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JPH0674501B2 - 電子線による異種原子の固体内注入方法 - Google Patents
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JPH0674501B2 - 電子線による異種原子の固体内注入方法 - Google Patents

電子線による異種原子の固体内注入方法

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JPH0674501B2 JP60036614A JP3661485A JPH0674501B2 JP H0674501 B2 JPH0674501 B2 JP H0674501B2 JP 60036614 A JP60036614 A JP 60036614A JP 3661485 A JP3661485 A JP 3661485A JP H0674501 B2 JPH0674501 B2 JP H0674501B2
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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は材料工学や電子線工学における電子線による異
種原子の固体内注入（電子線誘起原子注入）方法に関す
るものである。
（従来の技術） 材料工学の分野では新しい機能をもつ材料や既存材料の
高付加価値化を求めてさまざまな複合材料の開発が行な
われている。複合材料を製造する従来の方法は大別する
と、 （１）それぞれ独立な異種材料を何んらかの方法（溶
接、電着、熱拡散、接着剤、それらの組合せ）で接合し
複合材料を得る方法。
（２）二相または多相合金を適当な機械的および熱的処
理を施すことにより複合材料を得る方法。
（３）イオンビームを用いてイオンを材料内に注入する
方法。
（４）電子線またはレーザービームを熱源として用い、
材料表面に添加した異種原子をビーム・アニールにより
材料に注入する方法。
の４種類に分類される。
（発明が解決しようとする課題） ここで（１）の方法では、整合な接合界面を得ることは
一般的に困難で、その結果接合界面がもつ固有の物性を
制御することができず、１〜10nmφ程度の超微細組織を
もつ複合材料の製造は不可能である、等の不可避的欠点
がある。
また（２）の方法では、平衡状態で安定または擬安定に
存在する合金相を利用するため画期的な機能をもつ材料
開発が困難である、析出相の寸法、数、分布状態を任意
に制御することが困難である。等の欠点がある。
さらに（３）の方法では、異種原子の注入深さが浅い、
イオンビーム照射による損傷が大きい、混合相領域の大
きさの制御が困難である、等のイオンビームに付随する
欠点がある。
また、（４）の方法でも、混合相領域の大きさの制御が
困難である、表面の濃度分布の制御が困難である、方面
の熱歪が大きい、などの欠点がある。
（問題点を解決するための手段） 本発明は上記問題点を解決するために、固体材料に注入
すべき１種または２種以上の元素成分を含む薄膜を真空
蒸着、スパッタリング、ビーム・アニール、電着などの
方法で下地の固体材料の上に附着させた二層構造材料を
作成する。二層構造の薄膜側からその中に含まれている
原子の変位のためのしきいエネルギーを超えた高エネル
ギー電子で二層構造材料を照射すると、熱拡散によらな
い原子移動がおこり、薄膜中の成分原子が下地固体材料
に注入される。その結果電子線を照射した微小領域に限
定された界面より原子の混合層が生成される。
本発明は上記の方法により、電子線照射領域に形成され
る薄膜中の原子と下地固体材料の原子の混合相を制御し
て、目的とする原子の組合せ、組成、寸法および分布を
もつ混合相を形成させた複合材料の製造を目的とする。
この製造方法を利用すれば、前述の従来の製造方法に内
在する数々の欠点を克服できるばかりでなく、電子線照
射法のいくつかの利点をいかして複合化による新機能材
料の開発を行うことができる。
本発明の異種原子の固体内注入方法を第１図（ａ）に基
づいて説明する。固体材料１に注入するいくつかの元素
成分（A,B,C,…）を含む薄膜（Ｆ）２を真空蒸着、スパ
ッタリング，ビーム・アニール、電着などの方法によっ
て下地の固体材料（Ｓ）１に付着させる。この材料をＦ
−Ｓ二相構造材料３と呼ぶ。
薄膜２側から下記のエネルギーをもつ電子線４を一定条
件（電子線の強度、入射および開き角、照射温度および
時間）でＦ−Ｓ二層構造材料３に照射すると、電子がＦ
薄膜中の原子A,B,C,…と衝突し、その原子位置を変位さ
せることができる。その結果、熱拡散によらない原子移
動がおこりＦとＳの界面附近でＦ薄膜中の原子がＳ固体
材料に注入され、それらの混合層を作る。
第１図（ｂ）に示されるものは,F−Ｓ二層構造材料の薄
膜をそれぞれ元素成分A,B,C,D,……Ｚの層を含む多層膜
にしたものを薄膜側から高エネルギー電子で照射する方
法である。ここで、照射に利用する電子線のエネルギー
はＦ薄膜中に含まれる全ての原子を変位させるに十分で
あることが必要である。しかし製造する複合材料の種類
によっては下地のＳ固体材料中の原子を変位させるため
のしきいエネルギー以上の電子線で照射すると、照射増
強拡散現象を利用できるから、混合層の生成に効果的で
ある。さらに照射中にＦ−Ｓ二層構造材料に負荷応力を
印加しながら加熱することにより上記と同様な効果を得
ることもできる。
なお、下地Ｓ固体材料中に形成させる混合層の種類、組
成、形状、大きさなどは、Ｆ薄膜中の元素成分やその組
成、電子線のエネルギー、ビーム径、照射強度、照射時
間および照射温度などを適当に選択することにより変化
させる。
また、第２図に示すように、電子線を収束させたり、逆
に発散させたり、または入射角を連続的に変えることに
より固体材料（Ｓ）内部における電子線強度を制御する
ことによって、Ｆ−Ｓ混合層５の膜厚方向の注入原子の
濃度分布を制御することができる。この方法によって図
のように注入異種原子濃度を深さ方向に制御すると同時
に、その領域の大きさも制御することができる。
本発明に用いる固体材料は半導体材料、セラミックス材
料、金属材料等があげられる。この方法によれば電子線
の照射条件によって、材料を結晶体、非晶質、固溶体等
の所望の形態で得ることができる。
従って、本発明は次のような製品に適用できる。
異種原子の注入で寸法、濃度、形状および深さを数nm
単位で正確に制御した各種電子材料。
異種金属または異種合金を任意の形状、濃度、寸法お
よび深さで制御し、しかも他とのつながりを良くして分
布させた各種複合材料。
異種原子を過飽和に注入することによる材料のアモル
ファス化。
状態図から予想できない組織の新素材の作製。
本発明では異種原子を高エネルギー電子線を用いて下地
固体内に注入するので、製造される複合材料は以下のよ
うな長所をもつ。
電子線のビーム径を電子レンズで容易に変化すること
ができ、最小1nmφ程度まで小さくできるので、極微細
組織をもつ電子材料および複合材料を製造できる。
電子線のビーム径や照射位置を電磁場で自由に制御で
きるから、異種原子注入箇所の形状を自由に変化させる
ことができ、直接素材にnm幅の微細模様に至る目的通り
のものを記入することができる。
電子線は透過力が強いので、混合層の厚さを0.1mm程
度まで厚くすることができる。
短時間の照射で混合層を作ることができるから、材料
の複合化が迅速にできる。
電子線のエネルギー、照射角度の制御、ビームの絞り
方、照射温度などを適当に選択することにより異種原子
の注入濃度を任意に制御することができる。
混合層と下地固体材料Ｓとの界面で混合層を地と連続
的につなぐことによって界面固有の物性を制御できる。
熱拡散によらずに混合層を作るために、平衡状態では
存在しない合金層が実現できる。
本発明の方法によるＦ薄膜とＳ固体材料の混合層を作っ
た照射条件の具体例を下表に示す。
（発明の効果） （イ）本発明の方法を利用すれば、下記の他の手法と組
合せると最大数mm程度までの任意の厚さの混合層を形成
することができるうえ、その界面と地とのつながりをよ
くすることができるために新しい機能をもつ材料開発が
期待できる。
（ロ）電子レンズで電子線のビーム径を容易に1nmφ程
度に小さくしたり、電磁場で電子線の位置を自由に移動
することができるので、複雑構造の超微細組織をもつ複
合材料を直接製造したり、混合相の大きさ、形状と分布
を任意に制御できる。
（ハ）照射に用いる電子線がＳ固体材料中の原子の変位
のためのエネルギー以上であれば、照 射により固体材
料２中に点欠陥が導入される。この点欠陥は注入速度を
決定する担い手になるから、固体中に注入された異種原
子はこれらによって長距離移動が可能となる。従って電
子線の高い透過力と生成された点欠陥による増強注入の
相乗作用により混合層の厚さを数mm程度まで厚くするこ
とができる。もしＳ固体材料が単結晶であれば高エネル
ギー電子のチャネリング現象を利用できるから電子線の
透過力はさらに大きくなり厚い混合層を作ることができ
る。さらに応力を印加した状態で照射すると点欠陥の拡
散が特定方向に増強されたり減衰されたりするから混合
層の厚さの制御が容易になる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明方法の実施例を示す説明図であり、 （ａ）は固体材料に注入する元素成分（A,B,C,…）を含
む薄膜（Ｆ）を下地固体材料（Ｓ）に附着させた二層構
造材料を薄膜側から高エネルギー電子で照射している状
態、 （ｂ）はＦ−Ｓ二層構造材料の薄膜をそれぞれ元素成分
A,B,C,D,…Ｚの層を含む多層膜にしたものを薄膜側から
高エネルギー電子で照射している状態。 第２図は本発明実施例による電子線強度分布の制御によ
って注入原子濃度分布を制御する方法を説明する概略図
である。 １……固体材料 ２……薄膜 ３……二層構造材料 ４……電子線 ５……混合層

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】下地固体材料に注入する異種原子よりなる
    薄膜を前記下地固体材料に付着させた二層構造材料に、
    注入の目的とする薄膜中の異種原子を変位させるための
    しきいエネルギーを超えた大きなエネルギーをもつ電子
    線を薄膜側から照射し、照射領域の固体材料中に目的と
    する薄膜中の異種原子の所要量を熱拡散を起さないで原
    子移動の起る条件で、過飽和に至るまで、領域の大き
    さ、異種原子の注入量および注入深さを制御して注入
    し、前記異種原子を薄膜より固体材料中に移動させるこ
    とを特徴とする電子線による異種原子の固体内注入方
    法。
  2. 【請求項２】前記電子線のビーム径を最小1nmまで集束
    して照射する特許請求の範囲第１項記載の電子線による
    異種原子の固体内注入方法。
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