JP2611521B2 - Method of forming boron nitride thin film - Google Patents

Method of forming boron nitride thin film

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JP2611521B2 JP2243507A JP24350790A JP2611521B2 JP 2611521 B2 JP2611521 B2 JP 2611521B2 JP 2243507 A JP2243507 A JP 2243507A JP 24350790 A JP24350790 A JP 24350790A JP 2611521 B2 JP2611521 B2 JP 2611521B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、切削工具,金型,磁気ヘッド等の機械・
機構部品や半導体装置の表面に硬質の窒化ホウ素薄膜を
形成する窒化ホウ素薄膜の形成方法に関するものであ
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention relates to a machine tool such as a cutting tool, a mold, a magnetic head, etc.
The present invention relates to a method for forming a hard boron nitride thin film on a surface of a mechanical component or a semiconductor device.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

窒化ホウ素(以下、BNと略す)は、結晶構造によって
立方晶系閃亜鉛鉱型窒化ホウ素(以下、c−BNと略
す),六方晶系グラファイト型窒化ホウ素(以下、h−
BNと略す),六方晶系ウルツ鉱型窒化ホウ素(以下、w
−BNと略す)の3種類に大別できる。
Boron nitride (hereinafter abbreviated as BN) is cubic zinc-blende-type boron nitride (hereinafter abbreviated as c-BN) or hexagonal graphite-type boron nitride (h-
BN), hexagonal wurtzite boron nitride (hereinafter referred to as w
-BN).

c−BNは、ダイヤモンドに次ぐ高硬度を有しており熱
伝導性,絶縁性,化学的安定性にも優れていることから
半導体分野および切削工具分野等の広い分野で被覆薄膜
として応用されている。また、絶縁性や高熱伝導性を生
かしたヒートシンク用材料等の用途にも期待されてい
る。
c-BN has the second highest hardness next to diamond and has excellent thermal conductivity, insulation and chemical stability, and is therefore applied as a coating thin film in a wide range of fields such as semiconductors and cutting tools. I have. In addition, it is also expected to be used for materials such as heat sink materials that make use of insulating properties and high thermal conductivity.

しかし、現在のところc−BNを得るためには、高温度
・高圧力の下で人工的に合成されなければならず、従っ
て、その製造コストは非常に高くなるとともに、合成さ
れるc−BNの形態は、粒状,粉状の固体のものしか得る
ことができないので、その応用範囲も限定されている。
そこで、c−BNを低温度・低圧力の下で薄膜化する方法
の研究が化学蒸着法(CVD法)や物理蒸着法(PVD法)で
盛んに行われている。
However, at present, in order to obtain c-BN, it has to be artificially synthesized under high temperature and high pressure, and therefore, its manufacturing cost becomes very high and the synthesized c-BN Can only obtain a granular or powdery solid, and its application range is also limited.
Therefore, research on a method for forming a thin film of c-BN under a low temperature and a low pressure has been actively conducted by a chemical vapor deposition method (CVD method) or a physical vapor deposition method (PVD method).

たとえば、化学蒸着法(CVD法)では、薄膜を蒸着さ
せる基体を反応室に入れて500℃以上の温度に加熱した
後、ホウ素元素(B)を含有するガスと窒素元素(N)
を含有するガスとの混合ガスを反応室に導入し、熱分解
反応させて基体の表面にBN薄膜を形成する。
For example, in a chemical vapor deposition method (CVD method), a substrate on which a thin film is deposited is placed in a reaction chamber and heated to a temperature of 500 ° C. or more, and then a gas containing a boron element (B) and a nitrogen element (N)
Is introduced into the reaction chamber and subjected to a thermal decomposition reaction to form a BN thin film on the surface of the substrate.

また、物理蒸着法(PVD法)では、窒素ガス雰囲気中
でホウ素元素(B)を含有するターゲットをイオン種で
スパッタリングし、スパッタリング粒子を基体の表面に
堆積させ、BN薄膜を形成する反応性スパッタリング法。
さらに、ホウ素元素(B)の飛来粒子をイオン化し、こ
の粒子を電界で数eV〜数KeVまで加速して基体の表面に
堆積させ、BN薄膜を形成するイオンプレーディング法等
がある。
In the physical vapor deposition (PVD) method, a target containing boron element (B) is sputtered with an ion species in a nitrogen gas atmosphere, and sputtered particles are deposited on the surface of a substrate to form a BN thin film. Law.
Further, there is an ion-plating method in which flying particles of the boron element (B) are ionized, these particles are accelerated by an electric field to several eV to several KeV, and are deposited on the surface of the substrate to form a BN thin film.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

しかしながら、化学蒸着法(CVD法)では、基体を高
温度(約500℃以上)に保持する必要があり、基体が熱
劣化するためにBN薄膜を形成することができず、BN薄膜
を形成させる基体が限定されるという欠点がある。ま
た、この方法で形成されるBN薄膜は、軟質のh−BNが主
体の薄膜となり易く、c−BNの持つ前述の特性が充分に
生かされない。
However, in the chemical vapor deposition method (CVD method), it is necessary to maintain the substrate at a high temperature (about 500 ° C. or higher), and the BN thin film cannot be formed because the substrate is thermally degraded. The disadvantage is that the substrate is limited. Further, the BN thin film formed by this method tends to be a thin film mainly composed of soft h-BN, and the above-mentioned properties of c-BN cannot be fully utilized.

また、物理蒸着法(PVD法)においても、化学蒸着法
(CVD法)と同様にh−BNが主体の薄膜しか得られな
い。
Also, in the physical vapor deposition method (PVD method), as in the chemical vapor deposition method (CVD method), only a thin film mainly composed of h-BN can be obtained.

この発明の目的は、低温度の下でc−BN構造を主体と
するBN薄膜を基体の表面に形成することができる窒化ホ
ウ素薄膜の形成方法を提供することである。
An object of the present invention is to provide a method for forming a boron nitride thin film that can form a BN thin film mainly composed of a c-BN structure on a surface of a substrate at a low temperature.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

この発明の窒化ホウ素薄膜の形成方法は、基体の表面
にホウ素の蒸着と同時に、少なくとも1種類以上の希ガ
スイオンと窒素イオンとを混合して100eV〜500eVの照射
エネルギーかつ、前記希ガスイオンと前記窒素イオンと
の照射量の比を0.05〜1.5で照射し、形成された窒化ホ
ウ素(BN)薄膜の膜中でのホウ素と窒素との粒子数の比
(B/N組成比)を0.5〜3.0とする立方晶窒化ホウ素の結
晶粒を含むものである。
The method for forming a boron nitride thin film of the present invention is characterized in that, at the same time as the deposition of boron on the surface of the substrate, at least one or more rare gas ions and nitrogen ions are mixed, and irradiation energy of 100 eV to 500 eV and the rare gas ions are mixed. Irradiation is performed at a dose ratio of 0.05 to 1.5 with the nitrogen ions, and a ratio of the number of particles of boron and nitrogen (B / N composition ratio) in the formed boron nitride (BN) thin film is 0.5 to 1.5. It contains crystal grains of cubic boron nitride of 3.0.

この発明の窒化ホウ素薄膜の形成方法のBN薄膜形成装
置の一例を第1図に基づいて説明する。
One example of a BN thin film forming apparatus of the method for forming a boron nitride thin film of the present invention will be described with reference to FIG.

真空装置内(図示せず)において、水を循環すること
により水冷できるホルダ1に基体2が固定されている。
この基体2に対向する位置には蒸発源3とイオン源5と
が配置されている。
In a vacuum device (not shown), a base 2 is fixed to a holder 1 that can be cooled by circulating water.
An evaporation source 3 and an ion source 5 are arranged at a position facing the base 2.

この蒸発源3は、電子ビーム,レーザ線または高周波
等により高温度に加熱することができ、中にはホウ素単
体,ホウ素酸化物またはホウ素窒化物等よりなるホウ素
(B)を含有する蒸発物質4が入れられる。
The evaporation source 3 can be heated to a high temperature by an electron beam, a laser beam, a high frequency or the like, and includes an evaporation substance 4 containing boron (B) composed of boron alone, boron oxide or boron nitride. Is inserted.

また、イオン源5は、カウフマン型やプラズマを閉じ
込めるためのカスプ磁場を用いたバケット型等のもので
あり、少なくとも1種類以上の希ガス類元素よりなるガ
スと窒素元素よりなるガスとを混合した気体をイオン化
し、希ガスイオン6aと窒素イオン6bとにして基体2の表
面に照射する装置である。
Further, the ion source 5 is of a Kauffman type, a bucket type using a cusp magnetic field for confining plasma, or the like, and a gas obtained by mixing a gas composed of at least one kind of rare gas element and a gas composed of nitrogen element. This is an apparatus that irradiates the surface of the substrate 2 with ionization into rare gas ions 6a and nitrogen ions 6b.

さらに、真空装置内には、膜厚計7と電流測定器8と
が配置されている。
Further, a film thickness meter 7 and a current measuring device 8 are arranged in the vacuum device.

この膜厚計7は、基体2の表面に蒸着積層される蒸着
物質4の膜厚ならびにホウ素の粒子数を計測するための
ものであり、例えば、水晶振動子を使用した振動型膜厚
計等である。また、電流測定器8は、基体2に照射され
るイオンの窒素イオン6bの量を計測するためのものであ
り、例えば、ファラデーカップのような2次電子抑制電
極を持つカップ型構造のイオンビーム電流量測定器等で
ある。
This film thickness meter 7 is for measuring the film thickness of the vapor deposition material 4 deposited on the surface of the substrate 2 and the number of boron particles. For example, a vibration type film thickness meter using a quartz oscillator is used. It is. The current measuring device 8 is for measuring the amount of nitrogen ions 6b of the ions irradiated on the substrate 2, and is, for example, a cup-shaped ion beam having a secondary electron suppressing electrode such as a Faraday cup. It is a current meter.

上記のような構成において、蒸発源3を加熱してホウ
素元素(B)を含有する蒸発物質4を基体2の表面に蒸
着すると同時に、イオン源5から少なくとも1種類以上
の希ガスイオン6aと窒素イオン6bとを照射する。
In the above configuration, the evaporation source 3 is heated to deposit the evaporation substance 4 containing the boron element (B) on the surface of the substrate 2 and at least one or more rare gas ions 6a and nitrogen Irradiate with ions 6b.

このとき、希ガスイオン6aと窒素イオン6bとの照射エ
ネルギーの値は、結晶構造の損傷や欠陥が極めて少ない
BN薄膜を形成するために、照射エネルギーの値を100eV
〜500eVとする。
At this time, the value of the irradiation energy of the rare gas ions 6a and the nitrogen ions 6b is such that damage and defects in the crystal structure are extremely small.
Irradiation energy value of 100 eV to form BN thin film
Up to 500 eV.

なお、照射エネルギーの範囲の下限値は、実際のイオ
ン源5の性能や、実用に充分な電流密度が得られないこ
とから100eV以上の値となり、照射エネルギーの範囲の
上限値は、基体2や形成されるBN薄膜に与える熱的損傷
をより少なくするために500eV以下とする。
The lower limit of the range of the irradiation energy is 100 eV or more because the actual performance of the ion source 5 and a current density sufficient for practical use cannot be obtained, and the upper limit of the range of the irradiation energy is In order to further reduce the thermal damage to the formed BN thin film, it is set to 500 eV or less.

また、基体2に照射する希ガスイオン6aと窒素イオン
6bとの照射量の比(言い換えれば、イオン源5に供給す
る希ガスと窒素ガスとの比)を0.05〜2.0の範囲で照射
する。この範囲より照射量の比が小さい場合つまり希ガ
スイオン6aと窒素イオン6bとの照射量の比が0.05未満の
場合は、希ガスイオン6aが形成されるBN薄膜中のB−N
結合に与える励起エネルギーが不足し、ホウ素を含有す
る蒸発物質4と窒素イオン6bとの反応に与える効果が不
十分となる。また、希ガスイオン6aと窒素イオン6bとの
照射量の比が2.0より大きい場合は、窒素イオン6bの照
射量が不足し、ホウ素を含有する蒸発物質4と窒素イオ
ン6bとの反応の進行が不十分になり、c−BN構造を主体
とするBN薄膜が形成できない。
Further, the rare gas ions 6a and the nitrogen ions irradiated to the substrate 2
Irradiation is performed at a ratio of the amount of irradiation with 6b (in other words, the ratio of the rare gas and the nitrogen gas supplied to the ion source 5) in the range of 0.05 to 2.0. When the ratio of the irradiation amount is smaller than this range, that is, when the irradiation ratio of the rare gas ion 6a and the nitrogen ion 6b is less than 0.05, the BN in the BN thin film where the rare gas ion 6a is formed is
Excitation energy applied to the bond is insufficient, and the effect on the reaction between the boron-containing evaporant 4 and the nitrogen ion 6b is insufficient. If the ratio of the irradiation amount of the rare gas ion 6a to the irradiation amount of the nitrogen ion 6b is larger than 2.0, the irradiation amount of the nitrogen ion 6b becomes insufficient, and the reaction between the boron-containing vaporized substance 4 and the nitrogen ion 6b progresses. Insufficiently, a BN thin film mainly composed of a c-BN structure cannot be formed.

さらに、基体2の表面に形成されるBN薄膜中のホウ素
と窒素との粒子数の比(以下、B/N組成比と略す)が、
0.5〜3.0の範囲になるように膜厚計7,電流測定器8で蒸
着物質4の蒸着量と希ガスイオン6a,窒素イオン6bの照
射量とを測定制御しながら形成する。この範囲を逸脱し
た場合、B/N組成比が3.0より大きいとホウ素の基体2へ
の堆積が多くなり過ぎてBN薄膜中のc−BNの含有量が少
なくなり、B/N組成比が0.5より小さいと形成されるBN薄
膜中のホウ素と化学結合できない窒素が多くなりすぎ、
目的とする高硬度,熱的・化学的に安定したBN薄膜が得
られないからである。
Further, the ratio of the number of particles of boron and nitrogen in the BN thin film formed on the surface of the substrate 2 (hereinafter, abbreviated as B / N composition ratio) is
The film is formed while measuring and controlling the deposition amount of the deposition material 4 and the irradiation amounts of the rare gas ions 6a and the nitrogen ions 6b by the film thickness meter 7 and the current measuring device 8 so as to be in the range of 0.5 to 3.0. If the B / N composition ratio is out of this range, if the B / N composition ratio is larger than 3.0, the amount of boron deposited on the substrate 2 becomes too large, the content of c-BN in the BN thin film decreases, and the B / N composition ratio becomes 0.5. If it is smaller, too much nitrogen cannot be chemically bonded to boron in the formed BN thin film,
This is because the desired high hardness, thermally and chemically stable BN thin film cannot be obtained.

なお、イオン源5に供給して希ガスイオン6aとする希
ガス元素としては、He(ヘリウム),Ne(ネオン),Ar
(アルゴン),Kr(クリプトン),Xe(キセノン)で、少
なくとも1種類以上の希ガスを供給するものである。
The rare gas elements which are supplied to the ion source 5 to be rare gas ions 6a include He (helium), Ne (neon), and Ar
(Argon), Kr (krypton), and Xe (xenon) are used to supply at least one or more rare gases.

このような条件下で、希ガスイオン6aが、窒素イオン
6bと蒸発物質4の中のホウ素とを励起状態で反応させ、
従来では高温度・高圧力の条件でしか形成できなかった
c−BN構造のBN薄膜の形成を促進させることができる。
Under such conditions, the rare gas ion 6a becomes a nitrogen ion
6b reacts with boron in the evaporating substance 4 in an excited state,
It is possible to promote the formation of a BN thin film having a c-BN structure, which was conventionally formed only under high temperature and high pressure conditions.

つぎに、BN薄膜形成装置の他の例を第2図に基づいて
説明する。
Next, another example of the BN thin film forming apparatus will be described with reference to FIG.

真空装置内(図示せず)において、水を循環すること
により水冷できるホルダ1に基体2が固定され、その両
側には前述と同様の膜厚計7と電流測定器8とが配置さ
れている。そして、基体2に対向する位置には蒸発源3
と二つのイオン源5,5′とが配置されている。
In a vacuum device (not shown), a base 2 is fixed to a holder 1 which can be cooled by circulating water, and a film thickness meter 7 and a current measuring device 8 similar to those described above are arranged on both sides thereof. . The evaporation source 3 is located at a position facing the base 2.
And two ion sources 5, 5 '.

この蒸発源3およびイオン源5,5′は、第1図に示し
て先に説明したBN薄膜形成装置と同様のもので、蒸発源
3の中にはホウ素単体,ホウ素酸化物またはホウ素窒化
物等よりなるホウ素(B)を含有する蒸発物質4が入れ
られる。
The evaporation source 3 and the ion sources 5, 5 'are similar to those of the BN thin film forming apparatus shown in FIG. 1 and described above. The evaporating substance 4 containing boron (B) consisting of, for example, is charged.

イオン源5は、少なくとも1種類以上の希ガス類元素
よりなるガスをイオン化し、希ガスイオン6aにして基体
2の表面に照射するもので、イオン源5′は、窒素元素
よりなるガスをイオン化し、窒素イオン6bにして基体2
の表面に照射するものである。
The ion source 5 ionizes a gas composed of at least one or more rare gas elements and irradiates the surface of the substrate 2 with rare gas ions 6a. The ion source 5 ′ ionizes a gas composed of a nitrogen element. Substrate 2 with nitrogen ions 6b
The surface is irradiated.

このように、イオン源として希ガスイオン6aと窒素イ
オン6bとを照射する二つのイオン源5′を配置したこと
により、希ガスイオン6aと窒素イオン6bとの照射エネル
ギーを個別に制御することができ、反応条件を励起状態
にするための希ガスイオン6aの照射量と、蒸発物質4に
含有されるホウ素と反応する窒素イオン6bの照射量とを
個別に調整することができる。
Thus, by arranging the two ion sources 5 'for irradiating the rare gas ions 6a and the nitrogen ions 6b as the ion sources, the irradiation energies of the rare gas ions 6a and the nitrogen ions 6b can be individually controlled. Thus, the irradiation amount of the rare gas ion 6a for setting the reaction conditions to the excited state and the irradiation amount of the nitrogen ion 6b reacting with boron contained in the evaporating substance 4 can be individually adjusted.

〔実施例〕〔Example〕

実施例1 第1図に示して説明した装置において、シリコン単結
晶ウエハよりなる基体2を、そのカット面[100]を蒸
発源3およびイオン源5に対向するようにしてホルダ1
に固定した後、ホウ素(純度99.7%以上)を蒸発物質4
として蒸発源3に配置して真空装置の内部を2×10
-6〔Torr〕以下の高真空に保持した。そして、蒸発源3
を電子ビームで加熱して蒸発物質4を基体2の表面に蒸
着させると同時に、バケット型のイオン源5にAr(アル
ゴン)ガスからなる希ガスと窒素ガスとからなる混合ガ
スを供給し、Ar(アルゴン)からなる希ガスイオン6aと
窒素イオン6bとを基体2の表面に照射した。
Example 1 In the apparatus described with reference to FIG. 1, a holder 2 was prepared by setting a cut surface [100] of a substrate made of a silicon single crystal wafer to face an evaporation source 3 and an ion source 5.
After fixation, boron (purity 99.7% or more) is evaporated
And the inside of the vacuum device is set to 2 × 10
A high vacuum of -6 [Torr] or less was maintained. And evaporation source 3
Is heated by an electron beam to vaporize the evaporating substance 4 on the surface of the substrate 2, and at the same time, a mixed gas composed of a rare gas composed of Ar (argon) gas and a nitrogen gas is supplied to the bucket type ion source 5. The surface of the substrate 2 was irradiated with rare gas ions 6a and nitrogen ions 6b (argon).

このとき、希ガスイオン6aと窒素イオン6bとの照射エ
ネルギーを300eVかつ、希ガスイオン6aと窒素イオン6b
との照射量の比を0.1とし、希ガスイオン6aおよび窒素
イオン6bの電流密度を0.15〔A/cm2〕,ホウ素蒸着速度
を1〔Å/sec〕に制御して形成されるBN薄膜のB/N組成
比が1になるようにし、基体2に到達するホウ素からな
る蒸発物質4の粒子数と窒素の粒子数とを膜厚計7およ
び電流測定器8で測定しながら5000〔Å〕のBN薄膜を形
成した。
At this time, the irradiation energy of the rare gas ion 6a and the nitrogen ion 6b is set to 300 eV, and the rare gas ion 6a and the nitrogen ion 6b are irradiated.
Of the BN thin film formed by controlling the current density of the rare gas ions 6a and the nitrogen ions 6b to 0.15 [A / cm 2 ] and the boron deposition rate to 1 [Å / sec] with the irradiation dose ratio of 0.1 The B / N composition ratio is set to 1, and the number of particles of the evaporating substance 4 composed of boron and the number of particles of nitrogen reaching the substrate 2 are measured by the film thickness meter 7 and the current measuring device 8 while measuring 5000 [Å]. BN thin film was formed.

なお、混合して蒸発源5に供給するAr(アルゴン)か
らなる希ガスと窒素ガスとの各々の供給量は、マスフロ
ーコントローラで精密に制御されて供給される。また、
BN薄膜の形成中は、ホルダ1を常に水冷することによ
り、基体2は室温状態(RT=23℃)に保たれる。
The supply amounts of the rare gas and the nitrogen gas composed of Ar (argon) to be mixed and supplied to the evaporation source 5 are precisely controlled and supplied by a mass flow controller. Also,
During the formation of the BN thin film, the holder 2 is constantly cooled with water, so that the substrate 2 is kept at room temperature (RT = 23 ° C.).

実施例2 実施例1と同じ材料の基体2,蒸発物質4,希ガスイオン
6aおよび窒素イオン6bを用いて蒸発物質4の蒸着と同時
に、希ガスイオン6aと窒素イオン6bとの照射量の比を0.
8とする以外の形成条件は、実施例1と同じ条件になる
ように各条件を制御して基体2の表面に5000〔Å〕のBN
薄膜を形成した。
Example 2 Substrate 2, evaporant 4, rare gas ion of the same material as in Example 1
At the same time as the evaporation of the evaporating substance 4 using the nitrogen ions 6a and the nitrogen ions 6b, the irradiation ratio of the rare gas ions 6a and the nitrogen ions 6b is set to 0.
Except for the formation condition of 8, the conditions were controlled so as to be the same as those in Example 1, and the surface of the substrate 2 had a BN of 5000 [Å].
A thin film was formed.

実施例3 実施例1と同じ材料の基体2,蒸発物質4,希ガスイオン
6aおよび窒素イオン6bを用いて蒸発物質4の蒸着と同時
に、希ガスイオン6aと窒素イオン6bとの照射量の比を1.
5とする以外の形成条件は、実施例1と同じ条件になる
ように各条件を制御して基体2の表面に5000〔Å〕のBN
薄膜を形成した。
Example 3 Substrate 2, evaporant 4, rare gas ion of the same material as in Example 1
At the same time as the evaporation of the evaporating substance 4 using 6a and the nitrogen ions 6b, the irradiation ratio of the rare gas ions 6a and the nitrogen ions 6b is set to 1.
The formation conditions other than 5 were controlled so that the same conditions as in Example 1 were applied to the surface of the base 2 so that BN of 5000 [Å] was applied.
A thin film was formed.

比較例 実施例1と同じ材料の基体2,蒸発物質4,希ガスイオン
6aおよび窒素イオン6bを用いて蒸発物質4の蒸着と同時
に、イオン源5に希ガスを供給せずに窒素ガスのみを供
給し、窒素イオン6bのみを基体2に照射する以外の形成
条件は、実施例1と同じ条件になるように各条件を制御
して基体2の表面に5000〔Å〕のBN薄膜を形成した。
Comparative Example Substrate 2, evaporant 4, rare gas ion of the same material as in Example 1
Simultaneous with the deposition of the evaporating substance 4 using the 6a and the nitrogen ions 6b, the formation conditions other than supplying only the nitrogen gas without supplying the rare gas to the ion source 5 and irradiating the substrate 2 with only the nitrogen ions 6b are as follows. Each condition was controlled so that the same conditions as in Example 1 were obtained, and a 5000 [薄膜] BN thin film was formed on the surface of the substrate 2.

以上の条件で形成した各実施例1〜3および比較例の
BN薄膜の構造と特性とを確認するために、CuK α線(λ
=1.5406Å)を用いたX線回析と、ヌープ硬度(Hk)と
を測定した。
Of each of Examples 1 to 3 and Comparative Example formed under the above conditions.
In order to confirm the structure and properties of the BN thin film, CuK α ray (λ
= 1.5406 °) and Knoop hardness (Hk) were measured.

その結果、X線回析については、各実施例および比較
例の全てのBN薄膜にc−BN構造を示す回析角2θ=43.3
に回析ピークが認められ、いずれもc−BN構造を含むBN
薄膜であることが確認されたが、回析強度から結晶性を
検討すると実施例2のBN薄膜は、比較例のBN薄膜に比べ
約5倍の回析強度を示すことより、c−BN構造の結晶性
に優れていることが確認された。
As a result, regarding the X-ray diffraction, the diffraction angle 2θ = 43.3 showing the c-BN structure in all the BN thin films of each of Examples and Comparative Examples.
Diffraction peaks are observed, and any BN containing c-BN structure
Although it was confirmed that the BN thin film was a thin film, the BN thin film of Example 2 showed about 5 times the diffraction strength as compared with the BN thin film of the comparative example. Was confirmed to be excellent in crystallinity.

また、ヌープ硬度(Hk)については、Ar(アルゴン)
からなる希ガスイオン6aと窒素イオン6bとの照射量の比
(以下、Ar/Nイオン比と略す)に対するヌープ硬度(H
k)の値として第3図に示すように、窒素イオン6bのみ
(Ar/Nイオン比=0)を基体2に照射して形成した比較
例のBN薄膜のヌープ硬度(Hk)が、1200〔kg/mm2〕であ
るのに対し、Ar/Nイオン比を0.1,0.8,1.5とした各実施
例1〜3のBN薄膜のヌープ硬度(Hk)は、3100,4200,30
00〔kg/mm2〕と約2.5〜3.5倍の高いヌープ硬度(Hk)を
有し、硬質のc−BN構造のBN薄膜の形成が認められる。
For the Knoop hardness (Hk), Ar (argon)
Hardness (H) with respect to the ratio of the irradiation amount of rare gas ions 6a and nitrogen ions 6b (hereinafter abbreviated as Ar / N ion ratio)
As shown in FIG. 3, the Knoop hardness (Hk) of the BN thin film of the comparative example formed by irradiating the substrate 2 with only the nitrogen ions 6b (Ar / N ion ratio = 0) as the value of k) is 1200 [ kg / mm 2 ], the Knoop hardness (Hk) of each of the BN thin films of Examples 1 to 3 having an Ar / N ion ratio of 0.1, 0.8 and 1.5 is 3100, 4200, 30
It has a Knoop hardness (Hk) of about 2.5 to 3.5 times as high as 00 [kg / mm 2 ], and formation of a hard BN thin film having a c-BN structure is recognized.

また、実施例2および比較例の形成条件において、ホ
ウ素蒸着速度を3,5〔Å/sec〕と大きくしてB/N組成比を
1から3,5に変更し、他の条件は実施例2および比較例
と同じ条件でBN薄膜を形成してヌープ硬度(Hk)を測定
した結果を、B/N組成比に対するヌープ硬度(Hk)とし
て実施例2および比較例の値とともに第4図に示す。
In the formation conditions of Example 2 and Comparative Example, the boron deposition rate was increased to 3,5 [Å / sec], and the B / N composition ratio was changed from 1 to 3,5. FIG. 4 shows the results obtained by forming a BN thin film under the same conditions as in Example 2 and Comparative Example and measuring the Knoop hardness (Hk) as the Knoop hardness (Hk) with respect to the B / N composition ratio together with the values of Example 2 and Comparative Example. Show.

その結果、Ar/Nイオン比を0.8としてB/N組成比を1
(実施例2),3,5と変更した各BN薄膜は、B/N組成比が
大きくなるに従いヌープ硬度(Hk)が小さくなり、特に
B/N組成比が3より大きい領域では、比較例とのヌープ
硬度(Hk)の差が少なく、比較例のB/N組成比を3,5に変
更したときのヌープ硬度(Hk)の値(1450,2450〔kg/mm
2〕)の曲線と対比すると、B/N組成比が約4.6を境目と
してヌープ硬度(Hk)が逆転する。
As a result, the B / N composition ratio was 1 with the Ar / N ion ratio being 0.8.
(Example 2) In each of the BN thin films changed to 3, 5, the Knoop hardness (Hk) decreases as the B / N composition ratio increases.
In the region where the B / N composition ratio is larger than 3, the difference in the Knoop hardness (Hk) from the comparative example is small, and the value of the Knoop hardness (Hk) when the B / N composition ratio in the comparative example is changed to 3,5. (1450, 2450 [kg / mm
2 )), the Knoop hardness (Hk) is reversed around the boundary of the B / N composition ratio of about 4.6.

このように、基体2の表面にホウ素を含有する蒸着物
質4の蒸着と同時に、Ar(アルゴン)イオンからなる希
ガスイオン6aと窒素イオン6bとを300eVの照射エネルギ
ーで照射し、B/N組成比が1のBN薄膜を形成するとき
に、Ar/Nイオン比を実施例1では0.1とし、実施例2で
は0.8とし、実施例3では1.5としたので、形成されるBN
薄膜の結晶構造が、c−BN構造を主体とする構造とな
り、高いヌープ硬度(Hk)を有するBN薄膜を形成するこ
とができる。
Thus, simultaneously with the deposition of the boron-containing deposition material 4 on the surface of the substrate 2, the rare gas ions 6a and nitrogen ions 6b composed of Ar (argon) ions are irradiated at an irradiation energy of 300 eV to obtain a B / N composition. When a BN thin film having a ratio of 1 was formed, the Ar / N ion ratio was set to 0.1 in Example 1, set to 0.8 in Example 2, and set to 1.5 in Example 3, so that the formed BN thin film was formed.
The crystal structure of the thin film is mainly a c-BN structure, and a BN thin film having a high Knoop hardness (Hk) can be formed.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

この発明の窒化ホウ素薄膜の形成方法は、基体の表面
にホウ素の蒸着と同時に、少なくとも1種類以上の希ガ
スイオンと窒素イオンとを混合して100eV〜500eVの照射
エネルギーかつ、前記希ガスイオンと前記窒素イオンと
の照射量の比を0.05〜1.5で照射し、形成された窒化ホ
ウ素(BN)薄膜の膜中でのホウ素と窒素との粒子数の比
(B/N組成比)を0.5〜3.0とする立方晶窒化ホウ素の結
晶粒を含むため、従来例と比較して、低温度の下でc−
BN構造を主体とした高硬度の窒化ホウ素(BN)薄膜を形
成することができる。
The method for forming a boron nitride thin film of the present invention is characterized in that, at the same time as the deposition of boron on the surface of the substrate, at least one or more rare gas ions and nitrogen ions are mixed, and irradiation energy of 100 eV to 500 eV and the rare gas ions are mixed. Irradiation is performed at a dose ratio of 0.05 to 1.5 with the nitrogen ions, and a ratio of the number of particles of boron and nitrogen (B / N composition ratio) in the formed boron nitride (BN) thin film is 0.5 to 1.5. Since it contains cubic boron nitride crystal grains of 3.0, c-
A high hardness boron nitride (BN) thin film mainly composed of a BN structure can be formed.

また、前記のような数値条件のもとで、ホウ素の蒸着
と同時に窒素イオンと希ガスイオンとを混合して照射す
るので、ホウ素の蒸着と同時に窒素イオンのみを照射す
るものと比較して、c−BN構造の結晶性に優れ、かつ高
硬度のc−BNの窒化ホウ素を得ることができるととも
に、イオンの照射エネルギーが100eV〜500eVと相当低い
ので、照射される基体が熱劣化しないものに限定され
ず、たとえば半導体基板を用いることができ、また形成
される窒化ホウ素薄膜の内部の損傷や欠陥が極めて少な
くすることができる。また照射エネルギーが低いことか
ら、イオン照射するための電源装置や絶縁構造を簡単に
でき、低コスト化できる。
Also, under the numerical conditions as described above, nitrogen ions and rare gas ions are mixed and irradiated simultaneously with the deposition of boron, so that compared with the case of irradiating only nitrogen ions simultaneously with the deposition of boron, Excellent crystallinity of the c-BN structure, and it is possible to obtain boron nitride of high hardness c-BN, and the irradiation energy of ions is considerably low as 100 eV to 500 eV, so that the irradiated substrate does not thermally deteriorate. The present invention is not limited thereto. For example, a semiconductor substrate can be used, and damage and defects inside the formed boron nitride thin film can be extremely reduced. Further, since the irradiation energy is low, a power supply device and an insulating structure for ion irradiation can be simplified, and the cost can be reduced.

また、イオン源に供給してイオンとして照射するガス
は、希ガスと窒素ガスのみであり、従来使用していた活
性を有する他のガス(水素ガス等)を使用しないので、
より一層結晶性および基体との密着性の優れた窒化ホウ
素(BN)薄膜を形成することができる。
In addition, the gas supplied to the ion source and irradiated as ions is only a rare gas and a nitrogen gas, and does not use another gas (hydrogen gas or the like) having an activity conventionally used.
A boron nitride (BN) thin film having more excellent crystallinity and adhesion to the substrate can be formed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図はこの発明の窒化ホウ素薄膜の形成方法の薄膜形
成装置の概念図、第2図はその他の薄膜形成装置の概念
図、第3図は各実施例および比較例のAr/Nイオン比に対
するヌープ硬度(Hk)のグラフ図、第4図は実施例2お
よび比較例のB/N組成比に対するヌープ硬度(Hk)のグ
ラフ図である。 2……基体、3……蒸発源、4……蒸発物質、5,5′…
…イオン源、6a……希ガスイオン、6b……窒素イオン、
7……膜厚計、8……電流測定器
FIG. 1 is a conceptual diagram of a thin film forming apparatus of the method for forming a boron nitride thin film of the present invention, FIG. 2 is a conceptual diagram of another thin film forming apparatus, and FIG. 3 is an Ar / N ion ratio of each of Examples and Comparative Examples. FIG. 4 is a graph of the Knoop hardness (Hk) with respect to the B / N composition ratio of Example 2 and the comparative example. 2 ... substrate, 3 ... evaporation source, 4 ... evaporation material, 5,5 '...
... Ion source, 6a ... Rare gas ion, 6b ... Nitrogen ion,
7 ... Thickness gauge, 8 ... Current measuring device

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 緒方 潔 京都府京都市右京区梅津高畝町47番地 日新電機株式会社内 (72)発明者 桐村 浩哉 京都府京都市右京区梅津高畝町47番地 日新電機株式会社内 (56)参考文献 特開 昭60−63372(JP,A) 特開 昭62−161952(JP,A) 特開 昭62−93366(JP,A) 特開 平2−149661(JP,A) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Kiyoshi Ogata 47, Umezu Takaune-cho, Ukyo-ku, Kyoto, Kyoto Prefecture Inside Nissin Electric Co., Ltd. JP-A-60-63372 (JP, A) JP-A-62-161952 (JP, A) JP-A-62-93366 (JP, A) JP-A-2-149661 (JP) , A)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】基体の表面にホウ素の蒸着と同時に、少な
くとも1種類以上の希ガスイオンと窒素イオンとを混合
して100eV〜500eVの照射エネルギーかつ、前記希ガスイ
オンと前記窒素イオンとの照射量の比を0.05〜1.5で照
射し、形成された窒化ホウ素(BN)薄膜の膜中でのホウ
素と窒素との粒子数の比(B/N組成比)を0.5〜3.0とす
る立方晶窒化ホウ素の結晶粒を含む窒化ホウ素薄膜の形
成方法。
At least one kind of rare gas ions and nitrogen ions are mixed at the same time as the deposition of boron on the surface of a substrate to irradiate the rare gas ions and the nitrogen ions with irradiation energy of 100 eV to 500 eV. Irradiation at a volume ratio of 0.05 to 1.5, and cubic nitriding with a boron / nitrogen particle ratio (B / N composition ratio) of 0.5 to 3.0 in the formed boron nitride (BN) thin film A method for forming a boron nitride thin film containing boron crystal grains.
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