JPH07100859B2 - 立方晶系窒化ホウ素膜の製造方法 - Google Patents
立方晶系窒化ホウ素膜の製造方法Info
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- JPH07100859B2 JPH07100859B2 JP61212349A JP21234986A JPH07100859B2 JP H07100859 B2 JPH07100859 B2 JP H07100859B2 JP 61212349 A JP61212349 A JP 61212349A JP 21234986 A JP21234986 A JP 21234986A JP H07100859 B2 JPH07100859 B2 JP H07100859B2
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Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
- C30B25/02—Epitaxial-layer growth
- C30B25/10—Heating of the reaction chamber or the substrate
- C30B25/105—Heating of the reaction chamber or the substrate by irradiation or electric discharge
-
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、切削工具、耐摩工具などの工具材料およびヒ
ートシンクなどの電子材料あるいはその他様々の用途が
期待されている高硬度、高絶縁性等の優れた特性を有す
る立方晶系窒化ホウ素膜の製造方法に関し、特に、気相
反応により立方晶系窒化ホウ素膜を基板上に析出させる
立方晶系窒化ホウ素膜の製造方法に関する。
ートシンクなどの電子材料あるいはその他様々の用途が
期待されている高硬度、高絶縁性等の優れた特性を有す
る立方晶系窒化ホウ素膜の製造方法に関し、特に、気相
反応により立方晶系窒化ホウ素膜を基板上に析出させる
立方晶系窒化ホウ素膜の製造方法に関する。
従来の技術 窒化ホウ素は、通常、黒鉛に似た結晶構造〔六方晶系窒
化ホウ素〕（以下、HBNと略す）であり、柔らかくて滑
りやすい物質であるが、高温高圧下において黒鉛がダイ
ヤモンドに転移するように窒化ホウ素もまた黒鉛型のHB
Nからダイヤモンド型結晶構造の立方晶系窒化ホウ素
（以下、CBNと略す）に転移し、硬度、絶縁性、熱伝導
性、耐蝕性において優れた材料となることが知られてい
る。特に硬度においては、ダイヤモンドと互いに傷つけ
合う程の硬度をもち、しかも、ダイヤモンドにない高温
の鉄族金属に対する耐蝕性を有するため、高温で使用す
る切削工具や刃物などの材料として使用されている。さ
らに、CBNは、酸化シリコンと同程度の絶縁性を有して
おり熱伝導性においては酸化シリコンの３倍程度の熱伝
導度を有しているので、超LSIなどの基板あるいはヒー
トシンクなどの電子材料としても注目されている材料で
ある。
化ホウ素〕（以下、HBNと略す）であり、柔らかくて滑
りやすい物質であるが、高温高圧下において黒鉛がダイ
ヤモンドに転移するように窒化ホウ素もまた黒鉛型のHB
Nからダイヤモンド型結晶構造の立方晶系窒化ホウ素
（以下、CBNと略す）に転移し、硬度、絶縁性、熱伝導
性、耐蝕性において優れた材料となることが知られてい
る。特に硬度においては、ダイヤモンドと互いに傷つけ
合う程の硬度をもち、しかも、ダイヤモンドにない高温
の鉄族金属に対する耐蝕性を有するため、高温で使用す
る切削工具や刃物などの材料として使用されている。さ
らに、CBNは、酸化シリコンと同程度の絶縁性を有して
おり熱伝導性においては酸化シリコンの３倍程度の熱伝
導度を有しているので、超LSIなどの基板あるいはヒー
トシンクなどの電子材料としても注目されている材料で
ある。
従来、このような優れた特性を有するCBNを製造するに
は、超高圧高温焼結法、すなわちHBNを超高圧発生装置
を用いて60Kbar以上の圧力をかけ、1500〜2000℃以上の
高温度下で触媒と共に溶融させる方法に頼らざるを得な
かった。
は、超高圧高温焼結法、すなわちHBNを超高圧発生装置
を用いて60Kbar以上の圧力をかけ、1500〜2000℃以上の
高温度下で触媒と共に溶融させる方法に頼らざるを得な
かった。
ところで、CBNの立方晶系結晶内において、窒素および
ホウ素原子は安定なSP3混成結合を形成していることが
知られている。このようなSP3混成結合について、窒素
およびホウ素を別々に原料として、超高圧高温焼結法を
用いないで形成するには、まず何らかの方法で窒素原子
およびホウ素原子の電子をSP3混成軌道を作るべく各々
の電子励起状態に励起する必要がある。次に、このよう
な電子励起状態の窒素原子およびホウ素原子が互いに衝
突する機会を与えることで、窒素およびホウ素原子間に
SP3混成結合が形成される。このような安定なSP3混成結
合を生じさせるための具体的な機構は未だ明らかにされ
ておらず、その糸口となるべきいくつかの説が唱えられ
ているにすぎない。
ホウ素原子は安定なSP3混成結合を形成していることが
知られている。このようなSP3混成結合について、窒素
およびホウ素を別々に原料として、超高圧高温焼結法を
用いないで形成するには、まず何らかの方法で窒素原子
およびホウ素原子の電子をSP3混成軌道を作るべく各々
の電子励起状態に励起する必要がある。次に、このよう
な電子励起状態の窒素原子およびホウ素原子が互いに衝
突する機会を与えることで、窒素およびホウ素原子間に
SP3混成結合が形成される。このような安定なSP3混成結
合を生じさせるための具体的な機構は未だ明らかにされ
ておらず、その糸口となるべきいくつかの説が唱えられ
ているにすぎない。
このような現状のもとに、近年、CBNおよび、超高圧高
温焼結法においてCBNと同時に得られる立方最密充填系
窒化ホウ素（以下、WBNと略す）を、上記の超高圧高温
焼結法を用いず、物理蒸着および／またはイオン照射な
どを使用して製造する方法が提案されている。
温焼結法においてCBNと同時に得られる立方最密充填系
窒化ホウ素（以下、WBNと略す）を、上記の超高圧高温
焼結法を用いず、物理蒸着および／またはイオン照射な
どを使用して製造する方法が提案されている。
例えば、（ｉ）ホウ素を含有する蒸発源から負のバイア
ス電圧を印加した基板上にホウ素を蒸着させると共に、
そこに質量分析機で分離された少なくとも窒素を含むイ
オン種を照射して、該基板上にCBNを生成させるCBNの製
造方法が提案されている〔特開昭60−181262号公報参
照〕。また、（ii）HCD（ホローカソード蒸着）法によ
り、電子線でホウ素を蒸着させながら、ホローアノード
において形成されたN2のイオン種を、高周波電圧を印加
してセルフバイアス効果を付与した基板に照射するCBN
の製造方法〔プロシーディング・9th・シンポジウム・
オン・イオン・ソース・イオン・アシステッド・テクノ
ロジー（Proceeding 9th Symposium on Ion Source Ion
Asisted Technology），・85,東京，（1985）参照〕、
さらに、（iii）ダイヤモンド状薄膜の製造に使用され
るイオン蒸着（ID）法を窒化ホウ素の製造方法に応用し
た方法、すなわちホウ素含有固体に電子線を照射してホ
ウ素を蒸発させ、それに窒素含有ガスを導入し、ホウ素
および窒素を同時にイオン化することにより基板表面に
CBNを生成させる方法〔真空、第28巻，第７号（1985）
参照〕等が提案されている。
ス電圧を印加した基板上にホウ素を蒸着させると共に、
そこに質量分析機で分離された少なくとも窒素を含むイ
オン種を照射して、該基板上にCBNを生成させるCBNの製
造方法が提案されている〔特開昭60−181262号公報参
照〕。また、（ii）HCD（ホローカソード蒸着）法によ
り、電子線でホウ素を蒸着させながら、ホローアノード
において形成されたN2のイオン種を、高周波電圧を印加
してセルフバイアス効果を付与した基板に照射するCBN
の製造方法〔プロシーディング・9th・シンポジウム・
オン・イオン・ソース・イオン・アシステッド・テクノ
ロジー（Proceeding 9th Symposium on Ion Source Ion
Asisted Technology），・85,東京，（1985）参照〕、
さらに、（iii）ダイヤモンド状薄膜の製造に使用され
るイオン蒸着（ID）法を窒化ホウ素の製造方法に応用し
た方法、すなわちホウ素含有固体に電子線を照射してホ
ウ素を蒸発させ、それに窒素含有ガスを導入し、ホウ素
および窒素を同時にイオン化することにより基板表面に
CBNを生成させる方法〔真空、第28巻，第７号（1985）
参照〕等が提案されている。
発明が解決しようとする問題点 以上述べたように、CBNは切削工具材料、電子材料など
に適用するのに有利な各種の優れた特性を有しているこ
とから、これまでに上記の如く様々な製造技術が提案さ
れてきた。
に適用するのに有利な各種の優れた特性を有しているこ
とから、これまでに上記の如く様々な製造技術が提案さ
れてきた。
しかし、上記（ｉ）の方法は、イオンに５〜100KeVとい
う高い運動エネルギーを持たせる、イオンビームを集束
させる、特定のN2 +を選択する質量分離の機能を有する
等極めて複雑で高価な装置を必要とするという問題を有
していた。また、上記（ii）の方法および上記（iii）
の方法においては、ホウ素は融点と沸点が近いため電子
線照射することによって固体表面上において突沸を起こ
しやすく、電子線の制御が困難であるという問題を有し
ており、さらに前者においては反応装置に用いられる不
活性ガスが析出する生成物中に混入しやすいという問題
を、一方、後者においては、得られたCBNの純度が比較
的低いという問題点も有していた。
う高い運動エネルギーを持たせる、イオンビームを集束
させる、特定のN2 +を選択する質量分離の機能を有する
等極めて複雑で高価な装置を必要とするという問題を有
していた。また、上記（ii）の方法および上記（iii）
の方法においては、ホウ素は融点と沸点が近いため電子
線照射することによって固体表面上において突沸を起こ
しやすく、電子線の制御が困難であるという問題を有し
ており、さらに前者においては反応装置に用いられる不
活性ガスが析出する生成物中に混入しやすいという問題
を、一方、後者においては、得られたCBNの純度が比較
的低いという問題点も有していた。
そこで、本発明の目的は、CBNの製造において、イオン
ビーム、電子銃等の複雑な装置を要さず、簡略であり、
しかも不純物等の混入の可能性の低いCBNの製造方法を
提供することにある。
ビーム、電子銃等の複雑な装置を要さず、簡略であり、
しかも不純物等の混入の可能性の低いCBNの製造方法を
提供することにある。
問題点を解決するための手段 本発明者らは、従来提案されていたCBNの製造方法にお
ける上記のような諸問題点を解決すべく、鋭意検討・研
究した結果、予備加熱およびプラズマ化という反応ガス
の処理並びに基板の加熱という一連の工程を組合わせる
ことによって、窒素原子およびホウ素原子の間に安定な
SP3混成結合を生じさせ、基板上にCBNを析出し得ること
を見出した。
ける上記のような諸問題点を解決すべく、鋭意検討・研
究した結果、予備加熱およびプラズマ化という反応ガス
の処理並びに基板の加熱という一連の工程を組合わせる
ことによって、窒素原子およびホウ素原子の間に安定な
SP3混成結合を生じさせ、基板上にCBNを析出し得ること
を見出した。
すなわち本発明はホウ素含有ガスおよび窒素含有ガスの
混合物を予備加熱し、次いで該混合物に高周波電圧を印
加してプラズマ化し、加熱した基板上にCBNを析出させ
る各工程を含むCBNの製造方法を提供するものである。
混合物を予備加熱し、次いで該混合物に高周波電圧を印
加してプラズマ化し、加熱した基板上にCBNを析出させ
る各工程を含むCBNの製造方法を提供するものである。
本発明の方法においては、まず、ホウ素含有ガスおよび
窒素含有ガスを予備加熱する。ここで用いる本発明の原
料ガス、即ちホウ素含有ガスとしては、例えばB2H6、BC
l3、B3H6N3、BF3等が挙げられ、また勿論これらガスの
混合物を使用することもできる。一方、窒素含有ガスと
しては、例えばN2、NH3、低級アルキル基置換アンモニ
ア、NO等、あるいはこれらの混合物が挙げられる。この
工程において原料ガス混合物は予備励起される。
窒素含有ガスを予備加熱する。ここで用いる本発明の原
料ガス、即ちホウ素含有ガスとしては、例えばB2H6、BC
l3、B3H6N3、BF3等が挙げられ、また勿論これらガスの
混合物を使用することもできる。一方、窒素含有ガスと
しては、例えばN2、NH3、低級アルキル基置換アンモニ
ア、NO等、あるいはこれらの混合物が挙げられる。この
工程において原料ガス混合物は予備励起される。
これらの反応ガスにおいて、ホウ素含有ガスと窒素含有
ガスの混合比は、これらのガス成分中における窒素原子
に対するホウ素原子の割合（以下、B/Nと略す）が0.1〜
10の範囲となるように決めることが好ましい。B/Nが0.1
未満になると非晶質の窒化ホウ素が析出しやすくなり、
一方、10を越えるとホウ素が過剰となり、非晶質のホウ
素が基板上に析出しやすくなるのでいずれも好ましくな
い。これらの反応ガスであるホウ素含有ガスおよび窒素
含有ガスの全圧力および流量は、一般的に、予備加熱し
た後の工程である放電条件に支配される。
ガスの混合比は、これらのガス成分中における窒素原子
に対するホウ素原子の割合（以下、B/Nと略す）が0.1〜
10の範囲となるように決めることが好ましい。B/Nが0.1
未満になると非晶質の窒化ホウ素が析出しやすくなり、
一方、10を越えるとホウ素が過剰となり、非晶質のホウ
素が基板上に析出しやすくなるのでいずれも好ましくな
い。これらの反応ガスであるホウ素含有ガスおよび窒素
含有ガスの全圧力および流量は、一般的に、予備加熱し
た後の工程である放電条件に支配される。
これらの反応ガスの予備加熱は、熱電子放射材を用いて
加熱する。熱電子放射材としては、例えばタングステン
フィラメント、トリウム含有タングステンフィラメント
が挙げられ、このような手段により反応ガスの温度を10
00℃以上の範囲に調整する。熱電子放射板による予備加
熱は、通常の熱活性化と異なり、熱電子の放射により原
料ガスを効率的に分解、活性する。この温度が1000℃未
満であると、目的とするCBNを基板上に析出させること
ができず、他の晶系が析出するので好ましくない。
加熱する。熱電子放射材としては、例えばタングステン
フィラメント、トリウム含有タングステンフィラメント
が挙げられ、このような手段により反応ガスの温度を10
00℃以上の範囲に調整する。熱電子放射板による予備加
熱は、通常の熱活性化と異なり、熱電子の放射により原
料ガスを効率的に分解、活性する。この温度が1000℃未
満であると、目的とするCBNを基板上に析出させること
ができず、他の晶系が析出するので好ましくない。
本発明の方法に従えば、次の工程として上記のように予
備加熱され、予備励起された原料ガス混合物に高周波電
圧を印加する。これによって原料ガス混合物がプラズマ
化し、更に励起、解理、イオン化を生じ、様々な分子
種、原子種となり、加熱された基板の熱エネルギーの作
用によって特に化学的に活性な遊離ホウ素および窒素と
が反応して安定なSP3結合を形成し、立方晶系窒化ホウ
素として基板状に堆積される。この工程において、高周
波電圧印加条件としては原料ガス圧0.01〜100Torr、高
周波周波数1KHz〜13.56MHzとすることが好ましい。ま
た、十分な活性化を達成するためには高周波印加領域で
の原料ガスの滞留時間は10-2〜1Sとすることが有利であ
り、この条件を満たすように原料ガス流量、高周波電圧
印加領域の幅等を調節する。
備加熱され、予備励起された原料ガス混合物に高周波電
圧を印加する。これによって原料ガス混合物がプラズマ
化し、更に励起、解理、イオン化を生じ、様々な分子
種、原子種となり、加熱された基板の熱エネルギーの作
用によって特に化学的に活性な遊離ホウ素および窒素と
が反応して安定なSP3結合を形成し、立方晶系窒化ホウ
素として基板状に堆積される。この工程において、高周
波電圧印加条件としては原料ガス圧0.01〜100Torr、高
周波周波数1KHz〜13.56MHzとすることが好ましい。ま
た、十分な活性化を達成するためには高周波印加領域で
の原料ガスの滞留時間は10-2〜1Sとすることが有利であ
り、この条件を満たすように原料ガス流量、高周波電圧
印加領域の幅等を調節する。
本発明の製造方法の目的とするCBNを析出させる基板に
おいて、基板の温度を300〜2000℃に加熱することが好
適であり、この温度範囲外であると基板上にCBN以外の
晶系の窒化ホウ素や非晶質の窒化ホウ素が析出する。基
板を上記の温度に加熱するには、通常、加熱用ヒーター
を基板の下部に設置するのが好ましい。基板の材料とし
ては、上記の加熱条件で溶融しないものがよく、例え
ば、タングステン、シリコンウエーハ、モリブデン等お
よびセラミック材料、例えばAl2O3、Si3N4、SiC等、お
よび超硬合金などが挙げられる。
おいて、基板の温度を300〜2000℃に加熱することが好
適であり、この温度範囲外であると基板上にCBN以外の
晶系の窒化ホウ素や非晶質の窒化ホウ素が析出する。基
板を上記の温度に加熱するには、通常、加熱用ヒーター
を基板の下部に設置するのが好ましい。基板の材料とし
ては、上記の加熱条件で溶融しないものがよく、例え
ば、タングステン、シリコンウエーハ、モリブデン等お
よびセラミック材料、例えばAl2O3、Si3N4、SiC等、お
よび超硬合金などが挙げられる。
本発明に用いられる製造装置の一具体例を第１図に示
す。本装置は、主に、反応ガスである窒素含有ガスおよ
びホウ素含有ガスの混合物を反応容器に供給すると同時
に該反応容器の内圧を調整する反応ガス制御系と、該反
応ガスを励起、解離かつ反応させて基板上にCBNを析出
させるCBN反応系とからなる。気密性を保つことができ
る反応容器１において、反応容器内部の反応ガスの導入
口２付近に熱電子放射材３が配置されており、さらに導
入口２からそれと対向する内壁に備えられた排出口４付
近であって、反応容器の側面である外周に高周波照射用
コイル５が配置されている。また、反応容器１の該高周
波コイル５に覆われている部分の内壁の底部にはCBNを
析出させるための基板６およびその支持台７が設置され
ている。さらに、反応容器１は、反応ガスの導入口２お
よび導入管８を介して反応ガス供給装置９および10に接
続しており、一方、反応ガスの排出口４および排気管11
を介して反応ガス排気装置12と接続している。また、反
応容器１の外部には、高周波照射用コイルのための高周
波電源13および熱電子放射材用の電源14が備えられてい
る。この装置において、基板の加熱は、該基板がプラズ
マ中に設置されることによって、プラズマの出力によっ
て所定の温度に調整されるものである。
す。本装置は、主に、反応ガスである窒素含有ガスおよ
びホウ素含有ガスの混合物を反応容器に供給すると同時
に該反応容器の内圧を調整する反応ガス制御系と、該反
応ガスを励起、解離かつ反応させて基板上にCBNを析出
させるCBN反応系とからなる。気密性を保つことができ
る反応容器１において、反応容器内部の反応ガスの導入
口２付近に熱電子放射材３が配置されており、さらに導
入口２からそれと対向する内壁に備えられた排出口４付
近であって、反応容器の側面である外周に高周波照射用
コイル５が配置されている。また、反応容器１の該高周
波コイル５に覆われている部分の内壁の底部にはCBNを
析出させるための基板６およびその支持台７が設置され
ている。さらに、反応容器１は、反応ガスの導入口２お
よび導入管８を介して反応ガス供給装置９および10に接
続しており、一方、反応ガスの排出口４および排気管11
を介して反応ガス排気装置12と接続している。また、反
応容器１の外部には、高周波照射用コイルのための高周
波電源13および熱電子放射材用の電源14が備えられてい
る。この装置において、基板の加熱は、該基板がプラズ
マ中に設置されることによって、プラズマの出力によっ
て所定の温度に調整されるものである。
一方、第２図は本発明に用いられる製造装置の別の例で
ある。基本的には第１図と同じ構成であり、本発明の諸
工程を実施し得るものであるが、第１図の装置との違い
は、加熱用の熱電子放射材３は反応ガス導入口２付近で
あり該導入口のある内壁に対して平行に設置されてお
り、また、基板６およびその支持台７は、該熱電子放射
材に対向して、排出口４のある内壁に設置されている。
この装置の場合、第１図の場合と異なり、基板６はプラ
ズマを発生する高周波コイル５からわずかに離れている
ので基板加熱手段としてヒーター15が基板下に設置され
る。
ある。基本的には第１図と同じ構成であり、本発明の諸
工程を実施し得るものであるが、第１図の装置との違い
は、加熱用の熱電子放射材３は反応ガス導入口２付近で
あり該導入口のある内壁に対して平行に設置されてお
り、また、基板６およびその支持台７は、該熱電子放射
材に対向して、排出口４のある内壁に設置されている。
この装置の場合、第１図の場合と異なり、基板６はプラ
ズマを発生する高周波コイル５からわずかに離れている
ので基板加熱手段としてヒーター15が基板下に設置され
る。
上記のような本発明に用いられる製造装置を運転してCB
Nを得るためには、まず反応室内を排気装置12、例えば
オイル拡散ポンプなどで排気した後、ホウ素含有ガスな
らびに窒素含有ガス供給装置９、10および排気装置12に
よって所定の混合比、、反応容器内圧および反応ガスの
移動速度となるようにホウ素含有ガスおよび窒素含有ガ
スを供給すると共に、その混合ガスの温度が所定の温度
になるように熱電子放射材３で加熱する。また、高周波
プラズマが発生するように高周波電圧を印加する。さら
に、基板６を、所定の温度が得られるようにヒーター又
はプラズマを介して加熱する。このような操作をした
後、この装置の運転を続けることで基板上にCBNが析出
される。
Nを得るためには、まず反応室内を排気装置12、例えば
オイル拡散ポンプなどで排気した後、ホウ素含有ガスな
らびに窒素含有ガス供給装置９、10および排気装置12に
よって所定の混合比、、反応容器内圧および反応ガスの
移動速度となるようにホウ素含有ガスおよび窒素含有ガ
スを供給すると共に、その混合ガスの温度が所定の温度
になるように熱電子放射材３で加熱する。また、高周波
プラズマが発生するように高周波電圧を印加する。さら
に、基板６を、所定の温度が得られるようにヒーター又
はプラズマを介して加熱する。このような操作をした
後、この装置の運転を続けることで基板上にCBNが析出
される。
作用 CBNは立方晶系結晶内において、窒素原子とホウ素原子
が安定なSP3混成結合をしてダイヤモンド型結晶構造を
有している。
が安定なSP3混成結合をしてダイヤモンド型結晶構造を
有している。
このSP3混成結合を形成するには、窒素原子およびホウ
素原子を、それぞれ何らかの方法でSP3混成軌道を作る
べく励起状態に励起する必要があり、さらに、これらが
互いに衝突する機会を与えることで、SP3混成結合とな
る分子軌道を形成する。このようなSP3混成結合となる
分子軌道にそれぞれの励起原子の有していた電子が配置
されることで多大な安定化エネルギーを得、系が安定化
する結果、上記のような優れた特性を有するのである。
素原子を、それぞれ何らかの方法でSP3混成軌道を作る
べく励起状態に励起する必要があり、さらに、これらが
互いに衝突する機会を与えることで、SP3混成結合とな
る分子軌道を形成する。このようなSP3混成結合となる
分子軌道にそれぞれの励起原子の有していた電子が配置
されることで多大な安定化エネルギーを得、系が安定化
する結果、上記のような優れた特性を有するのである。
かくして、CBNを作製するためにはＢ源及びＮ源からSP3
混成結合を形成し易い条件を見出すことが重要である。
この点本発明によれば、原料混合ガスを予め熱電子放射
材により加熱して予備励起し、次いで高周波電圧を印加
してこれをプラズマ化し、基板を加熱するといった一連
のエネルギー供給処理を施すことにより上記のSP3混成
結合を生じさせることが可能となり、基板上にCBNが析
出することができた。ここで予備加熱温度、基板温度並
びにプラズマ化条件は本発明において重要であり、既に
述べたような範囲条件とすることがCBNを得る上で好ま
しい。
混成結合を形成し易い条件を見出すことが重要である。
この点本発明によれば、原料混合ガスを予め熱電子放射
材により加熱して予備励起し、次いで高周波電圧を印加
してこれをプラズマ化し、基板を加熱するといった一連
のエネルギー供給処理を施すことにより上記のSP3混成
結合を生じさせることが可能となり、基板上にCBNが析
出することができた。ここで予備加熱温度、基板温度並
びにプラズマ化条件は本発明において重要であり、既に
述べたような範囲条件とすることがCBNを得る上で好ま
しい。
本発明によれば、比較的簡単な操作で、かつ安価な装置
により高品位のCBN薄膜が得られるので経済的に有利で
あり、従って上記の如き各種工具、電子材料として有用
である。
により高品位のCBN薄膜が得られるので経済的に有利で
あり、従って上記の如き各種工具、電子材料として有用
である。
実施例 以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発
明はこれらに限定されるものではない。
明はこれらに限定されるものではない。
実施例１ 第１図に示した製造装置を使用し、基板にシリコンウエ
ーハを用い、原料ガスであるホウ素含有ガスはB2H6、窒
素含有ガスはNH3を用い、それぞれ4cc/min,10cc/minの
流量で反応室に導入した。また、タングステンフィラメ
ントによって反応容器内の温度が2000℃になるように調
整し、高周波プラズマの出力を1KWとなるように高周波
電圧を印加し、上記ガスを流した状態で排気装置を使っ
て反応室内の圧力を5Torrに調整し、この状態で４時間
連続運転を続けたところ、８μｍ程度の膜厚の窒化ホウ
素膜が得られた。
ーハを用い、原料ガスであるホウ素含有ガスはB2H6、窒
素含有ガスはNH3を用い、それぞれ4cc/min,10cc/minの
流量で反応室に導入した。また、タングステンフィラメ
ントによって反応容器内の温度が2000℃になるように調
整し、高周波プラズマの出力を1KWとなるように高周波
電圧を印加し、上記ガスを流した状態で排気装置を使っ
て反応室内の圧力を5Torrに調整し、この状態で４時間
連続運転を続けたところ、８μｍ程度の膜厚の窒化ホウ
素膜が得られた。
得られた窒化ホウ素膜について、粉砕してＸ線回折に供
したところ、２θ＝43.2°付近にCBN特有の鋭いピーク
が観測され、CBNであることが同定された。
したところ、２θ＝43.2°付近にCBN特有の鋭いピーク
が観測され、CBNであることが同定された。
実施例２ 第２図に示した製造装置を使用し、基板にモリブデン基
板を用い、原料ガスであるホウ素含有ガスはBCl3、窒素
含有ガスはNH3を用い、それぞれ5cc/min,5cc/minの流量
で反応室に導入した。また、タングステンフィラメント
によって反応容器内の温度が2200℃になるように調整
し、高周波プラズマの出力を2.0kWとなるように高周波
電圧を印加し、上記ガスを流した状態で排気装置を使っ
て反応室内の圧力を8Torrに調整した。基板温度を900℃
に設定した後、この状態で４時間連続運転を続けたとこ
ろ、12μｍ程度の膜厚の窒化ホウ素膜が得られた。
板を用い、原料ガスであるホウ素含有ガスはBCl3、窒素
含有ガスはNH3を用い、それぞれ5cc/min,5cc/minの流量
で反応室に導入した。また、タングステンフィラメント
によって反応容器内の温度が2200℃になるように調整
し、高周波プラズマの出力を2.0kWとなるように高周波
電圧を印加し、上記ガスを流した状態で排気装置を使っ
て反応室内の圧力を8Torrに調整した。基板温度を900℃
に設定した後、この状態で４時間連続運転を続けたとこ
ろ、12μｍ程度の膜厚の窒化ホウ素膜が得られた。
得られた窒化ホウ素膜について、粉砕してＸ線回折に供
したところ、２θ＝43.2°付近にCBN特有の鋭いピーク
が観測され、CBNであることが同定された。
したところ、２θ＝43.2°付近にCBN特有の鋭いピーク
が観測され、CBNであることが同定された。
比較例１ 実施例１において、タングステンフィラメントを使用せ
ず、反応室内の圧力を3Torr、高周波出力を1.5kwとし、
成膜時間を５時間とした以外は実施例１と同様にして、
10μｍ程度の膜厚の窒化ホウ素膜を得た。得られた窒化
ホウ素膜について、粉砕してＸ線回折に供したところ２
θ＝26.7°付近にHBN特有の鋭いピークと、CBN特有のピ
ーク位置である２θ＝43.2°付近になだらかなピークが
観測され、この窒化ホウ素膜はHBNとCBNの多結晶系であ
り、しかもHBNの方が多量に含まれていることが明らか
となった。
ず、反応室内の圧力を3Torr、高周波出力を1.5kwとし、
成膜時間を５時間とした以外は実施例１と同様にして、
10μｍ程度の膜厚の窒化ホウ素膜を得た。得られた窒化
ホウ素膜について、粉砕してＸ線回折に供したところ２
θ＝26.7°付近にHBN特有の鋭いピークと、CBN特有のピ
ーク位置である２θ＝43.2°付近になだらかなピークが
観測され、この窒化ホウ素膜はHBNとCBNの多結晶系であ
り、しかもHBNの方が多量に含まれていることが明らか
となった。
窒化ホウ素膜による切削試験 実施例１〜２および比較例１の製造条件を用いて基板で
あるチップに３μｍの膜厚でコーティングを行ない、第
１表に示した切削条件、即ち被削材、切削速度、切り込
みおよび送りの下で切削試験を行ない、各条件下で逃げ
摩耗幅0.1mmに達する時間を測定した。得られた結果を
第２表に示す。また、コーティングを行なわない場合お
よび反応性イオンプレーティング法を用いてTiNのコー
ティングを行なった場合についても、チップにWC基超硬
合金であるTNMG432を用いて、同様の切削試験を行な
い、結果を第２表に示した。
あるチップに３μｍの膜厚でコーティングを行ない、第
１表に示した切削条件、即ち被削材、切削速度、切り込
みおよび送りの下で切削試験を行ない、各条件下で逃げ
摩耗幅0.1mmに達する時間を測定した。得られた結果を
第２表に示す。また、コーティングを行なわない場合お
よび反応性イオンプレーティング法を用いてTiNのコー
ティングを行なった場合についても、チップにWC基超硬
合金であるTNMG432を用いて、同様の切削試験を行な
い、結果を第２表に示した。
第２表より、耐摩耗性については実施例１および２で得
られた純粋なCBNのコーティングを行なったチップが最
も優れていることが明らかである。CBN以外の窒化ホウ
素の晶系の混合（比較例１）はTiNをコーティングした
場合と同程度の耐摩耗性を示している。
られた純粋なCBNのコーティングを行なったチップが最
も優れていることが明らかである。CBN以外の窒化ホウ
素の晶系の混合（比較例１）はTiNをコーティングした
場合と同程度の耐摩耗性を示している。
また、第３図に、チップとしてTNG322を用い、被削材と
してSCM435を用い、実施例１で得られたCBNコートチッ
プ、TiNコートチップおよびコーティングをしていない
チップについて、それぞれ切削試験を行ない、結果を切
削速度とチップの寿命の関係として示した。第４図に、
チップとしてSNG435を用い、被削材としてFC30を用い、
切削速度が250m/minのときの、実施例２で得られたCBN
コートチップ、TiCコートチップおよびコーティングを
していないチップについて、それぞれ切削試験を行な
い、耐欠損性と衝撃回数の関係を示した。第３図および
第４図より、CBNをコーティングしたチップは他の材料
をコーティングしたチップと比べて1.5倍程度の耐摩耗
性を有していることがわかる。
してSCM435を用い、実施例１で得られたCBNコートチッ
プ、TiNコートチップおよびコーティングをしていない
チップについて、それぞれ切削試験を行ない、結果を切
削速度とチップの寿命の関係として示した。第４図に、
チップとしてSNG435を用い、被削材としてFC30を用い、
切削速度が250m/minのときの、実施例２で得られたCBN
コートチップ、TiCコートチップおよびコーティングを
していないチップについて、それぞれ切削試験を行な
い、耐欠損性と衝撃回数の関係を示した。第３図および
第４図より、CBNをコーティングしたチップは他の材料
をコーティングしたチップと比べて1.5倍程度の耐摩耗
性を有していることがわかる。
発明の効果 以上説明したように、本発明の製造方法は、従来のよう
な超高圧高温焼結法を用いない気相反応法であり、しか
も、イオンビーム、電子銃等の複雑で高価な装置を必要
としない簡略なCBN製造方法である。さらに、本発明のC
BN製造方法によれば、不純物や他の晶系の窒化ホウ素の
混入の少ない優れたCBNを製造することができ、その工
業的価値は極めて高いものである。
な超高圧高温焼結法を用いない気相反応法であり、しか
も、イオンビーム、電子銃等の複雑で高価な装置を必要
としない簡略なCBN製造方法である。さらに、本発明のC
BN製造方法によれば、不純物や他の晶系の窒化ホウ素の
混入の少ない優れたCBNを製造することができ、その工
業的価値は極めて高いものである。
第１図および第２図は、本発明に用いられる製造装置の
概略図である。 第３図は、CBNコートチップおよび他のチップについ
て、切削速度とチップの寿命の関係をプロットしたグラ
フである。 第４図は、CBNコートチップおよび他のチップにつき鋳
鉄切削における耐欠損性を示すグラフである。 （主な参照番号） １…反応容器、２…反応ガス導入口、３…熱電子放射
材、４…反応ガス排出口、５…高周波コイル、６…基
板、７…基板支持台、８…反応ガス導入管、９…ホウ素
含有ガス供給装置、10…窒素含有ガス供給装置、11…ガ
ス排気口、12…ガス排気装置、13…高周波電源、14…熱
電子放射材用電源、15…ヒーター
概略図である。 第３図は、CBNコートチップおよび他のチップについ
て、切削速度とチップの寿命の関係をプロットしたグラ
フである。 第４図は、CBNコートチップおよび他のチップにつき鋳
鉄切削における耐欠損性を示すグラフである。 （主な参照番号） １…反応容器、２…反応ガス導入口、３…熱電子放射
材、４…反応ガス排出口、５…高周波コイル、６…基
板、７…基板支持台、８…反応ガス導入管、９…ホウ素
含有ガス供給装置、10…窒素含有ガス供給装置、11…ガ
ス排気口、12…ガス排気装置、13…高周波電源、14…熱
電子放射材用電源、15…ヒーター
Claims (3)
- 【請求項１】ホウ素含有ガスおよび窒素含有ガスの混合
物を1000℃以上に加熱した熱電子放射材を用いて予備加
熱し、次いで該混合物に高周波を照射してプラズマ化し
た後、加熱した基板上に立方晶系窒化ホウ素膜を析出さ
せる各工程を含む立方晶系窒化ホウ素膜の製造方法。 - 【請求項２】上記加熱した基板の温度が300〜2000℃で
ある特許請求の範囲第１項記載の立方晶系窒化ホウ素膜
の製造方法。 - 【請求項３】上記ホウ素含有ガスおよび窒素含有ガスの
混合物において、窒素原子に対するホウ素原子の割合B/
Nが0.1〜10である特許請求の範囲第１項記載の立方晶系
窒化ホウ素膜の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61212349A JPH07100859B2 (ja) | 1986-09-09 | 1986-09-09 | 立方晶系窒化ホウ素膜の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61212349A JPH07100859B2 (ja) | 1986-09-09 | 1986-09-09 | 立方晶系窒化ホウ素膜の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6369972A JPS6369972A (ja) | 1988-03-30 |
| JPH07100859B2 true JPH07100859B2 (ja) | 1995-11-01 |
Family
ID=16621066
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61212349A Expired - Lifetime JPH07100859B2 (ja) | 1986-09-09 | 1986-09-09 | 立方晶系窒化ホウ素膜の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07100859B2 (ja) |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6177691A (ja) * | 1984-09-10 | 1986-04-21 | 日立金属株式会社 | 熱分解窒化硼素成形体の製造装置 |
| JPS61149478A (ja) * | 1984-12-25 | 1986-07-08 | Furukawa Mining Co Ltd | 六方晶乃至立方晶の窒化ホウ素膜の製造方法 |
-
1986
- 1986-09-09 JP JP61212349A patent/JPH07100859B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6369972A (ja) | 1988-03-30 |
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