JP3864229B2 - Method for producing nanogap electrode and device having nanogap electrode produced by the method - Google Patents

Method for producing nanogap electrode and device having nanogap electrode produced by the method Download PDF

Info

Publication number
JP3864229B2
JP3864229B2 JP2003307669A JP2003307669A JP3864229B2 JP 3864229 B2 JP3864229 B2 JP 3864229B2 JP 2003307669 A JP2003307669 A JP 2003307669A JP 2003307669 A JP2003307669 A JP 2003307669A JP 3864229 B2 JP3864229 B2 JP 3864229B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
electrode
gap
resist pattern
electrodes
nanogap
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
JP2003307669A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2005079335A (en
Inventor
泰久 内藤
亘 水谷
祐司 川西
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST filed Critical National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority to JP2003307669A priority Critical patent/JP3864229B2/en
Publication of JP2005079335A publication Critical patent/JP2005079335A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3864229B2 publication Critical patent/JP3864229B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Description

本発明は、ナノメートル・オーダーの間隔幅を持つナノギャップ電極の製造方法及び該方法により製造されたナノギャップ電極を有する素子に関するものである。   The present invention relates to a method for producing a nanogap electrode having an interval width on the order of nanometers and a device having a nanogap electrode produced by the method.

現在電気素子の微細化が進み、有機分子やナノ微粒子などナノ構造の特性を直接利用したデバイスの作製が求められている。このようなデバイスの実現には、ナノ構造と同じサイズの間隙幅をもつナノギャップ電極が必要である。有機分子は近年分子の合成技術が向上し、現在10nmをやや超える大きさの分子の合成も可能となっている。しかし、そのような大きな合成有機分子は系の選択肢が限られるため、より小さなギャップ電極が望ましい。また、ナノ微粒子においても、室温で量子効果の発現を求めると、より小さい系(特に金属では2〜3nm以下)が必要になる。これらの理由によりナノスケール素子にとって、間隔幅がナノメートル・オーダー、特に5nm以下のナノギャップ電極の有効性は非常に高いと考えられる。   At present, miniaturization of electrical elements is progressing, and there is a demand for the production of devices that directly utilize the characteristics of nanostructures such as organic molecules and nanoparticles. Realization of such a device requires a nanogap electrode having a gap width the same size as the nanostructure. In recent years, organic molecules have been improved in molecular synthesis technology, and it is now possible to synthesize molecules with sizes slightly exceeding 10 nm. However, smaller gap electrodes are desirable because such large synthetic organic molecules have limited system choices. In addition, in the case of nano-particles, a smaller system (particularly, 2 to 3 nm or less for metals) is required when the quantum effect is to be expressed at room temperature. For these reasons, it is considered that the effectiveness of a nanogap electrode having an interval width of the order of nanometers, particularly 5 nm or less, is very high for a nanoscale device.

一方、ナノスケールの電極構造の作製は、一般的に電子ビーム露光に代表される、加工精度の高いパターニング手法により実現されている。しかし、電子ビーム露光はランニングコストが高く、実用化の段階で大きな障害になると考えられる。さらに、通常の電子ビーム露光は10nm程度の加工精度しか有していない。この限界をクリアするため、他の手法と組み合わせる必要がある。これまで、間隙幅がナノメートル・オーダーの平面型ナノギャップ電極を作る手法として以下の手法が報告されている。   On the other hand, fabrication of a nanoscale electrode structure is realized by a patterning technique with high processing accuracy, typically represented by electron beam exposure. However, electron beam exposure has a high running cost and is considered to be a major obstacle at the stage of practical use. Furthermore, normal electron beam exposure has a processing accuracy of only about 10 nm. In order to clear this limit, it is necessary to combine with other methods. So far, the following methods have been reported as methods for producing planar nanogap electrodes with a gap width of the order of nanometers.

1)Appl.Phys.Lett.75(1999)301
この文献で紹介されている手法は、金の細線に電流を流すことにより、金の細線の特に細い部分を局所的に電界破断させ、ギャップ構造を作製する手法である。しかし、この手法では、ギャップが形成される位置はこの細い部分のランダムな個所で規定できない。また、この手法はランコストの高い電子ビーム露光による微細な加工を組み合わせており、光露光レベルの加工精度の細線では電界破断の有効性は確認されていない。(我々の実験では、光露光の範囲でうまく破断できなかった。)
1) Appl. Phys. Lett. 75 (1999) 301
The technique introduced in this document is a technique for producing a gap structure by causing an electric current to flow through a gold thin wire to locally break an electric field at a particularly thin portion of the gold thin wire. However, in this method, the position where the gap is formed cannot be defined by a random portion of this thin portion. In addition, this technique is combined with fine processing by electron beam exposure with high run cost, and the effectiveness of electric field breakage has not been confirmed for thin lines with processing accuracy at the light exposure level. (In our experiment, it was not possible to break well in the range of light exposure.)

2)Nanotechnology 13,(2002)659
この論文で紹介されている手法は、ほぼ点の状態で部分的に接続している電極パターンを電子ビーム露光により作製する方法である。この電子ビーム露光用のレジストが残っている電極パターンをリフトオフ段階で特別な溶液で超音波洗浄することにより、電極の金属も部分的に剥離させ、その結果ナノメートル・オーダーのギャップを高い再現性で作製する。しかし、この技術はランコストの高い電子ビーム露光の加工精度を必要とし、光露光での作製は不可能である。
2) Nanotechnology 13, (2002) 659
The technique introduced in this paper is a method of producing an electrode pattern that is partially connected in a substantially point state by electron beam exposure. The electrode pattern on which the resist for electron beam exposure remains is ultrasonically cleaned with a special solution at the lift-off stage, so that the metal of the electrode is also partially removed, resulting in high reproducibility of the nanometer-order gap. To make. However, this technique requires processing accuracy of electron beam exposure with a high run cost and cannot be manufactured by optical exposure.

このように電子ビーム露光を使用せずに間隙幅がナノメートル・オーダーのナノギャップ電極を実現した例はこれまでにない。   There has never been an example of realizing a nanogap electrode having a gap width of the order of nanometers without using electron beam exposure.

Appl.Phys.Lett.75(1999)301Appl. Phys. Lett. 75 (1999) 301 Nanotechnology 13,(2002)659Nanotechnology 13, (2002) 659

本発明は、このような従来技術の問題点を解決するためになされたもので、ランニングコストの高い電子ビーム露光を用いることなく、μm程度のパターニング精度の技術を用いて間隙幅がナノメートル・オーダー、特に5nm以下のナノギャップ電極を製造することができる方法及び該方法により製造されたナノギャップ電極を有する素子を提供することをその課題とする。   The present invention has been made in order to solve such problems of the prior art, and the gap width can be reduced to a nanometer by using a patterning accuracy technique of about μm without using an electron beam exposure with a high running cost. It is an object of the present invention to provide a method capable of producing a nanogap electrode of an order, particularly 5 nm or less, and a device having a nanogap electrode produced by the method.

本発明によれば、上記課題は下記の技術的手段により解決される。
(1)基板上に光露光により所定の水平方向幅のレジストパターンを形成する第1のレジストパターン形成工程と、
基板面に対して導電性材料を斜め蒸着し、電極エッジ角度θ (0°<θ <90°)を有する第1番目の電極層を設ける第1の蒸着工程と、
第1のリフトオフ処理工程と、
電極表面をエッチングして電極エッジを不均一化させる不均一化工程と、
再度光露光によりスリットを持つレジストパターンを前記ギャップをまたいで両側に形成する第2のレジストパターン形成工程と、
前記蒸着方向とは反対の方向から基板面に対して蒸着角度θ (0°<θ <θ <90°)で導電性材料を斜め蒸着し、10nm以下の幅のギャップが形成されるように第2番目の電極層を設ける第2の蒸着工程と、
第2のリフトオフ処理工程と、
電極間に電流を流し、電極間の短絡部分を電界破断させる電界破断工程と
からなることを特徴とするナノギャップ電極の製造方法。
(2)前記(1)の方法により製造されたナノギャップ電極を用いた素子。
According to the present invention, the above problem is solved by the following technical means.
(1) a first resist pattern forming step of forming a resist pattern having a predetermined horizontal width by light exposure on a substrate;
The conductive material is obliquely deposited to the substrate surface, a first deposition step of providing the first-th electrode layer having the electrode edge angle theta 1 a (0 ° <θ 1 <90 °),
A first lift-off process step;
A non-uniformization step of etching the electrode surface to make the electrode edge non-uniform,
A second resist pattern forming step of forming on both sides a resist pattern having a slit by a light exposure again, across said gap,
The conductive material is obliquely deposited at a deposition angle θ 2 (0 ° <θ 2 1 <90 ° ) with respect to the substrate surface from a direction opposite to the vapor deposition direction to form a gap having a width of 10 nm or less. A second vapor deposition step of providing a second electrode layer as follows:
A second lift-off process step;
A method for producing a nanogap electrode, comprising: an electric field breaking step in which an electric current is passed between electrodes, and a short-circuit portion between the electrodes is broken in an electric field.
(2) A device using a nanogap electrode manufactured by the method of (1).

本発明によれば、上記手法を用いたので、ランニングコストの高い電子ビーム露光を用いることなく、ナノメートル・オーダー、特に5nm以下の間隙幅のナノギャップ電極を容易に製造することが可能となる。   According to the present invention, since the above method is used, it is possible to easily manufacture a nanogap electrode having a gap width of nanometer order, particularly 5 nm or less, without using electron beam exposure with a high running cost. .

以下、本発明について詳述する。
本発明者らは、最近、ランニングコストの高い電子ビーム露光を用いずに、分子サイズの微小ギャップを有する電極構造を製造する方法を提案した(特願2003−45863号明細書)。この方法は、基板上に光露光により所定の水平方向幅のレジストパターンを形成する第1のレジストパターン形成工程と、基板面に対してθ (0°<θ <90°)の角度で導電性材料を斜め蒸着し、所定幅のギャップが形成されるように第1番目の電極層を設ける第1の蒸着工程と、第1のリフトオフ処理工程と、再度光露光によりスリットを持つレジストパターンを記ギャップをまたいで両側に形成する第2のレジストパターン形成工程と、前記θ の方向とは反対の方向から基板面に対してθ (0°<θ <θ <90°)の角度で導電性材料を斜め蒸着し、10〜40nm幅のギャップが形成されるように第2番目の電極層を設ける第2の蒸着工程と、第2のリフトオフ処理工程とからなることを特徴とするものである。この方法により、10〜40nm程度のギャップを有する電極構造の提供が可能となった。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The present inventors recently proposed a method of manufacturing an electrode structure having a minute gap of molecular size without using electron beam exposure with a high running cost (Japanese Patent Application No. 2003-45863). This method includes a first resist pattern forming step of forming a resist pattern having a predetermined horizontal width on a substrate by light exposure, and an angle θ 1 (0 ° <θ 1 <90 °) with respect to the substrate surface. A resist pattern having a slit formed by obliquely vapor-depositing a conductive material and providing a first electrode layer so as to form a gap having a predetermined width, a first lift-off process, and light exposure again and a second resist pattern forming step of forming on both sides across the serial gap, the theta 2 (0 ° to the substrate surface from a direction opposite to the theta 1 direction <θ 2 <θ 1 <90 ° ) With a second vapor deposition step in which a conductive material is obliquely vapor-deposited at an angle and a second electrode layer is provided so as to form a gap having a width of 10 to 40 nm, and a second lift-off treatment step. It is a feature. By this method, an electrode structure having a gap of about 10 to 40 nm can be provided.

本発明者らは、ナノ構造の特性を直接利用したデバイスの実現のために、さらなる微小ギャップ、すなわち間隙幅がナノメートル・オーダー、特に5nm以下のナノギャップ電極を実現すべく、上記提案の技術をさらに検討し鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の方法は、
(A)基板上に光露光により所定の水平方向幅のレジストパターンを形成する第1のレジストパターン形成工程、
(B)基板面に対して導電性材料を斜め蒸着し、電極エッジ角度θ (0°<θ <90°)を有する第1番目の電極層を設ける第1の蒸着工程
(C)第1のリフトオフ処理工程、
(D)エッチングにより電極表面をエッチングして電極エッジを不均一化させる不均一化工程、
(E)再度光露光によりスリットを持つレジストパターンを前記ギャップをまたいで両側に形成する第2のレジストパターン形成工程、
(F)前記蒸着方向とは反対の方向から基板面に対して蒸着角度θ (0°<θ <θ <90°)で導電性材料を斜め蒸着し、10nm以下の幅のギャップが形成されるように第2番目の電極層を設ける第2の蒸着工程、
(G)第2のリフトオフ処理工程、
(H)電極間に電流を流し、電極間の短絡部分を電界破断させる電界破断工程
の各工程からなる。
In order to realize a device that directly utilizes the characteristics of nanostructures, the present inventors have proposed the above-described technique to realize a further minute gap, that is, a nanogap electrode having a gap width of the order of nanometers, particularly 5 nm or less. As a result of further examination and repeated earnest studies, the present invention has been completed.
That is, the method of the present invention comprises:
(A) a first resist pattern forming step of forming a resist pattern having a predetermined horizontal width by light exposure on a substrate;
(B) A first vapor deposition step in which a conductive material is obliquely vapor-deposited with respect to the substrate surface, and a first electrode layer having an electrode edge angle θ 1 (0 ° <θ 1 <90 °) is provided. 1 lift-off process,
(D) A non-uniformization step of etching the electrode surface by etching to make the electrode edge non-uniform,
(E) a resist pattern having slits again by light exposure, the second resist pattern forming step of forming on both sides across the gap,
(F) Conductive material is obliquely deposited at a deposition angle θ 2 (0 ° <θ 2 1 <90 ° ) with respect to the substrate surface from a direction opposite to the deposition direction, and a gap having a width of 10 nm or less is formed. A second vapor deposition step of providing a second electrode layer to be formed;
(G) a second lift-off process step,
(H) It consists of each process of the electric field fracture | rupture process which sends an electric current between electrodes and makes the electric field fracture of the short circuit part between electrodes.

以下、各工程に沿って詳述する。
本発明方法では、先ず、基板上に光露光(フォトリソグラフィー)を用いて水平方向幅Wを持つレジストパターンを形成する。ここで光露光は従来の方法を使用することができる。基板としては少なくとも表面が絶縁性を有している必要があり、通常、SiO膜で表面を被覆したシリコン基板や、ガラス基板等が使用される。
Hereinafter, it explains in full detail along each process.
In the method of the present invention, first, a resist pattern having a horizontal width W is formed on a substrate by using light exposure (photolithography). Here, a conventional method can be used for light exposure. As the substrate, at least the surface must have insulating properties, and a silicon substrate, a glass substrate, or the like whose surface is covered with a SiO 2 film is usually used.

次に、従来型の蒸着装置を用いて導電性材料を斜め蒸着する。この斜め蒸着は、基板面に形成される電極の電極エッジ角度θ が、板面に対し0°<θ <90°となるように行う。θ は、上記条件を満足していればよいが、好ましくは45〜80°である。導電性材料としては、一般に電極に使用されている材料であれば適宜のものが使用可能であるが、Cr/Au、Al、Co等の金属合金材料の使用が好ましい。この斜め蒸着により、ギャップが形成された状態で、第1番目の電極層が付着形成される。第1番目の電極層の膜厚は25〜60nm程度が好ましい。この斜め蒸着時には、蒸着する導電性材料が充分平行性を持って基板に到着するよう、基板と蒸着源(図示せず)の距離を離す必要があり、通常500mm程度離間させることが望ましい。また、蒸着源と試料間の距離を離すことは、斜め蒸着した金属が輻射による加熱で拡散するのを抑制する効果もある。 Next, the conductive material is obliquely deposited using a conventional deposition apparatus. The oblique deposition, the electrode edge angle theta 1 of the electrodes formed on the substrate surface is performed so that against the base plate surface 0 ° <θ 1 <90 ° . θ 1 only needs to satisfy the above condition, but is preferably 45 to 80 °. As the conductive material, any appropriate material can be used as long as it is generally used for electrodes. However, it is preferable to use a metal alloy material such as Cr / Au, Al, or Co. By this oblique deposition, the first electrode layer is deposited and formed with the gap formed. The thickness of the first electrode layer is preferably about 25 to 60 nm. At the time of this oblique vapor deposition, it is necessary to increase the distance between the substrate and the vapor deposition source (not shown) so that the conductive material to be deposited arrives at the substrate with sufficient parallelism. Further, increasing the distance between the vapor deposition source and the sample also has an effect of suppressing diffusion of the obliquely vapor deposited metal due to heating by radiation.

次に、レジストパターンをリフトオフ処理により除去した後、電極エッジの不均一化処理を施す。この処理は本発明のポイントの一つであるので詳述する。
本発明者らが先に提案した電極製造方法は、光露光の加工範囲のみで微小間隙幅のギャップ電極を製造することができるが、この技術により、さらに微小な10nm以下の間隙幅のナノギャップを形成した場合、間隙幅に合わせて1段目の電極高さを薄くせねばならず、電極としての耐久性の問題から間隙幅5nm以下のナノギャップ電極には実用的でない。また、間隙幅10nm以下では再現性が5割、5nmでは2割程度になり、安定して5nm以下のギャップ電極を作製することが困難である。その原因は、間隙形成のためのマスクとなる1回目の蒸着金属電極が部分的に均一ではないため、もしくは蒸着時に金属の回り込みが生じるため、部分的に間隙幅が狭くなり、場合により電極間が架橋され電気的に短絡してしまうからである。また、電極エッジの不均一化を施さない場合に生じる短絡部分には前述した電界破断を適用することができない。本発明者らは、この現象を逆手に捉え、1回目の蒸着金属電極を意図的に不均一なものにすることにより、上記の再現性低下の問題を解決することを確認した。具体的には、1段階目の蒸着を行い、従来法によるリフトオフを行った後、オゾンプラズマアッシャーをかけることにより電極の表面をエッチングし電極エッジに不均一性を出した。この不均一な金属電極は、部分的に電極が薄いところ、電極エッジ角度が浅いところを持ち、部分的に狭い間隙幅を実現することができた。図1にこの不均一性の効果のイメージ図を示す。左側の図は1回目蒸着金属電極が均一な場合で、右図の図は1回目蒸着金属電極が不均一な場合である。まず均一な場合、ギャップサイズGは一回目蒸着金電極の高さH、1回目蒸着金属の電極エッジ角度θ、2回目蒸着時の蒸着角度θの間にG=H(cotanθ−cotanθ)の関係があり、均一なギャップ間隔が形成されるが、不均一の場合はHとθがランダムな大きさを持つので、部分的に間隙幅を狭くすることができる。この手法により5nm以下の間隙を高い確率で達成することが可能になった。
ここで電極の「不均一性」とは、電極エッジの高さ、角度にナノスケールのばらつきが生じていることを意味する。
本発明で、電極の不均一化処理をする方法としては、プラズマアッシャーの他、UVオゾン処理、アルゴンイオン照射、薬品処理等の方法を用いることができる。
Next, after removing the resist pattern by a lift-off process, an electrode edge non-uniformization process is performed. Since this process is one of the points of the present invention, it will be described in detail.
The electrode manufacturing method previously proposed by the present inventors can manufacture a gap electrode having a minute gap width only in the processing range of light exposure. By this technique, a nano gap having a gap width of 10 nm or less can be further reduced. When the electrode is formed, the height of the first electrode must be reduced in accordance with the gap width, and it is not practical for a nanogap electrode having a gap width of 5 nm or less due to the problem of durability as an electrode. Further, when the gap width is 10 nm or less, the reproducibility is 50%, and when the gap is 5 nm, the reproducibility is about 20%, and it is difficult to stably produce a gap electrode of 5 nm or less. The reason for this is that the first deposited metal electrode that serves as a mask for gap formation is not partially uniform, or metal wraparound occurs during deposition, so the gap width is partially narrowed. This is because they are cross-linked and electrically short-circuited. In addition, the above-described electric field rupture cannot be applied to a short-circuit portion that occurs when the electrode edge is not made nonuniform. The present inventors have confirmed that this problem can be solved by taking this phenomenon in reverse and intentionally making the first vapor-deposited metal electrode non-uniform. Specifically, after the first stage of vapor deposition was performed and lift-off was performed by a conventional method, the surface of the electrode was etched by applying an ozone plasma asher to give nonuniformity to the electrode edge. This non-uniform metal electrode has a portion where the electrode is partially thin and a portion where the electrode edge angle is shallow, and a partially narrow gap width can be realized. FIG. 1 shows an image of this non-uniformity effect. The figure on the left shows the case where the first vapor deposition metal electrode is uniform, and the figure on the right shows the case where the first vapor deposition metal electrode is non-uniform. When first uniform, the gap size G one time deposited gold electrode height H, 1 round electrode edge angle of evaporated metal theta 1, during the deposition angle theta 2 at the time of the second deposition G = H (cotanθ 2 -cotanθ 1) There is a relationship, but a uniform gap spacing is formed, in the case of non-uniform since H and theta 1 has a random size, it is possible to narrow the partially gap width. This technique makes it possible to achieve a gap of 5 nm or less with a high probability.
Here, “non-uniformity” of the electrode means that nanoscale variation occurs in the height and angle of the electrode edge.
In the present invention, as a method for performing electrode non-uniformization treatment, methods such as UV ozone treatment, argon ion irradiation, chemical treatment, etc. can be used in addition to plasma asher.

次に、ギャップをまたぐように両側の電極上に、再度光露光によりスリットを持つレジストパターンを形成する。レジストパターンの形成方法は上記と同様の方法であってもよく、必要により条件を変更しても構わない。スリットのレジストパターンの高さ(垂直方向厚み)は1μm以下が適当であり、スリット幅はマスクの位置あわせ精度等を考慮して決定する(1μm程度)。   Next, a resist pattern having slits is formed again on the electrodes on both sides so as to cross the gap by light exposure. The method of forming the resist pattern may be the same method as described above, and the conditions may be changed as necessary. The height (vertical thickness) of the resist pattern of the slit is suitably 1 μm or less, and the slit width is determined in consideration of the alignment accuracy of the mask (about 1 μm).

次に、に示すように、2度目の導電性材料の斜め蒸着を行う。この斜め蒸着は基板の表面に対し前記蒸着方向とは反対の方向から蒸着角度θ (0°<θ <θ <90°)で行う。θ は、上記条件を満足していればよいが、好ましくは15〜75°である。導電性材料としては、上記と同様なものを使用することができる。この斜め蒸着により、第2番目の電極層が付着形成される。ギャップGの幅は10nm以下とする。 Next, a second oblique deposition of the conductive material is performed as shown in FIG. This oblique vapor deposition is performed at a vapor deposition angle θ 2 (0 ° <θ 2 1 <90 ° ) from the direction opposite to the vapor deposition direction with respect to the surface of the substrate. θ 2 only needs to satisfy the above condition, but is preferably 15 to 75 °. As the conductive material, the same materials as described above can be used. By this oblique vapor deposition, a second electrode layer is deposited and formed. The width of the gap G is 10 nm or less.

次に、再度従来法によるリフトオフ処理を行った後、電極間に電流を流し、電極間の短絡部分を電界破断させる電界破断処理を施す。
上記の電極エッジの不均一化処理に伴い電極間が架橋してしまい電気的に短絡する部分が多くなるが、前述した電界破断法(Appl.Phys.Lett.75(1999)301)を利用して、電極間に電流を流すことにより、この短絡部分を選択的に除去することが可能となる。図2に電界破断時の配線図を示す。図のように短絡している電極間に可変抵抗Rtと固定抵抗Rcをはさみ、電圧を印加した。破断に必要な電流量は数mA程度が適当で、電流量は可変抵抗により調節した。また、一瞬でも目的量以上の電流が流れると電界破断が短絡部分だけではなく、その周辺も大きく巻き込んで破断される。これを避けるため、固定抵抗Rcを導入し、可変抵抗値が0Ωになっても電流量が目的量を超えないようにした。この抵抗の組み合わせにより、短絡部分の局所的な破断が実現される。
Next, after performing the lift-off process by the conventional method again, the electric field rupture process which makes an electric current flow between electrodes and ruptures the short circuit part between electrodes is performed.
With the above electrode edge non-uniformization treatment, the electrodes are cross-linked and there are many portions that are electrically short-circuited. However, the electric field breaking method (Appl. Phys. Lett. 75 (1999) 301) described above is used. Thus, this short-circuited portion can be selectively removed by passing a current between the electrodes. FIG. 2 shows a wiring diagram when the electric field is broken. As shown in the figure, a variable resistor Rt and a fixed resistor Rc were sandwiched between shorted electrodes, and a voltage was applied. The amount of current required for the breakage is suitably about several mA, and the amount of current is adjusted by a variable resistance. In addition, when a current exceeding the target amount flows even for a moment, the electric field breaks not only at the short-circuited portion but also at the periphery thereof and breaks. In order to avoid this, a fixed resistor Rc is introduced so that the current amount does not exceed the target amount even when the variable resistance value becomes 0Ω. By this combination of resistances, local breakage of the short-circuit portion is realized.

以上の各工程を経て所望の10nm以下の間隙幅のナノギャップ電極を再現性よく製造することが可能となる。   Through the above steps, a nanogap electrode having a desired gap width of 10 nm or less can be manufactured with good reproducibility.

本発明によれば、上記で作製したナノギャップ電極を利用したナノ構造の素子(デバイス)の提供が可能となる。具体例として、作製した5nm以下のナノギャップ電極(最小電極幅2nm)を用いて、電極間に鎖長2.4nmの合成分子(oligo (para−phenylenevinylene methyl dithiol)を架橋させた素子を作り、直接電気伝導測定に成功した。その結果を図3に示す。電子ビーム露光を用いずに作製した固定化平面ナノギャップ電極で、合成した単分子の直接電気伝導測定を実現している例はこれまでなかったが、本発明によりその実現が可能となった。   According to the present invention, it is possible to provide a nanostructured element (device) using the nanogap electrode produced as described above. As a specific example, using the produced nanogap electrode of 5 nm or less (minimum electrode width 2 nm), a device in which a synthetic molecule (oligo (para-phenylene vinyl dithiol)) having a chain length of 2.4 nm is crosslinked between the electrodes, The results of the direct electrical conductivity measurement are shown in Fig. 3. An example of realizing the direct electrical conductivity measurement of a synthesized single molecule with an immobilized planar nanogap electrode fabricated without using electron beam exposure is shown in this figure. However, the present invention has made it possible.

次に、本発明の実施例を述べるが、本発明はこれに限定されるものではない。以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。
厚さ400nmの酸化シリコン層で被覆されたシリコン基板上に、通常の光露光手法で第1レジストパターンを作製した。第1レジストパターンの高さ(垂直方向の厚み)は
1μm、水平方向の幅は2μmとした。次に、θ ´=75°の斜め蒸着によりCr/Au(Cr膜は接着層で2nm厚)膜を高さH=25nmに製膜し、電極エッジ角度θ がほぼ75°の第1電極層とした。ギャップ幅はアッシングしなければ7nm程度となるものであった。
次に、パターンのリフトオフ処理を行った後、電極面にオゾンプラズマアッシャー処理を施した。オゾンプラズマアッシャーの条件は、RF power 300W、酸素流量 100ml/min、アッシング時間を60秒に設定して行った。また、アッシング後金表面の酸化層を取り除くためエタノールで処理した。
次に、通常の光露光手法でスリット幅2μmの第2レジストパターンを形成した後、蒸着角度θ =60°の斜め蒸着によりCr(2nm)+Au膜を20nm厚に形成し、第2電極層とした。この条件で作製した電極は短絡しており、100Ω以下の抵抗を示した。
リフトオフ処理後、電界破断処理を行った。その条件は、電極間に1Vの電位差を印加し、抵抗Rc=100Ω、可変抵抗Rtを100kΩから0Ωまでゆっくりと下げて電流量を徐々に増加させた。その結果、約4mA程度の電流が流れ出した時に短絡した電極が破断された。以上のようにしてナノギャップ電極を作製した。
Next, examples of the present invention will be described, but the present invention is not limited thereto. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
A first resist pattern was formed on a silicon substrate covered with a 400 nm thick silicon oxide layer by a normal light exposure technique. The height (vertical thickness) of the first resist pattern was 1 μm, and the horizontal width was 2 μm. Next, a Cr / Au (Cr film is an adhesive layer with a thickness of 2 nm) film is formed to a height H = 25 nm by oblique vapor deposition with θ 1 = 75 °, and the first electrode edge angle θ 1 is approximately 75 ° . An electrode layer was obtained. The gap width was about 7 nm without ashing.
Next, after performing a pattern lift-off process, the electrode surface was subjected to an ozone plasma ashing process. The conditions for the ozone plasma asher were RF power 300 W, oxygen flow rate 100 ml / min, and ashing time 60 seconds. Further, after ashing, it was treated with ethanol to remove the oxide layer on the gold surface.
Next, after forming a second resist pattern having a slit width of 2 μm by a normal light exposure method, a Cr (2 nm) + Au film is formed to a thickness of 20 nm by oblique vapor deposition with a vapor deposition angle θ 2 = 60 °, and the second electrode layer It was. The electrode produced under these conditions was short-circuited and exhibited a resistance of 100Ω or less.
After the lift-off process, an electric field breaking process was performed. The condition was that a potential difference of 1 V was applied between the electrodes, the resistance Rc = 100Ω, and the variable resistance Rt was slowly lowered from 100 kΩ to 0Ω to gradually increase the amount of current. As a result, the shorted electrode was broken when a current of about 4 mA started to flow. A nanogap electrode was produced as described above.

図4にこの条件で作製したナノギャップ電極の電子顕微鏡像を示す。(a)と(c)はそれぞれほぼ同じ条件でプラズマアッシャーの工程を含むもの(a)、含まないもの(c)を示している。また(b)は(a)の四角い枠部分を拡大したものを示している。(c)は均一な5〜7nm程度の間隙幅を持っているのに対し、(a)、(b)は不均一な間隙幅を示す。その間隙幅は2〜10nmと部分的に5nm以下の間隙を実現している。これらの電極の抵抗値は10TΩ以上の抵抗値を示しリークが殆どない。またこの手法による5nm以下のナノギャップ電極の再現性は80%を超え、非常に再現性の高い手法と言える。   FIG. 4 shows an electron microscope image of the nanogap electrode produced under these conditions. (A) and (c) respectively show (a) that does not include the plasma asher process under substantially the same conditions, and (c) that does not. (B) shows an enlarged view of the rectangular frame part of (a). (C) has a uniform gap width of about 5 to 7 nm, while (a) and (b) show non-uniform gap widths. The gap width is 2 to 10 nm, and a gap of 5 nm or less is partially realized. The resistance values of these electrodes are 10 TΩ or more and there is almost no leakage. The reproducibility of nanogap electrodes of 5 nm or less by this method exceeds 80%, which can be said to be a very reproducible method.

本発明の方法は、既存プロセス技術で唯一実現可能な10nm以下のサイズの固定平面型ナノギャップ電極作製手法である。このサイズのナノ構造の物性を引き出す素子が完成することにより、その量産化に対して非常に有望な基盤技術になる可能性がある。   The method of the present invention is a method for producing a fixed planar nanogap electrode having a size of 10 nm or less that can be realized only by existing process technology. Completion of a device that draws out the physical properties of this size of nanostructure may become a very promising fundamental technology for mass production.

電極エッジが均一の場合と不均一の場合に形成されるナノギャップのイメージを示す図である。It is a figure which shows the image of the nano gap formed when the electrode edge is uniform and non-uniform. 電界破断時の配線図である。It is a wiring diagram at the time of electric field fracture. 図4(a)で示した最小間隙幅2nmの電極を用い、電極間を合成分子鎖(oligo (para−phenylenevinylene methyl dithiol)で架橋させた試料のI−Vカーブ、図中左上は予想されるこの分子の電極架橋状態のイメージ図を示す。I−V測定はプロ−バーを使い室温、真空中にて行った。I−Vカーブは同じ電極で何度も測定した結果を示したものである。(with molecule)また、Bare electrodesはこの電極に何も分子を架橋させていないときのI−Vカーブを示している。An IV curve of a sample in which electrodes having a minimum gap width of 2 nm shown in FIG. 4A are used and crosslinked between the electrodes with a synthetic molecular chain (para-phenylene vinyl dithiol) is expected. An image diagram of the state of electrode cross-linking of this molecule is shown.IV measurement was performed in a vacuum at room temperature using a prober, and the IV curve shows the results of repeated measurements with the same electrode. (With molecule) Also, Bare electrodes shows an IV curve when no molecule is cross-linked to this electrode. ナノギャップ電極の電子顕微鏡像((a)はオゾンプラズマアッシャー処理したもの(c)はオゾンプラズマアッシャー処理無し。(b)は(a)の四角の枠線内の拡大像)(c)は均一なナノギャップが作製されるが、アッシャー処理をしたものは(b)のようにランダムなギャップが形成されている。Electron microscope image of nanogap electrode ((a) is ozone plasma asher treated (c) is not ozone plasma asher treated, (b) is an enlarged image within the square frame of (a)) (c) is uniform A nanogap is produced, but a random gap is formed as shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

H:1回目蒸着金属電極の膜厚
G:ナノギャップのサイズ
θ:1回目蒸着金属電極の電極エッジ角度(オゾンプラズマアッシャー無処理時はほぼ1回目の斜め蒸着の角度θ ´に相当)
θ:2回目斜め蒸着時の蒸着角度
V:電極間印加電圧
I:電流計
Rt:可変抵抗の抵抗値
Rc:通常抵抗の抵抗値
H: Film thickness of the first vapor-deposited metal electrode G: Nanogap size θ 1 : Electrode edge angle of the first vapor-deposited metal electrode (equivalent to the angle θ 1 of the first oblique vapor deposition when no ozone plasma asher is treated)
θ 2 : Deposition angle during the second oblique deposition V: Applied voltage between electrodes I: Ammeter Rt: Resistance value of variable resistance Rc: Resistance value of normal resistance

Claims (2)

基板上に光露光により所定の水平方向幅のレジストパターンを形成する第1のレジストパターン形成工程と、
基板面に対して導電性材料を斜め蒸着し、電極エッジ角度θ (0°<θ <90°)を有する第1番目の電極層を設ける第1の蒸着工程と、
第1のリフトオフ処理工程と、
電極表面をエッチングして電極エッジを不均一化させる不均一化工程と、
再度光露光によりスリットを持つレジストパターンを前記ギャップをまたいで両側に形成する第2のレジストパターン形成工程と、
前記蒸着方向とは反対の方向から基板面に対して蒸着角度θ (0°<θ <θ <90°)で導電性材料を斜め蒸着し、10nm以下の幅のギャップが形成されるように第2番目の電極層を設ける第2の蒸着工程と、
第2のリフトオフ処理工程と、
電極間に電流を流し、電極間の短絡部分を電界破断させる電界破断工程と
からなることを特徴とするナノギャップ電極の製造方法。
A first resist pattern forming step of forming a resist pattern having a predetermined horizontal width by light exposure on a substrate;
The conductive material is obliquely deposited to the substrate surface, a first deposition step of providing the first-th electrode layer having the electrode edge angle theta 1 a (0 ° <θ 1 <90 °),
A first lift-off process step;
A non-uniformization step of etching the electrode surface to make the electrode edge non-uniform,
A second resist pattern forming step of forming on both sides a resist pattern having a slit by a light exposure again, across said gap,
The conductive material is obliquely deposited at a deposition angle θ 2 (0 ° <θ 2 1 <90 ° ) with respect to the substrate surface from a direction opposite to the vapor deposition direction to form a gap having a width of 10 nm or less. A second vapor deposition step of providing a second electrode layer as follows:
A second lift-off process step;
A method for producing a nanogap electrode, comprising: an electric field breaking step in which an electric current is passed between electrodes, and a short-circuit portion between the electrodes is broken in an electric field.
請求項1の方法により製造されたナノギャップ電極を用いた素子。   The element using the nano gap electrode manufactured by the method of Claim 1.
JP2003307669A 2003-08-29 2003-08-29 Method for producing nanogap electrode and device having nanogap electrode produced by the method Expired - Lifetime JP3864229B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003307669A JP3864229B2 (en) 2003-08-29 2003-08-29 Method for producing nanogap electrode and device having nanogap electrode produced by the method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003307669A JP3864229B2 (en) 2003-08-29 2003-08-29 Method for producing nanogap electrode and device having nanogap electrode produced by the method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2005079335A JP2005079335A (en) 2005-03-24
JP3864229B2 true JP3864229B2 (en) 2006-12-27

Family

ID=34410395

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2003307669A Expired - Lifetime JP3864229B2 (en) 2003-08-29 2003-08-29 Method for producing nanogap electrode and device having nanogap electrode produced by the method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3864229B2 (en)

Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4919146B2 (en) * 2005-09-27 2012-04-18 独立行政法人産業技術総合研究所 Switching element
KR100849384B1 (en) * 2005-10-21 2008-07-31 한국생명공학연구원 A method for fabricating nanogap and nanogap sensor
KR100762258B1 (en) * 2006-05-02 2007-10-01 한국표준과학연구원 Process for preparing nanogap electrode and nanogap device using the same
JP4873463B2 (en) * 2006-06-30 2012-02-08 独立行政法人産業技術総合研究所 Detection element having nanogap electrode and detection method using the same
KR100782911B1 (en) 2006-08-11 2007-12-07 한국과학기술원 Method of forming uniformly distributed nanocrystal and device of including the nanocrystal
JP4446054B2 (en) 2007-03-23 2010-04-07 独立行政法人産業技術総合研究所 Nonvolatile memory element
US20110151190A1 (en) * 2007-05-08 2011-06-23 Jae-Hyun Chung Shadow edge lithography for nanoscale patterning and manufacturing
JP5216254B2 (en) 2007-06-22 2013-06-19 株式会社船井電機新応用技術研究所 Memory element array
JP5120874B2 (en) 2007-06-22 2013-01-16 株式会社船井電機新応用技術研究所 Switching element
JP5190924B2 (en) 2007-08-09 2013-04-24 独立行政法人産業技術総合研究所 Two-terminal resistance switch element and semiconductor device
JP2009049287A (en) 2007-08-22 2009-03-05 Funai Electric Advanced Applied Technology Research Institute Inc Switching element, manufacturing method of switching element, and memory element array
JP5312782B2 (en) 2007-12-20 2013-10-09 株式会社船井電機新応用技術研究所 Nanogap switching element driving method and storage device including nanogap switching element
JP4544340B2 (en) 2008-01-24 2010-09-15 ソニー株式会社 ELECTRONIC DEVICE, ITS MANUFACTURING METHOD, AND STORAGE DEVICE
JP5120883B2 (en) * 2008-02-26 2013-01-16 株式会社船井電機新応用技術研究所 Nanogap device driving method and storage device including nanogap device
US8653912B2 (en) 2008-06-13 2014-02-18 Funai Electric Advanced Applied Technology Research Institute Inc. Switching element
JP2010157567A (en) * 2008-12-26 2010-07-15 Funai Electric Advanced Applied Technology Research Institute Inc Memory cell array
JP2010157568A (en) 2008-12-26 2010-07-15 Funai Electric Advanced Applied Technology Research Institute Inc Memory cell array
JP2010157569A (en) 2008-12-26 2010-07-15 Funai Electric Advanced Applied Technology Research Institute Inc Memory cell array
JP5455415B2 (en) 2009-04-10 2014-03-26 株式会社船井電機新応用技術研究所 Method for manufacturing element having nanogap electrode
JP5526341B2 (en) * 2010-02-25 2014-06-18 独立行政法人産業技術総合研究所 Switching element

Also Published As

Publication number Publication date
JP2005079335A (en) 2005-03-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3864229B2 (en) Method for producing nanogap electrode and device having nanogap electrode produced by the method
US7098151B2 (en) Method of manufacturing carbon nanotube semiconductor device
US7413973B2 (en) Method for manufacturing nano-gap electrode device
US7015142B2 (en) Patterned thin film graphite devices and method for making same
US6921684B2 (en) Method of sorting carbon nanotubes including protecting metallic nanotubes and removing the semiconducting nanotubes
US7952173B2 (en) Nanometric device with a hosting structure of nanometric elements
JP4825863B2 (en) Manufacture of graphene nanodevices
JP4940150B2 (en) Method for constructing molecular structure on conductor path and molecular memory matrix
US8497499B2 (en) Method to modify the conductivity of graphene
US8918152B2 (en) Parallel fabrication of nanogaps and devices thereof
WO2001039292A2 (en) Fabrication of nanometer size gaps on an electrode
US7537883B2 (en) Method of manufacturing nano size-gap electrode device
TWI772618B (en) Nano-slit electrode, method of making same, and nano-device with nano-slit electrode
KR101182522B1 (en) fabrication method of nano pattern and fabrication method for TFT and LCD using the same
JP2006128438A (en) Method of forming nano-gap electrode and nano-gap electrode obtained thereby, and element equipped with the electrode
US9046777B2 (en) Method for manufacturing a fine metal electrode
JP2005191214A (en) Method of manufacturing ultra-fine electronic device
JP3864232B2 (en) Manufacturing method of nanogap electrode and device using nanogap electrode manufactured by the method
JPH06252056A (en) Fixation of minute substance and formation of electrode
KR102272003B1 (en) A method for forming patterns on a substrate and a substrate prepared by the method
JP4224579B2 (en) Electrode manufacturing method of electrode cross-linking molecular device and manufacturing method of electrode cross-linking molecular device
KR102079317B1 (en) Patterning Method Using Selective Surface Treatment That Improves Performance of Thin-Film Transistor Fabricated By Solution Process
JP6845568B2 (en) Graphene substrate and its manufacturing method
JP2004158530A (en) Element having conductive organic molecule thin film
JP4520383B2 (en) Electrodeposition method

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20050315

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20060614

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20060620

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20060815

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20060905

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 3864229

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

S533 Written request for registration of change of name

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

EXPY Cancellation because of completion of term