JP2003308796A - Liquid polyatomic ion beam generator - Google Patents

Liquid polyatomic ion beam generator

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JP2003308796A JP2002110279A JP2002110279A JP2003308796A JP 2003308796 A JP2003308796 A JP 2003308796A JP 2002110279 A JP2002110279 A JP 2002110279A JP 2002110279 A JP2002110279 A JP 2002110279A JP 2003308796 A JP2003308796 A JP 2003308796A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To develop surface reforming, and appreciably stable surface reforming, by controlling chemical properties such as a hydrophilic property and a hydrophobic property, and an addition/substitution reaction. <P>SOLUTION: An ionization part 8 can inject a substance in a liquid phase at ordinary temperature into a vacuum from a small hole to ionize the substance, which is extracted as an ion beam 16, and a mass separator 13 can sort the ionized substance by mass magnitude. The mass-separated ion beam 16, after acceleration and control of acceleration energy, irradiates a surface of a substrate 19 to reform the surface of the substrate 19. The small hole is shaped, for example, into a nozzle 1. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する利用分野】本発明は、常温で液体の有機
化合物から多原子のイオンビームを形成し、基板表面に
照射して表面改質を行うことができる液体多原子イオン
ビーム発生装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a liquid polyatomic ion beam generator capable of forming a polyatomic ion beam from an organic compound which is liquid at room temperature and irradiating the surface of a substrate for surface modification.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、基板表面を改質するために用いら
れるイオンビーム法では、常温で固体や気体の物質がイ
オン発生源の材料として利用されていた。また、従来、
液体の有機化合物をイオンとして利用する場合、質量分
析のために利用されていたので、イオン電流値はナノア
ンぺア程度と極めて少なく、またビーム状に形成されて
いないので、該イオンを基板表面に照射して表面改質を
行うことはできなかった。
2. Description of the Related Art Conventionally, in the ion beam method used for modifying the surface of a substrate, a solid or gaseous substance at room temperature has been used as a material for an ion generating source. In addition, conventionally,
When a liquid organic compound is used as an ion, it has been used for mass spectrometry, so the ion current value is extremely small, on the order of nanoampere, and since it is not formed into a beam, the ion is deposited on the substrate surface. Irradiation could not be done to modify the surface.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】一般に、固体表面の化
学的性質を変える場合、例えば親水性や疎水性を付与す
る場合、親水性の性質をもつ水酸基や疎水性の性質をも
つアルキル基といった特定の化学的性質を持つ原子集
団、すなわち官能基を構成成分とした液体の多原子粒子
を用いて固体表面を洗浄する化学的方法が用いられてい
る。しかし、該粒子による表面洗浄だけでは、固体表面
における該粒子の付着力は弱く、親水性や疎水性の安定
性に欠ける欠点があった。
Generally, when changing the chemical properties of a solid surface, for example, when imparting hydrophilicity or hydrophobicity, it is necessary to specify a hydroxyl group having hydrophilicity or an alkyl group having hydrophobicity. A chemical method of cleaning a solid surface using an atomic group having the chemical property of i.e., a liquid polyatomic particle having a functional group as a constituent component is used. However, only by cleaning the surface with the particles, the adhesion of the particles on the solid surface is weak, and there is a drawback that the stability of hydrophilicity and hydrophobicity is lacking.

【0004】そこで、上記の欠点を除去するために、固
体表面への粒子の入射エネルギーを自由に制御して固体
表面の特性を変えることができるイオンビーム法を用い
なければならなかった。しかし、上記従来のイオンビー
ム法で気体材料を用いる場合、特定の化学的性質を示す
原子集団を構成成分に持った粒子の種類が少ないため、
例えばアルデヒド基やカルボキシル基などの種々の化学
的性質を持つた官能基を付与することができない欠点が
あった。また、固体材料を用いたイオンビーム法の場合
では、該材料が表面に堆積して被覆するために該表面の
特性が失われる欠点があり、さらに液体のような流動性
が無いために、イオン発生源の材料を連続に供給できな
い欠点があった。
Therefore, in order to eliminate the above-mentioned drawbacks, it was necessary to use an ion beam method capable of changing the characteristics of the solid surface by freely controlling the incident energy of particles on the solid surface. However, when a gas material is used in the above conventional ion beam method, there are few kinds of particles having an atomic population showing a specific chemical property as a constituent component,
For example, there is a drawback that functional groups having various chemical properties such as aldehyde groups and carboxyl groups cannot be added. Further, in the case of the ion beam method using a solid material, there is a drawback that the characteristics of the surface are lost because the material is deposited and coated on the surface, and further, there is no fluidity like a liquid, so There is a drawback that the source material cannot be continuously supplied.

【0005】本発明は、上記従来のイオンビーム法に鑑
みてなされたもので、表面の親水性、疎水性あるいは潤
滑性などの化学的性質や付加・置換反応を制御して表面
改質が行え、さらに安定性に優れた表面改質が行える液
体多原子イオンビーム発生装置を提供することを目的と
する。
The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional ion beam method, and can perform surface modification by controlling chemical properties such as hydrophilicity, hydrophobicity or lubricity of the surface and addition / substitution reactions. Another object of the present invention is to provide a liquid polyatomic ion beam generator capable of surface modification with further excellent stability.

【0006】[0006]

【課題を解決する手段】本発明は、常温で液体の物質
で、しかも種々の構造を持つ物質を小孔から真空中に噴
射させ、該物質をイオン化し、生成されたイオンビーム
を質量分離して加速し、該イオンビームの運動エネルギ
ーを制御して基板表面に照射できることを特徴とした液
体多原子イオンビーム発生装置である。
According to the present invention, substances that are liquid at room temperature and have various structures are injected into a vacuum through small holes, the substances are ionized, and the generated ion beam is mass-separated. It is a liquid polyatomic ion beam generator characterized in that it can be accelerated by irradiation to control the kinetic energy of the ion beam to irradiate the surface of the substrate.

【0007】さらに本発明は、該小孔から真空中に噴射
した物質を電子衝撃、あるいは電界放出によってイオン
化できることを特徴とした液体多原子イオンビーム発生
装置である。さらに本発明は、イオン化した物質を質量
の大きさによって選別できる質量分離器を有し、しかも
質量分離されたイオンビームを加速電圧の印加によって
加速し、該加速エネルギーを制御して基板表面に照射
し、該基板の表面改質ができることを特徴とした液体多
原子イオンビーム発生装置である。
Further, the present invention is a liquid polyatomic ion beam generator characterized in that a substance injected into a vacuum through the small holes can be ionized by electron impact or field emission. Furthermore, the present invention has a mass separator capable of selecting an ionized substance according to the size of mass, and further accelerates the ion beam subjected to mass separation by applying an acceleration voltage, and controls the acceleration energy to irradiate the substrate surface. In addition, the liquid polyatomic ion beam generator is characterized in that the surface of the substrate can be modified.

【0008】本発明の液体多原子イオンビーム発生装置
は、真空中あるいは低ガス圧領域で、種々の液体の有機
化合物からイオンビームを生成できるものである。さら
に本発明の液体多原子イオンビーム発生装置は、液体の
有機化合物を真空中に噴射させるノズルの形状が、毛細
状の細管と、該細管の中にニードルを挿入した構造にな
っているのが特徴で、液体の高圧蒸気の噴射によって中
性ビームを形成することや、該ニードルに印加した高電
界によってイオンビームを発生することができるもので
ある。
The liquid polyatomic ion beam generator of the present invention can generate an ion beam from various liquid organic compounds in a vacuum or in a low gas pressure region. Further, in the liquid polyatomic ion beam generator of the present invention, the shape of the nozzle for injecting the liquid organic compound into a vacuum is a capillary tube and a structure in which a needle is inserted into the tube. The feature is that it is possible to form a neutral beam by jetting a high-pressure vapor of a liquid and to generate an ion beam by a high electric field applied to the needle.

【0009】さらに本発明の液体多原子イオンビーム発
生装置は、真空中に噴射した該蒸気の物質を電子衝撃に
よってイオン化できる電離部を有していることを特徴と
したものである。さらに本発明の液体多原子イオンビー
ム発生装置は、イオンビームを質量分離するための電界
と磁界が直交する電磁場を発生できる質量分離器を有し
ており、また該磁界の発生部がネオジウム永久磁石でで
きており、小型で操作が容易で、精度よく質量分離が行
えることを特徴としたものである。
Furthermore, the liquid polyatomic ion beam generator of the present invention is characterized by having an ionization section capable of ionizing the substance of the vapor injected into a vacuum by electron impact. Further, the liquid polyatomic ion beam generator of the present invention has a mass separator capable of generating an electromagnetic field in which an electric field and a magnetic field are orthogonal to each other for mass-separating an ion beam, and the magnetic field generating portion is a neodymium permanent magnet. It is characterized by its compact size, easy operation, and accurate mass separation.

【0010】さらに本発明の液体多原子イオンビーム発
生装置は、化学的性質が異なる液体有機化合物のエタノ
ールおよびデカンのイオンビームをポリカーボネイト基
板にそれぞれ照射し、該基板の表面がエタノールイオン
では親水性、デカンイオンでは疎水性にすることができ
るものである。
Furthermore, the liquid polyatomic ion beam generator of the present invention irradiates the polycarbonate substrate with ion beams of ethanol and decane, which are liquid organic compounds having different chemical properties, and the surface of the substrate is hydrophilic with ethanol ions. Decane ions can be made hydrophobic.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】次に、図面を参照しながら、本発
明の実施の形態について、具体的且つ詳細に説明する。
この発明の実施形態では、真空中に噴射したアルコー
ル、アセトンあるいはデカンなどの高圧蒸気の物質を電
子衝撃によってイオン化し、引き出したイオンビームを
電界と磁界が直交する電磁場で質量分離し、該質量分離
されたイオンビームを加速してシリコンやポリカーボネ
イトの基板表面に照射できる液体多原子イオンビーム発
生装置について示している。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Next, embodiments of the present invention will be described specifically and in detail with reference to the drawings.
In the embodiment of the present invention, a substance of high-pressure vapor such as alcohol, acetone, or decane injected in a vacuum is ionized by electron impact, and the extracted ion beam is mass-separated in an electromagnetic field in which an electric field and a magnetic field are orthogonal to each other, and the mass separation is performed. A liquid polyatomic ion beam generator capable of accelerating the generated ion beam to irradiate the surface of a substrate of silicon or polycarbonate is shown.

【0012】第1図は、液体多原子イオンビーム発生装
置の概略図を示すもので、有機化合物などの液体材料が
真空中に噴射されるノズル1の形状は、ステンレスで加
工された毛細状の細管2と、該細管の中にステンレス製
のニードル3を挿入した構造になっている。アルコール
やアセトンなどのように、常温での蒸気圧が数十Tor
r〜数百Torrの高い圧力が容易に得られる液体材料
では、該細管2とニードル3との間隙を通過して真空中
に蒸気として噴射させることができる。また、トリデカ
ンなどのように蒸気圧が低い液体材料では、該ニードル
3の先端に液体を供給し、電界放出によるイオン化によ
って、該材料の液体イオンが放出できる。該ニードル3
の先端は該細管2の先端より1mm〜3mm長くなって
おり、該先端の長さは該ニードル3を交換することによ
って、自由に変えられる。該ニードル3が挿入された毛
細状の細管2は、ステンレスで作られたパイプ4に取り
付けられており、該パイプ4は真空の外に設けられた液
体供給用メスシリンダーに接続されている。さらに、該
パイプ4に液体材料を導入する部材は、X軸、Y軸、Z
軸の3軸方向にそれぞれ独立に可動できるステージ5に
搭載されており、マイクロメーター6を用いて、それぞ
れX軸、Y軸は±3mm、Z軸は±5mmの範囲内で可
動できる。該ニードル3の周囲の真空排気は、油拡散ポ
ンプによって行われ、蒸気噴射前の真空度は2×10-6
Torrである。
FIG. 1 is a schematic view of a liquid polyatomic ion beam generator, in which a nozzle 1 for injecting a liquid material such as an organic compound into a vacuum has a capillary shape made of stainless steel. It has a structure in which a thin tube 2 and a needle 3 made of stainless steel are inserted into the thin tube. Like alcohol and acetone, vapor pressure at room temperature is tens of Tor
With a liquid material from which a high pressure of r to several hundred Torr can be easily obtained, it can be injected as a vapor into a vacuum through the gap between the thin tube 2 and the needle 3. Further, in the case of a liquid material having a low vapor pressure such as tridecane, a liquid is supplied to the tip of the needle 3 and the liquid ions of the material can be released by ionization by field emission. The needle 3
Is longer than the tip of the thin tube 2 by 1 mm to 3 mm, and the length of the tip can be freely changed by replacing the needle 3. The capillary thin tube 2 into which the needle 3 is inserted is attached to a pipe 4 made of stainless steel, and the pipe 4 is connected to a liquid supply measuring cylinder provided outside the vacuum. Further, the members for introducing the liquid material into the pipe 4 are the X-axis, the Y-axis, and the Z-axis.
It is mounted on a stage 5 that can be moved independently in the three axial directions, and can be moved within a range of ± 3 mm for the X axis and the Y axis and ± 5 mm for the Z axis by using a micrometer 6. Evacuation of the surroundings of the needle 3 is performed by an oil diffusion pump, and the degree of vacuum before vapor injection is 2 × 10 −6.
Torr.

【0013】該ノズル2から噴出した液体材料の蒸気
は、直径1mmの開口を持ったコリメーター7を通過し
て、電離部8に導入される。該ニードル3の先端とコリ
メーター7の開口との軸合わせは、該ステージをX軸お
よびY軸方向に可動出来るマイクロメーター6によって
行うことができる。該電離部8は、イオン化のための電
子放出用フィラメント9とタングステン製メッシュでで
きたグリッド10から構成されている。該フィラメント
9は直径0.5mmのタングステン線でできている。該
フィラメント9から放出された電子は、最大電圧500
Vで加速されて該グリッド10に捕捉される。該グリッ
ド10のメッシュの間隙を通過した電子は、該電離部8
に導入された液体材料の蒸気と衝突し、該蒸気をイオン
化する。生成されたイオンは、引き出し電極11に対し
て最大10kVの引き出し電圧を該グリッドに印加する
ことによって引き出される。該引き出し電極11は大地
電位に保持されており、また該電極11の開口は直径1
5mmである。
The vapor of the liquid material ejected from the nozzle 2 passes through the collimator 7 having an opening with a diameter of 1 mm and is introduced into the ionization section 8. The axis of the tip of the needle 3 and the opening of the collimator 7 can be aligned with the micrometer 6 that can move the stage in the X-axis and Y-axis directions. The ionization section 8 is composed of an electron emission filament 9 for ionization and a grid 10 made of a tungsten mesh. The filament 9 is made of a tungsten wire having a diameter of 0.5 mm. The electrons emitted from the filament 9 have a maximum voltage of 500
It is accelerated by V and captured by the grid 10. The electrons that have passed through the gaps in the mesh of the grid 10 are ionized by the ionization part 8
Collide with the vapor of the liquid material introduced into the chamber and ionize the vapor. The generated ions are extracted by applying a maximum extraction voltage of 10 kV to the extraction electrode 11 on the grid. The extraction electrode 11 is held at the ground potential, and the opening of the electrode 11 has a diameter of 1 mm.
It is 5 mm.

【0014】引き出されたイオンビームは、第1スリッ
ト12を通過して、直交電磁界による質量分離器13に
導入される。該質量分離器13の磁界については、底面
の寸法が50mm×50mm、厚さが13mmのネオジ
ウムの永久磁石14を用いて発生し、約4000ガウス
の表面磁束密度が得られている。一方、電界について
は、大きさが20mm×50mmで非磁性のステンレス
製の平行平板電極15を用いて発生し、電極間の距離は
10mm〜20mmの間で調整でき、最大10kVの電
圧を該電極間に印加できるようになっている。
The extracted ion beam passes through the first slit 12 and is introduced into the mass separator 13 by the orthogonal electromagnetic field. The magnetic field of the mass separator 13 is generated using a neodymium permanent magnet 14 having a bottom surface dimension of 50 mm × 50 mm and a thickness of 13 mm, and a surface magnetic flux density of about 4000 Gauss is obtained. On the other hand, an electric field is generated by using a non-magnetic parallel plate electrode 15 made of non-magnetic stainless steel having a size of 20 mm × 50 mm, the distance between the electrodes can be adjusted between 10 mm and 20 mm, and a voltage of 10 kV at the maximum can be applied to the electrode. It can be applied between.

【0015】質量分離されたイオンビーム16は、第2
スリット17を通過した後で加速され、基板ホルダー1
8に装着された基板19に照射される。該基板19のビ
ーム入射側には大きさが10mm×10mmのシリコン
で作られているマスク20が置かれ、該マスク20によ
って該基板19のイオン照射領域が制限されている。ま
た、イオン照射による該基板19からの二次電子放出を
抑制するために、サプレッサー電極21が設けられてい
る。該基板19に印加される最大の加速電圧は−10k
Vである。該基板19と該質量分離器13の間にはシャ
ッター22が設けられ、該シャツター22の開閉によっ
て照射時間が制御できるようになっている。該基板19
の周囲の真空排気はターボ分子ポンプで行われ、イオン
ビームを照射する前の真空度は8×10-7Torrであ
る。
The mass-separated ion beam 16 has a second
The substrate holder 1 is accelerated after passing through the slit 17.
The substrate 19 mounted on the substrate 8 is irradiated. A mask 20 made of silicon having a size of 10 mm × 10 mm is placed on the beam incident side of the substrate 19, and the mask 20 limits the ion irradiation region of the substrate 19. A suppressor electrode 21 is provided to suppress secondary electron emission from the substrate 19 due to ion irradiation. The maximum acceleration voltage applied to the substrate 19 is −10 k.
V. A shutter 22 is provided between the substrate 19 and the mass separator 13, and the irradiation time can be controlled by opening and closing the shirt 22. The substrate 19
The surroundings are vacuum-exhausted by a turbo molecular pump, and the degree of vacuum before the ion beam irradiation is 8 × 10 −7 Torr.

【0016】第2図は、該実施例の液体多原子イオンビ
ーム発生装置のノズル1の拡大図である。有機化合物な
どの液体材料が真空中に噴射される該ノズル1の形状
は、外径が0.31mm〜0.35mmで、内径が0.
1mm〜0.17mmで、長さが15.5mmのステン
レスで加工された毛細状の細管2と、その中に直径0.
1mmのステンレス製のニードル3を挿入した構造にな
っている。該ニードル3はニードルホルダー23によっ
て支持されている。さらに種々の長さの該ニードル3を
交換することによって、細管2から突き出ている該ニー
ドルの長さを調整することができる。
FIG. 2 is an enlarged view of the nozzle 1 of the liquid polyatomic ion beam generator of this embodiment. The shape of the nozzle 1 in which a liquid material such as an organic compound is sprayed in a vacuum has an outer diameter of 0.31 mm to 0.35 mm and an inner diameter of 0.
A capillary tube 2 made of stainless steel having a length of 1 mm to 0.17 mm and a length of 15.5 mm, and a diameter of 0.
It has a structure in which a 1 mm stainless steel needle 3 is inserted. The needle 3 is supported by a needle holder 23. Furthermore, by exchanging the needles 3 of various lengths, the length of the needles protruding from the thin tube 2 can be adjusted.

【0017】[0017]

【実施例】次に、液体材料としてエタノールおよびデカ
ンを用い、ノズルから噴射した該液体材料の蒸気を電子
衝撃によってイオン化し、引き出したイオンビームを質
量分離して基板表面に照射する実験をした。以下、該実
施例による実験結果について第3図ないし第7図に基づ
いて説明する。
EXAMPLE Next, an experiment was conducted in which ethanol and decane were used as liquid materials, and the vapor of the liquid material ejected from the nozzle was ionized by electron impact, and the extracted ion beam was mass-separated and irradiated on the substrate surface. Hereinafter, the experimental results according to the embodiment will be described with reference to FIGS. 3 to 7.

【0018】第3図は、該実施例によりエタノール蒸気
をイオン化し、引き出したイオンビームを質量分離した
特性を示すグラフである。ここでは、イオン引き出し電
圧(Vext)=2kV、イオン化電子電圧(Ve)=
100V、イオン化電子電流(Ie)=100mAで、
引き出し電流(Iext)=58μAについてデータを
とったものである。これによれば、質量電荷比(m/
e)=31のピークが最大で、該ピークはCH2OHの
化学記号で示される多原子イオンであることがわかる。
また、質量電荷比(m/e)=45のピークも現れてお
り、該ピークはCH3CHOHの化学記号で示される多
原子イオンであることがわかる。いずれのイオンも水酸
基(OH基)を持ち、原子数が5以上の多原子イオンで
あることがわかる。
FIG. 3 is a graph showing the characteristics of ion vaporization of ethanol vapor and mass separation of the extracted ion beam according to this embodiment. Here, the ion extraction voltage (Vext) = 2 kV, the ionization electron voltage (Ve) =
100 V, ionized electron current (Ie) = 100 mA,
The data is obtained for the extraction current (Iext) = 58 μA. According to this, the mass-to-charge ratio (m /
It can be seen that the peak of e) = 31 is the maximum and the peak is a polyatomic ion represented by the chemical symbol CH 2 OH.
In addition, a peak with a mass-to-charge ratio (m / e) of 45 also appears, which indicates that the peak is a polyatomic ion represented by the chemical symbol CH 3 CHOH. It can be seen that each ion has a hydroxyl group (OH group) and is a polyatomic ion having 5 or more atoms.

【0019】第4図は、該実施例によりデカン蒸気をイ
オン化し、引き出したイオンビームを質量分離した特性
を示すグラフである。ここでは、イオン引き出し電圧
(Vext)=4kV、イオン化電子電圧(Ve)=1
00V、イオン化電子電流(Ie)=100mAで、引
き出し電流(Iext)=26μAについてデータをと
ったものである。これによれば、質量電荷比(m/e)
=29、43、57のピークが現れており、該ピークは
それぞれC25、C37、C49の化学記号で示される
多原子イオンであることがわかる。いずれの多原子イオ
ンもCmn基(n、mは自然数でm<n)で示されるアル
キル基を持つたイオンであることがわかる。
FIG. 4 is a graph showing the characteristics of ionizing the decane vapor and mass-separating the extracted ion beam according to this embodiment. Here, the ion extraction voltage (Vext) = 4 kV and the ionization electron voltage (Ve) = 1
The data was obtained at 00 V, ionized electron current (Ie) = 100 mA, and extraction current (Iext) = 26 μA. According to this, the mass-to-charge ratio (m / e)
= 29, 43, 57 peaks appear, which are polyatomic ions represented by the chemical symbols C 2 H 5 , C 3 H 7 , and C 4 H 9 , respectively. It can be seen that any polyatomic ion is an ion having an alkyl group represented by a C m H n group (n and m are natural numbers and m <n).

【0020】第5図は、該実施例により生成したCH3
CHOHイオンビームをシリコン基板に入射エネルギー
6keVで照射した後、該シリコン基板を真空容器から
取り出して、該シリコン基板の照射損傷の程度をラザフ
ォードバックスキャッタリング(RBS)法によって測
定したグラフである。照射量は1cm2の単位面積当た
りに1×1015個のイオンを照射した。比較のためにア
ルゴンイオンを同じ条件で照射した。該グラフによれ
ば、CH3CHOHイオン照射では、230チャンネル
付近のピークの面積がアルゴンイオン照射より小さい
が、イオンを照射していないシリコン基板よりやや大き
いことがわかる。これによれば、CH3CHOHイオン
は該シリコン基板に照射した直後に、炭素(C)原子や
水素(H)原子、水酸(OH)基などに分解され、該イ
オンの入射エネルギーがそれぞれの原子や水素基に分配
されて、該シリコン基板の中に注入されていることがわ
かる。
FIG. 5 shows CH 3 produced according to this embodiment.
6 is a graph in which a silicon substrate is irradiated with a CHOH ion beam at an incident energy of 6 keV, the silicon substrate is taken out of a vacuum container, and the extent of irradiation damage to the silicon substrate is measured by the Rutherford backscattering (RBS) method. The irradiation amount was 1 × 10 15 ions per unit area of 1 cm 2 . For comparison, argon ions were irradiated under the same conditions. According to the graph, in the CH 3 CHOH ion irradiation, the area of the peak near the 230 channel is smaller than that in the argon ion irradiation, but it is slightly larger than in the silicon substrate not irradiated with ions. According to this, immediately after irradiating the silicon substrate, CH 3 CHOH ions are decomposed into carbon (C) atoms, hydrogen (H) atoms, hydroxyl (OH) groups, etc., and the incident energies of the ions are changed. It can be seen that they are distributed into atoms and hydrogen radicals and are injected into the silicon substrate.

【0021】さらに、CH3CHOHイオン照射による
該シリコン基板の損傷の深さは、230チャンネル付近
のピークの幅から計算すると1.2nmになる。なお、
CH 3CHOHイオンが該シリコン基板に照射した直後
に、炭素(C)原子や水素(H)原子、水酸(OH)基
などに分解されたと仮定して、C原子やOH基が該シリ
コン基板に注入される深さを計算機シミュレーションに
よって計算すると1.2nm〜1.4nmになる。該デ
ータの損傷の深さと計算結果とがよく一致していること
から、CH3CHOHイオンが該シリコ基板に照射した
直後に、炭素(C)原子や水素(H)原子、水酸(O
H)基などに分解されることがわかる。
Further, CH3By CHOH ion irradiation
The depth of damage of the silicon substrate is around 230 channels
It is 1.2 nm when calculated from the width of the peak. In addition,
CH 3Immediately after irradiating the silicon substrate with CHOH ions
In addition, carbon (C) atom, hydrogen (H) atom, hydroxyl (OH) group
Assuming that the C atom or OH group is decomposed into
Computer simulation of the depth to be injected into the control board
Therefore, the calculated value is 1.2 nm to 1.4 nm. The de
The damage depth of the data and the calculation result are in good agreement.
From CH3CHOH ions irradiate the silicon substrate
Immediately after that, carbon (C) atom, hydrogen (H) atom, hydroxy (O)
It can be seen that the H) group is decomposed.

【0022】第6図は、該実施例により生成したCH3
CHOHイオンビームを、照射量を変えてシリコン基板
に照射した後、該シリコン基板を真空容器から取り出し
て、該シリコン基板の光学的特性をエリプソメータで測
定したグラフである。ここでは、イオンの入射エネルギ
ーは6keVとした。該グラフの縦軸を示すデルタの角
度および横軸のプサイの角度から、該シリコン基板の表
層付近に形成される損傷層の厚さ(Td)および酸化物
層の厚さ(Tox)が計算できる。該計算結果を該グラフ
の中に波線で示す。これによれば、イオンの照射量が増
大することによって損傷層や酸化物層の厚さが増大する
ことがわかる。
FIG. 6 shows CH 3 produced by the embodiment.
It is a graph which measured the optical characteristic of this silicon substrate with an ellipsometer after taking out a silicon substrate from a vacuum container after irradiating a silicon substrate with a CHOH ion beam by changing an irradiation amount. Here, the incident energy of the ions is 6 keV. The thickness of the damaged layer (T d ) and the thickness of the oxide layer (T ox ) formed in the vicinity of the surface layer of the silicon substrate are determined from the delta angle on the vertical axis of the graph and the psi angle on the horizontal axis. Can be calculated. The calculation result is shown by a wavy line in the graph. According to this, it is understood that the thickness of the damaged layer or the oxide layer increases as the ion irradiation amount increases.

【0023】第7図は、該実施例により生成したCH3
CHOHイオンビームおよびC37イオンビームを、照
射量を変えてポリカーボネート基板に照射した後、該ポ
リカーボネート基板を真空容器から取り出して、該ポリ
カーボネート基板の接触角の照射量依存性を示すグラフ
である。ここでは、イオンの入射エネルギーは6keV
とした。これによれば、CH3CHOHイオン照射で
は、接触角は照射量の増大と共に減少し、該ポリカーボ
ネート基板の親水性が増大することがわかる。また、C
37イオン照射では、接触角は照射量が1×1013io
ns/cm2で極小値をとり、該照射量より大きい照射
量では、照射量の増大と共に接触角は増大することがわ
かる。さらに、照射量が1×1015ions/cm2
は、該ポリカーボネート基板の接触角、すなわち疎水性
が未照射の場合に比べて増大することがわかる。これに
よれば、親水性が増大するのは、ポリカーボネート基板
表面にイオン照射によって形成される欠陥や水酸(O
H)基の増大によるものであり、疎水性が増大するの
は、CH3などのアルキル基の増大によるものであるこ
とがわかる。
FIG. 7 shows CH 3 produced according to this embodiment.
6 is a graph showing the irradiation dose dependence of the contact angle of the polycarbonate substrate after the polycarbonate substrate was irradiated with a CHOH ion beam and a C 3 H 7 ion beam while changing the irradiation dose, and then the polycarbonate substrate was taken out of the vacuum container. . Here, the incident energy of the ions is 6 keV
And According to this, it is understood that in the CH 3 CHOH ion irradiation, the contact angle decreases with an increase in the irradiation amount, and the hydrophilicity of the polycarbonate substrate increases. Also, C
In 3 H 7 ion irradiation, the contact angle is 1 × 10 13 io.
It takes a minimum value in ns / cm 2 , and it can be seen that the contact angle increases as the irradiation amount increases with the irradiation amount higher than the minimum value. Further, it is understood that when the irradiation amount is 1 × 10 15 ions / cm 2 , the contact angle of the polycarbonate substrate, that is, the hydrophobicity is increased as compared with the case where it is not irradiated. According to this, the increase in hydrophilicity is due to defects formed by ion irradiation on the surface of the polycarbonate substrate and hydroxyl (O
It can be seen that the increase in the H) group and the increase in the hydrophobicity are due to the increase in the alkyl group such as CH 3 .

【0024】該実施例によれば、上記データに示すよう
に、真空中あるいは低ガス圧領域で、常温で液体の有機
化合物から電子衝撃法によるイオン化によって種々の多
原子イオンビームを生成できる。なお該実施例の液体多
原子イオンビーム発生装置は、液体の有機化合物を真空
中に噴射させるノズルの形状が、毛細状の細管と、該細
管の中にニードルを挿入した構造になっているので、該
ニードルに2kV以上の電圧を印可することによって形
成される高電界によって液体イオンを発生することがで
きる。
According to the embodiment, as shown in the above data, various polyatomic ion beams can be generated by ionization by electron impact method from an organic compound which is liquid at room temperature in vacuum or in a low gas pressure region. In the liquid polyatomic ion beam generator of the example, since the shape of the nozzle for injecting the liquid organic compound into the vacuum is a capillary tube and a structure in which a needle is inserted into the tube. Liquid ions can be generated by a high electric field formed by applying a voltage of 2 kV or more to the needle.

【0025】また、質量分離器には、扇型の電磁石を用
いた質量分離器や四重極高周波電界による質量分離器で
も良い。
The mass separator may be a mass separator using a fan-shaped electromagnet or a mass separator using a quadrupole high frequency electric field.

【0026】さらに、種々の液体の有機化合物から生成
された多原子イオンビームを種々の基板表面に照射し、
該多原子イオンの表面修飾によって、該基板表面の化学
的性質を変えることができる。なお、該基板の表面改質
は、該基板表面に入射する多原子イオンビームの運動エ
ネルギーのみを活用した物理的表面加工にも応用できる
ものである。また、酸素や窒素などの反応性ガスを該基
板の周囲に導入し、該多原子イオンの援用照射によっ
て、該反応性ガスの置換反応や付加反応などをもたらす
ものであっても良い。
Further, the surface of various substrates is irradiated with a polyatomic ion beam generated from various liquid organic compounds,
Surface modification of the polyatomic ion can alter the chemistry of the substrate surface. The surface modification of the substrate can also be applied to physical surface processing using only the kinetic energy of a polyatomic ion beam incident on the surface of the substrate. Further, a reactive gas such as oxygen or nitrogen may be introduced around the substrate, and a substitution reaction or an addition reaction of the reactive gas may be brought about by the assisted irradiation of the polyatomic ion.

【0027】[0027]

【発明の効果】本発明の液体多原子イオンビーム発生装
置は、真空中あるいは低ガス圧領域で、種々の液体材料
からイオンビームを生成できるので、特定の原子集団や
原子構造を持つた液体有機化合物のイオンビームを用い
て基板表面に照射し、該基板表面の化学的性質を制御で
きる。
INDUSTRIAL APPLICABILITY The liquid polyatomic ion beam generator of the present invention can generate an ion beam from various liquid materials in a vacuum or in a low gas pressure region, so that a liquid organic material having a specific atomic group or atomic structure can be produced. It is possible to control the chemical properties of the substrate surface by irradiating the substrate surface with an ion beam of a compound.

【0028】また、本発明の液体多原子イオンビーム発
生装置では、質量分離器に小型のネオジウム永久磁石を
用いているので、軽量で取り扱いが容易で、精度よく質
量分離を行うことができる。
Further, in the liquid polyatomic ion beam generator of the present invention, since a small neodymium permanent magnet is used for the mass separator, it is lightweight and easy to handle, and mass separation can be performed accurately.

【0029】また、本発明の液体多原子イオンビーム発
生装置では、化学的性質が異なる液体有機材料としてエ
タノールおよびデカンのイオンビームをポリカーボネイ
ト基板にそれぞれ照射し、1×1015ions/cm2
以上のイオン照射で、基板表面をエタノールイオンでは
親水性、デカンイオンでは疎水性にすることができる。
In the liquid polyatomic ion beam generator of the present invention, 1 × 10 15 ions / cm 2 is obtained by irradiating the polycarbonate substrate with ion beams of ethanol and decane as liquid organic materials having different chemical properties.
By the above ion irradiation, the substrate surface can be made hydrophilic with ethanol ions and hydrophobic with decane ions.

【0030】さらに、本発明の液体多原子イオンビーム
発生装置は、該多原子イオンの大きさや構造を制御する
ことによって、基板表面原子の付加反応や置換反応など
の表面反応を、原子・分子レベルで制御した表面高機能
化プロセスへ応用できる。
Furthermore, the liquid polyatomic ion beam generator of the present invention controls the surface reaction such as addition reaction or substitution reaction of the substrate surface atoms by controlling the size and structure of the polyatomic ion, at the atomic / molecular level. It can be applied to surface functionalization process controlled by.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の液体多原子イオンビーム発生装置の一
実施形態を示す概略図である。
FIG. 1 is a schematic view showing an embodiment of a liquid polyatomic ion beam generator of the present invention.

【図2】同実施形態の液体多原子イオンビーム発生装置
のノズルの拡大図である。
FIG. 2 is an enlarged view of a nozzle of the liquid polyatomic ion beam generator of the same embodiment.

【図3】本発明の一実施例により質量分離したエタノー
ルイオンの分析結果を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing the analysis results of ethanol ions mass-separated according to an example of the present invention.

【図4】該実施例により質量分離したデカンイオンの分
析結果を示すグラフである。
FIG. 4 is a graph showing the analysis results of decane ions mass-separated according to the example.

【図5】該実施例により質量分離したエタノールイオン
やアルゴンイオンを加速して照射したシリコン基板のR
BS法によるチャネリングスぺクトラルを示すグラフで
ある。
FIG. 5 is a graph showing R of a silicon substrate irradiated by accelerating and irradiating ethanol ions and argon ions mass-separated by the example.
It is a graph which shows the channeling spectrum by BS method.

【図6】該実施例により質量分離したエタノールイオン
を加速して照射した該シリコン基板の光学的特性をエリ
プソメータで測定したグラフである。
FIG. 6 is a graph in which the optical characteristics of the silicon substrate irradiated with accelerated mass-separated ethanol ions according to the example are measured by an ellipsometer.

【図7】該実施例により質量分離したエタノールイオン
およびデカンイオンを加速して照射したポリカーボネイ
ト基板の接触角の照射量依存性を示すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing the dose dependence of the contact angle of a polycarbonate substrate irradiated with accelerated mass-separated ethanol ions and decane ions according to the example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 ノズル 2 細管 3 ニードル 4 パイプ 5 ステージ 6 マイクロメーター 7 コリメーター 8 電離部 9 フィラメント 10 グリッド 11 引き出し電極 12 第1スリット 13 質量分離器 14 永久磁石 15 平行平板電極 16 イオンビーム 17 第2スリット 18 基板ホルダー 19 基板 20 マスク 21 サプレッサー電極 22 シャッター 23 ニードルホルダー 1 nozzle 2 thin tubes 3 needles 4 pipes 5 stages 6 micrometer 7 Collimator 8 Ionizer 9 filament 10 grid 11 Extraction electrode 12 First slit 13 Mass separator 14 permanent magnet 15 Parallel plate electrode 16 ion beam 17 Second slit 18 PCB holder 19 board 20 masks 21 suppressor electrode 22 shutter 23 Needle holder

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 常温で液体の物質を小孔から真空中に噴
射させ、該物質をイオン化してイオンビームとして引き
出すことができる電離部と該イオン化した物質を質量の
大きさによって選別できる質量分離器を有し、質量分離
された該イオンビームを加速し、該加速エネルギーを制
御して基板表面に照射し、該基板表面を改質できること
を特徴とした液体多原子イオンビーム発生装置。
1. An ionization part capable of ejecting a substance, which is liquid at room temperature, into a vacuum through a small hole, and ionizing the substance to extract it as an ion beam, and mass separation capable of selecting the ionized substance according to the magnitude of mass. A liquid polyatomic ion beam generator characterized in that it has a chamber and accelerates the mass-separated ion beam and controls the acceleration energy to irradiate the substrate surface to modify the substrate surface.
【請求項2】 特許請求の範囲第1項において、該小孔
がノズル形状となっていることを特徴とした液体多原子
イオンビーム発生装置。
2. The liquid polyatomic ion beam generator according to claim 1, wherein the small hole has a nozzle shape.
【請求項3】 特許請求の範囲第1項において、該質量
分離器が電界と磁界が直交する電磁場によってイオンを
質量選別できることを特徴とした液体多原子イオンビー
ム発生装置。
3. The liquid polyatomic ion beam generator according to claim 1, wherein the mass separator can mass-select ions by an electromagnetic field in which an electric field and a magnetic field are orthogonal to each other.
【請求項4】 特許請求の範囲第2項において、該ノズ
ルから真空中に噴射した物質を電子衝撃によってイオン
化できることを特徴とした液体多原子イオンビーム発生
装置。
4. A liquid polyatomic ion beam generator according to claim 2, wherein the substance injected into the vacuum from the nozzle can be ionized by electron impact.
【請求項5】 特許請求の範囲第2項において、該小孔
の中にニードルを挿入し、該ニードルに高電界を印加す
ることによって イオンを引き出すことができることを
特徴とした液体多原子イオンビーム発生装置。
5. The liquid polyatomic ion beam according to claim 2, wherein ions can be extracted by inserting a needle into the small hole and applying a high electric field to the needle. Generator.
【請求項6】特許請求の範囲第3項において、質量分離
された該イオンの構成原子数が5以上のイオンを利用で
きる液体多原子イオンビーム発生装置。
6. A liquid polyatomic ion beam generator according to claim 3, wherein the mass-separated ions can utilize ions having 5 or more constituent atoms.
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