JP4912600B2 - カーボンナノチューブの水平成長方法およびカーボンナノチューブを含む素子 - Google Patents

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Description

本発明は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ：Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏ Ｔｕｂｅ）の水平成長方法およびカーボンナノチューブを含む素子に係り、より詳細にはアルミナテンプレートに形成されたホールから均一な直径のカーボンナノチューブを水平に成長させる方法と、そのカーボンナノチューブを含む素子に関する。
ＣＮＴ固有の電気的性質および機械的性質を用いて素子に適用しようとする研究が進んでいる。ＣＮＴの形成方法は、垂直成長方法と水平成長方法とに大別される。垂直成長方法で成長されたＣＮＴは、電界放出素子における電子放出源として使われる。また、液晶表示素子等に使われるバックライトでも電界放出源として使われる。
水平成長されたＣＮＴは、インタコネクタ(ｉｎｔｅｒ−ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ)、ＭＥＭＳ(Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ)センサー、水平フィールドエミッタチップ等に適用できる。
従来の技術においては、２つの電極の間にパターニングされた触媒を配置し、前記両電極の間に電場を印加してＣＮＴを水平に成長させる方法がある。このような水平成長方法では、触媒の大きさを正確に制御し難いために、得られるＣＮＴの直径を均一に調節することが困難である。また、ＣＮＴの収率が低く、電場を印加しなければならない問題がある。
特許文献１には、ナノドット、ナノワイヤーまたはストライプ状の触媒の間に一定の空間を形成し、触媒の上下部には所定の垂直成長抑制層を配置した状態で、前記触媒からＣＮＴを水平に成長させる方法が開示されている。しかし、このような方法では、得られるＣＮＴの直径を均一に制御することは容易ではない。
米国特許第６，５１５，３３９号明細書
本発明の目的は、アルミナナノテンプレートに形成された穴（hole）を利用して所定直径のＣＮＴを水平に成長させる方法を提供することである。
本発明の他の目的は、アルミナナノテンプレートに形成された穴から水平方向に成長したＣＮＴ素子を提供することである。
上記の目的を達成するために、本発明のカーボンナノチューブの水平成長方法は、基板上にアルミニウム層を蒸着する第１段階と、前記基板上に前記アルミニウム層を覆う絶縁層を形成する第２段階と、前記基板上で前記絶縁層および前記アルミニウム層をパターニング成形して前記基板上に前記アルミニウム層の側面を露出させる第３段階と、前記露出されたアルミニウム層の側面から所定の深さの複数のホールを形成する第４段階と、前記ホールの内奥底部に触媒金属層を形成する第５段階と、前記触媒金属層から水平にカーボンナノチューブを成長させる第６段階と、を含むことを特徴とする。
前記アルミニウム層は、スパッタリング法または電子ビーム蒸着法で形成することができる。
前記第４段階は、前記第３段階の結果物を電解質溶液に浸漬して陽極酸化させる段階を含むことが望ましい。
前記第５段階は、硫酸金属塩、塩化金属塩、および硝酸金属塩の水溶液よりなる群から選択されるいずれか一つの水溶液に電圧を印加して前記触媒金属層を形成することが望ましい。
前記触媒金属層は、Ｎｉ、ＦｅおよびＣｏよりなる群から選択される少なくとも一つよりなることが望ましい。
前記第６段階は、熱化学気相蒸着法(Ｔｈｅｒｍａｌ ＣＶＤ)またはプラズマ補強化学気相蒸着法(ｐｌａｓｍａ ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＶＤ：ＰＥＣＶＤ)で炭素含有ガスを使用して前記触媒金属層の表面からカーボンナノチューブを成長させることが望ましい。
前記の他の目的を達成するために、本発明のカーボンナノチューブ素子は、基板と、前記基板上で少なくとも一面が前記基板の外郭から内側に所定距離離隔して形成されたアルミニウム層と、前記アルミニウム層の上部を覆う絶縁層と、前記基板上で前記絶縁層により露出された前記アルミニウム層の側面から内奥に向けて所定の深さに水平に形成された複数のホールと、前記ホールの内奥底部に前記ホール方向と垂直に形成された触媒金属層と、前記触媒金属層の表面から水平に成長して前記アルミニウム層の側面から突設されたカーボンナノチューブと、を備えることを特徴とする。
本発明に係るＣＮＴの水平成長方法によれば、陽極酸化条件によってアルミナテンプレートに形成されるホールの直径が調節され、該ホールの底に形成される触媒層はホールの直径によって決まる。したがって、ＣＮＴの直径は前記ホールの直径と同じレベルに成長するので、前記ホールの直径を制御することによって前記ＣＮＴの直径の大きさが調節できる。また、前記ホールの水平方向に沿ってＣＮＴは成長するので、ＣＮＴの水平方向の成長が前記ホールの形成過程で制御できる。
以下、添付した図面に基づき、本発明の望ましい実施の形態によるＣＮＴの水平成長方法について詳細に説明する。各図において同じ参照符号は同じ構成要素を示す。
図１は、本発明のＣＮＴの水平成長方法によって製作されたＣＮＴ素子を説明するための概略的な斜視図である。
図１に示すとおり、基板１００上に、一側面がパターニングされたアルミニウム層１０２ａおよび絶縁層１０４ａが順次に積層されている。前記アルミニウム層１０２ａの一側面には複数のホール１０３が穿設され、それぞれのホール１０３から水平にＣＮＴ１０８が突設されている。前記ホール１０３の内奥底部には、前記ＣＮＴ１０８の成長のための触媒金属層１０６が形成されている。
図２Ａないし図２Ｄは、本発明の実施の形態によるＣＮＴ１０８の水平成長方法を説明するための断面図である。
まず、図２Ａに示すように、基板１００上に、所定の厚さのアルミニウム層１０２を蒸着する。前記基板１００としては、石英、ガラス、シリコンウェーハ、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）などを用いることができる。前記アルミニウム層１０２は、スパッタリングや電子ビーム蒸着法で形成でき、通常、１０００〜１００００Å程度の厚さに形成される。
次いで、前記アルミニウム層１０２の上に絶縁層１０４を積層する。前記絶縁層１０４は、後述する陽極酸化過程で露出されるアルミニウム層１０２ａの側面以外の領域にホール１０３が生成されることを防止する。前記絶縁層１０４は、アルミナ、シリコン酸化物、またはシリコン窒化物で形成できる。
図２Ｂに示すように、前記絶縁層１０４および前記アルミニウム層１０２をパターニングし、パターニングされたアルミニウム層１０２ａおよび絶縁層１０４ａを形成する。前記パターニング工程は、半導体製造工程で周知な現像およびエッチング工程（例えば、フォトリソグフィ工程）によって行うことができ、その詳細な説明は省略する。このとき、アルミニウム層１０２ａの側面が露出される。
次いで、図２Ｃおよび図１に示すように、前記基板１００上に露出されたアルミニウム層１０２ａの側面から内側に向けて数十ｎｍの直径のホール１０３を所定長さ（深さ）に多数形成する。前記ホール１０３の形成方法としては、電気化学的エッチング方法である陽極酸化工程を用いることができる。詳細には、前記アルミニウム層１０２ａが形成された基板１００を電解質溶液に浸漬し、前記アルミニウム層１０２ａと電極(図示せず)の間に所定の電圧を印加すれば、前記露出されたアルミニウム層１０２ａの側面が陽極酸化され、前記アルミニウム層１０２ａの露出された側面から所定のホール１０３が水平に形成される。前記ホール１０３は、図２Ｃおよび図１に示すように、複数のホール１０３が一列に形成されているが、前記アルミニウム層１０２ａの厚さを増加させれば、複数列に形成されたホール１０３が得られる。すなわち、ホール間の距離は主に印加電圧によって決まるので、アルミニウム層の厚さおよび印加電圧を調節すればホールが形成される列の数を調節することができる。また、電圧の印加時間によりホールの長さ（深さ）を調節することができる。前記ホール１０３の周囲には酸化アルミニウム膜(図示せず)が形成される。
また、図２Ｃを参照すれば、遷移金属の硫酸塩（ｓｕｌｆａｔｅ）、塩化物（ｃｈｌｏｒｉｄｅ）、または硝酸塩（ｎｉｔｒａｔｅ）の水溶液に、前記ホール１０３が形成された積層物を浸漬し、直流電圧、交流電圧、またはパルス電圧を印加して前記ホール１０３の底に前記遷移金属のナノ粒子を電気化学的に蒸着する。前記遷移金属としては、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ金属またはこれらの合金を用いることができる。前記蒸着された遷移金属は、ＣＮＴ１０８の成長のための触媒金属層１０６になる。前記触媒金属層１０６は、０.５〜２ｎｍ程度に比較的薄く形成できる。
次に、図２Ｄに示すように、アルミニウム層１０２ａの側面に形成されたホール１０３における触媒金属層１０６の上部にＣＮＴ１０８を成長させる。このようなＣＮＴ１０８は、熱化学気相蒸着法またはプラズマ補強化学気相蒸着法で成長させることができる。詳細には、５００〜９００℃の温度を維持する反応炉内に前記過程の結果物を配置し、炭素含有ガスを反応炉内に注入しながら、アルミニウム層１０２ａに形成されたホール１０３にある触媒金属層１０６の側面から水平方向にＣＮＴ１０８を成長させる。
前記炭素含有ガスとしては、メタン(ＣＨ4)、アセチレン(Ｃ2Ｈ2)、エチレン(Ｃ2Ｈ4)、エタン(Ｃ2Ｈ6)、一酸化炭素(ＣＯ)などを用いることができる。
このとき、成長されるＣＮＴ１０８の直径（ＣＮＴの成長方向に直角の方向）は前記ホール１０３の孔径と同じレベルに限定され、数ｎｍないし数十ｎｍ程度の直径を有する。
図３は、基板および絶縁層の間でアルミニウム層から成長したＣＮＴを示す走査型電子顕微鏡(ＳＥＭ)写真であり、図４は、図３の一側部を拡大したＳＥＭ写真である。図３および図４において、「ｓｕｂｓｔｒａｔｅ」は基板を、「Ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ ｌａｙｅｒ」は絶縁層を、それぞれ示す。
図３および図４から、数十ｎｍの直径のＣＮＴが水平方向に良好に成長していることがわかる。
前記実施の形態においては、基板上でパターニング成形されたアルミニウム層の一側面にＣＮＴが水平成長された例を説明したが、本発明は、必ずしもこの実施形態に限定されるものではない。すなわち、本発明の方法によれば、基板上に露出されたアルミニウム層からＣＮＴが成長するホールが形成されるので、アルミニウム層のパターニング形状によって所望の位置から所望の水平方向にＣＮＴを成長させることができる。
以上、本発明に係る望ましい実施の形態について説明したが、これらの説明は例示的なものに過ぎず、当業者ならばこれらの実施形態より多様な変形および均等な他の実施の形態が想到可能である。従って、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲の記載によってのみ定められるべきである。
本発明は、電界放出素子、液晶表示素子のバックライトなどの電界放出源として有用なＣＮＴを有する素子の製造に適用することができる。
本発明のＣＮＴの水平成長方法によって製作されたＣＮＴ素子を説明するための概略的な斜視図である。 本発明の実施の形態によるＣＮＴの水平成長方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態によるＣＮＴの水平成長方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態によるＣＮＴの水平成長方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態によるＣＮＴの水平成長方法を説明するための断面図である。 基板および絶縁層の間でアルミニウム層から成長されたＣＮＴを示すＳＥＭ写真である。 図３の一側部を拡大したＳＥＭ写真である。
符号の説明
１００ 基板
１０２ａ アルミニウム層
１０３ ホール
１０４ａ 絶縁層
１０６ 触媒金属層
１０８ ＣＮＴ

Claims (6)

  1. 基板上にアルミニウム層を蒸着する第１段階と、
    前記基板上に前記アルミニウム層を覆う絶縁層を形成する第２段階と、
    前記基板上で前記絶縁層および前記アルミニウム層をパターニング成形して前記基板上に前記アルミニウム層の側面を露出させる第３段階と、
    前記露出されたアルミニウム層の側面から所定の深さの複数のホールを形成する第４段階と、
    前記ホールの内奥底部に触媒金属層を形成する第５段階と、
    前記触媒金属層から水平にカーボンナノチューブを成長させる第６段階と、を含むことを特徴とするカーボンナノチューブの水平成長方法。
  2. 前記アルミニウム層は、スパッタリング法または電子ビーム蒸着法で形成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水平成長方法。
  3. 前記第４段階は、
    前記第３段階の結果物を電解質溶液に浸漬して陽極酸化させる段階を含む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水平成長方法。
  4. 前記第５段階は、
    硫酸金属塩、塩化金属塩、および硝酸金属塩の水溶液よりなる群から選択されるいずれか一つの水溶液に電圧を印加して前記触媒金属層を形成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水平成長方法。
  5. 前記触媒金属層は、Ｎｉ、ＦｅおよびＣｏよりなる群から選択される少なくとも一つよりな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水平成長方法。
  6. 前記第６段階は、
    熱化学気相蒸着法またはプラズマ補強化学気相蒸着法で炭素含有ガスを使用して前記触媒金属層の表面からカーボンナノチューブを成長させ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水平成長方法。
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