JP2002343296A - イオン注入装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】三次元形状の基体に対してもほぼ均一なイオン
注入が可能であり、構成が単純でしかも高エネルギーの
イオン注入が行えるイオン注入装置を提供する。 【解決手段】放電容器と、放電容器を真空に排気する手
段と、放電容器に放電の原料物質を供給する手段と、放
電容器内に放電プラズマを生成するための電源と、前記
放電プラズマからイオンを引き出すための電極及び電源
を有し、前記放電容器が絶縁物を介して取り付けられた
真空容器と、真空容器を真空に排気する手段を備え、基
体にイオンを注入するイオン注入装置において、前記真
空容器内には基体を保持する台と、台を真空容器と絶縁
して保持するためのブッシングと、前記基体に前記真空
容器の電位を基準とした負の電圧を印加するためのバイ
アス電源とを有する構成とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばピストン、
ベアリングなどの自動車部品、バイト、ドリルなどの切
削工具のような基体（ターゲット）にイオンを注入する
ためのイオン注入装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車部品、切削工具では基体にイオン
を注入することによって、基体の耐磨耗性、耐熱性、硬
度などを向上させる試みがなされている。例えばステン
レス鋼からなる基体にチタン又は窒素を注入すると基体
の耐磨耗性や疲労寿命が大幅に改善されることが知られ
ている。

【０００３】従来、基体にイオンを注入する方式として
は、以下に述べる第１及び第２の方式がある。第１の方
式は、注入したい元素を含む原料物質を放電によってプ
ラズマ化し、生成されたプラズマから電界によってイオ
ンを引き出して加速した後、基体と衝突させる方式であ
り、第２の方式は注入したい物質の正イオンを含む放電
プラズマ中に基体を保持し、数十から数百ｋＶの負のパ
ルス電圧を印加する方式であり、以下これらについて説
明する。

【０００４】始めに、第１の方式を使用した従来のイオ
ン注入装置について図面を参照しながら説明する。この
イオン注入装置は例えば吉田清太、他、編「イオン注入
表層改質技術」、サイエンスフォーラム（昭和６２年）
に記載されたものと同様のものである。図８はイオン注
入装置を上面から見たときの断面図である。

【０００５】真空容器１は、円管をほぼＬ字状に折曲し
た形状であって、その一端側にイオン源２、他端側の内
部にはイオンを基体３に注入するための処理室４を備え
た容器であり、図示しない真空排気ポンプによって真空
容器１内を真空に排気するための真空排気口５を有して
いる。

【０００６】更に、イオン源２と処理室４の中間にはイ
オン源２から引き出されたイオンビーム６を荷電粒子の
磁場中におけるラーマー半径の差を利用して質量分析し
た後、処理室４に導くための偏向電磁石７が据え付けら
れ、図８中の紙面に垂直で表側に向かう向きに磁場が印
加されている。

【０００７】また、処理室４と偏向電磁石７の間の真空
容器１内には、図示しない静電偏向電源によってイオン
ビームの軌道を図中のｙ方向に掃引するための静電偏向
板８ａ及びｘ方向に掃引するための静電偏向板８ｂが設
置されている。

【０００８】イオン源２は、数段の絶縁カラム９を介し
て真空容器１と接続されており、イオン源２には加速電
源１０により接地電位に対して数１０ｋＶから数１００
ｋＶ程度の電圧が供給されている。イオン源２は円筒型
の放電容器１１と、生成された放電プラズマ１２からイ
オンを引き出すための、第１の電極１４及び第１の電極
１４とは絶縁カラム９で互いに離隔され電極に穿孔され
た引き出し孔１３ａ及び１３ｂの互いの中心線が一致す
るように設置された第２の電極１５からなる。

【０００９】第１の電極１４と第２の電極１５には放電
プラズマからイオンを引き出すための引き出し電源１６
が接続されている。

【００１０】放電容器１１の外周には隣合う磁石の極性
が交互に変化するようにリング形状の永久磁石１７ａ、
１７ｂが設置されており、図８に示すような磁力線（マ
ルチラインカスプ閉じ込め磁場）１８ａが形成されてい
る。更に放電容器１１の上部にはガス導入口１９が設置
され、内部にはフィラメント２０が配設されている。フ
ィラメント２０にはフィラメント２０を加熱するための
フィラメント電源２１が接続されており、フィラメント
２０と放電容器１１には放電容器１１を陽極、フィラメ
ント２０を陰極とする放電を起こすためのアーク電源２
２が接続されている。

【００１１】なお、イオン源２から引き出されたイオン
ビーム６が発散しないよう収束用レンズ電極２３が複数
個設置されており、各レンズ電極２３に接続された抵抗
２４による抵抗分割によって加速電源１０から収束電界
又は加速電界が印加されている。

【００１２】次に、図８に示す従来のイオン注入装置に
おける基本動作を説明する。まず、真空排気口５を用い
て図示しない真空排気ポンプにより真空容器１及びイオ
ン源２を真空に排気する。その状態でガス導入口１９か
ら放電の原料ガスを放電容器１１に供給するとともに、
フィラメント電源２１によってフィラメント２０を加熱
して熱電子を放出させ、フィラメント２０が十分高温に
なった状態でアーク電源２２からアーク電圧を供給す
る。

【００１３】このような手順で放電容器１１内に放電プ
ラズマ１２が生成されると共に磁力線１８によって閉じ
込められる。この状態で引き出し電源１６により第１の
電極１４が正、第２の電極１５が負となるような電圧を
印加し、イオンビーム６を放電プラズマ１２から引き出
す。引き出されたイオンビーム６は加速電源１０から各
レンズ電極２３に供給される電位によって発散を抑制さ
れつつ加速され、偏向電磁石７に到達する。

【００１４】イオンビーム６は所定の磁場強度に調整さ
れた空間を通過する際に軌道を曲げられ、注入イオンビ
ーム６ａと不純物イオンビーム６ｂとに弁別された後、
注入イオンビーム６ａのみが静電偏向板８ａ、８ｂを通
って、処理室４に到達し、基体３に照射されることにな
る。静電偏向板８ａ、８ｂは注入イオンビーム６ａが基
体３上の一ヶ所に留まらないようにビームを上下左右に
掃引させる働きをする。

【００１５】次に、第２の方式を使用した従来のイオン
注入装置について説明する。第２の方式は、参考文献：
J.R.Conrad,et.al.,"Plasma source ion-implantation
technique for surface modification of materials",
J.Appl.Phys 62(11),1987,pp.4591-4596）に開示されて
いるもので、このイオン注入方式はPSII(Plasma Source
Ion Implantation)またはPIII(Plasma Immersion Ion
Implantation)という略称で呼ばれている。

【００１６】以下、従来のPSII装置について図面を参照
しながら説明する。このPSII装置は例えば米国特許4764
394などに記載されたものと同様のものである。図９はP
SII装置を上面から見たときの断面図である。真空容器
１Ａは概ね円筒形状であり、図示しないガス源から真空
容器１Ａ内に放電ガスを導入するガス導入口１９及び図
示しない真空排気ポンプにより真空容器１Ａ内を真空に
排気するための真空排気口５が設置されている。真空容
器１Ａの外壁には複数の角棒状の永久磁石１７ｃが互い
に平行に配設される。なお、永久磁石１７ｃは放電容器
１１の外壁に直角な方向に着磁され、隣接する磁石同士
の極性が互いに異なって配設される。

【００１７】このように永久磁石１７ｃを配設すること
により、真空容器１Ａの内壁全面を覆う磁力線１８bが
形成される。また、真空容器１Ａの壁面を陽極とするこ
とに対し、陰極となるフィラメント２０が配設される。
更に、真空容器１Ａ内にはイオンを注入する基体（ター
ゲット）３を保持するための金属製の基体保持台２５が
ブッシング２６を介して真空容器１Ａとは電位的に絶縁
されて設置される。

【００１８】真空容器１Ａにはフィラメント２０に通電
するための図示しないフィラメント電源と、真空容器壁
面を陽極、フィラメント２０を陰極とする放電を起こす
ための図示しないアーク電源からなる放電電源ユニット
３１が接続されている。基体３には高圧ケーブル２７及
びブッシング２６を経由して高電圧電源２８からパルス
状の高電圧が印加される。

【００１９】このような構成からなる図９の従来のイオ
ン注入装置（PSII装置）の動作について説明する。即
ち、真空排気口５を用いて予め真空状態にしておいた真
空容器１Ａ内にガス導入口１９から基体３に注入したい
物質のガス（窒素、酸素など）を供給しておき、放電電
源ユニット３１のフィラメント電源によってフィラメン
ト２０に通電して加熱し、熱電子を発生させる。

【００２０】次に放電電源ユニット３１によりフィラメ
ント２０と真空容器１Ａとの間に放電を発生させて放電
プラズマ１２を生成する。そしてイオンを注入する基体
３を載せた基体保持台２５には高電圧電源２８が接続さ
れておりプラズマの生成とは独立に真空容器１Ａに対し
てパルス幅がおよそ数十マイクロ秒、大きさが数十から
数百ｋＶ程度の負のパルス電圧が印加される。

【００２１】基体３に負の電圧が印加されると基体を取
り囲んだプラズマ中にシースが成長し電子が基体から遠
ざけられ、逆にイオンが基体方向に加速されて、イオン
が基体３に注入されることになる。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】以上述べた第１の方式
では、上記のような方法で基体３にイオンを注入する場
合、イオン源２及びイオン源２に付随する電源などの付
属機器を加速電源の高電位側と同電位である数１０から
数１００ｋＶに保持しなければならない。

【００２３】そのためには、図８に示す通りイオン源２
を複数段の絶縁カラム９を積み重ねた上で真空容器１に
保持すると共に、イオン源２に付随する機器全体を、図
示しない絶縁碍子などを用いて十分な絶縁を確保したテ
ーブルなどに載せるなどの処置が必要であり、その電位
が数１０ｋＶから数１００ｋＶということで各機器の絶
縁を確保するためのスペース、並びに絶縁破壊が発生し
た場合に各機器を保護するための安全装置などが非常に
大掛かりなものになるという問題があった。

【００２４】更に、イオン源２から引き出したイオンビ
ーム６を偏向電磁石７で弁別した後、基体３に導くとい
う構成になっているため、大面積又は大強度のイオンビ
ーム６の輸送は実質的には不可能であり、イオンビーム
６の輸送距離が長くなることによってビームが輸送中に
失われ、基体３に到達するイオンビーム６の強度が下が
る、静電偏向板８ａ，８ｂで掃引しなければ大面積の基
体３を処理できないなどの問題があった。

【００２５】また、第２の方式で基体３にイオンを注入
するためには基体３を取り巻く放電プラズマ１２を生成
し、かつ基体３に数十から数百ｋＶ程度の負のパルス電
圧を印加しなければならないため、基体３を取り巻く放
電プラズマ１２と基体３との間で放電破壊が発生する場
合が多々あることが知られている。そのような場合放電
エネルギーが放電破壊の発生部に集中するため、局所的
な溶融や欠損など基体が破損するおそれがあり、このよ
うな現象は特に曲率の大きい基体で顕著である。

【００２６】そこで、本発明では第１の目的は、三次元
形状の基体に対してもほぼ均一なイオン注入が可能であ
り、構成が単純でしかも高エネルギーのイオン注入が行
えるイオン注入装置を提供することであり、第２の目的
は曲率の大きな三次元形状の基体に対しても絶縁破壊を
抑制しながらイオン注入を行うことが可能であるイオン
注入装置を提供することである。

【００２７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、請求項１に対応する発明は、放電容器と、該放電容
器を真空に排気する手段と、該放電容器に放電の原料物
質を供給する手段と、該放電容器内に放電プラズマを生
成するための電源と、前記放電プラズマからイオンを引
き出すための電極及び電源を有し、前記放電容器が絶縁
物を介して取り付けられた真空容器と、該真空容器を真
空に排気する手段を備え、基体にイオンを注入するイオ
ン注入装置において、前記真空容器内には前記基体を保
持する台と、該台を前記真空容器と絶縁して保持するた
めのブッシングと、前記基体に前記真空容器の電位を基
準とした負の電圧を印加するためのバイアス電源とを有
することを特徴とするイオン注入装置である。

【００２８】前記目的を達成するため、請求項２に対応
する発明は、前記放電容器からは数１００から数ｋｅＶ
のエネルギーのビームを引き出し、前記基体には前記真
空容器の電位を基準とした数１０ｋＶから１００ｋＶの
パルス又は連続の負の電圧を印加することを特徴とする
請求項１に記載のイオン注入装置である。

【００２９】前記目的を達成するため、請求項３に対応
する発明は、前記放電容器からビームをパルス的に引き
出すと共に、前記基体には前記真空容器の電位を基準と
した負の電圧を連続的に印加することを特徴とする請求
項１に記載のイオン注入装置である。

【００３０】前記目的を達成するため、請求項４に対応
する発明は、前記放電容器内からビームをパルス的に引
き出すと共に、前記基体には前記真空容器の電位を基準
とするビームパルスに同期した負のパルス状の電圧を印
加することを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装
置である。

【００３１】請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記
載の発明によれば、イオン注入を行う基体に負の高電圧
を印加することにより、イオン源から引き出した数ｋｅ
Ｖ程度の低エネルギーイオンを用いて数１０ｋｅＶから
１００ｋｅＶ程度のエネルギーのイオン注入処理が行え
るため、イオン源及びイオン源に付随する電源などの付
属機器の電位を低く抑えることにより各機器の絶縁を確
保するためのスペースを小さくできる上、イオン源の動
作に起因する絶縁破壊の発生頻度の減少、絶縁破壊が発
生した場合に各機器を保護するための安全装置の単純化
を行うことができる。

【００３２】更に、請求項１乃至請求項４のいずれか一
つに記載の発明によれば、イオン源が基体を直視できる
位置に設置されており、イオンビームの輸送距離も短い
ため大面積のビームを使用することによりビームの掃引
無しで大型の基体を一括して処理できるため処理時間を
短縮するなどの効果を有する。

【００３３】前記目的を達成するため、請求項５に対応
する発明は、前記基体に金属イオンを注入する場合にお
いて、前記基体を保持する台が基体に注入される金属を
主成分とすることを特徴とする請求項１に記載のイオン
注入装置である。

【００３４】前記目的を達成するため、請求項６に対応
する発明は、前記放電の原料物質としてアルゴン、キセ
ノンなど質量数の大きい希ガスを混合することを特徴と
する請求項１に記載のイオン注入装置である。

【００３５】前記目的を達成するため、請求項７に対応
する発明は、前記基体にイオンを注入することによって
該基体にTiN、TiAlN、TiCN、CrN、TiCrNのコーティング
を行う場合において前記放電の原料物質として窒素ガス
を用い、前記基体を保持する台をチタン、クロム、アル
ミニウム、炭素を主成分とする金属又は、それらの合金
で構成することを特徴とする請求項５又は請求項６に記
載のイオン注入装置である。

【００３６】請求項５乃至請求項７のいずれか一つに記
載の発明によれば、金属イオンを基体に注入する場合に
おいて、基体に注入される金属を主成分とする材質から
なる基体保持台を用いたことにより基体保持台にイオン
ビームが衝突して金属粒子がスパッタリングされる場合
でも基体への不純物混入を抑制することが可能となる。

【００３７】また請求項５乃至請求項７のいずれか一つ
に記載の発明によれば、窒素イオンビームとチタン、ク
ロム、アルミニウムまたはそれらの合金からなる基体保
持台とを組み合わせてイオン注入処理を行うことにより
硬質膜であるTiN、TiAlN、TiCN、CrN、TiCrNなどのコー
ティングを行えるなどの効果を有する。

【００３８】前記目的を達成するため、請求項８に対応
する発明は、真空容器と、該真空容器を真空に排気する
手段と、該真空容器に放電の原料物質を供給するための
手段と、該真空容器内に放電プラズマを生成する手段を
有し、前記真空容器内には基体を保持する台と、該台を
該真空容器と絶縁して保持するためのブッシングと、前
記基体に前記真空容器の電位を基準とした負の電圧を印
加するためのバイアス電源とを備え、前記基体を取り囲
むプラズマを生成して基体にイオンを注入するイオン注
入装置において、曲率の大きな前記基体にイオンを注入
する際に、該基体を曲率が小さくなるように配置して処
理することを特徴とするイオン注入装置である。

【００３９】前記目的を達成するため、請求項９に対応
する発明は、前記曲率の大きな基体にイオンを注入する
際に、該基体を曲率が小さくなるように配置して処理す
ることを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置で
ある。

【００４０】前記目的を達成するため、請求項１０に対
応する発明は、前記曲率の大きな基体にイオンを注入す
る際に、該基体を曲率が小さくなるように配置して処理
する場合において、その近傍に前記基体よりも更に曲率
の大きな基体を保持することを特徴とする請求項１又は
請求項８に記載のイオン注入装置である。

【００４１】請求項８乃至請求項１０のいずれか一つに
記載の発明によれば、曲率の大きな基体にイオンを注入
する際に、単一又は複数個の基体を曲率が小さくなるよ
うに配置することにより、個々の基体を単独で処理しよ
うとすると基体を取り囲む放電プラズマと基体間で絶縁
破壊が発生してしまうような場合においても、基体保持
台の形状と組み合わせるか又は複数個の基体について曲
率の大きい部分同士を組み合わせて配置して一体に束
ね、基体近傍の電界を緩和することによって絶縁破壊を
抑制しながらイオン注入を行えるようになるなどの効果
を有する。

【００４２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態を説明する。

【００４３】図１は、本発明に係るイオン注入装置の第
１の実施形態を示す断面図である。この実施形態のイオ
ン注入装置では、円筒型の真空容器１の側面に円筒型の
イオン源２が設置され、イオン源２は基体３を直視でき
る位置に設置されており、真空容器１の内部にはイオン
を注入する基体（ターゲット）３を保持するための基体
保持台２５が設置されており、基体３は真空容器１の底
面に貫通固定されたブッシング２６と、この内部導体と
電気的に接続する高圧ケーブル２７を介してバイアス電
源を構成する例えば高電圧電源２８と接続されている。

【００４４】また真空容器１の側面には図示しない真空
排気ポンプによって真空容器１及び放電容器１１内を真
空に排気するための真空排気口５が設置されている。イ
オン源２の放電容器１１には、生成された放電プラズマ
１２からイオンを引き出して加速するための第１の電極
１４、第２の電極１５及び第３の電極２９が絶縁カラム
９で互いに離隔され、且つ電極１４，１５，２９に穿孔
された複数の引き出し孔１３ａ、１３ｂ及び１３ｃの互
いの中心線が一致するように設置されている。

【００４５】第３の電極２９は接地電位に置かれた真空
容器１に接続されており、加速電源１０によって、第１
の電極１４がプラス側、第３の電極２９がマイナス側に
なるような電位が印加され、更に減速電源３０によって
第２の電極１５がマイナス側、第３の電極２９がプラス
側になるような電位が印加されている。放電容器１１の
外周には隣合う磁石の極性が交互に変化するようにリン
グ形状の永久磁石１７ａ、１７ｂが設置されており、こ
れにより図１に示すようにマルチラインカスプ閉じ込め
磁場（磁力線）１８ａが形成されるようになっている。

【００４６】更に、放電容器１１の上部にはガス導入口
１９が設置され、内部にはフィラメント２０が配設され
ている。フィラメント２０にはフィラメント２０を加熱
するためのフィラメント電源２１が接続されており、フ
ィラメント２０と放電容器１１には放電容器１１を陽
極、フィラメント２０を陰極とする放電を起こすための
アーク電源２２が接続されている。

【００４７】上記のような第１の実施形態のイオン注入
装置における基本動作を説明する。まず、真空排気口５
を用いて図示しない真空排気ポンプにより真空容器１及
び放電容器１１内を真空に排気する。その状態でガス導
入口１９から放電の原料ガスを放電容器１１に供給する
とともに、フィラメント電源２１によってフィラメント
２０を加熱して熱電子を放出させ、フィラメント２０が
十分高温になった状態でアーク電源２２からフィラメン
ト２０がマイナス側、放電容器１１がプラス側になるよ
うなアーク電圧を供給する。

【００４８】このような手順で放電容器１１内に放電プ
ラズマ１２が形成され、放電容器１１の外周に設置され
ている永久磁石１７ａ、１７ｂのつくるマルチカスプ磁
場１８ａによって閉じ込められる。なお放電プラズマの
生成はパルス状又は定常連続のどちらでも可能である。

【００４９】放電プラズマ１２が生成された状態で加速
電源１０及び減速電源３０により、第１の電極１４、第
２の電極１５、第３の電極２９に電圧を印加する。この
場合加速電源１０によって第１の電極１４に印加される
電圧は例えば接地電位に対してプラス数１００Ｖから数
ｋＶ程度であり、減速電源３０によって第２の電極１５
に印加される電圧は接地電位に対してマイナス数１００
Ｖ程度である。放電プラズマ１２中のイオンは第１の電
極１４と第２の電極１５間の電界によって引き出し孔１
３ａから引き出されて加速され引き出し孔１３ｂに到達
する。

【００５０】更に第２の電極１５と第３の電極２９間の
電界により減速されながら引き出し孔１３ｃを通り、イ
オンビーム６となって真空容器１内に導かれる。第２の
電極１５は真空容器１内でイオンビーム６と残留ガスと
の衝突によって生成されるビームプラズマ中の電子が放
電容器１１の方向に加速されて逆流するのを防ぐための
静電障壁をつくる役割を果たす。

【００５１】この状態で高電圧電源２８から高圧ケーブ
ル２７、ブッシング２６及び基体保持台２５を通して基
体１０に、真空容器１に対して負の電圧を印加する。こ
の場合の電圧の大きさは例えば接地電位に対してマイナ
ス数１０ｋＶから１００ｋＶ程度である。基体３の方向
に進んできたイオンビーム６は基体３の表面にほぼ垂直
な向きに再加速され数１０ｋＶから１００ｋＶのエネル
ギーで基体３に注入されることになる。放電容器１１か
ら引き出された時イオンのエネルギーに比べて基体３に
は大きな負の電位が印加されているため、イオンビーム
６が基体３の方向に持っている速度成分の影響は小さく
三次元形状の基体３に対してもほぼ均一なイオン注入が
可能となる。

【００５２】本実施形態では、放電プラズマ１２から引
き出される際のイオンのエネルギーが数１００Ｖ〜数ｋ
Ｖ程度と低いため、イオン源２及びイオン源２に付随す
るフィラメント電源２１及びアーク電源２２、図示しな
い原料ガス導入装置及びそれらの制御装置などの付属機
器の電位は、真空容器１に対して数１００Ｖから数ｋＶ
程度高電位になるに過ぎず、各機器の絶縁を確保するた
めのスペースを小さくできる上、イオン源２の動作に起
因する絶縁破壊の発生頻度の減少、絶縁破壊が発生した
場合に各機器を保護するための安全装置の単純化を行う
ことができる。

【００５３】以上述べた第１の実施形態によれば、イオ
ン注入を行う基体３に負の高電圧を印加することによ
り、イオン源２から引き出した数ｋｅＶ程度の低エネル
ギーイオンを用いて数１０ｋｅＶから１００ｋｅＶ程度
のエネルギーのイオン注入処理が行える。このため、イ
オン源２及びイオン源２に付随する電源などの付属機器
の電位を低く抑えることにより、各機器の絶縁を確保す
るためのスペースを小さくできる上、イオン源２の動作
に起因する絶縁破壊の発生頻度の減少、絶縁破壊が発生
した場合に各機器を保護するための安全装置の単純化を
行うことができる。

【００５４】更に、イオン源２が基体３を直視できる位
置に設置されており、イオンビームの輸送距離も短いた
め大面積のビームを使用することによりビームの掃引無
しで大型の基体を一括して処理できるため処理時間を短
縮するなどの効果を有する。

【００５５】なお、上記の実施形態ではイオン源２を真
空容器１に一個設置した場合について記載したが、イオ
ン源２を複数個設置した場合にも同様の効果が期待でき
る。

【００５６】次に、第２の実施形態について説明する。
図２は図１中に記載されたイオン源２及び高電圧電源２
８の運転状況の時間変化を示した図面である。図２
（ａ）はイオン源２の運転状況、図２（ｂ）は高電圧電
源２８の運転状況を表しており、イオン源２からビーム
をパルス的に引き出すと共に、基体３には真空容器１の
電位を基準とした負の電圧を連続的に印加するように構
成したものである。

【００５７】すなわち、第１の実施形態と同様の方法に
より放電容器１１中に放電プラズマ１２を定常的に生成
しておき、加速電源１０及び減速電源３０による第１の
電極１４、第２の電極１５への電圧印加を時間変調する
ことにより図２（ａ）に示すようなビーム出力を得る。
基体３には図２（ｂ）で示されているように定常電圧が
印加されており、イオンビーム６がイオン源２からパル
ス的に発生している時間だけ基体３にはイオンが注入さ
れることになる。すなわち図２（ａ）に示すイオン源２
からのビーム出力のパルスの幅又は周波数を変えること
によって単位時間当たりに基体３に注入されるイオンの
量を調整することが可能となり、イオン注入処理中に問
題となる基体温度の上昇を抑える効果が期待できる。

【００５８】次に、第３の実施形態について説明する。
図３は図１中に記載されたイオン源２及び高電圧電源２
８の運転状況の別の実施形態に関する時間変化を示した
図面である。図３（ａ）はイオン源２の運転状況、図３
（ｂ）は高電圧電源２８の運転状況を表しており、イオ
ン源２からビームをパルス的に引き出すと共に、基体３
には真空容器１の電位を基準として前記ビームパルスに
同期した負のパルス状の電圧を印加するように構成した
ものである。

【００５９】すなわち、第１の実施形態と同様の方法に
より放電容器１１中に放電プラズマ１２を定常的に生成
しておき、加速電源１０及び減速電源３０による第１の
電極１４、第２の電極１５への電圧印加を時間変調する
ことにより図３（ａ）に示すようなビーム出力を得る。

【００６０】基体３には図３（ｂ）で示されているよう
にビームパルスに同期した負のパルス状の電圧が印加さ
れており、イオンビーム６がイオン源２からパルス的に
発生している時間だけ基体３にはイオンが注入されるこ
とになる。すなわち図３（ａ）に示すイオン源からのビ
ーム出力のパルスの幅又は周波数とそれに同期した図３
（ｂ）に示す高電圧電源の出力のパルスの幅又は周波数
を変えることによって第２の実施形態と同様に単位時間
当たりに基体１０に注入されるイオンの量を調整するこ
とが可能となり、イオン注入処理中に問題となる基体温
度の上昇を抑える効果が期待できる。

【００６１】また、基体３への電圧印加がパルス的にな
るため、ブッシング２６の耐電圧条件が緩和されると共
に、高電圧電源２８の構成も単純にすることができ、装
置を安価でより信頼性の高いものにできるなどの効果が
期待できる。

【００６２】次に、第４の実施形態について説明する。
本実施形態では金属イオンを基体に注入する場合におい
て、図１の基体保持台２５として基体３に注入される金
属を主成分とする材質を用いるようにしたものである。

【００６３】基体３にイオンを注入する際、基体保持台
２５にも負の電位が印加されているためイオンビームは
基体保持台２５とも衝突して金属粒子をスパッタリング
する。通常、基体保持台２５にはステンレス鋼などが用
いられており、構成原子はプラズマ化して基体３に注入
されるか、中性粒子という形のまま基体３に付着し不純
物として処理基体の品質を下げるという問題があった。
このような構成とすることによって基体３への不純物混
入を抑制することが可能となる。

【００６４】次に第５の実施形態について説明する。本
実施形態では前術の第４の実施形態において、イオン源
２で生成する放電プラズマの原料ガスにアルゴン、キセ
ノンなど質量数の大きい希ガスを混合するように構成し
たものである。このような構成とすることにより、アル
ゴン又はキセノンなどがイオン化され、注入イオンと共
にビームとして引き出されて加速される。

【００６５】アルゴン又はキセノンのイオンビームはス
パッタ率が大きいため、基体保持台２５と衝突する一部
のイオンは基体保持台２５の材質を効率よくスパッタし
て蒸気化、プラズマ化しそれらの金属イオンは基体３に
も注入されることになる。なおアルゴン又はキセノンの
イオンは基体３にも同様に注入されることになるが、基
体３中への残留量は少なく、基体３の品質を下げるよう
な悪影響を及ぼすことはない。すなわち基体３の品質を
下げることなく注入される原料金属イオンの供給量を増
やす効果が期待できる。

【００６６】次に第６の実施形態について説明する。本
実施形態では基体にイオンを注入することによって図１
に示す基体３にTiN、TiAlN、TiCN、CrN、TiCrNのコーテ
ィングを行う場合において、放電の原料ガスとして窒素
ガスを用い、基体３を保持する台をチタン、クロム、ア
ルミニウム、炭素などを主成分とする金属で構成するよ
うにしたものである。

【００６７】このような構成とすることによって、イオ
ン源２からはＮ^＋、Ｎ_２ ^＋がビームとして供給され、基
体３に注入される過程と並行してこれらのイオンビーム
６は基体保持台２５とも衝突し、基体保持台２５の構成
金属原子をスパッタリングする。スパッタされた金属原
子は蒸気化、プラズマ化され基体３にも注入され、基体
３中でＮ^＋、Ｎ_２ ^＋と反応するため上記各種のコーティ
ング膜の形成が期待できる。また基体保持台２５の組成
を変えることによってコーティング膜の種類を変えるこ
とが可能となる。

【００６８】図４（ａ），（ｂ）はいずれも第６の実施
形態のうち、例えば単一の切削用バイトの異なる例につ
いて基体部分のみを拡大した部分断面図、図５（ａ）及
び（ｂ）は切削用バイトの形状を表す平面図及び正面図
である。なお本実施形態の他の構成部分については図９
に示されたＰＳＩＩ装置と同じであるため、記述を省略
する。図５に示す切削用バイト３２のうち実際に切削対
象となる金属と接触するのは鋭利なエッジを持った図中
のＣの部分である。

【００６９】図４（ａ）は図５中のＡの部分を基体保持
台２５に密着させて置きイオン注入を行う場合を示して
いる。また図４（ｂ）は同じく図５中のＢの部分を切削
用バイトの形状に合わせた溝を形成した基体保持台２５
に密着させて置き、イオン注入を行う場合を示してい
る。

【００７０】図４及び図５に示すイオン注入装置におけ
る基本動作については、図９のＰＳＩＩ装置の動作と同
じであり、記述を省略するが、本実施形態ではバイトに
負の高電圧を印加してイオン注入処理を行う際、図中の
Ｃの部分が基体保持台２５と一体となることによって切
削用バイトが単一の場合より電界集中が緩和され放電プ
ラズマとバイトの間で発生する絶縁破壊が抑制される効
果を期待できる。

【００７１】図６は第６の実施形態のうち例えば２個の
切削バイトを用いる場合について基体部分のみを拡大し
た部分断面図である。なお本実施形態の他の構成部分に
ついては図９に示されたＰＳＩＩ装置と同じであるた
め、記述を省略する。図６（ａ）は２個の切削用バイト
を図５中のＤの部分を密着させて配置し、その形状に合
わせて溝を形成した基体保持台２５に置きイオン注入を
行う場合を示している。また図６（ｂ）は同じく２個の
切削用バイトを図５中のＡの部分を密着させて配置して
基体保持台２５に置き、イオン注入を行う場合を示して
いる。上記のようなイオン注入装置における基本動作に
ついては前記ＰＳＩＩ装置の動作と同じであり、記述を
省略するが、本実施形態においてもバイトに負の高電圧
を印加してイオン注入処理を行う際、２個の切削用バイ
トの図中のＣの部分が一体となることによって切削用バ
イトが単一の場合より電界集中が緩和され放電プラズマ
とバイトの間で発生する絶縁破壊が抑制される効果を期
待できる。

【００７２】なお本実施形態では単一の切削用バイトと
基体保持台の組み合わせ方及び２個の切削用バイトの組
み合わせ方についての例を記載したが、同様の趣旨で別
の組み合わせ方をする場合乃至さらに複数の切削用バイ
トあるいは他の基体を用いた組み合わせの場合にも同様
の効果を発揮できることは言うまでもない。

【００７３】次に第７の実施形態について説明する。図
７は第７の実施形態のうち例えば２個の切削バイトを用
いる場合について基体部分のみを拡大した部分図であ
る。なお本実施形態の他の構成部分については図９に示
されたＰＳＩＩ装置と同じであるため、記述を省略す
る。本実施形態では２個の切削用バイト３２を図６
（ｂ）に示すように組み合わせて基体保持台２５上に置
き、更にこれら２個の切削用バイトを組み合わせたもの
よりも更に曲率の大きい金属製のダミー基体３３を同じ
く基体保持台２５上に設置したものである。

【００７４】上記のようなイオン注入装置における基本
動作については前記ＰＳＩＩ装置の動作と同じであり、
記述を省略するが、本実施形態においては組み合わせて
置かれた切削用バイトの近傍にそれよりも更に曲率の大
きい金属製のダミー基体３３が設置されているため基体
保持台に負の高電圧を印加してイオン注入処理を行う
際、２個の切削用バイトの図５中のＣの部分が一体とな
ることによって切削用バイトが単一の場合より電界集中
が緩和され放電プラズマとバイトの間で発生する絶縁破
壊が抑制される効果に加え、仮に絶縁破壊が発生する場
合でも曲率が大きいダミー基体３３の方に集中して起こ
るため切削用バイトの方は保護されることが期待でき
る。

【００７５】なお、本実施形態では２個の切削用バイト
の組み合わせ方についての例を記載したが、単一の切削
用バイトを用いる場合乃至さらに複数の切削用バイトを
用いた組み合わせあるいは他の基体を用いた場合にも同
様の効果を発揮できることは言うまでもない。

【００７６】

【発明の効果】以上述べた本発明によれば、三次元形状
の基体に対してもほぼ均一なイオン注入が可能であり、
構成が単純でしかも高エネルギーのイオン注入が行える
イオン注入装置を提供することができ、また曲率の大き
な三次元形状の基体に対しても絶縁破壊を抑制しながら
イオン注入を行うことが可能であるイオン注入装置を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係るイオン注入装置
を示す断面図。

【図２】本発明の第２の実施形態に係るイオン注入装置
のうちイオン源及び高電圧電源の運転状況の時間変化を
示す図。

【図３】本発明の第３の実施形態に係るイオン注入装置
のうちイオン源及び高電圧電源の運転状況の時間変化を
示す図。

【図４】本発明の第６の実施形態に係るイオン注入装置
のうち単一の切削用バイトを用いる場合について基体部
分のみを拡大した部分図。

【図５】切削用バイトの形状を示す図。

【図６】本発明の第６の実施形態に係るイオン注入装置
のうち２個の切削用バイトを用いる場合について基体部
分のみを拡大した部分図。

【図７】本発明の第７の実施形態に係るイオン注入装置
のうち２個の切削用バイトを用いる場合について基体部
分のみを拡大した部分図。

【図８】従来のイオン注入装置の第１の例を上面から見
た断面図。

【図９】従来のイオン注入装置の第２の例を上面から見
た断面図。

【符号の説明】

１，１Ａ…真空容器、２…イオン源、３…基体、４…処
理室、５…真空排気口、６…イオンビーム、６ａ…注入
イオンビーム、６ｂ…不純物イオンビーム、７…偏向電
磁石、８ａ、８ｂ…静電偏向板、９…絶縁カラム、１０
…加速電源、１１…放電容器、１２…放電プラズマ、１
３ａ、１３ｂ、１３ｃ …引き出し孔、１４…第１の電
極、１５…第２の電極、１６…引き出し電源、１７ａ、
１７ｂ…永久磁石、１８ａ，１８ｂ…磁力線、１９…ガ
ス導入口、２０…フィラメント、２１…フィラメント電
源、２２…アーク電源、２３…レンズ電極、２４…抵
抗、２５…基体保持台、２６…ブッシング、２７…高圧
ケーブル、２８…高電圧電源、２９…第３の電極、３０
…減速電源、３１…放電電源ユニット、３２…切削用バ
イト、３３…ダミー基体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 野田 悦夫 神奈川県川崎市川崎区浮島町２番１号 株 式会社東芝浜川崎工場内 (72)発明者 斉藤 武志 福島県いわき市好間工業団地11番地１号 東芝タンガロイ株式会社いわき工場内 (72)発明者 渡邊 敏行 福島県いわき市好間工業団地11番地１号 東芝タンガロイ株式会社いわき工場内 (72)発明者 関 克彦 福島県いわき市好間工業団地11番地１号 東芝タンガロイ株式会社いわき工場内 Ｆターム(参考） 4K029 AA02 AA21 BA32 BD04 BD05 CA10 CA13 DE02 EA09 5C030 DD06 DE01 DE04 DE05 DE09 5C034 AA01 AA02 AB01 AB04 AB07 CC01 CC07 CC11 CC19 CD02

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 放電容器と、該放電容器を真空に排気す
   る手段と、該放電容器に放電の原料物質を供給する手段
   と、該放電容器内に放電プラズマを生成するための電源
   と、前記放電プラズマからイオンを引き出すための電極
   及び電源を有し、前記放電容器が絶縁物を介して取り付
   けられた真空容器と、該真空容器を真空に排気する手段
   を備え、基体にイオンを注入するイオン注入装置におい
   て、 前記真空容器内には前記基体を保持する台と、 該台を前記真空容器と絶縁して保持するためのブッシン
   グと、 前記基体に前記真空容器の電位を基準とした負の電圧を
   印加するためのバイアス電源と、 を有することを特徴とするイオン注入装置。
2. 【請求項２】 前記放電容器からは数１００から数ｋｅ
   Ｖのエネルギーのビームを引き出し、前記基体には前記
   真空容器の電位を基準とした数１０ｋＶから１００ｋＶ
   のパルス又は連続の負の電圧を印加することを特徴とす
   る請求項１に記載のイオン注入装置。
3. 【請求項３】 前記放電容器からビームをパルス的に引
   き出すと共に、前記基体には前記真空容器の電位を基準
   とした負の電圧を連続的に印加することを特徴とする請
   求項１に記載のイオン注入装置。
4. 【請求項４】 前記放電容器内からビームをパルス的に
   引き出すと共に、前記基体には前記真空容器の電位を基
   準とするビームパルスに同期した負のパルス状の電圧を
   印加することを特徴とする請求項１に記載のイオン注入
   装置。
5. 【請求項５】 前記基体に金属イオンを注入する場合に
   おいて、前記基体を保持する台が基体に注入される金属
   を主成分とすることを特徴とする請求項１に記載のイオ
   ン注入装置。
6. 【請求項６】 前記放電の原料物質としてアルゴン、キ
   セノンなど質量数の大きい希ガスを混合することを特徴
   とする請求項１に記載のイオン注入装置。
7. 【請求項７】 前記基体にイオンを注入することによっ
   て該基体にTiN、TiAlN、TiCN、CrN、TiCrNのコーティン
   グを行う場合において前記放電の原料物質として窒素ガ
   スを用い、前記基体を保持する台をチタン、クロム、ア
   ルミニウム、炭素を主成分とする金属又は、それらの合
   金で構成することを特徴とする請求項５又は請求項６に
   記載のイオン注入装置。
8. 【請求項８】 前記曲率の大きな基体にイオンを注入す
   る際に、該基体を曲率が小さくなるように配置して処理
   することを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装
   置。
9. 【請求項９】 真空容器と、該真空容器を真空に排気す
   る手段と、該真空容器に放電の原料物質を供給するため
   の手段と、該真空容器内に放電プラズマを生成する手段
   を有し、前記真空容器内には基体を保持する台と、該台
   を該真空容器と絶縁して保持するためのブッシングと、
   前記基体に前記真空容器の電位を基準とした負の電圧を
   印加するためのバイアス電源とを備え、前記基体を取り
   囲むプラズマを生成して基体にイオンを注入するイオン
   注入装置において、曲率の大きな前記基体にイオンを注
   入する際に、該基体を曲率が小さくなるように配置して
   処理することを特徴とするイオン注入装置。
10. 【請求項１０】 前記曲率の大きな基体にイオンを注入
    する際に、該基体を曲率が小さくなるように配置して処
    理する場合において、その近傍に前記基体よりも更に曲
    率の大きな基体を保持することを特徴とする請求項１又
    は請求項８に記載のイオン注入装置。