KR101919871B1 - 정전기적으로 대전된 기판과 라이너를 이용하여 탄소나노튜브들을 제조하는 방법과 장치 - Google Patents

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Abstract

탄소나노튜브(CNT)들의 제조에 사용되는 시스템은 회로와 복수개의 탄소나노튜브 씨앗장소들을 가지는 웨이퍼를 포함한다. 상기 시스템은 상기 웨이퍼를 지지하도록 구성된 기본 어셈블리를 포함한다. 게다가 상기 시스템은 상기 웨이퍼 상으로 배치되고 상기 씨앗장소들을 형성하는 상기 탄소나노튜브들을 둘러싸도록 구성된 제1 튜브를 포함한다. 상기 웨이퍼 내의 상기 회로는 적어도 하나의 정전하를 전도하도록 구성된다. 상기 웨이퍼는 복수개의 탄소나노튜브 씨앗장소들을 가지는 상부표면을 포함하며, 각각의 씨앗장소는 상기 회로와 연결되고 상기 적어도 하나의 정전하 중의 하나를 받도록 구성된다.

Description

정전기적으로 대전된 기판과 라이너를 이용하여 탄소나노튜브들을 제조하는 방법과 장치 {METHOD AND APPRARAUS FOR FABRICATION OF CARBON NANOTUBES USING AN ELECTROSTATICALLY CHARGED SUBSTRATE AND LINER}
본 발명은 탄소나노튜브들, 더욱 상세하게는 정전기적으로 대전된 기판과 요소들을 이용하여 탄소나노튜브들을 제조하는 방법과 장치에 관한 것이다.
탄소나노튜브(CNT)들은 구조물로서 다양한 성질을 가진다. 직물, 콘크리트, 폴리에틸렌, 합성근육, 고인장력 섬유, 방화와 같은 다양한 분야들에서 그 가능성이 발견되고 있다. 탄소나노튜브들은 전기전도체들, 절연체들, 반도체들로 제조될 수 있다. 다른 직경의 두 개의 나노튜브들의 끝과 끝을 결합하여 만들어진 나노튜브는 다이오드와 같은 역할을 하며, 전체적으로 나노튜브들로 컴퓨터 회로들을 구성하는 가능성이 제시된다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는, 탄소나노튜브들의 제조하는 장치와 방법들을 개선하여, 탄소나노튜브들 길이를 수 센티미터보다 더 증가시킨 탄소나노튜브를 제공하는 데 있다.
탄소나노튜브들의 제조에 사용하기 위한 제조 공정 웨이퍼가 제공된다. 상기 웨이퍼는 적어도 하나의 정전하를 전도하기 위해 구성된 회로를 포함한다. 상기 웨이퍼는 또한 다수의 탄소나노튜브 씨앗장소들(seed sites)을 가지는 상부표면을 포함한다. 각각의 씨앗장소는 상기 회로와 연결되고 상기 적어도 하나의 정전하 중의 하나를 받도록 구성된다.
탄소나노튜브들의 제조에 사용하기 위한 시스템이 제공된다. 상기 시스템은 회로와 복수개의 카본나노튜브 씨앗장소들을 가지는 웨이퍼를 포함한다. 상기 시스템은 상기 웨이퍼를 지지하고 상기 웨이퍼와 전기적으로 연결되도록 구성된 기본 어셈블리를 포함한다. 상기 시스템은 상기 웨이퍼 위에 배치되고 상기 씨앗장소들 상에 형성된 카본나노튜브들을 둘러싸도록 구성된 제1 튜브를 더 포함한다.
탄소나노튜브들의 제조방법이 또한 제공된다. 상기 방법은 기본 어셈블리 상에 웨이퍼를 배치하는 것을 포함한다. 상기 웨이퍼는 회로와 복수의 탄소나노튜브 씨앗장소들을 가진다. 상기 방법은 또한 상기 웨이퍼 위에 튜브를 배치하는 것을 포함한다. 상기 방법은 각 씨앗장소에 카본나노튜브를 형성하는 것을 더 포함한다. 상기 탄소나노튜브들은 상기 제1 튜브에 둘러싸인다.
본 발명에 의하면, 정전기적으로 대전된 기판과 요소들을 이용하여 수직으로 정렬되고 평행한 탄소나노튜브들의 제조에 사용되는 장치들의 개선들과 방법들이 제공된다. 개시된 방법들과 장치들은 탄소나노튜브들의 성장에서 길이를 수 센티미터보다 더 증가시켜 현재의 난관들을 극복한다.
본 발명의 보다 완전한 이해와 도움들을 위해, 참조가 아래의 설명에 첨부도면들과 함께 주어져 있고 참조번호들이 아래에 나타나 있다:
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따라 탄소나노튜브들의 제조에 사용되는 외부 튜브를 도시한다;
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 탄소나노튜브들의 제조에 사용되는 내부 튜브를 도시한다;
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따라 탄소나노튜브들의 제조에 사용되는 기본 어셈블리를 도시한다;
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따라, 기본 어셈블리 내의 걸쇠의 근접 분해도 및 조립도를 각각 도시한다;
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따라 탄소나노튜브들의 제조에 사용되는 공정 웨이퍼를 도시한다;
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따라, 공정 웨이퍼 내에 내장(embedded)된 웨이퍼 회로의 구조를 도시한다;
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따라 탄소나노튜브들의 제조에 사용되는 정전하장을 도시한다; 그리고
도 13은 본 발명의 실시 예들에 따라, 실질적으로 수직으로 서로 평행하게 성장하는 복수개의 탄소나노튜브들을 도시한다.
발명의 상세한 설명에 앞서, 이 특허문서전반에 쓰여진 특정 단어들과 관용구들의 정의를 시작하는 것이 도움이 될 것이다: “포함하다”와 “구성하다”라는 용어는 그것의 파생어뿐만 아니라 제한 없는 포함을 의미한다; “또는” 이라는 용어는 및/또는 의미를 포함한다; “~과 연결된” 과 “그것과 연결된” 이라는 관용구는 그것의 파생어뿐만 아니라 포함하다, 포함되다, 상호 연결되다, 들어 있다, 들어가 있다, ~에/과 결합되다, ~에/과 짝지어 있다, ~과 전달 가능하다, ~과 협력하다, 끼우다, 병치하다, 근접하다, ~에/과 묶여져 있다, 가지고 있다, ~의 성질이 있다, 또는 ~과 같은 성질이 있다. 를 의미할 수 있다; ”컨트롤러”라는 용어는 어떠한 장치, 시스템 또는 적어도 하나의 작동을 조절하는 부분을 의미하며 그러한 장치는 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어, 또는 적어도 이들 둘 이상의 결합으로 시행될 수 있다. 어떤 특별한 컨트롤러와 연결된 기능성은 국부적이든 원격이든 집중화되거나 분산될 수 있음이 알려져 있다. 이 특허문서 전반에 특정 단어들과 관용구들의 정의가 제시되었다, 많은 경우 당해 기술분야에서 통상의 기술을 가진 자가 알 것이지만, 그렇지 않은 대부분의 경우, 이러한 정의들이 우선적으로 적용된다. 정의된 단어들과 관용구들의 앞으로의 사용도 마찬가지이다.
아래에서 논의되는 바와 같이, 도 1 내지 13은 본 특허 문서에서 본 발명의 개념을 설명하기 위하여 사용되는 다양한 실시예들은 도면의 형태로 있을 뿐 발명의 범위를 제한하는 것으로 사용되어서는 안 될 것이다. 당해 기술분야에서 통상의 기술을 가진 자는 본 발명의 개념이 어떤 적합하게 배열된 제조환경에서 수행될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
발명이 다양한 실시예들에 따라 설명될 것이다. 다음의 설명은 발명의 실시예들에 대한 전반적인 이해와 가능한 설명에 대한 세부들을 제공한다. 그러나 당해 기술분야에서 통상의 기술을 가진 자는 본 발명이 이러한 세부들 없이도 수행될 수 있음을 이해할 수 것이다. 다른 경우, 널리 알려진 구조들과 기능들은 불필요하게 본 발명의 실시예들의 설명을 모호하게 하는 것을 피하기 위하여 자세하게 언급하거나 기술하지 않는다.
탄소나노튜브들의 성장을 위한 종전의 해결책들은, 라디오 주파수(RF) 플라즈마 및/또는 자기장들을 사용하여, 튜브들의 배열을 유지하는 것을 포함한다. 종전의 방법들은 성장 동안 탄소나노튜브들로 외부 장을 생성시키는 것과 관련된다. 이것은, 본 발명이 전자기장을 방출하기 위해 탄소나노튜브들을 안테나로 사용하는 점에서 대조적이다.
몇몇 종래의 노력들은 성장영역 전반에 걸쳐 자기장을 고르게 유지시키기 어려웠기 때문에 성공적이지 못했다. 몇몇 종래의 노력들의 다른 결점은 탄소나노튜브들과 전자기장들 사이의 상호작용이 비교적 약했다는 것이다.
본 발명의 방법들과 장치들은 화학적 증기 증착법(chemical vapor deposition, CVD)와 플라즈마 증강된 CVD 시스템(plasma enhanced CVD)들을 통해 탄소나노튜브들을 성장시키는 현재의 기술들을 기반으로 한다. 몇몇 실시예들은 기판 내에 회로를 형성하여 모든 탄소나노튜브들과 전기적으로 연결시키는 것을 포함한다. 성장 동안, 수직적인 직선성은 상기 탄소나노튜브들과 라이너(liner)에 인가된 정전하에 의해 도움 받는다. 상기 정전하는 상기 카본나노튜브들과 상기 라이너에 동등 또는 비동등하게 인가될 수 있다. 각각의 카본나노튜브들의 상기 정전하는 다른 카본나노튜브들 모두에 반발하는 정전기장을 생성한다. 상기 정전기장에 의해 발생한 힘은 상기 탄소나노튜브들을 떨어지도록 밀어낸다.
상기 탄소나노튜브들에 의해 방출된 상기 정전기장들 이외에, 다른 외부 장들이 상기 탄소나노튜브를 “함유”하도록 정전기력을 가할 수 있다. (상기 탄소나노튜브에 생성된) 내부 장과 (상기 라이너에 생성된) 외부장의 합, 또는 상쇄값은 상기 탄소나노튜브를 평행 성장 궤도에 고정시키고 성장 공정 내내 상기 평행 궤도를 유지시키는 역할을 한다. 상기 방법은 일반적으로 챔버툴(chamber tool)이나 수직로(vertical furnace)이라고 불리는 곳에서 사용될 수 있다. 상기 수직로는 여기 기술한 것과 같이 탄소나노튜브들을 길이 1미터 정도까지 성장시키는데 충분한 수직의 공간을 제공한다. 게다가, 부수적 변형으로, 여기 기술된 것과 동일한 개념들이 챔버툴에서 사용될 수 있는데, 챔버툴은 보다 작은 탄소나노튜브들의 성장을 더 빠르도록 및/또는 더 잘 배열되도록 할 수 있게 한다.
비록 몇몇 탄소나노튜브 성장 방법들은 성장 동안 자기장 및 전기장을 사용하여 탄소나노튜브들을 배열할 수 있더라도, 종래의 방법들이, 이웃한 탄소나노튜브들의 수직배열을 유지시키려고 사용되는 정전하를 방출하도록 하기 위하여, 상기 탄소나노튜브들을 안테나로 사용하지 않는다는 점에서, 종전 방법들은 본 발명의 방법과 다르다.
본 발명의 실시예들은 종전보다 상당히 더 길고 강한 탄소나노튜브들을 생산할 수 있다. 개시된 실시예들은 또한 균일한 전기적 특성들을 갖는 탄소나노튜브들을 성장시킬 수 있는 가능성을 가진다. 개선된 탄소나노튜브들을 위한 응용들은 많다. 길고 및/또는 곧은 탄소나노튜브들은 잠재적으로 매우 가치 있다.
탄소나노튜브들을 제조하기 위한 장치들의 실시예들이 설명될 것이다.
도 1 및 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 탄소나노튜브들의 제조에 사용되는 외부 튜브(outer tube)를 도시한다. 도 1은 외부 튜브(100)의 투시도이다. 도 2는 외부 튜브(100)의 상부의 근접 투시도이다.
외부 튜브(100)는 공정 챔버의 측면들과 상단을 구성한다. 어떤 실시예들에서, 외부 튜브(100)는 Kokursai® 방화광 수직로(Pyro vertical furnace)들에서 사용되는 외부 튜브들과 유사하거나 동일하다. 일 실시예에서, 외부 튜브 100은 대략 1미터 정도의 길이를 가지나, 탄소나노튜브들의 성장에 적합한 다른 길이들도 가질 수 있다.
어떤 실시예들에서, 외부 튜브(100)의 상단은 “샤워 헤드”라고 불리는 가스 배출구(110)를 포함한다. 샤워 헤드(110)는 복수의 구멍들 또는 노즐들을 포함하며, 외부 튜브(100)의 바닥에서부터 외부 튜브(100) 상단의 샤워 헤드(110)까지 흐르는 튜브(120)와 연결된다. 튜브(120)는 공정 가스들의 통로로 제공된다. 상기 공정 가스들은 튜브(120)를 통해 샤워 헤드(110)로 흐른다. 그 다음 상기 가스들은 샤워 헤드(110)의 상기 구멍들을 통해 빠져나가 탄소나노튜브의 제조에 쓰이는 내부 튜브의 빈 공간으로 들어간다. 어떤 실시예들에서, 튜브(120)는 석영으로 형성된다. 다른 적합한 물질들이 튜브(120)로 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 샤워 헤드(110)의 직경은 내부 튜브의 직경에 관련될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 샤워 헤드(110)의 직경은 상기 내부 튜브의 직경보다 작으며, 그러한 상기 샤워 헤드(110)는 상기 내부 튜브 상단의 오프닝으로 돌출된다. 상기 내부 튜브는 아래에서 보다 상세히 설명된다.
외부 튜브(100)는 또한 외부 튜브(100)의 바닥 쪽으로 배치된 배기구(130)을 포함한다. 배기구(130)는 공정 가스들의 배출구를 제공한다.
도 3 및 도 4는 발명의 일 실시예에 따라 탄소나노튜브들의 제조에 사용되는 내부 튜브를 도시한다. 도 3은 내부 튜브(300)의 투시도이다. 도 4는 내부 튜브 300의 하단의 근접 투시도이다. 내부 튜브(300)의 실시예들은 도 1 및 도 2의 외부 튜브 또는 본 발명 범위와 동떨어지지 않은 어떤 다른 적합한 시스템과 결합되어 사용될 수 있다. 내부 튜브(300)는 또한 “라이너(liner)” 라고 불리기도 한다. 설명의 편리를 위하여, 이제부터 “내부 튜브(inner tube)이라는 용어를 사용할 것이다.
내부 튜브(300)는 그의 바닥과 뚜껑이 비어있고 열려있다. 내부 튜브(300)의 바닥은 기저 고정물에 맞추기 위해 약간 나팔모양인데, 아래에서 보다 상세히 기술하겠다. 상기 내부 튜브는 상기 기저 고정물의 맨 위에 배치되거나 또는 상기 외부 튜브 안쪽에 고정되고 위치될 수 있다. 내부 튜브(300)는 상기 나팔모양의 바닥 주위를 둘러싼 일련의 오프닝(opening, 310)들을 포함한다. 이것은 일반적인 내부 튜브들과 차이가 있는데, 상기 바닥에 유사한 오프닝들이 있지 않다는 점에서 그렇다. 상기 오프닝(310)들은 상기 챔버에서 역방향의 가스의 흐름이 되도록 해준다. 즉, 오프닝(310)들은 상기 공정 가스들이 상기 외부 튜브의 상기 배출구(130)로 나갈 수 있도록 해준다. 일반적인 내부 튜브에서, 가스들은 아래에서 위로 흐른다. 내부 튜브(300)에서, 가스는 위에서 아래로 흐른다. 보다 자세하게, 내부 튜브(300)는 가스들이 샤워 헤드(110)으로부터 들어와 내부 튜브(300)를 통해 아래로 내려가도록 흐르게 하고, 상기 공정 웨이퍼 표면과 접촉하도록 하며(아래에 기술함) 그리고 나서 구멍들(310)을 통해 내부 튜브(300)으로부터 배출되도록 해준다.
상기 내부 튜브(300)의 안쪽 표면은 전도성의 필름 또는 코팅을 포함한다. 상기 전도성 필름은 고열 조건들을 견딜 수 있도록 선택된다. 일 실시예에서, 상기 전도성 필름은 텅스텐으로 만들어질 것이나, 적절하게 높은 녹는점을 가지는 다른 금속들 또는 전도성 물질들이 쓰일 수 있다. 공정 동안, 정전하 또는 전기적 바이어스가 상기 전도성 필름의 다양한 영역들 또는 상기 필름의 단일 영역에 인가될 수 있는데, 이는 내부 튜브 표면에 필름 영역들이 얼마나 많이 형성되느냐에 따라 정해진다. 상기 전도성 필름에 인가된 상기 정전하는 상기 탄소나노튜브들에 힘을 가하는 정전기장을 형성하는데, 아래에 더 자세히 서술한 바와 같다.
비록 상기 전도성 필름이 내부 튜브(300)의 안쪽 표면에 있는 것으로 설명되지만, 상기 전도성 필름은 추가적으로 또는 대체적으로 내부 튜브(300)의 바깥 표면에 배치될 수도 있다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 탄소나노튜브들의 제조에 사용되는 기본 어셈블리를 도시한다 도 5는 기본 어셈블리(500)의 밑면의 투시도이다. 도 6은 기본 어셈블리(500)의 밑면 가장자리의 근접 투시도이다. 도 7은 기본 어셈블리(500)의 윗면의 근접 투시도이다. 기본 어셈블리(500)의 실시예들은 도 1 내지 도 4의 외부 튜브(100) 및 내부 튜브(300) 또는 본 발명의 범위로부터 동떨어지지 않은 어떤 다른 적절한 시스템과 결합되어 사용될 수 있다.
실시예에서, 기본 어셈블리(500)는 주로 석영으로 만들어진다. 전도성 요소들은 기본 어셈블리(500)의 나머지를 주로 구성한다. 실시예에서, 상기 전도성 요소들은 텅스텐이나 또는 다른 적절한 물질로 만들어진다. 상기 전도성 요소들은 정전하를 상기 공정 웨이퍼 및/또는 내부 튜브(300)에 전도하는데 기여한다.
도 5 및 도 6에 나타난 바와 같이, 기본 어셈블리(500)의 바닥면은 두 개의 전기적 접촉패치들(electrical contact patch, 510a, 510b)을 포함한다. 전기적 전도 패치들(510a, 510b)의 수, 크기, 배치 및 메카니즘은 도시 목적일 뿐이다. 전기적 접촉패치들의 다른 배열이나 전기적 전도의 다른 수단이 사용될 수 있으며, 이는 당해 기술분야에서 통상의 기술을 가진 자에게 당연할 것이다. 전기적 접촉패치들(510a, 510b)은 기본 어셈블리(500)와 연결되어 순환 어셈블리(rotate assembly)에 전기적으로 접촉할 수 있다. (순환 어셈블리는 수직로(vertical furnace)들에 세워진 표준 장치이다) 전도성 비아들(520a, 520b)은 전기적 접촉패치들(510a, 510b)을 기본 어셈블리(500)의 상면 위에 있는 상응하는 걸쇠(latch)들과 연결시킨다. 도 5 및 도 6에 나타난 실시예에서, 전도성 비아들(520a, 520b)은 상기 전기적 접촉패치들(510a, 510b)에서부터 기본 어셈블리(500)의 가장자리까지 늘어나며, 그리고 나서 기본 어셈블리(500)의 수직 면을 따라 위로 늘어나며, 기본 어셈블리(500)의 상면 위에 있는 상기 걸쇠까지 늘어난다.
도 7은 기본 어셈블리(500)의 상면 위에 있는 걸쇠(530a)의 근접도를 도시한다. 전도성 비아(520a)는 기본 어셈블리(500)의 수직면을 따라 위로 늘어나 걸쇠(530a)에 접촉한다.
도 8 및 도 9는 각각 걸쇠(530a)의 근접 분해도와 조립도이다. 제2걸쇠 (나타나지 않음)는 걸쇠(530a)로부터 기본 어셈블리(500)의 상면의 건너편에 위치한다. 도 7 내지 도 9에 보여진 상기 걸쇠 모양은 도시의 목적일 뿐이며 전기적 연결의 하나의 실시예를 보여준다. 걸쇠들의 수, 크기, 위치 및 메커니즘은 매우 다양할 수 있다. 걸쇠들이나 전기적 연결들의 다른 배열들이 사용될 수 있고, 당해 기술분야에서 통상의 기술을 가진 자들에게 당연할 것이다.
도 7에 나타난 바와 같이, 기본 어셈블리(500)의 상면은 테두리(lip 550)에 둘러싸인 평평하고 리세스된 영역(recess area, 540)을 포함한다. 리세드된 영역(540)은 상기 공정 웨이퍼를 받아들이고 상기 웨이퍼를 고정시키도록 구성된다. 일 실시예에서, 리세스된 영역(540)은, 원형의 300mm 웨이퍼를 받아들이기에 충분한 크기인 약 301mm 직경을 가진다. 추가적으로 또는 대체적으로, 기본 어셈블리(500) 또는 리세스된 영역(540)은 웨이퍼들의 다른 크기들을 수용하도록 구성될 수 있다. 탄소나노튜브 성장 공정 동안, 상기 공정 웨이퍼는 기본 어셈블리(500)의 리세스된 영역(540) 내에 위치한다.
상기 공정 웨이퍼가 리세스된 영역(540)에 놓여진 후, 상기 걸쇠들(걸쇠 530a 포함)은 상기 웨이퍼의 가장자리들 위를 잠근다. 상기 걸쇠들은 두 가지 목적을 가진다. 첫 번째, 상기 걸쇠들은, 공정 동안, 고정된 위치에 상기 공정 웨이퍼를 잡아둔다. 두 번째, 상기 걸쇠들은 정전하를 상기 공정 웨이퍼의 가장자리 콘택들로 전도하는 전기적인 접촉들을 제공한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 탄소나노튜브들의 제조에 사용되는 공정 웨이퍼를 도시한다. 공정 웨이퍼(1000)의 실시예들은 도 5의 기본 어셈블리(500) 또는 본 발명의 범위와 동떨어지지 않은 어떤 다른 적절한 시스템과 결합되어 사용될 수 있다.
공정 웨이퍼(1000)는 평평하고, 실질적으로 원형인 웨이퍼이다. 일 실시예에서, 공정 웨이퍼(1000)은 직경이 대략 300mm이고 기본 어셈블리(500)의 리세스된 영역(540) 내에 딱 맞는 크기이다. 물론, 공정 웨이퍼(1000)의 다른 크기도 가능하다. 공정 웨이퍼(1000)는 상기 웨이퍼 내에 내장된 회로를 포함한다. 이것은 더 작고 사각형이며, 회로를 포함하지 않는 일반적인 탄소나노튜브 공정 웨이퍼들과 반대된다.
공정 웨이퍼(1000)는 노출된 전기적 콘택들(1010a, 1010b)을 포함하는데, 이들은 웨이퍼(1000)의 가장자리의 반대 측에 있다. 전기적 콘택들(1010a, 1010b)은 웨이퍼(1000)와 외부의 정전 발생장치를 전기적으로 연결한다. 전기적 콘택들의 수, 크기 및 위치는 다양할 수 있다. 전기적 콘택들의 다른 배열들이 사용될 수 있고, 당해 기술분야에서 통상의 기술을 가진 자에게 당연할 것이다. 구체적 실시예에서, 전기적 콘택들(1010a, 1010b)은 걸쇠(530a)를 포함한 기본 어셈블리의 상기 걸쇠들과 접촉하도록 배치된다.
공정 웨이퍼(1000)의 상부 표면은 SiO2 또는 다른 적절한 유전물의 층으로, 복수개의 회로 콘택들이 노출된다. 일 실시예에서, 수백만 개의 회로 콘택들이 공정 웨이퍼(1000)의 상부 표면에 노출된다. 도 10의 확대된 부분으로 회로 콘택(1020)에 나타난 각각의 회로 콘택은, 내장된 회로 내의 수직의 기둥(vertical post) 상부 가장자리이고, 이는 아래에 더 자세히 서술된다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 공정 웨이퍼(1000) 내에 내장된 웨이퍼의 회로의 구조를 본 도시한다.
웨이퍼 회로(1100)는 복수개의 수평 도전라인들과 수직 기둥들(upright post)을 포함한다. 도 11에서, 수평 도전라인들은 도전라인들(1120 및 1130)으로 나타나 있고, 수직 기둥들은 기둥들(1125a, 1125b, 1135a, 및 1135b)로 나타나 있다. 각각의 수평 도전라인은 수직 기둥들의 별개 세트와 연결(coupled)된다. 예를 들어, 도전라인(1120)은 수직 기둥들(1125a, 1125b)과 연결되고, 도전라인(1130)은 수직 기둥들(1135a, 1135b)과 연결된다. 따라서, 수직 기둥들의 다른 그룹들은 그들에 관련된 도전라인을 조절함에 따라 조절될 수 있다.
웨이퍼 회로(1100)는, 각각의 수직 기둥의 상부 표면(도 11의 1127a, 1127b, 1137a 및 1137b)을 제외하고 공정 웨이퍼(1000) 상에 SiO2의 상부층으로 완전히 덮여진다. 각각의 상부표면(1127a, 1127b, 1137a 및 1137b)은 웨이퍼 회로(1100)의 상부 표면 위에 노출된다. 각각의 상부표면(1127a, 1127b, 1137a, 1137b)은 도 10에서 회로 콘택들 중의 하나(예, 전기적 콘택 1020)로 나타내어 진다. 수직 기둥들은 SiO2의 상부층 내에 배치된다. 상기 도전라인들(예, 도전라인들 1120, 1130)은 상기 수직 기둥들(예, 기둥들 1125a, 1125b, 1135a, 1135b)을 공정 웨이퍼(1000)의 가장자리 콘택들(1010a, 1010b)과 연결시키는데, 결국 기본 어셈블리(500)과의 전기적 접촉을 만든다.
상기 수직 기둥들은 니켈, 코발트, 이들 둘의 조합 또는 다른 적합한 물질들로 형성된다. 상기 수평 도전라인들은 텅스텐 또는 다른 적합한 물질로 형성되며, 상기 수직 기둥들에 정전하를 전도하도록 사용된다. 각각의 기둥의 상부표면(예, 상부표면 1127a, 1127b, 1137a 및 1137b)은 각각의 탄소나노튜브의 씨앗장소이다. 상기 씨앗장소는 상기 웨이퍼(1000)의 표면(예, 회로 콘택 1020)에서 노출된다. 이들 장소로 전달된 상기 정전하는, 성장 공정 동안, 상기 탄소나노튜브들로 전달된다.
각각의 기둥의 꼭대기(즉, 씨앗장소)는 공정 웨이퍼(1000)의 상부표면과 동일평면에 있다. 일 실시예에서, 상기 씨앗장소의 레이아웃은 도 10에 나타난 바와 같이 상기 씨앗장소가 고르게 놓여지며 격자무늬 형상이다. 상기 씨앗장소는 다른 적절한 레이아웃들로 나열될 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 탄소나노튜브들의 제조에 사용되는 정전하장을 도시한다. 도 12에서 나타난 것처럼, 씨앗장소(1210)로 표현되는 복수개의 씨앗장소들이 공정 웨이퍼의 상부 표면에 배치된다. 일 실시예에서, 상기 씨앗장소들(1210)은 도 10에서 공정 웨이퍼(1000)의 회로 콘택들(1020)로, 도 11에서 상부표면들(1127a, 1127b, 1137a, 1137b)로 나타난다.
씨앗장소에 인가되는 정전하는 각각의 탄소나노튜브에 고정적인 전자기장들을 일으키며, 탄소나노튜브들이 자라기 시작한다. 각각의 전자기장은 각각의 탄소나노튜브가 서로 떨어지도록 반발력을 인가한다. 이웃한 탄소나노튜브들 사이의 반발력들은 서로 균형을 잡도록 하고, 탄소나노튜브들 실질적으로 위쪽으로 그리고 서로 평행하게 자라도록 한다. 상기 웨이퍼 가장자리 상의 씨앗장소들과 관련된 탄소나노튜브들은 모든 면들에서 이웃한 탄소나노튜브들을 갖지 않는다. 그 결과, 상기 웨이퍼 가장자리의 상기 탄소나노튜브들은 “바깥쪽으로” 자라는 경향을 가질 것이다. 즉, 상기 웨이퍼 중앙으로부터 멀어지도록 기울게 된다. 가장자리 탄소나노튜브들의 바깥쪽 성장을 막기 위하여, 상기 웨이퍼 주위에 위치한 상기 내부 튜브(즉, 내부 튜브(300))에서의 정전하가 또한 반발력을 인가한다. 상기 반발력은 가장자리 탄소나노튜브들을 상기 웨이퍼의 중앙으로 “밀어낸다”. 상기 내부 튜브로부터의 안쪽방향 힘은 이웃한 씨앗장소들의 바깥방향 힘과 균형을 맞추어, 가장자리 탄소나노튜브들이 실질적으로 위쪽으로 성장하도록 한다.
도 13은, 본 발명의 실시예들에 따라, 실질적으로 수직으로 그리고 서로 평행하게 성장하는 복수개의 탄소나노튜브들을 도시한다. 각각의 탄소나노튜브(예를 들면, 탄소나노튜브 1310)는 씨앗장소들(예를 들면, 씨앗장소 1320)로부터 위쪽방향으로 성장한다. 각각의 씨앗장소는 공정 웨이퍼 내에 내장된 회로에서 수직 기둥들(예를 들면, 수직기둥 1330)의 상부 가장자리이다. 도 10 및 도 11에 나타난 바와 같이, 각각의 수직 기둥의 상부 가장자리는 공정 웨이퍼의 상부 표면에서 노출된다.
본 발명의 실시예들에 따른 탄소나노튜브의 합성 공정이 기술된다.
우선, 웨이퍼가 기본 어셈블리 내에 고정된다. 엘리베이터에 의하여 상기 웨이퍼와 기본 어셈블리를 내부튜브 내의 공정위치로 들어올린다. 상기 내부 튜브는 로(furnace) 안쪽에 고정된 외부 튜브의 내에 고정될 수도 있고 아닐 수도 있다. 일단 상기 엘리베이터가 상기 공정위치에 도달하면, 상기 엘리베이터와 외부 튜브는 공기 밀봉된다. 상기 탄소나노튜브 공정챔버는 기본압력(base pressure)에 도달할 때까지 가스들을 배기한다. 일 실시예에서, 목표 기본압력은 10파스칼 이하이다. (<10Pa)
다음, 상기 공정챔버의 온도는 임의의 유휴온도로부터 공정온도인 700 ~ 1000℃까지 올려진다. 대기압보다 더 낮게 유지되는 동안, 질소와 암모니아 가스들이 상기 챔버로 유입된다.
상기 질소와 암모니아는 탄소함유 가스가 유입되기 전까지 가변적인 시간 동안 상기 챔버 안으로 흘러 들어온다. 다음, 상기 탄소함유 가스가 상기 챔버 안으로 들어온다. 상기 탄소함유 가스로부터의 탄소가 상기 씨앗장소에 침전되고 탄소나노튜브들을 형성한다. 일 실시예에서, 상기 탄소함유 가스는 에틸렌이다. 일반적인 경우를 따르면, 에틸렌 대 암모니아의 대략적인 배율은 7:3이다. 공정시간은 실험을 통해 결정되는데, 앞서 말한 조건 하에서 탄소나노튜브들의 성장시간이 가변적이기 때문이다.
다음, 정전기가 기본 어셈블리를 통하여 상기 웨이퍼에 인가된다. 정전기는 외부 발생장치로부터 상기 기본 어셈블리를 거쳐 상기 내부 튜브에 직접적으로 인가된다. 그 후, 상기 웨이퍼에 인가된 전압은 상기 웨이퍼 상의 상기 씨앗장소들에 전달되고, 이것은 차례 차례로 상기 웨이퍼 상에 성장하는 탄소나노튜브들에 전달된다. 전압이 상기 내부 튜브에 인가되면, 상기 내부 튜브는 탄소나노튜브들이 수평적으로 성장하는 것을 저지하는 역할을 한다. 일 실시예에서, 상기 공정 웨이퍼 내의 상기 회로는 구역들로 나뉜다. 따라서, 상기 웨이퍼는 분리된 구역들로 나뉠 수 있는데, 각각의 구역은 다른 전기적 콘택과 정전기장을 가진다. 내부 튜브는 또한 구역들로 나뉘는데, 각각의 구역은 분리된 전기적 콘택을 가진다. 공정 동안, 각각의 구역에서의 상기 전압은 탄소나노튜브들이 얼마나 곧게 성장하는지에 따라서 조절될 수 있다. 궤도와 길이도 다른 응용들에 따라 다양할 수 있다.
일단 상기 탄소나노튜브들이 원하는 길이에 도달하면, 상기 정전하는 제거되고 암모니아와 에틸렌의 흐름이 정지되며, 상기 챔버는 다시 질소로 채워짐으로써 대기압으로 되돌려진다. 온도는 유휴온도로 감소한다. 그리고 나서 상기 엘리베이터는 내려져서 상기 기본 어셈블리, 공정 웨이퍼, 탄소나노튜브들 및 상기 라이너(만일 상기 라이너가 상기 엘리베이터 꼭대기에 있는 경우)가 제거될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 종전 발명된 것보다 상당히 더 길고 곧은 탄소나노튜브들을 생산할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 방법들과 장치들을 사용함으로써, 길이가 1미터 보다 더 긴 탄소나노튜브의 생산이 가능할 수 있다. 이것은 길이가 약 12~18cm인 탄소나노튜브를 만드는 종래의 기술보다 상당한 개선이다.
비록 본 발명이 예시적인 실시예를 기술하였다고 하더라도, 다양한 변화들과 수정들이 당해 기술분야에서 통상의 기술을 가진 자들에게 제시될 수 있다. 첨부한 청구항들의 범위 내에 들어간다면, 본 발명이 그러한 변화들과 수정들을 포함하는 것을 의도한다.

Claims (20)

  1. 적어도 하나의 정전하를 전도하도록 구성된 회로;
    복수개의 탄소나노튜브 씨앗장소들을 가지는 상부표면을 포함하되, 각각의 씨앗장소는 상기 회로와 연결되고 상기 적어도 하나의 정전하 중의 하나를 받도록 구성된 탄소나노튜브들의 제조에 사용되고; 그리고
    상기 회로와 연결되고 웨이퍼를 지지하는 기본 어셈블리로부터 전기적 전하를 받도록 구성된 복수개의 전기적 콘택을 포함하되,
    상기 회로는:
    복수개의 도전라인들; 그리고
    각각의 기둥들이 상기 도전라인들과 연결된, 복수개의 수직 기둥들을 포함하고,
    상기 각각의 씨앗장소는 상기 수직 기둥들 중의 하나의 상단 가장자리와 관련된 탄소나노튜브들의 제조에 사용되는 제조 공정 웨이퍼.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 회로와 복수개의 탄소나노튜브 씨앗장소들을 가지는 웨이퍼;
    상기 웨이퍼를 지지하고 상기 웨이퍼와 전기적으로 연결되도록 구성된 기본 어셈블리; 그리고
    상기 웨이퍼 위에 배치되고 상기 씨앗장소들 상에 형성되는 탄소나노튜브들을 둘러싸도록 구성된 제1 튜브를 포함하고,
    상기 제1 튜브는 그 내부에 전기장을 생성하도록 구성된 도전성 코팅을 포함하는 탄소나노튜브들의 제조에 사용되는 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 웨이퍼 내의 상기 회로는 상기 씨앗장소들 각각에 정전하를 전도하는 시스템.
  9. 삭제
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 튜브를 둘러싸도록 구성된 제2 튜브를 더 포함하는 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제2 튜브는 상기 제1 튜브로 공정가스들을 전달하도록 구성된 복수개의 구멍들을 가지는 샤워헤드를 포함하는 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 튜브는 그의 바닥부분의 주위를 둘러싸는 복수개의 오프닝들을 포함하고, 상기 오프닝들은 상기 제1 튜브로부터 상기 공정가스들을 배출시키도록 구성되는 시스템.
  13. 청구항 7에 있어서,
    상기 기본 어셈블리는 상기 웨이퍼에 정전하를 전달하도록 구성된 적어도 하나의 전기적 콘택을 포함하는 시스템.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 회로와 복수개의 탄소나노튜브 씨앗장소들을 가지는 웨이퍼를 기본 어셈블리 상에 배치하는 것, 상기 기본 어셈블리는 상기 웨이퍼를 지지하고 전기적으로 연결되도록 구성되고;
    상기 웨이퍼 위에 제1 튜브를 배치하는 것, 상기 제1 튜브는 전도성 코팅을 포함하고;
    상기 전도성 코팅에 의해 상기 제1 튜브의 안쪽에서 전기장을 발생시키는 것; 그리고
    상기 씨앗장소들 각각에 탄소나노튜브를 형성하는 것을 포함하고, 상기 탄소나노튜브들은 상기 제1 튜브에 의해 둘러싸인 탄소나노튜브들 제조 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 웨이퍼 내의 상기 회로에 의해, 상기 씨앗장소들 각각에 정전하를 발생시키는 것을 더 포함하는 탄소나노튜브들 제조 방법.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
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