2021 Fiscal Year Annual Research Report

パラメータ分離型アーク放電による窒化ホウ素膜のsp結合制御と機能設計の研究

Research Project

Project/Area Number	20H02481
Research Institution	Kyoto University
Principal Investigator	江利口浩二京都大学, 工学研究科, 教授 (70419448)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords	窒化ホウ素 / プラズマ / 結合状態 / 電気特性 / 光学特性
Outline of Annual Research Achievements	窒化ホウ素膜(BN)は化学安定で様々な極限環境や電子デバイスへの応用が期待されている唯一の材料であるが，実用に耐えうる2D,3D構造の制御技術は未だ確立されていない．本研究では反応性プラズマ成膜(RePAC)法を用い，安定したBN膜の構造制御・機能設計手法の実現を目指した．以下に研究実績の概要を示す．（１）既存のRePACシステムにおいて，イオンエネルギーとイオン・ホウ素フラックスを独立に制御し，単結晶シリコン基板上へsp2－sp3結合混相系BN膜を作製した．昨年度作成したマッピングパラメータに加えて，基板ウエハを設置する反応室でのアークプラズマのアノード電流を制御することで，基板へのイオンフラックスを実効的に変化させることが可能になった．その結果，密着性が向上し，sp2－sp3結合比制御性がより安定し，RePAC法の性能向上が実現できた．（２）改良した既存のRePAC法により種々のcubic BNを作製し，重要な機械特性であるナノインデンテーション硬さマッピングにおいて，hexagonal BN含め，0.8から80GPa領域の硬さが実現できた．高硬度性能は，これまで報告されている超高硬度領域に位置することが確認できた．（３）RePACで作製した種々のBN薄膜の誘導結合型ArおよびN2プラズマに曝露し，スパッタ率を解析した．フーリエ赤外分光分析およびトンネルリーク電流特性解析により，BN膜の本質的物性変化の理解を深化させることができた．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason コロナ禍による反応室改造遅延が発生した一方で，既存のプロセスによるBN膜の解析が想定以上に進展し，多くの研究成果に結実したと考える．
Strategy for Future Research Activity	今後は，改良型アーク放電型高密度プラズマシステムを完成させる．特に反応室の構造，例えばプロセスシーケンス上，不可避のアークプラズマ安定化ステップ中でのサンプル基板曝露防止用シャッターなど，RePACプロセス性能の向上を目指す．また，既存のプラズマ源で運用しているh-BN/c-BN組成比をデザインできる成膜プロセス法の改良を進める．Si基板，SiO2/Siなど様々な母材上に，sp2－sp3結合比を変化させたBN膜を形成する．これら構造に対して，以下の課題を明らかにする．（１）母材の違いによる剥離機構や光学特性，そしてトンネルリーク電流特性との相関を，sp2－sp3結合比を指標に明らかにする．（２）BN作製した構造から，ナノテクノロジープロセスにより，種々の微小デバイス構造を作製する．多数のデバイス解析を通して，統計的指標による（１）の解析を進める．さらに，マイクロスケールでの凹凸構造を有するSi基板母材を作製し，密着・剥離機構の理解を目指す．