專利名稱：納米粒子的產(chǎn)生的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于產(chǎn)生納米粒子的技術(shù)和設(shè)備。
背景技術(shù)：
濺射沉積是一種公知的材料真空沉積的方法。采用DC磁控管在“靶”(即待沉積材料的樣本)的上方直接生成等離子體。等離子體中的離子反復(fù)撞擊靶表面并迫使材料從靶表面蒸發(fā)。該材料隨后局部地冷凝，或者被處理。一些靶材料，例如鈦存在氧化的問題。絕緣的氧化層阻止了濺射過程，不過可以對(duì)磁控管采用交流(AC)電驅(qū)動(dòng)(或脈沖DC電驅(qū)動(dòng))替代DC驅(qū)動(dòng)來克服這個(gè)問題。該驅(qū)動(dòng)被布置為包括短時(shí)的正偏移(positive excursion)；因此，當(dāng)驅(qū)動(dòng)為負(fù)的時(shí)，材料被濺射， 而當(dāng)驅(qū)動(dòng)為正的時(shí)，靶表面被等離子體清潔。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)脈沖電源出人意料地有益于為生成納米粒子目的而進(jìn)行的其他材料(比如非氧化材料)的沉積。增大了沉積率，并且可以調(diào)節(jié)粒子尺寸以使其大致以特定值簇生(cluster)。因此提出了一種產(chǎn)生納米粒子的方法，包括步驟提供磁控管、濺射靶、和用于所述磁控管的AC電源或脈沖DC電源；將粒子從所述濺射靶濺射到包含惰性氣體的腔室中，使得粒子聚結(jié)成為納米粒子；和控制所述AC電源或所述脈沖DC電源的頻率以取得多個(gè)頻率值中的一個(gè)，每個(gè)頻率值對(duì)應(yīng)于所述納米粒子的一個(gè)對(duì)應(yīng)的尺寸分布。脈沖或AC電源的頻率優(yōu)選的在75kHz到150kHz之間，因?yàn)檫@看來可以得到最佳結(jié)果。本發(fā)明還提出了用于產(chǎn)生納米粒子的相應(yīng)設(shè)備，包括磁控管、濺射靶、和用于所述磁控管的AC電源和脈沖DC電源中的至少一個(gè)；腔室，至少包含所述濺射靶和圍繞所述濺射靶的惰性氣體，從而使得粒子從所述濺射靶濺射以聚結(jié)成為納米粒子；和電源控制器，適用于控制所述AC電源或所述脈沖DC電源的頻率以取得多個(gè)頻率值中的一個(gè)，每個(gè)頻率值對(duì)應(yīng)于所述納米粒子的一個(gè)對(duì)應(yīng)的尺寸分布。本發(fā)明還涉及通過以上途徑產(chǎn)生納米粒子、涉及如此產(chǎn)生的納米粒子、以及涉及承載或容納這種納米粒子的物品。


現(xiàn)在將以示例方式參照附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中圖1 (示意性地)示出典型的濺射沉積布置；圖2(示意性地)示出用于形成納米粒子的布置；圖3示出通過改變脈沖DC電源而得到的以所產(chǎn)生的納米粒子的多尺寸/數(shù)量譜表示的結(jié)果；
圖4示出對(duì)于圖3中的數(shù)據(jù)，峰值納米粒子尺寸隨電源頻率的變化；和圖5示出對(duì)于圖3中的數(shù)據(jù)，超過閾值的納米粒子數(shù)量隨電源頻率的變化。
具體實(shí)施例方式圖1(示意性地)示出濺射沉積設(shè)備的布置的部分示圖。靶2安裝在由電源6供電的磁控管4之上。磁控管4在靶2上方生成等離子體8 ；對(duì)此的常規(guī)布置是“跑道形”圖案，即從上方觀看時(shí)為橢圓形。等離子體內(nèi)的粒子撞擊靶2的表面，并使得原子從靶被迫蒸發(fā)，逐漸消耗與等離子體8鄰近的靶2并且引起從設(shè)備離開的蒸發(fā)材料的流9。上述濺射沉積設(shè)備可以用于通過“氣體冷凝”處理進(jìn)行的納米粒子產(chǎn)生，如在本申請(qǐng)人較早的申請(qǐng)GBM30202A中描述的那樣。在(相對(duì))高壓的環(huán)境中(通過多種手段中的一種)產(chǎn)生原子蒸氣，這使得原子通過與背景氣體(通常為惰性氣體或不活躍氣體，比如氬氣或氦氣)碰撞而失去能量并且隨后與其他原子結(jié)合以形成納米粒子。通過在蒸氣產(chǎn)生點(diǎn)與高壓冷凝區(qū)域的出口之間提供可控漂移，可以使得結(jié)合的氣體/納米粒子流離開冷凝區(qū)，在離開點(diǎn)處納米粒子通常終止了生長(zhǎng)。這么做的效果是使得每個(gè)納米粒子遵循嚴(yán)格的蒸氣密度和壓力路徑，從而確保達(dá)到冷凝區(qū)出口的納米粒子的尺寸普遍近似趨于窄尺寸分布。圖2示意性示出該設(shè)備和方法。腔室10包括安裝在可線性平移的基片16上的磁控管濺射源12，以產(chǎn)生蒸氣14。腔室10的內(nèi)部包含處于上百豪托或更大比如直到5托的相對(duì)高壓中的惰性氣體。從磁控管12后方的一點(diǎn)將惰性氣體饋送到腔室10中，并且從處于磁控管12正前方的出口孔18將惰性氣體引出。這生成了如箭頭20指示的通過腔室的氣流，并建立了蒸氣14的漂移。在蒸氣通過到出口孔18的期間，其冷凝形成納米粒子云22。作為替代，可以使用能夠生成原子蒸氣的任何方法，比如蒸發(fā)技術(shù)(例如熱蒸發(fā)， MBE)或化學(xué)技術(shù)(例如CVD)。在離開由腔室10限定的冷凝區(qū)時(shí)，該粒子束受到大壓力差并且經(jīng)歷超聲膨脹。膨脹的束隨后撞擊第二孔24，該第二孔允許束的中心部分通過而背景氣體和較小納米粒子不通過。背景氣體隨后被抽取端口沈收集以再循環(huán)或處置，如箭頭觀指示。這提供了對(duì)束的進(jìn)一步提煉，因?yàn)檩^小的粒子被“濾除”。通過使用磁控管濺射，產(chǎn)生的納米粒子的高分餾物帶上負(fù)電荷。這使得粒子能夠被靜電加速越過真空30到達(dá)基片或物體，從而獲得動(dòng)能。這可以通過將基片或物體提高到一個(gè)適當(dāng)?shù)母唠妱?shì)來實(shí)現(xiàn)。非導(dǎo)電性的基片可以放置在具有與粒子束成一直線的適當(dāng)成形的孔的導(dǎo)電性掩膜后方。在飛行中獲得的動(dòng)能在碰撞時(shí)通過粒子變形的方式失去。變形程度自然取決于粒子在飛行中被施加的能量。能量非常高時(shí)，會(huì)失去納米粒子結(jié)構(gòu)并且得到的膜將會(huì)本質(zhì)上為成塊的材料。能量非常低時(shí)，該過程類似于冷凝，并且膜將會(huì)粘著性不足。在這些極端情況之間，存在使得粒子變形適度而足以令膜的表面保持納米粒子的性質(zhì)并且與基片接觸的表面夠粘的范圍。在通過濺射以外的方法來產(chǎn)生粒子的情況下，可以通過任何適合的方法將粒子電離并隨后以類似方式進(jìn)行加速。
在一個(gè)示例中，氦氣和氬氣的混合物被引入冷凝室中以取決于涂敷條件來產(chǎn)生處于0. 01托到0. 5托之間的壓力。對(duì)冷凝室內(nèi)包含的磁控管濺射裝置中所保持的銀靶施加通常處于200V到1000V之間的負(fù)電壓。該電壓引起放電，使得銀原子從靶表面濺射。高壓氣體環(huán)境使得銀原子通過碰撞失去能量，并最終與其他銀原子結(jié)合以形成粒子。在磁控管周圍的放電過程中形成帶正電荷和負(fù)電荷的粒子，但僅僅帶負(fù)電荷的粒子能夠逃離由靶上的負(fù)電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)。這些帶負(fù)電荷的粒子在以受控方式向冷凝區(qū)出口漂移的過程中生長(zhǎng)。圖3是示出通過增大施加到銅靶的脈沖DC電源電壓的頻率而得到的納米粒子直徑(進(jìn)而沉積的質(zhì)量)的變化的曲線。該曲線示出特定直徑的納米粒子的數(shù)量的測(cè)量值， 不同的線條針對(duì)處于OkHz (即簡(jiǎn)單的沒有脈沖的DC電源)到150kHz之間的不同頻率。在該情況下最佳頻率大約為100-150kHz，在此處尺寸分布在質(zhì)量上不同于在OkHz處的尺寸分布。在該情況下，沉積率增大了大約5倍。圖4示出基于與圖3相同的數(shù)據(jù)以脈沖DC電源的頻率得到的峰值納米粒子直徑的變化?？梢钥闯觯{米粒子直徑在大約IOOkHz達(dá)到穩(wěn)定之前在20kHz的低的頻率處增大并在50kHz處為明顯最大。圖5示出相同數(shù)據(jù)的稍微不同的示圖(再次)，繪出超過IOnm閾值的納米粒子(在任意度量上)的總數(shù)量與電源頻率的關(guān)系。并且，可以再一次看出隨著電源頻率變化的清楚的差異，一旦電源成為脈沖電源，在穩(wěn)定地上升到IOOkHz期間，納米粒子尺寸明顯增大。 這種行為在使用銅之類的非氧化靶時(shí)是不期望的。如果使用脈沖DC電源以及鉭和鈦，會(huì)獲得類似的結(jié)果，在這兩種情況下沉積率都會(huì)增大。示例地來說，對(duì)鈦靶使用完全的DC電壓一般實(shí)現(xiàn) 1. 5A/s的沉積率，但使用脈沖 DC電源可實(shí)現(xiàn) 6. OA/s的沉積率。對(duì)此，實(shí)驗(yàn)條件為40sCCm(標(biāo)準(zhǔn)毫升/分鐘)的氬氣、 94W濺射功率、和70kHz脈沖頻率。所有金屬靶可以得到類似結(jié)果。對(duì)于經(jīng)典濺射，對(duì)諸如氧化銦錫和氧化鋅之類導(dǎo)電但會(huì)受到氧化污染的“棘手”的靶使用交流電源。交流電源有助于保持靶清潔。這會(huì)是一個(gè)非常好的用于產(chǎn)生這些材料的納米粒子的技術(shù)(因?yàn)檫@些材料的沉積是挑戰(zhàn)性的)， 并且可以使用上面的脈沖DC電源來有效地實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，可以理解能夠?qū)ι鲜鰧?shí)施例作出不脫離本發(fā)明范圍的許多改變。
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生納米粒子的方法，包括步驟提供磁控管、濺射靶、和用于所述磁控管的AC電源或脈沖DC電源；將粒子從所述濺射靶濺射到包含惰性氣體的腔室中，使得粒子聚結(jié)成為納米粒子；和控制所述AC電源或所述脈沖DC電源的頻率以取得多個(gè)頻率值中的一個(gè)，每個(gè)頻率值對(duì)應(yīng)于所述納米粒子的一個(gè)對(duì)應(yīng)的尺寸分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述濺射靶是非氧化金屬材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述濺射靶是銅。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述濺射靶是氧化銦錫、氧化鋅、鉭和鈦中的一種。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中電源的頻率處在75kHz到150kHz之間。
6.一種用于產(chǎn)生納米粒子的設(shè)備，包括磁控管、濺射靶、和用于所述磁控管的AC電源和脈沖DC電源中的至少一個(gè)；腔室，至少包含所述濺射靶和圍繞所述濺射靶的惰性氣體，從而使得來自所述濺射靶的粒子聚結(jié)成為納米粒子；和電源控制器，適用于控制所述AC電源或所述脈沖DC電源的頻率以取得多個(gè)頻率值中的一個(gè)，每個(gè)頻率值對(duì)應(yīng)于所述納米粒子的一個(gè)對(duì)應(yīng)的尺寸分布。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的用于產(chǎn)生納米粒子的設(shè)備，其中所述濺射靶是氧化銦錫、氧化鋅、 鉭和鈦中的一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的用于產(chǎn)生納米粒子的設(shè)備，其中所述濺射靶是銅。
9.根據(jù)權(quán)利要求6至8中任一項(xiàng)的用于產(chǎn)生納米粒子的設(shè)備，其中電源的頻率處在 75kHz 到 150kHz 之間。
10.一種產(chǎn)生納米粒子的方法，其實(shí)質(zhì)上如參照附圖和/或如附圖中示出而公開于此的那樣。
11.一種用于產(chǎn)生納米粒子的設(shè)備，其實(shí)質(zhì)上如參照附圖和/或如附圖中示出而公開于此的那樣。
全文摘要
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)脈沖DC電源出乎意料地有益于用于生成納米粒子的濺射沉積的用途。沉積率提高了，并且可以調(diào)節(jié)粒子尺寸以使其大約以特定值而簇生。因此，公開了一種濺射沉積的方法，包括步驟提供磁控管、濺射靶、和用于所述磁控管的AC電源或脈沖DC電源；將粒子從所述濺射靶濺射到包含惰性氣體的腔室中，使得粒子聚結(jié)成為納米粒子；和控制所述AC電源或所述脈沖DC電源的頻率以取得多個(gè)頻率值中的一個(gè)，每個(gè)頻率值對(duì)應(yīng)于所述納米粒子的一個(gè)對(duì)應(yīng)的尺寸分布。電源頻率優(yōu)選的在75kHz到150kHz之間，因?yàn)檫@看來可以得到最佳結(jié)果。還公開了用于產(chǎn)生納米粒子的相應(yīng)設(shè)備。
文檔編號(hào)C23C14/54GK102576641SQ201080047189
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2010年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月21日
發(fā)明者基恩·阿利斯泰爾 申請(qǐng)人:曼蒂斯沉積物有限公司