(57)【要約】【課題】処理対象物表面からの炭素ナノ構造体の成長以外に消費される原料ガスを可及的に抑制することができる炭素ナノ構造体成長用のＣＶＤ装置を提供する。【解決手段】処理対象物Ｗが配置される処理炉１と、処理炉内に炭素含有の原料ガスを導入するガス導入手段２１，２２と、原料ガスを加熱する加熱手段３とを備える本発明の炭素ナノ構造体成長用のＣＶＤ装置Ｍは、原料ガスが接触する処理炉内の部分の表層を、ニッケル及び炭素を夫々３０ａｔ％以上の同等量で含有する炭化ニッケル層１２で構成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理対象物が配置される処理炉と、処理炉内に炭素含有の原料ガスを導入するガス導入手段と、原料ガスを加熱する加熱手段とを備える炭素ナノ構造体成長用のＣＶＤ装置において、
原料ガスが接触する処理炉内の部分の表層を、ニッケル及び炭素を夫々３０ａｔ％以上の同等量で含有する炭化ニッケル層で構成したことを特徴とする炭素ナノ構造体成長用のＣＶＤ装置。
【請求項２】
前記炭化ニッケル層が、７μｍ以上の厚さを有することを特徴とする請求項１記載の炭素ナノ構造体成長用のＣＶＤ装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載のＣＶＤ装置の処理炉内面の炭化処理方法であって、
処理炉として、その内面の表層がニッケルを５５ａｔ％以上含有するニッケル合金で構成されるものを用い、この処理炉内に炭素含有ガスを導入し、炭素含有ガスを加熱して当該表層を炭化することにより、ニッケル及び炭素が夫々３０ａｔ％以上の同等量で含有される炭化ニッケル層を形成する工程を含むことを特徴とするＣＶＤ装置の処理炉内面の炭化処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素ナノ構造体成長用のＣＶＤ装置及びこのＣＶＤ装置の処理炉内面の炭化処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブやグラフェン等の炭素ナノ構造体を成長させるＣＶＤ装置として、処理対象物が配置される処理炉と、処理炉内に炭素含有の原料ガスを導入するガス導入手段と、原料ガスを加熱する加熱手段とを備えるものが例えば特許文献１で知られている。このものでは、処理対象物を配置した処理炉内に原料ガスを導入し、原料ガスを所定温度に加熱して分解することで、処理対象物の表面に炭素ナノ構造体を成長させている。
【０００３】
ところで、炭素含有の原料ガスとして用いられるものの中には、エチレンガスやアセチレンガスのように可燃性のものがある。このため、処理炉を密閉性の高い金属や合金で作製することが一般である。
【０００４】
しかしながら、処理炉を金属や合金で作製すると、処理炉の内面に露出する金属や合金が触媒となって当該内面に炭素ナノ構造体が成長するため、処理炉内に導入された原料ガスが処理対象物表面からの炭素ナノ構造体の成長以外に消費されるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−６２８８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、以上の点に鑑み、処理対象物表面からの炭素ナノ構造体の成長以外に消費される原料ガスを可及的に抑制することができる炭素ナノ構造体成長用のＣＶＤ装置及びこのＣＶＤ装置の処理炉内面の炭化処理方法を提供することをその課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、処理対象物が配置される処理炉と、処理炉内に炭素含有の原料ガスを導入するガス導入手段と、原料ガスを加熱する加熱手段とを備える本発明の炭素ナノ構造体成長用のＣＶＤ装置は、原料ガスが接触する処理炉内の部分の表層を、ニッケル及び炭素を夫々３０ａｔ％以上の同等量で含有する炭化ニッケル層で構成したことを特徴とする。本発明において、原料ガスが接触する処理炉内の部分とは、処理炉の内面と、処理炉内に配置される部品とを含むものとする。
【０００８】
本発明によれば、原料ガスが接触する処理炉内の部分の表層を、触媒として機能しない炭化ニッケル層で構成したため、当該表層での炭素ナノ構造体の成長を抑制することができる。従って、処理炉内に導入する原料ガスのうち処理対象物表面での炭素ナノ構造体の成長以外に消費される量を可及的に抑制できるため、処理対象物の表面に生産性よく炭素ナノ構造体を成長させることができる。
【０００９】
ところで、前記ガス導入手段を構成するガス管は通常石英製であるため、炭素ナノ構造体成長時にガス管表面に煤が付着し、その付着量が多くなると、ガス管から煤が剥がれて処理対象物に付着する。処理対象物に付着した煤は異物となるため、定期的に処理炉内に酸素含有ガスを導入してガス管に付着した煤を除去するクリーニング処理を行う必要があるが、酸素含有ガスに含まれる酸素が上記炭化ニッケル層の炭素と結合して二酸化炭素となって排出される。そこで、本発明においては、前記炭化ニッケル層の厚さを７μｍ以上とすることで、炭化ニッケル層の表面から炭素が奪われても、炭化ニッケル層の内部から当該表面に炭素が滲み出して補われるため、前記表層が炭化ニッケル層で維持され、耐クリーニング性を高めることができる。
【００１０】
また、上記ＣＶＤ装置の処理炉内面の炭化処理方法は、処理炉として、原料ガスが接触する処理炉の内面の表層がニッケルを５５ａｔ％以上含有するニッケル合金で構成されるものを用い、この処理炉内に炭素含有ガスを導入し、炭素含有ガスを加熱して当該表層を炭化することにより、ニッケル及び炭素を夫々３０ａｔ％以上の同等量で含有する炭化ニッケル層を形成する工程を含むことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態のＣＶＤ装置を示す模式的断面図。
【図２】本発明の実施形態のＣＶＤ装置を示す模式的断面図。
【図３】本発明の効果を確認する実験結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の炭素ナノ構造体成長用のＣＶＤ装置の実施形態について説明する。図１及び図２を参照して、ＣＶＤ装置Ｍは、処理対象物Ｗが配置される処理炉１を備える。処理炉１には、図示省略する公知の真空ポンプで構成される真空排気手段に通じる排気管が接続され、処理炉１内を真空引きできるようになっている。処理炉１内には、図示省略のガス源に連通し、マスフローコントローラ２１が介設されたガス管２２の先端が配置され、炭素含有の原料ガスを処理炉１内に所定流量で導入できるようになっている。この場合、マスフローコントローラ２１やガス管２２が特許請求の範囲のガス導入手段を構成する。また、後述するクリーニング処理中、ガス管２２から酸素含有ガスとして酸素ガスや大気を処理炉１内に導入できるようになっている。
【００１３】
処理炉１の外側には加熱手段３が設けられ、処理炉１内に導入された原料ガスを加熱して分解できるようになっている。加熱手段３としては、ランプや電熱線等の公知のものを用いることができるため、ここでは詳細な説明を省略する。また、加熱手段３の外側には、上下の断熱材４ａ，４ｂが設けられている。
【００１４】
処理炉１内には処理対象物Ｗを保持する保持手段としてのホルダー５が配置され、ホルダー５の側面には駆動手段６の駆動軸６ａが接続され、処理対象物Ｗを水平方向に移動できるようにしている。また、上記ＣＶＤ装置Ｍは、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた公知の制御手段を有し、制御手段により上記マスフローコントローラ２１の作動、真空排気手段の作動、加熱手段３の作動や、駆動手段６の作動等を統括管理するようになっている。
【００１５】
次に、処理対象物Ｗをニッケル箔の表面に触媒としてのＦｅ膜が形成されたものとし、上記ＣＶＤ装置Ｍを用いて処理対象物Ｗの表面にカーボンナノチューブを成長させる場合を例に炭素ナノ構造体の成長方法について説明する。
【００１６】
先ず、ホルダー５により処理対象物Ｗを保持し、処理炉１内に炭素含有の原料ガスを所定流量（例えば、１００〜１０００ｓｃｃｍ）で導入する（このとき、処理炉１内の圧力は３８０〜７６０Ｔｏｒｒ）。炭素含有の原料ガスとしては、エチレンガス、アセチレンガス及びメタンガス等の炭化水素や、エタノール等のアルコールを用いることができる。このような原料ガスと共に希釈ガスを処理炉１内に導入してもよく、希釈ガスとしては、水素ガス、窒素ガスや、アルゴン等の希ガスを用いることができる。この状態で加熱手段３を作動させて原料ガスを所定温度に加熱すると、原料ガスが分解して処理対象物Ｗの表面からカーボンナノチューブが成長する。加熱温度は、原料ガスの種類に応じて、４００〜８５０℃の範囲で適宜設定することができる。例えば、エチレンガスを用いる場合には７５０℃、アセチレンガスを用いる場合には７２０℃、メタンガスを用いる場合には８００℃に夫々設定することができる。処理時間は、処理対象物Ｗ表面から成長させるカーボンナノチューブの長さに応じて、１分〜９０分の範囲で適宜設定することができる。
【００１７】
ここで、処理炉１を密閉性の高いニッケル合金で作製すると、原料ガスが接触する処理炉１の内面１１にニッケル合金が露出し、この露出したニッケル合金が触媒となって当該内面１１に炭素ナノ構造体が成長するという不具合が生じる。
【００１８】
本実施形態によれば、処理炉１の内面１１の表層を、ニッケル及び炭素を夫々３０ａｔ％以上の同等量で含有する炭化ニッケル層１２で構成した。この炭化ニッケル層１２は、カーボンナノチューブを成長させる触媒として機能しないため、当該炭化ニッケル層１２でのカーボンナノチューブの成長を抑制できる。従って、処理炉１内に導入する原料ガスのうち処理対象物Ｗ表面でのカーボンナノチューブの成長以外に消費される量を可及的に抑制できるため、処理対象物Ｗの表面に生産性よくカーボンナノチューブを成長させることができる。
【００１９】
ところで、ガス導入手段の一部を構成するガス管２２は通常石英製であるため、カーボンナノチューブ成長時にガス管２２表面に煤が付着し、その付着量が多くなると、ガス管２２から煤が剥がれて処理対象物Ｗに付着して異物となる。このため、定期的に、処理室１内に酸素含有ガスを導入してクリーニング処理が行われる。このとき、クリーニングガスに含まれる酸素が炭化ニッケル層１２の炭素と結合して二酸化炭素となって排出管（図示省略）から排出され、処理炉１の内面１１にニッケル層が露出すると、露出したニッケル層が酸化されてニッケル酸化物層となる。処理炉１の内面１１にニッケル酸化物層が露出した状態で上記原料ガスを導入して炭素ナノ構造体を成長させると、ニッケル酸化物層から異物が発生する。
【００２０】
そこで、本実施形態では、炭化ニッケル層１２の厚さを７μｍ以上とすることで、炭化ニッケル層１２の表面から炭素が奪われても、炭化ニッケル層１２の内部から当該表面に炭素が滲み出して補われるため、処理炉１の内面１１表層が炭化ニッケル層で維持され、耐クリーニング性（耐酸化性）を高めることができる。
【００２１】
次に、ＣＶＤ装置Ｍの処理炉１の内面１１の炭化処理方法について、当該内面１１に炭化ニッケル層１２を形成する場合を例に説明する。先ず、処理炉１として、原料ガスが接する処理炉の内面の表層がニッケルを５５ａｔ％以上含有するニッケル合金で構成されるものを準備する。そして、ガス管２２から処理炉１内に炭素含有ガスを所定流量（例えば、１００〜１０００ｓｃｃｍ）で導入する（このとき、処理炉１内の圧力は３８０〜７６０Ｔｏｒｒ）。炭素含有ガスとしては、上記カーボンナノチューブ成長用の炭素含有の原料ガスを用いることができる。この状態で加熱手段３を作動させて炭素含有ガスを加熱分解すると、処理炉１の内面のニッケル合金が炭化されて炭化ニッケル層１２となる。このとき、ニッケル合金に含まれるニッケルと炭素含有ガスに含まれる炭素とが１：１（原子数比）で反応し、結果として、炭化ニッケル層１２中にニッケル及び炭素が夫々３０ａｔ％以上の同等量で含有される。尚、炭化ニッケル層１２に含有されるニッケル及び炭素以外の残部は特に問わず、炭化ニッケル層１２にニッケル合金に含まれるニッケル以外の元素の炭化物（例えば、炭化鉄、炭化チタン等）が含有されてもよく、炭素が単独でニッケル原子間の隙間に侵入することで含有されてもよい。
【００２２】
次に、上記効果を確認するために、上記ＣＶＤ装置Ｍを用いて次の実験を行った。即ち、発明実験１では、処理対象物Ｗとして、１００ｍｍ×１００ｍｍのＮｉ箔の表面に触媒として機能するＦｅ膜（膜厚２ｎｍ）が成膜されたものを用い、この処理対象物Ｗをホルダー５上にセットした。そして、駆動手段６により処理対象物Ｗを移動させながら、処理炉１内にアセチレンガスを１００ｓｃｃｍ導入し（このとき、処理炉１内の圧力は７６０Ｔｏｒｒ）、加熱手段３を作動させて７２０℃に加熱した。これにより、アセチレンガスが分解されて処理対象物Ｗ表面にカーボンナノチューブが成長した。カーボンナノチューブの長さが３００μｍとなる所定時間（例えば６０分）が経過すると、アセチレンガスの導入を停止し、加熱手段３の作動を停止して処理対象物Ｗを取り出した。そして、処理炉１の内面１１を目視にて確認したところ、当該内面１１にカーボンナノチューブは成長しておらず（煤は付着しておらず）、原料ガスが当該内面１１で消費されることなく、処理対象物Ｗ表面でのカーボンナノチューブの成長のみに使用されることが判った。
【００２３】
また、発明実験２では、カーボンナノチューブ成長時にガス管２２に付着した煤を除去するため、ガス管２２から大気を導入し（このとき、処理炉１内の圧力は７６０Ｔｏｒｒ）、加熱手段３を作動して７２０℃に加熱するクリーニング処理を６０分行った。クリーニング処理後、処理対象物Ｗ表面にカーボンナノチューブを再び成長させたところ、処理炉１の内面１１からの異物の発生は確認されなかった。これより、炭化ニッケル層１２の厚さを７μｍ以上にすることで、耐クリーニング性（耐酸化性）が向上することが判った。
【００２４】
また、上記発明実験１及び２で用いた処理炉１の炭化ニッケル層１２は、以下の方法により形成した。即ち、処理炉として、その内面の表層がニッケルを５５ａｔ％含有するニッケル合金で構成されるものを用い、この処理炉内にアセチレンガスを導入し（このとき、処理炉内の圧力は７６０Ｔｏｒｒ）、加熱手段３により７２０℃で６０分加熱することで、当該表層を炭化して炭化ニッケル層１２を形成した。このように形成された炭化ニッケル層１２の成分分析を行った結果を図３に示す。これによれば、処理炉１の内面１１から７〜８μｍまでの深さでは、ニッケル（Ｎｉ）及び炭素（Ｃ）を夫々３０ａｔ％以上の同等量で含有する炭化ニッケル層１２が形成されていることが判った。また、加熱時間を３０分、９０分に変更した点を除いて、上記と同様の方法で形成した炭化ニッケル層１２の成分分析を行ったところ、図３に示す結果とほぼ同等の結果が得られた。
【００２５】
上記発明実験に対する比較のために比較実験を行った。比較実験では、処理炉１として、その内面１１を炭化処理していない（即ち、当該内面１１に炭化ニッケル層１２を形成していない）ニッケル合金製のものを用い、上記発明実験１と同様の条件にて、処理対象物Ｗ表面にカーボンナノチューブを成長させた。処理対象物Ｗを取り出した後、処理炉１の内面１１を目視にて確認したところ、煤が付着しており、当該内面１１で原料ガスが消費されてカーボンナノチューブが成長したことが判った。
【００２６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記に限定されるものではない。上記実施形態では、処理炉１の内面１１の表層を炭化ニッケル層１２で構成する場合を例に説明したが、これに限られず、処理炉１内に配置されて原料ガスが接触するホルダー５の表層を炭化ニッケル層で構成することもできる。これによれば、ホルダー５への煤の付着を可及的に抑制することができる。
【００２７】
上記実施形態では、カーボンナノチューブを成長させる場合を例に説明したが、グラフェンのような他の炭素ナノ構造体を成長させる場合にも本発明を適用することができる。
【００２８】
上記実施形態では、処理対象物Ｗを保持するホルダー５を駆動手段６により移動させながらカーボンナノチューブを成長させているが、処理対象物Ｗをコンベア上に載置して移動させながらカーボンナノチューブを成長させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００２９】
Ｍ…炭素ナノ構造体成長用のＣＶＤ装置、Ｗ…処理対象物、１…処理炉、１１…処理炉の内面（原料ガスが接触する処理炉内の部分）、１２…炭化ニッケル層、２１…マスフローコントローラ（ガス導入手段）、２２…ガス管、３…加熱手段、５…ホルダー（原料ガスが接触する処理炉内の部分）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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