JPS6372100A - 高フラックスエネルギ−原子源 - 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】 ［産業上の利用分野及び従来の技術］ ＮＡＳＡスペースシャトルに関して、シャトルが地球の
低軌道を循環飛行している間に、シャトル構成要素のい
くつかの表面が劣化することが判明した。理論上、この
ような劣化は、原子粒子、多くの場合、低い高度で８．
０　ｋｌＩ＋／秒の軌道速度のときに発生する酸素粒子
との衝突によって起こると考えられる。劣化の程度は、
環境をシミュレートして、材料の試験を実施することが
要求されるような性質のものであるとわかった。

シャトルの低軌道経路で見られる高速原子の条件のシミ
ュレーションは、高い粒子フラックスの分解ガス、すな
わち粒子線においてそのような高速を達成するのが困難
であるために、現時点の技術範囲を越えたものである。

［発明の概要〕 原子粒子から成るほぼ単一エネルギーの高フラックス線
は、原子線を形成すべき材料を含有するガスを非常に低
圧に真空排気された真空チェンバの内部でノズルスロー
トを介して射出して、限定された細い、次第に拡張する
柱状の流れを発生することにより得られる。この柱状の
流れは、拡張するガスのブレークダウン及び解離を生じ
させて、プラズマを発生するために放射線を照射される
。拡張するプラズマは、プラズマ成分について非常な高
速に達する。拡張プラズマを冷却すると１、プラズマは
原子線の中に中性原子粒子を形成しつつ電荷中和するが
、密度は、通常、ガス粒子の再形成を阻止するように十
分に低く保持される。

通常の構成では、ガス又はガス混合物は、分子弁を使用
して、ノズルスロートを介し、複数のパルスとして射出
される。ノズルを介してガスが最初に円錐形スロートの
中へ射出された直後に、高出力レーザー放射線のパルス
が射出ガス中に集束される。ノズル内のガスが分子密度
であれば、ガスのブレークダウン及び解離を発生させて
非常に高温のプラズマとするのに十分なエネルギーが与
えられる。プラズマエネルギーはプラズマを拡張させ、
拡張したプラズマはノズルの壁面により外方へ案内され
てノズル出口に達し、１〜１０ｋｍ／秒の範囲の非常に
速く、ほぼ均一な速度の射出ガスを発生する。表面を改
変すべき材料から成るターゲットは原子の流れを遮断す
る。原子の種類及びターゲット材料に応じて、原子衝撃
により、表面浸食、表面コーティング、衝撃原子線中の
原子とターゲット材料との反応及び表面洗浄、すなわち
１９染物質除去を含む様々な効果を得ることができる。

高速粒子線の発生に使用するために本発明に特に適する
ガスは、安定二原子、酸素、水素、窒素、フッ素及び塩
素等である。一酸化炭素、塩化水素及び多くの炭化水素
等のその他の安定ガスも、原子粒子線の前駆物質として
使用することができる。

この方法によれば、金属カルボニル、有機金属、ＳｉＨ
４、メタルハライド等の種類のガス混合物においてレー
ザーブレークダウンを発生させることにより、金属又は
高融点元素等のその他の数多くの種類の原子を使用して
、半導体の製造及びその他の用途に使用される基板にき
わめて薄い金属被膜又は高融点被膜を形成することがで
きる。

［実　施　例コ 以下、添付の図面を参照して本発明の詳細な説明する。

本発明は、異なる種類の粒子から成る高速原子線を発生
することと、所定のターゲット材料の表面の改質を生じ
させるためにその原子線を適用することを意図する。

本発明を実施するだめの装置は第１図に示されている。

第１図に示される真空チェンバ１２は、原子線立生過程
における汚染を回避するために、ポンプ装置１４により
通常は１０−７気圧以下の範囲の低圧に真空排気される
。従来真空処理技術の場合と同様に、必要に応じて、観
察及び操作のための窓口を真空チェンバに設けても良い
。

ノズルアセンブリ１６は密封ポート１８を介して真空チ
ェンバ１２の内部へ延出する。一種類のガス又は複数種
類のガスの混合物は、通常は数気圧程度の適切な圧力で
供給源２０からノズルアセンブリ１６に供給される。表
面効果に対する制御をさらに精密にして、単原子層の形
成を可能にすると共に、真空ポンプ１４に課される必要
条件を制限するために、ガスをパルス形供給装置を介し
て真空チェンバ１２の内部に供給するのが有用である。

連続動作も同様に可能である。一実施例においては、ガ
スをパルス状に供給するための弁動作は、Ｎｅｖｐｏｒ
ｔＲｃｓｃａｒσｈ製造のモデルＢ　Ｖ　−ｔｏｏパル
ス分子分子答弁分子弁２２を使用することにより得られ
る。

この弁は、持続時間が１００マイクロ秒と短いガスバー
ストを供給することができる。持続時間の短いバースト
は、原子の個数が限定されるために有用であり、ターゲ
ット表面改質効果のさらに精密な制御を可能にすると共
に、所望の真空を維持するために必要なポンプ動作負荷
を減少させる。

■ 分子弁２２は各ガスバーストを　７８インチ（３，１７
５關）の０リング２４と、面板２６の１．Ｏｍｍの開口
とを介して、通常は２０″の開き角度を有し且つ長さが
１０ｃｍであるノズルコーン、すなわちスロート２８に
搬送する。これにより、通常は直径１．０ｍｍの細い柱
状のガスをバーストごとに真空チェンバ１２の内部へ射
出させることができる。

レーザー装置３０は、面板２６の開口から射出するガス
のブレークダウン及び解離を発生させるための放射エネ
ルギーの供給源として設けられる。

レーザー装置３０は、通常、１ｏ、ｅミクロンの波長で
動作する二酸化炭素レーザーであるが、その他の波長を
採用しても良い。レーザー装置は、通常は２゜５マイク
ロ秒の短い持続時間を有し、射出ごとのエネルギーが約
５〜１０ジユールであるパルスを供給することができる
。パルスの持続時間とエネルギーは、ガスバーストごと
に限定された数のガス原子で非常に急速な拡張を可能に
し、それにより、非常に高速の出力原子線を駆動するこ
とが必要であるのを考慮して決定される。所定の最終速
度に対して、必要とされるパルスエネルギーは処理され
るガスの量に正比例する。

レーザー装置３０が発生したパルス出力線３２は塩化ナ
トリウム窓３４を介して真空チェンバ１２に入り、レン
ズ３６により集束されて、面板２Ｇの開口がスロート２
８内にガスを射出する箇所であるスロート２８の頂点で
、通常は直径０．ｉｎ＋ｍの小さなウェストサイズの線
となる。持続時間の短い高エネルギーのパルスはガスの
ブレークダウンを発生させて、プラズマを形成する。ブ
レークダウンを発生させるために必要な強さは、処理さ
れるガスの同一性と圧力の双方に従って決定される。得
られるプラズマの超高温と、真空環境との組合わせによ
り、スロートの壁面により限定されるプラズマが拡張線
３８が発生し、これは、スロート出口部で１〜１０ｋｍ
／秒の範囲に達する速度のほぼ単一エネルギーのガスの
流れを形成する。

第３図は、本発明に従って発生される窒素原子の原子線
のスペクトルを示す。プラズマ拡張線３８は冷却して、
ほぼ単一エネルギーの、すなわち、ほぼ均一な速度の原
子の流れを発生する。

ターゲット４０は、操作者の希望に応じて材料コーティ
ング及び薄膜形成を含む表面改質のために、プラズマ拡
張線３８の経路に装置される。ターゲット４０はレーザ
ー出力線３２の軸から外れて配置されても良い。ターゲ
ット４０の活性影響領域の広さは１００ｃｆｆ１以上と
なると考えられる。本発明は特定のターゲット材料への
適用に限定されない。また、プラズマ拡張線３８で発生
することができる原子の種類に関する制限もない。プラ
ズマ前駆物質としては、酸素、水素、窒素、フッ素、塩
素などの従来周知の安定二原子等積ガスや、多元素安定
二原子ガス及び三原子以上の多元素安定ガスを使用する
ことができる。さらに、供給装置２０から前駆物質ガス
の混合物、たとえば、金属カルボニル、有機金属、Ｓｉ
Ｈ４又は特にメタルハライドと希土類ガスとの組合せを
供給することにより、金属又は高融点材料等の他の種類
のものから成るビームを発生させることができる。供給
されたプラズマはターゲット４０と反応して、カルボニ
ル供給成分の場合は、同様に供給ガス中のシリコン又は
チタンを使用して、ＳＩＣ又はＴｉＣを発生する。

プラズマの高温は、低温又は室温でのターゲット動作を
可能にする。

本発明の方法を第２図を参照して説明する。第２図に示
すように、所望の一元素から成るガス又は複数の単一元
素ガス又は多元素ガスの混合物がステップ５０において
発生される。このガスは、ステップ５２で、ノズルアセ
ンブリ１６により表わされるようなノズルを介して供給
され、拡張コーンのスロート領域の中へ射出される。こ
のように射出されたガスは、ステップ５４において、通
常は放射エネルギーの使用によりブレークダウンし、高
温の加圧プラズマを発生する。このプラズマは、ステッ
プ５６で、ノズルの壁面により限定されるように所望の
方向に拡張し、ステップ５８において適切なターゲット
に向けられる。

以下に示す実施例は、本発明を高速原子線の発生に適用
した特定の場合を説明するためのものである。

実施例　１ ガス供給装置２０から約６１／３気圧の酸素をノズルへ
付与し、ノズルの分子弁は、持続時間を１．０　ミリ秒
以下に調整したガスのバーストを順次発生する。通常、
スロート内への最初の２００マイクロ秒のガス射出の後
、１０００μｍの波長を有するレーザー放射線の長さ２
．５マイクロ秒のバーストがノズルスロートの頂点の、
０．１ｍｍのウェストに集束される。真空チェンバは、
処理中、３　Ｘ　１０−５〜３　Ｘ　１０’ｔｏｒｒの
範囲に維持される。真空チェンバ１２に装着された計器
から、原子酸素の流量は９　　　　〜１０ｋ１７秒であ
ることがわかった。

ポリエチレン及びアルミニウムから成るターゲットを原
子線の流れを遮断するように配置し、この原子酸素処理
のサイクルを数百回実施した。

その結果、材料浸食の明確な証拠が得られた。酸素ビー
ムにさらされたポリエチレンターゲットを走査電子顕微
鏡で分析すると、酸素表面濃縮が見られ、一方、ビーム
を受けなかったターゲット領域にはエンハンスメントは
見られなかった。照射後のアルミニウムターゲットのス
ペクトル分析では、照射ビームのスペクトル識別特性が
一部示された。

このように、本発明は、様々なターゲット材料の表面改
質を実現することができる多様な種類の高速原子の供給
源を提供する。本発明の範囲は特許請求の範囲によって
のみ限定されるものとする。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を実施するための装置の略図、第２図
は、本発明の方法を示すプロセス線図、及び 第３図は、本発明に従って発生される窒素ビームの放射
線スペクトルを示す図である。 １２・・・真空チェンバ １６・・・ノズルアセンブリ　　２０・・・ガスの供給
源２２・・・分子弁 ２４・・・０リング　　　　　２６・・・面　板２８・
・・スロート　　　　　　３０・・・レーザー装置３２
・・・パルス出力線　　　　３６・・・レンズ３８・・
・プラズマ拡張線　　　４０・・・ターゲットほか１名

Claims (36)

【特許請求の範囲】
1. （１）真空チェンバと、 真空チェンバの内部にあって、限定されたガスの流れを
   狭い開口の中へ射出するノズル手段と、 ガスの流れを狭い開口の内部でブレークダウンさせてプ
   ラズマを発生するブレークダウン発生手段と、 プラズマの体積膨張を調整して、ほぼ単一エネルギーの
   高速原子線を発生する膨張調整手段と、 を具備する高速原子ガス粒子から成るほぼ単一エネルギ
   ーの高フラックス線を発生する装置。
2. （２）前記真空チェンバは、約１０＾−＾４ｔｏｒｒ以
   下の圧力を維持する手段を含む特許請求の範囲第１項記
   載の装置。
3. （３）前記ノズル手段は、直径が約１．０ｍｍの前記狭
   い開口を形成する手段を含む特許請求の範囲第１項記載
   の装置。
4. （４）前記ノズル手段は、限定された流れのパルス状射
   出を発生させる手段を含む特許請求の範囲第１項記載の
   装置。
5. （５）前記パルス状射出を発生させる手段はパルス分子
   線弁を含む特許請求の範囲第４項記載の装置。
6. （６）前記パルス状射出を発生させる手段は、百マイク
   ロ秒から数百マイクロ秒を測定される持続時間を有する
   複数個の射出パルスを供給する特許請求の範囲第１項記
   載の装置。
7. （７）前記ブレークダウン発生手段は放射エネルギーを
   発生する手段を含む特許請求の範囲第１項記載の装置。
8. （８）前記放射エネルギーを発生する手段はパルス放射
   線を発生する手段を含む特許請求の範囲第７項記載の装
   置。
9. （９）前記放射エネルギーを発生する手段はレーザーを
   含む特許請求の範囲第７項記載の装置。
10. （１０）前記レーザーはＣＯ＿２レーザーを含む特許請
    求の範囲第９項記載の装置。
11. （１１）前記放射エネルギーを発生する手段は、プラズ
    マの体積膨張領域の一部に放射エネルギーを付与する手
    段を含む特許請求の範囲第７項記載の装置。
12. （１２）膨張調整手段はノズルコーンを含む特許請求の
    範囲第１項記載の装置。
13. （１３）流れの経路にターゲットを位置決めして、ター
    ゲット材料の表面改質を発生させる位置決め手段をさら
    に含む特許請求の範囲第１項記載の装置。
14. （１４）ターゲットは位置決め手段に設けられる特許請
    求の範囲第１３項記載の装置。
15. （１５）前記ブレークダウン発生手段はレーザービーム
    を含み、前記ターゲットは前記レーザービームから軸外
    れに位置決めされる特許請求の範囲第１４項記載の装置
    。
16. （１６）前記ガスは二原子単核ガス、二原子以上のガス
    、ガス前駆物質と金属及び高融点材料との混合物の群の
    中から選択される特許請求の範囲第１項記載の装置。
17. （１７）前記ガスは、さらに、金属カルボニル、有機金
    属、シリコン化合物、水酸化物及びメタルハライドと希
    土類ガスの混合物から成る群から選択される特許請求の
    範囲第１６項記載の装置。
18. （１８）限定されたガスの流れを真空チェンバの内部の
    ノズルを介して狭い開口の中へ射出する過程と、 狭い開口の内部においてガスの流れをブレークダウンさ
    せてプラズマを発生する過程と、プラズマの体積膨張を
    発生させて、ほぼ単一エネルギーの高速原子線を発生す
    る過程と、から成る真空チェンバの内部で高速高フラッ
    クス原子ガス粒子から成るほぼ単一エネルギーの原子線
    を発生する方法。
19. （１９）真空チェンバの内部で約１０＾−＾ｔｏｒｒ以
    下の圧力を維持する過程をさらに含む特許請求の範囲第
    １８項記載の方法。
20. （２０）前記射出する過程は、直径が約１．０ｍｍの前
    記狭い開口を形成する過程を含む特許請求の範囲第１８
    項記載の方法。
21. （２１）前記射出する過程は、限定された流れのパルス
    状射出を発生させる過程を含む特許請求の範囲第１８項
    記載の方法。
22. （２２）前記パルス状射出を発生させる過程は分子弁動
    作を実行する過程を含む特許請求の範囲第２１項記載の
    方法。
23. （２３）前記パルス状射出を発生させる過程は、百マイ
    クロ秒から数百マイクロ秒と測定される持続時間を有す
    る複数個の射出パルスを供給する特許請求の範囲第１８
    項記載の方法。
24. （２４）前記ブレークダウンを発生させる過程は放射エ
    ネルギーを発生する過程を含む特許請求の範囲第１８項
    記載の方法。
25. （２５）前記放射エネルギーを発生する過程は、パルス
    放射線を発生する過程を含む特許請求の範囲第２４項記
    載の方法。
26. （２６）前記放射エネルギーを発生する過程は、レーザ
    ー放射線を発生する過程を含む特許請求の範囲第２４項
    記載の方法。
27. （２７）前記放射エネルギーを発生する過程は、プラズ
    マの体積膨張領域の一部に放射エネルギーを供給する過
    程を含む特許請求の範囲第２４項記載の方法。
28. （２８）プラズマの体積膨張を発生する過程は、ノズル
    コーンにより膨張プラズマを案内する過程を含む特許請
    求の範囲第１８項記載の方法。
29. （２９）ターゲットを流れの経路に位置決めして、ター
    ゲット材料の表面改質を発生させる過程をさらに含む特
    許請求の範囲第１８項記載の方法。
30. （３０）プラズマの体積膨張を発生する過程は、プラズ
    マを電荷中和する過程を含む特許請求の範囲第１８項記
    載の方法。
31. （３１）射出する過程は、酸素、水素、窒素、フッ素、
    塩素、一酸化炭素、並びに希土類ガスと金属カルボニル
    、有機金属、ＳｉＨ＿４及びメタルハライドとの混合物
    から成る群から選択されるガスを射出する過程を含む特
    許請求の範囲第１８項記載の方法。
32. （３２）特許請求の範囲第２９項記載の方法に従って表
    面改質のために処理されるターゲット。
33. （３３）前記表面改変する過程はターゲット表面をコー
    ティングする過程を含む特許請求の範囲第２７項記載の
    方法。
34. （３４）特許請求の範囲第３３項記載の方法に従って表
    面改質のために処理されるターゲット。
35. （３５）前記表面改質する過程は前記ターゲットに薄膜
    を形成する過程を含む特許請求の範囲第２９項記載の方
    法。
36. （３６）特許請求の範囲第３５項記載の方法に従って表
    面改質のために処理されるターゲット。