JP2019214746A - 炭素ナノ構造体成長用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】良質な炭素ナノ構造体を確実に形成する炭素ナノ構造体成長用装置の提供。【解決手段】昇温室２０と、成長室３０と、搬送手段６０と、排気機構５０とを具備し、成長室は昇温室に連結され、成長室に炭素含有の原料ガスを導入するガス導入手段３１及び原料ガスを加熱する加熱手段３３を有し、処理対象物の表面に炭素ナノ構造体を成長させる炭素ナノ構造体製造装置１００であって、排気機構は処理対象物が成長室に搬入する成長室の入口部に取り付けられた排気管５３，５７を通じて原料ガスを成長室外に排気し、排気管内の原料ガスの排気量が一定となる制御を行う炭素ナノ構造体成長用装置。【選択図】図１

Description

本発明は、炭素ナノ構造体成長用装置に関する。

カーボンナノチューブ、グラフェン等の炭素ナノ構造体を成長させるＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置として、ロールトゥロール式で繰り出される処理対象物が搬入される成長室（加熱室）と、成長室内に炭素含有の原料ガスを導入するガス導入手段と、原料ガスを加熱する加熱手段とを備えるものある（例えば、特許文献１参照）。

この種の装置においては、処理対象物を配置した成長室内に原料ガスが導入され、原料ガス及び処理対象物が所定温度に加熱されて原料ガスが分解することで、処理対象物の表面に炭素ナノ構造体が成長する。また、この種の装置においては、処理対象物が搬入される成長室の手前に、加熱室とは別部室である前処理室を設置する場合がある。

特開２０１３−０３２２４８号公報

上記の装置において、良質の炭素ナノ構造体を処理対象物上に形成するには、プロセス中に成長室に供給される原料ガスの量と、成長室から排気される原料ガスの量との調和が取れ、成長室の圧力が安定していることが望ましい。

しかしながら、成長室を排気する排気ポンプの排気量が上記装置を収容する棟外の予期せぬ環境変化によって変動すると、原料ガスの供給量と排気量との調和が崩れ、良質な炭素ナノ構造体を処理対象物上に形成できなくなる可能性がある。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、良質な炭素ナノ構造体を確実に処理対象物上に形成できる炭素ナノ構造体成長用装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る炭素ナノ構造体成長用装置は、昇温室と、成長室と、搬送手段と、排気機構とを具備する。
上記昇温室は、処理対象物を昇温する。
上記成長室は、上記昇温室に連結され、上記成長室に炭素含有の原料ガスを導入するガス導入手段及び前記処理対象物と原料ガスとを加熱する加熱手段を有し、上記処理対象物の表面に炭素ナノ構造体を成長させる。
上記搬送手段は、上記成長室及び上記昇温室に設けられ、上記処理対象物が上記昇温室から上記成長室を通過するように上記処理対象物を搬送する。
上記排気機構は、上記処理対象物が上記成長室に搬入する上記成長室の入口部に取り付けられた排気管を通じて上記原料ガスを上記成長室外に排気し、上記排気管内の上記原料ガスの排気量が一定となる制御を行う。

このような炭素ナノ構造体成長用装置によれば、上記排気管を流れる上記原料ガスの排気量が一定となるので、原料ガスの供給量と排気量との調和が保たれる。これにより、成長室内からの昇温室内への原料ガスの流入、昇温室内からの成長室内への原料ガスの流入、及び昇温室外から昇温室内への大気の流入が抑えられ、処理基板上に良質な炭素ナノ構造体が形成される。

上記の炭素ナノ構造体成長用装置においては、上記排気機構においては、上記排気管の最下流部が上記炭素ナノ構造体成長用装置を収容する棟外の大気に開放されもよい。
上記最下流部の上流に、上記原料ガスを上記棟外に排気する非容積型ポンプが設けられてもよい。
上記非容積型ポンプの上流に、上記排気管内の上記排気量を測定する第１流量計が設けられてもよい。
上記最下流部と上記非容積型ポンプとの間に、第１流量調整機構が設けられてもよい。
上記排気管内の上記排気量は、上記第１流量計で検知される排気量に基づいて上記第１流量調整機構によって調整されてもよい。

このような炭素ナノ構造体成長用装置によれば、棟外の大気に開放された排気管の最下流部の上流に、非容積型ポンプが設けられ、非容積型ポンプの上流に、排気管内の排気量を測定する第１流量計が設けられ、最下流部と非容積型ポンプとの間に、第１流量調整機構が設けられているので、排気管を流れる原料ガスの排気量が一定になるように調整される。

上記の炭素ナノ構造体成長用装置においては、上記成長室内には、上記ガス導入手段が配置される空間と上記入口部とを区分けする仕切板が設けられてもよい。

このような炭素ナノ構造体成長用装置によれば、ガス導入手段が配置される空間と入口部とが仕切板によって区分けされ、原料ガスが昇温室に漏れにくく、入口部を通じて原料ガスが効率よく排気される。

上記の炭素ナノ構造体成長用装置においては、上記排気機構において、上記第１流量計の上流で上記成長室の直下流に第２流量調整機構が設けられてもよい。
上記第１流量計の上流で第２流量調整機構の直下流に第２流量計が設けられてもよい。
上記第２流量計の上流における上記排気管の上記排気量は、上記第２流量計で検知される排気量に基づいて上記第２流量調整機構によって調整されてもよい。

このような炭素ナノ構造体成長用装置によれば、排気管が長くなった場合でも、第１流量計の上流で成長室の直下流に第２流量調整機構が設けられ、第１流量計の上流で第２流量調整機構の下流に第２流量計が設けられているので、排気管を流れる原料ガスの排気量が一定になるように調整される。

上記の炭素ナノ構造体成長用装置においては、上記排気機構において、上記排気管が上記第１流量計の上流において、複数の第１排気管部と、複数の第２排気管部とに分岐されてもよい。
上記複数の第１排気管部によって、上記成長室の上側から上記原料ガスが排気されてもよい。
上記複数の第２排気管部によって、上記成長室の下側から上記原料ガスが排気されてもよい。
上記複数の第１排気管部のそれぞれ及び上記複数の第２排気管部のそれぞれに、上記成長室の直下流に第２流量調整機構が設けられてもよい。
上記複数の第１排気管部のそれぞれ及び上記複数の第２排気管部のそれぞれに、上記第２流量調整機構の下流に第２流量計が設けられてもよい。
上記第２流量計のそれぞれの上流における上記排気量は、上記第２流量計のそれぞれで検知される排気量に基づいて上記第２流量調整機構のそれぞれによって調整されてもよい。

このような炭素ナノ構造体成長用装置によれば、複数の第１排気管部によって、成長室の上側から原料ガスが排気され、複数の第２排気管部によって、成長室の下側から上記原料ガスが排気され、複数の第１排気管部のそれぞれ及び複数の第２排気管部のそれぞれに、成長室の直下流に第２流量調整機構が設けられ、複数の第１排気管部のそれぞれ及び複数の第２排気管部のそれぞれに、第２流量調整機構の下流に第２流量計が設けられる。これにより、複数の第１排気管部のそれぞれ及び複数の第２排気管部のそれぞれで排気量を調整することができるので、処理対象物の幅方向における炭素ナノ構造体の成長速度が均一になるように調整できる。

上記の炭素ナノ構造体成長用装置においては、上記排気機構においては、上記排気管が上記第１流量計の上流において、複数の第１排気管部と、複数の第２排気管部とに分岐されてもよい。
上記複数の第１排気管部によって、上記成長室の上側から上記原料ガスが排気されてもよい。
上記複数の第２排気管部によって、上記成長室の下側から上記原料ガスが排気されてもよい。
上記複数の第１排気管部のそれぞれ及び上記複数の第２排気管部のそれぞれに、上記成長室の直下流にマスフローコントローラが設けられてもよい。

このような炭素ナノ構造体成長用装置によれば、複数の第１排気管部によって、成長室の上側から原料ガスが排気され、複数の第２排気管部によって、成長室の下側から上記原料ガスが排気され、複数の第１排気管部のそれぞれ及び複数の第２排気管部のそれぞれに、マスフローコントラーラが設けられる。これにより、複数の第１排気管部のそれぞれ及び複数の第２排気管部のそれぞれで排気量を調整することができるので、処理対象物の幅方向における炭素ナノ構造体の成長速度が均一になるように調整できる。

上記の炭素ナノ構造体成長用装置においては、上記昇温室内に、酸素を検知する第１ガスセンサが設けられてもよい。

このような炭素ナノ構造体成長用装置によれば、昇温室内に、酸素を検知する第１ガスセンサが設けられているので、処理対象物の酸化を未然に防ぐことができる。

上記の炭素ナノ構造体成長用装置においては、上記昇温室内に、炭素含有ガスを検知する第２ガスセンサが設けられてもよい。

このような炭素ナノ構造体成長用装置によれば、昇温室内に、炭素含有ガスを検知する第２ガスセンサが設けられているので、処理対象物の被毒を未然に防ぐことができる。

以上述べたように、本発明によれば、良質な炭素ナノ構造体を確実に処理対象物上に形成できる炭素ナノ構造体成長用装置が提供される。

図（ａ）は、本実施形態に係る炭素ナノ構造体成長用装置の模式的断面図である。図（ｂ）は、本実施形態に係る炭素ナノ構造体成長用装置の模式的上面図である。図（ｃ）は、本実施形態に係る炭素ナノ構造体成長用装置の模式的下面図である。 本実施形態に係る炭素ナノ構造体成長用装置が屋内に収容された様子を示す模式図である。 本実施形態に係る炭素ナノ構造体成長用装置が屋内に収容された様子の第１変形例を示す模式図である。 本実施形態に係る炭素ナノ構造体成長用装置の第２変形例を示す模式図である。 本実施形態に係る炭素ナノ構造体成長用装置の第３変形例を示す模式図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。各図面には、ＸＹＺ軸座標が導入される場合がある。また、同一の部材または同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その部材を説明した後には適宜説明を省略する場合がある。

図１（ａ）は、本実施形態に係る炭素ナノ構造体成長用装置の模式的断面図である。図１（ｂ）は、本実施形態に係る炭素ナノ構造体成長用装置の模式的上面図である。図１（ｃ）は、本実施形態に係る炭素ナノ構造体成長用装置の模式的下面図である。なお、図１（ｂ）、（ｃ）では、加熱手段が略されている。

炭素ナノ構造体成長用装置１００は、ロード室１０と、アンロード室１１と、昇温室２０と、成長室３０と、冷却室４０と、排気機構５０と、搬送手段６０とを具備する。炭素ナノ構造体成長用装置１００では、ロード室１０とアンロード室１１との間に、昇温室２０、成長室３０、及び冷却室４０が配置される。図１（ａ）〜図１（ｃ）では、ロード室１０からアンロード室１１に向かう方向をＹ軸方向とし、炭素ナノ構造体成長用装置１００の上下方向をＺ軸方向、炭素ナノ構造体成長用装置１００の横方向をＸ軸方向としている。

炭素ナノ構造体成長用装置１００では、Ｙ軸方向に、ロード室１０、昇温室２０、成長室３０、冷却室４０、及びアンロード室１１がこの順に並ぶ。炭素ナノ構造体成長用装置１００では、処理対象物である金属箔８１が巻出ロール８０に巻かれ、巻出ロール８０から金属箔８１が炭素ナノ構造体成長用装置１００内に繰り出される。そして、炭素ナノ構造体成長用装置１００内で金属箔８１に炭素ナノ構造体が形成された後、炭素ナノ構造体付きの金属箔８１が巻取ロール８２に連続的に巻き取られる。金属箔８１は、帯状のニッケル箔、帯状の銅箔／ニッケル箔／銅箔等である。金属箔８１の両面には、例えば、鉄等の触媒膜が担持されている。炭素ナノ構造体の形成は、金属箔８１を移送させながら行ってもよく、断続的に金属箔８１を移送させながら行ってもよい。また、炭素ナノ構造体成長用装置１００は、ロールトゥロール型に限らず、枚葉型であってもよい。

以下、各室、各機構の詳細について説明する。

ロード室１０は、金属箔８１が繰り出される方向（矢印）において、昇温室２０の手前に配置される。ロード室１０は、入口孔１２を有し、入口孔１２から金属箔８１がロード室１０に搬入される。ロード室１０には、図示しない不活性ガス導入口が設けられ、ロード室１０内は、不活性ガスで大気圧よりも陽圧になっている。これにより、大気は、入口孔１２で遮断されて、大気がロード室１０に入りにくくなっている。本実施形態で不活性ガスとして用いられるガスは、例えば、窒素（Ｎ_２）、アルゴン等の希ガス等である。

昇温室２０は、ロード室１０と成長室３０との間に配置される。昇温室２０は、ロード室１０と成長室３０とに連結される。昇温室２０は、ガス導入口２１と、昇温室本体２２と、加熱手段２３とを有する。昇温室本体２２は、加熱手段２３に囲まれている。また、昇温室２０は、ロード室１０に連通する開口部２０ｈを有し、開口部２０ｈから金属箔８１が昇温室２０に搬入される。加熱手段２３は、電熱線による加熱手段、ランプによる加熱手段等である。加熱手段２３の外側には、断熱材が設けられてもよい。昇温室本体２２が加熱手段２３に囲まれたことにより、昇温室２０では金属箔８１の両面加熱が可能になる。

昇温室２０内は、ガス導入口２１から導入される不活性ガスで充填されている。昇温室本体２２内の圧力は、例えば、ロード室１０内の圧力以下になっており、成長室３０の入口部３０１の圧力よりも高くなっている。但し、大気は、入口孔１２で遮断されているので、大気が昇温室２０内に入りにくくなっている。昇温室２０内に搬入された金属箔８１は、加熱手段２３によって予備加熱されて、例えば、６００℃程度に加熱される。

成長室３０は、昇温室２０と冷却室４０との間に配置される。成長室３０は、昇温室２０と冷却室４０とに連結される。成長室３０は、ガス導入手段３１と、成長室本体３２と、加熱手段３３とを有する。成長室本体３２は、加熱手段３３によって囲まれている。また、成長室３０は、昇温室２０に連通する開口部３０ｈを有し、開口部３０ｈから予備加熱された金属箔８１が成長室３０に搬入される。成長室３０内には、ガス導入手段３１が配置された空間３０２と、金属箔８１が成長室３０内に搬送される入口部３０１とを区分けする仕切板３５が設けられている。加熱手段３３は、電熱線による加熱手段、ランプによる加熱手段等である。加熱手段３３の外側には、断熱材が設けられてもよい。成長室本体３２が加熱手段２３に囲まれたことにより、成長室３０では金属箔８１の両面の加熱が可能になる。

ガス導入手段３１は、例えば、Ｙ軸方向に延びる２本の上部ガス導入手段３１ｕと、Ｙ軸方向に延びる２本の下部ガス導入手段３１ｄとを有する。Ｚ軸方向から成長室３０を見た場合、２本の上部ガス導入手段３１ｕは、Ｘ軸方向に対向し、金属箔８１の両側に配置されている。また、２本の下部ガス導入手段３１ｄは、Ｘ軸方向に対向し、金属箔８１の両側に配置されている。上部ガス導入手段３１ｕ及び下部ガス導入手段３１ｄのそれぞれには、複数の導入口が設けられる。これにより、金属箔８１の上下に複数の導入口が連なり、金属箔８１の両面に向けて略均等な分圧で原料ガスが噴射される。

ガス導入手段３１から導入される原料ガスは、炭素含有ガスが窒素（Ｎ_２）で希釈されたものであり、例えば、アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）／窒素の混合ガス（アセチレン：０．１〜２０vol％）である。成長室３０の空間３０２の圧力は、例えば、昇温室２０内の圧力よりも低く、成長室３０の入口部３０１の圧力よりも高くなっている。成長室３０内に金属箔８１が搬入されることにより、金属箔８１に設けられた触媒膜と、原料ガスとが加熱手段３３によって加熱されて、例えば、金属箔８１と金属箔８１近傍の原料ガスが７００℃〜８００℃に加熱される。これにより、金属箔８１の表面に炭素ナノ構造体が成長する。

仕切板３５には、金属箔８１が通過する開口部３５ｈが設けられている。また、入口部３０１は、金属箔８１の上側では複数の内部仕切板３５１によって複数の空間（例えば、３つの空間）に区分けされ、金属箔８１の下側では複数の下部仕切板３５２によって複数の空間（例えば、３つの空間）に区分けされている。

冷却室４０は、成長室３０とアンロード室１１との間に配置される。冷却室４０は、成長室３０とアンロード室１１とに連結される。冷却室４０は、冷却本体４１と、ガス導入口４２とを有する。また、冷却室４０は、成長室３０に連通する開口部４０ｈを有し、開口部４０ｈから、炭素ナノ構造体が形成された金属箔８１が冷却室４０に搬入される。

冷却室４０内は、ガス導入口４２から導入される不活性ガスで充填されている。冷却室４０内の圧力は、例えば、成長室３０の空間３０２の圧力以上で、アンロード室１１内の圧力以下になっている。大気は、出口孔１３で遮断されているので、大気が冷却室４０内に入りにくくなっている。冷却室４０に搬入された金属箔８１は、炭素ナノ構造体成長用装置１００外で大気に晒されても、炭素ナノ構造体が酸化しないように冷却室４０で冷却される。

アンロード室１１は、金属箔８１が繰り出される方向において、冷却室４０の最後尾に配置される。アンロード室１１は、冷却室４０に連通する開口部１１ｈと、出口孔１３とを有する。冷却された金属箔８１は、開口部１１ｈからアンロード室１１に搬入され、出口孔１３から炭素ナノ構造体成長用装置１００外に搬出される。アンロード室１１には、図示しない不活性ガス導入口が設けられ、アンロード室１１内は、不活性ガスで大気圧よりも陽圧になっている。これにより、炭素ナノ構造体成長用装置１００外の大気が出口孔１３で遮断されて、大気がアンロード室１１に入りにくくなっている。

排気機構５０は、排気管５３と、排気管５７とを有する。排気管５３及び排気管５７の下流には、排気ポンプが配置される。

排気管５３は、金属箔８１が成長室３０に搬入される成長室３０の入口部３０１に取り付けられる。排気管５３は、少なくとも１つの上部排気管部（第１排気管部）５１と、少なくとも１つの下部排気管部（第２排気管部）５２とを有する。上部排気管部５１及び下部排気管部５２は、昇温室２０と成長室３０との間の位置近傍に取り付けられる。排気管５３が開口部３０ｈ近傍に取り付けられたことにより、排気管５３を通じて昇温室２０から入口部３０１に流入する不活性ガスや、空間３０２から入口部３０１に流れ込む原料ガスが成長室３０外に排気される。

上部排気管部５１としては、図１（ｂ）、（ｃ）の例では、上部排気管部５１１、５１２、５１３が順にＸ軸方向に並ぶ例が示され、下部排気管部５２としては、下部排気管部５２１、５２２、５２３が順にＸ軸方向に並ぶ例が示されている。上部排気管部５１１、５１２、５１３のいずれかは、内部仕切板３５１によって区分けされた入口部３０１のいずれかの空間に連通している。また、下部排気管部５２１、５２２、５２３のいずれかは、下部仕切板３５２によって区分けされた入口部３０１のいずれかの空間に連通している。

炭素ナノ構造体成長用装置１００では、入口部３０１を通じて排気管５３を流れる不活性ガス及び原料ガスの排気量が一定となるように、排気管５３内の排気量が制御される

また、成長室３０には、排気管５３の他に排気管５７が設けられている。排気管５７は、Ｙ軸方向に延びる２本の上部排気管５５と、Ｙ軸方向に延びる２本の下部排気管５６とを有する。Ｚ軸方向から成長室３０を見た場合、２本の上部排気管５５は、Ｘ軸方向に対向し、金属箔８１の両側に配置されている。また、２本の下部排気管５６は、Ｘ軸方向に対向し、金属箔８１の両側に配置されている。上部排気管５５及び下部排気管５６のそれぞれには、複数の排気口が設けられる。これにより、金属箔８１の上下に複数の排気口が連なり、金属箔８１の上下の空間から原料ガスが排気される。

炭素ナノ構造体成長用装置１００では、排気管５７を通じて、成長室３０の空間３０２に導入された原料ガスが成長室３０外に排出され、空間３０２の圧力が一定に維持される。また、排気管５７は、Ｙ軸方向に延在していることから、空間３０２のＹ軸方向における圧力分布が形成されにくくなっている。

搬送手段６０は、ロード室１０と、昇温室２０と、成長室３０と、冷却室４０と、アンロード室１１に設けられる。搬送手段６０は、巻出ロール６１と、巻取ロール６２と、金属ベルト６３とを有する。巻出ロール６１から繰り出された帯状の金属ベルト６３は、入口孔１２、開口部２０ｈ、開口部３０ｈ、開口部３５ｈ、開口部４０ｈ、開口部１１ｈ、及び出口孔１３を経由して巻取ロール６２に取り巻かれる。

巻出ロール６１と巻取ロール６２との間の金属ベルト６３は、巻出ロール８０から繰り出された金属箔８１の片面を支持する。金属箔８１が繰り出される速度と、金属ベルト６３が繰り出される速度は、同じ速度に調整され、金属箔８１が金属ベルト６３とともにロード室１０に搬入される。そして、金属箔８１及び金属ベルト６３は、昇温室２０から成長室３０を通過し、さらに冷却室４０とアンロード室１１を通過する。

金属ベルト６３は、例えば、網状である。これにより、金属ベルト６３が支持する金属箔８１の面と、該支持面とは反対側の金属箔８１の面とに原料ガスが行き渡り、金属箔８１の両面に炭素ナノ構造体が形成される。

図２は、本実施形態に係る炭素ナノ構造体成長用装置が屋内に収容された様子を示す模式図である。

図２に示すように、炭素ナノ構造体成長用装置１００は、量産室、実験室、クリーンルーム等の棟１０００に収容される。排気機構５０における排気管５３は、さらに、排気分岐管５８ａと、排気分岐管５８ｂと、排気管５８と、排気ダクト５９とを有する。排気分岐管５８ａは、上部排気管部５１に連結されている。排気分岐管５８ｂは、下部排気管部５２に連結されている。排気分岐管５８ａと排気分岐管５８ｂとは、排気管５８に連結している。排気管５８は、排気ダクト５９に連結している。

排気機構５０においては、排気管５３の最下流部５３ｅが棟１０００外の大気に開放される。最下流部５３ｅの上流には、原料ガスを棟１０００外に排気する非容積型ポンプ５００が設けられている。例えば、排気ダクト５９内に、排気ファン式の非容積型ポンプ５００が設けられている。非容積型ポンプ５００は、一定の回転数で作動する。例えば、排気ファン式のポンプは、シロッコファンである。

非容積型ポンプ５００の上流には、排気管５３内の排気量を測定する流量計５５１（第１流量計）が設けられている。最下流部５３ｅと非容積型ポンプ５００との間には、流量調整機構５６１（第１流量調整機構）が設けられる。流量調整機構５６１は、例えば、風量調整ダンパを有する。排気管５３内の排気量は、流量計５５１で検知される排気量に基づいて流量調整機構５６１によって調整される。すなわち、排気管５３内の排気量は、流量計５５１と流量調整機構５６１とを用いた帰還制御によって一定になるように制御される。

なお、排気管５７の下流にも、図２に示した非容積型ポンプ、流量計、及び流量調整機構が設置されてもよい。あるいは、排気管５７の下流が流量計５５１の上流の排気管５８に合流してもよい。

ここで、流量調整機構５６１、流量計５５１が設置されていない排気管５３を想定する。この場合、排気管５８から下流は、排気ダクト５９と、非容積型ポンプ５００のみで構成されることになる。

このような構成では、屋外で予期せぬ気候の変動が起き、排気管５３の最下流部５３ｅで排気ダクト５９内の圧力が変動した場合、排気管５３における排気量が変動する場合がある。これは、排気ダクト５９内の圧力が正圧になるほど排気管５３を流れるガスにとっては負荷となり、排気ダクト５９内の圧力が負圧になるほど排気管５３を流れるガスにとっては負荷が減るからである。ここで、気候の変動とは、例えば、気圧の変動、風速の変動、風向き等である。そして、この変動に応じるように、排気管５３に連結された成長室３０の空間３０２の圧力も変動する場合がある。

成長室３０の空間３０２の圧力が変動すると、成長室３０から昇温室２０に原料ガスが流入したり、昇温室２０から成長室３０の空間３０２に不活性ガスが流入したりする場合がある。あるいは、昇温室２０から成長室３０に不活性ガスが流れ込むと、昇温室２０に連結したロード室１０に大気が流れ込む可能性がある。そして、この大気が昇温室２０に入り混む可能性がある。

金属箔８１には、最表面に触媒としての鉄が形成されていることから、鉄が被毒しないことが望ましい。ところが、昇温室２０の加熱温度は、成長室３０の加熱温度よりも低く、原料ガスが昇温室２０に流入している状態で、金属箔８１が昇温室２０で加熱されると、金属箔８１上に炭素ナノ構造体以外の炭素含有膜が形成されて、鉄が被毒される。一方、大気が昇温室２０に流入すると、鉄が酸化される場合がある。さらに、昇温室２０から成長室３０の空間３０２に不活性ガスが流入すると、原料ガスにおける炭素含有ガスの濃度が低くなり、金属箔８１上に炭素ナノ構造体が形成されにくくなる。

これに対して、本実施形態に係る炭素ナノ構造体成長用装置１００では、屋外で予期せぬ気候の変動が起きたとしても、流量計５５１と流量調整機構５６１とによって帰還制御がなされ、排気管５３内の排気量が一定になるように調整されている。これにより、原料ガスの排気量と供給量との調和が保たれ、成長室３０の空間３０２の圧力が変動しにくくなっている。

従って、成長室３０からの昇温室２０への原料ガスの流入、昇温室２０内への大気の流入、及び昇温室２０から成長室３０の空間３０２への不活性ガスの流入が抑えられ、金属箔８１上には、良質な炭素ナノ構造体が形成される。

例えば、成長室３０は、仕切板３５によって、入口部３０１と空間３０２とに区分けされている。そして、昇温室本体２２と、入口部３０１と、空間３０２との圧力の大小関係は、入口部３０１＜空間３０２＜昇温室本体２２の関係にある。これにより、原料ガスが成長室３０から昇温室２０へ向かって拡散したとしても、原料ガスは、昇温室２０から入口部３０１に向かう不活性ガスの流れに逆らうことができず、開口部３０ｈの手前で遮断され、入口部３０１を通じて排気管５３により効率よく排気される。すなわち、成長室３０から昇温室２０へ向かう原料ガスは、入口部３０１で確実に遮断される。また、昇温室２０から成長室３０へ不活性ガスが流入したとしても、不活性ガスは、開口部３５ｈの手前で入口部３０１を通じて排気管５３により効率よく排気される。すなわち、昇温室２０から成長室３０へ向かう不活性ガスは、入口部３０１で確実に遮断される。

また、上部排気管部５１１、５１２、５１３及び下部排気管部５２１、５２２、５２３が開口部３５ｈの延在方向（Ｘ軸方向）に併設されているので、入口部３０１内のガスが金属箔８１の幅方向で略均等に排気される。これにより、原料ガスの局部的な開口部３０ｈからの昇温室２０への流入、不活性ガスの局部的な開口部３５ｈからの成長室３０への流入が抑えられる。

また、炭素ナノ構造体成長用装置１００においては、昇温室２０内に、酸素を検知するガスセンサ２５１（第１ガスセンサ）が設けられてもよい。これにより、昇温室２０内に酸素が流入した場合、ガスセンサ２５１によって酸素が検知されるので、金属箔８１の酸化を未然に防ぐことができる。

また、炭素ナノ構造体成長用装置１００においては、昇温室２０内に、炭素含有ガスを検知するガスセンサ２５２（第２ガスセンサ）が設けられてもよい。これにより、昇温室２０内に、炭素含有ガスが流入した場合、ガスセンサ２５２によって炭素含有ガスが検知されるので、金属箔８１の被毒を未然に防ぐことができる。

また、原料ガスを排気する非容積型ポンプ５００は、例えば、排気ファン型のシロッコファンであり、容積型ポンプ（例えば、メカニカルブースタポンプ）に比べて、排気量が大きく、格安である。このため、排気機構５０は、低コストで設計され得る。

このように、炭素ナノ構造体成長用装置１００によれば、良質な炭素ナノ構造体が確実に処理対象物上に形成される。

（変形例１）

図３は、本実施形態に係る炭素ナノ構造体成長用装置が屋内に収容された様子の第１変形例を示す模式図である。

図３に示す炭素ナノ構造体成長用装置１０１では、上部排気管部５１及び下部排気管部５２の長さが炭素ナノ構造体成長用装置１００よりも短く構成される。排気管５３は、流量調整機構５６２（第２流量調整機構）をさらに有している。

流量調整機構５６２は、排気管５３において、流量計５５１の上流で成長室３０の直下流に設けられている。また、排気管５３において、流量計５５１の上流で、流量調整機構５６２の直下流には、流量計５５２（第２流量計）が設けられている。すなわち、排気管５３において、流量調整機構５６２及び流量計５５２は、成長室３０の直下に設けられている。

流量調整機構５６２は、上部流量調整機構５６２ｕと、下部流量調整機構５６２ｄとを有する。上部流量調整機構５６２ｕは、炭素ナノ構造体成長用装置１０１の上側に設けられ、下部流量調整機構５６２ｄは、炭素ナノ構造体成長用装置１０１の下側に設けられている。流量計５５２は、上部流量計５５２ｕと、下部流量計５５２ｄとを有する。上部流量計５５２ｕは、炭素ナノ構造体成長用装置１０１の上側に設けられ、下部流量計５５２ｄは、炭素ナノ構造体成長用装置１０１の下側に設けられている。

上部流量調整機構５６２ｕと、上部流量計５５２ｕとは、排気分岐管５８ａにおいて直列状に配置される。下部流量調整機構５６２ｄと、下部流量計５５２ｄとは、排気分岐管５８ｂにおいて直列状に配置される。上部流量調整機構５６２ｕ及び下部流量調整機構５６２ｄは、例えば、風量調整ダンパを有する。

これにより、排気分岐管５８ａよりも上流に位置する上部排気管部５１内の排気量は、上部流量計５５２ｕで検知される排気量に基づいて、上部流量調整機構５６２ｕによって調整される。また、排気分岐管５８ｂよりも上流に位置する下部排気管部５２内の排気量は、下部流量計５５２ｄで検知される排気量に基づいて、下部流量調整機構５６２ｄによって調整される。

排気管５３は、棟１０００内の炭素ナノ構造体成長用装置のレイアウトによっては、その長さが長くなる場合がある。排気管５３の長さが長くなると、排気管５３のコンダクタンスＣが小さくなり、その時定数τが大きくなる場合がある。このような場合、排気管５３の最下流部５３ｅ付近に、流量計５５１及び流量調整機構５６１を設けたとしても、成長室３０に近い排気管５３内の排気量が流量計５５１及び流量調整機構５６１による帰還制御に追従できず、排気管５３内の排気量が流量計５５１及び流量調整機構５６１によって精度よく制御されない場合がある。

これに対し、炭素ナノ構造体成長用装置１０１では、成長室３０の直下に流量計５５２及び流量調整機構５６２が配置されたので、排気管５３の長さが長くなったとしても、排気管５３の排気量が流量計５５２及び流量調整機構５６２によって精度よく制御される。

また、上部排気管部５１及び下部排気管部５２のそれぞれの下流に流量調整機構５６２が設けられたことにより、上部排気管部５１及び下部排気管部５２のそれぞれの排気量が独立して制御される。例えば、上部排気管部５１及び下部排気管部５２のそれぞれの排気量が等しくなるように制御することにより、開口部３０ｈまたは開口部３５ｈから入口部３０１に流入したガスが入口部３０１の上方または下方から効率よく排気される。

（変形例２）

図４は、本実施形態に係る炭素ナノ構造体成長用装置の第２変形例を示す模式図である。図４には、昇温室２０から成長室３０を見た場合の主に排気管５３と成長室３０との配置関係が示されている。

変形例２に係る排気機構５０においては、排気管５３が流量計５５１の上流において、上部排気管部５１１、５１２、５１３と、下部排気管部５２１、５２２、５２３とに分岐される。上部排気管部５１１、５１２、５１３によって、成長室３０の上側から原料ガスが排気される。また、下部排気管部５２１、５２２、５２３によって、成長室３０の下側から原料ガスが排気される。

上部排気管部５１１、５１２、５１３のそれぞれ及び下部排気管部５２１、５２２、５２３のそれぞれに、成長室３０の直下流に流量調整機構５６２が設けられる。

例えば、上部排気管部５１１において、成長室３０の直下流に上部流量調整機構５６２ｕが設けられる。上部排気管部５１２において、成長室３０の直下流に上部流量調整機構５６２ｕが設けられる。上部排気管部５１３において、成長室３０の直下流に上部流量調整機構５６２ｕが設けられる。下部排気管部５２１において、成長室３０の直下流に下部流量調整機構５６２ｄが設けられる。下部排気管部５２２において、成長室３０の直下流に下部流量調整機構５６２ｄが設けられる。下部排気管部５２３において、成長室３０の直下流に下部流量調整機構５６２ｄが設けられる。

また、上部排気管部５１１、５１２、５１３のそれぞれ及び下部排気管部５２１、５２２、５２３のそれぞれに、流量調整機構５６２の下流に流量計５５２が設けられる。

例えば、上部排気管部５１１において、上部流量調整機構５６２ｕの下流に上部流量計５５２ｕが設けられる。上部排気管部５１２において、上部流量調整機構５６２ｕの下流に上部流量計５５２ｕが設けられる。上部排気管部５１３において、上部流量調整機構５６２ｕの下流に上部流量計５５２ｕが設けられる。下部排気管部５２１において、下部流量調整機構５６２ｄの下流に下部流量計５５２ｄが設けられる。下部排気管部５２２において、下部流量調整機構５６２ｄの下流に下部流量計５５２ｄが設けられる。下部排気管部５２３において、下部流量調整機構５６２ｄの下流に下部流量計５５２ｄが設けられる。

第２変形例によれば、排気管５３における、複数の流量計５５２のそれぞれの上流における排気量が複数の流量計５５２のそれぞれで検知される排気量に基づいて、複数の流量調整機構５６２のそれぞれによって調整される。これにより、上部排気管部５１１、５１２、５１３のそれぞれ及び下部排気管部５２１、５２２、５２３のそれぞれで独立して排気量を調整することができるので、金属箔８１の幅方向における炭素ナノ構造体の成長速度が均一になるように調整できる。

（変形例３）

図５は、本実施形態に係る炭素ナノ構造体成長用装置の第３変形例を示す模式図である。図５には、昇温室２０から成長室３０を見た場合の主に排気管５３と成長室３０との配置関係が示されている。

変形例３においては、上部排気管部５１１、５１２、５１３のそれぞれ及び下部排気管部５２１、５２２、５２３のそれぞれに、成長室３０の直下流にマスフローコントローラ５７２が設けられている。

例えば、上部排気管部５１１に、成長室３０の直下流に上部マスフローコントローラ５７２ｕが設けられている。上部排気管部５１２に、成長室３０の直下流に上部マスフローコントローラ５７２ｕが設けられている。上部排気管部５１３に、成長室３０の直下流に上部マスフローコントローラ５７２ｕが設けられている。下部排気管部５２１に、成長室３０の直下流に下部マスフローコントローラ５７２ｄが設けられている。下部排気管部５２２に、成長室３０の直下流に下部マスフローコントローラ５７２ｄが設けられている。下部排気管部５２３に、成長室３０の直下流に下部マスフローコントローラ５７２ｄが設けられている。

変形例３によれば、排気管５３における排気量が複数のマスフローコントローラ５７２のそれぞれによって調整される。これにより、上部排気管部５１１、５１２、５１３のそれぞれ及び下部排気管部５２１、５２２、５２３のそれぞれで独立して排気量を調整することができるので、金属箔８１の幅方向における炭素ナノ構造体の成長速度が均一になるように調整できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、流量計と流量調整機構との位置の関係は、それらの相関関係を維持する限り、設計自由度がある、また、各実施形態は、独立の形態とは限らず、技術的に可能な限り複合することができる。

１０…ロード室
１１…アンロード室
１１ｈ、２０ｈ、３０ｈ、３５ｈ、４０ｈ…開口部
１２…入口孔
１３…出口孔
２０…昇温室
２１…ガス導入口
２２…昇温室本体
２３…加熱手段
３０…成長室
３１…ガス導入手段
３１ｄ…下部ガス導入手段
３１ｕ…上部ガス導入手段
３２…成長室本体
３３…加熱手段
３５…仕切板
４０…冷却室
４１…冷却本体
４２…ガス導入口
５０…排気機構
５１…上部排気管部
５２…下部排気管部
５３、５７、５８…排気管
５３ｅ…最下流部
５５…上部排気管
５６…下部排気管
５８ａ、５８ｂ…排気分岐管
５９…排気ダクト
６０…搬送手段
６１、８０…巻出ロール
６２、８２…巻取ロール
６３…金属ベルト
８１…金属箔
１００、１０１…炭素ナノ構造体成長用装置
３０１…入口部
３０２…空間
３５１…内部仕切板
３５２…下部仕切板
５００…非容積型ポンプ
５１１、５１２、５１３…上部排気管部
５２１、５２２、５２３…下部排気管部
５５１、５５２…流量計
５５２ｄ…下部流量計
５５２ｕ…上部流量計
５６１、５６２…流量調整機構
５６２ｄ…下部流量調整機構
５６２ｕ…上部流量調整機構
５７２…マスフローコントローラ
５７２ｕ…上部マスフローコントローラ
５７２ｄ…下部マスフローコントローラ
１０００…棟

Claims (8)

1. 処理対象物を昇温する昇温室と、
   前記昇温室に連結され、前記成長室に炭素含有の原料ガスを導入するガス導入手段及び前記処理対象物と原料ガスとを加熱する加熱手段を有し、前記処理対象物の表面に炭素ナノ構造体を成長させる成長室と、
   前記成長室及び前記昇温室に設けられ、前記処理対象物が前記昇温室から前記成長室を通過するように前記処理対象物を搬送する搬送手段と、
   前記処理対象物が前記成長室に搬入する前記成長室の入口部に取り付けられた排気管を通じて前記原料ガスを前記成長室外に排気し、前記排気管内の前記原料ガスの排気量が一定となる制御を行う排気機構と
   を具備する炭素ナノ構造体成長用装置。
2. 請求項１に記載された炭素ナノ構造体成長用装置であって、
   前記排気機構においては、前記排気管の最下流部が前記炭素ナノ構造体成長用装置を収容する棟外の大気に開放され、
   前記最下流部の上流に、前記原料ガスを前記棟外に排気する非容積型ポンプが設けられ、
   前記非容積型ポンプの上流に、前記排気管内の前記排気量を測定する第１流量計が設けられ、
   前記最下流部と前記非容積型ポンプとの間に、第１流量調整機構が設けられ、
   前記排気管内の前記排気量は、前記第１流量計で検知される排気量に基づいて前記第１流量調整機構によって調整される
   炭素ナノ構造体成長用装置。
3. 請求項１または２に記載された炭素ナノ構造体成長用装置であって、
   前記成長室内には、前記ガス導入手段が配置される空間と前記入口部とを区分けする仕切板が設けられている
   炭素ナノ構造体成長用装置。
4. 請求項２または３に記載された炭素ナノ構造体成長用装置であって、
   前記排気機構においては、前記第１流量計の上流で前記成長室の直下流に第２流量調整機構が設けられ、
   前記第１流量計の上流で第２流量調整機構の直下流に第２流量計が設けられ、
   前記第２流量計の上流における前記排気管の前記排気量は、前記第２流量計で検知される排気量に基づいて前記第２流量調整機構によって調整される
   炭素ナノ構造体成長用装置。
5. 請求項２または３に記載された炭素ナノ構造体成長用装置であって、
   前記排気機構においては、前記排気管が前記第１流量計の上流において、複数の第１排気管部と、複数の第２排気管部とに分岐され、
   前記複数の第１排気管部によって、前記成長室の上側から前記原料ガスが排気され、
   前記複数の第２排気管部によって、前記成長室の下側から前記原料ガスが排気され、
   前記複数の第１排気管部のそれぞれ及び前記複数の第２排気管部のそれぞれに、前記成長室の直下流に第２流量調整機構が設けられ、
   前記複数の第１排気管部のそれぞれ及び前記複数の第２排気管部のそれぞれに、前記第２流量調整機構の下流に第２流量計が設けられ、
   前記第２流量計のそれぞれの上流における前記排気量は、前記第２流量計のそれぞれで検知される排気量に基づいて前記第２流量調整機構のそれぞれによって調整される
   炭素ナノ構造体成長用装置。
6. 請求項２または３に記載された炭素ナノ構造体成長用装置であって、
   前記排気機構においては、前記排気管が前記第１流量計の上流において、複数の第１排気管部と、複数の第２排気管部とに分岐され、
   前記複数の第１排気管部によって、前記成長室の上側から前記原料ガスが排気され、
   前記複数の第２排気管部によって、前記成長室の下側から前記原料ガスが排気され、
   前記複数の第１排気管部のそれぞれ及び前記複数の第２排気管部のそれぞれに、前記成長室の直下流にマスフローコントローラが設けられている
   炭素ナノ構造体成長用装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１つに記載された炭素ナノ構造体成長用装置であって、
   前記昇温室内に、酸素を検知する第１ガスセンサが設けられている
   炭素ナノ構造体成長用装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１つに記載された炭素ナノ構造体成長用装置であって、
   前記昇温室内に、炭素含有ガスを検知する第２ガスセンサが設けられている
   炭素ナノ構造体成長用装置。

Images