CN1163581A - 脉冲离子束辅助淀积 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于在基片上淀积薄膜和涂层的高速商业规模的装置。PIBAD脉冲离子束辅助淀积过程不仅允许淀积，而且还充许薄膜和涂层的特殊方式的预淀积处理，这包括退火、熔化和再生长，冲击波处理和高压等离子体再淀积，所有这些都能改变最终产品的机械、粘结和腐蚀特性。

Description

脉冲离子束辅助淀积

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。本发明是在美国能源部合同DE-AC04-94AL85000下由政府支持完成的。政府在本发明中拥有一定的权利。

本发明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，本发明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总热载荷小于1瓦/cm²。由于受激区域的热时间常数对于材料来说是次毫微秒的，因此很明显，在近表面区温度没有一点有效地局部增加。这样IBAD仅仅依赖于非热碰撞引起的原了位移，实现它的优点。

因为IBAD是一个非热过程，因此它在生长的薄膜性能上不产生变化，比在离子束混合和密化上更依赖于快速热处理。对于许多涂敷应用来说这种特性是重要的，其范围从金属的抗腐蚀涂层到光学涂层和微电子学。

由于上述原因，对于一种新方法，需要离子束辅助淀积，它包括一个重要的瞬时热部件以及直接离子与原子撞碰效应的好处。另一个需求是对能在商业规模上执行上述方法的设备的需要，所述设备最好能进行多种涂层/基片组合体的快速经济涂敷。

本发明涉及一种离子束辅助淀积的新方法，它被称作脉冲离子束辅助淀积(PIBAD)，并且涉及能执行所述新发明的设备，该方法满足上述材料工业的需要。本发明本质上是在生长过程期间薄表面层(约1-10μm)的周期性热过程。因此，生长和脉冲离子束几乎是独立的过程，生长过程主要用于把材料淀积在一个表面上，随后脉冲离子束把该材料变到所希望的最终结构中。

因此，PIBAD与IBAD过程相比，依赖于根本不同的方法材料淀积。PIBAD过程中产生的周期性熔化和再生长(或其它瞬时热效应)给出了IBAD过程最有价值的优点以及IBAD所得不到的意义深远的结构效应。参考以下所述及所附权利要求将更容易理解本发明大量的实施例以及其它特点、其它方面和优点。

根据本文所给的详细描述及附图将更充分地理解本发明，其中附图仅通过图示的方式结出，因此不会对本发明产生限制。特别是，图1-3描述了一个IBEST快速重复脉冲离子加速器，包括一个高能重复脉冲动力(RHEPP)电源和一个磁约束正极等离子体(MAP)离子源。但是，IBEST加速器的描述未排除使用另一种具有类似工作参数的设备。

图1是一幅RHEPP脉冲动力系统的简图；

图1A是一幅图1中脉冲动力系统所用的脉冲压缩系统15的电路图；

图1B是一幅脉冲成形线部件的横剖面图；

图1C是一幅线性感应电压加法器(LIVA)的横剖面图；

图2是一幅本发明磁控正极等离子体(MAP)源25的局部横剖面图；

图2A是图2的改进版，示出了MAP源中由快和慢线圈产生的磁力线；

图2B是一部分图2的放大图，示出于气体入口阀和气体进入通道；

图2C是快线圈电路的示意图；

图3是MAP离子二极管整个横剖面的示意图；

图4是一组各方面PIBAD过程的示意图；

图4A是一个过程的示意图，使用该过程，从第一种材料表面上蒸发的材料重新淀积在该表面上；

图4B是一个过程的示意图，使用该过程，从第一种材料表面上蒸发的材料复新淀积在第二个材料表面上；和

图4C是一幅处理一个被淀积层的示意图。

脉冲离子束辅助淀积过程的本质就是，伴随着在一种基片上生成一种材料的过程，在近表面区上进行快速重复的脉冲热过程，由此改变复合结构的特征结构。这种热过程是通过在生长过程期间和/或在生长过程之后用一次或多次高速流动的离子脉冲，辐射生长表面来进行的。假定一个足够快的脉冲(对于金属是-100nsec)，粒于脉冲的基本作用就是显著提高薄表面层的温度，而不是与粒子注入有关的非热能碰撞作用。根据脉冲时单位面积上的能量数量以及粒子注入复合结构的深度，这种热能能够用于三种主要作用，样本近表面区的退火、熔化和气化。

图4C示出了生长在基片42上的薄膜45的脉冲离子束辅助淀积过程。这个薄膜是由一个生长设备(未示出)来生长的。然后离子脉冲发生器40产生高能离子脉冲41，该脉冲与薄膜表面垂直。根据离子的能量和种类，只有薄膜45可以被加热，或者薄膜45与基片42均可以被加热。

但在开始详细描述脉冲离子束的作用之前，为一些重要的物理参数推导近似关系是有用的。这是因为，温度升高以及一种给定材料承受这种温度升高的时间长度(即，对于这种被加热层的热时间常数)在各种材料之间变化显著。设σ等于单个离子脉冲的表面能量密度，λ是离子注入深度，k是目标材料的导热率，c是目标材料的比热，而ρ是目标材料的密度。这样，与单个离子脉冲吸收有关的温度升高就近似等于：

            ΔT ≈σ/cρλ而被离子脉冲加热区域的热时间常数近似为：

            Δt～cρλ²/kΔT和Δt与目标材料的特性以及离子束的特征相比较，就能使一个人预测到所给定脉冲离子束辅助淀积过程的结果。

拥有比较小能量数的离子束脉冲能为复合结构提供快速的热退火。用于退火过程的离子脉冲表面能量密度应达到不会熔化目标材料的程度，但是应足够接近熔点(大概0.6-0.99Tm)以便在目标表面保持热的期间其热效应显著。例如，如果使用铜作目标材料，其熔化温度≈1350°K。在标准温度和压力下开始，而且目的是使最终温度达0.9Tm，所希望的ΔT是≈1100°K。如果离子注入深度λ是5μm，那么以上第一个关系式得出离子束脉冲的表面能量密度为σ≈1.9J/cm²。离子加热区的热时间常数Δt≈200nsec。为了对比，如果同样的问题用于钨，则所必须的σ≈3.9J/cm²而且Δt≈350nsec。此外，如果在一个铜接头上敷有铟涂层(例如)，则σ仅仅大约为0.1J/cm²，同时Δt≈500nsec。最后一个金属实例是不锈钢，此处同样标准的退火条件将要求σ≈0.6J/cm²而且时间常数Δt≈5nsec，这归因于合金的低导热率。很明显，所希望的结果将依据目标材料是什么，在很大的脉冲能量范围内变化。因此，关于所需能量数的综合论述以及与一个已知辐射条件有关的热时间常数的综合论述是不可能的，但是它们必须对于每种状况使用以上关系式粗略地进行计算。

另一个最重要的因数是在离子脉冲热效应之后温度冷却的速率。这个参数近似为ΔT/Δt ≈σk/(cρ)²λ³。对于以上实例的冷却速率变化范围从铜实例的≈10¹⁰°K/sec到不锈钢的10¹⁰°K/sec。注意，ΔT/Δt的值和入³成正比变化，这样离子注入深度(或等效为离于动能)在确定冷却速率时是最最重要的参数。

稍大的能量淀积将会熔化复合结构的离子注入深度。以上对于被熔化层还是近似正确的数字认为，在金属中凝固的时标处于几百毫微秒的数量级，它对应于在10-50m/sec数量级上液体与固体接面速率。尽管这种运动是非常快的，但是这种固体与液体界面速率在金属中是与多晶体或甚至与单晶体材料的高品质再生长有关。其用于熔化表面层的基本应用就是由于离子脉冲作用的结果，淀积n微米的材料，即使在约100pps时这也需要快速的淀积速率，它将产生极其稀薄的淀积状态下的材料。然后离子束脉冲被用作熔化和再生长这种材料，由此大大改进该材料的特性。如果离子脉冲注入得足够深以至基片生长层界面被熔化，那么另一种应用就是在许多种材料的组合物中组织高合金区域，即使当这种合金在预定的工作温度下对于复杂的复合材料在热动力上未被推荐也是如此。注意，由于厚达10μm的材料可以被单个离子脉冲过程，而且我们将会看到IBEST系统能轻易地得到100pps的脉冲速率，因此实际上所得出的从有缺陷材料向高质量材料的转变将使淀积速率达1mm/sec的数量级。这相对于常规的物理和/或化学蒸汽淀积过程有了巨大的改进，而常规淀积过程在一个表面上一般高质量淀积＜＜1μm/sec。因此本发明具有比现有方法更快速地淀积材料的优势，快大约3-4个数量级，这打开了直接借助物理淀积法生长机器部件的大门，而且是一种对燃气轮机和喷气发动机部件特别有用的技术。

在还要高的离子脉冲表面能量密度下，复合材料的表面层将被汽化，一般又会近似达到离子深入的深度。这可能似乎是在目标被生长薄膜时所作的一件怪事。但是，它至少有两种作用，潜在地用于生长特殊结构上。首先，当一个层从一个表面被汽化时，一个冲击波被传递进该表面。如果一个10μm的层在约100nsec内被汽化，而且所汽化的材料具有大约10的比重，那么向内传播的冲击波就有1Gpa或10kbar数量级大小。这样一个冲击波大得足以在几乎任一种材料中引起塑性流动和位移增加，由此显著改变末汽化剩余材料的机械性能。实际上，常会使该表面大大硬化。其次，当一个薄表面层在短短的时间量程内转变成高温汽化状态时，它向该表面以及远离该表面扩张。由此，一部分被汽化的材料将从其所来自的地方重新淀积在该表面上。所得出的表面可能具有极好的特性，因为它是与具有数千大气压力的低温(约1eV)等离子体联系在一起生长的。

在图4A的分图1-4中图示了这种作用。在分图1中，离子400的短脉冲到达基片402的近表面区401。401的厚度是基片材料中离子注入范围，而且脉冲的总能量是以汽化401中的材料。在分图2中，离子的脉冲已被近表面区401所吸收，它现在已被汽化。但是，脉冲的时间间隔相当短(约100nsec)，以至于401中的材料尽管已被汽化但却没有任何时间显著扩张。在分图3中，401中的材料正扩张，尽管此时它还具有很高的压力和密度。由于热量从401与402之间的界面快速传递开，进入402的主体，由此重新淀积的材料层403开始生成在此界面上。最后，在分图4中，所有构成近表面区的蒸汽已经散去，而且基片402敷有一层材料403，它是在401扩张的高温和高压的初期阶段中由401的蒸汽重新淀积成的。

另一种可能就是一个人可以希望把一层材料汽化成比所淀积的层还薄。在这种情况中将会改变初始表面的特性，同时尽可能不引起初始表面的挥发。这能通过在该表面上淀积一个牺牲层，然后施加一个足以汽化稍厚于牺牲层的表面层的离子脉冲。如果认真选择参数，重新淀积在该表面上的材料实质上是被汽化的那部分初始表面。结果是，该表面已承受一个强大的冲击波以及承受被汽化材料的高温高压再淀积，但实质上还包含有该表面的初始材料，而且最终表面的位置实质上是最终表面的那部分。但是被叶过的表面的特性将以一种不容易接受的方式改变，即使通过使用热叶的较弱离子束脉冲所能产生的快速熔化和再生长也是如此。

脉冲离子束辅助淀积过程的另一个应用在于从表面上清除挥发性材料。例如，有可能把一个表面加热得足以清除掉烃类污物层，而不会干扰下面的结构。这种清除过程在微电子、镀敷、机械装配及食品工业中可能是有用的，消除了使用致癌熔剂所产生的问题。

以上所述简单地介绍了与常规生长过程结合在一起使用脉冲离子事的潜力。脉冲离子束辅助淀积过程主要受控于离子注入的深度和离子脉冲的总能量。因为在使用脉冲离子束淀助演积一般不会有任何化学影响，只要达到所希望的离子注入深度，这些离子的本身能量和动能就是不重要的了。因此，任何能产生离子脉冲(它具有适当动能、峰值功率和每次脉冲总能量)的加速器系统都能用于构成本发明的脉冲离子束辅助淀积过程中。特别是一种系统，即EBEST系统，它是美国专利申请08/317，948的主题，将被较详细地描述，但本发明未打算排除其它脉冲离子加速器系统。

开始，将概述IBEST系统的工作参数。IBEST系统一般使用大于20keV的离子能量(更常用的是大于100keV)，而且小于1MeV，由此得出的离于注入深度处于1-50μm的数量级上，这根据离子和目标原子的个性而定。这和离子束，辅助淀积过程中所产生的几毫微米形成了鲜明的对象。IBEST设备能产生大于10MeV的离子能量，但是这种能量不很适合本发明。适于脉冲离子束辅助淀积应用的IBEST设备一般拥有一百千瓦的平均功率而且拥有大约100pps的脉冲重复频率。因此每次脉冲的总能量大约是4焦耳。已知一个数百nsec的脉冲时间间隔，离子脉冲的峰值功率是大约10¹⁰瓦。因为MAP二极管能辐射大约5-1000cm²的面积，那么当IBEST系统全功率(100kw)工作时离子脉冲的表面能量密度范围大约为1-200J/cm²。如果需要较低的表面能量密度，那么或者可以散开离子束或者可以减小每次脉冲的能量。一个具有更大或更小功率的IBEST系统不能被制成适当特殊的应用，没有任何根本原因。以上数字仅仅满足在考虑脉冲离子束辅助淀积应中的特殊需要，而且没有意图以任何方式来限制本发明。

以上所述的功率和时标完全可以为涂层退火、熔化和再生薄膜，或汽化近表面层。在金属中被加热层的热时间常数大约为1-10倍于离子脉冲本身的值，因此PIBAD过程的材料以10⁸°K/sec或更大的数量级的速率冷却，这快得足以普遍保护高温结构。在适当功率等级上，近表面区熔化，然后使用下面的原子结构作为基片再生长。这种过程往往能清除掉不希望有的结构(例如，非晶性结构)并且能使近表面区域密实。因此IBEST技术应用于材料淀积问题为控制已完成制品的结构提供了一种以前未了解到的多面性。

PIBAD法进行薄膜淀积当用IBEST技术执行时，其另一个重要特性就是常常有可能使材料淀积速率大大增加。要考虑使用适合于近表面区域熔化和再生长的离子能量和功率等级的情况。基本上，只需每次作用一次离子脉冲，对应于近表面区厚度的一定材料就被淀积上。(实际上，可以使用稍高的重复频率，但这种假设足以满足本发明)。然后就有可能在离子脉冲之间近似淀积1μm的材料或更多。已知一个100pps的脉冲重复频率，总材料淀积速度将会相当高以至预脉冲结构在原子和宏观等级上高度欠缺的。但是与常规技术不同的是，这种材料淀积过程的唯一作用就是把材料放在了生长面上。然后这些材料通过PIBAD过程的热效应被改变到所希望的结构中。这种过程认为，使用IBEST技术，对于能控制热载荷的材料，就有可能得到0.1-1mm/sec数量级的高质量材料淀积速率。这个速率比以前任何已知的能产生高质量结构的淀积过程都要快10¹到10⁶倍。

使用PIBAD过程有可能得到的这种巨大的淀积速率，使制造宏观产品使用物理淀积变得有可能了。这种产品的一个实例就是用于小型天然气发电机的燃气轮机叶片。使用PIBAD过程，这样一种设备用可变化外形的淀积罩来确定涡轮叶片的结构，将花不到1小时的时间来生长。每个生长周期使用多个PIBAD脉冲就有可能使被压实的已冷却的高温结构成形，它可能优于常规的涡轮叶片。

把这个概念取到极限，基本上将有可能使用PIBAD过程制造卡车用柴油机，它具有几个小时的淀积周期，给出并改进能辐射更大面积的IBEST系统。发动机的内部结构和外部结构将用外壳制成，基本上(如果在细节上不要求)以类似于3-D激光放大器工作的方式。因为合金能在准确的位置处被再生长、被冲击处理、热处理、和高压汽化再淀积，因此如果一个过程能被开发到满足生产拥有百万公里预期寿命卡车柴油机的DVT目标，就不会令人吃惊了。显然，PIBAD系统对于制造大规模商用产品具有巨大的潜力。

在使用PIBAD制造机械部件中，至少存在一个大问题。这就是巨大的速率，淀积源必须以此速率传送被淀积的材料以构成该部件。如果使用一个100千瓦IBEST系统执行PIBAD过程，那么在数百平方厘米的面积上能热处理约1mm/sec。这意味着每秒钟必须提供10cm³的材料给生长表面。由于材料多半也去往其它的表面，对于淀积源来说这是一个微小的速率。在此时没有任何这种淀积源存在。

但是，PIBAD过程本身能用作淀积源。如图4B所示，一个脉冲离子源40能辐射给目标材料42足够的能量的离子41脉冲，以便汽化基片42的近表面区，构成羽状的汽化材料43。然后就能放置生长表面44，以便从目标产生的羽状汽化材料43被吸收在其上。由于这种过程所具有的巨大生长速率，通常将会建立第二个IBEST系统，以轴射生长面。这个IBEST系统将被调节，以简化PIBAD的熔化及再生长过程，由此产生高质量的材料。有可能使用单个IBEST系统用于淀积源和生长表面这两个辐射，但这涉及额外的束控制硬件。

在汽化羽状物中有多少材料？假定离子脉冲具有10kJ的总传递能量(这样，是一个1MW的IBEST系统)。调节离子能量和离子个性，直到羽状物具有大约2eV的动能。然后蒸气具有大约10000°K的有效温度。被气化的材料总量大到是0.05克分子，或大约为3gms的钢。一些材料重新淀积在淀积源表面上，但是该材料的作用和羽状物的温度是多大呢。不管怎样，重新淀积的材料数量总会远远小于被气化的总材料的一半。如果我们假定被气化材料的一半耗费在再淀积和几何因素上，那么一些1.5gms体积约0.2cm³的钢在1MW PIBAD淀积系统的每次脉冲中被传送到生长面。在100pps的重复频率下，传送给生长面的总材料大约为20cm³/sec，这是一个以前任何淀积系统都无法匹敌的速率。为了匹配用于执行PIBAD热过程的特殊脉冲离子束源的能力，材料必须传送给生长面的速率将依赖于淀积的材料和几何形状，这些是本技术熟炼的人都知道的。

下面论述IBEST快速重复脉冲离子束系统，它能用于为胁冲离子速辅助淀积产生离子束。但是注意，本发明的焦点是淀积和热处理，它们不依赖任何特殊的离子源、加速器或电源设计，只要脉冲离子束输出如前文所详述适用于PIBAD过程。例如，用于热过程的脉冲能量源能包括激光、等离子体脉冲，等离子体轨道炮和脉冲电子束，所有这些本质上都是用类似于IBEST系统的方式来使用的。

各种离子束源存在。典型的离子束发生器使用在阳极上的弧形放电电子面作为离子源，其后用磁性或用几何学把所产生的离子束指向并聚焦到所感光趣的材料上。这个表面(飞弧也称作“飞弧”)在小于100个脉冲时摧毁正极表面，并且产生不能调节的混合种类的离子。其它由飞弧引起的困难包括：产生大量的难于制造高重复频率的中性气体、产生能污染被过程表面的碎片，以在某些情况下由于局部的难于控制飞弧离子源的特性而使离子束不均匀和不再生。

目前工艺水平的离子束发生器一般是“单击”装置，即它们以低重复频率(＜＜1Hz)工作。现今的高经度离子束发生器由于一些原因，不能以高重复频率(＞＞1Hz)工作。首先，现今的脉冲电源不能产生拥有电压、脉冲宽度(即，额定瞬时间隔)的高重复频率电脉冲，而且不能形成产生离子束所需的脉冲能量，其中离子束是文中所述的各种有益应用所必须的。这种限制体现了商用开发的不实际性。但是应注意，从一个坚固的离子束源产生的单击表面过程对于某些用途是足够了。其次，现今离子束发生器的设计不允许在持续数量的工作周期(＞＞10³)的重复工作，而不更换主部件。这利限制需要维护时间一与日常制造工作不相容的制造时间比。第三，现今离子束发生器一般以＜5％的电效率工作，这样，对发生器的脉冲电源和冷却系统提出了较大挑战。这些限制和其它一些因素就造成了不可能在日常把上述常规离子束技术用于脉冲离子束辅助淀积。

MAP(磁力约束正极等离子体)离子源是特别有意义的，烟为它们能够借助MAP离子源磁结构所产生的磁屏蔽，把离子源结构与离子的等离体的破坏作用屏蔽开。但是，大多数以前技术的MAP离子源被设计用在束线中，它还包括各种电子和/或磁场所产生的离子束的顺流控制和限制。这种控制和限制是必要的，因为这些MAP离子源的磁结构引起束旋转，此MAP离子源把显著的旋转传给所产生的离子束。顺流电场或/和磁场尺寸增加了采用这种MAP离子源的系统的复杂性、尺寸和费用。

本文中所述的IBEST系统包括一个新型的磁力约束正极等离子体离子束源。这种新型的MAP离子二极管在一些方面有所改进。它的磁场被设计成一种形状，这样，快线圈场与慢线圈场之间的分界线(B＝0)被布置得靠近正极，以便使离子束旋转最小或忽略它。气体喷嘴被设计成能产生高马赫数(超音速)的气流速度，以便有效地定位气体喷射，该气体喷射被引入到最靠近快线圈的电离区。此外还提供措施建立一个可调偏转场，以控制等离子体的形成位置。一个快环绕场放在气体喷射处，它供电离区用于预电离气体。这些和其它的改进有助于使MAP离子束源实际用于大规模工业操作。

本发明的MAP离子二极管用于脉冲离子束辅助淀积过程，需要大功率的脉冲电源。下文的详细描述将集中在一个这种尖年，即在Sandia国家实验室开发的重复式高能脉冲动力(RHEPP)系统。其它快速可重复脉冲高压大功率电源当被研制出时能使用。对于单击应用，其它的电源，锡Marx发生器也能使用。

MAP离子二极管当与RHEPP源结合在一起时，得出一个能产生大平均功率并且能在持续工作周期内重复使用的离子束发生器系统，用于以具有吸引力的成本在大表面面积的材料上辅助淀积。特别是，本发明的离子束发生器能产生高平均功率(1kW-4MW)0.02-20MeV能量的脉冲离子束，而且脉冲时间间隔或长度从大约10ns-2μs，或根据特殊应用的需要更长。

在脉冲离子束发生系统中的第一个组成部分就是一个小型的、电效率高、重复脉冲、磁性交换的脉冲动力系统，这种系统能产生10⁹脉冲工作循环，由H.C.Harjes等人在第8届IEEE国际脉冲动力会议(1991)中论述，而且在D.L.Johson等人的“四阶段RHEPP加速器初始测试结果”一文的第437-440页中以及C.Harjes等人的“RHEPP 1μs磁脉冲压缩模块的特性”一文中的第787-790页中均有论述，这两篇文章均再版于1993年6月的第9届1EEE国际脉冲动力会议的技术论文汇编中，所有这些文章均在本文作为参考文献。这些参考文献与本文下面所作论述结合在一起把这种脉冲动力源的制造放在了当前工艺水平的范围之内了。

图1示出了根据本申请得出的动力系统的框图。对于这个特殊的系统，从原动力输入开始，使用了几个阶段的磁脉冲压缩及电压增加，以120Hz的频率把最大为2.5MV、60nsFWHM、2.9kJ脉冲的脉冲动力信号发送给一个离子束源，该动力系统把来自当地电网的AC电转换成能用于离子束源25的形式。

参见图1，在本发明的一个实施例中，动力系统包括一个马达5，它驱动一个交流发电机10。交流发电机10把一个信号传送给一个脉冲压缩系统15，该系统有两个子系统，一个是1μs脉冲压缩机12而一个是脉冲成形线14。脉冲压缩系统15把脉冲提供给一个线性感应电压加法器(LIVA)20，该装置20把这些脉冲送给离子束源25。

根据一个实施例得出的交流发电机10是一个600kW、120Hz的交流发电机。在单极模式中，它在3200Vrms的电压下提供了具有0.88动力因数的210Arms给磁交换脉冲压缩器系统15。交流发电机由一个与当地480V电网相连的马达驱动。此处所用的特殊交流发电机是由Westinghouse公司设计，并且由位于新墨西哥处理尔伯克基的Sandia国家实验室装配而成。它在R.M.Calfo等人所著的一篇论文“连续工作脉冲交流发电机的设计和测试”中有详细论述，该论文出版于1991年6月在加州圣选哥举办的第八届脉冲动力会议的会议录第715-718页上。这篇参考文献全部结合在本文中。选择和制造这种特殊的动力系统是因为它比较容易适应各种载荷。可以使用其它的动力源，而且它们的确对这个特殊应用更佳。例如，可使用能从Magna-Amp公司得到的那种电源，它包括一系列与当地电网相连的组合变压器，通过适当大小的整流器来供电。但是本系统已被制造而且工作相当好。

在一个实施例中，脉冲压缩系统15被分隔成两个子系统，一个子系统是一个普通的包含有许多阶段的磁交换(即、饱和扼流圈)的磁脉冲压缩器12，它的工作是那些对本技术精通的人所熟知的。在图1A中更详细地示出了这个子系统。每个阶段的基本工作就是压缩从上一阶段接收到的电压脉冲的时间宽度(传送时间)并且增加从上一阶段所接到的电压脉冲的幅值。由于这些是非常低损耗的交换，因此当动力逐个阶段移动时，相对没有什么动力作为热量被浪费掉，而且每次脉冲中的能量相对没有什么减小。这种特殊的子系统在H.C.Harjes等人所著的“RHEPP 1μs磁脉冲压缩模块的特性”一文中有详细论述，该论文出版于1993年6月在新墨西哥州处理尔伯克基举行的第9届1EEE国际脉冲动力会议文献中，位于第787-790页。这篇论文在本文中全部结合为参考文献。对这个系统所开发的这些阶段在物理上是相当大的。为了节省空间，有可能用适当设计的硅控整流器(SCR′S)来取代前几个阶段，以完成同样的脉冲压缩效果。

这些阶段12把交流发电机10的输出转换成一个1μs宽LC负载波形，然后传送给第二个子系统14，该子系统14包括一个脉冲成形线(PFL)部件，它建立在一个电压双Blumlein构形中。PFL是一个三轴水绝缘线，它把输入的LC负载波形转换成平顶梯形脉冲，该脉中具有15ns的升高/降低设计时间以及60ns的FWBM。这个部件的制造与使用在D.L.Johnson等人所著的“四阶段RHEPP加速器初始测试结论”一文中有详细论述，该文登在第九届IEEE国际脉冲动力会议录的第437-440页(该会议1993年6月于新墨西哥的处理尔伯克基举行)。这篇论文也全部结合为本文的参考文献。图1B中示出了PFL的横剖面图。

脉冲压缩系统15能向线性感应电压加法器LIVA20提供频率为120Hz的、单极250kV、15ns升高时间、60ns全宽半最大值(FWHM)、4kJ的脉冲。在一个较佳实施例中，脉冲压缩系统15最好应拥有＞80％的效率，而且在由具有很长寿命(约10⁹-10¹⁰脉冲)的高可靠性部件组成。在所有的脉冲压缩阶段最好使用磁开关，MS1-MS5，因为它们能过程很高的峰值动力(即，高电压和高电流)，而且因为它们是基本上具有长使用寿命的固态装置。图1A中示出了在这个实施例中所用的5个压缩阶段以及PFL14。动力从交流发电机10供给脉冲压缩系统15，并通过磁开关MS1-MS5传到PFL14。PFL与下文所述的线性感应电压加法器(LIVA)20相连。如图所示，第二个和第三个磁开关MS2和MS3被一个升压器T1所分开。开关MS6是用于PFL的一个反向开关。

在图1A中以示意图的方式示出了脉冲成形线(PFL)，图1B中示出了PFL的横剖面图。图1A中的MS6对应于图1B中所示的反向开关302，它位于PFL三轴部面314的输入一侧。输出开关304和负载芯306也被示出。区域310填充有去电离水作为绝缘材料。内部区域308填充有空气和用于输出开关304的油冷却线，未示出。PFL的输出并行于每个单个LIVA被输送，具有流过导体316和PFL壳体318的正向量，其中壳体318用作接地。正导体316与第个LIVA阶段相连接。

LIVA20最好用液体绝缘材料绝缘。与PFL的输出相连，并且能以不同数量的阶段构成以便得到所希望传送给离子束源的电压。当LIVA用10个250kV的阶段构成时，LIVA(20)能以频率120Hz、额定2.5MV、2.9kJ的脉冲传送给离子束源25。对于大多数离子束过程来说，LIVA由4个250kV的阶段构成，这样LIVA把总共1.0MV的电压发送给离子束源。但是，这个电压能通过改变LIVA中的阶段数来增加或降低，以符合特殊材料处理的需要。LIVA20的额定输出脉冲同PFL提供给它的脉冲相同，即，具有15ns升高和降低时间的以及60nsFWHM(全宽半最大值)的梯形。图1C示出了四阶段LIVA的横剖面。这四个阶段320,322，324和326如图所示被层叠在一起，并且通过电缆321，323,325和327从PFL提供正脉冲。各阶段被间隙330分开，并且被用于冷却的变压器油所围绕。从每个LIVA阶段得出的输出相在一起向离子束源发送单个的总脉冲，此图中离子束源用25示意出，它位于部分示出的真空室332之内。如同PFL，LIVA的外壳接地。

所述的动力系统P(图1)，能以120Hz的脉冲重复频率连续地工作，在60ns的脉冲中发送每个脉冲最大2.5KJ的能量。此外所述的这种特殊动力系统能发送具有0.25-2.5Mev离子束能量的、大约20-1000ns时间间隔的脉冲动力信号。这个动力系统能从墙壁插头到发送给一个匹配载荷的能量，以50％的电效率工作。例如，动力系统P使用低损耗脉冲压缩阶段，结合低损耗磁材料以及固态组件，把交流电转变成短的高压脉冲。

当需要高电压时使用许多感应加法器结合低损耗磁材料，通过叠加电压来产生250kV到20MV电压的能力是一个基本特点，尽管也有可能用单阶段脉冲供应电压，省略对加法器的需求。

该动力系统能以比较低的电阻(＜100Ω)工作，这把它与许多其它的重复电源技术区分开来，例如与以变压器为基础的系统区分开。这个特点使大脉冲电流能在合理的电压下得到，并且能用单个脉冲进行高频处理及大面积(5到1000cm²以上)处理，以便降低在被处理过与未处理过区域之间过渡区处产生的边缘效应。

脉冲离子束系统的第二个组成部件是MAP离子束源25，如图2所示。MAP离子束源能重复有效地工作，有效地利用来自动力系统的脉冲动力信号，把气相分子转变成高能脉冲离子束。它还能根据特殊应用的需要，以单击方式工作。离子束源的前身是一个离子二极管，J.B.Greely等人在Cornell有关等离子体正极二极管的研究“重复脉冲和0.1TW单脉冲试验”一文作了一般描述，该论文登于第八届高能粒子束国际会议论文集(1990)中，它全部结合为本文的参考文献。尽管这个参考文献的离子二极管完全不同于如上所述的本系统的所用的离子二极管，但这参考文献中的背景话题是重要的。

图2示出了离子束源25。这个离子束源25是一个磁约束正极等离子体(MAP)源。图2是一幅该离子束或MAP源25一个对称侧部的局部横剖面图。离子束或MAP源25产生一个环形的离子束K，它能对称地绕图示的轴X-X400延续到一个宽焦点处。在阴极的电极组件30处，慢(1ms升高时间)磁场线圈414产生磁力线S(如图2A所示)，它在负极412与正极410之间为加速间隔提供了磁隔离层。正电极410还用作磁力线成形器。慢线圈414由相邻的水管来冷却，未示出，结合在支撑着负极412和慢线圈414的结构30中。该图中所示的MAP结构的主要部分大约是18cm高和宽。整个MAP离子二极管能被看作图2的横剖面详细结构绕该装置的中心轴400的转动，构成一个圆柱设备。图3中示出了整个横剖面图。

离子束或MAP源25以下面方式工作：一个位于正极部件35处的快速气体阀部件404产生一个快速(200μs)气体喷射，它通过一个超音速喷嘴406发送，直接在位于绝缘结构420上快速传动线圈408的表面之前形成一个高度局部容量的气体。这个喷嘴被设计成能防止未离子化气体流入到正极410与负极412之间的间隙。当预离子化具有1ms感应电场的气体之后，快速驱动线圈408完全是从快速电容150通电的，在气体容积内引起一个20kV的环形电压，驱动分解到完全电离，并以大约1.5μs或更小的值向正电极410移动所得出的等离子体，构成一个薄的磁约束等离子体层。等离子体瞬时停滞在这个B＝O的区域，分界线靠近由慢速线圈414所产生的绝缘场S，等候着所要发送的主加速正电脉冲在正极处从以上所述的LIVA发送。

预电离步骤背离了以前的MAP参考文献，这些参考文献提出了一个位于对应于本文绝缘结构420的表面上的独立导体。由于这个导体暴露在等离子体中，它常常破坏。人们发现，独立的预电离结构是不必要的。通过与快速线圈并行地布置一个小型环形电容160，能有效地预电离气体。由这种环形电路产生的场振荡在正极快速线圈的前部预电离气体。在图2C中示出了这个的电路示意图。

人们还证明，在向快线圈提供主脉冲之前，具有调节位于快线圈与正极之间间隙内的磁场构形的能力是有益的，以便在预电离步骤之前在被喷出的气体脉冲中调节等离体成形的初始位置。这通过提供一个慢偏移电容和一个保护电路来实现，这两者均与快速线圈并行安装并且借助一个可控开关S₂从其上脱开。这样，在气体被快线圈预电离之前建立了一个慢偏移场。图2C中也示出了这条线路。

在近一步解释如图2C所示快线圈的电路时，偏移场电容180在主电容脉冲开始之前在快线圈内驱动一个大于1ms升高时间的电流。这允许调节由快速电容电流产生的场构形。快电容150在快线圈中驱动一个1ms升高时间的脉冲。预电离电容160用远远小于1ms的周期使电压横跨快线圈环绕，在要被电离的气体中引起一个大振荡电场，导致该气体的部分电离。由快线圈408产生的升高磁场把已电离的气体推离快线圈，使它顶着先前从慢线圈414产生的磁场停滞不动。

当预电离之后，然后如上所述，快线圈被完全激励，完全把气体分解成等离子体。在这次脉冲之后，该场消失回到快线圈中，该线圈与一个电阻载荷相连，其中这个电阻负荷也与一个散热器相连，未示出。在本实施例中，在支撑结构中使用了冷却通道，但其它的解决方法是可能的而且比较直接明了。以此方式，避免了在快线圈中产生的热。

快线圈408已经以几种方式根据参考文献的快线圈以及根据以上提到的散热器，被重新设计。快线圈与正电极410之间的间隔已被降低，从而使所必须的磁能量降低了50％以上。较低的能量要求允许在较高的频率下重复使用，并且降低了快线圈电压供应系统的复杂性。磁力线成形正电极组件的设计也有助于这些有利的结果。

然后从动力系统产生的脉冲动力信号被施加到正极组件35上，从等离子体中加速离子，形成一个离子束K。在图2A中示出了在离子束排出时，慢(S)和快(F)磁力线结构。图中示出了快线圈产生的磁力线与慢线圈产生的磁力线之间的明显分别。这根据早期MPA参考文献的教导，借助正极410的磁力线成形效应以及借助位于绝缘结构420上的慢线圈的存在来完成。本MAP离子二极管中的慢线圈仅被布置在MAP的负极区。这个正极磁力线成形与在负极组件上的慢线圈的位置结合在一起不同于在MAP参考文献中所示的情况，而且容许高重复频率、支持本文中所揭示的MAP二极管的工作。这个设计允许B＝O点(分界面)被布置靠近正极表面，得出一个具有很小旋转或无旋转的分离出的离子束。这个很小的旋转对于有效把束传给要处理的材料是必要的。

图2B是一幅气体阀组件404和通道425的详图，其中通道425把气体从阀404传到快线圈408前部的区域。通道425已被认真地设计成把气体存贮在快线圈的这个局部区域内，具有最小的漏气通过此区域。通道425横剖面的详细构造被设计用于气体喷出的超音速传送。气体阀的舌门426由一个小型磁线圈428来操纵，该线圈428一但从MAP控制系统启动就可打开和关闭舌门426。舌形阀在舌门的底端427处转动。线圈428被安装在一个高导热率陶器支撑结构429上，该结构也把热散到其它结构上，未示出。另外，环绕线圈的外部冷却线也用于把热量从线圈散发出来。为了保持MAP的使用能力，这种散热是必须的。气体是从舌门基座后的压力通风系统431被传送到阀门处的。压力通风系统431应被看作是与一个更大的压力通风系统相连，它位于整个MAP离子二极管的中芯之处，如图3所示。

一但舌门426被打开，喷嘴406中的真空就迅速把气体吸入到MAP中。喷嘴的作用就是产生一个气体定向流动，它只沿着流动的方向而不会与它横交。这种横向流动将把气体引入正极与负极之间的间隙，导致不利的飞弧和其它后果。减小以上所述的快线圈正极间隙使喷嘴的设计对成功使用MAP非常重要。幸运的是，气流设计工具是可得到的，而且被用于开发一个具有改进气流(较高马赫数)以及最小边界效应的喷嘴。这种改进的喷嘴具有一个朝着快线圈与正极边缘之间间隙的放大开口，它从9到15mm逐渐变大而不是参考MAP中直壁型的6mm导管。喷气阀中气体的工作压力已经从5-25psig的范围增加到25-40psig的范围。试验已经证明由于这种新设计的结果，大大改进了MAP的操纵。

以上所述的MAP离子二极管在几方面不同于以前技术的离子二极管。由于它每次脉冲的低气体载荷，在MAP内的真空恢复速率容许持续操作达100Hz并且大于100Hz。如上所述，磁力几何形状从根本上不同于以前的离子二极管。以前二极管产生用于各种应用的旋转束，在这此应用中离子束当在二极管中产生之后在一个强力轴所磁场中传播。本系统要求从二极管中产生的离子束在场-自由空间中最少传播20-30cm的距离，到达材料的表面。以前离子二极管的磁力构型不能进行这种工作，因为那些离子束被那些二极管的几何形状强迫横跨网状的磁力线并由此旋转。这种束将迅速消散，而且对本用途是无用的。把慢线圈(二极管绝缘磁场线圈)向二极管间隙的负极一侧移动，消除了横跨束的磁场，但却需要完全重新设计正极等离子源的磁系统。

对以上所述快线圈的改进导致能量效率5-10倍于以前构形中所呈现的能量。这些改进包括：省略二极管正极一侧上的慢线圈及其相应的供电装置，通过使用局部场穿透电极更好地控制磁场成形以及正极等离子体与正电极结构的接触；从以前离子二极管上省去独立的预电离线圈；与快线圈有关的电路提供“偏移”电流以便调整磁场，把正极等离子体表面置于正确的磁力线表面上，从而消除束旋转并实现最佳束传播及束聚焦；和重新设计气体喷嘴以便更好地布置气体喷出，它允许快线圈能靠近二极管间隙布置，这也降低了快线圈驱动器的能量需求及复杂性。

等离子体能用各种气相分子构成。本系统能使用任何气体(包括氢、氦、氧、氮、氟、氖、氯和氩)或可气化的液体或金属(包括锂、铍、硼、碳、钠、镁、铝、硅、磷、硫和钾)来产生一个纯离子源，不会消耗或破坏除供给该源的气体外的任何部件。如本文所述，离子将单个地在加速器中被电离，但MAP二极管能被重新设在电离循环中供应更大的动力，产生多重电离的离子，从而为一个已知的加速电压提供更高的离子能量。离子束K在真空装置(～10³)中传播20-30cm，到达目标板195的宽焦点区(5-1000cm²)，如图3所示，此处布置有要处理的材料样本。

离子束或MAP源25能连续地以100Hz的重复脉冲频率工作，具有＞10⁶的长部件寿命。根据本发明的基本原理，离子束或MAP源25从等离子体正极吸收离子而不是从固体绝缘表面飞弧正极吸取离子，其中后者用在目前的单脉冲离子束源中。因此一个人通过控制气体源的组合，可精确控制离子束中的组成成分。

MAP离子二极管和RHCPP源是IBEST脉冲离子束发生器系统的本质部件。这样一种系统能在连续的工作周期上产生高的平均功率并进行重复操作，从而以具有吸引的商业成本在大表面的材料面积上辅助淀积。

本发明及其方法、设备以及原子核转变的产物的已经参照IBEST离子束发生器系统作了介绍。但是，本发明不必以这种系统为基础，而且被规定为仅受本发明具体要求的描述和该描述所附带的权利要求的限制。

Claims (55)

1.一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。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述材料的淀积在时间上是连续的。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于淀积的速率在时间上是不连续的。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于复合结构的所述热处理包括一个薄表面层的熔化和再生长。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于复合结构的所述热处理包括不熔化一个薄表面层的退化。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于复合结构的所述热处理包括薄表面层的气化。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于承受熔化和再生长的薄表面层的厚度大于被淀积材料的厚度。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于所淀积材料与基片材料发生熔合。

9.如权利要求4所述的方法，其特征在于承受熔化和再生长的薄表面层的厚度小于所淀积材料的厚度。

10.如权利要求4所述的方法，其特征在于承受熔化和再生长的薄表面层的厚度完全等于所淀积材料的厚度。

11.如权利要求4所述的方法，其特征在于多离子束脉冲被施加到复合结构上。

12.如权利要求12所述的方法，其特征在于承受熔化和再生长的薄表面层的厚度由于应用了上述离子束脉冲而大于所淀积材料的厚度。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于所述熔化和再生长产生高质量的淀积材料。

14.如权利要求11所述的方法，其特征在于承受熔化和再生长的薄表面层的厚度由于应用了上述离子束脉冲而小于所淀积材料的厚度。

15.如权利要求11所述的方法，其特征在于承受熔化和再生长的薄表面层的厚度由于应用了上述的离子束脉冲而完全等于所淀积材料的厚度。

16.如权利要求5所述的方法，其特征在于未熔化的所述退火允许在复合结构中恢复高温状态。

17.如权利要求5所述的方法，其特征在于未熔化的所述退火允许在复合结构中恢复不平衡状态。

18.如权利要求5所述的方法，其特征在于承受未熔化退火的薄表面层的厚度大于所淀积材料的厚度。

19.如权利要求5所述的方法，其特征在于承受未熔化退火的薄表面层的厚度小于所淀积材料的厚度。

20.如权利要求5所述的方法，其特征在于承受未熔化退火的薄表面层的厚度完全等于所淀积材料的厚度。

21.如权利要求5所述的方法，其特征在于多离子束脉冲被施加到复合结构上。

22.如权利要求21所述的方法，其特征在于承受退火的薄表面层的厚度由于应用了上述离子束脉冲而大于所淀积材料的厚度。

23.如权利要求21所述的方法，其特征在于承受了未熔化退火的薄表面层的厚度由于应用了上述离子束脉冲而完全等于所淀积材料的厚度。

24.如权利要求21所述的方法，其特征在于承受了未熔化退火的薄表面层的厚度由于应用了上述离子束脉冲而完全等于所淀积材料的厚度。

25.如权利要求6所述的方法，其特征在于薄表面层的所述气化把一个冲击波送到了复合结构的主体中。

26.如权利要求6所述的方法，其特征在于薄表面层的所述气化产生一个浓密的高压等离子云，其部分重新淀积在复合结构上。

27.如权利要求6所述的方法，其特征在于承受气化的薄表面层的厚度大于所淀积材料的厚度。

28.如权利要求6所述的方法，其特征在于承受气化的薄表面层的厚度小于所淀积材料的厚度。

29.如权利要求6所述的方法，其特征在于薄表面层包含有污染物，调节气化材料的数量以便清除薄表面层同时对下面结构产生最小改变。

30.如权利要求6所述的方法，其特征在于多离子束脉冲被施加到复合结构上。

31.如权利要求30所述的方法，其特征在于承受气化的薄表面层的厚度由于应用了上述离子束脉冲而大于所淀积材料的厚度。

32.如权利要求30所述的方法，其特征在于承受气化的薄表面层的厚度由于应用了上述离子束脉冲而小于所淀积材料的厚度。

33.如权利要求30所述的方法，其特征在于承受气化的薄表面层的厚度由于应用了上述离子束脉冲而完全等于所淀积材料的厚度。

34.一种用于快速气化大量目标材料的方法，其特征在于，包括用一个快速重复助冲离子束辐射所述目标材料的薄表面层。

35.一种用于机械部件气相制造的方法，其特征在于包括：

a)用于把材料快速生长在基片上的措施；

b)用于把基片区域与生长过程屏蔽开的随时间变化的措施；和

c)用于热处理所述材料的措施。

36.如权利要求35所述的方法，其特征在于进一步包括用于把材料区与所述热处理措施屏蔽开的随时间变化的措施。

37.如权利要求35所述的方法，其特征在于用于热处理所述材料的所述措施包括使用脉冲离子束源。

38.如权利要求35所述的方法，其特征在于用于在一基片上快速生长的所述措施包括通过一脉冲离子束源的作用来气化目标，所述目标由所述材料组成。

39.一种用于脉冲离子束辅助淀积的设备，其特征在于包括：

a)一个基片；

b)一个淀积源，它把材料淀积在所述基片上，由此形成一个复合结构；和

c)一个辐射所述复合结构的脉冲离子束源。

40.如权利要求39所述的设备，其特征在于所述淀积源以一个非零的速率把一种材料淀积在所述基片上，直到完成淀积过程。

41.如权利要求39所述的设备，其特征在于所述淀积源用离散的脉冲把一种材料淀积在所述基片上直到完成淀积过程。

42.如权利要求39所述的设备，其特征在于脉冲离子束源仅辐射淀积在基片上的材料。

43如权利要求39所述的设备，其特征在于脉冲离子束源既辐射淀积在基片上的材料也辐射基片的薄表面层。

44.如权利要求39所述的设备，其特征在于脉冲离子束源在材料淀积在基片上期间用多离子束脉冲辐射所述复合结构。

45.如权利要求44所述的设备，其特征在于离子束脉冲气化生长的复合结构的薄表面层。

46.如权利要求44所述的设备，其特征在于离子束脉冲气化生长的复合结构的薄表面层。

47.如权利要求44所述的设备，其特征在于离子束脉冲退火生长的复合结构的薄表面层。

48.如权利要求41所述的设备，其特征在于所述淀积源包含一个入射到含有要被淀积材料的目标上脉冲能量源，入射到所述物体上的离子束脉冲能量提供了足够的能量，把所述目标的薄表面层气化，该系统的几何构形是这样的，即大部所述蒸气向前突出并淀积在基片上。

49.如权利要求48所述的设备，其特征在于所述脉冲能量源包含有一个淀积脉冲离子束源。

50.如权利要求49所述的设备，其特征在于所述淀积脉冲离子束源和所述脉冲离子束源共享组成部件。

51.如权利要求48所述的设备，其特征在于所述脉冲能量源包含一个脉冲激光。

52.如权利要求48所述的设备，其特征在于所述脉冲能量源包含有一个等离子体排出口。

53.如权利要求39所述的设备，其特征在于，进一步包括用于把基片区与所述淀积源屏蔽开的随时间变化的装置。

54.如权利要求39所述的设备，其特征在于，进一步包括用于把基片结构区域与所述脉冲离子束源屏蔽开的随时间变化的装置。

55.如权利要求48所述的设备，其特征在于所述脉冲能量源包含有一个脉冲电子束。

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