JP2005097113A - Method and device for producing carbon nanowall - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new method for producing carbon nanowalls, and to provide a device suitable for performing the method. <P>SOLUTION: A gaseous starting material 32 at least comprising carbon as a constitutive element is introduced into a reaction chamber 10. The reaction chamber 10 is provided with a diode parallel plate capacitive coupling plasma (CCP)-generating mechanism 20 including a first electrode 22 and a second electrode 24. In this way, electromagnetic waves such as RF (Radio Frequency) waves are applied to form a plasma atmosphere 34 in which the gaseous starting material 32 is converted into plasma. On the other hand, in a radical generation chamber 41 provided at the outside of the reaction chamber 10, a radical source gas 36 at least comprising hydrogen is cracked by RF waves, or the like, to generate a hydrogen radical 38. The hydrogen radical 38 is injected inside the plasma atmosphere 34, and carbon nanowalls are formed on the surface of a substrate 5 arranged on the second electrode 24. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、カーボンを主体に構成されており所定の微細構造を有する構造体を製造する方法およびその方法に使用する装置に関する。   The present invention relates to a method of manufacturing a structure mainly composed of carbon and having a predetermined fine structure, and an apparatus used for the method.

カーボンを主体に構成されており所定の微細構造を有する構造体(カーボンナノ構造体)が知られている。そのようなカーボンナノ構造体にはフラーレン、カーボンナノチューブ等がある。また、下記特許文献1には、カーボンナノウォール(carbon nanowalls)と呼ばれるカーボンナノ構造体が記載されている。この特許文献1では、例えばCH4 とH2 の混合物にマイクロ波を印加して、ニッケル鉄触媒をコートしたサファイア基板上にカーボンナノウォールを形成している。なお、特許文献2は、プラズマ中にラジカルを注入して薄膜の形成や微細加工を行う技術に関する。また、特許文献3はラジカルの濃度を測定する技術に関する。
米国特許出願公開第2003/0129305号明細書 特開平9−137274号公報 特開平10−102251号公報
A structure (carbon nanostructure) that is mainly composed of carbon and has a predetermined microstructure is known. Such carbon nanostructures include fullerenes, carbon nanotubes, and the like. Patent Document 1 below describes carbon nanostructures called carbon nanowalls. In Patent Document 1, for example, a microwave is applied to a mixture of CH 4 and H 2 to form carbon nanowalls on a sapphire substrate coated with a nickel iron catalyst. Patent Document 2 relates to a technique for forming a thin film or performing microfabrication by injecting radicals into plasma. Patent Document 3 relates to a technique for measuring the concentration of radicals.
US Patent Application Publication No. 2003/0129305 JP-A-9-137274 Japanese Patent Laid-Open No. 10-102251

本発明の一つの目的は、カーボンナノウォールを製造する新規な方法を提供することである。本発明の他の一つの目的は、そのような製造方法の実施に適した製造装置を提供することである。本発明の他の一つの目的は、性状および/または特性の制御が容易なカーボンナノウォールの製造方法を提供することである。また、かかる製造方法の実施に適した製造装置を提供することである。   One object of the present invention is to provide a novel method for producing carbon nanowalls. Another object of the present invention is to provide a manufacturing apparatus suitable for carrying out such a manufacturing method. Another object of the present invention is to provide a method for producing carbon nanowalls, which can easily control properties and / or characteristics. Moreover, it is providing the manufacturing apparatus suitable for implementation of this manufacturing method.

本発明者らは、炭素を構成元素とする原料物質がプラズマ化してなるプラズマ雰囲気中に、そのプラズマ雰囲気の外部からラジカルを供給することによってカーボンナノウォールを製造し得ることを見出した。   The present inventors have found that carbon nanowalls can be produced by supplying radicals from the outside of the plasma atmosphere in a plasma atmosphere in which a raw material containing carbon as a constituent element is turned into plasma.

すなわち、この出願により提供されるカーボンナノウォール製造方法では、少なくとも炭素を構成元素とする原料物質がプラズマ化したプラズマ雰囲気を反応室の少なくとも一部に形成する。そのプラズマ雰囲気中に、該雰囲気の外部で生成したラジカルを注入する。そして、該反応室中に配置した基材の表面にカーボンナノウォールを形成する。
このような製造方法によると、プラズマ雰囲気中に注入するラジカルの組成、供給量等のうち一または二以上の条件を、他の一または二以上の製造条件と独立して、あるいは該他の製造条件に関連させて調整し得る。すなわち、外部からのラジカル注入を行わない場合に比べて製造条件の調整の自由度が高い。このことは、目的に応じた性状(例えば、壁の厚さ、高さ、形成密度、平滑性、表面積等)および/または特性(例えば、電界放出特性のような電気的特性等)を有するカーボンナノウォールを製造するという観点から有利である。
That is, in the carbon nanowall manufacturing method provided by this application, a plasma atmosphere in which a source material containing at least carbon as a constituent element is turned into plasma is formed in at least a part of the reaction chamber. Radicals generated outside the atmosphere are injected into the plasma atmosphere. And carbon nanowall is formed in the surface of the base material arrange | positioned in this reaction chamber.
According to such a manufacturing method, one or more conditions among the composition, supply amount, etc. of radicals injected into the plasma atmosphere are made independent of one or more other manufacturing conditions, or the other manufacturing. It can be adjusted in relation to the conditions. That is, the degree of freedom in adjusting the manufacturing conditions is higher than when radical injection from the outside is not performed. This means that carbon having properties (for example, wall thickness, height, formation density, smoothness, surface area, etc.) and / or properties (for example, electrical characteristics such as field emission characteristics) according to the purpose. This is advantageous from the viewpoint of producing nanowalls.

なお、この出願に係る「カーボンナノウォール」は、二次元的な広がりをもつカーボンナノ構造体である。上記製造方法により得られるカーボンナノウォールの典型例は、基材の表面からほぼ一定の方向に立ち上がった壁状の構造を有するカーボンナノ構造体である。なお、フラーレン(C60等)は0次元のカーボンナノ構造体とみることができ、カーボンナノチューブは一次元のカーボンナノ構造体とみることができる。また、上記「プラズマ雰囲気」とは、当該雰囲気を構成する物質の少なくとも一部が電離した状態(すなわちプラズマ化した状態)にある雰囲気をいう。 The “carbon nanowall” according to this application is a carbon nanostructure having a two-dimensional extension. A typical example of the carbon nanowall obtained by the above production method is a carbon nanostructure having a wall-like structure rising from the surface of the substrate in a substantially constant direction. Note that fullerenes (C 60 and the like) can be regarded as zero-dimensional carbon nanostructures, and carbon nanotubes can be regarded as one-dimensional carbon nanostructures. The “plasma atmosphere” refers to an atmosphere in which at least a part of a substance constituting the atmosphere is ionized (that is, in a plasma state).

ここで開示される製造方法の一つの好ましい態様では、原料物質を反応室内でプラズマ化することによって該プラズマ雰囲気を形成する。あるいは、反応室の外部で原料物質をプラズマ化し、そのプラズマを反応室に導入して該反応室内にプラズマ雰囲気を形成してもよい。
そのプラズマ雰囲気中に、該雰囲気の外部からラジカルを注入する。反応室の外部でラジカル源物質を分解してラジカルを生成し、それを反応室内のプラズマ雰囲気中に注入することが好ましい。あるいは、反応室の内部であって前記プラズマ雰囲気の外部でラジカル源物質を分解し、これにより生成したラジカルをプラズマ雰囲気中に注入してもよい。
In one preferred embodiment of the manufacturing method disclosed herein, the plasma atmosphere is formed by converting the raw material into plasma in a reaction chamber. Alternatively, the source material may be converted into plasma outside the reaction chamber, and the plasma may be introduced into the reaction chamber to form a plasma atmosphere in the reaction chamber.
Radicals are injected into the plasma atmosphere from the outside of the atmosphere. It is preferable to decompose the radical source material outside the reaction chamber to generate radicals, which are then injected into the plasma atmosphere in the reaction chamber. Alternatively, the radical source material may be decomposed inside the reaction chamber and outside the plasma atmosphere, and radicals generated thereby may be injected into the plasma atmosphere.

ラジカル源物質からラジカルを生成する好ましい方法としては、該ラジカル源物質に電磁波を照射する方法が挙げられる。この方法に使用する電磁波としては、マイクロ波および高周波(UHF波、VHF波またはRF波)のいずれも選択可能である。VHF波またはRF波を照射することが特に好ましい。かかる方法によると、例えば周波数および/または入力電力を変更することによって、ラジカル源物質の分解強度(ラジカルの生成量)を容易に調整することができる。したがって、カーボンナノウォールの製造条件(プラズマ雰囲気中へのラジカルの供給量等)を制御しやすいという利点がある。
ここで、周知のように、「マイクロ波」とは1GHz程度以上の電磁波を指すものとする。また、「UHF波」とは300〜3000MHz程度の、「VHF波」とは30〜300MHz程度の、「RF波」とは3〜30MHz程度の電磁波を、それぞれ指すものとする。
ラジカル源物質からラジカルを生成する他の好ましい方法としては、該ラジカル源物質に直流電圧を印加する方法が挙げられる。また、該ラジカル源物質に光(例えば可視光、紫外線)を照射する方法、電子線を照射する方法、該ラジカル源物質を加熱する方法等を採用することも可能である。あるいは、触媒金属を有する部材を加熱し、その部材にラジカル源物質を接触させて(すなわち、熱と触媒作用によって)ラジカルを生成してもよい。上記触媒金属としては、Pt,Pd,W,Mo,Ni等から選択される一種または二種以上を用いることができる。
A preferred method for generating radicals from a radical source material includes a method of irradiating the radical source material with electromagnetic waves. As the electromagnetic wave used in this method, either microwave or high frequency (UHF wave, VHF wave or RF wave) can be selected. It is particularly preferable to irradiate VHF waves or RF waves. According to such a method, for example, by changing the frequency and / or input power, the decomposition strength (radical generation amount) of the radical source material can be easily adjusted. Therefore, there is an advantage that it is easy to control the production conditions of carbon nanowalls (such as the amount of radicals supplied into the plasma atmosphere).
Here, as is well known, “microwave” refers to an electromagnetic wave of about 1 GHz or more. The “UHF wave” refers to an electromagnetic wave of about 300 to 3000 MHz, the “VHF wave” refers to an electromagnetic wave of about 30 to 300 MHz, and the “RF wave” refers to an electromagnetic wave of about 3 to 30 MHz.
As another preferred method for generating radicals from a radical source material, a method of applying a DC voltage to the radical source material can be mentioned. It is also possible to employ a method of irradiating the radical source material with light (eg, visible light or ultraviolet light), a method of irradiating an electron beam, a method of heating the radical source material, or the like. Alternatively, a member having a catalytic metal may be heated, and a radical source material may be brought into contact with the member (that is, by heat and catalytic action) to generate radicals. As the catalyst metal, one or more selected from Pt, Pd, W, Mo, Ni and the like can be used.

プラズマ雰囲気中に注入するラジカルは、少なくとも水素ラジカル(すなわち水素原子。以下、「Hラジカル」ということもある。)を含むことが好ましい。少なくとも水素を構成元素とするラジカル源物質を分解してHラジカルを生成し、そのHラジカルをプラズマ雰囲気中に注入することが好ましい。このようなラジカル源物質として特に好ましいものは水素ガス(H2 )である。 The radical injected into the plasma atmosphere preferably contains at least a hydrogen radical (that is, a hydrogen atom; hereinafter, sometimes referred to as “H radical”). It is preferable to decompose a radical source material containing at least hydrogen as a constituent element to generate H radicals and inject the H radicals into a plasma atmosphere. Particularly preferred as such a radical source material is hydrogen gas (H 2 ).

原料物質としては、少なくとも炭素を構成元素とする種々の物質を選択することができる。一種類の物質のみを用いてもよく、二種以上の物質を任意の割合で用いてもよい。好ましい原料物質の一例としては、少なくとも炭素と水素を構成元素とする物質(ハイドロカーボン等)が挙げられる。好ましい原料物質の他の例としては、少なくとも炭素とフッ素を構成元素とする物質(フルオロカーボン等)が挙げられる。   As the raw material, various substances having at least carbon as a constituent element can be selected. Only one kind of substance may be used, or two or more kinds of substances may be used in an arbitrary ratio. An example of a preferable raw material is a substance (hydrocarbon or the like) containing at least carbon and hydrogen as constituent elements. As another example of a preferable raw material, a substance (fluorocarbon or the like) having at least carbon and fluorine as constituent elements can be given.

ここで開示される製造方法の一つの好ましい態様では、前記反応室内における少なくとも一種類のラジカルの濃度(例えば、炭素ラジカル、水素ラジカル、フッ素ラジカルのうち少なくとも一種類のラジカルの濃度)に基づいて、カーボンナノウォール製造条件の少なくとも一つを調整する。かかるラジカル濃度に基づいて調整し得る製造条件の例としては、原料物質の供給量、原料物質のプラズマ化強度(プラズマ化条件の厳しさ)、ラジカル(典型的にはHラジカル)の注入量等が挙げられる。このような製造条件を、上記ラジカル濃度をフィードバックして制御することが好ましい。かかる製造方法によると、目的に応じた性状および/または特性を有するカーボンナノウォールを、より効率よく製造することが可能である。   In one preferred embodiment of the production method disclosed herein, based on the concentration of at least one radical in the reaction chamber (for example, the concentration of at least one radical among a carbon radical, a hydrogen radical, and a fluorine radical), Adjust at least one of the carbon nanowall production conditions. Examples of production conditions that can be adjusted based on such radical concentration include the amount of raw material supplied, the intensity of plasma of the raw material (the severity of the plasma conditions), the amount of radicals (typically H radicals) injected, etc. Is mentioned. Such production conditions are preferably controlled by feeding back the radical concentration. According to such a production method, it is possible to more efficiently produce carbon nanowalls having properties and / or characteristics according to the purpose.

また、この発明によると、基材の表面にカーボンナノウォールを製造する装置が提供される。その装置は、少なくとも炭素を含む原料物質が供給され、前記基材が配置される反応室を含む。また、該反応室内の原料物質をプラズマ化するプラズマ放電手段を含む。また、所定のラジカル源物質(典型的には、少なくとも水素を構成元素とするラジカル源物質)が供給されるラジカル発生室を含む。また、該ラジカル発生室内のラジカル源物質からラジカルを生成するラジカル発生手段を含む。そして、前記ラジカル発生手段により生成したラジカルを前記反応室に導入し得るように構成されている。
かかる製造装置によると、反応室に導入するラジカルの組成、供給量等のうち一または二以上の条件を、他の一または二以上のカーボンナノウォール製造条件(例えば、原料物質のプラズマ化条件)と独立して、あるいは該他の製造条件に関連させて調整し得る。すなわち、高い自由度をもってカーボンウォールの製造条件を調整することができる。このような製造装置は、上述したいずれかのカーボンナノウォール製造方法を実施する装置として好適である。
Moreover, according to this invention, the apparatus which manufactures carbon nanowall on the surface of a base material is provided. The apparatus includes a reaction chamber in which a source material containing at least carbon is supplied and the base material is disposed. Further, plasma discharge means for converting the raw material in the reaction chamber into plasma is included. Further, it includes a radical generation chamber to which a predetermined radical source material (typically, a radical source material having at least hydrogen as a constituent element) is supplied. Also included is a radical generating means for generating radicals from the radical source material in the radical generating chamber. The radical generated by the radical generating means can be introduced into the reaction chamber.
According to such a manufacturing apparatus, one or two or more conditions among the composition, supply amount, etc. of radicals introduced into the reaction chamber are changed to other one or two or more carbon nanowall manufacturing conditions (for example, plasma conditions of the raw material). And can be adjusted independently of the other manufacturing conditions. That is, the carbon wall production conditions can be adjusted with a high degree of freedom. Such a manufacturing apparatus is suitable as an apparatus for carrying out any of the carbon nanowall manufacturing methods described above.

上記製造装置の好ましい一つの態様では、前記ラジカル発生手段が、前記ラジカル発生室にマイクロ波、UHF波、VHF波またはRF波を照射し得るるように構成されている。このラジカル発生手段は、誘導結合プラズマ(ICP)発生機構として構成されていることが好ましい。あるいは、触媒金属(Pt,Pd,W,Mo,Ni等)を有する部材を前記ラジカル発生室に面して配置し、その触媒金属部材を加熱し得るように上記ラジカル発生手段を構成してもよい。例えば、波状のNi製ワイヤ(触媒金属部材)をラジカル発生室の内部に配置した構成とすることができる。上記ワイヤに電流を流したヒータに、ラジカル源物質としてのH2 を導入して接触させる。これにより、Niの触媒作用によってHラジカルを発生させることができる。触媒金属の加熱温度は、例えば300〜800℃程度とすることができ、通常は400〜600℃程度とすることが好ましい。また、前記プラズマ放電手段は、容量結合プラズマ(CCP)発生機構として構成されていることが好ましい。 In a preferred aspect of the manufacturing apparatus, the radical generating means is configured to irradiate the radical generating chamber with microwaves, UHF waves, VHF waves, or RF waves. This radical generating means is preferably configured as an inductively coupled plasma (ICP) generating mechanism. Alternatively, the radical generating means may be configured such that a member having a catalyst metal (Pt, Pd, W, Mo, Ni, etc.) is disposed facing the radical generation chamber and the catalyst metal member can be heated. Good. For example, it can be set as the structure which has arrange | positioned the wavy Ni wire (catalyst metal member) inside the radical generation chamber. H 2 as a radical source material is introduced and brought into contact with a heater in which a current is passed through the wire. Thereby, H radicals can be generated by the catalytic action of Ni. The heating temperature of the catalyst metal can be, for example, about 300 to 800 ° C., and is usually preferably about 400 to 600 ° C. The plasma discharge means is preferably configured as a capacitively coupled plasma (CCP) generating mechanism.

上記製造装置の他の一つの好ましい態様では、前記ラジカル発生手段が、前記基材のカーボンナノウォール形成面に向かって広がって設けられたラジカル導入口から前記反応室にラジカルを導入し得るように構成されている。他の一つの好ましい態様では、前記反応室内に配置された前記基材のカーボンナノウォール形成面に対向する位置に、複数のラジカル導入口が分散配置されている。このような構成によると、上記形成面にカーボンナノウォールを、より効率よく形成することが可能である。基材の比較的広い範囲にカーボンナノウォールを形成する場合には、このような構成とすることによる効果が特によく発揮される。   In another preferred embodiment of the above production apparatus, the radical generating means can introduce a radical into the reaction chamber from a radical introduction port provided to expand toward the carbon nanowall formation surface of the substrate. It is configured. In another preferred embodiment, a plurality of radical introduction ports are dispersedly arranged at positions facing the carbon nanowall formation surface of the substrate arranged in the reaction chamber. According to such a configuration, it is possible to more efficiently form carbon nanowalls on the formation surface. In the case where the carbon nanowall is formed in a relatively wide range of the substrate, the effect of such a configuration is particularly well exhibited.

ここで開示されるカーボンナノウォール製造装置は、前記反応室内における炭素ラジカルの濃度(密度)を測定する濃度測定手段をさらに備えることができる。その測定手段は、該ラジカルの発光線(すなわち炭素原子の発光線)を反応室内に出射する発光線出射手段を含む。また、該出射手段から出射された発光線を受光する受光手段を含む。かかる構成の装置によると、反応室内の炭素ラジカルの濃度に基づいて製造条件を、より的確に調整することができる。あるいは、反応室内の炭素ラジカルの濃度を、より高精度に管理することができる。したがって、目的に応じた性状および/または特性を有するカーボンナノウォールを効率よく製造することができる。上記発光線出射手段は、例えば、少なくとも炭素を構成元素とするガスに適当なエネルギーを加えて炭素ラジカル(炭素原子)に固有の発光線を出射するように構成することができる。   The carbon nanowall manufacturing apparatus disclosed herein can further include a concentration measuring means for measuring the concentration (density) of carbon radicals in the reaction chamber. The measuring means includes emission line emitting means for emitting the radical emission line (that is, the carbon atom emission line) into the reaction chamber. Also included is a light receiving means for receiving a light emitting line emitted from the emitting means. According to the apparatus having such a configuration, the production conditions can be more accurately adjusted based on the concentration of carbon radicals in the reaction chamber. Alternatively, the concentration of carbon radicals in the reaction chamber can be managed with higher accuracy. Accordingly, it is possible to efficiently produce carbon nanowalls having properties and / or characteristics according to the purpose. The emission line emitting means can be configured to emit an emission line specific to a carbon radical (carbon atom) by adding appropriate energy to a gas containing at least carbon as a constituent element, for example.

上記製造装置はまた、前記反応室内におけるHラジカル(水素原子)の濃度を測定する濃度測定手段を備えることができる。また、前記反応室内におけるフッ素ラジカル(フッ素原子)の濃度を測定する濃度測定手段を備えることができる。このような測定手段は、測定対象となるラジカルの種類に対応した発光線を出射する発光線出射手段と、その出射部から出射された発光線を受光する受光手段とを含む構成とすることができる。   The manufacturing apparatus may further include a concentration measuring unit that measures the concentration of H radicals (hydrogen atoms) in the reaction chamber. Further, a concentration measuring means for measuring the concentration of fluorine radicals (fluorine atoms) in the reaction chamber can be provided. Such a measuring unit may include a light emitting line emitting unit that emits a light emitting line corresponding to the type of radical to be measured, and a light receiving unit that receives the light emitting line emitted from the emitting unit. it can.

上記製造装置は、前記測定機構によるラジカル濃度測定結果に基づいて少なくとも一つのカーボンナノウォール製造条件を調整する制御手段を備える。かかる測定結果に基づいて調整し得る製造条件の例としては、原料物質の供給量、原料物質のプラズマ化強度、ラジカル(典型的にはHラジカル)の注入量、ラジカル源物質の供給量、ラジカル源物質のラジカル化強度等が上げられる。このような製造条件を、上記ラジカル濃度測定結果をフィードバックして制御することが好ましい。かかる製造方法によると、目的に応じた性状および/または特性を有するカーボンナノウォールを、より効率よく製造することが可能である。   The manufacturing apparatus includes a control unit that adjusts at least one carbon nanowall manufacturing condition based on a radical concentration measurement result by the measurement mechanism. Examples of manufacturing conditions that can be adjusted based on the measurement results include: the amount of raw material supplied, the plasma intensity of the raw material, the amount of radicals (typically H radicals) injected, the amount of radical source material supplied, the radicals The radicalization strength of the source material can be increased. Such production conditions are preferably controlled by feeding back the measurement result of the radical concentration. According to such a production method, it is possible to more efficiently produce carbon nanowalls having properties and / or characteristics according to the purpose.

以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書において特に言及している内容以外の技術的事項であって本発明の実施に必要な事項は、従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書によって開示されている技術内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. It should be noted that technical matters other than the contents particularly mentioned in the present specification and necessary for the implementation of the present invention can be grasped as design matters for those skilled in the art based on the prior art. The present invention can be carried out based on the technical contents disclosed in the present specification and the common general technical knowledge in the field.

カーボンナノウォールの製造に用いる原料物質としては、少なくとも炭素を構成元素とする種々の物質を選択することができる。炭素とともに原料物質を構成し得る元素の例としては、水素、フッ素、塩素、臭素、窒素、酸素等から選択される一種または二種以上が挙げられる。好ましい原料物質としては、実質的に炭素と水素から構成される原料物質、実質的に炭素とフッ素から構成される原料物質、実質的に炭素と水素とフッ素から構成される原料物質が例示される。飽和または不飽和のハイドロカーボン(例えばCH4 )、フルオロカーボン(例えばC2 6 )等を好ましく用いることができる。直鎖状、分岐状、環状のいずれの分子構造のものも使用可能である。通常は、常温常圧において気体状態を呈する原料物質(原料ガス)を用いることが好ましい。原料物質として一種類の物質のみを用いてもよく、二種以上の物質を任意の割合で用いてもよい。使用する原料物質の種類(組成)は、カーボンウォールの製造段階(例えば成長過程)の全体を通じて一定としてもよく、製造段階に応じて異ならせてもよい。目的とするカーボンナノ構造体の性状(例えば壁の厚さ)および/または特性(例えば電気的特性)に応じて、使用する原料物質の種類(組成)や供給方法等を適宜選択することができる。 As the raw material used for the production of the carbon nanowall, various substances having at least carbon as a constituent element can be selected. Examples of elements that can form the raw material together with carbon include one or more selected from hydrogen, fluorine, chlorine, bromine, nitrogen, oxygen, and the like. Examples of preferable source materials include source materials substantially composed of carbon and hydrogen, source materials substantially composed of carbon and fluorine, and source materials substantially composed of carbon, hydrogen and fluorine. . Saturated or unsaturated hydrocarbon (for example, CH 4 ), fluorocarbon (for example, C 2 F 6 ) and the like can be preferably used. A linear, branched or cyclic molecular structure can be used. Usually, it is preferable to use a source material (source gas) that exhibits a gaseous state at normal temperature and pressure. Only one type of material may be used as the source material, or two or more types of materials may be used in any proportion. The type (composition) of the raw material used may be constant throughout the carbon wall manufacturing stage (for example, the growth process), or may vary depending on the manufacturing stage. Depending on the properties (for example, wall thickness) and / or characteristics (for example, electrical characteristics) of the target carbon nanostructure, the type (composition) of the raw material used, the supply method, etc. can be appropriately selected. .

ラジカル源物質としては、少なくとも水素を構成元素とする物質を好ましく用いることができる。常温常圧において気体状態を呈するラジカル源物質(ラジカル源ガス)を用いることが好ましい。特に好ましいラジカル源物質は水素ガス(H2 )である。また、ハイドロカーボン(CH4 等)のように、分解によりHラジカルを生成し得る物質をラジカル源物質として用いることも可能である。ラジカル源物質として一種類の物質のみを用いてもよく、二種以上の物質を任意の割合で用いてもよい。 As the radical source material, a material having at least hydrogen as a constituent element can be preferably used. It is preferable to use a radical source material (radical source gas) that exhibits a gaseous state at normal temperature and pressure. A particularly preferred radical source material is hydrogen gas (H 2 ). In addition, a substance that can generate H radicals by decomposition, such as hydrocarbon (CH 4 or the like), can be used as the radical source substance. Only one type of material may be used as the radical source material, or two or more types of materials may be used in any proportion.

ここで開示される製造方法では、原料物質がプラズマ化されたプラズマ雰囲気中にラジカルを注入する。これにより原料物質のプラズマとラジカル(典型的にはHラジカル)とを混在させる。その混在領域から基材上に堆積した炭素によりカーボンナノウォールが形成される(成長する)。使用し得る基材の例としては、少なくともカーボンナノウォールの形成される領域がSi、SiO2 、Si3 4 、GaAs、Ai2 3 等の材質により構成されている基材が挙げられる。基材の全体が上記材質により構成されていてもよい。上記製造方法では、ニッケル鉄等の触媒を特に使用することなく、上記基材の表面に直接カーボンナノウォールを作製することができる。また、Ni,Fe,Co,Pd,Pt等の触媒(典型的には遷移金属触媒)を用いてもよい。例えば、上記基材の表面に上記触媒の薄膜(例えば厚さ1〜10nm程度の膜)を形成し、その触媒被膜の上にカーボンナノウォールを形成してもよい。使用する基材の外形は特に限定されない。典型的には、板状の基材(基板)が用いられる。 In the manufacturing method disclosed herein, radicals are injected into a plasma atmosphere in which the source material is turned into plasma. As a result, the plasma of the raw material and radicals (typically H radicals) are mixed. Carbon nanowalls are formed (grown) by the carbon deposited on the base material from the mixed region. Examples of the base material that can be used include a base material in which at least a region where carbon nanowalls are formed is made of a material such as Si, SiO 2 , Si 3 N 4 , GaAs, or Ai 2 O 3 . The whole base material may be comprised with the said material. In the said manufacturing method, carbon nanowall can be directly produced on the surface of the said base | substrate, without using especially catalysts, such as nickel iron. A catalyst (typically a transition metal catalyst) such as Ni, Fe, Co, Pd, or Pt may be used. For example, a thin film of the catalyst (for example, a film having a thickness of about 1 to 10 nm) may be formed on the surface of the substrate, and carbon nanowalls may be formed on the catalyst coating. The external shape of the base material to be used is not particularly limited. Typically, a plate-like base material (substrate) is used.

<第1実施例>
この出願に係るカーボンナノウォール(カーボンナノ構造体)製造装置の一構成例を図1に示す。この装置1は、反応室10と、その反応室10内でプラズマを生じさせるプラズマ放電手段20と、反応室10に接続されたラジカル供給手段40とを備える。
<First embodiment>
One structural example of the carbon nanowall (carbon nanostructure) manufacturing apparatus according to this application is shown in FIG. The apparatus 1 includes a reaction chamber 10, plasma discharge means 20 that generates plasma in the reaction chamber 10, and radical supply means 40 connected to the reaction chamber 10.

プラズマ放電手段20は、平行平板型容量結合プラズマ(CCP)発生機構として構成されている。本実施例のプラズマ放電手段20を構成する第一電極22および第二電極24は、いずれも略円板状の形状を有する。これらの電極22,24は、互いにほぼ平行になるようにして反応室10内に配置されている。典型的には、第一電極22が上側に、第二電極24がその下側になるようにして配置する。
第一電極(カソード)22には、マッチング回路(matching network)26を介して電源28が接続されている。これらの電源28およびマッチング回路26により、RF波(例えば13.56MHz)、UHF波(例えば500MHz)、VHF波(例えば、27MHz,40MHz,60MHz,100MHz,150MHz)、またはマイクロ波(例えば2.45GHz)の少なくともいずれかを発生することができる。本実施例では、少なくともRF波を発生し得るように構成されている。
第二電極(アノード)24は、反応室10内で第一電極22から離して配置される。両電極22,24の間隔は、例えば0.5〜10cm程度とすることができる。本実施例では約5cmとした。第二電極24は接地されている。カーボンナノウォールの製造時には、この第二電極24上に基板(基材)5を配置する。例えば、基材5のうちカーボンナノウォールを製造しようとする面が露出する(第一電極22に対向する)ようにして、第二電極24の表面上に基板5を配置する。第二電極24には、基材温度調節手段としてのヒータ25(例えばカーボンヒータ)が内蔵されている。必要に応じてこのヒータ25を稼動させることによって基板5の温度を調節することができる。
The plasma discharge means 20 is configured as a parallel plate capacitively coupled plasma (CCP) generating mechanism. The first electrode 22 and the second electrode 24 constituting the plasma discharge means 20 of the present embodiment both have a substantially disc shape. These electrodes 22 and 24 are disposed in the reaction chamber 10 so as to be substantially parallel to each other. Typically, the first electrode 22 is disposed on the upper side and the second electrode 24 is disposed on the lower side thereof.
A power supply 28 is connected to the first electrode (cathode) 22 via a matching network 26. These power supply 28 and matching circuit 26 allow RF waves (for example, 13.56 MHz), UHF waves (for example, 500 MHz), VHF waves (for example, 27 MHz, 40 MHz, 60 MHz, 100 MHz, 150 MHz), or microwaves (for example, 2.45 GHz). ) Can be generated. In this embodiment, at least an RF wave can be generated.
The second electrode (anode) 24 is disposed in the reaction chamber 10 away from the first electrode 22. The distance between the electrodes 22 and 24 can be set to about 0.5 to 10 cm, for example. In this example, it was about 5 cm. The second electrode 24 is grounded. At the time of manufacturing the carbon nanowall, the substrate (base material) 5 is disposed on the second electrode 24. For example, the substrate 5 is disposed on the surface of the second electrode 24 so that the surface of the base material 5 on which the carbon nanowall is to be manufactured is exposed (opposite the first electrode 22). The second electrode 24 incorporates a heater 25 (for example, a carbon heater) as a substrate temperature adjusting means. The temperature of the substrate 5 can be adjusted by operating the heater 25 as necessary.

反応室10には、図示しない供給源から原料物質(原料ガス)を供給可能な原料導入口12が設けられている。好ましい一つの態様では、第一電極(上部電極)22と第二電極(下部電極)24との間に原料ガスを供給し得るように導入口12を配置する。また、反応室10には、後述するラジカル供給手段40からラジカルを導入可能なラジカル導入口14が設けられている。好ましい一つの態様では、第一電極22と第二電極24との間にラジカルを導入し得るように導入口14を配置する。さらに、反応室10には排気口16が設けられている。この排気口16は、反応室10内の圧力を調節する圧力調節手段(減圧手段)としての図示しない真空ポンプ等に接続されている。好ましい一つの態様では、この排気口16は第二電極24の下方に配置されている。   The reaction chamber 10 is provided with a raw material inlet 12 through which a raw material (raw material gas) can be supplied from a supply source (not shown). In a preferred embodiment, the inlet 12 is arranged so that the source gas can be supplied between the first electrode (upper electrode) 22 and the second electrode (lower electrode) 24. Further, the reaction chamber 10 is provided with a radical inlet 14 through which radicals can be introduced from a radical supply means 40 described later. In a preferred embodiment, the inlet 14 is arranged so that radicals can be introduced between the first electrode 22 and the second electrode 24. Further, the reaction chamber 10 is provided with an exhaust port 16. The exhaust port 16 is connected to a vacuum pump (not shown) or the like as pressure adjusting means (pressure reducing means) for adjusting the pressure in the reaction chamber 10. In a preferred embodiment, the exhaust port 16 is disposed below the second electrode 24.

ラジカル供給手段40は、ラジカル発生室41と、そのラジカル発生室41内でラジカル源物質からラジカルを生じさせるラジカル発生手段50とを含む。このラジカル発生手段50は、誘導結合プラズマ(ICP)発生機構として構成されている。例えば、ラジカル発生室41の周囲にコイル52を配置した構成とすることができる。本実施例では、内径26mm、長さ20mmの石英管を用いて形成されたラジカル発生室41の周囲に、1/4インチの銅管を螺旋状に5周捲回させてコイル52を形成した。このコイル52は流水等により冷却可能である。ラジカル発生手段50(コイル52)には、マッチング回路56を介して電源58が接続されている。これにより、RF波(13.56MHz)、UHF波(例えば500MHz)、VHF波(例えば100MHz)の少なくともいずれかを発生することができる。本実施例では、少なくともRF波を発生し得るように構成されている。なお、マイクロ波(例えば2.45GHz)を直接導入してプラズマを生成させ、これによりラジカルを発生する構成としてもよい。この場合にはコイル52を省略することができる。   The radical supply means 40 includes a radical generation chamber 41 and a radical generation means 50 that generates radicals from the radical source material in the radical generation chamber 41. This radical generating means 50 is configured as an inductively coupled plasma (ICP) generating mechanism. For example, the coil 52 can be arranged around the radical generation chamber 41. In this example, a coil 52 was formed by spirally winding a quarter inch copper tube around the radical generating chamber 41 formed by using a quartz tube having an inner diameter of 26 mm and a length of 20 mm. . The coil 52 can be cooled by running water or the like. A power source 58 is connected to the radical generating means 50 (coil 52) through a matching circuit 56. Thereby, at least one of an RF wave (13.56 MHz), a UHF wave (for example, 500 MHz), and a VHF wave (for example, 100 MHz) can be generated. In this embodiment, at least an RF wave can be generated. Note that microwaves (eg, 2.45 GHz) may be directly introduced to generate plasma, thereby generating radicals. In this case, the coil 52 can be omitted.

ラジカル発生室41には、図示しない供給源からラジカル源物質36を導入可能なラジカル源導入口42が設けられている。また、ラジカル発生室41は反応室10のラジカル導入口14に接続されている。好ましい一つの態様では、管状のラジカル発生室41の長手方向の一端側にラジカル導入口42が設けられ、他端側が反応室10のラジカル導入口14に接続され、その間にコイル52が配置されている。なお、本実施例ではラジカル発生室41を反応室10の側方に配置しているが、ラジカル発生室の配置位置はこれに限られるものではない。例えば、反応室の上方に配置してもよく、下方に配置してもよい。あるいは、反応室の内部にラジカル発生室を配置(収容)した構成とすることもできる。   The radical generation chamber 41 is provided with a radical source inlet 42 through which a radical source material 36 can be introduced from a supply source (not shown). The radical generation chamber 41 is connected to the radical inlet 14 of the reaction chamber 10. In a preferred embodiment, a radical introduction port 42 is provided on one end side in the longitudinal direction of the tubular radical generation chamber 41, the other end side is connected to the radical introduction port 14 of the reaction chamber 10, and a coil 52 is disposed therebetween. Yes. In this embodiment, the radical generation chamber 41 is arranged on the side of the reaction chamber 10, but the position of the radical generation chamber is not limited to this. For example, it may be arranged above the reaction chamber or below. Or it can also be set as the structure which has arrange | positioned (accommodated) the radical generating chamber inside the reaction chamber.

このような構成の装置1を用いて、例えば以下のようにしてカーボンナノウォールを製造することができる。
すなわち、第二電極24の上に基材5をセットし、原料導入口12から反応室10にガス状の原料物質(原料ガス)32を所定の流量で供給する。また、ラジカル源導入口42からラジカル発生室41にガス状のラジカル源物質(ラジカル源ガス)36を所定の流量で供給する。排気口16に接続された図示しない真空ポンプを稼動させ、反応室10の内圧(原料ガスの分圧とラジカル源ガスの分圧との合計圧力)を10〜1000mTorr程度に調整する。
なお、原料ガスおよびラジカル源ガスの好ましい供給量の比は、それらのガスの種類(組成)、目的とするカーボンナノウォールの性状、特性等によって異なり得る。例えば原料ガスとして炭素数1〜3のハイドロカーボンまたはフルオロカーボンを使用し、ラジカル源ガスとして水素ガスを使用する場合には、原料ガス/ラジカル源ガスの供給量比(例えば、温度を同程度としたときの流量の比)が2/98〜60/40の範囲となるように供給することができる。この供給量比を5/95〜50/50の範囲とすることが好ましく、10/90〜30/70の範囲とすることがより好ましい。
Using the apparatus 1 having such a configuration, for example, carbon nanowalls can be manufactured as follows.
That is, the base material 5 is set on the second electrode 24, and a gaseous source material (source gas) 32 is supplied from the source inlet 12 to the reaction chamber 10 at a predetermined flow rate. Further, a gaseous radical source material (radical source gas) 36 is supplied from the radical source inlet 42 to the radical generation chamber 41 at a predetermined flow rate. A vacuum pump (not shown) connected to the exhaust port 16 is operated, and the internal pressure of the reaction chamber 10 (total pressure of the partial pressure of the raw material gas and the partial pressure of the radical source gas) is adjusted to about 10 to 1000 mTorr.
In addition, the ratio of the preferable supply amounts of the source gas and the radical source gas may vary depending on the type (composition) of those gases, the properties and characteristics of the target carbon nanowall, and the like. For example, when a hydrocarbon or fluorocarbon having 1 to 3 carbon atoms is used as the source gas and hydrogen gas is used as the radical source gas, the ratio of the supply amount of the source gas / radical source gas (for example, the temperature is set to the same level). (The ratio of the flow rate at the time) can be supplied in the range of 2/98 to 60/40. This supply ratio is preferably in the range of 5/95 to 50/50, more preferably in the range of 10/90 to 30/70.

そして、電源28から例えば13.56MHz、5W〜2KW程度のRF電力を入力する。これにより、主として第一電極22と第二電極24との間で原料ガス32をプラズマ化してプラズマ雰囲気34を形成する。また、電源58から例えば13.56MHz、10〜1000W程度のRF電力を入力する。これによりラジカル発生室41内のラジカル源ガス36を分解してラジカル38を生成する。生成したラジカル38は、ラジカル導入口14から反応室10に導入され、プラズマ雰囲気34中に注入される。これにより、プラズマ雰囲気34を構成する原料ガスのプラズマと、その外部から注入されたラジカル38とが混在する。このようにして、第二電極24上に配置された基板5の表面にカーボンナノウォールを成長させることができる。このとき、ヒータ25等を用いて基板5の温度を100〜800℃程度(より好ましくは200〜600℃程度)に保持しておくことが好ましい。   And RF power of about 13.56 MHz and 5 W to 2 KW, for example, is input from the power supply 28. Thereby, the source gas 32 is mainly converted into plasma between the first electrode 22 and the second electrode 24 to form a plasma atmosphere 34. Further, RF power of about 13.56 MHz and about 10 to 1000 W is input from the power source 58, for example. As a result, the radical source gas 36 in the radical generation chamber 41 is decomposed to generate radicals 38. The generated radicals 38 are introduced into the reaction chamber 10 from the radical inlet 14 and injected into the plasma atmosphere 34. Thereby, the plasma of the source gas constituting the plasma atmosphere 34 and the radicals 38 injected from the outside are mixed. In this way, carbon nanowalls can be grown on the surface of the substrate 5 disposed on the second electrode 24. At this time, it is preferable to keep the temperature of the substrate 5 at about 100 to 800 ° C. (more preferably about 200 to 600 ° C.) using the heater 25 or the like.

<第2実施例>
この第2実施例は、第1実施例の装置とはラジカル供給手段の構成が異なる例である。以下、第1実施例と同様の機能を果たす部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
図2に示すように、本実施例に係る装置2に備えられたラジカル供給手段40は、反応室10の上方にプラズマ生成室46を有する。プラズマ生成室46と反応室10とは、基板5のカーボンナノウォール形成面に対向して設けられた隔壁44によって仕切られている。この隔壁44には、マッチング回路26を介して電源28が接続されている。すなわち、本実施例における隔壁44は、第一電極22としての機能をも果たすものである。また、この装置2は、プラズマ生成室46の壁面と隔壁44との間にRF波、VHF波またUHF波を印加する高周波印加手段60を有する。これによりラジカル源ガス36からプラズマ33を生成することができる。なお、図2に示す高周波印加手段60において、符号62は交流電源を、符号63はバイアス電源を、符号64はフィルタをそれぞれ示している。
このプラズマ33から生じたイオンは、隔壁44で消滅し、中性化してラジカル38となる。このとき、適宜隔壁44に電界を印加して中性化率を高めることができる。また、中性化ラジカルにエネルギーを与えることもできる。隔壁44には多数の貫通孔が分散して設けられている。これらの貫通孔が多数のラジカル導入口14となって、反応室10にラジカル38が導入され、そのまま拡散してプラズマ雰囲気34中に注入される。図示するように、これらの導入口14は基板5の上面(第一電極22に対向する面、すなわちカーボンナノウォール形成面)の面方向に広がって配置されている。
このような構成を有する装置2によると、反応室10内のより広い範囲に、より均一にラジカル38を導入することができる。このことによって、基板5のより広い範囲(面積)に効率よくカーボンナノウォールを形成することができる。また、面方向の各部で構造(性状、特性等)がより均一化されたカーボンナノウォールを形成することができる。本実施例によると、これらの効果のうち一または二以上の効果を実現し得る。
<Second embodiment>
The second embodiment is an example in which the configuration of the radical supply means is different from the apparatus of the first embodiment. Hereinafter, members having the same functions as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
As shown in FIG. 2, the radical supply means 40 provided in the apparatus 2 according to this embodiment has a plasma generation chamber 46 above the reaction chamber 10. The plasma generation chamber 46 and the reaction chamber 10 are partitioned by a partition wall 44 provided to face the carbon nanowall formation surface of the substrate 5. A power source 28 is connected to the partition wall 44 via the matching circuit 26. That is, the partition wall 44 in this embodiment also functions as the first electrode 22. In addition, the apparatus 2 includes high-frequency applying means 60 that applies an RF wave, a VHF wave, or a UHF wave between the wall surface of the plasma generation chamber 46 and the partition wall 44. Thereby, the plasma 33 can be generated from the radical source gas 36. In the high frequency applying means 60 shown in FIG. 2, reference numeral 62 indicates an AC power source, reference numeral 63 indicates a bias power source, and reference numeral 64 indicates a filter.
Ions generated from the plasma 33 disappear at the partition walls 44 and are neutralized to become radicals 38. At this time, the neutralization rate can be increased by appropriately applying an electric field to the partition wall 44. Moreover, energy can also be given to the neutralized radical. A large number of through holes are dispersed in the partition wall 44. These through holes become a large number of radical inlets 14, radicals 38 are introduced into the reaction chamber 10, diffused as they are, and injected into the plasma atmosphere 34. As shown in the figure, these inlets 14 are arranged so as to extend in the surface direction of the upper surface of the substrate 5 (the surface facing the first electrode 22, that is, the carbon nanowall forming surface).
According to the apparatus 2 having such a configuration, the radicals 38 can be introduced more uniformly in a wider range in the reaction chamber 10. Thus, carbon nanowalls can be efficiently formed in a wider range (area) of the substrate 5. In addition, carbon nanowalls having a more uniform structure (properties, characteristics, etc.) at each part in the plane direction can be formed. According to the present embodiment, one or more of these effects can be realized.

隔壁44は、Pt等の触媒機能性の高い材質が表面にコーティングされたもの、あるいはそのような材質自体により形成されたものとすることができる。かかる構成の隔壁44とプラズマ雰囲気34との間に電界を印加する(典型的には、隔壁44に負のバイアスを印加する)ことによって、プラズマ雰囲気34中のイオンを加速し、隔壁44をスパッタリングする。これにより、触媒機能を有する原子(Pt等)あるいはクラスターをプラズマ雰囲気34中に注入することができる。
カーボンナノウォールを形成するプロセスにおいて、プラズマ生成室46から注入されるラジカル(典型的にはHラジカル)38、プラズマ雰囲気34において発生する少なくとも炭素を含むラジカルおよび/またはイオン、および、上述のように隔壁44のスパッタリングにより発生して注入される触媒機能を有する原子またはクラスターを用いる。これにより、得られるカーボンナノウォールの内部および/または表面に、触媒機能を有する原子、クラスターまたは微粒子を堆積させることができる。このようにな原子、クラスターまたは微粒子を具備するカーボンナノウォールは、高い触媒性能を発揮し得ることから、燃料電池の電極材料等として応用することが可能である。
The partition wall 44 may be formed by coating a surface with a material having high catalytic function such as Pt, or such a material itself. By applying an electric field between the partition wall 44 having such a configuration and the plasma atmosphere 34 (typically, applying a negative bias to the partition wall 44), ions in the plasma atmosphere 34 are accelerated, and the partition wall 44 is sputtered. To do. Thereby, atoms (such as Pt) or clusters having a catalytic function can be injected into the plasma atmosphere 34.
In the process of forming the carbon nanowall, radicals (typically H radicals) 38 injected from the plasma generation chamber 46, radicals and / or ions containing at least carbon generated in the plasma atmosphere 34, and as described above An atom or cluster having a catalytic function generated and injected by sputtering of the partition wall 44 is used. Thereby, atoms, clusters or fine particles having a catalytic function can be deposited inside and / or on the surface of the obtained carbon nanowall. Since carbon nanowalls having such atoms, clusters or fine particles can exhibit high catalytic performance, they can be applied as electrode materials for fuel cells.

なお、図2に示す装置2は高周波によりラジカル源ガス36からプラズマ33を生成するように構成されているが、このプラズマ33をマイクロ波により生成する構成としてもよい。例えば、図3に示す装置3のように、プラズマ生成室46の上方にマイクロ波39を導入する導波路47を設ける。そして、スロットアンテナ49を用いて石英窓48からプラズマ生成室46にマイクロ波を導入し、高密度のプラズマ332を生成する。このプラズマ332をプラズマ生成室46内に拡散させ(プラズマ334)、そこからラジカル38を生じさせることができる。なお、図3ではプラズマ放電手段20の図示を部分的に省略している。また、図3に示す隔壁44には適宜バイアスを印加することができる。例えば、プラズマ生成室46内のプラズマ334と隔壁44との間、または反応室10内のプラズマ雰囲気34と隔壁44との間へバイアスを印加する。バイアスの向きは適宜可変である。隔壁44に負のバイアスを印加し得る構成とすることが好ましい。   In addition, although the apparatus 2 shown in FIG. 2 is comprised so that the plasma 33 may be produced | generated from the radical source gas 36 with a high frequency, it is good also as a structure which produces | generates this plasma 33 with a microwave. For example, as in the apparatus 3 shown in FIG. 3, a waveguide 47 for introducing the microwave 39 is provided above the plasma generation chamber 46. Then, a microwave is introduced into the plasma generation chamber 46 from the quartz window 48 using the slot antenna 49 to generate high-density plasma 332. The plasma 332 can be diffused into the plasma generation chamber 46 (plasma 334) and radicals 38 can be generated therefrom. In FIG. 3, the plasma discharge means 20 is partially omitted. A bias can be appropriately applied to the partition 44 shown in FIG. For example, a bias is applied between the plasma 334 in the plasma generation chamber 46 and the partition 44 or between the plasma atmosphere 34 and the partition 44 in the reaction chamber 10. The direction of the bias is variable as appropriate. A configuration in which a negative bias can be applied to the partition wall 44 is preferable.

カーボンナノウォール形成面に向けて広がって設けられたラジカル導入口14を有する装置の他の構成例を図4に示す。図示するように、この装置4に備えられたラジカル供給手段40は、ラジカル発生室41と、そのラジカル発生室41で生成したラジカル38が導入されるラジカル拡散室43とを有する。このラジカル拡散室43は、反応室10の外周に隔壁44を介して筒状に設けられている。この隔壁44の各部に(すなわち、基材5の周方向に広がって)設けられたラジカル導入口14から反応室10にラジカル38を導入することができる。
あるいは、図5に示す装置6のように、装置2(図2参照)の構成におけるプラズマ生成室46を、反応室10の上方から外周にかけて連続的に設けてもよい。かかる構成とすることにより、より広範な周囲空間(側方および上方の全体)からラジカル38を供給し、プラズマ雰囲気34に注入することができる。なお、図5では高周波印加手段60およびプラズマ放電手段20の一部の図示を省略している。これらの装置4、装置6(図4、図5参照)は、図3に示す装置3と同様に、隔壁44に適宜バイアスを印加し得る構成とすることができる。装置6においては、反応室10の上部および周囲のいずれの箇所に位置する隔壁44にバイアスを印加してもよい。
FIG. 4 shows another configuration example of the apparatus having the radical introduction port 14 provided so as to spread toward the carbon nanowall formation surface. As shown in the figure, the radical supply means 40 provided in the apparatus 4 has a radical generation chamber 41 and a radical diffusion chamber 43 into which the radical 38 generated in the radical generation chamber 41 is introduced. The radical diffusion chamber 43 is provided in a cylindrical shape on the outer periphery of the reaction chamber 10 via a partition wall 44. The radical 38 can be introduced into the reaction chamber 10 from the radical inlet 14 provided in each part of the partition wall 44 (that is, spread in the circumferential direction of the base material 5).
Alternatively, like the apparatus 6 shown in FIG. 5, the plasma generation chamber 46 in the configuration of the apparatus 2 (see FIG. 2) may be continuously provided from the upper side to the outer periphery of the reaction chamber 10. By adopting such a configuration, radicals 38 can be supplied from a wider area (the entire side and upper part) and injected into the plasma atmosphere 34. In FIG. 5, a part of the high frequency applying means 60 and the plasma discharging means 20 is not shown. These devices 4 and 6 (see FIGS. 4 and 5) can be configured so that a bias can be appropriately applied to the partition wall 44, as in the device 3 shown in FIG. In the apparatus 6, a bias may be applied to the partition wall 44 located at any position in the upper part and the periphery of the reaction chamber 10.

<第3実施例>
この第3実施例は、第1実施例の装置にラジカル濃度測定手段を設けた例である。以下、第1実施例と同様の機能を果たす部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。 図6に示すように、本実施例に係る装置7には、反応室10内のCラジカル(炭素原子)の濃度を測定するラジカル濃度測定手段70が設けられている。この測定手段70は、炭素原子(炭素ラジカル)に固有の発光線75(例えば、波長296.7nmの発光線)を反応室10内に射出する発光線射出手段としての発光線射出器72と、その発光線75を受光(検出)する受光手段としての受光器74とを含む。そして、発光線射出器72から射出された発光線75が第一電極22と第二電極24との間を通過して受光器74に到達するように構成されている。あるいは、射出器72から射出された発光線75が反応室10内の他の箇所を通過して受光器74に到達するように構成してもよい。例えば、図6に仮想線で示すように、発光線75が第二電極24の下方(排気口16側)を通過して受光器74に至るような構成とすることができる。
<Third embodiment>
The third embodiment is an example in which radical concentration measuring means is provided in the apparatus of the first embodiment. Hereinafter, members having the same functions as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. As shown in FIG. 6, the apparatus 7 according to the present embodiment is provided with radical concentration measuring means 70 for measuring the concentration of C radicals (carbon atoms) in the reaction chamber 10. The measurement means 70 includes a light emission line emitter 72 as light emission line emission means for emitting a light emission line 75 (for example, a light emission line having a wavelength of 296.7 nm) specific to a carbon atom (carbon radical) into the reaction chamber 10; And a light receiver 74 as light receiving means for receiving (detecting) the light emission line 75. The light emission line 75 emitted from the light emission line emitter 72 passes between the first electrode 22 and the second electrode 24 and reaches the light receiver 74. Or you may comprise so that the light emission line 75 inject | emitted from the injector 72 may pass the other location in the reaction chamber 10, and may reach the light receiver 74. FIG. For example, as indicated by a virtual line in FIG. 6, the light emitting line 75 can pass through the second electrode 24 (exhaust port 16 side) and reach the light receiver 74.

この炭素原子の発光線75は、射出器72から受光器74に至る間に、これらの間に存在する炭素ラジカル(炭素原子)の濃度に応じて吸収される。したがって、例えば、任意の測定時期に受光器74で検出される発光線75の強度と、その発光線75の経路に炭素ラジカルが実質的に存在しないときに受光器74で検出される発光線75の強度との違いから、当該測定時期における炭素ラジカルの濃度(密度)を把握することができる。また、発光線75の検出強度が例えば製造開始時と同程度に維持されるように製造条件を制御することにより、製造中における炭素ラジカル濃度の変動を抑制することができる。このように炭素ラジカルの濃度をモニタすることにより、反応室10内の炭素ラジカルの濃度および/または他の製造条件を、より的確に調整することができる。例えば、図示しない原料ガス供給量調節機構(例えば電磁弁)に接続された制御回路76に、受光器74により検出された炭素ラジカル濃度検出信号を送出し、この信号の強度が所定の範囲となるように原料ガス32の供給量を調節することができる。このように、反応室内のラジカル濃度に応じて製造条件を調節可能な構成とすることにより、目的に応じた性状および/または特性を有するカーボンナノウォールを、より効率よく製造することができる。例えば、カーボンナノウォールの収率の向上、形状(性状)精度の向上、形状(性状)の再現性の向上、原料ガスおよび/またはラジカル源ガスの使用量の節約、製造条件の制御の容易化等のうち一または二以上の効果を実現することができる。   The emission line 75 of carbon atoms is absorbed according to the concentration of carbon radicals (carbon atoms) existing between the emitter 72 and the light receiver 74. Therefore, for example, the intensity of the light emission line 75 detected by the light receiver 74 at an arbitrary measurement time and the light emission line 75 detected by the light receiver 74 when substantially no carbon radical is present in the path of the light emission line 75. From the difference in intensity, the concentration (density) of carbon radicals at the measurement time can be grasped. Further, by controlling the manufacturing conditions so that the detected intensity of the light emission line 75 is maintained at the same level as that at the start of manufacturing, for example, fluctuations in the carbon radical concentration during manufacturing can be suppressed. By monitoring the concentration of carbon radicals in this way, the concentration of carbon radicals in reaction chamber 10 and / or other production conditions can be adjusted more accurately. For example, a carbon radical concentration detection signal detected by the light receiver 74 is sent to a control circuit 76 connected to a source gas supply amount adjustment mechanism (for example, a solenoid valve) (not shown), and the intensity of this signal falls within a predetermined range. Thus, the supply amount of the source gas 32 can be adjusted. Thus, by setting it as the structure which can adjust manufacturing conditions according to the radical density | concentration in reaction chamber, the carbon nanowall which has the property and / or characteristic according to the objective can be manufactured more efficiently. For example, improvement of carbon nanowall yield, improvement of shape (property) accuracy, improvement of shape (property) reproducibility, saving of use amount of source gas and / or radical source gas, and easier control of production conditions One or more effects can be realized.

また、装置7は、反応室10内のHラジカル(水素原子)の濃度を測定するように構成されたラジカル濃度測定手段70を備えた構成とすることができる。この場合には、水素原子(Hラジカル)に固有の発光線75を出射する発光線出射器72と、その発光線75を検出する受光器74とを用いる。あるいは、フッ素原子(フッ素ラジカル)に固有の発光線75を出射する発光線出射器72と、その発光線75を検出する受光器74とにより、反応室10内のFラジカル(フッ素原子)の濃度を測定するように構成されたラジカル濃度測定手段70を備えた構成としてもよい。また、同様の手法によりC2 ラジカルの濃度を測定するラジカル濃度測定手段70を備えた構成としてもよい。このように、測定対象とするラジカルの種類に対応した発光線75を出射する発光線出射器72と、その発光線75を検出する受光器74とを有するラジカル濃度測定手段70を備えた構成とすることができる。例えば、C,C2 ,H,F,CF3 ,CF2 およびCFのうち少なくとも一種のラジカルの濃度を測定可能な測定手段を備えることができる。これらのうち二種以上を測定可能な複数の測定手段を備えてもよい。 In addition, the apparatus 7 can be configured to include radical concentration measuring means 70 configured to measure the concentration of H radicals (hydrogen atoms) in the reaction chamber 10. In this case, a light emission line emitter 72 that emits a light emission line 75 unique to hydrogen atoms (H radicals) and a light receiver 74 that detects the light emission line 75 are used. Alternatively, the concentration of F radicals (fluorine atoms) in the reaction chamber 10 by a light emission line emitter 72 that emits a light emission line 75 unique to fluorine atoms (fluorine radicals) and a light receiver 74 that detects the light emission line 75. It is good also as a structure provided with the radical concentration measuring means 70 comprised so that it might measure. Further, it may be configured to include a radical concentration measuring means 70 for measuring the concentration of C 2 radical in the same manner. In this way, a configuration including the radical concentration measuring means 70 having the light emitting line emitter 72 that emits the light emitting line 75 corresponding to the type of radical to be measured and the light receiver 74 that detects the light emitting line 75, and can do. For example, a measuring means capable of measuring the concentration of at least one radical among C, C 2 , H, F, CF 3 , CF 2 and CF can be provided. You may provide the some measurement means which can measure 2 or more types among these.

なお、水素原子(Hラジカル)に固有の発光線を出射する発光線出射器と、その発光線を検出する受光器とを有するラジカル濃度測定手段を、ラジカル発生室41内のHラジカルの濃度を測定し得るように設けてもよい。あるいは、このようなHラジカル濃度測定手段を、プラズマ生成室46またはラジカル拡散室43内のHラジカルの濃度を測定し得るように設けてもよい。   Note that a radical concentration measuring means having an emission line emitter that emits an emission line unique to hydrogen atoms (H radicals) and a light receiver that detects the emission line is used to change the concentration of H radicals in the radical generation chamber 41. You may provide so that it can measure. Alternatively, such H radical concentration measuring means may be provided so that the concentration of H radicals in the plasma generation chamber 46 or the radical diffusion chamber 43 can be measured.

次に、上述した装置1を用いてカーボンナノ構造体を作製した実験例、および、得られたカーボンナノ構造体の特性を評価した実験例につき説明する。
<実験例1>
本実験例では、原料ガス32としてC2 6 を使用した。ラジカル源ガス36としては水素ガス(H2 )を使用した。基板5としては厚さ約0.5mmのシリコン(Si)基板を用いた。なお、このシリコン基板5は触媒(金属触媒等)を実質的に含まない。
第二電極24上にシリコン基板5を、その(100)面が第一電極22側に向くようにしてセットした。原料導入口12から反応室10にC2 6 (原料ガス)32を供給するとともに、ラジカル源導入口42から水素ガス(ラジカル源ガス)36を供給した。また、反応室10内のガスを排気口16から排気した。そして、反応室10内におけるC2 6 の分圧が約20mTorr、H2 の分圧が約80mTorr、全圧が約100mTorrとなるように、原料ガス32およびラジカル源ガス36の供給量(流量)ならびに排気条件を調節した。
この条件で原料ガス32を供給しながら、電源28から第一電極22に13.56MHz、100WのRF電力を入力し、反応室10内の原料ガス(C2 6 )32にRF波を照射した。これにより原料ガス32をプラズマ化し、第一電極22と第二電極24との間にプラズマ雰囲気34を形成した。また、上記条件でラジカル源ガス36を供給しながら、電源58からコイル52に13.56MHz、50WのRF電力を入力し、ラジカル発生室40内のラジカル源ガス(H2 )36にRF波を照射した。これにより生成したHラジカルを、ラジカル導入口14から反応室10内に導入した。このようにして、シリコン基板5の(100)面にカーボンナノ構造体を成長(堆積)させた。本実験例では構造体の成長時間を2時間とした。その間、必要に応じてヒータ25および図示しない冷却装置を用いることにより、基板5の温度を約500℃に保持した。
Next, an experimental example in which a carbon nanostructure is manufactured using the above-described apparatus 1 and an experimental example in which the characteristics of the obtained carbon nanostructure are evaluated will be described.
<Experimental example 1>
In this experimental example, C 2 F 6 was used as the source gas 32. Hydrogen gas (H 2 ) was used as the radical source gas 36. As the substrate 5, a silicon (Si) substrate having a thickness of about 0.5 mm was used. The silicon substrate 5 does not substantially contain a catalyst (such as a metal catalyst).
The silicon substrate 5 was set on the second electrode 24 so that the (100) surface thereof faced the first electrode 22 side. C 2 F 6 (raw material gas) 32 was supplied from the raw material inlet 12 to the reaction chamber 10, and hydrogen gas (radical source gas) 36 was supplied from the radical source inlet 42. Further, the gas in the reaction chamber 10 was exhausted from the exhaust port 16. Then, supply amounts (flow rates) of the source gas 32 and the radical source gas 36 so that the partial pressure of C 2 F 6 in the reaction chamber 10 is about 20 mTorr, the partial pressure of H 2 is about 80 mTorr, and the total pressure is about 100 mTorr. ) And exhaust conditions were adjusted.
While supplying the raw material gas 32 under these conditions, RF power of 13.56 MHz and 100 W is input from the power source 28 to the first electrode 22, and the raw material gas (C 2 F 6 ) 32 in the reaction chamber 10 is irradiated with RF waves. did. As a result, the source gas 32 was turned into plasma, and a plasma atmosphere 34 was formed between the first electrode 22 and the second electrode 24. Further, while supplying the radical source gas 36 under the above conditions, 13.56 MHz and 50 W RF power is input from the power source 58 to the coil 52, and an RF wave is applied to the radical source gas (H 2 ) 36 in the radical generation chamber 40. Irradiated. H radicals thus generated were introduced into the reaction chamber 10 from the radical inlet 14. In this way, carbon nanostructures were grown (deposited) on the (100) surface of the silicon substrate 5. In this experimental example, the growth time of the structure was set to 2 hours. Meanwhile, the temperature of the substrate 5 was maintained at about 500 ° C. by using a heater 25 and a cooling device (not shown) as needed.

<実験例2〜4>
実験例1の条件から、ラジカル(ここではHラジカル)38を発生させる条件を変更した。すなわち、電源58からコイル52へのRF入力電力をそれぞれ100W(実験例2)、200W(実験例3)、400W(実験例4)とした。その他の点については実験例1と同様にして、シリコン基板5の(100)面にカーボンナノ構造体を作製した。
以上の実験条件を表1にまとめて示す。なお、「圧力比」とは本装置に供給される原料ガス/ラジカル源ガスの分圧の比(すなわち供給量の比)を表す。
<Experimental Examples 2 to 4>
The conditions for generating radicals (here, H radicals) 38 were changed from those in Experimental Example 1. That is, the RF input power from the power source 58 to the coil 52 was set to 100 W (Experimental Example 2), 200 W (Experimental Example 3), and 400 W (Experimental Example 4), respectively. In other respects, a carbon nanostructure was produced on the (100) plane of the silicon substrate 5 in the same manner as in Experimental Example 1.
The above experimental conditions are summarized in Table 1. The “pressure ratio” represents the ratio of the partial pressure of the source gas / radical source gas supplied to the apparatus (that is, the ratio of the supply amount).

実験例1〜4により形成された構造体を走査型電子顕微鏡(SEM)により観察した。図7〜10は、実験例1〜4により形成された構造体を上面から観察したSEM像である。また、図11〜14は各構造体を断面から観察したSEM像、図15〜18は各構造体をさらに高倍率で観察したSEM像である。また、図19は、実験例4に係る構造体を断面から、図18よりもさらに高倍率で観察したSEM像である。図20は、実験例4に係る構造体を上面から、図10よりもさらに高倍率で観察したSEM像である。
これらの図から判るように、実験例1〜4によると、いずれも基板5の(100)面に対してほぼ垂直に、二次元のカーボンシート(カーボンナノウォール)が形成されていた。これらの実験例により形成されたカーボンナノウォールの平均厚さ(カーボンシートの平均厚さ)は、いずれも10〜30nm程度であった。カーボンナノウォールの形状(性状)は、Hラジカルを発生させる条件(電源58からコイル52へのRF入力電力)によって大きく異なっていた。また、実験例1〜4の条件では、Hラジカルの発生条件がカーボンナノウォールの高さに及ぼす影響は比較的少なかった。すなわち、これらの実験例により形成されたカーボンナノウォールの平均高さは、いずれも300nm程度であった。これらの観察結果は、Hラジカルの発生量(反応室10に供給されるHラジカルの量)を調節することによって、得られるカーボンナノウォールの形状を制御し得ることを示唆している。
The structures formed in Experimental Examples 1 to 4 were observed with a scanning electron microscope (SEM). 7 to 10 are SEM images obtained by observing the structures formed in Experimental Examples 1 to 4 from the upper surface. 11 to 14 are SEM images obtained by observing each structure from a cross section, and FIGS. 15 to 18 are SEM images obtained by observing each structure at a higher magnification. FIG. 19 is an SEM image of the structure according to Experimental Example 4 observed from a cross section at a higher magnification than that in FIG. 20 is an SEM image obtained by observing the structure according to Experimental Example 4 from the upper surface at a higher magnification than that in FIG.
As can be seen from these figures, according to Experimental Examples 1 to 4, a two-dimensional carbon sheet (carbon nanowall) was formed almost perpendicularly to the (100) plane of the substrate 5. The average thickness (average thickness of the carbon sheet) of the carbon nanowalls formed in these experimental examples was about 10 to 30 nm. The shape (property) of the carbon nanowall was greatly different depending on the conditions for generating H radicals (RF input power from the power source 58 to the coil 52). Further, under the conditions of Experimental Examples 1 to 4, the influence of the H radical generation condition on the height of the carbon nanowall was relatively small. That is, the average height of the carbon nanowalls formed in these experimental examples was about 300 nm. These observation results suggest that the shape of the obtained carbon nanowall can be controlled by adjusting the amount of H radicals generated (the amount of H radicals supplied to the reaction chamber 10).

<実験例5〜8>
実験例4において、基板上に構造体を成長させる時間をそれぞれ0.5時間(実験例5)、1時間(実験例6)、2時間(実験例7)、3時間(実験例8)とした。その他の点については実験例4と同様にして、シリコン基板5の(100)面にカーボンナノ構造体を作製した。これらの実験条件を表2にまとめて示す。なお、実験例7は実験例4と実質的に同条件である。
<Experimental Examples 5-8>
In Experimental Example 4, the time for growing the structure on the substrate was 0.5 hour (Experimental Example 5), 1 hour (Experimental Example 6), 2 hours (Experimental Example 7), and 3 hours (Experimental Example 8). did. In other respects, a carbon nanostructure was produced on the (100) plane of the silicon substrate 5 in the same manner as in Experimental Example 4. These experimental conditions are summarized in Table 2. Experimental example 7 has substantially the same conditions as experimental example 4.

実験例5〜7により形成された構造体をSEMにより観察した。図21〜24は、実験例5〜7により形成された構造体を上面から観察したSEM像である。また、図25〜28は各構造体の断面を観察したSEM像である。
これらの図から判るように、基板5上に形成される構造体の性状は成長時間によって異なる。また、図25〜28によく示されるように、成長時間が長くなるにしたがって構造体の高さは大きくなる。図29に示すように、実験例5〜8の条件では、成長時間の長さと構造体の高さとの間にほぼ直線的な関係(比例関係)がみられた。
The structures formed in Experimental Examples 5 to 7 were observed with SEM. 21 to 24 are SEM images obtained by observing the structures formed in Experimental Examples 5 to 7 from the upper surface. 25 to 28 are SEM images obtained by observing the cross section of each structure.
As can be seen from these figures, the properties of the structure formed on the substrate 5 differ depending on the growth time. As well shown in FIGS. 25 to 28, the height of the structure increases as the growth time increases. As shown in FIG. 29, under the conditions of Experimental Examples 5 to 8, a substantially linear relationship (proportional relationship) was observed between the length of the growth time and the height of the structure.

<実験例9〜10>
原料ガス32としてC2 6 (実験例9)またはCH4 (実験例10)を用い、その他の点については実験例4と同様の条件で、シリコン基板5の(100)面にカーボンナノ構造体を作製した。これらの実験条件を表3にまとめて示す。なお、実験例9は実験例4と実質的に同条件である。
<Experimental Examples 9 to 10>
C 2 F 6 (Experimental Example 9) or CH 4 (Experimental Example 10) was used as the source gas 32, and the carbon nanostructure was formed on the (100) plane of the silicon substrate 5 under the same conditions as in Experimental Example 4 for the other points. The body was made. These experimental conditions are summarized in Table 3. Note that Experimental Example 9 has substantially the same conditions as Experimental Example 4.

実験例9により形成された構造体を上面から観察したSEM像を図30に、実験例10により形成された構造体を上面から観察したSEM像を図31にそれぞれ示す。フルオロカーボン(ここではC2 6 )を原料ガスとして作製した実験例9に係るカーボンナノウォール(図30)は、その壁の平均厚さが約10〜30nm程度である。これに対して、ハイドロカーボン(ここではCH4 )を原料ガスとして作製した実験例10に係るカーボンナノウォール(図31)は、その壁の平均厚さが数nm程度である。このように、原料ガスとしてC2 6 を用いた場合には、原料ガスとしてCH4 を用いた場合に比べて明らかに壁の厚いカーボンナノウォールが形成された。C2 6 の量によって壁の厚さを制御することができる。また、実験例9に係るカーボンナノウォールと実験例10に係るカーボンナノウォールとでは、厚さ以外の点(例えば壁の平坦さ)においても形状が異なっている。これらの観察結果は、原料ガスの種類および/または組成を適切に選択することによって、得られるカーボンナノウォールの性状を制御し得ることを示唆している。 FIG. 30 shows an SEM image obtained by observing the structure formed in Experimental Example 9 from the upper surface, and FIG. 31 shows an SEM image obtained by observing the structural body formed by Experimental Example 10 from the upper surface. The carbon nanowall (FIG. 30) according to Experimental Example 9 produced using fluorocarbon (here, C 2 F 6 ) as a source gas has an average wall thickness of about 10 to 30 nm. On the other hand, the carbon nanowall (FIG. 31) according to Experimental Example 10 produced using hydrocarbon (here, CH 4 ) as a source gas has an average wall thickness of about several nm. Thus, when C 2 F 6 was used as the source gas, carbon nanowalls with clearly thicker walls were formed than when CH 4 was used as the source gas. The wall thickness can be controlled by the amount of C 2 F 6 . In addition, the carbon nanowall according to Experimental Example 9 and the carbon nanowall according to Experimental Example 10 are different in shape at points other than the thickness (for example, the flatness of the wall). These observation results suggest that the properties of the obtained carbon nanowall can be controlled by appropriately selecting the type and / or composition of the source gas.

<実験例11>
実験例9により得られたカーボンナノウォールに電圧を印加して電子放出特性を評価した。その結果を図32に示す。図示するように、電界強度が5.5〜6V/μm程度以上になると測定電流が急激に上昇した。この結果は、実験例9により得られたカーボンナノウォールが電界放出型電子源(電極)の構成材料等として有用なものとなり得ることを示唆している。また、このようなカーボンナノウォールの表面にPt等を被覆させて、高効率の触媒作用を示す構造体とすることができる。このように触媒を備えるカーボンナノウォールは、例えば燃料電池の電極等に応用可能である。
<Experimental example 11>
A voltage was applied to the carbon nanowall obtained in Experimental Example 9 to evaluate the electron emission characteristics. The result is shown in FIG. As shown in the figure, when the electric field strength is about 5.5 to 6 V / μm or more, the measurement current rapidly increased. This result suggests that the carbon nanowall obtained in Experimental Example 9 can be useful as a constituent material of a field emission electron source (electrode). Moreover, the surface of such a carbon nanowall can be coated with Pt or the like to form a structure that exhibits highly efficient catalytic action. Thus, the carbon nanowall provided with a catalyst can be applied to, for example, an electrode of a fuel cell.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、図1〜6に示す製造装置等において、第二電極(下部電極)24に高周波(例えば、400KHz,1.5MHz,13.56MHz等)を印加し得る構成とすることができる。かかる構成によると、入射する荷電粒子のエネルギーを制御することが可能である。図33および図34は、第二電極24に高周波を印加する構成の具体例を模式的に示したものである。図33中の符号242は、例えば400KHz,1.5MHzまたは13.56MHzの高周波を発生する交流電源である。また、図34中の符号244は、例えば13.56MHzの高周波を発生する交流電源である。同図中の符号246は、例えば400KHzの高周波を発生する交流電源である。これらの電源244,246の間にはローパスフィルタ248が接続されている。なお、交流電源246に代えて直流電源を用いてもよい。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
For example, the manufacturing apparatus shown in FIGS. 1 to 6 can be configured such that a high frequency (for example, 400 KHz, 1.5 MHz, 13.56 MHz, etc.) can be applied to the second electrode (lower electrode) 24. According to this configuration, it is possible to control the energy of incident charged particles. FIG. 33 and FIG. 34 schematically show a specific example of a configuration in which a high frequency is applied to the second electrode 24. Reference numeral 242 in FIG. 33 denotes an AC power source that generates a high frequency of, for example, 400 KHz, 1.5 MHz, or 13.56 MHz. Moreover, the code | symbol 244 in FIG. 34 is AC power supply which generate | occur | produces the high frequency of 13.56 MHz, for example. Reference numeral 246 in the figure is an AC power source that generates a high frequency of, for example, 400 KHz. A low pass filter 248 is connected between these power supplies 244 and 246. Note that a DC power supply may be used instead of the AC power supply 246.
In addition, the technical elements described in the present specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.

第1実施例に係る製造装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the manufacturing apparatus which concerns on 1st Example. 第2実施例に係る製造装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the manufacturing apparatus which concerns on 2nd Example. 第2実施例の変形例に係る製造装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the manufacturing apparatus which concerns on the modification of 2nd Example. 第2実施例の変形例に係る製造装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the manufacturing apparatus which concerns on the modification of 2nd Example. 第2実施例の変形例に係る製造装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the manufacturing apparatus which concerns on the modification of 2nd Example. 第3実施例に係る製造装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the manufacturing apparatus which concerns on 3rd Example. 実験例1(RF入力電力;50W)により形成された構造体を上面から観察したSEM像である。It is the SEM image which observed the structure formed by Experimental example 1 (RF input power; 50W) from the upper surface. 実験例2(RF入力電力;100W)により形成された構造体を上面から観察したSEM像である。It is the SEM image which observed the structure formed by Experimental example 2 (RF input power; 100W) from the upper surface. 実験例3(RF入力電力;200W)により形成された構造体を上面から観察したSEM像である。It is the SEM image which observed the structure formed by Experimental example 3 (RF input power; 200W) from the upper surface. 実験例4(RF入力電力;400W)により形成された構造体を上面から観察したSEM像である。It is the SEM image which observed the structure formed by Experimental example 4 (RF input power; 400 W) from the upper surface. 実験例1により形成された構造体の断面を観察したSEM像である。4 is an SEM image obtained by observing a cross section of a structure formed in Experimental Example 1. FIG. 実験例2により形成された構造体の断面を観察したSEM像である。10 is an SEM image obtained by observing a cross section of a structure formed in Experimental Example 2. 実験例3により形成された構造体の断面を観察したSEM像である。10 is an SEM image obtained by observing a cross section of a structure formed in Experimental Example 3. 実験例4により形成された構造体の断面を観察したSEM像である。10 is an SEM image obtained by observing a cross section of a structure formed in Experimental Example 4. 実験例1により形成された構造体の断面を観察したSEM像である。4 is an SEM image obtained by observing a cross section of a structure formed in Experimental Example 1. FIG. 実験例2により形成された構造体の断面を観察したSEM像である。10 is an SEM image obtained by observing a cross section of a structure formed in Experimental Example 2. 実験例3により形成された構造体の断面を観察したSEM像である。10 is an SEM image obtained by observing a cross section of a structure formed in Experimental Example 3. 実験例4により形成された構造体の断面を観察したSEM像である。10 is an SEM image obtained by observing a cross section of a structure formed in Experimental Example 4. 実験例4により形成された構造体の断面を観察したSEM像である。10 is an SEM image obtained by observing a cross section of a structure formed in Experimental Example 4. 実験例4により形成された構造体を上面から観察したSEM像である。10 is an SEM image obtained by observing the structure formed in Experimental Example 4 from the upper surface. 実験例5(成長時間;0.5時間)により形成された構造体を上面から観察したSEM像である。It is the SEM image which observed the structure formed by Experimental example 5 (growth time; 0.5 hour) from the upper surface. 実験例6(成長時間;1時間)により形成された構造体を上面から観察したSEM像である。It is the SEM image which observed the structure formed by Experimental example 6 (growth time; 1 hour) from the upper surface. 実験例7(成長時間;2時間)により形成された構造体を上面から観察したSEM像である。It is the SEM image which observed the structure formed by Experimental example 7 (growth time; 2 hours) from the upper surface. 実験例8(成長時間;3時間)により形成された構造体を上面から観察したSEM像である。It is the SEM image which observed the structure formed by Experimental example 8 (growth time; 3 hours) from the upper surface. 実験例5により形成された構造体の断面を観察したSEM像である。10 is an SEM image obtained by observing a cross section of a structure formed in Experimental Example 5. 実験例6により形成された構造体の断面を観察したSEM像である。10 is an SEM image obtained by observing a cross section of a structure formed in Experimental Example 6. 実験例7により形成された構造体の断面を観察したSEM像である。10 is an SEM image obtained by observing a cross section of a structure formed in Experimental Example 7. 実験例8により形成された構造体の断面を観察したSEM像である。10 is an SEM image obtained by observing a cross section of a structure formed in Experimental Example 8. 構造体の成長速度を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the growth rate of a structure. 実験例9(原料ガス;C2 6 )により形成された構造体を上面から観察したSEM像である。Experimental Example 9 (source gas; C 2 F 6) a structure formed by a SEM image observed from above. 実験例10(原料ガス;CH4 )により形成された構造体の断面を観察したSEM像である。Experimental Example 10 (raw material gas; CH 4) is a SEM image obtained by observing the cross section of the structures formed by. 実験例9により形成された構造体の電子放出特性を示す特性図である。10 is a characteristic diagram showing an electron emission characteristic of a structure formed in Experimental Example 9. FIG. 第二電極に高周波を印加する構成の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the structure which applies a high frequency to a 2nd electrode. 第二電極に高周波を印加する構成の他の例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the other example of the structure which applies a high frequency to a 2nd electrode.

符号の説明Explanation of symbols

1,2,3,4,6,7 カーボンナノウォール製造装置
5 基板(基材)
10 反応室
14 ラジカル導入口
20 プラズマ放電手段
22 第一電極
24 第二電極
25 ヒータ
26 マッチング回路
28 電源
32 原料ガス(原料物質)
34 プラズマ雰囲気
36 ラジカル源ガス(ラジカル源物質)
38 ラジカル
40 ラジカル供給手段
41 ラジカル発生室
43 ラジカル拡張室
44 隔壁
50 ラジカル発生手段
52 コイル
56 マッチング回路
58 電源
70 ラジカル濃度測定手段
72 発光線射出器(発光線射出手段)
74 受光器(受光手段)
76 制御回路(制御手段)
1, 2, 3, 4, 6, 7 Carbon nanowall production equipment 5 Substrate (base material)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Reaction chamber 14 Radical inlet 20 Plasma discharge means 22 1st electrode 24 2nd electrode 25 Heater 26 Matching circuit 28 Power supply 32 Source gas (source material)
34 Plasma atmosphere 36 Radical source gas (radical source material)
38 radical 40 radical supply means 41 radical generation chamber 43 radical expansion chamber 44 partition 50 radical generation means 52 coil 56 matching circuit 58 power supply 70 radical concentration measurement means 72 light emission emitter (light emission emission means)
74 Light receiver (light receiving means)
76 Control circuit (control means)

Claims (16)

少なくとも炭素を構成元素とする原料物質がプラズマ化したプラズマ雰囲気を反応室の少なくとも一部に形成するとともに、そのプラズマ雰囲気中に該雰囲気の外部で生成したラジカルを注入して、該反応室中に配置した基材の表面にカーボンナノウォールを形成するカーボンナノウォールの製造方法。   At least a part of the reaction chamber is formed with a plasma atmosphere in which a source material containing at least carbon as a constituent element is turned into plasma, and radicals generated outside the atmosphere are injected into the plasma atmosphere to enter the reaction chamber. A method for producing carbon nanowalls, wherein carbon nanowalls are formed on the surface of a substrate. 前記ラジカルは、前記反応室の外部でラジカル源物質を分解して生成したものであることを特徴とする請求項1に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the radical is generated by decomposing a radical source material outside the reaction chamber. 前記ラジカル源物質にマイクロ波、UHF波、VHF波またはRF波を照射すること、および/または、前記ラジカル源物質を加熱された触媒金属に接触させることにより前記ラジカルを生成することを特徴とする請求項2に記載の方法。   The radical is generated by irradiating the radical source material with microwaves, UHF waves, VHF waves or RF waves and / or bringing the radical source material into contact with a heated catalyst metal. The method of claim 2. 前記ラジカルは水素ラジカルを含む請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the radical includes a hydrogen radical. 少なくとも水素を構成元素とするラジカル源物質を分解して水素ラジカルを生成し、その水素ラジカルを前記プラズマ雰囲気中に注入することを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 3, wherein a radical source material containing at least hydrogen as a constituent element is decomposed to generate hydrogen radicals, and the hydrogen radicals are injected into the plasma atmosphere. . 前記原料物質は少なくとも炭素と水素を構成元素とする請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the raw material contains at least carbon and hydrogen as constituent elements. 前記原料物質は少なくとも炭素とフッ素を構成元素とする請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the raw material contains at least carbon and fluorine as constituent elements. 前記反応室内における炭素ラジカル、水素ラジカルおよびフッ素ラジカルのうち少なくとも一種類のラジカルの濃度に基づいて、前記原料物質の供給量、前記原料物質のプラズマ化強度および前記ラジカルの注入量のうち少なくとも一つの条件を制御する請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。   Based on the concentration of at least one kind of radicals among carbon radicals, hydrogen radicals and fluorine radicals in the reaction chamber, at least one of the supply amount of the source material, the plasma intensity of the source material and the injection amount of the radicals The method according to claim 1, wherein the conditions are controlled. 基材の表面にカーボンナノウォールを製造する装置であって、
少なくとも炭素を含む原料物質が供給され、前記基材が配置される反応室と、
該反応室内の原料物質をプラズマ化するプラズマ放電手段と、
ラジカル源物質が供給されるラジカル発生室と、
該ラジカル発生室内のラジカル源物質からラジカルを生成するラジカル発生手段とを含み、
前記ラジカル発生手段により生成したラジカルを前記反応室に導入し得るように構成されているカーボンナノウォール製造装置。
An apparatus for producing carbon nanowalls on the surface of a substrate,
A reaction chamber in which a source material containing at least carbon is supplied and the base material is disposed;
Plasma discharge means for converting the raw material in the reaction chamber into plasma;
A radical generation chamber to which a radical source material is supplied; and
Radical generating means for generating radicals from the radical source material in the radical generating chamber,
The carbon nanowall manufacturing apparatus comprised so that the radical produced | generated by the said radical generation means can be introduce | transduced into the said reaction chamber.
前記ラジカル発生手段は、前記ラジカル発生室にマイクロ波、UHF波、VHF波またはRF波を照射することおよび前記ラジカル発生室に面して設けられた触媒金属を加熱することの少なくとも一方を実現し得るように構成されていることを特徴とする請求項9に記載の装置。   The radical generation means realizes at least one of irradiating the radical generation chamber with microwaves, UHF waves, VHF waves, or RF waves and heating the catalyst metal provided facing the radical generation chamber. The apparatus of claim 9, wherein the apparatus is configured to obtain. 前記ラジカル発生手段は、前記基材のカーボンナノウォールの形成面に向かって広がって設けられたラジカル導入口から前記反応室にラジカルを導入し得るように構成されていることを特徴とする請求項9または10に記載の装置。   The radical generating means is configured to be able to introduce radicals into the reaction chamber from a radical introduction port provided so as to spread toward a carbon nanowall formation surface of the base material. The apparatus according to 9 or 10. 前記反応室内の炭素ラジカルの濃度を測定する濃度測定手段を備え、
該測定手段は、該ラジカルの発光線を前記反応室内に出射する発光線出射手段と、該出射手段から出射された発光線を受光する受光手段とを含む請求項9から11のいずれか一項に記載の装置。
A concentration measuring means for measuring the concentration of carbon radicals in the reaction chamber;
The measurement means includes: an emission line emitting means for emitting the radical emission line into the reaction chamber; and a light receiving means for receiving the emission line emitted from the emission means. The device described in 1.
前記反応室内の水素ラジカルの濃度を測定する濃度測定手段を備え、
該測定手段は、該ラジカルの発光線を前記反応室内に出射する発光線出射手段と、該出射手段から出射された発光線を受光する受光手段とを含む請求項9から12のいずれか一項に記載の装置。
A concentration measuring means for measuring the concentration of hydrogen radicals in the reaction chamber;
The measuring means includes: an emission line emitting means for emitting the radical emission line into the reaction chamber; and a light receiving means for receiving the emission line emitted from the emission means. The device described in 1.
前記反応室内のフッ素ラジカルの濃度を測定する濃度測定手段を備え、
該測定手段は、該ラジカルの発光線を前記反応室内に出射する発光線出射手段と、該出射手段から出射された発光線を受光する受光手段とを含む請求項9から13のいずれか一項に記載の装置。
A concentration measuring means for measuring the concentration of fluorine radicals in the reaction chamber;
The measurement means includes: an emission line emitting means for emitting the radical emission line into the reaction chamber; and a light receiving means for receiving the emission line emitted from the emission means. The device described in 1.
前記測定手段によるラジカル濃度測定結果に基づいて、原料物質の供給量、原料物質のプラズマ化強度、ラジカルの注入量、ラジカル源物質の供給量およびラジカル源物質のラジカル化強度のうち少なくとも一つの条件を制御する制御手段を備える請求項12から14のいずれか一項に記載の装置。   Based on the measurement result of the radical concentration by the measuring means, at least one of the following conditions: source material supply amount, source material plasmaization intensity, radical injection amount, radical source material supply amount and radical source material radicalization intensity The apparatus according to claim 12, further comprising control means for controlling 前記反応室内に配置された前記基材のカーボンナノウォール形成面に対向する位置に、複数のラジカル導入口が分散配置されていることを特徴とする請求項9から15のいずれか一項に記載の装置。   The plurality of radical introduction ports are dispersedly arranged at positions facing the carbon nanowall formation surface of the base material arranged in the reaction chamber. Equipment.
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007095579A (en) * 2005-09-29 2007-04-12 Masaru Hori Field emitter using carbon nano wall
JP2007095580A (en) * 2005-09-29 2007-04-12 Masaru Hori Field emitter using carbon nanotube
WO2008013309A1 (en) 2006-07-25 2008-01-31 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Carbon nanowall with controlled structure and method of controlling structure of carbon nanowall
WO2009119052A1 (en) * 2008-03-26 2009-10-01 Nuエコ・エンジニアリング株式会社 Carbon nanowall and process for producing the same
US8349142B2 (en) 2008-03-26 2013-01-08 Masaru Hori Method for producing graphene
JP2013014478A (en) * 2011-07-05 2013-01-24 Chube Univ Carbon nanowall array and method for producing carbon nanowall
KR20190033010A (en) 2017-09-20 2019-03-28 도쿄엘렉트론가부시키가이샤 Graphene structure forming method and graphene structure forming apparatus

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007095579A (en) * 2005-09-29 2007-04-12 Masaru Hori Field emitter using carbon nano wall
JP2007095580A (en) * 2005-09-29 2007-04-12 Masaru Hori Field emitter using carbon nanotube
WO2008013309A1 (en) 2006-07-25 2008-01-31 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Carbon nanowall with controlled structure and method of controlling structure of carbon nanowall
JP2008024570A (en) * 2006-07-25 2008-02-07 Toyota Motor Corp Structure-controlled carbon nanowall and method for controlling structure of carbon nanowall
JP4662067B2 (en) * 2006-07-25 2011-03-30 トヨタ自動車株式会社 Structure-controlled carbon nanowall and structure control method of carbon nanowall
WO2009119052A1 (en) * 2008-03-26 2009-10-01 Nuエコ・エンジニアリング株式会社 Carbon nanowall and process for producing the same
JP2009234833A (en) * 2008-03-26 2009-10-15 Univ Nagoya Carbon nanowall and process for producing the same
US8349142B2 (en) 2008-03-26 2013-01-08 Masaru Hori Method for producing graphene
JP2013014478A (en) * 2011-07-05 2013-01-24 Chube Univ Carbon nanowall array and method for producing carbon nanowall
KR20190033010A (en) 2017-09-20 2019-03-28 도쿄엘렉트론가부시키가이샤 Graphene structure forming method and graphene structure forming apparatus
KR102209666B1 (en) * 2017-09-20 2021-01-28 도쿄엘렉트론가부시키가이샤 Graphene structure forming method and graphene structure forming apparatus
US11091836B2 (en) 2017-09-20 2021-08-17 Tokyo Electronics Limited Graphene structure forming method and graphene structure forming apparatus

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