簡易テキスト版

簡易テキストページは図や表を省略しています。
全文をご覧になりたい方は、PDF版をダウンロードしてください。

全文（PDFファイル：86KB、2ページ）


プラズマMOCVD法による窒化ホウ素(BN)膜の作製

■機械金属部　安井治之
■企画指導部　粟津薫
■金沢工業大学　池永訓昭　作道訓之

研究の背景
　窒化ホウ素(BN)膜は，ダイヤモンドに次ぐ硬度と優れた摺動特性をもつことから，トライボロジー部材への適用が期待されている膜であるが，未だ実用化されていないのが現状である。本研究では，液体有機金属であるトリメチルボレートを原料として，プラズマMOCVD法により新たな構造のBN膜を作製を試みた。作製したBN膜の評価は，膜の構造評価として赤外分光法(FT-IR)，ラマン分光法，Ｘ線回折法，硬度評価をナノインデンテーション法により測定を行った。その結果，作製したBN膜は，hBN＋ホウ酸の複合構造のBN膜であることがわかった。


研究内容
　実験に用いた装置は，図1に示すように真空容器(φ350mm×L400mm)，パルス・プラズマ発生用の高周波電源(RF:13.56MHz)とマイクロ波発生装置(MW:2.45GHz)，負の高電圧パルス電源部から構成されている。成膜は，ボンバード用のArガスと成膜用のトリメチルボレート(TMB)とN2ガスを用い，Siウェーハ基板と超硬合金(WC)基板上にBN膜を作製した。
　BN成膜は，TMB流量を一定(1Sccm)のまま，同時にN2ガスを350から750Sccmまで変化させて成膜した。成膜時の圧力は40Paであり，その時の温度は最高500℃であった。
　作製したBN膜の膜構造は，赤外吸収(FT-IR)(堀場製作所：FT-730)，ラマン分光分析(堀場製作所:RabRam)およびX線回折(XRD)(マックサイエンス:XMP-18X)により評価を行った。機械的特性は，ナノインデンテーション試験機(hysitron)を用いて硬度測定を行った。
　BN膜のFT-IR測定は，赤外領域で透明であるSiウェーハ基板に成膜したBN膜を用い透過法で測定した。測定結果を図2に示す。その結果，800,921,1193,1380,1450,3220cm-1の5カ所に特徴的なピークが現れた。我々のBN膜は，cBNのピークは得られていないが，800cm-1と1380cm-1にhBNのピークが現れている。1380cm-1のピークは1450cm-1のBON結晶のピークに隠れているが，若干1380cm-1付近にショルダーが観察される。その他のピークは，B-O-Siのピークが921cm-1に，B-Oのピークが1193cm-1に，BONのピークが1450cm-1に，さらにB-OHのピークが3220cm-1に現れている。hBN結晶のピーク以外は，酸素とホウ素および酸素と基板のSiとの結合のピークであることから，hBNの結晶と酸化物の混合膜であることが推察される。

（図1　BN成膜装置の概略）
（図2　FT-IR測定結果）

　BN膜のラマン測定は，514.5nmのArレーザを用いてレーザ出力10mW，スポット径50μmにて測定した。測定結果を図3に示す。その結果，208,500,880,1167,　1384cm-1の5カ所に特徴的な鋭いピークが現れている。BN膜のラマンスペクトルは，cBNが1057と1306cm-1付近に，hBNが1380cm-1付近にピークが得られる。図３より1384cm-1はhBNのピークであり，cBNのピークは得られていないことがわかった。また，ホウ酸(H3BO3)ピークである880cm-1に半価幅の小さい鋭く大きなピークが得られており，本研究で作製したBN膜は，hBN構造をベースとしてホウ酸が混じっている混合膜であると考えられる。
　次に，XRD測定結果を図4に示す。XRD測定は，θ−2θ法によりＸ線管電圧50kV，電流100mAで測定した。その結果，2θ=70°にSiウェーハ基板からの強いピークSi(400)および33°にSi(200)のピークが観察され，その他に28°にhBN(002)のピークが観察された，今回膜構造を測定した3手法すべてからhBNの結晶構造が観察されたことから，本研究で作製したBN膜はhBN構造を有した膜であることがわかった。
　さらに，膜の硬度測定した結果を図5に示す。測定した結果，硬さ値19GPa，除荷曲線から求めた弾性率163GPaが得られた。hBN単体の硬さは，最大でも10GPa程度であり，今回の測定結果である硬さ値19GPaは非常に硬い値を示している。

（図3　ラマン分光測定結果）
（図4　XRD測定結果）
（図5　硬度測定結果）

研究成果
　液体有機金属のトリメチルボレートを原料として，硬質のBN膜をMOCVD法により作製した。その結果，hBN膜にホウ酸を混合した複合BN膜が得られた。得られたBN膜の特性は以下のとおりである。
(1) BN膜の赤外分光測定を行った結果，hBNのピークと酸化物のピークが得られた。
(2) BN膜のラマン分光測定を行った結果，hBNとホウ酸のピークが得られたことから，本BN膜はhBNとホウ酸との複合構造の膜である。
(3) BN膜のＸ線回折測定の結果，hBN(002)のシャープなピークが得られた。
(4) BN膜のナノインデンテーション硬さ測定の結果，hBN，ホウ酸単体の硬さの値よりもはるかに高い19GPaの硬さ値が得られた。これは，複合化したことによる相乗効果によるものである。

論文投稿
Vacuum Vol.83, 2003 p.582-584.