JPS6194000A

JPS6194000A - 素材の特性を改善する方法及び装置

Info

Publication number: JPS6194000A
Application number: JP60147614A
Authority: JP
Inventors: ジヨン　スモールウツド　コリゴン; アーサー　エドウイン　ヒル; ハミツド　ケイランデイツシユ
Original assignee: SARUFUOODE, University of
Current assignee: SARUFUOODE, University of
Priority date: 1984-07-04
Filing date: 1985-07-04
Publication date: 1986-05-12
Also published as: GB8417040D0; GB2164489A; EP0167383A3; US4652357A; EP0167383A2; GB8516379D0

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】本発明は、物質又は素材の物性又は特性を改良する方法
及びその為の装置に関する。

素材の特性を改良することは、他の材料の原子を混合し
た表面及び他の材料を含む表面下層を作り出すことによ
り、行ない得る。この方法は、表面の機械的、電気的、
化学的又はその他の特性を変化させる為及び結合力の大
きい表面皮膜を形成させる為に使用される。

上記の如き改質方法の一例として、イオンビーム衝撃法
が知られている。表面物質Ｓ上に一定最適厚さの物質へ
のフィルムが形成維持される場合、高エネルギーイオン
ビームの衝撃による２つの物質ＳとＡとの原子状態での
混合は、ダイナミックリコイル　ミキシング（ＤＲＭ）
法により最も効果的に行なわれる。即ち、この衝ｖ１期
間中に混合が生ずる。更に多成分組成とする為には、他
の　　　　　１物質Ｂ、Ｃ，Ｄ等を引続き導入すること
も出来る。

公知のイオンビーム衝撃装置においては、２つのイオン
源が使用されている。即ち、一方は、ターゲット（複数
であっても良い）からの物質を基材表面上スパッターす
るものであり、他の一方は、このスパッターされたフィ
ルムの原子を基材の原子と混合させる為の第２のイオン
源である。表面のフィルムは、２個のイオン源からのア
ウトプットを調整することにより最適厚さに保持される
。

本発明は素材の特性を改善する為の装置を提供する。即
ち、本発明装置は、粒子線発生手段、粒子線発生手段か
ら一定距離の所定位置におかれた基材支持手段、粒子線
発生手段及び基材支持手段の双方から一定距離の所定位
置におかれたターゲット支持手段及び粒子線発生手段及
びターゲット支持手段及び／又は藁材支持手段との間で
相対運動を生じさせる手段を備え、作動中に粒子線をタ
ーゲットに衝突させて捨材上に物質移動を行なわせると
ともに粒子線を基材上に衝突させて移動させた物質を基
材内に混合させる装置である。

本発明は、更に、素材の特性を改善する方法をも提供す
る。即ち、本発明は、粒子線を発生させる工程、粒子線
をターゲットに当ててターゲットから基材上へ物質を移
行させる工程及び粒子線を基材上に当てて移行した物質
を基材内に混合させる工程を備えた素材の物性改善方法
を提供する。

本発明で使用する基材は、導体、半導体及び絶縁体のい
ずれであっても良い。基材は、固定されていても、移動
可能であっても良い。

基材中にＤＲＭ法により注入されるべき物質（単一でも
複数でも良い）からなる固体のターゲット（単一でも複
数でも良い）は、糺粋な元素でも合金でも良い。

ターゲット又は基材に対する粒子の衝突は、センサーか
ら得られる情報に対応するプログラムに従ってコントロ
ールすることが出来る。

ターゲットに対する粒子線照射シーケンスは、？！数個
のターゲットに対する衝撃時間をプログラム化して、基
材Ｓ上に物質Ａ、Ｂ、Ｃ等の最適厚さの層を形成させ、
基材Ｓが衝撃されている間に原子レベルでの混合を行な
わせる様にすることができる。更に、同様の手法により
、イオン衝撃されるフィルムＡ、Ｂ、Ｃ等の成長速度を
コントロールすることもできる。更に又、ターゲットに
対する高周波数で低振幅ビームによるスキャニングは、
基材Ｓ上に予め定められたパターン沿いに又は全面にわ
たって、原子レベルの混合を生じさせることを可能とす
る。

本発明の特徴とするところをより一層明らかにする為に
、添附図面に示された実施例により本発明の詳細な説明
する。

先ず、シリコン基材（２）に対してターゲット（１ンか
らのアンチモンを混合する実施例につき、第１図及び第
２図を参照しつつ説明する。

単一イオン源（３）は、一点鎖線で示される真空室（４
）内に固定支持されている。真空室（４）は、操作期間
中１０−５トルの圧力を維持し１ｑる油拡散ポンプ（図
示せず）により、常法に従ってボート（５）から排気さ
れる。イオンＩ（３）自体は、４立した油拡散ポンプ（
６）を備えている。

市販純度のアルゴンガスがイオン源（３）に導入され、
ここでイオン化される。４Ｃｆｆｉ×１ｍｌｌ１の長方
形断面積とｍ流１１０ｍＡのイオンビームが、イオン源
（３）から発せられる。該ビームは、長さ４ｃｅ、高さ
５ｃｍで間隔２ｃｍの２枚のプレート（７）からなる静
電偏向システムを通過する、両プレート（７）を横切る
電圧は、マイクロコンピュータ−により制御される電子
回路（８）により規定される。電子制御回路（８）から
の波形は、最大電圧４０００Ｖを有しており、これは、
イオンビーム（９）をアンチモンターゲット（１）と基
材（２）との間でスイングさせるに十分である。こ　　
　　（の波形には、ターゲット又は素材の全表面上でビ
ームをスキャンし得るより小さく且つより周波数の大き
な波形が重ねられている。

５　ＣＩＸ　２　Ｃｏｔの大きさの高純度アンチモン（
９９，９％）が、非偏向状態のイオンビーム（９）に対
して２０’の角度で支持されている。

直径３ＣＩｌのシリコン基板が、非偏向状態のビームに
対して２０’の角度で保持されており、タープ、　　ッ
ト（１）との間で４０６の角度をなしている。

ターゲット（１）と基材（２）との間の距離は約３ＣＩ
である。基板（２）は、平面に対して垂直な中心軸（１
１）の回りを回転数５００　ｒａｍでモーター（１０）
により回転させられる。かくして、基材（２）全面のア
ンチモン厚さの変動を出来るだけ小さくし、付与量の均
一化を行なう。

ビーム（９）がアンチモンターゲット（１）に指向され
ると、アンチモン原子は、ターゲット（１）から舟び出
して、約５人／秒の速度でシリコン基材（２）上に析出
する。２０秒後に基材上に十分なアンチモン（厚さ１０
０人）が付着した時、ビーム（９）は、ＤＲＭモードに
切替えられ、このモード中に基材に対する衝撃とそれに
続くターゲットからのスパッタリングからなるＰａしサ
イクルが行なわれる。本例に示すイオンビームフラック
スにおいては、ビーム（９）はターゲット（１）上に４
秒間止まった後、基材（２）に撮り向けられ、０．１秒
間にわたりその表面上をスキャンする。ビーム（９）は
、次いでターゲット（１）に戻り、更に４秒間とどまる
。

このプロセスは、基材（２）に近接して位置する石英結
晶モニター（１２）によりモニターされる。該モニター
（１２）は、飛び出したアンチモンを受けるとともに基
材（２）と同じ割合でイオンビームにより衝撃される。

石英結晶の共鳴周波数は、スパッタリング過程中には減
少する（結晶質量が増大する為である）のに対し、！ｌ
ｉｉ撃過程中には増大する（結晶質量が、結晶上に析出
したアンチモンフィルムの再飛び出しにより減少する為
である）。結晶の共鳴周波数は、電子オシレーター回路
のオシレーション回数を結晶によりコントロールさせる
ことにより検出される。一方、得られた情報は、偏向プ
レート（７）上のポテンシャルを規定するコントロール
回路コンピューターにフィードバックされる。石英結晶
モニター（１２）の温度は、基材（２）の温度に維持さ
れる。これは、両者を同一の温度コントロールブロック
上に設置することにより行なわれる。アンチモンターゲ
ット（１）の温度は、別個にコントロールされる。

このプロセスを約９分間１！続することにより、シリコ
ン基材（２）中に約１０１フイオン／ＣＩ！１２のアン
チモンがＤＲＭ法により混合される。

イオンビームをターゲット及び基材上に方向付けする上
記の構造に代えて、イオンビームは、静電的又は電磁的
に偏向させても良い。この場合、偏向により、フィルム
が析出形成されている基材Ｓ上及び幾何学的に固定され
たターゲット又は異種材料からなる複数のターゲツト群
上に予めプログラムされた電子コントロール信号をスキ
ャンさせること−が出来る。

第３図は、イオン？Ｉ！（３）からのイオンビーム（３
９）発生の概要を示す。図示装置は、静電スキャニング
プレート（３７）、改質すべき基材Ｓ、及び混合さるべ
き物質Ａ１Ｂ及びＣを示す。

第３ａ図は、物質Ａ、Ｂ、及びＣを基材Ｓ上に析出させ
る場合のビーム位置を示す。

第３ｂ図は、原子の混合が進行中のビーム位置を示す。

原子の混合は、一対の偏向プレート（３７）に電圧−■
を与えてイオンビーム（３９）を偏向させることにより
行なわれる。

ビーム（３９）が原子を飛散させるターゲット　　　　
（Ａ上に入射している間には、物質へのフィルムを基材
Ｓ上に任意の最適厚さで形成させることかできる。次い
で、イオンビーム°（３９）は基材Ｓ上に偏向されて、
基材に物質Ａを原子状態で混合させる。上記の形成及び
混合過程は、無限に継続することができる。スパッタリ
ング時間、混合時間及びイオンビーム強度を変化させて
、フィルムの成長速度を調整することも出来る。どの様
な時点においても、リニアモーター（図示せず）に支持
を与えて、他の材料Ｂ、Ｃ等を順次付与する様にするこ
とも出来る。基材は、１１勤モーター（３０）により、
その平面に垂直な中心軸３１回りに回転される。小さな
振動電圧を更に付加して、ビームにより基材Ｓのより大
きな面積部分をスキャンさせたり、或いは所定のパター
ンに従って基材を処理することもできる。

ターゲット、基材及び／又はイオン源又は該イオン源と
一体の部分を、モータドライブへ入力される所定プログ
ラムに従って静止イオンビームに対し機械的に動かすこ
とができ、該基材は今述べたように回すことができる。

機械的動作及び電子偏向の双方を、所定のプログラムに
従って利用できる。広域処理能力を有するリコイルミキ
シング（ｒｅｃｏｉｌ　　ｍｉｘｉｎｇ）装置が第４図
に示されている。６広い又は走査イオンビーム（４９）がターゲット（４１
）に照射される。ターゲット（４１）は、材料（４Ａ）
、又は材料４Ａ、４Ｂ、４Ｃ等の適当な組合の２つの並
行グリッド乃至アレイを備えており、それらは基材（４
Ｓ）にリコイルミキシングされる。該基材は、ビーム（
４９）及びグリッドに対し予め決めた速度で動かされ得
る。イオンビームは材料（４Ａ）を（４Ｓ）上に飛ばし
、同時に該ビームの１部はりコイルミキシングに使用さ
れる。２つのグリッド乃至アレイの相対位置及び該グリ
ッドとビームの相対位置は、材料（４Ａ）の基材（４Ｓ
）への付着割合及び（４Ｓ）へのイオン照射状態を決定
する。

従って、２つのグリッド乃至アレイの幾何学的相対位置
又はアレイの傾きを、基材（４Ｓ）上のフィルム（４Ａ
）厚さをモニターするような幾つかのセンサからのフィ
ードバック信号によって制御することにより、基材（４
Ｓ）上の材料（４Ａ）のりコイルミキシングの最適条件
又は（Ｓ）上の（Ａ）の成長割合の制御が達成される。

このようにすれば、ターゲットと基材との間にビームを
スイングさせる必要は無い。

第３図及び第４図の実施例は、他の点では第１図及び第
２図の実施例と同様である。

第５ａ図は第１図から第３図に示されたタイプの装置よ
り生産力の大きい改良例を示す概略斜面図である。外側
周面に複数の基材（５５）が結合された実質上円筒乃至
円柱形状のカラセル（ｃａｒｏｕｓｅｌ　）が備えられ
ている。該結合はクリップ（５１）又は他の適当な手段
により行なわれる。

該カラセルは昇降されつつ回される。このために、可変
速電動モータ（５２）及び昇降装置（５３）が、フェロ
フルイブイック（ｆｅｒｒｏｆｌｕｉｄｉｃ）駆動装置
！（５４）を介して駆動結合されている。これによって
数個の基材が同時に処理される。駆動装置の回動及び軸
方向動作の組合せにより、基材はその全面に亘って一貫
した処理を受ける。ビーム（５９）が処理中の基材に隣
る基材へ好ましくない影響を与える危険性を減じるため
に、ストップ（５６）が設けられている。これはカラセ
ルの平面を示す第５ｂ図に示されている。この図におい
てターゲットは参照数字（５８）で示されている。

【図面の簡単な説明】

第１図はイオンビームが基材及びターゲットの方へ交互
に向けられる本発明による装置例の概略図、第２図は第
１図の装置の詳細図、第３図はビーＡＩ向０他０例を利
用６ｔ″第１図及び第２図に　　　　！示す実施例とは
異なる実施例を示す概略図、第４図は本発明の更に他の
実施例の概略図、第５ａ図及び第５ｂ図は第１図及び第
２図又は第３図に示す実施例の変形例の概略図である。（１）・・・ターゲット、（２）・・・シリコン基材、（３）・・・イオン源、（４）・・・真空室、（５）・・・ボート、（６）・・・油拡散ポンプ、（７）・・・プレート１、（８）・・・電子回路、（９）・・・イオンビーム、（１０）・・・モータ、（１１）・・・中心軸、（１２）・・・モニター、（３３）・・・イオン源、（３７）・・・静電スキャニングプレート（ｇＡ向プレ
ート）、（３９〉・・・イオンビーム、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）・・・物質乃至材料、（４１）
・・・ターゲット、（４Ａ）・・・材料、（Ｓ）、（４Ｓ）・・・基材（以　上）・４ン′ 図面の浄１；）（内：１″７に−Ｖ史なし）０）　　　
　＼ｈピタ、−−（ｂ）Ｍ５ａｆ肱−７ｓｂ手続ネ山正都（自発）昭和６０年９月２日昭和６０年特許願第１４７６１４号２　発明の名称− 素材の特性を改善する方法及び装置３　補正をする者事件との関係　　特許出願人ユニバーシティ　オブ　サルフォード　　　　　　・４
　代理人大阪市東区平野町２の１０　沢の鶴ビルｆｆｉ　０６−
２０３−０９４１６　補正の対象図面

Claims

【特許請求の範囲】

（１）粒子線発生手段、粒子線発生手段から一定距離の
所定位置におかれた基材支持手段、粒子線発生手段及び
基材支持手段の双方から一定距離の所定位置におかれた
ターゲツト支持手段及び粒子線及びターゲツト支持手段
及び／又は基材支持手段との間で相対運動を生じさせる
手段を備え、作動中に粒子線をターゲツトに衝突させて
基材上に物質移動を行なわせるとともに粒子線を基材上
に衝突させて移動させた物質を基材内に混合させる素材
の特性を改善する装置。
（２）前記粒子線を発生させる手段がイオン源を備えて
いる特許請求の範囲第１項に記載の装置。
（３）前記相対運動を生じさせる手段が前記ターゲツト
を動かす手段を備えている特許請求の範囲第１項又は第
２項に記載の装置。
（４）前記相対運動を生じさせる手段が、前記基材を動
かす手段を備えている特許請求の範囲第１項、第２項又
は第３項に記載の装置。
（５）前記相対運動を生じさせる手段が前記粒子線を動
かす手段を備えている特許請求の範囲第１項から第４項
のいずれかに記載の装置。
（６）前記ターゲツト支持手段が異なる材料の複数ター
ゲツトを支持する手段を備えている特許請求の範囲第１
項から第５項のいずれかに記載の装置。
（７）前記ターゲツト支持手段が前記粒子線通路に１つ
のターゲツトを移動させる手段を備えている特許請求の
範囲第６項記載の装置。
（８）基材処理をモニタできるようにセンサが備えられ
ている特許請求の範囲第１項から第７項のいずれかに記
載の装置。
（９）前記基材支持手段が複数の基材を収容できるカラ
セル及び基材を順次操作位置へ移動させるように該カラ
セルを動かす手段を備えている特許請求の範囲第１項か
ら第８項のいずれかに記載の装置。
（１０）粒子線を発生させる工程、粒子線をターゲツト
に当ててターゲツトから基材上へ物質を移行させる工程
及び粒子線を基材上に当てて移行した物質を基材内に混
合させる工程を含む素材の特性を改善する方法。
（１１）前記ビームを前記ターゲツトと前記基材との間
で繰返し切換える特許請求の範囲第１０項に記載の方法
。
（１２）前記ビームを複数ターゲツトに順次照射する特
許請求の範囲第１１項又は１２項に記載の方法。
（１３）ターゲツト又は基材へのビーム滞留時間が切換
えの間で変化する特許請求の範囲第１０項又は第１１項
に記載の方法。