JPH0735582B2 - 窒化ホウ素形成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、イオンを利用して基板に窒化ホウ素を形成
する窒化ホウ素形成方法に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、薄膜形成法としては、一般にCVD法と呼ばれてい
る手法があり、これは主として高温空間（基板を含め
て）あるいは活性化された空間における化学反応を利用
して薄膜を形成する方法である。

具体的には、例えば、ジボラン（B₂H₆）、アンモニア
（NH₃）、水素（H₂）の混合ガスを用いて窒化ホウ素（B
N）を形成する場合についてみると、一例として精密工
学会誌（53/10/1987）に示された高周波プラズマCVD法
があり、第３図を参照して説明する。図において、真空
槽（31）内に収納された石英反応管（32）の外周にヒー
タ（33）が配置されており、石英反応管（32）内に基板
（34）が設定される。基板（34）の上部には熱陰極（フ
イラメント）（35）が配置されている。石英反応管（3
2）には反応性ガス導入管（36）が接続されており、石
英反応管（32）を囲む高周波コイル（37）には高周波電
源（38）が接続されている。（39）はロータリーポンプ
である。

このような構成からなる高周波プラズマCVD装置を実際
に運転するときには、先ずロータリーポンプ（39）を稼
動させて、反応性ガス導入管（36）より導入されるガス
流量を調整して、石英反応管（32）内に、例えば、B
₂H₆、NH₃およびH₂等の反応性ガスを導入しながら、石英
反応管内（32）を0.1〜10Torr程度に減圧する。

導入された反応性ガスは、高周波電源（38）による高周
波コイル（37）への入力によりプラズマ化され、さらに
熱陰極（35）により活性化される。一方、ヒータ（33）
により基板（34）は高温に加熱して、基板上で反応性ガ
スを分解、還元あるいは置換などの化学反応（B₂H₆＋２
NH₃→2BN＋３H₂）を行わせると共に、この結果生成した
窒化ホウ素（BN）を基板上に堆積させ薄膜が形成され
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来から使用されているCVD装置による窒化ホウ素形成
方法は、以上のように構成されていることから、高温度
雰囲気中の化学反応による薄膜生成過程を含むため、低
温プロセスで薄膜が形成できないという問題点があつ
た。

また、膜質を制御するパラメータがガス圧と基板温度の
みであるために、高性能な薄膜を形成するのが難しいな
どの課題があつた。

この発明は上記のような課題を解決するためになされた
もので、低温プロセスによつて、基板との付着力が強い
高品質の薄膜が形成できるイオン源を用いて成膜する窒
化ホウ素形成方法を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る窒化ホウ素形成方法は、イオンビーム法
に属し、ホウ素元素を含むガスと窒素元素を含むガスを
イオン源に導入し、イオン源においてこれらのガスに電
子ビームを照射してガスを励起、解離および一部イオン
化し、このイオンを電界によつて加速して基板に照射す
る。

〔作用〕

この発明においては、シールド板内で噴出している気体
もしくは蒸気に電子ビームを照射することにより、ジボ
ラン（B₂H₆）、窒素（N₂）等の気体もしくは蒸気を励
起、解離もしくは一部イオン化して活性化させ、遊離し
た元素（たとえばB,N）もしくは反応により生成した窒
化ホウ素（BN）を基板上に堆積させるイオン源を用い
る。

このイオン源は、電子ビーム照射によつて、気体もしく
は蒸気を効率よく励起、解離およびイオン化、もしくは
反応させることができるばかりでなく、電子ビーム照射
によつて生成させるイオン量が制御でき、さらに加速電
極に印加された電圧によりイオンの運動エネルギーを変
化させることで、イオンにより表面をスパツタする効果
があり基板との付着力が非常に強い窒化ホウ素が低温プ
ロセスで形成することができる。

また、B₂H₆とN₂ガスを別々のイオン源に導入して基板に
入射するホウ素元素と窒素元素のイオン運動エネルギー
およびそれぞれのイオン入射量を変化させることで、窒
化ホウ素の結晶性，硬度，熱伝導率等の膜質を自由に制
御することができるばかりでなく、窒素元素のイオン量
を大きくすることでジボランの消費量（排気量）を減少
させ、効率よく窒化ホウ素が形成できる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を第１図を参照して説明す
る。第１図は、基板（12）表面に窒化ホウ素（13）を形
成するのに用いられるイオン源（20）の一例であり、イ
オンの加速手段は、引き出し電極（１）と加速電極
（２）からなる１対のアパーチャ電極で形成されてい
る。電子ビーム放出手段は、プラズマ室（70）内に設け
られた熱陰極（フイラメント）（３）、電界シールド板
（４）、グリツド電極（５）からなり、全体はシールド
板（８）で囲まれている。（71）は熱陰極より放出され
た電子ビームをらせん状の回転運動をさせるための磁界
印加手段であり、これは特になくともよい。ジボランお
よび窒素等のガスもしくは蒸気は、絶縁セラミツク
（７）で支持された気体噴射ノズル（６）によりイオン
源に導入される。電源としては、イオンを加速する加速
直流電源（９）、熱陰極（３）に対して電界シールド板
（４）およびグリツド電極（５）からなるプラズマ室
（70）を正の電位にバイアスするイオン化電源（10）お
よび熱陰極加熱電源（11）がある。

次に、窒化ホウ素形成について、ジボランと窒素の混合
ガスを用いて、これを励起、解離および一部イオン化を
行つて基板（12）表面に、ホウ素イオン、窒素イオン等
を照射して窒化ホウ素（13）を形成する場合を説明す
る。

先ず、図示しない排気系によつて高真空に保たれている
真空槽（14）内のイオン源に、流量が調整された、ジボ
ラン（B₂H₆）、窒素（N₂）などを含む反応性ガスを絶縁
セラミツク（７）で絶縁された気体噴射ノズル（６）よ
り導入し、真空槽（14）内のガス圧を10^-5〜10^-3Torr程
度になるように調整する。

一方、熱陰極加熱電源（11）により約2000℃程度に加熱
された熱陰極（３）から電子ビームが放出されるよう
に、加熱電極（２）、電界シールド板（４）およびグリ
ツド電極（５）によつて構成されるプラズマ室（70）に
対して負のバイアス電圧をイオン化電源（10）によつて
印加する。

このときの電子ビームは、プラズマ室（70）内部に応範
囲に放出されて気体粒子と衝突して、気体の励起、解離
およびイオン化を効率よく行う。またイオン源内のガス
圧は、シールド板（８）により、真空槽（14）内より高
いガス圧に保たれるため、電子ビーム照射によつて、ガ
スの励起、解離およびイオン化がさらに効率よく行われ
る。

また磁界印加手段（71）によつて電子をらせん運動させ
て効率をあげることも可能である。

一方、引き出し電極（１）と加速電極（２）の間に加速
電源（９）によつて電圧を印加すると、上述のイオンは
加速され、運動エネルギーを得て基板（12）に到達し、
化学反応によつて窒化ホウ素（13）が形成される。この
ときの加速電圧を変えることによつて基板（12）表面に
形成される窒化ホウ素（13）の結晶性を立方晶（CBN）
から六方晶（hBN）へ変化させたり、電気的、機械的物
性値を変化させたりすることができる。

以上のように、窒化ホウ素の物性を制御して形成される
高性能な窒化ホウ素を設けた基板は、磁気デイスク保護
膜、機械的耐摩耗部品等幅広い応用分野がある。

次に、他の実施例について、第２図を参照して説明す
る。これは、複数個のイオン源（20a），（20b）を用い
て窒化ホウ素を形成する場合で、気体噴射ノズル（6
a），（6b）は、たとえばジボラン（B₂H₆）と窒素
（N₂）もしくはアンモニア（NH₄）ガスをイオン源に導
入する。（70a），（70b）は、それぞれの気体を励起、
解離もしくはイオン化するプラズマ室である。（1a），
（1b）および（2a），（2b）はそれぞれ異なる加速電圧
を印加して、それぞれホウ素イオンと窒素イオンを窒化
ホウ素（13）を形成する基板（12）に入射させる引き出
し電極と加速電極である。

以上の装置により、それぞれのイオン源にたとえばジボ
ラン（B₂H₆）と窒素（N₂）ガスをそれぞれ気体噴射ノズ
ル（6a），（6b）より導入し、それぞれの気体をプラズ
マ室（70a），（70b）において励起、解離および一部イ
オン化して、引き出し電極（1a），（1b）と加速電極
（2a），（2b）との間にそれぞれ異なる加速電圧を印加
すれば、ホウ素イオンと窒素イオンが基板（12）に入射
するエネルギーを独立に制御できるため、形成される窒
化ホウ素（13）の結晶性、電気的物性、機械的物性をさ
らに自由にコントロールできる。

具体的には、窒素イオンが基板（12）に入射する量や運
動エネルギーをホウ素イオンが基板（12）に入射する量
よりも大きくすれば、ジボランの消費量、すなわち成膜
に用いられずに排気される量を減少させることができ
る。

また窒素イオンを基板に注入させながら成膜を行うと、
硬度などの機械的特性をさらに向上させることができ
る。

なお、上記各実施例では、ジボランと窒素を用いて窒化
ホウ素を形成する場合について述べたが、この組み合せ
はジボランとアンモニアガス等、ホウ素元素を含むガス
もしくはホウ素元素を含む混合ガスと窒素元素を含むガ
スもしくは窒素元素を含む混合ガスの組み合せであれば
どのような組み合せでも窒化ホウ素の形成が可能であ
る。

また、熱陰極（フイラメント）（３）に代えて、マイク
ロ波印加手段を用いてもよい。

〔発明の効果〕

この発明は、以上のように、真空槽内に設けられたイオ
ン源により、気体を励起、解離および一部イオン化し
て、このイオンを加速して基板に窒化ホウ素を形成する
ので、高性能な窒化ホウ素が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に用いる装置の立断面図、
第２図は他の実施例に用いる装置の立断面図、第３図は
従来のCVD装置の立断面図である。 （１）……引き出し電極、（２）……加速電極、（３）
……熱陰極、（４）……電界シールド板、（５）……グ
リツド電極、（６）……気体噴射ノズル、（７）……絶
縁セラミツク、（８）……シールド板、（12）……基
板、（13）……窒化ホウ素、（70）……プラズマ室、
（71）……磁界印加手段。 なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ホウ素元素を含むガスと窒素元素を含むガ
   スをイオン源に導入し、このイオン源においてこれらの
   ガスに電子ビームを照射して前記ガスを励起，解離およ
   び一部イオン化し、このイオンを電界によつて加速して
   基板に照射して前記基板上に窒化ホウ素を形成する窒化
   ホウ素形成方法。