熱ＣＶＤ装置
【課題】基板表面に原料ガスを均一に供給し得る熱ＣＶＤ装置を提供する。
【解決手段】加熱室４にカーボンを含む原料ガスＧを導くと共に原料ガスを加熱して加熱室に配置された基板Ｋの表面にカーボンナノチューブを形成し得る加熱炉１を具備する熱ＣＶＤ装置であって、加熱室内に、基板をそのカーボンナノチューブ形成面が下面となるように保持し得る基板保持部材11を配置し、この基板保持部材下方の加熱炉底壁部1aにガス供給口５を形成すると共に基板保持部材上方の加熱炉上壁部1bにガス排出口６を形成し、上記基板保持部材の上側に発熱体13を配置し、ガス供給口から導かれた原料ガスを基板保持部材の下面に導くためのガス案内用ダクト体14を設け、このガス案内用ダクト体と基板保持部材との間に反応ガスを分散させる邪魔板15を設けたものである。
【解決手段】加熱室４にカーボンを含む原料ガスＧを導くと共に原料ガスを加熱して加熱室に配置された基板Ｋの表面にカーボンナノチューブを形成し得る加熱炉１を具備する熱ＣＶＤ装置であって、加熱室内に、基板をそのカーボンナノチューブ形成面が下面となるように保持し得る基板保持部材11を配置し、この基板保持部材下方の加熱炉底壁部1aにガス供給口５を形成すると共に基板保持部材上方の加熱炉上壁部1bにガス排出口６を形成し、上記基板保持部材の上側に発熱体13を配置し、ガス供給口から導かれた原料ガスを基板保持部材の下面に導くためのガス案内用ダクト体14を設け、このガス案内用ダクト体と基板保持部材との間に反応ガスを分散させる邪魔板15を設けたものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱ＣＶＤ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、カーボンナノチューブを形成する装置としては、炭化水素を分解してカーボンナノチューブを生成する化学的気相成長装置、所謂、熱ＣＶＤ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この熱ＣＶＤ装置においては、基板が設置されている反応管の内部に、メタンやアセチレンなどの原料ガスを導入し、そして加熱された基板上で原料ガスを分解させて、垂直に配向したカーボンナノチューブを基板上で成長させていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−６２９２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、カーボンナノチューブをそのまま電極材料として用いる際に、他の部材にそのまま転写するためには、カーボンナノチューブを、基板全面に、均一な密度、直径および長さでもって生成させることが望ましい。そのためには、基板全面（基板表面）に原料ガスを均一に行き渡るように供給することが不可欠であり、また基板全面を均一な温度となるようにコントロールする必要がある。
【０００６】
また、カーボンナノチューブの生成時に発生する煤やタールなどの不純物は、カーボンナノチューブの生成を阻害する要因となるため、基板に付着するのを防止する必要もある。
【０００７】
しかしながら、従来の熱ＣＶＤ装置では、基板全面の均一な加熱および基板全面に原料ガスを均一に行き渡るようにすることが困難であった。なお、従来炉で達成しようとすると、生成したい基板面積に対して炉の投影面積をかなり大きくする必要が生じ、このため、効率が悪く、生成する基板当たりコストも高価になってしまう。
【０００８】
また、反応管内に熱ＣＶＤ時に発生した煤やタールなどの不純物が浮遊し基板に付着することで、基板上に生成されるカーボンナノチューブの密度、直径、長さが不均一になるという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明は、基板表面に原料ガスを均一に供給し得る熱ＣＶＤ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係る熱ＣＶＤ装置は、加熱室にカーボンを含む反応ガスを導くとともに反応ガスを加熱して当該加熱室に配置された基板の表面にカーボンナノチューブを形成し得る加熱炉を具備する熱ＣＶＤ装置であって、
上記加熱室内に、基板をそのカーボンナノチューブ形成面が下面となるように保持し得る基板保持部材を配置し、
上記基板保持部材下方の加熱炉底壁部にガス供給口を形成するとともに基板保持部材上方の加熱炉上壁部にガス排出口を形成し、
上記基板保持部材の上側に発熱体を配置し、
上記ガス供給口から導かれた反応ガスを基板保持部材の下面に導くためのガス案内用ダクト体を設け、
このガス案内用ダクト体と基板保持部材との間に反応ガスを分散させる邪魔板を設けたものである。
【００１１】
また、請求項２に係る熱ＣＶＤ装置は、加熱室にカーボンを含む反応ガスを導くとともに反応ガスを加熱して当該加熱室に配置された基板の表面にカーボンナノチューブを形成し得る加熱炉を具備する熱ＣＶＤ装置であって、
上記加熱室内に、基板をそのカーボンナノチューブ形成面が下面となるように保持し得る基板保持部材を配置し、
上記基板保持部材下方の加熱炉底壁部にガス供給口を形成し、
上記基板保持部材の上側に発熱体を配置し、
上記ガス供給口から導かれた反応ガスを基板保持部材の下面に導くためのガス案内用ダクト体を設けるとともに、このガス案内ダクト体の外方位置の加熱炉底壁部にガス排出口を形成し、
上記ガス案内用ダクト体と基板保持部材との間に反応ガスを分散させる邪魔板を設けたものである。
【００１２】
また、請求項３に係る熱ＣＶＤ装置は、請求項１または２に記載の熱ＣＶＤ装置において、邪魔板を、その中心がガス供給口の中心に一致するように配置したものである。
また、請求項４に係る熱ＣＶＤ装置は、請求項１乃至３のいずれかに記載の熱ＣＶＤ装置において、基板保持部材と邪魔板との間で且つ当該基板保持部材に保持される基板の下面寄り位置に、反応ガスの整流を行う整流板を配置したものである。
【００１３】
また、請求項５は請求項１乃至４のいずれかに記載の熱ＣＶＤ装置において、カーボンナノチューブの形成を１０００Ｐａ以下の減圧下で行うようにしたものである。
さらに、請求項６は請求項１乃至５のいずれかに記載の熱ＣＶＤ装置において、ガス案内ダクト体の水平断面形状および邪魔板の平面視形状を矩形状となし、
且つ上記ガス案内用ダクト体の高さＨ１と邪魔板のガス案内用ダクト体内における設置高さＨ２との比（Ｈ２／Ｈ１）が、０．３〜０．７の範囲に入るようにするとともに、
下記（イ）式にて示される邪魔板の設置高さにおけるガス案内ダクト体の等価水力直径Ｄ１と、下記（ロ）式にて示される邪魔板の等価水力直径Ｄ２との比（Ｄ２／Ｄ１）が、０．２５〜０．５の範囲に入るように、邪魔板の大きさを決定したものである。
【００１４】
Ｄ１＝４Ａ×Ｂ／｛（Ａ＋Ｂ）×２｝ ・・・（イ）
Ｄ２＝４ａ×ｂ／｛（ａ＋ｂ）×２｝ ・・・（ロ）
但し、Ａはガス案内ダクト体の長辺長さ、Ｂはガス案内ダクト体の短辺長さを示し、またＢは邪魔板の長辺長さ、Ｂは邪魔板の短辺長さを示す。
【発明の効果】
【００１５】
上記各熱ＣＶＤ装置の構成によると、基板を下向きに保持した状態で、加熱室内に原料ガスを供給するとともに、加熱室内に設けられたガス案内用ダクト体により、当該原料ガスを基板表面に導くようになし、さらにガス案内用ダクト体内に邪魔板を配置したので、原料ガスを分散させて基板表面に均一に導くことができる。すなわち、カーボンナノチューブを効率よく形成（生成）し得るとともに生産コストも低下し得る。
【００１６】
また、発熱体を基板のカーボンナノチューブの形成面とは反対の上面側に配置したので、原料ガスによる反応がスムーズに行われる。
さらに、邪魔板に加えて、基板の下面寄り位置に反応ガスの整流を行う整流板を配置したので、原料ガスを基板表面に、より、均一に導くことができる。
【００１７】
また、加熱室内を減圧したので、原料ガスの拡散性が向上する（優れる）ため、基板の表面全体に均一に原料ガスを供給することができ、言い換えれば、ガスの流れの影響を受けにくくなるため、製品品質の向上に繋がるとともに、複雑な形状、複雑な自由面例えば曲面に対しても、基板に触媒粒子が付着している限り、カーボンナノチューブの形成が可能となる。
【００１８】
さらに、加熱室内を減圧することにより、放射熱により基板が加熱されるため、基板の温度管理が容易になるとともに、煤、タールなどが発生しないため、洗浄工程が不要となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態における熱ＣＶＤ装置の概略構成を示す斜視図である。
【図２】同熱ＣＶＤ装置の概略構成を示す断面図である。
【図３】同熱ＣＶＤ装置における加熱装置の概略構成を説明する模式図である。
【図４】同加熱装置による基板での温度分布を示すグラフである。
【図５】同熱ＣＶＤ装置におけるガス案内用ダクト体と邪魔板との形状寸法を説明する水平断面図である。
【図６】同熱ＣＶＤ装置の変形例を示す斜視図である。
【図７】同熱ＣＶＤ装置の他の変形例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態に係る熱ＣＶＤ装置およびカーボンナノチューブの形成方法を、図面に基づき説明する。
まず、熱ＣＶＤ装置について説明する。
【００２１】
この熱ＣＶＤ装置には、図１および図２に示すように、内部に加熱室４が設けられた加熱炉１が具備されている。そして、この加熱炉１の底壁部１ａの中心位置には、カーボンを含む原料ガス（カーボンガス、反応ガスともいう）Ｇを供給するガス供給口５が形成されるとともに、加熱炉１の上壁部１ｂには、ガスを排出するガス排出口６が長手方向（後述する基板の長手方向である）において所定間隔おきで複数個形成されている。この加熱炉１は、外壁体２と、この外壁体２の内面に貼り付けられた所定厚さの断熱材３とから構成されており、上述した底壁部１ａおよび上壁部１ｂには断熱材３が含まれている。また、上壁部１ｂにおける外壁体２と断熱材３との間には、各ガス排出口６からのガスを導き一つのガス抜出口７から排出するためのガス集合室８が形成されている。さらに、図示しないが、加熱炉１には、加熱室４内の空気を排気して所定の減圧下にするための排気装置（真空装置でもある）が接続されている。
【００２２】
そして、上記加熱炉１の加熱室４内の中間部分には、カーボンナノチューブを成長させる、すなわち形成させるための基板Ｋを下面位置で保持し得る基板保持部材１１が配置されるとともに、この加熱室４内の基板保持部材１１の上方位置には当該加熱室４内を加熱するための複数本の円柱形状（または棒状）の発熱体１３よりなる加熱装置１２が設けられている。また、発熱体１３としては非金属の抵抗発熱体が用いられ、具体的には、炭化ケイ素、ケイ化モリブデン、ランタンクロマイト、ジルコニア、黒鉛などが用いられる。特に、炭化ケイ素およびケイ化モリブデンは、窒素ガス、水素ガス雰囲気下で用いられ、ランタンクロマイトは大気下でのみ用いられ、黒鉛は不活性ガス雰囲気（還元雰囲気）下で用いられる。
【００２３】
なお、通常、基板Ｋは長方形状にされており、円柱形状の各発熱体１３は、その軸心が基板Ｋの幅方向である短手方向と平行になるように、基板Ｋの長手方向において所定間隔おきに配置されている。
【００２４】
上記加熱炉１の底壁部１ａと基板保持部材１１との間には、原料ガス（例えば、アセチレン、メタン、ブタンなどの低級炭化水素ガスである）Ｇを基板保持部材１１に保持される基板Ｋに導くための側面視がホッパー形状（逆台形状）のガス案内用ダクト体１４が設けられるとともに、このガス案内用ダクト体１４の高さ方向中間位置、より具体的には、基板保持部材１１表面（基板表面とも言える）とガス供給口５の上端面との間の中間位置で、ガスを分散させるための邪魔板（ガス分散板ともいう）１５が複数本の支柱部材１６により支持（配置）されている。なお、この支柱部材１６は、図１にだけ示しておく。
【００２５】
さらに、上記基板保持部材１１の直ぐ下面には、圧力制御が可能な小さい穴が多数形成された整流板１７が配置されており、この整流板１７としては、例えば直径が５〜２０ｍｍ程度の穴が多数形成されたパンチングメタルが用いられている。なお、整流板１７は、例えば基板保持部材１１に支持されている。
【００２６】
また、有機ガスの影響を無くすために、加熱炉１における基板Ｋ以外の構成材料、例えば断熱材３は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、二酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などの無機材料で構成されている。
【００２７】
ここで、基板Ｋおよび上記所要構成部材の機能、材料、寸法などについて説明する。
まず、基板Ｋについて説明する。
基板Ｋとしては、シリコン基板（Ｓｉ基板）、またはシリコン基板より安価な金属基板若しくは金属箔基板が用いられる。但し、金属製の基板を用いる場合には、基板に形成されたカーボンナノチューブの均質性または次工程での転写性を考慮して、基板の反りが防止される（後述する）。
【００２８】
また、この基板Ｋの形状は、上述したように、長方形状にされるとともに板状または薄い箔状のものが用いられ、さらに前処理として、基板表面には、金属例えば鉄（Ｆｅ）の触媒粒子が塗布されている。特に、ステンレス（ＳＵＳ：ＪＩＳ記号）などの鉄系の金属基板を使用する場合には、シリカ、アルミニウムなどの不動態膜を塗布した後、触媒粒子が塗布される。
【００２９】
また、厚さが２０〜３００μｍ以下のステンレス箔などの圧延加工されてコイル状に巻き取られた金属基板を使用する場合には、コイルの巻き方向に引張りの残留応力が存在するため、触媒の微粒化および熱ＣＶＤ時に、残留応力の開放により、基板に反りが発生する。このような反りの発生を防止するために、コイル巻き方向で張力を付加する機構、具体的には、錘を設けて基板を引っ張る機構が具備される。なお、金属基板の製造工程で残留応力が生じている基板を使用する場合、またはコイル状に巻き取られた金属基板を使用する場合には、加熱炉１の前後の側壁部には、当該金属基板を案内（挿通）し得る細長い貫通溝部が形成されることになる。
【００３０】
次に、加熱装置１２について説明する。
この加熱装置１２は、シート状の基板Ｋの上方に配置されるもので、やはり、上述したように、円柱形状の発熱体１３が複数本でもって基板Ｋの幅方向（短手方向）と平行（並行）に且つ長手方向にて所定間隔おきに配置されている。なお、これら発熱体１３を含む平面は、当然ながら、基板Ｋと平行となるようにされている。
【００３１】
ところで、上記発熱体１３は円柱形状のものが用いられるとともに所定間隔おきに複数本並置されたものであるため、これら発熱体１３による基板Ｋへの加熱の均一化すなわち均熱化を図るとともに均熱面積の最大化が望まれる。すなわち、発熱体１３の配置および当該発熱体１３の中心から基板Ｋまでの距離については適切に配置されること（つまり、設計）が要求される。
【００３２】
ここで、基板Ｋを加熱する際に放射（輻射）が支配的になる減圧下において、発熱体１３と基板Ｋとの適正な位置関係について、実験した結果について説明する。
なお、二次元断面だけの放射を考えた場合、発熱体１３は点光源から放射線状に熱が放出され、この放射熱は距離の４乗に反比例する。すなわち、距離に大きく依存することになる。
【００３３】
当然ながら、発熱体１３と基板Ｋの配置モデルとして、図３に示すように、発熱体１３の点光源を水平直線状に配置するとともに、各発熱体１３と基板Ｋとを平行に配置する。なお、発熱体１３の直径をｄとすると、発熱体１３，１３同士の間隔ｓを２ｄとし、また発熱体１３の中心と基板Ｋまでの距離をｈとする。
【００３４】
そして、発熱体１３，１３同士の間隔ｓ（＝２ｄ）を一定とし、基板Ｋまでの距離ｈを変化させた場合の基板Ｋの温度分布を調べた結果は以下の通りである。なお、各発熱体１３による発熱量は同一とする。
【００３５】
調べた結果、発熱体１３と基板Ｋとの距離ｈが短い場合には、図４（ｂ）の曲線Ａで示すように、基板Ｋに与えられる熱量の変動が激しく、また距離ｈが長過ぎる場合には、図４（ｃ）の曲線Ａで示すように、熱量が均一になる範囲が狭いが、距離ｈが適正である場合には、図４（ａ）の曲線Ａで示すように、熱量が均一である曲線が得られる。なお、図４（ａ）〜図４（ｃ）における下方の曲線Ｂは、各発熱体１３の発熱量を示している。また、上記距離ｈの適正値は、（２ｄ）１．２５〜（２ｄ）１．３５の範囲内にされている。
【００３６】
次に、邪魔板１５の形状および配置について説明する。
この邪魔板１５のガス案内用ダクト体１４内での取付位置（設置位置）、つまり、加熱室４の底面からの設置高さＨ２は、ガス案内用ダクト体１４の高さＨ１に対する比（Ｈ２／Ｈ１）が、０．３〜０．７（好ましくは、０．５近傍である）の範囲内となるようにされる。
【００３７】
また、邪魔板１５の形状すなわちサイズについては、邪魔板１５が設置される位置でのダクト体１４の断面をガス流路とし、等価水力直径の考えを用いて決定する。
等価水力直径とは、流路が非円形断面の場合、流路の大きさを表わす量として与えられるもので、流路の断面と等価な円管の直径Ｄを言い、下記の（１）式で表わされる。
【００３８】
Ｄ＝４×（流路断面積）／（断面長） ・・・（１）
ここで、ダクト体１４と邪魔板１５との適正な具体的寸法を求めると図５に示すような値となる。
【００３９】
ダクト体１４の等価水力直径Ｄ１を求めると、下記（２）式のようになる。
Ｄ１＝４Ａ×Ｂ／｛（Ａ＋Ｂ）×２｝＝１４６．２ｍｍ
一方、邪魔板１５の等価水力直径Ｄ２を求めると、下記（３）式のようになる。
【００４０】
Ｄ２＝４ａ×ｂ／｛（ａ＋ｂ）×２｝＝６０ｍｍ
ここで、両等価水力直径の比（Ｄ２／Ｄ１）を求めると、下記（４）式のようになる。
Ｄ２／Ｄ１＝０．４１ ・・・（４）
したがって、邪魔板１５が設けられる高さ位置でのダクト体１４断面の寸法をＤ１で代表させるとともに、邪魔板１５の表面に相当する寸法をＤ２で代表させると、Ｄ２／Ｄ１＝０．４１となるようにすればよい。すなわち、この値の前後いくらかを考慮して、Ｄ２／Ｄ１＝０．２５〜０．５の範囲となるように、ダクト体１４および邪魔板１５の寸法を決定すればよい。具体的には、両者の平面視形状を相似形状にするとともに、これら両等価水力直径の比が上記範囲内となるような寸法を採用すればよい。
【００４１】
なお、Ｈ２／Ｈ１およびＤ２／Ｄ１の値を上述した範囲内としたのは、基板近傍における原料ガス（例えば、アセチレン）の濃度のばらつき係数（標準偏差／平均値）が２０を越えないようにしたものである。ここで言う２０とは、ダクト体１４を設置しかつ邪魔板１５が無い場合のばらつき値である。ダクト体１４が設置されている場合でも、邪魔板１５の設置位置が不適切であると（上記数値範囲外の場合）、ダクト体１４だけの場合よりも、ばらつき値が悪化し、逆効果となる。
【００４２】
ところで、上記加熱炉１において、加熱室４内が所定圧力に減圧が行われる。
この減圧値としては、数Ｐａ〜１０００Ｐａの範囲に維持される。例えば、数十Ｐａ〜数百Ｐａに維持される。なお、減圧範囲の下限である数Ｐａは、カーボンナノチューブの形成レート（成膜レートである）を保つための限界値であり、上限である１０００Ｐａは煤、タールの抑制という面での限界値である。また、加熱炉１内の構成部材としては、煤、タールなどの生成が促進しないように、非金属の材料が用いられている。
【００４３】
次に、上記熱ＣＶＤ装置により、カーボンナノチューブの形成方法について説明する。
まず、加熱室１の基板保持部材１１に、例えばＳＵＳ基板Ｋを、例えば鉄の触媒粒子が形成された表面が下向きとなるように保持させるとともに、排気装置（図示せず）により、所定の減圧下に、例えば数Ｐａ〜１０００Ｐａの範囲に、好ましくは、数十Ｐａ〜数百Ｐａに維持される。
【００４４】
そして、加熱装置１２、すなわち発熱体１３を作動させて、基板Ｋの温度を所定温度例えば６５０〜８００℃に加熱するとともに、加熱室４の外壁温度が８０℃程度またはそれ以下となるようにする。
【００４５】
上述した温度が得られると、ガス供給口５より原料ガスＧとしてアセチレンガス（Ｃ２Ｈ２）を供給して所定の反応を行わせることにより、基板Ｋ表面に、カーボンナノチューブを生成（成長）させる。
【００４６】
ところで、減圧下において、例えば１００Ｐａにおいては、窒素分子の平均自由行程は大気圧下に比べて約１０００倍程度長くなる。例えば、大気圧下では、約０．０００２ｍｍであり、１００Ｐａでは、約０．２ｍｍとなる。
【００４７】
一方、１０００Ｐａでは、煤の生成が確認されるため、温度と圧力との関数で決まる平均自由行程については、０．０２（６００℃のとき）〜０．０３（９００℃のとき）ｍｍより大きくする必要がある。
【００４８】
ここで、平均自由工程λについて説明すると、下記（１）式にて表わされる。
λ＝ｋ×Ｔ／｛（√２）ｐ×σ｝ ・・・（１）
但し、（１）式中、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｐは圧力、σは運動している反応分子の幾何学的な断面積である。
【００４９】
上記（１）式より、平均自由工程を大きくする場合には、温度を高くする、圧力を低くする、反応分子の幾何学的な断面積を小さくすればよい。実際には、温度を高くするか、圧力が低くされる。
【００５０】
例えば、平均自由行程が小さく代表長さ（基板と整流板との距離であり、整流板がない場合には、基板と邪魔板との距離である）が大きい場合は、分子同士の衝突が頻繁に起こり、壁面との衝突回数が減るため、運動量およびエネルギーが平均化されている状態であることを意味しており、一方、平均自由行程が大きく代表長さが小さい場合は、分子同士の衝突が減り、壁面との衝突回数が増えるため、運動量およびエネルギーは平均化されず（壁面は動かない、すなわち運動量およびエネルギーが常にゼロであるため、衝突による運動量およびエネルギーの交換が行なわれないから）個々の分子で異なることを意味している。
【００５１】
このことから、煤が生成しない理由としては、平均自由行程が大きくなるため、煤の原料になる核の凝集が進まないためであると考えられる。
すなわち、加熱室４内を１０００Ｐａ以下、特に数百Ｐａ以下に減圧するとともに、平均自由行程についても、０．０３ｍｍより大きくなるように、温度および圧力を制御することにより、基板Ｋ表面での煤の生成を抑止することができる。
【００５２】
したがって、上記各熱ＣＶＤ装置の構成によると、基板を下向きに保持した状態で、加熱室内に原料ガスを供給するとともに、加熱室内に設けられたガス案内用ダクト体により、当該原料ガスを基板表面に導くようになし、さらにガス案内用ダクト体内に邪魔板を配置したので、原料ガスを分散させて基板表面に均一に導くことができる。すなわち、カーボンナノチューブを効率よく形成（生成）し得るとともにその生産コストも低下させることができる。
【００５３】
また、発熱体を基板のカーボンナノチューブの形成面とは反対の上方に配置したので、原料ガスによる反応がスムーズに行われる。
さらに、邪魔板に加えて、基板の下面寄り位置に反応ガスの整流を行う整流板を配置したので、原料ガスを基板表面に、より、均一に導くことができる。
【００５４】
また、加熱室内を減圧したので、原料ガスの拡散性が向上する（優れる）ため、基板の表面全体に均一に原料ガスを供給することができ、言い換えれば、ガスの流れの影響を受けにくくなるため、製品品質の向上に繋がるとともに、複雑な形状、複雑な自由面例えば曲面に対しても、基板に触媒粒子が付着している限り、カーボンナノチューブの形成が可能となる。
【００５５】
さらに、加熱室内を減圧することにより、放射熱により基板が加熱されるため、基板の温度管理が容易になるとともに、煤、タールなどが発生しないため、酸素ガスを供給する空焼き法を用いた洗浄工程が不要となる。
【００５６】
ところで、上記実施の形態においては、ガス供給口５を１つ設けたが、図６に示すように、基板Ｋの長手方向に沿って複数、例えば３つ所定間隔おきに配置してもよい。勿論、この場合、ガス案内用ダクト体１４は、これら３つのガス供給口５から供給される原料ガスを全て基板Ｋの表面に導き得るような形状にされている。例えば、図６におけるガス案内用ダクト体１４は、その正面視形状が長方形状にされるとともに、横断面形状が逆台形状にされている。
【００５７】
また、上記実施の形態においては、ガス排出口６を加熱炉１の上壁部１ｂに設けたが、例えば図７に示すように、ガス案内用ダクト体１４の外側位置で複数個、例えば四方に１つずつ設けるようにしてもよい。ガス排出口６を四方に設けることにより、ガスの排気を均一に行うことができ、したがって基板に供給される原料ガスが均一化されやすくなり、カーボンナノチューブの均一な密度、直径および長さでの生成に寄与することができる。
【符号の説明】
【００５８】
Ｋ 基板
１ 加熱炉
２ 外壁体
３ 断熱材
４ 加熱室
５ ガス供給口
６ ガス排出口
１１ 基板保持部材
１２ 加熱装置
１３ 発熱体
１４ ガス案内用ダクト体
１５ 邪魔板
１７ 整流板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱ＣＶＤ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、カーボンナノチューブを形成する装置としては、炭化水素を分解してカーボンナノチューブを生成する化学的気相成長装置、所謂、熱ＣＶＤ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この熱ＣＶＤ装置においては、基板が設置されている反応管の内部に、メタンやアセチレンなどの原料ガスを導入し、そして加熱された基板上で原料ガスを分解させて、垂直に配向したカーボンナノチューブを基板上で成長させていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−６２９２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、カーボンナノチューブをそのまま電極材料として用いる際に、他の部材にそのまま転写するためには、カーボンナノチューブを、基板全面に、均一な密度、直径および長さでもって生成させることが望ましい。そのためには、基板全面（基板表面）に原料ガスを均一に行き渡るように供給することが不可欠であり、また基板全面を均一な温度となるようにコントロールする必要がある。
【０００６】
また、カーボンナノチューブの生成時に発生する煤やタールなどの不純物は、カーボンナノチューブの生成を阻害する要因となるため、基板に付着するのを防止する必要もある。
【０００７】
しかしながら、従来の熱ＣＶＤ装置では、基板全面の均一な加熱および基板全面に原料ガスを均一に行き渡るようにすることが困難であった。なお、従来炉で達成しようとすると、生成したい基板面積に対して炉の投影面積をかなり大きくする必要が生じ、このため、効率が悪く、生成する基板当たりコストも高価になってしまう。
【０００８】
また、反応管内に熱ＣＶＤ時に発生した煤やタールなどの不純物が浮遊し基板に付着することで、基板上に生成されるカーボンナノチューブの密度、直径、長さが不均一になるという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明は、基板表面に原料ガスを均一に供給し得る熱ＣＶＤ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係る熱ＣＶＤ装置は、加熱室にカーボンを含む反応ガスを導くとともに反応ガスを加熱して当該加熱室に配置された基板の表面にカーボンナノチューブを形成し得る加熱炉を具備する熱ＣＶＤ装置であって、
上記加熱室内に、基板をそのカーボンナノチューブ形成面が下面となるように保持し得る基板保持部材を配置し、
上記基板保持部材下方の加熱炉底壁部にガス供給口を形成するとともに基板保持部材上方の加熱炉上壁部にガス排出口を形成し、
上記基板保持部材の上側に発熱体を配置し、
上記ガス供給口から導かれた反応ガスを基板保持部材の下面に導くためのガス案内用ダクト体を設け、
このガス案内用ダクト体と基板保持部材との間に反応ガスを分散させる邪魔板を設けたものである。
【００１１】
また、請求項２に係る熱ＣＶＤ装置は、加熱室にカーボンを含む反応ガスを導くとともに反応ガスを加熱して当該加熱室に配置された基板の表面にカーボンナノチューブを形成し得る加熱炉を具備する熱ＣＶＤ装置であって、
上記加熱室内に、基板をそのカーボンナノチューブ形成面が下面となるように保持し得る基板保持部材を配置し、
上記基板保持部材下方の加熱炉底壁部にガス供給口を形成し、
上記基板保持部材の上側に発熱体を配置し、
上記ガス供給口から導かれた反応ガスを基板保持部材の下面に導くためのガス案内用ダクト体を設けるとともに、このガス案内ダクト体の外方位置の加熱炉底壁部にガス排出口を形成し、
上記ガス案内用ダクト体と基板保持部材との間に反応ガスを分散させる邪魔板を設けたものである。
【００１２】
また、請求項３に係る熱ＣＶＤ装置は、請求項１または２に記載の熱ＣＶＤ装置において、邪魔板を、その中心がガス供給口の中心に一致するように配置したものである。
また、請求項４に係る熱ＣＶＤ装置は、請求項１乃至３のいずれかに記載の熱ＣＶＤ装置において、基板保持部材と邪魔板との間で且つ当該基板保持部材に保持される基板の下面寄り位置に、反応ガスの整流を行う整流板を配置したものである。
【００１３】
また、請求項５は請求項１乃至４のいずれかに記載の熱ＣＶＤ装置において、カーボンナノチューブの形成を１０００Ｐａ以下の減圧下で行うようにしたものである。
さらに、請求項６は請求項１乃至５のいずれかに記載の熱ＣＶＤ装置において、ガス案内ダクト体の水平断面形状および邪魔板の平面視形状を矩形状となし、
且つ上記ガス案内用ダクト体の高さＨ１と邪魔板のガス案内用ダクト体内における設置高さＨ２との比（Ｈ２／Ｈ１）が、０．３〜０．７の範囲に入るようにするとともに、
下記（イ）式にて示される邪魔板の設置高さにおけるガス案内ダクト体の等価水力直径Ｄ１と、下記（ロ）式にて示される邪魔板の等価水力直径Ｄ２との比（Ｄ２／Ｄ１）が、０．２５〜０．５の範囲に入るように、邪魔板の大きさを決定したものである。
【００１４】
Ｄ１＝４Ａ×Ｂ／｛（Ａ＋Ｂ）×２｝ ・・・（イ）
Ｄ２＝４ａ×ｂ／｛（ａ＋ｂ）×２｝ ・・・（ロ）
但し、Ａはガス案内ダクト体の長辺長さ、Ｂはガス案内ダクト体の短辺長さを示し、またＢは邪魔板の長辺長さ、Ｂは邪魔板の短辺長さを示す。
【発明の効果】
【００１５】
上記各熱ＣＶＤ装置の構成によると、基板を下向きに保持した状態で、加熱室内に原料ガスを供給するとともに、加熱室内に設けられたガス案内用ダクト体により、当該原料ガスを基板表面に導くようになし、さらにガス案内用ダクト体内に邪魔板を配置したので、原料ガスを分散させて基板表面に均一に導くことができる。すなわち、カーボンナノチューブを効率よく形成（生成）し得るとともに生産コストも低下し得る。
【００１６】
また、発熱体を基板のカーボンナノチューブの形成面とは反対の上面側に配置したので、原料ガスによる反応がスムーズに行われる。
さらに、邪魔板に加えて、基板の下面寄り位置に反応ガスの整流を行う整流板を配置したので、原料ガスを基板表面に、より、均一に導くことができる。
【００１７】
また、加熱室内を減圧したので、原料ガスの拡散性が向上する（優れる）ため、基板の表面全体に均一に原料ガスを供給することができ、言い換えれば、ガスの流れの影響を受けにくくなるため、製品品質の向上に繋がるとともに、複雑な形状、複雑な自由面例えば曲面に対しても、基板に触媒粒子が付着している限り、カーボンナノチューブの形成が可能となる。
【００１８】
さらに、加熱室内を減圧することにより、放射熱により基板が加熱されるため、基板の温度管理が容易になるとともに、煤、タールなどが発生しないため、洗浄工程が不要となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態における熱ＣＶＤ装置の概略構成を示す斜視図である。
【図２】同熱ＣＶＤ装置の概略構成を示す断面図である。
【図３】同熱ＣＶＤ装置における加熱装置の概略構成を説明する模式図である。
【図４】同加熱装置による基板での温度分布を示すグラフである。
【図５】同熱ＣＶＤ装置におけるガス案内用ダクト体と邪魔板との形状寸法を説明する水平断面図である。
【図６】同熱ＣＶＤ装置の変形例を示す斜視図である。
【図７】同熱ＣＶＤ装置の他の変形例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態に係る熱ＣＶＤ装置およびカーボンナノチューブの形成方法を、図面に基づき説明する。
まず、熱ＣＶＤ装置について説明する。
【００２１】
この熱ＣＶＤ装置には、図１および図２に示すように、内部に加熱室４が設けられた加熱炉１が具備されている。そして、この加熱炉１の底壁部１ａの中心位置には、カーボンを含む原料ガス（カーボンガス、反応ガスともいう）Ｇを供給するガス供給口５が形成されるとともに、加熱炉１の上壁部１ｂには、ガスを排出するガス排出口６が長手方向（後述する基板の長手方向である）において所定間隔おきで複数個形成されている。この加熱炉１は、外壁体２と、この外壁体２の内面に貼り付けられた所定厚さの断熱材３とから構成されており、上述した底壁部１ａおよび上壁部１ｂには断熱材３が含まれている。また、上壁部１ｂにおける外壁体２と断熱材３との間には、各ガス排出口６からのガスを導き一つのガス抜出口７から排出するためのガス集合室８が形成されている。さらに、図示しないが、加熱炉１には、加熱室４内の空気を排気して所定の減圧下にするための排気装置（真空装置でもある）が接続されている。
【００２２】
そして、上記加熱炉１の加熱室４内の中間部分には、カーボンナノチューブを成長させる、すなわち形成させるための基板Ｋを下面位置で保持し得る基板保持部材１１が配置されるとともに、この加熱室４内の基板保持部材１１の上方位置には当該加熱室４内を加熱するための複数本の円柱形状（または棒状）の発熱体１３よりなる加熱装置１２が設けられている。また、発熱体１３としては非金属の抵抗発熱体が用いられ、具体的には、炭化ケイ素、ケイ化モリブデン、ランタンクロマイト、ジルコニア、黒鉛などが用いられる。特に、炭化ケイ素およびケイ化モリブデンは、窒素ガス、水素ガス雰囲気下で用いられ、ランタンクロマイトは大気下でのみ用いられ、黒鉛は不活性ガス雰囲気（還元雰囲気）下で用いられる。
【００２３】
なお、通常、基板Ｋは長方形状にされており、円柱形状の各発熱体１３は、その軸心が基板Ｋの幅方向である短手方向と平行になるように、基板Ｋの長手方向において所定間隔おきに配置されている。
【００２４】
上記加熱炉１の底壁部１ａと基板保持部材１１との間には、原料ガス（例えば、アセチレン、メタン、ブタンなどの低級炭化水素ガスである）Ｇを基板保持部材１１に保持される基板Ｋに導くための側面視がホッパー形状（逆台形状）のガス案内用ダクト体１４が設けられるとともに、このガス案内用ダクト体１４の高さ方向中間位置、より具体的には、基板保持部材１１表面（基板表面とも言える）とガス供給口５の上端面との間の中間位置で、ガスを分散させるための邪魔板（ガス分散板ともいう）１５が複数本の支柱部材１６により支持（配置）されている。なお、この支柱部材１６は、図１にだけ示しておく。
【００２５】
さらに、上記基板保持部材１１の直ぐ下面には、圧力制御が可能な小さい穴が多数形成された整流板１７が配置されており、この整流板１７としては、例えば直径が５〜２０ｍｍ程度の穴が多数形成されたパンチングメタルが用いられている。なお、整流板１７は、例えば基板保持部材１１に支持されている。
【００２６】
また、有機ガスの影響を無くすために、加熱炉１における基板Ｋ以外の構成材料、例えば断熱材３は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、二酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などの無機材料で構成されている。
【００２７】
ここで、基板Ｋおよび上記所要構成部材の機能、材料、寸法などについて説明する。
まず、基板Ｋについて説明する。
基板Ｋとしては、シリコン基板（Ｓｉ基板）、またはシリコン基板より安価な金属基板若しくは金属箔基板が用いられる。但し、金属製の基板を用いる場合には、基板に形成されたカーボンナノチューブの均質性または次工程での転写性を考慮して、基板の反りが防止される（後述する）。
【００２８】
また、この基板Ｋの形状は、上述したように、長方形状にされるとともに板状または薄い箔状のものが用いられ、さらに前処理として、基板表面には、金属例えば鉄（Ｆｅ）の触媒粒子が塗布されている。特に、ステンレス（ＳＵＳ：ＪＩＳ記号）などの鉄系の金属基板を使用する場合には、シリカ、アルミニウムなどの不動態膜を塗布した後、触媒粒子が塗布される。
【００２９】
また、厚さが２０〜３００μｍ以下のステンレス箔などの圧延加工されてコイル状に巻き取られた金属基板を使用する場合には、コイルの巻き方向に引張りの残留応力が存在するため、触媒の微粒化および熱ＣＶＤ時に、残留応力の開放により、基板に反りが発生する。このような反りの発生を防止するために、コイル巻き方向で張力を付加する機構、具体的には、錘を設けて基板を引っ張る機構が具備される。なお、金属基板の製造工程で残留応力が生じている基板を使用する場合、またはコイル状に巻き取られた金属基板を使用する場合には、加熱炉１の前後の側壁部には、当該金属基板を案内（挿通）し得る細長い貫通溝部が形成されることになる。
【００３０】
次に、加熱装置１２について説明する。
この加熱装置１２は、シート状の基板Ｋの上方に配置されるもので、やはり、上述したように、円柱形状の発熱体１３が複数本でもって基板Ｋの幅方向（短手方向）と平行（並行）に且つ長手方向にて所定間隔おきに配置されている。なお、これら発熱体１３を含む平面は、当然ながら、基板Ｋと平行となるようにされている。
【００３１】
ところで、上記発熱体１３は円柱形状のものが用いられるとともに所定間隔おきに複数本並置されたものであるため、これら発熱体１３による基板Ｋへの加熱の均一化すなわち均熱化を図るとともに均熱面積の最大化が望まれる。すなわち、発熱体１３の配置および当該発熱体１３の中心から基板Ｋまでの距離については適切に配置されること（つまり、設計）が要求される。
【００３２】
ここで、基板Ｋを加熱する際に放射（輻射）が支配的になる減圧下において、発熱体１３と基板Ｋとの適正な位置関係について、実験した結果について説明する。
なお、二次元断面だけの放射を考えた場合、発熱体１３は点光源から放射線状に熱が放出され、この放射熱は距離の４乗に反比例する。すなわち、距離に大きく依存することになる。
【００３３】
当然ながら、発熱体１３と基板Ｋの配置モデルとして、図３に示すように、発熱体１３の点光源を水平直線状に配置するとともに、各発熱体１３と基板Ｋとを平行に配置する。なお、発熱体１３の直径をｄとすると、発熱体１３，１３同士の間隔ｓを２ｄとし、また発熱体１３の中心と基板Ｋまでの距離をｈとする。
【００３４】
そして、発熱体１３，１３同士の間隔ｓ（＝２ｄ）を一定とし、基板Ｋまでの距離ｈを変化させた場合の基板Ｋの温度分布を調べた結果は以下の通りである。なお、各発熱体１３による発熱量は同一とする。
【００３５】
調べた結果、発熱体１３と基板Ｋとの距離ｈが短い場合には、図４（ｂ）の曲線Ａで示すように、基板Ｋに与えられる熱量の変動が激しく、また距離ｈが長過ぎる場合には、図４（ｃ）の曲線Ａで示すように、熱量が均一になる範囲が狭いが、距離ｈが適正である場合には、図４（ａ）の曲線Ａで示すように、熱量が均一である曲線が得られる。なお、図４（ａ）〜図４（ｃ）における下方の曲線Ｂは、各発熱体１３の発熱量を示している。また、上記距離ｈの適正値は、（２ｄ）１．２５〜（２ｄ）１．３５の範囲内にされている。
【００３６】
次に、邪魔板１５の形状および配置について説明する。
この邪魔板１５のガス案内用ダクト体１４内での取付位置（設置位置）、つまり、加熱室４の底面からの設置高さＨ２は、ガス案内用ダクト体１４の高さＨ１に対する比（Ｈ２／Ｈ１）が、０．３〜０．７（好ましくは、０．５近傍である）の範囲内となるようにされる。
【００３７】
また、邪魔板１５の形状すなわちサイズについては、邪魔板１５が設置される位置でのダクト体１４の断面をガス流路とし、等価水力直径の考えを用いて決定する。
等価水力直径とは、流路が非円形断面の場合、流路の大きさを表わす量として与えられるもので、流路の断面と等価な円管の直径Ｄを言い、下記の（１）式で表わされる。
【００３８】
Ｄ＝４×（流路断面積）／（断面長） ・・・（１）
ここで、ダクト体１４と邪魔板１５との適正な具体的寸法を求めると図５に示すような値となる。
【００３９】
ダクト体１４の等価水力直径Ｄ１を求めると、下記（２）式のようになる。
Ｄ１＝４Ａ×Ｂ／｛（Ａ＋Ｂ）×２｝＝１４６．２ｍｍ
一方、邪魔板１５の等価水力直径Ｄ２を求めると、下記（３）式のようになる。
【００４０】
Ｄ２＝４ａ×ｂ／｛（ａ＋ｂ）×２｝＝６０ｍｍ
ここで、両等価水力直径の比（Ｄ２／Ｄ１）を求めると、下記（４）式のようになる。
Ｄ２／Ｄ１＝０．４１ ・・・（４）
したがって、邪魔板１５が設けられる高さ位置でのダクト体１４断面の寸法をＤ１で代表させるとともに、邪魔板１５の表面に相当する寸法をＤ２で代表させると、Ｄ２／Ｄ１＝０．４１となるようにすればよい。すなわち、この値の前後いくらかを考慮して、Ｄ２／Ｄ１＝０．２５〜０．５の範囲となるように、ダクト体１４および邪魔板１５の寸法を決定すればよい。具体的には、両者の平面視形状を相似形状にするとともに、これら両等価水力直径の比が上記範囲内となるような寸法を採用すればよい。
【００４１】
なお、Ｈ２／Ｈ１およびＤ２／Ｄ１の値を上述した範囲内としたのは、基板近傍における原料ガス（例えば、アセチレン）の濃度のばらつき係数（標準偏差／平均値）が２０を越えないようにしたものである。ここで言う２０とは、ダクト体１４を設置しかつ邪魔板１５が無い場合のばらつき値である。ダクト体１４が設置されている場合でも、邪魔板１５の設置位置が不適切であると（上記数値範囲外の場合）、ダクト体１４だけの場合よりも、ばらつき値が悪化し、逆効果となる。
【００４２】
ところで、上記加熱炉１において、加熱室４内が所定圧力に減圧が行われる。
この減圧値としては、数Ｐａ〜１０００Ｐａの範囲に維持される。例えば、数十Ｐａ〜数百Ｐａに維持される。なお、減圧範囲の下限である数Ｐａは、カーボンナノチューブの形成レート（成膜レートである）を保つための限界値であり、上限である１０００Ｐａは煤、タールの抑制という面での限界値である。また、加熱炉１内の構成部材としては、煤、タールなどの生成が促進しないように、非金属の材料が用いられている。
【００４３】
次に、上記熱ＣＶＤ装置により、カーボンナノチューブの形成方法について説明する。
まず、加熱室１の基板保持部材１１に、例えばＳＵＳ基板Ｋを、例えば鉄の触媒粒子が形成された表面が下向きとなるように保持させるとともに、排気装置（図示せず）により、所定の減圧下に、例えば数Ｐａ〜１０００Ｐａの範囲に、好ましくは、数十Ｐａ〜数百Ｐａに維持される。
【００４４】
そして、加熱装置１２、すなわち発熱体１３を作動させて、基板Ｋの温度を所定温度例えば６５０〜８００℃に加熱するとともに、加熱室４の外壁温度が８０℃程度またはそれ以下となるようにする。
【００４５】
上述した温度が得られると、ガス供給口５より原料ガスＧとしてアセチレンガス（Ｃ２Ｈ２）を供給して所定の反応を行わせることにより、基板Ｋ表面に、カーボンナノチューブを生成（成長）させる。
【００４６】
ところで、減圧下において、例えば１００Ｐａにおいては、窒素分子の平均自由行程は大気圧下に比べて約１０００倍程度長くなる。例えば、大気圧下では、約０．０００２ｍｍであり、１００Ｐａでは、約０．２ｍｍとなる。
【００４７】
一方、１０００Ｐａでは、煤の生成が確認されるため、温度と圧力との関数で決まる平均自由行程については、０．０２（６００℃のとき）〜０．０３（９００℃のとき）ｍｍより大きくする必要がある。
【００４８】
ここで、平均自由工程λについて説明すると、下記（１）式にて表わされる。
λ＝ｋ×Ｔ／｛（√２）ｐ×σ｝ ・・・（１）
但し、（１）式中、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｐは圧力、σは運動している反応分子の幾何学的な断面積である。
【００４９】
上記（１）式より、平均自由工程を大きくする場合には、温度を高くする、圧力を低くする、反応分子の幾何学的な断面積を小さくすればよい。実際には、温度を高くするか、圧力が低くされる。
【００５０】
例えば、平均自由行程が小さく代表長さ（基板と整流板との距離であり、整流板がない場合には、基板と邪魔板との距離である）が大きい場合は、分子同士の衝突が頻繁に起こり、壁面との衝突回数が減るため、運動量およびエネルギーが平均化されている状態であることを意味しており、一方、平均自由行程が大きく代表長さが小さい場合は、分子同士の衝突が減り、壁面との衝突回数が増えるため、運動量およびエネルギーは平均化されず（壁面は動かない、すなわち運動量およびエネルギーが常にゼロであるため、衝突による運動量およびエネルギーの交換が行なわれないから）個々の分子で異なることを意味している。
【００５１】
このことから、煤が生成しない理由としては、平均自由行程が大きくなるため、煤の原料になる核の凝集が進まないためであると考えられる。
すなわち、加熱室４内を１０００Ｐａ以下、特に数百Ｐａ以下に減圧するとともに、平均自由行程についても、０．０３ｍｍより大きくなるように、温度および圧力を制御することにより、基板Ｋ表面での煤の生成を抑止することができる。
【００５２】
したがって、上記各熱ＣＶＤ装置の構成によると、基板を下向きに保持した状態で、加熱室内に原料ガスを供給するとともに、加熱室内に設けられたガス案内用ダクト体により、当該原料ガスを基板表面に導くようになし、さらにガス案内用ダクト体内に邪魔板を配置したので、原料ガスを分散させて基板表面に均一に導くことができる。すなわち、カーボンナノチューブを効率よく形成（生成）し得るとともにその生産コストも低下させることができる。
【００５３】
また、発熱体を基板のカーボンナノチューブの形成面とは反対の上方に配置したので、原料ガスによる反応がスムーズに行われる。
さらに、邪魔板に加えて、基板の下面寄り位置に反応ガスの整流を行う整流板を配置したので、原料ガスを基板表面に、より、均一に導くことができる。
【００５４】
また、加熱室内を減圧したので、原料ガスの拡散性が向上する（優れる）ため、基板の表面全体に均一に原料ガスを供給することができ、言い換えれば、ガスの流れの影響を受けにくくなるため、製品品質の向上に繋がるとともに、複雑な形状、複雑な自由面例えば曲面に対しても、基板に触媒粒子が付着している限り、カーボンナノチューブの形成が可能となる。
【００５５】
さらに、加熱室内を減圧することにより、放射熱により基板が加熱されるため、基板の温度管理が容易になるとともに、煤、タールなどが発生しないため、酸素ガスを供給する空焼き法を用いた洗浄工程が不要となる。
【００５６】
ところで、上記実施の形態においては、ガス供給口５を１つ設けたが、図６に示すように、基板Ｋの長手方向に沿って複数、例えば３つ所定間隔おきに配置してもよい。勿論、この場合、ガス案内用ダクト体１４は、これら３つのガス供給口５から供給される原料ガスを全て基板Ｋの表面に導き得るような形状にされている。例えば、図６におけるガス案内用ダクト体１４は、その正面視形状が長方形状にされるとともに、横断面形状が逆台形状にされている。
【００５７】
また、上記実施の形態においては、ガス排出口６を加熱炉１の上壁部１ｂに設けたが、例えば図７に示すように、ガス案内用ダクト体１４の外側位置で複数個、例えば四方に１つずつ設けるようにしてもよい。ガス排出口６を四方に設けることにより、ガスの排気を均一に行うことができ、したがって基板に供給される原料ガスが均一化されやすくなり、カーボンナノチューブの均一な密度、直径および長さでの生成に寄与することができる。
【符号の説明】
【００５８】
Ｋ 基板
１ 加熱炉
２ 外壁体
３ 断熱材
４ 加熱室
５ ガス供給口
６ ガス排出口
１１ 基板保持部材
１２ 加熱装置
１３ 発熱体
１４ ガス案内用ダクト体
１５ 邪魔板
１７ 整流板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱室にカーボンを含む反応ガスを導くとともに反応ガスを加熱して当該加熱室に配置された基板の表面にカーボンナノチューブを形成し得る加熱炉を具備する熱ＣＶＤ装置であって、
上記加熱室内に、基板をそのカーボンナノチューブ形成面が下面となるように保持し得る基板保持部材を配置し、
上記基板保持部材下方の加熱炉底壁部にガス供給口を形成するとともに基板保持部材上方の加熱炉上壁部にガス排出口を形成し、
上記基板保持部材の上側に発熱体を配置し、
上記ガス供給口から導かれた反応ガスを基板保持部材の下面に導くためのガス案内用ダクト体を設け、
このガス案内用ダクト体と基板保持部材との間に反応ガスを分散させる邪魔板を設けたことを特徴とする熱ＣＶＤ装置。
【請求項２】
加熱室にカーボンを含む反応ガスを導くとともに反応ガスを加熱して当該加熱室に配置された基板の表面にカーボンナノチューブを形成し得る加熱炉を具備する熱ＣＶＤ装置であって、
上記加熱室内に、基板をそのカーボンナノチューブ形成面が下面となるように保持し得る基板保持部材を配置し、
上記基板保持部材下方の加熱炉底壁部にガス供給口を形成し、
上記基板保持部材の上側に発熱体を配置し、
上記ガス供給口から導かれた反応ガスを基板保持部材の下面に導くためのガス案内用ダクト体を設けるとともに、このガス案内ダクト体の外方位置の加熱炉底壁部にガス排出口を形成し、
上記ガス案内用ダクト体と基板保持部材との間に反応ガスを分散させる邪魔板を設けたことを特徴とする熱ＣＶＤ装置。
【請求項３】
邪魔板を、その中心がガス供給口の中心に一致するように配置したことを特徴とする請求項１または２に記載の熱ＣＶＤ装置。
【請求項４】
基板保持部材と邪魔板との間で且つ当該基板保持部材に保持される基板の下面寄り位置に、反応ガスの整流を行う整流板を配置したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の熱ＣＶＤ装置。
【請求項５】
カーボンナノチューブの形成を１０００Ｐａ以下の減圧下で行うようにしたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の熱ＣＶＤ装置。
【請求項６】
ガス案内ダクト体の水平断面形状および邪魔板の平面視形状を矩形状となし、
且つ上記ガス案内用ダクト体の高さＨ１と邪魔板のガス案内用ダクト体内における設置高さＨ２との比（Ｈ２／Ｈ１）が、０．３〜０．７の範囲に入るようにするとともに、
下記（イ）式にて示される邪魔板の設置高さにおけるガス案内ダクト体の等価水力直径Ｄ１と、下記（ロ）式にて示される邪魔板の等価水力直径Ｄ２との比（Ｄ２／Ｄ１）が、０．２５〜０．５の範囲に入るように、邪魔板の大きさを決定したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の熱ＣＶＤ装置。
Ｄ１＝４Ａ×Ｂ／｛（Ａ＋Ｂ）×２｝ ・・・（イ）
Ｄ２＝４ａ×ｂ／｛（ａ＋ｂ）×２｝ ・・・（ロ）
但し、Ａはガス案内ダクト体の長辺長さ、Ｂはガス案内ダクト体の短辺長さを示し、またＢは邪魔板の長辺長さ、Ｂは邪魔板の短辺長さを示す。
【請求項１】
加熱室にカーボンを含む反応ガスを導くとともに反応ガスを加熱して当該加熱室に配置された基板の表面にカーボンナノチューブを形成し得る加熱炉を具備する熱ＣＶＤ装置であって、
上記加熱室内に、基板をそのカーボンナノチューブ形成面が下面となるように保持し得る基板保持部材を配置し、
上記基板保持部材下方の加熱炉底壁部にガス供給口を形成するとともに基板保持部材上方の加熱炉上壁部にガス排出口を形成し、
上記基板保持部材の上側に発熱体を配置し、
上記ガス供給口から導かれた反応ガスを基板保持部材の下面に導くためのガス案内用ダクト体を設け、
このガス案内用ダクト体と基板保持部材との間に反応ガスを分散させる邪魔板を設けたことを特徴とする熱ＣＶＤ装置。
【請求項２】
加熱室にカーボンを含む反応ガスを導くとともに反応ガスを加熱して当該加熱室に配置された基板の表面にカーボンナノチューブを形成し得る加熱炉を具備する熱ＣＶＤ装置であって、
上記加熱室内に、基板をそのカーボンナノチューブ形成面が下面となるように保持し得る基板保持部材を配置し、
上記基板保持部材下方の加熱炉底壁部にガス供給口を形成し、
上記基板保持部材の上側に発熱体を配置し、
上記ガス供給口から導かれた反応ガスを基板保持部材の下面に導くためのガス案内用ダクト体を設けるとともに、このガス案内ダクト体の外方位置の加熱炉底壁部にガス排出口を形成し、
上記ガス案内用ダクト体と基板保持部材との間に反応ガスを分散させる邪魔板を設けたことを特徴とする熱ＣＶＤ装置。
【請求項３】
邪魔板を、その中心がガス供給口の中心に一致するように配置したことを特徴とする請求項１または２に記載の熱ＣＶＤ装置。
【請求項４】
基板保持部材と邪魔板との間で且つ当該基板保持部材に保持される基板の下面寄り位置に、反応ガスの整流を行う整流板を配置したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の熱ＣＶＤ装置。
【請求項５】
カーボンナノチューブの形成を１０００Ｐａ以下の減圧下で行うようにしたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の熱ＣＶＤ装置。
【請求項６】
ガス案内ダクト体の水平断面形状および邪魔板の平面視形状を矩形状となし、
且つ上記ガス案内用ダクト体の高さＨ１と邪魔板のガス案内用ダクト体内における設置高さＨ２との比（Ｈ２／Ｈ１）が、０．３〜０．７の範囲に入るようにするとともに、
下記（イ）式にて示される邪魔板の設置高さにおけるガス案内ダクト体の等価水力直径Ｄ１と、下記（ロ）式にて示される邪魔板の等価水力直径Ｄ２との比（Ｄ２／Ｄ１）が、０．２５〜０．５の範囲に入るように、邪魔板の大きさを決定したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の熱ＣＶＤ装置。
Ｄ１＝４Ａ×Ｂ／｛（Ａ＋Ｂ）×２｝ ・・・（イ）
Ｄ２＝４ａ×ｂ／｛（ａ＋ｂ）×２｝ ・・・（ロ）
但し、Ａはガス案内ダクト体の長辺長さ、Ｂはガス案内ダクト体の短辺長さを示し、またＢは邪魔板の長辺長さ、Ｂは邪魔板の短辺長さを示す。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−１４８６５８（Ｐ２０１１−１４８６５８Ａ）
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１５１２（Ｐ２０１０−１１５１２）
【出願日】平成２２年１月２２日（２０１０．１．２２）
【出願人】（０００００５１１９）日立造船株式会社 (764)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月２２日（２０１０．１．２２）
【出願人】（０００００５１１９）日立造船株式会社 (764)
【Ｆターム（参考）】
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