[發明專利]筒狀陰極非平衡磁控等離子體氣體聚集團簇源及其使用方法

有效

• 申請號: 201811569590.4
• 申請日: 2018-12-21
• 公開（公告）號: CN109698112B
• 公開（公告）日: 2020-10-16
• 發明（設計）人: 劉飛;邵偉;韓民
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H01J37/32
• 分類號: H01J37/32;H01J37/34
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 余俊杰

本發明公開了筒狀陰極非平衡磁控等離子體氣體聚集團簇源及其使用方法，所述團簇源包括筒狀濺射靶組件和冷凝腔，二者之間相互連通。本發明運用筒狀濺射靶及環形磁鐵組使磁控濺射具有大的濺射面積，產生高產額的原子和離子；采用與濺射靶共軸的濺射氣體充入筒形成惰性氣體氣流將濺射產物導向冷凝區，并在冷凝區被從緩沖氣體充入筒側壁流出的惰性氣體進一步約束，使團簇的冷凝生長區被定義于一個確定的空間中，實現團簇的高效均勻生長；用冷凝區的約束磁鐵形成非平衡磁場，約束電子形成高的等離子體密度，獲得高的團簇離子比率。本發明可實現高強度與高離化度團簇與納米粒子束流的產生。

技術領域

本發明屬于原子分子物理與納米科學技術領域，涉及一種廣泛應用于薄膜與納米結構材料的制備、材料的表面加工的裝置，具體為筒狀陰極非平衡磁控等離子體氣體聚集團簇源及其使用方法。

背景技術

團簇源是原子團簇(納米粒子)束流的產生、團簇物理/化學性質研究與團簇束流沉積裝置中的關鍵部件，在原子分子物理與納米科學的基礎研究與薄膜及納米結構材料的制備、材料的表面加工等方面具有廣泛應用。目前被普遍采用的團簇束流源有兩類：氣體聚集法團簇源和脈沖激光燒融法團簇源。脈沖激光燒融法團簇源主要用于對包含200原子以下的自由團簇的奇異結構與物理化學性質的基礎研究。由于團簇源工作于低重復頻率的脈沖形式，團簇束流的平均通量較低，經尺寸選擇后強度更弱，一般難于用在團簇沉積制備納米結構材料上。氣體聚集法團簇源主要有高溫蒸發惰性氣體冷凝源及磁控等離子體氣體聚集源。前者只能用于在低于2000K溫度時具有高蒸氣壓的少數金屬和半導體材料團簇的產生，應用面甚窄。1990年前后，德國佛萊堡大學Haberland等發展了磁控等離子體氣體聚集團簇源，克服了材料蒸氣壓的限制，可獲得難熔金屬、半導體、氧化物等多種材料的團簇束流，除了可進行自由團簇的原位分析，更適合于團簇束流沉積等，成為當前主流的團簇源。這類團簇源采用射頻或直流磁控濺射將原子/離子等從靶材中打出，形成高密度等離子體，在冷凝室靶材原子間的碰撞及其與惰性氣體分子的碰撞導致有效的聚集生長，形成團簇。但是，由于采用平面磁控濺射靶結構，這類源存在團簇產額、特別是團簇離子產額有限的不足。

發明內容

解決的技術問題：團簇(納米粒子)束流在納米科學的基礎研究以及薄膜與納米結構材料的制備、材料的表面加工等方面具有廣泛應用。氣相團簇束流的制備和控制技術的發展直接推動了團簇科學至今的一些重要發現。然而，現有的團簇束流系統團簇束流強度較弱，在許多情況下難以滿足團簇性質精密測量與團簇束流沉積等應用研究的需要。本發明提供了筒狀陰極非平衡磁控等離子體氣體聚集團簇源及其使用方法，可以取代目前通用的基于平面陰極的磁控等離子體氣體聚集團簇源，在保持束流中團簇尺寸與單分散性的同時，使束流強度獲得大幅度提高，為獲得高強度與高穩定度的團簇與納米粒子束流提供保證。

技術方案：筒狀陰極非平衡磁控等離子體氣體聚集團簇源，所述團簇源包括筒狀濺射靶組件和冷凝腔，二者之間相互連通；筒狀濺射靶組件內依次設有一包裹于密封夾層內的環形陰極磁鐵組，筒狀濺射靶、濺射氣充入筒，濺射氣通過濺射氣入口由濺射氣充入筒底板上的通氣管充入，并經側壁上的開孔流出至筒狀濺射靶與濺射氣充入筒之間的輝光區；冷凝腔為一真空密封腔體，腔體內形成冷凝區，腔體一端中心處設有噴嘴，并通過噴嘴與腔外高真空環境形成差分抽氣條件；冷凝腔內壁上密布小孔陣列，內外壁夾層內設有金屬冷卻管，并通過冷卻管入口連續向管內通入液氮或水；冷凝腔外壁上設有緩沖氣入口，向內外壁夾層充入惰性氣體，冷卻后經冷凝腔內壁上小孔流至冷凝區；冷凝腔兩端均設有約束磁鐵。

優選的，冷凝腔、密封夾層和濺射氣充入筒的材質均為非磁性金屬。

優選的，環形陰極磁鐵組由4-8塊磁鐵環構成，或由方形、圓弧形、柱狀的非環狀磁鐵拼接組成。

優選的，筒狀濺射靶為熔點大于350K的金屬或非金屬材料，筒的內徑為50mm-200mm，筒壁厚度為0.5mm-20mm,筒的高度為40-200mm。