JP3000035B2 - Method of forming graphite thin film - Google Patents

Method of forming graphite thin film

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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、化学的気相成長による
グラファイト薄膜の形成方法に関し、とくに低温度にお
いて特性の優れたグラファイト薄膜を形成する方法に関
する。
The present invention relates to a method for forming a graphite thin film by chemical vapor deposition, and more particularly to a method for forming a graphite thin film having excellent characteristics at a low temperature.

【0002】[0002]

【従来の技術】ベンゼンなどの有機化合物を気相で熱分
解し、基体上にグラファイト薄膜を形成し、基体の耐熱
性、耐食性等を改善したり、形成したグラファイト薄膜
が有する特異な性質を利用することがすすめられてい
る。例えば、ベンゼンを原料とした気相成長によるグラ
ファイトの形成方法では、キャリアガスとして高純度の
水素を用いてベンゼン蒸気を電気炉において加熱した石
英製の反応器中に導入して、ベンゼンの熱分解によって
基体上にグラファイトの薄膜を形成している。この方法
では通常1000℃以上の高温下でグラファイトの薄膜
を形成しているために、基体としては形成時の高温度に
耐える材料を用いることが不可欠である。このために、
グラファイト薄膜を形成することができる基体には大き
な制限があった。
2. Description of the Related Art An organic compound such as benzene is thermally decomposed in the gas phase to form a graphite thin film on a substrate, thereby improving the heat resistance and corrosion resistance of the substrate, and utilizing the unique properties of the formed graphite thin film. It is recommended to do. For example, in a method of forming graphite by vapor phase growth using benzene as a raw material, high-purity hydrogen is used as a carrier gas and benzene vapor is introduced into a quartz reactor heated in an electric furnace to thermally decompose benzene. This forms a graphite thin film on the substrate. In this method, a graphite thin film is usually formed at a high temperature of 1000 ° C. or higher, and therefore, it is essential to use a material that can withstand the high temperature during formation. For this,
Substrates on which a graphite thin film can be formed have great limitations.

【0003】グラファイト薄膜は各種の特異な性質を有
しており、電子デバイス、人工超格子等に利用すること
も検討されているが、従来の方法では1000℃以上の
高温度において形成することが必要であり、現在の電子
デバイスの製造工程で許容される温度に比してはるかに
高温であるために、グラファイト薄膜の物理的、電気的
特性を利用した素子の開発に大きな障害があった。
[0003] Graphite thin films have various peculiar properties, and their use in electronic devices, artificial superlattices, and the like has been studied. However, in the conventional method, they can be formed at a high temperature of 1000 ° C or more. Since it is necessary and much higher than the temperature allowed in the current electronic device manufacturing process, there has been a major obstacle to the development of an element utilizing the physical and electrical characteristics of a graphite thin film.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、有機物を原
料とする化学気相成長によるグラファイト薄膜の形成方
法において、有機物として一方の芳香環のオルト位に置
換基を有する芳香族ケトンを原料とするグラファイト薄
膜の形成方法である。また、グラファイト薄膜がコバル
ト、ニッケル、パラジウム、白金から選ばれる基板上に
形成するグラファイト薄膜の形成方法である。さらに、
化学的気相成長を酸化アルミナ製の反応器中において行
うグラファイト薄膜の形成方法である。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to a method of forming a graphite thin film by chemical vapor deposition using an organic material as a raw material, wherein an aromatic ketone having a substituent at the ortho position of one aromatic ring is used as the organic material. This is a method of forming a graphite thin film. Further, it is a method of forming a graphite thin film in which the graphite thin film is formed on a substrate selected from cobalt, nickel, palladium, and platinum. further,
This is a method for forming a graphite thin film in which chemical vapor deposition is performed in a reactor made of alumina oxide.

【0005】すなわち、本発明の方法は、有機物の原料
として、下記に示すようなオルト位に置換基を有する芳
香族ケトン類を用いて化学気相成長によってグラファイ
ト薄膜を形成する方法である。
That is, the method of the present invention is a method for forming a graphite thin film by chemical vapor deposition using an aromatic ketone having a substituent at the ortho position as shown below as an organic material.

【0006】[0006]

【化1】 Embedded image

【0007】これらの芳香族ケトン類の置換基としては
アルキル基が好ましく、芳香族ケトン類の中でも、o−
メチルアリールケトン類などの置換基としてメチル基を
有するものが好ましく、分子量が比較的小さな芳香族ケ
トン類がとくに好ましい。これらのものは、低温度での
形成が可能であるという特性を有しており、600℃程
度の温度から基体上に特性の優れたグラファイト薄膜を
形成することができる。また、アセトンのような脂肪族
のケトンではこのような温度でグラファイト薄膜を形成
することができず、同様に分子量が大きな芳香族ケトン
類でも低温度でのグラファイト薄膜の形成はできない。
As a substituent of these aromatic ketones, an alkyl group is preferable, and among aromatic ketones, o-
Those having a methyl group as a substituent such as methyl aryl ketones are preferred, and aromatic ketones having a relatively small molecular weight are particularly preferred. These materials have a characteristic that they can be formed at a low temperature, and can form a graphite thin film having excellent characteristics on a substrate at a temperature of about 600 ° C. Also, an aliphatic ketone such as acetone cannot form a graphite thin film at such a temperature, and similarly, an aromatic ketone having a large molecular weight cannot form a graphite thin film at a low temperature.

【0008】また、本発明の方法によって各種の基体上
にグラファイト薄膜を形成することができるが、とく
に、コバルト、ニッケル、パラジウムおよび白金上に形
成した場合に、結晶性の優れたグラファイト薄膜を得る
ことができる。
[0008] Graphite thin films can be formed on various substrates by the method of the present invention. In particular, when formed on cobalt, nickel, palladium and platinum, a graphite thin film having excellent crystallinity is obtained. be able to.

【0009】さらに、反応器には、一般には石英管が用
いられているが、石英管を用いた場合には、化学気相成
長によって析出した炭素と酸化ケイ素が反応をするの
で、少なくとも反応器のグラファイトが成長する領域に
は、石英を含まない材料を用いることが好ましく、アル
ミナを用いることが好ましい。また、石英製の反応器の
化学気相成長領域のみに石英製の反応器の内部にアルミ
ナ管を設けてもよい。本発明の方法によるグラファイト
薄膜は0.37nm以下の結晶性の優れたものが得られ
る。
Further, a quartz tube is generally used for the reactor. However, when a quartz tube is used, carbon deposited by chemical vapor deposition reacts with silicon oxide. In a region where graphite grows, it is preferable to use a material containing no quartz, and it is preferable to use alumina. Also, an alumina tube may be provided inside the quartz reactor only in the chemical vapor deposition region of the quartz reactor. According to the method of the present invention, a graphite thin film having excellent crystallinity of 0.37 nm or less can be obtained.

【0010】以下に図面を示して、本発明のグラファイ
ト薄膜の形成に使用する装置を説明する。電気炉1の内
部に、石英管2を設け、石英管の内部にはアルミナ管3
を設けている。アルミナ管の電気炉外の領域の原料載置
部4に、化学気相成長の原料となるオルト位に置換基を
有する芳香族ケトン類を載置する。原料載置部の石英管
の外部にはリボンヒータ等の加熱装置5を設け、有機物
からなる原料を気化し、石英管に結合したアルゴン供給
管6からアルゴンをキャリア気体として供給し、気化し
た原料を電気炉によって加熱された反応領域へ導入し、
基板7の温度を600〜1000℃に変化させながら基
板上にグラファイトの薄膜を形成する。得られたグラフ
ァイト薄膜はX線回折装置によって、ピークの広がりと
ピーク位置からグラファイトの結晶の成長の様子と面間
隔を測定することができる。
The apparatus used for forming the graphite thin film of the present invention will be described below with reference to the drawings. A quartz tube 2 is provided inside an electric furnace 1, and an alumina tube 3 is provided inside the quartz tube.
Is provided. An aromatic ketone having a substituent at the ortho position, which is a raw material for chemical vapor deposition, is mounted on the raw material mounting portion 4 in a region outside the electric furnace of the alumina tube. A heating device 5 such as a ribbon heater is provided outside the quartz tube of the raw material mounting portion to vaporize a raw material made of an organic substance, and supplies argon as a carrier gas from an argon supply pipe 6 connected to the quartz tube, thereby forming a vaporized raw material. Into the reaction zone heated by the electric furnace,
A graphite thin film is formed on the substrate 7 while changing the temperature of the substrate 7 to 600 to 1000 ° C. The state of the growth of the graphite crystal and the plane spacing can be measured from the peak spread and the peak position of the obtained graphite thin film by an X-ray diffractometer.

【0011】[0011]

【作用】本発明のグラファイト薄膜の形成方法は、o−
メチルアリールケトン等の特定の化学構造を有する芳香
族ケトン類を原料として、コバルト、ニッケル、パラジ
ウムおよび白金等の基板上に化学気相成長によって行う
ので、低温度で結晶性の優れたグラファイト薄膜の形成
が可能であり、シリコンウエハ等を使用した電子デバイ
ス上への形成も可能となり、グラファイト薄膜の利用分
野を大きく拡大することができる。
The method of forming a graphite thin film according to the present invention comprises the steps of:
Since aromatic ketones having a specific chemical structure such as methyl aryl ketone are used as a raw material and are grown on a substrate such as cobalt, nickel, palladium and platinum by chemical vapor deposition, a graphite thin film having excellent crystallinity at low temperature can be obtained. It can be formed on an electronic device using a silicon wafer or the like, and the field of application of the graphite thin film can be greatly expanded.

【0012】[0012]

【実施例】以下に実施例を示し、本発明をさらに詳細に
説明する。 実施例1 直径18mmの石英管内に8mmのアルミナ管を配置
し、ニッケル基板をアルミナ管内に配置し、ニッケル基
板を配置した部分が電気炉内部に位置するように石英管
を電気炉内に配置した。ニッケル基板の温度を600〜
1000℃に変化させるとともに、アルミナ管の原料載
置部に下記の化学構造式を有するo−メチルアリールケ
トン3mgを載置し、外部からリボンヒータによって原
料載置部の温度を140℃に加熱し、石英管の原料載置
部側からアルゴンをキャリア気体として0.3リットル
/分の流量で4時間流した。それぞれの温度で基板に析
出したグラファイトを基板からはぎ取りX線回折装置に
よって結晶のC軸方向の面間隔を測定した。1000℃
によって得られたもののX線回折の結果を図2に示し、
また600〜1000℃の各温度で得られたものについ
ての測定結果を図3に示す。単結晶グラファイトの面間
隔の値に近似した面間隔を有するグラファイトが得られ
た。
The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. Example 1 An 8 mm alumina tube was placed in an 18 mm diameter quartz tube, a nickel substrate was placed in the alumina tube, and the quartz tube was placed in the electric furnace such that the portion where the nickel substrate was placed was located inside the electric furnace. . Nickel substrate temperature 600 ~
While changing the temperature to 1000 ° C., 3 mg of o-methylarylketone having the following chemical structural formula was placed on the raw material mounting portion of the alumina tube, and the temperature of the raw material mounting portion was heated to 140 ° C. from the outside by a ribbon heater. Then, argon was supplied as a carrier gas at a flow rate of 0.3 liter / min from the raw material mounting portion of the quartz tube for 4 hours. The graphite deposited on the substrate at each temperature was stripped from the substrate, and the plane spacing in the C-axis direction of the crystal was measured by an X-ray diffractometer. 1000 ° C
FIG. 2 shows the result of X-ray diffraction of
FIG. 3 shows the measurement results of the samples obtained at each temperature of 600 to 1000 ° C. A graphite having a plane spacing close to that of the single crystal graphite was obtained.

【0013】[0013]

【化2】 Embedded image

【0014】実施例2 グラファイト薄膜を形成する基板を表1に示す各種の金
属に代えた点を除いて実施例1に使用したものと同様の
原料を使用して600℃においてグラファイト薄膜を形
成し、得られた薄膜について面間隔を測定した。その結
果を表1に示す。
Example 2 A graphite thin film was formed at 600 ° C. using the same raw materials as those used in Example 1 except that the substrate on which the graphite thin film was formed was replaced with various metals shown in Table 1. The plane spacing was measured for the obtained thin film. Table 1 shows the results.

【0015】[0015]

【表1】 [Table 1]

【0016】比較例1 実施例1で使用したo−メチルアリールケトンに代え
て、下記の芳香族アリールケトンである化合物1および
縮合多環芳香族化合物である化合物2を用いた点を除い
て実施例1と同様にして基板の温度を変化させて、グラ
ファイトの薄膜の形成を行った。表2にグラファイトの
形成が行われたものについては○で示し、グラファイト
の形成ができなかったものは×で示す。
Comparative Example 1 The procedure of Example 1 was repeated except that o-methyl aryl ketone used in Example 1 was replaced by the following aromatic aryl ketone compound 1 and condensed polycyclic aromatic compound compound 2. The temperature of the substrate was changed in the same manner as in Example 1 to form a graphite thin film. In Table 2, those in which graphite was formed are indicated by ○, and those in which graphite was not formed are indicated by x.

【0017】[0017]

【化3】 Embedded image

【0018】[0018]

【表2】 [Table 2]

【0019】[0019]

【発明の効果】本発明のグラファイト薄膜の形成方法
は、o−メチルアリールケトン等の特定の化学構造を有
する芳香族ケトン類を原料として、コバルト、ニッケ
ル、パラジウムおよび白金等の基板上に化学気相成長に
よって行うものであり、600〜700℃の低温度にお
いても結晶性の優れた薄膜の形成が可能となり、これま
では形成温度の点からグラファイト薄膜を利用すること
が不可能であった、電子デバイスの製造工程においても
適用が可能となり、新規な素子の提供も可能とするもの
である。
According to the method for forming a graphite thin film of the present invention, an aromatic ketone having a specific chemical structure such as o-methylarylketone is used as a raw material and a chemical vapor is deposited on a substrate such as cobalt, nickel, palladium or platinum. It is performed by phase growth, and it is possible to form a thin film having excellent crystallinity even at a low temperature of 600 to 700 ° C., and it was impossible to use a graphite thin film in terms of the forming temperature. The present invention can be applied to a manufacturing process of an electronic device, and a new element can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明のグラファイト薄膜の形成方法を説明す
る図である。
FIG. 1 is a diagram illustrating a method for forming a graphite thin film of the present invention.

【図2】本発明の方法によって得られたグラファイトの
X線回折による測定結果を示す図である。
FIG. 2 is a graph showing the results of X-ray diffraction measurement of graphite obtained by the method of the present invention.

【図3】グラファイト薄膜の形成温度と面間隔の関係を
説明する図である。
FIG. 3 is a diagram for explaining the relationship between the formation temperature of a graphite thin film and the surface spacing.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…電気炉、2…石英管、3…アルミナ管、4…原料載
置部、5…加熱装置、6…アルゴン供給管、7…基板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electric furnace, 2 ... Quartz tube, 3 ... Alumina tube, 4 ... Material placing part, 5 ... Heating device, 6 ... Argon supply tube, 7 ... Substrate

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大木 芳正 神奈川県相模原市大野台3−30−2 (72)発明者 松井 丈雄 東京都町田市小川1−12−3 町田コー プタウン20−202 (72)発明者 加茂 宏明 東京都北区滝野川7−41−5 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C01B 31/04 101 C23C 16/26 CA(STN)──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Yoshimasa Oki 3-30-2 Ohnodai, Sagamihara City, Kanagawa Prefecture (72) Inventor Takeo Matsui 1-12-3 Ogawa, Machida-shi, Tokyo 20-202 Machida Corp Town (72) Inventor Hiroaki Kamo 7-41-5 Takinogawa, Kita-ku, Tokyo (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) C01B 31/04 101 C23C 16/26 CA (STN)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 有機物を原料とする化学気相成長による
グラファイト薄膜の形成方法において、有機物として下
記の化学式で示される少なくとも一つの一方の芳香環の
オルト位に置換基を有する芳香族ケトンを原料とするこ
とを特徴とするグラファイト薄膜の形成方法。 【化1】
1. A method for forming a graphite thin film by chemical vapor deposition using an organic material as a raw material, wherein an aromatic ketone having a substituent at the ortho position of at least one aromatic ring represented by the following chemical formula is used as the organic material: A method for forming a graphite thin film. Embedded image
【請求項2】 グラファイト薄膜がコバルト、ニッケ
ル、パラジウム、白金から選ばれる基板上に形成される
ことを特徴とする請求項1記載のグラファイト薄膜の形
成方法。
2. The method for forming a graphite thin film according to claim 1, wherein the graphite thin film is formed on a substrate selected from cobalt, nickel, palladium, and platinum.
【請求項3】 化学的気相成長を酸化アルミナ製の反応
器中において行うことを特徴とする請求項1記載のグラ
ファイト薄膜の形成方法。
3. The method for forming a graphite thin film according to claim 1, wherein the chemical vapor deposition is performed in a reactor made of alumina oxide.
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