JPH0787115B2 - 高フラックスエネルギ−原子源 - Google Patents

高フラックスエネルギ−原子源

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JPH0787115B2
JPH0787115B2 JP62212667A JP21266787A JPH0787115B2 JP H0787115 B2 JPH0787115 B2 JP H0787115B2 JP 62212667 A JP62212667 A JP 62212667A JP 21266787 A JP21266787 A JP 21266787A JP H0787115 B2 JPH0787115 B2 JP H0787115B2
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gas
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ロバート・エイチ・クレッシュ
バイロン・ディ・グリーン
アンソニー・エヌ・ピリー
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フィジカル・サイエンス・インコ−ポレ−テッド
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    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/02—Arrangements for confining plasma by electric or magnetic fields; Arrangements for heating plasma
    • H05H1/22—Arrangements for confining plasma by electric or magnetic fields; Arrangements for heating plasma for injection heating
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野及び従来の技術］ NASAスペースシャトルに関して、シャトルが地球の低軌
道を循環飛行している間に、シャトル構成要素のいくつ
かの表面が劣化することが判明した。理論上、このよう
な劣化は、原子粒子、多くの場合、低い高度で8.0km/秒
の軌道速度のときに発生する酸素粒子との衝突によって
起こると考えられる。劣化の程度は、環境をシミュレー
トして、材料の試験を実施することが要求されるような
性質のものであるとわかった。
シャトルの低軌道経路で見られる高速原子の条件のシミ
ュレーションは、高い粒子フラックスの分解ガス、すな
わち粒子線においてそのような高速を達成するのが困難
であるために、現時点の技術範囲を越えたものである。
［発明の概要］ 原子粒子から成るほぼ単一エネルギーの高フラックス線
は、原子線を形成すべき材料を含有するガスを非常に低
圧に真空排気された真空チェンバの内部でノズルスロー
トを介して射出して、限定された細い、次第に拡張する
柱状の流れを発生することにより得られる。この柱状の
流れは、拡張するガスの分解及び解離を生じさせて、プ
ラズマを発生するために放射線を照射される。拡張する
プラズマは、プラズマ成分について非常な高速に達す
る。拡張プラズマを冷却すると、プラズマは原子線の中
に中性原子粒子を形成しつつ電荷中和するが、密度は、
通常、ガス粒子の再形成を阻止するように十分に低く保
持される。
通常の構成では、ガス又はガス混合物は、分子弁を使用
して、ノズルスロートを介し、複数のパルスとして射出
される。ノズルを介してガスが最初に円錐形スロートの
中へ射出された直後に、高出力レーザー放射線のパルス
が射出ガス中に集束される。ノズル内のガスが分子密度
であれば、ガスの分解及び解離を発生させて非常に高温
のプラズマとするのに十分なエネルギーが与えられる。
プラズマエネルギーはプラズマを拡張させ、拡張したプ
ラズマはノズルの壁面により外方へ案内されてノズル出
口に達し、１〜10km/秒の範囲の非常に速く、ほぼ均一
な速度の射出ガスを発生する。表面を改変すべき材料か
ら成るターゲットは原子の流れを遮断する。原子の種類
及びターゲット材料に応じて、原子衝撃により、表面浸
食、表面コーティング、衝撃原子線中の原子とターゲッ
ト材料との反応及び表面洗浄、すなわち汚染物質除去を
含む様々な効果を得ることができる。
高速粒子線の発生に使用するために本発明に特に適する
ガスは、安定二原子、酸素、水素、窒素、フッ素及び塩
素等である。一酸化炭素、塩化水素及び多くの炭化水素
等のその他の安定ガスも、原子粒子線の前駆物質として
使用することができる。
この方法によれば、金属カルボニル、有機金属、SiH4、
メタルハライド等の種類のガス混合物においてレーザー
分解を発生させることにより、金属又は高融点元素等の
その他の数多くの種類の原子を使用して、半導体の製造
及びその他の用途に使用される基板にきわめて薄い金属
被膜又は高融点被膜を形成することができる。
［実 施 例］ 以下、添付の図面を参照して本発明を詳細に説明する。
本発明は、異なる種類の粒子から成る高速原子線を発生
することと、所定のターゲット材料の表面の改質を生じ
させるためにその原子線を適用することを意図する。
本発明を実施するための装置は第１図に示されている。
第１図に示される真空チェンバ12は、原子線発生過程に
おける汚染を回避するために、ポンプ装置14により通常
は10-7気圧以下の範囲の低圧に真空排気される。従来真
空処理技術の場合と同様に、必要に応じて、観察及び操
作のための窓口を真空チェンバに設けても良い。
ノズルアセンブリ16は密封ポート18を介して真空チェン
バ12の内部へ延出する。一種類のガス又は複数種類のガ
スの混合物は、通常は数気圧程度の適切な圧力で供給源
20からノズルアセンブリ16に供給される。表面効果に対
する制御をさらに精密にして、単原子層の形成を可能に
すると共に、真空ポンプ14に課される必要条件を制限す
るために、ガスをパルス形供給装置を介して真空チェン
バ12の内部に供給するのが有用である。連続動作も同様
に可能である。一実施例においては、ガスをパルス状に
供給するための弁動作は、Newport Research製造のモデ
ルBV−100パルス分子線弁等の分子弁22を使用すること
により得られる。この弁は、持続時間が100マイクロ秒
と短いガスバーストを供給することができる。持続時間
の短いバーストは、原子の個数が限定されるために有用
であり、ターゲット表面改質効果のさらに精密な制御を
可能にすると共に、所望の真空を維持するために必要な
ポンプ動作負荷を減少させる。
分子弁22は各ガスバーストを1/8インチ（3.175mm）のＯ
リング24と、面板26の1.0mmの開口とを介して、通常は2
0゜の開き角度を有し且つ長さが10cmであるノズルコー
ン、すなわちスロート28に搬送する。これにより、通常
は直径1.0mmの細い柱状のガスをバーストごとに真空チ
ェンバ12の内部へ射出させることができる。
レーザー装置30は、面板26の開口から射出するガスの分
解及び解離を発生させるための放射エネルギーの供給源
として設けられる。レーザー装置30は、通常、10.6ミク
ロンの波長で動作する二酸化炭素レーザーであるが、そ
の他の波長を採用しても良い。レーザー装置は、通常は
2.5マイクロ秒の短い持続時間を有し、射出ごとのエネ
ルギーが約５〜10ジュールであるパルスを供給すること
ができる。パルスの持続時間とエネルギーは、ガスバー
ストごとに限定された数のガス原子で非常に急速な拡張
を可能にし、それにより、非常に高速の出力原子線を駆
動することが必要であるのを考慮して決定される。所定
の最終速度に対して、必要とされるパルスエネルギーは
処理されるガスの量に正比例する。
レーザー装置30が発生したパルス出力線32は塩化ナトリ
ウム窓34を介して真空チェンバ12に入り、レンズ36によ
り集束されて、面板26の開口がスロート28内にガスを射
出する箇所であるスロート28の頂点で、通常は直径0.1m
mの小さなウェストサイズの線となる。持続時間の短い
高エネルギーのパルスはガスの分解を発生させて、プラ
ズマを形成する。プラズマを発生させるために必要な強
さは、処理されるガスの同一性と圧力の双方に従って決
定される。得られるプラズマの超高温と、真空環境との
組合わせにより、スロートの壁面により限定されるプラ
ズマが拡張線38が発生し、これは、スロート出口部で１
〜10km/秒の範囲に達する速度のほぼ単一エネルギーの
ガスの流れを形成する。
第３図は、本発明に従って発生される窒素原子の原子線
のスペクトルを示す。プラズマ拡張線38は冷却して、ほ
ぼ単一エネルギーの、すなわち、ほぼ均一な速度の原子
の流れを発生する。
ターゲット40は、操作者の希望に応じて材料コーティン
グ及び薄膜形成を含む表面改質のために、プラズマ拡張
線38の経路に配置される。ターゲット40はレーザー出力
線32の軸から外れて配置されても良い。ターゲット40の
活性影響領域の広さは100cm2以上となると考えられる。
本発明は特定のターゲット材料への適用に限定されな
い。また、プラズマ拡張線38で発生することができる原
子の種類に関する制限もない。プラズマ前駆物質として
は、酸素、水素、窒素、フッ素、塩素などの従来周知の
安定二原子等核ガスや、多元素安定二原子ガス及び三原
子以上の多元素安定ガスを使用することができる。さら
に、供給装置20から前駆物質ガスの混合物、たとえば、
金属カルボニル、有機金属、SiH4又は特にメタルハライ
ドと希土類ガスとの組合せを供給することにより、金属
又は高融点材料等の他の種類のものから成るビームを発
生させることができる。供給されたプラズマはターゲッ
ト40と反応して、カルボニル供給成分の場合は、同様に
供給ガス中のシリコン又はチタンを使用して、SiC又はT
iCを発生する。プラズマの高温は、低温又は室温でのタ
ーゲット動作を可能にする。
本発明の方法を第２図を参照して説明する。第２図に示
すように、所望の一元素から成るガス又は複数の単一元
素ガス又は多元素ガスの混合物がステップ50において発
生される。このガスは、ステップ52で、ノズルアセンブ
リ16により表わされるようなノズルを介して供給され、
拡張コーンのスロート領域の中へ射出される。このよう
に射出されたガスは、ステップ54において、通常は放射
エネルギーの使用により分解し、高温の加圧プラズマを
発生する。このプラズマは、ステップ56で、ノズルの壁
面により限定されるように所望の方向に拡張し、ステッ
プ58において適切なターゲットに向けられる。
以下に示す実施例は、本発明を高速原子線の発生に適用
した特定の場合を説明するためのものである。
実施例 １ ガス供給装置20から約6 1/3気圧の酸素をノズルへ付与
し、ノズルの分子弁は、持続時間を1.0ミリ秒以下に調
整したガスのバーストを順次発生する。通常、スロート
内への最初の200マイクロ秒のガス射出の後、10.6μｍ
の波長を有するレーザー放射線の長さ2.5マイクロ秒の
バーストがノズルスロートの頂点の、0.1mmのウェスト
に集束される。真空チェンバは、処理中、３×10-5〜３
×10-4torrの範囲に維持される。真空チェンバ12に装着
された計器から、原子酸素の流量は９〜10km/秒である
ことがわかった。
ポリエチレン及びアルミニウムから成るターゲットを原
子線の流れを遮断するように配置し、この原子酸素処理
のサイクルを数百回実施した。その結果、材料浸食の明
確な証拠が得られた。酸素ビームにさらされたポリエチ
レンターゲットを走査電子顕微鏡で分析すると、酸素表
面濃縮が見られ、一方、ビームを受けなかったターゲッ
ト領域にはエンハンスメントは見られなかった。照射後
のアルミニウムターゲットのスペクトル分析では、照射
ビームのスペクトル識別特性が一部示された。
このように、本発明は、様々なターゲット材料の表面改
質を実現することができる多様な種類の高速原子の供給
源を提供する。本発明の範囲は特許請求の範囲によって
のみ限定されるものとする。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明を実施するための装置の略図、 第２図は、本発明の方法を示すプロセス線図、及び 第３図は、本発明に従って発生される窒素ビームの放射
線スペクトルを示す図である。 12……真空チェンバ 16……ノズルアセンブリ、20……ガスの供給源 22……分子弁 24……Ｏリング、26……面板 28……スロート、30……レーザー装置 32……パルス出力線、36……レンズ 38……プラズマ拡張線、40……ターゲット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 バイロン・ディ・グリーン アメリカ合衆国01867 マサチューセッツ 州 リーディング、カーティス・ストリー ト55 (72)発明者 アンソニー・エヌ・ピリー アメリカ合衆国01810 マサチューセッツ 州 アンドバー、アポロ・サークル３

Claims (36)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】真空チェンバと、 真空チェンバの内部にあって、限定されたガスの流れを
    狭い開口の中へ射出するノズル手段と、 前記ガスの流れを前記狭い開口の内部で分解させてプラ
    ズマを発生するプラズマ発生手段と、 前記プラズマの体積膨張を調整して、ほぼ単一エネルギ
    ーの高速原子線を発生する膨張調整手段と、 を具備する高速原子ガス粒子から成るほぼ単一エネルギ
    ーの高フラックス線を発生する装置。
  2. 【請求項２】前記真空チェンバは、約10-4torr以下の圧
    力を維持する手段を含む特許請求の範囲第１項記載の装
    置。
  3. 【請求項３】前記ノズル手段は、直径が約1.0mmの前記
    狭い開口を形成する手段を含む特許請求の範囲第１項記
    載の装置。
  4. 【請求項４】前記ノズル手段は、限定された流れのパル
    ス状射出を発生させる手段を含む特許請求の範囲第１項
    記載の装置。
  5. 【請求項５】前記パルス状射出を発生させる手段はパル
    ス分子線弁を含む特許請求の範囲第４項記載の装置。
  6. 【請求項６】前記パルス状射出を発生させる手段は、百
    マイクロ秒から数百マイクロ秒を測定される持続時間を
    有する複数個の射出パルスを供給する特許請求の範囲第
    １項記載の装置。
  7. 【請求項７】前記プラズマ発生手段は放射エネルギーを
    発生する手段を含む特許請求の範囲第１項記載の装置。
  8. 【請求項８】前記放射エネルギーを発生する手段はパル
    ス放射線を発生する手段を含む特許請求の範囲第７項記
    載の装置。
  9. 【請求項９】前記放射エネルギーを発生する手段はレー
    ザーを含む特許請求の範囲第７項記載の装置。
  10. 【請求項１０】前記レーザーはCO2レーザーを含む特許
    請求の範囲第９項記載の装置。
  11. 【請求項１１】前記放射エネルギーを発生する手段は、
    プラズマの体積膨張領域の一部に放射エネルギーを付与
    する手段を含む特許請求の範囲第７項記載の装置。
  12. 【請求項１２】前記膨張調整手段はノズルコーンを含む
    特許請求の範囲第１項記載の装置。
  13. 【請求項１３】流れの経路にターゲットを位置決めし
    て、ターゲット材料の表面改質を発生させる位置決め手
    段をさらに含む特許請求の範囲第１項記載の装置。
  14. 【請求項１４】前記ターゲットは位置決め手段に設けら
    れる特許請求の範囲第13項記載の装置。
  15. 【請求項１５】前記プラズマ発生手段はレーザービーム
    を含み、前記ターゲットは前記レーザービームから軸外
    れに位置決めされる特許請求の範囲第14項記載の装置。
  16. 【請求項１６】前記ガスは二原子単核ガス、二原子以上
    のガス、ガス前駆物質と金属及び高融点材料との混合物
    の群の中から選択される特許請求の範囲第１項記載の装
    置。
  17. 【請求項１７】前記ガスは、さらに、金属カルボニル、
    有機金属、シリコン化合物、水酸化物及びメタルハライ
    ドと希土類ガスの混合物から成る群から選択される特許
    請求の範囲第16項記載の装置。
  18. 【請求項１８】限定されたガスの流れを前記真空チェン
    バの内部のノズルを介して狭い開口の中へ射出する過程
    と、 前記狭い開口の内部において前記ガスの流れを分解させ
    てプラズマを発生する過程と、 前記プラズマの体積膨張を発生させて、ほぼ単一エネル
    ギーの高速原子線を発生する過程と、 から成る真空チェンバの内部で高速高フラックス原子ガ
    ス粒子から成るほぼ単一エネルギーの原子線を発生する
    方法。
  19. 【請求項１９】前記真空チェンバの内部で約10-4torr以
    下の圧力を維持する過程をさらに含む特許請求の範囲第
    18項記載の方法。
  20. 【請求項２０】前記射出する過程は、直径が約1.0mmの
    前記狭い開口を形成する過程を含む特許請求の範囲第18
    項記載の方法。
  21. 【請求項２１】前記射出する過程は、限定された流れの
    前記パルス状射出を発生させる過程を含む特許請求の範
    囲第18項記載の方法。
  22. 【請求項２２】前記パルス状射出を発生させる過程は分
    子弁動作を実行する過程を含む特許請求の範囲第21項記
    載の方法。
  23. 【請求項２３】前記パルス状射出を発生させる過程は、
    百マイクロ秒から数百マイクロ秒と測定される持続時間
    を有する複数個の射出パルスを供給する特許請求の範囲
    第18項記載の方法。
  24. 【請求項２４】前記プラズマを発生させる過程は放射エ
    ネルギーを発生する過程を含む特許請求の範囲第18項記
    載の方法。
  25. 【請求項２５】前記放射エネルギーを発生する過程は、
    パルス放射線を発生する過程を含む特許請求の範囲第24
    項記載の方法。
  26. 【請求項２６】前記放射エネルギーを発生する過程は、
    レーザー放射線を発生する過程を含む特許請求の範囲第
    24項記載の方法。
  27. 【請求項２７】前記放射エネルギーを発生する過程は、
    プラズマの体積膨張領域の一部に前記放射エネルギーを
    供給する過程を含む特許請求の範囲第24項記載の方法。
  28. 【請求項２８】プラズマの体積膨張を発生する過程は、
    ノズルコーンにより膨張プラズマを案内する過程を含む
    特許請求の範囲第18項記載の方法。
  29. 【請求項２９】ターゲットを流れの位置決めして、前記
    ターゲット材料の表面改質を発生させる過程をさらに含
    む特許請求の範囲第18項記載の方法。
  30. 【請求項３０】プラズマの体積膨張を発生する過程は、
    プラズマを電荷中和する過程を含む特許請求の範囲第18
    項記載の方法。
  31. 【請求項３１】前記射出する過程は、酸素、水素、窒
    素、フッ素、塩素、一酸化炭素、並びに希土類ガスと金
    属カルボニル、有機金属、SiH4及びメタルハライドとの
    混合物から成る群から選択されるガスを射出する過程を
    含む特許請求の範囲第18項記載の方法。
  32. 【請求項３２】特許請求の範囲第29項記載の方法に従っ
    て表面改質のために処理されるターゲット。
  33. 【請求項３３】前記表面改変する過程はターゲット表面
    をコーティングする過程を含む特許請求の範囲第27項記
    載の方法。
  34. 【請求項３４】特許請求の範囲第33項記載の方法に従っ
    て表面改質のために処理されるターゲット。
  35. 【請求項３５】前記表面改質する過程は前記ターゲット
    に薄膜を形成する過程を含む特許請求の範囲第29項記載
    の方法。
  36. 【請求項３６】特許請求の範囲第35項記載の方法に従っ
    て表面改質のために処理されるターゲット。
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