CN111886360B - 离子束溅射设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一个方面提供了一种离子束溅射设备，该离子束溅射设备包括：离子源，该离子源被构造为沿着束轴线生成中空离子束，该束轴线位于束的中空部分中；和溅射靶，该溅射靶具有限定至少一个靶表面的靶体，靶体包括可溅射粒子，靶体相对于离子源定位，使得离子束撞击至少一个靶表面，以从靶体朝向要改性的物体的表面溅射粒子。靶体被成形为使得朝向待改性表面溅射的粒子通常相对于束轴线在径向延伸的溅射方向上从溅射靶溅射，溅射方向是(i)朝向束轴线延伸的方向和(ii)远离束轴线延伸的方向中的一个。

Description

离子束溅射设备和方法
技术领域
本公开涉及用于将粒子溅射到表面上的离子束溅射设备和方法。
更具体但不排他地，本公开涉及用于将粒子溅射到平坦表面上的离子束溅射设备和方法。
本公开还涉及用于将粒子溅射到管道内表面和/或外表面上的离子束溅射设备和方法。
背景技术
离子束表面改性(IBSM)技术，诸如离子束溅射，用于将材料薄膜沉积到表面上。IBSM技术具有优于其它现有表面改性技术的几个实际优点。
例如，由于所沉积原子的能量高至足以破坏表面上的化学键，因此IBSM金属化尤其不需要预先的表面准备。与其它物理沉积技术类似，IBSM技术有助于以目前仅通过用激光技术和复杂的多步光刻技术进行的后处理而改善的分辨率进行图案化。然而，由于这是一种使涂布基材上的温度升高最小化的过程，并且是视线技术，因此它允许使用薄的有机材料模板。
典型的常规溅射系统包括离子或沉积源、溅射靶(或源)以及支撑件，该支撑件被布置成支撑基材或具有相对于离子源和溅射靶要被改性或涂布的表面的其它物体。离子源、溅射靶以及支撑件被布置在包含诸如氩气的惰性气体的真空室中。离子源被构造成生成等离子体，并且从等离子体剥离高能量、带正电的离子。离子轰击溅射靶，这从溅射靶“溅出”或喷出原子尺寸的粒子。溅射的粒子被导向并沉积在要改性的表面上。
在常规系统中，离子源通常提供指向溅射靶的大体平坦表面的点离子束。离子束的入射角(离子束与在离子束和表面之间的入射点处垂直于溅射靶表面的线之间的角度)通常大于或等于45度。即，离子束的掠射角(在入射点处离子束与溅射靶表面之间的角度)通常小于或等于45度。溅射的粒子(或原子或分子)在一定角度范围内从表面喷出。然而，大部分溅射粒子通常在接近垂直于离子束的方向上从溅射靶的表面喷出。进一步地，由于真空室中的低压，大部分溅射粒子遵循基本上线性的轨迹。因此，在常规系统中，离子源、溅射靶以及待改性表面通常需要在室内以非线性布置对齐，离子源、溅射靶以及源通常彼此垂直对齐。在实践中，经常需要相对大的真空室来容纳离子源、溅射靶以及待改性表面。
迄今为止，IBSM不适合处理相对大面积的表面，诸如相对大面积的平坦表面。IBSM通常限于高真空环境中的批处理，其中，可以使用圆盘传送带来移动(例如，旋转)要在真空环境内在溅射源前面改性的表面。进一步地，除了微电子工业之外，IBSM还局限于实验室应用，因为IBSM目前需要相对较大、复杂的真空设备，并且与工业要求(低成本和高生产量)不相容。例如，工业聚合物表面工艺通常需要在相对大的面积上操作并具有大的生产量。
许多现有的IBSM技术不适合和/或不能实行涂布管道(诸如管子、管或桶)的内部或外部。为了涂布这种圆筒形，物理沉积技术，特别是IBSM，需要旋转源或样品二者之一，或者围绕样品或在样品的圆周中具有多个源。
例如，离子束溅射的一些构造可以允许同时涂布环形物体的第一侧，但是仍然需要翻转样品来涂布第二侧。此外，由于这些构造使用全束，因此它们具有功率效率非常低的可能性-撞击环上方的保护帽的离子束的部分对溅射产率没有贡献。
现有IBSM技术的问题之一由溅射的几何形状引起。大量的溅射材料通常沉积在真空室的壁和其它部分上，而不是沉积在样品上。这有可能导致溅射材料的浪费和较低的产率。
本发明的至少优选实施方式的目的是解决至少一些上述缺点。另外或另选目的是向公众至少提供有用选择。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种离子束溅射设备包括：离子源，该离子源被构造为沿着束轴线生成中空离子束，该束轴线位于束的中空部分中；和溅射靶，该溅射靶具有限定至少一个靶表面的靶体，靶体包括可溅射粒子，靶体相对于离子源定位，使得离子束撞击至少一个靶表面，以从靶体朝向要改性的物体的表面溅射粒子。靶体被成形为使得朝向待改性表面溅射的粒子通常相对于束轴线在径向延伸的溅射方向上从溅射靶溅射，溅射方向是以下的二者之一(i)朝向束轴线延伸的方向和(ii)远离束轴线延伸的方向。
如在本说明书中使用的术语“包括”意指“至少部分由……构成”。当解释本说明书中包括术语“包括”的各个语句时，也可以存在除了以该术语为前缀的那个或那些特征之外的特征。诸如“包括”的有关术语将以相同的方式来解释。
在实施方式中，靶体具有延伸穿过靶体的靶通道，靶通道具有用于离子束的离子束入口和用于溅射粒子朝向待改性表面离开靶通道的粒子出口，并且至少一个靶表面为靶体的至少部分地限定通道的至少表面的形式。
在实施方式中，离子束入口在垂直于束轴线的平面中的横截面积实质上大于由离子束的外围限制的横截面积，使得束可以穿过入口。
在实施方式中，溅射方向是朝向束轴线延伸的方向。
在实施方式中，靶通道被成形为阻止离子束在不撞击靶表面的情况下朝向通道外部的待改性表面通过粒子出口离开靶通道(或到达通道外部的待改性表面)。
在实施方式中，粒子出口在垂直于束轴线的平面中的横截面积实质上小于离子束的中空部分的横截面积。
在实施方式中，束轴线与离子束入口、靶通道以及粒子出口相交。在实施方式中，束轴线是中心束轴线，并且靶通道具有与束轴线基本上同轴的中心通道轴线。在实施方式中，靶通道关于中心通道轴线和/或束轴线大体对称。在实施方式中，靶体也关于中心通道轴线和/或束轴线大体对称。
在实施方式中，在离子束入口与粒子出口中间的至少部分靶通道朝向粒子出口逐渐变细。
在实施方式中，靶通道从离子束入口处或附近到粒子出口处或附近逐渐变细。在实施方式中，通道以基本上恒定的速率逐渐变细。在实施方式中，靶通道具有基本上截头圆锥(或截锥)的形状。
在实施方式中，离子束入口(在垂直于束轴线的平面中)的横截面形状基本上是圆。另选地，离子束入口的横截面形状可以是其它形状，例如，基本上为卵形或具有圆角的矩形。在实施方式中，粒子出口(在垂直于束轴线的平面中)的横截面形状基本上是圆。另选地，粒子出口的横截面形状可以是其它形状，例如，基本上为卵形或具有圆角的矩形。
在实施方式中，离子束入口是基本上以通道轴线和/或束轴线为中心的圆。在实施方式中，粒子出口是基本上以通道轴线和/或束轴线为中心的圆。在实施方式中，离子束入口和粒子出口基本上以通道轴线和/或束轴线为中心。
在实施方式中，离子束溅射设备包括在粒子出口处或附近的模板，该模板限定图案，该图案用于将溅射粒子沉积到要根据图案改性的表面上。在实施方式中，模板与粒子出口相邻定位，并且至少部分地延伸跨过粒子出口。
在实施方式中，溅射靶包括一个或多个真空通风口或开口，各个通风口或开口延伸穿过靶体。在实施方式中，通风口或各个通风口从在离子束入口处或附近的靶体的第一端或部分穿过靶体延伸到在粒子出口处或附近的靶体的第二端或部分。
在实施方式中，溅射设备包括支撑件或与支撑件关联，该支撑件用于至少部分地支撑具有待改性表面的物体，该待改性表面在通道外部与溅射靶的粒子出口相邻。
在实施方式中，离子源和溅射靶可相对于具有待改性表面的物体在基本上垂直于束轴线的方向上移动，该待改性表面在通道外部与粒子出口相邻定位。
根据本发明的另外方面，一种将粒子溅射到表面上的方法包括以下步骤：将表面定位为在靶通道外部与溅射设备的粒子出口相邻；在真空室内产生至少部分真空，该真空室至少部分地由与溅射设备关联和/或是其一部分的壳体限定；用离子源生成(或提供)中空离子束；以及经由离子束入口将离子束引导至靶通道中，以将粒子溅射到表面上。
在实施方式中，表面是平坦表面，例如，基材的平坦表面。
在实施方式中，方法包括以下步骤：相对于粒子出口移动(或推进)待改性表面。
在实施方式中，方法包括以下步骤：在基本上垂直于束轴线的方向上相对于粒子出口移动待改性表面。
本文公开了一种靶体，该靶体限定溅射室，该溅射室用于用溅射粒子改性位于溅射室内的待改性物体的表面，靶体具有用于离子束的离子束入口(或开口或嘴)，离子束入口通向溅射室，并且至少一个靶面为至少部分地限定室的靶体的至少一个室(或内)表面的形式(或由其提供)。
在实施方式中，离子束入口(在垂直于束轴线的平面中)的横截面积大幅大于由离子束的外围限制的横截面积，使得束可以穿过入口。
在实施方式中，溅射室被成形为使得朝向具有待改性表面的物体溅射的粒子通常朝向溅射室内的中心区域溅射。
在实施方式中，溅射靶包括一个或多个屏蔽件(或防护件)，屏蔽件或各个屏蔽件被布置成阻止离子束撞击(或到达)溅射室内的具有待改性表面的物体。在实施方式中，一个或多个屏蔽件包括一个或多个径向和周向延伸(相对于束轴线)的屏蔽件。在使用中，屏蔽件或各个屏蔽件将位于至少部分地位于溅射室内的物体的上游(相对于离子束)。
在实施方式中，束轴线与离子束入口和溅射室相交。在实施方式中，束轴线是中心束轴线，并且溅射室具有与束轴线基本上同轴的中心室轴线。在实施方式中，溅射室关于中心室轴线和/或束轴线大体对称。在实施方式中，靶体关于中心室轴线和/或束轴线大体对称。
在实施方式中，在离子束入口与溅射室的位于离子束入口下游(相对于离子束)的端部(或基部)之间的溅射室的至少一部分在朝向端部的方向上逐渐变细。在实施方式中，溅射室从离子束入口处或附近到端部处或附近逐渐变细。在实施方式中，通道以基本上恒定的速率逐渐变细。在实施方式中，溅射室在离子束入口与端部中间具有基本上圆锥的形状和/或基本上截头圆锥的形状。
在实施方式中，离子束入口(在垂直于束轴线的平面中)的横截面形状基本上是圆(或环)。另选地，离子束入口的横截面形状可以是其它形状，例如，基本上为卵形或具有圆角的矩形。
在实施方式中，溅射设备包括支撑特征或与支撑特征关联，该支撑特征用于至少部分地支撑(或保持或悬挂)在溅射室内具有待改性表面的物体。例如，物体可延伸穿过靶体中的孔口(或开口)，使得物体至少部分地延伸跨过溅射室并在溅射室内延伸。
在实施方式中，离子源和溅射室可在基本上垂直于束轴线的方向上相对于具有待改性表面的物体移动。例如，可以在垂直于束轴线的方向上将物体供给穿过溅射室。
在实施方式中，离子源和溅射靶可围绕垂直于束轴线的轴线相对于溅射室内的待改性表面旋转。例如，可以旋转包括该表面的物体。
根据本发明的另外方面，一种将粒子溅射到表面上的方法包括以下步骤：将表面定位在溅射设备的溅射室内，使得表面至少部分地延伸跨过溅射室；在真空室内产生至少部分真空，该真空室至少部分地由与溅射设备关联和/或是其一部分的壳体限定；用离子源产生(或提供)中空离子束；以及将中空离子束经由离子束入口引导到溅射室中，以将粒子溅射到表面上。
在实施方式中，表面是弧形表面。在实施方式中，表面是管道(诸如管子或管)的外表面。另选地，表面可以是平坦表面。
在实施方式中，方法包括以下步骤：相对于离子束和/或溅射室移动(或推进)待改性表面。
在实施方式中，方法包括以下步骤：在基本上垂直于束轴线的方向上相对于离子束和/或溅射室移动待改性表面。
在实施方式中，该方法包括以下步骤：相对于溅射室旋转待改性表面。
在实施方式中，溅射方向是远离束轴线延伸的方向。
在实施方式中，靶体具有至少一个外围表面，该外围表面限定至少一个靶表面。
在实施方式中，靶体的至少一部分的横截面积在远离离子源的方向上增加，使得中空离子束撞击至少一个靶表面。
在实施方式中，由至少部分靶体的外围限制的横截面积(在垂直于束轴线的平面中)在束轴线的方向上在远离离子源的方向上增加。
在实施方式中，靶体的至少一部分的横截面积在远离离子源的方向上从第一横截面积增加到第二横截面积，第一横截面积实质上小于中空离子束的中空部分的横截面积，第二横截面积实质上大于中空离子束的外围的横截面积。
在实施方式中，由靶体的外围限制的横截面积从靶体的接近离子源的第一端处或附近到靶体的远离离子源并且相对于离子束在第一端的下游的第二端处或附近增加。
在实施方式中，靶体的外围的横截面积在中空离子束的方向上以基本上恒定的速率增加。
在实施方式中，靶体的在第一端与第二端中间的外围的至少一部分具有基本上圆锥的形状或基本上截头圆锥的形状。
在实施方式中，溅射设备被构造成至少部分地在中空物体(诸如管道、或管或管子)内延伸，使得束轴线与管道的中心(或纵向)轴线对齐(平行或同轴)。
在实施方式中，溅射靶可在基本上平行于束轴线的方向上相对于具有待改性表面的物体移动。
在实施方式中，至少溅射靶可在基本上平行于束轴线的方向上在具有要改性的内表面的中空物体内移动。
根据本发明的另外方面，一种将粒子溅射到管道的内表面上的方法包括以下步骤：定位溅射设备，使得溅射靶至少部分地位于管道内；在真空室内产生至少部分真空，该真空室至少部分地由与溅射设备关联和/或是其一部分的壳体限定；用离子源生成(或提供)中空离子束；以及将中空离子束引导到溅射靶的靶表面上，以将粒子溅射到内表面上。
在实施方式中，表面是弧形表面。在实施方式中，管道是管子或管。
在实施方式中，方法包括以下步骤：相对于溅射靶移动(或推进)待改性表面。在实施方式中，方法包括以下步骤：在基本上平行于束轴线的方向上相对于溅射靶移动待改性表面。
在实施方式中，离子束在垂直于束轴线的平面中的横截面形状基本上是中空圆(或环)。由离子束的外围限制的横截面是圆。另选地，离子束的横截面形状可以是其它形状，例如，基本上为中空卵形或具有圆角的中空矩形。
在实施方式中，离子束具有大于或等于500V的电势或加速能量。在实施方式中，离子束具有在约1kV至约30kV范围内的电势或加速能量。在实施方式中，离子束具有在约15kV至约25kV范围内的电势或加速能量。
在实施方式中，离子束的入射角大于或等于约45度。即，离子束的掠射角(在入射点处离子束与溅射靶表面之间的角度)小于或等于约45度。在实施方式中，入射角在约50度到约80度的范围内(离子束的掠射角在约10度到约40度的范围内)。在实施方式中，入射角在约60度至约75度的范围内。在实施方式中，入射角在约65度至约75度的范围内。在实施方式中，入射角为约70度。
在实施方式中，溅射设备包括壳体或与壳体关联，该壳体至少部分地限定用于离子源和溅射靶的真空室。
在实施方式中，溅射靶是整体零件。另选地，溅射靶可由连接和/或布置在一起的两个或多个零件形成。
在实施方式中，离子源耦合到热沉，以冷却离子源。在实施方式中，热沉包括或者是一个或多个铜零件或主体。
在实施方式中，靶通道被成形为阻止离子束在不撞击靶表面的情况下朝向通道外部的待改性表面通过粒子出口离开靶通道。
在实施方式中，束轴线与离子束入口、靶通道以及粒子出口相交。
在实施方式中，束轴线是中心束轴线，并且靶通道具有与束轴线基本上同轴的中心通道轴线。
在实施方式中，靶通道关于中心通道轴线和/或束轴线大体对称。
在实施方式中，靶体也关于中心通道轴线和/或束轴线大体对称。
在实施方式中，离子束入口和粒子出口基本上以通道轴线和/或束轴线为中心。
在实施方式中，离子束入口在垂直于束轴线的平面中的横截面形状选自包括基本上圆形、卵形以及具有圆角的矩形的组。
在实施方式中，粒子出口在垂直于束轴线的平面中的横截面形状选自包括基本上圆形、卵形以及具有圆角的矩形的组。
在实施方式中，设备还包括在粒子出口处或附近的模板，该模板限定图案，该图案用于将溅射粒子沉积到要根据图案改性的表面上。
在实施方式中，模板与粒子出口相邻定位，并且至少部分地延伸跨过粒子出口。
在实施方式中，溅射靶包括一个或多个真空通风口或开口，各个通风口或开口延伸穿过靶体。
在实施方式中，通风口或各个通风口从在离子束入口处或附近的靶体的第一端或部分到在粒子出口处或附近的靶体的第二端或部分延伸通过靶体。
在实施方式中，设备包括支撑件或与支撑件关联，该支撑件用于至少部分地支撑具有待改性表面的物体，该待改性表面在通道外部与溅射靶的粒子出口相邻。
在实施方式中，离子源和溅射靶可相对于具有待改性表面的物体在基本上垂直于束轴线的方向上移动，该待改性表面在通道外部与粒子出口相邻定位。
在实施方式中，中空离子束在离子源处具有宽度W和内半径R，并且随着中空离子束朝向溅射靶行进展示出束宽的增加，束宽的增加包括：
远离束轴线的束宽的增加A；以及
朝向束轴线的束宽的增加B。
在实施方式中，溅射靶具有高度d，该高度d由d＝(A+W+B)tanδ定义，其中，δ表示溅射靶相对于中空离子束的斜率。
在实施方式中，随着中空离子束撞击溅射靶，溅射靶具有等于中空离子束的内半径R-B的最大内半径r，该最大内半径由a≤r≤R-B限定。
在实施方式中，溅射靶具有由h≥d限定的最小高度h。
在实施方式中，溅射靶具有由w≥A+W+B限定的最小宽度w。
在实施方式中，溅射靶包括单一材料，使得至少一个靶表面提供可溅射粒子。
在实施方式中，溅射靶至少包括第一材料和第二材料，第一材料不同于第二材料。
在实施方式中，第一材料和第二材料相对于中空离子束以基本上相同的入射角定位。
在实施方式中，第一材料相对于中空离子束以第一入射角定位，并且第二材料相对于中空离子束以第二入射角定位，第一入射角不同于第二入射角。
根据本发明的另外方面，一种将粒子溅射到待改性表面上的方法，该方法包括以下步骤：将溅射靶定位为与溅射设备的粒子出口相邻，该溅射靶具有限定至少一个靶表面的靶体；在真空室内产生至少部分真空，该真空室至少部分地由与溅射设备关联和/或是其一部分的壳体限定；利用溅射设备的离子源生成中空离子束；以及经由离子束入口将中空离子束引导至靶通道中，使得中空离子束撞击至少一个靶表面，以将粒子溅射到待改性表面上。靶体被成形为使得朝向待改性表面溅射的粒子通常相对于束轴线在径向延伸的溅射方向上从溅射靶溅射，溅射方向是以下中的一个(i)朝向束轴线延伸的方向和(ii)远离束轴线延伸的方向。
在实施方式中，离子束被阻止朝向待改性表面通过粒子出口离开靶通道。
在实施方式中，溅射靶包括单一材料，使得至少一个靶表面提供可溅射粒子。
在实施方式中，溅射靶至少包括第一材料和第二材料，第一材料不同于第二材料。
在实施方式中，方法还包括以下步骤：在粒子出口处或附近定位模板，该模板限定图案，该图案用于将溅射粒子沉积到要根据图案改性的表面上。
本发明在一个方面中包括几个步骤。在以下详细公开中，全部例示了这种步骤中的一个或多个相对于其他步骤中的每一个的关系、具体实施构造特征的设备、以及适于影响这种步骤的元件的组合和零件的布置。
对于与本发明有关的本领域技术人员，构造的许多变化和本发明的广泛不同实施方式和应用将在不偏离如在所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下不言自明。本文的公开和描述仅是例示性的，并且不旨在在任何意义上限制。本文提及在与本发明有关的领域中具有已知等同物的具体整体的情况下，认为这种已知等同物在本文被包含为犹如独立阐述。
另外，在鉴于马库什(Markush)组描述本发明的特征或方面的情况下，本领域技术人员将理解，本发明还从而鉴于马库什组的任何个体成员或成员亚组来描述。
如本文使用的，名词后面的术语“(s)”意指该名词的复数和/或单数形式。
如本文使用的，术语“和/或”意指“和”或“或”，或者语境允许这两者的情况。
意图是对本文公开的数字范围(例如，1至10)的参考也包含对该范围内的所有有理数(例如，1、1.1、2、3、3.9、4、5、6、6.5、7、8、9以及10)以及该范围内的有理数的任意范围(例如，2至8、1.5至5.5以及3.1至4.7)的参考，因此，借此清楚公开本文清楚公开的所有范围的所有子范围。这些仅是具体预期的内容的示例，并且认为以类似方式在本申请中清楚陈述所列举的最低值与最高值之间的数值的所有可能组合。
限定词“上”、“下”、“顶部”、“基部”、“下侧”、“顶侧”、“上方”和“下方”等以及“水平”和“竖直”等在参照附图所示的特征在本文中使用时是为了方便和清楚地说明，并且不应被解释为将所述溅射设备或溅射设备的操作或使用和/或其部件限制到任何特定方位，包括但不限于本文所述和/或附图中描绘的任何方位。
在对专利说明书、其他外部文献或其他信息源进行参考的该说明书中，这通常是为了提供用于讨论本发明的特征的语境的目的。除非另外特别陈述，否则对这种外部文献或这种信息源的参考不被解释为这种文献或这种信息源在任意管辖权中是现有技术或形成现有技术中的公知一般知识的一部分的承认。
在本说明书的描述中，可以参考不在所附权利要求的范围内的主题。本领域技术人员应当可容易地识别该主题，并且该主题可以帮助实施如当前所附权利要求中限定的本发明。
虽然本发明如上宽泛地限定，但是本领域技术人员将理解，本发明不限于此，并且本发明还包括以下描述给出示例的实施方式。
附图说明
现在将仅以非限制性示例的方式并且参照附图来描述本公开的实施方式，附图中：
图1示出了根据本公开的第一实施方式的具有离子束溅射设备的离子束沉积系统的示意性剖视图；
图2A示出了图1的溅射设备的离子源壳体的一部分的示意性侧视图；
图2B示出了在图2A中的平面A-A处截取的离子源壳体的剖视图；
图2C示出了图2A的离子源壳体在图2A中标记为B的方向上的顶侧视图；
图3A示出了图1的溅射设备的离子源的示意性立体图；
图3B示出了图3A的离子源的分解立体图；
图3C示出了图3A的离子源的侧视图；
图3D示出了图3A的离子源在图3C中标记为C的方向上的顶侧视图；
图3E示出了图3A的离子源在图3C中标记为D的方向上的底侧视图；
图3F示出了在图3E中的平面A-A中截取的图3A的离子源的剖视图；
图4示出了具有大体矩形开口的离子源的底侧视图，该开口具有笔直的方端；
图5示出了具有大体矩形开口的离子源的底侧视图，该开口具有圆角；
图6示出了具有大体卵形或椭圆形开口的离子源的底侧视图；
图7示出了图1的溅射设备的离子源和溅射靶的示意性截面侧视图；
图8示出了用于将粒子溅射到平坦表面上的图1的溅射设备的溅射靶的示意性截面侧视图；
图9示出了图1的溅射设备的离子束和溅射靶的一部分的局部示意性截面侧视图；
图10A示出了根据本公开的第二实施方式的溅射设备的溅射靶的示意性顶视图，该溅射设备用于将粒子溅射到至少部分地悬浮在溅射靶内的溅射室中的物体的表面上；
图10B示出了在图10A中的平面A-B中截取的图10A的溅射靶的截面侧视图；
图10C示出了在图10A中的平面C-D中截取的图10A的溅射靶的截面侧视图；
图11示出了根据本公开的第二实施方式的溅射设备的溅射靶的示意性截面侧视图，该溅射设备用于将粒子溅射到管道的内表面上；
图12示出了离子束沉积系统的中空束的示例；
图13示出了对于溅射系统在玻璃上的不同位移速度得到的平均沉积铜厚度的变化的图表；
图14示出了对于溅射系统在玻璃上的不同加速电压得到的平均沉积铜厚度的变化的图表；
图15示出了对于溅射系统在玻璃上的不同加速电压得到的平均沉积钛厚度的变化的图表；以及
图16示出了对于溅射系统在玻璃上的不同位移速度得到的平均沉积铜厚度的变化的图表。
具体实施方式
溅射设备(图1至图9)
图1至图9示意性地示出了适于在基本上平坦的表面(或区域)12a上沉积至少一种材料的离子束沉积系统10。该沉积系统10包括根据本公开第一实施方式的离子束溅射设备(或溅射装置)14。
溅射设备14包括或者与以下的各项关联：壳体16、用于沿着束轴线22生成或提供高能离子束20的高能离子或沉积源18、以及包括可溅射粒子的溅射靶24。壳体16至少部分地限定用于离子源18和溅射靶24的真空室26，离子源和溅射靶都位于并保持在壳体16中。源18在真空下操作。如下面将描述的，源18相对于溅射靶24定位，使得离子束20碰撞、或撞击或轰击溅射靶24，以从溅射靶24朝向待改性表面12a溅射或喷出原子尺寸的粒子、或原子或分子。
图3A至图3F中示出了示例离子源18。离子源18的各个主要部件都是围绕束轴线22的大体圆形或环形，并且共享与束轴线22同轴的公共轴向中心线。离子源18的主要部件是阴极28、阳极30以及磁体32。阴极28由前块28a、主体块28b以及后块28c提供或形成。离子源18还包括：用于阳极电压的绝缘体34，该绝缘体通过大体圆形的阴极后块28c延伸到阳极30；用于气体供给的绝缘体36；以及在阴极后块28c与阳极30之间的绝缘体或屏障38。大体圆形的阴极前块28a被安装到磁体32的一端。磁体32可以包括一个或多个磁体，诸如一个或多个永磁体，或由其组成。在另一个实施方式中，磁体包括一个或多个电磁体。
在实施方式中，离子源18具有用于生成细的中空离子束的环形开口40。图8、图9、图10B、图10C以及图11中的20处指示了中空离子束的示例。
在实施方式中，离子束是沿着电场梯度传播的相似电荷的离子流。中空离子束是形状上大体为圆筒形的离子束。它呈现圆形截面，以低的至没有离子流过圆筒的中心，并且最大数量的离子流过圆筒的壁。下面参考图12进一步描述中空离子束。
开口40具有截面形状(在垂直于束轴线22的平面中)，该截面形状基本上为中空圆(或环)形状，使得所得到的离子束20的截面为中空圆。阴极主体块28b的外径可以是大约23mm，并且阴极前块28a的内径可以是大约17mm，使得开口40的宽度(以及离子束20的对应厚度或宽度220)是大约3mm。束轴线22位于离子束的中空部分中。束轴线是与离子束的中空部分的中心相交的中心束轴线30。阴极前块28a和阴极主体块28b的圆周延伸端42、44至少部分地限定开口40，并且各自倾斜，例如，以在开口40处与束轴线22限定约45度的角46。
另选地，离子源18可以具有用于生成或提供其它形状的离子束的其它形状的开口。
例如，图4示出了大体矩形开口40A，该大体矩形开口具有笔直的方端，使得所得束的横截面是具有笔直的方端的中空矩形形状。图5示出了大体矩形开口40B，该大体矩形开口具有圆角，使得所得束的横截面是具有圆角的中空矩形形状。
有利地，矩形构造便于在细长表面区域上沉积。例如，US8134287(Price)描述并示出了具有细长矩形开口的离子源，该开口具有圆角或圆端。
图6示出了开口40C，该开口为卵形或椭圆形开口形式，使得所得离子束的横截面是中空卵形或椭圆形。
溅射靶24具有限定至少一个用于离子束20的靶表面48的靶体46。溅射靶46包括可溅射的粒子。在实施方式中，可溅射粒子包括但不限于金属、金属氧化物和/或半导体。关注的金属的示例包括铜、金、铂、钛、钨、锡、铟、铑、钐、铁、钴、镍、铬、锌以及这些金属的合金。关注的金属氧化物的示例包括氧化锌、磁铁矿、氧化钛以及氧化钨。半导体的示例包含氧化物，诸如氧化锌、氧化钨以及氧化铟锡。非氧化物半导体的示例包括硅和锗以及诸如砷化镓的化合物。
在实施方式中，溅射靶由单一材料制成，使得暴露于束的面提供可溅射的粒子。
例如，溅射靶体46可以是包括铜(用于散热)和其它非铜可溅射粒子的主体。在实施方式中，通过将热直接传导到外部环境来确保溅射靶24的散热。
溅射靶也可以由多于一种材料制成。例如，溅射靶的主体可以由包括诸如铝或铜的导热材料的第一材料制成。
对于细长形状，诸如具有圆部的矩形，可从溅射靶的主体制造狭槽，以允许在预期束撞击溅射靶的位置插入第二材料或另外材料的板或插入物。
在实施方式中，插入物在溅射靶的两侧上由相同的材料制成，或者由不同的材料制成。例如，一侧可以由铁制成，另一侧可以由镍制成。随着束同时撞击两个插入物，不同的溅射粒子沉积在被处理的样品上。一个示例包括在表面上形成合金层，诸如铁镍合金层。
在实施方式中，插入物被机械地按压在溅射靶体上，以最大化到溅射靶的主体的热交换，这允许散热。
在使用插入物的实施方式中，溅射靶包括低溅射产率材料，以避免污染。这种低溅射产率材料的示例包括但不限于铝和石墨。
在实施方式中，第一材料和第二材料相对于中空离子束以基本上相同的入射角定位。
在另一实施方式中，溅射主体不呈现对称截面，使得插入物可相对于离子束以不同入射角存在。第一材料相对于中空离子束以第一入射角定位，并且第二材料相对于中空离子束以第二入射角定位。第一入射角不同于第二入射角。
这允许控制构成插入物的不同材料的溅射产率。例如，成分A的一侧可以具有比成分B的另一侧更小的角度，以便产生具有成分AxB1-x的沉积层，其中，x是入射能量、每个插入物A的角度、束撞击插入物的高度以及插入物A和B的成分的函数。
x的第一估计值可以通过分别计算材料A和B的溅射产率YA和YB并计算溅射产率的比(诸如x＝YB/YA)来获得。
在实施方式中，当使用不同的角度时，溅射靶被成形为使得离子源与插入物中被束撞击的部分之间的距离对于插入物A和B是相同的。这要求束的中心轴线与插入物A之间的距离rA不同于束的中心轴线与插入物B之间的距离rB。
在实施方式中，靶体46具有或限定延伸穿过靶体46的靶通道或开口50。靶通道50具有用于来自离子源的离子束20进入通道50的离子束入口52、以及用于溅射粒子朝向待改性表面12a离开靶通道50的粒子出口或出路54。
靶通道50具有与入口52和出口54相交的中心通道轴线56。靶通道50基本上关于中心通道轴线56对称。靶体46也可以基本上关于中心通道轴线56对称。
离子源18和溅射靶24保持在壳体16内或由其保持，使得入口52位于粒子出口54的上游(相对于离子束20)。与在离子源18远侧定位或至少离离子源18更远地定位的粒子出口54相比，入口52在离子源18的近侧定位或至少离离子源18更近地定位。束轴线22与入口52、通道50以及出口54相交。溅射靶24和离子源18线性排列，使得通道50的轴线56与束轴线22基本上平行，优选平行，更优选地基本同轴，更优选同轴。
离子束入口52(在垂直于束轴线22的平面中)的横截面形状基本上是圆。粒子出口54(在垂直于束轴线22的平面中)的横截面形状基本上是圆。离子入口52的中心基本上在束轴线22上。出口54的中心基本上在束轴线22上。另选地，离子束入口52和粒子出口54中的每一个的横截面形状可以是另一形状，例如，基本上是卵形、或者具有圆角的矩形。入口52的横截面形状可以不同于出口54的横截面形状。
离子束入口52的横截面面积(在垂直于束轴线22的平面中)实质上大于由离子束20的外围限制的横截面积，使得离子束进入通道50。在实施方式中，离子束入口52的直径(在垂直于束轴线22的平面中)实质上大于离子束20的外围的直径。
靶通道50被成形为阻止离子束20在不撞击靶表面48的情况下朝向通道50外部的待改性表面12a通过粒子出口54离开靶通道50或到达通道50外部的待改性表面12a，如下面将描述的。粒子出口54的横截面积(在垂直于束轴线22的平面中)大幅小于离子束20的中空部分的横截面积。在实施方式中，出口54的直径(在垂直于束轴线22的平面中)大幅小于离子束20的圆形中空部分的直径。
靶表面48为至少部分限定通道50的靶体46的至少一个通道或内表面的形式或由其提供。靶表面48是基本上连续的通道表面。另选地，靶表面48可以包括两个或更多个相邻定位的表面。靶通道50位于入口52与出口54之间的至少部分朝向粒子出口54逐渐变细(尺寸减小)，使得靶表面48相对于束轴线22倾斜。靶通道50从入口52处或附近到出口54处或附近逐渐变细。通道50以基本上恒定的速率逐渐变细。另选地，通道50可以非恒定的速率逐渐变细，例如，通道50可以随着通道50更靠近出口54而以更大或更小的速率逐渐变细。
在实施方式中，靶通道50具有大体漏斗形状，诸如基本上截头圆锥(或截锥)形状。在倾斜靶表面48与通道轴线56和/或束轴线22之间限定的角度58在0度至90度之间。角度58优选地大于或等于30度，更优选地大于或等于35度。另选地，靶通道50可以具有另一形状。
溅射靶24包括一个或多个真空通风口60。通风口或各个通风口60延伸穿过靶体46。通风口或各个通风口60从入口52处或附近的靶体46的第一端或部分62穿过靶体46延伸到出口54处或附近的靶体46的第二端或部分64。溅射靶24具有三个通风口60。通风口60围绕通道轴线58/束轴线22沿圆周隔开，优选基本上等距隔开。通风口60可以穿过靶体46被压制。
溅射设备14包括热沉66，该热沉联接到离子源18，以从离子源18散热。热沉66冷却离子源18，以将操作温度维持在居里温度以下，在该居里温度下，磁体32的强度降低和/或不可逆地削弱。在实施方式中，热沉66包括：为圆形板66a形式的第一部件，该圆形板联接到阴极后块28c；为第二圆形板66b形式的第二部件，该第二圆形板与第一板66a隔开并联接到壳体16；以及为细长构件或杆66c形式的第三部件，该细长构件或杆在第一板66a与第二板66b之间延伸。第一板66A的表面与后阴极块28c的表面相邻。杆66c经由后阴极块28c中的开口68延伸到阴极后块28c中。杆66c被布置成将热量从第一板66a和/或后阴极块28c提取到第二板66b和壳体16。热沉66可以例如包括铜或者可以是铜。通过在离子源18与真空室26外部的环境之间实施直接热连接，源18内部的温度降低。另选或另外地，热沉66可以包括一种或多种具有相对较高的热导率的其它材料。如果有必要，则可以使用一个或多个空气-热或液体-热交换器从溅射设备14的外部提供额外的冷却。
图2A至图2C中示出了在使用中位于表面12a上方(如图所示)的壳体16的部分16a。实施方式壳体16包括容纳真空泵72的第一大体圆柱形或环形部分70、包括气体入口或连通76和用于阳极电压的连接器78的第二大体圆柱形或环形部分74、以及被构造成便于在壳体16与待改性表面12a的界面处的密封的第三至少部分大体圆柱形或环形部分80。在实施方式中，真空泵72例如是涡轮分子泵，该涡轮分子泵被布置成在壳体16内建立和维持真空，并且优选地在壳体-表面界面处将壳体16基本上密封到表面12a。泵72可以通过通风口60抽真空，以维持良好的真空水平。用于阳极电压的连接器78可以是例如尼尔-康塞曼卡口(Bayonet Neil Concelman)(BNC)连接器。第三部分80具有用于真空计的凸缘82，该真空计用于测量由壳体16限定的真空室26的至少一部分内的压力。第一和第二部分以及第二和第三部分各由相应的绝缘体84、86分离。
在实施方式中，离子源18和溅射靶24可相对于待改性表面12a移动。在一个实施方式中，离子源18和溅射靶24可在被处理的静止表面12a上致动和滑动，诸如在基本上垂直于束轴线22的方向88上。在另一实施方式中，待改性表面12a在静态离子源18和静态溅射靶24的下面或前面滑动。
通过限制在壳体-表面界面处与壳体16接触的区域，并在待改性表面的两侧12a、12b上放置另外的抽吸机构，可以在难以密封的基材(诸如像木材或皮革的粗糙基材)上建立小真空。软基材的表面也可以能够通过用一个或多个夹具90将基材夹在真空室26内部来处理，以减少泄漏。还发现，局部加热壳体16与具有表面12a、12b的基材12之间的界面周围的区域有助于更快地实现真空。
溅射方法(图8和图9)
下面将参照图8和图9描述使用溅射设备14将粒子溅射到待改性物体的表面12a上的方法。在图1至图9所示的实施方式中，物体是基材12，表面12a是基材的基本上平坦的表面。在另选实施方式中，表面12a可以是基本上非平坦的。在另选实施方式中，物体可以是管道，例如，具有可以在出口54下方旋转的弓形外表面的管或管子。
表面12a在靶通道50外部与溅射设备14的粒子出口54相邻定位。作为溅射设备14的一部分和/或与其关联的壳体16至少部分地限定用于离子源18和溅射靶24的真空室26。在真空室26中产生部分真空，通常小于10-4毫巴。在一个实施方式中，在真空室26中产生的部分真空在大约5×10-6毫巴至大约3×10-5毫巴的范围内，优选地低于大约5×10-5毫巴。壳体16被布置成基本上密封基材的相对表面12a、12b。电压被施加到阴极28和阳极30，阳极30与阴极块28a、28b、28c之间的电压差足以在给定的分压下引起等离子体的形成。电压差通常在约500V到约3kV的范围内，通常在约1kV到约2kV的范围内。电压源自在壳体16外部的电源。该电压相对于溅射靶24具有正极性，溅射靶优选地为地电位或接地电位。经由入口76引入少量输入的气体，例如包括诸如氩气的惰性气体的气体。在这些压力下，并且利用所施加的电压和在阴极28与阳极30之间引入的气体，离子源18生成等离子体。源18通过从等离子体剥离带正电的离子来生成或提供高能离子束20，带正电的离子通过高电势差沿着束轴线22朝向溅射靶24向外引导或加速穿过开口40。在实施方式中，离子束20具有大于或等于约500V的电势或加速能量，优选在约1kV至约30kV的范围内，更优选在约15kV至约25kV的范围内。
细的中空束20穿过离子束入口52，并且进入到位于离子源18正下方的溅射靶24的通道50中。离子束20碰撞、或撞击或轰击靶表面48，以从溅射靶24的主体46朝向表面12a溅射或喷出粒子(用红色阴影示意性地指示)。溅射靶24的主体46被逐渐侵蚀。朝向表面12a溅射的粒子穿过溅射靶24的出口54，并且沉积在位于正下方的基材上。
在实施方式中，高能量源的圆形开口40和圆形出口54在表面12a上产生盘形沉积物。在另一实施方式中，离子源18、开口40以及所产生的束20可以具有圆角矩形形状。该构造允许在细长区域上均匀沉积。有利地，溅射设备14可以按比例缩放以用于大的线性形状并且增加同时沉积的面积。
虽然将理解，一些粒子(通常由附图标记92指示)从溅射靶朝向离子源向后溅射，但是朝向表面溅射的粒子(通常由附图标记94指示)通常在相对于束轴线22的径向延伸溅射方向上从溅射靶溅射，该径向延伸的溅射方向通常由箭头96指示，为以下中的一个(i)朝向束轴线22延伸的方向和(ii)远离束轴线22延伸的方向。在图1至图9所示的实施方式中，径向延伸溅射方向是朝向束轴线22的径向延伸方向，并且溅射设备14被布置成在离子束20的整个圆周上从溅射靶24溅射粒子。
从溅射靶朝向离子源向后溅射的离子可以涂布离子源18内部的绝缘体34、36。为了避免这种向后沉积引起短路，在实施方式中，绝缘体34、36被成形为增加暴露的表面积，以便限制任何向后沉积的厚度增加的速率。绝缘体34、36的一些区域也可以被掩藏而不直接暴露于向后沉积的离子，以限制厚度增加的速率。
靶通道50的形状和/或出口54的尺寸阻止和/或防止离子束20到达待改性表面。在入口52下游的通道50和出口54的较小直径防止离子束20到达表面12a。离子束20相反撞击被逐渐侵蚀的溅射靶24的倾斜表面48。在实施方式中，离子束的入射角(或多个入射角)(是离子束20与在离子束20与靶表面48之间的入射点处垂直于靶表面48的线之间的角度)大于或等于约45度。即，离子束的掠射角98(在入射点处离子束20与溅射靶24表面48之间的角度)小于或等于约45度。在实施方式中，入射角在约60度到约80度的范围内(离子束的掠射角在约10度到约30度的范围内)。
参照图9(示出了离子束20和溅射靶24的一部分)，多数或更大部分的溅射粒子将沿主方向(通常对应于溅射粒子束202的方向)投射，该主方向相对于垂直于溅射靶24的表面48的法线轴206成角度204。该角度204通常接近离子束20的入射角208或与其大约相同。
在实施方式中，粒子出口54需要足够大，使得从溅射主体46的一侧46a处的入射点210(在离子束20的宽度220的中心处指示)开始的主溅射方向不被溅射主体46的相对侧46b阻挡。在一个实施方式中，例如，在垂直于通道轴线58/束轴线22的方向上的粒子出口54(或通道轴线58/束轴线22)的中心点212之间的距离212等于或大于(i)在入射点210与粒子出口48的边缘之间的垂直于通道轴线58/束轴线22的方向上的距离214与(ii)在粒子出口48的边缘与中心点212之间的垂直于通道轴线58/束轴线22的方向上的距离216的和。
溅射产率变化，并且可以通过轰击离子的能量和入射角来控制。在实施方式中，选择离子束20的电势或加速能量和/或入射角(或者另选地为离子束20与溅射靶24的表面48在入射点处的角度98)，来优化从离子束溅射条件找回的溅射产率。
对于入射离子种类、溅射靶材料以及入射角的各个组合，都有引起最大溅射产率的能量。例如，在一个实施方式中，在离子能量在15至20keV之间的情况下，对于入射角在大约55度至大约75度之间的大部分带正电的氩(Ar+)离子束，达到最佳溅射产率。
类似地，对于入射离子种类、溅射靶材料以及束能量的各个组合，都存在引起最大溅射产率的入射角。例如，在一个实施方式中，在入射角在大约55度至大约75度之间的情况下，对于能量在大约15至大约20keV之间的大部分Ar+离子束，达到最佳溅射产率。
可在溅射靶24与地面之间施加另外的高压偏置，以向任何电离的溅射原子提供加速电压。当使用溅射设备14来将原子和分子从溅射靶24植入到表面12a上和/或中时，偏压是有利的。在一个实施方式中，在溅射靶24与地面之间施加的偏压在例如约1kV至约50kV的范围内。在该范围(约1kV至约50kV)内的偏压被理解为有利于提供加速电压而不需要大的附加电绝缘和辐射屏蔽。在另一实施方式中，在溅射靶24与地面之间施加的偏压在例如约15kV至约20kV的范围内。在该范围(约15kV至约20kV)内的偏压被理解为有利于在有机和无机基材上和内产生大部分金属元素的表面和近表面纳米粒子。
在实施方式中，溅射设备14可选地包括在出口54处或附近的模板100，该模板限定图案，该图案用于根据图案将溅射粒子沉积到表面12a上。在实施方式中，方法包括以下步骤：将模板100定位成与粒子出口54相邻，使得模板100至少部分地延伸跨过粒子出口54。
在一个实施方式中，电子枪(未示出)指向溅射原子的出口或附近，以促进溅射原子的正电离。
在实施方式中，溅射设备14是或形成动态真空系统的一部分，该动态真空系统便于在平坦表面12a上，特别是在大面积平坦表面上沉积材料。
壳体16、离子束源18以及溅射靶24可相对于待改性表面12a移动。在实施方式中，方法包括以下步骤：将表面12a从例如大气压(壳体16外部)移动或供给到至少部分地由壳体限定的真空室26中，在具有来自溅射靶24的溅射粒子的沉积束前面。真空室26的动态密封允许在离子源18与待处理表面12A之间设置主动压力梯度。
在实施方式中，溅射设备14具有一个或多个动态密封件102a、102b、102c，用于在壳体与基材的表面12a、12b之间的界面处形成密封。在实施方式中，溅射设备具有用于上表面(如图中看到的)12a和下表面2b中的每一个的三个同心布置的密封件102a、102b、102c。
在实施方式中，各个密封件102a、102b、102c由两个不同的部件形成，各个部件具有低透气性。一个部件是由诸如特氟隆的刚性材料形成的低摩擦不可压缩构件104。第二部件由诸如O形环的可压缩弹性构件106形成。各个密封件102a、102b、102c包围两个表面110、12a之间的区域，该区域经受压力梯度。第一刚性部件104位于形成在壳体16的第一表面110中的凹部108内。第二弹性部件106与第一刚性部件104和基材12的上表面12a(或下表面12b)都接触。密封件102a、102b、102c在表面12a和/或12b包含不连续和缺陷的情况下特别良好地工作。
相邻同心环之间的区域可以部分地抽真空，因此产生压力梯度。例如，如箭头112所示，可以使用真空泵72在最内侧密封件内部引起第一或主要压力。如箭头114所示，可以由在外部同心环之间的一个或多个另外的泵引起高于第一压力的第二压力。同心环外部的过压(高压)区域可以用于进一步将真空室26与外部环境隔离。
有利地，实施方式溅射设备14不需要具有待改性表面12a的物体12垂直于离子束20布置。物体12相反可以例如在离子源18和束20正下方成直线(或线性)对齐。因此，有利地，用于离子源18和溅射靶24的真空室26可以做得更小。因此，有利地，实施方式溅射设备14可以制造更简单且更便宜。
实施方式溅射设备14使得可以在下方基本上整个表面12a上沉积图案化或均匀的薄图案化和/或均匀膜。再次仅作为示例，应用可以包括但不限于电极的沉积、具有不同润湿特性的材料阵列、低发射率层、美观涂层、反射表面、电磁屏蔽层或膜、耐磨损或耐摩擦层或膜、抗菌表面以及防污表面。
溅射设备(图10A至图10C)
将参照图10A至图10C描述根据本公开的第二实施方式的另选溅射设备120。溅射设备120包括如上所述的用于提供高能离子束20的离子源18、以及图10A至图10C中示意性示出的溅射靶122。源18(图10A至图10C中未示出)再次在真空下操作，并且再次相对于溅射靶122位于壳体(未示出)中，以便提供离子束20，该离子束20撞击溅射靶122的靶表面124，以从溅射靶12235朝向待改性表面126溅射粒子。
然而，与具有用于离子束20的通道50的溅射靶24不同，溅射靶122包括限定溅射室130的靶体128，该溅射室用于用溅射粒子(用红色阴影示意性地表示)改性或涂布位于溅射室130内的表面126。
靶体128具有用于离子束20的离子束入口132或开口或嘴。入口132通向溅射室130。离子束入口132(在垂直于束轴线22的平面中)的横截面形状再次基本上是圆(或环)。离子束入口132的中心基本上在束轴线22上。另选地，离子束入口132的横截面形状再次可以是其它形状，例如，基本上为卵形或具有圆角的矩形。离子束入口132的横截面面积(在垂直于束轴线22的平面中)实质上大于由离子束20的外围限制的横截面积，使得离子束20进入室130。在实施方式中，离子束入口132的直径(在垂直于束轴线22的平面中)实质上大于离子束20的外围的直径。
束轴线22与离子束入口132和溅射室130相交。溅射室130具有与束轴线22基本上同轴的中心室轴线134。溅射室130关于中心室轴线134和/或束轴线22大体对称。靶体128也可以关于中心室轴线134及/或束轴线22大体对称。
溅射室130被成形为使得朝向具有待改性表面126的物体136溅射的粒子通常朝向溅射室130内的中心区域(待改性表面可以位于其中)溅射。靶表面124为至少部分限定室130的靶体128的至少一个室或内表面的形式或由其提供。在实施方式中，在离子束入口132与溅射室130的位于入口132下游(相对于离子束20)的端部或基部136(如图10B和图10C中看到的)中间的溅射室130的至少一部分在朝向基部136的方向上逐渐变细(尺寸减小)，使得靶表面124相对于束轴线22倾斜。溅射室130从离子束入口132处或附近到与入口132相对的基部126处或附近逐渐变细。室130以基本上恒定的速率逐渐变细。另选地，与通道50相同，室130可以以非恒定的速率逐渐变细，例如，随着室130接近基部136，室130可以以更大或更小的速率逐渐变细。
在实施方式中，室130具有基本上截头圆锥的形状。在倾斜靶表面124与室轴线134和/或束轴线22之间限定的角度138小于或等于约45度。角度138优选地在大约10度到大约30度的范围内。另选地，室130可以具有另一形状。
溅射靶122包括一个或多个屏蔽件或防护件或形成物140。在实施方式中，溅射靶122包括两个屏蔽件140。屏蔽件或各个屏蔽件被布置成阻止或防止离子束20撞击(或到达)溅射室130内的待改性表面126。在使用中，屏蔽件140至少部分地位于被改性的表面126的上游(相对于离子束20)。各个屏蔽件140部分地延伸跨过入口132，在径向和圆周方向(相对于束轴线22)两者上延伸，以阻挡或屏蔽在屏蔽件140下方和/或穿过(如图图10B和10C所示)屏蔽件延伸的被改性的表面126，使其不受离子束20影响。靶体128和屏蔽件140可以形成为整体。
与溅射靶24的离子束入口52相同，不包括屏蔽件140的离子束入口132的截面形状(在垂直于束轴线的平面中)基本上为圆(或环)。另选地，离子束入口132的横截面形状可以是其它形状，例如，基本上为卵形或具有圆角的矩形。
溅射设备120包括支撑特征或与支撑特征关联，该支撑特征用于至少部分地支撑(或保持或悬挂)在溅射室130内具有待改性表面126的物体136。在实施方式中，靶体128具有相对的孔口或开口142、144，并且物体136可以延伸穿过孔口142、144，使得物体136至少部分地延伸跨过溅射室130并在其内延伸。孔口142、144可以穿过相应的屏蔽件140形成。
在实施方式中，离子源18和溅射室130可相对于待改性表面126移动，例如，在基本上垂直于束轴线22的方向146上。可以在垂直于束轴线的方向上将物体136供给穿过溅射室130。在实施方式中，离子源18和溅射靶122可相对于表面126旋转，例如，围绕垂直于束轴线的轴线旋转。例如，包括表面126的物体136可以相对于固定的溅射靶旋转，如箭头148所示。
将描述使用包括溅射靶122的溅射设备120将粒子溅射到待改性物体136的表面126上的方法。
物体136位于溅射室130内，使得表面126至少部分地延伸跨过溅射室130。在实施方式中，物体136延伸穿过靶体128和/或屏蔽件140中的孔口142、144，并延伸跨过溅射室130。在实施方式中，物体136在基本上垂直于束轴线的方向上延伸跨过溅射室130的宽度。
如上文关于溅射设备14所述，在真空室中产生部分真空，该真空室至少部分地由与溅射设备120关联和/或为其一部分的壳体(未示出)限定。离子源18在部分真空中操作，以生成或提供高能离子束20。
中空束20通过入口132被引导进入到位于离子源18正下方的溅射室130中。离子束20撞击室表面，以从溅射靶122的主体128朝向表面126溅射粒子(用红色阴影示意性地表示)。
在实施方式中，溅射室130被成形为使得朝向待改性表面126溅射的粒子通常朝向溅射室130内的中心区域溅射。虽然一些粒子从溅射靶朝向离子源18向后溅射，但是朝向表面126溅射的粒子通常沿相对于束轴线22径向延伸的溅射方向、沿朝向束轴线22延伸的方向从溅射靶122溅射。在实施方式中，溅射设备120被布置为在离子束20的整个圆周上从溅射靶122溅射粒子。
在图10A至图10C所示的实施方式中，物体136是为圆筒形管子或管形式的细长管道。表面126是外部弓形或圆筒形表面。另选地，物体136可以是例如具有平坦表面的基材。
在实施方式中，方法包括以下步骤：相对于离子束20和/或溅射室130移动(或推进)待改性表面126。表面126在基本上垂直于束轴线22的方向146上相对于溅射室130移动。在一个实施方式中，物体136是管子，并且被供给穿过固定靶体中的孔口。在另一实施方式中，溅射靶122(和离子源18)沿着固定管子移动。
在实施方式中，方法包括以下步骤：相对于溅射室130旋转物体，以围绕物体的整个圆周溅射材料。在一个实施方式中，物体相对于静止的靶体128旋转(如箭头148一般性指示)。在另一实施方式中，靶体128(和离子源18)可相对于静止物体旋转。
溅射设备(图11)
将参照图11描述根据本公开的第三实施方式的另选溅射设备150。溅射设备150包括如上所述的用于提供高能离子束20的离子源18、以及图11中示意性示出的溅射靶152。源18(图11中未示出)再次在真空下操作，并且可再次相对于溅射靶152位于壳体(未示出)中，以便提供离子束20，该离子束20撞击溅射靶152的靶表面154，以从溅射靶152朝向待改性表面溅射粒子。
溅射靶152对于将粒子溅射或沉积到管道的内表面156(例如管子158、管或桶的内表面)上特别有用。
与朝向表面溅射的粒子通常在朝向束轴线的径向延伸的溅射方向(相对于束轴线)上从溅射靶溅射的溅射设备14、120不同，具有溅射靶152的溅射设备150通常在相对于束轴线22远离束轴线22的径向延伸的溅射方向上朝向表面156溅射粒子。
溅射靶152包括靶体160，该靶体被构造或成形为从靶体160朝向管子158的内表面156溅射粒子。
靶体160具有至少一个外围表面，该表面限定至少一个靶表面154。
在实施方式中，环形靶体160的在第一端162与第二端164中间的外围的至少一部分具有基本上截头圆锥的形状，使得靶表面154相对于束轴线22倾斜。参照图11，靶体160具有基本上中空的截头圆锥形状。溅射靶152和离子源18线性排列，使得靶体166的轴线与束轴线22基本上平行，优选平行，更优选地基本同轴，更优选同轴。倾斜靶表面154与靶体166的轴线和/或束轴线22之间限定的角168小于或等于约45度。角度168优选地在大约10度到大约30度的范围内。另选地，靶体160可以具有其它形状，例如，基本上圆锥形。或者靶体160可以不具有圆形横截面。靶体160相反可以具有例如基本上卵形的横截面或具有圆角的矩形横截面。
虽然靶体160在图11中示意性地示出为中空体，但是另选地，靶体160可以是基本上实心的主体。
在实施方式中，由至少部分靶体160的外围限制的横截面积(在垂直于束轴线22的平面中)在束轴线22的方向上在远离离子源18的方向上增加，使得离子束20撞击靶表面154。由外围限制的横截面积在束轴线的方向上在远离离子源18的方向上从实质上小于离子束20的中空部分的横截面积的第一横截面积增加到实质上大于由离子束20的外部周边限制的横截面积的第二横截面积。在实施方式中，由35靶体160的外围限制的横截面积从接近或至少更靠近离子源18的靶体160的第一端162处或附近到远离或至少更远离离子源18的靶体160的第二端164(相对于离子束20在第一端162的下游)处或附近增加。在实施方式中，靶体160的外围的直径从第一端162处或附近到第二端164处或附近增大。
由靶体160的外围限定的横截面积沿束20的方向以基本恒定的速率增大。另选地，由靶体160的外围限定的横截面积可以以非恒定的速率逐渐减小，例如，随着靶体160更靠近第二端164，靶体160可以以更大或更小的速率逐渐变细。
在实施方式中，溅射设备150被构造成至少部分地在诸如管子158的中空物体内延伸，使得束轴线22与管子的中心轴线或纵轴大体对齐(基本上平行或同轴)。离子源18和/或溅射靶152的尺寸可以基于管子的维数来制造(按比例放大或缩小)。
在实施方式中，溅射靶152可在基本上平行于束轴线22的方向上相对于管子158移动。溅射设备150被构造成使得至少溅射靶152可在基本上平行于束轴线22的方向上相对于管子并在管子内移动。在实施方式中，溅射设备150被构造成使得离子源18和溅射靶152两者可在基本上平行于束轴线22的方向上相对于管子并在管子内移动。另选地，溅射靶152可相对于可以静止的离子源18在管子内移动。
将描述使用包括溅射主体152的溅射设备150将粒子溅射到管子158的内表面156上的方法。
具有溅射靶152的溅射设备150被定位成使得溅射靶152至少部分地定位在管子158的开口端内和/或延伸通过该开口端进入管子中。在实施方式中，溅射设备150被定位成使得束轴线22与管子158的中心轴线或纵轴大体对齐(基本上平行或同轴)。
如上文关于溅射设备14、120所述，在真空室中产生部分真空，该真空室至少部分地由与溅射设备150关联和/或为其一部分的壳体限定。管子158的至少一部分内的压力降低。离子源18操作为生成或提供高能离子束20。
中空束20被引导到与离子源18相邻或正下方定位的溅射靶152上，如图11中看到的。离子束撞击靶表面154，以从溅射靶152的主体朝向管子158的内表面156溅射粒子(用红色阴影示意性地指示)。
再次，虽然一些粒子从溅射靶152朝向离子源20溅射，但是朝向表面溅射的粒子通常沿相对于束轴线22径向延伸的溅射方向、沿远离束轴线22延伸的方向从溅射靶152溅射。在实施方式中，溅射设备150被布置为在离子束20的整个圆周上从溅射靶152溅射粒子。
管子158的内表面156是弧形的，更特别地为圆筒形表面。另选地，具有溅射靶152的溅射设备150可以用于将粒子溅射或沉积到非弧形表面上，例如，大体平坦的表面。另选地，具有溅射靶152的溅射设备150可以用于改性管子或其它物体的外表面。
在实施方式中，方法包括以下步骤：相对于溅射靶152移动或推进待改性表面156。该表面在基本上平行于束轴线22的方向上相对于溅射靶152移动。在实施方式中，溅射靶152基本上同轴地支撑在管字158内，并且可以横穿过管子158的长度，以处理管子的整个长度。在实施方式中，离子源20可以与溅射靶152一起移动。在另一实施方式中，溅射靶可以在管子158内远离或朝向离子源18移动。
图12示出了中空束20的示例。如上所述，中空束是具有圆形截面的圆筒形离子束，其中低至没有离子流过圆筒的中心，并且最大数量的离子流过圆筒的壁。
中空束的轴线以22指示，具有内半径R。宽度为W的离子流被导向靶表面48。随着离子流朝向靶表面48行进，它表现出远离束轴线22的束宽的增加A。离子流还表现出朝向束轴线22的束宽B的增加。
在实施方式中，中空离子束20的电流密度的横向分布将遵循两个镜像对称的非对称高斯分布，这两个非对称高斯分布分开与中空离子束20的直径2R对应的距离。随着中空离子束通过空间传播，离子束中的库仑相互作用将导致束的展宽和壁的展宽。这也被称为空间电荷效应。
随着束离开离子源，束具有宽度W。束朝向溅射靶48行进距离H。溅射靶48具有由角度δ、宽度w以及高度h限定的几何形状。在实施方式中，大部分离子束被溅射靶48停止，以便不直接损坏或改性基材。
在实施方式中，电流与离子束20的展宽之间的关系是室压力、离子能量、它们的质量、离子束电流密度以及行进距离H的非线性函数。
展宽导致束宽远离光束轴线的增加A以及束宽朝向束轴线的增加B。A的展宽角度被示出为α。B的展宽角度被示出为β。
在实施方式中，对应的展宽角度α和β的估计值通过分析近似或使用有限元建模软件获得，并用于计算A和B：
Figure BDA0002643279810000311
B＝H tanβ
溅射靶48的斜率δ与这些值和溅射靶的高度有关，使得：
d＝(A+W+B)tanδ
溅射靶的最大内半径是中空离子束撞击靶时的内半径r：
a≤r≤R-B
其中，α是沉积区域的最小半径(总是正的)。溅射靶的粒子出口具有尺寸为α的宽度或半径。在实施方式中，该半径由用户定义。
溅射靶的最小高度h为：
h≥d
溅射靶部分的最小宽度w为：
w≥A+W+B
上述方程适于图10A至图10C所示的溅射设备的实施方式，其中溅射方向朝向束轴线延伸。将理解，相同的方程适于图11所示的溅射设备的实施方式，其中溅射方向远离束轴线延伸。
在溅射靶体在中心轴线任一侧上的角度不同的情况下，诸如当使用不同的材料来控制所得沉积层的组成时，维数不是全部相同。为了计算具有材料A和B的溅射靶的任一侧上的几何形状，距离r在任一侧上是不同的(rA用于A侧，rB用于B侧)。rA和rB将是高度dA和dB以及斜率δA和δB的函数，其对应于各侧A和B的参数d和δ。
在这些条件下，使用中空束具有功率节省
Figure BDA0002643279810000321
比率的潜力。比如，如果W＝1cm，r＝l cm，则对于相同的溅射速率，使用中空束比使用全束使用少～33％的功率。另外，表面不受直接束暴露的影响。
以下描述实验结果。所有实验的运行压力维持在2至7×10-4毫巴之间，基础压力为约5×10-6毫巴。
图13和图14示出了在玻璃上沉积铜的示例。与具有图1和图2B所示相同轮廓的铜靶一起使用诸如图8所示的细长离子源。
离子源的长度为15.7cm，中空束的宽度为2.4cm。真空室的总体设计与图2B所示的相同。靶与源之间的距离为1.35cm。溅射靶的底部与被改性的钠钙玻璃基材之间的距离为0.5mm。
通过在离子源的阳极和阴极之间施加1kV的DC电压，在离子源中生成等离子体。使用7.5、10、12、12.5以及15kV的电压来朝向溅射靶加速正离子。使用1.25、2.5、5以及7.5mm/分钟的扫描速度(使用齿轮步进马达，允许±0.1mm/分钟的分辨率)。对不同的组合进行试验，并使用Olympus便携式X射线荧光系统测量沉积厚度。
使用原子力显微镜校准厚度测量。对于AFM测量，在沉积之前将可去除的掩模放置在玻璃上，以便提供用于厚度测量的尖锐边缘。
图13示出了在10kV的恒定加速电压下，对于不同的扫描速度(速率)在12cm的均匀沉积的基材上的沉积厚度的变化。图14示出了在5mm/分钟的速率下对于不同的扫描速度(速率)和不同的加速电压在12cm的均匀沉积的基材上的沉积厚度的变化。垂直误差条对应于表面上的厚度的标准偏差。
图15示出了钛沉积在玻璃上的示例。
与具有图1和图2B所示相同轮廓的溅射靶一起使用诸如图8所示的细长离子源。
离子源的长度为15.7cm，中空束的宽度为2.4cm。溅射靶具有暴露于离子束的可移除面，其由钛制成用于本实验。真空室的总体设计与图2B所示的相同。靶与源之间的距离为1.35cm。溅射靶的底部与被改性的钠钙玻璃基材之间的距离为0.5mm。
通过在离子源的阳极和阴极之间施加1kV的DC电压，在离子源中生成等离子体。使用5kV的电压来朝向溅射靶加速正离子。使用2、3、5以及7.5mm/分钟的扫描速度(使用齿轮步进马达，允许±0.1mm/分钟的分辨率)。对不同的组合进行试验，并使用Olympus便携式X射线荧光系统测量沉积厚度。
使用原子力显微镜校准测量。对于AFM测量，在沉积之前将可去除的掩模放置在玻璃上，以便提供用于厚度测量的尖锐边缘。
图15示出了在10kV的恒定加速电压下，对于不同的扫描速度(速率)在12cm的均匀沉积的基材上的沉积厚度的变化。垂直误差条对应于表面上的厚度的标准偏差。
图16示出了在塑料管的外部上沉积铜的示例。
与具有对应于图10A、图10B以及图10C的设计的铜靶一起使用诸如图3A所示的圆形离子源。
通过在离子源的阳极和阴极之间施加1kV的DC电压，在离子源中生成等离子体。使用10kV的电压使正离子朝向溅射靶加速。便携式X射线荧光用于证实沿管子长度方向的沉积厚度。在2.5和5mm/分钟的拉速和5kV的加速电压下，沉积39±25和4±3nm的厚度。
这些以与上述相同的方式测量。将预期进一步优化工艺，以产生更好的沉积速率和沉积膜的均匀性。
本发明的前述描述包括其优选形式。在不背离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以对其进行修改。

Claims (15)

1.一种离子束溅射设备，该离子束溅射设备包括：
离子源，该离子源被构造为沿着束轴线生成中空离子束，该束轴线位于所述离子束的中空部分中；和
溅射靶，该溅射靶具有限定至少一个靶表面的靶体，所述靶体包括可溅射粒子，所述靶体相对于所述离子源定位，使得所述离子束撞击所述至少一个靶表面，以从所述靶体朝向要改性的物体的表面溅射粒子；
其中，所述靶体被成形为使得朝向待改性表面溅射的所述粒子通常相对于所述束轴线在径向延伸的溅射方向上从所述溅射靶溅射，所述溅射方向朝向所述束轴线延伸；
其中，所述靶体具有延伸穿过所述靶体的靶通道，所述靶通道具有用于所述离子束的离子束入口和用于溅射粒子朝向待改性表面离开所述靶通道的粒子出口；
其中，所述粒子出口在垂直于所述束轴线的平面中的横截面积小于所述离子束的中空部分的横截面积。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个靶表面为所述靶体的至少部分地限定所述通道的至少表面的形式。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述离子束入口在垂直于所述束轴线的平面中的横截面积大于由所述离子束的外围限制的横截面积，使得所述离子束可以穿过所述入口。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，在所述离子束入口与所述粒子出口中间的至少部分所述靶通道朝向所述粒子出口逐渐变细。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述靶通道从所述离子束入口处或附近到所述粒子出口处或附近逐渐变细。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述通道以恒定的速率逐渐变细。
7.根据权利要求1-3中任意一项所述的设备，其中，具有待改性表面的所述物体能够相对于所述离子源和所述溅射靶移动。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，具有待改性表面的所述物体能够从大气压移动到内部存在至少部分真空的真空室中，所述真空室至少部分由壳体限定。
9.一种将粒子溅射到表面上的方法，该方法包括以下步骤：
将所述表面定位为在所述靶通道外部与根据权利要求1或2所述的溅射设备的所述粒子出口相邻；
在真空室内产生至少部分真空，该真空室至少部分地由与所述溅射设备关联和/或是其一部分的壳体限定；
用所述溅射设备的所述离子源生成中空离子束；以及
将所述中空离子束经由所述离子束入口引导至所述靶通道中，以将粒子溅射到所述表面上。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括以下步骤：使所述表面在所述溅射设备的下方或前面滑动。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：使所述表面从大气压滑动到所述真空室中。
12.一种将粒子溅射到弧形表面的外表面上的方法，所述方法包括以下步骤：
将所述表面定位在根据权利要求1至6中任意一项所述的溅射设备的溅射室内，使得所述表面至少部分地延伸跨过所述溅射室；
在真空室内产生至少部分真空，该真空室至少部分地由与所述溅射设备关联和/或是其一部分的壳体限定；
用所述离子源生成中空离子束；以及
将所述中空离子束经由所述离子束入口引导至所述溅射室中，以将粒子溅射到所述表面上。
13.一种将粒子溅射到待改性表面上的方法，所述方法包括以下步骤：
将溅射靶定位为与溅射设备的粒子出口相邻，所述溅射靶具有限定至少一个靶表面的靶体；
在真空室内产生至少部分真空，该真空室至少部分地由与所述溅射设备关联和/或是其一部分的壳体限定；
用所述溅射设备的离子源生成中空离子束；以及
将所述中空离子束经由所述离子束入口引导至靶通道中，使得所述中空离子束撞击所述至少一个靶表面，以将粒子溅射到所述待改性表面上；
其中，所述靶体被成形为使得朝向待改性表面溅射的所述粒子通常相对于束轴线在径向延伸的溅射方向上从所述溅射靶溅射，所述溅射方向朝向所述束轴线延伸；
其中，所述粒子出口在垂直于所述束轴线的平面中的横截面积小于所述离子束的中空部分的横截面积。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括以下步骤：使所述待改性表面在所述离子源和所述溅射靶的下方或前面滑动。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括以下步骤：使所述待改性表面从大气压滑动到所述真空室中。
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