TWI779138B - 在待處理的物件表面上植入離子的方法及實施此方法的設備 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於一種在放置於真空室(20)中之待處理物件(24)的表面上植入單電荷離子或多電荷離子的方法，此方法包含同時由下列組成之步驟：
-將藉由離子來源(26)所產生之離子束(30)射入該真空室(20)中且將此離子束(30)導向至該待處理之物件(24)的該表面，及
-利用紫外輻射來源(32)照射該待處理之物件(24)的該表面，該紫外輻射來源(32)產生在該真空室(20)中傳播之紫外輻射(36)。
本發明也關於一種實施該植入方法之離子植入設備(18)。
Description
本發明之主題是一種利用離子束在待處理物件(尤其但不僅是由合成的藍寶石製成之物件)的表面中植入離子的方法。此方法致力於增加可能植入該待處理之物件表面的離子數目，以及這些離子能滲入該物件的深度。本發明能適用至藉由金屬粒子或陶瓷粒子所形成之固態物件或粉末狀態物件。
離子植入方法係由例如利用電子迴旋共振(或ECR)型的單電荷或多電荷離子的來源撞擊該待處理之物件的表面所組成。
ECR離子來源使用該電子之迴旋共振以產生電漿。在對應於藉由磁場所界定之該電子迴旋共振的頻率下，將微波射入某一體積之意欲在低壓下離子化的氣體中，該磁場係施加至在待離子化之該體積的氣體內部中的區域。該微波加熱在該體積之待離子化氣體中所存在的自由電子。這些自由電子在熱攪動的影響下，將與原子或分子碰撞且使其離子化。所產生之離子對應於所用之氣體類型。此氣體可以是純的或混合物。其也可以是由固態或液態材料獲得的蒸氣。ECR離子來源能產生單電荷離子，亦即離子化程度等於1之離子，或多電荷離子，亦即離子化程度大於1之離子。
舉例而言，電子迴旋共振ECR型的多電荷離子來源係在由本說明書圖1所闡明。如圖所示，整體標示為參考符號1之單電荷或多電荷離子之ECR來源包含射入階段2 (在此導入體積4之待離子化的氣體和微波6)、磁限制階段8 (在此產生電漿10)、及提取階段12 (在此利用陽極14a和陰極14b且在其間施加高電壓以提取及加速電漿10之離子)。
在該ECR離子來源1之輸出點所產生之離子束16的外觀係由本說明書的圖2描繪。
在以上簡要描述之離子植入方法所遭遇的問題之一是在於以下事實：隨著該等離子滲透該待處理之物件表面，彼等產生靜電勢阻障，此靜電勢阻障易於減緩後續抵達之離子，因而限制在該待處理物件之表面下這些離子的滲透深度。這是因為在該待處理物件的表面上之待植入的離子愈多，則這些離子產生之靜電場愈強且愈多待處理之物件表面容易排斥從該ECR離子來源抵達之離子，這在該待處理物件之離子植入方法中造成均勻性問題。在該待處理物件是導電的情況下，較少存在此問題，因為至少一些自由電子或經弱鍵結至製造該待處理物件的材料之電子能與該經植入之離子再結合。另一方面，在待處理的物件係從不導電之材料製造的情況下，在電子與單電荷或多電荷離子之間不發生再結合現象，且實際上不可能保證在該待處理的物件表面中該離子之均勻分布。
本發明的目標是要藉由提供一種在待處理的物件表面上植入離子的方法以解決上述問題，且尤其是要能保證在該物件表面上這些離子的均勻分布。
就此而論，本發明係關於一種在放置於真空室中之待處理的物件表面上植入單電荷離子或多電荷離子的方法，此方法包含同時由下列組成之步驟：
-將藉由離子來源所產生之離子束導向至該待處理之物件的該表面，及
-利用紫外輻射來源照射該待處理物件的該表面，該紫外輻射來源產生在該真空室中傳播之紫外輻射。
由於這些特徵，本發明提供一種物件之表面處理方法，其中放置在真空室中之該待處理物件係利用紫外光來源照射且同時利用離子束撞擊此物件。此方法因此保證在該待處理物件的該表面上該等離子之更均勻分布，同時此方法使得這些離子能更深地滲透在該待處理物件之該表面下。事實上將會了解：雖然在該真空室中常有相當高的真空，但在該真空室的氣體環境中仍有原子和分子，而該紫外輻射之光子將從該原子和分子提取電子，該等電子將受該待處理物件之該表面的正電勢吸引且將與該物件之該表面上存在之離子再結合，以致消除靜電荷。由於位於該真空室中的自由電子與在該待處理之物件的該表面上所植入的離子再結合，該待處理物件之靜電勢能保持在足夠低之值，以致幾乎不干擾新離子的植入，且使得新離子能在該待處理物件之該表面下穿透足夠深。
根據本發明之一具體例，在該真空室內部的氣壓是在104
與10-4
Pa之間，較佳地在10-2
Pa與10-4
Pa之間。
根據本發明之一具體例，將氣體諸如鈍氣射入該真空室中。實際上，由於內部放置有該待處理物件之該真空室中常有相當高真空度，已發現：在此稀薄氣體環境中的原子和分子在數目上並不總是足以保證能令人滿意地實施根據本發明的方法。這是為何藉由變化型，提供鈍氣以在該真空室中濃集(enriching)該氣體環境，以致此氣體環境之離子化現象產生更大量的電子。
本發明也關於一種在待處理物件的表面中植入單電荷或多電荷離子的設備，此設備包含內部設置該待處理之物件的真空室，該設備也包含將離子束射入該真空室的離子來源，此離子束被導向至該待處理物件的該表面，該設備也包含紫外輻射來源，其產生在該真空室中傳播且照射該待處理物件的紫外輻射，該離子來源和該紫外輻射來源經配置成同時作用。
本發明從下述之一般發明概念開始：將待進行離子植入製程的物件放置在真空室中且在其以單電荷或多電荷離子束撞擊的同時，利用紫外輻射照射。在該真空室中傳播時，該紫外輻射之質子從保留在該真空室之稀薄氣體環境中的原子和分子提取電子，這些自由電子接著與存在於表面待處理的物件之表面上之離子再結合。因此可能控制該待處理物件之表面電勢且將此電勢維持在足夠低程度上以使抵達的新離子不致被該電勢阻障所過度減緩且保持足夠的動能而使彼等能滲透深入該待處理之物件中。
可以實施使根據本發明之方法的離子植入設備係在圖3中概略顯示。整體標示為參考符號18之離子植入設備包含真空室20，在其密封的腔體22中放置意欲進行離子植入製程的物件24。該待處理之物件24可以是固態或粉末狀態。彼可以是非晶型或晶型材料、絕緣或導電性金屬或陶瓷。在該待處理物件24係呈粉末狀態的情況下，其較佳在整個該離子植入製程中被攪拌，以確保構成此粉末之粒子被均勻地暴露於離子植入束。
離子來源26，例如屬於該電子迴旋共振ECR型者，被密封固定至該真空室20之該腔體22，且面對配置此腔體22中之第一開口28。將類似於上述ECR來源離子的此離子來源26定向以致其產生之單電荷或多電荷離子束30在該真空室20中傳播且撞擊該待處理物件24之表面。撞擊該待處理物件24之該等單電荷或多電荷離子或多或少滲透深入該物件24之表面下且逐漸累積，因此造成靜電勢阻障，其限制且排斥後續抵達之離子，而引起在該待處理物件24之表面上或表面下以及厚度中該離子分布不均勻的問題。
為彌補此問題，紫外輻射來源32也密封安裝在該真空室20之該腔體22上且面對配置在該腔體22中之第二開口34。將此紫外輻射來源32定向以致其產生之紫外輻射36在該真空室20中傳播，且在該離子束30撞擊該待處理物件24之該表面的同時，落在該待處理物件24之該表面上。
在該真空室20之密封的腔體22中的真空度是相當高的，一般是在104
與10-4
Pa之間，較佳是在10-2
Pa與10-4
Pa之間。但是，雖然在該真空室20中具有極高的真空度，在此真空室20之氣體環境中仍有原子和分子，該紫外輻射36之光子將從該原子和分子提取電子，該電子將受該物件24之該表面的正電勢吸引且將與存在於此物件24之該表面上的離子再結合，以致消除該靜電荷。該待處理物件24之該靜電勢因此可維持在足夠低的數值，幾乎不干擾新離子的植入，且使該新離子能在該待處理物件24之該表面下穿透足夠深。
為改良離子植入在該待處理物件24中的製程，可以設想濃集該真空室20之氣體環境。為此目的，該真空室20係配置一個與氣體來源40連接之入口閥38，該氣體係例如鈍氣，諸如氬或氙。此入口閥38接近該待處理物件24，以致在該待處理物件24的附近，局部地產生含有濃集的原子之鈍氣的輕微過壓。
藉由以此方式進行，該真空室20之氣體環境經濃集，且從存在於該真空室20 (參見圖4)內的氣體環境中之原子提取之電子的數目提高。在該真空室20中之電子與在該待處理物件24之表面上的離子的再結合製程因此被放大，因而可能甚至進一步減低該待處理物件的電勢。這是因為有些意外地了解到：雖然藉由該紫外輻射之光子而從該鈍氣之原子所提取之電子部分地與該鈍氣之離子化原子再結合或甚至與該離子植入束的離子再結合，但彼等仍足夠大量地與在該待處理物件之該表面上存在之正電荷再結合，以致實質上降低該待處理物件之該表面的靜電勢。
為進一步改良在該待處理物件24中之離子的植入製程，可以設想提供第二紫外輻射來源42。可將此第二紫外輻射來源42密封地固定至該真空室20之該腔體22，或藉由腳架44支持而直接安裝在該真空室20內部。可將該第二紫外輻射來源42定向，以使所發射之紫外輻射42與藉由該第一紫外輻射來源32所發射之紫外輻射36形成例如約90℃之角度。利用此種紫外輻射來源32、42之配置，可能處理較大之物件24。
不用說，本發明不限於剛已描述之具體例且在不偏離藉由所附之申請專利範圍所定義之本發明的範圍下，不同的簡單改良型和變化型可被此技藝之技術人員所設想。
尤其應注意：本發明特別適用於由用於製造鐘錶玻璃之藍寶石(天然或合成的)製作之物件的表面處理。利用根據本發明之離子植入方法，由此類玻璃所反射之入射光的量明顯降低，因而可明顯改良由配置於這些玻璃下方之指示裝置(指針、日期、裝飾物)所顯示之資訊的易讀性。
本發明也適用於晶型或非晶型金屬物件或陶瓷的表面處理，當應用本發明之具有電荷中和的離子植入方法時，其機械性質，尤其是耐刮性，被大幅地改良。
本發明也適用於粉末狀態之金屬或陶瓷材料的粒子的表面處理。利用根據本發明之方法所得的金屬或陶瓷粉末材料是要利用粉末冶金方法諸如射出成形方法(更已知是金屬射出成形法或MIM)、壓製或積層製造(諸如三維雷射印刷)，以用於製造固態部件。
根據本發明方法之特別具體例：
-單電荷或多電荷離子來源是屬於電子迴旋共振ECR型；
-離子係在15,000伏特與40,000伏特之間的電壓下加速；
-產生離子束之材料係選自氮N、碳C、氧O、氬Ar、氦He和氖Ne；
經植入之離子劑量是在1×1014
離子.cm-2
與7.5×1017
離子.cm-2
之間，且較佳在1×1016
離子.cm-2
與15×1016
離子.cm-2
之間；離子之植入深度是150 nm至250 nm；
-金屬材料是選自金和鉑之貴金屬；
-金屬材料是選自鎂、鈦和鋁之非貴金屬；
-金屬或陶瓷粉末之粒子在整個離子植入製程中被攪拌；
-所用之金屬粉末或陶瓷的粒子的粒度分析是使所有這些粒子的50%實質上具有小於2微米的尺寸，所用之金屬或陶瓷粉末的尺寸不超過60微米；
-根據本發明之離子植入方法所處理之陶瓷材料是碳化物，尤其是碳化鈦TiC或碳化矽SiC；
-碳化物型陶瓷材料係經利用氮原子離子N撞擊而形成碳氮化物，尤其是碳氮化鈦TiCN或碳氮化矽SiCN；
-根據本發明之離子植入方法所處理之陶瓷材料是氮化物，尤其是氮化矽Si3
N4
；
-根據本發明之離子植入方法所處理之陶瓷材料是氧化物，尤其是氧化鋯ZrO2
或氧化鋁Al2
O3
；
-氧化物型陶瓷材料係經利用氮離子撞擊而形成氧氮化物，尤其是氧氮化鋯ZrO(NO3
)2
，或若該離子撞擊延長夠久，則甚至形成氮化鋯ZrN，或氧氮化鋁AlOx
Ny
；
-氧化物型陶瓷材料係經利用碳離子撞擊而形成氧碳化物，尤其是氧碳化鋯ZrO2
C或甚至是碳化鋯ZrC；
-氧化物型陶瓷材料係經利用硼離子撞擊而形成氧硼化物，尤其是氧硼化鋯ZrO2
B，或若該離子撞擊延長夠久，則甚至形成硼化鋯ZrB2
。
1‧‧‧該電子迴旋共振ECR型離子來源
2‧‧‧射入階段
4‧‧‧待離子化之氣體體積
6‧‧‧微波
8‧‧‧磁限制階段
10‧‧‧電漿
12‧‧‧提取階段
14a‧‧‧陽極
14b‧‧‧陰極
16‧‧‧單電荷或多電荷離子束
18‧‧‧離子植入設備
20‧‧‧真空室
22‧‧‧密封的腔體
24‧‧‧待處理物件
26‧‧‧離子來源
28‧‧‧第一開口
30‧‧‧單電荷或多電荷離子束
32‧‧‧紫外輻射來源
34‧‧‧第二開口
36‧‧‧紫外輻射
38‧‧‧入口閥
40‧‧‧氣體來源
42‧‧‧第二紫外輻射來源
44‧‧‧腳架
46‧‧‧紫外輻射
本發明之其他特徵和優點將從以下之根據本發明之方法的實例具體例的詳細描述更清楚地顯露，此實例純粹利用圖示且以與該附圖相關之非限制方式來給予，其中：
-圖1是根據先前技藝之電子迴旋共振ECR型的離子來源的概略視圖；
-圖2是描繪在圖1中闡明之電子迴旋共振ECR型的離子來源的出口處的離子束之概略視圖；
-圖3是在根據本發明之待處理物件之表面上植入單電荷或多電荷離子的設備的概略視圖，及
-圖4是在圖3中被圓圈包圍之區域的放大視圖，其闡明位於真空室之氣體環境中的自由電子與在待處理物件之表面上所存在之離子的再結合現象。
18‧‧‧離子植入設備
20‧‧‧真空室
22‧‧‧密封的腔體
24‧‧‧待處理物件
26‧‧‧離子來源
28‧‧‧第一開口
30‧‧‧單電荷或多電荷離子束
32‧‧‧紫外輻射來源
34‧‧‧第二開口
36‧‧‧紫外輻射
38‧‧‧入口閥
40‧‧‧氣體來源
42‧‧‧第二紫外輻射來源
44‧‧‧腳架
46‧‧‧紫外輻射
Claims (22)
- 一種在放置於真空室(20)中之待處理物件(24)的表面上植入單電荷離子或多電荷離子的方法，此方法包含同時由下列組成之步驟：-將藉由離子來源(26)所產生之離子束(30)射入該真空室(20)中且將此離子束(30)導向至該待處理物件(24)的該表面，以使撞擊該待處理物件(24)的該單電荷離子或多電荷離子或多或少滲透深入該物件(24)之該表面下且逐漸累積，因此造成靜電勢阻障，該靜電勢阻障限制且排斥後續抵達之離子，及-利用紫外輻射來源(32)照射該待處理物件(24)的該表面，該紫外輻射來源(32)產生在該真空室(20)中傳播之紫外輻射(36)，以使該紫外輻射(36)之光子將從仍存在於該真空室(20)之氣體環境中的原子和分子提取電子，該電子將受該物件(24)之該表面的正電勢吸引且將與存在於該物件(24)之該表面上的離子再結合，以致消除靜電電荷，其中製造該待處理物件(24)的材料係選自由天然和合成藍寶石、礦物玻璃、聚合物、陶瓷、晶型或非晶型金屬合金、和貴金屬及非貴金屬所形成之群組。
- 如請求項1之方法，其中離子來源(26)係屬於電子迴旋共振型。
- 如請求項1之方法，其中在該離子植入製程的期間將氣體射入該真空室。
- 如請求項2之方法，其中在該離子植入製程的期間將氣體射入該真空室。
- 如請求項3之方法，其中該射入之氣體是鈍氣。
- 如請求項4之方法，其中該射入之氣體是鈍氣。
- 如請求項1之方法，其中在該真空室(20)內之氣壓是在104Pa與10-4Pa之間，較佳是在10-2Pa與10-4Pa之間。
- 如請求項2之方法，其中在該真空室(20)內之氣壓是在104Pa與10-4Pa之間，較佳是在10-2Pa與10-4Pa之間。
- 如請求項3之方法，其中在該真空室(20)內之氣壓是在104Pa與10-4Pa之間，較佳是在10-2Pa與10-4Pa之間。
- 如請求項4之方法，其中在該真空室(20)內之氣壓是在104Pa與10-4Pa之間，較佳是在10-2Pa與10-4Pa之間。
- 如請求項5之方法，其中在該真空室(20)內之氣壓是在104Pa與10-4Pa之間，較佳是在10-2Pa與10-4Pa之間。
- 如請求項6之方法，其中在該真空室(20)內之氣壓是在104Pa與10-4Pa之間，較佳是在10-2Pa與10-4Pa之間。
- 如請求項1至12中任一項之方法，其中利用第二紫外輻射來源(42)照射該待處理物件(24)之該表面，該第二紫外輻射來源(42)產生第二紫外輻射(46)，且其在該真空室(20)中以與第一紫外輻射(36)形成角度之方向傳播。
- 如請求項1之方法，其中利用該離子來源(26)而植入該待處理物件(24)的該表面中的離子係選自由氮N、碳C、氧O、氬Ar、氦He和氖Ne所形成之群組。
- 如請求項1之方法，其中該待處理物件(24)的該表面係利用在下列範圍的離子植入劑量處理：在1×1014離子.cm-2與7.5×1017離子.cm-2之間，較佳在1×1016離子.cm-2與15×1016離子.cm-2之間，及其中該離子之加速電壓是在7.5kV與40kV之間。
- 一種在待處理物件(24)的表面中植入單電荷離子或多電荷離子的設備，此設備(18)包含內部設置該待處理物件(24)的真空室(20)，該設備(18)也包含將離子束(30)射入該真空室(20)的離子來源(26)，此離子束(30)被導向至該待處理物件(24)的該表面，以使撞擊該待處理物件(24)的該單電荷離子或多電荷離子或多或少滲透深入該物件(24)之該表面下且逐漸累積，因此造成靜電勢阻障，該靜電勢阻障限制且排斥後續抵達之離子，該設備(18)也包含紫外輻射來源(32)，其產生在該真空室(20)中傳播且照射該待處理物件(24)的紫外輻射(36)，以使該紫外輻射(36)之光子將從仍存在於該真空室(20)之氣體環境 中的原子和分子提取電子，該電子將受該物件(24)之該表面的正電勢吸引且將與存在於該物件(24)之該表面上的離子再結合，以致消除靜電電荷，其中該離子來源(26)和該紫外輻射來源(32)經配置成同時作用。
- 如請求項16之植入單電荷離子或多電荷離子的設備，其中該離子來源(26)是屬於電子迴旋共振型。
- 如請求項16或17之植入單電荷離子或多電荷離子的設備，其包含氣體來源(40)，該氣體來源(40)經由與彼連接之入口閥(38)傳送氣體於該真空室(20)中。
- 如請求項18之植入單電荷離子或多電荷離子的設備，其中在該氣體來源(40)中所含之氣體是鈍氣。
- 如請求項16之植入單電荷離子或多電荷離子的設備，其產生之離子植入劑量的範圍是在1×1014離子.cm-2與7.5×1017離子.cm-2之間，且較佳在1×1016離子.cm-2與15×1016離子.cm-2之間，及其中該離子之加速電壓是在7.5kV與40kV之間。
- 如請求項16之植入單電荷離子或多電荷離子的設備，其中在該真空室(20)內之氣壓是在104Pa與10-4Pa之間，較佳是在10-2Pa與10-4Pa之間。
- 如請求項16之植入單電荷離子或多電荷離子的設備，其包含第二紫外輻射來源(42)，該第二紫外輻射來源(42)以第二紫外輻射(46)照射該待處理物件(24) 之該表面，且該第二紫外輻射(46)在該真空室(20)中以與該第一紫外輻射(36)形成角度之方向傳播。
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