■自己組織化＆自己集合
- アニマル柄と量子ドット
「ムーアの第二法則」
現在の半導体の最小加工寸法は0.1μmを割るようになってきている。これまでこの業界では、慣例的に加工寸法の単位としてマイクロメートル(μm)を使ってきたが、このくらいのサイズになるともはやナノメートル(nm)と表現を切り替えた方がしっくりとくる。このように現在の半導体技術はまさにナノ領域に達しているわけだが、この微細加工の中心的な役割を担っているのにフォトリソグラフィーがある。これは写真のネガように、感光ポリマーを塗布したウエハに電子回路を焼きつけていくというものだ。この方法で量子ドットなどの作成もできる。ところが加工技術は微細化が進めば進むほど、その設備に必要な投資が莫大なものとなる。ムーアの法則にもあるように微細化が進めばコストが下がると一般に言われているが、こうした負の面もあることも忘れるわけにはいかない。
今後のブレイクスルー次第で現在の技術の延長でもまだまだ可能性があるのだろうが、仮に前のページで紹介したアニマル柄のように、ウエハ上に自然と電子回路が自己組織化してくれたらどれだけよいだろう？これなら増大するコストの心配をする必要もなさそうだが…。
もちろん現時点では、ここまで都合のよい話は夢物語だと言われても仕方ないだろう。しかし、固体表面上での自己組織化の研究は、基礎レベルで地道に、しかし着実に行われている。ここでは、将来何らかのかたちで半導体デバイスの作成に利用できるかもしれない固体表面上の自己組織化現象を取り上げることにしよう。
固体表面で見られるチューリングパターン
自動車には有害な一酸化炭素(CO)を二酸化炭素(CO2)に変える装置が取りつけられている。このCO対策装置には、おもに白金(Pt)触媒が使われている。触媒というのは化学反応の進行速度を劇的に加速する効果があり、経済的なことを考えると工業的には非常に重要である。触媒で起こっているのは、金属表面上の結晶格子の特殊なはたらきによって反応する分子をかき集めて、反応に必要なエネルギー(活性化エネルギー)を下げるということだ。したがって、以前から触媒の研究では、金属表面の微視的な現象が注目されてきた。
そんななか、COとO2からCO2が発生するという化学反応において、Pt表面で渦巻き模様や同心円模様などBZ反応様のパターン形成が起こることが知られている。一般にCOやO2といったものは可視光では見えないので、PEEM(光電子顕微鏡)などを使って観察する。この装置は固体表面に紫外線を当てて飛び出してきた光電子を電子レンズでキャッチして結像するというものだ。固体物理化学の研究では、研究者や技術者の涙ぐましい努力によって、こういった観測装置が数十種類も発明されている(おかげで名前の似た装置に混乱することもしばしばあるが)。このPt触媒表面上のパターン形成のメカニズムは非常に複雑なものだが、それでもかなり詳しく分かってきている。やはりこの場合も、物質の流入出のある開放系で平衡から大きく外れた散逸構造であり、チューリング・パターンの数式モデルを元にして説明されている。
こういったパターン形成は金属触媒の表面の他にも、電気化学分野で使われている金属電極表面にも見られる。とくに電極の場合は金属が析出することもあり、電子回路などのデバイスを作成するといった点では非常に興味深いものだ。
ナノスケールのパターン形成へ
ただし、上で紹介したパターン形成を半導体デバイス作成に利用するというわけにはいかない。なぜならパターン形成現象のスケールが数十μmから数μm程度であり、半導体デバイスとしてはサイズの上でまったくメリットがないからだ。100nmを切るスケールで、量子ドットなどが形成すれば、現在の微細加工に対していくつかの優位点がうまれてくる。
このような固体表面上のナノスケールの自己組織化はまだあまり確認されていないが、まったくないわけではない。例えば、GaAs(311)B基板上にMOVPE法で歪InGaAsを成長させると、長期的な秩序を持った量子ドットが形成することが発見されている[1]。温度や組成成分などの条件を変えることで、縞模様になったりスポット模様になったりすることから、チューリング・パターンと似たような原理がはたらいているのだと考えられている。
ところで量子ドットの自己形成については、「自己形成する量子ドット」のページでも取り上げたが、これは平衡系を舞台として基板表面と量子ドットとの局所的な相互作用が駆動力となって発生するものだった。そのため、全体として自己形成する量子ドットの分布が不均一で、デバイスとして使いにくいという問題があった。
しかし、このチューリングパターン様の量子ドットは、長期的な周期構造を持っているので、デバイスとしての利用価値も多いに期待されている。この成長メカニズムの解明が進み、結晶成長が制御できるようになれば、これまでの半導体微細加工に大きな影響を与えることになると考えられている。
ref
[1]R.Notzel, J.Temmyo,
T.Tamaura, Nature,369,131(1994)
|
|
