JPH07100859B2 - Method for producing cubic boron nitride film - Google Patents

Method for producing cubic boron nitride film

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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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boron
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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。
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION The present invention is excellent in high hardness, high insulation, etc., which are expected to be tool materials such as cutting tools and abrasion resistant tools, electronic materials such as heat sinks, and various other applications. The present invention relates to a method for producing a cubic boron nitride film having the above characteristics, and particularly to a method for producing a cubic boron nitride film in which a cubic boron nitride film is deposited on a substrate by a gas phase reaction.

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。
Conventional technology Boron nitride usually has a crystal structure similar to graphite [hexagonal boron nitride] (hereinafter abbreviated as HBN) and is a soft and slippery substance, but graphite is transformed into diamond under high temperature and high pressure. Boron nitride is also a graphite type HB
It is known that N is transformed into cubic boron nitride having a diamond type crystal structure (hereinafter, abbreviated as CBN) to be a material excellent in hardness, insulating property, thermal conductivity and corrosion resistance. Particularly, in terms of hardness, it is used as a material for cutting tools, blades, etc. used at high temperatures because it has a hardness enough to damage each other with diamond and has corrosion resistance against high temperature iron group metals not found in diamond. Furthermore, since CBN has an insulating property similar to that of silicon oxide and has a thermal conductivity about three times that of silicon oxide in terms of thermal conductivity, CBN has a substrate such as a VLSI or an electronic device such as a heat sink. It is a material that is also attracting attention as a material.

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。
Conventionally, in order to produce CBN having such excellent properties, an ultra-high pressure high temperature sintering method, that is, applying a pressure of 60 Kbar or more to an HBN using an ultra-high pressure generator, at a high temperature of 1500 to 2000 ° C or more. Therefore, I had to rely on the method of melting with the catalyst.

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。
By the way, it is known that nitrogen and boron atoms form a stable SP 3 hybrid bond in the cubic crystal of CBN. In order to form such an SP 3 hybrid bond using nitrogen and boron separately as raw materials and without using the ultra-high pressure and high temperature sintering method, first, an electron of a nitrogen atom and a boron atom is formed into an SP 3 hybrid orbital by some method. It is necessary to excite each electronic excited state to make. Next, by giving the opportunity for such nitrogen atoms and boron atoms in the electronically excited state to collide with each other, it is possible to
SP 3 hybrid bonds are formed. The specific mechanism for producing such a stable SP 3 hybrid bond has not yet been clarified, and only a few theories that serve as the clue have been proposed.

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。
Under these circumstances, in recent years, CBN and cubic close-packed boron nitride (hereinafter abbreviated as WBN), which is obtained at the same time as CBN in the ultra-high pressure high temperature sintering method, have been processed by the above-mentioned ultra high pressure high temperature sintering method. There is proposed a method of manufacturing by using physical vapor deposition and / or ion irradiation without using.

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。
For example, (i) depositing boron on a substrate to which a negative bias voltage is applied from an evaporation source containing boron, and
There has been proposed a method for producing CBN in which an ion species containing at least nitrogen separated by a mass spectrometer is irradiated to generate CBN on the substrate [see JP-A-60-181262]. In addition, (ii) by HCD (hollow cathode deposition) method, while depositing boron with an electron beam, the N 2 ionic species formed in the hollow anode is applied to the substrate to which a self-bias effect is applied by applying a high frequency voltage. CBN to irradiate
Manufacturing method of [Proceeding 9th Symposium
On Ion Source Ion Assisted Technology (Proceeding 9th Symposium on Ion Source Ion
Asisted Technology), 85, Tokyo, (1985)],
Furthermore, (iii) a method in which the ion deposition (ID) method used for producing a diamond-like thin film is applied to a method for producing boron nitride, that is, a boron-containing solid is irradiated with an electron beam to evaporate boron, By introducing gas and ionizing boron and nitrogen simultaneously,
Method for producing CBN [Vacuum, Vol. 28, No. 7 (1985)
[Refer] etc. are proposed.

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。
Problems to be Solved by the Invention As described above, CBN has various excellent properties advantageous for application to cutting tool materials, electronic materials, etc. Various manufacturing techniques have been proposed.

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。
However, the above method (i) is an extremely complicated and expensive device such as having a high kinetic energy of 5 to 100 KeV for ions, focusing an ion beam, and having a mass separation function for selecting a specific N 2 +. Had the problem of needing. In addition, the method of (ii) above and (iii) above
In the method, since boron has a melting point and a boiling point close to each other, it is apt to cause bumping on the solid surface by electron beam irradiation, and there is a problem that it is difficult to control the electron beam. On the other hand, the latter has the problem that the purity of the obtained CBN is relatively low.

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。
Therefore, the object of the present invention is simple, in the production of CBN, without requiring a complicated device such as an ion beam or an electron gun,
Moreover, it is to provide a method for producing CBN that is less likely to be contaminated with impurities and the like.

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。
Means for Solving the Problems The inventors of the present invention have made extensive studies and researches in order to solve the above-mentioned problems in the conventionally-proposed CBN manufacturing method, and as a result, a reaction of preheating and plasmaization. By combining a series of steps of treating the gas and heating the substrate, it is possible to stabilize the stable operation between nitrogen and boron atoms.
It was found that CBN can be deposited on the substrate by forming SP 3 hybrid bond.

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。
That is, the present invention provides a method for producing CBN, which comprises preheating a mixture of a boron-containing gas and a nitrogen-containing gas, applying a high frequency voltage to the mixture to generate plasma, and depositing CBN on the heated substrate. To do.

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。
In the method of the present invention, first, the boron-containing gas and the nitrogen-containing gas are preheated. The raw material gas of the present invention used here, that is, the boron-containing gas, for example, B 2 H 6 , BC
l 3 , B 3 H 6 N 3 , BF 3 and the like can be mentioned, and of course, a mixture of these gases can be used. On the other hand, examples of the nitrogen-containing gas include N 2 , NH 3 , lower alkyl group-substituted ammonia, NO and the like, or a mixture thereof. In this step, the source gas mixture is pre-excited.

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。
In these reaction gases, the mixing ratio of the boron-containing gas and the nitrogen-containing gas is such that the ratio of boron atoms to nitrogen atoms in these gas components (hereinafter, abbreviated as B / N) is 0.1 to
It is preferable to determine it within the range of 10. B / N is 0.1
When it is less than less than 100%, amorphous boron nitride tends to precipitate,
On the other hand, when it exceeds 10, boron becomes excessive and amorphous boron is easily deposited on the substrate, which is not preferable. The total pressure and flow rate of these reactive gases, the boron-containing gas and the nitrogen-containing gas, are generally governed by the discharge conditions that are the steps after preheating.

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。
Preliminary heating of these reaction gases is performed using a thermionic emission material. Examples of the thermoelectron emitting material include a tungsten filament and a thorium-containing tungsten filament.
Adjust within the range of 00 ℃ or higher. The preheating by the thermionic emission plate is different from the usual thermal activation and efficiently decomposes and activates the raw material gas by the emission of thermions. If this temperature is lower than 1000 ° C., the target CBN cannot be deposited on the substrate, and another crystal system is deposited, which is not preferable.

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。
According to the method of the present invention, as a next step, a high frequency voltage is applied to the raw material gas mixture preheated and preexcited as described above. As a result, the raw material gas mixture is turned into plasma and further excited, decomposed, and ionized to become various molecular species and atomic species, and free chemical boron and nitrogen, which are chemically active, are generated by the action of the thermal energy of the heated substrate. It reacts to form stable SP 3 bonds and is deposited on the substrate as cubic boron nitride. In this step, it is preferable that the source gas pressure is 0.01 to 100 Torr and the high frequency is 1 KHz to 13.56 MHz as the high frequency voltage application condition. Further, in order to achieve sufficient activation, it is advantageous that the residence time of the raw material gas in the high frequency application region is 10 -2 to 1 S, and the raw material gas flow rate and the high frequency voltage application region are set so as to satisfy this condition. Adjust the width, etc.

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。
In the substrate for depositing CBN which is the object of the production method of the present invention, it is preferable to heat the temperature of the substrate to 300 to 2000 ° C., and if it is outside this temperature range, nitriding of a crystal system other than CBN is performed on the substrate. Boron and amorphous boron nitride are deposited. In order to heat the substrate to the above temperature, it is usually preferable to install a heater for heating under the substrate. The material of the substrate is preferably one that does not melt under the above heating conditions, for example, tungsten, silicon wafer, molybdenum and the like and ceramic materials such as Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , SiC and the like, and cemented carbide. Can be mentioned.

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。
A specific example of the manufacturing apparatus used in the present invention is shown in FIG. This apparatus mainly comprises a reaction gas control system that supplies a mixture of a nitrogen-containing gas and a boron-containing gas, which are reaction gases, to the reaction vessel and at the same time adjusts the internal pressure of the reaction vessel, and excites, dissociates and reacts the reaction gas. And a CBN reaction system for depositing CBN on the substrate. In a reaction vessel 1 capable of maintaining airtightness, a thermoelectron emitting material 3 is arranged near a reaction gas introduction port 2 inside the reaction vessel, and a discharge port provided on the inner wall facing the introduction port 2 4, a high frequency irradiation coil 5 is arranged on the outer periphery which is the side surface of the reaction container. Further, a substrate 6 for depositing CBN and a supporting base 7 thereof are installed at the bottom of the inner wall of the portion of the reaction vessel 1 covered with the high frequency coil 5. Further, the reaction container 1 is connected to the reaction gas supply devices 9 and 10 through the reaction gas inlet 2 and the inlet pipe 8, while the reaction gas outlet 4 and the exhaust pipe 11 are connected.
It is connected to the reaction gas exhaust device 12 via. Further, outside the reaction vessel 1, a high frequency power source 13 for a high frequency irradiation coil and a power source 14 for a thermoelectron emitting material are provided. In this apparatus, the heating of the substrate is such that the substrate is placed in the plasma and adjusted to a predetermined temperature by the output of the plasma.

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。
On the other hand, FIG. 2 shows another example of the manufacturing apparatus used in the present invention. Although it has basically the same configuration as that of FIG. 1 and can carry out the steps of the present invention, the difference from the apparatus of FIG. 1 is that the thermoelectron emitting material 3 for heating is a reaction gas inlet port. 2 and is installed parallel to the inner wall having the inlet, and the substrate 6 and its supporting base 7 are installed on the inner wall having the outlet 4 facing the thermoelectron emitting material. ing.
In the case of this apparatus, unlike the case of FIG. 1, since the substrate 6 is slightly apart from the high frequency coil 5 for generating plasma, a heater 15 is installed below the substrate as a substrate heating means.

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。
The CB is operated by operating the manufacturing apparatus used in the present invention as described above.
In order to obtain N, first, the reaction chamber is evacuated by an exhaust device 12, for example, an oil diffusion pump, and then a predetermined mixing ratio by the boron-containing gas and nitrogen-containing gas supply devices 9 and 10 and the exhaust device 12, the reaction vessel. The boron-containing gas and the nitrogen-containing gas are supplied so as to have the internal pressure and the moving speed of the reaction gas, and the mixed gas is heated by the thermoelectron emitting material 3 so as to have a predetermined temperature. Further, a high frequency voltage is applied so that high frequency plasma is generated. Further, the substrate 6 is heated via a heater or plasma so as to obtain a predetermined temperature. After such an operation, CBN is deposited on the substrate by continuing the operation of this device.

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。
Action CBN has a diamond-type crystal structure in which nitrogen and boron atoms form a stable SP 3 hybrid bond in a cubic crystal.

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。
In order to form this SP 3 hybrid bond, it is necessary to excite each nitrogen atom and boron atom to an excited state in order to create an SP 3 hybrid orbital, and furthermore, to give them an opportunity to collide with each other. , SP 3 form a molecular orbital that becomes a hybrid bond. By placing the electrons that each excited atom had in the molecular orbital that becomes such a SP 3 hybrid bond, a large amount of stabilization energy is obtained, and the system is stabilized, resulting in the excellent properties described above. Have.

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。
Thus, in order to produce CBN, SP 3 from B source and N source is used.
It is important to find conditions under which hybrid bonds are easily formed.
In this respect, according to the present invention, a series of energy supply treatments such as heating the raw material mixed gas in advance by thermionic emission material to pre-excite it, then applying a high frequency voltage to turn it into plasma, and heating the substrate are performed. As a result, it became possible to cause the above SP 3 hybrid bond, and CBN could be deposited on the substrate. Here, the preheating temperature, the substrate temperature and the plasmaization conditions are important in the present invention, and it is preferable to set the range conditions as described above in order to obtain CBN.

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。
According to the present invention, a high-quality CBN thin film can be obtained with a relatively simple operation and an inexpensive device, which is economically advantageous and therefore useful as the above-mentioned various tools and electronic materials.

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。
Examples Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to Examples, but the present invention is not limited thereto.

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。
Example 1 The manufacturing apparatus shown in FIG. 1 was used, a silicon wafer was used as a substrate, B 2 H 6 was used as a source gas, and NH 3 was used as a nitrogen-containing gas, and 4 cc / min and 10 cc, respectively. It was introduced into the reaction chamber at a flow rate of / min. In addition, the temperature inside the reaction vessel was adjusted to 2000 ° C using a tungsten filament, a high-frequency voltage was applied so that the output of the high-frequency plasma was 1 KW, and the exhaust gas was used in the reaction chamber while the gas was flowing. When the pressure was adjusted to 5 Torr and continuous operation was continued for 4 hours in this state, a boron nitride film having a thickness of about 8 μm was obtained.

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。
When the obtained boron nitride film was pulverized and subjected to X-ray diffraction, a sharp peak peculiar to CBN was observed near 2θ = 43.2 °, and it was identified as CBN.

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。
Example 2 Using the manufacturing apparatus shown in FIG. 2, a molybdenum substrate was used as a substrate, BCl 3 was used as a raw material gas, and BCl 3 was used as a nitrogen-containing gas, and 5 cc / min and 5 cc / min were used respectively. Was introduced into the reaction chamber at a flow rate of. In addition, the temperature inside the reaction vessel was adjusted to 2200 ° C with a tungsten filament, a high-frequency voltage was applied so that the output of the high-frequency plasma was 2.0 kW, and the reaction was performed using an exhaust device with the above gas flowing. The pressure in the room was adjusted to 8 Torr. Substrate temperature is 900 ℃
After that, when the continuous operation was continued for 4 hours in this state, a boron nitride film having a film thickness of about 12 μm was obtained.

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。
When the obtained boron nitride film was pulverized and subjected to X-ray diffraction, a sharp peak peculiar to CBN was observed near 2θ = 43.2 °, and it was identified as CBN.

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。
Comparative Example 1 In Example 1, the tungsten filament was not used, the pressure in the reaction chamber was 3 Torr, and the high frequency output was 1.5 kw.
In the same manner as in Example 1 except that the film formation time was 5 hours,
A boron nitride film having a thickness of about 10 μm was obtained. The obtained boron nitride film was crushed and subjected to X-ray diffraction.
A sharp peak peculiar to HBN near θ = 26.7 ° and a gentle peak near 2θ = 43.2 °, which is the peak position peculiar to CBN, are observed. This boron nitride film is a polycrystal system of HBN and CBN, and HBN It was revealed that the above was contained in a large amount.

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。
Cutting Test with Boron Nitride Film Using the manufacturing conditions of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1, a chip that is a substrate was coated with a film thickness of 3 μm, and the cutting conditions shown in Table 1, namely the work material and the cutting A cutting test was carried out under speed, cutting and feeding, and the time to reach a relief wear width of 0.1 mm was measured under each condition. The results obtained are shown in Table 2. In addition, when the coating was not performed and when TiN was coated using the reactive ion plating method, the same cutting test was performed using the WC-based cemented carbide TNMG432, and the results were obtained. It is shown in Table 2.

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。
From Table 2, it is clear that the chips coated with pure CBN obtained in Examples 1 and 2 are the most excellent in terms of wear resistance. Mixing of boron nitride crystal systems other than CBN (Comparative Example 1) shows the same level of wear resistance as when TiN is coated.

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。
Further, in FIG. 3, using TNG322 as the tip and SCM435 as the work material, the CBN-coated tip, the TiN-coated tip and the uncoated tip obtained in Example 1 were each subjected to a cutting test, The results are shown as the relationship between cutting speed and chip life. In Figure 4,
SNG435 is used as the tip, FC30 is used as the work material,
CBN obtained in Example 2 at a cutting speed of 250 m / min
A cutting test was performed on coated chips, TiC-coated chips and uncoated chips to show the relationship between fracture resistance and the number of impacts. It can be seen from FIGS. 3 and 4 that the chip coated with CBN has about 1.5 times as much wear resistance as the chip coated with other materials.

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。
EFFECTS OF THE INVENTION As described above, the manufacturing method of the present invention is a vapor phase reaction method that does not use the conventional ultrahigh pressure and high temperature sintering method, and is a complicated and expensive apparatus such as an ion beam and an electron gun. This is a simple CBN manufacturing method that does not require. Furthermore, C of the present invention
According to the BN manufacturing method, it is possible to manufacture an excellent CBN in which impurities and other crystalline boron nitride are not mixed, and its industrial value is extremely high.

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

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
1 and 2 are schematic views of a manufacturing apparatus used in the present invention. FIG. 3 is a graph plotting the relationship between the cutting speed and the life of the chips for CBN-coated chips and other chips. FIG. 4 is a graph showing the fracture resistance of CBN-coated chips and other chips in cutting cast iron. (Main reference numbers) 1 ... Reactor container, 2 ... Reactant gas inlet, 3 ... Thermoelectron emitting material, 4 ... Reactant gas outlet, 5 ... High frequency coil, 6 ... Substrate, 7 ... Substrate support, 8 ... Reaction Gas introduction pipe, 9 ... Boron-containing gas supply device, 10 ... Nitrogen-containing gas supply device, 11 ... Gas exhaust port, 12 ... Gas exhaust device, 13 ... High frequency power supply, 14 ... Thermionic emission material power supply, 15 ... Heater

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【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。
1. A mixture of a boron-containing gas and a nitrogen-containing gas is preheated by using a thermoelectron emitting material heated to 1000 ° C. or higher, and then the mixture is irradiated with high frequency to generate plasma, and then heated on a substrate. 1. A method for producing a cubic boron nitride film, comprising the steps of depositing a cubic boron nitride film on.
【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。
2. The method for producing a cubic boron nitride film according to claim 1, wherein the temperature of the heated substrate is 300 to 2000 ° C.
【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。
3. A ratio of boron atoms to nitrogen atoms in the mixture of the boron-containing gas and the nitrogen-containing gas B /
The method for producing a cubic boron nitride film according to claim 1, wherein N is 0.1 to 10.
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JPS6177691A (en) * 1984-09-10 1986-04-21 日立金属株式会社 Apparatus for manufacturing pyrolytic boron nitride formed body
JPS61149478A (en) * 1984-12-25 1986-07-08 Furukawa Mining Co Ltd Production of boron nitride film of hexagonal or cubic crystal

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