JP5652817B2 - Nanodot formation method - Google Patents
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Description
本発明はナノドット形成方法に関し、特に、規則的に配置されるナノドットを形成するナノドット形成方法に関する。 The present invention relates to a nanodot forming method, and more particularly, to a nanodot forming method for forming regularly arranged nanodots.
一般に、平面上に規則的に配置された超微細なドット配置、即ち、ナノドットは、例えば高密度記録媒体、光学素子、人工半導体等の基本構造をなすものである。その効率的な形成方法が、ナノテクノロジ実用化のために要望されている。また、ナノドット形成の低コスト化、且つ高効率化は、例えば太陽光発電効率の向上や、量子ドットによる超格子半導体の開発、大容量の次世代デバイスの開発等に今後不可欠なものである。 In general, an ultrafine dot arrangement regularly arranged on a plane, that is, a nanodot has a basic structure such as a high-density recording medium, an optical element, or an artificial semiconductor. The efficient formation method is desired for practical application of nanotechnology. In addition, cost reduction and high efficiency of nanodot formation will be indispensable in the future, for example, to improve photovoltaic power generation efficiency, to develop superlattice semiconductors using quantum dots, and to develop large-capacity next-generation devices.
従来のナノドットの形成方法としては、フォトリソグラフィ法やＥＢリソグラフィ法によるものが広く知られている。これらは、基板上にフォトマスクを用いて露光された部分と露光されていない部分からなるパターンを生成し、エッチング等で基板表面にナノドットパターンを形成する技術である。 As conventional nanodot formation methods, those based on photolithography and EB lithography are widely known. These are techniques for generating a pattern composed of a portion exposed using a photomask and a portion not exposed on a substrate, and forming a nanodot pattern on the substrate surface by etching or the like.
他の手法としては、自己組織化を利用してナノドットを形成する方法も知られている（例えば特許文献１）。これは、基板上に設けられた、フォトリソグラフィによりパターンニングされた自己組織化材料を、焼鈍することで所望の位置に配置されるナノドットを形成する方法である。 As another method, a method of forming nanodots using self-organization is also known (for example, Patent Document 1). This is a method of forming nanodots arranged at desired positions by annealing a self-organized material patterned by photolithography provided on a substrate.
また、規則的に配置されるナノドットを形成する方法として、例えば非特許文献１では、基板上に金属薄膜が形成された基板を、ＦＩＢ（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ）加工を用いて金属薄膜及び基板に格子状の溝を形成し、焼鈍することで、金属属膜が表面張力により凝集し、ナノドットを形成する技術が開示されている。 In addition, as a method for forming regularly arranged nanodots, for example, in Non-Patent Document 1, a substrate in which a metal thin film is formed on a substrate is latticed on the metal thin film and the substrate using FIB (Focused Ion Beam) processing. A technique has been disclosed in which a metal-like film aggregates due to surface tension to form nanodots by forming a shaped groove and annealing.
しかしながら、公知技術であるフォトリソグラフィ法やＥＢリソグラフィ法によるナノドット形成法は、ナノドットの形成プロセスが煩雑であり、分解能の制約から、より微細な構造の形成には適さないという問題があった。また、特許文献１等の自己組織化を利用したナノドット形成法は、自己組織化によりポリマーのドット配列をまず作成し、ＲＩＥによりエッチングをして型を作り、さらに電鋳によりスタンパを作成し、スタンパにより紫外線硬化樹脂に凹凸パターンを転写してそこに磁性体層を形成するというような、非常に煩雑な方法を用いているものであった。 However, the nanodot formation method by the photolithography method and the EB lithography method, which are known techniques, has a problem that the nanodot formation process is complicated, and it is not suitable for forming a finer structure due to resolution limitations. In addition, the nanodot formation method using self-organization disclosed in Patent Document 1, etc., first creates a polymer dot array by self-organization, etches by RIE to create a mold, and further creates a stamper by electroforming, A very complicated method is used in which a concave / convex pattern is transferred to an ultraviolet curable resin by a stamper and a magnetic layer is formed thereon.
さらに、特許文献１や非特許文献１に記載のナノドット形成方法では、金属薄膜及び基板にパターンニングやＦＩＢにより溝を形成する際に、溝を設けた位置に存在していた金属薄膜が除去されていた。したがって、金属薄膜に無駄が生じるだけでなく、形成されるナノドットの寸法が小さくなってしまうという問題もあった。 Furthermore, in the nanodot formation method described in Patent Document 1 or Non-Patent Document 1, when forming a groove on the metal thin film and the substrate by patterning or FIB, the metal thin film existing at the position where the groove is provided is removed. It was. Therefore, there is a problem that not only the metal thin film is wasted but also the size of the formed nanodot is reduced.
さらにまた、ＦＩＢ等を用いて加工するものについては、Ｇａイオン等を用いて加工することになるため、金属薄膜や基板にＧａが侵入し、焼鈍後にもこのＧａが不純物として残留するので、ナノドットの純度が悪くなるという問題もあった。また、イオンビームの散乱や収束限界による分解能の制約もあった。そしてＦＩＢを用いる手法では、加工時間が長くなるという問題もあった。特に、微細な加工を行う場合には、ビームを細く絞り強度を落とすため、加工速度がより遅くなっていた。 Furthermore, since processing using FIB or the like is performed using Ga ions or the like, Ga enters the metal thin film or the substrate, and this Ga remains as an impurity even after annealing. There was also a problem that the purity of the deteriorated. In addition, there was a resolution limitation due to ion beam scattering and convergence limits. The technique using FIB also has a problem that the processing time becomes long. In particular, when performing fine processing, the processing speed is slower because the beam is narrowed to reduce the drawing strength.
本発明は、斯かる実情に鑑み、ナノドットの大きさや密度を所望に制御可能であるナノドット形成方法を提供しようとするものである。 In view of such circumstances, the present invention intends to provide a nanodot forming method in which the size and density of nanodots can be controlled as desired.
上述した本発明の目的を達成するために、本発明のナノドット形成方法は、基板を提供する過程と、基板上に金属薄膜を形成する過程と、形成すべきナノドットに対応する所望の微細パターン形状を有する押し込み工具を、金属薄膜が貫通しない程度に金属薄膜上に押し込み、金属薄膜上に所望の微細パターンの溝を形成する過程と、金属薄膜に溝が形成された基板を、金属薄膜の融点以下の温度で焼鈍する過程であって、金属薄膜の溝の部分に生ずる歪エネルギと表面エネルギが駆動力となり金属薄膜が分離すると共に金属薄膜が分離後に自己組織化により球状のナノドットとなる、焼鈍する過程と、を具備するものである。 In order to achieve the above-described object of the present invention, a nanodot forming method of the present invention includes a step of providing a substrate, a step of forming a metal thin film on the substrate, and a desired fine pattern shape corresponding to the nanodot to be formed. A process of forming a groove with a desired fine pattern on the metal thin film and a substrate on which the groove is formed on the metal thin film, the melting point of the metal thin film. An annealing process at the following temperature, in which the strain energy and surface energy generated in the groove portion of the metal thin film become driving forces to separate the metal thin film, and the metal thin film becomes spherical nanodots by self-organization after separation. The process of comprising.
また、本発明の他のナノドット形成方法は、基板を提供する過程と、形成すべきナノドットに対応する所望の微細パターン形状を有する押し込み工具を基板上に押し込み、基板上に所望の微細パターンの溝を形成する過程と、基板に溝が形成された基板上に金属薄膜を形成する過程と、金属薄膜が形成された基板を、金属薄膜の融点以下の温度で焼鈍する過程であって、基板の溝によって溝の部分の金属薄膜に生ずる歪エネルギと表面エネルギが駆動力となり金属薄膜が分離すると共に金属薄膜が分離後に自己組織化により球状のナノドットとなる、焼鈍する過程と、を具備するものである。 Further, another nanodot forming method of the present invention includes a step of providing a substrate, and a pressing tool having a desired fine pattern shape corresponding to the nanodot to be formed is pushed onto the substrate, and a groove having a desired fine pattern is formed on the substrate. Forming a metal thin film on a substrate having a groove formed in the substrate, and annealing the substrate on which the metal thin film is formed at a temperature below the melting point of the metal thin film. The strain energy and surface energy generated in the metal thin film in the groove portion by the groove become the driving force and the metal thin film is separated, and the metal thin film is formed into spherical nanodots by self-organization after the separation, and is annealed. is there.
ここで、押し込み工具はナイフエッジ工具からなり、微細パターンの溝を形成する過程は、ナイフエッジ工具を所定のピッチで金属薄膜上に複数回押し込み、ナイフエッジ工具又は基板を９０度回転させた後に、再度ナイフエッジ工具を所定のピッチで金属薄膜上に複数回押し込むものであれば良い。 Here, the pressing tool is a knife edge tool, and the process of forming a groove with a fine pattern is performed by pressing the knife edge tool on the metal thin film a plurality of times at a predetermined pitch and rotating the knife edge tool or the substrate 90 degrees. Any other tool may be used as long as the knife edge tool is pushed into the metal thin film a plurality of times at a predetermined pitch.
また、押し込み工具は所定のピッチの複数の凹凸が形成されるラインアンドスペース工具からなり、微細パターンの溝を形成する過程は、ラインアンドスペース工具を金属薄膜上に押し込み、ラインアンドスペース工具又は基板を９０度回転させた後に、再度ラインアンドスペース工具を金属薄膜上に押し込むものであっても良い。 The pushing tool is a line and space tool in which a plurality of irregularities with a predetermined pitch are formed, and the process of forming the fine pattern groove is performed by pushing the line and space tool onto the metal thin film. After rotating 90 degrees, the line and space tool may be pushed again onto the metal thin film.
また、押し込み工具はマトリックス状に複数の突部が形成されるナノストラクチャ工具からなり、微細パターンの溝を形成する過程は、ナノストラクチャ工具を金属薄膜上に押し込むものであっても良い。 Further, the pushing tool is composed of a nanostructure tool in which a plurality of protrusions are formed in a matrix, and the process of forming the fine pattern groove may push the nanostructure tool onto the metal thin film.
本発明のナノドット形成方法には、ナノドットの大きさや密度を所望に制御可能であるという利点がある。 The nanodot formation method of the present invention has the advantage that the size and density of the nanodots can be controlled as desired.
以下、本発明を実施するための形態を図示例と共に説明する。図１は、本発明の第１実施例のナノドット形成方法を説明するためのフロー図である。また、図２は、本発明の第１実施例のナノドット形成方法の各過程における基板の概略断面図及び概略平面図である。図示の通り、本発明のナノドット形成方法は、主に基板を提供する過程（ステップＳ１）と、金属薄膜を形成する過程（ステップＳ２ａ）と、微細パターンの溝を形成する過程（ステップＳ３ａ）と、基板を焼鈍する過程（ステップＳ４）とからなる。以下、このステップの流れに従って説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described together with illustrated examples. FIG. 1 is a flowchart for explaining a nanodot forming method according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic sectional view and a schematic plan view of the substrate in each process of the nanodot forming method of the first embodiment of the present invention. As shown in the drawing, the nanodot forming method of the present invention mainly includes a process of providing a substrate (step S1), a process of forming a metal thin film (step S2a), and a process of forming a groove with a fine pattern (step S3a). And the process of annealing the substrate (step S4). Hereinafter, description will be made according to the flow of this step.
まず、図２（ａ）に示されるように、基板１０を提供する（ステップＳ１）。基板１０は、例えば石英ガラス、水晶ウエハ、サファイア、一般的なガラスが利用可能である。さらに、ＳｉやＧｅ、ＧａＡｓ等、半導体基板材料を用いることも可能である。 First, as shown in FIG. 2A, a substrate 10 is provided (step S1). As the substrate 10, for example, quartz glass, a quartz wafer, sapphire, or general glass can be used. Further, a semiconductor substrate material such as Si, Ge, or GaAs can be used.
次に、図２（ｂ）に示されるように、基板１０上に、金属薄膜２０を形成する。金属薄膜２０は、例えばスパッタコーティングを用いて形成すれば良い。なお、金属薄膜２０の厚さを略一定に制御可能であれば、これに限定されず、例えば真空蒸着、めっき等の方法を用いて金属薄膜を形成しても良い。 Next, as shown in FIG. 2B, a metal thin film 20 is formed on the substrate 10. The metal thin film 20 may be formed using, for example, sputter coating. In addition, if the thickness of the metal thin film 20 is controllable substantially constant, it will not be limited to this, For example, you may form a metal thin film using methods, such as vacuum evaporation and plating.
また、金属薄膜２０の材料は、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｃｏ等の金属元素及びその合金、化合物、有機物等であれば良い。 The material of the metal thin film 20 may be a metal element such as Au, Pt, Ag, Ni, Al, Cu, Fe, Co, and an alloy, a compound, an organic substance, or the like.
次に、図２（ｃ）に示されるように、形成すべきナノドットに対応する所望の微細パターン形状を有する押し込み工具を金属薄膜２０が貫通しない程度に金属薄膜２０上に押し込み、金属薄膜２０上に所望の微細パターンの溝を形成する（ステップＳ３ａ）。溝３０は、基板１０まで達さないように、金属薄膜２０が貫通しない程度に基板１０の表面近くまで形成される。押し込み工具４０は、金属薄膜２０が貫通しないように、例えば押圧力制御により押し込み力が制御されれば良い。 Next, as shown in FIG. 2C, a pressing tool having a desired fine pattern shape corresponding to the nanodot to be formed is pushed onto the metal thin film 20 to such an extent that the metal thin film 20 does not penetrate. Then, a groove having a desired fine pattern is formed (step S3a). The groove 30 is formed as close to the surface of the substrate 10 as the metal thin film 20 does not penetrate so as not to reach the substrate 10. For the pushing tool 40, the pushing force may be controlled by, for example, pushing force control so that the metal thin film 20 does not penetrate.
図２（ｃ）では、溝３０は、押し込み工具４０にて格子状に形成されているものを示した。しかしながら、本発明はこれに限定されず、長方形格子、平行四辺形格子、三角形格子等に溝が形成されても良い。また、圧延等で連続して溝３０が形成されても良い。 In FIG. 2 (c), the grooves 30 are formed in a grid pattern by the pushing tool 40. However, the present invention is not limited to this, and grooves may be formed in a rectangular lattice, a parallelogram lattice, a triangular lattice, or the like. Moreover, the groove | channel 30 may be formed continuously by rolling etc.
ここで、溝３０の形成に用いる押し込み工具４０は、例えばナイフエッジ工具であれば良い。ナイフエッジ工具を所定のピッチで金属薄膜２０上に複数回押し込み、ナイフエッジ工具又は基板１０を９０度回転させた後に、再度ナイフエッジ工具を所定のピッチで金属薄膜２０上に複数回押し込めば良い。即ち、１本の溝を形成可能なナイフエッジ工具の場合、例えば端から順に所定のピッチでナイフエッジ工具を金属薄膜上に押し込んでいき、平行な複数本の溝を形成した後に、ナイフエッジ工具か基板を９０度回転させ、同様に端から順に所定のピッチでナイフエッジ工具を金属薄膜上に押し込むことで、格子状の溝が形成される。 Here, the pushing tool 40 used for forming the groove 30 may be a knife edge tool, for example. After the knife edge tool is pushed a plurality of times onto the metal thin film 20 at a predetermined pitch, the knife edge tool or the substrate 10 is rotated 90 degrees, and then the knife edge tool is pushed again onto the metal thin film 20 a plurality of times at a predetermined pitch. . That is, in the case of a knife edge tool capable of forming a single groove, for example, the knife edge tool is pushed into the metal thin film at a predetermined pitch in order from the end to form a plurality of parallel grooves, and then the knife edge tool is formed. Similarly, the substrate is rotated by 90 degrees, and similarly, a knife edge tool is pushed onto the metal thin film at a predetermined pitch in order from the end to form a lattice-like groove.
また、押し込み工具４０は、所定のピッチの複数の凹凸が形成されるラインアンドスペース工具であっても良い。即ち、１回の押し込みで複数本の平行な溝を形成可能な押し込み工具であっても良い。この場合、ラインアンドスペース工具を金属薄膜上に押し込み、ラインアンドスペース工具又は基板を９０度回転させた後に、再度ラインアンドスペース工具を金属薄膜上に押し込めば、格子状の溝が形成される。 Further, the pushing tool 40 may be a line and space tool in which a plurality of irregularities having a predetermined pitch are formed. That is, it may be a pushing tool capable of forming a plurality of parallel grooves by one pushing. In this case, when the line and space tool is pushed onto the metal thin film, the line and space tool or the substrate is rotated by 90 degrees, and then the line and space tool is pushed again onto the metal thin film, lattice-like grooves are formed.
さらにまた、押し込み工具４０は、マトリックス状に複数の突部が形成されるナノストラクチャ工具であっても良い。即ち、１回の押し込みで所望の格子状の溝が形成可能な押し込み工具であっても良い。この場合には、工具や基板を９０度回転させる必要はなく、１度に所望の溝が形成されるため、非常に簡単に溝が形成可能となる。 Furthermore, the pushing tool 40 may be a nanostructure tool in which a plurality of protrusions are formed in a matrix. That is, a pushing tool capable of forming a desired grid-like groove by one pushing may be used. In this case, it is not necessary to rotate the tool or the substrate by 90 degrees, and a desired groove is formed at a time. Therefore, the groove can be formed very easily.
なお、上述の説明では、押し込み工具４０の具体例として、ナイフエッジ工具、ラインアンドスペース工具、ナノストラクチャ工具を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されず、金属薄膜が貫通しない程度に金属薄膜上に所望の微細パターンの溝を形成可能なものであれば、如何なる構成の工具を用いても良い。 In the above description, a knife edge tool, a line and space tool, and a nanostructure tool have been described as specific examples of the pushing tool 40. However, the present invention is not limited to this, and the metal thin film does not penetrate. A tool having any configuration may be used as long as a groove having a desired fine pattern can be formed on the metal thin film.
ここで、溝を形成する過程において用いられる押し込み工具の寸法等について、より具体的に説明する。図３は、本発明の第１実施例のナノドット形成方法における押し込み工具の寸法等を説明するための概略断面図である。図示の通り、押し込み工具４０の微細パターンのピッチｐは、最終的に形成されるナノドットのピットと略同じピッチとなるように構成されており、これによりピッチｐの溝３０が形成される。例えば、ピッチが１５０ｎｍ以下の溝を形成する場合には、好ましくは先端半径が２００ｎｍ以下の押し込み工具４０を用いる。押し込み工具４０を金属薄膜２０に押し込むと、金属薄膜２０が横方向に移動し、盛り上がりができる。この横方向の移動により隣接する溝３０を押し潰したり、金属薄膜２０に無理な変形が生じたりしないようにするためには、隣接する溝３０を形成する押し込み工具４０間に金属薄膜２０が流れる隙間を設ければ良い。一例として、金属薄膜２０の膜厚をｔとし、押し込み工具４０の先端半径をＲとし、ピッチをｐとした場合には、以下の関係式を満足するように各パラメータを設定すれば良い。
また、上述の金属薄膜２０の膜厚ｔは、溝３０のピッチｐにより決定されれば良い。膜厚ｔがピッチｐに対して薄すぎると、後の基板を焼鈍する過程（ステップＳ４）において、溝で区切られた領域内でナノドットが複数個に分裂してしまう可能性があるためである。また、膜厚ｔがピッチｐに対して厚すぎると、分裂したナノドット同士が接触してしまい、独立したナノドットに分離しない可能性があるためである。 The film thickness t of the metal thin film 20 may be determined by the pitch p of the grooves 30. This is because if the film thickness t is too thin with respect to the pitch p, the nanodots may be divided into a plurality in the region delimited by the grooves in the process of annealing the subsequent substrate (step S4). . Further, if the film thickness t is too thick with respect to the pitch p, the split nanodots come into contact with each other and may not be separated into independent nanodots.
体積保存則により、ナノドットが分離するための条件は、以下のようになる。基板とナノドットの接触角がθ＞９０度となる金属薄膜材料と基板の組み合わせの場合、即ち、ナノドットとなったときに横方向に膨らむように基板に接触する金属薄膜材料を用いた場合には、以下の式を満足する厚さｔの金属薄膜を形成すれば良い。
また、基板とナノドットの接触角がθ＜９０度となる金属薄膜材料と基板の組み合わせの場合、即ち、ナノドットとなったときに基板になだらかに接触する金属薄膜材料を用いた場合には、以下の式を満足する厚さｔの金属薄膜を形成すれば良い。
より具体的には、ｔ／ｐの下限は１／２０程度であれば良い。なお、このときの接触角θは３０度程度である。 More specifically, the lower limit of t / p may be about 1/20. At this time, the contact angle θ is about 30 degrees.
次に、基板を焼鈍する過程（ステップＳ４）では、金属薄膜２０に溝３０が形成された基板１０を、金属薄膜２０の融点以下の温度で焼鈍（アニール）する。焼鈍により、金属薄膜２０の溝３０の部分に生ずる歪エネルギと表面エネルギが駆動力となり金属薄膜２０が分離すると共に金属薄膜２０が分離後に自己組織化により球状のナノドット５０となる（図２（ｄ））。即ち、格子状に形成された溝３０に沿って金属薄膜２０が分裂し、基板１０上に所望のパターンに規則的に配置される球状のナノドットが形成される。 Next, in the process of annealing the substrate (step S4), the substrate 10 in which the groove 30 is formed in the metal thin film 20 is annealed (annealed) at a temperature equal to or lower than the melting point of the metal thin film 20. By annealing, the strain energy and surface energy generated in the groove 30 portion of the metal thin film 20 become a driving force to separate the metal thin film 20, and the metal thin film 20 becomes spherical nanodots 50 by self-organization after the separation (FIG. 2D). )). That is, the metal thin film 20 is split along the grooves 30 formed in a lattice shape, and spherical nanodots regularly arranged in a desired pattern are formed on the substrate 10.
基板を焼鈍する過程（ステップＳ４）では、金属薄膜２０上に微細パターンの溝３０が形成された基板１０は、炉中に所定の時間保持され、焼鈍されれば良い。ここで、焼鈍は、大気又はガス雰囲気中で行われれば良い。また、焼鈍後の基板１０やナノドットの酸化が問題となる場合には、不活性ガスや真空中で焼鈍されれば良い。 In the process of annealing the substrate (step S4), the substrate 10 on which the fine pattern groove 30 is formed on the metal thin film 20 may be held in a furnace for a predetermined time and annealed. Here, annealing may be performed in the air or a gas atmosphere. Further, when oxidation of the substrate 10 or nanodots after annealing becomes a problem, it may be annealed in an inert gas or vacuum.
本発明の第１実施例のナノドット形成方法によれば、このような過程により、所望な大きさや密度のナノドットを形成可能である。また、基板に傷をつけることなくナノドットが形成可能であるため、基板自体の強度や平滑度を低下させることも無い。 According to the nanodot forming method of the first embodiment of the present invention, nanodots having a desired size and density can be formed through such a process. In addition, since nanodots can be formed without damaging the substrate, the strength and smoothness of the substrate itself are not reduced.
例えば基板自体に傷がある場合、そこに応力集中が起こり得る。パターンドメディアとしてナノドットを利用する場合には、基板の回転により基板の傷に応力が生じ、基板の破壊に繋がり得る。また、応力集中が起こると、その周辺に転位が生じ得るため、半導体基板の場合には電気特性を低下させ得る。また、ナノドットにＤＮＡ等の生体分子を結合させて検出するバイオセンサ等に応用した場合、基板に傷があるとその部分の表面エネルギが高くなるため、傷に生体分子が吸着しやすくなるため、検出精度が悪くなる可能性もある。本発明の第１実施例のナノドット形成方法を用いてナノドットを形成すれば、上述のような問題が起こることはない。 For example, if the substrate itself is flawed, stress concentration can occur there. When nanodots are used as patterned media, stress is generated in the scratches on the substrate due to the rotation of the substrate, which can lead to destruction of the substrate. In addition, when stress concentration occurs, dislocations may occur in the periphery of the stress concentration, so that electrical characteristics may be degraded in the case of a semiconductor substrate. In addition, when applied to biosensors that detect by binding biomolecules such as DNA to nanodots, the surface energy of the part increases when there is a scratch on the substrate. There is also a possibility that the detection accuracy is deteriorated. If nanodots are formed using the nanodot formation method of the first embodiment of the present invention, the above-described problems will not occur.
ここで、基板と金属薄膜の材料の組み合わせについて説明する。基板と金属薄膜の親和性、即ち凝集可能性が高い組み合わせの材料を用いることで、焼鈍による自己組織化によりナノドットが形成可能となる。最終的に形成されるナノドットの高さｈと半径ｒの比が０．３以上となり、且つ、基板の材料と金属薄膜の材料との融点の温度差が１００℃以上となる組み合わせが望ましい。具体的には、石英ガラスを基板として用いた場合には、金属薄膜の材料としては、Ａｕ，Ｐｔ，Ｎｉを用いることが好ましい。また、条件によってはＣｒを用いることも可能である。石英基板を用いた場合には、金属薄膜の材料としては、Ａｕ，Ｐｔ，Ｎｉを用いることが好ましい。また、シリコン基板を用いた場合には、金属材料としては、Ａｕ，Ｐｔ，Ａｌ，Ｎｉを用いることが好ましい。さらに、サファイア基板を用いた場合には、金属材料としては、Ａｕ，Ｐｔ，Ｎｉを用いることが好ましい。また、条件によってはＣｒを用いることも可能である。 Here, the combination of the material of the substrate and the metal thin film will be described. By using a combination of materials having a high affinity between the substrate and the metal thin film, that is, a possibility of aggregation, nanodots can be formed by self-organization by annealing. A combination in which the ratio of the height h to the radius r of the finally formed nanodot is 0.3 or more and the temperature difference between the melting points of the substrate material and the metal thin film material is 100 ° C. or more is desirable. Specifically, when quartz glass is used as the substrate, Au, Pt, and Ni are preferably used as the material for the metal thin film. Depending on the conditions, Cr can be used. When a quartz substrate is used, it is preferable to use Au, Pt, or Ni as the material for the metal thin film. When a silicon substrate is used, it is preferable to use Au, Pt, Al, or Ni as the metal material. Furthermore, when a sapphire substrate is used, it is preferable to use Au, Pt, or Ni as the metal material. Depending on the conditions, Cr can be used.
次に、本発明の第２実施例のナノドット形成方法を説明する。図４は、本発明の第２実施例のナノドット形成方法を説明するためのフロー図である。また、図５は、本発明の第２実施例のナノドット形成方法の各過程における基板の概略断面図である。第１実施例では、金属薄膜に溝を形成していたが、第２実施例では、金属薄膜を形成する前に基板上に溝を形成している。他の過程については、第１実施例と同様のため、詳述を省略する。また、図中、図２と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。 Next, a nanodot forming method according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 4 is a flowchart for explaining the nanodot forming method according to the second embodiment of the present invention. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the substrate in each process of the nanodot forming method according to the second embodiment of the present invention. In the first embodiment, the groove is formed in the metal thin film. In the second embodiment, the groove is formed on the substrate before the metal thin film is formed. Since other processes are the same as those in the first embodiment, the detailed description thereof is omitted. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 2 denote the same components.
微細パターンの溝を形成する過程（ステップＳ２ｂ）では、図５（ｂ）に示されるように、形成すべきナノドットに対応する所望の微細パターン形状を有する押し込み工具４０が基板１０上に押し込まれる。これにより、基板１０上に微細パターンの溝３１が形成される。ここで、押し込み工具４０は、第１実施例と同様に、ナイフエッジ工具、ラインアンドスペース工具、ナノストラクチャ工具等であれば良い。 In the process of forming the fine pattern groove (step S2b), as shown in FIG. 5B, the pushing tool 40 having a desired fine pattern shape corresponding to the nanodot to be formed is pushed onto the substrate 10. As a result, a fine pattern groove 31 is formed on the substrate 10. Here, the pushing tool 40 may be a knife edge tool, a line and space tool, a nanostructure tool, or the like, as in the first embodiment.
次に、図５（ｃ）に示されるように、微細パターンの溝３１が形成された基板１０上に、金属薄膜２０が形成される（ステップＳ３ｂ）。ここで、上述の微細パターンの溝を形成する過程（ステップＳ２ｂ）において、基板１０上に形成された溝３１の上に金属薄膜２０が形成されると、基板１０の溝３１が有る部分と無い部分とで、金属薄膜２０の結晶格子の不整合の度合いに変化が生じ、歪エネルギが生ずる。そして、溝３１の部分の金属薄膜２０の表面にも表面エネルギが生ずる。 Next, as shown in FIG. 5C, the metal thin film 20 is formed on the substrate 10 on which the fine pattern groove 31 is formed (step S3b). Here, when the metal thin film 20 is formed on the groove 31 formed on the substrate 10 in the process of forming the groove with the fine pattern (step S2b), there is no portion where the groove 31 of the substrate 10 is present. This causes a change in the degree of mismatch of the crystal lattice of the metal thin film 20, and strain energy is generated. Then, surface energy is also generated on the surface of the metal thin film 20 in the groove 31 portion.
そして、このように金属薄膜が形成された基板を、金属薄膜の融点以下の温度で焼鈍する（ステップＳ４）と、図５（ｄ）に示されるように、基板１０の溝３１によって溝３１の部分の金属薄膜２０に生ずる歪エネルギと表面エネルギが駆動力となり、金属薄膜２０が分離すると共に、金属薄膜２０が分離後に自己組織化により球状のナノドット５０が形成される。 When the substrate on which the metal thin film is thus formed is annealed at a temperature not higher than the melting point of the metal thin film (step S4), as shown in FIG. Strain energy and surface energy generated in a portion of the metal thin film 20 serve as driving force, and the metal thin film 20 is separated, and spherical nanodots 50 are formed by self-organization after the metal thin film 20 is separated.
このように、本発明では、第２実施例のナノドット形成方法であっても、第１実施例と同様に、所望な大きさや密度のナノドットを形成可能である。ナノドットの利用目的や基板の種類等に応じて、第１実施例や第２実施例の形成方法を適宜選択すれば良い。 Thus, in the present invention, even with the nanodot forming method of the second embodiment, it is possible to form nanodots having a desired size and density as in the first embodiment. What is necessary is just to select the formation method of 1st Example or 2nd Example suitably according to the utilization purpose of a nanodot, the kind of board | substrate, etc. FIG.
ここで、本発明のナノドット形成方法では、押し込み工具を用いて金属薄膜や基板に溝を形成するため、金属薄膜自体が基板上から除去されず、基板上に形成された金属薄膜は略すべてナノドットとなるものである。したがって、金属薄膜の材料に無駄が出ないものである。そして、金属薄膜の膜厚を制御することで、ナノドットの大きさを小さくすることも大きくすることも可能である。従来の技術では、金属薄膜がエッチング等により除去されてしまうため、ピッチを狭くした場合には、ナノドットを大きくすることは難しかったが、本発明によれば、金属薄膜の膜厚を厚くすることでナノドットを大きくしながらピッチを狭くすることも可能である。 Here, in the nanodot forming method of the present invention, the metal thin film itself is not removed from the substrate because the groove is formed in the metal thin film or the substrate using an indentation tool, and almost all the metal thin film formed on the substrate is a nanodot. It will be. Therefore, the material of the metal thin film is not wasted. Then, by controlling the thickness of the metal thin film, the size of the nanodot can be reduced or increased. In the prior art, since the metal thin film is removed by etching or the like, it was difficult to increase the nanodots when the pitch was narrowed, but according to the present invention, the metal thin film was made thicker. It is also possible to reduce the pitch while increasing the nanodots.
次に、本発明のナノドット形成方法を用いて実際に形成したナノドットについて説明する。図６は、本発明の第１実施例のナノドット形成方法により形成されたナノドットが示される基板表面の写真である。具体的には、石英基板上に、スパッタコーティングにより、厚さ１０ｎｍの金薄薄膜を形成した。次に、先端角６０度のナイフエッジ工具を５００ｎｍ間隔の等間隔で金薄薄膜に押し付け、微細溝列を形成し、石英基板を９０度回転させ、再度ナイフエッジ工具を５００ｎｍ間隔の等間隔で金薄膜に押し付け、正方形の格子状溝を形成した。これを、電気炉中において７００℃で１０分間焼鈍することで、図６に表されるように、規則的に配置された金ナノドットが形成された。 Next, nanodots actually formed using the nanodot formation method of the present invention will be described. FIG. 6 is a photograph of the substrate surface showing nanodots formed by the nanodot forming method of the first embodiment of the present invention. Specifically, a thin gold film having a thickness of 10 nm was formed on a quartz substrate by sputtering coating. Next, a knife edge tool with a tip angle of 60 degrees is pressed against the thin gold film at equal intervals of 500 nm, a fine groove array is formed, the quartz substrate is rotated 90 degrees, and the knife edge tool is again rotated at equal intervals of 500 nm. A square lattice groove was formed by pressing against the gold thin film. By annealing this at 700 ° C. for 10 minutes in an electric furnace, regularly arranged gold nanodots were formed as shown in FIG.
また、図７は、本発明の第２実施例のナノドット形成方法により形成されたナノドットが示される基板表面の写真である。具体的には、石英基板上に、先端角６０度のナイフエッジ工具を５００ｎｍの等間隔で押し付け、微細溝列を形成し、石英板を９０度回転させ、再度ナイフエッジ工具を５００ｎｍの等間隔で押し付け、正方形の格子状溝を形成した。その後、この上にスパッタコーティングにより、厚さ１０ｎｍの金薄薄膜を形成した。これを、電気炉中において７００℃で１０分間焼鈍することで、図７に表されるように、規則的に配置された金ナノドットが形成された。 FIG. 7 is a photograph of the substrate surface showing nanodots formed by the nanodot forming method of the second embodiment of the present invention. Specifically, a knife edge tool with a tip angle of 60 degrees is pressed on a quartz substrate at an equal interval of 500 nm, a fine groove array is formed, the quartz plate is rotated by 90 degrees, and the knife edge tool is again spaced at an equal interval of 500 nm. To form square lattice grooves. Thereafter, a thin gold film having a thickness of 10 nm was formed thereon by sputter coating. By annealing this at 700 ° C. for 10 minutes in an electric furnace, regularly arranged gold nanodots were formed as shown in FIG.
なお、本発明のナノドット形成方法は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。 Note that the nanodot forming method of the present invention is not limited to the above-described illustrated examples, and it is needless to say that various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
１０ 基板
２０ 金属薄膜
３０，３１ 溝
４０ 押し込み工具
５０ ナノドット
10 Substrate 20 Metal thin film 30, 31 Groove 40 Pushing tool 50 Nanodot
Claims (5)
基板を提供する過程と、
基板上に金属薄膜を形成する過程と、
形成すべきナノドットに対応する所望の微細パターン形状を有する押し込み工具を、金属薄膜が貫通しない程度に金属薄膜上に押し込み、金属薄膜上に所望の格子状の微細パターンの溝を形成する過程と、
金属薄膜に溝が形成された基板を、金属薄膜の融点以下の温度で焼鈍する過程であって、金属薄膜の溝の部分に生ずる歪エネルギと表面エネルギが駆動力となり格子状の微細パターンの溝に沿って金属薄膜が分離すると共に金属薄膜が分離後に自己組織化により格子内に１つずつの球状のナノドットとなる、焼鈍する過程と、
を具備することを特徴とするナノドット形成方法。 A nanodot formation method for forming regularly arranged nanodots, the method comprising:
Providing a substrate; and
Forming a metal thin film on a substrate;
A process of pressing an indentation tool having a desired fine pattern shape corresponding to the nanodot to be formed onto the metal thin film to such an extent that the metal thin film does not penetrate, and forming grooves of a desired lattice-like fine pattern on the metal thin film;
A process in which a substrate having grooves formed in a metal thin film is annealed at a temperature lower than the melting point of the metal thin film, and the strain energy and surface energy generated in the groove portion of the metal thin film serve as driving forces to form a lattice-shaped fine pattern groove An annealing process in which the metal thin film is separated along the metal thin film, and the metal thin film becomes one spherical nanodot in the lattice by self-organization after the separation,
A nanodot forming method characterized by comprising:
基板を提供する過程と、
形成すべきナノドットに対応する所望の微細パターン形状を有する押し込み工具を基板上に押し込み、基板上に所望の格子状の微細パターンの溝を形成する過程と、
基板に溝が形成された基板上に金属薄膜を形成する過程と、
金属薄膜が形成された基板を、金属薄膜の融点以下の温度で焼鈍する過程であって、基板の溝によって溝の部分の金属薄膜に生ずる歪エネルギと表面エネルギが駆動力となり格子状の微細パターンの溝に沿って金属薄膜が分離すると共に金属薄膜が分離後に自己組織化により格子内に１つずつの球状のナノドットとなる、焼鈍する過程と、
を具備することを特徴とするナノドット形成方法。 A nanodot formation method for forming regularly arranged nanodots, the method comprising:
Providing a substrate; and
A process of pushing an indentation tool having a desired fine pattern shape corresponding to the nanodot to be formed on the substrate, and forming grooves of a desired lattice-like fine pattern on the substrate;
Forming a metal thin film on a substrate having grooves formed in the substrate;
The substrate on which the metal thin film is formed, a process of annealing at a temperature below the melting point of the metal thin film, the lattice-shaped fine pattern distortion energy and the surface energy occurring metal thin film portion of the groove by the groove of the substrate becomes the driving force An annealing process in which the metal thin film is separated along the groove of the metal and the metal thin film becomes spherical nanodots one by one in the lattice by self-organization after the separation,
A nanodot forming method characterized by comprising:
前記微細パターンの溝を形成する過程は、ナイフエッジ工具を所定のピッチで金属薄膜上に複数回押し込み、ナイフエッジ工具又は基板を９０度回転させた後に、再度ナイフエッジ工具を所定のピッチで金属薄膜上に複数回押し込む、
ことを特徴とするナノドット形成方法。 The nanodot forming method according to claim 1 or 2, wherein the pushing tool is a knife edge tool,
In the process of forming the fine pattern groove, the knife edge tool is pushed into the metal thin film a plurality of times at a predetermined pitch, the knife edge tool or the substrate is rotated by 90 degrees, and then the knife edge tool is again moved to the metal at the predetermined pitch. Push multiple times on the thin film,
The nanodot formation method characterized by the above-mentioned.
前記微細パターンの溝を形成する過程は、ラインアンドスペース工具を金属薄膜上に押し込み、ラインアンドスペース工具又は基板を９０度回転させた後に、再度ラインアンドスペース工具を金属薄膜上に押し込む、
ことを特徴とするナノドット形成方法。 The nanodot forming method according to claim 1 or 2, wherein the push-in tool is a line and space tool in which a plurality of irregularities with a predetermined pitch are formed,
In the process of forming the groove of the fine pattern, the line and space tool is pushed onto the metal thin film, the line and space tool or the substrate is rotated 90 degrees, and then the line and space tool is pushed again onto the metal thin film.
The nanodot formation method characterized by the above-mentioned.
前記微細パターンの溝を形成する過程は、ナノストラクチャ工具を金属薄膜上に押し込む、
ことを特徴とするナノドット形成方法。 The nanodot forming method according to claim 1 or 2, wherein the pushing tool is a nanostructure tool in which a plurality of protrusions are formed in a matrix shape,
The process of forming the groove of the fine pattern is to push the nanostructure tool onto the metal thin film,
The nanodot formation method characterized by the above-mentioned.
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