JP4810029B2 - グラファイトナノファイバ成膜装置 - Google Patents
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【発明の属する技術分野】
本発明は、平面ディスプレイ(電界放出型ディスプレイ)やCRTの電子管球の代わる電子発光素子を必要とする部品にグラファイトナノファイバを成膜する装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
この種の従来のグラファイトナノファイバ成膜装置の一例を添付図面の図3に示す。
図3において1は減圧槽であり、減圧槽1は仕切弁2を介して真空ポンプ3に接続され、真空環境を形成できしかも常圧(1気圧)に耐え得るように構成されている。減圧槽1の一側壁の開口部には試料基板取出用扉1aが密封して取付けられている。また減圧槽1は、図示されていないが全体に冷却パイプが巻回されて室温近くまで冷却される。
【0003】
減圧槽1の頂部には石英窓4が取付けられて真空封止されている。この石英窓4の上部の大気側にはランプヒータ5が取付けられている。また減圧槽1内には試料基板ステージ6が設けられ、この試料基板ステージ6上に、グラファイトナノファイバ膜の形成される試料基板7が装着される。試料基板7はランプヒータ5によって加熱するようにされている。また減圧槽1には、減圧槽1内の圧力を計測するダイヤフラム真空計8、逆止弁9と仕切弁10のガス排出経路及びベント弁11が取付けられている。
【0004】
また、図3において12は、減圧槽1に一酸化炭素ガスと水素ガスを導入するガス導入系であり、このガス導入系12は、仕切弁13a、ガス流量調整器13b、仕切弁13c、圧力調整器13d及び一酸化炭素ガスボンベ13eを含む一酸化炭素ガス供給系と、仕切弁14a、ガス流量調整器14b、仕切弁14c、圧力調整器14d及び水素ガスボンベ14eを含む水素ガス供給系とを備えている。そして一酸化炭素ガス供給系及び水素ガス供給系は導入パイプ15で混合され、減圧槽1内の底部に固定されたリング状ガス放出ノズル16に接続されている。このリング状ガス放出ノズル16は減圧槽1の外側に設けた冷却パイプを循環する冷媒により冷却されている。
【0005】
このように構成された図3に示す従来の装置の動作について説明する。
図3に示す装置において、仕切弁2を開状態にし、真空ポンプ3を作動させて、減圧槽1内を0.1Torr程度に真空引きする。その後、仕切弁2は閉じられ、真空ポンプ3は停止される。この状態でガス導入系12を作動して一酸化炭素ガスと水素ガスの混合ガスを減圧槽1に導入する。この場合、混合ガスの導入より減圧槽1内の圧力が1気圧(大気圧)になるようにされている。
【0006】
こうして減圧槽1内の圧力が1気圧(大気圧)になった段階で、ガス導入系12において、一酸化炭素ガス供給系のガス流量調整器13b及び水素ガス供給系のガス流量調整器14bにより一酸化炭素ガスの流量を0.1リットル/分に、また水素ガスの流量を0.3リットル/分に調整し、そして仕切弁10を開ける。ランプヒータ5に電力を通電することでヒータ5を加熱し、その結果、試料基板7はランプヒータ5の熱輻射により550℃〜600℃まで加熱される。こうして加熱された試料基板7上に減圧槽1内に導入されたガスが吸着するとグラファイトナノファイバが試料基板7の表面上に成長する。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来装置では、試料基板7の表面は加熱されているが、ガスの温度は成長温度近くまで上がっていないため、ガスが試料基板7の表面に吸着しても最初はグラファイトナノファイバの構造を持った膜が試料基板7の表面には成長せず、別の物質(現在、この物質は明確には判らないが電子顕微鏡で観察するとアモルファスカーボンあるいは鉄系カーボン層)が基板表面に約1μmの厚さに堆積し、その後からようやくグラファイトナノファイバが成長することが確認されている。
【0008】
このような状態だと電子放出量が少なく、1μA〜10μA/cm2:電界強度3.5kV/mm程度あることが確認されている。このことからも従来の装置では純粋なグラファイトナノファイバ層を成長させることは困難である。
【0009】
そこで,本発明は、従来の装置に伴う問題点を解決して、試料基板上に直接純粋なグラファイトナノファイバを成長させることができるグラファイトナノファイバ成膜装置を提供することを目的としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明によれは、真空ポンプが取り付けられた減圧槽内に水素ガスと共に原料ガスを導入し、試料基板ホルダーに装着した試料基板を減圧槽の外側に設けたランプヒータで加熱し、試料基板上にグラファイトナノファイバを成膜する装置において、
水素ガスと原料ガスである一酸化炭素ガスを混合させて減圧槽内にガス放出ノズルから導入するガス導入パイプが減圧槽内で少なくとも一回巻回されて、ランプヒータから加熱される位置に配置されていること
を特徴としている。
【0011】
本発明の一実施の形態においては、ガス導入パイプの先端は、減圧槽の底面上に熱絶縁体を介して配置されたリング状のガス放出ノズルに接続され得る。
【0012】
また、グラファイトナノファイバを成長させる試料基板は少なくとも鉄、クロム、ニッケル又は上記金属の合金を少なくとも1種類以上含んでいる。
【0013】
本発明のグラファイトナノファイバ成膜装置では、好ましくはガス導入パイプには加熱ヒータが巻回され得る。
【0014】
このように構成した本発明のグラファイトナノファイバ成膜装置においては、ガス導入パイプを減圧槽内で少なくとも一回巻回するように構成しているので、減圧槽内でのガス導入パイプのパスを長くでき、その長くなったパイプ内でランプヒータによって通過するガスが加熱され、減圧槽内に導入されるガスの温度を高くすることができるようになる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面の図1及び図2を参照して本発明のグラファイトナノファイバ成膜装置の実施の形態について説明する。
図1には、本発明のグラファイトナノファイバ成膜装置の一実施の形態が示されている。図1において、21は減圧槽であり、減圧槽21は仕切弁22を介して真空ポンプ23に接続され、真空環境を形成できしかも常圧(1気圧)に耐え得るように構成されている。減圧槽21は、図示していないが試料基板搬入搬出口が設けられている。また減圧槽21は、図示されていないが全体に冷却パイプが巻回されて室温近くまで冷却するようにされ、減圧槽1の内壁にグラファイトナノファイバを成長させないようにしている。
【0016】
減圧槽21の頂部には石英窓24が取付けられ、この石英窓24の外側にはランプヒータ25が取付けられている。ランプヒータ25は図示していない適当な電源に接続される。減圧槽21内には試料基板ステージ26が設けられ、この試料基板ステージ26上に、グラファイトナノファイバ膜の形成される試料基板27が装着される。試料基板27はランプヒータ25によって加熱するようにされている。また減圧槽21には、減圧槽21内の圧力を計測するダイヤフラム真空計28、逆止弁29と仕切弁30のガス排出経路及びベント弁31が取付けられている。
【0017】
また、図1において32は、減圧槽21に一酸化炭素ガスと水素ガスを導入するガス導入系であり、このガス導入系32は、仕切バルブ33aからガス流量調節器33b、仕切バルブ33c及び圧力調整器33dを介して一酸化炭素ガスボンベ33eに連なる一酸化炭素ガス供給系と、仕切バルブ34aからガス流量調節器34b、仕切バルブ34c及び圧力調整器34dを介して水素ガスボンべ34eに連なる水素ガス供給系とを並列に備え、一酸化炭素ガス供給系と水素ガス供給系は、減圧槽21内にのびるガス導入パイプ35に接続され、ガス導入パイプ35内で一酸化炭素ガス供給系からの一酸化炭素ガスと水素ガス供給系からの水素ガスが混合される。そしてガス導入パイプ35は、減圧槽21内で減圧槽21の内壁に沿って一回巻回されて、減圧槽21内に設けられたリング状ガス放出ノズル36に接続されている。この場合、ガス導入パイプ35は減圧槽21の内壁には接触しないように固定され、しかも石英窓24を介してランプヒータ25から加熱される位置に配置されている。リング状ガス放出ノズル36は減圧槽1の底部に固定された熱絶縁体37上に支持されている。なお、図示していないが、減圧槽21内に導入されるガスをより効率的に加熱するため、ガス導入パイプ35の適当な部位に加熱ヒータを巻回することができる。
【0018】
試料基板27は、図2に示すように、石英ガラスのような耐熱ガラス38上にニッケル膜39を100〜150nmの厚さに形成し、その上にクロム膜40を50nm〜100nmの厚さに形成し、その上にクロム膜40を50nm〜100nmの厚さに形成し、さらにその上にステンレス(Ni:42%、Cr:6%、Fe:52%)膜41を50nmの厚さに積層させて構成されている。
【0019】
このように構成した図示装置を用いてグラファイトナノファイバを試料基板上に成長させる動作について説明する。
仕切パルブ2を開放し、真空ポンプ3を作動して、減圧槽21内を真空排気する。そして減圧槽21内の圧力をダイヤフラム真空計28で測定し、減圧槽21内の圧力を0.1Torr程度にまで排気する。この状態で、一酸化炭素ガスボンベ33eと水素ガスボンベ34eの元栓を開き、圧力調整器33d、34dにより約1気圧(絶対圧力)に調整し、そして仕切バルブ33c、33a、34c、34aを開き、ガス流量調節器33b、34bにより一酸化炭素ガス及び水素ガスの流量を調節してガス導入パイプ35内で混合させて減圧槽21内へ導入する。そして、仕切バルブ2を調節して開放の度合いを変化させることによって減圧槽21内がほぼ大気圧(760Torr) となるように設定する。一方、ランプヒータ25を付勢して試料基板ステージ26上の試料基板27を600℃以上に加熱する。この状態において、一酸化炭素ガスと水素ガスとの混合ガスが減圧槽22内に導入される。減圧槽22内に導入される混合ガスは、減圧槽22内に位置したガス導入パイプ35の巻回部分を通過する際に、ランプヒータ25により加熱される。こうして加熱された後、リング状ガス放出ノズル36からガスが減圧槽21内に導入される。
【0020】
グラファイトナノファイバの成長する温度は約450℃近辺から急速に成長速度が速くなる。このことからリング状ガス放出ノズル36から材料ガスすなわち一酸化炭素と水素の混合ガス)が減圧槽21内に放出される温度としては400℃程度が望ましい。その理由としては、ガスの温度が500℃以上と高くしておくと、グラファイトナノファイバの成長速度が急速に高くなり(最高で約200μm/分)、ミクロン構造の電子デバイスでは制御することができなくなるためである。導入ガスの温度を400℃程度に設定しておいて、試料基板27の表面温度がランプヒータ25により600℃以上に加熱されていることにより、材料ガスが試料基板27の表面に付着すると、グラファイトナノファイバが徐々に成長することになる(約0.5μm/分)。その結果、従来のように試料基板表面上にミクロンサイズのアモルファスカーボンや鉄系カーボン層が形成されず良好なグラファイトナノファイバが形成できるようになる。
【0021】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によるグラフアイトナノファイバの成膜装置では、水素ガスと原料ガスである一酸化炭素ガスを混合させて減圧槽内に導入するガス導入パイプを減圧槽内で少なくとも一回巻回して配置しているので、ガス導入パイプ内を通過するガスの温度はグラファイトナノファイバの成長に最適な温度すなわち400℃程度に上げられ、それにより試料基板上に直接グラファイトナノファイバを成長させることができるようになる。
【0022】
また、本発明によるグラファイトナノファイバ成膜装置においては、ガス導入パイプの先端を、減圧槽の底面上に熱絶縁体を介して配置されたリング状ガス放出ノズルに接続することにより、リング状ガス放出ノズルは減圧槽の壁面から熱絶縁され、その結果、ガスの温度は成長に適した温度以下に下げられることがなく、試料基板の表面に吸着したガスは最初からグラファイトナノファイバの構造を持った膜として成長することができるようになる。
【0023】
さらに、ガス導入パイプに加熱ヒータを巻回した場合には、一酸化炭素ガスと水素ガスの混合ガスを効率よく加熱でき、その結果均一性及び品質の良いグラファイトナノファイバを成膜させることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるグラファイトナノファイバ成膜装置の一実施の形態を示す概略線図。
【図2】図1に示す装置を用いてグラファイトナノファイバ膜の形成されることになる試料基板の構造の一例を示す部分拡大断面図。
【図3】従来技術のグラファイトナノファイバ成膜装置の一例を示す概略線図。
【符号の説明】
21 :減圧槽
22 :仕切弁
23 :真空ポンプ
24 :石英窓
25 :ランプヒータ
26 :試料基板ステージ
27 :試料基板
28 :ダイヤフラム真空計
29 :逆止弁
30 :仕切弁
31 :ベント弁
32 :ガス導入系
33a:仕切弁
33b:ガス流量調整器
33c:仕切弁
33d:圧力調整器
33e:一酸化炭素ガスボンベ
34a:仕切弁
34b:ガス流量調整器
34c:仕切弁
34d:圧力調整器
34e:水素ガスボンベ
35 :ガス導入パイプ
36 :リング状ガス放出ノズル
37 :熱絶縁体
Claims (4)
- 真空ポンプが取り付けられた減圧槽内に水素ガスと共に原料ガスを導入し、試料基板ホルダーに装着した試料基板を減圧槽の外側に設けたランプヒータで加熱し、試料基板上にグラファイトナノファイバを成膜する装置において、
水素ガスと原料ガスである一酸化炭素ガスを混合させて減圧槽内にガス放出ノズルから導入するガス導入パイプが減圧槽内で少なくとも一回巻回されて、ランプヒータから加熱される位置に配置されていることを特徴とするグラファイトナノファイバ成膜装置。 - ガス導入パイプの先端が、減圧槽の底面上に熱絶縁体を介して配置されたリング状のガス放出ノズルに接続されている請求項1に記載のグラファイトナノファイバ成膜装置。
- グラファイトナノファイバを成長させる試料基板が少なくとも鉄、クロム、ニッケル又は上記金属の合金を少なくとも1種類以上含んでいる請求項1又は2に記載のグラファイトナノファイバ成膜装置。
- ガス導入パイプに加熱ヒータを巻回した請求項1〜3のいずれか一項に記載のグラファイトナノファイバ成膜装置。
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