JPH04147972A - Method for surface reformation - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、材料表面にイオンビームを照射するイオン注
入法、またはイオンミキシング法により材料の各種特性
を改善するための表面改質法である。[Detailed Description of the Invention] [Field of Industrial Application] The present invention is a surface modification method for improving various properties of a material using an ion implantation method in which the surface of a material is irradiated with an ion beam or an ion mixing method. .
イオン注入法およびイオン注入法と成膜法を複合させた
プロセスであるイオンミキシング法等のイオンビームを
用いた材料の表面改質法は、材料の化学的1機械的、磁
気的、!気的等の特性の改善のための有用な技術であり
、なかでも特にイオンビームの元素として金属及び炭素
,ほう素といった半金属元素を用いた処理は、気体元素
イオンを用いた処理と異なる優れた被処理基板の改質効
果が得られる。Surface modification methods of materials using ion beams, such as ion implantation and ion mixing, which is a process that combines ion implantation and film formation, are chemical, mechanical, magnetic, and! It is a useful technology for improving properties such as gas, and in particular, processing using metals and semimetallic elements such as carbon and boron as ion beam elements has advantages different from processing using gaseous element ions. The effect of modifying the substrate to be processed can be obtained.
金属および半金属元素のイオンビームによるイオン注入
およびイオンミキシングを、機械部品装置部品さらには
汎用品のサイズを持つシート状の素材等を一括して処理
できるだけの大面積処理を可能にすることにより、その
適用分野はさらに広かる。By enabling ion implantation and ion mixing of metal and metalloid elements using ion beams, large-area processing is possible for processing mechanical parts, device parts, and sheet-like materials with the size of general-purpose products all at once. Its field of application is even wider.
第2図は、イオンビームによる表面改質を行う従来装置
の概略図である。第2図について技術の概略を説明する
。FIG. 2 is a schematic diagram of a conventional apparatus for surface modification using an ion beam. An outline of the technique will be explained with reference to FIG.
従来型装置用イオン源7で発生されたイオンビームには
、目的とする金属または半金属元素の他に多数の目的外
のイオンか含まれるため、質量分離用磁石5により元素
の選別を行った後イオンビーム1を得る。金属および半
金属元素のイオンビーム1を大面積に照射する為には、
第2図に示す従来型の装置では、ビームを振幅電界付加
装置6により振幅電界か印加されている空間2を通過さ
せることにより、被処理基板3の面上で二次元のスキャ
ンをかける方法か用いられている。なお4は加速管であ
る。Since the ion beam generated by the ion source 7 for a conventional device contains a large number of unintended ions in addition to the target metal or metalloid element, the elements were sorted out by the mass separation magnet 5. After that, ion beam 1 is obtained. In order to irradiate a large area with the ion beam 1 of metal and metalloid elements,
In the conventional apparatus shown in FIG. 2, two-dimensional scanning is performed on the surface of the substrate 3 by passing the beam through a space 2 to which an amplitude electric field is applied by an amplitude electric field applying device 6. It is used. Note that 4 is an accelerating tube.
う場合、イオンビーム−本あたりの電流量は技術的に上
限かあり、最大でも100mA程度である。現実的に安
定して取り扱うことか出来る電流値はこの値よりさらに
一桁以上小さい。よって被処理基板か大面積であるとき
、振幅電界によるスキャンの幅を拡大して行くと、単位
面積当りの電流密度か低下するため処理時間か増大し、
結果として処理効率の低下を招く。In this case, there is a technical upper limit to the amount of current per ion beam, and the maximum is about 100 mA. The current value that can actually be stably handled is one order of magnitude smaller than this value. Therefore, when the substrate to be processed has a large area, as the width of the scan by the amplitude electric field is expanded, the current density per unit area decreases and the processing time increases.
As a result, processing efficiency decreases.
そこで二本以上のイオンビームを並列に用いて処理する
ことにより、処理効率を向上させることか考えられるが
、従来型の装置は第2図に示す加速管4、質量分離磁石
5、振幅電界付加装置6等の設備か巨大かつ複雑である
ために空間的に大きな体積を占め、実用的な設備として
の実現はきわめて困難である。Therefore, it may be possible to improve the processing efficiency by using two or more ion beams in parallel, but the conventional device uses an accelerator tube 4, a mass separation magnet 5, and an amplitude electric field as shown in Fig. 2. Equipment such as the device 6 is huge and complicated, and therefore occupies a large space, making it extremely difficult to realize it as a practical equipment.
またビーム自体を大面積化する試みは、一般に核融合炉
加熱に用いられるパケット型イオン源、イオンエンジン
に用いられるカウフマン型イオン源のほか、グリッドの
形状を工夫したもの(特開昭49−132696号)、
シートプラズマを用いた方法(4!開昭59−4738
1号)等かあるが、いずれもガスイオン種のみのビーム
の発生に関するものである。Attempts to increase the area of the beam itself include a packet-type ion source generally used for heating a nuclear fusion reactor, a Kaufmann-type ion source used in an ion engine, and a device with a devised grid shape (Japanese Patent Application Laid-Open No. 132-699-1982). issue),
Method using sheet plasma (4! 1986-4738
No. 1), etc., but all of them are related to the generation of a beam of only gas ion species.
一方、真空中でアーク放電を起こしてカソード材料を蒸
発・イオン化し、高電圧を印加したグリッド電極により
加速してイオンビームとして引き出す方式のイオンビー
ム発生装置が知られている。On the other hand, an ion beam generator is known in which cathode material is evaporated and ionized by arc discharge in a vacuum, accelerated by a grid electrode to which a high voltage is applied, and extracted as an ion beam.
第3図はその装置の一例としてBrown、 IG、
:TheMetal Vapor Vacuum Ar
c(MEVVA) High CurrentIon
5ource、IEEE Trans、on Nuc
l、、N5−32.(1985)や、特開昭63−27
6858号公報に記載されている装置であり、MEVV
A型イオンビイオンビーム発生装置る。Fig. 3 shows an example of the device by Brown, I.G.
:TheMetal Vapor Vacuum Ar
c(MEVVA) High CurrentIon
5source, IEEE Trans, on Nuc
l,, N5-32. (1985) and JP-A-63-27
This is a device described in Publication No. 6858, and MEVV
A-type ion beam generator.
MEVVA型イオンビイオンビーム発生装置動作原理を
以下に説明する。The operating principle of the MEVVA type ion beam generator will be explained below.
真空中でカソード8とアノード9の間てアーク放電を起
こすと、カソード材料か蒸発・イオン化される。グリッ
ド電極IOに高電圧を印加することにより、イオンか加
速されビームとして引き出される。この装置をイオン源
として用いてイオン注入を行えば、従来のイオン注入装
置と比へてより簡単に金属、半金属元素のイオンビーム
を発生することか出来る。When arc discharge occurs between the cathode 8 and anode 9 in a vacuum, the cathode material is evaporated and ionized. By applying a high voltage to the grid electrode IO, ions are accelerated and extracted as a beam. If this device is used as an ion source for ion implantation, it is possible to generate ion beams of metal and metalloid elements more easily than with conventional ion implantation devices.
セ
しかしイオン源から発生されるイオンビームCビーム電
流密度は、被処理基板上ではガウシアン分布またはガウ
シアン分布が多重に重畳した分布をとるため、ビームを
単純に大口径化しても、均一な処理を行うためにはビー
ムの分布の裾の部分の大部分を切り捨てなくてはならな
いことから、処理効率か低下する問題かある。However, the ion beam C beam current density generated from the ion source has a Gaussian distribution or a distribution in which Gaussian distributions are superimposed on the substrate to be processed, so even if the beam diameter is simply increased, uniform processing cannot be achieved. In order to do this, most of the tail of the beam distribution must be cut off, which may reduce processing efficiency.
本発明は上記問題を解決し、金属、半金属のイオンビー
ム照射により被処理材料の表面を大面積にわたり効率よ
く、実用的に十分な均一性をもって処理を行う表面改質
法を提供する。The present invention solves the above problems and provides a surface modification method in which the surface of a material to be treated is efficiently treated over a large area with practically sufficient uniformity by irradiation with a metal or metalloid ion beam.
本発明の要旨は、金属および炭素,ほう素等の半金属の
うち1種または2種以上の元素のイオンビームにより被
処理材料の表面処理を行うに際し、真空中でアーク放電
を起こしてカソード材料を蒸発、イオン化し、高電圧を
印加したグリッド電極によりこのイオンを加速してイオ
ンビームとして引き出すイオンビーム発生装置を複数台
用いて、複数のビームか被処理基板上て重畳して照射さ
れる部分のビーム電流密度か、各ビームの中心のビーム
電流密度の85%から115%であるように構成して並
列に処理することを特徴とする表面処理法であり、また
上記方法に於いて二つ以上のイオンビームの照射スポッ
トと被処理基板の相対位置を変化させて連続して処理を
行うことを特徴とする表面処理方法である。The gist of the present invention is that when performing surface treatment on a material to be treated with an ion beam of one or more elements selected from metals and semimetals such as carbon and boron, an arc discharge is caused in a vacuum to cause a cathode material Using multiple ion beam generators, the ions are evaporated and ionized, accelerated by a grid electrode to which a high voltage is applied, and extracted as ion beams. This is a surface treatment method characterized by processing in parallel by configuring the beam current density to be 85% to 115% of the beam current density at the center of each beam. This surface treatment method is characterized in that the treatment is performed continuously by changing the relative position of the ion beam irradiation spot and the substrate to be treated.
第1図は本発明の一実施懸様例であり、第3図のMEV
VAイオンビーム発生装置を3個並列に設置した状態を
示す模式断面図である。FIG. 1 shows an example of the implementation of the present invention, and the MEV shown in FIG.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a state in which three VA ion beam generators are installed in parallel.
真空中のアーク放電によりカソードを蒸発・イオン化し
、高電圧グリッド電極からイオンビームを引き出すME
VVAイオンビーム発生装置甲11.乙12、丙]3を
用いて、金属、炭素,ほう素のうち1種または複数の元
素のイオンビームを発生するとき、イオンビームは放電
バッファガス、ハ0ゲン元素と言った目的外の元素を含
まないので、小さな加速空間で質量分離装置及び振幅電
界発生装置無して純度の高いビームを発生することか出
来るため、該イオンビーム発生装置を二つ以上並列に配
置することか出来る。ME that evaporates and ionizes the cathode by arc discharge in a vacuum and extracts an ion beam from a high voltage grid electrode.
VVA ion beam generator A11. When generating an ion beam of one or more elements among metals, carbon, and boron using [Otsu 12, C] 3, the ion beam contains discharge buffer gas, unintended elements such as halogen elements, etc. Since the ion beam generator does not include ion beam generators, it is possible to generate a highly pure beam in a small acceleration space without a mass separator and an amplitude electric field generator, so two or more ion beam generators can be arranged in parallel.
第1図に示す真空チャンバー14の中に置いた被処理基
板18に照射するイオンビーム15.16.17各々の
電流密度分布は、第4図に各々+9.20.21として
示す様に、ガウシアン分布またはガウシアン分布か多重
に重畳した形をとる。第4図に示す各ビームの電流密度
分布の裾の重なり部分での電流値22か、各ビームの中
心に於ける電流密度値23の85%から 115%であ
るような構成を取ることによって、大面積に均一な処理
か実現てきる。The current density distribution of each of the ion beams 15, 16, and 17 irradiating the substrate to be processed 18 placed in the vacuum chamber 14 shown in FIG. 1 is Gaussian, as shown as +9, 20, and 21 in FIG. It takes the form of distribution, Gaussian distribution, or multiple superposition. By adopting a configuration such that the current value 22 at the overlapping part of the tails of the current density distribution of each beam shown in FIG. 4 is 85% to 115% of the current density value 23 at the center of each beam, Uniform treatment can be achieved over a large area.
ここて85%から 115%とした理由は、この範囲の
分布であれば処理により得られた特性のばらつきか実用
上充分小さいためである。The reason why the range is set from 85% to 115% is that if the distribution is within this range, the variation in characteristics obtained through processing is sufficiently small for practical purposes.
第1図、第4図では、例としてイオンビームか3個の場
合を示したか、何個に増えても差支えなく、2個でも構
わない、またイオンヒーム発生装置甲11.乙12.丙
13は、各々1個のイオン源であっても構わず、また各
々か複数個のイオンビーム発生装置の集合であっての構
わない。さらにイオンビーム発生装置は、直線上の配置
ではなく二次元的な配置であっても構わない。In FIGS. 1 and 4, three ion beams are shown as an example, but there is no problem with the number of ion beams, even two. Otsu 12. Each of the ion beams 13 may be one ion source, or may be a set of each or a plurality of ion beam generators. Further, the ion beam generator may be arranged in a two-dimensional manner instead of in a straight line.
また被処理基板18と、イオンビーム甲15.乙16丙
17の相対位置を連続的に変化させる事により、より広
い面積を持つ被処理基板の表面を処理することか出来る
。ここで相対位置を変化させる動きは、移動・停止を繰
り返すステップ状のものであっても#11わない。In addition, the substrate to be processed 18 and the ion beam A 15. By continuously changing the relative positions of the parts 16 and 17, it is possible to process the surface of a substrate having a wider area. Here, the movement of changing the relative position is not #11 even if it is a step-like movement in which movement and stopping are repeated.
表1に設定条件を示す二つのMEVVAイオンビーム発
生装置甲と乙を並列に設置して、各々のイオンビーム発
生装置より発生したイオンビーム甲とイオンビーム乙に
よって被処理基板のイオン注入処理を行った。Two MEVVA ion beam generators A and B, the setting conditions of which are shown in Table 1, are installed in parallel, and the substrate to be processed is ion-implanted using ion beam A and ion beam B generated by each ion beam generator. Ta.
このときイオンビーム甲及び乙の中心部のビーム電流密
度70μAに対して、イオンビーム甲と乙の裾同士か重
なりあう中間点のビーム電流密度は60μAてあり、
115%から85%という条件を満たしている。At this time, while the beam current density at the center of ion beams A and B is 70 μA, the beam current density at the midpoint where the skirts of ion beams A and B overlap is 60 μA.
It satisfies the conditions of 115% to 85%.
表2に被処理基板はチャンバー中に固定し、各ビームの
中心部分に於ける注入ドーズ量は3×+017Ti/c
m’ としたときに、被処理基板中に注入されたチタン
の最大濃度を各点でグロー放電分光法により測定した結
果を示す。被処理基板中に添加される有効注入ドーズに
は、注入中のスパッタ効果により飽和するため、最終的
に被処理基板で得られる添加チタン濃度はビーム中心部
分と裾の部分ても殆と差を生じない結果を得た。Table 2 shows that the substrate to be processed is fixed in the chamber, and the implantation dose at the center of each beam is 3×+017Ti/c.
The results are shown in which the maximum concentration of titanium injected into the substrate to be processed was measured at each point by glow discharge spectroscopy, where m' is the maximum concentration of titanium injected into the substrate to be processed. Since the effective implantation dose added into the substrate to be processed is saturated due to the sputtering effect during implantation, there is almost no difference in the doped titanium concentration finally obtained in the substrate to be processed between the center part of the beam and the bottom part of the beam. I got a result that does not occur.
表
イオン泥中及び乙の設定条件
表2゜
被処理基板上での注入元素濃度
〔発明の効果〕
このように本発明の方法によれば、金属、半金属のイオ
ンビームによる材料表面処理を、従来の方法では困難で
あった広い面積にわたり、効率よくかつ均一に行うこと
が出来る。Table 2 Table 2: Concentration of implanted elements in the ion mud and on the substrate to be treated [Effects of the invention] As described above, according to the method of the present invention, the surface treatment of metals and semimetals with an ion beam can be This can be done efficiently and uniformly over a wide area, which was difficult to do with conventional methods.
第1図は真空アーク放電をイオン発生の原理とするイオ
ンビーム発生装置を並列に設置して被処理基板に照射す
る装置の模式図、第2図は従来型のイオンビーム装置に
より被処理基板にイオンビームを照射する構成の模式図
、第3図は真空アーク放電をイオン発生の原理とするイ
オン源の一例としてMEVVA型イオン源の原理構成図
、第4図は複数のイオンビーム発生装置から発生された
イオンビームの被処理基板上でのビーム電流密度の分布
を示す図面である。
1・・・従来型装置で発生したイオンビーム、2・・・
振幅電界か付加されている空間、3・・・被処理基板、
4・・・加速管、5・・・質量分離用磁石、6・・・振
幅電界付加装置、7・・・従来型イオンビーム発生装置
に用いるイオン源、8・・・MEVVA型イオンビイオ
ンビーム発生装置ド、9・・・MEVVA型イオンビイ
オンビーム発生装置ド、lO・・・MEVVA壓イオン
ビイオンビーム発生装置ド、11・・・MEVVA型イ
オンビーム発生装置甲、12・・・MEVVA型イオン
ビーム発生装置乙、13・・・MEVVA ffiイオ
ンビーム発生装置丙、14・・・処理用真空チャンバー
、15・・・イオンビーム甲、16・・・イオンビーム
乙、17・・−イオンビーム丙、18・・・被処理基板
、19・・・イオンビーム電流分布中、20・・・イオ
ンビーム電流分布乙、21・・・イオンビーム電流分市
内、22・・・イオンビームの裾の重なり部分での電流
値、23・・・イオンビーム中心部での電流値代理人
弁理士 秋 沢 政 光
他1名
才1図
汁2図Figure 1 is a schematic diagram of a device that uses vacuum arc discharge as the principle of ion generation and irradiates a substrate to be processed by installing ion beam generators in parallel. A schematic diagram of the configuration for irradiating ion beams. Figure 3 is a diagram of the principle configuration of the MEVVA type ion source as an example of an ion source that uses vacuum arc discharge as the principle of ion generation. Figure 4 shows the ion beam generated from multiple ion beam generators. 2 is a drawing showing the distribution of beam current density of an ion beam on a substrate to be processed. 1... Ion beam generated by a conventional device, 2...
A space to which an amplitude electric field is applied, 3... substrate to be processed,
4... Accelerator tube, 5... Mass separation magnet, 6... Amplitude electric field adding device, 7... Ion source used in conventional ion beam generator, 8... MEVVA type ion beam generation Apparatus D, 9... MEVVA type ion bioion beam generator D, lO... MEVVA type ion bioion beam generator D, 11... MEVVA type ion beam generator A, 12... MEVVA type ion beam generation Equipment Otsu, 13... MEVVA ffi ion beam generator C, 14... Vacuum chamber for processing, 15... Ion beam A, 16... Ion beam Otsu, 17... - Ion beam C, 18. ...Substrate to be processed, 19...In the ion beam current distribution, 20...Ion beam current distribution B, 21...Ion beam current distribution, 22...In the overlapping part of the bottom of the ion beam Current value, 23... Current value agent at the center of the ion beam
Patent Attorney Masamitsu Akizawa and 1 talent 1 illustration 2 illustrations
Claims (1)
たは2種以上の元素のイオンビームにより被処理材料の
表面処理を行うに際し、真空中でアーク放電を起こして
カソード材料を蒸発,イオン化し、高電圧を印加したグ
リッド電極によりこのイオンを加速してイオンビームと
して引き出すイオンビーム発生装置を複数台用いて、複
数のビームが被処理基板上で重畳して照射される部分の
ビーム電流密度が、各ビームの中心のビーム電流密度の
85%から115%であるように構成して並列に処理す
ることを特徴とする表面改質法。(2)2以上のイオン
ビームの照射スポットと被処理基板との相対位置を変化
させて連続して処理をおこなう請求項(1)記載の表面
改質法。(1) When surface-treating a material with an ion beam of one or more elements among metals and metalloids such as carbon and boron, an arc discharge is generated in a vacuum to evaporate the cathode material. Using multiple ion beam generators, the ions are ionized, accelerated by a grid electrode to which a high voltage is applied, and extracted as an ion beam.The beam current of the portion of the substrate to be processed is irradiated with multiple beams in a superimposed manner. A surface modification method characterized in that the density is configured to be 85% to 115% of the beam current density at the center of each beam and the processing is performed in parallel. (2) The surface modification method according to claim (1), wherein the treatment is performed continuously by changing the relative positions of the two or more ion beam irradiation spots and the substrate to be treated.
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