脉冲离子束辅助淀积制造技术

一种在基片上对一种材料进行脉冲离子束辅助淀积的方法，包括： ａ）所述材料淀积在基片上，由此产生一个复合结构；和 ｂ）通过至少一个离子束脉冲的作用，热处理复合结构。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本申请是1994年11月16日提出的共同待批美国专利申请号08/340,519的部分继续，专利08/340,519是1994年10月4日提出的申请号08/317,948美国专利申请的部分继续申请，而专利申请081/317,948是1993年11月6日提出的申请号08/153,248美国专利申请的部分继续。本专利技术是在美国能源部合同DE-AC04-94AL85000下由政府支持完成的。政府在本专利技术中拥有一定的权利。本专利技术主要阐述了材料工业中高含量涂层淀积的一般问题。特别是，本专利技术解决了低成本商业规模淀积涂敷材料的问题，它的特性超过了那些无辅助淀积技术所得出的结果。在把一种材料淀积在另一种上的一般领域内，一个主要问题就是难于影响整体结构的最终状态。控制大多数物理淀积技术结果的主要参数是基片材料和所淀积材料的相对热容量和导热性。由于这些材料参数不能改变，因此最重要的过程控制参数就是基片温度，其次是淀积速率。在常规淀积过程中，基片和淀积速率的作用实际上是紧密相关的。在原子的规模上，作为一种热起动过程的表面扩散的速度必须要足够高，以便新淀积的原子在它们由于被淀积源所发出的额外原子所覆盖而被控制在不希望的位置上之前能够在涂层内结构中找到适当位置。因此有可能从基片温度T1构成过程控制参数，而且淀积速率α是有近似形式β＝αexp(E/kT1)此处E是表面扩张能量。这样β就是淀积速率与表面扩张步幅的速率之间的简单定额。实际上，单个简单的这种形式的定额不足以用于预测物理淀积过程的结果，主要是因为在生成中存在竞争过程及不平衡点，但β通常是一个好的基本近似值。更重要的是，象β这样的由基片和所淀积材料的物理和化学性质决定的简单数值是如此接近物理淀积过程的预测。这认为常规物理淀积控制参数的极限能力显著改变这种过程的结果。物理淀积过程的另一个重要要求就是淀积层应充分附着到基片材料上。实际上，两种材料之间的任何粘聚力都会产生一定水平的粘着力。但在实际上，热应力和机械应力总是存在，起到了剥去基片上涂层的作用。甚至微电子学中的触点区也承受到了小的但却不是无意义的应力，这些应力来自搭接线以及连接这些线所用的热压缩搭接过程。因此，对于实际应用，通常要求基片与涂层之间有显著的粘着力。以上所列出的考虑和其它与物理淀积过程有关的问题已经导致试图改变生成过程的企图。多半，最普通的方法就是用多层复合涂层取代单涂层。这种技术旨在增加顶层对基片的粘着力。在一个简单的方式中，一个对基片有好的粘着力的材料淀积为第一层，然后在这个中间层的顶部淀积所希望的层，该层对顶层也体现出好的粘着力。使用这项技术的问题在于，光滑的非合金层之间的粘着力本质上是它们表面能量的作用，这样一个具有低表面能量的层将牢固地粘接到具有高表面能量的基片上。那么，造成粘着力弱的原因估计可能是所希望的涂层材料具有比基片更高的表面能量。(后面将论述其它的原因)。如果这样，而且中间层具有比基片更低的表面能量，那么原来的希望就是顶涂层对中间层的粘着力将比对基片的粘着力更小。这种问题常出现在材料之间的接面是清洁的而且则突变的时候。已知对使用多层涂层来改进粘着力进行表明能量分析得出用这种方法是失败的，那么为什么使用这种涂层呢？因为这种涂层取得成功有许多可能的原因。举一个简单的例子，即采用一个相当软的层将会使热应力和机械应力耗散为该软层的塑性变形，由此降低作用在材料接面上的应力。这种方法目前已用于使一个亚微米GaAs层能连到一个硅基片上，这是一种体现出热扩张应力差异大的材料组合。在多层结构中增加粘着力的主要原因多半是，两种材料在它们相互接面处的熔合(混合)通常大大增加粘着力。在这一点上这种情况的原因不完全明显，但主要影响是在界面结构上从一个光滑并且突变的平面接面改变为一个模糊的三维接面区。由于没有明显的断开面，那么横跨接面的应力就没有固定的集中位置，从而得出更结实的结构。因此中间层的作用可以是它在某种程度上与基片和顶涂层熔合了。这种方法在实际应用中通常是相当复杂的。例如，在微电子学中，使用4-6层的不同材料不是不常见的，每种都需要独立的淀积过程，以便形成具有足够粘着力和结构稳定性的线路和电极。为了增加粘着力而使用界面混合法时所存在的部分难点是，在常规淀积条件下这种混合在多数材料之间不会达到所希望的程度。这是因为表面扩散能量显著大于内部扩散能量。由于人们通常都希望使淀积速度最大，而且因此希望淀积设备的生产量达到最大，因此淀积速度被粗略地设定为一个值，该值使正被淀积的原子能扩散在表面上，在被下一层埋住之前在正生长的晶体结构中舒服地找到位置。假如主体扩散能量比表面扩散能量大约30-100％，这意味着在常规过程中几乎没有任何发生扩散的机会。(事实上，多半2-4层的局部“扩散”将会常被看见。这是生成期间必须发生的表面粗糙的结果，而且不是由于界面间扩散引起的。接面还是突变的，但却是稍有点不规则而不是平平的。这种混合不会显著影响两种材料之间的粘着力。)一种涉及这个问题及其它问题(例如避免薄膜上的小孔，这种小孔能破坏用作电绝缘体的涂层可用于改进抗腐蚀性的涂层的效能)的新技术被称作离子束辅助淀积(IBAD)。IBAD是目前正研究的一种方法，在这种技术中通过应用低能离子束，把额外的振动能量引到生长涂层的近表面区。其本质思想就是，当入射束的动能通过离子与原子和原子与原子的碰撞被分配给近表面区(大约顶部3-10nm)中的原子时，足够的能量(约10-30eV/原子)能传送给单个的原子，以便克服阻碍主体扩散的活动障碍。其结果是双重的首先，界面混合发生，而其次，所淀积的涂层是密集的，因为引起主体扩散的离子束起到了填充涂层中缺陷的作用，这些缺陷会导致小孔和类似结构。结果是涂层具有较好的粘着力、电子特性和抗腐蚀性。但是目前关于开发一个实际IBAD过程的进展已经受到了使用连续离子束激励生长表面这个决定的限制。这个决定似乎是自然的，因为生长过程是连续的，而且没有任何时间比例(除了可能节省淀积单层涂层所需的时间之外)来建议使用脉冲技术。本IBAD方式有条件限制。只有近表面区域(不超过顶部几毫微米)受到入射离子的激励。离子的能量相当低，一般在几百eV的数量级上。这样一个离子通过连续碰撞，多半将在金属中提供给50个原子足够的能量，以便在它们激励热化之前克服对主体扩散的局部阻碍。每平方厘米的生长表面上有1016数量级的近表面原子。为每个这种原子引入单个扩散一般不会影响最终结构。因此，目前每个原子将需要不定数目的激励，以便在生长的薄膜中获得显著改进；试验结果建议这个数量可以处于10-100的数量级上。以上数字建议，显著改变物理淀积过程所需的每平方厘米表面离子的剂量必须处于1015-1016个离子/cm2的数量级上(每层淀积的原子)。如果该剂量过于小，在生成结构中将不地有多少或没有任何明显效果。如果剂量过大，那么受激区域的阻尼或其它形式的衰变是常见，因为大规模离子对晶格破坏与受破坏区域的快速硬化结合在一起防止了晶体的再生长。由此，对于约1A/S的典型生长速度，IBAD所需的离子束流大约是0.1-1百万mp/cm2。(这是一个比较高的束流强度；因此，迄今大多数试验实际上使用较低的束流，而由此使用较小的生长速率)。由这一水平的辐射在结构上产生的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：里甘·W·斯廷耐特，
申请(专利权)人：桑代公司，
类型：发明
国别省市：