JP2005262373A

JP2005262373A - マイクロ・ナノ突起構造体及びその製造方法

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Publication number: JP2005262373A
Application number: JP2004077577A
Authority: JP
Inventors: Shunichiro Tanaka; 俊一郎田中; Hirotaka Miwa; 紘敬三輪
Original assignee: Nagoya Institute of Technology NUC
Current assignee: Nagoya Institute of Technology NUC
Priority date: 2004-03-18
Filing date: 2004-03-18
Publication date: 2005-09-29

Abstract

【課題】単体としての各種操作や制御が可能なマイクロ・ナノ突起構造体を提供すること。
【解決手段】金属材料の集合組織部における、該集合組織部の優先面及び優先方位と交差する面によって形成された断面に対して、高エネルギービームを照射せしめることにより、前記断面上に、前記優先面内の方位に突出した形態において一体的に形成され、且つ、前記金属材料の再結晶集合組織における優先面と等価な複数の面にて囲まれた、前記金属材料と同質の金属にて構成されているマイクロ・ナノ突起構造体を得る。
【選択図】図４

Description

本発明は、マイクロ・ナノ突起構造体及びその製造方法に関するものである。

近年、超微粒子の如きマイクロスケール物質やナノスケール物質（以下、マイクロ・ナノ物質という）を形成することが、マイクロマシンの部品の製造や半導体回路の超微細化にとって重要であることが認識されてきている。そして、そのようなマイクロ・ナノ物質の創製には、大きく分けてトップダウン法とボトムアップ法の二つが知られている。前者は、バルクの物質を壊したり、或いは加工して、微細化していく方法であって、例えば、スパッタリング、エッチング、リソグラフィー等の手法によって実現されるものであり、また、後者は、原子や分子を物理的或いは化学的な方法で積み上げて、大きくしていく方法であって、原子や分子の堆積や自己組織化等の手法によって、実現されている。

ところで、それら従来のマイクロ・ナノ物質に対する研究や開発は、主として、マイクロ・ナノ物質の集合体に関するものであって、マイクロ・ナノ物質単体としての性質や応用に関する研究は、充分に為されているとは言えない。これは、上述した従来のマイクロ・ナノ物質の製造方法にも起因しており、従来の製造方法では、マイクロ・ナノ物質を単体として得ることが困難であったためである。

このため、マイクロ・ナノ物質の単体としての物性研究や応用等を容易とするために、マイクロ・ナノ物質を単体として作製することを可能にすることが求められているのであり、それに応えるべく、本発明者等は、先に、特開平８−２１７４１９号公報（特許文献１）において、θ−アルミナ粒子等の準安定金属酸化物粒子に対して、高真空雰囲気中で１０²⁰ｅ／ｃｍ² ・ｓｅｃオーダーの強度の有する電子線を照射することにより、大きさが５〜２０ｎｍ程度のα−アルミナ粒子等の安定金属酸化物超微粒子や、アルミニウム超微粒子等の金属超微粒子の製造方法を提案している。かかる提案の方法に従えば、安定金属酸化物超微粒子や金属超微粒子を粒子単体として得ることが可能であり、特許文献１においては、この方法に従って製造されたマイクロ・ナノ物質として、θ−アルミナ粒子の外周面に、ボール状のα−アルミナ超微粒子が形成せしめられたナノボール構造体や、α−アルミナ超微粒子配向成長体が形成せしめられてなるナノ複合構造体等が、示されている。

しかしながら、この本発明者等が先に提案した手法によれば、従来にはない新規な構造を有するナノボール構造体や超微粒子配向成長体を製造することが出来るものの、超微粒子の性質やその応用に関する研究の観点からは、さらに別の新規な構造を有するマイクロ・ナノ物質が要求されているのであり、この点において、未だ充分なものではなかった。

また、かかる手法にあっては、特定の準安定金属酸化物粒子に対して所定の強度の電子線を照射することにより、安定金属酸化物超微粒子や金属超微粒子を製造するものであるが、例えば、単体の金属を用いることが出来ない等の、各種デバイスや機能材料等への応用の観点においても、未だ改良、発展の余地が残されていたのである。

特開平８−２１７４１９号公報

ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為されたものであって、その解決課題とするところは、単体としての各種操作や制御が可能なマイクロ・ナノ突起構造体を提供することにあり、また、そのようなマイクロ・ナノ突起構造体を有利に製造し得る方法を提供することにある。

そして、本発明にあっては、かかる課題の解決のために、金属材料における集合組織部の、該集合組織部の優先面及び優先方位と交差する面にて形成された断面上に、該優先面内の方位に突出した形態において一体的に形成された、前記金属材料と同質の金属にて構成されてなるマイクロ・ナノ突起構造体を、その要旨としているのである。

なお、このような本発明に従うマイクロ・ナノ突起構造体の望ましい態様の一つにおいては、かかるマイクロ・ナノ突起構造体は、前記金属材料の再結晶集合組織における優先面と等価な複数の面にて囲まれたものである。

また、かかる本発明のマイクロ・ナノ突起構造体の望ましい態様の他の一つにおいては、前記金属材料を構成する金属が、結晶構造として面心立方晶を呈するものであり、更に、別の望ましい態様の一つにおいては、前記集合組織が、圧延集合組織とされる。

さらにまた、本発明のマイクロ・ナノ突起構造体にあっては、好ましくは、前記金属材料の単結晶にて構成される。

一方、本発明にあっては、上述の如き本発明に従うマイクロ・ナノ突起構造体を有利に得るべく、金属材料における集合組織部の、該集合組織部の優先面及び優先方位と交差する面にて形成された断面に対して、高エネルギービームを照射せしめることにより、前記断面上に、前記金属材料と同質の金属にて構成されているマイクロ・ナノ突起構造体を製造することを特徴とするマイクロ・ナノ突起構造体の製造方法をも、その要旨とするものである。

そして、このような本発明に従うマイクロ・ナノ突起構造体の製造方法においては、前記高エネルギービームとして、有利には、イオンビームが用いられるのである。

かくの如き本発明に従うマイクロ・ナノ突起構造体にあっては、金属材料の集合組織部における所定の断面上に一体的に形成された、かかる金属材料の再結晶集合組織における優先面と等価な複数の面にて囲まれてなるマイクロ・ナノ突起構造体であって、その金属材料と同質の金属にてなるものであり、かかる構造体の集合体として容易に取り扱うことが出来るのみならず、構造体単体としても利用可能であり、マイクロ・ナノ物質の研究、応用等に大いに寄与することとなるのである。

また、かかるマイクロ・ナノ突起構造体は、一定の方位、具体的には、金属材料における集合組織部の優先面内の方位に突出した形態とされているところから、各種デバイスや機能材料等への応用、例えば、特性波長の光や電磁波に対するマイクロ・ナノフィルターや導波路、マイクロ・ナノスケールの半導体回路、高効率触媒等として、応用可能なものである。

一方、本発明に従うマイクロ・ナノ突起構造体の製造方法によれば、そのような優れた特性を有するマイクロ・ナノ突起構造体を、金属材料の集合組織部に形成された、かかる集合組織部の優先面及び優先方位と交差する面による断面上に、有利に形成せしめることが可能である。

ところで、本発明に従うマイクロ・ナノ突起構造体にあっては、金属材料における集合組織部の、かかる集合組織部の優先面及び優先方位と交差する面にて形成された断面上に、高エネルギービームを照射せしめることにより、製造されるものである。従って、かかる本発明のマイクロ・ナノ突起構造体を製造するに際しては、先ず、そのような所定の断面を有する金属材料が準備されることとなる。

ここにおいて、そのような金属材料を構成する金属としては、周期的な規則格子で表わされる結晶構造を呈するものであれば、如何なるものであっても用いることが可能であり、具体的には、面心立方晶を呈する面心立方金属、体心立方晶を呈する体心立方金属、最密六方晶を呈する最密六方金属等の中から、目的とするマイクロ・ナノ突起構造体に応じたものが、適宜に選択されて、用いられることとなる。そのような結晶構造を呈する公知の金属の中でも、本発明においては、特に、結晶構造として面心立方晶を呈する面心立方金属、具体的には、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ等が、有利に用いられるのである。なお、そのような金属にて構成される金属材料にあっては、高エネルギービームを照射せしめることが可能な大きさ及び形状を呈するものであれば、何れも用いることが出来る。

また、本発明においては、上述したような所定の金属にて構成される金属材料であって、集合組織部を有するものが、用いられるのである。ここで、集合組織部とは、個々の金属結晶粒における特定の結晶面（優先面）が、特定の方位（優先方位）に配列してなる部位を意味するものであり、一般に、金属材料に対して所定の処理が施されることにより、金属材料中に形成せしめられるものである。このような集合組織としては、金属材料の塑性変形によって生ずる変形集合組織、例えば、引き抜き加工及び押出し加工等によって生ずる繊維集合組織や、圧延加工によって生ずる圧延集合組織、更には、それら変形集合組織を有する材料を再結晶させることにより得られる再結晶集合組織等を例示することが出来るが、それら各種の集合組織の中でも、本発明においては、圧延加工によって生ずる圧延集合組織が、高い歪エネルギーを蓄積しているので、特に有利に用いられる。

そのような金属材料における集合組織部に対して、剪断加工や切削加工等が施されることにより、集合組織部の優先面及び優先方位と交差する面による断面が形成されるのである。

すなわち、金属材料の集合組織部に対して所定の加工操作を施すことにより、かかる集合組織部の優先面及び優先方位と交差する面による断面を形成せしめると、形成された断面においては、金属材料を構成する金属結晶が、規則的に配列された状態にて露出することとなるのである。例えば、純銅材料を圧延して得られる圧延板を、圧延面とは異なる面にて切断することにより形成された断面においては、純銅の圧延集合組織を形成する（１１０）面に配向した結晶粒が、断面に層状となって現れるのである。

なお、金属材料の集合組織部において断面を形成するに際しては、剪断加工や切削加工等の公知の加工手法の中から、用いられる金属材料の加工に適した手法が適宜に選択されて、実施されることとなる。また、そのような公知の手法にて形成される断面は、平面に限られるものではなく、例えば、湾曲面等であっても構わないのであり、要するに、金属材料を構成する金属結晶が、規則的に配列された状態にて露出していれば足りる趣旨である。

そして、本発明においては、そのようにして準備された、金属材料の集合組織部における所定の断面に対して、高エネルギービームを照射せしめることにより、目的とするマイクロ・ナノ突起構造体を製造することが出来るのである。

すなわち、集合組織部における、かかる集合組織部の優先面及び優先方位と交差する面にて形成された断面に、高エネルギービームを照射せしめると、かかる断面においては、断面形成の際に蓄積された歪エネルギーが優先的に開放され、これによって断面より離脱した金属原子が、集合組織部における優先面内の方位（優先面に含まれる方位）に向かって再結晶せしめられるのであり、これにより、集合組織部の断面上において、その優先面内の方位に突出した形態を呈する、前記金属材料と同質の金属にて構成されてなるマイクロ・ナノ突起構造体（大きさ：１０〜１００ｎｍ程度）が、得られるのである。

また、そのような高エネルギービームの照射を比較的長時間、断続的に行なうと、上述した突起構造体は、集合組織部の優先面内の方位（優先面に含まれる方位）へ成長すると共に、その内部においては、金属原子の再結晶化が進行するところから、以て、金属材料における集合組織部の優先面内の方位に突出した形態において一体的に形成され、且つ、かかる金属材料の再結晶集合組織における優先面と等価な複数の面にて囲まれた、前記金属材料と同質の金属にて構成されてなるマイクロ・ナノ突起構造体が、有利に得られるのである。

具体的には、純銅材料における圧延集合組織部を用いた場合において、その圧延集合組織部の断面に対して、高エネルギービームを照射せしめると、エネルギービームの照射によって離脱した銅原子が、断面から拡散し、圧延集合組織（１１０）［Ｉ１２］（Ｉは−
１を意味する）を形成するように再結晶化せしめられて、かかる圧延集合組織の優先面（１１０）内の方位（主として［Ｉ１２］方位）に突出した、銅にて構成されたマイクロ・
ナノ突起構造体が、製造される。

また、かかる高エネルギービームの照射を比較的長時間、断続的に行なうと、突起構造体を構成する銅原子の再結晶化が進行することとなり、銅の圧延集合組織の再結晶集合組織における優先面である（１００）面と等価な複数の結晶面（例えば（０１０）面や（００１）面等）にて囲まれた再結晶体（マイクロ・ナノ突起構造体）が、製造されるのである。

ここで、本発明に従うマイクロ・ナノ突起構造体のうち、特に、上述したような、集合組織の再結晶集合組織における優先面と等価な複数の結晶面にて囲まれたマイクロ・ナノ突起構造体を製造するに際しては、高エネルギービームを比較的長時間、金属材料の所定断面に対して断続的に照射せしめることが必要であるが、その照射時間は、用いられる高エネルギービームの種類や強度等に応じて、また、目的とするマイクロ・ナノ突起構造体の大きさ等に応じて、適宜に設定されることとなる。例えば、かかる高エネルギービームとして、アルゴン（Ａｒ）イオンビーム（加速電圧：５ｋＶ）を用いた場合にあっては、照射時間を１０秒以上とすることにより、かかる構造のマイクロ・ナノ突起構造体（大きさ：１００ｎｍ〜数μｍ程度）を製造することが可能である。

また、本発明において照射せしめられる高エネルギービームは、特に限定されるものではなく、金属材料の断面から構成原子を離脱させ得るエネルギーを有するものであればよく、例えば、Ａｒイオンビームのようなイオンビームの他、このイオンビームと同等の衝撃とスパッタ効率を金属材料の断面に与えることが出来る電子線、レーザービーム、Ｘ線、γ線、中性子線、粒子ビーム等を挙げることが出来る。

さらに、かかる高エネルギービームとして、Ａｒイオンビームの如きイオンビームを用いる場合にあっては、加速電圧としては、３〜１０ｋＶ程度、ビーム電流としては、０．５〜１．５ｍＡ程度が採用される。

さらにまた、高エネルギービームを照射せしめる際の、金属材料の断面に対する照射角度については、上述したビームの照射条件や、ビームが照射される金属材料との形状等を総合的に勘案して、適当な角度が設定されることとなるが、その角度が小さすぎると、金属材料の断面に対して効率良くエネルギーを供給することが難しいところから、一般には、４０〜９０°程度の照射角度にて、実施されることとなる。

そして、このようにして得られた、金属材料の再結晶体であるマイクロ・ナノ突起構造体にあっては、一般に、単結晶構造を呈するのである。

以下に、本発明の実施例を示し、本発明を更に具体的に明らかにすることとするが、本発明が、そのような実施例の記載によって、何等の制約をも受けるものでないことは、言うまでもないところである。また、本発明には、以下の実施例の他にも、更には上記の具体的記述以外にも、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加え得るものであることが、理解されるべきである。

先ず、金属材料として、アモルファス炭素フィルム（厚さ：１５ｎｍ）が蒸着されてなる銅製ディスクであって、複数の貫通孔（直径：１００μｍ）が設けられたもの（市販品、直径：３ｍｍ、厚さ：３０μｍ）を、３枚準備した。なお、各々の銅製ディスクの結晶構造をＸ線回折法によって調べたところ、かかる銅製ディスクは、何れも、銅の圧延集合組織にて形成されていることが認められ、また、ディスクに設けられた貫通孔の断面（側壁）をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡：ＪＳＭ−５９００ＬＶ）装置にて観察したところ、（１１０）面が配向してなる銅の結晶粒が層状に露出していることが、確認された。一の銅製ディスクの側壁をＳＥＭ装置にて撮影した顕微鏡写真を、図１として示す。

次いで、準備した銅製ディスクのうちの１枚を、所定の支持部材上に配置した状態で、イオンミリング装置（gatan DuoMill ）の照射室内の室温ステージ上にセットした。かかる状態にて、Ａｒイオンビームを、銅製ディスクにおける貫通孔の内壁に対して、加速電圧：５ｋＶ、照射時間：６秒、Ａｒイオンビームの内壁に対する照射角度：８０°として、Ａｒイオンビーム照射を行なった。なお、イオンミリング装置の照射室内は、Ａｒガスにて７．３×１０^-3Ｐａの圧力下に満たされており、かかる室内におけるＡｒガスの流速は、３．３×１０^-8ｍ³ ／秒であった。

その後、イオンミリング装置から取り出した銅製ディスクを、観察のためのＳＥＭ装置に移し、このＳＥＭ装置にて、銅製ディスクにおける貫通孔の内壁を観察した。Ａｒイオンビーム照射後における貫通孔の内壁を撮影したＳＥＭ写真を、図２として示す。

また、残りの２枚の銅製ディスクに対しては、各々、照射時間を６０秒、又は６００秒とした以外は上記と同様の条件に従って、Ａｒイオンビームを照射した後、上記と同様に、ＳＥＭ装置にて、銅製ディスクにおける貫通孔の内壁を観察した。Ａｒイオンビームを６０秒照射した銅製ディスクの貫通孔を撮影したＳＥＭ写真を図３として、また、６００秒照射したものの貫通孔を撮影したＳＥＭ写真を図４として、それぞれ示す。

図１乃至図４からも明らかなように、本発明に従って、圧延集合組織よりなる銅製ディスクの所定の断面に対して、Ａｒイオンビームを照射せしめると、かかる断面上に、銅の圧延集合組織における優先面（１１０）内の方位に向かって成長したマイクロ・ナノ突起構造体が認められた。また、Ａｒイオンビームを比較的長時間、照射した場合（図３及び図４参照）にあっては、生成したマイクロ・ナノ突起構造体が、かかる圧延集合組織の再結晶集合組織における優先面（１００）と等価な複数の結晶面にて囲まれていることが、認められた。なお、Ａｒイオンビームの照射によって生じた構造体の組成を、エネルギー分散型Ｘ線分光法によって分析したところ、何れも、銅原子の単結晶にて構成されていることが確認された。

本実施例において得られたＳＥＭ写真であって、Ａｒイオンビーム照射前の、銅製ディスクにおける貫通孔の内壁の形態を示すものである。本実施例において得られたＳＥＭ写真であって、Ａｒイオンビームを６秒照射した後の、銅製ディスクにおける貫通孔の内壁の形態を示すものである。本実施例において得られたＳＥＭ写真であって、Ａｒイオンビームを６０秒照射した後の、銅製ディスクにおける貫通孔の内壁の形態を示すものである。本実施例において得られたＳＥＭ写真であって、Ａｒイオンビームを６００秒照射した後の、銅製ディスクにおける貫通孔の内壁の形態を示すものである。

Claims

金属材料における集合組織部の、該集合組織部の優先面及び優先方位と交差する面にて形成された断面上に、該優先面内の方位に突出した形態において一体的に形成された、前記金属材料と同質の金属にて構成されてなるマイクロ・ナノ突起構造体。
前記金属材料の再結晶集合組織における優先面と等価な複数の面にて囲まれている請求項１に記載のマイクロ・ナノ突起構造体。
前記金属材料を構成する金属が、結晶構造として面心立方晶を呈するものである請求項１又は請求項２に記載のマイクロ・ナノ突起構造体。
前記集合組織が、圧延集合組織である請求項１乃至請求項３の何れかに記載のマイクロ・ナノ突起構造体。
前記金属材料の単結晶にて構成されている請求項１乃至請求項４の何れかに記載のマイクロ・ナノ突起構造体。
金属材料における集合組織部の、該集合組織部の優先面及び優先方位と交差する面にて形成された断面に対して、高エネルギービームを照射せしめることにより、前記断面上に、前記金属材料と同質の金属にて構成されているマイクロ・ナノ突起構造体を製造することを特徴とするマイクロ・ナノ突起構造体の製造方法。
前記高エネルギービームが、イオンビームである請求項６に記載のマイクロ・ナノ突起構造体の製造方法。