專利名稱：用于生產(chǎn)顆粒的等離子體濺射工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及用于生產(chǎn)小的顆粒，即具有10 μ m或更小尺寸的顆粒，的等離子體濺射工藝。更具體地，其涉及其中被濺射的靶原子通過等離子體電離的等離子體濺射工藝。背景納米顆粒是其尺寸低于I μ m，經(jīng)常小于IOOnm的超細(xì) 顆粒。它們已經(jīng)受到很大的關(guān)注，這是因?yàn)橛伤鼈冃〉某叽绾透叩谋砻娣e體積比所給予的它們的獨(dú)特性質(zhì)。納米顆粒在多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域中被利用，包括半導(dǎo)體、納米復(fù)合材料、催化和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。具有多種生產(chǎn)納米顆粒的可能性，例如溶膠-凝膠、化學(xué)氣相沉積(CVD)以及水熱和噴霧熱解方法。近年來，已經(jīng)開發(fā)用于使用等離子體生產(chǎn)顆粒的方法。這些工藝可以被用于顆粒的成核、顆粒的生長以及涂層在顆粒表面上的沉積。利用等離子體的工藝具有副產(chǎn)物的量少、被形成的顆粒的純度高以及顆粒從載氣容易分離的優(yōu)點(diǎn)以及別的優(yōu)點(diǎn)。這樣的方法的一個(gè)實(shí)例在US 2008/0271987中公開，其中納米顆粒通過將工藝氣體和環(huán)境氣體引入反應(yīng)室中以及以脈沖模式施加等離子體被形成。用于借助于等離子體生產(chǎn)納米顆粒的方法的另一個(gè)實(shí)例在例如US7，297，619和US 2009/0014423中公開。使用等離子體生產(chǎn)顆粒尤其是納米顆粒的方法的一個(gè)具體的實(shí)例是等離子體濺射工藝。濺射是原子從靶表面物理噴射。在工藝中，離子，例如氬離子，被在等離子體中產(chǎn)生并且被從等離子體拉動(dòng)出來并且被加速經(jīng)過陰極暗區(qū)。靶具有比其內(nèi)形成等離子體的區(qū)域低的電勢并且靶表面因此吸引正離子。正離子以高速度朝向靶運(yùn)動(dòng)，然后撞擊靶并且使原子以物理方式脫離靶表面或從靶表面濺射。等離子體濺射工藝具有由固體靶的材料形成顆粒的優(yōu)點(diǎn)以及其他優(yōu)點(diǎn)。靶可以容易地被制造和在工藝中使用。固體靶在顆粒由金屬材料形成的情況下是特別合適的，因?yàn)槠湎藢νǔＳ卸镜牟⑶倚枰獜?fù)雜的制造方法的含有金屬物質(zhì)的氣體的需要。DE 198 04 838公開了用于使用空心陰極系統(tǒng)沉積涂層材料或生產(chǎn)在顆粒表面上的自由基的等離子體濺射工藝。工藝在0.01毫巴至大氣壓力、優(yōu)選地O. 01-100毫巴的壓力進(jìn)行。等離子體可以是脈沖式等離子體，脈沖式等離子體通過控制壓力來實(shí)現(xiàn)并且以50-60HZ的功率頻率操作。使用200-500V的電壓和O. 1-2A的電流形成等離子體。上文的已知用于生產(chǎn)顆粒的等離子體濺射工藝的問題是原子在顆粒表面上的拾取概率通常是低的。因此，顆粒和/或涂層具有緩慢的生長速率，從而導(dǎo)致顆粒的低的生產(chǎn)速率。此外，因?yàn)樯a(chǎn)速率是低的，所以這些方法較不適合于生產(chǎn)具有在幾微米范圍內(nèi)的尺寸的顆粒。概述本發(fā)明的目的是提供用于生產(chǎn)具有10 μ m或更小尺寸的顆粒的等離子體濺射工藝，該工藝具有改進(jìn)的生產(chǎn)速率。目的通過根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求I所述的工藝來實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選的實(shí)施方案被從屬權(quán)利要求限定。
用于生產(chǎn)顆粒的等離子體濺射工藝包括在等離子體產(chǎn)生設(shè)備中提進(jìn)祀，其中等離子體產(chǎn)生設(shè)備具有特征長度L。，使得L。3等于在所述設(shè)備中產(chǎn)生的等離子體的體積。工藝氣體被引入設(shè)備中并且設(shè)備內(nèi)部的壓力被控制使得預(yù)定的工藝氣體數(shù)密度％被獲得。等離子體被產(chǎn)生，并且提供至等離子體的能量被控制使得獲得預(yù)定的等離子體電子數(shù)密度I和預(yù)定的等離子體電子溫度I；。借助于等離子體從靶濺射原子，并且被濺射的靶原子被允許拾取在存在于設(shè)備中的晶粒(grain)的表面上。等離子體電子數(shù)密度和等離子體電子溫度足以使被濺射的靶原子的至少一部分電離，使得獲得電離的被濺射的靶原子在晶粒的表面上的拾取通量(pick-up flux)。此外，工藝的工藝氣體數(shù)密度、等離子體電子數(shù)密度和等離子體電子溫度是使得Lita/Lc ( O. 5。Lita是所述等離子體內(nèi)部的電離的被濺射的靶原子的平均自由程，等離子體產(chǎn)生設(shè)備通過脈沖式電力供應(yīng)操作以獲得足夠的電力供應(yīng)而沒有過度 地加熱陰極或非期望的放電的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施方案，工藝氣體數(shù)密度、等離子體電子數(shù)密度和等離子體電子溫度是使得ΓΙΤΑ/(ΓΙΤΑ+ΓΝΤΑ)等于或大于O. 5，優(yōu)選地ΓΙΤΑ/(ΓΙΤΑ+ΓΝΤΑ)彡O. 66，更優(yōu)選地Γ ita/ ( Γ ITA+ Γ ντα)彡O. 70。ΓΙΤΑ是電離的靶原子在存在于所述等離子體中的晶粒的表面上的拾取通量并且ΓΝΤΑ是中性的靶原子在存在于所述等離子體中的晶粒的表面上的拾取通量。根據(jù)另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案，工藝氣體數(shù)密度、等離子體電子數(shù)密度和等離子體電子溫度是使得(l+3Le/LITA) (l+4WyWITA) > 10。Wita是所述等離子體中的電離的被濺射的原子的平均動(dòng)能并且We是通過We= (3/2)kBTe與Te相關(guān)的在所述等離子體內(nèi)部的平均電子動(dòng)能。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方案，提供至等離子體的能量足以使所述等離子體中的至少20 %、優(yōu)選地至少30 %的被濺射的原子獲得電離。顆粒生產(chǎn)速率隨著電離的被濺射的靶原子的量的增加而增加。等離子體產(chǎn)生設(shè)備可以合適地是空心陰極設(shè)備或磁控濺射設(shè)備。為了使由每個(gè)脈沖可獲得的功率最大，脈沖應(yīng)當(dāng)優(yōu)選地基本上作為矩形脈沖施加。當(dāng)使用脈沖式電力供應(yīng)時(shí)，脈沖應(yīng)當(dāng)優(yōu)選地以至少100Hz、合適地200-2000HZ的頻率施加，并且具有至少5微秒、優(yōu)選地10-100微秒的持續(xù)時(shí)間。根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施方案，工藝氣體數(shù)密度ne和電子數(shù)密度ne是使得LITA/L。< O. 5和WITA/ffe ( O. 5 二者被滿足。工藝氣體可以是惰性氣體、反應(yīng)性氣體、惰性氣體的氣體混合物、或包含至少一種反應(yīng)性氣體和可選擇地至少一種惰性氣體的氣體混合物,并且可以合適地被用于產(chǎn)生等離子體。工藝氣體可以優(yōu)選地被用作進(jìn)氣，但還可能的是，工藝氣體是靜態(tài)的并且不意圖用于輸送任何類型的粒狀物質(zhì)。晶粒可以被引入等離子體產(chǎn)生設(shè)備中或被原位地產(chǎn)生。等離子體濺射工藝特別地適合于生產(chǎn)納米顆粒，即具有小于I μ m尺寸的顆粒，并且尤其是具有約5-500nm的尺寸的顆粒。然而，所述工藝還可以被用于生產(chǎn)更大的顆粒，例如以10 μ m的數(shù)量級的顆粒。所述工藝可以被用于生產(chǎn)所有類型的靶材料的顆粒，只要靶材料是導(dǎo)電性的或至少半導(dǎo)電性的。此外，可以通過在工藝期間采用反應(yīng)性氣體來生產(chǎn)化合物材料，例如氧化物、碳化物、氮化物和類似物，的顆粒。根據(jù)本發(fā)明的工藝可以被用于成核顆粒、生長顆粒、產(chǎn)生一種材料的顆粒并且使用相同的或不同的材料包覆所述顆粒、生長多層結(jié)構(gòu)等等。因此，所述工藝能夠生產(chǎn)訂制的顆粒。附圖
簡述圖I圖示了與中性的被濺射的靶原子相比，隨WITA/WJPLITA/L。變化的電離的被濺射的靶原子的拾取概率的曲線。圖2a示出了對于使用鈦空心陰極的等離子體濺射工藝的通過光學(xué)攝譜儀獲得的光譜，并且其中等離子體被借助于脈沖式電力供應(yīng)產(chǎn)生。圖2b示出了對于使用鈦空心陰極的等離子體濺射工藝的通過光學(xué)攝譜儀獲得的 光譜，并且其中等離子體被借助于非脈沖式電力供應(yīng)產(chǎn)生。圖2c示出了對于使用鈦空心陰極的等離子體濺射工藝，隨脈沖持續(xù)時(shí)間變化的離子和中性物之間的比以及對于使用非脈沖式電力供應(yīng)的等離子體濺射工藝，隨脈沖持續(xù)時(shí)間變化的離子和中性物之間的比。圖3a示出了根據(jù)本發(fā)明的工藝的根據(jù)實(shí)施方案生產(chǎn)的鑰顆粒的SEM照片。圖3b示出了不同放大倍數(shù)的圖3a中示出的顆粒的SEM照片。圖3c示出了根據(jù)本發(fā)明的工藝的根據(jù)實(shí)施方案生產(chǎn)的鑰顆粒的TEM照片。圖3d示出了根據(jù)本發(fā)明的工藝的根據(jù)實(shí)施方案生產(chǎn)的鑰顆粒的SEM照片。圖4a示出了根據(jù)本發(fā)明的工藝的根據(jù)實(shí)施方案生產(chǎn)的鈦顆粒的TEM照片。圖4b示出了根據(jù)本發(fā)明的工藝的根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案生產(chǎn)的鈦顆粒的TEM照片。詳細(xì)描述在本公開內(nèi)容中，術(shù)語“生產(chǎn)顆?！?、“顆粒的生產(chǎn)”、“所生產(chǎn)的顆?！被蛳嗨频谋磉_(dá)應(yīng)當(dāng)被以它們最寬泛的意義解釋，除非明確地公開了不是這樣。因此，這些術(shù)語包括顆粒的生長、顆粒的成核和生長、材料在之前形成的顆?；蝾w粒核上的沉積等等。此外，術(shù)語“晶?！北挥糜谥干形闯势渥罱K狀態(tài)的顆粒并且該術(shù)語因此包括其上將沉積有材料以產(chǎn)生最終的顆粒的之前形成的顆?；蝾w粒核。術(shù)語“顆?！北挥糜谥笍墓に嚨玫降淖罱K的顆粒，除非明確地公開了不是這樣。此外，當(dāng)溫度在本公開中指代例如Te、TnjP Te時(shí)，其應(yīng)當(dāng)被在廣泛的意義上解釋；它們是平均粒子能與實(shí)際的平均粒子能一致時(shí)的溫度，例如We = (3/2)kBTe。根據(jù)本發(fā)明的工藝?yán)玫入x子體濺射生產(chǎn)小的顆粒，即具有小于ΙΟμπι的尺寸。濺射是原子從靶表面物理噴射。在等離子體濺射工藝中，離子，例如氬離子，被在等離子體中產(chǎn)生并且被從等離子體牽拉出并且被加速經(jīng)過陰極暗區(qū)。靶具有比其內(nèi)形成等離子體的區(qū)域低的電勢并且靶表面因此吸引正離子。正離子以高速度朝向靶運(yùn)動(dòng)，然后撞擊靶并且使原子以物理方式脫離靶表面或從靶表面濺射。等離子體因此蝕刻靶的表面以產(chǎn)生用于通過將被拾取在存在于所述等離子體中的晶粒的表面上來生產(chǎn)顆粒的原子。原子中的某些將在等離子體中被電離。電離的濺射原子的量取決于等離子體的密度、電子的能量以及原子的類型。這樣的等離子體濺射是之前已知的工藝并且將因此不在本公開中被更詳細(xì)地描述。
根據(jù)本發(fā)明的等離子體濺射工藝?yán)昧烁呙芏鹊入x子體，其確保相當(dāng)多量的從靶濺射的原子在等離子體中被電離。電離的原子的量取決于等離子體的密度并且隨著等離子體密度的增加而增加。晶?？梢栽谠优c晶粒碰撞時(shí)拾取從靶濺射的原子。中性的被濺射的原子僅能夠在它們撞擊晶粒的幾何橫截面時(shí)被拾取在晶粒的表面上，并且碰撞的概率因此是低的。然而，因?yàn)榈入x子體通常使晶粒帶負(fù)電荷，如果被濺射的靶原子呈離子形式的話，那么晶粒和被濺射的原子之間碰撞的概率可以被增加。由于圍繞晶粒的電場，電離的被濺射的原子可能進(jìn)入圍繞晶粒的行星軌道。因此，在被濺射的原子帶正電荷的情況下，晶粒能夠吸引正離子，從而導(dǎo)致被濺射的原子在晶粒的表面上的拾取概率增加。因此原子在晶粒的表面上的拾取概率例如隨著等離子體密度的增加即隨著等離子體電子數(shù)密度的增加而增加。在根據(jù)本發(fā)明的等離子體產(chǎn)生設(shè)備中使用的高壓，即工藝氣體數(shù)密度尤其確保被濺射的原子的速度低于其中常規(guī)的操作壓力被使用的情況。因?yàn)楸粸R射的原子的速度是比較低的，所以晶粒更可能能夠吸引電離的原子，尤其是當(dāng)原子在等離子體中具有更長的保 留時(shí)間并且碰撞的概率因此被增加。因此，根據(jù)本發(fā)明所使用的預(yù)定的工藝氣體數(shù)密度增加了原子在晶粒的表面上的拾取概率和速率，從而導(dǎo)致顆粒的較高的生產(chǎn)速率。在根據(jù)本發(fā)明的工藝中，從靶濺射的原子被晶粒拾取的概率不僅取決于與中性物的碰撞以及顆粒的幾何延伸范圍，如在通常使用的工藝的情況下，而且還取決于因離子-離子碰撞導(dǎo)致的路徑長度的增加以及由正離子和負(fù)顆粒之間的吸引力導(dǎo)致的圍繞晶粒的截留體積的增加。因此，清楚的是，顆粒的生產(chǎn)速率被根據(jù)本發(fā)明的工藝顯著增加。根據(jù)本發(fā)明的等離子體濺射工藝，等離子體電子數(shù)密度和等離子體電子溫度Te足以導(dǎo)致被濺射的靶原子的至少一部分電離以及產(chǎn)生電離的被濺射的靶原子在晶粒上的拾取通量。優(yōu)選地，工藝氣體數(shù)密度ne、等離子體電子數(shù)密度和等離子體電子溫度Te足以導(dǎo)致高于中性的被濺射的原子在晶粒的表面上的拾取通量ΓΙΤΑ的電離的被濺射的靶原子在晶粒的表面上的拾取通量ΓΝΤΑ。工藝被進(jìn)行使得Lita/L。彡O. 5。優(yōu)選地，工藝被進(jìn)行使得，除了準(zhǔn)則Lita/L。( O. 5夕卜，以下的三個(gè)準(zhǔn)則中的至少一個(gè)也被滿足ΓΙΤΑ/(ΓΙΤΑ+ΓΝΤΑ)彡 O. 5，ffITA/ffe 彡 O. 5，以及(1+3Lc/Lita) (l+4ffe/ffITA) >10。ΓΙΤΑ是電離的靶原子在晶粒的表面上的拾取通量，ΓΝΤΑ是中性的靶原子在晶粒的表面上的拾取通量，Lita是在所述等離子體內(nèi)部的電離的被濺射的靶原子的平均自由程，Wita是所述等離子體中的電離的被濺射的原子的平均動(dòng)能并且We是通過We = (3/2)kBTe與Te相關(guān)的在所述等離子體內(nèi)部的平均電子動(dòng)能。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，顯著增加的生產(chǎn)率可以借助于根據(jù)本發(fā)明的等離子體濺射工藝被實(shí)現(xiàn)。這主要是以下事實(shí)的結(jié)果，即電離的靶原子ITA在晶粒的表面上的拾取概率顯著地高于中性的靶原子NTA的拾取概率。電離的靶原子的高拾取通量通過以由如上文公開的工藝氣體數(shù)密度ne、工藝氣體溫度Te、等離子體的電子數(shù)密度、等離子體的電子溫度Te以及特征長度L。限定的具體的參數(shù)方案操作等離子體濺射設(shè)備被實(shí)現(xiàn)。特征長度L。是使得L。3等于在所述設(shè)備中產(chǎn)生的等離子體的體積。其中等離子體體積被定義為在其內(nèi)距設(shè)備的壁的距離比等離子體德拜長
度4=如JcigTe 長的區(qū)域。通過以這樣的具體的參數(shù)方案操作，確保了顯著量的被濺
射的靶原子TA在等離子體中發(fā)生電離并且電離的靶原子ITA的拾取效率顯著地高于中性的靶原子NTA的拾取效率。所需要的電離度nITA/(nNTA+nITA)通過以高至使得靶原子的電子碰撞電離的概率在它們在等離子體中的停留時(shí)間期間是顯著的和Te操作被獲得。高的\和Te通過向等離子體供應(yīng)足夠高的能量被實(shí)現(xiàn)。電離的被濺射的靶原子ITA的所需要的高拾取效率通過在ITA碰撞平均自由程小于設(shè)備的特征長度L。時(shí)兩種都會(huì)出現(xiàn)的效果的組合被獲得。第一個(gè)效果是由于ITA靜電吸引帶負(fù)電的晶粒，因而拾取速率在ITA的平均動(dòng)能Wita成為低于平均電子動(dòng)能We時(shí)顯著增加。We通過We= (3/2) kBTe與Te相關(guān)，其中kB是波爾茲曼常數(shù)。所需要的低的Wita通過 保持ne高至使得對于與工藝氣體的熱化碰撞(thermalizing collisions)來說，ITA平均自由程比L。小得多來實(shí)現(xiàn)。第二個(gè)效果是對于動(dòng)量交換碰撞的較小的平均自由程給予ITA更長的保留時(shí)間，并且由此增加ITA在離開等離子體區(qū)域之前可以被拾取在存在于等離子體中的晶粒上的分?jǐn)?shù)。在ITA和填充氣體之間的碰撞以及在ITA和等離子體離子之間的碰撞二者有助于ITA在等離子體中更長的保留時(shí)間。ITA和氣體之間較高的碰撞率通過由工藝氣體數(shù)密度ne定義的較高的工藝氣體密度實(shí)現(xiàn)。ITA和等離子體離子之間較高的碰撞率通過較高的等離子體密度(由等離子體電子數(shù)密度I定義)和較低的ITA平均能Wita的組合實(shí)現(xiàn)，后者因?yàn)殡x子-離子庫倫碰撞橫截面隨著減少的Wita增加。根據(jù)本發(fā)明的等離子體濺射工藝，參數(shù)ne、Te、ne和Te因此被如下文匯總的控制。工藝氣體數(shù)密度ne應(yīng)當(dāng)是高的，以高效率地?zé)峄婋x的被濺射的靶原子ITA以及以增加ITA在等離子體中的保留時(shí)間。工藝氣體溫度Te應(yīng)當(dāng)是低的，以獲得電離的被濺射的靶原子ITA的低的平均動(dòng)能，這進(jìn)而給予在晶粒上更有效的靜電拾取并且通過其對庫侖離子-離子碰撞的影響而有助于ITA更長的保留時(shí)間。等離子體的電子數(shù)密度\應(yīng)當(dāng)是高的，以在它們在等離子體中的停留時(shí)間期間電離被濺射的靶原子，并且有助于電離的被濺射的靶原子在所述等離子體中更長的保留時(shí)間。等離子體的電子溫度應(yīng)當(dāng)高至足以使被濺射的靶原子在它們在等離子體中的停留時(shí)間期間能夠電離，并且足以將ITA的平均動(dòng)能Wita保持為比平均電子熱能We低得多。因此，通過控制上文指定的參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在晶粒的表面上比中性靶原子的拾取通量顯著高的電離的靶原子的拾取通量。根據(jù)本發(fā)明的等離子體濺射工藝的生產(chǎn)率因此顯著地高于用于生產(chǎn)顆粒的常規(guī)等離子體濺射工藝的生產(chǎn)率。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員明顯的是，上文指定的參數(shù)的合適的具體的值取決于所使用的等離子體產(chǎn)生設(shè)備的類型以及設(shè)備的尺寸以及用于生產(chǎn)顆粒的材料。然而，技術(shù)人員可以容易地確定對于所選擇的用于生產(chǎn)顆粒的等離子體產(chǎn)生設(shè)備和材料的參數(shù)的具體的值，只要它們滿足很大量的被濺射的靶原子通過等離子體電離使得電離的被濺射的靶原子到晶粒的表面的拾取通量被獲得的準(zhǔn)則。根據(jù)本發(fā)明的工藝，Lita/Lc彡O. 5。當(dāng)該準(zhǔn)則被滿足時(shí)，所產(chǎn)生的ITA被高效率地用于顆粒的生長。較短的平均自由程導(dǎo)致電離的被濺射的靶原子在等離子體體積內(nèi)部的較慢的擴(kuò)散和較長的停留時(shí)間，從而被晶粒拾取的可能性更大，而非向設(shè)備的壁散逸。較短的Lita還減少對于在生長過程期間在等離子體中的高晶粒密度的需要，因?yàn)镮TA停留時(shí)間變得更長并且ITA具有給定的晶粒密度時(shí)更大的被拾取在晶粒上的機(jī)會(huì)。如之前討論的，離子-中性的(ITA-氣體)碰撞和尚子-尚子(ITA-等尚子體尚子)碰撞二者有助于較長的擴(kuò)散時(shí)間。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，Γ ITA/ ( Γ ΠΑ+ Γ ΝΤΑ)彡O. 5。雖然通量Γ ΙΤΑ和Γ ΝΤΑ難以直接地測量，但是可以被間接地顯示出達(dá)到被該準(zhǔn)則覆蓋的參數(shù)范圍是可行的。被濺射的靶原子的高電離度可以通過以高至使得被濺射的靶原子的電子碰撞電離的概率在它們在等離子體中的停留時(shí)間期間是足夠高的^和Te操作被獲得。足夠高的\和Te通過向等離子體供應(yīng)足夠高的能量被獲得。這可以，例如，如在Helmersson等人,2006, Thin Solid Films，513，1-24中公開的，通過使用分離的感應(yīng)線圈，如在電感耦合等離子體-磁控濺射(ICP-MS)中的，或通過使用脈沖式放電，如在高功率脈沖磁控濺射裝置(HiPMS)中的，被進(jìn)行。在HiPMS裝置中，報(bào)導(dǎo)了具有在放電的活性階段期間的大于90%的被濺射的金屬離子的某些情況，Bohlmark 等人,2005, J. Vac, Sci. Technol, A23,18 ;Lundin 等人,2008，Plasma Sources Sci. Technol. 17,125009?？紤]到在這樣的等離子體環(huán)境中的晶粒，其中電離的靶原子的密度高于中性靶原子的密度；即使帶正電的ITA不被帶負(fù)電的晶粒吸引，ΓΙΤΑ也將大于ΓΝΤΑ。準(zhǔn)則ΓΙΤΑ/(ΓΙΤΑ+ΓΝΤΑ)彡O. 5將因此被滿足。因此清楚的是，如果將晶粒引入已經(jīng)存在的并且被良好地研究的等離子體裝置中，那么準(zhǔn)則可以被滿足。根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方案，WITA/We ( O. 5。該準(zhǔn)則的原因是，對于相同的晶粒密度，由于靜電吸引，ITA在晶粒上的拾取速率在該WITA的范圍內(nèi)顯著增加。所需要的低的Wita通過保持％高至使得對于與氣體的熱化碰撞來說，ITA平均自由程比L。小得多來實(shí)現(xiàn)?？梢钥紤]一個(gè)特定的情況，其中根據(jù)本發(fā)明的工藝被在豎直地排列的空心陰極等離子體產(chǎn)生設(shè)備中進(jìn)行，使用經(jīng)過陰極的工藝氣體的流。從下陰極開口出來的工藝氣體、等離子體和晶粒的流僅在陰極下方的區(qū)域中被膨脹，并且與周圍的工藝氣體混合，這導(dǎo)致成分的溫度不同地變化。中性的工藝氣體被與較冷的環(huán)境工藝氣體混合并且混合物獲得常溫T5110電離的被濺射的靶原子ITA在接近Tita ^ T511時(shí)通過與該中性氣體的碰撞被迅速地冷卻。在另一個(gè)方面，電子損失能量卻慢得多，原因是通過與氣體原子的彈性碰撞，電子的能量損失碰撞平均自由程在λ λ (2mn#/me)的數(shù)量級。因此，ITA的快速冷卻連同電子的慢得多的冷卻產(chǎn)生僅在空心陰極下方的區(qū)域中的在參數(shù)范圍Wita < O. 5ffe中的等離子體。在等離子體放電中的顆粒能量分布通常偏離精確的熱“Maxwellian”分布。對于電子來說，高能端可以由于多種原因偏離Maxwellian。如果電子被電場激勵(lì)并且被庫侖離子-電子碰撞冷卻，那么可以導(dǎo)致高能端的過剩，因?yàn)檫@樣的碰撞由隨著增加的電子能而顯著減小的橫截面代表。電子高能端的不足可來源于僅在高于根據(jù)本發(fā)明的工藝的閥值的能量時(shí)發(fā)生的電離和與中性物的激發(fā)碰撞。與離子的熱分布的偏離也由于多種原因被預(yù)期。準(zhǔn)則Lita/L。彡O. 5和WITA/We彡O. 5是獨(dú)立的并且可以通過考慮具體的情況被顯示?？紤]具有在距設(shè)備的壁距離L。處開始的熱速度uITA的ITA。擴(kuò)散時(shí)間是
權(quán)利要求
1.一種用于生產(chǎn)具有小于IOym尺寸的顆粒的等離子體濺射工藝，所述工藝包括 -在等離子體產(chǎn)生設(shè)備中提供靶，所述設(shè)備具有特征長度L。，其中L。3等于在所述設(shè)備中產(chǎn)生的等離子體的體積， -將工藝氣體引入所述等離子體產(chǎn)生設(shè)備中并控制所述等離子體產(chǎn)生設(shè)備內(nèi)部的壓力以獲得工藝氣體數(shù)密度％， -在所述等離子體產(chǎn)生設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生等離子體并控制提供至所述等離子體的能量以獲得等離子體電子數(shù)密度I以及等離子體電子溫度Te， -借助于所述等離子體從所述靶濺射原子， -允許被濺射的原子被拾取在存在于所述等離子體產(chǎn)生設(shè)備中的晶粒的表面上，從而生產(chǎn)顆粒， 其中所述等離子體電子數(shù)密度和所述等離子體電子溫度Te足以導(dǎo)致所述被濺射的靶原子的至少一部分電離，從而電離的被濺射的靶原子在所述晶粒的表面上產(chǎn)生拾取通量; 并且其中以下的準(zhǔn)則被滿足 Lita/Lc ≤ 0. 5 其中Lita是所述電離的被濺射的靶原子在所述等離子體內(nèi)部的平均自由程， 并且其中所述等離子體產(chǎn)生設(shè)備通過脈沖式電力供應(yīng)操作。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的工藝，其中rITA/(「ITT+rNTA)≥0.5，優(yōu)選地rITA/(Tita+Tnta)≥0.66，更優(yōu)選地rITA/(rITA+rNTA)≥0.70，其中r ITA是電離的靶原子在所述晶粒的表面上的拾取通量并且rNTA是中性的靶原子在所述晶粒的表面上的拾取通量。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的工藝，其中提供至所述等離子體的能量足以使所述等離子體中的至少20%、優(yōu)選地至少30%的所述被濺射的原子獲得電離。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的工藝，其中所述等離子體產(chǎn)生設(shè)備是空心陰極設(shè)備。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的工藝，其中所述等離子體產(chǎn)生設(shè)備是磁控濺射設(shè)備。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的工藝，其中(l+3Le/LITA)(l+4WyWITA) >10，其中Wita是所述等離子體中的電離的被濺射的原子的平均動(dòng)能并且We是通過We = (3/2)kBTe與Te相關(guān)的在所述等離子體內(nèi)部的平均電子動(dòng)能。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的工藝，其中所述電力基本上以矩形脈沖的形式供應(yīng)。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的工藝，其中所述脈沖式電力供應(yīng)以至少100Hz、優(yōu)選地200-2000HZ的頻率并且以至少5微秒、優(yōu)選地10-100微秒的脈沖持續(xù)時(shí)間被施加。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的工藝，其中被施加于所述陰極的平均功率是至少30000W/m2。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的工藝，其中所述工藝氣體數(shù)密度％和所述電子 W數(shù)密度I是使得# < Q.5，其中Wita所述等離子體中的電離的被濺射的原子的平均動(dòng)能并且We是通過We = (3/2) kBTe與Te相關(guān)的在所述等離子體內(nèi)部的平均電子動(dòng)能。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的工藝，其中優(yōu)選地 O WW
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11中任一項(xiàng)所述的工藝，其中優(yōu)選地e,e 7o
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的工藝，其中所述工藝氣體是惰性氣體、反應(yīng)性氣體、惰性氣體的氣體混合物、或包含至少反應(yīng)性氣體的氣體混合物。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的工藝，其中所述等離子體至少部分地由所述工藝氣體產(chǎn)生。
15.根據(jù)權(quán)利要求I至14中任一項(xiàng)所述的工藝，其中所述工藝氣體是惰性氣體，并且所述工藝還包括將反應(yīng)性氣體或包含反應(yīng)性氣體的氣體混合物引入所述等離子體產(chǎn)生設(shè)備中。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的工藝，其中所述晶粒被引入所述等離子體產(chǎn)生設(shè)備中。
17.根據(jù)權(quán)利要求I至16中任一項(xiàng)所述的工藝，其中所述晶粒在所述等離子體產(chǎn)生設(shè)備中被原位地形成。
18.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的工藝，其中所述等離子體電子數(shù)密度是至少IO17 每 m3。
19.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的工藝，其中對于其中所述等離子體產(chǎn)生設(shè)備是其中所述空心陰極具有5mm的內(nèi)徑的空心陰極設(shè)備的情況，所述工藝氣體數(shù)密度％等于至少3 X IO21每m3的工藝氣體數(shù)密度。
全文摘要
公開了用于生產(chǎn)具有10μm或更小尺寸的顆粒的高生產(chǎn)速率等離子體濺射工藝。工藝導(dǎo)致被濺射的靶原子的至少一部分電離并且以使得電離的被濺射的靶原子在晶粒表面上的拾取概率是高的參數(shù)進(jìn)行。
文檔編號(hào)C23C14/22GK102803548SQ201180008628
公開日2012年11月28日 申請日期2011年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月24日
發(fā)明者尤爾弗·赫爾默松, 尼爾斯·布倫寧, 丹尼爾·索德斯特羅姆 申請人:蒂亞公司