2018 Fiscal Year Research-status Report
多孔質アルミナマスクを用いたシリコン基板上での半導体ナノロッドアレイの成長制御
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18K04705
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| Research Institution | Ehime University |
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Principal Investigator |
高橋 亮治 愛媛大学, 理工学研究科(理学系), 教授 (80292663)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐藤 文哉 愛媛大学, 理工学研究科(理学系), 講師 (00709488)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 半導体 / シリコン / シリカ / パターニング / カーボンナノチューブ / 多孔質膜 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、シリコン単結晶およびガラスを基板として、基板上にニッケル触媒層とゾルゲル法と相分離を組み合わせた得られるシリカゲル多孔質層の二層構造とした表面修飾膜を均質に作製することに成功した。またエタノールをニッケル上で接触分解させることでCNTを作製する手法において、この表面修飾膜に対して、CNTがパターニングされて成長することを確認した。半導体基板上にウェットプロセスで多孔質膜を作製して、半導体生成のパターニングに用いるという手法は報告例が少なく、本研究の成果は新しい材料合成法として重要と言える。
また、材料合成法を簡略化するための要素技術を検討し、触媒層のコート、シリカゲル多孔質層の作製、いずれにおいても１回の塗布によって十分な厚みを持つ均質な膜を得る方法を開発した。
具体的には、水溶性有機高分子を塗布後、ニッケル塩若しくはニッケル塩とコロイダルシリカを含む溶液をスピンコートによって塗布、焼成して触媒層を得る。その上にケイ素アルコキシドと有機高分子を含む溶液をディップコートによって塗布し乾燥することで、多孔質シリカゲル膜を得ることに成功した。
二年目以降は、多孔質層をシリカ以外の金属酸化物、具体的には化学的耐久性の高いチタニアおよびアルミナで生成できる条件検討を進めるが、シリカにおいて目的のパターン化した半導体をシリカ表面に成長できたことは大きな成果である。
また、陽極酸化によるアルミナ多孔質膜作製においても、金属アルミニウムに対する多孔質膜生成を進め、条件と生成する膜の細孔サイズの関係を明らかにするなど、実験室ノウハウを蓄積できた。今後、基板上へのアルミニウム蒸着と陽極酸化によって基板上での陽極酸化膜作製を進める。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は、シリコン単結晶基板および参照基板としてガラス基板に対して、無機酸化物層の均質な塗布方法の検討から着手した。洗浄および基板表面処理、塗布液の組成調整などの条件を様々に検討した結果、水溶性有機高分子層を塗布した後に無機酸化物層前駆体をスピンコートする方法を開発した。 この方法により複数回のコート－焼成を繰り返すことなく、一回のコート操作によって十分な厚さの酸化物層を得ることができ、再現性良く均質な酸化物層を得る方法の開発に成功した。
この酸化物層は、酸化ニッケル層および酸化ニッケル－コロイダルシリカ層の二種類を作製し、酸化ニッケルを還元した後エタノールの接触分解によるカーボンナノチューブ(CNT)生成を試みた。酸化ニッケル層を還元してCNTを生成した場合、塗布液のニッケル濃度に比例してCNTの直径がおおきくなり、均質なニッケル層から膜厚に対応したニッケル粒子が触媒として作用してCNT成長が起きたためと考えられた。一方で酸化ニッケル－コロイダルシリカ層を還元してCNTを生成した場合、塗布液のニッケル濃度に関わらずCNT直径を細く制御できることが分かった。これは、コロイダルシリカ凝集体の隙間がニッケルの凝集を抑制したためと考えられる。
マスク層の作製においては、ケイ素アルコキシドを原料としたゾル液を適切な組成としてディップコートすることにより、円形の孔が空いたシリカゲル(PS)膜を得ることに成功した。
シリコン基板にニッケル触媒層とPS膜を多重コートすることにより、触媒層の露出をパターニングしてCNT生成を試みたところ、PS膜の多孔部にのみCNTが成長することを確認し、基板上でのCNTのパターン成長が可能なことを見出した。
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| Strategy for Future Research Activity |
膜厚を正確に見積もるための方法の検討を進めている。多孔質膜のため光学的な手法では密度が正確に出せないため正確な値を出せない。具体的には、FE-SEMによる直接観察でルーチン化した操作で膜厚を見積もるための方法を検討している。
同時に、成膜にあたって、膜と基板の結合強度に問題があり、薄片状に剥がれることがあるため、基板の表面処理と高分子層塗布を組み合わせることで、膜の基板への結合強度を上げることの検討を進める。
PS膜については、文献で報告されていたチタニア膜以外に、シリカ膜の生成も可能なことがわかった。今後は、化学処理に強いチタニア、アルミナでの成膜の検討を進める。また、PS膜の細孔サイズ細孔密度の制御について引き続き条件検討を進め、構造形成過程を明らかにし、制御法を確立していく。
一年目について、陽極酸化による多層膜作製（AO膜）については、マンパワー不足により検討を余り進めることができなかったが、金属アルミニウムの陽極酸化の条件と生成する細孔の関係について実験室的ノウハウが蓄積してきた。二年目は、スパッタリングにより基板上へアルミニウム金属膜を生成し、このアルミニウム膜の陽極酸化によってPS膜よりも微細な細孔を有する多孔質アルミナ膜の生成を試みる。現在、アルミニウム膜の膜厚と均質性の制御について予備検討を進めている。
基板上に成長するCNTについてニッケル粒子径や成長条件を詳細に検討し、CNT結晶性の制御、直径の制御、長さの制御法について検討を進める。また、他大学および学内研究者と共同研究を模索し、パターン化した多孔質膜を有するシリコン基板上での半導体のエピタキシャル成長の検討を進める。
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| Causes of Carryover |
研究計画には、窒素吸着装置の保守のため予算を計上していた。しかしながら申請後採択されるまでの間に、装置が完全に使用不可の状態となり、平成29年度内の予算でメーカーにオーバーホールを含むメンテナンスを依頼した。これにより、装置の状態が良好となったため、今年度の予算での執行が不要となった。
一方で、本研究を推進する上で必須となる粉末X線回折装置の状態が悪く、薄膜用のアタッチメントも利用できない状態となっている。未執行分の予算と令和元年の予算を合わせて、粉末X線回折装置のメンテナンスを実施することを予定している。薄膜アタッチメントを利用したX線回折測定を行えるようになると、薄層の膜の結晶構造を調べることが可能となるため、本研究を強力に推進することができるようになる。
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Research Products
(8 results)
