專利名稱：用于生成、加速和傳播電子束和等離子體束的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于生成、加速和傳播電子束和等離子體束的設(shè)備和方法，尤其 是應(yīng)用于其它處f里材料的方法，例如，用于沉積膜或形成各種材料的納米團簇的方法。
背景技術(shù)：
更精確地，本發(fā)明涉及電子和等離子體的脈沖束的生成、加速和傳播，當(dāng)它 們指向由固體或液體物質(zhì)形成的靶時，能夠獲得少量物質(zhì)的爆發(fā)性排出，稱為燒蝕 的現(xiàn)象。相信在不被任何機制限制的情況下該現(xiàn)象關(guān)聯(lián)到由束攜帶的能量釋放到耙 的表面以下而不是其表面，以產(chǎn)生位于表面下的部分材料的爆發(fā)。
背景技術(shù)：
中已知通過熱離子發(fā)射或借助于放電在真空中形成電子電流從而在 相應(yīng)的電壓場中加速這些電流。然而，如此獲得的電流密度對于某些應(yīng)用是不足的。 在背景技術(shù)中，通過在包含低壓氣體的室中的薄板來沉積真空中生成的電子。盡管 以此方式可在該低壓區(qū)域中獲得具有高電流密度的電子電流，但所需的儀器的量非 常高且效果不令人滿意。美國第4,335,465號公開了一種通過施加電壓來生成和加速電子和離子的方 法，其中設(shè)置了電極，電極在電壓的影響下提供電子，并且其中低壓氣體提供電子 和離子。電極互相間隔并向外屏蔽。至少有一條由設(shè)置在每一個電極中并沿公共軸 線排列的開口形成的^休放電通道。將可在低壓下電離的氣體設(shè)置在電極之間，并 將電極連接在使得基本生成稱為"偽火花"的氣體放電的電壓下。低壓氣體中可獲 得的電流密度充分高于真空中的電子或離子的電流密度。德國專利第3834402號公開了一種方法，其中在電絕緣石英管的陽極輸出處接收磁性自聚焦電子束或偽火花放電，并在其中攜帶一定距離。微小曲率的管對束 傳輸不具有顯著的影響因此有助于尋找束在耙上撞擊的最合適的角度。在一定程度上，管保護偽火花室免受燒蝕蒸汽并由于泵的小的橫截面積而允許差動抽吸。通過 偽火花室的電子束的生成在技術(shù)上是復(fù)雜的，因為在束的能量和束的發(fā)散度方面它
還是受限制的。美國專利第5,576,593號公開了用于生成帶電粒子束的粒子束加速器。以該加 速器，從儲存器中提取具有預(yù)置電荷和質(zhì)量的粒子并將其提供給在兩個不同電位之 間形成的加速室，以便提供在進一步處理中使用的束。具體地，美國專利第5,576,593號公開了用于加速帶電粒子的設(shè)備。所述的加 速器包括高粒子密度的脈沖等離子體儲存器；從所述儲存器延伸出^具有內(nèi)直徑d 的介電管形室；布置在管形室周圍的至少兩個相互間隔的電極， 一個電極沿儲存器 的內(nèi)壁布置；用于排空介電管形室以便僅保留具有壓力p的殘留氣體電荷的裝置， 該壓力p足夠小使得氣體壓力p與介電管的內(nèi)直徑d的乘積(pxd)足夠低以避免殘 留氣體電荷中的寄生放電；用于將電壓施加到電極以在介電管形室中從儲存器提取 帶電粒子并在其內(nèi)部加速粒子以在介電管形室中形成帶電粒子束的裝置，使得介電 管形室中的殘留氣體電荷沿其內(nèi)壁電離并極化，在壁上提供排斥力并在軸上提供吸 引力，這能夠靜電聚焦離開介電管形室的帶電粒子束。通過在商業(yè)上能獲得的Neocera公司提供的稱為通道火花燒蝕器(CSA)的裝置 可實現(xiàn)上面提到的燒蝕現(xiàn)象。該裝置利用低壓氣體的放電性質(zhì)。參考圖l，示意性 示出了這一裝置，如下生成電子束。將

圖1所示的系統(tǒng)連接到真空系統(tǒng)并保持在從1.5Pa至3.5Pa(1.5至 3.5xl(^mbar)范圍的壓力下。將高電壓DC發(fā)生器(10-20kV， 5mA)布置在空心陰極 (1)和跨越電容器組(10-20nF)(2)的接地之間，并將陰極(l)保持為相對于接地的負電 壓。當(dāng)陰極和接地之間的電壓超過氣隙裝置(3)的放電值時，在所述裝置中感應(yīng)氣 體火花。該放電使布置在觸發(fā)管(4)底部的電極(13)快速變?yōu)榱汶娢弧Ｓ|發(fā)電極(13) 和空心陰極(1)之間的電位差觸發(fā)了包含在觸發(fā)管(4)中的氣體的放電，它進一步由 可能存在的環(huán)形永久磁鐵(5)來聚焦。氣體的陽離子朝向陰極的底部和壁加速并以 足夠的能量撞擊它們以提取電子。射出的電子受到電場的加速，電場將它們推進到 圖中的右側(cè)，并強制電子進入由絕緣材料(7)形成的通道(6)，通道(6)將它們引導(dǎo)到 靶(8)。由于電離氣體的存在，在空間上屏蔽了電子電荷沿裝置的軸的電子密度 達到很高的值且甚至在自由路徑部分(9)中瞬時電流達到10"數(shù)量級的值。由于放 電的動態(tài)，在所述放電的第一步中剝離的電子比最后一步中剝離的電子慢，因此有 累積的效果(慢速的電子開始較早并被快速電子趕上)這導(dǎo)致具有清楚限定的持續(xù) 時間(約100nsec)的脈沖的形成。電子脈沖撞擊靶(8)，穿透表面以下幾微米，并釋 放能量(每個脈沖約1J)，引起材料的燒蝕，在以適當(dāng)距離布置的襯底(10)上收集這
些材料。盡管該裝置是有效的，但看到了很多問題和限制，包括電容器有用能的一部 分用于提供跨越電阻器(ll)的氣隙中的預(yù)放電。此外，放電時間由氣隙中火花的釋 放來確定，并且這取決于不可控制并且不可精確的預(yù)先確定的若干因素，如氣隙的 點(12)的微觀清潔度、周圍空氣的成分、壓力以及尤其是濕度。此外，必須將真空室中的壓力保持在極有限的范圍內(nèi)。事實上在該壓力范圍內(nèi)不能以薄膜形式沉積很多材料 一般而言，需要大大低于1Pa(10-2mbar)的壓力。發(fā)明公開因此本發(fā)明的目的是通過提供能夠獲得相對于提供給系統(tǒng)的能量具有較高能 量密度的電子束和等離子體束的設(shè)備和方法來消除上述用于生成、加速和傳播帶電 粒子束的已知類型的設(shè)備和方法中的缺點。本發(fā)明的另一個目的是提供一種利用降低的加速電壓一具體地低于10kV —來 生成電子束和等離子體束的設(shè)備和方法，適于實現(xiàn)以較高效率從靶燒蝕材料。本發(fā)明的又一個目的是提供一種能夠以膜形式或其它形式沉積諸如有機材料 之類的高易揮發(fā)材料的設(shè)備和方法。根據(jù)本發(fā)明以所附權(quán)利要求中定義的設(shè)備和方法實現(xiàn)了從以下描述中變得更 加明顯的該目標(biāo)以及這些和其它目的。根據(jù)本發(fā)明用于生成、加速和傳播電子束和等離子體束的設(shè)備包括含有氣 體的第一介電管；連接到所述第一介電管的空心陰極；連接到所述空心陰極并向沉 積室凸出并與其連接的第二介電管；借助于氣密真空耦合和密封墊來將所述第一介 電管、所述空心陰極和所述第二介電管互相連接，以形成用于氣體的單個容器；布 置在所述第二介電管的周圍的陽極；用于將電壓施加到所述陰極和所述陽極的裝 置；用于從所述室排空氣體的裝置；以及用于第一介電管內(nèi)氣體向等離子體的自發(fā) 轉(zhuǎn)變的裝置。實現(xiàn)本發(fā)明的方式較佳的是，在根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備中，用于氣體向等離子體的自發(fā)轉(zhuǎn)變的裝置 包括適用于設(shè)置第一介電管中的氣體壓力和所述陰極的電壓的裝置，它們結(jié)合 起來適于確定氣體向等離子體的所述自發(fā)轉(zhuǎn)變。用于氣體的自發(fā)轉(zhuǎn)變的裝置可包括例如適用于設(shè)置第一介電管中0.5-10Pa范
圍的氣壓的裝置。用于氣體自發(fā)轉(zhuǎn)變的裝置可包括例如適用于生成介于1至30kV之間的陰極電壓。在根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的示例性而非限制性的實施例中，用于氣體自發(fā)轉(zhuǎn)變的 裝置包括布置在氣流進入第一介電管的導(dǎo)管上的針閥或其它適當(dāng)類型的控制/調(diào)節(jié)閥以及高壓發(fā)生器(例如，適用于生成1至30kV之間的電壓的發(fā)生器)。根據(jù)本發(fā)明的裝置還可包括用于控制介電管中氣體向等離子體的自發(fā)轉(zhuǎn)變的 開始的裝置。用于控制轉(zhuǎn)變的開始的裝置可包括用于感應(yīng)適于從外部引起包含于第一介電 管中的氣體的電離的電磁場的裝置。較佳地但不排他地在適于施加電壓脈沖的天線、壓電發(fā)生器、天線一較佳的 是用于微波和射頻線圈的小型化天線、用于生成光脈沖的小脈沖激光器或裝置中選 擇感應(yīng)裝置。緊接所述第一介電管或與其接觸或距離其幾毫米布置天線，具體地天線可以 是布置在由第一管的外壁提供的空腔中的線性天線或布置在所述第一管的外壁周 圍的線圈天線。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備還可包括適于在沉積室內(nèi)維持比第一介電管內(nèi)的壓力低的 壓力的裝置。在具體的實施例中，沉積室內(nèi)維持的壓力可低于1Pa，較佳的是在10"Pa附近， 甚至低于10"Pa。用于維持沉積室中的低壓的裝置可包括用于在空心陰極的內(nèi)部和第二介電管 之間連接的具有選擇的橫截面積的端口，端口的所述選擇橫截面積較小，具體地比 空心陰極和第二介電管的內(nèi)部橫截面積小5至100倍。用于在沉積室內(nèi)維持低壓的裝置還可包括另外的縮頸，其直徑小于空心陰極 和第二介電管的內(nèi)直徑，并位于第二介電管的第一端部和第二端部之間。進一步有利地設(shè)置了重新聚焦裝置，以維持束的聚焦；所述裝置可包括由被 絕緣盤分隔的一個或多個金屬盤構(gòu)成的層疊，金屬盤和絕緣盤各自具有中心孔 并對準(zhǔn)，以在層疊中形成中心通道。較佳地，層疊被布置在第二介電管的第一 端部和第二端部之間，并位于陰極和陽極的輸出之間。本發(fā)明的另一方面涉及用于生成、加速和傳播高密度電子束和等離子體束 的方法，包括以下步驟一提供含有氣體的第一介電管，連接到所述第一介電管的空心陰極，連接到所述
空心陰極并向沉積室凸出并與其連接的第二介電管，布置在所述第二介電管的周圍 的陽極；一將電壓施加到所述陰極和所述陽極； 一從所述室排空氣體；以及一以受方式感應(yīng)所述第一介電管中的氣體向等離子體的自發(fā)轉(zhuǎn)變，從而生成電子 的脈沖束，該脈沖束穿過陰極和在陰極和陽極之間構(gòu)成的第二介電管部分并沿第二 介電管進一步傳播，在這里它生成另外的高密度等離子體，并與所述等離子體一起 進入所述室。較佳地，通過將第一介電管中的所述氣體的壓力和施加到空心陰極的電壓 調(diào)節(jié)成結(jié)合起來適于產(chǎn)生所述自發(fā)轉(zhuǎn)變的值來提供自發(fā)轉(zhuǎn)變的步驟。借助于已知的Paschen定律，在電場的設(shè)定值下自發(fā)放電的生成與陰極的幾何 尺寸、氣體的介電性質(zhì)和氣體壓力關(guān)聯(lián)，Paschen定律建立了置于電容器的充電電 壓、其幾何形狀的條件下電容器的兩板之間的氣體的放電電壓和氣體壓力之間的關(guān) 系，充分反應(yīng)了氣體的導(dǎo)電性對壓力值的依賴性。事實上已知對于任何類型的氣體， 其對于相同外部電場的電離度在O.l-lOPa范圍內(nèi)的壓力下具有顯著的峰值。出現(xiàn) 這種情況是因為在高壓下受到電場的氣體分子的平均自由程不足以提供用于在兩 分子之間的碰撞中生成離子的最小能量，然而在很低的壓力下分子之間碰撞的概率 傾向于等于離子復(fù)合的概率。因此，對于所采用的陽極和陰極對的幾何形狀，如果 將氣體的壓力設(shè)置在其電離度最高的范圍中，并且如果增加施加到電極上的電壓， 達到氣體完全電離的電壓值，形成等離子體并引起放電。氣體的壓力越接近最大電 離值，生成放電所需的電壓越小。該方法還包括用于控制氣體向等離子體的自發(fā)轉(zhuǎn)變的開始的步驟。例如可通過將定義為電壓變量的電壓脈沖施加到緊接所述第一介電管外壁設(shè) 置的天線來提供控制，該電壓變量足夠快以與氣體中感應(yīng)的自發(fā)放電的典型持續(xù)時 間相當(dāng)，或具有不大于lmsec的上升/下降周期。作為一種選擇，可借助于緊接所 述介電管設(shè)置的天線來施加定義為微波場強度中的變量的微波脈沖，該變量足夠快 以與氣體中感應(yīng)的自發(fā)放電的典型持續(xù)時間相當(dāng)，即，具有不大于lmsec的上升/ 下降周期。在另一個可能的實施例中，將介電管的一部分布置在微波共振腔中。在 又一個實施例中，用強烈的光子束照射介電管中的氣體，該光子束具有足以使其電 離的能量和感應(yīng)出氣體向等離子體的轉(zhuǎn)變的強度。較佳地，根據(jù)本發(fā)明的所述方法包括將所述沉積室維持在比第一介電管中的 壓力低的壓力下。此外，所述方法可包括重新聚焦穿過第二介電管的電子束?？山柚陔娮邮┻^被絕緣盤分隔的一個或多個金屬盤的層疊的通路來提 供重新聚焦，所述金屬盤和絕緣盤各自具有中心孔并對準(zhǔn)，以在所述層疊中形 成中心通道，所述層疊被布置在第二介電管的第一端部和第二端部之間，所述 孔的直徑小于所述第二介電管的第一和第二部分的內(nèi)直徑。本發(fā)明的另一方面涉及用于從由一種材料制成的靶燒蝕所述材料的方法，包 括用根據(jù)本發(fā)明用于生成、加速和傳播的電子束和等離子體束的過程生成、 加速和傳播的高密度電子束和等離子體束撞擊所述靶，使得由所述束沉積在靶 上的能量導(dǎo)致以中性或電離原子、分子、原子團、原子團簇以及非結(jié)晶與結(jié)晶 的聚集體形式的材料的發(fā)射，具有圓錐形分布，且其軸與所述靶的表面垂直。在另一個方面中，本發(fā)明提供了用于沉積材料的膜的方法，包括借助于根據(jù) 本發(fā)明的用于從靶燒蝕材料的方法從由所述材料制成的靶燒蝕所述材料的步 驟和將發(fā)射的材料沉積在布置成攔截從靶的錐形發(fā)射的材料的適當(dāng)?shù)闹挝?上的步驟。本發(fā)明的另一方面提供了用于制造材料的納米結(jié)構(gòu)聚集體的方法，包括以 下歩驟借助于根據(jù)本發(fā)明用于從靶燒蝕材料的方法,從由所述材料制成的靶 燒蝕所述材料，在其飛行時間期間凝聚發(fā)射的材料以及在沿發(fā)射材料的平均路 徑布置的冷卻的表面上或跨越發(fā)射材料的平均路徑定位的適當(dāng)多孔的過濾器 上收集所述材料。本發(fā)明的另外的特性和優(yōu)點從附圖中作為非限制性例子示出的較佳但不排他 的實施例的描述中將變得更加明顯，附圖中-圖1是背景技術(shù)的燒蝕裝置的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的較佳但不排他的實施例的用于生成、加速和傳播 電子和等離子體束的設(shè)備的示意圖；圖3是其替換實施例中的放電管的部分示意圖； 圖4是其替換實施例中的介電管的部分示意圖。參考圖2和3，設(shè)備(20)包括由玻璃和或其它介電材料制成的用于等離子體的 放電管A。該管的主要用途是包含一些氣體，這些氣體足以提供觸發(fā)和維持空心陰 極B中的主放電所需數(shù)量的離子，空心陰極B氣密連接到放電管A。管A的底部(21)處的氣體的壓力相對于設(shè)備其它部分的壓力是最大的。借助
于連接到管A的針閥(22)，且其上游壓力等于或大于大氣壓力值，事實上生成了從 管A的底部(21 )通過空心陰極B進入第二介電管Cl然后進入沉積室C的氣流， 沉積室C氣密連接到陰極且其下游有氣體排空裝置，該裝置由真空抽吸系統(tǒng)P來 構(gòu)成。為了簡單起見，在下文中介電管A和C1將稱為"介電管"A和C1。通過由針閥22構(gòu)成的用于氣體自發(fā)轉(zhuǎn)變的裝置并通過空心陰極B和周圍環(huán)境 之間生成的靜電電壓來將管A中包含的氣體轉(zhuǎn)變成等離子體。根據(jù)Paschen定律， 對于施加的電壓/氣體的局部壓力的某幾對值(典型值為10kV， 5Pa)，該轉(zhuǎn)變可 自發(fā)地發(fā)生，并且在這里稱為自放電。通過用于控制氣體自發(fā)轉(zhuǎn)變的開始的裝置尤其是通過施加到布置在空腔(24) 中的線性天線(23)或施加到纏繞在管A周圍的線圈天線(25)(見圖3)上的電壓脈沖V 來促進自放電。在構(gòu)成控制裝置的一個實施例的天線(23或25)處脈沖的受控生成得以控制保 持在自放電條件下的管A的放電的開始。因此僅在自放電開始的瞬間提供外部脈沖，且一點也不吸收由所述放電使用 的或可由所述放電使用的能量。空心陰極B可類似于生成校準(zhǔn)電子束的領(lǐng)域中普遍使用的類似的已知裝置。 本發(fā)明中使用的空心陰極B例如是具有在空腔的直徑、長度、圓頂?shù)那拾霃街?間的幾何比例的空心金屬裝置，如可獲得的公開出版物中所述。在陰極的電子束的 輸出端有用于維持沉積室C中的低壓的裝置，它包括由具有比管A和Cl小的橫 截面積的端口(26)提供的縮頸。該縮頸從束中除去了很多沒有精確地沿裝置的軸 X-X加速的電子。將空心陰極B連接到跨越電容器(27)組用于施加電壓的裝置，該 裝置由高壓發(fā)生器HT構(gòu)成，能夠提供自放電所需的能量和用于加速電子的加速電 壓。圖2示意性示出的設(shè)備還包括第二介電管C1，其中首先發(fā)生電子加速，然后 是以高密度傳播電子束和等離子體束，且由絕緣盤(29)分隔的穿孔盤(28)特別是金 屬盤的層疊用于聚焦和校準(zhǔn)束，所述層疊由附圖標(biāo)記C2指示。本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)具有比端口(26)的橫截面大的橫截面的介電管C1的使用 得以獲得電子束和等離子體束的極好的傳播特性。發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)在利用重新聚焦裝 置重新聚焦束的同時維持了所述極好的傳播特性，在可能但不排他的實施例中，該 重新聚焦裝置由穿孔盤層疊C2構(gòu)成，層疊C2由通過絕緣盤(29)互相分隔的金屬盤 (28)形成并被安排成位于介電管Cl的第一部分和第二部分之間的這種組合結(jié)構(gòu)。
將盤設(shè)置為陰極B電壓和由陽極(30)構(gòu)成的接地基準(zhǔn)中間的靜電電壓。盤(28,29)具有中心孔，其橫截面積dC2等于或略大于端口 26的橫截面積dB，因為它們以第二介電管的軸XX為中心，使得它們形成了中心通道31。它們生成的場使得重新對準(zhǔn)電子束的運動的軸分量。如果通道31具有減小的橫截面積，約等于端口 26的橫截面積，則它與第一端口 26 —起構(gòu)成用于維持室C內(nèi)的低壓的裝置。重新對準(zhǔn)效應(yīng)得以維持束的高電流值(較高數(shù)量的具有正確運動方向的電子)，允許輸出通道36的使用，其直徑足夠?qū)捯栽试S高密度的電子束或等離子體束的容易的彈道傳播。還可提供具有中心孔31的盤28、 29，中心孔31的橫截面積約等于介電管C1 的外部橫截面積，以使盤的層疊C2布置在管C1的周圍(見圖4)?？筛鶕?jù)用于電子 束和等離子體束的最佳校準(zhǔn)和加速設(shè)置的介電管C1的長度和電場覆蓋區(qū)的長度來 改變金屬盤28的數(shù)量和相應(yīng)的絕緣盤29的數(shù)量。以根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備，因此示出可在不依賴于陰極和沉積室C的壓力發(fā)生放 電的裝置中提供壓力，通過受控的泄漏裝置(針閥22)提供差動放氣系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā) 明的設(shè)備得以維持放電管和等離子體管A和沉積室C之間的正壓差，沉積室C可 包含耙32和襯底33并連接到抽吸系統(tǒng)P。意外地，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)針閥的開口以在第一介電管中獲得從0.5Pa至10Pa范 圍的壓力(因此用于沿第二介電管Cl的壓力梯度的確定值)，并通過將電壓施加到 陰極，僅通過以確定足夠并且在任何情況下都不高于背景技術(shù)的裝置中使用的通常 的電壓的電壓向電容器(27)供電，可發(fā)生具有產(chǎn)生耙上的燒蝕的特性的電子和等離 子體的放電。因此，觸發(fā)電路完全不必要。這種現(xiàn)象術(shù)語稱為"自火花燒蝕"與文 獻中描述的方法和裝置在實質(zhì)上是不同的，因為觸發(fā)放電的離子和電子借助于電場 和壓力梯度在空心陰極中直接生成，在該壓力范圍的氣體的導(dǎo)電率主要取決于所述 壓力。因為空心陰極B和通道31中的壓力由針閥(22)的開口調(diào)節(jié)，所以不依賴于其 中可生成電子脈沖的背景技術(shù)中的有限值來提供包含靶32和襯底33的室C的壓 力范圍，室C中可觀察到燒蝕現(xiàn)象。盡管可將穿過針閥(22)的氣體的壓力保持在約 lPa，但事實上沉積室中的平均壓力可降低至10—4Pa。此外，因為存儲在電容器(27)中的所有能量都朝向靶釋放，所以產(chǎn)生燒蝕的電 子束和等離子體束的能量較高。因此，可在低于10kV的加速電壓下實現(xiàn)燒蝕，對
于通道火花方法這是不可能的。以此，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備和方法得以沉積諸如有機 材料之類的更多的易揮發(fā)材料。此外，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)可僅在用于控制氣體向等離子體的自發(fā)轉(zhuǎn)變的步 驟中通過從外部發(fā)送靜電或射頻或微波形式的任何電磁場或借助于可見光和/或 UV范圍的光子來有效地觸發(fā)自火花系統(tǒng)。還可將介電管A的一部分設(shè)置在己知類型的共振腔中。不需要任何類型的觸點的電氣擾動的開始生成了電荷不均衡，它盡管很小但 足以驅(qū)動自火花的觸發(fā)。其上設(shè)置介電管A的材料無論如何都不會阻礙在所采用的每一種模式中的脈沖發(fā)生現(xiàn)象。因此，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備不僅可利用由天線23， 25生成的場而且可利用諸如 壓電裝置、用于微波的小型天線、光脈沖發(fā)生器、射頻線圈、小脈沖激光器等其它 電離裝置生成的場，以生成能夠燒蝕諸如甚至是高熔點金屬(銠、鈦、鉭)、類陶瓷 和玻璃材料(鈣鈦礦、碳化物、氮化物、剛玉、高熔點氧化物、硼硅玻璃)和有機材 料(Teflon11、硫化低聚物)等寬范圍的材料的電子束和等離子體束。實際上，發(fā)現(xiàn)，例如利用用于汽車的由在可變頻率下振蕩的簡單電路驅(qū)動的 電子起動器電路(由于其可靠性和低成本而選擇的)，可用根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備獲得高 密度電子和等離子體脈沖，該脈沖具有約100nsec的脈沖持續(xù)時間和可預(yù)置在 0.01Hz至100Hz之間的頻率。這些脈沖能夠生成具有用于電子的從1.5kV至25kV 的加速范圍(實驗中使用的電源和電容器的極限)的燒蝕?？蓪⒊练e室內(nèi)的平均壓力 保持在從1(^Pa至lPa范圍中的任何值，由此提供了允許實際上普遍使用的自火花 燒蝕器(SSA)。在另一個方面，本發(fā)明提供了用于從靶燒蝕材料的設(shè)備和方法，以及用于通 過燒蝕產(chǎn)生的膜形式一尤其是薄膜形式一的材料的可能的附加沉積或通過燒蝕產(chǎn) 生的微米或納米團簇形式的材料聚集的設(shè)備和方法。根據(jù)本發(fā)明的這一設(shè)備包括根據(jù)如上所述的發(fā)明生成、加速和傳播電子和等 離子體的脈沖束的設(shè)備，其中在沉積室C中有由待燒蝕材料構(gòu)成的靶32，并有用 于沉積和收集由燒蝕產(chǎn)生的材料的支撐物33。靶32位于適于被電子束或等離子體 束34撞擊并適于將去除的材料35轉(zhuǎn)移到支撐物33的位置。一旦撞擊耙32以使從 靶32的材料的燒蝕發(fā)生，以垂直于靶32的角向支撐物33傳輸或推進通過燒蝕去 除的材料。 原則上，可使用任何氣體或氣體混合物?？筛鶕?jù)待燒蝕或沉積的材料的功能來選擇氣體。例如，已使用O2、 Ar、 Ar+、 1%H2N2、空氣、Kr、 Xe。靶上沉積的 能量也取決于氣體的分子量。沉積的例子氣體氬；供應(yīng)壓力1.2bar;針閥流率10-6mbar*l/sec;第一介電管的體積26cm3;放電電壓12.5kV;放電重復(fù)2.7Hz;放電控制通過提供有1.5kV持續(xù)250nsec的脈沖的線圈裝置；第二介電管的長度110mm;第二介電管的橫截面 6mm2;沉積室的體積35dm3;抽吸速率60 1/min;靶材料氧化鈰；第二介電 管到耙的距離3mm;襯底藍寶石；靶到襯底的距離6cm;沉積時間20分鐘； 沉積的氧化鈰層在1.44cr^的表面上960nm。在應(yīng)用的變體中，從靶燒蝕的材料處形成納米管，這形成了納米團簇類型的 納米聚集休沉積物。實際上，已發(fā)現(xiàn)所述的設(shè)備和方法可提供能夠燒蝕材料以提供納米團簇產(chǎn)品 的有效的電子束和等離子體束。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解可用其它等價技術(shù)方案來代替在其較佳實施例中所 述的設(shè)備的特性，然而所有這些都在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。本發(fā)明要求意大利專利申請第MI2005A000585號的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容通過引用結(jié)合于此。
權(quán)利要求
1.一種用于生成、加速和傳播高密度電子束和等離子體束的設(shè)備，包括含有氣體的第一介電管；氣密連接到所述第一介電管的空心陰極；氣密連接到所述空心陰極并向沉積室內(nèi)凸出并與之連接的第二介電管；在中間位置處布置在所述第二介電管的周圍的陽極；用于將電壓施加到所述陰極和所述陽極的裝置；用于從所述沉積室排空氣體的裝置；以及用于所述第一介電管內(nèi)氣體向等離子體的自發(fā)轉(zhuǎn)變的裝置。
2. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述用于氣體向等離子體的 自發(fā)轉(zhuǎn)變的裝置包括用于設(shè)置所述第一介電管中的氣體壓力和所述陰極的電 壓的裝置，它們結(jié)合起來適于確定所述自發(fā)轉(zhuǎn)變。
3. 如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于，所述用于自發(fā)轉(zhuǎn)變的裝置包 括布置在氣體流入所述第一介電管的導(dǎo)管上的針閥和所述由高壓發(fā)生器構(gòu)成 的用于施加電壓的裝置。
4. 如權(quán)利要求1至3中的一項或多項所述的設(shè)備，其特征在于，還包括 用于控制所述第一介電管中氣體向等離子體的自發(fā)轉(zhuǎn)變的開始的裝置。
5. 如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其特征在于，所述控制裝置包括用于通過 感生適于產(chǎn)生氣體電離的電磁場來電離的裝置。
6. 如權(quán)利要求4或5所述的設(shè)備，其特征在于，所述控制裝置由適于施 加電壓脈沖的天線或適于施加微波脈沖的天線構(gòu)成。
7. 如權(quán)利要求4或5所述的設(shè)備，其特征在于，所述電離裝置包括用于 生成光脈沖的裝置。
8. 如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其特征在于，將所述天線布置成緊接所述 第一介電管的外壁，并具體由線性天線或線圈天線構(gòu)成，所述線性天線布置在 由所述第一管的外壁形成的空心容器內(nèi)，所述線圈天線布置在所述第一管的外 壁周圍。
9. 如以上權(quán)利要求中的一項或多項所述的設(shè)備，其特征在于，還包括用 于維持所述沉積室中的低壓的裝置，所述低壓的壓力低于所述第一介電管內(nèi)的 壓力。
10. 如權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其特征在于，所述用于維持低壓的裝置適 于在所述沉積室內(nèi)維持低于1Pa的壓力，較佳的是從10，a至1Pa的壓力。
11. 如權(quán)利要求9或10所述的設(shè)備，其特征在于，所述用于維持低壓的 裝置包括由用于在空心陰極的內(nèi)部和第二介電管之間連接的端口構(gòu)成的縮頸， 所述端口的橫截面積小于所述空心陰極的內(nèi)部橫截面積和所述第二介電管的 橫截面積。
12. 如權(quán)利要求9、 10或11所述的設(shè)備，其特征在于，所述用于在沉積 室中維持低壓的裝置還包括中心通道，其橫截面積小于所述空心陰極的內(nèi)部橫 截面積和所述第二介電管的橫截面積，所述通道被布置在所述第二介電管的第 一端部和第二端部之間。
13，如以上權(quán)利要求中的一項或多項所述的設(shè)備，其特征在于，還包括用 于維持所述第二介電管中的電子束和等離子體束的聚焦的重新聚焦裝置。
14. 如權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其特征在于，所述用于維持聚焦的裝置 包括由被絕緣盤分隔的一個或多個金屬盤構(gòu)成的層疊，所述金屬盤和絕緣盤各 自具有中心孔并以第二介電管的軸為中心，以形成所述的中心通道，所述層疊 被布置在所述第二介電管的第一部分和第二部分之間。
15. 如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其特征在于，所述中心通道的橫截面積 等于或大于用于所述空心陰極的出口的所述端口的橫截面積。
16. —種用于生成、加速和傳播高密度電子束和等離子體束的方法，包括 一提供含有氣體的第一介電管，連接到所述第一介電管的空心陰極，連接到所述空心陰極并向沉積室內(nèi)凸出并與之連接的第二介電管，布置在所述第 二介電管的周圍的陽極；一將電壓施加到所述陰極和所述陽極；一從所述沉積室排空氣體；以及一以受控方式促使所述第一介電管中的氣體向等離子體的自發(fā)轉(zhuǎn)變，從 而生成電子的脈沖束，該脈沖束穿過所述陰極和所述第二介電管，在這里它進 而生成高密度等離子體，該等離子體與電子一起進入所述沉積室。
17. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述自發(fā)轉(zhuǎn)變的步驟通過將所述第一介電管中的氣壓和施加到空心陰極的電壓調(diào)節(jié)成校準(zhǔn)值來進行，這 些值結(jié)合起來適于確定所述自發(fā)轉(zhuǎn)變。
18. 如權(quán)利要求16或17所述的方法，其特征在于，還包括用于控制所述 自發(fā)轉(zhuǎn)變的開始的步驟。
19. 如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，通過將電壓脈沖施加到緊 接所述第一介電管的外壁布置的天線來提供所述控制。
20. 如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，通過借助于緊接所述第一 介電管的外壁布置的天線施加微波脈沖或通過將所述第一管的一部分設(shè)置在 微波共振腔內(nèi)來提供所述控制。
21. 如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，通過引導(dǎo)由可見光和/或UV 光譜的光子構(gòu)成和/或具有適于決定所述自發(fā)轉(zhuǎn)變的開始的能量的光脈沖通過 所述第一介電管來提供所述控制，所述介電管中設(shè)置了不會阻礙所采用的輻射 的材料。
22. 如權(quán)利要求16至21中的一項或多項所述的方法，其特征在于，還包 括在所述沉積室中維持低于所述第一介電管的壓力的壓力。
23. 如權(quán)利要求16至22中的一項或多項所述的方法，其特征在于，還包 括穿過所述第二介電管的電子束和等離子體束的重新聚焦。
24. 如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，借助于電子束和等離子體 束穿過由被絕緣盤分隔的一個或多個金屬盤形成的層疊的通路來提供重新聚 焦，所述金屬盤和絕緣盤各自具有中心孔并對準(zhǔn)以形成中心通道，所述層疊被 布置在所述第二介電管的第一端部和第二端部之間，且所述中心通道的橫截面 積小于所述第二介電管的第一和第二部分的內(nèi)橫截面積。
25. 用于從由所述材料制成的靶燒蝕材料的方法，包括用如權(quán)利要求16-24 中的任一項所述的方法生成、加速和傳播的高密度電子束和等離子體束撞擊 耙，使得由所述束沉積在靶上的能量導(dǎo)致以中性或電離原子、分子、原子團、 原子團簇和非晶態(tài)或結(jié)晶型聚集體形式的材料的發(fā)射，具有圓錐形分布，且軸 與所述耙的表面垂直。
26. —種用于沉積材料膜的方法，包括借助于如權(quán)利要求24所述方法從 由所述材料制成的靶燒蝕所述材料的步驟和將發(fā)射的材料沉積在布置成攔截 從耙錐形發(fā)射的材料的適當(dāng)?shù)闹挝锷系牟襟E。
27. —種用于產(chǎn)生材料的納米結(jié)構(gòu)聚集體的方法，包括以下步驟借助于 如權(quán)利要求24所述方法從由所述材料制成的靶燒蝕所述材料；凝聚發(fā)射的材 料；以及在冷卻的表面上收集所述材料，控制所述表面的溫度以保持在低于附近任何其它的表面的溫度，并沿發(fā)射材料的路徑布置所述表面，或在所選的多 孔過濾器上收集所述材料，使其具有小于待收集的粒子的最小尺寸的細孔通路 孔徑，沿所述發(fā)射材料的路徑布置所述過濾器。
28. —種用于在支撐物上沉積從靶燒蝕的燒蝕材料的系統(tǒng)，包括如權(quán)利要 求1至15中的任一項所述的設(shè)備、包括待燒蝕材料的靶以及用于沉積燒蝕材料的支撐物，將所述靶和所述支撐物安排在所述設(shè)備的沉積室中。
29. 如權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述靶包括沿所述設(shè)備中 的電子束和等離子體束的傳播軸布置的靶表面，關(guān)于所述軸成約45。的傾斜角 布置所述靶表面。
30. 如權(quán)利要求28或29中的任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述支撐 物具有用于沉積膜或納米團簇的表面。
全文摘要
一種用于生成、加速和傳播高密度電子束和等離子體束的設(shè)備和方法，設(shè)備包括含有氣體的第一介電管；連接到所述第一介電管的空心陰極；連接到所述空心陰極并向沉積室內(nèi)凸出并與之連接的第二介電管；在中間位置處布置在所述第二介電管的周圍的陽極；用于將電壓施加到所述陰極和所述陽極的裝置；用于從所述沉積室排空氣體的裝置；以及用于第一介電管內(nèi)氣體向等離子體的自發(fā)轉(zhuǎn)變的裝置。
文檔編號H05H1/54GK101156505SQ200680011252
公開日2008年4月2日 申請日期2006年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月7日
發(fā)明者弗朗西斯科·西諾·馬塔科塔 申請人:卡羅·塔里亞尼;弗朗西斯科·西諾·馬塔科塔