JPH0819523B2 - 高硬度窒化硼素の合成法 - Google Patents

高硬度窒化硼素の合成法

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JPH0819523B2
JPH0819523B2 JP61279360A JP27936086A JPH0819523B2 JP H0819523 B2 JPH0819523 B2 JP H0819523B2 JP 61279360 A JP61279360 A JP 61279360A JP 27936086 A JP27936086 A JP 27936086A JP H0819523 B2 JPH0819523 B2 JP H0819523B2
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boron nitride
boron
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和彦 福島
正明 飛岡
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Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は高硬度な立方晶窒化硼素の合成法に係り、
詳しくは非常に高硬度を有するだけでなく、熱伝導率に
富み、化学的に安定で加えてダイヤモンドとは異なり、
鉄族金属に対する耐性にもすぐれていることから切削工
具、耐摩工具などの工具材料、さらにはヒートシンクな
どの電子材料として用いられる立方晶窒化硼素を気相よ
り基材表面に析出させる方法に関するものである。
〈従来の技術〉 従来、窒化硼素の製造法としては、 (1) 硼素を含有する蒸発源から基体上に硼素分子を
蒸着させるとともに、少なくとも窒素を含むイオン種を
発生せしめるイオン発生源から基体上に該イオン種を照
射して、該基体上に窒化硼素を析出せしめる窒化硼素膜
の製造方法(特公昭60−181262号公報)。
(2) H2+N2プラズマによる硼素の化学輸送を行なう
ことによって立方晶窒化硼素を生成させる方法(Journa
l of material science letters 4、(1985)、P51〜5
4)。
(3) HCD gunで硼素を蒸発させながら、Hollow Anod
eからN2をイオン化して基板に放射し、基板には高周波
を印加してself bias効果をもたせて立方晶窒化硼素を
生成する方法(Proceeding、9th、Symposium on Ion so
urce Ion Asisted Technology Anode 85、Tokyo(198
5))。
(4) 硼素原子含有固体にEBを当てることにより、硼
素を蒸発させ、それに窒素原子含有ガスを流しこみ、硼
素および窒素を同時にイオン化することにより、基材表
面に立方晶窒化硼素を生成する方法(真空、第28巻、第
7号、1985)。
などが知られている。
〈発明が解決しようとする問題点〉 しかしながら、上記(1)の方法はイオンビームを発
生する装置および集束装置が高価であることが欠点とさ
れ、(2)の方法は高出力のRFプラズマを成膜に利用し
ていることにより、反応系からの不純物が混入しやす
い。(3)の方法は(1)の方法と同じくイオンビーム
を発生する装置およびその集束装置が高価であること
と、不活性ガスの原子が析出した窒化硼素に取り込まれ
る欠点がある。また(4)の方法においては、硼素は融
点と沸点が近いため、EBを当てることにより、突沸しや
すく制御が困難であるという欠点を有しているのであ
る。
〈問題点を解決するための手段〉 この発明は上記した従来法の欠点を解消した窒化硼素
の合成法を得るべく検討の結果見出されたものである。
即ち、この発明は硼素原子含有ガス、窒素原子含有ガ
スをエキシマレーザーCVD法にて分解、励起状態とした
のち、高周波プラズマ中を通過せしめることにより800
〜2000℃に加熱した基板表面に導入して立方晶窒化硼素
を析出させることを特徴とする高硬度窒化硼素の合成法
を提供することを目的とするものである。
〈作用〉 この発明においては、硼素原子含有ガスおよび窒素原
子含有ガスの混合ガスをエキシマレーザー中を通過せし
めることにより分解、励起し、励起状の硼素原子および
窒素原子を生成せしめる。かつその励起状の硼素原子お
よび窒素原子をさらに高周波プラズマ中を通過させるこ
とにより、より高次のエネルギーを有し、加熱した基板
上において立方晶窒化硼素を生成する。
このように、この発明においては成膜プロセスとして
エキシマレーザーおよび高周波プラズマを使用する。
上記において、エキシマレーザーのみ、あるいは高周
波プラズマのみを成膜手段として用いた場合、原料源で
ある硼素原子と窒素原子を互いにsp3結合を行なわせる
には反応エネルギーが不足するため、非晶質窒化硼素や
六方晶窒化硼素を作成しやすい。
これに対して、エキシマレーザーと高周波プラズマの
2つの成膜手段を組合せて利用した場合、硼素原子と窒
素原子が互いにsp3結合を起こすのに充分な反応エネル
ギーが得られるのである。
上記においてエキシマレーザー出力は1〜100wの範囲
が好適である。これは1wより小さいと、成膜速度が非常
に小さくなり、かつ原料源を励起するのに不足し、また
100wより大きいと、媒質ガスの寿命が短くなるため、出
力減衰が顕著となり、安定した出力を得ることはできな
い。
次に高周波プラズマの出力は100w以上が好ましい。こ
れは100wより小さいと、励起硼素原子と励起窒素原子を
互いにsp3結合を行なわせるにはエネルギーが不足する
ためである。
基板温度は800℃より低いと、励起状態の硼素原子と
窒素原子が互いにsp3結合する熱エネルギーとして不足
し、また2000℃より高くなると、成膜する窒化硼素膜か
ら窒素が抜け出てしまうため、800〜2000℃が好まし
い。
この発明において、使用するエキシマレーザーの媒質
ガスとしてはArF、KrF、F2ガスなどが用いられる。
硼素原子含有ガス中の硼素原子数および窒素原子含有
ガス中の窒素原子数の比はB/N=0.1〜10の範囲が好まし
い。これはB/N<0.1の時は非晶質状の窒化硼素の膜が析
出されやすく、B/N>10の時は硼素が過剰となり、非晶
質状の硼素が形成されやすいためである。
硼素原子含有ガスとしてB2H6、BCl3、BBr3、B3N3H6
どが挙げられ、窒素原子含有ガスとしてはN2、NH3等が
用いられる。
なおこの発明で高硬度窒化硼素合成に際しては、第1
図あるいは第2図に概略図として示す製造装置を使用す
る。そして第1図は基板をヒーターにて加熱するタイプ
であり、第2図は高周波プラズマ中に基板が位置してい
るのでプラズマ強度によって基板温度を調節できるタイ
プである。
両図において、1は硼素原子含有ガス供給装置、2は
窒素原子含有ガス供給装置、3はエキシマレーザー発生
装置、4は反応室、5はエキシマレーザーガイド、6は
エキシマレーザー、7は基板、8は基板支持台、9はヒ
ーター、10は高周波コイル、11は高周波電源、12はコッ
ク、13は排気装置、14は排気口である。
〈実施例〉 以下実施例によりこの発明を詳細に説明する。
実施例1 第1図に示す製造装置を用い、シリコンウエハーを基
板として使用し、原料ガスとしてジポランおよび窒素を
夫々20cc/min、10cc/min流した。反応管内圧力は0.1Tor
rに調整し、基板温度を900℃とした。エキシマレーザー
としてArFレーザーを使用し、レーザー出力は20wとし
た。高周波周波数は13.56MHz、高周波出力は500wとし、
成膜時間は4時間とした。
成膜終了後、6μm程度の窒化硼素膜が析出され、X
線回折で評価したところ、2θ=43.2度付近に鋭いピー
クを検出し、立方晶窒化硼素であると同定した。
実施例2 第2図に示す製造装置を用い、シリコンウエハーを基
板として使用し、原料ガスとして塩化硼素、窒素を夫々
8cc/min、16cc/min流した。
反応管内圧力は0.3Torrに調整し、基板温度を1100℃
した。エキシマレーザーとしてKrFレーザーを使用し、
レーザー出力は30wとした。高周波周波数は13.56MHz、
高周波出力は1kwとし、成膜時間は7時間とした。
成膜終了後、12μm程度の窒化硼素膜が析出され、ラ
マン分析で評価したところ1310cm-1と1055cm-1付近に鋭
いピークを検出し、立方晶窒化硼素と同定できた。
実施例3 第1図に示す製造装置を使用した。
モリブデンを基板として用い、原料ガスとしてフッ化
硼素、アンモニアを夫々10cc/min、30cc/min流した。反
応管内圧力は0.2Torrに調整し、基板温度を800℃とし
た。成膜手段としてエキシマレーザーは使用せず、高周
波プラズマのみとし、高周波周波数13.56MHz、高周波出
力を400wとし、成膜時間を5時間とした。
成膜修了後、5μm程度の窒化硼素膜が析出され、X
線回折で評価したところ、2θ=26.7度および43.2度付
近に夫々広いピークを検出し、六方晶窒化硼素および立
方晶窒化硼素の混在した薄膜であることが認められた。
実施例4 上記実施例1〜3の条件を用いてWC基超硬合金である
TNMG432をチップとして用いて該チップ状にコーティン
グを行ない、切削テストを行なった。
比較としてコーティングを行なわないチップおよびCV
D法にてTiNコーティングを行なったチップの切削テスト
をも行なった。
コーティングは何れも被覆層厚3μmとした。切削テ
スト条件は第1表に示した。また切削テストの結果は第
2表に示した。
上表から立方晶窒化硼素を被覆層としてチップに使用
した場合、この発明の実施例は全て耐摩耗性にすぐれて
いることが認められた。
また、この発明で得たCBNコートチップの鋼旋削にお
ける切削性能を切削速度と寿命時間との関係で調べたと
ころ第3図の結果を得、さらに鋳鉄切削における欠損ま
での切削時間と衝撃回数との関係を調べたところ第4図
の結果を得た。
〈発明の効果〉 以上説明したように、この発明は耐熱衝撃性、熱伝導
性、硬度、耐摩耗性および高温における鉄族金属に対す
る耐性にもすぐれる立方晶窒化硼素膜を気相から析出す
る新規な合成法であり、切削部材、耐摩耗部材および耐
熱部品の被覆膜として用いた場合、第2図および第3図
に示すように多大な効果を示すことが認められた。
【図面の簡単な説明】
第1図および第2図はこの発明の方法にて用いる製造装
置の概略説明図、第3図および第4図はこの発明の方法
で得られる立方晶窒化硼素を被覆膜としたチップの切削
性能を示す図表である。 1……硼素原子含有ガス供給装置 2……窒素原子含有ガス供給装置 3……エキシマレーザー発生装置 4……反応室、6……エキシマレーザー 7……基板、9……ヒーター 10……高周波コイル、11……高周波電源
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C23C 16/50 H01L 23/373

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】硼素原子含有ガスおよび窒素原子含有ガス
    をエキシマレーザーCVD法にて分解、励起状態としたの
    ち、高周波プラズマ中を通過せしめることにより、800
    〜2000℃に加熱した基板表面に導入し、立方晶窒化硼素
    を析出させることを特徴とする高硬度窒化硼素の合成
    法。
JP61279360A 1986-11-22 1986-11-22 高硬度窒化硼素の合成法 Expired - Lifetime JPH0819523B2 (ja)

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