(57)【要約】【課題】反応器内へ不純物ガス成分やパーティクルが混入する恐れがなく、未反応の原料ガスから副生したタール成分が付着せず、さらに、基板近傍での基板・ガスの温度分布およびガス流れの制御がし易くて均―性の高いカーボン系薄膜の生成が可能であるカーボン系薄膜の連続製造装置を提供する。【解決手段】カーボン系薄膜の連続製造装置は、キャタピラ状のベルトコンベヤ(1) と、コンベヤの一端上側からコンベヤ上に供給される(4) 基板と、コンベヤの上側に長さ中央部から他端円弧部に亘って設けられた基板予熱ゾーン(9) と、コンベヤの下側にその他端部から長さ中央部に亘って設けられたＣＶＤ加熱ゾーン(12)と、コンベヤの他端下側に設けられ、かつ予熱ゾーンからＣＶＤ加熱ゾーンへのガス流入を防ぐシールガスの流入口(2) と、ＣＶＤ加熱ゾーンへ原料ガスをキャリアガスによって供給する原料ガス流入口(3) とを具備している。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャタピラ状のベルトコンベヤと、コンベヤの一端上側からコンベヤ上に供給される基板と、コンベヤの上側に長さ中央部から他端円弧部に亘って設けられた基板予熱ゾーンと、コンベヤの下側にその他端部から長さ中央部に亘って設けられたＣＶＤ加熱ゾーンと、コンベヤの他端下側に設けられ、かつ予熱ゾーンからＣＶＤ加熱ゾーンへのガス流入を防ぐシールガスの流入口と、ＣＶＤ加熱ゾーンへ原料ガスをキャリアガスによって供給する原料ガス流入口とを具備したカーボン系薄膜の連続製造装置。
【請求項２】
ＣＶＤ加熱ゾーンの下流にタール除去手段が設けられている請求項１記載のカーボン系薄膜の連続製造装置。
【請求項３】
タール除去手段が、タールを付着させる冷却水管と、カーボン系薄膜付きの基板を加熱する内部ヒータとからなる請求項２記載のカーボン系薄膜の連続製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学気相蒸着法によるカーボン系薄膜の連続製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
化学気相蒸着法（以下ＣＶＤ法という）によるカーボンナノチューブのようなカーボン系薄膜の形成方法は、不活性ガス雰囲気で反応管内に基板を設置し、反応管内に原料ガスを送り込み、基板上に設けられた触媒微粒子を核として基板表面にカーボン系薄膜を形成する方法である。ＣＶＤ法は、熱を利用する熱ＣＶＤ法、プラズマを利用するプラズマＣＶＤ法、光エネルギーを利用する光ＣＶＤ法に分けられる。また、ＣＶＤ装置は、カーボン系薄膜を減圧状態で形成する減圧ＣＶＤ装置と、大気圧で行う常圧ＣＶＤ装置に分けられる。
【０００３】
ＣＶＤ装置としては、反応器に１枚または複数枚の基板を一度に供給してカーボン系薄膜を形成するバッチ式のものが一般的である。この装置では、一度反応を行うと、その都度、反応器内の基板やガスの置換が必要であるため、操作時間が長くかかる上に、多量のキャリアガスおよび原料ガスを必要とし、一度に大量の基板を供給することは困難であった。このため、基板をベルトコンベア等の搬送手段により連続的に反応器内に供給し、カーボン系薄膜を生成させる連続式のＣＶＤ装置が開発されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−７７３４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、反応器内に基板を連続的に供給して常圧でカーボン系薄膜を生成させる常圧ＣＶＤ装置においては、反応器内雰囲気とその外気との間のシールが不充分であると、反応器内に不純物ガス成分やパーティクルが混入し、基板表面におけるカーボン系薄膜の生成が不均一になり、パーティクルが基板に付着する等のため、製品の歩留まりが低いという問題があった。また、未反応の原料ガスから生じたタール分が基板に付着するという問題があった。その上、従来のＣＶＤ装置では、バッチ式、連続式を問わず、反応器内において原料ガスの供給または加熱の際に基板近傍での基板・ガスの温度分布およびガス流れの制御が困難で、温度分布およびガス流れにむらができ易く、これが基板に成長するカーボン系薄膜の均一性低下の要因となっていた。
【０００５】
本発明は、上記諸問題に鑑み、反応器内へ不純物ガス成分やパーティクルが混入する恐れがなく、未反応の原料ガスから副生したタール成分が付着せず、さらに、基板近傍での基板・ガスの温度分布およびガス流れの制御がし易くて均―性の高いカーボン系薄膜の生成が可能であるカーボン系薄膜の連続製造装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に係る発明は、キャタピラ状のベルトコンベヤと、コンベヤの一端上側からコンベヤ上に供給される基板と、コンベヤの上側に長さ中央部から他端円弧部に亘って設けられた基板予熱ゾーンと、コンベヤの下側にその他端部から長さ中央部に亘って設けられたＣＶＤ加熱ゾーンと、コンベヤの他端下側に設けられ、かつ予熱ゾーンからＣＶＤ加熱ゾーンへのガス流入を防ぐシールガスの流入口と、ＣＶＤ加熱ゾーンへ原料ガスをキャリアガスによって供給する原料ガス流入口とを具備したカーボン系薄膜の連続製造装置である。
【０００７】
好ましくは、基板はパレット上に固定されていて、パレットと共にコンベヤ上に供給される。基板には触媒が担持されることもある。
【０００８】
請求項２に係る発明は、ＣＶＤ加熱ゾーンの下流にタール除去手段が設けられている請求項１記載のカーボン系薄膜の連続製造装置である。
【０００９】
請求項３に係る発明は、タール除去手段が、タールを付着させる冷却水管と、カーボン系薄膜付きの基板を加熱する内部ヒータとからなる請求項２記載のカーボン系薄膜の連続製造装置である。
【００１０】
なお、本明細書においては、図１の右方向を一端方向とし、左方向を他端方向とする。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１の発明によるカーボン系薄膜の連続製造装置は、コンベヤの上側に長さ中央部から他端部に亘って設けられた基板予熱ゾーンと、コンベヤの下側にその他端部から長さ中央部に亘って設けられたＣＶＤ加熱ゾーンとを備え、これらのゾーンにおいてコンベヤの必要な部分だけを加熱するので、コンベヤ全体を加熱する装置に比べ省エネルギーが達成でき、製品のコストを削減することができる。
【００１２】
また、この装置はコンベヤの他端下側にシールガスの流入口を備えるので、シールガスを予熱ゾーンへ流入させることによって、予熱ゾーンで予熱されたガスが同ゾーンからＣＶＤ加熱ゾーンへ流入するのを防ぐことができ、これにより予熱ガスに含まれる不純物ガス成分やバーティクルがＣＶＤ加熱ゾーンに混入するのを確実に防ぐことができ、製品の歩留まりを向上することができる。
【００１３】
加えて、請求項１のカーボン系薄膜の連続製造装置によれば、触媒付きの基板を基板予熱ゾーンおよびＣＶＤ加熱ゾーンを移動させることで、生成面積の制限がなくなり、均一で且つ大面積でカーボン系薄膜を生成することができる。
【００１４】
請求項２の発明によるカーボン系薄膜の連続製造装置は、ＣＶＤ加熱ゾーンの下流にタール除去手段を備えるので、副生したタール成分が基板上のカーボン系薄膜に付着せず、均一かつ高純度のカーボン系薄膜を得ることができる。
【００１５】
請求項３の発明によるカーボン系薄膜の連続製造装置では、タール除去手段は、冷却水管と内部ヒータからなるので、タールは冷却水管に付着させられる上に、内部ヒータでカーボン系薄膜付きの基板が加熱されてタールの除去効率が一層向上させられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
つぎに、本発明を具体的に説明するために、カーボンナノチューブの製造について本発明の実施形態を示す。
【００１７】
実施例１
図１において、キャタピラ状のベルトコンベヤ(1) の一端上側からコンベヤのベルト上に石英製またはセラミック製の複数のパレット(5) が連続的に搬入され、固定される。パレット(5) 上には、触媒（図示省略）を担持したシリコン製の基板(4) が固定されている。ベルトコンベヤ(1) のベルトの内側には内側隔壁(22)が設けられている。触媒は鉄、ニッケル、コバルトまたはこれらの合金であってよい。
【００１８】
ベルトコンベヤ(1) の一端上側に設けられた基板搬入部には、これに隣接して上側隔壁(10)に立上がり状に上部給気路が設けられ、同給気路からシールガスが吹き込まれて大気の流入を防いでいる。
【００１９】
ベルトコンベヤ(1) の上側には、長さ中央部から他端円弧部に亘って予熱ゾーン(9) が設けられている。予熱ゾーン(9) には上側隔壁(10)が配設されている。これは、ベルトコンベヤ(1) の上側にてその長さ略中央部から他端に至る水平部(10a)と、その他端に連なりかつベルトコンベヤ(1) の他端円弧部の外側に下方傾斜状に設けられた傾斜部(10b)とからなる。予熱ゾーン(9) には、上側隔壁(10)の外側にてベルトコンベヤ(1) の長さ方向に並ぶ３基の上側ヒータ(6) (7) (8) が設けられている。
【００２０】
ベルトコンベヤ(1) の下側には、他端部から長さ中央部に亘ってＣＶＤ加熱ゾーン(12)が設けられている。ＣＶＤ加熱ゾーン(12)には下側隔壁(11)が設けられている。これは、ベルトコンベヤ(1) の下にて水平に配設され、その一端部はＣＶＤ加熱ゾーン(12)の一端部よりさらに一端方向へ伸び、他端部はコンベヤの他端部よりさらに他端方向へ伸びる。ＣＶＤ加熱ゾーン(12)には、下側隔壁(11)の外側すなわち下側にてベルトコンベヤ(1) の長さ方向に並ぶ３基の下側ヒータ(15)(13)(14)が設けられている。
【００２１】
ベルトコンベヤ(1) の他端下側には、予熱ゾーン(9) からＣＶＤ加熱ゾーン(12)へのガス流入を防ぐシールガスの流入口(2) が設けられている。シールガス流入口(2) は、上側隔壁(10)の傾斜部(10b) の下端から他端方向に延びる水平壁(16)と、その下に水平に設けられた仕切壁(17)とからなる。仕切壁(17)は、水平壁(16)の下でかつ下側隔壁(11)の上に位置し、ＣＶＤ加熱ゾーン(12)の長さ中央部まで延び、複数の通気孔を有する。上側隔壁(10)と内側隔壁(22)の間の空間はシールガス通路であり、その他端はシールガス流入口(2) に連絡している。
【００２２】
シールガス流入口(2) の下には、ＣＶＤ加熱ゾーン(12)へ原料ガスをキャリアガスによって供給する原料ガス流入口(3) が設けられている。原料ガス流入口(3) は、仕切壁(17)と下側隔壁(11)からなり、幅１００ｍｍ×高さ５ｍｍの開口を有する偏平状のものである。下側隔壁(11)と内側隔壁(22)の間の空間は原料ガス通路であり、その他端は原料ガス流入口(3) に連絡している。
【００２３】
ＣＶＤ加熱ゾーン(12)の後段、すなわちベルトコンベヤ(1) の下側一端寄りにはタール除去手段(18)が設けられている。タール除去手段(18)は、下側隔壁(11)の上に配設された冷却水管(19)と内部ヒータ(20)からなる。内部ヒータ(20)は、ベルトコンベヤ(1) のベルトおよび内側隔壁(22)の下側部を介して冷却水管(19)に対向するように、ベルトコンベヤ(1) の内部に配設されている。タール除去手段(18)のさらに後段には、冷却ゾーン(21)が設けられている。
【００２４】
冷却ゾーン(21)のさらに後段には、基板排出部が設けられている。基板排出部にも、これに隣接して下側隔壁(11)に垂下状に下部給気路が設けられ、同給気路からシールガスが吹き込まれて大気の流入を防いでいる。
【００２５】
上記構成のカーボン系薄膜の連続製造装置において、複数の基板(4) 付きパレット(5) がベルトコンベヤ(1) の一端上側からコンベヤのベルト上に連続的に供給され、固定される。次いでパレット(5) は予熱ゾーン(9) へ送られ、ここで予熱され、ベルトコンベヤ(1) の他端円弧部を通過してＣＶＤ加熱ゾーン(12)に入る。予熱ゾーン(9) には、流入口(2) からシールガス通路へシールガス（ヘリウムガス、アルゴンガスなどの不活性ガス）が送り込まれる。これによって、予熱ゾーン(9) で予熱されたガスが同ゾーン(9) からＣＶＤ加熱ゾーン(12)へ流入するのを防ぐことができ、予熱ガスに含まれる不純物ガス成分やバーティクルがＣＶＤ加熱ゾーンに混入するのを確実に防ぐことができる。
【００２６】
ＣＶＤ加熱ゾーン(12)には、原料ガス流入口(3) から原料ガス通路へカーボンナノチューブ形成用の原料ガスとしてのアセチレンガスとキャリアガス（ヘリウムガス、アルゴンガスなどの不活性ガス）のガス混合物が送り込まれる。これによって、基板(4) 表面に触媒微粒子を核としてカーボンナノチューブ(23)が生成し、徐々に成長する。
【００２７】
カーボンナノチューブ(23)付きの基板(4) は、次いでタール除去手段(18)へ送られる。カーボンナノチューブの生成に伴ってＣＶＤ加熱ゾーン(12)の下流で未反応原料ガスからタールが副生するが、タールはカーボンナノチューブに付着しないようにタール除去手段(18)において冷却水を通す冷却水管(19)に付着させられる。タールは２５０℃以下の温度で付着性を示すので、内部ヒータ(20)で基板(4) を３００℃以上に加熱する。これによって、タールの除去効率が向上し、タールのカーボンナノチューブへの付着が確実に防止される。カーボンナノチューブは基板(4) 表面すなわち下面に形成されているので、その下方に配された冷却水管(19)に付着したタールがカーボンナノチューブに滴り落ちることはない。カーボンナノチューブ(23)付きの基板(4) は次いで冷却ゾーン(21)へ送られてここで冷却された後、装置外へ搬出される。
【００２８】
実施例２
図２において、この実施例では、ＣＶＤ加熱ゾーン(12)へ原料ガスをキャリアガスによって供給する原料ガス流入口(3) は、先端に上向きにノズル(3a)を有し、その上端と基板(4) の間隔は１ｍｍ以下となされている。この隙間にシールガス流入口(2) から吹き込まれたシールガスが流通する。
【００２９】
この構造では、キャリアガスと原料ガスの混合ガスをノズル(3a)から直接基板(4) に供給することができ、これにより、ガス拡散を防いで原料ガスを基板(4) に万遍なく供給することができる。また、ノズル(3a)と基板(4) の間にシールガスを流すことにより、ノズル(3a)の上流と下流で圧力差を生じさせることができ、これによりガスの逆流を防ぐことができる。このようにガスの逆流を防ぐことにより、基板(4) 表面に形成される膜の厚さを均一化することができる。また、シールガス、および、原料ガスとキャリアガスの混合ガスの供給量および／または濃度を適時制御することにより、所望の均一な厚さの膜が形成できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】実施例１のカーボン系薄膜連続製造装置を示す垂直縦断面図である。
【図２】実施例２のカーボン系薄膜連続製造装置を示す垂直縦断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
(1) ：キャタピラ状のベルトコンベヤ
(2) ：シールガス流入口
(3) ：原料ガス流入口
(3a)：ノズル
(4) ：基板
(5) ：パレット
(6) (7) (8) ：上側ヒータ
(9) ：予熱ゾーン
(10)：上側隔壁
(11)：下側隔壁
(12)：ＣＶＤ加熱ゾーン
(13)(14)(15)：下側ヒータ
(16)：水平壁
(17)：仕切壁
(18)：タール除去手段
(19)：冷却水管
(20)：内部ヒータ
(21)：冷却ゾーン
(22)：内側隔壁
(23)：カーボンナノチューブ
【図１】
2007091556.tif 000003
【図２】
2007091556.tif 000004