JP7425141B1 - プラズマエッチング装置及びグラフェン薄膜製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
加熱領域と高周波領域に分かれており、前記高周波領域から前記加熱領域へ水素ガスを含んだエッチングガスを流す石英管と、
前記石英管の前記加熱領域において、水素プラズマエッチングを行う試料を配置する試料台と、
前記石英管の前記加熱領域において、前記石英管の半径方向に前記試料台の位置を移動させる位置調整部と、
を備える。
なお、「水素ガスを含んだエッチングガス」とは、水素ガスのみの場合(残留ガスや不純物がある場合も含む)と、水素ガスと他のガスが混合している場合の双方を意味する。
従って、本発明は、グラフェン薄膜に所望形状のナノピットを生成できるプラズマエッチング装置を提供することができる。
本発明の請求項2に記載されたプラズマエッチング装置は、
加熱領域と高周波領域に分かれており、前記高周波領域から前記加熱領域へ水素ガスを含んだエッチングガスを流す石英管と、
前記石英管の前記加熱領域において、水素プラズマエッチングを行う試料を配置する試料台と、
を備えるプラズマエッチング装置であって、
前記試料台が前記石英管の内壁近傍にあることを特徴とする。
前記石英管の前記加熱領域、且つ前記石英管の内壁近傍に、前記グラフェン薄膜を配置すること、及び
前記加熱領域を200℃以上700℃以下に設定すること
を特徴とする。
図2及び図3は、本実施形態のプラズマエッチング装置301を説明する図である。プラズマエッチング装置301は、
加熱領域51と高周波領域52に分かれており、高周波領域52から加熱領域51へ水素ガスを含んだエッチングガスを流す石英管11と、
石英管11の加熱領域51において、水素プラズマエッチングを行う試料を配置する試料台12と、
石英管11の加熱領域51において、石英管11の半径方向Dに試料台12の位置を移動させる位置調整機能部13と、
を備える。
試料台12に搭載した試料は、グラフェン薄膜が積層された高配向性熱分解グラファイト(Highly Oriented Pyrolytic Graphite:HOPG)である。水素プラズマに対する反応性が同じであるので、当該試料はHOPGに限らず、キッシュグラファイトでもよく、グラフェン薄膜でもよい。試料のサイズは、8mm×3mm×0.5mm(W×D×H)である。なお、試料はこのサイズに限定されない。
エッチング温度としては、従来より450℃以下でエッチングを行えば等方エッチングとなり、円形で小さなナノピットが生成され、500℃以上でエッチングを行えば異方性エッチングとなり、六角形の比較的大きなナノピット、つまりエッジ構造をジグザグ型にすることができるナノピットが生成されることが知られている。
加熱温度:600℃
水素圧力:1.5×102Pa
高周波パワー:25W
エッチング時間:5分
STMは走査型トンネル顕微鏡(Scanning Tunneling Microscope)である。
エッチングパラメータが同じであるにもかかわらず、石英管11の中心軸でエッチングされたHOPG(図4(b))はナノピットが小さく円形であるのに対し、石英管11の内壁付近でエッチングされたHOPG(図4(a))はナノピットが大きく六角形である。このように、ナノピットサイズは、内壁付近でエッチングしたほうが中心軸付近でエッチングするより約3倍大きくなる。一方、HOPGの表面から深さ方向に発生するナノピットの密度は、中心軸付近でエッチングする方が高いので、内壁付近でエッチングした場合、エッチング効果は弱くなるといえる。
プラズマエッチング装置301において、グラフェン薄膜に対して水素プラズマエッチングを行う場合、石英管11内にグラフェン薄膜の配置する半径方向への位置をエッチングパラメータとして調整することでグラフェン薄膜に形成するナノピットの形状を変化させることができる。
具体的には、石英管11の内壁付近(半径の30%から40%の距離だけ内壁から離隔した位置)にグラフェン薄膜を配置すれば、加熱温度500℃以上で大きな六角形のナノピットをグラフェン薄膜に生成できる。
一方、石英管11の中心軸にグラフェン薄膜を配置すれば、加熱温度200℃以上700℃以下で小さな円形のナノピットをグラフェン薄膜に生成できる。
このようなエッチングの変化は、HラジカルとH+、H2 +、H3 +などのHイオンの径方向への変化を考えることで説明できる。Hイオンは自由空間と試料表面の両方で減衰する。一方、Hラジカルは当該エッチング圧力では試料表面で主に再結合し、石英内壁でのHラジカルの再結合係数は十分に小さい(例えば、非特許文献2を参照。)。このため、石英管内壁付近ではHラジカルの密度がHイオンの密度より高くなる。このことは、欠陥の生成はHイオンが担い、欠陥の異方性エッチングはHラジカルが担っていることを意味する。この考察は、水素プラズマエッチングのパラメータ依存性を示す他の測定結果と矛盾しない(例えば、非特許文献2、3を参照。)。
実施形態1では、石英管内において試料を配置する半径方向の位置を調整できるプラズマエッチング装置301を説明したが、試料であるグラフェン薄膜に六角形のナノピットのみを形成したい場合、試料台を石英管の内壁付近に固定した装置でも良い。図5は、そのプラズマエッチング装置302を説明する図である。
加熱領域51と高周波領域52に分かれており、高周波領域52から加熱領域51へ水素ガスを含んだエッチングガスを流す石英管11と、
石英管11の加熱領域51において、水素プラズマエッチングを行う試料を配置する試料台12と、
を備え、試料台12が石英管11の内壁近傍にあることを特徴とする。
12、12a、12b、12c、・・・:試料台
13:位置調整機能部
51:加熱領域
52:高周波領域
301、302:プラズマエッチング装置
Claims (6)
- 加熱領域(51)と高周波領域(52)に分かれており、前記高周波領域から前記加熱領域へ水素ガスを含んだエッチングガスを流す石英管(11)と、
前記石英管の前記加熱領域において、水素プラズマエッチングを行う試料を配置する試料台(12)と、
前記石英管の前記加熱領域において、前記石英管の半径方向であって前記試料台の前記試料を配置する面と直交する方向に前記試料台の位置を移動させる位置調整機能部(13)と、
を備えるプラズマエッチング装置(301)。 - 前記位置調整機能部は、前記試料を前記石英管の内壁近傍に配置する前記試料台であることを特徴とする請求項1に記載のプラズマエッチング装置。
- 前記石英管の内壁近傍とは、前記石英管の半径の30%以上40%以下の距離だけ前記石英管の内壁から離隔した位置であることを特徴とする請求項2に記載のプラズマエッチング装置。
- 加熱領域(51)と高周波領域(52)に分かれており、前記高周波領域から前記加熱領域へ水素ガスを含んだエッチングガスを流す石英管(11)を利用して、グラフェン薄膜に対して水素プラズマエッチングを行う製造方法であって、
前記石英管の前記加熱領域にある試料台(12)に、前記グラフェン薄膜を配置すること、及び
前記石英管の前記加熱領域において、前記石英管の半径方向であって前記試料台の前記グラフェン薄膜を配置する面と直交する方向の所望位置に前記試料台の位置を移動すること、
前記加熱領域を200℃以上700℃以下に設定すること
を特徴とする製造方法。 - 前記試料台の位置を前記石英管の内壁近傍とすること、及び
前記加熱領域を500℃以上700℃以下に設定することを特徴とする請求項4に記載の製造方法。 - 前記石英管の内壁近傍とは、前記石英管の半径の30%以上40%以下の距離だけ前記石英管の内壁から離隔した位置であることを特徴とする請求項5に記載の製造方法。
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