プラズマと薄膜表面形成過程の最適化による窒化ホウ素薄膜の広レンジ機能制御

通过优化等离子体和薄膜表面形成工艺对氮化硼薄膜进行广泛的功能控制

• 批准号: 22KJ2022
• 负责人: 朝本 雄也
• 金额: $ 1.6万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ2022/
• 关键词: 窒化ホウ素; プラズマ; 真空アーク放電; イオン衝撃; Nラジカル; フラックス; 窒化ホウ素; プラズマ; 真空アーク放電; イオン衝撃; Nラジカル; フラックス

窒化ホウ素（BN）膜は内部の元素組成・結合状態によりその特性が幅広く変化する．BN膜中の元素組成・結合状態制御には，「原料（B）供給」「反応性粒子（N）生成」「基板と薄膜に対するイオン衝撃」の３要素の高度制御が不可欠である．本研究では，これら3要素を独立に制御しうる反応性プラズマ支援成膜（RePAC）法を用いたBN膜の機能設計・制御技術の確立を目指すものである．以下に研究の概要を示す．（１）RePACに搭載されたプラズマ源である真空アーク放電を解析し，陰極から放出される熱電子の陽極への輸送がカソード前面の空間負電荷により阻害される現象を確認した．この熱電子輸送阻害機構は，Nラジカル・各種イオン生成を律速するものであり，かつプラズマ生成条件に大きく依存することを明らかにした．特に，Nラジカル生成については，母ガスとなる窒素ガス割合とこの律速機構の競合により，最適なガス混合比が存在することを明らかになった．さらに，この描像に基づき，Nラジカル生成とイオン衝撃を広レンジで独立に制御する方法論を確立した．（２）（１）で明らかになった描像に基づくプラズマ源の最適化，蒸発源からの水素発生抑制を目的としたB蒸発源の最適化を施した新規チャンバーを設計した．この新規チャンバーでは，スループットや制御性の向上，磁極の変更によるプラズマの制御レンジ拡大が図られている．（３）プラズマから入射するイオンによりカソード陰極がスパッタされ，カソード構成原子（W）がBN膜に取り込まれる効果が，BN膜特性に影響を及ぼすことがわかってきた．BN膜中のW割合制御を目的とし，カソードに入射するイオンのエネルギーに関わるプラズマポテンシャルの測定，被プロセス基板へのW原子フラックスの測定を行い，プロセスパラメータとの相関を得た．

硝化硼（BN）膜的性质因内部元素组成和键合状态而变化很大。为了控制BN膜中的元素组成和键合状态，必须控制这三个要素：“原材料的供应（B），反应性颗粒（N）的产生（N）以及基板和薄膜上的离子轰击。”这项研究旨在使用反应性等离子体辅助膜形成（REPAC）方法为BN膜建立功能设计和控制技术，该方法允许这三个元素独立控制。以下是研究的概述。 （1）我们分析了真空电弧排放，这是一种安装在DEPAC中的等离子体源，并确认了这种现象，即在阴极前部的空间负电荷抑制了从阴极向阳极发射到阳极的热电子的运输。据表明，这种热电子转运抑制机制限制了n个自由基和各种离子的产生，并且在很大程度上取决于血浆的产生条件。特别是，由于氮气的比例是母气的比例与限制速率机制，因此存在最佳气体混合比。此外，基于此图像，我们建立了一种方法，用于独立控制N激进的一代和离子轰击。 （2）设计了一个新的室，该腔室是根据基于（1）中显示的图像和B蒸发源优化血浆来源的，并且优化了用于从蒸发源抑制氢产生的B蒸发源。这个新腔室改善了吞吐量和可控性，并通过更改磁极扩大了血浆控制范围。 （3）已经发现，从血浆中的离子溅射阴极并将阴极 - 固定原子（W）掺入影响BN膜特性的BN膜中的效果。为了控制BN膜中的W比，测量了与入射阴极上的离子能量和要处理的基板上的W原子通量有关的血浆电位，并获得了与过程参数的相关性。