JP2005158686A - カーボンナノチューブの形成方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＣＮＴの形成方法が開示される。
【解決手段】基板上に電極を蒸着する段階と、電極上にポリイミド層を形成する段階と、ポリイミド層と電極表面とをエッチングして電極の表面に多数の突起部を形成する段階と、突起部間の電極の表面に触媒金属層を形成する段階と、触媒金属層の表面にＣＮＴを形成する段階とを含むＣＮＴの形成方法である。 本発明に係るＣＮＴの形成方法によれば、プラズマを利用して電極の表面に多数の突起部を形成し、前記突起部間にＣＮＴを成長させることによって微細な直径のＣＮＴを得られる。したがって、本発明に係る方法によって形成されたＣＮＴが素子に利用されれば、駆動電圧を引き下げ、電界放出特性を向上させうる。
【選択図】図３Ｆ
【解決手段】基板上に電極を蒸着する段階と、電極上にポリイミド層を形成する段階と、ポリイミド層と電極表面とをエッチングして電極の表面に多数の突起部を形成する段階と、突起部間の電極の表面に触媒金属層を形成する段階と、触媒金属層の表面にＣＮＴを形成する段階とを含むＣＮＴの形成方法である。 本発明に係るＣＮＴの形成方法によれば、プラズマを利用して電極の表面に多数の突起部を形成し、前記突起部間にＣＮＴを成長させることによって微細な直径のＣＮＴを得られる。したがって、本発明に係る方法によって形成されたＣＮＴが素子に利用されれば、駆動電圧を引き下げ、電界放出特性を向上させうる。
【選択図】図３Ｆ
Description
本発明は、カーボンナノチューブの形成方法に係り、詳細にはプラズマを利用して微細な直径のカーボンナノチューブを形成できる方法に関する。
従来の情報伝達媒体の重要部分である表示装置の代表的な活用分野としては、個人用コンピュータやテレビのモニターなどを挙げられる。このような表示装置は、高速熱電子放出を利用する陰極線管(ＣＲＴ；Cathode Ray Tube)と、最近急速に発展している平板表示装置とに大きく分類されうる。前記平板表示装置としては、液晶表示素子(ＬＣＤ；Liquid Crystal Display)、プラズマディスプレーパネル(ＰＤＰ；Plasma Display Panel)、電界放出表示素子(ＦＥＤ；Field Emission Display)などがある。
ＦＥＤは、陰極電極上に一定の間隔で配列された電界放出源にゲート電極から強い電気場を印加することで前記電界放出源から電子を放出させ、この電子を正極電極の蛍光物質に衝突させて発光させる表示装置である。このようなＦＥＤの電界放出源として、従来にはモリブデン(Ｍｏ)のような金属からなるマイクロチップが多く使われたが、最近にはカーボンナノチューブ(ＣＮＴ；Carbon Nano Tube)が主に使われている。このようなＣＮＴを電界放出源として使用するＦＥＤは、広い視野角、高い解像度、低電力及び温度安定性等において長所を有するので、自動車航法装置、電子的な映像装置のビューファインダーなどの多様な分野に利用可能性がある。特に、個人用コンピュータ、ＰＤＡ(Personal Data Assistants)端末機、医療機器、ＨＤＴＶ(High Definition Television)等で代替ディスプレー装置として利用されうる。そして、ＬＣＤ等に使われるバックライトでも電界放出源としてＣＮＴが使われうる。
このようなＣＮＴを形成するためには、化学気相蒸着(ＣＶＤ；Chemical Vapor Deposition)が一般的に使われる。具体的に、まず基板上に形成された電極の表面にマグネトロンスパッタリグや電子ビーム蒸着によって触媒金属を所定の厚さに蒸着してＣＮＴが成長できる触媒金属層を形成する。次に、ほぼ５００〜９００℃の温度を維持する反応炉内にメタン(ＣＨ４)、アセチレン(Ｃ２Ｈ２)、エチレン(Ｃ２Ｈ４)、エタン(Ｃ２Ｈ６)、一酸化炭素(ＣＯ)または二酸化炭素(ＣＯ２)のような炭素含有ガスとＨ２、Ｎ２またはＡｒガスとを共に注入しながら、触媒金属層の表面から垂直方向にＣＮＴを成長させる。前記のような工程で、熱処理された状態の触媒金属層の表面及び前記触媒金属層の表面から成長されたＣＮＴを撮ったＳＥＭ(Scanning Electron Microsope；走査電子顕微鏡)写真が図１Ａ及び図１Ｂに図示されている。図１Ａ及び図１Ｂを参照すれば、触媒金属層には熱処理によって数十nm程度の比較的大きい粒子が形成され、このような粒子各々に対応する大きさの直径を有するＣＮＴが形成される。
一方、ＣＮＴは、プラズマ補強（エンハンスド）化学気相蒸着(ＰＥＣＶＤ；Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)によって形成されうるので、この場合、ＣＮＴが成長される前の触媒金属層の表面を撮ったＳＥＭ写真が図２に図示されている。図２を参照すれば、触媒金属層には図１Ａに図示された粒子と同じような大きさの粒子が形成される。そして、このような粒子各々に対応する大きさの直径を有するＣＮＴが形成される。
以上のように、従来のＣＶＤによってＣＮＴを形成する場合には、比較的大きい直径を有するＣＮＴが形成される。このようにＣＮＴの直径が大きくなると、このＣＮＴを利用した素子を駆動させるためにその駆動電圧を上げなければならない問題点がある。
本発明は、前記のような問題点を解決するために案出されたものであり、プラズマを利用して微細な直径のＣＮＴを形成できる方法を提供することにその目的がある。
前述した目的を達成するために、本発明に係るＣＮＴの形成方法は、基板上に電極を蒸着する段階と、前記電極上にポリイミド層を形成する段階と、前記ポリイミド層と前記電極表面とをエッチングして前記電極の表面に多数の突起部を形成する段階と、前記突起部間の前記電極の表面に触媒金属層を形成する段階と、及び前記触媒金属層の表面にＣＮＴを形成する段階とを含む。
前記電極は、モリブデン(Ｍｏ)、クロム(Ｃｒ)またはタングステン(Ｗ)からなることが望ましく、この時、前記電極は電子ビーム蒸着方法またはスパッタリグ方法によって蒸着されうる。そして、前記電極の厚さは１０００〜１００００Åであることが望ましい。
前記ポリイミド層は、前記電極上にポリイミドをコーティングし、これをソフトベーキングした後、硬化させて形成することが望ましい。この時、前記ポリイミドはスピンコーティング方法または表面張力を利用する方法によって前記電極上にコーティングでき、前記ポリイミドは９５℃でソフトベーキングがなされ、３５０℃で硬化されることが望ましい。そして、前記ポリイミド層の厚さは数μｍであることが望ましい。
前記電極上に形成された前記ポリイミド層の表面には多数の突起部が形成される。そして、前記電極表面の突起部は、前記ポリイミド層と前記電極表面とをエッチングすることで前記ポリイミド層表面の突起部に対応する形状に形成される。この時、前記電極表面の突起部間の間隔は数nmであることが望ましい。
前記ポリイミド層と前記電極の表面とは、反応イオンエッチング(ＲＩＥ、Reactive Ion Etching)方法によってエッチングされる。ここで、前記ＲＩＥ方法は，反応ガスから発生されたプラズマを利用してエッチングする方法が望ましく、この時前記反応ガスは六フッ化硫黄(ＳＦ６)ガス、酸素(Ｏ２)ガス及びフッ化メタン(ＣＨＦ３、Trifluoromethane)ガスを含まれうる。
前記触媒金属層を形成する段階以前に、前記電極の表面に残っているポリイミドを除去する段階がさらに含まれうる。
前記触媒金属層は、タングステン(Ｗ)、ニッケル(Ｎｉ)、鉄(Ｆｅ)、コバルト(Ｃｏ)、イトリウム(Ｙ)、パラジウム(Ｐｄ)、白金(Ｐｔ)及び金(Ａｕ)のグループから選択された少なくとも一つからなることが望ましい。前記触媒金属層は、スパッタリグ方法または電子ビーム蒸着方法によって形成でき、この時前記触媒金属層の厚さは０.５nm〜２nmであることが望ましい。
前記ＣＮＴは、熱ＣＶＤ方法またはプラズマ補強ＣＶＤ方法によって形成されることが望ましい。この時、前記ＣＮＴは、炭素を含有したガスによって前記触媒金属層の表面から成長形成され、前記炭素を含有したガスはＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ６、ＣＯ及びＣＯ２のグループから選択された少なくとも一つのガスになりうる。
本発明に係るＣＮＴの形成方法によれば、プラズマを利用して電極の表面に多数の突起部を形成し、前記突起部間にＣＮＴを成長させることによって微細な直径のＣＮＴを得られる。したがって、本発明に係る方法によって形成されたＣＮＴが素子に利用されれば、駆動電圧を引き下げ、電界放出特性を向上させうる。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例に係るＣＮＴの形成方法を詳細に説明する。以下の図面で同じ参照符号は同じ構成要素を意味する。
図３Ａないし図３Ｆは、本発明の実施例に係るＣＮＴの形成方法を説明するための図面である。
まず、図３Ａに図示されたように、基板１００上に電極１０２を形成する。前記基板１００には、一般的に硝子基板が使われる。そして、前記電極１０２は、モリブデン、クロムまたはタングステンからなることが望ましい。前記電極１０２は、電子ビーム蒸着やスパッタリグによってほぼ１０００〜１００００Å程度の厚さに蒸着できる。
続いて、図３Ｂに図示されたように、前記電極１０２上にポリイミド層１０４を形成する。具体的に、前記ポリイミド層１０４は、モリブデンからなる電極１０２上にポリイミドを所定の厚さにコーティングし、このコーティングされたポリイミドをソフトベーキングした後、硬化させることで形成される。ここで、前記ポリイミドは、スピンコーティング方法または表面張力を利用する方法によってほぼ数μm程度の厚さに電極１０２上にコーティングできる。そして、電極上にコーティングされたポリイミドは、ほぼ９５℃でソフトベーキングがなされ、ほぼ３５０℃で硬化がなされる。この過程でポリイミドに含まれた有機物が除去される。
図４は、基板１００上の電極１０２上にポリイミド層１０４が形成された状態の断面を示すＳＥＭ写真である。図４を参照すれば、電極１０２上にコーティングされて硬化工程を経たポリイミド層１０４の表面には、微細に突出された部分が多数形成されていることが確認できる。
次に、図３Ｃに図示されたように、前記ポリイミド層１０４をエッチングし始めれば、前記ポリイミド層１０４の表面には多数の突起部１０４ａが形成される。ここで、前記ポリイミド層１０４は、ＲＩＥ方法によってエッチングされることが望ましい。具体的に、反応室内部に反応ガスを注入し、この反応ガスから発生されるプラズマを利用することによって前記ポリイミド層１０４の表面をエッチングし始める。前記反応室内部には,反応ガスとしてＳＦ６ガス、Ｏ２ガス及びＣＨＦ３ガスを各々７.５、９２.５、７.５sccm(Standard Cubic Centimeter per Minute)の流量で流し、この時前記反応ガスの圧力はほぼ６７.５mtorrに維持されることが望ましい。ここで、入力電力はほぼ３２５Ｗであることが望ましい。このように、ポリイミド層１０４の表面がエッチングされ始めれば、前記ポリイミド層１０４の表面には多数の突起部１０４ａが形成される。
前記のようなエッチング工程は、ポリイミド層１０４を経て前記電極１０２の表面がエッチングされる時まで続く。この過程で、エッチングされているポリイミド層１０４の表面には図３cに図示された突起部１０４ａに対応される形状の突起部が続いて維持され、前記電極１０２の表面がエッチングされ始めれば、前記電極１０２の表面にも図３Ｄに図示されたようにポリイミド層１０４の表面に形成された突起部１０４ａに対応する多数の突起部１０２ａが形成される。この時、前記電極１０２表面の突起部１０２ａ間の間隔は数nm程度になる。
図５は、電極１０２の表面に多数の突起部１０２ａが形成された状態を示すＳＥＭ写真である。図５を参照すれば、電極１０２の表面には、ポリイミド層１０４の表面に形成された突起部１０４ａに対応する多数の突起部１０２ａが形成されていることが確認できる。
続いて、前記電極１０２表面の突起部１０２ａ間に残っているポリイミドを除去して電極１０２の表面をクリニングする。
次に、図３Ｅに図示されたように、前記電極１０２表面の突起部１０２ａ間に触媒金属層１０６を形成する。具体的に、スパッタリグまたは電子ビーム蒸着方法によって前記電極１０２の表面に触媒金属を蒸着してＣＮＴが成長できる触媒金属層１０６を形成する。ここで、前記触媒金属層１０６はほぼ０.５〜２nm程度の比較的薄く形成されるため、前記電極１０２表面の突起部１０２ａ間にだけ触媒金属層１０６が形成される。前記触媒金属は、Ｗ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｙ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｕのグループから選択された少なくとも一つからなりうる。
最後に、図３Ｆに図示されたように、電極１０２表面の突起部１０２ａ間にある触媒金属層１０６の表面にＣＮＴ１０８を形成する。このようなＣＮＴ１０８は、熱ＣＶＤ方法またはプラズマ補強ＣＶＤ方法によって成長させて形成できる。詳細には、ほぼ５００〜９００℃の温度を維持する反応炉内に炭素を含有したガスを注入しながら、電極表面の突起部間にある触媒金属層の表面から垂直方向に多数のＣＮＴを成長させる。前記炭素を含有したガスはＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ６、ＣＯ及びＣＯ２のグループから選択された少なくとも一つのガスになりうる。この時、成長されるＣＮＴ１０８は、ほぼ数nm程度の直径を有する。
以上、本発明に係る望ましい実施例が説明されたが、これは例示に過ぎず、当業者なら多様な変形及び均等な他実施例が可能であることを理解できる。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は特許請求範囲により決まるべきである。
本発明のＣＮＴの形成方法は、ＦＥＤなどの電界放出源の製造に適用できる。
１００ 基板
１０２ 電極
１０２ａ 突起部
１０４ ポリイミド層
１０４ａ 突起部
１０６ 触媒金属層
１０８ ＣＮＴ
１０２ 電極
１０２ａ 突起部
１０４ ポリイミド層
１０４ａ 突起部
１０６ 触媒金属層
１０８ ＣＮＴ
Claims (21)
- 基板上に電極を蒸着する段階と、
前記電極上にポリイミド層を形成する段階と、
前記ポリイミド層と前記電極表面とをエッチングして前記電極の表面に多数の突起部を形成する段階と、
前記突起部間の前記電極の表面に触媒金属層を形成する段階と、
前記触媒金属層の表面にカーボンナノチューブを形成する段階とを含むことを特徴とするカーボンナノチューブの形成方法。 - 前記電極は、モリブデン(Ｍｏ)、クロム(Ｃｒ)またはタングステン(Ｗ)のいずれか一つからなることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブの形成方法。
- 前記電極は、電子ビーム蒸着方法またはスパッタリグ方法によって蒸着されることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブの形成方法。
- 前記電極の厚さは、１０００〜１００００Åであることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブの形成方法。
- 前記ポリイミド層は、前記電極上にポリイミドをコーティングし、これをソフトベーキングした後、硬化させて形成されることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブの形成方法。
- 前記ポリイミドは、スピンコーティング方法または表面張力を利用する方法によって前記電極上にコーティングされることを特徴とする請求項５に記載のカーボンナノチューブの形成方法。
- 前記ポリイミドは、９５℃でソフトベーキングがなされ、３５０℃で硬化がなされることを特徴とする請求項５に記載のカーボンナノチューブの形成方法。
- 前記ポリイミド層の厚さは、数μmであることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブの形成方法。
- 前記電極上に形成された前記ポリイミド層の表面には、多数の突起部が形成されたことを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブの形成方法。
- 前記電極表面の突起部は、前記ポリイミド層と前記電極表面とをエッチングすることにより、前記ポリイミド層表面の突起部に対応する形状に形成されることを特徴とする請求項８に記載のカーボンナノチューブの形成方法。
- 前記電極表面の突起部間の間隔は、数nmであることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブの形成方法。
- 前記ポリイミド層と前記電極の表面とは、反応イオンエッチング(ＲＩＥ)方法によってエッチングされることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブの形成方法。
- 前記ＲＩＥ方法は、反応ガスから発生されたプラズマを利用してエッチングする方法であることを特徴とする請求項１２に記載のカーボンナノチューブの形成方法。
- 前記反応ガスは、六フッ化硫黄(ＳＦ６)ガス、酸素(Ｏ２)ガス及びフッ化メタン(ＣＨＦ３)ガスを含むことを特徴とする請求項１３に記載のカーボンナノチューブの形成方法。
- 前記触媒金属層を形成する段階以前に、前記電極の表面に残っているポリイミドを除去する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブの形成方法。
- 前記触媒金属層は、タングステン(Ｗ)、ニッケル(Ｎｉ)、鉄(Ｆｅ)、コバルト(Ｃｏ)、イトリウム(Ｙ)、パラジウム(Ｐｄ)、白金(Ｐｔ)及び金(Ａｕ)のグループから選択された少なくとも一つからなることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブの形成方法。
- 前記触媒金属層は、スパッタリグ方法または電子ビーム蒸着方法によって形成されることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブの形成方法。
- 前記触媒金属層の厚さは、０.５nm〜２nmであることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブの形成方法。
- 前記カーボンナノチューブは、熱化学気相蒸着方法またはプラズマエンハンスド化学気相蒸着方法によって形成されることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブの形成方法。
- 前記カーボンナノチューブは、炭素を含有したガスによって前記触媒金属層の表面から成長させて形成されることを特徴とする請求項１９に記載のカーボンナノチューブの形成方法。
- 前記炭素を含有したガスは、メタン(ＣＨ４)、アセチレン(Ｃ２Ｈ２)、エチレン(Ｃ２Ｈ４)、エタン(Ｃ２Ｈ６)、一酸化炭素(ＣＯ)及び二酸化炭素(ＣＯ２)のグループから選択された少なくとも一つのガスであることを特徴とする請求項２０に記載のカーボンナノチューブの形成方法。
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