高品質な酸化を低温で実現する

Reactive Nion

TM反応性酸素負イオン照射装置
Reactive Negative atomic oxygen (O-) Ion irradiation equipment

Reactive Nion は、低圧アークプラズマで生成した高密度な酸素負イオンにエネルギーを付与して照射する装置です。
従来の酸化処理に比べ、高品質な酸化を低温で実現します。
TM特長⚫ 低圧アークプラズマによる高密度酸素負イオン (O-) 生成✓ O- を高効率に生成できる電子温度制御を独自技術で実現します。
✓ 酸化に強い圧力勾配型プラズマガンを使用し、長時間運転を実現します。

⚫ 酸素負イオン照射による高反応酸化処理✓ 他の活性酸素種 (オゾンなど) より酸素負イオン (O-) は高反応性です。
✓ 酸化に必要な反応エネルギーをバイアス電圧印加により付与・制御します。

⚫ 低温かつチャージアップフリー処理✓ 中性化 (O- → O) が吸熱反応であり低温処理が可能です。
✓ 負イオン照射はチャージアップフリーであり別の電子源が不要です。

Reactive Nion の動作原理TM① プラズマガンからアルゴン (Ar) プラズマをチャンバ内に導入する。
② Ar プラズマがチャンバ内の酸素 (O2) と反応し、酸素負イオン (O-) が生成される。
③ プラズマガンからチャンバへの Ar プラズマの導入を停止する。
④ チャンバ内の電子が無くなる時間まで待機する。
⑤ 基板 (照射対象) にバイアスを印加し、O- を照射する。
上記の ①~⑤ を繰り返し、対象物の酸化を行います。

住友重機械独自のプラズマ制御技術により、安定したアークプラズマの ON/OFF を行うことで、効率的な O- 生成および対象物の酸化を実現します。

プラズマの様子

低温電子プラズマ

高温電子プラズマ⚫ 照射仕様に合わせて、プラズマの電子温度を制御し、最適な O- 生成・照射を行います。

Reactive Nion と他のイオン照射技術との比較
TM

1020
1019

Ion dose density (cm-2)

1018

Reactive NionTM

反応性負イオン照射

1710

高電流
イオン注入

10161015

イオンビーム中電流
イオン注入1410高エネルギー
イオン注入

10131012
10111010
100101102103

104105106107108

Energy (eV)⚫ Reactive Nion は高密度な負イオンをスパッタなどが起きない低エネルギー (<100 eV)で対象物表面に照射を行います。
TM

熱酸化と負イオン酸化の違い
従来の酸化処理（加熱）

負イオン酸化処理

X , O- (w/バイアス)
エネ
ル
ギーエ
ネル
ギ
ー

X , O2活性化エネルギー：熱エネルギー

基板温度1000℃ = 0.11 eV
その一部が酸素ガスに供給

XO（酸化物）

反応の進行度

活性化エネルギー

X , O-XO（酸化物）

反応の進行度例) +15 V = 15 eV(15 eV / 1000℃ = 137 倍のエネルギー)
バイアス電圧によるを酸素負イオン (O-) に直接供給

酸素負イオン

酸素ガス

酸化対象加熱

対象物を加熱し、対象物に接した酸素分子が活性化して酸化する。

荷電粒子加速酸化対象O- をバイアス電圧で適度に加速し、そのエネルギーで酸化する。

負イオン酸化は、熱酸化に比べて遥かに低温での酸化を実現できる

半導体：SiC ウエハの低温酸化処理 (特願2022-158839)
断面 TEM：温度依存性

SiO2 4.9 nm

SiO2 10.7 nm

SiO2 63.3 nm⚫ 従来、SiC の酸化には 900℃ 以上の加熱が必要である。
⚫ O- 照射では、非加熱で SiO2 膜を形成できる。
⚫ 室温、350℃ においては、界面が非常に平滑である。

*断面TEM は 立命館大学荒木研究室にて実施

デプスプロファイル (XPS)：酸化プロファイル⚫ 熱酸化に比べて、SiO2/SiC 界面の変化が急峻である。
⚫ 断面 TEM とデプスプロファイルから、平滑な SiO2/SiC 界面が形成できていることが分かる。

照射面：Si 面
基板温度：750℃

酸化膜厚 (SiO2)：220nm(特性は現在調査中)

SiO2/SiC 界面で，C が急峻に変化✓ 低温での酸化膜形成✓ 良好な SiO2/SiC 界面形成

Depth (nm)半導体：Si ウエハの低温酸化処理

Oxide Thickness (nm)⚫ 従来、Si の酸化には 700℃ 以上の加熱が必要である。
⚫ O- 照射では、非加熱、200℃ で SiO2 膜を形成できる。
⚫ 熱酸化に比べて処理温度の低温化が可能である。

Dry O2@800℃, 101.3 kPa

60

O-@750℃, 0.3 Pa
O-@600℃, 0.3 Pa
O-@400℃, 0.3 Pa
O-@200℃, 0.3 Pa

50403020100012345678✓ 低温での酸化膜形成✓ 後工程での酸化処理

Oxidation Time (a.u.)*ドライ酸化 (800℃ 時)の酸化膜厚：
植松他、表面科学 Vol.23, No. 2, pp. 104-110, 2002.

金属・酸化物半導体：Cu 板の低温酸化処理① 未照射 Cu 板
② 15V , 10min③ 30V , 10min④ 45V , 10min⑤ 45V , 30min
全て室温（非加熱）で照射⚫ 従来、p 形 Cu2O の形成には 1000℃、5 時間の熱酸化と急冷処理が必要である (高温相の形成方法)。
⚫ O- 照射では、非加熱で Cu2O を形成できる。
⚫ マスク照射で任意形状の酸化ができる。

*山本他，「塗装工学」 Vol. 57, No.2 (2022)✓ 低温での Cu2O (高温相) 形成✓ 任意形状の酸化処理

酸化物半導体：成膜後での ITO 膜の電気・光学特性の制御⚫ O- 照射では、成膜後の ITO (Indium TinOxide) 膜のキャリア密度 (ne) およびバンドギャップ (Eg) の制御が可能である。
⚫ O- 照射により、ITO 膜中の酸素空孔(VO) を減少させ、かつ、過剰に酸化させ分子軌道を変化させることで、更にEg を縮小できる。
⚫ O- 照射による ITO 膜の結晶構造の変化は無く、移動度 (μ) と ne を制御できる。
➢ VO 減少の範囲では μ は増加する。
⚫ O- 照射により ne と Eg を制御できるた
め、透過率も調整できる。

非縮退領域
・O- 照射時間
・バイアス電圧に比例し減少*Y. Furubayashi et. al., J. Appl. Phys. D:Appl. Phys. 54, 145110 (2021).

✓ 成膜後での酸素空孔制御✓ 電気・光学特性の制御(a)

酸化物半導体：GZO 膜の結晶性制御、水素ガスセンサ性能向上
With irradiation(a)

XPS: SPring-8(BL23SU (1300 eV))O1sEx. 10 sccm
1stWithout
2ndirradiation
3rd

1st: Zn2+-O2- bonds in the ZnO matrix
2nd: 酸素 (O2-) 欠乏領域 VO-Zn-O, Zn-OH
3rd: 表面での化学吸着酸素、OH 基(3rd ピークは変化無し)*野本他，第 77 回応用物理学会秋季，15a-A22-2

水素ガスセンサ性能向上

Normalized
intensity area
[a.u.]intensity [a.u.]
Normalized area
intensityarea[a.u.]
Normalized

結晶性制御

Without
With irradiation
st: Zn2+-O2- bonds
1(b)(a)
Without

1st

Without
With irradiation(b)

Without
Withirradiation
Withoutnd2(c)(b): VO-Zn-O, Zn-OH

2nd(c)

With irradiation
With irradiation
Without

05 10 15 20 25
Oxygenflow rate [sccm]
Withirradiation
Without

0

5 10 15 20 25
With irradiation
Oxygenflow rate [sccm](c)0Electric current (mA)Without
With irradiation
Without⚫ O- 照射では、成膜後の GZO (Ga dopedZinc Oxide) 膜の酸素空孔の減少制御が可能である。
⚫ O- 照射により、(1) Zn-O 結合の強化(2) 酸素空孔の削減及び Zn-OH の脱離が確認できる。
⚫ O- 照射による GZO 膜の結晶構造の変化は無く、μ と ne を制御できる。

⚫ O- 照射による酸素空孔の削減後、更に O- 照射を行うことで、O- は粒界(GB) に捕獲される。
⚫ O- 照射により、水素検知機構である(2) 式から反応が始められるので、高速応答 (<1 s) 及び安定化を実現できる。

5 10 15 20 25
Oxygen flow rate [sccm]

0.14

0.100.06

0.020016003200

Time (s)6400

H2(gas) + O2-(@GB) → H2O(gas) + O-(@GB)(1)

H2(gas) + O-(@GB) → H2O(gas) + e-(2)*山本他, J. Vac. Soc. Jpn., Vol. 60, No. 8, pp. 292-299 (2017).

✓ 成膜後での酸素空孔制御✓ 水素検知の高速・安定化

評価機の仕様

酸素負イオン照射評価機のレイアウト例
評価機仕様
基板サイズ
基板温度
到達真空度
処理時圧力
バイアス電圧
導入ガス

最大 4 inch (φ101.6 mm)
室温 ～ 800 ℃
5.0×10-5 Pa 以下
0.2 ～ 1.0 Pa 程度
最大 100 V
O2 , Ar(NH3, CH4 などは検討中)

フットプリント
冷却水
プロセスガス
圧縮空気
真空ポンプ排気電力 (AC 200 V)
電力 (AC 100 V)
アース

https://www.shi.co.jp

産業機器事業部 医療・先端機器統括部 営業部
本社〒141-6025

関西支社 〒530-0005

ユーティリティ
2.1 m × 2.3 m
40 lit/min (0.5 MPa)Ar
100 sccm 以上 × 2 系統
O2100 sccm 以上 × 1 系統
0.5 MPa ～ 0.6 MPa
2.8 Nm3/min
40 KVA
3 KVA
C 種接地 10 Ω 以下

東京都品川区大崎2-1-1 ThinkPark Tower

TEL:03-6767-2570

FAX:03-6866-5114

大阪市北区中之島2-3-33 大阪三井物産ビル

TEL:06-7635-3629

FAX:06-7711-5104

2023.9