Understanding the growth mechanism of boron carbon nitride films based on the ion transportation behavior in HiPIMS deischarge

2018 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17KK0136
• Research Institution: Tokyo Metropolitan University
• Principal Investigator: 清水 徹英 首都大学東京, システムデザイン学部, 助教 (70614543)
• Project Period (FY): 2018 – 2020
• Keywords: HiPIMS / マグネトロン磁場 / グリッドプローブ / 炭化ホウ素 / イオン

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、スパッタ粒子の高いイオン化率を特徴とするHiPIMSプロセスによる優れた実耐久性を有する超高靱性炭窒化ホウ素(BCN)膜の創製を目指し、HiPIMSプラズマにおけるイオン輸送挙動とBCN膜成長メカニズムの相関性を学術的に解明していくものである。その実現に向け、HiPIMS研究を牽引してきたLinkoping大学IFM研究科Plasma and Coatings Physics研究グループの下で、イオン輸送挙動解析の要となるエネルギアナライザ付質量分析計によるプラズマ分析を主体として、(1)Bn+・C n+・N n+イオン流束・エネルギー分布に影響を及ぼす関連因子、(2) (1)に基づいたバイアス遅延同期による基板入射イオン抽出の実現可能性、(3)BCN膜成長における各イオン種の密度・エネルギーの役割の解明に従事していくことを研究の全体目標とした。
これに対し初年度は，次年度4月からの渡航前の準備として、①電磁コイルによる磁場可変システムの稼働実験および②グリッドプローブの設計とその実用性の検証を実施した。
①では，国内で所有する磁場可変マグネトロンシステムを用いて，各コイル電流条件下における磁場分布データを取得し，コイル電流とマグネトロン磁場との関係性を明らかにした。特にコイル電流の正負値を±10Aのレンジで制御させることで、平衡磁場から非平衡磁場へ柔軟に可変することが実証された。
②では，新たにグリッドプローブを作製し，グリッドへの印加電圧によるイオンフラックスのフィルタリング効果の検証を行い、グリッドサイズ、電極間距離等のプローブ設計における現状の課題を抽出した。
以上を踏まえ、次年度以降における実験環境整備に関する足掛かりを得た。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

全体の研究目標に対し，初年度は、①電磁コイルによる磁場可変システムの稼働実験および②グリッドプローブの設計とその実用性の検証の2点について計画した．
これに対し、①の電磁コイルによる磁場可変システムの稼働実験に関しては当初の計画通り研究が遂行された。同稼働実験により，マグネトロン磁場の可変操作の実現可能性が実証されたため、次年度の計画における磁場可変システム設計の足掛かりとなった。
②に関しては、グリッド電極、各種阻止電極を有するグリッドプローブのプロトタイプの設計および製作が実現された。同プローブおよび水晶式検出器を用いたフィルタリング効果の予備検証では、実際のプラズマ環境における測定段階には至ったものの、その測定データの取得においてプローブ設計およびその測定系に関する課題を残した。特にグリッドサイズおよび電極間距離、その他測定系における電気回路設計等、有効なデータの取得に向けてさらなる改善が必要となる。
以上のように予備的検証に基づいた知見が得られ、次年度の渡航に向けた研究環境の構築が進められており、当初計画に対しては、おおむね順調に進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

今後の研究の推進方策として、特に次年度の渡航期間中に①磁場可変システムおよびグリッドプローブの設計・製作と実験環境の整備、②エネルギアナライザ付質量分析による各種パルス（ユニポーラおよびバイポーラ型）および各種磁場条件下でのイオン輸送挙動の解析、の2点について重点的に研究を遂行していく。

①では今年度に実施された予備検証に基づいて、現在所有しているマグネトロンシステムの設計を参照し、新たに渡航先機関で利用するための磁場可変電磁コイルシステムの設計・製作を行う。次年度内に同ハードウェアの準備が整った際は、同システムの稼働実験を行った上で、コイル電流と磁場分布との関連性を明らかにし、以降の②におけるイオン輸送挙動解析に活用していく。またこれと併行して、最終年度におけるグリッドプローブの活用を実現するため、初年度の予備検討に基づいた設計・試作を継続的に進めていく。

②では、エネルギアナライザ付質量分析計を用いて、従来のユニポーラ型HiPIMSパルスと併せて、その新しい取り組みとしてバイポーラ型HiPIMSパルスにおけるイオン輸送挙動の解析を実施する。特に磁場構成による電子密度・電子温度分布の変化に伴い、プラズマ電位の空間分布が大きく変動し、プラズマ中のイオン化挙動が大きく左右されるため、その大きな影響因子として各種磁場構成におけるイオン輸送挙動の分析を進めていく。ここでは各種パルス条件および磁場構成下でのB, C, Nイオンにおけるイオンの運動エネルギー分布の変化、基板位置におけるイオンフラックスの時間推移の分析等を実施し、最終年度におけるBCN成膜条件の足掛かりを掴んでいく。