CN102576642A - 纳米粒子的产生 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于产生纳米粒子的设备，包括腔室；磁控管，所述磁控管位于所述腔室之内并且包括：圆柱形靶，其至少具有待沉积材料的外表面和中空内部；处于所述中空内部之内的磁通量源，其被布置为在相对于所述圆柱形靶的径向向外方向上呈现磁极；和驱动装置，其用于对所述靶和所述磁通量源施加轴向上的相对运动，所述腔室具有至少一个孔并且被放置在与所述腔室的内部相比气压相对较低的容器内。腔室优选地为实质圆柱形，并且理想地与靶实质同轴以便提供对称布置。靶的运动表明其活性表面的侵蚀在较宽区域上扩展，而不会集中于局部区域。这使得更高效地使用靶材料。靶的运动优选地是往复运动。一般而言，如果磁通量源保持静止而靶运动则更加方便，但其他布置也是可以的。
Description
技术领域
本发明涉及纳米粒子的产生。
背景技术
一种用于沉积材料的已有方法是溅射沉积。根据该方法，把要被沉积的材料所构成的靶放置在处于包含诸如氩气之类低压惰性气体的腔室中的磁控管的上方。随后在靶的上方直接生成等离子体，并且与来自等离子体的气体离子的高能量碰撞使得靶(有效地)经历被迫蒸发而进入低压腔室。蒸发的材料不是热力学平衡的，并会冷凝到附近表面上，生成薄膜敷层。作为替代，可以使蒸发的原子经过适当的条件来生成纳米粒子。
然而，溅射沉积还未被广泛商业认可，并且(除了在专家背景下)主要还是作为一种实验室工具。这主要因为实现的是低沉积率以及在提高工艺方面的困难，这意味着批量生产量相对较小。这两个因素结合起来影响了溅射在工业规模上的应用。
不过，溅射在通过使得流中的原子在向基片飞行的期间部分地冷凝来产生纳米粒子的表面膜方面是有用的。通过稍微增大气体压力以在飞行路径中维持，可以促进这一点。
为了促使纳米粒子沉淀在基片表面，可以使其具有升高的电势。根据产生纳米粒子流的方法，一些纳米粒子会由于获取了电子而已变得带负电荷。溅射法由于涉及在材料源的表面产生等离子体而是适合的，因此纳米粒子(在一定程度上)会承接电荷并被吸引到带正电荷的基片。
发明内容
本发明致力于通过采用更易于对增大的规模进行运作的并且更易于大规模产生纳米粒子的几何学来使得溅射向更具商业规模方向发展。
因此，在第一方面，本发明提供了一种用于产生纳米粒子的设备，包括腔室和磁控管，所述磁控管位于所述腔室之内并且包括：圆柱形靶，其至少具有待沉积材料的外表面和中空内部；处于所述中空内部之内的磁通量源，其被布置为在相对于所述圆柱形靶的径向向外方向上呈现磁极；和驱动装置，其用于对所述靶和所述磁通量源施加轴向上的相对运动，所述腔室具有至少一个孔并且所述腔室被放置在与所述腔室的内部相比气压相对较低的容器内。
腔室优选地为实质圆柱形，并且理想地与靶实质同轴以便提供对称布置。
靶的运动表明其活性表面的侵蚀在较宽区域上扩展，而不是集中于局部区域。这使得更高效地使用靶材料，当需要价值更高的材料时这尤其有用。由于纳米粒子的大表面区域而展现出的催化性质是它们通常的用途所在，因此通常沉积诸如Pt或Pd之类的材料，这意味着高效利用靶材料对该工艺的成本有重大影响。
靶的运动优选地是往复运动，以使得能够使用单个不连续的靶。一般而言，如果磁通量源保持静止而靶运动则更加方便，但其他布置也是可以的。
磁通量源可以是多个永磁体或一个电磁体。此外，圆柱形靶可以包括至少一个用于冷却液的轴向延伸的管道。
磁通量源优选地在沿圆周隔开且轴向协同定位的多个第一位置处呈现出在径向向外方向上的北磁极，并且，在沿圆周隔开且轴向协同定位、并且与所述第一位置沿轴向隔开的多个第二位置处呈现出在径向向外方向上的南磁极。这在靶表面生成了沿轴向交替的磁场，在该磁场中可以生成用于溅射沉积的等离子体。更优选地，相同磁极围绕靶的整个圆周延伸，从而形成了围绕靶的交替的北磁极和南磁极的圆周带。还优选的是，磁极沿靶的轴向长度交替许多次；这些布置有利于靶的更大效率。
在本申请中采用了“磁体”，该术语意在指任何磁通量源。其明显包括存在各种类型的永磁体，但是也包括电磁体。
附图说明
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示出根据本发明的磁控管和靶的示意性示图；
图2示出图1的磁控管的径向截面；
图3示出在一个腔室内的轴向上的内部位置；和
图4示出图3的磁控管的后续瞬时示图。
具体实施方式
图1和图2示出适合在本发明中使用的磁控管。靶10形成为中空圆柱体形状，其具有同心内部空间12，保留环形材料部分14以形成靶。如图所示，靶是待沉积材料的实体环形，不过取决于对材料的选择，其还可替代地为带有外部层或涂敷了待沉积材料的惰性或实质惰性前体的形式。
在内部空间12之内，存在永磁体16的阵列以生成用于溅射的必要磁场图案。这些永磁体安装在位于中心的支柱18上并被布置为一系列沿轴向隔开的环20、22、24。每个环在径向朝外方向上呈现交替的磁极；图2示出永磁体24的单个环22，从其可看出该环包括大量条形磁体，它们全部以南极(在本情况中)位于接近中心支柱18的方式径向地布置。这使得它们的北极径向指向外。在图3所示的环22的上方的环24和下方的环20中，磁体24的定向反转，从而其南极径向指向外。因此，沿着轴向方向，磁极重复地反转，从而使得在每个环20、22、24之间的位置处产生局部等离子体26。
当然磁体的其他布置方式也能够起作用，产生不同形状的等离子体。
通过将图1至图3所示的布置复制需要的次数，实际上可以做出任何期望长度的磁控管。在环绕磁控管的腔室的内壁上可以排列待涂敷的物品，并且磁控管的圆柱形对称本质意味着腔室的整个内壁均可涂敷。这可以与发射定向材料流的已知磁控管作对比；待涂敷的物品因而需要放置在相对有限的空间内。本磁控管的全方向本质允许容纳该磁控管的腔室的更高效使用。
然而，溅射处理确实消耗了等离子体26附近的靶。这导致靶的局部变薄，这意味着当薄的程度变得不能接受时需要更换靶。不在等离子体附近的靶的区域将会仍然基本上为其原始厚度，但是靶作为整体将基本不能使用了。整个靶的更换当然是非常浪费材料的，并且尽管可以将用过的靶重复利用以生成新靶，但这仍具有显著的能量足迹，从而具有相关代价。
图1和图2中示出的磁控管布局无论怎样都特别适用于解决该问题。通过以轴向可移动方式安装支柱18和/或靶10，靶的侵蚀可以更为均匀。理想地，将支柱18和靶10中的一个或两者做成以一定幅度往复移动，该幅度近似于或稍微小于沿轴向隔开的环20、22、24之间的间距或其倍数。
所述移动可以是正弦曲线形式的，比如可以通过驱动支柱18并(反过来)被旋转电机驱动的简单曲柄布置来提供所述移动。作为替代，可以利用锯齿形的时间/位移曲线，例如通过直线电机或伺服器。当然可以提供其他或更多复杂外型，比如采用由被提供有靶的实际或计算消耗率反馈的计算装置所控制的、并布置为响应于所述反馈来移动靶的步进电机。
图3示出这样的磁控管布置，在该情况下设立来产生纳米粒子。围绕携带该必要的磁控管布置的支柱18来固定靶10，如图1和图2所示。这被安装在连接到往复驱动器(未示出)的支撑臂28上。如上所述，这可以是多个可能的往复运动源中的一个，不过(在本情况中)是曲柄布置。因此，连接了支撑臂28的曲柄的旋转根据正弦形式移动使得支柱18在(固定的)靶10之内往复移动。曲柄的移动幅度在本示例中设置为与磁体20、22和24的连续磁极之间的间距相同，从而在每个移动期间，等离子体区26扫过靶10的外表面的连续部分。
这么做的结果是，对于在至少一个等离子体区26的每一个之内的靶10的区域，靶10的整个外表面都被扫过。因此，靶10的侵蚀沿其外表面是均匀的，并且对靶10的利用得到了其最大效率。
如前所述，靶10可以具有内壳层为惰性或实质惰性材料且其上涂敷了待沉积材料的形式。可以将此情况进一步扩展为一种沿等离子体26所扫过区域而展开的靶材料10的外部涂层或最外层的前体的形式。
图4示出在稍后的瞬间的设备，其中支柱18处于其往复运动的最低点，与图3中所示的处于最高点处相反。支柱18的运动不必特别快，但是应当足够迅速以防止靶中显著的表面不规则的发生。这种不规则会损害等离子体26的稳定性。
图3和图4均示出了腔室30内的溅射源。其具有从腔室30内部向腔室外部延伸的多个孔阵列32、34，每个阵列包括一系列围绕圆柱形腔室30的整个直径以直线延伸的小圆孔。端盖36密封腔室30的一端；另一端(图3和图4中看不到)也是封闭的，除了允许必须的驱动器和/或管道进入以外。
腔室30外部的区域保持为非常低的气压，接近于真空。然而，包括了溅射源的腔室30内的区域保持为相对稍高的气压，尽管仍然明显低于大气压。这种做法的结果是，存在通过孔32、34的稳定的气体流出，引起腔室30内从溅射源朝向孔32、34径向地向外离开的气体流。腔室30内的气体经由适当的管道(未示出)补充，以便维持所选的压力，并且经由真空泵收集流出的气体，以便维持腔室30外部的必要的低压。
结果是使得从溅射靶10蒸发的原子通过与腔室30内的气体碰撞而失去能量，并冷却从而聚结形成纳米粒子。这些纳米粒子在气体流中被捕捉并经由孔32、34离开腔室30，之后可以通过已知手段来收集纳米粒子。因此，腔室30之内和之外的相对气压限定了腔室30之内的保压时间以及冷却速率，从而提供了对所得纳米粒子的尺寸外形的控制。
通过这种方式，该布置能够以通过使用特定的对称设备而实现的更高效的溅射靶10利用率和更大生产率来产生更多纳米粒子。
当然，将会理解，可以在不脱离本发明范围情况下对上述实施例作出许多改变。
Claims (11)
1.一种用于产生纳米粒子的设备，包括：
腔室；
磁控管，其位于所述腔室之内，并且包括：圆柱形靶，其至少具有待沉积材料的外表面和中空内部；处于所述中空内部之内的磁通量源，其被布置为在相对于所述圆柱形靶的径向向外方向上呈现磁极；和驱动装置，其用于对所述靶和所述磁通量源施加轴向上的相对运动，
所述腔室具有至少一个孔并且所述腔室被放置在与所述腔室的内部相比气压相对较低的容器内。
2.根据权利要求1的用于产生纳米粒子的设备，其中所述腔室实质为圆柱形。
3.根据权利要求2的用于产生纳米粒子的设备，其中所述腔室实质与所述靶同轴。
4.根据前述权利要求中任一项的用于产生纳米粒子的设备，其中所述运动是往复运动。
5.根据前述权利要求中任一项的用于产生纳米粒子的设备，其中所述磁通量源保持静止并且所述靶移动。
6.根据前述权利要求中任一项的用于产生纳米粒子的设备，其中所述磁通量源是多个永磁体。
7.根据前述权利要求中任一项的用于产生纳米粒子的设备，其中所述磁通量源是电磁体。
8.根据前述权利要求中任一项的用于产生纳米粒子的设备，其中所述磁通量源在围绕所述靶的圆周带中呈现交替的北磁极和南磁极。
9.根据前述权利要求中任一项的用于产生纳米粒子的设备，其中所述磁通量源在沿圆周隔开且轴向协同定位的多个第一位置处呈现出在径向向外方向上的北磁极，并且所述磁通量源在沿圆周隔开且轴向协同定位、并且与所述第一位置沿轴向隔开的多个第二位置处呈现出在径向向外方向上的南磁极。
10.根据前述权利要求中任一项的用于产生纳米粒子的设备，其中所述靶包括至少一个用于冷却液流体的轴向延伸的管道。
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。
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