JPH11229124A - 炭素化合物の製造方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 擬一次元構造炭素化合物を製膜する際、基板
が金属などの高熱伝導物に限定されることなく、基板と
の付着力が高い膜を高速で製造すること。 【解決手段】 真空容器５内にグラファイ卜製の電極１
と電極２の間隙７に円筒状のアルゴンガス３０を流した
状態でプラズマ３１を発生させると同時に、グラファイ
卜製の電極１の表面にレーザー光１２を照射して、グラ
ファイ卜からのアブレーションによる炭素クラスターを
電極１、２間のプラズマ３１に積極的に取り込み、プラ
ズマ３１が収縮してピンチプラズマ３となり、その高温
・高密度のピンチブラズマ３から高速に拡散される炭素
クラスター４０が基板４１上に吹き付けられ、擬一次元
構造炭素化合物の膜４２が基板４１上に形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アーク放電を行う
際、電極であるグラファイト表面にレーザー光照射を行
い、炭素原子のアブレーションを発生させ、その炭素原
子のクラスターをプラズマ中に積極的に取り込むことに
より、高速度で擬一次元構造炭素化合物の膜を作製する
炭素化合物の製造方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】炭素原子同士が結合してできる結晶の同
素体として、ダイヤモンドやグラファイトなどがよく知
られているが、これらの結晶の他に、炭素原子同士が一
方向に鎖状につながった擬一次元結晶構造の炭素同素体
も存在する。

【０００３】図４は、擬一次元構造炭素同素体の結晶構
造を示す図であり、（Ａ）は要部側面図、（Ｂ）は要部
平面図である。図４の（Ａ）では、炭素原子３５が一方
向につながって炭素鎖３５Ａを形成している。図４の
（Ｂ）では、炭素鎖３５Ａが六方面に垂直に整列してい
る。この結晶構造は、一次元方向に配列した炭素原子３
５が束になって結晶を構成しているので擬一次元構造と
呼ばれている。このような擬一次元構造の炭素同素体
は、その性質によってはダイヤモンドのように将来性が
期待されるので、現在、その性質の研究や製造方法の開
発が盛んに行われている。

【０００４】図５は、従来の擬一次元構造炭素同素体の
製造装置を示す断面図である。ｌ３３．３２Ｐａのアル
ゴンガスが封入された真空容器（図示しない）内にグラ
ファイト製の電極２０，２１（直径１０ｍｍ）が互いに
接触させて配置されている。この電極２０，２１にナイ
フスイッチ２７を介して直流電源（バッテリ）２６が接
続され、電極２０，２１の接触部２５から５ないし６ｍ
ｍ離れた位置に銅製の基板２２が配されている。スイッ
チ２７を投入して６００Ａの直流電流を０．１ないし
０．３秒流すと、接触部２５でアークが発生する。この
アークによって、電極２０，２１のグラファイト材が蒸
発し、基板２２上に炭素の結晶が膜２３となって堆積す
る。この炭素の結晶構造をＸ線回折スぺクトルによって
調べると、擬一次元構造炭素同素体であることが分か
る。

【０００５】図６は、従来の異なる擬一次元構造炭素同
素体の製造装置を示す説明図であり、（Ａ）は全体の構
成を示す斜視図、（Ｂ）は図６の（Ａ）の基板３４だけ
を取り出して示した斜視図、（Ｃ）は図６の（Ｂ）の基
板３４上に炭素の結晶が堆積した状態を示す断面図であ
る。図６の（Ａ）では、２枚の銅製の円板２９Ａ，２９
Ｂ（いずれも直径が１２０ｍｍ）が互いに平行に、かつ
ｌ０ｍｍ離れて配置されてある。銅製の基板３４が互い
に僅かずつ離され、円板２９Ａ，２９Ｂの円周部を渡る
ようにして複数配されている。また、グラファイト製の
電極３２Ａ，３２Ｂの接触部３３が基板３４上に来るよ
うに配されている。この装置は、図５の場合と同様に１
３３．３２Ｐａのアルゴンガスが封入された真空容器
（図示しない）内に収納されている。図６の（Ｂ）で
は、基板３４が半円筒状を形成している。

【０００６】図６の（Ａ）において、円板２９Ａ，２９
Ｂを軸２９Ｃを中心にして、毎分１回転の速度で回転さ
せる。接触部３３が基板３４上に来る度に電極３２Ａ，
３２Ｂ間に電流を流すように電源側を制御すると、接触
部３３にアークが発生し、電極３２Ａ，３２Ｂのグラフ
ァイト材が蒸発する。それによって、図６の（Ｃ）に示
すように基板３４上に炭素の結晶が膜３５となって堆積
する。この炭素の結晶構造をＸ線回折スぺクトルによっ
て調べると、擬一次元構造炭素同素体であることが分か
る。連続生成法による図６の装置は、単一生成法による
図５のそれと比べて、約十倍の擬一次元構造炭素同素体
の製造能力がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ようなグラファイト棒間でアーク放電を発生させる従来
の製造方法では、基板の材料が金属製でないと膜がよく
基板に付着しないという問題があった。特に、銅のよう
に熱伝導率の大きい材料を基板にしないと、成膜した後
の冷却速度が十分でなく、結晶化が充分に至らないまま
になっていた。特に、基板がセラミックやプラスチック
などの熱伝導率の小さい材料の場合、擬一次元構造炭素
同素体や窒化炭素化合物の付着性が非常によくなかっ
た。

【０００８】そこで、本発明者らは図７に示すような基
板材料に依存しない成膜方法を提案した（平成８年１２
月２６日付け出願の特願平８−３４６８５５号）。図７
の擬一次元構造炭素同素体の製造装置を示す要部拡大断
面図において、ピンチプラズマ３に対向する位置に基板
３６が配されている。また、電極１と電極２とは、とも
にグラファイト製とし、ガス通路１Ｂに流すガスは、ア
ルゴンガスとする。ピンチプラズマ３によって電極１と
電極２から遊離した炭素原子が、飛翔粒子となって放射
光３Ａとともに放射されて基板３６上に膜６を形成す
る。この膜６をＸ線回折によって調べると、擬一次元構
造炭素同素体であると確認できる。しかも、この膜６
は、基板３６の材料によらない。基板３６が銅や銀など
の金属によく付着することは勿論、ポリカーボネイト樹
脂やテフロン樹脂などのプラスチック、石英や磁器など
のセラミックスでもよく付着する。このように付着性
が、基板３６の材料に依存しないのはピンチプラズマ３
の持つエネルギーが、アークと比べて桁違いに大きいた
めである。なお、図７において、ガス通路１Ｂに流すガ
スは、一般に希ガスならばよく、他と反応しなければよ
い。

【０００９】また、図７において、ガス通路１Ｂに流す
ガスを窒素ガスにすれば、基板３６上に形成される膜６
は炭化窒素化合物になる。すなわち、電極１と電極２か
らピンチプラズマ３によって遊離した炭素原子が、高温
に晒された窒素ガスと反応して炭化窒素化合物になり、
飛翔粒子となって放射光３Ａとともに放射されて基板３
６上に成膜する。この膜６もＸ線回折スぺクトルによっ
て調べると、炭化窒素化合物の結晶体であることが確認
できる。しかも、この膜６も、基板３６の材料によらな
い。基板３６は、擬一次元構造炭素同素体の成膜の場合
と同じように金属、プラスチック、セラミックスのいず
れにもよく付着する。

【００１０】しかしながら、擬一次元構造炭素化合物薄
膜を得るのに、図５および図６に示したようなグラファ
イト棒間でアーク放電を発生させ合成させる従来技術で
は、基板が金属などの高熱伝導物に限定される他、基板
との付着力が弱いなどの問題点を有していた。

【００１１】一方、図７に示すようなグラファイト電極
間でピンチプラズマを発生させて合成を行う本発明者ら
が提案した新規な成膜方法では、上記の従来技術の問題
点を克服する方法であったが、製膜される速度が遅いと
いう問題点を有していた。

【００１２】本発明は、上記の点に鑑みて成されたもの
で、その目的は擬一次元構造炭素化合物を製膜する際、
基板が金属などの高熱伝導物に限定されることなく、か
つまた基板との付着力が高い膜を高速で製造することの
できる炭素化合物の製造方法および装置を提供すること
にある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の方法の発明は、真空容器内にグラファイ
卜製の電極対を収納し、該電極対の間隙に希ガスを流し
た状態でピンチプラズマを発生させると同時に、前記グ
ラファイ卜製の少なくとも一方の電極の表面にレーザー
光を照射して、該グラファイ卜からのアブレーションに
よる炭素クラスターを前記電極対の間隙のプラズマ中に
取り込むことにより、擬一次元構造炭素化合物を基板上
に製膜することを特徴とする。

【００１４】ここで、前記希ガスの代わりに窒素ガスを
用いて窒化炭素化合物を前記基板上に製膜するとしても
よい。

【００１５】請求項３の装置の発明は、真空容器内に収
納されたグラファイ卜製の電極対と、該電極対の間隙に
希ガスを流すガス供給手段と、前記電極対の間隙に希ガ
スを流した状態で前記電極対に電圧を印加することでピ
ンチプラズマを発生させる電源供給手段と、前記電極対
の間隙にピンチプラズマを発生させている時に、前記グ
ラファイ卜製の少なくとも一方の電極の表面にレーザー
光を照射するレーザー発生手段と、前記ピンチプラズマ
から高速に拡散される炭素クラスターを受け止めて擬一
次元構造炭素化合物を製膜する基板とを具備し、前記グ
ラファイ卜からのアブレーションによる炭素クラスター
を前記電極対の間隙のプラズマ中に取り込むことによ
り、擬一次元構造炭素化合物を前記基板上に製膜するこ
とを特徴とする。

【００１６】ここで、前記ガス供給手段は前記希ガスの
代わりに窒素ガスを流し、これにより窒化炭素化合物を
前記基板上に製膜するとしてもよい。

【００１７】本発明では、擬一次元構造炭素化合物膜を
高速で得るためにピンチプラズマを発生させる際、グラ
ファイト製の電極にレーザー光を照射し、そのアブレー
ションからの炭素クラスターを発生させたピンチプラズ
マ中に取り込み、プラズマ中に取り込まれる炭素原子の
数を増大させている。この方法により合成された擬一次
元構造炭素化合物の量は多くなり、製膜速度は増加する
ことになる。従って、本発明によれば、高速度で擬一次
元構造炭素化合物膜を製造することが可能になる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態を詳細に説明する。

【００１９】図１は本発明の一実施形態である炭素化合
物製造装置の断面図である。図１において、１７はレー
ザー発振機であり、８の透明な光学窓を通して５の真空
容器（反応室）中にあるグラファイト製の電極１にレー
ザー光を照射できるように配置されている。また、反応
室５中にはグラファイ卜製の電極１と２が対峙してあ
り、上方の電極１には円筒形状にガスを吹き出せるよう
に加工したバルブ４が設けてある。下方の電極２には上
方の電極１からガスが吹き出された際に、スムーズにガ
スが電極２へ向けるように小径の穴が多数あけてある。

【００２０】次に、ピンチプラズマの発生方法について
述べる。図２はＺピンチプラズマ発生装置の動作を説明
する断面図であり、それぞれ（Ａ）はガスの吹きつけ
時、（Ｂ）は円柱状のプラズマ発生時、（Ｃ）はピンチ
プラズマ発生時の状況を示す。電極１および２は投入ス
イッチ１１を介して電源１０が直列に結線されている。

【００２１】なお、電源１０は、例えば、コンデンサと
このコンデンサを充電する充電器からなるものとし、こ
のコンデンサより投入スイッチ１１を介して電極１，２
間に電源供給するものとすることができる。

【００２２】まず、図２の（Ａ）において、投入スイッ
チ１１を開放した状態でバルブ４を開放すると、電極１
と電極２の間の間隙７中にガス３０が吹き出され、円柱
状にガスが分布するようになる。次に、図２の（Ｂ）に
おいて、投入スイッチ１１を閉成すると、ガス３０が円
柱状のプラズマ３１になり電流が流れる。この電流Ｉに
よって、プラズマ３１を周回する磁束Φが発生するの
で、プラズマ３１はローレンツ力によって半径方向内側
に力を受ける。その結果、図２の（Ｃ）のように細く円
柱状に収縮したピンチプラズマ３が形成される。

【００２３】図３は図１の炭素化合物製造装置の炭素膜
製造時の状態を示す。図２の（Ｂ）における円柱状のプ
ラズマ３１が発生した時、図３におけるレーザー発振機
１７からレーザー光１２を光学窓８を通して上部の電極
１に向けて照射する。このレーザー光１２により電極１
のグラファイトはアブレーションされて多くの炭素クラ
スターを放出する。円柱状プラズマ３１は多くの炭素ク
ラスターを取り込んだまま収縮する。

【００２４】この炭素クラスターを取り込んだピンチプ
ラズマ３中で炭素クラスターはピンチプラズマの高温・
高圧力場で非常に強く励起される。プラズマがピンチ
（収縮）した後、プラズマは急激に電磁力を失い、非平
衡状態に励起された炭素クラスターとともに高速で拡散
を開始する。そして、励起された炭素クラスター４０は
図３にある真空容器５内に設置された基板４１にぶつか
り急冷される。これを繰り返すことにより炭素クラスタ
ーが基板４１上に堆積され、炭素化合物の良質な膜４２
が形成される。

【００２５】さらに、上記ガス３０を希ガスではなく窒
素ガスを用いれば、基板４１上には窒化炭素化合物の膜
４２が得られる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
グラファイ卜製の電極間にピンチプラズマを発生させ、
その高温・高密度のブラズマにより炭素クラスターを分
解・再結合させ炭素化合物を合成する際に、ブラズマを
発生させると同時にグラファイ卜製の電極表面にレーザ
ー光を照射し、グラファイ卜からのアブレーションによ
る炭素クラスターを電極間のプラズマ中に積極的に取り
込むことにより、擬一次元構造炭素化合物を製膜するの
で、高速度で擬一次元構造炭素化合物膜を製造すること
が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態である炭素化合物製造装置
の概略構成を示す断面図である。

【図２】ピンチプラズマ発生装置の動作を説明する断面
図であり、それぞれ（Ａ）はガスの吹きつけ時、（Ｂ）
は円柱状のプラズマ発生時、（Ｃ）はピンチプラズマ発
生時の状況を示す図である。

【図３】図１の炭素化合物製造装置の炭素膜製造時の状
態を示す断面図である。

【図４】擬一次元構造炭素同素体の結晶構造を示す図で
あり、（Ａ）は要部側面図、（Ｂ）は要部平面図であ
る。

【図５】従来の擬一次元構造炭素同素体の製造装置を示
す断面図である。

【図６】従来の異なる擬一次元構造炭素同素体の製造装
置を示す説明図であり、（Ａ）は全体の構成を示す斜視
図、（Ｂ）は（Ａ）の基板３４だけを取り出して示した
斜視図、（Ｃ）は（Ｂ）の基板３４上に炭素の結晶が堆
積した状態を示す断面図である。

【図７】先願の擬一次元構造炭素同素体の製造装置を示
す要部拡大断面図である。

【符号の説明】

１ ガス吹き出し側で炭素クラスターを発生するグラフ
ァイトの電極 １Ａ，１Ｂ ガス通路 ２ ガスを受ける側のグラファイトの電極 ３ 高温高密度のピンチプラズマ ３Ａ 放射光 ４ バルブ ５ 真空容器（反応室） ６ 炭素膜 ７ 間隙 ８ 光学窓 ９ ガス導入系 １０ 電源 １１ 投入スイッチ １２ レーザー光（レーザーアプレーション） １７ レーザー発振機 ３０ ガス ３１ プラズマ ３４，３６ 基板 ３５ 炭素原子 ３５Ａ 炭素鎖 ４０ 励起された炭素クラスター（合成物のフラグメン
ト） ４１ 基板 ４２ 炭素膜（カルビン薄膜）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 杉山 修一 神奈川県横須賀市長坂２丁目２番１号 株 式会社富士電機総合研究所内 (72)発明者 角舘 洋三 茨城県つくば市東１丁目１番 工業技術院 物質工学工業技術研究所内 (72)発明者 藤原 修三 茨城県つくば市東１丁目１番 工業技術院 物質工学工業技術研究所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空容器内にグラファイ卜製の電極対を
   収納し、該電極対の間隙に希ガスを流した状態でピンチ
   プラズマを発生させると同時に、前記グラファイ卜製の
   少なくとも一方の電極の表面にレーザー光を照射して、
   該グラファイ卜からのアブレーションによる炭素クラス
   ターを前記電極対の間隙のプラズマ中に取り込むことに
   より、擬一次元構造炭素化合物を基板上に製膜すること
   を特徴とする炭素化合物の製造方法。
2. 【請求項２】 前記希ガスの代わりに窒素ガスを用いて
   窒化炭素化合物を前記基板上に製膜することを特徴とす
   る請求項１に記載の炭素化合物の製造方法。
3. 【請求項３】 真空容器内に収納されたグラファイ卜製
   の電極対と、 該電極対の間隙に希ガスを流すガス供給手段と、 前記電極対の間隙に希ガスを流した状態で前記電極対に
   電圧を印加することでピンチプラズマを発生させる電源
   供給手段と、 前記電極対の間隙にピンチプラズマを発生させている時
   に、前記グラファイ卜製の少なくとも一方の電極の表面
   にレーザー光を照射するレーザー発生手段と、 前記ピンチプラズマから高速に拡散される炭素クラスタ
   ーを受け止めて擬一次元構造炭素化合物を製膜する基板
   とを具備し、前記グラファイ卜からのアブレーションに
   よる炭素クラスターを前記電極対の間隙のプラズマ中に
   取り込むことにより、擬一次元構造炭素化合物を前記基
   板上に製膜することを特徴とする炭素化合物の製造装
   置。
4. 【請求項４】 前記ガス供給手段は前記希ガスの代わり
   に窒素ガスを流し、これにより窒化炭素化合物を前記基
   板上に製膜することを特徴とする請求項３に記載の炭素
   化合物の製造装置。