JPH0941122A - ガスクラスターイオンビームによる金属表面の改質方 法 - Google Patents
ガスクラスターイオンビームによる金属表面の改質方 法Info
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- JPH0941122A JPH0941122A JP19551695A JP19551695A JPH0941122A JP H0941122 A JPH0941122 A JP H0941122A JP 19551695 A JP19551695 A JP 19551695A JP 19551695 A JP19551695 A JP 19551695A JP H0941122 A JPH0941122 A JP H0941122A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 対象材料の表面浅層部の選択的な表面改質を
可能とする。特に、ベリリュウム薄膜などの脆性材料の
表面浅層部に、密度の高い酸化物質を形成させる。 【解決手段】 ガスクラスターイオンビームを金属表面
に照射して、その金属表面部に金属酸化物を形成する等
により改質する。
可能とする。特に、ベリリュウム薄膜などの脆性材料の
表面浅層部に、密度の高い酸化物質を形成させる。 【解決手段】 ガスクラスターイオンビームを金属表面
に照射して、その金属表面部に金属酸化物を形成する等
により改質する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、ガスクラスター
イオンビームによる金属表面の改質方法に関するもので
ある。さらに詳しくは、この発明は、金属表面の浅層部
を改質し、化学的または機械的特性を向上させた高機能
性材料を形成するのに有用な、ガスクラスターイオンビ
ームによる金属表面の改質方法に関するものである。
イオンビームによる金属表面の改質方法に関するもので
ある。さらに詳しくは、この発明は、金属表面の浅層部
を改質し、化学的または機械的特性を向上させた高機能
性材料を形成するのに有用な、ガスクラスターイオンビ
ームによる金属表面の改質方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】近年、高機能性材料のひとつ
として、表面浅層部のみを改質し、その化学的または物
理的特性を向上させた高機能性材料が注目されている。
このような表面浅層部のみを改質した高機能性材料を形
成する方法として、イオンビームを対象材料の表面に照
射する方法が知られており、例えば、１）加速電圧を低
下させてイオンビーム照射を行う方法などが検討されて
もいる。
として、表面浅層部のみを改質し、その化学的または物
理的特性を向上させた高機能性材料が注目されている。
このような表面浅層部のみを改質した高機能性材料を形
成する方法として、イオンビームを対象材料の表面に照
射する方法が知られており、例えば、１）加速電圧を低
下させてイオンビーム照射を行う方法などが検討されて
もいる。
【０００３】しかしながら、イオンビーム照射を行う方
法においては、その加速電圧次第では対象材料のごく表
面浅層部の改質が可能となるものの、一般的には、イオ
ンビーム電流量が低下してしまい、必要なイオンビーム
照射量を得るには、非常に長い時間が必要となる。した
がって、このような方法は、生産工程において必ずしも
効率的な方法とは言いがたい。
法においては、その加速電圧次第では対象材料のごく表
面浅層部の改質が可能となるものの、一般的には、イオ
ンビーム電流量が低下してしまい、必要なイオンビーム
照射量を得るには、非常に長い時間が必要となる。した
がって、このような方法は、生産工程において必ずしも
効率的な方法とは言いがたい。
【０００４】一方、対象材料の表面浅層部を改質するた
めの方法として、ＢＦ3 などの化合物ガスを用いて構成
原子の持つエネルギーを等価的に減少させる方法が考慮
される。この方法では、それほど長い時間を必要としな
いものの、注入されたＦ原子等の特性が、対象材料に対
して非常に悪い影響を与える場合があるだけでなく、対
象材料の結晶に沿って原子等が注入されるというチャネ
リング現象を回避することができず、結果として、対象
材料のごく表面浅層部の表面改質を行うことは不可能で
あるという制約がある。
めの方法として、ＢＦ3 などの化合物ガスを用いて構成
原子の持つエネルギーを等価的に減少させる方法が考慮
される。この方法では、それほど長い時間を必要としな
いものの、注入されたＦ原子等の特性が、対象材料に対
して非常に悪い影響を与える場合があるだけでなく、対
象材料の結晶に沿って原子等が注入されるというチャネ
リング現象を回避することができず、結果として、対象
材料のごく表面浅層部の表面改質を行うことは不可能で
あるという制約がある。
【０００５】このようなチャネリング効果を回避するた
めに、例えば、対象材料に薄い酸化膜を形成して、この
酸化膜を通じて、イオンビーム照射を行う方法も検討さ
れているが、このような方法の場合には、実際には、酸
化膜の材料が対象材料内に侵入してしまい、高純度な品
質の良い表面改質材料の製造は期待できない。表面浅層
部における表面改質は、以上のように、従来技術では難
しいものであったが、特にベリリュウム（Ｂｅ）などの
質量が軽く常温で脆性を示す材料の場合は、なおさら困
難であった。たとえば、このベリリュウムは、Ｘ線透過
損失がもっとも少ない金属として有名であり、Ｘ線検出
管のＸ線透過窓の薄膜として広く一般的に用いられてい
るものである。そして、現在においては、例えば、ハイ
オクタン化と排ガス問題に関連して、Ｘ線検出感度の向
上が絶対的に必要であり、そのためには、ベリリュウム
薄膜をさらに薄くしＸ線透過率を増加させることが必要
とされている。しかしながら、Ｘ線透過窓に用いられて
いるベリリュウム薄膜は、水分やアルコールなどに直接
接触する場合が多く、その水分やアルコール分によって
ベリリュウム薄膜は腐食され、最悪の場合、そのベリリ
ュウム薄膜に穿孔が生じる場合もあり、このような事情
から、ベリリュウムの薄膜化は、実際にはほとんど不可
能である。
めに、例えば、対象材料に薄い酸化膜を形成して、この
酸化膜を通じて、イオンビーム照射を行う方法も検討さ
れているが、このような方法の場合には、実際には、酸
化膜の材料が対象材料内に侵入してしまい、高純度な品
質の良い表面改質材料の製造は期待できない。表面浅層
部における表面改質は、以上のように、従来技術では難
しいものであったが、特にベリリュウム（Ｂｅ）などの
質量が軽く常温で脆性を示す材料の場合は、なおさら困
難であった。たとえば、このベリリュウムは、Ｘ線透過
損失がもっとも少ない金属として有名であり、Ｘ線検出
管のＸ線透過窓の薄膜として広く一般的に用いられてい
るものである。そして、現在においては、例えば、ハイ
オクタン化と排ガス問題に関連して、Ｘ線検出感度の向
上が絶対的に必要であり、そのためには、ベリリュウム
薄膜をさらに薄くしＸ線透過率を増加させることが必要
とされている。しかしながら、Ｘ線透過窓に用いられて
いるベリリュウム薄膜は、水分やアルコールなどに直接
接触する場合が多く、その水分やアルコール分によって
ベリリュウム薄膜は腐食され、最悪の場合、そのベリリ
ュウム薄膜に穿孔が生じる場合もあり、このような事情
から、ベリリュウムの薄膜化は、実際にはほとんど不可
能である。
【０００６】ベリリュウム薄膜の穿孔を防止するため
に、ベリリュウム薄膜の表面に密度の高い酸化ベリリュ
ウムを形成させることが検討されているものの、ベリリ
ュウム薄膜は、その厚さが非常に薄いため、従来のイオ
ンビームによる表面改質方法では、その改質時にベリリ
ュウム薄膜に穿孔が生じてしまうという重大な問題があ
る。
に、ベリリュウム薄膜の表面に密度の高い酸化ベリリュ
ウムを形成させることが検討されているものの、ベリリ
ュウム薄膜は、その厚さが非常に薄いため、従来のイオ
ンビームによる表面改質方法では、その改質時にベリリ
ュウム薄膜に穿孔が生じてしまうという重大な問題があ
る。
【０００７】この発明は、以上の通りの事情に鑑みてな
されたものであって、ベリリュウム等を対象とする場合
であっても、そのごく表面浅層部においてのみ表面改質
を行い、表面浅層部の化学的または物理的特性を向上さ
せた高機能性金属材料の提供が可能な表面改質方法を提
供することを目的としている。
されたものであって、ベリリュウム等を対象とする場合
であっても、そのごく表面浅層部においてのみ表面改質
を行い、表面浅層部の化学的または物理的特性を向上さ
せた高機能性金属材料の提供が可能な表面改質方法を提
供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決する酸素および含酸素化合物の１種以上からなる
常温および常圧で気体状の原子または分子の集合からな
るガスクラスターをイオン化して形成したガスクラスタ
ーイオンビームを金属表面に照射して、その金属表面部
に金属酸化物を形成することを特徴とするガスクラスタ
ーイオンビームによる金属表面改質方法を提供する。
を解決する酸素および含酸素化合物の１種以上からなる
常温および常圧で気体状の原子または分子の集合からな
るガスクラスターをイオン化して形成したガスクラスタ
ーイオンビームを金属表面に照射して、その金属表面部
に金属酸化物を形成することを特徴とするガスクラスタ
ーイオンビームによる金属表面改質方法を提供する。
【０００９】つまり、この発明においては、ガスクラス
ターイオンビームを用いて、表面浅層部のみの表面改質
を行うことに大きな特徴がある。このことは、ガスクラ
スターイオンビームは、従来の単原子や分子イオンに比
べて、極めて高い密度で、低エネルギー照射が可能であ
って、その結果、従来のイオンビームでは期待できない
高い反応性を表面浅層部においてのみ発現させ、室温程
度の温度で、対象材料のごく表面浅層部での高密度改質
を可能とするという、この発明の発明者によって見出さ
れた新しい知見に基づいている。
ターイオンビームを用いて、表面浅層部のみの表面改質
を行うことに大きな特徴がある。このことは、ガスクラ
スターイオンビームは、従来の単原子や分子イオンに比
べて、極めて高い密度で、低エネルギー照射が可能であ
って、その結果、従来のイオンビームでは期待できない
高い反応性を表面浅層部においてのみ発現させ、室温程
度の温度で、対象材料のごく表面浅層部での高密度改質
を可能とするという、この発明の発明者によって見出さ
れた新しい知見に基づいている。
【００１０】実際、ガスクラスターイオンの照射によっ
て、対象材料の数十から数百ナノメートルのごく表面浅
層部において、酸化層、窒化層、炭化層などを形成する
ことができる。この発明では、このようなことからも、
照射するイオンの量、および、エネルギーなどの物理的
因子を制御することにより、酸素、含酸素化合物、窒
素、含窒素化合物、および炭素化合物の群から選択され
た、常温および常圧で気体状の原子または分子の集合か
らなるガスクラスターをイオン化して形成したガスクラ
スターイオンビームの２種以上を、各々、交互にまたは
同時に金属表面に照射して、酸化物、窒化物および炭化
物の２種以上の複合組成からなる傾斜組成を形成するこ
とを特徴とするガスクラスターイオンビームによる金属
表面の改質方法を提供する。
て、対象材料の数十から数百ナノメートルのごく表面浅
層部において、酸化層、窒化層、炭化層などを形成する
ことができる。この発明では、このようなことからも、
照射するイオンの量、および、エネルギーなどの物理的
因子を制御することにより、酸素、含酸素化合物、窒
素、含窒素化合物、および炭素化合物の群から選択され
た、常温および常圧で気体状の原子または分子の集合か
らなるガスクラスターをイオン化して形成したガスクラ
スターイオンビームの２種以上を、各々、交互にまたは
同時に金属表面に照射して、酸化物、窒化物および炭化
物の２種以上の複合組成からなる傾斜組成を形成するこ
とを特徴とするガスクラスターイオンビームによる金属
表面の改質方法を提供する。
【００１１】つまり、この発明の方法によって、傾斜機
能の度合いを調整することができ、さらなる高機能性材
料の創生が可能となる。
能の度合いを調整することができ、さらなる高機能性材
料の創生が可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】この発明では、上記の通り、ガス
クラスターイオンビームを用いることにより、従来の単
原子イオンビームや分子イオンビームに比べて、極めて
高い密度で、低エネルギー照射を可能とし、金属材料の
表面浅層部の選択的改質を実現し、酸化物層、あるいは
酸化物、窒化物、炭化物の傾斜組成の形成を可能とす
る。
クラスターイオンビームを用いることにより、従来の単
原子イオンビームや分子イオンビームに比べて、極めて
高い密度で、低エネルギー照射を可能とし、金属材料の
表面浅層部の選択的改質を実現し、酸化物層、あるいは
酸化物、窒化物、炭化物の傾斜組成の形成を可能とす
る。
【００１３】対象とする金属には特に限定はなく、前記
のベリリュウム（Ｂｅ）等の質量が軽く、常温で脆性を
示す各種の金属や、その他の、たとえば、Ａｌ、Ｔｉ、
Ｚｒ、Ｃｕ、Ｃｄ、Ａｇ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｖ、Ｍａ、Ｎ
ｂ、Ｗ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｙ、Ｃｅ、Ｓ
ｍ、その他希土類金属の各種のもの等が例示される。こ
の発明では、これら金属を対象として、常温、常圧で気
体状の、Ｏ2 、ＣＯ、ＣＯ2 、ＨＣＨＯ、ＣＨ3 ＯＨ、
Ｎ2 、ＮＨ3 、ＮＯｘ、ＣＨ3 ＮＨ2 等の酸素、含酸素
化合物、窒素、含窒素化合物、炭素化合物のガスクラス
ターのイオンを用いるが、この場合のガスクラスターの
生成、そしてそのイオン化については、すでにこの発明
者が提案している方法、たとえば圧縮ガスの膨張型ノズ
ルからの噴出によるクラスターの生成と、電子線照射に
よるそれらのイオン化の方法等が適宜に採用される。
のベリリュウム（Ｂｅ）等の質量が軽く、常温で脆性を
示す各種の金属や、その他の、たとえば、Ａｌ、Ｔｉ、
Ｚｒ、Ｃｕ、Ｃｄ、Ａｇ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｖ、Ｍａ、Ｎ
ｂ、Ｗ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｙ、Ｃｅ、Ｓ
ｍ、その他希土類金属の各種のもの等が例示される。こ
の発明では、これら金属を対象として、常温、常圧で気
体状の、Ｏ2 、ＣＯ、ＣＯ2 、ＨＣＨＯ、ＣＨ3 ＯＨ、
Ｎ2 、ＮＨ3 、ＮＯｘ、ＣＨ3 ＮＨ2 等の酸素、含酸素
化合物、窒素、含窒素化合物、炭素化合物のガスクラス
ターのイオンを用いるが、この場合のガスクラスターの
生成、そしてそのイオン化については、すでにこの発明
者が提案している方法、たとえば圧縮ガスの膨張型ノズ
ルからの噴出によるクラスターの生成と、電子線照射に
よるそれらのイオン化の方法等が適宜に採用される。
【００１４】ガスクラスターのサイズ、つまり、原子か
分子の集合の大きさも、ガス圧力、噴出時の温度等によ
り制御されることになる。Ｏ2 等の液化温度の低いガス
については、ノズルの冷却によってガスクラスターの生
成は容易となる。そのクラスターサイズは、たとえば数
百〜数万の調整等が可能である。これらのガスクラスタ
ーイオンの表面への照射によって、金属材料の表面浅層
部での選択的酸化物層や、傾斜組成層の形成等が可能と
される。
分子の集合の大きさも、ガス圧力、噴出時の温度等によ
り制御されることになる。Ｏ2 等の液化温度の低いガス
については、ノズルの冷却によってガスクラスターの生
成は容易となる。そのクラスターサイズは、たとえば数
百〜数万の調整等が可能である。これらのガスクラスタ
ーイオンの表面への照射によって、金属材料の表面浅層
部での選択的酸化物層や、傾斜組成層の形成等が可能と
される。
【００１５】以下、実施例を示し、さらに詳しくこの発
明について説明する。
明について説明する。
【００１６】
【実施例】実施例１ ＣＯ2 圧縮ガスの膨張型ノズルからの噴出によって、ク
ラスターサイズが１０００〜３０００のＣＯ2 クラスタ
ーイオンビームを発生させ、加速電圧２０ｋＶ、照射イ
オン電流１０5 ／ｃｍ2 で、あらかじめ有機溶液で洗浄
したチタン薄板の表面に、ＣＯ2 クラスターイオンビー
ムを照射した。
ラスターサイズが１０００〜３０００のＣＯ2 クラスタ
ーイオンビームを発生させ、加速電圧２０ｋＶ、照射イ
オン電流１０5 ／ｃｍ2 で、あらかじめ有機溶液で洗浄
したチタン薄板の表面に、ＣＯ2 クラスターイオンビー
ムを照射した。
【００１７】このときの、リターディング電圧とイオン
電流との関係は、図１に示す通りであり、さらに、加速
電圧２０ｋＶのクラスターイオンを室温で照射したとき
の、クラスターイオンビームのサイズ分布は、図２に示
す通りであった。ＣＯ2 クラスターイオンビーム照射か
ら数秒後、その照射を終了し、チタン薄膜表面を光電子
分光法を用いて分析した。図３は、その結果である標準
スペクトルを示したものである。この結果から、４５
８．５ｅＶの結合エネルギーをもつシグナルが得られ、
このチタン薄膜表面の数十から数百ナノメートルのごく
表面浅層部において、ＴｉＯ2 が生成されていることが
確認された。実施例２ 室温で、ＣＯ2 ガスのクラスターイオンをベリリュウム
薄膜表面に照射して、そのベリリュウム表面に酸化ベリ
リュウムを形成した。条件は前記の実施例１と同様とし
た。ベリリュウム薄膜表面の光電子分光法による標準ス
ペクトルは、図４に示す通りであった。
電流との関係は、図１に示す通りであり、さらに、加速
電圧２０ｋＶのクラスターイオンを室温で照射したとき
の、クラスターイオンビームのサイズ分布は、図２に示
す通りであった。ＣＯ2 クラスターイオンビーム照射か
ら数秒後、その照射を終了し、チタン薄膜表面を光電子
分光法を用いて分析した。図３は、その結果である標準
スペクトルを示したものである。この結果から、４５
８．５ｅＶの結合エネルギーをもつシグナルが得られ、
このチタン薄膜表面の数十から数百ナノメートルのごく
表面浅層部において、ＴｉＯ2 が生成されていることが
確認された。実施例２ 室温で、ＣＯ2 ガスのクラスターイオンをベリリュウム
薄膜表面に照射して、そのベリリュウム表面に酸化ベリ
リュウムを形成した。条件は前記の実施例１と同様とし
た。ベリリュウム薄膜表面の光電子分光法による標準ス
ペクトルは、図４に示す通りであった。
【００１８】この図４より、ベリリュウム薄膜は、その
表面から数十ナノメートルの範囲で高密度の酸化ベリリ
ュウムが形成されていることが確認された。
表面から数十ナノメートルの範囲で高密度の酸化ベリリ
ュウムが形成されていることが確認された。
【００１９】
【発明の効果】以上詳しく説明したように、この発明に
よって、金属材料の表面浅層部の選択的な表面改質が可
能となり、化学的または物理的特性を向上させた高機能
性材料の提供が可能となる。特に、ベリリュウム薄膜な
どの脆性材料のごく表面浅層部に、密度の高い酸化物質
を形成させることが可能となり、感度の高いＸ線検出器
の提供が可能となる。
よって、金属材料の表面浅層部の選択的な表面改質が可
能となり、化学的または物理的特性を向上させた高機能
性材料の提供が可能となる。特に、ベリリュウム薄膜な
どの脆性材料のごく表面浅層部に、密度の高い酸化物質
を形成させることが可能となり、感度の高いＸ線検出器
の提供が可能となる。
【００２０】また、表面浅層部において、酸化物、窒化
物、炭化物の少なくとも２種類以上の材料の複合組成か
らなる高機能な傾斜組成材料の提供も可能となる。
物、炭化物の少なくとも２種類以上の材料の複合組成か
らなる高機能な傾斜組成材料の提供も可能となる。
【図１】実施例１におけるリターデング電圧とイオン電
流との関係を示した関係図である。
流との関係を示した関係図である。
【図２】実施例１におけるクラスターサイズと微分スペ
クトルとの関係を示した関係図である。
クトルとの関係を示した関係図である。
【図３】実施例１における酸化チタン表面の標準スペク
トル図である。
トル図である。
【図４】実施例２における酸化ベリリュウム表面の標準
スペクトル図である。
スペクトル図である。
Claims (2)
- 【請求項１】 酸素および含酸素化合物の１種以上から
なる常温および常圧で気体状の原子または分子の集合か
らなるガスクラスターをイオンして形成したガスクラス
ターイオンビームを金属表面に照射して、その金属表面
部に金属酸化物を形成することを特徴とするガスクラス
ターイオンビームによる金属表面の改質方法。 - 【請求項２】 酸素、含酸素化合物、窒素、含窒素化合
物および炭素化合物の群から選択された常温常圧で気体
状の原子または分子の集合からなるガスクラスターをイ
オンして形成したガスクラスターイオンビームの２種類
以上を、各々、交互にまたは同時に金属表面に照射し
て、酸化物、窒化物および炭化物の２種類以上の複合組
成からなる傾斜組成を形成することを特徴とするガスク
ラスターイオンビームによる金属表面の改質方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19551695A JP3384654B2 (ja) | 1995-07-31 | 1995-07-31 | ガスクラスターイオンビームによる金属表面の改質方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19551695A JP3384654B2 (ja) | 1995-07-31 | 1995-07-31 | ガスクラスターイオンビームによる金属表面の改質方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0941122A true JPH0941122A (ja) | 1997-02-10 |
| JP3384654B2 JP3384654B2 (ja) | 2003-03-10 |
Family
ID=16342389
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP19551695A Expired - Lifetime JP3384654B2 (ja) | 1995-07-31 | 1995-07-31 | ガスクラスターイオンビームによる金属表面の改質方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3384654B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2000026431A1 (en) * | 1998-11-03 | 2000-05-11 | Epion Corporation | Gas cluster ion beams for formation of nitride films |
| US6498107B1 (en) | 2000-05-01 | 2002-12-24 | Epion Corporation | Interface control for film deposition by gas-cluster ion-beam processing |
| US7365341B2 (en) | 2004-12-03 | 2008-04-29 | Canon Kabushiki Kaisha | Gas cluster ion beam emitting apparatus and method for ionization of gas cluster |
-
1995
- 1995-07-31 JP JP19551695A patent/JP3384654B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2000026431A1 (en) * | 1998-11-03 | 2000-05-11 | Epion Corporation | Gas cluster ion beams for formation of nitride films |
| US6498107B1 (en) | 2000-05-01 | 2002-12-24 | Epion Corporation | Interface control for film deposition by gas-cluster ion-beam processing |
| US7365341B2 (en) | 2004-12-03 | 2008-04-29 | Canon Kabushiki Kaisha | Gas cluster ion beam emitting apparatus and method for ionization of gas cluster |
| US7855374B2 (en) | 2004-12-03 | 2010-12-21 | Canon Kabushiki Kaisha | Gas cluster ion beam emitting apparatus and method for ionization of gas cluster |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3384654B2 (ja) | 2003-03-10 |
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