JP4546428B2 - カーボンナノチューブのマトリックスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、カーボンナノチューブのマトリックスの製造方法に関し、特に、成長方向が制御可能なカーボンナノチューブのマトリックスの製造方法に関する。

カーボンナノチューブは、新型の炭素材料であり、日本の研究員イイジマよって１９９１年に発見された。カーボンナノチューブは特有の電気特性を有するので、ナノ集積回路、単分子素子などの研究及び開発に重要な地位を占める。現在、カーボンナノチューブの特性を利用して、実験室に電界放出チューブやＮＯＲゲート型の部材などを製造できる。しかし、電子素子の量産及び実用に対応して、カーボンナノチューブの成長の位置、方向、寸法、螺旋度の制御を可能にすることが必要となる。

それに対応して、非特許文献１に、触媒パターン（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｃａｔａｌｙｓｔ）によってカーボンナノチューブを成長させる方法が記載されている。また、非特許文献２に、カーボンナノチューブのマトリックスを基材に対し垂直となるように成長させる方法が記載されている。さらに、非特許文献３に、基材の形状を制御することによって、カーボンナノチューブを三次元の基材の各表面に対し垂直となるように成長させる方法が記載されている。

しかし、上述の方法によれば、カーボンナノチューブを異なる方向に向けて成長させるように制御することができない。

これに対し、非特許文献４に、電界効果を利用して、カーボンナノチューブを電界の方向に向けて成長させる方法が提案されている。また、非特許文献５に、カーボンナノチューブを磁界の方向に向けて成長させる方法が提案されている。
「Ｓｅｌｆ−Ｏｒｉｅｎｔｅｄ Ｒｅｇｕｌａｒ Ａｒｒａｙｓ ｏｆ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ａｎｄ Ｔｈｅｉｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ」、Ｓｈｏｕｓｈａｎ Ｆａｎ著、「Ｓｃｉｅｎｃｅ」、第２８３巻、第５１２−５１４頁 、１９９９年 「Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ Ｌａｒｇｅ Ａｒｒａｙｓ ｏｆ Ｗｅｌｌ−Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｏｎ Ｇｌａｓｓ」、Ｚ.Ｆ.Ｒｅｎ著、「Ｓｃｉｅｎｃｅ」第２８２巻、第１１０５−１１０７頁、１９９８年 「Ｏｒｇａｎｉｚｅｄ Ａｓｓｅｍｂｌｙ ｏｆ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ」、Ｂ.Ｑ.Ｗｅｉ著、「Ｎａｔｕｒｅ」第４１６巻、第４９５−４９６頁、２００２年 「Ｌａｔｅｒａｌ Ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｍｕｌｔｉｗａｌｌｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｕｎｄｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｆｉｅｌｄ」、Ｙｏｏｎ−Ｔａｅｋ Ｊａｎｇ著、「Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ」、第１２６巻、第３０５−３０８頁、２００３年 「Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｇｒｏｗｔｈ Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ」、Ｋｉ−Ｈｏｎｇ Ｌｅｅ著、「Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ」、第７９巻、第１７０１号、２００１年

しかし、上述の方法は、部材の数量が増加し、電界及び磁界の特性が原因で局部のカーボンナノチューブを異なる成長方向に向けて成長させることが実現できないという課題がある。

従って、前記課題を解決するために、カーボンナノチューブのマトリックスを異なる成長方向に成長させることができるカーボンナノチューブのマトリックスの成長方法を提供することを本発明の目的とする。

本発明に係るカーボンナノチューブのマトリックスの成長方法は、マスクを有する基材を準備する段階と、前記マスクの一部を遮るように前記基材の上方に触媒スパッタ装置を設置し、前記触媒スパッタ装置から飛び出した触媒が前記基材に堆積されて触媒膜が形成される段階と、前記マスクを除去して、前記触媒膜の最良の成長区域を測定する段階と、前記触媒膜が形成された前記基材を焼鈍しをする段階と、炭素を含むガスを導入し、前記最良の成長区域から離れて異なる方向に向けて湾曲するようにカーボンナノチューブのマトリックスを前記触媒膜に成長させる段階と、を含む。

前記基材に焼鈍しをする前に、前記基材に形成された触媒膜は、前記マスクに近い端部から前記マスクから遠い端部まで次第に厚くなる台形の形状に形成され、前記台形の触媒膜のある厚さは前記最良の成長区域の厚さに接近する

前記マスクは厚膜フォトレジスト、犠牲層に形成された金属又は金属の酸化物、金属の窒化物のいずれか一種である。

また、前記触媒膜の最良の成長区域を測定する段階は、マスクを有する基材に触媒を堆積させて次第に厚くなる触媒膜を形成する段階と、前記触媒膜にカーボンナノチューブのマトリックスを成長させる段階と、前記カーボンナノチューブのマトリックスにおける最高のカーボンナノチューブの成長位置を前記触媒膜の最良の成長区域として測定する段階と、含む。

従来技術と比べて、本発明に係るカーボンナノチューブのマトリックスの成長方法は、基材の形状の変化が必要なく、電界を利用せずに、触媒スパッタ装置及びマスクを利用して、基材に次第に厚くなる台形の触媒膜を堆積し、異なる方向に向けてカーボンナノチューブのマトリックスを成長させることができる。従って、本発明に利用の設備が便利で、製造工程を簡単にする。本発明によって得られるカーボンナノチューブのマトリックスを電気素子として利用すれば、電気装置の部材の数量が減少し、多種の電気装置に利用されることができる。

（実施例１）
以下、図１乃至図６を参照して、本発明の実施例１に係るカーボンナノチューブのマトリックスの成長方法について説明する。

図１を参照して、基材１０を準備する。この基材１０はシリコン、ガラス、金属などのうちいずれか一種から成るものであるが、本実施例においてはシリコンである。前記基材１０の一端にマスク４０を設置する。前記マスク４０は厚膜フォトレジスト、犠牲層に形成された金属又は金属の酸化物、金属の窒化物などのいずれか一種である。前記マスク４０の上方に、線形の触媒スパッタ装置２０を配置する。前記マスク４０は、ある程度の厚さが形成され、前記触媒スパッタ装置２０の一部を遮るように構成される。前記マスク４０は立方体、長方体、円柱体などのいずれかで形成されてもよいが、本実施例では長方体に形成される。さらに、前記マスク４０は複数の孔を有する板材である場合、前記基材１０に貼り付けるように設けられればよい。

さらに、前記マスク４０は前記基材１０に垂直な側面４２を有する。前記マスク４０の厚さは、前記触媒スパッタ装置２０から飛び出した触媒の原子の平均自由行程より小さく設定される。前記触媒の原子の平均自由行程Ｓは次式を満足する。

ここで、ｄは前記触媒原子の直径とされ、ｐは前記触媒堆積工程における気体圧力とされ、ｋはボルツマン定数（１.３８０６６×１０^−２３ Ｊ／Ｋ (Ｊｏｕｌｅ ｐｅｒ ｋｅｌｖｉｎ)）であり、Ｔは前記触媒堆積工程における気体温度である。従って、例えば、前記気体温度が０℃、前記気体圧力が１Ｐａとされれば、Ｆｅ触媒原子の平均自由行程は５．５×１０^−３ｍになる。

前記触媒スパッタ装置２０からの触媒は前記基材１０に均一的に堆積させるために、前記触媒スパッタ装置２０と前記基材１０との離間距離は前記触媒スパッタ装置２０からの触媒原子の平均自由行程の十倍より大きくするように、前記触媒スパッタ装置２０を前記基材１０の上方に設置する。前記マスク４０は所定の厚さを有し、前記触媒スパッタ装置２０の一部を遮るので、前記触媒スパッタ装置２０から飛びした触媒は前記マスク４０で遮られ前記基材１０の一端に堆積し、前記マスク４０から離れる方向に沿って、次第に厚くなる台形の触媒膜３０が形成される。前記触媒はＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ又はそれらの合金のうちいずれか一種であってもよいが、本実施例ではＦｅを触媒として利用する。従って、前記触媒膜３０は、基材１０のマスク４０に近い一端に、より薄い部分が形成され、該薄い部分の厚さが１ｎｍ〜１０ｎｍであり、マスク４０から遠い一端に、より厚い部分が形成され、該厚い部分の厚さが５ｎｍ〜２０ｎｍである。

前記触媒スパッタ装置２０が動作する場合、該触媒スパッタ装置２０は前記基材１０に相対して静止し、又は前記基材１０と平行な方向に沿って移動する。例えば、前記触媒スパッタ装置２０が紙面に垂直な方向に設置される場合、該触媒スパッタ装置２０は前記基材１０に対向して、紙面に垂直な方向に移動し、前記側面４２の左側に大面積の台形の触媒膜３０が形成される。また、前記触媒スパッタ装置２０としては点状の触媒スパッタ装置が利用できる。点状の触媒スパッタ装置を利用することにより、前記基材１０に大面積の台形の触媒膜を形成することができる。

本実施例において、前記触媒膜３０の厚さＴ(λ)は次式を満足する。

ここで、λは触媒膜３０から前記側面４２までの距離とされ、Ｔ_０は前記マスク４０が設置されない場合に、前記基板１０に堆積して形成された触媒膜の厚さとされ、ｈは前記マスク４０の厚さとされる。

式（２）から分かるように、前記触媒膜３０は前記側面４２に最も近い部分の厚さがＴ_０／２、前記側面４２までの距離が前記マスク４０の厚さより大きい部分の厚さがＴ_０になる。また、前記触媒膜３０の厚さが変化する部分の幅が前記マスク４０の高さの２倍程度である場合、即ち、λが０〜２ｈとされる場合、前記触媒膜３０の厚さ方向での変化が著しく見られる。従って、前記の効果を得るために、前記マスク４０の側辺により形成される陰は、カーボンナノチューブを成長させようとする領域を完全に遮るように設置される。例えば、前記マスク４０の厚さが０．１μｍ〜１０ｍｍとされる場合、前記陰の長さは０．２μｍ〜２０ｍｍにすればよい。前記陰の範囲は、触媒スパッタ装置２０を光源と仮想する場合、該光源からの光がマスク４０によって基材１０に形成される陰が強く遮られる部分と定義される。

図２を参照すると、前記マスク４０を除去した後、カーボンナノチューブの成長方向を制御するために、前記触媒膜３０の最良の成長区域３２を測定する。前記触媒膜３０は一端から他端まで薄くなって形成される。また、この触媒膜３０において、カーボンナノチューブを所定のＣＶＤ条件及び最適の速度で成長させる場所は最良の成長区域と定義される。ここで言う最良の成長区域は次のような実験で獲得できる。即ち、第一段階では、マスクを用いて基材に触媒を堆積して、次第に厚くなる触媒膜を形成する。ここで、前記触媒膜は最良の区域の程度に達するために、十分に厚く形成しなければならない。第二段階では、所定のＣＶＤ条件で前記触媒にカーボンナノチューブのマトリックスを成長させる。第三段階では、顕微鏡で見る時、触媒膜において、最高のカーボンナノチューブが形成された場所が所定のＣＶＤ条件で得られた最良の成長区域と定義される。前記触媒膜に最良の厚さで形成される位置に合わせてなる区域が最良の区域と定義される。本実施例においては、シリコン基材に鉄を触媒として堆積して触媒膜３０を形成する。前記触媒膜３０の最良の厚さが５ｎｍと測定される場合、前記５ｎｍに形成された場所は最良の区域３２と定義される。カーボンナノチューブは、前記最良の成長区域３２に最大の速度で最も高く成長され、前記最良の成長区域３２より厚くなっても薄くなっても、カーボンナノチューブの成長の速度は低下する。また、本実施例において、前記触媒膜３０の厚さは３ｎｍ〜１５ｎｍにすることができる。

図３を参照すると、前記触媒膜３０にパターンが形成される。本実施例において、リソグラフィー（Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）技術により触媒のパターンを形成して、前記触媒膜３０にフォトレジストを塗布し、所定のパターンにより露光して現像し、酸溶剤を用いて保護されない触媒膜及びフォトレジストを除去して、前記所定のパターンと同様な、台形の触媒領域３３及び３４を形成する。前記触媒領域３３及び３４は１００ｎｍ〜１００μｍに形成される。前記触媒膜３０を堆積する時、複数の孔を有する板材をマスク４０として利用すれば、前記触媒膜３０を堆積した後、前記リソグラフィー技術により触媒のパターンを形成することができる。このようにすれば、除去の工程により所定の厚さを有する触媒のパターンが得られる。また、所定のカーボンナノチューブのマトリックスの成長方向により、前記最良の区域３２の一側に前記触媒のパターンが設けられる。

図４を参照すると、前記触媒領域３３及び３４が形成された前記基材１０を３００℃で焼鈍しして、前記触媒領域３４及び３６を酸化させ、表面が酸化された、ナノレベルの粒子形状の触媒酸化物のマトリックス３３’及び３４’を形成する。前記触媒領域３４の厚さは前記最良の成長区域３２の厚さより大きくなるので、前記粒子形状の触媒のマトリックス３４’における単一の触媒粒子の直径が大きく、かつ前記最良の成長区域３２から離れるほど大きくなる。前記触媒領域３３の厚さは前記最良の成長区域３２の厚さより小さくなるので、前記粒子形状の触媒酸化物のマトリックス３３’における単一の触媒粒子の直径が小さく、かつ前記最良の成長区域３２から離れるほど小さくなる。

図５及び図６を参照すると、前記粒子形状の触媒酸化物のマトリックス３３’及び３４’が形成された前記基材１０を反応皿（図示せず）に置いて、炭素を含むガスとしてエチレンを導入して、ＣＶＤ方法でカーボンナノチューブのマトリックスを成長させる。カーボンナノチューブの成長の途中に、エチレンが分解されて形成した水素を利用して、表面が酸化された粒子形状の触媒酸化物のマトリックス３３’及び３４’を粒子形状の触媒マトリックス３３”及び３４”に還元する。そして、この粒子形状の触媒マトリックス３３”及び３４”にカーボンナノチューブのマトリックス５０及び５１を成長させる。前記エチレンはメタン、アセチレンなどの炭素を含むガスに代えることができる。また、異なるＣＶＤ条件で形成された触媒膜の最良の厚さが異なるので、カーボンナノチューブを成長させるＣＶＤ条件は前記最良の成長区域が形成される条件と同様になるように設けられる。また、成長時間を制御することにより、前記カーボンナノチューブのマトリックス５０及び５１の長さを制御することができる。

カーボンナノチューブは前記最良の成長区域３２に最大の速度で成長できるので、触媒膜３０の厚さが最良の厚さに比べて変化すれば、カーボンナノチューブの成長速度が低下する。従って、前記粒子形状の触媒マトリックス３４”に成長されたカーボンナノチューブのマトリックス５１は、前記粒子形状の触媒の直径が大きくなる方向に湾曲するが、前記粒子形状の触媒マトリックス３３”に成長された炭素素ナノチューブのマトリックス５０は、前記粒子形状の触媒の直径が小さくなる方向に湾曲する。即ち、前記粒子形状の触媒マトリックス３３”及び３４”に成長させたカーボンナノチューブのマトリックスは前記最良の成長区域３２から離れる方向に湾曲する。

図６を参照すると、カーボンナノチューブのマトリックスの構成１は、基材１０と、前記基材１０に形成されたカーボンナノチューブのマトリックス５０、５１と、を含む。前記カーボンナノチューブのマトリックス５０、５１は、前記触媒膜３０に成長させた各方向の複数のカーボンナノチューブからなる。前記カーボンナノチューブのマトリックス５０と５１とは、略弧状にされ、前記最良の成長区域３２から離れてそれぞれ相反の方向に向けて成長される。本実施例において、前記触媒膜３０は単に前記マスク４０の一側に形成されるので、前記カーボンナノチューブのマトリックス５０及び５１は二つの異なる方向に向いて成長される。

なお、触媒パターンを形成する段階を省略して、直接触媒膜３０にカーボンナノチューブのマトリックスを成長させることができる。前記触媒膜３２は最も薄い端部が最良の成長区域である場合、カーボンナノチューブのマトリックスはこの薄い端部から厚くなる方向に湾曲する。前記触媒膜３２は最も厚い端部が最良の成長区域である場合、カーボンナノチューブのマトリックスはこの厚い端部から薄くなる方向に湾曲する。前記触媒膜３２の中間のある場所が最良の成長区域である場合、カーボンナノチューブは最良の成長区域から離れて相反の方向に向けて、別々に相反する両側に湾曲する。

（実施例２）
図７及び８に示すように、基材７０を準備する。この基材７０はシリコン、ガラス、金属などのうちいずれか一種から成るものである。前記基材７０の中心の場所にマスク８０を設置する。前記マスク８０は厚膜フォトレジスト、又は犠牲層に形成された金属又は金属の酸化物、金属の窒化物などのうちいずれか一種である。前記マスク８０の上方に、線形の触媒スパッタ装置６０を配置する。前記マスク８０はある程度の厚さが形成され、前記触媒スパッタ装置６０の一部を遮るように構成される。前記マスク８０は立方体、長方体、円柱体などのいずれかに形成されてもよいが、本実施例では長方体に形成される。前記マスク８０は所定の厚さを有し、前記触媒スパッタ装置６０の一部を遮るので、前記触媒スパッタ装置６０から飛びした触媒は前記マスク８０で遮られ前記基材７０の一端に堆積し、前記マスク８０から離れる方向に沿って、次第に厚くなる台形の触媒膜９０が形成される。前記触媒はＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ又はそれらの合金のうちいずれか一種であってもよい。

実施例１と同様に、前記触媒膜９０の厚さが変化する幅が前記マスク８０の高さの２倍程度より大きい場合、前記触媒膜９０の厚さの方向での変化が著しく見られる。

前記触媒スパッタ装置６０が直線型の触媒スパッタ装置である場合、前記触媒スパッタ装置６０は前記基材７０に相対して静止し、又は前記基材７０に平行な方向へ沿って移動する。前記触媒スパッタ装置６０が紙面に平行な方向に設置される場合、前記触媒スパッタ装置６０は前記基材７０に対向して、紙面に垂直な方向に移動し、大面積の台形の触媒膜９０を形成することができる。また、前記触媒スパッタ装置６０が紙面に垂直な方向に設置される場合、前記触媒スパッタ装置６０は前記基材７０に対向して、紙面に平行な方向に移動し、前記マスク８０の周辺に大面積の台形の触媒膜９０を形成することができる。

図９を参照すると、前記マスク８０を除去した後、カーボンナノチューブの成長方向を制御するために、前記触媒膜９０に最良の成長区域９２を確定する。前記最良の成長区域９２の測定方法は前記実施例１と同様である。

図１０を参照すると、前記触媒膜９０にパターンが形成される。本実施例において、リソグラフィー技術により触媒のパターンを形成して、前記触媒膜９０にフォトレジストを塗布し、所定のパターンにより露光して現像し、酸溶剤を用いて保護されない触媒膜及びフォトレジストを除去して、前記所定のパターンと同様な、台形の触媒領域９３、９４、及び触媒領域９４、９５を形成する。前記触媒膜９０を堆積する時、複数の孔を有し厚さが異なる二枚の板材をマスク８０として利用して、所定の厚さを有する触媒のパターンを形成することができる。

図１１を参照すると、前記触媒領域９３、９４、及び触媒領域９４、９５が形成された前記基材７０を３００℃で焼鈍しして、前記触媒領域９３、９４、及び触媒領域９４、９５を酸化させ、表面が酸化された、ナノレベルの粒子形状の触媒酸化物のマトリックス９３’、９４’、及び９５’、９６’を形成する。前記触媒領域９３及び９６の厚さは最良の厚さより大きくなるので、前記粒子形状の触媒酸化物のマトリックス９３’及び９６’における単一の触媒の粒子の直径が大き、かつ前記最良の成長区域９２から離れるほど大きくなる。前記触媒領域９４及び９５の厚さは前記の最良の厚さより小さくなるので、前記粒子形状の触媒酸化物のマトリックス９４’及び９６’における単の触媒の粒子の直径が小さく、かつ前記最良の区域９２から離れるほど小さくなる。

図１２を参照すると、前記複数の粒子形状の触媒酸化物のマトリックス９３’、９４’及び９５’、９６’が形成された前記基材７０を反応皿（図示せず）に置いて、炭素を含むガスとしてエチレンを導入して、ＣＶＤ方法でカーボンナノチューブのマトリックスを成長させる。カーボンナノチューブの成長の途中に、エチレンで分解された水素を利用して、表面が酸化された粒子形状の触媒酸化物のマトリックス９３’、９４’及び９５’、９６’を粒子形状の触媒マトリックスマトリックス９３”、９４”及び９５”、９６”に還元する。そして、この粒子形状の触媒マトリックス９３”、９４”及び９５”、９６”にカーボンナノチューブのマトリックス１００、１０１及び１０２、１０３を成長させる。前記エチレンはメタン、アセチレンなどの炭素を含むガスに代えることができる。また、成長時間を制御することにより、前記カーボンナノチューブのマトリックス５０及び５１の長さを制御することができる。

カーボンナノチューブは前記最良の成長区域９２に最大の速度で成長できるので、触媒膜９０の厚さが最良の厚さに比べて変化すれば、カーボンナノチューブの成長速度が低下する。従って、前記粒子形状の触媒マトリックス９３”及び９６”に成長させたカーボンナノチューブのマトリックス１００及び１０３は、前記粒子形状の触媒の直径が大きくなる方向に湾曲するが、前記粒子形状の触媒マトリックス９４”及び９５”に成長された炭素素ナノチューブのマトリックス１０１及び１０２は、前記粒子形状の触媒の直径が小さくなる方向に湾曲する。

図１３を参照すると、カーボンナノチューブのマトリックスの構成２は、基材７０と、前記基材７０に形成されたカーボンナノチューブのマトリックス１００、１０１、１０２、１０３と、を含む。前記カーボンナノチューブのマトリックス１００、１０１、１０２、１０３は、前記触媒膜７０に成長させた各方向の複数のカーボンナノチューブからなる。

本発明に係る方法によれば、製造工程を簡単にすることができ、本発明によるカーボンナノチューブのマトリックスの構成はフィールドエミッタ、電子真空装置などに利用することができる。

本発明の実施例１に係る触媒膜が堆積された基板を示す図である。 本発明の実施例１に係る最良の区域を示す斜視図である。 本発明の実施例１に係る触媒パターンを示す斜視図である。 本発明の実施例１に係る粒子形状の触媒のマトリックスを示す図である。 本発明の実施例１に係るカーボンナノチューブのマトリックスを示す図である。 本発明の実施例１に係るカーボンナノチューブのマトリックスの構成を示す斜視図である。 本発明の実施例２に係る触媒膜が堆積された基板を示す図である。 本発明の実施例２に係る最良の区域を示す斜視図である。 本発明の実施例２に係る触媒膜を示す斜視図である。 本発明の実施例２に係る触媒パターンを示す斜視図である。 本発明の実施例２に係る粒子形状の触媒のマトリックスを示す図である。 本発明の実施例２に係るカーボンナノチューブのマトリックスを示す図である。 本発明の実施例２に係るカーボンナノチューブのマトリックスの構成を示す斜視図である。

符号の説明

１，２ カーボンナノチューブのマトリックスの構成
１０，７０ 基材
２０，６０ 触媒スパッタ装置
３０，９０ 触媒膜
３２、９２ 最良の成長区域
３３，３４，９３，９４，９５，９６ 触媒領域
３３’，３４’，９３’，９４’，９５’，９６’ 粒子形状の触媒酸化物のマトリックス
３３”，３４”，９３”，９４”，９５”，９６” 粒子形状の触媒マトリックス
４０，８０ マスク
４２ 側面
５０，５１，１００，１０１，１０２，１０３ カーボンナノチューブのマトリックス

Claims (4)

1. マスクを有する基材を準備し、前記マスクが前記基材に垂直な側面を有する段階と、
   前記マスクの一部を遮るように前記基材の上方に触媒スパッタ装置を設置し、前記触媒スパッタ装置から飛び出した触媒が前記基材に堆積されて触媒膜が形成される段階と、
   前記マスクを除去して、前記触媒膜の最良の成長区域を測定する段階と、
   前記触媒膜が形成された前記基材に焼鈍しをする段階と、
   炭素を含むガスを導入し、前記最良の成長区域から離れて異なる方向に向けて湾曲するようにカーボンナノチューブのマトリックスを前記触媒膜に成長させる段階と、
   を含み、
   前記触媒スパッタ装置と前記基材との離間距離は、前記触媒スパッタ装置からの触媒原子の平均自由行程の十倍より大きくするように、前記触媒スパッタ装置を前記基材の上方に設置し、
   前記マスクの厚さは、前記触媒スパッタ装置から飛び出した触媒の原子の平均自由行程より小さく設定され、
   前記触媒の原子の平均自由行程Ｓは次式を満足し、
   

   

   ｄは前記触媒原子の直径とされ、ｐは前記触媒堆積工程における気体圧とされ、ｋはボルツマン定数（１.３８０６６×１０^−２３ Ｊ／Ｋ (Ｊｏｕｌｅ ｐｅｒ ｋｅｌｖｉｎ)）であり、Ｔは前記触媒堆積工程における気体温度であり、
   前記触媒膜の厚さＴ(λ)は次式を満足し、
   

   

   ここで、λは触媒膜から前記マスクの側面までの距離とされ、Ｔ _０ は前記マスクが設置されない場合に、前記基板に堆積して形成された触媒膜の厚さとされ、ｈは前記マスクの厚さとされることを特徴とするカーボンナノチューブのマトリックスの成長方法。
2. 前記基材に焼鈍しをする前に、前記基材に形成された触媒膜は、前記マスクに近い端部から前記マスクから遠い端部まで次第に厚くなる台形の形状に形成され、前記台形の触媒膜のある厚さは前記最良の成長区域の厚さに接近す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マトリックスの成長方法。
3. 前記マスクは厚膜フォトレジスト、犠牲層に形成された金属又は金属の酸化物、金属の窒化物のいずれか一種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マトリックスの成長方法。
4. 前記触媒膜の最良の成長区域を測定する段階は、マスクを有する基材に触媒を堆積させて次第に厚くなる触媒膜を形成する段階と、前記触媒膜にカーボンナノチューブのマトリックスを成長させる段階と、前記カーボンナノチューブのマトリックスにおける最高のカーボンナノチューブの成長位置を前記触媒膜の最良の成長区域として測定する段階と、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マトリックスの成長方法。

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