CN104303265B - 形成层的方法 - Google Patents

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Abstract

一种形成层的方法，该方法包括：提供具有适于在其上沉积的至少一个表面的衬底；以及将粒子束引向衬底的表面，该粒子束包括中等带电的离子(MCI)，几乎所有的MCI独立地具有从±2至±6的带电和不大于约200eV的动能，其中MCI穿透到衬底表面之中不超过约以在衬底上形成层。

Description

形成层的方法
背景技术
在亚单层至几纳米深度的尺度上的表面、界面或亚表面(sub-surface)层的材料设计在许多多样的领域内变得越来越技术上重要。这些领域可包括例如数据存储、微电子、催化和生物医药应用，这里仅提到了其中的一些。执行这类材料设计的新过程因此也一直是必要的。
发明内容
在表面纳米设计技术中的过程相互作用可被限制于表面层原子或离表面几个键长内的深度。本文公开了延伸和改善表面纳米设计技术的方法，所述表面纳米设计技术包括例如表面注入(SI)、表面亚植入(SSP)、蚀刻、掺杂和界面设计。本文公开的方法利用缓慢的、低至中等的多带电的单原子或分子或簇团、离子。应用可包括例如表面改性、材料合成以及在从表面延伸若干纳米的深度规模上的组合改性、蚀刻和界面设计。在这里讨论了碳或氢化碳薄膜，但公开的方法广泛地适用于其它材料，包括例如单层石墨以及其它元素或这些元素的组合。在一些实施例中，可形成高达大约250原子质量单位的元素层以及它们的组合。此外，可形成多种类型的材料，例如包括亚稳表面组成或表面层。本文包含的对碳薄膜的引用只是示例性的，并因此旨在说明本公开的范围但不构成限制。
本文公开了形成层的方法，该方法包括：提供具有至少一个表面的衬底，该至少一个表面上适于进行沉积；以及将粒子束引向衬底的表面，该粒子束包括中等带电的离子(MCI)，几乎所有的MCI独立地具有从±2至±6的带电和不大于约200eV的动能，其中MCI不穿透到衬底表面内超过约以在衬底上形成层。
本文另外公开了形成层的方法，该方法包括：提供具有至少一个表面的衬底，该至少一个表面上适于进行沉积；以及将粒子束引向衬底的表面，该粒子束包括中等带电的离子(MCI)，几乎所有的MCI独立地具有从±2至±10的带电和不大于约2000eV的动能，其中MCI不穿透到衬底表面内超过约以在衬底上形成层。
一种形成层的方法，该方法包括：提供具有至少一个表面的衬底，该至少一个表面上适于进行沉积；以及将粒子束引向衬底的表面，该粒子束包括中等带电的离子(MCI)，其中几乎所有的MCI独立地具有从±2至±10的带电和在大约5eV和2000eV之间的动能，并且其中粒子束是使用加速-减速射束转移技术被引至表面处，其中MCI不穿透到衬底表面内超过约以在衬底上形成层。
本公开的上面概述不旨在描述本公开的每个公开的实施例或每个实施方式。下面的描述更具体地例示出说明性实施例。在贯穿本申请的若干位置，通过示例列表提供指引，所述示例列表可用于多种组合。在每种情形下，所引述的列表仅充当代表性组并且不应当被解释成穷尽性列表。
附图描述
图1示出因变于深度()的亚植入碳原子和受损原子两者的浓度。
图2示出表面注入如何能够通过插入和置换效应调制表面密度。
图3示出含碳离子因变于带电的离子尺寸减小因数。
图4示出单带电的碳离子因变于动能的莫里哀(Moliere)直径。
这些附图不一定按比例示出。附图中使用的相同附图标记表示相同部件。然而，将理解在给定附图中使用数字来指代部件不旨在限制用另一附图中同一数字标记的部件。
具体实施方式
在以下描述中，参照形成本说明书一部分的附图集，其中通过图示示出了若干特定实施例。应当理解的是，可构想和作出其他实施例而不背离本公开内容的范围或精神。因此，以下详细描述不应按照限制的意义来理解。
通过术语“约”，在说明书和权利要求中使用的表示部件大小、量以及物理性质的所有数字应被理解为在任何情况下被修改，除非另外指明。因此，除非相反地指明，否则在上述说明书和所附权利要求中陈述的数值参数是近似值，这些近似值可根据利用本文中公开的示教的本领域技术人员所寻求的性质而变化。
通过端点对数值范围的陈述包括包含在该范围内的所有数值(例如1到5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4以及5)以及该范围内的任何范围。
如说明书以及所附权利要求书中所使用地，单数形式的“一”、“一个”以及“该”包括具有复数引用的实施例，除非该内容另外明确地指出。如本说明书和所附权利要求书中使用地，术语“或”一般以包括“和/或”的意思来使用，除非该内容明确地指出相反情形。
“包括”、“包含”或类似术语表示涵盖但不限于，即包括并且非排他的。应当注意，“顶”和“底”(或者类似于“上”和“下”)被严格地利用于相对描述并且不暗示着所述要素被定位在其中的物品的任何总取向。
所公开的方法可提供延伸和改善表面纳米设计技术的方式，所述表面纳米设计技术包括，但不限于，表面注入(SI)、表面亚植入(SSP)、蚀刻、掺杂和界面设计。本文公开的方法可用于本质上无限多数量的应用，包括例如数据存储、微电子、催化和生物医药应用。
在许多重要的薄膜应用中，例如用于数据存储的先进涂层技术，从常见利用的薄膜沉积至表面纳米设计技术的转变更能够满足不断增长的面密度需求。厚度、均匀性和工艺再现是涂层设计中常用的对质量关键(CTQ)的度量。所公开的方法可提供涂层中要求的机械、化学和热强健性质的改善。所公开的方法也能够提供新形式的基于碳的材料和/或亚稳材料，这些材料被设计在和/或入表面或近表面区以满足未来的头媒体间距(HMS)以及涂层的热、机械和化学需求。
在对于数据存储涂层的薄膜应用的示例性背景下，对相对厚的碳薄膜(几十纳米至几微米)的研究表明，sp3对sp2碳原子增加的比(sp3/sp2)一般改善碳薄膜的特征。亚植入模型作为超高温处理技术很好地记载在文献中，其中高能碳离子的浅离子注入导致与sp3键杂化(sp3/sp2比)的增加相适应的薄膜密度的局部增加。例如，一般针对比头涂层应用所需的那些明显更厚的薄膜而报告这些技术。由于高能注入粒子与衬底原子相对于深入表面的深度的非线性相互作用，这些公知方法的应用对于nm级别厚度的薄膜来说可能是复杂的。
在大约100eV的典型离子能量下，亚植入原子的深度以及作为结果的破坏范围分布在涂层应用中是显著的(由于涂层薄的性质)并可能对被主动处理的表面下的层和界面的原子成份、键和结构具有很大的影响。图1示出在100eV下相对于深度()亚植入碳原子和受损的原子的量的理论表示。该长度规模使得当以制造高sp3含量为意图处理碳涂层薄膜时，实际碳涂层薄膜可能具有不希望有富含sp2的最终表面。这可指示形成sp3所需的原子相互作用会具有更高的可能性以在主动处理的表面下面形成若干个层。此外，可能出现一种情况，其中薄膜中之前产生的sp3区可能通过不期望的原子弛豫过程回到sp2，所述原子弛豫过程起因于缺陷迁移效应或离子动能的热耗散，缺陷迁移效应或离子动能的热耗散可能显著地延伸超出离子相互作用深度。
申请人共同拥有的2012年4月5日提交的美国专利申请号S/N13/440071题为“METHODS OF FORMING LAYERS(形成层的方法)”(其公开内容通过引用纳入于此)公开了使用SSP方法设计具有受控制的薄膜特征的接近逐层生长(相比依赖深度的合成)的表面设计方法。在那篇公开中，随着生长继续，亚植入处理效果被约束在表面层和/或在连续生长层的顶部少许表面层。这个特征既区别于来自传统亚植入技术的过程又消除了通过非线性的效果、原子相互作用效果(见2012年4月5日提交的S/N 13/440068题为“METHODS OFFORMING LAYERS(形成层的方法)”的申请人另一共同享有的美国专利申请，其公开内容通过引用纳入于此)。
本文所公开的方法试图随着生长继续而将处理效果持续地约束至层的顶部几个键长。这可最小化或消除注入粒子与衬底原子的非线性原子相互作用的效果。图2示出表面注入如何能够通过插入和置换效果来调制表面密度。在一些实施例中，在正在形成含碳薄膜的情形下，这也可调制sp3键杂化。
如图2所示，表面注入或表面亚植入(SSP)可能因为若干机理而变得复杂，包括溅射蚀刻、表面能垒的穿透和离子反射。可从这些效果的计算估计中估计得到处理能量窗口。
就sp3中心生成的有效性而言，必须更多考虑缺陷形成和非弹性能量损失的机理，这可通过分别藉由缺陷迁移和热退火(通过注入引发的光子通量)提供缓解局部应力而降低sp3中心浓度。Sp3中心在亚注入和表面亚植入过程中的形成和消灭的相对速率(以及sp3中心的净速率)因此依赖于能量沉积的仔细控制以及它如何耦合到表面内和接近表面区附近。这种需要既克服对表面穿透的能垒又要将停止距离限制在小于几个键长的竞争需要约束了低入射粒子能量的可得能量窗口。遗憾的是，能量学一般使得在置换碰撞中，接近典型原子置换能量(Ed)的能量(Ed为20-25eV)可能被运动学地交换。在接近Ed的ΔE交换下，存在很高的可能置换粒子与其空穴的瞬间重新结合，由此使被相信是sp3中心成形所需的局部扭曲变得无效。在前面引述的美国专利申请S/N 13/440071中提出了使用分子离子作为通过将入射离子能在离子碎片的基础上分割而有效地扩展SSP窗口的方法。在使用烃分子离子(例如乙炔)的情形下，尽管运动可排除氢克服表面势垒，然而化学效应可能将氢纳入到层中，在涂层应用中，这在升高的浓度下可能是不理想的。
所公开的方法利用前述现象以提供对例如表面注入(SI)、表面亚植入(SSP)、蚀刻、掺杂和界面设计不同和/或有利的结果。
所公开的方法一般可包括多个步骤，其中一些步骤可包括步骤：提供衬底；以及将包括中等带电的离子(在这里也被称为“MCI”)的粒子束引向衬底以形成层。可通过例如布置、配置或以其它方式将衬底定位在系统中而完成提供衬底。
其上拟形成层的衬底可以是任何类型的材料或结构。在一些实施例中，示例性衬底可具有至少一个表面，在其上将发生层形成。这一表面可被称为“适于层形成的”，它可包括简单地布置在处理腔内以使层被形成在至少期望的表面上。在一些实施例中，衬底可包括形成在其上或其中的结构或器件。在某些实施例中，可利用本文公开的方法在各结构上形成覆层；并且在这些实施例中，其上形成有覆层的设备可被认为是衬底。在其上形成层之前，可在衬底上可选择地执行各种过程和程序。
在一些实施例中，可考虑衬底或衬底表平面的导电性。应当注意，本文公开的方法可用来在几乎任何表面上形成层，不管它是导电的、电绝缘的还是其某些组合。在一些情况下，带电的粒子可造成离子电位能量的耗散，这可能在金属表面上产生纳米规模的表面破裂。这个现象在非导电表面上可能无法观察到。因此，在一些实施例中，所公开的方法可利用非导电表面。在一些实施例中，非导电表面仅在要形成层的区域上包括绝缘材料。在一些实施例中，非导电表面可被制成非导电的。例如，可经由表面处理技术将原本导电的表面制成非导电的，或可用非导电材料涂覆。表面处理技术的一个特例包括在使用所公开的方法施加较高sp3含量的层之前沉积富含sp2碳的前体碳层。
使用非导电表面也有益于减少或防止表面中和效果，该表面中和效果可能在与表面或亚表面层的有效处理水平的相互作用可能发生之前通过在材料表面之上中和的入射离子造成。将MCI用于形成富含sp3碳涂层的非常特定的非限定示例的另一潜在优势包括一旦已穿透表面放置原子或近表面原子子层就中和入射的MCI。这可导致波函数的随后扩大(即离子有效尺寸的增加)，由此造成局部应变的增加以及通过前面描述的杂化的sp3中心的伴随产生。在一些实施例中，为了防止表面中和效果，MCI可以在足够高以穿透适当薄的绝缘或负电材料涂层的能量入射以使带电在入射到期望的表面或界面前保留其性质。类似地，可利用比期望的入射离子带电更高的带电(对于势能交换考虑因素)以补偿在穿透入衬底时可能发生的带电中和。
即便可能存在可能期望具有特定类型表面的情况(相对于其导电性)，同样应当注意在本文中可利用任何类型的衬底和/或表面。
所公开的方法也可包括将粒子束引向衬底的步骤。粒子束可包括中等带电的离子(在这里被称为“MCI”)。所公开的MCI可通过其各种性质来描述。例如，MCI可通过它们的带电(Q)、它们的动能、它们的势能、它们的类型、它们的组成原子的质量或其组合来描述。在一些实施例中，对于给定的粒子质量，带电(Q)和MCI的动能可能是所考虑的最相关性质。
所公开的方法利用包括MCI的粒子束，其可通过它们的带电状态(在本文中也可被描述为“Q”)来描述。MCI可具有或者正或者负的带电状态。因而，带电状态可或者仅通过带电的绝对值或者通过实际带电(规定正或负)来表示。通常，粒子束中的所有MCI将具有相同的带电。这可使用多种技术来达成，例如包括质量和/或带电过滤，这将在下文中讨论。然而，特定粒子束中的所有MCI不一定具有相同的带电。在一些实施例中，MCI可具有从±2至±10的带电。在一些实施例中，MCI可具有从±2至±6的带电。在一些实施例中，MCI可具有从±3至±6的带电。在一些实施例中，MCI可具有3的带电。在一些实施例中，粒子束可由正、负带电的MCI构成，其带电状态在2和6之间。
所公开的方法利用包括MCI的粒子束，其也可通过它们的动能来描述。粒子的动能也可以被说成是描述粒子是快的还是慢的。这里利用的MCI可被认为是“慢的”，或被认为具有“低动能”。经常，粒子束中的所有MCI将具有几乎相同的动能或低热(能)扩散。这可使用多种技术来达成，例如包括加速-减速技术，这将在下文中讨论。然而，特定粒子束中的所有MCI不一定具有相同的动能。在一些实施例中，MCI可具有不大于约2000电子伏(eV)的动能。在一些实施例中，MCI可具有从大约5eV至大约2000eV的动能。在一些实施例中，MCI可具有不大于约200eV的动能。在一些实施例中，MCI可具有从大约5eV至大约200eV的动能。在一些实施例中，MCI可具有从大约5eV至大约100eV的动能。
MCI也可通过它们的势能来描述。MCI可提供一种优势，即它们的势能可超过它们的动能。下面的表1示出含碳离子因变于带电的势能。
表1
含碳离子的带电(Q) 势能(eV)
1 11
2 35
3 81
4 145
5 536
6 1026
所公开的MCI也可通过它们的组成原子的原子质量来描述。在一些实施例中，MCI可由原子构成，这些原子具有从大约1至大约250统一原子质量单位(u)的原子量。在一些实施例中，MCI可由具有从大约1至大约100u的原子量的原子构成。应当注意，单原子MCI将具有等于构成原子的原子量的质量，而分子和簇团MCI将具有构成原子的原子量单位的综合的质量。
所公开的方法利用包括MCI的粒子束，其也可通过它们的类型来描述。MCI可以是例如单原子离子、分子或多原子离子或者离子簇团(或纳米簇团)。经常，粒子束中的所有MCI将具有相同的类型。这可使用多种技术来达成，例如包括质量选择的加速-减速技术，该技术将在下文中讨论。然而，特定粒子束中的所有MCI不一定具有相同的类型。
所公开的MCI也可通过它们的“有效尺寸”来描述。本文中使用的“有效尺寸”指电子波函数的空间范围(尺寸和形状)，其具有电离程度Q。MCI的多带电状态(即具有大于1的绝对值的带电)可提供一种优势，即离子的“有效尺寸”可以被调整。图3示出含碳离子因变于离子的带电(Q)的归一化离子尺寸减小因数(“有效尺寸”的度量)。如所见那样，含碳离子的“有效尺寸”随着带电增加而减小。
原子或离子的许多物理性质源自它们的“有效尺寸”。在原子或分子规模上，这可包括描述在薄膜处理中目标原子和入射粒子之间的原子间力的相互作用程度的有效距离。给定的入射离子与给定表面的运动相互作用的性质依赖于粒子通过其速度依赖的碰撞横截面的动能。其一个例子示出于图4中。图4示出当与静态碳目标原子碰撞时单带电的碳离子因变于动能(eV)的莫里哀直径()。在低能量下，从相关的碰撞横截面可以看到，将出现从二元碰撞模式至复杂的许多体类型的碰撞的转变，这例如受随着横截面延伸(在较低能量下较大)以与表面原子的波纹表面相互作用势能主宰，所述横截面延伸以对于逼近表面的缓慢离子与多个原子重叠。这可复杂化和甚至限制对表面进行设计的能力。
在低能SSP碰撞运动学的特定但非限定例子中，随着入射动能减少，表面穿透或通过纳米尺度亚植入插入和/或置换(例如在sp3形成类型过程)的表面穿透的过程将不可避免地变成表面沉积类(更像sp2类型形成过程)。除了前面提到的关于表面穿透势垒能的运动效果、缺陷生成和声子退火效果以外，这些因素可能限制SI和SSP技术的有效性和/或效率两者以及在共同拥有的美国专利申请S/N 13/440071中描述的可供设计“薄膜”性质使用的过程可变窗口的宽度。
所公开的方法具有使用MCI的有区别的动能和势能特征来提高表面纳米设计技术的能力的优势。例如，一种利用具有3的带电状态(Q＝3)的含碳MCI的方法将从效果上相比碳的单价离子将具有的能量依赖的莫里哀横截面(如前面图4所示)的一半。这可允许使用相比传统单价离子显著更低的入射粒子能量并在控制能量运动地交换入表面区域的程度和深度时给予优势，该优势是缺陷生成的后继期望的减少。可在接近表面能垒但低于缺陷生成的能量阈值的入射能下继续处理，由此实现可能无缺陷的表面设计技术。
此外，在利用慢MCI处理的所公开方法中，能量交换可能更受势能交换而不是动能交换主宰，其中离子的势能通过电子激发而不是传统薄膜处理中的纯运动效果来交换。在SSP技术的应用中，MCI势能可超过入射粒子动能。在缓慢MCI处理中入射粒子通过势能丧失而不是主要运动交换而丧失大量能量的能力可允许在薄膜纳米设计中带来完全新的能力。也应当注意，在缓慢MCI处理中，MCI的有效电离带电可随着入射粒子深入表面的深度(路径长度)而改变，并因此MCI如何在表面层内相互作用并交换能量的性质将随着进入衬底表面的路径长度(深度)而改变，这依赖于对于给定抛射体——目标原子系统——随深度中和的程度。
已知的离子源可被利用作为所公开的方法中的粒子束。一般来说，可利用能产生多倍带电的离子的源。可利用的示例性离子源可包括例如电子回旋共振(ECR)离子源、多交点(multicusp)离子源和电子束离子阱(EBIT)离子源。
本文公开的方法可包括在衬底或表面引导粒子束的步骤。引导粒子束可使用多种技术来达成，例如包括“加速-减速”射束传输技术。离子的加速和/或减速——在本文中可将其称为“离子加速-减速”——可通过质量选择、射束调整和成形结合测角动能处理来实现(通过目标处理表面的测角(角)配置的粒子束参数的协同实时变化(相对于射束轴))以控制承担处理现象的控制的控制因数，例如纳米材料和亚稳表面材料的蚀刻、界面纳米设计、纳米掺杂、表面纳米设计。离子加速-减速方法可避免粒子束转移效果(例如空间带电扩张)和低能量下糟糕的离子源性能特性(例如无法使用的低射束电流)以改善处理控制。MCI可在高能量下被加速和调整，并随后就在与衬底碰撞之前被减速至撞击能量。然而，低能量处理的存在限制可能极窄并且容易被破坏。
在另一实施例中，可选择地成形束。束的成形可发生在例如离子源或例如在质量选择之后。在一些实施例中，窄的矩形或线形束可以是有利的形状。另一有利方面是粒子束本身是静止的并且衬底可相对于束机械地被扫描。成形、静态入射和独立衬底扫描可以是奇诺测角(kinogoniometric)中性粒子处理中的重要方面。
如果在仪器设计中未作出对至衬底台的“投掷”距离的适当考量以及过程窗口中的沉积速率的适宜控制，那么束可能表现出大的束发散(具有过程控制的可能损失)。粒子能量、射束电流、射束发散、带电状态和离子质量的处理控制在传统处理技术中一般是静态的。然而，可使用所选择的射束参数的变化以例如定制界面、具有和不具有样本测向运动的组成或损伤中心浓度分布。共同地，可通过在例如润滑设计应用中在薄膜生长期间或之后适当切换质量过滤参数来取得可变掺杂的多层纳米结构或选择深度或表面掺杂。
可利用所公开的方法来形成任何材料层；或换句话说，被插入到表面层中的MCI可具有任何身份。在一些实施例中，可利用所公开的方法来形成包括碳的层。在一些实施例中，可利用所公开的方法来形成包括作为烃的碳(例如氢化碳)的层。然而应当理解，碳和烃仅仅是示例，并且所公开的方法不限于碳和/或烃层或膜的形成。
构成MCI的材料将成为被形成的层的材料的组成。在一些实施例中，来自粒子束的材料将被插入到衬底中，在这种情形下，来自粒子束的材料和衬底材料的混合物将被形成。在一些实施例中，含含MCI材料(例如碳)的层被形成。在一些其它实施例中，含氢化碳(碳和氢两者)的层被形成。
所形成的层可具有不同的厚度。层的厚度，与本文中利用的术语一样，指厚度的度量。例如，厚度的度量可提供平均厚度，或可提供能够关联于层的厚度或平均厚度的性质。例如，层可从大约子单层(小于材料的单层)至大约厚。在一些实施例中，层可从大约至大约厚；而在一些实施例中，层可从大约至大约厚。
层可指衬底表面上的材料、在衬底界面上的材料(即部分注入到表面内但也暴露(宛如在)表面上的材料)、衬底内的材料(即被注入到衬底并且不被暴露在衬底表面的材料)或其任意组合。在一些实施例中，MCI不穿透深入衬底表面内大于约的原子或分子，和/或不与深入衬底表面内大于约的原子或分子相互作用。在一些实施例中，MCI不穿透深入衬底表面内大于约的原子或分子，和/或不与深入衬底表面内大于约的原子或分子相互作用。在一些实施例中，MCI不穿透深入衬底表面内大于约的原子或分子，和/或不与深入衬底表面内大于约的原子或分子相互作用。在一些实施例中，MCI不穿透深入衬底表面内大于约的原子或分子，和/或不与深入衬底表面内大于约的原子或分子相互作用。在诸实施例中，本文公开的方法不基于成核生长机理来形成层。成核生长机理从根本上限制了连续薄膜的最小厚度。
对入射粒子通量分布、其能量分布以及到达角分布的控制是研发能够表面纳米设计的过程的关键组成。然而，原子的许多物理性质来源于原子的“尺寸”，即其波函数的尺寸和形状。这包括描述原子/粒子之间的原子间力的相互作用程度的有效距离，它在控制薄膜加工时是十分重要的。使用缓慢的、中等带电离子(MCI)允许在薄膜处理中访问新的自由度，因为粒子波函数对粒子带电状态的依赖性以及离子势能与其在能量交换中转化的能量之间的相互影响。
一些公开的方法可利用纳米簇团或分子离子。在这种情形下，粒子可进一步通过它们的注入能量(相对于其入射能量)来描述。这里可利用下面的构造以解释粒子的能量。在接地射束粒子源的示例性情形下，粒子就在与未偏压、未带电的衬底表面相互作用之前的入射能量(Vinc)是通过射束电压(或屏电压)Vb和等离子体电位Vp之和给出的，假设入射粒子是单原子、单带电的离子。在这种情形下，注入能量(Vimp)与所描述的入射能量(Vinc)相同。对于单带电分子离子或簇团的情形，假设一旦与衬底表面上的原子相互作用，则分子轨道重叠导致分子(或簇团)完全分裂成其组成原子物种。入射动能(Vb+Vp)减去分子或簇团解离能随后在每个原子“片段”上根据其原始入射分子或簇团质量的质量分数(质量原子组成/质量总分子或簇团)被分割，以给出每个片段的Vimp。
可选择粒子(例如纳米簇团或分子离子)的注入能量(选择最大值)来将离子投射范围约束在表面之中小于若干键长的最大值。也可选择粒子的注入能量(选择最小值)以使其至少足以使表面能垒的穿透性允许将粒子纳入到表面内。由于所选择的最小能量(足以使粒子穿透入衬底中)，所以层的生长不是经由典型的成核生长机理完成的。所选的注入粒子能量的范围使得至目标原子的动能转移要么不足以产生置换，要么平均起来以总体地产生仅一个或两个置换反应，或者足以允许插入到表面内或离表面的若干键长内的距离。
一旦与衬底表面接触，粒子可被分裂成较小的粒子。在这些情形下，粒子本身、这些入射粒子的裂片或其某些组合可具有能量，即不大于100eV的注入能量。当在本文中讨论注入能量时，应当理解，这些能量可指入射粒子、这些入射粒子因为其与表面的相互作用产生的裂片或其任意组合。在一些实施例中，所公开的方法包括利用具有几十(10s)个电子伏(eV)的注入能量的粒子。在一些实施例中，方法包括利用具有小于约100eV的注入能量的粒子。在一些实施例中，方法包括利用具有不大于约80eV的注入能量的粒子。在一些实施例中，方法包括利用具有不大于约60eV的注入能量的粒子。在一些实施例中，方法包括利用具有不大于约40eV的注入能量的粒子。在一些实施例中，方法包括利用具有不大于约20eV的注入能量的粒子。在一些实施例中，方法包括利用具有从大约20eV至大约100eV的注入能量的粒子。在一些实施例中，方法包括利用具有从大约20eV至大约80eV的注入能量的粒子。在一些实施例中，方法包括利用具有从大约20eV至大约60eV的注入能量的粒子。在一些实施例中，方法包括利用具有从大约20eV至大约40eV的注入能量的粒子。
由此，公开了形成层的方法的实施例。上述实现以及其它实现落在所附权利要求书的范围内。本领域技术人员将理解本发明可利用除所公开内容之外的实施例来实施。所公开的实施例是为了说明目的而不是限定目的给出。

Claims (20)

1.一种形成层的方法，所述方法包括：
提供具有至少一个表面的衬底，所述至少一个表面上适于进行沉积；以及
将粒子束引向所述衬底的表面，所述粒子束包括中等带电离子(MCI)，所有的MCI独立地具有从+2至+6或从-2至-6的带电和不大于200eV的动能，
其中MCI穿透到所述衬底的表面之中不超过以在衬底上形成层。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述MCI是单原子物种、分子多原子物种、簇团物种或其组合。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所有MCI具有在5eV和200eV之间的动能。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所有MCI具有在5eV和100eV之间的动能。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所有MCI具有从+3至+6或从-3至-6的带电。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所有MCI具有±3的带电。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粒子束的源被配置成产生多倍带电的离子。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述源从电子回旋共振(ECR)离子源、多交点离子源或电子束离子阱(EBIT)离子源中选取。
9.一种形成层的方法，所述方法包括：
提供具有至少一个表面的衬底，所述至少一个表面上适于进行沉积；以及
将粒子束引向所述衬底的表面，所述粒子束包括中等带电离子(MCI)，所有的MCI独立地具有从+2至+10或从-2至-10的带电和不大于2000eV的动能，
其中MCI穿透到所述衬底的表面之中不超过以在衬底上形成层。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所有MCI具有在5eV和2000eV之间的动能。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所有MCI具有从+3至+6或从-3至-6的带电。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述粒子束的源被配置成产生多倍带电的离子。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述源从电子回旋共振(ECR)离子源、多交点离子源或电子束离子阱(EBIT)离子源中选取。
14.一种形成层的方法，所述方法包括：
提供具有至少一个表面的衬底，所述至少一个表面上适于进行沉积；以及
将粒子束引向所述衬底的表面，所述粒子束包括中等带电离子(MCI)，其中所有的MCI独立地具有从+2至+10或从-2至-10的带电和5eV与2000eV之间的动能，并且使用至少加速-减速束传输技术将所述粒子束引导在所述表面处，
其中MCI穿透到衬底表面之中不超过以在衬底上形成层。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所有MCI具有从+3至+6或从-3至-6的带电。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所有MCI具有在5eV和200eV之间的动能。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述粒子束的源被配置成产生多倍带电的离子。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述源从电子回旋共振(ECR)离子源、多交点离子源或电子束离子阱(EBIT)离子源中选取。
19.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述MCI包括碳。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述MCI具有从+3至+6或从-3至-6的带电。
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