図1　クラスターを形成する材料はソースチャンバ内のるつぼに収められている。

　V型溝は半導体ヘテロ構造ナノワイヤの成長に利用されてきたが、それをテンプレートとしてクラスタ集合を制御できることは認識されていなかった。米Nano Cluster Device社（NCD）の手法では、ワイヤはSi基板上のV型溝内に電気的な接点の有無に関わりなく形成された。
　この方法は、基本的に凝集原に不活性ガスを使って、クラスタビームを生成させるというもの。クラスタ速度は、注入する不活性ガスの流量で制御されている。クラスタがV型溝の側壁に高い速度で衝突するため、摩擦力よりも運動量の方が大きくなる。このような条件下では、クラスタは最終的に各V型溝の先端まで滑り落ちたり飛び跳ねたりする。このV型溝にクラスターが集まり、集合してワイヤを形成する。この方法では、非常に規則正しくクラスタを配列できるだけでなく、ワイヤが形成されるのと同時に電気を流すことも可能である。ワイヤの幅は蒸着時間や蒸着クラスタのサイズ、速度によって制御できる。

ナノワイヤ集合を誘導する方法

クラスター生成:
クラスタを形成する材料は、ソースチャンバ内のるつぼに収められている（図1）。るつぼの温度は、るつぼの底に取り付けられた熱電対を通して監視・制御されている。るつぼの温度が十分に上昇し、蒸気圧が0.1〜1.0mbarに到達すると過飽和状態になり、蒸気からクラスタがチャンバ内に成長する。この成長プロセスは不活性ガス、この場合はArの存在に依存する。一連のノズルと差動排気ステージがクラスタビームを超高真空蒸着チャンバへと誘導する。蒸着チャンバにはクライオスタットが備えられており、蒸着や温度測定（4Kまで可能）、蒸着速度のモニターも行える。接点を持つ試料は市販のチップパッケージ内にAlのボンドワイヤと共に収められている。チャンバ内へ通電させることにより、蒸着中のV型溝の伝導率がモニタでき、伝導が得られた時点で現在の電圧を測定することができる。注入したガス流量に対する蒸着速度はソースの温度で調節することができ、試料とクラスタビームの反対側に搭載した水晶膜厚モニタ（FTM：Film Thickness Monitor）により監視されている。蒸着を行う前にFTMを使用して安定した蒸着速度を確立し、それから基板ホルダーをFTMの前面に移動させる。この蒸着プロセスは、通常試料を室温で実施している。

V型溝のある基板の準備

	図2　Siウェーハ上の酸化皮膜のスロットをV型溝にした。これはリソグラフィと反応性イオンエッチング、KOHエッチングによって実現した。

　サンプル処理には、Si基板に厚さ120nmのSiO₂を堆積させたウェーハを使用する。リソグラフィと反応性イオンエッチングでSiO₂中に形成したスロットを、40wt％KOH水溶液に5％IPAを加えた混合溶液でウェットエッチングを行い、V型溝（図2）を形成した。熱酸化プロセスでV型溝に厚さ120nmのSiO₂でパッシベーションした。
　V型溝へのAu接点はリソグラフィで形成し、NiCr（接着層）/Auを蒸発させ、厚いレジストの除去にはクロロベンゼンを使用した。これにより、デバイス接点は主要な3×3mmデバイス領域全体とV型溝の頂点にまで広がった。最後に、フォトレジストを再び基板全体に塗布し、V型溝とボンドワイヤパッドを隔離するようにパターンを形成し、浸透路から接点への伝導がないようにした。
　NCDの研究の多くは、これまでSbやBiのナノ構造に注力してきた。それは、セミメタリック材料には興味深い電気特性があり、取り扱いやすいためである。しかも標準的な技術で広範囲の材料を製造することができる。
　リソグラフィでパターン形成した基板にクラスタが衝突するとワイヤが生成される。ワイヤは、In-situの伝導率測定や、走査型電子顕微鏡（SEM）および電界放射型SEM（FE-SEM）によって特性の評価ができる。
　溝の頂上に形成させた3本のワイヤの写真を図3に示す。この場合、ワイヤ幅は約1μmであるが、20〜30nmのクラスターを使用するとワイヤは5μmのV型溝で50nmまで小さくなることが検証されている（図4）。V型溝とクラスタの大きさの比率を1:100に保ったまま、より小さなV型溝とクラスタを使用できれば、計算上、直径10nm未満の非常に細いナノワイヤを高精度に配置することが可能になる。これは、今後最も高度なリソグラフィ技術を使っても達成できないほど、ずっと小さな自己集合ナノデバイスを可能にする重要な第一歩となろう。ワイヤ幅は、単に蒸着するクラスタの数（蒸着時間）とクラスタの大きさで制御され、いずれも容易に制御することができ、再現性があるということを強調しておく。この技術の最も驚くべき特徴の1つは、各V型溝間の平坦域にはクラスターがほとんど観測されないことである（図3）。並列に結線されてしまう可能性がないため、これは明らかに大きな利点となる。平坦域にクラスタが見られないのは、クラスタが平坦域から跳ね返るためだ。V型溝の壁上方にクラスタがないのも同様にこの跳ね返り効果が原因である。クラスタは、単純に頂点に向かって跳ね返る（または滑り落ちていく）。

	図3　3個のV型溝の頂点で自己集合したSbのワイヤを示す。V型溝間の平坦域にはクラスターがほとんど見られないことに注意。
	図4　5μmのV型溝で20から30nmのクラスターを使用すると、ワイヤは50nmまで小さくできることが実証された。図で示されているのは100nm未満のクラスター集合のワイヤ。

　この跳ね返り・滑り落ち効果は、クラスタの速度やサイズによって制御がすること可能だ。クラスタの速度やサイズ自体もクラスタ源に供給される不活性ガスの流量によって決定される。この効果は少なくとも定量的には跳ね返る液滴を説明するモデルで理解できる。BiクラスタはSbクラスタより基板表面への密着性が大きい。そのため、Biクラスタの運動エネルギーを十分に上げV型溝で跳ね返るようにするためには、より高い速度あるいはより大きなクラスタが必要になる。
　クラスタの蒸着を行う前に、V型溝の両端に電気的な接点を作製しておけば、すぐに通電が観察することができ、その場で電気特性の評価を行える。室温におけるSbのナノワイヤの抵抗は10〜20kΩであるが、この抵抗はSbワイヤ幅400nmまでは規定どおり得られた。バルクのSbの伝導率が低いのは、主にこの比較的高い抵抗が原因である。これは粒状のワイヤであるため、本質的に単結晶のワイヤに比べ電荷の散乱が多いためである。電流を流してアニールを行うと、ワイヤの伝導率を大きく増加できる。電流がクラスタを融合させ、ワイヤの粒度を制御できるのだ。ガス感知アプリケーションの中には、粒度の高いワイヤを好むものもあるが、ほとんどの電子デバイスでは結晶性ワイヤが好まれる。
　最後に、めっき技術を使えばクラスタ材料以外の材料でもワイヤを形成できることが分かっている。図5では、100nm未満のSbワイヤをエッチマスクとして使用し、クラスタ蒸着前にV型溝のついた基板上へ蒸着させたAu膜上へのパターン転写が図示されている。この技法によって生成された金線も幅100nm未満であった。

図5　Sbのクラスター集合ナノワイヤをエッチマスクとして使用したV型溝の頂点におけるAuワイヤの生成(左)。右上の写真は、SbのエッチマスクとArプラズマエッチングによって作成されたAuワイヤ。右下の写真は、ワイヤの形態を高倍率で示したもの。

最小ワイヤ幅50nmも達成できる

　さまざまな用途に適用できるこのナノワイヤ形成の新しい技術は、表面構造と自己集合技術に基づいている。この自己集合・自己接続するナノワイヤにより、ナノワイヤが形成されるのと同時に電流が流れる。この技術で、Ag、Si、Bi、Sb、Cuのナノワイヤの生成に成功した。形成するワイヤの最小幅は50nmを達成し、同じデバイス上のリソグラフィによる最小寸法の1/100となった。また、クラスター集合したナノワイヤをエッチマスクとして使用し、クラスター材料以外の材料を使用することで幅の狭いワイヤの作成も可能であることが実証された。