JP4988234B2 - シングルウォールカーボンナノチューブの成長方法 - Google Patents
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Description
本発明は、カーボンナノチューブの成長方法に係り、さらに詳細には、比較的低温で良質のシングルウォールカーボンナノチューブを成長させうるシングルウォールカーボンナノチューブの成長方法に関する。
カーボンナノチューブ（ＣＮＴ：Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ）とは、地球上に多量に存在する炭素からなる炭素同素体である。これらは、１つの炭素が他の炭素原子と六角形のハニカム状に結合して、チューブ状をなしている物質であり、チューブの直径は数ｎｍである。カーボンナノチューブは、優れた機械的特性、優れた電気的選択性、優れた電界放出特性、および高効率の水素保存媒体特性などを有し、現存する物質のうち、欠陥がほとんどない完璧な新素材と知られている。
グラフェンシートがナノサイズの直径に丸く巻かれたカーボンナノチューブは、ｓｐ２結合構造を有する。このグラファイト面が巻かれる角度および形状によって、導体または半導体の電気的特性を示す。このようなカーボンナノチューブは、その壁を形成するグラフェンシートの層の数によって、シングルウォールカーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ：Ｓｉｎｇｌｅ−Ｗａｌｌｅｄ Ｃａｒｂｏｎ ＮａｎｏＴｕｂｅ）、またはマルチウォールカーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ：Ｍｕｌｔｉ−Ｗａｌｌｅｄ Ｃａｒｂｏｎ ＮａｎｏＴｕｂｅ）に区分できる。さらに、複数のシングルウォールカーボンナノチューブが束になっている形態を、ロープ状カーボンナノチューブと称している。
このようなカーボンナノチューブは、高度の合成技術により製造できる。その合成技術としては、電気放電法、レーザー蒸着法、プラズマ化学気相蒸着（ＰＥＣＶＤ）法、熱化学気相蒸着法、電気分解法、フレーム合成法などが含まれる。
前記カーボンナノチューブは、優れた電気的特性を有するためにＣＭＯＳのような半導体素子の製造に用いられる。一般的にＣＭＯＳのような半導体素子の製造工程および統合プロセスは、半導体素子の欠陥を減らすために、できるだけ５００℃未満の低い温度で行わなければならない。
しかし、従来のＣＮＴの合成方法を用いて５００℃未満の低い温度でＣＮＴを成長させると、非晶質炭素のような不純物が大量に発生し、欠陥のあるＣＮＴが成長するために、良質のＣＮＴを得ることができない。欠陥のあるＣＮＴによって、半導体素子の特性および性能は低下されうる。それゆえ、半導体素子にＣＮＴを用いることによって、素子の特性および性能を向上させるためには、５００℃未満の低い温度で良質のＣＮＴが得られるＣＮＴ合成技術が開発されなければならない。
したがって、本発明の目的は、前記問題点を解決するためのものであって、不純物が少ない良質のシングルウォールカーボンナノチューブを得るための、低温でのシングルウォールカーボンナノチューブの成長方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明は、真空チャンバを準備する段階と、前記真空チャンバ内で触媒金属が蒸着された基板を準備する段階と、前記真空チャンバ内に供給されるようにＨ２Ｏを気化させる段階と、前記真空チャンバ内でＨ２Ｏプラズマ放電を発生させる段階と、前記真空チャンバ内にソースガスを供給して、Ｈ２Ｏプラズマ雰囲気下で前記基板上にカーボンナノチューブを成長させる段階と、を含むシングルウォールカーボンナノチューブの成長方法を提供する。
ここで、Ｈ２Ｏプラズマの出力は、５〜８０Ｗに制御されることが望ましい。また、前記カーボンナノチューブを成長させる段階は、３５０〜５００℃の温度範囲で、約１０ないし６００秒間行われることが望ましい。
前記触媒金属は、Ｆｅ、Ｎｉ、およびＣｏからなる群より選択される少なくとも１つであることが望ましい。前記ソースガスは、Ｃ２Ｈ２、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ６、およびＣＯからなる群よび選択される少なくとも１つであることが望ましく、約２０ないし６０ｓｃｃｍの流量で供給されることが望ましい。前記基板は、Ｓｉ、ＳｉＯ２、またはガラスから形成される基板が利用されうる。
前記のような構成を有する本発明によれば、５００℃未満の比較的低い温度で良質のシングルウォールカーボンナノチューブが成長しうる。
本発明によれば、不純物が少ない良質のシングルウォールカーボンナノチューブを得るための、低温でのシングルウォールカーボンナノチューブの成長方法が提供される。
以下、本発明によるシングルウォールカーボンナノチューブの成長方法の望ましい実施形態を、添付した図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるシングルウォールカーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）の成長方法に用いられる装置の概略図である。
一般的に、プラズマＣＶＤ装置で放電を発生させるために用いられる電源は、直流（ＤＣ）または高周波電力の２種に区分される。高周波電力としては、１３．５６ＭＨｚのラジオ周波数および２．４７ＧＨｚのマイクロウェーブが通常使用される。プラズマＣＶＤ法においては、正電極に印加される高周波電力を用いて、真空チャンバ内にグロー放電を発生させる。プラズマＣＶＤの原理および装置は、当業者によく知られているので、これについての詳細な説明は省略する。
加熱領域とプラズマ領域とが互いに分離されている、リモートＰＥＣＶＤ装置が図１に図示されている。真空チャンバ１０の一側にプラズマ発生のためのＲＦプラズマコイル１２０が設けられ、前記真空チャンバ１０の他側に前記真空チャンバ１０を所定温度に加熱する加熱炉１３０が設けられている。前記真空チャンバ１０内には、細長型の直径１０ｍｍの石英管１１０がさらに設けられている。この際、石英管１１０は、ＲＦプラズマコイル１２０の周囲、すなわち、プラズマ領域に配置される。
まず、前記真空チャンバ１０内に、触媒金属２２が蒸着された基板２０を挿入する。ここで、真空チャンバ１０は石英から形成されている。基板２０は、Ｓｉ、ＳｉＯ２、またはガラスから形成されていることが望ましい。触媒金属２２としては、特に制限されず公知のものが使用できるが、望ましくはＦｅ、Ｎｉ、またはＣｏなどがある。この際、触媒金属は、単独で使用されても、２種以上の混合物の形態で使用されても、またはこれらの合金であってもよい。触媒金属２２はＳｉ、ＳｉＯ２、またはガラスから形成された基板２０上に熱蒸着法、スパッタリング法、またはスピンコーティング法などを用いて蒸着される。
その後Ｈ２Ｏは気化されて、真空チャンバ１０内に、すなわち、石英管１１０内に供給し、真空チャンバ１０を徐々に加熱して、望ましくは３５０〜５００℃、より望ましくは４５０℃の温度に保持させる。次いで、前記ＲＦプラズマコイル１２０に高周波電力を印加して、真空チャンバ１０内に、すなわち、石英管１１０内にＨ２Ｏプラズマ放電を発生させる。この際、Ｈ２Ｏプラズマの出力は、望ましくは５〜８０Ｗに制御する。次いで、真空チャンバ１０内にソースガスを供給し、Ｈ２Ｏプラズマ雰囲気下で基板１０上にカーボンナノチューブ３０を成長させる。一般的に、カーボンナノチューブ３０を合成するために、Ｃ２Ｈ２、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ６、およびＣＯなどのソースガスが用いられる。この際、これらのソースガスは単独で使用されても、または２種以上の混合ガスの形態で使用されてもよい。ここで、前記ソースガスは、約２０ないし６０ｓｃｃｍの流量で供給されることが望ましい。カーボンナノチューブ３０の成長は、約１０ないし６００秒間行われうる。
このように本発明は、Ｈ２Ｏプラズマ雰囲気下で、ＣＶＤを用いてカーボンナノチューブ３０を成長させることを特徴とする。Ｈ２Ｏプラズマは、カーボンナノチューブの成長時に、弱い酸化剤または弱いエッチング液として作用して、炭素質の不純物が除去されうる。特に、Ｈ２Ｏプラズマ雰囲気下でカーボンナノチューブを成長させる場合、５００℃未満の比較的低い温度でカーボンナノチューブを成長させることができる。それゆえ、従来の８００℃を超える高温の工程でカーボンナノチューブ３０を成長させる場合に発生する非晶質炭素のような不純物の量は、顕著に減少させることができる。したがって、このような方法により、炭素質不純物および欠陥性炭素の少ないＳＷＣＮＴが得られる。特に、このようなＳＷＮＴは、低温工程を用いて成長され、結晶性が高いため、これを半導体素子の製造に適用しうる。
図２は、Ｈ２Ｏプラズマを用いてＳＷＣＮＴを成長させた場合の、成長時間の増加に対する、Ｄ−バンドとＧ−バンドとのラマン強度の比率（ＩＤ／ＩＧ）の変化を示すグラフである。Ａｒプラズマを用いてＳＷＣＮＴの成長させた場合の、成長時間の増加に対する、Ｄ−バンドとＧ−バンドとのラマン強度の比率（ＩＤ／ＩＧ）の変化も図２に示してある。
図３Ａおよび図３Ｂは、それぞれＨ２Ｏプラズマを用いて成長させたＳＷＮＴ、およびＡｒプラズマを用いて成長させたＳＷＣＮＴのＴＥＭ写真である。
本発明を典型的な実施形態を参照しながら、詳細に図示および説明をしたが、特許請求の範囲に定義された本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形態および詳細における様々な変化がなされるということを当業者によって理解されるであろう。
本発明のＨ２Ｏプラズマを用いたシングルウォールカーボンナノチューブの成長方法は、ＣＭＯＳのような半導体素子の製造工程に好適に利用されうる。
１０ 真空チャンバ、
２０ 基板、
２２ 触媒金属、
３０ カーボンナノチューブ、
１１０ 石英管、
１２０ ＲＦプラズマコイル、
１３０ 加熱炉。
２０ 基板、
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Claims (8)
- 真空チャンバを準備する段階と、
前記真空チャンバ内で触媒金属が蒸着された基板を準備する段階と、
前記真空チャンバ内に供給されるようにＨ２Ｏを気化させる段階と、
前記真空チャンバ内でＨ２Ｏプラズマ放電を発生させる段階と、
前記真空チャンバ内にソースガスを供給して、Ｈ２Ｏプラズマ雰囲気下で前記基板上にカーボンナノチューブを成長させる段階と、
を含むことを特徴とする、シングルウォールカーボンナノチューブの成長方法。 - Ｈ２Ｏプラズマの出力は、５〜８０Ｗに制御されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 前記カーボンナノチューブを成長させる段階は、３５０〜５００℃の温度で行われることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
- 前記カーボンナノチューブを成長させる段階は、１０ないし６００秒間行われることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
- 前記触媒金属は、Ｆｅ、Ｎｉ、およびＣｏからなる群より選択される少なくとも１つであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
- 前記ソースガスは、Ｃ２Ｈ２、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ６、およびＣＯからなる群より選択される少なくとも１つであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
- 前記ソースガスは、２０ないし６０ｓｃｃｍの流量で供給されることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
- 前記基板は、石英、Ｓｉ、ＳｉＯ２、またはガラスから形成されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
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