(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リブ上の梁によって架橋される可動電極と、該可動電極と所定の空隙を持って配置される固定電極とからなるマイクロマシーンにおいて、前記梁は、
該梁の一端を配置する領域に予め硫黄が３０〜４５ａｔｍ％であるＮｉｘＳｙからなる触媒層を設け、炭化水素ガスを供給し可動電極とほぼ平行な方向に電界を印加しながら化学的気相成長法によって少なくとも１本のカーボンナノチューブを可動電極とほぼ平行に成長させ、その後、カーボンナノチューブを保持材で被覆することによって作製したことを特徴とするマイクロマシーン。
【請求項２】
請求項１に記載のマイクロマシーンにおいて、前記の保持材がポリシリコン、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、金属、合金の内の少なくとも1つからなることを特徴とするマイクロマシーン。
【請求項３】
請求項１または２に記載のマイクロマシーンにおいて、前記の梁の短手方向に複数のカーボンナノチューブがあることを特徴とするマイクロマシーン。
【請求項４】
請求項１、２または３に記載のマイクロマシーンにおいて、前記の保持材と可動電極が一体であることを特徴とするマイクロマシーン。
【請求項５】
梁の一端を配置する領域に予め硫黄が３０〜４５ａｔｍ％であるＮｉｘＳｙからなる触媒層を設け、炭化水素ガスを供給し可動電極とほぼ平行な方向に電界を印加しながら化学的気相成長法によってカーボンナノチューブを可動電極とほぼ平行に成長させ、その後、カーボンナノチューブを保持材で被覆し、更にカーボンナノチューブを長手方向に含むように保持材を加工して梁を形成することを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロマシーンの作製方法。
【請求項６】
梁の一端を配置する領域に予め硫黄が３０〜４５ａｔｍ％であるＮｉｘＳｙからなる触媒層を設け、炭化水素ガスを供給し可動電極とほぼ平行な方向に電界を印加しながら化学的気相成長法によって複数のカーボンナノチューブを可動電極とほぼ平行に成長させ、その後、複数のカーボンナノチューブを保持材で被覆し、更に複数のカーボンナノチューブを長手方向に含むように保持材を加工して梁を形成することを特徴とする請求項３に記載のマイクロマシーンの作製方法。
【請求項７】
梁の一端を配置する領域に予め硫黄が３０〜４５ａｔｍ％であるＮｉｘＳｙからなる触媒層を設け、炭化水素ガスを供給し可動電極とほぼ平行な方向に電界を印加しながら化学的気相成長法によってカーボンナノチューブを可動電極とほぼ平行に成長させ、その後、カーボンナノチューブを保持材で被覆し、更にカーボンナノチューブを長手方向に含むように保持材を加工して梁と可動電極を同時に形成することを特徴とする請求項４に記載のマイクロマシーンの作製方法。
【請求項８】
請求項５ないし７のいずれか１つに記載のマイクロマシーンの作製方法において、前記ＮｉｘＳｙは、Ｎｉ３Ｓ２であることを特徴とするマイクロマシーンの作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は炭素原子からなる分子の特異構造であるカーボンナノチューブを用いたマイクロマシーンおよび、その作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年炭素系の新材料としてカーボンナノチューブが注目されている。
カーボンナノチューブは炭素原子からなるグラファイトシートを丸めた円筒が１個、または数個〜数十個を入れ子状に配列した繊維状構造を有し、その直径はナノメートル（ｎｍ）オーダーと極めて小さく、軸方向の大きさ（カーボンナノチューブの長さ）は、μｍオーダーにも達し、非常にアスペクト比（長さ／直径比）の大きい材料である。カーボンナノチューブの側面は炭素原子のＳＰ２混成軌道のみからなるため、ダングリングボンドが無く化学的に安定であり、シームレス構造を実現しているため、大きな弾性力とチューブ軸方向への大きな引張強度が期待できる。さらにカーボンナノチューブはカイラリティーや直径に依存して金属的特性から半導体的特性まで幅広い電気的特性を持つ。
このようにカーボンナノチューブは種々のユニークな特性をもつことから、新しい炭素材料として産業上への応用が期待されている。
【０００３】
カーボンナノチューブの弾性力はM.M.Treacyらによって測定されており、アーク放電法による多層カーボンナノチューブのヤング率は平均で１．８ＴＰａとなり、現在のマイクロマシーンに広く使われているSi(111)、Si(100)、SiO2、Si3N4と比較してほぼ１桁大きなヤング率を持つことが判っている。（M.M.Treacy, T.W.Ebbesen and J.M.Gibson,Nature,vol.381,678(1996)参照）。カーボンナノチューブの軸方向の引っ張り強度はB.I.Yakobsonによって理論計算が行われており、単層カーボンナノチューブでは破断するまでに３０％以上伸長することが報告されている。（B.I.Yakobson and J.Bernholc et al., Comp. Mater. Sci.,vol.8,341(1997)参照）
このような機械的物性からカーボンナノチューブは特にマイクロマシーンへの応用が期待できる。例えば従来ポリシリコン、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜等のSi系材料や、金属、合金で作られていた片持ち梁や両持ち梁へカーボンナノチューブを用いると、大きなヤング率や引張強度から高耐久の梁が実現できる可能性がある。
【０００４】
実際にカーボンナノチューブを  マイクロマシーンに応用した例としては以下の報告がある。
ナノピンセット（P.Kim,C.M.Lieber,Science,vol.286,2148(1999)参照）、
機械的スイッチ（T.Rueckes,C.M.Lieber et al.,Science,vol.289,94(2000)参照）、
ナノベアリング（J.Cumings and A.Zettl,Science,vol.289,602(2000)参照）がある。カーボンナノチューブと高分子樹脂との複合材を用いた例としては、フィルムアクチュエーター（R.H.Baughman,M.Kertesz et al., Science,vol.284,1344(1999)参照）がある。
特開平６−６９４９４では炭素原子をトーラス状、らせん状に配置してメモリやばねとして利用している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらナノピンセット、機械的スイッチ、ナノベアリングはカーボンナノチューブのｎｍサイズという特徴を生かして微細な機械的要素を作ったものであり、カーボンナノチューブの大きなヤング率や引張強度を積極的に利用したものではなかった。
一方フィルムアクチュエーターは、カーボンナノチューブのシートをテープで保持して取り扱いを容易にしたものであるが、複合材を数μm〜数10μm幅の梁に加工することは容易ではなく、微細なマイクロマシーンには適用しにくい。R.H.Baughmanらの方法による複合材はマイクロマシーン作製に広く用いられているシリコンプロセスとは異なる方法で作製されるため、前記の複合材作製プロセスをマイクロマシーニングプロセスに組み込むことは容易ではない。
このようにカーボンナノチューブの機械的物性を十分に利用したマイクロマシーンは実現されておらず、特にマイクロマシーンの梁に応用したものは皆無であった。
【０００６】
次にカーボンナノチューブをマイクロマシーンの梁に適用する場合の課題を述べる。
カーボンナノチューブはアーク放電法、レーザーアブレーション法、化学的気相成長法（以下ＣＶＤ法と略す）によって合成される。
アーク放電法、レーザーアブレーション法によって作製されたカーボンナノチューブは不純物が多く、ランダムな方向を向いたまま凝集した形で得られる。そのため梁として用いる場合、つまりマイクロマシーンの任意の位置に、或る方向でカーボンナノチューブを配置するためには、カーボンナノチューブの精製、配向、マニュピレーションが必要になる。
カーボンナノチューブを精製する方法としては遠心分離法(S.Bandow,J.Appl.Phys.,vol.80,1020(1996)参照)や限外ろ過法(S.Bandow,A.M.Rao et al.,J.Phys.Chem.,vol.101,8839(1996)参照)等が知られており、これらの方法によって液体中に分散したカーボンナノチューブを得ることができる。
【０００７】
カーボンナノチューブを配向させる方法としては、例えば中山らによって提案された電気泳動法を用いることができる。精製したカーボンナノチューブをイソプロピルアルコールに分散させた後、一対の電極を分散液に浸漬して電圧を印加すると、陰極上に配向したカーボンナノチューブアレイが得られる（K.Yamamoto,Y.Nakayama et al.,Jpn.J.Appl.Phys.,vol.35,L917(1996)参照）。陰極上のカーボンナノチューブアレイはカーボンナノチューブのマニュピレーション工程でカーボンナノチューブカートリッジとして用いることができる。マニピュレーターを持つ走査型電子顕微鏡中にカーボンナノチューブカートリッジを置き、走査型電子顕微鏡でカーボンナノチューブを観察しながらマニュピレーターによってカーボンナノチューブを捕捉しマイクロマシーンの任意の位置に運ぶことによって微細な梁を作製することが可能となる。電子顕微鏡の代わりにＳＴＭ探針を用いてカーボンナノチューブを配置しても良い。
【０００８】
しかしながら、電子顕微鏡やＳＴＭを用いる方法は、カーボンナノチューブを１本単位で確認でき正確な位置に配置することが可能であるが、作業に熟練を要しかつ非常に時間がかかることから、量産性に乏しく、マイクロマシーン作製に広く用いられているシリコンプロセスへは適用が困難である。電子顕微鏡やＳＴMを用いてマイクロマシーンの任意の位置にカーボンナノチューブを配置しても、カーボンナノチューブとマイクロマシーンはvan der Waals力で結合しているだけなので密着力が小さく、可動電極に大きな荷重がかかるとカーボンナノチューブがマイクロマシーンから外れてしまい、高耐久の梁を作製することは困難である。
【０００９】
一方、ＣＶＤ法では近年の研究の進展により、任意の方向に配向を揃え高純度でカーボンナノチューブを成長させることができる。例えばY.ChenらはDCプラズマを加えたHot-filament ＣＶＤ法によってニッケル基板に垂直と４５度の方向にカーボンナノチューブを成長させた（Y.Chen,D.T.Shaw,Appl.Phys.Lett.,vol.76,2469(2000)参照）。C.Bowerらはマイクロ波ＣＶＤ法によってCo薄膜を形成した基板上に垂直に配向したカーボンナノチューブを成長させた（C.Bower,W.Zhu et al.,Appl.Phys.Lett.,vol.77,830(2000)参照）。
しかしながら彼らが作製したカーボンナノチューブは著しく密集した状態で得られるため、そのままでは梁として用いることができず、やはり電子顕微鏡やＳＴＭを用いてカーボンナノチューブをマニュピュレーションしてマイクロマシーンの任意の位置に配置する必要があり、量産性に乏しい。加えてカーボンナノチューブとマイクロマシーンの固着力の問題は依然解決されていない。
【００１０】
ＣＶＤ法では触媒金属を微粒子化して基板の任意の位置から1〜数本のカーボンナノチューブを基板から垂直に成長させることも可能となっている。江刺らはリソグラフィー/エッチングによってニッケル触媒の大きさを１００ｎｍ程度にすることによって基板から垂直にニッケルドットから１〜数本のカーボンナノチューブを成長させた（宮下,小野,江刺,信学技報,ED2000-204,69(2000)参照）。
この方法ではカーボンナノチューブの一端は基板に付着していることから、片持ち梁に適していると思われる。しかしながら一般的にＣＶＤ法のカーボンナノチューブは超音波振動等の外力で基板から容易に離脱することが知られており、ＣＶＤ法によるカーボンナノチューブは基板との密着力はvan der Waals力よりも大きいと予想されるが、高耐久なマイクロマシーンの梁に適用するには不充分であった。
【００１１】
加えてＣＶＤ法によるカーボンナノチューブはアーク放電法、レーザーアブレーション法で得られたカーボンナノチューブよりもヤング率が小さいという問題がある。Z.W.Panらの報告ではHot-filament ＣＶＤ法による多層カーボンナノチューブのヤング率は0.45±0.23TPaとなっており、シリコン系材料の1〜4倍程度に過ぎない。
ＣＶＤ法によるカーボンナノチューブは欠陥が多いため、ヤング率が低下したと予想されている(Z.W.Pan et al.,Appl.Phys.Lett.,vol.74,3152(1999)参照)。そのためＣＶＤ法によるカーボンナノチューブを梁として用いた場合、アーク放電法、レーザーアブレーション法で作製されたカーボンナノチューブと同等の強度を持つ梁を実現することは困難であった。
【００１２】
特開２００１−６２２９９には触媒金属を微粒子化する方法として、金属もしくは金属化合物を溶解した乳濁液から、還元法により触媒超微粒子を生成させた懸濁液を得る方法、および、得られた懸濁液を基板に塗布する種々の方法が示されている。
特開２００１−４８５１２にはプラズマＣＶＤ法により、Ni、Fe、Coの内の１つまたはこれらの金属の少なくとも２種類からなる合金の基板表面に対して垂直にカーボンナノチューブを配向させる方法が示されている。
【００１３】
これらの方法は１本のカーボンナノチューブを任意の位置に配置できることから、マイクロマシーンの構造材に用いる場合に適した方法である。
しかしながらアーク放電法、レーザーアブレーション法で得られたカーボンナノチューブよりヤング率が小さいという問題は依然として解決されておらず、高強度な構造材を実現することは困難であった。また欠陥が多いことから、構造材の耐久性が低下する懸念もあり、高信頼のマイクロマシーンを作製できなかった。
【００１４】
以上のような課題に鑑み、本願の請求項１に係わる発明の目的は、Si系材料、金属、合金等の従来の梁よりも機械的強度が大きく、耐久性の良いマイクロマシーンの構造の一部としてカーボンナノチューブを形成する方法を含めたマイクロマシーンの構造を提供することである。
請求項２に係わる発明の目的は、シリコンプロセスに僅かなプロセスを付加することでカーボンナノチューブを梁の構成材としたマイクロマシーンを製造可能にするマイクロマシーンの構造を提供することである。
【００１５】
請求項３に係わる発明の目的は、幅広の梁において機械的強度の大きい梁を実現できるマイクロマシーンの構造を提供することである。
請求項４に係わる発明の目的は、カーボンナノチューブを構成材とする梁と可動電極との固着力を更に大きくできるマイクロマシーンの構造を提供することである。
【００１６】
請求項５、６、７に係わる発明の目的は、Si系材料、金属、合金等の従来の梁よりも機械的強度が大きく、耐久性の良いマイクロマシーンを比較的安価に作製することができる作製方法を提供することである。
請求項８に係わる発明の目的は、カーボンナノチューブを構成材とする梁の機械的強度を改善できるマイクロマシーンの作製方法を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため本願の請求項１の発明では、リブ上の梁によって架橋される可動電極と、該可動電極と所定の空隙を持って配置される固定電極からなるマイクロマシーンにおいて、前記梁は、該梁の一端を配置する領域に予め硫黄が３０〜４５ａｔｍ％であるＮｉｘＳｙからなる触媒層を設け、炭化水素ガスを供給し可動電極とほぼ平行な方向に電界を印加しながら化学的気相成長法によって少なくとも１本のカーボンナノチューブを可動電極とほぼ平行に成長させ、その後、カーボンナノチューブを保持材で被覆することによって作製したことを特徴とする。
請求項２の発明では、請求項１に記載のマイクロマシーンにおいて、前記の保持材がポリシリコン、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、金属、合金の内の少なくとも１つからなることを特徴とする。
【００１８】
請求項３の発明では、請求項１または２に記載のマイクロマシーンにおいて、前記の梁の短手方向に複数のカーボンナノチューブがあることを特徴とする。
請求項４の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載のマイクロマシーンにおいて、前記の保持材と可動電極が一体であることを特徴とする。
【００１９】
請求項５の発明では、請求項１または２に記載のカーボンナノチューブの作製方法において、梁の一端を配置する領域に予め硫黄が３０〜４５ａｔｍ％であるＮｉｘＳｙからなる触媒層を設け、炭化水素ガスを供給し可動電極とほぼ平行な方向に電界を印加しながら化学的気相成長法によってカーボンナノチューブを可動電極とほぼ平行に成長させ、その後、カーボンナノチューブを保持材で被覆し、更にカーボンナノチューブを長手方向に含むように保持材を加工して梁を形成することを特徴とする。
請求項６の発明では、請求項３に記載のマイクロマシーンの作製方法において、梁の一端を配置する領域に予め硫黄が３０〜４５ａｔｍ％であるＮｉｘＳｙからなる触媒層を設け、炭化水素ガスを供給し可動電極とほぼ平行な方向に電界を印加しながら化学的気相成長法によって複数のカーボンナノチューブを可動電極とほぼ平行に成長させ、その後、複数のカーボンナノチューブを保持材で被覆し、更に複数のカーボンナノチューブを長手方向に含むように保持材を加工して梁を形成することを特徴とする。
【００２０】
請求項７の発明では、請求項４に記載のマイクロマシーンの作製方法において、梁の一端を配置する領域に予め硫黄が３０〜４５ａｔｍ％であるＮｉｘＳｙからなる触媒層を設け、炭化水素ガスを供給し可動電極とほぼ平行な方向に電界を印加しながら化学的気相成長法によってカーボンナノチューブを可動電極とほぼ平行に成長させ、その後、カーボンナノチューブを保持材で被覆し、更に、カーボンナノチューブを長手方向に含むように保持材を加工して梁と可動電極を同時に形成することを特徴とする。
【００２１】
請求項８の発明では、請求項５〜７のいずれか一つに記載のマイクロマシーンの作製方法において、前記の触媒層ＮｉｘＳｙは、Ｎｉ３Ｓ２であることを特徴とする。
【００２２】
【実施例】
以下に実施例に従って本発明を説明する。
本発明のマイクロマシーンの一例を図１、２に示す。図１は本例のマイクロマシーンの斜視図であり、図２（a）は本例のマイクロマシーンの正面図、（b）はA-A'断面での上面図、（c）はB-B'断面での側面図である。
基板１の表面に固定電極２があり、基板１の固定電極の両側にはリブ３が形成されている。リブ３上にはカーボンナノチューブ４とカーボンナノチューブ４を被覆する保持材５からなる梁６が形成されており、梁６は可動電極７を架橋し、可動電極７と固定電極２間には、マイクロマシーンの動作に適した所定の間隔の空隙８を形成している。カーボンナノチューブ４は梁６の長手方向に配向している。可動電極７の表面のうち、固定電極２と対向する面には金属層９が設けられている。
【００２３】
本構造を採用すると、梁６はカーボンナノチューブ４を被覆する保持材５によって可動電極７とリブ３の両方に接触するので、保持材５を可動電極７及びリブ３に固定することによって、梁６がリブ３及び可動電極７に強固に固着される。そのため可動電極７と固定電極２間に電圧を印加し静電引力によって可動電極７を駆動した場合にも、カーボンナノチューブ４とカーボンナノチューブ４を被覆する保持材５からなる梁６は可動電極７とリブ３から外れないで可動電極７を架橋し続けるので、マイクロマシーンの梁として使用できるようになる。
【００２４】
カーボンナノチューブ４は引張強度が大きいため、カーボンナノチューブ４を被覆する保持材５をマイクロマシーニングで広く用いられるポリシリコン、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜等のSi系材料や、金属、合金とした場合、梁６の引張強度はポリシリコン、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜等のシリコン系材料、金属、合金単体からなる梁よりも大きくなる。そのため静電引力によって梁が撓む場合、同じ歪み割合であればシリコン系材料、金属、合金単体からなる従来の梁と比較し破断しにくくなる。その結果従来よりも高耐久なマイクロマシーンを実現できる。
【００２５】
次に本例の梁６に用いられるカーボンナノチューブ４について説明する。
カーボンナノチューブはグラファイトシートを丸めた円筒状の形状をしている。カーボンナノチューブの大きさは作製法によって異なるが、１個のグラファイトシートの円筒からなる単層カーボンナノチューブでは、直径が0.4〜5ｎｍ、円筒の長さは数10ｎｍ〜数μmとなっており、複数のグラファイトシートの円筒が入れ子状の構造を持つ多層カーボンナノチューブでは、直径が数ｎｍ〜100ｎｍ、円筒の長さは100ｎｍ〜数100μm程度になっており、繊維状の形状をしている中空物質である。
【００２６】
カーボンナノチューブはアーク放電法やレーザーアブレーション法、ＣＶＤ法等によって作製されるが、前述のようにＣＶＤ法を用いると、
１．不純物の少ないカーボンナノチューブが得られる、
２．金属触媒の位置によってカーボンナノチューブを配置する位置を決めることができる、
３．配向したカーボンナノチューブが得られる、
４．金属触媒の大きさを制御することによって、1〜数本のカーボンナノチューブが得られる
等の利点があり、本例の構造を採用するとカーボンナノチューブ４と保持材５からなる梁６はマイクロマシーンから外れにくくなるので、マイクロマシーンの梁を構成するカーボンナノチューブにはＣＶＤ法のカーボンナノチューブが適していると考えられる。
【００２７】
しかしながらＣＶＤ法によるカーボンナノチューブは、アーク放電法、レーザーアブレーション法で得られたカーボンナノチューブよりもヤング率が小さいため、アーク放電法、レーザーアブレーション法によるカーボンナノチューブと保持材からなる梁と同等の強度を持つ梁をＣＶＤ法によるカーボンナノチューブで実現することは本例の構造を採用するだけでは困難であった。
そこでカーボンナノチューブの欠陥を抑制することによってカーボンナノチューブの機械的物性が改善できると考え、ＣＶＤ法の検討を行った結果、ニッケルの硫黄化合物からなる触媒層を用いたＣＶＤ法によってカーボンナノチューブを作製すると欠陥を低減できることを見出した。
【００２８】
本発明のマイクロマシーンに適したカーボンナノチューブの作製方法の例を図３に示す。
（ａ）シリコンからなるリブ基板１０上にポジレジストを塗布し、その後、電子ビーム露光装置を用いて10〜50ｎｍのホールを描画して現像/ポストベークを行い、ホールパターンを完成させる。
その後、ニッケルターゲットとアルゴン及びH2Sを用いた反応性スパッタリング法によってニッケルの硫黄化合物からなる薄膜を厚さ5〜10ｎｍで成膜し、その後、レジストをリフトオフして、リブ基板１０上に大きさが10〜50ｎｍの触媒層１１を形成する。
【００２９】
（ｂ）その後、触媒層１１を形成したリブ基板１０を電気炉１２で囲まれ、直流電界が印加できる石英からなる筒状の反応容器１３に置き、リブ基板１０とほぼ平行な方向に電界１４を印加してメタン、エチレン、アセチレン等の炭化水素ガス１５を導入して600〜1100℃の温度でＣＶＤ法を行う。
（ｃ）触媒層は10〜50ｎｍの微粒子になっているため、触媒層から1本のカーボンナノチューブ４が成長する。電界１４が印加されているため電界１４に沿って、つまりリブ基板１０と平行な方向にカーボンナノチューブ４は成長する。
カーボンナノチューブ４の先端や根元には微粒子化された触媒層が残っている。図３ではカーボンナノチューブ４の先端に触媒層が残っている。
【００３０】
（ｄ）その後、炭化水素ガス１５の導入を停止し、ヘリウム、アルゴン、窒素等の不活性ガスを導入して基板を100〜300℃まで冷却し、カーボンナノチューブ４が成長したリブ基板１０を反応容器１３から取り出す。
上記の方法で作製したカーボンナノチューブ４を走査型電子顕微鏡で観察すると、Fe、Ni、Co等の触媒微粒子を用いた従来のＣＶＤ法によるカーボンナノチューブよりも直線性が良かった。
また、上記のカーボンナノチューブ４をイソプロピルアルコールに分散し、その後、マイクログリッドを浸漬してカーボンナノチューブ４を付着させ、透過型電子顕微鏡で観察すると、従来のＣＶＤ法で成長させたカーボンナノチューブよりも側面のグラファイト化が進行しており、本方法によって作製されるカーボンナノチューブ４は従来のＣＶＤ法によるカーボンナノチューブより欠陥が少ないことが判った。
【００３１】
本方法によりカーボンナノチューブの欠陥が低減される理由は完全には明確になっていないが、ニッケル（Ni）と硫黄（S）の相図（図４参照）から次のことが推測される。
ニッケル微粒子を触媒として用いると、バルクのニッケル金属の融点が1455℃であるため、従来の熱ＣＶＤ法の温度（600〜1100℃程度）では多結晶の状態になっていると推測される。多結晶の各面は触媒活性が異なることから、複数の面から成長する１枚のグラファイトシートでは成長速度に異方性を持つ。カーボンナノチューブの側面は六員環で構成されるが、グラファイトシート面内で成長速度に異方性が生じると、五員環や七員環が入り、カーボンナノチューブがカールして直線性が低下する。カールした箇所は歪みが大きいので欠陥が入りやすくなる。よってニッケルを触媒とした場合は、従来のＣＶＤ法の温度では欠陥が入りやすかった。
【００３２】
一方、ニッケルに硫黄を含有させるとニッケルの硫黄化合物（NiXSYと略す）の融点が低下し、硫黄が33atom%で極小（融点620℃）となる。膜厚が10ｎｍ程度以下の場合、金属の融点が低下することが知られている。よって硫黄の含有と薄膜の効果により、NiXSY化合物はニッケル金属よりも融点が著しく低下していると考えられる。
そのため本例のNiXSY化合物では、ＣＶＤ時の加熱により触媒層が多結晶状態を維持できなくなり、半溶融状態、アモルファス状態ないし液体状態になったと推測される。その結果NiXSY微粒子表面上では触媒活性の異方性が低減し、グラファイトシートの成長速度が等方的になり、グラファイトシートの直線性が向上してカーボンナノチューブの欠陥が少なくなったと考えられる。
【００３３】
ニッケル金属を用いた場合も触媒微粒子を液体化することは、融点つまり1450℃近くまでＣＶＤ時の温度を上げることによって可能になるが、触媒微粒子の凝集が進みカーボンナノチューブ作製に適さない大きさになり、カーボンナノチューブの収率が著しく小さくなる。また1450℃では炭化水素ガスが気相で激しく分解し、無触媒反応によってアモルファスカーボン等として多量に堆積するため、カーボンナノチューブの純度が著しく低下する。
よってニッケル微粒子を触媒に用いた場合は、欠陥の少ないカーボンナノチューブを高純度で得ることは不可能である。
【００３４】
NiXSY化合物を触媒に用いる場合も、触媒微粒子を半溶融状態、アモルファス状態、液体状態にするためには、微粒子化時やＣＶＤ時の温度、NiXSY化合物の硫黄の含有量を適切に選ぶ必要があるが、硫黄が30〜45atom%であれば、NiXSY化合物の融点は極小付近になっているので、従来のＣＶＤ法の温度に広く適用できる。ただし硫黄が上記の範囲以外であってもＣＶＤ時の温度を適切に選ぶことにより従来よりも欠陥の少ないカーボンナノチューブを得ることができるので、上記の硫黄の含有量の範囲に本発明は限定されず、電子線回折やXMA等の分析手法によってカーボンナノチューブに付いている微粒子化した触媒層に硫黄が検出される場合は本発明に含まれるものとする。
【００３５】
以上のように上記の方法で作製されるカーボンナノチューブは従来のＣＶＤ法によるカーボンナノチューブよりも欠陥が低減しており、1個のドット化された触媒層から１本のカーボンナノチューブが成長しており、更に電界の向きに沿ってカーボンナノチューブが成長しているので、マイクロマシーンの梁の構成材料に適している。
なお、図３では熱ＣＶＤ法を例に取り説明を行ったが、カーボンナノチューブの成長は熱ＣＶＤ法に限定される必要は無く、DCプラズマＣＶＤ法やマイクロ波プラズマＣＶＤ法、Hot-filament ＣＶＤ法等の他の手法を用いても何ら構わない。
【００３６】
次に、本例のマイクロマシーンの作製方法の例を図５に従って述べる。
（ａ）SOI基板からなるリブ基板１０上にポジレジストを塗布し、その後、電子ビーム露光装置を用いて40ｎｍのホールを描画して現像/ポストベークを行い、ホールパターンを完成させた。
その後、ニッケルターゲットとアルゴン及びH2Sを用いた反応性スパッタリング法によってニッケルの硫黄化合物（以後NixSyと記述する）からなる薄膜を厚さ8ｎｍで成膜し、その後、レジストをリフトオフして、リブ基板１０上に大きさが40ｎｍの触媒層１１を形成した。触媒層１１を形成する位置は後述の（ｃ）の工程で形成する梁６の端部としておく。
【００３７】
（ｂ）次に、リブ基板１０を直流電界が印加できる熱ＣＶＤ装置に置き、リブ基板１０とほぼ平行な方向に電界を印加してメタンとヘリウムを導入して950℃の温度でカーボンナノチューブ４を作製した。
後述の（ｄ）の工程でリブ基板１０のうちカーボンナノチューブ４を形成した面側を用いて可動電極７を形成することから、リブ基板１０とほぼ平行な電界とは可動電極７とほぼ平行な電界を指している。
NixSy触媒によるカーボンナノチューブ４はtip-growthによって成長するため、カーボンナノチューブ４の合成中にリブ基板１０とほぼ平行な方向に電界を印加すると、NixSy触媒は電界に引かれてリブ基板上を移動する。触媒層１１の大きさは100ｎｍ以下であるため、NixSy触媒からは1本のカーボンナノチューブ４が成長する。その結果、リブ基板１０上には電界の方向に沿って１本のカーボンナノチューブ４が成長し、後述の（ｄ）の工程で可動電極７に形成されるべきリブ基板表面に横になった1本のカーボンナノチューブ４が得られる。
【００３８】
（ｃ）その後、カーボンナノチューブ４を覆うように保持材５を形成する。保持材５としてはポリシリコン、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、金属、合金の中から少なくとも1つから選ぶのが良い。
金属、合金は真空蒸着法やスパッタリング法、メッキ法によって形成すれば良く、ポリシリコン、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜はＣＶＤ法やスパッタリング法によって作製される。なお、シリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜を用いる場合はカーボンナノチューブ４の酸化を抑制するため、過度の酸化雰囲気や高温雰囲気を避ける必要があり、ＣＶＤ法よりはスパッタリング法が適している。
【００３９】
本例ではシリコン窒化膜をＣＶＤ法によって厚さ200ｎｍで成膜して、カーボンナノチューブ４を被覆した。
その後、保持材５上にレジストを塗布し、i線やg線の縮小投影露光装置を用いて露光を行い、現像/ポストベークを行って梁６のレジストパターンを形成し、更にCHF3ガスを用いた平行平板電極のリアクティブイオンエッチング装置を用いて保持材をエッチングし、レジストパターンを除去してカーボンナノチューブ４と保持材５からなる梁６を完成させた。
【００４０】
（ｄ）その後、リブ基板１０の裏面を研磨して薄くした後、リブ基板１０表面にレジストを塗布し、i線やg線の縮小投影露光装置を用いて露光を行い、現像/ポストベークを行って可動電極７及びリブ３のレジストパターンを形成し、フッ酸系のエッチング液によってSOI基板のSi層を除去し、引き続きバッファーフッ酸によってSOI基板のSiO2層を除去し、その後、レジストを剥離した。エッチングをウエットエッチングで行うため等方的にエッチングが進み、梁６直下のSOI基板も除去できる。その後、リブ基板１０裏面にレジストを塗布し、ｉ線やｇ線の縮小投影露光装置を用いて露光を行い、現像/ポストベークを行ってリブ３を保護するレジストパターンを形成し、バッファーフッ酸によって可動電極７のSiO2層を除去し、その後、レジストを剥離して、カーボンナノチューブ４とカーボンナノチューブ４を被覆する保持材５からなる梁６で架橋される可動電極７（但し金属層は未形成）とリブ３を形成した。
その後、リブ基板１０裏面から真空蒸着法やスパッタリング法によってAl、Cr、Ni等の金属や合金からなる金属層を成膜し、リソグラフィー/エッチングによって可動電極７表面に電極となる金属層９を形成して可動電極７を完成させた。
【００４１】
(ｅ)別のシリコン基板１上にAl、Cr、Ni等の金属や合金を真空蒸着法やスパッタリング法によって成膜し、レジストを塗布後、i線やg線の縮小投影露光装置露光装置を用いて露光を行い、現像/ポストベークを行い固定電極２のレジストパターンを形成した。その後、金属ないし合金をエッチングし、レジストを剥離して固定電極２を完成させた。
そして固定電極２を持つシリコン基板１とカーボンナノチューブ４を支持するリブを熱融着等によって接合して、マイクロマシーンを完成させた。
【００４２】
以上のように、梁の一端を配置する領域に予めニッケルの硫黄化合物からなる触媒層を設け、炭化水素ガスを供給し可動電極とほぼ平行な方向に電界を印加しながら化学的気相成長法によってカーボンナノチューブを可動電極とほぼ平行に成長させ、その後、カーボンナノチューブを保持材で被覆し、更に、カーボンナノチューブを長手方向に含むように保持材を加工して梁を形成したマイクロマシーンは、梁が欠陥の少ないカーボンナノチューブとカーボンナノチューブを被覆する保持材からなるため、従来のシリコン系材料や金属、合金単体を梁にしているマイクロマシーンと比較して高強度の梁を実現できる。梁に欠陥が少ないことから梁の耐久性が向上し、長寿命のマイクロマシーンが実現できる。
梁が保持材によって可動電極、リブに固着されているので、可動電極が駆動してもマイクロマシーンから梁が外れない。
【００４３】
保持材５をマイクロマシーニングで広く用いられるポリシリコン、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜等のシリコン系材料や、金属、合金の内の少なくとも1つにしているので、従来のシリコンプロセスにカーボンナノチューブを作製するためのＣＶＤ法の1工程を加えることによって、カーボンナノチューブが梁の長手方向に配向したマイクロマシーンを作製できるようになる。カーボンナノチューブを作製するＣＶＤ法もシリコンプロセスのＣＶＤ法と大きな違いは無いことから、シリコンプロセスを基本としてトータルプロセスを構築することは容易であり、カーボンナノチューブを梁の構成材としたマイクロマシーンの量産性が改善される。
【００４４】
さらに、電界を印加したＣＶＤ法によって不純物が少なく、梁を固定したい所に希望の配向で1〜数本のカーボンナノチューブを成長させることができることから、カーボンナノチューブとカーボンナノチューブを被覆した保持材からなる梁を用いたマイクロマシーンを比較的安価に作製することができる。
本例は両持ち梁を例に取り説明を行ったが、本発明は両持ち梁に限定されるわけではなく、片持ち梁であっても何ら構わない。
【００４５】
＜実施例２＞
本発明のマイクロマシーンの別の例を斜視図として図６に示す。
基板表面２１に固定電極２２があり、基板表面２１の固定電極２２の両側にはリブ２３が形成されている。リブ２３上には複数のカーボンナノチューブ２４とカーボンナノチューブ２４を被覆する保持材２５からなる梁２６が形成されており、梁２６は可動電極２７を架橋し可動電極２７と固定電極２２間に所定の間隔の空隙２８を形成している。カーボンナノチューブ２４は梁２６の長手方向に配向しており、梁２６の短手方向には複数のカーボンナノチューブ２４が並んでいる。可動電極２７の表面うち、固定電極２２と対向する面には金属層２９（図示せず）が設けられている。
【００４６】
本構造を採用すると、梁２６の短手方向には複数のカーボンナノチューブ２４が並び、かつ保持材２５で複数のカーボンナノチューブ２４が被覆されているので、数μm〜数百μm幅の梁２６においても、梁２６の幅全体にｎｍオーダーの直径のカーボンナノチューブ２４を敷き詰めることによって高強度の梁２６を実現できる。
そのため、実施例１よりも幅の広い梁２６が得られることから、従来のシリコン系材料や金属、合金単体で作製された数μm〜数百μm幅の梁を本例の梁２６で代替することが可能となり、従来のマイクロマシーンの耐久性を改善できる。
【００４７】
梁２６の短手方向に並べるカーボンナノチューブ２４の密度、ピッチは梁２６に要求される機械的強度によって決定すれば良い。
本例の梁２６には実施例１と同様のカーボンナノチューブ及び保持材が使用できる。
【００４８】
次に本例のマイクロマシーンの作製方法の一例を述べる。
（ａ）SOI基板からなるリブ基板上にポジレジストを塗布し、その後、電子ビーム露光装置を用いて40ｎｍのホールを一列に200個描画して現像/ポストベークを行い、ホールパターンアレイを完成させた。
（ｂ）その後、ニッケルターゲットとアルゴン及びH2Sを用いた反応性スパッタリング法によってNixSy化合物からなる薄膜を厚さ8ｎｍで成膜し、その後、レジストをリフトオフして、リブ基板１０上に大きさが40ｎｍの触媒層１１のアレイを形成した。触媒層１１のアレイは（ｄ）の工程で形成する梁の端部に一列に形成しておく。
【００４９】
（ｃ）次に、リブ基板１０を直流電界が印加できる熱ＣＶＤ装置に置き、リブ基板１０とほぼ平行な方向に電界を印加してアセチレンとヘリウムを導入して700℃の温度でカーボンナノチューブ２４を作製した。
後述の（ｅ）の工程でリブ基板１０のうちカーボンナノチューブ２４を形成した面側を用いて可動電極２７を形成することから、リブ基板１０とほぼ平行な電界とは可動電極２７とほぼ平行な電界を指している。
その結果、リブ基板１０上には電界の方向に沿って各NixSyドットからは１本のカーボンナノチューブ２４が成長するので、後述の（e）の工程で可動電極２７に形成されるべきリブ基板表面に横になった複数のカーボンナノチューブ２４が得られる。
【００５０】
（ｄ）その後、複数のカーボンナノチューブ２４を覆うようにスパッタリング法とＣＶＤ法を併用してCr/ポリシリコン/Crの3層からなる保持材２５を形成した。
その後、保持材２５上にレジストを塗布し、i線やg線の縮小投影露光装置を用いて露光を行い、現像/ポストベークを行って梁２６のレジストパターンを形成し、その後、保持材２５をリアクティブイオンエッチング装置を用いてエッチングし、レジストパターンを除去して複数のカーボンナノチューブ２４を梁２６の短手方向に並べ、かつ保持材２５で被覆した梁２６を完成させた。
【００５１】
（ｅ）その後、リブ基板１０の裏面を研磨して薄くした後、リブ基板１０表面にレジストを塗布し、i線やg線の縮小投影露光装置を用いて露光を行い、現像/ポストベークを行って可動電極２７及びリブ２３のレジストパターンを形成し、フッ酸系のエッチング液によってSOI基板のSi層を除去し、引き続きバッファーフッ酸によってSOI基板のSiO2層を除去し、その後、レジストを剥離した。保持材２５のCrはフッ酸系のエッチング液、バッファーフッ酸に対してバリア層となり、Cr/ポリシリコン/Crにダメージを与えない。その後、リブ基板１０裏面にレジストを塗布し、ｉ線やｇ線の縮小投影露光装置を用いて露光を行い、現像/ポストベークを行ってリブ２３を保護するレジストパターンを形成し、バッファーフッ酸によって可動電極のSiO2層を除去し、その後、レジストを剥離して、複数のカーボンナノチューブ２４とカーボンナノチューブ２４を被覆する保持材２５からなる梁２６で架橋される可動電極２７（但し金属層２９は未形成）とリブ２３を形成した。保持材２５のCrはバッファーフッ酸に対してバリア層となるので、Cr/ポリシリコン/Crにダメージを与えない。
その後、リブ基板１０裏面からスパッタリング法によってAlを成膜し、リソグラフィー/エッチングによって可動電極２７表面に電極となる金属層２９を形成して可動電極２７を完成させた。
【００５２】
(ｆ)別のシリコン基板２１上にスパッタリング法によってAlを成膜し、レジストを塗布後、i線やg線の縮小投影露光装置露光装置を用いて露光を行い、現像/ポストベークを行い固定電極２２のレジストパターンを形成した。その後、Alをエッチングし、レジストを剥離して固定電極２２を完成させた。
そして、固定電極２２を持つシリコン基板２１とカーボンナノチューブ２４を支持するリブ２３を熱融着等によって接合して、マイクロマシーンを完成させた。
【００５３】
以上のように、梁の一端を配置する領域に予めニッケルの硫黄化合物からなる触媒層を設け、炭化水素ガスを供給し可動電極とほぼ平行な方向に電界を印加しながら化学的気相成長法によって複数のカーボンナノチューブを可動電極とほぼ平行に成長させ、その後、複数のカーボンナノチューブを保持材で被覆し、更に、複数のカーボンナノチューブを長手方向に含むように保持材を加工して梁を形成したマイクロマシーンは、実施例１よりも幅の広い梁が得られるので、従来のシリコン系材料や金属、合金単体で作製された数μm〜数百μm幅の梁を本例の梁で代替することが可能となり、従来のマイクロマシーンの耐久性を改善できる。
【００５４】
本例では熱ＣＶＤ法を例に取り説明を行ったが、カーボンナノチューブの成長はDCプラズマＣＶＤ法やマイクロ波プラズマＣＶＤ法、Hot-filament ＣＶＤ法等の他の手法を用いても何ら構わない。
本例は両持ち梁を例に取り説明を行ったが、本発明は両持ち梁に限定されるわけではなく、片持ち梁であっても何ら構わない。
【００５５】
＜実施例３＞
本発明のマイクロマシーンの別の例を斜視図として図７に示す。
基板３１表面に固定電極３２があり、基板３１の固定電極３２の両側にはリブ３３が形成されている。リブ３３上にはカーボンナノチューブ３４とカーボンナノチューブ３４を被覆する保持材３５からなる梁３６が形成されており、梁３６は可動電極３７を架橋し可動電極３７と固定電極間３２に所定の間隔の空隙３８を形成している。カーボンナノチューブ３４は梁３６の長手方向に配向している。可動電極３７の表面のうち、固定電極３２と対向する面には金属層３９（図示せず）が設けられている。
カーボンナノチューブ３４は図示されていないNi3S2からなる触媒層１１を用いた炭化水素ガスによるＣＶＤ法で作製されており、保持材３５は実施例１、２と同様のものが使用されている。
【００５６】
次に、本例のマイクロマシーンの作製方法の一例を述べる。
（a）SOI基板からなるリブ基板上にポジレジストを塗布し、その後、電子ビーム露光装置を用いて50ｎｍのホールを描画して現像/ポストベークを行い、ホールパターンを完成させた。
その後、Aldrich製のNi3S2粉末を粉砕して数10ｎｍの大きさに微粒子化し、その後、水やイソプロピルアルコール等の溶媒を加え超音波振動を与えて均一に分散した分散液を調整した。分散液には必要に応じて界面活性剤を添加しても良い。
（ｂ）その後、分散液をリブ基板１０に塗布し、100〜150℃に加熱して溶媒を蒸発させ、その後、レジストをリフトオフして、リブ基板１０上にNi3S2からなる触媒層１１を形成した。
【００５７】
（ｃ）次に、リブ基板１０を直流電界が印加できる熱ＣＶＤ装置に置き、リブ基板１０とほぼ平行な方向に電界を印加してメタンとヘリウムを導入して900℃の温度でカーボンナノチューブ３４を作製した。
後述の（ｅ）の工程でリブ基板１０のうちカーボンナノチューブ３４を形成した面側を用いて可動電極３７を形成することから、リブ基板１０とほぼ平行な電界とは可動電極３７とほぼ平行な電界を指している。
その結果、リブ基板１０上には電界の方向に沿って１本のカーボンナノチューブ３４が成長し、後述の（e）の工程で可動電極３７に形成されるべきリブ基板表面に横になった1本のカーボンナノチューブ３４が得られる。
【００５８】
（ｄ）その後、カーボンナノチューブ３４を覆うようにスパッタリング法とＣＶＤ法を併用してCr/シリコン窒化膜/Crの3層からなる保持材３５を形成した。
その後、保持材３５上にレジストを塗布し、i線やg線の縮小投影露光装置を用いて露光を行い、現像/ポストベークを行って梁３６のレジストパターンを形成し、更に、平行平板電極のリアクティブイオンエッチング装置を用いて保持材３５をエッチングし、レジストパターンを除去してカーボンナノチューブと保持材３５からなる梁３６を完成させた。
【００５９】
（ｅ）その後、リブ基板１０の裏面を研磨して薄くした後、リブ基板１０表面にレジストを塗布し、i線やg線の縮小投影露光装置を用いて露光を行い、現像/ポストベークを行って可動電極３７及びリブのレジストパターンを形成し、フッ酸系のエッチング液によってSOI基板のSi層を除去し、引き続きバッファーフッ酸によってSOI基板のSiO2層を除去し、その後、レジストを剥離した。その後、リブ基板１０裏面にレジストを塗布し、ｉ線やｇ線の縮小投影露光装置を用いて露光を行い、現像/ポストベークを行ってリブ３３を保護するレジストパターンを形成し、バッファーフッ酸によって可動電極３７のSiO2層を除去し、その後、レジストを剥離して、カーボンナノチューブとカーボンナノチューブを被覆する梁で架橋される可動電極３７（但し金属層３９は未形成）とリブ３３を形成した。その後、リブ基板１０裏面から真空蒸着法やスパッタリング法によってAlSiを成膜し、リソグラフィー/エッチングによって可動電極３７表面に電極となる金属層３９を形成して可動電極３７を完成させた。
【００６０】
（ｆ）別のシリコン基板３１上にAlSiを真空蒸着法によって成膜し、レジストを塗布後、i線やg線の縮小投影露光装置を用いて露光を行い、現像/ポストベークを行い固定電極３２のレジストパターンを形成した。その後、AlSiをエッチングし、レジストを剥離して固定電極３２を完成させた。
そして、固定電極３２を持つシリコン基板３１とカーボンナノチューブ３４を支持するリブ３３を熱融着等によって接合して、マイクロマシーンを完成させた。
【００６１】
以上のように、梁の一端を配置する領域に予めNi3S2からなるからなる触媒層を設け、炭化水素ガスを供給し可動電極とほぼ平行な方向に電界を印加しながら化学的気相成長法によってカーボンナノチューブを可動電極とほぼ平行に成長させ、その後、カーボンナノチューブを保持材で被覆し、更に、カーボンナノチューブを長手方向に含むように保持材を加工して梁を形成したマイクロマシーンは、カーボンナノチューブを作製するＣＶＤ時にニッケル中の硫黄濃度が40atom%となっているので、NiXSY化合物の融点が極小付近となる。そのため、ＣＶＤ時の加熱温度が低くても触媒層が半溶融状態、アモルファス状態ないし液体状態になりやすく、低温のＣＶＤ法によっても欠陥の少ないカーボンナノチューブを得ることができる。
【００６２】
ニッケルの硫黄化合物のうちNi3S2は安定相になっているので、ニッケルの硫黄化合物を合成する際に硫黄の含有率を均一にしやすい。そのため組成の均一な触媒層を形成できる。
加えてNi3S2は水や一般的な有機溶媒に不溶なことから、Ni3S2を水や有機溶媒に分散し、分散液を基板に塗布し、その後、溶媒を蒸発させる等のウエットプロセスで簡便に触媒層を作製できる。そのため、触媒層を形成するための反応性スパッタ装置や真空蒸着装置が不要となり、低コストで欠陥の少ないカーボンナノチューブを作製できる。Ni3S2粉末は市販もされているので、分散液を調整するのに便利である。
その結果、梁の機械的強度を実施例１よりも更に大きくでき、かつ低コストでマイクロマシーンを作製できる。
Ni3S2を触媒層に用いる場合、不純物として他の組成のニッケルの硫黄化合物が含まれる場合があるが、主成分がNi3S2である場合は本発明に含まれるものとする。
【００６３】
本例では熱ＣＶＤ法を例に取り説明を行ったが、カーボンナノチューブの成長はDCプラズマＣＶＤ法やマイクロ波プラズマＣＶＤ法、Hot-filament ＣＶＤ法等の他の手法を用いても何ら構わない。
本例は両持ち梁を例に取り説明を行ったが、本発明は両持ち梁に限定されるわけではなく、片持ち梁であっても何ら構わない。
【００６４】
＜実施例４＞
本発明のマイクロマシーンの別の例を図８、９に示す。図８は本例のマイクロマシーンの斜視図であり、図９（a）は本例のマイクロマシーンの正面図、（b）はA-A'断面での上面図、（c）はB-B'断面での側面図である。
基板４１表面に固定電極４２があり、基板４１の固定電極４２の両側にはリブ４３が形成されている。リブ４３上にはカーボンナノチューブ４４とカーボンナノチューブ４４を被覆する保持材４５からなる梁４６が形成されており、梁４６は可動電極４７を架橋し可動電極４７と固定電極４２間に所定の間隔の空隙４８を形成している。保持材４５と可動電極４７は一体となっている。カーボンナノチューブ４４は梁４６の長手方向に配向している。
【００６５】
保持材４５と可動電極４７が一体である構造を採用すると、保持材４５と可動電極４７との固着力が更に向上するので、可動電極４７と固定電極４２間に電圧を印加し静電引力によって可動電極４７を駆動した場合に、カーボンナノチューブ４４とカーボンナノチューブ４４を被覆する保持材４５からなる梁４６は可動電極４７から更に外れにくくなるので、マイクロマシーンの耐久性が更に向上する。
梁４６を可動電極４７と一体化することによって、可動電極４７をフォトリソ/エッチングで形成する際に同時に梁４６を形成できることから、梁４６のフォトリソ/エッチング工程を別個に設ける必要が無くなり、より安価にマイクロマシーンを作製できる。
【００６６】
次に、本例のマイクロマシーンの作製方法の一例を図１０に従って説明する。
（ａ）表面を100ｎｍ熱酸化したSi基板からなるリブ基板５０上にポジレジストを塗布し、その後、電子ビーム露光装置を用いて直径40ｎｍのホールを描画して現像/ポストベークを行い、ホールパターンを完成させた。
その後、ニッケルターゲットとアルゴン及びH2Sを用いた反応性スパッタリング法によってニッケルの硫黄化合物（以後NixSyと記述する）からなる薄膜を厚さ8ｎｍで成膜し、その後、レジストをリフトオフして、リブ基板５０上に大きさが40ｎｍの触媒層５１を形成した。触媒層５１を形成する位置は後述の（ｄ）の工程で形成する梁の端部としておく。
【００６７】
（ｂ）次に、リブ基板５０を直流電界が印加できる熱ＣＶＤ装置に置き、リブ基板５０とほぼ平行な方向に電界を印加してエチレンとアルゴンを導入して720℃の温度でカーボンナノチューブ４４を作製した。
後述の（ｄ）の工程でリブ基板５０上の保持材４５を用いて可動電極４７を形成することから、リブ基板５０とほぼ平行な電界とは可動電極４７とほぼ平行な電界を指している。
その結果、リブ基板５０上には電界の方向に沿って１本のカーボンナノチューブ４４が成長し、後述の（ｄ）の工程で可動電極４７に形成されるべきリブ基板表面に横になった1本のカーボンナノチューブ４４が得られる。
（ｃ）その後、カーボンナノチューブ４４を覆うように金属、合金からなる保持材を形成する。
本例ではスパッタリング法によってAlSiを成膜して、カーボンナノチューブ４４を被覆した。
【００６８】
（ｄ）その後、リブ基板５０の裏面を研磨して薄くした後、リブ基板５０の裏面にレジストを塗布し、ｉ線やｇ線の縮小投影露光装置を用いて露光を行い、現像/ポストベークを行ってリブ４３のレジストパターンを形成し、その後、CF4とH2ガスを用いたケミカルドライエッチング装置を用いてリブ４３を形成した。
その後、保持材４５上にレジストを塗布し、i線やg線の縮小投影露光装置を用いて露光を行い、現像/ポストベークを行って可動電極４７及び梁４６のレジストパターンを形成し、リン酸/酢酸系のエッチング液によって保持材４５をエッチングし、その後、レジストを剥離して、可動電極４７及び梁４６を完成させた。
【００６９】
(ｅ)別のシリコン基板４１上にスパッタリング法によってAlSiを成膜し、レジストを塗布後、i線やg線の縮小投影露光装置露光装置を用いて露光を行い、現像/ポストベークを行い固定電極４２のレジストパターンを形成した。その後、AlSiをエッチングし、レジストを剥離して固定電極４２を完成させた。
そして、固定電極４２を持つシリコン基板４１とカーボンナノチューブ４４を支持するリブ４３を熱融着等によって接合して、マイクロマシーンを完成させた。
【００７０】
以上のように、梁の一端を配置する領域に予めニッケルの硫黄化合物からなる触媒層を設け、炭化水素ガスを供給し可動電極とほぼ平行な方向に電界を印加しながら化学的気相成長法によってカーボンナノチューブを可動電極とほぼ平行に成長させ、その後、カーボンナノチューブを保持材で被覆し、更に、カーボンナノチューブを長手方向に含むように保持材を加工して梁と可動電極を同時に形成すると、実施例1〜３と比較しフォトリソ/エッチング工程を1回ずつ省くことができるので、より安価にマイクロマシーンを作製できる。
保持材と可動電極が一体化するため、保持材と可動電極との固着力が更に向上し、マイクロマシーンの耐久性が更に向上する。
【００７１】
本例では可動電極（保持材）がAlSiからなり、十分な導電性があるため可動電極表面に金属や合金からなる層を形成していないが、保持材をシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜等の絶縁層で形成した場合は、可動電極表面に金属や合金からなる金属層を設ける必要がある。後述の、可動電極からの引き出し配線を付加する都合から言えば、保持材及び可動電極は導電性材料で形成する方がよい。
本例では熱ＣＶＤ法を例に取り説明を行ったが、カーボンナノチューブの成長はDCプラズマＣＶＤ法やマイクロ波プラズマＣＶＤ法、Hot-filament ＣＶＤ法等の他の手法を用いても何ら構わない。
本例は両持ち梁を例に取り説明を行ったが、本発明は両持ち梁に限定されるわけではなく、片持ち梁であっても何ら構わない。
【００７２】
次に、これまで述べたような方法で作製されたマイクロマシーンの使い方の例を簡単に説明する。図１１は、マイクロマシーンの固定電極と可動電極からの引き出し配線を付加した例を示す。２ａは固定電極からの引き出し配線、７ａは可動電極用の引き出し配線を示す。いずれもこれまで述べたリソグラフィ／エッチング手法によって作製できる。可動電極と保持材を導電性材料で形成することによって、直接可動電極から引き出し配線を取らなくても必要な導通が得られる。可動電極と保持材が絶縁性材料で構成されているときは、図示していないが、金属層から直接引き出し配線を取るようにする。なお、引き出し配線はマイクロマシーンの完成後ではなく、作製過程で付加しても構わない。
この引き出し配線を利用することによって、固定電極と可動電極の間に所望の電圧を印加することができる。梁は可撓性に富んでいるので、印加電圧の極性如何によって可動電極は固定電極との間で吸引もしくは反発し、微少量ではあるが動くことができる。
【００７３】
図１２はこのようなマイクロマシーンを光学機器として応用した場合の例を示す。符号１００は可動電極の上に設けたミラーであり、アルミ蒸着等で形成することができる。ミラーに外来光を当てておくと、電圧印加によりミラーが動くので、動きの量や角度に対応して、反射光の方向が変わる。このようなマイクロマシーンを集積することによってディスプレイなどを作ることができる。
【００７５】
【発明の効果】
請求項１に記載のマイクロマシーンは、リブ上の梁によって架橋される可動電極と、該可動電極と所定の空隙を持って配置される固定電極とからなるマイクロマシーンにおいて、前記梁は、該梁の一端を配置する領域に予め硫黄が３０〜４５ａｔｍ％であるＮｉｘＳｙからなる触媒層を設け、炭化水素ガスを供給し可動電極とほぼ平行な方向に電界を印加しながら化学的気相成長法によって少なくとも１本のカーボンナノチューブを可動電極とほぼ平行に成長させ、その後、カーボンナノチューブを保持材で被覆することによって作製したものであるから、従来の梁よりも破断しにくくなり、高耐久なマイクロマシーンを実現することができる。
請求項２に記載のマイクロマシーンは、前記の保持材がポリシリコン、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、金属、合金の内の少なくとも1つからなっているので、従来のシリコンプロセスにカーボンナノチューブを作製するためのＣＶＤ法の１工程を加えることによって、カーボンナノチューブが梁の長手方向に配向したマイクロマシーンを作製することができるようになる。カーボンナノチューブを作製するＣＶＤ法もシリコンプロセスのＣＶＤ法と大きな違いは無いことから、シリコンプロセスを基本としてトータルプロセスを構築することは容易であり、カーボンナノチューブを梁の構成材としたマイクロマシーンの量産性を改善することができる。
【００７６】
請求項３に記載のマイクロマシーンは、梁の短手方向に複数のカーボンナノチューブがある。そのため、梁の幅全体にカーボンナノチューブを敷き詰めることによって高強度の梁を実現することができ、幅の広い梁においても機械的強度が改善される。その結果、従来のSi系材料や金属、合金単体で作製された数μm〜数百μm幅の梁を本発明の梁で代替することが可能となる。
【００７７】
請求項４に記載のマイクロマシーンは前記の保持材と可動電極が一体となっているので、カーボンナノチューブとカーボンナノチューブを被覆する保持材からなる梁と可動電極との固着力が更に向上して、マイクロマシーンの耐久性が更に向上する。
【００７８】
請求項５に記載のマイクロマシーンの作製方法においては、梁の一端を配置する領域に予め硫黄が３０〜４５ａｔｍ％であるＮｉｘＳｙからなる触媒層を設け、炭化水素ガスを供給し可動電極とほぼ平行な方向に電界を印加しながら化学的気相成長法によってカーボンナノチューブを可動電極とほぼ平行に成長させ、その後、カーボンナノチューブを保持材で被覆し、更にカーボンナノチューブを長手方向に含むように保持材を加工して梁を形成する。そのため不純物が少なく、梁を固定したい所に希望の配向で１〜数本のカーボンナノチューブを成長させることができるので、カーボンナノチューブとカーボンナノチューブを被覆した保持材からなる梁を用いたマイクロマシーンを比較的安価に作製することができる。
【００７９】
請求項６に記載のマイクロマシーンの作製方法においては、梁の一端を配置する領域に予め硫黄が３０〜４５ａｔｍ％であるＮｉｘＳｙからなる触媒層を設け、炭化水素ガスを供給し可動電極とほぼ平行な方向に電界を印加しながら化学的気相成長法によって複数のカーボンナノチューブを可動電極とほぼ平行に成長させ、その後、複数のカーボンナノチューブを保持材で被覆し、更に複数のカーボンナノチューブを長手方向に含むように保持材を加工して梁を形成する。そのため不純物が少なく、梁を固定したい所に希望の配向で複数のカーボンナノチューブを梁の短手方向に並べて成長させることができるので、機械的強度が大きな幅広の梁を用いたマイクロマシーンを比較的安価に作製することができる。
【００８０】
請求項７に記載のマイクロマシーンの作製方法においては、梁の一端を配置する領域に予め硫黄が３０〜４５ａｔｍ％であるＮｉｘＳｙからなる触媒層を設け、炭化水素ガスを供給し可動電極とほぼ平行な方向に電界を印加しながら化学的気相成長法によってカーボンナノチューブを可動電極とほぼ平行に成長させ、その後、カーボンナノチューブを保持材で被覆し、更にカーボンナノチューブを長手方向に含むように保持材を加工して梁と可動電極を同時に形成する。そのため、請求項５、６と比較してフォトリソ/エッチング工程を１回ずつ省きながら、保持材と可動電極との固着力が更に向上したマイクロマシーンを作製することができる。
【００８２】
請求項８に記載のマイクロマシーンの作製方法においては、前記の触媒層ＮｉｘＳｙは、Ｎｉ３Ｓ２であるので、欠陥がより少ないカーボンナノチューブを得ることができる。そのため、カーボンナノチューブとカーボンナノチューブを被覆する保持材からなる梁の機械的強度が更に改善され、更に高耐久のマイクロマシーンが実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のマイクロマシーンの例を示す斜視図である。
【図２】本発明のマイクロマシーンの例を示す図である。
【図３】本発明のマイクロマシーンに適したカーボンナノチューブの作製方法の例を示す図である。
【図４】ニッケルと硫黄の化合物の相図で有る。
【図５】本発明のマイクロマシーンの作製方法の例を示す図である。
【図６】本発明のマイクロマシーンの別の例を示す斜視図である。
【図７】本発明のマイクロマシーンの別の例を示す斜視図である。
【図８】本発明のマイクロマシーンの別の例を示す斜視図である。
【図９】本発明のマイクロマシーンの別の例を示す図である。
【図１０】本発明のマイクロマシーンの作製方法の例を示す図である。
【図１１】本発明のマイクロマシーンの電極からの引き出し配線を付加した例を示す図である。
【図１２】本発明のマイクロマシーンを光学機器として応用した例を示す図である。
【符号の説明】
１      基板
２      固定電極
３      リブ
４      カーボンナノチューブ
５      保持材
６      梁
７      可動電極
９      金属層
１１      触媒層
１３      反応容器
１５      炭化水素ガス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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