(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応管内に水平方向で配置された基板の表面に原料ガスを供給して熱化学気相成長法によりカーボンナノチューブを形成するためのＣＶＤ装置であって、
上記反応管内で所定の隙間を有して上下に複数の基板を保持する基板保持体と、上記反応管の一端側開口および他端側開口をそれぞれ覆う蓋体とを具備し、
上記基板保持体を、上記基板が載置される水平部およびその両側縁に設けられた脚部からなる横断面溝型状に形成した複数の基板保持部材を、上下に段積みして構成するとともに、これら各基板保持部材の上記水平部に、原料ガスを上記基板へ導く開口部と、長手方向における両端から突出する掛止突出部とを設け、
上記各蓋体に、上記各掛止突出部を挿入する溝部を設け、
上記各掛止突出部を上記各溝部に挿入して掛けることにより、反応管内を、原料ガスが供給される基板同士間の反応空間部と、上下の基板表面と当該反応管内壁面との間の原料ガスが供給されない非反応空間部とに区画したことを特徴とするカーボンナノチューブ形成用のＣＶＤ装置。
【請求項２】
反応管内に水平方向で配置された基板の表面に原料ガスを供給して熱化学気相成長法によりカーボンナノチューブを形成するためのＣＶＤ装置であって、
上記反応管内で所定の隙間を有して上下に複数の基板を保持する基板保持体と、この基板保持体を載置する台座体と、上記反応管の一端側開口および他端側開口をそれぞれ覆う蓋体とを具備し、
上記基板保持体を、上記基板が載置される水平部およびその両側縁に設けられた脚部からなる横断面溝型状に形成した複数の基板保持部材を、上下に段積みして構成するとともに、これら各基板保持部材の上記水平部に、原料ガスを上記基板へ導く開口部と、長手方向における両端から突出する掛止突出部とを設け、
上記各蓋体に、上記各掛止突出部を挿入する溝部を設け、
上記各掛止突出部および上記台座体の長手方向両端部を上記各溝部にそれぞれ挿入して掛けることにより、反応管内を、それぞれ原料ガスが供給される下の基板表面と台座体との間および基板同士間の反応空間部と、上の基板表面および台座体表面と当該反応管内壁面との間の原料ガスが供給されない非反応空間部とに区画したことを特徴とするカーボンナノチューブ形成用のＣＶＤ装置。
【請求項３】
反応空間部に供給する原料ガスの圧力よりも高い圧力を有する気体を非反応空間部に供給するようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載のカーボンナノチューブ形成用のＣＶＤ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンナノチューブ形成用のＣＶＤ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブ形成用のＣＶＤ装置は、事前に触媒を塗布した基板に、原料ガスを供給することでカーボンナノチューブを成長させるものである。したがって、多くのカーボンナノチューブを効率よく得るには、触媒を塗布した複数の基板を所定間隔で積層してチャンバ（反応管ともいう）内に配置するとともに、このチャンバ内に原料ガスを充填することで、これら基板に原料ガスを一度に供給し、複数の基板でカーボンナノチューブを同時に成長させる方法がある（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−９１４８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上述したカーボンナノチューブの製造方法に用いる装置の構成では、チャンバ内に原料ガスを充満させるので、チャンバの内壁に煤などの不純物が付着し、チャンバ内における原料ガスの流量や流向に影響を与える。このように、原料ガスの流量や流向が変化すれば、安定したカーボンナノチューブが得られないため、上述した従来の構成では、チャンバ内の清掃が適宜必要となり、生産性が低下していた。
【０００５】
そこで本発明は、チャンバ内の清掃を不要にし得るカーボンナノチューブ形成用のＣＶＤ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係るカーボンナノチューブ形成用のＣＶＤ装置は、反応管内に水平方向で配置された基板の表面に原料ガスを供給して熱化学気相成長法によりカーボンナノチューブを形成するためのＣＶＤ装置であって、
上記反応管内で所定の隙間を有して上下に複数の基板を保持する基板保持体と、上記反応管の一端側開口および他端側開口をそれぞれ覆う蓋体とを具備し、
上記基板保持体を、上記基板が載置される水平部およびその両側縁に設けられた脚部からなる横断面溝型状に形成した複数の基板保持部材を、上下に段積みして構成するとともに、これら各基板保持部材の上記水平部に、原料ガスを上記基板へ導く開口部と、長手方向における両端から突出する掛止突出部とを設け、
上記各蓋体に、上記各掛止突出部を挿入する溝部を設け、
上記各掛止突出部を上記各溝部に挿入して掛けることにより、反応管内を、原料ガスが供給される基板同士間の反応空間部と、上下の基板表面と当該反応管内壁面との間の原料ガスが供給されない非反応空間部とに区画したものである。
【０００７】
また、本発明の請求項２に係るカーボンナノチューブ形成用のＣＶＤ装置は、反応管内に水平方向で配置された基板の表面に原料ガスを供給して熱化学気相成長法によりカーボンナノチューブを形成するためのＣＶＤ装置であって、
上記反応管内で所定の隙間を有して上下に複数の基板を保持する基板保持体と、この基板保持体を載置する台座体と、上記反応管の一端側開口および他端側開口をそれぞれ覆う蓋体とを具備し、
上記基板保持体を、上記基板が載置される水平部およびその両側縁に設けられた脚部からなる横断面溝型状に形成した複数の基板保持部材を、上下に段積みして構成するとともに、これら各基板保持部材の上記水平部に、原料ガスを上記基板へ導く開口部と、長手方向における両端から突出する掛止突出部とを設け、
上記各蓋体に、上記各掛止突出部を挿入する溝部を設け、
上記各掛止突出部および上記台座体の長手方向両端部を上記各溝部にそれぞれ挿入して掛けることにより、反応管内を、それぞれ原料ガスが供給される下の基板表面と台座体との間および基板同士間の反応空間部と、上の基板表面および台座体表面と当該反応管内壁面との間の原料ガスが供給されない非反応空間部とに区画したものである。
【００１０】
さらに、本発明の請求項３に係るカーボンナノチューブ形成用のＣＶＤ装置は、請求項１または２に記載のカーボンナノチューブ形成用のＣＶＤ装置において、反応空間部に供給する原料ガスの圧力よりも高い圧力を有する気体を非反応空間部に供給するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１１】
上記カーボンナノチューブ形成用のＣＶＤ装置によると、反応管内の清掃を不要にするとともに、基板両面にカーボンナノチューブを形成するため、生産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例に係る熱ＣＶＤ装置の一部切欠き斜視図である。
【図２】同熱ＣＶＤ装置の概略構成を示す一部切欠き側面図である。
【図３】同熱ＣＶＤ装置における基板ホルダーの横断面図である。
【図４】同熱ＣＶＤ装置における基板ホルダーの斜視図である。
【図５】同熱ＣＶＤ装置における供給側フランジの断面図である。
【図６】同熱ＣＶＤ装置における排出側フランジの断面図である。
【図７】同熱ＣＶＤ装置において管本体から取り外した供給側フランジの正面図である。
【図８】同熱ＣＶＤ装置において管本体から取り外した排出側フランジの正面図である。
【図９】同熱ＣＶＤ装置における供給側フランジに台座板および基板ホルダー体を保持させる状態を説明する図である。
【図１０】同熱ＣＶＤ装置における排出側フランジに台座板および基板ホルダー体を保持させる状態を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態に係るカーボンナノチューブ形成用のＣＶＤ装置について、具体的に示した実施例に基づき説明する。
本実施例では、カーボンナノチューブを形成する基板として、シリコン製の基板の両面に硝酸鉄溶液を塗布してから乾燥させ、触媒微粒子（鉄の微粒子）を両面に塗布したもの（以下、単に基板という）を用いる。
【００１４】
以下、この基板にカーボンナノチューブを形成するための熱ＣＶＤ装置について、図１〜図１０に基づき説明する。
図１および図２に示すように、この熱ＣＶＤ装置１は、原料ガスＧや空気が供給されることで基板Ｋにカーボンナノチューブを形成する反応部２と、この反応部２に原料ガスＧや空気を供給する供給部３と、反応部２の原料ガスＧや空気を排出する排出部４とから構成される。なお、原料ガスＧは、炭素を含んだガスと不活性ガスの混合気体であり、例えばアセチレンガスと窒素ガスの混合気体が原料ガスＧとして用いられる。
【００１５】
反応部２は、図１に示すように、基板Ｋを保持し得る基板ホルダー（基板保持部材の一例である）１２を上下３段に積み重ねた基板ホルダー体（基板保持体の一例である）１１と、この基板ホルダー体１１を載置する台座板（台座体の一例である）１９と、これら台座板１９および基板ホルダー体１１を収容してカーボンナノチューブを形成する反応管２１とから構成される。この基板ホルダー体１１により、基板Ｋ同士間には原料ガスＧが供給される空間７ａが形成されるとともに、台座板１９と最下層の基板ホルダー１２の基板Ｋとの間にも原料ガスＧが供給される空間７ｂが形成されている。なお、これらの空間７ａ，７ｂを以下では反応空間部７という。また、上記基板ホルダー体１１により、反応管２１内を、これら反応空間部７と、それ以外の空間であり原料ガスＧが供給されない非反応空間部８とに区画する。
【００１６】
ここで、本発明の要旨である基板ホルダー１２および台座板１９について詳細に説明する。
図３および図４に示すように、基板ホルダー１２は、反応空間部７に供給された原料ガスＧを基板Ｋへ導いて接触させる開口部１５を形成した長方形状の水平部１３と、この水平部１３の長辺側（両側縁である）で垂直に形成された脚部１７とから構成される。このため、図３に示すように、この基板ホルダー１２の横断面（短辺方向の断面）は略逆凹形状、つまり溝型状である。また、水平部１３の上記開口部１５の内周側には、基板Ｋを載置して外縁側から支持するための枠状突出部１６が形成されている。さらに、図４に示すように、水平部１３の長辺方向における両端には、基板ホルダー体１１を反応管２１内で保持するため当該反応管２１に形成された溝部３４，５４（後述する）へ挿入して掛ける掛止突出部１４が形成されている。
【００１７】
台座板１９は、図１に示すように長方形状の平板であり、基板ホルダー体１１を載置しても湾曲しない程度の厚みを有する。また、台座板１９の短辺は、基板ホルダー１２の短辺よりも長く、反応管２１の内径よりも小さい寸法である。一方、台座板１９の長辺は、水平部１３の長辺と同一長さである。なお、台座板１９および基板ホルダー体１１には、耐熱性を有する材料、例えば石英ガラスを用いる。
【００１８】
ところで、上記基板ホルダー体１１により区画されて基板Ｋ同士間から形成される反応空間部７ａは、図１に示すように、基板Ｋおよび水平部１３の下面からなる上壁部と、両脚部１７の内面からなる側壁部と、下段側の基板Ｋおよび水平部１３の上面からなる底壁部とで囲まれる空間である。また、この基板ホルダー体１１により区画されて台座板１９および最下段の基板Ｋから形成される反応空間部７ｂは、最下段の基板Ｋおよび水平部１３の下面からなる上壁部と、両脚部１７の内面からなる側壁部と、台座板１９の上面からなる底壁部とで囲まれる空間である。これに対して、上側の非反応空間部８は、基板ホルダー体１１の両外側面および上面（最上段の基板Ｋ上面を含む）と、反応管２１内壁面とで囲まれる空間である。また、下側の非反応空間部８は、台座板１９の下面と、反応管２１内壁面とで囲まれる空間である。
【００１９】
一方、この反応管２１は、図２に示すように、両端に開口２３を有する円筒形状の管本体２２と、この管本体２２の外周に配置されて管本体２２の内部を加熱するヒータＨと、上記管本体２２の一端側である原料ガスＧ供給側の開口２３を塞ぐ供給側フランジ３１と、上記管本体２２の他端側である原料ガスＧ排出側の開口２３を塞ぐ排出側フランジ５１とから構成される。
【００２０】
図５および図７に示すように、供給側フランジ３１は、管本体２２の開口２３を覆い得る円板形状の供給側蓋体３２と、この供給側蓋体３２の外周縁から突出して形成されて管本体２２一端部の外周を覆い得る供給側筒体４１とから構成される。この供給側蓋体３２には、台座板１９の長辺側一端部と各基板ホルダー１２の掛止突出部１４とを挿入して掛けることで当該台座板１９および基板ホルダー体１１を保持する４つの溝部３４が上下に形成されている。また、各溝部３４には、その奥端面にスプリング３５の一端側が取り付けられるとともに、当該スプリング３５の他端側に取り付けられて掛止突出部１４に接触し得るストッパー３６が設けられている。ここで、管本体２２の内部に台座板１９および基板ホルダー体１１を収容した状態で、これら台座板１９および基板ホルダー体１１を溝部３４に挿入すると、上述した反応空間部７および非反応空間部８が形成される。また、これら反応空間部７に反応管２１の外部（すなわち供給部３）から原料ガスＧを供給するため、上下の溝部３４の間には、ガス供給用貫通口３７が形成される。同様に、非反応空間部８に反応管２１の外部（すなわち供給部３）から空気を供給するため、最上段の溝部３４の上方および最下段の溝部３４の下方には、空気供給用貫通口３８が形成される。
【００２１】
一方、図６および図８に示すように、排出側フランジ５１も、同様に、管本体２２の開口２３を覆い得る円板形状の排出側蓋体５２と、この排出側蓋体５２の外周縁から突出して形成されて管本体２２他端部の外周を覆い得る排出側筒体６１とから構成される。この排出側蓋体５２には、台座板１９の長辺側他端部と各基板ホルダー１２の掛止突出部１４とを挿入して掛けることで当該台座板１９および基板ホルダー体１１を保持する４つの溝部５４が上下に形成されている。しかし、排出側フランジ５１の各段の溝部５４には、スプリング３５およびストッパー３６が設けられておらず、代わりに、台座板１９および掛止突出部１４が挿入されて台座板１９および基板ホルダー体１１を保持するための凹部が形成されたシール用の固定ゴム（耐熱性を有し、例えばフッ素ゴムなどである）５５が挿入されている。なお、固定ゴム５５はヒータＨにより過剰に加熱されるおそれがあるので、排出側蓋体５２の内部には、冷却水を通過させ得る冷却水通路５３が形成されている。また、反応空間部７の原料ガスＧを外部（すなわち排出部４）に排出するため、上下の溝部５４の間には、ガス排出用貫通口５７が形成される。さらに、非反応空間部８の空気を外部（すなわち排出部４）に排出するため、最上段の溝部５４の上方および最下段の溝部５４の下方には、空気排出用貫通口５８が形成されている。ここで、非反応空間部８の空気の圧力を反応空間部７の原料ガスＧの圧力よりも高めるため、空気排出用貫通口５８は、空気の排出に対する抵抗となるように、ガス排出用貫通口５７よりも小径に形成される。
【００２２】
また、これら供給側フランジ３１および排出側フランジ５１と管本体２２との気密性を向上するため、供給側筒体４１および排出側筒体６１には、これらの内周側にそれぞれ形成された環状溝４２，６２と、当該環状溝４２，６２にそれぞれ配置されるＯリング４３，６３とが具備される。
【００２３】
ところで、供給部３は、図２および図５に示すように、生成した原料ガスＧを送り込む原料ガス供給機７１と、空気を送り込む空気供給機７２と、ガス供給用貫通口３７に挿入されて原料ガス供給機７１と反応空間部７を接続するガス供給用配管７７と、空気供給用貫通口３８に挿入されて空気供給機７２と非反応空間部８を接続する空気供給用配管７８と、これらガス供給用配管７７および空気供給用配管７８に設けられて流量を調整するバルブ７３および各バルブ７３の開度を調整するマスフローコントローラ７４とから構成される。また、ガス供給用配管７７は、低濃度のアセチレンガスを含んだ原料ガスＧを最下段の反応空間部（基板Ｋの下面のみに原料ガスＧを供給する空間である）７ｂに供給するライン７７ｂと、高濃度のアセチレンガスを含んだ原料ガスＧをそれ以外の反応空間部（基板Ｋの両面に原料ガスＧを供給する空間である）７ａに供給するライン７７ａとを有する。
【００２４】
また、排出部４は、図２および図６に示すように、ガス排出用貫通口５７に挿入されて反応空間部７の原料ガスＧを排出するガス排出用配管８７と、空気排出用貫通口に挿入されて非反応空間部８の空気を排出する空気排出用配管８８と、上記ガス排出用配管８７に設けられて原料ガスＧを吸引する真空ポンプＰとから構成される。
【００２５】
上記構成において、カーボンナノチューブを基板Ｋに形成する方法を説明する。
まず、反応管２１の外部において、３つの基板ホルダー１２の各開口部１５に基板Ｋをそれぞれ水平に入れる。これら基板Ｋは、枠状突出部１６に外縁側から支持されることで、各基板ホルダー１２に保持される。そして、これら基板ホルダー１２を３段に積み重ねて基板ホルダー体１１を組み、この基板ホルダー体１１を台座板１９に載置する。次に、図９に示すように、台座板１９の長辺側他端部および各基板ホルダー１２の掛止突出部１４を排出側フランジ５１の固定ゴム５５の凹部に挿入し、これら台座板１９および基板ホルダー体１１を排出側フランジ５１に保持させる。そして、これら台座板１９および基板ホルダー体１１を反応管２１の管本体２２に挿入し、図１０に示すように、台座板１９の長辺側一端部および各基板ホルダー１２の掛止突出部１４を供給側フランジ３１の溝部３４に挿入し、これら台座板１９および基板ホルダー体１１を供給側フランジ３１に保持させる。このようにして、管本体２２の両開口２３を、これら供給側フランジ３１および排出側フランジ５１により塞ぐ。
【００２６】
次に、ヒータＨにより管本体を加熱し、管本体２２の内部、特に反応空間部７をカーボンナノチューブの成長に適した温度にする。一方、排出側フランジ５１の冷却水通路５３には冷却水を通過させ、固定ゴム５５を冷却する。
【００２７】
そして、原料ガス供給機７１からガス供給用配管７７を介して反応空間部７に原料ガスＧを供給するとともに、空気供給機７２から空気供給用配管７８を介して非反応空間部８に空気を供給する。これら原料ガスＧや空気の供給量は、マスフローコントローラ７４でバルブ７３の開度を調整することにより制御される。
【００２８】
また、反応空間部７では、原料ガスＧが供給側フランジ３１から排出側フランジ５１に向けて移動するとともにヒータＨで加熱されるが、水平部１３に形成された開口部１５により、反応空間部７の上壁部を構成する基板Ｋの下面に原料ガスＧが接触して、カーボンナノチューブが形成される。さらに、反応空間部７の底壁部を構成する下段側の基板Ｋの上面にも原料ガスＧが接触して、カーボンナノチューブが形成される。なお、最上段の基板Ｋでは、その上面が反応空間部７に面しないため、下面のみにカーボンナノチューブが形成される。
【００２９】
一方、非反応空間部８では、空気が供給側フランジ３１から排出側フランジ５１に向けて移動するが、空気排出用貫通口５８がガス排出用貫通口５７よりも小径なので、空気が排出されにくく、反応空間部７よりも高圧となる。さらに、反応空間部７では、排出部４の真空ポンプＰにより吸引されて減圧するが、非反応空間部８では減圧しないので、この圧力差はより大きくなる。したがって、低圧側の反応空間部７から高圧側の非反応空間部８への原料ガスＧの漏出は発生しない。
【００３０】
その後、最上段の基板Ｋでは下面、それ以外の基板Ｋでは両面にカーボンナノチューブが成長していき、所望のカーボンナノチューブが得られたことを確認すれば、原料ガス供給機７１および空気供給機７２の作動を停止する。なお、台座板１９および基板ホルダー体１１は石英ガラスを材料とするため透明であるから、上記確認は目視で行うこともできる。
【００３１】
次に、管本体２２から排出側フランジ５１を引き抜くと、排出側フランジ５１では、固定ゴム５５による台座板１９および基板ホルダー体１１の保持が維持されるとともに、供給側フランジ３１では、スプリング３５およびストッパー３６により溝部３４からスムーズに台座板１９および基板ホルダー体１１が外れる。このため、これら台座板１９および基板ホルダー体１１は、排出側フランジ５１とともに管本体２２の内部から取り出される。
【００３２】
そして、反応管２１から台座板１９および基板ホルダー体１１を取り出した後に、最上段の基板ホルダー１２では基板Ｋを表裏逆にし、それ以外の基板ホルダー１２ではカーボンナノチューブが形成した基板Ｋを取り外すとともに、新たな基板Ｋを保持させる。このとき、いずれの基板Ｋも、枠状突出部１６との接触箇所にはカーボンナノチューブが形成されていないので、この箇所を基板Ｋの反転または交換時の掴み代とすることができる。
【００３３】
このように、カーボンナノチューブの製造工程で非反応空間部８に原料ガスＧが漏出しないので、原料ガスＧを原因とする不純物が管本体２２の内部に付着せず、管本体２２の清掃を不要にすることができる。さらに、最上段以外の基板Ｋでは、両面に原料ガスＧを供給して、基板Ｋ両面にカーボンナノチューブを形成することができる。したがって、清掃工程を不要にし得るとともに、基板Ｋ両面にカーボンナノチューブを形成させるので、生産性を向上させることができる。また、非反応空間部８を反応空間部７より高圧にすることで原料ガスＧの反応空間部７から非反応空間部８への漏出を防止しているため、複雑な気密構造を必要とせず、装置を簡単な構造にすることができる。
【００３４】
ところで、上記実施例では、基板ホルダー体１１は基板ホルダー１２を３段に積み重ねたものとして説明したが、この段数に限定されるものではなく、複数段であればよい。
また、上記実施例では、炭素を含んだガスとしてアセチレンを原料ガスＧに用いたが、これに限定されるものではなく、メタン、エタン、プロパン若しくはヘキサンなどのアルカン類、エチレン若しくはプロピレンなどの不飽和有機化合物、または、ベンゼン若しくはトルエンなどの芳香族化合物であってもよい。
【００３５】
さらに、上記実施例では、非反応空間部８の圧力を反応空間部７の圧力よりも高めるため、空気排出用貫通口５８をガス排出用貫通口５７よりも小径に形成すると説明したが、この構成に限定されるものではなく、他の構成であっても、非反応空間部の空気を反応空間部の原料ガスよりも高い圧力にできればよい。
【００３６】
また、上記実施例では、基板ホルダー体１１を載置する台座板１９を用いた構成について説明したが、台座板を用いなくてもよい。この場合の構成は以下の通りである。
すなわち、反応管内に水平方向で配置された基板の表面に原料ガスを供給して熱化学気相成長法によりカーボンナノチューブを形成するためのＣＶＤ装置であって、上記反応管内で所定の隙間を有して上下に複数の基板を保持し得る基板保持体を具備するとともに、基板を保持した基板保持体により、反応管内を、原料ガスが供給される基板同士間の反応空間部と、上下の基板表面と当該反応管内壁面との間の原料ガスが供給されない非反応空間部とに区画し得るようにしたものである。
【符号の説明】
【００３７】
Ｇ      原料ガス
Ｋ      基板
１      熱ＣＶＤ装置
２      反応部
３      供給部
４      排出部
７      反応空間部
８      非反応空間部
１１      基板ホルダー体
１２      基板ホルダー
１３      水平部
１５      開口部
１７      脚部
１９      台座板
２１      反応管
３１      供給側フランジ
３５      スプリング
３６      ストッパー
３７      ガス供給用貫通口
３８      空気供給用貫通口
５１      排出側フランジ
５３      冷却水通路
５５      固定ゴム
５７      ガス排出用貫通口
５８      空気排出用貫通口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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