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JP2004296750A - シリコンナノワイヤーの製造法 - Google Patents

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JP2004296750A
JP2004296750A JP2003086558A JP2003086558A JP2004296750A JP 2004296750 A JP2004296750 A JP 2004296750A JP 2003086558 A JP2003086558 A JP 2003086558A JP 2003086558 A JP2003086558 A JP 2003086558A JP 2004296750 A JP2004296750 A JP 2004296750A
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哲二 野田
Masatoshi Ko
全利 胡
Taka Se
鷹 施
Yutaka Suzuki
裕 鈴木
Hiroshi Araki
弘 荒木
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Abstract

【課題】結晶方位が揃いサイズが一定で、かつ直線部分が数mmの切断、組み立てが容易な、シリコンナノワイヤーおよびシリコン・ゲルマニウム合金ナノワイヤーの製造方法を提供する。
【解決手段】キャリアーガスの流通下にシリコンまたはシリコン・ゲルマニウム合金をその融点より低い温度で蒸発させ、900℃以上1300℃以下の温度の均熱部においてナノワイヤーを成長させる。
【選択図】 図4

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、半導体等の情報通信用デバイスあるいはナノマシン用部材等として有用なシリコンワイヤーの製造方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、切断、組み立てが容易で次世代3次元半導体の材料、ナノマシン用軸、ナノピンセット等に好適なシリコンあるいはシリコン・ゲルマニウム合金のナノワイヤーの製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術とその課題】
従来より、シリコンナノワイヤーは、溶融法等により製造されることが知られている(文献1)。
【0003】
しかしながら、この溶融法では結晶方位や長さが均質なナノワイヤーを得るために不可欠である高精度の温度制御が困難である。
【0004】
また、電気炉による加熱で製造することも報告されている(文献2)。
【0005】
だが、この方法でも、温度が均一でなく、高精度の温度制御が困難であるだけでなく、製造工程においてシリコンの他にSiO等の酸化物を加えることが必要であるため不均一な構造のシリコンナノワイヤーしか得られていない。
【0006】
【文献】
文献1:特願2001−333257号
文献2:Z.W.Pan, Z.R.Dai, L.Xu, S.T.Lee, Z.L.Wang, J.Phys.Chem.,B2001,105, p2507−2514
【0007】
そこで、この出願の発明は、以上のとおりの従来技術の問題点を解消し、簡便でしかも結晶方位が揃いサイズが一定で、かつ直線部分が数mmにもおよぶシリコンナノワイヤーまたはシリコン合金のナノワイヤーの製造を可能とする新しい方法を提供することを課題としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第1には、キャリアーガスの流通下において、シリコンあるいはシリコン・ゲルマニウム合金をその融点よりも低い温度で蒸発させ、キャリアーガスの流通下流域の均熱部において900℃以上1300℃以下の温度範囲でシリコンあるいはシリコン・ゲルマニウム合金のナノワイヤーを成長させることを特徴とするシリコンナノワイヤーの製造方法を提供する。
【0009】
また、第2には、上記方法において、1300℃を超えて1400℃以下の温度にてシリコンあるいはシリコン・ゲルマニウム合金を蒸発させることを特徴とするシリコンナノワイヤーの製造方法を、第3には、均熱部の温度は、蒸発温度の降下の過程の温度として、100℃以内の温度変動幅で安定化されていることを特徴とするシリコンナノワイヤーの製造方法を、第4には、キャリアーガスは、アルゴンガス、水素ガスまたはその混合ガスであることを特徴とするシリコンナノワイヤーの製造方法を、第5には、キャリアーガスの流量が1cm/min〜1000cm/minであって、均熱部の区分長さが5cm以上であることを特徴とするシリコンナノワイヤーの製造方法を提供する。
【0010】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【0011】
この出願の発明の方法では、前記のとおり、キャリアーガスの流通下において、シリコンあるいはシリコン・ゲルマニウム合金をその融点よりも低い温度で蒸発させ、キャリアーガスの流通下流域の均熱部において900℃以上1300℃以下の温度範囲でシリコンあるいはシリコン・ゲルマニウム合金のナノワイヤーを成長させることにより、これらナノワイヤーの成長速度を高精度に制御することを可能としている。従来法のように、反応過程で酸化物等の異物を添加する必要がなく、しかも均一な温度分布帯が形成される、長尺のナノワイヤ生成領域としての均熱部でナノワイヤーが生成されるため、シリコンナノワイヤーまたはシリコン・ゲルマニウム合金ナノワイヤーは、その結晶方位が揃い、サイズが一定で、かつ数mmにおよぶ長さの直線的な形状をもつものとなる。
【0012】
この出願の発明においては、シリコンナノワイヤーもしくはシリコン・ゲルマニウム合金ナノワイヤーを製造するが、前記の蒸発では、シリコンまたはシリコン・ゲルマニウムの合金の粉末あるいはその圧粉体、さらには仮焼した焼成体のいずれの形態のものでも蒸発の対象とすることができる。この場合の蒸発については、融点より低い温度において行われるが、実際的には、1300℃を超えて1400℃以下の温度にてシリコンあるいはシリコン・ゲルマニウム合金を蒸発させることが好ましい。
【0013】
そして、均熱部の温度は、蒸発温度の降下の過程の温度として、150℃以内の、より好ましくは、100℃以内の温度変動幅で安定化されていることが考慮される。
【0014】
キャリアーガスとしては、希ガスや水素ガスが考慮されるが、実際的には、アルゴンガス、水素ガスまたはその混合ガスであることが好ましい。
【0015】
反応装置の大きさや形状によっても相違するが、この出願の発明においては、たとえば、キャリアーガスの流量を1cm/min〜1000cm/minとし、均熱部の区分長さを5cm以上とすることが一般的な目安として考慮される。
【0016】
たとえば、図1は、この出願の発明の方法を実施するための反応装置の一例を示した構成図である。この図1に沿って説明すると、キャリアーガス(5)の流通下にある反応管(1)は、蒸発部(A)を有し、均熱部(B−C)の区分を有し、この反応管(1)は、加熱炉(2)内に装入されている。
【0017】
蒸発部(A)では、たとえばシリコン(4)が加熱されて蒸発し、主として、均熱部(B−C)において900℃以上1300℃以下の温度範囲で加熱されることで、シリコンナノワイヤー(3)が成長することになる。
【0018】
図2はこの反応装置における位置(A)(B)(C)の距離と、温度の分布を例示した図である。この例では、蒸発部(A)において、シリコン(4)の融点(m.p.1420℃)より低い温度(1340℃)でシリコン(4)を蒸発させている。そして、位置(B)および(C)は、各々、1270℃および1290℃に保たれ、この位置(B)と(C)の間が均熱部を構成している。
【0019】
そこで以下に、図1の反応装置を用い、図2の温度分布に沿った実施例を示し、さらに詳しく説明する。もちろん、以下の例によって発明が限定されることはない。
【0020】
【実施例】
純度99.999%のシリコン粉末を乳鉢で300メッシュ(約50μm粒径)になるように微粉末化する。得られた微粉末シリコンを10−6Torrの減圧に保持して1170℃で2時間かけて仮焼結する。仮焼結されたシリコンを図1に例示した反応装置の反応管(1)内のアルミナボートに入れる。また、ナノワイヤー成長基板を反応管(1)内下流側にセットする。
【0021】
シリコン(4)を、大気圧下で、流量20cm/minのアルゴンガスの流通下に、蒸発部(A)の温度を1340℃として蒸発させる。
【0022】
蒸発部(A)から10cm下流側の地点(B)から、さらに10cm下流側の地点(C)までの間を均熱部として、図2のとおりの温度プロファイルとなるようにした。
【0023】
均熱部において生成、生成されたシリコンナノワイヤーの走査型電子顕微鏡(SEM)像を示したものが図3および図4である。
【0024】
生成されたシリコンナノワイヤーは図3および図4から明らかなように数mmの直線形状をしている。さらに透過型電子顕微鏡で観察すると図5に示すように直線的でかつ、電子線回折パターンから見られるように、結晶性でかつ均一なシリコンナノワイヤーであって、一本一本のナノワイヤーの径は数50nm〜100nmであり、長さが数mmであることが確認される。
【0025】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、簡便な方法で、切断、組み立てなどが容易な、次世代3次元半導体の材料、ナノマシン用軸、ナノピンセット等の部材として好適なシリコンナノワイヤーおよびシリコン・ゲルマニウムナノワイヤーを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】反応装置を例示した構成図である。
【図2】図1の装置における位置と温度プロファイルを例示した図である。
【図3】シリコンナノワイヤーの走査型電子顕微鏡写真である。
【図4】拡大した走査型電子顕微鏡写真である。
【図5】シリコンナノワイヤーの透過型電子顕微鏡写真と電子線回折結果を示した図である。
【符号の説明】
1 反応管
2 加熱炉
3 シリコンナノワイヤー
4 シリコン
5 キャリアーガス

Claims (5)

  1. キャリアーガスの流通下において、シリコンあるいはシリコン・ゲルマニウム合金をその融点よりも低い温度で蒸発させ、キャリアーガスの流通下流域の均熱部において900℃以上1300℃以下の温度範囲でシリコンあるいはシリコン・ゲルマニウム合金のナノワイヤーを成長させることを特徴とするシリコンナノワイヤーの製造方法。
  2. 1300℃を超えて1400℃以下の温度にてシリコンあるいはシリコン・ゲルマニウム合金を蒸発させることを特徴とする請求項1のシリコンナノワイヤーの製造方法。
  3. 均熱部の温度は、蒸発温度の降下の過程の温度として、100℃以内の温度変動幅で安定化されていることを特徴とする請求項1または2のシリコンナノワイヤーの製造方法。
  4. キャリアーガスは、アルゴンガス、水素ガスまたはその混合ガスであることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかのシリコンナノワイヤーの製造方法。
  5. キャリアーガスの流量が1cm/min〜1000cm/minであって、均熱部の区分長さが5cm以上であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかのシリコンナノワイヤーの製造方法。
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