九州シンクロトロン光研究センター
県有ビームライン利用報告書
課 題 番 号 ： 1811115F

Ｂ Ｌ 番 号 ： BL12

（様式第 5 号）

ナ ノ コ ン ポ ジ ッ ト AlBN 薄 膜 の 硬 度 と 化 学 結 合 構 造 の 相 関 解 析Relationship analysis between hardness and chemical bonding structure ofnanocomposite AlBN films
吉田 智博 1

Tomohiro Yoshida 1
田中 佑樹 2
Yuki Tanaka
1 福岡県工業技術センター

1

機械電子研究所
Mechanics and Electronics Research Institu te, Fukuoka industrial technology center2 九州大学大学院
総合理工学府2Interdisciplinary Graduate School of Engineering Sciences, Kyushu University

※１
※２

※３
※４

先 端 創 生 利 用（ 長 期 タ イ プ ）課 題 は ， 実 施 課 題 名 の 末 尾 に 期 を 表 す（ Ⅰ ），（ Ⅱ ），（ Ⅲ ）を 追 記
してください．
利 用 情 報 の 公 開 が 必 要 な 課 題 は ，本 利 用 報 告 書 と は 別 に 利 用 年 度 終 了 後 2 年 以 内 に 研 究 成 果 公
開｛ 論 文（ 査 読 付 ）の 発 表 又 は 研 究 セ ン タ ー の 研 究 成 果 公 報 で 公 表 ｝が 必 要 で す (ト ラ イ ア ル
利 用 を 除 く )．
実験に参加された機関を全てご記載ください．
共 著 者 に は 実 験 参 加 者 を ご 記 載 く だ さ い （ 各 実 験 参 加 機 関 よ り 1 人 以 上 ）．

１．概要（注：結論を含めて下さい）
反 応 性 同 軸 型 ア ー ク プ ラ ズ マ 堆 積 を 用 い て 、 B を 0,10,30at%添 加 し た AlBN 薄 膜 の 化
学 結 合 構 造 を XPS，SR-PES，NEXAFS に よ り 解 析 し た ．AlBN 薄 膜 の 構 成 元 素 の Al，B，
N は XPS の ス ペ ク ト ル か ら 観 察 さ れ た ． N-K 端 NEXAFS ス ペ ク ト ル は ， B 10at%で は 先
鋭 な ピ ー ク ， B 30at%で は ブ ロ ー ド な ピ ー ク が 得 ら れ た ． TEM 像 に お い て も B 30at%で結 晶 粒 径 ， 密 度 の 低 下 が み ら れ て お り 、 NEXAFS の ブ ロ ー ド な ス ペ ク ト ル は AlBN 薄 膜の結晶性に関係している可能性がある．
（ English ）Chemical bonding structure of AlBN with B ratio of 0, 10 and 30 at% thin films deposited byreactive coaxial arc plasma deposition were analyzed by XPS, SR-PES and NEXAFS.
Constituent elements of Al, B, N were observed on XPS spectra. N-K edge NEXAFS spectra
shown sharp spectrum on B 10 at% and broad spectra on 30 at%, respectively. Grain size anddensity were decreased at TEM image of AlBN f ilm with B 30 at%. The broad spectrum ofNEXAFS might be related with crystalline of AlBN film.

２．背景と目的
硬質皮膜にはダイヤモンドや DLC（ダイヤモンド状炭素）といった，炭素系の材料が知られているが，炭素は常温・常圧の環境下で鉄中に容易に拡散する拡散摩耗が生じるため，鉄系の母材向けの硬質皮膜としては応用できない．鉄系母材向けの硬質皮膜材料は，窒化物の TiN や TiAlN が実用化されており，4 元素から構成される TiCrAlN が研究されているが，ダイヤモンドの硬度とは大きな差がある．窒化物材料では，ダイヤモンドに次ぐ硬度を有している立方晶窒化ホウ素(c-BN)が有力であるが，高温高圧条件下での合成が必要なため，高速度鋼(ハイス鋼) のような熱処理が施してある鉄系母材上への薄膜成膜には適応できない．
本研究では，まったく新しい系として立方晶窒化アルミニウム（c-AlN）をベースとして，一部をB で置換したナノ微結晶 c-AlBN 薄膜の合成を目指し，反応性同軸型アークプラズマ堆積（RCAPD）
法によりハイス鋼上へ AlBN 薄膜の合成を行っている．CAPD 法は，炭素を原料とした薄膜合成において，ナノスケールのダイヤモンドとアモルファスカーボンのナノコンポジット薄膜が合成できると報告されている．ナノコンポジット構造は，転位やクラックの伸展をナノ微結晶が阻止することで，高い硬度が実現できるとの報告もあり[1]，RCAPD 法を AlBN に適応することで，ナノスケールのc-AlBN 結晶とアモルファスのナノコンポジット構造の実現を目指す．
Substrate holder
N2 15 sccm

Droplet filter

Arc plasma gun
Gate Valve

TMP/RP

Capacitor

10 at%

６．参考文献[1] Stan Veprˇek, J. Vac. Sci. Technol. A , 17, 5 (1999) 17,5, 2401-2420.
[2] Teruyasu Mizoguchia, Isao Tanaka, Masahiro Kunisu,
Masato Yoshiya, Hirohiko Adachi, W.Y. Ching, micron 34(2003) 245-253.

B 1s

C 1s

B 30 at%

Ar 2p

Fe 2p1/2
Fe 2p3/2

Fe 2s

Co 2p

O KLL

196 194 192 190 188 186 184 182
Binding Energy (eV)

B 10 at%

B 0 at%
1000

800

600
400200Binding Energy (eV)0

図2 XPS 広範囲スキャンスペクトルとB 1s スペクトルB 30 at%Intensity (arb. unit)

５．今後の課題
今回の測定では AlBN 膜中に B が取り込まれており，ターゲットへの添加量に従い増加していることを確認することができた．今後は，NEXAFS スペク
トルの解析，B-K 端，Al-L 端 NEXAFS の測定により，B の膜中への取り込まれ方を解析する必要がある．

Intensity (arb. unit)

0 at%

４．実験結果と考察
図 2 に Al 線源を用い，Ar エッチング後の XPS の広範囲スキャンのスペクトルと，B 1s の結合エネルギー範囲の詳細スキャンを示す．AlBN 薄膜を構成する Al 2s，Al 2p，N 1s，膜表面に吸着した炭化水素に起因すると考えられる C 1s，表面酸化に起因する O
1s ピーク，基板のハイス鋼に起因する Fe，Co も一部観察された．添加元素の B 1s は，広範囲スキャンではみられないが，詳細スキャンでは添加量に応じて，ピーク強度の増加が観察された．
図 3 に N-K 端 NEXAFS を示す．B 10at%で先鋭なピークで，六方晶系-AlN に似たスペクトルが得られた[2]．B 30 at%ではブロードなピークがみられた．
B 10 at%では TEM による分析でも，10 at%で AlBN
膜中の結晶粒子径，密度が高い事が観察されており，スペクトルの変化は結晶性に関連すると考えられる．

Al 2s
Al 2p

30 at%

N 1s

O 1s

B 1s

図１ RCAPD 装置の模式図

Intensity (arib. unit)

３．実験内容（試料，実験方法，解析方法の説明）
図１にRCAPD装置の模式図を示す．真空チャンバ
ーは10-4 Paまでターボ分子ポンプ，ロータリーポンプで真空排気した後，N2ガスを15 sccmで流入させ，ゲートバルブで成膜時の圧力を1 Paに調整した．基
板ホルダーとアークプラズマガンはドロップレット
フィルターを挟んで対向させ，ガン内部に設置したターゲットをパルスアーク放電によりアブレーションして，ハイス鋼基板上へ堆積を行った．パルスア
ーク放電の電圧は140 V，周期を10 Hzとし，ターゲットにはB量0 at%，10 at%，30 at%としたAl-B焼結体を用いた．
AlBN薄膜の評価には，BL12のAl-Ka線源およびシンクロトロン光を用いたSR-PES (Synchrotron
Radiation Photo Electron Spectroscopy)，NEXAFS (NearEdge X-ray Absorption Fine Structure) 測定を行った．

B 10 at%

B 0 at%400410420430

Photone Energy (eV)

図3 N-K端 NEXAFSスペクトル440７．論文発表・特許（注：本課題に関連するこれまでの代表的な成果）なし

８．キーワード（注：試料及び実験方法を特定する用語を２～３）同軸型アークプラズマ堆積法，AlBN 薄膜，ハードコーティング

９．研究成果公開について（注：※２に記載した研究成果の公開について①と②のうち該当しない方を消してください．また，論文（査読付）発表と研究センターへの報告，または研究成果公報への原稿提出時期を記入してください（2018 年度実施課題は 2020 年度末が期限となります）．
長期タイプ課題は，ご利用の最終期の利用報告書にご記入ください．

① 論文（査読付）発表の報告② 研究成果公報の原稿提出（報告時期：（提出時期：

2021 年
年3 月）月）