JPH06330314A - Method and apparatus for manufacturing functionally graded material by ion implantation - Google Patents
Method and apparatus for manufacturing functionally graded material by ion implantationInfo
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- JPH06330314A JPH06330314A JP5114320A JP11432093A JPH06330314A JP H06330314 A JPH06330314 A JP H06330314A JP 5114320 A JP5114320 A JP 5114320A JP 11432093 A JP11432093 A JP 11432093A JP H06330314 A JPH06330314 A JP H06330314A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 組成や構造を厳密に制御でき,処理時間がか
からないイオン注入法による傾斜機能材料の製造方法お
よび製造装置を提供する。
【構成】 同質量数異価数イオン群,異質量数同価数イ
オン群,異質量数異価数イオン群またはこれらのうちの
2種以上が混在したイオン群を多価イオン群生成手段B
で生成し、そのイオン群をビーム加速手段Dで加速し、
被処理体sに照射する。このイオン群は、異なる質量数
と価数のイオンの混在したものなので、異なるイオンエ
ネルギーをもつ。そして、異なるイオンエネルギーをも
つイオン群は、被処理体s内での飛程が異なるため、異
なる深さにそれぞれ作用する。そこで、被処理体sの深
さ方向に組成および構造が異なるように改質される。
【効果】 1段階のプロセスで傾斜機能材料を得られ
る。被処理体の表層の組成および構造を厳密に制御でき
る。
(57) [Summary] [Purpose] To provide a method and an apparatus for manufacturing a functionally gradient material by an ion implantation method, which can strictly control the composition and structure and does not require a processing time. [Structure] Multivalent ion group generating means B is defined as an ion group having the same mass number and different valence number, different mass number and same valence number ion group, different mass number and different valence number ion group, or an ion group in which two or more of them are mixed.
And accelerate the ion group with the beam accelerating means D,
The object s to be processed is irradiated. Since this group of ions is a mixture of ions having different mass numbers and valences, they have different ion energies. Ion groups having different ion energies act on different depths because they have different ranges within the target object s. Therefore, the object s is modified so that the composition and the structure are different in the depth direction. [Effect] A functionally graded material can be obtained by a one-step process. The composition and structure of the surface layer of the object can be strictly controlled.
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、イオン注入法による傾
斜機能材料の製造方法および製造装置に関し、さらに詳
しくは、イオン注入により被処理体の表層を改質して傾
斜機能材料を製造する方法および装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and an apparatus for producing a functionally gradient material by an ion implantation method, and more specifically, a method for producing a functionally gradient material by modifying the surface layer of an object to be processed by ion implantation. And equipment.
【0002】[0002]
【従来の技術】傾斜機能材料とは、材料の表面から深さ
方向に組成および構造を変化させたものである。この傾
斜機能材料は、機械的強度特性,熱特性,電気特性,化
学特性等の複数の機能を高レベルで且つ同時に達成でき
るものと期待されており、特に宇宙機器,航空機分野へ
の応用のために盛んに研究されている。2. Description of the Related Art A functionally graded material is a material whose composition and structure are changed in the depth direction from the surface of the material. This functionally graded material is expected to be able to achieve multiple functions such as mechanical strength properties, thermal properties, electrical properties, and chemical properties at a high level and at the same time, especially for applications in space equipment and aircraft fields. Has been actively researched.
【0003】図4は、従来の溶射法による傾斜機能材料
の製造装置の一例を示す構成図である。この溶射法によ
る傾斜機能材料の製造装置400では、減圧チャンバ4
1内にて、プラズマガン42から発生するプラズマジェ
ット43中に金属粉末44とセラミック粉末45とを同
時に供給し、基板46上に金属とセラミックスの混合材
を溶射する。そして、金属粉末44とセラミック粉末4
5との組成比率の制御を行なうことで傾斜機能材料を製
造するものである。FIG. 4 is a block diagram showing an example of an apparatus for producing a functionally gradient material by a conventional thermal spraying method. In the apparatus 400 for manufacturing a functionally graded material by this thermal spraying method, the decompression chamber 4
In the inside 1, the metal powder 44 and the ceramic powder 45 are simultaneously supplied into the plasma jet 43 generated from the plasma gun 42, and the mixed material of metal and ceramics is sprayed onto the substrate 46. Then, the metal powder 44 and the ceramic powder 4
The functionally gradient material is manufactured by controlling the composition ratio with respect to No. 5.
【0004】一方、傾斜機能材料の製造方法として、イ
オン注入法も用いられている。従来のイオン注入法によ
る傾斜機能材料の製造方法の一例としては、特開昭60
−159168号公報に記載の技術が知られている。こ
れは、第1のイオンエネルギーをもつイオンを被処理体
に注入した後、第2のイオンエネルギーをもつイオンを
注入し、2段階のプロセスで被処理体の表面から深さ方
向に組成および構造を変化させて、傾斜機能材料を製造
するものである。On the other hand, an ion implantation method is also used as a method of manufacturing a functionally graded material. As one example of a conventional method for producing a functionally gradient material by an ion implantation method, Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 60-1985
The technique described in Japanese Patent Publication No. 159168 is known. This is because the ions having the first ion energy are implanted into the object to be processed, the ions having the second ion energy are then injected, and the composition and structure are formed in the depth direction from the surface of the object in a two-step process. To produce a functionally gradient material.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】上記従来の溶射法によ
る傾斜機能材料の製造装置では、溶射法の性質上サブミ
クロンメータの薄膜を得ることが難しく,仮に得られて
も組成や構造を厳密に制御できない問題点がある。ま
た、上記従来のイオン注入法による傾斜機能材料の製造
方法では、2段階のプロセスで被処理体にイオンを注入
するので、処理時間がかかる問題点がある。また、高分
子材料のようにイオン注入による組成および構造の変化
に緩和現象(時間の経過と共に変化する)を有するもの
では、組成および構造を厳密に制御できない問題点があ
る。そこで、本発明の目的は、組成や構造を厳密に制御
でき,処理時間がかからないイオン注入法による傾斜機
能材料の製造方法および製造装置を提供することにあ
る。In the conventional apparatus for producing a functionally gradient material by the thermal spraying method described above, it is difficult to obtain a submicron thin film due to the nature of the thermal spraying method. There is a problem that cannot be controlled. Further, in the conventional method of manufacturing a functionally gradient material by the ion implantation method, since ions are implanted into the object to be processed in a two-step process, there is a problem that it takes a long processing time. Further, there is a problem in that the composition and the structure cannot be strictly controlled in the case of a material having a relaxation phenomenon (which changes with the passage of time) in the change of the composition and the structure due to ion implantation, such as a polymer material. Therefore, an object of the present invention is to provide a method and an apparatus for manufacturing a functionally gradient material by an ion implantation method, which can strictly control the composition and structure and does not require a processing time.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】第1の観点では本発明
は、同質量数異価数イオン群,異質量数同価数イオン
群,異質量数異価数イオン群またはこれらのうちの2種
以上が混在したイオン群を生成し、そのイオン群を加速
し、被処理体に照射してイオン注入することを特徴とす
るイオン注入法による傾斜機能材料の製造方法を提供す
る。According to a first aspect of the present invention, there is provided an equal mass number different valence ion group, a different mass number equal valence ion group, a different mass number different valence ion group or two of these. Provided is a method for producing a functionally graded material by an ion implantation method, which comprises producing an ion group in which species or more are mixed, accelerating the ion group, and irradiating a target object with ions to perform ion implantation.
【0007】第2の観点では本発明は、電子サイクロト
ロン共振を利用してプラズマチャンバ(2)内で多価イ
オン群を生成する多価イオン群生成手段(B)と、生成
された多価イオン群をプラズマチャンバ(2)内から引
き出す引出手段(16)と、引き出された多価イオン群
によるイオンビームを集束させてそのイオンビームの発
散を抑制するビーム集束手段(C)と、前記多価イオン
群によるイオンビームを加速するビーム加速手段(D)
と、前記多価イオン群によるイオンビームを照射して被
処理体(s)にイオン注入するビーム照射手段(E)と
を具備したことを特徴とする傾斜機能材料の製造装置
(A)を提供する。In a second aspect, the present invention provides a multiply charged ion group generating means (B) for generating a multiply charged ion group in the plasma chamber (2) by utilizing electron cyclotron resonance, and the generated multiply charged ions. An extraction means (16) for extracting the group from the plasma chamber (2), a beam converging means (C) for converging the extracted ion beam by the multiply-charged ion group and suppressing the divergence of the ion beam, Beam accelerating means (D) for accelerating an ion beam by an ion group
And a beam irradiation means (E) for irradiating an ion beam of the multivalent ion group to ion-implant the object (s) to be processed (A). To do.
【0008】[0008]
【作用】本発明のイオン注入法による傾斜機能材料の製
造方法および製造装置では、同質量数異価数イオン群,
異質量数同価数イオン群,異質量数異価数イオン群また
はこれらのうちの2種以上が混在したイオン群を生成
し、そのイオン群を加速し、被処理体に照射する。この
イオン群は、異なる質量数と価数のイオンの混在したも
のなので、加速されたとき、異なるイオンエネルギーを
もつようになる。そして、異なるイオンエネルギーをも
つイオン群は、被処理体内での飛程が異なるため、異な
る深さにそれぞれ作用する。そこで、被処理体の深さ方
向に組成および構造を変化させることが出来る。すなわ
ち、1段階のプロセスで、傾斜機能材料を得られる。In the method and apparatus for producing a functionally graded material by the ion implantation method of the present invention, an ion group of the same mass number and different valence number,
An ion group having a different mass number and the same valence number, a different mass number and a different valence number ion group, or an ion group in which two or more kinds of these are mixed is generated, the ion group is accelerated, and the object to be processed is irradiated. This group of ions is a mixture of ions having different mass numbers and valences, so that when they are accelerated, they have different ion energies. Ion groups having different ion energies act at different depths because they have different ranges in the object to be processed. Therefore, the composition and structure can be changed in the depth direction of the object to be processed. That is, a functionally graded material can be obtained by a one-step process.
【0009】[0009]
【実施例】以下、図に示す実施例により本発明をさらに
詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定される
ものではない。図1は、本発明の傾斜機能材料の製造装
置の一実施例の構成図である。この傾斜機能材料の製造
装置Aは、多価イオン生成部B,ビーム集束部C,ビー
ム加速部D,ビーム照射部Eから構成されている。な
お、二点鎖線はイオン(ビーム)の飛跡を示している。EXAMPLES The present invention will be described in more detail with reference to the examples shown in the drawings. The present invention is not limited to this. FIG. 1 is a configuration diagram of an embodiment of a functionally graded material manufacturing apparatus of the present invention. This functionally graded material manufacturing apparatus A includes a multiply-charged ion generator B, a beam focusing unit C, a beam accelerator D, and a beam irradiation unit E. The two-dot chain line indicates the track of the ion (beam).
【0010】図2は、多価イオン生成部Bの縦断面図で
ある。この多価イオン生成部Bは、その中央部分に両端
が開口した円筒状のプラズマチャンバ2を備えており、
その一方の開口端側(図中、右側)に配設されたガス導
入管g(図1参照)と導波管m(図1参照)とからそれ
ぞれ試料ガスとマイクロ波とが前記プラズマチャンバ2
の内部に導入されるようになっている。FIG. 2 is a vertical sectional view of the multiply-charged ion generator B. The multiply-charged ion generator B is provided with a cylindrical plasma chamber 2 having both ends opened at the center thereof.
A sample gas and a microwave are supplied to the plasma chamber 2 from a gas introduction pipe g (see FIG. 1) and a waveguide m (see FIG. 1), which are arranged on the one open end side (the right side in the figure).
It is supposed to be introduced inside.
【0011】前記プラズマチャンバ2の外周には、永久
磁石3が設けられている。この永久磁石3は、前記プラ
ズマチャンバ2の径方向に6個の棒磁石を放射状に配置
してなる6極永久磁石の組をプラズマチャンバ2の軸線
方向に複数組だけ配列したものであって、その永久磁石
3により前記プラズマチャンバ2の径方向に磁場が形成
されるようになっている。A permanent magnet 3 is provided on the outer periphery of the plasma chamber 2. The permanent magnet 3 is formed by arranging a plurality of sets of 6-pole permanent magnets in which six bar magnets are radially arranged in the radial direction of the plasma chamber 2 in the axial direction of the plasma chamber 2. A magnetic field is formed in the radial direction of the plasma chamber 2 by the permanent magnet 3.
【0012】前記永久磁石3の両側には、一対のソレノ
イドコイル4,5が配置されている。それらのソレノイ
ドコイル4,5は、その内外両側面および外周面を取り
囲む鉄ヨーク6,7によってそれぞれ保持されている。
そして、それら鉄ヨーク6,7の間は完全に切り離され
ている。A pair of solenoid coils 4 and 5 are arranged on both sides of the permanent magnet 3. These solenoid coils 4 and 5 are respectively held by iron yokes 6 and 7 which surround both inner and outer side surfaces and outer peripheral surfaces thereof.
The iron yokes 6 and 7 are completely separated.
【0013】各鉄ヨーク6,7の外側壁6a,7aおよ
び内側壁6b,7bのプラズマチャンバ側の端面は、い
ずれもプラズマチャンバ2の軸線に平行とされている。
そして、その外側壁6a,7aのプラズマチャンバ側の
端面は、ソレノイドコイル4,5の内周面とほぼ同径位
置となるようにされている。また、その外側壁6a,7
aのプラズマチャンバ側の端部は、プラズマチャンバ側
に向かって延出するようにされ、その端面の面積が大き
くなるようにされている。こうして、鉄ヨーク6,7
は、ソレノイドコイル4,5をそれぞれ個々に保持する
ものとされ、プラズマチャンバ2の軸線方向に独立して
移動可能とされている。The end faces on the plasma chamber side of the outer walls 6a, 7a and the inner walls 6b, 7b of the iron yokes 6, 7 are all parallel to the axis of the plasma chamber 2.
The end surfaces of the outer walls 6a and 7a on the plasma chamber side are arranged to have substantially the same diameter as the inner peripheral surfaces of the solenoid coils 4 and 5. Also, the outer walls 6a, 7
The end of a on the side of the plasma chamber is made to extend toward the side of the plasma chamber, and the area of the end face is increased. Thus, the iron yoke 6,7
Respectively hold the solenoid coils 4 and 5 individually, and are independently movable in the axial direction of the plasma chamber 2.
【0014】プラズマチャンバ2の両端面には、それぞ
れOリング8,9を介して絶縁碍子10,11が気密に
取り付けられている。また、その絶縁碍子10,11の
外端面には、それぞれOリング12,13を介して鉄ヨ
ーク延長部材14,15が気密に取り付けられている。
それら鉄ヨーク延長部材14,15は鉄ヨーク6,7と
同様の強磁性体からなるもので、プラズマチャンバ2の
入口側、すなわち図で右側の鉄ヨーク延長部材14は、
プラズマチャンバ2の軸線方向に延びる円筒状のものと
されている。また、プラズマチャンバ2の出口側、すな
わち図で左側の鉄ヨーク延長部材15は、プラズマチャ
ンバ2の軸線方向に延び、外側に向かって拡開する円錐
筒状のものとされている。Insulators 10 and 11 are airtightly attached to both end faces of the plasma chamber 2 via O-rings 8 and 9, respectively. Further, iron yoke extension members 14 and 15 are airtightly attached to the outer end surfaces of the insulators 10 and 11 via O-rings 12 and 13, respectively.
The iron yoke extension members 14 and 15 are made of the same ferromagnetic material as the iron yokes 6 and 7, and the iron yoke extension member 14 on the inlet side of the plasma chamber 2, that is, the iron yoke extension member 14 on the right side in FIG.
It has a cylindrical shape extending in the axial direction of the plasma chamber 2. Further, the iron yoke extension member 15 on the outlet side of the plasma chamber 2, that is, on the left side in the figure, has a conical cylindrical shape that extends in the axial direction of the plasma chamber 2 and expands outward.
【0015】こうして、図で右側の鉄ヨーク延長部材1
4から左側の鉄ヨーク延長部材15に至るまでの内側
に、ソレノイドコイル4,5側から気密に遮蔽された空
間が形成され、その空間を真空吸引することによってプ
ラズマチャンバ2内が真空状態に保たれるようになって
いる。Thus, the iron yoke extension member 1 on the right side in the figure
4 to the iron yoke extension member 15 on the left side, a space that is airtightly shielded from the solenoid coils 4 and 5 side is formed, and the inside of the plasma chamber 2 is maintained in a vacuum state by vacuum suction of the space. It is designed to be drunk.
【0016】鉄ヨーク延長部材14,15には、プラズ
マチャンバ2の軸線に平行な円筒状の外周面が形成され
ている。そして、その外周面が鉄ヨーク6,7の外側壁
6a,7aの端面に接するようにされ、それによって、
その間に磁気的に接続されるようになっている。The iron yoke extension members 14, 15 are formed with a cylindrical outer peripheral surface parallel to the axis of the plasma chamber 2. The outer peripheral surface of the iron yokes 6 and 7 is brought into contact with the end surfaces of the outer walls 6a and 7a, whereby
In the meantime, they are magnetically connected.
【0017】プラズマチャンバ2の出口側の鉄ヨーク延
長部材15には、その先端に引出し電極のカソード16
が取り付けられている。そのカソード16はプラズマチ
ャンバ2の中心軸線側に向かって突出するようにされて
いる。一方、プラズマチャンバ2の出口側の端部にはア
ノード17が取り付けられている。そして、これらアノ
ード17とカソード16との間に10〜20kV程度の高
電圧が印加され、それによって、プラズマチャンバ2内
で生成されたイオンが出口側へと引き出されるようにな
っている。The iron yoke extension member 15 on the outlet side of the plasma chamber 2 has a cathode 16 as an extraction electrode at its tip.
Is attached. The cathode 16 is arranged to project toward the central axis of the plasma chamber 2. On the other hand, an anode 17 is attached to the end of the plasma chamber 2 on the outlet side. Then, a high voltage of about 10 to 20 kV is applied between the anode 17 and the cathode 16, whereby the ions generated in the plasma chamber 2 are extracted to the outlet side.
【0018】次に、この多価イオン生成部Bの作用につ
いて説明する。プラズマチャンバ2の入口側の鉄ヨーク
延長部材14には、ガス導入管g,導波管mが気密に接
続される。そこで、ガス導入管gを利用してプラズマチ
ャンバ2内を真空吸引し、そのプラズマチャンバ2内を
10-7Torr程度の高真空に保つ。そして、そのプラズマ
チャンバ2内に試料ガスおよびマイクロ波を導入する。
すると、試料ガスはマイクロ波によって励起されてプラ
ズマ状となる。Next, the operation of the multiply-charged ion generating section B will be described. A gas introduction pipe g and a waveguide m are hermetically connected to the iron yoke extension member 14 on the inlet side of the plasma chamber 2. Therefore, the inside of the plasma chamber 2 is vacuum-sucked by using the gas introduction pipe g, and the inside of the plasma chamber 2 is maintained at a high vacuum of about 10 −7 Torr. Then, the sample gas and the microwave are introduced into the plasma chamber 2.
Then, the sample gas is excited by the microwave and becomes plasma.
【0019】このとき、プラズマチャンバ2内には永久
磁石3によって径方向の磁場が形成されている。また、
ソレノイドコイル4,5に通電することによって、各鉄
ヨーク6,7を通りその端部から出る磁力線が形成され
る。そして、各鉄ヨーク6,7の外側壁6a,7aの端
部からそれに磁気的に接続されている鉄ヨーク延長部材
14,15内を通り、その延長部材14,15間を結ぶ
磁力線20が形成される。すなわち、プラズマチャンバ
2内に軸線方向の磁場が形成される。At this time, a radial magnetic field is formed in the plasma chamber 2 by the permanent magnet 3. Also,
By energizing the solenoid coils 4 and 5, magnetic lines of force passing through the iron yokes 6 and 7 and exiting from the ends thereof are formed. Then, magnetic force lines 20 are formed from the end portions of the outer side walls 6a, 7a of the iron yokes 6, 7 through the iron yoke extension members 14, 15 magnetically connected thereto and connecting the extension members 14, 15 with each other. To be done. That is, an axial magnetic field is formed in the plasma chamber 2.
【0020】こうして、プラズマチャンバ2内に、永久
磁石3による径方向の磁場とソレノイドコイル4,5に
よる軸線方向の磁場とを重畳した合成磁場が形成され
る。そして、その合成磁場によって、プラズマチャンバ
2内のプラズマがほぼ軸線方向に向かうものを除いて閉
じ込められる。In this way, a synthetic magnetic field is formed in the plasma chamber 2 by superposing the radial magnetic field of the permanent magnet 3 and the axial magnetic field of the solenoid coils 4 and 5. Then, the synthetic magnetic field confines the plasma in the plasma chamber 2 except for the plasma that is directed substantially in the axial direction.
【0021】一方、プラズマチャンバ2内の試料ガスに
は、そのプラズマチャンバ2内に導入されるマイクロ波
の周波数とそのプラズマチャンバ2内に形成される磁場
の強さとを所定の条件に合致させることによって、電子
サイクロトロン共振が起こされる。したがって、その共
振によってプラズマ内の電子が加速され、高速電子とな
る。そして、その高速電子が試料ガスの粒子に衝突する
ことによって、その粒子のまわりの電子が跳ね飛ばされ
る。こうして、試料ガスの粒子が電離される。その場
合、試料ガスはプラズマ状として閉じ込められているの
で、一つの粒子に多数の高速電子が衝突する。その結
果、一つの粒子から複数個の電子が跳ね飛ばされ、その
粒子が多価イオンとなる。このようにして、プラズマチ
ャンバ2内において多価イオン群が生成される。例え
ば、O2 ガスを試料ガスとして導入すると、O+1,
O+2,O+3,…,O+8,…のように同質量数異価数多価
イオン群が生成される。また、例えばO2 ガスとN2 ガ
スを試料ガスとして同時に導入すると、O+2,O+3,
…,O+8,…,N+2,N+3,…,N+10,… のような異
質量数異価数多価イオン群および異質量数同価数多価イ
オン群が生成される。On the other hand, for the sample gas in the plasma chamber 2, the frequency of the microwave introduced into the plasma chamber 2 and the strength of the magnetic field formed in the plasma chamber 2 should be matched to predetermined conditions. Causes an electron cyclotron resonance. Therefore, the resonance accelerates the electrons in the plasma to become high-speed electrons. Then, when the high-speed electrons collide with the particles of the sample gas, the electrons around the particles are splashed. Thus, the particles of the sample gas are ionized. In that case, since the sample gas is confined in a plasma state, a large number of high-speed electrons collide with one particle. As a result, a plurality of electrons are splashed from one particle, and the particle becomes a multiply-charged ion. In this way, multiply charged ions are generated in the plasma chamber 2. For example, when O 2 gas is introduced as a sample gas, O +1 ,
O + 2 , O + 3 , ..., O + 8 ,. Further, for example, when O 2 gas and N 2 gas are simultaneously introduced as sample gases, O +2 , O +3 ,
..., O +8 , ..., N +2 , N +3 , ..., N +10 , ..., and mass groups of different mass numbers and different charge numbers and multiply charged ions are generated. It
【0022】生成された多価イオン群は、引出し電極の
カソード16によってプラズマチャンバ2の出口側に引
き寄せられ、軸線方向のイオン群流としてプラズマチャ
ンバ2から引き出される。The generated multiply-charged ion group is attracted to the exit side of the plasma chamber 2 by the cathode 16 of the extraction electrode, and is extracted from the plasma chamber 2 as an axial ion group flow.
【0023】ところで、この多価イオン生成部Bにおい
ては、鉄ヨーク6,7の外側壁6a,7aの端部に鉄ヨ
ーク延長部材14,15が接続され、その外側壁6a,
7aの端部を内側に向かって延出させたのと同様とされ
ている。したがって、ソレノイドコイル4,5によって
形成される磁力線はその延長部材14,15から出るこ
とになる。そして、その延長部材14,15と鉄ヨーク
6,7の内側壁6b,7bの端部との間の距離は小さく
なっている。その結果、それらの間にも磁力線21,2
2が形成されることになる。By the way, in the multiply-charged ion producing section B, the iron yoke extension members 14 and 15 are connected to the ends of the outer walls 6a and 7a of the iron yokes 6 and 7, and the outer walls 6a and 7a are
It is similar to the case where the end of 7a is extended inward. Therefore, the magnetic field lines formed by the solenoid coils 4 and 5 come out from the extension members 14 and 15. The distance between the extension members 14 and 15 and the ends of the inner side walls 6b and 7b of the iron yokes 6 and 7 is small. As a result, the magnetic field lines 21 and
2 will be formed.
【0024】こうして、プラズマチャンバ2の端部近傍
には、一対の鉄ヨーク延長部材14,15間を結ぶ磁力
線20,および延長部材14,15と鉄ヨーク6,7の
内側壁6b,7bの端部との間を結ぶ磁力線21,22
が形成される。したがって、その部分の磁束密度が高く
なり、磁場が強められる。その結果、ミラー磁場におけ
る極大磁束密度が高められ、プラズマの閉じ込めが良好
となる。また、引出し電極であるカソード16付近の磁
場が高められることにより、プラズマの閉じ込め領域を
その引出し電極位置に近付けることが可能となるので、
プラズマチャンバ2内で生成されたイオン群の引出しが
効率よく行われるようになり、大電流のイオンビームを
得ることが可能となる。Thus, in the vicinity of the end of the plasma chamber 2, the magnetic lines of force 20 connecting the pair of iron yoke extension members 14, 15 and the ends of the extension members 14, 15 and the inner side walls 6b, 7b of the iron yokes 6, 7 are formed. Magnetic field lines 21 and 22 connecting between the parts
Is formed. Therefore, the magnetic flux density in that portion is increased, and the magnetic field is strengthened. As a result, the maximum magnetic flux density in the mirror magnetic field is increased, and the confinement of plasma is improved. Further, since the magnetic field near the cathode 16 which is the extraction electrode is increased, it becomes possible to bring the plasma confinement region closer to the extraction electrode position.
The ion group generated in the plasma chamber 2 can be efficiently extracted, and a large-current ion beam can be obtained.
【0025】更に、この多価イオン生成部Bにおいて
は、各ソレノイドコイル4,5を保持する鉄ヨーク6,
7が互いに独立したものとされるので、その鉄ヨーク
6,7を軸線方向に移動させることによって、ソレノイ
ドコイル4,5間の間隔を変えることができる。そし
て、一定位置にあるソレノイドコイル4,5によって形
成される磁場の磁束密度が図3に実線で示されているよ
うなものであるとき、ソレノイドコイル4,5間の間隔
を小さくすると、その磁束密度は図3に一点鎖線で示さ
れているように変化し、ソレノイドコイル4,5間の中
央部における磁束密度の極小値が高くなる。また、ソレ
ノイドコイル4,5間の間隔を大きくすると、図3に破
線で示されているように、その間の磁束密度の極小値が
低くなる。一方、その磁束密度の極大値はほとんど変化
しない。そして、ソレノイドコイル4,5によって形成
されるミラー磁場のミラー比は、それら磁束密度の極大
値と極小値との比によって決定される。Further, in the multiply charged ion generating section B, the iron yoke 6, which holds the solenoid coils 4, 5, is held.
Since 7 is independent of each other, the spacing between the solenoid coils 4 and 5 can be changed by moving the iron yokes 6 and 7 in the axial direction. Then, when the magnetic flux density of the magnetic field formed by the solenoid coils 4 and 5 at a fixed position is as shown by the solid line in FIG. The density changes as shown by the one-dot chain line in FIG. 3, and the minimum value of the magnetic flux density in the central portion between the solenoid coils 4 and 5 becomes high. Further, if the distance between the solenoid coils 4 and 5 is increased, the minimum value of the magnetic flux density between them becomes low as shown by the broken line in FIG. On the other hand, the maximum value of the magnetic flux density hardly changes. The mirror ratio of the mirror magnetic field formed by the solenoid coils 4 and 5 is determined by the ratio between the maximum value and the minimum value of the magnetic flux density.
【0026】したがって、ソレノイドコイル4,5間の
間隔を調整することによりミラー比を変えることがで
き、その最適化を図ることが可能となる。また、引出し
電極位置と電子サイクロトロン共振領域との位置関係も
最適化することができる。その結果、この多価イオン生
成部Bにより、大電流の多価イオン群を効率よく得るこ
とが可能となる。Therefore, the mirror ratio can be changed by adjusting the distance between the solenoid coils 4 and 5, and the optimization thereof can be achieved. Also, the positional relationship between the extraction electrode position and the electron cyclotron resonance region can be optimized. As a result, the multiply-charged ion generator B can efficiently obtain a large-current multiply-charged ion group.
【0027】なお、各鉄ヨーク6,7の外側壁6a,7
aの端部を内側に延出させてその端面の面積を大きくす
ることにより、それらの鉄ヨーク6,7を軸線方向に移
動させたときにも鉄ヨーク延長部材14,15との接触
面積が十分に確保されるようにしているが、ミラー比の
調整のために移動される鉄ヨーク6,7の移動量は比較
的小さいので、そのような延出部は必ずしも必要ではな
い。そのような延出部をなくすと、ソレノイドコイル
4,5の装着がより容易となる。The outer walls 6a, 7 of the iron yokes 6, 7 are
By extending the end portion of “a” inward and increasing the area of the end surface, the contact area with the iron yoke extension members 14, 15 is increased even when the iron yokes 6, 7 are moved in the axial direction. Although it is ensured that the iron yokes 6 and 7 are moved for adjusting the mirror ratio, the amount of movement of the iron yokes 6 and 7 is relatively small. Eliminating such an extension makes it easier to mount the solenoid coils 4, 5.
【0028】図1に戻り、ビーム集束部Cは、複数段の
静電レンズを備えており、前記多価イオン生成部Bから
引き出されたイオンビームを集束させてイオンビームが
発散するのを抑制する。Returning to FIG. 1, the beam focusing unit C is provided with a plurality of stages of electrostatic lenses and focuses the ion beam extracted from the multiply charged ion generating unit B to suppress the divergence of the ion beam. To do.
【0029】ビーム加速部Dは、例えば電子ビームの加
速に用いられる線形加速器であり、加速電圧を印加して
前記多価イオン群を加速する。例えば100kVの加速
電圧を印加してO+2,O+3,…,O+8の同質量数異価数
多価イオン群を加速した場合、100keV,200k
eV,…,800keVのイオンエネルギー(価数と加
速電圧の積)をもつOイオンが得られる。The beam accelerating section D is, for example, a linear accelerator used for accelerating an electron beam, and accelerates the multiply-charged ion group by applying an accelerating voltage. For example, when an acceleration voltage of 100 kV is applied to accelerate a group of ions of O +2 , O +3 , ..., O +8 having the same mass number, different valence numbers, and 100 kV, 200 kV
O ions having an ion energy (product of valence and acceleration voltage) of eV, ..., 800 keV are obtained.
【0030】ビーム照射部Eは、被処理体sを所望の位
置にセットするためのホルダh,イオンビームの照射時
間などを制御するためのシャッタtなどを備えている。The beam irradiation unit E includes a holder h for setting the object s to be processed at a desired position, a shutter t for controlling the irradiation time of the ion beam, and the like.
【0031】前記のような異なるイオンエネルギーの多
価イオン群が同時に被処理体sに注入されると、イオン
エネルギーの大きなイオンは被処理体sの表面から深く
注入され、イオンエネルギーの小さなイオンは被処理体
sの表面から浅く注入される。また、このようなイオン
エネルギーの大きなイオンの個数と、イオンエネルギー
の小さなイオンの個数は異なる。従って、被処理体sの
表面から深さ方向に組成および構造を変化させることが
できる。つまり、1回の照射プロセスで、傾斜機能材料
を得られることになる。When the multiply charged ions having different ion energies as described above are simultaneously injected into the object s to be processed, the ions having large ion energy are deeply injected from the surface of the object s to be processed and the ions having small ion energy are injected. It is injected shallowly from the surface of the object s to be processed. Further, the number of such ions having high ion energy is different from the number of ions having low ion energy. Therefore, the composition and structure can be changed in the depth direction from the surface of the target object s. That is, the functionally gradient material can be obtained by one irradiation process.
【0032】ここで、ビーム加速部Dの電圧を制御する
ことでイオンエネルギーを調節して前記多価イオン群の
注入の深さを変化させれば、被処理体sの組成および構
造を厳密に制御できる。つまり、高品質の傾斜機能材料
を得ることが出来る。同様に、プラズマチャンバ内に導
入する試料ガス量および試料ガスの種類を制御すること
でイオンエネルギーを調節して前記多価イオン群の注入
の深さを変化させれば、被処理体sの組成および構造を
厳密に制御できる。つまり、高品質の傾斜機能材料を得
ることが出来る。Here, if the ion energy is adjusted by controlling the voltage of the beam accelerating portion D to change the implantation depth of the multiply-charged ion group, the composition and structure of the object s to be processed can be strictly controlled. You can control. That is, it is possible to obtain a high-quality functionally graded material. Similarly, if the ion energy is adjusted by controlling the amount of sample gas and the type of sample gas introduced into the plasma chamber to change the implantation depth of the multivalent ion group, the composition of the object s to be processed is And you can control the structure strictly. That is, it is possible to obtain a high-quality functionally graded material.
【0033】−製造例1− 多価イオン生成部Bのガス導入管gから毎分0.01m
lのN2 ガスと、14.25GHz,500Wのマイク
ロ波をプラズマチャンバ2内に導入し、ソレノイドコイ
ル4,5に600A通電してECRプラズマを発生さ
せ、電子をECR加熱してプラズマチャンバ2内にNm+
(窒素の異価数多価イオン群)を生成させた。得られた
Nm+の生成比率は、N+1/32μA,N+2/39μA,N+3
/28μA,N+4/16μA,N+5/10μAおよびN+6/1.
8μAであった。これらの多価イオン群を引き出して1
0KVで加速したイオンビームを、Al基板に照射し
た。このときの各イオンエネルギーは、N+1/10ke
V,N+2/20keV,N+3/30keV,N+4/40
keV,N+5/50keVおよびN+6/60keVであ
る。10時間照射後、Al基板sの表面から約20nm
の位置での組成比N:Al=1:1,深くなるにつれて
組成比N:Al中のNの比率が下がり,表面から約15
0nmの位置での組成比N:Al=0:1になる傾斜機
能材料を製造することが出来た。-Production Example 1-0.01 m / min from the gas introduction tube g of the multiply-charged ion producing section B
1 N 2 gas and 14.25 GHz, 500 W microwave are introduced into the plasma chamber 2, 600 A is energized to the solenoid coils 4 and 5 to generate ECR plasma, and electrons are heated by ECR to generate plasma in the plasma chamber 2. To N m +
(A group of highly charged valences of nitrogen) was generated. The produced ratios of N m + are N +1 / 32 μA, N +2 / 39 μA, N +3
/ 28 μA, N +4 / 16 μA, N +5 / 10 μA and N +6 / 1.
It was 8 μA. 1 by extracting these multiply charged ions
The Al substrate was irradiated with an ion beam accelerated at 0 KV. The energy of each ion at this time is N +1 / 10ke
V, N +2 / 20keV, N +3 / 30keV, N +4 / 40
keV, which is N +5 / 50keV and N + 6 / 60keV. After irradiation for 10 hours, about 20 nm from the surface of the Al substrate s
At the position of N: Al = 1: 1, as the depth becomes deeper, the ratio of N in the composition ratio N: Al decreases, about 15% from the surface.
A functionally gradient material having a composition ratio N: Al = 0: 1 at a position of 0 nm could be manufactured.
【0034】−製造例2− 多価イオン生成部Bのガス導入管gから毎分0.01m
lのN2 ガスおよび毎分0.02mlのCH4 ガスと、
14.25GHz,500Wのマイクロ波をプラズマチ
ャンバ2の内部に導入し、ソレノイドコイル4,5に6
00A通電してECRプラズマを発生させ、電子をEC
R加熱してプラズマチャンバ2内にNm+(窒素の異価数
多価イオン群)およびCn+(炭素の異価数多価イオン
群)を生成させた。得られたNm+とCn+の生成比率は、
N+1/30μA,N+2/35μA,N+3/25μA,N+4/15
μA,N+5/8μA,N+6/1.5μA,C+1/32μA,C
+2/33μA,C+3/23μA,C+4/16μAおよびC+5/
5μAであった。これらの多価イオン群を引き出して1
0kVで加速したイオンビームを、Ti基板sに照射し
た。このときの各イオンエネルギーは、N+1,C+1/1
0keV,N+2,C+2/20keV,N+3,C+3/30
keV,N+4,C+4/40keV,N+5,C+5/50k
eVおよびN+6/60keVである。-Production Example 2-0.01 m / min from the gas introduction tube g of the multiply-charged ion producing section B
l N 2 gas and 0.02 ml CH 4 gas per minute,
A microwave of 14.25 GHz and 500 W was introduced into the plasma chamber 2 to generate 6 in the solenoid coils 4 and 5.
00A is energized to generate ECR plasma, and electrons are EC
By R-heating, N m + (a group of highly-charged ions having different valences of nitrogen) and C n + (a group of multiply-charged ions of carbon having different valences) were generated in the plasma chamber 2. The obtained N m + and C n + production ratio is
N + 1 / 30μA, N +2 / 35μA, N +3 / 25μA, N +4 / 15
μA, N +5 / 8 μA, N +6 /1.5 μA, C +1 / 32 μA, C
+2 / 33μA, C +3 / 23μA, C +4 / 16μA and C +5 /
It was 5 μA. 1 by extracting these multiply charged ions
The Ti substrate s was irradiated with an ion beam accelerated at 0 kV. The energy of each ion at this time is N +1 and C +1 / 1
0 keV, N +2 , C +2 / 20 keV, N +3 , C +3 / 30
keV, N +4 , C +4 / 40 keV, N +5 , C +5 / 50k
eV and N +6 / 60 keV.
【0035】10時間照射後、Ti基板sの表面から約
20nmの位置での組成比N:C:Ti=1:1:1,
深くなるにつれて組成比N:C:Ti中のN,Cの比率
が下がり,表面から約120nmの位置での組成比N:
C:Ti=0.5:0:1,表面から約150nmの位
置での組成比N:C:Ti=0:0:1になる傾斜機能
材料を製造することが出来た。After irradiation for 10 hours, the composition ratio N: C: Ti = 1: 1: 1, at a position of about 20 nm from the surface of the Ti substrate s.
The composition ratio N: C: the ratio of N and C in Ti decreases as the depth increases, and the composition ratio N: C at the position about 120 nm from the surface is:
C: Ti = 0.5: 0: 1, and a functionally gradient material having a composition ratio N: C: Ti = 0: 0: 1 at a position of about 150 nm from the surface could be manufactured.
【0036】[0036]
【発明の効果】本発明のイオン注入法による傾斜機能材
料の製造方法および製造装置によれば、異なるイオンエ
ネルギーのイオン群を同時に被処理体に照射し、深さ方
向に組成および構造が異なるように被処理体の表層を改
質する。従って、1段階のプロセスで傾斜機能材料を製
造できる。また、生成するイオンの価数や種類や加速電
圧を制御して、被処理体の表層の組成や構造を厳密に制
御することが出来る。According to the method and apparatus for producing a functionally graded material by the ion implantation method of the present invention, the group of ions having different ion energies are simultaneously irradiated to the object to be treated so that the composition and the structure are different in the depth direction. Then, the surface layer of the object is modified. Therefore, a functionally graded material can be manufactured by a one-step process. Further, the composition and structure of the surface layer of the object to be processed can be strictly controlled by controlling the valence and type of generated ions and the acceleration voltage.
【図1】本発明の傾斜機能材料の製造装置の一実施例の
要部説明図である。FIG. 1 is an explanatory view of a main part of an embodiment of a functionally graded material manufacturing apparatus of the present invention.
【図2】図1の装置における多価イオン生成部の縦断面
図である。FIG. 2 is a vertical cross-sectional view of a multiply-charged ion generator in the apparatus shown in FIG.
【図3】図2の多価イオン生成部において一対のソレノ
イドコイル間の間隔を変えたときの磁束密度の変化を示
すグラフである。FIG. 3 is a graph showing changes in magnetic flux density when the distance between a pair of solenoid coils is changed in the multiply-charged ion generator of FIG.
【図4】従来の溶射法による傾斜機能材料の製造装置の
一例を示す構成図である。FIG. 4 is a configuration diagram showing an example of a conventional apparatus for producing a functionally gradient material by a thermal spraying method.
A 傾斜機能材料の製造装置 B 多価イオン生成部 C ビーム集束部 D ビーム加速部 E ビーム照射部 g ガス導入管 m 導波管 s 被処理体 2 プラズマチャンバ 3 永久磁石 A Manufacturing equipment for functionally graded materials B Multicharged ion generation part C Beam focusing part D Beam accelerating part E Beam irradiating part g Gas introduction tube m Waveguide s Object to be treated 2 Plasma chamber 3 Permanent magnet
Claims (5)
数イオン群,異質量数異価数イオン群またはこれらのう
ちの2種以上が混在したイオン群を生成し、そのイオン
群を加速し、被処理体に照射してイオン注入することを
特徴とするイオン注入法による傾斜機能材料の製造方
法。1. An ion group having the same mass number and different valence number ion group, different mass number and same valence number ion group, different mass number and different valence number ion group, or an ion group in which two or more kinds of these are mixed and generated. A method for producing a functionally graded material by an ion implantation method, which comprises accelerating a group, irradiating an object to be processed and performing ion implantation.
斜機能材料の製造方法において、異価数のイオン群に同
じ加速電圧を印加することで異なるイオンエネルギーと
して被処理体にイオン注入することを特徴とするイオン
注入法による傾斜機能材料の製造方法。2. The method of manufacturing a functionally graded material by the ion implantation method according to claim 1, wherein the same accelerating voltage is applied to the ion groups having different valences so that different ion energies are introduced into the object to be processed. A method for producing a functionally graded material by an ion implantation method, which comprises:
斜機能材料の製造方法において、加速電圧を制御するこ
とでイオン群に与えるイオンエネルギーを制御し、イオ
ン注入により改質される被処理体の組成および構造を制
御することを特徴とするイオン注入法による傾斜機能材
料の製造方法。3. The method of manufacturing a functionally graded material by the ion implantation method according to claim 2, wherein the ion energy applied to the ion group is controlled by controlling the acceleration voltage, and the object to be processed is modified by the ion implantation. A method for producing a functionally gradient material by an ion implantation method, characterized in that the composition and structure of the same are controlled.
ズマチャンバ内で多価イオン群を生成する多価イオン群
生成手段と、生成された多価イオン群をプラズマチャン
バ内から引き出す引出手段と、引き出された多価イオン
群によるイオンビームを集束させてそのイオンビームの
発散を抑制するビーム集束手段と、前記多価イオン群に
よるイオンビームを加速するビーム加速手段と、前記多
価イオン群によるイオンビームを照射して被処理体にイ
オン注入するビーム照射手段とを具備したことを特徴と
する傾斜機能材料の製造装置。4. A multicharged ion group generation means for generating multicharged ion groups in the plasma chamber by using electron cyclotron resonance, and an extraction means for drawing out the generated multicharged ion groups from the plasma chamber. Beam focusing means for focusing the ion beam by the highly charged ion group to suppress the divergence of the ion beam, beam accelerating means for accelerating the ion beam by the multiply charged ion group, and ion beam by the multiply charged ion group. An apparatus for producing a functionally-graded material, comprising: a beam irradiation unit that irradiates and ion-implants an object to be processed.
置において、プラズマチャンバ内に導入する試料ガス量
および試料ガスの種類を制御することでイオン群の質量
数と価数を制御し、イオン注入により改質される被処理
体の組成および構造を制御することを特徴とする傾斜機
能材料の製造装置。5. The apparatus for producing a functionally graded material according to claim 4, wherein the mass number and valence of the ion group are controlled by controlling the amount of sample gas and the type of sample gas introduced into the plasma chamber, An apparatus for producing a functionally gradient material, which is characterized by controlling the composition and structure of an object to be processed which is modified by ion implantation.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5114320A JPH06330314A (en) | 1993-05-17 | 1993-05-17 | Method and apparatus for manufacturing functionally graded material by ion implantation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5114320A JPH06330314A (en) | 1993-05-17 | 1993-05-17 | Method and apparatus for manufacturing functionally graded material by ion implantation |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH06330314A true JPH06330314A (en) | 1994-11-29 |
Family
ID=14634899
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP5114320A Pending JPH06330314A (en) | 1993-05-17 | 1993-05-17 | Method and apparatus for manufacturing functionally graded material by ion implantation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH06330314A (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006012574A (en) * | 2004-06-25 | 2006-01-12 | Ulvac Japan Ltd | Ion implanter |
JP2016520502A (en) * | 2013-03-28 | 2016-07-14 | ケルテック | Ion beam processing method for producing superhydrophilic glass materials |
KR20170008302A (en) * | 2014-05-23 | 2017-01-23 | 퀘르테크 | Treatment method for modifying the reflected colour of a sapphire material surface |
KR20180102567A (en) * | 2016-01-20 | 2018-09-17 | 퀘르테크 | A process using a beam of single or multiple charged gaseous ions to produce a colored metal |
-
1993
- 1993-05-17 JP JP5114320A patent/JPH06330314A/en active Pending
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