JPH02236269A - 窒化ホウ素膜の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野］ この発明は、たとえば切削工具および研磨工具などの被
覆膜ならびにヒートシンクの材料などとして好適に用い
られる窒化ホウ素膜の形成方法に関するものである。

（従来の技術〕 窒化ホウ素は、結晶積造によって主に３種類に分けられ
る．それらは、六方品窒化ホウ素（以下ｒｈ−ＢＮＪと
いう．）、六方最密充填窒化ホウ素，および立方晶窒化
ホウ素（以下ｒｃ−ＢＮＪという．）である．このなか
で、ｃ−ＢＮは、熱伝導率．硬度，耐熱性，耐摩耗性．
および絶縁性に優れており、たとえば切削工具および研
磨工具などの被覆膜ならびにヒートシンクの材料などと
して注目されている．これまで、ｃ−ＢＮは高温・高圧
下で合成されてきたが、その用途を拡大するために、最
近では基体上に薄膜化して形成する研究が行われるよう
になってきている．基体表面に窒化ホウ素膜を形成する
方法としては、化学薫着（ＣＶＤ）法および物理蒸着（
ＰＶＤ）法がよく知られている．しかしながら、ｃＶＤ
法では、作製した膜はｈ−ＢＮが主体となり、ｃ−ＢＮ
主体の膜を形成するのが困難であるとともに、膜と基体
との間の密着性が悪いという問題がある， ＰＶＤ法には、たとえばイオン化された原子を加速，減
速して基体表面に堆積させるイオンビーム・デポジショ
ン法、クラスターイオンを加速して基体上に堆積させる
クラスターイオンブレーティング法、その他イオンビー
ムスパッタリング法などがあるが、これらの方法によっ
てもやはりＣ−ＢＮ主体の膜を形成するのは困難である
．しかも、これらのＰＶＤ法では、基体に照射されるイ
オンの運動エネルギーが数ｅＶ〜数百ｅＶの比較的低い
範囲にあり、このためイオン種の基体内部への注入は期
待し得す、したがって膜と基体との密着性が悪いという
問題がある． そこで、近年ではエネルギーを数十〜数百ｋｅＶとした
イオン種を用いて成膜を行うイオン注入法やイオンミキ
シング法が注目されている．とくに、ホウ素系の物質の
蕉着と同時または交互に数十〜数百ｋｅＶに加速したイ
オン種を基体に照射するようにして、基体表面に基体の
材料とホウ素とイオンとの混合層を形成するようにした
イオンミキシング法では、ｃ−ＢＮを多く含む膜を基体
に対して強固に密着させて形成できるという報告がなさ
れている． （発明が解決しようとする諜Ｂ） しかしながら、上記イオンミキシング法によって形成さ
れる窒化ホウ素膜には、ｃ−ＢＮとともにｈ−ＢＮもま
た含まれており、したがっていわばｃ−ＢＮとｈ−ＢＮ
との混在膜が得られるに過ぎない，ｈ−ＢＮは高潤滑性
および低硬度などのｃ−ＢＮとは相反する性質をいくつ
か有しており、このため上記イオンミキシング法によっ
て形成した窒化ホウ素膜ではｃ−ＢＮの特徴を充分に発
運させることができず、結果として良好な膜質を有する
ことができなかった． この発明の目的は、上述の技術的課題を解決し、ｌｌ！
質を格段に向上することができる窒化ホウ素膜の形成方
法を提供することである． 〔課題を解決するための手段〕 この発明の窒化ホウ素膜の形成方法は、ホウ素を含む物
質の蒸着と、窒素イオン．窒素化合物イオン．および不
活性ガスイオンのなかの少なくとも１種のイオンの照射
と、水素イオンの照射とを併用して、基体表面に窒化ホ
ウ素膜を形成することを特徴とする． 第１図はこの発明の実施のために用いられる薄膜形成装
置の構成例を示す概念図である．窒化ホウ素膜を形成す
べき基体１はホルダ２表面に固定して配置され、この基
体１に対向して蒸発源３およびイオン源４．５が配置さ
れる．ホルダ２，蒸発源３，およびイオン源４，５など
は図示しない真空槽内に収められており、この真空槽内
は成膜に適した圧力に保たれる． このような薄膜形成装置によって、蒸発源３からは、ホ
ウ素や窒化ホウ素などのホウ素を含む物質が蒸発させら
れる．このようにして、ホウ素を含む物質の蒸着が行わ
れるのと同時または交互に、イオン源４からは、窒素イ
オン，窒素化合物イオン，および不活性ガスイオンのな
かの少なくとも１種のイオンが基体１に向けて照射され
る．前記窒素化合物とは、たとえばアンモニアなどであ
る．このようにして、基体１の表面に窒化ホウ素膜が堆
積される．ただし、イオン源４からのイオンが不活性ガ
スイオンのみであるときには、蒸発源３からは窒化ホウ
素などの窒素とホウ素とを含む物質が蒸発させられる． 上述のような窒化ホウ素膜の堆積と、同時または交互に
、イオン源５からは水素イオンが照射される．このよう
にして、蒸発源３から蒸発させられる物質の蒸着と、イ
オン源４．５からのイオンの照射とを併用することによ
って基体１上に窒化ホウ素膜が形成される． このような窒化ホウ素膜の形成は、以下に例示するよう
な種々の形態で行うことができる。

■　金属ホウ素の蒸着の後に窒素イオンの照射を行い、
この後にさらに水素イオンの照射を行うという一連の操
作を反復して行う。

■　窒化ホウ素の痕着の後に不活性ガスイオンの照射を
行い、この後にさらに水素イオンの照射を行うという一
連の操作を反復して行う。

■　金属ホウ素の萎着と同時に窒素イオンの照射を行っ
て窒化ホウ素膜を堆積させ、この窒化ホウ素膜の堆積後
に水素イオンの照射を行うという一連の操作を反復して
行う。

■　窒化ホウ素の蒸着と同時に不活性ガスイオンの照射
を行って窒化ホウ素膜を堆積させ、この窒化ホウ素膜の
堆積後に水素イオンの照射を行うという一連の操作を反
復して行う。

■　窒化ホウ素の草着と同時に不活性ガスイオンの照射
を行って窒化ホウ素膜を堆積させ、この窒化ホウ素膜の
堆積と同時に水素イオンの照射を行う． なお、第１図に示された構成では、イオン源が２個設け
られているが、イオン源は１個でもよく、たとえば共通
のイオン源から窒素ガスイオンなどと水素イオンとの照
射を交互に行わせるようにすれば、上記■〜■などの形
態で窒化ホウ素膜を基体表面に形成することができる． 〔作用］ 上述のような窒化ホウ素膜の形成方法によれば、基体１
の表面では、蒸発′ａ３からの蒸発物がイオン源４．５
からのイオンにより基体１の内部に押し込まれ、またイ
オン源４．５からのイオンが基体１の内部に侵入するこ
とにより、基体ｌの材料と蒸発源３から蒸発される物質
と前記照射されるイオンとが混合した混合層が形成され
、これによって窒化ホウ素膜は基体１の表面に強固に密
着して形成されることになる． また、イオンＲ５から照射される水素イオンは、前記窒
化ホウ素腹中に存在するＳＰまたはＳＰ”混成軌道を持
った核（これらは、非立方晶窒化ホウ素を成長させる．
）と反応して、これらをＳＰ”結合の核に変換して、ｃ
−ＢＮの生成を促進する．さらに、前記水素イオンは、
水素一ホウ素化合物や水素一窒化ホウ素を生成すること
により、腹中のｈ−ＢＮを選択的に除去する働きをも脊
している．さらにまた、膜中の未反応ホウ素や窒素原子
を除去して膜を清浄化する役割も果たし、ホウ素と窒素
とが結合する際にＳＰ３結合を生じるに充分な励起状態
となるエネルギーを与える．また水素イオンによって、
膜中のｃ−ＢＮ以外の窒素ホウ素構造物や単体原子１単
体金属が除去され、これによって膜中におけるｃ−ＢＮ
の割合が大きくなり、膿の特性がｃ−ＢＮにより支配さ
れるようになる． このようにして、熱伝導率，硬度，耐熱性，耐摩耗性．
および絶縁性に優れた窒化ホウ素膜が基体１上に形成さ
れることになる。

なお、窒化ホウ素膜の形成時において、窒素イオン，窒
素化合物イオン．不活性ガスイオン．および水素イオン
の加速エネルギーは、０．１〜５０ｋｅＶとされるのが
好ましく、より好ましくは０．２〜２０ｋｅＶとされる
のがよい．加速エネルギーが０．１ｋｅＶ未満であると
きには、窒化ホウ素膜を基体１に対して充分強固に密着
させることができず、また２ＱｋｅＶ以上の加速工不ル
ギーを有するイオンを照射すると、窒化ホウ素膜中にｃ
−ＢＮが形成されにくくなる． さらに、窒素イオン，窒素化合物イオン，または不活性
ガスイオンの照射ＩＸに対する水素イオンの照射ｉ１Ｙ
の比（Ｘ／Ｙ）は、０．１〜ｌＯＯに選ばれるのがよく
、より好ましくは０．５〜１０の範囲に選ばれるのがよ
い．この比（Ｘ／Ｙ）が、０．１〜１００の範囲から逸
脱すると、ｃ−ＢＮが形成されにくくなる． また、蒸発ｌｆＩ３からホウ素を含む吻貿を莫発させ、
イオン源４から窒素イオンを含むイオンを照射する場合
に、基体１の表面におけるホウ素原子と窒素原子との比
（Ｂ／Ｎ）は０．　１〜６０の範囲に選ばれるのが好ま
しく、より好ましくは０．５〜４０に選ばれるのがよい
．この比（Ｂ／Ｎ）が、０．１〜６０の範囲から逸脱す
ると、ｃ−ＢＮが形成されにくくなる． 〔実施例１〕 第１図に示された構成において、基体１としてシリコン
基板を用い、このシリコン基板表面に対して蒸発ｆｌ３
からの金属ホウ素の蒸着と同時にイオン源４から窒素イ
オンの照射を行って窒化ホウ素膜を堆積させ、この窒化
ホウ素膜の堆積と同時にイオン源５から水素イオンを照
射して、前記シリコン基板表面に膜厚３０００人の窒化
ホウ素膜を形成した試料を作製した．このとき窒素イオ
ンおよび水素イオンの各加速エネルギーは０．２ｋｅＶ
とし、また基板表面でのホウ素原子と窒素原子との比（
Ｂ／Ｎ）を１とし、水素イオンと窒素イオンとの照射量
の比（水素イオン／窒素イオン）を０．５とした．また
比較のために、水素イオンの照射を行わず、他は前述と
同様な条件で比較用試料を作製した． 上記２つの試料に関して、Ｘ線回折による分析を行った
ところ、上記比較用試料では回折角２θ−４３．９’，
４３．３゜の２点でＸ線回折強度のピークが検出された
．回折角２θ＝　４　３．　９°での回折ピークはｈ−
ＢＮの存在を表し、回折角２θ＝４　３．　３　”での
回折ピークはｃ−ＢＮの存在を表している．したがって
上記比較用試料ではｃ−ＢＮとｈ−ＢＮとが混在した混
在膜がシリコン基板表面に形成されていることが判る．
これに対して、この実施例に従って作製した試料では、
回折角２θ−４３．３″″でのみＸ線回折強度のピーク
が検出されており、したがってこの実施例に従って作製
した試料では、シリコン基板表面にｃ−ＢＮのみを含む
窒化ホウ素膜が形成されていることが判る． また、１０ｇ荷重ビッカース硬度は、前記比較用試料で
は４０００Ｈｖであったのに対し、この実施例に従って
作製した試料では５５００Ｈｖであった．したがって、
この実施例によれば硬度が極めて高い窒化ホウ素膜を形
成することができることが理解される． 〔実施例２〕 上記実施例１において、窒素イオンの照射エネルギーを
５　ｋｅＶとし、他は同様の条件でシリコン基板表面に
窒化ホウ素膜を形成した試料を作製した．また、同様な
条件で水素イオンの照射を行わずにシリコン基板表面に
窒化ホウ素膜を形成した比較用試料を作製した． この２つの試料に関してＸ線回折による分析を行ったと
ころ、上記比較用試料では回折角２θ一４３．９°，４
３．３’の２点でＸ線回折強度のピークが検出されたの
に対し、この実施例に従って作製した試料では、回折角
２θ＝　４　３．　３　”でのみそのピークが検出され
た．また、１０ｇ荷重ビッカース硬度を測定したところ
、上記比較用試料では３９５０Ｈｖであったのに対し、
この実施例に従って作製した試料では５８００Ｈｖであ
った。

〔発明の効果］ 以上のようにこの発明の窒化ホウ素膜の形成方法によれ
ば、基体と窒化ホウ素膜との界面では、基体に蒸着され
るホウ素を含む物質が基体表面に向けて照射されるイオ
ンによって基体の内部に押し込まれ、また前記照射され
るイオンが基体内に．侵入することにより、基体の材料
と前記ホウ素を含む物質と前記照射されるイオンとが混
合した混合層が形成される．この混合層の働きによって
、窒化ホウ素膜は基体に対して強固に密着して形成され
ることになる． 基体表面に堆積された窒化ホウ素膜には、水素イオンが
照射されるが、この水素イオンは、前記窒化ホウ素腹中
でのｃ−ＢＮの生成を促進し、さらに窒化ホウ素膜中に
存在するｃ−ＢＮ以外のものを除去する働きを有し、こ
れによって、基体表面にはｃ−ＢＮの割合が極めて大き
い窒化ホウ素膜が形成されることになる．したがうて、
膜の特性がｃ−ＢＮにより支配されるようになり、熱伝
導率．硬度，耐熱性，耐摩耗性，および絶縁性に優れた
窒化ホウ素膜を基体表面に形成することができるように
なる。

【図面の簡単な説明】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ホウ素を含む物質の蒸着と、窒素イオン、窒素化合物イ
   オン、および不活性ガスイオンのなかの少なくとも１種
   のイオンの照射と、水素イオンの照射とを併用して、基
   体表面に窒化ホウ素膜を形成することを特徴とする窒化
   ホウ素膜の形成方法。