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 ： 1805034T

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
竹市 悟志 2
Satoshi Takeichi
1 福岡県工業技術センター

1

機械電子研究所
Mechanics and Electronics Research In stitute, 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 に よ る B at%の AlBN 薄 膜 の 化 学 結 合 構 を XPS，
SR-PES 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 ．SR-PES の N 1s ス ペ ク ト ル は 397eV に 先 鋭 な ピ ー ク ，391 eV に ブ ロ ー ド な ピー ク が そ れ ぞ れ あ ら わ れ た ．硬 度 に お け る B ド ー ピ ン グ の 効 果 を 明 ら か に す る た め ，異な る B 量 の AlBN 薄 膜 の XPS， SR-PES 測 定 が 求 め ら れ る ．
（ English ）Chemical bonding structure of AlBN with B ratio of 10at% thin films deposited by reactive
coaxial arc plasma deposition were analyzed by XPS and SR-PES. Constituent elements of Al,
B, N were observed on XPS spectra. N 1s peak s of SR-PES spectrum were appeared at 397 eVand 391eV for sharp and broad peaks, respectively. In order to reveal B doping effects on
hardness, AlBN films deposited at different B concentration are requir ed to be measured byXPS and SR-PES.

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，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．

N2 15 sccm

Droplet filter

Arc plasma gun
Gate Valve

TMP/RP

Capacitor

1000

B 1s
Intensity (arb. unit)

O 1s

図１ RCAPD 装置の模式図

O KLL

198 196 194 192 190 188 186 184 182

800

Al 2s
Al 2p

Binding Energy (eV)

C 1s

N 1s

４．実験結果と考察
本測定では，トライアル利用のため B 10 at%のAlBN 薄膜を代表例として測定条件の検討を行った．
図 2 に Al 線源を用いた 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 ピークが観察された．
添加元素の B 1s は，広範囲スキャンではみられないが，詳細スキャンで観察された．
図 3 に 650 eV の入射エネルギーでの SR-PES N1s
スペクトルを示す．397 eV に先鋭なピークと，391 eV付近にブロードなピークがあらわれた．N2 ガスでは
N 1s 400 eV 付近，岩塩構造の立方晶 AlN では N 1s405 eV 付近との報告や[1]，Al-N 結合での N 1s ピーク
で 397.8 eV，N-O 結合の N 1s 398.4 eV との報告もある[2]．いずれのピークとも一致せず，スペクトルには B 添加による影響も含まれるため，今後他のサンプルとの比較検討が必要である．

Substrate holder

Intensity (arb. 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 (SynchrotronRadiation Photo Electron Spectroscopy) 測定を行った．

600400200
Binding 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５．今後の課題
今回の測定では AlBN 薄膜の測定条件の探索を目的に測定を行った．AlBN を構成する元素の測定条件が分かった．N 1s の SR-PES スペクトルでは特徴的な2 つのピーク観察された．今後，B 0 at%，B 30 at%のサンプルとの比較，解析により化学結合状態を解明する必要がある．
６．参考文献[1] Z. M. Ren, Y.F. Lu and H. Q. Ni, J. Appl.
図3 N1sのSR-PESスペクトル
Phys., Vol. 88, No. 12, 15 December (2000) 7346-7350.
[2] P. Motamedi, K. Cadien / Applied Surface Science 315 (2014) 104–109.
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）

吉田 智博, 内田 聖也, 村澤 功基, 工藤 昌輝, 鳥山 誉亮, 福井 康雄, 櫻井 正俊, 吉武 剛，表面技術協会速報論
文, Vol. 68，No. 12 (2017) pp. 83-85.

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：年年月）月）