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JP2004352599A - Device and method for forming carbon nanotube - Google Patents

Device and method for forming carbon nanotube Download PDF

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JP2004352599A
JP2004352599A JP2003155352A JP2003155352A JP2004352599A JP 2004352599 A JP2004352599 A JP 2004352599A JP 2003155352 A JP2003155352 A JP 2003155352A JP 2003155352 A JP2003155352 A JP 2003155352A JP 2004352599 A JP2004352599 A JP 2004352599A
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plasma
carbon nanotube
electrode
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plasma source
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Application number
JP2003155352A
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Japanese (ja)
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Toshio Goto
俊夫 後藤
Masaru Hori
勝 堀
Nobuo Ishii
信雄 石井
Shoji Den
昭治 田
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KATAGIRI ENGINEERING KK
Tokyo Electron Ltd
Katagiri Engineering Co Ltd
Original Assignee
KATAGIRI ENGINEERING KK
Tokyo Electron Ltd
Katagiri Engineering Co Ltd
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a device and a method for forming a carbon nanotube capable of providing the carbon nanotube with a good film quality. <P>SOLUTION: The device for forming the carbon nanotube comprises at least a processing chamber, a base material holding means to arrange a base material at a specified position in the processing chamber, a carbon nanotube forming material supplying means to supply a carbon nanotube forming material and a plasma source for plasma irradiation on the base material. A carbon nanotube forming layer can be formed on the base material while the base material is irradiated with plasma by this constitution. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、良質なカーボンナノチューブ(以下、「CNT」という)を形成することが可能なCNT形成装置およびCNT形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
CNT(カーボンナノチューブ)は、例えば、直径が数nm程度、長さが約1μm程度のサイズを有する高アスペクト比を有する中空の筒状結晶である。このCNTの物理的性質は最近数年程度の間にかなり解明され、現在では電子材料を始めとして、複合材料分野(例えば、強化用、導電性の付与用)、エレクトロニクス分野(例えば、トランジスタ、ダイオード、配線)、電子源(例えば、電界放出型電子源、各種ディスプレー)、ナノテクノロジー(例えば、走査プローブ顕微鏡(SPM)探針、ナノメカトロニクス要素)、エネルギー分野(例えば、水素吸蔵、電極ないしはキャパシタ材料)、一般化学分野(例えば、ガスセンサー、触媒、有機原料)等の極めて幅広い分野における応用が有望視され、これらのうちのいくつかは既に実用化の段階にある。
【0003】
このCNTの製造法としては、従来より、炭素源としてアセチレンガス等を用いて、炭素アーク放電法、炭素のレーザ蒸発法、炭化水素ガスの熱分解法、プラズマCVD(化学気相堆積)法等が知られている。中でも、選択的な生成の点からは、プラズマCVD法が有利である。
【0004】
【非特許文献1】
月刊FPD Intelligence 1999.11 P38〜P40「日本真空FED向け炭素ナノチューブ形成用CVD装置を開発カーボンナノチューブを選択的に垂直成膜」
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のプラズマCVD法によるCNT形成においては、良好なCNTを形成するための条件範囲がかなり狭く、したがって、例えば使用するプラズマの特性等によっては、良好な構造を有するCNTが得られない場合が多いという欠点があった。
【0006】
本発明の目的は、上記した従来技術の欠点を解消したCNT形成装置およびCNT形成方法を提供することにある。
【0007】
本発明の他の目的は、良好な膜質のCNTを与えることができるCNT形成装置およびCNT形成方法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明者は鋭意研究の結果、CNT形成用ガスの存在下で基材上にマイクロカソード放電で得られたプラズマあるいはラジカルを同時にあるいは選択的に照射する事が、上記目的の達成のために極めて効果的なことを見出した。
【0009】
本発明のCNT形成装置は上記知見に基づくものであり、より詳しくは、処理チャンバと;該処理チャンバ内の所定位置に基材を配置するための基材保持手段と;カーボンナノチューブ形成材料を供給するためのカーボンナノチューブ形成材料供給手段と;前記基材をプラズマ(および/又はプラズマで生成されたラジカル分子もしくは原子もしくは、正・負イオン)を照射するためのプラズマ源とを少なくとも含むカーボンナノチューブ形成装置であって;前記プラズマを基材上に照射しつつ、該基材上にカーボンナノチューブ形成層を形成すること可能としたことを特徴とするものである。
【0010】
本発明によれば、更に、処理チャンバ内に配置された基材上にプラズマ照射しつつ、該基材上にカーボンナノチューブ形成材料を供給して、基材上にカーボンナノチューブ形成層を形成することを特徴とするカーボンナノチューブ形成方法が提供される。
【0011】
上記構成を有する本発明によれば被処理基板上の金属(例えば電極)間にカーボンナノチューブ(CNT)を生成させて、制御可能な導電層或いは配線層を形成することが極めて容易となる。
【0012】
カーボンナノチューブは、電界方向へ選択的に成長する性質があるため本発明においては、この性質を利用してプロセスを構成することが容易となる。
【0013】
この時被処理基材上の、CNTを形成するべき電極間に直流あるいは交流の電界を印加しておく場合もある。その様な構造を基材に設しておく場合もある。
【0014】
本発明に用いるプラズマ源は、大気圧力下でも動作するので、従来のリモートプラズマ方式に比べて、極めて高濃度のラジカルを照射することが出来る。従って、本発明によれば、CNT形成プロセスの効率を著しく改善することができる。
【0015】
CNTの形成プロセスでは基材温度を〜400℃以上に加熱しておく事が望ましい。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、必要に応じて図面を参照しつつ本発明を更に具体的に説明する。以下の記載において量比を表す「部」および「%」は、特に断らない限り質量基準とする。
(CNT形成プロセス)
本発明においては、CNT形成プロセスとしては、以下の3種類を利用することができる。
(1)プラズマ・プロセス
(2)ラジカル・プロセス
(3)ラジカルを強調したプラズマ・プロセス
上記のうち、「プラズマ・プロセス」を利用した場合には、プラズマ中で基板表面とプラズマとの間にシースが形成され、該シース中に出来る電界の方向にCNTが成長する傾向がある。したがって、CNTが不必要な部分にも出来て、このような余分なCNTを除くための後処理が必要な場合もある。
【0017】
また、ラジカル・プロセスを利用する場合は、所定の電極(金属)間に電界を印加しつつ、基板上にラジカル分子あるいは原子の種類とそのエネルギーを可変してを選択的に照射し、その反応に依って選択的にCNTを成長させる事が出来る。
【0018】
上記したラジカル・プロセスまたはラジカルを強調したプラズマ・プロセスを利用する場合に、ラジカルを選択的に照射する為には、後述するような多孔ホローカソード放電形式のプラズマ源を用い、且つ「引出し電圧」を除くことにより、ラジカル照射源として利用することができる。
【0019】
(プラズマ源の一態様)
本発明に使用可能なプラズマ源の一態様を、図1の模式断面図、図2の模式平面図、図3および図4の部分模式断面図を参照しつつ説明する。比較のために、図5に従来のプラズマ源(処理チャンバ内で、単純なプラズマCVD法によりCNTを形成する)の模式断面図を示す。
【0020】
図1は、本発明のプラズマ源を含んで構成されたCNT形成装置の一態様を示す模式断面図である。図1を参照して、この態様における本発明のプラズマ源1は、ガスを供給すべきチャンバ2と、このチャンバ2のガス流出側に配置された、ガス通過が可能な複数の電極孔3を有するホローカソード電極部材4とを含む。図2および図3を参照して、ホローカソード電極部材4は、誘電体からなる有孔スペーサ4aを介して組み合わされた有孔導体部材4bの対からなる。
【0021】
図1に示すように、有孔導体部材4bの対の間に電圧が印加可能なように直流電源6が接続され、更に有孔導体部材4bとチャンバ2との間にも電圧が印加可能なように直流電源7が接続されている。これにより、電極孔3にガスを流しつつ、有孔導体部材4bの対の間に電圧が印加されて、直流駆動のマイクロカソード放電が開始され、図3の領域Pにプラズマが生成される。プラズマが生成されると、電極孔3の内壁に電子が衝突して、この内壁から電子(2次電子)がγ(ガンマ)作用により放出される。本発明においては、このγ作用により電子が放出され、この電子が次の分子に衝突して、該分子を電離させるα(アルファ)作用が生じて放電が維持される。
【0022】
図4の部分模式断面図に示すように、上記したホローカソード電極部材4は、必要に応じて、有孔スペーサ4aを介して組み合わされた有孔導体部材4bの対を複数有していてもよい。このように複数の有孔導体部材4bの対を有する態様は、圧力降下を大きくするとともに、プラズマ濃度の減衰を防ぐ事ができる点から好ましい。
【0023】
(CNT形成装置)
本発明のCNT形成装置は、処理チャンバ10と、該処理チャンバ10内の所定位置に基材12を配置するための基材保持手段11であって、回転可能とされたものと、基材12をプラズマ照射するための上記した構成を有するプラズマ源とを少なくとも含む。基材保持手段11は内部にヒーター等を設置して〜600℃程度に加熱する事が可能となっている。
【0024】
図1に示すCNT形成装置の態様においては、電極孔3内におけるマイクロカソード放電に基づいたプラズマ生成により、本発明のプラズマ源1を装着したプラズマ処理チャンバ10内に配置された、サセプタ11上の被処理体(例えばウエハ)12のプラズマ処理が可能となる。このサセプタ11には、バイアス電源(図示せず)13が接続されて、該サセプタ11に所定の電圧(例えば、RF電圧)が印加可能とされている。
【0025】
上記した構成を有する本発明のプラズマ源は、これを駆動する際のガス圧力に比較的に左右されずに良好なマイクロカソード放電に基づいたプラズマを生成させることが可能である。換言すれば、本発明のプラズマ源は、いわゆる低圧プラズマ(圧力0.133Pa〜13.3Pa程度;電子、イオン、ラジカルの密度は一般的に1011〜1012/cm程度)と比べて桁違いに密度の高い大気圧プラズマ(圧力101.3kPa程度;電子、イオン、ラジカルの密度は一般的に1015/cm程度)を容易に実現することができる。このような大気圧プラズマを用いた場合には、大気圧下で安定に放電させることが可能であり、電子温度がガス温度よりも高い、いわゆる非平衡プラズマを好適に実現することができる。
【0026】
これに対して、従来のプラズマ源ないしCNT形成装置においては、プラズマ室内でプラズマを生成させているために、粒子の加/減速エネルギーのダイナミックレンジが小さいという欠点があった。
【0027】
(各部の構成)
以下、本発明のプラズマ源ないしCNT形成装置を構成する各部等について詳細に説明する。
【0028】
(チャンバ)
図1に示すガスを供給するためのチャンバ2については、該チャンバ2内にプラズマ生成のためのガスが供給可能であり、且つ、ガス流出側にプラズマ源が配置可能である限り、チャンバ2の構造、大きさ、材質等に関しては、特に制限されない。
【0029】
(ホローカソード電極部材)
ホローカソード電極部材4は、複数の電極孔3を有する。電極孔3内におけるプラズマ生成が可能である限り、電極孔3の個数、サイズ、ホローカソード電極部材4の厚さ等は特に制限されない。
【0030】
(有孔スペーサ部材)
上記したように、ホローカソード電極4は、誘電体からなる有孔スペーサ部材を介して組み合わされた有孔導体部材の対を少なくとも1組含む。電極孔3内におけるプラズマ生成が可能である限り、有孔スペーサ部材4aの材質、サイズ、厚さ等は特に制限されない。
【0031】
(有孔導体部材)
電極孔3内におけるプラズマ生成が可能である限り、有孔導体部材4bの材質、サイズ、厚さ等は特に制限されない。
【0032】
(ガス)
本発明において使用可能なチャンバ2内に供給すべきガスは、CNT形成が可能なガスである限り特に制限されず、生成すべきCNTの用途に応じた各種ガスが使用可能である。すなわち、通常はプラズマ生成用ガスとして、各種の不活性ガス(例えば、希ガス)を使用することができ、更にCNT形成ガスとして、各種の炭素含有ガス(例えばアセチレン)を使用することができる。必要に応じて、他のガスを添加してもよい。本発明において好適に使用可能なガスを以下に例示する。
プラズマ生成用ガス:不活性ガス
炭素含有ガス:CH系ガス
(他の態様)
図5および図6に本発明の他の態様を示す。これらの態様においては、放電を電極孔3に集中させ易くするために電極4の最上部が誘電体4aで構成されている。
【0033】
(プラズマ生成原理)
本発明においては、電極孔3内においてプラズマが生成可能である限り、該プラズマの生成原理は特に制限されない。すなわち、上記した図1の態様において有孔導体部材4bの対の間には直流(DC)電圧が印加されているが、これは高周波あるいはマイクロ波であってもよい。
【0034】
(基材)
本発明のプラズマ源ないしCNT形成装置を用いた場合には、種々の基材(例えば、ウエハ等の電子デバイス用基材)をプラズマ処理することが可能である。本発明において使用可能な上記の基材は特に制限されず、公知の基材の1種または2種以上の組合せから適宜選択して使用することが可能である。このような基材の例としては、例えば、半導体材料、液晶デバイス材料等が挙げられる。半導体材料の例としては、例えば、単結晶シリコンを主成分とする材料、SiC、GaAs等が挙げられる。
【0035】
(CNT形成方法)
本発明のCNT形成方法においては、処理チャンバ内に配置された基材上にプラズマ照射しつつ、該基材上にCNT形成材料を供給して、基材上にCNT層を形成する
(基材上)
本発明において、「基材上」とは、形成すべきCNTが、基材の上方(すなわち、該基材の電子デバイスを構成する各層を形成する側の上方)に位置していれば足りる。換言すれば、その間に他の絶縁層、導体層、半導体層等が配置されていてもよい。また、本発明で形成すべきCNTを含む、各種絶縁層、導体層、半導体層等が、必要に応じて、複数配置されていてもよいことは、もちろんである。
【0036】
(膜厚)
本発明において、形成すべきCNT層の膜厚は特に制限されないが、数10Å(チャンネル形成の場合)〜2(配線の場合)μm程度が好ましい。
【0037】
上述したように、本発明によれば、金属(例えば、電極)間にCNTを形成することが容易である。この際に使用可能な金属は、触媒作用の点からは遷移金属であることが好ましい。あるいは金属表面上に遷移金属(Ni,Co,Pd等)粉体を散布した電極あるいは選択的に位置制御して形成した電極が望ましい。
【0038】
本発明においては、上記した以外にも、NiFe触媒を利用してカーボンナノコイルを形成することもできる(このようなカーボンナノコイルないしCNT形成の詳細に関しては、例えば、文献Diamond and Related Materials,9(2000),847−851;電学論A,118巻12号(平成10年)pp.1425〜1428を参照することができる)。
(好適な条件の例)
本発明においては、例えば、下記条件が好適に使用可能である。
マイクロ波:2kW/cm(ホローカソードプラズマ源には直流電圧が印加してもよい。)1〜10W/cm
ガス:Ar 1000sccm+H 100sccm、または
Kr又はHe 1000sccm+H 100sccm
圧力:1〜760Torr(133〜10×10Pa)
基材温度:500±50℃
処理時間:60〜600秒
(他の態様)
マイクロカソード電極を構成する孔は比較的に細いため、上部からアセチレンを流すと、マイクロカソード内部でスパッタ等によるコンタミネーションが比較的に生じ易い傾向がある。このような場合には、例えば、本発明において、プラズマ源の上部から、不活性ガス(例えばクリプトン)とともにHガスを流し、該プラズマ源の下部からアセチレン(C)またはメタンガス等を流すことにより、マイクロカソード内部にCNTを形成することが好ましい。さらにCNT成長の為の触媒サイトを形成する為に下部よりNi,Fe,Co等の遷移金属を含有したガス、例えばNi(CO)や有機金属ガスを導入してもよい。
【0039】
CNTを成長させるためには、触媒が付与された部位(触媒サイト)が必要であることが多い。本発明における触媒サイトの形成方法は特に制限されないが、例えば、ニッケル等で触媒サイトを形成することができる(このような触媒サイト形成の詳細に関しては、例えば、文献J.Appl.Phys.92 6188(2003)を参照することができる)。
(他の態様2)
本発明に使用可能なプラズマ源の他の態様について述べる。この態様におけるプラズマ源は、ガスを供給すべきチャンバと、該チャンバのガス流出側に配置された、ガス通過が可能な複数の電極孔を有するホローカソード電極部材を少なくとも含むプラズマ源である。このホローカソード電極部材の電極孔内で、マイクロカソードプラズマ放電が可能である。このような態様によれば、高効率で且つ高密度のプラズマを生成することが可能なプラズマ源を用いた放電が可能である。
(プラズマ源の具体的な態様)
本発明のプラズマ源の一態様を、図7の模式断面図を参照しつつ説明する。
【0040】
図7は、本発明のプラズマ源を含んで構成されたプラズマ処理装置の一態様を示す模式断面図である。図7を参照して、この態様における本発明のプラズマ源51は、ガスを供給すべきチャンバ52と、このチャンバ52のガス流出側に配置された、ガス通過が可能な複数の電極孔53を有するホローカソード電極部材4とを含む。
【0041】
図7に示すように、有孔導体部材54bの対の間に電圧が印加可能なように直流電源6が接続され、更に有孔導体部材54bとチャンバ52との間にも電圧が印加可能なように直流電源57が接続されている。これにより、電極孔53にガスを流しつつ、有孔導体部材54bの対の間に電圧が印加されて、直流駆動のマイクロカソード放電が開始されプラズマが生成される。これらの対は縦方向に複数設置されており、各々の対には、外部から独立して電圧が印加される。プラズマが生成されると、電極孔53の内壁に電子が衝突して、この内壁から電子(2次電子)がγ(ガンマ)作用により放出される。本発明においては、このγ作用により電子が放出され、この電子が次の分子に衝突して、該分子を電離させるα(アルファ)作用が生じて放電が維持される。
【0042】
あるいは、チャンバ52とは電気的に分離された電極を設けて、その電極とチャンバ間に直流あるいは交流の電界を印加してチャンバ52内にプラズマを生成しても良い。マイクロ波を用いても良い。γ作用を増加させる為に、電極部の金属は、プラズマ耐性が高く、二次電子を効率的に発生させる部材を選択する又は、該電極部にカーボンナノチューブをコーティングしたものを用いることも可能である。
【0043】
また、表面からの電子放出効率の高いCs等仕事関数値の小さい金属材料等で表面をコーティングする。あるいは、電極金属表面に絶縁体をコーティングして、見かけ上の仕事関数値を下げるなどの構造も可能である。
【0044】
図7に示すプラズマ処理装置の態様においては、電極孔53内におけるマイクロカソード放電に基づいたプラズマ生成により、本発明のプラズマ源51を装着したプラズマ処理チャンバ60内に配置された、サセプタ61上の被処理体(例えばウエハ)62のプラズマ処理が可能となる。このサセプタ61には、バイアス電源63が接続されて、該サセプタ61に所定の電圧(例えば、RF電圧)が印加可能とされている。
【0045】
上記した構成を有する本発明のプラズマ源は、これを駆動する際のガス圧力に比較的に左右されずに良好なマイクロカソード放電に基づいたプラズマを生成させることが可能である。換言すれば、本発明のプラズマ源は、いわゆる低圧プラズマ(圧力0.133Pa〜13.3Pa程度;電子、イオン、ラジカルの密度は一般的に1011〜1012/cm程度)と比べて桁違いに密度の高い大気圧プラズマ(圧力101.3kPa程度;電子、イオン、ラジカルの密度は一般的に1015/cm程度)を容易に実現することができる。このような大気圧プラズマを用いた場合には、大気圧下で安定に放電させることが可能であり、電子温度がガス温度よりも高い、いわゆる非平衡プラズマを好適に実現することができる。
(各部の構成)
以下、図7の態様のプラズマ源を構成する各部等について詳細に説明する。
(チャンバ)
図7に示すガスを供給するためのチャンバ2については、該チャンバ52内にプラズマ生成のためのガスが供給可能であり、且つ、ガス流出側にプラズマ源が配置可能である限り、チャンバ52の構造、大きさ、材質等に関しては、特に制限されない。
(プラズマ生成原理)
本発明においては、電極孔3内においてプラズマが生成可能である限り、該プラズマの生成原理は特に制限されない。すなわち、上記した図7の態様において有孔導体部材54bの対の間には直流(DC)電圧が印加されているが、これはマイクロ波であってもよい。
【0046】
直流電圧を印加する態様においては、下記の条件が好適に使用可能である。
電圧:1kV以上
マイクロ波(例えば、2.45GHz)を印加する態様においては、下記の条件が好適に使用可能である。
【0047】
マイクロ波:0.5W/cm以上であることが好ましい。(ただし電極の面積に応じて適宜調整すればよい)
(他の態様3)
図8(a)および(b)の部分模式断面図に、ホローカソード電極54の他の態様を示す。
【0048】
図8(a)を参照して、このような態様においては、有孔スペーサ部材54aを介して組み合わされた一対の有孔導電部材54bからなるホローカソード電極54が、誘電体70を介して、接地された金属部材71に取り付けられている以外は、図7の態様と同様の構成である。図8の構成において、有孔スペーサ部材54aは、例えばアルミナ(Al)、石英等の誘電体からなり、有孔導電部材54bは例えばSi、Cu、MO、W、SUS等の金属からなる。
【0049】
図8(b)を参照して、このような態様においては、有孔スペーサ部材54aを介して組み合わされた複数対の有孔導電部材54bからなるホローカソード電極4が、誘電体20を介して、接地された金属部材71に取り付けられており、更に、該ホローカソード電極4の下部に、引き出し電極72が配置されている以外は、図7の態様と同様の構成である。
【0050】
この引き出し電極72は、電圧可変の電源73を介して接地されており、該引き出し電極72には、電圧Vが印加されている。この電圧V=0あるいは浮遊電位の際には、引き出し電極72からラジカルまたはプラズマが引き出され、電圧V>0の際には、引き出し電極72から電子または、負の電荷を持ったイオンが引き出され、電圧V<0の際には、引き出し電極72から正の電荷を持ったイオンが引き出される。プラズマを引き出す際には、引き出し電極72は省略することが可能である。また正・負イオンを引き出す過程において、側壁において正負イオンを衝突させて中性化し、エネルギーを有するラジカルを引き出すようにしてもよい。
【0051】
図8(b)の態様において、引き出し電極72に最も近い有孔導電部材54bと、引き出し電極72との間の距離dは、ホローカソード電極54および/又は引き出し電極72の作動条件にもよるが、1〜10mm程度であることが好ましい。
【0052】
本発明においては、粒子密度を飛躍的に大きくすることが可能で放電を安定化させる。又、四次元的(時空間的)に粒子を制御して照射可能とする点からは、マイクロカソードは「多段」(好ましくは3段以上)であることが好ましい。プラズマの特性向上の点からは、3つ以上電極をつけた多段にすることが好ましい。一段のマイクロカソードの場合には、例えば、ガス供給側とプラズマ発生側で「差圧」をつけることがプロセスのダイナミックスを大きくするの点から好ましい。
【0053】
本発明のプラズマ源において、高圧側は大気圧であってもよい。プラズマ発生側は大気圧でもよく、また大気圧よりも低圧でもよい。プラズマ発生の効率からは、ガス供給側およびプラズマ発生側のいずれか一方(更には両方)における圧力が高い方が好ましい。
【0054】
本発明のマイクロカソード源は、それ単独でもプラズマ源として使用可能であるが、必要に応じて、従来のプラズマ発生手段(例えば、平行平板)と組み合わせてもよい。このように従来のプラズマ発生手段と組み合わせた場合には、従来のプラズマプロセス中へ各種粒子を注入することが可能であり従来のプロセス条件下でプロセスの性能を飛躍的に向上させることが可能という利点を得ることができる。
【0055】
更に、平面的に多数のマイクロカソードを設け、それらマイクロカソードの孔を「アドレス」として、コンピュータ等によるコントロールにより、各孔のon/off、ないしはプラズマ強度および/又はプラズマ強度の平面的な分布を調節することも可能である。
【0056】
また、上記したプラズマ強度の平面的コントロールにより、プラズマ処理すべき基板の形状に合わせた形状のプラズマを発生させることが可能である。このようなプラズマ強度の平面的コントロールにより、基板の選択的なエッチング(例えば、レジストを使用しないエッチング)も可能となる。
【0057】
更に、多段マイクロカソードの電極において、各電極に印加する電位を異ならせて、垂直方向にプラズマ強度を調節することもできる。この場合、各電極に印加する電位を異ならせらせることにより、発生したプラズマが中性粒子リッチになるようにコントロールすることも可能である。例えば縦型の多段階の電極において、上部だけにプラズマを生成させることによりプラズマの強度、発生する高精度に粒子密度を制御できる。
【0058】
本発明において、プラズマ源により発生したプラズマの強度のモニタ手段は特に制限されない。高精度の粒子密度制御の点からは、プラズマ源を設けた側と反対側の面にセンサ(例えば、発光、ラジカル、電子密度計測装置)を設け、該センサによりプラズマの強度をモニタし、各プラズマ源にフィードバックすればよい。
【0059】
本発明において、プラズマ源を構成する各電極にCNT(カーボンナノチューブ)を発生させることにより、該プラズマ源のγ電子効率をアップさせることも可能である(このようなCNT形成方法の詳細に関しては、電極材の温度を上げ熱CVD、プラズマCVD法によって形成することができる)。
【0060】
本発明に使用可能なプラズマ源の更に他の構成の例を、図9(プラズマ源を4段構成とした例)および図10(プラズマ源を3段構成とした例)模式断面図に示す。
【0061】
本発明の装置は、図11に示すように、2次元平面上に複数個のマルチアレイを構成し、さらに、1つのアレイの中に、縦方向に複数個の縦型電極を配列した「3次元マルチアレイプラズマ源」もしくは、「3次元マルチアレイ粒子供給装置」を構成することができる。
【0062】
これらの3次元のマルチアレイ電極の一対毎の電極には、独立に電圧を印加することが可能である。図7に示したチャンバー中において、サセプタ上に3次元形状を有する試料62を設置する。例えば図12、13に示すように、2次元あるいは3次元形状を有する試料に対して該試料の形状(2次元のみならず、3次元的に)に合わせて、適宜FDDに電源を制御することによって、プラズマ、荷電粒子、ラジカル処理を行なうことが可能である。
【0063】
従来は、被処理対象の形状よりも少なくても大きなプラズマが必要とされていたが本装置においては、被処理対象物の寸法や大きさに合せてフレキシブルにプラズマの形状を変化させることが可能である。又、通常のプラズマ処理の場合は、プラズマと被処理体との間にシーマが生じ、3次元的にはこのシーマを通して、イオンが照射されイオンのエネルギーを形状と合せて可変することは不可能であった。
【0064】
本発明の装置では、例えば図14に示した引き出し電極の電圧、あるいは、図15に示された1対の縦型マルチ電極のアノード、カソード電極間の電圧を制御することによって、エネルギーが制御された高速正・負イオン、高速ラジカルの照射が3次元的に可能となる。従って、所望の形状の三次元立体構造体をマスクパターン等を用いないで、直接加工あるいは堆積することが可能である。
【0065】
例えば1毎のプラズマ源を数μsec〜msecオーダーで独立にオン・オフ変調することができる。さらに、これらの処理を時系列で制御することが可能であり、4次元マルチアレイ電極による4次元プラズマプロセスが可能である。
【0066】
図16〜20に、本発明において使用可能なマイクロプラズマ源の構成例を示す。
(ガスの堆積)
本発明者の実験によればKrガスあるいはXeガスを導入することでプラズマが安定する傾向がある。このような点からして、ArガスよりもHeが好ましく、HeガスよりもKr又はXeが好ましい。
(電極の構造)
図21に示したように、絶縁物を0.1mmだけ導体電極よりもつるを奥へへこませた方が放電が安定する傾向がある。
(Kr発光強度)
図22に本発明者によるKr発光強度の測定結果を示す。
【0067】
プラズマの径:φ0.1mm
金属Cu:1mm
絶縁物Al:0.2mm
本実験条件:Krガスを上部からフローさせ、大気圧下で第一及び第二の電極対に175V、3.35mA印加したところ、図に示すようにカソード(A)及びカソード(B)にプラズマが生成され、そのときのKrの発光強度(877.7nm及び760.2nm)をフォトダイオードで観測し41nWを得た。次に、第3電極対カソード電極(C)に350V、1.45mAを印加し、フォトダイオードの出力61nWを得た。このようにして、多段電極の出力がプラズマの個数に比例して増加することを観測した。
【0068】
<実験例1>
本装置においてはガス(A)としてマルチ電極の上部からH/Heガスを大気圧から導入する。
【0069】
マルチ電極を通じて、真空排気し、下部反応容器の圧力は10Torr程度に保つ。下部電極からCH/H、または、C/Hガスを導入し、SiO膜上にNiを蒸着したSi基板(SiO/Si)基板上にCNTを成長させる。基板温度を600℃とする。試料として該基板を用いたマルチ電極と試料との距離は約10mmである。
【0070】
マルチ電極内でH+e→H+H He+e→He+e+eの反応により多量のHラジカルを生成して、反応容器に導入する。実施例1と同様、高速のHラジカル、エネルギー5eV以下程度が基板へ照射される。
【0071】
高速HラジカルとCHあるいはCラジカルとの相互作用によって、基板上にCNTが成長する。この方法により、Hラジカル密度とC等の密度が高くなり、しかも両ラジカルを独立的に制御できる為、欠陥のないCNTを高速に形成させることが可能である。
【0072】
さらに例えば図26に示すようにマルチ電極の最下部の電極と、基板電極2の間に100MHzの高周波電力を印加することにより、平行平板型の100MHz励起のCH/HあるいはC/Hあるいは該混合ガスにNi等を含むガスを添加したガスプラズマを印加させ、該プラズマへ高密度のHラジカルを挿入することも可能である。
【0073】
【発明の効果】
上述したように本発明によれば、良好な膜質のCNTを与えることができるCNT形成装置およびCNT形成方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のプラズマ源ないしCNT形成装置の一例を示す模式断面図である。
【図2】本発明のプラズマ源を構成するホローカソード電極部材の一例を示す模式平面図である。
【図3】本発明のプラズマ源を構成するホローカソード電極部材の層構成の一例を示す模式断面図である。
【図4】本発明のプラズマ源を構成するホローカソード電極部材の層構成の他の例を示す部分模式断面図である。
【図5】本発明のプラズマ源ないしCNT形成装置の他の例を示す模式断面図である。
【図6】本発明のプラズマ源を構成するホローカソード電極部材の層構成の他の一例を示す模式断面図である。
【図7】本発明に使用可能な他のプラズマ源の態様を示す模式断面図である。
【図8】ホローカソード電極の他の態様を示す部分模式断面図(a)、およびホローカソード電極の他の態様を示す部分模式断面図(b)である。
【図9】本発明のプラズマ源の他の構成の例(プラズマ源を4段構成とした例)を示す模式断面図である。
【図10】本発明のプラズマ源の他の構成の例(プラズマ源を3段構成とした例)を示す模式断面図である。
【図11】本発明のプラズマ源の実際的な構成の一例を示す模式断面図(a)、および模式平面図(b)である。
【図12】本発明のプラズマ源の実際的な構成の一例を示す模式斜視図である。
【図13】本発明のプラズマ源の実際的な構成の一例を示す模式平面図(装置の上方から見た図)である。
【図14】本発明における、高速中性ラジカルの生成の一例を示す概念図(模式断面図)である。
【図15】本発明における、高速中性ラジカルの生成の一例を示す概念図(模式断面図)である。
【図16】本発明のプラズマ源の実際的な構成の他の例を示す模式断面図である。
【図17】本発明のプラズマ源の実際的な構成の他の例を示す模式断面図である。
【図18】本発明のプラズマ源の実際的な構成の他の例を示す模式断面図である。
【図19】本発明のプラズマ源の実際的な構成の他の例を示す模式断面図である。
【図20】本発明のプラズマ源の実際的な構成の他の例を示す模式断面図である。
【図21】本発明のプラズマ源において好適に使用可能な電極構成の一例を示す模式断面図である。
【図22】縦型電極対の個数と、Kr発光強度との関係の一例を示すグラフである。
【図23】本発明のプラズマ源と、平行平板型プラズマ電極との組合せの一例を示す模式断面図である。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a CNT forming apparatus and a CNT forming method capable of forming high-quality carbon nanotubes (hereinafter, referred to as “CNT”).
[0002]
[Prior art]
The CNT (carbon nanotube) is, for example, a hollow cylindrical crystal having a high aspect ratio and a size of about several nm in diameter and about 1 μm in length. The physical properties of this CNT have been elucidated considerably in recent years or so, and are now in the field of electronic materials, composite materials (eg, for strengthening and imparting conductivity), and electronics (eg, transistors, diodes). , Wiring), electron source (for example, field emission electron source, various displays), nanotechnology (for example, scanning probe microscope (SPM) probe, nanomechatronics element), energy field (for example, hydrogen storage, electrode or capacitor material) ), General chemistry (eg, gas sensors, catalysts, organic raw materials), and the like, applications are promising, and some of these are already in the stage of practical use.
[0003]
Conventionally, CNTs are produced by using acetylene gas or the like as a carbon source, carbon arc discharge method, laser evaporation method of carbon, pyrolysis method of hydrocarbon gas, plasma CVD (chemical vapor deposition) method, etc. It has been known. Among them, the plasma CVD method is advantageous from the viewpoint of selective generation.
[0004]
[Non-patent document 1]
Monthly FPD Intelligence 1999.11 P38-P40 "Development of CVD equipment for carbon nanotube formation for Japan Vacuum FED"
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional CNT formation by the plasma CVD method, the condition range for forming a good CNT is considerably narrow. Therefore, for example, depending on the characteristics of the plasma to be used, a CNT having a good structure cannot be obtained. There was a drawback that there were many.
[0006]
An object of the present invention is to provide a CNT forming apparatus and a CNT forming method which have solved the above-mentioned drawbacks of the prior art.
[0007]
It is another object of the present invention to provide a CNT forming apparatus and a CNT forming method capable of providing CNTs having good film quality.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies, the present inventor has found that simultaneously or selectively irradiating plasma or radicals obtained by microcathode discharge onto a substrate in the presence of a CNT forming gas is extremely important for achieving the above object. I found it to be effective.
[0009]
The CNT forming apparatus of the present invention is based on the above findings, and more specifically, a processing chamber; a substrate holding means for arranging a substrate at a predetermined position in the processing chamber; and supplying a carbon nanotube forming material. And a plasma source for irradiating the substrate with plasma (and / or radical molecules or atoms generated by the plasma or positive / negative ions). An apparatus for forming a carbon nanotube-forming layer on the substrate while irradiating the substrate with the plasma.
[0010]
According to the present invention, further, while irradiating a plasma on a substrate disposed in the processing chamber, a carbon nanotube-forming material is supplied onto the substrate to form a carbon nanotube-forming layer on the substrate. A method for forming a carbon nanotube is provided.
[0011]
According to the present invention having the above structure, it is extremely easy to form a controllable conductive layer or wiring layer by generating carbon nanotubes (CNT) between metals (for example, electrodes) on a substrate to be processed.
[0012]
Since carbon nanotubes have a property of selectively growing in the direction of an electric field, in the present invention, it is easy to configure a process using this property.
[0013]
At this time, a DC or AC electric field may be applied between the electrodes on which the CNTs are to be formed on the substrate to be processed. Such a structure may be provided on the base material in some cases.
[0014]
Since the plasma source used in the present invention operates even under atmospheric pressure, it can irradiate radicals at a much higher concentration than the conventional remote plasma method. Therefore, according to the present invention, the efficiency of the CNT formation process can be significantly improved.
[0015]
In the CNT forming process, it is desirable to heat the substrate temperature to 400 ° C. or higher.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to the drawings as necessary. In the following description, “parts” and “%” representing quantitative ratios are based on mass unless otherwise specified.
(CNT formation process)
In the present invention, the following three types can be used as the CNT forming process.
(1) Plasma process
(2) Radical process
(3) Plasma process emphasizing radicals
When the “plasma process” is used, a sheath is formed between the substrate surface and the plasma in the plasma, and CNT tends to grow in a direction of an electric field generated in the sheath. Therefore, CNTs may be formed in unnecessary portions, and post-processing for removing such extra CNTs may be required.
[0017]
In the case of using a radical process, an electric field is applied between predetermined electrodes (metals), and the type of radical molecules or atoms and the energy thereof are varied to selectively irradiate the substrate with a reaction. Can grow CNTs selectively.
[0018]
When using the above-described radical process or radical-enhanced plasma process, in order to selectively irradiate the radical, a plasma source of a porous hollow cathode discharge type as described later is used, and a "drawing voltage" Can be used as a radical irradiation source.
[0019]
(One embodiment of plasma source)
One embodiment of a plasma source that can be used in the present invention will be described with reference to the schematic sectional view of FIG. 1, the schematic plan view of FIG. 2, and the partial schematic sectional views of FIGS. For comparison, FIG. 5 shows a schematic cross-sectional view of a conventional plasma source (CNT is formed by a simple plasma CVD method in a processing chamber).
[0020]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing one embodiment of a CNT forming apparatus including a plasma source according to the present invention. Referring to FIG. 1, a plasma source 1 according to the present invention in this embodiment includes a chamber 2 to which a gas is supplied, and a plurality of gas-permeable electrode holes 3 arranged on the gas outflow side of the chamber 2. And the hollow cathode electrode member 4. Referring to FIGS. 2 and 3, hollow cathode electrode member 4 includes a pair of perforated conductor members 4b combined via a perforated spacer 4a made of a dielectric material.
[0021]
As shown in FIG. 1, a DC power supply 6 is connected so that a voltage can be applied between a pair of perforated conductor members 4b, and a voltage can also be applied between the perforated conductor member 4b and the chamber 2. DC power supply 7 is connected as described above. As a result, a voltage is applied between the pair of perforated conductor members 4b while a gas is flowing through the electrode holes 3, and a DC driven micro-cathode discharge is started, and plasma is generated in the region P of FIG. When the plasma is generated, the electrons collide with the inner wall of the electrode hole 3, and electrons (secondary electrons) are emitted from the inner wall by the γ (gamma) action. In the present invention, electrons are emitted by the γ action, and the electrons collide with the next molecule to generate an α (alpha) action for ionizing the molecule, thereby maintaining the discharge.
[0022]
As shown in the partial schematic cross-sectional view of FIG. 4, the hollow cathode electrode member 4 described above may have a plurality of pairs of perforated conductor members 4b combined via perforated spacers 4a as necessary. Good. Such an embodiment having a plurality of pairs of perforated conductor members 4b is preferable because it can increase the pressure drop and prevent the plasma concentration from attenuating.
[0023]
(CNT forming equipment)
The CNT forming apparatus according to the present invention includes a processing chamber 10, a substrate holding unit 11 for disposing a substrate 12 at a predetermined position in the processing chamber 10, and a rotatable member. And a plasma source having the above-described configuration for irradiating the plasma. The substrate holding means 11 can be heated to about 600 ° C. by installing a heater or the like inside.
[0024]
In the embodiment of the CNT forming apparatus shown in FIG. Plasma processing of the object to be processed (for example, a wafer) 12 becomes possible. A bias power supply (not shown) 13 is connected to the susceptor 11 so that a predetermined voltage (for example, RF voltage) can be applied to the susceptor 11.
[0025]
The plasma source of the present invention having the above-described configuration can generate plasma based on good micro-cathode discharge relatively without being influenced by the gas pressure at the time of driving the plasma source. In other words, the plasma source of the present invention is a so-called low-pressure plasma (pressure: about 0.133 Pa to 13.3 Pa; the density of electrons, ions, and radicals is generally 1011-1012/ Cm3Atmospheric pressure plasma (pressure: about 101.3 kPa; density of electrons, ions and radicals is generally 10Fifteen/ Cm3Degree) can be easily realized. When such atmospheric pressure plasma is used, stable discharge can be performed under atmospheric pressure, and so-called non-equilibrium plasma in which the electron temperature is higher than the gas temperature can be suitably realized.
[0026]
On the other hand, the conventional plasma source or CNT forming apparatus has a disadvantage that the dynamic range of the acceleration / deceleration energy of the particles is small because the plasma is generated in the plasma chamber.
[0027]
(Configuration of each part)
Hereinafter, each part constituting the plasma source or the CNT forming apparatus of the present invention will be described in detail.
[0028]
(Chamber)
As for the chamber 2 for supplying gas shown in FIG. 1, as long as a gas for plasma generation can be supplied into the chamber 2 and a plasma source can be arranged on the gas outlet side, the chamber 2 The structure, size, material, and the like are not particularly limited.
[0029]
(Hollow cathode electrode member)
The hollow cathode electrode member 4 has a plurality of electrode holes 3. The number and size of the electrode holes 3, the thickness of the hollow cathode electrode member 4, and the like are not particularly limited as long as plasma can be generated in the electrode holes 3.
[0030]
(Perforated spacer member)
As described above, the hollow cathode electrode 4 includes at least one pair of perforated conductor members combined via the perforated spacer member made of a dielectric. The material, size, thickness, and the like of the perforated spacer member 4a are not particularly limited as long as plasma can be generated in the electrode hole 3.
[0031]
(Perforated conductor member)
The material, size, thickness, and the like of the perforated conductor member 4b are not particularly limited as long as plasma can be generated in the electrode hole 3.
[0032]
(gas)
The gas to be supplied into the chamber 2 that can be used in the present invention is not particularly limited as long as it is a gas capable of forming CNTs, and various gases depending on the use of the CNT to be generated can be used. That is, generally, various inert gases (for example, noble gases) can be used as the plasma generation gas, and various carbon-containing gases (for example, acetylene) can be used as the CNT forming gas. If necessary, another gas may be added. Gases that can be suitably used in the present invention are exemplified below.
Gas for plasma generation: Inert gas
Carbon-containing gas: CH-based gas
(Other aspects)
5 and 6 show another embodiment of the present invention. In these embodiments, the uppermost part of the electrode 4 is formed of the dielectric 4a in order to facilitate the concentration of the discharge in the electrode hole 3.
[0033]
(Plasma generation principle)
In the present invention, the generation principle of the plasma is not particularly limited as long as the plasma can be generated in the electrode hole 3. That is, in the embodiment of FIG. 1 described above, a direct current (DC) voltage is applied between the pair of perforated conductor members 4b, but this may be a high frequency or a microwave.
[0034]
(Base material)
When the plasma source or the CNT forming apparatus of the present invention is used, various substrates (for example, substrates for electronic devices such as wafers) can be subjected to plasma processing. The above-mentioned base material that can be used in the present invention is not particularly limited, and may be appropriately selected from one or a combination of two or more known base materials. Examples of such base materials include, for example, semiconductor materials, liquid crystal device materials, and the like. Examples of the semiconductor material include, for example, a material mainly containing single crystal silicon, SiC, GaAs, and the like.
[0035]
(CNT formation method)
In the CNT forming method of the present invention, a CNT forming material is supplied onto a substrate placed in a processing chamber while plasma is irradiated on the substrate to form a CNT layer on the substrate.
(On the substrate)
In the present invention, "on the base material" is sufficient if the CNT to be formed is located above the base material (that is, above the side on which the layers constituting the electronic device of the base material are formed). In other words, other insulating layers, conductor layers, semiconductor layers, and the like may be disposed therebetween. Further, needless to say, a plurality of various insulating layers, conductor layers, semiconductor layers, and the like, including CNTs to be formed in the present invention, may be arranged as necessary.
[0036]
(Thickness)
In the present invention, the thickness of the CNT layer to be formed is not particularly limited, but is preferably several tens of degrees (in the case of forming a channel) to about 2 μm (in the case of wiring).
[0037]
As described above, according to the present invention, it is easy to form CNTs between metals (for example, electrodes). The metal that can be used at this time is preferably a transition metal from the viewpoint of catalytic action. Alternatively, an electrode formed by spraying transition metal (Ni, Co, Pd, etc.) powder on a metal surface or an electrode formed by selectively controlling the position is desirable.
[0038]
In the present invention, in addition to the above, a carbon nanocoil can also be formed using a NiFe catalyst (for details of such carbon nanocoil or CNT formation, see, for example, the document Diamond and Related Materials, 9). (2000), 847-851; Electron Theory A, Vol. 118, No. 12 (1998), pp. 1425-1428).
(Example of suitable conditions)
In the present invention, for example, the following conditions can be suitably used.
Microwave: 2 kW / cm2(A DC voltage may be applied to the hollow cathode plasma source.) 1 to 10 W / cm2
Gas: Ar 1000 sccm + H2  100 sccm, or
Kr or He 1000sccm + H2  100sccm
Pressure: 1 to 760 Torr (133 to 10 × 104Pa)
Substrate temperature: 500 ± 50 ° C
Processing time: 60-600 seconds
(Other aspects)
Since the holes constituting the microcathode electrode are relatively narrow, when acetylene flows from above, contamination such as sputtering tends to occur relatively easily inside the microcathode. In such a case, for example, in the present invention, H is added together with an inert gas (for example, krypton) from above the plasma source.2A gas is flowed, and acetylene (C2H2) Or flowing methane gas or the like to form CNTs inside the microcathode. Further, a gas containing a transition metal such as Ni, Fe, Co, etc., for example, Ni (CO)4Alternatively, an organic metal gas may be introduced.
[0039]
In order to grow CNTs, a site to which a catalyst is provided (catalyst site) is often required. The method for forming the catalyst site in the present invention is not particularly limited. For example, the catalyst site can be formed of nickel or the like (for details of such formation of the catalyst site, see, for example, the document J. Appl. Phys. 92 6188). (2003)).
(Other embodiment 2)
Another embodiment of the plasma source usable in the present invention will be described. The plasma source in this aspect is a plasma source including at least a chamber to which gas is to be supplied and a hollow cathode electrode member disposed on the gas outlet side of the chamber and having a plurality of electrode holes through which gas can pass. Microcathode plasma discharge is possible in the electrode holes of the hollow cathode electrode member. According to such an embodiment, it is possible to perform discharge using a plasma source capable of generating highly efficient and high-density plasma.
(Specific embodiment of plasma source)
One embodiment of the plasma source of the present invention will be described with reference to the schematic sectional view of FIG.
[0040]
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing one embodiment of a plasma processing apparatus including the plasma source of the present invention. Referring to FIG. 7, a plasma source 51 of the present invention in this embodiment includes a chamber 52 to which gas is supplied and a plurality of electrode holes 53 arranged on the gas outflow side of the chamber 52 and through which gas can pass. And the hollow cathode electrode member 4.
[0041]
As shown in FIG. 7, a DC power supply 6 is connected so that a voltage can be applied between the pair of perforated conductor members 54b, and a voltage can be applied between the perforated conductor member 54b and the chamber 52. DC power supply 57 is connected as described above. As a result, a voltage is applied between the pair of perforated conductor members 54b while a gas flows through the electrode holes 53, and a DC-driven microcathode discharge is started to generate plasma. A plurality of these pairs are provided in the vertical direction, and a voltage is applied to each pair independently from the outside. When the plasma is generated, the electrons collide with the inner wall of the electrode hole 53, and electrons (secondary electrons) are emitted from the inner wall by γ (gamma) action. In the present invention, electrons are emitted by the γ action, and the electrons collide with the next molecule to generate an α (alpha) action for ionizing the molecule, thereby maintaining the discharge.
[0042]
Alternatively, an electrode that is electrically separated from the chamber 52 may be provided, and a DC or AC electric field may be applied between the electrode and the chamber to generate plasma in the chamber 52. Microwaves may be used. In order to increase the γ action, the metal of the electrode part has a high plasma resistance, and a member that efficiently generates secondary electrons can be selected, or a material in which the electrode part is coated with carbon nanotubes can be used. is there.
[0043]
The surface is coated with a metal material having a small work function value such as Cs having a high electron emission efficiency from the surface. Alternatively, a structure in which an insulator is coated on the electrode metal surface to lower the apparent work function value is also possible.
[0044]
In the embodiment of the plasma processing apparatus shown in FIG. 7, a plasma is generated based on microcathode discharge in the electrode hole 53, and the susceptor 61 on the susceptor 61 arranged in the plasma processing chamber 60 equipped with the plasma source 51 of the present invention is mounted. The plasma processing of the object to be processed (for example, a wafer) 62 becomes possible. A bias power supply 63 is connected to the susceptor 61 so that a predetermined voltage (for example, an RF voltage) can be applied to the susceptor 61.
[0045]
The plasma source of the present invention having the above-described configuration can generate plasma based on good micro-cathode discharge relatively without being influenced by the gas pressure at the time of driving the plasma source. In other words, the plasma source of the present invention is a so-called low-pressure plasma (pressure: about 0.133 Pa to 13.3 Pa; the density of electrons, ions, and radicals is generally 1011-1012/ Cm3Atmospheric pressure plasma (pressure: about 101.3 kPa; density of electrons, ions and radicals is generally 10Fifteen/ Cm3Degree) can be easily realized. When such atmospheric pressure plasma is used, stable discharge can be performed under atmospheric pressure, and so-called non-equilibrium plasma in which the electron temperature is higher than the gas temperature can be suitably realized.
(Configuration of each part)
Hereinafter, each part constituting the plasma source of the embodiment of FIG. 7 will be described in detail.
(Chamber)
As for the chamber 2 for supplying gas shown in FIG. 7, as long as a gas for plasma generation can be supplied into the chamber 52 and a plasma source can be arranged on the gas outlet side, the chamber 2 The structure, size, material, and the like are not particularly limited.
(Plasma generation principle)
In the present invention, the generation principle of the plasma is not particularly limited as long as the plasma can be generated in the electrode hole 3. That is, in the embodiment of FIG. 7, a direct current (DC) voltage is applied between the pair of perforated conductor members 54b, but this may be a microwave.
[0046]
In the mode in which a DC voltage is applied, the following conditions can be suitably used.
Voltage: 1 kV or more
In a mode of applying a microwave (for example, 2.45 GHz), the following conditions can be suitably used.
[0047]
Microwave: 0.5W / cm2It is preferable that it is above. (However, it may be appropriately adjusted according to the area of the electrode)
(Other aspect 3)
8 (a) and 8 (b) show another embodiment of the hollow cathode electrode 54. FIG.
[0048]
Referring to FIG. 8A, in such an embodiment, a hollow cathode electrode 54 including a pair of perforated conductive members 54 b combined via a perforated spacer member 54 a is connected through a dielectric 70. It has the same configuration as that of the embodiment of FIG. 7 except that it is attached to a grounded metal member 71. In the configuration of FIG. 8, the perforated spacer member 54a is made of, for example, alumina (Al).2O3), Made of a dielectric material such as quartz, and the perforated conductive member 54b is made of a metal such as Si, Cu, MO, W, and SUS.
[0049]
Referring to FIG. 8B, in such an embodiment, hollow cathode electrode 4 including a plurality of pairs of perforated conductive members 54 b combined via perforated spacer members 54 a is connected via dielectric 20. 7, except that the extraction electrode 72 is disposed below the hollow cathode electrode 4.
[0050]
The extraction electrode 72 is grounded via a variable voltage power supply 73, and a voltage V is applied to the extraction electrode 72. When the voltage V = 0 or a floating potential, radicals or plasma are extracted from the extraction electrode 72, and when the voltage V> 0, electrons or ions having a negative charge are extracted from the extraction electrode 72. When the voltage V <0, positively charged ions are extracted from the extraction electrode 72. When extracting plasma, the extraction electrode 72 can be omitted. Further, in the process of extracting positive and negative ions, positive and negative ions may collide with the side wall to neutralize and extract radicals having energy.
[0051]
In the embodiment of FIG. 8B, the distance d between the perforated conductive member 54b closest to the extraction electrode 72 and the extraction electrode 72 depends on the operating conditions of the hollow cathode electrode 54 and / or the extraction electrode 72. It is preferably about 1 to 10 mm.
[0052]
In the present invention, it is possible to dramatically increase the particle density and stabilize discharge. Further, from the viewpoint that the particles can be irradiated in a four-dimensional (spatiotemporally) manner, the microcathode is preferably of “multistage” (preferably three or more). From the viewpoint of improving the characteristics of the plasma, it is preferable to form a multistage with three or more electrodes. In the case of a single-stage micro-cathode, for example, it is preferable to apply a "differential pressure" between the gas supply side and the plasma generation side from the viewpoint of increasing the process dynamics.
[0053]
In the plasma source of the present invention, the high pressure side may be at atmospheric pressure. The plasma generation side may be at atmospheric pressure or may be at a lower pressure than atmospheric pressure. From the efficiency of plasma generation, it is preferable that the pressure on either one (or both) of the gas supply side and the plasma generation side be higher.
[0054]
The microcathode source of the present invention can be used alone as a plasma source, but may be combined with a conventional plasma generating means (for example, a parallel plate) as necessary. In this way, when combined with the conventional plasma generating means, it is possible to inject various particles into the conventional plasma process, and it is possible to dramatically improve the performance of the process under the conventional process conditions. Benefits can be obtained.
[0055]
Furthermore, a large number of microcathodes are provided in a plane, and the holes of the microcathodes are set as "addresses", and the on / off of each hole or the plasma intensity and / or the planar distribution of the plasma intensity are controlled by a computer or the like. Adjustment is also possible.
[0056]
Further, by the above-described planar control of the plasma intensity, it is possible to generate plasma having a shape corresponding to the shape of the substrate to be subjected to plasma processing. Such planar control of the plasma intensity also enables selective etching of the substrate (eg, etching without using a resist).
[0057]
Further, in the electrodes of the multi-stage micro-cathode, the potential applied to each electrode can be made different to adjust the plasma intensity in the vertical direction. In this case, it is possible to control the generated plasma to be rich in neutral particles by making the potentials applied to the respective electrodes different. For example, in a vertical multi-stage electrode, by generating plasma only in the upper part, the intensity of the plasma and the particle density can be controlled with high precision.
[0058]
In the present invention, means for monitoring the intensity of the plasma generated by the plasma source is not particularly limited. From the viewpoint of high-precision particle density control, a sensor (e.g., a light emission, radical, electron density measurement device) is provided on the surface opposite to the side on which the plasma source is provided, and the intensity of the plasma is monitored by the sensor. What is necessary is just to feed back to a plasma source.
[0059]
In the present invention, it is also possible to increase the γ-electron efficiency of the plasma source by generating CNTs (carbon nanotubes) on each electrode constituting the plasma source (for details of such a CNT forming method, It can be formed by increasing the temperature of the electrode material by thermal CVD or plasma CVD.)
[0060]
9 (an example in which the plasma source has a four-stage configuration) and FIG. 10 (an example in which the plasma source has a three-stage configuration) are schematic cross-sectional views showing still another example of the configuration of the plasma source that can be used in the present invention.
[0061]
As shown in FIG. 11, the apparatus of the present invention forms a plurality of multi-arrays on a two-dimensional plane, and further arranges a plurality of vertical electrodes vertically in one array. A three-dimensional multi-array plasma source ”or a“ three-dimensional multi-array particle supply device ”can be configured.
[0062]
A voltage can be independently applied to each pair of these three-dimensional multi-array electrodes. A sample 62 having a three-dimensional shape is placed on the susceptor in the chamber shown in FIG. For example, as shown in FIGS. 12 and 13, for a sample having a two-dimensional or three-dimensional shape, appropriately controlling the power supply to the FDD according to the shape of the sample (not only two-dimensional but three-dimensional). Thus, it is possible to perform plasma, charged particle, and radical treatment.
[0063]
Conventionally, a plasma that is at least larger than the shape of the object to be processed was required, but this device can flexibly change the shape of the plasma according to the size and size of the object to be processed. It is. In addition, in the case of ordinary plasma processing, a seamer is generated between the plasma and the object to be processed, and it is impossible to three-dimensionally irradiate ions through the seamer to change the ion energy according to the shape. Met.
[0064]
In the apparatus of the present invention, energy is controlled by controlling, for example, the voltage of the extraction electrode shown in FIG. 14 or the voltage between the anode and cathode electrodes of the pair of vertical multi-electrodes shown in FIG. Irradiation of high-speed positive / negative ions and high-speed radicals becomes possible three-dimensionally. Therefore, a three-dimensional structure having a desired shape can be directly processed or deposited without using a mask pattern or the like.
[0065]
For example, the on / off modulation of each plasma source can be independently performed on the order of several μsec to msec. Further, these processes can be controlled in time series, and a four-dimensional plasma process using a four-dimensional multi-array electrode is possible.
[0066]
16 to 20 show configuration examples of a microplasma source usable in the present invention.
(Gas deposition)
According to the experiment of the present inventors, the plasma tends to be stabilized by introducing the Kr gas or the Xe gas. From such a point, He is preferable to Ar gas, and Kr or Xe is preferable to He gas.
(Electrode structure)
As shown in FIG. 21, the discharge tends to be more stable when the insulator is entangled deeper than the conductor electrode by 0.1 mm.
(Kr emission intensity)
FIG. 22 shows the measurement results of the Kr emission intensity by the present inventors.
[0067]
Plasma diameter: φ0.1mm
Metal Cu: 1 mm
Insulator Al2O3: 0.2mm
This experimental condition: Kr gas was allowed to flow from above, and 175 V and 3.35 mA were applied to the first and second electrode pairs under atmospheric pressure. As shown in the figure, plasma was applied to the cathode (A) and the cathode (B). Was generated, and the emission intensity of Kr (877.7 nm and 760.2 nm) at that time was observed with a photodiode to obtain 41 nW. Next, 350 V and 1.45 mA were applied to the third electrode-cathode electrode (C) to obtain a photodiode output of 61 nW. Thus, it was observed that the output of the multistage electrode increased in proportion to the number of plasmas.
[0068]
<Experimental example 1>
In this apparatus, H (H) is used as gas (A) from the top of the multi-electrode.2/ He gas is introduced from atmospheric pressure.
[0069]
Vacuum is exhausted through the multi-electrode, and the pressure in the lower reaction vessel is maintained at about 10 Torr. CH from lower electrode4/ H2Or C2H2/ H2Gas is introduced and SiO2Si substrate (SiO2/ Si) grow CNTs on the substrate. The substrate temperature is set to 600 ° C. The distance between the multi-electrode using the substrate as a sample and the sample is about 10 mm.
[0070]
H in multiple electrodes2+ E → H + H He + e → He+A large amount of H radicals are generated by the + e + e reaction and introduced into the reaction vessel. As in Embodiment 1, high-speed H radicals and energy of about 5 eV or less are applied to the substrate.
[0071]
Fast H radical and CH3Or C2The CNT grows on the substrate by the interaction with the radical. By this method, H radical density and C2And the like, and both radicals can be controlled independently, so that defect-free CNTs can be formed at high speed.
[0072]
Further, by applying a high-frequency power of 100 MHz between the lowermost electrode of the multi-electrode and the substrate electrode 2 as shown in FIG.4/ H2Or C2H2/ H2Alternatively, a gas plasma in which a gas containing Ni or the like is added to the mixed gas may be applied to insert high-density H radicals into the plasma.
[0073]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a CNT forming apparatus and a CNT forming method capable of providing CNTs having good film quality are provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view showing an example of a plasma source or CNT forming apparatus of the present invention.
FIG. 2 is a schematic plan view showing an example of a hollow cathode electrode member constituting the plasma source of the present invention.
FIG. 3 is a schematic sectional view showing an example of a layer configuration of a hollow cathode electrode member constituting the plasma source of the present invention.
FIG. 4 is a partial schematic cross-sectional view showing another example of the layer configuration of the hollow cathode electrode member constituting the plasma source of the present invention.
FIG. 5 is a schematic sectional view showing another example of the plasma source or CNT forming apparatus of the present invention.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing another example of the layer configuration of the hollow cathode electrode member constituting the plasma source of the present invention.
FIG. 7 is a schematic sectional view showing an embodiment of another plasma source usable in the present invention.
8A is a partial schematic cross-sectional view showing another embodiment of the hollow cathode electrode, and FIG. 8B is a partial schematic cross-sectional view showing another embodiment of the hollow cathode electrode.
FIG. 9 is a schematic sectional view showing another example of the configuration of the plasma source of the present invention (an example in which the plasma source has a four-stage configuration).
FIG. 10 is a schematic sectional view showing another example of the configuration of the plasma source of the present invention (an example in which the plasma source has a three-stage configuration).
FIGS. 11A and 11B are a schematic cross-sectional view and a schematic plan view illustrating an example of a practical configuration of a plasma source according to the present invention. FIGS.
FIG. 12 is a schematic perspective view showing an example of a practical configuration of a plasma source according to the present invention.
FIG. 13 is a schematic plan view (view from above the apparatus) showing an example of a practical configuration of the plasma source of the present invention.
FIG. 14 is a conceptual diagram (schematic sectional view) showing an example of the generation of a fast neutral radical in the present invention.
FIG. 15 is a conceptual diagram (schematic sectional view) showing an example of the generation of a fast neutral radical in the present invention.
FIG. 16 is a schematic sectional view showing another example of the practical configuration of the plasma source of the present invention.
FIG. 17 is a schematic sectional view showing another example of the practical configuration of the plasma source of the present invention.
FIG. 18 is a schematic sectional view showing another example of the practical configuration of the plasma source of the present invention.
FIG. 19 is a schematic sectional view showing another example of the practical configuration of the plasma source of the present invention.
FIG. 20 is a schematic sectional view showing another example of the practical configuration of the plasma source of the present invention.
FIG. 21 is a schematic cross-sectional view showing one example of an electrode configuration that can be suitably used in the plasma source of the present invention.
FIG. 22 is a graph showing an example of a relationship between the number of vertical electrode pairs and Kr emission intensity.
FIG. 23 is a schematic sectional view showing an example of a combination of the plasma source of the present invention and a parallel plate type plasma electrode.

Claims (12)

処理チャンバと、
該処理チャンバ内の所定位置に基材を配置するための基材保持手段と、
カーボンナノチューブ形成材料を供給するためのカーボンナノチューブ形成材料供給手段と、
前記基材をプラズマ照射するためのプラズマ源とを少なくとも含むカーボンナノチューブ形成装置であって、
前記プラズマを基材上に照射しつつ、該基材上にカーボンナノチューブ形成層を形成可能としたことを特徴とするカーボンナノチューブ形成装置。
A processing chamber;
Substrate holding means for arranging the substrate at a predetermined position in the processing chamber,
Means for supplying a carbon nanotube forming material for supplying a carbon nanotube forming material,
A carbon nanotube forming apparatus including at least a plasma source for irradiating the substrate with plasma,
A carbon nanotube forming apparatus, wherein a carbon nanotube forming layer can be formed on the substrate while irradiating the substrate with the plasma.
前記プラズマ源が、ガスを供給すべきチャンバと、該チャンバのガス流出側に配置された、ガス通過が可能な複数の電極孔を有するホローカソード電極部材とを少なくとも含むプラズマ源である請求項1に記載のカーボンナノチューブ形成装置。2. The plasma source according to claim 1, wherein the plasma source includes at least a chamber to which a gas is to be supplied, and a hollow cathode electrode member having a plurality of gas-permeable electrode holes disposed on a gas outlet side of the chamber. 3. The carbon nanotube forming apparatus according to item 1. 前記プラズマ源が、
ガスを供給すべきチャンバと、
該チャンバのガス流出側に配置された、ガス通過が可能な複数の電極孔を有するホローカソード電極部材を少なくとも含み;且つ該ホローカソード電極部材の電極孔内で、マイクロカソードプラズマ放電を可能としたプラズマ源である請求項1に記載のカーボンナノチューブ形成装置。
The plasma source is
A chamber for supplying gas;
At least a hollow cathode electrode member having a plurality of gas-permeable electrode holes disposed on a gas outlet side of the chamber; and enabling microcathode plasma discharge in the electrode holes of the hollow cathode electrode member. The carbon nanotube forming apparatus according to claim 1, which is a plasma source.
前記ホローカソード電極が、有孔導体部材の対を複数含み、且つ該有孔導体部材の対に対応した位置で、マイクロカソード放電を可能としたプラズマ源である請求項3に記載のカーボンナノチューブ形成装置。The carbon nanotube formation according to claim 3, wherein the hollow cathode electrode is a plasma source that includes a plurality of pairs of perforated conductor members and that enables microcathode discharge at a position corresponding to the pair of perforated conductor members. apparatus. 前記ホローカソード電極に対応するアノード電極を有し、該アノード電極が、プラズマ貫通のための孔を有する請求項3または4に記載のカーボンナノチューブ形成装置。The carbon nanotube forming apparatus according to claim 3, further comprising an anode electrode corresponding to the hollow cathode electrode, wherein the anode electrode has a hole for plasma penetration. 前記電極が、3段以上の多段電極である請求項3〜5のいずれかに記載のカーボンナノチューブ形成装置。The carbon nanotube forming apparatus according to any one of claims 3 to 5, wherein the electrode is a multi-stage electrode having three or more stages. 前記電極が、三次元電極である請求項3〜6のいずれかに記載のカーボンナノチューブ形成装置。The carbon nanotube forming device according to claim 3, wherein the electrode is a three-dimensional electrode. 前記三次元電極が、個々の電極エレメントを独立的に生業可能な電極である請求項7に記載のカーボンナノチューブ形成装置。The carbon nanotube forming apparatus according to claim 7, wherein the three-dimensional electrode is an electrode capable of independently operating individual electrode elements. 前記電極に印加すべき電位が経時的に変化可能である請求項3〜8のいずれかに記載のカーボンナノチューブ形成装置。The carbon nanotube forming apparatus according to any one of claims 3 to 8, wherein a potential to be applied to the electrode can change with time. 処理チャンバ内に配置された基材上にプラズマ照射しつつ、該基材上にカーボンナノチューブ形成材料を供給して、基材上にカーボンナノチューブ形成層を形成することを特徴とするカーボンナノチューブ形成方法。A method for forming a carbon nanotube, comprising: supplying a carbon nanotube-forming material onto a substrate while irradiating the substrate with a plasma on the substrate disposed in the processing chamber; and forming a carbon nanotube-forming layer on the substrate. . プラズマ源のプラズマ照射口と、該プラズマにより処理すべき電子デバイス基材との間の距離が、5mm以下である請求項10に記載のカーボンナノチューブ形成方法。The method for forming carbon nanotubes according to claim 10, wherein a distance between a plasma irradiation port of the plasma source and an electronic device substrate to be treated by the plasma is 5 mm or less. コーティング処理が、大気圧近傍(大気圧の2倍までの範囲の圧力)で行われる請求項10または11に記載のコーティング方法。The coating method according to claim 10 or 11, wherein the coating treatment is performed near atmospheric pressure (a pressure in a range up to twice the atmospheric pressure).
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