CN102264943A - 用于碳纳米管生长的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种在基底(13)上生长高纵横比发射体(26)的装置。该装置包括限定腔室的外罩(10)，并包括连接至外罩且放置在腔室内、用于保持基底的基底保持器(12)，其中基底具有用于在其上生长高纵横比发射体(26)的表面。加热元件(17)放置于接近基底，并为选自碳、导电金属陶瓷和导电陶瓷中的至少一种材料。外罩限定出通入到腔室内的开口(15)，该开口用于接收进入到腔室内用来形成高纵横比发射体(26)的气体。

Description

用于碳纳米管生长的装置和方法
技术领域
本发明总的来说涉及一种用于选择性制造高纵横比发射体的装置和方法，更具体地涉及一种用于在大表面积上制造碳纳米管的装置和方法。
背景技术
碳是已知元素中最重要的元素之一，并且能够与氧、氢和氮等结合。碳具有包括金刚石、石墨、富勒烯和碳纳米管的四种独特晶体结构。特别地，碳纳米管是指生长有单壁或多壁的螺旋形管状结构，且一般分别被称作单壁纳米管(SWNT)或多壁纳米管(MWNT)。通过卷曲由多个六边形形成的片，从而获得这些类型的结构。通过使其中的每个碳原子与三个相邻的碳原子相结合以形成所述片，从而形成螺旋形管。碳纳米管通常具有在几分之一纳米至几百纳米的量级内的直径。
现有的制备碳纳米管的方法包括电弧放电技术和激光烧蚀技术。遗憾的是，这些方法通常生产出具有缠结纳米管的松散材料。最近，J.Kong，A.M.Cassell和H Dai在Chem.Phys.Lett.292，567(1988)中及J.Hafner，M.Bronikowski，B.Azamian，P.Nikoleav，D.Colbert，K.Smith和R.Smalley在Chem.Phys Lett.296，195(1998)中报道了通过热化学气相沉积(CVD)方法并使用Fe/Mo或Fe纳米粒子作为催化剂，证明形成了高质量的单根的单壁碳纳米管(SWNT)。CVD方法使单根的SWNT可选择性生长，并且简化了制备SWNT基设备的方法。所需制备方法的选择应考虑到碳纳米管纯度、生长均匀性和结构控制。电弧放电和激光方法不能提供通过CVD方法所获得的高纯度和有限缺陷。电弧放电和激光烧蚀方法不是直接生长方法，而需要对生长的碳纳米管进行纯化、布置和后处理。与常规的等离子体增强CVD(PECVD)方法形成对比的是，已知热丝化学气相沉积(HF-CVD)技术使得可以制备高品质碳纳米管而不损害碳纳米管结构。因为不需要产生等离子体，HF-CVD系统装置通常设计简单并且成本低。与热CVD相比，HF-CVD证明了在与玻璃基底转化点(通常在480℃至620℃之间)相适合的相对较低温度下于大表面基底上高的碳纳米管生长速率、高的气体利用效率和良好的工艺稳定性。
热丝阵列是HF-CVD装置的热激发源。其主要作用是加热工艺气体，以使烃前体解离成活性物质，并使分子氢解离成活性原子氢。这些活性物质然后扩散到受热的基底(通常是玻璃板)，在该基底上发生催化的碳纳米管生长。在现有技术HF-CVD系统中，在烃气体的存在下，细金属丝的受热表面转变成碳化物或者进行渗碳。已知碳化物的形成可提高细丝的脆性并因此引起细丝寿命问题。此外，存在于工艺气体混合物中的氢气强化了细丝脆性结果。一般而言，常规HF-CVD方法中使用的热丝的直径较小(即，在几百微米至约1毫米的量级上)，并且该细丝在它们的末端被刚性网格框架物理固定，从而使细丝在水平方向上被拉伸。在细丝的电阻加热过程中，由于热重结晶，这些小直径细丝趋于在线性方向上膨胀。结果，由于重力，该又热又细的细丝趋于向基底物理松垂；因此在平的基底表面上产生了变形的细丝和不均匀的细丝网格间隙。由于基底至细丝的距离被这种细丝松垂所如此扭曲，热丝网格的不规则形状促使了局部温度的变化并因此促使了在大基底面积上的非均匀生长。
从阳极板上的电子发射体例如碳纳米管产生电子束而用来在显示屏上产生图象或文本的场发射设备在本领域中是熟知的。碳纳米管作为电子发射体使用降低了真空设备的成本，其中包括场发射显示器的成本。用碳纳米管替换其它电子发射体(例如，Spindt微尖)已经实现了场发射显示器成本的降低，所述其它电子发射体与碳纳米管基电子发射体相比一般具有更高的制造成本。在阳极板上的点接受每一电子束，称之为显示屏上的象素。显示屏可以是小的，或者非常大的例如用于计算机、大显示屏电视或更大的设备。然而，非常大的显示器上的碳纳米管场发射体的集成需要解决许多被证明是难以克服的制造和工艺质量问题。这些问题包括基底的不均匀加热，碳纳米管生长期间玻璃基底的有限温度范围，热气体解离的较差的控制，碳纳米管底污染，和由于细丝电阻在工艺温度下的变动而引起的不稳定的工艺可靠性。
如上所述，已知的碳纳米管显示设备的制造方法需要高的温度。这些方法通常需要基底加热器和由阵列制成的气体解离源，其中该阵列包括多个覆盖在纳米管生长区域上的电阻加热金属丝。然而，对于在更大显示面板上碳纳米管的HF-CVD，由于由重力造成的金属加热器细丝朝向基底的弯曲或松垂，一直未获得碳纳米管均匀生长所需要的均衡的热分布。这产生了更热的局部区域，在该区域金属加热器细丝松垂。电阻加热金属细丝还提供了工艺气体的热解离；然而，由电阻变动所引起的金属细丝电性能的变化导致了在气体解离和自由基物质上的变化，并因此导致了碳纳米管生长工艺的非均匀性和非再现性。
因此，期望提供一种用于制造大规模碳纳米管显示设备的装置。此外，从随后的发明详细描述和所附权利要求书，并结合附图和本发明的这种背景，本发明的其它期望的特征和特性将变得明显。
发明内容
提供了一种用于在基底上生长高纵横比发射体的装置。该装置包括限定腔室的外罩，连接至外罩并放置在腔室内、用于保持基底的基底保持器，其中基底具有用于在其上生长高纵横比发射体的表面。加热元件接近基底放置，且其为选自碳、导电金属陶瓷和导电陶瓷中的至少一种材料。外罩限定了通入到腔室内的开口，该开口用于接收进入到腔室内、用于形成高纵横比发射体的气体。
附图说明
下面将结合附图图形来描述本发明，其中相同的数字表示相同的元件，
图1是根据本发明实施方案的生长腔室的等距示意图；
图2是图1的生长腔室的侧面示意图；
图3是图1中示出的加热器元件的等距视图；
图4是示出了图3中示出的加热器元件的间距的示意图；
图5是加热器元件的另一个实施方案的等距视图；
图6是加热器元件的又一个实施方案的等距视图；
图7是基底和加热器元件的示意性侧视图，示出了来自加热器元件的直接辐射；
图8是另一实施方案的基底和加热器元件的示意性侧视图，示出了来自加热器元件的直接辐射；
图9是基底的示意性侧视图，示出了生长期间的电子运动；
图10是根据本发明实施方案的第一偏置方案的示意性侧视图；
图11是根据本发明实施方案的第二偏置方案的示意性侧视图；和
图12是根据本发明实施方案的第三偏置方案的示意性侧视图。
具体实施方式
下面的本发明的详细描述本意上仅是示例性的，且不意欲限制本发明或本发明的用途和应用。此外，不意欲受前述的本发明背景技术中和下面的本发明详述中的任何理论的束缚。
下面详细描述热丝化学气相沉积装置，其包含多个用于碳纳米管生长的受热细丝，该细丝具有高熔化温度、非金属性、电传导性、化学与热的惰性、和对工艺气体的稳定性(例如，氢气与烃气体混合物，或者其它例如O2、N2和NH3的活性气体)。
参考图1和2，生长腔室的简化示意图包括连接至外罩10的基底保持器11。生长腔室20可用来在基底上生长高纵横比发射体26例如碳纳米管。基底加热器12通常放置在基底保持器11的下方，用于在生长期间加热放置在基底保持器11上的基底13。尽管基底加热器12在大多数应用(例如集成电路的制造)中是典型的，但是其中不需要该加热器并且可用水冷却的基底保持器(例如，在小于150℃的低熔点基底例如聚合物或塑料上的碳纳米管的生长)对其进行替代的应用是预见得到的。任选的气体喷头14通过气体入口15接收活性进料气体并被放置在热丝阵列17之上，以用于在基底13上方均匀地分布气体。如果被传送至腔室20内的气体是被充分地压缩的话，可以不需要喷头14。用于大玻璃显示器的基底被放置在基底加热器12的上方来进行加热，基底加热器12通常包含嵌入的并且与基底保持器11电绝缘的电阻线，该电阻线向基底保持器11(石墨材料是用于基底加热器的优选实施方案，以使基底加热器元件与活性气体过程的活性相互作用最小化)提供辐射或传导热。由于基底保持器11具有大的热质(相比于基底13)，因此其温度变化非常缓慢。这提供了用于大面积基底的更好的温度控制和均匀性。基底13(例如，玻璃板)放置在基底保持器12上，并通过辐射、传导和/或对流对其加热。相对于通过热丝直接加热，使用额外的基底加热器进行加热的关键优点之一是，可获得玻璃板的窄的玻璃温度均匀性，并同时将水冷HF-CVD反应器壁保持于室温下。对于调节具有与基底加热器12紧密接触的玻璃基底的基底13的温度，基底加热器12提供了更好的控制，这两个元件的温度始终非常接近。这提供了一种使用嵌在基底保持器内的热电偶(未示出)来监控玻璃板平均温度的实用的方法。
在纳米管26的生长中，通常在生长纳米管26之前将催化剂(未示出)沉积到基底13上。催化剂可包含镍，或任何其它工业上已知的由过渡金属制成的催化剂。最后在CNT生长工艺的终了时冷却玻璃板，可将该玻璃板从基底加热器上取下并转移至另一个加载互锁(load lock)室(未示出)来加速温度的降低。
根据本发明的优选实施方案(同样参考图3)，加热元件16是包含多个平行放置在基底13上方的等距细丝17的气体解离源。加热元件16连接在两个由传导材料(即，金属，石墨，导电陶瓷)制成的平行且彼此电绝缘的支撑体18之间。每个支撑体18连接至DC电压源或低频AC电压源21，该电压源提供电流以电阻加热丝17。当加热丝17时，基底13的温度开始升高至一定温度。基底13所达到的这种上限温度既是从细丝17和基底加热器12的热传递的结果，又是基底13与基底保持器11之间的热传导的结果。因此，为了改善基底温度的可控性，需要既降低来自细丝17的热传递又增加热传导。改善基底温度的可控性的方法是使用碳网筛阵列41(图4)代替细丝阵列17(图3)。这种网筛阵列可降低来自细丝的热传递量并且降低了基底温度与基底保持器11的温度之间温度上的差异。在基底保持器11和加热元件16之间提供了偏压。平行的细丝阵列17是用于在大基底面积上均匀地生长碳纳米管26的优选实施方案。对于给定的基底13面积和最优化的基底-细丝距离，当为了效率而设计时，要考虑细丝直径、最小的细丝长度、平行细丝的数量及它们之间的间隔。
加热元件16包含由碳(包括石墨)、导电金属陶瓷和导电陶瓷(例如，形成碳化物或氮化物的B、Si、Ta、Hf、Zr)中的至少一种组成的导电、高熔化温度的材料。根据优选实施方案，细丝17由直径为0.25mm至0.5mm的直的石墨线制成，并由DC或低频AC电流加热。对细丝17进行排列，以形成与基底13的平面相平行的平行线形细丝17的阵列。它们被平行地电连接，每个具有几厘米至超过50cm的长度，且必须放置得与基底13足够接近，其中每个的辐射图案61重叠，从而向基底13提供了均匀的热分布。对于给定的细丝直径，根据细丝17与基底13(见图4)之间的最佳距离H，确定了细丝17的数量和细丝17之间的距离D。通常，为了实现碳纳米管26生长均匀，除了保证均匀基底温度之外，将细丝阵列17设计成这样一种方式，即细丝17之间的距离小于细丝17与基底13之间距离的一半。
再次参考图1，DC或低频AC电流源21通过连接器22和23向支撑体18供以电流，并因此向用于产生辐射热的加热元件16供以电流。电阻器24连接在气体分布元件14与连接器23之间用来给气体分布元件14加偏压，从而指引来自加热元件16的电子离开气体分布元件14。DC电压源25连接在基底保持器11与低频AC电流源21之间，优选在所示的中心点处，用于将来自加热元件16的电子吸引向基底13。
参考图5，石墨加热元件16的第二实施方案包含网筛41，并放置在支撑体18之间。加热元件16的第三实施方案，如图6中所示，其包含既充当加热源又充当气体分布器的中空棒51。中空棒51包含用于接收工艺气体的入口52和多个用于在基底13上方如箭头54所示分布气体的孔53。对于第一实施方案，网筛41和中空棒51包括由碳(包括石墨)、导电金属陶瓷和导电陶瓷(例如，形成碳化物或氮化物的B、Si、Ta、Hf、Zr)中的至少一种组成的导电、高熔化温度的材料。
参考图7和8，细丝17辐射作为两个部件被举例说明：分别地，一个用于来自细丝17的直接辐射，而另一个部件用于来自细丝的非直接反射辐射。如期望的那样，大约一半的辐射能量来自直接辐射。另一半来自非直接辐射，其被位于细丝17之上的气体分布器14或者部分地反射或者吸收。类似于反射体的气体分布器14形状的目的，图8中所示，是尽可能多地将来自细丝的辐射向下朝向基底13反射，并且通过喷头14表面改善辐射均匀分布，其中喷头14表面面对着每个细丝并被成形为多少类似于椭圆形。细丝17精确地居于相对于这种椭圆形的中心，这种椭圆形表面非常平滑并且优选用高反射材料进行涂布。
通过来自加热元件16的辐射并通过氢原子的再结合来加热基底13。在已知的CVD方法中，使用流经腔室的CH4在H2中的混合物及热丝或等离子体，将气体前体解离成CHy和H自由基，其中y＝4，3，2，1，0。在优选实施方案的HF-CVD方法中，CHy和H主要在热丝17的表面处产生。然后通过扩散和对流将这些物质转移至基底。取决于催化剂，碳纳米管26的形成消耗CHy自由基，使它们的浓度降至一定水平，在该水平下，催化粒子活化作用和因此的碳纳米管生长被降低或终止。
加热元件16温度的主要作用之一是设定气体处理温度的上限。加热元件16温度足够高，其产生了其强度可通过施加到基底13的正偏压来控制的热离子电子发射电流。电子与工艺气体相互作用，是因为在受热的加热元件16的表面处存在高强度。与CH4的反应是熟知的，即e-+CH4-＞CH+3+H+2e，即便没有任何加速电压，但电子具有5eV的能量。因此，施加偏压增加或降低了如图9中所示的电子能量。在没有基底13偏压时，碳纳米管26生长速度缓慢。因此，这种热离子电子发射增强了气体分子分裂反应，其形成了用于碳纳米管26生长所必需的前体。
加热元件16提供了几种高于已知系统的优点。首先，使用的非金属材料是刚性的且不会像已知金属细丝那样松垂。在加热期间，金属细丝膨胀是造成非均匀碳纳米管26生长的主要原因。当被加热至在1500℃至大于3000℃范围内的工作温度时，已知的金属细丝膨胀。金属细丝松垂在玻璃基底上产生热斑(在其松垂处)和相对冷的点(在其没有松垂处)。因此，通过不松垂，本发明的加热元件16在基底13上方提供了均匀的热分布。通过使用没有液态的碳化物或氮化物，避免了由于温度改变而引起的材料特性的转化。其次，在碳纳米管生长期间，已知技术的金属细丝通常与烃气体反应形成碳化物。这种碳化物的形成导致了更大的热诱导应力(更加松垂)，及更强烈的本征电阻率变化和导致功函的改变。因此，本发明的一个目的是提供一种装置，其中加热的气体解离源由对工艺反应性气体呈惰性的非金属加热元件16制成。
加热元件16的另一个优点是生长过程中所使用气体解离的增强。根据本发明的方法，在高纵横比发射体26例如碳纳米管的生长中，于优选为1500℃至大于3000℃的温度下和在10-100托范围内的压力下，均匀地施加包含CH4和H的气体，使其穿过加热元件16，裂化气体，从而形成适合于生长方法的各种烃自由基和氢。参考图9，从热丝17中出来的电子经过加热元件16与基底13之间的真空区域并撞击基底，引起朝向底线的电流流动。加热元件16，被施加朝向基底13的负偏压，致使电子加速并达到基底13。
HFCVD方法中的关键参数之一是加热元件16处的原子氢生成速率。由于两个原因，原子氢在碳纳米管26的生长中起重要作用：其在烃自由基的产生中至关重要，并且在催化剂粒子的裂解和氧化还原中以及在碳纳米管26的生长中起重要作用。根据本发明合成的碳纳米管26在特性上的差异是由自由基物质的差异造成的，该自由基物质从不同加热元件16温度下的热表面解吸附。由热表面处的烃气体(即CH4)的热分解产生的自由基与气相物质反应，生成用于碳纳米管26生长的前体分子。对于控制通过HF-CVD方法的催化碳纳米管26生长的化学动力学，控制从加热元件16解吸附的气体物质是重要的。
参考图9，电子也是在气体分子的撞击解离时形成活性物质的原因，所述活性物质将形成碳纳米管26，沉积过程中的有关参数是流向在加热元件16和基底保持器11之间区域内的基底13的电子电流。如果这一区域的电场足以将加热元件16自由电子加速至可引起气体分子离子化的足够大的能量，则基底13所收集的电流是由加热元件16热离子化地产生的电子和由于离子化而从气体分子上分离出的电子组成。
相比于使用金属细丝的现有技术的HF-CVD技术，碳、导电金属陶瓷和导电陶瓷例如形成碳化物和/或氮化物的B、Si、Ta、Hf、Zr的电阻率大于纯金属的电阻率。因此，能够构建更大直径的被加热的加热元件16。这有利于加热元件16的机械强度和刚性。这甚至使松垂影响最小化，并且提高了加热元件16的寿命。
因为石墨加热元件16不形成碳化物(不渗碳)、不熔化并具有极高的固相到气相转化温度(对于石墨为约4000℃)，所以在碳纳米管26生长过程中能够使用更宽的温度范围，并且发生基底和随后的碳纳米管26的污染的可能性较小。加热元件16的非渗碳是一个优点，其实现了可再现的、可控的和均匀的碳纳米管26HF-CVD方法。
所有通过常规化学气相沉积的用于碳纳米管26生长的方法均包括活性物质的产生，活性物质向催化剂的转移，和催化剂表面处生长物质的活化。然而，为了获得高生长速率，需要更多的能量输入到生长系统中，以产生更多的活性自由基并将它们尽可能快地供给至表面。已知热加热元件16是种极好的辐射热源和电子的饱和源，如图9所示。因此施加到热加热元件16的附加的负偏压允许这些饱和热电子的引出和加速。在给定的加热元件16温度下，电子流动被施加到基底13的正偏压25引出和控制。在给定的压力下，加偏压的基底13足以将电子加速至适合于裂解并激发工艺气体的能量。因此，用加速电子进行的碰撞成为造成气体解离和激发的主要原因，并允许在更低的加热元件16温度下工作。电势和HF-CVD的组合有利于基底加热器与加热元件16之间更好的热操作。这改善了温度控制并且允许碳纳米管26在更低的温度下生长。关于加热元件16温度和系统压力(电子的平均自由行程)，能够调整引出电压，用来最优化气相反应和碳纳米管26生长速率。HF-CVD能够导致高生长速率的原因是它相对于等离子体增强CVD(PECVD)的高工作压力。在高压偏置的HFCVD中，用于电子和分子之间碰撞的平均自由行程较小，因此电子从施加的电场中吸收的过量能量，通过电子与分子的碰撞，被再分配至更大的气体分子。因此，为了更好的热操作和更好的碳纳米管26的分布均匀，可增加热加热元件16与基底之间的间距。实验结果显示，这种组合在用于场发射应用的高品质碳纳米管26的生长速率方面比常规的HF-CVD具有优势。因此，气体分子与电子的温度在相对高的温度下平衡。原子氢与分子烃自由基的产生既作为高能分子又作为电子碰撞的结果而出现。另外，在这种高气体温度梯度区域内，增加了对流与扩散速率。因此，在高压偏置的HF-CVD中，增加了原子氢与分子自由基的绝对浓度。这有助于高的碳纳米管26生长速率。总之，用于根据本发明HF-CVD方法中的加热元件16的非金属材料致使细丝17寿命延长，减少了细丝17的蒸发，并降低了纳米管26和基底13的污染，在碳纳米管26生长期间控制的稳定的向基底13的碳流动，和多次可靠的且可再现的方法。
参考图10，具有所施加的交流电或射频信号82的中间电极81提供了一种用于对该工艺赋予额外的能量、从而产生额外的气体解离并随后产生额外的物质的手段。在催化剂诱导/或碳纳米管26生长步骤期间，HF CVD反应器可以这种混合配置运行。首先，在热加热元件16与等离子体网格之间施加额外的AC或RF偏置电压82，其中等离子体网格放置在下面，在加热元件16与基底13之间的间隙内。其次，可向基底13施加DC或低频RF基底偏压25，从而用电子撞击表面。AC或RF偏压82的作用是在加热元件16与中间网格81之间产生常规等离子体，从而致使气体在这一细丝网格限定的区域内进行解离和活化增强。网格81和DC偏压25的作用是防护基底13处的离子轰击的影响，并且仅加速电子和反应性烃自由基朝向基底13。关于加热元件16温度的不同电压的独立控制，允许细微地调节气体解离和流向基底13的电子。在这种混合模式布置中，HF-CVD反应器表现出更高的处理灵活性和能力。
参考图11，向加热元件16和气体喷头14、或者在不存在喷头下向位于加热元件16上方的热防护体施加交流电或射频信号。这种布置导致了赋予前体气体额外的能量，从而产生更有效的气体物质解离。向基底13施加DC基底偏压以从加热元件16引出饱和电子并增强其表面的电子撞击。HF-CVD的这两种混合配置均使得可独立地控制催化剂诱导和碳纳米管生长进程，以进行同质的和均匀的碳纳米管26生长，增强基底13被电子的轰击并向下改变温度至其中只有选择性碳纳米管生长占主导过程的温度范围。相比于标准HF CVD技术的这些混合HFCVD技术显示出显著的优势，以在更宽范围的基底13材料基础上控制碳纳米管26生长动力学。
参考图12，另一实施方案含有包含开口101的气体分布元件14，其中开口101被成形为狭缝形式，与放置在气体分布元件14内用来如箭头104所示分布气体的细丝17平行且在其下面。用额外电源102对狭缝(101)加偏压，这使该元件起控制网格的作用。添加的这种控制网格使得可以控制电子从狭缝的缝隙流出，而与此同时环绕细丝17棒的气体分布器14的材料降低了来自细丝17的红外辐射，并充当可使气体物质更有效地解离的气体集中器。控制电子的流动在特定类型的纳米管和纳米线的生长和成核中是重要的，并且还能够在纳米粒子的成核中起辅助作用。
加热元件16由碳(包括石墨)、导电金属陶瓷和导电陶瓷(例如，形成碳化物和/或氮化物的B、Si、Ta、Hf、Zr)中的至少一种组成，其提供了与基底13的更加一致的距离，并提供了基底13的均匀辐射热和控制的气体电热解离，这致使在大面积上高纵横比发射体26的均匀生长。这些材料的高熔化温度导致了发射体生长期间更宽的温度范围，和从加热元件16流出的电流密度的显著增加，并因此导致了热气体解离的增加和原子氢的形成。此外，用于加热元件16的这些材料的使用消除了由加热元件16材料(氢脆化)的蒸发而引起的催化剂和发射体污染的风险，并由于化学惰性和不存在与加热元件16形成碳化物而提供了恒定的加热元件16的电阻值，因此提供了用于从一个生长到下一生长的更好的气体解离反应的稳定的发射电流，和更长的加热元件寿命。使用这些用于加热元件16的材料的重要结果是，增加了在加热元件16处的原子氢产生速率。被电场调制的更大电子流通的产生提供了更加可以控制的气体解离和温度均匀性，以及更大的机械稳健性和更稳定的热离子源。这些改进导致了用于在大面积基底上低温生长的实用的可再现的生产方法和设备。
工艺实例
在间歇HF-CVD方法中，通过使用主泵的和涡轮分子泵成套设备将HF-CVD反应器抽空至10E-6托这样低的基础真空压力。一旦达到反应器内的基础压力，在优选大于1500℃的温度下加热包含例如细丝17的加热元件16。同样接通基底加热器12并允许独立地控制基底13温度而不受细丝17温度影响。
当基底13达到350℃的温度时，分子高纯氢气流过在热丝17上方的质量流控制器(MFC-未示出)。通过调节在沉积腔室(罩10)和真空泵(未示出)之间的节流阀，以及通过MFC来控制反应器10内的压力。MFC提供了一种将固定流速的工艺气体导入HF-CVD反应器内的方法。碳纳米管生长的第一步在于催化剂粒子的裂解和在1E-1托的分压下在氢气中的还原。通过MKS压力计(未示出)来监控HF-CVD系统内的压力。
当基底13温度达到500℃时，烃气体(例如，CH4)流动并以非常特别的氢气与烃气体之比与氢气混合，并且增加了输入到细丝阵列17内的功率。与此同时，反应器内的压力也增加至10托，并然后历经必要的时间而引发催化剂粒子的诱导阶段(碳纳米管的成核)，通常为几分钟，以达到550℃的碳纳米管生长温度。
一旦在此温度，通过接通给细丝17和基底保持器11加偏压的DC和/或RF电源21，启动碳纳米管26的生长步骤。取决于前述的工艺条件(即，压力、气体比例和流向基底的偏置电流)和所需的碳纳米管26(例如，长度、直径、分布和密度等)，生长持续时间可为2分钟至10分钟。
在生长的终了时，关闭细丝阵列17、基底加热器12以及偏置电压21，切断工艺气体流动并将基底13冷却至室温。通过流过可增加与反应器冷壁的热传导交换的高压中性气体(例如，He，Ar)，能够显著缩短间歇HF-CVD反应器20内的长冷却步骤。
虽然在前面本发明的详细描述中给出了至少一个示例性实施方案，但是应该理解存在非常多的改变形式。也应该理解示例性实施方案仅是实施例，且不意欲以任何方式限制本发明的范围、实用性或构成。而是，前面的详细描述可为本领域技术人员提供用于实施本发明示例性实施方案的方便的指示，应该理解，可将示例性实施方案中所描述要素的功能和布置作各种改变，而不背离所附权利要求所定义的本发明的范围。

Claims (49)

1.一种用于在基底上生长高纵横比发射体的装置，其包含：
限定腔室的外罩；
连接至外罩并放置在腔室内、用于保持基底的基底保持器，其中基底具有用于在其上生长高纵横比发射体的表面；
放置在腔室内并接近基底的加热元件，其为选自碳、导电金属陶瓷和导电陶瓷中的至少一种材料；和
其中所述外罩限定出通入到腔室内的开口，该开口用于接收进入到腔室内用来形成高纵横比发射体的气体。
2.如权利要求1的装置，其还包含放置在加热元件与基底之间的充电网格。
3.如权利要求1的装置，其还包含连接至所述开口、用于在基底上方均匀地分布气体的气体分布元件，所述加热元件放置在所述气体分布元件内。
4.如权利要求1的装置，其中加热元件包含多个连接至开口的中空棒，用于在基底上方均匀地分布气体。
5.如权利要求1的装置，其中加热元件包含网筛，该网筛包括放置在第一方向上的多个第一细丝和放置在第二方向上的多个第二细丝。
6.如权利要求1的装置，其中加热元件包含防止在加热元件上形成碳化物的材料。
7.如权利要求1的装置，其还包含用于给基底相对于加热元件施加正偏压的第一电路。
8.如权利要求1的装置，其中加热元件由石墨组成。
9.如权利要求1的装置，其中加热元件由碳化硅组成。
10.如权利要求1的装置，其中加热元件包含多个细丝。
11.如权利要求1的装置，其还包含连接至开口、用于在基底上方均匀地分布气体的气体分布元件。
12.如权利要求11的装置，其还包含用于给基底相对于加热元件和气体分布元件施加正偏压的第二电路。
13.如权利要求1的装置，其中加热元件包含防止加热元件的任何渗碳的材料。
14.如权利要求13的装置，其中加热元件包含产生饱和热离子电子发射电流的材料。
15.一种用于在基底上生长高纵横比发射体的装置，其包含：
限定腔室的外罩，该腔室具有用来接收气体的开口；
连接至外罩并放置在腔室内、用于保持基底的基底保持器，所述基底具有用于在其上生长高纵横比发射体的表面；和
加热元件，其放置在腔室内并接近基底，用来向基底提供辐射加热，且其被施加偏压，用来提供控制的气体电热解离。
16.如权利要求15的装置，其中加热元件包含在所述气体存在下不改变物理或化学性能的材料。
17.如权利要求15的装置，其中加热元件是选自碳、导电金属陶瓷和导电陶瓷中的至少一种材料。
18.如权利要求15的装置，其还包含放置在加热元件与基底之间的充电网格。
19.如权利要求15的装置，其还包含连接至开口、用于在基底上方均匀地分布气体的气体分布元件，所述加热元件放置在所述气体分布元件内。
20.如权利要求15的装置，其中加热元件包含多个连接至开口、用于在基底上方均匀地分布气体的中空棒。
21.如权利要求15的装置，其中加热元件包含网筛，该网筛包含放置在第一方向上的多个第一细丝和放置在第二方向上的多个第二细丝。
22.如权利要求15的装置，其中加热元件包含防止在加热元件上形成碳化物的材料。
23.如权利要求15的装置，其中加热元件包含防止加热元件的任何渗碳的材料。
24.如权利要求15的装置，其中加热元件包含产生饱和热离子电子发射电流的材料。
25.如权利要求15的装置，其还包含用于给基底相对于加热元件施加正偏压的第一电路。
26.如权利要求25的装置，其还包含用于给基底相对于加热元件和气体分布元件施加正偏压的第二电路。
27.一种方法，其包括：
提供具有表面的基底；
由加热元件向该表面上提供辐射热，其中加热元件为选自碳、导电金属陶瓷和导电陶瓷中的至少一种材料；和
在表面上生长高纵横比发射体。
28.如权利要求27的方法，其中生长步骤包括通过气体分布元件在基底上方均匀地分布气体。
29.如权利要求27的方法，其还包括给基底相对于气体分布元件施加正偏压。
30.如权利要求27的装置，其还包括使气体分布通过加热元件并均匀地分布在基底上方。
31.如权利要求27的装置，其中所述提供辐射热包括产生饱和热离子电子发射电流。
32.如权利要求27的方法，其还包括给基底相对于加热元件施加正偏压。
33.如权利要求27的方法，其还包含用于给基底相对于加热元件和气体分布元件施加正偏压的第二电路。
34.如权利要求27的方法，其中生长步骤包括生长碳纳米管。
35.一种方法，其包括：
提供具有表面的基底；
由加热元件向该表面上提供辐射热；
给加热元件施加偏压，用来提供控制的气体电热解离；和
在该表面上生长高纵横比发射体。
36.如权利要求35的方法，其还包括给基底相对于气体分布元件施加正偏压。
37.如权利要求35的装置，其还包括使气体分布通过加热元件并均匀地分布在基底上方。
38.如权利要求35的装置，其中所述提供辐射热包括产生饱和热离子电子发射电流。
39.如权利要求35的方法，其还包括给基底相对于加热元件施加正偏压。
40.如权利要求35的方法，其中生长步骤包括生长碳纳米管。
41.一种用于在基底上生长高纵横比发射体的装置，其包含：
限定腔室的外罩；
连接至外罩并放置在腔室内、用于保持基底的基底保持器，其中基底具有用于在其上生长高纵横比发射体的表面；和
加热元件，其放置在腔室内并接近基底，且包含具有不会由于4000℃以下的温度而变化的性能的材料；和
其中外罩限定出通入到腔室内的开口，该开口用于接收进入到腔室内用来形成高纵横比发射体的气体。
42.如权利要求41的装置，其中加热元件包含具有对所述气体呈惰性的性能的材料。
43.如权利要求41的装置，其中加热元件包含防止在加热元件上形成碳化物的材料。
44.如权利要求41的装置，其中加热元件由石墨组成。
45.如权利要求41的装置，其中加热元件包含防止加热元件的任何渗碳的材料。
46.如权利要求45的装置，其中加热元件包含产生饱和热离子电子发射电流的材料。
47.一种方法，其包括：
提供具有表面的基体；
给基底相对于加热元件施加正偏压；
由加热元件向该表面上提供辐射热；和
在该表面上生长高纵横比发射体。
48.如权利要求47的方法，还包括：
控制由加热元件向基底的电子流动；
防护基底，使之不受加热元件所发射的热辐射的影响；和
提高气体反应效率。
49.如权利要求27的装置，其中所述提供辐射热包括产生饱和热离子电子发射电流。
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