DE60033458T2

DE60033458T2 - Vorrichtung zum Gasflusssputtern

Info

Publication number: DE60033458T2
Application number: DE60033458T
Authority: DE
Inventors: Paolo Milani; Paolo Giuseppe Carlo Piseri; Emanuele 26026 Pizzighettone Barborini
Original assignee: Istituto Nazionale per la Fisica della Materia INFM CNR
Current assignee: Istituto Nazionale per la Fisica della Materia INFM CNR
Priority date: 1999-02-26
Filing date: 2000-02-23
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2020-02-24
Also published as: EP1031639A1; DE60033458D1; ITGE990020A1; IT1310029B1; US6392188B1; ATE354686T1; PT1031639E; DK1031639T3; EP1031639B1; ES2282065T3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für die Erzeugung von Nanopartikeln durch Verdampfung von Feststoffen laut Definition im Oberbegriff des Anspruches 1. Die Verdampfung erfolgt durch Materialabtragung, erhalten durch die Anwendung eines elektrischen Felds und die daraus folgende Erzeugung einer elektrischen Entladung zwischen zwei Elektroden, von denen mindestens eine von dem zu verdampfenden Material umschlossen ist.
Bekanntlich besteht die Abtragung in der Entfernung von Oberflächenatomen von einem Feststoff, als Folge einer örtlich festgelegten Übertragung eines Energieimpulses zu einem Bereich davon und führt zu örtlich bestimmter Verdampfung dieses Bereichs.
Gewöhnlich erfolgt die Energieübertragung auf ausreichend schnelle Weise, so dass die Transformation des betroffenen Materialteils als unter adiabatischen Bedingungen eintretend betrachtet werden kann, d.h. ohne Restmaterial, das durch Hitze beeinträchtigt wird und auf solche Art, dass das Restmaterial bei einer bedeutend niedrigeren Temperatur als seine Siedetemperatur erhalten wird.
Hinsichtlich der Anwendung gestattet die Lokalisierung des Abtragungsprozesses überaus sorgfältige Oberflächenbehandlungen (Lithographie, Schneiden, Bohren, Gravieren von Mustern oder anderem).
Da ferner die Oberflächenatome zur Abtragung neigen, erfolgt die Materialentnahme von den Feststoffen ohne Gefahr, dass das abtragungsunterworfene Material möglicherweise einschmilzt.
Ausserdem können durch die adiabatischen Eigenschaften des Prozesses extrem feuerbeständige Materialien wie Graphit, Molybdän, Wolfram verdampft werden.
Dieser Aspekt ist von besonderer Bedeutung für die Gasphasensynthese einer breiten Palette von Materialien: Metalle, Oxide, Kohlenstoffe, Karbide und Nitride.
Es ist ebenso bekannt, dass für die Erzeugung von Nanopartikeln nicht nur Verdampfung von Feststoffen durchgeführt werden muss, sondern auch Kondensation zu den Nanopartikeln des verdampften Feststoffes. Diese Abkühlung findet in einem thermischen Bad oder Kühlkörper statt, die gewöhnlich aus einem Inertgas bestehen.
Der zur Abtragung führende Energieimpuls wird auf den zu verdampfenden Feststoff über zwei alternative Vorgangweisen übertragen: über die Erzeugung einer elektrischen Entladung oder über Laserstrahlung.
Im Zusammenhang mit der zweiten Vorgangsweise bestehen Quellen oder Verdampfer für die Nanopartikelerzeugung durch Laserstrahlung bekanntlich aus einem Excimer-Laser, der einen Laserimpuls erzeugt. Dieser Impuls ist so gerichtet, dass er ein Ziel trifft, um einen kleinen Teil von diesem zu verdampfen.
Ein Nachteil dieser Quellen oder Verdampfer liegt darin, dass Laser nicht in der Lage sind, eine Energieintensität auf ein Ziel zu übertragen, die für jede Anwendung ausreichend ist, d.h. ausreichend für jede Art von zu verdampfendem Material.
Ausserdem ist für die Kontrolle der Laserstrahlstrecke und des Ausrichtungsgrads des Laserstrahls auf das Ziel der Einsatz von sehr empfindlichen optischen Systemen aus besonderen Qualitätsmaterialien nötig.
Dazu kommt, dass genannte Laser für die Verdampfung an und für sich sehr kostspielige Systeme komplizierter Handhabung und niedriger Effizienz sind. Sie sind überdies schwer zum Einstellen, d.h. sie können unterschiedlichen Produktions- oder Arbeitsstufen nur schwer angepasst werden.
In Zusammenhang mit der zweiten Vorgangsweise, d.h. der Energieübertragung durch Anwendung eines elektrischen Felds werden im Gegenteil Lichtbogenverdampfungsquellen verwendet, in denen die Abtragung des Feststoffes im Anschluss an eine zwischen die Elektroden gezündete elektrische Entladung erfolgt.
Tatsächlich wird über einen geeigneten Zuführschaltkreis eine Potentialdifferenz an den zwei Elektroden angelegt, so dass zwischen ihnen ein voltaischer Lichtbogen brennt: die elektrische Entladung verursacht eine geringe Materialabtragung von einer der beiden Elektroden.
Die beiden Elektroden sind in einen Block nicht leitenden Materials eingesetzt, so dass die Zündung der Entladung immer auf den Abstand zwischen den zwei Elektroden begrenzt ist. Ein Gasimpuls verläuft ferner gezwungenermaßen innerhalb des von den zwei Elektroden abgegrenzten Kanals. Das während der Entladung durchströmende Hochdruckgas dient zur Entfernung des abgetragenen Materials, das daher für die Erzeugung von Nanopartikeln und die mögliche Bildung von Molekularstrahlen verwendet werden kann.
Nachteile dieser Art von Quellen sind deren geringe Stabilität und die Notwendigkeit häufiger Wartungseingriffe, weil der Abtragungsmechanismus zur Bil dung von Ablagerungen an der Elektrode führt, die der Elektrode zugewandt ist, von der das Material entnommen wird und/oder an der Wand des Kanals, in den die Elektroden eingesetzt sind. Dies führt zu einer kontinuierlichen und sukzessiven Änderung des Abstandes zwischen den Elektroden (und als Folge zu Instabilität und kurzer Dauer des Arbeitsvorgangs), bis ein Kurzschluss eintritt.
In einer aus dem Journal of Applied Physics, 1. Nov. 1998, AIP, USA, Bd. 84, Nr. 9, Seiten 5270–5276, XP-002139847, ISSN: 0021.8979 bekannten Vorrichtung, in einem Artikel von T. Hihara und K. Sumiyama, wird für die Bildung und die Grössenkontrolle eines Ni-Clusters durch Plasmagaskondensation der Gasfluss vor die Kathode injiziert und der Cluster-Zunahmebereich- liegt an der gleichen Seite der Kathode, während die Plasmaverdampfung an der gegenüberliegenden Seite der Kathode erfolgt. Diese Vorrichtung erfordert allerdings ein aufwendiges Differentialpumpensystem zum Entnehmen der Strahlen aus verdampftem Material.
US-A-5 591 312 beschreibt eine Vorrichtung für örtlich begrenzte Ionenzerstäubung und Beschichten einer Oberfläche durch von einer Kathode abgelöste Partikel, in der das Gas beim im wesentlichen senkrechten Aufprallen gegen die Kathode ionisiert wird und einen Beschuss der Oberfläche der Kathode verursacht, um davon die Atome abzulösen. Die abgelösten Atome bewegen sich weg von der Kathode in zufällige Richtungen, so dass nur ein Teil der Atome die zu beschichtenden Oberfläche erreicht und die Wirksamkeit im wesentlichen niedrig ist. Das gleiche Dokument schlägt auch vor, das Gas schräg zur Oberfläche der Kathode zu richten.
Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine Vorrichtung für die Erzeugung von Nanopartikeln durch Verdampfung von Feststoffen zu schaffen, welche die erwähnten in den bekannten Systemen vorhandenen Nachteile beseitigt.
Im Rahmen dieser technischen Aufgabe ist es ein wichtiges Ziel der Erfindung, eine Vorrichtung mit Stabilitäts- und Intensitätseigenschaften zu entwerten, die vom Standpunkt der Anwendung ausschlaggebend sind.
Ein weiteres wichtiges Ziel ist es, eine Vorrichtung einfacher und preiswerter Konstruktion zu entwerfen.
Die erwähnte technische Aufgabe und die genannten Ziele werden durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Nanopartikeln durch Verdampfung von Feststoffen laut Anspruch 1 bzw. Anspruch 8 erreicht.
Bevorzugte Ausführungsarten der Erfindung sind in den dazugehörigen Ansprüchen angegeben. Eigenschaften und Vorteile der Vorrichtung und des Verfahrens der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsarten herausgestellt und durch nicht erschöpfende Beispiele in den beigelegten Zeichnungen veranschaulicht, in denen:
1 die Vorrichtung der Erfindung als Ganzes zeigt;
2 den Arbeitsvorgang der Vorrichtung in 1 an deren Verdampfungsbereich zeigt;
3 eine teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht eines Teils der Vorrichtung der 1 ist und
4 eine teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht eines Teils der Vorrichtung der 3 ist.
Insbesondere mit Bezug auf 1 besteht die Vorrichtung der Erfindung zentral aus einem Verdampfer 1, begrenzt durch einen Körper 2, vorzugsweise aus keramischem Material, in dem ein zylinderförmiger Hohlraum 3 mit seiner Hauptachse 3a ausgebildet ist. Andeutungsweise ist in der im Beispiel beschriebenen Anwendung der Hohlraum 3 ein Zylinder mit einem Volumen von etwa zwei Kubikzentimeter oder breiter.
Mindestens zwei Elektroden bestehend aus mindestens einer Anode 4 und mindestens einer Kathode 5 enden im Hohlraum. Kathode 5 hat vorzugsweise die Form einer zylindrischen Schiene mit einem Durchmesser von beispielsweise einigen Millimetern und einer Länge von einigen Zentimetern, und hat eine Verlängerungsachse 5a, die sich der Länge nach erstreckt. Parallel zur Verlängerungsachse 5a ist sie mit einer Seitenfläche 5b versehen, an der die Abtragung erfolgt wie im folgenden detailliert.
Kathode 5 ist aus dem durch Abtragung zu verdampfenden Material. Die Kathode 5 ist zum Beispiel in vielen Fällen aus Kohlenstoff, ein Material, das etwa zum Beschichten von Elektroden in elektrochemischen Anwendungen oder zum Beschichten von Feldeffekt-Elektronenemitter-Kathoden in Flachbildschirmen von Computern verwendet wird.
Anode 4 kann unterschiedlich positioniert werden und ihre Achse 4a kann in einer Linie mit oder schräg zur Verlängerungsachse 5a der Kathode sein. Im Beispiel in 1 sind die Achsen 4a und 5a in einer Linie.
Anode 4 und Kathode 5 enden in einem Hohlraum 3 durch jeweilige Öffnungen 24 und 25 zum Beispiel, gebildet im Körper 2 und verbunden über geeignete elektrische Leitungen 401 und 501 zu einem Hochspannungs- und Hochstromspeisegerät 6.
Zur Erzeugung einer elektrischen Entladung ist das Speisegerät 6 geeignet, um eine Potentialdifferenz zwischen 500 und 2000 V an den Elektroden anzulegen, um Strom im Bereich von 500 bis 2000 A für eine Dauer von einigen zehn Mikrosekunden zu erzeugen.
Wie in 1 ersichtlich, ist ein plattenförmiges Element 7 auf der linken Seite des Körpers 2 und des Hohlraums 3 vorhanden, das eine Injektionsöffnung 7a für den Gasfluss 8 hat. Der Gasfluss 8 wird durch ein Ventil 9 abgegeben und über einen Durchgang 801 von einer Gasflasche 10 geleitet. Ein Druckreduzierer 10a ist unmittelbar nach der Gasflasche 10 vorgesehen.
Die Injektionsöffnung 7a hat vorzugsweise einen Durchmesser von weniger als ein Millimeter. Auf der rechten Seite des Hohlraums 3 befindet sich eine Ausflussdüse 11 für einen Strahl 12 aus durch Verdampfung erzeugten Nanopartikeln und aus Gas. Düse 11 hat zum Beispiel einen Durchmesser von zwei Millimetern und eine Länge von einem Zentimeter.
Die Injektionsöffnung 7a von Element 7 und Düse 11 sind vorzugsweise entlang der Hauptachse 3a des Hohlraums 3 an dessen gegenüberliegenden Seiten angeordnet und der Gasfluss 8 verläuft zumindest vorwiegend koaxial zum Hohlraum 3.
Ventil 9, das das Gas unter stationären Bedingungen aufwärts saugt, ist mit einem Regler 13 zur Einstellung der Zuführung des Gasflusses 8 über Impulse vorbestimmter Dauer verbunden.
Das von der Flasche 10 zugeführte Gas ist vorzugsweise Inertgas, Helium zum Beispiel. In der Flasche 10 hat das Gas einen Druck von etwa zweihundert Atmosphären und der Druckreduzierer 10a bringt den Gasdruck auf zirka acht Atmosphären innerhalb des Durchgangs 801.
Ventil 9 ist vorzugsweise ein Magnetimpulsventil (Serien 9 von General Valve Corporation) und die vorgesehene Impulsdauer beträgt weniger als eine Zehntausendstelsekunde und vorzugsweise in der Höhe von Fünfzehntel einer Eintausendstelsekunde. Der Regler 13, der dem Magnet des Ventils 9 den nötigen Stromimpuls gibt, damit sich das Ventil selbst öffnet, ist zum Beispiel das Modell Jota One von General Valve Corporation.
Unter oben angegebenen Bedingungen führt jeder Impuls eine Heliumgasmenge zu, die richtungsweise etwa einem Mikromolekül oder Mikrogrammmolekül entspricht.
Körper 2 ist eingeschlossen innerhalb einer ersten Kammer 14, in der das Vakuum durch den Einsatz einer Pumpe 15, etwa der Art der Öldiffusionspumpe, erzeugt wird. Richtungsweise wird in der ersten Kammer 14, die mit dem Hohlraum 3 über die Düse 11 verbunden ist, ein Druck eingestellt, der niedriger als zehn Millibar (entspricht eintausend Pa) ist und vorzugsweise etwa einem Hundertstelmillibar entspricht.
Durch Einwirkung der durch das Ventil 9 zugeführten Gasimpulse wird im Hohlraum 3 ein Druck eingestellt, dessen Werte sehr stark je nach den betrachteten Bereichen variieren.
Anode 4 und Kathode 5 haben eine sehr geringe gegenseitige Entfernung oder Abstand von nur einem Millimeter oder weniger zum Beispiel und dieser Abstand ist bezüglich der Hauptachse 3a und der Richtung des aus dem Element 7 kommenden Gasflusses 8 verschoben, so dass er durch den Gasfluss selbst nicht beaufschlagt wird.
Die das durch Abtragung zu verdampfende Material einschliessende Kathode 5 erscheint ausserdem quer verlaufend und dem Gasfluss seitlich gegenüberstehend, so dass ihre Seitenfläche 5b direkt durch genannten Gasfluss beaufschlagt ist.
Nahe des Teils der Seitenfläche 5b der Kathode 5, direkt beaufschlagt durch den Gasfluss 8, ist der Druck daher entschieden höher als jener in den anderen Bereichen des Hohlraums 3.
An die erste Kammer 14 angrenzend befindet sich eine zweite Kammer 16, in der das Vakuum ebenfalls durch eine Pumpe 15 erzeugt wird, wobei genannte Kammer 16 von der ersten Kammer 14 durch eine Wand 17 getrennt ist, in der eine Öffnung 171 für den Durchgang des Strahls 12 von der ersten zur zweiten Kammer ausgebildet ist. Die im Hohlraum gebildeten Nanopartikeln gemeinsam mit dem darin eingeführten Inertgas bilden einen Ultraschallmolekülstrahl, der sich im wesentlichen im Vakuum durch die Düse 11 ausbreitet.
Eine Schwenkvorrichtung 18 kann in die Kammer 16 eingesetzt werden und kann von ausserhalb der Kammer 16 ergriffen und bewegt werden und ist mit einem Träger 181 für ein Substrat 182 versehen, auf das die Beschichtung des Strahls 12 des verdampften Materials für die Anwendung erfolgen soll, zum Beispiel für die Beschichtung von Nanostrukturfolien.
Die Position der Kathode 5 bezüglich des Gasflusses 8, der auf die Seitenfläche 5b fällt, ist in 2 besser verständlich.
Der vorgesehene Abstand zwischen Anode 4 und Kathode 5 beträgt zirka ein Millimeter oder weniger, welche Entfernung nahe zu, aber geringer als die mittlere freie Weglänge der Ionen in dem in den Hohlraum 3 injizierten Gas an den Elektroden ist.
Bekanntlich ist die mittlere freie Weglänge eines Gasteilchens die durchschnittlich zurückgelegte Strecke zwischen einer Kollision und der nachfolgenden des genannten Teilchens mit anderen des gleichen Gases.
Dieser Umstand (Nähe zwischen Anode und Kathode) ermöglicht es, die elektrische Entladung ausserhalb des genannten Abstandes zu erzeugen und in der Zone zu verbreiten, in der der Druck höher ist.
Im umliegenden Bereich an der Stelle, an der der Gasfluss 8 die Kathode 5 trifft, ist der Gasdruck höher als der der angrenzenden Bereiche und anstatt direkt zwischen den Elektroden zu enden, endet daher die elektrische Entladung zwischen der Anode 4 und dem vom Gasfluss auf der Kathode 5 betroffenen Bereich. Der die Kathode 5 treffende Gasfluss wird daher durch die elektrische Entladung ionisiert und das Material wird nahezu zur Gänze vom Bereich der durch den ionisierten Gasfluss getroffenen Kathode 5 abgetragen.
Mit anderen Worten: die elektrische Entladung und der ionisierte Gasfluss agieren gemeinsam im gleichen Bereich der Kathode 5. In dieser Situation kann das hoch ionisierte Gas einen starken Ionenbeschuss auf die Kathode ausüben. Die Ionisierung des Gasflusses 8 kann auf intensive Weise wegen der so genannten „Stossentladung" stattfinden. Die Stossentladung ist eine an sich bekannte Kettenreaktion, die im Gas erzeugt wird, das zum Beispiel einem elektrischen Feld zugeführt und zwischen zwei Elektroden placiert wird. Bei Vorhandensein eines geeigneten elektrischen Felds kollidieren die zwischen den Elektroden schnell strömenden Elektronen mit neutralen Gasteilchen und bewirken daher Ionisierung: bei jedem Aufprall werden ein positives Ion und zwei langsame Elektronen erzeugt.
Ist das elektrische Feld ausreichend stark, können die langsamen Elektronen allerdings genug Energie erlangen, um neue Ionisierungsprozesse durch Aufprall oder andere neutrale Gasteilchen zu bewirken. Daher entsteht in der Verbindung die so genannte Stossentladung.
In 2 sind die elektrische Entladung und das ionisierte Gas diagrammatisch an der äussersten Kante durch 6a dargestellt, wobei der innere Bereich der Entladung und das Plasma diagrammatisch durch die Nummer 6b gekennzeichnet ist. In der Tat hat der Ionenstrahl einen dichteren Innenbereich 6b und die Entladung findet im Verhältnis zu Dichte des Ionenstrahls statt.
Die beschriebene technische Lösung hat eine sehr starke Abtragung zur Folge, die wie erwähnt durch den starken Ionenbeschuss des ionisierten Gases bedingt ist. Zudem kann das von der Kathode 5 abgetragene Material nicht auf die Anode 4 abgeschieden werden und keine unerwünschten Änderungen an der Elektrodengeometrie und Verstopfung des Abstands zwischen Anode 4 und Kathode 5 mit daraus folgendem Kurzschluss zwischen diesen verursachen. Der Hochdruckbereich an der Stelle, an der der Gasfluss 8 auf die Kathode 5 aufprallt, stellt auch ein ausgezeichnetes thermisches Bad dar, das zum Cluster-Kondensieren des abgeschiedenen Materials unerlässlich ist.
Bei längerem Betrieb hat die Materialabtragung möglicherweise die Bildung eines Kraters zur Folge wegen der Verdampfung des Materials an der Stelle, an der der Gasfluss 8 die Kathode abfängt.
Um diese Situation zu vermeiden, ist ein mechanisches System vorgesehen, durch das die Kathode 5 um ihre Verlängerungsachse 5a gedreht werden kann. Das mechanische System ist in 3 veranschaulicht und besteht aus einer Trägerstange 19 für die Kathode 5, die laut Pfeil A in eine vorbestimmte Richtung durch einen elektrischen Motor 20 rotiert, dessen Schaft 201 mit geeigneten Kopplungen 21 an die Trägerstange 19 angekoppelt ist.
Aufgrund dieses Systems kann daher der Betrieb des Verdampfers 1 länger dauern und die Menge an ausgeschiedenem Material kann erhöht werden.
In 4 ist eine alternative Ausführungsart von 3 veranschaulicht, in der die Anode 4 nicht auf der gleichen Linie der Kathode 5, sondern seitlich angeordnet ist und quer zu letzterer verläuft, so dass sie in einer Position endet, in der sie der Seitenfläche 5b zugewandt ist. Ferner geht Kathode 5 durch den Hohlraum des Körpers 2 mit Möglichkeit durch diesen in Richtung der Achse 5a zu gleiten.
Bei dieser Ausführungsart kann die Kathode 5 ständig durch ein mechanisches System versorgt werden, das dessen Drehung in Richtung des Pfeils A und die Translation in Richtung des Pfeils B auf die zwei vorbestimmten Arten ermöglicht.
Dieses System besteht aus einer die Kathode 5 stützende Gewindeschraube 22, betrieben durch ihre Kopplung mit einer Schraubenmutter 23, die durch die Stange 19 über einen Antriebsriemen 24 in Rotation gebracht wird. Die Bewegung der Stange 19 wird durch den Motor 20 und die entsprechenden zuvor beschriebenen Übertragungsmitteln übertragen.
Zweckmässigerweise ist bei einer solchen Beschaffenheit eine präzise Einstellung der Entfernung zwischen der Anode und der Kathode nicht mehr nötig. Zudem findet die Materialabtragung von einer Portion der Kathode 5 statt, die ständig auch in axiale Richtung erneuert wird: daher entstehen keine Krater oder tiefe Furchen und eine grössere Stabilität und Lebensdauer ist für den Verdampfer sichergestellt.
Die Arbeitsweise der Vorrichtung ist folgende.
Durch das Ventil 9 wird der Gasfluss 8 in den Hohlraum 3 impulsgespritzt. Die Impulsdauer liegt in der Höhe von Fünfzehntel einer Tausendstel Sekunde zum Beispiel, wie schon festgehalten.
Bevor das expandierende Gas ein Gleichgewicht im Hohlraum 3 erreicht, wird eine Spannung an den zwei Elektroden, Anode 4 und Elektrode 5, angelegt, zwischen denen die typische Potentialdifferenz, wie schon festgehalten, zwischen 500 und 2000 V liegt und ein Strom zwischen 500 und 2000 A erzeugt wird.
Die elektrische Entladung zwischen der Anode 4 und der Elektrode 5 folgt spontan dem Gasstrahl, wo der Druck höher ist und ionisiert ihn.
Das durch die elektrische Entladung erzeugte Plasma verdampft die Kathode 5, erodiert sie an einem begrenzten Anteil und genau dort, wo der ionisierte Gasfluss 8 die Seitenfläche 5b der Kathode 5 trifft.
Die Verdampfung wird ohne das Material, aus dem die Kathode besteht, erhalten, indem ihre Siedetemperatur erreicht wird.
Das auf diese Weise verdampfte Material der Kathode 5 kühlt in Berührung mit dem gleichen Gas ab und kondensiert zu Nanopartikeln und erzeugt einen Strahl 12 aus Aggregaten aus Nanopartikeln und Gas, die die Düse 11 durchströmen.
Das Volumen ausserhalb des Verdampfers 1, dargestellt durch die Kammer 14, wird durch die Pumpe 15 vakuumdicht erhalten, daher bildet der Strahl 12 aus den aus der Düse 11 kommenden Nanopartikeln einen Molekularstrahl und kann in der Gasphase verwendet werden oder genannte Nanopartikeln können in Schichten direkt auf das in Kammer 16 befindliche Substrat 182 durch den Durchgang des Strahls 12 über die Öffnung 171 abgeschieden werden.
Zusammenfassend wird ein Ionenbeschuss durchgeführt, durch den die Entnahme des Materials von dem festen Ziel nach einer Wechselwirkung zwischen einem örtlich festgelegten dichten Plasma und der festen Oberfläche erfolgt. Besonders vorteilhafte technische Lösungen sind vor allem der Umstand, dass der Gasfluss 8 auf die Seitenfläche 5b der Kathode 5 aufprallt und der Umstand, das der Gasstrahl beim Einströmen in den Hohlraum 3 einen Dichtegradient in unmittelbarer Nähe zur Kathode 5 erzeugt. Der Abstand zwischen den Elektroden bewahrt eine kleinere Breite als die mittlere freie Weglänge der Ionen im Gas unter den zwischen den Elektroden vorhandenen Bedingungen. Dadurch wird vermieden, dass die Entladung zwischen den Elektroden erzeugt werden muss, was der kürzeste Weg ist.
Wenn unter diesen Bedingungen eine Spannung an die Elektroden angelegt wird, begünstigt genannter Dichtegradient die Ausbreitung der elektrischen Entladung, die dem ionisierenden Gasstrahl folgt und dabei eine sehr starke Ionisierung durchführt mit einer Stossentladungs-Wirkung und einer entsprechend starken Abtragung.
Unter einem Gesichtspunkt vorliegender Erfindung besteht das Gasflusszuführmittel aus einem durch einen Regler eingestellten Ventil, durch das der Gasfluss in den Hohlraum zu vorbestimmten Zeitimpulsen geführt werden kann. Mit einer Impulsinjektion wird eine starke Nicht-Homogenität des Gases auf der Spannungsentladung an den Elektroden erhalten und diese Nicht-Homogenität führt ferner dazu, dass die elektrische Entladung und die daraus folgende Erosion auf die direkt dem Gasfluss ausgesetzte Kathodenportion begrenzt ist.
Mit anderen Worten, die Nicht-Homogenität des Gases wird auf besonders wirksame Weise durch die Gasimpulsinjektion erzeugt und die Nicht-Homogenität selbst erzeugt eine völlige Eingrenzung des durch die elektrische Entladung erzeugten Plasmas auf die Gasportion, die am nahesten zu Element 7 ist.
Aus der obigen Beschreibung zeigt sich, das die Vorrichtung der Erfindung die gestellten Ziele erreicht.
Die Erzeugung von Nanopartikeln als Folge der Impuls-Mikroplasma Abtragung ist äusserst wirksam und gewährleistet Flüsse von einer Intensität, die um einige Grössenordnungen höher als die bekannten Laserquellen ist.
Tatsächlich ist festgestellt worden, dass es mit einer Vorrichtung nach vorliegender Erfindung, laut vorausgehender Beschreibung hergestellt und mit einer Kathode auf der Grundlage von Kohlenstoff möglich ist, mindestens 20 Millionen Billionen (2 × 10¹⁶) von Kohlenstoffatomen bei jedem Impuls des Ventils 9 zu entnehmen. Dieser Wert ist um etwa hundertmal höher als der durch die bekannten Laserquellen erreichte.
Darüber hinaus ist die Stabilität hinsichtlich des zeitlichen Abstands, in dem die Arbeitsparameter zugesichert sind, vergleichbar mit den beständigsten Laser quellen und ist daher entschieden höher als die Stabilität der bekannten Lichtbogenquellen.
Insgesamt zeichnet sich die Vorrichtung durch hohe Intensität, gute Stabilität von Gasimpuls zu Gasimpuls aus und eignet sich für Bauformen, in denen die negative Elektrode, die verdampft wird, ständig versorgt wird.
Die Vorrichtung eignet sich gut für alle Anwendungen, in denen der Bereich, aus dem das Material abgetragen wird, mit Präzision bestimmt werden soll.
Zudem werden mit der Vorrichtung typische Nachteile der bekannten Lichtbogensysteme überwunden, wie etwa die Bildung von Ablagerungen im Abstand, der die beiden Elektroden trennt. Diese Ablagerung wäre in der Tat gefährlich, da sie ständig grösser wird, bis sie einen Kurzschluss verursacht, wodurch der Verdampfer arbeitsunfähig wird.

Claims

Vorrichtung für die Erzeugung von Nanopartikeln durch Verdampfung von Feststoffen, umfassend: – mindestens eine erste Kammer (14), mindestens eine mit genannter ersten Kammer (14) verbundene Vakuumpumpe (15), einen in genannte erste Kammer (14) eingesetzten Körper (2), einen in genanntem Körper (2) gebildeten Hohlraum (3), Mittel (7, 9, 13) zum Zuführen eines Gasflusses (8) zu genanntem Hohlraum (3), Elektroden bestehend aus mindestens einer Anode (4) und mindestens einer mindestens zum Teil in genannten Hohlraum (3) eingesetzten Kathode (5), wobei genannte Kathode (5) aus dem zu verdampfenden Material besteht, ein Speisegerät (6) bzw. Spannungsversorgung, um Spannung zwischen genannter Anode (4) und genannter Kathode (5) anzulegen und eine elektrische Entladung zwischen diesen zu erzeugen, und einer Düse (11) in Verbindung zu genanntem Hohlraum (3) und geeignet, einen Partikel-Strahl (12) aus verdampftem Material von genannter Kathode (5) zu befördern, wobei genannte Kathode (5) so zum Gasfluss (8) gerichtet ist, dass genannter Gasfluss (8) abgefangen bzw. unterbrochen wird und genannte Anode (4) und genannte Kathode (5) so positioniert sind, dass die Ausbreitung genannter elektrischer Entladung zu genanntem Gasfluss (8) und die Ionisation genannten Gases möglich ist, – dadurch gekennzeichnet, dass genannte Elektroden einen gegenseitigen Abstand haben, der geringer als die mittlere freie Weglänge der Ionen genannten Gasflusses (8) an genannten Elektroden ist, wobei genannte elektrische Entladung ausserhalb des zwischen den genannten Elektroden bestehenden Ab stands erzeugt wird und zwischen genannter Anode (4) und der Zone der genannten vom Gasfluss (8) betroffenen Kathode (5) endet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, in der die genannten Mittel (7, 9, 13) zum Zuführen des Gasflusses (8) aus mindestens einem Ventil (9) und einem Regler (13) bzw. einer Steuereinrichtung bestehen, der bzw. die mit genanntem Ventil (9) verbunden ist, um die Zuführung des Gasflusses (8) durch Impulse genannten Gases einzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, in der genannte Kathode (5) eine Verlängerungsachse (5a) hat und um genannte Verlängerungsachse (5a) rotierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, in der genannte Kathode (5) eine Verlängerungsachse (5a) und eine zu genannter Verlängerungsachse (5a) parallele Seitenfläche (5b) hat und genannte Anode (4) schräg zu genannter Kathode (5) verlängert ist und in einer genannter Seitenfläche (5b) genannter Kathode (5) zugewandter Position endet.
Vorrichtung nach Anspruch 4, in der genannte Kathode (5) durch den Hohlraum (3) genannten Körpers (2) verläuft und um diesen rotierbar und verschiebbar in die Richtung der genannten Verlängerungsachse (5a) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, in der genannte erste Kammer (14) eine genannter Düse (11) nachgelagerte Schwenk- bzw. Handhabungsvorrichtung (18) enthält, wobei genannte Schwenk- bzw. Handhabungsvorrichtung (18) ein Substrat (182) zur Deposition des Strahls (12) aus verdampftem Material, das aus genannter Düse (11) austritt, aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, in der eine an die erste Kammer (14) angrenzende zweite Vakuumkammer (16) vorgesehen ist, und in der zwischen der ersten und zweiten Kammer (14, 16) eine Wand (17) ausgebildet ist, die eine Öffnung (171) für den Durchgang des genannten Ausgangsstrahls (12) aus verdampftem Material hat, wobei genannte zweite Kammer eine Schwenk- bzw. Handhabungsvorrichtung (18) enthält, die ein Substrat (182) für die Deposition genannten Strahls (12) des aus genannter Düse (11) austretenden verdampfenden Materials aufweist.
Ein Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln durch Verdampfung von Feststoffen, beinhaltend die Erzeugung eines Gasflusses (8) in einem Vakuumhohlraum (3) an Elektroden, die mindestens aus einer Anode (4) und mindestens aus einer Kathode (5) bestehen, wobei genannte Kathode (5) aus dem zu verdampfenden Material besteht, die Erzeugung einer elektrischen Entladung zwischen genannter Anode (4) und genannter Kathode (5), die Zuführung von genanntem Gasfluss (8) zu genannter Kathode (5) und die Zuführung genannter elektrischer Entladung zu genanntem Gasfluss (8), um genannten Gasfluss (8) zu ionisieren, – dadurch gekennzeichnet, dass genannte Anode (4) und genannte Kathode (5) in einem gegenseitigen Abstand angeordnet sind, der geringer als die mittlere freie Weglänge der Ionen genannten Gasflusses (8) an genannten Elektroden ist und dadurch, dass genannter Gasfluss so gerichtet wird, um die genannte elektrische Entladung ausserhalb des Abstands zwischen den genannten Elektroden zu erzeugen und genannte elektrische Entladung zwischen genannter Anode (4) und der Zone der vom genannten Gasfluss (8) betroffenen genannten Kathode (5) zu beenden.
Verfahren nach Anspruch 8, in dem genannter Gasfluss (8) durch eine gepulste Gaseinspritzung in Richtung genannter Kathode (5) erhalten wird und in dem zwischen genannter Anode (4) und genannter Kathode (5) eine Spannung in dem Moment angelegt wird, in dem genannte Impulsinjektion eine Nicht-Homogenität genannten Gases an genannter Kathode (5) bildet, wobei genannte Nicht-Homogenität eine Einschränkung der genannten elektrischen Entladung auf denjenigen Teil genannter Kathode (5) verursacht, der direkt dem genannten Gasfluss (8) ausgesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 9, in dem genannte Impulsinjektion aus Impulsen besteht, die jeweils eine Dauer von weniger als zehn Millisekunden haben.
Verfahren nach einem oder mehreren Ansprüchen von 8 bis 10, in dem genannte Kathode (5) um eine Verlängerungsachse (5a) rotiert wird, um die dem genannten Gasfluss (8) ausgesetzten Teile genannter Kathode (5) zu variieren.
Verfahren nach einem oder mehreren Ansprüchen von 8 bis 11, in dem genannte Kathode (5) in Richtung einer Verlängerungsachse (5a) verschoben wird, um die dem genannten Gasfluss (8) ausgesetzten Teile genannter Kathode (5) zu variieren.