JP2569423B2 - Gas phase synthesis of boron nitride - Google Patents

Gas phase synthesis of boron nitride

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典弘 西田
佑介 守吉
和夫 明石
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、窒化ホウ素膜を気相合
成法により製造する方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing a boron nitride film by a vapor phase synthesis method.

【0002】[0002]

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】窒化ホ
ウ素は、粉体からの焼結体とした場合は、その密度は最
高1.8〜1.9g/cm3であり、緻密質の窒化ホウ素とし
ては、熱分解窒化ホウ素(pBN)が知られ、その密度は
1.99〜2.15程度とされている。pBNはその高耐
熱性、高温強度、低反応性等から、シリコンやIII−V
族半導体結晶製造用の坩堝等に用いられている。
2. Description of the Related Art When boron nitride is used as a sintered body from a powder, its density is at most 1.8 to 1.9 g / cm 3 , and the density of boron nitride is high. As boron, pyrolytic boron nitride (pBN) is known, and its density is about 1.99 to 2.15. Due to its high heat resistance, high temperature strength, low reactivity, etc., pBN is made of silicon or III-V.
It is used for crucibles for the production of group III semiconductor crystals.

【0003】このpBNの製造法としては、従来は、5
0Torr以下の低圧及び1800℃以上の高温で、塩化
ホウ素(BCl3)とアンモニアガス(NH3)(NH3/BCl
3>1の組成)を熱分解し、黒鉛材料上に析出させること
により行われている。この低圧を用いる理由は、高いガ
ス圧では粉体状或いは嵩だかな析出物しか得られないた
めである。
As a method for producing this pBN, conventionally, 5 pBN is used.
At a low pressure of 0 Torr or less and a high temperature of 1800 ° C. or more, boron chloride (BCl 3 ) and ammonia gas (NH 3 ) (NH 3 / BCl)
3 > 1) is thermally decomposed and deposited on a graphite material. The reason for using this low pressure is that only a powdery or bulky precipitate can be obtained at a high gas pressure.

【0004】しかし、緻密質の窒化ホウ素が1気圧で、
しかも、より低温で合成できることになれば、製造装置
及び製造プロセスの簡略化ができることになり、また各
種基体上に析出させることが可能になる。
[0004] However, at a pressure of 1 atm of dense boron nitride,
In addition, if the synthesis can be performed at a lower temperature, the manufacturing apparatus and the manufacturing process can be simplified, and deposition can be performed on various substrates.

【0005】本発明は、かゝる状況のもとで、緻密質の
窒化ホウ素を1気圧下で或いは低温で合成し得る方法を
提供することを目的としている。
[0005] It is an object of the present invention to provide a method capable of synthesizing dense boron nitride under one atmosphere or at a low temperature under such circumstances.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記課題
を解決するために種々の合成法について研究した結果、
プラズマを用い、また原料として三フッ化ホウ素を用
い、しかも原料ガス中の気相組成がH/F<1となるよ
うにして反応を行わせることにより、従来より低温で緻
密質の窒化ホウ素が得られることを見い出し、ここに本
発明を完成するに至ったものである。
Means for Solving the Problems The present inventors have studied various synthetic methods to solve the above-mentioned problems, and as a result,
By using plasma, using boron trifluoride as a raw material, and performing the reaction such that the gas phase composition in the raw material gas becomes H / F <1, dense boron nitride can be obtained at a lower temperature than before. It has been found that the present invention has been completed.

【0007】すなわち、本発明は、熱プラズマ或いは非
平衡プラズマを用い、ホウ素源として三フッ化ホウ素、
窒素源として含窒素化合物を原料とする気相合成法にお
いて、原料ガス中のH/Fの比を1以下とすることを特
徴とする窒化ホウ素の合成法を要旨としている。
That is, the present invention uses thermal plasma or non-equilibrium plasma and uses boron trifluoride as a boron source.
In a gas phase synthesis method using a nitrogen-containing compound as a raw material as a nitrogen source, the gist of the present invention is a method for synthesizing boron nitride, wherein the H / F ratio in the raw material gas is set to 1 or less.

【0008】[0008]

【作用】以下に本発明を詳細に説明する。The present invention will be described below in detail.

【0009】本発明でいう緻密質の窒化ホウ素とは、そ
の密度が1.95g/cm3以上のものであり、その合成法
としては、熱(平衡)プラズマ又は非平衡プラズマを用い
る気相合成による反応に際して、三フッ化ホウ素を用
い、また気相組成をH/F<1とすることを最も特徴と
している。
The dense boron nitride referred to in the present invention has a density of 1.95 g / cm 3 or more, and is synthesized by gas-phase synthesis using thermal (equilibrium) plasma or non-equilibrium plasma. The most characteristic of the reaction is that boron trifluoride is used and the gas phase composition is H / F <1.

【0010】原料としては、ホウ素源として三フッ化ホ
ウ素を用い、また、窒素源としてアンモニア、窒素ガ
ス、三フッ化窒素、ヒドラジン、四フッ化ヒドラジン等
の窒素を含む化合物(含窒素化合物)の1種或いは数種を
同時に用いる。その他に、希釈ガス或いは反応ガスとし
てアルゴン、ヘリウム等の希ガス或いは水素のうちの1
種或いはそれらの混合ガスを加えても良いが、全体の原
料ガス組成がH/F<1となるようにすることが必要で
ある。
As a raw material, boron trifluoride is used as a boron source, and a compound containing nitrogen (nitrogen-containing compound) such as ammonia, nitrogen gas, nitrogen trifluoride, hydrazine or hydrazine tetrafluoride is used as a nitrogen source. One or several types may be used simultaneously. In addition, one of rare gases such as argon and helium or hydrogen as a diluent gas or a reactive gas is used.
Species or a mixed gas thereof may be added, but it is necessary to make the overall source gas composition satisfy H / F <1.

【0011】この気相合成法においては、フッ素が重要
な役割をしていると思われるが、その詳細な作用は明ら
かでない。H/F<1である必要性の理由も不明である
が、1つの可能性として、緻密質窒化ホウ素の合成には
ある種のフッ素とホウ素を含む化学種が必要であり、水
素量が増加するとフッ素が気相中でHFとなってしま
い、化学種が少なくなるためと考えられる。
[0011] In this gas phase synthesis method, fluorine seems to play an important role, but its detailed action is not clear. The reason for the need for H / F <1 is also unknown, but one possibility is that the synthesis of dense boron nitride requires certain fluorine and boron containing species, increasing the amount of hydrogen. Then, it is considered that fluorine becomes HF in the gas phase, and the number of chemical species decreases.

【0012】本発明で用いるプラズマは非平衡プラズマ
でも、平衡(熱)プラズマでもいずれでもよく、またプラ
ズマ発生用電源は、直流、低周波交流、高周波、マイク
ロ波いずれでもよい。また反応器への結合方法も容量結
合、誘導結合、アンテナによる結合いずれもでよい。
The plasma used in the present invention may be either non-equilibrium plasma or equilibrium (thermal) plasma, and the power source for generating plasma may be any of direct current, low frequency alternating current, high frequency and microwave. The method of coupling to the reactor may be any of capacitive coupling, inductive coupling, and coupling using an antenna.

【0013】反応圧力については、10-4〜102気圧
で合成が可能であるが、析出速度、装置の取扱いの点で
10-3〜10気圧が良い。
The reaction can be carried out at a pressure of 10 -4 to 10 2 atm. However, the reaction pressure is preferably 10 -3 to 10 atm in terms of deposition rate and handling of the apparatus.

【0014】本発明で窒化ホウ素を析出させる基体とし
ては、シリコン等の半導体、石英等の絶縁体のほか、炭
化タングステンや、モリブデン等の金属のいずれでも用
いることができ、特に制限はない。
The substrate on which boron nitride is deposited in the present invention can be any of a semiconductor such as silicon, an insulator such as quartz, and a metal such as tungsten carbide and molybdenum, and is not particularly limited.

【0015】反応温度については、気相の温度について
の制限はないが、窒化ホウ素を析出させる基体の温度は
200℃から可能である。生成物の緻密さと安定性の点
から400℃以上が良く、上限は2000℃まで可能で
ある。
The reaction temperature is not limited with respect to the temperature of the gas phase, but the temperature of the substrate on which boron nitride is deposited can be from 200 ° C. The temperature is preferably 400 ° C. or more from the viewpoint of the density and stability of the product, and the upper limit can be up to 2000 ° C.

【0016】次に、本発明により窒化ホウ素を合成する
手順の例を、実施例を用いて説明する。実施例1は高周
波熱プラズマを、実施例2はマイクロ波低圧プラズマを
用いた例であるが、前述のように直流放電、低周波交流
放電によるプラズマでも良く、要するに熱プラズマ、非
平衡プラズマのいずれでも用いることができる。
Next, an example of a procedure for synthesizing boron nitride according to the present invention will be described with reference to examples. Embodiment 1 is an example using high-frequency thermal plasma, and Embodiment 2 is an example using microwave low-pressure plasma. However, as described above, plasma using DC discharge or low-frequency AC discharge may be used. However, it can be used.

【0017】[0017]

【実施例1】図1に示す高周波プラズマ装置において、
シリコン基板3を基板ホルダー3′上におき、0.01
Torrまで排気後、ガス供給器6より、バルブ7″を通
して、Ar(15リットル/min)を流し、バルブ7′を通
して、Ar(0.4リットル/min)を流し、バルブ7を通
してAr+BF3+N2(1リットル/min+0.01リット
ル/min+1リットル/min)を流し、高周波発振器11
からの4MHz、15kWのプレート電力をワークコイ
ル12に供給し、プラズマを発生させた。
Embodiment 1 In the high-frequency plasma apparatus shown in FIG.
Place the silicon substrate 3 on the substrate holder 3 'and
After exhausting to Torr, Ar (15 L / min) is passed from the gas supply 6 through the valve 7 ″, Ar (0.4 L / min) is passed through the valve 7 ′, and Ar + BF 3 + N 2 is passed through the valve 7. (1 liter / min + 0.01 liter / min + 1 liter / min)
The plate power of 4 MHZ and 15 kW was supplied to the work coil 12 to generate plasma.

【0018】1気圧下の20分間の放電により、基板上
に約20μmの膜厚の窒化ホウ素が得られた。X線回
折、赤外吸収スペクトル、光電子分光(XPS)スペクト
ルにより窒化ホウ素が生成していることが確かめられ、
その密度は2.1g/cm3であった。なお、反応時の原料
ガス中のH/Fの比はこの実施例の場合は0である。ま
た基板温度は450℃であった。
By discharging for 20 minutes at 1 atm, boron nitride having a thickness of about 20 μm was obtained on the substrate. X-ray diffraction, infrared absorption spectrum, and photoelectron spectroscopy (XPS) spectrum confirmed that boron nitride was formed,
Its density was 2.1 g / cm 3 . The H / F ratio in the source gas during the reaction is 0 in this embodiment. The substrate temperature was 450 ° C.

【0019】[0019]

【実施例2】図2に示すマイクロ波プラズマ装置におい
て、シリコン基板3を基板ホルダー3′上におき、0.
02Torrまで排気後、ガス供給器6より、バルブ7を
通して、H2+BF3+N2(0.5mリットル/min+1mリ
ットル/min+100mリットル/min)を流し、マイクロ
波発振器21からの2.45GHz、0.5kWの電力を供
給し、反応管中にプラズマを発生させた。30Torr下
の3時間の放電により、基板上に膜が得られた。実施例
1の場合と同様にX線回折、赤外吸収スペクトルにより
窒化ホウ素であることが確かめられ、その密度は2.0g
/cm3であった。なお、反応時の原料ガス中のH/Fの
比は1/3であった。また基板温度は590℃であっ
た。
Embodiment 2 In the microwave plasma apparatus shown in FIG.
After evacuation to 02 Torr, H 2 + BF 3 + N 2 (0.5 ml / min + 1 ml / min + 100 ml / min) was passed from the gas supply 6 through the valve 7, and 2.45 GHz from the microwave oscillator 21. A power of 5 kW was supplied to generate plasma in the reaction tube. By discharging for 3 hours under 30 Torr, a film was obtained on the substrate. As in the case of Example 1, X-ray diffraction and infrared absorption spectrum confirmed that the substance was boron nitride, and its density was 2.0 g.
/ Cm 3 . The H / F ratio in the source gas at the time of the reaction was 1/3. The substrate temperature was 590 ° C.

【0020】[0020]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
従来より低温で、また1気圧下の高いガス圧下でも、緻
密質の窒化ホウ素の合成が可能である。
As described above, according to the present invention,
It is possible to synthesize dense boron nitride at a lower temperature than before and under a high gas pressure of 1 atm.

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

【図1】窒化ホウ素を合成するための装置の一例を示す
図で、高周波熱プラズマを用いる場合である。
FIG. 1 is a diagram showing an example of an apparatus for synthesizing boron nitride, in which high-frequency thermal plasma is used.

【図2】窒化ホウ素を合成するための装置の他の例を示
す図で、マイクロ波プラズマを用いる場合である。
FIG. 2 is a diagram showing another example of an apparatus for synthesizing boron nitride, in which microwave plasma is used.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 反応管 3 基板 3′ 基板ホルダー 4 支柱 5 排気装置 6 ガス供給装置 7 バルブ 7′ バルブ 7″ バルブ 11 高周波電源 12 ワークコイル 21 マイクロ波電源 22 導波管及びマイクロ波放電アプリケーター DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reaction tube 3 Substrate 3 'Substrate holder 4 Column 5 Exhaust device 6 Gas supply device 7 Valve 7' Valve 7 "Valve 11 High frequency power supply 12 Work coil 21 Microwave power supply 22 Waveguide and microwave discharge applicator

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 熱プラズマ或いは非平衡プラズマを用
い、ホウ素源として三フッ化ホウ素、窒素源として含窒
素化合物を原料とする気相合成法において、原料ガス中
のH/Fの比を1以下とすることを特徴とする窒化ホウ
素の合成法。
In a gas phase synthesis method using thermal plasma or non-equilibrium plasma and using boron trifluoride as a boron source and a nitrogen-containing compound as a nitrogen source, the ratio of H / F in the source gas is 1 or less. A method for synthesizing boron nitride.
【請求項2】 基板温度が200℃以上である請求項1
に記載の方法。
2. The method according to claim 1, wherein the substrate temperature is 200 ° C. or higher.
The method described in.
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