專利名稱：脈沖離子束輔助淀積的制作方法
本申請是1994年11月16日提出的共同待批美國專利申請?zhí)?8/340,519的部分繼續(xù)，專利08/340,519是1994年10月4日提出的申請?zhí)?8/317,948美國專利申請的部分繼續(xù)申請，而專利申請081/317,948是1993年11月6日提出的申請?zhí)?8/153,248美國專利申請的部分繼續(xù)。本發(fā)明是在美國能源部合同DE-AC04-94AL85000下由政府支持完成的。政府在本發(fā)明中擁有一定的權(quán)利。
本發(fā)明主要闡述了材料工業(yè)中高含量涂層淀積的一般問題。特別是，本發(fā)明解決了低成本商業(yè)規(guī)模淀積涂敷材料的問題，它的特性超過了那些無輔助淀積技術(shù)所得出的結(jié)果。
在把一種材料淀積在另一種上的一般領(lǐng)域內(nèi)，一個主要問題就是難于影響整體結(jié)構(gòu)的最終狀態(tài)?？刂拼蠖鄶?shù)物理淀積技術(shù)結(jié)果的主要參數(shù)是基片材料和所淀積材料的相對熱容量和導(dǎo)熱性。由于這些材料參數(shù)不能改變，因此最重要的過程控制參數(shù)就是基片溫度，其次是淀積速率。
在常規(guī)淀積過程中，基片和淀積速率的作用實(shí)際上是緊密相關(guān)的。在原子的規(guī)模上，作為一種熱起動過程的表面擴(kuò)散的速度必須要足夠高，以便新淀積的原子在它們由于被淀積源所發(fā)出的額外原子所覆蓋而被控制在不希望的位置上之前能夠在涂層內(nèi)結(jié)構(gòu)中找到適當(dāng)位置。因此有可能從基片溫度T1構(gòu)成過程控制參數(shù)，而且淀積速率α是有近似形式β＝αexp(E/kT1)此處E是表面擴(kuò)張能量。這樣β就是淀積速率與表面擴(kuò)張步幅的速率之間的簡單定額。
實(shí)際上，單個簡單的這種形式的定額不足以用于預(yù)測物理淀積過程的結(jié)果，主要是因?yàn)樵谏芍写嬖诟偁庍^程及不平衡點(diǎn)，但β通常是一個好的基本近似值。更重要的是，象β這樣的由基片和所淀積材料的物理和化學(xué)性質(zhì)決定的簡單數(shù)值是如此接近物理淀積過程的預(yù)測。這認(rèn)為常規(guī)物理淀積控制參數(shù)的極限能力顯著改變這種過程的結(jié)果。
物理淀積過程的另一個重要要求就是淀積層應(yīng)充分附著到基片材料上。實(shí)際上，兩種材料之間的任何粘聚力都會產(chǎn)生一定水平的粘著力。但在實(shí)際上，熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力總是存在，起到了剝?nèi)セ贤繉拥淖饔?。甚至微電子學(xué)中的觸點(diǎn)區(qū)也承受到了小的但卻不是無意義的應(yīng)力，這些應(yīng)力來自搭接線以及連接這些線所用的熱壓縮搭接過程。因此，對于實(shí)際應(yīng)用，通常要求基片與涂層之間有顯著的粘著力。
以上所列出的考慮和其它與物理淀積過程有關(guān)的問題已經(jīng)導(dǎo)致試圖改變生成過程的企圖。多半，最普通的方法就是用多層復(fù)合涂層取代單涂層。這種技術(shù)旨在增加頂層對基片的粘著力。在一個簡單的方式中，一個對基片有好的粘著力的材料淀積為第一層，然后在這個中間層的頂部淀積所希望的層，該層對頂層也體現(xiàn)出好的粘著力。使用這項(xiàng)技術(shù)的問題在于，光滑的非合金層之間的粘著力本質(zhì)上是它們表面能量的作用，這樣一個具有低表面能量的層將牢固地粘接到具有高表面能量的基片上。那么，造成粘著力弱的原因估計(jì)可能是所希望的涂層材料具有比基片更高的表面能量。(后面將論述其它的原因)。如果這樣，而且中間層具有比基片更低的表面能量，那么原來的希望就是頂涂層對中間層的粘著力將比對基片的粘著力更小。這種問題常出現(xiàn)在材料之間的接面是清潔的而且則突變的時候。
已知對使用多層涂層來改進(jìn)粘著力進(jìn)行表明能量分析得出用這種方法是失敗的，那么為什么使用這種涂層呢？因?yàn)檫@種涂層取得成功有許多可能的原因。舉一個簡單的例子，即采用一個相當(dāng)軟的層將會使熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力耗散為該軟層的塑性變形，由此降低作用在材料接面上的應(yīng)力。這種方法目前已用于使一個亞微米GaAs層能連到一個硅基片上，這是一種體現(xiàn)出熱擴(kuò)張應(yīng)力差異大的材料組合。
在多層結(jié)構(gòu)中增加粘著力的主要原因多半是，兩種材料在它們相互接面處的熔合(混合)通常大大增加粘著力。在這一點(diǎn)上這種情況的原因不完全明顯，但主要影響是在界面結(jié)構(gòu)上從一個光滑并且突變的平面接面改變?yōu)橐粋€模糊的三維接面區(qū)。由于沒有明顯的斷開面，那么橫跨接面的應(yīng)力就沒有固定的集中位置，從而得出更結(jié)實(shí)的結(jié)構(gòu)。因此中間層的作用可以是它在某種程度上與基片和頂涂層熔合了。這種方法在實(shí)際應(yīng)用中通常是相當(dāng)復(fù)雜的。例如，在微電子學(xué)中，使用4-6層的不同材料不是不常見的，每種都需要獨(dú)立的淀積過程，以便形成具有足夠粘著力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的線路和電極。
為了增加粘著力而使用界面混合法時所存在的部分難點(diǎn)是，在常規(guī)淀積條件下這種混合在多數(shù)材料之間不會達(dá)到所希望的程度。這是因?yàn)楸砻鏀U(kuò)散能量顯著大于內(nèi)部擴(kuò)散能量。由于人們通常都希望使淀積速度最大，而且因此希望淀積設(shè)備的生產(chǎn)量達(dá)到最大，因此淀積速度被粗略地設(shè)定為一個值，該值使正被淀積的原子能擴(kuò)散在表面上，在被下一層埋住之前在正生長的晶體結(jié)構(gòu)中舒服地找到位置。假如主體擴(kuò)散能量比表面擴(kuò)散能量大約30-100％，這意味著在常規(guī)過程中幾乎沒有任何發(fā)生擴(kuò)散的機(jī)會。(事實(shí)上，多半2-4層的局部“擴(kuò)散”將會常被看見。這是生成期間必須發(fā)生的表面粗糙的結(jié)果，而且不是由于界面間擴(kuò)散引起的。接面還是突變的，但卻是稍有點(diǎn)不規(guī)則而不是平平的。這種混合不會顯著影響兩種材料之間的粘著力。)一種涉及這個問題及其它問題(例如避免薄膜上的小孔，這種小孔能破壞用作電絕緣體的涂層可用于改進(jìn)抗腐蝕性的涂層的效能)的新技術(shù)被稱作離子束輔助淀積(IBAD)。IBAD是目前正研究的一種方法，在這種技術(shù)中通過應(yīng)用低能離子束，把額外的振動能量引到生長涂層的近表面區(qū)。其本質(zhì)思想就是，當(dāng)入射束的動能通過離子與原子和原子與原子的碰撞被分配給近表面區(qū)(大約頂部3-10nm)中的原子時，足夠的能量(約10-30eV/原子)能傳送給單個的原子，以便克服阻礙主體擴(kuò)散的活動障礙。其結(jié)果是雙重的首先，界面混合發(fā)生，而其次，所淀積的涂層是密集的，因?yàn)橐鹬黧w擴(kuò)散的離子束起到了填充涂層中缺陷的作用，這些缺陷會導(dǎo)致小孔和類似結(jié)構(gòu)。結(jié)果是涂層具有較好的粘著力、電子特性和抗腐蝕性。
但是目前關(guān)于開發(fā)一個實(shí)際IBAD過程的進(jìn)展已經(jīng)受到了使用連續(xù)離子束激勵生長表面這個決定的限制。這個決定似乎是自然的，因?yàn)樯L過程是連續(xù)的，而且沒有任何時間比例(除了可能節(jié)省淀積單層涂層所需的時間之外)來建議使用脈沖技術(shù)。
本IBAD方式有條件限制。只有近表面區(qū)域(不超過頂部幾毫微米)受到入射離子的激勵。離子的能量相當(dāng)?shù)停话阍趲装賓V的數(shù)量級上。這樣一個離子通過連續(xù)碰撞，多半將在金屬中提供給50個原子足夠的能量，以便在它們激勵熱化之前克服對主體擴(kuò)散的局部阻礙。每平方厘米的生長表面上有1016數(shù)量級的近表面原子。為每個這種原子引入單個擴(kuò)散一般不會影響最終結(jié)構(gòu)。因此，目前每個原子將需要不定數(shù)目的激勵，以便在生長的薄膜中獲得顯著改進(jìn)；試驗(yàn)結(jié)果建議這個數(shù)量可以處于10-100的數(shù)量級上。
以上數(shù)字建議，顯著改變物理淀積過程所需的每平方厘米表面離子的劑量必須處于1015-1016個離子/cm2的數(shù)量級上(每層淀積的原子)。如果該劑量過于小，在生成結(jié)構(gòu)中將不地有多少或沒有任何明顯效果。如果劑量過大，那么受激區(qū)域的阻尼或其它形式的衰變是常見，因?yàn)榇笠?guī)模離子對晶格破壞與受破壞區(qū)域的快速硬化結(jié)合在一起防止了晶體的再生長。由此，對于約1A/S的典型生長速度，IBAD所需的離子束流大約是0.1-1百萬mp/cm2。(這是一個比較高的束流強(qiáng)度；因此，迄今大多數(shù)試驗(yàn)實(shí)際上使用較低的束流，而由此使用較小的生長速率)。
由這一水平的輻射在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的總熱載荷小于1瓦/cm2。由于受激區(qū)域的熱時間常數(shù)對于材料來說是次毫微秒的，因此很明顯，在近表面區(qū)溫度沒有一點(diǎn)有效地局部增加。這樣IBAD僅僅依賴于非熱碰撞引起的原了位移，實(shí)現(xiàn)它的優(yōu)點(diǎn)。
因?yàn)镮BAD是一個非熱過程，因此它在生長的薄膜性能上不產(chǎn)生變化，比在離子束混合和密化上更依賴于快速熱處理。對于許多涂敷應(yīng)用來說這種特性是重要的，其范圍從金屬的抗腐蝕涂層到光學(xué)涂層和微電子學(xué)。
由于上述原因，對于一種新方法，需要離子束輔助淀積，它包括一個重要的瞬時熱部件以及直接離子與原子撞碰效應(yīng)的好處。另一個需求是對能在商業(yè)規(guī)模上執(zhí)行上述方法的設(shè)備的需要，所述設(shè)備最好能進(jìn)行多種涂層/基片組合體的快速經(jīng)濟(jì)涂敷。
本發(fā)明涉及一種離子束輔助淀積的新方法，它被稱作脈沖離子束輔助淀積(PIBAD)，并且涉及能執(zhí)行所述新發(fā)明的設(shè)備，該方法滿足上述材料工業(yè)的需要。本發(fā)明本質(zhì)上是在生長過程期間薄表面層(約1-10μm)的周期性熱過程。因此，生長和脈沖離子束幾乎是獨(dú)立的過程，生長過程主要用于把材料淀積在一個表面上，隨后脈沖離子束把該材料變到所希望的最終結(jié)構(gòu)中。
因此，PIBAD與IBAD過程相比，依賴于根本不同的方法材料淀積。PIBAD過程中產(chǎn)生的周期性熔化和再生長(或其它瞬時熱效應(yīng))給出了IBAD過程最有價值的優(yōu)點(diǎn)以及IBAD所得不到的意義深遠(yuǎn)的結(jié)構(gòu)效應(yīng)。參考以下所述及所附權(quán)利要求將更容易理解本發(fā)明大量的實(shí)施例以及其它特點(diǎn)、其它方面和優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)本文所給的詳細(xì)描述及附圖將更充分地理解本發(fā)明，其中附圖僅通過圖示的方式結(jié)出，因此不會對本發(fā)明產(chǎn)生限制。特別是，

圖1-3描述了一個IBEST快速重復(fù)脈沖離子加速器，包括一個高能重復(fù)脈沖動力(RHEPP)電源和一個磁約束正極等離子體(MAP)離子源。但是，IBEST加速器的描述未排除使用另一種具有類似工作參數(shù)的設(shè)備。
圖1是一幅RHEPP脈沖動力系統(tǒng)的簡圖；圖1A是一幅圖1中脈沖動力系統(tǒng)所用的脈沖壓縮系統(tǒng)15的電路圖；圖1B是一幅脈沖成形線部件的橫剖面圖；圖1C是一幅線性感應(yīng)電壓加法器(LIVA)的橫剖面圖；圖2是一幅本發(fā)明磁控正極等離子體(MAP)源25的局部橫剖面圖2A是圖2的改進(jìn)版，示出了MAP源中由快和慢線圈產(chǎn)生的磁力線；圖2B是一部分圖2的放大圖，示出于氣體入口閥和氣體進(jìn)入通道；圖2C是快線圈電路的示意圖；圖3是MAP離子二極管整個橫剖面的示意圖；圖4是一組各方面PIBAD過程的示意圖；圖4A是一個過程的示意圖，使用該過程，從第一種材料表面上蒸發(fā)的材料重新淀積在該表面上；圖4B是一個過程的示意圖，使用該過程，從第一種材料表面上蒸發(fā)的材料復(fù)新淀積在第二個材料表面上；和圖4C是一幅處理一個被淀積層的示意圖。
脈沖離子束輔助淀積過程的本質(zhì)就是，伴隨著在一種基片上生成一種材料的過程，在近表面區(qū)上進(jìn)行快速重復(fù)的脈沖熱過程，由此改變復(fù)合結(jié)構(gòu)的特征結(jié)構(gòu)。這種熱過程是通過在生長過程期間和/或在生長過程之后用一次或多次高速流動的離子脈沖，輻射生長表面來進(jìn)行的。假定一個足夠快的脈沖(對于金屬是-100nsec)，粒于脈沖的基本作用就是顯著提高薄表面層的溫度，而不是與粒子注入有關(guān)的非熱能碰撞作用。根據(jù)脈沖時單位面積上的能量數(shù)量以及粒子注入復(fù)合結(jié)構(gòu)的深度，這種熱能能夠用于三種主要作用，樣本近表面區(qū)的退火、熔化和氣化。
圖4C示出了生長在基片42上的薄膜45的脈沖離子束輔助淀積過程。這個薄膜是由一個生長設(shè)備(未示出)來生長的。然后離子脈沖發(fā)生器40產(chǎn)生高能離子脈沖41，該脈沖與薄膜表面垂直。根據(jù)離子的能量和種類，只有薄膜45可以被加熱，或者薄膜45與基片42均可以被加熱。
但在開始詳細(xì)描述脈沖離子束的作用之前，為一些重要的物理參數(shù)推導(dǎo)近似關(guān)系是有用的。這是因?yàn)椋瑴囟壬咭约耙环N給定材料承受這種溫度升高的時間長度(即，對于這種被加熱層的熱時間常數(shù))在各種材料之間變化顯著。設(shè)σ等于單個離子脈沖的表面能量密度，λ是離子注入深度，k是目標(biāo)材料的導(dǎo)熱率，c是目標(biāo)材料的比熱，而ρ是目標(biāo)材料的密度。這樣，與單個離子脈沖吸收有關(guān)的溫度升高就近似等于ΔT ≈σ/cρλ而被離子脈沖加熱區(qū)域的熱時間常數(shù)近似為Δt～cρλ2/kΔT和Δt與目標(biāo)材料的特性以及離子束的特征相比較，就能使一個人預(yù)測到所給定脈沖離子束輔助淀積過程的結(jié)果。
擁有比較小能量數(shù)的離子束脈沖能為復(fù)合結(jié)構(gòu)提供快速的熱退火。用于退火過程的離子脈沖表面能量密度應(yīng)達(dá)到不會熔化目標(biāo)材料的程度，但是應(yīng)足夠接近熔點(diǎn)(大概0.6-0.99Tm)以便在目標(biāo)表面保持熱的期間其熱效應(yīng)顯著。例如，如果使用銅作目標(biāo)材料，其熔化溫度≈1350°K。在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下開始，而且目的是使最終溫度達(dá)0.9Tm，所希望的ΔT是≈1100°K。如果離子注入深度λ是5μm，那么以上第一個關(guān)系式得出離子束脈沖的表面能量密度為σ≈1.9J/cm2。離子加熱區(qū)的熱時間常數(shù)Δt≈200nsec。為了對比，如果同樣的問題用于鎢，則所必須的σ≈3.9J/cm2而且Δt≈350nsec。此外，如果在一個銅接頭上敷有銦涂層(例如)，則σ僅僅大約為0.1J/cm2，同時Δt≈500nsec。最后一個金屬實(shí)例是不銹鋼，此處同樣標(biāo)準(zhǔn)的退火條件將要求σ≈0.6J/cm2而且時間常數(shù)Δt≈5nsec，這歸因于合金的低導(dǎo)熱率。很明顯，所希望的結(jié)果將依據(jù)目標(biāo)材料是什么，在很大的脈沖能量范圍內(nèi)變化。因此，關(guān)于所需能量數(shù)的綜合論述以及與一個已知輻射條件有關(guān)的熱時間常數(shù)的綜合論述是不可能的，但是它們必須對于每種狀況使用以上關(guān)系式粗略地進(jìn)行計(jì)算。
另一個最重要的因數(shù)是在離子脈沖熱效應(yīng)之后溫度冷卻的速率。這個參數(shù)近似為ΔT/Δt ≈σk/(cρ)2λ3。對于以上實(shí)例的冷卻速率變化范圍從銅實(shí)例的≈1010°K/sec到不銹鋼的1010°K/sec。注意，ΔT/Δt的值和入3成正比變化，這樣離子注入深度(或等效為離于動能)在確定冷卻速率時是最最重要的參數(shù)。
稍大的能量淀積將會熔化復(fù)合結(jié)構(gòu)的離子注入深度。以上對于被熔化層還是近似正確的數(shù)字認(rèn)為，在金屬中凝固的時標(biāo)處于幾百毫微秒的數(shù)量級，它對應(yīng)于在10-50m/sec數(shù)量級上液體與固體接面速率。盡管這種運(yùn)動是非?？斓模沁@種固體與液體界面速率在金屬中是與多晶體或甚至與單晶體材料的高品質(zhì)再生長有關(guān)。其用于熔化表面層的基本應(yīng)用就是由于離子脈沖作用的結(jié)果，淀積n微米的材料，即使在約100pps時這也需要快速的淀積速率，它將產(chǎn)生極其稀薄的淀積狀態(tài)下的材料。然后離子束脈沖被用作熔化和再生長這種材料，由此大大改進(jìn)該材料的特性。如果離子脈沖注入得足夠深以至基片生長層界面被熔化，那么另一種應(yīng)用就是在許多種材料的組合物中組織高合金區(qū)域，即使當(dāng)這種合金在預(yù)定的工作溫度下對于復(fù)雜的復(fù)合材料在熱動力上未被推薦也是如此。注意，由于厚達(dá)10μm的材料可以被單個離子脈沖過程，而且我們將會看到IBEST系統(tǒng)能輕易地得到100pps的脈沖速率，因此實(shí)際上所得出的從有缺陷材料向高質(zhì)量材料的轉(zhuǎn)變將使淀積速率達(dá)1mm/sec的數(shù)量級。這相對于常規(guī)的物理和/或化學(xué)蒸汽淀積過程有了巨大的改進(jìn)，而常規(guī)淀積過程在一個表面上一般高質(zhì)量淀積＜＜1μm/sec。因此本發(fā)明具有比現(xiàn)有方法更快速地淀積材料的優(yōu)勢，快大約3-4個數(shù)量級，這打開了直接借助物理淀積法生長機(jī)器部件的大門，而且是一種對燃?xì)廨啓C(jī)和噴氣發(fā)動機(jī)部件特別有用的技術(shù)。
在還要高的離子脈沖表面能量密度下，復(fù)合材料的表面層將被汽化，一般又會近似達(dá)到離子深入的深度。這可能似乎是在目標(biāo)被生長薄膜時所作的一件怪事。但是，它至少有兩種作用，潛在地用于生長特殊結(jié)構(gòu)上。首先，當(dāng)一個層從一個表面被汽化時，一個沖擊波被傳遞進(jìn)該表面。如果一個10μm的層在約100nsec內(nèi)被汽化，而且所汽化的材料具有大約10的比重，那么向內(nèi)傳播的沖擊波就有1Gpa或10kbar數(shù)量級大小。這樣一個沖擊波大得足以在幾乎任一種材料中引起塑性流動和位移增加，由此顯著改變末汽化剩余材料的機(jī)械性能。實(shí)際上，常會使該表面大大硬化。其次，當(dāng)一個薄表面層在短短的時間量程內(nèi)轉(zhuǎn)變成高溫汽化狀態(tài)時，它向該表面以及遠(yuǎn)離該表面擴(kuò)張。由此，一部分被汽化的材料將從其所來自的地方重新淀積在該表面上。所得出的表面可能具有極好的特性，因?yàn)樗桥c具有數(shù)千大氣壓力的低溫(約1eV)等離子體聯(lián)系在一起生長的。
在圖4A的分圖1-4中圖示了這種作用。在分圖1中，離子400的短脈沖到達(dá)基片402的近表面區(qū)401。401的厚度是基片材料中離子注入范圍，而且脈沖的總能量是以汽化401中的材料。在分圖2中，離子的脈沖已被近表面區(qū)401所吸收，它現(xiàn)在已被汽化。但是，脈沖的時間間隔相當(dāng)短(約100nsec)，以至于401中的材料盡管已被汽化但卻沒有任何時間顯著擴(kuò)張。在分圖3中，401中的材料正擴(kuò)張，盡管此時它還具有很高的壓力和密度。由于熱量從401與402之間的界面快速傳遞開，進(jìn)入402的主體，由此重新淀積的材料層403開始生成在此界面上。最后，在分圖4中，所有構(gòu)成近表面區(qū)的蒸汽已經(jīng)散去，而且基片402敷有一層材料403，它是在401擴(kuò)張的高溫和高壓的初期階段中由401的蒸汽重新淀積成的。
另一種可能就是一個人可以希望把一層材料汽化成比所淀積的層還薄。在這種情況中將會改變初始表面的特性，同時盡可能不引起初始表面的揮發(fā)。這能通過在該表面上淀積一個犧牲層，然后施加一個足以汽化稍厚于犧牲層的表面層的離子脈沖。如果認(rèn)真選擇參數(shù)，重新淀積在該表面上的材料實(shí)質(zhì)上是被汽化的那部分初始表面。結(jié)果是，該表面已承受一個強(qiáng)大的沖擊波以及承受被汽化材料的高溫高壓再淀積，但實(shí)質(zhì)上還包含有該表面的初始材料，而且最終表面的位置實(shí)質(zhì)上是最終表面的那部分。但是被葉過的表面的特性將以一種不容易接受的方式改變，即使通過使用熱葉的較弱離子束脈沖所能產(chǎn)生的快速熔化和再生長也是如此。
脈沖離子束輔助淀積過程的另一個應(yīng)用在于從表面上清除揮發(fā)性材料。例如，有可能把一個表面加熱得足以清除掉烴類污物層，而不會干擾下面的結(jié)構(gòu)。這種清除過程在微電子、鍍敷、機(jī)械裝配及食品工業(yè)中可能是有用的，消除了使用致癌熔劑所產(chǎn)生的問題。
以上所述簡單地介紹了與常規(guī)生長過程結(jié)合在一起使用脈沖離子事的潛力。脈沖離子束輔助淀積過程主要受控于離子注入的深度和離子脈沖的總能量。因?yàn)樵谑褂妹}沖離子束淀助演積一般不會有任何化學(xué)影響，只要達(dá)到所希望的離子注入深度，這些離子的本身能量和動能就是不重要的了。因此，任何能產(chǎn)生離子脈沖(它具有適當(dāng)動能、峰值功率和每次脈沖總能量)的加速器系統(tǒng)都能用于構(gòu)成本發(fā)明的脈沖離子束輔助淀積過程中。特別是一種系統(tǒng)，即EBEST系統(tǒng)，它是美國專利申請08/317，948的主題，將被較詳細(xì)地描述，但本發(fā)明未打算排除其它脈沖離子加速器系統(tǒng)。
開始，將概述IBEST系統(tǒng)的工作參數(shù)。IBEST系統(tǒng)一般使用大于20keV的離子能量(更常用的是大于100keV)，而且小于1MeV，由此得出的離于注入深度處于1-50μm的數(shù)量級上，這根據(jù)離子和目標(biāo)原子的個性而定。這和離子束，輔助淀積過程中所產(chǎn)生的幾毫微米形成了鮮明的對象。IBEST設(shè)備能產(chǎn)生大于10MeV的離子能量，但是這種能量不很適合本發(fā)明。適于脈沖離子束輔助淀積應(yīng)用的IBEST設(shè)備一般擁有一百千瓦的平均功率而且擁有大約100pps的脈沖重復(fù)頻率。因此每次脈沖的總能量大約是4焦耳。已知一個數(shù)百nsec的脈沖時間間隔，離子脈沖的峰值功率是大約1010瓦。因?yàn)镸AP二極管能輻射大約5-1000cm2的面積，那么當(dāng)IBEST系統(tǒng)全功率(100kw)工作時離子脈沖的表面能量密度范圍大約為1-200J/cm2。如果需要較低的表面能量密度，那么或者可以散開離子束或者可以減小每次脈沖的能量。一個具有更大或更小功率的IBEST系統(tǒng)不能被制成適當(dāng)特殊的應(yīng)用，沒有任何根本原因。以上數(shù)字僅僅滿足在考慮脈沖離子束輔助淀積應(yīng)中的特殊需要，而且沒有意圖以任何方式來限制本發(fā)明。
以上所述的功率和時標(biāo)完全可以為涂層退火、熔化和再生薄膜，或汽化近表面層。在金屬中被加熱層的熱時間常數(shù)大約為1-10倍于離子脈沖本身的值，因此PIBAD過程的材料以108°K/sec或更大的數(shù)量級的速率冷卻，這快得足以普遍保護(hù)高溫結(jié)構(gòu)。在適當(dāng)功率等級上，近表面區(qū)熔化，然后使用下面的原子結(jié)構(gòu)作為基片再生長。這種過程往往能清除掉不希望有的結(jié)構(gòu)(例如，非晶性結(jié)構(gòu))并且能使近表面區(qū)域密實(shí)。因此IBEST技術(shù)應(yīng)用于材料淀積問題為控制已完成制品的結(jié)構(gòu)提供了一種以前未了解到的多面性。
PIBAD法進(jìn)行薄膜淀積當(dāng)用IBEST技術(shù)執(zhí)行時，其另一個重要特性就是常常有可能使材料淀積速率大大增加。要考慮使用適合于近表面區(qū)域熔化和再生長的離子能量和功率等級的情況?；旧?，只需每次作用一次離子脈沖，對應(yīng)于近表面區(qū)厚度的一定材料就被淀積上。(實(shí)際上，可以使用稍高的重復(fù)頻率，但這種假設(shè)足以滿足本發(fā)明)。然后就有可能在離子脈沖之間近似淀積1μm的材料或更多。已知一個100pps的脈沖重復(fù)頻率，總材料淀積速度將會相當(dāng)高以至預(yù)脈沖結(jié)構(gòu)在原子和宏觀等級上高度欠缺的。但是與常規(guī)技術(shù)不同的是，這種材料淀積過程的唯一作用就是把材料放在了生長面上。然后這些材料通過PIBAD過程的熱效應(yīng)被改變到所希望的結(jié)構(gòu)中。這種過程認(rèn)為，使用IBEST技術(shù)，對于能控制熱載荷的材料，就有可能得到0.1-1mm/sec數(shù)量級的高質(zhì)量材料淀積速率。這個速率比以前任何已知的能產(chǎn)生高質(zhì)量結(jié)構(gòu)的淀積過程都要快101到106倍。
使用PIBAD過程有可能得到的這種巨大的淀積速率，使制造宏觀產(chǎn)品使用物理淀積變得有可能了。這種產(chǎn)品的一個實(shí)例就是用于小型天然氣發(fā)電機(jī)的燃?xì)廨啓C(jī)葉片。使用PIBAD過程，這樣一種設(shè)備用可變化外形的淀積罩來確定渦輪葉片的結(jié)構(gòu)，將花不到1小時的時間來生長。每個生長周期使用多個PIBAD脈沖就有可能使被壓實(shí)的已冷卻的高溫結(jié)構(gòu)成形，它可能優(yōu)于常規(guī)的渦輪葉片。
把這個概念取到極限，基本上將有可能使用PIBAD過程制造卡車用柴油機(jī)，它具有幾個小時的淀積周期，給出并改進(jìn)能輻射更大面積的IBEST系統(tǒng)。發(fā)動機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部結(jié)構(gòu)將用外殼制成，基本上(如果在細(xì)節(jié)上不要求)以類似于3-D激光放大器工作的方式。因?yàn)楹辖鹉茉跍?zhǔn)確的位置處被再生長、被沖擊處理、熱處理、和高壓汽化再淀積，因此如果一個過程能被開發(fā)到滿足生產(chǎn)擁有百萬公里預(yù)期壽命卡車柴油機(jī)的DVT目標(biāo)，就不會令人吃驚了。顯然，PIBAD系統(tǒng)對于制造大規(guī)模商用產(chǎn)品具有巨大的潛力。
在使用PIBAD制造機(jī)械部件中，至少存在一個大問題。這就是巨大的速率，淀積源必須以此速率傳送被淀積的材料以構(gòu)成該部件。如果使用一個100千瓦IBEST系統(tǒng)執(zhí)行PIBAD過程，那么在數(shù)百平方厘米的面積上能熱處理約1mm/sec。這意味著每秒鐘必須提供10cm3的材料給生長表面。由于材料多半也去往其它的表面，對于淀積源來說這是一個微小的速率。在此時沒有任何這種淀積源存在。
但是，PIBAD過程本身能用作淀積源。如圖4B所示，一個脈沖離子源40能輻射給目標(biāo)材料42足夠的能量的離子41脈沖，以便汽化基片42的近表面區(qū)，構(gòu)成羽狀的汽化材料43。然后就能放置生長表面44，以便從目標(biāo)產(chǎn)生的羽狀汽化材料43被吸收在其上。由于這種過程所具有的巨大生長速率，通常將會建立第二個IBEST系統(tǒng)，以軸射生長面。這個IBEST系統(tǒng)將被調(diào)節(jié)，以簡化PIBAD的熔化及再生長過程，由此產(chǎn)生高質(zhì)量的材料。有可能使用單個IBEST系統(tǒng)用于淀積源和生長表面這兩個輻射，但這涉及額外的束控制硬件。
在汽化羽狀物中有多少材料？假定離子脈沖具有10kJ的總傳遞能量(這樣，是一個1MW的IBEST系統(tǒng))。調(diào)節(jié)離子能量和離子個性，直到羽狀物具有大約2eV的動能。然后蒸氣具有大約10000°K的有效溫度。被氣化的材料總量大到是0.05克分子，或大約為3gms的鋼。一些材料重新淀積在淀積源表面上，但是該材料的作用和羽狀物的溫度是多大呢。不管怎樣，重新淀積的材料數(shù)量總會遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于被氣化的總材料的一半。如果我們假定被氣化材料的一半耗費(fèi)在再淀積和幾何因素上，那么一些1.5gms體積約0.2cm3的鋼在1MW PIBAD淀積系統(tǒng)的每次脈沖中被傳送到生長面。在100pps的重復(fù)頻率下，傳送給生長面的總材料大約為20cm3/sec，這是一個以前任何淀積系統(tǒng)都無法匹敵的速率。為了匹配用于執(zhí)行PIBAD熱過程的特殊脈沖離子束源的能力，材料必須傳送給生長面的速率將依賴于淀積的材料和幾何形狀，這些是本技術(shù)熟煉的人都知道的。
下面論述IBEST快速重復(fù)脈沖離子束系統(tǒng)，它能用于為脅沖離子速輔助淀積產(chǎn)生離子束。但是注意，本發(fā)明的焦點(diǎn)是淀積和熱處理，它們不依賴任何特殊的離子源、加速器或電源設(shè)計(jì)，只要脈沖離子束輸出如前文所詳述適用于PIBAD過程。例如，用于熱過程的脈沖能量源能包括激光、等離子體脈沖，等離子體軌道炮和脈沖電子束，所有這些本質(zhì)上都是用類似于IBEST系統(tǒng)的方式來使用的。
各種離子束源存在。典型的離子束發(fā)生器使用在陽極上的弧形放電電子面作為離子源，其后用磁性或用幾何學(xué)把所產(chǎn)生的離子束指向并聚焦到所感光趣的材料上。這個表面(飛弧也稱作“飛弧”)在小于100個脈沖時摧毀正極表面，并且產(chǎn)生不能調(diào)節(jié)的混合種類的離子。其它由飛弧引起的困難包括產(chǎn)生大量的難于制造高重復(fù)頻率的中性氣體、產(chǎn)生能污染被過程表面的碎片，以在某些情況下由于局部的難于控制飛弧離子源的特性而使離子束不均勻和不再生。
目前工藝水平的離子束發(fā)生器一般是“單擊”裝置，即它們以低重復(fù)頻率(＜＜1Hz)工作?，F(xiàn)今的高經(jīng)度離子束發(fā)生器由于一些原因，不能以高重復(fù)頻率(＞＞1Hz)工作。首先，現(xiàn)今的脈沖電源不能產(chǎn)生擁有電壓、脈沖寬度(即，額定瞬時間隔)的高重復(fù)頻率電脈沖，而且不能形成產(chǎn)生離子束所需的脈沖能量，其中離子束是文中所述的各種有益應(yīng)用所必須的。這種限制體現(xiàn)了商用開發(fā)的不實(shí)際性。但是應(yīng)注意，從一個堅(jiān)固的離子束源產(chǎn)生的單擊表面過程對于某些用途是足夠了。其次，現(xiàn)今離子束發(fā)生器的設(shè)計(jì)不允許在持續(xù)數(shù)量的工作周期(＞＞103)的重復(fù)工作，而不更換主部件。這利限制需要維護(hù)時間一與日常制造工作不相容的制造時間比。第三，現(xiàn)今離子束發(fā)生器一般以＜5％的電效率工作，這樣，對發(fā)生器的脈沖電源和冷卻系統(tǒng)提出了較大挑戰(zhàn)。這些限制和其它一些因素就造成了不可能在日常把上述常規(guī)離子束技術(shù)用于脈沖離子束輔助淀積。
MAP(磁力約束正極等離子體)離子源是特別有意義的，煙為它們能夠借助MAP離子源磁結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的磁屏蔽，把離子源結(jié)構(gòu)與離子的等離體的破壞作用屏蔽開。但是，大多數(shù)以前技術(shù)的MAP離子源被設(shè)計(jì)用在束線中，它還包括各種電子和/或磁場所產(chǎn)生的離子束的順流控制和限制。這種控制和限制是必要的，因?yàn)檫@些MAP離子源的磁結(jié)構(gòu)引起束旋轉(zhuǎn)，此MAP離子源把顯著的旋轉(zhuǎn)傳給所產(chǎn)生的離子束。順流電場或/和磁場尺寸增加了采用這種MAP離子源的系統(tǒng)的復(fù)雜性、尺寸和費(fèi)用。
本文中所述的IBEST系統(tǒng)包括一個新型的磁力約束正極等離子體離子束源。這種新型的MAP離子二極管在一些方面有所改進(jìn)。它的磁場被設(shè)計(jì)成一種形狀，這樣，快線圈場與慢線圈場之間的分界線(B＝0)被布置得靠近正極，以便使離子束旋轉(zhuǎn)最小或忽略它。氣體噴嘴被設(shè)計(jì)成能產(chǎn)生高馬赫數(shù)(超音速)的氣流速度，以便有效地定位氣體噴射，該氣體噴射被引入到最靠近快線圈的電離區(qū)。此外還提供措施建立一個可調(diào)偏轉(zhuǎn)場，以控制等離子體的形成位置。一個快環(huán)繞場放在氣體噴射處，它供電離區(qū)用于預(yù)電離氣體。這些和其它的改進(jìn)有助于使MAP離子束源實(shí)際用于大規(guī)模工業(yè)操作。
本發(fā)明的MAP離子二極管用于脈沖離子束輔助淀積過程，需要大功率的脈沖電源。下文的詳細(xì)描述將集中在一個這種尖年，即在Sandia國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的重復(fù)式高能脈沖動力(RHEPP)系統(tǒng)。其它快速可重復(fù)脈沖高壓大功率電源當(dāng)被研制出時能使用。對于單擊應(yīng)用，其它的電源，錫Marx發(fā)生器也能使用。
MAP離子二極管當(dāng)與RHEPP源結(jié)合在一起時，得出一個能產(chǎn)生大平均功率并且能在持續(xù)工作周期內(nèi)重復(fù)使用的離子束發(fā)生器系統(tǒng)，用于以具有吸引力的成本在大表面面積的材料上輔助淀積。特別是，本發(fā)明的離子束發(fā)生器能產(chǎn)生高平均功率(1kW-4MW)0.02-20MeV能量的脈沖離子束，而且脈沖時間間隔或長度從大約10ns-2μs，或根據(jù)特殊應(yīng)用的需要更長。
在脈沖離子束發(fā)生系統(tǒng)中的第一個組成部分就是一個小型的、電效率高、重復(fù)脈沖、磁性交換的脈沖動力系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能產(chǎn)生109脈沖工作循環(huán)，由H.C.Harjes等人在第8屆IEEE國際脈沖動力會議(1991)中論述，而且在D.L.Johson等人的“四階段RHEPP加速器初始測試結(jié)果”一文的第437-440頁中以及C.Harjes等人的“RHEPP 1μs磁脈沖壓縮模塊的特性”一文中的第787-790頁中均有論述，這兩篇文章均再版于1993年6月的第9屆1EEE國際脈沖動力會議的技術(shù)論文匯編中，所有這些文章均在本文作為參考文獻(xiàn)。這些參考文獻(xiàn)與本文下面所作論述結(jié)合在一起把這種脈沖動力源的制造放在了當(dāng)前工藝水平的范圍之內(nèi)了。
圖1示出了根據(jù)本申請得出的動力系統(tǒng)的框圖。對于這個特殊的系統(tǒng)，從原動力輸入開始，使用了幾個階段的磁脈沖壓縮及電壓增加，以120Hz的頻率把最大為2.5MV、60nsFWHM、2.9kJ脈沖的脈沖動力信號發(fā)送給一個離子束源，該動力系統(tǒng)把來自當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的AC電轉(zhuǎn)換成能用于離子束源25的形式。
參見圖1，在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，動力系統(tǒng)包括一個馬達(dá)5，它驅(qū)動一個交流發(fā)電機(jī)10。交流發(fā)電機(jī)10把一個信號傳送給一個脈沖壓縮系統(tǒng)15，該系統(tǒng)有兩個子系統(tǒng)，一個是1μs脈沖壓縮機(jī)12而一個是脈沖成形線14。脈沖壓縮系統(tǒng)15把脈沖提供給一個線性感應(yīng)電壓加法器(LIVA)20，該裝置20把這些脈沖送給離子束源25。
根據(jù)一個實(shí)施例得出的交流發(fā)電機(jī)10是一個600kW、120Hz的交流發(fā)電機(jī)。在單極模式中，它在3200Vrms的電壓下提供了具有0.88動力因數(shù)的210Arms給磁交換脈沖壓縮器系統(tǒng)15。交流發(fā)電機(jī)由一個與當(dāng)?shù)?80V電網(wǎng)相連的馬達(dá)驅(qū)動。此處所用的特殊交流發(fā)電機(jī)是由Westinghouse公司設(shè)計(jì)，并且由位于新墨西哥處理爾伯克基的Sandia國家實(shí)驗(yàn)室裝配而成。它在R.M.Calfo等人所著的一篇論文“連續(xù)工作脈沖交流發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和測試”中有詳細(xì)論述，該論文出版于1991年6月在加州圣選哥舉辦的第八屆脈沖動力會議的會議錄第715-718頁上。這篇參考文獻(xiàn)全部結(jié)合在本文中。選擇和制造這種特殊的動力系統(tǒng)是因?yàn)樗容^容易適應(yīng)各種載荷?？梢允褂闷渌膭恿υ矗宜鼈兊拇_對這個特殊應(yīng)用更佳。例如，可使用能從Magna-Amp公司得到的那種電源，它包括一系列與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)相連的組合變壓器，通過適當(dāng)大小的整流器來供電。但是本系統(tǒng)已被制造而且工作相當(dāng)好。
在一個實(shí)施例中，脈沖壓縮系統(tǒng)15被分隔成兩個子系統(tǒng)，一個子系統(tǒng)是一個普通的包含有許多階段的磁交換(即、飽和扼流圈)的磁脈沖壓縮器12，它的工作是那些對本技術(shù)精通的人所熟知的。在圖1A中更詳細(xì)地示出了這個子系統(tǒng)。每個階段的基本工作就是壓縮從上一階段接收到的電壓脈沖的時間寬度(傳送時間)并且增加從上一階段所接到的電壓脈沖的幅值。由于這些是非常低損耗的交換，因此當(dāng)動力逐個階段移動時，相對沒有什么動力作為熱量被浪費(fèi)掉，而且每次脈沖中的能量相對沒有什么減小。這種特殊的子系統(tǒng)在H.C.Harjes等人所著的“RHEPP 1μs磁脈沖壓縮模塊的特性”一文中有詳細(xì)論述，該論文出版于1993年6月在新墨西哥州處理爾伯克基舉行的第9屆1EEE國際脈沖動力會議文獻(xiàn)中，位于第787-790頁。這篇論文在本文中全部結(jié)合為參考文獻(xiàn)。對這個系統(tǒng)所開發(fā)的這些階段在物理上是相當(dāng)大的。為了節(jié)省空間，有可能用適當(dāng)設(shè)計(jì)的硅控整流器(SCR′S)來取代前幾個階段，以完成同樣的脈沖壓縮效果。
這些階段12把交流發(fā)電機(jī)10的輸出轉(zhuǎn)換成一個1μs寬LC負(fù)載波形，然后傳送給第二個子系統(tǒng)14，該子系統(tǒng)14包括一個脈沖成形線(PFL)部件，它建立在一個電壓雙Blumlein構(gòu)形中。PFL是一個三軸水絕緣線，它把輸入的LC負(fù)載波形轉(zhuǎn)換成平頂梯形脈沖，該脈中具有15ns的升高/降低設(shè)計(jì)時間以及60ns的FWBM。這個部件的制造與使用在D.L.Johnson等人所著的“四階段RHEPP加速器初始測試結(jié)論”一文中有詳細(xì)論述，該文登在第九屆IEEE國際脈沖動力會議錄的第437-440頁(該會議1993年6月于新墨西哥的處理爾伯克基舉行)。這篇論文也全部結(jié)合為本文的參考文獻(xiàn)。圖1B中示出了PFL的橫剖面圖。
脈沖壓縮系統(tǒng)15能向線性感應(yīng)電壓加法器LIVA20提供頻率為120Hz的、單極250kV、15ns升高時間、60ns全寬半最大值(FWHM)、4kJ的脈沖。在一個較佳實(shí)施例中，脈沖壓縮系統(tǒng)15最好應(yīng)擁有＞80％的效率，而且在由具有很長壽命(約109-1010脈沖)的高可靠性部件組成。在所有的脈沖壓縮階段最好使用磁開關(guān)，MS1-MS5，因?yàn)樗鼈兡苓^程很高的峰值動力(即，高電壓和高電流)，而且因?yàn)樗鼈兪腔旧暇哂虚L使用壽命的固態(tài)裝置。圖1A中示出了在這個實(shí)施例中所用的5個壓縮階段以及PFL14。動力從交流發(fā)電機(jī)10供給脈沖壓縮系統(tǒng)15，并通過磁開關(guān)MS1-MS5傳到PFL14。PFL與下文所述的線性感應(yīng)電壓加法器(LIVA)20相連。如圖所示，第二個和第三個磁開關(guān)MS2和MS3被一個升壓器T1所分開。開關(guān)MS6是用于PFL的一個反向開關(guān)。
在圖1A中以示意圖的方式示出了脈沖成形線(PFL)，圖1B中示出了PFL的橫剖面圖。圖1A中的MS6對應(yīng)于圖1B中所示的反向開關(guān)302，它位于PFL三軸部面314的輸入一側(cè)。輸出開關(guān)304和負(fù)載芯306也被示出。區(qū)域310填充有去電離水作為絕緣材料。內(nèi)部區(qū)域308填充有空氣和用于輸出開關(guān)304的油冷卻線，未示出。PFL的輸出并行于每個單個LIVA被輸送，具有流過導(dǎo)體316和PFL殼體318的正向量，其中殼體318用作接地。正導(dǎo)體316與第個LIVA階段相連接。
LIVA20最好用液體絕緣材料絕緣。與PFL的輸出相連，并且能以不同數(shù)量的階段構(gòu)成以便得到所希望傳送給離子束源的電壓。當(dāng)LIVA用10個250kV的階段構(gòu)成時，LIVA(20)能以頻率120Hz、額定2.5MV、2.9kJ的脈沖傳送給離子束源25。對于大多數(shù)離子束過程來說，LIVA由4個250kV的階段構(gòu)成，這樣LIVA把總共1.0MV的電壓發(fā)送給離子束源。但是，這個電壓能通過改變LIVA中的階段數(shù)來增加或降低，以符合特殊材料處理的需要。LIVA20的額定輸出脈沖同PFL提供給它的脈沖相同，即，具有15ns升高和降低時間的以及60nsFWHM(全寬半最大值)的梯形。圖1C示出了四階段LIVA的橫剖面。這四個階段320,322，324和326如圖所示被層疊在一起，并且通過電纜321，323,325和327從PFL提供正脈沖。各階段被間隙330分開，并且被用于冷卻的變壓器油所圍繞。從每個LIVA階段得出的輸出相在一起向離子束源發(fā)送單個的總脈沖，此圖中離子束源用25示意出，它位于部分示出的真空室332之內(nèi)。如同PFL，LIVA的外殼接地。
所述的動力系統(tǒng)P(圖1)，能以120Hz的脈沖重復(fù)頻率連續(xù)地工作，在60ns的脈沖中發(fā)送每個脈沖最大2.5KJ的能量。此外所述的這種特殊動力系統(tǒng)能發(fā)送具有0.25-2.5Mev離子束能量的、大約20-1000ns時間間隔的脈沖動力信號。這個動力系統(tǒng)能從墻壁插頭到發(fā)送給一個匹配載荷的能量，以50％的電效率工作。例如，動力系統(tǒng)P使用低損耗脈沖壓縮階段，結(jié)合低損耗磁材料以及固態(tài)組件，把交流電轉(zhuǎn)變成短的高壓脈沖。
當(dāng)需要高電壓時使用許多感應(yīng)加法器結(jié)合低損耗磁材料，通過疊加電壓來產(chǎn)生250kV到20MV電壓的能力是一個基本特點(diǎn)，盡管也有可能用單階段脈沖供應(yīng)電壓，省略對加法器的需求。
該動力系統(tǒng)能以比較低的電阻(＜100Ω)工作，這把它與許多其它的重復(fù)電源技術(shù)區(qū)分開來，例如與以變壓器為基礎(chǔ)的系統(tǒng)區(qū)分開。這個特點(diǎn)使大脈沖電流能在合理的電壓下得到，并且能用單個脈沖進(jìn)行高頻處理及大面積(5到1000cm2以上)處理，以便降低在被處理過與未處理過區(qū)域之間過渡區(qū)處產(chǎn)生的邊緣效應(yīng)。
脈沖離子束系統(tǒng)的第二個組成部件是MAP離子束源25，如圖2所示。MAP離子束源能重復(fù)有效地工作，有效地利用來自動力系統(tǒng)的脈沖動力信號，把氣相分子轉(zhuǎn)變成高能脈沖離子束。它還能根據(jù)特殊應(yīng)用的需要，以單擊方式工作。離子束源的前身是一個離子二極管，J.B.Greely等人在Cornell有關(guān)等離子體正極二極管的研究“重復(fù)脈沖和0.1TW單脈沖試驗(yàn)”一文作了一般描述，該論文登于第八屆高能粒子束國際會議論文集(1990)中，它全部結(jié)合為本文的參考文獻(xiàn)。盡管這個參考文獻(xiàn)的離子二極管完全不同于如上所述的本系統(tǒng)的所用的離子二極管，但這參考文獻(xiàn)中的背景話題是重要的。
圖2示出了離子束源25。這個離子束源25是一個磁約束正極等離子體(MAP)源。圖2是一幅該離子束或MAP源25一個對稱側(cè)部的局部橫剖面圖。離子束或MAP源25產(chǎn)生一個環(huán)形的離子束K，它能對稱地繞圖示的軸X-X400延續(xù)到一個寬焦點(diǎn)處。在陰極的電極組件30處，慢(1ms升高時間)磁場線圈414產(chǎn)生磁力線S(如圖2A所示)，它在負(fù)極412與正極410之間為加速間隔提供了磁隔離層。正電極410還用作磁力線成形器。慢線圈414由相鄰的水管來冷卻，未示出，結(jié)合在支撐著負(fù)極412和慢線圈414的結(jié)構(gòu)30中。該圖中所示的MAP結(jié)構(gòu)的主要部分大約是18cm高和寬。整個MAP離子二極管能被看作圖2的橫剖面詳細(xì)結(jié)構(gòu)繞該裝置的中心軸400的轉(zhuǎn)動，構(gòu)成一個圓柱設(shè)備。圖3中示出了整個橫剖面圖。
離子束或MAP源25以下面方式工作一個位于正極部件35處的快速氣體閥部件404產(chǎn)生一個快速(200μs)氣體噴射，它通過一個超音速噴嘴406發(fā)送，直接在位于絕緣結(jié)構(gòu)420上快速傳動線圈408的表面之前形成一個高度局部容量的氣體。這個噴嘴被設(shè)計(jì)成能防止未離子化氣體流入到正極410與負(fù)極412之間的間隙。當(dāng)預(yù)離子化具有1ms感應(yīng)電場的氣體之后，快速驅(qū)動線圈408完全是從快速電容150通電的，在氣體容積內(nèi)引起一個20kV的環(huán)形電壓，驅(qū)動分解到完全電離，并以大約1.5μs或更小的值向正電極410移動所得出的等離子體，構(gòu)成一個薄的磁約束等離子體層。等離子體瞬時停滯在這個B＝O的區(qū)域，分界線靠近由慢速線圈414所產(chǎn)生的絕緣場S，等候著所要發(fā)送的主加速正電脈沖在正極處從以上所述的LIVA發(fā)送。
預(yù)電離步驟背離了以前的MAP參考文獻(xiàn)，這些參考文獻(xiàn)提出了一個位于對應(yīng)于本文絕緣結(jié)構(gòu)420的表面上的獨(dú)立導(dǎo)體。由于這個導(dǎo)體暴露在等離子體中，它常常破壞。人們發(fā)現(xiàn)，獨(dú)立的預(yù)電離結(jié)構(gòu)是不必要的。通過與快速線圈并行地布置一個小型環(huán)形電容160，能有效地預(yù)電離氣體。由這種環(huán)形電路產(chǎn)生的場振蕩在正極快速線圈的前部預(yù)電離氣體。在圖2C中示出了這個的電路示意圖。
人們還證明，在向快線圈提供主脈沖之前，具有調(diào)節(jié)位于快線圈與正極之間間隙內(nèi)的磁場構(gòu)形的能力是有益的，以便在預(yù)電離步驟之前在被噴出的氣體脈沖中調(diào)節(jié)等離體成形的初始位置。這通過提供一個慢偏移電容和一個保護(hù)電路來實(shí)現(xiàn)，這兩者均與快速線圈并行安裝并且借助一個可控開關(guān)S2從其上脫開。這樣，在氣體被快線圈預(yù)電離之前建立了一個慢偏移場。圖2C中也示出了這條線路。
在近一步解釋如圖2C所示快線圈的電路時，偏移場電容180在主電容脈沖開始之前在快線圈內(nèi)驅(qū)動一個大于1ms升高時間的電流。這允許調(diào)節(jié)由快速電容電流產(chǎn)生的場構(gòu)形。快電容150在快線圈中驅(qū)動一個1ms升高時間的脈沖。預(yù)電離電容160用遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1ms的周期使電壓橫跨快線圈環(huán)繞，在要被電離的氣體中引起一個大振蕩電場，導(dǎo)致該氣體的部分電離。由快線圈408產(chǎn)生的升高磁場把已電離的氣體推離快線圈，使它頂著先前從慢線圈414產(chǎn)生的磁場停滯不動。
當(dāng)預(yù)電離之后，然后如上所述，快線圈被完全激勵，完全把氣體分解成等離子體。在這次脈沖之后，該場消失回到快線圈中，該線圈與一個電阻載荷相連，其中這個電阻負(fù)荷也與一個散熱器相連，未示出。在本實(shí)施例中，在支撐結(jié)構(gòu)中使用了冷卻通道，但其它的解決方法是可能的而且比較直接明了。以此方式，避免了在快線圈中產(chǎn)生的熱。
快線圈408已經(jīng)以幾種方式根據(jù)參考文獻(xiàn)的快線圈以及根據(jù)以上提到的散熱器，被重新設(shè)計(jì)?？炀€圈與正電極410之間的間隔已被降低，從而使所必須的磁能量降低了50％以上。較低的能量要求允許在較高的頻率下重復(fù)使用，并且降低了快線圈電壓供應(yīng)系統(tǒng)的復(fù)雜性。磁力線成形正電極組件的設(shè)計(jì)也有助于這些有利的結(jié)果。
然后從動力系統(tǒng)產(chǎn)生的脈沖動力信號被施加到正極組件35上，從等離子體中加速離子，形成一個離子束K。在圖2A中示出了在離子束排出時，慢(S)和快(F)磁力線結(jié)構(gòu)。圖中示出了快線圈產(chǎn)生的磁力線與慢線圈產(chǎn)生的磁力線之間的明顯分別。這根據(jù)早期MPA參考文獻(xiàn)的教導(dǎo)，借助正極410的磁力線成形效應(yīng)以及借助位于絕緣結(jié)構(gòu)420上的慢線圈的存在來完成。本MAP離子二極管中的慢線圈僅被布置在MAP的負(fù)極區(qū)。這個正極磁力線成形與在負(fù)極組件上的慢線圈的位置結(jié)合在一起不同于在MAP參考文獻(xiàn)中所示的情況，而且容許高重復(fù)頻率、支持本文中所揭示的MAP二極管的工作。這個設(shè)計(jì)允許B＝O點(diǎn)(分界面)被布置靠近正極表面，得出一個具有很小旋轉(zhuǎn)或無旋轉(zhuǎn)的分離出的離子束。這個很小的旋轉(zhuǎn)對于有效把束傳給要處理的材料是必要的。
圖2B是一幅氣體閥組件404和通道425的詳圖，其中通道425把氣體從閥404傳到快線圈408前部的區(qū)域。通道425已被認(rèn)真地設(shè)計(jì)成把氣體存貯在快線圈的這個局部區(qū)域內(nèi)，具有最小的漏氣通過此區(qū)域。通道425橫剖面的詳細(xì)構(gòu)造被設(shè)計(jì)用于氣體噴出的超音速傳送。氣體閥的舌門426由一個小型磁線圈428來操縱，該線圈428一但從MAP控制系統(tǒng)啟動就可打開和關(guān)閉舌門426。舌形閥在舌門的底端427處轉(zhuǎn)動。線圈428被安裝在一個高導(dǎo)熱率陶器支撐結(jié)構(gòu)429上，該結(jié)構(gòu)也把熱散到其它結(jié)構(gòu)上，未示出。另外，環(huán)繞線圈的外部冷卻線也用于把熱量從線圈散發(fā)出來。為了保持MAP的使用能力，這種散熱是必須的。氣體是從舌門基座后的壓力通風(fēng)系統(tǒng)431被傳送到閥門處的。壓力通風(fēng)系統(tǒng)431應(yīng)被看作是與一個更大的壓力通風(fēng)系統(tǒng)相連，它位于整個MAP離子二極管的中芯之處，如圖3所示。
一但舌門426被打開，噴嘴406中的真空就迅速把氣體吸入到MAP中。噴嘴的作用就是產(chǎn)生一個氣體定向流動，它只沿著流動的方向而不會與它橫交。這種橫向流動將把氣體引入正極與負(fù)極之間的間隙，導(dǎo)致不利的飛弧和其它后果。減小以上所述的快線圈正極間隙使噴嘴的設(shè)計(jì)對成功使用MAP非常重要。幸運(yùn)的是，氣流設(shè)計(jì)工具是可得到的，而且被用于開發(fā)一個具有改進(jìn)氣流(較高馬赫數(shù))以及最小邊界效應(yīng)的噴嘴。這種改進(jìn)的噴嘴具有一個朝著快線圈與正極邊緣之間間隙的放大開口，它從9到15mm逐漸變大而不是參考MAP中直壁型的6mm導(dǎo)管。噴氣閥中氣體的工作壓力已經(jīng)從5-25psig的范圍增加到25-40psig的范圍。試驗(yàn)已經(jīng)證明由于這種新設(shè)計(jì)的結(jié)果，大大改進(jìn)了MAP的操縱。
以上所述的MAP離子二極管在幾方面不同于以前技術(shù)的離子二極管。由于它每次脈沖的低氣體載荷，在MAP內(nèi)的真空恢復(fù)速率容許持續(xù)操作達(dá)100Hz并且大于100Hz。如上所述，磁力幾何形狀從根本上不同于以前的離子二極管。以前二極管產(chǎn)生用于各種應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)束，在這此應(yīng)用中離子束當(dāng)在二極管中產(chǎn)生之后在一個強(qiáng)力軸所磁場中傳播。本系統(tǒng)要求從二極管中產(chǎn)生的離子束在場-自由空間中最少傳播20-30cm的距離，到達(dá)材料的表面。以前離子二極管的磁力構(gòu)型不能進(jìn)行這種工作，因?yàn)槟切╇x子束被那些二極管的幾何形狀強(qiáng)迫橫跨網(wǎng)狀的磁力線并由此旋轉(zhuǎn)。這種束將迅速消散，而且對本用途是無用的。把慢線圈(二極管絕緣磁場線圈)向二極管間隙的負(fù)極一側(cè)移動，消除了橫跨束的磁場，但卻需要完全重新設(shè)計(jì)正極等離子源的磁系統(tǒng)。
對以上所述快線圈的改進(jìn)導(dǎo)致能量效率5-10倍于以前構(gòu)形中所呈現(xiàn)的能量。這些改進(jìn)包括省略二極管正極一側(cè)上的慢線圈及其相應(yīng)的供電裝置，通過使用局部場穿透電極更好地控制磁場成形以及正極等離子體與正電極結(jié)構(gòu)的接觸；從以前離子二極管上省去獨(dú)立的預(yù)電離線圈；與快線圈有關(guān)的電路提供“偏移”電流以便調(diào)整磁場，把正極等離子體表面置于正確的磁力線表面上，從而消除束旋轉(zhuǎn)并實(shí)現(xiàn)最佳束傳播及束聚焦；和重新設(shè)計(jì)氣體噴嘴以便更好地布置氣體噴出，它允許快線圈能靠近二極管間隙布置，這也降低了快線圈驅(qū)動器的能量需求及復(fù)雜性。
等離子體能用各種氣相分子構(gòu)成。本系統(tǒng)能使用任何氣體(包括氫、氦、氧、氮、氟、氖、氯和氬)或可氣化的液體或金屬(包括鋰、鈹、硼、碳、鈉、鎂、鋁、硅、磷、硫和鉀)來產(chǎn)生一個純離子源，不會消耗或破壞除供給該源的氣體外的任何部件。如本文所述，離子將單個地在加速器中被電離，但MAP二極管能被重新設(shè)在電離循環(huán)中供應(yīng)更大的動力，產(chǎn)生多重電離的離子，從而為一個已知的加速電壓提供更高的離子能量。離子束K在真空裝置(～103)中傳播20-30cm，到達(dá)目標(biāo)板195的寬焦點(diǎn)區(qū)(5-1000cm2)，如圖3所示，此處布置有要處理的材料樣本。
離子束或MAP源25能連續(xù)地以100Hz的重復(fù)脈沖頻率工作，具有＞106的長部件壽命。根據(jù)本發(fā)明的基本原理，離子束或MAP源25從等離子體正極吸收離子而不是從固體絕緣表面飛弧正極吸取離子，其中后者用在目前的單脈沖離子束源中。因此一個人通過控制氣體源的組合，可精確控制離子束中的組成成分。
MAP離子二極管和RHCPP源是IBEST脈沖離子束發(fā)生器系統(tǒng)的本質(zhì)部件。這樣一種系統(tǒng)能在連續(xù)的工作周期上產(chǎn)生高的平均功率并進(jìn)行重復(fù)操作，從而以具有吸引的商業(yè)成本在大表面的材料面積上輔助淀積。
本發(fā)明及其方法、設(shè)備以及原子核轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物的已經(jīng)參照IBEST離子束發(fā)生器系統(tǒng)作了介紹。但是，本發(fā)明不必以這種系統(tǒng)為基礎(chǔ)，而且被規(guī)定為僅受本發(fā)明具體要求的描述和該描述所附帶的權(quán)利要求的限制。
權(quán)利要求
1.一種在基片上對一種材料進(jìn)行脈沖離子束輔助淀積的方法，包括a)所述材料淀積在基片上，由此產(chǎn)生一個復(fù)合結(jié)構(gòu)；和b)通過至少一個離子束脈沖的作用，熱處理復(fù)合結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述材料的淀積在時間上是連續(xù)的。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于淀積的速率在時間上是不連續(xù)的。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于復(fù)合結(jié)構(gòu)的所述熱處理包括一個薄表面層的熔化和再生長。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于復(fù)合結(jié)構(gòu)的所述熱處理包括不熔化一個薄表面層的退化。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于復(fù)合結(jié)構(gòu)的所述熱處理包括薄表面層的氣化。
7.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于承受熔化和再生長的薄表面層的厚度大于被淀積材料的厚度。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所淀積材料與基片材料發(fā)生熔合。
9.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于承受熔化和再生長的薄表面層的厚度小于所淀積材料的厚度。
10.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于承受熔化和再生長的薄表面層的厚度完全等于所淀積材料的厚度。
11.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于多離子束脈沖被施加到復(fù)合結(jié)構(gòu)上。
12.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于承受熔化和再生長的薄表面層的厚度由于應(yīng)用了上述離子束脈沖而大于所淀積材料的厚度。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所述熔化和再生長產(chǎn)生高質(zhì)量的淀積材料。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于承受熔化和再生長的薄表面層的厚度由于應(yīng)用了上述離子束脈沖而小于所淀積材料的厚度。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于承受熔化和再生長的薄表面層的厚度由于應(yīng)用了上述的離子束脈沖而完全等于所淀積材料的厚度。
16.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于未熔化的所述退火允許在復(fù)合結(jié)構(gòu)中恢復(fù)高溫狀態(tài)。
17.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于未熔化的所述退火允許在復(fù)合結(jié)構(gòu)中恢復(fù)不平衡狀態(tài)。
18.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于承受未熔化退火的薄表面層的厚度大于所淀積材料的厚度。
19.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于承受未熔化退火的薄表面層的厚度小于所淀積材料的厚度。
20.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于承受未熔化退火的薄表面層的厚度完全等于所淀積材料的厚度。
21.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于多離子束脈沖被施加到復(fù)合結(jié)構(gòu)上。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于承受退火的薄表面層的厚度由于應(yīng)用了上述離子束脈沖而大于所淀積材料的厚度。
23.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于承受了未熔化退火的薄表面層的厚度由于應(yīng)用了上述離子束脈沖而完全等于所淀積材料的厚度。
24.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于承受了未熔化退火的薄表面層的厚度由于應(yīng)用了上述離子束脈沖而完全等于所淀積材料的厚度。
25.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于薄表面層的所述氣化把一個沖擊波送到了復(fù)合結(jié)構(gòu)的主體中。
26.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于薄表面層的所述氣化產(chǎn)生一個濃密的高壓等離子云，其部分重新淀積在復(fù)合結(jié)構(gòu)上。
27.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于承受氣化的薄表面層的厚度大于所淀積材料的厚度。
28.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于承受氣化的薄表面層的厚度小于所淀積材料的厚度。
29.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于薄表面層包含有污染物，調(diào)節(jié)氣化材料的數(shù)量以便清除薄表面層同時對下面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最小改變。
30.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于多離子束脈沖被施加到復(fù)合結(jié)構(gòu)上。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于承受氣化的薄表面層的厚度由于應(yīng)用了上述離子束脈沖而大于所淀積材料的厚度。
32.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于承受氣化的薄表面層的厚度由于應(yīng)用了上述離子束脈沖而小于所淀積材料的厚度。
33.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于承受氣化的薄表面層的厚度由于應(yīng)用了上述離子束脈沖而完全等于所淀積材料的厚度。
34.一種用于快速氣化大量目標(biāo)材料的方法，其特征在于，包括用一個快速重復(fù)助沖離子束輻射所述目標(biāo)材料的薄表面層。
35.一種用于機(jī)械部件氣相制造的方法，其特征在于包括a)用于把材料快速生長在基片上的措施；b)用于把基片區(qū)域與生長過程屏蔽開的隨時間變化的措施；和c)用于熱處理所述材料的措施。
36.如權(quán)利要求35所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括用于把材料區(qū)與所述熱處理措施屏蔽開的隨時間變化的措施。
37.如權(quán)利要求35所述的方法，其特征在于用于熱處理所述材料的所述措施包括使用脈沖離子束源。
38.如權(quán)利要求35所述的方法，其特征在于用于在一基片上快速生長的所述措施包括通過一脈沖離子束源的作用來氣化目標(biāo)，所述目標(biāo)由所述材料組成。
39.一種用于脈沖離子束輔助淀積的設(shè)備，其特征在于包括a)一個基片；b)一個淀積源，它把材料淀積在所述基片上，由此形成一個復(fù)合結(jié)構(gòu)；和c)一個輻射所述復(fù)合結(jié)構(gòu)的脈沖離子束源。
40.如權(quán)利要求39所述的設(shè)備，其特征在于所述淀積源以一個非零的速率把一種材料淀積在所述基片上，直到完成淀積過程。
41.如權(quán)利要求39所述的設(shè)備，其特征在于所述淀積源用離散的脈沖把一種材料淀積在所述基片上直到完成淀積過程。
42.如權(quán)利要求39所述的設(shè)備，其特征在于脈沖離子束源僅輻射淀積在基片上的材料。
43如權(quán)利要求39所述的設(shè)備，其特征在于脈沖離子束源既輻射淀積在基片上的材料也輻射基片的薄表面層。
44.如權(quán)利要求39所述的設(shè)備，其特征在于脈沖離子束源在材料淀積在基片上期間用多離子束脈沖輻射所述復(fù)合結(jié)構(gòu)。
45.如權(quán)利要求44所述的設(shè)備，其特征在于離子束脈沖氣化生長的復(fù)合結(jié)構(gòu)的薄表面層。
46.如權(quán)利要求44所述的設(shè)備，其特征在于離子束脈沖氣化生長的復(fù)合結(jié)構(gòu)的薄表面層。
47.如權(quán)利要求44所述的設(shè)備，其特征在于離子束脈沖退火生長的復(fù)合結(jié)構(gòu)的薄表面層。
48.如權(quán)利要求41所述的設(shè)備，其特征在于所述淀積源包含一個入射到含有要被淀積材料的目標(biāo)上脈沖能量源，入射到所述物體上的離子束脈沖能量提供了足夠的能量，把所述目標(biāo)的薄表面層氣化，該系統(tǒng)的幾何構(gòu)形是這樣的，即大部所述蒸氣向前突出并淀積在基片上。
49.如權(quán)利要求48所述的設(shè)備，其特征在于所述脈沖能量源包含有一個淀積脈沖離子束源。
50.如權(quán)利要求49所述的設(shè)備，其特征在于所述淀積脈沖離子束源和所述脈沖離子束源共享組成部件。
51.如權(quán)利要求48所述的設(shè)備，其特征在于所述脈沖能量源包含一個脈沖激光。
52.如權(quán)利要求48所述的設(shè)備，其特征在于所述脈沖能量源包含有一個等離子體排出口。
53.如權(quán)利要求39所述的設(shè)備，其特征在于，進(jìn)一步包括用于把基片區(qū)與所述淀積源屏蔽開的隨時間變化的裝置。
54.如權(quán)利要求39所述的設(shè)備，其特征在于，進(jìn)一步包括用于把基片結(jié)構(gòu)區(qū)域與所述脈沖離子束源屏蔽開的隨時間變化的裝置。
55.如權(quán)利要求48所述的設(shè)備，其特征在于所述脈沖能量源包含有一個脈沖電子束。
全文摘要
本發(fā)明是一種用于在基片上淀積薄膜和涂層的高速商業(yè)規(guī)模的裝置。PIBAD脈沖離子束輔助淀積過程不僅允許淀積，而且還充許薄膜和涂層的特殊方式的預(yù)淀積處理，這包括退火、熔化和再生長，沖擊波處理和高壓等離子體再淀積，所有這些都能改變最終產(chǎn)品的機(jī)械、粘結(jié)和腐蝕特性。
文檔編號B05B3/06GK1163581SQ96190236
公開日1997年10月29日 申請日期1996年1月23日 優(yōu)先權(quán)日1996年1月23日
發(fā)明者里甘·W·斯廷耐特 申請人:桑代公司