JP2011060944A

JP2011060944A - カーボンナノチューブを含む熱伝導体及びその製造方法、並びに該熱伝導体を含む熱処理装置

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Publication number: JP2011060944A
Application number: JP2009208050A
Authority: JP
Inventors: Yuta Komura; 雄太古村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-09-09
Filing date: 2009-09-09
Publication date: 2011-03-24

Abstract

【課題】カーボンナノチューブを含む熱伝導体によって、被熱処理体に、熱を均一かつ安定して伝導すること。
【解決手段】金属触媒８が外周面に被覆された複数の円筒部Ｔ１〜Ｔ３と、金属触媒が非被覆の円筒部Ｔ４を、円板状基板１面に略垂直かつ同心円状かつ入れ子状に配置して熱伝導体用構造体を得た後、この熱伝導体用構造体を、ＣＶＤ用真空チャンバ内に配置する。そして、ＣＶＤ法によってカーボンナノチューブ前駆体である炭素材を前記金属触媒８上に形成し、それと同時に熱伝導体用構造体のラジアル方向に電場及び／又は磁場を印加する（参照符号９Ａ、９Ｂが電極又は磁極を指す）。その結果、多数本のカーボンナノチューブＣＮＴが、円筒部Ｔ１〜Ｔ３の外周からラジアル方向に向けて配向・成長し、かつ、鉛直方向に形成されたサセプタ１０（熱伝導体）を得る。
【選択図】図５

Description

本発明は、カーボンナノチューブ（Carbon Nano Tube:以下「ＣＮＴ」と略す）を含む熱伝導体及びその製造方法、並びに該熱伝導体を含む熱処理装置に関する。なお、本発明に関し、代表的には、上記熱伝導体はサセプタを指し、上記被熱伝導体は半導体ウエハを指し、上記熱処理装置は半導体ウエハのエピタキシャル結晶を均一に形成する際に用いられる半導体ウエハ用熱処理装置を指す。

ＣＮＴは、図７に示すように、グラフェンシートを巻いたような円筒形状を有し、端部がキャップ状に閉じられたチューブ型の炭素結晶である。その典型的な寸法は、径１０〜２０ｎｍ、長さ１〜５ｍｍとされている。ただし、ＣＮＴの成長の度合いによって変動があり、この寸法範囲に限定されることはない。

ＣＮＴは、このように極小かつ長尺の形状を有すると共に、導電性が優れている。そのため、軽薄短小化が進むエレクトロニクス製品及びその中に使用される微小化されたデバイス（以下、「マイクロデバイス」という）の内部の導電部又は配線部の好適な線材に使用されつつある。

その好適例が、特許文献１に示されている。同文献によれば、まず、マイクロデバイスの配線基板内の一端子にＣＮＴの一方の端部を接合し、次に、配線基板面に平行に電場を印加し、電場方向にＣＮＴを配向・成長させ、配向・成長したＣＮＴのもう一方の端部を他の一端子に接合し、両端部間に導電部を形成している。このように、ＣＮＴは、マイクロデバイス内の端子間を導通接続するのに好適な線材として用いられつつある。

さらに、ＣＮＴは、熱伝導性及び強度が優れている。具体的には、ＣＮＴの熱伝導率は、３０００Ｗ／ｍｋから５５００Ｗ／ｍｋである。これは、銅の熱伝導率より一ケタ高い。また、ＣＮＴは、高強度のカーボンの代表格、ダイヤモンドと同等の高い強度を有する。
加えて、ＣＮＴは、高強度に起因して優れた耐熱性も有する。例えば、銅線に一定量の電流を流すと、銅線に熱が発生する。ところが銅線が極細径であると、この熱に銅線が耐えられず、ついには断線してしまう。一方、ＣＮＴが極めて細いナノオーダ径のものであった場合、銅線に流した電流と同量の電流を流しても、ＣＮＴに発生する熱によって断線することはない。これは、主にＣＮＴが銅の１０００倍程度の強度を有することに起因するものである。

以上のＣＮＴの特徴から、発明者は、良好な、熱伝導性、強度及び耐熱性を備えたＣＮＴは、微細配線の用途ばかりでなく、特に半導体ウエハ製造用のサセプタに好適な熱伝達体の用途があることに着目した。

特開２００４−６７４１３号公報

しかしながら、ＣＮＴをサセプタ用熱伝導材に使用する際、サセプタ内にＣＮＴをどのような方法・態様で配置・形成すべきかについて、さらなる検討が必要となった。それは、ＣＮＴは、図７を参照して上述の記載からも分かるように、特異な形状・寸法を有するためである。より具体的には、例えば特許文献１の配線用途の場合のように１本のＣＮＴのみを水平方向に形成するのでは足りず、サセプタ用途では、多数本のＣＮＴを水平方向に形成しなければならない。これは、サセプタに水平方向に載置される半導体ウエハは円板形状であり、サセプタから半導体ウエハ全体に対して均一な熱を伝導する必要があるためである。なお、仮にＣＮＴを半導体ウエハに垂直になるように、多数本のＣＮＴを鉛直方向に形成しても、ＣＮＴの径は高々数ｎｍであり、径を成長させる（径を拡張する）こともできないため、熱伝導体の材料として好適に活用ができない。

さらに、水平方向に配向されたＣＮＴを、ある程度、鉛直方向に形成（ビルドアップ）させる必要もある。これは、サセプタからの熱を半導体ウエハに連続的に伝導する際、サセプタに一旦熱を蓄えるバッファ的な機能が必要であり、水平方向のみ平坦にＣＮＴを形成させたのではこの機能が十分に果たせないからである。

さらにまた、ＣＮＴは、直線的に配向・成長させても、せいぜいｍｍオーダ、例えば５ｍｍ程度の長さにしかならない（図７参照）。
すなわち、ＣＮＴは、一定の大きさを有する半導体ウエハに対し、極めて短小であり、例えば、３００ｍｍ径の半導体ウエハの場合には、多数本のＣＮＴを、半導体ウエハのラジアル方向に一周分のみ形成したとしても、半導体ウエハの極く狭いエリアしか熱処理ができない。そのため、半導体ウエハ全体に熱が均一に伝導されず、その結果、半導体ウエハのエピタキシャル結晶成長にばらつきが生じたり、又は半導体ウエハが反るといった不具合が発生する。なお、ＣＮＴの１本の長さを１５０ｍｍ（３００ｍｍ径の半導体ウエハの半径分）に直線的に成長させることは事実上困難である。

そこで、３００ｍｍ径の半導体ウエハに熱を均一に与えるには、熱伝導体において、複数本のＣＮＴを、半導体ウエハのラジアル方向に形成すると共に、垂直方向にもある程度、形成させることが検討された。

上記鋭意検討の結果、本発明者は、被熱処理面（代表的には半導体ウエハ面）全体に熱を均一に伝導することができる熱伝導体（代表的にはサセプタ）の製造方法及びその構造体を見出した。

本発明の目的は、熱を均一に被熱処理体に伝導することが可能なＣＮＴを含む熱伝導体を製造することにある。

（発明の態様）
以下、本発明の態様を示し、それらについて説明する。なお、（１）項から（６）項が、請求項１から請求項６に対応する。

（１）熱伝導体の製造方法であって、円板状基板上に、金属触媒を被覆した複数の円筒部を同心円状に形成し、前記円板状基板の中心軸（仮想的な中心鉛直軸）からラジアル方向に向けて、電場及び／又は磁場を印加しながら、ＣＶＤ法によって、カーボンナノチューブを前記円筒部の外周面からラジアル方向に形成することを特徴とする熱伝導体の製造方法。

本項は、熱伝導率の高いＣＮＴを、熱伝熱体の材料に用い、代表的には、半導体ウエハのような円板状の被熱処理体全体に、ヒータ手段からの熱を均一に伝導することが可能な熱伝導体の製造方法を例示するものであり、特に、円板状基板上に、金属触媒を被覆した複数の円筒部を同心円状に形成する点に特徴がある。すなわち、円板状基板上に、金属触媒を被覆した複数の円筒部を同心円状に形成することによって、円筒部から、ＣＮＴがラジアル方向に配向・成長しつつ、同時に、円筒部の高さ方向にもＣＮＴを形成することができる方法を提供することができる。なお、円筒部は、その厚みが極薄で、かつ高さが低い。より具体的には、円筒部の厚さはせいぜいｍｍオーダであり、その高さはせいぜいｍｍオーダから数１０ｍｍオーダのものであり、よって最外周に近づくにつれ、当該円筒部の形状は一般概念の円筒というより、むしろ円環（リング）の形状に近くなる（図３参照）。

本項の製造方法によって製造されたサセプタは、半導体プロセス装置内に配置され、熱処理（アニール）工程、拡散工程、酸化工程、焼成（シンタリング）工程、又はＣＶＤ工程に使用できる。熱伝導体は、サセプタの用途に限られるものではなく、当業者によって適宜その用途を改変することができる。例えば、高クロック化が進みその発熱が問題となっているＣＰＵ（中央処理装置）の熱を逃がすための放熱体にも使用することもできる。

さらに、本項を、当該熱伝導体の製造方法の工程に分けた本発明を、下記（１´）に例示する。
（１´）複数の円筒部であって、径が徐々に大きくなるものを準備する工程（以下、「円筒部準備工程」と称する）と、該円筒部の外周面に、金属触媒を被覆する工程（以下、「金属触媒被覆工程」と称する）と、前記円筒部を配置するための同心円状に、溝が形成された円板状基板を準備する工程（以下、「円板状基板準備工程」と称する）と、前記複数の金属触媒が被覆された円筒部を、前記円板状基板面に対して、略垂直かつ同心円状かつ入れ子状に配置し、熱伝導体用構造体を形成する工程（以下、「熱伝導体用構造体形成工程」と称する）と、該熱伝導体用構造体を、ＣＶＤ用真空チャンバ内において、前記円板状基板が水平になるように配置し、前記ＣＶＤ用真空チャンバに炭化水素ガスを導入し、ＣＶＤによってカーボンナノチューブ前駆体である炭素材を前記金属触媒上に形成することにより、該円筒部の外周面が前記炭素材でさらに被覆された前記熱伝導体用構造体を形成する工程（以下、「ＣＶＤ工程」と称する）と、該熱伝導体用構造体のラジアル方向に沿って電場及び／又は磁場を形成することによって、前記カーボンナノチューブの各々を前記外周部からラジアル方向に向けて配向・成長させ、かつ、鉛直方向に形成させる工程（以下、「ＣＮＴ配向・成長・形成工程」と称する）と、を含むことを特徴とする熱伝導体の製造方法。

本項は、（１）項の発明特定事項をさらに具体化したものである。本項の記載に沿って、本発明を各工程に分けて以下説明する。
円筒部準備工程；
本工程は、その外周面（金属触媒被覆後の面）から、ＣＮＴを水平かつラジアル方向に配向・成長させる担体基板となる「円筒部」を準備する工程である。
「円筒部」を「径が段々大きくなるもの」を「複数」準備するのは、円板状基板に「複数」の「円筒部」を入れ子状に配置するためである。その結果、隣接する円筒部間に一定のスパンのスペースが設けられ、そのスペース内にＣＮＴを形成することができる。

「円筒部」の径に関し、最外の円筒部の径は、半導体ウエハの径よりも大きくする設計する。例えば、半導体ウエハが３００ｍｍ径の場合には、最外周の円筒部は、例えば３２０ｍｍ径以上に設定する。このように設定すれば、半導体ウエハ全体に漏れなく均一に、熱を伝導することができる。言い換えれば、今後、半導体ウエハがさらに大口径化しても、最外の円筒部をその口径に対応するように大きくすると共に、最外の円筒部の中で入れ子されて形成される「円筒部」の数を増やすことで、容易に対応することができる。

「複数の円筒部」は、一定の高さに揃えることが好ましい。ＣＮＴの垂直方向の分布を均一化し、かつ、円筒部の上に半導体ウエハを水平に載置するためである。さらに詳細には、半導体ウエハを水平に配置することで、半導体ウエハの結晶配向を鉛直方向にし、好適なエピタキシャルな結晶の安定的な配向・成長を達成するためである。

「円筒部」の高さ寸法は、ＣＮＴの鉛直方向において形成する必要本数による。「円筒部」が高いほどその外周面が高くなるため、必然的に外周面を基台とするＣＮＴの鉛直方向の本数を増やせる。
よって、サセプタをある程度の高さにし、一定の蓄熱機能を担保するためには「円筒部」を高くする。しかし、「円筒部」が高すぎると鉛直方向のＣＮＴの形成本数が多くなりすぎて、ヒータ手段からの熱伝導能力が劣るおそれがあり、かつ、ＣＮＴに関する製造・材料コストがかかり好ましくない。よって、限定はされないが、例えば、「円筒部」の高さを、５ｍｍ以上２０ｍｍ以下とすることが望ましい。

「円筒部」は、水平断面が厳密な一定径の円である必要はない。例えば、「円筒部」の外周が一定の傾斜角が付けられた切頭円錐状であってもよい。

また、「円筒部」は、円板状基板と別体に作製することもできるし、円板状基板と一体に作製することもできる。この作製方法は、実施の形態の欄で後述する。

「円筒部」の外周面は、次工程において金属触媒でその面を被覆することになるため、金属触媒を「円筒部」の外周面に良好な密着性を担保できる物性を有することが好ましい。そのために、外周面に、加工歪み、油分付着、クラック等が存在しないようにし、かつ、金属触媒に対して、アンカー効果が発揮されるように、外周面に適度の表面粗さがあることが好ましい。そのためには、「円筒部」又は少なくともその外周面を、多孔性材料とすることが好ましい。例えばこの材料にはゼオライトが望ましい。

金属触媒被覆工程；
本工程は、ＣＮＴの初期の成長を促進する金属触媒（以下適宜「金属触媒粒子」と称する）を、「円筒部」外周面（最外周は除く）に被覆させる工程である。

一般に、単結晶の配向・成長には、結晶の根元部（種部）の状態が反映される傾向にある。そのため、本工程で、ナノオーダ径のＣＮＴを好適に配向・成長させるためには、金属触媒粒子の平均粒径をナノオーダにし、さらに、金属触媒粒子の粒度分布はシャープな単分散の分布にすることが好ましい。

金属触媒粒子の「円筒部」への被覆方法は、蒸着法、スプレー法、ディッピング法等によることが好ましい。蒸着法によるドライタイプによる際は、「円筒部」を良く乾燥させ真空蒸着装置で処理する。ディッピング法によるウエットタイプによる際は、金属触媒粒子を懸濁した浴液に「円筒部」を浸漬し、「円筒部」に金属触媒粒子を被覆させる。なお、後工程のＣＶＤ処理が好適に行われるように、金属触媒の被覆後、十分な乾燥が必要である。

円板状基板準備工程；
本工程は、「円筒部」を配置する土台となる「円板状基板」を準備する工程である。
複数の「円筒部」のそれぞれの中心軸を鉛直方向に沿うように配置させるために、「円板状基板」の上面と下面とを平行とすることが好ましい。

「円板状基板」の寸法は、少なくとも、その径を「円筒部」の最外周の径より、逆に大きくする必要がある。
「円板状基板」の厚さは、「円筒部」と「円板状基板」とを別体に形成する場合は、「円筒部」を「円板状基板」に固着させるための嵌合部の深さ及び強度を考慮して決める。一方、「円筒部」と「円板状基板」とを一体に形成する場合は、溝をエッチング処理、マイクロ加工処理等によって形成するため、ある程度の厚みを持たせ、溝の加工深さを「円筒部」の「高さ」とする。限定はされないが、「円筒部」が２０ｍｍ高とすると、「円筒部」と「円板状基板」とを別体に形成する場合は、「円板状基板」の厚さを５ｍｍから１０ｍｍとし、「円筒部」と「円板状基板」とを一体に形成する場合は、その厚さを２ｍｍから８ｍｍとすることが好ましい。

さらに、「円板状基板」は、熱処理時に、ヒータ手段から熱を受けるため、一定の耐熱性が必要である。半導体ウエハが、シリコンウエハである場合は、耐熱温度が１４００℃以上、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）ウエハである場合は、耐熱温度が２７００℃以上とする必要がある。なお、上記「円筒部」の材料も、「円板状基板」の材料の耐熱性と同等のものにする必要があることは言うまでもない。

熱伝導体用構造体形成工程；
本工程は、「円板状基板」の面に複数の「円筒部」を入れ子状に形成して熱伝導体用構造体を作製するための工程である。この工程の詳細については実施の形態の欄で説明する。

ＣＶＤ工程；
本工程は、円筒部の金属触媒で被覆された外周面に、ＣＶＤ法によって、ＣＮＴ前駆体の炭素を堆積・被覆させる工程である。ＣＶＤ法は公知の通常のＣＶＤ法でよいが、例えば、熱ＣＶＤ法、プラズマ支援ＣＶＤ（ＰｌａｓｍａＥｎｈａｎｃｅｍｅｎｔＣＶＤ；「ＰＥＣＶＤ」と略す）法、マグネトロンプラズマＣＶＤ法等も適用可能である。詳細については、本実施形態の欄で説明する。

ＣＮＴ配向・成長・形成工程；
本工程は、ＣＶＤ工程で、円筒部の外周面の金属触媒上に堆積・被覆した炭素を、チューブ状にラジアル方向に沿って、ＣＮＴを配向・成長させながら、そのＣＮＴを、円筒部の外周面の鉛直方向にも形成させる工程である。

本工程では、ＣＮＴを一定の配向・成長方向に沿うようにするために、上記熱伝導体用構造体のＣＮＴが配向・成長するエリアに、電場及び／又は磁場をラジアル方向に形成する。電場、磁場の向きにＣＮＴは配向し直線状に成長するからである。詳細については、本実施形態の欄で説明する。

以上の工程を含むサセプタ（熱伝導体）の製造方法によれば、円板状基板の上に入れ子状に形成された複数の円筒部の各外周面（最外周面を除く）に対して、多数本のＣＮＴをラジアル方向に配向・成長させかつ鉛直方向に形成させることにより、半導体ウエハに対して、加熱手段からの熱を均一かつ安定に伝導できる熱伝導体を提供することができる。
特に、半導体ウエハでは、鉛直上方にエピタキシャル結晶を均一かつ安定した熱処理によって成長させる必要があるが、本発明に係る製造方法によって得られたサセプタ（熱伝導体）を半導体ウエハ用の熱処理装置に適用することによって、それを達成することができる。

（２）加熱手段によって加熱雰囲気を形成し、該雰囲気中で、前記カーボンナノチューブを配向、成長及び形成させることを特徴とする請求項１に記載の熱伝導体の製造方法。

良好にＣＮＴを配向・成長させるために、被ＣＶＤ面及び成長中のＣＮＴを加熱することが好ましい。例えば、熱ＣＶＤ法を採用するときは６００℃以上、マグネトロンＣＶＤ法を採用するときは６００℃未満で加熱するようにすることが好ましい。特に、Single Wall ＣＮＴ（ＳＷＣＮＴ）を配向・成長させるには、例えば、６００℃未満の加熱条件下、マグネトロンＣＶＤ法を適用すればよい。詳細については、本実施形態の欄で説明する。

（３）円板状基板と、該円板状基板の面に略垂直かつ同心円状に形成された複数の円筒部と、該円筒部の外周面に被覆された金属触媒層と、該金属触媒層からラジアル方向に配向させた多数本のカーボンナノチューブを、隣接する前記円筒部の間において垂直方向に形成して成る熱伝導体用構造体と、を含むことを特徴とする熱伝達体。

本項は、（１）項の方法によって製造可能な、熱伝導体を例示する。本項の熱伝導体によれば、特に断面が円形状の被熱処理体に対して、均一に安定して熱を伝導することができる。

（４）真空チャンバと、該真空チャンバ内において、水平方向に配置され、被熱処理体を載置する面を具備した（３）項に記載の熱伝導体と、該熱伝導体とエアシールされて隔離された空間であって、該熱伝導体の下に配置され、かつ前記熱伝導体に熱を与えるヒータ手段と、を含むことを特徴とする熱処理装置。

本項は、（３）項に記載の熱伝導体と、この熱伝導体を加熱するヒータを真空チャンバ内に配置した熱処理装置を例示する。
なお、ヒータ手段が、熱伝導体とエアシールされて隔離されているため、ヒータ手段のヒータの構成元素によって、被熱処理体が汚染されるのを防止することができる。このことは、被熱処理体が、半導体ウエハのように汚染を嫌うものである場合に有効である（以下の（６）項の場合）。

（５）（３）項に記載の熱伝導体を含むサセプタ。

本項は、（３）項に記載の熱伝導体を、特に半導体ウエハ用のサセプタに適用することを例示するものである。「含む」と規定したのは、前記熱伝導体そのものをサセプタとしてもよく、後述するように、円筒部の外周から配向、成長した複数のＣＮＴを固定するために、円筒部の間のスペースの一部又は全部に、例えば円板状基板の材質と同じ材料を埋設した状態の前記熱伝導体を、サセプタとしてもよいからである。

「円筒部」に形成され、成長・配向された複数のＣＮＴの間に一部に同材料を埋設するときには、ＣＮＴの端部（該接合部と反対側）周辺に埋設することが好ましい。ＣＮＴの周辺全体を同材料で覆うと、強度の点では有利となるが、ヒータ手段から熱伝導体に伝導された熱が、同材料で弱まりがちとなり、好ましくない。

一方、ＣＮＴが形成された「円筒部」の間の周辺のスペースの全部に同材料を埋設したときには、上面をフラットに形成することが好ましい。例えば、被熱処理体が半導体ウエハである場合に、半導体ウエハとサセプタとが接する面が平坦である方が、熱が好適に伝わり易いためである。ただし、かかる場合にはＣＮＴが持つ熱は、同材料を介して被熱処理体に伝わることになる。そのため、強度を高める点では効果があるが、熱伝導体としての効果を弱めてしまう点は上述の通りである。

本項によれば、サセプタにＣＮＴを含むため、水平方向の熱伝導度が高いサセプタ（熱伝導体）を提供でき、そのため、サセプタがヒータ手段から熱を受けると、サセプタ上面が均一な温度分布を呈し、もって、半導体ウエハに均一に熱が伝わる。

さらに、従来のサセプタは、しばしば体積が大きく熱容量の大きい石英からなるものであったが、本項によれば、ＣＮＴの熱伝導率が高いため、サセプタの体積をより小さくすることができ、特に、その厚みをより薄くすることができる。加えて、サセプタを従来品に比べ低熱容量化することができるため、サセプタの昇温時間がより短縮できる。

（６）真空チャンバと、該真空チャンバ内において、水平方向に配置された（５）項に記載の前記サセプタと、該サセプタとエアシールされて隔離された空間であって、該サセプタの下に配置され、かつ前記サセプタに均一な熱を与えるヒータ手段と、を含むことを特徴とする半導体ウエハ用熱処理装置。

本項は、半導体ウエハのエピタキシャル結晶を成長させる際の熱処理装置であって、（４）項のサセプタを備えたものの例示である。

本発明によれば、被熱処理体に、熱を均一かつ安定して伝導することができるＣＮＴを含む熱伝導体を提供できる。代表的には、本発明によれば、ＣＮＴを含むサセプタを半導体ウエハ熱処理装置に具備させることにより、サセプタを加熱して、半導体ウエハに均一かつ安定的に熱を伝導することができる。

本発明の熱伝導体（半導体ウエハ熱処理用のサセプタを代表例とする。以下同様）の基本骨格構造であって、熱伝導体用構造体に用いられる円板状基板の斜視図である。図１に示した円板状基板の上面に、複数の円筒部を嵌合するための溝を、同心円状に形成した当該円板状基板の頂面図である。本発明の熱伝導体の基本骨格構造を成す、複数の円筒部と円板状基板とを組み立てた状態の斜視図である。本発明の熱伝導体の基本骨格構造を成す、熱伝導体用構造体に用いられる複数の円筒部の斜視図である。（ａ）は、本発明によって製造されるカーボンナノチューブを含む熱伝導体の概略的な頂面図であり、（ｂ）は、（ａ）で示すカーボンナノチューブを含む熱伝導体を製造するためのＣＶＤ装置の概略的な断面図である。本発明に係る熱伝導体の代表例のサセプタが具備された半導体ウエハ用の熱処理装置の断面図である。本発明に係る熱伝導体の材料として用いられるカーボンナノチューブの概略図である。

以下、本発明の実施の形態（「本実施形態」という）を、図１から図７を参照しながら説明する。
＜円板状基板準備工程＞
本工程では、サセプタの基本骨格構造を成す、図５に示すサセプタ１０や、図１及び図５に示すサセプタ１０の基台に好適な円板状基板１を準備する。
円板状基板１の材質は、耐熱性のある材料、例えば、シリコン、石英、サファイヤ、ＭｇＯ等の結晶材、アルミナ、ガラス等の非晶質材、その他の金属材が好ましい。また、次の工程において、円筒部（図３の参照符号Ｔ１〜Ｔ６）を嵌合する溝（図２の参照符号凹１〜凹６）を形成する際、加工性の良いものことが望ましい。

図１に示す円板状基板１の径寸法ｄは、半導体ウエハの径寸法を考慮して決定する。具体的には、半導体ウエハが３００ｍｍ径の場合は、円板状基板１の径は、少なくとも３００ｍｍより大きくする。
また、円板状基板１は、一定の強度、靭性を有する必要がある。
さらに、円板状基板１には、円筒部（図３）を安定的に固着させるための嵌合用の溝（図２）を同心円状に形成する必要があるため、円板状基板１の厚さは、少なくとも溝の深さ以上にする。
該溝の形状は、その垂直断面が長方形であることが好ましい。垂直断面が長方形である円筒部を、円板状基板１に対して垂直に隙間なく嵌合し固着するためである。隙間があると、サセプタ１０（図５）が加熱されるときに、その隙間に含まれる気体が膨張し、嵌合・固着状態が緩んだり、その気体膨脹を起因として、円筒部Ｔ１〜Ｔ６や円板状基板１にクラックが入る等の不具合を防ぐ必要があるためである。

また、円板状基板１の上面２と下面３とは平行であることが好ましい。サセプタ１０は、半導体ウエハの熱処理中、水平に配置されるが、サセプタ１０上に載置される半導体ウエハ（図６の参照符号１３参照）のエピタキシャル結晶を鉛直上方に成長させるためである。すなわち、サセプタ１０を水平に配置するため円板状基板１の上面２と下面３とを平行とする必要がある。

＜円筒部形成工程＞
本工程では、前工程で準備した円板状基板１の上面２に対して垂直に複数の円筒部Ｔ１〜Ｔ６を同心円状に形成する。円筒部Ｔ１〜Ｔ６（図３参照）を円板状基板１に形成する以下の２つ工法を例示する。ただしこれらに制限されず、当業者によって適宜改変が可能である。

（円筒部と溝付き円板状基板を別体として形成した後に、円筒部を円板状基板に嵌合して作製する工法）
この工法（以下「第１の円筒部形正工法」と称する）では、まず、被熱処理体が３００ｍｍ径の半導体ウエハとすると、その径よりやや大きい３２０ｍｍ径の円板状基板１を準備し、例えば５ｍｍから２０ｍｍのいずれか一定の高さＨ、１ｍｍの一定の厚さの円筒部（図３のＴ１〜Ｔ６）を準備する。

図３で示すように、円筒部Ｔ１〜Ｔ６は、円板状基板１の中心軸から一定間隔で円板状基板１に入れ子状に形成される。そのため、一定のスパンをもって徐々に大きく径を作製した円筒部Ｔ１〜Ｔ６を準備する必要がある（図３では円筒部を６個としているが、これに限定されず、適宜その個数を変えることができる）。円筒部Ｔ１〜Ｔ６の材質は、後工程のＣＶＤ処理中及び熱処理中に伝導される熱に耐える耐熱材であって、さらに金属触媒の担体となるため金属触媒との密着性の良いものであるものが好ましい。

そのため、例えば、円筒部Ｔ１〜Ｔ５の全体をゼオライト製とするか、又は円筒部Ｔ１〜Ｔ５の外周に金属触媒用の担体として例えばゼオライトを被覆する。ゼオライトは、その結晶中に微細孔を有するアルミノケイ酸塩であるため、微細孔を金属触媒の担持サイトにすると好適であり、当該円筒部Ｔ１〜Ｔ６の面材料として相応しいからである。

また、例えば、ＣＮＴの長さが配向・成長工程（後述）完了時点で平均５ｍｍとなる場合には、円筒部Ｔ１〜Ｔ６同士の間隔は５ｍｍより大きくし、円筒部Ｔ１〜Ｔ６を同心円状・入れ子状に設けられるようにする。円筒部Ｔ１〜Ｔ６は、精度の高い円筒である必要はなく、例えば、鉛直上方向に先細りの、極く緩いテーパがついた中空切頭コーン形状であってもよい。中空切頭コーン形状とした場合には、同様に円板状基板１に形成される嵌合部凹１〜凹６も、上記テーパに沿って中空切頭コーン形状の斜面にも同様なテーパがつくようにする。

次に、円板状基板１の上面２に、円筒部Ｔ１〜Ｔ６を嵌合するための嵌合部凹１〜凹６を、円筒部Ｔ１〜Ｔ６の数に対応して同心円状に形成する。このとき、限定はされないが、適用可能な嵌合部形成方法は、マイクロ放電加工法、マイクロブラスト加工法、又はレーザ加工法等による。嵌合部凹１〜凹６の深さは、円筒部Ｔ１〜Ｔ６の高さにもよるが、例えば、２ｍｍ程度とし、嵌合部凹１〜凹６の幅は、円筒部Ｔ１〜Ｔ６の厚さに応じて嵌合・固着が好適に行われる幅に形成する。

さらに、円筒部Ｔ１〜Ｔ５（最外のものＴ６は除く）の外周面（上記嵌合部凹１〜凹６との嵌合部は除く）に、後述する金属触媒被覆工程で金属触媒を被覆し、次に、金属触媒が被覆した円筒部Ｔ１〜Ｔ５を円板状基板１の嵌合部凹１〜凹６に嵌合・固着する。必要に応じて、マイクロアーク溶接、マイクロレーザ溶接、マイクロスポット溶接等を、円筒部Ｔ１〜Ｔ６と円板状基板１との嵌合部に施して、部分的に両者の固着状態を強化するようにしてもよい。
なお、金属触媒は、円筒部Ｔ１〜Ｔ５を円板状基板１に嵌合・固着した後で、非被覆面にマスキングを施してから、円筒部Ｔ１〜Ｔ５の外周面に被覆するようにすることもできる。

（円筒部と円板状基板とを一体的に形成する工法）
この工法（「第２の円筒部形正工法」と称する）は、比較的厚めの円板状基板に深い溝を加工によって形成し、図４に示す熱伝導体の基本構造となる熱伝導体用構造体４を得るものである。ただし、第２の円筒部形正工法によれば、熱伝導体用構造体４の円板状基板１の、つば部は形成されず、熱伝導体用構造体４は寸胴形となる。すなわち、円筒部Ｔ６の外周がそのまま熱伝導体用構造体４の外周となる。
代表的には、反応性イオンエッチング法(ＲＩＥ[Reactive Ion Etching])を使った深堀りエッチング法、又はマイクロブラストによる。ただし、これらに限られず、適宜改変が可能である。

深堀りエッチング法は、パッシベーションモードとエッチングモードとを繰り返し、溝側壁面を保護しながらアスペクト比(深さ/開口の対角線長)の大きい溝を、円板状基板１に形成するものである。
より詳細には、以下のようにして、加工処理される。まず、ＳＦ_６ガスとＣ_４Ｆ_８ガスとを交互に流し、Ｃ_４Ｆ_８ガスが流れているパッシベーションモードでは、プラズマ重合でテフロン（登録商標）のような物質が堆積するため、溝の壁面が保護膜でコーティングされる。ＳＦ_６ガスによるエッチングモードのときには溝底面の保護膜が削られ、Ｓｉが露出し、ＦラジカルでＳｉがエッチングされる。そして、溝の側面の保護膜が無くならない内に、また次の保護膜を堆積することを交互に行う。
このようにして、深堀りエッチング法によって、例えば、アスペクト比（間口と深さとの比）が実質６０の溝を形成することができ、その結果、円筒部Ｔ１〜Ｔ６が形成される。

マイクロブラスト工法は、従来のブラスト加工の技術に、超微粉噴射材の使用、同噴射材の定量供給技術、及びフォトリソグラフィに代表されるマスキング技術等を導入したものである。同工法は、超微粉噴射材として、ガラス、シリコン、セラミックス等の硬脆材料の微細加工技術として提案されているものである。

例えば、同工法は以下のように行う。超微粉噴射材として平均粒子径５μｍ程度のものを、円板状基板１の上面２に同心円状に噴射し、溝（凹１〜凹６）を形成することができ、円筒部Ｔ１〜Ｔ６が形成される。

なお、上記２つの工法以外に、熱伝導体用構造体は、この構造体の形状に対応する金型を準備して、射出成形法又は粉末冶金法で、円筒部Ｔ１〜Ｔ６と円板状基板１とを同時に一体化して作製することもできる。

＜金属触媒被覆工程＞
ＣＮＴの成長起点となる金属触媒（図５の参照符号８参照）は、限定はされないが、例えば、鉄、銅、コバルト、ニッケル、モリブデン、パラジウム、イットリウム、フェリチン、又はこれらのいずれか二以上の組み合わせの合金（例えば鉄-コバルト合金、コバルト-モリブデン合金）からなるものが好ましい。円板状基板１Ａ及び／又は円筒部Ｔ１〜Ｔ６を金属材料で形成した場合は、その金属材料と局部電池を形成しないように金属触媒の種類を選択することが望ましい。

金属触媒を、円筒部Ｔ１〜Ｔ６の外周に（外周以外はレジストでマスキングしながら）、蒸着法、スパッタリング法等のドライプロセスによって固着させる。ただし、第１の円筒部形成工法では、上記の金属又は合金を微粉化して一定の溶媒（例えばエタノール）に懸濁させ、その懸濁液に、円筒部Ｔ１〜Ｔ６の外周以外を例えばフォトレジストでマスキングしたものをディッピング（浸漬）するといったウェットプロセスを採用することもできる。このディッピング法の場合は、金属触媒である金属微粉をナノオーダとし、その粒度分布をシャープにすることが好ましい。その粒度分布がブロードであると粒径のバラツキが大きくなり、金属触媒が起点となって配向・成長してゆくＣＮＴ結晶が、好適な方向に配向・成長しなかったり、同結晶の径が不均一となることを防止するためである。

第１の円筒部形成工法では、金属触媒が被覆された円筒部Ｔ１〜Ｔ６を、円板状基板１の溝（凹１〜凹６）に嵌合してゆく。必要に応じて、嵌合後、円筒部Ｔ１〜Ｔ６と円板状基板１との嵌合部周辺を、例えばマイクロレーザ溶接によって接合する。このようにして、円板状基板１と、この円板状基板１の上面２に同心円状に形成された複数の円筒部Ｔ１〜Ｔ６（外周面には金属触媒と、それ以外の部分にはレジスト樹脂のようなものによってマスキングが形成されている）とからなる熱伝導体用の構造体４（図４）を作製する。

第２の円筒部形成工法では、あらかじめ、円筒部Ｔ１〜Ｔ５の外周面以外にマスキングのためのレジストを施し、そのまま真空蒸着装置（不図示）に投入する。そして、所定プレート上に載置・固定し、所定条件の下、上述した金属触媒となる金属又はこれらの合金を蒸着する。例えば、一定の真空雰囲気中で、金属触媒となる金属にレーザを当てて蒸発させながら外周面にその金属を蒸着する。なお、マスキングのためのレジストはそのまま残しておく。次に続く、ＣＶＤ工程、ＣＮＴ配向・成長工程が終了した後に除去するようにする。

＜ＣＶＤ工程＞
上記の工程によって得られた熱伝導体用の構造体（図４の参照符号４）を、ＣＶＤ用真空装置（図５の参照符号５）に投入する。そして、バルブＶ１を開けて真空ポンプＰによる真空引きを行い、一定の真空度の真空雰囲気を形成した後、図示しないガスフローコントローラを備えたバルブＶ２から還元性ガスを導入する。還元性ガスは、Ｈ_２やＮ_２等が好ましい。この還元性ガスをＣＮＴの前駆体の炭素材料に接触させることにより、ＣＮＴの収率・品質を向上させることができる。この還元処理は、ＣＮＴの収率、品位次第では適宜省略することもできる。

次に、真空雰囲気（ＣＮＴの成長雰囲気）内部を、図示しないヒータ手段によって昇温する。ＣＮＴの前駆体の炭素材料は、成長時の温度下、気体状の各種炭素含有物質を用いることができる。例えば、メタン、エチレン、一酸化炭素等の常温で気体のものや、フェナントレン、ベンゼン、エタノール、メタノール等の常温で固体又は液体であって加熱によって成長温度下で気体であるものを使用することができる。これによって金属触媒８に炭素材料を気相熱分解成長させることができる。この際、金属触媒８の還元を促進するために、炭素材料と同時に水素を供給することで、金属触媒８の触媒作用を増進してＣＮＴの収量を増加することもできる。

金属触媒８へ供給されるＣＮＴの前駆体の炭素は、上記のように温度を高温にした状況下での炭素材料の熱分解の他に、アルゴン、水素などのプラズマを用いて炭素材料を分解させることや、またレーザアブレーションなどによって炭素棒などの炭素を含む固体から蒸発させることによっても供給可能である。

このように、円筒部Ｔ１〜Ｔ５の外周面に被覆された金属触媒８に被覆した炭素材料によって、ＣＮＴの成長は可能となる。しかし、このままでは、ＣＮＴの配向・成長の方向が定まらない。方向が定まらないとサセプタ１０から均一に半導体ウエハ１３（図６）に熱が伝わらない。
それを防ぐために、次工程によって、ＣＮＴの配向・成長方向を画定させる。よって、本工程は、次の＜ＣＮＴの配向・成長工程＞と同時に行うようにする。

＜ＣＮＴ配向・成長工程＞
上述したように、本工程は、基本的に、前の工程と同時に進行によって行うようにする。本工程では、前の工程で円筒部（金属触媒被覆面）Ｔ１〜Ｔ５から発生するＣＮＴを、好適に配向・成長するために、以下の方法を採用する。

これまで、高密度ＣＮＴの分子間力による配向、強磁場を印加することによる配向等いくつかが提案されているが、中でも最も効果的にその配向を制御できる方法として知られているものに電場の力によるものがある。これにより、ＣＮＴ成長中に電場を、ＣＮＴの配向・成長方向に沿って印加することで、複数本のＣＮＴの各々に直接静電力を作用させ、電気力線に沿った方向にＣＮＴを配向成長させることができる。ＣＶＤ法の場合、図５に示すように、中心軸近傍に陽極部９Ａ、円筒部Ｔ６の外周に陰極部９Ｂを配置し、ＣＮＴの配向・成長場に、電子が陽極部９Ａから陰極部９Ｂに流れるような電場を形成することでＣＮＴの配向・成長方向を、水平ラジアル方向に沿うようにすることができる。

図５の陽極部９Ａ、陰極部９Ｂを配置した構成において、最外にある円筒部Ｔ６の電極９の周囲に図示しないコイルをさらに配置し、そのコイルに適量の電流を流して、磁場を発生させるようにする。このようにすると、陽極部９Ａ、陰極部９Ｂによって形成される電場によって各円筒部Ｔ１〜Ｔ５から放出される電子が、陰極９Ａからラジアル方向に沿って陽極９Ｂに向かって直進する。この電子によって、一本一本のＣＮＴに直接静電力が作用して、電気力線に沿った方向にＣＮＴが、より確実に配向・成長する。

ここで、コイルに流す電流を「適量」とするのは以下の理由による。コイルに流す電流を「適量」以上にすると、各円筒部Ｔ１〜Ｔ５から放出される電子が、磁場からより強い力を受け、陰極９Ａに向かって直進することがなくなり、段々曲がるようになり、ついには、中心の陰極９Ａを回り、陽極部９Ｂに到達できなくなる。このようになると、各ＣＮＴもその電子に沿って曲がってしまい、各ＣＮＴを直線的にラジアル方向に配向・成長させることができなくなるためである。

そこで、コイルに電流を流して磁場を発生させる代わりに、同等の磁場を、中心の円筒部Ｔ１にＮ極、最外の円筒部Ｔ６の周りにＳ極が配置されるように永久磁石によって磁気回路を構成して、磁場をラジアル方向に形成するようにしてもよい。

図５を参照しながら、より具体的にこのＣＮＴの配向・成長工程について例示的に以下説明する。なお、図５は、図を簡略化するために、円筒部はＴ１〜Ｔ４の四個としている。もちろん、図４に示したように円筒部Ｔ１〜Ｔ６を六個とすることもできるし、さらに多くの円筒部を配置することもできる。

まず、図５に概略的に示されているが、チャンバ壁（点線部）を備えた真空チャンバ１２において、円板状基板３の中心部を陽極部９Ａとし、かつ、その円周部の周囲に陰極部９Ｂを配置し、中心部から円周部に向かう白抜きの矢印で示される電場（又は磁場）を印加する。これによって、中心部から外周に向けラジアル方向に電場（又は磁場）が形成される。

加えて、ＣＮＴの配向・成長をさらに好適なものとするために、各ＣＮＴを基板（円筒部Ｔ６の外周面）に対して垂直に高配向成長できる方法として知られているプラズマ支援ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）法を適用することもできる。プラズマ中では、一般的に、プラズマが接している固体表面とプラズマ領域との間にプラズマシースが形成される。ＰＥＣＶＤ法では、このプラズマシース効果によりＣＮＴが成長する円筒部Ｔ１〜Ｔ３の外周面に、プラズマ中の空間電位と円筒部Ｔ１〜Ｔ３の外周面の電位の差に相当する強電場が発生し、この強電場の力を受けてＣＮＴが成長し、各ＣＮＴが電気力線に沿った形状に配向し成長する。通常は固体表面（円筒部の外周面Ｔ１〜Ｔ３）に対して垂直方向にシース電場が形成されるため、ＰＥＣＶＤ法で形成された各ＣＮＴを、円筒部Ｔ１〜Ｔ３の外周面に対して垂直に高配向・成長させることができる。

さらに、本工程と前工程において、加熱しながらＣＮＴを配向・成長させることが望ましい。それには、図５に示したヒータ手段８から、円板状基板１の下面３に、６００℃から９００℃の温度の均一な熱を配向・成長中のＣＮＴに与えるようにする。当該温度が、６００℃より低いと成長速度が遅くなる点で、一方、９００℃より高いと結晶の不均一性が増加する点で好ましくない。

このようにして、以上の工程完了後、上述したようにレジストを除去することによって、図５（ａ）に示すＣＮＴを含むサセプタ（熱伝導体）１０を製造することができる。図５（ａ）に示すサセプタ１０では、図示を簡略化し、円筒部を４個に図示してある。勿論、今まで説明したように、円筒部Ｔ１〜Ｔ６のように６個とすることもできるし、それ以上の個数とすることもできる。

なお、複数の円筒部Ｔ１〜Ｔ４の各間に形成されたＣＮＴは、円筒部Ｔ１〜Ｔ３の外周にその端部が金属触媒を根元として片持ち梁状に固定されている。ＣＮＴの形成本数が少なく密集度が小さく、ＣＮＴ同士の間にスペースがある場合には、経年変化によりＣＮＴの当該外周面に対する固着強度が弱まる場合がある。かかる場合を未然に防止するために、複数の円筒部Ｔ１〜Ｔ５の間に、ＣＮＴの片方又は両方の端部を固定するための耐熱性材料を適宜埋設するようにしてもよい。この耐熱性材料は、円板状基板１や円筒部Ｔ１〜Ｔ４を構成する材料と同じであることが好ましい。熱膨張率を一致させることによって、熱膨張、熱収縮があってもクラックが発生するのを防止することができる。

＜半導体ウエハ用熱処理装置＞
図６は、上記の工程によって製造されたサセプタ１０を備えた半導体ウエハ用熱処理装置２０の概略断面図である。

図６は、半導体ウエハ用熱処理装置２０を示す概略的な断面図である。
図６を参照しながら、半導体ウエハ用熱処理装置２０を説明する。同装置２０は、チャンバ１５と、チャンバ１５の内壁を覆う断熱壁１６と、断熱壁１６の底部平面に固着されたヒータ１８と、最下面の断熱壁１６の最端部で支持台１９によって支持されたサセプタ１０を含む。このサセプタ１０は、半導体ウエハ１３を載置可能な溝を上面に有する。サセプタ１０を境界壁にして、上部空間１９Ａと下部空間１９Ｂとはエアシールされている。

この装置２０によって半導体ウエハ１３を熱処理する際、まず、バルブＶ２を開け、真空状態を解除して、熱処理すべき半導体ウエハ１３を、サセプタ１０の溝に嵌合するように載置する。このとき、半導体ウエハ１３を、図示しないバキューム又は静電気による吸着によってサセプタ１０面に対して固定することが好ましい。

次にゲートを閉めて、別のバルブＶ１を開き、チャンバ１５内の雰囲気が一定の真空状態になるまで真空引きを行う。その後、ヒータ１８を加熱し、ヒータ１８からの熱をサセプタ１０に伝導する。ヒータ１８から熱を受け取ったサセプタ１０は、ＣＮＴを、中心部からラジアル方向に配置して成る熱伝導体（図５の参照符号１０）を含むため、全体が均一に加熱される。さらに、この均一に加熱されたサセプタ１０からの熱は、サセプタ１０の上に固定されている半導体ウエハ１３の全体に均一に伝わるため、半導体ウエハ１３のエピタキシャル結晶の鉛直上方に向けての成長を好適に促すことができる。

尚、本発明は、上記の本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
例えば、本発明に係る熱伝導体は、ＣＮＴの熱伝導率が高いため、放熱体としても利用できる。

また、熱伝導体１０の円板状基板１の径ｄを適宜変えることで、より小さなサイズ又はより大きなサイズの被熱処理体に対しても好適に熱処理をすることができる。例えば、半導体ウエハ１３がさらに大口径化したとしても、本発明に係る方法によって、円板状基板１の径ｄをそれに伴い大きくし、かつ、円筒部Ｔ１〜Ｔ６を適宜増やし、同様にしてＣＮＴを形成した熱伝導体１０を製造すればよい。

また、ＣＮＴを、図７に示す、いわゆる一枚の壁（Single Wall）のタイプのＳＷＣＮＴとして説明したが、複数のグラフェンシートを円筒状に巻いたような複数枚の壁（Multi WALL）のタイプの、いわゆるＭＷＣＮＴでもよい。ＳＷＣＮＴとＭＷＣＮＴとを適宜混在させたものであってよい。

１；円板状基板、８；金属触媒、１０；熱伝導体用構造体、熱伝導体、１２；ＣＶＤ用真空チャンバ、Ｔ１〜Ｔ４;円筒部、ＣＮＴ；カーボンナノチューブ。

Claims

熱伝導体の製造方法であって、
円板状基板上に、金属触媒を被覆した複数の円筒部を同心円状に形成し、
前記円板状基板の中心軸からラジアル方向に向けて、電場及び／又は磁場を印加しながら、ＣＶＤ法によって、カーボンナノチューブを前記円筒部の外周面からラジアル方向に形成することを特徴とする熱伝導体の製造方法。
加熱手段によって加熱雰囲気を形成し、該雰囲気中で、前記カーボンナノチューブを配向、成長及び形成させることを特徴とする請求項１に記載の熱伝導体の製造方法。
円板状基板と、
該円板状基板の面に略垂直かつ同心円状に形成された複数の円筒部と、
該円筒部の外周面に被覆された金属触媒層と、
該金属触媒層からラジアル方向に配向・成長させた多数本のカーボンナノチューブが、隣接する前記円筒部間に形成された熱伝導体用構造体と、
を含むことを特徴とする熱伝導体。
真空チャンバと、
該真空チャンバ内において、水平方向に配置され、被熱処理体を載置する面を具備した請求項３に記載の熱伝導体と、
該熱伝導体とエアシールされて隔離された空間であって、該熱伝導体の下に配置され、かつ前記熱伝導体を加熱するヒータ手段と、
を含むことを特徴とする熱処理装置。
請求項３に記載の前記熱伝導体を含むサセプタ。
請求項５に記載の前記サセプタと、
該サセプタとエアシールされて隔離された空間であって、該サセプタの下に配置され、かつ前記サセプタに均一な熱を与えるヒータ手段と、
を含むことを特徴とする半導体ウエハ用熱処理装置。