筒状阴极非平衡磁控等离子体气体聚集团簇源及其使用方法技术

本发明专利技术公开了筒状阴极非平衡磁控等离子体气体聚集团簇源及其使用方法，所述团簇源包括筒状溅射靶组件和冷凝腔，二者之间相互连通。本发明专利技术运用筒状溅射靶及环形磁铁组使磁控溅射具有大的溅射面积，产生高产额的原子和离子；采用与溅射靶共轴的溅射气体充入筒形成惰性气体气流将溅射产物导向冷凝区，并在冷凝区被从缓冲气体充入筒侧壁流出的惰性气体进一步约束，使团簇的冷凝生长区被定义于一个确定的空间中，实现团簇的高效均匀生长；用冷凝区的约束磁铁形成非平衡磁场，约束电子形成高的等离子体密度，获得高的团簇离子比率。本发明专利技术可实现高强度与高离化度团簇与纳米粒子束流的产生。

Non-equilibrium magnetron plasma gas cluster source with cylindrical cathode and its application

The present invention discloses a cylindrical cathode nonequilibrium magnetron plasma gas aggregation cluster source and its use method. The cluster source includes a cylindrical sputtering target assembly and a condensation chamber, which are interconnected with each other. The invention uses cylindrical sputtering target and annular magnet group to make magnetron sputtering have large sputtering area and produce high yield atoms and ions; uses coaxial sputtering gas with sputtering target to fill the cylinder to form inert gas flow to guide the sputtering product to the condensation zone, and is further restrained by inert gas flowing out from the buffer gas filling the wall of the cylinder, so as to make the condensation growth zone of clusters be further restrained. It is defined in a definite space to achieve the high efficiency and uniform growth of clusters. The non-equilibrium magnetic field is formed by confining magnets in the condensation zone, and the high plasma density is formed by confining electrons to obtain a high cluster ion ratio. The invention can realize the generation of high strength and high ionization cluster and nanoparticle beam.

【技术实现步骤摘要】
筒状阴极非平衡磁控等离子体气体聚集团簇源及其使用方法
本专利技术属于原子分子物理与纳米科学
，涉及一种广泛应用于薄膜与纳米结构材料的制备、材料的表面加工的装置，具体为筒状阴极非平衡磁控等离子体气体聚集团簇源及其使用方法。
技术介绍
团簇源是原子团簇(纳米粒子)束流的产生、团簇物理/化学性质研究与团簇束流沉积装置中的关键部件，在原子分子物理与纳米科学的基础研究与薄膜及纳米结构材料的制备、材料的表面加工等方面具有广泛应用。目前被普遍采用的团簇束流源有两类：气体聚集法团簇源和脉冲激光烧融法团簇源。脉冲激光烧融法团簇源主要用于对包含200原子以下的自由团簇的奇异结构与物理化学性质的基础研究。由于团簇源工作于低重复频率的脉冲形式，团簇束流的平均通量较低，经尺寸选择后强度更弱，一般难于用在团簇沉积制备纳米结构材料上。气体聚集法团簇源主要有高温蒸发惰性气体冷凝源及磁控等离子体气体聚集源。前者只能用于在低于2000K温度时具有高蒸气压的少数金属和半导体材料团簇的产生，应用面甚窄。1990年前后，德国佛莱堡大学Haberland等发展了磁控等离子体气体聚集团簇源，克服了材料蒸气压的限制，可获得难熔金属、半导体、氧化物等多种材料的团簇束流，除了可进行自由团簇的原位分析，更适合于团簇束流沉积等，成为当前主流的团簇源。这类团簇源采用射频或直流磁控溅射将原子/离子等从靶材中打出，形成高密度等离子体，在冷凝室靶材原子间的碰撞及其与惰性气体分子的碰撞导致有效的聚集生长，形成团簇。但是，由于采用平面磁控溅射靶结构，这类源存在团簇产额、特别是团簇离子产额有限的不足。
技术实现思路
解决的技术问题：团簇(纳米粒子)束流在纳米科学的基础研究以及薄膜与纳米结构材料的制备、材料的表面加工等方面具有广泛应用。气相团簇束流的制备和控制技术的发展直接推动了团簇科学至今的一些重要发现。然而，现有的团簇束流系统团簇束流强度较弱，在许多情况下难以满足团簇性质精密测量与团簇束流沉积等应用研究的需要。本专利技术提供了筒状阴极非平衡磁控等离子体气体聚集团簇源及其使用方法，可以取代目前通用的基于平面阴极的磁控等离子体气体聚集团簇源，在保持束流中团簇尺寸与单分散性的同时，使束流强度获得大幅度提高，为获得高强度与高稳定度的团簇与纳米粒子束流提供保证。技术方案：筒状阴极非平衡磁控等离子体气体聚集团簇源，所述团簇源包括筒状溅射靶组件和冷凝腔，二者之间相互连通；筒状溅射靶组件内依次设有一包裹于密封夹层内的环形阴极磁铁组，筒状溅射靶、溅射气充入筒，溅射气通过溅射气入口由溅射气充入筒底板上的通气管充入，并经侧壁上的开孔流出至筒状溅射靶与溅射气充入筒之间的辉光区；冷凝腔为一真空密封腔体，腔体内形成冷凝区，腔体一端中心处设有喷嘴，并通过喷嘴与腔外高真空环境形成差分抽气条件；冷凝腔内壁上密布小孔阵列，内外壁夹层内设有金属冷却管，并通过冷却管入口连续向管内通入液氮或水；冷凝腔外壁上设有缓冲气入口，向内外壁夹层充入惰性气体，冷却后经冷凝腔内壁上小孔流至冷凝区；冷凝腔两端均设有约束磁铁。优选的，冷凝腔、密封夹层和溅射气充入筒的材质均为非磁性金属。优选的，环形阴极磁铁组由4-8块磁铁环构成，或由方形、圆弧形、柱状的非环状磁铁拼接组成。优选的，筒状溅射靶为熔点大于350K的金属或非金属材料，筒的内径为50mm-200mm，筒壁厚度为0.5mm-20mm,筒的高度为40-200mm。优选的，溅射气充入筒与筒状溅射靶共轴安装，其内壁与溅射靶表面间距大于15mm，侧壁厚小于1mm，筒高度不超过密封夹层的高度；侧壁上的开孔为圆孔或长方形孔，圆孔直径或长方形孔宽度为3-20mm，孔中心距为6-30mm，长方形孔长度不超过筒状溅射靶的高度。优选的，冷凝腔内壁的直径为40mm-250mm，冷凝腔高度为50mm-300mm；冷凝腔内壁上的小孔直径为0.5-2mm，中心距为5-30mm。优选的，冷凝腔两端的约束磁铁为一对磁极成镜像配置的环形磁铁，环形磁铁由方形、圆弧形或柱形磁铁拼接而成。优选的，溅射气充入筒充入的惰性气体为氩气，缓冲气入口充入冷凝区的缓冲气体为氩气或氦气。优选的，喷嘴为直径1mm-10mm的圆孔。以上任一所述筒状阴极非平衡磁控等离子体气体聚集团簇源的使用方法，包括以下步骤：第1步、将安装团簇源的装置抽真空，达到高于1×10-4Pa真空度；第2步、从溅射气入口向团簇源充入氩气，达到30-40Pa的分压力；从缓冲气入口向冷凝区充入氩气或氦气，达到60-100Pa的分压力；第3步、向筒状阴极加负300V-负1000V直流高压或射频高压，调节电流为0.2A-2.0A，筒状溅射靶开始稳定磁控溅射，在冷凝区形成团簇,经喷嘴进入高真空腔，形成团簇束流。本专利技术所述筒状阴极非平衡磁控等离子体气体聚集团簇源的工作原理在于：筒状溅射靶组件与冷凝腔安装于高真空腔内，冷凝腔顶端设一直径为1mm-10mm的喷嘴，与高真空腔之间建立差分抽气条件，喷嘴的真空一侧气压保持低于10-1Pa。冷凝腔由从冷却管入口通入的液氮或水冷却。由缓冲气入口通入的惰性气体经液氮冷却后，由冷凝腔内壁上的小孔流出到冷凝区。由溅射气入口通入氩气，筒状溅射靶上加300-1000V负高压，氩气在筒状溅射靶和溅射气充入筒之间辉光放电，形成磁控等离子体，并对筒状溅射靶溅射，溅射出的原子和离子在氩气流携带下到达冷凝区，在缓冲气体作用下形成原子团簇，并由缓冲气体气流携带从喷嘴喷出到真空，形成团簇束流。有益效果：本专利技术提供了筒状阴极非平衡磁控等离子体气体聚集团簇源，运用筒状溅射靶及环形磁铁组使磁控溅射具有大的溅射面积，产生高产额的原子和离子；采用与溅射靶共轴的溅射气体充入筒形成惰性气体气流将溅射产物导向冷凝区，并在冷凝区被从缓冲气体充入筒侧壁流出的惰性气体进一步约束，使团簇的冷凝生长区被定义于一个确定的空间中，实现团簇的高效均匀生长；用冷凝区的约束磁铁形成非平衡磁场，约束电子形成高的等离子体密度，获得高的团簇离子比率。采用原有的平面溅射靶，所能得到的团簇束流等效沉积率小于0.5nm/s，离子化比例小于60％，而采用现结构后，能得到高于5nm/s的等效沉积率的高强度束流，且离子化比例可达到90％。本专利技术可实现高强度与高离化度团簇与纳米粒子束流的产生。附图说明图1是本专利技术所述筒状阴极非平衡磁控等离子体气体聚集团簇源的结构示意图；图2是本专利技术筒状阴极非平衡磁控等离子体气体聚集团簇源的内部结构图；图3是本专利技术所述溅射气充入筒结构示意图；其中，1为筒状溅射靶组件，2为冷凝腔，3为筒状溅射靶，4为约束磁铁，5为冷凝腔内壁，6为溅射气充入筒，7为冷却管，8为缓冲气入口，9为溅射气入口，10为冷凝区，11为喷嘴，12为环形阴极磁铁组，13为密封夹层，14为底板，15为侧壁，16为通气管。具体实施方式以下实施例进一步说明本专利技术的内容，但不应理解为对本专利技术的限制。在不背离本专利技术精神和实质的情况下，对本专利技术方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本专利技术的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。实施例1筒状阴极非平衡磁控等离子体气体聚集团簇源，所述团簇源包括筒状溅射靶组件1和冷凝腔2，二者之间相互连通；筒状溅射靶组件1内依次设有一包裹于密封夹层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.筒状阴极非平衡磁控等离子体气体聚集团簇源，其特征在于，所述团簇源包括筒状溅射靶组件(1)和冷凝腔(2)，二者之间相互连通；筒状溅射靶组件(1)内依次设有一包裹于密封夹层(13)内的环形阴极磁铁组(12)，筒状溅射靶(3)、溅射气充入筒(6)，溅射气通过溅射气入口(9)由溅射气充入筒(6)底板(14)上的通气管(16)充入，并经侧壁(15)上的开孔流出至筒状溅射靶(3)与溅射气充入筒(6)之间的辉光区；冷凝腔(2)为一真空密封腔体，腔体内形成冷凝区(10)，腔体一端中心处设有喷嘴(11)，并通过喷嘴(11)与腔外高真空环境形成差分抽气条件；冷凝腔内壁(5)上密布小孔阵列，内外壁夹层内设有金属冷却管，并通过冷却管入口(7)连续向管内通入液氮或水；冷凝腔(2)外壁上设有缓冲气入口(8)，向内外壁夹层充入惰性气体，冷却后经冷凝腔内壁(5)上小孔流至冷凝区(10)；冷凝腔(2)两端均设有约束磁铁(4)。

【技术特征摘要】
1.筒状阴极非平衡磁控等离子体气体聚集团簇源，其特征在于，所述团簇源包括筒状溅射靶组件(1)和冷凝腔(2)，二者之间相互连通；筒状溅射靶组件(1)内依次设有一包裹于密封夹层(13)内的环形阴极磁铁组(12)，筒状溅射靶(3)、溅射气充入筒(6)，溅射气通过溅射气入口(9)由溅射气充入筒(6)底板(14)上的通气管(16)充入，并经侧壁(15)上的开孔流出至筒状溅射靶(3)与溅射气充入筒(6)之间的辉光区；冷凝腔(2)为一真空密封腔体，腔体内形成冷凝区(10)，腔体一端中心处设有喷嘴(11)，并通过喷嘴(11)与腔外高真空环境形成差分抽气条件；冷凝腔内壁(5)上密布小孔阵列，内外壁夹层内设有金属冷却管，并通过冷却管入口(7)连续向管内通入液氮或水；冷凝腔(2)外壁上设有缓冲气入口(8)，向内外壁夹层充入惰性气体，冷却后经冷凝腔内壁(5)上小孔流至冷凝区(10)；冷凝腔(2)两端均设有约束磁铁(4)。2.根据权利要求1所述的筒状阴极非平衡磁控等离子体气体聚集团簇源，其特征在于，冷凝腔(2)、密封夹层(13)和溅射气充入筒(6)的材质均为非磁性金属。3.根据权利要求1所述的筒状阴极非平衡磁控等离子体气体聚集团簇源，其特征在于，环形阴极磁铁组(12)由4-8块磁铁环构成，或由方形、圆弧形、柱状的非环状磁铁拼接组成。4.根据权利要求1所述的筒状阴极非平衡磁控等离子体气体聚集团簇源，其特征在于，筒状溅射靶(3)为熔点大于350K的金属或非金属材料，筒的内径为50mm-200mm，筒壁厚度为0.5mm-20mm,筒的高度为40-200mm。5.根据权利要求1所述的筒状阴极非平衡磁控等离子体气体聚集团簇源，其特征在于，溅射气充入筒(6)与筒状溅射靶(3)共轴安...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘飞，邵伟，韩民，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32