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

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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．