JP3754876B2 - 細孔を有する構造体の製造方法及び細孔を有する構造体 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は細孔を有する構造体の製造方法及び細孔を有する構造体に関し、特に本発明の製造方法で得られる細孔体を具備する細孔を有する構造体は、電子デバイスや磁気デバイス、量子効果デバイスの他、光デバイス、マイクロデバイス、３次元構造材料などとして、広い範囲で利用可能である。
【０００２】
【従来の技術】
＜ナノ構造体＞
金属及び半導体の薄膜、細線、ドットなどでは、ある特徴的な長さより小さいサイズにおいて、電子の動きが閉じ込められることにより、特異な電気的、光学的、化学的性質を示すことがある。このような観点から、機能性材料として、数１００ナノメータ（ｎｍ）より微細な構造を有する材料（ナノ構造体）の関心が高まっている。
【０００３】
ナノ構造体の製造方法としては、たとえば、フォトリソグラフィーをはじめ、電子線露光、Ｘ線露光などの微細パターン描画技術をはじめとする半導体加工技術による作製があげられる。
【０００４】
また、このような作製法のほかに、自然に形成される規則的な構造、すなわち、自己規則的に形成される構造をベースに、新規なナノ構造体を実現しようとする試みがある。これらの手法は、ベースとして用いる微細構造によっては従来の方法を上まわる微細で特殊な構造を作製できる可能性があるため、多くの研究が行われ始めている。
【０００５】
このような自己規則的手法として、ナノサイズの細孔を有するナノ構造体を容易に、制御よく作製することができる陽極酸化が挙げられる。たとえば、アルミニウム及びその合金を酸性浴中で陽極酸化することで作製する陽極酸化アルミナが知られている
＜陽極酸化アルミナ＞
Ａｌ板を特定の酸性電解液中で陽極酸化すると、多孔質酸化皮膜が形成される（たとえばＲ．Ｃ．Ｆｕｒｎｅａｕｘ，Ｗ．Ｒ．Ｒｉｇｂｙ＆Ａ．Ｐ．Ｄａｖｉｄｓｏｎ“ＮＡＴＵＲＥ”Ｖｏｌ．３３７ Ｐ１４７（１９８９）等参照）。この多孔質酸化皮膜の特徴は、図１１に示すように、直径が数ｎｍ〜数百ｎｍの極めて微細な円柱状細孔（ナノホール）１１が、数ｎｍ〜数百ｎｍの間隔（セルサイズ）で平行に配列するという特異的な幾何学的構造を有することにある。この円柱状の細孔１１は、高いアスペクト比を有し、断面の径の一様性にも優れている。
【０００６】
また、ナノ構造体の構造を陽極酸化の条件により、ある程度の制御が可能である。たとえば、陽極酸化電圧で細孔間隔を、時間で細孔の深さを、ポアワイド処理により細孔径をある程度制御可能であることが知られている。
【０００７】
また多孔質酸化皮膜の細孔の垂直性、直線性及び独立性を改善するために、２段階の陽極酸化を行なう方法、すなわち、陽極酸化を行って形成した多孔質酸化皮膜を一旦除去した後に再び陽極酸化を行なって、より良い垂直性、直線性、独立性を示す細孔を有する多孔質酸化皮膜を作製する方法が提案されている（“Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｉｓｉｃｓ”，Ｖｏｌ．３５，Ｐａｒｔ２．Ｎｏ．１Ｂ，ｐｐ．Ｌ１２６〜Ｌ１２９，１５ Ｊａｎｕａｒｙ １９９６）。ここで、この方法は最初の陽極酸化により形成した陽極酸化皮膜を除去するときにできるＡｌ板の表面の窪みが、２度目の陽極酸化の細孔の形成開始点となることを用いている。
【０００８】
さらに多孔質酸化皮膜の細孔の形状、間隔及びパターンの制御性を改善するために、スタンパーを用いて細孔の形成開始点を形成する方法、すなわち、複数の突起を表面に備えた基板をＡｌ板の表面に押しつけてできる窪みを細孔の形成開始点として形成した後に陽極酸化を行なって、より良い形状、間隔及びパターンの制御性を示す細孔を有する多孔質酸化皮膜を作製する方法も提案されている（中尾、特開平１０−１２１２９２号公報もしくは益田“固体物理”３１，４９３（１９９６））。また、ハニカムではなく同心円状にナノホールを形成する技術が大久保らにより特開平１１−２２４４２２号公報で報告されている。
【０００９】
他にも、絶縁体で挟まれたＡｌ膜を膜面方向に陽極酸化し、細孔を列状に配列することをねらった例が、益田らにより報告されている（“Ａｐｐ１．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．”６３、ｐ３１５５（１９９３））。
【００１０】
この陽極酸化アルミナの特異的な幾何学構造に着目した、さまざまな応用が試みられている。益田による解説が詳しいが、以下、応用例を列記する。
たとえば、陽極酸化膜の耐摩耗性、耐絶縁性を利用した皮膜としての応用や、皮膜を剥離してフィルターへの応用がある。さらには、ナノホール内に金属や半導体等を充填する技術や、ナノホールのレプリカ技術を用いることより、着色、磁気記録媒体、ＥＬ発光素子、エレクトロクロミック素子、光学素子、太陽電池、ガスセンサ、をはじめとするさまざまな応用が試みられている。さらには、量子細線、ＭＩＭ素子などの量子効果デバイス、ナノホールを化学反応場として用いる分子センサー、など多方面への応用が期待されている（益田“固体物理”３１，４９３（１９９６））。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
先に述べた半導体加工技術（フォトリソグラフィー技術など）によるナノ構造体の作製は、歩留まりの悪さや装置のコストが高いなどの問題があり、簡易な手法で再現性よく作製できる手法が望まれている。またフォトリソグラフィー法では成膜とエッチングが基本的手法であるので、基板に平行な円形の細孔を作製するなど３次元的加工方法としては適していない。このような観点から自己規則的手法、特に陽極酸化の手法は、ナノ構造体を比較的容易に、制御よく作製することができ、また、大面積のナノ構造体を作製することが可能であることから望ましい。しかし、その構造制御には限りがあったため、その特異な構造を十分に生かした応用が成されているには至っていない。
【００１２】
たとえば、アルミナナノホール細孔は一般的にＡｌ板表面に形成され、細孔の方向は表面に垂直方向になっている。また、前述したように細孔を基板に平行に開ける手法も報告されているが、細孔の形状は乱れやすい。
【００１３】
本発明の目的はこれらの問題点を鑑み、より高度に構造を制御した細孔を有する構造体を提供することである。
すなわち本発明の目的は、陽極酸化により作製される細孔の配列、間隔、位置、方向、形状等を制御することであり、たとえば、基板上の特定な方向を有する細孔配列ナノ構造体の製造方法を提供することである。
また、本発明の別の目的は、互いに特定の相関（即ち上下の細孔列の細孔同士が同位置にある場合や、互い違いにあるなどの相関）を有する複数の細孔列を具備するナノ構造体の製造方法を提供することである。
また、本発明の別の目的は、これらの技術を適用して作製した細孔内に内包物を埋め込む作製法を提供することである。
さらに本発明の目的は、これらの技術を適用して作製した新規な細孔を有する構造体を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は、本発明の以下の構成および製法により解決できる。
すなわち、基板上に第１及び第２の絶縁層により挟まれ、且つアルミニウムあるいはその合金からなる被陽極酸化層を有する積層膜を用意する工程と、該積層膜を陽極酸化する工程とを含み、該被陽極酸化層に形成される細孔の長手方向が該基板表面に平行である細孔を有する構造体の製造方法であって、該第１あるいは第２の絶縁層の少なくとも一方に凹凸パターンを形成しておき、該陽極酸化により凹部に対応した位置に細孔を形成することを特徴とする細孔を有する構造体の製造方法である。
【００１５】
ここで、該被陽極酸化層がアルミニウムであることが好ましい。また、該絶縁層の少なくとも１つが陽極酸化により作製することも有効である場合がある。
また、該絶縁層の凹凸配列パターンの高さが該被陽極酸化層の厚さの１／１０以上であることが、規則化を促進する上で好ましい。
更に、陽極酸化の後に細孔内に内包物を埋め込む工程を有する細孔を有する構造体の製造方法である。ここで、内包物を埋め込む工程が電着であることが好ましい。
【００１６】
また、上記の製造方法により作製された細孔を有する構造体により、新規のナノ構造デバイスが提供される。特に細孔体の内包物に電極をとりたい場合には、該細孔配列の細孔底部に接続する電極層を有することが好ましい。
【００１７】
また、本発明は、アルミニウムあるいはその合金の陽極酸化により得られる細孔を有する陽極酸化層を、第１の絶縁層及び第２の絶縁層に挟まれた状態で基板上に備え、且つ該細孔の長手方向が該基板表面に平行である細孔を有する構造体であって、該第１の絶縁層あるいは第２の絶縁層の少なくとも一方に設けられている凹凸パターンの凹部に対応する位置に該細孔が設けられていることを特徴とする細孔を有する構造体である。
【００１８】
次に、本発明の作用を説明する為に、まず従来技術について図１０および図１１を用いて説明する。
ここで図１０は横型の陽極酸化細孔の従来例、図１１は縦型の陽極酸化細孔の従来例を示す図である。図中１１は細孔（ナノホール）、１２はアルミナを主成分とする陽極酸化層、１４は基板、１５は下部絶縁性層、１６は上部絶縁性層、５３はバリア層、１０１はアルミ板である。
【００１９】
最も一般的な従来例である縦型ナノホールは図１１に示されるものである。ここで図１１（ａ）は陽極酸化層表面からみた図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）中Ｃ−Ｃ’の位置での断面図を表す。まずＡｌ板を陽極にし、特定の酸溶液中で陽極酸化を施すと、Ａｌ板の表面が酸化され始める。この際Ａｌ板の酸化と特定個所のエッチングが進行するため、細孔１１が陽極酸化層１２の中に形成されはじめる。この細孔は表面に概ね垂直方向に形成される。また細孔底部とＡｌ板１０１の間には絶縁性のバリア層５３が形成される。この方法では細孔の間隔には分布があり、細孔の位置も制御できるのもではない。また、細孔を深く形成した場合には、一部の細孔が途中で進行が止まったり、細孔が分裂したりする枝分かれ現象が発生し、細孔は乱れる傾向がある。
【００２０】
これに対して横型の陽極酸化細孔を図１０に示す。ここで図１０（ａ）は陽極酸化層の中央付近を陽極酸化層の面に平行に切断した図、すなわち図１０（ｂ）のＢ−Ｂ’の位置で切断した図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）中Ａ−Ａ’の位置での断面図を表す。図で示した様にＡｌの薄膜である被陽極酸化層を絶縁層で挟んだ状態で一方の端から陽極酸化して形成される。すなわち、まず基板１４に下地絶縁層１５、その上にＡｌ層、さらにその上に上部絶縁層１６を成膜し、これら積層膜の端から陽極酸化して横型の細孔を作製する。図１０（ｂ）で示した様に、細孔は先述した縦型の場合と同様乱れ易く、細孔の途中消失や枝分かれが起こりやすい。図ではまだ陽極酸化されていない被陽極酸化層６１と細孔の間にバリア層５３が存在し、この界面も細孔の乱れを反映して乱れてくる。
【００２１】
本発明者等はこの乱れを解消すべく鋭意研究したところ、上部絶縁層、下部絶縁層の少なくとも一方に凹凸を設けておくことで、この乱れを解消したばかりでなく、横型細孔を積層させた場合には細孔の規則化が横方向ばかりでなく、縦方向にも制御し得ることを見出した。
【００２２】
この作用については以下のように考えられる。すなわち、陽極酸化においては陽極酸化の条件に依存した細孔間隔を有する細孔が形成される傾向がある。これは細孔間に形成される絶縁層の厚みが陽極酸化の条件に見合った厚みになることから説明されうる。この陽極酸化条件に見合った細孔間隔と同程度の間隔を有する凹凸を細孔を形成する方向に絶縁層に作製しておくと、絶縁層の凹凸に対応した細孔が形成されやすいと考えられる。つまり、絶縁層中の凸部の位置では陽極酸化条件に見合った絶縁層が形成できないため、凹部の位置に細孔が形成されやすい。この手法により特定方向に規則的で微細な細孔体を作製することができる。
【００２３】
ここで、本発明における「規則的」とは、少なくとも細孔層内での細孔列が図１０に示すような乱れた状態ではなく、細孔間隔や細孔径が実質的に同じ細孔列が形成された構造体を指す。さらに規則的な構造体としては、各細孔層間での細孔の位置に前述した様な相関がある構造体、また細孔の内包物も規則的に埋め込まれている構造体を指す。
【００２４】
【発明の実施の形態】
＜積層膜の構成について＞
まず、本発明の膜構成について説明する。
本発明のナノ構造体の構成としては、
（１）単層構成：細孔体を有する陽極酸化層が１層であり、陽極酸化層（アルミニウムを主成分とする膜）がパターニングされた絶縁性部材（第１および第２の絶縁層）に挟まれた構成、
（２）積層構成：細孔体を有する陽極酸化層（アルミニウムを主成分とする膜）が２層以上あり、各々の陽極酸化層がパターニングされた絶縁性部（第１および第２の絶縁層）材に挟まれた構成、
が挙げられる。
【００２５】
この本発明のナノ構造体の構成例について、図１〜図５、及び従来例の図１０および図１１を用いて説明する。
図１は本発明の細孔を有する構造体を示す概略図であり、図１（ａ）は表面に平行に切ったｃ−ｃ’線断面図、図１（ｂ）は表面に垂直に切ったａ−ａ’線断面図，図１（ｃ）は表面に垂直に切ったｂ−ｂ’線断面図である。
図２は本発明の細孔を有する構造体（積層構成）を示す断面図であり、図２（ａ），（ｂ）は細孔の上下位置が同じ配置の積層構造を示し、図２（ｃ），（ｄ）細孔の上下位置がずれた配置の積層構造を示す。
【００２６】
図３は本発明の内包物をいれた細孔を有する構造体を示す概略図であり、図３（ａ）は表面に平行に切った断面図、図３（ｂ）は表面に垂直に切ったｄ−ｄ’線断面図を示す。
図４は本発明の細孔を有する構造体（内包物を含む）を示す断面図であり、図４（ａ）は細孔の左右細孔内の内包が接続された構造の断面図を示し、図４（ｂ）は細孔が途中で曲がっている配置の断面図を示す。
図５は本発明の細孔を有する構造体（内包物を含む）を示す断面図であり、図５（ａ），（ｂ）は細孔内の内包物に電極接合された構造を示す。
【００２７】
すなわち、図１は基本構成である単層構成の例であり、図２は積層構成の例、図３は内包物を電着した構成、図４は特殊な構成例であり、図４（ａ）は単層ではあるが、細孔が向かい合った対面型の構成例、図４（ｂ）は細孔が途中で曲がっている構成例、図５は単層型で微細な電極を内包物に接続した構成例である。また、図１０は横型の従来例、図１１は縦型の従来例を示す図である、図１〜図５において１１は細孔（ナノホール）、１２はアルミナを主成分とする陽極酸化層、１３は電極層、１４は基板、１５は下部絶縁性層、１６は上部絶縁性層、２１は中間絶縁層、３１は内包物、４１は接合部、５１は電極、５２は接合部、５３はバリア層、１０１はアルミ板である。
【００２８】
以下それぞれについて説明する。
（１）単層構成
最もシンプルな構成例として図１に示されるような構成が挙げられる。
図１は基板１４上にパターニングされた絶縁層（第１の絶縁層）１５と上部絶縁層（第２の絶縁層）１６に挟まれた細孔１１を有する陽極酸化層１２がある構成である。
【００２９】
＜絶縁層について＞
パターニングされた絶縁層は下部でも上部でもかまわないが、プロセスの関係上、下部絶縁層に凹凸を設ける方が簡易である。また図１では基板上に下部絶縁層が成膜されているが、基板が絶縁性で凹凸のパターニングができるものであれば、基板を下部絶縁層としてもかまわない。
【００３０】
この絶縁層としては、絶縁性のものであれば何でもかまわないが、陽極酸化時に酸に腐食され難い材質が好ましい。またパターニングのプロセスにも依存するが、微細なパターニングが可能なものが好ましい。具体的にはＳｉＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 などの酸化物やＳｉＮ，ＡｌＮなどの窒化物、その他ガラス、合成樹脂、レジストなどが可能である。これらの成膜には使用する絶縁層にも依存するがＰＶＤ法やＣＶＤ法などの真空成膜法やスピンコート法、金属や半導体の表面酸化法などが適用できる。特に上部絶縁層や図２に示した積層細孔に用いる中間絶縁層では被陽極酸化層をその表面だけ酸化させる方法でも作製できる。この酸化にはプラズマ酸化、熱酸化の他、細孔を形成しない条件の陽極酸化法も使用可能である。
【００３１】
上記絶縁層の厚みについては特に限定はないが、現実的には作製上の制限から数ｎｍ〜数μｍの間であることが好ましい。また凹凸の高さについては、細孔径程度か被陽極酸化層の厚みの１０分の１以上が好ましい。
【００３２】
＜被陽極酸化膜＞
また被陽極酸化膜としては、Ａｌを主成分とする膜が好ましく、もちろん純粋なＡｌでもかまわない。これらの成膜には使用する膜の成分にも依存するが抵抗加熱蒸着法、スパッタリング法が一般的である。勿論他のＰＶＤ法やＣＶＤ法などの真空成膜法も所望の均一性を有するＡｌ膜さえ出来れば使用可能である。このＡｌの成膜においては、下部絶縁層に凹凸パターンが形成されている場合、Ａｌ層にも凹凸が反映されるが、Ａｌ層上部にこの凹凸を反映させるか、させないかは成膜条件で制御できる。
上記被陽極酸化膜としては、その膜厚に特に限定はないが、細孔径間隔の１／２〜数倍程度であることが好ましい。
【００３３】
＜電極について＞
細孔底に位置する電極について説明する。図１０に示した従来例では細孔底はバリアを介して陽極酸化されていない被陽極酸化層が存在するのみであったが、細孔内部に電気的接続などを作製したい場合や、細孔の成長ストップ層として電極層を設けるのが好ましい。この電極層は図１のように被陽極酸化層と同一の高さの位置に設置しても良いし、また図４（ｂ）に示した様に別の位置に設置してもかまわない。膜組成としてはＴｉ，Ｎｂ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆなどのバルブ金属やＰｔ，Ｃｕなどの金属や、これらの合金やＳｉなどの半導体が挙げられる。但し細孔の均一性を確保するためには被陽極酸化層と電極層の界面に凹凸が少ないことが好ましい。
【００３４】
（２）多段構成について
次に図２に示したような陽極酸化層が多層になっている場合について説明する。この場合各陽極酸化層内の細孔の位置が上下の陽極酸化層内の細孔の位置と一致する図２（ａ），（ｂ）の場合と、丁度半周期ずれている図２（ｃ），（ｄ）の場合が主に考えられる。勿論それ以外のずれ方をする配置も可能である。積層膜の製造方法としては基本的に単層構成の場合と同じであるが、中間絶縁層２１を作製することが異なる。この中間絶縁層を作製する方法は主に２種類に分類される。すなわち、中間絶縁層の下の被陽極酸化層表面が平坦である場合と、凹凸が反映されている場合である。
【００３５】
まず、図２（ａ），（ｃ）に示したような被陽極酸化層表面が平坦である場合には、単層と同じ製造方法となる。すなわち、絶縁層を成膜してから凹凸パターンを形成する必要性が出てくる。
【００３６】
また、図２（ｂ）に示したような被陽極酸化層表面に下地の凹凸が反映されている場合には、凹凸を反映させるように中間絶縁層を成膜するだけで良い。この場合には上下の細孔の位置は一致する。また、陽極酸化層自体の凹凸をエッチングなどの手法により作製した場合にも、凹凸を反映させるように中間絶縁層を成膜するだけで良い。
【００３７】
上記多段構成の場合には、積層膜を一度に作製してから陽極酸化を施してもよいし、また、１層づつ陽極酸化させてから上部に積み上げていっても良い。特に図２（ｂ）に示した様な陽極酸化層自体の凹凸を絶縁層に反映させる場合には後者の方法が必要である。
【００３８】
＜凹凸作製について＞
凹凸の作製方法については、適度な凹凸の列が形成できればどのような方法でもかまわない。その方法としては、例えば半導体プロセスで用いられるマスクを利用したフォトリソグラフィー法や、マスクを用いない干渉露光法、電子線描画法、ＳＰＭなどの探針を用いて加工する方法、ＦＩＢ法（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ）、スタンプ法などが挙げられる。
【００３９】
ここでは、比較的簡便な方法にも関わらず、広い面積に微細な凹凸配列を作製できる干渉露光法と、微細で且つ位置決めが比較的容易にできるＦＩＢ法について詳しく説明する。
【００４０】
▲１▼干渉露光法
干渉露光法による凹凸パターニング作製について簡単に説明する。
コヒーレンス性の高いレーザー光をハーフミラーで２本のビームに分けた後、基板上で再度２本のビームを交差させると、基板上にはレーザー波長と交差角に依存した干渉縞が現れる。この干渉縞を利用してフォトリソグラフィーを行うと、レジストの凹凸の配列が得られる。干渉露光に用いるレーザー光源は、エキシマレーザー、Ｈｅ−Ｃｄレーザー、Ａｒレーザー等任意のレーザーを用いることができるが、波長の２分の１以下の縞間隔は得られないので、作製する凹凸パターンの間隔にあった波長を有するレーザー光を利用する必要性がある。また安定した出力、ＴＥＭＯＯモードというレーザー品質が好ましい。
【００４１】
より具体的な作製例として、ポジ型レジストを凹凸パターン形成する方法について以下に説明する。
十分な厚さの絶縁層を有する基板上にレジストを塗布する。基体表面は、あらかじめアセトン、ＩＰＡなどで洗浄した後、十分乾燥を行っておく。
【００４２】
使用レジストは、高解像度ポジ型レジスト、高解像度ネガ型レジスト双方とも可能である。例として、クラリアントＪＡＰＡＮ社製のＡＺ５２１４Ｅポジ型レジストなどが挙げられる。
【００４３】
レジスト塗布の前に、化学的に被塗布物上へのレジスト濡れを向上させるために、表面コート層を塗布することは有効である。また反射防止層を塗布しておくことは、被加工物の反射率が高かったり、膜内干渉を抑えて露光むらを減らすために効果的である。ただし、レジストの下地として反射防止膜を使用する際は、レジスト露光・現像後に被加工物表面を析出させるため、ドライエッチングの必要がある。
【００４４】
次に干渉露光を行うことによりレジストをストライプ状に感光させた後、現像液で現像することで、絶縁層表面まで貫通したストライプ状の規則的凹凸パターンを形成できる。
【００４５】
絶縁層の凹凸としてこのままでも使用可能ではあるが、より安定性を持たせる為にレジストの凹凸を下地の絶縁層膜の凹凸に変換させた方が好ましい。これには反応性イオンエッチングやイオンビームエッチング、溶液によるエッチング作業などが必要である。
【００４６】
▲２▼ＦＩＢ法
ＦＩＢ法は上記の方法と比較してより直接的である。すなわち絶縁層を成膜した後、基板をＦＩＢ装置内に設置し、ＦＩＢ装置に内臓されている観察装置により位置決めをした後、ＦＩＢ加工すれば良い。
【００４７】
この位置合わせには、集束イオンビーム加工装置付属の観察機能を用いることにより容易に高精度で行なうことが可能である。この観察機能としてまず集束イオンビームを試料上で走査したときに発生する２次電子を検出して走査像を得る方法が挙げられる。この方法では観察時に集束イオンビームを照射することになるが、充分に弱い集束イオンビームを用いても走査像を得ることができるので、被加工物のパターニング位置を設定する際の集束イオンビーム照射の影響を実質的になくすことは可能である。さらに走査電子顕微鏡やレーザー顕微鏡などの観察機能を付属させた集束イオンビーム加工装置を用いれば、集束イオンビーム照射を行なわずに被加工物のパターニング位置を設定することも可能である。
【００４８】
ＦＩＢ加工としては一般的にはＧａイオンを加速、収束させたビームを所望の位置に照射させてスパッタリングさせる方法がとられる。本発明の場合には所望の位置にライン状にＦＩＢを走査させることにより膜上に凹部を形成させることができる。
【００４９】
集束イオンビーム照射位置を移動させる方法としては、集束イオンビームを移動させる方法、被加工物を移動させる方法、あるいはその両者を組み合わせる方法などが挙げられる。ここで集束イオンビームを移動させる方法は装置的に合理的であるが、移動可能な距離に制限があるので、大面積かつ高密度に細孔形成開始点を形成したいときには両者を組み合わせる方法が適していると考えられる。また被加工物を移動させる方法についても、高精度の位置制御が可能な試料ステージを用いれば、本発明に適用することは可能である。
【００５０】
＜陽極酸化方法について＞
アルミニウムを主成分とする被陽極酸化膜の陽極酸化について、本工程に用いる陽極酸化装置の概略図である図９を用いて説明する。図９中８７は恒温槽であり、８１は試料、８８は試料ホルダー、８３は電解液、８４は反応容器、８２はＰｔ板のカソード、８５は陽極酸化電圧を印加する電源、８６は陽極酸化電流を測定する電流計である。図では省略してあるが、このほか電圧、電流を自動制御、測定するコンピュータなどが組み込まれている。
【００５１】
試料８１およびカソード８２は、恒温水槽により温度を一定に保たれた電解液中に配置され、電源より試料、カソード間に電圧を印加することで陽極酸化が行われる。
【００５２】
陽極酸化に用いる電解液は、たとえば、シュウ酸、りん酸、硫酸、クロム酸溶液などが挙げられる。陽極酸化電圧、温度などの諸条件は、作製するナノ構造体に応じて、適宜設定することができる。一般的には３０Ｖ以下の低電圧では硫酸浴、８０Ｖ以上の高電圧ではりん酸浴、その間の電圧ではシュウ酸浴が用いられることが多い。
【００５３】
陽極酸化後に上記ナノ構造体をりん酸溶液などの酸溶液中に浸す処理により、適宜細孔径を広げることができる。酸濃度、処理時間、温度を調整することにより所望の細孔径を有するナノ構造体とすることができる。
【００５４】
＜内包物の充填について＞
本発明の規則的ナノ構造体をデバイスに応用する場合には、細孔内に内包物を入れるのが重要な工程となる。内包物を細孔に入れる方法には毛細管現象を用いて液体状の材料を染み込ませる方法、細孔の軸方向に蒸着させる方法など各種の方法が利用可能であるが、細孔内部にのみ材料を着けるには電着による方法が好ましい。
【００５５】
細孔内に内包物を電着するには、電着溶液中で適当な対向電極と本発明のナノ構造体に具備された電極間に適当な電圧を印加すれば良い。図１に示した本発明のナノ構造体では、細孔底部に電極層１３があるので、電着はこの電極層の部分から始まり、細孔内に電着が進行していく。対向電極は電着物や電着溶液によって選択するのが重要であるが、電着物と同一の材料か、電着物を含む材料、もしくは反応性の低い貴金属やグラファイトを用いるのが一般的である。
電着をより高精度に行うには溶液中に参照電極を入れ、参照電極と電極層間の電圧を制御するのが好ましい。
【００５６】
＜電極取り付け＞
本発明の規則的ナノ構造体をデバイスに応用する場合には、細孔内に内包物を入れた後、内包物の先端に電極をつける工程が必要な場合が多い。それには図５（ａ）に示したように電極５１と内包物の間に電極を作製する方法、図５（ｂ）に示したように電極層１３を分割しておいて内包物間に電極を作製する方法、更には図４（ａ）に示した様に規則的細孔体を対向させて作製し、対向する内包物同士を接合する方法などが挙げられる。勿論これ以外の方法も利用可能である。
【００５７】
また、数１０ｎｍサイズの内包物に電極を接続する場合には、１００ｎｍ以下の金属細線が形成可能なＦＩＢ法を利用する方法も有効である。これは、前記ＦＩＢ装置において、堆積物形成用ガスとしてＷ（ＣＯ）6 等のガスをＦＩＢ加工装置内に導入し、イオンビーム径やイオン電流を調整して集束イオンビームをライン状に照射することにより、堆積物形成用ガスが分解、付着してＷなどの金属細線が得られる。
【００５８】
＜応用について＞
本発明は、陽極酸化アルミナを、量子細線、ＭＩＭ素子、分子センサー、着色、磁気記録媒体、ＥＬ発光素子、エレクトロクロミック素子、フォトニックバンドを始めとする光学素子、電子放出素子、太陽電池、ガスセンサ、耐摩耗性、耐絶縁性皮膜、フィルター、をはじめとするさまざまな形態で応用することを可能とするものであり、その応用範囲を著しく広げる作用を有する。
【００５９】
本発明のナノ構造体の細孔体に、金属、磁性体、半導体等の機能材料を埋め込むことにより、新たな、電子デバイス、磁気デバイス、光デバイスヘと応用できる。
特に本発明では基板に平行に細孔が配置されているため電極の接合が容易になり、電子デバイス、磁気デバイス、量子デバイスに効果的である。
【００６０】
【実施例】
以下に実施例をあげて、本発明を説明する。
【００６１】
実施例１
本実施例は基板上に干渉露光法を用いて規則的細孔体を作製した例を、図６、７、９を用いて説明する。
【００６２】
図６は本発明のナノ構造体の製造工程の一例の前半を示す概略断面図であり、図７は本発明のナノ構造体の製造工程の一例の後半を示す概略断面図であり、図９は陽極酸化処理を行う装置を示す概略図である。
【００６３】
すなわち、図６は細孔配列を作製する場合のプロセスを表わす平面図（左側）、及び断面図（右側）であり、図９は陽極酸化を行う装置図である。図中１１は細孔（ナノホール）、１２はアルミナを主成分とする陽極酸化層、１３は電極層、１４は基板、１５は下部絶縁性層、１６は上部絶縁性層、６１は被陽極酸化層、６２は陽極酸化を始める端面である。また、図９中、８１は試料、８２はＰｔ板のカソード、８３は電解液、８４は反応容器、８５は陽極酸化電圧を印加する電源、８６は陽極酸化電流を測定する電流計、８７は恒温槽、８８は試料ホルダーである。図では省略してあるが、このほか電圧、電流を自動制御、測定するコンピュータなどが組み込まれている。
【００６４】
（ａ）パターニングされた下部絶縁層の作製
図６（ａ）に示した約５００ｎｍの表面酸化層を有するＳｉ基板を用いて、まず下地絶縁層となる表面酸化層の凹凸パターンを作製した。
【００６５】
まず、表面酸化層上にレジストを塗布する前に、基体表面をあらかじめアセトン、ＩＰＡで各１０分づつ超音波洗浄、そして１２０℃、２０分以上クリーンオープンで乾燥を行った。そしてスピンコート法により、クラリアントＪＡＰＡＮ社製のＡＺＢＡＲＬｉ１００の反射防止膜（膜厚１００ｎｍ）及びクラリアントＪＡＰＡＮ社製のＡＺ５２１４Ｅポジ型レジスト膜（膜厚２００ｎｍ）を塗布、乾燥（９０℃、２０分）させた。
【００６６】
次に、干渉露光を用いて、ライン状凹凸パターンをレジストに作製する。Ｈｅ−Ｃｄレーザー（λ＝３２５ｎｍ、干渉縞２３０ｎｍ間隔）を用い、照射量５０ｍＪ／ｃｍ2 で露光を行うと、レジストがストライプ状に感光した。その後、現像液を純水で１対１に希釈し、６０秒ほど現像することで、露光した部分のみが凹状になり絶縁層表面まで貫通した規則的凹凸パターンを形成した。ストライプ状の周期間隔は２３０ｎｍである。
【００６７】
次にレジストの凹凸パターンを表面酸化層に反映させるためエッチング処理を行った。エッチングは、ＣＦ4 プラズマを１．２Ｐａ下で２００Ｗ，３分間で行った。その結果、図６（ｂ）で示した様なライン上凹凸パターンが表面絶縁層上に作製された。
【００６８】
（ｂ）電極層の作製
次にＮｂ膜をスパッタリング法により膜厚１００ｎｍ成膜した後、リフトオフ法により図６（ｃ）に示すように、電極層１３を凹凸パターン上に作製した。
【００６９】
（ｃ）被陽極酸化層の作製
次にＡｌ膜をスパッタリング法により膜厚２５０ｎｍ成膜し、リフトオフ法により図６（ｄ）に示した様に電極層１３に並ぶように被陽極酸化膜６１に相当するＡｌ膜領域を作製した。成膜条件はＤＣスパッタリング法で、３００Ｗ，２５分間行った。
【００７０】
（ｄ）上部絶縁層の作製
次に表面絶縁層を成膜するため、ＳｉＯ2 膜をスパッタリング法により膜厚５０ｎｍ成膜し、図７（ｅ）に示すような上部絶縁層１６を作製した。成膜条件はＲＦスパッタリング法で、１００Ｗ，５分間行った。
【００７１】
（ｅ）端面作製
次に陽極酸化を開始する面を出すために、ドライエッチング法により図７（ｆ）に示す様な凹凸パターンと垂直な方向に被陽極酸化層と上部絶縁層をエッチングし、端面６２を作製した。
【００７２】
（ｆ）陽極酸化
そして、図９に示した陽極酸化装置を用いて５℃に保持したリン酸０．３Ｍ溶液中に端面６２の部分を浸し、電極層１３の部分から電極をとって１３０Ｖで陽極酸化を行った。陽極酸化終了後に、５ｗｔ％リン酸に６０分浸漬し開孔処理を行った。
【００７３】
＜評価＞
上記の方法で作製したナノ構造体をＦＥ−ＳＥＭ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ−Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：電界放出走査型電子顕微鏡）にて観察したところ、図７（ｇ）に見られる様な規則的に配列した孔間隔約２３０ｎｍ、孔直径１５０ｎｍ程の真円細孔が形成されているのが確認できた。
【００７４】
実施例２
本実施例は、積層構造のナノ構造体をＦＩＢ法で作製した例を図８を用いて説明する。ここで図８は作製プロセス経過の積層構造の断面を表す。図中、６１は被陽極酸化膜、７１は凹部ラインである。
【００７５】
（ａ）被陽極酸化層作製
まず、図８（ａ）に示す約５００ｎｍの表面酸化層１５を有するＳｉ基板１４を用いて、被陽極酸化層６１を作製した。すなわち、Ａｌ膜をスパッタリング法により膜厚１００ｎｍ成膜した。成膜条件はＤＣスパッタリング法で、３００Ｗ、１０分間行った。
【００７６】
（ｂ）凹凸パターン形成
次にＦＩＢ法を用いて被陽極酸化層表面に間隔１００ｎｍのラインを描画し、凹状ライン７１を作製し図８（ｂ）に示す凹凸のラインとした。このときのＧａイオンはイオンビーム径３０ｎｍ、イオン電流１０ｐＡ、加速電圧３０ＫＶの集束イオンビームを用いて、間隔１００ｎｍの繰り返しになるようにして、被加工物に集束イオンビームをライン状に照射することによりＡｌ層を約３０ｎｍの深さに加工した。
【００７７】
（ｃ）中間絶縁層の作製
次に中間絶縁層を成膜するため、ＳｉＯ2 膜をスパッタリング法により膜厚５０ｎｍ成膜した。成膜条件はＲＦスパッタリング法で、１００Ｗ、５分間行ったところ、図８（ｃ）に示すように中間絶縁層２１にも凹凸パターンが反映された構造体が作製された。
【００７８】
（ｄ）上部被陽極酸化層、上部絶縁層の作製
次に（ａ）、（ｃ）の成膜を繰り返して、中間絶縁層２１の上に上部被陽極酸化層であるＡｌ膜を膜厚１００ｎｍ、上部絶縁層１６を５０ｎｍ成膜したところ、凹凸パターンは上部層まで反映され、図８（ｄ）の構造が作製された。
【００７９】
（ｅ）陽極酸化による細孔形成
以上のプロセスで作製された試料を図９の陽極酸化装置を用いて陽極酸化処理を施した。ここで陽極酸化は１つの端から進行するように設置し、電極は逆の端からとった。本実施例においては、酸電解液は０．３Ｍのシュウ酸水溶液とし、恒温水槽により溶液を１７℃に保持し、陽極酸化電圧は４０Ｖとした。陽極酸化処理後に試料を５ｗｔ％リン酸溶液中に４０分間浸すことにより、ナノホールの径を広げた。
【００８０】
＜評価＞
上記作製法により作製された試料をＦＥ−ＳＥＭ観察した結果、図８（ｅ）に示すような規則的な積層細孔配列体が形成された。このとき、細孔間隔は約１００ｎｍ、細孔径は約６０ｎｍであり、層内、層間の細孔は十分規則的に配列されていた。
【００８１】
実施例３
本案施例は、積層構造の絶縁層の凹凸をＦＩＢ法で作製し、中間層の絶縁層を陽極酸化で作製した例を図２を用いて説明する。ここで図２は積層構造の断面を表し、図中、２１は中間絶縁層を表す。
【００８２】
（ａ）基体作製、凹凸パターン形成
約５００ｎｍの表面酸化層を有するＳｉ基板にＦＩＢ法を用いて表面酸化層に間隔２５０ｎｍのラインを描画し、凹凸のラインを作製した。このときのＧａイオンはイオンビーム径は１００ｎｍ、イオン電流５０ｐＡ、加速電圧３０ＫＶの集束イオンビームを用いて、間隔２５０ｎｍの繰り返しになるようにして、被加工物に集束イオンビームをライン状に照射した。この場合の凹凸パターンの高さは約１００ｎｍであった。
【００８３】
（ｂ）被陽極酸化膜の作製
次にＡｌ膜をスパッタリング法により膜厚３５０ｎｍ成膜した。成膜条件はＤＣスパッタリング法で、３００Ｗ，３５分間行った。その結果、下地絶縁層の凹凸が反映され、Ａｌ膜にも凹凸が出来たが、その高さは約５０ｎｍであった。
【００８４】
（ｃ）中間絶縁層の作製
次に表面絶縁層を成膜するために、Ａｌ膜をホウ酸アンモニウムの溶液中で陽極酸化した。ここでホウ酸アンモニウム溶液の濃度は３ｗｔ％であり、８０Ｖの電圧で３分間室温で処理した。その結果Ａｌ膜の表面約１００ｎｍが均一に酸化され、その下のＡｌ層はＡｌのまま約２５０ｎｍ残った。また、表面酸化処理の結果、Ａｌ膜表面に残っていた凹凸は無くなり、平坦化されていた。以上の処理により、平坦な中間絶縁層２１が作製できた。
【００８５】
（ｄ）上部被陽極酸化層、上部絶縁層の作製
次に（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のＦＩＢ法によるライン加工、成膜を繰り返すことにより、中間絶縁層の上に上部被陽極酸化層であるＡｌ膜を膜厚３５０ｎｍ成膜しＡｌ膜表面をホウ酸アンモニウムで陽極酸化して上部絶縁層１６を約１００ｎｍ作製した。この処理において、中間絶縁層の凹凸パターンを図２（ａ）の様に下地絶縁層凹凸パターンと一致させた試料と、図２（ｃ）で示した様な下地絶縁層凹凸パターンと半周期ずらせた試料を作製した。
【００８６】
（ｅ） 陽極酸化による細孔形成
以上のプロセスで作製された試料を凹凸ラインと垂直方向に切断した後、図９の陽極酸化装置を用いて陽極酸化処理を施した。ここで陽極酸化は１つの端から進行するように設置し、電極は試料断面の逆の端からとった。本実施例においては、酸電解液はりん酸０．３Ｍ水溶液とし、恒温水槽により溶液を８℃に保持して陽極酸化電圧１００Ｖで行った。
【００８７】
＜結果＞
得られた試料の断面をＦＥ−ＳＥＭで観察した結果、図２（ａ）、（ｃ）に示すような規則的な積層細孔配列体が形成されていることが確認された。ここで、細孔間隔は約２５０ｎｍであり、細孔径は約１００ｎｍであった。
【００８８】
実施例４
本実施例は、実施例１で作製した細孔内に内包物を埋め込む方法について図１、図３、図５、図６、図７を用いて説明する。ここで図３中の３１は内包物、図５中の５１は電極、５２は内包物と電極を繋ぐ接合部を表す。
【００８９】
（ａ）細孔作製
実施例１と同様なプロセスにより、細孔間隔１００ｎｍ、細孔径６０ｎｍ、細孔長１μｍの規則化細孔配列を作製した。またこの時の電極層はＣｕとしたところ、細孔底はＣｕ電極層まで貫通した形状となった。
【００９０】
（ｂ）内包物作製
上記の試料を、硫酸コバルト０．５Ｍ、硫酸銅０．００５Ｍからなる電解質中で、白金の対向電極、Ａｇ／ＡｇＣｌ参照電極と共に浸し、参照電極に対して電極層Ｃｕに−０．５Ｖ、−１．２Ｖの電圧を各々２０秒、０．１秒交互に印加させて細孔底にＣｏ／Ｃｕの積層膜を成長させて、図３に示すナノ構造体を作製した。電着は内包物３１が細孔から若干出た状態の時に終了させた。
【００９１】
ここで−０．５Ｖの電圧印加時は貴なイオンであるＣｕのみ電着され、−１．２Ｖ印加時には濃度の濃いＣｏが主に電着され、結果としてＣｕ／Ｃｏの積層構造となった。
【００９２】
（ｃ）電極、接合部作製
次に、フォトリソグラフィーとリフトオフ法により、図５に示した電極５１を作製した。ここで電極はＰｔで膜厚１００ｎｍとし、下地酸化Ｓｉとの接合を良くするため界面にＴｉを５ｎｍ成膜した。そして、若干突出した内包物３１の１つと電極を接合するために、ＦＩＢ法により接合部５２を作製した。この作製には、試料をＦＩＢ装置に設置、位置決めをした後に、Ｗ（ＣＯ）6 をガス化してＧａイオンをライン走査した。そうすると、Ｗ（ＣＯ）6 ガスはＧａイオンが照射された部分でのみ分解しＷが付着できた。
【００９３】
＜評価＞
以上の方法で作製された試料の２つの電極５１間の抵抗を磁場を印加しながら測定したところ、約１０％の抵抗減少が見られた。これは積層内包物がＧＭＲ効果を示した結果と考えられる。
以上のことから本発明により、基板に平行に配列した内包物の作製ができることがわかる。
【００９４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明により以下のような効果が得られる。
（１）陽極酸化により作製される細孔の配列、間隔、位置、方向、形状等を制御することが可能となる。すなわち基板上の特定な方向を有する細孔配列ナノ構造体の作製法を提供することが出来る。
（２）互いに特定の相関を有する細孔列を具備する規則的ナノ構造体の作製が可能となる。
（３）これらの技術を適用して作製した規則的細孔内に内包物を電着により埋め込むことが可能となる。
（４）これらの技術を適用して作製した新規な規則的ナノ構造体を提供しうる。
【００９５】
これらは、陽極酸化アルミナをさまざまな形態で応用することを可能とするものであり、その応用範囲を著しく広げるものである。本発明の構造体は、それ自体機能材料として使用可能であるが、さらなる新規な構造体の母材、鋳型、などとして用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構造体を示す概略図である。
【図２】本発明の構造体（積層構成）を示す断面図である。
【図３】本発明の内包物をいれた構造体を示す概略図である。
【図４】本発明の構造体（内包物）を示す断面図である。
【図５】本発明の構造体（内包物）を示す断面図である。
【図６】本発明の構造体の製造工程の一例の前半を示す概略断面図である。
【図７】本発明の構造体の製造工程の一例の後半を示す概略断面図である。
【図８】本発明の構造体の製造工程の他の例を示す概略断面図である。
【図９】陽極酸化処理を行う装置を示す概略図である。
【図１０】従来の横型陽極酸化アルミナの概略図である。
【図１１】従来の縦型陽極酸化アルミナの概略図である。
【符号の説明】
１１ 細孔
１２ 陽極酸化層
１３ 電極層
１４ 基板
１５ 下部絶縁層
１６ 上部絶縁層
２１ 中間絶縁層
３１ 内包物
４１ 接合部
５１ 電極
５２ 接合部
５３ バリア層
６１ 被陽極酸化層
６２ 端面
７１ 凹状ライン
８１ 試料
８２ カソード
８３ 電解液
８４ 反応容器
８５ 電源
８６ 電流計
８７ 恒温槽
８８ 試料ホルダー
１０１ アルミ板
【発明の属する技術分野】
本発明は細孔を有する構造体の製造方法及び細孔を有する構造体に関し、特に本発明の製造方法で得られる細孔体を具備する細孔を有する構造体は、電子デバイスや磁気デバイス、量子効果デバイスの他、光デバイス、マイクロデバイス、３次元構造材料などとして、広い範囲で利用可能である。
【０００２】
【従来の技術】
＜ナノ構造体＞
金属及び半導体の薄膜、細線、ドットなどでは、ある特徴的な長さより小さいサイズにおいて、電子の動きが閉じ込められることにより、特異な電気的、光学的、化学的性質を示すことがある。このような観点から、機能性材料として、数１００ナノメータ（ｎｍ）より微細な構造を有する材料（ナノ構造体）の関心が高まっている。
【０００３】
ナノ構造体の製造方法としては、たとえば、フォトリソグラフィーをはじめ、電子線露光、Ｘ線露光などの微細パターン描画技術をはじめとする半導体加工技術による作製があげられる。
【０００４】
また、このような作製法のほかに、自然に形成される規則的な構造、すなわち、自己規則的に形成される構造をベースに、新規なナノ構造体を実現しようとする試みがある。これらの手法は、ベースとして用いる微細構造によっては従来の方法を上まわる微細で特殊な構造を作製できる可能性があるため、多くの研究が行われ始めている。
【０００５】
このような自己規則的手法として、ナノサイズの細孔を有するナノ構造体を容易に、制御よく作製することができる陽極酸化が挙げられる。たとえば、アルミニウム及びその合金を酸性浴中で陽極酸化することで作製する陽極酸化アルミナが知られている
＜陽極酸化アルミナ＞
Ａｌ板を特定の酸性電解液中で陽極酸化すると、多孔質酸化皮膜が形成される（たとえばＲ．Ｃ．Ｆｕｒｎｅａｕｘ，Ｗ．Ｒ．Ｒｉｇｂｙ＆Ａ．Ｐ．Ｄａｖｉｄｓｏｎ“ＮＡＴＵＲＥ”Ｖｏｌ．３３７ Ｐ１４７（１９８９）等参照）。この多孔質酸化皮膜の特徴は、図１１に示すように、直径が数ｎｍ〜数百ｎｍの極めて微細な円柱状細孔（ナノホール）１１が、数ｎｍ〜数百ｎｍの間隔（セルサイズ）で平行に配列するという特異的な幾何学的構造を有することにある。この円柱状の細孔１１は、高いアスペクト比を有し、断面の径の一様性にも優れている。
【０００６】
また、ナノ構造体の構造を陽極酸化の条件により、ある程度の制御が可能である。たとえば、陽極酸化電圧で細孔間隔を、時間で細孔の深さを、ポアワイド処理により細孔径をある程度制御可能であることが知られている。
【０００７】
また多孔質酸化皮膜の細孔の垂直性、直線性及び独立性を改善するために、２段階の陽極酸化を行なう方法、すなわち、陽極酸化を行って形成した多孔質酸化皮膜を一旦除去した後に再び陽極酸化を行なって、より良い垂直性、直線性、独立性を示す細孔を有する多孔質酸化皮膜を作製する方法が提案されている（“Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｉｓｉｃｓ”，Ｖｏｌ．３５，Ｐａｒｔ２．Ｎｏ．１Ｂ，ｐｐ．Ｌ１２６〜Ｌ１２９，１５ Ｊａｎｕａｒｙ １９９６）。ここで、この方法は最初の陽極酸化により形成した陽極酸化皮膜を除去するときにできるＡｌ板の表面の窪みが、２度目の陽極酸化の細孔の形成開始点となることを用いている。
【０００８】
さらに多孔質酸化皮膜の細孔の形状、間隔及びパターンの制御性を改善するために、スタンパーを用いて細孔の形成開始点を形成する方法、すなわち、複数の突起を表面に備えた基板をＡｌ板の表面に押しつけてできる窪みを細孔の形成開始点として形成した後に陽極酸化を行なって、より良い形状、間隔及びパターンの制御性を示す細孔を有する多孔質酸化皮膜を作製する方法も提案されている（中尾、特開平１０−１２１２９２号公報もしくは益田“固体物理”３１，４９３（１９９６））。また、ハニカムではなく同心円状にナノホールを形成する技術が大久保らにより特開平１１−２２４４２２号公報で報告されている。
【０００９】
他にも、絶縁体で挟まれたＡｌ膜を膜面方向に陽極酸化し、細孔を列状に配列することをねらった例が、益田らにより報告されている（“Ａｐｐ１．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．”６３、ｐ３１５５（１９９３））。
【００１０】
この陽極酸化アルミナの特異的な幾何学構造に着目した、さまざまな応用が試みられている。益田による解説が詳しいが、以下、応用例を列記する。
たとえば、陽極酸化膜の耐摩耗性、耐絶縁性を利用した皮膜としての応用や、皮膜を剥離してフィルターへの応用がある。さらには、ナノホール内に金属や半導体等を充填する技術や、ナノホールのレプリカ技術を用いることより、着色、磁気記録媒体、ＥＬ発光素子、エレクトロクロミック素子、光学素子、太陽電池、ガスセンサ、をはじめとするさまざまな応用が試みられている。さらには、量子細線、ＭＩＭ素子などの量子効果デバイス、ナノホールを化学反応場として用いる分子センサー、など多方面への応用が期待されている（益田“固体物理”３１，４９３（１９９６））。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
先に述べた半導体加工技術（フォトリソグラフィー技術など）によるナノ構造体の作製は、歩留まりの悪さや装置のコストが高いなどの問題があり、簡易な手法で再現性よく作製できる手法が望まれている。またフォトリソグラフィー法では成膜とエッチングが基本的手法であるので、基板に平行な円形の細孔を作製するなど３次元的加工方法としては適していない。このような観点から自己規則的手法、特に陽極酸化の手法は、ナノ構造体を比較的容易に、制御よく作製することができ、また、大面積のナノ構造体を作製することが可能であることから望ましい。しかし、その構造制御には限りがあったため、その特異な構造を十分に生かした応用が成されているには至っていない。
【００１２】
たとえば、アルミナナノホール細孔は一般的にＡｌ板表面に形成され、細孔の方向は表面に垂直方向になっている。また、前述したように細孔を基板に平行に開ける手法も報告されているが、細孔の形状は乱れやすい。
【００１３】
本発明の目的はこれらの問題点を鑑み、より高度に構造を制御した細孔を有する構造体を提供することである。
すなわち本発明の目的は、陽極酸化により作製される細孔の配列、間隔、位置、方向、形状等を制御することであり、たとえば、基板上の特定な方向を有する細孔配列ナノ構造体の製造方法を提供することである。
また、本発明の別の目的は、互いに特定の相関（即ち上下の細孔列の細孔同士が同位置にある場合や、互い違いにあるなどの相関）を有する複数の細孔列を具備するナノ構造体の製造方法を提供することである。
また、本発明の別の目的は、これらの技術を適用して作製した細孔内に内包物を埋め込む作製法を提供することである。
さらに本発明の目的は、これらの技術を適用して作製した新規な細孔を有する構造体を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は、本発明の以下の構成および製法により解決できる。
すなわち、基板上に第１及び第２の絶縁層により挟まれ、且つアルミニウムあるいはその合金からなる被陽極酸化層を有する積層膜を用意する工程と、該積層膜を陽極酸化する工程とを含み、該被陽極酸化層に形成される細孔の長手方向が該基板表面に平行である細孔を有する構造体の製造方法であって、該第１あるいは第２の絶縁層の少なくとも一方に凹凸パターンを形成しておき、該陽極酸化により凹部に対応した位置に細孔を形成することを特徴とする細孔を有する構造体の製造方法である。
【００１５】
ここで、該被陽極酸化層がアルミニウムであることが好ましい。また、該絶縁層の少なくとも１つが陽極酸化により作製することも有効である場合がある。
また、該絶縁層の凹凸配列パターンの高さが該被陽極酸化層の厚さの１／１０以上であることが、規則化を促進する上で好ましい。
更に、陽極酸化の後に細孔内に内包物を埋め込む工程を有する細孔を有する構造体の製造方法である。ここで、内包物を埋め込む工程が電着であることが好ましい。
【００１６】
また、上記の製造方法により作製された細孔を有する構造体により、新規のナノ構造デバイスが提供される。特に細孔体の内包物に電極をとりたい場合には、該細孔配列の細孔底部に接続する電極層を有することが好ましい。
【００１７】
また、本発明は、アルミニウムあるいはその合金の陽極酸化により得られる細孔を有する陽極酸化層を、第１の絶縁層及び第２の絶縁層に挟まれた状態で基板上に備え、且つ該細孔の長手方向が該基板表面に平行である細孔を有する構造体であって、該第１の絶縁層あるいは第２の絶縁層の少なくとも一方に設けられている凹凸パターンの凹部に対応する位置に該細孔が設けられていることを特徴とする細孔を有する構造体である。
【００１８】
次に、本発明の作用を説明する為に、まず従来技術について図１０および図１１を用いて説明する。
ここで図１０は横型の陽極酸化細孔の従来例、図１１は縦型の陽極酸化細孔の従来例を示す図である。図中１１は細孔（ナノホール）、１２はアルミナを主成分とする陽極酸化層、１４は基板、１５は下部絶縁性層、１６は上部絶縁性層、５３はバリア層、１０１はアルミ板である。
【００１９】
最も一般的な従来例である縦型ナノホールは図１１に示されるものである。ここで図１１（ａ）は陽極酸化層表面からみた図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）中Ｃ−Ｃ’の位置での断面図を表す。まずＡｌ板を陽極にし、特定の酸溶液中で陽極酸化を施すと、Ａｌ板の表面が酸化され始める。この際Ａｌ板の酸化と特定個所のエッチングが進行するため、細孔１１が陽極酸化層１２の中に形成されはじめる。この細孔は表面に概ね垂直方向に形成される。また細孔底部とＡｌ板１０１の間には絶縁性のバリア層５３が形成される。この方法では細孔の間隔には分布があり、細孔の位置も制御できるのもではない。また、細孔を深く形成した場合には、一部の細孔が途中で進行が止まったり、細孔が分裂したりする枝分かれ現象が発生し、細孔は乱れる傾向がある。
【００２０】
これに対して横型の陽極酸化細孔を図１０に示す。ここで図１０（ａ）は陽極酸化層の中央付近を陽極酸化層の面に平行に切断した図、すなわち図１０（ｂ）のＢ−Ｂ’の位置で切断した図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）中Ａ−Ａ’の位置での断面図を表す。図で示した様にＡｌの薄膜である被陽極酸化層を絶縁層で挟んだ状態で一方の端から陽極酸化して形成される。すなわち、まず基板１４に下地絶縁層１５、その上にＡｌ層、さらにその上に上部絶縁層１６を成膜し、これら積層膜の端から陽極酸化して横型の細孔を作製する。図１０（ｂ）で示した様に、細孔は先述した縦型の場合と同様乱れ易く、細孔の途中消失や枝分かれが起こりやすい。図ではまだ陽極酸化されていない被陽極酸化層６１と細孔の間にバリア層５３が存在し、この界面も細孔の乱れを反映して乱れてくる。
【００２１】
本発明者等はこの乱れを解消すべく鋭意研究したところ、上部絶縁層、下部絶縁層の少なくとも一方に凹凸を設けておくことで、この乱れを解消したばかりでなく、横型細孔を積層させた場合には細孔の規則化が横方向ばかりでなく、縦方向にも制御し得ることを見出した。
【００２２】
この作用については以下のように考えられる。すなわち、陽極酸化においては陽極酸化の条件に依存した細孔間隔を有する細孔が形成される傾向がある。これは細孔間に形成される絶縁層の厚みが陽極酸化の条件に見合った厚みになることから説明されうる。この陽極酸化条件に見合った細孔間隔と同程度の間隔を有する凹凸を細孔を形成する方向に絶縁層に作製しておくと、絶縁層の凹凸に対応した細孔が形成されやすいと考えられる。つまり、絶縁層中の凸部の位置では陽極酸化条件に見合った絶縁層が形成できないため、凹部の位置に細孔が形成されやすい。この手法により特定方向に規則的で微細な細孔体を作製することができる。
【００２３】
ここで、本発明における「規則的」とは、少なくとも細孔層内での細孔列が図１０に示すような乱れた状態ではなく、細孔間隔や細孔径が実質的に同じ細孔列が形成された構造体を指す。さらに規則的な構造体としては、各細孔層間での細孔の位置に前述した様な相関がある構造体、また細孔の内包物も規則的に埋め込まれている構造体を指す。
【００２４】
【発明の実施の形態】
＜積層膜の構成について＞
まず、本発明の膜構成について説明する。
本発明のナノ構造体の構成としては、
（１）単層構成：細孔体を有する陽極酸化層が１層であり、陽極酸化層（アルミニウムを主成分とする膜）がパターニングされた絶縁性部材（第１および第２の絶縁層）に挟まれた構成、
（２）積層構成：細孔体を有する陽極酸化層（アルミニウムを主成分とする膜）が２層以上あり、各々の陽極酸化層がパターニングされた絶縁性部（第１および第２の絶縁層）材に挟まれた構成、
が挙げられる。
【００２５】
この本発明のナノ構造体の構成例について、図１〜図５、及び従来例の図１０および図１１を用いて説明する。
図１は本発明の細孔を有する構造体を示す概略図であり、図１（ａ）は表面に平行に切ったｃ−ｃ’線断面図、図１（ｂ）は表面に垂直に切ったａ−ａ’線断面図，図１（ｃ）は表面に垂直に切ったｂ−ｂ’線断面図である。
図２は本発明の細孔を有する構造体（積層構成）を示す断面図であり、図２（ａ），（ｂ）は細孔の上下位置が同じ配置の積層構造を示し、図２（ｃ），（ｄ）細孔の上下位置がずれた配置の積層構造を示す。
【００２６】
図３は本発明の内包物をいれた細孔を有する構造体を示す概略図であり、図３（ａ）は表面に平行に切った断面図、図３（ｂ）は表面に垂直に切ったｄ−ｄ’線断面図を示す。
図４は本発明の細孔を有する構造体（内包物を含む）を示す断面図であり、図４（ａ）は細孔の左右細孔内の内包が接続された構造の断面図を示し、図４（ｂ）は細孔が途中で曲がっている配置の断面図を示す。
図５は本発明の細孔を有する構造体（内包物を含む）を示す断面図であり、図５（ａ），（ｂ）は細孔内の内包物に電極接合された構造を示す。
【００２７】
すなわち、図１は基本構成である単層構成の例であり、図２は積層構成の例、図３は内包物を電着した構成、図４は特殊な構成例であり、図４（ａ）は単層ではあるが、細孔が向かい合った対面型の構成例、図４（ｂ）は細孔が途中で曲がっている構成例、図５は単層型で微細な電極を内包物に接続した構成例である。また、図１０は横型の従来例、図１１は縦型の従来例を示す図である、図１〜図５において１１は細孔（ナノホール）、１２はアルミナを主成分とする陽極酸化層、１３は電極層、１４は基板、１５は下部絶縁性層、１６は上部絶縁性層、２１は中間絶縁層、３１は内包物、４１は接合部、５１は電極、５２は接合部、５３はバリア層、１０１はアルミ板である。
【００２８】
以下それぞれについて説明する。
（１）単層構成
最もシンプルな構成例として図１に示されるような構成が挙げられる。
図１は基板１４上にパターニングされた絶縁層（第１の絶縁層）１５と上部絶縁層（第２の絶縁層）１６に挟まれた細孔１１を有する陽極酸化層１２がある構成である。
【００２９】
＜絶縁層について＞
パターニングされた絶縁層は下部でも上部でもかまわないが、プロセスの関係上、下部絶縁層に凹凸を設ける方が簡易である。また図１では基板上に下部絶縁層が成膜されているが、基板が絶縁性で凹凸のパターニングができるものであれば、基板を下部絶縁層としてもかまわない。
【００３０】
この絶縁層としては、絶縁性のものであれば何でもかまわないが、陽極酸化時に酸に腐食され難い材質が好ましい。またパターニングのプロセスにも依存するが、微細なパターニングが可能なものが好ましい。具体的にはＳｉＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 などの酸化物やＳｉＮ，ＡｌＮなどの窒化物、その他ガラス、合成樹脂、レジストなどが可能である。これらの成膜には使用する絶縁層にも依存するがＰＶＤ法やＣＶＤ法などの真空成膜法やスピンコート法、金属や半導体の表面酸化法などが適用できる。特に上部絶縁層や図２に示した積層細孔に用いる中間絶縁層では被陽極酸化層をその表面だけ酸化させる方法でも作製できる。この酸化にはプラズマ酸化、熱酸化の他、細孔を形成しない条件の陽極酸化法も使用可能である。
【００３１】
上記絶縁層の厚みについては特に限定はないが、現実的には作製上の制限から数ｎｍ〜数μｍの間であることが好ましい。また凹凸の高さについては、細孔径程度か被陽極酸化層の厚みの１０分の１以上が好ましい。
【００３２】
＜被陽極酸化膜＞
また被陽極酸化膜としては、Ａｌを主成分とする膜が好ましく、もちろん純粋なＡｌでもかまわない。これらの成膜には使用する膜の成分にも依存するが抵抗加熱蒸着法、スパッタリング法が一般的である。勿論他のＰＶＤ法やＣＶＤ法などの真空成膜法も所望の均一性を有するＡｌ膜さえ出来れば使用可能である。このＡｌの成膜においては、下部絶縁層に凹凸パターンが形成されている場合、Ａｌ層にも凹凸が反映されるが、Ａｌ層上部にこの凹凸を反映させるか、させないかは成膜条件で制御できる。
上記被陽極酸化膜としては、その膜厚に特に限定はないが、細孔径間隔の１／２〜数倍程度であることが好ましい。
【００３３】
＜電極について＞
細孔底に位置する電極について説明する。図１０に示した従来例では細孔底はバリアを介して陽極酸化されていない被陽極酸化層が存在するのみであったが、細孔内部に電気的接続などを作製したい場合や、細孔の成長ストップ層として電極層を設けるのが好ましい。この電極層は図１のように被陽極酸化層と同一の高さの位置に設置しても良いし、また図４（ｂ）に示した様に別の位置に設置してもかまわない。膜組成としてはＴｉ，Ｎｂ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆなどのバルブ金属やＰｔ，Ｃｕなどの金属や、これらの合金やＳｉなどの半導体が挙げられる。但し細孔の均一性を確保するためには被陽極酸化層と電極層の界面に凹凸が少ないことが好ましい。
【００３４】
（２）多段構成について
次に図２に示したような陽極酸化層が多層になっている場合について説明する。この場合各陽極酸化層内の細孔の位置が上下の陽極酸化層内の細孔の位置と一致する図２（ａ），（ｂ）の場合と、丁度半周期ずれている図２（ｃ），（ｄ）の場合が主に考えられる。勿論それ以外のずれ方をする配置も可能である。積層膜の製造方法としては基本的に単層構成の場合と同じであるが、中間絶縁層２１を作製することが異なる。この中間絶縁層を作製する方法は主に２種類に分類される。すなわち、中間絶縁層の下の被陽極酸化層表面が平坦である場合と、凹凸が反映されている場合である。
【００３５】
まず、図２（ａ），（ｃ）に示したような被陽極酸化層表面が平坦である場合には、単層と同じ製造方法となる。すなわち、絶縁層を成膜してから凹凸パターンを形成する必要性が出てくる。
【００３６】
また、図２（ｂ）に示したような被陽極酸化層表面に下地の凹凸が反映されている場合には、凹凸を反映させるように中間絶縁層を成膜するだけで良い。この場合には上下の細孔の位置は一致する。また、陽極酸化層自体の凹凸をエッチングなどの手法により作製した場合にも、凹凸を反映させるように中間絶縁層を成膜するだけで良い。
【００３７】
上記多段構成の場合には、積層膜を一度に作製してから陽極酸化を施してもよいし、また、１層づつ陽極酸化させてから上部に積み上げていっても良い。特に図２（ｂ）に示した様な陽極酸化層自体の凹凸を絶縁層に反映させる場合には後者の方法が必要である。
【００３８】
＜凹凸作製について＞
凹凸の作製方法については、適度な凹凸の列が形成できればどのような方法でもかまわない。その方法としては、例えば半導体プロセスで用いられるマスクを利用したフォトリソグラフィー法や、マスクを用いない干渉露光法、電子線描画法、ＳＰＭなどの探針を用いて加工する方法、ＦＩＢ法（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ）、スタンプ法などが挙げられる。
【００３９】
ここでは、比較的簡便な方法にも関わらず、広い面積に微細な凹凸配列を作製できる干渉露光法と、微細で且つ位置決めが比較的容易にできるＦＩＢ法について詳しく説明する。
【００４０】
▲１▼干渉露光法
干渉露光法による凹凸パターニング作製について簡単に説明する。
コヒーレンス性の高いレーザー光をハーフミラーで２本のビームに分けた後、基板上で再度２本のビームを交差させると、基板上にはレーザー波長と交差角に依存した干渉縞が現れる。この干渉縞を利用してフォトリソグラフィーを行うと、レジストの凹凸の配列が得られる。干渉露光に用いるレーザー光源は、エキシマレーザー、Ｈｅ−Ｃｄレーザー、Ａｒレーザー等任意のレーザーを用いることができるが、波長の２分の１以下の縞間隔は得られないので、作製する凹凸パターンの間隔にあった波長を有するレーザー光を利用する必要性がある。また安定した出力、ＴＥＭＯＯモードというレーザー品質が好ましい。
【００４１】
より具体的な作製例として、ポジ型レジストを凹凸パターン形成する方法について以下に説明する。
十分な厚さの絶縁層を有する基板上にレジストを塗布する。基体表面は、あらかじめアセトン、ＩＰＡなどで洗浄した後、十分乾燥を行っておく。
【００４２】
使用レジストは、高解像度ポジ型レジスト、高解像度ネガ型レジスト双方とも可能である。例として、クラリアントＪＡＰＡＮ社製のＡＺ５２１４Ｅポジ型レジストなどが挙げられる。
【００４３】
レジスト塗布の前に、化学的に被塗布物上へのレジスト濡れを向上させるために、表面コート層を塗布することは有効である。また反射防止層を塗布しておくことは、被加工物の反射率が高かったり、膜内干渉を抑えて露光むらを減らすために効果的である。ただし、レジストの下地として反射防止膜を使用する際は、レジスト露光・現像後に被加工物表面を析出させるため、ドライエッチングの必要がある。
【００４４】
次に干渉露光を行うことによりレジストをストライプ状に感光させた後、現像液で現像することで、絶縁層表面まで貫通したストライプ状の規則的凹凸パターンを形成できる。
【００４５】
絶縁層の凹凸としてこのままでも使用可能ではあるが、より安定性を持たせる為にレジストの凹凸を下地の絶縁層膜の凹凸に変換させた方が好ましい。これには反応性イオンエッチングやイオンビームエッチング、溶液によるエッチング作業などが必要である。
【００４６】
▲２▼ＦＩＢ法
ＦＩＢ法は上記の方法と比較してより直接的である。すなわち絶縁層を成膜した後、基板をＦＩＢ装置内に設置し、ＦＩＢ装置に内臓されている観察装置により位置決めをした後、ＦＩＢ加工すれば良い。
【００４７】
この位置合わせには、集束イオンビーム加工装置付属の観察機能を用いることにより容易に高精度で行なうことが可能である。この観察機能としてまず集束イオンビームを試料上で走査したときに発生する２次電子を検出して走査像を得る方法が挙げられる。この方法では観察時に集束イオンビームを照射することになるが、充分に弱い集束イオンビームを用いても走査像を得ることができるので、被加工物のパターニング位置を設定する際の集束イオンビーム照射の影響を実質的になくすことは可能である。さらに走査電子顕微鏡やレーザー顕微鏡などの観察機能を付属させた集束イオンビーム加工装置を用いれば、集束イオンビーム照射を行なわずに被加工物のパターニング位置を設定することも可能である。
【００４８】
ＦＩＢ加工としては一般的にはＧａイオンを加速、収束させたビームを所望の位置に照射させてスパッタリングさせる方法がとられる。本発明の場合には所望の位置にライン状にＦＩＢを走査させることにより膜上に凹部を形成させることができる。
【００４９】
集束イオンビーム照射位置を移動させる方法としては、集束イオンビームを移動させる方法、被加工物を移動させる方法、あるいはその両者を組み合わせる方法などが挙げられる。ここで集束イオンビームを移動させる方法は装置的に合理的であるが、移動可能な距離に制限があるので、大面積かつ高密度に細孔形成開始点を形成したいときには両者を組み合わせる方法が適していると考えられる。また被加工物を移動させる方法についても、高精度の位置制御が可能な試料ステージを用いれば、本発明に適用することは可能である。
【００５０】
＜陽極酸化方法について＞
アルミニウムを主成分とする被陽極酸化膜の陽極酸化について、本工程に用いる陽極酸化装置の概略図である図９を用いて説明する。図９中８７は恒温槽であり、８１は試料、８８は試料ホルダー、８３は電解液、８４は反応容器、８２はＰｔ板のカソード、８５は陽極酸化電圧を印加する電源、８６は陽極酸化電流を測定する電流計である。図では省略してあるが、このほか電圧、電流を自動制御、測定するコンピュータなどが組み込まれている。
【００５１】
試料８１およびカソード８２は、恒温水槽により温度を一定に保たれた電解液中に配置され、電源より試料、カソード間に電圧を印加することで陽極酸化が行われる。
【００５２】
陽極酸化に用いる電解液は、たとえば、シュウ酸、りん酸、硫酸、クロム酸溶液などが挙げられる。陽極酸化電圧、温度などの諸条件は、作製するナノ構造体に応じて、適宜設定することができる。一般的には３０Ｖ以下の低電圧では硫酸浴、８０Ｖ以上の高電圧ではりん酸浴、その間の電圧ではシュウ酸浴が用いられることが多い。
【００５３】
陽極酸化後に上記ナノ構造体をりん酸溶液などの酸溶液中に浸す処理により、適宜細孔径を広げることができる。酸濃度、処理時間、温度を調整することにより所望の細孔径を有するナノ構造体とすることができる。
【００５４】
＜内包物の充填について＞
本発明の規則的ナノ構造体をデバイスに応用する場合には、細孔内に内包物を入れるのが重要な工程となる。内包物を細孔に入れる方法には毛細管現象を用いて液体状の材料を染み込ませる方法、細孔の軸方向に蒸着させる方法など各種の方法が利用可能であるが、細孔内部にのみ材料を着けるには電着による方法が好ましい。
【００５５】
細孔内に内包物を電着するには、電着溶液中で適当な対向電極と本発明のナノ構造体に具備された電極間に適当な電圧を印加すれば良い。図１に示した本発明のナノ構造体では、細孔底部に電極層１３があるので、電着はこの電極層の部分から始まり、細孔内に電着が進行していく。対向電極は電着物や電着溶液によって選択するのが重要であるが、電着物と同一の材料か、電着物を含む材料、もしくは反応性の低い貴金属やグラファイトを用いるのが一般的である。
電着をより高精度に行うには溶液中に参照電極を入れ、参照電極と電極層間の電圧を制御するのが好ましい。
【００５６】
＜電極取り付け＞
本発明の規則的ナノ構造体をデバイスに応用する場合には、細孔内に内包物を入れた後、内包物の先端に電極をつける工程が必要な場合が多い。それには図５（ａ）に示したように電極５１と内包物の間に電極を作製する方法、図５（ｂ）に示したように電極層１３を分割しておいて内包物間に電極を作製する方法、更には図４（ａ）に示した様に規則的細孔体を対向させて作製し、対向する内包物同士を接合する方法などが挙げられる。勿論これ以外の方法も利用可能である。
【００５７】
また、数１０ｎｍサイズの内包物に電極を接続する場合には、１００ｎｍ以下の金属細線が形成可能なＦＩＢ法を利用する方法も有効である。これは、前記ＦＩＢ装置において、堆積物形成用ガスとしてＷ（ＣＯ）6 等のガスをＦＩＢ加工装置内に導入し、イオンビーム径やイオン電流を調整して集束イオンビームをライン状に照射することにより、堆積物形成用ガスが分解、付着してＷなどの金属細線が得られる。
【００５８】
＜応用について＞
本発明は、陽極酸化アルミナを、量子細線、ＭＩＭ素子、分子センサー、着色、磁気記録媒体、ＥＬ発光素子、エレクトロクロミック素子、フォトニックバンドを始めとする光学素子、電子放出素子、太陽電池、ガスセンサ、耐摩耗性、耐絶縁性皮膜、フィルター、をはじめとするさまざまな形態で応用することを可能とするものであり、その応用範囲を著しく広げる作用を有する。
【００５９】
本発明のナノ構造体の細孔体に、金属、磁性体、半導体等の機能材料を埋め込むことにより、新たな、電子デバイス、磁気デバイス、光デバイスヘと応用できる。
特に本発明では基板に平行に細孔が配置されているため電極の接合が容易になり、電子デバイス、磁気デバイス、量子デバイスに効果的である。
【００６０】
【実施例】
以下に実施例をあげて、本発明を説明する。
【００６１】
実施例１
本実施例は基板上に干渉露光法を用いて規則的細孔体を作製した例を、図６、７、９を用いて説明する。
【００６２】
図６は本発明のナノ構造体の製造工程の一例の前半を示す概略断面図であり、図７は本発明のナノ構造体の製造工程の一例の後半を示す概略断面図であり、図９は陽極酸化処理を行う装置を示す概略図である。
【００６３】
すなわち、図６は細孔配列を作製する場合のプロセスを表わす平面図（左側）、及び断面図（右側）であり、図９は陽極酸化を行う装置図である。図中１１は細孔（ナノホール）、１２はアルミナを主成分とする陽極酸化層、１３は電極層、１４は基板、１５は下部絶縁性層、１６は上部絶縁性層、６１は被陽極酸化層、６２は陽極酸化を始める端面である。また、図９中、８１は試料、８２はＰｔ板のカソード、８３は電解液、８４は反応容器、８５は陽極酸化電圧を印加する電源、８６は陽極酸化電流を測定する電流計、８７は恒温槽、８８は試料ホルダーである。図では省略してあるが、このほか電圧、電流を自動制御、測定するコンピュータなどが組み込まれている。
【００６４】
（ａ）パターニングされた下部絶縁層の作製
図６（ａ）に示した約５００ｎｍの表面酸化層を有するＳｉ基板を用いて、まず下地絶縁層となる表面酸化層の凹凸パターンを作製した。
【００６５】
まず、表面酸化層上にレジストを塗布する前に、基体表面をあらかじめアセトン、ＩＰＡで各１０分づつ超音波洗浄、そして１２０℃、２０分以上クリーンオープンで乾燥を行った。そしてスピンコート法により、クラリアントＪＡＰＡＮ社製のＡＺＢＡＲＬｉ１００の反射防止膜（膜厚１００ｎｍ）及びクラリアントＪＡＰＡＮ社製のＡＺ５２１４Ｅポジ型レジスト膜（膜厚２００ｎｍ）を塗布、乾燥（９０℃、２０分）させた。
【００６６】
次に、干渉露光を用いて、ライン状凹凸パターンをレジストに作製する。Ｈｅ−Ｃｄレーザー（λ＝３２５ｎｍ、干渉縞２３０ｎｍ間隔）を用い、照射量５０ｍＪ／ｃｍ2 で露光を行うと、レジストがストライプ状に感光した。その後、現像液を純水で１対１に希釈し、６０秒ほど現像することで、露光した部分のみが凹状になり絶縁層表面まで貫通した規則的凹凸パターンを形成した。ストライプ状の周期間隔は２３０ｎｍである。
【００６７】
次にレジストの凹凸パターンを表面酸化層に反映させるためエッチング処理を行った。エッチングは、ＣＦ4 プラズマを１．２Ｐａ下で２００Ｗ，３分間で行った。その結果、図６（ｂ）で示した様なライン上凹凸パターンが表面絶縁層上に作製された。
【００６８】
（ｂ）電極層の作製
次にＮｂ膜をスパッタリング法により膜厚１００ｎｍ成膜した後、リフトオフ法により図６（ｃ）に示すように、電極層１３を凹凸パターン上に作製した。
【００６９】
（ｃ）被陽極酸化層の作製
次にＡｌ膜をスパッタリング法により膜厚２５０ｎｍ成膜し、リフトオフ法により図６（ｄ）に示した様に電極層１３に並ぶように被陽極酸化膜６１に相当するＡｌ膜領域を作製した。成膜条件はＤＣスパッタリング法で、３００Ｗ，２５分間行った。
【００７０】
（ｄ）上部絶縁層の作製
次に表面絶縁層を成膜するため、ＳｉＯ2 膜をスパッタリング法により膜厚５０ｎｍ成膜し、図７（ｅ）に示すような上部絶縁層１６を作製した。成膜条件はＲＦスパッタリング法で、１００Ｗ，５分間行った。
【００７１】
（ｅ）端面作製
次に陽極酸化を開始する面を出すために、ドライエッチング法により図７（ｆ）に示す様な凹凸パターンと垂直な方向に被陽極酸化層と上部絶縁層をエッチングし、端面６２を作製した。
【００７２】
（ｆ）陽極酸化
そして、図９に示した陽極酸化装置を用いて５℃に保持したリン酸０．３Ｍ溶液中に端面６２の部分を浸し、電極層１３の部分から電極をとって１３０Ｖで陽極酸化を行った。陽極酸化終了後に、５ｗｔ％リン酸に６０分浸漬し開孔処理を行った。
【００７３】
＜評価＞
上記の方法で作製したナノ構造体をＦＥ−ＳＥＭ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ−Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：電界放出走査型電子顕微鏡）にて観察したところ、図７（ｇ）に見られる様な規則的に配列した孔間隔約２３０ｎｍ、孔直径１５０ｎｍ程の真円細孔が形成されているのが確認できた。
【００７４】
実施例２
本実施例は、積層構造のナノ構造体をＦＩＢ法で作製した例を図８を用いて説明する。ここで図８は作製プロセス経過の積層構造の断面を表す。図中、６１は被陽極酸化膜、７１は凹部ラインである。
【００７５】
（ａ）被陽極酸化層作製
まず、図８（ａ）に示す約５００ｎｍの表面酸化層１５を有するＳｉ基板１４を用いて、被陽極酸化層６１を作製した。すなわち、Ａｌ膜をスパッタリング法により膜厚１００ｎｍ成膜した。成膜条件はＤＣスパッタリング法で、３００Ｗ、１０分間行った。
【００７６】
（ｂ）凹凸パターン形成
次にＦＩＢ法を用いて被陽極酸化層表面に間隔１００ｎｍのラインを描画し、凹状ライン７１を作製し図８（ｂ）に示す凹凸のラインとした。このときのＧａイオンはイオンビーム径３０ｎｍ、イオン電流１０ｐＡ、加速電圧３０ＫＶの集束イオンビームを用いて、間隔１００ｎｍの繰り返しになるようにして、被加工物に集束イオンビームをライン状に照射することによりＡｌ層を約３０ｎｍの深さに加工した。
【００７７】
（ｃ）中間絶縁層の作製
次に中間絶縁層を成膜するため、ＳｉＯ2 膜をスパッタリング法により膜厚５０ｎｍ成膜した。成膜条件はＲＦスパッタリング法で、１００Ｗ、５分間行ったところ、図８（ｃ）に示すように中間絶縁層２１にも凹凸パターンが反映された構造体が作製された。
【００７８】
（ｄ）上部被陽極酸化層、上部絶縁層の作製
次に（ａ）、（ｃ）の成膜を繰り返して、中間絶縁層２１の上に上部被陽極酸化層であるＡｌ膜を膜厚１００ｎｍ、上部絶縁層１６を５０ｎｍ成膜したところ、凹凸パターンは上部層まで反映され、図８（ｄ）の構造が作製された。
【００７９】
（ｅ）陽極酸化による細孔形成
以上のプロセスで作製された試料を図９の陽極酸化装置を用いて陽極酸化処理を施した。ここで陽極酸化は１つの端から進行するように設置し、電極は逆の端からとった。本実施例においては、酸電解液は０．３Ｍのシュウ酸水溶液とし、恒温水槽により溶液を１７℃に保持し、陽極酸化電圧は４０Ｖとした。陽極酸化処理後に試料を５ｗｔ％リン酸溶液中に４０分間浸すことにより、ナノホールの径を広げた。
【００８０】
＜評価＞
上記作製法により作製された試料をＦＥ−ＳＥＭ観察した結果、図８（ｅ）に示すような規則的な積層細孔配列体が形成された。このとき、細孔間隔は約１００ｎｍ、細孔径は約６０ｎｍであり、層内、層間の細孔は十分規則的に配列されていた。
【００８１】
実施例３
本案施例は、積層構造の絶縁層の凹凸をＦＩＢ法で作製し、中間層の絶縁層を陽極酸化で作製した例を図２を用いて説明する。ここで図２は積層構造の断面を表し、図中、２１は中間絶縁層を表す。
【００８２】
（ａ）基体作製、凹凸パターン形成
約５００ｎｍの表面酸化層を有するＳｉ基板にＦＩＢ法を用いて表面酸化層に間隔２５０ｎｍのラインを描画し、凹凸のラインを作製した。このときのＧａイオンはイオンビーム径は１００ｎｍ、イオン電流５０ｐＡ、加速電圧３０ＫＶの集束イオンビームを用いて、間隔２５０ｎｍの繰り返しになるようにして、被加工物に集束イオンビームをライン状に照射した。この場合の凹凸パターンの高さは約１００ｎｍであった。
【００８３】
（ｂ）被陽極酸化膜の作製
次にＡｌ膜をスパッタリング法により膜厚３５０ｎｍ成膜した。成膜条件はＤＣスパッタリング法で、３００Ｗ，３５分間行った。その結果、下地絶縁層の凹凸が反映され、Ａｌ膜にも凹凸が出来たが、その高さは約５０ｎｍであった。
【００８４】
（ｃ）中間絶縁層の作製
次に表面絶縁層を成膜するために、Ａｌ膜をホウ酸アンモニウムの溶液中で陽極酸化した。ここでホウ酸アンモニウム溶液の濃度は３ｗｔ％であり、８０Ｖの電圧で３分間室温で処理した。その結果Ａｌ膜の表面約１００ｎｍが均一に酸化され、その下のＡｌ層はＡｌのまま約２５０ｎｍ残った。また、表面酸化処理の結果、Ａｌ膜表面に残っていた凹凸は無くなり、平坦化されていた。以上の処理により、平坦な中間絶縁層２１が作製できた。
【００８５】
（ｄ）上部被陽極酸化層、上部絶縁層の作製
次に（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のＦＩＢ法によるライン加工、成膜を繰り返すことにより、中間絶縁層の上に上部被陽極酸化層であるＡｌ膜を膜厚３５０ｎｍ成膜しＡｌ膜表面をホウ酸アンモニウムで陽極酸化して上部絶縁層１６を約１００ｎｍ作製した。この処理において、中間絶縁層の凹凸パターンを図２（ａ）の様に下地絶縁層凹凸パターンと一致させた試料と、図２（ｃ）で示した様な下地絶縁層凹凸パターンと半周期ずらせた試料を作製した。
【００８６】
（ｅ） 陽極酸化による細孔形成
以上のプロセスで作製された試料を凹凸ラインと垂直方向に切断した後、図９の陽極酸化装置を用いて陽極酸化処理を施した。ここで陽極酸化は１つの端から進行するように設置し、電極は試料断面の逆の端からとった。本実施例においては、酸電解液はりん酸０．３Ｍ水溶液とし、恒温水槽により溶液を８℃に保持して陽極酸化電圧１００Ｖで行った。
【００８７】
＜結果＞
得られた試料の断面をＦＥ−ＳＥＭで観察した結果、図２（ａ）、（ｃ）に示すような規則的な積層細孔配列体が形成されていることが確認された。ここで、細孔間隔は約２５０ｎｍであり、細孔径は約１００ｎｍであった。
【００８８】
実施例４
本実施例は、実施例１で作製した細孔内に内包物を埋め込む方法について図１、図３、図５、図６、図７を用いて説明する。ここで図３中の３１は内包物、図５中の５１は電極、５２は内包物と電極を繋ぐ接合部を表す。
【００８９】
（ａ）細孔作製
実施例１と同様なプロセスにより、細孔間隔１００ｎｍ、細孔径６０ｎｍ、細孔長１μｍの規則化細孔配列を作製した。またこの時の電極層はＣｕとしたところ、細孔底はＣｕ電極層まで貫通した形状となった。
【００９０】
（ｂ）内包物作製
上記の試料を、硫酸コバルト０．５Ｍ、硫酸銅０．００５Ｍからなる電解質中で、白金の対向電極、Ａｇ／ＡｇＣｌ参照電極と共に浸し、参照電極に対して電極層Ｃｕに−０．５Ｖ、−１．２Ｖの電圧を各々２０秒、０．１秒交互に印加させて細孔底にＣｏ／Ｃｕの積層膜を成長させて、図３に示すナノ構造体を作製した。電着は内包物３１が細孔から若干出た状態の時に終了させた。
【００９１】
ここで−０．５Ｖの電圧印加時は貴なイオンであるＣｕのみ電着され、−１．２Ｖ印加時には濃度の濃いＣｏが主に電着され、結果としてＣｕ／Ｃｏの積層構造となった。
【００９２】
（ｃ）電極、接合部作製
次に、フォトリソグラフィーとリフトオフ法により、図５に示した電極５１を作製した。ここで電極はＰｔで膜厚１００ｎｍとし、下地酸化Ｓｉとの接合を良くするため界面にＴｉを５ｎｍ成膜した。そして、若干突出した内包物３１の１つと電極を接合するために、ＦＩＢ法により接合部５２を作製した。この作製には、試料をＦＩＢ装置に設置、位置決めをした後に、Ｗ（ＣＯ）6 をガス化してＧａイオンをライン走査した。そうすると、Ｗ（ＣＯ）6 ガスはＧａイオンが照射された部分でのみ分解しＷが付着できた。
【００９３】
＜評価＞
以上の方法で作製された試料の２つの電極５１間の抵抗を磁場を印加しながら測定したところ、約１０％の抵抗減少が見られた。これは積層内包物がＧＭＲ効果を示した結果と考えられる。
以上のことから本発明により、基板に平行に配列した内包物の作製ができることがわかる。
【００９４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明により以下のような効果が得られる。
（１）陽極酸化により作製される細孔の配列、間隔、位置、方向、形状等を制御することが可能となる。すなわち基板上の特定な方向を有する細孔配列ナノ構造体の作製法を提供することが出来る。
（２）互いに特定の相関を有する細孔列を具備する規則的ナノ構造体の作製が可能となる。
（３）これらの技術を適用して作製した規則的細孔内に内包物を電着により埋め込むことが可能となる。
（４）これらの技術を適用して作製した新規な規則的ナノ構造体を提供しうる。
【００９５】
これらは、陽極酸化アルミナをさまざまな形態で応用することを可能とするものであり、その応用範囲を著しく広げるものである。本発明の構造体は、それ自体機能材料として使用可能であるが、さらなる新規な構造体の母材、鋳型、などとして用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構造体を示す概略図である。
【図２】本発明の構造体（積層構成）を示す断面図である。
【図３】本発明の内包物をいれた構造体を示す概略図である。
【図４】本発明の構造体（内包物）を示す断面図である。
【図５】本発明の構造体（内包物）を示す断面図である。
【図６】本発明の構造体の製造工程の一例の前半を示す概略断面図である。
【図７】本発明の構造体の製造工程の一例の後半を示す概略断面図である。
【図８】本発明の構造体の製造工程の他の例を示す概略断面図である。
【図９】陽極酸化処理を行う装置を示す概略図である。
【図１０】従来の横型陽極酸化アルミナの概略図である。
【図１１】従来の縦型陽極酸化アルミナの概略図である。
【符号の説明】
１１ 細孔
１２ 陽極酸化層
１３ 電極層
１４ 基板
１５ 下部絶縁層
１６ 上部絶縁層
２１ 中間絶縁層
３１ 内包物
４１ 接合部
５１ 電極
５２ 接合部
５３ バリア層
６１ 被陽極酸化層
６２ 端面
７１ 凹状ライン
８１ 試料
８２ カソード
８３ 電解液
８４ 反応容器
８５ 電源
８６ 電流計
８７ 恒温槽
８８ 試料ホルダー
１０１ アルミ板
Claims (9)
- 基板上に第１及び第２の絶縁層により挟まれ、且つアルミニウムあるいはその合金からなる被陽極酸化層を有する積層膜を用意する工程と、該積層膜を陽極酸化する工程とを含み、該被陽極酸化層に形成される細孔の長手方向が該基板表面に平行である細孔を有する構造体の製造方法であって、該第１あるいは第２の絶縁層の少なくとも一方に凹凸パターンを形成しておき、該陽極酸化により凹部に対応した位置に細孔を形成することを特徴とする細孔を有する構造体の製造方法。
- 該凹凸パターンの高さが該被陽極酸化層の厚さの１／１０以上である請求項１に記載の細孔を有する構造体の製造方法。
- 該陽極酸化の後に該細孔内に内包物を埋め込む工程を有する請求項１あるいは２に記載の細孔を有する構造体の製造方法。
- 該内包物を埋め込む工程が電着である請求項３記載の細孔を有する構造体の製造方法。
- 該細孔の底部に接続する電極層を形成する工程を有する請求項１乃至４のいずれかの項に記載の細孔を有する構造体の製造方法。
- 請求項１乃至５のいずれかに記載の製造方法により作製された細孔を有する構造体。
- 該細孔の底部に接続する電極層を有する請求項６記載の細孔を有する構造体。
- アルミニウムあるいはその合金の陽極酸化により得られる細孔を有する陽極酸化層を、第１の絶縁層及び第２の絶縁層に挟まれた状態で基板上に備え、且つ該細孔の長手方向が該基板表面に平行である細孔を有する構造体であって、該第１の絶縁層あるいは第２の絶縁層の少なくとも一方に設けられている凹凸パターンの凹部に対応する位置に該細孔が設けられていることを特徴とする細孔を有する構造体。
- 前記凹凸パターンが形成されている前記第１の絶縁層あるいは第２の絶縁層が、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、ＡｌＮ、ガラス、あるいは合成樹脂であることを特徴とする請求項８記載の細孔を有する構造体。
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