JP2004359478A - 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、及びその素子を用いたデバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】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。
【解決手段】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、触媒金属イオン４を基板１表面上の所定位置に注入し、触媒金属を触媒として繊維状カーボン５を形成する。また、この繊維状カーボン５を用いて種々のデバイスを形成する。
【選択図】 図１
【解決手段】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、触媒金属イオン４を基板１表面上の所定位置に注入し、触媒金属を触媒として繊維状カーボン５を形成する。また、この繊維状カーボン５を用いて種々のデバイスを形成する。
【選択図】 図１
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（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：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（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：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ＣＨ４：０．４５ｓｃｃｍ、Ｈ２：４．５ｓｃｃｍ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２×１０１６ｃｍ−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
【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（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：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（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：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ＣＨ４：０．４５ｓｃｃｍ、Ｈ２：４．５ｓｃｃｍ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２×１０１６ｃｍ−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
Claims (9)
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
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-
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- 2003-06-02 JP JP2003157277A patent/JP2004359478A/ja active Pending
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