JPH0595141A - 金属原子細線成長方法及び原子細線デバイス - Google Patents

金属原子細線成長方法及び原子細線デバイス

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JPH0595141A
JPH0595141A JP3255088A JP25508891A JPH0595141A JP H0595141 A JPH0595141 A JP H0595141A JP 3255088 A JP3255088 A JP 3255088A JP 25508891 A JP25508891 A JP 25508891A JP H0595141 A JPH0595141 A JP H0595141A
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    • Y10S438/962Quantum dots and lines

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  • Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)
  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 基板に接しない金属原子細線を簡単かつ短時
間で作る。 【構成】 MgO単結晶基板12を劈開して(111)
面にステップライン13を得、その上にAuを蒸着して
金属薄膜14,15を方位成長させる。金属薄膜14,
15はステップライン13の延長方向において1〜10
μm離されてあり、金属薄膜14,15にも同様のステ
ップライン17を保持させる。220〜280℃とした
基板12の金属薄膜14,15上に0.1〜0.4nm
/分の低速度でAuを蒸着させ、ステップライン17に
沿った細線22,23を成長させ、互いに接続させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は太さが100nm以下
のように細い金属原子細線の成長方法及びその原子細線
を備えた原子細線デバイスに関する。
【0002】
【従来の技術】太さが100nm以下のような細い金属
原子細線は、量子伝導現象と呼ばれる、a、伝導電子の
位相情報が生き残り、電子波干渉効果が現われる。b、
オームの法則が成立せず電気伝導度(従って熱伝導度
も)が金属の太さ、長さだけでなく、形状に依存する。
c、伝導度のゆらぎが大きくなり、試料の形状、不純物
原子の位置に依存して雑音が観測される。d、強い表面
効果が現われる。e、可視光が細線全体に侵入して伝導
度を減少させる。など特異な現象を示す。
【0003】従来の金属原子細線の作製方法は、二つ知
られている。第1はグラファイトの表面にAuの蒸着膜
を形成し、そのAu蒸着膜上を電子線で、目的の細線を
描き、電子線で周囲の有機物CH4 などがたたかれ、分
解し、炭素が電子線で描かれた所に付着する。その電子
線の描きを同一個所に繰返し、ある程度の厚さに炭素を
付着させた後、ArガスでスパッタリングしてAu蒸着
膜を除去し、同時に付着した炭素も除去し、その除去さ
れた炭素の下のAuが残り、電子線で描いた線と同一形
状の金属細線を得る。第2はガラス基板表面にArガス
スパッタリングにより1本のステップラインを作り、そ
のステップライン形成面上に金属薄膜を蒸着形成し、そ
の後再びArガススパッタリングを斜め方向より行っ
て、ステップの影に金属線を残す方法である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来の金属細線の作製
方法では背景のAu蒸着膜を除去すると同時に付着した
炭素を除去し、しかもその炭素の下のAuが残るように
するためには、炭素の方がAuより飛び易いから付着炭
素を厚くする必要があり、電子線の描きを同一個所を何
回も繰返さなければならず、時間がかかり、量産するこ
とが難かしく、また高価なものとなる。
【0005】従来技術の第2の方法は、細線の結晶成長
がガラス基板に影響されて均一に成長しない事、及びA
rイオンによるスパッタリングの際、金属細線が汚染
(不純物が入る)される、更に表面が荒れるなどの問題
があった。従来の金属細線は基板上に接触して形成され
ているため、基板と金属細線との相互作用により金属細
線が物理的に影響されるおそれがある。また基板と金属
細線との合金を作り、つまり基板の原子が金属細線に入
り込み、汚染され、金属細線が化学的に影響されるおそ
れがある。更に基板から金属細線を取出すことができな
いなどの問題があった。
【0006】例えば非常に大規模なLSIは大変高価な
ものとなる。従ってそのLSIの導通欠損を金属細線で
接続して良品のLSIにすることが考えられる。この場
合、従来の金属細線の作製法により、その導通欠損を接
続させようとすると、高価な装置を必要とし、しかもそ
の接続線の形成作業が著しく大変なものとなる。
【0007】
【課題を解決するための手段】請求項1の発明によれば
結晶劈開法により形成された表面ステップラインを有す
る単結晶基板に、そのステップライン方向にμmオーダ
の間隔をあけて配列された一対の金属薄膜を、そのステ
ップラインを保持した状態で方位成長させ、その後、こ
れら金属薄膜のステップラインに沿ってそれぞれ金属原
子細線を結晶成長させて、相互に連結させる。
【0008】請求項2の発明によれば、一面に直線のス
テップラインが形成された単結晶基板上に、方位成長さ
れた一対の金属薄膜が、ステップラインの延長方向にお
いて間隔をもって配列され、かつこれら金属薄膜には上
記ステップラインにもとづくステップラインが形成され
ており、これら金属薄膜のステップラインに沿って延長
されて両者を橋渡ししている金属原子細線が設けられい
る。
【0009】
【実施例】以下この発明の実施例を説明する。MgO単
結晶を(111)面に平行に、ナイフェッジを使った治
具により劈開して、図1Aに示すように一面11を(1
11)面とする単結晶基板12を用意する。単結晶基板
12の面(この例では上面)11には直線のステップラ
イン13が形成されている。ステップライン13は面に
直角の段差であり、その段差は直線である。このステッ
プライン13のステップの高さは10nm以上好ましく
は100nm以下とする。ステップライン13の間隔は
約30μmで平行に多数形成される。
【0010】図1Bに示すようにこの単結晶基板12の
面11上に一対の金属薄膜14,15を(111)面に
方位成長させる。金属薄膜14,15はステップライン
13の延長方向において間隔dが設けられ、かつステッ
プライン13にもとづくステップライン17が金属薄膜
14,15に形成する。このためPtの遮蔽線18をス
テップライン13と直角に面11上に配し、図2Aに示
すように、遮蔽線18を単結晶基板12に配した状態で
図に示していないホルダに保持し、そのホルダごと高真
空(2×10-8Torr)の蒸着容器内の試料保持部1
9に取付け、単結晶基板12を220℃にて脱ガスした
後、蒸着源21のAuを加熱し、Auを蒸発させて、2
0〜100℃とした単結晶基板12の面11に蒸着させ
る。この蒸着速度を2〜4nm/分、例えば3nm/分
とし、膜厚を100〜1000nmとする。遮蔽線18
の部分にはAuが蒸着されず、この部分が間隔dとな
る。膜厚が厚過ぎると金属薄膜14,15にステップラ
イン17が生じなくなる。またステップライン13のス
テップの高さが低過ぎてもステップライン17が生じな
くなる。ステップが高過ぎたり、膜厚が薄過ぎると、ス
テップライン13の部分で金属薄膜14,15がそれぞ
れ連続せず切れてしまい、同様にステップライン17が
生じない。
【0011】遮蔽線18の太さと金属薄膜14,15の
厚さとにより間隔dが決まる。間隔dは例えば0.5〜
15μmとされ、遮蔽線18の太さは例えば10μmと
される。このようにして金属薄膜14,15はMgO単
結晶基板12のMgO原子の間隔の影響により、方位成
長(エピタキシー)されたものとなる。金属薄膜14,
15のステップライン17に沿ってそれぞれ金属原子細
線22,23を成長させて相互に連結させる。即ち図2
において遮蔽線18を外し、図2Bに示すように試料保
持部19に保持させ、単結晶基板12を220〜280
℃とし、Auを0.1〜0.4nm/分の遅い蒸着速度
で金属薄膜14,15上に蒸着させる。金属薄膜14,
15のAu(111)面上に飛来したAu原子は拡散し
ながらステップライン17に沿って配列してAu(11
1)面上に細線22,23が生じ、これら細線22,2
3はウイスカ成長のように次第に間隔dの方向に伸びて
ゆき、間隔dの中央部で細線22,23は互いに接続さ
れる。金属薄膜14,15間に電圧を印加し、細線2
2,23に流れる電流を観察して細線22,23の接
続、成長の状態を知ることができる。細線22,23が
連結し、金属薄膜14,15を橋渡す金属細線が完了し
た後、220℃程度で12時間程度のアニールを行う。
【0012】蒸着速度を0.1nm/分以下としたり、
0.4nm/分以上とすると金属細線22,23が下に
さがり、間隔dの単結晶基板12と接触する。単結晶基
板12の温度を250℃とし、蒸着速度を0.3nm/
分とし、100kΩの電流制限抵抗器を介して40mV
を金属薄膜14,15間に印加した時の細線形成用の蒸
着開始からの電流変化状態を図3に示す。17分ぐらい
経過すると、両細線22,23が互いに接触して電流が
流れ始め、かつその接触部が成長して電流が時間と共に
増加し、細線22,23の接続状態が良好になってゆく
状態がわかる。25分程度で電流が飽和し、27分で蒸
着を停止した。
【0013】細線22,23が互いに接続されたものの
直流の電流−電圧特性の例を図4Aに示す。非直線的と
なっており、オームの法則から外れている。交流の電流
−電圧特性の例を図4Bに示す。この場合も非直線的と
なりオームの法則から外れている。これらの特性は原子
細線の特徴を示している。図5にこの細線に電流を流さ
ない時と、9.0μAの電流を流した時との雑音の発生
状態を示す。図において小さく上下しているのが雑音で
あり、電流を流した方が雑音レベルが大となり、原子細
線の特徴を示している。
【0014】上述において、単結晶基板12としてはM
gO単結晶に限らない、酸化物単結晶、一般の単結晶で
もよく、要は表面にステップラインが形成されるもので
あればよい。金属薄膜14,15としてはAuに限らな
い。同様に金属細線22,23もAuに限らず、また金
属薄膜14,15と金属細線22,23とは同一金属で
なくてもよい。金属細線22,23を成長させて互いに
接続された後、その成長条件を持続させることにより、
金属薄膜を形成することもできる。
【0015】
【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば単結
晶基板と接触しない金属原子細線を一度に複数、例えば
20本程度も作製することができる。しかも蒸着により
比較的簡単に、かつ短時間に作ることができる。この金
属原子細線は基板と接触していないため、基板による物
理的影響、化学的影響を受けない。また基板から離れて
いるため、金属原子細線を容易に切取ることができる。
従って先に述べたようにLSIの導通欠損部にこの切取
った金属原子細線を配して、レーザ又は電子線などで接
続することにより簡単に修復することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】Aは単結晶基板の例を示す斜視図、Bはそれに
金属薄膜を形成した状態を示す斜視図、Cは金属原子細
線が形成された状態を示す拡大斜視図である。
【図2】Aは金属薄膜の蒸着を示す図、Bは金属細線の
蒸着を示す図である。
【図3】金属細線蒸着時における金属薄膜14,15間
の電流変化状態を示す図。
【図4】この発明で得られた金属原子細線の電流−電圧
特性例を示す図。
【図5】この発明で得られた金属原子細線の電流による
雑音変化の状態を示す図。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 結晶劈開法により形成された表面ステッ
    プラインを有する単結晶基板上に、そのステップライン
    を保持した状態で方位成長させた一対の金属薄膜を、そ
    のステップラインの方向にμmオーダの間隔をおいて配
    列形成し、 その後、これら金属薄膜のステップラインに沿ってそれ
    ぞれ金属原子細線を結晶成長させて、相互に連結させる
    ことを特徴とする金属原子細線成長方法。
  2. 【請求項2】 一面に直線のステップラインが形成され
    た単結晶基板と、 その単結晶基板の上記ステップラインが形成された面上
    に方位成長され、上記ステップラインにもとずくステッ
    プラインが形成され、そのステップラインの延長方向に
    おいて間隔をもって配された一対の金属薄膜と、 これら金属薄膜のステップラインに沿って延長されて両
    者を橋渡ししている金属原子細線と、 を具備する原子細線デバイス。
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