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JP3971288B2 - Carbon nanotube deposition system - Google Patents
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JP3971288B2 - Carbon nanotube deposition system - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カーボンナノチューブ成膜装置に関し、特に金属材料からなる被処理基板上にカーボンナノチューブ薄膜を形成するためのマイクロ波を用いた成膜装置に関する。このカーボンナノチューブ成膜装置は、平面ディスプレー(電界放出型ディスプレー)やCRTの電子管球の代用として電子発光素子等を必要とする部品に成膜するための装置として利用される。
【0002】
【従来の技術】
図1に従来のカーボンナノチューブ成膜装置(特願2002−207906)の構成を説明するための模式的構成図を示す。真空槽である成膜室1は、材質がステンレスであり、直方体形状をしている。この成膜室1には、試料基板を取り出すための扉1−aがその側壁に取り付けられ、また、水冷用のパイプ1−bが成膜室の周りに巻回されて取り付けられている。また、成膜室1には、ダイヤフラム真空計1−cおよび大気圧確認器1−dが取り付けられている。
【0003】
成膜室1の上部にはステンレス製の上部フランジ2が設けられ、このフランジにも成膜室と同様に水冷パイプ1−bが巻回されている。上部フランジ2には、マイクロ波を導入するための石英窓2−aがそのフランジの上部中央部に取り付けられている。石英窓2−aの下には、間隙を開けずにカバーグラス2−bが取り付けられている。上部フランジ2には、マイクロ波発振器とその導波管との立体回路であるマイクロ波系統(マイクロ波発生器)3が取り付けられ、成膜室1内にマイクロ波を導入し得るように構成されている。このマイクロ波発生器3は、上部フランジ2に、キャビティ3−a、スタブチューナ3−b、入射/反射検出器3−c、アイソレータ3−d、およびマイクロ波発振器(以下、「発振器」と呼称)3−eがこの順序で矩形導波管を介して間隙無く接続されて構成されている。上記したように、このマイクロ波発生器3のキャビティ3−aから出力されるマイクロ波は、石英窓2−aを通して成膜室1内へと導入される。
【0004】
成膜室1には、基板ステージ系4が設けられている。試料である基板として、例えば、直径約10cm、厚み0.5mmのNi製基板4−aが、モリブデン製の基板ステージ(以下、ステージと呼称)4−b上に搭載されるように構成されている。このステージ4−bは、上面の基板を搭載する場所を落とし込みの構造とし、基板4−aがその中に搭載され得るようになっている。また、基板ステージ4−bの円筒の中心部分には、上記寸法の基板の場合に直径8cm程度の穴が貫通して開いている。ステージ4−bの下方には石英カバー4−cが設けられ、その下には、P−BN(パイロティック・ボロン・ナイトライド)製で椀状の形状をしたヒータ4−dが設けられている。このヒータ4−dには、電流導入ロッド4−eが取り付けられ、ヒータ4−dの電力を通電できるようになっている。また、熱電対4−fが、ヒータ4−dの表面中心から下方に少し空間をあけて固定されている。電流導入ロッド4−eには、温度調整機能付き加熱電源4−gが、この導入ロッドから大気に取り出された導入線4−hを介して接続されており、熱電対4−fに通電され、試料基板4−aを加熱すると共に、温度を一定に保つように構成されている。
【0005】
成膜室1にはまた、バイアス系5が設けられている。このバイアス系において、バイアス線5−aの一端がステージ4−bに機械的に取り付けられており、このバイアス線の他端は、成膜室1の下部の壁面に取り付けられた電流導入端子5−bを介して、直流電源5−cに接続されている。この電源5−cは、その電源容量が例えば約1A、500Vであり、そのマイナス側の出力端子が電流導入端子を介してバイアス線5−aに接続され、ステージ4−bには接地電位に対してマイナスの電圧が印加されるように構成されている。一方、この電源5−cのプラス側の出力端子はアース(地球:グランド)に接地されている。また、図示していないが、成膜室1や上部フランジ2は、いづれもアースに接地されている。
【0006】
成膜室1にはまた、ガス導入系6及び7の2種のガス導入系が接続されている。成膜室1側から、順番に、ガス導入系6の場合には、仕切りバルブ6−a、ガス流量調整器6−b、仕切りバルブ6−c、圧力調整器6−d、及びガスボンベ(水素ガスボンベ)6−eが接続され、また、ガス導入系7の場合には、仕切りバルブ7−a、ガス流量調整器7−b、仕切りバルブ7−c、圧力調整器7−d、及びガスボンベ(メタンガスボンベ)7−eが接続されている。図中には詳細に図示していないが、これらのバルブや機器は金属の配管で気密を保持して接続されている。
【0007】
さらに、成膜室1には、排気系8が接続されており、この排気系には、成膜室側から、順番に、ガス流量調整バルブ8−a、仕切りバルブ8−b、及び油回転ポンプ8−cが接続されている。また、成膜室1には仕切りバルブ8−dを有する配管が設けられている。これらの機器もまた、気密な金属配管を介して接続されている。
【0008】
以下、上記従来の成膜装置を使用する際の動作について説明する。
この装置を用いてカーボンナノチューブを成膜するには、まず、バルブ8−b、8−a及び8−dを開放状態にして、油回転ポンプ8−cを作動させることにより成膜室1内を真空排気する。この状態でダイアフラム真空計1−cにて成膜室1内の圧力を測定する。成膜室1内の圧力が〜10−2Torr程度になったところで、仕切りバルブ8−dを閉じる。そして、加熱電源4−gから電力を出力し、ヒータ4−dを加熱する。熱電対4−fが約450℃になったら温度が一定になるように保持する。次に、水素ガスボンベ6−eの元栓を開け、かつ、仕切りバルブ6−c及び6−aも開けて、水素ガス80sccmをガス流量調整器6−bを経て成膜室1内に導入する。また、ガス流量調整バルブ8−aを調整し、成膜室1内の圧力を2Torrに設定する。その後、マイクロ波発生器3からマイクロ波を500W投入する。この時、入射/反射検出器3−cをみながらチューナ3−bを調整し、反射波の量が少なくなるように調整する。その結果、成膜室1内にはプラズマが点灯する。
【0009】
次いで、バイアス電源5−cを出力する。定電圧モードに設定(電圧を任意に可変でき、電流は負荷に応じて変わる)し、−250V出力する。試料基板4−aには、電流が約60mA〜80mA程度流れる。この状態を15分継続して基板4−aの表面に対してクリーニングを行う。
【0010】
クリーニングが終了した後、メタンガスボンベ7−eの元栓を開けて仕切りバルブ7−cおよび7−aを開放し、ガス流量調整器7−bを40sccmに設定する。一方、水素ガス用のガス流量調整器6−bを60sccmに調整する。次いで、成膜室1内に、メタンガス40sccmと水素ガス60sccmとを同時に導入する。また、ガス流量調整バルブ8−aを調整し、成膜室1内の圧力を3Torrに設定する。その後、マイクロ波発生器3からマイクロ波を1500W投入する。この時、入射/反射検出器3−cをみながらチューナ3−bを調整し、反射波の量が少なくなるように調整する。バイアス電圧を−400V印加する。この時点で、電圧印加時に約360mA〜400mAの電流が流れ、1分経過すると200mAまで電流値が低下し、5分経過後には80mA〜100mAになる。カーボンナノチューブの長さ(膜厚)に応じて成膜時間を設定するが、標準では約5分〜30分程度成膜する。
【0011】
次いで、マイクロ波発生器3からのマイクロ波とバイアス電源5−cの出力とを停止し、ガス導入系6および7の各バルブを閉じてガス供給を停止する。その後、加熱電源4−gの出力を停止し、仕切りバルブ8−bを閉じて、試料基板4−aが室温近くまで冷却されるまで待つ。室温に戻ったら、図示していないが、成膜室1内に窒素ガスを導入し、大気圧確認器1−dが点灯したら、試料扉1−aを開け、試料基板4−aを取り出す。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
図1に示す従来のカーボンナノチューブ成膜装置では、成膜室1や上部フランジ2を冷却しているので、メタンガスでプラズマを発生させると、そのプラズマ中でメタンガスが分解されて、化学的に活性な分子が得られる。この分子は、成膜室1の内壁や上部フランジ2の内壁の表面に吸着され、有機薄膜を形成する。この有機薄膜は概ね電気的に絶縁であり、プラズマを発生させると、プラズマ中の電子が有機薄膜の表面に付着し、集積する。電子が有機薄膜に集積することでチャージアップし、さらに集積してその量が増えると強い電界が発生する。その結果、この有機薄膜は遂には破裂して、上部フランジ2と基板ステージ4−bとの間でアーキングを引き起こす。このアーキングにより、基板4−a上に成長したカーボンナノチューブが吹き飛ばされるという不都合が生じる。
【0013】
また、上部フランジ2の内壁面に形成された有機薄膜上に電子が付着することにより、上部フランジ2の内部表面の電位が接地電位より下がってしまう。このため、ステージ4−bに印加しているマイナスのバイアス電圧との電位差が小さくなり、ステージ上に印加されている実効的な電位差が小さくなる。かくして、プラズマ中にさらされているステージ4−bの周りに形成されるシースの体積が小さくなり、ステージに流れ込むイオン電流値が小さくなる。イオン電流値が小さくなることで、カーボンナノチューブ膜を形成するための下限の電流値を下回ることもあり、良質なカーボンナノチューブ膜を形成できないという問題が生じる。
【0014】
さらに、従来の成膜装置では、マイクロ波の導入窓2−aと基板4−aとの間が離れているので、プラズマが発散してしまい、基板上で密度の高いプラズマを保持できないため、長い(膜厚の厚い)カーボンナノチューブ膜を短時間で成長させることができないという問題もある。
本発明の課題は、上記した従来技術の問題点を解決することにあり、チャージアップを大幅に緩和し、また、ステージに流れ込むイオンの電流値を増加せしめて、良質なカーボンナノチューブ膜を形成することができるカーボンナノチューブ成膜装置を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明のカーボンナノチューブ成膜装置は、成膜室と、該成膜室内に設けられた、被処理基板が搭載される電気的に接地電位から絶縁された基板ステージと、該成膜室と対向して設けられた、矩形導波管から同軸変換されたキャビティを用いたマイクロ波発生器とを備え、該マイクロ波発生器で発生したマイクロ波を該成膜室に導入するための誘電体からなる窓を用いて大気と真空とを隔離しているプラズマCVD装置において、該基板ステージ上に石英円筒が搭載され、この石英円筒が該基板ステージと成膜室の上部フランジとの間に密接して取り付けられていること、該石英円筒の上方で該上部フランジの開口部内に石英円板を搭載したこと、該石英円板の外径は、成膜室の上部フランジの開口部の内径に対して0.5〜2.0mm小さいこと、そして該石英円板は、マイクロ波を導入するための窓に接して設けたカバーガラスとの間隙が1.0mm以内に保持されるように設置されていることを特徴とする。
【0016】
上記成膜装置において、基板ステージに、直流でマイナス電圧を印加し、そして定期的にプラスの電圧をこのマイナス電圧に重畳して印加することことができる逆バイアス機構を設けてなることが好ましい
【0017】
た、上記成膜室に高周波電力を供給可能な手段を備え、その高周波の出力が半波整流または矩形波の出力であることを特徴とする。
上記高周波の周波数は、2.45GHz以上であることが好ましい。2.45GHz未満であると、カーボンナノチューブを成長するのに必要なプラズマ密度が得られない。
【0018】
本発明の成膜装置によれば、石英円筒を基板ステージと上部フランジ(上部電極)内壁との間に密着させて設置してあるので、また、石英円板を搭載してあるので、この装置を用いて従来と同じ成膜条件で成膜することにより、試料基板上に放電痕の少ない、厚みのある(長さが長い)良質なカーボンナノチューブ膜を短時間で形成することができる。
【0019】
また、本発明の別の成膜装置によれば、基板ステージに印加する電源として、直流電源ではなく、インバータ電源等の逆バイアス機構を取り付けることにより、基板に流れ込む電流がさらに増加し、カーボンナノチューブの成長速度が増えると共に、電子によるチャージアップも緩和されて、アーキングが大幅に減少する。このインバータ電源とは、両極性(プラス/マイナス出力可能)出力の電源であり、周波数およびパルス幅に合わせて出力電圧を印加可能な電源を言う。このようなインバータ電源等を用いることで、カーボンナノチューブの成膜時に、基板ステージにプラスとマイナスとの出力を交互に印加することができる。そのため、プラスを出力している時には、成膜プロセスを行い、また、マイナスを印加している時には、上部電極内壁に付着し、チャージアップした電子を引き剥がして、チャージアップを緩和することができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わるカーボンナノチューブ成膜装置の実施の形態について説明する。
本発明のカーボンナノチューブ成膜装置の基本構成は、図1に示す従来のカーボンナノチューブ成膜装置とほぼ同じであるので、その構成及び動作については、上記「従来の技術」の欄の説明を参照すれば理解できるので省略する。以下、両者の相違点である石英円筒および石英円板を含め、使用する電源についての構成及び動作について説明する。
図2に、石英円筒や石英円板を基板ステージに搭載した場合のこのステージとマイクロ波導入窓との間の構成について、その模式的断面図を示す。図2において、図1と同じ構成については同じ参照符号を付する。
【0021】
図2に示すように、石英ステージ(石英円筒)9−aは、基板ステージ4−bと上部フランジ2との間に密接して搭載されている。この石英ステージ9−aは円筒形をしており、その内径は試料基板4−aの外径を、例えば、φ100mmとすると、その外径より小さく、約95mmとすることが好ましい。また、石英円板は、石英円筒9−aと石英窓2−aとの間に設置されており、所期の目的を達成できれば、その数に制限はなく、図2では同じものを2枚(9−b及び9−c)重ねて示してある。この石英円板9−bおよび9−cは、その外径が上部フランジ2のマイクロ波導入口(開口部)の径φIDより1.0mm〜2.0mm小さく製作される。また、この2枚の石英円板9−bおよび9−cは、その重ねた厚みがカバーガラス2−bの成膜室側の面から石英円筒のカバーガラス側の面までの鉛直距離(H)より0.5〜1.0mm短くなるように製作して、所定の位置に設置される。
【0022】
上記したように石英円筒9−aならびに石英円板9−bおよび9−cを設けたカーボンナノチューブ成膜装置を用いてカーボンナノチューブを成膜するプロセスを、図1について説明した上記プロセスと同様にして実施する。
上記したように、石英円筒9−aをステージ4−bと上部フランジ2の内壁との間に密着させて設置することで、ステージと上部フランジ内壁との間で空間が無くなるため、放電(アーキング)が発生しにくくなる。また、所定の位置に石英円板9−bおよび9−cを搭載することによって、上部フランジ2のマイクロ波導入部開口部の側面をアークの発生源とする放電に対して試料基板4−aが殆んど立体的な角度として見込めないため、前記場所を起点とするアーキングが発生しても、試料基板上にアーク(雷)が落ちなくなり、カーボンナノチューブに損傷を与えることが少なくなる。
【0023】
また、石英円板9−b、9−cを石英円筒9−aに重ねて配置してあるので、マイクロ波が下段石英円板9−cの下面から放出され、プラズマが点火する。このことで、プラズマが試料基板4−aに近い位置になる。さらに、石英円筒9−aの内部でプラズマが点火されるので、プラズマが一定の領域内に閉じ込められるため、プラズマ密度が高くなる。このことから、試料基板4−a上に放電痕の少ない、厚みのある(長さが長い)カーボンナノチューブの膜を短時間で成膜することが可能となる。
【0024】
次に、本発明の別の実施の形態に係わるカーボンナノチューブ成膜装置について、図3を参照して説明する。
図3には、図1の成膜装置におけるバイアス系5の直流電源5−cの代わりに、本発明のカーボンナノチューブ成膜装置で用いることができるインバータ電源10の構成を説明するための模式的構成図を示す。
【0025】
図3に示すインバータ電源10の概念図によれば、プラスの出力及びマイナスの出力の直流電源がそれぞれ1台づつ示されている。すなわち、マイナス出力の直流電源10−a、及びプラス出力の直流電源10−bが設けられている。出力側にスイッチング回路10−cがあり、プラスの出力とマイナスの出力とを切り替えることができるように構成されている。このプラス出力の電源10−bであればマイナス側が、マイナス出力の電源10−aであればプラス側がグランドに接地される。出力側は、図1に示す成膜装置の場合と同様に、バイアス系5のバイアス線5−aにより電流導入端子5−bを介してステージ4−bに接続され、バイアス線5−aを通してステージ4−bに電圧が印加されるように構成されている。
【0026】
カーボンナノチューブを成膜する際には、インバータ電源10の出力としてマイナス電圧は−400Vに設定し、プラス電圧は+80Vに設定する。プラスの電圧を出すパルス幅は5μs、周波数は20kHzとする。このように設定してカーボンナノチューブの成膜を行なう。成膜の手順やパラメータは、クリーニング工程までは図1に示す成膜装置を使用した成膜プロセスの場合と同じであるので、以下、クリーニングが終了した後の成膜プロセスについて説明する。
【0027】
メタンガスボンベ7−eの元栓を開け、仕切りバルブ7−c及び7−aを開放し、さらに、ガス流量調整器7−bを例えば40sccmに設定する。一方、水素ガスボンベ6−eの元栓を開け、仕切りバルブ6−c及び6−aを開放し、さらに、ガス流量調整器6−bを例えば60sccmに設定する。次いで、メタンガス40sccmと水素ガス60sccmとを同時に成膜室1内へ導入する。また、バルブ8−aを調整し、成膜室1内の圧力を3Torrに設定する。その後、マイクロ波発生器3からマイクロ波を1500W投入する。この時、入射/反射検出器3−cをみながらチューナ3−bを調整し、反射波の量が少なくなるように調整する。次いで、インバータ電源9からのバイアス電圧を、上記設定電圧と周波数、パルス幅に合わせて印加し、カーボンナノチューブの成膜を開始する。この時点での電流は、電圧印加時に約600mA〜400mA流れ、1分経過すると400mAまで電流値が低下し、10分経過後には360mA〜320mAまで低下する。カーボンナノチューブの長さに応じて成膜時間を設定するが、標準では約5分〜30分程度成膜すると、基板の中心約φ6cmの範囲においてカーボンナノチューブが安定に成膜される。装置の停止ならびに成膜後の基板の取り出しは、図1の装置について説明した場合と同じであるためその説明を省略する。
【0028】
上記実施の形態では、電源としてインバータ電源を用いた場合について説明した。本発明で用いる逆バイアス機構としては、このインバータ電源に限るものではなく、逆の極性を出力できて、時間的にμsで数十kHz程度の周波数で動作できるものであれば制限はない。例えば、市販されている異常放電防止ユニットを用いても本発明の所期の目的を達成できる。
【0029】
以下、本発明のカーボンナノチューブ成膜装置の原理について説明する。図4に、従来の成膜装置(図1)を用いて行うカーボンナノチューブ成膜中の成膜室1内の模式図を示す。図4及び以下述べる図5〜6中の各要素の参照符号は、図1における場合に対応している。カーボンナノチューブを成膜する際に、石英窓2−aからマイクロ波が導入され、プラズマが点火する。すると、上部フランジ内壁に電気的に絶縁性の有機薄膜11が付着する。
【0030】
図5に、直流電源5−cを使用した従来の成膜装置において、プラズマが点火している場合の成膜室1内の模式図を示す。図中の破線は、ステージ4−b上にバイアス電圧が印加された時に形成されたプラズマのシ−スを表している。直流電源5−cからの直流電圧のバイアスでは、プラズマ中の電子がステージ4−bに大きなマイナスの電圧(−400V)が印加されているため、電子は、電位が低い有機薄膜11上に吸着される。電子が吸着し始めると、さらに、電子が徐々に有機薄膜11上に集積し、その結果、チャージアップが発生する。そして、蓄積された電子によって発生した電界が破壊電界を越えると、破裂する。つまり、ステージ4−bと上部フランジとの間で異常放電が発生する。
【0031】
図6に、インバータ電源10を使用した本発明の成膜装置において、プラズマが点火している場合の成膜室1内の模式図を示す。図中の破線は、ステージ4−b上にバイアス電圧が印加された時に形成されたプラズマのシ−スを表している。また、図7にインバータ電源の電圧波形の時間変化を示す。図7において、例えば、Δtは5μsであり、VBは−400Vであり、Vsは+80Vであり、fは周波数であって20kHzである。インバータ電源を用いて出力すると、有機薄膜11上に集積された電子は、5μsの間にステージ4−bに+80V印加されるので、このステージに向かって有機薄膜から離脱する。一方、シース中のイオンはステージ4−b上にプラスの電圧が印加されるものの、質量が電子と比べると重いために、慣性であまり動けない。そしてまた、極性が変わると、イオンはマイナスの電界を受けてステージ4−bに衝突する。実際に、20kHzでは、イオンが加速を受けている時間は0.5msであり、この時間は、イオンがマイナスの電界を感じて加速される時間として十分である。一方、電子は有機薄膜11上に付着し、集積する。
【0032】
電子は上記した付着と離脱を繰り返すため、電子の蓄積はある限界までにしか達しないが、インバータ電源10を使用すると、直流電源5−cを使用する場合と比べてチャージアップはさらに緩和される。また、有機薄膜11上に蓄積される電子の量が少ないことから、当然マイナスの電位としてはグランド電位に近づくので、ステージ4−bと上部フランジ2との実行的な電位差が大きくなり、イオンがステージを見込む電界も強くなることから、プラズマシースの幅も大きくなる。つまり、体積が大きくなり、ステージに流れ込むイオンの電流値が増加する。
【0033】
【実施例】
以下の実施例においては、図2および3に示す要素を備えた図1の成膜装置を用い、上記した従来の成膜プロセスに従って、以下のクリーニング条件および成膜条件でカーボンナノチューブを成膜した。
(実施例1)
クリーニング条件:
▲1▼基板温度:350℃
▲2▼マイクロ波パワー:0.5kW
▲3▼成膜中圧力:約2Torr
▲4▼ガス種:水素
▲5▼基板バイアス:−250V、電流値:60mA
▲6▼クリーニング時間:15分
【0034】
成膜条件:
▲1▼試料基板:φ100mmのNi基板(厚み:0.5mm)
▲2▼基板温度:350℃
▲3▼マイクロ波パワー:1.5kW
▲4▼成膜中圧力:約3Torr
▲5▼ガス種:水素、メタン
▲6▼基板バイアス:−440V、電流値:100mA
▲7▼石英窓から試料基板までの距離:約40mm
▲8▼下段石英円板の下面から試料基板までの距離:約17mm
▲9▼成膜時間:15分
【0035】
上記条件で成膜することにより、基板の中心約φ3〜6cmの範囲においてカーボンナノチューブが安定に成膜された。図8にこの条件で成膜したカーボンナノチューブのSEM写真を示す。図8から明らかなように、得られたカーボンナノチューブ膜は、その膜厚が厚く(長く)、十分実用に耐えるものであり、その表面には放電痕もなかった。
【0036】
(実施例2)
実施例1では基板に印加する電圧として直流電圧を用いたが、直流電圧に限るものではなく、逆バイアス電圧が印加できるパルス状の電圧でもカーボンナノチューブを成膜することができるので、本実施例では、下記の条件の逆パルス電圧を直流電圧に重畳させた場合について記載する。その結果、良好なカーボンナノチューブを成膜速度を上げて成膜することができた。
【0037】
クリーニング条件:
▲1▼基板温度:350℃
▲2▼マイクロ波パワー:0.5kW
▲3▼成膜中圧力:約2Torr
▲4▼ガス種:水素
▲5▼基板バイアス:−250V、電流値:160mA
▲6▼クリーニング時間:15分
【0038】
逆パルス電圧条件:
▲1▼出力電圧:+80V
▲2▼パルス形状:矩形波
▲3▼周波数:20kHz
▲4▼パルス幅:5μs
【0039】
成膜条件:
▲1▼試料基板:φ100mmのNi基板(厚み:0.5mm)
▲2▼基板温度:350℃
▲3▼マイクロ波パワー:1.5kW
▲4▼成膜中圧力:約3Torr
▲5▼ガス種:水素、メタン
▲6▼基板バイアス:−440V、電流値:300mA
▲7▼石英窓から試料基板までの距離:約40mm
▲8▼下段石英円板の下面から試料基板までの距離:約17mm
▲9▼成膜時間:30分
【0040】
上記条件にて成膜することにより、パラメータを見てもわかる通り、実施例1の場合と比べて、試料基板に流れ込む電流が逆バイアスを重畳印加したときのほうが、2〜3倍増えていることが判る。このことから、カーボンの供給量が増加して、カーボンナノチューブの成長速度が増えていることがわかる。また、上部電極での電子によるチャージアップが緩和されることで、アーキングが大幅に低減した。従来は、30分の成膜で2〜3回アーキングが発生していたが、逆パルス電圧を重畳印加することで1度も発生しなくなった。
【0041】
【発明の効果】
本発明によれば、石英円筒を基板ステージと上部フランジ内壁との間に密着させて設置することで、基板ステージと上部フランジ内壁との間で空間が無くなるため、放電(アーキング)が発生しにくくなる。また、所定の位置に石英円板を搭載することによって、上部フランジのマイクロ波導入部開口部の側面をアークの発生源とする放電に対して試料基板が殆んど立体的な角度として見込めないため、前記場所を起点とするアーキングが発生しても、試料基板上にアーク(雷)が落ちなくなり、カーボンナノチューブに損傷を与えることが少なくなる。
【0042】
また、石英円板を石英円筒に重ねて配置することで、マイクロ波が石英円板の下面から放出され、プラズマが点火する。このことで、プラズマが試料基板に近い位置になる。さらに、石英円筒内部でプラズマが点火されるので、プラズマが一定の領域内に閉じ込められるため、プラズマ密度が高くなる。このことから、試料基板上に放電痕の少ない、厚みのある(長さが長い)カーボンナノチューブの膜を短時間で成膜することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来のカーボンナノチューブ成膜装置の構成を示す模式的構成断面図。
【図2】 本発明のカーボンナノチューブ成膜装置における石英ステージ周辺の構成を示す模式的断面図。
【図3】 本発明のカーボンナノチューブ成膜装置において用いるインバータ電源を説明するための一構成例を示す模式図。
【図4】 従来のカーボンナノチュ―ブ成膜装置における成膜中の成膜室内の構成を示す模式図。
【図5】 従来のカーボンナノチュ―ブ成膜装置における成膜室内の電子とイオンの挙動を示す模式図。
【図6】 インバータ電源を使用した本発明のカーボンナノチュ―ブ成膜装置における成膜室内の電子とイオンの挙動を示す模式図。
【図7】 図6において、基板ステージ上にインバータ電源から印加される電圧波形の時間変化を示す図。
【図8】 実施例1に従って形成したカーボンナノチユーブ膜のSEM写真。
【符号の説明】
1 成膜室 2 上部フランジ
2−a 石英窓 3 マイクロ波発生器
4 基板ステージ系 4−a 基板
4−b 基板ステージ 5 バイアス系
5−c 直流電源 6、7 ガス導入系
8 排気系 9−a 石英円筒
9−b、9−c 石英円板 10 インバータ電源
11 有機薄膜
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a carbon nanotube film forming apparatus, and more particularly to a film forming apparatus using a microwave for forming a carbon nanotube thin film on a substrate to be processed made of a metal material. This carbon nanotube film forming apparatus is used as an apparatus for forming a film on a component that requires an electroluminescent element or the like as a substitute for a flat display (field emission display) or an electron tube of a CRT.
[0002]
[Prior art]
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram for explaining the configuration of a conventional carbon nanotube film forming apparatus (Japanese Patent Application No. 2002-207906). The film forming chamber 1 that is a vacuum chamber is made of stainless steel and has a rectangular parallelepiped shape. In the film forming chamber 1, a door 1-a for taking out a sample substrate is attached to the side wall, and a water cooling pipe 1-b is wound around the film forming chamber. In the film forming chamber 1, a diaphragm vacuum gauge 1-c and an atmospheric pressure check device 1-d are attached.
[0003]
An upper flange 2 made of stainless steel is provided in the upper part of the film forming chamber 1, and a water-cooled pipe 1-b is wound around this flange as in the film forming chamber. A quartz window 2-a for introducing microwaves is attached to the upper flange 2 at the upper central portion of the flange. A cover glass 2-b is attached under the quartz window 2-a without opening a gap. A microwave system (microwave generator) 3, which is a three-dimensional circuit of a microwave oscillator and its waveguide, is attached to the upper flange 2, so that microwaves can be introduced into the film forming chamber 1. ing. The microwave generator 3 includes a cavity 3-a, a stub tuner 3-b, an incident / reflection detector 3-c, an isolator 3-d, and a microwave oscillator (hereinafter referred to as an “oscillator”). ) 3-e are connected via a rectangular waveguide in this order without a gap. As described above, the microwave output from the cavity 3-a of the microwave generator 3 is introduced into the film forming chamber 1 through the quartz window 2-a.
[0004]
A substrate stage system 4 is provided in the film forming chamber 1. As a sample substrate, for example, a Ni substrate 4-a having a diameter of about 10 cm and a thickness of 0.5 mm is configured to be mounted on a molybdenum substrate stage (hereinafter referred to as a stage) 4-b. Yes. This stage 4-b has a structure in which a place where the substrate on the upper surface is mounted is a drop structure, and the substrate 4-a can be mounted therein. Further, a hole having a diameter of about 8 cm is opened through the central portion of the cylinder of the substrate stage 4-b in the case of the substrate having the above dimensions. A quartz cover 4-c is provided below the stage 4-b, and a heater 4-d made of P-BN (Pyrotic Boron Nitride) and having a bowl shape is provided below the quartz cover 4-c. Yes. A current introduction rod 4-e is attached to the heater 4-d so that the power of the heater 4-d can be energized. Further, the thermocouple 4-f is fixed with a small space downward from the center of the surface of the heater 4-d. A heating power supply 4-g with a temperature adjusting function is connected to the current introduction rod 4-e via an introduction line 4-h taken out from the introduction rod to the atmosphere, and the thermocouple 4-f is energized. The sample substrate 4-a is heated and the temperature is kept constant.
[0005]
The film forming chamber 1 is also provided with a bias system 5. In this bias system, one end of the bias line 5-a is mechanically attached to the stage 4-b, and the other end of this bias line is the current introduction terminal 5 attached to the lower wall surface of the film forming chamber 1. It is connected to the DC power source 5-c via -b. This power supply 5-c has a power supply capacity of, for example, about 1 A, 500 V, its negative output terminal is connected to the bias line 5-a via a current introduction terminal, and the stage 4-b has a ground potential. On the other hand, a negative voltage is applied. On the other hand, the positive output terminal of the power source 5-c is grounded (earth). Although not shown, the film forming chamber 1 and the upper flange 2 are all grounded.
[0006]
Two kinds of gas introduction systems of gas introduction systems 6 and 7 are also connected to the film forming chamber 1. In order from the film formation chamber 1 side, in the case of the gas introduction system 6, the partition valve 6-a, the gas flow rate regulator 6-b, the partition valve 6-c, the pressure regulator 6-d, and the gas cylinder (hydrogen Gas cylinder) 6-e is connected, and in the case of the gas introduction system 7, a partition valve 7-a, a gas flow rate regulator 7-b, a partition valve 7-c, a pressure regulator 7-d, and a gas cylinder ( A methane gas cylinder) 7-e is connected. Although not shown in detail in the figure, these valves and devices are connected in a gas-tight manner with metal piping.
[0007]
Further, an exhaust system 8 is connected to the film forming chamber 1, and the gas flow rate adjusting valve 8-a, the partition valve 8-b, and the oil rotation are sequentially connected to the exhaust system from the film forming chamber side. A pump 8-c is connected. The film forming chamber 1 is provided with a pipe having a partition valve 8-d. These devices are also connected via airtight metal piping.
[0008]
The operation when using the conventional film forming apparatus will be described below.
In order to form a carbon nanotube by using this apparatus, first, the valves 8-b, 8-a and 8-d are opened, and the oil rotary pump 8-c is operated to operate in the film forming chamber 1. Is evacuated. In this state, the pressure in the film forming chamber 1 is measured by the diaphragm vacuum gauge 1-c. The pressure in the deposition chamber 1 is -10 -2 When the pressure reaches about Torr, the gate valve 8-d is closed. And electric power is output from the heating power supply 4-g, and the heater 4-d is heated. When the thermocouple 4-f reaches about 450 ° C., the temperature is kept constant. Next, the main plug of the hydrogen gas cylinder 6-e is opened, and the partition valves 6-c and 6-a are also opened, and 80 sccm of hydrogen gas is introduced into the film forming chamber 1 through the gas flow rate regulator 6-b. Further, the gas flow rate adjusting valve 8-a is adjusted to set the pressure in the film forming chamber 1 to 2 Torr. Then, 500 W of microwaves are input from the microwave generator 3. At this time, the tuner 3-b is adjusted while observing the incident / reflection detector 3-c so that the amount of the reflected wave is reduced. As a result, plasma is turned on in the film forming chamber 1.
[0009]
Next, the bias power source 5-c is output. Set to constant voltage mode (the voltage can be changed arbitrarily, the current varies according to the load), and -250V is output. A current of about 60 mA to 80 mA flows through the sample substrate 4-a. This state is continued for 15 minutes to clean the surface of the substrate 4-a.
[0010]
After the cleaning is completed, the main plug of the methane gas cylinder 7-e is opened, the partition valves 7-c and 7-a are opened, and the gas flow rate regulator 7-b is set to 40 sccm. On the other hand, the gas flow rate adjuster 6-b for hydrogen gas is adjusted to 60 sccm. Next, methane gas 40 sccm and hydrogen gas 60 sccm are simultaneously introduced into the film formation chamber 1. Further, the gas flow rate adjusting valve 8-a is adjusted to set the pressure in the film forming chamber 1 to 3 Torr. Thereafter, 1500 W of microwaves is input from the microwave generator 3. At this time, the tuner 3-b is adjusted while observing the incident / reflection detector 3-c so that the amount of the reflected wave is reduced. A bias voltage of −400 V is applied. At this time, when a voltage is applied, a current of about 360 mA to 400 mA flows, and when 1 minute elapses, the current value decreases to 200 mA, and after 5 minutes it becomes 80 mA to 100 mA. Although the film formation time is set according to the length (film thickness) of the carbon nanotube, the film is formed normally for about 5 to 30 minutes.
[0011]
Next, the microwave from the microwave generator 3 and the output of the bias power source 5-c are stopped, the valves of the gas introduction systems 6 and 7 are closed, and the gas supply is stopped. Thereafter, the output of the heating power source 4-g is stopped, the partition valve 8-b is closed, and the sample substrate 4-a is waited until it is cooled to near room temperature. When the temperature returns to room temperature, although not shown, nitrogen gas is introduced into the film forming chamber 1 and when the atmospheric pressure check device 1-d is turned on, the sample door 1-a is opened and the sample substrate 4-a is taken out.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional carbon nanotube film forming apparatus shown in FIG. 1, since the film forming chamber 1 and the upper flange 2 are cooled, when methane gas is generated, the methane gas is decomposed in the plasma and chemically activated. New molecules are obtained. The molecules are adsorbed on the inner wall of the film forming chamber 1 and the surface of the inner wall of the upper flange 2 to form an organic thin film. This organic thin film is generally electrically insulating, and when plasma is generated, electrons in the plasma adhere to and accumulate on the surface of the organic thin film. When electrons accumulate in the organic thin film, they are charged up, and when they accumulate and increase in quantity, a strong electric field is generated. As a result, the organic thin film eventually ruptures and causes arcing between the upper flange 2 and the substrate stage 4-b. This arcing causes a disadvantage that the carbon nanotubes grown on the substrate 4-a are blown away.
[0013]
Further, when the electrons adhere to the organic thin film formed on the inner wall surface of the upper flange 2, the potential of the inner surface of the upper flange 2 is lowered from the ground potential. For this reason, the potential difference from the negative bias voltage applied to the stage 4-b is reduced, and the effective potential difference applied to the stage is reduced. Thus, the volume of the sheath formed around the stage 4-b exposed to the plasma is reduced, and the ion current value flowing into the stage is reduced. When the ionic current value becomes small, the current value of the lower limit for forming the carbon nanotube film may be lowered, which causes a problem that a good quality carbon nanotube film cannot be formed.
[0014]
Furthermore, in the conventional film forming apparatus, since the microwave introduction window 2-a and the substrate 4-a are separated from each other, the plasma is diffused, and the high-density plasma cannot be held on the substrate. There is also a problem that a long (thick film) carbon nanotube film cannot be grown in a short time.
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and remarkably reduce the charge-up and increase the current value of ions flowing into the stage to form a high-quality carbon nanotube film. An object of the present invention is to provide a carbon nanotube film forming apparatus that can perform the above process.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The carbon nanotube film forming apparatus of the present invention includes a film forming chamber, a substrate stage that is provided in the film forming chamber and is electrically insulated from a ground potential, and is opposed to the film forming chamber. A microwave generator using a cavity coaxially converted from a rectangular waveguide, and a dielectric for introducing the microwave generated by the microwave generator into the film forming chamber In a plasma CVD apparatus that separates air and vacuum using a window, a quartz cylinder on the substrate stage The quartz cylinder is closely attached between the substrate stage and the upper flange of the film forming chamber, and a quartz disk is mounted in the opening of the upper flange above the quartz cylinder. The outer diameter of the quartz disk is 0.5 to 2.0 mm smaller than the inner diameter of the opening of the upper flange of the film forming chamber, and the quartz disk is a window for introducing microwaves. It is installed so that the gap with the cover glass provided in contact with is kept within 1.0 mm It is characterized by that.
[0016]
the above In the film forming apparatus, it is preferable to provide a reverse bias mechanism that can apply a negative voltage with a direct current to the substrate stage and periodically apply a positive voltage superimposed on the negative voltage. .
[0017]
Ma The film forming chamber is provided with means capable of supplying high-frequency power, and the high-frequency output is half-wave rectification or rectangular-wave output.
The frequency of the high frequency is preferably 2.45 GHz or more. If it is less than 2.45 GHz, the plasma density required for growing carbon nanotubes cannot be obtained.
[0018]
According to the film forming apparatus of the present invention, since the quartz cylinder is installed in close contact between the substrate stage and the inner wall of the upper flange (upper electrode), and since the quartz disk is mounted, this apparatus Is used to form a high-quality carbon nanotube film with a small thickness and a long thickness on a sample substrate in a short time.
[0019]
In addition, according to another film forming apparatus of the present invention, by attaching a reverse bias mechanism such as an inverter power supply instead of a DC power supply as a power supply to be applied to the substrate stage, the current flowing into the substrate is further increased. As the growth rate increases, the charge-up by electrons is mitigated and arcing is greatly reduced. The inverter power supply is a power supply of bipolar (plus / minus output is possible) output, and is a power supply capable of applying an output voltage in accordance with the frequency and the pulse width. By using such an inverter power supply or the like, plus and minus outputs can be alternately applied to the substrate stage when the carbon nanotube is formed. Therefore, when a plus is output, a film forming process is performed. When a minus is applied, the film is attached to the inner wall of the upper electrode, and the charged-up electrons are peeled off to ease the charge-up. .
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of a carbon nanotube film forming apparatus according to the present invention will be described below.
The basic configuration of the carbon nanotube film forming apparatus of the present invention is almost the same as that of the conventional carbon nanotube film forming apparatus shown in FIG. I can understand it, so I will omit it. Hereinafter, the configuration and operation of the power supply used, including the quartz cylinder and the quartz disk, which are the differences between the two, will be described.
FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of the configuration between this stage and the microwave introduction window when a quartz cylinder or quartz disk is mounted on the substrate stage. 2, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.
[0021]
As shown in FIG. 2, the quartz stage (quartz cylinder) 9-a is closely mounted between the substrate stage 4-b and the upper flange 2. The quartz stage 9-a has a cylindrical shape. The inner diameter of the quartz stage 9-a is preferably smaller than the outer diameter and about 95 mm when the outer diameter of the sample substrate 4-a is, for example, φ100 mm. Further, the quartz disk is installed between the quartz cylinder 9-a and the quartz window 2-a, and the number of quartz disks is not limited as long as the intended purpose can be achieved. (9-b and 9-c) are shown superimposed. The quartz disks 9-b and 9-c are manufactured to have an outer diameter that is 1.0 mm to 2.0 mm smaller than the diameter φID of the microwave inlet (opening) of the upper flange 2. The two quartz disks 9-b and 9-c have a vertical distance (H) from the surface of the cover glass 2-b on the film forming chamber side to the surface of the quartz cylinder on the cover glass side. ) To be 0.5 to 1.0 mm shorter than that and set at a predetermined position.
[0022]
As described above, the process for forming a carbon nanotube using the carbon nanotube film forming apparatus provided with the quartz cylinder 9-a and the quartz disks 9-b and 9-c is the same as the process described with reference to FIG. To implement.
As described above, since the quartz cylinder 9-a is placed in close contact between the stage 4-b and the inner wall of the upper flange 2, there is no space between the stage and the inner wall of the upper flange. ) Is less likely to occur. In addition, by mounting the quartz disks 9-b and 9-c at predetermined positions, the sample substrate 4-a can be used against a discharge in which the side surface of the opening portion of the microwave introduction portion of the upper flange 2 is an arc generation source. However, even if arcing is generated from the above place, arc (lightning) does not fall on the sample substrate and damage to the carbon nanotubes is reduced.
[0023]
Further, since the quartz disks 9-b and 9-c are arranged so as to overlap the quartz cylinder 9-a, the microwave is emitted from the lower surface of the lower quartz disk 9-c, and the plasma is ignited. As a result, the plasma is positioned close to the sample substrate 4-a. Further, since the plasma is ignited inside the quartz cylinder 9-a, the plasma is confined within a certain region, and thus the plasma density is increased. From this, it is possible to form a thick (long) carbon nanotube film with few discharge traces on the sample substrate 4-a in a short time.
[0024]
Next, a carbon nanotube film forming apparatus according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the configuration of an inverter power supply 10 that can be used in the carbon nanotube film forming apparatus of the present invention instead of the DC power supply 5-c of the bias system 5 in the film forming apparatus of FIG. A block diagram is shown.
[0025]
According to the conceptual diagram of the inverter power source 10 shown in FIG. 3, one DC power source having a positive output and one negative output is shown. That is, a negative output DC power supply 10-a and a positive output DC power supply 10-b are provided. A switching circuit 10-c is provided on the output side, and is configured to be able to switch between a positive output and a negative output. In the case of the positive output power source 10-b, the negative side is grounded, and in the case of the negative output power source 10-a, the positive side is grounded. As in the case of the film forming apparatus shown in FIG. 1, the output side is connected to the stage 4-b via the current introduction terminal 5-b by the bias line 5-a of the bias system 5, and through the bias line 5-a. A voltage is applied to the stage 4-b.
[0026]
When the carbon nanotube is formed, the minus voltage is set to −400 V and the plus voltage is set to +80 V as the output of the inverter power supply 10. The pulse width for producing a positive voltage is 5 μs, and the frequency is 20 kHz. Carbon nanotubes are formed in this way. Since the film forming procedure and parameters are the same as those in the film forming process using the film forming apparatus shown in FIG. 1 until the cleaning step, the film forming process after the cleaning is completed will be described below.
[0027]
The main plug of the methane gas cylinder 7-e is opened, the partition valves 7-c and 7-a are opened, and the gas flow rate regulator 7-b is set to 40 sccm, for example. On the other hand, the main plug of the hydrogen gas cylinder 6-e is opened, the partition valves 6-c and 6-a are opened, and the gas flow rate regulator 6-b is set to 60 sccm, for example. Next, methane gas 40 sccm and hydrogen gas 60 sccm are simultaneously introduced into the film forming chamber 1. Further, the valve 8-a is adjusted to set the pressure in the film forming chamber 1 to 3 Torr. Thereafter, 1500 W of microwaves is input from the microwave generator 3. At this time, the tuner 3-b is adjusted while observing the incident / reflection detector 3-c so that the amount of the reflected wave is reduced. Next, a bias voltage from the inverter power supply 9 is applied in accordance with the set voltage, frequency, and pulse width, and carbon nanotube film formation is started. The current at this time flows from about 600 mA to 400 mA when a voltage is applied, and the current value decreases to 400 mA after 1 minute, and decreases to 360 mA to 320 mA after 10 minutes. The film formation time is set according to the length of the carbon nanotubes. By default, when the film is formed for about 5 to 30 minutes, the carbon nanotubes are stably formed in the range of about φ6 cm at the center of the substrate. Since the stop of the apparatus and the removal of the substrate after the film formation are the same as those described for the apparatus of FIG. 1, the description thereof is omitted.
[0028]
In the above embodiment, the case where an inverter power source is used as the power source has been described. The reverse bias mechanism used in the present invention is not limited to this inverter power supply, and is not limited as long as it can output reverse polarity and can operate at a frequency of about several tens of kHz in terms of time. For example, the intended purpose of the present invention can be achieved by using a commercially available abnormal discharge prevention unit.
[0029]
Hereinafter, the principle of the carbon nanotube film forming apparatus of the present invention will be described. FIG. 4 shows a schematic diagram of the inside of the film forming chamber 1 during the carbon nanotube film forming performed using the conventional film forming apparatus (FIG. 1). Reference numerals of elements in FIG. 4 and FIGS. 5 to 6 described below correspond to the case in FIG. When the carbon nanotube is formed, a microwave is introduced from the quartz window 2-a and the plasma is ignited. Then, the electrically insulating organic thin film 11 adheres to the inner wall of the upper flange.
[0030]
FIG. 5 is a schematic diagram showing the inside of the film forming chamber 1 when the plasma is ignited in a conventional film forming apparatus using the DC power source 5-c. A broken line in the drawing represents a plasma sheath formed when a bias voltage is applied on the stage 4-b. In the bias of the DC voltage from the DC power source 5-c, electrons in the plasma are adsorbed on the organic thin film 11 having a low potential because a large negative voltage (−400 V) is applied to the stage 4-b. Is done. When electrons start to be adsorbed, the electrons gradually accumulate on the organic thin film 11, and as a result, charge-up occurs. When the electric field generated by the accumulated electrons exceeds the breakdown electric field, it bursts. That is, abnormal discharge occurs between the stage 4-b and the upper flange.
[0031]
FIG. 6 shows a schematic diagram of the inside of the film forming chamber 1 when the plasma is ignited in the film forming apparatus of the present invention using the inverter power supply 10. A broken line in the drawing represents a plasma sheath formed when a bias voltage is applied on the stage 4-b. FIG. 7 shows the time change of the voltage waveform of the inverter power supply. In FIG. 7, for example, Δt is 5 μs, VB is −400 V, Vs is +80 V, and f is a frequency of 20 kHz. When output using the inverter power supply, the electrons accumulated on the organic thin film 11 are applied with +80 V to the stage 4-b in 5 μs, so that they are separated from the organic thin film toward this stage. On the other hand, although a positive voltage is applied to the stage 4-b on the ions in the sheath, since the mass is heavier than that of the electrons, the ions in the sheath do not move much due to inertia. When the polarity changes, the ions receive a negative electric field and collide with the stage 4-b. In fact, at 20 kHz, the time during which ions are accelerated is 0.5 ms, and this time is sufficient as the time during which ions are accelerated by feeling a negative electric field. On the other hand, electrons adhere and accumulate on the organic thin film 11.
[0032]
Since electrons repeat the above attachment and detachment, the accumulation of electrons only reaches a certain limit. However, when the inverter power supply 10 is used, the charge-up is further eased compared to the case where the DC power supply 5-c is used. . Further, since the amount of electrons accumulated on the organic thin film 11 is small, the negative potential is naturally close to the ground potential, so that the effective potential difference between the stage 4-b and the upper flange 2 is increased, and ions are generated. Since the electric field that looks into the stage also increases, the width of the plasma sheath also increases. That is, the volume increases and the current value of ions flowing into the stage increases.
[0033]
【Example】
In the following examples, carbon nanotubes were formed under the following cleaning conditions and film formation conditions using the film formation apparatus of FIG. 1 having the elements shown in FIGS. 2 and 3 according to the conventional film formation process described above. .
Example 1
Cleaning conditions:
(1) Substrate temperature: 350 ° C
(2) Microwave power: 0.5kW
(3) Pressure during film formation: about 2 Torr
(4) Gas type: Hydrogen
(5) Substrate bias: -250V, current value: 60mA
▲ 6 ▼ Cleaning time: 15 minutes
[0034]
Deposition conditions:
(1) Sample substrate: φ100 mm Ni substrate (thickness: 0.5 mm)
(2) Substrate temperature: 350 ° C
(3) Microwave power: 1.5kW
(4) Pressure during film formation: about 3 Torr
(5) Gas type: hydrogen, methane
(6) Substrate bias: -440V, current value: 100mA
(7) Distance from the quartz window to the sample substrate: approx. 40 mm
(8) Distance from the lower surface of the lower quartz disk to the sample substrate: about 17 mm
(9) Deposition time: 15 minutes
[0035]
By forming the film under the above conditions, carbon nanotubes were stably formed in the range of about 3 to 6 cm in the center of the substrate. FIG. 8 shows an SEM photograph of carbon nanotubes formed under these conditions. As is clear from FIG. 8, the obtained carbon nanotube film was thick (long) and sufficiently durable for practical use, and there was no discharge trace on the surface.
[0036]
(Example 2)
In the first embodiment, a DC voltage is used as the voltage applied to the substrate. However, the present invention is not limited to the DC voltage, and the carbon nanotube can be formed even with a pulsed voltage to which a reverse bias voltage can be applied. Then, it describes about the case where the reverse pulse voltage of the following conditions is superimposed on DC voltage. As a result, it was possible to form good carbon nanotubes by increasing the film formation rate.
[0037]
Cleaning conditions:
(1) Substrate temperature: 350 ° C
(2) Microwave power: 0.5kW
(3) Pressure during film formation: about 2 Torr
(4) Gas type: Hydrogen
(5) Substrate bias: -250V, current value: 160mA
▲ 6 ▼ Cleaning time: 15 minutes
[0038]
Reverse pulse voltage condition:
(1) Output voltage: + 80V
(2) Pulse shape: rectangular wave
(3) Frequency: 20kHz
(4) Pulse width: 5μs
[0039]
Deposition conditions:
(1) Sample substrate: φ100 mm Ni substrate (thickness: 0.5 mm)
(2) Substrate temperature: 350 ° C
(3) Microwave power: 1.5kW
(4) Pressure during film formation: about 3 Torr
(5) Gas type: hydrogen, methane
(6) Substrate bias: -440V, current value: 300mA
(7) Distance from the quartz window to the sample substrate: approx. 40 mm
(8) Distance from the lower surface of the lower quartz disk to the sample substrate: about 17 mm
(9) Deposition time: 30 minutes
[0040]
By forming the film under the above conditions, as can be seen from the parameters, the current flowing into the sample substrate is increased by 2 to 3 times when the reverse bias is superimposed and applied as compared with the case of Example 1. I understand that. From this, it can be seen that the amount of carbon supply increases and the growth rate of carbon nanotubes increases. Moreover, arcing was greatly reduced by reducing the charge-up by electrons at the upper electrode. Conventionally, arcing occurred 2 to 3 times in 30 minutes of film formation, but no longer occurred once by applying a reverse pulse voltage in a superimposed manner.
[0041]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the quartz cylinder is installed in close contact between the substrate stage and the inner wall of the upper flange, there is no space between the substrate stage and the inner wall of the upper flange, so that discharge (arcing) is unlikely to occur. Become. In addition, by mounting a quartz disk at a predetermined position, the sample substrate cannot be expected to have a substantially three-dimensional angle with respect to a discharge in which the side surface of the opening portion of the microwave introduction portion of the upper flange is an arc generation source. Therefore, even if arcing starting from the above-mentioned place occurs, an arc (lightning) does not fall on the sample substrate, and damage to the carbon nanotube is reduced.
[0042]
Further, by arranging the quartz disk so as to overlap the quartz cylinder, the microwave is emitted from the lower surface of the quartz disk, and the plasma is ignited. This brings the plasma closer to the sample substrate. Furthermore, since the plasma is ignited inside the quartz cylinder, the plasma is confined within a certain region, and thus the plasma density is increased. From this, it becomes possible to form a thick (long) carbon nanotube film with few discharge traces on the sample substrate in a short time.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a conventional carbon nanotube film forming apparatus.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a configuration around a quartz stage in the carbon nanotube film forming apparatus of the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a configuration example for explaining an inverter power source used in the carbon nanotube film forming apparatus of the present invention.
FIG. 4 is a schematic view showing a configuration of a film forming chamber during film formation in a conventional carbon nanotube film forming apparatus.
FIG. 5 is a schematic diagram showing the behavior of electrons and ions in a film forming chamber in a conventional carbon nanotube film forming apparatus.
FIG. 6 is a schematic diagram showing the behavior of electrons and ions in a film forming chamber in the carbon nanotube forming apparatus of the present invention using an inverter power supply.
FIG. 7 is a diagram showing a time change of a voltage waveform applied from an inverter power supply on the substrate stage in FIG. 6;
8 is a SEM photograph of a carbon nanotube film formed according to Example 1. FIG.
[Explanation of symbols]
1 Deposition chamber 2 Upper flange
2-a Quartz window 3 Microwave generator
4 Substrate stage system 4-a Substrate
4-b Substrate stage 5 Bias system
5-c DC power supply 6, 7 Gas introduction system
8 Exhaust system 9-a Quartz cylinder
9-b, 9-c Quartz disc 10 Inverter power supply
11 Organic thin film

Claims (4)

成膜室と、該成膜室内に設けられた、被処理基板が搭載される電気的に接地電位から絶縁された基板ステージと、該成膜室と対向して設けられた、矩形導波管から同軸変換されたキャビティを用いたマイクロ波発生器とを備え、該マイクロ波発生器で発生したマイクロ波を該成膜室に導入するための誘電体からなる窓を用いて大気と真空とを隔離しているプラズマCVD装置において、該基板ステージ上に石英円筒が搭載され、この石英円筒が該基板ステージと成膜室の上部フランジとの間に密接して取り付けられていること、該石英円筒の上方で該上部フランジの開口部内に石英円板を搭載したこと、該石英円板の外径は、該上部フランジの開口部の内径に対して0.5〜2.0mm小さいこと、そして該石英円板は、マイクロ波を導入するための窓に接して設けたカバーガラスとの間隙が1.0mm以内に保持されるように設置されていることを特徴とするカーボンナノチューブ成膜装置。A film forming chamber, a substrate stage provided with a substrate to be processed, which is electrically insulated from a ground potential, and a rectangular waveguide provided facing the film forming chamber. And a microwave generator using a cavity converted from the same axis from the atmosphere, and using a window made of a dielectric for introducing the microwave generated by the microwave generator into the film formation chamber, the atmosphere and vacuum are In the isolated plasma CVD apparatus, a quartz cylinder is mounted on the substrate stage, and the quartz cylinder is closely attached between the substrate stage and the upper flange of the film forming chamber, the quartz cylinder A quartz disk mounted in the opening of the upper flange above the upper flange, the outer diameter of the quartz disk being 0.5 to 2.0 mm smaller than the inner diameter of the opening of the upper flange, and Quartz disc introduces microwave Carbon nanotube film forming apparatus, wherein a gap is provided so as to be held within 1.0mm of the cover glass provided in contact with the window for. 上記基板ステージに、直流でマイナス電圧を印加し、そして定期的にプラスの電圧をこのマイナス電圧に重畳して印加することことができる逆バイアス機構を設けてなることを特徴とする請求項1記載のカーボンナノチューブ成膜装置。2. A reverse bias mechanism capable of applying a negative voltage with a direct current to the substrate stage and periodically applying a positive voltage superimposed on the negative voltage. Carbon nanotube film forming equipment. 成膜室に高周波電力を供給可能な手段を備え、その高周波の出力が半波整流または矩形波の出力であることを特徴とする請求項1又は2記載のカーボンナノチューブ成膜装置。3. The carbon nanotube film forming apparatus according to claim 1 , further comprising means capable of supplying high frequency power to the film forming chamber, wherein the high frequency output is half-wave rectification or rectangular wave output . 上記高周波の周波数は、2.45GHz以上であることを特徴とする請求項3記載のカーボンナノチューブ成膜装置。 4. The carbon nanotube film forming apparatus according to claim 3 , wherein the frequency of the high frequency is 2.45 GHz or more .
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