JP2014231454A

JP2014231454A - グラフェンの生成方法

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Publication number: JP2014231454A
Application number: JP2013112927A
Authority: JP
Inventors: 貴士松本; Takashi Matsumoto; 友策井澤; Yusaku Izawa
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2013-05-29
Filing date: 2013-05-29
Publication date: 2014-12-11

Abstract

【課題】生成されるグラフェンの炭素原子層の層数を確実に制御することができるグラフェンの生成方法を提供する。
【解決手段】グラフェン生成装置１０において、載置台１２に載置されたウエハＷの触媒金属層３８へレーザ光照射部１３から赤外線レーザ光Ｌを照射するとともに、触媒金属層３８へ向けてガス供給部１４から炭素含有ガスを含む混合ガスを供給し、その後、触媒金属層３８への赤外線レーザ光Ｌの照射を停止して触媒金属層３８を急冷する。
【選択図】図３

Description

本発明は、グラフェンの生成方法、特に、配線等が微細化された半導体デバイスへ好適に用いることができるグラフェンの生成方法に関する。

従来、三次元積層メモリの配線には金属、例えば、Ｃｕが用いられているが、Ｃｕ等の金属配線材料によって形成された極微細配線構造では、細線効果によって伝導電子が界面における非弾性散乱の影響を強く受けるため、配線が高抵抗化するという問題がある。

一方、グラフェンは極めて長い平均自由行程や高移動度を有しており、微細配線構造に適用した場合、Ｃｕを超える低抵抗の配線の実現の可能性も示されている（例えば、非特許文献１参照。）。したがって、より微細な積層構造や配線構造を実現する必要がある次世代の三次元積層メモリでは、Ｃｕの代わりにグラフェンを配線膜に用いることが検討されている。

グラフェンの生成方法として代表的な方法であるＣＶＤ法（例えば、熱ＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法）では、基板表面を触媒金属層で覆い、該触媒金属層を活性化した後、原料ガスから分解された炭素原子を一度活性化された触媒金属層へ溶かし込み、該炭素原子を再結晶させる。すなわち、比較的大面積の基板上において直接グラフェンを生成することができるため、ＣＶＤ法は既存の半導体デバイス形成プロセスへ容易に適合させることができる。

ＣＶＤ法のうち、熱ＣＶＤ法では原料ガスを熱分解するために基板を約１０００℃まで加熱する必要があり、三次元積層メモリにおける他の配線や絶縁膜が変質するおそれがあるため、現状では、原料ガスをプラズマで分解することにより、基板を比較的低温、例えば、６００℃以下までしか加熱する必要がないプラズマＣＶＤ法が主に用いられている。プラズマＣＶＤ法では原料ガスとして、例えば、炭化水素系ガスを用い、該炭化水素系ガスからプラズマを生成し、プラズマ中の炭素ラジカルを触媒金属層へ固溶させる（例えば、特許文献１参照。）。

また、次世代の三次元積層メモリではより微細な積層構造や配線構造を実現する必要があることから、グラフェンを配線に用いる場合、当該グラフェンの厚さの調整、すなわち、生成されるグラフェンの炭素原子層の層数を確実に制御することが重要である。

特開２０１０−２１２６１９号公報

A. Naeemi and J. D. Meindl, IEEE EDL, 28, p.428 (2007)

ところで、熱ＣＶＤ法を用いてグラフェンを生成する場合、基板をステージに載置し、該ステージが内蔵するセラミックヒータ等によって当該基板を加熱するが、セラミックヒータによる加熱は基板に対して間接的な加熱となるため、基板、引いては触媒金属層の温度を所望の温度に維持するのが困難であり、触媒金属層へ所望量の炭素原子を固溶させるのが困難である。また、セラミックヒータへの通電を停止してセラミックヒータの放熱を中断させることによって基板の触媒金属層を冷却するが、セラミックヒータは放熱性が低いために急速に温度が低下せず、触媒金属層の冷却にも時間を要し、触媒金属層へ所望量以上の炭素原子が固溶するおそれもある。その結果、触媒金属層を冷却した際に析出する炭素結晶の量が必要以上に減少し、若しくは増加するため、生成されるグラフェンの炭素原子層の層数を確実に制御することは困難である。

プラズマＣＶＤ法を用いてグラフェンを生成する場合、基板の触媒金属層がプラズマに晒されて当該プラズマから熱を受けるが、プラズマの密度分布の精密な制御は困難であるため、触媒金属層がプラズマから受ける熱量を制御するのは困難であり、引いては触媒金属層の温度を所望の温度に維持するのが困難である。また、プラズマの消滅には時間を要するため、触媒金属層の冷却にも時間を要するおそれもある。その結果、熱ＣＶＤ法を用いてグラフェンを生成する場合と同様に、触媒金属層を冷却した際に析出する炭素結晶の量が必要以上に減少し、若しくは増加するため、生成されるグラフェンの炭素原子層の層数を確実に制御することは困難である。

本発明の目的は、生成されるグラフェンの炭素原子層の層数を確実に制御することができるグラフェンの生成方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載のグラフェンの生成方法は、触媒金属層へ向けて少なくとも炭素含有ガスを供給するガス供給ステップと、前記触媒金属層へレーザ光を照射するレーザ光照射ステップと、前記照射されたレーザ光によって前記触媒金属層を加熱する加熱ステップと、前記触媒金属層への前記レーザ光の照射を停止する冷却ステップとを有することを特徴とする。

請求項２記載のグラフェンの生成方法は、請求項１記載のグラフェンの生成方法において、前記レーザ光によって前記炭素含有ガスを分解することを特徴とする。

請求項３記載のグラフェンの生成方法は、請求項１又は２記載のグラフェンの生成方法において、前記加熱ステップでは、前記レーザ光によって前記触媒金属層を走査することを特徴とする。

請求項４記載のグラフェンの生成方法は、請求項１又は２記載のグラフェンの生成方法において、前記加熱ステップでは、前記レーザ光によって前記触媒金属層を走査することなく、前記触媒金属層の所定の箇所へ前記レーザ光を照射することを特徴とする。

請求項５記載のグラフェンの生成方法は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のグラフェンの生成方法において、前記ガス供給ステップ及び前記レーザ光照射ステップを同時に行うことを特徴とする。

上記目的を達成するために、請求項６記載のグラフェンの生成方法は、触媒金属層及び厚さが制御された炭素含有層が表面に形成された基板へレーザ光を照射する加熱ステップと、前記触媒金属層への前記レーザ光の照射を停止する冷却ステップとを有することを特徴とする。

請求項７記載のグラフェンの生成方法は、請求項６記載のグラフェンの生成方法において、前記加熱ステップでは、前記レーザ光によって前記基板の表面を走査することを特徴とする。

請求項８記載のグラフェンの生成方法は、請求項６又は７記載のグラフェンの生成方法において、前記触媒金属層の上に前記炭素含有層が形成されていることを特徴とする。

請求項９記載のグラフェンの生成方法は、請求項６又は７記載のグラフェンの生成方法において、前記炭素含有層の上に前記触媒金属層が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、触媒金属層へレーザ光が照射されて触媒金属層が加熱されるが、レーザ光は出力、照射時間を正確に調整することができるので、触媒金属層の温度を所望の温度へ容易に維持することができ、もって、レーザ光による加熱によって炭素含有ガスから分解された炭素原子を触媒金属層へ所望量だけ固溶させることができる。また、触媒金属層へのレーザ光の照射が停止されて触媒金属層が冷却されるが、レーザ光の照射の停止によって触媒金属層への熱の供給を直ちに停止することができ、もって、触媒金属層を急冷して触媒金属層へ所望量以上の炭素原子が固溶するのを防止することができる。すなわち、触媒金属層へ所望量の炭素原子を正確に固溶させることができ、その結果、触媒金属層から析出する炭素結晶の量を正確に制御することができ、生成されるグラフェンの炭素原子層の層数を確実に制御することができる。

また、本発明によれば、基板の表面に形成された触媒金属層及び炭素含有層へレーザ光が照射されるので、炭素含有層を溶融して触媒金属層へ炭素原子を固溶させることができるとともに、炭素含有層の厚さを制御することによって触媒金属層へ固溶する炭素原子の量を正確に制御することできる。また、レーザ光の照射の停止によって触媒金属層への熱の供給を直ちに停止することができ、もって、触媒金属層を急冷して触媒金属層へ所望量以上の炭素原子が固溶するのを防止することができる。すなわち、触媒金属層へ所望量の炭素原子を正確に固溶させることができ、その結果、触媒金属層から析出する炭素結晶の量を正確に制御することができ、生成されるグラフェンの炭素原子層の層数を確実に制御することができる。

本発明の第１の実施の形態に係るグラフェンの生成方法に用いられるグラフェン生成装置の構成を概略的に示す断面図である。図１における制御部の構成を概略的に示すブロック図である。図１におけるレーザ光照射部による赤外線レーザ光の照射形態を示すグラフである。本実施の形態に係るグラフェンの生成方法を示す工程図である。本発明の第２の実施の形態に係るグラフェンの生成方法を示す工程図である。本発明の第３の実施の形態に係るグラフェンの生成方法を示す工程図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、本発明の第１の実施の形態に係るグラフェンの生成方法について説明する。

図１は、本実施の形態に係るグラフェンの生成方法に用いられるグラフェン生成装置の構成を概略的に示す断面図である。

図１において、グラフェン生成装置１０は、気密に構成された略円筒状のチャンバ１１と、チャンバ１１の内部に設けられ、被処理基板である半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」という。）Ｗを載置する載置台１２と、載置されたウエハＷの表面へ向けて赤外線レーザ光を照射するレーザ光照射部１３と、チャンバ１１の内部へガスを噴出するガス供給部１４と、チャンバ１１の内部を排気する排気部１５と、グラフェン生成装置１０の各構成要素を制御する制御部１６とを備える。

チャンバ１１の底壁１１ａの略中央部には円形の開口部１７が形成され、底壁１１ａには開口部１７を介してチャンバ１１の内部と連通し、且つ図中下方に向けて突出する排気室１８が設けられる。チャンバ１１の側壁１１ｂには、チャンバ１１へウエハＷを搬出入するための搬出入口１９と、該搬出入口１９を開閉するゲートバルブ２０とが設けられる。

載置台１２は、例えば、ＡｌＮのセラミックスから構成され、排気室１８の底部中央から上方に延出された円筒状のセラミックス製の支柱２１によって支持される。載置台１２の内部にはウエハＷを昇降するための昇降ピン（図示せず）が格納され、該昇降ピンは載置台１２の表面から突出してウエハＷを載置台１２から離間させる。

レーザ光照射部１３は、チャンバ１１の天井壁１１ｃに嵌め込まれたレーザ光透過窓４１と、該レーザ光透過窓４１を介して載置台１２に載置されたウエハＷの表面へ対向するようにチャンバ１１の外部に配置されるレーザ光源４２と、該レーザ光源４２及びレーザ光透過窓４１の間に配置されるレーザ光走査部４３とによって構成される。レーザ光走査部４３はレーザ光源４２からレーザ光透過窓４１を介してウエハＷへ照射される赤外線レーザ光Ｌの照射角を変更し、赤外線レーザ光ＬによってウエハＷの表面を走査する。

また、レーザ光照射部１３は、例えば、波長が７００〜１１０００ｎｍの赤外線レーザ光Ｌを照射可能であり、赤外線レーザ光Ｌの照射時間をミリ秒（ｍｓｅｃ）単位で制御することができる。例えば、レーザ光照射部１３は、図３に示すように、数ミリ秒だけ赤外線レーザ光Ｌを照射し、その後、直ちに赤外線レーザ光Ｌの照射を停止することにより、ウエハＷへ瞬間的な熱処理（スパイクアニール）を施すことができる。

ガス供給部１４は、チャンバ１１の天井壁１１ｃに配置されるガスノズル４４と、チャンバ１１の外部に配置されるガス供給源２４とを有する。

ガス供給源２４は、ガス供給管２６を介してチャンバ１１に設けられたガスノズル４４へ接続されるとともに、水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給源２４ａと、炭素含有ガスを供給する炭素含有ガス供給源２４ｂと、不活性ガスを供給する不活性ガス供給源２４ｃとを有する。ガス供給管２６は３本の分岐路２６ａ、２６ｂ、２６ｃへ分岐し、分岐路２６ａは水素含有ガス供給源２４ａへ接続され、分岐路２６ｂは炭素含有ガス供給源２４ｂへ接続され、分岐路２６ｃは不活性ガス供給源２４ｃへ接続される。分岐路２６ａ、２６ｂ、２６ｃには、図示しないマスフローコントローラやバルブが設けられる。

ガスノズル４４は、ガス供給管２６を介してガス供給源２４から供給される水素含有ガス、炭素含有ガスや不活性ガスの混合ガスをチャンバ１１の内部に導入する。

ガス供給部１４では、水素含有ガスとして、例えば、Ｈ_２、ＮＨ_３の各ガスが用いられ、炭素含有ガスとして、炭化水素ガス、例えば、エチレン（Ｃ_２Ｈ_４）、メタン（ＣＨ_４）、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）、プロピレン（Ｃ_３Ｈ_６）やアセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）、アルコール類、例えば、メタノール（ＣＨ_３ＯＨ）やエタノール（Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ）、エタノール類、又は、芳香族炭化水素の各ガスが用いられ、不活性ガスとしては、例えば、Ａｒガス、Ｈｅガス、Ｎ_２ガスが用いられる。不活性ガス供給源２４ｃから供給される不活性ガスは、例えば、パージガスやチャンバ１１内の圧力調整用ガスとして用いられる。

排気部１５は、排気室１８と、該排気室１８の側面に開口する排気管２９と、該排気管２９に接続された排気装置３０とを有する。排気装置３０はターボ分子ポンプ等の高速真空ポンプを備えている。排気部１５は、排気装置３０を作動させることにより、チャンバ１１の内部のガスを排気室１８の内部空間へ均一に流し込み、さらに該ガスを当該内部空間から排気管２９を介して外部へ排気する。これにより、チャンバ１１の内部を、例えば、０．１３３Ｐａまで迅速に減圧することができる。

制御部１６は、グラフェン生成装置１０の各構成要素の動作を制御するモジュールコントローラである。制御部１６は、典型的にはコンピュータであり、例えば、図２に示すように、ＣＰＵを備えたコントローラ３１と、該コントローラ３１に接続されたユーザーインターフェース３２と、記憶部３３とを備える。

コントローラ３１は、グラフェン生成装置１０において、温度、圧力、ガス流量、赤外線レーザ光の出力や照射時間等の各種処理条件に関係する各構成要素（例えば、レーザ光照射部１３、ガス供給部１４、排気装置３０等）を制御する。

ユーザーインターフェース３２は、操作者がグラフェン生成装置１０を操作するためにコマンドの入力等を行うキーボードやタッチパネル、並びに、グラフェン生成装置１０の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等を有する。また、記憶部３３は、グラフェン生成装置１０において実行される各種処理をコントローラ３１の制御を通じて実現するための制御プログラム（ソフトウエア）や処理条件データ等が記録されたレシピ等を保存する。

制御部１６は、ユーザーインターフェース３２からの指示等に応じて任意のレシピを記憶部３３から呼び出し、該レシピをコントローラ３１に実行させる。このとき、グラフェン生成装置１０のチャンバ１１の内部では、所望の処理、例えば、後述する図４のグラフェンの生成方法に対応する処理が実行される。

なお、制御プログラムや処理条件データ等が記録されたレシピは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体３４に格納された状態のものであってもよい。記録媒体３４としては、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ、ハードディスク、フレキシブルディスク、フラッシュメモリを用いることができる。さらに、レシピは、他の装置から専用回線等を介して伝送されてきたものを用いてもよい。

上述したグラフェン生成装置１０では、ウエハＷの表面に形成された触媒金属層へ赤外線レーザ光を照射して該触媒金属層の表面を溶融し、該触媒金属層へ炭素原子を固溶させた後、触媒金属層を冷却して炭素結晶を析出させてグラフェンを生成する。

図４は、本実施の形態に係るグラフェンの生成方法を示す工程図である。

図４において、まず、シリコン基部３５の上に酸化珪素（例えば、ＳｉＯ_２）層３６、窒化膜（例えば、ＴｉＮ）層３７及び触媒金属層３８がこの順で積層されたウエハＷを準備し（図４（Ａ））、グラフェン生成装置１０のゲートバルブ２０を開弁して搬出入口１９からウエハＷをチャンバ１１の内部に搬入し、載置台１２上に載置する。ウエハＷの触媒金属層３８を構成する金属としては、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ａｕ等の遷移金属、又はこれらの遷移金属を含む合金が該当する。触媒金属層３８は、スパッタリング、蒸着法、ＣＶＤ法、めっき等の公知の成膜技術によって形成される。なお、ウエハＷは、シリコン基板ではなく、ガラス基板やプラスチック（高分子）基板等であってもよい。

次いで、ガス供給部１４のガスノズル４４が触媒金属層３８へ向けて炭素含有ガス、水素含有ガス及び不活性ガスの混合ガスを供給し、混合ガスの供給を継続しながら、レーザ光照射部１３がウエハＷの触媒金属層３８へ向けて赤外線レーザ光Ｌを照射する（図４（Ｂ））。混合ガス中の炭素含有ガスとしては、ＣＨ_４ガス、Ｃ_２Ｈ_４ガス又はＣ_２Ｈ_２ガス等が好ましく、混合ガス中の水素含有ガスとしては、Ｈ_２ガス又はＮＨ_３ガスが好ましく、混合ガス中の不活性ガスとしては、Ａｒガス、Ｈｅガス又はＮ_２ガスが好ましい。また、混合ガスの供給及び赤外線レーザ光Ｌの照射は同時に開始してもよい。なお、本実施の形態では、触媒金属層３８において赤外線レーザ光Ｌが照射する箇所を照射箇所という。

触媒金属層３８へ向けて供給された混合ガス中の水素含有ガスは、赤外線レーザ光Ｌの照射による加熱によって触媒金属層３８の表面における酸化薄膜（例えば、自然酸化膜）を還元して触媒金属層３８の照射箇所における表面を活性化する。また、混合ガス中の炭素含有ガスは赤外線レーザ光Ｌの照射による加熱によって炭素原子や他の原子へ分解される。さらに、赤外線レーザ光Ｌの照射による加熱によって触媒金属層３８の温度が上昇して触媒金属層３８が溶融し、触媒金属層３８の溶解度も向上するため、炭素含有ガスが分解されて生じた炭素原子が触媒金属層３８へ固溶する。

一般に、赤外線レーザ光Ｌは出力、照射時間を正確に調整することができるので、触媒金属層３８の温度を所望の温度に容易に維持することができる。したがって、図４のグラフェンの生成方法では、上述した赤外線レーザ光Ｌの特性を利用して触媒金属層３８へ炭素原子を所望量だけ固溶させる。具体的には、出力が１００〜１００００Ｗの赤外線レーザ光Ｌの照射箇所への照射を数ミリ秒、例えば、０．００１〜１０００ｍｓｅｃだけ継続することにより、照射箇所の温度を３００〜９００℃、好ましくは、４００〜６００℃へ昇温させて触媒金属層３８へ炭素原子を所望量だけ固溶させる。なお、赤外線レーザ光Ｌの照射は触媒金属層３８への炭素原子の固溶が飽和する前に停止するのが好ましい。

次いで、赤外線レーザ光Ｌの照射を数ミリ秒だけ継続させた後、赤外線レーザ光Ｌの照射を停止する。これにより、触媒金属層３８が冷却されるが、赤外線レーザ光Ｌの照射の停止によって触媒金属層３８への熱の供給を直ちに停止することができ、もって、触媒金属層３８を急冷して触媒金属層３８へ所望量以上の炭素原子が固溶するのを防止することができる。このとき、触媒金属層３８の温度低下に伴う溶解度の低下により、触媒金属層３８へ固溶した炭素原子が飽和して炭素結晶が析出し、照射箇所においてグラフェン３９が生成される。

以上、図４のグラフェンの生成方法によれば、触媒金属層３８へは所望量の炭素原子のみが固溶するので、析出する炭素結晶の量は所望量に対応した量となり、もって、生成されるグラフェン３９の炭素原子層４０の層数も所望量に対応した数となる。すなわち、図４のグラフェンの生成方法では、触媒金属層３８へ所望量の炭素原子を正確に固溶させることができ、その結果、触媒金属層３８から析出する炭素結晶の量を正確に制御することができ、もって、生成されるグラフェン３９の炭素原子層４０の層数を確実に制御することができる。

また、図４のグラフェンの生成方法では、グラフェン３９を生成する際、炭素結晶を析出させるため、アモルファスカーボンが発生するのを抑制することができ、もって、グラフェン３９の抵抗率が高まるのを防止することができる。

さらに、図４のグラフェンの生成方法では、赤外線レーザ光Ｌの照射を数ミリ秒だけしか継続しないので、触媒金属層３８が過剰に加熱されて当該触媒金属層３８の表面形状が崩れることがない。その結果、触媒金属層３８の表面において炭素結晶を均一に析出させることができ、もって、均一な厚さのグラフェン３９を得ることができる。

ところで、触媒金属層３８のおける照射箇所は赤外線レーザ光Ｌのスポットに対応するため、上述した赤外線レーザ光Ｌの照射及び照射の停止を行うと、触媒金属層３８において赤外線レーザ光Ｌのスポットに対応する面積だけグラフェン３９が生成される。

これに対応して、本実施の形態では、一の照射箇所においてグラフェン３９が生成された後、赤外線レーザ光Ｌを赤外線レーザ光Ｌのスポット径分だけウエハＷの表面と平行（図４（Ｂ）中の黒矢印方向）に移動させて図４のグラフェンの生成方法の実行を繰り返す。すなわち、赤外線レーザ光Ｌによって触媒金属層３８を走査するので、触媒金属層３８の広範囲において当該触媒金属層３８へ所望量の炭素原子を正確に固溶させることができ、もって、広範囲に亘ってグラフェン３９が生成される際、炭素原子層４０の層数を確実に制御することができる。

チャンバ１１の内部の圧力は、炭素含有ガスの分圧を上昇させて炭素原子の固溶を促進する観点から、例えば、１３〜１３３３Ｐａとすることが好ましく、６６〜６６６Ｐａがより好ましい。

また、混合ガス中の炭素含有ガスの流量は、炭素原子を多く供給していち早く触媒金属層３８へ炭素原子を固溶させる観点から、例えば、１〜１００ｍＬ／分（ｓｃｃｍ）とすることが好ましく、５〜５０ｍＬ／分（ｓｃｃｍ）がより好ましい。

次に、本発明の第２の実施の形態に係るグラフェンの生成方法について説明する。

本実施の形態は、その構成や作用が上述した第１の実施の形態と基本的に同じであり、炭素含有ガスを供給する代わりに炭素含有層を形成する点で上述した第１の実施の形態と異なる。したがって、重複した構成、作用については説明を省略し、以下に異なる構成、作用についての説明を行う。

図５は、本実施の形態に係るグラフェンの生成方法を示す工程図である。

図５において、第１の実施の形態におけるウエハと同様の膜構成を有するウエハＷを準備し（図５（Ａ））、触媒金属層３８の上に厚さが所定値に制御された炭素含有層４１を形成する（図５（Ｂ））。炭素含有層４１は、蒸着法、ＣＶＤ法、スクリーン法、塗布等の公知の成膜技術によって形成される。

次いで、グラフェン生成装置１０のゲートバルブ２０を開弁して搬出入口１９からウエハＷをチャンバ１１の内部に搬入し、載置台１２上に載置し、レーザ光照射部１３がウエハＷの触媒金属層３８及び炭素含有層４１へ向けて赤外線レーザ光Ｌを照射するとともに、ガス供給部１４のガスノズル４４が触媒金属層３８へ向けて不活性ガスを供給する。

このとき、赤外線レーザ光Ｌの照射による加熱によって触媒金属層３８及び炭素含有層４１の温度が上昇して炭素含有層４１が溶融し、且つ触媒金属層３８の溶解度も向上するため、炭素原子が触媒金属層３８へ固溶して炭素固溶体層４２が形成される（図５（Ｃ））。

触媒金属層３８へ固溶される炭素原子は炭素含有層４１から供給されるが、炭素含有層４１の厚さは所定値に制御されているため、触媒金属層３８へ固溶される炭素原子の量は所定値の厚さに対応したものとなり、触媒金属層３８へ所望量以上の炭素原子が固溶することがない。

本実施の形態においても、赤外線レーザ光Ｌの出力、照射時間を調整することによって触媒金属層３８の温度を所望の温度に維持して触媒金属層３８へ炭素原子を所望量だけ固溶させる。具体的には、出力が１００〜１００００Ｗの赤外線レーザ光Ｌの照射箇所への照射を数ミリ秒、例えば、０．００１〜１０００ｍｓｅｃだけ継続することにより、照射箇所の温度を３００〜９００℃、好ましくは、４００〜６００℃へ昇温させる。

次いで、赤外線レーザ光Ｌの照射を数ミリ秒だけ継続させた後、赤外線レーザ光Ｌの照射を停止して触媒金属層３８への熱の供給を直ちに停止することにより、触媒金属層３８を急冷して触媒金属層３８へ所望量以上の炭素原子が固溶するのを防止することができる。このときも、触媒金属層３８へ固溶した炭素原子が飽和して炭素結晶が析出し、照射箇所においてグラフェン３９が生成される。

以上、図５のグラフェンの生成方法によれば、触媒金属層３８へは所望量の炭素原子のみが固溶する。すなわち、図５のグラフェンの生成方法においても、図４のグラフェン方法と同様に、触媒金属層３８へ所望量の炭素原子を正確に固溶させることができ、もって、生成されるグラフェン３９の炭素原子層４０の層数を確実に制御することができる。

また、本実施の形態でも、第１の実施の形態と同様に、赤外線レーザ光Ｌによって触媒金属層３８の全面を走査して各照射箇所において赤外線レーザ光Ｌを数ミリ秒に亘って照射させる。これにより、触媒金属層３８の広範囲において当該触媒金属層３８へ所望量の炭素原子を正確に固溶させることができる。

本実施の形態では、ウエハＷにおいて触媒金属層３８の上に炭素含有層４１を形成したが、触媒金属層３８よりも炭素含有層４１を先に形成することによって炭素含有層４１の上に触媒金属層３８を形成してもよい。

なお、本実施の形態では、赤外線レーザ光Ｌによって炭素含有層４１を溶融させたが、炭素含有層４１をプラズマによって溶融してもよい。この場合、触媒金属層３８の温度を制御するために、ウエハＷにバイアス電圧を印加し、且つ該バイアス電圧を制御することによって触媒金属層３８へ引きこまれるプラズマの量を制御するのが好ましい。

次に、本発明の第３の実施の形態に係るグラフェンの生成方法について説明する。

本実施の形態は、その構成や作用が上述した第１の実施の形態と基本的に同じであり、赤外線レーザ光Ｌによって触媒金属層３８を走査しない点で上述した第１の実施の形態と異なる。したがって、重複した構成、作用については説明を省略し、以下に異なる構成、作用についての説明を行う。

図６は、本実施の形態に係るグラフェンの生成方法を示す工程図である。

図６において、第１の実施の形態におけるウエハと同様の膜構成を有するウエハＷを準備し（図６（Ａ））、グラフェン生成装置１０のゲートバルブ２０を開弁して搬出入口１９からウエハＷをチャンバ１１の内部に搬入し、載置台１２上に載置する。

次いで、赤外線レーザ光Ｌによって触媒金属層３８の全域を走査することなく、レーザ光照射部１３からウエハＷの触媒金属層３８の所定の箇所のみへ向けて赤外線レーザ光Ｌを照射する。これにより、所定の箇所において加熱に因るマイグレーションが発生し、触媒金属層３８を構成している金属原子の凝集が生じて突起状のステップ４３が生じる（図６（Ｂ））。なお、ステップ４３の突出量は赤外線レーザ光Ｌの照射時間に応じて変化するため、本実施の形態では、赤外線レーザ光Ｌの照射時間を調整してステップ４３の突出量を所望値へ調整する。

このとき、ガス供給部１４のガスノズル４４が触媒金属層３８へ向けて炭素含有ガス、水素含有ガス及び不活性ガスの混合ガスを供給する。供給された混合ガス中の水素含有ガスは、赤外線レーザ光Ｌの照射による加熱によってステップ４３の表面を還元して活性化する。また、混合ガス中の炭素含有ガスは赤外線レーザ光Ｌの照射による加熱によって炭素原子や他の原子へ分解される。ここで、ステップ４３も赤外線レーザ光Ｌの照射による加熱によって温度が上昇し、溶解度が向上しているため、炭素原子がステップ４３へ固溶する。なお、赤外線レーザ光Ｌはステップ４３の形成、及び混合ガスの供給にかけて連続して照射されてもよく、ステップ４３が形成された後、一旦、赤外線レーザ光Ｌの照射を停止し、混合ガスの供給が開始された後に、再度、赤外線レーザ光Ｌの照射を行ってもよい。

炭素原子をステップ４３へ固溶させる際、本実施の形態でも、第１の実施の形態と同様に、赤外線レーザ光Ｌの照射時間を調整して触媒金属層３８へ炭素原子を所望量だけ固溶させる。具体的には、出力が１００〜１００００Ｗの赤外線レーザ光Ｌのステップ４３への照射を数ミリ秒、例えば、０．００１〜１０００ｍｓｅｃだけ継続することにより、ステップ４３の温度を３００〜９００℃、好ましくは、４００〜６００℃へ昇温させてステップ４３へ炭素原子を所望量だけ固溶させる。なお、赤外線レーザ光Ｌの照射はステップ４３への炭素原子の固溶が飽和する前に停止するのが好ましい。

次いで、赤外線レーザ光Ｌの照射を数ミリ秒だけ継続させた後、赤外線レーザ光Ｌの照射を停止する。このとき、赤外線レーザ光Ｌの照射の停止によってステップ４３への熱の供給を直ちに停止することができ、もって、ステップ４３を急冷してステップ４３へ所望量以上の炭素原子が固溶するのを防止することができる。その後、ステップ４３の温度低下に伴う溶解度の低下により、ステップ４３へ固溶した炭素原子が飽和してステップ４３の表面から炭素結晶が析出し、ステップ４３からグラフェン３９が成長する。

以上、図６のグラフェンの生成方法によれば、ステップ４３には所望量の炭素原子のみが固溶するので、析出する炭素結晶の量は所望量に対応した量となり、もって、成長するグラフェン３９の炭素原子層４０の層数を確実に制御することができる。

また、ステップ４３からグラフェン３９が成長する場合、グラフェン３９は触媒金属層３８の表面に沿って成長するため、グラフェン３９の炭素原子層４０の層数はステップ４３の突出量に比例する。したがって、図６のグラフェンの生成方法において、赤外線レーザ光Ｌの照射時間を調整してステップ４３の突出量を所望値へ調整することによっても、グラフェン３９の炭素原子層４０の層数を確実に制御することができる。

さらに、図６のグラフェンの生成方法では、赤外線レーザ光Ｌによって触媒金属層３８を走査しないため、ステップ４３以外の触媒金属層３８の温度は上昇することがなく、ステップ４３において炭素原子が触媒金属層３８へ固溶することがない。これにより、ステップ４３以外からグラフェン３９が成長するのを防止することができる。したがって、ステップ４３を生じさせる箇所を選択することにより、グラフェン３９が成長する箇所を調整することができる。

なお、チャンバ１１の内部の圧力は、炭素含有ガスの分圧を上昇させて炭素原子の固溶を促進する観点から、例えば、１３〜１３３３Ｐａとすることが好ましく、６６〜６６６Ｐａがより好ましい。

また、混合ガス中の炭素含有ガスの流量は、炭素原子を多く供給していち早くステップ４３へ炭素原子を固溶させる観点から、例えば、１〜１００ｍＬ／分（ｓｃｃｍ）とすることが好ましく、５〜５０ｍＬ／分（ｓｃｃｍ）がより好ましい。

図６のグラフェンの生成方法では、ウエハＷの表面を触媒金属層３８が全面的に覆うが、ステップ４３を生じさせる箇所にのみ触媒金属層３８を形成してもよい。また、ステップ４３の表面から炭素結晶が析出させる際、赤外線レーザ光Ｌの照射を停止させてステップ４３を急冷したが、赤外線レーザ光Ｌの照射を停止することなく、混合ガスの供給を継続してステップ４３において固溶する炭素原子を飽和させて炭素結晶を析出させてもよい。

以上、本発明について、上述した各実施の形態を用いて説明したが、本発明は上述した各実施の形態に限定されるものではない。

Ｌ赤外線レーザ光
Ｗウエハ
１０グラフェン生成装置
１３レーザ光照射部
１４ガス供給部
３８触媒金属層
３９グラフェン
４０炭素原子層
４１炭素含有層
４３ステップ

Claims

触媒金属層へ向けて少なくとも炭素含有ガスを供給するガス供給ステップと、
前記触媒金属層へレーザ光を照射するレーザ光照射ステップと、
前記照射されたレーザ光によって前記触媒金属層を加熱する加熱ステップと、
前記触媒金属層への前記レーザ光の照射を停止する冷却ステップとを有することを特徴とするグラフェンの生成方法。
前記レーザ光によって前記炭素含有ガスを分解することを特徴とする請求項１記載のグラフェンの生成方法。
前記加熱ステップでは、前記レーザ光によって前記触媒金属層を走査することを特徴とする請求項１又は２記載のグラフェンの生成方法。
前記加熱ステップでは、前記レーザ光によって前記触媒金属層を走査することなく、前記触媒金属層の所定の箇所へ前記レーザ光を照射することを特徴とする請求項１又は２記載のグラフェンの生成方法。
前記ガス供給ステップ及び前記レーザ光照射ステップを同時に行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のグラフェンの生成方法。
触媒金属層及び厚さが制御された炭素含有層が表面に形成された基板へレーザ光を照射する加熱ステップと、
前記触媒金属層への前記レーザ光の照射を停止する冷却ステップとを有することを特徴とするグラフェンの生成方法。
前記加熱ステップでは、前記レーザ光によって前記基板の表面を走査することを特徴とする請求項６記載のグラフェンの生成方法。
前記触媒金属層の上に前記炭素含有層が形成されていることを特徴とする請求項６又は７記載のグラフェンの生成方法。
前記炭素含有層の上に前記触媒金属層が形成されていることを特徴とする請求項６又は７記載のグラフェンの生成方法。