(57)【要約】【課題】基板上に形成された金属触媒層の裏面と、基板の表面との間での炭素膜の成長の制御性を高めることのできる炭素膜の形成装置、及び炭素膜の形成方法を提供する。【解決手段】熱ＣＶＤ装置１０は、金属触媒層に対してアセチレンガスを供給する炭素含有ガス供給部１６と、基板における金属触媒層側である表面側に配置されたランプヒータ１３と、基板における金属触媒層とは反対側である裏面側に配置された水冷ステージ１２とを有している。ランプヒータ１３は、金属触媒層の表面をアセチレンガスの分解される温度に加熱し、また、水冷ステージ１２は、基板の裏面を冷却することで、ランプヒータ１３によって加熱された金属触媒層の表面と該金属触媒層の裏面とに所定の温度差を形成する。これにより、炭素膜が、基板の表面と金属触媒層の裏面との間に析出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に積層された金属触媒層に対して炭素含有ガスを供給することにより、前記基板と前記金属触媒層との間に炭素膜を形成する炭素膜の形成装置であって、
前記金属触媒層に対して前記炭素含有ガスを供給する炭素含有ガス供給部と、
前記基板における前記金属触媒層側である表面側に配置された加熱部と、
前記基板における前記金属触媒層とは反対側である裏面側に配置された冷却部とを有し、
前記加熱部は、前記金属触媒層の表面を前記炭素含有ガスの分解される温度に加熱し、
前記冷却部は、前記基板の裏面を冷却することで、前記加熱部によって加熱された前記金属触媒層の表面と該金属触媒層の裏面とに所定の温度差を形成して、前記基板の表面と前記金属触媒層の裏面との間に前記炭素膜を析出させる
ことを特徴とする炭素膜の形成装置。
【請求項２】
前記加熱部が、前記金属触媒層の表面を加熱しているときに、前記冷却部が、前記基板の裏面を冷却する
請求項１に記載の炭素膜の形成装置。
【請求項３】
前記金属触媒層がコバルトからなり、
前記炭素含有ガス供給部が、前記炭素含有ガスとしてアセチレンガス又はエチレンガスを前記金属触媒層に供給しているときに、
前記加熱部と前記冷却部とが、
前記金属触媒層の表面の温度を３５０℃以上８００℃以下にするとともに、
前記金属触媒層の裏面の温度を１００℃以上とし、且つ、
前記金属触媒層の表面と裏面との温度差を０．０１℃以上とする
請求項２に記載の炭素膜の形成装置。
【請求項４】
前記加熱部が、前記金属触媒層の表面の加熱を停止した後に、前記冷却部が、前記基板の裏面を冷却して、前記金属触媒層の表面と裏面との間に温度差を形成する
請求項１又は２に記載の炭素膜の形成装置。
【請求項５】
前記金属触媒層が銅からなり、
前記炭素含有ガス供給部が、前記金属触媒層に前記炭素含有ガスとしてアセチレンガス又はエチレンガスを供給しているときに、
前記加熱部が、前記金属触媒層の表面の温度を６５０℃以上１０５０℃以下とし、
前記炭素含有ガス供給部が、前記炭素含有ガスの供給を停止した後に、
前記加熱部が、前記金属触媒層の加熱を停止するとともに、
前記冷却部が、前記金属触媒層の裏面の温度を１００℃以上とし、且つ、前記金属触媒層の表面と裏面との温度差を０．０１℃以上とする
請求項４に記載の炭素膜の形成装置。
【請求項６】
基板に積層された金属触媒層に対して炭素含有ガスを供給することにより、前記基板と前記金属触媒層との間に炭素膜を形成する炭素膜の形成方法であって、
前記金属触媒層における前記基板とは反対側の表面を前記炭素含有ガスの分解される温度に加熱しつつ、該金属触媒層の表面に対して前記炭素含有ガスを供給する炭素供給工程と、
前記基板における前記金属触媒層とは反対側である裏面を冷却することで、加熱された前記金属触媒層の裏面を冷却する冷却工程とを備え、
前記冷却工程では、
前記金属触媒層の表面と該金属触媒層の裏面とに温度差を形成して、前記基板の表面と前記金属触媒層の裏面との間に前記炭素膜を析出させる
ことを特徴とする炭素膜の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、トランジスタ、配線、及び透明電極等の形成材料として用いられる炭素膜、例えばグラフェンや該グラフェンの積層体であるグラファイトの形成装置、及び炭素膜の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多数のベンゼン環が二次元的に連なった構造を有するグラフェン、及びグラフェンの積層体であるグラファイトを含む炭素膜は、２０万ｃｍ２／Ｖｓ以上という高いキャリア移動度を示すとともに、現在、配線として多用されている銅よりもはるかに大きい電流耐性を示す。炭素膜は、こうした優れた電気的特性を有していることから、トランジスタの形成材料、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）等の透明電極材料、及び銅等の配線材料に代わる新規な材料として注目を集めている。
【０００３】
炭素膜は、例えば特許文献１に記載のような熱ＣＶＤ法によって形成されている。同方法では、まず、カーボンナノチューブの形成に際しても触媒として用いられるニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、及び鉄（Ｆｅ）等からなる金属触媒層を形成する。そして、加熱された金属触媒層に対して、炭素を含有するガス、例えば一酸化炭素（ＣＯ）ガス、エタン（Ｃ２Ｈ６）ガス、及びエチレン（Ｃ２Ｈ４）ガス等を供給した後、金属触媒層を自然冷却する。これにより、均一に配列した多数のベンゼン環を有するグラフェン若しくはグラファイトとしての炭素膜が、金属触媒層の表面に形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２９８６８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、こうした方法によって形成された炭素膜を上述のようなトランジスタ等の形成材料として用いるためには、目的とする基板に対して炭素膜を転写する必要がある。上記特許文献１では、以下のような手順にて炭素膜の転写を行っている。
【０００６】
まず、金属触媒層に形成された炭素膜の表面をポリマーやレジスト等のバインダによって固定し、次いで、公知のドライエッチングやウェットエッチングによって金属触媒層を除去する。そして、バインダに固定された状態の炭素膜を目的の基板に押し付けた後、ババインダを溶解する。
【０００７】
このように、特許文献１に記載の方法では、炭素膜の転写に際して、該炭素膜を目的とする基板に押し付ける必要がある。そのため、基板上の炭素膜には、しわやひずみ等の欠陥が生じていることが少なくない。その結果、基板上の炭素膜においては、上述のような優れた電気的特性が発現されにくくなってしまう。
【０００８】
ここで、本願発明者は、上記金属触媒層を用いて炭素膜を形成した場合、炭素源となる炭素含有ガスが供給される金属触媒層の表面ばかりでなく、その反対側である裏面にも炭素膜が形成されることを見出した。つまり、目的とする基板上に金属触媒層を形成すれば、基板の金属触媒層側である表面と、金属触媒層の裏面との間に炭素膜を形成することが可能であることを見出した。
【０００９】
しかしながら、現在のところ、基板上に炭素膜を形成することが可能であるとはいえ、金属触媒層の表面側のみに炭素膜が形成されたり、同表面側に優先的に炭素膜が形成されたりすることがほとんどである。そのため、基板の表面と金属触媒層の裏面との間での炭素膜の成長の制御性を高めることが望まれている。
【００１０】
この発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、基板上に形成された金属触媒層の裏面と、基板の表面との間での炭素膜の成長の制御性を高めることのできる炭素膜の形成装置、及び炭素膜の形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、基板に積層された金属触媒層に対して炭素含有ガスを供給することにより、前記基板と前記金属触媒層との間に炭素膜を形成する炭素膜の形成装置であって、前記金属触媒層に対して前記炭素含有ガスを供給する炭素含有ガス供給部と、前記基板における前記金属触媒層側である表面側に配置された加熱部と、前記基板における前記金属触媒層とは反対側である裏面側に配置された冷却部とを有し、前記加熱部は、前記金属触媒層の表面を前記炭素含有ガスの分解される温度に加熱し、前記冷却部は、前記基板の裏面を冷却することで、前記加熱部によって加熱された前記金属触媒層の表面と該金属触媒層の裏面とに所定の温度差を形成して、前記基板の表面と前記金属触媒層の裏面との間に前記炭素膜を析出させることを要旨とする。
【００１２】
請求項１に記載の発明では、基板の表面側には加熱部が配置され、且つ、基板の裏面側には冷却部が配置されている。そして、加熱部が、金属触媒層の表面を炭素含有ガスの分解される温度に加熱する一方、冷却部は、基板の裏面を冷却することによって、加熱部に加熱された金属触媒層の裏面を冷却し、これによって、金属触媒層の表面と裏面との間に温度差を形成する。そのため、金属触媒層の裏面の温度が、上記温度差の分だけ該金属触媒層の表面よりも低くなることから、金属触媒層における裏面側では、炭素の溶解度が小さくなる。それゆえに、金属触媒層の表面にて生成された炭素が、金属触媒層における炭素の濃度勾配にしたがって金属触媒層の裏面側に拡散すると、上記溶解度の相対的に小さい裏面側にて炭素が析出しやすくなる。したがって、析出した炭素からなる炭素膜は、金属触媒層の表面よりも、金属触媒層の裏面と基板の表面との間に形成されやすくなる。
【００１３】
なお、金属触媒層が配置される雰囲気にて温度の分布が厳密に均一でなければ、こうした雰囲気に配置される金属触媒層にも、少なからず温度の分布が形成されることになる。それゆえに、炭素含有ガスを分解するための加熱部のみが基板の表面側に備えられる構成であっても、金属触媒層の表面と表面以外の他の部分との間に少なからず温度差は形成されることになる。しかし、このようにして形成された温度差では、温度差の大きさや温度差の形成される方向にばらつきが大きいことは当然のこと、金属触媒層の表面で分解された炭素が析出する程度に金属触媒層の裏面が低温化されることすら困難である。この点、請求項１に記載の発明によれば、互いに相反する機能を有した加熱部と冷却部との共働によって、金属触媒層の表面と金属触媒層の裏面との間に、炭素膜の成長を可能にする所定の温度差が形成されることになる。そのため、金属触媒層の裏面と基板の表面との間での炭素膜の成長の制御性を高めることが可能になる。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の炭素膜の形成装置において、前記加熱部が、前記金属触媒層の表面を加熱しているときに、前記冷却部が、前記基板の裏面を冷却することを要旨とする。
【００１５】
請求項２に記載の発明では、上記加熱部が金属触媒層の表面を加熱しているときに、冷却部が基板の裏面を冷却するようにしている。そのため、金属触媒層が加熱されているときには、常に金属触媒層の表面と裏面との間に温度差が形成されていることになる。それゆえに、金属触媒層の表面にて炭素含有ガスが分解されている間中、該金属触媒層の表面と裏面とには温度差が生じていることになる。したがって、炭素膜の形成位置は、金属触媒層の裏面と基板の表面との間により制御されやすくなる。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の炭素膜の形成装置において、前記金属触媒層がコバルトからなり、前記炭素含有ガス供給部が、前記炭素含有ガスとしてアセチレンガス又はエチレンガスを前記金属触媒層に供給しているときに、前記加熱部と前記冷却部とが、前記金属触媒層の表面の温度を３５０℃以上８００℃以下にするとともに、前記金属触媒層の裏面の温度を１００℃以上とし、且つ前記金属触媒層の表面と裏面との温度差を０．０１℃以上とすることを要旨とする。
【００１７】
請求項３に記載の発明では、コバルトで形成された金属触媒層に対してアセチレンガス若しくはエチレンガスが供給されるときに、金属触媒層の表面の温度を３５０℃以上８００℃以下としている。そのため、金属触媒層の表面にて生成された炭素が、金属触媒層内に拡散されやすくなる。また、金属触媒層の裏面の温度を１００℃以上としていることから、裏面側に析出した炭素が、アモルファスを形成することなく炭素膜を形成しやすくなる。加えて、金属触媒層の表面と裏面との温度差を０．０１℃以上としていることから、炭素膜が、より確実に金属触媒層の裏面と基板の表面との間に形成されやすくなる。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、請求項１又は２に記載の炭素膜の形成装置において、前記加熱部が、前記金属触媒層の表面の加熱を停止した後に、前記冷却部が、前記基板の裏面を冷却して、前記金属触媒層の表面と裏面との間に温度差を形成することを要旨とする。
【００１９】
金属触媒層が銅で形成されている場合、金属触媒層の表面で生成された炭素は、金属触媒層が加熱されている間中、該金属触媒層内に蓄積される。そして、蓄積された炭素は、金属触媒層が冷却されるときに、金属触媒層から析出して炭素膜を形成する。
【００２０】
この点、請求項４に記載の発明では、加熱部が金属触媒層の表面を加熱した後に、冷却部が基板の裏面を冷却することで、金属触媒層の表面と裏面との間に温度差を形成するようにしている。そのため、冷却部によって基板の裏面が冷却されるときには、炭素膜が形成されやすくなるとともに、炭素膜が金属触媒層の裏面と基板の表面との間に形成されやすくなる。
【００２１】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の炭素膜の形成装置において、前記金属触媒層が銅からなり、前記炭素含有ガス供給部が、前記金属触媒層に前記炭素含有ガスとしてアセチレンガス又はエチレンガスを供給しているときに、前記加熱部が、前記金属触媒層の表面の温度を６５０℃以上１０５０℃以下とし、前記炭素含有ガス供給部が、前記炭素含有ガスの供給を停止した後に、前記加熱部が、前記金属触媒層の加熱を停止するとともに、前記冷却部が、前記金属触媒層の裏面の温度を１００℃以上とし、且つ、前記金属触媒層の表面と裏面との温度差を０．０１℃以上とすることを要旨とする。
【００２２】
請求項５に記載の発明では、銅で形成された金属触媒層に対してアセチレンガス若しくはエチレンガスが供給されるときに、金属触媒層の表面の温度を６５０℃以上１０５０℃以下としている。そのため、金属触媒層を溶解させることなく、該金属触媒層に供給された炭素含有ガスを分解して炭素を生成することができる。また、炭素含有ガスの供給を停止した後に、加熱部が金属触媒層の加熱を停止するとともに、冷却部が、金属触媒層の裏面の温度を１００℃以上とし、且つ、金属触媒層の表面と裏面との温度差を０．０１℃以上としている。そのため、金属触媒層内には、炭素含有ガスの供給中にわたって炭素が蓄積され続けることになる。また、冷却部は、金属触媒層の温度を１００℃以上とするとともに、金属触媒層の表面と裏面との温度差が０．０１℃以上となるように基板の裏面を冷却する。そのため、アモルファス状の炭素ではなく炭素膜が析出しやすくなるとともに、炭素膜が金属触媒層の裏面と基板の表面との間に形成されやすくなる。
【００２３】
請求項６に記載の発明は、基板に積層された金属触媒層に対して炭素含有ガスを供給することにより、前記基板と前記金属触媒層との間に炭素膜を形成する炭素膜の形成方法であって、前記金属触媒層における前記基板とは反対側の表面を前記炭素含有ガスの分解される温度に加熱しつつ、該金属触媒層の表面に対して前記炭素含有ガスを供給する炭素供給工程と、前記基板における前記金属触媒層とは反対側である裏面を冷却することで、加熱された前記金属触媒層の裏面を冷却する冷却工程とを備え、前記冷却工程では、前記金属触媒層の表面と該金属触媒層の裏面とに温度差を形成して、前記基板の表面と前記金属触媒層の裏面との間に前記炭素膜を析出させることを要旨とする。
【００２４】
請求項６に記載の発明では、金属触媒層の表面を炭素含有ガスの分解される温度に加熱しつつ、該金属触媒層の表面に対して炭素含有ガスを供給する炭素供給工程と、基板の裏面を冷却することで加熱された金属触媒層の裏面を冷却する冷却工程とを備えている。そして、冷却工程では、金属触媒層の表面と裏面との間で温度差を形成する。そのため、金属触媒層の裏面の温度が、上記温度差の分だけ該金属触媒層の表面よりも低くなることから、金属触媒層における裏面側では、炭素の溶解度が小さくなる。それゆえに、金属触媒層の表面にて生成された炭素が、金属触媒層における炭素の濃度勾配にしたがって金属触媒層の裏面側に拡散すると、上記溶解度の相対的に小さい裏面側にて炭素が析出しやすくなる。したがって、析出した炭素からなる炭素膜は、金属触媒層の表面よりも、金属触媒層の裏面と基板の表面との間に形成されやすくなる。
【００２５】
このように、請求項６に記載の発明によれば、金属触媒層の表面を加熱する工程と同金属触媒層の裏面を冷却する工程との互いに相反した工程の共働によって、金属触媒層の表面と金属触媒層の裏面との間に所定の温度差が形成される。そのため、金属触媒層の裏面と基板の表面との間での炭素膜の成長の制御性を高めることが可能になる。
【発明の効果】
【００２６】
この発明によれば、基板上に形成された金属触媒層の裏面と、基板の表面との間での炭素膜の成長の制御性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の炭素膜の形成装置を熱ＣＶＤ装置として具現化した第１実施形態の概略構成を示す図。
【図２】本発明の炭素膜の形成方法における第１実施形態での炭素含有ガスの供給開始及び停止の態様、冷却水の供給開始及び停止の態様、ランプヒータのオン及びオフの態様、成膜対象物の表面と裏面とにおける温度変化の態様を示すタイミングチャート。
【図３】（ａ）（ｂ）同第１実施形態における炭素膜の形成方法を工程順に示す図。
【図４】本発明の炭素膜の形成方法における第２実施形態での炭素含有ガスの供給開始及び停止の態様、冷却水の供給開始及び停止の態様、ランプヒータのオン及びオフの態様、成膜対象物の表面と裏面とにおける温度変化の態様を示すタイミングチャート。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
［第１実施形態］
以下、本発明の炭素膜の形成装置及び炭素膜の形成方法における第１実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。まず、同実施形態における炭素膜の形成装置としての熱ＣＶＤ装置について図１を参照して説明する。
［熱ＣＶＤ装置］
熱ＣＶＤ装置１０の備える真空槽１１内には、成膜対象物Ｓを保持する冷却部としての水冷ステージ１２が配置されている。水冷ステージ１２内には、該水冷ステージ１２上に載置された成膜対象物Ｓを冷却するための冷却水の流れる冷却水通路１２Ｌが形成されている。冷却水通路１２Ｌには、真空槽１１外に通じる冷却水入口１２ａと冷却水出口１２ｂとが形成されている。これら冷却水入口１２ａ及び冷却水出口１２ｂには、冷却水の温度を所定の温度に維持しつつ、該冷却水に冷却水通路１２Ｌ内を循環させる温調部Ｈｘが接続されている。温調部Ｈｘは、冷却水通路１２Ｌにおける冷却水の温度が例えば２０℃になるように、該冷却水通路１２Ｌに流れる冷却水を温調する。
【００２９】
例えば、温調部Ｈｘは、冷却水の温度を冷却水出口１２ｂ側で測定することにより、冷却水通路１２Ｌで冷却水に加えられる熱量を把握するとともに、該熱量が加えられた冷却水を２０℃にするための冷却量を決定する。そして、温調部Ｈｘは、冷却水出口１２ｂから出る冷却水を先に決定された冷却量で冷却するとともに、該冷却された冷却水を所定の流量で冷却水入口１２ａに供給する。なお、冷却水の流量は、例えば０．５０ｌ／分以上１．３３ｌ／分以下の所定の流量とされる。
【００３０】
真空槽１１内には、上記水冷ステージ１２に載置された成膜対象物Ｓと対向する位置に、成膜対象物Ｓを加熱する加熱部としてのランプヒータ１３が設置されている。ランプヒータ１３は、例えば成膜対象物Ｓの全体を加熱することのできる赤外線ランプから構成されている。ランプヒータ１３は、成膜対象物Ｓを水冷ステージ１２とは反対側の表面から加熱することで、該表面の温度を例えば６００℃にまで加熱する。そして、ランプヒータ１３と水冷ステージ１２とは、これらの共働により、成膜対象物Ｓの裏面の温度を例えば４５２℃にするとともに、成膜対象物Ｓの表面と裏面との間に所定の温度差を形成する。
【００３１】
熱ＣＶＤ装置１０には、成膜対象物Ｓの上記表面の温度を測定する表面温度測定部１４と、同成膜対象物Ｓの水冷ステージ１２側である裏面の温度を測定する裏面温度測定部１５とが搭載されている。表面温度測定部１４と裏面温度測定部１５には、例えば熱電対などの接触型の温度センサーや赤外線センサーなどの非接触型の温度センサーを用いることが可能である。
【００３２】
真空槽１１には、炭素含有ガスである例えばアセチレン（Ｃ２Ｈ２）ガスを真空槽１１内に供給する炭素含有ガス供給部１６が接続されている。炭素含有ガス供給部１６は、アセチレンガスを貯蔵するボンベに接続されるマスフローコントローラであって、アセチレンガスを例えば０．１ｓｃｃｍ以上１０ｓｃｃｍ以下の所定流量に調節しつつ真空槽１１内に供給する。
【００３３】
真空槽１１には、アルゴン（Ａｒ）ガスを真空槽１１内に供給するアルゴンガス供給部１７が接続されている。アルゴンガス供給部１７は、アルゴンガスを貯蔵するボンベに接続されるマスフローコントローラであって、アルゴンガスを例えば１ｓｃｃｍ以上２０００ｓｃｃｍ以下の所定流量に調節しつつ真空槽１１内に供給する。
【００３４】
真空槽１１には、例えば上記アセチレンガスやアルゴンガスを含む真空槽１１内の流体を所定の排気流量で真空槽１１外に排気する排気部１８が接続されている。排気部１８は、真空槽１１内の圧力を調節する圧力調整バルブや、圧力調整バルブの後段に接続された真空ポンプ等によって構成されている。排気部１８は、熱ＣＶＤ装置１０にて成膜対象物Ｓに対する炭素膜の形成が行われるときに、炭素含有ガス供給部１６及びアルゴンガス供給部１７とともに、真空槽１１内の圧力を所定の圧力に維持する。
【００３５】
制御装置２０は、表面温度測定部１４に接続されて、成膜対象物Ｓにおける表面温度の測定値が表面温度測定部１４から入力される。また、制御装置２０は、裏面温度測定部１５に接続されて、成膜対象物Ｓにおける裏面温度の測定値が裏面温度測定部１５から入力される。そして、制御装置２０は、表面温度測定部１４の測定値と裏面温度測定部１５の測定値との差から成膜対象物Ｓの表裏における温度差を算出して、この算出値が予め設定された温度範囲であるか否かを監視する。
【００３６】
制御装置２０は、ランプヒータ１３、温調部Ｈｘ、炭素含有ガス供給部１６、アルゴンガス供給部１７、及び排気部１８に接続されている。また、制御装置２０は、熱ＣＶＤ装置１０を動作させる命令や手順が記述された動作プログラムと、熱ＣＶＤ装置１０における動作条件が記述された複数のレシピとを記憶している。制御装置２０が記憶するレシピのうち、成膜対象物Ｓに炭素膜を形成するための成膜レシピには、ランプヒータ１３をオン状態にする期間、アセチレンガスの流量、アルゴンガスの流量、及び成膜圧力などが含まれている。
【００３７】
詳述すると、制御装置２０が記憶する成膜レシピには、下記第１ステップ〜第３ステップがこの順で実行されるように記述されている。
・第１ステップ：ランプヒータ１３、アルゴンガス供給部１７、及び排気部１８が駆動されて、真空槽１１内がアルゴンガスで所定の圧力に維持される。この第１ステップが行われる時間には、成膜対象物Ｓが熱平衡状態になるのに要する時間が設定されている。
・第２ステップ：ランプヒータ１３、炭素含有ガス供給部１６、アルゴンガス供給部１７、及び排気部１８が駆動されて、真空槽１１内がアルゴンガスとアセチレンガスとで所定の圧力に維持される。この第２ステップが行われる時間には、炭素膜の膜厚が所望の膜厚に到達するのに要する時間が設定されている。
・第３ステップ：ランプヒータ１３の駆動、アルゴンガスの供給、アセチレンガスの供給を停止する。
【００３８】
そして、制御装置２０は、ランプヒータ１３、温調部Ｈｘ、炭素含有ガス供給部１６、アルゴンガス供給部１７、及び排気部１８の駆動の態様を上述した動作プログラムと成膜レシピとに基づいて制御する。
［熱ＣＶＤ装置の作用］
次に、上記熱ＣＶＤ装置１０が成膜対象物Ｓに炭素膜を形成する動作について、図２を参照して説明する。なお、ここでいう炭素膜とは、多数のベンゼン環が二次元的に連なった構造を有する単原子膜であるグラフェンと、グラフェンの積層体であるグラファイトとを含む。
【００３９】
まず、熱ＣＶＤ装置１０に電源が投入されて、制御装置２０が動作プログラムを実行すると、排気部１８を駆動するための制御信号が、制御装置２０から排気部１８に出力され、これにより真空槽１１内の減圧が開始される。また、温調部Ｈｘをオン状態にするための制御信号が、制御装置２０から温調部Ｈｘに出力され、これにより、水冷ステージ１２における冷却水の循環が開始される。なお、このように熱ＣＶＤ装置１０に成膜対象物Ｓが搬入されていないアイドル状態であれ、熱ＣＶＤ装置１０に成膜対象物Ｓが搬入されている稼働状態であれ、制御装置２０が動作プログラムを実行している期間では、上記冷却水の循環が継続される。そして、アイドル状態では、このような冷却水の循環が行われることで、水冷ステージ１２が所定の温度に維持される。
【００４０】
次いで、上述したアイドル状態から熱ＣＶＤ装置１０に成膜対象物Ｓがセットされると、制御装置２０は、動作プログラムに基づいて図示されない搬送装置を駆動して成膜対象物Ｓを真空槽１１内に搬入する。そして、図２に示されるように、タイミングｔ０にて成膜対象物Ｓが水冷ステージ１２上に載置されると、成膜対象物Ｓが水冷ステージ１２上にて所定の温度に維持される。
【００４１】
続いて、成膜対象物Ｓが上記水冷ステージ１２に載置されると、制御装置２０は、動作プログラムに基づいて成膜レシピを読み出し、該成膜レシピに基づいてランプヒータ１３、温調部Ｈｘ、炭素含有ガス供給部１６、アルゴンガス供給部１７、及び排気部１８の駆動の態様を制御する。
【００４２】
すなわち、上記第１ステップに基づき、タイミングｔ１にて、ランプヒータ１３をオン状態にするための制御信号が制御装置２０からランプヒータ１３に出力されて、ランプヒータ１３による成膜対象物Ｓの昇温が開始される。これにより、タイミングｔ２よりも前までに、成膜対象物Ｓの表面が６００℃にまで加熱される一方、成膜対象物Ｓの裏面が４５２℃にまで加熱される。そして、成膜対象物Ｓの表面と裏面との間に１４８℃の温度差が形成される。
【００４３】
また、上記第１ステップに基づき、タイミングｔ１では、アルゴンガス供給部１７からアルゴンガスを供給するための制御信号が、制御装置２０からアルゴンガス供給部１７に出力されて、真空槽１１内へのアルゴンガスの供給が開始される。アルゴンガス供給部１７が、例えば１０００ｓｃｃｍの流量で真空槽１１内にアルゴンガスを供給することで、タイミングｔ２よりも前までに、同真空槽１１内の圧力が例えば１ｋＰａになる。そして、成膜対象物Ｓにおける表面側の雰囲気がアルゴンガスで均一に満たされることによって、こうしたアルゴンガスを媒体とした熱伝導が実現されて、ランプヒータ１３の熱量が成膜対象物Ｓの表面に均一に伝わることとなる。
【００４４】
真空槽１１内が上記圧力になるとともに、成膜対象物Ｓの温度が上記温度で安定すると、上記第２ステップに基づき、タイミングｔ２にて、炭素含有ガス供給部１６からアセチレンガスを供給するための制御信号が、制御装置２０から炭素含有ガス供給部１６に出力されて、真空槽１１内へのアセチレンガスの供給が開始される。炭素含有ガス供給部１６は、例えば真空槽１１内に１ｓｃｃｍの流量でアセチレンガスを供給する。そして、アセチレンガスの供給は、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの間、例えば２０分にわたり行われる。
【００４５】
ここで、成膜対象物Ｓの表面がランプヒータ１３によって加熱されているときには、成膜対象物Ｓの裏面が水冷ステージ１２によって温調されているため、炭素膜の形成に要する所定の温度差が、常に成膜対象物Ｓの表面と裏面との間に形成されていることになる。
【００４６】
そして、タイミングｔ２から所定期間にわたりアセチレンガスの供給が行われると、上記第３ステップに基づき、タイミングｔ３にて、ランプヒータ１３をオフ状態にするための制御信号が、制御装置２０からランプヒータ１３に出力される。また、上記第３ステップに基づき、アルゴンガス及びアセチレンガスの供給を停止するための制御信号が制御装置２０から炭素含有ガス供給部１６及びアルゴンガス供給部１７に出力される。これにより、アルゴンガス及びアセチレンガスの供給が停止されることで、真空槽１１内が上記排気部１８によって真空排気される。同時に、タイミングｔ３では、ランプヒータ１３がオフの状態とされる。
【００４７】
次に、上述した成膜処理にて形成される炭素膜の形成過程について図３を参照して説明する。まず、成膜対象物Ｓとは、図３（ａ）に示されるように、基板２１の表面に金属触媒層２２が積層された積層体である。なお、以下では、炭素膜の形成過程を説明する前提として、表面に熱酸化膜の形成された厚さが７７５μｍのシリコン基板を基板２１とし、また厚さが５００ｎｍのコバルト（Ｃｏ）層を金属触媒層２２とする。ちなみに、こうした金属触媒層２２は、例えば０．５ｋＰａ雰囲気にてコバルトターゲットに２００Ｗのターゲット電力を供給し、且つアルゴンガスを１０ｓｃｃｍの流量で供給することでスパッタ成膜される。また、成膜対象物Ｓでは、金属触媒層２２の表面２２ｂが、成膜対象物Ｓの上記表面、且つ、上記ランプヒータ１３によって加熱される面である。他方、基板２１の裏面２１ａが、成膜対象物Ｓの上記裏面、且つ、水冷ステージ１２に載置される面である。
【００４８】
このような成膜対象物Ｓが上記熱ＣＶＤ装置１０に搬入されると、上述したタイミングｔ２からタイミングｔ３までの間は、成膜対象物Ｓの表面である金属触媒層２２の表面２２ｂが６００℃に保たれる。
【００４９】
この際、６００℃に加熱された金属触媒層２２の表面２２ｂにアセチレンガスが供給されるため、金属触媒層２２の表面２２ｂでは、アセチレンガスの分解が進行する。そして、金属触媒層２２の表面２２ｂにて生成された炭素２２ｃは、金属触媒層２２における炭素２２ｃの濃度勾配にしたがって金属触媒層２２の裏面２２ａ側に拡散する。一方、この間、成膜対象物Ｓの裏面である基板２１の裏面２１ａが水冷ステージ１２によって温調されるため、金属触媒層２２の表面２２ｂと基板２１の裏面２１ａとの間には、炭素膜の形成に要する所定の温度差が形成され続けることになる。
【００５０】
ここで、シリコン基板の熱伝導率は、室温にて１６０Ｗ／ｍ・ｋであり、また、金属触媒層２２を形成するコバルト層の熱伝導率は、室温にて２０Ｗ／ｍ・ｋ以上７０Ｗ／ｍ・ｋ以下である。そのため、上述のようにシリコン基板の厚さが７７５μｍであって、金属触媒層２２の厚さが５００ｎｍであって、且つ成膜対象物Ｓの表面と裏面との温度差が１５０℃であるときには、金属触媒層２２の表面２２ｂと裏面２２ａとの温度差は１℃程度になる。しかも、成膜対象物Ｓの裏面の温度が１００℃以上であれば、金属触媒層２２の裏面２２ａの温度は１００℃以上であると見なすことができる。
【００５１】
そして、金属触媒層２２の裏面２２ａに拡散した炭素２２ｃは、裏面２２ａにおける温度が表面２２ｂよりも低いため、相対的に溶解度が低くなる結果、表面２２ｂよりも析出しやすくなる。また、金属触媒層２２の裏面２２ａにおける温度が１００℃以上であるため、裏面２２ａに析出した炭素は、図３（ｂ）に示されるように、アモルファス状の炭素ではなくグラフェン２３ａを有する炭素膜２３を形成するようになる。そして、上記タイミングｔ２からタイミングｔ３までの間に形成される炭素膜２３の多くは、基板２１の表面２１ｂと金属触媒層２２の裏面２２ａとの間に形成されることになる。
【００５２】
なお、本発明者らの実験によれば、金属触媒層２２の表面２２ｂにおける温度、金属触媒層２２の裏面２２ａにおける温度、金属触媒層２２の表裏における温度差、金属触媒層２２の降温速度は、以下の範囲が好ましい。
【００５３】
すなわち、金属触媒層２２の表面２２ｂの温度は、３５０℃以上８００℃以下の範囲の所定の温度であると、金属触媒層２２の表面にてアセチレンが分解されるとともに、アセチレンの分解によって生成された炭素２２ｃが、金属触媒層２２の表面に堆積することなく、該金属触媒層２２内に拡散可能な量となる。他方、金属触媒層２２の表面２２ｂの温度が、３５０℃未満であると、アセチレンの分解速度が低くなるため、金属触媒層２２内に十分な量の炭素を供給する時間が長くなり過ぎてしまう。また、金属触媒層２２の表面２２ｂの温度が、８００℃より高いと、金属触媒層２２の表面に炭素が堆積してしまう。
【００５４】
また、金属触媒層２２の裏面２２ａの温度を１００℃以上とするとともに、金属触媒層２２の表面２２ｂと裏面２２ａとの温度差を０．０１℃以上とすることが好ましい。それゆえに、上述した成膜対象物Ｓであれば、該成膜対象物Ｓの表裏の温度差を２℃以上にすることが好ましい。
【００５５】
また、金属触媒層２２の表面２２ｂの温度が、１℃／分以上５００００℃／分以下の速度で低下する、若しくは、上記６００℃から２００℃にまで０．００１秒以上１０分以下で冷却されることが好ましい。さらには、１００℃／分以上１００００℃／分以下の速度で低下する、若しくは、上記６００℃から２００℃にまで１秒以上５分以下で冷却されることが好ましい。金属触媒層２２の表面２２ｂが上述のような速度で冷却されることによって、炭素膜２３の体積変化を該炭素膜の剥離や歪みが生じない程度に抑えることができる。
【００５６】
なお、炭素膜２３を含む成膜対象物Ｓの冷却が終了すると、成膜対象物Ｓは、真空槽１１内から搬出される。次いで、上記金属触媒層２２の表面に形成された炭素膜が、酸素雰囲気での加熱、酸素を用いたアッシング、又はアルゴンイオンによるミリングによって除去された後、金属触媒層２２が、アルゴンイオンによるミリング、又は希硝酸等を用いたウェットエッチングにより除去される。若しくは、ウェットエッチングによって金属触媒層２２を除去することで、該金属触媒層２２の表面に形成された炭素膜も同時に除去される。こうして形成された基板２１と炭素膜２３との積層体が、各種の処理を経ることによって、素子間を電気的に接続する配線や電極に加工される。
［実施例１］
直径２００ｍｍ、且つ厚さ７７５μｍの熱酸化膜付シリコン基板に、厚さ５００ｎｍのコバルトからなる金属触媒層を以下の条件で形成した。
○金属触媒層形成条件
・真空槽内の圧力：０．５ｋＰａ
・アルゴンガスの流量：１０ｓｃｃｍ
・コバルトターゲットへの供給電力：２００Ｗ
そして、以下の条件にて炭素膜を形成した。
○炭素膜形成条件
・真空槽内の圧力：１ｋＰａ
・アルゴンガスの流量：１０００ｓｃｃｍ
・アセチレンガスの流量：１ｓｃｃｍ
・冷却水温  冷却水入口：２０℃、冷却水出口：２１℃
・金属触媒層表面の温度：６００℃
・シリコン基板の裏面の温度：４５２℃
・成膜時間：２０分
・冷却速度：５８０℃／分
その結果、金属触媒層の裏面とシリコン基板の表面との間に、１５層以上２０層以下のグラフェンの積層体であるグラファイトが析出した。また、金属触媒層の表面に、３層以上５層以下のグラフェンの積層体であるグラファイトが析出した。
［実施例２］
上記実施例１の炭素膜形成条件から以下の条件のみ変更して炭素膜を形成した。
○炭素膜形成条件
・冷却水温  冷却水入口：２５℃、冷却水出口：３０℃
・金属触媒層表面の温度：７５０℃
・シリコン基板裏面の温度：７００℃
その結果、金属触媒層の裏面とシリコン基板の表面との間に、３０層以上４０層以下のグラフェンの積層体であるグラファイトが析出した。また、金属触媒層の表面に、１０層以上１５層以下のグラフェンの積層体であるグラファイトが析出した。
［比較例１］
上記実施例１の炭素膜形成条件から以下の条件のみ変更して炭素膜を形成した。
○炭素膜形成条件
・冷却水温：冷却水の温調、循環なし
・金属触媒層表面の温度：７００℃
・シリコン基板裏面の温度：７００℃
その結果、金属触媒層の裏面とシリコン基板の表面との間には、グラファイトが析出しなかった。一方、金属触媒層の表面には、３０層以上４０層以下のグラフェンの積層体であるグラファイトが析出した。
【００５７】
以上説明したように、上記第１実施形態によれば、以下に列挙する効果が得られるようになる。
（１）互いに相反する機能を有したランプヒータ１３と水冷ステージ１２との共働によって、金属触媒層２２の表面２２ｂと金属触媒層２２の裏面２２ａとの間に所定の温度差が形成される。そのため、金属触媒層２２の裏面２２ａと基板２１の表面２１ｂとの間での炭素膜２３の成長の制御性を高めることが可能になる。
【００５８】
（２）金属触媒層２２が、コバルトによって形成されている。そして、上記ランプヒータ１３が金属触媒層２２の表面２２ｂを加熱しているときに、水冷ステージ１２が基板２１の裏面２１ａを冷却するようにしている。そのため、金属触媒層２２が加熱されているときには、常に金属触媒層２２の表面２２ｂと裏面２２ａとの間に温度差が形成されていることになる。それゆえに、金属触媒層２２の表面２２ｂにてアセチレンガスが分解されている間中、該金属触媒層２２の表面２２ｂと裏面２２ａとには温度差が生じていることになる。したがって、炭素膜２３の形成位置は、金属触媒層２２の裏面２２ａと基板２１の表面２１ｂとの間により制御されやすくなる。
【００５９】
（３）コバルトで形成された金属触媒層２２に対してアセチレンガスが供給されるときに、金属触媒層２２の表面２２ｂの温度を３５０℃以上８００℃以下としている。そのため、金属触媒層２２の表面２２ｂにて生成された炭素が、金属触媒層２２内に拡散されやすくなる。また、金属触媒層２２の裏面２２ａの温度を１００℃以上としていることから、該裏面２２ａ側に析出した炭素が、アモルファスを形成することなく炭素膜２３を形成しやすくなる。加えて、金属触媒層２２の表面２２ｂと裏面２２ａとの温度差を０．０１℃以上としていることから、炭素膜２３が、より確実に金属触媒層２２の裏面２２ａと基板２１の表面２２ｂとの間に形成されやすくなる。
［第２実施形態］
次に、本発明の炭素膜の形成装置及び炭素膜の形成方法における第２実施形態について、図１、図３、及び図４を参照して説明する。なお、この第２実施形態では、冷却水の循環が、アイドル状態において停止され、且つ成膜レシピに基づいて開始される。そして、この第２実施形態は、炭素膜を形成する際のアセチレンガスの供給態様、ランプヒータによる加熱の態様、及び水冷ステージによる冷却の態様が異なる。そこで以下では、上述のような第１実施形態との相違点について特に説明する。
【００６０】
制御装置２０が記憶する成膜レシピには、下記第１ステップ〜第５ステップをこの順で実行されるように記述されている。
・第１ステップ：ランプヒータ１３、アルゴンガス供給部１７、及び排気部１８が駆動されて、真空槽１１内がアルゴンガスで所定の圧力に維持される。この第１ステップが行われる時間には、成膜対象物Ｓが熱平衡状態になるのに要する時間が設定されている。
・第２ステップ：ランプヒータ１３、炭素含有ガス供給部１６、アルゴンガス供給部１７、及び排気部１８が駆動されて、真空槽１１内がアルゴンガスとアセチレンガスとで所定の圧力に維持される。この第２ステップが行われる時間には、アセチレンガスの分解生成物である炭素が成膜対象物Ｓ中に拡散するのに要する時間が設定されている。
・第３ステップ：ランプヒータ１３及び排気部１８が駆動されて、真空槽１１内のガスが加熱下で排気される。この第３ステップが行われる時間には、真空槽１１内の圧力が所定の圧力値になるのに要する時間が設定されている。
・第４ステップ：ランプヒータ１３及び温調部Ｈｘが駆動されて、成膜対象物Ｓの表面に対する加熱と成膜対象物Ｓの裏面に対する冷却とが行われる。この第４ステップが行われる時間には、炭素膜の膜厚が所望の膜厚に到達するのに要する時間が設定されている。
・第５ステップ：温調部Ｈｘが駆動されて、成膜対象物Ｓの裏面に対する冷却が行われる。この第５ステップが行われる時間には、加熱された成膜対象物Ｓの温度が水冷ステージ１２の温度と略等しくなるのに要する時間が設定されている。
【００６１】
そして、制御装置２０は、ランプヒータ１３、温調部Ｈｘ、炭素含有ガス供給部１６、アルゴンガス供給部１７、及び排気部１８の駆動の態様を上述した動作プログラムと成膜レシピとに基づいて制御する。
［熱ＣＶＤ装置の作用］
上記熱ＣＶＤ装置１０が上記成膜対象物Ｓに炭素膜を形成する動作について、図４を参照して説明する。
【００６２】
まず、熱ＣＶＤ装置１０に電源が投入されて、制御装置２０が動作プログラムを実行すると、排気部１８を駆動するための制御信号が、制御装置２０から排気部１８に出力され、これにより真空槽１１内の減圧が開始される。次いで、熱ＣＶＤ装置１０に成膜対象物Ｓがセットされると、制御装置２０は、動作プログラムに基づいて図示されない搬送装置を駆動して成膜対象物Ｓを真空槽１１内に搬入する。そして、図４に示されるように、タイミングｔ０にて、成膜対象物Ｓが水冷ステージ１２上に載置される。
【００６３】
次いで、成膜対象物Ｓが水冷ステージ１２に載置されると、制御装置２０は、動作プログラムに基づいて成膜レシピを読み出し、該成膜レシピに基づいてランプヒータ１３、温調部Ｈｘ、炭素含有ガス供給部１６、アルゴンガス供給部１７、及び排気部１８の駆動の態様を制御する。
【００６４】
すなわち、上記第１ステップに基づき、タイミングｔ１にて、ランプヒータ１３をオン状態にするための制御信号が制御装置２０からランプヒータ１３に出力されて、ランプヒータ１３による成膜対象物Ｓの昇温が開始される。これにより、タイミングｔ２よりも前までに、成膜対象物Ｓの表面、及び成膜対象物Ｓの裏面が８００℃にまで加熱される。なお、本実施形態では、ランプヒータ１３による成膜対象物Ｓの昇温が開始されるときに、水冷ステージ１２による該成膜対象物Ｓの冷却が行われていない。そのため、タイミングｔ２よりも前までに、成膜対象物Ｓの全体が同一の温度に加熱される。なお、図４では、図示の便宜上、成膜対象物Ｓの表面の温度を示す実線と、裏面の温度を示す実線とを上下に離間させて示している。
【００６５】
また、上記第１ステップに基づき、タイミングｔ１では、アルゴンガス供給部１７からアルゴンガスを供給するための制御信号が制御装置２０からアルゴンガス供給部１７に出力されて、真空槽１１内へのアルゴンガスの供給が開始される。アルゴンガス供給部１７が、例えば１０００ｓｃｃｍの流量で真空槽１１内にアルゴンガスを供給することで、タイミングｔ２よりも前までに、同真空槽１１内の圧力が例えば１ｋＰａになる。
【００６６】
真空槽１１内が上記の圧力になるとともに、成膜対象物Ｓの温度が上記温度で安定すると、上記第２ステップに基づき、タイミングｔ２にて、炭素含有ガス供給部１６からアセチレンガスを供給するための制御信号が制御装置２０から炭素含有ガス供給部１６に出力されて、真空槽１１内へのアセチレンガスの供給が開始される。炭素含有ガス供給部１６は、例えば真空槽１１内に１ｓｃｃｍの流量でアセチレンガスを供給する。そして、アセチレンガスの供給は、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの間、例えば２０分にわたり行われる。
【００６７】
アセチレンガスの供給が上記期間にわたり行われると、上記第３ステップに基づき、アルゴンガス及びアセチレンガスの供給を停止するための制御信号が、タイミングｔ３にて、制御装置２０から炭素含有ガス供給部１６及びアルゴンガス供給部１７に出力される。そして、アセチレンガスの供給及びアルゴンガスの供給が停止されて、上記排気部１８によって真空槽１１内が排気される。
【００６８】
真空槽１１内が排気されると、上記第４ステップに基づき、冷却水の循環を開始するための制御信号が、制御装置２０から温調部Ｈｘに出力され、タイミングｔ４にて、上記水冷ステージ１２における冷却水の温調及び循環が開始される。これにより、成膜対象物Ｓの表面が上記ランプヒータ１３によって加熱された状態で、成膜対象物Ｓの裏面が水冷ステージ１２により急激に冷却される。それゆえに、成膜対象物Ｓが第１実施形態と同じであるという前提であれば、その成膜対象物Ｓの表面と裏面との間に、第１実施形態よりも大きな温度差を形成することが可能となる。また、成膜対象物Ｓの熱伝導率が第１実施形態よりも大きいという前提であっても、その成膜対象物Ｓの表面と裏面との間に、第１実施形態と同程度の温度差を形成することが可能にもなる。
【００６９】
水冷ステージ１２による成膜対象物Ｓの冷却が開始されると、上記第５ステップに基づき、ランプヒータ１３をオフ状態にするための制御信号が、制御装置２０からランプヒータ１３に出力され、タイミングｔ５にてランプヒータ１３がオフ状態にされる。これにより、上記タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間よりも高い速度で、成膜対象物Ｓが冷却される。
【００７０】
次に、上述した成膜処理にて形成される炭素膜の形成過程について説明する。なお、成膜対象物Ｓとは、第１実施形態と同様に、基板２１の表面に金属触媒層２２が積層された積層体である。なお、以下では、炭素膜の形成過程を説明する前提として、表面に熱酸化膜の形成された厚さが７７５μｍのシリコン基板を基板２１とし、また厚さが５００ｎｍの銅（Ｃｕ）層を金属触媒層２２とする。ちなみに、こうした金属触媒層２２は、例えば０．５ｋＰａ雰囲気にて銅ターゲットに２００Ｗのターゲット電力を供給し、且つアルゴンガスを１０ｓｃｃｍの流量で供給することでスパッタ成膜される。
【００７１】
このような成膜対象物Ｓが上記熱ＣＶＤ装置１０に搬入されると、上述したタイミングｔ２からタイミングｔ３までの間は、成膜対象物Ｓの表面である金属触媒層２２の表面２２ｂが８００℃に保たれる。
【００７２】
この際、８００℃に加熱された金属触媒層２２の表面２２ｂにアセチレンガスが供給されるため、金属触媒層２２の表面２２ｂでは、アセチレンガスの分解が進行する。そして、金属触媒層２２の表面２２ｂにて生成された炭素２２ｃは、金属触媒層２２における炭素２２ｃの濃度勾配にしたがって金属触媒層２２の裏面２２ａ側に拡散し、該金属触媒層２２内に蓄積し続ける。このとき、金属触媒層２２の表面２２ｂの温度は、６５０℃以上１０５０℃以下にすることが好ましい。これにより、金属触媒層２２を溶解させることなく、金属触媒層２２の表面にてアセチレンガスを熱分解することで、炭素膜の形成を所定速度以上とするに足るだけの炭素を該金属触媒層２２内に供給することができる。
【００７３】
次いで、水冷ステージ１２による成膜対象物Ｓの冷却がタイミングｔ４にて開始される。水冷ステージ１２による成膜対象物Ｓの冷却が開始されると、金属触媒層２２においては以下のような温度変化が起こる。すなわち、金属触媒層２２における水冷ステージ１２側の面である裏面２２ａの温度が、冷却の開始直後に上記８００℃から例えば５００℃等の所定温度にまで急激に低下する。そして、該裏面２２ａの温度は、ランプヒータ１３及び水冷ステージ１２の駆動中にわたって５００℃で推移する。これに対し、金属触媒層２２における上記裏面２２ａよりも表面２２ｂ側の部位の温度は、上記裏面２２ａの温度と同様、８００℃から５００℃にまで低下するものの、裏面２２ａからの距離が大きくなるほど５００℃になるまでに要する時間が長くなる。
【００７４】
このように、水冷ステージ１２による成膜対象物Ｓの冷却開始時から金属触媒層２２の裏面２２ａから表面２２ｂまでにわたって同一の温度となるまでの間は、金属触媒層２２の表面２２ｂと裏面２２ａとの間に所定の温度差が形成される。そして、こうした所定の温度差により、上記アセチレンガスの分解により生成された炭素２２ｃが、金属触媒層２２の裏面２２ａと基板２１の表面２１ｂとの間に炭素膜２３として析出する。
【００７５】
さらにタイミングｔ５にてランプヒータ１３の加熱が停止される。つまり、タイミングｔ４にて成膜対象物Ｓの冷却が開始されてから、タイミングｔ５にてランプヒータ１３の加熱が停止されるまでの間は、金属触媒層２２の裏面２２ａは冷却される一方、該金属触媒層２２の表面２２ｂは加熱され続ける。そのため、金属触媒層２２の表面２２ｂと裏面２２ａとの間に所定の温度差が生じている期間が、上記タイミングｔ４にてランプヒータ１３の加熱を停止するよりも長くなる。その結果、金属触媒層２２に拡散した炭素２２ｃが、表面２２ｂよりも裏面２２ａに析出しやすくなる。
【００７６】
ここで、シリコン基板の熱伝導率は、室温にて１６０Ｗ／ｍ・ｋであり、また、金属触媒層２２を形成する銅の熱伝導率は、室温にて４００Ｗ／ｍ・ｋである。そのため、上述のように基板２１の厚さが７７５μｍであって、金属触媒層２２の厚さが５００ｎｍであって、且つ成膜対象物Ｓの表面と裏面との温度差が３００℃であるとき、金属触媒層２２の表面２２ｂと裏面２２ａとの温度差は０．１℃程度になる。しかも、成膜対象物Ｓの裏面の温度が１００℃以上であれば、金属触媒層２２の裏面２２ａの温度は１００℃以上であると見なすことができる。その結果、金属触媒層２２の裏面２２ａに拡散した炭素２２ｃは、第１実施形態と同様に、アモルファス状の炭素ではなくグラフェン２３ａを有する炭素膜２３を形成するようになる。
【００７７】
なお、本発明者らの実験によれば、金属触媒層２２の表面２２ｂにおける温度、金属触媒層２２の裏面２２ａにおける温度、金属触媒層２２の表裏における温度差、金属触媒層２２の降温速度は、以下の範囲が好ましい。
【００７８】
すなわち、金属触媒層２２の表面２２ｂにおける冷却速度は、１℃／分以上５００００℃／分以下とする、若しくは、冷却開始時の温度、例えば上記８００℃から炭素膜２３の析出する下限温度である２００℃にまでの冷却を０．００１秒以上１０分以下で行うことが好ましい。また、１００℃／分以上１００００℃／分以下の冷却速度、若しくは、上記８００℃から２００℃にまでの冷却を１秒以上５分以下で行うことがより好ましい。これにより、炭素膜２３がアモルファス状になりにくくなる。また、炭素膜２３の体積変化を該炭素膜の剥離や歪みが生じない程度に抑えることができる。
【００７９】
上述のような冷却により成膜対象物Ｓの温度が例えば５０℃にまで冷却されると、上記真空槽１１内から成膜対象物Ｓが搬出される。そして、上記第１実施形態と同様に、金属触媒層２２、及び該金属触媒層２２の表面２２ｂに形成された炭素膜が除去される。こうして形成された基板２１と炭素膜２３との積層体が、各種の処理を経ることによって、素子間を電気的に接続する配線や電極に加工される。
［実施例３］
直径２００ｍｍ、且つ厚さ７７５μｍの熱酸化膜付シリコン基板に、厚さ５００ｎｍの銅からなる金属触媒層を以下の条件で形成した。
○金属触媒層形成条件
・真空槽内の圧力：０．５ｋＰａ
・アルゴンガスの流量：１０ｓｃｃｍ
・銅ターゲットへの供給電力：２００Ｗ
そして、以下の条件にて炭素膜を形成した。
○炭素膜形成条件
・真空槽内の圧力：１ｋＰａ
・アルゴンガスの流量：１０００ｓｃｃｍ
・アセチレンガスの流量：１ｓｃｃｍ
・冷却水温  冷却水入口：２０℃、冷却水出口：２１℃
・金属触媒層表面の温度：８００℃
・シリコン基板の裏面の温度：８００℃
・成膜時間：２０分
・冷却速度：５８０℃／分
その結果、金属触媒層の裏面とシリコン基板の表面との間に、３０層以上４０層以下のグラフェンの積層体であるグラファイトが析出した。また、金属触媒層の表面に、３層以上４層以下のグラフェンの積層体であるグラファイトが析出した。
［比較例２］
上記実施例３の炭素膜形成条件から以下の条件のみ変更して炭素膜を形成した。
○炭素膜形成条件
・冷却水温：冷却水の温調、循環なし
・金属触媒層表面の温度：８００℃
・シリコン基板裏面の温度：８００℃
その結果、金属触媒層の裏面とシリコン基板の表面との間には、グラファイトが析出しなかった。一方、金属触媒層の表面には、３０層以上４０層以下のグラフェンの積層体であるグラファイトが析出した。
【００８０】
以上説明したように、上記第２実施形態によれば、以下に列挙する効果が得られるようになる。
（４）金属触媒層２２が銅からなるときに、ランプヒータ１３が金属触媒層２２の表面を加熱した後に、水冷ステージ１２が基板２１の裏面２１ａを冷却することで、金属触媒層２２の表面２２ｂと裏面２２ａとの間に温度差を形成するようにしている。そのため、水冷ステージ１２によって基板２１の裏面２１ａが冷却されるときには、炭素膜２３が形成されやすくなるとともに、該炭素膜２３が金属触媒層２２の裏面２２ａと基板２１の表面２１ｂとの間に形成されやすくなる。
【００８１】
（５）銅で形成された金属触媒層２２に対してアセチレンガスが供給されるときに、金属触媒層２２の表面２２ｂの温度を６５０℃以上１０５０℃以下としている。そのため、金属触媒層２２を溶解させることなく、該金属触媒層２２に供給されたアセチレンガスを分解して炭素を生成することができる。また、アセチレンガスの供給を停止した後に、ランプヒータ１３が金属触媒層２２の加熱を停止するとともに、水冷ステージ１２が、金属触媒層２２の裏面２２ａの温度を１００℃以上とし、且つ、金属触媒層２２の表面２２ｂと裏面２２ａとの温度差を０．０１℃以上としている。そのため、金属触媒層２２内には、アセチレンガスの供給中にわたって炭素が蓄積され続けることになる。また、水冷ステージ１２は、金属触媒層２２の温度を１００℃以上とするとともに、金属触媒層２２の表面２２ｂと裏面２２ａとの温度差が０．０１℃以上となるように基板２１の裏面２１ａを冷却する。そのため、アモルファス状の炭素ではなく炭素膜２３が析出しやすくなるとともに、該炭素膜２３が金属触媒層２２の裏面２２ａと基板２１の表面２１ｂとの間に形成されやすくなる。
【００８２】
なお、上記各実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・上記第１実施形態及び第２実施形態では、冷却水によって冷却される水冷ステージ１２に冷却部が具現化されているが、これに限らず、冷却部は、例えば成膜対象物Ｓのステージと該成膜ステージとの間に冷却媒体のＨｅガスを介在させるステージであってもよく、さらに該ステージが冷却水によって冷却されるステージであってもよい。要は、冷却部は、その冷却能力を変更することで金属触媒層２２の表裏に所定の温度差を形成するものであればよい。
【００８３】
・第１実施形態及び第２実施形態では、熱ＣＶＤ装置１０が、加熱部としてランプヒータ１３を備えるようにしたが、これに限らず、加熱部として輻射を利用して成膜対象物Ｓを加熱するホットプレート、ガスを介して成膜対象物Ｓを加熱するマッフル炉、赤外線を利用したイメージ炉、及びＲＦやマイクロ波により形成したプラズマによるもの等として具現化するようにしてもよい。また、上記プラズマによる加熱と他の加熱との組み合わせであってもよい。要は、加熱部は、金属触媒層２２をその表面側から加熱するとともに、上記冷却部との共働で金属触媒層２２に所定の温度差を形成することのできるものであればよい。
【００８４】
・第１実施形態及び第２実施形態では、ランプヒータ１３が、成膜対象物Ｓの載置領域以上の大きさであるようにしたが、ランプヒータ１３の大きさが、該成膜対象物Ｓの載置領域未満の大きさでも、成膜対象物Ｓに温度むらを形成しない大きさであればよい。
【００８５】
・第１実施形態及び第２実施形態では、熱ＣＶＤ装置１０が、表面温度測定部１４と裏面温度測定部１５とを備えるようにしたが、加熱部の駆動態様や冷却部の駆動態様に基づいて金属触媒層２２の温度差が推定される構成であれば、表面温度測定部１４及び裏面温度測定部１５のいずれか１つを割愛してもよい。
【００８６】
・第１実施形態及び第２実施形態では、炭素膜２３の形成時に、アルゴンガス以外の希ガスであるヘリウム（Ｈｅ）ガス、ネオン（Ｎｅ）ガス、クリプトン（Ｋｒ）ガス、及びキセノン（Ｘｅ）ガスを用いるようにしてもよい。
【００８７】
・第１実施形態及び第２実施形態では、基板２１の表面２１ｂに熱酸化膜が形成されているようにしたが、該熱酸化膜は形成されていなくともよく、基板２１に形成された能動素子を覆う絶縁膜であってもよい。
【００８８】
・第１実施形態及び第２実施形態では、基板２１の厚さを７７５μｍとし、また、金属触媒層２２の厚さを５００ｎｍとした。これに限らず、上記加熱部及び冷却部を用いて金属触媒層２２の表面２２ｂと裏面２２ａとの間に温度差を形成できるような厚さであれば適宜変更可能である。
【００８９】
・上記第１実施形態及び第２実施形態では、シリコンからなる基板２１上に炭素膜２３を形成するようにした。この際、炭素膜２３が形成される基板として、例えばＣＭＯＳが形成されたシリコン基板を用いるようにしてもよい。ここで、一般的なＣＭＯＳのうち、その耐熱温度が４００℃程度であるものは少なくなく、該耐熱温度を超えるような高温にてシリコン基板を加熱してしまうと、ＣＭＯＳの機能が損なわれることになる。そのため、こうした基板を用いる場合には、該基板上に炭素膜を形成するときにも、ＣＭＯＳの温度を耐熱温度以下に維持する必要がある。
【００９０】
この点、上記第１実施形態及び第２実施形態では、基板に積層された金属触媒層２２の表面をランプヒータ１３によって加熱する一方、基板の裏面を水冷ステージ１２によって冷却しつつ炭素膜２３の形成を行うようにしている。しかも、シリコン基板に形成されたＣＭＯＳとは、通常、後続する配線の形成工程では、層間絶縁膜等で覆われた状態であって、シリコン基板の最表面を構成することはない。そのため、シリコン基板に形成されたＣＭＯＳも、少なからず水冷ステージ１２で冷却されることになる。そして、ＣＭＯＳの形成される部位がシリコン基板における裏面の近傍ともなれば、上述した効果もさらに顕著なものとなる。それゆえに、基板に形成されたＣＭＯＳの温度を耐熱温度以下として該ＣＭＯＳの機能を維持しつつ、金属触媒層２２の表裏に上述のような温度差を形成することで基板の表面に炭素膜２３を形成することもできる。
【００９１】
・第１実施形態では、成膜対象物Ｓの表面の温度を３５０℃以上８００℃以下の範囲の所定温度とするようにしたが、成膜対象物Ｓの表面の温度は、３５０℃未満及び８００℃より高い温度であってもよい。こうした温度の範囲であっても、金属触媒層２２の表面２２ｂと裏面２２ａとの間に所定の温度差を形成しさえすれば、少なからず金属触媒層２２の裏面２２ａと基板２１の表面２１ｂとの間に炭素膜２３を形成することができる。
【００９２】
・第１実施形態では、金属触媒層２２の裏面２２ａの温度を１００℃以上とするようにしたが、アモルファス状の炭素が形成されないのであれば、金属触媒層２２の裏面２２ａの温度は、１００℃未満の温度であってもよい。
【００９３】
・第１実施形態では、アルゴンガスの流量を１０００ｓｃｃｍとし、また、真空槽１１内の圧力を１ｋＰａとしたが、炭素膜２３が形成可能な範囲であれば、アルゴンガスの流量、及び真空槽１１内の圧力を任意に変更可能である。
【００９４】
・第１実施形態では、アセチレンガスの流量を１ｓｃｃｍとしたが、炭素膜２３の形成が可能であれば、該アセチレンガスの流量は任意に変更可能である。
・第１実施形態では、タイミングｔ３にてアセチレンガス及びアルゴンガスの供給を停止するようにしたが、タイミングｔ３では、ランプヒータ１３のみオフの状態とし、これらガスの供給は停止しなくてもよい。つまり、アルゴンガスで希釈された炭素含有ガスの存在下で冷却するようにしたり、アルゴンガスのみが存在する条件で冷却したりするようにしてもよい。
【００９５】
・第１実施形態では成膜対象物Ｓを冷却するときの金属触媒層２２の表面２２ｂにおける冷却速度を１℃／分以上５００００℃／分以下、若しくは、上記６００℃から２００℃にまで０．００１秒以上１０分以下とするようにしたが、この速度範囲に含まれない冷却速度にて成膜対象物Ｓを冷却するようにしてもよい。
【００９６】
・第１実施形態及び第２実施形態では、金属触媒層２２をスパッタ成膜するようにしたが、金属触媒層２２は、ＣＶＤ法等、他の公知の成膜方法で形成してもよい。
・第２実施形態では、タイミングｔ３にてアルゴンガスとアセチレンガスの供給を停止した後に、成膜対象物Ｓの冷却を行うようにしたが、アルゴンガスの供給を継続した状態でランプヒータ１３をオフの状態とするとともに、冷却水の温調及び循環を行うことによって成膜対象物Ｓの冷却を行うようにしてもよい。また、アルゴンガスに加えてアセチレンガスの供給を継続した状態で、成膜対象物Ｓの冷却を行うようにしてもよい。これにより、炭素膜２３に欠陥が生じたとしても、アセチレンガス中の炭素によって補完することができる。
【００９７】
・第２実施形態では、タイミングｔ３にてアルゴンガス及びアセチレンガスの供給を停止した後に、タイミングｔ４にて冷却水の循環と温調とを開始するようにしたが、これらを同時に行うようにしてもよい。
【００９８】
・第２実施形態では、タイミングｔ４にて冷却水の温調及び循環を開始した後に、タイミングｔ５にてランプヒータ１３をオフの状態とするようにしたが、これらを同時に行うようにしてもよい。
【００９９】
・第２実施形態では、アセチレンガス及びアルゴンガスの供給の停止、冷却水の温調及び循環の開始、及びランプヒータ１３のオフを同時に行うようにしてもよい。
・第２実施形態では、ランプヒータ１３をオンの状態としつつ、冷却水の温調及び循環の開始と冷却水の温調及び循環の停止とを繰り返すようにしてもよい。
【０１００】
・第２実施形態では、成膜対象物Ｓの表面の温度を６５０℃以上１０５０℃以下の範囲の所定温度とするようにしたが、成膜対象物Ｓの表面の温度は、６５０℃未満及び１０５０℃より高い温度であってもよい。こうした温度の範囲であっても、金属触媒層２２の表面２２ｂと裏面２２ａとの間に所定の温度差を形成しさえすれば、少なからず金属触媒層２２の裏面２２ａと基板２１の表面２１ｂとの間に炭素膜２３を形成することができる。
【０１０１】
・第２実施形態では、金属触媒層２２の裏面２２ａの温度を１００℃以上とするようにしたが、アモルファス状の炭素が形成されないのであれば、金属触媒層２２の裏面２２ａの温度は、１００℃未満の温度であってもよい。
【０１０２】
・第２実施形態では、アルゴンガスの流量を１０００ｓｃｃｍとし、また、真空槽１１内の圧力を１ｋＰａとした。これに限らず、上記炭素膜２３の形成が可能な範囲で、アルゴンガスの流量及び真空槽１１内の圧力を任意に変更可能である。
【０１０３】
・第２実施形態では、アセチレンガスの流量を１ｓｃｃｍとしたが、上記炭素膜２３の形成が可能であれば、該アセチレンガスの流量は任意に変更可能である。
・第２実施形態では、成膜対象物Ｓを冷却するときにおける、金属触媒層２２の表面２２ｂの冷却速度を１℃／分以上５００００℃／分以下、若しくは、上記８００℃から２００℃にまで０．００１秒以上１０分以下で冷却することとしたが、この速度範囲に含まれない冷却速度にて成膜対象物Ｓを冷却するようにしてもよい。
【０１０４】
・第１実施形態及び第２実施形態では、炭素含有ガスとしてアセチレンガスを用いるようにした。これに限らず、他の炭素含有ガス、例えばエチレン（Ｃ２Ｈ４）、一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、エタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、プロピレン（Ｃ３Ｈ６）、ブタン（Ｃ４Ｈ１０）、ブタジエン（Ｃ４Ｈ６）、ペンタン（Ｃ５Ｈ１２）、ペンテン（Ｃ５Ｈ１０）、シクロペンタジエン（Ｃ５Ｈ６）、ヘキサン（Ｃ６Ｈ１４）、シクロヘキサン（Ｃ６Ｈ１２）、ベンゼン（Ｃ６Ｈ６）及びトルエン（Ｃ６Ｈ５ＣＨ３）等であってもよい。
【０１０５】
・第１実施形態では、金属触媒層２２は、コバルトからなるようにした。これに限らず、コバルト、鉄、ニッケル、チタン、及びタンタルからなる遷移金属群から選択された金属で形成された金属触媒層であればよい。また、これら遷移金属の窒化物、あるいは、遷移金属群に含まれる金属の少なくとも一つを含む合金からなる金属触媒層であってもよい。
【０１０６】
・第２実施形態では、金属触媒層２２は、銅からなるようにした。これに限らず、金属触媒層は、窒化銅、あるいは銅を含む合金からなるものであってもよい。
・第１実施形態では、成膜対象物Ｓをその表面から加熱しながら、同成膜対象物Ｓの裏面から冷却することで、金属触媒層２２の表面２２ｂと裏面２２ａとの間に所定の温度差を形成して炭素膜２３を析出させるようにした。また、第２実施形態では、成膜対象物Ｓをその表面から加熱した後に、同成膜対象物Ｓの裏面を冷却することで、金属触媒層２２の表面２２ｂと裏面２２ａとの間に所定の温度差を形成して炭素膜２３を析出させるようにした。要は、炭素膜２３の形成時に、成膜対象物Ｓをその表面である金属触媒層の表面側から加熱しつつ炭素含有ガスを供給する炭素供給工程を実施し、また、加熱された成膜対象物Ｓをその裏面であるシリコン基板側から冷却する冷却工程を実施するということがなされていれば、炭素膜２３は、金属触媒層２２の裏面２２ａと基板２１の表面２１ｂとの間に析出する。
【産業上の利用可能性】
【０１０７】
本発明は、グラフェン及びグラファイトを含む炭素膜の形成装置、及び炭素膜の形成方法に関わる技術分野に適用することが可能である。
【符号の説明】
【０１０８】
１０…熱ＣＶＤ装置、１１…真空槽、１２…水冷ステージ、１２ａ…冷却水入口、１２ｂ…冷却水出口、１２Ｌ…冷却水通路、１３…ランプヒータ、１４…表面温度測定部、１５…裏面温度測定部、１６…炭素含有ガス供給部、１７…アルゴンガス供給部、１８…排気部、２０…制御装置、２１…基板、２１ａ…裏面、２１ｂ…表面、２２…金属触媒層、２２ａ…裏面、２２ｂ…表面、２２ｃ…炭素、２３…炭素膜、２３ａ…グラフェン、Ｈｘ…温調部、Ｓ…成膜対象物。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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