反射高速電子回折法による窒化チタン機能性薄膜の原子レベル制御に関する研究

2000 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 11650713
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 粕壁 善隆 東北大学, 留学生センター, 助教授 (30194749)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山田 幸男 東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (60005816)
• Keywords: 窒素注入 / 窒化チタン / hcp-fcc変態 / 反射高速電子回折法 / その場観察 / 透過電子顕微鏡法 / 電子エネルギー損失分光法 / 分子軌道法

Research Abstract

窒化チタンの物性はチタンと窒素の組成比によって金属性から絶縁性まで変わり、チタンと配位子である窒素との結合環境も変化する。この窒化チタンを次世代のデバイスに応用するには、組成とともに変わるチタンと配位子との結合環境をその場観察で明らかにし制御する必要がある。そこで、本研究では、反射高速電子回折法によるその場観察のできる超高真空装置中で膜厚100nmのTi薄膜を作製し、その薄膜に窒素イオン(62keVのN_2^+)を注入して、窒化チタン薄膜の成長素過程を透過電子顕微鏡法で評価するとともに、電子エネルギー損失分光法による電子状態評価の結果と合わせて、窒化チタン薄膜の物性の発現機構及び制御性に関する知見を得てきている。蒸着Ti薄膜にはhcp-Tiの他にTiHxも成長していた。TiHxの窒化ではfcc-Ti副格子の四面体位置の水素が脱離し、fcc-Ti副格子の八面体位置に侵入した窒素がTiと結合してTiNyが成長した。水素の脱離は、プラズモンによる損失ピークの低エネルギー側へのシフトをもたらす。hcp-Tiの窒化では、hcp-Tiの局所的な原子の配列を継承した変態によりできたfcc-Ti副格子の八面体位置に窒素が侵入し、TiNyが成長した。プラズモンによる損失エネルギーから評価した結果、TiNyにおけるTi3dとN2p軌道の混成した結合性軌道からなる価電子帯の電子密度が注入量の増大に伴い増加することが分かった。これは結合に関わる窒素量が増大するためと考えられる。クラスターモデルの分子軌道計算により、窒素の注入とともにTi-Tiの結合が急激に弱まり、新たにできたTi-N結合がTiNyの高硬度をもたらすことが分かった。これらのことより、窒化チタンの物性を制御するための指標としてプラズモンによる損失エネルギーおよび分子軌道計算による結合度合が使える可能性を明らかにした。

Research Products

• [Publications] Y.Kasukabe: "In-situ Observation of Processes of TiN Thin Film Formation by N-Implantation"JAERI-Review. 99・025. 169-171 (1999)
• [Publications] Y.Kasukabe: "In-situ Transmission Electron Microscopy and Electron Energy Loss Spectroscopy observation of TiN grown by N-implantation"Japanese Journal of Applied Physics. 39・7B. 4395-4399 (2000)