专利名称：纳米粒子的产生的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于产生纳米粒子的技术和设备。
背景技术：
溅射沉积是一种公知的材料真空沉积的方法。采用DC磁控管在“靶”(即待沉积材料的样本)的上方直接生成等离子体。等离子体中的离子反复撞击靶表面并迫使材料从靶表面蒸发。该材料随后局部地冷凝，或者被处理。一些靶材料，例如钛存在氧化的问题。绝缘的氧化层阻止了溅射过程，不过可以对磁控管采用交流(AC)电驱动(或脉冲DC电驱动)替代DC驱动来克服这个问题。该驱动被布置为包括短时的正偏移(positive excursion)；因此，当驱动为负的时，材料被溅射， 而当驱动为正的时，靶表面被等离子体清洁。
发明内容
本发明人已经发现脉冲电源出人意料地有益于为生成纳米粒子目的而进行的其他材料(比如非氧化材料)的沉积。增大了沉积率，并且可以调节粒子尺寸以使其大致以特定值簇生(cluster)。因此提出了一种产生纳米粒子的方法，包括步骤提供磁控管、溅射靶、和用于所述磁控管的AC电源或脉冲DC电源；将粒子从所述溅射靶溅射到包含惰性气体的腔室中，使得粒子聚结成为纳米粒子；和控制所述AC电源或所述脉冲DC电源的频率以取得多个频率值中的一个，每个频率值对应于所述纳米粒子的一个对应的尺寸分布。脉冲或AC电源的频率优选的在75kHz到150kHz之间，因为这看来可以得到最佳结果。本发明还提出了用于产生纳米粒子的相应设备，包括磁控管、溅射靶、和用于所述磁控管的AC电源和脉冲DC电源中的至少一个；腔室，至少包含所述溅射靶和围绕所述溅射靶的惰性气体，从而使得粒子从所述溅射靶溅射以聚结成为纳米粒子；和电源控制器，适用于控制所述AC电源或所述脉冲DC电源的频率以取得多个频率值中的一个，每个频率值对应于所述纳米粒子的一个对应的尺寸分布。本发明还涉及通过以上途径产生纳米粒子、涉及如此产生的纳米粒子、以及涉及承载或容纳这种纳米粒子的物品。
现在将以示例方式参照附图描述本发明的实施例，其中图1 (示意性地)示出典型的溅射沉积布置；图2(示意性地)示出用于形成纳米粒子的布置；图3示出通过改变脉冲DC电源而得到的以所产生的纳米粒子的多尺寸/数量谱表示的结果；
图4示出对于图3中的数据，峰值纳米粒子尺寸随电源频率的变化；和图5示出对于图3中的数据，超过阈值的纳米粒子数量随电源频率的变化。
具体实施例方式图1(示意性地)示出溅射沉积设备的布置的部分示图。靶2安装在由电源6供电的磁控管4之上。磁控管4在靶2上方生成等离子体8 ；对此的常规布置是“跑道形”图案，即从上方观看时为椭圆形。等离子体内的粒子撞击靶2的表面，并使得原子从靶被迫蒸发，逐渐消耗与等离子体8邻近的靶2并且引起从设备离开的蒸发材料的流9。上述溅射沉积设备可以用于通过“气体冷凝”处理进行的纳米粒子产生，如在本申请人较早的申请GBM30202A中描述的那样。在(相对)高压的环境中(通过多种手段中的一种)产生原子蒸气，这使得原子通过与背景气体(通常为惰性气体或不活跃气体，比如氩气或氦气)碰撞而失去能量并且随后与其他原子结合以形成纳米粒子。通过在蒸气产生点与高压冷凝区域的出口之间提供可控漂移，可以使得结合的气体/纳米粒子流离开冷凝区，在离开点处纳米粒子通常终止了生长。这么做的效果是使得每个纳米粒子遵循严格的蒸气密度和压力路径，从而确保达到冷凝区出口的纳米粒子的尺寸普遍近似趋于窄尺寸分布。图2示意性示出该设备和方法。腔室10包括安装在可线性平移的基片16上的磁控管溅射源12，以产生蒸气14。腔室10的内部包含处于上百豪托或更大比如直到5托的相对高压中的惰性气体。从磁控管12后方的一点将惰性气体馈送到腔室10中，并且从处于磁控管12正前方的出口孔18将惰性气体引出。这生成了如箭头20指示的通过腔室的气流，并建立了蒸气14的漂移。在蒸气通过到出口孔18的期间，其冷凝形成纳米粒子云22。作为替代，可以使用能够生成原子蒸气的任何方法，比如蒸发技术(例如热蒸发， MBE)或化学技术(例如CVD)。在离开由腔室10限定的冷凝区时，该粒子束受到大压力差并且经历超声膨胀。膨胀的束随后撞击第二孔24，该第二孔允许束的中心部分通过而背景气体和较小纳米粒子不通过。背景气体随后被抽取端口沈收集以再循环或处置，如箭头观指示。这提供了对束的进一步提炼，因为较小的粒子被“滤除”。通过使用磁控管溅射，产生的纳米粒子的高分馏物带上负电荷。这使得粒子能够被静电加速越过真空30到达基片或物体，从而获得动能。这可以通过将基片或物体提高到一个适当的高电势来实现。非导电性的基片可以放置在具有与粒子束成一直线的适当成形的孔的导电性掩膜后方。在飞行中获得的动能在碰撞时通过粒子变形的方式失去。变形程度自然取决于粒子在飞行中被施加的能量。能量非常高时，会失去纳米粒子结构并且得到的膜将会本质上为成块的材料。能量非常低时，该过程类似于冷凝，并且膜将会粘着性不足。在这些极端情况之间，存在使得粒子变形适度而足以令膜的表面保持纳米粒子的性质并且与基片接触的表面够粘的范围。在通过溅射以外的方法来产生粒子的情况下，可以通过任何适合的方法将粒子电离并随后以类似方式进行加速。
在一个示例中，氦气和氩气的混合物被引入冷凝室中以取决于涂敷条件来产生处于0. 01托到0. 5托之间的压力。对冷凝室内包含的磁控管溅射装置中所保持的银靶施加通常处于200V到1000V之间的负电压。该电压引起放电，使得银原子从靶表面溅射。高压气体环境使得银原子通过碰撞失去能量，并最终与其他银原子结合以形成粒子。在磁控管周围的放电过程中形成带正电荷和负电荷的粒子，但仅仅带负电荷的粒子能够逃离由靶上的负电压产生的电场。这些带负电荷的粒子在以受控方式向冷凝区出口漂移的过程中生长。图3是示出通过增大施加到铜靶的脉冲DC电源电压的频率而得到的纳米粒子直径(进而沉积的质量)的变化的曲线。该曲线示出特定直径的纳米粒子的数量的测量值， 不同的线条针对处于OkHz (即简单的没有脉冲的DC电源)到150kHz之间的不同频率。在该情况下最佳频率大约为100-150kHz，在此处尺寸分布在质量上不同于在OkHz处的尺寸分布。在该情况下，沉积率增大了大约5倍。图4示出基于与图3相同的数据以脉冲DC电源的频率得到的峰值纳米粒子直径的变化。可以看出，纳米粒子直径在大约IOOkHz达到稳定之前在20kHz的低的频率处增大并在50kHz处为明显最大。图5示出相同数据的稍微不同的示图(再次)，绘出超过IOnm阈值的纳米粒子(在任意度量上)的总数量与电源频率的关系。并且，可以再一次看出随着电源频率变化的清楚的差异，一旦电源成为脉冲电源，在稳定地上升到IOOkHz期间，纳米粒子尺寸明显增大。 这种行为在使用铜之类的非氧化靶时是不期望的。如果使用脉冲DC电源以及钽和钛，会获得类似的结果，在这两种情况下沉积率都会增大。示例地来说，对钛靶使用完全的DC电压一般实现 1. 5A/s的沉积率，但使用脉冲 DC电源可实现 6. OA/s的沉积率。对此，实验条件为40sCCm(标准毫升/分钟)的氩气、 94W溅射功率、和70kHz脉冲频率。所有金属靶可以得到类似结果。对于经典溅射，对诸如氧化铟锡和氧化锌之类导电但会受到氧化污染的“棘手”的靶使用交流电源。交流电源有助于保持靶清洁。这会是一个非常好的用于产生这些材料的纳米粒子的技术(因为这些材料的沉积是挑战性的)， 并且可以使用上面的脉冲DC电源来有效地实现。当然，可以理解能够对上述实施例作出不脱离本发明范围的许多改变。
权利要求
1.一种产生纳米粒子的方法，包括步骤提供磁控管、溅射靶、和用于所述磁控管的AC电源或脉冲DC电源；将粒子从所述溅射靶溅射到包含惰性气体的腔室中，使得粒子聚结成为纳米粒子；和控制所述AC电源或所述脉冲DC电源的频率以取得多个频率值中的一个，每个频率值对应于所述纳米粒子的一个对应的尺寸分布。
2.根据权利要求1的方法，其中所述溅射靶是非氧化金属材料。
3.根据权利要求2的方法，其中所述溅射靶是铜。
4.根据权利要求1的方法，其中所述溅射靶是氧化铟锡、氧化锌、钽和钛中的一种。
5.根据前述权利要求中任一项的方法，其中电源的频率处在75kHz到150kHz之间。
6.一种用于产生纳米粒子的设备，包括磁控管、溅射靶、和用于所述磁控管的AC电源和脉冲DC电源中的至少一个；腔室，至少包含所述溅射靶和围绕所述溅射靶的惰性气体，从而使得来自所述溅射靶的粒子聚结成为纳米粒子；和电源控制器，适用于控制所述AC电源或所述脉冲DC电源的频率以取得多个频率值中的一个，每个频率值对应于所述纳米粒子的一个对应的尺寸分布。
7.根据权利要求6的用于产生纳米粒子的设备，其中所述溅射靶是氧化铟锡、氧化锌、 钽和钛中的一种。
8.根据权利要求6的用于产生纳米粒子的设备，其中所述溅射靶是铜。
9.根据权利要求6至8中任一项的用于产生纳米粒子的设备，其中电源的频率处在 75kHz 到 150kHz 之间。
10.一种产生纳米粒子的方法，其实质上如参照附图和/或如附图中示出而公开于此的那样。
11.一种用于产生纳米粒子的设备，其实质上如参照附图和/或如附图中示出而公开于此的那样。
全文摘要
已经发现脉冲DC电源出乎意料地有益于用于生成纳米粒子的溅射沉积的用途。沉积率提高了，并且可以调节粒子尺寸以使其大约以特定值而簇生。因此，公开了一种溅射沉积的方法，包括步骤提供磁控管、溅射靶、和用于所述磁控管的AC电源或脉冲DC电源；将粒子从所述溅射靶溅射到包含惰性气体的腔室中，使得粒子聚结成为纳米粒子；和控制所述AC电源或所述脉冲DC电源的频率以取得多个频率值中的一个，每个频率值对应于所述纳米粒子的一个对应的尺寸分布。电源频率优选的在75kHz到150kHz之间，因为这看来可以得到最佳结果。还公开了用于产生纳米粒子的相应设备。
文档编号C23C14/54GK102576641SQ201080047189
公开日2012年7月11日 申请日期2010年9月17日 优先权日2009年9月21日
发明者基恩·阿利斯泰尔 申请人:曼蒂斯沉积物有限公司