JP4423393B2 - Microplasma deposition method and apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、マイクロプラズマ発生器中へ液体原料を供給し、マイクロプラズマによる反応、分解又は霧化を行って、液体原料からマイクロプラズマデポジションを行う方法及び装置に関する。 The present invention relates to a method and apparatus for supplying a liquid raw material into a microplasma generator and performing microplasma deposition from the liquid raw material by performing reaction, decomposition or atomization by microplasma.
従来、誘導結合型マイクロプラズマ発生法やコロナ放電型マイクロプラズマ発生法などが開発されている。これらのマイクロプラズマは、石英管や医療用注射針の内部にガスを導入し、外部から高周波を誘導コイルもしくは鰐口クリップ等を介して印加することで、石英管内部や注射針内部でプラズマを発生させ、先端から噴出させたものである。
最近ではこれらを利用して、基板上数百ミクロンの領域のエッチングや、数百ミクロンの領域への材料デポジションなどの材料プロセシングが試みられている(例えば、特許文献1参照)。
Conventionally, an inductively coupled microplasma generation method, a corona discharge type microplasma generation method, and the like have been developed. These microplasmas generate plasma inside the quartz tube or the injection needle by introducing gas into the inside of the quartz tube or medical injection needle and applying a high frequency from the outside via an induction coil or a mouth clip. And ejected from the tip.
Recently, material processing such as etching of a region of several hundred microns on a substrate and material deposition to a region of several hundred microns has been attempted using these (see, for example, Patent Document 1).
材料のデポジションに関しては、デポジション材料の原料にガスを利用した化学的気相成長法(CVD法)が一般的に試みられている。また最近我々の研究グループでは、石英管内部に金属ワイヤーを挿入し、プラズマからの熱伝導ならびに誘導コイルによる誘導加熱によりワイヤーを溶融もしくは蒸発させてキャピラリー先端から噴出させるワイヤー溶射法を開発した(特許文献2参照)。 Regarding the deposition of materials, a chemical vapor deposition method (CVD method) using a gas as a raw material for the deposition material is generally attempted. Recently, our research group has developed a wire spraying method in which a metal wire is inserted inside a quartz tube, and the wire is melted or evaporated by heat conduction from the plasma and induction heating by an induction coil to be ejected from the capillary tip (patent) Reference 2).
このように従来の方法では、デポジションの原料としてガスもしくは金属ワイヤーのみの利用が可能であった。しかし、さらに液体原料の導入が可能となれば、より多くの種類の材料をマイクロプラズマでデポジションすることが可能となる。
マイクロプラズマ中への液体原料供給法としては、一木らがマイクロプラズマ発生ノズル先端から噴出したマイクロプラズマジェットのフレームの流れ方向に対して、垂直方向から液体原料供給ノズルを介して液体原料を導入し、極微量元素分析に利用した例がある(非特許文献1参照)。
しかし、この液体原料導入方法では、マイクロプラズマジェットのガス流れの乱れを生じさせ、液体原料は様々な方向へ飛散し、マイクロプラズマによるデポジションの特徴である、微小領域のみへのデポジションの達成が困難である。
Thus, in the conventional method, it is possible to use only gas or metal wire as a raw material for deposition. However, if it becomes possible to introduce more liquid raw materials, more types of materials can be deposited with microplasma.
As a method for supplying liquid material into the microplasma, Ichiki et al. Introduced the liquid material through the liquid material supply nozzle from the direction perpendicular to the flow direction of the microplasma jet frame ejected from the tip of the microplasma generation nozzle. However, there is an example used for trace element analysis (see Non-Patent Document 1).
However, in this liquid material introduction method, the gas flow of the microplasma jet is disturbed, and the liquid material is scattered in various directions, achieving the deposition only in the microscopic area, which is a feature of deposition by microplasma. Is difficult.
通常のICP質量分析などに使用されている液体試料供給部は、液体試料送液管とネブライザーガスの配管が同軸上にある同軸型と、両管が直交しているクロスフロー型のものとがある。
液体試料導入の原理は、流体力学のベルヌーイの定理で説明されており、通常のICP装置では、ネブライザーガスを高速で流すことで液体試料送液管ヘッドに負圧を生じさせることで液体試料を吸引している。
しかしながらマイクロプラズマでは、プラズマを発生させるノズルの径が数ミクロンから数百ミクロンと非常に微小なため、液体試料送液管ヘッドに負圧を生じさせるための速度でガスを流すことが不可能であることから、従来の方法での液体試料吸引は期待できない。
したがって、従来の液体原料からマイクロプラズマデポジションを行う技術は、実質的に存在しなかったと言える。
The principle of liquid sample introduction is explained by Bernoulli's theorem of fluid mechanics. In a normal ICP device, a liquid sample is generated by generating a negative pressure in the liquid sample feed pipe head by flowing a nebulizer gas at a high speed. Sucking.
However, with microplasma, the diameter of the nozzle that generates the plasma is very small, from a few microns to a few hundred microns, so it is impossible to flow gas at a speed that creates a negative pressure in the liquid sample feeding tube head. For this reason, liquid sample suction by the conventional method cannot be expected.
Therefore, it can be said that there is substantially no technique for performing microplasma deposition from a conventional liquid material.
本発明は、上記の問題点を解決することを目的とするものであり、マイクロプラズマ中に極微量の溶液原料を効率的に霧化・供給させるシステム及びその溶液原料からマイクロプラズマを利用してCVD法、溶射法、蒸着法等により、反応生成物や形成された微粒子等を基体上にデポジション又は堆積させるための技術を提供する。
具体的には、プラズマガス供給ラインと直交するように液体供給用マイクロノズルを配置させたクロスフロー型マイクロネブライザーを設け、このマイクロネブライザー(プラズマデポジション装置)を使用して有機系液体試料などをマイクロプラズマ中に供給して反応、分解又は霧化させ、マイクロプラズマ下流に設置した基体上に反応生成物、微粒子等の材料をデポジット(析出、付着)させる技術を提供する。また、粉末材料を液体中に分散させたコロイドなどの溶液をマイクロプラズマ中に供給して、下流に配置させた基体上に材料を蒸着、溶射等を行うマイクロプラズマデポジション技術を提供する。
The present invention aims to solve the above-mentioned problems, a system for efficiently atomizing and supplying a very small amount of solution raw material in microplasma, and using the microplasma from the solution raw material. Provided is a technique for depositing or depositing reaction products and formed fine particles on a substrate by CVD, thermal spraying, vapor deposition, or the like.
Specifically, a cross flow type micro nebulizer in which micro nozzles for liquid supply are arranged so as to be orthogonal to the plasma gas supply line is provided, and an organic liquid sample or the like is obtained using this micro nebulizer (plasma deposition apparatus). Provided is a technique for depositing (depositing or adhering) materials such as reaction products and fine particles on a substrate placed downstream of the microplasma by supplying it into the microplasma for reaction, decomposition or atomization. Also provided is a microplasma deposition technique in which a solution such as a colloid in which a powder material is dispersed in a liquid is supplied into a microplasma, and the material is vapor-deposited and sprayed onto a substrate disposed downstream.
マイクロプラズマ中に供給した液体原料の蒸発、解離、イオン化、若しくは溶液中に分散している微粒子の表面の溶融を効率良く行うためには、プラズマ中での滞留時間を長くする必要があるので、滞留時間と深く関係するガス流速は、可能な限り低速の領域までコントロールできることが望ましい。
そこで、この出願の発明は、上記のような課題を解決するものとしてなされたものであり、マイクロプラズマ発生用ノズルの上流から、極微量の液体原料を、吹出口の径が数ミクロンから数十ミクロンのノズルからガス圧印加方式で供給し、この液体原料供給ノズルと直交して流れるプラズマガスで効率良く霧化して、マイクロプラズマ中へ供給することが可能な液体原料供給システムを提供するものである。さらに本システムを利用して、液体原料を利用したCVD法、蒸着法、溶射法等のデポジション法及び装置を提供する。
In order to efficiently evaporate, dissociate, ionize, or melt the surface of the fine particles dispersed in the solution supplied to the microplasma, it is necessary to increase the residence time in the plasma. It is desirable that the gas flow rate that is closely related to the residence time can be controlled to the lowest possible region.
Therefore, the invention of this application has been made to solve the above-described problems, and an extremely small amount of liquid material is supplied from the upstream side of the nozzle for generating microplasma, and the diameter of the outlet is from several microns to several tens. A liquid material supply system that can be supplied from a micron nozzle by a gas pressure application method, efficiently atomized with a plasma gas flowing perpendicular to the liquid material supply nozzle, and supplied into the microplasma. is there. Furthermore, the present system is used to provide a deposition method and apparatus such as a CVD method, a vapor deposition method, and a thermal spray method using a liquid raw material.
具体的には、本発明は、上記の問題点を解決することを目的とし、
1)マイクロプラズマガス供給ラインの上流又は途中において、同ラインとほぼ直交するように液体を供給し、該液体をマイクロプラズマにより反応、分解又は霧化させ、マイクロプラズマ下流に設置した基体上に反応生成物又は微粒子をデポジットさせることを特徴とするマイクロプラズマデポジション方法。
2)マイクロプラズマガス供給ラインの上流又は途中において、同ラインとほぼ直交するように液体を供給してマイクロプラズマにより反応、分解又は霧化させると共に、一方でマイクロプラズマ発生源又はその近傍に固体原料を供給して該固体原料を溶融、気化させるか又はマイクロプラズマ中に気体原料を供給し、前記液体から供給された材料と前記固体原料から供給された材料及び/又は前記気体原料からなる反応生成物又は微粒子をマイクロプラズマ下流に設置した基体上にデポジットさせることを特徴とするマイクロプラズマデポジション方法。
3)マイクロプラズマガス供給ラインの下流に設けた基体である金属、金属酸化物等のワイヤー表面又は微細管内壁面に反応生成物又は微粒子をデポジットさせることを特徴とする上記1)又は2)記載のマイクロプラズマデポジション方法。
4)フェロセンエタノール溶液を用いてカーボンナノチューブをデポジットさせることを特徴とする1)〜3)のいずれかに記載のマイクロプラズマデポジション方法。
5)マイクロプラズマ供給ラインのキャピラリーの先端内径を調節することにより、デポジット領域を調製することを特徴とする1)〜4)のいずれかに記載のマイクロプラズマデポジション方法。
6)マイクロプラズマデポジション中に基材を二次元方向に移動させることで、基材上にラインパターン又はドットパターンを形成することを特徴とする1)〜5)のいずれかに記載のマイクロプラズマデポジション方法。
を提供する。
Specifically, the present invention aims to solve the above problems,
1) A liquid is supplied upstream or in the middle of the microplasma gas supply line so as to be substantially orthogonal to the line, and the liquid is reacted, decomposed or atomized by microplasma, and reacted on a substrate installed downstream of the microplasma. A microplasma deposition method comprising depositing a product or fine particles.
2) In the upstream or midway of the microplasma gas supply line, a liquid is supplied so as to be substantially orthogonal to the line and reacted, decomposed or atomized by the microplasma, while the solid raw material is at or near the microplasma source. The solid raw material is melted and vaporized, or the gaseous raw material is supplied into the microplasma, and the reaction product comprising the material supplied from the liquid and the material supplied from the solid raw material and / or the gaseous raw material A microplasma deposition method comprising depositing an object or fine particles on a substrate placed downstream of the microplasma.
3) The reaction product or fine particles are deposited on the surface of a wire, such as metal or metal oxide, which is a substrate provided downstream of the microplasma gas supply line, or on the inner wall surface of the fine tube, Microplasma deposition method.
4) The microplasma deposition method according to any one of 1) to 3), wherein carbon nanotubes are deposited using a ferrocene ethanol solution.
5) The microplasma deposition method according to any one of 1) to 4), wherein a deposit region is prepared by adjusting a tip inner diameter of a capillary of a microplasma supply line.
6) The microplasma according to any one of 1) to 5), wherein a line pattern or a dot pattern is formed on the substrate by moving the substrate in a two-dimensional direction during the microplasma deposition. Deposition method.
I will provide a.
さらに、本発明は、
7)マイクロプラズマガス供給管の上流又は途中に該供給管とほぼ直交するように設置した、吹き出し口が直径1μm〜50μmの吹き出し口に向かって先細りするテーパー形状を有したガラス管又は石英管からなる液体供給ノズルと、マイクロプラズマガス供給管の下流に設置した反応生成物又は微粒子をデポジットさせる基体を備えていることを特徴とするマイクロプラズマデポジション装置。
8)液体供給ノズルは、ガラス管又は石英管をステンレス等の金属管内にエポキシ系接着剤で接着した構造を備えていることを特徴とする6)記載のマイクロプラズマデポジション装置。
9)送液管として耐薬品性チューブを用い、液体供給ノズルの金属管を該チューブ内に挿入し、ナット、バック又はフロントフェルールを締め付けることにより、液体供給ノズルの金属管をチューブ内で圧迫接合した構造を備えていることを特徴とする7)又は8)に記載のマイクロプラズマデポジション装置。
10)液体供給ノズル先端をマイクロプラズマガス供給管の中央に配置させたことを特徴とする7)〜9)のいずれかに記載のマイクロプラズマデポジション装置。
11)前記チューブ内に注入した液体を、チューブの他端からガス圧を印加することにより液体供給ノズル先端から噴出させることを特徴とする9)又は10)記載のマイクロプラズマデポジション装置。
12)マイクロプラズマガス供給管内に、さらに内管を挿入すると共にこの内管の出口を前記液体供給ノズルの吹出口の直前に設置し、この内管にマイクロプラズマガスを供給して、ガスを高速で前記液体供給ノズル吹き付けることを特徴とする7)〜11)のいずれかに記載のマイクロプラズマデポジション装置。
13)マイクロプラズマガス供給管の下流に、基体である金属、金属酸化物等のワイヤー又は微細管を配置し、ワイヤー表面又は微細管内壁面に反応生成物又は微粒子をデポジットさせることを特徴とする7)〜12)のいずれかに記載のマイクロプラズマデポジション装置。
14)マイクロプラズマ発生源又はその近傍位置に、固体原料を供給して溶融、気化させる装置又は気体原料の供給装置を設けたことを特徴とする7)〜13)のいずれかに記載のマイクロプラズマデポジション装置。
15)マイクロプラズマ発生用キャピラリー内に固体原料となる金属ワイヤーを配置するか又は気体原料の供給装置を配置したことを特徴とする14)記載のマイクロプラズマデポジション装置。
を提供する。
Furthermore, the present invention provides
7) From a glass tube or a quartz tube having a taper shape in which the air outlet is tapered toward the air outlet having a diameter of 1 μm to 50 μm, which is installed upstream or in the middle of the micro plasma gas supply pipe so as to be substantially orthogonal to the air supply pipe. A microplasma deposition apparatus, comprising: a liquid supply nozzle, and a substrate for depositing reaction products or fine particles disposed downstream of the microplasma gas supply pipe.
8) The microplasma deposition apparatus according to 6), wherein the liquid supply nozzle has a structure in which a glass tube or a quartz tube is bonded to a metal tube such as stainless steel with an epoxy adhesive.
9) Use a chemical-resistant tube as the liquid feed tube, insert the metal tube of the liquid supply nozzle into the tube, and tighten the nut, back or front ferrule to press-bond the metal tube of the liquid supply nozzle in the tube The microplasma deposition apparatus according to 7) or 8), characterized by comprising the above structure.
10) The microplasma deposition apparatus according to any one of 7) to 9), wherein the tip of the liquid supply nozzle is disposed at the center of the microplasma gas supply pipe.
11) The microplasma deposition apparatus according to 9) or 10), wherein the liquid injected into the tube is ejected from a liquid supply nozzle tip by applying a gas pressure from the other end of the tube.
12) An inner tube is further inserted into the microplasma gas supply pipe, and the outlet of the inner pipe is installed immediately before the outlet of the liquid supply nozzle, and the microplasma gas is supplied to the inner pipe so that the gas is supplied at high speed. 7. The microplasma deposition apparatus according to any one of 7) to 11), wherein the liquid supply nozzle is sprayed.
13) A wire or a fine tube made of a metal, metal oxide or the like as a substrate is arranged downstream of the microplasma gas supply tube, and reaction products or fine particles are deposited on the wire surface or the inner wall surface of the fine tube. The microplasma deposition apparatus according to any one of) to 12).
14) The microplasma according to any one of 7) to 13), wherein a device for supplying a solid material to melt and vaporize or a gas material supply device is provided at or near the microplasma generation source. Deposition device.
15) The microplasma deposition apparatus according to 14), wherein a metal wire serving as a solid material or a gas material supply device is disposed in a capillary for generating microplasma.
I will provide a.
以上によって、液体原料をマイクロプラズマ発生ノズルの上流から導入させることが可能となるので、CVDプロセス又はPCVDプロセスで生成させた粒子やコロイド溶液中の微粒子などの流れ方向を、マイクロプラズマ発生用ノズルの内部形状をコントロールすることで制御可能となり、微小領域のみへのデポジションが可能となるという優れた効果がある。
本発明は、液体原料からのマイクロプラズマCVD、さらに固体原料を用いたPCVD又はプラズマ中での反応を伴わない溶射プロセス又は蒸着も実現できる。本願発明において使用するマイクロプラズマデポジション法はこれらを全て包含する。
As described above, the liquid raw material can be introduced from the upstream side of the microplasma generating nozzle. Therefore, the flow direction of the particles generated by the CVD process or the PCVD process or the microparticles in the colloidal solution is determined by the microplasma generating nozzle. It is possible to control by controlling the internal shape, and there is an excellent effect that it is possible to deposit only in a minute region.
The present invention can also realize micro-plasma CVD from a liquid source, PCVD using a solid source, or a thermal spraying process or vapor deposition without reaction in plasma. The microplasma deposition method used in the present invention includes all of them.
また、液体原料をマイクロプラズマ発生ノズルの上流から導入することで、液体原料がマイクロプラズマ中を通過する時間、すなわち滞留時間を長くすることが可能となる。これは、液体原料をプラズマ中で効率良く蒸発、解離、イオン化、反応させることに繋がることから、効率の良い液体原料からのマイクロプラズマCVDプロセス及びさらに固体原料を利用したマイクロプラズマCVDプロセスを達成することが可能となる。
また、液体原料が、微粒子などを液体中に分散させたコロイド溶液などの場合には、溶液中の微粒子表面を十分に溶融させるのに十分な滞留時間があるため、マイクロプラズマを利用した溶射プロセスを達成することが可能となる。
上記の通り、本願発明の方法及び装置は、従来にない優れた効果を有する。
Further, by introducing the liquid material from the upstream of the microplasma generating nozzle, it is possible to lengthen the time during which the liquid material passes through the microplasma, that is, the residence time. This leads to efficient evaporation, dissociation, ionization, and reaction of the liquid source in the plasma, thereby achieving an efficient microplasma CVD process from the liquid source and further a microplasma CVD process using the solid source. It becomes possible.
In addition, when the liquid source is a colloidal solution in which fine particles are dispersed in a liquid, there is sufficient residence time to sufficiently melt the fine particle surface in the solution. Can be achieved.
As described above, the method and apparatus of the present invention have an unprecedented excellent effect.
本発明の方法において使用するマイクロプラズマデポジション装置は、マイクロプラズマガス供給管の上流又は途中に該供給管とほぼ直交するように設置する。この場合、液体供給ノズルは、吹き出し口が直径1μm〜50μmの吹き出し口に向かって先細りするテーパー形状を有したガラス管又は石英管を使用する。これは、例えば外径1mmのガラス管又は石英管を加熱引張加工することで作製することができる。また、反応生成物又は微粒子をデポジットさせる基体は、マイクロプラズマガス供給管の下流に設置する。
液体供給ノズルは、特に、ガラス管又は石英管をステンレス等の金属管内にエポキシ系接着剤で接着した構造とするのが良い。具体的には、例えば液体供給ノズルを内径1/4インチのステンレス等の金属管にエポキシ系接着剤で接続して液体供給ノズルとすることができる。
The microplasma deposition apparatus used in the method of the present invention is installed upstream or in the middle of the microplasma gas supply pipe so as to be substantially orthogonal to the supply pipe. In this case, the liquid supply nozzle uses a glass tube or a quartz tube having a tapered shape in which the air outlet tapers toward the air outlet having a diameter of 1 μm to 50 μm. This can be produced, for example, by subjecting a glass tube or a quartz tube having an outer diameter of 1 mm to heat tension. The substrate on which reaction products or fine particles are deposited is installed downstream of the microplasma gas supply pipe.
In particular, the liquid supply nozzle may have a structure in which a glass tube or a quartz tube is bonded to a metal tube such as stainless steel with an epoxy adhesive. Specifically, for example, the liquid supply nozzle can be connected to a metal tube such as stainless steel having an inner diameter of 1/4 inch with an epoxy adhesive to form a liquid supply nozzle.
また、送液管としては、耐薬品性チューブ(例えばタイゴンチューブ:商品名、以下同様)を用いるのが良い。このチューブの中に液体供給ノズルの金属管を挿入する。これをナット、バック又はフロントフェルールを締め付けて液体供給ノズルの金属管をチューブ内で圧迫して接合する。これにより緊密な接合が可能となる。
具体的には、例えば送液管に内径1/4のタイゴンチューブを用い、液体供給ノズルユニットの金属管部をタイゴンチューブ内に挿入し、市販の1/4インチ用ナット、バックおよびフロントフェルールを締め付けることで圧迫接合することができる。
Further, as the liquid feeding tube, it is preferable to use a chemical resistant tube (for example, Tygon tube: trade name, the same applies hereinafter). The metal pipe of the liquid supply nozzle is inserted into this tube. The nut, the back or the front ferrule is tightened, and the metal pipe of the liquid supply nozzle is pressed and joined in the tube. This enables tight bonding.
Specifically, for example, a Tygon tube having an inner diameter of 1/4 is used as the liquid feeding pipe, the metal pipe part of the liquid supply nozzle unit is inserted into the Tygon tube, and a commercially available 1/4 inch nut, back and front ferrule are attached. Compression bonding can be performed by tightening.
特に、液体供給ノズル先端をマイクロプラズマガス供給管の中央に配置させることが望ましい。例えば、前記液体供給ノズル装置を、市販の1/4インチユニオンティーにナットで締め付け固定し、ノズル先端をガス送管の中央に配置させてクロスフロー型のネブライザー(液体霧化装置)とすることができる。
そして、前記チューブ内に注入した液体を、チューブの他端からガス圧を印加することにより液体供給ノズル先端から噴出させる。
In particular, it is desirable to arrange the tip of the liquid supply nozzle at the center of the microplasma gas supply pipe. For example, the liquid supply nozzle device is fastened and fixed to a commercially available 1/4 inch union tee with a nut, and the tip of the nozzle is arranged at the center of the gas feed tube to form a cross flow type nebulizer (liquid atomizer). Can do.
Then, the liquid injected into the tube is ejected from the tip of the liquid supply nozzle by applying a gas pressure from the other end of the tube.
また、本願発明のマイクロプラズマデポジション装置は、マイクロプラズマガス供給管内に、さらに内管を挿入すると共にこの内管の出口を前記液体供給ノズルの吹出口の直前に設置し、この内管にマイクロプラズマガスを供給して、ガスを高速で前記液体供給ノズル吹き付けることができる。
具体的には、例えば1/4インチユニオンティー内に内装された液体供給ノズルの吹出口の直前まで、1/8インチのガス供給管を挿入し、ガスを高速でノズル吹出口に吹き付けることで、効率良く液体試料を霧化させ、プラズマ中に供給することができる。
In the microplasma deposition apparatus of the present invention, an inner pipe is further inserted into the microplasma gas supply pipe, and the outlet of the inner pipe is installed immediately before the outlet of the liquid supply nozzle. A plasma gas can be supplied and the liquid supply nozzle can be sprayed at a high speed.
Specifically, for example, a gas supply pipe of 1/8 inch is inserted immediately before the outlet of a liquid supply nozzle built in a 1/4 inch union tee, and gas is blown to the nozzle outlet at a high speed. The liquid sample can be efficiently atomized and supplied into the plasma.
本発明のマイクロプラズマデポジション装置は、マイクロプラズマガス供給管の下流に、基体である金属、金属酸化物等のワイヤー又は微細管を配置し、ワイヤー表面又は微細管内壁面に反応生成物又は微粒子をデポジットさせることができる。
また、本発明は、フェロセンエタノール溶液からカーボンナノチューブを合成し、発生させたマイクロプラズマ下流に配置した基板上にカーボンナノチューブを堆積させることが可能である。
In the microplasma deposition apparatus of the present invention, a wire or a micropipe such as a metal or metal oxide as a substrate is disposed downstream of a microplasma gas supply pipe, and reaction products or fine particles are placed on the wire surface or the inner wall of the micropipe. Deposit can be made.
Further, according to the present invention, it is possible to synthesize carbon nanotubes from a ferrocene ethanol solution and deposit the carbon nanotubes on a substrate disposed downstream of the generated microplasma.
以下、本発明の特徴を、図に沿って具体的に説明する。なお、以下の説明は、本願発明の理解を容易にするためのものであり、これに制限されるものではない。すなわち、本願発明の技術思想に基づく変形、実施態様、他の例は、本願発明に含まれるものである。 The features of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings. In addition, the following description is for making an understanding of this invention easy, and is not restrict | limited to this. That is, modifications, embodiments, and other examples based on the technical idea of the present invention are included in the present invention.
図1に、本発明で使用した液体試料供給ノズルの概略図を示す。これは1/8インチ金属管1に、外径1.0mmのガラス製および石英製のキャピラリーを引張加工して作製した、先端部の内径が1〜50μmのノズル2を、エポキシ系接着剤3で接合したものである。ノズルの先端径や形状等は引張加工の条件を調整することで制御可能である。
図2には、図1に示したノズルを用いた、マイクロプラズマ中への液体供給装置の具体例を示す。これらは全て市販の(タイゴン)チューブ4、ユニオンティー5、ナット7、バックおよびフロントフェルール6等を利用、組み合わせたものである。液体送液管である外径1/4、内径1/8インチのチューブ4に、図1に示した液体供給ノズル2のステンレス製金属管1(外径1/8インチ)を挿入した。
FIG. 1 shows a schematic diagram of a liquid sample supply nozzle used in the present invention. This is produced by pulling a glass and quartz capillary having an outer diameter of 1.0 mm on a 1/8 inch metal tube 1, and a nozzle 2 having an inner diameter of 1 to 50 μm at the tip is connected to an epoxy adhesive 3. It was joined with. The tip diameter, shape, etc. of the nozzle can be controlled by adjusting the tension processing conditions.
FIG. 2 shows a specific example of a liquid supply apparatus for microplasma using the nozzle shown in FIG. These all use and combine a commercially available (Tygon) tube 4, union tee 5, nut 7, back and front ferrule 6. A stainless steel metal tube 1 (outer diameter 1/8 inch) of the liquid supply nozzle 2 shown in FIG. 1 was inserted into a tube 4 having an outer diameter of 1/4 and an inner diameter of 1/8 inch, which is a liquid feed pipe.
これを図2に示すように、1/4インチのユニオンティー5内に挿入し、フロント・バックフェルール6及びナット7を締め付けることで、チューブ4と液体供給ノズル2のステンレス製金属管1を圧迫接合した。
チューブ4の他方の端は、液体試料を噴出させるために印加するためのガス圧調整器付ガスボンベに接続した。前述の金属管1とチューブ4に示す器材の圧迫接合は、チューブ4内部への液体供給ノズル2挿入部からの液体試料の漏洩を防ぐことができ、さらに液体試料供給時、試料噴出用に印加するためのガス圧力を加えた際のノズルの脱離を防ぐことが可能となった。
As shown in FIG. 2, this is inserted into a 1/4 inch union tee 5 and the front / back ferrule 6 and nut 7 are tightened to compress the tube 4 and the stainless steel metal tube 1 of the liquid supply nozzle 2. Joined.
The other end of the tube 4 was connected to a gas cylinder equipped with a gas pressure regulator for applying a liquid sample. The above-described compression bonding of the metal tube 1 and the equipment shown in the tube 4 can prevent leakage of the liquid sample from the insertion portion of the liquid supply nozzle 2 into the tube 4 and can be applied to eject the sample when supplying the liquid sample. This makes it possible to prevent the nozzle from being detached when the gas pressure is applied.
液体供給ノズル2に対して直交するユニオンティー5のガス送管はプラズマガス供給管であり、片側はフェルールおよびナットで接続した1/4インチ金属管を介してガスボンベ(図示せず)へ、他方の側はマイクロプラズマ発生器(図示せず)へと接続されている。プラズマガス供給及びマイクロプラズマ発生器は既存の装置を使用することができる。
このシステムでは、プラズマガスがネブライザーガスの役割も果たしており、ガス圧印加により液体供給ノズル2の先端から極微量漏出した液体は、この直交する管内に流れるプラズマガスにより霧化され、プラズマガスと共にマイクロプラズマ発生器中へ供給される。
The gas feed pipe of the union tee 5 orthogonal to the liquid supply nozzle 2 is a plasma gas supply pipe, one side is connected to a gas cylinder (not shown) through a 1/4 inch metal pipe connected by a ferrule and a nut, and the other side Is connected to a microplasma generator (not shown). Existing equipment can be used for the plasma gas supply and the microplasma generator.
In this system, the plasma gas also plays the role of the nebulizer gas, and the liquid leaked from the tip of the liquid supply nozzle 2 due to the gas pressure application is atomized by the plasma gas flowing in the orthogonal pipe, and is microscopically combined with the plasma gas. Supplied into the plasma generator.
この発明においては、液体試料の噴霧効率の向上を図る目的で、図3に示す装置を提供することができる。図3に示す符号で図2と共通するものは同一符号を使用している。プラズマガス供給管に1/8インチの金属管8を使用し、市販のボアードスルー・レデューサー9を介して1/4インチのユニオンティー内に挿入して接続し、1/8インチのプラズマガス供給管の吹出口を液体供給ノズルの先端部の直前に配置するものである。
この1/8インチのガス供給管8を使用することで、プラズマガスの供給速度が前記1/4インチの場合と比較して、単純に4倍になるので、供給管から吹出直後に、液体試料供給ノズル先端から漏出した試料に吹き付けることが可能であるため、高効率で液体試料を霧化させることができる。
In the present invention, the apparatus shown in FIG. 3 can be provided for the purpose of improving the spray efficiency of the liquid sample. 3 that are common to FIG. 2 use the same reference numerals. 1/8 inch metal tube 8 is used for the plasma gas supply pipe, and it is inserted into a 1/4 inch union tee via a commercially available bore through reducer 9 and connected to it. Is arranged immediately before the tip of the liquid supply nozzle.
By using this 1/8 inch gas supply pipe 8, the plasma gas supply rate is simply four times that of the 1/4 inch case, so that the liquid is supplied immediately after blowing from the supply pipe. Since the sample leaked from the tip of the sample supply nozzle can be sprayed, the liquid sample can be atomized with high efficiency.
さらに、本発明はマイクロプラズマ発生源又はその近傍位置に、固体原料を供給して溶融、気化させる装置又は気体原料の供給装置を設け、該固体原料を溶融、気化させるか又はマイクロプラズマ中に気体原料を供給し、さらにこれをマイクロプラズマと共に前記液体試料供給ノズルに供給して、前記液体から供給された材料と前記固体原料から供給された材料及び/又は前記気体原料からなる反応生成物又は微粒子をマイクロプラズマ下流に設置した基体上にデポジットさせることができる。
気体又は液体さらには固体を出発原料とし、反応生成物又は微粒子を形成する技術は、プラズマCVD法又はプラズマPCVD法と言うことができる。
図4に、固体の原料となる例えば金属ワイヤー10をマイクロプラズマ発生用石英キャピラリー11内に設け、さらにその周囲に銅製コイル13配置し、その一端を高周波電源12に結合させたマイクロプラズマPCVD法に使用する装置の一例を示す。
固体原料はプラズマにより溶融かつ霧化(気化)し、プラズマガスと共に基板方向に供給される。図示しないが、このマイクロプラズマ発生キャピラリー11内に反応性気体を導入する管を設置することもできる。そしてこれらを併用、すなわち固体原料と気体原料を同時にマイクロプラズマガス中に供給することができる。
Furthermore, the present invention provides a device for supplying and melting and vaporizing a solid material or a gas material supply device at or near the microplasma generation source, and melting or vaporizing the solid material or gas in the microplasma. A raw material is supplied and further supplied to the liquid sample supply nozzle together with the microplasma, and a reaction product or fine particles comprising the material supplied from the liquid and the material supplied from the solid raw material and / or the gas raw material Can be deposited on a substrate placed downstream of the microplasma.
A technique for forming a reaction product or fine particles using a gas, liquid, or solid as a starting material can be referred to as a plasma CVD method or a plasma PCVD method.
FIG. 4 shows a microplasma PCVD method in which, for example, a metal wire 10 serving as a solid raw material is provided in a quartz capillary 11 for generating microplasma, a copper coil 13 is disposed around it, and one end thereof is coupled to a high-frequency power source 12. An example of the apparatus to be used is shown.
The solid material is melted and atomized (vaporized) by the plasma, and is supplied along with the plasma gas toward the substrate. Although not shown, a tube for introducing a reactive gas can be installed in the microplasma generating capillary 11. These can be used together, that is, the solid material and the gas material can be simultaneously supplied into the microplasma gas.
次に、前記の液体供給システムを利用した、液体原料からのマイクロプラズマによるデポジションの実施例について記述する。
マイクロプラズマ発生用キャピラリーには、先端部に向かってその内径が700μmから50μmへとテーパー形状を有した石英製キャピラリーを用いた。このキャピラリー内にプラズマガス(Ar)を30ccmの流量で供給し、キャピラリー周囲に巻いた誘導コイルに20Wの高周波(450MHz)を印加して、マイクロプラズマを発生させた。
このマイクロプラズマ中へ、図3に示した装置(システム)を利用し、先端部内径が10μmの液体試料供給ノズルを介して、エタノールをガス圧0.1MPaの条件で供給した。蒸着基板は、プラズマ発生ノズルの先端部から500μm下流にセットした。
Next, an example of deposition by microplasma from a liquid material using the liquid supply system will be described.
A capillary made of quartz having a taper shape with an inner diameter from 700 μm to 50 μm toward the tip was used as the capillary for generating microplasma. Plasma gas (Ar) was supplied into the capillary at a flow rate of 30 ccm, and a 20 W high frequency (450 MHz) was applied to the induction coil wound around the capillary to generate microplasma.
Ethanol was supplied into the microplasma under the condition of a gas pressure of 0.1 MPa through a liquid sample supply nozzle having a tip inner diameter of 10 μm using the apparatus (system) shown in FIG. The vapor deposition substrate was set 500 μm downstream from the tip of the plasma generating nozzle.
図5の1に、基板上の50μmの領域にのみ堆積した物質の光学顕微鏡写真を示す。この物質は、図5の2の走査型電子顕微鏡写真に観られるような直径が10〜50nmの球状粒子で構成されていた。図5の3はこの球状粒子の透過型電子顕微鏡写真を示す。これらを透過型電子顕微鏡及び透過電子線回折で解析した結果、結晶性の球状グラファイトであることが明らかになった(図5の4参照)。
このように、キャピラリー内で発生させたマイクロプラズマ中に、本発明で提供する液体試料供給システムを利用してエタノールを供給することで、容易に結晶性のグラファイトを合成し、基板の数十μmの領域に堆積させることが可能である。
FIG. 5 shows an optical micrograph of the material deposited only in the 50 μm region on the substrate. This material was composed of spherical particles having a diameter of 10 to 50 nm as seen in the scanning electron micrograph of FIG. 3 in FIG. 5 shows a transmission electron micrograph of the spherical particles. As a result of analyzing them with a transmission electron microscope and transmission electron beam diffraction, it was revealed that they were crystalline spherical graphite (see 4 in FIG. 5).
Thus, by supplying ethanol into the microplasma generated in the capillary using the liquid sample supply system provided in the present invention, crystalline graphite is easily synthesized, and the substrate is several tens of μm. It is possible to deposit in the region.
堆積領域は、マイクロプラズマ発生用キャピラリーの先端内径をより大きく、また逆により小さくすることで、さらにプラズマ発生ノズルの先端部と蒸着基板との距離をコントロールすることで、1μm〜50mmまでコントロールすることが可能となる。
また、プロセシング中に蒸着基板を二次元方向に移動させることで、基板上にラインパターンおよびドットパターンなどを描くことが可能となる。本システムを利用して、カーボンナノチューブを合成及び基板上に堆積させることも可能である。
The deposition area can be controlled from 1 μm to 50 mm by further increasing the inner diameter of the tip of the capillary for microplasma generation and vice versa, and further controlling the distance between the tip of the plasma generation nozzle and the evaporation substrate. Is possible.
Further, by moving the vapor deposition substrate in a two-dimensional direction during processing, it becomes possible to draw a line pattern, a dot pattern, and the like on the substrate. The system can also be used to synthesize and deposit carbon nanotubes on a substrate.
この実施においては、前記のものと同様の条件で発生させたマイクロプラズマ中に、フェロセンエタノール溶液を供給した。この場合も図5に示した実施例と同様に、基板上の50μmの領域にのみ堆積したが、図6に示す走査型電子顕微鏡観察では、カーボンナノチューブが生成及び堆積したことが分かる。これは、マイクロプラズマ中でエタノール起源の炭素とフェロセン起源の鉄が反応し、鉄の触媒作用でカーボンナノチューブが生成したものと考えられる。 In this implementation, a ferrocene ethanol solution was supplied into microplasma generated under the same conditions as described above. In this case as well, as in the example shown in FIG. 5, the film was deposited only in the 50 μm region on the substrate. However, it can be seen from the scanning electron microscope observation shown in FIG. This is presumably because carbon derived from ethanol and iron derived from ferrocene reacted in microplasma, and carbon nanotubes were generated by the catalytic action of iron.
本発明は、マイクロプラズマ中に液体原料を供給し、それらを分解・反応又は霧化させ、固体として析出、蒸着させる、液体原料からのマイクロプラズマCVD、さらにはマイクロプラズマPCVDを実現することが可能である。加えて、プラズマ中での反応を伴わない溶射プロセスも実現できる。これは、金属、金属酸化物等の微粒子を液体中に分散させた溶液を、本発明の液体供給システムを介してマイクロプラズマ中に供給する方法である。溶媒はプラズマ中で、蒸発、分解し、微粒子は、その表面がプラズマと接することで溶融する。マイクロプラズマ発生用ノズルから噴出したこれらの微粒子は、基板上又はすでに堆積した微粒子上に溶着する。このような溶射プロセスへの本システムの適用も可能である。 The present invention can realize a microplasma CVD from a liquid source, and further a microplasma PCVD by supplying a liquid source into the microplasma, decomposing / reacting or atomizing them, and depositing and depositing them as solids. It is. In addition, a thermal spraying process without reaction in plasma can be realized. In this method, a solution in which fine particles of metal, metal oxide or the like are dispersed in a liquid is supplied into the microplasma through the liquid supply system of the present invention. The solvent evaporates and decomposes in the plasma, and the fine particles melt when the surface comes into contact with the plasma. These fine particles ejected from the nozzle for generating microplasma are deposited on the substrate or the fine particles already deposited. The present system can be applied to such a thermal spraying process.
1.金属管
2.ノズル
3.接着剤
4.チューブ
5.ユニオンティー
6.フロント・バックフェルール
7.ナット
8.金属管
9.ボアードスルーレディユーサー
10.原料金属ワイヤー
11.マイクロプラズマ発生用キャピラリー
12.高周波電源
13.銅製コイル
1. 1. Metal tube Nozzle 3. Adhesive 4. Tube 5. Union tea Front / back ferrule Nut 8. Metal tube 9. Bored through ready user10. Raw metal wire 11. Capillary for generating microplasma 12. High frequency power supply 13. Copper coil
Claims (15)
15. The microplasma deposition apparatus according to claim 14, wherein a metal wire serving as a solid material is disposed in a capillary for generating microplasma or a gas material supply device is disposed.
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