本发明专利技术提供了一种用于合成纳米颗粒的低压甚高频脉冲等离子体反应器系统。该系统包括腔室，该腔室用于接纳至少一个基板，并且能够被抽真空至所选压强。该系统还包括用于从至少一种前驱体气体产生等离子体的等离子体源，以及用于以所选频率提供连续或脉冲射频功率至等离子体的甚高频射频功率源。该频率是基于脉冲射频功率和等离子体之间的耦合效率来选择的。ＶＨＦ放电和气体前驱体的参数是基于纳米颗粒性质来选择的。纳米颗粒平均大小和颗粒大小分布是通过控制辉光放电的驻留时间（脉冲调制等离子体）相对于通过放电区的气体分子驻留时间、以及纳米颗粒前驱体气体（一种或多种）的质量流量来操控的。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般地涉及低压等离子体反应器，更具体地涉及在低压等离子体反应器中 产生纳米颗粒的方法。
技术介绍
纳米技术的出现在很多
产生根本性的变化，这是因为在纳米级尺度，许 多材料的性质发生改变。例如，一些结构的尺寸降低至纳米级可以增大表面积与体积之比， 从而使材料的电、磁、活性、化学、结构以及热的性质发生改变。纳米材料已经找到商业应 用，并且可能在接下来的几十年中存在于计算机、光伏、光电子、药物/制药、结构材料、军 事应用等所有事物中。初期的研究努力集中在多孔硅上，但是很多兴趣和努力已经从多孔硅转移到了硅 纳米颗粒。小硅纳米颗粒(< 5nm)的一个主要特征是这些颗粒在被较低波长源(UV)激励 时能够进行可见的光致发光。这被认为是由在纳米颗粒的直径小于激子半径时发生的量 子限制效应导致的，其引起带隙弯曲(即，间隙的增加)。图IA示出了纳米颗粒的带隙能 量(单位为电子伏特)与纳米颗粒的直径(单位为纳米)的函数关系(见T. Takagahara 和K. Takeda, Phys. Rev. B, 46，15578 (1992))。尽管硅在体材料情况下是间接带隙半导体， 但是直径小于5nm的硅纳米颗粒接近于直接带隙材料，这是由于激子的界面俘获而使其成 为可能。直接带隙材料可以被用在光电子应用中，因此硅纳米颗粒可能成为未来光电子应 用中的主导材料。纳米材料另一让人感兴趣的性质是根据表面-声子不稳定性理论的熔 点降低。图IB示出了由纳米颗粒形成的纳米材料的熔点(单位为摄氏度)与纳米颗粒的 直径(单位为纳米)的函数关系(M. ffautelet, J. Phys. D =Appl. Phys. , 24, 343 (1991)和 A. N. Goldstein, Appl. Phys. A, 62, 33 (1996)) 这可以在结构材料中得以应用。企业、大学和实验室已经对可以用于产生纳米颗粒的制造方法和设备的开发投 入了大量努力。这些技术中的一些包括微反应器等离子体(R. MSankaran等人，Nano. Lett. 5,537(2005) ；Sankaran 等人的美国专利申请公开 No. 2005/0258419 ；Sankaran 等 人的美国专利申请公开No. 2006/0042414)，气溶胶热解硅烷(K. A. Littau等人，J. Phys. Chem, 97，1224 (1993)，M. L. Ostraat 等人，J. Electrochem. Soc. 148，G265 (2001))，超声 波处理蚀刻硅(G. Belomoin等人，Appl. Phys. Lett. 80，841 (2002))，以及激光烧蚀硅 (J.A.Carlisle et. al. , Chem. Phys. Lett. 326, 335 (2000)) 等离子体放电提供了另一种机 会以在高温下由大气等离子体或在近似室温下使用低压等离子体来产生纳米颗粒。高温等 离子体已经被N. P. Rao等人研究(美国专利No. 5，874，134和6，924，004，以及美国专利申 it No. 2004/0046130)。从20世纪90年代开始，已经研究低压等离子体作为产生硅纳米颗粒的方法。东 京技术学院(Tokyo Institute of Technology)的一个小组已经使用超高真空(UHV)和甚 高频(VHF， 144MHz)电容耦合等离子体产生了纳米晶硅颗粒(S. Oda等人J. Non-Cryst. Solids,198-200，875(1996)，A. Itoh 等人 Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 452，749(1997))。这种方法使用附接至UHV腔室的VHF等离子体小室，并用等离子来分解硅烷。氢或氩载气被 脉冲输入到等离子体小室，以推动在等离子体中形成的纳米颗粒通过开口进入沉积颗粒的 UHV反应器。高频允许从射频功率到放电的有效耦合，产生高离子密度和离子能量的等离 子体。其他小组已经使用电感耦合等离子体(ICP)反应器来制造具有高离子能量和密度的 13. 56MHz 射频等离子体。(Z. Shen 和 U. Kortshagen, J. Vac. Sci. Technol. A, 20，153 (2002)， A. Bapat 等人，J. App 1. Phys. 94，1969 (2003)，Ζ. Shen 等人，J. App 1. Phys. 94，2277 (2003)， 以及 Y. Dong 等人，J. Vac. Sci. Technol. B22,1923 (2004))。ICP反应器不能有效地产生纳米颗粒，并且已被电容耦合放电所取代(A. Bapat等 人，Plasma Phys. Control Fusion 46, B97 (2004)Mangolini ^A, Nano Lett. 5, 655(2005))。具有环形电极的电容耦合系统能够产生等离子体不稳定性，其产生离子密度 和能量远远高于周围辉光放电的收缩等离子体。这种不稳定性围绕放电管旋转，减小颗粒 在高能量区中的驻留时间(residence time)。电容耦合系统在驻留时间较小时产生较少 的纳米颗粒，这是因为驻留时间近似相当于具有有利的纳米颗粒成核条件的时间。因此，减 少驻留时间减少了供颗粒通过与(一种或多种)前驱体分子碎片分离而成核的时间量，并 提供了颗粒大小分布的控制措施。这种方法产生了纳米晶和冷光硅颗粒(美国专利申请 No. 2006/005150 。然而，电容耦合系统中的射频功率没有充分地耦合到放电。因此，即使 是将不大的功率输送给等离子体( 5W)，也需要相对高的输入功率( 200W)，因为输入 的射频功率的大部分被反射回电源。这大大减少了电源的寿命，并且降低了这种用于产生 硅纳米颗粒的技术的成本效率(costeffectiveness)。
技术实现思路
本专利技术旨在解决上述的一个或多个问题的影响作为改进。下面呈现本专利技术的概要 以提供对于本专利技术的一些方面的基本理解。该概要不是本专利技术的穷尽综述。其不旨在标明 本专利技术的关键点或决定性部分，也不旨在描述本专利技术的范围。其唯一的目的是以简洁的方 式呈现一些原理作为后面将讨论的更具体的描述的开端。在本专利技术的一个实施例中，提供了用于合成纳米颗粒的低压甚高频脉冲等离子体 反应器系统。该系统包括腔室，用于接纳至少一个基板，并且能够被抽真空至所选压强。该 系统还包括等离子体源，用于从至少一种前驱体气体生成等离子体；以及甚高频射频电源， 用于以所选频率向等离子体提供连续或脉冲射频功率。该频率是基于脉冲射频功率和等离 子体之间的耦合效率来选择的。VHF放电和气体前驱体的参数是基于纳米颗粒性质来选择 的。纳米颗粒平均大小和颗粒大小分布是通过控制辉光放电的驻留时间(脉冲调制等离子 体)相对于气体分子通过放电区的驻留时间、以及纳米颗粒前驱体气体(一种或多种)的 质量流量来操控的。附图说明通过结合附图参考下面的描述可以理解本专利技术，附图中相同的参考标记表示相同 的元素，其中图IA示出了纳米晶Si的带隙能与颗粒直径的函数关系；图IB示出了纳米晶Si的熔本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种低压高频脉冲等离子体反应器系统，包括：流量控制器，用于控制至少一种前驱体气体的流量；腔室，被配置为接纳至少一个基板，并且能够被抽真空至所选压强；等离子体源，用于从所述至少一种前驱体气体生成等离子体；以及甚高频射频功率源，用于以基于脉冲射频功率源和等离子体之间的耦合效率选择的射频向等离子体提供脉冲射频功率，其中所述射频功率的至少一个参数能够基于通过向等离子体提供脉冲射频功率而形成的纳米颗粒的至少一个性质而被选择。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：J·A·凯西，
申请(专利权)人：陶氏康宁公司，
类型：发明
国别省市：US
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