(57)【要約】  金属台座（４）上にカーボンナノチューブ層（２）（ＣＮＴ層２である。以下同じ。）を備えるＣＮＴデバイス（１）（炭素−金属構造体）である。ＣＮＴ層（２）に、ろう材層（３）を介して金属台座（４）をろう付けする。ＣＮＴデバイス（１）を製造する際は、まず、耐熱凹凸基板（６）にＣＮＴ層（２）を形成する。次に、耐熱凹凸基板（６）上のＣＮＴ層（２）にろう材層（３）を介して金属台座（４）をろう付けする。そして、耐熱凹凸基板（６）から金属台座（４）（およびＣＮＴ層２）を剥がして、ＣＮＴ層（２）を耐熱凹凸基板（６）から金属台座（４）に転写する。
2020085291.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維状炭素を含む炭素膜層と、
前記炭素膜層に直接備えられるろう材層と、
前記ろう材層を介して前記炭素膜層に備えられる金属台座と、を備える炭素−金属構造体。
【請求項２】
前記炭素膜層は、表面に平均高さ１μｍ〜１００μｍで高さ／間隔比が１／５〜５／１の凹凸を備える、請求項１に記載の炭素−金属構造体。
【請求項３】
前記炭素膜層は、予め基板上に形成された層であり、
前記ろう材層は、前記炭素膜層の前記基板と接した面と反対側の端部に形成された層である、請求項１または請求項２に記載の炭素−金属構造体。
【請求項４】
前記ろう材層は、金属ろう材により形成される層であり、
前記炭素膜層と前記ろう材層との界面には、前記炭素膜層に前記ろう材層を形成するろう材がしみ込んだ混合層が形成された、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の炭素−金属構造体。
【請求項５】
前記ろう材層は、炭素膜層側に形成されている第１ろう材層と、金属台座側に形成され当該第１ろう材層よりも低融点の第２ろう材層と、を有した多層構造である、請求項１から請求項４の何れか１項に記載の炭素−金属構造体。
【請求項６】
前記ろう材層の厚さは、１μｍ以上であり、５０μｍ以下である請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の炭素−金属構造体。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の炭素−金属構造体を備える、電子エミッタ。
【請求項８】
請求項７に記載の電子エミッタを備える、Ｘ線管。
【請求項９】
基板に繊維状炭素を含む炭素膜層を形成する工程と、
前記基板に形成された炭素膜層にろう材層を形成する工程と、
前記炭素膜層に、前記ろう材層を介して金属台座をろう付けする工程と、
前記炭素膜層から前記基板を取り除く工程と、を有する炭素−金属構造体の製造方法。
【請求項１０】
前記ろう材層は、前記炭素膜層に蒸着された金属ろう材を含む、請求項９に記載の炭素−金属構造体の製造方法。
【請求項１１】
基板に繊維状炭素を含む炭素膜層を形成する工程と、
前記基板に形成された炭素膜層を支持する金属台座にろう材層を形成する工程と、
前記炭素膜層に、前記ろう材層を介して金属台座をろう付けする工程と、
前記炭素膜層から前記基板を取り除く工程と、を有する炭素−金属構造体の製造方法。
【請求項１２】
前記ろう材層は、炭素膜層側に形成される第１ろう材層と、金属台座側に形成され当該第１ろう材層よりも低融点の第２ろう材層と、を有する多層構造である、請求項９から請求項１１の何れか１項に記載の炭素−金属構造体の製造方法。
【請求項１３】
前記炭素膜層を、化学気相成長法により前記基板に形成する、請求項９から請求項１２のいずれか１項に記載の炭素−金属構造体の製造方法。
【請求項１４】
前記基板は、表面に平均高さ１μｍ〜１００μｍで高さ／間隔比が１／５〜５／１の凹凸を備える、請求項９から請求項１３のいずれか１項に記載の炭素−金属構造体の製造方法。
【請求項１５】
前記炭素膜層から取り除かれた基板を、他の炭素−金属構造体の炭素膜層を形成する基板として再利用する、請求項９から請求項１４のいずれか１項に記載の炭素−金属構造体の製造方法。
【請求項１６】
前記炭素膜層に、前記ろう材層を介して複数の金属台座をろう付けする、請求項９から請求項１５のいずれか１項に記載の炭素−金属構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
炭素−金属構造体および炭素−金属構造体の製造方法に関する。例えば、カーボンナノチューブ等の微細炭素を含む炭素膜層を備える装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブ（ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｔｕｂｅ、ＣＮＴという。以下同じ。）は、様々な装置に適用されている（例えば、特許文献１〜３）。ＣＮＴは、例えば、冷陰極電子エミッタに適用される。冷陰極電子エミッタは、外部電場により真空中に電子を放出させる電子源であり、電子顕微鏡、Ｘ線装置、電子線露光装置、情報表示デバイス、照明装置などへ適用される。冷陰極電子エミッタは、従来の熱電子放出と比較して、消費電力が少ない・小型化可能・応答速度が速い・電子の密度が高いなどの優位性がある。【０００３】
ＣＮＴをエミッタに適用した場合、エミッタ表面にＣＮＴの密度が高い部分がまばらに配置されていることが好ましい。例えば、エミッタ表面において、高さ１μｍ〜１００μｍ程度のＣＮＴ束ピラーを、ピラーの高さ（Ｈ）とピラー間隔（Ｒ）の比（Ｈ／Ｒ）が１／２程度のピラー配列とすることで、１本のピラーに対する電界集中が弱まらずに、ピラーの本数を増やすことができるとされている。そこで、従来のエミッタでは、有機系の溶剤を含むペーストをパターン状に印刷して、そこにＣＮＴを支持している。ペーストに有機系の溶剤が含まれている場合、抵抗も高く、真空中でガス放出を起こしてしまう。【０００４】
このように、ＣＮＴの分野において、ＣＮＴ層の表面の凹凸面やＣＮＴ層の表面におけるＣＮＴの分散状態により製品の性能が異なる場合がある。そこで、ＣＮＴを成長させる耐熱凹凸基板にＣＮＴを形成する触媒を固定し、この耐熱凹凸基板にＣＮＴを配向成長させて、ＣＮＴ表面に耐熱凹凸基板の表面形状に応じた凹凸を形成する技術が提案されている（例えば、非特許文献１）。【０００５】
非特許文献１では、Ｓｉ基板上にＣＮＴを成長させ、ＣＮＴ層を形成している。この手法では、短時間プロセスでＣＮＴデバイスを作製できる。また、耐熱凹凸基板を鋳型とすることで同一パターンのＣＮＴデバイスを作製でき、ＣＮＴ複合先端形状がシャープにできる。一方で、ＣＮＴを成長させるＳｉ基板は、抵抗が高く、高コストであり、製品に適用することが困難であった。また、Ｓｉ基板を装置に組み込むときに、Ｓｉ基板ごと挟み込んで固定すると、Ｓｉ基板が割れてしまうおそれがあり、装置にＣＮＴを固定することが困難であった。さらに、耐熱凹凸基板にＣＮＴを成長させる場合、ＣＮＴ先端部の凹凸形状はＣＮＴの成長に影響を受けるため、凹凸の制御が困難となるおそれがある。【０００６】
そこで、Ｓｉ基板上に成長させたＣＮＴを銅薄膜に剥離転写する技術が提案されている（例えば、非特許文献２）。これにより、ＣＮＴを成長させる耐熱凹凸基板の表面形状に応じた、凹凸面を有するＣＮＴ層が形成される。また、耐熱凹凸基板を再利用することが可能であり、ＣＮＴデバイスの製造コストを低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２４５６７２号公報
【特許文献２】国際公開第２００６／０１１４６８号
【特許文献３】特開２０１１−１１９０８４号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Yosuke SHIRATORI、外７名、"Field Emission Properties of Single-Walled Carbon Nanotubes with a Variety of Emitter Morphologies"、２００８年６月１３日、The Japan Society of Applied Physics、Japanese Journal of Applied Physics、Volume 47, No.6、pp.4780-4787
【非特許文献２】北川紗映、外２名、「カーボンナノチューブ‐銅複合体の集合形態制御と、電子エミッタ応用」、２０１８年３月１３日、公益社団法人  化学工学会、化学工学会年会研究発表講演要旨集  ８３巻、ＰＣ２５４
【発明の概要】
【０００９】
ＣＮＴ層などの繊維状炭素を含む炭素膜層に集電体である銅薄膜を直接設けたＣＮＴ／Ｃｕ複合膜は、厚さが薄く、装置に組み込む際の取扱いが非常に困難である。すなわち、ＣＮＴ／Ｃｕ複合膜は、膜状であるため、折れ曲がったり、平面度が失われたり、風に飛ばされたりするおそれがあり、取扱いが困難である。また、ＣＮＴ／Ｃｕ複合膜を装置に組み込む際に、必要なサイズにカットする工程も必要であり、作業的な困難が伴うおそれがある。なお、ＣＮＴ／Ｃｕ複合膜において、ある程度の厚さを有する集電体を形成することも考えられるが、ＣＮＴ層にある程度の集電体を形成すると製造コストが増加することとなる。
【００１０】
また、ＣＮＴ／Ｃｕ複合膜の装置に接続される面（すなわち、集電体の表面）は、ＣＮＴ層の凹凸と同様の凹凸を有しており、集電体と装置とのろう付け性が損なわれるおそれがある。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、繊維状炭素を含む炭素膜層を備える炭素−金属構造体の取扱いを容易とする技術を提供することを目的としている。
【００１２】
上記目的を達成する本発明の炭素−金属構造体の一態様は、繊維状炭素を含む炭素膜層と、前記炭素膜層に直接備えられるろう材層と、前記ろう材層を介して前記炭素膜層に備えられる金属台座と、を備える炭素−金属構造体である。
【００１３】
この炭素−金属構造体の一態様において、前記炭素膜層は、表面に平均高さ１μｍ〜１００μｍで高さ／間隔比が１／５〜５／１の凹凸を備える、としても良い。
【００１４】
また、前記炭素膜層は、予め基板上に形成された層であり、前記ろう材層は、前記炭素膜層の前記基板と接した面と反対側の端部に形成された層である、としても良い。
【００１５】
また、前記ろう材層は、金属ろう材により形成される層であり、前記炭素膜層と前記ろう材層との界面には、前記炭素膜層に前記ろう材層を形成するろう材がしみ込んだ混合層が形成された、としても良い。
【００１６】
また、前記ろう材層は、炭素膜層側に形成されている第１ろう材層と、金属台座側に形成され当該第１ろう材層よりも低融点の第２ろう材層と、を有した多層構造としても良い。
【００１７】
また、前記ろう材層の厚さは、１μｍ以上であり、５０μｍ以下である、としても良い。
【００１８】
また、前記目的を達成する本発明の電子エミッタは、前記いずれかの炭素−金属構造体を備えるものである。
【００１９】
また、前記目的を達成する本発明のＸ線管は、前記電子エミッタを備えるものである。
【００２０】
また、前記目的を達成する本発明の炭素−金属構造体の製造方法の一態様は、基板に繊維状炭素を含む炭素膜層を形成する工程と、前記基板に形成された炭素膜層にろう材層を形成する工程と、前記炭素膜層に、前記ろう材層を介して金属台座をろう付けする工程と、前記炭素膜層から前記基板を取り除く工程と、を有する炭素−金属構造体の製造方法である。
【００２１】
この炭素−金属構造体の製造方法の一態様において、前記ろう材層は、前記炭素膜層に蒸着された金属ろう材を含む、としても良い。
【００２２】
また、前記目的を達成する本発明の炭素−金属構造体の製造方法の他の態様は、基板に繊維状炭素を含む炭素膜層を形成する工程と、前記基板に形成された炭素膜層を支持する金属台座にろう材層を形成する工程と、前記炭素膜層に、前記ろう材層を介して金属台座をろう付けする工程と、前記炭素膜層から前記基板を取り除く工程と、を有する炭素−金属構造体の製造方法である。
【００２３】
また、前記ろう材層は、炭素膜層側に形成されている第１ろう材層と、金属台座側に形成され当該第１ろう材層よりも低融点の第２ろう材層と、を有した多層構造としても良い。
【００２４】
炭素−金属構造体の製造方法の各態様において、前記炭素膜層を、化学気相成長法により前記基板に形成する、としても良い。
【００２５】
また、前記基板は、表面に平均高さ１μｍ〜１００μｍで高さ／間隔比が１／５〜５／１の凹凸を備える、としても良い。
【００２６】
また、前記炭素膜層から取り除かれた基板を、他の炭素−金属構造体の炭素膜層を形成する基板として再利用する、としても良い。
【００２７】
また、前記炭素膜層に、前記ろう材層を介して複数の金属台座をろう付けする、としても良い。
【００２８】
以上の発明によれば、繊維状炭素を含む炭素膜層を備える炭素−金属構造体の取扱いが容易となる。また、脱ガスが少なく低抵抗でエミッション性能の高い炭素−金属構造体を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施形態に係るＣＮＴデバイスの概略を説明する説明図であり、（ａ）ＣＮＴデバイスの側面図、（ｂ）ＣＮＴデバイスの断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係るＣＮＴデバイスの製造工程の一例を説明する説明図である。
【図３】（ａ）実施例１のＣＮＴデバイス（ろう材層の厚さ：１０．６μｍ）のろう付け前とろう付け後を説明する図、（ｂ）同ＣＮＴデバイスのＣＮＴ層表面のＳＥＭ像である。
【図４】実施例１のＣＮＴデバイス（ろう材層の厚さ：３．３μｍ）のろう付け前とろう付け後を説明する図、（ｂ）同ＣＮＴデバイスのＣＮＴ層表面のＳＥＭ像である。
【図５】（ａ）ＣＮＴデバイスの電極特性を評価する装置の概略図、（ｂ）実施例１のＣＮＴデバイス（ろう材層の厚さ：３．３μｍ）の電極特性（Ｉ−Ｖ特性）を示す特性図、（ｃ）同ＣＮＴデバイスの電極特性（サイクル特性）を示す特性図である。
【図６】実施例２のＣＮＴデバイスの概略を説明する図であり、（ａ）ろう付け前の図、（ｂ）ろう付け後の図である。
【図７】実施例３のＣＮＴデバイスの概略を説明する図であり、（ａ）ろう付け前の図、（ｂ）ろう付け後の図である。
【図８】実施例４のＣＮＴデバイスの概略を説明する図である。
【図９】実施例４のＣＮＴデバイスのＣＮＴ層表面のＳＥＭ像である。
【図１０】実施例４のＣＮＴデバイスの電極特性（Ｉ−Ｖ特性）を示す特性図である。
【図１１】実施例４のＣＮＴデバイスの電極特性（サイクル特性）を示す特性図である。
【図１２】実施例５のＣＮＴデバイスの概略を説明する図である。
【図１３】実施例５のＣＮＴデバイスのＣＮＴ層表面のＳＥＭ像である。
【図１４】実施例５のＣＮＴデバイスの電極特性（Ｉ−Ｖ特性）を示す特性図である。
【図１５】実施例５のＣＮＴデバイスの電極特性（１００サイクル後のＩ−Ｖ特性）を示す特性図、（ｂ）実施例５のＣＮＴデバイスの電極特性（サイクル特性）を示す特性図である。
【図１６】実施例６のＣＮＴデバイスの概略を説明する図である。
【図１７】本発明の実施形態に係るＣＮＴデバイスの製造工程の他例を説明する説明図である。
【図１８】実施例７のＣＮＴデバイスの概略を説明する図である。
【図１９】比較例のＣＮＴデバイスを説明する図である。
【図２０】（ａ）参考例のＣＮＴデバイスの概略を説明する図、（ｂ）参考例のＣＮＴデバイス（ろう材層の厚さ：３．５μｍ）のＣＮＴ層表面のＳＥＭ像、（ｃ）参考例のＣＮＴデバイス（ろう材層の厚さ：３．３μｍ）のＣＮＴ層表面のＳＥＭ像である。
【図２１】（ａ）参考例のＣＮＴデバイス（ろう材層の厚さ：３．５μｍ）のＣＮＴ層の拡大断面図および平面図、（ｂ）参考例のＣＮＴデバイス（ろう材層の厚さ：３．３μｍ）のＣＮＴ層の拡大断面図および平面図である。
【図２２】参考例のＣＮＴデバイス（ろう材層の厚さ：３．５μｍ）の電極特性（Ｉ−Ｖ特性）を示す特性図、（ｂ）同ＣＮＴデバイスの電極特性（サイクル特性）を示す特性図である。
【図２３】本発明の実施形態に係るＣＮＴデバイスの製造工程の他例を説明する説明図である。
【図２４】実施例８のＣＮＴデバイスの概略を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明の実施形態に係る炭素−金属構造体および炭素−金属構造体の製造方法並びに本発明の実施形態に係る炭素−金属構造体を備えた電子エミッタおよびＸ線管について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施形態の説明では、炭素−金属構造体を、Ｘ線装置などのエミッタに適用した例をあげて説明するが、炭素−金属構造体は、実施形態に限定されるものではなく、例えば、電気二重層キャパシタの電極などの微細炭素が適用可能な装置に適用することができる。また、炭素−金属構造体を構成する炭素膜層は、ＣＮＴを含む層だけでなく、ひも状や針状などの繊維状炭素を含み炭素からなる突起が面状に多数展開される層を備えればよい。また、炭素膜層は、繊維状炭素が膜の厚さ方向に立った状態で配列された領域を備える層であることがより好ましい。
【００３１】
図１（ａ）に示すように、本発明の実施形態に係るＣＮＴデバイス１は、ＣＮＴ層２と、ろう材層３と、金属台座４を備える。図１（ｂ）に示すように、ＣＮＴ層２とろう材層３の間には、ＣＮＴ層２の端部にろう材層３を構成するろう材がしみ込んだ混合層５が形成される。
【００３２】
ＣＮＴ層２は、例えば、耐熱凹凸基板６上に担持された触媒７上に形成されるＣＮＴから構成される。耐熱凹凸基板６および触媒７については、図２を参照して、後に詳細に説明する。ＣＮＴ層２の表面には、耐熱凹凸基板６の凹凸面に対応した凹凸が形成される。ＣＮＴデバイス１を、エミッタに適用する場合、エミッタ表面において、平均高さ１μｍ〜１００μｍのＣＮＴ束ピラーを、ピラーの高さ（Ｈ）とピラー間隔（Ｒ）の比（Ｈ／Ｒ）が１／５〜５／１のピラー配列とすることが好ましい。ピラーの平均高さは、例えば、エミッタの断面を走査型電子顕微鏡で観察して、または表面をレーザー顕微鏡で観察して、ピラーの高さ分布を取得して、１０個（複数であれば任意の数）のピラーの高さの平均値を計算することにより求められる。ＣＮＴは、ＣＮＴの電界集中やＣＮＴ層２の寿命に応じてＣＮＴ束ピラーのサイズと密度が選択される。よって、耐熱凹凸基板６には、例えば、平均高さ１μｍ〜１００μｍで、高さ／間隔比が１／５〜５／１の凹凸が形成される。この平均高さは、ＣＮＴ層２のピラーの平均高さと同様の方法により求められる。エミッタの数を増やすためには凹凸の間隔が小さい方が好ましい。よって、凹凸の間隔は、５０μｍ以下が好ましく、３０μｍ以下がより好ましい。また、エミッタへの電界集中の増強には凹凸の間隔が大きい方が好ましい。よって、凹凸の間隔は、２μｍ以上が好ましく、３μｍ以上がより好ましい。なお、ＣＮＴ層２を形成するＣＮＴは、単層、多層のいずれであってもよく、ＣＮＴの直径は３０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００３３】
ろう材層３は、ＣＮＴ層２と金属台座４を接合するろう材により形成される。ろう材は、金属台座４の融点より低いろう材であればよく、金属台座４の種類に応じて好適なろう材が適宜選択される。例えば、銅（Ｃｕ）の金属台座４には、銀（Ａｇ）や銀（Ａｇ）と銅（Ｃｕ）の合金（Ａｇ−Ｃｕ合金）などの金属ろう材が好適に用いられる。Ａｇ−Ｃｕ合金を用いる場合、ＡｇとＣｕの比率はいずれであってもよい。例えば、Ａｇ：Ｃｕ＝７２：２８のろう材が用いられる。また、金属ろう材（例えば、銀ろう）の融点温度を低下させる元素として錫（Ｓｎ）、インジウム（Ｉｎ）などの添加元素や、金属ろう材（例えば、銀ろう）の濡れ性を向上させるニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、パラジウム（Ｐｄ）などの添加元素を含んでいてもよい。ＣＮＴ層２にろう材層３を直接設けることで、ＣＮＴ層２にろう材層３がしみ込んだ混合層５（例えば、１μｍ以下の混合層）が形成される。
【００３４】
ろう材層３の厚さは、１μｍ以上が好ましく、３μｍ以上がより好ましい。これは、ろう材層３の厚さが１μｍ未満であると、ＣＮＴ層２と金属台座４の接合が不良となり、ＣＮＴ層２の転写が困難となるおそれがあるからである。一方、ろう材層３の厚さが５０μｍより厚くなると、ろう付け時にＣＮＴがろう材で埋まることで、ＣＮＴ層２を成長させる耐熱凹凸基板６からＣＮＴ層２を剥がすことが困難となるおそれがある。また、金属台座４に転写されたＣＮＴピラーがろう材に埋もれてしまうおそれがある。したがって、ろう材層３の厚さは、５０μｍ以下が好ましく、より好ましくは３０μｍ以下、さらに好ましくは１０μｍ以下である。なお、ろう材層３の厚さは、例えば、単位面積あたりのろう材の質量（ｇ／ｃｍ2）をろう材の真密度（ｇ／ｃｍ3）で割ることで求められる。
【００３５】
また、ろう材層３は、単層構造に限定されるものではなく、多層構造（例えば後述の図２３では、第１，第２ろう材層３１，３２を有した２層構造）にしても良く、各層にそれぞれ異なる金属ろう材を適用しても良い。
【００３６】
金属台座４は、導電性を有する金属部材である。金属台座４は、例えば、銅、錫、亜鉛、アルミニウム、マグネシウム、チタン、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、銀のいずれか１以上を含む金属部材であることが好ましい。金属台座４は、ＣＮＴデバイス１を装置に組み込む際のハンドリングが容易となる剛性を有することが好ましく、例えば、０．０２ｍｍ〜１０ｍｍの厚さの金属部材が用いられる。また、実施形態では、円柱状の金属台座４が用いられているが、板状、柱状、錐状、半球状など任意の形状の金属部材が用いられる。また、金属台座４としては、少なくともＣＮＴ層２がろう付けされる表面に導体層を備えていれば、金属台座４のすべてが金属で構成されている必要はない。
【００３７】
＜ＣＮＴデバイス１の製造方法の一例＞
次に、図２に基づいて、本発明の実施形態に係るＣＮＴデバイス１の製造方法の一例について、詳細に説明する。
【００３８】
図２においては、まず、耐熱基板６'にテクスチャを形成して耐熱凹凸基板６を得る（ＳＴＥＰ１）。耐熱基板６'は、耐熱性を有する基板であれば何でもよく、例えば、セラミック、石英ガラス、アルミナ焼結体、ＳｉＣ焼結体、高耐熱合金、インコネル、ステンレスなどの基板が用いられる。特に、高純度品の入手が容易であるシリコン基板や石英ガラス基板などが一般的に用いられる。テクスチャは、耐熱基板６'の表面の機械的な切削や化学的なエッチングなどにより形成することができる。耐熱基板６'にシリコン基板を用いた場合、例えばＮａＯＨ水溶液などのアルカリ溶液で異方性エッチングすることなどによりテクスチャを形成し、耐熱凹凸基板６を得ることができる。単結晶シリコン基板では規則正しいピラミッド状テクスチャが、多結晶シリコン基板ではランダム形状のテクスチャが得られる。
【００３９】
次に、耐熱凹凸基板６にＣＮＴ生成のための触媒７を担持する（ＳＴＥＰ２）。触媒７は、例えば、ＲＦマグネトロンスパッタなどにより耐熱凹凸基板６上に担持される。ＣＮＴを生成する触媒物質として、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）などが用いられる。また、耐熱凹凸基板６上にて触媒７の活性を良好に発現するために、担体層８（例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ）、酸化マグネシウム（Ｍｇ）など）を担持してもよい。なお、触媒７の平均膜厚は、ＣＮＴの成長に最適な触媒粒径となるような膜厚（例えば、０．１ｎｍ〜５ｎｍ）を有していることが好ましい。
【００４０】
次に、耐熱凹凸基板６上にＣＮＴを成長させ、ＣＮＴ層２を形成する（ＳＴＥＰ３）。ＣＮＴは、例えば、化学気相成長法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＣＶＤ）により合成される。炭素源としては、メタン・エチレン・アセチレンなどの炭化水素、一酸化炭素、およびエタノール・メタノールなどのアルコールがあげられる。ＣＶＤ法の反応条件としては、例えば、温度は６００℃〜１２００℃の範囲から、圧力は０．００１気圧〜１気圧の範囲から、反応時間は通常１秒〜１時間の範囲から選択される。ＣＮＴは、耐熱凹凸基板６と接する状態で、耐熱凹凸基板６の表面に対して略垂直方向に配向して形成される。また、触媒７の上に成長するＣＮＴの数は、触媒７の担持量により数密度を制御することができる。なお、触媒７の担持量に応じて、耐熱凹凸基板６上に成長するＣＮＴの数分布だけでなく、ＣＮＴの直径と層数、多数成長したＣＮＴ束の太さ、絡み具合なども変化する。
【００４１】
次に、ＣＮＴ層２上にろう材層３を形成する（ＳＴＥＰ４）。ろう材層３は、例えば、ろう材を構成する物質の共蒸着やスパッタリングなどにより形成される。Ａｇ−Ｃｕをろう材として用いた場合、蒸気圧が高いＡｇが優先的に蒸発し、ＣＮＴ層２上にＡｇ割合の高いろう材が蒸着される。その後、徐々にＣｕの割合が増加した組成傾斜膜が形成される。蒸着する際、所定の組成比に調整されたろう材を用いても、個別の金属材料を原料に用いて所定の組成比のろう材層３を形成してもよい。また、ろう材層３は、金属台座４側に設けてもよい。金属台座４側にろう材層３を設けた場合、ＣＮＴ層２にろう材層３を設けた場合と逆の組成傾斜を有するろう材層３が形成される。なお、蒸気圧によらず元素を蒸発させるスパッタリングによりろう材層３を形成した場合や、個別の金属材料を原料とした複数蒸着源を用いた蒸着によりろう材層３を形成した場合は、組成傾斜のないろう材層３が形成される。また、蒸着するろう材層３の組成は、最終的なデバイスのろう材層３の組成と異なっていてもよい。例えば、ろう材としてＣＮＴ層２にＡｇを蒸着した場合、Ｃｕ製の金属台座４にろう付けすると、ＣｕとＡｇが混合してＡｇ−Ｃｕ合金を含むろう材層３が形成される。
【００４２】
次に、ＣＮＴ層２に金属台座４をろう付けする（ＳＴＥＰ５）。ろう付けは、ろう材層３のろう材が融ける温度に加熱して行われる。Ａｇ−Ｃｕ合金をろう材に用いた場合はＡｇ−Ｃｕ合金の融点が７７９℃のため７７９℃以上に加熱してろう付けするのが好適であり、他のろう材を用いた場合はろう材の融点に応じてろう付け温度が調整される。ＣＮＴ層２にろう材層３を介して金属台座４をろう付けした後、耐熱凹凸基板６がＣＮＴ層２から剥がされ、ＣＮＴデバイス１となる（ＳＴＥＰ６）。なお、ＣＮＴデバイス１を任意のサイズにカットするタイミングは、耐熱凹凸基板６を剥がす前でも後でも良い。ＣＮＴ層２の全面にろう材層３を形成して金属台座４をろう付けし、耐熱凹凸基板６を剥がすと、ろう材層３が薄い場合は、ろう材層３とＣＮＴ層２が金属台座４の形状にあわせて自動的にカットされて転写される。例えば、ろう材層３が１μｍ〜５μｍ程度と薄い場合は、金属台座４の形状で転写され、ろう材層３が、１０μｍ以上と厚い場合は、ろう材層３全体が耐熱凹凸基板６から剥がれ、金属台座４の周囲にも転写される。また、ＣＮＴ層２にろう材を蒸着する際、マスクを用いてパターン状にろう材層３を形成すると、ＣＮＴ層２は金属台座４上にのみ付着して、ＣＮＴ層２の他の部分にはろう材層３が存在しないので、金属台座４と耐熱凹凸基板６の分離の際にＣＮＴ層２はパターン部分のみ金属台座４に転写され、ＣＮＴ層２は金属台座４の形状にあわせてより良好に自動的にカットされる。また、ろう材層３を金属台座４に形成しておくことでも、ＣＮＴ層２は金属台座４の形状にあわせて自動的にカットされる。さらに、複数の金属台座４をＣＮＴ層２にろう付けし、耐熱凹凸基板６と金属台座４を分離すると、ろう材層３を全面に形成した場合でもパターン状に形成した場合でも、ＣＮＴ層２は各々の金属台座４に合わせて自動的にカットされる。
【００４３】
以下の実施例１〜７は、図２に示した製造方法に基づいて作製したＣＮＴデバイスに係るものであって、当該各ＣＮＴデバイスの観察結果，評価結果等を示すものである。
【００４４】
（実施例１）
本発明の実施例１として、本発明の実施形態に係るＣＮＴデバイスの製造方法（図２）より、Ｘ線装置のエミッタに適用可能なＣＮＴデバイス１ａ、１ｂを製造した。この実施例では、耐熱凹凸基板６としてＳｉ基板、金属台座４としてφ６ｍｍ厚さ４．５ｍｍの銅台座、ろう材としてＡｇ−Ｃｕ合金を用いた。また、触媒７はＦｅを用い、担体層８はＡｌＯxを用いた。
【００４５】
まず、紙やすりで表面を削ったＳｉ基板をフッ酸で処理してＳｉＯ2を除去した。その後、８０℃の２ｗｔ％ＮａＯＨ／２０ｖｏｌ％イソプロピルアルコール水溶液中で３０分異方性エッチングにより、５μｍ〜１０μｍのテクスチャを形成した（ＳＴＥＰ１）。次に、Ｓｉ基板表面に、ＲＦマグネトロンスパッタを用いて、Ｆｅ  ４ｎｍ／Ａｌ  １５ｎｍを担持した（ＳＴＥＰ２）。Ａｌは空気と接触した際に酸化され、ＡｌＯxとなった。
【００４６】
触媒を担持したＳｉ基板を、円管型ＣＶＤ反応管内に設置して、Ｈ2／Ａｒ流通下で７００℃まで加熱して１０分間アニールした後、Ｃ2Ｈ2  １．０Ｔｏｒｒ／Ｈ2  １０Ｔｏｒｒ／Ａｒ  ｂａｌａｎｃｅ（Ｐtotal＝７６  Ｔｏｒｒ）を導入し、７００℃で１分間ＣＮＴを合成した（ＳＴＥＰ３）。
【００４７】
Ｓｉ基板上に成長させたＣＮＴ上に、真空中（例えば、１０-4Ｐａ）にてＡｇとＣｕを共蒸着させて、ＣＮＴ層２表面にろう材層３（Ａｇ−Ｃｕ合金）を形成した（ＳＴＥＰ４）。ＣＮＴデバイス１ａ、１ｂのろう材層は、蒸着源のＡｇとＣｕの仕込み量を変えることで制御し、蒸着源のＡｇとＣｕがなくなるまで蒸着を実施した。ＣＮＴデバイス１ａ、１ｂの蒸着時間はそれぞれ６０秒と３０秒であり、ろう材層３の厚さはそれぞれ１０．６μｍ、３．３μｍであった。
【００４８】
ろう材層３に金属台座４を設け、７８０℃、Ａｒ  １０Ｔｏｒｒの条件で、５分間（ＣＮＴデバイス１ａ）または１１分間（ＣＮＴデバイス１ｂ）加熱してＣＮＴ層２に金属台座４をろう付けした（ＳＴＥＰ５）。図３、４に示すように、ＣＮＴデバイス１ａ、１ｂのいずれも、ＣＮＴ層２が剥離可能であり、ＣＮＴ層２が金属台座４に転写された。ただし、ＣＮＴデバイス１ａ、１ｂの製造時に、金属台座４の表面全体に均一なＣＮＴ層２が転写されない場合があり、再現性に対する課題があった。
【００４９】
次に、ＣＮＴデバイス１ｂのフィールドエミッション性能（以下、ＦＥ性能という。）を評価した。
【００５０】
図５（ａ）に示すように、ＦＥ性能評価は、カソードにＣＮＴデバイス１ｂを、アノードにＩＴＯ膜（酸化スズドープ酸化インジウム膜）付きのガラス基板９を用いて行った。厚さ５００μｍの石英ガラスをスペーサ１０として両者を対向させ、１０-5Ｐａの真空中で、掃引電圧０−１０００Ｖを１００サイクル印加したときの電流値を測定して、ＣＮＴデバイス１ｂのＦＥ特性と寿命の評価を行った。図５（ｂ）、（ｃ）に示すように、電極間距離５００μｍ、印加電圧１０００Ｖ、すなわち電界強度２Ｖ／μｍでエミッション電流２．５ｍＡ以上（面積０．２８ｃｍ2、電流密度８．８ｍＡ／ｃｍ2以上）が安定して得られ、ＣＮＴデバイス１ｂは、エミッタとしての特性および寿命が良好であった。
【００５１】
（実施例２）
実施例２では、Ａｇ−Ｃｕろう材層の厚さが２６．７μｍのＣＮＴデバイス１１を作製した。この実施例では、耐熱凹凸基板６としてＳｉ基板、金属台座４としてφ６ｍｍ厚さ４．５ｍｍの銅台座を用いた。なお、実施例２の説明において、実施例１と同様の工程（ＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ３の工程）については、詳細な説明を省略する（実施例３〜７も同様である）。
【００５２】
まず、ＣＮＴ合成時のアニールが３分間、Ｃ2Ｈ2分圧が０．５Ｔｏｒｒであったこと以外は、実施例１と同様にＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ３を実施し、Ｓｉ基板上にＣＮＴを合成した。そして、Ｓｉ基板上に成長させたＣＮＴ上に、ＡｇとＣｕを７５秒間共蒸着させて、ＣＮＴ層２表面にろう材層３（Ａｇ−Ｃｕろう材層）を形成した（ＳＴＥＰ４）。ろう材層３の形成は、Ａｇ：Ｃｕ＝７２：２８ｗｔ％で原料を用意し、真空中（例えば、１０-4Ｐａ）にて行った。
【００５３】
ろう材層３に金属台座４を設け、８００℃、Ａｒ  １０Ｔｏｒｒの条件で、５分間加熱してＣＮＴ層２に金属台座４をろう付けした（ＳＴＥＰ５）。ろう付け後、金属台座４をＳｉ基板（耐熱凹凸基板６）から剥がして、実施例２のＣＮＴデバイス１１を製造した（ＳＴＥＰ６）。
【００５４】
図６に示すように、金属台座４を剥離することで、金属台座４上にＣＮＴ層２が転写された（図６（ｂ）の右上の図参照）。また、金属台座４の周囲のＡｇ−Ｃｕ膜は、金属台座４の側面部に付着した（図６（ｂ）の左上、左下および右下の図参照）。また、耐熱凹凸基板６からＣＮＴ層２が剥離されたことで、剥離後の耐熱凹凸基板６では、基板表面が露出した状態となった（図６（ｂ）の左上の図参照）。
【００５５】
（実施例３）
実施例３では、Ａｇろう材層の厚さが３５．３μｍのＣＮＴデバイス１２を作製した。この実施例では、ろう材の種類が異なることを除いて、実施例２と同様の方法でＣＮＴデバイス１２を作製した。
【００５６】
まず、実施例２のＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ３と同様の方法で、Ｓｉ基板上にＣＮＴを合成した。そして、Ｓｉ基板上に成長させたＣＮＴ上に、真空中（例えば、１０-4Ｐａ）にてＡｇを４０秒間蒸着させて、ＣＮＴ層２表面にろう材層３（Ａｇろう材層）を形成した（ＳＴＥＰ４）。
【００５７】
ろう材層３に金属台座４を設け、８００℃、Ａｒ  １０Ｔｏｒｒの条件で、５分間加熱してＣＮＴ層２に金属台座４をろう付けした（ＳＴＥＰ５）。ろう付け後、金属台座４をＳｉ基板（耐熱凹凸基板６）から剥がして、実施例３のＣＮＴデバイス１２を製造した（ＳＴＥＰ６）。
【００５８】
図７に示すように、金属台座４を剥離することで、金属台座４上にＣＮＴ層２が転写された（図７（ｂ）の右上の図参照）。また、金属台座４の周囲のＡｇ膜は、金属台座４の側面部に付着した（図７（ｂ）の左上、左下および右下の図参照）。また、耐熱凹凸基板６からＣＮＴ層２が剥離されたことで、剥離後の耐熱凹凸基板６では、基板表面が露出した状態となった（図７（ｂ）の左上の図参照）。
【００５９】
（実施例４）
実施例４では、ろう付け時間の異なる３つのＣＮＴデバイス１３ａ〜１３ｃを作製した。この実施例では、ろう材層の厚さとろう付け温度とろう付け時間が異なることを除いて、実施例１と同様の方法でＣＮＴデバイス１３ａ〜１３ｃを作製した。
【００６０】
まず、実施例１のＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ３と同様の方法で、Ｓｉ基板上にＣＮＴを合成した。そして、Ｓｉ基板上に成長させたＣＮＴ上に、真空中（例えば、１０-4Ｐａ）にてＡｇとＣｕを３０秒間共蒸着させて、ＣＮＴ層２表面にろう材層３（Ａｇ−Ｃｕろう材層）を形成した（ＳＴＥＰ４）。ＣＮＴデバイス１３ａ〜１３ｃのろう材層３の厚さは、それぞれ３．６μｍ、３．４μｍ、３．５μｍであった。
【００６１】
図８に示すように、ろう材層３に金属台座４を設け、８００℃、Ａｒ  １０Ｔｏｒｒの条件で、５分、３分または１分間加熱してＣＮＴ層２に金属台座４をろう付けした（ＳＴＥＰ５）。ろう付け後、金属台座４をＳｉ基板（耐熱凹凸基板６）から剥がして、実施例４のＣＮＴデバイス１３ａ〜１３ｃを製造した（ＳＴＥＰ６）。
【００６２】
ＣＮＴデバイス１３ａ〜１３ｃのいずれも、金属台座４を剥離することで、金属台座４上にＣＮＴ層２が転写された。また、金属台座４の接触面の外側のＡｇ−Ｃｕ膜とＣＮＴ層２は、金属台座４には転写されずに耐熱凹凸基板６の表面に残った。また、耐熱凹凸基板６からＣＮＴ層２が金属台座４の形状で剥離されたことで、剥離後の耐熱凹凸基板６では、金属台座４に対応した部分の基板表面が露出した状態となった。
【００６３】
図９に示すように、ＣＮＴデバイス１３ａ、１３ｂでは、金属台座４上のＣＮＴ層２の表面の一部に、ろう材がしみ出した部分が確認されたが、ＣＮＴデバイス１３ｃでは、ほぼ見られなかった。つまり、ＳＥＭ像による表面観察では、ＣＮＴデバイス１３ｃが最もきれいにろう付けされたと考えられる。この結果より、ろう付け時間が長くなると、ろう材がＣＮＴ層２と耐熱凹凸基板６の界面まで浸透し、転写後のＣＮＴ層２の表面の一部がろう材で覆われてしまうおそれがあることがわかる。また、ＣＮＴ層２の表面にろう材が流れ出しＣＮＴがろう材で埋まってしまうと、ＣＮＴデバイスの電子放出性能が低下するおそれがある。
【００６４】
図１０、１１に、ＣＮＴデバイス１３ａ〜１３ｃのＦＥ性能評価結果を示す。ＦＥ性能評価は、実施例１のＦＥ性能評価と同様に、カソードにＣＮＴデバイス１３ａ〜１３ｃのいずれかを、アノードにＩＴＯ膜付きのガラス基板９を用いて行った（図５（ａ）参照）。厚さ５００μｍの石英ガラスをスペーサ１０として両者を対向させ、１０-5Ｐａの真空中で、掃引電圧０−１０００Ｖを１００サイクル印加したときの電流値を測定して、ＣＮＴデバイス１３ａ〜１３ｃのＦＥ特性と寿命の評価を行った。図１０、１１に示すように、エミッタとしての特性は、ＣＮＴデバイス１３ｂが最も良い結果となった。この結果より、ろう材がＣＮＴ層２表面の一部に露出していても、ＦＥ性能に問題がないことがわかる。よって、Ａｇ−Ｃｕろう材を用いた場合は、ろう付け条件は、ろう材層の厚さ１μｍ〜５０μｍの範囲で、最適となるろう付け条件（温度と時間）が選択される。他のろう材を用いた場合は、ろう材の融点に応じてろう付けの温度と時間が適宜調整される。
【００６５】
（実施例５）
実施例５では、Ａｇ−Ｃｕろう材層の厚さの異なる３つのＣＮＴデバイス１４ａ〜１４ｃを作製した。
【００６６】
まず、実施例４のＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ３と同様の方法で、Ｓｉ基板上にＣＮＴを合成した。そして、Ｓｉ基板上に成長させたＣＮＴ上に、真空中（例えば、１０-4Ｐａ）にてＡｇとＣｕを共蒸着させて、ＣＮＴ層２表面にろう材層３（Ａｇ−Ｃｕろう材層）を形成した（ＳＴＥＰ４）。ＣＮＴデバイス１４ａ〜１４ｃのろう材層３の蒸着時間はそれぞれ２０秒、４０秒、５０秒であり、厚さはそれぞれ１．３μｍ、４．８μｍ、１２．５μｍであった。
【００６７】
図１２に示すように、ろう材層３に金属台座４を設け、８００℃、Ａｒ  １０Ｔｏｒｒの条件で、１分間加熱してＣＮＴ層２に金属台座４をろう付けした（ＳＴＥＰ５）。ろう付け後、金属台座４をＳｉ基板（耐熱凹凸基板６）から剥がして、実施例５のＣＮＴデバイス１４ａ〜１４ｃを製造した（ＳＴＥＰ６）。
【００６８】
図１３に、ＣＮＴデバイス１４ａ〜１４ｃのＣＮＴ層２の表面ＳＥＭ像を示す。ＣＮＴデバイス１４ａでは、ろう材層３とＣＮＴ層２は、金属台座４の形状で転写されたが、ＣＮＴ層２の表面の多くにろう材がしみ出した。このことより、ろう材層３の膜厚が薄くなることで、ろう材がＣＮＴ層２に吸収されやすくなるおそれがあると考えられる。ＣＮＴデバイス１４ｂでは、ＣＮＴ層２が金属台座４の形状で、金属台座４の全面に均一に転写された。また、ＣＮＴデバイス１４ｃでは、正方形のＣＮＴ層２が、ろう材層３が蒸着された状態で金属台座４に転写され、ＣＮＴ層２（およびろう材層３）の一部は、金属台座４の周囲にまとわりつくように転写された。すなわち、ＣＮＴデバイス１４ｃでは、ろう材層３全体が金属台座４に転写された。そして、転写されたＣＮＴ層２の表面に一部ろう材がしみ出した部分が観察された。このことより、ろう材層３の膜厚が増加すると、ろう材が過剰となり、ろう材の一部がＣＮＴ層２の表面にしみ出すおそれがあると考えられる。
【００６９】
図１４、１５に、ＣＮＴデバイス１４ａ〜１４ｃのＦＥ性能評価結果を示す。ＦＥ性能評価は、実施例１のＦＥ性能評価と同様に、カソードにＣＮＴデバイス１４ａ〜１４ｃのいずれかを、アノードにＩＴＯ膜付きのガラス基板９を用いて行った（図５（ａ）参照）。厚さ５００μｍの石英ガラスをスペーサ１０として両者を対向させ、１０-5Ｐａの真空中で、掃引電圧０−１０００Ｖを１００サイクル印加したときの電流値を測定して、ＣＮＴデバイス１４ａ〜１４ｃのＦＥ特性と寿命の評価を行った。
【００７０】
ＣＮＴデバイス１４ａは、ＳＥＭによる観察では、大部分でろう材の表面へのしみ出しが確認されたにもかかわらず、１．１ｍＡ程度の良好な性能が確認された。ＣＮＴデバイス１４ｂは、初期に大電流が流れ、その後電流量が低下したものの、１００サイクル後も良好な性能を維持した。ＣＮＴデバイス１４ｃは、ＦＥ性能が０．２７ｍＡ程度であり、他のＣＮＴデバイス１４ａ、１４ｂと比較してＦＥ性能が低かった。
【００７１】
（実施例６）
実施例６では、ろう付け温度とろう付け時間の異なる２つのＣＮＴデバイス１５ａ、１５ｂを作製した。
【００７２】
まず、実施例４のＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ３と同様の方法で、Ｓｉ基板上にＣＮＴを合成した。そして、Ｓｉ基板上に成長させたＣＮＴ上に、真空中（例えば、１０-4Ｐａ）にてＡｇとＣｕを共蒸着させて、ＣＮＴ層２表面にろう材層３（Ａｇ−Ｃｕろう材層）を形成した（ＳＴＥＰ４）。ＣＮＴデバイス１５ａ、１５ｂのろう材層３の蒸着時間はそれぞれ２０秒、３０秒であり、厚さはそれぞれ１．２μｍ、１．０μｍであった。
【００７３】
図１６に示すように、ろう材層３に金属台座４を設けて、ＣＮＴ層２に金属台座４をろう付けした。ＣＮＴデバイス１５ａは、８２０℃、Ａｒ  １０Ｔｏｒｒの条件で、５分間加熱してろう付けし、ＣＮＴデバイス１５ｂは、８００℃、Ａｒ  １０Ｔｏｒｒの条件で、３０分間加熱してろう付けした（ＳＴＥＰ５）。ろう付け後、金属台座４をＳｉ基板（耐熱凹凸基板６）から剥がして、実施例６のＣＮＴデバイス１５ａ、１５ｂを製造した（ＳＴＥＰ６）。
【００７４】
ＣＮＴデバイス１５ａ、１５ｂのいずれも、ＣＮＴ層２の表面に若干ろう材がしみ出していたが、ＣＮＴ層２は、金属台座４の形状で転写された。
【００７５】
（実施例７）
実施例７のＣＮＴデバイス１６ａ、１６ｂは、図１７に示すように、ＣＮＴ層２上のろう材層３に複数の金属台座４を配置して、金属台座４にＣＮＴ層２をろう付けしたものである。
【００７６】
まず、実施例４のＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ３と同様の方法で、Ｓｉ基板上にＣＮＴを合成した。そして、Ｓｉ基板上に成長させたＣＮＴ上に、真空中（例えば、１０-4Ｐａ）にてＡｇとＣｕを共蒸着させて、ＣＮＴ層２表面にろう材層３（Ａｇ−Ｃｕろう材層）を形成した（ＳＴＥＰ４）。ＣＮＴデバイス１６ａ、１６ｂのろう材層３の蒸着時間はそれぞれ３０秒、４０秒であり、厚さはそれぞれ４．８μｍ、４．５μｍであった。
【００７７】
図１８に示すように、ろう材層３に複数の金属台座４を設け、８００℃、Ａｒ  １０Ｔｏｒｒの条件で、１分間加熱してＣＮＴ層２に金属台座４をろう付けした（ＳＴＥＰ５）。ろう付け後、金属台座４をＳｉ基板（耐熱凹凸基板６）から剥がして、実施例７のＣＮＴデバイス１６ａ、１６ｂを製造した（ＳＴＥＰ６）。
【００７８】
ＣＮＴデバイス１６ａでは、ろう材層３が、金属台座４の形状の形に自動的にカットされ、金属台座４の形に合わせてＣＮＴ層２が金属台座４で転写された。ＣＮＴ層２の表面にろう材が若干しみ出していた。また、ＣＮＴデバイス１６ｂでは、耐熱凹凸基板６側のろう材層３の形状が乱れたものの、ＣＮＴ層２が金属台座４全面に均一にはみださずに転写された。ＣＮＴ層２の表面にろう材のしみ出しは確認されなかった。
【００７９】
実施例１から実施例７のろう付け条件と、ＦＥ性能評価結果を表１に示す。表１に示すように、Ａｇ−Ｃｕろう材を用いた際は、例えば、ろう材層３の膜厚は１μｍ〜５０μｍ、好ましくは３μｍ〜１０μｍの範囲で、温度は７８０℃〜８２０℃の範囲で、時間は３０分以内の範囲で選ぶことができる。
【００８０】
【表１】
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【００８１】
（比較例）
比較例のＣＮＴデバイス１７は、ＣＮＴ層２の表面に直接集電体（銅薄膜１８）を設けたものである。
【００８２】
まず、紙やすりで表面を削ったＳｉ基板をフッ酸で処理してＳｉＯ2を除去した。その後、８０℃の２ｗｔ％ＮａＯＨ／２０ｖｏｌ％イソプロピルアルコール水溶液中で、Ｓｉ基板表面を３０分エッチングし、５μｍ〜１０μｍのテクスチャを形成した。次に、Ｓｉ基板表面に、ＲＦマグネトロンスパッタを用いて、Ｆｅ  ４ｎｍ／Ａｌ  １５ｎｍを担持した。
【００８３】
触媒を担持したＳｉ基板を、円管型ＣＶＤ反応管内に設置して、Ｈ2／Ａｒ流通下で７００℃まで加熱して３分間アニールした後、Ｃ2Ｈ2  ０．５Ｔｏｒｒ／Ｈ2  １０Ｔｏｒｒ／Ａｒ  ｂａｌａｎｃｅ（Ｐtotal＝７６  Ｔｏｒｒ）を導入し、７００℃で１分間ＣＮＴを合成した。
【００８４】
Ｓｉ基板上に成長させたＣＮＴ上に、真空中（例えば、１０-4Ｐａ）にてＣｕを１分間蒸着させて、ＣＮＴ層２表面に銅薄膜１８を形成した。そして、Ｓｉ基板から銅薄膜１８を剥がして、比較例のＣＮＴデバイス１７を作製した。
【００８５】
図１９に示すように、銅薄膜１８をＳｉ基板（耐熱凹凸基板６）から剥がすことでＣＮＴデバイス１７を作製することができた（図１９の左側の成功例参照）。しかし、銅薄膜１８は、１０μｍ程度の薄膜のため、破れやすく、ハンドリングが困難であった。よって、耐熱凹凸基板６から銅薄膜１８を剥がす際に、銅薄膜１８が破れてしまう場合（図１９の失敗例の左上および左下の図参照）や、銅薄膜１８が破れて耐熱凹凸基板６から剥がせない場合（図１９の失敗例の右上の図参照）があった。
【００８６】
（参考例）
参考例のＣＮＴデバイス１９ａ、１９ｂは、平滑な耐熱基板６'上にＣＮＴ層２'を形成したものである。
【００８７】
まず、Ｓｉ基板表面に、ＲＦマグネトロンスパッタを用いて、Ｆｅ  ４ｎｍ／Ａｌ  １５ｎｍを担持した（ＳＴＥＰ２）。
【００８８】
触媒を担持したＳｉ基板を、円管型ＣＶＤ反応管内に設置して、Ｈ2／Ａｒ流通下で７００℃まで加熱して１０分間アニールした後、Ｃ2Ｈ2  １．０Ｔｏｒｒ／Ｈ2  １０Ｔｏｒｒ／Ａｒ  ｂａｌａｎｃｅ（Ｐtotal＝７６  Ｔｏｒｒ）を導入し、７００℃で１分間または２分間ＣＮＴを合成した（ＳＴＥＰ３）。１分間ＣＮＴを合成したＣＮＴデバイス１９ａは、ＣＮＴ層２'の厚さが１０μｍであった。また、２分間ＣＮＴを合成したＣＮＴデバイス１９ｂは、ＣＮＴ層２'の厚さが６３μｍであった。
【００８９】
Ｓｉ基板上に成長させたＣＮＴ上に、ＡｇとＣｕを３０秒間共蒸着させて、ＣＮＴ層２'表面にろう材層３（Ａｇ−Ｃｕろう材層）を形成した（ＳＴＥＰ４）。ろう材層３の形成は、Ａｇ：Ｃｕ＝７２：２８ｗｔ％で原料を用意し、真空中（例えば、１０-4Ｐａ）にて行った。ＣＮＴデバイス１９ａ、１９ｂのろう材層３の膜厚は、それぞれ３．５μｍ、３．３μｍであった。
【００９０】
ろう材層３に金属台座４を設け、８００℃、Ａｒ  １０Ｔｏｒｒの条件で、１分間加熱してＣＮＴ層２'に金属台座４をろう付けした（ＳＴＥＰ５）。ろう付け後、金属台座４をＳｉ基板から剥がして、参考例のＣＮＴデバイス１９ａ、１９ｂを製造した（ＳＴＥＰ６）。
【００９１】
図２０に示すように、参考例のＣＮＴデバイス１９ａ、１９ｂは、金属台座４にＣＮＴ層２'が転写された。しかし、金属台座４表面に、均一なＣＮＴ層２'を転写することが困難であった。これは、平滑な耐熱基板６'上では、ＣＮＴ層２'の表面も平滑な表面となり、その上に蒸着されたろう材層３が剥がれやすくなっているからであると考えられる。また、金属台座４に転写後のＣＮＴ層２'の表面は、実施例のＣＮＴ層２と比較して、平坦な表面を有していた。
【００９２】
図２１に示すように、耐熱基板６'上に形成されたＣＮＴ層２'の表面は、実施例のＣＮＴ層２と比較して、平坦な表面を有していた。また、ＣＮＴ層２'上に形成されたろう材層３には、ひび割れが観察された。これは、ＣＮＴ層２'の表面が平滑であることにより、ＣＮＴ層２'からろう材層３が剥がれやすくなっていることによるものと考えられる。
【００９３】
図２２に示すように、参考例のＣＮＴデバイス１９ａ、１９ｂは、実施例のＣＮＴデバイスと比較して、ＦＥ性能が１桁〜２桁低かった。
【００９４】
＜ＣＮＴデバイス１の製造方法の他例＞
次に、図２３に基づいて、本発明の実施形態に係るＣＮＴデバイス１の製造方法の他例について、詳細に説明する。なお、図２と同様のものには、同一符号を引用する等により詳細な説明を適宜省略し、主に図２との差異点を中心に説明する。
【００９５】
図２３においては、図２と同様のＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ３を経た後、ＣＮＴ層２上に第１ろう材層３１を形成する（ＳＴＥＰ４ａ）。そして、第１ろう材層３１上に第２ろう材層３２を形成する（ＳＴＥＰ４ｂ）。これにより、ＣＮＴ層２側に形成されている第１ろう材層３１と、金属台座４側に形成されている第２ろう材層３２と、を有した多層構造のろう材層３が構成されることとなる。
【００９６】
第１，第２ろう材層３１，３２それぞれは、図２のろう材層３と同様の手法を適宜適用して形成することが可能である。また、第１，第２ろう材層３１，３２において、それぞれ異なる組成のろう材を適用する場合、融点の異なるろう材を適用することが挙げられる。具体例としては、ＣＮＴ層２に近接する第１ろう材層３１には比較的高融点のろう材（後述実施例８ではＣｕ）を適用し、当該ＣＮＴ層２から離反した第２ろう材層３２には比較的低融点のろう材（後述実施例８ではＡｇ−Ｃｕ合金）を適用することが挙げられる。
【００９７】
次に、ＣＮＴ層２に金属台座４をろう付けする（ＳＴＥＰ５ａ）。ろう付けは、第２ろう材層３２のろう材が融ける温度に加熱して行われる。第２ろう材３２において、Ａｇ−Ｃｕ合金を用いた場合はＡｇ−Ｃｕ合金の融点が７７９℃のため７７９℃以上に加熱してろう付けするのが好適であり、他のろう材を用いた場合はろう材の融点に応じてろう付け温度が調整される。
【００９８】
そして、ＣＮＴ層２に第２ろう材層３２を介して金属台座４をろう付けした後、耐熱凹凸基板６がＣＮＴ層２から剥がされ、ＣＮＴデバイス１’となる（ＳＴＥＰ６ａ）。
【００９９】
第１，第２ろう材層３１，３２は、金属台座４側に設けてもよい。この場合、まず第２ろう材層３２を金属台座４上に形成してから、当該第２ろう材層３２上に第１ろう材層３１を形成することが挙げられる。
【０１００】
以下の実施例８は、図２３に示した製造方法に基づいて作製したＣＮＴデバイスに係るものであって、当該ＣＮＴデバイスの観察結果，評価結果等を示すものである。
【０１０１】
（実施例８）
実施例８のＣＮＴデバイス２０は、実施例７と同様に、ＣＮＴ層２上のろう材層３（実施例８では第２ろう材層３２）に複数の金属台座４を配置して、金属台座４にＣＮＴ層２をろう付けしたものである。
【０１０２】
まず、実施例１のＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ３と同様の方法で、Ｓｉ基板上にＣＮＴを合成した。なお、ステップ３のＣＮＴの合成においては、Ｃ2Ｈ2  ７６Ｔｏｒｒ／Ｈ2  １５２Ｔｏｒｒ／Ａｒ  ｂａｌａｎｃｅ（Ｐtotal＝７６０  Ｔｏｒｒ）を導入し、７００℃で１分間ＣＮＴを合成したものとする。
【０１０３】
次に、Ｓｉ基板上に成長させたＣＮＴ上に、真空中（例えば、１０-4Ｐａ）にてＣｕを蒸着させて、ＣＮＴ層２表面に第１ろう材層３１（Ｃｕろう材層）を形成した（ＳＴＥＰ４ａ）。そして、第１ろう材層３１上に、真空中（例えば、１０-4Ｐａ）にてＡｇ−Ｃｕ合金（銀ろう；ＢＡｇ−８）を蒸着させて、第１ろう材層３１表面に第２ろう材層３２（Ａｇ−Ｃｕろう材層）を形成した（ＳＴＥＰ４ｂ）。これにより、ＣＮＴ層２表面には、２層構造のろう材層３（すなわち、Ｃｕろう材層とＡｇ−Ｃｕろう材層）が形成されている状態である。なお、ＣＮＴデバイス２０の第１，第２ろう材層３１，３２の蒸着時間はそれぞれ１０秒であり、厚さはそれぞれ０．５μｍ（ろう材層３の合計厚さは１．０μｍ）であった。
【０１０４】
次に、実施例７と同様に、ろう材層３（実施例８では第２ろう材層３２）に複数の金属台座４を設け、８００℃、Ａｒ  １０Ｔｏｒｒの条件で、１分間加熱してＣＮＴ層２に金属台座４をろう付けした（ＳＴＥＰ５ａ）。ろう付け後、金属台座４をＳｉ基板（耐熱凹凸基板６）から剥がして、実施例８のＣＮＴデバイス２０を製造した（ＳＴＥＰ６ａ）。
【０１０５】
【表２】
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【０１０６】
ＣＮＴデバイス２０では、ろう材層３が、金属台座４の形状の形に自動的にカットされ、図２４に示すように、金属台座４の形に合わせてＣＮＴ層２が金属台座４で転写された。また、耐熱凹凸基板６側のろう材層３の形状はほぼ乱れず、ＣＮＴ層２が金属台座４全面に均一にはみださずに転写された。ＣＮＴ層２の表面にろう材のしみ出しは確認されなかった。
【０１０７】
前記のように、ろう材のしみ出しが生じなかった理由としては、ろう材層３のうち第１ろう材層３１が比較的高融点であるため、当該第１ろう材層３１がバリア層として機能することとなり、ろう材のＣＮＴ層２への過剰なしみ込みが抑制されたことが判った。
【０１０８】
以上のような、本発明の実施形態に係るＣＮＴデバイス１およびＣＮＴデバイス１の製造方法によれば、ＣＮＴデバイス１の取扱いが容易になる。つまり、ＣＮＴ層２に直接ろう材層３を設けることで、薄膜形状に生成したＣＮＴを熱処理で任意の部品に接合できる。
【０１０９】
ＣＮＴ層２にろう材層３を直接形成することで、ＣＮＴ層２とろう材層３の間には、ＣＮＴにろう材がしみ込んだ混合層５が形成される。これにより、ＣＮＴ層２とろう材層３間の電気抵抗が低くなり、ＣＮＴ層２とろう材層３の接着性が向上する。また、ろう材層３と金属台座４をろう付けする際には、ろう材層３が融解して、ろう材層３の金属台座４と接する面の凹凸が吸収される。これにより、ろう材層３と金属台座４の間の電気抵抗が低くなり、接合も強固になる。結果として、ＣＮＴ層２と金属台座４の導電性や接着性が向上する。したがって、ＣＮＴデバイス１をエミッタに適用した際、高電界によりエミッタが飛散することが抑制される。
【０１１０】
さらに、ろう材層３に、金属ろう材を用いることで、ＣＮＴデバイス１が真空中に備えられた場合でもろう材層３からのガス放出が抑制される。
【０１１１】
また、ろう材層３において、ＣＮＴ層２側に形成された第１ろう材層３１と、金属台座４側に形成され当該第１ろう材層３１よりも低融点の第２ろう材層３２と、を有した多層構造にした場合には、ろう材のＣＮＴ層２への過剰なしみ込みが抑制される。
【０１１２】
また、ＣＮＴ層２を耐熱凹凸基板６上に形成することで、ＣＮＴデバイス１のＣＮＴ層２表面の凹凸を容易に制御することができる。その結果、エミッタ性能に優れたＣＮＴデバイス１を製造することができる。また、ＣＮＴ層２を耐熱凹凸基板６上に形成することで、耐熱凹凸基板６上のＣＮＴ層２表面に凹凸が形成される。この凹凸面上にろう材層３を設けることで、ＣＮＴ層２とろう材層３の接合が強固になり、金属台座４へのＣＮＴ層２の転写が良好になる。
【０１１３】
また、ＣＮＴ層２から耐熱凹凸基板６を剥がす前に、ＣＮＴ層２に金属台座４を固定することで、ＣＮＴ層２の変形を防止することができ、ＣＮＴデバイス１を装置に組み込む際のハンドリングが容易となる。具体的に説明すると、Ｘ線管にエミッタを組み込む際には、金属台座４を装置内に取り付けることで、容易にエミッタをＸ線管に組み込むことができる。また、従来のように、ＣＮＴ層２に直接銅薄膜１８を設けた場合（図１９参照）は、出来上がったデバイスの厚さ（銅薄膜１８の厚さ）が１０μｍ程度であり、Ｘ線管にエミッタとして搭載する際には、他の部品で薄膜の端部を挟み込んで固定するなどする必要があった。その結果、固定部の大型化が避けられず、Ｘ線管の小型化を阻害する要因となっていた。これに対して、本発明の実施形態に係るＣＮＴデバイス１は、ハンドリングを容易（延いては、ＣＮＴデバイス１の固定部を簡略化）とすることで、Ｘ線管などの装置の小型化を実現できる。
【０１１４】
また、耐熱凹凸基板６に形成したＣＮＴ層２の上に、ろう材層３を介して複数の金属台座４をろう付けすることで、複数のＣＮＴデバイス１を容易に製造することができ、ＣＮＴデバイス１の製造コストを著しく低下させることができる（例えば、図１７参照）。
【０１１５】
また、本発明の実施形態に係るＣＮＴデバイス１は、耐熱凹凸基板６の表面凹凸に対応した凹凸をＣＮＴ層２表面に形成することができるので、ＣＮＴ層２の表面凹凸形状を容易に制御することができる。また、耐熱凹凸基板６を、再利用可能な鋳型基板とすることで、ＣＮＴデバイス１の製造コストを低減できる。
【０１１６】
また、ＣＶＤでＣＮＴ層２を形成することで、ＣＮＴの集合体や、耐熱凹凸基板６（すなわち、ＣＮＴ層２表面）に対して垂直配向したＣＮＴの集合体を含むＣＮＴ層２を形成することができる。
【０１１７】
以上、具体的な実施形態を示して本発明の炭素−金属構造体および炭素−金属構造体の製造方法について説明したが、本発明の炭素−金属構造体および炭素−金属構造体の製造方法並びに本発明の実施形態に係る炭素−金属構造体を備えた電子エミッタおよびＸ線管は、実施形態に限定されるものではなく、その特徴を損なわない範囲で適宜設計変更が可能であり、設計変更されたものも、本発明の技術的範囲に属する。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【国際調査報告】
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