JP2004359478A

JP2004359478A - Method for controlling form/position of fibrous carbon, fibrous carbon element position-controlled using the method, and device using the element

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Publication number: JP2004359478A
Application number: JP2003157277A
Authority: JP
Inventors: Iwao Oodomari; 巌大泊; Masahiro Shinada; 賢宏品田; Takashi Tanii; 孝至谷井
Original assignee: Waseda University
Current assignee: Waseda University
Priority date: 2003-06-02
Filing date: 2003-06-02
Publication date: 2004-12-24

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for controlling the form/position of fibrous carbon by which the growth position of the fibrous carbon is controlled in accuracy of nanometric order, a position-controlled fibrous carbon element, and a device using the element. <P>SOLUTION: The fibrous carbon 5 is formed by implanting a catalytic metal ion 4 on the fixed position of the surface of a substrate 1 using the ion implantation method, the focused ion beam method or the single ion implantation method and using a catalytic metal as a catalyst. Various devices are formed using the fibrous carbon 5. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、繊維状カーボンの形態・位置制御方法、その方法を用いて位置制御された繊維状カーボン素子、及び素子を用いたデバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
単層又は多層カーボンナノチューブ、カーボンファイバー等の他、炭素又は異種物質を内包する炭素の繊維構造である繊維状カーボンは、ゆらぎのないナノメートルスケール構造、グラファイトの巻き方や太さによって変化する半導体から金属に渡る幅広い電気伝導度、高い許容電流密度、軽量かつ優れた機械的強度、ダイヤモンドを上回る熱伝導度など、ボトムアップのナノマテリアルとして多くの魅力的な物性を有し、電子放出デバイス、探針、大規模集積回路を構成するデバイス、ナノデバイス、分子デバイス、単電子デバイス、薄膜（２次元）・量子細線（１次元）・量子ドット（０次元）系デバイス、フォトニックデバイス、量子コンピューティングデバイス、あるいはデバイス間をつなぐ配線、などの分野に対して、性能改善、歩留まり向上が期待されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このようなデバイスを製造する方法としては、予め電極が形成された領域に、別途形成した繊維状カーボンをランダムにばらまき、電極に繊維状カーボンの一端あるいは両端が位置しているのを確認した後、デバイスを形成するものがある。また、ランダムにばらまいた後、原子間力顕微鏡（ＡｔｏｍｉｃＦｏｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＡＦＭ）の単針で所定の位置まで移動させてデバイスを形成するものもある。また、リソグラフィー技術によって触媒をパターニングし、繊維状カーボンの成長位置を制御してデバイスを形成するものもある（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００３−１２３６２３号公報（第２頁、図１）
【特許文献２】
特開２００２−１１８２４８号公報（第３頁、第５頁、図３）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、予め電極が形成された領域に繊維状カーボンをランダムにばらまく方法では、たまたま電極に繊維状カーボンの一端又は両端が位置したときにしかデバイスを形成することができない他、デバイス間、配線間がショートしてしまう虞があり、繊維状カーボンの位置制御性が極めて乏しかった。また、原子間力顕微鏡の単針で所定の位置まで移動させる方法では、スループットが低くコストが掛かるという問題があった。また、リソグラフィー技術を用いる方法は、未だに制御の精度は数十ｎｍである上、高価な高精度マスクを必要とするという問題があった。
【０００６】
この発明は、上記事情に鑑みなされたもので、低コストで固体表面上に自在にナノメートルオーダー精度で繊維状カーボンの成長位置を制御することができると共に、スループット及び歩留まりの向上を図ることができる繊維状カーボンの形態・位置制御方法を提供し、併せて位置制御された繊維状カーボン素子及びその素子を用いたデバイスを提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１記載の繊維状カーボンの形態・位置制御方法は、イオン注入法、集束イオンビーム法又はシングルイオン注入法のいずれかによって、触媒元素を基材表面上の所定位置に注入し、前記触媒元素を触媒として繊維状カーボンを形成することを特徴とするものである。
【０００８】
これにより、固体表面上に自在にナノメートルオーダー精度で繊維状カーボンの成長位置を制御することができるので、従来のものに比較してスループット及び歩留まりの向上を図ることができると共に、低コスト化を図ることができる。
【０００９】
本発明の請求項２記載の繊維状カーボンの形態・位置制御方法は、前記請求項１において、前記触媒元素を注入する前に、注入されるイオンが基材表面に位置するように調節する保護膜を基材表面上に形成することを特徴とするものである。
【００１０】
これにより、触媒元素の深さ方向の位置を制御することができるので、繊維状カーボンの形態・位置を確実に制御して、歩留まりの向上を図ることができる。
【００１１】
本発明の請求項３記載の繊維状カーボン素子は、イオン注入法、集束イオンビーム法又はシングルイオン注入法のいずれかによって、基材表面上に位置制御された触媒元素の位置に一端が固定されていることを特徴とするものである。
【００１２】
これにより、位置が正確に制御された繊維状カーボン素子を種々のデバイスに応用することができるので、デバイスの高機能化及び低コスト化を図ることができる。
【００１３】
本発明の請求項４記載の繊維状カーボン素子は、イオン注入法、集束イオンビーム法又はシングルイオン注入法のいずれかによって、基材表面上に位置制御された触媒元素の位置に両端が固定されていることを特徴とするものである。
【００１４】
これにより、両端の位置が正確に制御された繊維状カーボン素子を種々のデバイスに応用することができるので、デバイスの高機能化及び低コスト化を図ることができる。
【００１５】
本発明の請求項５記載のデバイスは、電子を放出可能な電子放出部を有するデバイスにおいて、前記電子放出部は、イオン注入法、集束イオンビーム法又はシングルイオン注入法のいずれかによって、基材表面上に位置制御された触媒元素の位置に一端が固定されている繊維状カーボン素子からなることを特徴とするものである。
【００１６】
これにより、正確に位置制御された繊維状カーボン素子を、電子放出部を有するデバイスに適用するので、低消費電力で安定した電子放出を行うことができる。
【００１７】
本発明の請求項６記載のデバイスは、変位を検出可能な探針を有するデバイスにおいて、前記探針は、イオン注入法、集束イオンビーム法又はシングルイオン注入法のいずれかによって、基材表面上に位置制御された触媒元素の位置に一端が固定されている繊維状カーボン素子からなることを特徴とするものである。
【００１８】
これにより、正確に位置制御された繊維状カーボン素子を、変位を検出可能な探針を有するデバイスに適用するので、高い分解能の下で再現性の高い観察を行うことができる。
【００１９】
本発明の請求項７記載のデバイスは、キャリヤを供給するソースと、キャリヤを受け取るドレインと、それらの間の電流通路であるチャネルの導電率を変化させることによりチャネルを流れる電流を制御するゲートとからなるデバイスにおいて、前記チャネルは、イオン注入法、集束イオンビーム法又はシングルイオン注入法のいずれかによって、前記ソース及びドレインに位置制御された触媒元素の位置に両端が固定されている繊維状カーボン素子からなることを特徴とするものである。
【００２０】
これにより、正確に位置制御された繊維状カーボン素子をチャネルに適用するので、デバイスの微細化を図ることができ、計算速度の向上や低消費電力化を図ることができる。
【００２１】
本発明の請求項８記載のデバイスは、複数の電子素子と、前記電子素子をつなぐ配線とを有するデバイスにおいて、前記配線は、イオン注入法、集束イオンビーム法又はシングルイオン注入法のいずれかによって、前記電子素子に位置制御された触媒元素の位置に両端が固定されている繊維状カーボン素子からなることを特徴とするものである。
【００２２】
これにより、正確に位置制御された繊維状カーボン素子を配線に適用するので、デバイスの微細化を図ることができ、低消費電力化や低コスト化を図ることができる。
【００２３】
本発明の請求項９記載のデバイスは、キャリヤを供給するソースと、キャリヤを受け取るドレインと、それらの間の電流通路であるチャネルの導電率を変化させることによりチャネルを流れる電流を制御するゲートとからなる複数の電子素子と、前記電子素子をつなぐ配線とを具備するデバイスにおいて、前記チャネルは、イオン注入法、集束イオンビーム法又はシングルイオン注入法のいずれかによって、前記ソース及びドレインに位置制御された触媒元素の位置に両端が固定されている繊維状カーボン素子からなり、前記配線は、イオン注入法、集束イオンビーム法又はシングルイオン注入法のいずれかによって、前記電子素子に位置制御された触媒元素の位置に両端が固定されている繊維状カーボン素子からなることを特徴とするものである。
【００２４】
これにより、正確に位置制御された繊維状カーボン素子をチャネル及び配線に適用するので、デバイスの微細化を図ることができ、計算速度の向上や、低消費電力化、低コスト化を図ることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明における繊維状カーボンとは、単層及び多層カーボンナノチューブ、カーボンファイバーの他、炭素又は異種物質を内包する炭素の繊維構造をいい、炭素以外の不純物を含むこともある。この繊維状カーボンは、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）等の元素を、繊維状カーボンの成長を促す触媒として選択的に成長するため、繊維状カーボンの形態・位置を制御するためには、触媒金属の量・位置の制御が鍵となる。
【００２６】
触媒を基板等の基材の所定位置にナノメートルオーダ精度で制御する方法には、ドースの制御可能なイオン注入法、特にイオン源から放出される触媒金属をイオン化し集束した集束イオンビーム法や、集束イオンビーム又はマイクロイオンビーム等を利用し、イオンの個数及び位置を制御して基板（基材）に導入するシングルイオン注入法がある。これらの方法によれば、繊維状カーボンは導入された原子を触媒として選択的に成長するため、マスクレスで、かつ基板表面上に自在にナノメートルオーダー精度で繊維状カーボンの位置を制御することが可能である。
【００２７】
以下に、この発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２８】
この発明の第１実施形態は、イオン注入法によって、触媒元素を基材表面上の所定位置に注入し、触媒元素を触媒として繊維状カーボンを形成する繊維状カーボンの形態・位置制御方法である。
【００２９】
まず、繊維状カーボンを成長させたい基材、例えばシリコン基板１の表面に保護膜、例えば酸化膜２を熱酸化によって形成する（図１（ａ）、（ｂ）参照）。これは、エネルギーを持った触媒金属イオン４を固体中に打ち込む場合、触媒金属イオン４が基板１深くに導入され、かつ深さ方向にガウス分布に従って分散し、基板１の最表面に触媒金属イオン４が存在しなくなるのを防止するためである。例えば、Ｎｉイオンを３０ｋＶで注入する場合、Ｎｉイオンの飛程に相当する膜厚３０ｎｍの酸化膜２を持つシリコン基板１を用いる。これにより、Ｎｉイオンの分布の中心が基板１表面に位置するように調節することができる。なお、保護膜は酸化膜である必要はなく、触媒金属イオン４の分布の中心を基板１表面に調節することができるものであれば、他のものを用いることも可能である。また、深さ方向の制御が不要な場合は、保護膜を必要としない場合もある。
【００３０】
次に、フォトリソグラフィー又は電子線リソグラフィー法によって、酸化膜２の表面にレジストパターン３を形成し（図３（ｃ）参照）、レジストパターン３をマスクとして、イオン注入法によって触媒元素例えばＮｉイオン等の触媒金属イオン４を基板１に注入する（図３（ｄ）参照）。
【００３１】
その後、レジストを除去し（図３（ｅ））、酸化膜２を除去して（図３（ｆ））、最後に繊維状カーボン５を成長させる（図３（ｇ））。繊維状カーボンの成長法には、アーク放電法、レーザーアブレーション法、化学気相成長法（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）等の種々の方法を用いることが可能である。これにより、基板１の所定位置に一端を固定された繊維状カーボン５を形成することができる。
【００３２】
なお、上記説明では触媒金属イオンとしてＮｉを用いる場合について説明したが、イオン源として構成可能な触媒金属なら全て適用することが可能であり、例えば鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）等を用いることができる。
【００３３】
この発明の第２実施形態は、シングルイオン注入法によって、触媒元素を基材表面上の所定位置に注入し、触媒元素を触媒として繊維状カーボンを形成する繊維状カーボンの形態・位置制御方法である。
【００３４】
シングルイオン注入法については、１９９１年に、大泊巌らによってシングルイオンを抽出することに世界で初めて成功し、特公平７−７５１５６号「イオン照射装置及び方法」（特許第２０５１８５９号）、および米国特許第５，３３１，１６１号明細書に開示されている。また、１９９３年に大泊巌らにより集束イオンビームもしくはマイクロイオンビームを利用したイオン注入装置において、狙った部位に所定のイオンを１個ずつ注入可能なシングルイオン注入装置が開発され、日本国特許第２７３１８８６号「シングルイオン注入装置及び方法」、および米国特許第５，５３９，２０３号明細書に開示されている。また、上記２件の先行技術に引き続いて、イオンビームをチョッピングしてシングルイオンを抽出する方法に代わって、シングルイオン抽出用アパチャーにパルス電圧を印加してシングルイオンを抽出する方法についても大泊巌らによって発明され、特願平１１−１８７３２３号「高精細シングルイオン抽出方法及び該方法を適用した高精細シングルイオン注入装置及び方法」に開示されている。
【００３５】
図２に、シングルイオン注入装置１１の模式的構成図を示す。シングルイオン注入装置１１の動作原理は次の通りである。イオン源１２から放出するイオンビーム１３は、図示しないコンデンサーレンズによって集束され、チョッピング電極１４の中心に像を結ぶ。チョッピング電極１４にはチョッパコントローラ２０によって制御された電圧が印加され、イオンビーム１３は孔１５ａを有する対物アパチャー１５の片側に遮られる。チョッピング電極１４に印加されている電圧の極性を瞬時に反転させることによって、イオンビーム１３は対物アパチャー１５上を孔１５ａを横切って、再び遮られる。イオンビーム１３が孔１５ａを横切るときに、イオンが通過するが、通過するイオンの数は、ビーム電流、対物アパチャーの孔径に比例し、チョッピング速度に反比例する。これらを最適化することによって、イオンビーム１３から１個のイオンを抽出することが可能となる。対物アパチャー１５を通過したイオンビーム１３は図示しない対物レンズによって集束され、試料１６の表面上に像を結ぶ。試料１６に打ち込まれたシングルイオン１７は、イオン１７が打ち込まれた際に試料１６から放出する２次電子１８を検出器１９により検出して確認される。ビーム径は約２０ｎｍである。
【００３６】
図３は、シングルイオン注入法によってＣＲ・３９と呼ばれる固体飛跡検出器にシングルイオンを打ち込み、化学エッチング処理を施した後、原子間力顕微鏡で観察した像である。注入されたシングルイオンがエッチピット３８として観察されている。シングルイオン入射部位に繊維状カーボンが選択的に成長する。白十字３９は照準マークであり、照準精度は狙った部位からの平均の誤差として６０ｎｍである。図３では、１μｍ間隔でシングルイオンが注入されたが、サブ１００ｎｍ間隔で打ち込むことが可能である。
【００３７】
図４は、シングルイオン注入法を用いて繊維状カーボン５の位置を制御するためのプロセスを示す図である。
【００３８】
まず、シングルイオン注入装置１１を用いて、繊維状カーボン５を成長させたい基板１（基材）上の位置、例えば２次元の格子点の位置に触媒金属イオン４（触媒元素）、例えばＮｉイオンを注入する（図４（ａ））。この際、Ｎｉイオンの分布の中心を基板１表面に調節するため、図示しない酸化膜（保護膜）を通してイオン注入を行う。これにより、Ｎｉイオンの分布の中心が基板１表面に位置するように調節することができる。
【００３９】
触媒金属イオン４の注入後、酸化膜をエッチングして除去することにより注入イオン分布のピークが表面に現れる。この基板１を、例えばプラズマＣＶＤで流量ＣＨ_４：０．４５ｓｃｃｍ、Ｈ_２：４．５ｓｃｃｍの混合気体を６００℃、５分間熱処理した後、６００℃１０分間保持し、基板１上に繊維状カーボン５を成長させる。これにより、基板１の所定位置に一端を固定された繊維状カーボン５を形成することができる（図４（ｂ））。
【００４０】
この発明の第３実施形態は、繊維状カーボンの形態・位置制御方法を用いて一端が位置制御された繊維状カーボン素子の基本的な製造プロセスを示すものである。
【００４１】
まず、触媒金属イオン４、例えばＮｉイオンの分布の中心を基板１（基材）表面に調節するため、基板１表面に図示しない酸化膜（保護膜）を形成し、この酸化膜を通して所定の位置に、シングルイオン注入装置１１を用いてＮｉイオンの注入を行う（図５（ａ））。
【００４２】
次に、酸化膜をエッチング除去した後、イオン照射によってアルカリ溶液によるＳｉのエッチング（溶解）速度が著しく低下する現象を利用して、頂点にＮｉ原子を含む錐体、例えばピラミッド６を形成する（図５（ｂ））。図６（ａ）、（ｂ）は、シリコン基板に加速電圧３０ｋＶで１価のＮｉイオンを２μｍ間隔で２次元の格子点位置に１点につき２×１０^１６ｃｍ^−２ずつ注入した場合の例であるが、注入する不純物の種類と量により自由にピラミッド６の頂点の電気伝導性等を制御することができる。
【００４３】
最後に、プラズマＣＶＤ処理等を施すことによって、ピラミッド６の頂点に繊維状カーボン５を成長させる（図５（ｃ））。これにより、頂点にのみ繊維状カーボン５を有するピラミッド６をマスクレスでわずか数工程で作製することができる。勿論、アーク放電法、レーザーアブレーション法を用いて繊維状カーボン５を成長させることも可能である。
【００４４】
なお、上記説明では、触媒金属イオン４の注入に、シングルイオン注入法を用いる場合について説明したが、触媒イオンの量・位置を制御できるものであれば、集束イオンビーム法等の種々の方法を用いることができる。
【００４５】
この発明の第４実施形態は、繊維状カーボンの形態・位置制御方法を用いて一端が位置制御された繊維状カーボン素子を、光源、フラットパネルディスプレイ、電界放出源、電子銃等の電子放出素子に適用したものである。
【００４６】
以下に、電子放出デバイスの製造プロセスについて説明する。
【００４７】
まず、シリコンなどの基板１（基材）上に酸化膜２（保護膜）を形成し、リソグラフィーによって電子放出サイト７を有するレジストパターン３を形成する（図７（ａ））。続いて、イオン注入法により触媒金属イオン４（触媒元素）を注入し（図７（ｂ））、レジストパターン３（マスク）の除去（図７（ｃ））、酸化膜２の除去を行った後、イオン照射領域におけるシリコンエッチング減速現象を用いることによってピラミッド６を形成する（図７（ｄ））。形成されたピラミッド６の先端部には触媒金属（触媒元素）が存在しており、プラズマＣＶＤ成長法等によって先端部にのみ選択的に繊維状カーボン５を成長させる（図７（ｅ））。これにより、光源、フラットパネルディスプレイ、電界放出源、電子銃等の電子放出素子を形成することができる（図７（ｆ））。
【００４８】
このように基板１上に繊維状カーボン５を成長させた電子放出素子は、電界集中効果により、主として繊維状カーボン５の先端から電子が放出される。このとき、繊維状カーボン５の有する微小な先端半径、高アスペクト形状、および高電気伝導性によって、低消費電力下での電子放出を実現することができる。また、繊維状カーボン５の化学的安定性は、放出電子の時間安定性を増加することもできる。
【００４９】
なお、上記説明では、触媒金属イオン４の注入に、イオン注入法を用いる場合について説明したが、シングルイオン注入法、集束イオンビーム法を用いることも勿論可能である。
【００５０】
この発明の第５実施形態は、繊維状カーボンの形態・位置制御方法を用いて一端が位置制御された繊維状カーボン素子を、走査型プローブ顕微鏡の探針先端に応用したものである。
【００５１】
この場合も、電子放出デバイスの製造プロセスと同様、シリコンなどの基板１上に酸化膜２（保護膜）を形成し、リソグラフィーによって電子放出サイト７をパターニングし（図８（ａ））、イオン注入法により触媒金属（触媒元素）をイオン注入し（図８（ｂ））、レジストパターン３（マスク）の除去（図８（ｃ））、酸化膜２の除去（図８（ｄ））を行った後、イオン照射領域におけるシリコンエッチング減速現象を用いることによってピラミッド６を形成する（図８（ｄ））。その後、プラズマＣＶＤ成長法等によって先端部にのみ選択的に繊維状カーボン５を成長させる（図８（ｅ））。これにより、走査型プローブ顕微鏡の探針を形成することができる（図８（ｆ））。
【００５２】
このように形成された繊維状カーボン５は、微小な先端半径および高アスペクト比を有し、試料の様々な形状表面を高い分解能の下で観察するのに適し、機械的に柔軟かつ強靭な特徴は、探針劣化を防止し再現性の高い観察に適する。また、繊維状カーボン５の高い電気伝導性は、走査プローブ顕微鏡の探針において、電磁気学的な測定に適する。更に、繊維状カーボン５の熱伝導性は、走査プローブ顕微鏡において、熱力学的な測定にも適している。
【００５３】
なお、上記説明では、触媒金属イオン４の注入に、イオン注入法を用いる場合について説明したが、シングルイオン注入法、集束イオンビーム法を用いることも勿論可能である。
【００５４】
この発明の第６実施形態は、キャリヤを供給するソースと、キャリヤを受け取るドレインと、それらの間の電流通路であるチャネルの導電率を変化させることによりチャネルを流れる電流を制御するゲートとからなるデバイスにおいて、繊維状カーボンの形態・位置制御方法を用いて両端が位置制御された繊維状カーボン素子をチャネル及び配線に適用したものである。
【００５５】
以下に、ＦＥＴ等の３端子デバイスの製造プロセスについて図９ないし図１２を用いて説明する。ここで、図９（ａ）〜（ｎ）は、図１１のＡ−Ａ線上の製造プロセスを示す断面図であり、図１０（ａ）〜（ｌ）は、図１１のＢ−Ｂ線上の製造プロセスを示す断面図である。
【００５６】
基板２１（基材）には、数〜１０ｎｍの厚さを持つ酸化膜２２とその表面にシリコン層２３が形成されたものを用いる（図９（ａ）、図１０（ａ））。基板１を洗浄した後、上部シリコン層２３を酸化して酸化膜２４を形成する（図９（ｂ）、図１０（ｂ））。続いて、表面電位を基板１側から制御するバックゲート領域を形成するために、レジスト２５を塗布して最初のリソグラフィーを行い（図９（ｃ）、図１０（ｃ））、酸化膜２４、シリコン層２３をエッチング除去する（図９（ｄ）、図１０（ｄ））。そして、シリコンを低抵抗化したイオン注入層２６を形成するため、酸化膜２２を通してイオン注入を行う（図９（ｅ）、図１０（ｅ））。次に、電極を形成するために、レジスト２７を塗布して第２回目のリソグラフィーを行い（図９（ｆ）、図１０（ｆ））、酸化膜２４、シリコン層２３をエッチング除去する（図９（ｇ）、図１０（ｇ））。更に、コンタクトを形成するために、レジスト２８を塗布して第３回目のリソグラフィーを行い（図９（ｈ）、図１０（ｈ））、酸化膜２４をエッチング除去する（図９（ｉ）、図１０（ｉ））。その後、電極材料２９として、リンもしくはボロンドープの多結晶シリコン、および金属を堆積し（図９（ｊ）、図１０（ｊ））、レジスト３０を塗布して第４回目のリソグラフィーを行い（図９（ｋ）、図１０（ｋ））、電極を形成する（図９（ｌ）、図１０（ｌ））。形成された電極の所定の位置にシングルイオン注入法によって触媒金属３１を打ち込み（図９（ｍ）、図１２（ａ））、続くプラズマＣＶＤ成長法によって半導体カーボンナノチューブ３２（繊維状カーボン）を形成する（図９（ｎ）、図１１（ａ）、図１２（ｂ））。最後に、ゲート電極の所定の位置にイオン注入法によって触媒金属を打ち込み、これを起点として金属カーボンナノチューブ３３（繊維状カーボン）を半導体カーボンナノチューブ３２の上を跨ぐ様に成長させる（図１１（ｂ））。これにより、超微細なＦＥＴ等の３端子デバイスを構築することができる。
【００５７】
なお、このような方法は、例えば図１３に示すような、入力端子３５、出力端子３６、電源３７を有し、チャネルや配線をカーボンナノチューブで置き換えたＣＭＯＳ、ナノデバイス、分子デバイス、単電子デバイス、薄膜（２次元）量子細線（１次元）・量子ドット（０次元）、系デバイス、フォトニックデバイス、量子コンピューティングデバイスへの応用も可能である。これにより、現行技術の１００分の１以下に相当する超微細な集積回路を構築することができる。
【００５８】
なお、上記説明では、触媒金属イオン３１の注入に、シングルイオン注入法を用いる場合について説明したが、イオン注入法、集束イオンビーム法を用いることも勿論可能である。
【００５９】
【発明の効果】
本発明の請求項１記載の繊維状カーボンの形態・位置制御方法は、イオン注入法、集束イオンビーム法又はシングルイオン注入法のいずれかによって、触媒元素を基材表面上の所定位置に注入し、前記触媒元素を触媒として繊維状カーボンを形成することを特徴とするものであり、これにより、固体表面上に自在にナノメートルオーダー精度で繊維状カーボンの成長位置を制御することができるので、従来のものに比較してスループット及び歩留まりの向上を図ることができると共に、低コスト化を図ることができる。
【００６０】
請求項２記載の繊維状カーボンの形態・位置制御方法は、前記請求項１において、前記触媒元素を注入する前に、注入されるイオンが基材表面に位置するように調節する保護膜を基材表面上に形成することを特徴とするものであり、これにより、触媒元素の深さ方向の位置を制御することができるので、繊維状カーボンの形態・位置を確実に制御して、歩留まりの向上を図ることができる。
【００６１】
請求項３記載の繊維状カーボン素子は、イオン注入法、集束イオンビーム法又はシングルイオン注入法のいずれかによって、基材表面上に位置制御された触媒元素の位置に一端が固定されていることを特徴とするものであり、これにより、位置が正確に制御された繊維状カーボン素子を種々のデバイスに応用することができるので、デバイスの高機能化及び低コスト化を図ることができる。
【００６２】
請求項４記載の繊維状カーボン素子は、イオン注入法、集束イオンビーム法又はシングルイオン注入法のいずれかによって、基材表面上に位置制御された触媒元素の位置に両端が固定されていることを特徴とするものであり、これにより、両端の位置が正確に制御された繊維状カーボン素子を種々のデバイスに応用することができるので、デバイスの高機能化及び低コスト化を図ることができる。
【００６３】
請求項５記載のデバイスは、電子を放出可能な電子放出部を有するデバイスにおいて、前記電子放出部は、イオン注入法、集束イオンビーム法又はシングルイオン注入法のいずれかによって、基材表面上に位置制御された触媒元素の位置に一端が固定されている繊維状カーボン素子からなることを特徴とするものであり、これにより、正確に位置制御された繊維状カーボン素子を電子放出部を有するデバイスに適用するので、低消費電力で安定した電子放出を行うことができる。
【００６４】
請求項６記載のデバイスは、変位を検出可能な探針を有するデバイスにおいて、前記探針は、イオン注入法、集束イオンビーム法又はシングルイオン注入法のいずれかによって、基材表面上に位置制御された触媒元素の位置に一端が固定されている繊維状カーボン素子からなることを特徴とするものであり、これにより、正確に位置制御された繊維状カーボン素子を、変位を検出可能な探針を有するデバイスに適用するので、高い分解能の下で再現性の高い観察を行うことができる。
【００６５】
請求項７記載のデバイスは、キャリヤを供給するソースと、キャリヤを受け取るドレインと、それらの間の電流通路であるチャネルの導電率を変化させることによりチャネルを流れる電流を制御するゲートとからなるデバイスにおいて、前記チャネルは、イオン注入法、集束イオンビーム法又はシングルイオン注入法のいずれかによって、前記ソース及びドレインに位置制御された触媒元素の位置に両端が固定されている繊維状カーボン素子からなることを特徴とするものであり、これにより、正確に位置制御された繊維状カーボン素子をチャネルに適用するので、デバイスの微細化を図ることができ、計算速度の向上や低消費電力化を図ることができる。
【００６６】
請求項８記載のデバイスは、複数の電子素子と、前記電子素子をつなぐ配線とを有するデバイスにおいて、前記配線は、イオン注入法、集束イオンビーム法又はシングルイオン注入法のいずれかによって、前記電子素子に位置制御された触媒元素の位置に両端が固定されている繊維状カーボン素子からなることを特徴とするものであり、これにより、正確に位置制御された繊維状カーボン素子を配線に適用するので、デバイスの微細化を図ることができ、低消費電力化や低コスト化を図ることができる。
【００６７】
請求項９記載のデバイスは、キャリヤを供給するソースと、キャリヤを受け取るドレインと、それらの間の電流通路であるチャネルの導電率を変化させることによりチャネルを流れる電流を制御するゲートとからなる複数の電子素子と、前記電子素子をつなぐ配線とを具備するデバイスにおいて、前記チャネルは、イオン注入法、集束イオンビーム法又はシングルイオン注入法のいずれかによって、前記ソース及びドレインに位置制御された触媒元素の位置に両端が固定されている繊維状カーボン素子からなり、前記配線は、イオン注入法、集束イオンビーム法又はシングルイオン注入法のいずれかによって、前記電子素子に位置制御された触媒元素の位置に両端が固定されている繊維状カーボン素子からなることを特徴とするものであり、これにより、正確に位置制御された繊維状カーボン素子をチャネル及び配線に適用するので、デバイスの微細化を図ることができ、計算速度の向上や、低消費電力化、低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のイオン注入法による繊維状カーボンの形態・位置制御方法を説明する断面図である。
【図２】シングルイオン注入装置を示す模式的構成図である。
【図３】シングルイオン照射痕を示す原子間力顕微鏡像である。
【図４】本発明のシングルイオン注入法による繊維状カーボンの形態・位置制御方法を説明する概略斜視図である。
【図５】本発明の繊維状カーボン素子の基本的な製造プロセスを説明する概略斜視図である。
【図６】（ａ）触媒金属を頂点とするピラミッド、及び（ｂ）触媒金属の注入後の基板表面を示す電子顕微鏡写真である。
【図７】本発明の電子放出デバイスの製造プロセスを説明する概略斜視図である。
【図８】本発明の走査型プローブ顕微鏡の探針の製造プロセスを説明する概略斜視図である。
【図９】本発明の繊維状カーボン素子を用いた３端子デバイスのソース及びドレインの製造プロセスを説明する断面図である。
【図１０】本発明の繊維状カーボン素子を用いた３端子デバイスのゲートの製造プロセスを説明する断面図である。
【図１１】本発明の繊維状カーボン素子を用いた３端子デバイスを示す概略平面図である。
【図１２】本発明の繊維状カーボン素子を用いた３端子デバイスの製造プロセスを説明する概略斜視図である。
【図１３】本発明の繊維状カーボン素子を用いた集積回路を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
１基板（基材）
２酸化膜（保護膜）
４触媒金属イオン（触媒元素）
５繊維状カーボン
２１基板（基材）
３１触媒金属イオン（触媒元素）
３２繊維状カーボン[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for controlling the form and position of fibrous carbon, a fibrous carbon element whose position is controlled by using the method, and a device using the element.
[0002]
[Prior art]
In addition to single-wall or multi-wall carbon nanotubes, carbon fiber, etc., fibrous carbon, which is a carbon fiber structure containing carbon or heterogeneous materials, has a nanometer-scale structure without fluctuation, and a semiconductor that changes depending on the winding and thickness of graphite. It has many attractive physical properties as a bottom-up nanomaterial, such as a wide range of electrical conductivity from metal to metal, high allowable current density, lightweight and excellent mechanical strength, thermal conductivity superior to diamond, electron emission device, Probes, devices that make up large-scale integrated circuits, nanodevices, molecular devices, single-electron devices, thin-film (two-dimensional), quantum wire (one-dimensional), quantum dot (zero-dimensional) devices, photonic devices, quantum computing devices Performance improvement for such fields as switching devices or wiring connecting devices. Stays improvement is expected (for example, see Patent Document 1).
[0003]
As a method of manufacturing such a device, a fibrous carbon separately formed is randomly dispersed in a region where an electrode is formed in advance, and after confirming that one or both ends of the fibrous carbon are located on the electrode. , Which form the device. There is also a device in which a device is formed by randomly dispersing and then moving to a predetermined position with a single needle of an atomic force microscope (AFM). Further, there is a device in which a catalyst is patterned by lithography technology to control a growth position of fibrous carbon to form a device (for example, see Patent Document 2).
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2003-123623 A (Page 2, FIG. 1)
[Patent Document 2]
JP-A-2002-118248 (page 3, page 5, FIG. 3)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the method of randomly dispersing fibrous carbon in a region where an electrode is formed in advance, a device can be formed only when one or both ends of the fibrous carbon are accidentally positioned on the electrode, and between devices and between wirings. However, there is a possibility that the carbon fiber may be short-circuited, and the position controllability of the fibrous carbon was extremely poor. Further, the method of moving to a predetermined position with a single needle of the atomic force microscope has a problem that the throughput is low and the cost is high. Further, the method using the lithography technique has a problem that the control accuracy is still tens of nm and an expensive high-precision mask is required.
[0006]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is possible to freely control the growth position of fibrous carbon on a solid surface at low cost with nanometer order accuracy, and to improve throughput and yield. It is an object of the present invention to provide a method and a method for controlling the form and position of fibrous carbon, and to provide a fibrous carbon element whose position is controlled and a device using the element.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the method for controlling the form and position of fibrous carbon according to claim 1 of the present invention is characterized in that a catalytic element is formed on a substrate by any one of an ion implantation method, a focused ion beam method and a single ion implantation method. It is characterized in that the carbon is injected into a predetermined position on the surface to form fibrous carbon using the catalyst element as a catalyst.
[0008]
As a result, the growth position of the fibrous carbon can be freely controlled on the solid surface with a precision of the order of nanometers, so that the throughput and the yield can be improved as compared with the conventional one, and the cost can be reduced. Can be achieved.
[0009]
In the method for controlling the form and position of fibrous carbon according to the second aspect of the present invention, the protection method according to the first aspect, wherein the implanted ions are adjusted to be located on the surface of the base material before the catalyst element is implanted. It is characterized in that a film is formed on a substrate surface.
[0010]
Thereby, since the position of the catalyst element in the depth direction can be controlled, the form and position of the fibrous carbon can be surely controlled, and the yield can be improved.
[0011]
The fibrous carbon element according to claim 3 of the present invention has one end fixed to the position of the catalytic element whose position is controlled on the substrate surface by any one of the ion implantation method, the focused ion beam method, and the single ion implantation method. It is characterized by having.
[0012]
Thus, the fibrous carbon element whose position is accurately controlled can be applied to various devices, so that it is possible to achieve high functionality and low cost of the device.
[0013]
In the fibrous carbon element according to claim 4 of the present invention, both ends are fixed to the position of the catalytic element whose position is controlled on the substrate surface by any one of the ion implantation method, the focused ion beam method, and the single ion implantation method. It is characterized by having.
[0014]
Thereby, since the fibrous carbon element in which the positions of both ends are accurately controlled can be applied to various devices, it is possible to achieve high functionality and low cost of the device.
[0015]
The device according to claim 5, wherein the device has an electron-emitting portion capable of emitting electrons, wherein the electron-emitting portion is formed on a substrate by any one of an ion implantation method, a focused ion beam method, and a single ion implantation method. It is characterized by comprising a fibrous carbon element having one end fixed to the position of the catalytic element whose position is controlled on the surface.
[0016]
Thus, since the fibrous carbon element whose position is accurately controlled is applied to a device having an electron emitting portion, stable electron emission can be performed with low power consumption.
[0017]
The device according to claim 6, wherein the probe has a probe capable of detecting a displacement, wherein the probe is provided on the surface of the base material by any one of an ion implantation method, a focused ion beam method, and a single ion implantation method. And a fibrous carbon element having one end fixed to the position of the catalytic element whose position is controlled.
[0018]
Thus, since the fibrous carbon element whose position is accurately controlled is applied to a device having a probe capable of detecting displacement, observation with high reproducibility and high resolution can be performed.
[0019]
A device according to claim 7 of the present invention comprises a source for supplying a carrier, a drain for receiving the carrier, and a gate for controlling the current flowing through the channel by changing the conductivity of the channel, the current path between them. In the device, the channel is fibrous carbon whose both ends are fixed to the position of the catalytic element whose position is controlled in the source and the drain by any one of an ion implantation method, a focused ion beam method, and a single ion implantation method. It is characterized by comprising an element.
[0020]
Thus, since the fibrous carbon element whose position is accurately controlled is applied to the channel, the device can be miniaturized, and the calculation speed can be improved and the power consumption can be reduced.
[0021]
The device according to claim 8, wherein the device includes a plurality of electronic elements and a wiring connecting the electronic elements, wherein the wiring is formed by any one of an ion implantation method, a focused ion beam method, and a single ion implantation method. And a fibrous carbon element having both ends fixed to the position of the catalytic element whose position is controlled by the electronic element.
[0022]
Thus, since the fibrous carbon element whose position is accurately controlled is applied to the wiring, the device can be miniaturized, and power consumption and cost can be reduced.
[0023]
A device according to claim 9 of the present invention comprises a source for supplying a carrier, a drain for receiving the carrier, and a gate for controlling the current flowing through the channel by changing the conductivity of the channel, the current path between them. A device comprising: a plurality of electronic elements consisting of: and a wiring connecting the electronic elements, wherein the channel is position-controlled to the source and the drain by any one of an ion implantation method, a focused ion beam method, and a single ion implantation method. The wiring was controlled in position by the electronic element by any one of an ion implantation method, a focused ion beam method, and a single ion implantation method. Characterized by a fibrous carbon element fixed at both ends to the position of the catalytic element A.
[0024]
As a result, since the fibrous carbon element whose position is accurately controlled is applied to the channel and the wiring, the device can be miniaturized, and the calculation speed, power consumption, and cost can be reduced. it can.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The fibrous carbon in the present invention refers to single-walled and multi-walled carbon nanotubes and carbon fibers, as well as a carbon fiber structure containing carbon or a different substance, and may contain impurities other than carbon. The fibrous carbon includes iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), platinum (Pt), lanthanum (La), and yttrium (Y). And the like are selectively grown as catalysts for promoting the growth of fibrous carbon. Therefore, in order to control the form and position of fibrous carbon, control of the amount and position of the catalytic metal is key.
[0026]
Methods for controlling the catalyst at a predetermined position on a base material such as a substrate with nanometer-order accuracy include a controllable ion implantation method, in particular, a focused ion beam method in which a catalyst metal released from an ion source is ionized and focused. There is a single ion implantation method in which the number and position of ions are controlled and introduced into a substrate (base material) using a focused ion beam or a micro ion beam. According to these methods, since the fibrous carbon grows selectively using the introduced atoms as a catalyst, the position of the fibrous carbon can be controlled with a maskless degree and freely on the substrate surface with nanometer order accuracy. Is possible.
[0027]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0028]
The first embodiment of the present invention is a form / position control method of fibrous carbon in which a catalytic element is injected into a predetermined position on a substrate surface by an ion implantation method and fibrous carbon is formed using the catalytic element as a catalyst. .
[0029]
First, a protective film, for example, an oxide film 2 is formed on the surface of a substrate on which fibrous carbon is to be grown, for example, a silicon substrate 1 by thermal oxidation (see FIGS. 1A and 1B). This is because when catalytic metal ions 4 having energy are implanted into a solid, the catalytic metal ions 4 are introduced deep into the substrate 1 and dispersed according to a Gaussian distribution in the depth direction. This is to prevent the 4 from disappearing. For example, when Ni ions are implanted at 30 kV, a silicon substrate 1 having an oxide film 2 with a thickness of 30 nm corresponding to the range of Ni ions is used. Thereby, it can be adjusted so that the center of the distribution of the Ni ions is located on the surface of the substrate 1. Note that the protective film does not need to be an oxide film, and any other material can be used as long as the center of the distribution of the catalytic metal ions 4 can be adjusted to the surface of the substrate 1. When the control in the depth direction is not required, the protective film may not be required.
[0030]
Next, a resist pattern 3 is formed on the surface of the oxide film 2 by photolithography or electron beam lithography (see FIG. 3C), and using the resist pattern 3 as a mask, a catalyst element such as Ni ion or the like is formed by ion implantation. Is implanted into the substrate 1 (see FIG. 3D).
[0031]
Thereafter, the resist is removed (FIG. 3E), the oxide film 2 is removed (FIG. 3F), and finally the fibrous carbon 5 is grown (FIG. 3G). Various methods, such as an arc discharge method, a laser ablation method, and a chemical vapor deposition method (Chemical Vapor Deposition: CVD), can be used for the growth method of fibrous carbon. Thereby, the fibrous carbon 5 having one end fixed to a predetermined position of the substrate 1 can be formed.
[0032]
In the above description, Ni is used as the catalyst metal ion. However, any catalyst metal that can be configured as an ion source can be used. For example, iron (Fe), cobalt (Co), ruthenium (Ru) can be used. ), Rhodium (Rh), palladium (Pd), platinum (Pt), lanthanum (La), yttrium (Y), and the like.
[0033]
The second embodiment of the present invention relates to a method for controlling the form and position of fibrous carbon in which a catalytic element is injected into a predetermined position on the surface of a base material by a single ion implantation method and fibrous carbon is formed using the catalytic element as a catalyst. is there.
[0034]
Regarding the single ion implantation method, Iwao Ohdomari et al. Succeeded in extracting a single ion for the first time in the world in 1991, and Japanese Patent Publication No. 7-75156 “Ion irradiation apparatus and method” (Patent No. 2051859), and It is disclosed in U.S. Pat. No. 5,331,161. Also, in 1993, Iwao Ohdomari et al. Developed a single ion implantation apparatus capable of implanting predetermined ions one by one into a target site in an ion implantation apparatus using a focused ion beam or a micro ion beam. No. 2,731,886, entitled "Single Ion Implantation Apparatus and Method", and U.S. Pat. No. 5,539,203. Further, following the above two prior arts, instead of a method of extracting a single ion by chopping an ion beam, a method of extracting a single ion by applying a pulse voltage to a single ion extraction aperture is also described. It was invented by Iwao et al. And disclosed in Japanese Patent Application No. 11-187323 entitled "High-definition single ion extraction method and high-definition single ion implantation apparatus and method to which the method is applied".
[0035]
FIG. 2 shows a schematic configuration diagram of the single ion implantation apparatus 11. The operating principle of the single ion implanter 11 is as follows. The ion beam 13 emitted from the ion source 12 is focused by a condenser lens (not shown) and forms an image at the center of the chopping electrode 14. The voltage controlled by the chopper controller 20 is applied to the chopping electrode 14, and the ion beam 13 is blocked on one side of the objective aperture 15 having the hole 15a. By instantaneously reversing the polarity of the voltage applied to the chopping electrode 14, the ion beam 13 crosses over the objective aperture 15 across the hole 15a and is again blocked. When the ion beam 13 crosses the hole 15a, the ions pass. The number of passing ions is proportional to the beam current, the hole diameter of the objective aperture, and inversely proportional to the chopping speed. By optimizing these, one ion can be extracted from the ion beam 13. The ion beam 13 that has passed through the objective aperture 15 is focused by an objective lens (not shown), and forms an image on the surface of the sample 16. The single ions 17 implanted in the sample 16 are confirmed by detecting secondary electrons 18 emitted from the sample 16 when the ions 17 are implanted by the detector 19. The beam diameter is about 20 nm.
[0036]
FIG. 3 is an image observed by an atomic force microscope after a single ion is implanted into a solid track detector called CR.39 by a single ion implantation method, subjected to a chemical etching treatment, and then subjected to chemical etching. The implanted single ions are observed as etch pits 38. Fibrous carbon selectively grows at the single ion incidence site. The white cross 39 is an aiming mark, and the aiming accuracy is 60 nm as an average error from a target portion. In FIG. 3, single ions are implanted at 1 μm intervals, but they can be implanted at sub-100 nm intervals.
[0037]
FIG. 4 is a diagram showing a process for controlling the position of the fibrous carbon 5 using the single ion implantation method.
[0038]
First, using the single ion implanter 11, a catalytic metal ion 4 (catalytic element), for example, Ni ion, is placed at a position on the substrate 1 (substrate) where the fibrous carbon 5 is to be grown, for example, at a position of a two-dimensional lattice point. Is injected (FIG. 4A). At this time, in order to adjust the center of the distribution of Ni ions to the surface of the substrate 1, ion implantation is performed through an oxide film (protective film) not shown. Thereby, it can be adjusted so that the center of the distribution of the Ni ions is located on the surface of the substrate 1.
[0039]
After the implantation of the catalytic metal ions 4, the oxide film is removed by etching, so that a peak of the implanted ion distribution appears on the surface. The substrate 1 is supplied with a flow rate CH by plasma CVD, for example. ₄ : 0.45 sccm, H ₂ After heat-treating a 4.5 sccm mixed gas at 600 ° C. for 5 minutes, the mixture is kept at 600 ° C. for 10 minutes to grow the fibrous carbon 5 on the substrate 1. Thus, the fibrous carbon 5 having one end fixed at a predetermined position of the substrate 1 can be formed (FIG. 4B).
[0040]
The third embodiment of the present invention shows a basic manufacturing process of a fibrous carbon element whose one end is position-controlled using a form and position control method of fibrous carbon.
[0041]
First, an oxide film (protective film), not shown, is formed on the surface of the substrate 1 to adjust the center of the distribution of the catalytic metal ions 4, for example, Ni ions, to the surface of the substrate 1 (base material). Next, Ni ions are implanted using the single ion implanter 11 (FIG. 5A).
[0042]
Next, after the oxide film is removed by etching, a cone containing Ni atoms at the apex, for example, a pyramid 6, is formed by utilizing the phenomenon that the etching (dissolution) rate of Si by an alkaline solution is significantly reduced by ion irradiation ( FIG. 5 (b)). FIGS. 6 (a) and 6 (b) show that a monovalent Ni ion is applied to a silicon substrate at an accelerating voltage of 30 kV at intervals of 2 μm at a two-dimensional lattice point position at 2 × 10 2 points. ¹⁶ cm ^-2 Although this is an example in which the impurities are implanted one by one, the electrical conductivity and the like at the apex of the pyramid 6 can be freely controlled by the type and amount of the impurity to be implanted.
[0043]
Finally, the fibrous carbon 5 is grown at the apex of the pyramid 6 by performing a plasma CVD process or the like (FIG. 5C). Thereby, the pyramid 6 having the fibrous carbon 5 only at the apex can be manufactured in a few steps without using a mask. Of course, it is also possible to grow the fibrous carbon 5 using an arc discharge method or a laser ablation method.
[0044]
In the above description, the case where the single ion implantation method is used to implant the catalytic metal ions 4 has been described. However, various methods such as the focused ion beam method can be used as long as the amount and position of the catalytic ions can be controlled. Can be used.
[0045]
The fourth embodiment of the present invention relates to a method of controlling the position of one end of a fibrous carbon element using a method and a method of controlling the form and position of fibrous carbon. It is applied to.
[0046]
Hereinafter, a manufacturing process of the electron emission device will be described.
[0047]
First, an oxide film 2 (protective film) is formed on a substrate 1 (base material) made of silicon or the like, and a resist pattern 3 having an electron emission site 7 is formed by lithography (FIG. 7A). Subsequently, catalytic metal ions 4 (catalytic element) were implanted by ion implantation (FIG. 7B), the resist pattern 3 (mask) was removed (FIG. 7C), and the oxide film 2 was removed. Thereafter, a pyramid 6 is formed by using the silicon etching deceleration phenomenon in the ion irradiation region (FIG. 7D). A catalytic metal (catalytic element) exists at the tip of the formed pyramid 6, and the fibrous carbon 5 is selectively grown only at the tip by a plasma CVD growth method or the like (FIG. 7E). Thus, an electron-emitting device such as a light source, a flat panel display, a field emission source, and an electron gun can be formed (FIG. 7F).
[0048]
In the electron-emitting device having the fibrous carbon 5 grown on the substrate 1 as described above, electrons are mainly emitted from the tip of the fibrous carbon 5 due to the electric field concentration effect. At this time, due to the minute tip radius, high aspect shape, and high electrical conductivity of the fibrous carbon 5, electron emission with low power consumption can be realized. Further, the chemical stability of the fibrous carbon 5 can increase the time stability of the emitted electrons.
[0049]
In the above description, the case where the ion implantation method is used for the implantation of the catalytic metal ions 4 has been described. However, it is of course possible to use the single ion implantation method or the focused ion beam method.
[0050]
In the fifth embodiment of the present invention, a fibrous carbon element whose one end is position-controlled by using the form / position control method of fibrous carbon is applied to a probe tip of a scanning probe microscope.
[0051]
Also in this case, similarly to the manufacturing process of the electron emission device, an oxide film 2 (protective film) is formed on a substrate 1 such as silicon, and the electron emission site 7 is patterned by lithography (FIG. 8A), and ion implantation is performed. The catalytic metal (catalytic element) is ion-implanted by the method (FIG. 8B), the resist pattern 3 (mask) is removed (FIG. 8C), and the oxide film 2 is removed (FIG. 8D). After that, the pyramid 6 is formed by using the silicon etching deceleration phenomenon in the ion irradiation area (FIG. 8D). Thereafter, the fibrous carbon 5 is selectively grown only at the tip portion by a plasma CVD growth method or the like (FIG. 8E). Thus, the probe of the scanning probe microscope can be formed (FIG. 8F).
[0052]
The fibrous carbon 5 thus formed has a small tip radius and a high aspect ratio, is suitable for observing various shaped surfaces of a sample under high resolution, and is mechanically flexible and tough. Is suitable for observation with high reproducibility by preventing probe deterioration. In addition, the high electrical conductivity of the fibrous carbon 5 is suitable for electromagnetic measurement at the tip of a scanning probe microscope. Further, the thermal conductivity of the fibrous carbon 5 is suitable for thermodynamic measurement in a scanning probe microscope.
[0053]
In the above description, the case where the ion implantation method is used for the implantation of the catalytic metal ions 4 has been described. However, it is of course possible to use the single ion implantation method or the focused ion beam method.
[0054]
A sixth embodiment of the present invention comprises a source for supplying carriers, a drain for receiving carriers, and a gate for controlling the current flowing through the channel by changing the conductivity of the channel, which is the current path between them. In the device, a fibrous carbon element whose positions are controlled at both ends by using a form / position control method of fibrous carbon is applied to a channel and a wiring.
[0055]
Hereinafter, a manufacturing process of a three-terminal device such as an FET will be described with reference to FIGS. Here, FIGS. 9A to 9N are cross-sectional views showing a manufacturing process on the line AA in FIG. 11, and FIGS. 10A to 10L are sectional views on the line BB in FIG. It is sectional drawing which shows a manufacturing process.
[0056]
As the substrate 21 (base material), an oxide film 22 having a thickness of several to 10 nm and a silicon layer 23 formed on the surface thereof are used (FIGS. 9A and 10A). After cleaning the substrate 1, the upper silicon layer 23 is oxidized to form an oxide film 24 (FIGS. 9B and 10B). Subsequently, in order to form a back gate region for controlling the surface potential from the substrate 1 side, a resist 25 is applied and first lithography is performed (FIGS. 9C and 10C). The silicon layer 23 is removed by etching (FIGS. 9D and 10D). Then, ions are implanted through the oxide film 22 to form the ion-implanted layer 26 in which the resistance of silicon is reduced (FIGS. 9E and 10E). Next, in order to form an electrode, a resist 27 is applied and second lithography is performed (FIGS. 9F and 10F), and the oxide film 24 and the silicon layer 23 are removed by etching (FIG. 9 (g), FIG. 10 (g)). Further, in order to form a contact, a resist 28 is applied and a third lithography is performed (FIGS. 9H and 10H), and the oxide film 24 is removed by etching (FIG. 9I). FIG. 10 (i)). Thereafter, phosphorus or boron-doped polycrystalline silicon and a metal are deposited as an electrode material 29 (FIGS. 9 (j) and 10 (j)), a resist 30 is applied, and a fourth lithography is performed (FIG. 9). (K), FIG. 10 (k)), and electrodes are formed (FIG. 9 (l), FIG. 10 (l)). A catalyst metal 31 is implanted into a predetermined position of the formed electrode by a single ion implantation method (FIGS. 9 (m) and 12 (a)), and a semiconductor carbon nanotube 32 (fibrous carbon) is formed by a plasma CVD growth method. (FIG. 9 (n), FIG. 11 (a), FIG. 12 (b)). Finally, a catalytic metal is implanted into a predetermined position of the gate electrode by an ion implantation method, and a metal carbon nanotube 33 (fibrous carbon) is grown so as to straddle over the semiconductor carbon nanotube 32 starting from the catalytic metal (FIG. 11 (b)). )). This makes it possible to construct a three-terminal device such as an ultra-fine FET.
[0057]
Note that such a method includes an input terminal 35, an output terminal 36, and a power supply 37 as shown in FIG. 13, and in which a channel or a wiring is replaced with a carbon nanotube, a CMOS, a nanodevice, a molecular device, or a single-electron device. It is also applicable to thin films (two-dimensional) quantum wires (one-dimensional) and quantum dots (zero-dimensional), system devices, photonic devices, and quantum computing devices. As a result, it is possible to construct an ultrafine integrated circuit equivalent to one hundredth or less of the current technology.
[0058]
In the above description, the case where the single ion implantation method is used for the implantation of the catalytic metal ions 31 has been described. However, the ion implantation method and the focused ion beam method can of course be used.
[0059]
【The invention's effect】
In the method for controlling the form and position of fibrous carbon according to claim 1 of the present invention, a catalyst element is injected into a predetermined position on the surface of a base material by any of an ion implantation method, a focused ion beam method, and a single ion implantation method. It is characterized in that fibrous carbon is formed by using the catalyst element as a catalyst, whereby it is possible to freely control the growth position of fibrous carbon on the solid surface with nanometer order accuracy, It is possible to improve the throughput and the yield as compared with the conventional one, and to reduce the cost.
[0060]
The method for controlling the form and position of fibrous carbon according to claim 2 is based on the protective film according to claim 1, wherein before the catalyst element is implanted, the ions to be implanted are adjusted to be located on the surface of the base material. It is characterized in that it is formed on the surface of the material, and by this, the position of the catalytic element in the depth direction can be controlled, so that the form and position of the fibrous carbon can be reliably controlled and the yield can be improved. Improvement can be achieved.
[0061]
The fibrous carbon element according to claim 3, wherein one end is fixed to the position of the catalytic element whose position is controlled on the surface of the base material by any one of the ion implantation method, the focused ion beam method, and the single ion implantation method. Since the fibrous carbon element whose position is accurately controlled can be applied to various devices, it is possible to achieve high functionality and low cost of the device.
[0062]
The two ends of the fibrous carbon element according to claim 4 are fixed to the position of the catalytic element whose position is controlled on the substrate surface by any one of the ion implantation method, the focused ion beam method, and the single ion implantation method. This makes it possible to apply the fibrous carbon element in which the positions at both ends are accurately controlled to various devices, thereby achieving high performance and low cost of the device. .
[0063]
The device according to claim 5, further comprising an electron-emitting portion capable of emitting electrons, wherein the electron-emitting portion is formed on the surface of the base material by any one of an ion implantation method, a focused ion beam method, and a single ion implantation method. A device comprising a fibrous carbon element having one end fixed to the position of a catalytic element whose position is controlled, whereby the fibrous carbon element whose position is accurately controlled is a device having an electron emitting portion. Therefore, stable electron emission can be performed with low power consumption.
[0064]
7. The device according to claim 6, further comprising a probe capable of detecting a displacement, wherein the position of the probe is controlled on the substrate surface by any one of an ion implantation method, a focused ion beam method, and a single ion implantation method. Characterized in that it comprises a fibrous carbon element having one end fixed at the position of the catalyst element, whereby the fibrous carbon element whose position is accurately controlled can be detected by a probe capable of detecting displacement. Since the present invention is applied to a device having a high resolution, observation with high reproducibility can be performed under high resolution.
[0065]
8. The device according to claim 7, comprising a source for supplying the carrier, a drain for receiving the carrier, and a gate for controlling the current flowing through the channel by changing the conductivity of the channel, which is the current path between them. Wherein the channel is formed of a fibrous carbon element having both ends fixed to the position of a catalytic element whose position is controlled in the source and the drain by any one of an ion implantation method, a focused ion beam method, and a single ion implantation method. Since a fibrous carbon element whose position is accurately controlled is applied to the channel, the device can be miniaturized, and the calculation speed and power consumption can be reduced. be able to.
[0066]
The device according to claim 8, wherein the device includes a plurality of electronic elements and a wiring connecting the electronic elements, wherein the wiring is formed by any one of an ion implantation method, a focused ion beam method, and a single ion implantation method. It is characterized by comprising a fibrous carbon element whose both ends are fixed to the position of the catalytic element whose position is controlled by the element, whereby the fibrous carbon element whose position is accurately controlled is applied to the wiring. Therefore, the device can be miniaturized, and power consumption and cost can be reduced.
[0067]
10. The device according to claim 9, comprising a source for supplying carriers, a drain for receiving carriers, and a gate for controlling the current flowing through the channel by changing the conductivity of the channel, which is the current path between them. A device comprising: an electronic device of claim 1; and a wiring connecting the electronic device, wherein the channel has a position controlled at the source and the drain by any one of an ion implantation method, a focused ion beam method, and a single ion implantation method. The wiring is made of a fibrous carbon element having both ends fixed to the position of the element, and the wiring is made of a catalytic element whose position is controlled in the electronic element by one of an ion implantation method, a focused ion beam method, and a single ion implantation method. It is characterized by being made of a fibrous carbon element having both ends fixed at the position, Thereby, since the fibrous carbon element whose position is accurately controlled is applied to the channel and the wiring, the device can be miniaturized, and the calculation speed, the power consumption, and the cost can be reduced. it can.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a method for controlling the form and position of fibrous carbon by an ion implantation method of the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a single ion implantation apparatus.
FIG. 3 is an atomic force microscope image showing a single ion irradiation mark.
FIG. 4 is a schematic perspective view for explaining a form / position control method of fibrous carbon by a single ion implantation method of the present invention.
FIG. 5 is a schematic perspective view illustrating a basic manufacturing process of the fibrous carbon element of the present invention.
FIG. 6 is an electron micrograph showing (a) a pyramid having a catalyst metal at the top, and (b) a substrate surface after injection of the catalyst metal.
FIG. 7 is a schematic perspective view illustrating a manufacturing process of the electron emission device of the present invention.
FIG. 8 is a schematic perspective view illustrating a manufacturing process of a probe of the scanning probe microscope of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a source and drain manufacturing process of a three-terminal device using the fibrous carbon element of the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a gate of a three-terminal device using the fibrous carbon element of the present invention.
FIG. 11 is a schematic plan view showing a three-terminal device using the fibrous carbon element of the present invention.
FIG. 12 is a schematic perspective view illustrating a manufacturing process of a three-terminal device using the fibrous carbon element of the present invention.
FIG. 13 is a schematic perspective view showing an integrated circuit using the fibrous carbon element of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Substrate (base material)
2 Oxide film (protective film)
4 catalytic metal ions (catalytic elements)
5 fibrous carbon
21 Substrate (base material)
31 catalytic metal ion (catalytic element)
32 fibrous carbon

Claims

イオン注入法、集束イオンビーム法又はシングルイオン注入法のいずれかによって、触媒元素を基材表面上の所定位置に注入し、前記触媒元素を触媒として繊維状カーボンを形成することを特徴とする繊維状カーボンの形態・位置制御方法。A fiber characterized in that a catalyst element is injected into a predetermined position on the surface of a substrate by any one of an ion implantation method, a focused ion beam method, and a single ion implantation method, and fibrous carbon is formed using the catalyst element as a catalyst. Method for controlling the shape and position of fibrous carbon.

前記触媒元素を注入する前に、注入されるイオンが基材表面に位置するように調節する保護膜を基材表面上に形成することを特徴とする請求項１記載の繊維状カーボンの形態・位置制御方法。2. The form of fibrous carbon according to claim 1, wherein a protective film for adjusting ions to be implanted to be located on the surface of the substrate is formed on the surface of the substrate before implanting the catalytic element. Position control method.

イオン注入法、集束イオンビーム法又はシングルイオン注入法のいずれかによって、基材表面上に位置制御された触媒元素の位置に一端が固定されていることを特徴とする繊維状カーボン素子。A fibrous carbon element characterized in that one end is fixed to the position of a catalytic element whose position is controlled on the surface of a substrate by any one of an ion implantation method, a focused ion beam method, and a single ion implantation method.

イオン注入法、集束イオンビーム法又はシングルイオン注入法のいずれかによって、基材表面上に位置制御された触媒元素の位置に両端が固定されていることを特徴とする繊維状カーボン素子。A fibrous carbon element characterized in that both ends are fixed to the position of a catalytic element whose position is controlled on the surface of a base material by any one of an ion implantation method, a focused ion beam method, and a single ion implantation method.

電子を放出可能な電子放出部を有するデバイスにおいて、
前記電子放出部は、イオン注入法、集束イオンビーム法又はシングルイオン注入法のいずれかによって、基材表面上に位置制御された触媒元素の位置に一端が固定されている繊維状カーボン素子からなることを特徴とするデバイス。In a device having an electron emitting portion capable of emitting electrons,
The electron-emitting portion is formed of a fibrous carbon element having one end fixed to a position of a catalytic element whose position is controlled on the substrate surface by any of an ion implantation method, a focused ion beam method, and a single ion implantation method. A device, characterized in that:

変位を検出可能な探針を有するデバイスにおいて、
前記探針は、イオン注入法、集束イオンビーム法又はシングルイオン注入法のいずれかによって、基材表面上に位置制御された触媒元素の位置に一端が固定されている繊維状カーボン素子からなることを特徴とするデバイス。In a device having a probe capable of detecting displacement,
The probe is formed of a fibrous carbon element having one end fixed to a position of a catalytic element whose position is controlled on the substrate surface by any one of an ion implantation method, a focused ion beam method, and a single ion implantation method. A device characterized by:

キャリヤを供給するソースと、キャリヤを受け取るドレインと、それらの間の電流通路であるチャネルの導電率を変化させることによりチャネルを流れる電流を制御するゲートとからなるデバイスにおいて、
前記チャネルは、イオン注入法、集束イオンビーム法又はシングルイオン注入法のいずれかによって、前記ソース及びドレインに位置制御された触媒元素の位置に両端が固定されている繊維状カーボン素子からなることを特徴とするデバイス。In a device comprising a source for supplying a carrier, a drain for receiving the carrier, and a gate for controlling the current flowing through the channel by changing the conductivity of the channel, which is the current path between them.
The channel is formed of a fibrous carbon element having both ends fixed to the position of the catalytic element whose position is controlled in the source and the drain by any one of an ion implantation method, a focused ion beam method, and a single ion implantation method. Features device.

複数の電子素子と、前記電子素子をつなぐ配線とを有するデバイスにおいて、
前記配線は、イオン注入法、集束イオンビーム法又はシングルイオン注入法のいずれかによって、前記電子素子に位置制御された触媒元素の位置に両端が固定されている繊維状カーボン素子からなることを特徴とするデバイス。In a device having a plurality of electronic elements and a wiring connecting the electronic elements,
The wiring is made of a fibrous carbon element having both ends fixed to the position of a catalytic element whose position is controlled by the electronic element by any one of an ion implantation method, a focused ion beam method, and a single ion implantation method. And the device.

キャリヤを供給するソースと、キャリヤを受け取るドレインと、それらの間の電流通路であるチャネルの導電率を変化させることによりチャネルを流れる電流を制御するゲートとからなる複数の電子素子と、前記電子素子をつなぐ配線とを具備するデバイスにおいて、
前記チャネルは、イオン注入法、集束イオンビーム法又はシングルイオン注入法のいずれかによって、前記ソース及びドレインに位置制御された触媒元素の位置に両端が固定されている繊維状カーボン素子からなり、
前記配線は、イオン注入法、集束イオンビーム法又はシングルイオン注入法のいずれかによって、前記電子素子に位置制御された触媒元素の位置に両端が固定されている繊維状カーボン素子からなることを特徴とするデバイス。A plurality of electronic elements comprising a source for supplying a carrier, a drain for receiving the carrier, and a gate for controlling a current flowing through the channel by changing the conductivity of the channel, which is a current path between them; and And a wiring connecting the
The channel is formed of a fibrous carbon element whose both ends are fixed at the position of the catalytic element whose position is controlled in the source and the drain by any one of an ion implantation method, a focused ion beam method, and a single ion implantation method,
The wiring is made of a fibrous carbon element having both ends fixed to the position of a catalytic element whose position is controlled by the electronic element by any one of an ion implantation method, a focused ion beam method, and a single ion implantation method. And the device.