制造由碳构成的纳米结构的装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明首先涉及一种装置，用于制造由碳构成的纳米结构、如单层、多层结构或小管或纤维，所述装置具有进气机构，所述进气机构具有被壳体壁板包围的壳体空腔，供气管通入所述壳体空腔内，例如包含气态的、尤其含碳的初始材料的混合气体通过所述供气管能够被输送至所述壳体空腔内，所述装置还具有布设在所述壳体空腔内的等离子体发生器，所述等离子体发生器具有至少一个能够被加载电压的等离子体电极，用于通过加载能量而使气态的初始材料转变成气态的中间产物，并且所述装置还具有具备大量排气口的排气面，气态的中间产物能够通过所述排气面从所述壳体空腔中排出。
[0002]此外本发明还涉及一种在使用所述装置的情况下制造由碳构成的纳米结构的方法。
【背景技术】
[0003]碳以不同的结晶结构沉积。例如以金刚石结构的形式，作为单层、多层结构、如石墨烯，作为小管、如碳纳米管或作为富勒烯或作为纤维。使用CVD(化学气相沉积)装置，用于沉积出这种碳结构、尤其纳米结构，其在至少一个维度具有从不足一纳米到几百纳米的结构尺寸。在此，含碳的初始材料、如甲烷或乙炔连同运载气体、如氩气或氢气被导入CVD反应器的处理室内。已知，热力地或借助等离子体活化或离解所导入的含碳的初始材料。例如US 8398927 B2描述了一种等离子体增强的CVD (PE-CVD)，并且US2006/0185595 Al描述了一种热丝CVD (HF-CVD)。在PE-CVD中，在进气机构的内部点燃等离子体。为此，该装置具有等离子体电极，等离子体电极可被加载电压。由此产生自由基，该自由基可通过进气机构的排气口进入处理室，它们在那里在构成纳米结构的情况下沉积在布设在加热件上的基板上。在HF-CVD中，含碳的初始材料通过热丝在进气机构的内部或外部被加热。在HF-CVD中，也可以直接在基板的上方点燃等离子体，由此产生自由基。但是直接在基板上方点燃等离子体是有缺点的，因为在等离子体中形成高能的离子，该高能离子对基板具有腐蚀作用。
[0004]从US 6499425或US 6161499中也已知通过使用等离子体沉积含碳结构的装置。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是，改进已知的装置或方法，以便改进由碳构成的纳米结构的制造。
[0006]所述技术问题通过一种按照本发明的装置解决，所述装置用于制造由碳构成的纳米结构、如单层、多层结构、小管或纤维，所述装置具有进气机构，所述进气机构具有被壳体壁板包围的壳体空腔，供气管通入所述壳体空腔内，气态的、尤其含碳的初始材料通过所述供气管能够被输送至所述壳体空腔内，所述装置还具有具备至少部分布设在所述壳体空腔内的构件的等离子体发生器，所述等离子体发生器具有至少一个能够被加载电压的等离子体电极，用于通过点燃等离子体向气态的初始材料加载能量并且由此转变成气态的中间产物，并且所述装置还具有具备大量排气口的排气面，气态的中间产物能够通过所述排气面从所述壳体空腔中排出，其中，用于支持转变的气体加热装置布设在所述构件的下游。
[0007]所述技术问题还通过一种按照本发明的在前述装置中制造由碳构成的纳米结构、如单层，多层结构、小管或纤维的方法解决，其中，必要时连同运载气体的、包含至少一种实施氧化或还原或含碳的气态的初始材料的混合物或清洗气体通过供气管被输送至壳体空腔内，其中，既由等离子体发生器由气体加热装置向气体混合物加载能量。
[0008]按照本发明在进气机构的内部点燃等离子体。此外使用气体加热装置，用于结合或离解气态的初始材料。一定程度上利用了 HF-CVD和PE-CVD的优点，以便将气态初始材料的等离子体离解和热活化/反应或气体的热处理相结合，在气相阶段中形成反应产物。优选使用含碳的初始材料导致形成聚合的或芳香族的组分。尤其形成聚合的或芳香族的自由基。优选等离子体发生器具有接地的屏蔽电极，通过所述屏蔽电极能够中和或捕捉在离解过程中形成的离子。使用屏蔽电极也会导致离子的能量降低。按照本发明的进气机构或按照本发明使用的气体分配器优选设计成“莲蓬头”。通过使用等离子体和热输送产生自由基。这可通过大量设计成栅格形状的板件产生，其中可加载电压的等离子体电极和在等离子体电极上游和/或下游布设的屏蔽电极都设计成具有大量孔的板件。板件的孔可以彼此错位地布设，由此优化了气体的混合。气体加热装置同样设计成栅格形状的结构，但是它具有两个电极，用于引导将板件加热的电流通过板件。但是气体加热装置也可以设计成回形、成型为线圈并且具有两个或多个电极，以便能够通过电流加热气体加热装置。全部的板件横向于气体的流动方向设置并且优选在进气机构的整个横截面上延伸。气体加热装置尤其是横向于流动方向布设的、扁平的物体。气体加热装置可以布设在进气机构的内部、在排气面区域内或直接布设在排气面的下游。气体加热装置的延伸方向横向于气流的流动方向。板件具有均匀布设的孔。所述孔可以具有矩形、圆形或长形的横截面。气体加热装置能够对穿过的气体加热，从而提高气体温度。
[0009]在第一变型方案中，等离子体电极可以同时构成加热件。其中不仅可以向等离子体电极加载高压，用以制造等离子体。也可以引导电流经过板件，所述电流将板件加热，因此通过被加热的板件不仅能够制造等离子体而且也能够加热气体。由此在相同的地点发生等离子体活化和热活化。
[0010]在本发明的第二变型方案中，等离子体电极与加热装置在空间上被隔开。加热装置可以布设在等离子体发生器的下游。形成电极的板件可以由金属、尤其高反射性的金属制成。排气面的指向壳体空腔的壁板可以被设计为热反射的。预先施加电压的等离子体电极可以布设在两个接地的屏蔽电极之间。借此可以保护壳体空腔的位于外部的区域免受离子轰击。
[0011]在第三变型方案中，气体加热装置直接布设在排气面的下游。具有孔的板件位于气体加热装置的下游，所述板件由绝缘材料制成。排气面以及进气机构的侧壁由导电材料制成并且同样像两个在进气机构的内部布设在等离子体电极下游的屏蔽板一样被接地。由绝缘材料制成的孔板可以位于在等离子体电极上游布设的、接地的屏蔽电极之间。
[0012]在本发明的第四变型方案中，进气机构由导电的空心体构成。所述空心体具有圆柱体形状和圆形平面轮廓。圆柱体的上端面在其内侧上面设有绝缘板。绝缘板也可以在某种程度上形成进气机构的盖板。绝缘板在其内侧上面支撑可加载交流电压或直流电压尤其高压的等离子体电极，在本实施例中，气体不会穿流所述等离子体电极。两个彼此平行并且与进气机构的端侧壁平行延伸的、由导电材料制造的、具有排气口的板件位于进气机构的壳体空腔的内部。板件通过固定杆固定在进气机构的盖板上并且通过固定杆接地。在此，固定杆穿过等离子体电极和与等离子体电极贴靠的绝缘体中的孔。气体加热装置在此位于进气机构的外部。加热装置由扁平的金属板条形成，所述金属板条在平行于气体排出平面延伸的平面内构造。金属板条可以呈回形延伸。但是它也可以呈螺旋形地围绕圆盘状的加热板的圆心延伸。在本实施例中，处理室的盖板由具有通气口的绝缘板构成。所述板件也具有圆盘形状。板件直接位于气体加热面的下游。所述板件由绝缘材料制成。基座位于所述板件的下面，所述基座可以通过加热装置加热或通过冷却装置冷却。基板位于可调温的基座的