(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの溝が設けられている基材を用意する工程と、
該溝が形成されている面上を該溝の長手方向に沿った方向にスキージで往復掃引することにより、カーボンナノチューブが分散された分散剤を前記溝内に落とし込んで前記カーボンナノチューブを前記溝の長手方向に配向させる配向工程と、を含み、
前記溝の長手方向の長さは前記カーボンナノチューブの長さより長く、前記溝の短手方向における該溝の開口幅は前記カーボンナノチューブの直径より大きく、かつ、該カーボンナノチューブの長さよりも小さい、カーボンナノチューブの配向方法。
【請求項２】
前記配向工程後に、前記基材上の前記溝以外の部分に残留した前記カーボンナノチューブを掻き取る掻き取り工程を含む請求項１に記載のカーボンナノチューブの配向方法。
【請求項３】
前記掻き取り工程にて、前記基材の前記溝が形成されている面上を、スキージで掃引する請求項２に記載のカーボンナノチューブの配向方法。
【請求項４】
前記配向工程後に、前記溝に落とし込まれた前記分散剤を加熱する工程を含む請求項１ないし３のいずれか１項に記載のカーボンナノチューブの配向方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配向ユニット、デバイスおよびカーボンナノチューブの配向方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
針状物質の代表的な例として、最近注目されているカーボンナノチューブは、黒鉛構造の基礎構造であるｓｐ２炭素が結合した面状の炭素結合構造をナノオーダで屈曲させ円筒状にした原子配列を有し、多くの優れた性質を有することから様々な分野に応用されている。特に良導体にも半導体にも成り得るその電気的特性から電子素材として多く利用されている。その一つの例としてＭＯＳトランジスタへの応用がある。
【０００３】
図６は、従来のＭＯＳトランジスタの構造の一例を示す模式図である。シリコン基板１０上のＳｉＯ2膜１１上に複数のカーボンナノチューブ１０４を一方向に配向して配置し、ソース１２、ドレイン１３、ゲート１４のそれぞれの電極をフォトリソグラフィで形成する。その後、ソース・ドレイン間に高電圧を印加して良導体のカーボンナノチューブのみを切断して、半導体特性を有するカーボンナノチューブ１０４のみを残すことでＭＯＳトランジスタを構成している。
【０００４】
このほか、カーボンナノチューブの応用例としては、ＦＥＤ（フィールドエミッションディスプレイ）の電子源がある。カーボンナノチューブには電圧をかけるとその先端から電子を放出する性質がある。そこで、多数のカーボンナノチューブを同一方向に束にして１つの電子放出素子とし、それを２次元的に配列してＦＥＤの電子源とするものもある。これ以外にもカーボンナノチューブは様々な分野に応用されているが、ほとんどの場合でカーボンナノチューブを一方向に配列して使用することが必須となっている。
【０００５】
カーボンナノチューブを配向する方法としては、特許文献１〜４が開示されているが、これらは全てＦＥＤの電子源に関するものである。特許文献１ではカーボンナノチューブを含む物質を円筒容器に閉じこめ、円筒容器を延伸することによって容器内のカーボンナノチューブを延伸方向に配向させている。一方、特許文献２ではセラミックシートにスルーホールを多数形成し、そこにカーボンナノチューブを分散させた導電ペーストを押し込むことによりスルーホール内に基板と垂直な方向にカーボンナノチューブを配向させている。そして、特許文献３では配向させる基材表面上に予めギザギザ形状などの物理的形状を形成させておき、そこにスクリーン印刷法やスピンコート法によりカーボンナノチューブを分散させたペーストを塗布することによって基材表面上にカーボンナノチューブを垂直に配向させている。特許文献４では、金属膜表面に微細な窪みを多数形成し、その上にカーボンナノチューブを配置することで、金属膜表面に対して垂直にカーボンナノチューブを配向させている。
【特許文献１】特開２０００−２０８０２６号公報
【特許文献２】特開２００１−９３４０４号公報
【特許文献３】特開２００１−１９５９７２号公報
【特許文献４】特開２００３−１９７１３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１で開示されている方法では配向させるまでに複雑な工程が必要であり、さらにそれをＦＥＤの電子源として利用するにはマトリックス状に配列しなければならず多くのプロセスを経なければならなかった。
【０００７】
また、特許文献２、３および４に開示されている方法は、基板に垂直方向にカーボンナノチューブを配向させて、予めマトリックス状に配列することを想定した製法であり、１個１個の電子放出素子のサイズを極小化するには製法上限界があった。
【０００８】
そこで、本発明は、基材に設けられた溝に、針状物質を落とし込むことで、針状物質を溝の長手方向に簡便に配向させる、針状物質の配向方法、さらには配向ユニット、デバイス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】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明のカーボンナノチューブの配向方法は、少なくとも１つの溝が設けられている基材を用意する工程と、該溝が形成されている面上を該溝の長手方向に沿った方向にスキージで往復掃引することにより、カーボンナノチューブが分散された分散剤を前記溝内に落とし込んで前記カーボンナノチューブを前記溝の長手方向に配向させる配向工程と、を含み、前記溝の長手方向の長さは前記カーボンナノチューブの長さより長く、前記溝の短手方向における該溝の開口幅は前記カーボンナノチューブの直径より大きく、かつ、該カーボンナノチューブの長さよりも小さい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、基材に設けられた溝にカーボンナノチューブを落とし込むことで、カーボンナノチューブを溝の長手方向に簡便に配向させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
針状物質の代表例として、本実施例においてはカーボンナノチューブの例を示す。まず、基材上にカーボンナノチューブを配向させる方法について説明し、次いで、配向させたカーボンナノチューブをマトリックス状に配列する方法について説明する。
１．カーボンナノチューブの配向方法
図１を参照しながら、基材上にカーボンナノチューブを配向する方法について説明する。
【００１２】
図１（Ａ）に示す基材１の表面には、複数の溝２が形成されている。基材１の材質に特に制限はなく、セラミックや樹脂のような絶縁体であっても、シリコンウエハや金属などの半導体や良導体で良い。さらに、シリコン基板上にＳｉＯ2などの酸化膜があっても特に問題はなく、基材１の表面の平面度が確保されていれば材質は問わない。
【００１３】
溝２は、その断面形状が頂点を下方としたＶ字形状であり、基材１に所定の間隔を空けて略平行に形成されている。この溝２は、後述するようにカーボンナノチューブ４をこれら溝２の中に落とし込み、溝２の側壁２ａに倣わせることでカーボンナノチューブ４を配向させるためのものである。よって、溝２の寸法は、カーボンナノチューブ４を溝２に落ち込ませることが可能なように溝２の開口部分の幅ｗはカーボンナノチューブ４の直径よりも大きくなるように形成されている。また、溝２に落ち込んだカーボンナノチューブ４を側壁２ａに倣わせるために幅ｗはカーボンナノチューブ４の長さよりも小さくなるように形成されている。
【００１４】
なお、溝２の断面形状は、図１にはＶ字形状のものを一例として示しているが、カーボンナノチューブ４の配向が可能な形状であればこれに限定されるものではなく、矩形、台形、半円形、半楕円形等であってもよい。なお、本実施形態では溝２の断面形状がＶ字形状であるため、カーボンナノチューブ４を側壁２ａに倣わせて配向するが、例えば断面形状が矩形の場合は溝の底面にもカーボンナノチューブは倣い配向されることとなる。すなわち、溝形状は、カーボンナノチューブを溝の内壁に倣わせて配向することができればいかなる形状であってもよい。
【００１５】
本実施形態で使用可能なカーボンナノチューブ４の大きさは、直径が数ｎｍ〜数１０ｎｍ、長さは数μｍ〜数１０μｍの範囲のものが好ましい。本実施形態においては、直径が２０ｎｍ、長さ２０μｍのカーボンナノチューブを使用するので、溝２の幅ｗはカーボンナノチューブ４の長さより短ければ良いが、配向性を向上させるためカーボンナノチューブ４の直径の数１０倍程度とし、長さＬはカーボンナノチューブの長さの約１．２倍以上が好ましい。本実施形態においては、幅ｗが５００ｎｍ、長さＬが２５μｍの溝２を用いる。ただし、溝２の長さＬについては用途によっては配向してから切断しても良いため、さらに長くしても構わない。ＦＥＤの電子源を形成する場合には、溝２の幅ｗは５００ｎｍ程度、長さＬは１ｍｍ程度が好適である。なお、本実施形態では、溝２の長さＬは基材１の長手方向長さより短いものを一例として示しているが、溝２の長さＬを基材１の長手方向長さと同じとしてもよい。
【００１６】
溝２の形成はイオンビームや電子ビーム、さらには可視光以下の波長の光ビームで形成しても良いし、ラビング法によっても良い。また、基材１がシリコンウエハの場合にはドライエッチングや異方性エッチングによっても溝２を形成することもできる。このような基材１がステージ８上に配置されている。
【００１７】
図１（Ｂ）は、ペースト３に分散させたカーボンナノチューブ４をスキージ５によって溝２に落とし込む工程を示している。
【００１８】
分散剤としてのペースト３は、本実施形態では導電性ペーストを使用している。例えば、本実施形態をＭＯＳトランジスタの製造に適用する場合には分散剤としては導電性ペーストを使用するのが好ましい。なお、ペースト３は、導電性を有するペーストに限定されるものではなく、絶縁性の分散剤として、樹脂系ペーストのほか、溶剤のような比較的粘度の低い分散剤を使用しても良い。
【００１９】
また、スキージ５によりカーボンナノチューブ４を溝２に落とし込む際の、スキージ５の移動方向についても特に指定はないが、溝２の長手方向Ａと略平行になるようにスキージ５を配置し、溝２の長手方向Ａと垂直方向にスキージを往復移動させるよりは、図１（Ｂ）に示すように、溝２の長手方向Ａと略垂直方向にスキージ５を配置し、溝２の長手方向の矢印Ａ方向にスキージを往復移動させる方式のほうが、溝２に落ち込んでいるカーボンナノチューブを掻きだすことが少なく、溝２以外の溝面１ａ上に配向せず残留するカーボンナノチューブ４を回収することができ、効率が良い。
【００２０】
図１（Ｃ）は、溝面１ａ上に残留したカーボンナノチューブ４をスキージ５によって溝面１ａを掃引することで掻き取る工程を示している。この工程で掻き取ったカーボンナノチューブ４は再び図１（Ｂ）で繰り返し再利用することができる。
【００２１】
図１（Ｄ）は、このようにして、カーボンナノチューブ４を溝２に落とし込んで側壁２ａに倣わせることで、溝２の長手方向にカーボンナノチューブ４を配向して形成された配向ユニット６の斜視図である。ここで、溝のペースト中の溶剤を蒸発させる為に、加熱工程を行う事が望ましい。より好ましくは、カーボンナノチューブを含むペーストの付与（図１（Ｂ））、溝面の掃引（図１（Ｃ））、加熱工程、とを繰り返し行うことで、溝２にカーボンナノチューブ４をより高密度に落とし込むことが可能となる。加熱工程は、例えば、基材１を保持するステージ８にヒーターを内蔵させて基材１を加熱しても良いし、あるいは、外部の加熱処理機構によって加熱を行うものであってもよい。
【００２２】
このように、本発明によれば、カーボンナノチューブの配向に際して、基材に形成されている溝内にカーボンナノチューブを落とし込むだけである。よって、カーボンナノチューブを簡便に配向させることができる。また、従来技術では配向させることができなかったカーボンナノチューブを回収するのは困難であったが、本発明においては、溝に落ち込まず基材上に残留したカーボンナノチューブは掻き取り再利用することができるので、無駄となるカーボンナノチューブを減らすことができる。
【００２３】
この配向ユニット６を用いてＦＥＤの電子源を製造するには、複数の配向ユニット６を重ねてマトリックス状に配列した、デバイスを作製必要がある。この電子源の製造方法については後述するものとする。
【００２４】
また、カーボンナノチューブを用いたデバイスの例としてＭＯＳトランジスタの製造に、本発明を適用する場合には、シリコン基板上にＳｉＯ2膜が形成されたものが基材１として用いられる。ただし、ＭＯＳトランジスタを製造する場合、ＳｉＯ2膜上に、ある程度長さの揃ったカーボンナノチューブ４を、並列に、かつ長さ方向にも揃えて配向する必要がある。このような場合には、溝２の長さを使用するカーボンナノチューブ４の長さより多少長く設定（例えば１．２倍）しておくのが好ましい。これにより、溝２に落ち込むカーボンナノチューブ４は、側壁２ａに倣って配向されるだけでなく、溝２の端面２ｂ（図１（Ａ）参照）によって長さ方向に規制されるため、カーボンナノチューブ４を長さ方向にも揃えて配向することができる。
【００２５】
溝２は、ＳｉＯ2膜の表面上にドライエッチングにより形成することができる。そして、上述の方法と同様にしてカーボンナノチューブ４を溝２に落とし込み、溝２の長手方向に配向した配向ユニット６を形成した後、この配向ユニット６にソース、ドレイン、ゲートの各電極をフォトリソグラフィやＩＪ法を用いて形成することで、カーボンナノチューブを用いたデバイスである、ＭＯＳトランジスタが製造されることとなる。
２．マトリックス電極の製造方法
次に、カーボンナノチューブを用いたデバイスの別の例として、上述の配向方法によって、カーボンナノチューブ４を配向した配向ユニット６を用いて、ＦＥＤの電子源などに利用できるようマトリックス電極を形成する方法について図２を参照しながら説明する。
【００２６】
図２（Ａ）は、４本の溝２を有し、その内部にカーボンナノチューブ４が配向された配向ユニット６上に、同様の構成の他の配向ユニット６を積層する状態を示している。各配向ユニット６は溝２の長手方向を揃えて積層される。各配向ユニット６間の接合は基材１の材質によって最良の方法を選択すれば良いが、本実施形態のようにセラミックスやシリコンを基材とした場合にはエポキシ系接着剤のよる接着や、表面活性化結合によれば常温での結合が可能である。また、シリコンに限れば高温でのシリコン結合が可能である。なお、精度良く接合するためには、接着材による接着は不向きで、活性化結合やシリコン接合が望ましい。
【００２７】
このようにして所望の枚数の配向ユニット６を積層した後、図２（Ｂ）に示すように、最上面を溝加工していない基材１を重ねて同様に接合することで積層配向ユニット６ａを得る。図２（Ｂ）では４段に重ねた配向ユニット６の最上面に基材１をさらに重ねた構成の積層配向ユニット６ａが示されている。
【００２８】
配向ユニット６を接合して積層し、積層配向ユニット６ａを得た後、図２（Ｃ）に示すように積層配向ユニット６ａを切断線１５にてダイシングする。なお、各切断線１５は、溝２と交差する方向で、かつ所望の寸法のマトリックス電極７を得ることができる間隔で設定されるが、マトリックス電極７の端面７ａに溝２が露出するように、溝２の長さＬの範囲内とする必要がある。
【００２９】
以上により、４本の溝２を有する配向ユニット６を４段に重ねて積層配向ユニット６ａを形成し、さらにこれを切断線１５にてダイシングすることで、端面７ａに、電子放出源（電極）となるカーボンナノチューブ４が配向された溝２が４×４のマトリクス状に配列されたマトリックス電極７を得ることができる。
【００３０】
なお、積層配向ユニット６ａのダイシングは、レーザ切断で行うものであってもよいし、あるいは、一般のダイサーでも配向ユニット６間がしっかり結合されているので問題ない。
【００３１】
また、本実施形態の積層配向ユニット６ａは、各溝２の方向を揃えて積層したものを一例として示したがこれに限定されるものではなく、基材１を各溝２が異なる方向となるように積層して形成するものであってもよい。
【００３２】
以上、本実施形態で説明した方法によれば、各溝２の間隔と基材１の厚さを調整することによってマトリックス電極７の電極の間隔に自由に変更可能で、その間隔も微細にかつ高精度に作り込むことが可能となる。
（第２の実施形態）
本実施形態では、配向されたカーボンナノチューブを用いてライン電極を製造する方法について説明する。
【００３３】
図３は、分散剤としての導電性のペースト３３に分散させたカーボンナノチューブ３４をスキージ３５によって、基材３１に形成された溝３２に落とし込む工程を示している。本実施形態では基材３１として、溝３２が、隣り合う溝と間隔を空けずに連続して形成されているものを用いる。なお、溝３２の基本的な構成は第１の実施形態で説明した溝２と同様であるため、詳細の説明は省略する。
【００３４】
次に、図３に示すようにして形成された配向ユニット３６を用いてライン電極を製造する方法について図４を参照しながら説明する。
【００３５】
図４（Ａ）は、配向ユニット３６の溝面３６ｂと、配向ユニット３６’の溝面３６ｂ’とを互いに向かい合わせている状態を示しており、これを図４（Ｂ）に示すように積層して積層配向ユニット３６ａを得る。なお、配向ユニット３６の溝面３６ｂに形成されている溝３２と、配向ユニット３６’の溝面３６ｂ’に形成されている溝３２’とは、互いに溝の配列方向に半分だけピッチがずれている。  ここで、導電性のペーストとして金属微粒子等を溶剤中に拡散させたものを用いた場合は、図４（Ｂ）の工程の後に、加熱工程を含む事が望ましい。加熱を行うことで、金属微粒子を焼結させて導電率をさらに高めることが可能となる。
【００３６】
次に、溝面３６ｂ、３６ｂ’同士を向かい合わせ、かつ溝３２、３２’を半ピッチずらして重ね合わせることで形成された積層配向ユニット３６ａを図４（Ｃ）に示すように積層配向ユニット３６ａを切断線４５にてダイシングし、図４（Ｄ）に示すライン電極３９を得る。すなわち、上述したように溝３２、３２’が半ピッチずれていることで、ライン電極３９の一部拡大図である図５に示すように、溝３２、３２’内に配向されたカーボンナノチューブ３４が三角波形状に繋がることとなる。これにより、溝３２、３２’の配列方向に三角波形状に連続してカーボンナノチューブ３４が配向されたライン電極３９を得ることができる。なお、ライン電極３９の断面形状は、三角波形状に限定されるものではなく、溝３２、３２’が矩形、台形、半円形、半楕円形等の場合、これに応じた波形形状となるものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１の実施形態における、基材上にカーボンナノチューブを配向する方法の各工程を示す模式図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の配向方法によって形成された配向ユニットを用いてマトリックス電極を形成する方法の各工程を示す模式図である。
【図３】本発明の第２の実施形態における、基材上にカーボンナノチューブを配向する方法を示す模式図である。
【図４】本発明の第２の実施形態の配向方法によって形成された配向ユニットを用いてライン電極を形成する方法の各工程を示す模式図である。
【図５】ライン電極の一部拡大図である。
【図６】従来のＭＯＳトランジスタの構造の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３８】
１、３１    基材
１ａ、３６ｂ、３６ｂ’    溝面
２、３２、３２’    溝
４、３４    カーボンナノチューブ
５、３５    スキージ
６、３６    配向ユニット
【図１】
0004689237.tif 000002
【図２】
0004689237.tif 000003
【図３】
0004689237.tif 000004
【図４】
0004689237.tif 000005
【図５】
0004689237.tif 000006
【図６】
0004689237.tif 000007