JP2007182375A - 窒素ドーピングされた単層カーボンナノチューブの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】窒素ドーピングされた単層カーボンナノチューブの製造方法を提供する。
【解決手段】基板上に触媒金属層を形成する工程と、前記触媒金属層が形成された基板を反応チャンバ内に装着する工程と、前記反応チャンバ内にHOプラズマの雰囲気を形成する工程と、前記反応チャンバ内に炭素前駆体及び窒素前駆体を供給して、前記HOプラズマの雰囲気下で前記炭素前駆体及び前記窒素前駆体を化学反応させることによって、前記触媒金属層上に窒素ドーピングされたカーボンナノチューブを成長させる工程とを含む、窒素ドーピングされた単層カーボンナノチューブの製造方法である。
【選択図】図1

Description

本発明は、カーボンナノチューブ(Carbon NanoTube:CNT)の製造方法に係り、さらに詳細には、単純かつ容易に、窒素ドーピングされた単層カーボンナノチューブを製造する方法に関する。
カーボンナノチューブ(CNT)とは、地球上に多量に存在する炭素からなる炭素同素体であって、一つの炭素原子が蜂の巣状のチューブ中で他の炭素原子と結合されている物質である。また、チューブの直径が数nm(nm=10億分の1メートル)であり、極めて小さい領域の物質である。CNTは、優れた機械的特性、電気的選択性、優れた電界放出特性、及び高効率の水素保存媒体としての特性などを有し、現存する物質の中では、欠陥のほとんどない完壁な新素材として知られている。
CNTは、ナノサイズの直径を有するチューブを形成する、ロール状のグラファイトシートであり、spの結合構造を有する。このグラファイトシートの巻かれる角度や形態によって、CNTは電気的に導体または半導体の特性を表す。CNTは、層を構成するCNTの数によって、単層ナノチューブ(Single−Walled NanoTube:SWNT)または多層ナノチューブ(Multi−Walled NanoTube:MWNT)に区分することができる。併せて、複数のSWNTが集まった束状の形態はロープ型ナノチューブとして知られている。
CNTは、高度な合成技術により製造されうるが、その合成技術として例えば、電気放電法、レーザ蒸着法、プラズマ化学気相蒸着法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition:PECVD)、熱化学気相蒸着法(Thermal Chemical Vapor Deposition:熱CVD)、電気分解法、フレーム合成法などが知られている。
CNTは、優れた電気的特性を有するため、CMOSのような半導体素子の製造に利用されうるが、一般的に、CMOSのような半導体製造工程及び半導体集積工程は、製造物の欠陥発生を減らすために、可能な限り500℃未満の低温範囲で行われなければならない。しかし、従来のCNTの合成方法により、500℃未満の低温範囲でCNTを成長させると、非晶質炭素のような不純物が多く発生するために、欠陥のあるCNTが成長する。したがって、良質のCNTが得られない。このような欠陥のあるCNTは、半導体素子の特性及び性能を低下させうる。したがって、CNTを半導体素子に適用して、半導体素子の特性及び性能を向上させるためには、500℃未満の低温範囲で良質のCNTが得られるCNTの合成技術が開発されねばならない。
また、CNTをベースとしたトランジスタを利用してCMOSを製造するためには、n型及びp型のSWNTが製造されねばならないが、現在までのところ、SWNTの合成過程でドナーをドーピングできる技術が開発されていない。一般的に、真性のSWNTは、大気中で酸素などの表面吸着によって、p型のSWNT特性を有する。しかし、まだn型のSWNTを合成できる技術は開発されていない。このような問題点を解決するために、電子供与基を有するアミン類またはカリウム(K)のようなアルカリ金属をSWNTの表面に吸着させて、n型のトランジスタを製造する方法が試みられている。しかし、SWNTの表面に吸着されたドーピング物質は、いつでもその吸着表面から離脱しうるため不安定であり、SWNTの表面吸着によるドーピングは、素子特性の信頼性に根本的な問題を有している。
本発明が解決しようとする技術的課題は、前述した従来の技術の問題点を改善するためのものであって、単純かつ容易な方法により窒素ドーピングされた単層カーボンナノチューブを製造する方法を提供することである。
本発明に係る窒素ドーピングされた単層カーボンナノチューブの製造方法は、基板上に触媒金属層を形成する工程と、前記触媒金属層が形成された基板を反応チャンバ内に装着する工程と、前記反応チャンバ内にHOプラズマの雰囲気を形成する工程と、前記反応チャンバ内に炭素前駆体及び窒素前駆体を供給して、前記HOプラズマの雰囲気下で前記炭素前駆体及び前記窒素前駆体を化学反応させることによって、前記触媒金属層上に窒素ドーピングされたカーボンナノチューブを成長させる工程と、を含む。
また、前記窒素ドーピングされたカーボンナノチューブの成長時に、前記反応チャンバの内部の温度が400℃ないし600℃の範囲に維持されることが好ましい。
また、前記反応チャンバ内に炭素原子1M当たり窒素原子1/6M以下が供給されるように、前記炭素前駆体及び前記窒素前駆体の流量が制御されることが好ましい。
また、前記炭素前駆体は、C、CH、C、C、CO及びCOHからなる群から選択される一種以上の物質であることが好ましい。
また、前記窒素前駆体は、NH、NHNH、CN、CN、CHCNからなる群から選択される一種以上の物質であることが好ましい。
また、前記HOプラズマを発生させるためのRF電力は、5Wないし80Wの範囲に制御されることが好ましい。
また、前記HOプラズマの雰囲気は、リモートプラズマの発生装置により形成されることが好ましい。
また、前記HOプラズマは、リモートHOプラズマであることが好ましい。
また、前記触媒金属層は、Ni、Co、Feまたはそれらの合金で形成されることが好ましい。
上記のような構成を有する本発明により、窒素ドーピングされた単層カーボンナノチューブが得られる。
本発明によれば、窒素ドーピングされた単層カーボンナノチューブ(単層CNT)を製造できる。特に、本発明における窒素ドーピング工程は、カーボンナノチューブ(CNT)の合成と同時に一工程で行われ、窒素ドーピング用の別工程を必要としないため、窒素ドーピングされた単層CNTの製造が非常に単純かつ容易になりうる。そして、本発明によれば、窒素ドーピングされた単層CNTを基板上に直接成長させることができるので、CMOSのような半導体素子の製造に容易に適用されうる。前記窒素ドーピングが原子置換型ドーピングで行われるので、表面吸着のように、吸着表面からドーピング物質が離脱することなく、素子の再現性及び信頼性を向上させうる。
以下では、添付された図面を参照して、本発明に係る窒素ドーピングされた単層カーボンナノチューブの製造方法の好ましい実施形態を詳細に説明する。
前述の通り、本発明は、基板上に触媒金属層を形成する工程と、前記触媒金属層が形成された基板を反応チャンバ内に装着する工程と、前記反応チャンバ内にHOプラズマの雰囲気を形成する工程と、前記反応チャンバ内に炭素前駆体及び窒素前駆体を供給して、前記HOプラズマの雰囲気下で前記炭素前駆体及び前記窒素前駆体を化学反応させることによって、前記触媒金属層上に窒素ドーピングされたカーボンナノチューブを成長させる工程と、を含むことを特徴とする、窒素ドーピングされた単層カーボンナノチューブの製造方法を提供するものである。
図1は、本発明の一実施形態に係る窒素ドーピングされた単層カーボンナノチューブ(単層CNT)の製造方法を示す装置図である。
図1には、本発明に係る窒素ドーピングされた単層CNTの製造のためのリモートプラズマ化学気相蒸着(リモートCVD:remote Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)装置が図示されている。前記リモートプラズマCVD装置は、反応チャンバ10と、前記反応チャンバ10内にプラズマを発生させるためのRF(Radio Frequency)プラズマコイル120と、前記反応チャンバ10の内部を所定の温度で加熱する加熱炉130とを備え、前記リモートプラズマCVD装置において、加熱ゾーンとプラズマゾーンとはそれぞれ分離されている。本実施形態では、プラズマの発生のための高周波電源として、13.56MHzのRFが使用されている。そして、前記RFプラズマコイル120に対応するように、前記反応チャンバ10内に直径10mmの石英管(クォーツチューブ)110をさらに設置し、前記石英管110を通じて前記反応チャンバ10に水蒸気(HO蒸気)が供給される。このような構造の装置において、前記RFプラズマコイル120に高周波電力が印加されると、前記石英管110内にHOプラズマが発生し、これをリモートプラズマソースとして利用して、前記反応チャンバ10内にHOプラズマの雰囲気を形成できる。このようにして、前記HOプラズマの雰囲気は、リモートプラズマの発生装置の一例である、リモートプラズマCVD装置により形成されうる。
以下において、このような構造のリモートプラズマCVD装置を利用した、本発明に係る窒素ドーピングされた単層CNTの製造方法を詳細に説明する。
まず、基板20を準備する。ここで、前記基板20の材質は、特に限定されることはないが、例えば、ガラス、サファイア、プラスチックまたはシリコンなどが利用されうる。前記基板20上に触媒金属層22を形成する。
前記触媒金属層22は、半導体製造工程で利用される多様な薄膜蒸着方法または塗布工程により形成されうる。以下に制限されることはないが、例えば、前記触媒金属層22は、熱蒸着法、スパッタリング法またはスピンコーティング法などにより前記基板20上に形成されうる。また、前記触媒金属層22は、Ni、Co、Feまたはそれらの合金で形成されることが好ましい。
その後、このように前記触媒金属層22が形成された基板20を反応チャンバ10内に装着した後、前記加熱炉130を作動して前記反応チャンバ10の内部の温度を400℃ないし600℃の範囲に維持させる。その後、HOを気相化して前記石英管110内に供給した後、前記RFプラズマコイル120にRF電力を印加して、前記反応チャンバ10内にHOプラズマの雰囲気を形成する。その後、前記反応チャンバ10内に炭素前駆体及び窒素前駆体を供給して、前記HOプラズマの雰囲気下で前記炭素前駆体及び前記窒素前駆体を化学反応させることによって、前記触媒金属層22上に窒素ドーピングされた単層CNTを成長させうる。ここで、前記炭素前駆体は、C、CH、C、C、CO及びCOHからなる群から選択される一種以上の物質であることが好ましく、前記窒素前駆体は、NH、NHNH、CN、CN、CHCNからなる群から選択される一種以上の物質であることが好ましい。ここで、COH、NHNH、CN、CN、CHCNなどは、液体として分類されうるが、これらは、揮発性のある物質であるため、容易に気化して前記反応チャンバ10内に供給されうる。
本発明の一実施形態によれば、窒素ドーピング工程は、カーボンナノチューブ(CNT)の合成工程と同時に行われる1ステップの工程である。特に、このような製造工程は、単純かつ容易な方法で窒素ドーピングされた単層CNTを前記基板20上に直接成長させうるため、CMOSのような半導体素子の製造に容易に適用されうる。また、前記窒素ドーピングが、前記単層CNTの吸着表面からドーピング物質が離脱しない原子置換型ドーピングの手段で行われるため、製造される素子の再現性及び信頼性を従来より向上させうる。
本発明において、前記HOプラズマは、リモートHOプラズマでありうる。前記リモートHOプラズマの雰囲気でCNTを合成する場合、以下の効果が得られうる。第一に、多層カーボンナノチューブ(多層CNT)の成長が抑制され、したがって、窒素ドーピングされた単層CNTの成長が促進されうる。第二に、400℃ないし600℃の比較的低温の範囲で窒素ドーピングされた単層CNTを成長させることが可能であるため、従来のCNTの成長温度、すなわち800℃以上の高温でCNTを成長させる場合に発生する非晶質炭素のような不純物の量を、前記窒素ドーピングされた単層CNTでは大幅に減らすことができる。
前記窒素ドーピングされた単層CNTの成長時に、前記HOプラズマは、弱い酸化剤(mild oxidant)または弱いエッチング液(mild etchant)として作用して、前記CNTの表面に形成される炭素質不純物を除去できる。このため、炭素質不純物及び欠陥性炭素をほとんど有しない窒素ドーピングされた単層CNTが得られる。特に、前記窒素ドーピングされた単層CNTは、低温で成長するためにその結晶性に優れているので、半導体素子を形成する上で優れた特性を有しうる。
また、前記窒素ドーピングされた単層CNTを低温で成長させる場合、ドーパント、すなわち窒素(N)のドーピング量を容易に制御できる。特に、前記窒素ドーピングされた単層CNTに窒素が過剰にドーピングされることを抑制することができる。前記窒素ドーピングされた単層CNTに窒素を過剰にドーピングすると、CNTの欠陥の原因となりうる。このように、前記窒素ドーピングされた単層CNTへの窒素のドーピング量を適切に制御することが重要である。このため、前記反応チャンバ10内に炭素原子1M当たり窒素原子1/6M以下の割合で供給されるように、前記炭素前駆体及び前記窒素前駆体の流量(flow rate)が制御されることが好ましい。また、前記HOプラズマを発生させるためのRF電力(RFパワー)を5Wないし80Wの範囲、好ましくは10Wないし20Wの範囲に制御した場合、さらに良質の窒素ドーピングされた単層CNTが得られることが実験的に確認されている。
図2は、本発明の一実施形態によって製造された窒素ドーピングされた単層CNTのラマン分光結果を示すグラフである。ここで、CHの流量60sccm、NHの流量6sccm、反応チャンバ10の内部温度450℃、そしてRF電力15Wという工程条件で基板上に単層CNTを蒸着し、これをラマン分析した。図2に示すように、ラマン分析の結果によれば、RBMピークは明確に示されており、これは、前記窒素ドーピングされた単層CNTの成長を示している。
図3は、本発明の一実施形態に係る窒素ドーピングされた単層CNTの製造時における、NHの流量の増加によるDバンドとGバンドとの間のラマン強度比率(I/I)の変化を示すグラフである。図3から、反応チャンバ内に供給されるNHの流量が増加するほど、すなわち、窒素のドーピング量が多くなるほど、窒素ドーピングされた単層CNTのクオリティーが悪くなるということが分かる。
図4は、本発明の実施形態によって製造された、窒素ドーピングされた単層CNTのXPS(X−ray Photoelecton Spectroscopy)分析の結果を示すグラフである。
図5Aないし図5Dは、本発明の一実施形態によって製造された、窒素ドーピングされた単層CNTのHR−TEM(高解像度TEM:High Resolution−Transmission Electron Microscope)写真である。ここで、それぞれの写真は、(A)CH 60sccm、NH 2sccm、(B)CH 60sccm、NH 4sccm、(C)CH 60sccm、NH 6sccm、(D)CH 60sccm、NH 8sccmの流量条件で窒素ドーピングされた単層CNTが形成された際に、撮影されたものである。
本発明に係る上記の構造を用いれば、窒素ドーピングされた単層カーボンナノチューブを製造できる。特に、本発明における窒素ドーピング工程は、CNTの合成と同時に一工程で行われ、窒素ドーピング用の別工程を必要としないため、窒素ドーピングされた単層カーボンナノチューブの製造が非常に単純かつ容易になりうる。そして、本発明によれば、窒素ドーピングされた単層カーボンナノチューブを基板上に直接成長させることができるので、CMOSのような半導体素子の製造に容易に適用されうる。前記窒素ドーピングが原子置換型ドーピングで行われるので、表面吸着のように、吸着表面からドーピング物質が離脱することなく、素子の再現性及び信頼性を向上させうる。
また、本発明によれば、リモートHOプラズマの雰囲気下でカーボンナノチューブ(CNT)を合成することによって、400℃ないし600℃の比較的低温の範囲で良質の単層カーボンナノチューブを成長させうる。このような方法で得られた単層カーボンナノチューブは、不純物量が非常に少なくなるだけでなく、結晶性が優れているため、半導体素材として優れた特性を有する。
以上、このような本発明の理解を容易にするために、いくつかの模範的な実施形態について添付された図面を参照しながら説明してきたが、前記実施形態は、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、前記実施形態から多様な変形や修正などが可能であるという点が理解できるであろう。したがって、本発明は、図面、説明された構造、及び工程順序にのみ限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に基づいて保護されねばならない。
本発明は、カーボンナノチューブの製造に関連した技術分野に好適に適用されうる。
本発明の一実施形態に係る窒素ドーピングされた単層カーボンナノチューブの製造に用いられる装置図である。 本発明の一実施形態によって製造された窒素ドーピングされた単層カーボンナノチューブのラマン分光結果を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る窒素ドーピングされた単層カーボンナノチューブの製造時における、NHの流量増加によるDバンド及びGバンドの間のラマン強度比率(I/I)の変化を示すグラフである。 本発明の一実施形態によって製造された窒素ドーピングされた単層カーボンナノチューブのXPSの分析結果を示すグラフである。 本発明の一実施形態によって製造された窒素ドーピングされた単層カーボンナノチューブのHR−TEM写真である。 本発明の一実施形態によって製造された窒素ドーピングされた単層カーボンナノチューブのHR−TEM写真である。 本発明の一実施形態によって製造された窒素ドーピングされた単層カーボンナノチューブのHR−TEM写真である。 本発明の一実施形態によって製造された窒素ドーピングされた単層カーボンナノチューブのHR−TEM写真である。
符号の説明
10 反応チャンバ、
20 基板、
22 触媒金属層、
30 窒素ドーピングされたCNT、
110 クオーツチューブ(石英管)、
120 RFプラズマコイル、
130 加熱炉。

Claims (10)

  1. 基板上に触媒金属層を形成する工程と、
    前記触媒金属層が形成された基板を反応チャンバ内に装着する工程と、
    前記反応チャンバ内にHOプラズマの雰囲気を形成する工程と、
    前記反応チャンバ内に炭素前駆体及び窒素前駆体を供給して、前記HOプラズマの雰囲気下で前記炭素前駆体及び前記窒素前駆体を化学反応させることによって、前記触媒金属層上に窒素ドーピングされたカーボンナノチューブを成長させる工程と、
    を含むことを特徴とする、窒素ドーピングされた単層カーボンナノチューブの製造方法。
  2. 前記窒素ドーピングされたカーボンナノチューブの成長時に、前記反応チャンバの内部の温度が400℃ないし600℃の範囲に維持されることを特徴とする、請求項1に記載の製造方法。
  3. 前記反応チャンバ内に炭素原子1M当たり窒素原子1/6M以下が供給されるように、前記炭素前駆体及び前記窒素前駆体の流量が制御されることを特徴とする、請求項1または2に記載の製造方法。
  4. 前記炭素前駆体は、C、CH、C、C、CO及びCOHからなる群から選択される一種以上の物質であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の製造方法。
  5. 前記窒素前駆体は、NH、NHNH、CN、CN、CHCNからなる群から選択される一種以上の物質であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の製造方法。
  6. 前記HOプラズマを発生させるためのRF電力は、5Wないし80Wの範囲に制御されることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の製造方法。
  7. 前記HOプラズマの雰囲気は、リモートプラズマの発生装置により形成されることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の製造方法。
  8. 前記HOプラズマは、リモートHOプラズマであることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか1項に記載の製造方法。
  9. 前記触媒金属層は、Ni、Co、Feまたはそれらの合金で形成されることを特徴とする、請求項1〜8のいずれか1項に記載の製造方法。
  10. 請求項1〜9のいずれか1項に記載の方法により製造される、窒素ドーピングされた単層カーボンナノチューブ。
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