(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空ポンプが取り付けられた減圧槽内に水素ガスと共に原料ガスを導入し、試料基板ホルダーに装着した試料基板を減圧槽の外側に設けたランプヒータで加熱し、試料基板上にグラファイトナノファイバを成膜する装置において、
水素ガスと原料ガスである一酸化炭素ガスを混合させて減圧槽内にガス放出ノズルから導入するガス導入パイプが減圧槽内で少なくとも一回巻回されて、ランプヒータから加熱される位置に配置されていることを特徴とするグラファイトナノファイバ成膜装置。
【請求項２】
ガス導入パイプの先端が、減圧槽の底面上に熱絶縁体を介して配置されたリング状のガス放出ノズルに接続されている請求項１に記載のグラファイトナノファイバ成膜装置。
【請求項３】
グラファイトナノファイバを成長させる試料基板が少なくとも鉄、クロム、ニッケル又は上記金属の合金を少なくとも１種類以上含んでいる請求項１又は２に記載のグラファイトナノファイバ成膜装置。
【請求項４】
ガス導入パイプに加熱ヒータを巻回した請求項１〜３のいずれか一項に記載のグラファイトナノファイバ成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、平面ディスプレイ（電界放出型ディスプレイ）やＣＲＴの電子管球の代わる電子発光素子を必要とする部品にグラファイトナノファイバを成膜する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の従来のグラファイトナノファイバ成膜装置の一例を添付図面の図３に示す。
図３において１は減圧槽であり、減圧槽１は仕切弁２を介して真空ポンプ３に接続され、真空環境を形成できしかも常圧（１気圧）に耐え得るように構成されている。減圧槽１の一側壁の開口部には試料基板取出用扉１ａが密封して取付けられている。また減圧槽１は、図示されていないが全体に冷却パイプが巻回されて室温近くまで冷却される。
【０００３】
減圧槽１の頂部には石英窓４が取付けられて真空封止されている。この石英窓４の上部の大気側にはランプヒータ５が取付けられている。また減圧槽１内には試料基板ステージ６が設けられ、この試料基板ステージ６上に、グラファイトナノファイバ膜の形成される試料基板７が装着される。試料基板７はランプヒータ５によって加熱するようにされている。また減圧槽１には、減圧槽１内の圧力を計測するダイヤフラム真空計８、逆止弁９と仕切弁１０のガス排出経路及びベント弁１１が取付けられている。
【０００４】
また、図３において１２は、減圧槽１に一酸化炭素ガスと水素ガスを導入するガス導入系であり、このガス導入系１２は、仕切弁１３ａ、ガス流量調整器１３ｂ、仕切弁１３ｃ、圧力調整器１３ｄ及び一酸化炭素ガスボンベ１３ｅを含む一酸化炭素ガス供給系と、仕切弁１４ａ、ガス流量調整器１４ｂ、仕切弁１４ｃ、圧力調整器１４ｄ及び水素ガスボンベ１４ｅを含む水素ガス供給系とを備えている。そして一酸化炭素ガス供給系及び水素ガス供給系は導入パイプ１５で混合され、減圧槽１内の底部に固定されたリング状ガス放出ノズル１６に接続されている。このリング状ガス放出ノズル１６は減圧槽１の外側に設けた冷却パイプを循環する冷媒により冷却されている。
【０００５】
このように構成された図３に示す従来の装置の動作について説明する。
図３に示す装置において、仕切弁２を開状態にし、真空ポンプ３を作動させて、減圧槽１内を０．１Ｔｏｒｒ程度に真空引きする。その後、仕切弁２は閉じられ、真空ポンプ３は停止される。この状態でガス導入系１２を作動して一酸化炭素ガスと水素ガスの混合ガスを減圧槽１に導入する。この場合、混合ガスの導入より減圧槽１内の圧力が１気圧（大気圧）になるようにされている。
【０００６】
こうして減圧槽１内の圧力が１気圧（大気圧）になった段階で、ガス導入系１２において、一酸化炭素ガス供給系のガス流量調整器１３ｂ及び水素ガス供給系のガス流量調整器１４ｂにより一酸化炭素ガスの流量を０．１リットル／分に、また水素ガスの流量を０．３リットル／分に調整し、そして仕切弁１０を開ける。ランプヒータ５に電力を通電することでヒータ５を加熱し、その結果、試料基板７はランプヒータ５の熱輻射により５５０℃〜６００℃まで加熱される。こうして加熱された試料基板７上に減圧槽１内に導入されたガスが吸着するとグラファイトナノファイバが試料基板７の表面上に成長する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来装置では、試料基板７の表面は加熱されているが、ガスの温度は成長温度近くまで上がっていないため、ガスが試料基板７の表面に吸着しても最初はグラファイトナノファイバの構造を持った膜が試料基板７の表面には成長せず、別の物質（現在、この物質は明確には判らないが電子顕微鏡で観察するとアモルファスカーボンあるいは鉄系カーボン層）が基板表面に約１μｍの厚さに堆積し、その後からようやくグラファイトナノファイバが成長することが確認されている。
【０００８】
このような状態だと電子放出量が少なく、１μＡ〜１０μＡ／ｃｍ２：電界強度３．５ｋＶ／ｍｍ程度あることが確認されている。このことからも従来の装置では純粋なグラファイトナノファイバ層を成長させることは困難である。
【０００９】
そこで，本発明は、従来の装置に伴う問題点を解決して、試料基板上に直接純粋なグラファイトナノファイバを成長させることができるグラファイトナノファイバ成膜装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明によれは、真空ポンプが取り付けられた減圧槽内に水素ガスと共に原料ガスを導入し、試料基板ホルダーに装着した試料基板を減圧槽の外側に設けたランプヒータで加熱し、試料基板上にグラファイトナノファイバを成膜する装置において、
水素ガスと原料ガスである一酸化炭素ガスを混合させて減圧槽内にガス放出ノズルから導入するガス導入パイプが減圧槽内で少なくとも一回巻回されて、ランプヒータから加熱される位置に配置されていること
を特徴としている。
【００１１】
本発明の一実施の形態においては、ガス導入パイプの先端は、減圧槽の底面上に熱絶縁体を介して配置されたリング状のガス放出ノズルに接続され得る。
【００１２】
また、グラファイトナノファイバを成長させる試料基板は少なくとも鉄、クロム、ニッケル又は上記金属の合金を少なくとも１種類以上含んでいる。
【００１３】
本発明のグラファイトナノファイバ成膜装置では、好ましくはガス導入パイプには加熱ヒータが巻回され得る。
【００１４】
このように構成した本発明のグラファイトナノファイバ成膜装置においては、ガス導入パイプを減圧槽内で少なくとも一回巻回するように構成しているので、減圧槽内でのガス導入パイプのパスを長くでき、その長くなったパイプ内でランプヒータによって通過するガスが加熱され、減圧槽内に導入されるガスの温度を高くすることができるようになる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面の図１及び図２を参照して本発明のグラファイトナノファイバ成膜装置の実施の形態について説明する。
図１には、本発明のグラファイトナノファイバ成膜装置の一実施の形態が示されている。図１において、２１は減圧槽であり、減圧槽２１は仕切弁２２を介して真空ポンプ２３に接続され、真空環境を形成できしかも常圧（１気圧）に耐え得るように構成されている。減圧槽２１は、図示していないが試料基板搬入搬出口が設けられている。また減圧槽２１は、図示されていないが全体に冷却パイプが巻回されて室温近くまで冷却するようにされ、減圧槽１の内壁にグラファイトナノファイバを成長させないようにしている。
【００１６】
減圧槽２１の頂部には石英窓２４が取付けられ、この石英窓２４の外側にはランプヒータ２５が取付けられている。ランプヒータ２５は図示していない適当な電源に接続される。減圧槽２１内には試料基板ステージ２６が設けられ、この試料基板ステージ２６上に、グラファイトナノファイバ膜の形成される試料基板２７が装着される。試料基板２７はランプヒータ２５によって加熱するようにされている。また減圧槽２１には、減圧槽２１内の圧力を計測するダイヤフラム真空計２８、逆止弁２９と仕切弁３０のガス排出経路及びベント弁３１が取付けられている。
【００１７】
また、図１において３２は、減圧槽２１に一酸化炭素ガスと水素ガスを導入するガス導入系であり、このガス導入系３２は、仕切バルブ３３ａからガス流量調節器３３ｂ、仕切バルブ３３ｃ及び圧力調整器３３ｄを介して一酸化炭素ガスボンベ３３ｅに連なる一酸化炭素ガス供給系と、仕切バルブ３４ａからガス流量調節器３４ｂ、仕切バルブ３４ｃ及び圧力調整器３４ｄを介して水素ガスボンべ３４ｅに連なる水素ガス供給系とを並列に備え、一酸化炭素ガス供給系と水素ガス供給系は、減圧槽２１内にのびるガス導入パイプ３５に接続され、ガス導入パイプ３５内で一酸化炭素ガス供給系からの一酸化炭素ガスと水素ガス供給系からの水素ガスが混合される。そしてガス導入パイプ３５は、減圧槽２１内で減圧槽２１の内壁に沿って一回巻回されて、減圧槽２１内に設けられたリング状ガス放出ノズル３６に接続されている。この場合、ガス導入パイプ３５は減圧槽２１の内壁には接触しないように固定され、しかも石英窓２４を介してランプヒータ２５から加熱される位置に配置されている。リング状ガス放出ノズル３６は減圧槽１の底部に固定された熱絶縁体３７上に支持されている。なお、図示していないが、減圧槽２１内に導入されるガスをより効率的に加熱するため、ガス導入パイプ３５の適当な部位に加熱ヒータを巻回することができる。
【００１８】
試料基板２７は、図２に示すように、石英ガラスのような耐熱ガラス３８上にニッケル膜３９を１００〜１５０ｎｍの厚さに形成し、その上にクロム膜４０を５０ｎｍ〜１００ｎｍの厚さに形成し、その上にクロム膜４０を５０ｎｍ〜１００ｎｍの厚さに形成し、さらにその上にステンレス（Ｎｉ：４２％、Ｃｒ：６％、Ｆｅ：５２％）膜４１を５０ｎｍの厚さに積層させて構成されている。
【００１９】
このように構成した図示装置を用いてグラファイトナノファイバを試料基板上に成長させる動作について説明する。
仕切パルブ２を開放し、真空ポンプ３を作動して、減圧槽２１内を真空排気する。そして減圧槽２１内の圧力をダイヤフラム真空計２８で測定し、減圧槽２１内の圧力を０．１Ｔｏｒｒ程度にまで排気する。この状態で、一酸化炭素ガスボンベ３３ｅと水素ガスボンベ３４ｅの元栓を開き、圧力調整器３３ｄ、３４ｄにより約１気圧（絶対圧力）に調整し、そして仕切バルブ３３ｃ、３３ａ、３４ｃ、３４ａを開き、ガス流量調節器３３ｂ、３４ｂにより一酸化炭素ガス及び水素ガスの流量を調節してガス導入パイプ３５内で混合させて減圧槽２１内へ導入する。そして、仕切バルブ２を調節して開放の度合いを変化させることによって減圧槽２１内がほぼ大気圧（７６０Ｔｏｒｒ) となるように設定する。一方、ランプヒータ２５を付勢して試料基板ステージ２６上の試料基板２７を６００℃以上に加熱する。この状態において、一酸化炭素ガスと水素ガスとの混合ガスが減圧槽２２内に導入される。減圧槽２２内に導入される混合ガスは、減圧槽２２内に位置したガス導入パイプ３５の巻回部分を通過する際に、ランプヒータ２５により加熱される。こうして加熱された後、リング状ガス放出ノズル３６からガスが減圧槽２１内に導入される。
【００２０】
グラファイトナノファイバの成長する温度は約４５０℃近辺から急速に成長速度が速くなる。このことからリング状ガス放出ノズル３６から材料ガスすなわち一酸化炭素と水素の混合ガス）が減圧槽２１内に放出される温度としては４００℃程度が望ましい。その理由としては、ガスの温度が５００℃以上と高くしておくと、グラファイトナノファイバの成長速度が急速に高くなり（最高で約２００μｍ／分）、ミクロン構造の電子デバイスでは制御することができなくなるためである。導入ガスの温度を４００℃程度に設定しておいて、試料基板２７の表面温度がランプヒータ２５により６００℃以上に加熱されていることにより、材料ガスが試料基板２７の表面に付着すると、グラファイトナノファイバが徐々に成長することになる（約０．５μｍ／分）。その結果、従来のように試料基板表面上にミクロンサイズのアモルファスカーボンや鉄系カーボン層が形成されず良好なグラファイトナノファイバが形成できるようになる。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によるグラフアイトナノファイバの成膜装置では、水素ガスと原料ガスである一酸化炭素ガスを混合させて減圧槽内に導入するガス導入パイプを減圧槽内で少なくとも一回巻回して配置しているので、ガス導入パイプ内を通過するガスの温度はグラファイトナノファイバの成長に最適な温度すなわち４００℃程度に上げられ、それにより試料基板上に直接グラファイトナノファイバを成長させることができるようになる。
【００２２】
また、本発明によるグラファイトナノファイバ成膜装置においては、ガス導入パイプの先端を、減圧槽の底面上に熱絶縁体を介して配置されたリング状ガス放出ノズルに接続することにより、リング状ガス放出ノズルは減圧槽の壁面から熱絶縁され、その結果、ガスの温度は成長に適した温度以下に下げられることがなく、試料基板の表面に吸着したガスは最初からグラファイトナノファイバの構造を持った膜として成長することができるようになる。
【００２３】
さらに、ガス導入パイプに加熱ヒータを巻回した場合には、一酸化炭素ガスと水素ガスの混合ガスを効率よく加熱でき、その結果均一性及び品質の良いグラファイトナノファイバを成膜させることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるグラファイトナノファイバ成膜装置の一実施の形態を示す概略線図。
【図２】図１に示す装置を用いてグラファイトナノファイバ膜の形成されることになる試料基板の構造の一例を示す部分拡大断面図。
【図３】従来技術のグラファイトナノファイバ成膜装置の一例を示す概略線図。
【符号の説明】
２１  ：減圧槽
２２  ：仕切弁
２３  ：真空ポンプ
２４  ：石英窓
２５  ：ランプヒータ
２６  ：試料基板ステージ
２７  ：試料基板
２８  ：ダイヤフラム真空計
２９  ：逆止弁
３０  ：仕切弁
３１  ：ベント弁
３２  ：ガス導入系
３３ａ：仕切弁
３３ｂ：ガス流量調整器
３３ｃ：仕切弁
３３ｄ：圧力調整器
３３ｅ：一酸化炭素ガスボンベ
３４ａ：仕切弁
３４ｂ：ガス流量調整器
３４ｃ：仕切弁
３４ｄ：圧力調整器
３４ｅ：水素ガスボンベ
３５  ：ガス導入パイプ
３６  ：リング状ガス放出ノズル
３７  ：熱絶縁体
【図１】
0004810029.tif 000002
【図２】
0004810029.tif 000003
【図３】
0004810029.tif 000004