JP2010006678A - カーボンナノチューブ作製装置、カーボンナノチューブ作製方法、および、ラジカル作製装置 - Google Patents

カーボンナノチューブ作製装置、カーボンナノチューブ作製方法、および、ラジカル作製装置 Download PDF

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Abstract

【課題】広い温度範囲、特に低温において高品質なカーボンナノチューブを作製することができるカーボンナノチューブ作製装置、カーボンナノチューブ作製方法、および、ラジカルを作製することができるラジカル作製装置を提供すること。
【解決手段】ガスからイオン、ラジカル、および、電子からなるプラズマを生成するプラズマ生成部２と、ラジカルからカーボンナノチューブを作製する成長基板保持部５と、プラズマ生成部２と成長基板保持部５との間に設けられ、イオンおよび電子の成長基板保持部５への進入を防止する多段荷電粒子遮蔽電極部３と、多段荷電粒子遮蔽電極部３に電圧を印加するバイアス印加用電源４と、を備え、多段荷電粒子遮蔽電極部３は、開口部１４を備える第１遮蔽電極部１１、開口部１５を備える第２遮蔽電極部１２、および、開口部１６を備える第３遮蔽電極部１３を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、カーボンナノチューブ作製装置、カーボンナノチューブ作製方法、および、ラジカル作製装置に関する。
カーボンナノチューブは、その特異な構造に由来する数々の優れた特性を有する新材料として注目されている。そして、カーボンナノチューブの作製方法としては、アーク放電法、レーザーアブレーション法、または、液相法などがあるが、生産性、制御性、および、半導体プロセス整合性の点で化学気相堆積法（ＣＶＤ）が優位である。中でも、プラズマを用いて原料を分解することでカーボンナノチューブを作製するプラズマＣＶＤ法は、プラズマの生成方法を変えた多数の作製手法が提案されている。そして、励起方式として、容量結合型プラズマ、誘導結合型プラズマ、または、表面波プラズマなどがある。
例えば、非特許文献１には、プラズマＣＶＤ法を用いた高品質カーボンナノチューブの低温成長に関する研究を行った結果、プラズマを用いた高品質カーボンナノチューブの低温下での作製にはイオン成分の選択的除去が不可欠であることが記載されている。これはイオン成分がカーボンナノチューブのエッチングを引き起こすためである。
Ｎ．Ｓａｋｕｍａ ｅｔ ａｌ．，Ｐｒｏｃ．Ｎｅｗ Ｄｉａｍｏｎｄ ａｎｄ Ｎａｎｏ Ｃａｒｂｏｎｓ，２００７年，ｐ．１９５
しかしながら、プラズマパワー減少、または、圧力増加などを行うことで、比較的簡便にイオン成分を低減することは可能であるが、同時にカーボンナノチューブの原料となるラジカル成分も低減してしまう。また、プラズマから基板を十分離すリモートプラズマ方式もよく用いられるが、圧力を増加させたときと同様にラジカルが減少してしまう上に、ラジカルよりもイオンの寿命の方が長い場合、ラジカル供給量が少なすぎるために全くカーボンナノチューブが生成されなくなってしまう。
イオン成分のみを積極的に取り除く手法として、リモートプラズマ方式において、プラズマ−基板間にバイアス印加可能なメッシュグリッドを設置することでイオン成分の基板への到達を防ぐ方法がある。通常イオンは正の電荷を有するので、正バイアスを印加することで容易にイオン成分のみを除去できる。しかし、この場合、逆の電荷を持つ電子（あるいはガス種によっては負イオンが生成される場合もある）は、正バイアスによって加速し、メッシュグリッドを通過してしまう。イオン成分除去を目的に印加されるバイアスは数１０Ｖ以上であることが多いため、通過した電子は数１０ｅＶ以上の運動エネルギーを有することになる。これはガスを分解、励起するのに十分なエネルギーであり、メッシュグリッド−基板間でイオン、ラジカルの再生成が起きてしまう。そのため、正バイアスを印加したメッシュグリッドを用いて行った実験では、グラフェン壁がカップスタック状になっている低品質なカーボンナノチューブしか得られていない。したがって、メッシュグリッドに正バイアスを印加するだけの装置構成ではイオン成分の除去は可能であるものの、高品質カーボンナノチューブの作製は難しい。
また、磁場を用いてイオン成分を除去する方法も提案されているが、電気的手法であるバイアス印加と同様に、逆の電荷を有するものを集めてしまう。さらに、磁場の場合、イオン、電子ともにエネルギーが付与されるため、それらによるガスの分解、励起現象も大きくなり、イオン成分の完全除去はより難しくなる。
以上のように、従来技術ではイオン成分の除去のみに着目し、逆の電荷を有する粒子には何らの対策も講じられていない。上述した実験結果からも明らかなように、高品質カーボンナノチューブの低温成長を行うためには、イオン成分の除去とともに逆の電荷を有する粒子の処置も重要となる。さらに、その処置のためにカーボンナノチューブの成長に必要なラジカルまでが失われることがあってはならない。したがって、ラジカル成分のみを供給できるプラズマ装置が求められる。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、広い温度範囲、特に低温において高品質なカーボンナノチューブを作製することができるカーボンナノチューブ作製装置、カーボンナノチューブ作製方法、および、ラジカルを作製することができるラジカル作製装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、ガスからイオン、ラジカル、および、電子からなるプラズマを生成するプラズマ生成手段と、前記ラジカルからカーボンナノチューブを作製するカーボンナノチューブ作製手段と、前記プラズマ生成手段と前記カーボンナノチューブ作製手段との間に設けられ、前記イオンおよび前記電子の前記カーボンナノチューブ作製手段への進入を防止する遮蔽電極手段と、前記遮蔽電極手段に電圧を印加するバイアス印加手段と、を備え、前記遮蔽電極手段は、少なくとも１つの開口部を備える第１の遮蔽電極を２段以上備えること、を特徴とする。
また、本発明は、プラズマ生成手段が、ガスからイオン、ラジカル、および、電子からなるプラズマを生成するプラズマ生成ステップと、バイアス印加手段が、少なくとも１つの開口部を備える遮蔽電極を２段以上備える遮蔽電極手段に電圧を印加する電圧印加ステップと、前記遮蔽電極手段が、前記ラジカルからカーボンナノチューブを作製するカーボンナノチューブ作製手段への前記イオンおよび前記電子を進入させずに、前記ラジカルを進入させるラジカル進入ステップと、前記カーボンナノチューブ作製手段が、前記ラジカルからカーボンナノチューブを作製する作製ステップと、を含むこと、を特徴とする。
また、本発明は、ガスからイオン、ラジカル、および、電子からなるプラズマを生成するプラズマ生成手段と、前記イオンおよび前記電子の外部への放出を防止し、前記ラジカルを外部へ放出する遮蔽電極手段と、前記遮蔽電極手段に電圧を印加するバイアス印加手段と、を備え、前記遮蔽電極手段は、少なくとも１つの開口部を備える遮蔽電極を２段以上備えること、を特徴とする。
本発明によれば、プラズマ生成部とカーボンナノチューブ作製部との間に設けられた荷電粒子遮蔽電極部が、プラズマ生成部で生成されたプラズマ中のイオン、ラジカル、および、電子のうち、イオンおよび電子のカーボンナノチューブ作製部への進入を防止し、ラジカルをカーボンナノチューブ作製部へ通すことができるので、広い温度範囲、特に低温においても、ラジカルを原料とする高品質なカーボンナノチューブを作製することができるという効果を奏する。
また、本発明によれば、プラズマ生成部に接続された荷電粒子遮蔽電極部が、プラズマ生成部で生成されたプラズマ中のイオン、ラジカル、および、電子のうち、イオンおよび電子の外部への放出を防止し、ラジカルを外部へ放出することができるので、ラジカルを作製することができるという効果を奏する。
以下に添付図面を参照して、この発明にかかるカーボンナノチューブ作製装置、カーボンナノチューブ作製方法、および、ラジカル作製装置の最良な実施の形態を詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態にかかるカーボンナノチューブ作製装置の構成を示す断面図である。カーボンナノチューブ作製装置１は、プラズマＣＶＤ法により、基板上にカーボンナノチューブを作製する。カーボンナノチューブ作製装置１は、プラズマ生成部２、多段荷電粒子遮蔽電極部３、バイアス印加用電源４、および、成長基板保持部５を備えて構成されている。
プラズマ生成部２は、プラズマを生成する。プラズマ生成部２は、パルス電源６、ガス導入口７、上部電極８、および、下部電極９を備えて構成されている。
パルス電源６は、プラズマ生成に用いるパルス電圧を発生する。パルス電源６は、パルスの高い尖頭値でプラズマを間歇的に生成するため、プラズマ生成に必要な電力は他の種類の電源より少なくなる。
ガス導入口７は、放電ガスをカーボンナノチューブ作製装置１内に導入する。放電ガスは、例えば、カーボンナノチューブの原料となる炭素系ガスとしてメタン、キャリアガスとして水素、および、励起促進効果を有する希ガスとしてアルゴンを適当な割合で混合した混合ガスを使用する。ここで、励起希ガス原子による他原子、分子励起促進効果を得るために、アルゴンガス比率は５０％以上が好ましい。また、水素イオンはカーボンナノチューブの成長阻害要因であるため、メタン／水素比は１以上が望ましい。なお、使用するガスの種類はこれに限られず、炭素系ガスとしてアセチレンを使用してもよく、希ガスとしてヘリウムを使用してもよい。
上部電極８は、パルス電源６からのパルス電圧を下部電極９との間に印加するとともに、ガス導入口７から導入された放電ガスを放出する。上部電極８には、ガス導入口７とつながっている多数の孔（図示せず）が設けられており、ガス導入口７からの放電ガスを上部電極８の全領域から均一に放出することができる。そして、上部電極８と下部電極９との間で、放電ガスからプラズマ１０が生成される。なお、プラズマ１０は、電荷を有する各種イオン、電気的に中性だが反応性に富むラジカル、および、原子から解離した電子からなる。
下部電極９は、上部電極８との間にパルス電圧を印加する。下部電極９は、メッシュ（グリッド）形状をしており、生成されたプラズマ１０（イオン、ラジカル、および、電子）は、メッシュの孔（開口部）を通じて、多段荷電粒子遮蔽電極部３へ送られる。なお、下部電極９は、通常接地されるが、正または負のＤＣ電位を印加し、プラズマ１０の状態を制御してもよい。
多段荷電粒子遮蔽電極部３は、プラズマ１０を構成するイオン、ラジカル、および、電子のうち、イオンと電子とを遮蔽するため、プラズマ生成部２と成長基板保持部５の間に配置される。多段荷電粒子遮蔽電極部３は、３段の板状の遮蔽電極部から構成されており、具体的には、１段目に設けられた第１遮蔽電極部１１、２段目に設けられた第２遮蔽電極部１２、および、３段目に設けられた第３遮蔽電極部１３を備えて構成されている。そして、第１遮蔽電極部１１は複数の開口部１４、第２遮蔽電極部１２は複数の開口部１５、第３遮蔽電極部１３は複数の開口部１６をそれぞれ備えて構成されている。
図２は、多段荷電粒子遮蔽電極部３における各遮蔽電極部の上面図である。図をみると、開口部１４、開口部１５、および、開口部１６の開口径は、開口部１４より開口部１５の方が小さく、開口部１５より開口部１６の方が小さくなっている。さらに、それらの開口部数は、開口部１４より開口部１５の方が多く、開口部１５より開口部１６の方が多くなっている。なお、多段荷電粒子遮蔽電極部３の詳しい仕組みについては、後ほど説明する。
バイアス印加電源４は、多段荷電粒子遮蔽電極部３にバイアスを印加する電源である。なお、本例では、バイアス印加電源４は、多段荷電粒子遮蔽電極部３に負のバイアスを印加している。バイアス印加電源４は、第１バイアス印加電源１７、第２バイアス印加電源１８、および、第３バイアス印加電源１９を備えて構成されている。
第１バイアス印加電源１７は、第１遮蔽電極部１１と接続し、第１遮蔽電極部１１に電圧を印加する。第２バイアス印加電源１８は、第２遮蔽電極部１２と接続し、第２遮蔽電極部１２に電圧を印加する。第３バイアス印加電源１９は、第３遮蔽電極部１３と接続し、第３遮蔽電極部１３に電圧を印加する。従って、第１遮蔽電極部１１、第２遮蔽電極部１２、および、第３遮蔽電極部１３に対して、それぞれ異なる電圧を印加することが可能である。なお、第１バイアス印加電源１７、第２バイアス印加電源１８、および、第３バイアス印加電源１９が印加する電圧は、最大で数１００Ｖ、最低で数Ｖの範囲で設定することが好ましい。
成長基板保持部５は、基板２０の表面にカーボンナノチューブを気相成長させることによりカーボンナノチューブを作製する。成長基板保持部５は、基板ステージ２１を備えて構成されている。基板ステージ２１は、基板２０を戴置する台であり、加熱機構（図示せず）を備えており、基板２０を適当な温度まで加熱することができるようになっている。基板２０は、Ｓｉなど適当でよく、その上に触媒として、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏなどの微粒子（または極薄膜）が堆積されているものを使用する。なお、基板２０が加熱される温度は、３００〜５００℃と広い範囲の低温である。
（カーボンナノチューブの作製方法）
本実施の形態にかかるカーボンナノチューブ作製装置１によるカーボンナノチューブの作製方法について説明する。なお、以後の説明のため、図２において、下部電極９と第１遮蔽電極部１１の間を空間Ａ、第１遮蔽電極部１１と第２遮蔽電極部１２の間を空間Ｂ、第２遮蔽電極部１２と第３遮蔽電極部１３の間を空間Ｃとする。
初めに、上部電極８にパルス電源７からのパルス電圧が印加され、上部電極８に設けられた多数の孔から放電ガスが放出されると、上部電極８と下部電極９との間でプラズマ１０が生成される。前述したように、パルス電源６ではプラズマ生成に必要な電力が他の種類の電源より少ない。そして、電源としてパルス電源６を使用するのは、以下の理由による。すなわち、プラズマを構成するイオン、ラジカル、および、電子の量は一般的に投入電力に比例するため、イオンおよび電子量を少なくするためには、低い電力でプラズマを生成、維持することが有効であるからである。従って、プラズマの生成方式はパルス励起式であり、発生するプラズマの密度は、１０１０ｃｍ−３以下となる。
生成されたプラズマ１０は、カーボンナノチューブ作製装置１に設けられた排気部（図示せず）の排気、または、重力による流れに従い、下部電極９のメッシュの孔（開口部）から多段荷電粒子遮蔽電極部３の空間Ａへ送られる。また、空間Ａにおいても、プラズマ１０で生成された励起アルゴン原子の持つ励起促進効果により、イオンおよびラジカルが２次的に生成される。ここで、多段荷電粒子遮蔽電極部３の各遮蔽電極部には、バイアス印加電源４により負のバイアスが印加されている。
そのため、空間Ａに存在するイオンの大部分は、第１遮蔽電極部１１がイオンに対する吸収板として機能するため、その引力により引き寄せられ、第１遮蔽電極部１１との衝突により消滅する。ただし、少量のイオンは負バイアスによって加速され、そのまま開口部１４を通り抜け、空間Ｂに到達する。
また、空間Ａに存在する電子は、第１遮蔽電極部１１が電子に対する反射板として機能し、その反発力のため、そのまま空間Ａに閉じ込められる。一方、空間Ａに存在するラジカルは、電気的に中性であり第１遮蔽電極部１１に印加された負バイアスの影響を受けないので、流れに従い、そのまま開口部１４を通り抜け空間Ｂに到達する。従って、ほぼ全てのラジカルおよび少量のイオンが、空間Ａから空間Ｂへ到達することになる。
空間Ｂでは、空間Ａから移動してきたラジカルおよび少量のイオンに加え、プラズマ１０で生成された励起アルゴン原子の持つ励起促進効果により、イオンおよびラジカルが２次的に生成される。さらに、空間Ｂで加速されたイオンによる放電ガスの分解、励起現象によって、新たにイオンおよび電子が少量生成される。
そして、空間Ｂに存在する少量のイオンは、第２遮蔽電極部１２がイオンに対する吸収板として機能するため、その引力により引き寄せられ、第２遮蔽電極部１２との衝突によりほぼ全てが消滅する。ここで、負バイアスによって加速されたイオンが第２遮蔽電極部１２に衝突せずそのまま開口部１５を通り抜けないように、開口部１５は開口部１４から一定の距離だけ離れている。図３は、遮蔽電極部の各開口部と遮蔽電極部間の関係を示す図である。空間Ａで加速されたイオンは、さらに空間Ｂで加速されるため、空間Ｂでは直線的に移動する。そのため、空間Ａから空間Ｂに入射角４５度以上で入射したイオンが通り抜けないように、開口部１５を開口部１４から離しておけばよい。
従って、第１遮蔽電極部１１と第２遮蔽電極部１２の間の距離をＬ１、開口部１４と開口部１５の中心間距離をＬ２、開口部１４の開口径をＬ３、開口部１５の開口径をＬ４とすると、以下の数式（１）が成り立つように設計すれば、空間Ｂに存在するイオンは第２遮蔽電極部１２との衝突により消滅する。
Figure 2010006678
なお、実際には、多段荷電粒子遮蔽電極部３によって形成される電界は、ほぼ一様なので、入射角が４５度より大きい前提で設計しても、イオンは開口部１５をほとんど通り抜けない。従って、開口部１４および開口部１５の形状は、上記数式を満足すれば、実際はどのような形状でもよい。ただし、開口部１４と開口部１５の中心間距離Ｌ２を大きくするほど、空間Ｃにおけるラジカル／イオン比は増加するが、設計上開口部１４および開口部１５の数が少なくなるため、空間Ｃに到達するラジカルの数は減少する。
以上の理由により、空間Ｂに存在するイオンは、ほぼすべて消滅する。また、空間Ｂに存在する電子は、第２遮蔽電極部１２が電子に対する反射板として機能し、その反発力のため、そのまま空間Ｂに閉じ込められる。一方、空間Ｂに存在するラジカルは、電気的に中性であり第２遮蔽電極部１２に印加された負バイアスの影響を受けないので、流れに従い、そのまま開口部１５を通り抜け空間Ｃに到達する。
空間Ｃでは、空間Ｂから移動してきたラジカルに加え、プラズマ１０で生成された励起アルゴン原子の持つ励起促進効果により、イオンおよびラジカルが２次的に生成される。
第３遮蔽電極部１３は、開口部１６の数が多いため、上述した数式が成り立つように開口部１６の配置を設計することはできないが、空間Ｃにあるイオンの一定量を第３遮蔽電極部１３との衝突により消滅させ、空間Ｃにある電子を第３遮蔽電極部１３により空間Ｃに閉じ込めることができる。従って、３段目にある第３遮蔽電極部１３については、イオンが入射する角度を４５度より大きい角度に想定する（開口部の間隔を狭くする）ほうが、シャワー効果により成長基板保持部５に十分なラジカル量を供給することができ、現実的である。
第３遮蔽電極部１３により、空間Ｃに存在するイオンは消滅し、空間Ｃに存在する電子はそのまま閉じ込められる。しかし、空間Ｃに存在するラジカルは、電気的に中性であり第３遮蔽電極部１３に印加された負バイアスの影響を受けないので、流れに従い、そのまま開口部１６を通り抜け成長基板保持部５に到達する。
ここで、開口部１４、１５、１６は、上段から下段に向かって開口径が小さくなり、その密度も疎から密へと変化しているため、成長基板保持部５で、均一なラジカル流を得ることが可能となっている。そして、成長基板保持部５に到達したラジカルを原料として基板２０の表面にカーボンナノチューブが作製される。
また、プラズマ生成部２および成長基板保持部５は、多段荷電粒子遮蔽電極部３により分離されており、成長基板保持部５の圧力はプラズマ生成部２より小さくなる。プラズマ生成部２の圧力を調整することで、成長基板保持部５において放電ガスとの衝突によるラジカル成分の減少を最小限にすることができる。
また、前述したように、多段荷電粒子遮蔽電極部３に印加されるバイアス電圧は、最大で数１００Ｖ、最低で数Ｖの範囲で設定されているが、各遮蔽部に印加される電圧値は、第１遮蔽電極部１１より第２遮蔽電極部１２の方が小さく、第２遮蔽電極部１２より第３遮蔽電極部１３の方が小さくなっている。これは、１段目から３段目に向かって印加バイアスを段階的に減少させることで、バイアスによるイオンまたは電子へのエネルギー付与が段階的に小さくなるため、それらによるガスの分解、励起現象を最小限にすることができるからである。このように、多段荷電粒子遮蔽電極部３の遮蔽電極を多段構造に設計することで、イオンおよび電子に対する高い除去効率を実現することができる。
また、多段荷電粒子遮蔽電極部３に複数の遮蔽電極部１１、１２、１３があること、および、開口部１４と開口部１５の位置が離れていることにより、ラジカルが成長基板保持部５へ到達するまでの移動距離が大きくなるため、必要とするラジカルが放電ガスとの衝突などにより減少してしまうという問題がある。しかし、プラズマ１０で生成された励起アルゴン原子の持つ励起促進効果により、イオンおよびラジカルを２次的に生成し、ラジカルの減少を補うことができる。励起アルゴン原子は準安定状態にあり、きわめて寿命が長いため、多段荷電粒子遮蔽電極部３においても、イオン、ラジカル、および、電子を高効率で生成することができる。また、同時に生成されるイオンおよび電子は各遮蔽電極部１１、１２、１３で除去または捕獲されるため、下側の空間には移動しない。従って、成長基板保持部５に十分な量のラジカルを供給することが可能となる。
このように、多段荷電粒子遮蔽電極部３の各遮蔽電極１１、１２、１３の開口部形状および分布、各遮蔽電極１１、１２、１３間の距離、各遮蔽電極１１、１２、１３に印加される電圧、および、プラズマ生成部２と成長基板保持部５の圧力を調整することにより、イオン成分および電子の除去と、必要量の純粋なラジカル成分の供給との両方が実現可能であり、広い温度範囲、特に低温において高品質なカーボンナノチューブの作製が可能となる。従って、耐熱温度の低い材料にもカーボンナノチューブの作製が可能となり、広範なカーボンナノチューブの応用が期待できる。
なお、本実施の形態では、バイアス印加電源４は、多段荷電粒子遮蔽電極部３に負のバイアスを印加しているが、正のバイアスを印加してもイオンおよび電子を除去することができる。この場合、第１遮蔽電極部１１、第２遮蔽電極部１２、および、第３遮蔽電極部１３は、イオンに対しては反射板として機能し、電子に対しては吸収板として機能する。しかし、イオンの方が質量が大きいため直進性が高いこと、および、イオンの方が散乱断面積が大きいことから、多段荷電粒子遮蔽電極部３に負のバイアスを印加し、イオンを各遮蔽電極部に引き込む方が好ましい。
また、本実施の形態では、放電ガスは、炭素系ガス、水素、および、希ガスを適当な割合で混合した混合ガスを使用しているが、炭素系ガスと水素のみを適当な割合で混合した混合ガスを使用してもよい。この場合、希ガスによりラジカルを再生成することができなくなるが、少量のラジカルで十分な場合は問題ない。
（変形例）
次に、本実施の形態にかかるカーボンナノチューブ作製装置の変形例について説明する。本変形例では、多段荷電粒子遮蔽電極部の第１遮蔽電極部および第３遮蔽電極部の形状のみ異なっている。図４は、第１の実施の形態にかかるカーボンナノチューブ作製装置の変形例の構成を示す断面図であり、図５は、多段荷電粒子遮蔽電極部における各遮蔽電極部の上面図である。
カーボンナノチューブ作製装置１’において、多段荷電粒子遮蔽電極部３’の第１遮蔽電極部１１’および第３遮蔽電極部１３’は、その大きさが多段荷電粒子遮蔽電極部３’の外壁のサイズ（図５の点線で描かれた部分）より小さいことがわかる。従って、第１遮蔽電極部１１’の外周と多段荷電粒子遮蔽電極部３’の外壁との間に隙間２２、第３遮蔽電極部１３’の外周と多段荷電粒子遮蔽電極部３’の外壁との間に隙間２３が空いている構造となっている。
しかしながら、第１遮蔽電極部１１’に隙間２２があっても、空間Ｂに入射したイオンが通り抜けないように隙間２２を開口部１４から離しておけば、空間Ｂのイオンを第２遮蔽電極部１２との衝突により消滅させることができる。また、空間Ｂの電子を、第２遮蔽電極部１２により空間Ｂに閉じ込めることができる。
さらに、第３遮蔽電極部１３’に隙間２３があっても、空間Ｃにあるイオンの一定量を第３遮蔽電極部１３’との衝突により消滅させ、空間Ｃにある電子を第３遮蔽電極部１３’により空間Ｃに閉じ込めることができる。また、第３遮蔽電極部１３’に隙間２３があっても、成長基板保持部５で、均一なラジカル流が得ることができる。
このように、第１の実施の形態にかかるカーボンナノチューブ作製装置によれば、プラズマ生成部と成長基板保持部との間に設けられた荷電粒子遮蔽電極部における３段の各遮蔽電極部が、プラズマ生成部で生成されたプラズマ中のイオン、ラジカル、および、電子のうち、イオンおよび電子の成長基板保持部への進入を防止し、ラジカルを成長基板保持部へ通すことができるので、広い温度範囲、特に低温においても、ラジカルを原料とする高品質なカーボンナノチューブを作製することが可能となる。
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態では、第１の実施の形態にかかるカーボンナノチューブ作製装置の構成要素のうち、プラズマ生成部、多段荷電粒子遮蔽電極部、および、バイアス印加用電源で構成されたラジカル作製装置について説明する。第２の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。本実施の形態にかかるラジカル作製装置の構成について、第１の実施の形態と異なる部分を説明する。他の部分については第１の実施の形態と同様であるので、同一の符号が付された箇所については、上述した説明を参照し、ここでの説明を省略する。
図６は、第２の実施の形態にかかるラジカル作製装置の構成を示す断面図である。ラジカル作製装置３１は、ラジカルを作製する。ラジカル作製装置３１は、プラズマ生成部２、多段荷電粒子遮蔽電極部３、および、バイアス印加用電源４を備えて構成されている。すなわち、第１の実施の形態にかかるカーボンナノチューブ作製装置１の構成要素のうち、成長基板保持部５を除いた、プラズマ生成部２、多段荷電粒子遮蔽電極部３、および、バイアス印加用電源４で構成されている。
プラズマ生成部２は、プラズマ１０を生成し、パルス電源６、ガス導入口７、上部電極８、および、下部電極９を備えて構成されている。多段荷電粒子遮蔽電極部３は、プラズマ１０を構成するイオン、ラジカル、および、電子のうち、イオンと電子とを遮蔽し、第１遮蔽電極部１１、第２遮蔽電極部１２、および、第３遮蔽電極部１３を備えて構成されている。そして、第１遮蔽電極部１１は複数の開口部１４、第２遮蔽電極部１２は複数の開口部１５、第３遮蔽電極部１３は複数の開口部１６をそれぞれ備えて構成されている。バイアス印加電源４は、多段荷電粒子遮蔽電極部３にバイアスを印加し、第１バイアス印加電源１７、第２バイアス印加電源１８、および、第３バイアス印加電源１９を備えて構成されている。
そして、カーボンナノチューブを作製する際には、ラジカル作製装置３１と、別途用意した成長基板保持装置３２とを接続して使用する。成長基板保持装置３２は、成長基板保持部５と同じ構造をしており、基板３３の表面に様々な物質を気相成長させるため、加熱機構（図示せず）を備えた基板ステージ２１を備えて構成されている。カーボンナノチューブを作製する際には、。基板３３は、Ｓｉなど適当でよく、その上に触媒として、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏなどの微粒子（または極薄膜）が堆積されているものを使用する。なお、基板３３が加熱される温度は、３００〜５００℃と広い範囲の低温である。そして、ラジカル作製装置３１と成長基板保持装置３２とを接続したものは、第１の実施の形態にかかるカーボンナノチューブ作製装置１と同様に機能する。従って、ラジカル作製装置３１は、イオンおよび電子の成長基板保持装置３２への放出を防止し、ラジカルを成長基板保持装置３２へ放出する。これにより成長基板保持装置３２で、カーボンナノチューブ作製装置１と同様の高品質なカーボンナノチューブを作製することができる。
さらに、ラジカル作製装置３１内に導入する放電ガスの種類を変更し、基板３３の材質を変更すれば、ラジカル作製装置３１は、カーボンナノチューブ以外の他の物質の原料となるラジカルを成長基板保持装置３２へ放出し、成長基板保持装置３２で当該他の物質を、絶縁膜や封止膜などとして基板３３の表面に作製することが可能である。例えば、有機ＥＬ素子など構造的に弱いものを作成する場合、非常に有効である。
図７は、第２の実施の形態にかかるラジカル作製装置の他の使用例を説明する図である。ラジカル作製装置３１は、予備室３４と接続し、さらに、予備室３４は、メインチャンバー３５と接続している。さらに、予備室３４およびチャンバー３５には、それぞれ基板ステージ２１が備えられており、それぞれ成長基板保持装置３２として機能する。そして、場合に応じて基板３３を、予備室３４の基板ステージ２１とチャンバー３５の基板ステージ２１との間で真空搬送することが可能となっている。
このように、第２の実施の形態にかかるラジカル作製装置によれば、プラズマ生成部に接続された荷電粒子遮蔽電極部における３段の各遮蔽電極部が、プラズマ生成部で生成されたプラズマ中のイオン、ラジカル、および、電子のうち、イオンおよび電子の外部への放出を防止し、ラジカルを外部へ放出することができるので、ラジカルを作製することが可能となる。
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態にかかるカーボンナノチューブ作製装置は、第１の実施の形態にかかるカーボンナノチューブ作製装置に対して、多段荷電粒子遮蔽電極部を構成する各遮蔽電極部の数、各遮蔽電極部の開口部の形状、および、これらの開口部間の距離が異なっている。第３の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。本実施の形態にかかるカーボンナノチューブ作製装置の構成について、第１の実施の形態と異なる部分を説明する。他の部分については第１の実施の形態と同様であるので、同一の符号が付された箇所については、上述した説明を参照し、ここでの説明を省略する。
図８は、第３の実施の形態にかかるカーボンナノチューブ作製装置の構成を示す断面図である。カーボンナノチューブ作製装置４１は、プラズマＣＶＤ法により、基板上にカーボンナノチューブを作製する。カーボンナノチューブ作製装置４１は、プラズマ生成部２、多段荷電粒子遮蔽電極部４２、バイアス印加用電源４３、および、成長基板保持部５を備えて構成されている。
プラズマ生成部２は、プラズマ１０を生成し、パルス電源６、ガス導入口７、上部電極８、および、下部電極９を備えて構成されている。
多段荷電粒子遮蔽電極部４２は、プラズマ１０を構成するイオン、ラジカル、および、電子のうち、イオンと電子とを遮蔽するため、プラズマ生成部２と成長基板保持部５の間に配置される。多段荷電粒子遮蔽電極部４２は、４段の板状の遮蔽電極部から構成されており、具体的には、１段目に設けられた第１遮蔽電極部４４、２段目に設けられた第２遮蔽電極部４５、３段目に設けられた第３遮蔽電極部４６、および、４段目に設けられた第４遮蔽電極部４７を備えて構成されている。そして、第１遮蔽電極部４４は隙間４８、第２遮蔽電極部４５は１つの開口部４９、第３遮蔽電極部４６は複数の開口部５０、第４遮蔽電極部４７は複数の開口部５１をそれぞれ備えて構成されている。
図９は、多段荷電粒子遮蔽電極部４２における各遮蔽電極部の上面図である。図をみると、第１遮蔽電極部４４は、その大きさが多段荷電粒子遮蔽電極部４２の外壁のサイズ（図９の点線で描かれた部分）より小さいことがわかる。従って、第１遮蔽電極部４４の外周と多段荷電粒子遮蔽電極部４２の外壁との間に隙間４８が空いている構造となっている。さらに、図をみると、第２遮蔽電極部４５がその中央に１つの開口部４９、第３遮蔽電極部４６が複数の開口部５０、第４遮蔽電極部４７が複数の開口部５１をそれぞれ備えていることがわかる。そして、隙間４８の幅、開口部４９の開口径、および、開口部５０の開口径はほぼ同じサイズで、開口部５１の開口径だけ他より小さくなっている。さらに、開口部の数は、開口部４９より開口部５０の方が多く、開口部５０より開口部５１の方が多くなっている。
バイアス印加電源４３は、多段荷電粒子遮蔽電極部４２にバイアスを印加する電源である。なお、本例では、バイアス印加電源４３は、多段荷電粒子遮蔽電極部４２に負のバイアスを印加している。バイアス印加電源４３は、第１バイアス印加電源５２、第２バイアス印加電源５３、第３バイアス印加電源５４、および、第４バイアス印加電源５５を備えて構成されている。
第１バイアス印加電源５２は、第１遮蔽電極部４４と接続し、第１遮蔽電極部４４に電圧を印加する。第２バイアス印加電源５３は、第２遮蔽電極部４５と接続し、第２遮蔽電極部４５に電圧を印加する。第３バイアス印加電源５４は、第３遮蔽電極部４６と接続し、第３遮蔽電極部４６に電圧を印加する。第４バイアス印加電源５５は、第４遮蔽電極部４７と接続し、第４遮蔽電極部４７に電圧を印加する。従って、第１遮蔽電極部４４、第２遮蔽電極部４５、第３遮蔽電極部４６、および、第４遮蔽電極部４７に対して、それぞれ異なる電圧を印加することが可能である。なお、第１バイアス印加電源５２、第２バイアス印加電源５３、第３バイアス印加電源５４、および、第４バイアス印加電源５５が印加する電圧は、最大で数１００Ｖ、最低で数Ｖの範囲で設定することが好ましい。
成長基板保持部５は、基板２０の表面にカーボンナノチューブを気相成長させることによりカーボンナノチューブを作製し、そのため、加熱機構（図示せず）を備えた基板ステージ２１を備えて構成されている。なお、基板２０が加熱される温度は、３００〜５００℃と広い範囲の低温である。
（カーボンナノチューブの作製方法）
本実施の形態にかかるカーボンナノチューブ作製装置４１によるカーボンナノチューブの作製方法について説明する。なお、以後の説明のため、図８において、下部電極９と第１遮蔽電極部４４の間を空間Ａ、第１遮蔽電極部４４と第２遮蔽電極部４５の間を空間Ｂ、第２遮蔽電極部４５と第３遮蔽電極部４６の間を空間Ｃ、第３遮蔽電極部４６と第４遮蔽電極部４７の間を空間Ｄとする。
初めに、上部電極８にパルス電源７からのパルス電圧が印加され、上部電極８に設けられた多数の孔から放電ガスが放出されると、上部電極８と下部電極９との間でプラズマ１０が生成される。生成されたプラズマ１０は、カーボンナノチューブ作製装置４１に設けられた排気部（図示せず）の排気、または、重力による流れに従い、下部電極９のメッシュの孔（開口部）から多段荷電粒子遮蔽電極部４２の空間Ａへ送られる。また、空間Ａにおいても、プラズマ１０で生成された励起アルゴン原子の持つ励起促進効果により、イオンおよびラジカルが２次的に生成される。ここで、多段荷電粒子遮蔽電極部４２の各遮蔽電極部には、バイアス印加電源４３により負のバイアスが印加されている。
そのため、空間Ａに存在するイオンの大部分は、第１遮蔽電極部４４がイオンに対する吸収板として機能するため、その引力により引き寄せられ、第１遮蔽電極部４４との衝突により消滅する。ただし、少量のイオンは負バイアスによって加速され、そのまま隙間４８を通り抜け、空間Ｂに到達する。
また、空間Ａに存在する電子は、第１遮蔽電極部４４が電子に対する反射板として機能し、その反発力のため、そのまま空間Ａに閉じ込められる。一方、空間Ａに存在するラジカルは、電気的に中性であり第１遮蔽電極部４４に印加された負バイアスの影響を受けないので、流れに従い、そのまま隙間４８を通り抜け空間Ｂに到達する。従って、ほぼ全てのラジカルおよび少量のイオンが、空間Ａから空間Ｂへ到達することになる。
空間Ｂでは、空間Ａから移動してきたラジカルおよび少量のイオンに加え、プラズマ１０で生成された励起アルゴン原子の持つ励起促進効果により、イオンおよびラジカルが２次的に生成される。さらに、空間Ｂで加速されたイオンによる放電ガスの分解、励起現象によって、新たにイオンおよび電子が少量生成される。
そして、空間Ｂに存在する少量のイオンは、第２遮蔽電極部４５がイオンに対する吸収板として機能するため、その引力により引き寄せられ、第２遮蔽電極部４５との衝突によりほぼ全てが消滅する。
ここで、負バイアスによって加速されたイオンが第２遮蔽電極部４５に衝突せずそのまま開口部４９を通り抜けないように、開口部４９は隙間４８から一定の距離だけ離れている必要があるが、本例では、第１の実施の形態で説明した数式（１）の関係が成立している。さらに、第１の実施の形態にかかるカーボンナノチューブ作製装置１の開口部１４と開口部１５の場合に比べて距離が大幅に離れているので、開口部４９を通り抜け、空間Ｃへ到達するイオンの数は、カーボンナノチューブ作製装置１に比べて大幅に減少する。
また、空間Ｂに存在する電子は、第２遮蔽電極部４５が電子に対する反射板として機能し、その反発力のため、そのまま空間Ｂに閉じ込められる。一方、空間Ｂに存在するラジカルは、電気的に中性であり第２遮蔽電極部４５に印加された負バイアスの影響を受けないので、流れに従い、そのまま開口部４９を通り抜け空間Ｃに到達する。
空間Ｃでは、空間Ｃから移動してきたラジカルに加え、プラズマ１０で生成された励起アルゴン原子の持つ励起促進効果により、イオンおよびラジカルが２次的に生成される。
そして、空間Ｃに存在する少量のイオンは、第３遮蔽電極部４６がイオンに対する吸収板として機能するため、その引力により引き寄せられ、第３遮蔽電極部４６との衝突によりほぼ全てが消滅する。ここで、第３遮蔽電極部４６の開口部５０は、第１の実施の形態で説明した数式（１）の関係が成り立つように配置してもよいが、空間Ｃに存在するイオンの数は少ないので、イオンが入射する角度を４５度より大きい角度に想定して（開口部の間隔を狭くして）、配置してもよい。いずれにせよ、空間Ｃにあるイオンの一定量を第３遮蔽電極部４６との衝突により消滅させ、空間Ｃにある電子を第３遮蔽電極部４６により空間Ｃに閉じ込めることができる。
また、空間Ｃに存在する電子は、第３遮蔽電極部４６が電子に対する反射板として機能し、その反発力のため、そのまま空間Ｃに閉じ込められる。一方、空間Ｃに存在するラジカルは、電気的に中性であり第３遮蔽電極部４６に印加された負バイアスの影響を受けないので、流れに従い、そのまま開口部５０を通り抜け空間Ｄに到達する。
空間Ｄでは、空間Ｃから移動してきたラジカルに加え、プラズマ１０で生成された励起アルゴン原子の持つ励起促進効果により、イオンおよびラジカルが２次的に生成される。
第４遮蔽電極部４７は、開口部５１の数が多いため、第１の実施の形態で説明した数式が成り立つように開口部５１の配置を設計することはできないが、空間Ｄにあるイオンの一定量を第４遮蔽電極部４７との衝突により消滅させ、空間Ｄにある電子を第４遮蔽電極部４７により空間Ｄに閉じ込めることができる。従って、４段目にある第４遮蔽電極部４７については、イオンが入射する角度を４５度より大きい角度に想定する（開口部の間隔を狭くする）ほうが、シャワー効果により成長基板保持部５に十分なラジカル量を供給することができ、現実的である。
第４遮蔽電極部４７により、空間Ｄに存在するイオンは消滅し、空間Ｄに存在する電子はそのまま閉じ込められる。しかし、空間Ｄに存在するラジカルは、電気的に中性であり第４遮蔽電極部４７に印加された負バイアスの影響を受けないので、流れに従い、そのまま開口部５１を通り抜け成長基板保持部５に到達する。
ここで、開口部５１は開口部５０より小さく、開口部４９、５０、５１は、上段から下段に向かって密度が疎から密へと変化しているため、成長基板保持部５で、均一なラジカル流を得ることが可能となっている。そして、成長基板保持部５に到達したラジカルを原料として基板２０の表面にカーボンナノチューブが作製される。
このように、第１の実施の形態に比べて、多段荷電粒子遮蔽電極部４２の遮蔽電極の段数を増やすとともに、第１遮蔽電極部４４の隙間４８と第２遮蔽電極部４９の開口部４９の距離を広げた構造に設計することで、第１の実施の形態に比べて、イオンおよび電子に対する除去効率をさらに高くすることができる。
また、プラズマ生成部２および成長基板保持部５は、多段荷電粒子遮蔽電極部４２により分離されており、成長基板保持部５の圧力はプラズマ生成部２より小さくなる。プラズマ生成部２の圧力を調整することで、成長基板保持部５において放電ガスとの衝突によるラジカル成分の減少を最小限にすることができる。
また、前述したように、多段荷電粒子遮蔽電極部４２に印加されるバイアス電圧は、最大で数１００Ｖ、最低で数Ｖの範囲で設定されているが、各遮蔽部に印加される電圧値は、第１遮蔽電極部４４より第２遮蔽電極部４５の方が小さく、第２遮蔽電極部４５より第３遮蔽電極部４６の方が小さく、第３遮蔽電極部４６より第４遮蔽電極部４７の方が小さくなっている。これは、１段目から４段目に向かって印加バイアスを段階的に減少させることで、バイアスによるイオンまたは電子へのエネルギー付与が段階的に小さくなるため、それらによるガスの分解、励起現象を最小限にすることができるからである。このように、多段荷電粒子遮蔽電極部４２の遮蔽電極を多段構造に設計することで、イオンおよび電子に対する高い除去効率を実現することができる。
また、多段荷電粒子遮蔽電極部４２に複数の遮蔽電極部４４、４５、４６、４７があること、および、隙間４８と開口部４９の位置、および、開口部４９と開口部５０の位置が離れていることにより、ラジカルが成長基板保持部５へ到達するまでの移動距離が大きくなるため、必要とするラジカルが放電ガスとの衝突などにより減少してしまうという問題がある。しかし、プラズマ１０で生成された励起アルゴン原子の持つ励起促進効果により、イオンおよびラジカルを２次的に生成し、ラジカルの減少を補うことができる。励起アルゴン原子は準安定状態にあり、きわめて寿命が長いため、多段荷電粒子遮蔽電極部４２においても、イオン、ラジカル、および、電子を高効率で生成することができる。また、同時に生成されるイオンおよび電子は各遮蔽電極部４４、４５、４６、４７で除去または捕獲されるため、下側の空間には移動しない。従って、成長基板保持部５に十分な量のラジカルを供給することが可能となる。
このように、多段荷電粒子遮蔽電極部４２の各遮蔽電極４４、４５、４６、４７の隙間形状、開口部形状および分布、各遮蔽電極４４、４５、４６、４７間の距離、各遮蔽電極４４、４５、４６、４７に印加される電圧、および、プラズマ生成部２と成長基板保持部５の圧力を調整することにより、イオン成分および電子の除去と、必要量の純粋なラジカル成分の供給との両方が実現可能であり、広い温度範囲、特に低温において高品質なカーボンナノチューブの作製が可能となる。従って、耐熱温度の低い材料にもカーボンナノチューブの作製が可能となり、広範なカーボンナノチューブの応用が期待できる。
なお、本実施の形態では、バイアス印加電源４３は、多段荷電粒子遮蔽電極部４２に負のバイアスを印加しているが、正のバイアスを印加してもイオンおよび電子を除去することができる。この場合、第１遮蔽電極部４４、第２遮蔽電極部４５、第３遮蔽電極部４６、および、第４遮蔽電極部４７は、イオンに対しては反射板として機能し、電子に対しては吸収板として機能する。しかし、イオンの方が質量が大きいため直進性が高いこと、および、イオンの方が散乱断面積が大きいことから、多段荷電粒子遮蔽電極部４２に負のバイアスを印加し、イオンを各遮蔽電極部に引き込む方が好ましい。
また、本実施の形態では、放電ガスは、炭素系ガス、水素、および、希ガスを適当な割合で混合した混合ガスを使用しているが、炭素系ガスと水素のみを適当な割合で混合した混合ガスを使用してもよい。この場合、希ガスによりラジカルを再生成することができなくなるが、少量のラジカルで十分な場合は問題ない。
このように、第３の実施の形態にかかるカーボンナノチューブ作製装置によれば、プラズマ生成部と成長基板保持部との間に設けられた荷電粒子遮蔽電極部における４段の各遮蔽電極部が、プラズマ生成部で生成されたプラズマ中のイオン、ラジカル、および、電子のうち、イオンおよび電子の成長基板保持部への進入を防止し、ラジカルを成長基板保持部へ通すことができるので、広い温度範囲、特に低温においても、ラジカルを原料とする高品質なカーボンナノチューブを作製することが可能となる。
（第４の実施の形態）
第４の実施の形態にかかるカーボンナノチューブ作製装置は、荷電粒子遮蔽電極部を構成する電極部の数を１つにし、その代わりに、成長基板保持部の基板ステージを覆うように箱型遮蔽電極部を配置している。第４の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。本実施の形態にかかるカーボンナノチューブ作製装置の構成について、第１の実施の形態と異なる部分を説明する。他の部分については第１の実施の形態と同様であるので、同一の符号が付された箇所については、上述した説明を参照し、ここでの説明を省略する。
図１０は、第４の実施の形態にかかるカーボンナノチューブ作製装置の構成を示す断面図である。カーボンナノチューブ作製装置６１は、プラズマＣＶＤ法により、基板上にカーボンナノチューブを作製する。カーボンナノチューブ作製装置６１は、プラズマ生成部２、荷電粒子遮蔽電極部６２、バイアス印加用電源６３、および、成長基板保持部６４を備えて構成されている。
プラズマ生成部２は、プラズマ１０を生成し、パルス電源６、ガス導入口７、上部電極８、および、下部電極９を備えて構成されている。
荷電粒子遮蔽電極部６２は、プラズマ１０を構成するイオン、ラジカル、および、電子のうち、イオンと電子とを遮蔽するため、プラズマ生成部２と成長基板保持部６４の間に配置される。荷電粒子遮蔽電極部６２は、１段の板状の遮蔽電極部のみで構成されている。そして、荷電粒子遮蔽電極部６２は隙間６５を備えて構成されている。
バイアス印加電源６３は、荷電粒子遮蔽電極部６２および後述する箱型遮蔽電極部６８にバイアスを印加する電源である。なお、本例では、バイアス印加電源６３は、荷電粒子遮蔽電極部６２および箱型遮蔽電極部６８に負のバイアスを印加している。バイアス印加電源６３は、第１バイアス印加電源６６および第２バイアス印加電源６７を備えて構成されている。
第１バイアス印加電源６６は、荷電粒子遮蔽電極部６２と接続し、荷電粒子遮蔽電極部６２に電圧を印加する。第２バイアス印加電源６７は、箱型遮蔽電極部６８と接続し、箱型遮蔽電極部６８に電圧を印加する。従って、荷電粒子遮蔽電極部６２と箱型遮蔽電極部６８に対して、それぞれ異なる電圧を印加することが可能である。なお、第１バイアス印加電源６６および第２バイアス印加電源６７が印加する電圧は、最大で数１００Ｖ、最低で数Ｖの範囲で設定することが好ましい。
成長基板保持部６４は、基板２０の表面にカーボンナノチューブを気相成長させることによりカーボンナノチューブを作製する。成長基板保持部６４は、加熱機構（図示せず）を備えた基板ステージ２１、および、箱型遮蔽電極部６８を備えて構成されている。なお、基板２０が加熱される温度は、３００〜５００℃と広い範囲の低温である。箱型遮蔽電極部６８は、プラズマ１０を構成するイオン、ラジカル、および、電子のうち、イオンと電子とを遮蔽するため、基板ステージ２１を覆うように配置される。箱型遮蔽電極部６８は、その上面が板状で完全に塞がれ、その側面がメッシュ（グリッド）形状をしている。
図１１は、荷電粒子遮蔽電極部６２および箱型遮蔽電極部６８の上面図である。図をみると、荷電粒子遮蔽電極部６２は、その大きさが荷電粒子遮蔽電極部６２の外壁のサイズ（図１１の点線で描かれた部分）より小さいことがわかる。従って、荷電粒子遮蔽電極部６２の外周と外壁との間に隙間６５が空いている構造となっている。また、箱型遮蔽電極部６８は、荷電粒子遮蔽電極部６２より十分大きいことがわかる。
（カーボンナノチューブの作製方法）
本実施の形態にかかるカーボンナノチューブ作製装置６１によるカーボンナノチューブの作製方法について説明する。なお、以後の説明のため、図１０において、下部電極９と荷電粒子遮蔽電極部６２の間を空間Ａ、荷電粒子遮蔽電極部６２と箱型遮蔽電極部６８の間を空間Ｂ、箱型遮蔽電極部６８の内部を空間Ｃとする。
初めに、上部電極８にパルス電源７からのパルス電圧が印加され、上部電極８に設けられた多数の孔から放電ガスが放出されると、上部電極８と下部電極９との間でプラズマ１０が生成される。生成されたプラズマ１０は、カーボンナノチューブ作製装置６１に設けられた排気部（図示せず）の排気、または、重力による流れに従い、下部電極９のメッシュの孔（開口部）から荷電粒子遮蔽電極部６２の空間Ａへ送られる。また、空間Ａにおいても、プラズマ１０で生成された励起アルゴン原子の持つ励起促進効果により、イオンおよびラジカルが２次的に生成される。ここで、荷電粒子遮蔽電極部６２には、第１バイアス印加電源６６により負のバイアスが印加されている。
そのため、空間Ａに存在するイオンの大部分は、荷電粒子遮蔽電極部６２がイオンに対する吸収板として機能するため、その引力により引き寄せられ、荷電粒子遮蔽電極部６２との衝突により消滅する。ただし、少量のイオンは負バイアスによって加速され、そのまま隙間６５を通り抜け、空間Ｂに到達する。
また、空間Ａに存在する電子は、荷電粒子遮蔽電極部６２が電子に対する反射板として機能し、その反発力のため、そのまま空間Ａに閉じ込められる。一方、空間Ａに存在するラジカルは、電気的に中性であり荷電粒子遮蔽電極部６２に印加された負バイアスの影響を受けないので、流れに従い、そのまま隙間６５を通り抜け空間Ｂに到達する。従って、ほぼ全てのラジカルおよび少量のイオンが、空間Ａから空間Ｂへ到達することになる。
そして、空間Ｂに到達した少量のイオンは、箱型遮蔽電極部６８がイオンに対する吸収板として機能するため、その引力により引き寄せられ、箱型遮蔽電極部６８の上面に衝突し、ほぼ全てが消滅する。また、何らかの要因で空間Ｂに電子が存在しても、箱型遮蔽電極部６８が電子に対する反射板として機能し、その反発力のため、そのまま空間Ｂに閉じ込められ、空間Ｃには進入しない。
一方、空間Ｂに存在するラジカルは、電気的に中性であり箱型遮蔽電極部６８に印加された負バイアスの影響を受けないので、流れに従い、そのままメッシュ（グリッド）形状である箱型遮蔽電極部６８の側面を通り抜け空間Ｃに到達する。そして、ラジカルを原料として基板２０の表面にカーボンナノチューブが作製される。
このように、荷電粒子遮蔽電極部６２が１段の遮蔽電極部のみで構成されているため、ラジカルが成長基板保持部６４へ到達するまでの移動距離が短くなり、その減少量が小さいので、希ガスによる励起促進効果を用いなくても十分な量のラジカルを供給可能である。また、箱型遮蔽電極部６８の上面の形状が荷電粒子遮蔽電極部６２より十分大きい形状をしているので、荷電粒子遮蔽電極部６２から進入して基板２０へ向かうイオンを、箱型遮蔽電極部６８の上面に衝突させて除去することができる。
また、プラズマ生成部２および成長基板保持部６４は、荷電粒子遮蔽電極部６２により分離されており、成長基板保持部６４の圧力はプラズマ生成部２より小さくなる。プラズマ生成部２の圧力を調整することで、成長基板保持部６４において放電ガスとの衝突によるラジカル成分の減少を最小限にすることができる。
また、前述したように、荷電粒子遮蔽電極部６２および箱型遮蔽電極部６８に印加されるバイアス電圧は、最大で数１００Ｖ、最低で数Ｖの範囲で設定されているが、箱型遮蔽電極部６８に印加される電圧は、荷電粒子遮蔽電極部６２に印加される電圧より低くなっている。これは、印加バイアスを減少させることで、バイアスによるイオンまたは電子へのエネルギー付与が小さくなるため、それらによるガスの分解、励起現象を最小限にすることができるからである。このため、イオンおよび電子に対する高い除去効率を実現することができる。
このように、荷電粒子遮蔽電極部６２の隙間形状、荷電粒子遮蔽電極部６２の形状、荷電粒子遮蔽電極部６２と箱型遮蔽電極部６８の距離、荷電粒子遮蔽電極部６２および箱型遮蔽電極部６８に印加される電圧、および、プラズマ生成部２と成長基板保持部６４の圧力を調整することにより、イオン成分および電子の除去と、必要量の純粋なラジカル成分の供給との両方が実現可能であり、広い温度範囲、特に低温において高品質なカーボンナノチューブの作製が可能となる。従って、耐熱温度の低い材料にもカーボンナノチューブの作製が可能となり、広範なカーボンナノチューブの応用が期待できる。
なお、本実施の形態では、バイアス印加電源６３は、荷電粒子遮蔽電極部６２および箱型遮蔽電極部６８に負のバイアスを印加しているが、正のバイアスを印加してもイオンおよび電子を除去することができる。この場合、荷電粒子遮蔽電極部６２および後述する箱型遮蔽電極部６８は、イオンに対しては反射板として機能し、電子に対しては吸収板として機能する。しかし、イオンの方が質量が大きいため直進性が高いこと、および、イオンの方が散乱断面積が大きいことから、荷電粒子遮蔽電極部６２および箱型遮蔽電極部６８に負のバイアスを印加し、イオンを荷電粒子遮蔽電極部６２および箱型遮蔽電極部６８に引き込む方が好ましい。
このように、第４の実施の形態にかかるカーボンナノチューブ作製装置によれば、プラズマ生成部と成長基板保持部との間に設けられた荷電粒子遮蔽電極部における１段の各遮蔽電極部、および、成長基板保持部内に設けられた箱型遮蔽電極部が、プラズマ生成部で生成されたプラズマ中のイオン、ラジカル、および、電子のうち、イオンおよび電子の箱型遮蔽電極部内への進入を防止し、ラジカルを箱型遮蔽電極部内へ通すことができるので、広い温度範囲、特に低温においても、ラジカルを原料とする高品質なカーボンナノチューブを作製することが可能となる。
本発明は、低温で作製されたカーボンナノチューブを配線として使用する半導体装置に有用である。
第１の実施の形態にかかるカーボンナノチューブ作製装置の構成を示す断面図である。 多段荷電粒子遮蔽電極部における各遮蔽電極部の上面図である。 遮蔽電極部の各開口部と遮蔽電極部間の関係を示す図である。 第１の実施の形態にかかるカーボンナノチューブ作製装置の変形例の構成を示す断面図である。 多段荷電粒子遮蔽電極部における各遮蔽電極部の上面図である。 第２の実施の形態にかかるラジカル作製装置の構成を示す断面図である。 第２の実施の形態にかかるラジカル作製装置の他の使用例を説明する図である。 第３の実施の形態にかかるカーボンナノチューブ作製装置の構成を示す断面図である。 多段荷電粒子遮蔽電極部における各遮蔽電極部の上面図である。 第４の実施の形態にかかるカーボンナノチューブ作製装置の構成を示す断面図である。 荷電粒子遮蔽電極部および箱型遮蔽電極部の上面図である。
符号の説明
１、４１、６１ カーボンナノチューブ作製装置
２ プラズマ生成部
３、３’、４２ 多段荷電粒子遮蔽電極部
４、４３、６３ バイアス印加用電源
５、６４ 成長基板保持部
６ パルス電源
７ ガス導入口
８ 上部電極
９ 下部電極
１０ プラズマ
１１、１１’、４４ 第１遮蔽電極部
１２、４５ 第２遮蔽電極部
１３、１３’、４６ 第３遮蔽電極部
１４、１５、１６、４９、５０、５１ 開口部
１７、５２、６６ 第１バイアス印加電源
１８、５３、６７ 第２バイアス印加電源
１９、５４ 第３バイアス印加電源
２０、３３ 基板
２１ 基板ステージ
２２、２３、４８、６５ 隙間
３１、 ラジカル作製装置
３２ 成長基板保持装置
３４ 予備室
３５ メインチャンバー
４７ 第４遮蔽電極部
５５ 第４バイアス印加電源
６２ 荷電粒子遮蔽電極部
６８ 箱型遮蔽電極部

Claims (14)

  1. ガスからイオン、ラジカル、および、電子からなるプラズマを生成するプラズマ生成手段と、
    前記ラジカルからカーボンナノチューブを作製するカーボンナノチューブ作製手段と、
    前記プラズマ生成手段と前記カーボンナノチューブ作製手段との間に設けられ、前記イオンおよび前記電子の前記カーボンナノチューブ作製手段への進入を防止する遮蔽電極手段と、
    前記遮蔽電極手段に電圧を印加するバイアス印加手段と、を備え、
    前記遮蔽電極手段は、少なくとも１つの開口部を備える第１の遮蔽電極を２段以上備えること、
    を特徴とするカーボンナノチューブ作製装置。
  2. 隣り合う前記第１の遮蔽電極において、互いの前記開口部間の距離は、前記イオンまたは前記電子が両方の前記開口部を通過不能なだけ離れていること、
    を特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブ作製装置。
  3. 前記カーボンナノチューブ作製手段は、上面が板状で側面がメッシュ状に形成され、前記イオンおよび前記電子の内部への進入を防止する第２の遮蔽電極を備え、
    前記バイアス印加手段は、前記第２の遮蔽電極に電圧を印加すること、
    を特徴とする請求項１または２に記載のカーボンナノチューブ作製装置。
  4. 前記ガスは、希ガスで希釈された炭素系ガスであること、を特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のカーボンナノチューブ作製装置。
  5. 前記プラズマ生成手段が生成する前記プラズマの密度は、１０１０ｃｍ−３以下であること、を特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のカーボンナノチューブ作製装置。
  6. 前記プラズマ生成手段の圧力は、前記カーボンナノチューブ作製手段の圧力より大きいこと、を特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のカーボンナノチューブ作製装置。
  7. 前記バイアス印加手段は、負の電圧を印加すること、を特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のカーボンナノチューブ作製装置。
  8. ガスからイオン、ラジカル、および、電子からなるプラズマを生成するプラズマ生成ステップと、
    少なくとも１つの開口部を備える遮蔽電極を２段以上備える遮蔽電極手段に電圧を印加する電圧印加ステップと、
    前記ラジカルからカーボンナノチューブを作製するカーボンナノチューブ作製手段への前記イオンおよび前記電子を進入させずに、前記ラジカルを進入させるラジカル進入ステップと、
    前記ラジカルからカーボンナノチューブを作製する作製ステップと、を含むこと、
    を特徴とするカーボンナノチューブ作製方法。
  9. 隣り合う前記遮蔽電極において、互いの前記開口部間の距離は、前記イオンまたは前記電子が両方の前記開口部を通過不能なだけ離れていること、
    を特徴とする請求項８に記載のカーボンナノチューブ作製方法。
  10. ガスからイオン、ラジカル、および、電子からなるプラズマを生成するプラズマ生成手段と、
    前記イオンおよび前記電子の外部への放出を防止し、前記ラジカルを外部へ放出する遮蔽電極手段と、
    前記遮蔽電極手段に電圧を印加するバイアス印加手段と、を備え、
    前記遮蔽電極手段は、少なくとも１つの開口部を備える遮蔽電極を２段以上備えること、
    を特徴とするラジカル作製装置。
  11. 隣り合う前記遮蔽電極において、互いの前記開口部間の距離は、前記イオンまたは前記電子が両方の前記開口部を通過不能なだけ離れていること、
    を特徴とする請求項１０に記載のラジカル作製装置。
  12. 前記ガスは、希ガスで希釈された炭素系ガスであること、を特徴とする請求項１０または１１に記載のラジカル作製装置。
  13. 前記プラズマ生成手段が生成する前記プラズマの密度は、１０１０ｃｍ−３以下であること、を特徴とする請求項１０から１２のいずれか一項に記載のラジカル作製装置。
  14. 前記バイアス印加手段は、負の電圧を印加すること、を特徴とする請求項１０から１３のいずれか一項に記載のラジカル作製装置。
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