JP2013107789A - グラフェン製造用銅箔及びグラフェンの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】表面粗さRzが0.5μm以下であり、表面において(111)面の割合が60%以上であり、Cuめっき層及び/又はCuスパッタ層からなるグラフェン製造用銅箔10であり、又、所定の室内に加熱した前記グラフェン製造用銅箔10を配置すると共に、水素ガスと炭素含有ガスを供給し、グラフェン製造用銅箔10の銅めっき層の表面にグラフェンを形成するグラフェン形成工程と、グラフェンの表面に転写シートを積層し、グラフェンを転写シート上に転写しながら、グラフェン製造用銅箔10をエッチング除去するグラフェン転写工程とを有する、グラフェン20の製造方法である。
【選択図】図1
Description
そこで、シート状の単結晶グラファイト化金属触媒上に炭素系物質を接触させた後、熱処理することによりグラフェンシートを成長させる技術(化学気相成長(CVD)法)が開発されている(特許文献1)。この単結晶グラファイト化金属触媒としては、Ni、Cu、Wなどの金属基板が記載されている。
同様に,NiやCuの金属箔やSi基板上に形成した銅層上に化学気相成長法でグラフェンを製膜する技術が報告されている。なお,グラフェンの製膜は1000℃程度で行われる(非特許文献1)。
一方,非特許文献1には、Cuを基板として使用することが記載されているが,Cu箔上では短時間にグラフェンが面方向に成長せず,Si基板上に形成したCu層を焼鈍で粗大粒として基板としている。この場合、グラフェンの大きさはSi基板サイズに制約され,製造コストも高い。
そこで、本発明者はグラフェン成長用の基材である銅箔を鋭意検討した結果、銅箔表面を極めて平滑にし、かつ銅層の面方位を均一にした銅箔を発明した。上記銅箔を用いることで、グラフェンの成長を妨げる因子を抑制し、銅箔表面に均一なグラフェンが製膜されるものある。
すなわち、本発明は、大面積のグラフェンを高品質かつ低コストで生産可能なグラフェン製造用銅箔、及びグラフェンの製造方法の提供を目的とする。
前記剥離層がニッケル、クロム、コバルト、ニッケル合金、クロム合金、コバルト合金のいずれか1種であることが好ましい。
なお、銅箔表面において(111)面の割合が70%以上であることが好ましく、80%以上であることが更に好ましく、90%以上であることがより好ましい。
なお、銅箔表面において(111)面の割合の上限は特に設ける必要は無い。
なお、RzはJIS B0601−1994に準拠して十点平均粗さを測定する。又、電解銅箔の場合、Rzはドラム回転方向に垂直な方向で測定、圧延銅箔の場合、Rzは圧延垂直方向で測定する。
また、銅箔の表面のRzは特に限定されないが、製造性等を考慮すると0.005μm以上、好ましくは0.01μm以上、より好ましくは0.05μm以上である。
そこで、本発明において、表面が平滑であるプラスチックフィルムの表面粗さを利用し、例えば市販のポリイミドフィルムをプラズマ処理し、そのプラズマ処理面に剥離層となる金属層をスパッタした後、更にこの剥離層(金属層)表面にCuめっき層及び/又はCuスパッタ層を形成するとよい。そして、その後、ポリイミドフィルム及び剥離層(金属層)を剥離すると、表面が平滑なCuめっき層及び/又はCuスパッタ層からなる銅箔が得られる。
次に、ポリイミドフィルム表面をプラズマ処理することにより、フィルム表面の汚染物質の除去と表面の改質を行い、その結果としてフィルムの表面粗さが大きくなる。プラズマ処理後のポリイミドフィルムの表面のRzは、材質の違い及び初期表面粗さの違いにもよるが、Rz=2.5〜500nmの範囲で調整することができる。又、プラズマ処理条件と表面粗さとの関係を予め取得することにより、所定の条件でプラズマ処理して所望の表面粗さを有するポリイミドフィルムを得ることができる。
Cuスパッタのスパッタ条件は例えば、Cuターゲットを用いたArガス中で、放電電圧500〜700V、放電電流15〜25A、真空度3.9〜6.7x10-2Paとすることができる。
さらに、Cuスパッタ層上にCuめっき層を形成することで所望の銅厚を得ることができる。
なお、FIB等によりCu層の断面の金属組織の観察をすることにより、Cuスパッタ層、Cuめっき層であるか否かを判定することができる。一般的にCuスパッタ層は再結晶を起こしにくいため、結晶粒は微細である。また、Cuめっき層は再結晶を起こすため、Cuめっき層の結晶粒はCuスパッタ層で観察される結晶粒よりも大きい場合が多い。
Cuめっき層は、公知の光沢銅めっきにより形成することができる。光沢銅めっきは、市販の光沢剤を含む硫酸銅めっき浴を用いて電気めっきすることにより形成することができる。めっき浴組成の一例としては、Cuイオン:70〜100g/L、硫酸:80〜100g/L、Clイオン:40〜80mg/L、ビス(3−スルフォプロピル)ジスルファイド2ナトリウム:10〜30mg/L、ジアルキルアミノ基含有重合体(重量平均分子量8500):10〜30mg/Lが挙げられる。又、めっき条件は、例えば平均電流密度:20〜100A/dm2、めっき浴温度:45〜65℃とすることができる。Cuめっき層の厚みは、例えば10〜20μmとすることができる。
次に、図1を参照し、本発明の実施形態に係るグラフェンの製造方法について説明する。
まず、室(真空チャンバ等)100内に、上記した本発明のグラフェン製造用銅箔10を配置し、グラフェン製造用銅箔10をヒータ104で加熱すると共に、室100内を減圧又は真空引きする。そして、ガス導入口102から室100内に炭素含有ガスGを水素ガスと共に供給する(図1(a))。炭素含有ガスGとしては、二酸化炭素、一酸化炭素、メタン、エタン、プロパン、エチレン、アセチレン、アルコール等が挙げられるがこれらに限定されず、これらのうち1種又は2種以上の混合ガスとしてもよい。又、グラフェン製造用銅箔10の加熱温度は炭素含有ガスGの分解温度以上とすればよく、例えば1000℃以上とすることができる。又、室100内で炭素含有ガスGを分解温度以上に加熱し、分解ガスをグラフェン製造用銅箔10に接触させてもよい。このとき、グラフェン製造用銅箔10を加熱することで、銅めっき層が半溶融状態になって銅箔表面の凹部に流動し、グラフェン製造用銅箔10の最表面の凹凸が小さくなる。そして、このように平滑となったグラフェン製造用銅箔10の表面に分解ガス(炭素ガス)が接触し、グラフェン製造用銅箔10の表面にグラフェン20を形成する(図1(b))。
さらに、グラフェン製造用銅箔10が除去された積層体を引き上げ、グラフェン20の表面に基板40を積層し、グラフェン20を基板40上に転写しながら、転写シート30を剥がすと、基板40上に積層されたグラフェン20を製造することができる。
図2に示すように、ポリイミドフィルム2(宇部興産社製のユーピレックス-Sフィルム;厚み35μm)を真空装置内にセットし、真空排気後、酸素を用いてプラズマ処理を実施した。
続いてプラズマ処理したフィルム2の片面に、Crスパッタリングにより剥離層4を10nm形成した。その後、Cr層を酸素ガス雰囲気のチャンバー内で処理し、表面にクロム酸化物を形成させた。
さらに、Cr剥離層4の表面にCuをスパッタしてCuスパッタ層10を厚み9μm形成した(図2)。スパッタ条件は、Cuターゲットを用いたArガス中で、放電電圧500V、放電電流15A、真空度5x10-2Paとした。
次に、Cuスパッタ層10を形成したポリイミドフィルムを連続的に巻き取った後、巻き替え機でポリイミドフィルム2及び剥離層4側と、Cuスパッタ層10とを剥離しながら巻き取ることで、スパッタ銅箔(Cuスパッタ層)10を得た。
図3に示すように、実施例1のCuスパッタ層10Aを厚み3μmとし、そのCuスパッタ層10A上にCuをめっきしてCuめっき層10Bを厚み9μm形成したことにより総銅厚を12μmにしたこと以外は、実施例1と同様にしてCuスパッタ/めっき銅箔10を得た(図3)。このCuめっき銅箔10は、Cuスパッタ層10AとCuめっき層10Bからなる。
めっき浴組成は、Cuイオン: 100g/L、硫酸:80g/L、Clイオン:50mg/L、ビス(3−スルフォプロピル)ジスルファイド2ナトリウム30mg/L、ジアルキルアミノ基含有重合体(重量平均分子量8500)30mg/Lとした。
又、めっき浴温を55℃とし、めっき時の平均電流密度を50A/dm2とした。
図3に示すように、実施例1のCuスパッタ層10Aを厚み3μmとし、そのCuスパッタ層10A上にCuをめっきしてCuめっき層10Bを厚み15μm形成したことにより総銅厚を18μmにしたこと以外は、実施例1と同様にしてCuめっき銅箔10を得た(図3)。このCuめっき銅箔10は、Cuスパッタ層10AとCuめっき層10Bからなる。
めっき浴組成は、Cuイオン: 90g/L、硫酸:80g/L、Clイオン:50mg/L、ビス(3−スルフォプロピル)ジスルファイド2ナトリウム50mg/L、ジアルキルアミノ基含有重合体(重量平均分子量8500)40mg/Lとした。
又、めっき浴温を55℃とし、めっき時の平均電流密度を55A/dm2とした。
図3に示すように、実施例1のCuスパッタ層10Aを厚み9μmとし、そのCuスパッタ層10A上にCuをめっきしてCuめっき層10Bを厚み12μm形成したことにより総銅厚を21μmにしたこと以外は、実施例1と同様にしてCuめっき銅箔10を得た(図3)。このCuめっき銅箔10は、Cuスパッタ層10AとCuめっき層10Bからなる。
めっき浴組成は、Cuイオン: 100g/L、硫酸:80g/L、Clイオン:50mg/L、ビス(3−スルフォプロピル)ジスルファイド2ナトリウム30mg/L、ジアルキルアミノ基含有重合体(重量平均分子量8500)30mg/Lとした。
又、めっき浴温を55℃とし、めっき時の平均電流密度を50A/dm2とした。
図3に示すように、実施例1のCuスパッタ層10Aを厚み1μmとし、そのCuスパッタ層10A上にCuをめっきしてCuめっき層10Bを厚み12μm形成したことにより総銅厚を13μmにしたこと以外は、実施例1と同様にしてCuめっき銅箔10を得た(図3)。このCuめっき銅箔10は、Cuスパッタ層10AとCuめっき層10Bからなる。
めっき浴組成は、Cuイオン: 100g/L、硫酸:80g/L、Clイオン:50mg/L、ビス(3−スルフォプロピル)ジスルファイド2ナトリウム30mg/L、ジアルキルアミノ基含有重合体(重量平均分子量8500)30mg/Lとした。
又、めっき浴温を55℃とし、めっき時の平均電流密度を48A/dm2とした。
Cuめっき浴の組成を以下のものに変更したこと以外は、実施例2と同様にしてCuめっき銅箔を得た(図3)。
めっき浴組成は、Cuイオン: 100g/L、硫酸:80g/L、Clイオン:50mg/L、メルテックス社製カパグリームCLX(製品名、光沢剤の1種):10mg/Lとした。
又、めっき浴温を55℃とし、めっき時の平均電流密度を50A/dm2とした。
Cuめっき浴の組成を以下のものに変更したこと以外は、実施例2と同様にしてCuめっき銅箔を得た(図3)。
めっき浴組成は、Cuイオン: 100g/L、硫酸:80g/L、Clイオン:50mg/L、メルテックス社製カパグリームHGX(製品名、光沢剤の1種):10mg/Lとした。
又、めっき浴温を55℃とし、めっき時の平均電流密度を50A/dm2とした。
Cuめっき浴の組成を以下のものに変更したこと以外は、実施例2と同様にしてCuめっき銅箔を得た(図3)。
めっき浴組成は、Cuイオン: 100g/L、硫酸:80g/L、Clイオン:50mg/L、光沢剤として荏原ユージライト社製CU-BRITE RF(製品名、光沢剤の1種):10mg/Lとした。
又、めっき浴温を55℃とし、めっき時の平均電流密度を50A/dm2とした。
図3に示すように、Cuスパッタ層10Aを厚み2μmとし、そのCuスパッタ層10A上にCuをめっきしてCuめっき層10Bを厚み7μm形成したことにより総銅厚を9μmにしたこと及びCuめっき浴の組成を以下のものに変更したこと以外は、実施例2と同様にしてCuめっき銅箔を得た(図3)。
めっき浴組成は、Cuイオン: 110g/L、硫酸:80g/L、Clイオン:50mg/L、光沢剤として荏原ユージライト社製CU-BRITE RF(製品名、光沢剤の1種):10mg/Lとした。
又、めっき浴温を55℃とし、めっき時の平均電流密度を53A/dm2とした。
図3に示すように、Cuスパッタ層10Aを厚み3μmとし、そのCuスパッタ層10A上にCuをめっきしてCuめっき層10Bを厚み7μm形成したことにより総銅厚を10μmにしたこと及びCuめっき浴の組成を以下のものに変更したこと以外は、実施例2と同様にしてCuめっき銅箔を得た(図3)。
めっき浴組成は、Cuイオン: 100g/L、硫酸:80g/L、Clイオン:50mg/L、光沢剤として荏原ユージライト社製CU-BRITE RF(製品名、光沢剤の1種):10mg/Lとした。
又、めっき浴温を55℃とし、めっき時の平均電流密度を53A/dm2とした。
得られた試料の表面の(111)、(200)、(311)、(220)面のX線回折積分強度をそれぞれ測定した。測定は、リガク製RINT2500を使用し、X線照射条件はCo管球を使用し、管電圧25KV、管電流20mAとした。
そして、表面の(111)面の割合を以下の式で算出した。
表面の(111)面の割合(%)=(111)面のX線回折積分強度(−)/{(111)面のX線回折積分強度(−)+(200)面のX線回折積分強度(−)+(311)面のX線回折積分強度(−)+(220)面の回折積分強度(−)} × 100
得られた試料の表面粗さを測定した。
非接触のレーザー表面粗さ計(コンフォーカル顕微鏡(レーザーテック社製HD100D)を使用し、JIS B0601−1994に準拠して十点平均粗さ(Rz)を測定した。測定基準長さ0.8mm、評価長さ4mm、カットオフ値0.8mm、送り速さ0.1mm/秒の条件で測定位置を変えて10回行ない、10回の測定値の平均値を求めた。なお、測定方向はランダム(任意)とした。
各実施例のグラフェン製造用銅箔(縦横100X100mm)を真空チャンバーに設置し、1000℃に加熱した。真空(圧力:0.2Torr)下でこの真空チャンバーに水素ガスとメタンガスを供給し(供給ガス流量:10〜100cc/min)、銅箔を1000℃まで30分で昇温した後、1時間保持し、銅箔表面にグラフェンを成長させた。
グラフェンが表面に成長した銅箔のグラフェン側にPETフィルムを張り合わせ、銅箔を酸でエッチング除去した後、四探針法でグラフェンのシート抵抗を測定した。なお、エッチングの反応時間は予め反応時間とシート抵抗との関係を調査し、シート抵抗が安定するために必要な時間とした。
グラフェンのシート抵抗が400Ω/□以下であれば、実用上問題はない。
20 グラフェン
30 転写シート
Claims (4)
- 表面粗さRzが0.5μm以下であり、表面において(111)面の割合が60%以上であり、Cuめっき層及び/又はCuスパッタ層からなるグラフェン製造用銅箔。
- ポリイミドフィルムのプラズマ処理された面に剥離層を形成し、該剥離層上に前記Cuめっき層及び/又は前記Cuスパッタ層を形成した後、前記ポリイミドフィルム及び前記剥離層を剥離して製造された請求項1に記載のグラフェン製造用銅箔。
- 前記剥離層がニッケル、クロム、コバルト、ニッケル合金、クロム合金、コバルト合金のいずれか1種である請求項2に記載のグラフェン製造用銅箔。
- 請求項1〜3のいずれかに記載のグラフェン製造用銅箔を用いたグラフェンの製造方法であって、
所定の室内に、加熱した前記グラフェン製造用銅箔を配置すると共に水素ガスと炭素含有ガスを供給し、前記グラフェン製造用銅箔の前記銅めっき層の表面にグラフェンを形成するグラフェン形成工程と、
前記グラフェンの表面に転写シートを積層し、前記グラフェンを前記転写シート上に転写しながら、前記グラフェン製造用銅箔をエッチング除去するグラフェン転写工程と、を有するグラフェンの製造方法。
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