JPH0499261A - 窒化ホウ素膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、超硬工具、絶縁膜、半導体などに用いる立方
晶窒化ホウ素膜の製造方法に関するものである。

〔従来の技術〕

立方晶窒化ホウ素（以下ｃ−ＢＮとも呼ぶ）を気相から
合成する方法としては、例えば次の三つの公知技術があ
る。

■　特開昭６０−１８１６２６号公報に記載される、ホ
ウ素を含有する蒸発源から基体上にホウ素を蒸着させる
と共に、少なくとも窒素を含むイオン種を発生するイオ
ン発生源から基体上に該含有イオン種を照射して、該基
体上に窒化ホウ素を生成させる立方晶窒化ホウ素膜の製
造方法。

■　Ｉｔ　＋　Ｎ＊プラズマによるボロンの化学輸送を
行なうことによって、基体上に立方晶窒化ホウ素を生成
する方法〔文献ｌ：ココマツ外ジャーナルオン　マテリ
アルズ　サイエンス　レターズ、Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ
　Ｍａｔａｒｉａｌｓ　５ｃｉｅｎｃｅ　Ｌｅ目ｅｒｓ
、　　４　　（１９８５）ｐ、５１〜５４）。

■　ＨＣＤ　（Ｈｏｌｌｏｗ　Ｃａｔｈｏｄｅ　Ｄｉｓ
ｃｈａｒｇｅホロウカソード陰極放電）ガンにてボロン
を蒸発させながら、ホロー電極からＮｍをイオン化して
基板を照射し、基板には高周波を印加してセルフバイア
ス効果を持たせ、該基板上に窒化ホウ素を生成する方法
〔文献２：イナガワ外、ブロシーデインダス　オン　９
ス　シンポジウム　オンイオン　ソース　アシステツド
　チクノロシイ、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　　ｏｆ　９
ｔｈ　　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ　　Ｊｏｎ　　Ａｓ
５ｉｓｊｅｄＴｅｃｈｎｏｌ。

ｇｙ、　　　８５．東京、ｐ、２９９〜３０２　　（１
９８５）〕　。

［発明が解決しようとする課題〕 しかしながら、前記■の方法はイオンビームの発生装置
が高価であるという欠点を有する。前記■の方法は高出
力のＲＦプラズマを成膜に利用しているため、反応系か
らの不純物が混入しやすいという欠点を有する。前記■
の方法は■の方法と同じくイオンビームの発生装置およ
び集束装置が高価であることに加え、不活性ガスの原子
が析出した窒化ホウ素膜に取り込まれるという欠点を有
している。

また、前記いずれの方法においても、現状では、結晶性
の優れた立方晶窒化ホウ素が得られているとは言い難い
。

本発明はこのような従来法の欠点を解消し、より安価な
装置で高純度の立方晶窒化ホウ素薄膜を基板表面に生成
、析出できる新規な製造方法を提供するものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を対決する手段として、本発明はホウ素原子を
含むターゲットにエキシマレーザー光を照射し、該ター
ゲットに対向して配置した基体上に立方晶窒化ホウ素膜
を合成する方法において、該ターゲットと該基体との間
に窒素原子を含むガスの放電を形成することを特徴とす
る窒化ホウ素膜の製造方法を提供する。

以下、図面を基に本発明の詳細な説明する。第１図は本
発明の一具体例であって、成膜チャンバー１内にターゲ
ットホルダー２上に設置されたターゲット３と、これに
対向して基体ホルダー４上に基体５が配置されている。

ターゲット３としては、ホウ素の単体、六方晶窒化ホウ
素（ｈ−ＢＮとも呼ぶ）、立方晶窒化ホウ素の単結晶あ
るいは多結晶体等が用いられる。ターゲット３と基体５
の距＠Ｌは１０〜１５０ｍｍの範囲に保たれる。基体５
はヒーター６により３００〜１３００℃に加熱される。

更に成膜チャンバー１には窒素やアンモニア等の窒素原
子を含むガスがガス供給袋Ｗ７から導入される。ターゲ
ラｌ−３と基体５の間に放電を形成する方法は、ＤＣ，
ＲＦ、マイクロ波電源８等の電圧印加による放電を用い
る方法が使われる。成膜圧力は１０−”−１０ｔｏｒｒ
とする。

ターゲット３と基体５の間に放電を形成し、エキシマレ
ーザー装置Ｉ１９によりレーザー光を発光させ、集光レ
ンズ１０によりレーザーパワー密度を高め、入射窓１１
を通して成膜チャンバー１内のターゲット３表面に照射
させる。レーザーパワーは０．５〜２０Ｊ／ｃｍ″の範
囲とする。このような手法により、基板上に立方晶窒化
ホウ素膜の製造が可能になる。

〔作用〕

エキシマレーザーは、１９３〜３５０ｎｍの紫外線領域
に発振波長を有しており、ｋＦ、Ｋｒα。

Ｘｅα、ＸｅＦなどの種類がある。本発明において、こ
れらエキシマレーザーを用いる理由は、先ず第一に光子
１個のもつエネルギーが大きいことが挙げられる。例え
ば〜Ｆエキシマレーザーであれば、発振波長が１９３ｎ
ｍであり、これは６．４２　ｅ　Ｖのエネルギーに相当
する。一方、エキシマレーザー以外の工業用レーザーと
して通常使用されているＣ　Ｏｓレーザーでは、発振波
長が１０．６μｍであり、これは高々０．１２　ｅ　Ｖ
のエネルギーしかない。

第二にレーザー光はレンズ等の光学系を用いて集光でき
るため、さらにエネルギー密度を高めることができ、こ
の様な高エネルギーなレーザー照射によりターゲットが
分解され、発光をともなう励起種（ブルームと呼ばれる
）が生成されて、窒化ホウ素の合成が可能となることが
挙げられる。

しかし、このようにして得られた窒化ホウ素膜は、膜中
に含まれる窒素の量が少ないか、あるいは結晶性の悪い
立方晶窒化ホウ素膜となる。

ターゲットと基体間に窒素原子を含むガスの放電を形成
することにより、窒素原子を含むイオンあるいは窒素原
子を含むラジカルが生成される。

これらのイオンあるいはラジカルは、高品質な立方晶窒
化ホウ素の合成に極めて重要な役割を果たす。おそらく
、立方晶窒化ホウ素の核発生そのもの、あるいは合成す
る立方晶窒化ホウ素膜の化学鳳論比率からのずれの是正
に有効に作用しているものと、本発明者らは考えている
。

基体あるいは基体ホルダーは、負のバイアスを印加する
ことにより、上記の役割が顕著になる。

このバイアスはＤＣおよびＲＦ自己バイアスが可能であ
る。このバイアス印加と、ターゲットと基板間の放電を
形成する手段を同一とすることも可能である。

本発明のターゲラ］・とじては、ホウ素の単体、および
六方晶窒化ホウ素の焼結体、立方晶窒化ホウ素の単結晶
あるいは多結晶体等が用いられる。

本発明において、ターゲット表面におけるレーザーパワ
ーはターゲットと基体間距離りなどにもよるが、　０．
５〜２０Ｊ／ｃａ＋２が好適である。パワーが上記範囲
より低すぎるとターゲットの励起が不十分になり、また
膜成長速度が小さくなる。

一方、高すぎるとクラスターが多く発生し、良好な立方
晶窒化ホウ素の成膜が行えなくなるためである。

本発明において、成膜圧力は他の製造条件により、適宜
選択されるものであるが、Ｉ　Ｏ−”Ｔｏｒｒ未満およ
び１０Ｔｏｒｒを越える圧力では、放電を形成すること
が困難である。

なお、レーザーの照射角度は特に限定されるわけではな
いが、本発明者らの検討によると、ターゲツト面に対し
て４５″±２０°が好適である。

本発明においては、ターゲットと基板との距離（第１図
中のＬ）も成膜パラメータとして重要である。他の成膜
パラメータにも依存するが、通常１０〜１５０ｍｍに保
たれる。その理由は、１０ｍｍ未満では成膜速度が高す
ぎて膜中Ｂ量が増加してしまうためであり、１５０ｍｍ
を越えると発光を伴う励起種が基板に届き難くなり、ま
た成膜速度が極端に低くなり、実際的でないからである
。

本発明において、これらレーザーパワー、成膜圧力、タ
ーゲットと基板間距離は相互に関連して気相反応を制御
しており、所望の値を選択することが出来る。

基板温度は、結晶生成のパラメータとして重要である。

本発明においては、後記する実施例で示すように、室温
でも立方晶窒化ホウ素結晶を含む膜の生成が見られた。

しかし、更なる結晶性向上のためには、３００℃〜１３
００℃の基体加熱をすることが好ましい。３００℃未満
では膜成長面での到達粒子のマイグレーションが充分に
行われず非晶質成分が増加する。１３００℃を越えると
六方晶成分が増加し、また、基体の耐熱性自体が問題と
なる場合が多く、実用的でない。

本発明に基体として用いる基板は、当事者がその目的に
応じて適宜選択できるものであり、特に限定されるわけ
ではないが、Ｓｉ、ダイヤ、ＭＯ２ＷＣ２鉄系材料、　
Ｓｉ、Ｎａなどのセラミックス等を基板として立方晶窒
化ホウ素膜を合成できる。

〔実施例〕

以下に本発明を実施例により具体的に説明するが、本発
明はこれに限定されるものではない。

第１図の装置により、基板にＳＩを用いて立方晶窒化ホ
ウ素薄膜を作成した。表−１に成膜条件、Ｘ線回折の結
果（回折ピークの半値幅）、赤外吸収スペクトルから求
めたｃ−ＢＮ／ｈ−ＢＮピーク比、膜の組成分析の結果
、を示す。

製造条件 エキシマレーザー：ＡｒＦ（＋９３ｎｍ）ガス：　Ｎｓ
、　　１０ａ＋Ｔｏｒｒ 基体：Ｓｌ ターゲット−基体間距離Ｌ　：　４５ｍｍ基体温度＝６
５０℃ 放電励起電源：　ＲＦ　（１３，５６ＭＨ２）また、特
開昭６０−１８１２６２号公報に提案されるＴＶＤ法（
Ｉｏｎ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ法ニホウ素
を含をする蒸発源から基体上には蒸着させると共に、少
なくとも窒素を含むイオン種を発生せしめるイオン発生
源から基体上にイオン種を照射して、該基体上に窒化ホ
ウ素を成膜させる製法で、該イオン種のイオン加速エネ
ルギを該イオン種の原子当たり５〜１００　ＫｅＶとし
、該イオン種より低エネルギレベルに活性化された窒素
原子又は窒素化合物の雰囲気中で蒸着および照射を行な
うと同時に、該基単量体に負のバイアス電圧を印加する
方法）に従い、以下の条件で窒化ホウ素膜を試作したも
のを試料ＮＱ１３として評価した。この結果も表−Ｉに
示す。

製造条件 蒸発源二Ｂ金属 Ｎ、十加速エネルギ：　３５　ＫｅＶ Ｎ１雰囲気圧力＋　３　Ｘ　１０−５Ｔｏｒｒ基板：Ｓ
Ｉ 基板温度＝２００℃ 基板バイアス電圧 なお、試料ＮＱ６は、成膜中に膜がスパッターされたた
め、膜厚が薄く、評価できなかった。このことから、Ｒ
ＦパワーはＩＯＷより大きく、ＩＫＷより小さいことが
好ましいとわかる。

表−１の結果から、本発明によれば、六方晶窒化ホウ素
成分が無く、Ｘ線回折ピークの半値幅が小さく結晶性の
よい、また、化学量論比の高品質立方晶窒化ホウ素膜が
得られることがわかる。

Ｅ発明の効果〕 以上説明したように、本発明ではホウ素原子を含むター
ゲットにエキシマレーザー光を照射し、前記ターゲット
に対向して配置させた基体上に立方晶窒化ホウ素膜を合
成する方法において、前記ターゲットと前記基体との間
に窒素原子を含むガスの放電を形成するという新規な手
段により、高品質な立方晶窒化ホウ素薄膜を安定して得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施態様を示す概略図である。図中
、１は成膜チャンバー　２はターゲットホルダー　３は
ターゲット、４は基体ホルダー５は基体、６はヒーター
　７はガス供給装置、８はＲＦまたはＤＣ，９はエキシ
マレーザーｌＯは集光レンズ、１１は入射窓を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ホウ素原子を含むターゲットにエキシマレ ーザー光を照射し、該ターゲットに対向して配置した基
   体上に立方晶窒化ホウ素膜を合成する方法において、該
   ターゲットと該基体との間に窒素原子を含むガスの放電
   を形成することを特徴とする窒化ホウ素膜の製造方法。