JP2013530833A - ナノ粒子形成方法およびナノ粒子形成装置 - Google Patents

ナノ粒子形成方法およびナノ粒子形成装置 Download PDF

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Abstract

基板上に第１の触媒材料の層を形成して熱処理し、第１の複数のナノ粒子を形成する。前記基板および前記第１の複数のナノ粒子上に第２の触媒材料の層を形成して熱処理し、第２の複数のナノ粒子を形成する。前記第１のナノ粒子の層は、前記第２の触媒材料層の堆積や熱処理による影響を受けないという利点を備え、前記第２の層を形成する前に、例えば任意で酸化などにより動かないように固定化されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ナノ粒子を形成する方法および装置、特に、カーボン・ナノチューブ成長の核となる触媒ナノ粒子を基板上に形成する方法および装置を提供するものである。また、本発明は、基板上に触媒ナノ粒子を有する製品を提供するものである。
長年にわたり、集積回路における電子部品のサイズを小さくするという一貫した傾向がみられてきた。現在、銅は、「インターコネクト」（つまり、回路内の「フラット」コネクタ）および「ビア」（つまり、集積回路の異なる層間の「垂直」コネクタ）の製造に用いられる主原料である。現代の集積回路設計においては、インターコネクトおよびビアの望ましいサイズが非常に小さくなっているため、電流密度が制限要因となっている。
カーボン・ナノチューブ（ＣＮＴ）は非常に高い電流密度に対応することができ、従って集積回路のビアおよびインターコネクトにおける銅の代替品として提案されている。しかしながら、このためには、電気抵抗率／抵抗が十分に低いＣＮＴバンドルを作り出すために、ＣＮＴをその場で高密度バンドルに成長させなければならない。これを実現するためには、成長後に導入するのではなく、触媒成長によって直接的に成長させなければならない。高密度ＣＮＴ成長を得るための従来の方法では、触媒材料（例えば、鉄）の薄膜を支持部（例えば、Ａｌ２Ｏ３）に堆積させ、その後熱処理によって薄膜を構成しなおして一連のナノ粒子を形成する。ナノ粒子は、それぞれがＣＮＴの成長のための触媒の「シード（種）」となることができる（例えば、特許文献１に記載のとおり）。しかしながら、この方法を用いたナノ粒子（およびＣＮＴ）の密度は上限がおよそ１０１２ｃｍ−２であることが、簡単な計算でわかる。
この理由のひとつに、触媒ナノ粒子密度Ｎと初期触媒層の厚みｈとの関係が、おおよそＮ≒１／（２４０ｈ２）の関係を追随することがわかっていることがある。層厚ｈを簡単に０．３ｎｍより薄くすることはできず、厚みを０．５ｎｍより薄くする場合には膜が支持部または基板内に消滅／拡散しやすいため注意が必要である。そのため、作り出されるナノ粒子の密度の上限は約１０１２ｃｍ−２に設定されている。
米国特許第６，３５０，４８８Ｂ１号
この方法で形成可能なナノ粒子密度を最大化するための試みがなされてきている。薄い触媒材料層を熱処理する場合、小さいナノ粒子を形成することができるという有利さがあるものの、粒子密度が十分とはならないことがわかっている。より厚い触媒材料層を熱処理する場合、大きなナノ粒子が形成されるという不都合がある。
富士通が用いている代替的な方法がクラスタービーム蒸着法であり、この方法では、Ｃｏ蒸気ビームがナノメートルサイズのクラスターに凝縮されて基板上に蒸着する。しかしながら、クラスター化には開口部が必要であるため、ビームが不都合に狭く、基板の所望の範囲をカバーするために走査しなければならない。これにより、集積回路の商業生産においては、１２インチ（３０ｃｍ）のＳｉウエハーの相対的に非常に広い範囲を走査することが求められることがあり、そのため高価であり、実用的ではない。
導体としてＣＮＴバンドル（フォレスト、アレイ、またはマットの別名でも知られる）を使用することに加えて、同様のＣＮＴ構造を熱界面材料として用いてもよい。ここでも、構造の性能向上のためには高いＣＮＴ密度が望ましい。
本発明は、従来技術における上記問題を解決し、商業的かつ実践的な方法で高密度でのＣＮＴの成長を可能とすることを目的としている。
本発明は、添付の独立請求項に規定される方法、製品、および装置を提供するものであり、これについて以下に記載する。本発明の好適または有利な特徴は、従属請求項に示す。
第１の局面において、本発明はカーボン・ナノチューブ（ＣＮＴ）の成長核となる触媒ナノ粒子を製造する方法であって、以下のステップ（Ａ）および（Ｂ）を含む方法を提供する。ステップ（Ａ）において、基板上に触媒材料の層が形成され、熱処理が施されて、この基板上に複数の触媒ナノ粒子を形成する。ステップ（Ｂ）において、上記基板および基板に形成済みの触媒ナノ粒子の両方に触媒材料の追加層が形成され、熱処理が施されて、この基板上にさらに複数の触媒ナノ粒子を形成する。
この処理が効果的であることは、予期しないことであり、直感でわかるようなものではない。というのも、本発明がなされる前においては、当業者には、ステップ（Ｂ）における第２の触媒材料層の形成および熱処理は基板上に形成済みのナノ粒子の構造を変化させるという不都合がある、および／または形成済みのナノ粒子の存在によりステップ（Ｂ）の熱処理においてナノ粒子をさらに形成する際に不都合な影響があると考えられてきたからである。例えば、ステップ（Ｂ）における触媒材料層の熱処理中、形成済みのナノ粒子が焼結などによってより大きな触媒粒子の成長核となることが予想された。意外にも、本発明者らは、その代わりに、ステップ（Ｂ）における熱処理中の触媒材料層の再構成は基板表面に形成済みのナノ粒子の存在とはほとんど関係がなく、ステップ（Ｂ）は単に基板上に複数の有利に小さい触媒ナノ粒子をさらに形成することができることを発見した。
よって、ステップ（Ａ）は、基板上に第１の複数の触媒ナノ粒子を特定の密度で形成する。その後、ステップ（Ｂ）は、有利には複数の触媒ナノ粒子をさらに形成し、これにより基板表面のナノ粒子の密度を累積的に高めることになる。
ＣＮＴの直径はこのＣＮＴが成長する核のサイズに関係するため、ＣＮＴ成長核となる小さなナノ粒子を形成することが望ましい。よって、基板上に高密度の小さいナノ粒子を設けることにより、直径の小さなＣＮＴを高密度に成長させることができる。上述のように、従来技術からは、堆積された層をアニーリングすることによって基板上に有利に小さなナノ粒子を形成するためには、この層をできるだけ薄いものとしなければならないことが知られている。しかしながら、従来技術からは、どの程度まで薄い層を用いることができるかについては限界があることも知られている。これは、上述のように、形成および熱処理の間にこの層が消滅または基板内に拡散しやすいためである。本発明の実施形態では、その代わりに、ステップ（Ａ）および（Ｂ）において一連の触媒材料層を形成および熱処理することによって、所望のサイズのナノ粒子を製造するために堆積された層の厚さをそれぞれ選択することが可能となり、またこの層の形成および熱処理のステップを繰り返すことでナノ粒子の密度を累積的に高め、よって所望の密度のナノ粒子をつくりあげることができる。
有利には、本発明の好適な実施形態において、ステップ（Ｂ）は、基板上に複数のナノ粒子をさらに形成するために、２回以上繰り返されてもよい。基板上に追加の触媒材料層を繰り返し形成および熱処理すると、基板上により高い密度のナノ粒子を累積的に形成することができるという利点がある。ステップ（Ｂ）の繰り返しにおいては薄い触媒材料層を用いることができるため、ナノ粒子のサイズは有利に小さいものとなる。
好ましくは、ステップ（Ａ）および（Ｂ）、ならびにステップ（Ｂ）の繰り返しにおける各触媒材料層の平均厚さは、１ｎｍ未満であってもよく、または０．７５ｎｍ未満、０．５ｎｍ未満、または０．３ｎｍであってもよい。（この層は必ずしも閉じている必要はなく、不連続または割れがあってもよいが、その場合には平均層厚を考慮する必要がある。）
好ましくは、本発明の方法によって形成されたナノ粒子のサイズは小さい。有利には、直径２ｎｍ未満であってもよい。有利には、基板上に形成されたナノ粒子の少なくとも９０％が直径２ｎｍ未満であってもよい。
本発明の方法は、ＦｅおよびＣｏを含む任意の適切な触媒材料を用いて実施することができる。Ｎｉを用いてもよく、また、Ｆｅ、Ｃｏ、またはＮｉを含む合金を用いてもよい。Ｒｕ、Ｐｄ、およびＭｏ、ならびにこれらの元素を含む合金など、その他の触媒材料もＣＮＴ核生成用として知られており、本発明の実施形態において用いることができる。
ステップ（Ａ）および（Ｂ）、ならびに／またはステップ（Ｂ）の繰り返しにおいて、一連の触媒材料層は同一の触媒材料からなっても、異なる触媒材料からなってもよい。
本発明の別の実施形態において、基板上に形成されたナノ粒子は、基板および存在するナノ粒子上に追加の触媒材料層が形成される前に、酸化またはその他の雰囲気へ露出されてもよい。これは、例えば、この層に熱処理を施してナノ粒子を形成する際に行われてもよい。
これにより、ナノ粒子および／または基板の表面上に酸化またはその他の層を有利に形成することができ、追加層または触媒材料層の形成および熱処理が基板上に形成済みのナノ粒子に不都合な影響を与える傾向を減らすことができる。
基板上に形成済みのナノ粒子上に追加の触媒材料層が形成される場合、存在するナノ粒子が大きく焼結されることを防止することが重要である。このような焼結が起こると、存在するナノ粒子のサイズが大きくなり、新しくナノ粒子を形成するための触媒材料を消費するという不都合がある。焼結は、様々なメカニズムにより防止することが考えられ、存在するナノ粒子を、その上に堆積する追加層の触媒材料に比べて運動性が低いものとする、もしくは固定状態に変換する、または追加層内の材料との相互作用を防止または抑制するなどがある。
上述のように、これを実現する１つの方法としてナノ粒子の酸化があり、例えば、ナノ粒子の形成中または形成後に酸化雰囲気へ露出してナノ粒子の表面に酸化物層を形成してもよい。これには薄い酸化物層が必要となるだけである。酸化物の単原子層を用いることでも十分である。
要求される酸化雰囲気の性質は、ナノ粒子が形成される材料、材料に酸化物層を形成するために必要となる酸素の活量、およびナノ粒子が酸化雰囲気に露出されるときの温度などの要因による。例えば、ナノ粒子がＦｅ（比較的酸化しやすい）を含む場合、ナノ粒子形成（高温で行われてもよい）中の熱処理室内の雰囲気中の酸素分圧が低くても構わない。熱処理中に用いられる従来の不活性雰囲気における酸素分圧であってもよく、この雰囲気は、通常、少量のＯ２および／またはＨ２Ｏを含む。
ＣｏまたはＮｉなどのその他の材料を含むナノ粒子の場合、表面酸化物層を形成するためには、より高い酸素分圧が必要となる。
例として、酸素分圧が約１０−１トールから約１０−６トール、もしくは１０−４トールから１０−６トール、またはＨ２Ｏの分圧が約１０−１トールから１０−５もしくは１０−６トールの雰囲気でよい。雰囲気の分圧を低く制御できる場合には、少なくとも一部の触媒材料ついては分圧を１０−７トールまで下げてもよい。異なる触媒材料は、異なるＨ２ＯまたはＯ２の分圧に露出する必要があってもよい。例えば、Ｆｅは上記範囲の低いほうの分圧に露出されればよく、ＣｏまたはＮｉは同じ範囲の高いほうの分圧に露出されればよい。
Ｎ２Ｏまたは酸化プラズマを含む雰囲気など、その他の酸化雰囲気を用いてもよい。プラズマは、１０−１から１０−３トールの気圧で用いられることが好ましい。還元性雰囲気は不都合となる。
ナノ粒子上には、硫黄または硫化物を含む雰囲気を用いて、硫化物層などの酸化物以外の材料の表面層を形成してもよい。また、酸化物ではなく窒化物を形成するためにＮ２プラズマを用いてもよい（以下の実施例４を参照）。
また、酸化またはその他の雰囲気への露出は、ナノ粒子と基板との間の接着状態を変更し、ナノ粒子を基板へ効果的に固定し焼結しやすさを低減することができる。
酸化またはその他の雰囲気への露出は、通常、３００℃から７５０℃の温度範囲で行うことができる。プラズマへの露出はこの温度範囲であってもよいが、触媒材料の酸化しやすさによっては高温でなくてもよい。処理温度は、基板または基板に付属もしくはその一部を形成する機器や構造の感温性などの要因を考慮して選択することができる。例えば、基板が製造中の電子機器の一部である場合、当該機器のその他の部分が高温に耐えられない可能性がある。このような場合には、通常は４００℃未満の温度が望ましく、そのためナノ粒子形成のためのアニーリングは３００℃から４００℃、または２５０℃から４００℃の温度範囲で行ってもよい。プラズマ処理は、２００℃から２５０℃の温度範囲など、低い温度で行うことができるという利点がある。必要な場合には、基板上の繊細な構造に対するイオン衝撃を防止するため、誘導結合プラズマを用いると有利である。
本発明者らは、酸化物の形成、またはナノ粒子の運動性を低減もしくはナノ粒子を固定化する代替的なアプローチが、次にＣＮＴの成長核を生成するナノ粒子の能力、またはＣＮＴの電気伝導率に対して必ずしも有害な影響を持つわけではないことを発見した。これは、含まれる材料および／または粒子の固定化に関連する酸化物、酸化物層、もしくはナノ材料の厚さに依存する。しかしながら、酸化物の形成またはナノ粒子の運動性を低減するその他のアプローチがＣＮＴ成長または伝導率に悪影響を与える場合には、ナノ粒子は、ＣＮＴを成長させる前に、金属状態に戻したりＣＮＴ成長に適した状態に変換されたりしてもよい。例えば、ナノ粒子が酸化した場合、例えば還元性雰囲気またはプラズマなどの適切な還元剤に露出することによって、ＣＮＴ成長の前に還元することができる。また、ＣＮＴ成長は、酸化物を低減するために十分に還元された雰囲気中で行ってもよい。
本発明の別の実施形態は、酸化雰囲気へ露出するステップの前に、例えばスパッタリングによって基板上および基板に形成されたナノ粒子上に薄いＡｌ層を堆積するステップを含んでもよい。これにより酸化雰囲気への露出中に薄いＡｌ２Ｏ３の層を形成することができ、存在するナノ粒子とその後形成された触媒材料層との間の分離性を向上することができるという利点がある。意外なことに、本発明者らは、このようなＡｌ２Ｏ３層の存在は次にＣＮＴの成長核を生成するナノ粒子の能力に影響を与えず、またこの層がＣＮＴの電気伝導率に影響しない程度に薄いことを発見した。結果として生じるＡｌ２Ｏ３層が不連続となるほど薄い層としてＡｌ層を堆積すると、次にＣＮＴの成長核を生成するナノ粒子の触媒効果および層の電気抵抗に対する層の影響を最小限とするために有利である。
Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、またはＨｆなど、Ａｌ以外の材料を同様に用いてもよい。
次にＣＮＴの成長核を生成するナノ粒子の能力に有害な影響を与える、またはＣＮＴの電気伝導率に影響を与えるようなＡｌ２Ｏ３またはその他の材料のより厚い層が形成される場合には、還元性雰囲気またはプラズマなどの適切な還元剤に露出することによってＣＮＴを成長させる前に酸化物を金属状態に戻してもよい。また、ＣＮＴ成長は、酸化物を低減するために十分に還元された雰囲気中で行ってもよい。
基板は、任意の適切な材料から形成されてよい。例として、アルミナ、シリカ、酸化前処理が施されたシリカ、シリサイド、および窒化物が挙げられる。ＣＮＴが電気伝導のために成長させられる場合には、基板は導電性の金属シリサイドまたは金属窒化物などの導体であると有利である。
ナノ粒子が形成される基板は、別の下層材料上に形成または堆積された適切な基板材料のコーティングまたは層を含む。Ａｌ２Ｏ３またはその他の電気絶縁体が用いられる場合には、基板の電気または熱抵抗を最小限とするために、一般には非常に薄い層とすることが求められる。例えば、従来技術においては、非常に薄いＡｌ２Ｏ３表面層を形成するＡｌ９９．５ｗｔ％／Ｃｕ０．５ｗｔ％の合金が用いられてきた。
触媒材料層を熱処理する処理は、層にアニーリングを施してナノ粒子としての水滴や小滴を形成することを含む。通常、熱処理は、触媒材料層および基板を所定のアニール温度まで温度上昇させるステップと、所定の時間、所定のアニール温度に温度を維持するステップとを含む。本発明者らは、ステップ（Ａ）および（Ｂ）において異なる割合で所定のアニール温度まで温度上昇させることが有利であることを発見した。ステップ（Ａ）における温度上昇の割合が、ステップ（Ｂ）および／またはステップ（Ｂ）の繰り返しにおける温度上昇の割合よりも高いことが好ましい。
有利には、本発明の第１の局面の方法は、基板上に５×１０１２ｃｍ−２、または１０１３ｃｍ−２、または好ましくは５×１０１３ｃｍ−２、または特に好ましくは１０１４ｃｍ−２以上の密度でのナノ粒子の形成を実現することができる。
このナノ粒子密度は、同等の密度でＣＮＴを成長させるために用いることができ、これは有利には抵抗率が非常に低く非常に高い電流密度で流すことができる電気インターコネクトを設けることができるほど高い。
第２の局面において、本発明は、ＣＮＴの成長核となる触媒ナノ粒子が設けられた基板を提供することができるという利点がある。これは上述のように製造することができる。
有利には、基板上のナノ粒子の分布は、従来技術のように単一の触媒材料層の熱処理によっては形成することができないようなものであってもよい。よって、上述のように、従来の単一の触媒材料層を熱処理する方法では、ナノ粒子密度を約１０１２ｃｍ−２以上とすることはできない。一方、本発明の実施形態は、５×１０１２ｃｍ−２、１０１３ｃｍ−２、好ましくは５×１０１３ｃｍ−２、または特に好ましくは１０１４ｃｍ−２を越える密度で触媒ナノ粒子を担持する基板を提供することが出来る。好ましくは、ナノ粒子は有利に小さいサイズであってもよく、例えば、ナノ粒子の少なくとも９０％が直径２ｎｍ未満であってもよい。
本発明を具体化する触媒ナノ粒子が設けられた基板としての製品の製造は、２つ以上の触媒材料層または膜を連続して形成および熱処理することが含まれる。従って、この製品は、数種類の個別に識別可能な複数のナノ粒子を含む。例えば、ステップ（Ａ）において形成されるナノ粒子はステップ（Ｂ）においても追加的に熱処理が施され、またステップ（Ａ）および（Ｂ）で用いられる熱処理が異なる場合には異なる熱処理を用いて形成されるため、ステップ（Ａ）において形成される複数のナノ粒子はステップ（Ｂ）において形成されるナノ粒子から識別および区別が可能である。例えば、触媒材料層に対して異なる熱処理を施すことにより、サイズまたは基板上の空間分布が異なるナノ粒子を製造することができる。同様に、ステップ（Ｂ）が繰り返された場合、基板上に３種類以上の個別に識別可能な複数のナノ粒子を形成することができる。
厚さが異なる触媒材料層の熱処理により、サイズおよび／または空間分布が異なるナノ粒子を製造することができることが知られている。従って、ステップ（Ａ）および（Ｂ）（およびその後のステップ（Ｂ）の繰り返し）において厚さが異なる触媒材料層が用いられた場合、この製品は、サイズおよび／または空間分布が異なる２種類以上の個別に識別可能な複数のナノ粒子を含むことができる。
製品の製造中、追加の触媒材料層の形成前に基板および第１のまたはその後の複数のナノ粒子が酸化雰囲気に露出された場合、または追加の触媒材料層の形成前にＡｌまたはその他の材料の層が堆積された場合には、異なるステップにおいて形成された種類の異なる複数のナノ粒子は異なる材料または異なる表面層を含んでもよい。例えば、各触媒材料層（第１の触媒材料層を除く）の形成前にアルミニウム層が堆積された場合、最後に行われるステップ（Ｂ）で形成された複数のナノ粒子を除いて、全てのナノ粒子がＡｌ２Ｏ３の表面層を含んでもよい。ある実施形態においては、ステップ（Ａ）およびステップ（Ｂ）を行い、ステップ（Ｂ）を繰り返すことによって３種類の複数のナノ粒子が形成されて、各回のステップ（Ｂ）の前にＡｌ層が堆積された場合、ステップ（Ａ）において形成されたナノ粒子はＡｌ層の堆積を２回施されることになる。そして、最終製品を検査すれば、ステップ（Ａ）において形成された２倍の厚さのＡｌ２Ｏ３に覆われた第１の複数のナノ粒子、第１のステップ（Ｂ）において形成された単一のＡｌ２Ｏ３の層に覆われた第２の複数のナノ粒子、第２のステップ（Ｂ）において形成されたＡｌ２Ｏ３の層に覆われていない第３の複数のナノ粒子があることが明らかになる。
各種類の複数のナノ粒子がその後の触媒材料層の形成前に酸化雰囲気に露出されているナノ粒子が設けられた基板についても、同様のパターンが認められる。これは、異なる種類の複数のナノ粒子の酸化雰囲気への露出回数が他の複数のナノ粒子よりも多かったり少なかったりするためである。
また、触媒ナノ粒子が設けられた基板の製造中、一連の触媒材料層に異なる材料が用いられた場合、この製品は異なる触媒材料から形成された別々の複数のナノ粒子を含むことになる。
本発明の別の局面は、上述のように、触媒ナノ粒子が設けられた基板上に成長させたカーボン・ナノチューブから形成される導電要素を提供する。
また、別の局面によれば、本発明は、上述のように、カーボン・ナノチューブから形成される導電要素を備える電子機器を提供する。
さらに別の局面によれば、本発明は、有利には、基板上にＣＮＴの成長核となる触媒ナノ粒子を製造する装置を提供する。この装置は、基板上に触媒材料の層を形成するためのリアクタと、この触媒材料層に熱処理を施して複数の触媒ナノ粒子を形成するためのヒータと、当該装置を制御するコントローラとを備える。このコントローラは、有利には、触媒材料層の形成と熱処理を繰り返して１種類以上の複数の触媒ナノ粒子をさらに形成するようこの装置を制御する。
この装置は、有利には、例えば、基板およびこれに形成されたナノ粒子を本明細書に記載の酸化雰囲気もしくはその他の雰囲気もしくはプラズマに露出するための酸化装置などの装置として、ならびに／またはＡｌ（またはＣｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、もしくはその他の適切な材料）の層を堆積および／もしくは酸化させて、追加の触媒材料層が形成される前にナノ粒子の運動性を低減または固定化するための中間リアクタとして、ナノ粒子固定またはナノ粒子固定化リアクタを備えてもよい。このナノ粒子固定リアクタ（酸化装置および／または中間リアクタ）は、各触媒材料層を形成および熱処理するリアクタと同一であってよく、コントローラにより適切に制御される。このリアクタまたは酸化装置は、ナノ粒子を形成するための熱処理中に、任意で酸化雰囲気への露出を行ってもよい。
上述の本発明の各種の局面において、各触媒材料層への熱処理、例えば、層にアニーリングを施して水滴、小滴、またはナノ粒子を形成することについて説明した。この熱処理は、任意の適切な方法で適用されてよい。例えば、基板および触媒材料層は、ファーネスもしくはその他のリアクタで加熱されてもよいが、例えば、レーザーで触媒材料層の表面を走査することによるレーザー加熱などの、エネルギービームを走査するなどといった他の方法を用いることもできる。
以下、本発明の具体的な実施形態を、以下の図面を参照して例として説明する。
図１は、第１の複数のナノ粒子形成後における基板のＡＦＭ（原子間力顕微鏡）画像である。 図２は、第２の複数のナノ粒子形成後における図１の基板のＡＦＭ画像である。 図３は、本発明の実施形態にかかるナノ粒子製造装置を示す図である。 図４は、本発明を実現するカーボン・ナノチューブのバンドル形成における３つのステップの模式図である。 図５は、ＣＮＴバンドルの形をとった垂直インターコネクトを有する、本発明の実施形態によって製造された電子構造の模式図である。
（実施例１）
本発明の第１の実施例において、第１および第２の複数のＦｅナノ粒子がＡｌ２Ｏ３基板上に形成された。第１の複数のナノ粒子（ステップ（Ａ））の形成手順は以下のとおりであった。
平均の厚さが０．３ｎｍのＦｅ層が、蒸着によって基板に堆積させられた。Ｆｅ層を有する基板がアニール室に送られ、ここで基板およびＦｅ層が７５℃／ｍｉｎで室温から７００℃まで過熱されて７００℃で数分間維持された。アニーリング処理は、Ａｒ：Ｈ２がアニール室を１バールで０．５Ｌ／ｍｉｎ（Ａｒ）および０．２Ｌ／ｍｉｎ（Ｈ２）で流れる雰囲気中で行われた。アニール室は、煙管の形をとっていた。
図１は、この第１のステップ（Ａ）の後における、基板上の触媒ナノ粒子の分布を示す図である。（ＡＦＭ画像中のナノ粒子の画像サイズは、実際のナノ粒子のサイズよりも大きくてもよい。）その後、第２の複数のナノ粒子（ステップ（Ｂ））が以下のようにして形成された。
第１の複数のナノ粒子を担持する基板が空気中をリアクタに送られ、ここで平均の厚さが０．３ｎｍの追加Ｆｅ層が基板および第１の複数のＦｅナノ粒子の両方に蒸着によって堆積させられた。その後、このＦｅの第２の層を担持する基板がアニール室に送られ、基板およびＦｅ層が２５℃．ｍｉｎ−１というより低率で室温から７００℃まで過熱されることを除いては、上記第１の層と同じ方法で熱処理された。
この第２のステップ（ステップ（Ｂ））において、図２に示すように第２の複数のＦｅナノ粒子が形成された。図２には、ステップ（Ａ）および（Ｂ）において形成された２つの別個の複数のナノ粒子がはっきりと示されている。ステップ（Ａ）で形成されたナノ粒子は、ステップ（Ｂ）で形成されたナノ粒子よりも直径が大きく、次のＦｅ層の堆積および熱処理の影響をそれほど大きく受けていない。図２には、第１の複数のより大きく間隔の広いナノ粒子と第２の複数のより小さくより密集したナノ粒子がはっきりと示されている。
（実施例２）
第２の実施例において、実施例１と同様にＡｌ２Ｏ３基板が用いられた。まず平均の厚さが０．３ｎｍのＦｅ層が蒸着によって基板に堆積させられ、その後、平均の厚さが０．３ｎｍのＡｌの層がもう一度蒸着によって堆積させられた。堆積した層（ＦｅおよびＡｌの副層を含む）を有する基板がアニール室に送られ、実施例１のステップ（Ａ）と同じ方法で熱処理された。
これにより、基板上に第１の複数のＦｅ／Ａｌナノ粒子が形成された。その後、平均の厚さが０．３ｎｍの追加Ｆｅ層が、基板および複数のＦｅ／Ａｌナノ粒子上に蒸着によって堆積させられ、熱処理のために実施例１のステップ（Ｂ）と同じ条件下でアニール室に送られた。
これにより、上記ステップ（Ａ）において形成された第１の複数のナノ粒子の中に分散して第２の複数のナノ粒子が形成された。なお、この場合、２種類の複数のナノ粒子は互いに組成が異なり、第１の複数のナノ粒子はＦｅ／Ａｌから形成され、第２の複数のナノ粒子はＦｅから形成される。
（実施例３）
本発明の第３の実施例において、第１および第２の複数のＦｅナノ粒子がＡｌ２Ｏ３基板上に形成された。第１の複数のナノ粒子（ステップ（Ａ））の形成手順は以下のとおりであった。
平均の厚さが０．３ｎｍのＦｅ層が、蒸着によって基板に堆積させられた。その後、７００℃の温度で、数分間、Ａｒ：Ｈ２がアニール室を１バールで０．５Ｌ／ｍｉｎ（Ａｒ）および０．２Ｌ／ｍｉｎ（Ｈ２）で流れる雰囲気において、Ｆｅ層を有する基板をアニーリングした。この雰囲気は、約１０−６トールの分圧でＨ２Ｏを含んだ。
その後、平均の厚さが０．３ｎｍの追加Ｆｅ層が、基板および第１の複数のＦｅナノ粒子の両方に蒸着によって堆積させられた。そして、このＦｅの第２の層を担持する基板は、上記第１の層と同じ方法で熱処理された。
この第２のステップ（ステップ（Ｂ））において、第２の複数のＦｅナノ粒子が形成された。
図３は、この方法の実施に適した、リアクタ２、リアクタの温度を制御するプログラム可能なコントローラ４、およびリアクタ内の雰囲気の組成および気圧を制御するガス制御部６を有する装置を示す図である。このリアクタは、アニーリングに先立って基板上に各層を形成する堆積手段を含む。同様の装置を次の実施例４においても用いてよい。
（実施例４）
本発明の第４の実施例において、第１および第２の複数のＦｅナノ粒子がＡｌ２Ｏ３基板に形成された。第１の複数のナノ粒子（ステップ（Ａ））の形成手順は以下のとおりであった。
平均の厚さが０．３ｎｍのＦｅ層が、蒸着によって基板に堆積させられた。その後、Ｆｅ層をナノ粒子に変え、このナノ粒子を固定状態に変換するために、Ｆｅ層を有する基板に２３０℃のＯ２プラズマ中で数分間酸化処理を行った。これには、Ｎ２プラズマ処理も効果的である。
その後、平均の厚さが０．３ｎｍの追加Ｆｅ層が、基板および第１の複数のナノ粒子の両方に蒸着によって堆積させられた。そして、このＦｅの第２の層を担持する基板は、上記第１の層と同じ方法でプラズマ処理され、第２の複数のＦｅナノ粒子が形成された。
（実施例５）
第５の実施例において、第１のＦｅ層を堆積およびアニーリングして第１の複数のナノ粒子を形成した後（ステップ（Ａ））、平均厚さを０．２ｎｍのＡｌの層が第１の複数のナノ粒子および基板上に蒸着によって堆積したことをのぞいては、実施例１と同じ処理パラメータを用いて第１および第２の複数のＦｅナノ粒子がＡｌ２Ｏ３基板に形成された。さらにＦｅ堆積を行うために第１の複数のナノ粒子およびＡｌ層を担持する基板が空気中をアニール室からリアクタへ送られたときに、Ａｌ層が酸化してＡｌ２Ｏ３の表面層を形成した。これによって、第２の複数のナノ粒子を形成するための追加Ｆｅ層の堆積およびアニーリング中に、第１の複数のナノ粒子を固定化し、第１の複数のナノ粒子がこれ以上焼結しないようにした。
上記の実施例のいずれにおいても、最終製品中のナノ粒子の少なくとも一部が酸化物の形をとっている、または表面酸化物層を含んでいる、またはナノ粒子がさらに形成される前に動かないように固定化されている。必要ならば、ＣＮＴ成長の前に酸化物を還元するために、ナノ粒子を、所定の時間、所定のガスまたはプラズマ濃度および温度で、Ｈ２またはＮＨ３の還元性雰囲気など、還元剤に露出してもよい。
図４は、カーボン・ナノチューブのバンドルの製造を示す図である。図４の左手に示す第１のステップにおいて、触媒材料層１２が基板１４に堆積させられる。基板および触媒材料層は、上述のようにアニーリングされて、基板上に複数のナノ粒子１６を形成する。その後、さらにナノ粒子１８を形成するために、上述のようにステップ１および２が繰り返される。最後に、図４のステップ３に示すように、各触媒ナノ粒子上にカーボン・ナノチューブ１０が成長して、ナノチューブのバンドルが形成される。
図５は、ＣＮＴのバンドルから形成される垂直インターコネクトを有する電子機器の模式図である。基板１４上に、ソースコンタクト２２、ゲート電極２４、およびドレイン電極２５を備えるＦＥＴ（電界効果トランジスタ）２０が形成される。適切なマスキングを行った後、本発明の実施形態を用いて触媒ナノ粒子がソース、ゲート、ドレイン上に形成され、ＣＮＴのバンドルの形で垂直インターコネクト２６の成長の核を設ける。この垂直インターコネクトは、既知の方法で、金属間誘電体層２８を通って水平インターコネクト３０に接触する。

Claims (25)

  1. カーボン・ナノチューブ（ＣＮＴ）の成長核となる触媒ナノ粒子を製造する方法であって、
    （Ａ）基板上に触媒材料の層を形成し、前記層に熱処理を施して複数の触媒ナノ粒子を形成するステップと、
    （Ｂ）前記基板および前記触媒ナノ粒子上に触媒材料追加層を形成し、前記追加層に熱処理を施してさらに複数の触媒ナノ粒子を形成するステップと、
    を含む方法。
  2. ステップ（Ｂ）が繰り返されて、さらに追加で１種類以上の複数のナノ粒子を形成する、請求項１に記載の方法。
  3. 各触媒材料層の平均厚さが１ｎｍ未満である、請求項１または請求項２に記載の方法。
  4. 前記層および前記追加層のうち１つ以上が閉じていない、請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の方法。
  5. 前記層および前記追加層が同一材料からなる、請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の方法。
  6. 前記層および前記追加層が全て同一材料からなるわけではない、請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の方法。
  7. 前記層および前記追加層のうち少なくとも１つが複数の副層を有する複合層である、請求項１から請求項６のいずれか１つに記載の方法。
  8. 前記ナノ粒子の少なくとも９０％が直径２ｎｍ未満である、請求項１から請求項７のいずれか１つに記載の方法。
  9. 前記触媒材料がＦｅ、Ｃｏ、またはＮｉを含む、請求項１から請求項８のいずれか１つに記載の方法。
  10. 前記基板が、アルミナ、シリカ、酸化前処理が施されたシリカ、金属シリサイド、および金属窒化物からなる群から選択される材料を含む、請求項１から請求項９のいずれか１つに記載の方法。
  11. 前記基板上に、５×１０１２ｃｍ−２もしくは１０１３ｃｍ−２、または好ましくは５×１０１３ｃｍ−２、または特に好ましくは１０１４ｃｍ−２以上の密度でナノ粒子を形成する、請求項１から請求項１０のいずれか１つに記載の方法。
  12. 各熱処理は所定のアニール温度まで温度を上昇させるステップを含み、ステップ（Ａ）における温度上昇の割合はステップ（Ｂ）よりも高い、請求項１から請求項１１のいずれか１つに記載の方法。
  13. 前記または各触媒材料追加層が形成される前に、前記基板および前記基板上に形成された前記ナノ粒子を、プラズマなどの酸化もしくは窒化雰囲気、または硫黄もしくは硫化物を含む雰囲気に露出するステップを含む、請求項１から請求項１２のいずれか１つに記載の方法。
  14. 酸化またはその他の雰囲気への露出は、熱処理を施して前記ナノ粒子を形成する際に行われる、請求項１３に記載の方法。
  15. 前記基板および前記基板上に形成された前記ナノ粒子上にＡｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、ＺｒおよびＨｆからなる群から選択された材料を含む層を堆積させるステップと、その後前記堆積した層を酸化雰囲気に露出するステップとを含む、請求項１３または請求項１４に記載の方法。
  16. カーボン・ナノチューブの成長核となる触媒ナノ粒子であって、請求項１から請求項１５のいずれか１つに記載の方法を用いて製造された触媒ナノ粒子が設けられた基板。
  17. 触媒ナノ粒子が設けられた基板上に成長させたカーボン・ナノチューブから形成される導電要素を備え、
    前記ナノ粒子が請求項１から請求項１５のいずれか１つに記載の方法を用いて製造される、電子機器。
  18. カーボン・ナノチューブの成長核となる触媒ナノ粒子が設けられた基板であって、前記ナノ粒子が、同一基板上に形成された第１および第２の複数のナノ粒子を含む、基板。
  19. 触媒ナノ粒子が設けられた基板上に成長させたカーボン・ナノチューブから形成される導電要素を備え、
    前記ナノ粒子が、同一基板上に形成された第１および第２の複数のナノ粒子を含む、電子機器。
  20. カーボン・ナノチューブの成長核となる触媒ナノ粒子を製造する装置であって、
    基板上に触媒材料層を形成するためのリアクタと、
    前記触媒材料層に熱処理を施して複数の触媒ナノ粒子を形成するためのヒータと、
    前記触媒材料層の形成と前記熱処理を繰り返すよう前記装置を制御して、１種類以上の複数の触媒ナノ粒子をさらに形成するためのコントローラとを備える、装置。
  21. 第２およびこれにつづく触媒材料層が形成される前に、前記基板および前記基板上に形成済みの前記ナノ粒子を、プラズマなどの酸化もしくは窒化雰囲気または硫黄もしくは硫化物を含む雰囲気に露出する酸化装置をさらに備える、請求項２０に記載の装置。
  22. 前記酸化雰囲気への各露出の前に、前記基板および前記基板上に形成済みの前記ナノ粒子上にＡｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、ＺｒおよびＨｆからなる群から選択された材料を含む層を堆積させるための、中間リアクタをさらに備える、請求項２１に記載の装置。
  23. 基板上に実質的に図面を参照して本明細書で説明される触媒ナノ粒子を製造する方法。
  24. 実質的に図面を参照して本明細書で説明される触媒ナノ粒子が設けられた基板。
  25. 実質的に図面を参照して本明細書で説明される触媒ナノ粒子が設けられた基板上に成長させたカーボン・ナノチューブから形成される導電要素を備える電子機器。
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