用于生产颗粒的等离子体溅射工艺制造技术

公开了用于生产具有10μm或更小尺寸的颗粒的高生产速率等离子体溅射工艺。工艺导致被溅射的靶原子的至少一部分电离并且以使得电离的被溅射的靶原子在晶粒表面上的拾取概率是高的参数进行。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术大体上涉及用于生产小的颗粒，即具有10 μ m或更小尺寸的颗粒，的等离子体溅射工艺。更具体地，其涉及其中被溅射的靶原子通过等离子体电离的等离子体溅射工艺。背景纳米颗粒是其尺寸低于I μ m，经常小于IOOnm的超细 颗粒。它们已经受到很大的关注，这是因为由它们小的尺寸和高的表面积体积比所给予的它们的独特性质。纳米颗粒在多个
中被利用，包括半导体、纳米复合材料、催化和生物医学应用。具有多种生产纳米颗粒的可能性，例如溶胶-凝胶、化学气相沉积(CVD)以及水热和喷雾热解方法。近年来，已经开发用于使用等离子体生产颗粒的方法。这些工艺可以被用于颗粒的成核、颗粒的生长以及涂层在颗粒表面上的沉积。利用等离子体的工艺具有副产物的量少、被形成的颗粒的纯度高以及颗粒从载气容易分离的优点以及别的优点。这样的方法的一个实例在US 2008/0271987中公开，其中纳米颗粒通过将工艺气体和环境气体引入反应室中以及以脉冲模式施加等离子体被形成。用于借助于等离子体生产纳米颗粒的方法的另一个实例在例如US7，297，619和US 2009/0014423中公开。使用等离子体生产颗粒尤其是纳米颗粒的方法的一个具体的实例是等离子体溅射工艺。溅射是原子从靶表面物理喷射。在工艺中，离子，例如氩离子，被在等离子体中产生并且被从等离子体拉动出来并且被加速经过阴极暗区。靶具有比其内形成等离子体的区域低的电势并且靶表面因此吸引正离子。正离子以高速度朝向靶运动，然后撞击靶并且使原子以物理方式脱离靶表面或从靶表面溅射。等离子体溅射工艺具有由固体靶的材料形成颗粒的优点以及其他优点。靶可以容易地被制造和在工艺中使用。固体靶在颗粒由金属材料形成的情况下是特别合适的，因为其消除了对通常有毒的并且需要复杂的制造方法的含有金属物质的气体的需要。DE 198 04 838公开了用于使用空心阴极系统沉积涂层材料或生产在颗粒表面上的自由基的等离子体溅射工艺。工艺在0.01毫巴至大气压力、优选地O. 01-100毫巴的压力进行。等离子体可以是脉冲式等离子体，脉冲式等离子体通过控制压力来实现并且以50-60HZ的功率频率操作。使用200-500V的电压和O. 1-2A的电流形成等离子体。上文的已知用于生产颗粒的等离子体溅射工艺的问题是原子在颗粒表面上的拾取概率通常是低的。因此，颗粒和/或涂层具有缓慢的生长速率，从而导致颗粒的低的生产速率。此外，因为生产速率是低的，所以这些方法较不适合于生产具有在几微米范围内的尺寸的颗粒。概述本专利技术的目的是提供用于生产具有10 μ m或更小尺寸的颗粒的等离子体溅射工艺，该工艺具有改进的生产速率。目的通过根据独立权利要求I所述的工艺来实现。优选的实施方案被从属权利要求限定。用于生产颗粒的等离子体溅射工艺包括在等离子体产生设备中提进祀，其中等离子体产生设备具有特征长度L。，使得L。3等于在所述设备中产生的等离子体的体积。工艺气体被引入设备中并且设备内部的压力被控制使得预定的工艺气体数密度％被获得。等离子体被产生，并且提供至等离子体的能量被控制使得获得预定的等离子体电子数密度I和预定的等离子体电子温度I；。借助于等离子体从靶溅射原子，并且被溅射的靶原子被允许拾取在存在于设备中的晶粒(grain)的表面上。等离子体电子数密度和等离子体电子温度足以使被溅射的靶原子的至少一部分电离，使得获得电离的被溅射的靶原子在晶粒的表面上的拾取通量(pick-up flux)。此外，工艺的工艺气体数密度、等离子体电子数密度和等离子体电子温度是使得Lita/Lc ( O. 5。Lita是所述等离子体内部的电离的被溅射的靶原子的平均自由程，等离子体产生设备通过脉冲式电力供应操作以获得足够的电力供应而没有过度 地加热阴极或非期望的放电的风险。根据优选的实施方案，工艺气体数密度、等离子体电子数密度和等离子体电子温度是使得ΓΙΤΑ/(ΓΙΤΑ+ΓΝΤΑ)等于或大于O. 5，优选地ΓΙΤΑ/(ΓΙΤΑ+ΓΝΤΑ)彡O. 66，更优选地Γ ita/ ( Γ ITA+ Γ ντα)彡O. 70。ΓΙΤΑ是电离的靶原子在存在于所述等离子体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离子体中的晶粒的表面上的拾取通量。根据另一个优选的实施方案，工艺气体数密度、等离子体电子数密度和等离子体电子温度是使得(l+3Le/LITA) (l+4WyWITA) > 10。Wita是所述等离子体中的电离的被溅射的原子的平均动能并且We是通过We= (3/2)kBTe与Te相关的在所述等离子体内部的平均电子动能。根据另一个实施方案，提供至等离子体的能量足以使所述等离子体中的至少20 %、优选地至少30 %的被溅射的原子获得电离。颗粒生产速率随着电离的被溅射的靶原子的量的增加而增加。等离子体产生设备可以合适地是空心阴极设备或磁控溅射设备。为了使由每个脉冲可获得的功率最大，脉冲应当优选地基本上作为矩形脉冲施加。当使用脉冲式电力供应时，脉冲应当优选地以至少100Hz、合适地200-2000HZ的频率施加，并且具有至少5微秒、优选地10-100微秒的持续时间。根据优选的实施方案，工艺气体数密度ne和电子数密度ne是使得LITA/L。< O. 5和WITA/ffe ( O. 5 二者被满足。工艺气体可以是惰性气体、反应性气体、惰性气体的气体混合物、或包含至少一种反应性气体和可选择地至少一种惰性气体的气体混合物,并且可以合适地被用于产生等离子体。工艺气体可以优选地被用作进气，但还可能的是，工艺气体是静态的并且不意图用于输送任何类型的粒状物质。晶粒可以被引入等离子体产生设备中或被原位地产生。等离子体溅射工艺特别地适合于生产纳米颗粒，即具有小于I μ m尺寸的颗粒，并且尤其是具有约5-500nm的尺寸的颗粒。然而，所述工艺还可以被用于生产更大的颗粒，例如以10 μ m的数量级的颗粒。所述工艺可以被用于生产所有类型的靶材料的颗粒，只要靶材料是导电性的或至少半导电性的。此外，可以通过在工艺期间采用反应性气体来生产化合物材料，例如氧化物、碳化物、氮化物和类似物，的颗粒。根据本专利技术的工艺可以被用于成核颗粒、生长颗粒、产生一种材料的颗粒并且使用相同的或不同的材料包覆所述颗粒、生长多层结构等等。因此，所述工艺能够生产订制的颗粒。附图简述图I图示了与中性的被溅射的靶原子相比，随WITA/WJPLITA/L。变化的电离的被溅射的靶原子的拾取概率的曲线。图2a示出了对于使用钛空心阴极的等离子体溅射工艺的通过光学摄谱仪获得的光谱，并且其中等离子体被借助于脉冲式电力供应产生。图2b示出了对于使用钛空心阴极的等离子体溅射工艺的通过光学摄谱仪获得的 光谱，并且其中等离子体被借助于非脉冲式电力供应产生。图2c示出了对于使用钛空心阴极的等离子体溅射工艺，随脉冲持续时间变化的离子和中性物之间的比以及对于使用非脉冲式电力供应的等离子体溅射工艺，随脉冲持续时间变化的离子和中性物之间的比。图3a示出了根据本专利技术的工艺的根据实施方案生产的钥颗粒的SEM照片。图3b示出了不同放大倍数的图3a中示出的颗粒的SEM照片。图3c示出了根据本专利技术的工艺的根据实施方案生产的钥颗粒的TEM照片。图3d示本文档来自技高网...

【技术保护点】

【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：尤尔弗·赫尔默松，尼尔斯·布伦宁，丹尼尔·索德斯特罗姆，
申请(专利权)人：蒂亚公司，
类型：发明
国别省市：