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
【課題】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。
【解決手段】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。
【解決手段】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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−６９８１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【発明の効果】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】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２】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３】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。
【図４】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５】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。
【図６】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】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】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】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。
【図１０】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。
【図１１】カーボンナノウォールを用いた金型の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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）。
【００４８】
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。
【００４９】
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）。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
【表１】
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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）。
【００６３】
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）。
【００６４】
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。
【００６５】
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）。
【００６６】
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）。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
【表２】
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
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。
【符号の説明】
【０１０２】
１，２０１ 基板、２〜９，２３１，２３２ カーボンナノウォール、１０ カーボンナノウォール配列体、１１ 凸部、１２ 凹部、２０ 真空容器、２２ 天板、２４ 排気口、２６ ガス導入部、３２ ホルダ、３４ ヒータ、３６ 軸、３８ 軸受部、４２ マスク、４４ 仕切り板、５０ 平面導体、５２ 給電電極、５４ 終端電極、５６ 絶縁フランジ、５７，５８ パッキン、６０ シールドボックス、６２ 高周波電源、６４ 整合回路、６６ 出力カバー、６８，６９ 接続導体、１００ プラズマ装置、２００ 金型。
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−６９８１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【発明の効果】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】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２】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３】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。
【図４】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５】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。
【図６】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】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】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】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。
【図１０】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。
【図１１】カーボンナノウォールを用いた金型の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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）。
【００４８】
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。
【００４９】
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）。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
【表１】
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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）。
【００６３】
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）。
【００６４】
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。
【００６５】
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）。
【００６６】
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）。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
【表２】
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
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。
【符号の説明】
【０１０２】
１，２０１ 基板、２〜９，２３１，２３２ カーボンナノウォール、１０ カーボンナノウォール配列体、１１ 凸部、１２ 凹部、２０ 真空容器、２２ 天板、２４ 排気口、２６ ガス導入部、３２ ホルダ、３４ ヒータ、３６ 軸、３８ 軸受部、４２ マスク、４４ 仕切り板、５０ 平面導体、５２ 給電電極、５４ 終端電極、５６ 絶縁フランジ、５７，５８ パッキン、６０ シールドボックス、６２ 高周波電源、６４ 整合回路、６６ 出力カバー、６８，６９ 接続導体、１００ プラズマ装置、２００ 金型。
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図１０】
【図１１】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図１０】
【図１１】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−１４４７８（Ｐ２０１３−１４４７８Ａ）
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４９００２（Ｐ２０１１−１４９００２）
【出願日】平成２３年７月５日（２０１１．７．５）
【出願人】（５００４３３２２５）学校法人中部大学 (105)
【出願人】（５０４１７３４７１）国立大学法人北海道大学 (971)
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【出願人】（０００００３９４２）日新電機株式会社 (328)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月５日（２０１１．７．５）
【出願人】（５００４３３２２５）学校法人中部大学 (105)
【出願人】（５０４１７３４７１）国立大学法人北海道大学 (971)
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【出願人】（０００００３９４２）日新電機株式会社 (328)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]