JP2010190587A - Method of evaluating electrical characteristicss of carbon nanotube - Google Patents

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Tomokazu Miyazaki
智和 宮崎
Kenji Yanagihara
健児 柳原
Katsuhiko Hieda
克彦 稗田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of simply manufacturing a switching element containing a carbon nanotube, and to provide a method of measuring the electrical characteristics of the switching element. <P>SOLUTION: A method of evaluating the electrical characteristics of the carbon nanotube includes the step of sequentially forming a membrane containing the carbon nanotube and an upper electrode membrane divided into two or above independent regions, the step of applying potential difference across the lower and upper electrode membranes of a substrate to evaluate the electrical characteristics of the substrate, and the step of simultaneously analyzing the distribution of the average long diameter of the carbon nanotube, the distribution of the average diameter thereof, the ratio of SWCNT/MWCNT thereof, the ratio of metallic CNT and semiconductive CNT thereof and the content of impurities thereof on the basis of the evaluation results of the electrical characteristics of the substrate. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明はカーボンナノチューブを含む簡易的スイッチング素子の製造方法とその素子の電気特性測定方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a simple switching element including carbon nanotubes and a method for measuring electrical characteristics of the element.

カーボンナノチューブ(以下、CNTとも言う)はナノテクノロジーの有力な素材として広範な分野で応用の可能性が検討されている。たとえば、トランジスタや顕微鏡用プローブなどのようにCNTの単線を使用する方法や、電子放出電極や燃料電池用電極、あるいはCNTが分散している導電性コンポジットのように多数のCNT膜として使用する方法等がある。(特許文献1、2参照)この様にカーボンナノチューブの特異的な電気的特性を活かした用途、応用分野は多数存在し、CNT成膜した場合の電気的特性を簡便に効率よく測定する方法が必要とされる。   Carbon nanotubes (hereinafter also referred to as CNTs) are being studied as a potential material for nanotechnology in a wide range of fields. For example, a method using a single CNT wire such as a transistor or a probe for a microscope, or a method using many CNT films such as an electron emission electrode, a fuel cell electrode, or a conductive composite in which CNTs are dispersed Etc. (See Patent Documents 1 and 2) As described above, there are many uses and application fields that make use of the specific electrical characteristics of carbon nanotubes, and there is a simple and efficient method for measuring electrical characteristics when a CNT film is formed Needed.

その構造はベンゼン環単位の6角形が並んだシートを筒状にしたもので、その合成法により単層(SWCNT)、或いは複数の筒状に重なったもの(MWCNT)となる。さらに6員環の配列やその直径などによってバンド構造が変化し電気伝導率が変わるため、金属性CNTと半導体性CNTのものと区別される。
また、その製造方法によって触媒由来、或いは精製工程由来の金属、金属酸化物、有機化合物などの不純物が混入したり、残留し、電気伝導性などの特性に影響する。
Its structure is a sheet in which hexagons of benzene ring units are arranged in a cylindrical shape, and becomes a single layer (SWCNT) or a plurality of stacked cylindrical shapes (MWCNT) by the synthesis method. Furthermore, the band structure changes depending on the arrangement of the six-membered ring and the diameter thereof, and the electrical conductivity changes, so that it is distinguished from metallic CNT and semiconducting CNT.
Further, impurities such as metals, metal oxides, and organic compounds derived from the catalyst or the purification process are mixed in or remain depending on the manufacturing method, which affects characteristics such as electrical conductivity.

これらの物理的性質や不純物の混入によってカーボンナノチューブ膜の電気的特性は大きく影響されると考えられている。これら性質の異なるCNTを選択的に合成すること、或いは混合物を分離・精製することは現在非常に困難で、通常の合成法で得られたものは上述のものが混在していることが多い。   It is considered that the electrical properties of the carbon nanotube film are greatly influenced by these physical properties and impurities. It is currently very difficult to selectively synthesize CNTs having different properties or to separate and purify a mixture, and those obtained by ordinary synthesis methods often contain the above-mentioned ones.

特開2008−166591号公報JP 2008-166591 A 米国特許2007/236325号公報US Patent No. 2007/236325

本発明はカーボンナノチューブを含むスイッチング素子を作成し、電気特性評価結果に基づいて、カーボンナノチューブの長さや太さの分布、SWCNT/MWCNTの比率、金属性CNTと半導体性CNTの比率および不純物含有量を同時に解析し、CNTを品質管理する方法を含む。   The present invention creates a switching element including carbon nanotubes, and based on the electrical property evaluation results, the length and thickness distribution of carbon nanotubes, the ratio of SWCNT / MWCNT, the ratio of metallic CNT to semiconducting CNT, and the impurity content Including a method of analyzing the CNTs simultaneously and quality-controlling the CNTs.

本発明はカーボンナノチューブを含む膜、独立した2個以上の領域に分割されている上部電極膜を順次形成する工程と、前記基板の下部電極膜と上部電極膜に電位差を印加して電気特性を評価する工程と、前記基板の電気特性評価結果に基づいて、カーボンナノチューブの平均長径の分布、平均直径の分布、SWCNT/MWCNTの比率、金属性CNTと半導体性CNTの比率および不純物含有量を同時に解析する方法を含むことを特徴としている。   The present invention includes a step of sequentially forming a film containing carbon nanotubes and an upper electrode film divided into two or more independent regions, and applying a potential difference to the lower electrode film and the upper electrode film of the substrate to improve electrical characteristics. Based on the evaluation step and the electrical property evaluation result of the substrate, the average long diameter distribution, the average diameter distribution, the SWCNT / MWCNT ratio, the metallic CNT and semiconducting CNT ratio, and the impurity content are simultaneously determined. It is characterized by including a method of analysis.

前記電極をタングステン(W)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、窒化チタン(TiN)とする、CNTの電気特性評価方法。 A method for evaluating electrical characteristics of CNT, wherein the electrode is tungsten (W), aluminum (Al), copper (Cu), or titanium nitride (TiN x ).

前記上部電極が正方形、長方形、円形または楕円形である、CNTの電気特性評価方法。 The method for evaluating electrical characteristics of CNTs, wherein the upper electrode is square, rectangular, circular or elliptical.

前記上部電極と前記下部電極端部の最短距離が1〜100nmである、CNTの電気特性評価方法。 The electrical property evaluation method of CNT whose shortest distance of the said upper electrode and the said lower electrode edge part is 1-100 nm.

前記上部電極の面積が1.0×10−8〜1.0×10−4である、CNTの電気特性評価方法。 The area of the upper electrode is 1.0 × 10 -8 m 2 ~1.0 × 10 -4 m 2, electrical characterization method of CNT.

本発明によれば、CNTを含む膜を簡便な方法により電気特性を評価することでCNTカーボンナノチューブの平均長径の分布、平均直径の分布を解析することができる。また、従来定量的な測定が困難とされる材料内のSWCNT/MWCNTの比率、金属性CNTと半導体性CNTの比率、混在有機不純物や金属不純物の量などの定量的な分析が可能となる。さらにウェハ面内の測定ポイント、CNT溶液の製造ロット間で比較することにより測定値のばらつきを分析、材料の品質保証項目として適用可能となる。   According to the present invention, the distribution of the average major axis and the average diameter of the CNT carbon nanotubes can be analyzed by evaluating the electrical characteristics of the CNT-containing film by a simple method. In addition, it is possible to quantitatively analyze the SWCNT / MWCNT ratio, the ratio of metallic CNT and semiconducting CNT, the amount of mixed organic impurities and metallic impurities in the materials that are conventionally difficult to quantitatively measure. Furthermore, by comparing the measurement points on the wafer surface and the production lots of the CNT solution, it is possible to analyze the variation in the measurement values and apply it as a quality assurance item for the material.

本発明の評価方法を示した概念図である。It is the conceptual diagram which showed the evaluation method of this invention. 本発明の下部電極のパターン概念図である。It is a pattern conceptual diagram of the lower electrode of this invention. 本発明のCNT膜のパターン概念図である。It is a pattern conceptual diagram of the CNT film | membrane of this invention. 本発明の上部電極のパターン概念図である。It is a pattern conceptual diagram of the upper electrode of the present invention.

以下に本発明に関するCNTの電気特性測定方法と電気特性測定用評価素子(以下評価素子ともいう)の作成に関して図面を参照しながら順に説明する。   Hereinafter, the method for measuring the electrical characteristics of CNT according to the present invention and the creation of an evaluation element for measuring electrical characteristics (hereinafter also referred to as an evaluation element) will be described in order with reference to the drawings.

1. CNTを含有するスイッチング素子の解析方法
以下、CNTを含有するスイッチング素子の作成方法とその電気的特性の測定方法と測定結果の解析方法について詳述する。
1. Method for Analyzing Switching Element Containing CNT Hereinafter, a method for producing a switching element containing CNT, a method for measuring its electrical characteristics, and a method for analyzing a measurement result will be described in detail.

1.1 電極膜、CNTを含む膜を形成する工程
本願発明の方法は、基板上に下部電極膜、CNTを含む膜、独立した2個以上の領域に分割されている上部電極膜を順次形成する工程を含む(図1)。基板としては、限定されるものではないがシリコンウェハ、シリコンカーバイド, カーバイド, ガラス、または樹脂基板を好ましく用いることができる。
1.1 Step of Forming Electrode Film and Film Containing CNT In the method of the present invention, a lower electrode film, a film containing CNT, and an upper electrode film divided into two or more independent regions are sequentially formed on a substrate. (FIG. 1). As the substrate, although not limited, a silicon wafer, silicon carbide, carbide, glass, or a resin substrate can be preferably used.

評価素子作成の第一段階としては基板上にハードマスク等を用いた蒸着法或いはスパッタ法などによって下部電極を全面に、或いは図2に示されるようなパターンを形成する。全面に電極を成膜、或いは図2に示されるようなパターンを形成することで外部電圧の端子を接続する基板上の一点のみに接続すればよく、多点に外部端子接合を形成することによる回路の短絡や複数の測定点間の電極抵抗の差異による測定誤差、或いは複雑な電気回路を省略できる。   As a first step in creating the evaluation element, a lower electrode is formed on the entire surface by a vapor deposition method using a hard mask or the like on the substrate, or a pattern as shown in FIG. By forming an electrode on the entire surface or forming a pattern as shown in FIG. 2, it is sufficient to connect to only one point on the substrate to which the external voltage terminal is connected, and by forming external terminal junctions at multiple points. Measurement errors due to short circuits or differences in electrode resistance between a plurality of measurement points, or complicated electrical circuits can be omitted.

下部電極および上部電極としては導電性の金属であればどのような材料でも使用可能であり、また上部電極と下部電極は同じ材料であっても異なる材料であってもよいが、電極作成の際にCNTと反応しない材料が好ましい。たとえば、タングステン(W)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、窒化チタン(TiN)が好ましく使用する事ができる。前記電極膜は、蒸着法、スパッタ法など、それぞれの材料に適した方法で作成することができるが、CNTを含む膜を変質させて、ダメージを与えない方法が好ましい。 Any material can be used for the lower electrode and the upper electrode as long as they are conductive metals, and the upper electrode and the lower electrode may be the same material or different materials. A material that does not react with CNT is preferred. For example, tungsten (W), aluminum (Al), copper (Cu), and titanium nitride (TiN x ) can be preferably used. The electrode film can be formed by a method suitable for each material, such as a vapor deposition method or a sputtering method, but a method that does not cause damage by altering the film containing CNT is preferable.

次にCNT層を前記下部電極上に基板全体に、或いは図3に示されるようなパターンを形成する。成膜した膜厚をウェハ面内均一に、具体的には複数評価素子間の膜厚の誤差が5%以内になる事が好ましく、複数評価素子間の測定誤差を最小限に抑えることが出来る。この時CNTが水や有機溶媒などに分散した状態のものを用いた塗布成膜が好ましく、場合によっては固形状のCNTを蒸着させて成膜することもある。また、その他成膜方法としては、キャスト法、スプレーコート法、インクジェット法、ブレードコート法、ディップ法、バーコーター法、滴下法など一般的な方法が可能である。   Next, the CNT layer is formed on the lower electrode over the entire substrate or a pattern as shown in FIG. It is preferable that the deposited film thickness is uniform within the wafer surface, specifically, the error of the film thickness between multiple evaluation elements is preferably within 5%, and the measurement error between multiple evaluation elements can be minimized. . At this time, coating film formation using CNTs dispersed in water or an organic solvent is preferable. In some cases, solid CNTs may be deposited to form a film. As other film forming methods, general methods such as a casting method, a spray coating method, an ink jet method, a blade coating method, a dip method, a bar coater method, and a dropping method can be used.

CNT層を形成後、上部電極を塗布、或いは蒸着などの手法により成膜し、図4に示されるようなパターンを形成する。この時前記上部電極は、円形または楕円形であることが好ましく、円形または楕円形のパターンを有するハードマスクなどを使用し、アッシング・エッチングを行う。またはパターン形成の際に感光性レジストを用いる場合もある。   After the CNT layer is formed, the upper electrode is formed by coating or vapor deposition to form a pattern as shown in FIG. At this time, the upper electrode is preferably circular or elliptical, and ashing / etching is performed using a hard mask having a circular or elliptical pattern. Alternatively, a photosensitive resist may be used for pattern formation.

前記上部電極は、円形または楕円形であることが好ましい。円形あるいは楕円形であることにより角部がなくなり、電位差を印加した場合に電界集中がなくなり、安定した測定を行うことができる。また、前記上部電極の端部の最短距離は1〜100nmであることが好ましい。最短距離が1〜100nmであることにより隣り合う電極間の電場の漏れが小さくなり、安定した測定結果を得ることができる。さらに電極の面積1.0×10−8〜1.0×10−4であることが好ましい。電極面積が1.0×10−8〜1.0×10−4であることにより、電極膜やCNTを含む膜の膜欠陥の影響を最小限に抑制し、安定した測定を行うことができる。 The upper electrode is preferably circular or elliptical. Due to the circular or elliptical shape, there are no corners, and no electric field concentration occurs when a potential difference is applied, and stable measurement can be performed. The shortest distance between the end portions of the upper electrode is preferably 1 to 100 nm. When the shortest distance is 1 to 100 nm, the electric field leakage between adjacent electrodes is reduced, and a stable measurement result can be obtained. Furthermore, the area of the electrode is preferably 1.0 × 10 −8 m 2 to 1.0 × 10 −4 m 2 . Since the electrode area is 1.0 × 10 −8 m 2 to 1.0 × 10 −4 m 2 , the influence of the film defects of the electrode film and the film containing CNT is suppressed to the minimum, and stable measurement can be performed. It can be carried out.

前記による手法で下部電極とCNT層をパターン形成した際にパターンエッジ部分の剥がれ、パターンの倒壊、破損などが起こり複数の評価素子間の測定誤差に影響する為、下部電極とCNT層を共にウェハ全面に膜形成することが好ましい。   When the lower electrode and the CNT layer are patterned by the above-described method, the pattern edge part is peeled off, the pattern is collapsed or damaged, and the measurement error between a plurality of evaluation elements is affected. It is preferable to form a film on the entire surface.

1.3 電圧差を設けて電気特性を評価する工程
本願発明の方法は、前記基板の下部電極膜と上部電極膜に電圧差を設けて電気特性を評価する工程を含む。
前記の測定用基板の下部電極と上部電極の間に一定時間一定の電圧を印加する。この時スイッチがオフからオン(0→1)に移行する時間(応答時間を記録)する。ウェハ上複数存在する評価素子に順次電圧を印加し、同様に測定して行く。CNT平均長径が大きい場合通電に要する接合点がより少なくて済む為応答時間は短くなり、CNTの平均直径が大きいあるいはMWCNT混入率が大きい場合も導電性が上がる為応答時間は短くなる。材料内の半導体性CNTや有機不純物、金属不純物の量が多いとこれらは導電性を下げる因子となり、応答時間は長くなる。これらのパラメーターを予め測定し、応答時間との相関関係を解析することでそれぞれの因子の応答時間に対する影響力を定量的に関連付け、許容幅を設けることで特定の応答時間を持つCNTとして品質管理が可能となる。またウェハ面内の測定ポイント、CNT溶液の製造ロット間で比較することにより測定値のばらつきを分析、材料の品質保証項目として適用可能となる。
1.3 Step of Evaluating Electrical Characteristics by Providing Voltage Difference The method of the present invention includes a step of evaluating electrical properties by providing a voltage difference between the lower electrode film and the upper electrode film of the substrate.
A constant voltage is applied between the lower electrode and the upper electrode of the measurement substrate for a predetermined time. At this time, a time for switching the switch from OFF to ON (0 → 1) is recorded (response time is recorded). A voltage is sequentially applied to a plurality of evaluation elements existing on the wafer, and measurement is performed in the same manner. When the CNT average major axis is large, the number of junction points required for energization can be reduced, so that the response time is shortened. When the average CNT diameter is large or the MWCNT mixing rate is large, the conductivity is increased and the response time is shortened. If the amount of semiconducting CNT, organic impurities, and metal impurities in the material is large, these become factors that lower the conductivity, and the response time becomes long. By measuring these parameters in advance and analyzing the correlation with the response time, the influence of each factor on the response time is quantitatively correlated, and by setting a tolerance, quality control as a CNT with a specific response time Is possible. Further, by comparing the measurement points on the wafer surface and the production lots of the CNT solution, it is possible to analyze the variation of the measurement values and apply it as a material quality assurance item.

2.1 CNT
本願発明で使用することのできるCNTは特に限定されないが、アーク放電法、化学気相成長法(以下CVD法とする)、レーザー・アブレーション法等によって得られたものが好ましい。また、CNTには1枚の炭素膜(グラッフェン・シート)が円筒状に巻かれた単層CNT(以下SWCNTと言う)と、2枚のグラッフェン・シートが同心円状に巻かれた2層CNT(以下DWCNTと言う)と、複数のグラッフェン・シートが同心円状に巻かれた多層CNT(以下MWCNTと言う)とがあり、本発明においてSWCNT、DWCNT、MWCNTをそれぞれ単体で、もしくは複数を同時に使用できる。特に、SWCNTとDWCNTは導電性および半導体特性において優れた性質を持つので好ましく用いることができるが、中でもDWCNTよりも導電性および半導体特性において優れた性質を持つSWCNTが特に好ましく用いられる。
2.1 CNT
CNTs that can be used in the present invention are not particularly limited, but those obtained by an arc discharge method, a chemical vapor deposition method (hereinafter referred to as a CVD method), a laser ablation method, or the like are preferable. In addition, a single-walled CNT (hereinafter referred to as SWCNT) in which one carbon film (graphene sheet) is wound in a cylindrical shape, and a two-layer CNT in which two graphene sheets are wound in a concentric circle ( (Hereinafter referred to as DWCNT) and multi-layer CNT (hereinafter referred to as MWCNT) in which a plurality of graphene sheets are concentrically wound. . In particular, SWCNT and DWCNT can be preferably used because they have excellent properties in terms of conductivity and semiconductor properties. Among them, SWCNTs that have properties in terms of conductivity and semiconductor properties are more preferably used than DWCNT.

CNTを作製する際には、同時にフラーレンやグラファイト、非晶性炭素が副生産物として生成され、またニッケル、鉄、コバルト、イットリウムなどの触媒金属も残存するので、これらの不純物を除去し精製することが好ましい。不純物の除去には、硝酸、硫酸、フッ酸などによる酸処理、またはテトラメチルアンモニウムヒドロキシド(TMAH)、アンモニア、水酸化カリウムなどによる塩基処理とともに超音波処理が有効であり、またフィルターによる分離や遠心分離による分離を併用することは純度を向上させる上でさらに好ましい。本発明で用いられるCNTの直径は特に限定されないが、0.8nm以上100nm以下が好ましく、より好ましくは50nm以下、さらに好ましくは10nm以下である。   When producing CNTs, fullerene, graphite, and amorphous carbon are produced as by-products at the same time, and catalyst metals such as nickel, iron, cobalt, yttrium, etc. remain, so these impurities are removed and purified. It is preferable. In order to remove impurities, sonication is effective together with acid treatment with nitric acid, sulfuric acid, hydrofluoric acid, etc., or base treatment with tetramethylammonium hydroxide (TMAH), ammonia, potassium hydroxide, etc. It is more preferable to use separation by centrifugation together in order to improve purity. Although the diameter of CNT used by this invention is not specifically limited, 0.8 nm or more and 100 nm or less are preferable, More preferably, it is 50 nm or less, More preferably, it is 10 nm or less.

また、本発明ではCNTは上記の精製後そのまま使用できるが、塗布膜が半導体として利用される場合には素子電極間の短絡を防ぐために、素子電極間の距離よりも短いCNTを使用することが望ましい。しかし、CNTは一般には紐状で生成されるので、短繊維状で使用するにはカットすることが望ましい。短繊維へのカットには、硝酸、硫酸などによる酸処理とともに超音波処理が有効であり、またフィルターによる分離を併用することは純度を向上させる上でもさらに好ましい。なお、カットしたCNTだけではなく、あらかじめ短繊維状に作製したCNTも本発明により好ましく使用される。このような短繊維状CNTは基板上に鉄、コバルトなどの触媒金属を形成し、その表面にCVD法により700〜900℃で炭素化合物を熱分解してCNTを気相成長させることによって基板表面に垂直方向に配向した形状で得られる。このようにして作製された短繊維状CNTは基板から剥ぎ取るなどの方法で取り出すことができる。また、短繊維状CNTはポーラスシリコンのようなポーラスな支持体や、アルミナの陽極酸化膜上に触媒金属を担持させ、その表面にCNTをCVD法にて成長させることもできる。触媒金属を分子内に含む鉄フタロシアニンのような分子を原料とし、アルゴン/水素のガス流中でCVDを行うことによって基板上にCNTを作製する方法でも配向した短繊維状のCNTを作製することもできる。さらには、SiC単結晶表面にエピタキシャル成長法によって配向した短繊維状CNTを得ることもできる。溶液の塗布より得られた分散体が半導体として利用される場合には、CNTの平均長さは電極間距離によるが、好ましくは2μm以下、より好ましくは0.5μm以下で使用される。   In the present invention, CNT can be used as it is after the above purification, but when the coating film is used as a semiconductor, in order to prevent a short circuit between the device electrodes, it is possible to use a CNT shorter than the distance between the device electrodes. desirable. However, since CNTs are generally produced in the form of strings, it is desirable to cut them for use in the form of short fibers. In order to cut into short fibers, ultrasonic treatment is effective together with acid treatment with nitric acid, sulfuric acid and the like, and it is more preferable to use separation with a filter in combination for improving purity. In addition, not only the cut CNT but also a CNT prepared in a short fiber shape in advance is preferably used according to the present invention. Such short fibrous CNTs form a catalytic metal such as iron or cobalt on a substrate, and thermally decompose carbon compounds at 700 to 900 ° C. by CVD on the surface thereof to vapor-phase grow the CNTs. It is obtained in a shape oriented in the vertical direction. The short fiber CNTs thus produced can be taken out by a method such as peeling off from the substrate. In addition, the short fibrous CNTs can be obtained by supporting a catalytic metal on a porous support such as porous silicon or an anodic oxide film of alumina and growing the CNTs on the surface by the CVD method. Using oriented molecules such as iron phthalocyanine containing a catalytic metal in the molecule as a raw material and producing CNTs on a substrate by performing CVD in an argon / hydrogen gas flow, producing oriented short fiber CNTs You can also. Furthermore, it is also possible to obtain short fiber CNTs oriented on the SiC single crystal surface by an epitaxial growth method. When the dispersion obtained by applying the solution is used as a semiconductor, the average length of CNT depends on the distance between the electrodes, but is preferably 2 μm or less, more preferably 0.5 μm or less.

本発明で用いられるCNTの直径は特に限定されないが、0.8nm以上、100nm以下、より好ましくは50nm以下が良好に使用される。さらに、従来技術で検討されている表面を修飾したCNTに関しても適応可能である。
本発明のCNT分散体に含まれるCNT含有量は必要に応じて定められるが、CNT分散体100質量部中、0.00001〜10部が好ましく、0.0001〜1部がさらに好ましく用いられる。
Although the diameter of CNT used by this invention is not specifically limited, 0.8 nm or more and 100 nm or less, More preferably, 50 nm or less is used favorably. Furthermore, the present invention can also be applied to CNTs with modified surfaces that have been studied in the prior art.
Although the CNT content contained in the CNT dispersion of the present invention is determined as necessary, 0.00001 to 10 parts is preferable and 0.0001 to 1 part is more preferably used in 100 parts by mass of the CNT dispersion.

2.2 分散媒体
本発明で用いられるCNT分散体を作成するためのCNTを含有する組成物中は、分散媒体を含有する。分散媒体は、水、アルコール系分散媒体、ケトン系分散媒体、アミド系分散媒体、エステル系分散媒体および非プロトン系分散媒体の群から選ばれた少なくとも1種を使用することができる。このような分散媒体としては、沸点50〜300度が好ましく、80〜250度がより好ましい。さらに、分散媒体としては水を含むものが好ましく、安全性の面から水、とくに脱イオン水が好適である。
さらに、成膜する際にも、このような分散媒体を用いることによりスピンコートなどの成膜工程において適度な蒸気圧と蒸発速度、基板への濡れ性、また粘度を付与することができる。
2.2 Dispersion medium The composition containing CNTs for producing the CNT dispersion used in the present invention contains a dispersion medium. As the dispersion medium, at least one selected from the group of water, alcohol-based dispersion media, ketone-based dispersion media, amide-based dispersion media, ester-based dispersion media, and aprotic dispersion media can be used. Such a dispersion medium preferably has a boiling point of 50 to 300 degrees, more preferably 80 to 250 degrees. Further, the dispersion medium preferably contains water, and water, particularly deionized water is preferable from the viewpoint of safety.
Further, when forming a film, by using such a dispersion medium, an appropriate vapor pressure and evaporation rate, wettability to a substrate, and viscosity can be imparted in a film forming process such as spin coating.

2.3 添加剤
本発明で用いられるCNT分散体を作成するためのCNTを含有する組成物は、CNT分散体の特性を調整するために添加剤を含むことができる。添加剤として、たとえばポリエーテル、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリアンハイドライド、ポリスチレン系重合体、および(メタ)アクリル系重合体よりなる群から選択される1種以上の有機ポリマーを使用することができる。さらに、モノマー組成、分子量等を適切に選択することにより窒素雰囲気下において80〜250℃での示差熱熱重量分析による重量減少率が90%以上である有機ポリマーが好ましく使用することができる。また、本発明に使用することのできる有機ポリマーは分解後の残渣がCNTの性質に影響を及ぼさないものが好ましく、特に解重合による分解をする有機ポリマーが好ましい。また、(A)成分が100質量部に対して、(B)成分は0.01〜99質量部用いることが好ましく、0.1〜80質量部用いることがさらに好ましい。
2.3 Additive The composition containing CNTs for producing the CNT dispersion used in the present invention may contain an additive in order to adjust the properties of the CNT dispersion. As the additive, for example, one or more organic polymers selected from the group consisting of polyether, polyester, polycarbonate, polyanhydride, polystyrene polymer, and (meth) acrylic polymer can be used. Furthermore, an organic polymer having a weight reduction rate of 90% or more by differential thermothermal gravimetric analysis at 80 to 250 ° C. in a nitrogen atmosphere can be preferably used by appropriately selecting the monomer composition, molecular weight and the like. The organic polymer that can be used in the present invention is preferably one in which the residue after decomposition does not affect the properties of the CNT, and particularly an organic polymer that decomposes by depolymerization. Moreover, it is preferable to use 0.01-99 mass parts of (B) component with respect to 100 mass parts of (A) component, and it is still more preferable to use 0.1-80 mass parts.

また、CNT分散体を作成するためのCNTを含有する組成物中のCNTの分散性を改善するために界面活性剤を添加してもよい。界面活性剤としてはアニオン系、ノニオン系、カチオン系いずれも使用することができる。たとえば、アニオン系界面活性剤としては脂肪酸塩、アルキル硫酸エステル塩、アルキルアリールスルホン酸塩などが、ノニオン系界面活性剤としてはポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルアリールエーテルなどが、カチオン系界面活性剤としてはアルキルアミン塩、第4級アンモニウム塩などが例示される。 Further, a surfactant may be added in order to improve the dispersibility of CNTs in the composition containing CNTs for preparing the CNT dispersion. As the surfactant, any of anionic, nonionic, and cationic can be used. For example, anionic surfactants include fatty acid salts, alkyl sulfate esters, alkylaryl sulfonates, etc., and nonionic surfactants include polyoxyethylene alkyl ethers, polyoxyethylene alkylaryl ethers, and other cationic interfaces. Examples of the activator include alkylamine salts and quaternary ammonium salts.

本発明に係るCNT分散体を作成するためのCNTを含有する組成物は、必要に応じて、さらにpH調整剤を含有していてもよい。例えば、塩酸、硝酸、硫酸等の無機酸;水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化ルビジウム、水酸化セシウム等のアルカリ金属の水酸化物、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド(TMAH)、アンモニア等の塩基性物質が挙げられる。特に好ましくは分解性、あるいは揮発性の塩基性物質であり、窒素雰囲気下において30〜250℃での示差熱熱重量分析による重量減少率が90%以上であることが好ましく、95%以上が好ましく、99%以上であることが最も好ましい。重量減少率が90%未満であると、CNTを含む膜を250℃以上の温度で加熱した場合に多量の分解物(残渣)がCNTを含む膜中に残留するので、良好な膜特性が得られない。なお、その他の重量減少率は、窒素雰囲気下で30℃で1時間乾燥させた試料を、TG−DTA(示差熱熱重量同時測定)により、30℃から500℃まで10℃/分の条件で昇温させ、試料の重量変化を追跡し、((30℃の試料重量)−(250℃の試料重量))/(30℃の試料重量)×100で計算される値である。
上記その他のは、1種単独で、または2種以上を混合して使用することができる。これらのその他成分のうち、水酸化カリウム、アンモニア、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド(TMAH)が好ましく、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド(TMAH)がより好ましい。
The composition containing CNTs for producing the CNT dispersion according to the present invention may further contain a pH adjuster as necessary. For example, inorganic acids such as hydrochloric acid, nitric acid and sulfuric acid; alkali metal hydroxides such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, rubidium hydroxide and cesium hydroxide; basic such as tetramethylammonium hydroxide (TMAH) and ammonia Substances. Particularly preferred are degradable or volatile basic substances, and the weight loss rate by differential thermothermal gravimetric analysis at 30 to 250 ° C. in a nitrogen atmosphere is preferably 90% or more, more preferably 95% or more. 99% or more is most preferable. When the weight reduction rate is less than 90%, a large amount of decomposition products (residues) remain in the CNT-containing film when the CNT-containing film is heated at a temperature of 250 ° C. or higher. I can't. The other weight reduction rates are as follows: a sample dried for 1 hour at 30 ° C. in a nitrogen atmosphere is subjected to conditions of 10 ° C./min from 30 ° C. to 500 ° C. by TG-DTA (simultaneous differential thermothermal weight measurement). The temperature is raised, the change in the weight of the sample is followed, and a value calculated by ((30 ° C. sample weight) − (250 ° C. sample weight)) / (30 ° C. sample weight) × 100.
Other than the above, one kind can be used alone, or two or more kinds can be mixed and used. Of these other components, potassium hydroxide, ammonia, and tetramethylammonium hydroxide (TMAH) are preferable, and tetramethylammonium hydroxide (TMAH) is more preferable.

以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明する。ただし、本発明は下記実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically based on examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

実施例1
直径10cmのシリコンウェハ全面に電極としてAlをスパッタ成膜し、平均長径、平均直径、SWCNT/MWCNT、金属性/半導体性CNT、不純物混入量などが違う10種類(Sample 1〜10)のCNT分散体(カーボンナノチューブ:Nanocyl社製)をそれぞれ別の基盤にスピンコートし、引き続きホットプレートで100℃/60sec.乾燥、200〜300℃で1−10min.加熱して成膜した。最後に電極としてTiNをスパッタ成膜し、この際にウェハ上複数の測定ポイントを設ける目的で数10nm〜100nm角のパターンをメタルハードマスク等を用いて作成し、テスト用配線を施し測定用基板とした。
また、種類の違うCNT分散体については予めSEM, TEM, RAMAN分析により測定した。その結果、平均長径、平均直径、SWCNT/MWCNT, 金属性/半導体性CNT、不純物混入量について測定した結果を表1、2に示す。
Example 1
Al is sputter-deposited as an electrode on the entire surface of a silicon wafer with a diameter of 10 cm, and 10 types (Sample 1 to 10) of CNT dispersions differing in average major axis, average diameter, SWCNT / MWCNT, metallic / semiconductor CNT, and the amount of impurities mixed Bodies (carbon nanotubes: manufactured by Nanocyl) were spin-coated on different bases, and subsequently heated on a hot plate at 100 ° C./60 sec. Drying at 200-300 ° C. for 1-10 min. The film was formed by heating. Finally, TiN is sputter-deposited as an electrode, and a pattern of several tens to 100 nm square is created using a metal hard mask or the like for the purpose of providing a plurality of measurement points on the wafer, and a test wiring is applied. It was.
Different types of CNT dispersions were measured in advance by SEM, TEM, and RAMAN analysis. As a result, Tables 1 and 2 show the results of measuring the average major axis, the average diameter, SWCNT / MWCNT, metallic / semiconductor CNT, and the amount of impurities mixed.

Figure 2010190587
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Figure 2010190587
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これらの物性値と応答時間の相関関係を解析したところ平均長径、平均直径、SWCNT/MWCNT, 金属性/半導体性CNT、不純物混入量についてそれぞれ−0.21, −0.32, −0.11, −0.32, 0.11を係数とする線形方程式で表すことが出来た。CNTスイッチング素子としての応答時間が30±3μsecと規格化した場合、10サンプルの内これを満たすのはSample 1(応答時間=32.0μsec)、Sample 4(応答時間=29.4μsec)、Sample 10(応答時間=32.5μsec)の3サンプルのみであった。   When the correlation between these physical property values and the response time was analyzed, the average major axis, the average diameter, SWCNT / MWCNT, metallic / semiconductor CNT, and the amount of impurities mixed were -0.21, -0.32, -0.11, respectively. , −0.32, and 0.11 as a coefficient. When the response time as a CNT switching element is standardized to 30 ± 3 μsec, the samples satisfying this among 10 samples are Sample 1 (response time = 32.0 μsec), Sample 4 (response time = 29.4 μsec), Sample 10 There were only 3 samples (response time = 32.5 μsec).

実施例2
前述と同様に2種類の異なるCNT分散体(Sample 11、Sample 12)をスイッチング素子に形成、オフからオンに移行する応答時間を測定した結果、不純物を取り除く精製工程がなかったSample 12に関してはSample 11(応答時間が31.6μsec)に比べて応答時間が170μsecと遅かった。実際に不純物濃度を測定するとSample 12は10000ppbとSample 11の約80倍であった。実施例1に倣って規格を応答時間30±3μsecとした場合、Sample 11は規格内、Sample 12は規格外となった。
Example 2
As described above, two different types of CNT dispersions (Sample 11, Sample 12) were formed on the switching element, and the response time for switching from OFF to ON was measured. As a result, Sample 12 that did not have a purification process to remove impurities was sampled. Compared to 11 (response time 31.6 μsec), the response time was 170 μsec. When the impurity concentration was actually measured, Sample 12 was 10000 ppb and about 80 times Sample 11. When the standard was set to a response time of 30 ± 3 μsec according to Example 1, Sample 11 was within the standard and Sample 12 was out of the standard.

Claims (5)

基板上に下部電極膜、カーボンナノチューブを含む膜、独立した2個以上の領域に分割されている上部電極膜を順次形成する工程と、
前記基板の下部電極膜と上部電極膜に電位差を印加して電気特性を評価する工程と、
前記基板の電気特性評価結果に基づいて、カーボンナノチューブの長さや太さの分布、SWCNT/MWCNTの比率、金属性CNTと半導体性CNTの比率および不純物含有量を同時に解析する方法。
Sequentially forming a lower electrode film, a film containing carbon nanotubes, and an upper electrode film divided into two or more independent regions on a substrate;
Applying a potential difference between the lower electrode film and the upper electrode film of the substrate to evaluate electrical characteristics;
A method of simultaneously analyzing the length and thickness distribution of carbon nanotubes, the ratio of SWCNT / MWCNT, the ratio of metallic CNT to semiconducting CNT, and the impurity content based on the electrical property evaluation results of the substrate.
前記電極がタングステン(W)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、窒化チタン(TiN)である、請求項1に記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the electrode is tungsten (W), aluminum (Al), copper (Cu), or titanium nitride (TiN x ). 前記上部電極が正方形、長方形、円形または楕円形である、請求項1〜2に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the upper electrode is square, rectangular, circular or elliptical. 前記上部電極と前記下部電極端部の最短距離が1〜100nmである、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the shortest distance between the upper electrode and the lower electrode end is 1 to 100 nm. 前記上部電極の面積が1.0x10-8m2〜1.0x10-4m2である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。 The method according to claim 1, wherein an area of the upper electrode is 1.0 × 10 −8 m 2 to 1.0 × 10 −4 m 2 .
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