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JP2006265079A - Apparatus for plasma enhanced chemical vapor deposition and method for manufacturing carbon nanotube - Google Patents

Apparatus for plasma enhanced chemical vapor deposition and method for manufacturing carbon nanotube Download PDF

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JP2006265079A
JP2006265079A JP2005090063A JP2005090063A JP2006265079A JP 2006265079 A JP2006265079 A JP 2006265079A JP 2005090063 A JP2005090063 A JP 2005090063A JP 2005090063 A JP2005090063 A JP 2005090063A JP 2006265079 A JP2006265079 A JP 2006265079A
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JP
Japan
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control electrode
plasma
vacuum vessel
substrate
vapor deposition
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Application number
JP2005090063A
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Japanese (ja)
Inventor
Yasuaki Hayashi
康明 林
Yusuke Oshiro
裕介 大城
Shigehiro Nishino
茂弘 西野
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Kyoto Institute of Technology NUC
Original Assignee
Kyoto Institute of Technology NUC
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an apparatus for microwave plasma enhanced chemical vapor deposition, with which carbon nanotubes containing impurities in a low concentration and oriented in a direction vertical to a substrate can be produced; and a method for manufacturing carbon nanotubes. <P>SOLUTION: The apparatus for chemical vapor deposition is equipped with a vacuum vessel capable of forming a plasma at its inside, a control electrode to which a direct current voltage or a high frequency voltage is applied, a substrate holder to which the direct current voltage or the high frequency voltage is applied and which holds the substrate, a gas introducing port for introducing a gas into the vacuum vessel and a gas discharge port for discharging the gas. The control electrode and the substrate holder are provided at such positions that the plasma generated at the inside of the vacuum vessel reaches the substrate holder through the control electrode. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、基板に垂直に配向して成長したカーボンナノチューブの製造装置に関する。 The present invention relates to an apparatus for producing carbon nanotubes grown by being oriented perpendicular to a substrate.

カーボンナノチューブ(Carbon Nano Tube) は電界電子放射型ディスプレイ用電子源材料や、キャパシタ電極材料、ナノ電子デバイス用半導体或いは金属材料などの各種デバイス(以下、本明細書ではこれらのデバイスを総称して「CNTデバイス」と略称する。)として期待されている。カーボンナノチューブの製造法としては、アーク放電を利用した方法(アーク放電法)やレーザー蒸発を利用した方法(レーザー蒸発法)などが知られている。これらの方法をCNTデバイスの製造に適用する場合、まず気相中で純度の低い粉末状カーボンナノチューブ得て、次にそれを精製した後、最後にデバイスの基板上に付着又は塗布するという工程を経ることが一般的である。   Carbon nanotubes are various devices such as electron source materials for field emission display, capacitor electrode materials, semiconductors for nanoelectronic devices, and metal materials (hereinafter, these devices are collectively referred to as “ Abbreviated as "CNT device"). Known methods for producing carbon nanotubes include a method using arc discharge (arc discharge method) and a method using laser evaporation (laser evaporation method). When these methods are applied to the manufacture of CNT devices, the first step is to obtain powdery carbon nanotubes with low purity in the gas phase, then purify them, and finally attach or apply them on the device substrate. It is common to go through.

ところで、CNTデバイスをもっとも効果的に利用するためには、基板に対してカーボンナノチューブをなるべく垂直方向に配向させて固定させることが重要である。このようにすると、電界電子放射型ディスプレイでは電界電子放出電流密度が増大し、キャパシタでは単位面積あたりの容量が増加し、ナノ電子デバイスでは集積度が増大するなど、基板への垂直配向がCNTデバイスにとって大きな利益をもたらすためである。   By the way, in order to use the CNT device most effectively, it is important to align and fix the carbon nanotubes in the vertical direction as much as possible with respect to the substrate. As a result, the field electron emission display increases the field electron emission current density, the capacitor increases the capacity per unit area, and the nanoelectronic device increases the degree of integration. This is to bring great profits.

しかし、従来のアーク放電法或いはレーザー蒸発法により得られた粉末を用いると、カーボンナノチューブが基板上に横たわるような形状で固定され、垂直方向に配向させることができない。後処理により垂直方向への配向性を向上させる方法なども提案されているが、十分な効果が得られていないのが実情である。このような背景の下、化学気相堆積法(以下、「CVD法」という。)は、基板上に直接、カーボンナノチューブを成長させることができる方法として期待されている。特に、原料ガスをプラズマ中で反応させる「プラズマCVD法」は、プラズマと基板との間に形成されるシース部分の強い電界により成長中のカーボンナノチューブがプラズマ側へと引っ張り上げられる。従って、垂直方向に高配向成長できる点では、他の従来の方法よりも優れている(特許文献1、2参照)。   However, when the powder obtained by the conventional arc discharge method or laser evaporation method is used, the carbon nanotubes are fixed in a shape lying on the substrate and cannot be oriented in the vertical direction. A method for improving the orientation in the vertical direction by post-processing has been proposed, but the actual situation is that a sufficient effect has not been obtained. Under such circumstances, the chemical vapor deposition method (hereinafter referred to as “CVD method”) is expected as a method capable of growing carbon nanotubes directly on a substrate. In particular, in the “plasma CVD method” in which a source gas is reacted in plasma, the growing carbon nanotubes are pulled up to the plasma side by a strong electric field in a sheath portion formed between the plasma and the substrate. Therefore, it is superior to other conventional methods in that highly oriented growth can be performed in the vertical direction (see Patent Documents 1 and 2).

特開2000−057934号公報JP 2000-057934 A 特開平11−157991号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-157991

プラズマCVD法の問題点は、プラズマ中に極めて高エネルギーのイオンが多数存在するため、真空壁材料が高エネルギーイオンによりスパッタリングされて、真空壁材料の構成原子が成長中のカーボンナノチューブ内に混入してしまうことである。混入した原子は不純物として、カーボンナノチューブの性能を低下させる。特に、カーボンナノチューブを半導体素子に適用する場合、極微量の不純物(例えば、ppmオーダーの量であっても)でも、その電気的特性に大きな影響を及ぼすことが懸念される。   The problem with the plasma CVD method is that there are a large number of extremely high energy ions in the plasma, so the vacuum wall material is sputtered by the high energy ions, and the constituent atoms of the vacuum wall material are mixed into the growing carbon nanotubes. It is to end up. The mixed atoms act as impurities and degrade the performance of the carbon nanotube. In particular, when carbon nanotubes are applied to a semiconductor element, there is a concern that even a very small amount of impurities (for example, even in the order of ppm) may greatly affect the electrical characteristics.

マイクロ波プラズマ装置はプラズマ密度が高く、高配向カーボンナノチューブを製造するのに向いている方法であるが、従来のマイクロ波プラズマCVD装置では真空槽壁やマイクロ波を通過させるための窓(本明細書では「マイクロ波窓」という。)がプラズマに晒されてカーボンナノチューブに不純物が混入しやすいという問題がある。   The microwave plasma apparatus has a high plasma density and is a method suitable for producing highly aligned carbon nanotubes. However, in the conventional microwave plasma CVD apparatus, a vacuum chamber wall and a window for allowing microwaves to pass (this specification) Is called a “microwave window”), and the carbon nanotubes are easily mixed with impurities when exposed to plasma.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、不純物濃度が小さくしかも基板に対し垂直方向に配向したカーボンナノチューブを製造することができるマイクロ波プラズマ化学気相堆積装置とカーボンナノチューブの製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and provides a microwave plasma chemical vapor deposition apparatus and a carbon nanotube production method capable of producing carbon nanotubes having a low impurity concentration and oriented in a direction perpendicular to a substrate. The purpose is to provide.

上記問題を解決するため、本発明に係る第1の化学気相堆積装置は、内部にプラズマを生成することのできる真空容器と、直流電圧又は高周波電圧が印加される制御電極と、直流電圧又は高周波電圧が印加されると共に基板を保持する基板ホルダーと、前記真空容器内部にガスを導入及び排出するためのガス導入口及びガス排出口とを備えた化学気相成長装置であって、前記真空容器の内部に生成されたプラズマが前記制御電極を介して基板ホルダーに達する位置に、制御電極及び基板ホルダーが設置されていることを特徴とする。   In order to solve the above problem, a first chemical vapor deposition apparatus according to the present invention includes a vacuum container capable of generating plasma, a control electrode to which a DC voltage or a high-frequency voltage is applied, a DC voltage or A chemical vapor deposition apparatus comprising a substrate holder to which a high-frequency voltage is applied and holding a substrate, and a gas introduction port and a gas discharge port for introducing and discharging gas into the vacuum vessel, wherein the vacuum The control electrode and the substrate holder are installed at a position where the plasma generated inside the container reaches the substrate holder via the control electrode.

本発明に係る第2の化学気相成長装置は、内部にプラズマを生成することのできる真空容器と、直流電圧又は高周波電圧が印加される制御電極と、直流電圧又は高周波電圧が印加されると共に基板を保持する基板ホルダーと、前記真空容器内部にガスを導入及び排出するためのガス導入口及びガス排出口と、マイクロ波電源及びマイクロ波導波管とを備えた化学気相堆積装置であって、
前記真空容器を空洞共振器としてその終端位置に前記制御電極が設けられ、制御電極のマイクロ波導入側にプラズマが生成されるようにTE−TMモード変換器が設けられていることを特徴とする。
A second chemical vapor deposition apparatus according to the present invention includes a vacuum vessel capable of generating plasma therein, a control electrode to which a DC voltage or a high-frequency voltage is applied, a DC voltage or a high-frequency voltage being applied. A chemical vapor deposition apparatus comprising a substrate holder for holding a substrate, a gas inlet and a gas outlet for introducing and discharging a gas into the vacuum vessel, a microwave power source and a microwave waveguide. ,
The vacuum vessel is a cavity resonator, the control electrode is provided at the terminal position, and a TE-TM mode converter is provided so that plasma is generated on the microwave introduction side of the control electrode. .

本発明に係る第1及び第2の化学気相堆積装置は、基板ホルダーが制御電極を介してプラズマと反対側に設置されるため、安定してプラズマが持続生成すると共に、プラズマが制御電極を介して基板ホルダーに到達する構造となっている。そして、この装置は通常、基板側(基板ホルダー)を負極となり、制御電極を正極が印加された状態でカーボンナノチューブが成長するため、基板上に強いシース電界が形成される結果、基板に対し垂直方向に強く配向したカーボンナノチューブを製造することができる。なお、相対的に制御電極の電位が基板ホルダーの電位より高ければよいので、恒に制御電極が正極、基板ホルダーが負極となるとは限らない。例えば、制御電極をゼロ電位として、基板ホルダーをマイナスの電位にしてもよい。   In the first and second chemical vapor deposition apparatuses according to the present invention, since the substrate holder is installed on the side opposite to the plasma via the control electrode, the plasma is stably generated continuously, and the plasma uses the control electrode. Via the substrate holder. In this apparatus, since the carbon nanotube grows normally with the substrate side (substrate holder) serving as the negative electrode and the control electrode applied with the positive electrode, a strong sheath electric field is formed on the substrate, resulting in a perpendicular to the substrate. Carbon nanotubes that are strongly oriented in the direction can be produced. Note that the control electrode is not necessarily the positive electrode and the substrate holder is always the negative electrode because the control electrode may be relatively higher in potential than the substrate holder. For example, the control electrode may be set to zero potential and the substrate holder may be set to negative potential.

本発明に係る第3の化学気相堆積装置は、内部にプラズマを生成することのできる真空容器と、直流電圧又は高周波電圧が印加される制御電極と、直流電圧又は高周波電圧が印加されると共に基板を保持する基板ホルダーと、前記真空容器内部にガスを導入及び排出するためのガス導入口及びガス排出口と、マイクロ波電源及びマイクロ波導波管とを備えた化学気相堆積装置であって、
前記真空容器を空洞共振器としてその終端位置に前記制御電極が設けられ、制御電極のマイクロ波導入側に第1のプラズマが生成されるようにTE−TMモード変換器が設けられていると共に、前記制御電極と基板ホルダーとの間に第2のプラズマを発生させることを特徴とする。
A third chemical vapor deposition apparatus according to the present invention includes a vacuum vessel capable of generating plasma therein, a control electrode to which a DC voltage or a high-frequency voltage is applied, a DC voltage or a high-frequency voltage being applied. A chemical vapor deposition apparatus comprising a substrate holder for holding a substrate, a gas inlet and a gas outlet for introducing and discharging a gas into the vacuum vessel, a microwave power source and a microwave waveguide. ,
The vacuum vessel serves as a cavity resonator, the control electrode is provided at the terminal position, and a TE-TM mode converter is provided so that the first plasma is generated on the microwave introduction side of the control electrode, A second plasma is generated between the control electrode and the substrate holder.

このように、制御電極と基板ホルダーとの間に第2のプラズマを発生させると配向性がさらに高くなる。なお、第2のプラズマを発生させるためには、制御電極と基板ホルダーとの間の電界及び真空容器内の圧力を調整し、放電開始電圧以上の条件にすればよい。   Thus, when the second plasma is generated between the control electrode and the substrate holder, the orientation is further enhanced. In order to generate the second plasma, the electric field between the control electrode and the substrate holder and the pressure in the vacuum vessel may be adjusted so that the conditions are equal to or higher than the discharge start voltage.

この場合、第1乃至第3の化学気相堆積装置における制御電極の形状は、少なくとも一部がメッシュ状であることが好ましい。このようにすると、メッシュ状の制御電極の微細な空孔をプラズマが通過して、プラズマの対向位置(制御電極の下方まで到達させることができる。   In this case, it is preferable that at least a part of the shape of the control electrode in the first to third chemical vapor deposition apparatuses is a mesh shape. If it does in this way, a plasma will pass through the fine hole of a mesh-like control electrode, and it can be made to reach the plasma facing position (under the control electrode).

或いは、第1乃至第3の化学気相堆積装置における制御電極の形状は、マイクロ波波長の1/2未満の直径の空孔が設けられた構造であってもよい。マイクロ波波長の1/2未満であれば、空孔を設けない場合と殆ど変わらない程度にマイクロ波を十分に反射することができ、共振のモードを変更させることがないためである。   Alternatively, the shape of the control electrode in the first to third chemical vapor deposition apparatuses may be a structure in which holes having a diameter less than ½ of the microwave wavelength are provided. This is because if the wavelength is less than ½ of the microwave wavelength, the microwave can be sufficiently reflected to the extent that it is almost the same as when no holes are provided, and the resonance mode is not changed.

また、本発明に係る第1乃至第3の化学気相堆積装置の真空容器は透明な材料で構成されることが好ましい。透明であれば内部が観察できプラズマを制御しやすいためである。   In addition, the vacuum vessel of the first to third chemical vapor deposition apparatuses according to the present invention is preferably made of a transparent material. This is because if it is transparent, the inside can be observed and the plasma can be easily controlled.

また、本発明に係るカーボンナノチューブの製造方法は、真空容器の内部に設けられた基板ホルダーに基板を設置した状態で、前記真空容器の内部に反応ガスを導入し、前記真空容器の内部に第1のプラズマを発生させることにより前記基板上にカーボンナノチューブを成長させる方法であって、
前記真空容器内の前記プラズマに隣接する位置に、プラズマを通過させるための1つ又は複数の空孔が設けられた制御電極を設置しこの制御電極を介して前記プラズマと対向する位置に前記基板ホルダーを設置し、
前記空孔を介して前記第1のプラズマを基板表面近傍に導入すると共に前記制御電極と前記基板ホルダーとの間に直流電圧又は高周波電圧を印加しながら前記基板上にカーボンナノチューブを成長させることを特徴とする。なお、第1のプラズマはボール状のプラズマであることが壁面のスパッタリングを防止する点で好ましい。
Further, the carbon nanotube manufacturing method according to the present invention introduces a reaction gas into the vacuum container in a state where the substrate is installed in a substrate holder provided in the vacuum container, and the first inside the vacuum container. A method of growing carbon nanotubes on the substrate by generating a plasma of 1 comprising:
A control electrode provided with one or a plurality of holes for allowing plasma to pass is installed in a position adjacent to the plasma in the vacuum vessel, and the substrate is located at a position facing the plasma through the control electrode. Install the holder,
Introducing the first plasma into the vicinity of the substrate surface through the holes and growing carbon nanotubes on the substrate while applying a DC voltage or a high-frequency voltage between the control electrode and the substrate holder; Features. Note that the first plasma is preferably a ball-shaped plasma from the viewpoint of preventing sputtering of the wall surface.

この方法によれば、基板ホルダー上に生成する強いシース電界によりカーボンナノチューブを垂直に引き上げながら配向成長させることができる。また、内部に生成されるボール状のプラズマは周囲の真空容器の壁面に接することがないように調整することで、壁面の構成原子がスパッタリングされにくくなりカーボンナノチューブの汚染が軽減される。   According to this method, the carbon nanotubes can be aligned and grown while being pulled up vertically by a strong sheath electric field generated on the substrate holder. Further, by adjusting so that the ball-shaped plasma generated inside does not contact the wall surface of the surrounding vacuum vessel, the atoms constituting the wall surface are hardly sputtered, and the contamination of the carbon nanotube is reduced.

この時、前記制御電極と前記基板ホルダーとの間に第2のプラズマを発生させるような条件でカーボンナノチューブを製造してもよい。この方法によると第2のプラズマによりシース電界が一層大きくなるため配向性が一層向上する。   At this time, the carbon nanotubes may be manufactured under such conditions that a second plasma is generated between the control electrode and the substrate holder. According to this method, since the sheath electric field is further increased by the second plasma, the orientation is further improved.

以下、図面を参照して最良の実施の形態について説明する。
(装置構成)
図1は、本発明に係るマイクロ波プラズマ化学気相堆積装置の構成図の一例を示している。例えば、パンチングメタル等により構成される電磁波シールド1の内部に石英製の真空容器(ベルジャー)2が設けられ、ガス導入口3から真空容器内部に反応性ガスが導入され、ガス排出口4から排気される構造となっている。
Hereinafter, the best embodiment will be described with reference to the drawings.
(Device configuration)
FIG. 1 shows an example of a configuration diagram of a microwave plasma chemical vapor deposition apparatus according to the present invention. For example, a quartz vacuum vessel (bell jar) 2 is provided inside an electromagnetic wave shield 1 made of punching metal or the like, a reactive gas is introduced into the vacuum vessel from a gas inlet 3, and exhausted from a gas outlet 4. It has a structure.

真空容器の上部にマイクロ波発振器20及び導波管21が設けられ、導波管21の導波路中央部にアンテナ22が設けられている。アンテナ22は、マイクロ波のモードをTE波からTM波に変換すると共に、マイクロ波を真空槽2の内部に導くという役割を果たす。   A microwave oscillator 20 and a waveguide 21 are provided above the vacuum vessel, and an antenna 22 is provided at the center of the waveguide of the waveguide 21. The antenna 22 functions to convert a microwave mode from a TE wave to a TM wave and to guide the microwave into the vacuum chamber 2.

マイクロ波窓を通してマイクロ波を真空容器内部に導入すると、真空容器2の内側にボール状のプラズマが形成される。ボール状とは、球状のことであるが、完全な球であるとは限らず、楕円等広く閉曲面を意味するものである。なお、真空容器2は、透明であるため、電磁波シールド1を通してのぞき込むと真空容器2の内部に生成するプラズマを観察することができる。なお、導入するガスの組成にもよるが、このボール状のプラズマの下方に基板を設置すれば基板上に人工ダイヤモンドを生成することができる。   When microwaves are introduced into the vacuum vessel through the microwave window, ball-shaped plasma is formed inside the vacuum vessel 2. The ball shape means a spherical shape, but it is not necessarily a perfect sphere, and means a closed curved surface such as an ellipse. Note that since the vacuum vessel 2 is transparent, plasma generated inside the vacuum vessel 2 when observed through the electromagnetic wave shield 1 can be observed. Although depending on the composition of the gas to be introduced, artificial diamond can be generated on the substrate by placing the substrate below the ball-shaped plasma.

さて、本発明の目的たる垂直方向に高配向したカーボンナノチューブを成長させる場合は、これだけでは足りず、基板上に強い電界のシースを形成しなければならない。具体的には、カーボンナノチューブを成長するための基板10を、負バイアス電圧が印加される金属製の基板ホルダー(サセプター)11の上部に設置して、やや離間した位置に電極を置き、直流電源50に接続することが必要である。   Now, when growing carbon nanotubes highly oriented in the vertical direction, which is the object of the present invention, this is not sufficient, and a strong electric field sheath must be formed on the substrate. Specifically, a substrate 10 for growing carbon nanotubes is placed on top of a metal substrate holder (susceptor) 11 to which a negative bias voltage is applied, electrodes are placed at slightly spaced positions, and a DC power supply 50 need to be connected.

基板上部の空洞共振器の終端位置に制御電極12が設置されている。この制御電極12が、負極である基板ホルダーに対する正極(但し、制御電極の電位が基板ホルダーの電位よりも高ければよく、制御電極がゼロ電位或いは負電位になっても構わない。)であり、その形状は格子(メッシュ)状のもの、円形の空孔が中央部に一つ設けられたいわゆるドーナツ型のものなど、1つ又は複数の空孔が設けられていることが必要である。制御電極に設けられた空孔はプラズマを通過させるため、制御電極の下方にもプラズマを導入することができる。このような位置関係(すなわち、プラズマ/制御電極/基板ホルダーとの順序)をとることにより、基板ホルダーが制御電極を介してプラズマの対向位置に設置されるようにすると、制御電極を空洞共振器の終端位置に設置することができる。そのため、プラズマが安定して持続すると共に基板上にシースを形成することができるため、カーボンナノチューブの垂直配向性が向上する。   A control electrode 12 is provided at the end position of the cavity resonator above the substrate. The control electrode 12 is a positive electrode with respect to the substrate holder which is a negative electrode (provided that the potential of the control electrode is higher than the potential of the substrate holder, and the control electrode may be zero potential or negative potential). The shape is required to be provided with one or a plurality of holes, such as a lattice (mesh) shape, a so-called donut shape in which one circular hole is provided at the center. Since the holes provided in the control electrode allow the plasma to pass therethrough, the plasma can also be introduced below the control electrode. By taking such a positional relationship (that is, the order of plasma / control electrode / substrate holder), when the substrate holder is placed at a position facing the plasma via the control electrode, the control electrode is connected to the cavity resonator. It can be installed at the end position. For this reason, the plasma can be stably maintained and a sheath can be formed on the substrate, so that the vertical alignment of the carbon nanotubes is improved.

制御電極12の形状として本件発明者らが実際に確認したものは、メッシュ状(格子状)の金属電極と、直径がマイクロ波の半波長(λ/2)未満の空孔が設けられた金属電極である。制御電極がメッシュ状の電極の場合、なるべく目の粗いもの、(例えば1インチあたり60〜100本程度の格子が設けられたメッシュ状の金属製電極)を用いることができる。
或いは、直径がマイクロ波波長の1/2(2.45GHzの場合、λ/2=約6.1cm)未満の空孔(例えば、直径2.6cm)を空けた金属板(同心円上のいわゆるドーナツ型の薄い金属板)を制御電極としてもよい。これらの制御電極を基板とプラズマとの間に介在させることにより、プラズマを安定して持続させることができる。メッシュ状の場合は制御電極の金属原子がスパッタリングされるおそれがあるが、空孔の場合はその心配が少ない。但し、制御電極の位置(空洞共振器の終端位置)に電極が設けられている条件でプラズマが生成するように設計されているので、制御電極自体を省略することはできない。
What the present inventors have actually confirmed as the shape of the control electrode 12 is a metal having a mesh-like (lattice-like) metal electrode and a hole having a diameter less than a half wavelength (λ / 2) of a microwave. Electrode. In the case where the control electrode is a mesh electrode, it is possible to use one having as coarse an eye as possible (for example, a mesh metal electrode provided with about 60 to 100 lattices per inch).
Alternatively, a metal plate (a so-called donut on a concentric circle) having a hole (for example, a diameter of 2.6 cm) having a diameter less than ½ of the microwave wavelength (λ / 2 = about 6.1 cm in the case of 2.45 GHz). A thin metal plate) may be used as the control electrode. By interposing these control electrodes between the substrate and the plasma, the plasma can be maintained stably. In the case of the mesh shape, the metal atoms of the control electrode may be sputtered. However, since the plasma is designed to be generated under the condition that the electrode is provided at the position of the control electrode (end position of the cavity resonator), the control electrode itself cannot be omitted.

なお、基板10の材質としては、例えば触媒金属(鉄、ニッケル、コバルトなど)を用いることができる。本件発明者らによる上記実験装置を用いた実験によると、基板10として大きさが概ね1cm角程度の鉄の薄板を用いた結果、垂直方向によく高配向した均一なカーボンナノチューブが得られた(図2)。   In addition, as a material of the board | substrate 10, a catalyst metal (iron, nickel, cobalt etc.) can be used, for example. According to an experiment using the above experimental apparatus by the present inventors, as a result of using an iron thin plate having a size of about 1 cm square as the substrate 10, uniform carbon nanotubes that are well oriented in the vertical direction were obtained ( Figure 2).

上述したようにマイクロ波発振器20から導波管21内にマイクロ波を発生させ、これを真空容器2に送ると真空容器2が空洞共振器となり、真空槽から少し離れた石英管の内部の中心部付近にボール状のプラズマが生成される。このとき、できる限り真空槽の壁面やマイクロ波窓から離れた位置にプラズマが生成するようにすることが好ましい。これは、プラズマが真空槽に接触すると真空槽を構成する石英或いは真空槽に設けられたマイクロ波窓(不図示)の構成原子がスパッタリングされ、不純物として成長中のカーボンナノチューブに混入するおそれがあるためである。   As described above, when microwaves are generated in the waveguide 21 from the microwave oscillator 20 and sent to the vacuum vessel 2, the vacuum vessel 2 becomes a cavity resonator, and the center inside the quartz tube a little away from the vacuum chamber. Ball-shaped plasma is generated near the portion. At this time, it is preferable that plasma is generated as far as possible from the wall of the vacuum chamber and the microwave window. This is because when the plasma contacts the vacuum chamber, quartz constituting the vacuum chamber or constituent atoms of a microwave window (not shown) provided in the vacuum chamber may be sputtered and mixed into the growing carbon nanotube as an impurity. Because.

以上のように、本発明に係る化学気相堆積装置によると、該制御電極に対してプラズマ生成部と反対側に基板ホルダーを設置し、該制御電極と該基板ホルダーとの間に直流或いは高周波電圧を印加して基板ホルダー上に強いシースを生成するため、カーボンナノチューブを垂直に引き上げながら配向成長させることができる。   As described above, according to the chemical vapor deposition apparatus according to the present invention, the substrate holder is installed on the opposite side of the plasma generation unit with respect to the control electrode, and a direct current or high frequency is provided between the control electrode and the substrate holder. Since a strong sheath is generated on the substrate holder by applying a voltage, the carbon nanotubes can be oriented and grown while being pulled up vertically.

なお、当初本件発明者らは、図1における制御電極が設けられている位置に基板ホルダーを設けてこれを負極(負バイアスを印加)として、さらにその上方に制御電極(但し、メッシュや空孔は設けられていない)を設けてこれを正極(正のバイアスを印加)として、カーボンナノチューブを成長させることを試みたが、真空容器2は空洞共振器となっているため、空洞共振器の終端位置に電極を設けかつ内部を空洞にしなかったためにプラズマが生成乃至安定して持続しなかった。そこで、制御電極の一部に微細な空孔を設けると共に、プラズマの反対側(図1の制御電極12の下方)に基板ホルダーを設けたところ、ボール状のプラズマが真空容器内に安定して持続した。そして、制御電極と基板ホルダーとの間のシースによって垂直方向に強く配向したカーボンナノチューブを生成することができた。   Initially, the inventors of the present invention provided a substrate holder at a position where the control electrode in FIG. 1 is provided and made this a negative electrode (a negative bias is applied), and further above the control electrode (however, a mesh or a hole) Is not provided) and this was used as a positive electrode (positive bias applied) to try to grow carbon nanotubes. However, since the vacuum vessel 2 is a cavity resonator, the cavity resonator is terminated. Since an electrode was provided at the position and the inside was not made hollow, plasma was not generated or stably maintained. Therefore, when a fine hole is provided in a part of the control electrode and a substrate holder is provided on the opposite side of the plasma (below the control electrode 12 in FIG. 1), the ball-shaped plasma is stabilized in the vacuum vessel. Lasted. The carbon nanotubes that were strongly oriented in the vertical direction could be generated by the sheath between the control electrode and the substrate holder.

真空槽壁に接触しないで真空槽の中心部にプラズマを生成し、プラズマ下部に制御電極12と、さらにその下部に基板ホルダー10を置き、基板ホルダー10を負極、制御電極12を正極として、両者に直流電圧を印加し、基板ホルダー上に置いた基板上にカーボンナノチューブを成長させた。   Plasma is generated in the center of the vacuum chamber without contacting the vacuum chamber wall, the control electrode 12 is placed under the plasma, and the substrate holder 10 is further placed under the plasma. The substrate holder 10 is the negative electrode, and the control electrode 12 is the positive electrode. A DC voltage was applied to the substrate to grow carbon nanotubes on the substrate placed on the substrate holder.

成長の条件として、反応ガスに10水素希釈メタンを用い、圧力を2000Pa、マイクロ波電力を500W、制御電極と基板ホルダーに間の直流電圧を約450V、鉄の薄板を基板として15分間の成長を行った。
図2は、以上の条件で成長したカーボンナノチューブの表面を観察した走査型電子顕微鏡写真を示している。この観察結果から、基板表面に垂直に配向したカーボンナノチューブの成長が確認された。
As growth conditions, 10 hydrogen diluted methane was used as the reaction gas, the pressure was 2000 Pa, the microwave power was 500 W, the DC voltage between the control electrode and the substrate holder was about 450 V, and the iron thin plate was used as a substrate for 15 minutes. went.
FIG. 2 shows a scanning electron micrograph observing the surface of the carbon nanotube grown under the above conditions. From this observation result, growth of carbon nanotubes oriented perpendicular to the substrate surface was confirmed.

以上のように、アンテナ等のTE−TM変換器を用いてTE−TMモード変換を行い、真空槽自体を空洞共振器としたエンドランチ型の装置を用いて制御電極と基板ホルダーの間にプラズマを生成することにより、垂直方向に配向した均一なカーボンナノチューブを製造することができた。   As described above, TE-TM mode conversion is performed using a TE-TM converter such as an antenna, and plasma is generated between the control electrode and the substrate holder using an end launch type device in which the vacuum chamber itself is a cavity resonator. As a result, it was possible to produce uniform carbon nanotubes oriented in the vertical direction.

本発明は、将来本格的な実用化が期待されているCNTデバイスを製造するための要素技術として利用されることが期待される点で、産業上の利用可能性は極めて大きい。   Since the present invention is expected to be used as an elemental technology for manufacturing a CNT device that is expected to be put into practical use in the future, the industrial applicability is extremely large.

図1は、本発明に係るマイクロ波プラズマ化学気相堆積装置の構成図の一例を示している。FIG. 1 shows an example of a configuration diagram of a microwave plasma chemical vapor deposition apparatus according to the present invention. 図2は、成長したカーボンナノチューブの表面を観察した走査型電子顕微鏡写真を示している。FIG. 2 shows a scanning electron micrograph observing the surface of the grown carbon nanotube.

符号の説明Explanation of symbols

1 電磁波シールド
2 真空容器(ベルジャー)
3 ガス導入口
4 ガス排出口
10 基板
11 基板ホルダー(負極)
12 制御電極(正極、但し、ゼロ電位となる場合もある。)
20 マイクロ波発振器
21 導波管
22 TE−TMモード変換器(アンテナ)
1 Electromagnetic wave shield 2 Vacuum container (Bell jar)
3 Gas inlet 4 Gas outlet 10 Substrate 11 Substrate holder (negative electrode)
12 Control electrode (positive electrode, but may be zero potential)
20 Microwave Oscillator 21 Waveguide 22 TE-TM Mode Converter (Antenna)

Claims (8)

内部にプラズマを生成することのできる真空容器と、直流電圧又は高周波電圧が印加される制御電極と、直流電圧又は高周波電圧が印加されると共に基板を保持する基板ホルダーと、前記真空容器内部にガスを導入及び排出するためのガス導入口及びガス排出口とを備えた化学気相成長装置であって、前記真空容器の内部に生成されたプラズマが前記制御電極を介して基板ホルダーに達する位置に、制御電極及び基板ホルダーが設置されていることを特徴とする化学気相堆積装置。 A vacuum vessel capable of generating plasma inside, a control electrode to which a DC voltage or a high frequency voltage is applied, a substrate holder to which a DC voltage or a high frequency voltage is applied and holding a substrate, and a gas inside the vacuum vessel A chemical vapor deposition apparatus having a gas inlet and a gas outlet for introducing and discharging gas, wherein plasma generated inside the vacuum vessel reaches a substrate holder via the control electrode A chemical vapor deposition apparatus in which a control electrode and a substrate holder are installed. 内部にプラズマを生成することのできる真空容器と、直流電圧又は高周波電圧が印加される制御電極と、直流電圧又は高周波電圧が印加されると共に基板を保持する基板ホルダーと、前記真空容器内部にガスを導入及び排出するためのガス導入口及びガス排出口と、マイクロ波電源及びマイクロ波導波管とを備えた化学気相堆積装置であって、
前記真空容器を空洞共振器としてその終端位置に前記制御電極が設けられ、制御電極のマイクロ波導入側にプラズマが生成されるようにTE−TMモード変換器が設けられていることを特徴とする化学気相堆積装置。
A vacuum vessel capable of generating plasma inside, a control electrode to which a DC voltage or a high frequency voltage is applied, a substrate holder to which a DC voltage or a high frequency voltage is applied and holding a substrate, and a gas inside the vacuum vessel A chemical vapor deposition apparatus comprising a gas inlet and a gas outlet for introducing and discharging gas, a microwave power source and a microwave waveguide,
The vacuum vessel is a cavity resonator, the control electrode is provided at the terminal position, and a TE-TM mode converter is provided so that plasma is generated on the microwave introduction side of the control electrode. Chemical vapor deposition equipment.
内部にプラズマを生成することのできる真空容器と、直流電圧又は高周波電圧が印加される制御電極と、直流電圧又は高周波電圧が印加されると共に基板を保持する基板ホルダーと、前記真空容器内部にガスを導入及び排出するためのガス導入口及びガス排出口と、マイクロ波電源及びマイクロ波導波管とを備えた化学気相堆積装置であって、
前記真空容器を空洞共振器としてその終端位置に前記制御電極が設けられ、制御電極のマイクロ波導入側に第1のプラズマが生成されるようにTE−TMモード変換器が設けられていると共に、前記制御電極と基板ホルダーとの間に第2のプラズマを発生させることを特徴とする化学気相堆積装置。
A vacuum vessel capable of generating plasma inside, a control electrode to which a DC voltage or a high frequency voltage is applied, a substrate holder to which a DC voltage or a high frequency voltage is applied and holding a substrate, and a gas inside the vacuum vessel A chemical vapor deposition apparatus comprising a gas inlet and a gas outlet for introducing and discharging gas, a microwave power source and a microwave waveguide,
The vacuum vessel serves as a cavity resonator, the control electrode is provided at the terminal position, and a TE-TM mode converter is provided so that the first plasma is generated on the microwave introduction side of the control electrode, A chemical vapor deposition apparatus for generating a second plasma between the control electrode and a substrate holder.
前記制御電極の形状は、少なくとも一部がメッシュ状であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の化学気相堆積装置。 The chemical vapor deposition apparatus according to claim 1, wherein at least a part of the control electrode has a mesh shape. 前記制御電極の形状は、前記マイクロ波波長の1/2未満の直径の空孔が設けられた構造であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の化学気相堆積装置。 The chemical vapor deposition according to any one of claims 1 to 3, wherein the control electrode has a structure in which holes having a diameter of less than ½ of the microwave wavelength are provided. apparatus. 前記真空容器は透明な材料で構成されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のマイクロ波プラズマ化学気相堆積装置。 The microwave plasma chemical vapor deposition apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the vacuum vessel is made of a transparent material. 真空容器の内部に設けられた基板ホルダーに基板を設置した状態で、前記真空容器の内部に反応ガスを導入し、前記真空容器の内部に第1のプラズマを発生させることにより前記基板上にカーボンナノチューブを成長させる方法であって、
前記真空容器内の前記プラズマに隣接する位置に、プラズマを通過させるための1つ又は複数の空孔が設けられた制御電極を設置しこの制御電極を介して前記プラズマと対向する位置に前記基板ホルダーを設置し、
前記空孔を介して前記第1のプラズマを基板表面近傍に導入すると共に前記制御電極と前記基板ホルダーとの間に直流電圧又は高周波電圧を印加しながら前記基板上にカーボンナノチューブを成長させることを特徴とするカーボンナノチューブの製造方法。
In a state where the substrate is set in a substrate holder provided inside the vacuum vessel, a reactive gas is introduced into the vacuum vessel, and a first plasma is generated inside the vacuum vessel to generate carbon on the substrate. A method for growing nanotubes, comprising:
A control electrode provided with one or a plurality of holes for allowing plasma to pass is installed in a position adjacent to the plasma in the vacuum vessel, and the substrate is located at a position facing the plasma through the control electrode. Install the holder,
Introducing the first plasma into the vicinity of the substrate surface through the holes and growing carbon nanotubes on the substrate while applying a DC voltage or a high-frequency voltage between the control electrode and the substrate holder; A method for producing a carbon nanotube, which is characterized.
請求項7に記載のカーボンナノチューブの製造方法において、前記制御電極と前記基板ホルダーとの間に第2のプラズマを発生させることを特徴とするカーボンナノチューブの製造方法。 8. The method for producing carbon nanotubes according to claim 7, wherein second plasma is generated between the control electrode and the substrate holder.
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