JPH09511028A

JPH09511028A - パルスイオンビーム利用デポジション

Info

Publication number: JPH09511028A
Application number: JP8523004A
Authority: JP
Inventors: スティンネット、レーガン・ダブリュー
Original assignee: サンディア・コーポレーション
Priority date: 1995-01-23
Filing date: 1996-01-23
Publication date: 1997-11-04
Also published as: CA2186102A1; AU4965896A; EP0757598A1; IL116876A0; WO1996022841A1; EP0757598A4

Abstract

(57)【要約】高速かつ商業的に引き合う規模で、基板上に膜及び被覆をデポジションする手段に関する。ＰＩＢＡＤ（パルスイオンビーム利用デポジション）プロセスはデポジションだけでなく、アニーリング、溶融及び再成長、衝撃波処理、及び高圧プラズマ再デポジションを含む膜及び被覆のポストデポジション処理の特殊モードも可能にする。これらのすべてが最終製品の機械的特性、凝集特性、及び腐食特性を変更できる。

Description

【発明の詳細な説明】パルスイオンビーム利用デポジション本出願は、１９９３年１１月１６日出願の米国特許出願番号第０８／１５３、２４８号の一部継続である１９９４年１０月４日出願の米国特許出願番号第０８／３１７、９４８号の一部継続である１９９４年１１月１６日出願の係属中の米国特許出願番号第０８／３４０、５１９号の一部継続出願である。本発明は、米国エネルギー省により認められた契約ＤＥ−ＡＣ０４−９４ＡＬ８５０００の下で政府の支援により行われた。政府は本発明に一定の権利を有する。背景技術本発明は素材産業向けの被覆層の大容量デポジションにおける一般的な問題に関する。特に、本発明は、非利用デポジション技術により得られる特性を超える特性を有する被覆材の低コストで商業的に引き合う規模のデポジションにおける問題を解決する。ある物質を他の物質に物理的にデポジションする一般的な領域における主要な問題は、全体構造の最終状態に影響を及ぼすことが困難なことである。ほとんどの物理的デポジション技術の結果を制御する主要なパラメータは、基板物質及びデポジションされる物質の相対的な熱容量と熱電導率である。これらの物質のパラメータは変更できないので、最も重要なプロセス制御パラメータは基板温度、続いて同じく重要なデポジション速度である。基板及びデポジション速度の効果は実際には従来のデポジションプロセスに緊密に関連している。原子的見方では、熱的に活性化されたプロセスである表面拡散速度は、デポジション源から放出された別の原子により覆われるけれども、新たにデポジションされた原子が下層位置内にトラップされる前に、被覆構造内に適当な位置を見つけることができるほど十分に大きい。そのため、基板温度Ｔｓ及び以下の適当な形式を有するデポジション速度αからプロセス制御パラメータを形成することができる。 β ＝ αｅｘｐ（Ｅ／ｋＴｓ）ここで、Ｅは基板拡散エネルギーである。βはデポジション速度と表面拡散速度との簡単な量である。実際には、この形式の簡単な量は、主に成長の際に競合相と不平衡デポジション跡の存在の故に、物理的デポジションプロセスの結果を予測するには十分ではないが、βはしばしば良い一次近似を与える。もっと重要なことは、基板及びデポジション物質の物理的および化学的特性によって決定されるβのような簡単な量は、物理的デポジションプロセスをかろうじて予測する。このことは、プロセスの結果を相当に変更する従来の物理的デポジション制御パラメータの極めて限られた能力を示唆している。物理的デポジションプロセスの別の重要な要件はデポジション層が基板物質に適当に接着することである。原則的には、２つの物質間のどのような接着力もあるレベルの接着を生じる。しかし、実際には、熱応力及び機械的応力が常に存在し、基板から被覆をはがそうとする。マイクロエレクトロニクスにおいてコンタクトパッドも小さいがそれほど微々たるのもではない応力をボンデイングワイヤから受け、ワイヤを接合する熱圧縮ボンデイングプロセスから受ける。従って、基板と被覆との重要な接着は実際の応用を要求する。物理的デポジションプロセスに伴う前述の考察及び他の関連の問題のために、成長プロセスを変更する試みが行われる。おそらく最も一般的な手順は単一のコーティングを多層複合コーティングに置き換えることである。この技術は基板にたいする最上層の接合力を増すことを目的としている。簡単な形式では、基板に良好な接合を示す第一の層をデポジションし、次に最上層に良好な接合を示す中間層の上に所望の層をデポジションすることである。この技術に伴う問題は、滑らかな非合金層間の接合は、低い表面エネルギーを有する層が高い表面エネルギーを有する基板に強く接合するという、基本的にはそれらの表面エネルギーの関数であることである。多分、弱い接合の理由は、所望のコーティング物質が基板よりも大きい表面エネルギーを有していることである。（他の理由は後述する。）そうであれば、そして中間層が基板よりも低い表面エネルギーを有していれば、素朴な予想は、最上層は基板よりも中間層に対して弱い接合力を示すことである。この問題は、物質間のインタフェースがクリーンでかつ急激である時に最もしばしば現れる。接着力を改善するために多層コーティングの使用についての表面エネルギーによる解析はこの手法の誤りを示唆している場合には、何故そのようなコーティングが使用されるのであろうか？そのようなコーティングの成功については多くの可能な理由がある。簡単な例は、十分に軟らかい層の導入が、軟らかい層の弾性変形のように熱応力及び機械的応力を分散可能にし、このためインタフェース物質に作用する応力を軽減することである。そのような手法は、サブミクロンＧａＡｓ層をＳｉ基板、あるいは大きい差動熱膨張応力を示す物質の組み合わせに接合可能とするために最近用いられている。多層構造で接合力が増加する主な理由は多分、相互の界面において２つの物質の合金化が接合力を非常に増すことであろう。これに対する理由は現時点では完全には明らかになっていないが、主な要因は、滑らか及び急激な平面インタフェースから曖昧な三次元インタフェース領域への界面形態における変化である。はっきりとした剪開面が存在しない場合には、インタフェース間の応力は焦点の合う固有面をもっておらず、より強い構造がもたらされる。中間層の役割はこのように、ある程度基板と最上層とに合金化することである。このような手法は、実際の応用ではしばしばかなり複雑である。例えば、異なる物質の４−６堆積層を使用することが普通でなくないマイクロエレクトロニクスでは、それぞれが、適当な接着力と構造的な安定性を有する配線及び電極を形成する別個のデポジションプロセスを必要とする。接着力を増すための界面混合手法を使用する際の困難性の一部は、そのような混合が、従来のデポジション条件下ではほとんどの物質間で望ましい程度に発生しないことである。これは、表面拡散エネルギーが基板拡散エネルギーよりもかなり小さいためである。一般にデポジション速度、従ってデポジション装置のスループットを最大にすることが望まれる時は、デポジション速度は、デポジションされる原子が表面を拡散し、次の層によって埋められる前に都合よく成長結晶構造内に場所を見つけることができる値におおまかに設定される。基板拡散エネルギーが表面拡散エネルギーよりも３０ー１００％程度大きいとすれば、これは、従来のプロセスでは界面拡散の発生する機会はほとんどないことを意味する。（事実、２ー４層程度の局所「拡散」はしばしば見られる。これは、成長中に自然に起きる表面粗選の結果であり、界面拡散のためではない。インタフェースはまだ急激であるが、平らというよりもいくらか不規則である。この種の混合は２つの物質間の接合にそれほど大きく影響しない。）この問題及び他の問題にアプローチする最近の技術（電気絶縁材としてあるいは耐腐食性を増すために塗布されたコーティングの有効性を破壊する膜内のピンホールを除去する等）は、イオンビーム利用デポジション（ＩＢＡＤ）と呼ばれる。ＩＢＡＤは現在研究されているプロセスであり、付加的な振動エネルギーが低エネルギーイオンビームを印加することにより成長中のコーティングの近表面領域に導入される。基本的な考え方は、入来ビームの運動エネルギーがイオンー原子間及び原子ー原子間衝突にり近表面領域（多分上から３ー１０ｎｍ）の原子に与えられるので、十分なエネルギー（〜１０ー２０ｅＶ／原子）が個々の原子に転移され基板拡散に対する運動バリアに打ち勝つということである。この結果は２つの意味がある。一つは、界面混合が起きること、二つは、イオンビーム誘導基板拡散がコーティング内の欠陥（これはピンホール及び同様の構造を発生する）を埋めるように作用することから、デポジションされたコーティングがより高密度であることである。この結果は、優れた接合力、電気的特性、及び耐腐食性を有するコーティングである。しかし、実用的なＩＢＡＤプロセスを開発する現在の進歩は、成長中のコーティングを励起する連続イオンビームを使用する判断によって制限されている。この判断は、成長プロセスが連続している場合において固有のものであるように思われ、パルス技術の使用を示唆する固有の時間尺度（多分、単層のコーティングをデポジションするために必要な時間を節約する）がない。現在のＩＢＡＤ手法には制限がある。近表面領域（最上の数ｎｍ以下）だけが入射イオンにより励起される。イオンエネルギーはかなり低く、一般に数百ｅＶの大きさである。このようなイオンは、連鎖衝突により、基板拡散に対する局所バリアに打ち勝つ十分なエネルギーを有する金属内に５０原子を与える。成長表面のｃｍ２当たり１０¹⁶の大きさの近表面原子がある。これらの原子のそれぞれに単一拡散の誘導は最終構造にそれほど大きな影響をもたらさない。そこで、現在は不明確な数の原子毎の励起は成長膜の重大な改良を得るために必要である。実験結果は、この数が１０ー１００の大きさであろうことを示唆している。前述の数は、物理的デポジションプロセスをかなり変更するために必要な表面のｃｍ²当たりのイオンドーズがデポジションされる原子層当たりｃｍ²毎に１０¹⁵ −１０¹⁶イオンの大きさであることを示唆している。ドーズが極めて小さいならば成長層にほとんどあるいは全然効果が現れない。ドーズが極めて大きいならば、結晶の再成長を妨げる、結晶格子の大規模イオンダメージ及びダメージ領域の高速急冷の組み合わせにために、励起された領域の非晶質化あるいは他の劣化が一般である。その結果、毎秒〜１オングストロームの代表的な成長速度については、ＩＢＡＤに必要なイオンビーム電流は約０．１−１ｍＡ／ｃｍ²である。（これはかなり高いビーム電流密度である。従って、今日の大抵の実験は実際にはもっと小さい電流を使用しており、そのため小さい成長速度を使用している。）この照射レベルによる構造上の全熱負荷は１ｗａｔｔ／ｃｍ²よりも小さい。励起された領域の熱時定数は多くの物質に対してサブナノ秒であるので、近表面領域における局所的な温度上昇は実際には存在しないことは明らかである。従って、ＩＢＡＤはその効果を達成するために単に非熱衝突ー誘導原子変位だけに依存する。ＩＢＡＤが非熱プロセスであることから、これは成長膜の特性の変更を生じない。この成長膜はイオンビームミキシング及び高密度化よりも高速熱処理に依存する。このような特性は、金属の耐食性コーティングから光学コーティング及びマイクロエレクトロニクスに渡る、数多くのコーティング用途にとって重要である。前述した理由によって、直接イオンー原子衝突効果の利益に加えて重要な過渡熱成分を含んだイオンビーム利用デポジションへの新しい手法に対する要求がある。別の要求は、前述の新しい手法を商業的に引き合う規模で実現できる装置に対するものである。好適には、この装置は、広い範囲のコーティング／基板の組み合わせの高速かつ経済的なコーティングを可能にする。発明の概要本発明は、素材産業の前述の要求を満たす、パルスイオンビーム利用デポジション（ＰＩＢＡＤ）と呼ばれる、イオン利用ビームデポジションについての新しい手法と、この新しい手法を実行できる装置に関している。本発明の本質は、成長プロセス中の薄い表面層（〜１−１０μｍ）の周期的な熱処理である。このように、成長とパルスイオンビームはほぼ独立したプロセスであり、成長プロセスは主に表面に物質をデポジットするように作用し、またパルスイオンビームはその表面上でその物質を所望の最終構造に変換する。ＰＩＢＡＤは、物質デポジションについて、ＩＢＡＤプロセスのものとは基本的に異なる手法に依存している。ＰＩＢＡＤプロセスで発生する周期的な溶融及び再成長（あるいは他の過渡熱効果）は、ＩＢＡＤプロセスにおける最も価値ある利益と、ＩＢＡＤでは得ることができない重大な構造上の効果とを提供する。本発明の数多くの実施例及び他の特徴、様相、及び効果は、以下の記載及び添付の請求の範囲を参照してより良く理解される。図面の簡単な説明本発明は、例示だけのためにここに開示され従って本発明を制限しない詳細な記載及び添付の図面からより十分に理解される。特に、図１−３は、繰り返し高エネルギーパルスパワー（ＲＨＥＰＰ）電源と磁場閉じ込めアノードプラズマ（ＭＡＰ）イオン源とを備えたＩＢＥＳＴ迅速繰り返しパルスイオン加速器を示している。しかし、ＩＢＥＳＴ加速器の詳細な説明は、同様の動作パラメータを有する代替装置の使用を排除するものではない。図１はＲＨＥＰＰパルスパワーシステムの概略であり；図１Ａは図１のパルスパワーシステムに使用されるパルス圧縮装置１５の回路図であり；図１Ｂはパルス形成ライン要素の断面図であり；図１Ｃはリニア誘導電圧加算器（ＬＩＶＡ）の断面図であり；図２は本発明の磁気制御アノードプラズマ（ＭＡＰ）源２５の部分断面図であり；図２ＡはＭＡＰ源内のファースト／スローコイルにより発生される磁界線を示す図２の修正版であり；図２Ｂはガス吸込弁及びガス吸込路を示す図２の一部の拡大図であり；図２Ｃはファーストコイル用の電気回路の概略回路図であり；図３はＭＡＰイオンダイオードの概略全断面図であり；図４はＰＩＢＡＤプロセスの種々の様相の概略図の組であり；図４Ａは、第１の物質の表面から融除される物質がその表面に再デポジションされるプロセスの概略図であり；図４Ｂは、第１の物質の表面から融除される物質が第２の物質の表面に再デポジションされるプロセスの概略図であり；及び図４Ｃはデポジションされた層の処理の概略図である。説明ＰＩＢＡＤプロセスの基本は、基板上に物質を成長するプロセスに付随する近表面領域の迅速繰返しパルス熱処理を行うことである。この熱処理は、成長プロセス中及び／またはそれに続いて、成長表面に一以上のパルスの大電流イオンを照射することによって行われる。十分に高速のパルス（金属に対しては〜１００ｎｓｅｃ）であれば、イオンパルスの主な効果は、イオン注入に関連する非熱衝突効果に比べて、薄い表面層の温度を劇的に上昇することである。パルスの単位面積当たりのエネルギー量及び複合構造へのイオンの浸透深さに応じて、この熱エネルギーは３つの主な効果、つまり、試料の近表面領域のアニーリング、溶融、あるいは気化のために使用される。図４Ｃは基板４２上に成長された膜４５のＰＩＢＡＤ処理のプロセスを模式的に示している。この膜は成長装置（図示せず）によって成長される。次に、イオンパルス発生器４０は膜４５の表面と交差するイオン４１のエネルギーパルスを発生する。イオンのエネルギー及び種に応じて、膜４５だけが加熱され、あるいは膜４５及び基板４２の両方が加熱される。しかし、パルスイオンビームの作用について詳細な説明を始める前に、対象の物理パラメータの幾つかについて近似関係を導出することが有効である。これは、温度上昇と、所与の物質がこの温度上昇を受ける時間の長さ（つまり、被加熱層の熱時定数）とが物質間で劇的に変わるためである。ここで、σを単一イオンパルスの面積エネルギー密度とし、λをイオン浸透深さとし、κをターゲット物質の熱伝導率とし、ｃをターゲット物質の比熱とし、及びρをターゲット物質の密度とする。単一イオンパルスの吸収に関連する温度上昇はほぼ、 △Ｔ〜σ／ｃρλ、であり、またイオンパルスによって加熱される領域の熱時定数はほぼ、 △ｔ〜ｃρλ２／κ である。△Ｔ及び△ｔとターゲットの物質特性及びイオンパルスの特徴とを比較することにより、所与のＰＩＢＡＤプロセスの結果を予測することが可能となる。比較的少量のエネルギーを有するイオンビームパルスは、複合構造へ高速熱アニーリングを行うために使用される。アニーリングプロセスのためのイオンパルス表面エネルギー密度は、ターゲットを溶融しないが融点に十分に近くなるようにされ（多分０．６−０．９９Ｔｍ）、そのためターゲット表面が熱いままである期間中の熱効果は重大である。例えば、銅ターゲットが使用されると、融点は〜１３５０°Ｋである。ＳＴＰから始めかつ０．９Ｔｍという最終温度をめざした場合は、所望の△Ｔは〜１１００°Ｋである。イオン浸透深さλが５μｍであると、前述の第１の関係がσ〜１．９Ｊ／ｃｍ²というイオンビームパルスの表面エネルギー密度を与える。イオン加熱領域の熱時定数は△ｔ〜２００ｎｓｅｃである。対照のために、同じ問題がタングステンに適用された場合には、必要な σは〜３．９Ｊ／ｃｍ²であり、△ｔは〜３５０ｎｓｅｃである。再び、（例えば）インジウム被覆が銅部品に施される場合には、σはたった約０．１Ｊ／ｃｍ² であり、一方△ｔは〜５００ｎｓｅｃである。最後の金属の例はステンレス鋼であり、同じ正規化アニーリング条件はσ〜０．６Ｊ／ｃｍ²及び、合金の低い熱電導率の故に、時定数△ｔ〜５μｓｅｃである。明らかに、所望の効果は、ターゲット物質が何であるかに応じてパルスエネルギーの広い範囲にわたって変化する。その結果、必要なエネルギー量及び所与の照射条件に関連する熱時定数に関する一般的な記述は不可能であるが、前述の関係を用いて各状態に対して概略的に計算できねばならない。別の重要な要因は、イオンパルスの加熱効果の後に温度が低下する速度である。このパラメータはほぼ△Ｔ／△ｔ〜σκ／（ｃρ）²λ³である。前述の例では急冷速度は、銅の例では〜１０¹⁰°Ｋ／ｓｅｃからステンレス鋼では〜１０⁸°Ｋ／ｓｅｃに渡る。△Ｔ／△ｔの値はλ³で変化し、そのためイオン浸透深さ（あるいは等価的にイオン運動エネルギー）は急冷速度を決定する際のはるかに最重要な要因となる。幾分大きいエネルギーのデポジションは複合構造のイオン浸透深さを溶かす。溶融層についてほぼ正しい前述の図は、金属におけるフリージング時間軸は数百ナノ秒の大きさであることを示しており、これは１０−５０ｍ／ｓｅｃの大きさの固液界面速度に対応する。この動きは非常に高速であるが、金属の固液界面速度は多結晶あるいは単結晶物質の高品質再成長に関連する。表面層を溶融することの主な用途として、イオンパルス間で物質を数ミクロンまでデポジションすることがある。しかし、これはデポジション物質としては極めて不十分なものを生成する〜１００ｐｐｓという高速のデポジション速度を必要とする。イオンビームパルスは次にこの物質を溶融し再成長するために使用され、これにより物質の特性を大幅に改良する。基板ー成長層界面が溶融されるほど十分に深くイオンパルスが浸透する場合には、完成した複合構造に対して意図した動作温度において、合金化が熱力学的に好ましくない時でも、別の用途として、数多くの物質の組み合わせにおいて高度に合金化された領域を形成することがある。１０μｍ程度の物質が単一イオンパルスによって処理できかつＩＢＥＳＴシステムが１００ｐｐｓのパルスレートを容易に実現できるので、原則的に、ひどく欠陥のある物質から高品質物質まで得られた変形は１ｍｍ／ｓｅｃの大きさのデポジション速度を実現させる。これは、典型的には表面上に高品質の＜＜１μｍ／ｓｅｃをデポジションする従来の物理的及び／または化学的気相成長プロセスに対する素晴らしい改良である。本発明は、現存のプロセスよりも速い３ー４次の大きさのレートで物質をデポジションするポテンシャルを持っており、物理的デポジションにより直接に機械部品を成長する扉を開いた。この技術は特にガスタービン及びジエットエンジン部品に有効である。複合構造の表面層は、更に高いイオンパルス表面エネルギー密度で、再び典型的にはイオン浸透深さ程度の深さまで気化できる。このことは、目的が膜を成長することである時には、おかしな事のように思われる。しかし、特殊な構造を成長する際に潜在的に有効な少なくとも２つの効果がある。第一は、層が表面から気化される時には、衝撃波は表面に伝搬する。１０μｍの層が〜１００ｎｓｅｃで気化され、かつ気化物質が〜１０の比重を有している場合は、内側に伝搬する衝撃波は１Ｇｐａつまり１０ｋｂａｒの大きさの振幅を有している。この衝撃波は、ほとんどどのような物質においても塑性流れ及び転位増幅を生じさせるほどに十分に強く、これにより残りの気化されない表面の機械的な特性を劇的に変化させる。特に、表面の極端な硬化が普通である。第二は、薄い表面層が短い時間で高温度の蒸気に変わる場合には、それは表面に向けて同時に表面から離れて拡大する。その結果、気化物質のある部分はそれが出てきた表面上に再デポジションされる。得られた表面は、数千気圧の圧力を有する低温（〜１ｅＶ）プラズマと接触することにより成長するので，独特の特性を持っているようである。このような条件はこれまでは制御可能な方法では決してアクセスできなかった。この効果は図４Ａ（図４Ａ１−４）に模式的に示されている。図４Ａ１では、短いイオンパルス４００が基板４０２の近表面領域４０１に接近する。４０１の厚さは基板材料のイオン浸透範囲であり、かつパルスの全エネルギーは４０１内の物質を気化するのに十分である。図４Ａ２では、イオンパルスは気化されてしまった近表面領域４０１により吸収されてしまう。しかし、パルスは、４０１内の物質が気化されるがそれほど拡散しない時間であるような十分短い持続時間（〜１００ｎｓｅｃ）を有している。図４Ａ３では、４０１内の物質は、まだ極めて高圧かつ高密度を有しているが、拡散されているところである。熱が４０１と４０２との界面から基板４０２内へ高速に輸送されることから、再デポジションされる物質４０３の層がこの界面に成長を始める。最後に、図４Ａ３では、近表面領域から成る蒸気の全てが分散し、基板４０２は、４０１の拡散の初期の高温高圧段階において４０１の蒸気により再デポジションされる物質４０３の層によって被覆される。別の可能性は、デポジションされる層よりも厚い物質の層を気化するのに望まれるものである。このような場合には、目的は、元の表面の気化をできる限り少なくしながら元の表面の特性を変更することである。これは、表面上に犠牲層をデポジションし、次にこの犠牲層よりも幾分厚い表面層を気化するために十分なイオンパルスを供給することにより実現できる。もしパラメータが注意深く選択されると、表面上に再デポジションされる物質は、実質的に気化された元の表面のその部分である。結果は、表面が強い衝撃波を受けかつ気化物質の高圧高速の再デポジションを受けるが、まだ実質的に表面の元の物質から成っており、また最終表面の位置は実質的に元の表面のものである。しかし、処理された表面の特性は、熱処理用の弱いイオンビームパルスを用いて発生される高速溶融及び再成長によってもアクセスできない方法で変更される。ＰＩＢＡＤプロセスの別の用途は、揮発物質を表面からクリーニングすることにある。下層構造を乱さずに、例えば、炭化水素汚染物質の層を除去する程十分に表面を加熱できる。このようなクリーニングは、マイクロエレクトロニクス、メッキ、機械組立、及び食品産業において有効であり、発ガン性溶剤を用いる問題を除去できる。概説されたプロセスは、従来の成長プロセスと組み合わされるパルスイオンビームの使用の可能性の簡単な例示である。ＰＩＢＡＤプロセスは、主にイオンの浸透深さとイオンパルスの全エネルギーとによって制御される。通常はＰＩＢＡＤの使用にはいかなる化学的効果も含まれないので、イオンの所望の浸透深さが達成される限り、イオンの一致及び運動エネルギーは重要でない。その結果、適正な運動エネルギー、ピークパワー、及びパルス毎の全エネルギーを有するイオンのパルスを発生できるどのような加速器システムでも、本発明を構成するＰＩＢＡＤプロセスに使用できる。特に、一つのシステム、つまり、係属中の米国特許出願（０８／３１７、９４８）の主題であるＩＢＥＳＴシステムがより詳細に説明されるが、本発明は他のパルスイオン加速器システムを排除することは意図していない。まず最初に、ＩＢＥＳＴシステムの動作パラメータが概説される。一般に、ＩＢＥＳＴは２０ｋｅＶ（もっと一般的には１００ｋｅＶ）を超えかつ約１ＭｅＶより低いイオンエネルギーを使用し、イオンの一致及びターゲット原子に依存して１ー５０μｍの大きさのイオン浸透深さを生じさせる。これは、ＩＢＡＤプロセスにおいて得られる数ナノメータとはっきりした対照をなす。ＩＢＥＳＴ装置は１０ＭｅＶを超えるイオンエネルギーを発生できるが、このようなエネルギーは本発明には適していない。ＰＩＢＡＤ用途に適するＩＢＥＳＴシステムは百キロワットの平均パワーと約１００ｐｐｓのパルス繰り返しレートを有している。パルス当たりの全エネルギーは約１キロジュールである。１００ｎｓｅｃのパルス持続時間であれば、イオンパルスのピークパワーは約１０¹⁰ワットである。ＭＡＰダイオードは約５ー１０００ｃｍ²に渡る領域を照射できるので、ＩＢＥＳＴシステムがフルパワー（１００ｋＷ）で動作している時は、イオンパルスの表面エネルギー密度は約１ー２００Ｊ／ｃｍ²に及んでいる。低い表面エネルギー密度が要求される場合には、イオンビームは焦点がぼけるかあるいはパルス当たりのエネルギーが低減できる。特殊な用途に適するように、もっと大きいあるいは小さい容量を有するＩＢＥＳＴシステムが構成できないという本質的な理由はない。前述の多くのものは、ＰＩＢＡＤ用途を考慮した特殊性の要求を簡単に満たすものであるが、どのような意味でも本発明を制限するものではない。前述したパワー及び時間尺度は被覆をアニーリングし、膜を溶融しかつ再成長し、あるいは近表面層を気化するには十分である。金属内の加熱層の熱時定数はイオンパルス自体のそれよりも約１ー１０倍であり、そのためＰＩＢＡＤ処理された物質は、高温構造が全般的に保存されるために十分高速の１０⁸°Ｋ／ｓｅｃ以上の大きさの速度で急冷される。近表面領域は、中間のパワーレベルで、溶解し次に下層原子構造を基板として用いて再成長する。このような処理は望ましくない構造（例えば、アモルファス構造）を除去しかつ近表面領域の密度を高める傾向がある。このように、物質デポジションの問題にＩＢＥＳＴ技術を適用することによって、完成品の構造を制御するこれまで未知の汎用性が提供される。ＩＢＥＳＴ技術を用いて実行されたような膜デポジションへＰＩＢＡＤ手法を適用する別の重要な特性は、物質デポジションの速度の大幅な増加がしばしば可能であることである。近表面領域の溶融及び再成長に適するイオンエネルギー及びパワーレベルが使用される場合について考える。基本的には、近表面領域の厚さに対応した物質の量がデポジションされる度に一つのイオンパルスを供給することだけが必要である。（実際には、いくらか速い繰り返しレートが使用できるが、この仮定は本説明に対しては十分である。）イオンパルス間で凡そ１μｍ以上の物質をデポジションすることができる。１００ｐｐｓのパルス繰り返しレートであれば、全体の物質デポジション速度が非常に速いのでプリパルス構造は原子レベル及びマクロレベルの両方で非常に欠陥がある。しかし，従来の技術とは異なり、物質デポジションプロセスの唯一の作用は、物質を成長表面上に置くことである。この物質は次にＰＩＢＡＤプロセスの熱効果により所望の構造に変換される。このことは、熱負荷を扱うことができる物質ついて、ＩＢＥＳＴ技術を用いて０．１ーＩｍｍ／ｓｅｃのオーダーの高品質物質デポジション速度が可能であることを示唆している。この速度は、高品質構造をもたらすことができるこれまで知られているどのようなデポジションプロセスよりも１０⁴倍から１０⁶倍速い。ＰＩＢＡＤプロセスを用いて可能となる数多くのデポジション速度は、物理的デポジションを用いた肉眼で見える製品の構造を可能にする。そのような製品の例は小さい天然ガス発生器用のガスタービン翼である。ＰＩＢＡＤプロセスを用いれば、このような装置は、タービン翼の構造を特定する可変アスペクトデポジションマスクを利用して１時間もかからずに成長できる。成長サイクル毎に多重ＰＩＢＡＤパルスを使用することによって、従来のタービン翼より性能が優れている高密度化急冷高温度構造が形成可能となる。この考えを突き詰めると、所与の新形ＩＢＥＳＴシステムがより大きい面積を照射できることから、数時間のデポジション周期でトラック用ディーゼルエンジンを製造するためにＰＩＢＡＤプロセスを使用することが原則的に可能である。このエンジンの内部及び外部構造は、３Ｄレーザパンタグラフの動作と原則的に（さもなければ詳細に）同じ方法でマスクを使用して構成できる。合金は再成長され、熱処理され、衝撃処理され、正確な位置に高圧気相再デポジションされるので、数百万マイルの予想寿命を有するトラック用ディーゼルエンジンを製造するというＤＯＴ目標に適するプロセスが開発できても驚くことではない。ＰＩＢＡＤシステムは明らかに大規模商業製品の製造に大きな可能性をもっている。機械部品を製造するためにＰＩＢＡＤの使用には少なくとも一つの大きな問題がある。これは、デポジション源が、部品を形成するためにデポジションされる物質を供給すべき数多くの速度である。ＰＩＢＡＤプロセスが１００ｋＷＩＢＥＳＴシステムを使用して実現される場合に、約１ｍｍ／ｓｅｃは１００ｃｍ²程度の面積について熱処理できる。これは、毎秒１０ｃｍ³の物質が成長表面に供給されねばならないことを意味する。物質はおそらく他の表面にも行くであろうから、これはデポジション源に対する裸の最小速度である。そんなデポジション源は現在全く存在していない。しかし、ＰＩＢＡＤプロセス自体はデポジション源として使用できる。図４Ｂに示すように、パルスイオン源４０は十分なエネルギーのイオンパルス４１でターゲット物質４２の部分を照射して基板４２の近表面領域を気化し、これにより気化物質のプラズマ４３を形成できる。成長表面４４は、ターゲットからの気化物質のプラズマ４３がその上に捕捉できるように位置決めされている。このプロセスから数多くの成長速度が得られるので、第２のＩＢＥＳＴシステムは通常成長表面を照射するように構成されている。このＩＢＥＳＴシステムはＰＩＢＡＤ溶融及び再成長プロセスを容易化するように調整されており、これにより高品質物質を製造する。デポジション源と成長表面との両方を照射するために単一のＩＢＥＳＴシステムを使用できるが、この場合更にビームステアリングハードウエアが必要となる。気化されて立ち上る煙の中にはどの位の物質が存在すべきか？イオンパルスは１０ｋＪの合計伝達エネルギーを持っているものとする（１ＭＷのＩＢＥＳＴシステム）。約２ｅＶの運動エネルギーを有する煙が得られるまで、イオンエネルギー及びイオンの一致を調整する。蒸気は約１００００°Ｋの有効温度を持っている。気化物質の全量はおよそ０．０５ｇｒａｍーｍｏｌｅ、つまり約３ｇｒｍｓの鋼である。物質のあるものはデポジション源表面上に再デポジションされるが、どの程度かは物質と煙の温度の関数である。しかし、再デポジション量は常に全気化物質の半分よりも少ない。気化物質の半分が再デポジション及び幾何学的要因のために失われるものと仮定すれば、〜０．２ｃｍ³の体積を有する１．５ｇｒｍｓの鋼がＩＭＷのＰＩＢＡＤデポジションシステムのパルス毎に成長表面に供給される。１００ｐｐｓの繰り返しレートで、成長表面に供給される全物質は、以前のデポジションシステムにより整合できない速度で、〜２０ｃｍ³／ｓｅｃの速度である。物質は、ＰＩＢＡＤ熱処理プロセスを実現するために使用される特定のパルスイオンビーム源の能力と整合するように、この速度で成長表面に供給されねばならない。この速度は当業者には既知である方法で物質とデポジション形状に依存する。以下の説明は、パルスイオンビーム利用デポジションのためのイオンビームの発生に使用できるＩＢＥＳＴ高速繰り返しパルスイオンビームシステムに関する記述である。しかし、本発明の中心であるデポジション及び熱処理プロセスは、パルスイオンビーム出力が前に詳細に述べたようにＰＩＢＡＤプロセスに適する限り、どのような特定のイオン源、加速器、あるいは電源のデザインにも依存しない。例えば、熱処理のパルスエネルギー源はレーザ、プラズマレールガンから発せられるようなプラズマパルス、及びパルス電子ビームを含むことができる。これら全ては本質的にはＩＢＥＳＴシステムにおけると同様の方法で使用できる。種々のイオンビーム源が存在する。代表的なイオンビーム発生器はアノード上の誘電体表面のアークをイオン源として用い、その後発生されたイオンビームを磁気的あるいは幾何学的に対象の物質に向け焦点を合わせる。この表面のアーク（「フラッシュオーバ」とも呼ばれる）は１００パルス未満でアノード表面を破壊し、調整できないイオンの混合種を発生する。フラッシュオーバに伴う他の個難としては、高繰り返しレートを困難にする大量の天然ガスの発生、処理されている表面を汚染する破片の発生、及び、ある場合には、局所的かつ制御困難なフラッシュオーバイオン源の特性に起因するビームの不均一性及び非再現性がある。最新式のイオンビーム発生器は通常は「ワンショット」デバイスであり、つまりそれらは低い繰り返しレート（＜＜１Ｈｚ）で動作する。現存の高輝度イオンビーム発生器は数多くの理由で高い繰り返しレート（＞＞１Ｈｚ）で動作できない。まず、現存のパルスパワー供給装置は、ここに説明される種々の有益な用途に要求されるイオンビームを発生するために必要とされる電圧、パルス幅（つまり、公称持続時間）、及びパルスエネルギーを備える高い繰り返しレートで電気パルスを発生できない。この制限は商業的開発を実行不可能にする。しかし、ロバストイオンビーム源によるワンショット表面処理はある目的には適していることは注意すべきである。第二に、現存のイオンビーム発生器の設計では、主要部品を置換せずには、拡大した数の動作サイクル（＞＞１０³）の繰り返し動作は可能にはならない。この制限はルーチン製造動作と矛盾するメンテナンス時間／製造時間の比を要求する。第三に、現存のイオンビーム発生器は一般に電気効率＜５％で動作することから、これは発生器のパルス電源及び冷却システムへの主要な問題を提示している。これらの及び他の制限は前述した従来のイオンビーム技術をパルスイオンビーム利用デポジションに日常的に使用することを不可能にしていた。ＭＡＰ（磁気閉じ込めアノードプラズマ）イオン源は、ＭＡＰイオン源の磁気的構造によって発生された磁気シールディングによってイオン源構造をイオンプラズマの破壊的作用からシールドするその特性の故に、特に興味を持たれている。しかし、従来のＭＡＰイオン源のほとんどが、種々の電界及び／または磁界による、発生イオンビームの下流ステアリング及び閉じ込めを備えたビームラインに使用されるように設計されていた。ステアリング及び閉じ込めは、発生イオンビームに重大な回転を課すＭＡＰイオン源の磁気的構造によって引き起こされるビーム回転のために必要であった。下流の電界及び／または磁界はＭＡＰイオン源を用いたシステムに複雑さ、大きさ、及び費用を付加する。ＩＢＥＳＴシステムは新型の磁気閉じ込めアノードプラズマイオンビーム源を備えている。新しいＭＡＰイオンダイオードでは、多数の領域が改良されている。磁界は、高速コイル磁界と低速コイル磁界との間のセパラトリックス（Ｂ＝０）が、イオンビーム回転を最小にするかあるいは除去するためにアノードの近傍に位置するような、プロフィールを有するように設計される。ガスノズルは、高速コイルに最も近いイオン化領域に導入されたガスパフを効率的に局所化するために、高マッハ数（超音速）のガス流速を発生するように設計されている。プラズマの形成位置を制御する可変バイアス磁界を発生する手段も備えられている。ガスを予備電離するためにガスパフがイオン化領域に供給されるように、高速リンギング磁界がガスパフに印加される。これらの及び他の改良は、ＭＡＰイオンビーム源を大規模産業活動に実際に役立てることに貢献する。本発明のＭＡＰイオンダイオードをパルスイオンビーム利用デポジションプロセスに使用する場合には、大パルス電源が必要となる。以下の詳細な説明は、一つのそのような電源、つまりSandia National Laboratoriesで開発された繰り返し高エネルギーパルスパワー（ＲＨＥＰＰ）システムに向けられる。他の高速繰り返し可能パルス高電圧大電源は開発された時に使用できる。ワンショットの用途には、Ｍａｒｘ発生器のような他の電源も使用できる。ＭＡＰイオンダイオードは、ＲＨＥＰＰ源と組み合わされた時には、商業的に魅力のあるコストで、物質の大表面積についてのデポジションを援助するために、拡大された数の動作サイクルに渡って大きい平均パワー及び繰り返し動作を行うことができるイオンビーム発生器システムを提供する。特に、本発明のイオンビーム発生器は、０．０２ー２０ＭｅＶエネルギーかつ約１０ナノ秒（ｎｓ）ー２マイクロ秒（μｓ）のパルス持続時間つまり長さで、あるいは特定の用途で必要であればもっと長いパルス持続時間で、大平均パワー（１ｋＷー４ＭＷ）のパルスイオンビームを発生できる。パルスイオンビーム発生システムの要素の第一は、H.C.Harjes，et al.，Pro 8th IEEE,Int.Pulsed Power Conference(1991)，及びD.L.Johnson et ａl.,"Res ults of Initial Testing of the Four Stage RHEPP Accelerator"pp.437-440, 及びC.Harjes et al.,"Characterization of the RHEPP １ μs Magnetic Puls e Compression Module"，pp.787-790に記載された形式の１０⁹のパルス動作サイクルを実現できるコンパクトな、電気的に効率のよい、磁気的にスイッチされる繰り返しパルスパワーシステムである。これら文献はDigest of Technical Pape rs of the Ninth IEEE International Pulsed Power Conference，June，1993にリプリントされている。これらは参照によりここに組み込まれた。以下の説明に関連するこれら文献は、このようなパルス電源の製造を当該分野の技術の範囲内に置く。本出願の開示に従って製造されたパワーシステムのブロック図が図１に示されている。主なパワー入力から、数段の磁気パルス圧縮及び電圧付加が、２．５ＭＶ，６０ｎｓＦＷＨＭ、２．９ｋＪパルスのパルスパワー信号を１２０Ｈｚのレートでこの特定システム向けのイオンビーム源に供給するために使用される。このパワーシステムはローカルパワーグリッドからのＡＣパワーをイオンビーム源２５により使用できる形式に変換する。図１を参照すると、本発明の一実施例では、パワーシステムは交流発電機１０を駆動するモータ５を有している。交流発電機１０はパルス圧縮システム１５に信号を送る。パルス圧縮システム１５は２つのサブシステム、１μｓパルス圧縮器１２とパルス形成ライン１４とを有している。パルス圧縮システム１５はリニア誘導電圧加算器（ＬＩＶＡ）２０にパルスを供給し、この加算器２０はパルスをイオンビーム源２５に送る。一実施例による交流発電機１０は６００ｋＷ，１２０Ｈｚの発電機である。ユニポーラモードでは、交流発電機１０は磁気スイッチパルス圧縮システム１５に力率０．８８で電圧３２００Ｖｒｍｓ、電流２１０Ａｒｍｓを供給する。発電機はローカル４８０Ｖパワーグリッドに接続されたモータによって駆動される。ここに使用された交流発電機は、Westinghouse Corporationにより設計され、Sand ia National Laboratories（Albuquerque，New Mexico）によって製造された。これは、R.M.Calfo et al.,"Design and Test of a Continuous Duty Pulsed AC Generator"in the Proceedings of the 8th IEEE Pulsed Power Conference，p p.715-718，1991，San Diego，California による論文に詳細に記述されている。この文献はここにその全体を組み込まれた。このパワーシステムは各種負荷への適応性が比較的に容易であることから選択されかつ構成された。他の電源も使用できかつ実際にこの使用にはより最適化できる。例えば、適正サイズの整流器を介して供給するローカルパワーグリッドに接続された一連の昇圧変圧器を有し、Magna-Amp Inc.から販売されている形式の電源が使用できる。しかし、本システムはかなり合理的に構成されかつ実行される。一実施例では、パルス圧縮システム１５は２つのサブシステムに分割される。ひとつは、その動作が当業者には既知である複数段の磁気スイッチ（つまり、可飽和リアクタ）から成る通常の磁気パルス圧縮器１２である。このサブシステムは図１Ａにより詳細に示されている。各段の基本動作は、前段から受けた電圧パルスの時間幅（遷移時間）を圧縮すること、及びこの電圧パルスの振幅を増加することである。これらは極めてロスの少ないスイッチであるので、熱として消費されるパワーはかなり少なく、各パルスのエネルギーは段から段へ移動する度にかなり少なく減少する。ここに使用されるサブシステムは、H.C.Harjes et al., "Characterization of the RHEPP １μs Magnetic Pulse Compression Module", 9th IEEE International Pulsed Power Conference，pp.787-790，Albuquerque, NM，June，1993によって詳細に説明される。この論文はその全体を参照によりここに組み込まれた。このシステムのために開発されたこれらの段は物理的に非常に大きい。スペースを節約する目的で、同じパルス圧縮結果を実現するために、最初の数段を適正に設計されたシリコン制御整流器（ＳＣＲ’ｓ）により置き換えることが可能である。これらの段１２は交流発電機１０の出力を１μs幅のＬＣ充電波形に変換する。この波形は次に、倍電圧Blumlein構成にセットアップされたパルス形成ライン（ＰＦＬ）要素を有する第二のサブシステム１４に供給される。ＰＦＬは、入力ＬＣ充電波形を、１５ｎｓの立ち上がり／立ち下がり時間及び６０ｎｓのＦＷＨＭを有する上部が平らな台形パルスに変換する３軸防水ラインである。この要素の構成及び動作は、D.L.Johnson et al.，"Results of Initial Testing of t he Four Stage RHEPP Accelerator"，9th IEEE International Pulsed Power Co nference，pp.437-440，Albuquerque，NM，June，1993に詳細に記載されている。この論文はその全体を参照により組み込まれた。ＰＦＬの断面図が図ＩＢに示されている。パルス圧縮システム１５は２５０ｋＶ、１５ｎｓの立ち上がり時間、６０ｎｓの半値幅（ＦＷＨＭ）、４Ｊのユニポーラパルスを１２０Ｈｚでリニア誘導電圧加算器（ＬＩＶＡ）２０に提供できる。好適実施例では、パルス圧縮システム１５は、効率＞８０％を有し、かつ極めて長い寿命（〜１０⁹−１０¹⁰パルス）を有する高信頼性要素から構成されている。磁気スイッチは、極めて大きいピークパワー（つまり、高電圧かつ大電流）を扱うことができかつ基本的には長い運用寿命を有する固体素子であることから、好適には全てのパルス圧縮段ＭＳ１−ＭＳ５において使用される。この実施例で使用された５つの圧縮段はＰＦＬ１４と共に図１Ａに示されている。パワーは交流発電機１０からパルス圧縮システム１５へ供給され、そして磁気スイッチＭＳ１−ＭＳ５を介してＰＦＬ１４へ送られる。ＰＦＬは以下に説明するリニア誘導電圧加算器（ＬＩＶＡ）２０に接続されている。第二及び第三の磁気スイッチＭＳ２及びＭＳ３は図示のように昇圧変圧器Ｔ１により分離されている。スイッチＭＳ６はＰＦＬの反転スイッチである。パルス形成ライン（ＰＦＬ）要素１４は図１Ａに概略的にかつ図１Ｂに断面で示されている。図１ＡのＭＳ６は、ＰＦＬの３軸部３１４の入力側に位置する図１Ｂに示された反転スイッチ３０２に対応する。出力スイッチ３０４及び充電コア３０６も示されている。領域３１０は誘電材としての消イオン水で満たされる。内部領域３０８は出力スイッチ３０４用の図示しない空気及びオイルコイルラインで満たされる。ＰＦＬの出力は、その正の成分が接地として作用するＰＦＬの導体３１６及びシェル３１８を介して流れながら、並列に各ＬＩＶＡ段２０に送られる。正の導体３１６はＬＩＶＡ段の各々に接続されている。ＬＩＶＡ２０は好適には液体誘電体絶縁されている。これはＰＦＬの出力端に接続され、イオンビーム源に供給する所望の電圧を達成するために異なる数の段に構成されている。ＬＩＶＡ２０は、それぞれ２５０ｋＶの１０段で構成された場合には、イオンビーム源２５へ１２０Ｈｚのレートで公称２．５ＭＶ、２．９ｋＪのパルスを供給できる。イオンビーム処理のほとんどに対して、イオンビーム源に合計１．０ＭＶを供給するように、ＬＩＶＡはそれぞれ２５０ｋＶの４段で構成される。しかし、この電圧は特定の物質の処理の要求に整合するためにＬＩＶＡの段数を変更することにより増加あるいは減少できる。ＬＩＶＡ２０の公称出力パルスはＰＦＬによってそこに与えられるものと同じである、つまり１５ｎｓの立ち上がり及び立ち下がり時間及び６０ｎｓのＦＷＨＭ（full width hal f maximum）を有する台形である。図１Ｃは４段のＬＩＶＡの断面を示している。４つの段３２０、３２２、３２４、及び３２６は図示のように積み上げられ、正のパルスをＰＦＬからケーブル３２１、３２３、３２５、及び３２７を介して供給する。各段はギャップ３３０によって分離され、冷却のために変圧器油によって囲まれている。ＬＩＶＡ段の各々からの出力は、部分的に示されている真空室３３２内に配置され、２５で概略的に示されるイオンビーム源に単一合計パルスを供給するように加算される。ＰＦＬに関しては、ＬＩＶＡの出力側シェルは接地されている。パワーシステムＰ（図１）は説明されたように、１２０Ｈｚのパルス繰り返しレートで、６０ｎｓパルスでパルス当たり２．５ｋＪまでのエネルギーを供給しながら連続的に動作できる。ここに説明されたパワーシステムは約２０ー１０００ｎｓの持続時間で０．２５ー２．５ＭｅＶのイオンビームエネルギーを有するパルスパワー信号を供給できる。このパワーシステムはウオールプラグから整合負荷に供給されるエネルギーまで５０％の電気的効率で動作できる。このパワーシステムＰは、ＡＣパワーを短い高電圧パルスに変換するために、例えば低損失磁気材料及び固体要素を組み込んだ低損失パルス圧縮段を使用している。高電圧が要求された時に、低損失磁気材料を組み込んだ複数の誘導加算器を使用して電圧を積み上げることにより２５０ｋＶから２０ＭＶの電圧を発生する能力は、主要な特徴である。しかし，一段のパルス源を使用して、加算器の必要性を排除することもできる。パワーシステムはかなり低いインピーダンス（＜１００Ω）で動作できる。これは変圧器ベースシステムのような数多くの他の繰り返し電源技術を別にして構成できる。この特徴は、大パルス電流が合理的な電圧で実現されることを可能にし、単一パルスで速い処理速度及び大面積（５から１０００ｃｍ２以上）の処理を可能にし、処理済み領域と未処理領域との間の遷移で発生するエッジ効果を低減する。パルスイオンビームシステムの第２の要素は、図２に示されたＭＡＰイオンビーム源２５である。このＭＡＰイオンビーム源はパワーシステムからのパルスパワー信号用いて繰り返して効率的に動作でき、気相分子を効率的に効エネルギーパルスイオンビームに変換する。ＭＡＰイオンビーム源は、特定の用途で必要とされるようにシングルショットモードでも動作できる。このイオンビーム源の先駆けは、J.B.Greenly et al.,"Plasma Anode Ion Diode Reserch at Cornell：R epetitive Pulse and 0.1 TW Single Pulse Experiments"，Proceedings of 8th Intl．Conf．on High Power Particle Beam（1990）により一般的に説明されたイオンダイオードである。この文献はここに参照により組み込まれた。この文献のイオンダイオードは前述した本システムに使用されたイオンダイオードとは著しく異なる。この文献の背景説明は興味あるものである。イオンビーム源２５は図２に示されている。このイオンビーム源２５は磁気閉じ込めアノードプラズマ（ＭＡＰ）源である。図２はイオンビーム源２５の対称な一方の側の部分断面図である。このイオンビーム源２５は、図示の軸Ｘ−Ｘ４００について対称におおざっぱに焦点を合わすことができる環状イオンビームＫを発生する。カソード電極アセンブリ３０では、遅い（１ｍｓ立ち上がり時間）磁界コイル４１４は（図２Ａに示されたように）磁束Ｓを発生する。この磁束Ｓはカソード４１２とアノード４１０との間の加速ギャップの磁気絶縁を与える。アノード電極４１０も磁束シェーパーとして動作する。遅いコイル４１４は、カソード４１２及び遅いコイル４１４を支持する構造３０に組み込まれている隣接ウオーターライン（図示せず）によって冷却される。この図に示されたＭＡＰ構造の主要部はおよそ１８ｃｍの高さ及び幅である。完全なＭＡＰイオンダイオードは、円筒状装置を形成するような、装置の軸４００について図２の詳細断面の回転として想像できる。全断面図は図３に見ることができる。イオンビーム源ＭＡＰ２５は以下のように動作する。アノードアセンブリ３５内に配置された高速ガス弁アセンブリ４０４は高速（２００μｓ）ガスパフを発生し、これが超音波ノズル４０６を介して供給されて、絶縁構造４２０内に配置された高速駆動コイル４０８の表面のすぐ前に高度に局所化されたガスを発生する。ノズルは、アノード４１０とカソード４１２との間のギャップへの非イオン化ガスの横方向の流れを防止するために設計されたものである。ガスを１ｍｓ誘導電界で予備イオン化した後に、高速駆動コイル４０８は高速コンデンサ１５０によって完全に活性化され、２０ｋＶのループ電圧をガス体積内に誘導し、完全イオン化に向けて放電開始を駆動し、得られたプラズマを約１．５μｓ以下でアノード電極４１０へ向けて移動させ、薄い磁気閉じ込めプラズマ層を形成する。プラズマは瞬間的にＢ＝０領域で停滞し、遅いコイル４１４により発生された絶縁界Ｓに隣接するセパラトリックスが、ＬＩＶＡからアノード４１０で供給される主加速正電気パルスの供給を待つ。予備イオン化ステップは先のＭＡＰ文献からは離脱している。この文献は絶縁構造４２０に相当する表面の前に配置された別個の導体を示している。この導体プラズマに曝されているので、しばしば破壊される。この別個の予備イオン化構造は不要であることがわかった。小さいリンギングコンデンサ１６０を高速コイルに並列に配置することにより、ガスは効果的に予備イオン化できる。このリンギング回路により発生される界振動はアノード高速コイルの前にガスを予備イオン化する。この回路の概略図が図２Ｃに示されている。高速コイルの主パルスを供給する前に、予備イオン化ステップに先だってパフガスパルス内のプラズマ形成の初期位置を調節するために、高速コイルとアノードとの間のギャップ内の磁界の構造を調整する能力を持つことが有益であることが説明された。これは遅いバイアスコンデンサ１８０と保護回路とを備えることにより実現される。両方とも、高速コイルに並列に装着され、可制御スイッチＳ２によってこれから分離されている。遅いバイアス界はこのようにガスの予備イオン化に先行して高速コイルによって発生される。この回路は図２Ｃに示されている。図２Ｃに示された高速コイルの電気回路の別の説明では、バイアス界コンデンサ１８０は、主コンデンサパルスが始まる前に、高速コイル内の１ミリ秒より大きい立ち上がり時間の電流を駆動する。これによって、高速コンデンサ電流によって発生される界構造が調節可能となる。高速コンデンサ１５０は高速コイル内の１マイクロ秒立ち上がり時間のパルスを駆動する。予備イオン化コンデンサ１６０は高速コイル間の電圧を１マイクロ秒より極めて小さい周期でリンギングさせ、イオン可されるガス内に大きい振動電界を誘導し、ガスの部分イオン化を生じさせる。高速コイル４０８によって発生される立ち上がり磁界はイオン化ガスを高速コイルから遠くへ押しやり、遅いコイル４１４により先在磁界に対して停滞させる。予備イオン化後に、ガスをプラズマに完全に分解するために、高速コイルが前述したように完全に活性化される。このパルスの後に、界は高速コイルにくずれる。高速コイルはヒートシンク（図示せず）に接続された抵抗負荷に接続されている。本実施例では、支持構造内の冷却チャンネルが使用されるが、他の解決が可能であり比較的簡単である。このように、高速コイル内に熱が蓄積されることは避けられる。高速コイル４０８は前述のヒートシンクと共に幾つかの方法で文献の高速コイルから再設計された。高速コイルとアノード電極４１０との間のギャップは、必要な磁気エネルギー量が５０％以上減少したという結果によって低減された。低いエネルギーの要求が高い頻度での繰り返し使用を可能とし、高速コイルへの供給システム電圧の複雑さを低減する。磁束整形アノード電極アセンブリの設計はこれらの有益な結果に寄与した。パワーシステムからのパルスパワー信号は次にアノードアセンブリ３５に供給され、プラズマのイオンを加速してイオンビームＫを形成する。イオンビーム抽出の時点で使用される遅い（Ｓ）及び高速の（Ｆ）磁束構造は図２Ａに示されている。高速コイルからの磁束と遅いコイルからの磁束とのはっきりした分離はここに示されている。これは、アノード４１０の磁束整形作用によって、また前述のＭＡＰ文献に開示されている絶縁構造４２０に位置する遅いコイルがないことにより実現される。ＭＡＰイオンダイオード内の遅いコイルはＭＡＰのカソード領域内にだけ配置されている。カソードアセンブリ内の遅いコイルの位置に関連したこのアノード磁束整形は、ＭＡＰ文献に示されたものとは異なり、ＭＡＰダイオードの高繰り返しレート、持続動作を可能とする。この設計は、Ｂ＝０点（セパラトリックス）がアノード表面近くに位置決めされることを可能にし、最小回転あるいは回転のない抽出イオンビームをもたらす。最小回転は処理される物質へビームを効果的に供給するために必要である。図２Ｂはガス弁アセンブリ４０４と、ガスを弁４０４から高速コイル４０８の前の領域へ導く通路４２５との詳細図である。通路４２５は、最小のブローバイで、ガスを高速コイルの局所化された領域にデポジションするように注意深く設計されている。通路４２５の断面の詳細はガスパフの超音波輸送のために設計されたものである。設計は容易に入手できるガスフローコンピュータプログラムを用いておこなわれたものであり、当該技術分野に属する。ガス弁フラッパ４２６は小さい磁気コイル４２８により動作される。コイル４２８はＭＡＰ制御システムからの指示に応じてフラッパ４２６を開閉する。フラッパ弁はフラッパの底部４２７の上をピボットされる。コイル４２８は高熱電導率のセラミック支持構造４２９内にマウントされている。この構造４２９は他の構造（図示せず）にヒートシンクされている。代わりに、コイルを囲む外部冷却ワイヤがコイルから熱を取り出すように作用させることができる。このヒートシンクはＭＡＰの持続動作能力のために必要である。ガスはフラッパのベースの陰のプレナム４３１から弁へ送られる。プレナム４３１は、図３に示されたＭＡＰイオンダイオードの中心コアに配置されたもっと大きいプレナムに接続されるように想像されるべきである。一度フラッパ４２６が開かれると、ノズル４０６内の真空が高速でガスをＭＡＰ内に取り込む。ノズルの作用は、流れの方向にだけガスの指向されたフローを発生し、流れの方向を横断する方向には発生しないことである。そのような横断するフローは、ガスをアノードとカソードとの間のギャップに向け、有害なアーク及び他の作用を発生する。前述の高速コイルーアノードギャップの低減により、ノズルの設計がＭＡＰの連続動作にとって極めて重要なものになる。幸いにも、ガスフローデザインツールが利用でき、改良されたガスフロー（より大きいマッハ数）及び最小の境界効果を有するノズルを開発するために使用された。改良されたノズルは高速コイルとアノードの近端との間のギャップへの拡大された開口を有しており、文献のＭＡＰの直線壁の６ｍｍ導管の代わりに９から１５ｍｍテーパが付けられている。パフ弁内のガスの動作圧力は５ー２５ｐｓｉｇの範囲から２５−４０ｐｓｉｇの範囲に増加した。この新しい設計の結果として、非常に改良されたＭＡＰ動作が実験により確認された。前述のＭＡＰイオンダイオードは幾つかの方法で従来のイオンダイオードと区別できる。パルス当たりの低いガス負荷の故に、ＭＡＰ内の真空回復速度は１００Ｈｚまで及びそれ以上の持続動作を可能にする。前述したように、磁気的幾何学はこれまでのイオンダイオードとは本質的に異なっている。従来のダイオードは、イオンビームがダイオードで発生された後に強軸磁界中を伝搬する用途に使用されることを意図された回転ビームを発生した。本システムは、イオンビームがダイオードから抽出されて界自由空間中を物質表面まで２０ー３０ｃｍの最小距離を伝搬することを要求する。従来のイオンダイオードの磁気構造は、これらのイオンビームがこれらのダイオードの形状によって正味磁束を横断させられそのため回転するので、この形式の動作を実行できない。このようなビームは高速に拡散し、本目的のためには有用でない。遅いコイル（ダイオード絶縁磁界コイル）をダイオードギャップのカソード側に移動することによって、ビームを横切る磁界が除去されるが、アノードプラズマ源に対する磁気システムを総合的にリデザインすることが必要とされる。前述の高速コイルの修正は、従来構造で示されたものよりも５ー１０倍大きいエネルギー効率をもたらす。修正は、ダイオードのアノード側の遅いコイル及び関連供給装置の除去と、磁界整形に関するよりよい制御及び部分的界貫通電極の使用によるアノード電極構造へのアノードプラズマのよりよい接触と、従来のイオンダイオードからの予備イオン化コイルの除去と、アノードプラズマ表面を更正磁束表面上に配置するように磁界を調整する「バイアス」電流を出力し、ビーム回転を除去しかつビームの最適伝搬及び焦点合わせを可能にする高速コイル関連回路と、ガスパフをよりよく局所化し、高速コイルをダイオードギャップに近づけて配置可能にし、次にエネルギー要件と高速コイルドライバを複雑さを緩和するガスノズルのリデザインとを含んでいる。プラズマが種々の気相分子を用いて形成できる。システムは、源に供給されるガス以外のいかなる要素をも消費せずあるいは損なわず、純粋イオン源を発生するために、任意のガス（水素、ヘリウム、酸素、窒素、フッ素、ネオン、塩素、及びアルゴンを含む）あるいは気化された液体あるいは金属（リチウム、ベリリウム、ホウ素、炭素、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、珪素、リン、硫黄、及びカリウム）を使用することができる。前述したように、イオンは加速器で単独でイオン化されが、ＭＡＰダイオードが多重にイオン化されたイオンを発生するためにイオン化サイクルにおいてより大きいパワーを供給するようにリデザインされる。これにより、所与の加速電圧により大きいイオンエネルギーを与えることができる。図３に示されるように、イオンビームＫは真空（〜１０^-3 ）中をターゲット面１９５の広い焦点領域（５−１０００ｃｍ²）まで２０−３０ｃｍ伝搬し、ここに物質サンプルが処理のために配置されている。イオンビーム源２５は、長い要素寿命＞１０⁶をもって、１００Ｈｚの繰り返しパルスレートで連続的に動作できる。本発明の原理によれば、イオンビーム源２５は、本単一パルスイオンビーム源に使用された固体誘電表面フラッシュオーバーアノードよりも、プラズマアノードからイオンを引き出す。従って、ガス源の組成を制御することによってイオンビームの成分について正確に制御できる。ＭＡＰイオンダイオード及びＲＨＥＰＰ源はＩＢＥＳＴパルスイオンビーム発生器システムの必須要素である。このようなシステムは、商業的に魅力のあるコストで、物質の大表面積についてのデポジションを援助するために、拡大された数の動作サイクルに渡って大きい平均パワー及び繰り返し動作を行うことができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ

Claims

【特許請求の範囲】１．パルスイオンビームを利用して基板上に物質をデポジションする方法において、ａ）前記基板上に前記物質をデポジションし、これにより複合構造を形成すること、及びｂ）少なくとも一つのイオンビームパルスの作用を用いて前記複合構造を熱処理すること、の各工程を有することを特徴とするデポジションする方法。２．前記物質のデポジション速度が時間的に連続している請求項１に記載の方法。３．前記デポジション速度が時間的に不連続である請求項１に記載の方法。４．前記複合構造の前記熱処理が薄い表面層の溶融及び再成長を含んでいる請求項１に記載の方法。５．前記複合構造の前記熱処理が薄い表面層を溶融せずにアニーリングすることを含んでいる請求項１に記載の方法。６．前記複合構造の前記熱処理が薄い表面層を気化することを含んでいる請求項１に記載の方法。７．溶融及び再成長を経た前記薄い表面層の厚さがデポジットされた物質の厚さより大きい請求項４に記載の方法。８．デポジットされた物質と基板物質の合金化が生じる請求項７に記載の方法。９．溶融及び再成長を経た前記薄い表面層の厚さがデポジットされた物質の厚さ以下である請求項４に記載の方法。１０．溶融及び再成長を経た前記薄い表面層の厚さがデポジットされた物質の厚さに実質的に等しい請求項４に記載の方法。１１．多重イオンビームパルスが前記複合構造に印加される請求項４に記載の方法。１２．イオンビームパルスが印加された以降、溶融及び再成長を経た前記薄い表面層の厚さがデポジットされた物質の厚さより大きい請求項１２に記載の方法。１３．前記溶融及び再成長が高品質のデポジット物質を生成する請求項１２に記載の方法。１４．イオンビームパルスが印加された以降、溶融及び再成長を経た前記薄い表面層の厚さがデポジットされた物質の厚さより小さい請求項１１に記載の方法。１５．イオンビームパルスが印加された以降、溶融及び再成長を経た前記薄い表面層の厚さがデポジットされた物質の厚さにほぼ等しい請求項１１に記載の方法。１６．溶融を生じない前記アニーリングが前記複合構造の高温フェーズの回復を可能にする請求項５に記載の方法。１７．溶融を生じない前記アニーリングが前記複合構造の非平衡フェーズの回復を可能にする請求項５に記載の方法。１８．溶融を生じないアニーリングを経た前記薄い表面層の厚さがデポジットされた物質の厚さより大きい請求項５に記載の方法。１９．溶融を生じないアニーリングを経た前記薄い表面層の厚さがデポジットされた物質の厚さより小さい請求項５に記載の方法。２０．溶融を生じないアニーリングを経た前記薄い表面層の厚さがデポジットされた物質の厚さにほぼ等しい請求項５に記載の方法。２１．多重イオンビームパルスが前記複合構造に印加される請求項５に記載の方法。２２．イオンビームパルスが印加された以降、アニーリングを経た前記薄い表面層の厚さがデポジットされた物質の厚さより大きい請求項２１に記載の方法。２３．イオンビームパルスが印加された以降、アニーリングを経た前記薄い表面層の厚さがデポジットされた物質の厚さにほぼ等しい請求項２１に記載の方法。２４．イオンビームパルスが印加された以降、アニーリングを経た前記薄い表面層の厚さがデポジットされた物質の厚さより大きい請求項２１に記載の方法。２５．薄い表面層の前記気化が前記複合構造の基板に衝撃波を与える請求項６に記載の方法。２６．薄い表面層の前記気化が濃い高圧プラズマ雲を発生し、その一部が前記複合構造に再びデポジットする請求項６に記載の方法。２７．気化を経た前記薄い表面層の厚さがデポジットされた物質の厚さより大きい請求項６に記載の方法。２８．気化を経た前記薄い表面層の厚さがデポジットされた物質の厚さより小さい請求項６に記載の方法。２９．前記薄い表面層が汚染物質を構成し、気化される物質の量が、下層構造の変化を最小に抑えながら前記表面層を取り除くように調整される請求項６に記載の方法。３０．多重イオンビームパルスが前記複合構造に印加される請求項６に記載の方法。３１．イオンビームパルスが印加された以降、気化を経た前記薄い表面層の厚さがデポジットされた物質の厚さより大きい請求項３０に記載の方法。３２．イオンビームパルスが印加された以降、気化を経た前記薄い表面層の厚さがデポジットされた物質の厚さより小さい請求項３０に記載の方法。３３．イオンビームパルスが印加された以降、気化を経た前記薄い表面層の厚さがデポジットされた物質の厚さにほぼ等しい請求項３０に記載の方法。３４．迅速に繰り返すパルスイオンビームをターゲット材の薄い表面層に照射することを特徴とする多量のターゲット材を迅速に気化する方法。３５．ａ）基板上に物質を迅速に成長する手段ｂ）前記基板の領域を成長プロセスから遮蔽する時変手段、及びｃ）前記物質を熱処理する手段、を備えることを特徴とする機械的要素を気相製造する方法。３６．更に、前記物質の領域を前記熱処理する手段から遮蔽する時変手段を備えることを特徴とする請求項３５に記載の方法。３７．前記物質を熱処理する手段がパルスイオンビーム源の使用を含む請求項３５に記載の方法。３８．前記基板上に物質を迅速に成長する手段が、パルスイオンビーム源の動作によって、前記物質を有するターゲットの気化を行う請求項３５に記載の方法。３９．ａ）基板、ｂ）前記基板上に物質をデポジションし、これにより複合構造を形成するデポジション源、及びｃ）前記複合構造を照射するパルスイオンビーム源、を備えることを特徴とするパルスイオンビーム利用デポジションを行う装置。４０．前記デポジション源は、デポジションプロセスが完了するまで、ゼロでない割合で前記基板上に物質をデポジションする請求項３９に記載の装置。４１．前記デポジション源は、デポジションプロセスが完了するまで、離散パルスによって前記基板上に物質をデポジションする請求項３９に記載の装置。４２．前記パルスイオンビーム源が、前記基板上にデポジットされた前記物質だけを照射する請求項３９に記載の装置。４３．前記パルスイオンビーム源が、前記基板上にデポジットされた前記物質と前記基板の薄い表面層との両方を照射する請求項３９に記載の装置。４４．前記パルスイオンビーム源が、前記基板上に物質をデポジット中に、多重イオンビームパルスにより前記複合構造を照射する請求項３９に記載の装置。４５．前記イオンビームパルスが、成長中の複合構造の薄い表面層を気化する請求項４４に記載の装置。４６．前記イオンビームパルスが、成長中の複合構造の薄い表面層を気化する請求項４４に記載の装置。４７．前記イオンビームパルスが、成長中の複合構造の薄い表面層をアニールする請求項４４に記載の装置。４８．前記デポジション源はデポジットされる前記物質を有するターゲットに入射するパルスエネルギー源であり、前記ターゲットに入射するイオンビームパルスのエネルギーは前記ターゲットの薄い表面層を蒸気に変換するのに十分なエネルギーを供給し、システムの全体形状は前記蒸気の相当部分が前記基板に向けて投射され前記基板上にデポジットするように構成されている請求項４１に記載の装置。４９．前記パルスエネルギー源がデポジションパルスイオンビーム源から成る請求項４８に記載の装置。５０．前記デポジションパルスイオンビーム源と前記パルスイオンビーム源とは要素を共有する請求項４９に記載の装置。５１．前記パルスエネルギー源がパルスレーザから成る請求項４８に記載の装置。５２．前記パルスエネルギー源がプラズマ放電から成る請求項４８に記載の装置。５３．更に、前記基板の領域を前記デポジション源から遮蔽する時変手段を備える請求項３９に記載の装置。５４．更に、前記複合構造の領域を前記パルスイオンビーム源から遮蔽する時変手段を備える請求項３９に記載の装置。５５．前記パルスエネルギー源がパルス電子ビームから成る請求項４８に記載の装置。