專(zhuān)利名稱(chēng)：襯底上量子線及其制造方法以及具有襯底上量子線的器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及形成在襯底上的量子線及其制造方法以及具有襯底上量子線的器件。
借助于量子線的納米尺寸效應(yīng)，量子線可以提供與體特性不同的新物理特性。例如，如

圖1所示，在硅(Si)量子線中，隨著線直徑的減小帶隙增加。此外，在整體狀態(tài)中具有間接躍遷帶隙的材料轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂兄苯榆S遷帶隙的材料。因此，在硅量子線中，由于激發(fā)的電子-空穴復(fù)合得到的光發(fā)射效率顯著增加，發(fā)射波長(zhǎng)移動(dòng)到波長(zhǎng)更短側(cè)，能夠發(fā)出可見(jiàn)光。
能提供以上物理特性的硅量子線一般通過(guò)電子束光刻或其它方法刻蝕硅襯底制得。然而，使用該方法很難以集成方式在較寬面積上制造出具有相同形狀的硅量子線。
鑒于以上情況，現(xiàn)已提出使用VLS(汽相-液相-固相)法在硅襯底上直接生長(zhǎng)許多硅量子線(參見(jiàn)E.I.Givargizov，J.Vac.Sci.Techno.B11(2)，pp.449)。在該方法中，通過(guò)在硅襯底上蒸發(fā)金(Au)在硅襯底的表面形成硅和金的熔融的合金液滴后，通過(guò)加熱襯底同時(shí)提供硅氣體材料生長(zhǎng)硅量子線(參見(jiàn)Wagner et al.，Appl.Phys.Lett.4，No.5，pp.89，1964，和Givargizov，J.Cryst.Growth，31，pp.20，1975)。
本發(fā)明的目的在于提供一種具有足夠小直徑并因此能產(chǎn)生充分的量子效應(yīng)的量子線，一種制造這種量子線的方法，以及具有量子線的器件。
本發(fā)明提供一種制造量子線的方法，包括以下步驟在硅襯底上蒸發(fā)金屬，在硅材料氣體的分解反應(yīng)中該金屬作為催化劑；通過(guò)加熱在其上在含硅材料氣體的氣氛中蒸發(fā)金屬的硅襯底，從而用該金屬作為催化劑分解硅材料氣體。在硅襯底的表面上生長(zhǎng)硅線；氧化這樣生成的硅線，在表面部分形成氧化膜；除去硅線頂端的金屬；然后除去氧化膜。
本發(fā)明還提供另一種制造量子線的方法，包括以下步驟在硅襯底上蒸發(fā)金屬，該金屬和硅形成熔融的合金液滴，蒸發(fā)步驟后，在0.5Torr或更高的含硅材料氣體的氣氛中，將硅襯底加熱到400℃或更低生長(zhǎng)硅量子線，通過(guò)硅材料氣體的分解反應(yīng)產(chǎn)生硅，在400℃或更低的分解反應(yīng)中，吉布斯自由能為負(fù)變量。
本發(fā)明提供一種在硅襯底上具有多條線的器件，其中可以控制多條線的每個(gè)的形成位置。
本發(fā)明提供一種制造線的方法，包括以下步驟在襯底上形成具有開(kāi)口的掩模；蒸發(fā)金屬作為在掩模形成于其上的襯底上生長(zhǎng)線期間的催化劑；加熱在含形成線的氣體材料的氣氛中蒸發(fā)金屬于其上的襯底，在襯底的開(kāi)口內(nèi)生長(zhǎng)線。
圖1顯示了硅量子線的直徑和帶隙之間的關(guān)系；圖2A-2D為根據(jù)本發(fā)明的第一和第二實(shí)施例量子線的制造方法的各步驟的剖面圖；圖3A-3C為圖2D的步驟之后各步驟的剖面圖；圖4為根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的方法生長(zhǎng)的硅線的SEM照片；圖5A和5B為根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的方法形成的硅量子線的TEM照片；圖6為顯示硅烷和氯化硅的合成反應(yīng)的吉布斯自由能的變量與溫度之間的關(guān)系圖線；圖7為在VLS反應(yīng)中化學(xué)勢(shì)的變化；圖8為在第二實(shí)施例的實(shí)例中當(dāng)硅烷氣體的壓力和加熱溫度都變化時(shí)，由SEM觀察到的生長(zhǎng)的硅量子線的相關(guān)圖；圖9為根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例具有線的器件構(gòu)形的透視圖；圖10為圖9器件的修改例的透視圖；圖11為圖8器件的另一修改例的剖面圖；圖12A-12C為圖10器件制造方法的各步驟的剖面圖；圖13A-13D為圖12C的步驟之后各步驟的剖面圖；圖14A-14E為圖10器件另一制造方法的各步驟的剖面圖；圖15A-15C為圖14E的步驟之后的各步驟的剖面圖；圖16為對(duì)應(yīng)圖14B和圖14E的平面圖；以及圖17為SEM照片，顯示了圖14A-14E和圖15A-15C中制造方法制造的器件的每個(gè)線的狀態(tài)。
下面結(jié)合附圖詳細(xì)地介紹本發(fā)明的實(shí)施例。實(shí)施例1圖2A-2D和圖3A-3C顯示了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例量子線的制造方法。在這個(gè)實(shí)施例中，如圖2A所示，電阻率為如0.4-4Ω·cm的(111)硅(Si)襯底11插在真空容器中(未顯示)，例如將硅襯底11加熱到1,000℃在5×10-8Torr下清潔其表面。
然后，如圖2B所示，當(dāng)將硅襯底11加熱到450℃或更高時(shí)，將在硅材料氣體的分解反應(yīng)中作為催化劑的金(Au)12蒸發(fā)到硅襯底11的表面例如0.6nm厚(蒸發(fā)步驟)。例如使DC電流沿硅襯底11的縱向流過(guò)硅襯底11，將硅襯底11加熱到最好在450℃-650℃之間。例如使用鎢(W)絲蒸發(fā)金12。因此，在硅襯底11的表面金12局部熔化硅，并凝聚形成如圖2C所示的熔融的合金液滴12a。
在蒸發(fā)步驟中金12的蒸發(fā)厚度很小為0.6nm的原因是為了使熔融的合金液滴12a更小，從而使將在以后的線生長(zhǎng)步驟中生長(zhǎng)的硅線13更薄(見(jiàn)圖2D)。
此后，如圖2D所示，當(dāng)將硅襯底11加熱到450℃或更高時(shí)(最好在450℃-650℃之間)，將例如硅烷(SiH4)氣體作為硅材料氣體引入到真空容器中(未顯示)(線生長(zhǎng)步驟)。調(diào)節(jié)引入的硅烷氣體的量以使真空容器中(未顯示)的硅烷氣體的壓力小于例如0.5Torr(最好小于0.15Torr)。
因此，使用熔融的合金液滴12a作為催化劑，按反應(yīng)式(1)顯示的分解反應(yīng)分解硅烷氣體形成硅。硅烷氣體的分解反應(yīng)不會(huì)在硅襯底11的表面11a上不存在熔融的合金液滴12a的位置處發(fā)生。
…(1)通過(guò)硅烷氣體的分解形成的硅擴(kuò)散進(jìn)入熔融的合金液滴12a，并外延地粘接在熔融的合金液滴12a和硅襯底11之間的界面上。因此，如圖2D所示，直徑約為10-100nm的硅線13生長(zhǎng)在硅襯底11上。硅線13的厚度由熔融的合金液滴12a的直徑?jīng)Q定。
圖4為按照以上方式生長(zhǎng)的硅線13的SEM(掃描電鏡)照片。該照片是對(duì)以上的硅襯底11斜照得到的。在加熱溫度為500℃并且硅烷氣體壓力為10mTorr的條件下生長(zhǎng)硅線13約一小時(shí)。因此，直徑約為100nm的硅線近似垂直硅襯底11地生長(zhǎng)。
在線生長(zhǎng)步驟中使用硅烷氣體作為硅材料氣體的原因是由于硅烷氣體可使硅線13的生長(zhǎng)在縱向具有均勻的厚度剖面(見(jiàn)圖4)和足夠小的直徑。
在線生長(zhǎng)步驟中，將硅襯底11的加熱溫度和硅烷氣體壓力分別設(shè)定為450℃或更高和小于0.5Torr時(shí)，使硅線13垂直于硅襯底11生長(zhǎng)，所以便得到圖4所示的具有良好形狀的硅線13。
此外，在線生長(zhǎng)步驟中，將硅襯底11的加熱溫度最好設(shè)定為650℃或更低時(shí)，形成的硅線直徑可以非常小。
按照以上的方式生長(zhǎng)硅線13后，將它們浸在35℃王水(HNO3∶HCl＝1∶3)中一分鐘刻蝕除去硅線端部的合金液滴(即，蒸發(fā)在硅襯底11表面的金)，如圖3A所示(金屬去除步驟)。因此，得到僅有硅線13保留在硅襯底11表面的狀態(tài)。
隨后，如圖3B所示，將其上生長(zhǎng)有硅線13的硅襯底11在含例如氧氣(02)的氣氛中(氧氣壓力500Torr)在700℃加熱一定時(shí)間(氧化步驟)。因此，氧化膜13a和11b形成在硅線13和硅襯底11的表面，直徑比硅線13的直徑小氧化膜13a厚度的硅量子線13b，例如小于10nm，形成在每個(gè)硅線13的中心部分。
如圖3C所示，氧化硅線13后，在室溫下將襯底浸在HF(50％)中一分鐘，從而將硅線13和硅襯底11的表面部分的氧化膜13a和11b刻蝕并除去(氧化膜去除步驟)。因此，得到僅有硅量子線13b保留在硅襯底11的表面上的狀態(tài)。因而得到具有足夠小直徑的硅量子線13b。
圖5A和5B為硅量子線13b的一個(gè)實(shí)例的TEM(透射電鏡)照片。圖5A為進(jìn)行氧化之前的硅線13的TEM亮場(chǎng)圖象，圖5B為氧化步驟后得到的硅量子線13b的TEM暗場(chǎng)圖象(硅核部分)。將直徑約為25nm的硅線13在500Torr下的氧氣氣氛中700℃溫度下加熱一小時(shí)形成硅量子線13b。因此，形成直徑約為15nm并具有良好形狀的硅量子線13b。
如上所述，在根據(jù)第一實(shí)施例的量子線的制造方法中，熔融的合金液滴12a形成在硅襯底11的表面上，然后用熔融的合金液滴12a做催化劑分解硅材料氣體，在硅襯底11上生長(zhǎng)硅線13，最后氧化硅線13的表面，因而硅量子線13b具有足夠小的直徑，因此可產(chǎn)生充分的量子效應(yīng)。
此外，在量子線的這個(gè)制造方法中，由于蒸發(fā)的金12僅為0.6nm厚，所以熔融的合金液滴12a可以制造得很小，從而使生長(zhǎng)的硅線13直徑足夠小。即，可以形成小直徑的硅量子線13b。
再者，在量子線的這個(gè)制造方法中，由于在線生長(zhǎng)步驟中使用硅烷氣體作硅材料氣體，所以可以生長(zhǎng)直徑足夠小并且在縱向具有均勻厚度剖面的硅線。即，可以得到具有小直徑和良好形狀的硅量子線13b。
另外，在量子線的這個(gè)制造方法中，由于在線生長(zhǎng)步驟中，在小于0.5Torr的硅烷氣體氣氛中將襯底加熱到450℃或更高，硅線13可以近似垂直于硅襯底11生長(zhǎng)。即，可以得到具有良好形狀的硅量子線13b。
本發(fā)明并不限于以上介紹的第一實(shí)施例，可以有不同的修改例。例如，在實(shí)施例中，在蒸發(fā)步驟中蒸發(fā)金12同時(shí)加熱硅襯底11，在蒸發(fā)期間，熔融的合金液滴12a形成在硅襯底11的表面上。作為選擇，將金12蒸發(fā)在硅襯底11的表面上后，可以在含硅烷氣體的氣氛中加熱襯底形成熔融的合金液滴12a。作為另一種選擇，可以將金12蒸發(fā)到硅襯底11上，然后在引入硅烷氣體之前加熱襯底形成熔融的合金液滴12a。
此外，在第一實(shí)施例中，在蒸發(fā)步驟中，蒸發(fā)到硅襯底11表面上的金12的厚度為0.6nm厚，以便熔融的合金液滴12a的尺寸制造得很小。熔融的合金液滴12a的尺寸可以制造得足夠小，即，只要金12的厚度為5nm或更小，就等于實(shí)施例中的尺寸。
而且，雖然在第一實(shí)施例中用金12做蒸發(fā)步驟中硅材料氣體的分解反應(yīng)中的催化劑，但也可以使用鉑(Pt)、銀(Ag)、錫(Sn)等代替金12。同樣在這個(gè)例子中，使用金12的情況下，當(dāng)加熱時(shí)，此元素局部融化硅，在硅襯底11的表面上凝聚形成熔融的合金液滴。而且，當(dāng)蒸發(fā)厚度為5nm或更小時(shí)，以上的金屬元素，例如金(即，本實(shí)施例中)，可以形成足夠小的熔融的合金液滴。
另外，雖然在第一實(shí)施例中，在線生長(zhǎng)步驟中將硅烷氣體直接引入到真空容器中(未示出)，但硅烷氣體可以用如氦(He)氣或氬(Ar)氣的惰性氣體稀釋后引入到真空容器中。
此外，雖然在第一實(shí)施例中，在線生長(zhǎng)步驟中使用硅烷氣體做為硅材料氣體，但可以使用乙硅烷(Si2H6)或丙硅烷(Si3H8)，或甚至硅烷、乙硅烷，和丙硅烷中至少兩個(gè)的混合氣體代替硅烷。即使用這種氣體而不是硅烷氣體，在和硅烷氣體相同的條件下，可以生長(zhǎng)出具有足夠小直徑和良好形狀的硅線。
另外，不僅硅烷、乙硅烷，和丙硅烷，而且通過(guò)分解反應(yīng)能夠產(chǎn)生硅的氣體，例如用氫氣(H2)稀釋的氯化硅(SiCl4)，也可以用做硅材料氣體。在后一種情況中，氣體壓力和加熱溫度由使用的氣體種類(lèi)適當(dāng)?shù)貨Q定。
而且，在第一實(shí)施例中，在生長(zhǎng)硅線13的線生長(zhǎng)步驟后除去合金液滴12a，然后氧化硅線13。作為選擇，可以在線生長(zhǎng)步驟后氧化硅線13，之后除去熔融的合金液滴12a。在這種情況下，可以先除去化合物合金液滴12a或氧化部分13a。
再者，在第一實(shí)施例中，例如，在氧化步驟中在氧氣壓力為500Torr的含氧氣氛中，將硅線13加熱到700℃。氧化條件由硅線13的厚度適當(dāng)?shù)貨Q定。
如上所述，在根據(jù)第一實(shí)施例的量子線的制造方法中，用做催化劑的金屬蒸發(fā)到硅襯底上，然后在硅襯底上生長(zhǎng)硅線，最后氧化硅線的表面部分。因而，可以形成具有足夠小直徑的硅量子線。因此，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于可以得到充分的量子效應(yīng)。實(shí)施例2下面結(jié)合附圖詳細(xì)地介紹本發(fā)明的第二實(shí)施例。
下面還結(jié)合圖2A-2D介紹第二實(shí)施例量子線的制造方法。在這個(gè)實(shí)施例中，如圖2A所示，首先清潔硅襯底，從表面上除去氧化物。
然后，如圖2B所示，將襯底11插在反應(yīng)室中(未顯示)。在低壓狀態(tài)中，與硅形成熔融的合金液滴的金屬蒸發(fā)在襯底11的表面上，形成金屬層12(蒸發(fā)步驟)。與硅形成熔融的合金液滴的金屬例子有金、銀(Ag)，和銦(In)；最好蒸發(fā)在這些金屬中的至少一種形成金屬層12。最好金屬層的厚度為5nm或更小。用于形成以后的生長(zhǎng)步驟中(介紹的層)的熔融的合金液滴12a(見(jiàn)圖2C)。
然后，將硅襯底11加熱到400℃或更低后，將硅材料氣體引入反應(yīng)室中(未顯示)，同時(shí)保持溫度(生長(zhǎng)步驟)。通過(guò)分解反應(yīng)硅材料氣體產(chǎn)生硅。硅材料氣體的壓力調(diào)節(jié)到0.5Torr或更大。因此，如圖2C所示，硅襯底11的表面上的金屬層12局部地熔化硅并凝聚形成硅和金屬的多個(gè)熔融的合金液滴12a。熔融的合金液滴12a作為硅材料氣體分解反應(yīng)的催化劑，硅材料氣體的分解反應(yīng)選擇性地在熔融的合金液滴12a中發(fā)生。即，硅材料氣體的分解反應(yīng)不會(huì)在硅襯底11的表面上不存在熔融的合金液滴12a的位置處發(fā)生。
硅材料氣體的分解反應(yīng)產(chǎn)生的硅擴(kuò)散進(jìn)入熔融的合金液滴12a，并外延地粘接在硅襯底11上每個(gè)熔融的合金液滴12a和硅襯底11之間的界面處。因此，如圖2D所示，直徑小于20nm的多個(gè)硅量子線13生長(zhǎng)在硅襯底11中。每個(gè)硅量子線13的直徑由對(duì)應(yīng)的熔融的合金液滴12a的直徑?jīng)Q定。
在以上的步驟中，最好在硅材料氣體的分解反應(yīng)中，它的吉布斯自由能的變量(ΔG)很小。特別是，由于在該步驟中，分解反應(yīng)發(fā)生在低至400℃或更低的溫度下，所以最好在400℃或更低的低溫下，在它的分解反應(yīng)中，硅材料氣體具有負(fù)的吉布斯自由能的變量。即，在400℃或更低的范圍內(nèi)的某個(gè)溫度，分解反應(yīng)的吉布斯自由能的變量為負(fù)值。
例如，如圖6所示，在使用硅烷(SiH4)的情況下，從高溫到低溫(400℃或更低)，合成反應(yīng)的吉布斯自由能的變量為正值(在分解反應(yīng)中為負(fù)值)。因此，在400℃或更低的低溫下，硅烷很容易分解，因此適于預(yù)定的用途。另一方面，在常規(guī)使用的氯化硅氣體中，甚至在約1,000℃的高溫下，合成反應(yīng)的吉布斯自由能的變量仍為負(fù)值(在分解反應(yīng)中為正值)；不適于預(yù)定的用途。雖然未顯示在圖2中，在400℃或更低的分解反應(yīng)中，乙硅烷(Si2H6)和丙硅烷(Si3H8)氣體的吉布斯自由能為負(fù)變量，因此也不適于預(yù)定的用途。硅烷、乙硅烷，和丙硅烷中至少兩個(gè)的混合氣體可以用做硅材料氣體。
圖7顯示的是硅烷氣體的例子，在分解反應(yīng)中吉布斯能量為小變量的物質(zhì)具有相對(duì)較高的化學(xué)勢(shì)。因此，雖然隨著硅線的直徑減小它的化學(xué)勢(shì)增加，但硅氣體允許甚至具有小直徑的硅量子線13生長(zhǎng)。硅烷的化學(xué)勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)使用的氯化硅的化學(xué)勢(shì)(在圖7中用虛線表示)，因此有益于硅量子線13的生長(zhǎng)。由于以上介紹的原因，在這個(gè)實(shí)施例中，即使熔融的合金液滴12a具有小直徑也可生長(zhǎng)硅量子線13。
此外，將硅襯底11的加熱溫度設(shè)定為400℃或更低，并且硅材料氣體的壓力設(shè)定為0.5Torr或更大的原因是由于加熱的溫度越低并且硅材料氣體的壓力越高，形成的硅量子線的直徑就越小，當(dāng)加熱溫度為400℃或更低并且硅材料氣體的壓力為0.5Torr或更大時(shí)，可以生長(zhǎng)直徑小于20nm的硅量子線13。
如上所述，在根據(jù)這個(gè)實(shí)施例的量子線的制造方法中，在含硅材料氣體的氣氛中壓力為0.5Torr或更大，溫度為400℃或更低時(shí)進(jìn)行加熱，該硅材料氣體的分解反應(yīng)的吉布斯自由能的變量在400℃或更低的溫度下為負(fù)值。因此，可以在低溫下生長(zhǎng)直徑小于20nm的硅量子線13；即，可以直接生長(zhǎng)足夠窄能產(chǎn)生新的物理特性的硅量子線13。
此外，在量子線的這個(gè)制造方法中，由于蒸發(fā)的金屬層12厚度為5nm或更小，所以可以形成小的熔融的合金液滴12a，因此可以生長(zhǎng)出具有足夠小直徑的硅量子線。
下面結(jié)合附圖介紹第二實(shí)施例的一個(gè)特定的例子。
首先，制備拋光的n型硅晶片((111)表面，ρ＝0.4Ω·cm)并切割成矩形的硅襯底11(1cm×5cm)。用丙酮清洗硅襯底11后，用硝酸(HNO3)和氫氟酸(HF)的混合溶液刻蝕除去硅襯底11表面上的氧化物(見(jiàn)圖2A)。
然后，將每個(gè)硅襯底11放入到反應(yīng)室中(未示出)，并將反應(yīng)室內(nèi)的壓力減小到5×10-8Torr。此后，使用鎢(W)絲將金蒸發(fā)到硅襯底的表面，所以形成0.6nm厚的金屬層(見(jiàn)圖2B)。
之后，加熱硅襯底11后，將用氦(He)氣稀釋到10％的硅烷氣體引入到反應(yīng)室中(未示出)作為硅材料氣體同時(shí)保持襯底溫度。因此，多個(gè)熔融的合金液滴12a形成在硅襯底11的表面，根據(jù)反應(yīng)式(1)硅烷氣體在每個(gè)熔融的合金液滴12a中分解，生成多個(gè)硅量子線13(見(jiàn)圖2C和2D)。
……(1)在以上步驟中，含有硅烷氣體的混合氣體的流速設(shè)定為40sccm，硅烷氣體的分壓在0.01-1Torr之間變化。使DC電流沿縱軸流過(guò)硅襯底11進(jìn)行加熱，加熱的溫度在320℃-440℃之間變化。硅襯底11的溫度是用光學(xué)高溫溫度計(jì)和熱電偶測(cè)量得到。
用掃描電鏡(SEM)觀察這樣生長(zhǎng)的硅量子線13。圖8顯示了觀察結(jié)果。圖8顯示了硅烷氣體分壓/加熱溫度和硅量子線13的形狀/厚度之間的關(guān)系。
從圖8中可以看出，當(dāng)加熱溫度較低并且硅烷氣體的壓力較高時(shí)，硅量子線13具有較小的直徑。當(dāng)加熱溫度為440℃并且硅烷氣體的壓力為0.5Torr時(shí)，直徑為20nm，當(dāng)加熱溫度和硅烷氣體的壓力分別為320℃和1Torr時(shí)，直徑僅為15nm。很顯然，當(dāng)加熱溫度為400℃或更低并且硅材料氣體的氣氛中壓力為0.5Torr或更大時(shí)，硅量子線13的直徑可以制作的比20nm還小。
雖然以上通過(guò)實(shí)施例和實(shí)例介紹了本發(fā)明，但本發(fā)明并不局限于此，可以具有不同的修改例。例如，雖然在實(shí)施例和實(shí)例中，是在蒸發(fā)金屬于硅襯底11上之后，并在引入硅材料氣體之前加熱硅襯底11形成熔融的合金液滴12a，但也可以在蒸發(fā)金屬于硅襯底11上之后，在含硅材料氣體的氣氛中加熱硅襯底11形成熔融的合金液滴12a。作為另一種選擇，可以在蒸發(fā)金屬同時(shí)加熱硅襯底11，此時(shí)，蒸發(fā)期間形成熔融的合金液滴12a。
此外，雖然在以上的實(shí)例中將氦氣稀釋的硅材料氣體(硅烷氣體)引入到反應(yīng)室中，但也可以引入用其它如氬(Ar)氣的惰性氣體稀釋的硅材料氣體，或僅引入沒(méi)有稀釋的硅材料氣體。
再者，雖然在以上僅給出了硅烷氣體用做硅材料氣體的實(shí)例，但使用乙硅烷或丙硅烷也可以得到相同的結(jié)果。
如上所述，在根據(jù)第二實(shí)施例的量子線的制造方法中，在含硅材料氣體的氣氛中壓力為0.5Torr或更大，溫度為400℃或更低時(shí)進(jìn)行加熱，該硅材料氣體的分解反應(yīng)的吉布斯自由能在400℃或更低的溫度下為負(fù)值。因此，可以在低溫下生長(zhǎng)直徑比20nm還小的硅量子線13。因而，有利于得到直接生長(zhǎng)的足夠窄且能產(chǎn)生新的物理特性的硅量子線。實(shí)施例3下面結(jié)合附圖詳細(xì)地介紹本發(fā)明的第三實(shí)施例。
圖9為根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的具有線的器件的結(jié)構(gòu)。器件具有形成在單晶硅襯底1上的多個(gè)單晶硅線2，近似垂直于襯底1。控制每個(gè)線2的形成位置形成周期性的排列。在圖9顯示的器件中，線2的橫向和縱向都有規(guī)律的間隔排列。
可以控制每個(gè)線2的厚度。在圖9顯示的器件中，線2具有給定的相同厚度。在圖10顯示的器件中，線2具有不同的厚度。例如，當(dāng)使用線2的光學(xué)特性將該器件用做光發(fā)射器件時(shí)，如圖9所示，使每個(gè)線2的厚度相等可以發(fā)射單波長(zhǎng)的光。如果如圖10所示，每個(gè)線2的厚度適當(dāng)?shù)淖兓?，那么單個(gè)器件可以發(fā)射多波長(zhǎng)的光束。在圖10顯示的器件中，每個(gè)線2的厚度以列為基礎(chǔ)改變，可發(fā)射三種波長(zhǎng)的光束。例如，直徑為30埃的最厚線2、直徑為20埃的中厚度線2，和直徑為10埃的最窄線2分別發(fā)射紅光、綠光，和藍(lán)光。
此外，如圖11所示，該器件可用做陣列器件的自發(fā)射平板顯示，其中連接線2的互連為矩陣形式。在圖11顯示的器件中，導(dǎo)電類(lèi)型(n或p)與襯底1的導(dǎo)電類(lèi)型(p或n)相反的多個(gè)互連1a形成在襯底1的表面上，線2形成在互連1a上。由二氧化硅(SiO2)或適宜的樹(shù)脂制成的絕緣膜3形成在線2之間。在線2上垂直于互連1a的方向上用適宜的金屬形成多個(gè)接觸條4。因此，在該器件中，線2被單獨(dú)地連接。
如上所述，在根據(jù)此實(shí)施例具有線的器件中，由于可以控制每個(gè)線2的形成位置，每個(gè)線2排列在按預(yù)定用途設(shè)計(jì)的給定位置處；因此，器件可以投入實(shí)際應(yīng)用中。例如，可以得到矩陣型陣列器件，其中線2周期性地排列。
而且，由于可以控制每個(gè)線的厚度，所以可以根據(jù)預(yù)定的用途將每個(gè)線2的厚度任意地調(diào)節(jié)到給定值。因此，可以排列具有統(tǒng)一厚度的線2的器件和具有不同厚度的線2的器件，因而可以發(fā)射多波長(zhǎng)的可見(jiàn)光光束。
具有以上結(jié)構(gòu)的器件按以下方式制造。
圖12A-12C和13A-13D顯示了根據(jù)此實(shí)施例的器件的制造步驟。作為典型的例子，圖12A-12C和13A-13D顯示了圖10示出的器件的制造步驟。首先，如圖12A所示，電阻率如0.4-4Ω·cm的(111)單晶硅襯底1插在反應(yīng)爐中進(jìn)行氧化，作為成形輔助膜11(formation assistingfilm)厚度例如約為100nm的氧化膜形成在襯底1的表面。
然后，如圖12B所示，將光刻膠膜12涂敷到其上形成有成形輔助膜11的襯底上后，選擇性地曝光，并在對(duì)應(yīng)于線2的形成位置處形成合適尺寸的開(kāi)口12a。例如，為了形成圖10的器件，直徑約為1μm的開(kāi)口12a1、直徑約為0.8μm的開(kāi)口12a2，和直徑約為0.6μm的開(kāi)口12a3在規(guī)則間隔的位置處縱向和橫向形成對(duì)應(yīng)的柱。
接下來(lái)，襯底1被切割成合適的尺寸(例如，1cm×4.5cm的矩形)。因此，如圖12C所示，用光刻膠膜12作掩模，用含氫氟酸(HF)的刻蝕液體刻蝕成形輔助膜11一定時(shí)間(例如，5分鐘)，因此在成形輔助膜11中對(duì)應(yīng)于每個(gè)線2的形成位置處形成多個(gè)孔11a。例如，在形成圖10所示的器件時(shí)，形成對(duì)應(yīng)于柱直徑約為1μm的孔11a1，直徑約為0.8μm的孔11a2，和直徑約為0.6μm的孔11a3。因此，孔11a形成于其中的成形輔助膜11作為輔助裝置形成，以便對(duì)應(yīng)于每個(gè)線2的形成位置(以上步驟屬于成形輔助膜的形成步驟和輔助裝置形成步驟)。應(yīng)該注意，如果這樣形成的孔11a太大，那么控制線2的厚度和形成位置的精確度不會(huì)太高。
在成形輔助膜11中形成孔11a之后，例如用丙酮除去光刻膠膜12。此后，將襯底1浸在例如加熱到70℃的硝酸(HNO3)中一分鐘，然后用含有氫氟酸的刻蝕液體刻蝕5秒鐘，因此除去了通過(guò)成形輔助膜11的孔11a暴露出的襯底1的表面部分。
襯底1清潔后，干燥并插在反應(yīng)爐中(未示出)。反應(yīng)爐內(nèi)的壓力減小后，適當(dāng)?shù)丶訜嵋r底1(例如，到700℃)，如圖13A所示，將線2形成步驟中用做催化劑的金屬(例如，金(Au))蒸發(fā)到襯底1的表面(蒸發(fā)步驟)。因此，3nm厚的催化劑層13形成在成形輔助膜11的每個(gè)孔11a暴露出的襯底1部分。沒(méi)有金屬蒸發(fā)在成形輔助膜11上，因此催化劑層13不能形成于其上。此時(shí)，例如，使DC電流沿襯底1的縱向流過(guò)襯底1來(lái)加熱襯底1。例如使用鎢(W)絲蒸發(fā)金屬一分鐘。
形成催化劑層13后，在反應(yīng)室(未示出)中適當(dāng)?shù)丶訜嵋r底1(例如，到700℃)一定時(shí)間(例如，30分鐘)(加熱步驟)。因此，通過(guò)成形輔助膜11的每個(gè)孔11a暴露的催化劑層13局部地融化襯底1表面的硅，并凝聚形成圖13B所示的熔融的合金液滴。例如，要形成圖10所示的器件時(shí)，根據(jù)成形輔助膜11的相關(guān)的孔的尺寸形成直徑約為1,000埃的熔融的合金液滴13a1、直徑約為900埃的熔融的合金液滴13a2，和厚度約為800埃的熔融的合金液滴13a3。
即，每個(gè)熔融的合金液滴13a的尺寸由成形輔助膜11的相關(guān)的孔11a的尺寸控制。此外，每個(gè)熔融的合金液滴13a的尺寸取決于蒸發(fā)步驟中蒸發(fā)的催化劑層13的厚度。例如，當(dāng)催化劑層13制作得更薄時(shí)，每個(gè)熔融的合金液滴13a的尺寸變小，反之亦然。
加熱步驟要進(jìn)行充足的時(shí)間直至在每個(gè)孔11a中形成一個(gè)熔融的合金液滴13a。雖然該時(shí)間取決于成形輔助膜11的每個(gè)的孔11a的尺寸和加熱溫度，但最好加熱步驟至少要進(jìn)行10分鐘。
用以上方式形成熔融的合金液滴13a后，當(dāng)襯底1加熱到450℃或更高時(shí)(例如，到700℃)，將作為硅材料氣體構(gòu)成線2的硅烷(SiH4)氣體引入到反應(yīng)爐(未示出)中(線生長(zhǎng)步驟)。調(diào)節(jié)硅烷氣體的量直到反應(yīng)爐內(nèi)硅烷氣體的分壓小于0.5Torr，最好為0.15Torr或更小。
因此，熔融的合金液滴13a做催化劑，根據(jù)反應(yīng)式(1)的分解反應(yīng)分解硅烷氣體。
……(1)通過(guò)硅烷氣體的分解形成的硅擴(kuò)散進(jìn)入每個(gè)熔融的合金液滴13a，并外延地粘接在襯底1和每個(gè)熔融的合金液滴13a之間的界面上。因此，如圖13C所示，線2選擇性地在每個(gè)熔融的合金液滴13a下生長(zhǎng)，厚度對(duì)應(yīng)于每個(gè)熔融的合金液滴13a的尺寸。即，形成圖10所示的器件時(shí)，生長(zhǎng)的線21的直徑約為1,000埃、線22的直徑約為900埃，以及線23的直徑約為800埃。
在線生長(zhǎng)步驟中使用硅烷氣體作為硅材料氣體的原因是由于硅烷氣體可使線2的生長(zhǎng)在縱向具有均勻的厚度剖面和足夠小的直徑。此外，將硅襯底1的加熱溫度和硅烷氣體分壓分別設(shè)定為450℃或更高和小于0.5Torr時(shí)，可以得到具有良好形狀的線2。
按照以上的方式生長(zhǎng)線2約20分鐘后，將襯底浸在例如35℃王水(HNO3∶HCl＝1∶3)中一分鐘刻蝕除去每個(gè)線頂端的合金液滴13和成形輔助膜11上的催化劑層13。
此后，如圖13D所示，例如，在700℃加熱其上生長(zhǎng)有線2的襯底在含壓力為500Torr氧氣(O2)的氣氛中一定時(shí)間(氧化步驟)。因此，包括成形輔助膜11的氧化膜11b形成在線2和襯底1的表面，所以每個(gè)線2的直徑減小氧化膜11b的厚度那么多。例如，形成圖10所示的器件時(shí)，線21、22和23的直徑減小到約30埃、20埃和10埃，因此能夠分別發(fā)射紅、綠，和藍(lán)的光束。
用以上的方式氧化線2后，如有必要，在室溫下將線2形成于其上的襯底浸在氫氟酸中一分鐘，從而除去線2和襯底1的表面上的氧化膜11b(包括成形輔助膜11)。因此，形成圖10所示的器件。
在以上的步驟中，即使絕緣膜3形成在圖11的線2之間或氧化膜11b形成在線2周?chē)矝](méi)有問(wèn)題，僅有氧化膜11b不需要的部分被除去，不必除去整個(gè)氧化膜11b。
在這個(gè)制造方法中，可以檢查出成形輔助膜11的孔11a的尺寸和加熱步驟如何影響線2。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果介紹如下。
首先，和以上介紹的方式相同，制備襯底1并形成成形輔助膜11。成形輔助膜11具有將形成直徑為1.5μm的多個(gè)孔11a的區(qū)域和將形成直徑為3μm的多個(gè)孔11a的區(qū)域。然后，和以上介紹的方式相同，蒸發(fā)金，之后加熱30分鐘形成熔融的合金液滴13a，然后生長(zhǎng)線2。此后，用掃描電鏡(SEM)觀察這樣生長(zhǎng)的線2。
觀察到，在形成直徑為1.5μm孔11a的區(qū)域內(nèi)，每個(gè)孔11a內(nèi)生長(zhǎng)一個(gè)線2，并且每個(gè)線2的厚度均勻。相比之下，在形成直徑為3μm孔11a的區(qū)域內(nèi)，在許多孔11a內(nèi)生長(zhǎng)兩個(gè)線2，并且每個(gè)線2的厚度不均勻。因此，可以知道成形輔助膜11的孔11a太大，不能控制線2的形成位置和厚度。
此外，和以上介紹的方式相同，制備襯底1并形成直徑為1.5μm的多個(gè)孔11a形成于其內(nèi)的成形輔助膜11。此后，和以上介紹的方式相同，蒸發(fā)金，之后加熱一分鐘形成熔融的合金液滴13a，然后生長(zhǎng)線2。此后，用掃描電鏡(SEM)觀察這樣生長(zhǎng)的線2。
可以觀察到，每個(gè)孔11a內(nèi)生長(zhǎng)多個(gè)線2，并且每個(gè)線2的厚度不均勻。因此，可以看出，如果加熱步驟的時(shí)間不充分，熔融的合金液滴13a不能充分凝聚，生長(zhǎng)線2時(shí)，每個(gè)孔11a內(nèi)存在多個(gè)熔融的合金液滴13a。即，不能控制線2的形成位置和厚度。
如上所述，在具有線的器件的這個(gè)制造方法中，由于通過(guò)成形輔助膜11將金蒸發(fā)在襯底1上，可以根據(jù)成形輔助膜11的相關(guān)的孔11a的位置和尺寸控制每個(gè)線2的形成位置和厚度。因此，可以高精確度地設(shè)計(jì)形成位置和厚度地生長(zhǎng)線2。
蒸發(fā)步驟之后和線生長(zhǎng)步驟之前，加熱足夠的時(shí)間在成形輔助膜11的每個(gè)孔11a內(nèi)形成一個(gè)熔融的合金液滴13a。因此，每個(gè)孔11a生長(zhǎng)一個(gè)線2，可以高精確度地控制線2的形成位置和厚度。
此外，由于線生長(zhǎng)步驟之后氧化生長(zhǎng)的線2，所以可以高精確度地形成直徑足夠小的線2。
根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的器件也可以按以下方式制造。
圖14A-14E和15A-15C顯示了根據(jù)此實(shí)施例器件的另一個(gè)制造方法的制造步驟。作為典型的例子，圖14A-14E和15A-15C也顯示了圖10所示器件的制造步驟。首先，如圖14A所示，電阻率如0.4-4Ω·cm的(111)單晶硅襯底1插在反應(yīng)爐中進(jìn)行氧化，作為位置控制膜21厚度例如約為100nm的氧化膜形成在襯底1的表面(111)。
然后，如圖14B所示，例如使用含有氫氟酸的液體選擇性刻蝕位置控制膜21，因而用適當(dāng)?shù)姆绞?例如，周期性地)形成具有合適尺寸的開(kāi)口21a(位置控制膜的形成步驟)。例如，形成圖10的器件時(shí)，形成直徑約為4μm的多個(gè)開(kāi)口21a1，以便在縱向和橫向中心到中心的間隔都約為6μm，如圖16的平面圖所示。
接下來(lái)，如圖14C所示，用位置控制膜21作掩模，用例如六氟化硫的等離子刻蝕選擇性地刻蝕襯底1的表面?？涛g條件設(shè)定為輸出功率為22.5W，壓力為160m Torr，以及刻蝕時(shí)間為一分鐘。因此，襯底1的表面形成例如多個(gè)周期性的凹槽1b，對(duì)應(yīng)于位置控制膜21的每個(gè)開(kāi)口21a(凹槽形成步驟)。例如，具有相同尺寸的多個(gè)圓形凹槽1b在縱向和橫向都以有規(guī)律的間隔地形成。
形成凹槽1b后，使用例如含氫氟酸的刻蝕液體除去位置控制膜21。然后，使用例如含氫氧化鉀的刻蝕液體在80℃下刻蝕襯底1的表面。結(jié)果，如圖14D的箭頭所示，優(yōu)先選擇性地刻蝕每個(gè)凹槽1b的側(cè)面。這是由于單晶硅的刻蝕速率取決于表面晶格；(111)面的刻蝕速率很低，而對(duì)應(yīng)于凹槽1b的側(cè)面的(-100)面、(00-1)面，和(0-10)面的刻蝕速率相對(duì)較高。雖然表示表面晶格面的每個(gè)方向的負(fù)符號(hào)通常為跨線，但在這里為方便起見(jiàn)用前置的減號(hào)表示。
因此，隨著進(jìn)一步的刻蝕(例如，30秒后)，如圖14E所示，凹槽1b之間的位置處形成多個(gè)突起1c(例如，圖16中虛線表示的)。當(dāng)以這種方式在襯底1的表面形成合適尺寸的突起1c時(shí)，刻蝕終止(突起形成步驟)。在以后的步驟中，每個(gè)突起1c將作為位置決定裝置(即，輔助裝置)，變?yōu)榫€2的形成核，并決定它們的位置。在這個(gè)制造方法中，調(diào)節(jié)在位置控制膜形成步驟中形成的開(kāi)口21a尺寸和位置，以便對(duì)應(yīng)于每個(gè)線2的形成位置形成突起1c。以上介紹的從位置控制膜形成步驟到突起形成步驟屬于位置決定裝置的形成步驟(即，輔助裝置形成步驟)。順便提及，在這個(gè)制造方法中，由于成形輔助膜形成步驟在以后介紹的位置決定裝置形成步驟之后進(jìn)行，所以協(xié)助裝置形成步驟包括位置決定裝置形成步驟和成形輔助膜形成步驟。
形成突起1c之后，如圖15A所示，厚度約為25nm的二氧化硅膜作為成形輔助膜11通過(guò)例如CVD(化學(xué)汽相淀積)形成在襯底1上。此后，通過(guò)和以前的制造方法相同的方式選擇性地刻蝕成形輔助膜11，形成多個(gè)孔11a以便對(duì)應(yīng)每個(gè)突起1c。例如，形成圖10所示的器件時(shí)，以和以前的制造方法相同的方式形成對(duì)應(yīng)于每個(gè)柱直徑約為1μm的孔11a1，直徑約為0.8μm的孔11a2，和直徑約為0.6μm的孔11a3。因此，形成作為協(xié)助裝置的成形輔助膜11(成形輔助膜形成步驟，輔助裝置形成步驟)。在這個(gè)步驟中，突起1c不必位于每個(gè)孔11a的中心；突起1c可以暴露在表面上以便一一對(duì)應(yīng)每個(gè)孔11a。
形成成形輔助膜11后，清洗并干燥通過(guò)成形輔助膜11的每個(gè)孔11a暴露的襯底1的部分，通過(guò)和以前的制造步驟(蒸發(fā)步驟)相同的方式在生長(zhǎng)線2期間蒸發(fā)用做催化劑的金屬，在襯底1暴露的部分上形成催化劑層13。和以前的制造方法相同的加熱步驟幾乎與蒸發(fā)步驟同時(shí)進(jìn)行或必要時(shí)進(jìn)行。因此，如圖15B所示，催化劑層13局部地融化硅，并和襯底1各部分上用做核的突起1c凝聚，而各部分通過(guò)成形輔助膜11的每個(gè)孔11a暴露，多個(gè)熔融的合金液滴13a形成在每個(gè)突起1c的位置處。此時(shí)，熔融的合金液滴13a的尺寸由成形輔助膜11的每個(gè)孔11a控制。此時(shí)，即使突起1c的位置偏離每個(gè)孔11a的中心，由于熔融的合金液滴13a和用做核的每個(gè)突起1c凝聚，所以熔融的合金液滴13a可以可靠地形成在每個(gè)突起1c的位置處。
形成熔融的合金液滴13a后，如圖15C所示，按和以前的制造方法相同的方式在熔融的合金液滴下選擇性地生長(zhǎng)線2(線生長(zhǎng)步驟)。即，線2生長(zhǎng)在每個(gè)突起1c的位置處。因此，形成圖10所示的器件。
如有必要，氧化步驟可以按和以前的制造方法相同的方式在線2的生長(zhǎng)后進(jìn)行。
圖17為這種制造方法形成器件的SEM照片。順便提及，圖17的器件形成方法如下位置控制膜21的開(kāi)口21a在縱向和橫向按規(guī)則的間隔形成尺寸相同的圓，形成的成形輔助膜11的孔11a也為相同尺寸的圓。從圖中可以看出，每個(gè)孔11a生長(zhǎng)一個(gè)線2，基本在成形輔助膜11的每個(gè)孔11a內(nèi)的相同的位置。順便提及，與以前的制造方法相比，該制造方法甚至可以控制成形輔助膜11的每個(gè)孔11a內(nèi)線2的位置，因此，可以進(jìn)行更精確的控制。
在具有線的器件的這個(gè)制造方法中，由于作為位置決定裝置的突起1c形成在襯底1上，因此，通過(guò)催化劑層13與作為核的每個(gè)突起1c凝聚在每個(gè)突起1c的位置處形成熔融的合金液滴13a。即，可以高精確度地在設(shè)計(jì)的位置上形成每個(gè)線2。
此外，由于形成突起1c后，通過(guò)成形輔助膜11蒸發(fā)作為催化劑的金屬，所以，可以根據(jù)成形輔助膜11的每個(gè)孔11a的尺寸控制線2的厚度。因此，可以高精確度地形成設(shè)計(jì)厚度的每個(gè)線2。
本發(fā)明并不局限于以上介紹的第三實(shí)施例，可以具有不同的變形。例如，雖然在此實(shí)施例中線2在縱向和橫向按有規(guī)律的間隔排列，但本發(fā)明包括根據(jù)器件的應(yīng)用線2按給定的間距排列的情況。即使在這種情況中，也可以按和實(shí)施例相同的方式制造器件。
雖然在實(shí)施例中用二氧化硅形成成形輔助膜11，但也可以用如氮化硅(SiN4)和適宜的樹(shù)脂等其它物質(zhì)形成，只要在蒸發(fā)步驟中它們不與蒸發(fā)的金屬形成熔融的合金液滴。
雖然在此實(shí)施例中位置控制膜21用二氧化硅形成，但也可以用如適宜的樹(shù)脂等其它物質(zhì)形成。
雖然在以上的實(shí)施例中作為位置決定裝置的突起1c形成在襯底1的表面，但位置決定裝置可以為其它任何裝置，只要它們能用做核以便熔融的合金液滴13a在預(yù)定的位置上凝聚，以及在線2形成期間作為核。例如，它們可以是每個(gè)具有特定最深位置的微小的槽，或凹槽。然而，由于在熔融的合金液滴13a凝聚期間以及外延生長(zhǎng)線2期間，突起1c作為核，所以最好如實(shí)施例中介紹的通過(guò)刻蝕襯底1的表面形成突起1c。
此外，雖然在此實(shí)施例中在線生長(zhǎng)步驟中直接將硅烷氣體引入反應(yīng)爐(未顯示)中，但也可以將如氦(He)氣或氬(Ar)氣的惰性氣體稀釋的硅烷氣體引入反應(yīng)爐。
另外，雖然在此實(shí)施例中將硅烷氣體用做硅材料氣體，但可以使用乙硅烷(Si2H6)或丙硅烷(Si3H8)，或甚至硅烷、乙硅烷，和丙硅烷中至少兩個(gè)的混合氣體代替硅烷。甚至用這種氣體而不是硅烷氣體，在和硅烷氣體相同的條件下可以生長(zhǎng)具有足夠小直徑和良好形狀的硅線。
而且，不僅硅烷、乙硅烷，和丙硅烷而且通過(guò)分解反應(yīng)能夠產(chǎn)生硅的氣體，例如用氫氣(H2)稀釋的氯化硅(SiCl4)，可以用做硅材料氣體。在后一種情況中，氣壓和加熱溫度由使用的氣體適當(dāng)?shù)貨Q定。
另外，雖然此實(shí)施例為直接在硅襯底1上生長(zhǎng)硅線2，但本發(fā)明廣泛應(yīng)用于用VLS方法在襯底上生長(zhǎng)線的器件。
再者，雖然此實(shí)施例為根據(jù)本發(fā)明的器件用做光發(fā)射器件或線制作為矩陣形式的陣列器件，但也可以用做AFM(原子力顯微鏡)的探針(needles)和電子發(fā)射器件。
如上所述，在根據(jù)本發(fā)明具有線的器件中，由于可以控制每個(gè)線的形成位置，每個(gè)線可以排列在為預(yù)定目的設(shè)計(jì)的位置處，所以有利于將器件投入實(shí)際的應(yīng)用中。例如，可以得到線周期性排列的類(lèi)似矩陣的陣列器件。
此外，在根據(jù)本發(fā)明具有線的另一個(gè)器件中，由于可以控制每個(gè)線的厚度，所以其優(yōu)點(diǎn)為可以根據(jù)預(yù)定的目的任意地調(diào)節(jié)每個(gè)線的厚度。因此，可以得到每個(gè)線的厚度相等的器件，厚度不同的線排列可發(fā)出多種波長(zhǎng)的可見(jiàn)光束的器件。
再者，在根據(jù)本發(fā)明具有線的器件的制造方法中，由于在襯底上形成了輔助線形成的輔助裝置，所以可以利用輔助裝置控制每個(gè)線的位置和厚度。這樣的優(yōu)點(diǎn)在于可以高精確度地生長(zhǎng)線。因此，可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明具有線的器件。
權(quán)利要求
1.一種量子線的制造方法，包括以下步驟將硅材料氣體的分解反應(yīng)中作為催化劑的金屬蒸發(fā)到硅襯底上；加熱在含有硅材料氣體的氣氛中蒸發(fā)金屬于其上的硅襯底，并且因此用金屬做催化劑分解硅材料氣體，在硅襯底的表面上生長(zhǎng)硅線；在表面部分氧化這樣得到的硅線形成氧化膜；除去硅線端部的金屬；除去氧化膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的制造方法，其中在金屬蒸發(fā)步驟中蒸發(fā)的金屬厚度為5nm或更小。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的制造方法，其中金屬為金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的制造方法，其中硅材料氣體為硅烷氣、乙硅烷氣，和丙硅烷氣中的至少一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的制造方法，其中在硅線生長(zhǎng)步驟中，在小于0.5Torr含有硅材料氣體的氣氛中將硅襯底加熱到450℃或更高。
6.一種量子線的制造方法，包括以下步驟將和硅形成熔融的合金液滴的金屬蒸發(fā)到硅襯底上；蒸發(fā)步驟后，在0.5Torr或更高的含硅材料氣體的氣氛中將硅襯底加熱到400℃或更低生長(zhǎng)硅量子線，通過(guò)硅材料氣體的分解反應(yīng)產(chǎn)生硅，在400℃或更低的分解反應(yīng)中，吉布斯自由能為負(fù)變量。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的制造方法，其中金屬為金、銀，和銦中的至少一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的制造方法，其中在蒸發(fā)步驟中蒸發(fā)的金屬厚度為5nm或更小。
9.根據(jù)權(quán)利要求6的制造方法，其中硅材料氣體為硅烷氣、乙硅烷氣，和丙硅烷氣中的至少一種。
10.在襯底上具有多個(gè)線的器件，其中可以控制多個(gè)線的每個(gè)的形成位置。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的器件，其中各個(gè)線排列在給定位置。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的器件，其中各個(gè)線周期性地排列。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的器件，其中各個(gè)線由硅制成。
14.制造線的方法，包括以下步驟在襯底上形成具有開(kāi)口的掩模；將生長(zhǎng)線期間成為催化劑的金屬蒸發(fā)到其上形成掩模的襯底上；在含有形成線的材料氣的氣氛中加熱蒸發(fā)金屬于其上的襯底，在襯底的開(kāi)口中生長(zhǎng)線。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的制造方法，其中掩模具有多個(gè)周期性形成的開(kāi)口。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的制造方法，其中開(kāi)口的尺寸對(duì)應(yīng)于要生長(zhǎng)的線的直徑。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的制造方法，還包括在線生長(zhǎng)步驟之前加熱蒸發(fā)金屬于其上的襯底的步驟。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的制造方法，其中在襯底的加熱步驟中的加熱時(shí)間為10分鐘或更長(zhǎng)。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的制造方法，其中在襯底的加熱步驟中，加熱襯底直到金屬和構(gòu)成襯底的物質(zhì)的至少一個(gè)合金液滴在開(kāi)口中形成。
20.根據(jù)權(quán)利要求14的制造方法，其中襯底具有用于掩模開(kāi)口中線生長(zhǎng)的核。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的制造方法，其中由在襯底的表面上形成多個(gè)凹槽，和選擇性地刻蝕凹槽的側(cè)壁在多個(gè)凹槽的相鄰的凹槽之間形成突起的步驟形成核。
22.根據(jù)權(quán)利要求14的制造方法，其中每個(gè)襯底和線都由硅制成。
23.根據(jù)權(quán)利要求14的制造方法，其中硅材料氣體為硅烷氣、乙硅烷氣，和丙硅烷氣中的至少一種。
24.根據(jù)權(quán)利要求14的制造方法，其中襯底為(111)面硅襯底。
全文摘要
加熱硅襯底時(shí),厚度為0.6nm的金蒸發(fā)于其上,因此在襯底表面形成熔融的合金液滴。然后,在小于0.5Torr的硅烷氣體氣氛中將硅襯底加熱到450℃—650℃。因此,發(fā)生由熔融的合金液滴做催化劑的硅烷氣體的分解反應(yīng),因而硅線生長(zhǎng)在襯底表面。接下來(lái),除去硅線端部的熔融的合金液滴,并氧化硅線的表面部分。此后除去所得的表面氧化層。因此,得到減薄厚度為表面氧化層厚度的硅量子線。
文檔編號(hào)C30B11/00GK1181635SQ97121208
公開(kāi)日1998年5月13日 申請(qǐng)日期1997年10月28日 優(yōu)先權(quán)日1996年10月28日
發(fā)明者喬納森·韋斯特沃特, 德哈拉姆·帕爾·高塞恩, 中越美彌子, 碓井節(jié)夫 申請(qǐng)人:索尼株式會(huì)社