JP2007070206A

JP2007070206A - カーボンナノチューブの形成方法

Info

Publication number: JP2007070206A
Application number: JP2005262406A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Goto; 浩之後藤
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2005-09-09
Filing date: 2005-09-09
Publication date: 2007-03-22

Abstract

【課題】この発明は、触媒を何ら用いないでしかも簡便な方法で、基板上の大きな面積に不純物の混在していないカーボンナノチューブを規則正しく配列して形成しようとするものである。
【解決手段】平坦な基板に写真現像用の紫外線感光性樹脂を塗布してレジスト膜を形成し、これを露光、現像してレジスト膜の所望パターンの配列構造を構成し、その後これを酸素を含む減圧雰囲気下でプラズマ処理し、所望のカーボンナノチューブ配列構造を基板上に形成することを特徴とするカーボンナノチューブの形成方法である。
【選択図】なし

Description

この発明は、ガラス、シリコン、セラミックスなどの基板上に、カーボンナノチューブを規則正しくする配列する方法に関するものである。

カーボンナノチューブはその機械的特性や構造的特性とともに、化学的・電気的特性においても特異でこれまでも多くの研究がなされ、その製造方法や利用分野に関する提案がなされている。カーボンナノチューブの一般的な製造方法としては、アーク法、レーザアブレーション法、ＣＶＤ法、ＳｉＣ分解法などが知られている。これまでのカーボンナノチューブの形成には触媒の利用が効果的であるとされ、コバルト，白金，鉄などの触媒の位置を制御することで基板上の任意の位置にカーボンナノチューブを成長させることが知られている。しかしながら、従来のこうした方法でカーボンナノチューブを形成した製品は触媒の混入が避けられず、その取扱いや利用分野に制限を生じさせる結果となっていた。

カーボンナノチューブの製造方法の先行技術としては、ソフト・リソグラフ技術を用いて基体の表面にポリマーパターンを施す工程と、このポリマー材料を炭化して基体の表面上に炭化したポリマーのパターン化した層を形成する工程；又は炭化したポリマーが付着しない基体の領域上に、整列したカーボンナノチューブ類の層を合成して、基体上に整列したカーボンナノチューブ類のパターン化した層を与える工程を含むパターン化されたカーボンナノチューブを製造する技術（特許文献１）がある。
特表２００３−５１０２３６公表特許公報（特許請求の範囲）

しかし、特許文献１の技術では、触媒を用いて炭素含有材料を熱分解してカーボンナノチューブを形成しているものである。そしてここに用いる触媒は、Ｆｅ，Ｃｏ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｐｄ，Ｃｒなどの遷移金属である。このために、この先行技術によって得られたカーボンナノチューブは、触媒に用いた金属が不純物として製品に混入することが避けられず、その取扱いや利用分野に制限を生じていたものであった。そこでこの発明は、触媒を何ら用いないでしかも簡便な方法で、基板上の大きな面積に不純物の混在していないカーボンナノチューブを規則正しく配列して形成しようとするものである。

この発明は、平坦な基板に写真現像用の紫外線感光性樹脂を塗布してレジスト膜を形成し、これをフォトマスクを用いて任意のパターン形状に露光、現像してレジスト膜の所望パターンの配列構造を構成し、その後、これを酸素を含む減圧雰囲気下でプラズマ処理し、所望のカーボンナノチューブ配列構造を基板上に形成することを特徴とするカーボンナノチューブの形成方法（請求項１）及び前記所望パターンの配列構造のレジスト膜に、さらに紫外線照射を行ってレジスト膜の硬化を行うことを特徴とする請求項１記載のカーボンナノチューブの形成方法（請求項２）である。

この発明によれば、簡単な方法でカーボンナノチューブを任意の場所に規則正しく配列させることが可能である。また、この発明によれば、カーボンナノチューブの形成に際して何ら触媒を用いないので、形成されたカーボンナノチューブに触媒が不純物として混入することが避けられ、高純度のカーボンナノチューブが得られてその取扱いや利用分野の制限のないものとすることができる。

この発明のカーボンナノチューブの形成方法は、基板上に形成したレジスト膜の所望パターンの配列構造を酸素プラズマで処理するものである。図１及び図２の１０は、いずれも基板である。この発明で用いる基板１０は、酸素プラズマにある程度の耐性をもつもので、例えばガラスやシリコン、各種セラミックスなどが用いられる。この基板１０の上にフォトレジスト１１をスピンコータなどで塗布し、これにフォトマスクを用いて任意のパターン形状に露光を行う。これを現像してレジストパターンを形成する。この方法は通常のリソグラフィ技術と全く同じである。フォトレジストの厚さは１〜２００μｍが通常で、その厚さによってカーボンナノチューブの長さが決定される。ここで用いるフォトレジストはポジタイプのノボラック系が好適に用いられるが、ネガタイプのものでも勿論よい。

次に、これを酸素雰囲気で異方性ドライエッチングを施すことでレジストパターンの外周部と中心部にカーボンナノチューブ１３を成長させる。即ち、フォトレジストの炭素成分と酸素プラズマが反応して気化し、再凝固する際にレジストパターンの特異的な個所へ選択的に成長し、カーボンナノチューブ１３を形成するものである。従って、フォトレジストのパターン形状を制御することで、任意の個所へカーボンナノチューブを成長させることができる。図２（Ｂ）に示すように、カーボンナノチューブの成長する箇所はレジストの外周部と中心部であり、この部分を任意に設計することが可能である。このカーボンナノチューブの形成される外周□部の部分とその中心部の一つを取り出して、これを模式的に示すと図３の通りである。

プラズマ処理は、異方性を持つリアクティブイオンエッチング装置（ＲＩＥ）、高周波誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチング装置などで行うことが好ましい。なお、プラズマ処理中にレジスト形状が変化して初期形状と異なる場合があるが、その場合は紫外線によるレジスト硬化処理（ハードニング処理或いはキュア処理）を施すと、成長場所の制御が可能となる。エッチングは速度が速く、また基板温度が高い条件ほど成長が促進され、長いカーボンナノチューブが形成される。

鏡面研磨したシリコン基板上に４μｍのポジレジストを塗布し、１４μｍピッチで□１０μｍの升目パターンをフォトリソグラフィー技術で形成した。この基板を２５０℃でさらに殺菌灯で紫外線を照射しハードニング処理を施した。この基板を酸素流量５０sccm（大気圧，０℃の下でのcc(cm³)/min）、圧力１Ｐａの条件で高周波出力５００Ｗ、バイアス出力５００Ｗでドライエッチングを行った。この結果、長さ、５μｍのカーボンナノチューブが□１０μｍの升目周辺とその中心に形成された。図４及び図５の（Ａ）〜（Ｇ）は、いずれもカーボンナノチューブが□１０μｍの升目周辺とその中心に形成されたものの顕微鏡写真である。各写真の各々の上半分が升目周辺とその中心部を拡大したもの、下半分がそれらの全体を示したものである。

（Ａ）は、この発明によって形成されるレジストパターンの側面図、（Ｂ）はレジストパターンの平面図。（Ａ）は、この発明によって形成されるカーボンナノチューブの配列の側面図、（Ｂ）はカーボンナノチューブ配列の平面図。この発明によって形成されるカーボンナノチューブの一つの升目を拡大して示した模式図。この発明によって形成されるカーボンナノチューブの顕微鏡写真を示した図で、（Ａ）はパターンの線幅が４．５μｍ、（Ｂ）はパターンの線幅が４μｍ、（Ｃ）はパターンの線幅が３．５μｍ、（Ｄ）はパターンの線幅が３μｍのものである。この発明によって形成されるカーボンナノチューブの顕微鏡写真を示した図で、（Ｅ）はパターンの線幅が２．５μｍ、（Ｆ）はパターンの線幅が２μｍ、（Ｇ）はパターンの線幅が１．５μｍのものである。

符号の説明

１０…基板、１１…フォトレジスト、１３…カーボンナノチューブ

Claims

平坦な基板に写真現像用の紫外線感光性樹脂を塗布してレジスト膜を形成し、これを露光、現像してレジスト膜の所望パターンの配列構造を構成し、その後、これを酸素を含む減圧雰囲気下でプラズマ処理し、所望のカーボンナノチューブ配列構造を基板上に形成することを特徴とするカーボンナノチューブの形成方法。
前記所望パターンの配列構造のレジスト膜に、さらに紫外線照射を行ってレジスト膜の硬化を行うことを特徴とする請求項１記載のカーボンナノチューブの形成方法。