(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
予め所定のレベルまで排気した真空チャンバー内に配置した基板ホルダー上の試料基板を赤外線ランプで加熱し、原料ガス及び水素ガスの混合ガスの流量を調整して真空チャンバー内へ導入し、原料ガスが赤外線ランプで加熱されることなく試料基板に到達するようにし、真空チャンバー内の圧力を約１気圧に維持して試料基板上に均一にグラファイト・ナノ・ファイバーを成膜することから成るグラファイト・ナノ・ファイバー成膜方法。
【請求項２】
赤外線ランプによる加熱に加えて、基板ホルダーに組込んだヒーターで基板を加熱することを含む請求項１に記載のグラファイト・ナノ・ファイバー成膜方法。
【請求項３】
原料ガスとして一酸化炭素を用いる請求項１に記載のグラファイト・ナノ・ファイバー成膜方法。
【請求項４】
試料基板が６００℃〜６５０℃に加熱される請求項１に記載のグラファイト・ナノ・ファイバー成膜方法。
【請求項５】
Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ又はこれらの金属の少なくとも２種類からなる金属から成る基板が使用される請求項１に記載のグラファイト・ナノ・ファイバー成膜方法。
【請求項６】
真空チャンバー内に水素ガスと共に原料ガスを導入し、基板ホルダーに装着した基板上にグラファイト・ナノ・ファイバーの薄膜を形成する装置において、基板ホルダーに対向した真空チャンバーの壁に赤外線透過窓部を設け、この赤外線透過窓部の外側に、基板加熱用の赤外線ヒーターを設け、真空チャンバー内をほぼ大気圧にして赤外線ヒーターにより基板を加熱した状態でグラファイト・ナノ・ファイバーを基板上に成膜するように構成したグラファイト・ナノ・ファイバー成膜装置。
【請求項７】
真空チャンバーの外側に真空チャンバーを冷却する冷却手段を設け、真空チャンバーの内壁を絶縁体で被覆した請求項６に記載のグラファイト・ナノ・ファイバー成膜装置。
【請求項８】
基板ホルダーに対向した真空チャンバーの壁に設けた赤外線透過窓部が、耐熱ガラスで構成されている請求項６に記載のグラファイト・ナノ・ファイバー成膜装置。
【請求項９】
基板が、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ又はこれらの金属の少なくとも２種類からなる金属から成る請求項６に記載のグラファイト・ナノ・ファイバー成膜装置。
【請求項１０】
基板を保持する基板ホルダーが抵抗加熱式ヒーターを備えている請求項６に記載のグラファイト・ナノ・ファイバー成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属材料から成り得る基板上にグラファイト・ナノ・ファイバーを形成する方法及び装置に関するものであり、この方法及び装置は平面ディスプレー (電界放出型ディスプレー) やＣＲＴの電子管球の代りに使用される電子発光素予を製作するのに利用され得る。
【０００２】
【従来の技術】
この種の従来技術の装置としては添付図面の図２に示すようなカーボンナノチューブ成膜装置が知られている。図２に示す成膜装置は、直径約３００ｍｍの成膜室を構成しているステンレス製の真空チャンバー１を有し、この真空チャンバー１内に試料ホルダー２が配置され、試料ホルダー２上に導電性の材質で製作された例えばφ２００ｍｍの大きさの試料基板３が装着される。また真空チャンバー１内において、試料ホルダー２に対向した位置には上部加熱ヒーター４が配置され、このヒーター４は格子（メッシュ）状の形状をなし、試料ホルダー２上方に空間を隔てて取り付けられている。真空チャンバー１は仕切バルブ５を介して油回転ポンプ６に接続されている。また真空チャンバー１にはダイヤフラム真空計７が取り付けられている。
【０００３】
さらに、真空チャンバー１にはガス供給系８が接続されている。このガス供給系８は、仕切バルブ９ａ、ガス流量調節器９ｂ、圧力調整器９ｃ及びメタンガスボンベ９ｄを直列に接続した原料ガス供給系と、仕切バルブ１０ａ、ガス流量調節器１０ｂ、圧力調整器１０ｃ及び水素ガスボンべ１０ｄを直列に接続した水素ガス供給系とを並列に備え、仕切バルブ９ａ、１０ａと真空チャンバー１との間で合流している。
【０００４】
このような構成の装置の動作において、油回転ポンプ６を作動し、仕切パルブ５を開放状態にして成膜室を真空排気する。ピラニー真空計７で成膜室内の圧力を測定し、成膜室の圧力が〜10-2Torr程度になったところで、原料（メタン）ガスボンベ９ｄとガスボンベ１０ｄの元栓を開いて、圧力調整器９ｃ、１０ｃにより約１気圧（絶対圧力）に調整し、仕切バルブ９ａ、１０ａを開き、ガス流量調節器９ｂ、１０ｂによりメタンガス約２０ｓｃｃｍ、水素約２００ｓｃｃｍ程度ガスを成膜室へ流す。この状態において、仕切バルブ５のノブを調節して開放の度合いを変化させることによって成膜室がほぼ大気圧  （７６０Ｔｏｒｒ) となるように設定する。さらに加熱ヒーター４を付勢してメタンガスと水素の混合ガスが加熱ヒーター３のメッシュ上に流れ込ませることにより水素及びメタンが加熱されながら基板ホルダー２上の試料基板３上に達する。この時にメタンが解離し、試料基板３上にカーボン膜が成膜される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来のカーボン成膜装置では、基板上にカーボンナノチューブは成膜できるが、グラファイト・ナノ・ファイバーは成膜できない。
カーボンの六角形状の結晶が蜂の巣に成長した膜が丸く閉じて形成され従って内部が空洞になっているカーボンナノチューブと違って、グラファイト・ナノ・ファイバーは六角形状の結晶の膜が小さな断片に切れて積層した中実であり、主として常圧での基板の加熱の問題で基板が小さい場合にはファイバー成膜ができても、例えば２００ｍｍ×２００ｍｍのような大きな基板では困難である。
【０００６】
そこで、本発明は、比較的大きな基板において均一にグラファイト・ナノ・フアイバーを成膜できる方法及び装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の第１の発明によるグラファイト・ナノ・ファイバー成膜方法は、  予め所定のレベルまで排気した真空チャンバー内に配置した基板ホルダー上の試料基板を赤外線ランプで加熱し、原料ガス及び水素ガスの混合ガスの流量を調整して真空チャンバー内へ導入し、原料ガスが赤外線ランプで加熱されることなく試料基板に到達するようにし、真空チャンバー内の圧力を約１気圧に維持して試料基板上に均一にグラファイト・ナノ・ファイバーを成膜することから成る。
【０００８】
本発明の方法においては、赤外線ランプによる加熱に加えて、基板ホルダーに組込んだヒーターで基板を加熱する段階を含み得る。そして試料基板は好ましくは６００℃〜６５０℃に加熱され得る。
また、好ましくは、原料ガスとして一酸化炭素が用いられ得る。
本発明の方法においては、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ又はこれらの金属の少なくとも２種類からなる金属から成る試料基板が用いられ得る。
【０００９】
本発明の第２の発明によれば、真空チャンバー内に水素ガスと共に原料ガスを導入し、基板ホルダーに装着した基板上にグラファイト・ナノ・ファイバーの薄膜を形成する装置において、基板ホルダーに対向した真空チャンバーの壁に赤外線透過窓部を設け、この赤外線透過窓部の外側に、基板加熱用の赤外線ヒーターを設け、真空チャンバー内をほぼ大気圧にして赤外線ヒーターにより基板を加熱した状態でグラファイト・ナノ・ファイバーを基板上に成膜するように構成したことを特徴としている。
【００１０】
本発明による装置においては、真空チャンバーの外側に真空チャンバーを冷却する冷却手段が設けられ、真空チャンバーの内壁は絶縁体で被覆され得る。
好ましくは、基板ホルダーに対向した真空チャンバーの壁に設けた赤外線透過窓部は、耐熱ガラスで構成され得る。
また基板は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ又はこれらの金属の少なくとも２種類からなる金属で構成され得る。
更に好ましくは、基板を保持する基板ホルダーには抵抗加熱式ヒーターが設けられ得る。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面の図１を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１に示すグラファイト・ナノ・ファイバー成膜装置は、成膜室を構成しているステンレス製の真空チャンバー１１を有し、この真空チャンバー１１内に試料ホルダー１２が配置され、試料ホルダー１２上に導電性の材質で製作された例えばφ２００ｍｍの大きさの試料基板１３が装着される。基板１３の材料としては、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ又はこれらの金属の少なくとも２種類から成る金属が用いられ得る。試料ホルダー１２には、抵抗加熱式ヒーター１４が組込まれている。真空チャンバー１１は仕切バルブ１５を介して油回転ポンプ１６に接続され、真空チャンバー１１内を排気できるようにされている。また真空チャンバー１１にはダイヤフラム真空計１７が取り付けられている。
【００１２】
また、真空チャンバー１１にはガス供給系１８が接続されている。このガス供給系１８は、仕切バルブ１９ａからガス流量調節器１９ｂ及び圧力調整器１９ｃを介して一酸化炭素ガスボンベ１９ｄに連なる原料ガス供給系と、仕切バルブ２０ａからガス流量調節器２０ｂ及び圧力調整器２０ｃを介して水素ガスボンべ２０ｄに連なる水素ガス供給系とを並列に備え、原料ガス供給系と水素ガス供給系は仕切バルブ１９ａ、２０ａと真空チャンバー１１との間で合流している。
【００１３】
さらに、図示装置においては、基板ホルダー１２に対向した真空チャンバー１１の壁（すなわち上部壁）に赤外線透過窓部２１が設けられ、この窓部２１は石英のような耐熱ガラスから成り、この赤外線透過窓部２１の外側に、基板加熱用の赤外線ランプ２２が取り付けられている。また、ステンレス製の真空チャンバー内壁にグラファイト・ナノ・ファイバーを成長させないようにするために、真空チャンバー１１の外周には図示したように冷却媒体例えば冷却水を流す冷却管２３が配管されている。さらにまた真空チャンバー１１の内壁にはアルミナなどの絶縁体２４が溶射により被覆されている。
【００１４】
このように構成した図示装置の動作において、油回転ポンプ１６を作動すると共に、仕切パルブ１５を開放状態にして真空チャンバー１１内を真空排気する。そして真空チャンバー１１内の圧力をピラニー真空計１７で測定し、真空チャンバー１１内の圧力を〜10-2Torr程度にまで排気する。この状態で、原料ガスボンベ１９ｄとガスボンベ２０ｄの元栓を開き、圧力調整器１９ｃ、２０ｃにより約１気圧（絶対圧力）に調整し、そして仕切バルブ１９ａ、２０ａを開き、ガス流量調節器１９ｂ、２０ｂにより一酸化炭素ガスと水素との混合ガスを約２００ｓｃｃｍ程度に調節して真空チャンバー１１内へ導入する。この状態において、仕切バルブ１５を調節して開放の度合いを変化させることによって真空チャンバー１１内がほぼ大気圧（７６０Ｔｏｒｒ) となるように設定する。この場合、赤外線ランプ２２を付勢して基板ホルダー１２上の試料基板１３を６００℃〜６５０℃に加熱した状態でガスを流し込むようにされるが、一酸化炭素ガスは赤外線ランプ２２で加熱されることなく試料基板１３に到達するようにされる。それにより、一酸化炭素が試料基板１３上に達すると、一酸化炭素の酸素が解離し、試料基板１３上にグラファイト・ナノ・ファイバーが成膜される。この状態で、グラファイト・ナノ・ファイバーが均一に成膜されない場合には、基板ホルダー１２に組込まれた抵抗加熱式ヒーター１４を付勢して基板ホルダー１２の全体を均一に加熱することで試料基板１３上に均一に２０〜１００ｎｍのグラファイト・ナノ・ファイバーを成膜することができる。
【００１５】
また試料基板の加熱温度を６００℃〜６５０℃に選定することにより、グラファイト・ナノ・ファイバーの成膜を制御性よく実施することができる。すなわち基板の温度が６００℃以下では成膜速度が遅くなり、一方６５０℃以上では成膜プロセスを制御することが実質的に難しくなる。
【００１６】
【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ァイト・ナノ・ファイバーの成膜方法では、予め所定のレベルまで排気した真空チャンバー内に配置した基板ホルダー上の試料基板を赤外線ランプで加熱し、原料ガス及び水素ガスの混合ガスを約１気圧に調整して真空チャンバー内へ導入し、原料ガスが赤外線ランプで加熱されることなく試料基板に到達するように構成したことより、基板上にグラファイト・ナノ・ファイバーを均一に成膜することができるようになる。
また、本発明の方法において、赤外線ランプによる加熱に加えて、基板ホルダーに組込んだヒーターで基板を加熱するようにすることにより、グラファイト・ナノ・ファイバーの成膜の均一性を高めることができる。
【００１７】
また、本発明によるグラファイト・ナノ・ファイバーの成膜装置においては、基板ホルダーに対向した真空チャンバーの壁に赤外線透過窓部を設け、この赤外線透過窓部の外側に、基板加熱用の赤外線ヒーターを設け、真空チャンバー内をほぼ大気圧にして赤外線ヒーターにより基板を加熱した状態でグラファイト・ナノ・ファイバーを基板上に成膜するように構成したことにより、従来装置では実際上困難であった大きな基板上にグラファイト・ナノ・ファイバーを成膜することができるようになる。
また、基板ホルダーに抵抗加熱式のヒーターを組込み、赤外線ヒーターによる基板の加熱に加えて基板ホルダーを加熱することにより試料基板上に成膜されるグラファイト・ナノ・ファイバーの均一性を高めることができる。
また、真空チャンバーの外側に冷却手段を設け、真空チャンバーの内壁にアルミナ等の絶縁体を被覆した場合には、真空チャンバー内壁にグラファイト・ナノ・ファイバーが付着するのを避けることができ、装置のメンテナンスが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明によるグラファイト・ナノ・ファイバー成膜装置の一つ実施の形態を示す概略線図。
【図２】  従来技術のカーボン成膜装量の一例を示す概略線図。
【符号の説明】
１１：真空チャンバー
１２：試料ホルダー
１３：試料基板
１４：抵抗加熱式ヒーター
１５：仕切バルブ
１６：油回転ポンプ
１７：ダイヤフラム真空計
１８：ガス供給系
１９ａ：仕切バルブ
１９ｂ：ガス流量調節器
１９ｃ：圧力調整器
１９ｄ：一酸化炭素ガスボンベ
２０ａ：仕切バルブ
２０ｂ：ガス流量調節器
２０ｃ：圧力調整器
２０ｄ：水素ガスボンべ
２１：赤外線透過窓部
２２：赤外線ランプ
２３：冷却管
２４：絶縁体被覆
【図１】
0004500407.tif 000002
【図２】
0004500407.tif 000003