TWI494268B - 準直性奈米碳管之製造方法 - Google Patents

Description

準直性奈米碳管之製造方法

本發明係關於一種準直性奈米碳管之製造方法，尤指一種可於低溫下以微波電漿化學氣相沉積法，提高準直性奈米碳管成長速率之製造方法。

奈米碳管(carbon nanotube)的尺寸極小，其直徑大約1至數百奈米，長度大約奈米至微米等級，卻擁有各種優異的特性，如高導電度、高導熱度、低消耗功率與高機械強度等。因此，奈米碳管被認為是發展奈米級產品絕佳的材料，舉凡場發射顯示器元件、電極材料、導熱片、防彈元件等，都常使用奈米碳管做為其元件之材料。

傳統用來成長準直性奈米碳管，多半是使用熱裂解化學氣相沉積法之方法在金屬基板上成長準直性的奈米碳管。然而，以此方法成長之奈米碳管，即使利用觸媒輔助奈米碳管之成長，亦需在大約600℃至850℃之製程環境下成長。

現今發展出另一種微波電漿化學氣相沉積法(Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition Method)，利用碳源氣體不斷的分解以成長奈米碳管。然而，此種方法仍然具有產率不高、製程溫度過高(大約650℃)與奈米碳管之成長速率太慢(大約1.25 μm/min)等問題，並不適合提供奈米碳管應用於製作場發射顯示器之元件。

因此，目前亟需一種改良微波電漿化學氣相沉積法成長奈米碳管之製造方法，俾能降低奈米碳管之製程溫度，並且提高奈米碳管之成長速率，進而能夠降低奈米碳管之製造成本，並提高奈米碳管於各個產業之利用性。

本發明之主要目的係在提供一種準直性奈米碳管之製造方法，俾能以微波電漿化學氣相沉積法，搭配一電漿干擾元件，於金屬基板上形成高密度之準直性奈米碳管。

本發明之另一目的係在提供一種準直性奈米碳管之製造方法，俾能降低微波電漿化學氣相沉積法製備準直性奈米碳管之製程溫度，提升奈米碳管應用於製作電子元件之電性與品質。

本發明之又一目的係在提供一種準直性奈米碳管之製造方法，俾能加快以微波電漿化學氣相沉積法製備準直性奈米碳管之成長速率，降低奈米碳管之製作成本。

為達成上述目的，本發明提供一種準直性奈米碳管之製造方法，係包括下列步驟：(A)提供一基板；(B)於該基板上沉積一催化層；(C)利用一蝕刻氣體蝕刻該催化層，形成複數個催化顆粒於該基板上；(D)設置一電漿干擾元件於具有該些催化顆粒之基板上；以及(E)通入一碳源氣體，並利用微波電漿化學氣相沉積法將該碳源沉積於該些催化顆粒上，以成長準直性奈米碳管。

於步驟(A)中，基板可依不同之需求，選擇金屬基板、矽基板、玻璃基板、陶瓷基板或一半導體基板。當使用金屬基板時，較佳為鎳基板、鋁基板或銅基板，更佳為鎳基板或銅基板，最佳為鎳基板。

此外，本發明提供之製造方法可更包含一步驟(A’)，其係於該基板上沉積一保護層，其沉積方法可為任何一種常用之沉積方法。保護層之材料可為鋁、鈦或其他可用於隔絕矽擴散之金屬；且其保護層之厚度可為4至24 nm，較佳為5至20 nm，更佳為6至15 nm。於基板上再沉積一保護層，並不會對製作準直性的奈米碳管造成影響；且當使用之基板為矽基板時，保護層之存在能有效隔絕矽的擴散，有利於矽基板上製備高密度的準直性奈米碳管。保護層之厚度亦與奈米碳管之成長速率相關，當保護層調整至最佳的厚度時，此保護層可更加提高奈米碳管之成長速率。

於步驟(B)中，其係於該基板上沉積一催化層，其沉積催化層之方法亦可為任何一種常用之沉積方法。催化層之厚度係與奈米碳管之成長速率相關，催化層之厚度可為4至40 nm，較佳為10至25 nm。

於步驟(C)中，通入之蝕刻氣體可為氫氣、氮氣、氧氣、氨氣、或其組合之混合氣體。以蝕刻氣體蝕刻此催化層後，於基板上將形成複數個催化顆粒，其催化顆粒之大小可為5至35 nm，較佳為10至25 nm；且其催化顆粒可由複數個鐵矽金屬顆粒所組成。於此，可藉由矽在鐵中增進鐵的催化活性，提高碳源氣體中碳原子的擴散能力。

於步驟(D)中，所使用一電漿干擾元件之材料可為導電體、半導體、或絕緣體；其外觀可為各種形狀，如矩形、圓形、不規則之立體結構；且其電漿干擾元件與具有該些催化顆粒之基板可相距1至5 mm，較佳為相距2至3 mm。本發明額外搭配之電漿干擾元件，可以改善傳統微波電漿化學氣相沉積法不利於在金屬基板上製備奈米碳管之問題。當搭配使用一電漿干擾元件，以微波電漿化學氣相沉積法於金屬基板上製備奈米碳管時，透過此電漿干擾元件可以有效干擾微波所產生的電漿，避免微波直接打在金屬基板上，且干擾電漿的同時並不會對氣流產生干擾作用，亦能防止反應中其他雜質影響奈米碳管之成長，因而可使奈米碳管能順利地於金屬基板上製備。

於步驟(E)中，通入之碳源氣體較佳為碳數小於或等於6之碳氫化合物，較佳為甲烷、乙烷、丙烷、乙炔、苯、或其混合物。於步驟(E)中，更包含通入一輔助氣體，輔助氣體較佳為氫氣、氮氣、氧氣、氨氣、氬氣或其組合之混合氣體。碳源氣體與輔助氣體之流量比可為0.35至0.55，較佳為0.4至0.5。

據此，本發明搭配一電漿干擾元件，可有效加速使用微波電漿化學氣相沉積法製備奈米碳管之成長速率，使其成長速率提高至30至60μm/min，較佳為，30至55 μm/min，更佳為40至50 μm/min。此外，本發明更可將製備奈米碳管之成長溫度降低至450至650℃，較佳為降低至500至630℃，更佳為550至600℃，使成長於金屬基板上之奈米碳管亦可於較低之製程溫度下進行，提升奈米碳管之利用性。

因此，本發明提供一種準直性奈米碳管之製造方法，可於各種材質之基板上，順利地利用微波電漿化學氣相沉積法製備高密度的準直性奈米碳管。特別是使用金屬基板時，本發明透過此電漿干擾元件可干擾微波，除可防止微波直接打在金屬基板上外，亦可降低於金屬基板上成長奈米碳管所需之製程溫度。此外，本發明另沉積一保護層於金屬基板上，將保護層調整至最佳的厚度，可更加提高奈米碳管之成長速率。因此，本發明提供之製造方法可加速奈米碳管之成長速率，進而降低奈米碳管之製備成本，並提升奈米碳管應用於製作場發射元件或感測元件等之利用性。

本發明提供之準直性奈米碳管之製造方法，係使用微波電漿化學氣相沉積法製備高密度的準直性奈米碳管，其製造方法係如下所述。

首先，提供一金屬基板11，其金屬基板11之材質可為鎳基板，如圖1A所示。之後，以直流磁控濺鍍沉積法(dc magnetron sputter deposition)，於通有氬氣之環境下，於金屬基板11上先沉積鋁保護層12，如圖1B所示。此保護層12之厚度係取決於直流濺鍍沉積之時間長短。於此，直流濺鍍之功率為50 W，工作壓力為1×10^-2 torr，沉積時間為15至90 sec，得到基板11上鋁保護層12之厚度為4至24 nm。於此，使用之基板材質與保護層12之材料與沉積方法並不僅限於此。

接著，於通有氬氣之環境下，以直流磁控共濺鍍沉積法，在具有鋁保護層12之金屬基板11上沉積鐵矽催化層13，如圖1C所示。於此，鐵矽催化層13之厚度亦取決於直流濺鍍沉積之時間長短。於此，以直流濺鍍之功率固定為50 W，工作壓力為1×10^-2 torr，沉積時間為30至300 sec，得到鐵矽催化層13之厚度為4至40 nm。於此，沉積催化層之方法並不僅限於此。

之後，通入一蝕刻氣體蝕刻鐵矽催化層13，以形成均勻分佈的鐵矽催化顆粒131，如圖1D所示。以氫氣做為蝕刻氣體通入後，可經由高活性的氫氣離子還原鐵矽催化層13，並於鋁保護層12上形成均勻分佈的鐵矽催化顆粒131。於本發明中，當工作壓力為20 torr，蝕刻時間持續5 min後，可得到均勻分佈的鐵矽催化顆粒131，其顆粒之大小為10至25 nm。於此，蝕刻氣體及製程中之實驗參數並不限定於此。

接著，將具有該些催化顆粒131之金屬基板11置放於一外形為立方體之電漿干擾元件14內，此電漿干擾元件與金屬基板11之上表面係相隔2至3 mm，如圖1E所示。此電漿干擾元件14之材質係為導電體，可有效地干擾微波所產生的電漿進而影響奈米碳管之成長，確保奈米碳管15可於金屬基板11上順利地形成。最後，通入甲烷之碳源氣體，並且同時通入氫氣做為其輔助氣體，利用微波電漿化學氣相沉積法，製備準直性奈米碳管15，如圖1F所示。以甲烷與氫氣之流量比為0.44，微波功率為400 W，工作壓力為40 torr下，成長溫度為600℃下，將碳源氣體裂解，再於鐵矽催化顆粒131上沉積碳原子，成長準直性奈米碳管15。

《實施例1》

利用上述之實驗步驟與製程方法及條件製備準直性奈米碳管。於實施例1中，係以鎳基板做為其金屬基板11，鋁保護層12之厚度為8 nm，當鐵矽催化層13之厚度為40 nm，並將金屬基板11設置於一電漿干擾元件14內製備奈米碳管15，如圖1所示。於實施例1中，以微波電漿化學氣相沉積法製備奈米碳管15之時間為3 min，可得到奈米準直性的奈米碳管15，其製得之奈米碳管15長度為148±2.7 μm，成長速率係為49.3 μm/min。

《比較例1》

使用如同實施例1之製程方法及條件，以鎳基板做為其金屬基板，但不將金屬基板設置於一電漿干擾元件內製備奈米碳管。於此製程條件下，比較例1無法製備準直性奈米碳管。由上述實驗例1及比較例1之結果得知，在金屬基板上設置一電漿干擾元件，可有效地干擾微波所產生的電漿，進而影響奈米碳管之成長，成功地於金屬基板上製備出準直性的奈米碳管。

《試驗例1》

試驗例1係測試鋁保護層12之厚度影響奈米碳管15成長速率之關係。在此，係使用與實施例1相同之製程方法及條件，比較不同鋁保護層12厚度時，在電漿干擾元件14內製備奈米碳管15之成長速率(如圖1所示)。於本試驗例中，係以鎳基板作為金屬基板11，鐵矽催化層13之厚度係為40 nm，鋁保護層12之厚度分別為4 nm、8 nm及24 nm，且微波電漿化學氣相沉積法成長奈米碳管之時間長度為3 min。不同鋁保護層12厚度於相同奈米碳管成長時間下，其奈米碳管之成長速率結果係如圖2所示。由圖2可知，當鋁保護層之厚度為8 nm時，奈米碳管之成長速率可提高至大約50 μm/min。由此可知，最佳化的保護層厚度可大幅提高準直性奈米碳管之成長速率，降低奈米碳管所需之製造成本。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

11．．．基板

12．．．保護層

13．．．催化層

131．．．催化顆粒

14．．．電漿干擾元件

15．．．奈米碳管

圖1係本發明之準直性奈米碳管之製造方法之流程圖。

圖2係本發明試驗例1之比較鋁保護層之厚度與奈米碳管成長速率之關係圖。

11．．．基板

12．．．保護層

13．．．催化層

131．．．催化顆粒

14．．．電漿干擾元件

15．．．奈米碳管

Claims (13)

1. 一種準直性奈米碳管之製造方法，係包括下列步驟：(A)提供一基板；(B)於該基板上沉積一催化層；(C)利用一蝕刻氣體蝕刻該催化層，以形成複數個催化顆粒於該基板上；(D)設置一電漿干擾元件於具有該些催化顆粒之基板上，其中該電漿干擾元件之材料為半導體、或絕緣體；以及(E)通入一碳源氣體，並利用微波電漿化學氣相沉積法將該碳源沉積於該些催化顆粒上，以成長準直性奈米碳管。
2. 如申請專利範圍第1項所述之準直性奈米碳管之製造方法，其中，更包含一步驟(A’)於該基板上沉積一保護層。
3. 如申請專利範圍第1項所述之準直性奈米碳管之製造方法，其中，奈米碳管之成長速率係為30至100μm/min。
4. 如申請專利範圍第1項所述之準直性奈米碳管之製造方法，其中，奈米碳管之成長溫度係為550至600℃。
5. 如申請專利範圍第1項所述之準直性奈米碳管之製造方法，其中，該電漿干擾元件與具有該些催化顆粒之基板係相距2至3mm。
6. 如申請專利範圍第1項所述之準直性奈米碳管之製造方法，其中，該保護層之厚度係為4至24nm。
7. 如申請專利範圍第1項所述之準直性奈米碳管之製造方法，其中，該保護層之材料係為鋁或鈦。
8. 如申請專利範圍第1項所述之準直性奈米碳管之製造方法，其中，該催化層之厚度係為4至40nm。
9. 如申請專利範圍第1項所述之準直性奈米碳管之製造方法，其中，該催化顆粒係由複數個鐵矽金屬顆粒組成。
10. 如申請專利範圍第1項所述之準直性奈米碳管之製造方法，其中，該些催化顆粒大小係為10至25nm。
11. 如申請專利範圍第1項所述之準直性奈米碳管之製造方法，其中，該蝕刻氣體係為氫氣、氮氣、氧氣、氨氣、或其組合之混合氣體。
12. 如申請專利範圍第1項所述之準直性奈米碳管之製造方法，其中，於步驟(E)中，更包含通入一輔助體。
13. 如申請專利範圍第1項所述之準直性奈米碳管之製造方法，其中，該基板係為金屬基板、矽基板、玻璃基板、陶瓷基板或一半導體基板。