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JP7671057B2 - Method for fabricating carbon nanomaterial-containing films - Google Patents
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JP7671057B2 - Method for fabricating carbon nanomaterial-containing films - Google Patents

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Description

本発明の実施形態の一つは、炭素ナノ材料を含む膜の加工方法に関する。例えば、本発明の実施形態の一つは、基板上に形成されたグラフェン含有膜をウェットエッチングによってパターニングするための方法に関する。 One embodiment of the present invention relates to a method for processing a film containing a carbon nanomaterial. For example, one embodiment of the present invention relates to a method for patterning a graphene-containing film formed on a substrate by wet etching.

カーボンナノチューブやグラフェン、フラーレンなどに例示される炭素ナノ材料はsp2炭素原子によって構成される材料であり、その特異的な二次元または三次元構造に起因して極めて高い電子移動度、導電性、熱伝導性、力学特性を示す。このため、炭素ナノ材料は種々の分野において既存材料にとって代わる新規材料として注目を集めている。炭素ナノ材料を含む膜を加工してパターニングすることにより、炭素ナノ材料の優れた電気的性質を活用した電子デバイスを作製することも可能である。例えば特許文献1と2および非特許文献1から3には、基板上に形成されたグラフェン薄膜に対してエッチング加工を施すことでパターニングを行う方法が開示されている。 Carbon nanomaterials, such as carbon nanotubes, graphene, and fullerenes, are materials composed of sp2 carbon atoms, and due to their unique two-dimensional or three-dimensional structure, they exhibit extremely high electron mobility, electrical conductivity, thermal conductivity, and mechanical properties. For this reason, carbon nanomaterials have attracted attention as new materials to replace existing materials in various fields. By processing and patterning a film containing a carbon nanomaterial, it is also possible to fabricate electronic devices that utilize the excellent electrical properties of carbon nanomaterials. For example, Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Documents 1 to 3 disclose a method of patterning a graphene thin film formed on a substrate by etching it.

特開2014-172792号公報JP 2014-172792 A 特開2013-225649号公報JP 2013-225649 A

ベル,D.C.(Bell,D.C.)、外3名、「ヘリウムイオンによるグラフェンの精密切断とパターニング(Precision Cutting and Patterning of Graphene with Helium Ions)」、ナノテクノロジー(Nanotechnology)、(英国)、2009年、第20巻、455301Bell, D. C., et al., "Precision Cutting and Patterning of Graphene with Helium Ions," Nanotechnology, (UK), 2009, Vol. 20, 455301. コン,C.X.(Cong,C.X.),他5名、「ナノ球状リソグラフィーを用いるグラフェンナノディスクアレイの作製(Fabrication of Graphene Nanodisk Arrays Using Nanosphere Lithography)」、ジャーナルオブフィジカルケミストリー C(Journal of Physical Chemistry C)、(米国)、2009年、第113巻、p6529-6532Cong, C. X., and five others, "Fabrication of Graphene Nanodisk Arrays Using Nanosphere Lithography," Journal of Physical Chemistry C, (USA), 2009, Vol. 113, pp. 6529-6532 レム,M.C.(Lemme,M.C.)、外6名、「ヘリウムイオンビームによるグラフェンデバイスのエッチング(Etching of Graphene Devices with a Helium Ion Beam)」、エーシーエスナノ(ACS Nano)、(米国)、2009年、第9巻p2674-2676Lemme, M. C., et al., "Etching of Graphene Devices with a Helium Ion Beam," ACS Nano, (USA), 2009, Vol. 9, pp. 2674-2676

本発明の実施形態の一つは、炭素ナノ材料を含む膜をエッチング加工するための新規な方法を提供することを課題の一つとする。例えば、本発明の実施形態の一つは、基板上に形成されたグラフェン含有膜を容易にかつ速やかにエッチング加工するための方法を提供することを課題の一つとする。 One of the embodiments of the present invention aims to provide a novel method for etching a film containing a carbon nanomaterial. For example, one of the embodiments of the present invention aims to provide a method for easily and quickly etching a graphene-containing film formed on a substrate.

本発明の実施形態の一つは、炭素ナノ材料含有膜を加工する方法である。この方法は、基板上の炭素ナノ材料含有膜上にレジストマスクおよび/または金属マスクを形成すること、酸化剤を含むエッチャントの存在下、炭素ナノ材料含有膜に光照射すること、並びにレジストマスクおよび/または金属マスクを除去することを含む。 One embodiment of the present invention is a method for processing a carbon nanomaterial-containing film. The method includes forming a resist mask and/or a metal mask on a carbon nanomaterial-containing film on a substrate, irradiating the carbon nanomaterial-containing film with light in the presence of an etchant that includes an oxidizing agent, and removing the resist mask and/or the metal mask.

炭素ナノ材料は、カーボンナノチューブ、グラフェン、およびフラーレンから選択することができる。また、炭素ナノ材料含有膜は単層のグラフェンまたはグラフェンの積層膜であってもよい。 The carbon nanomaterial may be selected from carbon nanotubes, graphene, and fullerenes. The carbon nanomaterial-containing film may be a single layer of graphene or a laminated film of graphene.

酸化剤は次亜塩素酸と次亜塩素酸ナトリウムから選択することができる。エッチャント中における酸化剤の濃度は、例えば1重量%以上25重量%の範囲内から調整すればよい。エッチャントは界面活性剤をさらに含んでもよく、その濃度は例えば0.01重量%以上10重量%以下から選択される。界面活性剤はイオン性界面活性剤でも非イオン性界面活性剤でもよい。 The oxidizing agent can be selected from hypochlorous acid and sodium hypochlorite. The concentration of the oxidizing agent in the etchant can be adjusted, for example, within the range of 1% by weight to 25% by weight. The etchant may further contain a surfactant, the concentration of which is selected, for example, from 0.01% by weight to 10% by weight. The surfactant may be an ionic surfactant or a nonionic surfactant.

光照射は、酸化剤を励起するように行われる。例えば、光照射は、炭素ナノ材料含有膜がエッチャント中に浸漬された状態で行えばよい。光照射では、200nm以上400nm以下の範囲から選択される波長の光を含む光を使用することができる。 The light irradiation is performed so as to excite the oxidizing agent. For example, the light irradiation may be performed while the carbon nanomaterial-containing film is immersed in the etchant. The light irradiation may use light having a wavelength selected from the range of 200 nm to 400 nm.

本発明の実施形態の一つにより、穏和な条件下、短時間で炭素ナノ材料含有膜をエッチング加工することができ、パターニングされた炭素ナノ材料含有膜を形成することができる。 One embodiment of the present invention allows a carbon nanomaterial-containing film to be etched under mild conditions in a short time, forming a patterned carbon nanomaterial-containing film.

本発明の実施形態の一つに係る炭素ナノ材料含有膜を加工する方法を示す模式的断面図である。1A to 1C are schematic cross-sectional views showing a method for processing a carbon nanomaterial-containing film according to one embodiment of the present invention. 実施例1のグラフェン含有膜の光学顕微鏡写真である。図2(A)はエッチング前、図2(B)と図2(C)はエッチャントに浸漬した状態で光照射をそれぞれ5分、20分行った後、図2(D)はエッチャントに浸漬した状態で光照射せずに120分静置した後の写真である。2A and 2B are optical microscope photographs of the graphene-containing film of Example 1. Fig. 2A is a photograph before etching, Fig. 2B and Fig. 2C are photographs after immersing in an etchant and irradiating the film with light for 5 minutes and 20 minutes, respectively, and Fig. 2D is a photograph after immersing in an etchant and leaving the film for 120 minutes without irradiating the film with light. 図3(A)と図3(B)は、それぞれ図2(A)と図2(B)に示された測定点1から4のラマンスペクトルである。3(A) and 3(B) are Raman spectra of measurement points 1 to 4 shown in FIG. 2(A) and FIG. 2(B), respectively. 図4(A)と図4(B)は、それぞれ図2(C)と図2(D)に示された測定点1から4のラマンスペクトルである。4(A) and 4(B) are Raman spectra of measurement points 1 to 4 shown in FIG. 2(C) and FIG. 2(D), respectively. 実施例2のグラフェン含有膜の光学顕微鏡写真である。図5(A)はエッチング前、図5(B)はエッチャントに浸漬した状態で光照射を5分行った後の写真である。5A and 5B are optical microscope photographs of the graphene-containing film of Example 2. Fig. 5A is a photograph before etching, and Fig. 5B is a photograph after 5 minutes of light irradiation in a state where the graphene-containing film was immersed in an etchant. 図6(A)と図6(B)は、それぞれ図5(A)と図5(B)に示された測定点1から4のラマンスペクトルである。6(A) and 6(B) are Raman spectra of measurement points 1 to 4 shown in FIG. 5(A) and FIG. 5(B), respectively. 図7(A)は実施例3におけるエッチング前のグラフェン含有膜の光学顕微鏡写真であり、図7(B)は図7(A)中の点線四角形領域のラマンスペクトルの2Dバンドピーク強度のマッピング図である。FIG. 7A is an optical microscope photograph of the graphene-containing film before etching in Example 3, and FIG. 7B is a mapping diagram of 2D band peak intensity in the Raman spectrum of the dotted square region in FIG. 7A. 図8(A)は実施例3におけるエッチング後のグラフェン含有膜の光学顕微鏡写真であり、図8(B)は図8(A)中の点線四角形領域のラマンスペクトルの2Dバンドピーク強度のマッピング図である。FIG. 8A is an optical microscope image of the graphene-containing film after etching in Example 3, and FIG. 8B is a mapping diagram of 2D band peak intensity of the Raman spectrum of the dotted square region in FIG. 8A. 図9(A)は実施例3におけるエッチング後のグラフェン含有膜の原子間力顕微鏡(AFM)によって取得された位相分布像であり、図9(B)は図9(A)中の直線A-A´に沿った高さ解析結果である。FIG. 9A is a phase distribution image of the graphene-containing film after etching in Example 3 obtained by an atomic force microscope (AFM), and FIG. 9B is a height analysis result along the line A-A′ in FIG. 9A. 本発明の実施形態の一つに係る炭素ナノ材料含有膜を加工する方法を示す模式的断面図である。1A to 1C are schematic cross-sectional views showing a method for processing a carbon nanomaterial-containing film according to one embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の一つに係る炭素ナノ材料含有膜を加工する方法を示す模式的断面図である。1A to 1C are schematic cross-sectional views showing a method for processing a carbon nanomaterial-containing film according to one embodiment of the present invention. 図12(A)は実施例4におけるメタルマスク形成後の試料Aの光学顕微鏡写真であり、図12(B)左図はエッチング後の試料Aの光学顕微鏡写真であり、図12(B)右図は同左図の点線四角形領域のラマンスペクトルの2Dバンドピーク強度のマッピング図である。FIG. 12(A) is an optical microscope photograph of sample A after the formation of a metal mask in Example 4, the left diagram in FIG. 12(B) is an optical microscope photograph of sample A after etching, and the right diagram in FIG. 12(B) is a mapping diagram of 2D band peak intensities in the Raman spectrum of the dotted rectangular region in the left diagram. 図13(A)は実施例4におけるメタルマスク形成後の試料Aの光学顕微鏡写真であり、図13(B)はエッチング後の試料Aの光学顕微鏡写真であり、図13(C)左図は図13(B)の点線四角形の部分の拡大図であり、同右図は同左図の点線四角形領域のラマンスペクトルの2Dバンドピーク強度のマッピング図である。FIG. 13(A) is an optical microscope photograph of sample A after the formation of a metal mask in Example 4, FIG. 13(B) is an optical microscope photograph of sample A after etching, and the left diagram in FIG. 13(C) is an enlarged view of the dotted rectangular portion in FIG. 13(B), and the right diagram in FIG. 13(C) is a mapping diagram of 2D band peak intensity of the Raman spectrum of the dotted rectangular region in the left diagram.

以下、本出願で開示される発明の実施形態について説明する。以下の実施形態によりもたらされる作用効果とは異なる他の作用効果であっても、本明細書の記載から明らかなもの、または、当業者において容易に予測し得るものについては、当然に本発明によりもたらされるものと理解される。 The following describes the embodiments of the invention disclosed in this application. Even if there are other effects and advantages different from those brought about by the following embodiments, those that are clear from the description in this specification or that can be easily predicted by a person skilled in the art are naturally understood to be brought about by the present invention.

本発明の実施形態の一つは、炭素ナノ材料を含む膜をエッチングによって加工するための方法である。以下、本加工方法を模式的断面図である図1(A)から図1(D)を用いて説明する。 One embodiment of the present invention is a method for processing a film containing a carbon nanomaterial by etching. This processing method will be described below with reference to the schematic cross-sectional views of Figures 1(A) to 1(D).

1.加工方法のフロー
本加工方法では、まず、図1(A)に示すように、炭素ナノ材料含有膜110を基板100上に形成する。その後、フォトレジスト102を炭素ナノ材料含有膜110上に形成し、フォトマスク104を介してフォトレジスト102を露光する(図1(B))。露光されたフォトレジスト102は現像され、フォトマスク104のパターンに対応するレジストマスク106を得る(図1(C))。この後、炭素ナノ材料含有膜110がエッチャント108と接触するよう、炭素ナノ材料含有膜110とレジストマスク106が形成された基板100をエッチャント108に浸漬する(図1(C))。この状態において、レジストマスク106から露出した炭素ナノ材料含有膜110に対して光照射を行い、炭素ナノ材料含有膜110を部分的に酸化的分解する。引き続き、レジストマスク106を除去することで、レジストマスク106に覆われて酸化分解されなかった炭素ナノ材料含有膜110を基板100上に残存させ、パターニングされた炭素ナノ材料膜112が形成される(図1(D))。上記一連のプロセスにより、レジストマスク106の配置パターンに対応した形状を有する炭素ナノ材料含有膜110を基板100上に形成することができる。以下、この一連のプロセスについて詳細に説明する。
1. Processing method flow In this processing method, first, as shown in FIG. 1(A), a carbon nanomaterial-containing film 110 is formed on a substrate 100. Then, a photoresist 102 is formed on the carbon nanomaterial-containing film 110, and the photoresist 102 is exposed through a photomask 104 (FIG. 1(B)). The exposed photoresist 102 is developed to obtain a resist mask 106 corresponding to the pattern of the photomask 104 (FIG. 1(C)). After this, the substrate 100 on which the carbon nanomaterial-containing film 110 and the resist mask 106 are formed is immersed in an etchant 108 so that the carbon nanomaterial-containing film 110 comes into contact with the etchant 108 (FIG. 1(C)). In this state, the carbon nanomaterial-containing film 110 exposed from the resist mask 106 is irradiated with light, and the carbon nanomaterial-containing film 110 is partially oxidatively decomposed. Subsequently, the resist mask 106 is removed, so that the carbon nanomaterial-containing film 110 that is covered by the resist mask 106 and has not been oxidatively decomposed remains on the substrate 100, forming a patterned carbon nanomaterial film 112 (FIG. 1(D)). Through the above series of processes, the carbon nanomaterial-containing film 110 having a shape corresponding to the arrangement pattern of the resist mask 106 can be formed on the substrate 100. This series of processes will be described in detail below.

2.基板
基板100に含まれる材料に特に制約は課されず、シリコンやゲルマニウムなどの半導体、窒化ガリウムやリン化インジウム、テルル化カドミウムなどの化合物半導体、アルミナやサファイア、酸化ジルコニウムなどのセラミック、ガラスや石英などのケイ素酸化物、ポリイミドやポリカルボナートなどの高分子でもよい。基板は可撓性を有していてもよい。典型的な例としては、単結晶シリコン基板やガラス基板、サファイア基板、石英基板などが挙げられる。
2. Substrate There are no particular limitations on the material contained in the substrate 100, and it may be a semiconductor such as silicon or germanium, a compound semiconductor such as gallium nitride, indium phosphide, or cadmium telluride, a ceramic such as alumina, sapphire, or zirconium oxide, a silicon oxide such as glass or quartz, or a polymer such as polyimide or polycarbonate. The substrate may be flexible. Typical examples include a single crystal silicon substrate, a glass substrate, a sapphire substrate, and a quartz substrate.

3.炭素ナノ材料含有膜
炭素ナノ材料としては、カーボンナノチューブ、グラフェン、フラーレンが挙げられる。
3. Carbon Nanomaterial-Containing Film Carbon nanomaterials include carbon nanotubes, graphene, and fullerene.

炭素ナノ材料としてカーボンナノチューブを用いる場合、その構造に制限はなく、単層カーボンナノチューブでも多層カーボンナノチューブでもよい。カーボンナノチューブは、その端部がキャップされていてもよく、一方、あるいは両方の端部が開いた構造を有していてもよい。したがって、所謂カーボンナノホーンと呼ばれる炭素ナノ材料も本加工方法に用いることができる。また、カーボンナノチューブ内部にフラーレンが内包したピーポットを用いてもよい。カーボンナノチューブの長さにも制約はない。 When carbon nanotubes are used as the carbon nanomaterial, there is no restriction on their structure, and they may be single-walled or multi-walled carbon nanotubes. The ends of the carbon nanotubes may be capped, or one or both ends may be open. Therefore, carbon nanomaterials known as carbon nanohorns may also be used in this processing method. Peapods, which contain fullerenes inside carbon nanotubes, may also be used. There is no restriction on the length of the carbon nanotubes.

炭素ナノ材料としてグラフェンを用いる場合には、炭素ナノ材料含有膜110は、グラフェンの単層膜でもよく、複数のグラフェンが積層したオリゴグラフェン、ナノグラフェン、酸化グラフェン、もしくはグラファイトを含む膜でもよい。また、グラフェンの基本骨格の一部が酸化されていてもよい。 When graphene is used as the carbon nanomaterial, the carbon nanomaterial-containing film 110 may be a single layer of graphene, or may be a film containing oligographene, nanographene, graphene oxide, or graphite, in which multiple graphenes are stacked. In addition, a part of the basic skeleton of graphene may be oxidized.

炭素ナノ材料としてフラーレンを用いる場合、C60やC70のみならず、C74、C76、C78などを用いてもよい。また、スカンジウムやランタン、セリウムなどの金属イオンを内包したフラーレンを用いてもよく、あるいは一部の炭素が修飾され、エステル基などの官能基を有するフラーレンを用いてもよい。 When fullerene is used as the carbon nanomaterial, not only C60 and C70 but also C74 , C76 , C78 , etc. may be used. Also, fullerene containing metal ions such as scandium, lanthanum, cerium, etc. may be used, or fullerene in which some of the carbon is modified and has functional groups such as ester groups may be used.

炭素ナノ材料含有膜110の形成は、公知の方法を適宜選択して行うことができる。例えば炭素ナノ材料を含む分散液を調製し、この懸濁液をスピンコート法、ディップコーティング法、印刷法などの湿式成膜法を適用して基板100上に塗布し、その後溶媒を蒸発させることで炭素ナノ材料含有膜110を形成することができる。分散液の溶媒は水でもよく、あるいはカーボナート類、エーテル類、ケトン類、アルコール類、炭化水素類、ハロゲン含有炭化水素類、エステル類、カルボン酸類、アミン類、アミド類、ニトロアルカン類、硫黄化合物類などから選択される有機溶媒を用いてもよい。また、分散液には、界面活性剤などの分散剤を添加してもい。ただし、パターニング後の炭素ナノ材料含有膜110の電気的特性に影響が及ばないよう、分散剤を用いない、またはその濃度が低くなるように分散液を調整することが好ましい。 The carbon nanomaterial-containing film 110 can be formed by appropriately selecting a known method. For example, a dispersion liquid containing a carbon nanomaterial is prepared, and the suspension is applied to the substrate 100 by applying a wet film formation method such as a spin coating method, a dip coating method, or a printing method, and then the solvent is evaporated to form the carbon nanomaterial-containing film 110. The solvent of the dispersion liquid may be water, or an organic solvent selected from carbonates, ethers, ketones, alcohols, hydrocarbons, halogen-containing hydrocarbons, esters, carboxylic acids, amines, amides, nitroalkanes, sulfur compounds, etc. may be used. A dispersant such as a surfactant may also be added to the dispersion liquid. However, it is preferable to adjust the dispersion liquid so that no dispersant is used or the concentration of the dispersant is low so as not to affect the electrical properties of the carbon nanomaterial-containing film 110 after patterning.

あるいは、基板100上にカーボンナノチューブまたはグラフェンを生成するための触媒を固定し、基板100の表面からカーボンナノチューブまたはグラフェンを成長させてもよい。具体的には、真空蒸着法や有機金属CVD(MOCVD)法、スパッタリング法などを用いて鉄、コバルト、ニッケル、または銅などの金属を含む触媒層を基板100上に形成する。必要に応じ、触媒層を水素などの還元性ガスの存在下で加熱処理してもよい。あるいは、金属の微粒子を含む分散液を基板100上に塗布して触媒層を形成してもよい。その後、熱CVD法を利用してカーボンナノチューブまたはグラフェンを成長させる。例えば、ベンゼンやアセチレン、一酸化炭素、メタン、エタノールなどの原料ガスの存在下、基板100を600℃から1200℃の温度で加熱する。熱CVD法に替わってプラズマCVD法を用いる場合には、400℃から600℃の温度で加熱を行ってもよい。これにより、触媒を基点としてカーボンナノチューブまたはグラフェンが成長し、基板100上に炭素ナノ材料含有膜110を形成することができる。 Alternatively, a catalyst for producing carbon nanotubes or graphene may be fixed on the substrate 100, and carbon nanotubes or graphene may be grown from the surface of the substrate 100. Specifically, a catalyst layer containing metals such as iron, cobalt, nickel, or copper is formed on the substrate 100 using a vacuum deposition method, a metal organic CVD (MOCVD) method, a sputtering method, or the like. If necessary, the catalyst layer may be heat-treated in the presence of a reducing gas such as hydrogen. Alternatively, a dispersion liquid containing fine metal particles may be applied to the substrate 100 to form a catalyst layer. Then, carbon nanotubes or graphene are grown using a thermal CVD method. For example, the substrate 100 is heated at a temperature of 600°C to 1200°C in the presence of a raw material gas such as benzene, acetylene, carbon monoxide, methane, or ethanol. When a plasma CVD method is used instead of the thermal CVD method, heating may be performed at a temperature of 400°C to 600°C. This allows carbon nanotubes or graphene to grow from the catalyst as a base point, forming a carbon nanomaterial-containing film 110 on the substrate 100.

グラフェンを用いる場合には、基板100上での酸化グラフェンの還元によって炭素ナノ材料含有膜110を形成してもよい。具体的には、グラファイト粉末を過マンガン酸カリウムや二クロム酸カリウム、過酸化水素などの酸化剤を用いて酸化し、その後、酸化によって生成する酸化グラフェンを水などの溶媒に分散させて分散液を得る。この分散液を基板100上に塗布し、酸化グラフェンを含む膜を形成する。引き続き、大気下において水銀ランプなどの光源からの光を酸化グラフェンを含む膜に照射する。光照射によって酸化グラフェン中の酸素が脱離し、グラフェン含む炭素ナノ材料含有膜110が基板100上に形成される。 When graphene is used, the carbon nanomaterial-containing film 110 may be formed by reducing graphene oxide on the substrate 100. Specifically, graphite powder is oxidized using an oxidizing agent such as potassium permanganate, potassium dichromate, or hydrogen peroxide, and then the graphene oxide produced by the oxidation is dispersed in a solvent such as water to obtain a dispersion. This dispersion is applied to the substrate 100 to form a film containing graphene oxide. Next, the film containing graphene oxide is irradiated with light from a light source such as a mercury lamp in the atmosphere. Oxygen in the graphene oxide is released by the light irradiation, and the carbon nanomaterial-containing film 110 containing graphene is formed on the substrate 100.

あるいは、他の支持基板上に形成された炭素ナノ材料含有膜110上に基板100を貼り合わせ、炭素ナノ材料含有膜110を支持基板から基板100へ転写してもよい。例えば、表面に鉄、コバルト、ニッケル、または銅などの金属を含む薄膜が形成された支持基板を用い、CVD法を適用し、金属を触媒としてカーボンナノチューブまたはグラフェンを成長させる。その後、ポリメタクリル酸メチル、ポリ(エチレンテレフタレート)、ポリイミドなどの高分子を含む膜でカーボンナノチューブまたはグラフェンを含む膜をコーティングする。この後、基板100を高分子膜を介して貼り合わせ、さらに金属を含む薄膜を塩化鉄溶液などによって化学的に除去することで、カーボンナノチューブまたはグラフェンを含む炭素ナノ材料含有膜110が支持基板から基板100へ転写される。 Alternatively, the substrate 100 may be bonded to the carbon nanomaterial-containing film 110 formed on another support substrate, and the carbon nanomaterial-containing film 110 may be transferred from the support substrate to the substrate 100. For example, a support substrate having a thin film containing a metal such as iron, cobalt, nickel, or copper formed on its surface is used, and the CVD method is applied to grow carbon nanotubes or graphene using the metal as a catalyst. The film containing carbon nanotubes or graphene is then coated with a film containing a polymer such as polymethylmethacrylate, poly(ethylene terephthalate), or polyimide. The substrate 100 is then bonded via the polymer film, and the thin film containing the metal is chemically removed using an iron chloride solution or the like, so that the carbon nanomaterial-containing film 110 containing carbon nanotubes or graphene is transferred from the support substrate to the substrate 100.

4.レジストマスクの作製
レジストマスク106の作製も公知の方法や材料を適用することで行うことができる。具体的には、炭素ナノ材料含有膜110が形成された基板100上にフォトレジスト102を湿式成膜法を利用して塗布し、溶媒を蒸発させる。あるいは、固体のレジストフィルムを炭素ナノ材料含有膜110が形成された基板100上に配置してフォトレジスト102を形成してもよい。後述するように、本加工方法ではエッチングの際に炭素ナノ材料含有膜110に対して光照射を行う。したがって、エッチング時の光照射によってレジストマスク106が可溶化しないよう、ネガ型のフォトレジストを用いることが好ましい。
4. Preparation of Resist Mask The resist mask 106 can also be prepared by applying known methods and materials. Specifically, the photoresist 102 is applied to the substrate 100 on which the carbon nanomaterial-containing film 110 is formed by using a wet film formation method, and the solvent is evaporated. Alternatively, the photoresist 102 may be formed by placing a solid resist film on the substrate 100 on which the carbon nanomaterial-containing film 110 is formed. As will be described later, in this processing method, the carbon nanomaterial-containing film 110 is irradiated with light during etching. Therefore, it is preferable to use a negative photoresist so that the resist mask 106 is not solubilized by light irradiation during etching.

その後、所望のパターンで透光部104aと遮光部104bが形成されたフォトマスク104をフォトレジスト102上に配置し、フォトレジスト102に対してフォトマスク104を介して露光する(図1(B))。引き続き、フォトレジスト102をアルカリ性水溶液などのエッチャントを用いて現像し、パターニングされたフォトレジスト102、すなわちレジストマスク106を得る(図1(C))。なお、図1(C)は、ネガ型のフォトレジスト102を使用した例が示されており、透光部104aに対応する領域にレジストマスク106が形成される。図示しないが、露光装置としてステッパー(縮小投影型露光装置)や直接描画装置を用いてもよい。前者では、フォトマスク104を透過した光源からの光が投影レンズによって集光され、集光された光がフォトレジスト102に照射される。後者では、フォトマスク104を用いず、レーザ光がフォトレジスト102に直接照射される。 After that, a photomask 104 with a desired pattern of transparent parts 104a and light-shielding parts 104b is placed on the photoresist 102, and the photoresist 102 is exposed through the photomask 104 (FIG. 1(B)). The photoresist 102 is then developed using an etchant such as an alkaline aqueous solution to obtain a patterned photoresist 102, i.e., a resist mask 106 (FIG. 1(C)). Note that FIG. 1(C) shows an example in which a negative photoresist 102 is used, and a resist mask 106 is formed in the area corresponding to the transparent parts 104a. Although not shown, a stepper (reduced projection exposure device) or a direct drawing device may be used as the exposure device. In the former, light from a light source that has passed through the photomask 104 is collected by a projection lens, and the collected light is irradiated onto the photoresist 102. In the latter, the photomask 104 is not used, and laser light is directly irradiated onto the photoresist 102.

なお、レジストマスク106に替わり、またはレジストマスク106と共に、金属を含むメタルマスクを用いてもよい。例えば図10(A)に示すように、炭素ナノ材料含有膜110が形成された基板100上に開口122aを有する蒸着マスク122を配置する。その後、金属を高真空下で加熱・気化させる。これにより、金属蒸気が開口122aを介して炭素ナノ材料含有膜110上に付着・固化し、開口122aのパターンが反映されたメタルマスク124が得られる(図10(B))。ここで用いる金属としては、後述する炭素ナノ材料含有膜110のエッチングに用いられるエッチャントに含まれる酸化剤に対して耐性を有する金属であればよく、例えば金や白金が挙げられる。 In addition, a metal mask containing a metal may be used instead of the resist mask 106 or together with the resist mask 106. For example, as shown in FIG. 10(A), a deposition mask 122 having an opening 122a is placed on the substrate 100 on which the carbon nanomaterial-containing film 110 is formed. The metal is then heated and vaporized under high vacuum. As a result, the metal vapor adheres and solidifies on the carbon nanomaterial-containing film 110 through the opening 122a, and a metal mask 124 reflecting the pattern of the opening 122a is obtained (FIG. 10(B)). The metal used here may be any metal that is resistant to the oxidizing agent contained in the etchant used to etch the carbon nanomaterial-containing film 110 described later, such as gold or platinum.

あるいは、上記の開口122aを有する蒸着マスク122を利用せず、上述したプロセスにより作成したレジストマスク106を利用してメタルマスク124を形成してもよい。すなわち、図11(A)に示すように、レジストマスク106が形成された炭素ナノ材料含有膜110上に蒸着によって金属膜126を形成する。その後、レジストマスク106を加熱または有機溶媒により除去し、金などの金属を含む、パターニングされたメタルマスク124を形成することができる(図11(B))。この場合には、フォトレジスト102は、ネガ型でもポジ型でもよい。 Alternatively, the metal mask 124 may be formed using the resist mask 106 created by the above-mentioned process, without using the deposition mask 122 having the openings 122a. That is, as shown in FIG. 11(A), a metal film 126 is formed by deposition on the carbon nanomaterial-containing film 110 on which the resist mask 106 is formed. The resist mask 106 is then removed by heating or an organic solvent, and a patterned metal mask 124 containing a metal such as gold can be formed (FIG. 11(B)). In this case, the photoresist 102 may be either negative or positive.

5.炭素ナノ材料含有膜のエッチング
レジストマスク106の形成後、炭素ナノ材料含有膜110に対してエッチングが行われる。エッチングは、エッチャント存在下、炭素ナノ材料含有膜110に対して光を照射することによって行われる。より具体的には、炭素ナノ材料含有膜110とレジストマスク106が形成された基板100を酸化剤を含むエッチャント108が入れられた容器120内に配置し、炭素ナノ材料含有膜110をエッチャント108に浸漬させる。この状態で炭素ナノ材料含有膜110に対して光照射を行う(図1(C))。光は基板100の上面(炭素ナノ材料含有膜110が形成された面)から照射すればよいが、照射される光が基板100を透過する場合には、上面とは反対側の下面から照射してもよい。
5. Etching of the carbon nanomaterial-containing film After the resist mask 106 is formed, the carbon nanomaterial-containing film 110 is etched. The etching is performed by irradiating the carbon nanomaterial-containing film 110 with light in the presence of an etchant. More specifically, the substrate 100 on which the carbon nanomaterial-containing film 110 and the resist mask 106 are formed is placed in a container 120 containing an etchant 108 containing an oxidizing agent, and the carbon nanomaterial-containing film 110 is immersed in the etchant 108. In this state, the carbon nanomaterial-containing film 110 is irradiated with light (FIG. 1(C)). The light may be irradiated from the upper surface of the substrate 100 (the surface on which the carbon nanomaterial-containing film 110 is formed), but if the irradiated light passes through the substrate 100, it may be irradiated from the lower surface opposite to the upper surface.

エッチャントに含まれる酸化剤としては、次亜塩素酸や亜塩素酸、塩素酸などの塩素系オキソ酸やその塩、オゾン、過酸化水素、過マンガン酸カリウムなどの過マンガン酸金属塩、クロム酸カリウムや二クロム酸カリウムなどのクロム酸金属塩、塩素やヨウ素、臭素などのハロゲンなどが挙げられる。これらの中でも、酸化力が高く、廃棄処理が容易であり、かつ、光によって速やかに分解される塩素系オキソ酸またはその金属塩が好ましい。塩素系オキソ酸としては次亜塩素酸が典型的な例であり、その金属塩としては、次亜塩素酸ナトリウム、次亜塩素酸カリウム、次亜塩素酸カルシウムなどが挙げられる。 The oxidizing agents contained in the etchant include chlorine-based oxoacids such as hypochlorous acid, chlorous acid, and chloric acid, and their salts, ozone, hydrogen peroxide, metal permanganates such as potassium permanganate, metal chromates such as potassium chromate and potassium dichromate, and halogens such as chlorine, iodine, and bromine. Among these, chlorine-based oxoacids or their metal salts are preferred, as they have high oxidizing power, are easy to dispose of, and are rapidly decomposed by light. A typical example of a chlorine-based oxoacid is hypochlorous acid, and examples of its metal salts include sodium hypochlorite, potassium hypochlorite, and calcium hypochlorite.

エッチャントを構成する溶媒としては、酸化剤を十分に溶解する溶媒であれば良く、安価で毒性の無い水が典型的な例である。エッチャントには、水に加え、親水性が高く、かつ、レジストマスク106を膨潤させない有機溶媒が含まれていてもよい。例えば、エタノールやイソプロパノールなどのアルコール系溶媒、アセトンやメチルエチルケトンなどのケトン系溶媒、N,N-ジメチルホルムアミドやN,N-ジメチルアセトアミドなどのアミド系溶媒が含まれていてもよい。エッチャント中の酸化剤の濃度は、炭素ナノ材料含有膜110に含まれる炭素ナノ材料の種類や厚さにも依存するが、例えば1重量%以上25重量%以下または1重量%以上20重量%以下の範囲から選択することができる。この範囲で酸化剤濃度を選択することにより、十分なエッチング速度が得られるとともに、エッチング後に残存する酸化剤を容易に除去することができる。 The solvent constituting the etchant may be any solvent that sufficiently dissolves the oxidizing agent, and water, which is inexpensive and non-toxic, is a typical example. In addition to water, the etchant may contain an organic solvent that is highly hydrophilic and does not swell the resist mask 106. For example, it may contain an alcohol-based solvent such as ethanol or isopropanol, a ketone-based solvent such as acetone or methyl ethyl ketone, or an amide-based solvent such as N,N-dimethylformamide or N,N-dimethylacetamide. The concentration of the oxidizing agent in the etchant depends on the type and thickness of the carbon nanomaterial contained in the carbon nanomaterial-containing film 110, but can be selected from a range of, for example, 1% by weight to 25% by weight or 1% by weight to 20% by weight. By selecting the oxidizing agent concentration within this range, a sufficient etching rate can be obtained and the oxidizing agent remaining after etching can be easily removed.

エッチャント108には、さらに界面活性剤が含まれていてもよい。界面活性剤の種類に制約はなく、イオン性界面活性剤でも非イオン性界面活性剤でもよい。前者の例としては、飽和もしくは不飽和の脂肪族カルボン酸塩、アルキル硫酸塩、ポリオキシエチレン硫酸塩、アルキルベンゼンスルホン酸塩、アルキルリン酸塩、テトラアルキルアンモニウム塩、トリアルキルアミンオキシド、アンモニウムカチオンとカルボキシラートアニオンを有するベタインなどが挙げられる。後者の例としては、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、脂肪酸ソルビタンエステル、アルキルポリグルコシド、脂肪酸ジエタノールアミド、アルキルモノグリセリルエーテルなどが挙げられる。エッチャント108中の界面活性剤の濃度にも制約はなく、例えば0.1重量%以上10重量%以下の範囲から選択することができる。界面活性剤の濃度を上記濃度範囲から選択することで、エッチングの加速が可能であり、エッチング中における発泡が抑制でき、かつ、エッチング後の洗浄によって界面活性剤を容易に除去することができる。 The etchant 108 may further contain a surfactant. There is no restriction on the type of surfactant, and it may be an ionic surfactant or a nonionic surfactant. Examples of the former include saturated or unsaturated aliphatic carboxylates, alkyl sulfates, polyoxyethylene sulfates, alkylbenzene sulfonates, alkyl phosphates, tetraalkylammonium salts, trialkylamine oxides, and betaines having an ammonium cation and a carboxylate anion. Examples of the latter include polyoxyethylene alkyl ethers, fatty acid sorbitan esters, alkyl polyglucosides, fatty acid diethanolamides, and alkyl monoglyceryl ethers. There is no restriction on the concentration of the surfactant in the etchant 108, and it may be selected from a range of, for example, 0.1% by weight or more and 10% by weight or less. By selecting the concentration of the surfactant from the above concentration range, etching can be accelerated, foaming during etching can be suppressed, and the surfactant can be easily removed by washing after etching.

光照射に用いられる光源は、酸化剤の吸収波長に対応する光を照射可能な光源であればよい。このように光源を選択することにより、エッチャント中の酸化剤が光励起される。例えば次亜塩素酸または次亜塩素酸ナトリウムを酸化剤として用いる場合には、これらの酸化剤の吸収波長は200nmから400nmに存在するため、この波長範囲から選択される波長の光を発する光源を用いればよい。好ましくは、上記吸収波長領域をカバー可能な光源が用いられる。具体的には、キセノンランプ(キセノンショートアークランプ)、ハロゲンランプ、高圧水銀ランプ、重水素ランプ、UVランプ(Xe/Hg遠紫外ランプ)などが光源として挙げられる。 The light source used for light irradiation may be any light source capable of irradiating light corresponding to the absorption wavelength of the oxidizing agent. By selecting a light source in this way, the oxidizing agent in the etchant is optically excited. For example, when hypochlorous acid or sodium hypochlorite is used as the oxidizing agent, the absorption wavelength of these oxidizing agents is between 200 nm and 400 nm, so a light source that emits light of a wavelength selected from this wavelength range may be used. Preferably, a light source capable of covering the above absorption wavelength range is used. Specifically, examples of light sources include a xenon lamp (xenon short arc lamp), a halogen lamp, a high-pressure mercury lamp, a deuterium lamp, and a UV lamp (Xe/Hg far ultraviolet lamp).

エッチングは、室温(20℃から25℃)で行ってもよく、冷却下(0℃以上室温以下)で行ってもよく、あるいは加熱下(室温以上100℃以下)で行ってもよい。光源によるエッチャント108の温度上昇を防止するため、容器120に図示しない冷却装置を接続し、エッチャント108の温度を一定に維持しながらエッチングを行ってもよい。また、図示しないが、容器120に攪拌機構を設け、エッチャント108を攪拌しながらエッチングを行ってもよい。エッチング時間は、炭素ナノ材料含有膜110に含まれる炭素ナノ材料の種類や厚さを適宜考慮して決定すればよく、例えば5秒以上30分以内、1分以上30分以内、または5分以上20分以内の範囲から選択される。 Etching may be performed at room temperature (20°C to 25°C), under cooling (0°C or higher and room temperature or lower), or under heating (room temperature or higher and 100°C or lower). To prevent the temperature of the etchant 108 from increasing due to the light source, a cooling device (not shown) may be connected to the container 120, and etching may be performed while maintaining the temperature of the etchant 108 constant. Although not shown, a stirring mechanism may be provided in the container 120, and etching may be performed while stirring the etchant 108. The etching time may be determined appropriately taking into consideration the type and thickness of the carbon nanomaterial contained in the carbon nanomaterial-containing film 110, and may be selected from the range of, for example, 5 seconds to 30 minutes, 1 minute to 30 minutes, or 5 minutes to 20 minutes.

エッチングが終了した後、基板100を水、アルコール、ケトンなどの溶媒を用いて洗浄する。その後、残存するレジストマスク106が除去される(図1(D))。レジストマスク106の除去では公知の剥離液を用いて基板100を処理すればよい。剥離液としては、テトラアルキルアンモニウムヒドロキシドやアミンなどを含むアルカリ性溶液、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)やアセトンなどの有機溶剤が例示される。なお、メタルマスク124を用いる場合には、ヨウ化カリウムとヨウ素を含む水溶液をエッチャントとして用いてメタルマスク124を除去すればよい。 After etching is completed, the substrate 100 is washed with a solvent such as water, alcohol, or ketone. The remaining resist mask 106 is then removed (FIG. 1(D)). To remove the resist mask 106, the substrate 100 may be treated with a known stripping solution. Examples of the stripping solution include an alkaline solution containing tetraalkylammonium hydroxide or amine, and an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) or acetone. When using a metal mask 124, the metal mask 124 may be removed using an aqueous solution containing potassium iodide and iodine as an etchant.

以上のプロセスにより、基板100上にパターニングされた炭素ナノ材料含有膜110を作製することができる。本加工方法では、エッチャント108を用いる、いわゆるウェットエッチングによって炭素ナノ材料含有膜110が加工される。したがって、ドライエッチングによる加工方法と比較し、一度に大量の基板が処理できるというメリットを有する。また、実施例でも示すように、エッチャント単独では実用的なエッチング速度が得られないのに対し、光照射を行うことによって炭素ナノ材料含有膜110のエッチング速度が飛躍的に増大する。さらに本加工方法では、エッチングに先立って炭素ナノ材料含有膜110に対して予備的な処理(例えばエッチングを促進するための膜形成など)を行う必要は無い。このことは、本発明の実施形態を適用することにより、カーボンナノチューブのみならずグラフェンやフラーレンを含む様々な炭素ナノ材料を含む機能性薄膜の実用的なウェットエッチング技術を提供することが可能になることを意味する。 By the above process, a carbon nanomaterial-containing film 110 patterned on the substrate 100 can be produced. In this processing method, the carbon nanomaterial-containing film 110 is processed by so-called wet etching using the etchant 108. Therefore, compared to processing methods using dry etching, this method has the advantage of being able to process a large number of substrates at once. In addition, as shown in the examples, a practical etching rate cannot be obtained using an etchant alone, whereas the etching rate of the carbon nanomaterial-containing film 110 is dramatically increased by irradiating light. Furthermore, in this processing method, it is not necessary to perform a preliminary treatment (such as forming a film to promote etching) on the carbon nanomaterial-containing film 110 prior to etching. This means that by applying the embodiments of the present invention, it is possible to provide a practical wet etching technology for functional thin films containing various carbon nanomaterials including not only carbon nanotubes but also graphene and fullerene.

1.実施例1
本実施例1では、光照射条件下において、次亜塩素酸ナトリウムを酸化剤として含むエッチャントで炭素ナノ材料含有膜110を処理した結果について述べる。なお、以下の実施例1から4では、いずれも炭素ナノ材料としてグラフェンを用いた。
1. Example 1
In this Example 1, the results of treating the carbon nanomaterial-containing film 110 with an etchant containing sodium hypochlorite as an oxidizing agent under light irradiation conditions will be described. In addition, in the following Examples 1 to 4, graphene was used as the carbon nanomaterial.

1-1.実験
試料として、酸化ケイ素薄膜を介して単層グラフェンが形成された1cm×1cmの単結晶シリコン基板(シグマ-アルドリッチ社製、以下同じ)を用いた。この試料をガラス瓶内に配置し、ガラス瓶に0.05g/mLの次亜塩素酸ナトリウム(和光純薬工業株式会社製)の水溶液10mLを加えた。室温において、単結晶シリコン基板のグラフェンが形成された面に対してキセノンランプ(浜松ホトニクス社製、型番LC5、100W、照射波長範囲200から2000nm、以下同じ)を用いて光照射を行った。
1-1. Experiment A 1 cm x 1 cm single crystal silicon substrate (manufactured by Sigma-Aldrich, the same below) on which single layer graphene was formed via a silicon oxide thin film was used as a sample. This sample was placed in a glass bottle, and 10 mL of an aqueous solution of 0.05 g/mL sodium hypochlorite (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added to the glass bottle. At room temperature, the surface of the single crystal silicon substrate on which graphene was formed was irradiated with light using a xenon lamp (manufactured by Hamamatsu Photonics, model number LC5, 100 W, irradiation wavelength range 200 to 2000 nm, the same below).

1-2.結果
次亜塩素酸ナトリウム水溶液による処理を行う前の試料の光学顕微鏡(株式会社島津アクセス社製、ナノサーチ顕微鏡SFT-4500、以下同じ)写真を図2(A)に示す。また、図2(A)中の測定点1から4において測定したラマン分光スペクトルを図3(A)に示す。ラマン分光スペクトルは、レニショー社製inViaラマン分光光度計を用いて取得した。図2(A)に示すように、処理前のグラフェン含有膜はほぼ均一な膜として観察された。また、図3(A)に示すように、いずれの測定点においてもグラフェン単層膜に特有なDバンド(1345cm-1)、Gバンド(1595cm-1)、2Dバンド(2685cm-1)が観測され、これらのピーク強度も測定点1から4の間で差が見られなかった。これらの結果は、単結晶シリコン基板上においてグラフェン含有膜はほぼ均一に単層構造を形成していることを示している。
1-2. Results FIG. 2(A) shows an optical microscope (Shimadzu Access Co., Ltd., Nano Search Microscope SFT-4500, the same below) photograph of the sample before the treatment with the sodium hypochlorite aqueous solution. FIG. 3(A) shows Raman spectroscopy spectra measured at measurement points 1 to 4 in FIG. 2(A). The Raman spectroscopy spectra were obtained using an inVia Raman spectrophotometer manufactured by Renishaw. As shown in FIG. 2(A), the graphene-containing film before the treatment was observed as a nearly uniform film. As shown in FIG. 3(A), the D band (1345 cm −1 ), G band (1595 cm −1 ), and 2D band (2685 cm −1 ) specific to a graphene monolayer film were observed at each measurement point, and no difference was observed in the peak intensities of these bands between measurement points 1 to 4. These results indicate that the graphene-containing film forms a nearly uniform monolayer structure on the single crystal silicon substrate.

一方、光照射下におけるエッチング処理を開始してから5分後の試料の光学顕微鏡写真(図2(B))から、単結晶シリコン基板上のグラフェン含有膜に多くの欠陥部が形成されていることが確認された。図2(B)に示される測定点1から4のラマン分光スペクトル(図3(B))から理解されるように、測定点4を除き、いずれのスペクトルにおいてもグラフェン特有のバンドがほとんど観測されなかった。 On the other hand, an optical microscope photograph (Figure 2(B)) of the sample taken 5 minutes after the start of the etching process under light irradiation confirmed that many defects had formed in the graphene-containing film on the single crystal silicon substrate. As can be seen from the Raman spectroscopy spectra (Figure 3(B)) of measurement points 1 to 4 shown in Figure 2(B), almost no graphene-specific bands were observed in any of the spectra except for measurement point 4.

さらに、光照射下におけるエッチング処理を開始してから20分後では、光学顕微鏡写真(図2(C))においてグラフェン含有膜を確認することができなかった。また、図2(C)に示される測定点1から4のラマン分光スペクトルを測定した結果、測定点1ではグラフェン特有のバンドがわずかに検出できたものの、他の測定点ではグラフェンの存在は確認できなかった(図4(A))。 Furthermore, 20 minutes after the start of the etching process under light irradiation, the graphene-containing film could not be confirmed in the optical microscope photograph (Figure 2(C)). In addition, as a result of measuring the Raman spectroscopy spectrum at measurement points 1 to 4 shown in Figure 2(C), although a band specific to graphene could be faintly detected at measurement point 1, the presence of graphene could not be confirmed at the other measurement points (Figure 4(A)).

これに対し、光照射を行わず、40℃において次亜塩素酸ナトリウム水溶液中に試料を120分静置した場合、図2(D)に示すように、単結晶シリコン基板上にグラフェン含有膜が残存していることが光学顕微鏡観察結果から確認された。また、図2(D)の測定点1から4のラマン分光スペクトルを測定した結果、測定点3と4ではグラフェンが明確に残存していることが確認された(図4(B))。 In contrast, when the sample was left in an aqueous sodium hypochlorite solution at 40°C for 120 minutes without light irradiation, it was confirmed by optical microscope observation that a graphene-containing film remained on the single crystal silicon substrate, as shown in Figure 2(D). Furthermore, the Raman spectroscopy measurements at measurement points 1 to 4 in Figure 2(D) confirmed that graphene clearly remained at measurement points 3 and 4 (Figure 4(B)).

以上の結果は、グラフェンを含む炭素ナノ材料含有膜のエッチングにおいて、光照射がエッチングの加速に極めて有効であることを明確に示している。詳細なメカニズムはまだ明らかになっていないが、光によって励起された酸化剤が分解し、酸素ラジカルを生成するものと考えられる。この酸素ラジカルが炭素ナノ材料のsp2炭素を攻撃することで炭素ナノ材料が酸化され、その結果、親水性が増大し、エッチャントに対する溶解性が向上するものと考えられる。このようなメカニズムとともに、またはこのメカニズムに替わり、酸素ラジカルによって炭素-炭素結合の一部が開裂し、炭素ナノ材料が酸化的に分解されるメカニズムも寄与していると考えられる。 The above results clearly show that light irradiation is extremely effective in accelerating the etching of carbon nanomaterial-containing films containing graphene. Although the detailed mechanism has not yet been clarified, it is believed that the oxidizing agent excited by light decomposes to generate oxygen radicals. It is believed that the oxygen radicals attack the sp2 carbon of the carbon nanomaterial, oxidizing the carbon nanomaterial, which results in increased hydrophilicity and improved solubility in the etchant. In addition to or instead of this mechanism, it is believed that a mechanism in which the oxygen radicals cleave some of the carbon-carbon bonds and the carbon nanomaterial is oxidatively decomposed also contributes.

2.実施例2
本実施例2では、グラフェン含有膜のエッチングにおける界面活性剤の効果を検討した結果について述べる。
2. Example 2
In this Example 2, the results of investigating the effect of a surfactant on etching of a graphene-containing film will be described.

2-1.実験
アルキルアミンオキシド系界面活性剤を含む6重量%次亜塩素酸ナトリウム水溶液(ライオンハイジーン株式会社製、キッチンパワーブリーチ、以下同じ)をエッチャントとして用いた。酸化ケイ素薄膜を介して単層グラフェンが形成された1cm×1cmの単結晶シリコン基板をガラス瓶内に配置し、試料が上記エッチャントに完全に浸漬するよう、エッチャントをガラス瓶へ加えた。その後、キセノンランプを用い、単結晶シリコン基板のグラフェンが形成された面に対して室温で光照射を5分行った。
2-1. Experiment A 6 wt% aqueous solution of sodium hypochlorite containing an alkylamine oxide surfactant (Kitchen Power Bleach, manufactured by Lion Hygiene Co., Ltd., the same applies below) was used as an etchant. A 1 cm x 1 cm single crystal silicon substrate on which single layer graphene was formed via a silicon oxide thin film was placed in a glass bottle, and an etchant was added to the glass bottle so that the sample was completely immersed in the etchant. Then, using a xenon lamp, the surface of the single crystal silicon substrate on which graphene was formed was irradiated with light at room temperature for 5 minutes.

2-2.結果
エッチャントによる処理前後の試料の光学顕微鏡写真をそれぞれ図5(A)、図5(B)に示す。図5(A)と図5(B)における測定点1から4において測定したラマン分光スペクトルをそれぞれ図6(A)と図6(B)に示す。図5(A)と図5(B)の比較から、エッチャントによる処理前では確認されていたグラフェンは、処理後にはほとんど観測されないことが分かる。また、図6(A)と図6(B)を比較すると、処理前にはいずれの測定点においてもグラフェンに由来する各バンドのピークが明確に検出されるが、処理後にはいずれの測定点においてもこれらのピークが認められなかった。
2-2. Results Optical microscope photographs of the sample before and after the treatment with the etchant are shown in FIG. 5(A) and FIG. 5(B), respectively. Raman spectroscopy spectra measured at measurement points 1 to 4 in FIG. 5(A) and FIG. 5(B), respectively, are shown in FIG. 6(A) and FIG. 6(B). Comparing FIG. 5(A) and FIG. 5(B), it can be seen that the graphene confirmed before the treatment with the etchant is hardly observed after the treatment. In addition, comparing FIG. 6(A) and FIG. 6(B), the peaks of each band derived from graphene are clearly detected at all measurement points before the treatment, but these peaks are not observed at any measurement points after the treatment.

本実施例に対する比較例に相当するのが実施例1におけるエッチング時間5分の試料である(図2(B)、図3(B))。図5(B)と図2(B)の比較から、界面活性剤を添加することにより、より速やかにグラフェン含有膜が除去されることが確認できる。また、図3(B)に示す結果から、界面活性剤非存在下では一部の測定点ではグラフェンが残存しているが、図6(B)に示す結果から、界面活性剤を用いる場合にはいずれの測定点にもグラフェンが残存していないと言える。これらの結果は、界面活性の添加によってエッチング速度が更に向上することを示している。 The comparative example for this example is the sample in Example 1 with an etching time of 5 minutes (Figures 2(B) and 3(B)). Comparing Figure 5(B) with Figure 2(B), it can be confirmed that the graphene-containing film is removed more quickly by adding a surfactant. In addition, the results shown in Figure 3(B) show that graphene remains at some measurement points in the absence of a surfactant, but the results shown in Figure 6(B) show that no graphene remains at any measurement points when a surfactant is used. These results show that the etching rate is further improved by adding a surfactant.

3.実施例3
本実施例では、レジストマスクを用いて単層グラフェンを含むグラフェン含有膜に対してエッチングによるパターニングを行った結果について述べる。
3. Example 3
In this example, a result of patterning a graphene-containing film including a single-layer graphene by etching using a resist mask will be described.

3-1.実験
本実施例は、図1に示されたスキームに準じて行った。具体的には、酸化ケイ素薄膜を介して単層グラフェンが形成された1cm×1cmの単結晶シリコン基板を試料として用い、グラフェン含有膜上にアクリル系樹脂を含む株式会社パジコ製UVレジン(ハードタイプ)を部分的に塗布した。このUVレジンに対してUVランプ(アズワン株式会社製、型番SLUV-8)を約5分照射して硬化し、レジストマスクを形成した。
3-1. Experiment This example was carried out according to the scheme shown in Fig. 1. Specifically, a 1 cm x 1 cm single crystal silicon substrate on which single-layer graphene was formed via a silicon oxide thin film was used as a sample, and a UV resin (hard type) made by Padico Co., Ltd., containing an acrylic resin, was partially applied onto the graphene-containing film. This UV resin was irradiated with a UV lamp (manufactured by AS ONE Corporation, model number SLUV-8) for about 5 minutes to harden it, forming a resist mask.

引き続き、レジストマスクが形成された試料をガラス瓶内に配置し、試料が完全に浸漬するよう、エッチャントをガラス瓶へ加えた。エッチャントとしては、アルキルアミンオキシド系界面活性剤を含む6重量%次亜塩素酸ナトリウム水溶液を用いた。その後、キセノンランプを用い、単結晶シリコン基板のグラフェンが形成された面に対して室温で光照射を5分行った。引き続き、試料をエッチャントから取り出し、水で洗浄し、レジストマスクを物理的に剥離した。 Then, the sample with the resist mask formed was placed in a glass bottle, and an etchant was added to the glass bottle so that the sample was completely immersed. The etchant used was a 6 wt% aqueous solution of sodium hypochlorite containing an alkylamine oxide surfactant. After that, a xenon lamp was used to irradiate the surface of the single crystal silicon substrate on which the graphene was formed with light at room temperature for 5 minutes. The sample was then removed from the etchant, washed with water, and the resist mask was physically peeled off.

3-2.結果
レジストマスク作製前の試料の光学顕微鏡写真を図7(A)に、図7(A)中の点線四角形で囲まれた領域のラマン分光スペクトルによって検出された2Dバンドの強度マッピングデータを図7(B)に示す。これらの図から、単結晶シリコン基板上のグラフェン含有膜はほぼ均一な厚さを有していることが確認された。
3-2. Results Fig. 7(A) shows an optical microscope photograph of the sample before the resist mask was prepared, and Fig. 7(B) shows the intensity mapping data of the 2D band detected by the Raman spectroscopy spectrum of the region enclosed by the dotted square in Fig. 7(A). From these figures, it was confirmed that the graphene-containing film on the single crystal silicon substrate had a nearly uniform thickness.

図8(A)は、レジストマスクが形成されたグラフェン含有膜をエッチング処理し、さらにレジストマスクを剥離することで得られた試料の光学顕微鏡像である。図中、符号112が付された帯状の領域がレジストマスクが形成されていた領域である。図8(A)から理解されるように、レジストマスクが形成されていた領域に選択的にパターニングされた炭素ナノ材料膜112としてグラフェン含有膜が残存し、この領域以外ではグラフェン含有膜が除去されていることが分かる。このことは、図8(A)中の点線四角形で囲まれた領域のラマン分光スペクトルによって検出された2Dバンドの強度マッピングデータ(図8(B))からも確認される。 Figure 8 (A) is an optical microscope image of a sample obtained by etching a graphene-containing film on which a resist mask was formed and then peeling off the resist mask. In the figure, the band-shaped region marked with the reference numeral 112 is the region where the resist mask was formed. As can be seen from Figure 8 (A), the graphene-containing film remains as a selectively patterned carbon nanomaterial film 112 in the region where the resist mask was formed, and the graphene-containing film has been removed from other regions. This is also confirmed by the 2D band intensity mapping data (Figure 8 (B)) detected by the Raman spectroscopy spectrum of the region surrounded by the dotted rectangle in Figure 8 (A).

図9(A)にAFM(株式会社島津アクセア社製、ナノサーチ顕微鏡、型番SFT-4500)を用いて得られた試料の位相分布像を、図9(A)中の直線A-Bに沿った試料の高さ解析結果を図9(B)に示す。図9(A)と図9(B)から理解されるように、レジストマスクが形成されていた領域(図9(A)中、符号112が付された帯状領域)は、レジストマスクが形成されていなかった他の領域と比較して高い。具体的には、図9(B)に示すように、レジストマスクが形成されていた領域中の測定点2はレジストマスクが形成されていなかった領域中の測定点1と比較して高い。同様に、レジストマスクが形成されていた領域中の測定点4はレジストマスクが形成されていなかった領域中の測定点3と比較して高い。測定点2、4の高さと測定点1、3の高さの差は0.5nmから0.8nmであった。これらの結果からも、レジストマスクが形成されていた領域にグラフェン含有膜が存在していることが証明される。 9(A) shows a phase distribution image of the sample obtained using an AFM (Shimadzu Access Co., Ltd., Nano Search Microscope, Model No. SFT-4500), and FIG. 9(B) shows the height analysis results of the sample along the line A-B in FIG. 9(A). As can be seen from FIG. 9(A) and FIG. 9(B), the region where the resist mask was formed (the band region marked with the reference symbol 112 in FIG. 9(A)) is higher than other regions where the resist mask was not formed. Specifically, as shown in FIG. 9(B), measurement point 2 in the region where the resist mask was formed is higher than measurement point 1 in the region where the resist mask was not formed. Similarly, measurement point 4 in the region where the resist mask was formed is higher than measurement point 3 in the region where the resist mask was not formed. The difference in height between measurement points 2 and 4 and measurement points 1 and 3 was 0.5 nm to 0.8 nm. These results also prove that the graphene-containing film is present in the region where the resist mask was formed.

4.実施例4
本実施例では、メタルマスクを用いて単層グラフェンを含むグラフェン含有膜に対してエッチングによるパターニングを行った例について述べる。
4. Example 4
In this example, an example will be described in which a graphene-containing film including a single-layer graphene is patterned by etching using a metal mask.

4-1.実験
試料として酸化ケイ素薄膜を介して単層グラフェンが形成された1cm×1cmの単結晶シリコン基板を用いた。このグラフェン含有膜上に蒸着マスクまたはレジストマスクを介して金薄膜(厚さ100nm)を蒸着することでメタルマスクを形成した。ここではパターンの異なる二種類のメタルマスク(メタルマスクA、B)を用いた。以下、メタルマスクAとBが用いられた試料をそれぞれ試料A、Bと呼ぶ。メタルマスクが形成された試料AとBの光学顕微鏡写真をそれぞれ図12(A)と図13(A)に示す。これらの図から、符号106が付された領域にパターニングされた金の薄膜がメタルマスクとして形成されていることが確認できる。
4-1. Experiment A 1 cm x 1 cm single crystal silicon substrate on which single-layer graphene was formed via a silicon oxide thin film was used as a sample. A metal mask was formed by evaporating a gold thin film (thickness 100 nm) onto this graphene-containing film via a deposition mask or a resist mask. Two types of metal masks with different patterns (metal masks A and B) were used here. Hereinafter, the samples using metal masks A and B will be referred to as samples A and B, respectively. Optical microscope photographs of samples A and B on which metal masks were formed are shown in Figures 12(A) and 13(A), respectively. From these figures, it can be confirmed that a patterned gold thin film was formed as a metal mask in the area marked with the reference numeral 106.

引き続き、メタルマスクが形成された試料A、Bをそれぞれガラス瓶内に配置し、試料が完全に浸漬するよう、エッチャントをガラス瓶へ加えた。エッチャントとしては、アルキルアミンオキシド系界面活性剤を含む6重量%次亜塩素酸ナトリウム水溶液を用いた。その後、キセノンランプを用い、単結晶シリコン基板のグラフェンが形成された面に対して室温で光照射を5分行った。引き続き、試料をエッチャントから取り出し、水で洗浄し、メタルマスクをヨウ化カリウム-ヨウ素の水溶液により剥離した。 Next, samples A and B with the metal masks formed were placed in glass bottles, and an etchant was added to the glass bottle so that the samples were completely immersed. The etchant used was a 6 wt% aqueous solution of sodium hypochlorite containing an alkylamine oxide surfactant. After that, a xenon lamp was used to irradiate the surface of the single crystal silicon substrate on which the graphene was formed with light at room temperature for 5 minutes. Next, the samples were removed from the etchant and washed with water, and the metal masks were peeled off with an aqueous solution of potassium iodide and iodine.

図12(B)の左図は、メタルマスク剥離後の試料Aの光学顕微鏡写真であり、同右図は同左図の点線四角形で囲まれた領域のラマン分光スペクトルによって検出された2Dバンドの強度マッピングデータである。図12(B)の光学顕微鏡写真から理解されるように、メタルマスクが形成されていた領域では単層グラフェンの存在が明確に確認できる。また、マッピングデータからも、上記領域に単層グラフェンが残存するのに対し、メタルマスクから露出した領域では単層グラフェンが消失していることが分かる。 The left image in Figure 12(B) is an optical microscope photograph of sample A after the metal mask has been peeled off, and the right image is 2D band intensity mapping data detected by Raman spectroscopy of the region enclosed by the dotted rectangle in the left image. As can be seen from the optical microscope photograph in Figure 12(B), the presence of single-layer graphene can be clearly confirmed in the region where the metal mask was formed. The mapping data also shows that single-layer graphene remains in the above region, whereas single-layer graphene has disappeared in the region exposed from the metal mask.

同様のことが試料Bにおいても確認された。具体的には、図13(B)とその一部(点線四角形で囲まれた部分)の拡大図(図13(C)の左図)に示すように、メタルマスクが形成されていた領域に単層グラフェンが残存していることが光学顕微鏡観察から確認された。また、図13(C)中の点線四角形で囲まれた領域のラマン分光スペクトルによって検出された2Dバンドの強度マッピングデータ(図13(C)の右図)から、上記領域に単層グラフェンが存在し、一方、メタルマスクから露出した領域では単層グラフェンが存在しないことが分かる。 The same thing was confirmed for sample B. Specifically, as shown in FIG. 13(B) and an enlarged view of a portion of it (enclosed in a dotted rectangle) (left side of FIG. 13(C)), it was confirmed by optical microscope observation that single-layer graphene remained in the area where the metal mask had been formed. Furthermore, the 2D band intensity mapping data (right side of FIG. 13(C)) detected by Raman spectroscopy of the area enclosed in the dotted rectangle in FIG. 13(C) shows that single-layer graphene is present in the above-mentioned area, whereas single-layer graphene is not present in the area exposed from the metal mask.

以上のことから、本発明の実施形態の一つである加工方法を適用することにより、基板上に形成されたグラフェン含有膜をウェットエッチング加工できることが確認された。この結果は、本加工方法が炭素ナノ材料を導電性部材として含む電子デバイスを提供するための新しい手段として寄与することを示している。 From the above, it was confirmed that a graphene-containing film formed on a substrate can be wet-etched by applying the processing method according to one embodiment of the present invention. This result indicates that this processing method can contribute as a new means for providing electronic devices that contain carbon nanomaterials as conductive members.

100:基板、102:フォトレジスト、104:フォトマスク、104a:透光部、104b:遮光部、106:レジストマスク、108:エッチャント、110:炭素ナノ材料含有膜、112:パターニングされた炭素ナノ材料膜、120:容器、122:蒸着マスク、124:メタルマスク、126:金属膜 100: substrate, 102: photoresist, 104: photomask, 104a: light-transmitting portion, 104b: light-shielding portion, 106: resist mask, 108: etchant, 110: carbon nanomaterial-containing film, 112: patterned carbon nanomaterial film, 120: container, 122: deposition mask, 124: metal mask, 126: metal film

Claims (12)

基板上の炭素ナノ材料含有膜上にレジストマスクおよび/または金属マスクを形成すること、
酸化剤を含むエッチャントの存在下、前記炭素ナノ材料含有膜に光照射すること、並びに
前記レジストマスクおよび/または前記金属マスクを除去することを含み、
前記光照射で用いられる光は、200nm以上400nm以下の範囲から選択される波長の光を含む、炭素ナノ材料含有膜を加工する方法。
forming a resist mask and/or a metal mask on a carbon nanomaterial-containing film on a substrate;
irradiating the carbon nanomaterial-containing film with light in the presence of an etchant containing an oxidizing agent; and removing the resist mask and/or the metal mask,
A method for processing a carbon nanomaterial-containing film, wherein the light used in the light irradiation contains light having a wavelength selected from the range of 200 nm or more and 400 nm or less.
基板上の炭素ナノ材料含有膜上にレジストマスクおよび/または金属マスクを形成すること、
酸化剤を含むエッチャントの存在下、前記炭素ナノ材料含有膜に光照射すること、並びに
前記レジストマスクおよび/または前記金属マスクを除去することを含み、
前記金属マスクは、金または白金を含む、炭素ナノ材料含有膜を加工する方法。
forming a resist mask and/or a metal mask on a carbon nanomaterial-containing film on a substrate;
irradiating the carbon nanomaterial-containing film with light in the presence of an etchant containing an oxidizing agent; and removing the resist mask and/or the metal mask,
The method for processing a carbon nanomaterial-containing film, wherein the metal mask comprises gold or platinum.
基板上の炭素ナノ材料含有膜上にレジストマスクおよび/または金属マスクを形成すること、
酸化剤と界面活性剤を含むエッチャントの存在下、前記炭素ナノ材料含有膜に光照射すること、並びに
前記レジストマスクおよび/または前記金属マスクを除去することを含む、炭素ナノ材料含有膜を加工する方法。
forming a resist mask and/or a metal mask on a carbon nanomaterial-containing film on a substrate;
A method for processing a carbon nanomaterial-containing film, comprising: irradiating the carbon nanomaterial-containing film with light in the presence of an etchant containing an oxidizing agent and a surfactant; and removing the resist mask and/or the metal mask.
前記炭素ナノ材料は、カーボンナノチューブ、グラフェン、またはフラーレンである、請求項1から3のいずれかに記載の方法。 The method of any one of claims 1 to 3, wherein the carbon nanomaterial is a carbon nanotube, graphene, or fullerene. 前記炭素ナノ材料含有膜は、単層のグラフェンまたはグラフェンの積層膜である、請求項1から3のいずれかに記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the carbon nanomaterial-containing film is a single layer of graphene or a laminated film of graphene. 前記酸化剤は、次亜塩素酸と次亜塩素酸ナトリウムから選択される、請求項1から3のいずれかに記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the oxidizing agent is selected from hypochlorous acid and sodium hypochlorite. 前記光照射は、前記酸化剤を励起するように行われる、請求項1から3のいずれかに記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the light irradiation is performed so as to excite the oxidizing agent. 前記エッチャント中における前記酸化剤の濃度は、1重量%以上25重量%以下である、請求項1から3のいずれかに記載の方法。 The method according to claim 1 , wherein the concentration of the oxidizing agent in the etchant is 1% by weight or more and 25% by weight or less . 前記レジストマスクの前記形成は、ネガ型のフォトレジストを用いて行われる、請求項1から3のいずれかに記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the formation of the resist mask is performed using a negative photoresist. 前記光照射は、前記炭素ナノ材料含有膜が前記エッチャント中に浸漬された状態で行われる、請求項1から3のいずれかに記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the light irradiation is performed while the carbon nanomaterial-containing film is immersed in the etchant. 前記界面活性剤は、イオン性界面活性剤である、請求項3に記載の方法。 The method of claim 3, wherein the surfactant is an ionic surfactant. 前記エッチャント中における前記界面活性剤の濃度は、0.01重量%以上10重量%以下である、請求項11に記載の方法。 The method according to claim 11, wherein the concentration of the surfactant in the etchant is 0.01% by weight or more and 10% by weight or less.
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