34. be able to. That is, since the cross-sectional area of the protrusion 34 becomes smaller toward the tip, the dimension DXa in the X direction and the dimension DYa in the Y direction of the upper surface 34A increase as the polishing time by CMP becomes longer. The interval LX in the X direction and the interval LY in the Y direction of the projection 34 are the same before and after the flattening.
[0068]
Therefore, by flattening the upper surface 34A of the projection 34, the dimension DXa of the upper surface 34A in the X direction and the dimension DYa of the projection 34 in the X direction are the same as the dimension DX in the X direction and the dimension DY of the projection 34 in the Y direction. The thickness can be reduced to less than 50 nm, which cannot be achieved by the photolithography technique, and the variation in the area and shape of the upper surface 34A can be reduced and the height can be made uniform.
[0069]
After the upper surface 34A of the projection 34 is flattened, for example, as shown in FIG. 16, carbon nanotubes 38 are grown on the substrate 37 using the iron exposed on the upper surface 34A as a catalyst, and the carbon nanotubes 38 The aligned carbon nanotube structures 39 can be formed.
[0070]
As described above, in the present embodiment, the heat distribution 33 is formed by modulating the energy amount of the energy beam 12 in the two-dimensional direction, so that the projections 34 arranged in the two-dimensional direction on the surface of the material substrate 10 are formed. Can be formed.
[0071]
Further, since the heat distribution 33 is formed by diffracting the energy beam 12 using the diffraction grating 32, the spatial period TX of the heat distribution 33 is reduced by reducing the period intervals PX and PY of the diffraction grating 32. , TY can be easily controlled, and the distance LX, LY between the projections 34 can be reduced.
[0072]
Further, in the present embodiment, since the upper surface 34A of the projection 34 is flattened, the dimension DXa of the upper surface 34A in the X direction and the dimension DYa of the projection 34 in the X direction are Similarly to the dimension DY, it is possible to make the height less than 50 nm, which is impossible with the conventional photolithography technology, to reduce the variation in the area and shape of the upper surface 34A, and to make the height uniform.
[0073]
As described above, the present invention has been described with reference to the embodiment. However, the present invention is not limited to the above embodiment, and can be variously modified. For example, in the above-described embodiment, the energy amount of the energy beam 12 is adjusted according to the number of pulse irradiations. However, each of the number of pulse irradiations, the irradiation intensity, and the pulse width can be adjusted.
[0074]
Further, in the above-described embodiment and modified examples, the heat distributions 11 and 33 are formed by using the diffraction gratings 13 and 32, but may be formed by using a beam splitter and a mirror.
[0075]
Further, in the second embodiment, the melting step, the projection forming step, and the flattening step are performed in the same manner as in the first embodiment, and the rib-shaped projections 14 are formed. It is also possible to arrange the protrusions two-dimensionally in the same manner as in the embodiment.
[0076]
In addition, in the above-described embodiment, the energy beam 12 is irradiated using the XeCl excimer laser. However, a laser other than the XeCl excimer laser may be used. May be heated by another method such as a general-purpose general-purpose electric heating furnace (diffusion furnace) or a lamp.
[0077]
Furthermore, in each of the above embodiments, the heat radiation in the projection forming step is naturally cooled at room temperature after the completion of the melting step, but the projection forming step is shortened by forcibly cooling at a temperature lower than room temperature. Is also possible.
[0078]
In addition, in the above embodiment, the case where the buried layers 16 and 36 are formed and then the upper surfaces 14A and 34A of the protrusions 14 and 34 are flattened by polishing has been described. For example, it is also possible to form the projecting portions of the protrusions 34 so as to protrude, and to use the tip portions of the protrusions 14 and 34 protruding from the buried layers 16 and 36 for the growth of carbon nanotubes without planarization. It is possible.
[0079]
Furthermore, in the above-described embodiment, the case where the material substrate 10 is made of iron and carbon nanotubes are formed using this iron as a catalyst and used as the field electron emission device has been described. By appropriately selecting the substance, the present invention can be applied to other devices or the manufacture thereof.
[0080]
In addition, by using a magnetic material such as iron (Fe) as the material of the material substrate 10, it is possible to use it as a memory element including a magnetic material in a carbon nanotube. In order to enclose a magnetic substance in the carbon nanotube, a method of setting the tip of the carbon nanotube to an open end, placing the carbon nanotube in an atmosphere containing iron (Fe), and incorporating a magnetic material into the carbon nanotube from the open end, or the like is used. It is possible.
[0081]
The memory element is made of tin (Sn), titanium (Ti), bismuth (Bi), germanium (Ge), antimony (Sb), lead (Pb), aluminum (Al), indium ( In), sulfur (S), selenium (Se), cadmium (Cd), gadolinium (Gd), hafnium (Hf) or the like can be used.
[0082]
Furthermore, in the above embodiment, the case where carbon nanotubes are formed as cylindrical carbon molecules has been described. However, the present invention is not limited to carbon nanotubes, and can be applied to the case where carbon nanohorns or carbon nanofibers are formed. It is.
[0083]
【The invention's effect】
As described above, according to the method of manufacturing a substrate according to any one of claims 1 to 10, or according to the substrate according to claim 14 or 15, a desired pattern is formed on the surface of the material substrate. After the surface of the material substrate is melted, and then the surface of the material substrate is radiated, a pattern of projections is formed at a position corresponding to the heat distribution. Is flattened, so that a regular and fine line width or diameter projection pattern can be formed at a desired position, and a substrate suitable for manufacturing a molecular structure such as a carbon nanotube using this can be formed. Can be manufactured. Further, variations in the area and shape of the flattened upper surface of the projection can be reduced, and the height can be made uniform.
[0084]
In particular, according to the method for manufacturing a substrate according to the tenth aspect or the substrate according to the fifteenth aspect, a substrate having a fine pattern is mass-produced by transferring the flattened upper surface of the projection to the substrate to be transferred. It becomes possible.
[0085]
According to the substrate as set forth in any one of claims 11 to 13, since the plurality of protrusions have a flattened upper surface, variations in the shape and area of the upper surface of the protrusions are reduced, and the height is uniform. Can be
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a melting step in a method for manufacturing a substrate according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view schematically showing a step (projection forming step) subsequent to FIG.
FIG. 3 is a partially cutaway perspective view schematically showing a step (flattening step) subsequent to FIG. 2;
FIG. 4 is a perspective view schematically showing a state in which a carbon nanotube structure is formed on an upper surface of a protrusion shown in FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view schematically illustrating a master in a method for manufacturing a substrate according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a step (upper surface transfer step) subsequent to FIG.
FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing a state in which a carbon nanotube structure is formed on the transfer pattern shown in FIG. 6 (C).
FIG. 8 is a perspective view schematically showing a melting step in a method for manufacturing a substrate according to a third embodiment of the present invention.
9 is a plan view schematically illustrating an example of a heat distribution formed on a surface of the material substrate illustrated in FIG.
FIG. 10 is a plan view illustrating another example of the heat distribution illustrated in FIG.
FIG. 11 is a perspective view schematically showing a step (projection forming step) following FIG. 8;
FIG. 12 is an enlarged plan view illustrating a part of the surface of the substrate illustrated in FIG. 11;
13 is an enlarged plan view showing a part of the surface of the substrate when a projection forming step is performed after forming the heat distribution shown in FIG. 10;
FIG. 14 is a perspective view schematically showing a step (a flattening step) following FIG. 11;
15 is an enlarged plan view illustrating a part of the surface of the substrate illustrated in FIG. 14B.
FIG. 16 is a perspective view schematically showing a state in which a carbon nanotube structure is formed on the upper surface of the protrusion shown in FIG. 14B.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 10: material substrate, 11, 33: heat distribution, 11H, 33H: high temperature region, 11L, 33L: low temperature region, 12: energy beam, 13, 32: diffraction grating, 13A: groove, 14, 34: protrusion, 15, 35 recess, 16, 36 buried layer, 17, 24, 37 substrate, 18, 25, 38 carbon nanotube, 19, 26, 39 carbon nanotube structure, 20 master, 21 substrate to be transferred, 22 ... conductive film, 23 ... transfer pattern, 31X ... X direction heat distribution, 31XH ... X direction high temperature area, 31XL ... X direction low temperature area, 31Y ... Y direction heat distribution, 31YH ... Y direction high temperature area, 31YL ... Y direction low temperature Area, 32A: non-transmitting portion, 32B: transmitting portion, 43: coating, H: horizontal plane, L: interval (pitch), P, PX, PY: periodic interval, T: spatial interval, W: width

Claims

素材基板の表面に対して所望のパターンに応じて変調された熱分布を与え、前記素材基板の表面を溶融させる溶融工程と、
前記素材基板の表面を放熱させることにより、前記熱分布に応じた位置に突起のパターンを形成する突起形成工程と、
前記突起の上面を平坦化する平坦化工程と
を含むことを特徴とする基板の製造方法。A melting step of giving a heat distribution modulated according to a desired pattern to the surface of the material substrate, and melting the surface of the material substrate,
A projection forming step of forming a projection pattern at a position corresponding to the heat distribution by radiating the surface of the material substrate;
A flattening step of flattening an upper surface of the protrusion.

前記平坦化工程において、前記突起の周囲の凹部に埋込み層を形成し、前記埋込み層と共に前記突起を平坦化する
ことを特徴とする請求項１記載の基板の製造方法。2. The method of manufacturing a substrate according to claim 1, wherein in the flattening step, a buried layer is formed in a concave portion around the protrusion, and the protrusion is planarized together with the buried layer.

前記平坦化工程を、化学機械研磨により行う
ことを特徴とする請求項１記載の基板の製造方法。2. The method according to claim 1, wherein the planarizing step is performed by chemical mechanical polishing.

前記熱分布を、エネルギービームの照射により与える
ことを特徴とする請求項１記載の基板の製造方法。2. The method for manufacturing a substrate according to claim 1, wherein the heat distribution is given by irradiation of an energy beam.

前記熱分布を、前記エネルギービームを所望のパターンに応じて一次元方向または二次元方向に回折させることにより与える
ことを特徴とする請求項４記載の基板の製造方法。5. The method according to claim 4, wherein the heat distribution is provided by diffracting the energy beam in a one-dimensional direction or a two-dimensional direction according to a desired pattern.

前記素材基板は、触媒機能を有する金属からなる
ことを特徴とする請求項１記載の基板の製造方法。2. The method according to claim 1, wherein the material substrate is made of a metal having a catalytic function.

前記素材基板は、誘電体材料または磁性体材料からなる
ことを特徴とする請求項１記載の基板の製造方法。2. The method according to claim 1, wherein the material substrate is made of a dielectric material or a magnetic material.

前記素材基板は、バナジウム（Ｖ），マンガン（Ｍｎ），鉄（Ｆｅ），コバルト（Ｃｏ），ニッケル（Ｎｉ），モリブデン（Ｍｏ），タンタル（Ｔａ），タングステン（Ｗ），白金（Ｐｔ），イットリウム（Ｙ），ルテチウム（Ｌｕ），ホウ素（Ｂ），銅（Ｃｕ），リチウム（Ｌｉ），シリコン（Ｓｉ），クロム（Ｃｒ），亜鉛（Ｚｎ），パラジウム（Ｐｄ），銀（Ａｇ），ルテニウム（Ｒｕ），チタン（Ｔｉ），ランタン（Ｌａ），セリウム（Ｃｅ），プラセオジム（Ｐｒ），ネオジム（Ｎｄ），テルビウム（Ｔｂ），ジスプロシウム（Ｄｙ），ホルミウム（Ｈｏ）およびエルビウム（Ｅｒ）からなる群のうちの少なくとも１種、またはその化合物からなる
ことを特徴とする請求項１記載の基板の製造方法。The material substrate includes vanadium (V), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), molybdenum (Mo), tantalum (Ta), tungsten (W), platinum (Pt), Yttrium (Y), lutetium (Lu), boron (B), copper (Cu), lithium (Li), silicon (Si), chromium (Cr), zinc (Zn), palladium (Pd), silver (Ag), From ruthenium (Ru), titanium (Ti), lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), terbium (Tb), dysprosium (Dy), holmium (Ho) and erbium (Er) 2. The method for manufacturing a substrate according to claim 1, comprising at least one member of the group consisting of:

前記埋込み層は半導体材料または絶縁体材料である
ことを特徴とする請求項２記載の基板の製造方法。3. The method according to claim 2, wherein the buried layer is a semiconductor material or an insulator material.

前記突起の平坦化された上面を被転写基板に転写する上面転写工程を更に含む
ことを特徴とする請求項１記載の基板の製造方法。The method according to claim 1, further comprising an upper surface transfer step of transferring the flattened upper surface of the projection to a substrate to be transferred.

平坦化された上面を有する複数の突起と、
前記複数の突起の側面を覆うと共に前記複数の突起の上面を露出させる埋込み層と
を備えたことを特徴とする基板。A plurality of protrusions having a planarized top surface,
A buried layer that covers side surfaces of the plurality of protrusions and exposes upper surfaces of the plurality of protrusions.

前記突起の間隔が１００ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項１１記載の基板。The substrate according to claim 11, wherein an interval between the protrusions is 100 nm or less.

前記突起の間隔が５０ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項１１記載の基板。12. The substrate according to claim 11, wherein an interval between the protrusions is 50 nm or less.

素材基板の表面に対して所望のパターンに応じて変調された熱分布を与え、前記素材基板の表面を溶融させた後、前記素材基板の表面を放熱させることにより、前記熱分布に応じた位置に突起のパターンを形成し、前記突起の上面を平坦化して作製された
ことを特徴とする基板。A heat distribution modulated in accordance with a desired pattern is given to the surface of the material substrate, and after the surface of the material substrate is melted, the surface of the material substrate is radiated, so that a position corresponding to the heat distribution is obtained. A substrate formed by forming a pattern of protrusions on the substrate and flattening an upper surface of the protrusion.

前記突起の平坦化された上面を被転写基板に転写することにより形成された
ことを特徴とする請求項１４記載の基板。The substrate according to claim 14, wherein the substrate is formed by transferring a flattened upper surface of the protrusion to a substrate to be transferred.