WO2013005610A1 - カーボンナノウォール配列体およびカーボンナノウォールの製造方法 - Google Patents

カーボンナノウォール配列体およびカーボンナノウォールの製造方法 Download PDF

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WO2013005610A1
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substrate
width
convex portion
carbon
convex
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PCT/JP2012/066295
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敏男 河原
一将 岡本
松本　和彦
里佐 宇都宮
晃明 松葉
松本　均
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学校法人中部大学
国立大学法人北海道大学
国立大学法人大阪大学
日新電機株式会社
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    • 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
    • C01B32/18—Nanoonions; Nanoscrolls; Nanohorns; Nanocones; Nanowalls
    • 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
    • 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
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/24—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.]
    • Y10T428/24479—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.] including variation in thickness
    • Y10T428/24612—Composite web or sheet

Definitions

  • the present invention relates to a carbon nanowall array and a method for producing carbon nanowalls.
  • Patent Document 1 a method for producing a carbon nanowall is known (Patent Document 1).
  • carbon nanowalls are manufactured using a plasma apparatus.
  • the plasma apparatus includes a parallel plate capacitively coupled plasma generation mechanism and radical generation means.
  • the parallel plate capacitively coupled plasma generation mechanism applies RF power of about 5 W to 2 kW having a frequency of 13.56 MHz to the first and second electrodes arranged in parallel in the reaction chamber, and generates RF waves and the like in the reaction chamber. Is generated.
  • the radical generating means generates radicals such as hydrogen atoms by inductively coupled plasma in a radical generating chamber connected to the reaction chamber through a radical inlet.
  • the generated radical is introduced into the reaction chamber through the radical inlet.
  • the substrate is made of silicon and disposed on the second electrode.
  • the parallel plate capacitively coupled plasma generation mechanism applies RF power to the first and second electrodes. As a result, plasma is generated in the reaction chamber.
  • the radical generating means generates radicals in the radical generating chamber by inductively coupled plasma. Then, the generated radical is introduced into the reaction chamber through the radical inlet.
  • the aligned carbon nanowall is obtained by arrange
  • the present invention has been made to solve such problems, and an object thereof is to provide a carbon nanowall array capable of orienting carbon nanowalls along a desired pattern. .
  • Another object of the present invention is to provide a carbon nanowall manufacturing method capable of orienting carbon nanowalls along a desired pattern.
  • the carbon nanowall array includes a substrate and a plurality of carbon nanowalls.
  • the substrate has a concavo-convex shape formed on one main surface in a stripe or grid pattern.
  • the plurality of carbon nanowalls are formed on the convex portion along the length direction of the convex portion having the concavo-convex shape.
  • substrate is narrower than the width
  • the method for producing carbon nanowalls is a method for producing carbon nanowalls using plasma, wherein the concavo-convex shape is striped or grid-like on one main surface.
  • a fourth step of applying high-frequency power to the electrode wherein the width of the concavo-convex convex portion in the in-plane direction of the substrate is narrower than the width of the concavo-convex concave portion in the in-plane direction of the substrate, and The width of the convex portion is 0.5 ⁇ m or less.
  • a concavo-convex shape is formed on one main surface of the substrate, and the concavo-convex shape is such that the width of the convex portion in the in-plane direction of the substrate is in the in-plane direction of the substrate. And the width of the convex portion is 0.5 ⁇ m or less.
  • the plurality of carbon nanowalls are formed on the convex portions along the length direction of the convex portions having the concavo-convex shape.
  • the carbon nanowall can be oriented along a desired pattern.
  • a plurality of carbon nanowalls are produced on a substrate having an uneven shape formed by using plasma.
  • substrate is from the shape where the width
  • the carbon nanowall can be oriented along a desired pattern.
  • FIG. 1 is a perspective view of a carbon nanowall array according to an embodiment of the present invention. It is sectional drawing which shows the structure of the plasma apparatus which manufactures the carbon nanowall array shown in FIG.
  • FIG. 3 is a plan view of a planar conductor, a feeding electrode, and a termination electrode viewed from the matching circuit side shown in FIG. 2. It is sectional drawing of a planar conductor of a Y direction, and a figure which shows a plasma density. It is process drawing which shows the manufacturing method of the carbon nanowall array shown in FIG. Pattern No.
  • FIG. 6 is a view showing SEM photographs of carbon nanowalls of 3 to 6.
  • FIG. 7 is a view showing an SEM photograph of carbon nanowalls of 7 to 10. Pattern No.
  • FIG. 1 is a perspective view of a carbon nanowall array according to an embodiment of the present invention.
  • a carbon nanowall array 10 according to an embodiment of the present invention includes a substrate 1 and a plurality of carbon nanowalls 2-9.
  • the substrate 1 is made of, for example, silicon or glass.
  • the substrate 1 includes a convex portion 11 and a concave portion 12.
  • the convex portion 11 and the concave portion 12 are formed on one surface of the substrate 1 along the direction DR1.
  • the length of the convex portion 11 and the concave portion 12 in the direction DR1 may be the same as the length of the substrate 1 or may be shorter than the length of the substrate 1.
  • the convex portions 11 and the concave portions 12 are alternately formed in the direction DR2 perpendicular to the direction DR1.
  • the convex portion 11 has a length of 0.1 to 0.5 ⁇ m in the direction DR2.
  • Recess 12 has a length of 0.6 to 1.5 ⁇ m in direction DR2.
  • the convex portion 11 has a width of 0.1 to 0.5 ⁇ m
  • the concave portion 12 has a width of 0.6 to 1.5 ⁇ m.
  • the substrate 1 has an uneven shape arranged in a stripe shape on one surface.
  • Each of the carbon nanowalls 2 to 9 has a thickness of 10 to 15 nm and a height of 60 to 2500 nm.
  • the plurality of carbon nanowalls 2 to 9 are arranged along the length direction of the convex portion 11 of the substrate 1. That is, the plurality of carbon nanowalls 2 to 9 are oriented along a desired pattern.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of a plasma apparatus for producing the carbon nanowall array 10 shown in FIG.
  • the plasma apparatus 100 includes a vacuum vessel 20, a top plate 22, an exhaust port 24, a gas introduction unit 26, a holder 32, a heater 34, a shaft 36, a bearing unit 38, A mask 42, a partition plate 44, a planar conductor 50, a feeding electrode 52, a termination electrode 54, an insulating flange 56, packings 57 and 58, a shield box 60, a high frequency power supply 62, a matching circuit 64, Connection conductors 68 and 69 are provided.
  • the vacuum vessel 20 is made of metal, and is connected to the vacuum exhaust device via the exhaust port 24.
  • the vacuum vessel 20 is electrically connected to the ground node.
  • the top plate 22 is disposed in contact with the vacuum vessel 20 so as to close the upper side of the vacuum vessel 20.
  • a vacuum seal packing 57 is disposed between the vacuum vessel 20 and the top plate 22.
  • the gas introduction unit 26 is disposed above the partition plate 44 in the vacuum vessel 20.
  • the shaft 36 is fixed to the bottom surface of the vacuum vessel 20 via a bearing portion 38.
  • the holder 32 is fixed to one end of the shaft 36.
  • the heater 34 is disposed in the holder 32.
  • the mask 42 is disposed on the holder 32 at the peripheral edge of the holder 32.
  • the partition plate 44 is fixed to the side wall of the vacuum vessel 20 so as to close the space between the vacuum vessel 20 and the holder 32 above the holder 32.
  • the feeding electrode 52 and the termination electrode 54 are fixed to the top plate 22 via an insulating flange 56.
  • a vacuum seal packing 58 is disposed between the top plate 22 and the insulating flange 56.
  • the planar conductor 50 is disposed so that both end portions in the X direction are in contact with the feeding electrode 52 and the termination electrode 54, respectively.
  • the feeding electrode 52 and the termination electrode 54 have substantially the same length as the planar conductor 50 in the Y direction (direction perpendicular to the paper surface of FIG. 2) as will be described later.
  • the feeding electrode 52 is connected to the output bar 66 of the matching circuit 64 by the connection conductor 68.
  • the termination electrode 54 is connected to the shield box 60 via the connection conductor 69.
  • the planar conductor 50, the feeding electrode 52, and the termination electrode 54 are made of, for example, copper and aluminum.
  • the shield box 60 is disposed on the upper side of the vacuum container 20 and contacts the top plate 22.
  • the high frequency power supply 62 is connected between the matching circuit 64 and the ground node.
  • the matching circuit 64 is disposed on the shield box 60.
  • connection conductors 68 and 69 have a plate shape having substantially the same length as that of the feeding electrode 52 and the termination electrode 54 in the Y direction.
  • the gas introduction unit 26 supplies a gas 28 such as methane (CH 4 ) gas and hydrogen (H 2 ) gas supplied from a gas cylinder (not shown) into the vacuum container 20.
  • a gas 28 such as methane (CH 4 ) gas and hydrogen (H 2 ) gas supplied from a gas cylinder (not shown) into the vacuum container 20.
  • the holder 32 supports the substrate 1.
  • the heater 34 heats the substrate 1 to a desired temperature.
  • the shaft 36 supports the holder 32.
  • the mask 42 covers the peripheral edge of the substrate 1. This can prevent the product from being formed on the peripheral edge of the substrate 1.
  • the partition plate 44 prevents the plasma 70 from reaching the holding mechanism of the substrate 1.
  • the feeding electrode 52 allows the high-frequency current supplied from the connection conductor 68 to flow through the planar conductor 50.
  • the termination electrode 54 connects the end of the planar conductor 50 to the ground node directly or via a capacitor, and forms a closed loop of a high-frequency current from the high-frequency power source 62 to the planar conductor 50.
  • the high frequency power supply 62 supplies high frequency power of 13.56 MHz to the matching circuit 64, for example.
  • the matching circuit 64 supplies the high frequency power supplied from the high frequency power supply 62 to the connection conductor 68 while suppressing reflection.
  • planar conductor 50 has, for example, a rectangular planar shape and has sides 50 a and 50 b.
  • the side 50a is longer than the side 50b.
  • the side 50a is disposed along the X direction, and the side 50b is disposed along the Y direction.
  • the feeding electrode 52 and the termination electrode 54 are disposed at both ends of the planar conductor 50 in the X direction along the side 50b of the planar conductor 50, respectively.
  • the lengths of the feed electrode 52 and the termination electrode 54 in the Y direction are close to the length of the side 50b parallel to the Y direction of the planar conductor 50 in order to flow the high-frequency current 14 as uniformly as possible in the Y direction (for example, It is preferable that the length is substantially the same as the length of the side 50b), but it may be slightly shorter or longer than the length of the side 50b.
  • the lengths of the feeding electrode 52 and the termination electrode 54 in the Y direction may be set to 85% or more of the length of the side 50b.
  • the power supply electrode 52 and the termination electrode 54 are formed of block-like electrodes, the high-frequency current 14 can flow through the planar conductor 50 almost uniformly in the Y direction.
  • the high-frequency current When a high-frequency current is supplied to the planar conductor 50 using a dotted electrode, the high-frequency current does not flow uniformly through the planar conductor 50. In general, even when high-frequency power is supplied to a planar conductor and no plasma is present in the vicinity of the planar conductor, the high-frequency current is concentrated at the four corners of the cross section perpendicular to the conducting direction of the planar conductor due to the skin effect, etc. Flowing. This is because the high-frequency impedance distribution is small at the four corners of the planar conductor and large at other portions.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the planar conductor 50 in the Y direction and a diagram showing the plasma density.
  • plasma 70 is generated in the vicinity of the planar conductor 50. That is, as shown in FIG. 4, when a high-frequency current 14 is passed through the planar conductor 50, a high-frequency magnetic field 16 is generated around the planar conductor 50, thereby generating an induced electric field 18 in a direction opposite to the high-frequency current 14. Electrons are accelerated by the induced electric field 18 to ionize the gas 28 (see FIG. 2) in the vicinity of the planar conductor 50, and a plasma 70 is generated in the vicinity of the planar conductor 50. An induced current 19 is induced in the plasma. It flows in the same direction as the electric field 18 (that is, the direction opposite to the high-frequency current 14).
  • the high-frequency current 14 flowing through the planar conductor 50 is orthogonal to the energizing direction. It becomes uniform in the Y direction. The reason is as follows.
  • the distribution of the high-frequency current 14 flowing in the planar conductor 50 becomes uniform in the Y direction.
  • This combined with the above-described block-shaped feeding electrode 52 and termination electrode 54, causes the high-frequency current 14 to flow almost uniformly in the Y direction in the planar conductor 50. It becomes like this.
  • the induced electric field 18 and the induced current 19 that are substantially uniformly distributed not only in the X direction, which is the energization direction, but also in the Y direction orthogonal to the X direction, in the vicinity of the surface on the plasma 70 generation side of the planar conductor 50.
  • the induced electric field 18 can generate plasma with good uniformity over a wide area along the plane of the planar conductor 50.
  • the plasma density distribution D1 is substantially uniform as shown in FIG.
  • the plasma apparatus 100 generates inductively coupled plasma by causing the high-frequency current 14 to flow uniformly through the planar conductor 50.
  • FIG. 5 is a process diagram showing a method of manufacturing the carbon nanowall array 10 shown in FIG.
  • a silicon wafer having a size of 1 cm square is patterned by electron beam lithography, and one of the silicon wafers is formed by reactive ion etching. The surface is etched to form the convex portion 11 and the concave portion 12 on one surface of the silicon wafer. And the silicon wafer in which the convex part 11 and the recessed part 12 were formed is arrange
  • step S2 the temperature of the substrate 1 is raised to 400 to 600 ° C. using the heater 34 (step S2).
  • gas inlet 26 supplies 50 sccm CH 4 gas and 50 sccm of H 2 gas or a 100 sccm CH 4 gas, into the vacuum vessel 20. That is, a material gas containing carbon atoms is introduced into the vacuum container 20 (step S3). And the pressure in the vacuum vessel 20 is adjusted to 1.33 Pa.
  • the high frequency power supply 62 applies 1 kW high frequency power having a frequency of 13.56 MHz to the planar conductor 50 through the matching circuit 64 and the connection conductor 68 (step S4).
  • plasma 70 is generated in the vacuum vessel 20 and the carbon nanowalls 2 to 9 are formed on the convex portion 11 of the substrate 1 in a self-organized manner.
  • the formation time of the carbon nanowalls 2 to 9 is 10 to 30 minutes.
  • the carbon nanowall array 10 is manufactured using inductively coupled plasma.
  • Table 1 shows the experimental results when the width of the convex portion 11, the width of the concave portion 12, the substrate temperature, and the reaction time are changed.
  • the total flow rate, reaction pressure and high frequency power of CH 4 gas and H 2 gas are constant
  • the flow rate of CH 4 gas is 50 sccm
  • the flow rate of H 2 gas is 50 sccm
  • the reaction pressure is 1.33 Pa
  • the high frequency power is 1 kW.
  • the pattern No. 9,10, only 100 sccm CH 4 gas was used as the material gas.
  • the substrate temperature was changed in the range of 400 to 600 ° C., and the reaction time was changed in the range of 10 to 30 minutes.
  • pattern no. In the case of 5 to 10, the carbon nanowalls were oriented on the substrate 1.
  • FIG. 6 shows the pattern No.
  • FIG. 6 is a view showing SEM photographs of carbon nanowalls of 3 to 6.
  • FIG. FIG. 7 is a view showing an SEM photograph of carbon nanowalls of 7 to 10.
  • FIG. It is a figure which shows the SEM photograph of the carbon nanowall of 11.
  • the upper row shows SEM photographs with a magnification of 10,000 times
  • the lower row shows SEM photographs with a magnification of 5000 times.
  • the SEM photographs shown in FIGS. 6 to 8 are SEM photographs of the carbon nanowalls when viewed from the direction perpendicular to the substrate 1.
  • the width of convex portion 11 of substrate 1 is 1.2 ⁇ m
  • the width of concave portion 12 is 0.7 to 0.8 ⁇ m
  • the substrate temperature is 600 ° C.
  • the reaction time is 30 minutes.
  • the width of the convex portion 11 of the substrate 1 is 4.7 to 4.8 ⁇ m
  • the width of the concave portion 12 is 4.8 to 4.9 ⁇ m
  • the substrate temperature is 600 ° C.
  • the reaction time is 30 minutes.
  • the width of the convex portion 11 of the substrate 1 is 0.3 to 0.4 ⁇ m
  • the width of the concave portion 12 is 0.6 ⁇ m
  • the substrate temperature is 600 ° C.
  • the reaction time is 30 minutes
  • the white portion having a certain width represents the convex portion 11 of the substrate 1, and the carbon nanowall is not formed in the concave portion 12 of the substrate 1, but along the convex portion 11. It can be seen that it is formed.
  • the width of the convex portion 11 of the substrate 1 is 0.1 ⁇ m
  • the width of the concave portion 12 is 0.9 ⁇ m
  • the substrate temperature is 600 ° C.
  • the reaction time is 30 minutes
  • the width of the convex portion 11 of the substrate 1 is 0.4 to 0.5 ⁇ m
  • the width of the concave portion 12 is 1.5 ⁇ m
  • the substrate temperature is 600 ° C.
  • the reaction time is 30 minutes.
  • the width of the convex portion 11 of the substrate 1 is 0.4 to 0.5 ⁇ m
  • the width of the concave portion 12 is 1.5 ⁇ m
  • the substrate temperature is 500 ° C.
  • the reaction time is 30 minutes
  • the width of the convex portion 11 of the substrate 1 is 0.4 to 0.5 ⁇ m
  • the width of the concave portion 12 is 1.5 ⁇ m
  • the substrate temperature is 400 ° C.
  • the reaction time is 30 minutes
  • the width of the convex portion 11 of the substrate 1 is 0.4 to 0.5 ⁇ m
  • the width of the concave portion 12 is 1.5 ⁇ m
  • the substrate temperature is 500 ° C.
  • the reaction time is 10 minutes
  • the width of the convex portion 11 of the substrate 1 is 4.3 to 4.4 ⁇ m
  • the width of the concave portion 12 is 5.1 to 5.2 ⁇ m
  • the substrate temperature is 600 ° C.
  • the reaction When the time is 30 minutes, the carbon nanowalls are randomly formed on the substrate 1.
  • the carbon nanowalls are formed to be aligned along the concavo-convex shape of the substrate 1.
  • the orientation of the carbon nanowalls improves as the value increases from 5 to 10.
  • Pattern No. 7-9 carbon nanowalls were formed using substrate temperatures of 600 ° C., 500 ° C. and 400 ° C., respectively. Therefore, in the range of the substrate temperature of 400 to 600 ° C., the lower the substrate temperature, the better the orientation of the carbon nanowall. Even at a substrate temperature of 400 ° C., oriented carbon nanowalls can be obtained.
  • the substrate temperature of 400 ° C. is a temperature at which a low melting point substrate and a low melting point insulator can be used. Therefore, it is possible to increase the degree of freedom of material selection when manufacturing a device using a carbon wall.
  • Pattern No. 5 to 10 carbon nanowalls are oriented, so that the width of the convex portion 11 of the substrate 1 is preferably 0.1 to 0.5 ⁇ m, and the width of the concave portion 12 is preferably 0.6 to 1.5 ⁇ m. It is.
  • the carbon nanowall is considered to selectively grow on the convex part 11.
  • the width of the convex portion 11 may be 0.5 ⁇ m or less.
  • the uneven shape of the substrate 1 when the carbon nanowall is oriented is formed such that the width of the convex portion 11 is narrower than the width of the concave portion 12 and the width of the convex portion 11 is 0.5 ⁇ m or less. That's fine.
  • the width of the convex portion 11 is 0.5 ⁇ m or less, but is wider than the width of the concave portion 12, so that the carbon nanowalls are randomly formed on the substrate 1.
  • pattern no. In the case of 2, the width of the convex portion 11 is included in a case where the width is 0.5 ⁇ m or less, but is wider than the width of the concave portion 12, so that the carbon nanowalls are randomly formed on the substrate 1.
  • FIG. 10 is a conceptual diagram of the aperture ratio and the protrusion ratio on the surface of the substrate 1.
  • the aperture ratio on the surface of the substrate 1 is defined as (width of the concave portion 12) / (width of the convex portion 11 + width of the concave portion 12 + width of the convex portion 11).
  • the protrusion ratio on the surface of the substrate 1 is defined as (width of the convex portion 11) / (width of the concave portion 12 + width of the convex portion 11 + width of the concave portion 12).
  • the aperture ratio is represented by W2 / (W1 + W2 + W1)
  • the protrusion ratio is represented by W1 / (W2 + W1 + W2).
  • Pattern No. in which carbon nanowall is oriented 5 to 10
  • the aperture ratio is in the range of 0.43 to 0.82
  • the protrusion ratio is in the range of 0.05 to 0.25.
  • the carbon nanowall is oriented when the aperture ratio is 0.43 or more, or when the protrusion ratio is 0.25 or less.
  • the aperture ratio is preferably Is set to 0.43 or more in the range of less than 1, and the protrusion rate is preferably set to 0.25 or less.
  • the aperture ratio is more preferably set in the range of 0.60 to 0.65, and the protrusion ratio is more preferably 0.12. It is set in the range of ⁇ 0.14.
  • the substrate 1 has been described as having a striped uneven shape.
  • the present invention is not limited to this, and the substrate 1 has a grid-like uneven shape. May be. Therefore, in step S1 of the process diagram shown in FIG. 5, the substrate 1 having a stripe-like or grid-like uneven shape is placed in the vacuum vessel 20.
  • the inductively coupled plasma is generated by using the planar conductor 50 as an electrode.
  • the present invention is not limited to this. It may be generated by using a conductor having a shape, and generally may be generated by flowing a high-frequency current through an electrode (conductor). Therefore, high frequency power is applied to the electrodes in step S4 of the process diagram shown in FIG.
  • the carbon nanowall array 10 has been described as being manufactured using inductively coupled plasma.
  • the carbon nanowall array 10 is not limited thereto. May be manufactured using capacitively coupled plasma, ECR (Electron Cyclotron Resonance) plasma, or the like, and generally may be manufactured using plasma using the substrate 1 described above.
  • ECR Electro Cyclotron Resonance
  • FIG. 11 is a perspective view of a mold using carbon nanowalls.
  • the mold 200 includes a substrate 201 and carbon nanowalls 231 and 232.
  • the substrate 201 has a grid-like uneven shape on its surface.
  • the uneven shape on the substrate 201 is similar to the uneven shape on the substrate 1 described above.
  • the carbon nanowall 231 is formed on the substrate 201 along the direction DR4, and the carbon nanowall 232 is formed on the substrate 201 along the direction DR5.
  • the mold 200 is used to mold the resin into a predetermined pattern.
  • carbon nanowalls are used for TFTs (Thin Film Transistors), heat dissipation elements, vacuum switches, and the like. And carbon nanowall is used for the channel layer of TFT, when used for TFT.
  • the present invention is applied to a carbon nanowall array and a method for producing carbon nanowalls.

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Abstract

カーボンナノウォール配列体（１０）は、基板（１）と、カーボンナノウォール（２～９）とを備える。基板（１）は、シリコンからなる。そして、基板（１）は、凸部（１１）と凹部（１２）とを含む。凸部（１１）および凹部（１２）は、方向ＤＲ１に沿って基板１の一方の表面に形成される。凸部（１１）および凹部（１２）は、方向ＤＲ１に垂直な方向ＤＲ２において、交互に形成される。凸部（１１）は、方向ＤＲ２において、０．１～０．５μｍの長さを有し、凹部（１２）は、方向ＤＲ２において、０．６～１．５μｍの長さを有する。また、凸部（１１）の高さは、０．３～０．６μｍである。カーボンナノウォール（２～９）の各々は、基板（１）の凸部（１１）の長さ方向（＝方向ＤＲ１）に沿って凸部（１１）上に形成される。

Description

カーボンナノウォール配列体およびカーボンナノウォールの製造方法
　この発明は、カーボンナノウォール配列体およびカーボンナノウォールの製造方法に関するものである。
　従来、カーボンナノウォールの製造方法が知られている（特許文献１）。この製造方法は、プラズマ装置を用いてカーボンナノウォールを製造する。
　プラズマ装置は、平行平板型容量結合プラズマ発生機構と、ラジカル発生手段とを備える。平行平板型容量結合プラズマ発生機構は、反応室内に平行に配置された第一および第二電極に、１３．５６ＭＨｚの周波数を有する５Ｗ～２ｋＷ程度のＲＦ電力を印加し、反応室内にＲＦ波等を発生する。
　ラジカル発生手段は、ラジカル導入口を介して反応室に連結されたラジカル発生室内で誘導結合プラズマによって水素原子等のラジカルを発生する。発生されたラジカルは、ラジカル導入口を介して反応室内に導入される。
　基板は、シリコンからなり、第二電極上に配置される。メタンガスが反応室に導入され、反応室内の圧力が１０～１０００ｍＴｏｒｒに達すると、平行平板型容量結合プラズマ発生機構は、ＲＦ電力を第一および第二電極に印加する。これによって、反応室内でプラズマが発生する。
　また、ラジカル発生手段は、誘導結合プラズマによってラジカル発生室でラジカルを発生する。そして、発生されたラジカルは、ラジカル導入口を介して反応室内に導入される。
　これによって、カーボンナノウォールが基板上に形成される。
　そして、特許文献１においては、基板面がラジカル発生室から供給されるラジカルの流れの方向に垂直になるように基板を第二電極上に配置することによって、配向したカーボンナノウォールが得られる。
特開２００６－６９８１６号公報
　しかし、従来のカーボンナノウォールの製造方法を用いてカーボンナノウォールを製造した場合、所望のパターンに沿ってカーボンナノウォールを配向させることができないという問題がある。
　そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、所望のパターンに沿ってカーボンナノウォールを配向させることが可能なカーボンナノウォール配列体を提供することである。
　また、この発明の別の目的は、所望のパターンに沿ってカーボンナノウォールを配向させることが可能なカーボンナノウォールの製造方法を提供することである。
　この発明の実施の形態によれば、カーボンナノウォール配列体は、基板と、複数のカーボンナノウォールとを備える。基板は、一主面に凹凸形状がストライプ状または碁盤目状に形成されている。複数のカーボンナノウォールは、凹凸形状の凸部の長さ方向に沿って凸部上に形成される。そして、基板の面内方向における凸部の幅が基板の面内方向における凹凸形状の凹部の幅よりも狭く、かつ、凸部の幅が０．５μｍ以下である。
　また、この発明の実施の形態によれば、カーボンナノウォールの製造方法は、プラズマを用いてカーボンナノウォールを製造する製造方法であって、一主面に凹凸形状がストライプ状または碁盤目状に形成された基板を真空容器内に配置する第１の工程と、基板の温度を所望の温度に昇温する第２の工程と、真空容器内に炭素原子を含む材料ガスを導入する第３の工程と、電極に高周波電力を印加する第４の工程とを備え、基板の面内方向における凹凸形状の凸部の幅が基板の面内方向における凹凸形状の凹部の幅よりも狭く、かつ、凸部の幅が０．５μｍ以下である。
　この発明の実施の形態によるカーボンナノウォール配列体においては、基板の一主面に凹凸形状が形成されており、その凹凸形状は、基板の面内方向における凸部の幅が基板の面内方向における凹凸形状の凹部の幅よりも狭く、かつ、凸部の幅が０．５μｍ以下である形状からなる。その結果、複数のカーボンナノウォールは、凹凸形状の凸部の長さ方向に沿って凸部上に形成される。
　従って、カーボンナノウォールを所望のパターンに沿って配向させることができる。
　また、この発明の実施の形態によるカーボンナノウォールの製造方法は、プラズマを用いて凹凸形状が形成された基板上に複数のカーボンナノウォールを製造する。そして、基板の凹凸形状は、基板の面内方向における凸部の幅が基板の面内方向における凹凸形状の凹部の幅よりも狭く、かつ、凸部の幅が０．５μｍ以下である形状からなる。その結果、プラズマを用いてカーボンナノウォールを基板上に形成する場合、複数のカーボンナノウォールが基板の凸部の長さ方向に沿って成長する。
　従って、カーボンナノウォールを所望のパターンに沿って配向させることができる。
この発明の実施の形態によるカーボンナノウォール配列体の斜視図である。 図１に示すカーボンナノウォール配列体を製造するプラズマ装置の構成を示す断面図である。 図２に示す整合回路側から見た平面導体、給電電極および終端電極の平面図である。 Ｙ方向の平面導体の断面図およびプラズマ密度を示す図である。 図１に示すカーボンナノウォール配列体の製造方法を示す工程図である。 パターンＮｏ．＝３～６のカーボンナノウォールのＳＥＭ写真を示す図である。 パターンＮｏ．＝７～１０のカーボンナノウォールのＳＥＭ写真を示す図である。 パターンＮｏ．＝１１のカーボンナノウォールのＳＥＭ写真を示す図である。 図７に示すパターンＮｏ．＝８，９の拡大したＳＥＭ写真を示す図である。 基板の表面における開口率および突出率の概念図である。 カーボンナノウォールを用いた金型の斜視図である。
　本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
　図１は、この発明の実施の形態によるカーボンナノウォール配列体の斜視図である。図１を参照して、この発明の実施の形態によるカーボンナノウォール配列体１０は、基板１と、複数のカーボンナノウォール２～９とを備える。
　基板１は、例えば、シリコンまたはガラスからなる。そして、基板１は、凸部１１と凹部１２とを含む。凸部１１および凹部１２は、方向ＤＲ１に沿って基板１の一方の表面に形成される。方向ＤＲ１における凸部１１および凹部１２の長さは、基板１の長さと同じであっても、基板１の長さよりも短くてもよい。凸部１１および凹部１２は、方向ＤＲ１に垂直な方向ＤＲ２において、交互に形成される。凸部１１は、方向ＤＲ２において、０．１～０．５μｍの長さを有する。凹部１２は、方向ＤＲ２において、０．６～１．５μｍの長さを有する。即ち、凸部１１は、０．１～０．５μｍの幅を有し、凹部１２は、０．６～１．５μｍの幅を有する。また、凸部１１の高さ（＝凹部１２の深さ）は、０．３～０．６μｍである。
　このように、基板１は、ストライプ状に配置された凹凸形状を一方の表面に有する。
　カーボンナノウォール２～９の各々は、基板１の凸部１１の長さ方向（＝方向ＤＲ１）に沿って凸部１１上に形成される。
　そして、カーボンナノウォール２～９の各々は、１０～１５ｎｍの厚み、および６０～２５００ｎｍの高さを有する。
　このように、複数のカーボンナノウォール２～９は、基板１の凸部１１の長さ方向に沿って配列される。つまり、複数のカーボンナノウォール２～９は、所望のパターンに沿って配向している。
　図２は、図１に示すカーボンナノウォール配列体１０を製造するプラズマ装置の構成を示す断面図である。図２を参照して、プラズマ装置１００は、真空容器２０と、天板２２と、排気口２４と、ガス導入部２６と、ホルダ３２と、ヒータ３４と、軸３６と、軸受部３８と、マスク４２と、仕切り板４４と、平面導体５０と、給電電極５２と、終端電極５４と、絶縁フランジ５６と、パッキン５７，５８と、シールドボックス６０と、高周波電源６２と、整合回路６４と、接続導体６８，６９とを備える。
　真空容器２０は、金属製であり、排気口２４を介して真空排気装置に接続される。また、真空容器２０は、電気的に接地ノードに接続される。天板２２は、真空容器２０の上側を塞ぐように真空容器２０に接して配置される。この場合、真空容器２０と天板２２との間には、真空シール用のパッキン５７が配置される。
　ガス導入部２６は、真空容器２０内において仕切り板４４よりも上側に配置される。軸３６は、軸受部３８を介して真空容器２０の底面に固定される。ホルダ３２は、軸３６の一方端に固定される。ヒータ３４は、ホルダ３２内に配置される。マスク４２は、ホルダ３２の周縁部においてホルダ３２上に配置される。仕切り板４４は、ホルダ３２よりも上側において真空容器２０とホルダ３２との間を塞ぐように真空容器２０の側壁に固定される。
　給電電極５２および終端電極５４は、絶縁フランジ５６を介して天板２２に固定される。この場合、天板２２と絶縁フランジ５６との間には、真空シール用のパッキン５８が配置される。
　平面導体５０は、Ｘ方向における両端部がそれぞれ給電電極５２および終端電極５４に接するように配置される。
　給電電極５２および終端電極５４は、後述するようにＹ方向（図２の紙面に垂直な方向）において平面導体５０とほぼ同じ長さを有する。そして、給電電極５２は、接続導体６８によって整合回路６４の出力バー６６に接続される。終端電極５４は、接続導体６９を介してシールドボックス６０に接続される。平面導体５０、給電電極５２および終端電極５４は、例えば、銅およびアルミニウム等からなる。
　シールドボックス６０は、真空容器２０の上側に配置され、天板２２に接する。高周波電源６２は、整合回路６４と接地ノードとの間に接続される。整合回路６４は、シールドボックス６０上に配置される。
　接続導体６８，６９は、Ｙ方向において給電電極５２および終端電極５４とほぼ同じ長さを有する板形状からなる。
　ガス導入部２６は、ガスボンベ（図示せず）から供給されたメタン（ＣＨ４）ガスおよび水素（Ｈ２）ガス等のガス２８を真空容器２０内に供給する。ホルダ３２は、基板１を支持する。ヒータ３４は、基板１を所望の温度に加熱する。軸３６は、ホルダ３２を支持する。マスク４２は、基板１の周縁部を覆う。これによって、生成物が基板１の周縁部に形成されるのを防止できる。仕切り板４４は、プラズマ７０が基板１の保持機構に達するのを防止する。
　給電電極５２は、接続導体６８から供給された高周波電流を平面導体５０に流す。終端電極５４は、平面導体５０の端部を直接またはキャパシタを介して接地ノードに接続し、高周波電源６２から平面導体５０にかけて高周波電流の閉ループを作る。
　高周波電源６２は、例えば、１３．５６ＭＨｚの高周波電力を整合回路６４へ供給する。整合回路６４は、高周波電源６２から供給された高周波電力を反射を抑制して接続導体６８に供給する。
　図３は、図２に示す整合回路６４側から見た平面導体５０、給電電極５２および終端電極５４の平面図である。図３を参照して、平面導体５０は、例えば、長方形の平面形状からなり、辺５０ａ，５０ｂを有する。辺５０ａは、辺５０ｂよりも長い。そして、辺５０ａは、Ｘ方向に沿って配置され、辺５０ｂは、Ｙ方向に沿って配置される。
　給電電極５２および終端電極５４は、それぞれ、平面導体５０の辺５０ｂに沿って平面導体５０のＸ方向の両端部に配置される。給電電極５２および終端電極５４のＹ方向の長さは、高周波電流１４をＹ方向においてできる限り一様に流すために、平面導体５０のＹ方向に平行な辺５０ｂの長さに近づける（例えば、辺５０ｂの長さと実質的に同じにする）のが好ましいが、辺５０ｂの長さよりも幾分短くてもよいし、長くてもよい。数値で表せば、給電電極５２および終端電極５４のＹ方向の長さは、辺５０ｂの長さの８５％以上の長さに設定すればよい。
　このように、給電電極５２および終端電極５４は、ブロック状の電極からなるので、Ｙ方向において平面導体５０にほぼ一様に高周波電流１４を流すことができる。
　平面導体５０に点状の電極を用いて高周波電流を供給した場合、高周波電流は、平面導体５０を一様に流れない。一般的に、平面導体に高周波電力を供給しても、平面導体の近傍にプラズマが存在しない状態では、表皮効果等によって、高周波電流は、平面導体の通電方向に直交する断面の四隅に集中して流れる。これは、高周波のインピーダンスの分布が平面導体の四隅で小さく、その他の部分で大きくなるからである。
　図４は、Ｙ方向の平面導体５０の断面図およびプラズマ密度を示す図である。プラズマ装置１００においては、平面導体５０の近傍にプラズマ７０が発生する。即ち、図４に示すように、高周波電流１４を平面導体５０に流すと、高周波磁界１６が平面導体５０の周囲に発生し、それによって高周波電流１４と逆方向に誘導電界１８が発生する。そして、この誘導電界１８によって電子が加速されて平面導体５０の近傍のガス２８（図２参照）を電離させ、プラズマ７０が平面導体５０の近傍に発生し、そのプラズマ中を誘導電流１９が誘導電界１８と同じ方向（即ち、高周波電流１４と逆方向）に流れる。
　このように、プラズマ７０が平面導体５０の近傍に発生し、そのプラズマ７０中を誘導電流１９が高周波電流１４と逆方向に流れると、平面導体５０を流れる高周波電流１４は、通電方向と直交するＹ方向において一様化するようになる。その理由は、次のとおりである。
　配電の技術分野においては、ブスバーのような平面導体に流れる電流に近接した別の導体に逆方向に電流が流れる場合、導体のインピーダンスの分布が相互に変化し、低インピーダンス化およびインピーダンスの一様化が生じることが知られている。これは、電流が互いに逆方向に流れることによって、磁束の鎖交数が減少することが関係していると考えられる。プラズマ装置１００においては、このような現象を平面導体とプラズマとの関係に応用したものである。
　従って、図４に示すように、平面導体５０の近傍にプラズマ、特に高密度のプラズマ７０が発生すると、平面導体５０内を流れる高周波電流１４の分布は、Ｙ方向において一様化する。このことと、上述したブロック状の給電電極５２および終端電極５４を有していることとが相俟って、高周波電流１４は、平面導体５０内をＹ方向においてほぼ一様に分布して流れるようになる。それによって、平面導体５０のプラズマ７０生成側の面の近傍に、通電方向であるＸ方向のみならず、Ｘ方向と直交するＹ方向においてもほぼ一様に分布した誘導電界１８および誘導電流１９が発生し、この誘導電界１８によって、平面導体５０の面に沿う広範囲に亘って均一性の良いプラズマを発生させることができる。そのプラズマ密度分布Ｄ１は、図４に示すようにほぼ一様である。
　このように、プラズマ装置１００は、高周波電流１４を平面導体５０に一様に流すことによって誘導結合型のプラズマを発生する。
　図５は、図１に示すカーボンナノウォール配列体１０の製造方法を示す工程図である。図５を参照して、カーボンナノウォール配列体１０の製造が開始されると、例えば、１ｃｍ角の大きさを有するシリコンウェハを電子ビームリソグラフによってパターンニングし、反応性イオンエッチングによってシリコンウェハの一方の表面をエッチングして凸部１１および凹部１２をシリコンウェハの一方の表面に形成する。そして、凸部１１および凹部１２が形成されたシリコンウェハを基板１として真空容器２０内のホルダ３２上に配置する（ステップＳ１）。
　そして、ヒータ３４を用いて基板１を４００～６００℃に昇温する（ステップＳ２）。その後、ガス導入部２６は、５０ｓｃｃｍのＣＨ４ガスおよび５０ｓｃｃｍのＨ２ガス、または１００ｓｃｃｍのＣＨ４ガスを真空容器２０内に供給する。即ち、真空容器２０内に炭素原子を含む材料ガスを導入する（ステップＳ３）。そして、真空容器２０内の圧力を１．３３Ｐａに調整する。
　その後、高周波電源６２は、１３．５６ＭＨｚの周波数を有する１ｋＷの高周波電力を整合回路６４および接続導体６８を介して平面導体５０に印加する（ステップＳ４）。
　これによって、プラズマ７０が真空容器２０内に発生し、カーボンナノウォール２～９が基板１の凸部１１上に自己組織的に形成される。この場合、カーボンナノウォール２～９の形成時間は、１０～３０分である。
　高周波電力を印加し始めてから１０～３０分が経過すると、高周波電力の印加を停止し、ＣＨ４ガスおよびＨ２ガス（またはＣＨ４ガス）の供給を停止する。これによって、カーボンナノウォール配列体１０の製造が終了する。
　このように、カーボンナノウォール配列体１０は、誘導結合型のプラズマを用いて製造される。
　基板１の凸部１１の幅、凹部１２の幅、基板温度および反応時間を変化させてカーボンナノウォールの配向性を調べた結果について説明する。
　凸部１１の幅、凹部１２の幅、基板温度および反応時間を変化させたときの実験結果を表１に示す。この場合、ＣＨ４ガスおよびＨ２ガスの総流量、反応圧力および高周波電力は、一定であり、ＣＨ４ガスの流量は、５０ｓｃｃｍであり、Ｈ２ガスの流量は、５０ｓｃｃｍであり、反応圧力は、１．３３Ｐａであり、高周波電力は、１ｋＷである。また、基板１の凸部１１の高さ（＝凹部１２の深さ）も、一定であり、０．６μｍである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　なお、パターンＮｏ．＝９，１０の場合、材料ガスは、１００ｓｃｃｍのＣＨ４ガスのみが使用された。
　表１に示すように、基板温度は、４００～６００℃の範囲で変えられ、反応時間は、１０～３０分の範囲で変えられた。
　パターンＮｏ．＝１～４，１１においては、カーボンナノウォールは、基板１上にランダムに形成された。
　また、パターンＮｏ．＝５～１０においては、カーボンナノウォールは、基板１上に配向して形成された。
　図６は、パターンＮｏ．＝３～６のカーボンナノウォールのＳＥＭ写真を示す図である。図７は、パターンＮｏ．＝７～１０のカーボンナノウォールのＳＥＭ写真を示す図である。図８は、パターンＮｏ．＝１１のカーボンナノウォールのＳＥＭ写真を示す図である。図９は、図７に示すパターンＮｏ．＝８，９の拡大したＳＥＭ写真を示す図である。
　なお、図６から図８において、上段は、倍率が１００００倍であるＳＥＭ写真を示し、下段は、倍率が５０００倍であるＳＥＭ写真を示す。また、図６から図８に示すＳＥＭ写真は、基板１に垂直な方向から見たときのカーボンナノウォールのＳＥＭ写真である。
　図６を参照して、基板１の凸部１１の幅が１．２μｍであり、凹部１２の幅が０．７～０．８μｍであり、基板温度が６００℃であり、反応時間が３０分である場合、カーボンナノウォールは、基板１上にランダムに形成されている（パターンＮｏ．＝３参照）。
　また、基板１の凸部１１の幅が４．７～４．８μｍであり、凹部１２の幅が４．８～４．９μｍであり、基板温度が６００℃であり、反応時間が３０分である場合、カーボンナノウォールは、基板１上にランダムに形成されている（パターンＮｏ．＝４参照）。
　一方、基板１の凸部１１の幅が０．３～０．４μｍであり、凹部１２の幅が０．６μｍであり、基板温度が６００℃であり、反応時間が３０分である場合、カーボンナノウォールは、基板１上に配向して形成されている（パターンＮｏ．＝５参照）。そして、ＳＥＭ写真においては、一定の幅を有する白い部分は、基板１の凸部１１を表し、カーボンナノウォールは、基板１の凹部１２には、形成されておらず、凸部１１に沿って形成されていることが解る。
　また、基板１の凸部１１の幅が０．１μｍであり、凹部１２の幅が０．９μｍであり、基板温度が６００℃であり、反応時間が３０分である場合も、カーボンナノウォールは、基板１の凹部１２には、形成されておらず、凸部１１に沿って形成されている（パターンＮｏ．＝６参照）。
　図７を参照して、基板１の凸部１１の幅が０．４～０．５μｍであり、凹部１２の幅が１．５μｍであり、基板温度が６００℃であり、反応時間が３０分である場合、カーボンナノウォールは、基板１の凹部１２に若干形成されているが、殆どが凸部１１に沿って形成されている（パターンＮｏ．＝７参照）。
　また、基板１の凸部１１の幅が０．４～０．５μｍであり、凹部１２の幅が１．５μｍであり、基板温度が５００℃であり、反応時間が３０分である場合、カーボンナノウォールは、基板１の凹部１２には、形成されておらず、凸部１１に沿って形成されている（パターンＮｏ．＝８参照）。図９のパターンＮｏ．＝８に示すように、一定の幅を有する帯状領域のほぼ中央に幅の狭い白い部分が存在し、この一定の幅を有する帯状領域が凸部１１と考えられ、この幅の狭い白い部分がカーボンナノウォールと考えられるからである。
　更に、基板１の凸部１１の幅が０．４～０．５μｍであり、凹部１２の幅が１．５μｍであり、基板温度が４００℃であり、反応時間が３０分である場合、カーボンナノウォールは、基板１の凹部１２には、形成されておらず、凸部１１に沿って形成されている（パターンＮｏ．＝９参照）。この場合も、図９のパターンＮｏ．＝９に示すように、一定の幅を有する帯状領域のほぼ中央に幅の狭い白い部分が存在し、この一定の幅を有する帯状領域が凸部１１と考えられ、この幅の狭い白い部分がカーボンナノウォールと考えられるからである。
　更に、基板１の凸部１１の幅が０．４～０．５μｍであり、凹部１２の幅が１．５μｍであり、基板温度が５００℃であり、反応時間が１０分である場合、カーボンナノウォールは、基板１の凹部１２には、形成されておらず、凸部１１に沿って形成されている（パターンＮｏ．＝１０参照）。パターンＮｏ．＝１０のＳＥＭ写真は、パターンＮｏ．＝８，９のＳＥＭ写真と同様な写真であるので、パターンＮｏ．＝１０においても、図９に示すように、カーボンナノウォールが凸部１１上に形成されていると考えられる。
　図８を参照して、基板１の凸部１１の幅が４．３～４．４μｍであり、凹部１２の幅が５．１～５．２μｍであり、基板温度が６００℃であり、反応時間が３０分である場合、カーボンナノウォールは、基板１上にランダムに形成されている。
　従って、パターンＮｏ．＝５～１０の場合、カーボンナノウォールは、基板１の凹凸形状に沿って配向して形成され、パターンＮｏ．が５から１０に向かうに従ってカーボンナノウォールの配向性が向上する。
　パターンＮｏ．＝７～９のカーボンナノウォールは、それぞれ、６００℃、５００℃および４００℃の基板温度を用いて形成された。従って、４００～６００℃の基板温度の範囲では、基板温度が低い方がカーボンナノウォールの配向性が向上する。そして、４００℃の基板温度においても、配向したカーボンナノウォールが得られる。この４００℃の基板温度は、低融点基板および低融点絶縁物を使用可能な温度である。従って、カーボンウォールを用いてデバイスを作製するときの材料選択の自由度を大きくできる。
　パターンＮｏ．＝５～１０のカーボンナノウォールが配向するので、基板１の凸部１１の幅は、０．１～０．５μｍが好適であり、凹部１２の幅は、０．６～１．５μｍが好適である。
　そして、カーボンナノウォールは、パターンＮｏ．＝５～１０の場合、上述したように、基板１の凸部１１上に選択的に形成される。これは、誘導結合型プラズマによってＣＨ４ガスを分解したときに生成される成長種が基板１の凸部１１に付着し易いことを示す。
　そうすると、凸部１１は、幅が実質的に零である三角形の断面形状を有していても、カーボンナノウォールは、凸部１１上に選択的に成長すると考えられる。
　従って、凸部１１の幅は、０．５μｍ以下であればよい。その結果、カーボンナノウォールが配向して形成されるときの基板１の凹凸形状は、凸部１１の幅が凹部１２の幅よりも狭く、かつ、凸部１１の幅が０．５μｍ以下であればよい。
　パターンＮｏ．＝１の場合、凸部１１の幅は、０．５μｍ以下であるが、凹部１２の幅よりも広いので、カーボンナノウォールは、基板１上にランダムに形成される。
　また、パターンＮｏ．＝２の場合、凸部１１の幅は、０．５μｍ以下である場合も含まれるが、凹部１２の幅よりも広いので、カーボンナノウォールは、基板１上にランダムに形成される。 
　更に、パターンＮｏ．＝３，４，１１の場合、凸部１１の幅は、０．５μｍよりも大きいので、カーボンナノウォールは、基板１上にランダムに形成される。そして、パターンＮｏ．＝４，１１のように、凸部１１の幅が４．７～４．８μｍおよび４．３～４．４μｍと広くなると、たとえ、凹部１２が形成されていても、基板１の表面が平坦である場合と同等になり、カーボンナノウォールは、ランダムに成長するものと考えられる。
　従って、凸部１１の幅が凹部１２の幅よりも狭く、かつ、凸部１１の幅が０．５μｍ以下である凹凸形状を有する基板１を用いることによって、所望のパターン（＝基板１の凹凸形状）に沿って配向したカーボンナノウォールを形成できる。
　表１に示す実験結果は、凸部１１の高さ（＝凹部１２の深さ）が０．６μｍである場合の実験結果であるが、凸部１１の高さ（＝凹部１２の深さ）は、少なくとも０．３μｍであれば、カーボンナノウォールは、凸部１１上に選択的に成長すると考えられる。
　凸部１１の高さ（＝凹部１２の深さ）が少なくとも０．３μｍであれば、凸部１１の幅は、凸部１１の高さ（＝凹部１２の深さ）に対して１．７倍以下になり、凸部１１と凹部１２との違いが生じると考えられるからである。
　従って、凸部１１の幅に対する凸部１１の高さ（＝凹部１２の深さ）の比をアスペクト比とすると、カーボンナノウォールが所望のパターンに沿って配向するときのアスペクト比は、０．３μｍ／０．５μｍ＝０．６以上であればよい。
　図１０は、基板１の表面における開口率および突出率の概念図である。基板１の表面における開口率を（凹部１２の幅）／（凸部１１の幅＋凹部１２の幅＋凸部１１の幅）と定義する。また、基板１の表面における突出率を（凸部１１の幅）／（凹部１２の幅＋凸部１１の幅＋凹部１２の幅）と定義する。
　そして、凸部１１の幅をＷ１とし、凹部１２の幅をＷ２とすると、開口率は、Ｗ２／（Ｗ１＋Ｗ２＋Ｗ１）によって表され、突出率は、Ｗ１／（Ｗ２＋Ｗ１＋Ｗ２）によって表される。
　表１に示すパターンＮｏ．＝１～１１について開口率および突出率を計算した結果を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　カーボンナノウォールが配向するパターンＮｏ．＝５～１０において、開口率は、０．４３～０．８２の範囲であり、突出率は、０．０５～０．２５の範囲である。
　一方、カーボンナノウォールがランダムに形成されるパターンＮｏ．＝１～４，１１において、開口率は、０．２３～０．３７の範囲であり、突出率は、０．３０～０．４６の範囲である。
　従って、開口率が０．４３以上である場合、または突出率が０．２５以下である場合に、カーボンナノウォールが配向する。
　その結果、この発明の実施の形態においては、凸部１１の幅が凹部１２の幅よりも狭く、かつ、凸部１１の幅が０．５μｍ以下である条件下において、開口率は、好ましくは、１未満の範囲において０．４３以上に設定され、突出率は、好ましくは、０．２５以下に設定される。
　そして、図７に示すように、パターンＮｏ．＝７～１０の場合、カーボンナノウォールの配向性が向上するので、開口率は、より好ましくは、０．６０～０．６５の範囲に設定され、突出率は、より好ましくは、０．１２～０．１４の範囲に設定される。
　なお、上記においては、基板１は、ストライプ状の凹凸形状を有すると説明したが、この発明の実施の形態においては、これに限らず、基板１は、碁盤目状の凹凸形状を有していてもよい。従って、図５に示す工程図のステップＳ１において、ストライプ状または碁盤目状の凹凸形状を有する基板１が真空容器２０内に配置される。
　また、上記においては、平面導体５０を電極として用いることによって、誘導結合型のプラズマを発生したが、この発明の実施の形態においては、これに限らず、誘導結合型のプラズマは、どのような形状の導体を用いて発生されてもよく、一般的には、高周波電流を電極（導体）に流すことによって発生されればよい。従って、図５に示す工程図のステップＳ４において、高周波電力が電極に印加される。
　更に、上記においては、カーボンナノウォール配列体１０は、誘導結合型のプラズマを用いて製造されると説明したが、この発明の実施の形態においては、これに限らず、カーボンナノウォール配列体１０は、容量結合型のプラズマおよびＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマ等を用いて製造されてもよく、一般的には、上述した基板１を用いてプラズマによって製造されればよい。
　カーボンナノウォール配列体の応用について説明する。図１１は、カーボンナノウォールを用いた金型の斜視図である。
　図１１を参照して、金型２００は、基板２０１と、カーボンナノウォール２３１，２３２とを備える。基板２０１は、その表面に碁盤目状の凹凸形状を有する。基板２０１上の凹凸形状は、上述した基板１上の凹凸形状と同様の形状からなる。カーボンナノウォール２３１は、方向ＤＲ４に沿って基板２０１上に形成され、カーボンナノウォール２３２は、方向ＤＲ５に沿って基板２０１上に形成される。
　カーボンナノウォール２３１，２３２の各々は、複数個、基板２０１の表面に形成されているので、複数のカーボンナノウォール２３１，２３２の配列体は、所定のパターンを形成する。そこで、金型２００は、樹脂を所定のパターンに成形するために使用される。
　その他、カーボンナノウォールは、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ　Ｆｉｌｍ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、放熱素子および真空スイッチ等に用いられる。そして、カーボンナノウォールは、ＴＦＴに用いられる場合、ＴＦＴのチャネル層に用いられる。
　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　この発明は、カーボンナノウォール配列体およびカーボンナノウォールの製造方法に適用される。

Claims (2)

  1. 　　一主面に凹凸形状がストライプ状または碁盤目状に形成された基板と、
    　前記凹凸形状の凸部の長さ方向に沿って前記凸部上に形成された複数のカーボンナノウォールとを備え、
    　前記基板の面内方向における前記凸部の幅が前記基板の面内方向における前記凹凸形状の凹部の幅よりも狭く、かつ、前記凸部の幅が０．５μｍ以下である、カーボンナノウォール配列体。
  2. 　プラズマを用いてカーボンナノウォールを製造する製造方法であって、
    　一主面に凹凸形状がストライプ状または碁盤目状に形成された基板を前記真空容器内に配置する第１の工程と、
    　前記基板の温度を所望の温度に昇温する第２の工程と、
    　前記真空容器内に炭素原子を含む材料ガスを導入する第３の工程と、
    　電極に高周波電力を印加する第４の工程とを備え、
    　前記基板の面内方向における前記凹凸形状の凸部の幅が前記基板の面内方向における前記凹凸形状の凹部の幅よりも狭く、かつ、前記凸部の幅が０．５μｍ以下である、カーボンナノウォールの製造方法。
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