JP2006199582A - 集束イオンビームを利用した炭素ナノチューブの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】集束イオンビームを利用した炭素ナノチューブの製造方法を提供する。
【解決手段】基板１０を準備する工程と、集束イオンビームを利用して、集束イオンビームに含まれたイオン１２が基板１０の表面に陥没される工程と、スキャンされた基板１０上に炭素ナノチューブ１４を成長させる工程と、を含む集束イオンビームを利用した炭素ナノチューブの製造方法である。集束イオンビームを利用して基板をスキャンすることによって、ナノレベルで基板１０の微細部位に選択的に炭素ナノチューブ１４を成長させることが可能なだけでなく、多様なパターンを容易に具現できる。
【選択図】図４Ｃ

Description

本発明は、炭素ナノチューブの製造方法に係り、さらに詳細には、集束イオンビーム（ＦＩＢ：Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ）を利用した炭素ナノチューブの製造方法に関する。

炭素ナノチューブ（ＣＮＴ：Ｃａｒｂｏｎ ＮａｎｏＴｕｂｅ）は、独特な構造的、電気的特性が知られるようになってから、電界放出表示素子（ＦＥＤ：Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ）、液晶表示素子（ＬＣＤ：Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）用のバックライト、ナノ電子素子、アクチュエータ、バッテリーなどの多くの素子に応用されている。

従来のＣＮＴを製造する方法には、物理的方法として電気放電法またはレーザー蒸着法などがあり、化学的方法として化学気相蒸着法（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）がある。

図１は、従来の電気放電法に用いられる電気放電装置を示す図面である。
図１に示すように、電気放電法を実行するためにまず、陰極１１及び陽極１３としてグラファイト棒を用いる。そして、両電極に電圧を加えて電極間に放電を起こさせる。放電が起きれば陽極として使われるグラファイト棒から落ちた炭素クラストが低温に維持されている陰極グラファイト棒に引き付けられて付着する。

図２は、従来のレーザー蒸着法に用いられるレーザー蒸着装置を示す図面である。
図２に示すように、レーザー蒸着法を実行するために、まず反応炉２７を１２００℃程度に維持した後、反応炉２７の内部にあるグラファイト２３にレーザービーム２１を照射してグラファイト２３を気化させる。気化したグラファイト２３は、低温に維持されているコレクタ２５に吸着される。

図３は、従来のプラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ：Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＶＤ）に用いられる装置を示す図面である。ＰＥＣＶＤは、両電極間に印加される直流または高周波電界のエネルギーにより真空管内の反応ガスを放電させる方法である。

図３に示すように、ＣＮＴを合成させるための基板３１を接地された下部電極３２上に位置させ、反応ガスを上部電極３４と下部電極３２との間に供給する。熱抵抗ヒータ３３を下部電極３２の下方に設置するか、フィラメント３５を上部電極３４と下部電極３２との間に配置して反応ガスを分解する。反応ガスを分解し、かつＣＮＴの合成に必要なエネルギーは、高周波電源３７から供給される。

前記のような従来の物理的、化学的製造方法は工程の精密度が低下して、基板の微細な部分に対する選択的パターニングが困難である。したがって、要求されるパターンによって微細部位に選択的にＣＮＴを成長させることが容易ではない。

本発明は、ナノレベルで基板の微細部位に選択的にＣＮＴを成長させることができるＦＩＢを利用したＣＮＴの製造方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る集束イオンビームを利用した炭素ナノチューブの製造方法は、基板を準備する工程と、集束イオンビームを利用して前記基板をスキャンする工程と、前記スキャンされた基板上に炭素ナノチューブを成長させる工程と、を含む。

本発明に係る集束イオンビームを利用した炭素ナノチューブの製造方法は、前記集束イオンビームを利用して基板をスキャンする工程が、集束イオンビームに含まれたイオンが前記基板表面に陥没されることとしてもよい。

本発明に係る集束イオンビームを利用した炭素ナノチューブの製造方法は、前記集束イオンビームが、ガリウムイオンを含むこととしてもよい。

本発明に係る集束イオンビームを利用した炭素ナノチューブの製造方法は、前記炭素ナノチューブを成長させる工程が、化学気相蒸着法により前記炭素ナノチューブを前記陥没されたイオン上に成長させることとしてもよい。

本発明に係る集束イオンビームを利用した炭素ナノチューブの製造方法は、前記炭素ナノチューブを成長させるために炭化水素系列のガスを使用することとしてもよい。

本発明に係る集束イオンビームを利用した炭素ナノチューブの製造方法は、前記基板が、Ｓｉ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＳｉＣ及びＳｉＮからなる群で選択された１種以上の物質からなることとしてもよい。

本発明に係る集束イオンビームを利用した炭素ナノチューブの製造方法は、基板を準備する工程と、
集束イオンビームを利用して前記基板をパターニングする工程と、集束イオンビームを利用して前記パターニングされた基板をスキャンする工程と、前記スキャンされた基板上に炭素ナノチューブを成長させる工程と、を含むこととしてもよい。

本発明に係る集束イオンビームを利用した炭素ナノチューブの製造方法は、前記集束イオンビームを利用して基板をスキャンする工程で、集束イオンビームに含まれたイオンが基板表面に陥没されることとしてもよい。

本発明に係る集束イオンビームを利用した炭素ナノチューブの製造方法は、前記集束イオンビームがガリウムイオンを含むこととしてもよい。

本発明に係る集束イオンビームを利用した炭素ナノチューブの製造方法は、前記炭素ナノチューブを成長させる工程が、化学気相蒸着法により前記炭素ナノチューブを前記陥没されたイオン上に成長させることとしてもよい。

本発明に係る集束イオンビームを利用した炭素ナノチューブの製造方法は、前記炭素ナノチューブを成長させるために炭化水素系列のガスを使用することとしてもよい。

本発明に係る集束イオンビームを利用した炭素ナノチューブの製造方法は、前記基板が、Ｓｉ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＳｉＣ及びＳｉＮからなる群で選択された１種以上の物質からなることとしてもよい。

本発明に係るＦＩＢを利用したＣＮＴの製造方法によれば、ＦＩＢを利用して基板をスキャンすることによって、ナノレベルで基板の微細部位に選択的にＣＮＴを成長させることが可能なだけでなく、多様なパターンを容易に具現できる。

以下、添付された図面を参照しつつ本発明の望ましい実施形態に係るＦＩＢを利用したＣＮＴの製造方法を詳細に説明する。以下、同じ符号は同じ構成要素を示すものとする。
図４Ａないし図４Ｃは、本発明の第１実施形態に係るＦＩＢを利用したＣＮＴの製造方法を示す工程図である。

まず、図４Ａに示すように、基板１０を準備する。ここで、基板１０は、Ｓｉ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＳｉＣ及びＳｉＮからなる群で選択された１種以上の物質からなることが好ましい。

次に、図４Ｂに示すように、ＦＩＢを利用して基板１０の表面をスキャンする。それにより、基板１０の表面にＦＩＢに含まれたイオン１２が陥没される。イオン１２として、例えば、ガリウム（Ｇａ）イオンが利用できる。本発明の第１実施形態によれば、ＦＩＢを投射するＦＩＢ装置は試料に対する分解能が非常に優秀であり、試料に対するナノレベルの分解が可能である。したがって、このようなＦＩＢ装置を利用して基板１０をスキャンすることによって、基板１０をナノレベルの精密度にスキャンできる。また、ＦＩＢ装置の優秀な分解能を利用して、基板１０の所定部位を選択的にスキャンできるので、基板１０に多様なパターンを容易に形成できる。

次に、図４Ｃに示すように、基板１０上にＣＮＴ１４を成長させる。このとき、イオン１２は、ＣＮＴ１４の成長核として作用するので、ＣＮＴ１４は、イオン１２を中心に基板１０に対し垂直に成長する。ここで、ＣＮＴ１４を成長させるために、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_２、Ｃ_２Ｈ_４、Ｃ_２Ｈ_６などの炭化水素系列のガスを使うことが好ましい。そして、ＣＮＴ１４は、熱ＣＶＤ、ＰＥＣＶＤなどのＣＶＤによって成長する。熱ＣＶＤを利用したＣＮＴ成長法は、ＣＮＴ１４の成長均一度が非常に優秀であり、ＰＥＣＶＤに比べて小径のＣＮＴ１４を成長させることができるので、電子放出開始電圧の低いＣＮＴ１４を形成できるという長所がある。そして、ＰＥＣＶＤを利用したＣＮＴ成長法は、熱ＣＶＤよりＣＮＴ１４を基板１０に垂直な方向に成長させることができ、相対的に低温で合成が可能であるという長所がある。ＣＮＴ１４の垂直方向への成長は、ＰＥＣＶＤシステムでのアノード電極とカソード電極との間に印加される電界の方向に依存し、したがって、電界の方向によってＣＮＴ１４の成長する方向の調節が可能である。そして、ＣＮＴ１４の成長方向が一定なので密度調節が容易であり、電界による電子放出が容易であるという長所を持つ。

図５Ａないし図５Ｄは、本発明の第２実施形態に係るＦＩＢを利用したＣＮＴの製造方法を示す工程図である。

まず、図５Ａに示すように、基板２０を準備する。ここで、基板２０は、Ｓｉ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＳｉＣ及びＳｉＮからなる群で選択された１種以上の物質からなることが好ましい。

次に、図５Ｂに示すように、基板２０を、ＦＩＢを利用してパターニングして所定のパターン２４を形成する。本発明の第２実施形態によれば、分解能の非常に優秀なＦＩＢ装置を利用して基板２０をパターニングすることによって、基板２０をナノレベルの精密度にパターニングすることができる。

次に、図５Ｃに示すように、ＦＩＢを利用して基板２０の表面をスキャンする。それにより、基板２０の表面にＦＩＢに含まれたガリウムイオンなどのイオン２２が陥没される。このようなスキャン過程で、イオン２２を基板２０に形成されたパターン２４以外の部分に投射して、その部分に陥没させることができる。

次に、図５Ｄに示すように、基板２０上にＣＮＴ２６を成長させる。ここで、イオン２２は、ＣＮＴ２６の成長核として作用するので、ＣＮＴ２６は、イオン２２を中心に基板２０に対して垂直に成長する。このとき、前記のように、イオン２２が基板２０に形成されたパターン２４以外の部分に陥没すれば、ＣＮＴ２６は、パターン２４を除外した基板２０の表面に成長する。すなわち、ナノレベルの分解能を持つＦＩＢ装置を利用することによって、基板２０の表面にナノレベルのパターン２４を形成し、そのパターン２４により基板２０の表面にＣＮＴ２６を成長させることができる。したがって、本発明の第２実施形態によれば、基板２０の微細部位に選択的にＣＮＴ２６を成長させることができ、容易に多様なパターン２４を形成できるという長所がある。

ここで、ＣＮＴ２６を成長させるためにＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_２、Ｃ_２Ｈ_４、Ｃ_６などの炭化水素系列のガスを使うことが好ましい。そして、ＣＮＴ２６は、熱ＣＶＤ、ＰＥＣＶＤなどのＣＶＤによって成長することが好ましい。

図６は、本発明に係るＦＩＢを利用したＣＮＴの製造方法についての実験例を示す図面であり、図７は、図６に示すＡ部分についての拡大図であり、図８は、本発明によってＦＩＢを利用して形成されるパターンの一部を示す図面である。

図６ないし図８を共に参照すれば、本発明によって、ＦＩＢを利用して基板４０上に所定のパターン４１を形成し、ＣＮＴ４３を成長させることができる。ＦＩＢに含まれたガリウムイオンがＣＮＴ４３の成長核として作用して、基板４０のパターン４１以外の部分にＣＮＴ４３が成長するということを示している。したがって、本発明によってＦＩＢを利用して基板４０をパターニングすることによって、ナノレベルで基板４０上に所定のパターン４１を選択的に形成でき、多様なパターン４１を容易に具現できるということが分かる。

本発明は、図面に図示された実施形態を参考に説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当業者ならばこれより多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的範囲は、特許請求の範囲により定まらねばならない。

ＦＩＢを利用したＣＮＴの製造方法は、半導体工程のトランジスタアレイと、ガスセンサ、化学センサ、バイオセンサなどのセンサ製造などの分野に適用できる。

従来の電気放電法に用いられる電気放電装置を示す図面である。 従来のレーザー蒸着法に用いられるレーザー蒸着装置を示す図面である。 従来のプラズマＣＶＤに用いられる装置を示す図面である。 本発明の第１実施形態に係るＦＩＢを利用したＣＮＴの製造方法を示す工程図である。 本発明の第１実施形態に係るＦＩＢを利用したＣＮＴの製造方法を示す工程図である。 本発明の第１実施形態に係るＦＩＢを利用したＣＮＴの製造方法を示す工程図である。 本発明の第２実施形態に係るＦＩＢを利用したＣＮＴの製造方法を示す工程図である。 本発明の第２実施形態に係るＦＩＢを利用したＣＮＴの製造方法を示す工程図である。 本発明の第２実施形態に係るＦＩＢを利用したＣＮＴの製造方法を示す工程図である。 本発明の第２実施形態に係るＦＩＢを利用したＣＮＴの製造方法を示す工程図である。 本発明に係るＦＩＢを利用したＣＮＴの製造方法についての実験例を示す図面である。 図６に示すＡ部分についての拡大図である。 本発明によってＦＩＢを利用して形成されるパターンの一部を示す図面である。

符号の説明

１０ 基板
１２ イオン
１３ ＣＮＴ

Claims (12)

1. 基板を準備する工程と、
   集束イオンビームを利用して前記基板をスキャンする工程と、
   前記スキャンされた基板上に炭素ナノチューブを成長させる工程と、
   を含む集束イオンビームを利用した炭素ナノチューブの製造方法。
2. 前記集束イオンビームを利用して基板をスキャンする工程は、集束イオンビームに含まれたイオンが前記基板表面に陥没されることを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブの製造方法。
3. 前記集束イオンビームは、ガリウムイオンを含むことを特徴とする請求項２に記載の炭素ナノチューブの製造方法。
4. 前記炭素ナノチューブを成長させる工程は、化学気相蒸着法により前記炭素ナノチューブを前記陥没されたイオン上に成長させることを特徴とする請求項２に記載の炭素ナノチューブの製造方法。
5. 前記炭素ナノチューブを成長させるために炭化水素系列のガスを使用することを特徴とする請求項４に記載の炭素ナノチューブの製造方法。
6. 前記基板は、Ｓｉ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＳｉＣ及びＳｉＮからなる群で選択された１種以上の物質からなることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブの製造方法。
7. 基板を準備する工程と、
   集束イオンビームを利用して前記基板をパターニングする工程と、
   集束イオンビームを利用して前記パターニングされた基板をスキャンする工程と、
   前記スキャンされた基板上に炭素ナノチューブを成長させる工程と、
   を含む集束イオンビームを利用した炭素ナノチューブの製造方法。
8. 前記集束イオンビームを利用して基板をスキャンする工程で、集束イオンビームに含まれたイオンが基板表面に陥没されることを特徴とする請求項７に記載の炭素ナノチューブの製造方法。
9. 前記集束イオンビームはガリウムイオンを含むことを特徴とする請求項８に記載の炭素ナノチューブの製造方法。
10. 前記炭素ナノチューブを成長させる工程は、化学気相蒸着法により前記炭素ナノチューブを前記陥没されたイオン上に成長させることを特徴とする請求項８に記載の炭素ナノチューブの製造方法。
11. 前記炭素ナノチューブを成長させるために炭化水素系列のガスを使用することを特徴とする請求項１０に記載の炭素ナノチューブの製造方法。
12. 前記基板は、Ｓｉ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＳｉＣ及びＳｉＮからなる群で選択された１種以上の物質からなることを特徴とする請求項７に記載のカーボンナノチューブの製造方法。