一种增强气体团簇离子束溅射固态靶原子产额的方法与流程

本发明属于团簇离子源及团簇离子束，尤其涉及一种增强气体团簇离子束溅射固态靶原子产额的方法。

背景技术：

1、目前，气体团簇是包含数百或数千气体分子的一个具有分子尺度的大粒子或其聚合体。产生气体团簇的常用方法是一定量的气体或者气体混合物通过一个喷嘴经过超声绝热膨胀得到的。同单一原子或分子束相比，气体团簇束与固体表面的相互作用差异很大。早期的气体团簇是用来进行材料表面的微加工和表面平整化处理。自1995年日本京都大学yamada课题组引入了实用的气体团簇离子束(gcib，gasclusterionbeam)技术，用于晶体硅和金属材料表面的处理发现，gcib对固体物质表面原子有高效的溅射效果，其溅射产额比单一离子束高2～3个数量级。

2、由于团簇束中的原子数目大，通过能量均分原理来计算出的每个原子所具有的能量很低，这会造成团簇原子进入靶材的深度很浅，因此团簇束能量几乎会全部耗散在靶材表面的一个有限区域内。基于这种理论，在这些碰撞区的能量密度和温度会对靶材产生高效的溅射。与单一离子束相比，gcib轰击靶材的特点体现在产生高额的次级团簇离子。分子动力学模拟和试验已证实用10个氩(ar)原子组成的团簇离子束轰击靶材能形成有效的固态团簇束，也有极小概率形成纳米尺寸的次级粒子。

3、对于纳米颗粒、纳米线这样的低维材料体系，载能团簇束与之相互作用时，由于有限尺寸效应会引起能量耗散集中在表面局域化尺度，能量密度高，造成靶的溅射产额急剧增加，甚至能引起靶的分解。有研究人员采用分子动力学模拟发现，对直径数纳米的金颗粒进行离子轰击时，溅射产额从几个原子数目到金纳米靶被完全分解，表明载能离子束对纳米尺寸的固态靶进行轰击可能会产生团簇束。ilinov等人在实验上用能量为80kev，每个团簇包含100～1900个氙(xe)原子的团簇离子束辐照直径为20nm，长度微米级的金纳米线时发现，团簇离子束轰击一维纳米线材料能提高其溅射原子产额。然而，团簇束能量与溅射靶微观结构之间的关系并未系统地研究过。

4、众所周知，真空溅射镀膜和二次离子质谱装置中靶原子的溅射产额是一个重要的技术参量，通过提高入射离子束的能量或等离子体密度的方式去增强溅射是普遍采用的方法。另外，固态离子源如铯溅射负离子源、固态电解质离子源等都是采用溅射阴极靶来产生离子束的，离子束强度依赖于入射束能量及溅射产额。如果用气体团簇离子束作为入射束，基于能量均分原理能实现材料表面原子的高溅射率，基于有效尺寸效应将溅射靶中的原子尺寸控制在纳米尺度，两两联合，对进一步提高靶的溅射产额是一个有效的技术方法。

5、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术中针对团簇束能量与溅射靶微观结构之间关系的相关技术方案尚未见报道。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种增强气体团簇离子束溅射固态靶原子产额的方法。

2、本发明是这样实现的，一种增强气体团簇离子束溅射固态靶原子产额的方法，增强气体团簇离子束溅射固态靶原子产额的方法包括：确定尺寸的ar气体团簇离子束和纳米硅(si)粉体压铸靶，ar气体团簇离子束轰击到纳米si粉体压铸靶上，溅射产生的部分si纳米颗粒被收集器所俘获。

3、进一步，纳米si粉体压铸靶的制作方法包括研磨和液压成形。

4、进一步，纳米si粉体压铸靶的制作方法中的研磨包括：将购置的平均粒径30nm的科研级纳米si粉研磨成平均粒径为12～15nm的超细粉末。

5、进一步，纳米si粉体压铸靶的制作方法中的液压成形包括：将研磨后的si粉利用液压压片机在6mpa的压力下处理15min。

6、进一步，增强气体团簇离子束溅射固态靶原子产额的方法包括以下步骤：

7、步骤一，产生中性ar气体团簇束。打开钢瓶装氩气主阀，调节减压阀到0.2～0.5mpa，通过耐压气体导管将ar气导入气体团簇离子源腔体中，再通过一个laval超声喷嘴，进入0.01～0.1pa的差分真空室，气体经过超声绝热膨胀会形成含数千至数万个ar原子的中性团簇束。(差分真空系统的主泵是抽速达2500l/s的复合涡轮分子泵，形成中性气体团簇束的关键是几个大气压(2～5×105pa)的气体经过一个孔径很小(中心孔径约为0.1mm)的喷嘴进入10-2～10-1pa的真空环境绝热膨胀形成的，气体速度达到超音速量级。)

8、步骤二，经过加速过的阴极灯丝电子的碰撞电离，使得ar团簇束成为团簇离子束。通过四维准直器调节，使得中性ar团簇束沿着管道中心轴向前进，经过阴极灯丝发射的电子碰撞后，少部分团簇被电离成为ar团簇离子束。

9、步骤三，团簇离子束经过加速电场后成为载能团簇离子束。在步骤二中阴极灯丝之后的管道空间加直流高压，赋予ar团簇离子束较高的入射能量。

10、进一步，步骤一中，为筛选ar团簇中的ar原子数目，经电场加速后的团簇离子束经过一个速度选择器(velocityselector)后确定了团簇束的速度v，再根据qu＝1/2mv2(其中，q是团簇离子束的有效电荷数，可由束流积分仪直接给出)得出单个团簇束的质量m。给出一个有效实验参数特征值，ar团簇束中包含n＝2900个ar原子，且离化后的有效电荷数q为3.45，满足n/q＝840的ar团簇离子束特征参数关系。

11、进一步，步骤二中，阴极灯丝电子电压为150v，电子发射电流为20ma。

12、进一步，步骤三中，施加到团簇离子束的电场u设置为3～20kv，能量分布为10.4～69kev；通过束流积分仪监控团簇束的入射剂量为5.8×1015clusters/cm2。

13、本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被所述处理器执行时，使得处理器执行所述的增强气体团簇离子束溅射固态靶原子产额的方法的步骤。

14、本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的增强气体团簇离子束溅射固态靶原子产额的方法的步骤。

15、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

16、第一，针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

17、本发明提供了一种提高固体靶原子溅射产额的方法，其的优点是：(1)ar气体团簇尺寸和注入剂量可控，入射团簇束数目和剂量可由速度选择器和束流积分仪共同给出，从而对固态si粉体压铸靶的团簇离子束溅射参数精确可控，团簇溅射造成的溅射产额高；(2)与块体单晶硅靶相比，采用超细si粉作为溅射靶，显著提高溅射si原子产额。

18、第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

19、本发明提供了一种增强气体团簇离子溅射靶原子产额的方法，包括两种增强机理，即低能区的有效尺寸效应和高能区的形成的碎片增强溅射效应。在团簇能量较低时，靶中纳米颗粒的有效尺寸效应造成溅射原子产额显著提高；在团簇能量较高时，团簇离子轰击靶过程中形成的碎片有利于溅射产额的增加。

20、第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：

21、(1)本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：

22、气体团簇离子束装备是半导体产业中实现超浅结离子注入和基片表面处理的利器，同时也是超高真空环境下材料表面分析的核心装置，美、日等国已经有量产的半导体商业设备。我国在此领域研究较早，但关键设备和技术并未在市场形成有效竞争态势。国家最近几年发展芯片行业，研发国产团簇离子束装备也将会是一个必然趋势，前期我们已经获得了该装置原理样机的发明专利授权。本专利申请是针对用团簇离子束溅射固态靶材时提高其溅射率的技术应用，具有潜在的应用价值。

23、(2)本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：

24、用气体团簇离子束来轰击纳米尺寸的靶材来提高其溅射率并解释其物理机制是国内团簇离子束技术应用的一个突破，为解决工业用团簇离子源产生低能大束流团簇离子束溅射产生高产额固态原子率的技术应用层面提供直接的参考价值，目前国内并未有相关报道。