TW201538771A - 物理氣相沉積之離子束濺射沉積組件，濺射系統及濺射方法 - Google Patents

物理氣相沉積之離子束濺射沉積組件，濺射系統及濺射方法 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種絕佳的離子束濺射系統、組件及方法，其具有獨一無二的能力來藉由物理氣相沉積形成薄膜塗層於一工件或基材的外露表面。該系統可具有比既有的離子束濺射系統高很多的生產量，其同時被建構成一隨插即用模組(drop-in module)，這賦予它比典型的磁控管系統更好的靈活性。該操作性系統產生且初始地擷取一帶狀離子束，典型地為氬離子束，它的幅寬可被延伸約150mm至約3m；然後將該離子束加速、偏轉、然後減速以形成一被空間電荷中和的高電流的極寬的帶狀離子束；導引此成果離子束以一接近70度之預選定的斜的入射角撞擊一濺射標靶的該外露面表面；及因而造成一被濺射的原子的羽狀物形成並從該標靶釋出。一但被形成，該被釋出的羽狀物進入一專屬的沉積區，一有形體的(tangible)基材或工 件已被預先設置在該專屬的沉積區內，或一工件將移動通過該專屬的沉積區以進行薄膜塗覆，此專屬的沉積區被設置在該濺射材料標靶前方一短的距離處。

Description

物理氣相沉積之離子束濺射沉積組件，濺射系統及濺射方法 〔相關申請案〕
本發明在2014年3月4日首次提出申請為美國暫時申請案第61/966,808號，本案明確地主張此第一次申請案的所有法律上的利益及好處。
本發明是PCT國際申請案第PCT/US2014/000216號的部分接續案，其國際申請日為2014年11月26日，目前存續中。本案明確主張該部分接續案所提供的法律上的利益及好處。
本發明係有關於各種材料在藉由物理氣相沉積(PVD)在真空中的不同的種類及類型的基材上的薄膜沉積。應指出的是，現今相關連的技術領域傳統上包括離子束濺射沉積處理及磁控管二極體濺射沉積處理，此為被大家所接受的且經常被使用的PVD方法。
然而，本發明將寬射束離子源的新的發展帶至 能夠以更高的生產率來實施離子射束濺射的組織化的組件；及解決磁控管濺射沉積技術數個長期存在的缺點，譬如絕緣材料作為薄膜層的控制、及允許使用磁性物質作為薄膜塗層。本發明的獨一無二的設備及單一方法非必要地亦允許使用者開發其它已知的技術，譬如與離子束相關連的沉積及反應性物理氣相沉積。
將分離的膜層沉積在不同的種類及形狀的固體基材或工件上作為由各種材料組成的塗層的實作具有一長且豐富的歷史、提供一範圍廣泛的各種用途、及被使用在許多商業應用中。這些實作典型地包括且藉由沉積被例示為：用來控制光學元件及窗口上的反射的光學薄膜；機械及機械加工部件的硬度及抗磨損塗層；用於電子記憶裝置的磁膜；用於微電路中的導電膜；用於微電子裝置的介電膜；以及純裝飾性的薄膜、抗微生物及細菌的薄膜、及用於許多其它構造的彩色塗層。
然而，在沉積薄膜塗層的此寬廣的技術領域中，本發明大致上係關於且主要係專注於一特別的次領域：固體薄膜層的沉積，其可測量的厚度尺寸範圍從小於1奈米到數微米的尺寸；且其可以一均勻且一致的方式被重復地沉積為材料的一分離的層；且其藉由在一受限制的真空環境內(其可測量的壓力範圍從約20Pa到低至約10-3Pa之間)的物理氣相沉積被凝結在一固體基材或工件的外 露的表面上。然而，因為現今相關的技術領域提供令人意外地多樣的很相似的薄膜沉積方法，所以實質地審視此寬廣的技術領域是適當的。
傳統上習知的基材及塗層材料
適合用PVD方法來塗覆的基材及工件的形狀、成分及本質，及沉積在該等基材或工件的外露的表面上的該等被選擇的薄膜及塗層的能力及功能可廣泛地變化。此等薄膜塗層典型的應用範圍從陶瓷或陶器材料上的裝飾性塗層，到半導體晶片的表面上的導電性電路互連配線路徑，到切割工具及負荷承載表面上的抗磨損防護塗層。相類似地，用作為該等薄膜及覆蓋層的塗層材料的本質、特徵及特性在它們的化學成分(譬如，結構式及立體化學結構)方面；及在它們的物理特性(譬如，結晶性及應力)方面；及在它們的固有特性及功能性能力(譬如，導電性、磁特性、及毒性)方面可廣泛地變化。因此，例如，該被選取的薄膜材料的範圍可從導電材料，到半導體成分，到磁性膜，到電絕緣體。
墨水及噴灑塗層處理：
塗料及墨水傳統上被用作為施用某些化合物的薄膜的噴灑溶液及懸浮物；及用於大尺寸基材的真空捲對捲(roll-to-roll)塗佈經常被用於各種產品的噴灑施用金屬及氧化物薄膜。在一些特定的應用中，大氣壓鈍氣環境被 用來噴灑敏感的反應性材料的薄膜塗層；及在其它情況下，網版印刷可被用來將薄膜塗層圖案化。
然而，在所有這些噴灑沉積例子中，塗層厚度的控制是相對不精確的，且該薄膜層的微結構並未被控制為該塗覆處理的一部分。電漿噴灑塗叢係藉由將材料的細微粉末注入來予以施加，用以被塗覆在一極度的電漿噴射物中，藉此，一熔融液滴的噴灑物被形成且被導引(通常是在大氣壓之，但是在鈍氣氛圍下)，且在等基材的情形下，該熔融液滴的噴灑物在接觸且撞擊該基材或工件的冷的外露表面時會固化。
每一前述的處理係沉積肉眼可見的顆粒，因而是在本發明的領域之外，即使是這些膜層的終端使用被淺薄地和下文中描述的新的處理相關。
化學氣相沉積處理及其它傳統上習知的薄膜沉積處理分類：
其它傳統上習知的薄膜沉積處理的各式範圍是已知的且在此技術領域中且是已為大家所接受的。然而，這些不同種類的沉積處理的每一者係關於透過一次次地將物質的一個原子或單一分子重復地置於一基材或工件的外露表面上來形成一薄膜塗層；因此，所有這些不同的沉積處理在重疊的用途及應用領域內共享某些操作上的特徵及動作模式。
在現今的技術領域內傳統上可獲得的且傳統上 被使用的這些習知的薄膜沉積處理中，有以下所列的沉積處理。
化學氣相沉積(CVD)處理：該CVD處理分類包含許多使用蒸汽來沉積薄膜的不同技術。
也許最簡單的CVD處理例子是一氣體的化學先驅物合成物的熱分解，用來將一所想要的塗層材料沉積在一被加熱的基材上。這例如可達成藉由使用一預先選擇的碳氫氣體作為該先驅物合成物來沉積固體薄膜碳塗層的處理。
在一類似的方式中，許多獨特的CVD處理將基材或工件置於一高真空室中(‘高真空’一詞係指在一密閉室內的壓力係遠低於約10-2Pa)，且這些CVD處理涉及了將被選取的化學先驅物物種注入到該高真空環境中，其使用各種手段來開始及加速目標化學反應。造成所想要的化學物種沉積成為該基材或工件的表面上的固體薄膜塗層的是在該高真空環境中的該目標化學反應本身及一系列的化學反應事件。
現今已知的CVD處理的範圍及多樣性包括了電漿強化的化學氣相沉積(PECVD)，其使用電漿來提高被選定的化學物種的沉積速率；及原子層沉積(ALD)，其將不同種類的氣體循環通過該高真空室，用以催化該所想要的化學物種的單一原子層的沉積。這些特殊的CVD處理允許極為精確地將一固體薄膜層沉積至所想要的厚度。
濕式電鍍處理：這些處理提供將精確數量的某 些金屬沉積在某些種類的基材上；且此等濕式電鍍處理最近被發現在圖案化微電路方面的應用增加。在適合的條件下，電鍍可順應細微的表面拓樸(topology)。
離子或電子束誘發的沉積處理：離子或電子束誘發的薄膜沉積處理事實上是一種CVD處理的形式，其被一帶電粒子束居中調解(mediated)。離子或電子束誘發的沉積處理在本文中被特別考慮是因為此類型的處理可用一被細微地聚焦的離子束(FIB)來加以開發。
因為現今被典型地用於次微米等級的罩幕修補，所以該被聚焦的離子束係使用氣體的先驅物作為該塗層材料的來源來加以掃描，用以引發薄膜沉積；且此離子或電子束誘發的沉積技術因為將該被聚焦的離子束直接掃描在該氣體的先驅物而可在一極細微的薄膜厚度上被實施。然而，此技術及操作模式的結果是，此離子或電子束誘發的沉積處理並不適合被用作為一大規模的處理。
物理氣相沉積處理：
物理氣相沉積(PVD)是一種不同的真空處理的分類，在此處理中被選定的塗覆材料從蒸氣狀態被凝結在該基材或工件的外露的表面上；且包含典型地在中度真空環境中溫度典型地維持在約30℃至400℃的溫度時被實施的程序。該被凝結的固體膜塗層係用一次一個原子或分子的方式被累積達到所想要的厚度，這在某些方面和CVD處理及濕式電鍍技術類似，但和噴灑及墨水沉積處理的模 式及操作方式不一樣。
然而，有許多不同的程序格式及不同變化的協定，其整體構成該PVD類的處理；且每一種主要的變化在該技術領域中都清楚地被個別地認識且被明確地建立。
將PVD處理的某些變化例和特定類型的CVD處理加以區別有時候是很困難的。這是反應性(典型地是氣體)PVD處理的次分類，其涉及了將該基材同時地(或交替地)曝露至化學反應性的物質中，其為將被用來沉積成為一薄膜的塗層材料的一個元素的來源，例如在濺射一金屬的同時暴露於氧化物質中，用以產生該金屬氧化物的薄膜。這些程序是包括濺射在內的各種PVD技術的重要變化例。這些反應性PVD沉積系統的範例分別為美國專利第4,392,931號；第5,423,970號；第6,217,720號；第6,537,428號；及第8,597,473號。
為了清楚地瞭解以及進一步認識本發明的目的，處理差異及不同的控制原理及規則係如下所列：如果沉積一薄膜塗層於一基材或工件的外露表面上的方式和一以物理方法產生的蒸汽的凝結有關的話，則從業人員將該沉積程序視為一真實的PVD處理。凝結被界定為物質的物理狀態從氣相轉變為液相或固相的轉變；很清楚地，在此處，吾人所關心的是固相是該處理的終點時的相態。
傳統上習知的PVD系統
PVD技術的本質是習知的，因為早在1857 年；且從約1912年起，PVD處理就已實驗性地及商業性地經常在真空環境中被實施，用以施用固體膜塗層。然而，在其已知用途的大約150年的期間，該PVD處理的基本已被用數種不同的方式予以增加、改變、修改及擴張，用以符合科學、工業及商業上持續改變的需求；或符合及滿足特定需求及目的的各種範圍。許多可從科學性及技術性刊物中獲得的公開文獻，以及許多此領域中出版的權威書本共同地及整體地描述並例示隨著時間的遷延而發生在PVD處理上的許多創新及發展的不尋常寬廣的範圍及令人驚奇的多樣性。
因此，相關技術性及科學性的公開文獻的一代表性(但仍有不足者)的一覽表係如下所列：Donald M.Mattox,Handbook of Physical Vapor Deposition(PVD)Processing,Elsevier Publishing,2010；Powell,et al.,Vapor Deposition,Wiley,New York,1967；Westwood,W.D.Sputter Deposition；AVS Education Committee book series,v.2.New York；Education Committee,2003；Mattox,D.M.,Handbook of Physical Vapor Deposition(PVD)Processing：Film Formation,Adhesion,Surface Preparation and Contamination Control；Noyes Publications,New Jersey,1998；Geng,H.,Semiconductor Manufacturing Handbook；McGraw-Hill：New York,2004；Helmersson et al.,Thin Solid Films,513：1,2006；and Uhlenbruck et al.,ECS Transactions,35：2275, 2011；Eckertova,L.,Physics of Thin Films,Springer,1986 & 2012；Chapman,B.N.and J.C.Anderson,Science and Technology of Surface Coating,Academic Press,1974；及Ohring,M.,The Material Science of Thin Films,Academic Press,2001。
PVD處理的最簡單的格式可藉由加熱一將在一用耐火材料製成的坩堝內被汽化的材料的適當材料來實施：例如鋅可被可在一電加熱的真空坩堝中被汽化，並凝結在一被置於其上的玻璃基材上以形成一導電膜。如果該真空壓力是中等程度的低的話，則汽化的鋅原子將與殘餘氣體的數個分子撞在一起，且可能發生反應並形成氧化物，而這是所不想要的。但是，如果該壓力夠低的話，則純的鋅可被沉積成為一薄膜塗層。
很不幸地，被發現的是，被沉積的PVD薄膜塗層有時候會從基材表面上剝落。此剝落的原因包括了薄膜應力(該被凝結的膜層和該基材並未機械地平衡)、及不良的黏合(因氣隙及表面污染所造成)。
PVD處理塗覆的基本方法的傳統強化為：用離子轟擊來預先清潔該基材表面，同時在薄膜形成期間用低能量氬氣或其它低能量氣體轟擊該基材表面。當使用於本文中時，‘低能量’一詞係指低於約200eV的離子能量。
關於與離子相關的沉積(IAD)技術，此等低能量的離子開始於一已存在於該環境中的電漿；而在與離子束相關的沉積(IBAD)技術中，該等低能量的離子係從一為 了此目的而特別被提供的離子源被射出。進一步被發現的是，在沉積期間的淺角度，低能量離子轟擊可造成該結果薄膜塗層形成被定方位的結構，且亦以許多其它方式影響該被沉積的膜層的生長及應力。
描述該IBAD次分類應用的一些代表性公開文獻可例如參見：P.J.Martin et al.,“Ion-beam-assisted deposition of thin films”,Applied Optics 22：1,pp.178-184(1983)；Wang et al.,“Deposition of in-plane textured MgO on amorphous Si3N4 substrates by ion-beam-assisted deposition and comparisons with ion-beam-assisted deposited yttria-stabilized-zirconia”,Appl.Phys.Lett.71：2955(1997)；及Hak Ki Yu and Jong-Lam Lee,“Effect of ion beam assisted deposition on the growth of indium tin oxide(ITO)nanowires”,Cryst Eng Comm.16：4108-4112(2014)。
用來實施物理氣相沉積的傳統方法及系統 (1)純的熱系統
在所有下文中描述到的熱蒸汽產生系統的變化中，以及在某些變化的方法中，該方法及系統的關鍵區別特徵在於該塗層材料粒子的氣體蒸汽係藉由將一數量的液體形式的該所想要的材料加熱使之熱升華或汽化來產生，這通常是在坩堝中實施。用來提供適當的熱量及數量上地容納該所想要的塗層材料的氣體的蒸汽雲的不同機構是存 在的且經常被使用。
如之前提到的，一種用來將所想要的塗層材料汽化的常見的方法是很簡單地將該固體材料放在一適當的電阻加熱的坩堝內，它在坩堝內可安全地熔化，如果直接升華沒有發生的話。適合的坩堝的一簡單的例子是一用一片鉭材料製成的內凹式‘舟皿(boat)’，電流可經由該片鉭材料被通入以加熱該片鉭材料。鉭具有低蒸汽壓及相對低的導熱性，所以該處理很簡單且污染可能性很低。
另一種商業上常用的方法是在真空環境中的電子束轟擊(EBPVD)，其被例示於先前技術圖1a中。在EBPVD方法中，很強的熱被電子束輸送至該將被汽化之所想要的標靶材料的固體件或熔化池的中心。一磁場將該電子束導引至其標靶。這些電阻及電感加熱程序的代表性例子可分別參見美國專利第5,718,946號；第6,368,404號；第6,878,909號；及第7,687,746號。
分子束磊晶(MBE)是PVD處理的另一種形式，其只能在‘超高真空’條件下被適當地實施。該用詞‘超高真空(UHV)’通常被理解為意指一低於約10-7Pa負壓的環境。
在MBE系統中，薄膜沉積的速率極低，最多每秒1奈米。多個內含各別的固體材料(例如，鎵及砷)的坩堝在原地(in-situ)被加熱，用以透過準直孔將它們的內容物汽化；且不同塗層材料的個別的蒸汽噴射物被允許同時沉積在一適當的，通常被加熱的基材表面上。在對的環 境及嚴格控制的操作條件下，可獲得單晶化學當量薄膜的磊晶生長，在此例子中是固體結晶砷化鎵。
該MBE處理因而可被視為一種依賴UHV環境及熱的反應性PVD，而不是使用其它方式來獲得潔淨度及黏合，並將該被沉積的固體膜塗層的結晶性的條件最適化。
(2)離子化的叢集束沉積系統
一‘叢集(cluster)’在本文中被界定為是100至2000個軟弱地約束的原子的群組；且商業上是一種實作(practice)，在此實作中一適合的材料蒸汽在部分真空下膨脹，經由一噴嘴進入一高真空環境以造成固體薄膜沉積在一基材上。在真空之下的蒸汽膨脹期間，且在該高真空環境內的平均自由路徑(mean-free-path)之前，該蒸汽膨脹允許絕熱冷卻；藉此允許非常小的液滴(droplet)在氣體的噴流中原地(in-situ)形成。這些非常小的液滴可被電子衝擊離子化然後被加速以撞擊基材。
每一原子的能量可以是相當低，但該叢集的動量是非常地高。因此，被一叢集的原子傳送至該表面的總能量足以將該基材的外表面原子移動；其接著可用此方法造成一極度平滑的被沉積材料的膜層形成[例如參見Takagi,Pure & Appl.Chem.,Vol.60,No.5,pp.781-794,1988]。
(3)陰極電弧方法及系統
為了沉積某些種類的塗層材料，陰極電弧方法可被使用。在傳統的陰極電弧方法中，一由一被保持在一適當的電壓的陰極的高電流電弧被用來將一塗層材料標靶汽化。該電弧放電具有高度的離子化及激勵，且一羽狀的電漿被射出。此蒸汽及電漿被凝結在該標靶上。藉由例如包括氮氣及使用鈦標靶，氮化鈦蒸汽可被產生且沉積在基材上。
如此被形成的原子具有高的熱能，但可包括許多原子及大型粒子的叢集，它們對於某些應用而言是所不想要的；及一種藉由一電磁閥線圈來將該電漿內的被離子化的原子導引轉向90度的方法被用來將它們和較大的粒子分開。該陰極電弧方法的代表性例子可分別參見美國專利第3,625,848號；第3,793,179號；第4,673,477號；第4620913號；第4,849,088號；第5,037,522號；及第5,972,185號。
(4)濺射沉積方法及系統
濺射沉積處理構成一分開的且不同類別的PVD處理，在濺射沉積處理中會發生下列順序的事件：從一離子源或或電漿排放設備事出的離子轟擊一將被用來塗覆的固體材料(即“標靶”)以造成濺射-即帶電離子流(典型地來自鈍氣電漿)以>500eV的能量撞擊一固體材料標靶並從該標靶的表面釋出原子及小分子成為被汽化的羽狀物-其中 該被釋出的蒸汽羽狀物通常朝向一玻璃、金屬、塑膠或其它有實體形態的工件的外露表面移動並凝結及沉積於其上成為固體材料(該“基材”)的接合的薄膜或層。
該濺射處理是藉由帶能量的離子(通常是另一種物質)的撞擊而從一標靶射出材料的原子、分子及離子。先前技術圖2例示此機制。
當一帶能量的原子或離子撞擊一固體標靶時，它可穿透表面。如果該發射的離子具有一大於數百eV的能量值的話，則該離子具有一很大的機會造成該標靶材料的一或多個原子射出。隨著該發射能量到達一第一低能量門檻值，該射出比率成指數倍地(exponentially)上升，然後非常緩慢地上升至一峰值。
濺射的機制並不是熱加熱及後續的汽化；而是因為碰撞連鎖作用(collision cascade)，如先前技術圖2所例示。射進來的離子將該固體標靶材料內的原子移位；且藉由連續的撞擊，施加於此串級的動量很快地變成被隨機地導向，且一部分變成被朝向該表面導向，該塗層材料的一近表面原子或原子群可被此一撞擊及射出且釋出成為一包含在一氣體的蒸汽或電漿中的被濺射的粒子。
包含在一被濺射的蒸汽羽狀物中的該等原子/分子典型地具有一能量分佈，其具有一最大值(其為表面結合能的數倍，即數eV)；且這些原子亦具有一高能量尾巴，使得一些原子或分子種類的平均能量值可高達20eV。
依據Sigmund的詳細理論，該等被射出的粒子 具有一隨意動能的分佈U，其被描述為
這表示一被射出的原子的平均能量是Ub的數倍，其中Ub是表面結合能，其通常是融合及汽化的焓的總和。
因此，該等原子及/或分子的羽狀物具有比熱值大很多的動能，且很明顯地不熱平衡。
在高真空環境中(壓力低於約10-2Pa)，在該蒸汽羽狀物中該等被濺射的原子可到達基材表面，它們會在該處以具有足以穿透的能量撞擊該表面；但仍具有足夠的能量將鄰近的原子移位，這接著將會造成該等被吸附的氣體原子/分子的游離，並造成該薄膜的顯著緻密化及強化結合。
該等被濺射的粒子的產量在投射原子質量和標靶原子質量之間大致相當的時候較大。這取決於投射的原子種類及標靶原子的種類。該濺射產量進一步取決於射入原子的入射角度。產量和投射能量的相關性亦取決於投射原子質量：對於較大的原子質量而言，峰值產量是在較高的能量，且較大的入射角的產量較高。使用氬氣是很常見的，而氪氣及氖氣較不常被使用，因為它們的高成本無法彌補它們較高的濺射產量。先前技術圖3顯示幾乎所有不同的離子在一特定的能量下在三種特定的材料的標靶上的濺射產量。
實際而言，這表示如果選用最常見的市場上被開發出來的投射離子(氬離子)的話，則最大的濺射產量將取決於該標靶、入射角度、及能量。
被加速至該標靶且被用來濺射該等被用於塗層的原子及分子的離子種類通常將會是鈍氣。最佳的動量傳遞(即，濺射產量)取決於數項因素-但在該投射離子及標靶材料原子/分子具有一相當小的質量時是最佳的。對於大多數目的而言，氬離子被認為是有效率且便宜；但對於某些重的標靶材料而言，使用氙或氪離子會是較佳的。氖及氦不常被使用，因為它們比多數感興趣的標靶材料塗層輕許多。
對於射入到該標靶上的離子的正常入射而言，氬原子/離子的濺射產量峰值是在數十keV；但此離子能量的大部分被浪費掉，因為它被沉積在標靶材料底下太深而不能射出任何的原子及分子。
數量的更大的關連性是從射入的離子被傳遞的每一eV的動能能夠從該標靶材料被釋出的原子/分子數目。對於能量是低於1keV的射入離子而言此數量因素通常在最大值，且這些射入離子進入到該標靶材料的離子穿透深度是約20埃(Å)或更小。因此，此數量值是必須傳遞多少離子能力才能從該標靶表面產生及釋出一個原子成為一自由活動的粒子的一可靠的測量。
很清楚地，活動粒子釋出的效率在離子不會穿透進入標靶材料太深並因為轉變成熱而浪費它們的能量的 時候是最佳的。熟習此技藝者所習知的是，濺射方法在能量利用上是非常沒有效率的(至多約5%)；但以濺射方式沉積的薄膜其特性在大多數例子中都比用熱方法沉積的薄膜的特性好很多。
該濺射沉積處理可例如用Monte Carlo電腦模型予以模型化：The Stopping and Range of Ions in Matter,SRIM 2000,Version 2000.38,International Business Machines,1984-2000。此等模型清楚地顯示電漿所產生的離子和標靶之間的互動只限位在該標靶的外露的拓樸表面區域或接近此區域的原子/分子。
入射的角度長久以來都被界定為射入的軌道和該表面的法線之間的角度。當離子的入射角從零度增加時，所得到的濺射產量會顯著地上升，如先前技術圖4所例示。
從圖2及圖4的數據可知，如果該入射的角度被加大的話，該表面將攔截一大部分的撞擊串級，造成更多原子被射出。在鋁質標靶上氬的濺射率在70度時是在垂直時的約9倍大。再者，現在最佳的入射能量較高，使得被70度入射的5keV氬濺射出的鋁標靶材料比被垂直入射的800eV濺射出的鋁標靶材料多很多；因此，該處理稍微有效率。
在這些薄膜沉積處理中每一原子的抵達及凝結所遞送至一表面的熱永遠都包括表面結合能(其為融合及汽化焓的總和)、且對於被濺射的原子而言亦包括上面等 式1所給出的動能‘U’，其可以是10倍大。在該薄膜沉積期間，被該等被濺射的原子攜帶至該基材表面的能量足以顯著地升高該基材的溫度；且在電漿濺射的例子中(尤其是rf電漿濺射中)，其它帶能量的粒子可攜載足夠的能量至該基材，使得最終的沉積溫度通常是在150℃至500℃的範圍內。這對於沉積在塑膠片上的薄膜而言尤其重要。對溫度敏感的基材(譬如，塑膠片)而言，這些工件可在原地被冷卻，例如在沉積期間藉由將該基材物質在冷卻滾筒上拉緊。
使用濺射方法成功地沉積膜主要是因為在被濺射的羽狀物中的離子本身攜帶足夠的能量及動量並它們帶至該基材或工件的外露表面的事實，該等離子在撞擊時，此濺射粒子的能量及動量可以且將會把鬆弛地吸附的雜質分離並將位在該基材結構的表面原子移位，尤其是該基材的表面結構的拓樸特徵構造是有缺陷的、或是不規則的、或是未完成者。此濺射粒子的能量及動量造成一更乾淨及更均勻的界面的結果，沒有空隙存在於該基材物質和被沉積的薄膜層之間。某些方法(譬如，先前技術圖1b所示的IBAD、IAD及IBD)尋求藉由將離子加速撞擊該基材表面來添加額外的能量。
該濺射的材料的該氣體的羽狀物通常是被等方向地分佈於2π球面度上；且大部分是未帶電的，無法被導向該標靶。因此，該標靶到該基材的附近區域是一關鍵的因子且是一控制因子。在該標靶和該基材或工件的位置 之間的距離及方位上的一相當小的改變及變化都將會顯著地影響到該被沉積的薄膜的厚度品質、一致性、及均勻度(這對於上文討論的熱方法亦適用)。
不同種類的濺射沉積方法及系統
PVD系統的數種次組及分類種類已於上文中被指出及大致地描述。這些處理的變化型實際上可和任何形式的濺射沉積處理一起使用。然而，許多這些濺射沉積種類的成員係藉由用於離子產生之個別的細節來加以區別，這些離子然後撞擊標靶材料並產生被濺射的原子/分子的羽狀物，其被用來薄膜塗覆一基材或工件。
因此，在本文中簡短地描述構成該濺射沉積處理類別的至少一些成員被認為是有幫助的，現今它的一個成員包括下列處理的家族變化例的每一者。
(i)DC二極體濺射沉積系統，如先前技術圖5a及5b所示且其包括：簡單的平面二極體；及DC磁控管。
(ii)AC，RF及脈衝式濺射沉積系統，如先前技術圖6所示且其包括：脈衝式磁控管；及MF雙生式磁控管。
(iii)離子束濺射沉積系統，如先前技術圖7所示且其包括： 分離的外部離子束系統。
(i)DC二極體濺射沉積系統 簡單的平面二極體
如先前技術圖5a所示及概略地描述地，一簡單的平面二極體系統被例示，其中該電漿係藉由鈍氣的電擊穿(electrical breakdown)來產生及維持。
然而，數個嚴格的操作條件被須被符合以產生一用於DC二極體濺射的電漿。該濺射沉積室必須大致上被排空至一低於10-3Pa的基本壓力，用以確保多數揮發性雜質被去除掉。然而，當有令人滿意的基本壓力存在時，該工作氣體(通常是氬氣)被導入到該真空室中，藉此將壓力升高至最容易建立電子放電的壓力，即約3至10Pa。此相對高的壓力對於該操作系統而是很重要的。
此外，該濺射標靶(其由將被塗覆在基材上的材料所製成)相對於該基材被偏壓至數百伏的負電位V，一層所想要的標靶原子的薄膜將被塗覆於該基材上。在所產生的電子放電中，電子撞擊該氣體原子並將它們離子化；且該等電子和離子然後被加速於相反方向上以產生一電漿，其電位將變得足夠正電性以維持一高的電子密度。離子從此電漿被加速，用以用qV的能量撞擊該標靶，其中q是它們的電荷；且從該標靶流出的濺射材料(主要是不帶電的原子)亦產生次級電子，其用來保持該電漿中的離子化。該被濺射的不帶電的原子然後將行進至該基材並 凝結於其表面上以形成該被沉積的薄膜塗層。
傳統上已知的DC二極體濺射系統的範例及說明可參見美國專利第3,968,018號；第4,717,462號；及第7,850,828號。
DC磁控管
DC磁控管濺射方法及系統是DC二極體的一個類型，其添加了一靜磁場(或有時候是移動的磁場)。如先前技術圖5b所示，該被產生的磁場係用來限制在電漿內的電子及大幅地提高在最小壓力(即，10Pa小很多的壓力)時所能達到的密度。因此，相較於DC二極體濺射系統的大於3.0Pa的壓力，對於多數磁控管系統而言一典型的操作壓力只有0.1Pa。
先前技術圖5b亦顯示的是，一磁控管濺射系統的特殊磁場組態在該標靶材料表面的前方產生一封閉的迴圈區域，其中該磁場的方向平行於該表面。此事件係藉由將一個極性的磁極置於該標靶材料表面後方的中央位置，並用相反極性的一環圈形的磁極包圍該被設置在中央的磁極來達成的。
因此，在延伸於該等磁極之間且靠近該標靶材料表面的該跑道形的空間區域中，該磁場及電場係大致垂直；且此環境產生一空間區域，在此空間區域內會發生特別有效率的自由電子的誘捕及繞行。該等自由電子移動於緊密的螺旋形中，其半徑是由該電子的動量對比於該磁場 的比率來決定；但它們(用一等於v=E×B的速度)漂移於該跑道路徑周圍。該等次級電子的誘捕讓該磁控管濺射系統能夠在包括提高沉積率及降低塗層中的雜質在內的許多方面優於傳統的二極體濺射系統，並在低的基材溫度下達成沉積。
多數磁控管濺射系統的一主要的缺點是該標靶在磁場平行於該標靶材料的表面的區域處的一非常高的腐蝕率，而在其它地方的腐蝕率則非常低。這導致該標靶材料的使用沒有效率。因此，為了要提高在磁控管濺射系統中標靶材料的利用，該標靶材料或該磁場產生設備將常被保持不斷地移動，用以實體地及空間地改變該標靶的濺射地點位置並將該標靶材料上的該腐蝕效應在整個時間及使用上作更均勻地分佈。
傳統上已知的磁控管濺射沉積系統的代表性工作例子可分別參見PCT專利申請案WO1982002725號，及美國專利第5,169,509號；第5,645,699號；第5,399,252號；第5,338,422號；第5,618,388號；第5,855,745號；第5,968,328號；第6,988,463號；及第7,166,199號。
額外有關的資訊點
1.如先前技術圖5b所示，每一傳統的磁控管濺射沉積系統對低程度包含：一水冷式標靶安裝件；一用於塗層的材料的標靶，其被一高功率電源供應器偏壓至一負 的電位，一組永久磁鐵被設置在此標靶的工作表面後方；該組件和一安裝凸緣被電隔絕開，它透過該安裝凸緣被安裝至一真空室，一氣體(譬如，氬氣)被導入該真空室中。在給予正確的壓力及適當的電壓之下，該磁控管系統產生一穩定的電漿排放，及充滿能量地從該標靶表面離開的粒子通量。
2.傳統的磁控管濺射沉積系統有方法來提高撞擊到該基材表面上的帶電濺射粒子的密度，藉以提高在該基材上的能量沉積，這可改變該薄膜的特性。此一有時候是所想要的效果可例如藉由在標靶位置故意讓磁場不平衡來達成。
在一不平衡的磁場系統中，用來在該標靶上方產生磁場的磁鐵中的一個磁鐵被給予一比其它磁鐵所產生的磁場強度弱的磁場強度。該較弱的磁場無法補償在有些磁場線朝向該基材的重新導向時所產生的所有磁場線。雜散場允許更大百分比的電子及帶電離子朝向該基材逃逸，和生長中的薄膜碰撞可透過薄膜塗層的再濺射及再吸附來提高緻密度，但亦會增加該基材的加熱。
3.現今最常用且在商業上偏好的濺射沉積系統是磁控管濺射方法。現今多數商業的及高體積濺射沉積應用係使用磁控管濺度技術，其可以是DC、RF、或AC格式。
4.現今商業上成功的磁控管濺射沉積系統主要是因為它們在薄膜輸出率及薄膜品質之間具有良好的平 衡。但它們的實質缺點、侷限性及嚴格的操作要求是廣為所知且根深蒂固，這些缺點應被認識的是：
(α)一磁控管系統是在10-1Pa或更高的壓力操作。它無法在該處理室內的一高真空環境[壓力遠低於約10-2Pa]中操作。
(β)一磁控管通常會將基材曝露於一強烈的且熱的離散電漿，尤其是當該被產生的磁場是不平衡的，造成所不想要的加熱的時候，且該被濺射的通量及殘留氣體及該電漿之間的所不想要的互動會很顯著。
(γ)該等磁控管系統的必要壓力環境[約10-1Pa]通常造成一些氣體結合到該被沉積的薄膜中；且在這些情況中，保持在該等薄膜的一致的層疊厚度及結合是相當困難的。
(δ)在這些磁控管濺射沉積系統中，在該基材位置的空間區域內永遠有外露的電場及磁場；且此無可避免的環境意謂著很可能有未被平衡的電荷傳輸，導致任何絕緣表面上有表面電位。此事件在許多情形中導致小的表面電弧，這會造成被沉積的薄膜內的缺陷。
(ε)對於磁控管系統而言，使用濺射的絕緣材料作為薄膜有顯著的困難。這些困難大部分可藉由使用AC、或RF或脈衝式電漿系統的數個變化型的一者來予以克服。但這些替代的濺射系統在操作上更為複雜。
(η)當一用於塗層的絕緣材料的標靶濺射係使用一磁控管沉積系統(譬如，一標靶絕緣體氧化物化合物的 反應性氣體濺射)的時候，該標靶的表面會變成是絕緣的，除了該劇烈濺射的區域之外；且該絕緣材料可侵入到該劇烈濺射的區域內。此外，該等絕緣材料薄膜將凝結及沉積在該等接地表面上，造成該‘遺失陽極’效果，在該處放電停止。
(θ)一磁控管沉積系統無法以任何直接的方式濺射用於塗層的磁性材料，因為一磁性標靶扼殺並有效地毀掉由原地的磁控管所產生之濺射放電所依賴的磁場。
(ii)AC、RF、及脈衝式磁控管濺射系統： AC濺射系統
當該標靶是一絕緣體時，該DC放電機制無法操作；但藉由施加中等頻率或高頻率AC電流至該標靶安裝件，在負向半週期期間的該位移電流可維持濺射。電容性耦合允許一有用的電流流動並有效地維持一電漿，藉以允許濺射在該AC週期的一些部分發生。
RF濺射系統
如先前技術圖6所示，一電漿沉積系統使用射頻的基礎是該被離子化的氣體原子和該電漿內的電子之間有很大的質量差。如果該交流頻的頻率夠高的話，電漿可藉由持續不斷地交替及顛倒該等電子通過夠長的距離的方向來予以維持，使得它們獲得經由碰撞將該濺射氣體離子化所需的動能的量子(quantum)。
維持該電漿所需的該射頻通常是高於1MHz；但RF濺射系統通常在13.56MHz(其為由聯邦通信委員會制定之在美國境內被允許的最高頻率)操作。亦應指出的是，來自於該標靶的淨平均電流可以是且必須是零，如果該標靶是絕緣體的話。
RF濺射方法的主要缺點為：導因於缺乏用於氣體離子化的二次電子所造成的沉積率的降低；須要調節系統來將交變電位耦合至該電漿；及和射頻電源供應有關的瞬間消耗(monetary expense)。
RF濺射沉積組件及方法的示範性及代表性例子可參見美國專利第4,572,759號；第4,579,618；4,584,079號；第4,802,968號；第5,891,350號；第6,446,572號；及第6,710,524號。
脈衝式濺射系統
先前技術圖6亦顯示的是，當使用一導電標靶及反應性濺射(其中，一氣體，譬如氧氣，被用來改變該薄膜以產生一絕緣的薄膜)時，該標靶被沉積較少的區域及該磁控管和該真空室的陽極表面可變成是絕緣的。此效果可導致較低的沉積率，以及導致‘喪失陽極(lost anode)’效果，其中該陽極被氧化因而變成絕緣，其抑制了放電。使用脈衝式或媒介頻率切換式電源供應可減輕此問題，且某些系統使用一對連接至一AC電源供應器的相反端子的標靶。[參見美國專利第6,451,180號，第5,789,071號， 第6,620,299號。]
(iii)離子束濺射沉積系統
離子束濺射(IBS)沉積系統是一整個族系的沉積方法，其全部都使用一分離的離子源產生離子束；該離子束然後從該離子源被擷取出來且被導引至用將被塗覆的材料所製成的該濺射標靶；充滿能量的原子從該標靶被濺射成為羽狀物；其然後撞擊一基材或工件之外露的表面，該羽狀物在該表面上凝結成一固體的薄膜塗層。參見先前技術圖7，其顯示一代表性的離子束濺射沉積系統。
在這些傳統上習知的IBS系統中，該離子源典型地是一網柵式的卡夫曼離子源(Kaufman source)(參見美國專利第3,156,090號)。該離子束從一個一開始被產生的電漿發射出來；且在三極管結構的多孔極板網柵之間被加速至1至10keV的能量值。該被發射出的離子束接著被朝向一用將被用於塗層的材料所製成的標靶引導。來自該標靶的材料被這些離子濺射且等方向地釋出至一受控制的真空環境中成為一被汽化之自由運動的原子及分子的羽狀物。
該標靶被大致對齊，用以面向一特定的沉積區域，一基材或工件的外露的表面(一薄膜層將被沉積在此外露的表面上)被放置在該區域內，且這造成該等被濺射的原子凝結，且一固體的材料薄膜沉積在該基材或工件的該外露的表面上。
多數離子束濺射系統亦配備有IBAD的機構及/或其它強化機構。這些增強版的IBS系統通常會產生最高品質的薄膜。
IBS方法及系統令人想要的特性是習知的：它們可在高真空中操作；它們可將絕緣的標靶材料沉積成薄膜；及當將磁性材料或絕緣材料沉積成塗覆層時，它們對於磁控管系統的許多困難是不易受傷害的。薄膜厚度的控制精確度非常好。在許多被例示的系統中，機構被設置來快速地切換於標靶之間，使得多層薄膜的沉積可相對容易地被達成。
然而，IBS系統的一個主要的缺點是，它們總面積產量比許多其它類型的濺射沉積方法低很多；因此，雖然IBS系統對於多層光學塗層而言是令人很想要的系統，但現今它仍未使用在許多需要高產出的商業及工業應用中。
一個注意點
嚴格來說，‘濺射(sputtering)’一詞它的意義被適當地限制在上文中所描述之用來將材料的原子從一標靶的表面射出來的處理上。然而，在該用詞不幸地亦被用來表示將被濺射的原子物理地沉積成為一塗層材料的薄膜的動作的技術領域中常會造成混淆。
在技術文獻的一被稱為‘離子束修型(ion beam figuring)’的特殊技術中亦存在同樣的語詞混淆；且其非正 式地和上文所描述的IBS系統很淺薄地相類似。該‘離子束修型’的技術確實使用“濺射”，但很明確的是，它不是任何型式的薄膜沉積處理。相類似地，‘離子束加工(ion beam milling)’是一種使用“濺射”來去除掉不想要的固體材料的技術，它從來都不是一種用來物理地沉積薄膜的處理或機構。
離子束濺射沉積系統不同其它濺射方法之處及其優點
所有濺射沉積系統的一個主要的好處是：因為標靶被一機械式動作而非被任何化學事件或熱事件轉變成汽相或氣相，所以實質上任何的元素配方或組合都可被濺射，然後被沉積到基材或工件上。
與傳統上習知的磁控管濺射沉積系統相反地，離子束濺射沉積系統提供許多獨特的優點及所想要的好處，其包含下列所述：
(1)被導入的氣體主要被侷限在該離子源的內部，而一般的環境則是高真空。從標靶到基材的蒸汽非直線碰撞傳輸將會發生。磁控管放電須要不會有無碰撞傳輸發生的較高的壓力才能運作。
(2)相較於包括簡單的二極體及磁控管的電漿濺射系統，離子束濺射系統允許較低的基材加熱，因為唯一顯著的熱源會是被濺射的原子/分子本身的能量。沒有緻密的電漿或其它熱源靠近基材的位置。
(3)離子束濺射是一種可高度控制的技術，一部分是 因為離子流和能量可精確地量測；而在DC磁控管濺射系統中，離子流和電流的反褶積(deconvolution)是很困難的且是有問題的。
因此，離子束濺射可被更精確地控制，且如果生產率很高的話，則此程度的控制讓被離子束濺鍍的薄膜對於現今市場上用來製造光學、分析、及電子電路的精密儀器的應用而言是很理想的。
IBS薄膜沉積系統及方法被侷限在高精密的利基應用上。例如，此能力在某些需要以超薄膜的形式塗覆用於高解析度SEM(掃描電子顯微鏡)的測試樣本或試驗的樣本塗層的科學性應用及各種TEM(穿透式電子顯微鏡)應用中是一項顯著的優點。因此之故，離子束濺射對於沉積薄膜塗層在用於EM(電子顯微鏡)，尤其是高解析度品質及少加工物(artificial)為主要考量的EM，的樣本上而言是較佳的方法。
目前已知的離子束濺射沉積方法的種類
在此處提供一真實且正確的先前技術參考文獻、專利及專利申請案名單表是有用的且是有價值的；其雖然一定是不完整的名單表，但適當地涵蓋了IBS方法的發展歷史、確立不同IBS技術的長處及弱點、及清楚地建立對於離子束濺射系統持續性的嚮往，其克服了它們早就為人所知的限制及缺點。
因此，更多相關的專利公開案依照時間排列的 概述被呈現於下文中。
1969年10月14日授予William J.King的美國專利第3,472,751號
King揭露一種藉由在一低於10-3Pa的真空環境中將高能量離子束朝向一用將被沉積的塗層材料所組成的標靶引導來將高堅韌性的材料沉積物形成在一基材上的基本方法及操作設備。該King的技術藉由濺射來造成該用於塗層的材料的原子被去除；並允許該等原子撞擊到該基材的表面上。
1978年8月22日授予William J.King的美國專利第4,108,751號
King描述一種離子束佈植濺射方法，在此方法中，材料藉由將一離子束朝向一用將被沉積的材料所組成的標靶引導而被沉積及佈植在一基材內，用以將來自該標靶的中性粒子及被離子化的粒子朝向該基材濺射。在此被揭露的King的方法中，該等被離子化的被濺射的粒子被加速至足以穿透該基材且被佈植於該基材的內的能量並提供一強結合。然而，除了此結果之外，亦發生了用該等具有足夠能量的粒子來實施基材表面的濺射清潔及濺射沉積。
1979年3月6日授予Wei等人的美國專利第4,142,958號
如所揭示地，Wei等人的發明是一種藉由離子 束濺射來製造多層干涉光學膜的方法，其中該等光學干涉膜被用作為一環形雷射設備中的鏡子。在此方法中，一離子束撞擊一標靶，用以斜斜地釋出該標靶的分子，使得該等分子可被沉積在一被選定的表面上，該表面係作為一用於多層干涉塗層的沉積基礎。該塗層材料的厚度被監測，使得一給定的干涉光學膜層的適當厚度可被最佳化，用以獲得用於一給定光線波長之所想要的反射類型。該將塗覆上薄膜的表面在該標靶的多層膜的沉積期間被轉動。一疊具有交替的折射率的多層膜層構成該光學干涉薄膜。
該塗覆處理發生在一真空室內，氣體的分壓在該真空室內被小心地控制，用以確保適當的離子束強度及該被沉積的光學膜的最佳化學計量(stoichiometry)。在開始該多個光學膜的沉積之前，包含該鏡子基礎的該陶瓷基材被離子束以一斜的角度轟擊，用以去除表面異物並予以清潔。
1981年2月10日授予Cuomo等人的美國專利第4,250,009號
在此Cuomo等人的濺射沉積系統中，該塗層材料標靶係以一和該充滿能量的離子束(但它並不一定是如此)的前行路徑成一角度地被設置；且被該離子束逐出來的材料可被朝向一基材導引。
該Cuomo等人的標靶是由形成正離子及負離子這兩者的原子所組成。介於該標靶和該基材之間的電壓差可被調整為正值或負值，使得正離子或負離子可藉由調 整標靶-基材之間的電壓差而被朝向該基材加速。
此外，Cuomo等人提供用來收集電子(其包括朝向該標靶及遠離該標靶移動的離子)的機構。此機構可包含一被設置成和該塗層材料靶相鄰的格柵。被揭示的是，電子可被一電場侷限結構收集，該結構允許離子通過但會將電子偏轉。
因此，該Cuomo等人的系統的主要優點是，濺射沉積讓交替地沉積正離子及負離子成為可能或者可在逐漸地改變電壓的控制之下在界面處以一所想要的混合程度沉積。
1984年1月3日授予Barrett Cole的美國專利第4,424,103號
此Cole的用於薄膜沉積的方法及設備包含使用一線性離子槍斜斜地轟擊在一真空室內的標靶。該Cole的線性離子槍產生一離子束，其在一寬度尺寸實質大於高度尺寸的標靶區域內撞擊標靶。在該標靶的該區域內的該塗層材料被濺射；且該被濺射的材料然後藉由將一基材的表面以一被控制的速率移動(或‘平移’)通過該被濺射的材料而被沉積在該基材的表面上。
1990年5月8日授予Krauss等人的美國專利第4,923,585號
該Krauss等人的離子束濺射沉積系統係使用一單一離子束及一多成分標靶來實施；且能夠重複地製造任意成份的薄膜，包括那些接近化學計量的成份的薄膜。 該Krauss等人的系統使用一石英結晶沉積監視器及一電腦控制的、確實聚焦的離子束；且此濺射沉積方法能夠製造超晶格型的金屬氧化物超導體及半導體(譬如，GaAs-AlGaAs)，以及層疊式的金屬/氧化物/半導體/超導體結構。藉由根據該已知的濺射生產率及每一材料的所想要的層厚度來將每一標靶的停駐時間程式化就可以從一被確實地控制的次單層(sub-monolayer)沉積成為厚度達到由該可用的沉積時間所決定的複合的薄膜。
在該Krauss等人的系統的一個實施例中，一離子束透過一組在三個或更多個不同元素或化合物標靶(其為所想要的薄膜的組成物)上的X-Y靜電偏轉板被依序地導向。在該Krauss等人的系統的一第二實施例中，該離子束被引導通過一在沉積板上的孔洞且在電腦的控制下被移位，用以提供一被高度地控制的被沉積的層。在該Krauss等人的系統的第三實施例中，一單一被固定的離子束以依照順序的方式被引導至多個濺射標靶上，該等標靶的每一標靶都在電腦的控制下被移動來和該射束對準以形成多層的薄膜。這些濺射沉積方式亦可和雷射及電子束一起使用。
1992年1月14日授予King等人的美國專利第5,080,455號
King等人的發明描述基材的表面處理，其中塗層材料藉由用離子轟擊而從一標靶被濺射出來，該等離子較佳地被加速至高能量，譬如1至50keV或更高。King 等人明確地討論在數keV的能量下，在一典型地被保持在低於約10-2Pa的壓力的相對中等程度至高真空系統中的高入射角的好處。
然而，King等人的’455號專利中的討論額外的提到兩個被認為在科學上是高度質疑的資訊點。它們是：使用高能離子來濺射一標靶材料可得到高能量之被濺射的粒子，及所得到的被濺射的塗層材料用一在量值上比以前傳上使用於工業處理中的濺射方法大數倍的動能撞擊該基材的表面。這兩個技術點和以下的技術文獻直接相反：(i)Sigmund原理(Phys Rev.,Vol.184(1969),p.383)及上文中給出的等式1；(ii)SRIM電腦模型的結果；(iii)公開在G.Doucas in 1977 in Intl.J.Mass Spec.& Ion Phys.Vol.25,p.71中的數據測量。因此，基於以上的的理由，在本發明所屬的技術領域中工作的從業人員不能實質地將這兩個技術點中的任何一者視為是正確的或者是具有科學優點。
而且，尤其是，King等人的’455號專利進一步記載了該被濺射的塗層材料沿著具有實質垂直於該標靶的表面的分量的軌道移動，藉以允許對濺射沉積條件有更精確的控制。然而，實際上，此King等人的觀點看起來是有一點誇大，因為任何此種效果已被發現最多是邊緣效果。
1992年2月18日授予Kanda等人的美國專利第5,089,104號
一種用離子束濺射用來形成多元素薄膜的方法及設備被Kanda等人揭露。在Kanda等人的系統中，從多個離子束源被擷取出來的離子束或從該等離子源獲得之中性化的射束被投射至多個塗層材料標靶上；且從該等多個標靶被釋出的該等被濺射的粒子被導引至一基材。該等被濺射的粒子的成分在該基材的附近被監測。具有被控制的成分分布的該等被濺射的粒子被沉積在該基材上以形成一多元素薄膜。
1996年2月20日授予Mustafa Pinarbasi的美國專利第5,492,605號
一種用來製造多層式薄膜結構的離子束濺射沉積系統及方法被揭露。在此Pinarbasi的系統中，和被選定的標靶材料相匹配的離子束氣體及能量的被選定的組合將被沉積的薄膜層的物理、磁性及電子特性最佳化。藉由將離子束氣體原子質量和標靶材料原子質量相匹配，薄的金屬膜被提供，其具有和它們的大體積特性數值非沉接近的密度及電阻值。該Pinarbasi的系統亦利用低離子束能量結合高質量離子束氣體來獲得具有內部應力的薄膜沉積物。
此外，離子束氣體質量相比於標靶質量的比率被認為是在該Pinarbasi的離子束濺射系統內達到所想要的薄膜特性的決定性因素。離子束氣體質量和離子束能量這兩者係如該標靶材料的函數般地被控制，用以提供單層 式及多層式的結構。
2000年7月11日授予Mustafa Pinarbasi的美國專利第6,086,727號
一種用來改善在一離子束濺射系統中被離子束沉積的薄膜的特性的方法及設備被Pinarbasi揭露。此離子束濺射系統具有一室；一離子束源；多個標靶；一射束斷續器；及一用來穩穩地固持一晶圓基材的基材桌台。該基材桌台被作成相對於它的垂直軸線傾斜，使得來自該等標靶的通量係以一不是垂直的角度撞擊該基材；且這可以改善物理、電子及磁特性，以及改善濺射沉積在該基材表面上的薄膜的厚度均勻性。
2001年5月1日授予William Meyer的美國專利第6,224,718號
如所揭示地，該Meyer的離子束濺射系統具有六個濺射標靶，其成對地被設置在三個槳片上，這些槳片被設置在一圓形固持件的圓周上。該圓形的固持件可繞著它的軸線以一種可讓任何一對標靶曝露以供離子束撞擊的方式轉動；且每一槳片被轉動，用以讓所想要的標靶對進入濺射位置。一替代的Meyer實施例一放大的空間區域，其允許一標靶槳片在該標靶槳片在一沒有作用的非濺射轉動位置的同時繞著它的軸線轉動。
2002年6月11日授予Baldwin等人的美國專利第6,402,901號
一種用來同時實施濺射沉積於多個平面基材上的系統及方法被Baldwin等人揭露。在此系統中，一離子源產生一離子束，在此離子束中的離子被朝向一標靶引導，該標靶是由一球形的第一區段所形成。該等多個平面基材的每一者具有一沉積表面，其和同一球體的其它區段的表面相正切。
在Baldwin等人的一個實施例中，該等多個平面基材被配置成馬賽克的磚片，其大致上係繞著該球體的另一區段的表面周圍被設置。該標靶的球體形狀及平面基材在同一球體的表面上的配置的結果讓尺寸相較於該球體的半徑而言小很多的基材將可接受到一實質均勻的沉積厚度，其對於該等平面基材的每一者而言是實質相同的。依據Baldwin等人的其它的實施例，多個標靶被使用，每一標靶都是用該球體的一個區段來形成；且每一標靶都被施加負的偏壓。
2003年12月30日授予Sferlazzo等人的美國專利第6,669,824號
一種雙掃描式薄膜沉積系統被Sferlazzo等人描述，其包括一沉積源，其產生包含中性原子及分子的沉積物通量。一界定一孔洞的屏蔽被設置在該沉積物通量的路徑；且此屏蔽讓該沉積物通量通過該孔洞且實質地擋下該沉積物通量讓它不能在該屏蔽的其它地方通過該屏蔽。一基材支撐件被設置緊鄰該屏蔽處。一雙掃描系統用第一 及第二運動相對於該孔洞掃描該基材支撐件。
2004年8月31日授予Slaughter等人的美國專利第6,783,637號
Slaughter等人的該第’637號專利揭露一種用來濺射材料層的高產出雙離子束沉積系統。Slaughter等人的系統包含一真空室；一被設置在該真空室內的基材；一第一標靶固持件，其能夠固持一第一材料的至少一標靶，其中該第一標靶固持件被設置在該真空室內；一第二標靶固持件，其能夠固持一第二材料的至少一標靶，其中該第二標靶固持件被設置在該真空室內；一第一離子束源，用來將離子引導至該第一材料的該至少一標靶，用以將該第一材料沉積於該基材上；及一第二離子束源，用來將離子引導至該第二材料的該至少一標靶，用以將該第二材料沉積於該基材上。該Slaughter等人的的沉積系統亦包括一控制系統，其允許將從該第一及第二標靶固持件被沉積的材料以沉積與沉積之間有可忽略的延遲的方式沉積。
由Barrett E Cole及Christopher J Zins所申請的在2002年12月12日公開的PCT專利公開案WO 2002099155號
該Cole及Zins公開案揭露一種用來在離子束濺射沉積處理中沉積氧化物材料的方法，該方法包含：在一包含氧氣的室內用離子來濺射一標靶；及在該標靶的濺射期間控制該室內的氧氣的部分壓力，其中一具有非化學 當量的成分的材料被沉積。該材料係用作為微測計(microbolometer)。該被濺射沉積的薄膜材料是VOx成分，其中x是熱阻係數，其介於0.005和0.05之間；及該被濺射沉積的薄膜材料可被形成在晶圓上。
該Cole及Zins的方法是一低溫處理(其在低於100度C的溫度被實施)；且氬氣被用來在一氧氣被控制以決定VOx中的x的程度的環境中濺射一釩標靶。該被沉積的薄膜的厚度係藉由控制該濺射沉積的實施時間來加以控制；且該VOx的材料特性可藉由控制在一離子束濺射沉積環境中的某些參數來加以改變或修改。而且，有足夠的氧化處理的控制來允許VOx薄膜的非化學當量構成。其它層可如所需地被沉積以形成用於微測器陣列的像素。
由Tang等人提申之2007年3月8日公開的美國專利公開案第2007/0051622號
此Tang公開案揭示一種磁控管濺射反應器，其包括一製造線性射束的離子束源，該線性射束以一小於35度的角度撞擊該晶圓中心。該線性射束延伸橫越該晶圓，其垂直於該射束但在該晶圓被轉動時具有一沿著該射束傳播軸上短很多的尺寸。該離子源可以是一陽極層離子源，其具有一電漿迴圈介於一內磁極和一周圍的外磁極之間，其中陽極疊置在該迴圈上，具有一封閉的迴圈孔。來自該迴圈的相反側的射束係藉由讓外磁極比內磁極強而被一起轉向。該孔的寬度可被改變以控制發射強度。
由Gutkin等人提申之2009年1月22日公開的美國專利公開案第2009/0020415號
Gutkin等人的發明描述一種包含一離子源及一被稱為離子消除器(iontron)的磁性組件的設備，其中該磁性組件被建構成被設置在一標靶和一基材之間，及其中該標靶包含一被選定的材料，其將在一磁場內被一或兩個跑道型ALPA離子源濺射沉積在該基材的表面上該ALPA離子源產生具有低於1keV的能量的離子束。
如所揭示的，Gutkin等人的設備是一種自給自足的離子束沉積源，其可被附裝至或被放置在其被放置了基材的封閉式真空室的內部。它的壓力是8×10-2Pa。該離子束源本身是由一或多個離子束源所形成；且和一或多個濺射標靶及一能夠提供一用來被控制地輸送帶電粒子至一工件(或基材)之統一的磁場的磁性組件相結合。該離子消除器包括一設置在該標靶和該工件(基材)之間的磁場組件，它的目的是要產生一能夠控制帶電粒子的通量的磁場。該標靶可被電性地施加偏壓，其將該離子束的能量模組化並允許帶電粒子撞擊該標靶的空間位置的模組化。額外地，該標靶的位置可相對於離子束被調整。
2014年9月2日授予Higdon等人的美國專利第8,821,701號
一種適合使用在任何PVD濺射設備中的獨特的標靶被Higdon等人描述。該標靶是由至少兩個標靶磚 片所形成，其中該等標靶磚片的至少兩個是由不同的化學成分所組成；且被安裝在一主要磚片上；且被幾何地安排在該主要磚片上，用以在一被濺射的基材上獲得一所想要的化學成分。
在Higdon等人的標靶的另一實施例中，該等磚片根據該被濺射沉積的薄膜的所想要的化學特性而有不同的厚度。在Higdon等人的標靶的又另一實施例中，該標靶是由在綠色狀態被壓擠的柱塞所構成，該等柱塞被設置在形成於主要磚片(其亦是在綠色狀態下被形成)的凹穴內；且該標靶組件然後被壓緊且被燒結。
IBS系統共同具有之長期存在且持續存在的問題
現今有各式各樣的離子束濺射沉積技術可被極為成功地被實施；但IBS系統的現有的家族全都表現出且施加一連串持續的限制缺陷，它們係如下所述：
(i)可用的被濺射的粒子通量具有比大部分市場上可用的磁控管的粒子通量低的強度。其理由之一是，對於一能量為數keV的氬氣的單一圓形離子束而言，該空間電荷限制是1mA的等級，其由Child’s定律來決定，且這長期以來需要使用多孔擷取電極，數百個小射束在該等電極被擷取及加速。此方式很貴且難以維持，但在商業上已極為成功。
(ii)典型的用於IBS的離子束能量是在500-800eV的範圍內，有時候是數keV，且通常是用的是上文中描述的 多孔格柵式離子源。
(iii)所想要的離子束的發射率及亮度特性並不是地量地將射束的電流升高至所需的及適當的數值就足夠。多孔離子源具有高發射率；將小射束融合在一起並保持融合狀態是不可能的。因此，將大的高電流射束輸送並聚焦在較小的標靶上是不可行的。
(iv)在離子束將被使用的高真空環境的有限的空間限制內設置設備組織好的布局，以及放置該將被薄膜塗覆的基材一直以來都是彆扭的且不方便的。
雖然使用IBS方法沉積的薄塗層的薄膜品質可以很好，但如果該基材是大且平的話，則所得到的薄膜層的均勻度則不佳，且汽化塗層材料的整個體積係來自於一小尺寸的撞擊位置，該(通常是圓形的)離子束係在該處撞擊該標靶材料。該薄膜厚度和該基材上的任一點離該標靶的距離的平方成反比；所以對於大的基材而言，必須要使用能夠將同一工件作二維度的移動的機構(如，行星配置)來允許該基材上所有的點經歷相同的總平均時間沉積，不論在該沉積場域中有多大的位置變化。控制被沉積的單一覆蓋層的均勻度及一致性這兩者因而是一常規性的、主要的且持續的問題。
相較於其它物理氣相沉積方法的生產率而言，由傳統IBS系統所提供的薄膜塗覆產品的生產率是很差的。因此，離子束濺射沉積技術的使用尚未達到許多製造工業及商業的商業生產率期待；且對於現今這些傳統的 IBS系統而言僅在某些利基型應用及產品格式中具有商業上的成功。
現有離子束濺射沉積技術的從業人員的評價
在用來實施薄膜濺射沉積於不同基材上的各種設備及不同的方法中，離子束濺射(‘IBS’)在現今通常被此技術領域中具有通常技術的從業人員視為提供最好的精確度、提供最大的多樣性、產生最佳的薄膜品質、及能夠快速地切換標靶以產出多層薄膜的技術。
然而，在實際的實作中，該技術所需要的設備其組成構件過於複雜；且經常在其組件的組織及方位內被旋轉；且其方案(protocols)使用上不方便且實施上經常很彆扭；且現有設備的生產率相對於磁控管濺射系統而言很低。
到目前為止有許多得不到的特徵，這些特徵可讓離子束濺射技術更適合薄膜的大規模製造。最重要地，一和一正交的基材輸送機構結合之延伸的直線濺射區域在PVD中是一種用來解決上面提到的均勻度的問題的習知方法；但此種使用離子束濺射的設備尚未出現。
其它極度想要但目前尚無法獲得的特徵的名單包括以下所列的每一者：
(i)該系統設備的延伸，用以產生一用於一輸送系統上的基材的塗層的延伸的直線氣體羽狀物或蒸汽；其能夠移動於一個方向上穿過該氣體羽狀物並造成薄膜的沉積，該 薄膜的尺寸具有1公尺、2公尺、或甚至3公尺的可測量的幅寬尺度。
(ii)實施離子束濺射所需之控制的簡化。
(iii)去除掉該昂貴且困難的多孔電極，及對準及搬運這些電極所伴隨的困難。
(iv)整合一包括離子源、加速及濺射標靶之用來產生該被濺射的原子/分子的羽狀物的完整機構於一單一結構中，該結構係安裝在一封閉式的高真空的真空室內。
(v)一實質等於磁控管濺射沉積系統的生產率且可與之相比的薄膜沉積生產率。
本發明具有多個面向且提出不同的格式。
一個面向是一種用一來自一濺射標靶的材料的薄膜來塗覆一基材的系統，該標靶是為了此目的而被提供，該系統包含：一離子源，其產生一被加速至10至50keV的能量的高電流的帶狀離子束；一靜電偏轉器，其包含兩個在不同電位的電極，在該帶狀離子束的兩側各一個電極，用來將該帶狀射束偏轉一介於約60度至160度之間的角度；一狹槽形電極，該被偏轉的帶中離子束通過該狹槽形電極，其具有一將該離子束減速至2至10keV的最終能量的電位； 一濺射標靶，其由將被沉積成一薄膜的材料製成且被置於該帶狀離子束的路徑上，使得該帶狀離子束的如射角度是在50至85度的範圍內，原子因而將從該標靶被具有其最終能量的該離子束濺射出來且被射出成為從該標靶表面離開的運動原子的羽狀物；至少一基材，其被設置在該運動原子的被射出的羽狀物的前進路徑上，該基材因而接受該被濺射的塗層材料的一薄膜沉積。
該離子源非必要地可產生一帶狀射束，它的線性電流密度是不均勻的，比在兩端高出許多，因而提高從該標靶的邊緣被濺射出的材料相對於從標靶的中心被濺射出的材料的品質；此非線性是可操作的，用以改變因為形狀的關係使得被沉積的薄膜兩個邊緣處較薄的傾向。
第二個面向是一種用來實施離子束濺射沉積的方法，一固體薄膜塗層藉此被物理氣相沉積在一有形體的(tangible)基材或工件的至少一外露的表面上，該方法包含的步驟為：產生一包含鈍性氣體離子的帶狀離子束，其在一離子源內具有一從150到3000mm的幅寬；擷取該離子束並將該離子束加速至大於約10keV的能量，其中每mm的離子束幅寬具有0.1到1.5mA的線性電流密度；將該離子束適當地偏轉一介於60度和160度之間的角度； 將該離子束減速至一被選定的在2至10keV範圍之間的最終能量；將該被加速/被偏轉/被減速的離子束引導通過該真空外殼內的一漂移區，其被遮蔽不受顯著的電場影響，藉以允許該所得到的經過修改的離子束變成被空間-電荷中和(space-charge neutralized)；引導該所得到的經過修改的離子束，用以撞擊一將被用來塗覆一基材的材料的濺射標靶的一表面，該所得到的經過修改的離子束以一介於50度至85度之間的入射角度撞擊該標靶表面，藉以濺射出一從該濺射標靶表面離開的能量蒸汽的羽狀物；允許該量蒸汽的羽狀物朝向一位在該真空外殼的中心區域之專屬的空間區域前進；及將一有形體的基材或工件放置在該專屬的空間區域內，用以曝露於該能量蒸汽的羽狀物中以進行至少一外露的表面的一固體薄膜塗層的受控制的物理氣相沉積。
上述方法的一變化例使用一帶狀離子束，它的線性電流密度變化於該幅寬上，且在其兩端較高，在兩端高達2.5mA/mm。此線性電流密度的變化例是降低該基材上該被沉積的薄膜的厚度變化的手段，如果該離子束整體是均勻的話，則純粹因為幾何形狀的關係在被沉積的區域的邊緣處的厚度會比接近中央的厚度薄。
2‧‧‧離子源
11‧‧‧離子束
4‧‧‧擷取/加速電極
4a‧‧‧筆直的半電極結構
4b‧‧‧筆直的半電極結構
51‧‧‧內偏轉電極
52‧‧‧外偏轉電極
62‧‧‧孔洞
63‧‧‧孔洞
40‧‧‧減速電極
40a‧‧‧減速電極半部
40b‧‧‧減速電極半部
45‧‧‧狹槽形開口
200‧‧‧濺射標靶
21‧‧‧基座凸緣
61‧‧‧循環水路徑
65‧‧‧無場漂流區
300‧‧‧基材或工件
210‧‧‧羽狀物
250‧‧‧專屬的沉積區
62‧‧‧埠口
63‧‧‧埠口
71‧‧‧陶瓷絕緣體
72‧‧‧金屬套管
本發明在配合附圖的情行下可被更容易瞭解及更被理解，其中：先前技術圖1a顯示用於PVD的電子束汽化設備；先前技術圖1b顯示一用於離子束協助的沉積(IBAD)的具有蒸汽源及分開的離子源的PVD系統；先前技術圖2例示導致濺射的碰撞瀑布；先前技術圖3是一圖表，其顯示元素在三種不同的標靶上45keV濺射的濺射產量；先前技術圖4是一圖表，其例示氬氣在鋁上不同角度的(低劑量)濺射產量；先前技術圖5a例示一用於PVD塗覆的簡單的濺射二極體系統；先前技術圖5b例示一磁控管濺射二極體系統；先前技術圖6例示介電質的AC或DC磁控管濺射；先前技術圖7例示一種用於PVD的離子束濺射設備；圖8例示本發明在最基本程度的概念；圖9以一個整體來例示發明，其主要的構件被個別地描繪；圖10例示本發明的一較佳的精巧及整合的實施例，其能夠製造及使用一幅寬高達3公尺的離子束；圖11例示使用多面向濺射標靶於本發明中的概念；圖12是一圖表，其顯示一70度入射角的被濺射的原 子的投射的角度分布且將它和cos2函數相比較；圖13a例示幾何形狀並界定用來計算在任何點的相對沉積薄膜厚度的條件；圖13b是一圖表，其顯示調整該離子束用以將沉積的均勻度最佳化的一模型化的例子；圖14a是一圖表，其顯示用於以氬氣濺射的鐵原子之用平均能量的本發明取得的測量值；圖14b是一圖表，其顯示使用等式1計算之被濺射的鐵原子的能量分布；及圖15是一圖表，其顯示從Al2O3標靶，其為一絕緣體，直接濺射的達成率。
適當的專業術語及命名
1.本發明的方法及系統是在一高真空環境中被實施；但個別的方案(protocols)通常允許或要求在不同的壓力及真空環境條件下操作。為了一致性地描述及界定所使用的真空條件，下面的用詞及意義將於本文中被嚴格地且一致地使用：當‘真空’一詞被使用於本文中時，其應被理解為表示該特定的室環境的可測得的壓力係小於約50Pa。相對地，‘部分真空’一詞將指出並代表存在一高於約50Pa之可測得的壓力。顯著不同的是，‘高真空’一詞大致上應被理解為絕對壓力係小於約10-2Pa。最後，‘超高真空 (UHV)’一詞將被理解為代表一低於約10-7Pa的絕對壓力。
關於真空環境的一額外的資訊點在本文中被認為是有價值的。在高真空條件下，用於氣體及蒸汽分子的碰撞的平均自由路徑係大於在該室內的構件的平均分離距離。因此，塗層材料的運動的蒸汽原子及分子可以且將會從該標靶的位置直接移動至該基材的位置而沒有任何相互作用；且因為它們的能量即使是在室溫條件下仍足以達到此目的，被蒸汽化的原子及分子主要係以直線運動，從該標靶移動至該基材的外露表面。當考慮到該等被蒸汽化的原子及分子的接近方向、保形塗覆、遮蔽等等時，這些考量是很重要的。
2.對於IBS沉積方法及系統而言，瞭解所使用的粒子的能量差異是很重要的。因此之故，只有下面的用詞及意義會在本文中被常規地被使用：當描述或討論粒子能量時，‘熱(thermal)’一詞將被用來唯一地表示低於約0.2eV的能量。相反地，‘低能量’一詞將被專門地用來表示低於約200eV的能量。被濺射的原子具有低能量-它們的平均能量典型地是10至20eV，但約有1%會超過100eV。最後，對於能量值比約200eV明顯地高很多的所有較高能量的離子而言，離子能量範圍將被明確地界定及具體的敘明。
I.本發明整體
本發明是一種使用高電流帶狀離子束的離子束 濺射組件、系統、及方法，該離子束具有一被小心地控制的操作參數組；且它藉由物理氣相沉積用一薄膜來塗覆一工件或基材的外露表面的能力是獨一無二的。
本發明的組件及系統係被安裝在一被高真空幫浦抽空的真空室的一埠口上。該組件及系統在該處產生一行進的帶狀離子束，它的可測量的幅寬尺寸可變動於約150mm至約3公尺；最初是擷取該帶狀離子束，然後將其加速，然後將其偏轉，然後將其減速成一所得到的經過修改的離子束；引導該所得到的經過修改的離子束，用以用一預先選取的斜的入射角撞擊並穿透一濺射標靶的表面；及造成該標靶的運動的原子及/或分子的濺射，成為具有數eV的能量的該等被汽化的原子的一被發射的羽狀物，其然後在該高真空環境中等方向地朝向一設置在該高真空環境內的預先選定的基材或工件的外露表面行進。
在此操作系統中，被形成為一用於塗覆之固體矩形材料塊的濺射標靶被安裝在該組件上的一個在該封閉的高真空室內的預先選定的位置，該位置離一專屬的空間區域一固定的且有限的距離，一有形體的基材或工件可被放置在該專屬的空間區域內以進行薄膜塗覆。此專屬的空間區域被設置在接近該真空室的中心處；且本發明的組件被安裝使得從該標靶被發射出的原子的一等方向上的羽狀物將大致地行進至該工件所在之地的該專屬的空間區域內。
本發明的一獨一無二的特徵
1.離子束源設備最近的發展及改良已提供一將傳統上習知的離子束濺射方案改善及升級的一未被預見的機會。尤其是，透過最近提申的PCT國際專利申請案[其主張2013年12月20日提申的美國暫時申請案第61/964,001號的優先權]，現在有一種能夠產生任意幅寬的帶狀離子束的離子源；其獨一無二地能夠在數keV的能量下提供具有每1公尺的正離子約1安培的電流的離子束，其沿著該離子源的長度具有良好的均勻度，及具有+/-2至3度的射束發散性。
本發明較佳地使用此一寬射束離子源，並提供一單一的整合式組件及系統，其可透過一埠口被安裝在一分離的真空室上。二極體濺射系統或和傳統的離子束濺射系統相比，該系統和具有非常高的生產率，且可和磁控管系統相提並論。
而且，和一些可從市面上取得的磁控管沉積系統一樣，本發明可被安裝在一空間有限的真空的一單一埠口上，而傳統上習知的離子束濺射系統則必須將多個不同的構件以一複雜的幾何形狀安裝在數個埠口上。然而，與磁控管系統最不一樣的是，本發明典型地是在高真空環境(約2~5×10-3Pa的真空)中操作。
2.本發明用分離的偏轉構件、減速構件及電荷中和構件來結合一寬的離子源和帶狀離子束擷取；且結構上地以一整合式的組件的形式提供一固定式安裝凸緣給一 用離子束濺射來塗覆所想要的材料之被冷卻的標靶；並製造一寬的，線性的被濺射的原子/分子的羽狀物，這些被濺射的原子/分子是流動的且等方向性地行進離開該標靶安裝凸緣進入在該封閉的真空室內的該高真空環境的內部體積中。
在此組件及系統的較佳實施例中，一電漿被產生在一寬的離子源內，一最初的帶狀離子束由此被擷取出來。該最初被擷取的離子束藉由使用一組加速/減速電的塑形套件而被依序地加、偏轉及減速；然後進入一無磁場及電場的區域，在該離子束中的行進的離子變成被空間電荷中和。因此，在被該等電極加速之後及被完全減速之前，該離子束在被完全減速至其最終離子能量值之前在其行進路徑中被有目的地急轉至少60度，且較佳地大於100度。以此方式，該所得到的經過修改的離子束具有一倒退的運動分量；且以一預先選定的斜的入射角度被引導到一預先選定的塗層材料的標靶上，該標靶被定向為面向該高真空室的該可用的內部體積。
3.在此所得到的經過修改的離子束中的離子穿透該濺射標靶的外表面達到一大致等於該標靶內的離子乘上入射角的餘弦值的範圍；且透過在此近表面區域內的碰撞連鎖作用(collision cascade)，動能及動量被施加至接近該標靶的表面的原子上。此事件接下來造成濺射-低能量的標靶原子從該標靶表面射出-這形成一氣體的羽狀物。個別的原子的行進方向是隨機的，但平均而言係大致垂直 於該濺射標靶的表面。該等被濺射出來的汽化原子/分子的羽狀物(即，被濺射出來的塗層材料的活動的原子)然後等方向性地行進至專屬的空間區域且至少部分地進入該專屬的空間區域內，該有形體的基材或工件係位在該專屬的空間區域內。
4.在本發明的組件及系統中，一預先選定的工件或基材被設置在一尺寸被預先設定且體積有限之明趣的且可清楚地區別的專屬的空間沉積區域內或以一被控制的速度橫越該沉積區域，該沉積區域被設置在離該濺射標靶一小段距離；且最好是被設置成只離該標靶數英吋，使得位於其內的該基材或工件在其外露的表面上接受一薄的膜層的該被濺射的塗層材料的凝結的原子及/或分子的沉積物。
本發明的該專屬的沉積區的大小被作成可允許該等被濺射的原子/分子的羽狀物的尺寸延伸至大致和從該離子源被擷取的寬幅度的帶狀離子束的整個寬度相同；因此該被汽化的塗層材料的羽狀物的幅寬將典型地達到約0.15公尺至約3公尺或更大。
此一寬的沉積區域是極值得擁有的且適合以均勻且一致的方式沉積一薄膜塗層於大的基材或工件(例如，大的玻璃片)的表面上；且均勻的薄膜塗層沉積物係藉由將該被選取的基材(或工件)以一被控制的速度在一垂直於該氣體的羽狀物的幅寬尺寸的通行方向上通過該沉積區域而被製成。該薄膜的厚度將和原子的通量成正比，且 和該基材的速度成反比。粒子通量和濺射電流成正比。該被沉積的薄膜厚度的不均勻度將由該行進方向上的任何濺射通量的變化來決定，且這可藉由改變該行進速度來加以補償。在幅寬尺度(其垂直於該行進方向)上的均勻度是由該被濺射的羽狀物本身的均勻度來決定，這將於下文中討論，其均勻度將傾向於在羽狀物的邊緣處變差。
此均勻度的議題完全類似於用一寬的噴液噴塗的情形。
5.本發明提出一種組件及系統，其對傳統的離子束濺射沉積的實作建立起一系列主要的操作改變及實質的實作修改。到目前為止，使用一寬的帶狀射束來進行離子束濺射尚未能實現，因為一適合的離子源尚不可得；最早的系統使用雙電漿管(duoplasmatron)離子源，其產生小型、緻密的但空間上受限制的離子束，且稍後的商用系統一般都使用Kaufman離子源，其為一圓形的多孔離子源。在濺射沉積中使用寬的線性沉積區域到目前為止主要仍侷限於線性磁控管。
因為有本發明，所以該基材或工件以緩慢且均一的速度移動通過一高真空的線性沉積區域首次變得可行，且在該線性沉積區域遇到用於塗覆的被濺射的材料的離子束的寬的羽狀物並通過該羽狀物，用以能夠以可行的生產率來塗覆大的面積且具備被認可的離子束濺射薄膜的優點。
B.本發明的主要優點及好處
(a)在此技術領域中的從業人員把能夠以一種和安裝磁控管沉積系統或其它沉積系統相同的方式將一完整的且整合的離子束濺射沉積系統安裝在一個支撐凸緣上作為一內部空間有限的封閉式真空室內的一分離的有組織的組件的功能視為一項很大的優點。本發明所提供的該離子束濺射方案(protocol)可如所需要地(on-demand)變成一種適合和那些連續的製程系統(它門對一工件連續地施加一連串不同的施用程序以製造一單一產品)一起使用的‘隨插即用(drop-in)’技術。
一個立即的應用例是和那些現在被用來塗覆可撓曲的金屬或塑膠片材的料捲的機器及生產線一起使用。該等料捲的幅寬如果有必要時可大到2或3公尺。
(b)本發明處理、面對、並克服在現今的IBS系統中為人所知的根深蒂固的侷限。這一部分是藉由使用一具有窄狹縫離子束擷取形狀之改良式離子源來達成。此改良式離子源在無需藉助於多孔洞的複雜度之下就能克服該限制(Child’s定律)。在此技術領域中，可用單一加大尺寸的窄狹縫開口來擷取並產生非常寬的離子束的實際能力本身即是一獨特的特徵及主要的優點。將被注意到且被瞭解的是，使用此一以單一加大的狹縫為主的離子束源可避免或簡化現今常見於濺射系統中用來離子產生及擷取的多孔式離子源的許多關於對準、開支、磨損及離子束品質的問題。
(c)再者，沒有分離的加速電極的傳統離子系統的其它類型(對於某些其它應用而言，它們對於製造IBAD離子束而言是很有須要的)不能也不會像本發明一樣能夠提供品質夠好的離子束(如，低能量散佈及發散)於一操作的精巧組件及系統內。典型地，這些離子束系統的其它類型只能提供~600eV的低離子能量。
通常，這些離子源的其它類型是一末端Hall電漿加速離子源(如，美國專利第4,862,032號)或一陽極層電漿加速離子源(如，美國專利第5,973,447號的一變化例，其如名稱中明確地表明地是在一電漿中加速該等離子；且這些系統產生非常寬的能量範圍，其從接近零值擴展至最大能量值，因此在目前它具有即使是添加了加速/聚焦結構亦難以提供一具有備所想要的精確度之被緊密地控制的帶狀離子束的困難度。
(d)現在，藉由開發用於有組織的組件的新的寬的帶狀離子束源，本發明能夠滿足並達成下面所有操作上的要求：
‧本發明允許以良好均勻度提供比現有離子束濺射系統高出許多之具有的面積生產率。
‧本發明在高真空環境中操作一即，其壓力比磁控管濺射沉積系統所用的真空條件的壓力低很多。
‧本發明提供比電漿濺射技術更平滑且更均勻的薄膜品質。
‧本發明提供一有效的機構來控制橫跨該非常寬的線 性沉積區域的沉積均勻度。
‧本發明提供薄膜沉積率的精確監視及穩定。
‧本發明允許使用離子束濺射來大量處理線性及平面基材，譬如片材的捲筒對捲筒(roll-to-roll)的塗覆。
‧本發明讓介電薄膜或鐵磁薄膜的濺射能夠以高生產率來實施並具備離子束濺射的所有好處。
(e)本發明的其它好處包含了和一安裝在一相鄰的凸緣上的第二線性離子源非必要的結合，它可以是新的類型或是一種既有的形態，譬如ALPA。非必要地使用多離子源可提供將一離子束引導至該基材而其它的離子束被獨立地引導至該濺射標靶的能力。兩個或更多個離子束的此一非必要的結合可被用來：用斜的入射角的氬離子或反應性物種(譬如，O+、F+等等)的離子束來預清潔該基材以吸收表面氣體污染物；來分離粒子污染物；及/或來揮發一開始就存在的微量污染物，例如對薄膜的晶格及/或密度可因而被提高的習知處理同時使用濺射塗覆及離子束撞擊來實施IBAD(離子束輔助的沉積)，其全部都在高真空封閉環境中進行，在避免該‘損失陽極(lost anode)’問題(其困擾著磁控管系統)的停時，藉由同時地(或交替地)用濺射來提供一種離子物種及提供另一反應性離子物種作為一低能量離子束至該基材的表面，或作為一電漿，或甚至作為一中性氣體的噴流來實施反應性濺射，其全部都在高真空封閉環境中進 行。
II.包含本發明的組件及操作性系統的最小結構構件
本發明的組件及系統將產生獨一無二的帶狀離子束，其具有被認為對於使用在一在一封閉的的真空環境實施之濺射沉積系統中而言是有利的且是絕佳的特殊特徵及特別的特性，一預先選取的濺射材料因而藉由物理氣相沉積而被沉積成為一有形體的基材或工件的至少一外露的表面上的一固體薄膜塗層。該完整安排的組件及該操作性系統的一簡單的實施例被例示於圖9中，且示範性地包括所以有下所述。
1.一分離的離子束源
如圖9所示，一分離的離子源2是該組件及該操作性系統的必要構件。該離子源2將包含一擴大尺寸的封閉的、實心壁的電弧放電室；並具有一可測量的長度尺寸，其大幅地超過該電弧放電室的可測量的寬度及高度尺寸；及在其前壁上具有一用於離子束11的擷取及浮現的分離的出口孔或開槽。
一電漿被產生在該電弧放電室的內部空穴體積內；接下來，一幅寬及厚度尺寸已知的離子束從該電漿被擷取出來，其中該厚度尺寸典型地為5mm或更小且該幅寬尺寸通常很大且其範圍從數百mm至3000mm或更大。已知的是，可從一受空間電荷效應限制的射束被擷與及被 輸送的總帶電粒子電流是和該射束的深寬比(幅寬/厚度)成正比(Forrester)，且這是提供尺寸選擇的一個理由。
離子源2的該電弧放電室亦對於地極；及相對於一被接地及安裝至一金屬真空室的內部的濺射材料靶被偏壓一正的電壓V0，因此qV0界定電荷q的流動離子到達該濺射標靶時將具有的能量。
任何已知類型的離子束產生源都可被使用在本發明中，只要它能夠產生所有下列的特性及特徵：一亮的、低發散性的帶狀射束，其具有每公尺的正離子約0.1至1.5安培的電流密度；數keV(5-40keV)的良好地控制的離子能量；在其幅寬尺寸上有良好均勻度的線性離子電流密度；及限制在+/-2至3度的離子束發散性。此外，該離子源不會產生一大的外部磁場；且它不會有任何延伸在其主要射束幅寬尺寸上的磁場分量，因為這些磁場將干擾到該組件的操作及功能並干擾到它在沉積磁性薄膜上的應用。
典型地，該離子束產生源2將發射出一流動的正離子流作為來自該電弧放電室的開孔或出口孔的帶狀射束11。該離子流典型地在它窄的幅寬處將是約2mm至10mm；且將允許一離子束從它的完整幅寬被擷取出來，其可測量的尺寸可變化於約150mm至大於3000mm。
此外，該離子束產生源2將典型地相對於地極被偏壓至已知的正電位V0；且此正的電壓值將控制並數量地決定行進中的離子在其到達該濺射標靶的外露表面 (其亦被保持在地極電位)時的動能。
一最適合的離子源被更完整地描述於一2013年12月20日提申之共同繫屬中的美國專利暫時申請案第61/964,001號及2014年11月26日提申的PCT國際專利申請案第PCT/US2014/000216號中，它們的內容藉此參照而被併於本文中。目前，沒有其它適合的離子源符合並滿足所有上述的要求。
2.擷取/加速電極
在例示於圖9中的該有限尺寸及體積限制的封閉式室及高真空環境內，離子束係藉由一被設置在鄰近的擷取/加速電極4而從該離子源2被初始地擷取，該電極包含兩個筆直的半電極結構4a及4b。
該可識別的擷取/加速電極4是一和該離子源2的出口孔對準且被設置在離該出口孔一預定的距離處的分離的結構。而且，該擷取/加速電極相對於該濺射標靶材料的電位被偏壓至一負的電位Vex；其由產生在該電弧放電室內的電漿擷取出該離子束且立即地將該行進中的離子加速至q(V0-Vex)的能量。一0kV至-20kV的電力可提供此負的電位值。
結構上地，該擷取/加速電極4典型地包含兩個筆直的半電極區段結構4a及4b，其中這兩個筆直的半電極區段結構4a及4b中的每一者具有一約2至15mm的各別的區段厚度尺寸；及其中這兩個半電極區段4a及4b 被具體地分離一可測量的距離h，其亦在約2mm至12mm的範圍內，但較佳地是約4mm的一固定的分開距離。擷取電極區段4a及4b具體地離該離子源的出口孔一預先與定的間距g，其典型地約10至20mm。
操作上地，該擷取/加速電極4將初始地從該離子源2被擷取出來的離子束11加速至一高動能值，其在一示範性系統中為約25keV，但可以是在約10至約60keV之間。
(根據Child’s定律)已知的是，當離子經由一離子源的出口孔從一電漿被擷取出來時，在該被擷取的離子束中的離子的發散性係強烈地取決於加速電場的大小；而該加速電場則是介於電極之間的間距的反函數。介於電極之間的該間距g實際上必須大於該離子源的該出口孔的寬度尺寸w，且亦大於該擷取電極的兩個半部4a及4b的分開距離h。然後，當符合下面的數學關係時，該被擷取的離子束非常接近其最小發散值：
其中該等項具有以下的義意：b 是該離子束的總幅寬(進入紙張的尺寸)；Vex 是跨越該擷取間距的總電壓；g 是該擷取間距；q 是離子的電荷； M 是離子的質量；且所有單位都SI單位。
大致上，對於等式2有一數值校正因子，它是根據詳細的幾何形狀且是接近於1(unity)，其中在數值上g>>w且g>>h；但對於高電流應用而言，吾人經常需要g的數值非常地小，使得等式2所描述的數學接近法受幾何形狀校正，但正確地描述縮放定律(scaling laws)。
3.靜電偏轉器
如圖9所示，該靜電偏轉器包含兩個實質平行地對準的電極-一內電極51及一外電極52-它們彼此分開一距離d。兩個電極51及52一起提供一被實質均勻地引導的開放路徑供離子束從期間行進通過，它們在該路徑內產生一具有圓柱扇形形式之橫貫該離子束方向的電場。這些電極可具有圓柱形狀，但實際上，該外電極52較佳地包含一些孔洞，譬如圖10所示的孔洞62及63，且是一階梯式輪廓而不是平滑的曲線，但仍發揮界定一大致圓柱形電場區域的外極限的作用。其原因在下面說明。
包含電極51及52的該較佳的靜電偏轉器在距離上被緊密地耦合，且對該離子源2及擷取/加速電極4a及4b作用；對在該行進中的離子束內被加速的離子強加一橫向的電場；且將該離子束的該等被加速的離子偏轉一偏離它們最初的行進方向之受控制的偏轉角度，其範圍在約60至160度之間。
該偏轉器的內電極51必須相對於該外電極52的電位被偏壓一負的電位值，用以產生一所需要的電場。為了增加方便性、節省空間及有效的功能的目的，該內電極51被設定在Vex的電位，而外電極52則被設定為地極電位；且電極分開距離‘d’被選定為使得該被產生的電場具有所想要的數值。
亦應指出的是，該外電極52為了下面所說明的原因而被有意地背離一純粹的圓柱形狀。
如圖9中所見，通過該擷取電極4的該離子束11係移動離開該組件的安裝凸緣且朝向該封閉式真空室的內部中心。在該封閉式高真空室的特定實體限制及有限的範圍下，因而必須將該行進中的離子束偏轉一較佳地約110度的角度；但在大於約60度且小於約160度的偏轉角度之間的任何角度亦可，使得該離子束最終將撞擊一濺射標靶的一面向該真空室的內部的表面。
在本發明中，該離子束偏轉的必要性是基於至少四個不同的需求及事件的結果：(i)將該離子源置於該封閉式真空室的外壁上一易於維修的位置；(ii)將該濺射標靶使得標靶的外露表面向內地朝向該真空室的中心設置的需求；(iii)該離子源被設置在遠離該基材位置及該濺射標靶位置的直接視線之外的需求；及(iv)用於該離子束的最短行進路徑的需求。
因此，為了要達到上述的四個目的，一種包含具有圓柱對稱性的電極51及52的靜電偏轉器被設置。藉由將該行進中的離子束偏轉一範圍在約60至160度之間的受控制的偏轉角度，該組件及該操作性系統可保持非常精巧；且在該偏轉器內的空間-電荷膨脹可藉由此一偏轉器的內在的聚焦效果而被大部分地克服。[參見Anderson et al.,IEEE Trans NS-30,No.4(1983),p.3215]。
該偏轉器為了方便可被設計來使用兩個現有的電位，如圖10所示-本發明的一較佳的精巧且整合式的實施例被示於此圖中，其能夠偏轉及使用幅寬高達3公尺的離子束-其中該內(負)電極51被單純地連接至該負的擷取電極4a，及該外(正)電極52被連接至地極。此精巧的結構的第一項好處是經濟-即，不需要且不必使用額外的電力供應。第二項好處，所想要的該離子束的最終能量是約5keV，但藉由在約20keV的能量偏轉該離子束該將間電荷效應可被降低約8倍且電流可以高很多，以獲得更高的產出率。
此外，亦將被注意的是，在此靜電偏轉器中，因為該橫向電場的關係，所以內軌道具有的能量高於外軌道具有的能量。最裡面的能量約25keV，但在較佳的條件下，平均能量是接近20keV。
雖然該外電極52較佳地具有圓柱形的幾何形狀，但為了偏轉的目的，如果該外電極被建構成呈現一陣列的線、桿或類似的形狀(很像在一電子管內的柵格)也是 可以；且藉此在一大致圓柱形的表面上的多個分離的位置點界定一電位，同時在該柵格的元件之間留下間距。為了要在該等電極之間保有良好的真空，在該等柵格元件之間存在允許殘留氣體以高導電性朝向真空幫浦逸逃的路徑亦是所想要。雖然該電場的所想要的形狀應近似介於兩個圓柱形之間的電場的形狀(至少在被該離子束所佔據的空間內是如此)，但該外電極應儘可能地避免提供直接平行於該內電極的表面，因為如果該等電極是平行的話，則介於兩個電極之間的放電會因為電子/離子的相乘效應而變得更劇烈。
這是該外電極將包含一連串被加工至建構該外電極的金屬內的階梯形狀的主要理由。這些特徵結構對於捕捉帶電粒子及中性粒子而言亦是有價值的，這些粒子因為任何可能的理由而未採用預期中的路徑；並且防止它們在前進的方向上彈回來，藉以改善該處理的純度。然而，不論它的細部形狀可能是如何，該偏轉器結構的間距在沿著該行進中的離子束的幅寬尺寸上必需是均勻一致的。
4.整合式的離子減速電極
在圖9及10所示的該配置好的組件及操作性系統中，有一包含半電極40a及40b的分離的或整合式的離子減速電極，且其被設定在和該濺射標靶(以及該真空室及該基材)相同的電位-即，局部的地極電位。該被加速且被偏轉的離子束被引導，用以通過此被緊密地耦合及 對準的減速電極40。
此分離的離子減速電極40在結構上具有一狹槽形開口45，該開口大到足以容納該離子束的幅寬尺寸且該等被偏轉的離子的寬的射束會通過該開口。因為該減速電極40是在地極電位，所以離子從它們的高能量值被減速至qV0的能量-即，該最終能量係完全由該離子電荷及離子源電位來界定。因此，大致上，該狹槽形開口45的可測量的尺寸將不小於150mm且通常將大於3000mm；且該等離子的最終動能將會是在約2keV至10keV的範圍之內。
因為此減速電極40可以是且較佳地是被設定在和該外偏轉電極52相同的電位值，所以這兩個個別的結構可被共同地建造，用以看起來像是一單一的實體。
再者，如果該外偏轉電極52和該減速電極40被整合在將該離子源及該偏轉系統封圍起來的該外殼內的話將會是很有利的。此一整合式外殼構造被示於圖10中且提供一用於整個組件之組織化的且被適當地對準的結構性骨架。此外殼構造亦整合了用於冷卻水的主要通道及循環路徑，用以即使是該組件使用了很高的電力仍能讓該結構保持在一涼的溫度。
此外，因為該減速電極40是在地極電位-即，和該封閉式真空室、該組件安裝凸緣、該靜電偏轉器的外電極52、及該濺射標靶200的電位值相同-將該組件的安裝凸緣及結構、該減速電極、該偏轉器的該外電極、 及必要的接地的靜電屏蔽整合在一起是很方便的且是良好的實務。所有這些構件可從一單一材料件加工製成或被鑄造成單一材料件，譬如鋁合金件。在圖10所示的實施例中，可看到的是減速電極半部40a及40b和該外偏轉電極52及該基座凸緣21是從一個單一材料件加工而成；以及此單件式外殼結構亦包含數個循環水路徑61，水可以流經這些路徑來把熱帶走。
5.用於離子束行進之沒有電場或磁場影響的可識別的空間廊道區域
在通過該減速電極之後，該離子束進入一‘漂流空間’或實質的無場(field-free)區域，其實質上沒有電場或磁場(圖10中的標號65)。在此點曝露於該被減速的離子束的幾乎所有的外露表面都是被接地的導體；該濺射標靶及該基材可以是絕緣體，在此例子中，它們的表面電位不能被預先設定。
此可識別的空間廊道區域及漂流無場區域在本發明的每一實施例中必須滿足兩個要件：(i)該離子束必須被空間電荷中和(即，不具有顯著的電荷)及(ii)該離子束必須被電流中和(即，沒有輸送淨電荷至該濺射標靶)。
應指出的是，無法將該離子束空間-電荷中和的話，將導致離子束不受控制的膨脹(‘空間-電荷爆炸’)及 無法輸送比期待中的電流的一小部分還多的電流至該標靶；及無法將該離子束電流中和的話，將造成絕緣標靶上有高的表面電位，造成包括無法濺射在內的許多額外的問題，及損傷表面放電。
這些要件可由此可識別的空間廊道區域及無場漂流區65來達成。對於該離子束內的空間-電荷中和的一項必要的前提是一開始被該初始離子束的未被中和的正電荷吸引的任何電子要被困住，且沒有意外地被一曝露的正電位加速到該離子束外面。在該離子源上有一正電位，但此正電位被分離的電極4a，4b及51上的負電位Vex將其與該被減速的離子束屏蔽隔開。因此，此前提被完全達成。
通常，高電流離子束可藉由困住一部分的自由電子而自我中和，這些自由電子將該離子束內的電位降低數伏特。此處理是因為離子化及離子束撞擊在接地的表面上產生電子的結果而發生，但須要藉由一熱燈絲或電漿源提供一刻意的低能量電極源來予以進一步強化，這是已知的且在先前技術專利中已被討論過。
這些電子可和該離子束達到熱平衡且和該離子束一起構成具有一典型地為2eV至5eV的電子溫度的冷電漿，其用來保持該空間-電荷中和並允許電流中和被維持。
如果在該標靶上出現一小的正表面電位的話，它將吸引許多來自該離子束電漿的額外的電子，將該離子 束電漿降低至一低平衡電位值。如果出現一小的負表面電位的話，則離子將持續到達，但電子將被驅逐，將該表面電位返回至其平衡值。
一方便的電子源是同一離子源設計的一小型輔助版本，也許是100mm長，沒有加速電極，中性電漿可由該處射出，被設置成靠近該被減速的離子束。位置並非關鍵。
6.最終的離子束的特徵及特質
當所得到的經過修改的帶狀離子束從該減速電極的環境浮現並進入到該可識別的空間廊道區域及無場漂流區65內的時候，此最終的離子束具有下列的特徵及特性：
(α)該最終的離子束將具有一範圍在約150mm至大於3000mm之間的幅寬尺寸；
(β)該最終的離子束將包含至少一種離子，其在離子束厚度範圍在約5mm至15mm之間時，具有每公尺離子束幅寬約0.1A至1.5A的電流密度。該最終的離子束的線性電流密度曲線可被刻意地改變，用以讓電流密度在接近端部處稍為大一些，用以改善濺射沉積的均勻度-沉積均勻度純粹因為幾何形狀的原因而傾向於在接近該沉積區的兩端會較低。此控制可藉由使用適當的離子源來達成；一個例子是使用一內部的氣體饋送埠陣列來改變該離子源內的內部氣體密度，造成靠近該電弧放電室的端部處的壓力 稍高。
(γ)在該最終的離子束內的離子的軌道在其厚度方向的約+/-6度之內及在其幅寬方向上的約+/-0.5度之內是平行的。
(δ)該最終的離子束被引導使其以一範圍在不小於約50度至不大於約85度之間的受控制的入射角撞擊一濺射標靶的外露的表面；且較佳地以和垂直線夾70度的斜度撞擊該濺射標靶。70度入射角的此一最適環境意謂著該濺射標靶上的一撞擊表面積具有一範圍在約17mm至51mm的可測量的寬度。
(ε)在該最終的離子束內的該空間-電荷力將被實質地中和-透過該靜電誘捕及該離子束內的一幾乎等密度的電子的後續熱化來達成。
(θ)該最終的離子束將具有一動能，其被選擇來將每單位被輸送的能量的被濺射的原子的產量最佳化。對於使用氬離子作為被選取的離子種類且入射角度為70度而言，此離子動能較佳地為約5keV；但此動能值可根據將被使用的離子種類及被預先選取的該濺射標靶材料而改變。
7.預先選取的濺射標靶
如分別於圖9、10及11中所示，該最終的離子束被引導至一固定式濺射標靶200的外露表面上並穿透該外露表面，該濺射標靶是由預先選取的材料組成，其被 預期將原子從該標靶被濺射出來，用以塗覆一基材或工件300的表面。該濺射標靶200是一預先選取的物質或化學成分的有形體的固體塊；其被設置在該高真空環境內的一設定的直線距離及一固定的空間位置處；且提供一外露的表面，其以一斜的入射角和該所得到的經過修改的離子束的行進路線對準。
該濺射標靶將典型地被結合至一固定式支撐座-一安裝凸緣，其通常是水冷式，用以移除該所得到的經過修改的離子束的重擊及衝擊力所產生的熱能。該固定式濺射標靶較佳地將被定向為平行其安裝凸緣，因此，直接朝內面向該封閉式真空室的內部空間。
該濺射標靶將出現且被安裝在該無場區域中，被靜電偏轉電極51及52偏轉且引導、被該減速電極40減速、然後被空間-電荷中和的該最終離子束可在該無場區域內以其最終動能值漂流並撞擊該濺射標靶表面。
在此配置中，該最終離子束撞擊在該濺射標靶表面上的入射角被認為是一關鍵的且支配性的因子。將被瞭解的是，一垂直的入射角(0°)是不切實際的，因為該離子束將從該基材應被放置的地方進來。一小於90度的斜的入射角度是方便的；且該較佳的70度入射角被認為是最佳的。
而且，如果該濺射標靶被安裝成平行於該離子源的正面(即，該電弧放電室的開放的出口孔)的話，且如果該被加速的離子束被偏轉110度的角度，則所得到的離 子束具有一可測量的入射角α(量到垂直平面)，其在此例子中是70度。此70度的入射角在圖9中係以角度α來標示。
再者，被濺射出的原子的產量在約70度+/-5度的入射角時為最大通常是真的。因為這些原因，一70度+/-5度的入射角被認為是一接近最佳的選擇。此外，在70度時，射入的離子的最佳動能比來自垂直的離子的動能高；且離子能量較高，每一離子是更有生產力的被濺射的材料；且有一淨增益。
因此，對於將流動的被濺射出的原子的被釋出的汽化雲投射及散佈成一遠離該濺射標靶之所想要的流動圖案而言，在使用氬離子的例子中，一70度的入射角及5keV的離子能量目前被認為是接近最佳的選擇。
因此，該濺射標靶將呈現或示範性地提供所有下列的特徵：
(i)該濺射標靶實質上由至少一種打算用物理氣相沉積來濺射及塗覆一工件或基材的材料物質(或一用反應性PVD製造的薄膜的一個成分)所組成；
(ii)該濺射標靶被電接地。如果該濺射標靶是一絕緣體的話，它將被中和電極保持在地極電位的數伏特之內。應指出的是，現今在盈利性工業中工作的從業人員通常將濺射標靶稱為‘陰極’，因為在所有二極體濺射系統中，它們是用作為系統的陰極端子，被‘陽離子’或正離子黏附。無論如何，本發明的系統在其最簡單的形式中事實上是一 種三極管的構造(或甚至具有比三個電極還多的電極)，且該濺射標靶被設定在一介於正的極值和負的極值之間的電位。
(iii)該濺射標靶將具有一外露的表面，其被斜斜地曝露於該所得到的經過修改的離子束；而且將經由一短的，未受阻礙的行進路徑直接面向一專屬的沉積區，一基材或工件可被置於該沉積區域內以進行薄膜塗覆。
(iv)該濺射標靶在該真空環境內離該減速電極的位置的距離及空間位置被固定，使得該最終的離子束的離子將以和該外露表面的垂直平面夾一介於約50度至85度之間(較佳地為70度)的受控制的入射角撞擊該標靶的外露的表面。
(v)該標靶材料的濺射將造成自由流動的汽化原子及/或分子的一羽狀物210的釋出及發射；且此濺射事件被例示於圖9中。這些被汽化的原子/分子是離子撞擊並穿透該濺射標靶的該外露的表面的立即且直接的結果。
(vi)該等被汽化的原子/分子的氣體羽狀物一但被產生及釋出，其行進的方式是實質等方向的-即，不論測量的方向為何，其物理特性都是一樣的。除了藉由選擇該濺射標靶的表面面向的方位來改變之外，這些原子的行進方向是不能被改變或變更的。
(vii)用於該等流動的濺式的原子/分子的被汽化的雲的平均行進方向及路徑幾乎是垂直於該濺射標靶的表面平面(但典型地稍微偏好一方向，其與遠離進來的離子的來 源的垂直方向夾一小的角度)；及在任何可測量的方向上的通量係和與該標靶表面的垂直軸線所夾的角度的餘弦值成正比。
該被固定的濺射材料標靶200的特殊化學成分及組成將在使用之前被預先選定。用於塗覆的材料的可能的選擇範圍非常地大且相當多樣；且可以是需要或想要作成一基材或工件的一薄膜塗層(或其成分)的任何固體物質、元素、金屬、金屬合金、氧化物或其它種類的化合物或物質。在許多例子中，譬如氧化物及氮化物薄膜的例子中，該標靶材料可以是金屬或金屬合金。而且，在一選項中，一額外的，緩慢的氧或氮離子及/或原子流可被導引至該基材(即，該薄膜將被沉積的地方)，一計量的(或在某些例子中是非計量的)化合物被反應性地形成且沉積在該表面上成為一固體薄膜。
該濺射材料標靶典型地具有一實質平的或平面的外表面，其至少擴展至該行進中的離子束的完整的幅寬尺寸；且此表面被該離子束中的離子以一受控制的入射角轟擊並穿透，該入射角的範圍是在相對於該標靶的表面的垂直軸線不小於約50度至不大於約85度之間，且較佳地被設定在約70度。
另一選項是提供一多面向的濺射標靶，每一個別面向的表面是由用於塗覆之不同的材料所組成。為了沉積多層結構的目的，該多面向的濺射標靶可如所需地或如所想要地被轉動，用以在不同的時間點將用於塗覆之不同 種類的材料如一組件般地呈現給該轟擊的離子束。
此一多邊形的形式可用圖11所例示的方形標靶201來作為例子。在這些特殊的實施例中，該多邊形的濺射標靶被放置及作動，使得當該懂多面向的表面中的任何一表面被選取時該離子束以一類似的入射角撞擊該表面。
8.被汽化的原子及/或分子的氣體羽狀物的形成及釋出
該離子束11穿透該濺射標靶的表面的立即且直接的結果是從該標靶濺射出來的該被汽化的原子及/或分子的羽狀物210的形成，其具有一約20eV的平均動能。此數值可用上文中提供的等式1來計算，對於多數元素而言都是現有的；且為了確認，此動能的測量係用5keV的氬離子以70度的入射角來實施離子濺射。結果被圖形地顯示在圖14a中。
如果一被濺射的原子從該標靶表面以一和一表面的垂直的軸線夾的角度及以一在任何方便的框架中的方位角θ被釋出的話，則被投射的角度(從該方位角θ軸線的方向觀看)β= sinθ。對所有θ值取加權平均值的效果是，從任何既定的方向出現的該等被濺射的原子的分佈將和cos2(β)成正比。因此，如果是完全隨機地射出且被投射到單一方向上的話，則該等原子行進的角度分佈是cos2的函數。然而，實際上，最大通量的方向係從該垂直方向稍微傾斜於一遠離該射進來的離子束的方向上。此結果可 使用電腦程式SRIM來價算且計算出來的結果和由相關技術文獻所報告的各種實驗結果型態相符合。
此外，在該被投射的角度β上的通量的該表面上的整體相依性和cos2β成正比。這些關係被圖表地示於圖12中。
因為從業人員關心一均勻地延伸於該射束幅寬方向上的直線的角度分佈，吾人使用該被投射的角度分佈來描述該等被濺射的原子的方向及通量。此被濺射的原子的分佈被圖表地顯示在圖12中。該圖表可被小心地用來描述來自不同方向的通量，原子在這西方向上接近該標靶，但在接近該被濺射的區域的端點區域處除外-因為沒有該等被濺射的原子可源起於超出該被濺射的區域的端點的地方；且接近該直線區域的端點處對於到達該基材的原子的角度分佈具有一材料效應；且除非被抵消，否則會導致一較低的通量及在接近該基材的邊緣處有一較薄的薄膜。
以此方式，此安排好的系統及被定向的組件產生一流動的被汽化的濺射原子的通量，其尺寸延伸成比該行進中的離子束的實際幅寬稍微大一些；且在幅寬距離上係實質均勻的，因為該濺射電流密度施加在此幅寬尺寸上-但在接近該羽狀物的幅寬的每一極端值的區域內則除外，該電流密度在該區域內會快速地下降並在和該標靶上被濺射的域的端部對準的點將至~50%。
而且，如果將被塗覆的基材或工件被放置成相 對靠近該濺射標靶的話，則濺射粒子密度下降的程度將會較小。
9.一用於一基材或工件的薄膜塗覆之專屬的空間區域
該安排好的組件及操作性系統的最後一個最小的要求是一尺寸及體積被預先決定的專屬的沉積區250且其實施例分別被顯示在圖9及10中。該專屬的沉積區250係設置在一真空室的高真空中；且是一有限空間體積，一被選擇的基材或工件300可在一和該濺射離子束11的幅寬正交且大致平行於該濺射標靶200的表面的方向上移動通過該空間體積，以藉由物理氣相沉積進行薄膜塗覆。
圖9及10中所示的該專屬的沉積區250係緊靠該濺射標靶的已知位置被設置及對準；且最想要的是，這兩個構件之間相隔的距離緊可能地小，用以讓該基材接受到大部分的總流動的被濺射的原子，其在當時係以被汽化的原子及/或分子的氣體羽狀物呈現。
該被汽化的塗覆材料原子及/或分子的羽狀物將等方向地朝向該專屬的沉積區行進並進入該專屬的沉積區；然後變成被凝結及沉積在該基材的該外露的表面上成為一固體薄膜塗層。此一事件順序係用圖9及10的實施例來例示。
將被薄膜塗覆的該基材或工件被移入該沉積區域的尺寸邊界內，然後從該處被移出，較佳地是在一垂直 於該氣體羽狀物的擴大的幅寬尺寸垂直的方向上，且較佳地是以固定的速度移動。
被沉積在該基材300的表面上的該薄膜層的厚度將被濺射的原子/分子的通量成正比；其因而和和該離子束電流及其它因子成正比；且亦將和曝露於該等被濺射的原子/分子的通量的總時間成正比。因此，它和該基材橫越該被汽化的塗覆材料的羽狀物的速度成反比；因而，為了均勻塗覆，該基材300應一貫地以低的單一速度被移動通過該氣體羽狀物210。
III.該操作性系統的控制及關鍵參數
現進在此技術領域內工作的一般技術的從業人員將認識及瞭解到的是，數個關鍵的參數將關鍵地控制本發明整體的模式及操作方式。因此，為了作業從業人員的好處及使用，某些主導性及絕定性的操作參數在下文中被相當詳細地個別描述。
1.用來產生適當的離子束的控制參數
該離子束源的控制參數及關鍵變數提供系統使用者一組用來產生一被初始地被擷取的離子束之獨一無二的格式變數，其特性然後可被實質地改變及顯著地變更，用以獲得所想要之所得到的經過修改的離子束特徵。
(A).被初始地被擷取的離子束的特徵；
該輸出離子電流在中央區域是均勻至+/-1%；且如果需要的話，在兩端處，該電流密度可被調整成比中心的電流密度高至少25%。
(B).在該被初始地擷取的離子束被加速至一提高的動能之後，必須將該帶狀離子束適當地偏轉至一適當的彎折角度，且為此目的，一約110度的彎折是極佳的。一低電流帶狀離子束在一圓柱形靜電偏轉器內將被強有力地集中，但在該最佳的高電流時，在該偏轉器內的該帶狀離子束的空間-電荷將偏離此集中，且該離子束將呈現類平形，有一些加大的角度變化量。
在通過該偏轉器電極的該離子束中的離子平均能量應實質地高於該所想要的最終能量，用以獲得一高許多的電流傳輸-在減速至5keV之前在約20keV將該離子束偏轉可獲得8倍的電流傳輸。
(C).該行進中的離子束的後續減速適當地發生 在該偏轉作用之後且被須被小心地控制-因為它將會聚焦、可能會轉向、且可能發生偏離正軌。從減速場至無場中和式離子束電漿的過渡被習稱為一電漿鞘，且精確軌道的計算需要電腦模型，譬如Cobham/Vector Fields‘SCALA’。
(D).一較佳的離子束濺射沉積系統將提出一每公尺的離子束幅寬尺寸約1安培的氬離子電流，結合一約35mm的離子束彎折半徑；及使用一在該彎折半徑內約20keV的離子束能量。該被減速的離子束的最終動能較佳地是在5keV左右。為了此結果，該擷取間距g約為14mm；及該圓柱形電極間隙d的距離約23mm。
(E).可使用額外的電力供應且分開地控制所有離子擷取及離子偏轉電壓。在這些例子中，在該組件中的該負的電極51在負電位方面可大於該擷取電極4；且該正的外電極52將相對於地極被稍微地施偏壓且被設置更靠近該負的內電極51。
然而，使用此額外的電力供應設備並沒有顯現出任何顯著的潛在好處，而成本及複雜性則相當高。因此之故，本發明的較佳實施例只需要兩個分開的高電壓電源供應器，如圖9所示。
(F).如果該離子束線性電流密度曲線在中央區域是均勻的，但在兩個端的電流密度高了至少25%(取決於所使用的實際幾何形狀配置)的話，則將可獲得最均勻的被濺射的薄膜。
2.用來適當地偏轉一被加速的離子束的控制參數
(α.)介於該偏轉電極的內凹的電極部分和外凸的電部分之間的圓柱形扇形路徑被較佳地塑形，使得該行進中的離子束被彎折在一寬的圓柱形區段上；且從其最初的行進方向被偏轉一不小於60度的角度，其較佳地是一約110度的偏轉角度，但絕不會大於約160度。
(β.)該被初始地擷取及加速的離子束被一介於偏轉電極51及52之間被徑向地定向的電場偏轉；且該離子束的中央軌道的半徑傳統上是用下面的等式3來計算R=2V c /E rc [等式3]
其中下標c代表在該離子束的中心遇到的E及V的數值，及下標r代表該電場是被徑向地定向。
(γ.)操作上地，當該離子束電流值被提高時(這必須要減小圖9的組件的間隙g的大小，而其它因素將保持不變)，在該被擷取的離子束內的帶電離子之間的排斥的力量值將增加，直到該排斥力量抵消(至少達到第一級計算)該偏轉器構件的聚焦作用為止，在該時點該離子束電流約為最佳值，因為該最終離子束的發散度將被最小化，且離子束電流到該標靶的輸送將被最大化。
(δ.)一代數上的複雜關係存在於該兩個電壓、該離子束電流、該離子束中心到該內電極的鄰近程度及偏轉器間距d與電極間距g的比率之間。該複雜度和包含不足的已知數量的幾何上的因子有關，如在該彎折處的最大 離子束寬度wmax；然後它決定該內電極在該組件中所想要的確實位置。
然而，此複雜的關係具有一可數學地計算的形式：
其中k是小於1的未知的幾何形狀因子，其受到該內電極的半徑選擇的影響，且該r0是該中央軌道的路徑的半徑，及其它項則已經界定過了。
如已經提過的，兩個前後並列作用用以偏轉該被加速的離子束的行進路線彎曲的電極沒有任何一者是處在相對於該濺射材料靶的電位或該真空室的電位的正電位值是很重要的，且特別重要的是，該離子源的正電位被靜電地和該真空室內其它有形體的構件屏蔽開來。此一靜電屏蔽是習知的，且任何模式或方式的靜電屏蔽都是可接受的。
在給出這兩個操作上的預防措施及系統要求之下，沒有電場或磁場能夠將電子加速使離開該固定式濺射標靶上所在的位置；且在減速之後的無場漂流的要求就可被達成。
因此，透過這些操作系統控制，該行進中的被加速的/被偏轉的/被減速的離子束亦變成被空間-電荷中和；且所得到的最終的離子束然後將行進一短的且預定的 距離到達該固定式濺射標靶而不會經歷重大的空間-電荷爆炸。
3.三個電極構件之間的關鍵關係
操作上地，亦將被瞭解的是，最少有三個不同的且分開的電極電位在此系統中。
(1)離子源(在圖10中的標號2)的電位V0；(2)該擷取電極(圖10中的標號4)及外凸的電極(圖10中的標號51)的電位Vex。這兩個電極可被機械地結合在一起或實體地整合在一起，如圖10所示；及(3)內凹的偏轉電極52的電位值，其可以是當地的地極電位-其亦為真空室的電位-該電位是該減速電極、該標靶、該基材、及(該組件可被建構於其上的)該結構性凸緣的金屬的共同電位。
本發明的此操作性系統使用一加速-減速的動順序，其亦被稱為‘三極管(triode)’系統，用來產生及保持一空間-電荷中和的離子束。然而，將被瞭解的是，在沒有增加任何新的電位或使用磁場之下結合此一強有力的靜電偏轉器的三極管系統來產生一高電流及空間-電荷中和的離子束本身即是一顯著的且完全新的創新。
而且，離子束偏轉的動作只如離子束加速之後，實施離子束減速之前的一中介事件(intervening event)般地發生；且這些事件的順序在所有應用中都被嚴格地維持。它的好處是，離子束偏轉發生在最高能量時，且藉由 上面的等式4，最高的可能的離子電流可藉此被偏轉。
該輸出離子束能量只由相對於該濺射標靶(及相對於該接地的真空室)被施加至該離子源的電壓V0來決定。該離子束能量係針對被選定的離子種類(通常是氬)及被選定的入射角度(通常是70度)來選擇，用以提供足夠的濺射及高濺射通量；且為了上文中給出的原因而將典型地接近5keV。
該行進中的離子束(假設它的輸出離子能量值被保持固定)的偏轉角度可藉由改變施加至該擷取電極及該內偏轉電極的電壓Vex來調整。
該輸出離子束的發散性，及它撞擊在該濺射標靶上的區域的寬度可根據上文所述的等式2及等式4來調整。它受到數個參數的影響。然而，如果所想要的輸出離子束能量是固定的，及如果該偏轉器的幾何形狀不能被調整(除了在製造期間藉由改變它的實體尺寸之外)，及如果介於擷取電極之間的間距是固定的(例如，藉由被用來將電極保持和該離子源精準地對準的絕緣體的長度)的話，則所剩下的唯一可被調整以改變離子束散發性的可變參數是從該離子源被發射的每單位長度的離子電流。
該離子束的離子發散性是離子束的級階函數-例如參見：White,N.R.,Nucl.Instr.and Meth.,B55(1991),pp.287-295。上文中提到的等式2及等式4都是描述該離子束發散性被最小化的條件，且設計者必須對該設計進行調整以確保在同一離子束電流值下兩個等式都被 滿足。
實際上，對該電極離該離子源的距離作小的調整是可能的，且可決定能夠在該最高離子束電流下有最小輸出離子束發散性的該間距。
如果該離子束偏轉在使用期間(藉由該變在該擷取電極及內偏轉電極上的電位)被小量地調整的話，則該發散性可能無法被保持在最佳的低值，但如果此調整是為了要讓標靶腐蝕的均勻性更加均勻的目的而被實施的話，則這將會是一可接受的妥協，且是好的實務。
4.當撞擊濺射標靶時用於最終離子束的關鍵參數
被濺射的原子在接近70度的入射角時有最大值這通常是事實，所以這是接近最佳的角度選擇。在高入射角時，被濺射的方向的分佈會變得較窄，且稍微偏離進入的離子束方向，這些量值會因為標靶及投射物種類而稍微改變。
因此，在本發明的操作性系統中，如射角-即最終離子束撞擊一標靶的外露表面的角度-被控制在約50度至約85度的範圍內；且約70度的入射角是最佳的。
5.用於保持一均勻的沉積區域的操作性參數
本發明最佳地被用來塗覆基材或其它工件，其在一單一方向上被均勻一致地移動通過該專屬的空間沉積區域，該沉積區域被設置成橫向地延伸橫貫該運動方向。 該基材和該固定式濺射標靶位置之間的鄰近程度將取決於許多因素(譬如，真空)；其它的處理需求(IBAD，清潔等等)；但典型地將會是在50mm至100mm的距離之間。去氣產品達該等高真空幫浦之間的該沒有障礙的空隙將影響該真實的處理壓力。以此方式，大表面積的均勻塗覆可被達成-該塗覆的均勻度如下文中述地只受限於靠近該沉積區域的邊緣處的蒸汽通量的幾何形狀的下降(geometric falloff)。
對於純粹幾何形狀區域而言，如果被濺射的材料的一寬的氣體羽狀物被撞擊一濺射標靶的一均勻的寬度離子束產生，且一相同幅寬的基材被緩慢地移動通過該被濺射的材料的氣體羽狀物的話，一些該被汽化的塗覆材料將錯失該基材的邊緣，很單純地因為那些原子被隨意地從該標靶被移動於一不和該基材相交會的方向上。
錯失該基材之來自該標靶上的任何位置點的該等原子的比例和從該位置點來看超出該基材邊緣的立體角(solid angle)的大小成正比。相反地，到達該基材上的任何點的被濺射的通量的大小是和該立體角成正比，該立體角係該標靶上和該基材上的該點相對的總被濺射的區域。
假設原子的發射是完美的餘弦分佈，即，在從該標靶往前的方向上的完全隨機的分佈，吾人可單純地根據計算被討論的立體角來計算該薄膜厚度變化。如果如圖13a所示地，該濺射標靶的寬的尺寸和一座標系統的x軸對準從點x1延伸至x2且被均勻地濺射在此長度上，且該 基材移動於z方向上，在離該標靶一距離y處通過該沉積羽狀物的話，則該基材上座標為(x，y)的任何點在從點(x，y，z1)移動至點(x，y，z2)通過該沉積羽狀物之後，將接受一沉積物，其具有一和下列的式子成正比的厚度t：
但是，如果吾人假設該基材在z方向上以一固定的速度vz完全移動通過該羽狀物且所有其它條件都固定不變的話，此式子則可被簡化下面的函數：
用於一特定例子的此等式5函數被圖形地畫在圖13b中，其中在該標靶上的濺射區域寬400mm，離該基材60mm，且被標示為‘未加工的沉積曲線’。應被瞭解的是，實際的分佈並不是完美地符合此假設；而是差異處所造成的誤差很小；且如圖13b所圖形地顯示的，它對於控制沉積在該基材上的薄膜的非均勻性是絕佳的指南。
此數據顯示該被沉積的薄膜層的厚度將在該基材的邊緣處減小。該空間沉積區域及該帶狀離子束及該標靶的幅寬比須超出該等基材的幅寬，用以在該基材的該等邊緣及邊沿處保持一合理的均勻沉積。在該沉積區域的每一端部所需的額外的幅寬的大小超過該標靶-基材間距的 兩倍。
如果該離子束電流密度以相反方式改變的話，則此非均勻性可被顯著地減低，且這多種方式來達成。例如，如果饋送至該離子源的該長的電弧放電室內的氣體係經由一陣列的孔來散佈，且在靠近該電弧放電室的端部的流率稍高的話，則該電流密度在邊緣處可以比在中心處高約30%。此外變將提高靠近基材邊緣處的被濺射的原子/分子的品質；並產生一和圖13b中被標示為‘具離子束輪廓’的曲線類似的被沉積的厚度曲線。
藉由修改在具有圖13b中被標示為‘濺射離子束曲線’的曲線的該離子束中的電流密度，在邊緣處的沉積率可被稍微提高以補償此傾向。這表示該超出沉積區域的需求可總共被降低為該標靶-基材間距的約1倍，而不再是多於2倍，且在此區域中，該均勻性可具有小於1%的標準差。
如果在該寬的最終離子束的外邊界可達成較大的電流密度增加的話，則可在更寬的總標靶寬度上達成均一的薄膜均勻性，且在該均勻的區域內，均勻度的變動可被降低至1個百分比的幾分之一，只要該來源曲線可用足夠的精確度來加以控制，且該薄膜厚度被構快地測知以提供必要的回饋。
6.用來控制被汽化的被濺射的粒子在一基材或工件的表面上的沉積的操作性參數
被沉積的薄膜塗層的品質受下列因素的影響：
(a)用此設備及方法沉積在該基材的表面上的原子/分子將包含一些二聚物(一個分子包含兩個原子)，但尺寸更大的分子團則相對少。
(b)在薄膜塗覆期間使用高真空確保了將氬結合至該基材表面上的可能性被大幅地降低。
(c)沒有(磁控管放電中用到的)強烈的熱電漿及強的電場意謂著該基材不會受到大量電子及五花八門的離子的轟擊。
(d)用約5keV的氬離子以70度入射角濺射所產生的原子的平均能量是在20eV左右。此數值被充分維持；它根據標靶表結合能隨著標靶種類改變，但通常具有一至少是此能量4倍的數值。圖14a顯示每原子的此能量的測量值，這是在監測溫度上升的同時，藉由沉積一鐵原子薄膜於一薄的玻璃基材上來實施的。
(e)在該被沉積的薄膜中的殘留應力是一項必須對每一特殊的情況予以最佳化的參數。它受到主要射束能量的影響很小，但在用反應性濺射形成的薄膜中，它受到該反應性物質的能量及通量的影響。因此，如果使用到對於輔助離子源的改變的話，則它可以是一重要的控制參數。
(f)使用一傾斜的IBAD束可讓標靶表面平滑。
(g)用低能量氬射束或反應性射束來預先清潔該基材對於薄膜品質及薄膜黏著性是有利的。因此，使用一或多個和文中提到的共同繫屬中的申請案所描述的設計相同或 近似的設計的輔助離子源被認為是一種具有潛在好處的結合。
(h)對於多層的高真空沉積而言，該基材可在一大的單一真空室中的一連串類似的設備的陣列底下過以塗覆一系列不同的薄膜。
IV.本發明的方法
本發明的方法在定義及在實務這兩方面皆指出該被減速且被中和的最終離子束的關鍵性及價值，它被選取的特徵是關鍵的。該安排好的組件的主要部分被奉獻給一單一的且獨一無二的離子束的製造及輸出，該離子束然後以一種以前從未被在此技術領域中工作的從業人員縮小至可實施或被認為是有可能的幾何形狀及精巧的構造被用來實施離子束濺射。
因此，該方法的兩種不同的方案版本作為一個整體準確地界定且精確地涵蓋本發明之獨一無二且前所未見的技術。
第一個方案是一種用來製造用於物理氣相沉積的充滿能量的寬的蒸汽羽狀物，該方法包含的步驟為：操作一安排好的組件，該組件包括：(i)一能夠提供一封閉式真空環境之處在當地的(local)地極電位的金屬室，其設置有能夠將壓力降低至低於10-4Pa的真空幫浦，(ii)一離子源，其產生一被選取的種類，通常是氬或 包含氬的混合物，的離子的帶狀射束，其能夠離開一幅寬從約150mm到3000mm或更大及厚度在2至5mm的狹槽狀的孔洞，該寬的帶狀射束具有每mm的射束幅寬約0.1至1.5mA的電流及+/-1eV或更小的能量分佈，該離子源被保持在一第一(正的)電壓，(iii)一擷取/加速電極，其和該電弧放電室出口孔對準且被設置在和該電弧室離一預定的距離處，該擷取/加速電極相對於該外殼被偏壓一第二(負的)電壓，使得從該電弧室內的該電漿被擷取的離子被拉引通過該敞開的出口孔，成為一寬的帶狀離子束，其具有一由該第一及第二電壓的差異所決定的離子能量，(iv)一靜電偏轉器，其包含兩個延伸在該帶狀離子束的兩側的該射束幅寬方向上之實質平行的內電極及外電極，其中該配成對的電極中的每一個分開的電極具有一大致互補的圓柱幾何形狀且彼此分開一預先設定的間隙距離，該靜電偏轉器的作用是偏轉一帶狀離子束的行進軌道，然後以一範圍在約60度至160度之間的偏轉角度通過介於該等平行的電極間的該間隙，(v)一尺寸預先設定的減速電極，其被連接至當地的地極電位，該減速電極提供一大小足以讓一被偏轉的帶狀離子束從其間通過的狹槽形開口，藉此，該等離子的能量被降低至一由該第一正的電壓所決定的最終能量，(vi)一真空的短的無場漂流空間，具有該最終能量的該最終離子束變成被空間-電荷中和， (vii)一被選取的固體材料的濺射標靶，其具有一外露的表面、被安裝靠近該減速電極且被屏蔽隔離該離子源和該擷取電極的電位，該外露的標靶表面朝向該真空外殼的中央區域；從該減速電極的該出口產生一能量被選定在2至10keV範圍內的帶狀且被空間-電荷中和的離子束作為一所得到的經過修改的離子束；及引導該所得到的經過修改的離子束以一介於50至85度之間的入射角撞擊該濺射標靶，用以從該標靶表面濺射出一充滿能量的蒸汽的羽狀物，該羽狀物被大致上朝向該真空外殼的該中央區域引導。
相反地，第二版本的方案是一種用來實施離子束濺射沉積的方法，藉此一固體薄膜塗層藉由物理氣相沉積而被沉積在一有形體的基材或工件的至少一外露的表面上，該方法包含：操作一安排好的組件，該組件包括：(i)一能夠提供一封閉式真空環境之處在當地的(local)地極電位的金屬室，其設置有能夠將壓力降低至低於10-4Pa的真空幫浦，(ii)一由將被用於塗覆的想要的材料預先形成的濺射標靶，該濺射標靶被保持在該真空環境內的一固定的位置且在和該真空室相同的電位，及具有一朝向該真空室的中心區域的外露表面，及(iii)一尺寸預先決定及內部空間有限的電弧室，一電 漿藉由電子轟擊一被導入到該電弧室內的氣體物質而被產生於該電弧室內，一幅寬尺寸從約150mm至約3000mm的離子束可從該電漿被擷取，該電弧室包含一陽極、一陰極、及一敞開的出口孔，其幅寬尺寸大幅地超過它的寬度尺寸，且相對於該濺射標靶被偏壓一正的電壓，(iv)一擷取/加速電極，其和該電弧室出口孔對準且被設置在和該電弧室離一預定的距離處，該擷取/加速電極相對於該真空室被偏壓一負的電壓，使得從該電弧室內的該電漿被擷與的離子被拉引通過該敞開的出口孔成為一寬的帶狀離子束且被該電極加速以達到一由該離子源和該電極的電位差異所決定的離子能量，(v)一靜電偏轉器，其包含兩個實質平行的內電極及外電極，其中該配成對的電極中的每一個分開的電極具有一大致互補的圓柱幾何形狀且彼此分開一預先設定的間隙距離，該靜電偏轉器的作用是偏轉一帶狀離子束的行進軌道，然後以一範圍在約60度至160度之間的偏轉角度通過介於該等平行的電極間的該間隙，(vi)一尺寸預先設定的分開的減速電極，其在一和該真空室該濺射標靶的電位相同的電位，該減速電極提供一空間大小足以讓一被偏轉的帶狀離子束從其間通過的狹槽形開口，藉此，該等離子的能量被減速至一只由該離子源上的電位所決定的最終能量，(vii)一尺寸及體積預先決定的專屬的沉積區，一有形 體的基材或工件可精確地置於該專屬的沉積區內以用於受控制的固體薄膜塗覆，該專屬的沉積區在距離上係被放置靠近該濺射標靶且在位置上係相鄰地對準該濺射標靶；從該安排好的組件的前述操作產生一帶狀離子束於該封閉的真空環境的該等限制性的邊界之內，其中該被偏轉且被減速的帶狀離子束
(α)提供一範圍從約150mm至約3000mm的射束幅寬尺寸，(β)具有一範圍從每mm的幅寬約0.1至約1.5mA的可決定的電離子電流值，(γ)具有一可決定的最終離子能量值，其被認為適合離子束沉積目的，該最終能量值的範圍從約2keV至約10keV，(δ)包含自由電子和該等離子相等的密度，該等自由電子中和該被減速的射束內的空間-電荷，(ε)被實質地集中於一單一的行進方向的約+/-6度之內；引導該被產生的帶狀離子束，用以用一在不大於約50度至不小於約85度的範圍內的入射角度撞擊在該封閉的真空環境的該等邊界內的該濺射標靶的該外露的表面；及造成來自該濺射標靶的該外露的表面的流動的被濺射的原子的一汽化的羽狀物的釋出，其為該離子束撞擊的結果，其中 (i)該被釋出的該流動的被濺射的原子的汽化的羽狀物的平均行進方向係大致垂直於該濺射標靶的該外露的表面，且該等原子的方向具有一在此法線附近的大致的餘弦分佈，(ii)一設置在該濺射標靶前方的專屬的沉積區，該羽狀物將進入該專屬的沉積區，其被保持在高度真空且沒有任何阻礙物；將一有形體的基材或工件移入及移出該專屬的沉積區用以曝露在該流動的被濺射的原子的該汽化的羽狀物中及用以控制在至少一外露的表面上藉由該等被濺射的原子的蒸汽凝結及材料沉積所形成的固體薄膜塗層，非必要地測量及控制被輸送至該標靶的總離子束電流，及控制該標靶的速度，使得該速度和該離子束電流成正比，及非必要地調整該最終的帶狀射束的線性電流密度，使其在兩端比在中心處高，該非均勻度的量被調整及/或被選擇，用以改善該被沉積的薄膜的非均勻度。
VI.示範性實施例及代表性實務
為了要展現本發明的特性及價值，一系列被實施的試驗及實驗數據於下文中被提出。然而，將被明確地瞭解的是，這些被實施的試驗以及被描述實驗結果整體而言只是本案發明主體的示範性證據；且這些實驗資訊及數據，雖然受限於其內容，只是本發明可被想到的且在本案 中被請求的真實的範圍的例證。
第一示範性組件及操作性系統
圖9顯示用於一最初的試驗的安排好的組件及操作性系統。該離子束的幅寬尺寸是200mm；能量是5keV；及總離子束電流係變動於80至150mA的範圍內。
圖15圖表地顯示從數個用此實施例的原型機版本所沉積的薄膜樣本測得的數據。該被使用的濺射標靶是用氧化鋁製成的；入射角是70度；且該離子束電流係每mm的離子束幅寬約0.7mA。該離子束能量是5keV，且該離子束幅寬是200mm。該濺射標靶到基材位置的距離是115mm。
當用氧化鋁作為該被選用的塗層材料(其具有一非常低的濺射產量且是一絕緣體)時，沒有遭遇到嚴重的問題且一沒有表面充電的穩定操作被實施。薄膜被沉積在玻璃載片上，它的溫度有時候被監測。厚度係用測面儀(profilometer)、用橢圓儀(ellipsometry)、及用橫側的SEM來測量。該等實驗結果相當一致且以圖15的圖形來顯示。
圖14a圖形地顯示一鐵薄膜的溫度上升測量的結果，且藉由玻璃載片熱質量的測量，可估算出每一被濺射的離子所載負的平均動能；這可被看出來是20+/-2eV，這和濺射原理的預測相當一致。圖14b顯示使用熔融及凝結的焓的CRC手冊所得到的被濺射的鐵的預估能量分 佈，及該平均能量在1eV的誤差內和上面測得的20eV的值相符。
第二示範性組件及操作性系統
圖10顯示一單一的隨插即用式(drop-in)濺射系統的較佳實施例，其被建造成具有350mm的離子束幅寬及濺射區幅寬。選擇此尺寸是為了要適用既有的真空室，作為市面上可取得的線性磁控管的一隨插即用的替代物。對於幅寬尺寸較大，譬如一2公尺的幅寬，的系統而言可在只作很小的變更下使用相同的截面。
在此實施例中，一外殼21係由機械加工一實心的鋁來製造；其亦可被鑄造及被後製加工製造。此外殼亦具有一矩型的凸緣，其被安裝至一既有的真空室(只被示意地顯示)的埠口且用O形環密封。該封閉式的真空室係用兩個1500l/s的高真空幫浦來抽真空。
在被機械加工至該凸緣/外殼21上的特徵構造中有一內部腔室，其容納該離子源2及該偏轉器次組件(其如下所描述地被安裝至該凸緣)；及兩個線性陣列的矩形埠口62及63。這些陣列延伸至紙張頁面中且為了結構上的剛性用間距地隔開的鋁架予以橋接；且該等埠口允許來自該離子源的廢氣逸逃至該等高真空幫浦並降低該內部腔室的壓力。
該外殼21亦包含一由側邊40a及40b所界定之平行側邊狹槽45，其係作為該減速電極之用，該狹槽 45延伸該幅寬尺寸的整個350mm且再多一些。該腔室的內部包含一級階式輪廓52，其係作為該靜電偏轉器的外電極之用。
該外殼21亦包含數個供冷卻水61用的通道。這些通道和該凸緣的大氣側(其和冷卻水相連接)聯通。不同的通道係用來冷卻該外偏轉器電極52、及用於該濺射標靶的安裝位置(分開的物件200)。所有上述的特徵構造係被容納在一個單一的物件內。
一絕緣體22被安裝在該凸緣/外殼21內，該離子源係藉由凸緣23而被安裝在該絕緣體上。該離子源被完整地描述在一共同繫屬的專利申請案中，本發明是該專利申請案的部分接續案。
然而，應指出的是，雖然在該離子源內部有內磁場，但這些磁場在該離子源外面會快速地衰減且在該標靶所在的位置已是無關緊要了。此精巧版的離子源係使用內部永久磁鐵。該擷取電極4(其包含電極4a及4b)和該偏轉器內電極51一起係被安裝在被金屬套管72屏蔽的陶瓷絕緣體71上的該離子源的正面上。
應指出的是，每一電極4a及4b是被安裝在它自己的陶瓷絕緣體列上，使得即使是在一產生很寬的帶狀離子束的很長的離子源內，該擷取電極的兩個半部的對準係受到嚴密的控制。亦應指出的是，在此實施例中，構件4a和電極51事實上是同一部件，它是用一實心的石墨機械加工製成的。構件51是用於該離子束偏轉器的內電 極。該擷取電極的兩個半部係彼此分開一距離h，來自該離子源的該離子束穿過這兩個半部之間被加速，且這兩個半部和該離子源的前出口狹槽相隔一間距g，離子束11被示意地顯示從該前出口狹槽出來。
離子束11被加速、被偏轉、然後被減速，且從離子減速電極半部40a及40b所界定的狹槽出來並進入一無場漂流區65，用以用一70度的入射角α撞擊該濺射標靶200。該離子源被連接至一+5kV的電源供應器(如圖9所示，但在圖10中未示出)，且電極4a及4b被(一未示出的電饋通孔(feed-through))連接至一具有-20kV的最大值(但實際上約-18kV)的電位。
在撞擊該濺射標靶之前，以5keV的能量通過該無場區域65的該氬離子束變成被空間-電荷中和。這是因為該外殼21將來自在一正電壓的該離子源的構件的離子束完全屏蔽，且在負電位的電極51被置於中間的關係而發生的。因此，該浮現的離子束將吸引(因為和該標靶相撞及和撞擊不想要的位置點的射束痕跡相撞所產生的，以及來自殘留氣體離子化碰撞所產生的)電子，只要它的電位相對於地極是正的數伏特，但電子的累積將持續且產生一電漿，其只具有一相對於該真空室的2至5V的電位。
被濺射出來的原子的該氣體羽狀物210如圖所示地將以一介於15至20eV的平均能量行進通過該真空環境，進入沉積區250，然後撞擊該基材300。該基材可置 於一輸送系統上經由一氣閘(airlock)被導入，且在和該標靶(其以一總共350mm的幅寬延伸在進/出紙張頁面的向上)相距一75mm的距離下以一緩慢的固定速度被移動通過該蒸汽羽狀物210，其在向外移動時稍微變大。藉由調整均勻度(例如，藉由使用該氣體分佈來作為控制)，該沉積空間區的均勻區域可具有一約275mm的幅寬，厚度的非均勻度在此均勻區域內可以是約+/-1%或更小。
VII.本發明的一些特別顯著的特徵
1.一額外的離子束源或諸離子束源可被設置在該封閉式真空環境的該等限制性的邊界之內，且該額外的離子源可因為數種和PVD處理相關的不同目的而被使用，其包括：
(i)一額外的離子源可提供一冷電漿電子的來源以允許該射束穩定地濺射一用絕緣材料製成的標靶；此一電漿源將該標靶上的電位限制在該等室壁上的電位的數伏特之內。
(ii)一額外的離子源可提供一能量被預先選定的離子化反應物(譬如，氧)，且其被引導至被塗覆的同一工件上；以此方式，各種新的或已知形式的反應性濺射可被實施。
(iii)該額外的離子源可為了用離子碰撞來清潔該工件的表面的目的而在開始該塗覆處理之前被偏壓正的數十伏特一段時間。
2.該操作性系統的該離子束源可和該靜電偏轉器及該濺射材料標靶一起被整合成一單位化的可拆除的結構；且當此結構被安裝在該真空室的一單一凸緣上時，它能夠很容易被拆下來進行維修。此安裝凸緣亦可允許那些需要5kV來和地極隔離的物件(item)的安裝及整合，該等物件為：用於該離子源的電源供應器；流至該離子源的冷卻水或流體；進入該離子源的內部體積中的氬氣或其它氣體；所有上述物件都經由一組被絕緣的真空饋通孔被提供約+5kV的離子源電位。
此外該安裝凸緣可允許：經由一專屬的高電壓真空饋通孔將典型地約20kV的負的高電壓送至該加速電極，冷卻水或流體送至該濺射標靶(否則該標靶將在離子轟擊期間被加熱至高溫)。
3.在該操作性系統中的該等構件的特殊布局及方位可如所需或如所想要地被改變以滿足以下的特殊目標：在該向前的方向上儘可能有效率地將該濺射出的材料通量輸送至該真空處理室中；藉由該被汽化的濺射材料將該離子束源和不想要的污染物屏蔽隔開；將該離子束源的大小(尺寸及體積)最小化； 提高產生該最終離子束的效率；簡化為了維護、檢修、或更換而將有形體的物件及功能性構件拆下來的方式；及降低該系統組件整體的總重量及體積。
4.在該封閉式真空環境室的該等限制性的邊界之內，各種構件可和其它的系統實體物電絕隔絕；且這些構件然後可經由電流測量裝置被操作性地連接至該組件的其它部件。以此方式，總電流可被測量；且額外的電流允許漂游及寄生離子及電子電流被監測。此測量及監測資訊讓該行進中的離子束的電流幾能量可被精地控制；並允許材料被濺射出來的量有一遠比用磁控管的系統更好的整體精確度，因為用磁控管的系統其濺射離子的能量及電流是從非生產性的寄生電流被拙劣地獲得。因此，在本發明中，該被測量的離子束是實際上被送至該基材的材料數量的精準測量。
5.在此系統的組織中，該濺射材料標靶的有用的壽命長度會受到該外露表面(因為被汽化的濺射原子的產生及釋出)的不均勻的腐蝕的不利的影響。雖然此事件在磁控管系統中較不嚴重，但下列任何一種延長壽命的處理都可被用在此操作性系統中來增加該標靶的有用壽命的長度。
使用一可旋轉的圓柱形標靶且在它的使用壽命期間將它緩慢地且持續地或間歇地轉動，用以均勻地分散該標靶表面的腐蝕。
藉由對該離子束偏轉電壓的小量調整，或藉由改變該標靶的外露表面的機械位置來調整離子束撞擊該標靶的撞擊位置。該電壓調整方法可輕易地被預先程式化及自動化。
將該標靶移動至替代的位置以補償塗覆材料的均勻的損失及所不想要的圖形效應。
VIII.本發明和先前技術系統及法的實質比較及顯著的不同
1.在某些習知的用於PVD的商用電子束蒸發系統中及本發明中的電子軌道之間只有很淺薄的相似性。電子束在被集中於該標靶上實施蒸發之前典型地被偏轉一約270度的必要角度。
再者，實質的差異亦包括：
(a)電子束係作為一熱源，而不是作為濺射機構。電子並不造成濺射。
(b)被蒸發的原子的能量只有被濺射的原子的能量的約1/100，且這對薄膜特性有不利的影響。
(c)在電子源內的偏轉是由磁場所造成，該磁場和該等電子的行進方向成直角且和該偏轉的方向成直角。
(d)此幾何形狀防止一細長的寬的蒸汽來源的發展。它很適合點來源，但將會需要磁場線來在一擴大的來源在幅寬方向上的擴展，且這因為許多原因(其包括在共同係屬中的離子源專利中所討論的原因在內)而是個問題。
(e)相反地，在本發明中的偏轉只是由位在該軌道的平 面內的電場來產生，且這能夠產生任意長度的線性PVD來源。
2.在傳統的先前技術的離子束濺射系統中，必須存在一從該離子源到該濺射材料標靶之間的視線直線。而且，亦常發現一從該離子源到該工件之間的視線行進路徑的直線。而且，經常有一外露的且直接被加熱的鎢絲線，其被用作為中和電子的來源。這些經常出現的系統要件的每一者都是一交叉污染的來源，如離子源被濺射的材料污染，或被濺射材料受到假的被濺射的或被蒸發的材料污染。本發明將這些直接視線曝露的每一種都阻擋，藉此大幅地降低系統內不必要的交叉污染的量。
3.而且，當和一凸緣安裝式磁控管濺射沉積系統相比較時，本發明提供且表現出所有下面被高度想要的好處：在一分開的封閉式外殼及一分離的離子源內簡生及擷取一帶電離子物種作為一帶狀離子束。因為該離子源是一獨立操作的具有一大小受限制的出口孔的被侷限的設備，所以雖然它實體地被設置在和整個濺射組件同一個真空室內，但此環境允許在該離子源內使用相對高的壓力(約1Pa)，同時在該標靶濺射及薄膜沉積空間區域內保持一很多的壓力(<<10-2Pa)。
該被緊密地聚焦的寬的離子束具有一被精準地控制的能量。在磁控管放出的離子中的離子能量係分布在一從接近0到約800eV的大範圍內，這取決於被施加的電壓，且 此範圍比本發明大許多倍-因而亦是很不受控制且是很不精準。
有本發明的組件及系統所製造的該所得到的經過修改的離子束提供已被空間-電荷中和的離子。而且，如果在想要或有必要時，一保保持在地極電位的分開的冷卻電漿源可以及將會進一步降低殘留的空間-電荷電位。
在本發明的組件中，該濺射標靶被安裝在一固定的位置且被保持在當地的地極電位-它和將被塗覆的基材是同一電位。亦應指出的是，濺射標靶和該將被塗覆的基材這兩者都是被設置在一實質上無電場的區域內。此事實及環境使得該標靶的材料是導體或是絕緣體的議題變得無關緊要。
對於本發明的組件及系統而言，該濺射標靶的立即真空環境亦是實質上無電場。因此，不同於已知的磁控管濺射系統，被選取的塗覆材料是磁性或是非磁性材料已無差別。如果想在基材上施加磁場的話，這應不會造成問題。
在本發明中，該最終的離子束被引導來以一預定的入射角(其較佳地是約70度)撞擊該濺射標靶。此必要的入射角可提高濺射粒子產量；允許該所得到的經過修改的離子束有更高的離子能量；及改善能量效率。
在本發明中，一範圍很大且化學物種類很多的絕緣材料可用DC電力連續地濺射而不會遇到克服靜電稱電及‘消失的陽極’等困難的問題。
在本發明中，一穩定的薄膜塗層的高沉積率被產生且可被電監測。
藉由調整離子束電流密度曲線，本發明可調整該被濺射的出來的羽狀物沿著其主要尺寸的均勻度，因此改善被沉積的薄膜的均勻度及‘甜密點’的相對幅寬。
本發明藉由調整在該靜電偏轉器內的電位以來回掃描該離子束來提供用於提高該濺射標靶的腐蝕均勻度的有效機構，藉以將標靶材料的利用最大化。
本發明在形式上不受侷限且在範圍上除了用隨附的申請專利範圍來界定之外，亦是不受限制。
2‧‧‧離子源
4‧‧‧擷取/加速電極
4a‧‧‧筆直的半電極結構
4b‧‧‧筆直的半電極結構
11‧‧‧離子束
40‧‧‧減速電極
40a‧‧‧減速電極半部
40b‧‧‧減速電極半部
45‧‧‧狹槽形開口
51‧‧‧內偏轉電極
52‧‧‧外偏轉電極
61‧‧‧循環水路徑
62‧‧‧孔洞
200‧‧‧濺射標靶
210‧‧‧羽狀物
250‧‧‧專屬的沉積區
300‧‧‧基材或工件

Claims (26)

  1. 一種用來製造帶狀離子束的組件，該帶狀離子束適合在一封閉式真空環境內的濺射沉積，藉此一被選取的濺射材料藉由物理氣相沉積而被沉積成為一有形體的基材或工件的至少一外露的表面上的一固體薄膜塗層，該組件包含：一離子源，其提供一尺寸被預先決定且內部體積有限的電弧室，一電漿藉由電子轟擊一在原地的(in-situ)氣體物質而被產生在該電弧室內且一幅寬尺寸從約150mm至約3000mm的離子束可接著被擷取，該電弧室包含一陽極、一陰極、及一幅寬尺寸遠超過其寬度尺寸的敞開的出口孔，且其被偏壓一相對於該被選取的濺射材料為正的電壓，該被選取的濺射材料藉由離子束濺射被沉積成為一塗層；一擷取/加速電極，其和該離子源出口孔對準且被設置在與之相距一預定的距離處，該擷取/加速電極被偏壓一相對於該被選取的濺射材料為負的電位，使得從該電弧室內的該電漿被擷取的離子然後被該電極加速至一最初的能量；一靜電偏轉器，其包含兩個實質平行的內電極及外電極，其中該配成對的電極中的每一個分開的電極具有互補的圓柱形狀且彼此分開一預先設定的間隙距離，該靜電偏轉器的作用是偏轉一帶狀離子束的行進軌道，然後以一範圍在約60度至160度之間的偏轉角度通過介於該等平行 的電極間的該間隙距離；一尺寸預先設定的減速電極，其具有一和一預先選取的濺射材料的可測量的電位類似的電位值，該減速電極提供一空間大小足以允許一被偏轉的帶狀離子束從其間通過的狹槽形的開口，該等離子藉此被減速至一最終值，並進入一實質無電場及磁場的區域；藉此一被選取的物種的最終的離子束被產生，該離子束適合一用預先選取的用於塗覆的材料形成之標靶的離子束濺射，及其中該最終的離子束(α)提供一範圍從約150mm至約3000mm的射束幅寬尺寸，(β)具有一範圍從每公尺的幅寬約0.1至約1.5安培的離子電流，(γ)具有一範圍從約2keV至約10keV之可決定的最終離子能量值，(δ)在從該減速電極出現進入到一無場區域之後變成被空間-電荷中和，(ε)被實質地集中於一單一的行進方向的約+/-6度之內。
  2. 一種用來製造被濺射的塗層材料原子及/或分子分離的一寬的氣體羽狀物的組件，該氣體羽狀物被物理氣相沉積成為一固體薄膜，該組件適合透過一封閉式真空室的壁上的一埠口而安裝成為一整合式的單元，該組件包含：一用預先選取的材料製成的濺射標靶，該濺射標靶具 有朝向該真空室的內部外露的表面且被安裝在一支撐凸緣上，該支撐凸緣被建構來藉由在該支撐凸緣結構內的分離的水路徑將熱移除，及其中該寬的帶狀離子束穿透該濺射標靶的表面並藉由濺射來造成被汽化的材料的一氣體羽狀物從該表面釋出，且該氣體羽狀物朝向該真空室的內部行進；一安排好的次組件，其包含一離子源、一擷取/加速電極，一偏轉器、及一減速電極，該次組件能夠將一被選取的離子物種的寬的最終射束輸送至濺射標靶的該外露的表面，該濺射標靶的該外露的表面在線性尺寸上比該可測量的射束幅寬尺寸稍微寬一些，及其中所得到的經過修改的射束離子被空間-電荷中和，且將用一介於50度至85度之間的入射角度撞擊該濺射標靶的該表面，且將具有每公尺的射束幅寬0.1至1.5安培的電流，及其中將具有介於約2至10keV的離子能量，及一實質均勻一致的線性電流密度曲線，其在靠近兩端處可具有顯著高很多的線性電流密度；及一專屬的沉積區，其被設置在該真空室的內部中在該濺射標靶的前方，其中為了實施該被汽化的材料的該羽狀物的薄膜塗覆，至少一基材被移入該沉積區。
  3. 一種用來製造被汽化的原子及/或分子的寬的羽狀物的組件，該被汽化的原子及/或分子的羽狀物將被用於一基材的表面上的固體薄膜層的物理氣相沉積，該組件適合安裝至一封閉式真空室的一壁的埠口成為單一整合式個 體，且包含：一尺寸被預先決定且內部體積有限的離子源，一電漿藉由電子轟擊一被導入其內的氣體物質而被產生在該離子源內，且一幅寬尺寸從約150mm至約3000mm的離子束可接著被擷取，該離子源包括一電弧室，其包含一陽極、一被加熱的陰極、及一線性幅寬尺寸遠超過其寬度尺寸的敞開的出口孔，且其被偏壓一相對於該被選取的塗覆材料為正的電壓；一擷取/加速電極，其提供一和該離子源出口孔對準且被設置在與之相距一預定的距離處，且該擷取/加速電極被偏壓一相對於該被選取的該濺射標靶的材料為負的電位，使得從該離子源被擷取的離子被加速至一範圍從約10keV至約50keV的最初動能值；一靜電偏轉器，其包含兩個實質平行的內電極及外電極，其中該配成對的電極中的每一個分開的電極具有互補的圓柱形狀且彼此分開一預先設定的間隙距離，該靜電偏轉器的作用是偏轉一寬的帶狀離子束的行進軌道，使其以一範圍在約60度至160度之間的偏轉角度通過介於該等平行的電極間的該間隙；一尺寸預先設定的減速電極，其提供一尺寸大小足以允許一被偏轉的寬帶狀離子束從其間通過的狹槽形的開口，該等離子藉此被減速至一小於約10keV的最終動能；一在該封閉式真空環境內的無場漂流區，用來作為該最終離子束的行進路徑，該封閉式真空環境從該離子減速 電極線性地延伸至一固定的濺射標靶；藉此，一所得到的最終射束被產生，其變成被空間-電荷中和、具有一小於約+/-6度的離子發散度、具有一範圍從每公尺射束幅寬約0.1至約1.5安培之實質均勻的線性電流密度，但它可非必要地在靠近兩端處上升至較高的數值、及行進，用以用一介於約50至85度之間的入射角度撞擊一濺射標靶的表面；一用預先選取的用於塗覆的材料製成之預先形成的濺射標靶，該濺射標靶具有朝向該真空室的內部外露的表面且被安裝在一支撐凸緣上，該支撐凸緣被建構來藉由在該支撐凸緣結構內的分離的水路徑將熱移除，該最終的離子束撞擊並穿透該濺射標靶並造成被汽化的材料的一氣體羽狀物從該濺射標靶釋出、朝向該封閉式真空室的內部行進；及一專屬的沉積區，其被設置在該真空室的內部中在該濺射標靶的前方，其中至少一基材被置於該專屬的沉積區內及其中該被汽化的塗覆材料的羽狀物與該基材的表面相遇、凝結於該基材的該表面上並形成一固體薄膜於該基材的該表面上。
  4. 如申請專利範圍第3項之組件，其中在該靜電偏轉器的該外圓柱形電極上的電位是該標靶的電位。
  5. 如申請專利範圍第3項之組件，其中在該靜電偏轉器的該內圓柱形電極上的電位等於在該擷取/加速電極上的電位。
  6. 如申請專利範圍第3項之組件，其中該組件被保持在一配備有真空幫浦的封閉式真空室內，該真空幫浦能夠將該真空室抽空至低於約10-4Pa的壓力。
  7. 如申請專利範圍第3項之組件，其中在該被擷取的射束內的離子種類包含至少一選自於由氖、氬、氪、或氙離子所組成的群組中的離子種類。
  8. 如申請專利範圍第3項之組件，其中該安裝凸緣、該外偏轉器電極、該減速電極、及用於該離子源的外殼都被容納在一個單一的整合式金屬部件中。
  9. 如申請專利範圍第3項之組件，其中該離子源產生一帶狀射束，其在中心區域具有一實質均勻的線性電流密度，但該電流密度在靠近兩端處從該中心區域的數值上升至少25%，該非均勻的整體曲線被調整或選定來有效地改善該被沉積的薄膜的不均勻度，其抵銷幾何形狀效應造成該薄膜在邊緣處較薄的傾性。
  10. 一種用於一被預先選取的塗覆材料在一有形體的基材或工件的至少一外露的表面上的離子束濺射沉積的操作性系統，該操作性系統包含：(i)一封閉的且被抽吸的真空室，其能夠提供低於約10-4Pa的真空；(ii)一分開的離子束源，其被設置在該封閉的真空環境內且包含一預先形成的電弧室，其具有預先決定的外部尺寸、一可測量的內部體積、一被設置在內部的陽極、一被設置在內部的陰極、及一幅寬尺寸遠超過其寬度尺寸的 敞開的出口孔，其中該電弧室的該內部體積被用來從一已知的氣體物質產生一在原地的電漿，一具有幅寬尺寸範圍在約150mm至大於3000mm的離子流可從該電漿被擷取作為一初始的帶狀離子束，它然後行進於該封閉的真空環境的體積邊界和限制的尺寸之內；(iii)一擷取/加速電極，其被設置在該封閉的真空環境的該等邊界之內且能夠從產生在該電弧室的該內部體積內的電漿擷取一離子束，該擷取/加速電極被緊鄰地設置在該電弧室的該敞開的出口孔前方，且能夠將該帶狀射束內的離子加速至範圍從約10keV至約50keV的更高的動能；(iv)一設置在該封閉的真空環境內的靜電偏轉器，其被設置成和該離子源緊鄰且被緊密地耦接至該擷取/加速電極，該靜電偏轉器強加一電場於該行進中的離子束上，該電場足以將該帶狀射束的該等被加速的離子從該射束的初始軌道彎折一範圍在約60至160度之間的受控制的偏轉角度；(v)一被設置成和該靜電偏轉器相鄰的分開的離子減速電極，其包含一狹槽形開口，其大到足以容納該行進中的離子束的幅寬尺寸且該等被偏轉的離子的寬的射束將通過該狹槽形開口，該離子束藉此被減速至一小於約20keV的動能；(vi)一所得到的最終離子束，其係由該離子源、該擷取/加速電極、該靜電偏轉器、及該減速電極產生在該封 閉的真空環境的限制性邊界內，其中該所得到的最終離子束(α)具有一範圍從約150mm至約3000mm的幅寬尺寸，(β)載負一範圍從每mm的幅寬約0.1至約1.5毫安培的離子電流，(γ)具有一被認為對於離子束濺射沉積目的而言是所想要的可決定的最終離子能量值，該最終能量值的範圍是從約2keV至約10keV；(δ)被實質地集中於一單一的行進方向的約+/-6度之內；(vii)一在該封閉的真空室內的實質無場漂流區，其由該離子減速電極線性地延伸至一固定的濺射標靶且作為一用於該最終離子束的行進路徑；(viii)一預先形成的濺射標靶，其係用所想要的用於塗覆的材料製成且具有一外露的表面，該濺射標靶被保持在該封閉的真空環境內一固定的位置且和該被偏轉的離子束的進路徑對準，其中(a)一未受阻礙的行進路徑存在於該濺射標靶的該外露的表面和一位在該標靶表面前方的專屬沉積區之間，(b)該濺射標靶的該外露的表面被固定在定位，使得該所得到的經過修改的離子束將會以一範圍在約50至85度之間的入射角撞擊該標靶表面，(c)該所得到的經過修改的離子束在該濺射標靶的該外 露的表面上的撞擊造成一被汽化的原子及分子的羽狀物的釋出，(d)在該被汽化的材料的被釋出的羽狀物內的原子行進於離開該濺射標靶的該表面的任意方向上，(e)在用於該等被濺射的流動的原子的被釋出的汽化羽狀物的任何行進方向上的通量係和介於其方向與該標靶的表面的法線之間的角度的餘弦成正比；及(ix)一在該真空室環境內之尺寸及體積被預先決定的專屬沉積區，為了用離子束濺射沉積來實施受控制的材料塗覆，沉積該所想要的基材及工件可被精準地置於該專屬的沉積區內，該專屬沉積區在距離上被緊靠該濺射標靶的該表面設置且在該濺射標靶的該表面正前方，用以方便被濺射的原子及分子凝結及沉積在該基材或工件的至少一表面上成為一固體薄膜層。
  11. 如申請專利範圍第10項之操作性系統，其中該離子源並不產生一大的外部磁場；且不具有任何延伸在其主要射束幅寬尺寸上的磁場分量。
  12. 如申請專利範圍第10項之操作性系統，其中該離子源的該電弧室被偏壓一相對於一濺射材料被預先選取的標靶的該電位值為已知的正的電壓，該正的電位界定在該行進於該封閉的真空環境內的帶狀射束中的離子的初始能量。
  13. 如申請專利範圍第10項之操作性系統，其中該最初被擷取的離子束是一低發散度的帶狀射束，其具有每公 尺的正離子約0.1至1.5安培的線性離子電流密度、一10至50keV之被適當地控制的離子能量、在幅寬尺寸上一均勻度很好的線性離子電流密度、及一侷限在+/-2度至3度的離子束發散度。
  14. 如申請專利範圍第10項之操作性系統，其中該擷取/加速電極和該離子源出口孔對準且被設置在離該離子源出口孔一預定的距離處；及該擷取/加速電極被偏壓一相對於該塗覆材料被預先選取的濺射標靶為負的電位。
  15. 如申請專利範圍第10項之操作性系統，其中該擷取/加速電極相對於該地極被偏壓一負的電位值。
  16. 如申請專利範圍第10項之操作性系統，其中該最初被加速的離子束具有約25keV的動能。
  17. 如申請專利範圍第10項之操作性系統，其中該靜電偏轉器在距離、時機、及動作上被緊密地耦接至該離子源及該擷取/加速電極。
  18. 如申請專利範圍第10項之操作性系統，其中該靜電偏轉器進一步包含一內電極和一外電極，它們實質平行地設置及其中每一電極具有互補的幾何形狀且彼此分開一預先設定的間隙距離。
  19. 如申請專利範圍第18項之操作性系統，其中該靜電偏轉器的該內電極被偏壓一相對於該外電極的電位為負的電位值。
  20. 如申請專利範圍第10項之操作性系統，其中該靜電偏轉器將該被加速的帶狀射束離子從該射束的最初軌道 彎折一範圍介於約60度至160度之間之受控制的偏轉角度。
  21. 如申請專利範圍第10項之操作性系統，其中該減速電極具有一和該材料被預先選取的濺射標靶及該真空室的電位值類似的電位。
  22. 如申請專利範圍第10項之操作性系統，其中該濺射標靶的該外露的表面的法線係平行於該被擷取的離子束的初始方向。
  23. 如申請專利範圍第10項之操作性系統，其更包含一第二帶狀離子源，其被獨立地安裝在該封閉的真空室內的一相鄰的埠口；且將產生離子種類、離子能量、及線性電流密度被預先選取的第二射束；且被引導來撞擊被放置在該沉積區內的該基材的該表面。
  24. 一種用來濺射一用預先選取的用於塗覆的材料製成的固體標靶的方法，該方法包含的步驟為：操作一安排好的組件，該組件包括：(i)一能夠提供一封閉式真空環境之處在當地的(local)地極電位的金屬室，其設置有能夠將壓力降低至低於10-4Pa的真空幫浦，(ii)一離子源，其產生一種類被選取，通常是氬或包含氬的混合物，的離子的帶狀射束，其能夠離開一幅寬從約150mm到3000mm或更大及寬度在1至5mm的狹槽狀的孔，該寬的帶狀射束具有每mm的射束幅寬約0.1至1.5mA的電流及+/-2eV或更小的能量分佈，該離子源被保 持在一第一正的電壓，(iii)一擷取/加速電極，其和該電弧放電室出口孔對準且被設置在和該電弧室離一預定的距離處，該擷取/加速電極相對於該外殼被偏壓一第二負的電壓，使得從該電弧室內的該電漿被擷取出的離子被拉引通過該敞開的出口孔，成為一寬的帶狀離子束，其具有一由該第一及第二電壓的差異所決定的離子能量，(iv)一靜電偏轉器，其包含兩個延伸在該帶狀離子束的兩側的該射束幅寬方向上之實質平行的內電極及外電極，其中該配成對的電極中的每一個分開的電極具有一大致互補的圓柱幾何形狀且彼此分開一預先設定的間隙距離，該靜電偏轉器的作用是偏轉一帶狀離子束的行進軌道，然後以一範圍在約60度至160度之間的偏轉角度通過介於該等平行的電極間的該間隙距離，(v)一尺寸預先設定的減速電極，其被連接至當地的地極電位，該減速電極提供一大小足以讓一被偏轉的帶狀離子束從其間通過的狹槽形開口，該等離子藉此被減速至一由該第一(正的)電壓所決定的最終能量，(vi)一具有一外露的表面的濺射標靶，其被安裝靠近該減速電極且被屏蔽隔絕於該離子源和該擷取電極的電位，該外露的標靶表面朝向該真空外殼的中心區域；及從該減速電極的該出口產生一能量被選定在2至10keV範圍內之帶狀空間-電荷中和的離子束作為最終的離子束；及 引導該最終的離子束以一介於50至85度之間的入射角撞擊該濺射標靶，藉以從該標靶表面濺射出一充滿能量的蒸汽的羽狀物，該羽狀物被大致朝向該真空外殼的該中心區域引導。
  25. 一種用來實施離子束濺射沉積的方法，藉此一固體薄膜塗層藉由物理氣相沉積而被沉積在一有形體的基材或工件的至少一外露的表面上，該方法包含：操作一安排好的組件，該組件包括：(i)一能夠提供一封閉式真空環境之處在當地的(local)地極電位的金屬室，其設置有能夠將壓力降低至低於10-4Pa的真空幫浦，(ii)一用所想要的材料形成且具有外露表面之預先形成的濺射標靶，該濺射標靶被保持在該真空環境內的一固定的位置且處在和該真空室相同的電位，及(iii)一尺寸預先決定及內部空間有限的電弧室，一電漿藉由電子轟擊一在原地的(in-situ)氣體物質而被產生於該電弧室內，一幅寬尺寸從約150mm至約3000mm的離子束可從該電漿被擷取，該電弧室包含一陽極、一陰極、及一敞開的出口孔，其幅寬尺寸遠超過它的寬度尺寸，且被偏壓一相對於該濺射標靶為正的電壓，(iv)一擷取/加速電極，其和該電弧室出口孔對準且被設置在和該電弧室離一預定的距離處，該擷取/加速電極被偏壓一相對於該固定的濺射標靶為負的電位，使得從該電弧室內的該電漿被擷取的離子被拉引通過該敞開的出口 孔成為一寬的帶狀離子束且被該電極加速以達到一由該離子源和該電極的電位差異所決定的能量，(v)一靜電偏轉器，其包含兩個實質平行的內電極及外電極，其中該配成對的電極中的每一個分開的電極具有一互補的圓柱幾何形狀且彼此分開一預先設定的間隙距離，該靜電偏轉器的作用是偏轉一帶狀離子束的行進軌道，然後以一範圍在約60度至160度之間的角度通過介於該等平行的電極間的該間隙，(vi)一尺寸預先設定的減速電極，其具有和該固定的濺射標靶的電位類似的電位值，該減速電極提供一空間大小足以讓一被偏轉的帶狀離子束從其間通過的狹槽形開口，藉此，該等離子被減速至一由該離子源的電位所決定的最終能量，(vii)一實質的無場區域，其由該離子減速電極延伸至該濺射標靶，(viii)一專屬的沉積區，一有形體的基材或工件可被置於該專屬的沉積區內以實施受控制的固體薄膜塗覆，該專屬的沉積區在距離上係被放置靠近該濺射標靶且對準該濺射標靶的該表面的前方；從該安排好的組件的前述操作產生一最終離子束於該封閉的真空環境的該等限制性的邊界之內，其中該最終離子束是一帶狀離子束，其(α)提供一範圍從約150mm至約3000mm的射束幅寬尺寸， (β)具有一範圍從每mm幅寬約0.1至約1.5毫安培的可決定的離子電流值，(γ)具有一可決定的最終離子能量值，其範圍從約2keV至約10keV，(δ)在進入該無場區域時變成被空間-電荷中和，(ε)被實質地集中於一單一的行進方向的約+/-6度之內：引導該最終的離子束，用以用一範圍從不大於約50度至不小於約85度的入射角度撞擊在該封閉的真空環境的該等邊界內的該固定的濺射標靶的該外露的表面；造成從該濺射標靶的該外露的表面被濺射出的原子的一羽狀物的釋出，其為該最終的射束撞擊的結果，其中該流動的被濺射出的原子之羽狀物將行進至該沉積區內，該沉積區被保持在高真空且沒有任何阻礙物；及將一有形體的基材或工件放入該專屬的沉積區以曝露在該流動的被濺射出的原子的該汽化的羽狀物中及藉由該被濺射的材料的蒸汽凝結及材料沉積來塗覆至少一外露的表面。
  26. 如申請專利範圍第25項之方法，其更包含的額外步驟為：調整該離子源的電流密度曲線，使得該最終的帶狀射束其在幅寬的兩端具有比在中心處高的電流密度，藉此，在該基材上的該被沉積的薄膜的厚度變化變得較小。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108359937A (zh) * 2018-02-27 2018-08-03 温州驰诚真空机械有限公司 转换式物理气相沉积粒子源
CN112083022A (zh) * 2019-06-12 2020-12-15 苏试宜特(上海)检测技术有限公司 一种基于平面样品转截面样品的特定微小区域标定方法
TWI732817B (zh) * 2016-02-01 2021-07-11 美商瓦里安半導體設備公司 離子束裝置中汙染控制的裝置和方法
TWI756742B (zh) * 2019-07-09 2022-03-01 日商住友重機械工業股份有限公司 負離子生成裝置
TWI757771B (zh) * 2019-06-26 2022-03-11 日商住友重機械工業股份有限公司 負離子照射裝置
CN115572950A (zh) * 2022-10-14 2023-01-06 苏州岚创科技有限公司 多离子源同步溅射镀膜装置

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022117130A1 (en) 2020-12-03 2022-06-09 Univerzita Palackého v Olomouci Device for deposition of dielectric optical thin films by the help of sputtering plasma sources and sources of energy ions
CN112680700B (zh) * 2020-12-04 2022-07-26 安徽工业大学 一种电子束辅助碳基超润滑固体薄膜制备装置及方法
CN113466921B (zh) * 2021-07-01 2023-07-28 兰州空间技术物理研究所 一种适用于电推力器羽流诊断的静电场离子能量分析仪
CN114910196A (zh) * 2022-04-22 2022-08-16 西安交通大学 微米尺度的平面电容式压力传感器制备方法
CN115612991A (zh) * 2022-12-02 2023-01-17 杭州众能光电科技有限公司 一种等离子和电场协同的薄膜制备设备及制备工艺

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4775789A (en) * 1986-03-19 1988-10-04 Albridge Jr Royal G Method and apparatus for producing neutral atomic and molecular beams
US4885070A (en) * 1988-02-12 1989-12-05 Leybold Aktiengesellschaft Method and apparatus for the application of materials
US6583427B1 (en) * 1999-09-02 2003-06-24 Texas Instruments Incorporated Extended life source arc chamber liners
JP4133883B2 (ja) * 2003-12-04 2008-08-13 日新イオン機器株式会社 イオンビーム装置
JP4533112B2 (ja) * 2004-11-30 2010-09-01 株式会社Ｓｅｎ ウエハ帯電抑制装置及びこれを備えたイオン注入装置
JP5100963B2 (ja) * 2004-11-30 2012-12-19 株式会社Ｓｅｎ ビーム照射装置
US7800083B2 (en) * 2007-11-06 2010-09-21 Axcelis Technologies, Inc. Plasma electron flood for ion beam implanter

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI732817B (zh) * 2016-02-01 2021-07-11 美商瓦里安半導體設備公司 離子束裝置中汙染控制的裝置和方法
CN108359937A (zh) * 2018-02-27 2018-08-03 温州驰诚真空机械有限公司 转换式物理气相沉积粒子源
CN108359937B (zh) * 2018-02-27 2023-08-22 温州驰诚真空机械有限公司 转换式物理气相沉积粒子源
CN112083022A (zh) * 2019-06-12 2020-12-15 苏试宜特(上海)检测技术有限公司 一种基于平面样品转截面样品的特定微小区域标定方法
CN112083022B (zh) * 2019-06-12 2024-05-24 苏试宜特(上海)检测技术股份有限公司 一种基于平面样品转截面样品的特定微小区域标定方法
TWI757771B (zh) * 2019-06-26 2022-03-11 日商住友重機械工業股份有限公司 負離子照射裝置
US11694877B2 (en) 2019-06-26 2023-07-04 Sumitomo Heavy Industries, Ltd. Negative ion irradiation device
TWI756742B (zh) * 2019-07-09 2022-03-01 日商住友重機械工業股份有限公司 負離子生成裝置
CN115572950A (zh) * 2022-10-14 2023-01-06 苏州岚创科技有限公司 多离子源同步溅射镀膜装置

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