Способ обработки пучком нейтральных частиц, основанный на технологии обработки пучком газовых кластерных ионов, и полученные таким образом изделия

Способ обработки пучком нейтральных частиц, основанный на технологии обработки пучком газовых кластерных ионов, и полученные таким образом изделия

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение в относится в общем к способам и установкам для обработки низкоэнергетическим нейтральным пучком, и в частности к способам и системам создания пучков высокой чистоты для выведения ускоренного нейтрального мономерного и/или нейтрального газового кластерного пучка из ускоренного пучка газовых кластерных ионов. Изобретение также включает в себя определенные новые или усовершенствованные материалы и устройства, выполненные из этих материалов.

Уровень техники

В течение последнего десятилетия пучок газовых кластерных ионов (GCIB) стал широко известным и широко используемым для разнообразных вариантов применения в поверхностной и приповерхностной обработке. Поскольку газовые кластерные ионы традиционно обладают большой массой, они склонны перемещаться с относительно низкими скоростями (сравнительно с традиционными ионами), даже когда ускорены до значительных энергий. Эти низкие скорости, в сочетании с изначально слабым связыванием кластеров, обусловливает уникальные возможности поверхностной обработки, которые ведут к пониженному проникновению в поверхность и пониженному повреждению поверхности по сравнению с традиционными ионными пучками и диффузными плазмами.

Пучки газовых кластерных ионов были использованы для сглаживания, травления, очистки, формирования слоев, выращивания пленок, или иного рода изменения широкого разнообразия поверхностей включая, например, металлических, полупроводниковых и диэлектрических материалов. В вариантах применения, включающих в себя полупроводниковые и родственные полупроводникам материалы, пучки GCIB были использованы для очистки, сглаживания, травления, осаждения и/или выращивания пленок, включающих в себя оксиды и прочие материалы. GCIB также применялись для введения легирующих и деформирующих решетку атомных частиц, материалов для аморфизации поверхностных слоев и для повышения растворимости легирующих добавок в полупроводниковых материалах. Во многих случаях такие варианты применения GCIB были в состоянии привести к результатам, превосходящим другие технологии, в которых использовались традиционные ионы, ионные пучки и плазмы. Полупроводниковые материалы включают в себя широкий круг материалов, которые могут иметь свои электрические свойства, управляемые введением легирующих материалов, и включают в себя (без ограничения) кремний, германий, алмаз, карбид кремния, и также композитные материалы, содержащие элементы III-IV групп и элементы II-VI групп. Ввиду простоты образования GCIB с использованием аргона (Ar) как исходного газа и ввиду таких инертности аргона было разработано множество вариантов применения для обработки поверхностей вживляемых медицинских устройств, таких как коронарные стенты, ортопедические протезы и другие вживляемые медицинские устройства, с использованием GCIB на основе газа аргона. В вариантах с применением полупроводников для формирования GCIB были использованы разнообразные исходные газы или исходные газовые смеси, содержащие легирующие добавки с электрическими свойствами и деформирующие решетку частицы, для реактивного травления, физического травления, осаждения пленок, выращивания пленок и прочих полезных процессов. Известны многообразные реализованные на практике системы для распространения GCIB-обработки на широкий круг типов поверхностей. Например, патент США № 6,676,989 С1, выданный на имя Kirkpatrick и др., описывает систему GCIB-обработки, имеющую держатель заготовки и манипулятор, пригодную для обработки трубчатых и цилиндрических заготовок, таких как сосудистые стенты. В другом примере, патент США № 6,491,800 В2, выданный на имя Kirkpatrick и др., представляет систему GCIB-обработки, имеющую держатели заготовок и манипуляторы для обработки непланарных медицинских устройств других типов, включающие в себя, например, протезы тазобедренного сустава. Дополнительный пример, патент США № 6,486,478 В1, выданный авторам Libby и др., раскрывает автоматизированную систему загрузки/выгрузки подложек, пригодную для обработки полупроводниковых пластин. Патент США № 7,115,511, выданный на имя Hautala, описывает использование механического сканера для сканирующего перемещения заготовки относительно несканирующего GCIB. В еще одном дополнительном примере, патент США № 7,105,199 В2, выданный на имя Blinn и др., описывает использование GCIB-обработки для улучшения адгезии покрытий из лекарственных препаратов на медицинских устройствах, и для модификации скорости элюции или высвобождения лекарственного препарата из медицинских устройств.

GCIB использовалось для травления и сглаживания кристаллических и некристаллических форм материалов, таких как алмазы и прочие драгоценные камни. Это было не столь успешным в том плане, что иногда драгоценные камни могли подвергаться нежелательным изменениям цвета в результате GCIB-обработки. Было неясно, является ли это следствием некоторого рода поверхностного или приповерхностного нарушения материалов драгоценных камней, или же могло быть обусловлено формированием более шероховатой границе раздела между протравленными и/или сглаженными поверхностными слоями, образованными GCIB-обработкой, и нижележащим объемом материала, или же, может быть, следствием повреждения из-за электрической зарядкой поверхности, вызванной кластерными ионами. Какой бы ни была причина отрицательных побочных эффектов GCIB-обработки требуется способ обработки для травления и/или сглаживания материалов из природных и/или искусственных драгоценных камней, который не вызывал бы ненужного ухудшения внешнего вида и эстетического восприятия драгоценных камней. GCIB-обработка показалась как возможный способ сглаживания и/или выравнивания поверхностей оптических материалов, таких как линзы, оптические отражающие поверхности, оптические окна прозрачности, оптические панели для дисплея и тачскрин-панели, призматические устройства, прозрачные подложки для фотомасок, и тому подобные, оптические волноводы, оптоэлектронные устройства и прочие оптические устройства. Материалы для оптических устройств включают в себя широкое разнообразие стекол, кварцев, сапфиров, алмазов и другие твердые прозрачные материалы. Традиционное шлифовка и выравнивание, включая механические, химико-механические и другие способы обработки, не создают надлежащих поверхностей для многих насущных вариантов применения. GCIB-обработка во многих случаях оказалась способной сглаживать и/или выравнивать оптические поверхности до степени, недостижимой общеупотребительными способами шлифовки, но нужны альтернативные способы, которые не приводят к шероховатой границе раздела между сглаженной поверхностью и нижележащим объемом материала, во избежание создания рассеивающих слоев, встроенных в оптический материал.

Хотя GCIB-обработку успешно использовали во многих вариантах применения, существуют новые и современные потребности в применении, для которых не подходят в полной мере ни GCIB или ни другие современные методы и устройства. В большинстве случаев, наряду с тем, что GCIB может выполнять значительное сглаживание на атомарном уровне поначалу несколько шероховатой поверхности, окончательное сглаживание, которое может быть достигнуто, часто оказывается меньшим, чем требуемая гладкость, и в других случаях результатом GCIB-обработки может быть скорее огрубление умеренно гладких поверхностей, нежели дальнейшее их сглаживание.

Также существуют другие потребности/возможности, как выявлено и разрешено вариантами осуществления настоящего изобретения. В области выделяющих лекарственные препараты медицинских имплантатов GCIB-обработка имела успех в обработке поверхностей лекарством покрытий на медицинских имплантатах для связывания покрытия с подложкой или для изменения скорости, с которой лекарственные препараты выделяются из покрытия после имплантации пациенту. Однако было отмечено, что в некоторых случаях, где GCIB использовали для обработки лекарственные покрытий (которые часто являются очень тонкими и могут содержать очень дорогостоящие лекарства), происходила потеря веса лекарственного покрытия (показывающая потерю или удаление лекарства) в результате GCIB-обработки. В частных случаях, где происходит такая потеря (с определенными лекарствами и при использовании определенных технологических параметров), проявление этого, как правило, нежелательно, и предпочтительно иметь способ, позволяющий исключить потерю веса, в то же время по-прежнему получать удовлетворительный контроль скорости выделения лекарственного препарата.

В вариантах применения с использованием полупроводников GCIB с переменным успехом использовались во многих процессах улучшения поверхности, однако существуют возможности для усовершенствования. В традиционной GCIB-обработке часто, несмотря на значительно улучшенные сравнительно с ранее традиционными технологиями, результат все-таки не обеспечивал того качества, которое требуется для большинства насущных потребностей. Например, в процессах сглаживания для многих материалов конечная степень гладкости, практически достигаемая с использованием GCIB-обработки, не всегда удовлетворяет требованиям. В вариантах применения, где другие материалы вводят в полупроводниковые материалы (иногда называемые GCIB-внедрением) для легирования, деформирования решетки и прочих применений, таких как осаждение пленок, выращивание пленок, и аморфизация, границе раздела между внедренным, выращенным, аморфизированным или осажденным материалом часто имеет шероховатость или неоднородность на границе раздела между облученным слоем и нижележащей подложкой, что ухудшает оптимальные эксплуатационные характеристики GCIB-модифицированного слоя.

Ионы с давних пор пользовались преимуществом для многих процессов, поскольку их электрический заряд облегчает управление ими с помощью электростатических и магнитных полей. Этим обеспечивается высокая технологическая гибкость обработки. Однако в некоторых вариантах применения заряд, который присущ любому иону (в том числе газовые кластерные ионы в GCIB) может вызывать ненужные воздействия на обрабатываемые поверхности. GCIB имеет явное преимущество перед традиционными ионными пучками в том плане, что газовый кластерный ион с одиночным или небольшим множественным зарядом создает возможность транспорта и контроля при гораздо большем массопотоке (кластер может состоять из сотен или тысяч молекул) по сравнению с традиционным ионом (одиночными атомом, молекулой или молекулярным фрагментом). В частности, в случае изоляционных материалов поверхности, обработанные с использованием ионов, часто подвержены обусловленного зарядом повреждению вследствие внезапного разряда накопленных зарядов или создания вредного напряжения, вызванного электрическим полем в материале (опять же обусловленного накопленными зарядами). В большинстве случаев GCIB имеет преимущество благодаря его относительно низкому отношению заряда к массе, но в некоторых ситуациях может не устранять проблемы зарядки мишени. Кроме того, ионные пучки с силой тока от небольшой до высокой страдают от значительной расфокусировки наведенного пространственного заряда, вызванной объемным зарядом, что может препятствовать передаче хорошо сфокусированного пучка на большие расстояния. Опять же, вследствие своего низкого отношения заряда к массе по сравнению с традиционными ионными пучками у GCIB есть преимущество, но они не полностью устраняют проблему переноса пространственного заряда.

Еще один пример потребности или возможности следует из того факта, что, хотя применение пучков нейтральных молекул или атомов оказывается благоприятным в некоторых вариантах применения для поверхностной обработки и переноса пучка, не имеющего пространственного заряда, как правило, нельзя было просто и экономично создавать интенсивные пучки нейтральных молекул или атомов, за исключением случаев формирования струй из форсунок, где энергии, как правило, составляют величины порядка нескольких миллиэлектронвольт на атом или молекулу, и тем самым имеют ограниченные технологические возможности.

В патенте США № 4,935,623 фирмы Hughes Electronics Corporation, в котором Knauer описал способ формирования пучков высокоэнергетических (от 1 до 10 эВ) заряженных и/или нейтральных атомов. Knauer формирует традиционные GCIB и направляет их под скользящими углами на твердые поверхности, такие как кремниевые пластины, в результате чего кластерные ионы диссоциируют, приводя к пучку прямого рассеяния атомов и обыкновенных ионов. Это дает интенсивный, но несфокусированный пучок нейтральных атомов и ионов, который может быть использован для обработки, или при последующем электростатическом отделении ионов может быть применен для обработки в виде пучка нейтральных атомов. При необходимости рассеивания GCIB вне твердой поверхности для обеспечения диссоциации способ Knauer создает серьезную проблему. В широком диапазоне энергий пучка GCIB вызывает сильное распыление в поверхностях, с которыми он сталкивается. Было ясно показано (например, смотри работу авторов Aoki, T. и Matsuo, J., «Molecular dynamics simulations of surface smoothing and sputtering process with glancing-angle gas cluster ion beams», Nucl. Instr. & Meth. in Phys. Research B., том 257 (2007), стр. 645-648), что даже при применяемых Knauer скользящих углов пучки GCIB создают значительное распыление твердых материалов, и тем самым нейтральный пучок прямого рассеяния загрязняется распыленными ионами и нейтральными атомами и прочими частицами твердой поверхности, которую используют для рассеяния/диссоциации. Во множестве вариантов применения, включающих в себя использование для обработки медицинских устройств и применение для обработки полупроводников, присутствие такого распыленного материала, загрязняющего нейтральный пучок прямого рассеяния, делает его непригодным для использования.

В патенте США № 7,060,989 на имя Swenson и др. описано применение баллона сжатого газа с давлением газа выше, чем давление создания пучка, чтобы изменить распределение энергии газовых кластерных ионов в GCIB. Способ снижает энергию газовых кластерных ионов в GCIB и изменяет некоторые характеристики обработки поверхности такими модифицированными GCIB. Такая газовая модификация распределения энергии газовых кластерных ионов в GCIB полезна, но не снимает проблему, обусловленную зарядами, созданными на заготовке ионами в GCIB, и не разрешает определенные технологические проблемы, например, такие как потеря массы лекарственных покрытий во время GCIB-обработки. Хотя способы авторов Swenson и др. могут улучшать конечную характеристику сглаживания поверхности с помощью GCIB, результат все-таки далек от совершенства.

Размеры газовых кластеров и газовых кластерных ионов обычно охарактеризованы величиной N, числом атомов или молекул (в зависимости от того, имеет ли газ атомарное или молекулярное строение, и включая такие варианты, как ионы, мономеры, димеры, тримеры, лиганды), входящих в состав индивидуального кластера. Как представляется, многие из преимуществ, которые обеспечиваются традиционной GCIB-обработкой, основываются на низких скоростях ионов в GCIB и на том обстоятельстве, что слабосвязанные кластеры распадаются при соударении с твердой поверхностью, вызывая переходное нагревание и давление, но без чрезмерного проникновения, внедрения или повреждения подложки ниже поверхности. Воздействия таких крупных кластеров (имеющих N мономеров - как определено ниже - порядка нескольких тысяч или более), как правило, ограничиваются несколькими десятками ангстрем. Однако было показано, что более малые кластеры (имеющие величину N порядка от нескольких сотен до около тысячи) вызывают большее повреждение поверхности при соударении с нею и способны создавать отдельные ударные кратеры в поверхности (например, смотри работу авторов Houzutni. H., и др. «Scanning tunneling microscopy observation of graphite surfaces irradiated with size-selected Ar cluster ion beams», Jpn. J. Appi. Phys., том 44 (№ 8), (2005), стр. 6252 и след.). Этот эффект кратеробразования может создавать шероховатости на поверхностях и удалять с них материал (вытравливать) в нежелательной конкуренции с эффектами выравнивания крупными кластерами. Во многих других вариантах обработки поверхностей, для которых GCIB оказалась полезной, считается, что эффекты, вызванные большими и малыми газовыми кластерными ионам, могут состязаться в способах достижения обратных результатов, чтобы снизить производительность обработки. К сожалению, все легко реализуемые способы формирования GCIB приводят к созданию пучков, имеющих широкое распределение кластеров по размерам, имеющих размеры N, изменяющихся от около 100 до таких значений, как свыше нескольких десятков тысяч. Часто среднее и/или максимальное значение распределения по размерам лежит в пределах от нескольких сотен до нескольких тысяч, с хвостами распределения, постепенно стремящимися к нулю на предельных краях распределения. Распределение кластерных ионов по размерам и средний размер кластера, N_Mean, связанный с распределением, зависят от используемого исходного газа и могут зависеть в значительной степени от выбора параметров сопла, используемого для формирования кластерной струи, от падения давления в сопле и от температуры сопла, всего того, что влияет и в традиционных способам формирования GCIB. Большинство коммерческого оборудования для GCIB-обработки, как заведено, используют магнитные или реже электростатические сепараторы по размерам для удаления самых малых ионов и кластеров (мономеров, димеров, тримеров и т.д., вплоть до около N=10 или более), которые создают самые значительные повреждения. Такие фильтры часто называются «мономерными фильтрами», хотя они обычно удаляют также несколько более крупные ионы, также как и мономеры. Определенные устройства для электростатической выборки кластерных ионов по размерам (как, например, устройство, использованное в патенте США № 4,935,623 на имя Knauer) требуют размещения сеток из электрических проводников в пучке, что представляется значительным недостатком из-за возможного распыления сеток пучком, вводя загрязнения в пучок, в то же время снижая надежность и приводя к необходимости дополнительного технического обслуживания устройства. По этой причине фильтры для мономеров и частиц с малой массой теперь обычно относятся к магнитному типу (например, см. патент США № 6,635,883 на имя Torti и др. и патент США № 6,486,478 на имя Libby и др.). За исключением наиболее малых ионов (мономеров, димеров, и т.д.), которые эффективно удаляются магнитными фильтрами, кажется, что большинство GCIB содержит мало или вообще не содержит газовых кластерных ионов с размерами менее, чем около N=100. Может быть так, что такие размеры образуются не без труда или после формирования нестабильны. Однако кластеры в диапазоне от около N=100 до нескольких сотен, как представляется, присутствуют в пучках большинства промышленного оборудования для GCIB-обработки. Как правило, встречаются значения N_Mean в диапазоне от нескольких сотен до нескольких тысяч, когда используют стандартные технологии. Поскольку при данном ускоряющем потенциале кластеры промежуточных размеров движутся гораздо быстрее, чем крупные кластеры, они с большей вероятностью образуют кратеры, грубые границы разделов и прочие ненужные эффекты, и, возможно, содействуют менее совершенной обработке, когда присутствуют в GCIB.

Поэтому задача настоящего изобретения состоит в создании устройств и способов формирования высокочистых пучков нейтральных газовых кластеров для обработки заготовок.

Дополнительной задачей настоящего изобретения является создание устройств и способов формирования высокочистых пучков газовых кластеров, которые по существу не содержат кластеров промежуточных размеров.

Еще одна дополнительная задача настоящего изобретения заключается в создании устройств и способов формирования высокочистых, сфокусированных, интенсивных пучков нейтральных атомов или молекул с энергиями в диапазоне от около 1 эВ до столь высоких, как несколько тысяч эВ.

Еще одной дополнительной задачей настоящего изобретения является создание устройств и способов формирования пучков, способных к лучшему сглаживанию поверхности по сравнению с традиционными GCIB.

Задача настоящего изобретения состоит в создании устройств и способов формирования легированных и/или деформированных пленок, и/или для введения примесных атомных частиц в поверхности полупроводниковых или прочих материалов, причем обработанные поверхности имеют границе раздела с нижележащим материалом подложки, которые превосходят те, которые сформированы с использованием традиционной GCIB-обработки.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание устройств и способов формирования аморфных участков на поверхности полупроводниковых и других материалов с использованием нейтрального пучка, и причем граница раздела с нижележащим материалом подложки превосходит поверхность, сформированную с использованием традиционной GCIB-обработки.

Дополнительная цель задача изобретения состоит в создании устройств и способов травления поверхностей, превосходящих конечной гладкостью традиционные GCIB-обработкой.

Другая дополнительная задача настоящего изобретения заключается в создании устройств и способов травления оптических поверхностей с превосходящей конечной гладкостью традиционные GCIB-обработкой.

Еще одна задачей настоящего изобретения состоит в создании устройств и способов нанесения оптического покрытия на оптическую поверхность с прочностью сцепления, превосходящей адгезию, полученную традиционными способами.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание способов модифицирования поверхности оптического устройства для снижения восприимчивости к деградации вследствие атмосферных воздействий и для создания оптических устройств, усовершенствованных таким образом.

Дополнительная задача настоящего изобретения состоит в создании способов формирования барьера на поверхности гигроскопичного материала для снижения чувствительности материала к поглощению влаги, и для создания усовершенствованных таким образом материалов.

Еще одной дополнительной задачей настоящего изобретения является создание устройств и способов формирования и/или выращивания пленок на поверхностях полупроводниковых и/или прочих материалов, имеющих границы раздела с нижележащим материалом подложки, которые превосходят те, которые сформированы с использованием традиционной GCIB-обработки.

Одна дополнительная задача настоящего изобретения состоит в создании устройств и способов обработки электроизоляционных материалов нейтральными пучками газовых кластеров и/или мономеров для обработки таких материалов без повреждения, вызванного переносимыми пучком электрическими зарядами.

Дополнительной задачей настоящего изобретения является создание способов улучшения свойств оптического элемента или драгоценного камня путем облучения нейтральным пучком поверхности оптического элемента.

Еще одна задача настоящего изобретения состоит в создании оптического элемента или драгоценного камня с улучшенными свойствами по технологии нейтрального пучка.

Раскрытие изобретения

Изложенные выше задачи, а также дополнительные и другие задачи и преимущества настоящего изобретения достигнуты с помощью разнообразных вариантов осуществления описываемого изобретения ниже в этом документе.

Один вариант осуществления настоящего изобретения представляет способ обработки поверхности оптического элемента, содержащий этапы, на которых: обеспечивают камеру с пониженным давлением; формируют пучок газовых кластерных ионов, содержащий газовые кластерные ионы внутри камеры с пониженным давлением; ускоряют газовые кластерные ионы с образованием пучка ускоренных газовых кластерных ионов вдоль траектории пучка внутри камеры с пониженным давлением; стимулируют фрагментацию и/или диссоциацию по меньшей мере части ускоренных газовых кластерных ионов вдоль траектории пучка; удаляют заряженные частицы с траектории пучка с образованием ускоренного нейтрального пучка вдоль траектории пучка в камере с пониженным давлением; удерживают оптический элемент в траектории пучка; обрабатывают по меньшей мере часть поверхности оптического элемента облучением его ускоренным нейтральным пучком; и причем этапы стимулирования и удаления проводят до облучения поверхности.

На этапе удаления из траектории пучка могут быть удалены по существу все заряженные частицы. Нейтральный пучок может быть по существу свободным от кластеров промежуточной величины. Нейтральный пучок может состоять по существу из газа, составленного пучком газовых кластерных ионов. Этап стимулирования может включать в себя повышение ускоряющего напряжения на этапе ускорения, или улучшение эффективности ионизации при формировании пучка газовых кластерных ионов. Этап стимулирования может включать в себя расширение диапазона скоростей ионов в пучке ускоренных газовых кластерных ионов. Этап стимулирования может включать в себя введение одного или более газообразных элементов, используемых в формировании пучка газовых кластерных ионов, в камеру с пониженным давлением, для повышения давления вдоль траектории пучка. Этап стимулирования может включать в себя увеличение размера апертуры скиммера, используемого в этапы формирования пучка газовых кластерных ионов. Этап стимулирования может включать в себя облучение пучка ускоренных газовых кластерных ионов или нейтрального пучка лучистой энергией. Нейтральный пучок, обрабатывающий по меньшей мере участок поверхности заготовки, может состоять по существу из мономеров, имеющих энергию между 1 эВ и несколькими тысячами эВ. Способ может дополнительно содержать этап, на котором перемещают заготовку с держателем заготовки для обработки множества участков поверхности. Способ может дополнительно содержать этап, в которой сканируют заготовку с держателем заготовки для обработки протяженных участков поверхности.

Оптическое устройство может содержать любое из: электроизоляционного материала; материала с высоким удельным электрическим сопротивлением; кристаллического материала; аморфного материала; гигроскопичного материала; стеклянного материала; материала драгоценного камня; кварца; или прозрачного материала. На этапе обработки может быть сформировано оптическое покрытие на оптическом элементе.

Этап обработки может изменять оптическую характеристику оптического элемента. Оптическая характеристика может представлять собой показатель преломления. Оптический элемент может представлять собой материал драгоценного камня. Материал драгоценного камня может быть выбран из группы, состоящей из алмаза, сапфира, кварца, и искусственного материала драгоценного камня. Оптический элемент может включать в себя триборат лития (LBO), и, в котором на этапе обработки, дополнительно может быть сформирован поверхностный барьер, который снижает восприимчивость или чувствительность к деградации под действием влаги на поверхности LBO.

Еще один вариант осуществления настоящего изобретения представляет способ повышения адгезии оптического покрытия, имеющего толщину на поверхности оптической подложки, включающий в себя этапы, на которых: обеспечивают камеру с пониженным давлением; формируют пучок газовых кластерных ионов, содержащий газовые кластерные ионы, внутри камеры с пониженным давлением; ускоряют газовые кластерные ионы с образованием пучка ускоренных газовых кластерных ионов вдоль траектории пучка внутри камеры с пониженным давлением; при необходимости выводят ускоренный нейтральный пучок из пучка ускоренных газовых кластерных ионов; удерживают оптическое покрытие в траектории пучка или траектории выведенного пучка; обрабатывают по меньшей мере участок поверхности оптического покрытия облучением его пучком или выведенным пучком; и причем на этапе ускорения ускоряют на заданную величину, обеспечения того, что по меньшей мере часть пучка или выведенного пучка будет проникать на всю толщину оптического покрытия для повышения адгезии покрытия к оптической подложке.

Еще один дополнительный вариант осуществления настоящего изобретения представляет способ обработки гигроскопичного кристаллического материала, содержащий этапы, на которых: обеспечивают камеру с пониженным давлением; формируют пучок газовых кластерных ионов, включающий в себя газовые кластерные ионы, внутри камеры с пониженным давлением; ускоряют газовые кластерные ионы с образованием пучка ускоренных газовых кластерных ионов вдоль траектории пучка внутри камеры с пониженным давлением; при необходимости выводят ускоренный нейтральный пучок из пучка ускоренных газовых кластерных ионов; удерживают кристаллический материал в траектории пучка или траектории выведенного пучка; обрабатывают по меньшей мере участок поверхности кристаллического материала облучением его пучком или выведенным пучком; и формируют поверхностный барьер на кристаллическом материале, который снижает реакционную способность или чувствительность к деградации под действием влаги на поверхности кристаллического материала.

Еще один дополнительный вариант осуществления настоящего изобретения представляет оптический элемент, включающий в себя оптическую подложку и поверхностное покрытие, и поверхностное покрытие прикреплено на оптической подложке облучением нейтральным пучком, выведенным из пучка газовых кластерных ионов. Поверхностное покрытие может состоять из предназначенных для поверхностного покрытия материалов и атомов газов, использованных для формирования нейтрального пучка. Поверхностное покрытие может состоять из предназначенных для поверхностного покрытия материалов. Атомы газов, использованных для формирования нейтрального пучка, могут внедряться в поверхностное покрытие и достигать подложки. Участки поверхностного покрытия могут быть встроены в оптическую подложку вследствие облучения нейтральным пучком. Оптическая подложка может иметь оптическую характеристику, которая изменяется под действием облучения нейтральным пучком. Оптическая характеристика может представлять собой показатель преломления. Оптический элемент может представлять собой материал драгоценного камня. Материал драгоценного камня может быть выбран из группы, состоящей из алмаза, сапфира, кварца, и искусственного материала драгоценного камня. Поверхностное покрытие может быть сформировано в результате облучения нейтральным пучком. Оптическая подложка может быть гигроскопичной, и дополнительно поверхностное покрытие может иметь улучшенные гигроскопические свойства относительно оптической подложки.

Другой дополнительный вариант осуществления настоящего изобретения представляет гигроскопичную подложку, содержащее поверхностное покрытие, сформированное облучением ускоренным нейтральным пучком гигроскопичной подложки, причем поверхностное покрытие имеет улучшенные гигроскопические свойства относительно гигроскопичной подложки. Настоящее изобретение представляет способ и систему на основе пучка высокой чистоты для выведения из пучка ускоренных газовых кластерных ионов пучка ускоренных нейтральных газовых кластеров и/или предпочтительно мономерного пучка, который может быть использован для разнообразных типов обработки поверхностей и ближайшей подповерхностной области материалов, и который способен во многих вариантах применения обеспечить превосходные эксплуатационные характеристики по сравнению с традиционной GCIB-обработкой. Он может создавать хорошо сфокусированные, ускоренные, интенсивные нейтральные мономерные пучки с частицами, имеющими энергии в диапазоне от около 1 эВ до столь высоких значений, как несколько тысяч эВ. В этом диапазоне энергий нейтральные частицы могут быть благоприятными или необходимыми во многих вариантах применения, например, когда желательно разрушить связи в поверхностной и ближайшей подповерхностной области для облегчения очистки, травления, сглаживания, осаждения, аморфизации или для создания поверхностных химических эффектов. В таких случаях часто могут быть полезными энергии от около одного эВ до нескольких тысяч эВ на частицу. Это энергетический диапазон, в котором с помощью простого, относительно недорогого устройства было практически невозможно сформировать интенсивные нейтральные пучки. В разнообразных вариантах исполнения ускоренный Нейтральный Пучок используются для обработки поверхностной и ближайшей подповерхностной области материалов и для изготовления такими способами обработки усовершенствованных материалов и устройств.

Эти ускоренные нейтральные пучки формируют сначала путем формирования традиционного ускоренного GCIB, затем частичной или по существу полной диссоциацией его способами и технологическими условиями, которые не вносят в пучок примеси, затем отделением остаточных заряженных частей пучка от нейтральной части, и затем использованием полученного нейтрального пучка для обработки заготовки. В зависимости от степени диссоциации газовых кластерных ионов созданный Нейтральный Пучок может представлять собой смесь нейтральных газовых мономеров и газовых кластеров, или может состоять по существу полностью или почти полностью из нейтральных газовых мономеров. Предпочтительно, чтобы ускоренный Нейтральный Пучок представлял собой по существу полностью диссоциированный нейтральный мономерный пучок.

Преимущество нейтральных пучков, которое может быть создано способами и устройствами согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, состоит в том, что они могут быть использованы для обработки электроизоляционных материалов без повреждения материала вследствие создания зарядов на поверхностях таких материалов пучком, переносящим заряды, как это обычно происходит со всеми ионизированными пучками, в том числе GCIB. Например, в вариантах применения с полупроводниками и других электронных устройств ионы часто принимают участие в повреждении или разрушительной зарядке тонких диэлектрических пленок, таких как оксиды, нитриды, и т.д. Применение нейтральных пучков может позволить проводить успешную обработку пучком полимерных, диэлектрических, и/или прочих электроизоляционных материалов или материалов с высоким удельным сопротивлением, покрытий и пленок в других вариантах применения, где ионные пучки могут создавать неприемлемые побочные эффекты вследствие зарядки поверхности или других эффектов внесения зарядов. Примеры включают в себя (без ограничения) обработку ингибирующих коррозию покрытий и облучение для образования межмолекулярных связей и/или полимеризации органических пленок. В других примерах Нейтральный Пучок инициирует модификации полимерных или других диэлектрических материалов (например, стерилизация, сглаживание, улучшение поверхностной биосовместимости и повышение прочности сцепления и/или регулирование скоростей выделения лекарственных препаратов) могут обеспечить возможность применения таких материалов в медицинских устройствах для имплантатов и/или других медицинских/хирургических вариантах применения. Дополнительные примеры включают в себя обработку нейтральным пучком поверхностей стеклянного, полимерного и керамического лабораторного оборудования для биокультур и/или поверхностей для отбора проб окружающей среды, где такие пучки могут быть использованы для улучшения характеристик поверхностей, например, таких как шероховатость, гладкость, гидрофильность и биосовместимость.

Поскольку исходный GCIB, из которого способами и устройствами согласно вариантам осуществления настоящего изобретения могут быть сформированы ускоренные нейтральные пучки, содержит ионы, он легко ускоряется для желательной энергии и легко фокусируется с использованием стандартных технологий ионных пучков. При последующей диссоциации и отделении заряженных ионов от нейтральных частиц, частицы нейтрального пучка склонны сохранять свои сфокусированные траектории и могут перемещаться на значительные расстояния с хорошим эффектом.

Когда нейтральные газовые кластеры в струе ионизируются в результате электронной бомбардировки, они становятся