JPH0790581A - イオン注入による表層改質方法およびその装置 - Google Patents

イオン注入による表層改質方法およびその装置

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JPH0790581A
JPH0790581A JP25747293A JP25747293A JPH0790581A JP H0790581 A JPH0790581 A JP H0790581A JP 25747293 A JP25747293 A JP 25747293A JP 25747293 A JP25747293 A JP 25747293A JP H0790581 A JPH0790581 A JP H0790581A
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ion implantation
ion
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temp
laser
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JP25747293A
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Osami Ichiko
修身 市古
Kazunori Hayashi
和範 林
Kenji Sugiyama
賢司 杉山
Jun Sasaki
純 佐々木
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Nippon Steel Corp
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Nippon Steel Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 イオン注入による表層改質深さを高めるた
め、注入後のイオンの内部拡散を促進して実質的にイオ
ンの侵入深さを高め、結果として表層深さを高める実用
的なイオン注入による表層改質方法及びその装置を提供
する。 【構成】 真空容器14内に基板1を載置する試料保持
体2を設け、基板1にイオンビーム4を照射するイオン
源3と、基板1の温度を計測する光温度センサ9と、レ
ーザビーム8を照射するビーム整形光学系7とを設け、
温度計測値を信号変換器10を介して温度制御装置11
に入力し、所定値と実測値との温度差に応じてレーザ出
力制御装置12によりレーザ発振器5からの出力を調節
して、レーザビーム8の出力を制御して、基板1の表面
を加熱し、裏面を試料保持体2に冷却水を通して冷却
し、基板1の厚さ方向に温度勾配を与えつつ、イオン源
3からのイオンビーム4によりイオン注入を行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、耐摩耗性、耐食性等の
表面特性を向上するのに適するイオン注入による表層改
質方法およびその装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】イオン注入は、エネルギビームであると
同時に物質ビームであるイオンビームを材料に照射し、
その表層内にイオンを埋め込む表層改質方法であって、
半導体製造分野において広く用いられている。更に近年
は、イオン源の大容量化技術の進歩と共に一般材料の表
面高機能化技術としても注目されているものである。
【0003】イオン注入による表層改質方法の1つの問
題として、改質できる層の厚さがイオンの侵入深さに依
存するため極めて浅いということがある。図3はFeへ
注入する各種イオンの加速電圧(イオンエネルギ)と侵
入深さとの関係を示したものであるが、通常用いられて
いる100kV以下の加速電圧では、イオンの侵入深さ
は0.1μm以下である。このことは、半導体への応用
においては多くの場合むしろ大きな利点であったが、一
般材料の表面改質を考える場合には他の表面処理方法と
比べ一桁以上も浅く、大きな弱点である。
【0004】そのため、電子ビーム蒸着など薄膜蒸着法
とイオン注入法を併用する技術が、例えば「鉄と鋼」誌
の第71年(1985)第15号24ページの「イオン
注入による鉄鋼材料の表層改質」に記載されているダイ
ナミックミキシング法として用いられている。しかしな
がら本方法は表面に積み上げる膜の厚さを増やすもので
あって、イオン注入による改質層とは別のものである。
【0005】直接イオン注入深さを上げる方法は、図3
から容易に考えられるようにイオンビームの加速電圧を
高めることである。例えば「色材」誌の第62巻(19
89)第2号77ページの「イオンビーム発生装置ー装
置の解説ー」に記載されているように高電圧加速技術の
進歩により1MVクラスのイオン注入装置が市販されて
いる。これを用いてイオン注入深さ1μmレベルが可能
であるが、MV加速のための加速器が巨大となり装置が
莫大なものとなること、及びイオン注入時の基板表面の
過熱が激しいため、イオン注入速度が極めて低く抑えら
れる等、実用的な方法となり得ていないのが現状であ
る。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術の説明か
ら明らかなように、イオン注入による表層改質深さを高
める実用的な方法は現在存在しない。
【0007】このような従来技術の問題点に鑑み、本発
明の目的は、イオンの侵入深さを高めて、表層改質深さ
を高め得る実用的なイオン注入による表層改質方法及び
その装置を提供するものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的は、本発明によ
れば、イオン注入による表層改質方法において、注入表
面を加熱し、裏面を冷却して温度勾配を与えつつイオン
注入を行うことを特徴とするイオン注入による表層改質
方法、特に、その加熱が、レーザ光を照射することであ
ることを特徴とするイオン注入による表層改質方法、あ
るいは、真空容器内にイオン源と試料保持台とを有する
イオン注入による表面改質装置において、試料表面加熱
手段と、裏面冷却手段と、表面温度測定手段とを有する
ことを特徴とするイオン注入による表面改質装置、特
に、その表面加熱手段が、真空容器に設けられた窓から
導入するレーザ光であることを特徴とするイオン注入に
よる表面改質装置によって実現される。
【0009】
【作用】このようにすれば、例えば基板表層にイオンを
注入する場合に、その注入されたイオンを、基板表面の
加熱によって内部へ熱拡散させることができる。一般
に、固体中での原子の熱拡散は次式によって示される拡
散係数Dによって決定される。
【0010】D=D0-Q/RT ここにD0は振動数因子、Rは気体定数、Qは拡散の活
性化エネルギー、Tは絶対温度である。ある温度Tにて
時間t保持した時の拡散距離はほぼD1/2×tとなる。
0、Qの値は固体の種類、拡散する原子の種類により
異なり、多くの場合実験的に求められている。例えばα
鉄中のチタン原子の場合、D0=6.8×10-3m2/sec、Q=
261×103J/molであるので、拡散距離と温度との関係
は、1時間保持の場合は図4のようになる。従って内部
へ有効に拡散させるためには、ある程度の高温が必要で
表面の温度として873K(600℃)以上に加熱する
ことが望ましい。
【0011】一方、基板表面の加熱により基板全体の温
度が上がることは多くの場合好ましくない。基板の物質
構造が変化し、バルクとしての材質特性が劣化してしま
う。例えば、基板として焼き入れ鋼を用いた場合、その
鋼の焼き戻し温度以下に抑えねば、焼き入れによって得
られた硬さが消失してしまう。対象とする基板材質、イ
オン注入改質の目的により一概には言えないが、多くの
場合、基板裏面温度として500℃は越えないように管
理する必要がある。
【0012】従って、裏面冷却を行うと共に、例えばレ
ーザ光を照射することにより極表面層のみを急速に加熱
することにより、内部へ有効に拡散し得ると共に、材質
特性劣化を防止し得る。
【0013】
【実施例】以下、本発明の実施例を、加熱方法としてレ
ーザを用いた場合について示す。図1に於いて、イオン
注入される基板1が、真空容器14内に設けられかつ裏
面冷却手段として一定温度に冷却された試料保持台2に
裏面を密着させてセットされている。冷却は、通常、試
料保持台2の内部に冷却水を循環させる方法でよいが、
冷却能を特に高める必要がある場合には不凍液などを用
いて冷却液の温度を下げる必要がある。
【0014】イオン源3よりイオンビーム4が基板表面
に照射されてイオンが注入され始めると同時に、レーザ
発振器5よりレーザビームが発射され、そのレーザビー
ムが、ビーム伝送系6を経て、試料表面加熱手段として
のビーム整形光学系7によりビーム断面形状を制御され
たレーザビーム8となって、レーザビーム導入窓13を
経て基板表面に照射され表面を加熱する。レーザビーム
導入窓13は、効率良くレーザビームを透過させるた
め、用いるレーザの波長に合わせて材質、表面コーテイ
ング膜を選ばねばならない。ビーム伝送系6およびビー
ム整形光学系7もレーザの波長に合わせて選ばねばなら
ない。通常ビーム伝送系6はミラーの組合せで構成され
るが、YAGレーザのようにファイバー光学系が使用で
きる場合には光軸調整が容易になるなど有利である。ビ
ーム整形光学系7は、目的とするビーム断面形状に応じ
てレンズ、ミラーを単体または複数組み合わせて構成さ
れる。
【0015】基板1の温度は表面温度測定手段としての
光温度センサ9により常時計測され、信号変換器10に
より電気信号に変えられ、温度制御装置11に入力され
る。温度制御装置11では所定の温度と実測温度とを比
較し、その差に応じた信号をレーザ出力制御装置12へ
送り、レーザ発振器5からの出力を調整して基板表面の
温度を所定の値になるよう加熱制御する。
【0016】一方、基板1の裏面は上記したように試料
保持台2により冷却されているので、結果として基板1
は、厚さ方向に温度勾配を持った状態でイオン注入され
る。基板1の表層に注入されたイオンは表層の温度がレ
ーザ加熱で上がっているため、加熱なしの場合に比べて
はるかに速く内部に拡散する。その結果、通常のイオン
注入深さに比べて奥深くイオンを入れ込むことができ
る。
【0017】基板の裏面を冷却して厚さ方向に温度勾配
をつくる意味は、既に述べたように温度上昇による基板
バルクの劣化を防止するためである。多くの場合、基板
バルクの温度上昇は好ましくない。そこで改質したい表
面層のみ拡散に十分な温度とし、それより内部は劣化し
ない上限の温度以下になるように微妙にコントロールし
た温度勾配を維持できるように、レーザの照射出力を精
密にコントロールすることが必要であり、温度制御装置
11に接続されたレーザ出力制御装置12が不可欠であ
る。
【0018】尚、上記説明においては、イオン注入開始
と同時にレーザ加熱を始め、イオン注入停止と共にレー
ザ加熱も停止するごとく述べたが、イオン注入とレーザ
加熱を時間的に全く同時に行うもののみに限ることな
く、例えば、十分な拡散のためにイオン注入停止後もレ
ーザ加熱を継続する場合、またはイオン注入してからレ
ーザ加熱を行ってイオンを拡散させ、次にイオン注入を
行い、しかる後レーザ加熱を行うなど交互に繰り返し行
う場合も含むものとしている。また、表面加熱の手段と
しては、極表面層のみを急速に加熱できるレーザ、電子
ビーム等の高密度エネルギー源による加熱方式が望まし
い。
【0019】このようにして構成された本発明による装
置を用いて軟鋼基板にチタンイオンを注入した例につい
て以下に示す。基板1のサイズを15×15×5tmm
とし、チタンイオンの注入条件は、加速電圧を70k
V、注入イオン量を5×1017ions/cm2であ
る。裏面を常温の冷却水を循環させた試料保持台2に接
触させて冷却した状態で、表面を750℃に加熱した。
この時裏面の温度は約450℃となり、温度勾配は約6
0℃/mmとなった。
【0020】レーザを、波長1.06μmのYAGレー
ザをファイバーを用いて伝送し、ビーム整形光学系とし
て用いたレンズ系により基板表面上に10mmφの円形
ビームとなるようにした。表面を750℃に加熱するた
めのレーザ出力は300Wであった。また処理時の真空
容器14内の真空度は4×10-7torrであった。比
較のため本発明によるイオン注入表面改質処理と同じ条
件でレーザ照射のみを行わない通常のイオン注入処理に
よる試料も作製した。
【0021】処理後真空容器14から取り出した試料中
のチタンイオンの深さ方向の分布を調べるため、グロー
放電分光法により表面分析を行った。結果を図2に示
す。図中aは本発明によるイオン注入処理、bはイオン
注入処理のみの試料のものである。本発明のイオン注入
処理によりイオンの侵入深さを10倍以上高めることが
できた。しかも基板バルクの大部分は本実施例に於ける
軟鋼の焼き戻し温度600℃より低いので軟化も見られ
なかった。
【0022】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
るイオン注入処理を用いれば、イオン注入による表層改
質深さを従来の10倍以上に高めることができる。その
結果、耐摩耗性、耐食性等イオン注入による表面特性向
上が認められていながら、その改質層の厚さが薄いため
に実用化されていなかった分野へも、イオン注入応用の
範囲を広げることができる等その効果は極めて大きいも
のである。また、本発明に係るイオン注入による表面改
質装置によれば、上記の方法を効果的に実施することが
できると共に、設備面でも不都合はない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施態様を示す概要図。
【図2】チタンイオンの深さ方向の分布を示す図。
【図3】イオン注入におけるイオンの加速電圧と侵入深
さの関係を示す図。
【図4】α鉄中のチタン原子の場合の1時間保持におけ
る拡散距離と温度との関係を示す図。
【符号の説明】
1 基板 2 試料保持台 3 イオン源 4 イオンビーム 5 レーザ発振器 6 ビーム伝送系 7 ビーム整形光学系 8 レーザビーム 9 光温度センサ 10 信号変換器 11 温度制御装置 12 レーザ出力制御装置 13 レーザビーム導入窓 14 真空容器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐々木 純 相模原市淵野辺5−10−1 新日本製鐵株 式会社エレクトロニクス研究所内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 イオン注入による表層改質方法におい
    て、注入表面を加熱し、裏面を冷却して温度勾配を与え
    つつイオン注入を行うことを特徴とするイオン注入によ
    る表層改質方法。
  2. 【請求項2】 前記加熱が、レーザ光を照射すること
    であることを特徴とする請求項1に記載のイオン注入に
    よる表層改質方法。
  3. 【請求項3】 真空容器内にイオン源と試料保持台と
    を有するイオン注入による表面改質装置において、試料
    表面加熱手段と、裏面冷却手段と、表面温度測定手段と
    を有することを特徴とするイオン注入による表面改質装
    置。
  4. 【請求項4】 前記表面加熱手段が、真空容器に設け
    られた窓から導入するレーザ光であることを特徴とする
    請求項3に記載のイオン注入による表面改質装置。
JP25747293A 1993-09-22 1993-09-22 イオン注入による表層改質方法およびその装置 Withdrawn JPH0790581A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100419686B1 (ko) * 2000-03-17 2004-02-21 인터내셔널 비지네스 머신즈 코포레이션 이온 주입 시스템
DE19900437B4 (de) * 1999-01-11 2009-04-23 Ehret, Hans-P. Verfahren und Vorrichtung zur Ionenimplantation in Festkörpern und/oder zur Beschichtung von Festkörperoberflächen sowie die Verwendung von Verfahren und Vorrichtung
US20110115129A1 (en) * 2008-07-09 2011-05-19 Fei Company Method and Apparatus for Laser Machining

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US10493559B2 (en) 2008-07-09 2019-12-03 Fei Company Method and apparatus for laser machining

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