(57)【要約】      （修正有）【課題】立方晶構造と六方晶構造それぞれの単相膜を作製でき、基板からの剥離がなく、結晶の品質が高い単相立方晶窒化ホウ素薄膜を製造する方法の提供。【解決手段】４００〜１３００℃に加熱された基板上に、ＮとＢと希ガスイオンとを供給し、窒化ホウ素薄膜を形成する。Ｎは、RFラジカルソースで生成した窒素原子ラジカルとRFイオンソースで生成した窒素分子イオンとの両方、または窒素原子ラジカルのみを原料とし、Ｂは金属ホウ素を原料とし、希ガスイオンはRFイオンソースで生成されたAr等のイオンであり、単位時間あたりに基板に到達するＮとＢの比(V/III比)が0.6以上であり、かつ希ガスイオンが膜の1Ｂに当りに与える運動量が10-600(eV*amu)1/2であり、かつV/III比をr、1Ｂ当りに加わる運動量をmとすると、r＞-0.1m+2.3を満たす単相立方晶窒化ホウ素薄膜の製造方法。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を４００℃〜１３００℃の範囲内の温度に加熱する第1工程と、
加熱されている前記基板上に、窒素原子とホウ素原子と希ガスイオンとを供給して、前記基板上に窒化ホウ素薄膜を形成する第2工程と
を備え、
前記窒素原子は、RFラジカルソースで生成した窒素原子ラジカルとRFイオンソースで生成した窒素分子イオンとの両方、または前記窒素原子ラジカルのみを原料とし、
前記ホウ素原子は金属ホウ素を原料とし、
前記希ガスイオンはRFイオンソースで生成されたArイオン、Krイオン、Neイオン、Xeイオンのいずれかであり、
単位時間あたりに基板に到達する前記窒素原子の量と前記ホウ素原子の量の比(V/III比)が0.6以上であり、かつ前記希ガスイオンが成長中の窒化ホウ素膜の1ボロン原子に当りに与える運動量が10-600 (eV*amu)1/2であり、かつV/III比をr、1ボロン原子当りに加わる運動量をmとすると、r＞-0.1m+2.3を満たすことを特徴とする単相立方晶窒化ホウ素薄膜の製造方法。
【請求項２】
前記基板が、Si(111)、Si(110)、Si(001)、ダイヤモンド(111)、ダイヤモンド(110)、ダイヤモンド(001)、MgO(111)、MgO(110)、MgO(001)、C面サファイヤ、R面サファイヤのいずれかであることを特徴とする請求項1に記載の単相立方晶窒化ホウ素薄膜の製造方法。
【請求項３】
請求項1または2に記載の製造方法により製造され、立方晶構造以外の構造を含まないことを特徴とする単相立方晶窒化ホウ素薄膜。
【請求項４】
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の製造方法により製造され、立方晶構造と六方晶構造の両方の構造を含み、前記立方晶構造の割合が90%以上であることを特徴とする窒化ホウ素薄膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単相立方晶窒化ホウ素薄膜の製造方法、及び単相立方晶窒化ホウ素薄膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
立方晶窒化ホウ素(cBN)は、大きなバンドギャップエネルギー(6.3eV)を有すること、およびsp3結合の窒化物半導体(AlN,GaN,InN)とヘテロ接合が形成できることから、高耐圧電子デバイスや紫外発光デバイスへの応用が期待される。また、六方晶窒化ホウ素(hBN)は、たとえば、その高い絶縁性から、絶縁層として利用するといった電子デバイスへの応用などが期待される。
【０００３】
立方晶窒化ホウ素と結晶構造が近いダイヤモンド基板上で窒化ホウ素を成長させると、単相の立方晶窒化ホウ素薄膜が得られる。しかしながら、従来技術でダイヤモンド以外の基板上に作製した窒化ホウ素薄膜は単相ではなく、六方晶構造と立方晶構造の両方を含む混成膜であり、また膜厚を厚く成長させると、成長させた窒化ホウ素薄膜は基板から剥離するという問題があった。そのため立方晶窒化ホウ素の特徴を活かしたデバイス応用に制限があった。また従来技術では立方晶構造を形成するために高い運動量を持つイオンを基板上の窒化ホウ素薄膜に照射しながら窒化ホウ素薄膜を成長させる必要があったが、高い運動量を持つイオンは窒化ホウ素薄膜の結晶構造にダメージを与えるため、結晶品質が高い窒化ホウ素薄膜が得られなかった。そのため窒化ホウ素薄膜を利用した電気・光デバイスが作製できない問題があった。
【０００４】
以下に、基板としてダイヤモンドを用いない従来の窒化ホウ素薄膜の作製方法の一例と、当該作製方法により製造される窒化ホウ素薄膜について述べる。
【０００５】
窒化ホウ素薄膜の成長にはRFイオンソースを備えたMBE装置を用いた。イオンソースの原料ガスは窒素とアルゴンであり、窒素イオンとアルゴンイオンが窒化ホウ素薄膜に付与する運動量の合計は250(eV*amu)1/2である。1個の窒素イオンは2個の窒素原子として働く。ホウ素は高純度の金属ホウ素を原料とした。窒素原子の量とボロン原子の量の比であるV/III比は0.5である。窒化ホウ素薄膜は1000nmの膜厚に成長させた。用いた基板はSi(001)基板である。この従来技術で作製した窒化ホウ素薄膜は図1(a)に示すように、基板材料からの窒化ホウ素膜の剥離が起こる。これは高い運動量を持つイオンを照射したことによって、窒化ホウ素薄膜内に大きな圧縮歪が生じるためである。
【０００６】
上記の作製方法で作製した窒化ホウ素薄膜の赤外(IR)吸収スペクトルを(図1(b))に示す。図1(b)では、立方晶構造に起因する吸収ピークが1100cm-1付近に、六方晶構造に起因する吸収ピークが800cm-1付近にと1400cm-1付近に観測された。これは従来技術で作製した窒化ホウ素薄膜が、立方晶構造と六方晶構造の異なる結晶相から構成された混成膜であることを示している。このように従来技術では、膜厚1000nm以上でも剥離が起こらない単相の立方晶窒化ホウ素薄膜の成長はできなかった。また高い運動量を持つイオンを照射したことにより、結晶にダメージが生じるため質のよい窒化ホウ素薄膜は得られなかった。
【０００７】
一方、RFイオンソースを備えたMBE装置を用いて作製した場合とは異なり、フッ素系のガスを用いるプラズマジェットCVD法を用いて作製した場合では、膜厚1000nm以上であっても剥離が起こらない窒化ホウ素薄膜の成長が可能であるが、上記のMBE装置を用いた場合と同様、成長した窒化ホウ素薄膜は立方晶構造と六方晶構造の異なる結晶相から構成された混成膜であった[非特許文献1]。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】K. Teii, R. Yamao, T. Yamamura, and S. Matsumoto, J. Appl. Phys., 101, 033301 (2007).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
以上のように、従来技術では窒化ホウ素薄膜は立方晶構造と六方晶構造の異なる結晶相から構成された混成膜であった。また、膜厚を厚く成長させると、窒化ホウ素薄膜は歪により基板から剥離していた。さらに、高い運動量を持つイオンを照射していることから質の良い結晶は得られていなかった。
【００１０】
本発明の目的は、立方晶構造と六方晶構造それぞれの単相膜を作製でき、基板からの剥離がなく、結晶の品質が高い単相立方晶窒化ホウ素薄膜を製造する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
従来技術により製造した窒化ホウ素薄膜が立方晶構造と六方晶構造の異なる結晶相から構成された混成膜であり、かつ窒化ホウ素薄膜内の歪によって窒化ホウ素薄膜が基板から剥離する上記課題を解決するため、本発明の製造方法は、基板を加熱する第1工程と、所定の温度に加熱された前記基板上に、窒素原子原料とホウ素原子原料と希ガスイオンとを同時に供給して前記基板上に単相立方晶窒化ホウ素薄膜を形成する第2工程とを少なくとも備え、第2工程では前記窒素原子原料がRFラジカルソースで生成した窒素原子ラジカルとRFイオンソースで生成した窒素分子イオンの両方、または前記窒素原子ラジカルのみであり、前記ホウ素原子原料がホウ素原子であり、前記希ガスイオンがRFイオンソースで生成したArイオン、Krイオン、Neイオン、Xeイオンのいずれかである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、立方晶構造と六方晶構造それぞれの単相膜を作製することが出来、また、剥離がなく、結晶の品質が高い単相立方晶窒化ホウ素薄膜を製造することが可能になる。さらに、本発明によれば、立方晶構造と六方晶構造の混成膜において、立方晶構造と六方晶構造の比率を変化させることで、薄膜の硬さを変化せることが可能になり、立方晶構造の割合が90%以上あれば単相立方晶窒化ホウ素と同等の機械強度が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来技術により作製した窒化ホウ素薄膜の、図１(a)は写真であり、図1(b)は赤外(IR)吸収スペクトルである。
【図２】本発明の方法により作製した窒化ホウ素薄膜の、図2(a)は写真であり、図2(b)は赤外(IR)吸収スペクトルである。
【図３】本発明の方法により作製した窒化ホウ素薄膜の、V/III比と1ボロン原子当りに加わる運動量のそれぞれに対応する窒化ホウ素薄膜構造を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［実施例1］
単相立方晶窒化ホウ素薄膜を形成するための製造方法を説明する。膜厚1200nmの窒化ホウ素薄膜はMBE法でSi(001)上に形成した。基板温度は400℃である。ホウ素は高純度の金属ホウ素を原料とした。窒素原子は窒素原子ラジカルと窒素分子イオンの両方、または窒素原子ラジカルのみを原料とした。1つの窒素原子ラジカルは1つの窒素原子を供給し、1つの窒素分子イオンは2つの窒素原子を供給する。窒素原子ラジカルはRFラジカルソース、窒素分子イオンはRFイオンソースにより生成した。V/III比は窒素原子ラジカルと窒素分子イオンとボロンの供給量によって制御し、本実施例ではV/III比を1.5とした。窒素原子ラジカルと窒素分子イオンが窒化ホウ素薄膜に供給する窒素原子の割合はそれぞれ50%である。立方晶構造の形成を促進するために、RFイオンソースにより生成したArイオンを窒化ホウ素薄膜に照射しながら、窒化ホウ素薄膜を成長させた。Arイオンが1ボロン原子当りに付与した運動量はRFイオンソースの加速電圧によって制御し、本実施例では200(eV*amu)1/2とした。
【００１５】
図2(a)は窒化ホウ素薄膜成長後の外観写真である。窒化ホウ素薄膜成長後に窒化ホウ素薄膜内の歪による窒化ホウ素薄膜の基板からの剥離は観察されなかった。図2(b)にIR吸収スペクトルを示す。観察されたピークは立方晶構造に起因した1100cm-1付近のピークのみであり、六方晶構造に起因する吸収ピークは観察されなかった。X線回折測定では立方晶窒化ホウ素の(002)面からの回折ピークのみが観察された。以上から、歪による基板からの剥離がなく、かつ単相の立方晶窒化ホウ素薄膜が得られたことを確認した。
【００１６】
本願発明の方法で、実施例1から、V/III比と、RFイオンソースの加速電圧、すなわち1ボロン当りに加わる運動量とのみを変えて、窒化ホウ素薄膜を作製した。これら作製した窒化ホウ素薄膜の、V/III比と1ボロン原子当りに加わる運動量のそれぞれに対する窒化ホウ素薄膜構造を図3に示す。V/III比が0.6以上であり、1ボロン原子当りに加わる運動量が10-600 (eV*amu)1/2であって、かつ、V/III比をr、1ボロン原子当りに加わる運動量をmとすると、r＞-0.1m+2.3を満たすときに、成長後に歪による剥離が起こらない単相立方晶窒化ホウ素薄膜が得られた。またV/III比と1ボロン原子当りに加わる運動量とを調整することで、立方晶構造と六方晶構造の混合膜と、単相の六方晶窒化ホウ素薄膜とのそれぞれを作製することができた。立方晶構造と六方晶構造の混合膜の、立方晶構造、六方晶構造それぞれの割合は、赤外(IR)吸収スペクトルにおける、立方晶構造による吸収ピークの積分強度と六方晶構造による吸収ピークの積分強度の比から、次の式を用いて見積もった。
【００１７】
【数１】
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【００１８】
ここで、AcBN(1080 cm-1)は、1080 cm-1 付近に見られる立方晶構造に由来する吸収ピークの積分強度、AhBN(1380 cm-1)は、1380 cm-1 付近に見られる六方晶構造に由来する吸収ピークの積分強度である。立方晶構造と六方晶構造の混合膜は、立方晶構造の割合によってその薄膜の機械的な強度が変化し、立方晶構造の割合が高いほど高い機械強度が得られた。立方晶構造の割合が90%以上であれば、単相とほぼ同等の高い機械強度が得られる。また、1ボロン原子当りに加わる運動量が低いほど、結晶に加わるダメージが小さくなり、結晶性の良い窒化ホウ素薄膜が得られた。
【００１９】
下地基板をSi(001)として説明したが、Si(110)、Si(001)、ダイヤモンド(111)、ダイヤモンド(110)、ダイヤモンド(001)、MgO(111)、MgO(110)、MgO(001)、R面サファイヤ、C面サファイヤとした場合も同様の工程であり、図2、3と同様の結果が得られた。
【００２０】
下地基板と単相立方晶窒化ホウ素薄膜の面方位の関係を表1にまとめる。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
RFイオンソースから供給するイオンをArイオンとして説明したが、Krイオン、Neイオン、Xeイオンとした場合も作製方法は同様であり、図2、3と同様の結果が得られた。
基板温度を400℃として説明したが、基板温度を400〜1300℃の範囲内の温度とした場合も作製方法は同様であり、図2、3と同様の結果が得られた。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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