JP4988330B2 - 窒素ドーピングされた単層カーボンナノチューブの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、カーボンナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ ＮａｎｏＴｕｂｅ：ＣＮＴ）の製造方法に係り、さらに詳細には、単純かつ容易に、窒素ドーピングされた単層カーボンナノチューブを製造する方法に関する。
カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）とは、地球上に多量に存在する炭素からなる炭素同素体であって、一つの炭素原子が蜂の巣状のチューブ中で他の炭素原子と結合されている物質である。また、チューブの直径が数ｎｍ（ｎｍ＝１０億分の１メートル）であり、極めて小さい領域の物質である。ＣＮＴは、優れた機械的特性、電気的選択性、優れた電界放出特性、及び高効率の水素保存媒体としての特性などを有し、現存する物質の中では、欠陥のほとんどない完壁な新素材として知られている。
ＣＮＴは、ナノサイズの直径を有するチューブを形成する、ロール状のグラファイトシートであり、ｓｐ２の結合構造を有する。このグラファイトシートの巻かれる角度や形態によって、ＣＮＴは電気的に導体または半導体の特性を表す。ＣＮＴは、層を構成するＣＮＴの数によって、単層ナノチューブ（Ｓｉｎｇｌｅ−Ｗａｌｌｅｄ ＮａｎｏＴｕｂｅ：ＳＷＮＴ）または多層ナノチューブ（Ｍｕｌｔｉ−Ｗａｌｌｅｄ ＮａｎｏＴｕｂｅ：ＭＷＮＴ）に区分することができる。併せて、複数のＳＷＮＴが集まった束状の形態はロープ型ナノチューブとして知られている。
ＣＮＴは、高度な合成技術により製造されうるが、その合成技術として例えば、電気放電法、レーザ蒸着法、プラズマ化学気相蒸着法（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＥＣＶＤ）、熱化学気相蒸着法（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：熱ＣＶＤ）、電気分解法、フレーム合成法などが知られている。
ＣＮＴは、優れた電気的特性を有するため、ＣＭＯＳのような半導体素子の製造に利用されうるが、一般的に、ＣＭＯＳのような半導体製造工程及び半導体集積工程は、製造物の欠陥発生を減らすために、可能な限り５００℃未満の低温範囲で行われなければならない。しかし、従来のＣＮＴの合成方法により、５００℃未満の低温範囲でＣＮＴを成長させると、非晶質炭素のような不純物が多く発生するために、欠陥のあるＣＮＴが成長する。したがって、良質のＣＮＴが得られない。このような欠陥のあるＣＮＴは、半導体素子の特性及び性能を低下させうる。したがって、ＣＮＴを半導体素子に適用して、半導体素子の特性及び性能を向上させるためには、５００℃未満の低温範囲で良質のＣＮＴが得られるＣＮＴの合成技術が開発されねばならない。
また、ＣＮＴをベースとしたトランジスタを利用してＣＭＯＳを製造するためには、ｎ型及びｐ型のＳＷＮＴが製造されねばならないが、現在までのところ、ＳＷＮＴの合成過程でドナーをドーピングできる技術が開発されていない。一般的に、真性のＳＷＮＴは、大気中で酸素などの表面吸着によって、ｐ型のＳＷＮＴ特性を有する。しかし、まだｎ型のＳＷＮＴを合成できる技術は開発されていない。このような問題点を解決するために、電子供与基を有するアミン類またはカリウム（Ｋ）のようなアルカリ金属をＳＷＮＴの表面に吸着させて、ｎ型のトランジスタを製造する方法が試みられている。しかし、ＳＷＮＴの表面に吸着されたドーピング物質は、いつでもその吸着表面から離脱しうるため不安定であり、ＳＷＮＴの表面吸着によるドーピングは、素子特性の信頼性に根本的な問題を有している。
本発明が解決しようとする技術的課題は、前述した従来の技術の問題点を改善するためのものであって、単純かつ容易な方法により窒素ドーピングされた単層カーボンナノチューブを製造する方法を提供することである。
本発明に係る窒素ドーピングされた単層カーボンナノチューブの製造方法は、基板上に触媒金属層を形成する工程と、前記触媒金属層が形成された基板を反応チャンバ内に装着する工程と、前記反応チャンバ内にＨ２Ｏプラズマの雰囲気を形成する工程と、前記反応チャンバ内に炭素前駆体及び窒素前駆体を供給して、前記Ｈ２Ｏプラズマの雰囲気下で前記炭素前駆体及び前記窒素前駆体を化学反応させることによって、前記触媒金属層上に窒素ドーピングされたカーボンナノチューブを成長させる工程と、を含む。
また、前記窒素ドーピングされたカーボンナノチューブの成長時に、前記反応チャンバの内部の温度が４００℃ないし６００℃の範囲に維持されることが好ましい。
また、前記反応チャンバ内に炭素原子１モル当たり窒素原子１／６モル以下が供給されるように、前記炭素前駆体及び前記窒素前駆体の流量が制御されることが好ましい。
また、前記炭素前駆体は、Ｃ２Ｈ２、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ６、ＣＯ及びＣ２Ｈ５ＯＨからなる群から選択される一種以上の物質であることが好ましい。
また、前記窒素前駆体は、ＮＨ３、ＮＨ２ＮＨ２、Ｃ５Ｈ５Ｎ、Ｃ４Ｈ５Ｎ、ＣＨ３ＣＮからなる群から選択される一種以上の物質であることが好ましい。
また、前記Ｈ２Ｏプラズマを発生させるためのＲＦ電力は、５Ｗないし８０Ｗの範囲に制御されることが好ましい。
また、前記Ｈ２Ｏプラズマの雰囲気は、リモートプラズマの発生装置により形成されることが好ましい。
また、前記Ｈ２Ｏプラズマは、リモートＨ２Ｏプラズマであることが好ましい。
また、前記触媒金属層は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅまたはそれらの合金で形成されることが好ましい。
上記のような構成を有する本発明により、窒素ドーピングされた単層カーボンナノチューブが得られる。
本発明によれば、窒素ドーピングされた単層カーボンナノチューブ（単層ＣＮＴ）を製造できる。特に、本発明における窒素ドーピング工程は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の合成と同時に一工程で行われ、窒素ドーピング用の別工程を必要としないため、窒素ドーピングされた単層ＣＮＴの製造が非常に単純かつ容易になりうる。そして、本発明によれば、窒素ドーピングされた単層ＣＮＴを基板上に直接成長させることができるので、ＣＭＯＳのような半導体素子の製造に容易に適用されうる。前記窒素ドーピングが原子置換型ドーピングで行われるので、表面吸着のように、吸着表面からドーピング物質が離脱することなく、素子の再現性及び信頼性を向上させうる。
以下では、添付された図面を参照して、本発明に係る窒素ドーピングされた単層カーボンナノチューブの製造方法の好ましい実施形態を詳細に説明する。
前述の通り、本発明は、基板上に触媒金属層を形成する工程と、前記触媒金属層が形成された基板を反応チャンバ内に装着する工程と、前記反応チャンバ内にＨ２Ｏプラズマの雰囲気を形成する工程と、前記反応チャンバ内に炭素前駆体及び窒素前駆体を供給して、前記Ｈ２Ｏプラズマの雰囲気下で前記炭素前駆体及び前記窒素前駆体を化学反応させることによって、前記触媒金属層上に窒素ドーピングされたカーボンナノチューブを成長させる工程と、を含むことを特徴とする、窒素ドーピングされた単層カーボンナノチューブの製造方法を提供するものである。
図１は、本発明の一実施形態に係る窒素ドーピングされた単層カーボンナノチューブ（単層ＣＮＴ）の製造方法を示す装置図である。
図１には、本発明に係る窒素ドーピングされた単層ＣＮＴの製造のためのリモートプラズマ化学気相蒸着（リモートＣＶＤ：ｒｅｍｏｔｅ Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置が図示されている。前記リモートプラズマＣＶＤ装置は、反応チャンバ１０と、前記反応チャンバ１０内にプラズマを発生させるためのＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）プラズマコイル１２０と、前記反応チャンバ１０の内部を所定の温度で加熱する加熱炉１３０とを備え、前記リモートプラズマＣＶＤ装置において、加熱ゾーンとプラズマゾーンとはそれぞれ分離されている。本実施形態では、プラズマの発生のための高周波電源として、１３.５６ＭＨｚのＲＦが使用されている。そして、前記ＲＦプラズマコイル１２０に対応するように、前記反応チャンバ１０内に直径１０ｍｍの石英管（クォーツチューブ）１１０をさらに設置し、前記石英管１１０を通じて前記反応チャンバ１０に水蒸気（Ｈ２Ｏ蒸気）が供給される。このような構造の装置において、前記ＲＦプラズマコイル１２０に高周波電力が印加されると、前記石英管１１０内にＨ２Ｏプラズマが発生し、これをリモートプラズマソースとして利用して、前記反応チャンバ１０内にＨ２Ｏプラズマの雰囲気を形成できる。このようにして、前記Ｈ２Ｏプラズマの雰囲気は、リモートプラズマの発生装置の一例である、リモートプラズマＣＶＤ装置により形成されうる。
以下において、このような構造のリモートプラズマＣＶＤ装置を利用した、本発明に係る窒素ドーピングされた単層ＣＮＴの製造方法を詳細に説明する。
まず、基板２０を準備する。ここで、前記基板２０の材質は、特に限定されることはないが、例えば、ガラス、サファイア、プラスチックまたはシリコンなどが利用されうる。前記基板２０上に触媒金属層２２を形成する。
前記触媒金属層２２は、半導体製造工程で利用される多様な薄膜蒸着方法または塗布工程により形成されうる。以下に制限されることはないが、例えば、前記触媒金属層２２は、熱蒸着法、スパッタリング法またはスピンコーティング法などにより前記基板２０上に形成されうる。また、前記触媒金属層２２は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅまたはそれらの合金で形成されることが好ましい。
その後、このように前記触媒金属層２２が形成された基板２０を反応チャンバ１０内に装着した後、前記加熱炉１３０を作動して前記反応チャンバ１０の内部の温度を４００℃ないし６００℃の範囲に維持させる。その後、Ｈ２Ｏを気相化して前記石英管１１０内に供給した後、前記ＲＦプラズマコイル１２０にＲＦ電力を印加して、前記反応チャンバ１０内にＨ２Ｏプラズマの雰囲気を形成する。その後、前記反応チャンバ１０内に炭素前駆体及び窒素前駆体を供給して、前記Ｈ２Ｏプラズマの雰囲気下で前記炭素前駆体及び前記窒素前駆体を化学反応させることによって、前記触媒金属層２２上に窒素ドーピングされた単層ＣＮＴを成長させうる。ここで、前記炭素前駆体は、Ｃ２Ｈ２、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ６、ＣＯ及びＣ２Ｈ５ＯＨからなる群から選択される一種以上の物質であることが好ましく、前記窒素前駆体は、ＮＨ３、ＮＨ２ＮＨ２、Ｃ５Ｈ５Ｎ、Ｃ４Ｈ５Ｎ、ＣＨ３ＣＮからなる群から選択される一種以上の物質であることが好ましい。ここで、Ｃ２Ｈ５ＯＨ、ＮＨ２ＮＨ２、Ｃ５Ｈ５Ｎ、Ｃ４Ｈ５Ｎ、ＣＨ３ＣＮなどは、液体として分類されうるが、これらは、揮発性のある物質であるため、容易に気化して前記反応チャンバ１０内に供給されうる。
本発明の一実施形態によれば、窒素ドーピング工程は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の合成工程と同時に行われる１ステップの工程である。特に、このような製造工程は、単純かつ容易な方法で窒素ドーピングされた単層ＣＮＴを前記基板２０上に直接成長させうるため、ＣＭＯＳのような半導体素子の製造に容易に適用されうる。また、前記窒素ドーピングが、前記単層ＣＮＴの吸着表面からドーピング物質が離脱しない原子置換型ドーピングの手段で行われるため、製造される素子の再現性及び信頼性を従来より向上させうる。
本発明において、前記Ｈ２Ｏプラズマは、リモートＨ２Ｏプラズマでありうる。前記リモートＨ２Ｏプラズマの雰囲気でＣＮＴを合成する場合、以下の効果が得られうる。第一に、多層カーボンナノチューブ（多層ＣＮＴ）の成長が抑制され、したがって、窒素ドーピングされた単層ＣＮＴの成長が促進されうる。第二に、４００℃ないし６００℃の比較的低温の範囲で窒素ドーピングされた単層ＣＮＴを成長させることが可能であるため、従来のＣＮＴの成長温度、すなわち８００℃以上の高温でＣＮＴを成長させる場合に発生する非晶質炭素のような不純物の量を、前記窒素ドーピングされた単層ＣＮＴでは大幅に減らすことができる。
前記窒素ドーピングされた単層ＣＮＴの成長時に、前記Ｈ２Ｏプラズマは、弱い酸化剤（ｍｉｌｄ ｏｘｉｄａｎｔ）または弱いエッチング液（ｍｉｌｄ ｅｔｃｈａｎｔ）として作用して、前記ＣＮＴの表面に形成される炭素質不純物を除去できる。このため、炭素質不純物及び欠陥性炭素をほとんど有しない窒素ドーピングされた単層ＣＮＴが得られる。特に、前記窒素ドーピングされた単層ＣＮＴは、低温で成長するためにその結晶性に優れているので、半導体素子を形成する上で優れた特性を有しうる。
また、前記窒素ドーピングされた単層ＣＮＴを低温で成長させる場合、ドーパント、すなわち窒素（Ｎ）のドーピング量を容易に制御できる。特に、前記窒素ドーピングされた単層ＣＮＴに窒素が過剰にドーピングされることを抑制することができる。前記窒素ドーピングされた単層ＣＮＴに窒素を過剰にドーピングすると、ＣＮＴの欠陥の原因となりうる。このように、前記窒素ドーピングされた単層ＣＮＴへの窒素のドーピング量を適切に制御することが重要である。このため、前記反応チャンバ１０内に炭素原子１モル当たり窒素原子１／６モル以下の割合で供給されるように、前記炭素前駆体及び前記窒素前駆体の流量（ｆｌｏｗ ｒａｔｅ）が制御されることが好ましい。また、前記Ｈ２Ｏプラズマを発生させるためのＲＦ電力（ＲＦパワー）を５Ｗないし８０Ｗの範囲、好ましくは１０Ｗないし２０Ｗの範囲に制御した場合、さらに良質の窒素ドーピングされた単層ＣＮＴが得られることが実験的に確認されている。
図２は、本発明の一実施形態によって製造された窒素ドーピングされた単層ＣＮＴのラマン分光結果を示すグラフである。ここで、ＣＨ４の流量６０ｓｃｃｍ、ＮＨ３の流量６ｓｃｃｍ、反応チャンバ１０の内部温度４５０℃、そしてＲＦ電力１５Ｗという工程条件で基板上に単層ＣＮＴを蒸着し、これをラマン分析した。図２に示すように、ラマン分析の結果によれば、ＲＢＭピークは明確に示されており、これは、前記窒素ドーピングされた単層ＣＮＴの成長を示している。
図３は、本発明の一実施形態に係る窒素ドーピングされた単層ＣＮＴの製造時における、ＮＨ３の流量の増加によるＤバンドとＧバンドとの間のラマン強度比率（ＩＤ／ＩＧ）の変化を示すグラフである。図３から、反応チャンバ内に供給されるＮＨ３の流量が増加するほど、すなわち、窒素のドーピング量が多くなるほど、窒素ドーピングされた単層ＣＮＴのクオリティーが悪くなるということが分かる。
図４は、本発明の実施形態によって製造された、窒素ドーピングされた単層ＣＮＴのＸＰＳ（Ｘ−ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析の結果を示すグラフである。
図５Ａないし図５Ｄは、本発明の一実施形態によって製造された、窒素ドーピングされた単層ＣＮＴのＨＲ−ＴＥＭ（高解像度ＴＥＭ：Ｈｉｇｈ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ−Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）写真である。ここで、それぞれの写真は、（Ａ）ＣＨ４ ６０ｓｃｃｍ、ＮＨ３ ２ｓｃｃｍ、（Ｂ）ＣＨ４ ６０ｓｃｃｍ、ＮＨ３ ４ｓｃｃｍ、（Ｃ）ＣＨ４ ６０ｓｃｃｍ、ＮＨ３ ６ｓｃｃｍ、（Ｄ）ＣＨ４ ６０ｓｃｃｍ、ＮＨ３ ８ｓｃｃｍの流量条件で窒素ドーピングされた単層ＣＮＴが形成された際に、撮影されたものである。
本発明に係る上記の構造を用いれば、窒素ドーピングされた単層カーボンナノチューブを製造できる。特に、本発明における窒素ドーピング工程は、ＣＮＴの合成と同時に一工程で行われ、窒素ドーピング用の別工程を必要としないため、窒素ドーピングされた単層カーボンナノチューブの製造が非常に単純かつ容易になりうる。そして、本発明によれば、窒素ドーピングされた単層カーボンナノチューブを基板上に直接成長させることができるので、ＣＭＯＳのような半導体素子の製造に容易に適用されうる。前記窒素ドーピングが原子置換型ドーピングで行われるので、表面吸着のように、吸着表面からドーピング物質が離脱することなく、素子の再現性及び信頼性を向上させうる。
また、本発明によれば、リモートＨ２Ｏプラズマの雰囲気下でカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を合成することによって、４００℃ないし６００℃の比較的低温の範囲で良質の単層カーボンナノチューブを成長させうる。このような方法で得られた単層カーボンナノチューブは、不純物量が非常に少なくなるだけでなく、結晶性が優れているため、半導体素材として優れた特性を有する。
以上、このような本発明の理解を容易にするために、いくつかの模範的な実施形態について添付された図面を参照しながら説明してきたが、前記実施形態は、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、前記実施形態から多様な変形や修正などが可能であるという点が理解できるであろう。したがって、本発明は、図面、説明された構造、及び工程順序にのみ限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に基づいて保護されねばならない。
本発明は、カーボンナノチューブの製造に関連した技術分野に好適に適用されうる。
１０ 反応チャンバ、
２０ 基板、
２２ 触媒金属層、
３０ 窒素ドーピングされたＣＮＴ、
１１０ クオーツチューブ（石英管）、
１２０ ＲＦプラズマコイル、
１３０ 加熱炉。
２０ 基板、
２２ 触媒金属層、
３０ 窒素ドーピングされたＣＮＴ、
１１０ クオーツチューブ（石英管）、
１２０ ＲＦプラズマコイル、
１３０ 加熱炉。
Claims (9)
- 基板上に触媒金属層を形成する工程と、
前記触媒金属層が形成された基板を反応チャンバ内に装着する工程と、
前記反応チャンバ内にＨ２Ｏプラズマの雰囲気を形成する工程と、
前記反応チャンバ内に炭素前駆体及び窒素前駆体を供給して、前記Ｈ２Ｏプラズマの雰囲気下で前記炭素前駆体及び前記窒素前駆体を化学反応させることによって、前記触媒金属層上に窒素ドーピングされたカーボンナノチューブを成長させる工程と、
を含むことを特徴とする、窒素ドーピングされた単層カーボンナノチューブの製造方法。 - 前記窒素ドーピングされたカーボンナノチューブの成長時に、前記反応チャンバの内部の温度が４００℃ないし６００℃の範囲に維持されることを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
- 前記反応チャンバ内に炭素原子１モル当たり窒素原子１／６モル以下が供給されるように、前記炭素前駆体及び前記窒素前駆体の流量が制御されることを特徴とする、請求項１または２に記載の製造方法。
- 前記炭素前駆体は、Ｃ２Ｈ２、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ６、ＣＯ及びＣ２Ｈ５ＯＨからなる群から選択される一種以上の物質であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の製造方法。
- 前記窒素前駆体は、ＮＨ３、ＮＨ２ＮＨ２、Ｃ５Ｈ５Ｎ、Ｃ４Ｈ５Ｎ、ＣＨ３ＣＮからなる群から選択される一種以上の物質であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の製造方法。
- 前記Ｈ２Ｏプラズマを発生させるためのＲＦ電力は、５Ｗないし８０Ｗの範囲に制御されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の製造方法。
- 前記Ｈ２Ｏプラズマの雰囲気は、リモートプラズマの発生装置により形成されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の製造方法。
- 前記Ｈ２Ｏプラズマは、リモートＨ２Ｏプラズマであることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の製造方法。
- 前記触媒金属層は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅまたはそれらの合金で形成されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の製造方法。
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