KR20140053781A - 구리 기판들 상에서의 탄소 나노튜브의 성장 - Google Patents

구리 기판들 상에서의 탄소 나노튜브의 성장 Download PDF

Info

Publication number
KR20140053781A
KR20140053781A KR1020130126669A KR20130126669A KR20140053781A KR 20140053781 A KR20140053781 A KR 20140053781A KR 1020130126669 A KR1020130126669 A KR 1020130126669A KR 20130126669 A KR20130126669 A KR 20130126669A KR 20140053781 A KR20140053781 A KR 20140053781A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
carbon nanotubes
thin film
copper substrate
titanium nitride
metal
Prior art date
Application number
KR1020130126669A
Other languages
English (en)
Inventor
빅터 푸시파라즈
진 마라마그
Original Assignee
어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 filed Critical 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
Publication of KR20140053781A publication Critical patent/KR20140053781A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/133—Electrodes based on carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/158—Carbon nanotubes
    • C01B32/16—Preparation
    • C01B32/162—Preparation characterised by catalysts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/134—Electrodes based on metals, Si or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139—Processes of manufacture
    • H01M4/1393—Processes of manufacture of electrodes based on carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139—Processes of manufacture
    • H01M4/1395—Processes of manufacture of electrodes based on metals, Si or alloys
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2202/00—Structure or properties of carbon nanotubes
    • C01B2202/20—Nanotubes characterized by their properties
    • C01B2202/34—Length
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S977/00—Nanotechnology
    • Y10S977/70—Nanostructure
    • Y10S977/734—Fullerenes, i.e. graphene-based structures, such as nanohorns, nanococoons, nanoscrolls or fullerene-like structures, e.g. WS2 or MoS2 chalcogenide nanotubes, planar C3N4, etc.
    • Y10S977/742—Carbon nanotubes, CNTs
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S977/00—Nanotechnology
    • Y10S977/902—Specified use of nanostructure
    • Y10S977/932—Specified use of nanostructure for electronic or optoelectronic application
    • Y10S977/948—Energy storage/generating using nanostructure, e.g. fuel cell, battery

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Cell Electrode Carriers And Collectors (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

구리 기판 상에 탄소 나노튜브들을 형성하는 방법은, 구리 기판을 제공하는 단계; 상기 구리 기판 상에 티탄 금속(titanium metal) 박막 접착층을 증착하는 단계; 상기 티탄 금속 박막 상에 질화 티탄(titanium nitride) 박막을 증착하는 단계 ― 상기 질화 티탄 박막은 두께가 100 내지 200 나노미터임 ― ; 상기 질화 티탄 박막 상에 촉매 금속을 증착하는 단계 ― 상기 촉매 금속은 상기 질화 티탄 박막의 표면 상에서 이산 입자들(discrete particles)의 형태임 ― ; 및 상기 촉매 금속의 상기 이산 입자들 상에 탄소 나노튜브들을 성장시키는 단계 ― 상기 탄소 나노튜브들은 적어도 3 미크론의 평균 길이로 성장됨 ―; 를 포함할 수 있으며, 상기 질화 티탄 박막은 상기 촉매 금속과 구리의 합금을 막는 확산 장벽층이다. 실리콘 배터리 전극을 형성하기 위해, 상기 방법은 상기 탄소 나노튜브들의 전체 길이 위에서 상기 탄소 나노튜브들 상에 실리콘을 증착하는 단계를 더 포함할 수 있다.

Description

구리 기판들 상에서의 탄소 나노튜브의 성장{CARBON NANOTUBE GROWTH ON COPPER SUBSTRATES}
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은, 2012년 10월 26일 출원된 미국 가 출원 번호 61/719,293호를 우선권으로 주장한다.
본 발명은, 미국 국방부에 의해 수여된 계약 번호 W15P7T-10-C-A607 하에서 미국 정부의 지원에 의해 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명에 있어서 특정 권리를 갖는다.
본 발명은 일반적으로 탄소 나노튜브들(carbon nanotubes)을 성장시키기 위한 방법들에 관한 것으로서, 구체적으로, 구리 기판들 상에 긴(long) 탄소 나노튜브들을 성장시키는 것에 관한 것이다.
구리 기판들 상에 긴(수십 미크론) 탄소 나노튜브들을 성장시키기 위한 개선된 방법들은, 예를 들어 배터리 전극들 및 반도체 디바이스 배선들(interconnects)을 형성하는 것을 포함하는 다양한 응용들에 대해 요구된다.
실시예들에서, 구리 기판 상에 탄소 나노튜브들을 형성하는 방법은, 구리 기판을 제공하는 단계; 상기 구리 기판 상에 티탄 금속(titanium metal) 박막 접착층을 증착하는 단계; 상기 티탄 금속 박막 상에 질화 티탄(titanium nitride) 박막을 증착하는 단계 ― 상기 질화 티탄 박막은 두께가 100 내지 200 나노미터임 ― ; 상기 질화 티탄 박막 상에 촉매 금속을 증착하는 단계 ― 상기 촉매 금속은 상기 질화 티탄 박막의 표면 상에서 이산 입자들(discrete particles)의 형태임 ― ; 및 상기 촉매 금속의 상기 이산 입자들 상에 탄소 나노튜브들을 성장시키는 단계 ― 상기 탄소 나노튜브들은 적어도 3 미크론의 평균 길이로 성장됨 ―; 를 포함할 수 있으며, 상기 질화 티탄 박막은 상기 촉매 금속과 구리의 합금을 막는 확산 장벽층이다. 실리콘 배터리 전극을 형성하기 위해, 상기 방법은 상기 탄소 나노튜브들의 전체 길이 위에서 상기 탄소 나노튜브들 상에 실리콘을 증착하는 단계를 더 포함한다.
다른 실시예들에서, 리튬 이온 배터리를 위한 실리콘 전극은, 구리 기판; 상기 구리 기판 상의 티탄 금속 박막 접착층; 상기 티탄 금속 박막 상의 질화 티탄 박막; 상기 질화 티탄 박막 상의 촉매 금속 ― 상기 촉매 금속은 상기 질화 티탄 박막의 표면 상에서 이산 입자들의 형태임 ― ; 상기 촉매 금속의 상기 이산 입자들 상의 탄소 나노튜브들 ― 상기 탄소 나노튜브들은 40 미크론 보다 큰 평균 길이를 가짐 ―; 및 상기 탄소 나노튜브들의 전체 길이 위의 실리콘 코팅을 포함할 수 있으며; 상기 질화 티탄 박막은 상기 촉매 금속과 구리의 합금을 막는 확산 장벽층이다.
또 다른 실시예들은 전술한 프로세스에 따라 구리 기판들 상에 긴 탄소 나노튜브들을 성장시키도록 구성된 클러스터(cluster) 및 인라인 툴들(in-line tools)을 포함한다.
본 발명의 이들 및 다른 양상들 및 특징들이, 첨부 도면들과 함께 본 발명의 특정의 실시예들의 하기의 설명을 검토할 때에 해당 분야의 당업자들에게 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따라, 기판 상의 Ni/TiN/Ti/Cu 스택 상에 성장된 CNT들의 표현을 도시한다.
도 2는 본 발명의 일부 실시예들에 따라, 긴 CNT들의 포리스트(forest) 내의 CNT들 상에 증착된 실리콘을 갖는 도 1의 CNT들의 표현을 도시한다.
도 3(a)-(c)는 본 발명의 일부 실시예들에 따라, 기판 상의 Ni/TiN/Ti/Cu 스택 상에 형성된 긴(약 45 미크론 정도로 길다) CNT들의 전자 현미경 사진(electron micrograph)들이다.
도 4는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 실리콘 배터리 전극 실시예를 위한 프로세스 흐름을 도시한다.
도 5는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 클러스터 툴의 개략적인 표현을 도시한다.
도 6은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 선형 툴(linear tool)의 개략적인 표현을 도시한다.
이제, 본 발명은, 해당 분야의 당업자들이 본 발명을 실행할 수 있도록 하기 위해 본 발명의 설명적인 예들로서 제공되는 도면들과 관련하여 상세히 설명될 것이다. 특히, 하기의 도면들 및 예들은 본 발명의 범위를 단일 실시예로 제한하고자 하는 것이 아니며, 설명되는 또는 예시되는 엘리먼트들 중 일부 또는 전부의 교환을 통해 다른 실시예들이 가능하다. 또한, 알려진 컴포넌트들을 이용하여 본 발명의 특정 엘리먼트들이 부분적으로 또는 완전히 구현될 수 있는 경우, 이러한 알려진 컴포넌트들 중에서 본 발명을 이해하는 데에 필요한 부분들(those portions) 만이 설명될 것이며, 이러한 알려진 컴포넌트들 중 다른 부분들의 상세한 설명들은 본 발명을 애매하게 하지 않도록 하기 위해서 생략될 것이다. 본 명세서에서, 단일 컴포넌트를 나타내는 실시예는 제한적인 것으로 고려되서는 안되며; 그렇다기 보다는, 본 발명은, 본원에서 명시적으로 달리 언급되지 않는 한, 복수의 동일한 컴포넌트를 포함하는 다른 실시예들을 포함하는 것으로 그리고 그 반대의 경우(vice-versa)도 포함하는 것으로 의도된다. 또한, 본 출원인들은 명세서 또는 청구항들에서의 임의의 용어가, 그러한 것으로서 명시적으로 설명되지 않는 한, 흔하지 않거나(uncommon) 또는 특별한 의미로 여겨지는 것으로 의도하지 않는다. 또한, 본 발명은 예시로서 본원에서 언급되는 알려진 컴포넌트들에 대한 현재의 그리고 미래의 알려진 등가물들을 포함한다.
본 발명은 구리 기판들/스트립들(copper substrates/strips) 상에 탄소 나노튜브(CNT)들을 성장시키기 위한 프로세스에 관한 것이다. Cu 기판들 상에서의 CNT들의 성장은 높은 온도를 필요로 하는 CNT 성장 프로세스로 인해 상당히 도전적이며(challenging), 이러한 온도는 촉매 입자들이 Cu 기판과 합금될 수 있을 정도로 충분히 높다. 이에 따라, 예를 들어 리튬-이온 배터리에서 애노드 전극으로서 이용하기 위한, 극도로 긴(ultra-long) CNT들을 성장시키기 위해, 전기 전도성 장벽층이 합금을 막기 위해 이용된다. 이러한 전기 전도성 장벽층은 또한 CNT들과 Cu 스트립 간의 계면 저항을 최소화하는 것을 도울 것이며, 높은 수율(yield)의 CNT 성장 프로세스를 또한 촉진시킬 것이다. 장벽층의 두께는 긴 CNT 성장을 가능하게 하도록 제어될 필요가 있는데, 그렇지 않으면, CNT들은 훨씬 더 짧은 길이(아마도 단지 2 미크론)로 될 수 있으며, 그리고 수율을 낮출 수 있다. 제어된 두께를 갖는 장벽층(특정한 상세사항들에 대해서는 하기를 참조한다)은, 평균하여 3 미크론 보다 큰 길이의, 실시예들에서는 10 미크론 보다 큰 길이의, 일부 실시예들에서는 20 미크론 보다 큰 길이의, 그리고 다른 실시예들에서는 40 미크론 보다 큰 길이의 CNT들이 구리 기판 상에 성장될 수 있게 한다. 본 발명은, 하기에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 리튬-이온 배터리들의 형성에 이용될 수 있으며; 또한, 본 발명의 원리들 및 교시는 반도체 집적 회로 디바이스들에서 배선들 및 비아들을 형성하는 데에 또한 적용될 수 있다.
리튬-이온 배터리에서는 높은 표면적(surface area )의 전극이 요구된다. CNT들은, 평평한(planar) 표면과 비교될 때, 높은 표면적을 제공하며, 이들은 리튬-이온 배터리들에 대한 효과적인 애노드 전극의 기초(basis)로서 기능한다. 애노드 전극에 대해, 구리는 전류 콜렉터로서 이용되며, 이에 따라 전극 용량을 개선하기 위해 CNT들이 구리 전극 상에 성장되어야 한다. 구리와 CNT 촉매 간의 전기 전도성 장벽층은, 촉매와 구리 간의 합금 형성을 막기 위해 그리고 CNT들의 효과적인 성장을 촉진시키기 위해 이용된다.
탄소 나노튜브(CNT)들은, 이들을 반도체 디바이스들을 포함하는 광범위한 전자 디바이스들에 통합하는 데에 매력적이 되게 하는 전기적 및 기계적 특성들을 갖는다. 탄소 나노튜브들은, 그래핀(graphene)(단일 원자 두께의(thick) 그래파이트 시트들(sheets of graphite))으로 형성된 벽들을 갖는 나노미터 규모의(nanometer-scale) 실린더들(cylinders)이다. 나노튜브들은 단일 벽으로 되거나(single-walled)(SWNT들이라 지칭되는, 단일의 그래핀 시트로 구성되는 실린더 벽), 또는 다수의 벽들로 될 수 있다(multi-walled)(MWNT들로서 지칭되는, 다수의 그래핀 시트들로 구성된 실린더 벽). 나노튜브들은, SWNT에 대해, 1 나노미터 만큼 작은 지름들, 및 대략 102 - 105 정도의 길이 대 지름 비율들을 갖는다. 탄소 나노튜브들은 금속성의 또는 반도체의 전기적 특성들을 가질 수 있으며, 이러한 특성들은 탄소 나노튜브들을, 이를 테면 배터리 애노드들, 반도체 집적 회로들에 대한 배선들 및 비아들, 등등과 같은, 다양한 디바이스들 및 프로세스들에 통합하는 데에 적합하게 한다.
탄소 나노튜브들은, 아크 방전(arc discharge), 레이저 어블레이션(laser ablation), 및 핫 와이어 CVD(hot wire CVD, HWCVD)를 포함한 화학 기상 증착(CVD)을 포함하는 다양한 기술들을 이용하여 성장될 수 있다. CNT들은 촉매 입자들 상에 성장되며, 이러한 촉매 입자들은 일반적으로 열 활성화된다. 촉매 재료는 Co, Ni 및 Fe와 같은 전이 금속, 또는 Fe-Ni, Co-Ni 및 Mo-Ni와 같은 전이 금속 합금일 수 있다. 촉매 입자들은 지름이 단지 수십(10's) 또는 수백(100's) 옹스트롬이며, 그리고 PVD, CVD 및 ALD를 포함할 수 있는 프로세스들에 의해 증착된다. 이를 테면 자일렌, 에탄올 및 에틸렌과 같은 CNT 전구체 화합물들, 또는 이러한 화합물들의 혼합물들이 이용될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 따라, 구리로 덮인(copper covered) 기판 상에 긴 CNT들을 형성하기 위한 프로세스의 특정 예가 다음과 같이 제공된다. 도 1은 구리(120)로 덮인 기판(110) 상의 긴 CNT들(150)의 표현을 도시하며, 도 2는 높은 표면적의 전극(200)을 형성하는, 실리콘(160)으로 코팅된 이러한 긴 CNT들의 표현을 도시한다. CNT들은 열적 핫 월(hot wall) CVD 반응기에서 증착된다. CNT들은 계면 장벽층(130)을 갖는 50 미크론 두께의 구리 기판 상에 성장된다. 장벽층은 Ti/TiN 박막들을 포함하며, 여기서 Ti 층은 구리에 대한 TiN의 더 우수한 접착을 제공한다. 장벽층 박막들은 어플라이드 머티어리얼스(Applied Materials) PVD 스퍼터링 시스템에 의해 증착되었다. Ti 막의 두께는 전형적으로 150nm 내지 250nm이며, 그리고 TiN 막의 두께는 100nm 내지 200nm 사이에서 달라진다. Ni 촉매(140)가, 0.3nm 내지 3nm 범위의 두께를 가지면서, 스퍼터 증착에 의해 장벽층 상에 증착되었다. (CNT들의 밀도를 제어하기 위해서는, 촉매 입자들의 밀도의 제어가 요구된다 - 이를 테면 실리콘 배터리 전극과 같은 응용들에 대해, CNT들의 전체 길이 위에 실리콘을 증착하기 위해, 이를 테면 화학 기상 증착(CVD)과 같은 프로세스에 의해 실리콘 증착이 CNT들의 포리스트를 효과적으로 투과(penetrate)할 수 있도록 보장하기 위해, 전극의 표면적의 1-2% 및 4%까지의 커버리지가 요구될 수 있으며; 상기 설명된 0.3nm 내지 3nm 두께의 Ni 층의 증착은 전극의 표면적의 1-2% 및 4%까지의 커버리지의 요구되는 범위 내의 촉매 입자들의 밀도를 초래한다.) 구리 기판 위의 장벽층 상에 CNT들을 증착하기 위한 프로세스는 다음과 같다: 증착 챔버는 수소/아르곤 15%/85%의 대기압으로 유지되고, 기판은 775℃로 유지된다. CNT들의 성장률은 증착 시간의 증가와 함께 스케일 업(scale up)된다. 이에 따라, 45 미크론의 긴 CNT들을 성장시키기 위해, 증착 시간은 약 1시간이었다. 탄소 나노튜브 증착은 에틸렌 가스 전구체를 이용하여 수행되었다. 탄소 증착이 수행되기 전에, Ni/TiN/Ti/Cu 스트립/기판은 핫 월 반응기 온도가 실온으로부터 775℃로 램프업(ramp up)되는 동안(약 1 시간 걸림) 챔버 내에서 예열되었다. CNT들의 지름들은 제어가능하며, 촉매(Ni) 입자 사이즈들에 의존한다. CNT들의 평균 지름은 28nm 였다.
상기 설명된 프로세스에 따라 구리 스트립 상에 성장된 긴 CNT들의 예가 도 3(a)-(c)에 도시되어 있으며, 여기서, 도 3(a)는 장벽층을 갖는 Cu 기판 상에 성장된 CNT들을 도시하고 ― CNT들은 약 45 미크론의 길이들을 가짐 ―, 도 3(b)는 도 3(a)의 CNT들의 상부도를 도시하며, 그리고 도 3(c)는 도 3(a)의 CNT들의 보다 높은 배율(magnification)의 횡단면도를 도시한다.
도 4는 도 1-2에 부분적으로 예시된, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 실리콘 배터리 전극에 대한 프로세스 흐름을 도시한다. 실리콘 배터리 전극을 제조하는 방법은, 하기의 순서로 실행되는, 하기의 프로세스 단계들을 포함할 수 있다. 구리 스트립으로 덮인 기판이 제공된다(410). Ti 접착층 및 TiN 전도성 장벽층이 구리 스트립 상에 증착된다(420). 촉매 입자들이 TiN 층의 표면 상에 증착된다(430). 긴 CNT들이 촉매 입자들 상에 성장되며, CNT들은 약 45 미크론의 높이로 성장된다(440). 이를 테면 CVD와 같은 프로세스에 의해, 긴 CNT들의 "포리스트" 내의 CNT들 상에 실리콘이 증착된다(450).
도 5는 도 1-2 및 4와 관련하여 상기 설명된 프로세스에서 이용하기 위한 프로세싱 시스템(500)의 개략적 예시이다. 프로세싱 시스템(500)은, 상기 설명된 건식 증착 프로세스 단계들에서 이용될 수 있는 프로세스 챔버들(C1-C5)을 갖추고 있는 클러스터 툴에 대한 SMIF(standard mechanical interface)를 포함한다. 예를 들어, 챔버들(C1-C5)은 다음의 프로세스 단계들: 접착 및 장벽층 증착; 촉매 증착; CNT 증착; 및 실리콘 증착을 위해 구성될 수 있다. 적합한 클러스터 툴 플랫폼들의 예들은, 어플라이드 머티어리얼스의 EnduraTM, 및 보다 작은 기판들을 위한 CenturaTM 를 포함한다. 프로세싱 시스템(500)을 위한 클러스터 배열이 도시되기는 했지만, 기판이 하나의 챔버로부터 다음 챔버로 연속적으로 이동하도록, 이송 챔버없이 프로세싱 챔버들이 한줄로(in a line) 배열되는 선형 시스템(linear system)이 이용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
도 6은 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 다수의 인라인 툴들(610, 620, 630, 640) 등등을 갖는 인라인 제조 시스템(600)의 표현을 도시한다. 인라인 툴들은 도 1-2 및 4와 관련하여 상기 설명된 프로세스에 대해 요구되는 모든 증착 단계들을 위한 툴들을 포함할 수 있다. 또한, 인라인 툴들은 사전 컨디셔닝(pre-conditioning) 챔버 및 사후 컨디셔닝(post-conditioning) 챔버를 포함할 수 있다. 예를 들어, 툴(610)은, 기판이 진공 에어 로크(vacuum airlock)(615)를 통해 증착 툴(620) 내로 이동하기 전에 진공을 확립하기 위한 펌프다운(pump down) 챔버일 수 있다. 인라인 툴들 중 일부 또는 전부는 진공 에어 로크들(615)에 의해 분리되는 진공 툴들일 수 있다. 프로세스 라인에서의 특정의 프로세스 툴들 및 프로세스 툴들의 순서(order)는 이용되는 특정한 프로세스 흐름(그 특정 예들이 상기에서 제공된다)에 의해 결정될 것임을 주목한다. 또한, 기판들은 수평으로 또는 수직으로 배향되는 인라인 제조 시스템을 통해 이동될 수 있다. 프로세싱 툴(600)을 위한 적합한 인라인 플랫폼은 어플라이드 머티어리얼스의 AtonTM 일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 연속적인 기판이 이용될 수 있으며 그리고 증착 프로세스들은 웹 툴들(web tools)을 이용할 수 있다.
비록 본 발명이 본 발명의 바람직한 실시예들과 관련하여 특정하게 설명되었지만, 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 형태 및 상세사항들에 있어서의 변경들 및 수정들이 만들어질 수 있다는 것이 해당 분야의 당업자들에게 쉽게 명백할 것이다. 첨부된 청구항들은 이러한 변경들 및 수정들을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (18)

  1. 구리 기판 상에 탄소 나노튜브들을 형성하는 방법으로서,
    구리 기판을 제공하는 단계;
    상기 구리 기판 상에 티탄 금속(titanium metal) 박막 접착층을 증착하는 단계;
    상기 티탄 금속 박막 상에 질화 티탄(titanium nitride) 박막을 증착하는 단계 ― 상기 질화 티탄 박막은 두께가 100 내지 200 나노미터임 ― ;
    상기 질화 티탄 박막 상에 촉매 금속을 증착하는 단계 ― 상기 촉매 금속은 상기 질화 티탄 박막의 표면 상에서 이산 입자들(discrete particles)의 형태임 ― ; 및
    상기 촉매 금속의 상기 이산 입자들 상에 탄소 나노튜브들을 성장시키는 단계 ― 상기 탄소 나노튜브들은 적어도 3 미크론의 평균 길이로 성장됨 ―;
    를 포함하며,
    상기 질화 티탄 박막은 상기 촉매 금속과 구리의 합금을 막는 확산 장벽층인,
    구리 기판 상에 탄소 나노튜브들을 형성하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 티탄 금속 박막은 두께가 150 내지 250 나노미터인,
    구리 기판 상에 탄소 나노튜브들을 형성하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉매 금속은 니켈 금속인,
    구리 기판 상에 탄소 나노튜브들을 형성하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브들은 적어도 10 미크론의 평균 길이로 성장되는,
    구리 기판 상에 탄소 나노튜브들을 형성하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브들은 적어도 20 미크론의 평균 길이로 성장되는,
    구리 기판 상에 탄소 나노튜브들을 형성하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브들은 적어도 40 미크론의 평균 길이로 성장되는,
    구리 기판 상에 탄소 나노튜브들을 형성하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 성장시키는 단계는,
    수소 및 아르곤의 대기압 하에서 그리고 에틸렌 가스 전구체를 이용하여, 약 775℃의 온도에서 핫 월(hot wall) 화학 기상 증착 반응기 내에서 이루어지는,
    구리 기판 상에 탄소 나노튜브들을 형성하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브들 상에 실리콘을 증착하는 단계를 더 포함하는,
    구리 기판 상에 탄소 나노튜브들을 형성하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 실리콘은 상기 탄소 나노튜브들의 전체 길이 위에 증착되는,
    구리 기판 상에 탄소 나노튜브들을 형성하는 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 촉매 금속은 상기 질화 티탄 박막의 표면 상에서 0.3 내지 3 나노미터의 평균 두께를 갖는,
    구리 기판 상에 탄소 나노튜브들을 형성하는 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 촉매의 입자들은 상기 질화 티탄 박막의 표면적의 1% 내지 2%를 덮는,
    구리 기판 상에 탄소 나노튜브들을 형성하는 방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 촉매의 입자들은 상기 질화 티탄 박막의 4% 미만의 표면적 또는 4%와 같은 표면적을 덮는,
    구리 기판 상에 탄소 나노튜브들을 형성하는 방법.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 실리콘을 증착하는 단계는 화학 기상 증착 프로세스에 의해 이루어지는,
    구리 기판 상에 탄소 나노튜브들을 형성하는 방법.
  14. 리튬 이온 배터리를 위한 실리콘 전극으로서,
    구리 기판;
    상기 구리 기판 상의 티탄 금속 박막 접착층;
    상기 티탄 금속 박막 상의 질화 티탄 박막;
    상기 질화 티탄 박막 상의 촉매 금속 ― 상기 촉매 금속은 상기 질화 티탄 박막의 표면 상에서 이산 입자들의 형태임 ― ;
    상기 촉매 금속의 상기 이산 입자들 상의 탄소 나노튜브들 ― 상기 탄소 나노튜브들은 40 미크론 보다 큰 평균 길이를 가짐 ―; 및
    상기 탄소 나노튜브들의 전체 길이 위의 실리콘 코팅을 포함하며;
    상기 질화 티탄 박막은 상기 촉매 금속과 구리의 합금을 막는 확산 장벽층인,
    리튬 이온 배터리를 위한 실리콘 전극.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 촉매의 입자들은 상기 질화 티탄 박막의 표면적의 1% 내지 2%를 덮는,
    리튬 이온 배터리를 위한 실리콘 전극.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 촉매 금속은 니켈 금속인,
    리튬 이온 배터리를 위한 실리콘 전극.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 질화 티탄 박막은 두께가 100 내지 200 나노미터인,
    리튬 이온 배터리를 위한 실리콘 전극.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 질화 티탄 박막은 두께가 150 내지 250 나노미터인,
    리튬 이온 배터리를 위한 실리콘 전극.
KR1020130126669A 2012-10-26 2013-10-23 구리 기판들 상에서의 탄소 나노튜브의 성장 KR20140053781A (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201261719293P 2012-10-26 2012-10-26
US61/719,293 2012-10-26

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20140053781A true KR20140053781A (ko) 2014-05-08

Family

ID=50547534

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020130126669A KR20140053781A (ko) 2012-10-26 2013-10-23 구리 기판들 상에서의 탄소 나노튜브의 성장

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20140120419A1 (ko)
JP (1) JP2014084272A (ko)
KR (1) KR20140053781A (ko)
CN (1) CN103794552A (ko)
TW (1) TW201418156A (ko)

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10618810B2 (en) * 2013-09-25 2020-04-14 Odysseus Technologies, Inc. Free atom nanotube growth
US11247901B2 (en) 2012-10-29 2022-02-15 Odysseus Technologies, Inc. Free atom nanotube growth
CN106463483A (zh) * 2014-05-30 2017-02-22 华为技术有限公司 散热结构及其合成方法
US10583677B2 (en) 2014-11-25 2020-03-10 Massachusetts Institute Of Technology Nanoporous stamp printing of nanoparticulate inks
US9673042B2 (en) * 2015-09-01 2017-06-06 Applied Materials, Inc. Methods and apparatus for in-situ cleaning of copper surfaces and deposition and removal of self-assembled monolayers
US20190152782A1 (en) * 2016-07-28 2019-05-23 Seerstone Llc Solid Carbon Nanotube Forests and Methods for Producing Solid Carbon Nanotube Forests
JP7054734B2 (ja) 2017-12-07 2022-04-14 リンテック・オヴ・アメリカ，インコーポレイテッド 基材間のナノファイバーフォレストの転写
US11396196B2 (en) * 2018-01-05 2022-07-26 Massachusetts Institute Of Technology Apparatus and methods for contact-printing using electrostatic nanoporous stamps
WO2019246095A1 (en) * 2018-06-21 2019-12-26 Applied Materials, Inc. Diffusion barrier films enabling the stability of lithium
JP7243291B2 (ja) * 2019-02-28 2023-03-22 セイコーエプソン株式会社 粒子被覆方法および粒子被覆装置
CN115676806B (zh) * 2022-08-24 2024-05-24 西安交通大学 一种双面生长高面密度垂直阵列碳纳米管及其制备方法和应用

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8080871B2 (en) * 2003-08-25 2011-12-20 Samsung Electronics Co., Ltd. Carbon nanotube-based structures and methods for removing heat from solid-state devices
FR2895572B1 (fr) * 2005-12-23 2008-02-15 Commissariat Energie Atomique Materiau a base de nanotubes de carbone et de silicium utilisable dans des electrodes negatives pour accumulateur au lithium
JP2007314391A (ja) * 2006-05-29 2007-12-06 Ulvac Japan Ltd カーボンナノチューブ成長用基板及びその基板を用いたカーボンナノチューブの作製方法
JP2008201594A (ja) * 2007-02-16 2008-09-04 Matsushita Electric Ind Co Ltd 微細繊維の構造体およびその製造方法
US8828481B2 (en) * 2007-04-23 2014-09-09 Applied Sciences, Inc. Method of depositing silicon on carbon materials and forming an anode for use in lithium ion batteries
US8420258B2 (en) * 2008-02-25 2013-04-16 Ronald Anthony Rojeski High capacity electrodes
CN102159499B (zh) * 2008-09-18 2013-07-24 日东电工株式会社 碳纳米管集合体
US8334017B2 (en) * 2009-09-18 2012-12-18 Applied Materials, Inc. Apparatus and methods for forming energy storage and photovoltaic devices in a linear system
JP2013511130A (ja) * 2009-11-11 2013-03-28 アンプリウス、インコーポレイテッド 電極製造用の中間層
JP2013133235A (ja) * 2011-12-26 2013-07-08 Aisin Seiki Co Ltd カーボンナノチューブの形成方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20140120419A1 (en) 2014-05-01
TW201418156A (zh) 2014-05-16
CN103794552A (zh) 2014-05-14
JP2014084272A (ja) 2014-05-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20140120419A1 (en) Carbon nanotube growth on copper substrates
US8334017B2 (en) Apparatus and methods for forming energy storage and photovoltaic devices in a linear system
JP5762541B2 (ja) 電池電極用の分枝状ナノ構造物
KR101686831B1 (ko) 에너지 저장을 위한 메조다공성 탄소 물질
JP2012512505A (ja) ハイブリッドナノカーボン層を有する３次元電池
Susantyoko et al. Germanium coated vertically-aligned multiwall carbon nanotubes as lithium-ion battery anodes
US20100203391A1 (en) Mesoporous carbon material for energy storage
US9305838B2 (en) BEOL interconnect with carbon nanotubes
CN101010260A (zh) 单层碳纳米管以及取向单层碳纳米管块结构体以及它们的制造方法、装置以及用途
TW201111543A (en) 3D approach on battery and supercapacitor fabrication by initiation chemical vapor deposition techniques
CN115066763A (zh) 固态电池层结构及其生产方法
CN103266306B (zh) 一种用pvd技术制备石墨烯或超薄碳膜的方法
JP6265561B2 (ja) リチウム硫黄二次電池用の正極及びその形成方法
CN100573778C (zh) 场发射阴极及其制造方法
KR20230096616A (ko) 수지상 리튬의 성장을 억제하기 위한 리튬금속전지용 집전체 및 그 제조 방법
US20180290431A1 (en) Method of manufacturing carbon nanotube composite and laminate
Sepahvand et al. Growth of carbon nano tubes on copper substrate suitable for lithium ion battery anode
CN109913851B (zh) 一种采用后退火处理的共溅射制备mwcnt@xy的方法及mwcnt@xy
JP7163645B2 (ja) カーボンナノチューブ電極及びこれを用いた蓄電デバイス並びにカーボンナノチューブ複合体の製造方法
Krause et al. Comparison of silicon nanowire growth on SiO2 and on carbon substrates
EP1251543A1 (en) Vacuum power switches
US20230361310A1 (en) Electrode structure comprising potential sheath for secondary battery and fabrication method therefor
KR20230108985A (ko) 코어-쉘 구조체 및 이의 제조 방법
US9666864B1 (en) Vertically oriented graphene-supported anode
JP2023182286A (ja) シリコンナノワイヤーの製造方法、シリコンナノワイヤー群、電池用電極

Legal Events

Date Code Title Description
WITN Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid