專利名稱：用于形成超細(xì)粒子薄膜的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于形成超細(xì)粒子薄膜的方法及其裝置，更具體地說涉及一種用于形成超細(xì)粒子薄膜的方法及其裝置，其中，超細(xì)粒子薄膜形成在直徑小于2μm，縱橫尺寸比小于1的孔的內(nèi)壁表面上。
在形成薄膜的方法中包括陰極真空噴鍍，蒸鍍，例如離子束蒸鍍的物理氣相成膜法(PVD)，化學(xué)氣相成膜法(CVD)，電鍍方法以及任何其它液相薄膜形成方法。在物理氣相成膜法中，由于作為薄膜形成材料的原子或分子只從發(fā)生源沿直線移動，因此，薄膜在基體上的形成位置取決于薄膜形成材料發(fā)生源和基體的幾何結(jié)構(gòu)或機(jī)械結(jié)構(gòu)。幾乎不可能在基體的大縱橫尺寸比的細(xì)孔或小尺寸的槽的內(nèi)壁表面上形成均勻的薄膜，這是因?yàn)楸∧ば纬刹牧系闹本€運(yùn)動不能到達(dá)那里。另一方面，不可能由CVD方法或液相薄膜形成方法在上述細(xì)孔或槽上形成相對均勻的薄膜。而且，雜質(zhì)混入形成的薄膜中是不可避免的。
在形成超細(xì)粒子薄膜的方法中還包括一種所謂的“氣相沉積法”或“噴印法”，其中使用傳輸管和用于傳輸?shù)膰娚錃怏w以局部形成薄膜；以及一種“集束狀離子束方法”，其中使用離子粒束。然而，在這些方法中薄膜形成條件也受到薄膜形成材料源和基體的幾何或機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制。此外，還有一種方法，其中超細(xì)粒子從液相沉淀或析出。然而，在這種方法中，表面張力作用在孔或槽的內(nèi)壁表面之間，因此，很難形成均勻的薄膜。因此，該方法不能廣泛使用。
如上所述，用現(xiàn)有技術(shù)的薄膜形成方法很難在細(xì)孔或槽的內(nèi)壁表面上形成均勻的不帶雜質(zhì)的薄膜。因此，最近的高集成半導(dǎo)體的制造受到各種限制，其中的孔制成縱橫尺寸比大于1并且線寬等于或小于若干μm?；蛘?，很難在高性能催化劑載體上的細(xì)孔的內(nèi)壁表面上形成活性金屬的均勻薄膜。
例如，

圖1中示意地示出其中形成有細(xì)孔或槽的基體S。在硅基底1上形成用作絕緣體的氧化硅膜2。膜2上形成另一鋁膜3。膜2中形成一細(xì)槽4，其中填入鋁。在鋁膜3上形成一第二氧化硅膜5。膜5中形成第二槽6，其底部為膜3的上表面。在糟6中形成一通孔7，其底部為膜3的上表面。槽6寬0.1μm，深0.3μm。通孔7的直徑為0.2μm，深1μm。槽6的縱橫尺寸比等于3，而槽的縱橫尺寸比為5。通過現(xiàn)有技術(shù)的PVD方法很難在槽6和通孔7的內(nèi)壁表面上形成金屬，特別是高熔點(diǎn)金屬或陶瓷的薄膜。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種形成薄膜的方法及其裝置，其中可在直徑等于或小于若干μm而縱橫尺寸比大于1的細(xì)孔或尺寸類似的槽的內(nèi)壁表面上形成均勻的薄膜，而與薄膜形成材料的發(fā)生源和形成薄膜的基體的幾何或機(jī)械結(jié)構(gòu)無關(guān)，其中與現(xiàn)有技術(shù)中的CVD方法和液相薄膜形成方法相反，薄膜中不會混入雜質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種形成超細(xì)粒子薄膜的方法，包括以下步驟在真空下設(shè)置一基體，所述基體具有直徑小于2μm，縱橫尺寸比大于1的有底孔、通孔、或具有類似尺寸的槽；應(yīng)用使直徑小于0.1μm的超細(xì)粒子分散懸浮于壓力在102Pa以上的氣體中的懸浮微粒；以及使上述超細(xì)粒子擴(kuò)散和吸附到所述內(nèi)壁表面上。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于形成超細(xì)粒子薄膜的裝置，包括一懸浮微粒的發(fā)生裝置，其中由蒸發(fā)材料制成直徑小于0.1μm的超細(xì)粒子并在氣體中分散和飄??；一支承機(jī)構(gòu)，用于支承具有直徑小于2μm，縱橫尺寸比大于1的有底孔、通孔、或具有類似尺寸的槽的需要形成薄膜的基體；一加熱機(jī)構(gòu)，用于加熱所述基體；一壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，用于保持所述帶懸浮粒的氣體在預(yù)定壓力；一薄膜形成容器，至少包括所述支承機(jī)構(gòu)；以及一真空系統(tǒng)，連接到所述薄膜形成容器。
通過下面參照附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述和其它目的，特征和優(yōu)點(diǎn)將更容易理解。附圖中圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的具有細(xì)孔和槽的基體的一部分的放大透視圖。
圖2為基體的一部分的放大透視圖，其中示出基體上由于熱梯度的熱遷移力的方向。
圖3為用于解釋由超細(xì)粒子形成薄膜的示意橫截面圖，A示出在薄膜形成初始階段超細(xì)粒子的吸附，B為一個(gè)吸附的超細(xì)粒子的原子或分子級的顯微視圖。
圖4為用于解釋由超細(xì)粒子形成薄膜的示意橫截面圖，A示出一成長中的島狀薄膜，B示出更稠密的進(jìn)一步成長的薄膜，而C示出一個(gè)化學(xué)地吸附在內(nèi)壁表面上的超細(xì)粒子的原子或分子級的顯微視圖。
圖5為薄膜形成裝置的示意圖。
圖6為懸浮微粒形成腔的示意圖。
圖7為用于支承多個(gè)基體的基體支承機(jī)構(gòu)的示意側(cè)視圖，A示出靜止型，B示出轉(zhuǎn)動型。
圖8為示出一系列多個(gè)薄膜形成容器的示意平面圖，A為直線型，B為轉(zhuǎn)動型，C為集束狀型。
首先描述本發(fā)明的新穎的流體機(jī)理，通過全向擴(kuò)散和吸附在具有相同尺寸的細(xì)孔的內(nèi)壁表面上形成薄膜。
(1)生產(chǎn)或形成帶有懸浮粒的氣體，其中超細(xì)粒子在氣體中分布和飄浮。例如，可以這種方式生產(chǎn)以使得例如超細(xì)粒子的薄膜形成材料作為分散介質(zhì)蒸發(fā)進(jìn)入氣體。
(2)清洗并在需要時(shí)激活一具有細(xì)孔或槽的基體。然后，將基體支承在一薄膜形成容器中。例如，基體由陶瓷制成并為三維體。
(3)對薄膜形成容器抽真空，從而對支承在薄膜形成容器中的基體的細(xì)孔和槽抽真空。
(4)將氣體中分布和飄浮著超細(xì)粒子的帶有懸浮粒的氣體引入薄膜形成容器，與基體接觸并侵入細(xì)孔和槽中。
(5)在一段適當(dāng)時(shí)間之后，對基體進(jìn)行附加操作，然后將其上形成有超細(xì)粒子薄膜的基體從薄膜形成容器中取出。
薄膜主要以上述方式形成在基體上。超細(xì)粒子各向同性擴(kuò)散，并且本發(fā)明的方法是準(zhǔn)靜態(tài)的。因此，本發(fā)明的原理不同于利用運(yùn)載氣體的動能的氣體沉淀方法。該薄膜形成方法與對電纜等的油侵入方法機(jī)械地和宏觀地相似。然而，在電纜上不能形成高熔金屬或陶瓷薄膜，或者油不能侵入電纜。
(6)附加操作如下進(jìn)行①熱處理；提升基體的溫度以激活要吸附在內(nèi)壁表面上的超細(xì)粒子。
(a)表面擴(kuò)散。這是一種物理穩(wěn)定處理。典型的溫度為50-300℃。
或(b)將超細(xì)粒子化學(xué)地吸附到基體上。這是一種化學(xué)反應(yīng)處理，典型的溫度為200-800℃。
②表面改進(jìn)；根據(jù)需要，在對薄膜形成容器抽真空后，將一反應(yīng)氣體引入容器中以與超細(xì)粒子的表面和/或內(nèi)表面化學(xué)反應(yīng)并對它們的表面進(jìn)行清洗和改進(jìn)。典型的氣體反應(yīng)為氫化，氧化，氮化，鹵化或摻碳。
③多層薄膜形成；在熱處理和表面改進(jìn)處理中反復(fù)進(jìn)行不同種超細(xì)粒子的薄膜形成操作。
④表面保護(hù)；例如，在提高溫度時(shí)，將保護(hù)氣體或液體引入容器以保護(hù)超細(xì)粒子和內(nèi)壁表面。
由于重氣體不易從直徑0.1μm等級的孔排出，短期保護(hù)是可能的。
本發(fā)明的薄膜的形成是按流體力學(xué)原理，等方位擴(kuò)散和吸附超細(xì)粒子來進(jìn)行的，因此，必須搞清流體力學(xué)方面的限制條件，準(zhǔn)備滿足這些條件的流程和裝置。
(1)在通常尺寸(例如，直徑大于10cm)的薄膜形成容器中，為了在成膜操作過程中(例如10分鐘以內(nèi))使5nm尺寸的超細(xì)粒子可飄浮在氣體中而不考慮重力的影響，氦(He)的壓力應(yīng)高于例如260Pa，或氬(Ar)應(yīng)高于例如130Pa。通過氣體分子或原子的碰撞而產(chǎn)生的擴(kuò)散運(yùn)動可獲得超細(xì)粒子的飄浮，上述壓力與所使用的氣體的平均自由行程成反比。為使直徑為0.1μm的超細(xì)粒子穩(wěn)定地飄浮，必須使用氣體的壓力高于102Pa。
(2)其中分布和飄浮著超細(xì)粒子的帶有懸浮粒的氣體侵入直徑為0.2μm的深孔(例如，縱橫尺寸比為5，深度為1μm)中，超細(xì)粒子均勻地分布在孔的內(nèi)壁表面并被吸附在其上。這種事實(shí)需要如下要求(I)超細(xì)粒子不會由于其在帶有懸浮粒的氣體中的碰撞而凝聚。
(II)超細(xì)粒子由于其與內(nèi)壁表面的碰撞的吸附或粘附并不權(quán)位于靠近孔的入口。
為了滿足上述要求(I)，超細(xì)粒子第一次相互碰撞到它們第二次碰撞所需的平均時(shí)間越大大長于超細(xì)粒子與孔的內(nèi)壁表面碰撞所需的平均時(shí)間越好，可推導(dǎo)出下面的公式np·c·δ2《a……………………(1)其中，σ代表超細(xì)粒子的平均粒子尺寸np代表超細(xì)粒子的粒子密度c代表孔的體積a代表孔的內(nèi)壁表面積為了滿足上述要求(II)，需要滿足下列公式λ/r＜1/5……………………………………(2)r/1＞<Vp>·(λ/λp·u)…………………(3)np·c＞a·β………………………………(4)np《ng………………………………………(5)(⟨Vp⟩/⟨Vg⟩)=mg/mp········(6)]]>其中，λ為超細(xì)粒子和氣體分子或原子相碰撞的平均自由行程λp為超細(xì)粒子相互碰撞的平均自由行程r為孔的直徑l孔的深度，β吸附到孔的內(nèi)壁表面的單位面積的粒子數(shù)
ng氣體分子或原子的密度u超細(xì)粒子分布和飄浮的帶有懸浮粒的氣體的侵入速度Vp超細(xì)粒子的熱運(yùn)動速度Vg氣體原子或分子的運(yùn)動速度mp超細(xì)粒子的質(zhì)量mg原子或分子的質(zhì)量在方程式2的公式(2)中，假定縱橫尺寸比為5。
方程式2的公式(3)表示在帶有懸浮粒的氣體從孔的入口到達(dá)孔的底部的時(shí)間(1/u)內(nèi)存在于孔中的超細(xì)粒子的數(shù)量大于吸附在孔的內(nèi)壁表面上的超細(xì)粒子的數(shù)量。
在上述因素中，r，l，(因此a和c也同樣)，<Vp>，<Vg>是預(yù)定的?？蛇x擇的因子為δ，np，ng，u和β，γ和λp，根據(jù)np，ng，δ和所使用氣體的種類來決定。
在要求(1)和(2)中，有五個(gè)變量和五個(gè)方程式。
實(shí)際上，δ和β是最后確定的。然而，顯然超細(xì)粒子的粒子尺寸δ小于0.1μm以及孔的直徑r。例如，對于孔徑r＝0.2μm，要求粒子直徑δ≤0.01μm。
當(dāng)孔徑r等于0.2μm并且縱橫尺寸比等于5時(shí)，λ小于0.04μm。當(dāng)λ等于0.0μm時(shí)，氦氣壓力等于5atm，氬氣壓力等于1.5atm。1atm等于105Pa(大氣壓力)。當(dāng)孔徑r等于0.1μm時(shí)，氦氣壓力等于10atm，氬氣壓力等于3atm，和上面情況中的關(guān)系一樣。孔的直徑越小，越需要高的氣體壓力。
當(dāng)形成在孔的內(nèi)壁表面上的薄膜由多于一層的原子或分子構(gòu)成時(shí)，β×(構(gòu)成單個(gè)超細(xì)粒子的原子或分子數(shù))應(yīng)大于在單層原子或分子中單位面積的原子或分子數(shù)。然而，β在由上述要求(1)和(2)限定的范圍內(nèi)。因此，β值不是總能滿意地選擇。在這種情況下，薄膜形成操作應(yīng)重復(fù)要求的次數(shù)。此外，當(dāng)形成多層同種或不同種超細(xì)粒子時(shí)，重復(fù)薄膜形成操作。
當(dāng)薄膜形成材料的發(fā)生源和基體的幾何或機(jī)械結(jié)構(gòu)沒有障礙孔徑r大時(shí)，也可由現(xiàn)有技術(shù)的PVD方法在孔的內(nèi)壁表面上形成縱橫尺寸比約為5的均勻薄膜。因此，考慮到經(jīng)濟(jì)性，可選擇或者現(xiàn)有技術(shù)的PVD方法，或者本發(fā)明的方法。然而，當(dāng)孔直徑小于約2μm時(shí)，很難由現(xiàn)有技術(shù)的PVD方法均勻地形成薄膜。換句話說，孔直徑小于2μm不是本發(fā)明的必要條件。當(dāng)孔徑大于2μm時(shí)，也可應(yīng)用本發(fā)明。然而，當(dāng)孔徑大于2μm時(shí)，用現(xiàn)有技術(shù)的方法是有利的。
(3)當(dāng)超細(xì)粒子飄浮時(shí)，可由熱遷移方法控制薄膜的厚度。這是本發(fā)明的一個(gè)原理。
例如，下面討論基體大到熱梯度高于1℃時(shí)的情形。分布和飄浮的超細(xì)粒子受到氣體原子或分子的熱運(yùn)動的作用，超細(xì)粒子從高溫側(cè)移到低溫側(cè)。參見圖2，具有孔Sh的基體S的上表面S1的溫度為T1，基體S的下表面S2的溫度為T2，作為分散介質(zhì)的氣體G的溫度為Tg，上表面S1上的熱遷移力為K1，下表面S2上的熱遷移力為K2。在上述條件下，K1等于α(T1-Tg)，K2等于α(T2-Tg)。上表面S1的薄膜形成速度R1與下表面S2的薄膜形成速度R2的比值R1/R2等于f(K2/K1)。因此，當(dāng)熱梯度T1＞T2，K1＞K2并且R1＜R2。下表面S2的薄膜形成速度R2高于上表面S1的薄膜形成速度R1。這種結(jié)構(gòu)為毫秒級。這在準(zhǔn)靜態(tài)氣體相中是可行的。因而，可由基體上的熱梯度或分布控制細(xì)孔的內(nèi)壁表面上的薄膜形成速度。如上所述，為了獲得均勻的薄膜或者所形成薄膜的預(yù)定厚度差，可利用熱遷移作用。
(4)在上述薄膜形成操作中，超細(xì)粒子原子或分子在細(xì)孔的內(nèi)壁表面上分散和擴(kuò)展。該表面分散并不總是致動進(jìn)行。因此，在某些情況下可進(jìn)行例如熱處理和引入不同氣體的附加處理。圖3和圖4示意地解釋薄膜形成過程和熱處理的效果。圖3A示出在初始階段超細(xì)粒子P物理吸附到基體S的細(xì)孔Sh的內(nèi)壁表面上。圖3B示出吸附在內(nèi)壁表面上的原子或分子的顯微視圖，由黑圈表示的原子(分子)構(gòu)成的基體S的孔Sh的內(nèi)壁表面吸附著由白圈表示的原子(分子)構(gòu)成的一個(gè)超細(xì)粒子P。
對物理吸附的超細(xì)粒子P加熱，從而構(gòu)成超細(xì)粒子P的原子或分子的一部分分散并擴(kuò)散到內(nèi)壁表面上。它們被構(gòu)成基體S的原子或分子捕獲以形成原子核。繼續(xù)進(jìn)行這種薄膜形成操作，在孔Sh的內(nèi)壁表面上形成島狀薄膜Fi，如圖4A所示。
結(jié)果在孔Sh的內(nèi)壁面形成一封閉或均勻的薄膜F。當(dāng)溫度高時(shí)，構(gòu)成超細(xì)粒子的原子或分子的一部分?jǐn)U散進(jìn)入基體S并化學(xué)吸附在內(nèi)壁表面上。圖4C相應(yīng)于圖3B，它表示由吸附著的超微粒子P的原子(分子)q的表面擴(kuò)散形成膜成長核和原子(分子)r擴(kuò)散進(jìn)入基體S。根據(jù)情況，使基體S溫度上升的上述熱處理可與用于表面改進(jìn)的氫化，氧化，氮化，氫化或摻碳組合進(jìn)行。另外，上述熱處理和上述氣體引入也可以用于在薄膜形成之前清洗表面，在薄膜形成之后表面穩(wěn)定或激活。
接下來，下面參照附圖描述用于超細(xì)粒子的薄膜形成方法及其裝置。
圖5為一種薄膜形成裝置10的示意橫截面圖。其為壓力密封結(jié)構(gòu)。其薄膜形成容器11的底部連接到一真空系統(tǒng)12。一傳輸管22插入薄膜形成容器11中。從一帶有懸浮粒的氣體形成腔21通過傳輸管22傳輸超細(xì)粒子分布和飄浮在氣體中的帶有懸浮粒的氣體。一用于控制帶有懸浮粒的氣體的供應(yīng)的控制閥27設(shè)置在傳輸管22中，帶有一帶閥的旁通管道27b。此外，作為分散介質(zhì)的氦氣的瓶子28通過一控制閥29連接到帶有懸浮粒的氣體形成腔21。控制閥29控制帶有懸浮粒的氣體形成腔21和薄膜形成容器11的設(shè)定壓力。
第一氣體供應(yīng)系統(tǒng)31和第二氣體供應(yīng)系統(tǒng)33通過控制閥32，34連接到薄膜形成容器11。在某些情況下引入一種氣體，用于在薄膜形成之前清洗基體S，或者表面改進(jìn)，并用于在薄膜形成之前的熱處理之前的表面保護(hù)，用于表面的穩(wěn)定和激活。在本發(fā)明的該實(shí)施例中，第一氣體供應(yīng)系統(tǒng)31包括臭氧氣體或用于清洗基體S的氧基發(fā)生裝置，第二氣體供應(yīng)系統(tǒng)33包括在薄膜形成后的穩(wěn)定處理時(shí)的表面保護(hù)用的氬氣供應(yīng)系統(tǒng)。
薄膜形成容器11包括一基體支承框架14，用于支承如圖1中所示的基體S。它通過圖中未示出的門進(jìn)入薄膜形成容器11?；w支承框架14包括一用于對基體S加熱的加熱機(jī)構(gòu)。一薄膜厚度監(jiān)控器15設(shè)在基體S的附近。所形成的薄膜的厚度由一測量控制裝置16測量，它固定到一設(shè)在薄膜形成容器11的上部的安裝法蘭。薄膜厚度可由紫外線輻射光學(xué)測量。測量控制裝置16還根據(jù)測量結(jié)果控制控制閥27，29的打開和關(guān)閉。用于測量薄膜厚度的探針17插入薄膜形成容器11，在薄膜厚度監(jiān)控器15的上方。薄膜厚度可光學(xué)測量，但也可以電學(xué)測量。測量控制裝置16還控制真空系統(tǒng)12的停止和起動以及用于設(shè)在帶有懸浮粒的氣體形成腔21中的坩堝23的罩的打開和關(guān)閉，見圖6。
圖6為上述帶有懸浮粒的氣體形成腔21的示意橫截面視圖。坩堝23設(shè)置在帶有懸浮粒的氣體形成腔21中。圖中未示出的罩設(shè)在坩堝23上方。高頻線圈25繞在坩堝23上，并且線圈25電連接到高頻動力源24。鋁26盛在坩堝23中并在預(yù)定溫度溶解蒸發(fā)。氦氣瓶28，控制閥29和控制閥27已在上面進(jìn)行了描述。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的薄膜形成裝置10如上所述構(gòu)成。接下來描述使用上述薄膜形成裝置10的薄膜形成方法。
首先，基體S支承在薄膜形成容器11中的基體支承框架14上。由裝在基體支承框架14中的加熱機(jī)構(gòu)加熱到200℃。薄膜形成容器11的內(nèi)部由真空系統(tǒng)12抽真空。接下來，打開控制閥32預(yù)定時(shí)間并將臭氧氣體或氧基氣體從供氣系統(tǒng)31引入。因此，粘附到基體S的少量有機(jī)物被氧化除去。同時(shí)，對槽6和通孔7進(jìn)行抽真空。接下來，打開控制閥27并對帶有懸浮粒的氣體形成腔21抽真空，然后真空系統(tǒng)12停止?？刂崎y27關(guān)閉。
接下來，其中在氦氣中分布和飄浮著超細(xì)粒子的帶有懸浮粒的氣體在帶有懸浮粒的氣體形成腔21中制造出來。超細(xì)粒子的尺寸幾乎取決于鋁蒸發(fā)的溫度，使用的氣體種類和氣體壓力。參見圖6，打開控制閥29將氦氣從瓶28引入，從而帶有懸浮粒的氣體形成腔21的壓力保持在壓力260Pa。同時(shí)，坩堝23中的鋁26由高頻動力源加熱到1100℃。打開坩堝23的罩，鋁26蒸發(fā)。平均粒子尺寸為5nm的超細(xì)粒子分布并飄浮到氦氣中。
接下來，打開控制閥27，將分布并飄浮在氦氣中的超細(xì)粒子引入薄膜形成容器11中。在預(yù)定量的鋁蒸發(fā)后，關(guān)閉用于坩堝23的罩。控制控制閥29的打開，薄膜形成容器11和帶有懸浮粒的氣體形成腔21的壓力上升并保持在5atm的壓力。這時(shí)，帶有懸浮粒的氣體侵入基體S中的槽6和通孔7中。鋁的超細(xì)粒子擴(kuò)散并吸附到槽6和通孔7的加熱的內(nèi)壁表面，從而形成鋁薄膜。
接下來，通過光學(xué)方法測定厚度監(jiān)控器15上形成的薄膜厚度來決定形成在基體S的槽6和通孔7的內(nèi)表面上的鋁薄膜的厚度。測量控制裝置16對形成在監(jiān)控器15上的膜厚進(jìn)行連續(xù)測量。當(dāng)獲得薄膜的預(yù)定厚度時(shí)，關(guān)閉控制閥27，29。
當(dāng)要形成的膜厚較大或當(dāng)不能由一個(gè)帶有懸浮粒的氣體操作獲得預(yù)定的薄膜厚度時(shí)，可重復(fù)進(jìn)行除清洗操作外的上述操作。同時(shí)，測量控制裝置16控制閥27，29的打開和關(guān)閉、坩堝23的罩的打開和關(guān)閉以及真空系統(tǒng)12的停止和起動。
當(dāng)已形成預(yù)定厚度的鋁薄膜時(shí)，真空系統(tǒng)12起動以對薄膜形成容器11的內(nèi)部抽真空。然后，打開控制閥34以引入氬氣，由支承框架14的加熱機(jī)構(gòu)在300℃的溫度下在設(shè)定時(shí)間內(nèi)加熱基體S。由該加熱操作使鋁薄膜應(yīng)力釋放并穩(wěn)定。因而，完成一系列薄膜形成操作。將在其槽6和通孔7的內(nèi)壁表面形成有鋁薄膜的基體S從薄膜形成容器11中取出。
在上述實(shí)施例中，為了用平均直徑為5nm的鋁的超細(xì)粒子在槽6和通孔7內(nèi)表面壁上形成薄膜，其中槽6的寬度等于0.1μm，通孔7的直徑等于0.2μm，并且槽6和通孔7的縱橫尺寸比分別為3和5，使壓力兩階段變化，當(dāng)生產(chǎn)帶有懸浮粒的氣體時(shí)，壓力保持在260Pa，而當(dāng)形成薄膜時(shí)，壓力保持在5atm。但，當(dāng)孔的直徑為2μm并且縱橫尺寸比為1時(shí)，可在生產(chǎn)帶有懸浮粒的氣體和薄膜形成操作中共同使用壓力103-104Pa。
盡管對優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描述，但對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說在所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)可作各種變換。
例如，在上述實(shí)施例中，設(shè)置了只將一個(gè)基體S支承在薄膜形成容器11中的基體支承框架14上。當(dāng)然也可以是多個(gè)基體S支承在一個(gè)基體支承框架14上，并且薄膜可在基體上同時(shí)形成，如圖7A所示?；蛘呷鐖D7B所示，多個(gè)基體S’可設(shè)置在角鼓18的圓周表面上，其中鼓18繞軸線轉(zhuǎn)動。
在上述實(shí)施例中，薄膜形成裝置10由一個(gè)容器11構(gòu)成。如圖8所示，可通過門閥設(shè)置多個(gè)薄膜形成容器111，112，---，11n。在這種情況下，基體S沿一個(gè)方向運(yùn)動以形成多層薄膜?？墒褂萌鐖D8a所示的直線設(shè)置(直線型)或如圖8b所示沿圓周設(shè)置(轉(zhuǎn)動型)。此外，也可使用集束狀型。在這種情況下，處理腔圍繞一一分配中心1c設(shè)置。然而，在所有上述方法中，每個(gè)薄膜容器111，112，---，11n使用一真空系統(tǒng)，一懸浮微粒的生產(chǎn)腔，一氣體供應(yīng)系統(tǒng)和一測量控制裝置。它們在圖8中省略。此外，在所有上述方法中，設(shè)置一基體引入和取出腔110，用于引入或取出基體。在如圖8A所示的直線型中，一端設(shè)置一引入腔110′，另一端設(shè)置一取出腔110″。在這種情況下，引入腔110′可用作基體的清洗腔。在如圖8B所示的轉(zhuǎn)動型中，基體S沿箭頭m所示的方向運(yùn)動。薄膜容器111，112，---，116可沿箭頭n所示方向轉(zhuǎn)動。在圖8C所示的集束狀型中，它們可繞分配中心110轉(zhuǎn)動。在分配中心110設(shè)置一具有伸縮臂的機(jī)器人R。因而，通過機(jī)器人R將基體引入和取0出處理腔。
此外，在上述實(shí)施例中，真空系統(tǒng)12為薄膜形成容器11和懸浮微粒生成腔21所共用。但也可為懸浮微粒生成腔21單獨(dú)設(shè)置一真空系統(tǒng)。此外，在上述實(shí)施例中，連接到懸浮微粒生成腔21的控制閥29用于薄膜形成容器11的壓力保持和增加。然而，可單獨(dú)設(shè)置用于薄膜形成容器11的壓力控制發(fā)和氣體瓶。
此外，上述基體S具有通孔。它具有作為下層的上表面的底部。在本實(shí)施例中使用大縱橫尺寸比的通孔。
在上述實(shí)施例中，鋁薄膜形成在具有硅基板1的基體S上。然而，可使用具有細(xì)孔的三維陶瓷載體?？稍诖呋瘎┹d體的細(xì)孔的內(nèi)壁表面上形成例如鈀的金屬催化劑。此外，當(dāng)薄膜形成后激活表面時(shí)，本發(fā)明的薄膜形成方法和薄膜形成裝置可應(yīng)用于載體。
此外，在上述實(shí)施例中，鋁的超細(xì)粒子薄膜形成在基體上。然而，也可用其它鋁以外的金屬，例如金，銀和鉑作為超細(xì)粒子的材料。此外，可用陶瓷超細(xì)粒子，例如SiC(碳化硅)，TiN(氮化鈦)，AlN(氮化鋁)，SiO2(氧化硅)和Al2O3(氧化鋁)形成薄膜。此外，在該實(shí)施例中，用氦氣作為超細(xì)粒子的分散介質(zhì)，但也可使用氬氣，氫氣，氮?dú)?，氧氣或它們中的兩種或三種的混合。
權(quán)利要求
1.一種形成超細(xì)粒子薄膜的方法，包括以下步驟(A)在真空下設(shè)置一基體，所述基體具有直徑小于2μm，縱橫尺寸比大于1的有底孔、通孔、或具有類似尺寸的槽；(B)應(yīng)用使直徑小于0.1μm的超細(xì)粒子分散懸浮于壓力在102Pa以上的氣體中的懸浮微粒；以及(C)所述懸浮微粒擴(kuò)散和吸附到所述內(nèi)壁表面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的形成超細(xì)粒子薄膜的方法，其特征在于，形成的薄膜的厚度由靠近所述基體中的有底孔、通孔或槽的周圍溫度分布或溫度梯度來控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的形成超細(xì)粒子薄膜的方法，其特征在于，激活由于基體的溫度升高而被吸附的超細(xì)粒子并將所述超細(xì)粒子擴(kuò)散或化學(xué)吸附到所述內(nèi)壁表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)的形成超細(xì)粒子薄膜的方法，其特征在于，超細(xì)粒子吸附到所述內(nèi)壁表面上的表面被以這種方式改善，即超細(xì)粒子與氫氣，氧氣，氮?dú)?，鹵氣或烴氣反應(yīng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)的形成超細(xì)粒子薄膜的方法，其特征在于，重復(fù)進(jìn)行所述懸浮微粒應(yīng)用到所述內(nèi)壁表面的操作，以在所述內(nèi)壁表面上層積超細(xì)粒子薄膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)的形成超細(xì)粒子薄膜的方法，其特征在于，各種不同的超細(xì)粒子的懸浮微粒順序應(yīng)用到所述內(nèi)壁表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)的形成超細(xì)粒子薄膜的方法，其特征在于，由不同種類的超細(xì)粒子的混合物分散和飄浮構(gòu)成的懸浮微粒應(yīng)用到所述內(nèi)壁表面以形成所述混合物的薄膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)的形成超細(xì)粒子薄膜的方法，其特征在于，形成的超細(xì)粒子薄膜由保護(hù)氣體或保護(hù)液體覆蓋。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)的形成超細(xì)粒子薄膜的方法，其特征在于，所述超細(xì)粒子為金屬或陶瓷。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)的形成超細(xì)粒子薄膜的方法，其特征在于，所述氣體為氦，氬，氫，氮和氧之一或它們的混合物。
11.一種用于形成超細(xì)粒子薄膜的裝置，包括(A)一懸浮微粒的發(fā)生裝置，其中由蒸發(fā)材料制成直徑小于0.1μm的超細(xì)粒子并在氣體中分散和飄??；(B)一支承機(jī)構(gòu)，用于支承具有直徑小于2μm，縱橫尺寸比大于1的有底孔、通孔、或具有類似尺寸的槽的需要形成薄膜的基體；(C)一加熱機(jī)構(gòu)，用于加熱所述基體；(D)一壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，用于保持所述懸浮微粒在預(yù)定壓力；(E)一薄膜形成容器，至少包括所述支承機(jī)構(gòu)；以及(F)一真空系統(tǒng)，連接到所述薄膜形成容器。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的用于形成超細(xì)粒子薄膜的裝置，其特征在于，所述加熱機(jī)構(gòu)至少為第一加熱源和第二加熱源之一，第一加熱源用于在所述基體中的所述帶底的孔，所述通孔或所述槽的附近產(chǎn)生溫度分布或溫度梯度，第二加熱源用于使上述基體溫度上升激活要吸附到所述帶底的孔，所述通孔或所述槽的內(nèi)壁板正面上的所述超細(xì)粒子。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12的用于形成超細(xì)粒子薄膜的裝置，其特征在于，具有一進(jìn)入機(jī)構(gòu)，用于引入氫氣，氮?dú)?，鹵氣和烴氣以改善附著的超細(xì)粒子的表面或所述內(nèi)壁表面。
14.根據(jù)權(quán)利要求11-13中任一項(xiàng)的用于形成超細(xì)粒子薄膜的裝置，其特征在于，設(shè)置一測量控制裝置，用于連續(xù)測量所形成的超細(xì)粒子薄膜的厚度，根據(jù)測量的結(jié)構(gòu)控制懸浮微粒的引入的開始和停止，以及控制所述壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
15.根據(jù)權(quán)利要求11-14中任一項(xiàng)的用于形成超細(xì)粒子薄膜的裝置，其特征在于，設(shè)置一第二引入機(jī)構(gòu)，用于引入保護(hù)氣體或保護(hù)液體，以保護(hù)所述超細(xì)粒子薄膜。
16.根據(jù)權(quán)利要求11-15中任一項(xiàng)的用于形成超細(xì)粒子薄膜的裝置，其特征在于，所述支承機(jī)構(gòu)支承多個(gè)所述基體。
17.根據(jù)權(quán)利要求11-16中任一項(xiàng)的用于形成超細(xì)粒子薄膜的裝置，其特征在于，多個(gè)所述薄膜形成容器沿直線(直線型)或沿圓周(轉(zhuǎn)動型)或圍繞所述基體的分配中心呈放射狀的集束狀。
全文摘要
形成超細(xì)粒子薄膜的方法，包括以下步驟在真空下設(shè)置基體，該基體具有帶底孔、通孔、或槽；在孔，通孔或槽的內(nèi)壁表面上應(yīng)用超細(xì)粒子的懸浮微粒，所述懸浮微粒在高于10
文檔編號C23C14/04GK1159367SQ9611673
公開日1997年9月17日 申請日期1996年12月27日 優(yōu)先權(quán)日1995年12月27日
發(fā)明者林主稅 申請人:真空冶金株式會社