JPH0441670A - 金属表面層の改質方法及びイオン処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、金属の表面層にイオンを注入することにより
表層の機械的、化学的または物理的な改質を行う金属表
面層の改質方法及びそのためのイオン処理装置に関する
しのである。

「従来の技術」 イオン注入により金属の表層の化学的性質を改善するた
めに、′Ｉ゛１の表層にＮイオンを注入して′Ｉ″ｉＮ
層を形成するなとの試みが行イつれている。

「発明が解決しようとする課題」 ところで、このようなイオン注入法においては、注入層
におけるイオン６度が表面から深さ方向に向かってガつ
ス分布に近い分布をしており、耐食性などイオン注入の
効果が最も必要とされる表層近傍のイオン濃度が内部よ
りも低いことになり、充分な表面特性が得られない。

また、Ｔｉ、ＡＱなど酸化しやすい金属はその表面に予
め酸化被膜が形成されていることが多く、これらを事前
に除去しても、イオン注入処理を工業的に行う場合に雰
囲気の制御が難しいので表面に酸化膜が形成されてしま
う。従って、通常の工程では、最外層に酸化物が存在し
、その内側に所望するイオン注入層ができることになり
、必要な表面特性を得ることが困難となる。

「課題を解決するための手段」 第１請求項に記載した発明は、イオン統を備えたチャン
バー内において金属片にイオンを注入する工程と、チャ
ンバー内においてイオンビームを照射して金属片の表層
を除去する工程とを有することを特徴とするものである
。

第２請求項に記載した発明は、上記の発明において、５
〜５０人の深さ分解能を有する表面分析法によって表層
の濃度及び状態分析を行いながら表層の除去を行うこと
を特徴とするものである。

第３請求項に記載した発明は、上記のような分解能を有
する表面分析方法として、Ｘ線光電子分光法、二次イオ
ン質量分析法またはオージェ電子分光法のいずれかを用
いたことを特徴とするものである。

第４請求項に記載した発明は、処理室内の被処理物にイ
オンビームを照射する照射手段と、表面層を除去するイ
オンスパッタリング手段とを備えていることを特徴とす
るものである。

第５請求項に記載の発明は、第４請求項記載の発明に表
面分析手段を付加したことを特徴とするしのである。

上記の処理のいずれも、チャンバー内を超高真空にした
後、必要なガス成分のみを含む雰囲気にすることが望ま
しく、チャンバー内を排気して、５ＸＩＯ−’Ｐａ以下
とすることが望ましい。

また、イオンの注入及び表層の除去のいずれも、表面を
均等に処理するために、金属片を回転させながらイオン
ビームを表面に走査させて行うことが望ましい。

１作用　」 第２請求項に記載の発明によれば、イオンビームを照射
してイオン注入と表層の除去が行われるので、イオンビ
ームの照射エネルギーなどの条件を適切に設定すれば、
注入イオン濃度の低いあるいは酸化物を含む微妙な厚さ
の表層を除去し、必要なイオン濃度の高い部分を露出さ
せる。

第２請求項に記載の発明によれば、所定の分解能を有す
る表面分析法によって表面の注入イオン濃度を確認しな
がら、また表面状態を分析しながらイオン注入層の表層
の除去が行われる。

５Å以下の分解能は現実的には得るのが困難である。一
方、分解能が５０Å以上の情報については、電子を分析
する場合は、非弾性散乱により元素固有のエネルギーを
失い、分析できなくなる。

二次イオンの分析の場合は、原理的に、５０Å以上の深
さの原子がスパッタリングされて検出されることはない
。

第３請求項に記載の発明によれば、Ｘ線光電子分光法、
二次イオン質量分析法またはオージェ電子分光法のいず
れかの方法により表面の分析を行いながら、表面層の除
去がなされる。

第４請求項に記載の発明によれば、上記のイオン注入、
表層の除去が同一のチャンバーにおいて行える。

第５請求項に記載の発明によれば、表面の注入イオン濃
度を確認しながら、また表面状態を分析しながらイオン
注入層の表層の除去が行われる。

Ｕ実施例ｊ 以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は、イオン処理装置Ａの全体を示す図であり、被
処理物を置く処理室ｌと、注入イオンを発生させるイオ
ン注入装置２、表面を除去するためのスパッタリング装
置３から成っており、これらの各チャンバーは、全体に
気密に形成され、排気ダクト４を介して排気袋Ｗ（ター
ボ分子ポンプ、図示路）に接続されている。

処理室１Ｇ中央には、被処理物を載置すべき試料テーブ
ル５が、下部の回転装置６により水平面内に回転自在に
設けられている。

イオン注入装置２は、処理室ｌの上方のＬ字状の注入イ
オン導入ダクト７に設置されている。すなわち、この注
入イオン導入ダクト７の末端にはイオン源８が設けられ
、イオン源８から発生したイオンは加速器９によって加
速され、コーナ一部に設けられた質量分離マグネットＩ
Ｏにより所要のイオンが分離され、Ｘスキャナー１１．
Ｙスキャナー１２により方向を制御されて処理室１に導
入される。

また、スパッタリング装置３は処理室ｌの斜め上方から
試料テーブル５に向けて直線状に配置されており、やは
りイオン源１３、加速器１４、Ｘスキャナー１５、Ｙス
キャナー１６を備えている。

イオン注入装置２及びスパッタリング装置３には、その
作動を制御する制御装置１７が接続されている。また、
処理室Ｉのスパッタリング装置３に対向する位置にはイ
オン及び電子の検出器１８が設けられ、これにはデータ
処理装置１９が接続されている。

なお、処理室内のスパッタリング装置３に対して９０度
の位置にはＸ線または電子線の線源２０が設けられ、こ
れに制御装置２１が付設されている。これは、Ｘ線光電
子分析法、オーンエ電子分光法の分、折のために用いら
れるもので、二次イオン質量分析法の分析のためにはス
パッタリング装置３が用いられる。

厚さ０　、１　ｆｆ１ＩｎのＴｉの薄板（ＪＩＳＬ級）
をイオン処理装置Ａに入れ、ターボ分子ポンプにより処
理室Ｉ内の真空度を５．ＯＸＩ　Ｏ−’Ｐａにした後、
イオン注入装置２を作動させてＮイオンを注入した。

注入エネルギーは４０ｋｅＶ、注入されたＮイオンの密
度は、計算値で５　、　ＯＸ　１０　ｌ７ａＬｏｔｐｓ
／ｃｍ”であった。スキャナー１１．１２を作動させて
イオン注入装置２からのイオンビームを走査させ、Ｎイ
オンの注入を均等にした。注入後の金属片の色は、Ｔｉ
Ｎの金色ではなく赤紫色であった。

この金属片を、同装置内でスパッタリング装置３を作動
させて表層の除去を行った。ターボ分子ポンプを作動さ
せて該チャンバー内を５．０Ｘ］０７Ｐａにした後、純
度９９，９９９％のＡｒガスを用い、イオン＄１３から
Ａｒイオンを発生させ、スキャナー１５．１６でＡｒイ
オンビームを走査させるとともに、金属片を載置した試
料テーブル５を水平面内で回転数２０　ｒｐｍで回転さ
せてＡｒイオンを均等に照射した。

」二足のスパッタリング処理と同時にＸ線光電子分光法
を用い、Δｒイオン照射に伴って表面から放出される光
電子を分析して表層の組成及び状態を確認しつつ表層の
除去を行った。

第２図は、そのＸ線光電子分光法の結果を示すもので、
Ａｒイオンビーム照射時間は、上段より０分、５分、１
０分、１５分となっている。

この図において、グラフの横軸は光電子の結合エネルギ
ーを示しており、グラフの最上段の目盛りにＴｉｄｙお
よびＴｉＮに対応する結合エネルギーの位置を矢印を用
いて示しである。

なお、Ａｒイオン処理時間に対応する除去深さは、１０
人／ｓｉｎであり、各グラフはそれぞれ表層から０人、
５０人、■００人、１５０人の深さ位置に対応している
。さらにＡｒイオン処理を続けると、’Ｉ’　ｉ　０　
ｔとＴｉＮの強度の関係はこれ以降間しである。

第３図は、Ｎイオン照射したサンプルを、二次イオン質
量分析法を用いて深さ方向の濃度変化を調べたしので、
表面から６００人のところで極太値となっており、これ
はＡｒイオン処理を６０ｍ１ｎ行ったときに’１’ｉＮ
のピークが出ることを示している。

１５ｍ１ｎ処理後の金属片は赤紫色が消えてＴｉＮの金
色に近くなっており、３０ｍ１ｎ処理後には′Ｉ゛の薄
黄色に戻っていた。

「発明の効果」 第１請求項に記載した発明は、イオン注入装置を備えた
チャンバー内において金属片にイオンを注入する工程と
、チャンバー内においてイオンを照射して金属片の表層
を除去する工程とを有するものであり、注入イオン濃度
の低いあるいは酸化物を含む微妙な厚さの表層を除去し
、必要なイオン濃度の高い部分を露出させることにより
、イオン注入の効果を一層明確に発揮させて良好な表面
品質を持つ金属を提供することができる。

第２請求項に記載の発明によれば、５〜５０人の深さ分
解能を有する表面分析手段によってイオン注入層の表層
の除去をイオン濃度を確認しながら行うので、最適な厚
さだけ除去することにより、改質の効果を安定させるこ
とができる。

第３請求項に記載の発明によれば、それぞれが上記の分
解能を備えており、第２請求項とどうようの作用効果が
得られる。

第４請求項に記載の発明によれば、イオン注入と表面層
の除去が同一のヂャンバーに付属した装置で行えるので
、作業が簡単である。

第５請求項に記載の発明によれば、さらに表面の分析が
同時に行えるので、同一の装置で、イオンの注入と、イ
オン濃度を確認しながら表面を除去することが行え、簡
単に表面の改質を効率よく行える。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のイオン処理装置の図面、第
２図は本発明の方法によって金属表面層の改質を行った
際の表層近傍におけるイオンの分布を示すグラフ、第３
図は同じく深さとイオンの分布を示すグラフである。 ｌ・・・・・・処理室、２・・・・・イオン注入装置、
３・・・・・スパッタリング装置、Ｉ８・・・・・・検
出器、１９・・・・・・データ処理装置、２０・・・・
・・線源。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）イオン注入装置を備えた処理室内において金属片
   にイオンを注入する工程と、処理室内においてこの金属
   片にイオンを照射して金属片の表層を除去する工程とを
   有することを特徴とする金属表面層の改質方法。
2. （２）５〜５０Åの深さ分解能を有する表面分析法によ
   って表層の濃度及び状態分析を行いながら表層の除去を
   行うことを特徴とする請求項１に記載の金属表面層の改
   質方法。
3. （３）上記表面分析法が、Ｘ線光電子分光法、二次イオ
   ン質量分析法またはオージェ電子分光法であることを特
   徴とする請求項２記載の金属表面層の改質方法。
4. （４）処理室内の被処理物にイオンビームを照射するイ
   オン注入装置と、表面層を除去するイオンスパッタリン
   グ装置とを備えていることを特徴とするイオン処理装置
   。
5. （５）表面分析装置を備えていることを特徴とする請求
   項４記載のイオン処理装置。