金型材料への高強度パルス重イオンビームを用いた表面処理技術に関する研究富山大学 電気電子システム工学科
准教授 伊藤弘昭（平成２０年度一般研究開発助成 AF-2008009）
キーワード：パルス重イオンビーム，パルス電力技術，表面処理

1. 研究の目的と背景

物理的蒸着法や化学的気相蒸着法による皮膜処理など様々な表

高強度パルスイオンビームは，パルス電力技術と呼ばれる高電
圧・大電力パルス発生技術を用いて発生されるパルス幅 100ns 程度でイオン電流が kA を超えるイオンビームを指す．比較的容易
2

面処理が施されている．この金型の消耗という問題は従来からの課題となっている．
そこで，本研究は上述した高強度パルスイオンビームの特徴をに発生できる 100 A/cm のビーム電流密度であっても，従来のイ生かし，パルスイオンビーム技術のさらなる応用として，金型材

オンビームと比べると電力密度は格段に高い．このため，材料開料への高強度パルス重イオンビーム照射による金型の表面仕上発への応用を目的とした研究開発が行なわれている．このようなげと耐摩耗性向上などの表面改質処理を同時に行うことができ

パルスイオンビームを材料表面に照射すると，イオンの浸入深さる新しい表面処理技術の確立に向けた基盤技術の開発，および基程度（数百 nm：イオン種やビームエネルギーに依存する）の表面

礎的な研究を行い，新しい表面処理技術の実用化に向けた知見を

層をパルス幅程度（数百ナノ秒）で断熱的に加熱することができ得ることを目的として研究を行った

る．加熱された表面層はビーム照射終了後，材料深層への熱拡散

まず，このような表面処理技術を実現するためには，多様なイで急速に冷却されることから，加熱と冷却の速度が 10 deg/sec を

オン種の発生，ビーム純度の向上，イオンエネルギー・電流密度超える超高速熱過程を実現できる．ターゲットの到達温度はターの制御などが必要となり，これに対応したビーム技術が必要であ

ゲット材料，パルス幅，ビームイオン種，加速エネルギーに依存る．しかし，従来のパルスイオン技術では，誘電体の表面フラッ9

するが，例えば SiC にパルス幅 100 ns 程度の窒素等の中質量イオンを照射する場合 100 A/cm2 程度で 2000℃まで加熱することができ，高速の熱プロセスによる再結晶化，アモルファス化，注入
イオンの活性化などの効果が期待できる[1-4]．さらにパワー密度を増加させると，照射された固体表面層は気化温度を超え，アシュオーバーを利用したイオン源を用いているため，発生されるビームは主に陽子ビームであり，また純度は通常のイオンビームに比べて格段に低い[7,8]．このため，これらの材料分野への応用が大きく制約されてきた．これまで著者らはパルスイオンビー
ムの応用として次世代半導体への新しいイオン注入法（パルスイ
オン注入法）の研究を行ってきており，その観点から多様なイオ

ブレーションプラズマと呼ばれる高フラックスの粒子束が生成

ン種の発生とビーム純度の向上などのビーム技術開発を行い，ガされる．これを利用することで高速の薄膜生成が可能となる

スパフプラズマガンを用いたパルスイオンビーム発生技術を開[5,6]．これらの効果はパルスレーザーを利用しても得られるが，発し，窒素イオンビームの発生に成功した[9]。この技術により，パルスイオンビームは極めて効率の高いエネルギー寄与，イオン

気体をイオン源とするイオンビームを発生させることは可能に

種・エネルギーの選択による付与エネルギープロファイルの制御，なったが，金属などの元素が固体であるイオン種を発生させるこ

イオン導入を同時に期待できる，広い面積への同時処理などの特とはできない．このため，新しく開発した真空アーク放電を利用徴を有している．このため高強度パルスイオンビームの材料プロしたイオン源を組み込んだ新しい高強度パルス金属イオンビー

セスへの応用が注目されている．

ム源の開発を行った．真空アーク放電を利用する特徴としては，

一方，塑性加工において，金型は製品の品質を決定する重要なものであり，その製作には多くの時間とコストが費やされている．
金型の製作において，表面粗さの低減，マイクロクラックなどの表面欠陥層の除去，形状精度改善のために最終的には磨き仕上げが行われるが，ほとんどの金型は複雑な形状をしているため自動化は困難であり，手磨き仕上げとなっている．そのため手磨き工

高真空中で動作し，放電ガスが不要、高密度プラズマの生成，また，電極材料の選択により任意の金属イオンの発生が可能である
ことが挙げられる[10]．また，純度向上および多様なイオンビー
ム発生が可能なパルスイオンビーム発生法である両極性パルス
加速器（Bipolar Pulse Accelerator：BPA）[11,12]の結果についても述べる．最後に，高強度パルスイオンビームを用いた表面処理技術実現に向けて，その基礎的な研究として金属などの固体

程は熟練者の技能に大きく依存し，長時間を要するため効率化改材料へパルスイオンビームを照射してその有用性を検証したの善が課題となっている．また，金型は使用に伴って摩耗や変形しで，それらの結果について報告する．

てしまうので，耐摩耗性を改善するために，硬質クロムめっき，－ 61 －

2. パルス金属イオンビーム発生装置
図１にパルスイオンビーム発生装置の断面構造を示す．装置は真空イオンダイオードおよび加速パルス発生用同軸マルクス発
生器から構成されている．イオンダイオードは正の高電圧パルスが印加される陽極と接地電位に保持される陰極から構成されている．陽極の内部にはイオン源としてプラズマガンが設置されており，陰極は加速ギャップに電子絶縁のための横磁界を発生する
磁気絶縁コイルとして動作する．
加速電源として用いた同軸型マルクス発生器は，ドアノブ型のセラミックコンデンサを円筒状に配列した 2 ステージの構成で，各ステージの定格充電電圧は60 kV である．発生器は絶縁油で満たされた直径60cm，
長さ80cm の円筒タンク中に設置されている．

図 2 磁気絶縁ダイオードの概略図

マルクス発生器のスイッチとして2 個の電界歪型放電スイッチがており，この間で真空アーク放電が発生すると電極のアブレーシ

使用され，これらをトリガーすることにより負荷にパルス電圧をョンによりプラズマが生成される．このイオン源の先端は，ダイ供給する．出力定格は，開放端電圧 240 kＶ，合成容量 8.33 nF，オードの陽極から 50mm 上流の軸上に設置され，3.3F，30kＶの蓄積エネルギー240Ｊである．

コンデンサバンクで駆動する．

Capacitive
Divider

図 3 は加速実験におけるダイオード電圧（Vd），ダイオード電

Magneticallyinsulated Ion
diode流（Id），ビームのイオン電流密度（Ji）の典型的な波形を示す．
実験はマルクス発生器の充電電圧を 50kV とし，アークイオン源のInsulating Oil
Anode

放電電流の立ち上がりから d8s 後に加速ギャップに高電圧パ

Cathodeルスを印加した．イオン電流密度は，飛行時間差法によるイオンエ

SW

ネルギーの評価のため，2 個のバイアスイオンコレクター（BIC）を陽Pump

極からそれぞれ 50mm および 150mm に設置し，両位置でのイオン
Marx Generator
240 kV, 8.3 nF
240 J

電流密度の同時観測を行った．図より，ダイオード電圧と電流は
Plasma Gun

Rogowski Coil
Insulator

ほぼ同時に立ち上がり，それぞれピーク値 220kV，12kA となっていることがわかる．このとき z=50mm でのイオン電流密度 Ji はダ

図 1 パルスイオンビーム発生装置の概略図

イオード電圧 Vd の立ち上がりから約 45ns 後に立ち上がり，ピー

図 2 は磁気絶縁ダイオードの構造を示す．ダイオードは先端がクイオン電流密度 230A/cm2，パルス幅 40ns のパルスイオンビー

直径 60mm，長さ 115mm の円筒状の陽極，および格子構造の陰極ムが得られていることがわかる。一方，z=150mm でのイオン電流から構成されている．陽極内部にはイオン源としてアルミニウム

密度 Ji のピークはz=50mm の場合に対して96ns の時間差があり，こ真空アークイオン源が設置されており，加速ギャップに向けて高の値よりイオンビームの速度は1.07106m/sec と算出することができ

密度プラズマが供給される．陽極の先端には直径 60mm，厚さ 5mm

る．このとき 1 価のアルミニウムイオンを仮定すると，イオンの運動エのステンレス板が取り付けられており，その中央部には直径 30mm

ネルギーは 161keV と推定できる．このエネルギーはダイオード電の開口部が設けられている．

圧のピーク値に比べやや低い値となっている。

陰極は，厚さ 1mm，幅 10mm のストリップ状の燐青銅板で作製
250

め中心部は格子構造になっている．また，陰極は加速ギャップに

25

Vd (kV)200

電子流絶縁用の磁場を発生させるために８の字形状の巻き線形状となっており，8 ターンの磁場コイルとして動作する．磁場コ
イルには 250F，5kV のコンデンサバンクが接続されており，立

20

Vd

150

15

Id

100

10
5

ち上がり時間が 50s のパルス電流によって加速ギャップの中央

0

0

部に 0.8T の均一な横磁場が発生する。実験はギャップ長

250

dA-K=10mm，真空度 510-3 Pa で行った。

200

Ji (A/cm2)50

図 2 の挿入図にパルスイオンビーム源用のイオン源として使用された真空アークイオン源の電極構造を示す．電極は円筒状の外電極と棒状の内電極からなる同軸構造となっており，内電極を

τ

Ji1

Ji2

150
100
50
0

陰極，外電極を陽極としている．陽極は内径 10mm，外径 15mm，-50

陰極は外径 6mm で，何れも純アルミニウム製である．陽極の先端

0

100

200

300

400

time (ns)には直径 5mm のアパーチャーが取り付けられており，テーパー状の陰極と陽極アパーチャーとの間に1mm の放電ギャップを形成しId (kA)されており，加速されたイオンに対して高い透過率を確保するた

図 3 飛行時間差法によるイオンエネルギー評価実験結果－ 62 －

イオンビームのエネルギーとイオン種をトムソンパラボラ分

1st gap

drift tube

2nd gap析器（Thomson parabola spectrometer：TPS）を用いて評価した．
ion source

図 4 はイオントラック検出プラスチック CR－39 に記録されたト
ラックパターンの一例を示す．分析器の質量分解能が不十分のため，重イオンについては正確な電荷・質量比を評価することはでgroundedcathodegroundedanode

きないが，アルミニウムイオンを仮定すると 1 価，2 価，3 価にBipolar Pulse

対応する位置にトラックが観測されていることがわかる．また，

V0

水素原子イオンに対応する位置にもトラックが観測されており，

0

Al イオンおよび不純物である水素イオンが加速されていると推-V0定される．図 4 より，Al+，Al2+，Al3+，および H+のエネルギーは

p

t

t1

図 5 両極性パルス加速器の概要図

それぞれ 140-270keV，220-540keV，300-740keV，170-190keV である．イオントラックの計数により各イオン種の構成比の評価を

オンの除去が可能で，イオン純度の向上が期待できる．

行った．その結果，全トラックに対するアルミニウムイオンの合(3) 2回の加速によりパルスパワー装置出力電圧の2倍の加速

+

2+

3+

計（Al ，Al ，Al ）の割合は 89％と評価され，89％のイオン純エネルギーが得られる．さらに，ドリフト管を接続する

Energy (keV/Z)

度が得られていることが分かった．

ことで，多段加速器に拡張することができる．
図6 に実験に使用した実験装置の磁気絶縁ギャップの概要図を

50

Al+

Al2+

示す．ドリフト管は電子絶縁用磁界コイルとしても動作し，量加

Al3+

100

速ギャップに横磁界を生成する．高い伝送効率を得るためにコイH+

ルの左右 (陽極と陰極に面する面) は，それぞれ 8 本の燐青銅板からなる格子構造で，各燐青銅板は直列に接続されており，8 タ

200ーンのコイルを構成している。ドリフト管には高電圧が印加されるため，磁場発生用のパルス電流は誘導的に絶縁されたコイルを図 4 観測されたトラックパターン

介して外部コンデンサバンク（500F, 5kV）から供給され，ギャ

この結果から，金属などの導電性の固体をイオン源とした高強度パルス重イオンビーム発生技術の開発に成功した．

ップ間に 0.7 T の電子絶縁用磁場を生成する．陽極は直径 78 mm，厚さ 5 mm の真鍮製の電極で，直径 4mm の穴を均一に開けること
で 60％程度の透過率が得られている．陽極内にはイオン源として

3. 両極性パルス加速器の開発

プラズマガンが取り付けられている．

これまで多種のイオン種を発生させるためプラズマガンをイオン源に用いたパルス重イオンビーム発生技術を開発し，元素がCathode(grounded)

気体，または金属である各種イオン種のイオンビーム発生を可能

Drift tubeにした．ビーム純度に着目すると，開発されたビーム発生技術では 90%前後であった．ビーム純度 50～70%程度の従来のビーム発B

生技術に比べると純度はかなり向上したが，さらなるイオン純度B
B

向上を目指した新しいパルス重イオン加速器として両極性パル
ス加速器の開発を行った．

B

図 5 に BPA の動作原理の概略図を示す。BPA は，接地電位の陽Ion
Source極，ドリフト管，接地された陰極の三電極から構成されている．
加速用電源はドリフト管に接続されており，負パルス(持続時

図 6 BPA の磁気絶縁ギャップ概要図

間:p)と正パルスの連なった両極性パルスが印加される．両極性
パルス加速器の基本動作は，ドリフト管に両極性パルスが印加さMagnetic
Coil

Anode
(grounded)

図 7 に両極性パルスを用いた加速実験の実験配置を示す．陽極

れると，まず負極性の電圧パルスが印加されるので，1st ギャッ

表面から 50mm の位置（ドリフト管内），および陰極から 25mm にプに到達したイオンビームはドリフト管に向かって加速される

BIC を設置し，1st ギャップおよび2nd ギャップで加速されたイオン(図 5 参照)．その後，加速されたイオンビームの先端が 2nd ギャ

ビームの計測を行った．実験では，イオン源として窒素ガスパフップに到達した時にパルスの極性が反転して正極性の電圧が印

プラズマガンを使用し，1st ギャップおよび 2nd ギャップのギャッ

加される．これによりイオンは2nd ギャップで再加速される．従プ長を 10mm，絶縁磁界強度 0.35T とした．

来のパルスイオンビーム技術に対して両極性パルス加速器の主図 8 に実験結果を示す．2 個の BIC の波形は同時計測ができな
いため異なるショットのものである．図 8(a)より，1st ギャップのな特色は以下の通りである．
(1) イオン源を有する陽極を接地電位とすることができる．

下流では，イオン電流密度 Ji1=40A/cm2，パルス幅～30 ns，が得ら(2) イオン種の質量差に伴う走行時間差を利用して不純物イ

れていることがわかる．イオン電流密のピークは両極性パルスの－ 63 －

xz

Bipolar Pulse

V0

V0

-V0

照射前

t
y

gas puff

1stgap

plasma gun

2nd
gap
BIC1

BIC2

Ji2

Ji1
N2 gas

照射後

anode

Drift tube

CathodeMagneticcoil

図 9 ステンレスターゲットのビーム照射前後のSEM 像

Inductively Isolated
Current Feeder

凝固したためだと考えられる．また，図 10 は上記ターゲットの図 7 イオンビーム加速実験配置図

照射前後の X 線回折パターンを示す．照射前にみられた Fe のピ

負パルスのピークから 45ns 遅れており，この遅れ時間から 1st ギークが照射後には完全になくなっており，CrFeNi の(200)面が顕ャップ加速後のイオンのエネルギーは，
1 価の窒素イオンを仮定す著になっている．これはビーム照射によって表面が溶融・再凝固

ると 130keV 程度と見積もることができ，この値は加速電圧とほしたあるいは表面の一部がアブレーションしたことにより除去

ぼ一致する．一方，2 ギャップ加速後のイオン電流密度 Ji2 は力されたため，表面の結晶性が大きく変化したことを示唆している．

性パルスの正パルスのピークから11.5ns の遅れで2 A/cm2 のピー

次に，イオンビームのイオン種や照射回数を変えた時，ステンレ

ク値，
パルス幅～30 nsというパルスイオンビームが観測された．

スターゲットの硬度に及ぼす影響を調べた．その結果を表 1 に示

今回の実験で使用されたドリフト管はエネルギー200keVの1価のす．ここで z と r はそれぞれ陽極先端からの距離と中心軸からの窒素イオンに対して設計されたものであることを考慮に入れて，距離を表す．表1 より，いずれの照射条件においてもビーム照射

この時間差から，イオン種とエネルギーを評価すると，2 価の窒前に比べて硬度が低下していることがわかる．硬度の低下はビー

素イオンが 350keV 程度のエネルギーまで加速されていると考え

ム強度の高い中心軸上（r=0mm）で著しく，ビーム種では窒素のられ，2nd ギャップで特定のイオン種（窒素イオン）のみが追加速場合に大きく低下する傾向にある．また，窒素についてはビームされていることがわかった．この結果から，両極性パルスによる照射回数が増加すると，硬度が低下することがわかった．

nd

パルス重イオンビームの多段静電加速を実証することができた．

1.0k

なお，Ji2 は Ji1 に比べて極めて低い値となっている．これはドリ

Cr Fe Ni (2 2 0)

フト管の長さとビーム長が整合されていないこと，ビームの発散

0.5kの影響によりビーム管内でのビーム伝搬効率が低いことなどに

Cr Fe Ni (1 1 1)

-50

-5

-100

-10

-150

5

0

0

20
10

-5

10.00 20.00

-15

40.00

2（deg）

60.00

80.00

90.0

図 10 イオンビーム照射前後のX 線回折パターン

1
0
-1
-100

300

Ji

2

0
200

Cr Fe Ni (1 1 1)

0.6k

3

-10
-100

100

Cr Fe Ni (2 2 0)

-10

I0

-150

Ji (A/cm2)

Ji (A/cm2)

50

4

30

Cr Fe Ni (2 0 0)

10

-50

Ji

0

V0

-100

I0

40

(b)

I0 (kA)00

I0 (kA)V0 (kV)V0 (kV)

5

50

100

S
P1.2k
C
after

15

150

10

V0

(a)
100

Fe (2 1 0)
Cr Fe Ni (2 0 0) Fe (2 0 0)

よると考えられる．
150

Fe (1 1 0)

beforetime (ns)

表 1 ビーム照射後のビッカース硬度
0

100

200

300

time (ns)

図 8 加速実験結果

4. パルスイオンビームの照射実験次に，開発したパルスイオンビーム発生装置を用いて金属材料等への照射実験を行った．照射実験に使用したイオン種は水素お

照射位置z=300 mm，r=0 mm z=300 mm，r=40 mm

照射前

400 HV

H2１shot

358 HV373 HV

N2１shot

334 HV346 HVN2 5 shot

249 HV304 HV

よび窒素である．また，ターゲット材料としてステンレス，軟鉄，
軟鉄および銅ターゲットにパルス水素イオンビームを１ショ

銅，アルミニウムを使用した．
ステンレスターゲットにパルス窒素イオンビームを１ショッット照射した時の照射前後のビッカース硬度を表 2 に示す．軟鉄

ト照射した時の照射前後のターゲット表面のSEM 画像を図9 に示

においては，ビーム照射前後で硬度の変化はほとんどなかったのす．ビーム照射前には明確な圧延痕がみられるのに対し，照射後に対して，銅ターゲットは大幅（約 19 倍）に硬度が向上した．

は圧延痕が完全に消え，表面が滑らかになっていることがわかる．

ステンレスターゲットと同じようにビーム照射前後のターゲッ

これはビーム照射によりステンレス表面が一旦溶融し，その後再ト XRD で評価を行った結果，銅ターゲットにおいて 220 面，200－ 64 －

面，111 面のピーク強度が 2～2.5 倍に増加した．一方，軟鉄につビーム照射実験の結果から，各種材料の表面状態を変化させる

いてはビーム照射後，110 面のピーク強度が 1.5 倍程度の増加がことができ，ターゲット材料とイオン種の組み合わせによって，観測された．

ビーム照射の効果が異なることがわかった．イオンのドーピング効果については今後検討する必要があるが，この結果より，パル

表 2 軟鉄および銅のビーム照射後のビッカース硬度

スイオンビームを利用した金属など各種材料の表面改質への応

試料

軟鉄

銅

照射前

157 HV

38 HV

たパルス金属イオンビーム発生技術は他の固体イオン源の開発

H2１shot

151 HV728 HVにも拡張でき，加えてこれまでに開発した気体用のガスパフプラ用が期待できることが示された．今後，この研究によって開発しズマガンを用いたパルスイオンビーム発生技術と組み合わせる
最後に，アルミニウムをターゲット材料にして高強度パルス窒ことで，多くのイオン種を発生させることができるので，今後タ素イオンビームの照射実験を行った．実験は最初にアルミニウム

ーゲット材料（金型材料）にあったイオン種を調べていく必要が表面に形成されている酸化膜を取り除くためにバフ研磨を行い，ある．目的にあわせてイオン種を選択することが可能となる

洗浄した後にビーム軸上の位置に設置して照射実験を行った．イ
オンビームの照射回数は 3 回である．図 11 にビーム照射前後のアルミニウムターゲットのＸ線回折パターンの結果を示す．この結果から，パルス窒素イオンビーム照射によってアルミニウムのピーク以外に窒化アルミニウムの 3 つのピーク AlN(002)，

謝 辞
本研究は、公益財団法人天田財団の研究助成の支援を受けて行われた．ここに厚く御礼申し上げます．

AlN(110)，AlN(112)が現れているのがわかる．この照射実験に関しては今後より詳細に行う予定である．

参考文献[1] A. D. Pogrebnjak, G. E. Remnev, I. B. Kurakin, A. E. Ligachev, Nucl.
Instrum. & Methods in Phys. Res. B 36, 286 (1989).
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図 11 Al ターゲットのビーム照射前後の XRD パターン

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[7] Y. Hashimoto, M. Yatsuzuka, and S. Nobuhara, Jpn. J. Appl. Phys. 32,

5. まとめまとめ

4838 (1993).

真空アークイオン源を使用したパルス金属イオンビーム発生技術の開発を行った．加速電圧220 kV, 電流 12 kA の条件で動作[8] K. Masugata, H. Okuda, K. Yatsui and T. Tazima, J. Appl. Phys. 80,
4813 (1996).

2させた時．陽極から 50 mm 下流で 200 A/cm を越えるイオン電流密度が得られた．また，加速イオンの分析を行った結果．イオン[9] H. Ito, H. Miyake and K. Masugata, Rev. Sci. Instrum. 79 103502(2008).

ビームには1 価から3 価のアルミニウムイオンと水素イオンが含まれており，
アルミニウムイオンの比率（純度）は89％であった．

[10] I. Brown, Rev. Sci. Instrum. 65, 3061 (1994).

また，イオン純度の向上が期待できる新しいパルス重イオン加速[11] K. Masugata, Y. Shimizu, Y. Fujioka, I. Kitamura, H. Tanoue and K.

技術である両極性パルス加速器の開発を行い，ガスパフ窒素イオ

Arai, Nucl. Instrum. & Methods in Phys. Res. A 535, 614 (2004).

ン源を用いた加速実験において，特定イオンのみが 1st ギャップ

[12] H. Ito, K. Igawa, I. Kitamura and K. Masugata, Rev. Sci. Instrum. 78,

および 2nd ギャップで加速されていることが確認でき，両極性パルスを用いた静電多段加速を実証できた．今後，電極構造等の改良を行い，より詳細に特性を評価する必要がある．

－ 65 －

013502 (2007).