JPS63168954A - イオン注入装置 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はイオン注入装置に係り、特に金属、セラミック
ス等の表面改質に好適なイオン注入装置に関するもので
ある。

〔従来の技術〕

従来のイオン注入装置は、特開昭５９−２０２２号公報
に記載しであるように、質量分離されたイオンビームと
別方向に設置された中性金属蒸気ビームを基体にそれぞ
れ別角度で注入していた。しかし。

この場合は、平坦な基体の表面にビームを注入する場合
はよいが、凹凸がある一般的な基体の場合は、入射角度
の相違によるビーム注入の影ができ、均一なビームを注
入については配慮されていなかった。また、質量分離し
ない装置についても別々の入射角度でビーム注入を行う
ものであった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、凹凸のある基板への均一な薄膜形成に
ついては配慮されておらず、成膜速度の増大を主眼とし
ていた。したがって、複雑な形状の多い実際の基板への
イオンビーム及び中性金属蒸気ビームの入射角の相異に
よる影の部分の注入の不均一性の問題があった。

＾ また、Ｐｒｏｃ　　Ｌｏｔｈ　　Ｓｙｍｐ　　ｏｎ　　
’Ｉｓ：Ｌ！Ｔ”’８６．Ｔｏｋｙｏ　（１９８６）の
”’ＩＯＮ　　ＡＮＤＶＡＰＯＵＲＤＥＰＯ３ＩＴＩＯ
Ｎ　　ＳＹＳＴＥＭ”に記載しである大口径のイオンビ
ームを用いる場合は、質量分離を行っていないので、他
種イオンも混入し、高純度の薄膜形成に問題が残ってい
た。

本発明の目的は、質量分離することによって他種イオン
の混入を防止し、かつ、イオンビームと中性金属蒸気ビ
ームの入射角を同一にして均一で高純度の薄膜形成を行
うことができるイオン注入装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、イオンビームを質量分離用電磁石による磁
場を用いて偏向させるとともに、特定のイオン種を選別
し、この偏向後のイオンビームと中性金属蒸発ビームを
同一軌道に揃えるようにして達成するようにした。

〔作用〕

質量分離用磁場は、通常の質量分析装置やイオン注入装
置に用いられているものと同様で、イオンが偏向される
軌道半径Ｒは、イオンの加速電圧■、イオンの質量Ｍ、
重電荷で、磁場強度Ｂのときは Ｒｃｃ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・
・（１）の関係がある。したがって、特定のイオン（Ｍ
／ｅ）のみが同一軌道を画いて進行する。

ビーム偏向を行わないと、イオン源と金属蒸気発生炉と
を同一線上に設置しなければ、同一人射角とすることが
できないが、これは物理的に不可能である。質量分離の
イオンビーム偏向を行えば。

金属蒸気発生炉を基体、磁場の直線上に設置できるので
、偏向後の特定イオンビームと金属蒸気ビームとを同一
方向から基体に入射可能となる。

〔実施例〕

以下本発明を第１図、第３図に示した実施例および第２
図、第４図を用いて詳細に説明する。

第１図は本発明のイオン注入装置の一実施例を示す概略
図で、本実施例は、イオンビームと真空蒸着技術を組合
わせることにより結晶性または非品性の高純度金属化合
物薄膜を形成するもので、単に蒸着あるいはイオンビー
ムデポジションなどによる薄膜形成に比べ、蒸着とイオ
ン注入を同時に行うことで、化学的、物理的に安定で、
強じんな薄膜を形成できる。ここでは、金属の基体４の
表面に窒化チタンの膜を形成する場合について説明する
。イオン源１に窒素ガスを導入し、電磁界の作用と電子
、ガスの相互作用により、窒素ガスをイオン化する。イ
オン注入用の大電流イオン源として、アーク放電型、マ
イクロ波放電型などのイオン源がよく用いられている。

イオン源１で生成された窒素イオンは、電界によって加
速、引き出され、引出しイオンビーム２として磁場３に
入り、そこで所定の注入イオンビーム２′に質量分離さ
れる。この場合、窒素イオン（Ｎ　十）に選別する。

磁場３は、通常の質量分析装置やイオン注入装置でよく
用いられている扇形磁場を示す。

分離された注入イオンビーム２′は、薄膜を表面に形成
するアルミニウムの基板４に入射し、エタン蒸気を発生
させて金属蒸気ビーム７として取り出し、基板４に入射
させる。金属蒸気ビーム７は中性粒子であるので、電磁
界の作用は受けず、磁場３を直進する。したがって、第
１図に示すように扇形磁場３を用い、イオンビーム２を
偏向し、イオン源１．磁場３．基体４．金属蒸気発生炉
６を図示のように配置すれば、イオンビーム２と金属蒸
気ビーム７とを同方向に揃え、基体４に注入することが
できる。このようにして、基体４のアルミニウム表面に
窒化チタン（ＴｉＮ）の耐摩耗性の強じんな薄膜を形成
でき、アルミニウム表面の改良ができる。単なる金属蒸
着とイオンビームの注入では、薄膜がはがれやすく、成
膜速度も小さく７） く、安定性が乏しい。中性金属粒子がイオンの共注入に
より、化学的結合層が形成され、安定９強固な膜が形成
される。

第２図は基体４の表面に凹凸がある場合のイオンビーム
２と金属蒸気ビーム７の入射角度が平行同一の場合（（
ａ））と、相異のある場合（（ｂ）　）を示す。第２図
（ｂ）から明らかなように、入射角度に相異がある場合
は、影の部分ができ、均一なイオンビーム２′と金属蒸
気ビーム７の共注入が不可能である。

本発明に用いられるイオン種としては、窒素。

水素、酸素、アルゴン、炭酸ガスからの炭素などの気体
のものと、ハロゲン化物からの金属イオンなどが、また
、金属蒸気としては、アルミニウム。

シリコン、ホウ素、チタン、タングステン、クロム、鉄
などが用いられる。これらは、それぞれ単独あるいは組
合わせて用いられる。

イオン種に、例えば、アルミニウムを用いる場合、金属
アルミニウムをそのまま用いるには、イオン源温度を高
温に保たねばならないが、塩化アルミニウムを用い、塩
化アルミニウムを加熱気化し、これをイオン化し、アル
ミニウムイオンのみを質量分離して注入に用いればよい
。塩化アルミニウムは１５０℃程度でイオン化に必要な
蒸気圧が得られる。

第３図にこのような固体蒸発炉を併せ持ったイオン源の
一実施例の構成図を示す。気体はガスボンベ１０より調
圧弁１１により調圧してイオン化箱９に導入する。ここ
で、電界、磁界と電子、ガスの相互作用でプラズマが生
成され、電界により引き出して電極１４によりイオンビ
ーム２として取り出す。固体試料（例えば、塩化アルミ
ニウム）は、固体蒸発炉１２内に充填し、ヒータ１３に
より加熱して気化し、イオン化箱９に導き、イオン化箱
９内でイオン化される。

これを第１図のイオン源１に装着すれば、気体および固
体の試料を共に利用でき、特に低温で気化できるハロゲ
ン化合物はイオン化により多くのイオンビーム２が引き
出されるが、磁場３により特定の注入イオンビーム２′
に質量分離されるので、多くのイオン種につき、高純度
の注入が可能となる。

第４図は本発明の他の実施例を示す概略構成図で、第４
図においては、イオン源１，１′の２個を同時に装着し
、正イオンをイオン源１で、負イオンをイオン源１′で
生成し、円形磁場３′を用いて正イオンビーム２′、負
イオンビーム２”。

中性金属膜蒸発ビーム７を同時に、または交互にイオン
ビーム２′、２″′中性金属蒸発ビーム７として基体４
に注入するようにしである。正、負イオンビームを同時
に基体４に注入することは、基体４がガラス、セラミッ
クス、プラスチックスなどの絶縁物の場合、電荷が蓄積
し、イオンビームの軌道などに悪影響がないように、正
負イオンで電荷の蓄積を中和するためである。また、同
じ種類のイオンを共注入することは、成膜速度の増倍と
なることはいうまでもない。

さらに、金属蒸発ビーム７、イオンビーム２′。

２“の注入量、あるいはイオンのエネルギーなどをプロ
グラムして制御することは、生産設備としく１０） たとき、効果があることは明らかである。

なお、第１図に示すように、これらのビームライン系は
、真空に保つため排気システム８で排気されていること
はいうまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、質量分離された
特定のイオンビームと中性金属蒸発ビームを同一方向に
して注入できるので、注入角の影のない、しかも均一性
のよい高純度の薄膜を形成でき、また、固体化合物を低
温で気化、イオン化できるので、多くのイオン種を容易
に用いることができ、さらに、正、食面イオンを同時に
注入できるので、絶縁物基体のチャージアップを防ぎ、
イオンビームの偏向などを防ぐことができ、また、同じ
イオンを同時に注入できるので、成膜効率の向上をはか
ることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のイオン注入装置の一実施例を示す概略
構成図、第２図は基体の表面の凹凸がある場合のイオン
ビームと金属蒸気ビームの入射角度が平行同一の場合と
相異のある場合を示す説明図、第３図は固体蒸発炉を併
せ持ったイオン源の一実施例を示す構成図、第４図は本
発明の他の実・・・金属蒸気発生炉、７・・・金属蒸気
ビーム、８・・・排気システム、９・・・イオン化箱、
１０・・・ガスボンベ、１２・・・固体蒸発炉。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、イオンを生成するイオン源と、該イオン源より電界
   により引き出され加速されてとび出してくるイオンビー
   ムを質量／電荷比に応じて質量分離する磁場と、前記イ
   オンが注入される基体を保持する注入室と、系を高真空
   に保つ排気系とよりなるイオン注入装置において、電子
   銃などの加熱手段を持つ金属蒸気発生炉を前記イオンが
   注入される基体と前記磁場と直線状となるように前記磁
   場の外側に配置し、質量分離後のイオンビームと前記金
   属蒸気発生炉からの中性金属蒸気ビームが平行で同一進
   行軌道に沿つて同時または交互に前記基体表面に注入さ
   れる構成としたことを特徴とする薄膜形成用のイオン注
   入装置。 ２、前記イオン源は、固体試料蒸発炉を併設してあり、
   固体試料を気化した後に前記イオン源にてイオン化して
   イオンビームを生成し、該イオンビームと前記中性金属
   蒸気ビームとを同時または交互に前記基体表面に注入す
   る構成としてある特許請求の範囲第１項記載のイオン注
   入装置。 ３、前記イオン源は、前記磁場に対して対称の位置に一
   対設けてあり、一方のイオン源で正イオンを、他方の１
   イオン源で負イオンを同時に発生し、前記磁場の強度及
   び前記イオンのエネルギーを調整して正負両イオンと前
   記中性金属蒸気ビームを同時または交互に前記基体表面
   に注入し、前記基体への電荷を中和しながら注入する構
   成としてある特許請求の範囲第１項または第２項記載の
   イオン注入装置。 ４、前記イオンのエネルギー、イオン量、および前記中
   性金属蒸気ビームの量があらかじめ設定されたプログラ
   ムにしたがつて制御されて前記基体表面に注入する構成
   としてある特許請求の範囲第１項または第２項または第
   ３項記載のイオン注入装置。