碳納米墻排列體以及碳納米墻的制造方法
【專利摘要】碳納米墻排列體(10)具備基板(1)及碳納米墻(2～9)?；?1)包含硅。并且，基板(1)包含凸部(11)及凹部(12)。凸部(11)以及凹部(12)沿著方向DR1而形成在基板1的一個(gè)表面。凸部(11)以及凹部(12)是在垂直于方向DR1的方向DR2上交替地形成。凸部(11)在方向DR2上具有0.1μm～0.5μm的長(zhǎng)度，凹部(12)在方向DR2上具有0.6μm～1.5μm的長(zhǎng)度。而且，凸部(11)的高度為0.3μm～0.6μm。碳納米墻(2～9)各自沿著基板(1)的凸部(11)的長(zhǎng)度方向(＝方向DR1)而形成在凸部(11)上。
【專利說(shuō)明】碳納米墻排列體以及碳納米墻的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種碳納米墻(carbon nanowall)排列體以及碳納米墻的制造方法。【背景技術(shù)】
[0002]目前，已知有一種碳納米墻的制造方法(專利文獻(xiàn)I)。上述制造方法是使用等離子體(plasma)裝置來(lái)制造碳納米墻。
[0003]等離子體裝置具備平行平板型電容耦合等離子體產(chǎn)生機(jī)構(gòu)、及游離基(radical)產(chǎn)生設(shè)備。平行平板型電容耦合等離子體產(chǎn)生機(jī)構(gòu)對(duì)平行地配置在反應(yīng)室內(nèi)的第一電極及第二電極，施加具有13.56MHz的頻率的5W~2kW左右的射頻(Radio Frequency, RF)電力，在反應(yīng)室內(nèi)產(chǎn)生射頻波等。
[0004]游離基產(chǎn)生設(shè)備在經(jīng)由游離基導(dǎo)入口而連結(jié)于反應(yīng)室的游離基產(chǎn)生室內(nèi)，通過(guò)感應(yīng)率禹合等離子體(inductively-coupled plasma)來(lái)產(chǎn)生氫原子等游離基。所產(chǎn)生的游離基經(jīng)由游離基導(dǎo)入口而被導(dǎo)入反應(yīng)室內(nèi)。
[0005]基板包含娃(silicon),且配置于第二電極上。將甲燒氣體(methane gas)導(dǎo)入反應(yīng)室內(nèi)，當(dāng)反應(yīng)室內(nèi)的壓力達(dá)到10毫托~1000毫托時(shí)，平行平板型電容耦合等離子體產(chǎn)生機(jī)構(gòu)將射頻電力施加至第一電極及第二電極。由此，在反應(yīng)室內(nèi)產(chǎn)生等離子體。
[0006]而且，游離基產(chǎn)生設(shè)備通過(guò)感應(yīng)耦合等離子體，而在游離基產(chǎn)生室內(nèi)產(chǎn)生游離基。并且，所產(chǎn)生的游離基經(jīng)由游離基導(dǎo)入口而被導(dǎo)入反應(yīng)室內(nèi)。
[0007]由此，在基板上形成碳納米墻。
[0008]并且，在專利文獻(xiàn)I中，通過(guò)以基板面與從游離基產(chǎn)生室供給的游離基的流動(dòng)方向成垂直的方式，將基板配置于第二電極上，從而獲得經(jīng)取向的碳納米墻。
[0009]專利文獻(xiàn)1:日本專利特開(kāi)2006-69816號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]但是，當(dāng)使用現(xiàn)有的碳納米墻的制造方法來(lái)制造碳納米墻時(shí)，存在無(wú)法沿著所需的圖案(pattern)來(lái)使碳納米墻取向的問(wèn)題。
[0011]因此，本發(fā)明是為了解決此種問(wèn)題而完成，其目的在于提供一種能夠沿著所需的圖案來(lái)使碳納米墻取向的碳納米墻排列體。
[0012]而且，本發(fā)明的另一目的在于提供一種能夠沿著所需的圖案來(lái)使碳納米墻取向的碳納米墻的制造方法。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，碳納米墻排列體具備基板及多個(gè)碳納米墻。在基板的一主面上，呈條紋(stripe)狀或網(wǎng)格狀地形成有凹凸形狀。多個(gè)碳納米墻是沿著凹凸形狀的凸部的長(zhǎng)度方向而形成在凸部上。并且，基板的面內(nèi)方向上的凸部的寬度窄于基板的面內(nèi)方向上的凹凸形狀的凹部的寬度，且凸部的寬度為0.5μπι以下。
[0014]而且，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，碳納米墻的制造方法是使用等離子體來(lái)制造碳納米墻的制造方法，包括:第I工序，將在一主面上呈條紋狀或網(wǎng)格狀地形成有凹凸形狀的基板配置于真空容器內(nèi);第2工序，將基板的溫度升溫至所需的溫度；第3工序，向真空容器內(nèi)導(dǎo)入包含碳原子的材料氣體；以及第4工序，對(duì)電極施加高頻電力，基板的面內(nèi)方向上的凹凸形狀的凸部的寬度窄于基板的面內(nèi)方向上的凹凸形狀的凹部的寬度，且凸部的寬度為0.5 μ m以下。
[0015]在本發(fā)明的實(shí)施方式的碳納米墻排列體中，在基板的一主面上形成有凹凸形狀，上述凹凸形狀包含如下所述的形狀，即:基板的面內(nèi)方向上的凸部的寬度窄于基板的面內(nèi)方向上的凹凸形狀的凹部的寬度，且凸部的寬度為0.5μπι以下的形狀。其結(jié)果，多個(gè)碳納米墻沿著凹凸形狀的凸部的長(zhǎng)度方向而形成在凸部上。
[0016]因而，能夠使碳納米墻沿著所需的圖案來(lái)取向。
[0017]而且，本發(fā)明的實(shí)施方式的碳納米墻的制造方法是使用等離子體而在形成有凹凸形狀的基板上制造多個(gè)碳納米墻。并且，基板的凹凸形狀包含如下所述的形狀，即:基板的面內(nèi)方向上的凸部的寬度窄于基板的面內(nèi)方向上的凹凸形狀的凹部的寬度，且凸部的寬度為0.5 μ m以下的形狀。其結(jié)果，當(dāng)使用等離子體來(lái)在基板上形成碳納米墻時(shí)，多個(gè)碳納米墻將沿著基板的凸部的長(zhǎng)度方向而成長(zhǎng)。
[0018]因而，能夠使碳納米墻沿著所需的圖案而取向 。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019][圖1]是本發(fā)明的實(shí)施方式的碳納米墻排列體的立體圖。
[0020][圖2]是表示制造圖1所示的碳納米墻排列體的等離子體裝置的結(jié)構(gòu)的剖面圖。
[0021][圖3]是從圖2所示的匹配電路側(cè)觀察的平面導(dǎo)體、供電電極以及末端電極的平面圖。
[0022][圖4]是表示Y方向的平面導(dǎo)體的剖面圖以及等離子體密度的圖。
[0023][圖5]是表示圖1所示的碳納米墻排列體的制造方法的工序圖。
[0024][圖6]是表示圖案N0.= 3~6的碳納米墻的掃描電子顯微鏡(ScanningElectron Microscope, SEM)照片的圖。
[0025][圖7]是表示圖案N0.= 7~10的碳納米墻的SEM照片的圖。
[0026][圖8]是表示圖案N0.=11的碳納米墻的SEM照片的圖。
[0027][圖9]是表示圖7所示的圖案N0.= 8、9的放大的SEM照片的圖。
[0028][圖10]是基板表面上的開(kāi)口率以及突出率的概念圖。
[0029][圖11]是使用碳納米墻的模具的立體圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]參照附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。另外，在圖中，對(duì)于相同或相當(dāng)?shù)牟糠謽?biāo)注相同的符號(hào)并不再重復(fù)其說(shuō)明。
[0031]圖1是本發(fā)明的實(shí)施方式的碳納米墻排列體的立體圖。參照?qǐng)D1，本發(fā)明的實(shí)施方式的碳納米墻排列體10具備基板I及多個(gè)碳納米墻2~9。
[0032]基板I例如包含硅或玻璃(glass)。并且，基板I包含凸部11及凹部12。凸部11以及凹部12沿著方向DRl而形成在基板I的一個(gè)表面。方向DRl上的凸部11以及凹部12的長(zhǎng)度既可與基板I的長(zhǎng)度相同，也可短于基板I的長(zhǎng)度。凸部11以及凹部12是在垂直于方向DRl的方向DR2上交替地形成。凸部11在方向DR2上具有0.Ιμπι~0.5μπι的長(zhǎng)度。凹部12在方向DR2上具有0.6μπι~1.5μπι的長(zhǎng)度。即，凸部11具有0.1 μ m~0.5μπι的寬度，凹部12具有0.6μπι~1.5μπι的寬度。而且，凸部11的高度(=凹部12的深度)為0.3 μ m~0.6 μ m。
[0033]這樣，在基板I的一個(gè)表面上具有呈條紋狀地配置的凹凸形狀。
[0034]碳納米墻2~9各自沿著基板I的凸部11的長(zhǎng)度方向(=方向DRl)而形成在凸部11上。
[0035]并且，碳納米墻2~9各自具有IOnm~15nm的厚度以及60nm~2500nm的高度。
[0036]這樣，多個(gè)碳納米墻2~9沿著基板I的凸部11的長(zhǎng)度方向而排列。即，多個(gè)碳納米墻2~9沿著所需的圖案而取向。
[0037]圖2是表示制造圖1所示的碳納米墻排列體10的等離子體裝置的結(jié)構(gòu)的剖面圖。參照?qǐng)D2，等離子體裝置100具備真空容器20、項(xiàng)板22、排氣口 24、氣體導(dǎo)入部26、支架(holder) 32、加熱器(heater) 34、軸36、軸承部38、遮罩(mask) 42、分隔板44、平面導(dǎo)體50、供電電極52、末端電極54、絕緣凸緣(flange) 56、襯墊(packing) 57、58、屏蔽盒(shieldbox) 60、高頻電源62、匹配電路64及連接導(dǎo)體68、69。
[0038]真空容器20為金屬制，經(jīng)由排氣口 24而連接于真空排氣裝置。而且，真空容器20電性連接于接地節(jié)點(diǎn)(node)。頂板22以封堵真空容器20的上側(cè)的方式，與真空容器20相接地配置。此時(shí)，在真空容器20與頂板22之間，配置真空密封用的襯墊57。
[0039]氣體導(dǎo)入部26在真空容器20內(nèi)配置于分隔板44的更上側(cè)。軸36經(jīng)由軸承部38而固定于真空容器20的底面。支架32被固定于軸36的一端。加熱器34被配置在支架32內(nèi)。遮罩42是在支架32的周緣部配置于支架32上。分隔板44在支架32的更上側(cè)，以封堵真空容器20與支架32之間的方式而固定于真空容器20的側(cè)壁。
[0040]供電電極52以及末端電極54經(jīng)由絕緣凸緣56而固定于頂板22。此時(shí)，在項(xiàng)板
22與絕緣凸緣56之間，配置真空密封用的襯圈58。
[0041]平面導(dǎo)體50以X方向上的兩端部分別與供電電極52以及末端電極54相接的方式而配置。
[0042]供電電極52以及末端電極54如后所述，在Y方向(垂直于圖2的紙面的方向)上，具有與平面導(dǎo)體50大致相同的長(zhǎng)度。并且，供電電極52通過(guò)連接導(dǎo)體68而連接于匹配電路64的輸出條(bar) 66。末端電極54經(jīng)由連接導(dǎo)體69而連接于屏蔽盒60。平面導(dǎo)體50、供電電極52以及末端電極54例如包含銅以及鋁等。
[0043]屏蔽盒60配置于真空容器20的上側(cè)，且與項(xiàng)板22相接。高頻電源62連接于匹配電路64與接地節(jié)點(diǎn)之間。匹配電路64配置于屏蔽盒60上。
[0044]連接導(dǎo)體68、69包含在Y方向上具有與供電電極52及末端電極54大致相同的長(zhǎng)度的板形狀。
[0045]氣體導(dǎo)入部26將從儲(chǔ)氣瓶(gas bomb)(未圖示)供給的甲烷(CH4)氣體以及氫(H2)氣等氣體28供給至真空容器20內(nèi)。支架32支撐基板I。加熱器34將基板I加熱至所需的溫度。軸36支撐支架32。遮罩42覆蓋基板I的周緣部。由此，能夠防止在基板I的周緣部形成生成物。分隔板44防止等離子體70到達(dá)基板I的保持機(jī)構(gòu)。
[0046]供電電極52使從連接導(dǎo)體68供給的高頻電流流經(jīng)平面導(dǎo)體50。末端電極54將平面導(dǎo)體50的端部直接或經(jīng)由電容器(capacitor)而連接于接地節(jié)點(diǎn)，從高頻電源62朝向平面導(dǎo)體50地形成高頻電流的閉環(huán)(closed loop)。
[0047]高頻電源62例如將13.56MHz的高頻電力供給至匹配電路64。匹配電路64抑制從高頻電源62供給的高頻電力反射而供給至連接導(dǎo)體68。
[0048]圖3是從圖2所示的匹配電路64側(cè)觀察的平面導(dǎo)體50、供電電極52以及末端電極54的平面圖。參照?qǐng)D3，平面導(dǎo)體50例如包含長(zhǎng)方形的平面形狀，且具有邊50a、50b。邊50a長(zhǎng)于邊50b。并且，邊50a沿著X方向而配置，邊50b沿著Y方向而配置。
[0049]供電電極52以及末端電極54分別沿著平面導(dǎo)體50的邊50b而配置于平面導(dǎo)體50的X方向的兩端部。供電電極52以及末端電極54的Y方向上的長(zhǎng)度優(yōu)選接近平面導(dǎo)體50的平行于Y方向的邊50b的長(zhǎng)度(例如，與邊50b的長(zhǎng)度實(shí)質(zhì)上相同)，以使高頻電流14在Y方向上盡可能一樣地流過(guò)，但供電電極52以及末端電極54的Y方向上的長(zhǎng)度既可比邊50b的長(zhǎng)度稍短，也可比邊50b的長(zhǎng)度長(zhǎng)。如果用數(shù)值來(lái)表示，則供電電極52以及末端電極54的Y方向上的長(zhǎng)度只要設(shè)定為邊50b的長(zhǎng)度的85%以上的長(zhǎng)度即可。
[0050]這樣，供電電極52以及末端電極54包含方塊(block)狀的電極，因此能夠使高頻`電流14在Y方向上大致一樣地流經(jīng)平面導(dǎo)體50。
[0051]當(dāng)使用點(diǎn)狀的電極來(lái)對(duì)平面導(dǎo)體50供給高頻電流時(shí)，高頻電流不會(huì)一樣地流經(jīng)平面導(dǎo)體50。一般而言，盡管對(duì)平面導(dǎo)體供給高頻電力，但在平面導(dǎo)體的附近不存在等離子體的狀態(tài)下，因集膚效應(yīng)(skin effect)等，高頻電流會(huì)集中地流經(jīng)平面導(dǎo)體的與通電方向正交的剖面的四角。這是因?yàn)?，高頻的阻抗(impedance)的分布在平面導(dǎo)體的四角較小，而在其他部分較大。
[0052]圖4是表示Y方向的平面導(dǎo)體50的剖面圖以及等離子體密度的圖。在等離子體裝置100中，在平面導(dǎo)體50的附近產(chǎn)生等離子體70。即，如圖4所示，當(dāng)使高頻電流14流經(jīng)平面導(dǎo)體50時(shí)，在平面導(dǎo)體50的周圍產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)16，由此，沿著與高頻電流14相反的方向產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)18。并且，電子經(jīng)上述感應(yīng)電場(chǎng)18加速而使平面導(dǎo)體50附近的氣體28 (參照?qǐng)D2)電離，從而在平面導(dǎo)體50的附近產(chǎn)生等離子體70，感應(yīng)電流19沿著與感應(yīng)電場(chǎng)18相同的方向(即，與高頻電流14相反的方向)流經(jīng)上述等離子體中。
[0053]這樣，在平面導(dǎo)體50的附近產(chǎn)生等離子體70，當(dāng)感應(yīng)電流19沿著與高頻電流14相反的方向流經(jīng)上述等離子體70中時(shí)，流經(jīng)平面導(dǎo)體50的高頻電流14在與通電方向正交的Y方向上變得一樣化。其理由如下。
[0054]在配電的【技術(shù)領(lǐng)域】中，已知的是:當(dāng)在與流經(jīng)匯流條(bus bar)之類的平面導(dǎo)體的電流靠近的其他導(dǎo)體中有電流沿著反方向流動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體的阻抗分布會(huì)相互變化，從而產(chǎn)生低阻抗化以及阻抗的一樣化。這被認(rèn)為與因電流沿著彼此相反的方向流動(dòng)而導(dǎo)致磁通的交鏈數(shù)減少有關(guān)。在等離子體裝置100中，將此種現(xiàn)象應(yīng)用于平面導(dǎo)體與等離子體的關(guān)系。
[0055]因而，如圖4所示，當(dāng)在平面導(dǎo)體50的附近產(chǎn)生等離子體、尤其是高密度的等離子體70時(shí)，流經(jīng)平面導(dǎo)體50內(nèi)的高頻電流14的分布在Y方向上一樣化。此現(xiàn)象與具有上述方塊狀的供電電極52及末端電極54的情況相輔相成，從而高頻電流14在Y方向上大致一樣地分布而流經(jīng)平面導(dǎo)體50內(nèi)。由此，在平面導(dǎo)體50的等離子體70生成側(cè)的面的附近，產(chǎn)生不僅在通電方向即X方向上，而且在與X方向正交的Y方向上也大致一樣地分布的感應(yīng)電場(chǎng)18以及感應(yīng)電流19，通過(guò)上述感應(yīng)電場(chǎng)18，能夠遍及沿著平面導(dǎo)體50的面的廣范圍而產(chǎn)生均勻性良好的等離子體。上述等離子體密度分布Dl如圖4所示般大致一樣。
[0056]這樣，等離子體裝置100通過(guò)使高頻電流14 一樣地流經(jīng)平面導(dǎo)體50，從而產(chǎn)生感應(yīng)耦合型的等離子體。
[0057]圖5是表示圖1所示的碳納米墻排列體10的制造方法的工序圖。參照?qǐng)D5，當(dāng)開(kāi)始制造碳納米墻排列體10時(shí),例如,通過(guò)電子束光刻(electron beam lithography),對(duì)具有Icm見(jiàn)方的大小的娃晶片(silicon wafer)進(jìn)行圖案化(patterning),并通過(guò)反應(yīng)性離子蝕刻(ion etching)來(lái)對(duì)娃晶片的一個(gè)表面進(jìn)行蝕刻，以在娃晶片的一個(gè)表面形成凸部11以及凹部12。并且，將形成有凸部11以及凹部12的硅晶片作為基板I而配置到真空容器20內(nèi)的支架32上(步驟SI)。
[0058]然后，使用加熱器34將基板I升溫中至400°C~600°C (步驟S2)。隨后，氣體導(dǎo)入部26將50sccm的CH4氣體以及50sccm的H2氣體或者IOOsccm的CH4氣體供給至真空容器20內(nèi)。即，向真空容器20內(nèi)導(dǎo)入包含碳原子的材料氣體(步驟S3)。然后，將真空容器20內(nèi)的壓力調(diào)整至1.33Pa。
[0059]隨后，高頻電源62將具有13.56MHz的頻率的1kW的高頻電力經(jīng)由匹配電路64及連接導(dǎo)體68而施加至平面導(dǎo)體50 (步驟S4)。
[0060]由此，在真空容器20內(nèi)產(chǎn)生等離子體70，并在基板1的凸部11上自組織地形成碳納米墻2~碳納米墻9。此時(shí)，碳納米墻2~碳納米墻9的形成時(shí)間為10分鐘~30分鐘。
[0061]當(dāng)從施加高頻電力開(kāi)始經(jīng)過(guò)10分鐘~30分鐘時(shí)，停止高頻電力的施加，并停止CH4氣體以及H2氣體(或CH4氣體)的供給。由此，碳納米墻排列體10的制造結(jié)束。
[0062]這樣，使用感應(yīng)耦合型的等離子體來(lái)制造碳納米墻排列體10。
[0063]對(duì)改變基板1的凸部11的寬度、凹部12的寬度、基板溫度以及反應(yīng)時(shí)間來(lái)調(diào)查碳納米墻的取向性的結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明。
[0064]表1表示改變凸部11的寬度、凹部12的寬度、基板溫度以及反應(yīng)時(shí)間時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。此時(shí)，CH4氣體以及H2氣體的總流量、反應(yīng)壓力以及高頻電力為固定，CH4氣體的流量為50sccm, H2氣體的流量為50sccm，反應(yīng)壓力為1.33Pa，高頻電力為lkW。而且，基板I的凸部11的高度(=凹部12的深度)也固定為0.6 μ m。
[0065]表1
[0066]
【權(quán)利要求】
1.一種碳納米墻排列體，包括: 基板，在一主面上呈條紋狀或網(wǎng)格狀地形成有凹凸形狀；以及 多個(gè)碳納米墻，沿著所述凹凸形狀的凸部的長(zhǎng)度方向而形成在所述凸部上， 所述基板的面內(nèi)方向上的所述凸部的寬度窄于所述基板的面內(nèi)方向上的所述凹凸形狀的凹部的寬度，且所述凸部的寬度為0.5 μ m以下。
2.—種碳納米墻的制造方法,使用等離子體來(lái)制造碳納米墻，所述碳納米墻的制造方法包括: 第I工序，將基板配置于所述真空容器內(nèi)，所述基板在一主面上呈條紋狀或網(wǎng)格狀地形成有凹凸形狀； 第2工序，將所述基板的溫度升溫至所需的溫度； 第3工序，向所述真空容器內(nèi)導(dǎo)入包含碳原子的材料氣體；以及 第4工序，對(duì)電極施加高頻電力， 所述基板的面內(nèi)方向上的所述凹凸形狀的凸部的寬度窄于所述基板的面內(nèi)方向上的所述凹凸形狀的凹部 的寬度，且所述凸部的寬度為0.5 μ m以下。
【文檔編號(hào)】C01B31/02GK103648978SQ201280032880
【公開(kāi)日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2012年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月5日
【發(fā)明者】河原敏男, 岡本一將, 松本和彥, 宇都宮里佐, 松葉晃明, 松本均 申請(qǐng)人:學(xué)校法人中部大學(xué), 國(guó)立大學(xué)法人北海道大學(xué), 國(guó)立大學(xué)法人大阪大學(xué), 日新電機(jī)株式會(huì)社