CN1636078A - 生产具有半导体或绝缘体的金属复合团簇的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

通过在第一溅射腔室10中溅射靶11U、11D产生半导体或绝缘体蒸气，同时通过在第二溅射腔室20中溅射靶21U、21D产生金属蒸气。在经过团簇成长管32移动和作为团簇流注射至高沉积腔室30的过程中，半导体或绝缘体蒸气和金属蒸气聚集成团簇，从而沉积复合团簇于基底35之上。生产出的复合团簇由于高性能在各种领域是有用的，例如高敏感性传感器、高密度磁记录介质、用于医药传输的纳米磁介质、催化剂、选择性透过膜、光磁传感器和低损耗软磁材料。

Description

生产具有半导体或绝缘体的金属复合团簇的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种生产复合团簇的方法，其中金属成薄层地与半导体或绝缘体混合，其适于作为各种功能元件，并且本发明也涉及用于生产这种复合团簇的装置。
背景技术
由于大的比表面面积和与空气气氛好的亲和力，在各种工业领域中，微粒的聚集适于作为功能元件，例如气体传感器和选择性透过膜。
迄今为止已提出用于生产聚集的微粒的各种方法。例如，以气相合成法蒸发和浓缩起始材料得到微粒。依照胶体处理，从电解液沉淀微粒并使用表面活性剂使其稳定。也提出了用于这种聚集体生产的各种方法，即：用于喷雾和热解包含金属离子液体的气溶胶处理、用于通过喷嘴喷雾具有惰性气体和熔融金属的混合物的气体雾化处理，以及用于机械碾碎固体材料的粉碎处理。
气溶胶处理、粉碎处理和气体雾化处理有利于大量生产团簇，但其不适于生产具有纳米规格的微粒的团簇，其用于提供源于纳米尺寸的微粒性能。胶体处理不能避免在产品中包含杂质，尽管微粒尺寸为几纳米的团簇可进行大量生产。杂质的包含降低了产品的质量。
另一方面，气相处理促进在清洁的真空气氛中团簇的成长，而不会侵入杂质。通过气相处理生产出的团簇具有有效用于提高功能性的化学活性表面。可是当微粒沉积于基底之上时，活性表面引起了团簇的不利氧化和聚结。氧化和聚结阻止了源于纳米尺寸微粒的功能性的实现，而不管团簇是非常细小的。
发明内容
本发明目的在于金属/半导体或金属/绝缘体复合团簇的生产，在稳定环境下，通过在高真空气氛中混合金属团簇和半导体或绝缘体团簇，其显示出源于复合结构的各种特性。
依照本发明，通过溅射半导体或绝缘体靶产生半导体或绝缘体蒸气，同时通过溅射金属靶产生金属蒸气。同时操作这些溅射处理但在每个系统中彼此独立。将半导体或绝缘体蒸气和金属蒸气的混合物运送进入团簇成长管，然后作为团簇流将其注射至预置于保持在高真空度下的沉积腔室中的基底。混合物沉积于基底上作为复合团簇。
本发明也提出用于生产复合团簇的装置。半导体或绝缘体靶预置于第一溅射腔室中。金属靶预置于第二溅射腔室中。一个可移动隔板位于第一和第二溅射腔室之间。溅射腔室经团簇成长管与保持在高真空度下的沉积腔室相通。团簇成长管指向预置于沉积腔室中的基底。
附图说明
图1是描述了从溅射腔室的一侧给出的复合团簇生产装置的截面侧视图。
图2是描述了相同装置的截面平面图。
图3给出了通过本发明的方法生产出的复合团簇的一些举例的图解。
发明的最佳方式
本发明使用在图1和图2中示意性给出的复合团簇生产装置。该装置具有第一溅射腔室10和第二溅射腔室20，每个腔室通过可移动隔板31彼此分离。
两个靶11U和11D位于第一溅射腔室10中。靶11U和11D彼此面对并具有一个大约10cm的间隙。通过供给管12向靶11U和11D之间的空间供给比如氩的惰性气体。在操作溅射腔室10以产生半导体或绝缘体蒸气的情况下，靶11U和11D是半导体或绝缘体材料。当在靶11U和11D之间通过高频能量源13施加高压时，在靶11U和11D之间出现辉光放电，而且通过离子化惰性气体原子溅射靶11U和11D，导致半导体或绝缘体材料的气化。可以用防护层14U和14D部分覆盖靶11U和11D，从而限制辉光放电面积。
第二溅射腔室20也具有两个靶21U和21D以及用于输送惰性气体至靶21U和21D之间的空间的供给管22。在操作溅射腔室20以产生反应性金属蒸气的情况下，靶21U和21D是传导性材料，例如过渡金属。当在靶21U和21D之间通过直流能量源23施加高压时，在靶21U和21D之间出现辉光放电，而且通过离子化惰性气体原子溅射靶21U和21D，导致传导性材料的气化。可以用防护层24U和24D部分覆盖靶21U和21D，从而限制辉光放电面积。
在与产生金属蒸气不同的环境下产生半导体或绝缘体蒸气。例如，将靶11U与11D之间和靶21U与21D之间的间隙调节为大约10cm，同时将靶11U、11D与防护层14U、14D之间以及靶21U、21D与防护层24U、24D之间的间隙调节为大约0.2mm，从而抑制那里的弧光放电。通过引入氩气将溅射腔室10、20的内部压强保持于相对高的值，例如133-1333Pa。通过应用靶11U与11D之间和靶21U与21D之间的预定电压，开始对于靶11U、11D和21U、21D的气化所必需的辉光放电。
当独立控制用于靶11U、11D和21U、21D的例如电流和电压的溅射环境时，避免了靶11U、11D和21U、21D之间的干扰。通过控制施加给靶11U、11D和21U、21D的电能，适当调节作为团簇源的金属蒸气和半导体或绝缘体蒸气的成分。
通过来自于溅射腔室10、20经过团簇成长管32和喷嘴33至沉积腔室30的惰性气体流运载作为混合物V的半导体或绝缘体蒸气和金属蒸气。沉积腔室30优选保持在小于几个Pa的真空程度，以确保经过团簇成长管32的气体混合物的平滑流动。高真空沉积腔室30也有利于抑制已经流进沉积腔室30的团簇的聚结。
通过在溅射腔室10、20中的溅射环境和可移动隔板31的定位控制运载至团簇成长管32的气体混合物V的流率和半导体或绝缘体蒸气和金属蒸气的流率。在经过团簇成长管32的气体混合物V的行进过程中，形成极小尺寸的薄层状团簇，也就是具有半导体或绝缘体和金属的复合团簇，并成长为纳米尺寸。
由于通过机械增压泵34排空沉积腔室30，复合团簇经过团簇成长管32并与来自于喷嘴33的氩气流一起差动喷射。喷嘴33指向沉积腔室30中的基底35，并通过调节操作轴36改变从喷嘴33至基底35的距离。在喷嘴33和基底35之间提供例如晶体振荡器的一种厚度传感器37，以测量基底35上团簇的沉积率和沉积层的有效厚度。通过调节可移动轴38控制厚度传感器37相对于基底35的位置。
将来自于靶11U、11D和21U、21D的蒸发的原子和分子与作为运载气体的氩一起供给进入团簇成长管32。该原子、分子和氩原子重复取得三元碰撞并形成管32中的团簇核，同时释放潜在的热量。团簇核逐渐成长为复合团簇，同时吸收气态原子。由于在从溅射腔室10、20到沉积腔室30的材料流中形成团簇，团簇的成长依赖于材料流的流率。
可通过(1)团簇的相互碰撞和聚结以及(2)作为团簇核的晶核上金属蒸气的连续沉积来解释等离子气体凝缩处理中团簇的成长模式。大概，在团簇核之上和来自于团簇核的金属原子的沉积和再汽化在早先阶段重复进行，并在随后阶段团簇相互碰撞和聚结。由于团簇整体上的尺寸分布由这些作用决定，通过引入团簇至高真空气氛，并在结合之前将它们沉积在基底上，可期待单分散团簇的生产。
团簇成长管32能够在高真空气氛中将半导体或绝缘体与金属团簇混合，从而可产生各种形态的半导体或绝缘体团簇与金属团簇混合的复合团簇。例如，当在作为核心的金属团簇上沉积半导体或绝缘体团簇时，形成壳一般的表面层，进一步抑制基底上金属团簇的聚结，从而给予金属团簇源于极小尺寸的特性。
如在图3中给出的，根据半导体或绝缘体团簇与金属团簇的相对尺寸，通过控制与金属团簇聚结的半导体或绝缘体团簇的数量，或通过沉积半导体或绝缘体团簇作为几个层，将预定特性赋予了具有金属团簇作为核心的多层复合团簇。此外，通过插入隔板31，将半导体或绝缘体团簇和金属团簇的聚结和混合限制在团簇成长管32内部的区域中。反之，通过拆开隔板31可在早先阶段开始聚结和混合。通过改变施加给靶11U、11D和21U、21D的电力、惰性气体的压强和温度和/或团簇成长管32的长度，实施半导体或绝缘体团簇以及金属团簇的尺寸控制。如在图3中给出的，根据尺寸控制可以以不同的方式改变多层复合团簇的形状。
基于下面的举例，将明显的理解本发明的其它特征。
通过在150sccm的流率下引入作为惰性气体的氩将第一溅射腔室10保持在500Pa的内部压力。在用于产生硅蒸气的100W的电能量下溅射预置于腔室10中的硅靶11U、11D。通过在150sccm的流率下引入氩，在用于产生铁蒸气的400W的电能量下溅射预置于保持在500Pa的内部压强的第二溅射腔室20中的铁靶21U、21D。
作为基底35的玻璃板和用于TEM观测的碳薄膜预置于沉积腔室30中。直径为5mm的喷嘴33连接至团簇成长管32的上部并位于面对基底35的位置。将喷嘴33和基底35之间的距离调节为5cm。将腔室30保持在作为初始压强的1×10-4Pa和300K下。
通过溅射腔室10、20和沉积腔室30之间的压差将作为溅射产物的硅和铁的气体混合物抽吸进团簇成长管32。当氩气以300sccm的流率和0.5m/sec.的速度流经管32时，沉积腔室30的内部压强达到1Pa。硅和铁原子的碰撞和聚结重复进行，同时气态混合物经通过团簇成长管32移动。以300m/sec.的速度将作为团簇流的得到的混合物经过喷嘴33注射至基底35。结果，硅和铁团簇以1nm/sec.的流率沉积于基底35之上。
在上面的条件下改变隔板31的位置以研究隔板31对于复合团簇的结构的位置效应。
当通过插入隔板31将用于聚结和混合半导体团簇与金属团簇的区域限于团簇成长管32的内部空间时，已经成长至直径5nm的硅团簇与铁团簇混合。结果，复合团簇具有8-12nm的分布的平均10nm的微粒尺寸，并且具有图3中的结构(a)，即直径为5nm或更小的少量硅团簇与铁团簇聚结。
通过拆开隔板31大大扩展用于聚结和混合半导体团簇和金属团簇的区域。当不插入隔板31，分别以100W和400W溅射靶11U、11D和21U、21D，在早先阶段直径为1nm的硅团簇与直径为10nm的铁团簇混合。由于不同的微粒尺寸，硅团簇比铁团簇具有较大的表面能量，铁团簇被硅团簇覆盖。结果，生产出的复合团簇具有图3中的结构(d)，即很多的硅团簇以多层形式覆盖在铁团簇上。
依照隔板31的有效面积变化至2/3和1/3，复合团簇的结构分别变化至图3中的(b)和(c)。
如上所述，隔板31对于硅团簇的聚结的位置效应能够生产具有各种结构的复合团簇。由于通过结构来区别复合团簇的特性，通过控制结构可以获得适用于特定作用的复合团簇。例如，具有与铁团簇聚结的较大硅团簇的复合团簇(a)，作为在通常温度下单畴铁原子的聚集体是有极佳顺磁性的。由于微粒之间的偶极与偶极交互作用，具有与铁团簇聚结的较小硅团簇的其他复合团簇(b)-(d)在通常温度下是铁磁性的。复合团簇(b)的矫顽磁性是800A/dm，并且复合团簇(d)的矫顽磁性是80A/dm。即：随着铁团簇上硅团簇层的总厚度的减小矫顽磁性减小，但复合团簇(b)-(d)中的任何一个作为具有低损耗软磁特性的功能材料是有用的。
本发明的工业适用性
依照如上面提到的本发明，彼此独立操作每个溅射腔室，在溅射腔室中产生半导体或绝缘体蒸气和金属蒸气，并将其作为气体混合物经团簇成长管运送至高真空沉积腔室。在团簇成长管中形成和成长的复合团簇沉积于预置在沉积腔室中的基底之上，不需要重复进行聚结和聚集，从而可以生产出单分散的半导体或绝缘体与金属的复合团簇。由于通过控制溅射腔室之间可移动隔板的位置和/或氩、金属蒸气和半导体或绝缘体蒸气的流率改变团簇的混合结构，可给予复合团簇各种特性。生产出的复合团簇由于高性能在各种领域是有用的，例如高敏感性传感器、高密度磁记录介质、用于医药传输的纳米磁介质、催化剂、选择性透过膜、光磁传感器和低损耗软磁材料。

Claims (2)

1、生产具有金属和半导体或绝缘体的复合团簇的方法，其包括步骤：
溅射至少一个半导体或绝缘体靶以在第一溅射腔室中产生半导体或绝缘体蒸气；
独立于第一溅射腔室的操作，同时溅射至少一个金属靶以在第二溅射腔室中产生金属蒸气；
将半导体或绝缘体蒸气和金属蒸气作为气体混合物运送进入团簇成长管，其中由所述气体混合物形成复合团簇；以及
经过所述团簇成长管注射团簇流至预置于高真空沉积腔室中的基底，从而沉积复合团簇至所述基底上。
2、用于生产具有金属和半导体或绝缘体的复合团簇的装置，其包括：
第一溅射腔室，其中预置至少一个用于产生半导体或绝缘体蒸气的半导体或绝缘体靶；
第二溅射腔室，其中预置至少一个用于产生金属蒸气的金属靶；
位于第一和第二溅射腔室之间的可移动隔板；
经团簇成长管与第一和第二溅射腔室相通的高真空沉积腔室；以及
连接至所述团簇成长管的上部、并指向预置于高真空沉积腔室中的基底的喷嘴，
其中将半导体或绝缘体蒸气和金属蒸气作为团簇流注射至所述基底上。
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