JP5194514B2

JP5194514B2 - 基板構造及びその製造方法

Info

Publication number: JP5194514B2
Application number: JP2007089202A
Authority: JP
Inventors: 章夫川端
Original assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Current assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2027-03-29
Also published as: US20140037902A1; US8574679B2; US20080241493A1; JP2008251708A

Description

本発明は、炭素元素からなる線状構造体である、いわゆるカーボン・ナノ・チューブ（Carbon Nano Tube：ＣＮＴ）やカーボンナノファイバー（Carbon Nano Fiber：ＣＮＦ）等を用いた基板構造及びその製造方法に関する。

炭素系自己組織的材料である線状構造体のＣＮＴやＣＮＦ、特にＣＮＴは、その多くの魅力的な物性から注目を集めている。
ＣＮＴは、電気抵抗が低く、機械的強度が高いという優れた性質から、ＬＳＩに代表される半導体装置や加速度センサ等の各種センサ、電子デバイスや放熱デバイス等、幅広い分野への適用が期待されている。

特開２００５−１４５７４３号公報特開２００６−２５５８１７号公報

ＣＮＴを高密度にしかもムラなく成長させるには、ＣＮＴ成長の核（起点）となる触媒金属が高密度でしかも独立して存在している必要がある。そのため、触媒金属を下地薄膜上に微粒子状に堆積する技術が開発されている。しかしながら、このように触媒微粒子を堆積すると、ＣＮＴの成長温度に達した時点で触媒微粒子の凝集が生じる。具体例を図７に示す。この場合、シリコン基板１０１上の下地薄膜１０２上には様々なサイズの触媒微粒子の凝集体１０３がランダムに存する状態となり、初期の微粒子形状は維持されず、触媒微粒子の密度が低下する（図７（ａ））。ＣＮＴの直径は触媒微粒子のサイズにより規定されるため、ＣＮＴ１０４は形成位置及び直径が不均一に形成されてしまい（図７（ｂ））、ＣＮＴの高密度成長が困難であるという問題があった。

例えば、特許文献１には、下地薄膜であるアルミニウム層上に触媒金属層を形成した後、熱処理により触媒金属を含む微粒子を形成する技術が開示されている。この手法では、微粒子形状を所望に制御することが困難であり、従って上記と同様に触媒微粒子の密度の低下を招来する。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、簡易な構成で容易且つ確実に触媒材料を均一で高密度の微粒子状態に形成し、直径が均一に制御されたムラのない高密度の炭素元素からなる線状構造体の成長を可能とする基板構造及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の基板構造は、基板と、前記基板の上方の所定領域に形成された下地材料と、前記所定領域に形成された触媒材料と、前記触媒材料上に形成された炭素元素からなる線状構造体とを含み、前記下地材料は、前記所定領域の表面に接触する微粒子状の堆積物であるとともに、前記触媒材料は、少なくとも前記下地材料と接触する、前記下地材料と同一の粒径又は前記下地材料よりも小さい粒径の微粒子状の堆積物であり、隣接する前記下地材料の粒子間に生じる間隙に嵌合する。

本発明の基板構造の製造方法は、基板の上方の所定領域に下地材料を形成する工程と、前記所定領域に触媒材料を形成する工程と、前記触媒材料を核として炭素元素からなる線状構造体を成長させる工程とを含み、前記下地材料を、前記所定領域の表面に接触する微粒子状に形成するとともに、前記触媒材料を、少なくとも前記下地材料と接触する、前記下地材料と同一の粒径又は前記下地材料よりも小さい粒径の微粒子状に形成し、前記触媒材料は、隣接する前記下地材料の粒子間に生じる間隙に嵌合する。

本発明によれば、簡易な構成で容易且つ確実に触媒材料を均一で高密度の微粒子状態に形成し、直径が均一に制御されたムラのない高密度の炭素元素からなる線状構造体の成長を可能とする基板構造が実現する。

−本発明の基本骨子−
本発明では、下地材料を、所定領域の表面に接触する微粒子状の堆積物として形成する。それとともに、触媒材料を、少なくとも下地材料と接触する、下地材料と同一の粒径又は下地材料よりも小さい粒径の微粒子状の堆積物として形成する。

触媒材料を当初から微粒子状に形成する場合、触媒微粒子は下地微粒子と同一の粒径又はまたはこれより小さいため、触媒微粒子は隣接する下地微粒子間に生じる間隙（凹部）に嵌合している。そのため、下地材料及び触媒材料を基板上に堆積した後、ＣＶＤチャンバー内を炭素元素からなる線状構造体、例えばＣＮＴの成長温度に昇温したときでも、両微粒子は温度上昇に依存して形状に変化が生じるものの、触媒微粒子は凝集することなく下地微粒子との接触部分である上記の間隙で担持され、粒径の均一性が保たれる。従って、触媒微粒子により直径が均一に制御されたムラのない状態で高密度にＣＮＴを成長させることができる。

一方、触媒材料を当初は薄膜状に形成する場合、ＣＮＴの成長温度に昇温することにより触媒材料が微粒子化する。このとき、触媒材料は下地微粒子との接触部分である上記の間隙に当該間隙に適合した大きさに集合し、当該間隙で担持された状態とされるため、均一な粒径の触媒微粒子が形成される。従って、触媒微粒子により直径が均一に制御されたムラのない状態で高密度にＣＮＴを成長させることができる。

ここで、下地微粒子と触媒微粒子の位置関係としては、以下の第１〜第３の位置関係が考えられる。
第１の位置関係は、触媒微粒子が下地微粒子と接触するとともに基板表面から離間した状態、即ち下地微粒子上に触媒微粒子が存する位置関係である。
第２の位置関係は、下地微粒子と接触するとともに基板表面から離間した状態の触媒微粒子と、下地微粒子及び基板表面の双方に接触する触媒微粒子とが混在化した状態、即ち下地微粒子と触媒微粒子とが混在化している位置関係である。
第３の位置関係は、触媒微粒子が下地微粒子及び基板表面の双方に接触する状態、即ち下地微粒子と触媒微粒子とが共に基板表面に存する位置関係である。
第１〜第３の位置関係の何れでも、直径が均一に制御されたムラのない状態で高密度にＣＮＴを得ることができるが、第２の位置関係や特に第３の位置関係では、下地微粒子と触媒微粒子との相互拡散が促進するとともに、ＣＮＴがその側面の一部で下地微粒子と接触するため、ＣＮＴの下地微粒子との電気的接触面積が増加し、更なる低抵抗化が実現する。

ここで、下地材料としては、Ｔｉ，ＴｉＮ，Ａｌ，Ｔａから選ばれた少なくとも１種、又は金属酸化物が好適である。また、触媒材料としては、Ｆｅ，Ｎｉ及びＣｏから選ばれた少なくとも１種が好ましい。

なお、特許文献２には、磁化率の異なる金属微粒子に磁場を印加して分離し、介在金属微粒子層と触媒金属微粒子層との積層状態を形成する技術が開示されている。しかしながらこの場合、磁場を印加して微粒子を分離するため、磁化率の近い金属微粒子を分離することが困難であり、また、磁化しない金属微粒子においては適応できないため、適用可能な金属材料の範囲が極めて狭いという問題がある。また、特許文献２では、介在金属微粒子と触媒金属微粒子との大きさの関係には全く言及されていない。この発明では、発光バラツキ等の不要輻射を防止することを目的としており、そのために金属微粒子を分離する構成を採ることに鑑みれば、下層の介在金属微粒子は小さいほど好ましいと言える。
これに対して本発明では、触媒微粒子の凝集を防止するためには、下地微粒子と触媒微粒子との大きさの関係は最重要な事柄の一つであり、後者の大きさを前者と同等又は前者よりも小さくすることが必須要件である。

−本発明を適用した具体的な諸実施形態−
以下、本発明を適用した具体的な諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。本実施形態では、説明の便宜上、基板構造の構成をその製造方法と共に詳説する。なお、各実施形態に共通する構成部材等については同符号を付する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態による基板構造の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
図１（ａ）に示すように、シリコン基板１１上にＴｉＮ微粒子１２及びＣｏ微粒子１３を順次堆積する。
詳細には先ず、下地材料をＴｉＮとし、シリコン基板１１上に、例えばレーザーアブレーション法によりＴｉＮ微粒子１２を、直径３ｎｍ程度に設定して堆積する。ここでは、ＴｉＮ微粒子１２と後述するＣｏ微粒子１３との位置関係が、ＴｉＮ微粒子１２上にＣｏ微粒子１３が存する状態となるように、シリコン基板１１の表面におけるＴｉＮ微粒子１２の密度を９５％〜１０５％程度とすべく、堆積時間を１０００秒間〜１１００秒間程度に設定してＴｉＮ微粒子１２を堆積する。

次に、触媒材料をＣｏとし、ＴｉＮ微粒子１２が堆積されたシリコン基板１１上に、例えばレーザーアブレーション法によりＣｏ微粒子１３を、ＴｉＮ微粒子１２と同等或いは小さい大きさ、ここでは直径１ｎｍ程度に設定して堆積する。
このとき、Ｃｏ微粒子１３は、ＴｉＮ微粒子１２と接触するとともにシリコン基板１１の表面から離間している。Ｃｏ微粒子１３はＴｉＮ微粒子１２より小さいため、Ｃｏ微粒子１３は、隣接するＴｉＮ微粒子１２間に生じる間隙（凹部）に嵌合している。

ここで、下地材料としては、ＴｉＮの代わりに、或いはＴｉＮに加えて、Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ等を用いても良い。また、触媒材料としては、Ｃｏの代わりに、或いはＣｏに加えて、Ｆｅ，Ｎｉ等を用いても良い。
また、ＴｉＮ微粒子１２及びＣｏ微粒子１３の形成方法としては、レーザーアブレーション法に代わって、例えばスパッタ法を用いても良い。スパッタ法では通常、ＴｉＮ膜やＣｏ膜等を形成する際には、堆積条件の１つである圧力を０．４Ｐａ〜１Ｐａ程度に設定するが、膜厚が５ｎｍ以下の場合はこの条件でも微粒子状にすることが可能である。また圧力を上記よりも高く、例えば１０Ｐａ〜４０Ｐａ程度に設定しても、ＴｉＮ微粒子やＣｏ微粒子等を形成することが可能である。

続いて、次工程であるＣＮＴ成長のために、ＣＶＤチャンバー内にシリコン基板１１を設置し、３５０℃以上に昇温する。このとき、図１（ｂ）に示すように、ＴｉＮ微粒子１２及びＣｏ微粒子１３は温度上昇に依存して形状に変化が生じる。しかしながら、Ｃｏ微粒子１３は凝集することなくＴｉＮ微粒子１２との接触部分である上記の間隙で担持され、粒径の均一性が保たれている。

続いて、図１（ｃ）に示すように、Ｃｏ微粒子１３を核としてＣＮＴ１４を成長させる。
詳細には、シリコン基板１１が設置されたＣＶＤチャンバー内に、アセチレンとアルゴンの混合ガスを例えば０．０５：１０００の割合で導入し、全体の圧力を１ｋＰａとし、温度を３９０℃として９０分間、ＣＮＴ１４を成長させる。これにより、Ｃｏ微粒子１３で直径が均一に制御されたムラのない状態で高密度にＣＮＴ１４を成長させることができる。更に、ＴｉＮ微粒子１２が相互に拡散し、ＣＮＴ１４の電気的接触が向上する。

以上説明したように、本実施形態によれば、簡易な構成で容易且つ確実に触媒材料を均一で高密度の微粒子状態に形成し、Ｃｏ微粒子１３により直径が均一に制御されたムラのない高密度にＣＮＴ１４が成長してなる基板構造が実現する。

（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態による基板構造の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
図２（ａ）に示すように、シリコン基板１１上にＴｉＮ微粒子２１及びＣｏ薄膜２２を順次堆積する。
詳細には先ず、下地材料をＴｉＮとし、シリコン基板１１上に、例えばレーザーアブレーション法によりＴｉＮ微粒子２１を、直径３ｎｍ程度に設定して堆積する。ここでは、シリコン基板１１の表面におけるＴｉＮ微粒子２１の密度が９５％〜１０５％程度となるように堆積時間を１０００秒間〜１１００秒間程度に設定してＴｉＮ微粒子２１を堆積する。

次に、触媒材料をＣｏとし、ＴｉＮ微粒子２１が堆積されたシリコン基板１１上に、例えばスパッタ法により、Ｃｏ薄膜２２を膜厚１ｎｍ程度に設定して堆積する。成膜条件としては、Ａｒガス圧力を０．４Ｐａ、投入電力を０．５ｋＷとし、成膜時間を３秒間程度とする。

ここで、下地材料としては、ＴｉＮの代わりに、或いはＴｉＮに加えて、Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ等を用いても良い。また、触媒材料としては、Ｃｏの代わりに、或いはＣｏに加えて、Ｆｅ，Ｎｉ等を用いても良い。

続いて、次工程であるＣＮＴ成長のために、ＣＶＤチャンバー内にシリコン基板１１を設置し、３５０℃以上に昇温する。このとき、図２（ｂ）に示すように、昇温によりＣｏ薄膜２２が微粒子化する。このとき、Ｃｏ薄膜２２はＴｉＮ微粒子２１との接触部分である、隣接するＴｉＮ微粒子２１間に生じる間隙（凹部）に当該間隙に適合した大きさに集合し、当該間隙で担持された状態とされるため、均一な粒径のＣｏ微粒子２３が形成される。

続いて、図２（ｃ）に示すように、Ｃｏ微粒子２３を核としてＣＮＴ２４を成長させる。
詳細には、シリコン基板１１が設置されたＣＶＤチャンバー内に、アセチレン、アルゴン及び水素の混合ガスを例えば０．５：９５０：５０の割合で導入し、全体の圧力を１ｋＰａとし、温度を４００℃として９０分間、ＣＮＴ２４を成長させる。これにより、Ｃｏ微粒子２３で直径が均一に制御されたムラのない状態で高密度にＣＮＴ２４を成長させることができる。更に、ＴｉＮ微粒子２１が相互に拡散し、ＣＮＴ２４の電気的接触が向上する。

以上説明したように、本実施形態によれば、簡易な構成で容易且つ確実に触媒材料を均一で高密度の微粒子状態に形成し、Ｃｏ微粒子２３により直径が均一に制御されたムラのない高密度にＣＮＴ２４が成長してなる基板構造が実現する。

（第３の実施形態）
図３は、第３の実施形態による基板構造の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
図３（ａ）に示すように、シリコン基板１１上にフェリチン３１を堆積する。
本実施形態では、下地材料として、鉄含有タンパク質であるフェリチンに含有された酸化鉄を想定する。フェリチンは水及び有機溶媒に分散された状態にする。フェリチンが分散した有機溶媒にシリコン基板１１を浸漬し、引き上げ法によりシリコン基板１１を取り出す。このとき、シリコン基板１１上に最密充填にフェリチン３１が配列される。

続いて、図３（ｂ）に示すように、フェリチン３１から酸化鉄微粒子３２を生成する。
詳細には、シリコン基板１１を、酸素中或いは大気中で熱処理する。これにより、フェリチン３１の表面を覆うタンパク質成分が除去され、酸化鉄微粒子３２が最密充填された状態となる。この酸化鉄微粒子３２の直径は例えば６ｎｍ程度となる。

続いて、図３（ｃ）に示すように、Ｃｏ微粒子３３を堆積する。
詳細には、触媒材料をＣｏとし、酸化鉄微粒子３２が堆積されたシリコン基板１１上に、例えばレーザーアブレーション法によりＣｏ微粒子３３を、酸化鉄微粒子３２と同等或いは小さい大きさ、ここでは直径３ｎｍ程度に設定して堆積する。ここで、触媒材料としては、Ｃｏの代わりに、或いはＣｏに加えて、Ｆｅ，Ｎｉ等を用いても良い。
このとき、Ｃｏ微粒子３３は酸化鉄微粒子３２より小さいため、Ｃｏ微粒子３３は隣接する酸化鉄微粒子３２間に生じる間隙（凹部）に嵌合している。

続いて、次工程であるＣＮＴ成長のために、ＣＶＤチャンバー内にシリコン基板１１を設置し、３５０℃以上に昇温する。このとき、酸化鉄微粒子３２及びＣｏ微粒子３３は温度上昇に依存して形状に変化が生じる。しかしながら、Ｃｏ微粒子３３は凝集することなく酸化鉄微粒子３２との接触部分である上記の間隙で担持され、粒径の均一性が保たれている。

続いて、図３（ｄ）に示すように、Ｃｏ微粒子３３を核としてＣＮＴ３４を成長させる。
詳細には、シリコン基板１１が設置されたＣＶＤチャンバー内に、アセチレンとアルゴン及び水素の混合ガスを例えば０．５：９００：１００の割合で導入し、全体の圧力を１ｋＰａとし、温度を４００℃として９０分間、ＣＮＴ３４を成長させる。これにより、Ｃｏ微粒子３３で直径が均一に制御されたムラのない状態で高密度にＣＮＴ３４を成長させることができる。

本実施形態では、下地材料である酸化鉄微粒子３２が最密充填に形成されるため、表面には無数の凹凸が形成され、なお且つその間隔は均一であり、規則的な構造となっている。このため、ＣＮＴ３４の成長温度に達した時点で、Ｃｏ微粒子３３同士には凝集が生じることなく、Ｃｏ微粒子３３が均一に配列されることになる。ＣＮＴ３４の直径がＣｏ微粒子３３の直径により制御され、直径が均一に制御されたムラのない状態で高密度にＣＮＴ３４を成長させることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、簡易な構成で容易且つ確実に触媒材料を均一で高密度の微粒子状態に形成し、Ｃｏ微粒子３３により直径が均一に制御されたムラのない高密度にＣＮＴ３４が成長してなる基板構造が実現する。

（第４の実施形態）
ここで、第４の実施形態について説明する。
図４は、第４の実施形態による基板構造の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
図４（ａ）に示すように、シリコン基板１１上にＣｏ微粒子４１を堆積する。
本実施形態では、下地材料として、界面活性剤に囲まれたＣｏ微粒子を想定する。ここでは、逆ミセル法により、例えば直径４ｎｍ程度のＣｏ微粒子が分散するＣｏ微粒子水溶液とする。Ｃｏ微粒子の直径は１ｎｍ〜５ｎｍ程度の範囲内で調整が可能である。このＣｏ微粒子水溶液にシリコン基板１１を浸漬し、引き上げ法によりシリコン基板１１を取り出す。このとき、シリコン基板１１上に最密充填にＣｏ微粒子４１が配列される。

続いて、図４（ｂ）に示すように、コバルト酸化物の微粒子４２を生成する。
詳細には、シリコン基板１１を、酸素中或いは大気中で熱処理する。これにより、Ｃｏ微粒子４１の表面を覆う親水基が除去され、最密充填された状態のコバルト酸化物の微粒子４２が生成される。なお、Ｃｏ微粒子４１は熱処理により完全に（全て）酸化されるとは限らず、少なくとも一部がＣｏ微粒子４１と見なさせる状態で残存する場合があるが、ここでは便宜上、コバルト酸化物として説明する。

続いて、図４（ｃ）に示すように、Ｃｏ微粒子４３を堆積する。
詳細には、触媒材料をＣｏとし、コバルト酸化物の微粒子４２が堆積されたシリコン基板１１上に、例えばレーザーアブレーション法によりＣｏ微粒子４３を、コバルト酸化物の微粒子４２と同等或いは小さい大きさ、ここでは直径（２）ｎｍ程度に設定して堆積する。ここで、触媒材料としては、Ｃｏの代わりに、或いはＣｏに加えて、Ｆｅ，Ｎｉ等を用いても良い。
このとき、Ｃｏ微粒子４３はコバルト酸化物の微粒子４２より小さいため、Ｃｏ微粒子４３は隣接するコバルト酸化物の微粒子４２間に生じる間隙（凹部）に嵌合している。

続いて、次工程であるＣＮＴ成長のために、ＣＶＤチャンバー内にシリコン基板１１を設置し、３５０℃以上に昇温する。このとき、コバルト酸化物の微粒子４２及びＣｏ微粒子４３は温度上昇に依存して形状に変化が生じる。しかしながら、Ｃｏ微粒子４３は凝集することなくコバルト酸化物の微粒子４２との接触部分である上記の間隙で担持され、粒径の均一性が保たれている。

続いて、図４（ｄ）に示すように、Ｃｏ微粒子４３を核としてＣＮＴ４４を成長させる。
詳細には、シリコン基板１１が設置されたＣＶＤチャンバー内に、アセチレンとアルゴン及び水素の混合ガスを例えば０．５：８００：２００の割合で導入し、全体の圧力を１ｋＰａとし、温度を４００℃として９０分間、ＣＮＴ４４を成長させる。これにより、Ｃｏ微粒子４３で直径が均一に制御されたムラのない状態で高密度にＣＮＴ４４を成長させることができる。

本実施形態では、下地材料であるコバルト酸化物の微粒子４２が最密充填に形成されるため、表面には無数の凹凸が形成され、なお且つその間隔は均一であり、規則的な構造となっている。このため、ＣＮＴ４４の成長温度に達した時点で、Ｃｏ微粒子４３同士には凝集が生じることなく、Ｃｏ微粒子４３が均一に配列されることになる。ＣＮＴ４４の直径がＣｏ微粒子４３の直径により制御され、直径が均一に制御されたムラのない状態で高密度にＣＮＴ４４を成長させることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、簡易な構成で容易且つ確実に触媒材料を均一で高密度の微粒子状態に形成し、Ｃｏ微粒子４３により直径が均一に制御されたムラのない高密度にＣＮＴ４４が成長してなる基板構造が実現する。

（第５の実施形態）
図５は、第５の実施形態による基板構造の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
図５（ａ）に示すように、シリコン基板１１上にＴｉＮ微粒子５１及びＣｏ微粒子５２を順次堆積する。
詳細には先ず、下地材料をＴｉＮとし、シリコン基板１１上に、例えばレーザーアブレーション法によりＴｉＮ微粒子５１を、直径５ｎｍ程度に設定して堆積する。ここでは、ＴｉＮ微粒子５１と後述するＣｏ微粒子５２との位置関係が、両者が混在化している状態となるように、シリコン基板１１の表面におけるＴｉＮ微粒子５１の密度を５０％〜８０％程度とすべく、堆積時間を５００秒間〜８００秒間程度に設定してＴｉＮ微粒子５１を堆積する。

次に、触媒材料をＣｏとし、ＴｉＮ微粒子５１が堆積されたシリコン基板１１上に、例えばレーザーアブレーション法によりＣｏ微粒子５２を、ＴｉＮ微粒子５１と同等或いは小さい大きさ、ここでは直径２ｎｍ程度に設定して堆積する。
このとき、Ｃｏ微粒子５２は、ＴｉＮ微粒子５１と接触してシリコン基板１１の表面からは離間するものと、ＴｉＮ微粒子５１及びシリコン基板１１の表面の双方と接触するものとが混在化している。

ここで、下地材料としては、ＴｉＮの代わりに、或いはＴｉＮに加えて、Ｔｉ，Ａｌ，（Ta ）等を用いても良い。また、触媒材料としては、Ｃｏの代わりに、或いはＣｏに加えて、Ｆｅ，Ｎｉ等を用いても良い。

続いて、次工程であるＣＮＴ成長のために、ＣＶＤチャンバー内にシリコン基板１１を設置し、３５０℃以上に昇温する。このとき、ＴｉＮ微粒子５１及びＣｏ微粒子５２は温度上昇に依存して形状に変化が生じる。しかしながら、Ｃｏ微粒子５２は凝集することなくＴｉＮ微粒子５１との接触部分で担持され、粒径の均一性が保たれている。

続いて、図５（ｂ）に示すように、Ｃｏ微粒子５２を核としてＣＮＴ５３を成長させる。
詳細には、シリコン基板１１が設置されたＣＶＤチャンバー内に、アセチレン、アルゴンの混合ガスを例えば０．０５：１０００の割合で導入し、全体の圧力を１ｋＰａとし、温度を４００℃として９０分間、ＣＮＴ５３を成長させる。これにより、Ｃｏ微粒子５２で直径が均一に制御されたムラのない状態で高密度にＣＮＴ５３を成長させることができる。更に、ＴｉＮ微粒子５１とＣｏ微粒子５２との相互拡散が促進するとともに、ＣＮＴ５３がその側面の一部でＴｉＮ微粒子５１と接触するものがあるため、ＣＮＴ５３のＴｉＮ微粒子５１との電気的接触面積が増加し、更なる低抵抗化が実現する。

以上説明したように、本実施形態によれば、簡易な構成で容易且つ確実に触媒材料を均一で高密度の微粒子状態に形成し、Ｃｏ微粒子５２により直径が均一に制御されたムラのない高密度にＣＮＴ５３が成長してなる基板構造が実現する。

（第６の実施形態）
図６は、第６の実施形態による基板構造の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
図６（ａ）に示すように、シリコン基板１１上にＴｉＮ微粒子６１及びＣｏ微粒子６２を順次堆積する。
詳細には先ず、下地材料をＴｉＮとし、シリコン基板１１上に、例えばレーザーアブレーション法によりＴｉＮ微粒子６１を、直径５ｎｍ程度に設定して堆積する。ここでは、ＴｉＮ微粒子６１と後述するＣｏ微粒子６２との位置関係が、ＴｉＮ微粒子６１とＣｏ微粒子６２とが共にシリコン基板１１の表面に存する状態となるように、シリコン基板１１の表面におけるＴｉＮ微粒子６１の密度を３０％〜５０％程度とすべく、堆積時間を３００秒間〜５００秒間程度に設定してＴｉＮ微粒子６１を堆積する。

次に、触媒材料をＣｏとし、ＴｉＮ微粒子６１が堆積されたシリコン基板１１上に、例えばレーザーアブレーション法によりＣｏ微粒子６２を、ＴｉＮ微粒子６１と同等或いは小さい大きさ、ここでは直径２ｎｍ程度に設定して堆積する。
このとき、Ｃｏ微粒子６２は、ＴｉＮ微粒子６１及びシリコン基板１１の表面の双方と接触状態とされている。

続いて、次工程であるＣＮＴ成長のために、ＣＶＤチャンバー内にシリコン基板１１を設置し、３５０℃以上に昇温する。このとき、ＴｉＮ微粒子６１及びＣｏ微粒子６２は温度上昇に依存して形状に変化が生じる。しかしながら、Ｃｏ微粒子６２は凝集することなくシリコン基板１１及びＴｉＮ微粒子６１と接触した状態で担持され、粒径の均一性が保たれている。

続いて、図６（ｂ）に示すように、Ｃｏ微粒子６２を核としてＣＮＴ６３を成長させる。
詳細には、シリコン基板１１が設置されたＣＶＤチャンバー内に、アセチレンとアルゴンの混合ガスを例えば０．０５：１０００の割合で導入し、全体の圧力を１ｋＰａとし、温度を４００℃として９０分間、ＣＮＴ６３を成長させる。これにより、Ｃｏ微粒子６２で直径が均一に制御されたムラのない状態で高密度にＣＮＴ６３を成長させることができる。更に、ＴｉＮ微粒子６１とＣｏ微粒子６２との相互拡散が促進するとともに、ＣＮＴ６３がその側面の一部でＴｉＮ微粒子６１と接触するため、ＣＮＴ６３のＴｉＮ微粒子６１との電気的接触面積が増加し、更なる低抵抗化が実現する。

以上説明したように、本実施形態によれば、簡易な構成で容易且つ確実に触媒材料を均一で高密度の微粒子状態に形成し、Ｃｏ微粒子６２により直径が均一に制御されたムラのない高密度にＣＮＴ６３が成長してなる基板構造が実現する。

なお、上記した各実施形態では、炭素元素の線状構造体としてＣＮＴを形成する場合について例示したが、ＣＮＴの代わりに例えば繊維状のＣＮＦを形成しても良い。この場合、ＣＮＴの形成と同様に、ＣＶＤ法や熱ＣＶＤ法等を用い、成長温度をＣＮＴ形成時よりも低温（例えば３００℃程度）として成長形成する。

以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。

（付記１）基板と、
前記基板の上方の所定領域に形成された下地材料と、
前記所定領域に形成された触媒材料と、
前記触媒材料上に形成された炭素元素からなる線状構造体と
を含み、
前記下地材料は、前記所定領域の表面に接触する微粒子状の堆積物であるとともに、
前記触媒材料は、少なくとも前記下地材料と接触する、前記下地材料と同一の粒径又は前記下地材料よりも小さい粒径の微粒子状の堆積物であることを特徴とする基板構造。

（付記２）前記触媒材料は、前記下地材料と接触するとともに前記所定領域の表面から離間した微粒子状の堆積物であることを特徴とする付記１に記載の基板構造。

（付記３）前記触媒材料は、前記下地材料と接触するとともに前記所定領域の表面から離間した微粒子と、前記下地材料及び前記所定領域の表面の双方に接触する微粒子とが混在化した堆積物であることを特徴とする付記１に記載の基板構造。

（付記４）前記触媒材料は、前記下地材料及び前記所定領域の表面の双方に接触する微粒子状の堆積物であることを特徴とする付記１に記載の基板構造。

（付記５）前記下地材料は、Ｔｉ，ＴｉＮ，Ａｌ，Ｔａから選ばれた少なくとも１種、又は金属酸化物からなることを特徴とする付記１〜４のいずれか１項に記載の基板構造。

（付記６）前記触媒材料は、Ｆｅ，Ｎｉ及びＣｏから選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする付記１〜５のいずれか１項に記載の基板構造。

（付記７）前記触媒材料は、前記下地材料よりも融点が高いものであることを特徴とする付記１〜６のいずれか１項に記載の基板構造。

（付記８）基板の上方の所定領域に下地材料を形成する工程と、
前記所定領域に触媒材料を形成する工程と、
前記触媒材料を核として炭素元素からなる線状構造体を成長させる工程と
を含み、
前記下地材料を、前記所定領域の表面に接触する微粒子状に形成するとともに、
前記触媒材料を、少なくとも前記下地材料と接触する、前記下地材料と同一の粒径又は前記下地材料よりも小さい粒径の微粒子状に形成することを特徴とする基板構造の製造方法。

（付記９）前記触媒材料を微粒子の状態で堆積することを特徴とする付記８に記載の基板構造の製造方法。

（付記１０）前記触媒材料を薄膜状に堆積した後、昇温により前記触媒材料を微粒子化することを特徴とする付記８に記載の基板構造の製造方法。

（付記１１）前記触媒材料を、前記下地材料と接触するとともに前記所定領域の表面から離間した微粒子状に形成することを特徴とする付記８〜１０のいずれか１項に記載の基板構造の製造方法。

（付記１２）前記触媒材料を、前記下地材料と接触するとともに前記所定領域の表面から離間した微粒子と、前記下地材料及び前記所定領域の表面の双方に接触する微粒子とが混在化した状態に形成することを特徴とする付記８〜１０のいずれか１項に記載の基板構造の製造方法。

（付記１３）前記触媒材料を、前記下地材料及び前記所定領域の表面の双方に接触する微粒子状に形成することを特徴とする付記８〜１０のいずれか１項に記載の基板構造の製造方法。

（付記１４）前記下地材料は、Ｔｉ，ＴｉＮ，Ａｌから選ばれた少なくとも１種、又は金属酸化物からなることを特徴とする付記８〜１３のいずれか１項に記載の基板構造の製造方法。

（付記１５）前記触媒材料は、Ｆｅ，Ｎｉ及びＣｏから選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする付記８〜１４のいずれか１項に記載の基板構造の製造方法。

（付記１６）前記触媒材料は、前記下地材料よりも融点が高いものであることを特徴とする付記８〜１５のいずれか１項に記載の基板構造の製造方法。

第１の実施形態による基板構造の製造方法を工程順に示す概略断面図である。第２の実施形態による基板構造の製造方法を工程順に示す概略断面図である。第３の実施形態による基板構造の製造方法を工程順に示す概略断面図である。第４の実施形態による基板構造の製造方法を工程順に示す概略断面図である。第５の実施形態による基板構造の製造方法を工程順に示す概略断面図である。第６の実施形態による基板構造の製造方法を工程順に示す概略断面図である。従来のＣＮＴの成長方法の不具合を説明するための概略断面図である。

符号の説明

１１シリコン基板
１２，３１，５１，６１ＴｉＮ微粒子
１３，２３，３３，４１，４３，５２，６２Ｃｏ微粒子
１４，２４，３４，４４，５３，６３ＣＮＴ
２２Ｃｏ薄膜
３１フェリチン
３２酸化鉄微粒子
４２コバルト酸化物の微粒子

Claims

基板と、
前記基板の上方の所定領域に形成された下地材料と、
前記所定領域に形成された触媒材料と、
前記触媒材料上に形成された炭素元素からなる線状構造体と
を含み、
前記下地材料は、前記所定領域の表面に接触する微粒子状の堆積物であるとともに、
前記触媒材料は、少なくとも前記下地材料と接触する、前記下地材料と同一の粒径又は前記下地材料よりも小さい粒径の微粒子状の堆積物であり、隣接する前記下地材料の粒子間に生じる間隙に嵌合することを特徴とする基板構造。
前記触媒材料は、前記下地材料と接触するとともに前記所定領域の表面から離間した微粒子と、前記下地材料及び前記所定領域の表面の双方に接触する微粒子とが混在化した堆積物であることを特徴とする請求項１に記載の基板構造。
前記触媒材料は、前記下地材料及び前記所定領域の表面の双方に接触する微粒子状の堆積物であることを特徴とする請求項１に記載の基板構造。
前記下地材料は、酸化鉄微粒子からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の基板構造。
前記触媒材料は、Ｆｅ，Ｎｉ及びＣｏから選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の基板構造。
基板の上方の所定領域に下地材料を形成する工程と、
前記所定領域に触媒材料を形成する工程と、
前記触媒材料を核として炭素元素からなる線状構造体を成長させる工程と
を含み、
前記下地材料を、前記所定領域の表面に接触する微粒子状に形成するとともに、
前記触媒材料を、少なくとも前記下地材料と接触する、前記下地材料と同一の粒径又は前記下地材料よりも小さい粒径の微粒子状に形成し、
前記触媒材料は、隣接する前記下地材料の粒子間に生じる間隙に嵌合することを特徴とする基板構造の製造方法。
前記触媒材料を微粒子の状態で堆積することを特徴とする請求項６に記載の基板構造の製造方法。
前記触媒材料を薄膜状に堆積した後、昇温により前記触媒材料を微粒子化することを特徴とする請求項７に記載の基板構造の製造方法。
フェリチンを熱処理して酸化鉄微粒子とし、前記下地材料を形成することを特徴とする請求項６に記載の基板構造の製造方法。
前記触媒材料は、Ｆｅ，Ｎｉ及びＣｏから選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の基板構造の製造方法。