JPS63282266A - Ion beam mixing device - Google Patents

Ion beam mixing device

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Publication number
JPS63282266A
JPS63282266A JP11683587A JP11683587A JPS63282266A JP S63282266 A JPS63282266 A JP S63282266A JP 11683587 A JP11683587 A JP 11683587A JP 11683587 A JP11683587 A JP 11683587A JP S63282266 A JPS63282266 A JP S63282266A
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JP
Japan
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sample
ion beam
ion
angle
incident angle
Prior art date
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Pending
Application number
JP11683587A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiroyoshi Sadamura
定村 弘祥
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
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Publication of JPS63282266A publication Critical patent/JPS63282266A/en
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Abstract

PURPOSE:To control the sputtering rate by an ion beam and to form a good- quality film by using the title device capable of controlling the incident angle of the ion beam to a cylindrical material and capable of forming a film by ion implantation or mixing. CONSTITUTION:In the ion beam mixing device (Fig. a) consisting of a vacuum vessel 2, an ion source 3 and an exhaust 4, the ion beam 9 drawn out from the ion source 3 is injected on the outer periphery of the cylindrical sample 7 with some divergent angle. In this case, a barrier 8a is arranged around the sample 7 rotating in direct connection to a sample holder 1. Accordingly, the incident angle of the beam to the sample 7 is determined by the opening width (l) of the barrier 8b as shown in Fig. b, and the incident angle theta is expressed by the equation. At this time, sputtering is carried out on the surface of the sample 7 simultaneously with the ion implantation. Consequently, if the angle to the sample surface is controlled to about theta <=30 deg.,a good quality film can be obtained without being relatively sputtered.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、材料の表面を改質するイオンビームミキシン
グ装置に係り、特に円筒材の外周部へのビーム入射角に
制限を課して表面改質する装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to an ion beam mixing device for modifying the surface of a material. This invention relates to a reforming device.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来ザイメテイングプロセスとして知られている、イオ
ンビームミキシングによる表面改質においては、第1回
イオン注入表層処理シンポジウム予稿集の写真および説
明図に示されているように対象試料が切削工具の刃先あ
るいはダイス、またロール等、いずれにおいても比較的
小物品の中空あるいは中実円筒の外周面への表面改質が
多く行なわれている。しかし円筒状の外周面にイオンビ
ームを入射する場合、第3図に示すように試料7の照射
面に対するイオンビームの入射角はθ=0〜90’の範
囲を有する事になる。
In surface modification by ion beam mixing, conventionally known as the zymating process, the target sample is placed at the cutting edge of a cutting tool, as shown in the photographs and illustrations in the proceedings of the 1st Ion Implantation Surface Treatment Symposium. In addition, surface modification is often performed on the outer peripheral surface of a hollow or solid cylinder of a relatively small article, whether it is a die, a roll, or the like. However, when the ion beam is incident on the cylindrical outer peripheral surface, the angle of incidence of the ion beam with respect to the irradiated surface of the sample 7 is in the range θ=0 to 90', as shown in FIG.

なおイオンビームは9、イオン源は3である。Note that the number of ion beams is 9, and the number of ion sources is 3.

一方、金属表面にイオンビームを入射させた場合、金属
表面ではイオンの注入と共に少なからずスパッタリング
を生じるものである。しかもスパッタリング率は、ビー
ムの入射角に依存性を有しているものである。以上の観
点から従来の方法はビームの入射角によるスパッタリン
グ率について配慮されていなかった。
On the other hand, when an ion beam is incident on a metal surface, not a little sputtering occurs on the metal surface along with the ion implantation. Furthermore, the sputtering rate is dependent on the incident angle of the beam. From the above point of view, conventional methods do not consider the sputtering rate depending on the incident angle of the beam.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

イオン引き出し口から引き出される電流値1siはプラ
ズマ中のイオンは1価のものだけと考えれで表わされる
The current value 1si extracted from the ion extraction port is expressed by considering that only monovalent ions are present in the plasma.

ここで Iss:空間電荷制限電流 d:引き出し電極間隙 ■=引き出し電圧 a:引き出し口半径 M:イオンの質量数 γ:空間電荷制限電流の緩和係数 第2図(a)に示す如くこのように引き出された加速イ
オン16は、試料面11に到達される。
Here, Iss: space charge limited current d: extraction electrode gap ■=extraction voltage a: extraction port radius M: mass number of ions γ: relaxation coefficient of space charge limited current The accelerated ions 16 reach the sample surface 11.

即ち、プラズマ室12に封じ込められた質量数Mのイオ
ンは、プラズマ室12と電極14との間に電源13によ
り電圧を印加する事により引き出し口径15から引き出
され加速されて試料面11に照射される。加速されたイ
オン16が試料面11に衝突した時、試料11の表面か
ら2次粒子が高速として飛び出す高速として飛び出す機
構として考えられるのは、試料11の表面での1次粒子
の反射と1次粒子による金属粒子のスパッタリングがあ
る。1次粒子の総てが表面原子で反射される訳でなく何
割かの1次粒子は金属中に注入され表面から何層口かの
原子により散乱され一部は多量のエネルギーを奪われた
後、飛び出すか、場合によっては金属内に留まる即ち注
入されてしまう。
That is, by applying a voltage between the plasma chamber 12 and the electrode 14 from the power supply 13, ions with a mass number M confined in the plasma chamber 12 are extracted from the extraction aperture 15, accelerated, and irradiated onto the sample surface 11. Ru. When the accelerated ions 16 collide with the sample surface 11, the secondary particles fly out from the surface of the sample 11 at high speed. There is sputtering of metal particles by particles. Not all of the primary particles are reflected by the surface atoms, but a percentage of the primary particles are injected into the metal, scattered by atoms in several layers from the surface, and a portion loses a large amount of energy. , may fly out, or in some cases remain in the metal or be implanted.

イオンビームミキシングは、この注入を利用するもので
ある。
Ion beam mixing utilizes this implantation.

ところでスパッタリング率については、Thompso
nモデルやSigmundのモデルがありThomps
onモデルでは ここで ER: Rydbergエネルギー(13,6
eV)EB:表面結合エネルギー ao :ボーア半径(0,53人) N :金属の原子密度 Ml、Zl:入射粒子の質量数と原子番号Mz、Zz:
ターゲット粒子の質量数と原子番号 θ :入射角 で表わされ第2図の(b)の(1)の曲線になる。
By the way, regarding the sputtering rate, Thompson
Thomps has n model and Sigmund model.
In the on model, ER: Rydberg energy (13,6
eV) EB: Surface binding energy ao: Bohr radius (0,53 people) N: Metal atomic density Ml, Zl: Mass number and atomic number of incident particles Mz, Zz:
The mass number and atomic number θ of the target particle are expressed by the angle of incidence, resulting in the curve (1) in FIG. 2(b).

3igmundモデルでは uo :サブリメーションエネルギー Co :金属ターゲットに関する係数 5n(E):置換に対する阻止断面積 α(Mz/Mz):エネルギー変換効率で表わされる。In the 3igmund model uo: Sublimation energy Co: Coefficient related to metal target 5n(E): Inhibition cross section for substitution α (Mz/Mz): Expressed as energy conversion efficiency.

上式(1)および(2)式は、縦軸に正規化したスパッ
タリング率S(θ)/5(0)とし、横軸に入射角θで
表わすと第2図の(b)図のようになる。
In the above equations (1) and (2), the normalized sputtering rate S(θ)/5(0) is plotted on the vertical axis, and the incident angle θ is plotted on the horizontal axis, as shown in Figure 2 (b). become.

Thompsonモデルは、曲線(1)を表わし、Si
gmundモデルは、曲線(2)を表わしている。
The Thompson model represents curve (1), and Si
The gmund model represents curve (2).

ところでスパッタリング率の角度依存性の最大は、実際
には第2図の(b)図に示す点、線の如く、ビーム入射
角がθ=50〜80@の間で生じる事が実験的に知られ
ている。
By the way, it is experimentally known that the maximum angular dependence of the sputtering rate actually occurs when the beam incidence angle is between θ = 50 and 80, as shown by the point and line shown in Figure 2 (b). It is being

一方ロール等の円筒形を回転しながらビームを入射する
場合、ビームの入射角は第3図に示す如くθ=0〜90
″の範囲を有しており、イオンの注入と共に一方ではス
パッタも行なわれている事になる。
On the other hand, when the beam is incident on a rotating cylinder such as a roll, the incident angle of the beam is θ=0 to 90 as shown in Figure 3.
'', which means that sputtering is also being performed along with ion implantation.

従来の装置は、このスパッタリングに対するビーム入射
角の依存性について配慮されておらず良好な膜質を得る
成膜プロセスとしては問題があった。
Conventional apparatuses do not take into account the dependence of the beam incidence angle on sputtering, and this poses a problem as a film forming process for obtaining good film quality.

本発明の目的は、ロールや刃具等の円筒形の外周面にビ
ームを入射し表面改質する場合、試料表面のスパッタリ
ング率を最小にすべく試料の外周部にビームの防壁を配
置しイオンビームの入射角に制限を課して表面改質を行
い高信頼性の膜質を得るイオンビームミキシング装置を
提供することにある。
An object of the present invention is to place a beam barrier on the outer periphery of the sample in order to minimize the sputtering rate on the sample surface when the beam is incident on the cylindrical outer circumferential surface of a roll or cutting tool to modify the surface. An object of the present invention is to provide an ion beam mixing device that imposes a limit on the incident angle of the ion beam, performs surface modification, and obtains highly reliable film quality.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

上記目的は、円筒形試料の外周部にイオンビームの防壁
を配置し、試料面に入射するビームの入射巾を小さくし
、即ち試料の円筒面に対するビームの入射角を小さくし
て制限を課す事により達成される。
The above purpose is to place a barrier for the ion beam on the outer periphery of the cylindrical sample to reduce the width of the beam incident on the sample surface, that is, to reduce the angle of incidence of the beam on the cylindrical surface of the sample and impose restrictions. This is achieved by

〔作用〕 ロール等の試料は、回転しながらイオンの注入あるいは
蒸着を併用したミキシングが行なわれる。
[Operation] The sample, such as a roll, is mixed while being rotated in combination with ion implantation or vapor deposition.

試料の外周部には、回転する試料とは独立して防壁が配
置されビーム照射面に対し任意の巾を開口している。そ
して開口部の範囲のみ試料面に対しビームの照射が行な
われる6開口部の寸法を可変することにより円筒形の試
料面に対するビームの入射角を変えることが可能となる
A barrier is placed on the outer periphery of the sample, independent of the rotating sample, and has an opening with an arbitrary width relative to the beam irradiation surface. By varying the dimensions of the six apertures in which the beam is irradiated onto the sample surface only in the range of the aperture, it is possible to change the angle of incidence of the beam on the cylindrical sample surface.

以上述べたように試料の外周部に防壁を配置しビームの
入射角に制限をもたせるようにした事によりスパッタリ
ング率を少なくした注入あるいは、ミキシングを行う事
が可能となる。
As described above, by arranging the barrier around the outer periphery of the sample and limiting the incident angle of the beam, it becomes possible to perform injection or mixing with a reduced sputtering rate.

〔実施例〕〔Example〕

以下本発明の一実施例について説明する。 An embodiment of the present invention will be described below.

イオンビームミキシング装置は第1図の(a)に示した
如く真空容量2とイオン源3と排気装置4とから構成さ
れている。
The ion beam mixing device is comprised of a vacuum capacity 2, an ion source 3, and an exhaust device 4, as shown in FIG. 1(a).

イオン源3から引き出されたイオンビーム9は−ある程
度の発散角を有し試料7の外周面に入射していく、試料
7は試料ホルダー1に直結されており回転機構により回
転している。そして回転している試料7の外周部には、
防壁8aが配置されて−いる。防壁8aは試料7とは独
立しており回転は行なわれず固定金具6に固定している
。したがって試料7へのビーム入射角は、第1図の(b
)に示すように防壁8bの開口巾2により決定され、入
射角θは で表わされる。
The ion beam 9 extracted from the ion source 3 has a certain degree of divergence angle and enters the outer peripheral surface of the sample 7. The sample 7 is directly connected to the sample holder 1 and rotated by a rotation mechanism. Then, on the outer periphery of the rotating sample 7,
A barrier wall 8a is arranged. The barrier 8a is independent of the sample 7 and is fixed to the fixture 6 without being rotated. Therefore, the beam incidence angle to the sample 7 is (b
), it is determined by the opening width 2 of the barrier wall 8b, and the incident angle θ is expressed by .

この時、試料7の表面では、前記したようにイオンの注
入と同時にスパッタリングも生じている。
At this time, sputtering occurs on the surface of the sample 7 at the same time as the ion implantation, as described above.

しかもスパッタリング率は第2図の(b)に示した如く
ビームの入射角に依存性を有している。
Moreover, the sputtering rate has dependence on the incident angle of the beam, as shown in FIG. 2(b).

本発明者は、このスパッタリングと成膜された膜質につ
いて検討した結果、円筒形の試料を回転しながらイオン
ビームを入射してミキシングする場合、ビームの入射角
は、試料面に対しθ≦30”程度にすれば比較的スパッ
タリングされることなく良質の膜が得られる事を見い出
した。
As a result of studying this sputtering and the quality of the film formed, the present inventor found that when an ion beam is incident and mixed while rotating a cylindrical sample, the incident angle of the beam is θ≦30” with respect to the sample surface. It has been found that a film of good quality can be obtained with relatively little sputtering if controlled to a certain extent.

即ち第1図の(a)に示すように半径Rの試料7を回転
しながらイオンの注入あるいはミキシングを行う場合、
前記(3)式からも判るように防壁8bの開口巾Qを試
料7の半径Rに対しQ≦Rのようにすれば良い。
That is, when implanting or mixing ions while rotating the sample 7 of radius R as shown in FIG. 1(a),
As can be seen from the above equation (3), the opening width Q of the barrier wall 8b may be set such that Q≦R with respect to the radius R of the sample 7.

イオンビーム9の入射に対し蒸着源であるEBガンの配
置は第1図の(a)および(b)のように配置されてい
る。(a)図はビームの入射口10の真下にEBガン5
aを配置している。(b)図はビームの入射口10とは
異なった位置に防壁8bの開口部10aを設けその真下
にEBガン5bを配置している。
The arrangement of the EB gun, which is the evaporation source for the incidence of the ion beam 9, is as shown in FIGS. 1(a) and 1(b). (a) The figure shows an EB gun 5 directly below the beam entrance 10.
A is placed. In the figure (b), an opening 10a of a barrier 8b is provided at a position different from the beam entrance 10, and an EB gun 5b is placed directly below the opening 10a.

いずれもミキシングによる成膜に際し特に問題となる点
はない。
In either case, there are no particular problems when forming a film by mixing.

〔発明の効果〕 以上説明したように、本発明によれば、イオンビームの
入射角に制限を課してイオン注入あるいはミキシング成
膜するようにしたため、イオンビームによるスパッタリ
ング率に制限を課して良質な成膜を得ることが可能とな
り、高信頼性のイオンビーム加工機を提供することがで
きる。
[Effects of the Invention] As explained above, according to the present invention, since ion implantation or mixing film formation is performed by imposing restrictions on the incident angle of the ion beam, restrictions are imposed on the sputtering rate by the ion beam. It becomes possible to obtain high-quality film formation, and a highly reliable ion beam processing machine can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の要部断面図、第2図の(a)はイオン
が引き出される場合の模式図、第2図の(b)はビーム
の入射角に対する正規化した場合のスパッタリング率を
示す線図、第3図は従来の装置の場合のイオンビームの
入射を示す要部断面図である。 1・・・試料ホルダ、2・・・真空容器、3・・・イオ
ン源、4・・・真空排気装置、6・・・固定金属、7・
・・試料、9・・・イオンビーム、・・・11・・・試
料面、12・・・プラズマ生成室、13・・・電源、1
4・・・引き出し電極、第 10 気) 第2r23 ミ        (b) へ訂角(θ)
Figure 1 is a sectional view of the main part of the present invention, Figure 2 (a) is a schematic diagram when ions are extracted, and Figure 2 (b) shows the sputtering rate normalized to the beam incidence angle. The diagram shown in FIG. 3 is a sectional view of a main part showing the incidence of an ion beam in a conventional apparatus. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Sample holder, 2... Vacuum container, 3... Ion source, 4... Vacuum exhaust device, 6... Fixed metal, 7...
... Sample, 9... Ion beam, ... 11... Sample surface, 12... Plasma generation chamber, 13... Power supply, 1
4... Extraction electrode, 10th Q) 2r23 Mi (b) Angle (θ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、中空あるいは中実円筒材を回転しながら円筒材外周
部へイオンビームを打ち込む装置において、 円筒材の外周部にイオンビームの防壁を配置し円筒材外
周部へのビーム入射角に制限を課して表面改質する事を
特徴とするイオンビームミキシング装置。
[Scope of Claims] 1. In a device that implants an ion beam into the outer periphery of a hollow or solid cylindrical material while rotating the cylindrical material, an ion beam barrier is arranged on the outer periphery of the cylindrical material and the beam is directed to the outer periphery of the cylindrical material. An ion beam mixing device that is characterized by surface modification by limiting the incident angle.
JP11683587A 1987-05-15 1987-05-15 Ion beam mixing device Pending JPS63282266A (en)

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JP11683587A JPS63282266A (en) 1987-05-15 1987-05-15 Ion beam mixing device

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JP (1) JPS63282266A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106165121A (en) * 2013-12-31 2016-11-23 韩国科学技术院 For manufacturing the equipment of integrated thin-film solar cell

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