JP5004097B2 - 結晶欠陥の回復方法、結晶体の作製方法、パターン形成方法、ｘ線量の検出体 - Google Patents

Description

この発明は、非金属の結晶体の欠陥を回復する方法、欠陥部分と欠陥が回復された部分とを有する結晶体の作製方法、パターン形成方法、およびＸ線量の検出体に関する。

結晶の欠陥が無機材料の物性（光学特性や電気特性等）に与える影響については、古くから議論されており、結晶欠陥の制御は無機材料の物性を制御するために重要である。特に、人工格子材料やナノ構造材料は、幾何学的構造の僅かな変化によって物性が大きく変化する。例えば、最近、電界放出管等への応用が注目されているカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の場合も、物性の制御のために結晶欠陥を制御することが求められている。

結晶欠陥の制御方法の従来例としては、加熱処理が挙げられる。例えば、下記の特許文献１には、シリコン基板にイオン注入法で不純物をドーピングしたことにより生じた格子欠陥を、熱処理により回復することが記載されている。
また、下記の非特許文献１には、ドーピングされたＧａＡｓのキャリア移動度がレーザー照射により回復された例について記載されている。
さらに、ＮＥＣのMiyamotoらのグループは、光や電子励起による結晶欠陥の回復をコンピュータシミュレーションによって実証する研究を進めており（非特許文献２参照）、この研究は世界的に注目を集めている。
特開平５−２５１３７８号公報（［０００８］〜［０００９］） D. Loridant-Bernard, S.Meziere, M.Constant, N.Dupuy, B.Sombert, and J.Chevaller, "Appl. Phys. Lett." 1998, Vol.73, p.644 Y. Miyamoto, O.Sugino, and Y. Mochizuki, "Appl. Phys. Lett." 8 Nov. 1999, Vol.75, No.19, p.2915-2917

しかしながら、人工格子材料やナノ構造材料の結晶欠陥を回復するために熱処理法を採用すると、温度上昇に伴って幾何学的構造が大幅に変化して分解する恐れがある。また、光や電子励起による結晶欠陥の回復方法については、未だ研究段階であって、具体的な手法が確立されていない。
本発明の課題は、温度上昇を伴わずに結晶欠陥を回復できる方法と非金属の結晶欠陥を容易に制御できる方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の結晶欠陥の回復方法は、格子欠陥を有する非金属の結晶体に対してＸ線照射を行うことにより、前記欠陥を回復させることを特徴とする。
従来から知られているように、格子欠陥の無い、ほぼ完全な結晶体にＸ線照射を行うと、この結晶体に欠陥が導入される。本発明者は、このように欠陥を導入する作用が有るＸ線照射を、過剰な欠陥を有する非金属の結晶体に対して行うと、欠陥が回復することを見出した。

本発明はまた、非金属の結晶体からなる基材の表面にイオン注入による格子欠陥が導入されている着色領域を有する検出体の該着色領域に対し、部分的にＸ線を照射し、色の変化によりＸ線量を検出することを特徴とするＸ線量の検出方法を提供する。
本発明はまた、非金属である酸化マグネシウムの結晶体からなる基材の表面に形成され、イオン注入による格子欠陥が導入されている着色領域であって、Ｘ線照射によりその色が変化する着色領域と、該着色領域内に部分的に設けられ、Ｘ線が照射されるＸ線照射領域とを具備することを特徴とするＸ線量の検出体を提供する。
本発明はまた、非金属である酸化マグネシウムの結晶体からなる基材の表面に形成され、イオン注入による格子欠陥が導入されている着色領域であって、Ｘ線照射によりその色が変化する着色領域と、該着色領域を部分的に覆い、Ｘ線の照射領域を規制するマスクとを具備することを特徴とするＸ線量の検出体を提供する。

本発明の「結晶欠陥の回復方法」によれば、格子欠陥を有する非金属の結晶欠陥の回復を温度上昇を伴わずに行うことができる。
本発明の「結晶体の作製方法」によれば、イオン注入工程とＸ線照射工程とにより、欠陥部分と欠陥が回復された部分とを有する結晶体を容易に作製することができる。すなわち、非金属の結晶欠陥を容易に制御することができる。
本発明の「結晶体の作製方法」によれば、非金属の結晶体からなる基材の表面の所定領域にイオン注入を行った後に、前記所定領域に部分的にＸ線を照射して光吸収波長を変化させることにより、前記表面に光吸収波長の違いで識別されるパターンを形成することができる。
熱処理法では、微細な部分のみを温度上昇させることが困難であるが、イオン注入およびＸ線照射は微細な部分のみに行うことができるため、本発明の「パターン形成方法」によれば、微細なパターンを形成することができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１を用いて、本発明の「パターン形成方法」の一実施形態を説明する。
先ず、図１（ａ）に示すように、酸化マグネシウム単結晶（非金属の結晶体）からなる基板（基材）１を用意する。この基板１は透明である。この基板１の表面の中央部分（所定領域）１２に、イオンビーム走査法によりイオン注入を行った。これにより、この部分が着色領域２となった。図１（ｂ）はこの状態を示す。イオン注入は、金（Ａｕ）イオンを用い、加速電圧：３．１ＭｅＶ、注入量：２×１０¹⁶ ion／ｃｍ² の条件で行った。

次に、この基板１の着色領域２が形成された面に、中央に円形の孔を開けたマスクを載せた状態で、Ｘ線を照射した。Ｘ線照射は、３０ｋＶで加速した電子ビーム１２０ｍＡをロジウムターゲットに衝突させることよって発生させたＸ線を用い、ターゲットから２５ｍｍ離れた位置に基板１を配置して、１５分間行った。その結果、図１（ｃ）に示すように、着色領域２のＸ線が照射された円形部分の色が薄くなって、円形のパターン３が形成された。

すなわち、この実施形態のパターン形成方法では、基板が透明であり、イオン注入により基板の表面の所定領域が着色領域となっており、この着色領域に部分的にＸ線を照射することで、その部分の色が着色領域より薄くなっている。
ここで、パターン３の部分と、着色領域２の部分（パターン３から外れる部分）と、基板１の部分（着色領域２から外れる部分）について、光吸収スペクトルを測定した。その結果を図２に示す。図２のチャートから分かるように、波長５７５ｎｍ付近に中心を有するピークがＸ線照射により小さくなっている。

また、Ｘ線照射前の着色領域２の中央部分（Ｘ線照射によりパターン３となる部分）と、Ｘ線照射後のパターン３の部分について、断面をＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）で観察した写真を図３および図４に示す。図３がＸ線照射前の写真であり、図４がＸ線照射後の写真である。これらの写真は、基板１の表面（パターン３の形成面）から深さ方向の所定位置（２．５ｍｍ程度）までの部分の断面写真であり、上側が基板１の表面側である。

図３の写真と図４の写真を比較すると、図３の方は、基板の厚さ方向で複数層に分かれていて、表面側ほど粗い粒子状に写っているのに対して、図４の方は均一であることが分かる。すなわち、Ｘ線照射前の着色領域２を示す図３の写真では、格子欠陥が認められ、Ｘ線照射後のパターン部３を示す図４の写真では、格子欠陥の回復が認められる。
また、エネルギー分散型蛍光Ｘ線分析装置（ＥＤＸ）により、各断面を深さ方向に元素分析した。その結果を図５および図６に示す。図５が、Ｘ線照射前の着色領域２に相当する図３の点Ａ１〜Ａ１２での分析結果を示す。図６が、Ｘ線照射後のパターン部３に相当する図４の点Ｂ１〜Ｂ１２での分析結果を示す。

この結果から、ＭｇＯ単結晶からなる基板１に金をイオン注入することにより、表面側に金の微粒子が集中的に形成され、この金の微粒子がＸ線照射により基板１全体に拡散されたと考えられる。
以上のことから、ＭｇＯ単結晶からなる透明な基板に金をイオン注入することにより、格子欠陥が形成されて、その部分が吸収波長５７５ｎｍ付近の色に着色され、その部分にＸ線を照射することにより、格子欠陥の回復と、これに伴う色の変化、イオン注入された原子の拡散が生じることが分かった。

したがって、前述のように、イオン注入された単結晶に対して、形成するパターンに応じた部分にだけＸ線を照射することにより、光吸収波長の違いで識別される微細なパターンを形成することができる。また、形成されたパターン以外の部分に再度Ｘ線を照射すれば、この部分の光吸収波長（色）が形成されたパターンと同じになるため、形成されたパターンを消すことができる。
さらに、非金属の結晶体からなる基材の表面にイオン注入による格子欠陥が導入されていると、この格子欠陥の光吸収波長（基材表面の色）がＸ線照射によって変化するため、この基材はＸ線量の検出体として使用することができる。例えば、前記基材の表面にイオン注入を行って着色されたものは色の変化により、前記基材の表面にイオン注入を行っても人間の目で透明に見えるものは色が着くことにより、Ｘ線量が検出できる。

なお、この実施形態では、図１（ｃ）に示す状態の基板１が、「欠陥部分と欠陥が回復された部分とを有する結晶体」に相当する。パターン３が「欠陥が回復された部分」に相当し、着色領域２のパターン３以外の部分が「欠陥部分」に相当する。
また、この実施形態ではＭｇＯ単結晶からなる基板を「基材」として用いているが、他の非金属の結晶体（多結晶を含む）からなるものであってもよいし、形状も板状に限定されない。

結晶材料の格子欠陥は、電気的特性および光学的特性に大きな影響を及ぼすので、本発明の結晶欠陥の回復方法は、カーボンナノチューブなどを利用したディスプレー装置、高速スイッチィング素子等の電子デバイスの性能向上に役立つ。また、本発明のパターン形成方法は、高密度光メモリー、光ディスク、光学素子への応用等、情報、通信産業での利用が考えられる。

本発明の「パターン形成方法」の一実施形態を説明する平面図である。 パターン３の部分と、着色領域２の部分（パターン３から外れる部分）と、基板１の部分（着色領域２から外れる部分）について測定した、光吸収スペクトルを示すチャートである。 Ｘ線照射前の着色領域２の中央部分（Ｘ線照射によりパターン３となる部分）の断面を示す透過型電子顕微鏡写真である。 Ｘ線照射後の着色領域２の中央部分（パターン３）の断面を示す透過型電子顕微鏡写真である。 エネルギー分散型蛍光Ｘ線分析装置（ＥＤＸ）により、各断面を深さ方向に元素分析した（図３の点Ａ１〜Ａ１２での）結果を示すグラフである。 エネルギー分散型蛍光Ｘ線分析装置（ＥＤＸ）により、各断面を深さ方向に元素分析した（図４の点Ｂ１〜Ｂ１２での）結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 基板（基材）
１２ 基板の表面の中央部分（所定領域）
２ 着色領域
３ パターン

Claims (3)

1. 非金属の結晶体からなる基材の表面にイオン注入による格子欠陥が導入されている着色領域を有する検出体の該着色領域に対し、部分的にＸ線を照射し、色の変化によりＸ線量を検出することを特徴とするＸ線量の検出方法。
2. 非金属である酸化マグネシウムの結晶体からなる基材の表面に形成され、イオン注入による格子欠陥が導入されている着色領域であって、Ｘ線照射によりその色が変化する着色領域と、該着色領域内に部分的に設けられ、Ｘ線が照射されるＸ線照射領域とを具備することを特徴とするＸ線量の検出体。
3. 非金属である酸化マグネシウムの結晶体からなる基材の表面に形成され、イオン注入による格子欠陥が導入されている着色領域であって、Ｘ線照射によりその色が変化する着色領域と、該着色領域を部分的に覆い、Ｘ線の照射領域を規制するマスクとを具備することを特徴とするＸ線量の検出体。