JP2016023128A - Production apparatus of graphene film - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a production apparatus of a graphene film, with which graphene with higher crystallinity is formed at low temperature and in a short time by solving such problems, being problems of conventional graphene film forming using plasma, that irradiation damage due to ion bombardment is generated and further a metal adheres to a plasma device due to evaporation of the metal in heating a metal base material to high temperature, suppressing generation of the irradiation damage, and at the same time enhancing stability of plasma.SOLUTION: An apparatus with which graphene with high crystallinity can be formed at low temperature and in a short time is provided by preparing: a plasma generator to generate plasma in a treating vessel; a Joule heating device for Joule heating a metal base material for forming a graphene film mounted in the treating vessel; and a vapor scattering prevention device mounted by covering the metal base material for preventing scatter of the vapor evaporated from the metal base material by Joule heating in the treating vessel.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、透明導電膜などに利用するためのグラフェン膜の製造装置に関する。   The present invention relates to a graphene film manufacturing apparatus for use in a transparent conductive film or the like.

SP2結合した炭素原子による導電性の平面状結晶は「グラフェン」と呼ばれている。グラフェンについては非特許文献1に詳述されている。グラフェンは様々な形態の結晶性炭素膜の基本単位である。グラフェンによる結晶性炭素膜の例としては、一層のグラフェンによる単層グラフェン、ナノメートルサイズのグラフェンの数層から十層程度の積層体であるナノグラフェン、さらに数層から数十層程度のグラフェン積層体が基材面に対して垂直に近い角度で配向するカーボンナノウォール(非特許文献2参照)などがある。 Conductive planar crystals with SP 2 bonded carbon atoms are called “graphene”. The graphene is described in detail in Non-Patent Document 1. Graphene is the basic unit of various forms of crystalline carbon films. Examples of crystalline carbon films using graphene include single-layer graphene using one layer of graphene, nanographene that is a stack of several to ten layers of nanometer-sized graphene, and a graphene stack of several to several tens of layers Are carbon nanowalls (see Non-Patent Document 2) that are oriented at an angle close to perpendicular to the substrate surface.

グラフェンによる結晶性炭素膜は、その高い光透過率と電気伝導性のため、透明導電膜や透明電極としての利用が期待されている。さらにグラフェン中の電子およびホールのキャリア移動度は室温でシリコンの100倍も高い最大20万cm2/Vsになる可能性がある。このグラフェンの特性を生かしてテラヘルツ(THz)動作を目指した超高速トランジスタの開発も進められている。 A crystalline carbon film made of graphene is expected to be used as a transparent conductive film or a transparent electrode because of its high light transmittance and electrical conductivity. Furthermore, the carrier mobility of electrons and holes in graphene may be up to 200,000 cm 2 / Vs, which is 100 times higher than that of silicon at room temperature. Development of ultra-high-speed transistors aiming at terahertz (THz) operation utilizing the characteristics of this graphene is also underway.

グラフェン透明導電膜の製造方法については、これまで、天然黒鉛からの剥離法、炭化ケイ素の高温熱処理によるケイ素の脱離法、さらにさまざまな金属表面への形成法などが開発されているが、グラフェンによる結晶性炭素膜を用いた透明導電性炭素膜は多岐にわたる工業的な利用が検討されており、そのため、高いスループットで大面積の成膜法が望まれている。   As for the production method of graphene transparent conductive film, the exfoliation method from natural graphite, the desorption method of silicon by high-temperature heat treatment of silicon carbide, and the formation method on various metal surfaces have been developed. The transparent conductive carbon film using the crystalline carbon film by the method has been studied for a wide variety of industrial applications. Therefore, a film formation method with a high throughput and a large area is desired.

グラフェン透明導電膜の形成法の1例として、銅箔表面への化学気相合成法(CVD)による方法が開発された(非特許文献3、4参照)。この銅箔を基材とするグラフェン成膜手法は、熱CVD法によるものであって、原料ガスであるメタンガスを約1000℃程度で熱的に分解し、銅箔表面に1層のグラフェンを形成するものである。
しかしながら、上記熱CVDによるグラフェン製法は、基本的にメタンガスなど気体状の原料を用いる。ガスを原料とするCVDでは、基材のある特定の部分にグラフェンを作製しパターンを形成することは困難であり、そのため、基材上にグラフェンを作製した後にパターンを形成するための加工を行う必要があった。
As an example of a method for forming a graphene transparent conductive film, a method by chemical vapor deposition (CVD) on a copper foil surface has been developed (see Non-Patent Documents 3 and 4). This graphene film formation method using copper foil as a base material is based on a thermal CVD method, and methane gas as a raw material gas is thermally decomposed at about 1000 ° C. to form one layer of graphene on the surface of the copper foil. To do.
However, the graphene production method by thermal CVD basically uses a gaseous raw material such as methane gas. In CVD using a gas as a raw material, it is difficult to produce a graphene and form a pattern on a specific part of the base material. Therefore, after forming the graphene on the base material, a process for forming the pattern is performed. There was a need.

これらの課題を解決するため、最近、銅箔にポリメタクリル酸メチル(polymethylmethacrylate、PMMA)膜を塗布により形成し、それを水素とアルゴンの混合ガス雰囲気中で800℃〜1000℃で加熱する樹脂炭化法により、グラフェンを形成する手法が開発された(非特許文献5参照)。   Recently, in order to solve these problems, a resin carbonization is performed by forming a polymethylmethacrylate (PMMA) film on a copper foil by coating and heating it in a mixed gas atmosphere of hydrogen and argon at 800 ° C to 1000 ° C. A method for forming graphene has been developed by this method (see Non-Patent Document 5).

また最近、量産に適したグラフェン透明導電膜の製造方法とその製造装置が開発された(特許文献1参照)。この技術のグラフェン透明導電膜の製造方法では、導電性を有するフレキシブルな成膜対象物の表面に炭素源物質を接触させる。グラフェンは、成膜対象物に電流を印加して成膜対象物をグラフェンの生成温度以上に加熱することによって成膜対象物の表面において前記炭素源物質から生成される。つまり、銅箔を通電加熱により900〜1000℃に加熱し、メタンガスを炭素源として含むアルゴンと水素の混合ガス中に晒すことにより、銅箔表面にグラフェンを合成する熱CVDの手法である。しかしながら、この手法でも温室効果ガスのメタンガスを使用し、銅箔基材を融点近くまで加熱する必要が有るほか、電気伝導性に優れた多層グラフェンを層数制御のもとに合成することが難しい。   Recently, a method and apparatus for producing a graphene transparent conductive film suitable for mass production have been developed (see Patent Document 1). In the method for producing a graphene transparent conductive film of this technology, a carbon source material is brought into contact with the surface of a flexible film-forming target having conductivity. The graphene is generated from the carbon source material on the surface of the film formation target by applying an electric current to the film formation target and heating the film formation target to a temperature higher than the graphene generation temperature. That is, this is a thermal CVD method in which graphene is synthesized on the copper foil surface by heating the copper foil to 900 to 1000 ° C. by current heating and exposing it to a mixed gas of argon and hydrogen containing methane gas as a carbon source. However, this method also requires the use of methane gas, a greenhouse gas, to heat the copper foil substrate to near the melting point, and it is difficult to synthesize multilayer graphene with excellent electrical conductivity under the control of the number of layers. .

また、従来の熱CVD法および樹脂炭化法によるグラフェン成膜の課題である、高温プロセスであり、かつプロセス時間が長いという問題を解決し、より低温で短時間にグラフェンを形成する新たなグラフェン合成法が開発された。これは、PMMAやベンゾトリアゾールなどの有機物質を銅箔などの金属製基材に薄く塗布し、500℃以下の条件で水素を含むガス中でマイクロ波表面波プラズマを照射するものである。これにより、金属基材上にグラフェンを合成することが可能である(特許文献2参照)。   In addition, it solves the problem of the high temperature process and the long process time, which is the problem of graphene film formation by the conventional thermal CVD method and resin carbonization method, and new graphene synthesis that forms graphene at a lower temperature in a shorter time The law was developed. In this method, an organic substance such as PMMA or benzotriazole is thinly applied to a metal substrate such as copper foil, and microwave surface wave plasma is irradiated in a gas containing hydrogen under conditions of 500 ° C. or lower. Thereby, it is possible to synthesize | combine graphene on a metal base material (refer patent document 2).

また、メタンガスなどの炭素含有ガスを使用することなく、炭素が溶けにくい金属である銅などの金属製基材、あるいは処理容器内に付着した微量の炭素成分を用い、基材を直接通電加熱して基材表面に炭素を析出し、これにプラズマ処理を施すことにより、より低温で短時間にグラフェンを形成し、かつ層数を制御する新たな手法が報告された(非特許文献6参照)。   In addition, without using a carbon-containing gas such as methane gas, a base material made of metal such as copper, which is a metal that is difficult to dissolve carbon, or a trace amount of carbon components adhering to the processing vessel is directly energized and heated. Then, carbon was deposited on the surface of the base material, and a new method for forming a graphene at a lower temperature in a short time and controlling the number of layers by applying a plasma treatment to this was reported (see Non-Patent Document 6). .

特開2013−14484号公報JP2013-14484A 国際公開2012/108526号International Publication No. 2012/108526

山田久美、化学と工業、61(2008)pp.1123-1127.Kumi Yamada, Chemistry and Industry, 61 (2008) pp.1123-1127. Y.Wu,P.Qiao, T.Chong, Z.Shen, Adv. Mater. 14(2002)pp.64-67.Y. Wu, P. Qiao, T. Chong, Z. Shen, Adv. Mater. 14 (2002) pp. 64-67. Alfonso Reina, Xiaoting Jia, John Ho, Daniel Nezich, Hyungbin Son, Vladimir Bulovic, Mildred S. Dresselhaus, Jing Kong, Nanoletters, 9(2009)pp.30-35.Alfonso Reina, Xiaoting Jia, John Ho, Daniel Nezich, Hyungbin Son, Vladimir Bulovic, Mildred S. Dresselhaus, Jing Kong, Nanoletters, 9 (2009) pp. 30-35. Xuesong Li, Yanwu Zhu, Weiwei Cai, Mark Borysiak, Boyang Han, David Chen, Richard D. Piner, Luigi Colombo, Rodney S. Ruoff, Nano Letters, 9(2009)pp.4359-4363.Xuesong Li, Yanwu Zhu, Weiwei Cai, Mark Borysiak, Boyang Han, David Chen, Richard D. Piner, Luigi Colombo, Rodney S. Ruoff, Nano Letters, 9 (2009) pp. 4359-4363. Zhengzong Sun, Zheng Yan, Jun Yao, Elvira Beitler, Yu Zhu, James M. Tour, NATURE, doi:10.1038/nature09579.Zhengzong Sun, Zheng Yan, Jun Yao, Elvira Beitler, Yu Zhu, James M. Tour, NATURE, doi: 10.1038 / nature09579. Ryuichi Kato, Kazuo Tsugawa, Yuki Okigawa, Masatou Ishihara, Takatoshi Yamada, Masataka Hasegawa, http://dx.doi.org/10.1016/j.carbon.2014.05.087Ryuichi Kato, Kazuo Tsugawa, Yuki Okigawa, Masatou Ishihara, Takatoshi Yamada, Masataka Hasegawa, http://dx.doi.org/10.1016/j.carbon.2014.05.087

前記の銅箔を基材とし、プラズマを用いてグラフェンを形成する手法は、グラフェン透明導電膜の工業的な製造方法として有望と考えられる。これらの手法は、銅の融点1085℃に近い温度が必要な熱CVDと比較して、低温でグラフェンを形成することができ、グラフェン成膜中の銅の蒸発や再結晶化による銅箔表面の形状変化が生じるという問題を抑制できることが判明した。   The technique of forming graphene using the copper foil as a base material and using plasma is considered promising as an industrial production method of a graphene transparent conductive film. These methods can form graphene at a lower temperature than thermal CVD, which requires a temperature close to the melting point of copper of 1085 ° C., and the surface of the copper foil can be formed by evaporation or recrystallization of copper during graphene film formation. It has been found that the problem of shape change can be suppressed.

しかしながら、プラズマにはグラフェンを形成する働きと、これに付随してプラズマ中に含まれるイオンが、基材の周りに発生する電場によって加速されグラフェンに衝突し、グラフェンに照射損傷を発生するという問題がある。特にグラフェンは原子層の薄さの炭素膜であり、イオン衝撃による照射損傷の発生は重大な問題である。
さらに、銅箔などの金属基材を加熱する手法では、基材が高温になることで金属の蒸発が生じ、これがプラズマ発生装置に付着することにより、プラズマの安定性が損なわれたり、プラズマ処理の効果が損なわれたりするという課題があった。たとえば銅箔を基材として加熱した場合、低圧雰囲気で銅箔の温度が850℃を超えると銅の蒸発が生じ、これがプラズマ装置に付着することによりプラズマの安定性が損なわれたり、プラズマ処理の効果が損なわれたりするという問題が発生していた。
However, the action of forming graphene in the plasma and the accompanying ions contained in the plasma are accelerated by the electric field generated around the substrate and collide with the graphene, causing radiation damage to the graphene There is. In particular, graphene is a carbon film with a thin atomic layer, and the occurrence of irradiation damage due to ion bombardment is a serious problem.
Furthermore, in the method of heating a metal substrate such as copper foil, metal evaporation occurs due to the high temperature of the substrate, and this adheres to the plasma generator, thereby impairing plasma stability or plasma treatment. There has been a problem that the effect of is impaired. For example, when copper foil is heated as a base material, if the temperature of the copper foil exceeds 850 ° C. in a low-pressure atmosphere, copper evaporation occurs, and this adheres to the plasma device, thereby impairing the stability of the plasma, There has been a problem that the effect is impaired.

本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであって、従来のプラズマを用いたグラフェン成膜の課題である、イオン衝撃による照射損傷の発生と、さらに金属製基材を高温に加熱する際に金属の蒸発によりプラズマ装置に金属が付着するという問題を解決し、照射損傷の発生を抑制し、それと同時にプラズマの安定性を高めて、より結晶性の高いグラフェンを低温で短時間に形成しうる、グラフェン膜の製造装置を提供することを目的とするものである。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and is a problem of conventional graphene film formation using plasma, which is the occurrence of irradiation damage due to ion bombardment, and further raises the temperature of a metal substrate. Solves the problem of metal adhesion to the plasma device due to metal evaporation during heating, suppresses the occurrence of radiation damage, and at the same time improves the stability of the plasma, and makes graphene with higher crystallinity at a low temperature for a short time. An object of the present invention is to provide an apparatus for producing a graphene film that can be formed in the following manner.

本発明者らは、上記目的を達成すべく、鋭意検討を重ねた結果、プラズマを用いたグラフェン膜の成膜装置において、グラフェン成膜用の金属製基材をジュール加熱するための加熱装置を備えるとともに、該金属製基材の周りに、覆いを設置することにより解決しうることが判明した。すなわち、金属製基材の周りに、ステンレス、銅、イリジウム、白金、ニッケル、アルミニウム、チタンなどの金属及びそれらの金属の炭素アロイを材質とする覆い(炭素賦活部材)を設置することにより、グラフェン合成用の金属製基材の蒸気をトラップして、加熱した金属製基材の蒸発により、プラズマ源及びCVDチャンバー内壁などに金属が付着するという問題を解決するとともに、基材からプラズマ発生源が直接見込めないようにして、プラズマからのイオン衝撃を抑制し、より結晶性の高いグラフェンを低温で短時間に形成しうることを見出したものである。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the inventors of the present invention have developed a heating apparatus for Joule heating of a metal substrate for forming graphene in a graphene film forming apparatus using plasma. It has been found that this problem can be solved by installing a cover around the metal substrate. That is, by installing a cover (carbon activation member) made of a metal such as stainless steel, copper, iridium, platinum, nickel, aluminum, titanium, or a carbon alloy of these metals around the metal base material, The vapor of the metal base material for synthesis is trapped, and the problem of metal adhering to the plasma source and the inner wall of the CVD chamber due to evaporation of the heated metal base material is solved. The present inventors have found that it is possible to form graphene with higher crystallinity at a low temperature in a short time by suppressing ion bombardment from plasma without being directly expected.

本発明は、これらの知見に基づいて完成するに至ったものであり、以下のとおりのものである。
[1]処理容器内にプラズマを発生させるプラズマ生成装置と、該処理容器内に設置されたグラフェン成膜用の金属製基材をジュール加熱するためのジュール加熱装置と、ジュール加熱で加熱されて前記金属製基材から蒸発する蒸気の処理容器内への飛散を防止するために該金属製基材を覆って設けられた蒸気飛散防止装置とを備えることを特徴とするグラフェン膜の製造装置。
[2]前記グラフェン膜形成用の金属製基材が、銅基材であることを特徴とする[1]に記載のグラフェン膜の製造装置。
[3]前記蒸気飛散防止装置には、反応ガス導入用の開口が設けていることを特徴とする[1]又は[2]に記載のグラフェン膜の製造装置。
The present invention has been completed based on these findings, and is as follows.
[1] A plasma generating device for generating plasma in a processing vessel, a Joule heating device for Joule heating a metal base for film formation of a graphene installed in the processing vessel, and being heated by Joule heating An apparatus for producing a graphene film, comprising: a vapor scattering prevention device provided so as to cover the metallic substrate in order to prevent the vapor evaporated from the metallic substrate from scattering into the processing container.
[2] The apparatus for producing a graphene film according to [1], wherein the metal substrate for forming the graphene film is a copper substrate.
[3] The apparatus for producing a graphene film according to [1] or [2], wherein the vapor scattering prevention device is provided with an opening for introducing a reactive gas.

本発明の装置によれば、従来の熱CVD法や樹脂炭化法によるグラフェン成膜の課題である、温室効果ガスのメタンガスを使用し、高温プロセスであり、かつプロセス時間が長く、かつグラフェン層数の制御が難しいという問題を解決できるとともに、プラズマを用いてグラフェンを形成する際の課題であった、グラフェンへのイオン衝撃による照射損傷の発生、高温に加熱された金属製基材の蒸発によるプラズマ発生装置への金属の付着によるプラズマの安定性が損なわれることによるプラズマ処理の効果が損なわれることを抑制することが可能となる。そして、本発明の装置により、結晶性の高いグラフェンによる高品質のグラフェン透明導電膜が合成できるため、得られたグラフェン透明導電膜は、タッチパネル用途等の透明導電膜、トランジスタや集積回路等の半導体デバイスまたは電子デバイス、広面積を必要とする透明電極や電気化学電極、バイオデバイスなどへの応用が可能となる。   According to the apparatus of the present invention, a greenhouse gas methane gas, which is a problem of graphene film formation by the conventional thermal CVD method or resin carbonization method, is a high-temperature process, and the process time is long, and the number of graphene layers In addition to resolving the problem of difficult control, plasma damage caused by ion bombardment of graphene and plasma caused by evaporation of a metal substrate heated to high temperatures It becomes possible to suppress that the effect of the plasma treatment due to the loss of the stability of the plasma due to the adhesion of the metal to the generator is impaired. Since the high-quality graphene transparent conductive film made of highly crystalline graphene can be synthesized by the apparatus of the present invention, the obtained graphene transparent conductive film is a transparent conductive film for touch panel applications, semiconductors such as transistors and integrated circuits Applications to devices or electronic devices, transparent electrodes and electrochemical electrodes that require a large area, biodevices, and the like are possible.

本発明の装置の1つの実施形態を、模式的に示す図The figure which shows typically one embodiment of the apparatus of this invention 金属製基材を、(a)無加工ステンレス板、(b)矩形窓加工ステンレス板、(c)円形加工窓ステンレス板、のそれぞれで覆った状態を示す模式図Schematic diagram showing a state in which a metal substrate is covered with (a) a non-processed stainless steel plate, (b) a rectangular window processed stainless steel plate, and (c) a circular processed window stainless steel plate. 市販の銅箔の断面構造を示す模式図Schematic showing the cross-sectional structure of commercially available copper foil 実施例で用いたグラフェン成膜用の基材の加工形状を示す模式図Schematic showing the processed shape of the base material for graphene film formation used in the examples 銅箔基材を覆う「ステンレス板有り」でジュール加熱のみで成膜(850℃、20分)した場合のラマンスペクトル図Raman spectrum diagram when film is formed only by Joule heating (with stainless steel plate) covering copper foil substrate (850 ° C, 20 minutes) 銅箔基材を覆う「ステンレス板有り」で成膜(950℃、10分)したグラフェンのラマン分光スペクトルを示す図The figure which shows the Raman spectroscopic spectrum of the graphene which was formed into a film (950 degreeC, 10 minutes) with "stainless steel plate" which covers the copper foil base material 銅箔基材の中心部(16mm×16mm)上に成膜したグラフェンのラマン分光測定箇所を示す図The figure which shows the Raman spectroscopic measurement location of the graphene formed into a film on the center part (16mmx16mm) of a copper foil base material 銅箔基材を覆う「ステンレス板無し」で成膜(950℃、10分)したグラフェンのラマン分光スペクトルを示す図The figure which shows the Raman spectroscopic spectrum of the graphene formed into a film (950 degreeC, 10 minutes) without the "stainless steel plate" which covers a copper foil base material 銅箔基材を覆う「ステンレス板有り」でジュール加熱とプラズマCVD併用により成膜(800℃、20分)したグラフェンのラマン分光スペクトルを示す図The figure which shows the Raman spectroscopic spectrum of the graphene which formed into a film (800 degreeC, 20 minutes) by Joule heating and plasma CVD combined use with "stainless steel plate" which covers copper foil base material 銅箔基材を覆う「ステンレス板有り」でジュール加熱とプラズマCVD併用により成膜(800℃、20分)したグラフェンのシート抵抗分布を示す図The figure which shows the sheet resistance distribution of the graphene which formed into a film (800 degreeC, 20 minutes) by Joule heating and plasma CVD combined use "with a stainless steel plate" which covers a copper foil base material

本グラフェン膜の製造装置は、処理容器内にプラズマを発生させるプラズマ生成装置と、該処理容器内に設置されたグラフェン膜形成用の金属製基材をジュール加熱するためのジュール加熱装置と、ジュール加熱で加熱されて前記金属製基材から蒸発する蒸気の処理容器内への飛散を防止するために該金属製基材を覆って設けられた蒸気飛散防止装置とを備えることを特徴とする。   The graphene film manufacturing apparatus includes a plasma generation apparatus that generates plasma in a processing container, a Joule heating apparatus for Joule heating a metal substrate for forming a graphene film installed in the processing container, In order to prevent the vapor | steam which is heated by heating and evaporates from the said metal base material into the processing container, it is provided with the vapor | steam scattering prevention apparatus provided covering this metal base material.

以下、本発明について、図面を用いて説明する。なお、本発明は、これにより限定されるものではない。
図1は、本発明の装置の、1つの実施態様を模式的に示す図であり、図中、101はプラズマ発生室、102はアンテナ、103は誘電体アンテナカバー、104は誘電体アンテナカバーを支持する金属製支持部材、105は金属製基材、106は基材通電加熱用電極、107は通電加熱用電源、108は排気管、109はプラズマ処理用原料ガス導入管、110は処理容器(チャンバー)、111は電流導入端子、112は蒸気飛散防止装置、113は電圧計、114はプラズマ、115はRF電源、116はチャンバー内壁、117は固定支持台、をそれぞれ示している。
Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by this.
FIG. 1 is a diagram schematically showing one embodiment of the apparatus of the present invention, in which 101 is a plasma generation chamber, 102 is an antenna, 103 is a dielectric antenna cover, and 104 is a dielectric antenna cover. Metal support member to be supported, 105 is a metal base material, 106 is an electrode for heating and heating the base material, 107 is a power source for heating and heating, 108 is an exhaust pipe, 109 is a raw material gas introduction pipe for plasma processing, and 110 is a processing vessel ( (Chamber), 111 is a current introduction terminal, 112 is a vapor scattering prevention device, 113 is a voltmeter, 114 is plasma, 114 is an RF power source, 116 is an inner wall of the chamber, and 117 is a fixed support base.

図1に示すグラフェン膜の製造装置は、上端が開口した金属製の処理容器(110)を有し、該処理容器(110)の上端部に、金属製支持部材(104)を介して気密に取り付けられた高周波(RF)を導入するための誘電体アンテナカバー(103)とその内部に取り付けられたアンテナ(102)とからなるプラズマ生成装置が設けられている。該アンテナ(102)には13.56MHzのRF電源(115)が接続され、前記処理容器に、必要なガスをプラズマ処理用ガス導入管(109)より導入し、アンテナにRF電源からの電力を投入することによりプラズマ処理用のプラズマ(114)を励起させる。   The graphene film manufacturing apparatus shown in FIG. 1 has a metal processing container (110) having an open upper end, and is airtightly connected to the upper end of the processing container (110) via a metal support member (104). A plasma generation device is provided that includes a dielectric antenna cover (103) for introducing the attached high frequency (RF) and an antenna (102) attached to the inside thereof. A 13.56 MHz RF power source (115) is connected to the antenna (102), a necessary gas is introduced into the processing vessel from a plasma processing gas introduction pipe (109), and power from the RF power source is supplied to the antenna. The plasma (114) for plasma processing is excited by the introduction.

また、該処理容器内部には、金属製基材(105)が配置されるとともに、通電加熱用電源(107)に接続された通電加熱用電極(106)に、該金属製基材(105)を固定して、該金属製基材をジュール加熱できるように構成されている。
さらに、蒸気飛散防止装置(112)が前記金属製基材を覆って設けられている。
In addition, a metal base material (105) is disposed inside the processing container, and the metal base material (105) is connected to the current heating electrode (106) connected to the power source for current heating (107). Is fixed so that the metal substrate can be Joule-heated.
Furthermore, a vapor scattering prevention device (112) is provided so as to cover the metallic substrate.

本発明における蒸気飛散防止装置(112)は、金属製基材(105)の覆い(炭素賦活部材)であって、グラフェン合成用の金属製基材の蒸気をトラップすることにより、加熱した金属製基材の蒸発によりプラズマ源及びCVDチャンバー内壁(116)などに金属が付着するという問題を解決するとともに、基材からプラズマ発生源が直接見込めないようにして、プラズマからのイオン衝撃を抑制し、より結晶性の高いグラフェンを低温で短時間に形成することを可能とするものである。   The vapor scattering prevention device (112) according to the present invention is a cover (carbon activation member) for a metal substrate (105), and is made of a heated metal by trapping the vapor of the metal substrate for synthesizing graphene. In addition to solving the problem that metal adheres to the plasma source and the inner wall (116) of the CVD chamber due to evaporation of the base material, the plasma generation source is not expected directly from the base material, and ion bombardment from the plasma is suppressed, It is possible to form graphene with higher crystallinity at a low temperature in a short time.

前述のとおり、本発明における該蒸気飛散防止装置(112)は、金属製基材の蒸気をトラップするとともに、基材からプラズマ発生源が直接見込めないようにするものであればよく、その材質は特に限定されないが、ステンレス、銅、イリジウム、白金、ニッケル、アルミニウム、チタンなどの金属及びそれらの金属の炭素アロイを材質とするものが用いられる。   As described above, the vapor scattering prevention device (112) according to the present invention may be any device that traps the vapor of the metal base material and prevents the plasma generation source from being directly expected from the base material. Although it does not specifically limit, what uses metal, such as stainless steel, copper, iridium, platinum, nickel, aluminum, titanium, and the carbon alloy of those metals is used.

また、本発明においては、金属製基材は通電加熱されるので、蒸気飛散防止装置(炭素賦活部材)と接触して短絡しないように設置する必要がある。図1に示す実施形態では、蒸気飛散防止装置が処理容器(チャンバー)と同じ電位となるようにアース(図示せず)を施してある。   Further, in the present invention, the metal base material is energized and heated, so it is necessary to install it so as not to be short-circuited by contact with the vapor scattering prevention device (carbon activation member). In the embodiment shown in FIG. 1, the vapor scattering prevention device is grounded (not shown) so as to have the same potential as the processing container (chamber).

本発明における該蒸気飛散防止装置(112)の形状は、金属製基材の蒸気をトラップするとともに、基材からプラズマ発生源が直接見込めないように、金属製基材を覆うものであれば、特に限定されず、金属製基材の形状に合わせて、金属製基材の上方に、グラフェン成膜用の原料ガスから生成された炭素活性種を含む反応ガス(以下、単に「反応ガス」ということもある)が導入される空間を介して、設置されるものであり、平板状のものであっても、或いは、立体形状のものであってもよい。
例えば、金属製基材が四角形であれば、下向きコの字型の(=下向きに凹となる)形状体を、金属製基材の形状にあわせて上方に設置し、また、金属製基材が円形であれば、それに伴って円形の形状体を、その円形周縁部に下に凹となるような加工を施して、金属製基材の形状にあわせて上方に設置する。
また、金属製基材の面積が大きくなれば、それに伴って蒸気飛散防止装置の面積も大きくし、金属製基材からの蒸発を効率よくトラップできるように、蒸気飛散防止装置を最適な位置に設置する。
The shape of the vapor scattering prevention device (112) in the present invention is to trap the vapor of the metal base material and to cover the metal base material so that the plasma generation source cannot be directly expected from the base material, There is no particular limitation, and in accordance with the shape of the metal substrate, a reaction gas containing carbon active species generated from the raw material gas for graphene film formation (hereinafter simply referred to as “reaction gas”) above the metal substrate. May be installed through a space into which the material is introduced, and may be flat or three-dimensional.
For example, if the metal base material is a quadrangle, a downwardly U-shaped (= concave downward) shape body is set upward according to the shape of the metal base material, and the metal base material If the shape is circular, the circular shape body is processed so as to be recessed downward in the circular peripheral portion thereof, and is set upward according to the shape of the metal substrate.
In addition, as the area of the metal substrate increases, the area of the vapor scatter prevention device increases accordingly, and the vapor scatter prevention device is placed in an optimal position so that evaporation from the metal substrate can be efficiently trapped. Install.

図2は、金属製基材として四角形の基材を用いた場合における蒸気飛散防止装置(炭素賦活部材)の例を模式的に示す図であり、(a)は、金属製基材(105)の廻りに、加工を施していないステンレス板を配置した例を示している。また、(b)及び(c)は、該ステンレス板に、反応ガス導入用穴(118)としての矩形窓や小孔窓を加工したものを示している。
(a)〜(c)に示す例では、金属製基材上に反応ガスが導入されるように、ステンレス板の左右両側が開口となっているが、一方のみ開口としても良い。
FIG. 2 is a diagram schematically showing an example of a vapor scattering prevention device (carbon activation member) when a rectangular base material is used as the metal base material, and (a) shows a metal base material (105). The example which has arrange | positioned the stainless steel board which has not been processed around is shown. (B) and (c) show the stainless steel plate processed with a rectangular window or a small hole window as the reaction gas introduction hole (118).
In the examples shown in (a) to (c), the left and right sides of the stainless steel plate are opened so that the reaction gas is introduced onto the metal substrate, but only one of them may be opened.

本発明においては、蒸気飛散防止装置(ステンレス板)に開けられた矩形窓や小孔窓の位置とサイズの調整により、さらにグラフェン成膜用の炭素活性種の、金属製基材上への流れ及び金属製基材上での輸送制御と、金属製基材からの銅蒸気のトラップを制御することが可能である。   In the present invention, by adjusting the position and size of the rectangular window or small hole window opened in the vapor scattering prevention device (stainless steel plate), the flow of carbon active species for graphene film formation onto the metal substrate In addition, it is possible to control transport on the metal base material and to control trapping of copper vapor from the metal base material.

本発明において、蒸気飛散防止装置(炭素賦活部材)(112)と金属製基材(105)との距離は、金属製基材の面積や反応ガスの流れなどに依存すると推察され、特に限定されるものではない。
例えば、後述する実施例では、基材として、図4に示す、長さ50mm×幅20mmのタフピッチ銅箔を使用し、蒸気飛散防止装置(炭素賦活部材)として、図2(a)に示すステンレス板(112)を用いた場合、両者の距離は、5mm〜50mm、好ましくは5mm〜20mmである。
In the present invention, the distance between the vapor scattering prevention device (carbon activation member) (112) and the metal substrate (105) is presumed to depend on the area of the metal substrate, the flow of the reaction gas, etc., and is particularly limited. It is not something.
For example, in the examples described later, a tough pitch copper foil having a length of 50 mm and a width of 20 mm shown in FIG. 4 is used as a base material, and a stainless steel shown in FIG. 2A is used as a vapor scattering prevention device (carbon activation member). When the plate (112) is used, the distance between them is 5 mm to 50 mm, preferably 5 mm to 20 mm.

本発明のグラフェン膜の製造装置は、プラズマ生成装置により生成された荷電粒子や電子のエネルギーにより炭素源を活性化し、金属製基材上にグラフェン膜を生成するものであって、炭素源として、外部からプラズマ処理用原料ガス導入管(109)を介して処理容器(110)中に供給されるメタンなどの原料ガス、あるいは、基材に含まれている炭素成分、あるいは、処理容器内に付着した微量の炭素成分、などが用いられる。   The apparatus for producing a graphene film of the present invention activates a carbon source by the energy of charged particles or electrons generated by a plasma generation apparatus, and generates a graphene film on a metal substrate, and as a carbon source, Material gas such as methane supplied into the processing vessel (110) through the plasma processing source gas introduction pipe (109) from the outside, or a carbon component contained in the substrate, or adheres to the processing vessel A trace amount of carbon component is used.

本発明のグラフェン膜の製造装置によれば、従来の熱CVD法や樹脂炭化法、さらにプラズマ処理を利用するグラフェンの合成法と比較して、短時間で結晶品質の高いグラフェン形成が可能である。
また、本発明の装置によりグラフェンを成長させて、金属製基材にグラフェンが積層した積層体を形成した後、該金属製基材からグラフェン積層体を剥離することで、グラフェン透明導電膜を得ることもできる。さらにこれをポリエチレンテレフタレート(PET)などの透明フィルムに転写することにより、透明導電フィルムを得ることもできる。
According to the graphene film manufacturing apparatus of the present invention, it is possible to form graphene with high crystal quality in a short time compared to the conventional thermal CVD method, resin carbonization method, and graphene synthesis method using plasma treatment. .
Moreover, after growing graphene with the apparatus of the present invention to form a laminate in which graphene is laminated on a metal substrate, the graphene laminate is peeled from the metal substrate to obtain a graphene transparent conductive film You can also. Furthermore, a transparent conductive film can also be obtained by transferring this onto a transparent film such as polyethylene terephthalate (PET).

本発明の製造装置を用いてグラフェン膜を製造する際の金属製基材としては、銅、イリジウム、金又は白金、あるいはこれらの金属のいずれかとの炭素アロイ等が好ましく用いられ、特に、タフピッチ銅箔又は電解銅箔等が好ましく用いられる。
また、本発明の製造装置を用いてグラフェン膜を製造する際の金属製基材は、平滑であることが望ましく、平均表面粗さRaが、200〜0.095nmであることが望ましい。
As the metal substrate for producing the graphene film using the production apparatus of the present invention, copper, iridium, gold or platinum, or a carbon alloy with any of these metals is preferably used. A foil or an electrolytic copper foil is preferably used.
Moreover, it is desirable that the metal base material when producing the graphene film using the production apparatus of the present invention is smooth, and the average surface roughness Ra is 200 to 0.095 nm.

本発明で用いる基材加熱の条件としては、基材温度を850℃以下とすることが好ましい。銅箔を基材に用いる場合、基材の軟化による表面形状の変化を抑えるために、加熱はゆっくりと行うのが望ましい。例えば、30℃/分くらいで昇温すると基材の損傷は抑えられる。しかしながら、グラフェンが合成される昇温速度はこの限りでない。
また、金属製基材の酸化を防ぐために、減圧下で加熱するか、水素もしくは水素と不活性ガスの混合ガスを含む減圧下で加熱することが重要である。圧力は、10Pa以下であることが望ましい。不活性ガスとしてはヘリウム、ネオン、アルゴン等が包含される。
加熱方法は、特に限定されないが、加熱温度の制御が容易であることから通電加熱が好ましい。
As conditions for heating the substrate used in the present invention, the substrate temperature is preferably 850 ° C. or lower. When using copper foil as a substrate, it is desirable to perform heating slowly in order to suppress changes in the surface shape due to softening of the substrate. For example, if the temperature is raised at about 30 ° C./min, damage to the substrate can be suppressed. However, the heating rate at which graphene is synthesized is not limited to this.
In order to prevent oxidation of the metal substrate, it is important to heat under reduced pressure or under reduced pressure containing hydrogen or a mixed gas of hydrogen and an inert gas. The pressure is desirably 10 Pa or less. Inert gases include helium, neon, argon, and the like.
The heating method is not particularly limited, but current heating is preferable because it is easy to control the heating temperature.

本発明のグラフェン透明導電膜の製造装置を用いたプラズマ処理は、減圧下において水素ガスを用いたプラズマ処理であればよく、高周波誘導結合プラズマ処理、容量結合高周波プラズマ処理、マイクロ波表面波プラズマ処理、マイクロ波プラズマ処理、又は直流プラズマ処理などを用いることができる。
これらのプラズマ電源は、高周波、マイクロ波、直流電源などを用いたもので、一定の圧力の原料ガスを放電し、プラズマ状態にすると化学的に活性なイオンやラジカル(励起原子・分子)が生成される。プラズマCVD技術は、プラズマ中で生成された活性な粒子が基材表面での化学反応を促進し薄膜を低温で形成できる技術である。一方、熱CVD技術は、触媒活性を有する基材にガスが高温で接触し、はじめて分解するものであり、触媒活性がない基材の場合は、さらに高温でのガスの熱分解温度が必要となる。このため、一般的に熱CVD技術は、プラズマCVD技術にくらべ、高温プロセスとなる。
The plasma treatment using the graphene transparent conductive film manufacturing apparatus of the present invention may be a plasma treatment using hydrogen gas under reduced pressure, such as a high frequency inductively coupled plasma treatment, a capacitively coupled high frequency plasma treatment, or a microwave surface wave plasma treatment. , Microwave plasma treatment, DC plasma treatment, or the like can be used.
These plasma power supplies use high-frequency, microwave, DC power supplies, etc., and discharge a source gas at a constant pressure to generate chemically active ions and radicals (excited atoms / molecules). Is done. The plasma CVD technique is a technique in which active particles generated in plasma promote a chemical reaction on the surface of a substrate to form a thin film at a low temperature. On the other hand, in the thermal CVD technique, gas contacts with a substrate having catalytic activity at a high temperature and decomposes for the first time. In the case of a substrate having no catalytic activity, the pyrolysis temperature of the gas at a higher temperature is required. Become. For this reason, the thermal CVD technique is generally a high-temperature process as compared with the plasma CVD technique.

金属製基材の表面形状を変化することなく、かつ、金属の蒸発を生じることなくグラフェン透明導電膜を形成するためには、金属の融点より十分低い温度になるように基材に加熱を施すと共に、プラズマ処理を行う必要がある。例えば、銅箔基材の場合、銅の融点(1085℃)より十分低温において処理することが必要である。   In order to form a graphene transparent conductive film without changing the surface shape of the metal substrate and without causing metal evaporation, the substrate is heated to a temperature sufficiently lower than the melting point of the metal. At the same time, it is necessary to perform plasma treatment. For example, in the case of a copper foil substrate, it is necessary to perform the treatment at a temperature sufficiently lower than the melting point of copper (1085 ° C.).

通常のマイクロ波プラズマ処理は、圧力2×103〜1×104Paで行われる。この圧力ではプラズマが拡散しにくく、プラズマが狭い領域に集中するため、プラズマ内の中性ガスの温度が1000℃以上になる。そのため、銅箔基材の温度が局所的に高温となり、銅箔表面からの銅の蒸発が大きくなり、グラフェンの作製に適用できない。また、プラズマ領域を均一に広げるには限界があり、大面積に均一性の高いグラフェンの形成が困難である。
したがって、成膜中の銅箔基材の温度を低く保ち、かつ大面積に均一性の高いグラフェン透明導電膜を形成するには、より低圧でのプラズマ処理により、プラズマ中の活性種の平均自由行程が長くなり基材への活性な炭素ラジカル、水素ラジカルなどを容易に輸送することが可能となる。プラズマ処理の条件として、圧力は50Pa以下であり、好ましくは2〜50Pa、さらに好ましくは3〜10Paが用いられる。
Normal microwave plasma treatment is performed at a pressure of 2 × 10 3 to 1 × 10 4 Pa. At this pressure, the plasma is difficult to diffuse and the plasma concentrates in a narrow region, so that the temperature of the neutral gas in the plasma becomes 1000 ° C. or higher. Therefore, the temperature of a copper foil base material becomes high temperature locally, and copper evaporation from a copper foil surface becomes large, and cannot be applied to the production of graphene. In addition, there is a limit to uniformly expanding the plasma region, and it is difficult to form highly uniform graphene over a large area.
Therefore, in order to keep the temperature of the copper foil substrate during film formation low and to form a highly uniform graphene transparent conductive film over a large area, the mean free of active species in the plasma can be reduced by plasma treatment at a lower pressure. The process becomes longer, and it becomes possible to easily transport active carbon radicals, hydrogen radicals and the like to the substrate. As the conditions for the plasma treatment, the pressure is 50 Pa or less, preferably 2 to 50 Pa, more preferably 3 to 10 Pa.

本発明では、好ましくは、102Pa以下でも安定にプラズマを発生・維持することが可能な高周波プラズマ処理またはマイクロ波プラズマ処理が用いられる。 In the present invention, high-frequency plasma processing or microwave plasma processing that can stably generate and maintain plasma even at 10 2 Pa or less is preferably used.

以下、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated based on an Example, this invention is not limited to this Example.

(ラマン分光測定方法)
以下に記載する検証例及び実施例においては、ラマン散乱分光スペクトルの測定を行った。測定装置は(株)堀場製作所製XploRA型機であり、励起用レーザーの波長は638nm、レーザービームのスポットサイズは直径1μm、分光器のグレーティングは600本、レーザー源の出力は9.8mWで、減光器は使用しなかった。アパーチャーは300μm、スリットは100μm、対物レンズは100倍とした。露光時間は5秒間で5回の測定を積算してスペクトルを得た。
2Dバンド、Gバンド、Dバンド、およびD’バンドのピーク位置は、グラフェン膜の層数やラマン散乱分光スペクトルの測定時のレーザーの励起波長に依存することが非特許文献(L.M.Malard,M.A.Pimenta,G.Dresselhaus and M.S.Dresselhaus, Physics Reports 473 (2009) 51-87)等で示されている。例えば、励起波長514.5nmのレーザーによる単層グラフェン膜の場合、2Dバンド、Gバンド、Dバンド、およびD’バンドのピーク位置は、2700cm-1、1582cm-1、1350cm-1、1620cm-1付近である。Gバンドは正常六員環によるもので、2DバンドはDバンドの倍音によるものである。またDバンドは正常六員環の欠陥に起因するピークである。また、D’バンドも欠陥から誘起されるピークであり、数層から数十層程度のグラフェンの端の部分に起因するものと考えられる(G.Cancado, M.A.Pimenta, B.R.A.Neves,M.S.S.Dantas, A.Jorio,Phys.Rev.Lett. 93(2004)pp.247401_1-4.参照)。ラマン散乱分光スペクトルにGバンドと2Dバンドの両方のピークが観測される場合、膜はグラフェンであると同定される(非特許文献3参照)。一般的に、グラフェンの層数が増えると2Dバンドは高波数側にシフトすること、半値幅が広がることが知られている。さらに、レーザーの励起波長が短くなると、2Dバンドは高波数側にシフトする。
(Raman spectroscopy measurement method)
In the verification examples and examples described below, the Raman scattering spectrum was measured. The measuring device is an XploRA type machine manufactured by HORIBA, Ltd., the excitation laser wavelength is 638 nm, the laser beam spot size is 1 μm in diameter, the spectrometer grating is 600, the laser source output is 9.8 mW, A dimmer was not used. The aperture was 300 μm, the slit was 100 μm, and the objective lens was 100 times. The exposure time was 5 seconds, and 5 measurements were integrated to obtain a spectrum.
Non-patent literature (LMMalard, MAPimenta, G) that the peak positions of the 2D band, G band, D band, and D ′ band depend on the number of layers of the graphene film and the excitation wavelength of the laser when measuring the Raman scattering spectrum. Dresselhaus and MSDresselhaus, Physics Reports 473 (2009) 51-87). For example, in the case of a single-layer graphene film using a laser with an excitation wavelength of 514.5 nm, the peak positions of the 2D band, the G band, the D band, and the D ′ band are 2700 cm −1 , 1582 cm −1 , 1350 cm −1 , and 1620 cm −1. It is near. The G band is due to the normal six-membered ring, and the 2D band is due to the overtone of the D band. The D band is a peak due to a defect in a normal six-membered ring. The D 'band is also a peak induced by defects, and is thought to be caused by the edge of graphene consisting of several to tens of layers (G. Cancado, MAPimenta, BRANeves, MSSDantas, A. Jorio, Phys. Rev. Lett. 93 (2004) pp. 247401_1-4.). When both G band and 2D band peaks are observed in the Raman scattering spectrum, the film is identified as graphene (see Non-Patent Document 3). In general, it is known that as the number of graphene layers increases, the 2D band shifts to the higher wavenumber side and the half-value width increases. Furthermore, when the excitation wavelength of the laser becomes shorter, the 2D band shifts to the higher wavenumber side.

(銅箔前処理方法)
図3は、市販の防錆剤が塗布された銅箔を模式的に示す図である。図に示すように、市販の銅箔は、薄く塗布された防錆膜(201)と、母材の銅箔(202)により構成されている。本発明においては、母材の銅箔(202)に塗布された防錆膜(201)を希酸により除去した銅箔を基材として用いた。防錆膜としてベンゾトリアゾール(BTA)などの有機膜や亜鉛皮膜などの無機膜などがあり、希酸としては硫酸などがある。
処理手順は以下のとおりである。
(Copper foil pretreatment method)
FIG. 3 is a diagram schematically showing a copper foil coated with a commercially available rust preventive agent. As shown in the figure, a commercially available copper foil is composed of a thinly coated rust preventive film (201) and a base material copper foil (202). In the present invention, a copper foil obtained by removing the rust preventive film (201) applied to the base copper foil (202) with a dilute acid was used as a base material. Examples of the rust preventive film include an organic film such as benzotriazole (BTA), an inorganic film such as a zinc film, and the diluted acid includes sulfuric acid.
The processing procedure is as follows.

市販の銅箔から防錆膜を除去する方法を説明する。銅箔は厚さ6.3ミクロンのタフピッチ銅箔(JX日鉱日石金属製)であり、BTAに代表される有機物で防錆処理されている。
まず銅箔を通電加熱に適した形状に加工した(図4参照)。加工後の大きさは、長さ50mm×幅20mmである。BTAの除去方法は、特開2002−97587号公報などにも記載されているが、希酸に浸漬することにより、容易に除去できることが知られている。また、その除去の確認はX線光電子分光法を用い、BTAに含まれる窒素の検出有無により確認することができる。本実施例では、濃硫酸(和光純薬工業製、H2SO4)5ccを純水で100ccに希釈し、5%希硫酸を作製し、これを防錆処理剤除去液とした。この中に、加工した銅箔基材を60秒浸漬し、表面の防錆材を除去した。純水で十分に洗浄した後、完全に乾燥させ、成膜用の銅箔基材(202)を作製した。
A method for removing the rust preventive film from the commercially available copper foil will be described. The copper foil is a 6.3 micron thick tough pitch copper foil (manufactured by JX Nippon Mining & Metals) and is rust-proofed with an organic material typified by BTA.
First, the copper foil was processed into a shape suitable for electric heating (see FIG. 4). The size after processing is 50 mm long × 20 mm wide. A method for removing BTA is also described in JP-A-2002-97587 and the like, but it is known that it can be easily removed by dipping in dilute acid. Moreover, the confirmation of the removal can be confirmed by the presence or absence of detection of nitrogen contained in BTA using X-ray photoelectron spectroscopy. In this example, 5 cc of concentrated sulfuric acid (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., H 2 SO 4 ) was diluted to 100 cc with pure water to prepare 5% diluted sulfuric acid, which was used as a rust inhibitor treatment liquid. In this, the processed copper foil base material was immersed for 60 seconds, and the surface antirust material was removed. After thoroughly washing with pure water, it was completely dried to produce a copper foil base material (202) for film formation.

以下の実施例においては、図1に示すグラフェン膜の製造装置を用い、処理容器(110)の内部に設けられた、基材通電加熱用電極(106)に、金属製基材(105)としてタフピッチ銅箔を固定し、通電加熱とプラズマ処理を行った。金属通電加熱用電極(106)には電圧計(113)を接続し、通電加熱の際の金属基材両端の電圧と通電加熱用電源(107)で供給する電流から金属基材の電気抵抗を算出し、電気抵抗の温度依存性から温度を算出した。さらに通電加熱用電源(107)から供給する電流を制御することにより、金属基材の温度を所望の値に設定した。   In the following examples, using the graphene film manufacturing apparatus shown in FIG. 1, the base material energization heating electrode (106) provided inside the processing vessel (110) is used as a metal base material (105). A tough pitch copper foil was fixed, and energization heating and plasma treatment were performed. A voltmeter (113) is connected to the metal current heating electrode (106), and the electric resistance of the metal base material is determined from the voltage at both ends of the metal base material during current heating and the current supplied by the current heating power source (107). The temperature was calculated from the temperature dependence of the electrical resistance. Furthermore, the temperature of the metal substrate was set to a desired value by controlling the current supplied from the power supply for electric heating (107).

また、蒸気飛散防止装置(112)として、図2(a)に示す形状のステンレス板(基材の長手方向の長さ50mm×幅40mm×高さ25mm)を用いて、基材であるタフピッチ銅箔を覆った。基材は通電加熱されるので、ステンレス板と接触して短絡しないように注意した。ステンレス板はチャンバーと同じ電位となるようにアースを施した。ステンレス板とタフピッチ銅箔との距離は15mmである。   Further, as the vapor scattering prevention device (112), a tough pitch copper as a base material is formed using a stainless steel plate (length in the longitudinal direction of the base material: 50 mm × width 40 mm × height 25 mm) as shown in FIG. Covered the foil. Since the substrate was heated by energization, care was taken not to contact the stainless steel plate and short circuit. The stainless steel plate was grounded so as to have the same potential as the chamber. The distance between the stainless steel plate and the tough pitch copper foil is 15 mm.

(比較実験:通電加熱のみ、プラズマ点火なし)
1)タフピッチ銅箔を5wt% H2SO4に1分間浸し、イオン交換水で洗浄後、窒素で乾燥した。
2)銅箔基材をステンレス板で覆った「ステンレス板有り」で設置し、通電加熱のみで銅基材を650℃、H2 100sccm、1Pa以下で10分間のアニール(加熱)処理を行うことにより、タフピッチ銅箔に、平均表面粗さ(Ra)10nm以下の平坦性を付与するとともに、銅のグレインサイズの増大を図った。
3)引き続き、通電加熱(10〜12W)のみで、銅箔基材をステンレス板で覆った基材を850℃に保ち、水素流量100sccm、メタン流量0.2sccm、圧力5Paで、グラフェンの成膜を行った。成膜時間は、20分間とし、通電加熱を止めて、室温に戻しラマン分光で測定した。図5に成膜後のラマンスペクトルを示した。1000cm-1〜3000cm-1の範囲に全く信号が観測されずグラフェンが形成されなかった。この結果、850℃での通電加熱のみでメタンを銅基材上で分解し、かつ炭素活性種を短時間に拡散させグラフェンを成長させることが出来ないことが判明した。
(Comparative experiment: only energization heating, no plasma ignition)
1) A tough pitch copper foil was immersed in 5 wt% H 2 SO 4 for 1 minute, washed with ion exchange water, and then dried with nitrogen.
2) Install the copper foil base material with “stainless steel plate” covered with a stainless steel plate, and subject the copper base material to annealing (heating) for 10 minutes at 650 ° C., H 2 100 sccm, 1 Pa or less only by energization heating. As a result, the tough pitch copper foil was imparted with a flatness having an average surface roughness (Ra) of 10 nm or less, and the grain size of the copper was increased.
3) Subsequently, only by energization heating (10 to 12 W), the base material in which the copper foil base material is covered with the stainless steel plate is kept at 850 ° C., the hydrogen flow rate is 100 sccm, the methane flow rate is 0.2 sccm, and the pressure is 5 Pa. Went. The film formation time was 20 minutes, the energization heating was stopped, the temperature was returned to room temperature, and measured by Raman spectroscopy. FIG. 5 shows the Raman spectrum after film formation. Graphene is not observed at all signals in the range of 1000cm -1 ~3000cm -1 was not formed. As a result, it has been found that graphene cannot be grown by decomposing methane on a copper substrate only by current heating at 850 ° C. and diffusing carbon active species in a short time.

(実施例1)
以下の実施例では、プラズマ処理(13.56MHz)と金属製基材の通電加熱処理との併用によるグラフェン合成において、金属製基材を覆うステンレス板の有無による違いを調べるために、以下の成膜実験を「ステンレス板有り」および「ステンレス板無し」で行った。
Example 1
In the following examples, in order to investigate the difference depending on the presence or absence of the stainless steel plate covering the metal substrate in the graphene synthesis by the combined use of the plasma treatment (13.56 MHz) and the electric heating treatment of the metal substrate, the following components are used. Membrane experiments were conducted with “with stainless steel plate” and “without stainless steel plate”.

1)タフピッチ銅箔を5wt% H2SO4に1分間浸し、イオン交換水で洗浄後、窒素で乾燥した。
2)通電加熱のみで基材を650℃、H2 100sccm、1Pa以下で10分間のアニール(加熱)処理を行うことにより、タフピッチ銅箔に、平均表面粗さ(Ra)10nm以下の平坦性を付与するとともに、銅のグレインサイズの増大を図った。
3)引き続き、通電加熱(10〜12W)をしながら基材を950℃に保ち、水素流量100sccm、メタン流量0.2sccm、圧力5Paでプラズマ処理(1100W)により、グラフェンの成膜時間は、10分間とし、プラズマと通電加熱を止めて、室温に戻した。ステンレス板の有無によるグラフェン膜の結晶品質の違いをラマン分光で測定した。また成膜後に誘電体窓(石英窓あるいはアルミナ窓)(103)に銅箔の蒸発による銅の付着があるかどうかを目視により確認した。
1) A tough pitch copper foil was immersed in 5 wt% H 2 SO 4 for 1 minute, washed with ion exchange water, and then dried with nitrogen.
2) By performing an annealing (heating) treatment for 10 minutes at 650 ° C., H 2 100 sccm, 1 Pa or less only by electric heating, the tough pitch copper foil has a flatness with an average surface roughness (Ra) of 10 nm or less. At the same time, the grain size of copper was increased.
3) Subsequently, the base material is kept at 950 ° C. while conducting heating (10 to 12 W), and plasma treatment (1100 W) is performed at a hydrogen flow rate of 100 sccm, a methane flow rate of 0.2 sccm, and a pressure of 5 Pa. Minutes, plasma and electric heating were stopped, and the temperature was returned to room temperature. The difference in crystal quality of the graphene film with and without the stainless steel plate was measured by Raman spectroscopy. Further, after film formation, it was visually confirmed whether or not there was adhesion of copper to the dielectric window (quartz window or alumina window) (103) due to evaporation of the copper foil.

[ステンレス板(炭素賦活部材)有り]
銅箔基材(105)をステンレス板(112)で覆った、前記の「ステンレス板有り」で、グラフェンを成膜した後、誘電体アンテナカバー(103)(幅110mm×高さ60mm)を目視により確認したところ、銅箔の蒸発による銅の付着はまったく見られなかった。一方、ステンレス板の内側には、側面を含めてすべての面に銅の付着が観測された。さらに、ステンレス板の外側の、プラズマに対面した側には、銅の付着はまったく観測されなかった。
[With stainless steel plate (carbon activation member)]
After coating the copper foil base material (105) with a stainless steel plate (112) and forming a graphene film with the “stainless steel plate”, the dielectric antenna cover (103) (width 110 mm × height 60 mm) was visually observed. As a result, no copper adhesion due to evaporation of the copper foil was observed. On the other hand, on the inside of the stainless steel plate, copper adhesion was observed on all surfaces including the side surface. Furthermore, no copper adhesion was observed on the outside of the stainless steel plate on the side facing the plasma.

銅箔基材をステンレス板で覆った、「ステンレス板有り」で成膜したグラフェンのラマン散乱分光測定を行った。図4に示した銅箔基材の中心部(16mm×16mm)に成膜されたグラフェンのラマン散乱分光スペクトルの例を図6に示す。測定は合成されたグラフェンが銅箔基材に積層された状態で、図7に示すように16mm×16mmの試料の5か所について行った。図6及び図7の基材の位置のそれぞれのラマンスペクトルより2Dバンドの半値全幅(FWHM)、2DバンドとGバンドの強度比(I(2D)/I(G))、DバンドとGバンドの強度比(I(D)/I(G))を表1にまとめた。これらの結果から基材上のグラフェンは、ほとんど2層グラフェンであることが、非特許文献6より分かる。   A Raman scattering spectroscopic measurement was performed on graphene formed by coating a copper foil base material with a stainless steel plate and “with a stainless steel plate”. FIG. 6 shows an example of the Raman scattering spectrum of graphene formed on the central part (16 mm × 16 mm) of the copper foil base material shown in FIG. The measurement was performed on five places of a 16 mm × 16 mm sample as shown in FIG. 7 in a state where the synthesized graphene was laminated on the copper foil base material. 6 and FIG. 7 from the respective Raman spectra of the substrate position, the full width at half maximum (FWHM) of the 2D band, the intensity ratio of the 2D band to the G band (I (2D) / I (G)), the D band and the G band Table 1 summarizes the intensity ratio (I (D) / I (G)). From these results, it can be seen from Non-Patent Document 6 that the graphene on the substrate is almost two-layer graphene.

Figure 2016023128
Figure 2016023128

グラフェンのラマン散乱分光による評価で重要なバンドは、2Dバンド(2665cm-1)、Gバンド(1598cm-1)、Dバンド(1342cm-1)、およびD’バンド(1625cm-1)である。ラマン散乱分光スペクトルにGバンドと2Dバンドの両方のピークが観測される場合、膜はグラフェンであると同定される(非特許文献3参照)。またDバンドは正常六員環の欠陥に起因するピークである。したがって、Dバンドの強度で大きいほどグラフェンの結晶品質が悪いと考えられる。
図6では、測定した5か所すべてでGバンドと2Dバンドの両方のピークが観測されており、したがって、本発明で形成された膜はグラフェンであり、表1と非特許文献6から2層グラフェンであることが明らかである。また、測定した5か所すべてでDバンドはほとんど観測されていないので、結晶性がたいへん良好な2層グラフェンが合成されたことがわかる。
Bands important for the evaluation of graphene by Raman scattering spectroscopy are a 2D band (2665 cm −1 ), a G band (1598 cm −1 ), a D band (1342 cm −1 ), and a D ′ band (1625 cm −1 ). When both G band and 2D band peaks are observed in the Raman scattering spectrum, the film is identified as graphene (see Non-Patent Document 3). The D band is a peak due to a defect in a normal six-membered ring. Therefore, it is considered that the crystal quality of graphene is worse as the intensity of the D band is larger.
In FIG. 6, the peaks of both the G band and the 2D band are observed at all five measured points. Therefore, the film formed in the present invention is graphene, and two layers from Table 1 and Non-Patent Document 6 are shown. It is clear that it is graphene. In addition, since almost no D band was observed at all five measured locations, it was found that bilayer graphene with very good crystallinity was synthesized.

[ステンレス板無し]
銅箔基材をステンレス板で覆わず、「ステンレス板無し」でグラフェンを成膜した後、誘電体窓(103)及びチャンバー壁を目視により確認したところ、銅箔の蒸発による誘電体窓(103)及びチャンバー内壁に銅の付着による変色が確認された。このことから、銅箔基材をステンレス板で覆った「ステンレス板有り」での成膜において、銅からの蒸発をステンレス板内側に極めて効率的にトラップし、プラズマ発生部の誘電体窓の銅の付着、並びにチャンバー内壁への銅の付着を殆どゼロにした。以上のことからステンレス板の銅蒸気トラップの有効性を明らかにした。
[No stainless steel plate]
After the graphene film was formed without coating the stainless steel plate with the stainless steel plate and without the stainless steel plate, the dielectric window (103) and the chamber wall were visually confirmed. ) And discoloration due to copper adhesion on the inner wall of the chamber was confirmed. For this reason, in film formation with a “stainless steel plate” where the copper foil base material is covered with a stainless steel plate, the evaporation from the copper is trapped extremely efficiently inside the stainless steel plate, and the copper of the dielectric window of the plasma generating unit is trapped. The adhesion of copper and the adhesion of copper to the inner wall of the chamber were made almost zero. From the above, the effectiveness of the stainless steel copper vapor trap was clarified.

銅箔基材をステンレス板で覆わない、「ステンレス板無し」で成膜したグラフェンのラマン散乱分光測定を行った。測定したグラフェンのラマン散乱分光スペクトルの例を図8に示す。ラマンスペクトルにより2Dバンドの半値全幅、2D/G比、D/G比を表2に示した。非特許文献6より、基材上全面に2層グラフェンが形成されていることが判明した。測定は合成されたグラフェンが銅箔基材に積層された状態で、前記の図7に示したと同じ5か所について行った。   The Raman scattering spectroscopic measurement of the graphene formed without forming the copper foil base material with the stainless steel plate and “without the stainless steel plate” was performed. An example of the measured Raman scattering spectrum of graphene is shown in FIG. The full width at half maximum of the 2D band, 2D / G ratio, and D / G ratio are shown in Table 2 by Raman spectrum. Non-Patent Document 6 reveals that two-layer graphene is formed on the entire surface of the substrate. The measurement was performed at the same five locations as shown in FIG. 7 in a state where the synthesized graphene was laminated on the copper foil base material.

Figure 2016023128
Figure 2016023128

図8では、測定した5か所すべてでGバンドと2Dバンドの両方のピークが観測されており、したがって、本発明で形成された膜はグラフェンであることが明らかである。また、測定した5か所すべてでDバンドが観測された。したがって、「ステンレス板無し」で合成したグラフェンは「ステンレス板有り」で合成したグラフェンと比較して、結晶品質が明らかに劣ることが分かった。   In FIG. 8, the peaks of both the G band and the 2D band are observed at all five measured points, and thus it is clear that the film formed by the present invention is graphene. In addition, D bands were observed at all five measured locations. Therefore, it was found that the graphene synthesized without “stainless steel plate” was clearly inferior in crystal quality as compared with the graphene synthesized with “stainless steel plate”.

(実施例2)
本実施例では、温度を800℃、成膜時間を20分とする以外は、実施例1と同様に、以下の実験をおこなった。
1)タフピッチ銅箔を5wt% H2SO4に1分間浸し、イオン交換水で洗浄後、窒素で乾燥した。
2)通電加熱のみで基材を650℃、H2 100sccm、1Pa以下で10分間のアニール(加熱)処理を行うことにより、タフピッチ銅箔に、平均表面粗さ(Ra)10nm以下の平坦性を付与するとともに、銅のグレインサイズの増大を図った。
3)引き続き、通電加熱(10〜12W)をしながら基材を800℃に保ち、水素流量100sccm、メタン流量0.2sccm、圧力5Paでプラズマ処理(1100W)により、グラフェンの成膜時間は、20分間とし、プラズマと通電加熱を止めて、室温に戻した。ステンレス板で覆った時に欠陥を全く含まないグラフェン膜が得られた。そのラマンスペクトルを図9に示した。
また成膜後に誘電体窓(石英窓あるいはアルミナ窓)(103)あるいはチャンバーの内壁(115)に銅箔の蒸発による銅の付着があるかどうかを目視により銅の付着がないことを確認した。
(Example 2)
In this example, the following experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that the temperature was 800 ° C. and the film formation time was 20 minutes.
1) A tough pitch copper foil was immersed in 5 wt% H 2 SO 4 for 1 minute, washed with ion exchange water, and then dried with nitrogen.
2) By performing an annealing (heating) treatment for 10 minutes at 650 ° C., H 2 100 sccm, 1 Pa or less only by electric heating, the tough pitch copper foil has a flatness with an average surface roughness (Ra) of 10 nm or less. At the same time, the grain size of copper was increased.
3) Subsequently, the substrate was kept at 800 ° C. while conducting heating (10 to 12 W), and plasma treatment (1100 W) was performed at a hydrogen flow rate of 100 sccm, a methane flow rate of 0.2 sccm, and a pressure of 5 Pa. Minutes, plasma and electric heating were stopped, and the temperature was returned to room temperature. A graphene film containing no defects was obtained when covered with a stainless steel plate. The Raman spectrum is shown in FIG.
Further, after film formation, it was confirmed that there was no copper adhesion on the dielectric window (quartz window or alumina window) (103) or the inner wall (115) of the chamber by visual observation as to whether there was copper adhesion due to evaporation of the copper foil.

ラマン散乱分光スペクトルにGバンドと2Dバンドの両方のピークが観測される場合、膜はグラフェンであると同定される(非特許文献3参照)。
図9では、測定した5か所すべてでGバンドと2Dバンドの両方のピークが観測されており、したがって、本発明で形成された膜はグラフェンであり、さらに表3に示した2Dバンドの半値全幅(FWHM)は、24.6cm-1〜32.4cm-1の範囲にあり、2DバンドとGバンドの比が、2.2〜3.8となり、非特許文献(L. M. Malard,M. A. Pimenta,G.Dresselhaus and M. S. Dresselhaus, Physics Reports 473 (2009) 51-87及びA. C. Ferrari, J. C. Meyer, V. Scardaci, C. Casiraghi, M. Lazzeri et al., Phys. Rev. Lett. 97 (2006) 187401)からこれらは、単層グラフェンであることが明らかである。また、測定した5か所すべてでDバンドは観測されていないので、結晶性がたいへん良好な単層グラフェンが合成されたことがわかる。このことから、[0044]に記載した850℃での通電加熱のみでは、銅箔上に活性な炭素を輸送してグラフェンを形成することは出来なかったが、本実施例2において、通電加熱とプラズマCVDとの併用により、800℃の低温条件においても銅箔上に活性な炭素を輸送・拡散し、高品質の単層グラフェンを基材全面に成膜できることを明らかにした。
When both G band and 2D band peaks are observed in the Raman scattering spectrum, the film is identified as graphene (see Non-Patent Document 3).
In FIG. 9, the peaks of both the G band and the 2D band are observed at all five measured points. Therefore, the film formed in the present invention is graphene, and the half value of the 2D band shown in Table 3 is shown in Table 3. overall width (FWHM) is in the range of 24.6cm -1 ~32.4cm -1, the ratio of the 2D band and G band, becomes 2.2 to 3.8, non-patent document (LM Malard, MA Pimenta, G. Dresselhaus and MS Dresselhaus, Physics Reports 473 (2009) 51-87 and AC Ferrari, JC Meyer, V. Scardaci, C. Casiraghi, M. Lazzeri et al., Phys. Rev. Lett. 97 (2006) 187401) From these, it is clear that these are single-layer graphene. In addition, since no D band was observed at all five measured positions, it was found that single-layer graphene with very good crystallinity was synthesized. From this, it was not possible to form graphene by transporting active carbon on the copper foil only by the current heating at 850 ° C. described in [0044]. It was clarified that high-quality single-layer graphene can be formed on the entire surface of the substrate by transporting and diffusing active carbon on the copper foil even at a low temperature condition of 800 ° C. by using in combination with plasma CVD.

Figure 2016023128
Figure 2016023128

[シート抵抗測定及び透過率測定]
(実施例2で成膜したグラフェンのシート抵抗)
図10は、基材の各点についてのシート抵抗を測定したものである。基材サイズは、11mm×11mmの試料で5か所についてのシート抵抗の測定を行った。シート抵抗の平均値は、696Ω/□で、550nmにおける膜の透過率は、97.7%であった。この透過率の値は、単層グラフェンに対してR.R.Nair et al.,Science320(2008)1308で報告されている値に一致した。このことから、800℃でジュール加熱とプラズマCVDとの併用および銅箔基材の廻りにステンレス板の覆いを設けることにより、銅蒸気の飛散を防止し、欠陥を有せず、高品質単層グラフェンの合成に成功した。
[Sheet resistance measurement and transmittance measurement]
(Sheet resistance of graphene formed in Example 2)
FIG. 10 shows the sheet resistance measured for each point of the substrate. As for the substrate size, the sheet resistance was measured at five locations on a sample of 11 mm × 11 mm. The average value of the sheet resistance was 696 Ω / □, and the transmittance of the film at 550 nm was 97.7%. This transmittance value was consistent with the value reported in RRNair et al., Science 320 (2008) 1308 for single layer graphene. Therefore, by using a combination of Joule heating and plasma CVD at 800 ° C. and providing a cover of a stainless steel plate around the copper foil base material, copper vapor can be prevented from scattering, and there is no defect. We succeeded in synthesizing graphene.

本発明のグラフェン膜の製造装置は、低温で短時間に結晶品質の高いグラフェンを形成することができるため、タッチパネル用途等の透明導電膜、トランジスタや集積回路等の半導体デバイスまたは電子デバイス、広面積を必要とする透明電極や電気化学電極、バイオデバイスなどのグラフェンを用いるあらゆるデバイスや機器、応用製品への利用が可能であり、非常に重要な技術である。   The graphene film manufacturing apparatus of the present invention can form graphene with high crystal quality in a short time at a low temperature. Therefore, a transparent conductive film for touch panel use, a semiconductor device or an electronic device such as a transistor or an integrated circuit, a wide area It is a very important technology because it can be used for all devices, equipment, and applied products that use graphene such as transparent electrodes, electrochemical electrodes, and biodevices.

101:プラズマ発生室
102:アンテナ
103:誘電体アンテナカバー
104:誘電体アンテナカバーを支持する金属製支持部材
105:金属製基材
106:基材通電加熱用電極
107:通電加熱用電源
108:排気管
109:プラズマ処理用ガス導入管
110:処理容器
111:電流導入端子
112:蒸気飛散防止装置(ステンレス板)
113:電圧計
114:プラズマ
115:RF電源+
116:チャンバー内壁
117:固定支持台
118:反応ガス導入用窓
201:防錆剤
202:銅箔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101: Plasma generation chamber 102: Antenna 103: Dielectric antenna cover 104: Metal support member which supports a dielectric antenna cover 105: Metal base material 106: Electrode for base material heating heating 107: Power source for power supply heating 108: Exhaust gas Pipe 109: Gas inlet pipe for plasma processing 110: Processing vessel 111: Current introduction terminal 112: Steam scattering prevention device (stainless steel plate)
113: Voltmeter 114: Plasma 115: RF power source +
116: Chamber inner wall 117: Fixed support stand 118: Reactive gas introduction window 201: Rust preventive agent 202: Copper foil

Claims (3)

処理容器内にプラズマを発生させるプラズマ生成装置と、該処理容器内に設置されたグラフェン膜形成用の金属製基材をジュール加熱するためのジュール加熱装置と、ジュール加熱で加熱されて前記金属製基材から蒸発する蒸気の処理容器内への飛散を防止するために該金属製基材を覆って設けられた蒸気飛散防止装置とを備えることを特徴とするグラフェン膜の製造装置。   A plasma generating device for generating plasma in the processing vessel, a Joule heating device for Joule heating a metal substrate for forming a graphene film installed in the processing vessel, and the metal made by Joule heating. An apparatus for producing a graphene film, comprising: a vapor scattering prevention device provided so as to cover the metal substrate in order to prevent the vapor evaporating from the substrate from scattering into the processing container. 前記グラフェン膜形成用の金属製基材が、銅基材であることを特徴とする請求項1に記載のグラフェン膜の製造装置。   The graphene film manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the metal substrate for forming the graphene film is a copper substrate. 前記蒸気飛散防止装置には、反応ガス導入用の開口が設けていることを特徴とする請求項1又は2に記載のグラフェン膜の製造装置。   The apparatus for producing a graphene film according to claim 1 or 2, wherein the vapor scattering prevention device is provided with an opening for introducing a reactive gas.
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