愛 総 研 ・研 究 報 告 第16号2014年 19
イオン注入に立脚 した難加工性材料の超精密剥離技術の開発
DevelopmentofUltra-PrecisionExfoliationTechnologyfor
Hard-to-ProcessMaterials
岩 田 博 之 † HiroyukiIwata† AbstractHydrogenion-implantationintoHard-to-ProcessMaterialsandsubsequentheattreatmentcauses dome-shapedgas-filledblistersandcratersappearonthesurface.Thismethodbecomesanattractivenano fabricationtechnologyhavinghighaccuracyandhighenvironment-friendlyprocess.Wenewlytriedforthis techniquetometalmaterials,suchastitaniumandaluminum-ally,andaCFRPcompositmaterial.Whenthe sameconditionsasasemiconductorcrystalwereused,inthealuminumMagnesiumalloy,theseparation phenomenonwasabletobefoundoutonthesurface.Theexistenceofthecrystallinephaseconsideredtohave formedbytherollinghasleadedexfoliation. 1.緒 言 本 学 が所 在 す る地 域 は 、 もの づ く り産 業 、 特 に 自動 車 、 航 空 機 、 工作 機 械 の世 界 的 な 産 業集 積 地 で あ る.2010年 に名 古 屋 でCOP10(生 物 多 様 性 条 約 第10回 締 約 国 会議) が 開催 され 、 そ の 中 で環 境 負 荷 軽 減 、CO2削 減 の 中 で製 品 の軽 量 化 、 高 性 能 化 が強 く求 め られ た。 自動 車 産 業 で は 、2015年 度 新 燃 費 基 準 へ の対 応 が 大 き な課 題 とな って お り、車 体 重 量 の軽 量化 を 強 力 に推 進 す る 必 要 が あ り、 高 強 度 鋼 に対 す る低 負 荷 環 境 性 の加 工 技 術 、 鉄 鋼 材 料/ア ル ミニ ウ ム ま た はマ グネ シ ウム合 金 な ど異種 材 料 間 の接 合 技 術 の 開発 が求 め られ てい る。ま た 、航 空機 産 業 で は 、C-FRPが 軽 量 化 の 切 り札 と して 使 わ れ 始 め た が 、製 造(成 形)、 加 工 工程 に い ま だ 大 き な課 題 を残 して い る。ま た 耐熱 合 金 や チ タ ン合 金 も航 空機 部 品 と して 多 く 使 われ て い るが 、そ の加 工 に は 多 くの 時 間 とエ ネル ギ ー を 費 や され て い る の が 現 状 で あ る。 これ らの材 料 の 加 工 能 率 、 低 環 境 負 荷 性 の飛 躍 的 な 向上 が強 く求 め られ てい る。 一 方、製 品 と して の 性 能 を 向上 させ るた め に、塗 装 ・溶 射 ・ コー ル ドス プ レー 等 を含 め た各 種 表 面 処 理 、 マ イ ク ロ ・ナ ノ構 造 の付 与 も重 要 な課 題 で あ る.さ らに 各種 要 素 技術 間 の徹 底 した 連 携 ・連 鎖 に よ り、市場 ニ ー ズ に応 え る 上 で 技 術 の 最 適 化 を 追 究 す る こ と も重 要 で あ る。ま た 、固体 表 面 の ナ ノ ・マ イ ク ロ構 造 は界 面 現 象 に大 き な影 響 を与 え る こ とが 知 られ て い るが 、生 産 加 工 の分 野 で の利 用 は緒 に就 い た ば か りで あ る。従 来 に な い精 度 の加 工 手 法 な らび に工 具 改 良 お よび 被 加 工材 料 に 固体 構 造 創 製 機 能 を与 え る こ と で 、飛 躍 的 な 生 産 能 率 、製 品 精 度 が 得 られ る。ナ ノ ・マ イ ク ロ加 工 に お い て は 単 結 晶 を は じめ とす る難 加 工性 工 具 へ の イ オ ン注 入 な ど新 規 の 技 術 導 入 が 必 要 で あ る。 イ オ ン注 入 は 半 導 体 産 業 の 中で は 長 く要 素 技 術 と して 用 い られ て い る。目的 は、p/n半導 体 領 域 の形 成 の た め の ド ー パ ン ト注 入,デ バ イ ス の 電 気 特 性 の 高 精 度 化(ラ イ フ タ イ ム 制御,ド ナ ー不 活 性 化,注 入 欠 陥低 減)な ど様 々 で あ る。材 料 加 工 へ の 応 用 の 発 端 は,原 子 炉 の 内壁 の放 射 線 に よ る脆 化 と考 え られ る。近 年 で はイ オ ン ミ リン グ装 置 や 集 束 イ オ ン ビー ム加 工 装 置 な どデ バ イ ス加 工 の 領 域 で も必 須 の 技 術 と して 用 途 は 拡 大 して い る。ま た高 エ ネ ル ギー イ オ ンの 応 用 例 と して ラザ フォ ー ド後 方 散 乱(RBS),弾 性 反 跳粒 子 検 出 法(ERDA)を は じめ とす るデ バ イ ス の構 造 評 価 ・分 析 評 価 が 挙 げ られ る. † 愛 知 工 業大 学 工 学部 電 気 学科(豊 田市) 愛 知 工 業大 学 総合 技 術 研 究所(豊 田市)20 愛 知 工 業 大 学 総 合 技 術 研 究 所 研 究 報 告,第16号,2014年
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・n FigurelCross-sectionTEMimageofSi Figure3HeatedsurfaceofSi(a) andAl-MgAlloy(b) Figure2Cross-sectionTEMimageofAl-Mg alloy 1995年 にBluelら は,SOI半 導 体 ウェ ハ の 作製 プ ロセ ス に お い て,薄 膜 活 性 層 の 剥 離 及 び 転 送 技 術 に水 素 イ オ ン注 入 を 用 い た[1]こ と は半 導 体 プ ロセ ス へ の応 用 にお い て 重 要 な 展 開 点 とな っ た.シ リコ ン支 持 基 板 と親 水 性 貼 り合 わ せ され た 酸化 膜 付 イ オ ン注入 基板 か ら加 熱 処 理 に よ り瞬 時 に 薄膜 層 が 取 り出 され る もの で あ り、高 い 結 晶 性 、高 精 度 か つ省 資源(キ リ しろ はnmオ ー ダ)等 の特 徴 を持 つ 。高 集 積,高 速 か つ低 消 費 電 力 を 実 現 す るSOI構 造 デ バ イ ス の 作製 に 最適 な プ ロセ ス とな っ て い る。 この 薄 膜 形 成 メ カ ニ ズ ム の鍵 は 水 素 ブ リス タ リ ン グ現 象 に あ り,イ オ ン注 入 され た 水 素 が 加 熱 に よ り円盤 状 空 洞 を 形成 し、表 面 か ら一 定 の 深 さの 距 離 で そ れ らが 連 結 し上 層 部 を 引 き 剥 が す 手 法 で あ る 。 も っ ぱ ら 半 導 体 結 晶 (Si,Slc等)の 加 工 に利 用 され[2・3]、金 属 ・複 合 材 料 な ど他 の材 料 へ の応 用例 は 無 い。 こ こで は 、金 属 材 料 お よび 複 合 材 料 へ の応 用 の 可否 を 明 らか に す べ く、技 術 応 用 の可 能 性 の検 証 とそ の 基礎 資 料 を 得 る こ とを 目的 と した。 2.実 験 方 法 次 世 代 の 輸 送 用 機 器 に 用 い る こ と が 有 力 視 され て い る 軽 量 か つ 高 剛 性 な 素 材 を タ ー ゲ ッ ト と し た 。金 属 材 料 と し て は ア ル ミ合 金(Al-Mg,Mg7%)、 マ グ ネ シ ウ ム 合 金(AZ31; Al7%)、 そ し て チ タ ン 。 複 合 材 料 と して は 、CFRP、 お よ び カ ー ボ ン グ ラ フ ァ イ ト板 を 取 り上 げ た 。シ リ コ ン等 半 導 体 結 晶 材 料 に お い て 剥 離 が 起 き る 条 件 と 同 等 の 条 件(注 入 エ ネ ル ギ ー:80keV,ド ー ズ 量:10x1016/cm-2)に て 水 素 イ オ ン 注 入 を 行 っ た 。 加 熱 中 の 経 過 を 観 察 す る た め 加 熱 ス テ ー ジ を 装 備 し た 光 学 顕 微 鏡 を 用 い,窒 素 雰 囲 気 中 そ の 場 加 熱 観 察 を 行 な っ た.300℃ な い しは700℃ ま で 加 熱 し,試 料 表 面 に 発 生 す る ブ リ ス タ リ ン グ(隆 起)及 び 剥 離 を 観 察 し た.加 熱 後 試 料 の 表 面 は 、SEMあ る い はSPMを 用 い 詳 細 な 形 状 計 測 を 行 な っ た.試 料 内 部 の 構 造 はTEMを 用 い た 断 面 観 察 か ら評 価 す る.イオン注入 に立脚 した難加 工性材 料 の超精密 剥離技術 の開発 21 C-graphite し CFRP lcρ門. Figure4CrosssectionalTEMimageofionimplantedhard-to-processmaterials 、 ヒ
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3.実 験 結 果 80keVの エ ネ ル ギ ー で 水 素 イ オ ン を 注 入 さ れ た 試 料 で は 表 面 か ら1μm弱 の 深 さ に イ オ ン 注 入 欠 陥 層 を 形 成 す る.イ オ ン 注 入 後 のSiの 欠 陥 層 の 様 子 を 図1に 示 す.Al-Mg 合 金 の 断 面 に はFig2が 示 す よ う に 欠 陥 層 が 結 晶 の 相 構 造 の 中 に 観 察 さ れ る.イ オ ン 注 入 後 試 料 を 加 熱 し た 結 果 、ア ル ミ ・マ グ ネ シ ウ ム(Al-Mg,Mg7%)の 合 金 で は 、Fig.3(a) に 示 す シ リ コ ン と 同 様 に 表 面 に 直 径5μm程 度 の 局 所 的 膨 ら み(ブ リ ス タ リ ン グ)や 剥 離 の 発 生 が 観 察 さ れ た (Fig.3(b))。 これ ら剥 離 等 の現 象 の有 無 の理 由 を探 るた め 、それ ぞれ の材 料 の イ オ ン注入 後 か つ加 熱 前 の試 料 の 断 面 を 透 過 型 電 子 顕 微 鏡 に よ っ て そ の 構 造 を 評 価 し た (Fig.4)。 剥 離 お よび ブ リス タ リン グ が発 生 した材 料 の 共 通 点 は 、水 素濃 度 が ピー ク とな る深 さで 素材 の 単結 晶構 造 が存 在 して い る こ とで あ っ た。Al-Mg合 金 は 、圧 延 時 に析 出 に よ り表 面 に 平 行 な 多層 の 結 晶相 構 造 が形 成 され て お り、これ らの存 在 が ガ ス を含 む 空 乏 の膨 張 時 に 剥離 等 の 現 象 を導 きや す くす る こ とが わ か っ た。22 愛 知 工 業 大 学 総 合 技 術 研 究 所 研 究 報 告,第16号,2014年
