JP3442032B2 - カーボンナノチューブの合成方法 - Google Patents
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Description
ーブの合成方法に係り、特に大面積基板に垂直に整列さ
れた高純度カーボンナノチューブを大量合成する方法に
関する。
時は導電性を、ジグザグ(zig-zag)構造の時は
半導体性を、各々示すカーボンナノチューブをFED
(field emission devices)、白
色光源、リチウム2次電池、水素貯蔵セル、トランジス
タまたはCRT(cathode-ray tube)の
電子放出源等に産業的に適用するためには高純度のカー
ボンナノチューブを大面積基板上に垂直に整列して合成
することが望ましい。またカーボンナノチューブの合成
時、カーボンナノチューブの直径、長さ、基板上の密度
及び均一度などを容易に調節できるべきである。
合成方法としては、電気放電法、レーザー蒸着法、気相
合成法、熱化学気相蒸着法またはプラズマ化学気相蒸着
法などがある。
urnet et al.,Nature 388,756
(1997)及びD.S.Bethune et al.,
Nature 363,605(1993))やレーザー
蒸着法(R.E.Smally et al.,Scienc
e 273,483 (1996))によりカーボンナノ
チューブを合成すればカーボンナノチューブの直径や長
さを調節しにくく、収率が低い。また、カーボンナノチ
ューブ以外にも多量の非晶質状態の炭素塊りが同時に生
成されるために必ず複雑な精製過程を要する。従って、
大面積において大量のカーボンナノチューブを成長させ
ることは不可能である。
l.,Chem.Phys.Lett.,303,468,19
99)は基板を使用せず、反応炉内でカーボンソースガ
スを熱分解して気相でカーボンナノチューブを大量合成
する方法である。気相合成法は大量合成に好適である
が、カーボンナノチューブの直径や長さを調節しにく
く、触媒金属塊りがカーボンナノチューブの内側壁また
は外側壁に付着されるので高純度の合成が難しく、垂直
整列が不可能な短所がある。
によれば、多孔質のシリカ(W.Z.Li et al.S
cience,274,1701(1996))またはゼ
オライト(Shinohara et al.,Jpn.J.
Appl.Phys.37,1257(1998))基板
上でカーボンナノチューブを成長させる。この方法によ
れば、基板の多孔質穴内に触媒金属を充填させるための
基板処理過程が非常に複雑で長時間がかかる。従って、
直径調節が難しく、収率が低い。また大面積基板に多量
のカーボンナノチューブを成長させるのに限界がある。
et al.,Science.282,1105(199
8))でカーボンナノチューブを形成する場合には基板
に垂直整列される程度が抜群である。しかし、プラズマ
エネルギーによりカーボンナノチューブの損傷が発生
し、低温で合成されるのでカーボンナノチューブの構造
が不安定で、カーボンナノチューブの表面に炭素パーチ
クルが多量吸着される問題点がある。
になされたものであり、大面積基板に垂直に整列された
高純度カーボンナノチューブの大量合成方法を提供する
ことを目的とする。
め、本発明に係るカーボンナノチューブの合成方法によ
れば、基板上に触媒金属膜を形成した後、前記触媒金属
膜を蝕刻して分離されたナノサイズの触媒金属粒子を形
成する。引続きカーボンソースガスを用いた熱化学気相
蒸着法で前記分離されたナノサイズの触媒金属粒子毎に
カーボンナノチューブを成長させて基板上に垂直に整列
された複数個のカーボンナノチューブを形成する。
を形成する段階はアンモニアガス、水素ガス及び水素化
物ガスからなる群から選択された何れか1つの蝕刻ガス
を熱分解させて使用するガス蝕刻法、弗化水素系列の湿
式蝕刻液を使用する湿式蝕刻法、または先に湿式蝕刻を
実施した後、ガス蝕刻を実施する方法により行われる。
記ガス蝕刻法は700乃至1000℃の温度で80乃至
400sccmに前記アンモニアガスを10乃至30分
間フローさせながら進行することが望ましい。
形成する段階は700乃至1000℃の温度で20乃至
200sccmの流量に10乃至60分間カーボンソー
スガスをフローさせながら進行する。
ーボンナノチューブを形成する段階は同一な熱化学気相
蒸着装置内でイン−シチュ(in−situ)で進行さ
れることが望ましい。
はカーボンソースガスにアンモニアガス、水素ガス及び
水素化物ガスからなる群から選択された何れか1つのガ
スを添加して進行することが望ましい。
形成する段階後に前記カーボンナノチューブを形成する
段階と同一な熱化学気相蒸着装置内でイン−シチュで進
行される前記カーボンナノチューブを精製する段階をさ
らに含む。前記カーボンナノチューブを精製する段階は
アンモニアガス、水素ガス、酸素ガス、またはこれらの
混合ガスからなる群から選択された何れか1つの精製ガ
スを使用して進行する。
活性ガスを使用して前記熱化学気相蒸着装置から前記カ
ーボンソースガスを排気する段階を、前記精製段階後に
不活性ガスを使用して前記熱化学気相蒸着装置から前記
精製ガスを排気する段階をさらに具備する。
明の望ましい実施例を詳しく説明する。しかし、本発明
は下記実施例に限定されることでなく、相異なる多様な
形態に具現され、ただ本実施例らは本発明の開示を完全
にし、当業者に発明の範囲を完全に知らせるために提供
されるものである。図面の熱化学気相蒸着装置は説明の
ために概略的に示されたものである。そして、基板、触
媒金属膜及び触媒金属粒子等の厚さ及び大きさは説明の
ために拡大したものである。図面において、同一な部材
番号は同一な部材を示す。
(A)及び(B)はカーボンナノチューブの形成される
基板の断面図であり、図3は合成に用いられる熱化学気
相蒸着装置の概略図であって、図面に基づいてカーボン
ナノチューブの合成方法を説明する。合成流れ図におい
て実線で表した段階は必須的な段階を、点線で表した段
階は選択的な段階を示す。
の形成される基板(図2(A)の110)上に触媒金属
膜(図2(A)の130)を形成する(20段階)。基
板110としてはガラス、石英、シリコンまたはアルミ
ナ(Al2O3)基板などが使われる。触媒金属膜130
はコバルト、ニッケル、鉄、またはこれらの合金(コバ
ルト−ニッケル、コバルト−鉄またはニッケル−鉄)を
使用して形成する。触媒金属膜130は熱蒸着法、電子
ビーム蒸着法やスパッタリング法を使用して基板110
上に数nm乃至数百nmの厚さに、望ましくは2nm乃
至200nmの厚さに形成する。
金属膜130をコバルト、ニッケルまたはこれらの合金
を使用して形成する場合には、基板110と触媒金属膜
130が相互反応してシリサイド膜が形成されることを
防止するために触媒金属膜130の形成前に基板上に絶
縁膜(図2(B)の120)を形成する(10段階)。
シリコン酸化膜またはアルミナなどが絶縁膜120とし
て使われる。
れたナノサイズの触媒金属粒子を形成する(30段
階)。具体的には、図3を参照すれば、触媒金属膜13
0または絶縁膜120と触媒金属膜130の形成されて
いる基板を熱化学気相蒸着装置のボート310に所定距
離に離隔して平行に設置した後、ボート310を熱化学
気相蒸着装置の反応炉300内にローディングする。ボ
ート310のローディング時、基板110上に形成され
ている触媒金属膜130の表面が熱化学気相蒸着装置の
反応炉300の蝕刻ガスの注入側とは逆を向きかつ下向
するようにローディングする。触媒金属膜130の表面
を蝕刻ガスの注入側とは逆に向かせるのは、基板110
上で蝕刻ガスの流量の流れ(mass flow)を均
一にして反応の均一度を高めるためである。触媒金属膜
130の表面を下向させるのは不安定の反応物や反応炉
300の内壁に付着されていた炭素パーチクルが落ちて
欠陥を発生させることを防止するためである。
炉330内の圧力を大気圧(常圧化学気相蒸着装置を使
用する場合)または数百mTorr乃至数Torr程度
(低圧化学気相蒸着装置を使用する場合)になるように
した後、反応炉300の外側壁に設置された抵抗コイル
330を使用して反応炉300内の温度を700℃乃至
1000℃に上昇させる。反応炉300内の温度が工程
温度に至ると第1弁400を開放して蝕刻ガス供給源4
10から蝕刻ガスをガス供給管320を通して反応炉3
00内に供給する。蝕刻ガスはアンモニアガス、水素ガ
ス、または水素化物ガスを使用しうる。これらのうち、
アンモニアガスが蝕刻ガスとして望ましい。アンモニア
ガスを使用する場合には80乃至400sccmの流量
に10乃至30分間供給する。工程温度の下限の700
℃は蝕刻ガスが熱分解されて蝕刻機能を行える最低温度
を示す。
された蝕刻ガス200は触媒金属膜130のグレーン粒
界(grain boundary)に沿って蝕刻して
相互独立的に分離されたナノサイズの触媒金属粒子13
0pを基板上に均一に高密度に形成する。本明細書にお
いてナノサイズは数nm乃至数百nmの大きさを意味す
る。蝕刻条件に応じて分離されたナノサイズの触媒金属
粒子の大きさと形態が変わる。触媒金属粒子の形態によ
って後続工程で形成されるカーボンナノチューブの形態
も影響を受けることになる。
蒸着装置内に供給してカーボンナノチューブを基板11
0上に成長させる(40段階)。カーボンナノチューブ
を成長させる段階(40段階)はナノサイズの触媒金属
粒子を形成する段階(30段階)とイン−シチュで実施
する。具体的には、図3の第1弁400は止め第2弁4
20を開放してアンモニアガスの供給は遮断し、カーボ
ンソースガス供給源430からガス供給管320を通し
てカーボンソースガスを反応炉300内に供給する。反
応炉300内の温度は分離されたナノサイズの触媒金属
粒子130p形成時の温度と同一な温度範囲の700乃
至1000℃を保たせる。カーボンソースガスは20乃
至200sccmの流量に10乃至60分間供給する。
カーボンソースガスとしてはC1〜C3の炭化水素(hy
drocarbon)ガスが使われる。望ましくは、ア
セチレン、エチレン、エタン、プロピレン、プロパンま
たはメタンガスなどが使われる。
スガスが十分に熱分解されうる最低温度を示す。カーボ
ンナノチューブの成長速度及び時間を調節するためには
第3弁440を開放し、キャリア及び/または希釈ガス
供給源450からキャリアガス(水素またはアルゴン等
の非活性ガス)及び/または希釈ガス(水素化物ガス)
等をカーボンソースガスと同時に供給することもでき
る。
合で蝕刻ガス(例:アンモニアガス、水素ガスまたは水
素化物ガス)を同時に供給して基板上に合成されるカー
ボンナノチューブの密度と成長形態を調節することもで
きる。カーボンソースガスと蝕刻ガスの体積比は2:1
乃至3:1が望ましい。
されたカーボンソースガス500は熱分解されてナノサ
イズの触媒金属粒子130pの各々でカーボンナノチュ
ーブ150を成長させる。
(base growth model)の概略図であっ
て、図6(A)に示すように、熱化学気相蒸着装置の反
応炉300内に供給されたカーボンソースガス(例:ア
セチレンガス(C2H2))が気相で熱分解(pyrol
ysis)されて炭素ユニット(C=CまたはC)と自
由水素(H2)を形成すれば、炭素ユニットが触媒金属
粒子130pの表面に吸着された後、内部に拡散されて
溶解される。次に、図6(B)に示すように、触媒金属
粒子130pが炭素ユニットにより過飽和状態となれば
カーボンナノチューブ150が成長し始める。持続的に
炭素ユニットが供給されると、図6(C)に示すよう
に、触媒金属粒子130pの触媒作用によりカーボンナ
ノチューブ150が竹状に成長する。触媒金属粒子13
0pの形態が丸いか、鈍端の場合にはカーボンナノチュ
ーブ150の末端も円形(round)や鈍端(blu
nt)の形に形成される。一方、ナノサイズの触媒金属
粒子130pの末端が尖った場合にはカーボンナノチュ
ーブの末端も尖るように形成される。
水平型装置を例としたが、垂直型装置、イン-ライン型
装置またはコンベヤ型装置も使用しうる。第1実施例の
合成方法によれば直径が数nm乃至数百nm、例えば1
nm乃至400nmであり、長さが数μm乃至数百μ
m、例えば0.5μm乃至300μmのカーボンナノチ
ューブを合成しうる。
0の合成段階後にイン−シチュでカーボンナノチューブ
150を精製する(60段階)。成長されたカーボンナ
ノチューブ150の表面には炭素塊りまたは炭素パーチ
クルが存在しうる。従って、前記カーボンナノチューブ
の成長段階(40段階)とイン−シチュで精製段階(6
0段階)を実施することもできる。
弁460を開放してカーボンソースガスの供給は遮断
し、精製ガス供給源470からガス供給管320を通し
て精製ガスを反応炉300内に供給する。
ス、酸素ガス、またはこれらの混合ガスを使用する。精
製ガスとしてアンモニアガスまたは水素ガスを使用する
場合には、別の精製ガス供給源470が不要で、蝕刻ガ
ス供給源410またはキャリアガス及び/または希釈ガ
ス供給源450から精製ガスを供給することもできる。
0℃に保ち、反応炉300内に精製ガスを40乃至20
0sccmに10乃至30分間供給する。アンモニアま
たは水素ガスの熱分解により形成された水素イオン(H
+)は炭素塊りまたは炭素パーチクルを容易に除去す
る。精製ガスの他の例である酸素ガスの熱分解産物の酸
素イオン(O2 -)は炭素塊りまたは炭素パーチクルを燃
焼させることによって除去する役割をする。
の表面に存在する炭素塊り及び炭素パーチクルが完全に
除去されて高純度のカーボンナノチューブ150が合成
される。
(60段階)の前に不活性ガスを反応炉300内に20
0乃至500sccmに供給して反応炉300内に残存
するカーボンソースガスを排気口340を通して排気す
る(図1の50段階)。不活性ガスとしてはアルゴンガ
スが好適である。こうして成長されるカーボンナノチュ
ーブ150の長さを正確に調節でき、残留ガスによる不
完全な反応を防止しうる。
性ガスを反応炉300内に200乃至500sccmに
供給して反応炉300内に残存する精製ガスを排気口3
40を通して排気する(図1の70段階)。排気時反応
炉300内の温度も下降させることが望ましい。精製ガ
スの排気段階(70段階)は反応炉300の温度を下降
させるうちに精製ガスによりカーボンナノチューブ15
0が一部損傷されることを防止するためである。
ナノチューブの成長に適した触媒金属粒子が周辺の他の
粒子と塊り(agglomeration)にならなく
分離されてナノサイズに独立して高密度に形成されるた
めにカーボンナノチューブの形成時非晶質状態の炭素塊
りが形成されない。従って、高純度のカーボンナノチュ
ーブが形成でき、カーボンナノチューブを基板に垂直に
整列させうる。
面に亙って蝕刻工程を実施して分離されたナノサイズの
触媒金属粒子を基板の全面に亙って均一な大きさに高密
度に形成する。従って、基板の面積が広くなっても基板
の位置に関係なく均一にカーボンナノチューブを高密度
に、垂直に整列させて形成しうる。
よる蝕刻条件、例えばガス流量、蝕刻温度及び蝕刻時間
を変化させることによって、触媒金属粒子の密度と大き
さを調節できるために容易にカーボンナノチューブの密
度と直径を調節しうる。
例えばガス流量、反応温度及び反応時間を変更させるこ
とによって、カーボンナノチューブの長さも容易に調節
しうる。
めに多数の基板上に同時に合成工程を進行する一括式
(batch type)合成が可能である。従って、
合成収率を高めることができる。
ボンソースガスを供給してカーボンナノチューブを合成
する段階がイン−シチュで進行されて同一な温度範囲で
進行され、精製段階も合成段階とイン−シチュで進行さ
れるために、これら段階が別の装置で独立して実施され
る場合に比べて基板の移動にかかる時間及び各装置毎に
適正な工程温度に上昇させるまでかかる時間も少なく、
精製過程が簡単なので高純度のカーボンナノチューブの
合成収率を最大化しうる。
異なる点はナノサイズの触媒金属粒子を形成する段階
(30段階)を熱分解によるガス蝕刻でなく、プラズマ
蝕刻により行う点である。プラズマ蝕刻を使用する場
合、低温で蝕刻工程を実施でき、反応調節が容易であ
る。
で行う方法と、プラズマ装置が熱化学気相蒸着装置(後
続のカーボンナノチューブ工程時に使われる装置)と一
体に連結された装置で行う方法がある。一体型装置の例
としては、プラズマ蝕刻装置と熱化学気相蒸着装置が1
つのクラスターに連結されたマルチチャンバ装置または
熱化学気相蒸着装置に連結されたリモートプラズマ装置
を挙げられる。基板の移動にかかる時間及び待機中の汚
染源に露出されることを防止するためにはプラズマ装置
と熱化学気相蒸着装置との一体型装置を使用することが
望ましい。
周波数13.6MHz、ガスの圧力0.1乃至10Tor
r及び電力50乃至200Wの工程条件でアンモニアガ
ス、水素ガスまたは水素化物ガスを30乃至300sc
cmにフローさせて形成したプラズマを用いて350乃
至600℃の温度に5乃至30分間蝕刻して第1実施例
と同一な方法で形成された触媒金属膜を蝕刻して分離さ
れたナノサイズの触媒金属粒子を形成する。
波数を使用するリモートプラズマ装置にアンモニアガ
ス、水素ガスまたは水素化物ガスを30乃至300sc
cmにフローさせながら形成したプラズマを化学気相蒸
着装置内に供給して分離されたナノサイズの触媒金属粒
子を形成する。蝕刻工程は350乃至600℃の温度に
5乃至30分間実施する。プラズマはアンモニアガスを
使用して形成することが最も望ましい。以降、カーボン
ナノチューブの形成工程は第1実施例と同一に進行す
る。
ノサイズの触媒金属粒子を乾式蝕刻法でなく、湿式蝕刻
法で形成するという点で第1実施例及び第2実施例と違
う。具体的に、触媒金属膜の形成された基板を湿式蝕刻
液、例えば弗化水素系列の湿式蝕刻液(超純水に希釈さ
せた弗化水素(HF)溶液またはHFとNH4Fの混合
水溶液)に1乃至5分間浸けて分離されたナノサイズの
触媒金属粒子を形成する。湿式蝕刻法を使用する場合に
も低温で実施しうる。以降、カーボンナノチューブの形
成工程は第1実施例と同一に進行する。
第1実施例の組合形態であって、先に湿式蝕刻を実施し
た後、ガス蝕刻を実施する。具体的に、触媒金属膜の形
成された基板を湿式蝕刻液(超純水に希釈させたHF溶
液)に1乃至5分間浸けて蝕刻を実施した後、基板を乾
燥させる。次いで、第1実施例と同様に基板を熱化学気
相蒸着装置内にローディングした後、蝕刻ガスのアンモ
ニアガスを60乃至300sccmに5乃至20分間供
給して基板上に分離されたナノサイズの触媒金属粒子を
形成する。以降、カーボンナノチューブの形成工程は第
1実施例と同一に進行する。
触媒金属粒子を形成する段階(30段階)を熱分解によ
るガス蝕刻でなく写真蝕刻工程で行うという点で第1実
施例と異なる。具体的には、図8(A)に示すように、
触媒金属膜130上にフォトレジストをコーティングさ
せた後、露光及び現像工程を通してナノサイズ、例えば
数nm乃至数百nmのフォトレジストパターン(PR)
を形成する。
ジストパターン(PR)を蝕刻マスクとして触媒金属膜
130を蝕刻してナノサイズにパターンされた触媒金属
粒子130pを形成する。
ナノチューブ150の形成工程は第1実施例と同一に進
行する。第5実施例のように写真蝕刻工程で触媒金属粒
子を形成する場合、フォトレジストパターンの大きさと
密度を調節することによって触媒金属粒子の大きさと密
度を容易に調節しうる。その結果、カーボンナノチュー
ブの直径及び密度を自由に調節しうる。本発明は下記の
実験例に基づいてさらに詳しく説明されるが、この実験
例が本発明を制限することではない。
板上にシリコン酸化膜を1500Åの厚さに形成した
後、熱蒸着方法でFe膜を100nmの厚さに形成し
た。Fe膜の形成された基板を熱化学気相蒸着装置内に
ローディングした後、反応炉の圧力を760Torrに
保ち、温度を950℃に昇温した後、アンモニアガスを
100sccmに20分間フローさせて分離された鉄粒
子を形成した。次に、温度をそのまま950℃に保ちな
がらアセチレンガスを40sccmに10分間フローさ
せて各鉄粒子からカーボンナノチューブを形成させた。
SEM(scanning electron micr
oscopy)で観察した結果、カーボンナノチューブ
が基板上に垂直に均一に成長したことが分かった。そし
てTEM(transmission electro
n microscopy)で観察した結果、直径約8
0nm、長さ120μmのカーボンナノチューブが形成
されたことが分かった。
りにNi膜を使用したことを除いては実験例1と同一な
工程条件でカーボンナノチューブを形成した。SEMで
観察した結果、カーボンナノチューブが基板上に垂直に
均一に成長したことが分かった。TEMで観察した結
果、直径が約50nm、長さが50μmのカーボンナノ
チューブが形成されたことが分かった。
りにCo膜を使用したことを除いては実験例1と同一な
工程条件でカーボンナノチューブを形成した。SEMで
観察した結果、カーボンナノチューブが基板上に垂直に
均一に成長したことが分かった。TEMで観察した結
果、直径が約70nm、長さが30μmのカーボンナノ
チューブが形成されたことが分かった。
わりにCo−Ni合金膜を使用したことを除いては実験
例1と同じ工程条件でカーボンナノチューブを形成し
た。SEMで観察した結果、カーボンナノチューブが基
板上に垂直に均一に成長したことが分かった。TEMで
観察した結果、直径が約90nm、長さが約100μm
のカーボンナノチューブが形成されたことが分かった。
合金膜の代わりにCo−Fe合金膜を使用したことを除
いては実験例4と同じ工程条件でカーボンナノチューブ
を形成した。SEMで観察した結果、カーボンナノチュ
ーブが基板上に垂直に均一に成長したことが分かった。
TEMで観察した結果、直径が約90nm、長さが約8
0μmのカーボンナノチューブが形成されたことが分か
った。
合金膜の代わりにNi−Fe合金膜を使用したことを除
いては実験例4と同じ工程条件でカーボンナノチューブ
を形成した。SEMで観察した結果、カーボンナノチュ
ーブが基板上に垂直に均一に成長したことが分かった。
TEMで観察した結果、直径が約80nm、長さが約8
0μmのカーボンナノチューブが形成されたことが分か
った。
板上にシリコン酸化膜を1500Åの厚さに形成した
後、スパッタリング方法でNi膜を100nmの厚さに
形成した。Ni膜が形成された基板を圧力1.5Tor
r、周波数13.6MHzのプラズマ装置の温度を55
0℃に保たせた後、アンモニアガスを200sccmに
フローさせて形成したプラズマで15分間蝕刻して分離
されたNi粒子を形成した。基板をプラズマ装置からア
ンローディングした後、熱化学気相蒸着装置内にローデ
ィングした後、反応炉の圧力を760Torrに保って
温度を950℃に昇温した後、アセチレンガスを40s
ccmに10分間フローさせてそれぞれのニッケル粒子
でカーボンナノチューブが形成されるようにした。SE
Mで観察した結果、カーボンナノチューブが基板上に垂
直に均一に成長したことが分かった。そして、TEMで
観察した結果、直径60nm、長さ50μmのカーボン
ナノチューブが形成されたことが分かった。
板上にシリコン酸化膜を1500Åの厚さに形成した
後、熱蒸着法でCo−Ni合金膜を200nmの厚さに
形成した。次いで、基板をHF溶液に140秒間浸けて
湿式蝕刻を実施した後、基板を乾燥させた。引続き、熱
化学気相蒸着装置内にローディングした後、反応炉の圧
力を760Torrに保って温度を950℃に昇温した
後、アンモニアガスを80sccmに10分間フローさ
せて分離されたCo−Ni合金粒子を形成した。温度を
そのまま950℃に保ちながらアセチレンガスを40s
ccmに10分間フローさせて各Co−Ni粒子でカー
ボンナノチューブが形成されるようにした。SEMで観
察した結果、カーボンナノチューブが基板上に垂直に均
一に成長したことが分かった。そして、TEMで観察し
た結果、直径100nm、長さ約100μmのカーボン
ナノチューブが形成されたことが分かった。
合成すれば、触媒金属粒子が周辺の他の粒子と塊りにな
らなく分離されて独立して高密度に形成されるために、
高純度のカーボンナノチューブを基板に垂直に整列させ
て合成しうる。また、触媒金属膜の全面に亙って均一に
進行される蝕刻工程を実施して分離されたナノサイズの
触媒金属粒子を形成するので、大面積基板の位置に関係
なく同じ工程結果が得られる。さらに、蝕刻ガス及びカ
ーボンソースガスの流量及び工程温度及び時間を調節す
ることによってカーボンナノチューブの密度と直径及び
長さを容易に調節しうる。そして、熱化学気相蒸着装置
内では多数の基板上に同時に合成工程を進行する一括式
合成が可能である。従って、高収率に高純度の垂直整列
されたカーボンナノチューブを大面積基板に形成しう
る。また、精製段階も合成段階とイン−シチュで実施す
るので精製過程が非常に簡単で、合成効率を最大化しう
る。
ブ合成方法を示す流れ図である。
板を示す断面図である。
着装置を示す概略図である。
る段階を示す断面図である。
ボンナノチューブが形成される段階を示す断面図であ
る。
らカーボンナノチューブが形成されるメカニズムを示す
模式図である。
されるガスパルス方法を説明するためのタイミングチャ
ートである。
の触媒金属粒子を形成する段階を示す断面図である。
Claims (15)
- 【請求項1】 基板上に触媒金属膜を形成する段階と、 前記触媒金属膜を蝕刻して分離されたナノサイズの触媒
金属粒子を形成する段階と、 熱化学気相蒸着装置内へカーボンソースガスを供給して
熱化学気相蒸着法で前記分離されたナノサイズの触媒金
属粒子毎にカーボンナノチューブを成長させて基板上に
垂直に整列した複数個のカーボンナノチューブを形成す
る段階とを含み、 前記分離されたナノサイズの触媒金属粒子を形成する段
階は、アンモニアガス、水素ガス及び水素化物ガスから
なる群から選択された何れか1つの蝕刻ガスを熱分解さ
せて使用するガス蝕刻法により行われる ことを特徴とす
るカーボンナノチューブの合成方法。 - 【請求項2】 前記蝕刻ガスはアンモニアガスであり、 前記ガス蝕刻法は、700乃至1000℃の温度で80
乃至400sccmに前記アンモニアガスを10乃至3
0分間フローさせながら進行することを特徴とする請求
項1に記載のカーボンナノチューブの合成方法。 - 【請求項3】 前記触媒金属粒子を形成する段階は、前
記触媒金属膜の形成された基板を前記熱化学気相蒸着装
置にローディングして前記触媒金属膜の表面を前記熱化
学気相蒸着装置の蝕刻ガス注入側とは逆に向かせかつ下
向させた後、前記蝕刻ガスを前記熱化学気相蒸着装置内
に注入して前記触媒金属膜を蝕刻することを特徴とする
請求項1又は2に記載のカーボンナノチューブの合成方
法。 - 【請求項4】 前記触媒金属粒子を形成する段階と前記
カーボンナノチューブを形成する段階は、前記熱化学気
相蒸着装置内でイン−シチュで進行されることを特徴と
する請求項1、2又は3に記載のカーボンナノチューブ
の合成方法。 - 【請求項5】 基板上に触媒金属膜を形成する段階と、 前記触媒金属膜を蝕刻して分離されたナノサイズの触媒
金属粒子を形成する段階と、 熱化学気相蒸着装置内へカーボンソースガスを供給して
熱化学気相蒸着法で前記分離されたナノサイズの触媒金
属粒子毎にカーボンナノチューブを成長させて 基板上に
垂直に整列した複数個のカーボンナノチューブを形成す
る段階とを含み、 前記分離されたナノサイズの触媒金属粒子を形成する段
階は、弗化水素系列の湿式蝕刻液を使用する湿式蝕刻法
により行われることを特徴とするカーボンナノチューブ
の合成方法。 - 【請求項6】 基板上に触媒金属膜を形成する段階と、 前記触媒金属膜を蝕刻して分離されたナノサイズの触媒
金属粒子を形成する段階と、 熱化学気相蒸着装置内へカーボンソースガスを供給して
熱化学気相蒸着法で前記分離されたナノサイズの触媒金
属粒子毎にカーボンナノチューブを成長させて基板上に
垂直に整列した複数個のカーボンナノチューブを形成す
る段階とを含み、 前記分離されたナノサイズの触媒金属粒子を形成する段
階は、弗化水素系列の湿式蝕刻液を使用する湿式蝕刻法
により前記触媒金属膜の蝕刻を実施した後、アンモニア
ガス、水素ガス及び水素化物ガスからなる群から選択さ
れた何れか1つの蝕刻ガスを熱分解させて使用するガス
蝕刻法により前記触媒金属膜の蝕刻を実施することを特
徴とするカーボンナノチューブの合成方法。 - 【請求項7】 前記蝕刻ガスはアンモニアガスであり、 前記ガス蝕刻法は、700乃至1000℃の温度で80
乃至400sccmに前記アンモニアガスを10乃至3
0分間フローさせながら進行することを特徴とする請求
項6に記載のカーボンナノチューブの合成方法。 - 【請求項8】 前記触媒金属膜は、コバルト、ニッケ
ル、鉄、またはこれらの合金からなることを特徴とする
請求項1乃至7のうち何れか1項に記載のカーボンナノ
チューブの合成方法。 - 【請求項9】 前記カーボンナノチューブを形成する段
階は、700乃至1000℃の温度で20乃至200s
ccmの流量に10乃至60分間カーボンソースガスを
フローさせながら進行することを特徴とする請求項1乃
至7のうち何れか1項に記載のカーボンナノチューブの
合成方法。 - 【請求項10】 前記カーボンナノチューブを形成する
段階は、カーボンソースガスにアンモニアガス、水素ガ
ス及び水素化物ガスからなる群から選択された何れか1
つのガスを添加して進行することを特徴とする請求項1
乃至7のうち何れか1項に記載のカーボンナノチューブ
の合成方法。 - 【請求項11】 前記触媒金属膜を形成する段階の前
に、前記基板上に前記基板と前記触媒金属膜との相互反
応を防止するための絶縁膜を形成する段階をさらに含む
ことを特徴とする請求項1乃至7のうち何れか1項に記
載のカーボンナノチューブの合成方法。 - 【請求項12】 前記カーボンナノチューブを形成する
段階後に、不活性ガスを使用して前記熱化学気相蒸着装
置から前記カーボンソースガスを排気する段階をさらに
具備することを特徴とする請求項1乃至7のうち何れか
1項に記載のカーボンナノチューブの合成方法。 - 【請求項13】 前記カーボンナノチューブを形成する
段階後に、前記熱化学気相蒸着装置内でイン−シチュで
進行される前記カーボンナノチューブを精製する段階を
さらに含むことを特徴とする請求項1乃至7のうち何れ
か1項に記載のカーボンナノチューブの合成方法。 - 【請求項14】 前記カーボンナノチューブを精製する
段階は、アンモニアガス、水素ガス、酸素ガス、または
これらの混合ガスからなる群から選択された何れか1つ
の精製ガスを使用して進行することを特徴とする請求項
13に記載のカーボンナノチューブの合成方法。 - 【請求項15】 前記精製段階後に、不活性ガスを使用
して前記熱化学気相蒸着装置から前記精製ガスを排気す
る段階をさらに具備することを特徴とする請求項14に
記載のカーボンナノチューブの合成方法。
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