JP2009249279A - シリコンナノ構造体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、シリコンナノ構造体の製造方法に関する。
【解決手段】本発明のシリコンナノ構造体の製造方法は、ヒート炉及び反応室を含む生長装置を提供する第一ステップと、触媒材料及び生長基板を提供し、該触媒材料及び該生長基板を分離して、前記反応室に置く第二ステップと、前記反応室に珪素ガス及び水素ガスを導入し、該反応室を５００℃〜１１００℃に加熱して、前記生長基板にシリコンナノ構造体を生長させる第三ステップと、を含む。
【選択図】図１
【解決手段】本発明のシリコンナノ構造体の製造方法は、ヒート炉及び反応室を含む生長装置を提供する第一ステップと、触媒材料及び生長基板を提供し、該触媒材料及び該生長基板を分離して、前記反応室に置く第二ステップと、前記反応室に珪素ガス及び水素ガスを導入し、該反応室を５００℃〜１１００℃に加熱して、前記生長基板にシリコンナノ構造体を生長させる第三ステップと、を含む。
【選択図】図１
Description
本発明は、一次元ナノ材料の製造方法に関し、特にシリコンナノ構造体の製造方法に関するものである。
現在、シリコンナノ構造体（Ｓｉ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ）の製造方法は、化学気相堆積法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＣＶＤ）、レーザ蒸発法（Ｌａｓｅｒ Ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）及び熱蒸発法（Ｄｉｒｅｃｔ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）などを含む。
非特許文献１にシリコンナノ構造体及びその製造方法が掲載されている。前記シリコンナノ構造体の製造方法は、下記のステップを含む。まず、（１１１）単結晶シリコンウェハに厚さが２０ナノメートルである金フィルムを形成する。次に、該単結晶シリコンウェハを石英炉に置き、比率が１：５０である水素ガス（Ｈ２）及び四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ4）を導入する。最後に、パルスレーザーでゲルマニウム（Ｇｅｒｍａｎｉｕｍ）を照射し、高温に加熱して、反応を行なわせることで、前記単結晶シリコンウェハにシリコンナノ構造体を生長させる。しかし、前記方法で製造されたシリコンナノ構造体は、単結晶シリコンナノ構造体ではなく、Ｓｉ／ＳｉＧｅを含む超格子構造体である。
最近、シリコンナノ構造体の製造方法について研究されてきている。具体的には、単結晶シリコンウェハの表面に金属の触媒層を形成し、前記金属の触媒層が形成された単結晶シリコンウェハを石英パイプに置き、５００℃〜１０００℃の温度で、珪素ガスを含むガス及び水素ガスを導入し、反応を行って、前記単結晶シリコンウェハの結晶面にシリコンナノ構造体を生長させる。前記方法で製造されたシリコンナノ構造体は、確定した方向を有する。
Ｙｉｙｉｎｇ Ｗｕ、"Ｂｌｏｃｋ−ｂｙ−Ｂｌｏｃｋ Ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｉ／ＳｉＧｅ Ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ"、Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔｅｒｓ、２００２年、第２巻、第８３頁〜第８６頁
しかし、前記シリコンナノ構造体を生長させる方法において、物理気相堆積法又は化学気相堆積法で単結晶シリコンウェハの表面に触媒層を形成することが必要とされる。該工程において特定の装置を使用し、一般的に、真空の雰囲気で行なうので、該工程は、複雑であり、製造コストが高いという欠点がある。
従って、本発明は、製造工程が簡単で、製造コストが低く、製造効率が高いシリコンナノ構造体を製造する方法を提供することを課題とする。
シリコンナノ構造体の製造方法は、ヒート炉及び反応室を含む生長装置を提供する第一ステップと、触媒材料及び生長基板を提供し、該触媒材料及び該生長基板を分離して、前記反応室に置く第二ステップと、前記反応室に珪素ガス及び水素ガスを導入し、該反応室を５００℃〜１１００℃に加熱して、前記生長基板にシリコンナノ構造体を生長させる第三ステップと、を含む。
前記第三ステップの加熱を止めた一定時間後に、前記反応室を５００℃〜１１００℃に再度加熱させる第四ステップを含む。
前記珪素ガス及び水素ガスの流量比率が１０：１〜１：１０である。
前記反応室が入気口と排気口を含み、前記生長基板を、前記反応室に置かれた触媒材料に正対する上方又は該触媒材料及び前記排気口の間に置く。
前記反応室に珪素ガス及び水素ガスを導入する前に、該反応室に保護ガスを導入する。
前記珪素ガスがシリコンハロゲン化合物、シラン、シラン誘導体、ハロゲン化シランの一種又は幾種である。
従来のシリコンナノ構造体の製造方法と比べると、本発明のシリコンナノ構造体の製造方法で製造されたシリコンナノ構造体は、前記触媒材料と前記生長基板が分離するので、該触媒材料を前記生長基板に堆積することを必要としなくなる。従って、工程が簡単で、製造コストが低い。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１と図２を参照すると、本実施形態のシリコンナノ構造体の製造方法は下記のステップを含む。
第一ステップでは、ヒート炉３０２及び反応室３０４を含む生長装置３０を提供する。
本実施形態において、前記反応室３０４は、石英パイプであることが好ましい。前記反応室３０４は入気口３０６と排気口３０８を有する。前記反応室３０４は前記ヒート炉３０２に置かれ、移動することができ、その長さが前記ヒート炉３０２の長さより長いように設けられている。従って、前記石英パイプを移動する場合、一部の石英パイプがヒート炉３０２の内部に置かれることを保持することができる。
前記反応室３０４に支持装置３１０が設置されている。該支持装置３１０は高温に耐える容器である。本実施形態において、前記支持装置３１０は、陶磁器製容器であり、その形状は制限されず、その大きさは前記反応室３０４の大きさによって、選択することができる。
第二ステップでは、生長基板３１４を提供し、該生長基板３１４及び触媒材料３１２を分離して、前記反応室３０４に置く。
第二ステップにおいて、前記触媒材料３１２の表面の酸化物及び不純物を除去するために、該触媒材料３１２を、希釈された酸性溶液に２〜１０分間浸漬する。本実施形態において、前記希釈された酸性溶液は塩酸溶液である。それから、前記触媒材料３１２を前記支持装置３１０に置く。
前記触媒材料３１２は、例えば、金、鉄又はアルミニウム粉などの金属材料である。本実施形態において、前記触媒材料３１２は、アルミニウム粉である。
前記生長基板３１４を前記反応室３０４に置く前に、超音波で１０〜２０分間洗う。それから、該生長基板３１４を前記反応室３０４に置く。その置かれる位置は、蒸発された触媒材料３１２を前記生長基板３１４に堆積させ、反応ガスと反応できることを確保する。即ち、該生長基板３１４は、前記支持装置３１０に正対する上方又は前記支持装置３１０と前記排気口３０８の間に置かれる。本実施形態において、前記生長基板３１４を前記支持装置３１０に正対する上方に置くことが好ましい。
前記生長基板３１４は、高温に耐える非金属であり、例えば、シリコンウェハ、石英基板、又はガラス基板などである。本実施形態において、前記生長基板３１４は、単結晶シリコンウェハであることが好ましい。前記単結晶シリコンウェハは、（１００）単結晶シリコンウェハ、（１１０）単結晶シリコンウェハ又は（１１１）単結晶シリコンウェハである。前記（１００）単結晶シリコンウェハ、（１１０）単結晶シリコンウェハ及び（１１１）単結晶シリコンウェハは、それぞれ、表面が（１００）結晶面、（１１０）結晶面及び（１１１）結晶面である単結晶シリコンウェハである。所定の方向に沿って、シリコン結晶体を切って、表面がそれぞれ、前記三種の結晶面である単結晶シリコンウェハを形成することができる。前記生長基板３１４の大きさは、制限されず、実際の応用によって、選択することができる。
第三ステップでは、前記反応室３０４に珪素ガス及び水素ガスを導入し、加熱して、前記生長基板３１４にシリコンナノ構造体を生長させる。
第三ステップにおいて、まず、前記入気口３０６から前記反応室３０４へ保護ガスを導入して、該反応室３０４の空気を排除する。ガスの流れ方向３１６は、前記入気口３０６から前記排気口３０８までである。
前記保護ガスを導入する流量は２００ミリリットル／分（ｍｌ／ｍｉｎ）〜２０００ミリリットル／分である。該保護ガスは窒素ガス又は不活性ガスである。本実施形態において、前記保護ガスはアルゴンガスであることが好ましい。
次に、前記反応室３０４に、珪素ガス及び水素ガスを導入する。
前記保護ガスを３０分間導入した後、保護ガスを導入し続ける。同時に、珪素ガス及び水素ガスを導入する。該珪素ガス及び水素ガスを導入する流量の比率は、１０：１〜１：１０である。前記珪素ガスは、例えば、シリコンハロゲン化合物（ｓｉｌｉｃｏｎ ｈａｌｉｄｅ）、シラン（ｓｉｌａｎｅ）、シラン誘導体（ｓｉｌａｎｅ ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）、ハロゲン化シラン（ｈａｌｏｇｅｎａｔｅｄ ｓｉｌａｎｅ）の一種又は幾種である。前記珪素ガスの流量は、１０ミリリットル／分〜１０００ミリリットル／分であり、前記水素ガスの流量は、１０ミリリットル／分〜１０００ミリリットル／分である。本実施形態において、前記珪素ガスは、四塩化ケイ素ガスであることが好ましく、その流量が１５０ミリリットル／分であることが好ましい。前記水素ガスの流量は、２００ミリリットル／分であることが好ましい。前記保護ガスと、水素ガスと、珪素ガスとが前記入気口３０６に接続されたバルブによって、前記反応室３０４に導入される。
最後に、前記反応室３０４を加熱し、反応を行なって、前記生長基板３１４にシリコンナノ構造体を生長させる。
前記反応ガスを導入してから、前記反応室３０４を反応温度に加熱する。昇温速度は、２０℃／分である。シリコンナノ構造体を生長させる時間は、１０分〜９０分である。本実施形態において、前記反応室３０４を加熱してから、前記水素ガスと前記珪素ガスを導入してもよい。或いは、前記反応室３０４を加熱する同時に、前記水素ガスと前記珪素ガスを導入してもよい。該シリコンナノ構造体を生長させる過程において、前記反応室３０４の内部の気圧を１トル〜５０トルに保持させる。
前記反応温度は、触媒材料３１２の融点によって、異なる。前記反応温度は、５００℃〜１１００℃である。本実施形態において、触媒材料３１２がアルミニウム粉であるので、反応温度は、８００℃であることが好ましい。前記反応室３０４の温度がアルミニウム粉の融点の６６０℃より高い場合、陶磁器製容器におけるアルミニウム粉は、溶け始め、蒸発する。蒸発されたアルミニウムは、前記単結晶シリコンウェハの結晶面に堆積することができる。アルミニウム粉という触媒材料３１２の作用で前記珪素ガス及び前記水素ガスは、反応を行って、シリコンが前記生長基板３１４に堆積し、シリコンナノ構造体が生長し始める。本実施形態のシリコンナノ構造体は、シリコンナノピラミッド（Ｎａｎｏ Ｐｙｒａｍｉｄｓ）である。また、前記生長条件によって、シリコンナノワイヤを生長させることができる。該シリコンナノワイヤ及びシリコンナノピラミッドは、前記単結晶シリコンウェハの結晶面（Ｃｒｙｓｔａｌ Ｐｌａｎｅ）のエピタキシ<１１１>という方向に沿って、生長する。表面が異なる結晶面を有する単結晶シリコンウェハは、異なるエピタキシ<１１１>という方向を有する。
図３は、本実施形態のシリコンナノ構造体の構造を示す図である。図４は、本実施形態のシリコンナノ構造体のＳＥＭ写真である。該シリコンナノ構造体１２は、（１００）結晶面１４を有する生長基板３１４とする単結晶シリコンウェハ、及び前記（１００）結晶面３１４０に形成されたシリコンナノピラミッド１６を含む。該シリコンナノピラミッド１６は、単結晶体であり、前記（１００）結晶面３１４０の四つのエピタキシ<１１１>という方向に沿って、生長する。各々のシリコンナノピラミッド１６は、先端１８を含み、該先端１８が<１１１>という方向に沿って、前記単結晶シリコンウェハの（１１０）結晶面３１４０から離れる方向に延びる。
前記シリコンナノピラミッドは、長さが５０ナノメートル〜１００マイクロメートルであり、形状がいろいろな角錐である。本実施形態において、該前記シリコンナノピラミッド１６は、六角錐である。
本実施形態は、更に、前記シリコンナノ構造体に再度シリコンナノ構造体を生長させるステップを含む。所定の時間に前記シリコンナノ構造体を生長させてから、加熱を止める。この場合、前記反応室３０４の温度が下がるので、前記触媒材料３１２の蒸発が止まって、前記シリコンナノ構造体の生長が止まる。この後、再度前記反応室３０４を加熱し、前記触媒材料３１２の作用で前記珪素ガス及び水素ガスが再度に反応を行なって、前記シリコンナノ構造体に、再度シリコンナノ構造体が生長し、樹枝状のシリコンナノ構造体を形成させる。該樹枝状のシリコンナノ構造体は、前記シリコンナノ構造体、及び該シリコンナノ構造体に形成された複数のシリコンナノピラミッドを含む。
図５は、本実施形態において、二次生長法で製造された樹枝状のシリコンナノ構造体の構造を示す図である。図６は、前記樹枝状のシリコンナノ構造体のＳＥＭ写真である。該樹枝状のシリコンナノ構造体２０は、前記シリコンナノ構造体１２及び前記シリコンナノ構造体１２に成長させた複数のシリコンナノピラミッド２２を含む。該シリコンナノピラミッド２２も、単結晶体であり、前記シリコンナノ構造体１２におけるシリコンナノピラミッド１６に生長し、基本的に前記単結晶シリコンウェハの（１００）結晶面３１４０に垂直する。前記シリコンナノピラミッド２２の先端２４が前記単結晶シリコンウェハの（１００）結晶面３１４０から離れる方向に延びる。
本実施形態から提供された方法で製造されたシリコンナノ構造体は、前記触媒材料３１２と前記生長基板３１４が分離するので、該触媒材料３１２を前記生長基板３１４に堆積することを必要としなくなる。従って、工程が簡単で、製造コストが低く、実現しやすい。また、前記方法において、触媒とするアルミニウム粉の融点が低く、蒸発しやすいので、シリコンナノ構造体の生産効率が高い。
１２ シリコンナノ構造体
１６、２２ シリコンナノピラミッド
１８、２４ シリコンナノピラミッドの先端
２０ 樹枝状のシリコンナノ構造体
３０ 生長装置
３０２ ヒート炉
３０４ 反応室
３０６ 入気口
３０８ 排気口
３１０ 支持装置
３１４ 生長基板
３１６ ガスの流れる方向
３１４０ 生長基板の（１００）結晶面
１６、２２ シリコンナノピラミッド
１８、２４ シリコンナノピラミッドの先端
２０ 樹枝状のシリコンナノ構造体
３０ 生長装置
３０２ ヒート炉
３０４ 反応室
３０６ 入気口
３０８ 排気口
３１０ 支持装置
３１４ 生長基板
３１６ ガスの流れる方向
３１４０ 生長基板の（１００）結晶面
Claims (6)
- ヒート炉及び反応室を含む生長装置を提供する第一ステップと、
触媒材料及び生長基板を提供し、該触媒材料及び該生長基板を分離して、前記反応室に置く第二ステップと、
前記反応室に珪素ガス及び水素ガスを導入し、該反応室を５００℃〜１１００℃に加熱して、前記生長基板にシリコンナノ構造体を生長させる第三ステップと、
を含むことを特徴とするシリコンナノ構造体の製造方法。 - 前記第三ステップの加熱を止めた一定時間後に、前記反応室を５００℃〜１１００℃に再度加熱する第四ステップを含むことを特徴とする、請求項１に記載のシリコンナノ構造体の製造方法。
- 前記珪素ガス及び水素ガスの流量比率が１０：１〜１：１０であることを特徴とする請求項１又は２に記載のシリコンナノ構造体の製造方法。
- 前記反応室が入気口と排気口を含み、
前記生長基板を、前記反応室に置かれた触媒材料に正対する上方又は該触媒材料及び前記排気口の間に置くことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のシリコンナノ構造体の製造方法。 - 前記反応室に珪素ガス及び水素ガスを導入する前に、該反応室に保護ガスを導入することを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のシリコンナノ構造体の製造方法。
- 前記珪素ガスがシリコンハロゲン化合物、シラン、シラン誘導体、ハロゲン化シランの一種又は幾種であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のシリコンナノ構造体の製造方法。
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