イオン注入による金属・セラミック界面の混合

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本研究では、金属イオン照射による金属/非金属界面での混合機構についての新しい知見を求めることを目的に、Al_2O_3,SiO_2およびSiを基板とした試料にAuおよびCuイオンを照射し、照射量にともなう混合状態の変化の観察および計算機によるシミュレーションを行った。この結果Cuイオン照射によるIn/Siの混合について特に新しい知見が得られたので以下に報告する。試料は、Fz-Si(100)基板上に電子ビーム蒸着により約50nmのInを蒸着したものを作成した。この蒸着膜に0.6MeVのCuイオンを基板温度100℃で照射し、照射前後のIn膜の形態、存在状態、および混合層の状態と組成を2MeV 4He RBS、XRD、SEMを用いて調べた。SEM観察によると、蒸着後のIn膜は多角形の島から成る不連続薄膜であり、0.7×10^<16>/cm^2照射後、島の形状が球型に変化することが分かった。RBS測定からも、蒸着後および0.7×10^<16>/cm^2照射後のIn膜が不連続膜であることが確認された。In存在量の減少から、膜の形状変化はイオンビーム照射によるスパッタリングのためと考えられる。さらに照射を行うと、膜の形態が不連続膜から連続膜へと変化するWetting Transitionが観察された。2×10^<16>/cm^2照射後では、基板のSi原子がIn膜中に移動しIn-Si混合膜を形成していた。X線回折の結果、イオンビーム照射に伴い、非晶質In-Si合金が形成されることがわかった。結晶Si-In系は非固溶な系であり中間相も存在しないが、イオンビーム照射による結晶Siの非晶質化で非晶質In-Si合金の生成が可能となることが明らかになった。以上の結果から、In/Si界面へのイオンビーム照射では、Si基板の非晶質化とIn/Si界面の混合を経て非晶質In-Si合金が形成され、さらにこの合金層形成による界面エネルギーの低下がWetting Transitionを引き起こすものと結論できる。