JPS6369972A - Production of cubic boron nitride film - Google Patents

Production of cubic boron nitride film

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JPS6369972A
JPS6369972A JP21234986A JP21234986A JPS6369972A JP S6369972 A JPS6369972 A JP S6369972A JP 21234986 A JP21234986 A JP 21234986A JP 21234986 A JP21234986 A JP 21234986A JP S6369972 A JPS6369972 A JP S6369972A
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boron
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Abstract

PURPOSE:To obtain a cubic boron nitride (CBN) film nearly free from impurities by a simple method, by projecting high frequency waves on a preheated mixture of a gas contg. B with a gas contg. N to convert the mixture into plasma and by depositing a CBN film on a heated substrate. CONSTITUTION:A gas contg. B such as B2H6 or BCl3 is mixed with a gas contg. N such as N2 or NH3 in 0.1-10 atomic ratio of B/N and the mixture is heated to >=1,000 deg.C preferably with a thermoelectron radiator. High frequency voltage is applied to the gaseous mixture preheated and pre-excited as mentioned above to convert the mixture into plasma and further excitation, dissociation and ionization are carried out. Various kinds of molecules and atoms are produced and especially chemically active free boron and nitrogen are brought into a reaction by the action of heat energy of a heated substrate to form stable SP<3> bond and to deposit and form a CBN film on the substrate.

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。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of Industrial Application The present invention is a material with excellent hardness, high insulation properties, etc., which is expected to be used as tool materials such as cutting tools and wear-resistant tools, electronic materials such as heat sinks, and various other applications. The present invention relates to a method of manufacturing a cubic boron nitride film having such characteristics, and particularly relates to a method of manufacturing a cubic boron nitride film in which the 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HBN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 transforms into diamond under high temperature and high pressure. In this way, boron nitride also transforms from graphite-type HBN to cubic boron nitride (hereinafter abbreviated as CBN) with a diamond-type crystal structure, which improves hardness, insulation,
It is known to be a material with excellent thermal conductivity and corrosion resistance. In particular, it is hard enough to damage both diamond and diamond, and it also has corrosion resistance against high-temperature iron group metals that diamond does not have, so it is used as a material for cutting tools and blades that are used at high temperatures. Furthermore, CBN has an insulating property comparable to that of silicon oxide, and has a thermal conductivity that is about three times that of silicon oxide, so it can be used for electronic substrates such as ultra-LSIs or heat sinks. It is also a material that is attracting attention.

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1等なかった。
Conventionally, in order to produce CBN with such excellent properties, the ultra-high pressure and high temperature sintering method was used to apply HBN to a pressure of 60 Kbar or more using an ultra-high pressure generator and heat the HBN to 1,500 Kbar or more.
The first place had no choice but to rely on a method of melting together with the catalyst at a high temperature of ~2000°C or higher.

ところで、CBH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SP’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SP’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 stable SP3 hybrid bonds in the cubic crystal of CBH. In order to form such an SP3 hybrid bond using nitrogen and boron separately as raw materials without using an ultra-high pressure and high temperature sintering method, first, the electrons of nitrogen atoms and boron atoms must be formed into SP' hybrid orbitals by some method. It is necessary to excite each electron to its excited state. next,
By providing opportunities for such electronically excited nitrogen and boron atoms to collide with each other, SP' hybrid bonds are formed between the nitrogen and boron atoms. The specific mechanism for producing such a stable SP3 hybrid bond has not yet been clarified, and only a few theories have been proposed to provide clues.

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 can be obtained simultaneously with CBN using the ultra-high pressure and high temperature sintering method, have been developed using the ultra-high pressure and high temperature sintering method described above. Manufacturing methods using physical vapor deposition and/or ion irradiation have been proposed.

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CB
Nの製造方法が提案されている〔特開昭60−1812
62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発させながら
、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
−アシステツド・テクノロジー(Proceeding
 9th Symposium on Ion 5ou
rce tonAsisted Technology
)、 ・35.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(1
985)参照〕等が提案されている。
For example, (i) boron is evaporated onto a substrate to which a negative bias voltage is applied from an evaporation source containing boron, and
CB that generates CBN on the substrate by irradiating it with ion species containing at least nitrogen separated by a mass spectrometer.
A method for producing N has been proposed [Japanese Patent Application Laid-open No. 60-1812
See Publication No. 62]. (ii) Using the HCD (hollow cathode deposition) method, while evaporating boron with an electron beam, the N2 ion species formed in the hollow anode are irradiated onto the substrate, which has been given a self-bias effect by applying a high-frequency voltage. Manufacturing method of CBN [Proceeding]
9th Symposium on Ion Source Ion-Assisted Technology (Proceeding
9th Symposium on Ion 5ou
rcetonAssisted Technology
), ・35. Tokyo, (1985)], and (iii) a method in which the ion deposition (ID) method used to produce diamond-like thin films is applied to the production of boron nitride, that is, by irradiating a boron-containing solid with an electron beam. A method for producing CBN on a substrate surface by evaporating boron, introducing a nitrogen-containing gas, and simultaneously ionizing boron and nitrogen [Vacuum, Vol. 28, No. 7 (1)
985) and the like have been 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 mentioned above, CBN has various excellent properties that are advantageous for application to cutting tool materials, electronic materials, etc. Many manufacturing technologies have been proposed.

しかし、上記(i)の方法は、イオンに5〜100Ke
V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N 2+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(11)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, in the method (i) above, the ion has 5 to 100 Ke.
This has the problem of requiring extremely complicated and expensive equipment, such as having a high kinetic energy of V, focusing the ion beam, and having a mass separation function to select a specific N 2+. In addition, in the method (11) and the method (iii) above, since the melting point and boiling point of boron are close to each other, bumping is likely to occur on the solid surface when irradiated with an electron beam, making it difficult to control the electron beam. In the former, the inert gas used in the reactor tends to mix into the precipitated product, while in the latter, the purity of the CBN obtained is relatively low. It also had some problems.

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。
SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing CBN that does not require complicated equipment such as an ion beam or an electron gun, is simple, and has a low possibility of contamination with impurities. It is in.

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 present inventors have conducted extensive studies and studies in order to solve the above-mentioned problems in the CBN manufacturing methods that have been proposed in the past.
As a result of the research, by combining a series of processes of preheating and plasmaization of the reactive gas and heating of the substrate, a stable SP3 hybrid bond is generated between nitrogen atoms and boron atoms, and CBN is formed on the substrate. It has been found that it can be precipitated.

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 includes the steps of preheating a mixture of a boron-containing gas and a nitrogen-containing gas, then applying a high frequency voltage to the mixture to turn it into plasma, and depositing CBN on a heated substrate. It is something 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B2 H
6、BCl3、B2H6N3 、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。
In the method of the present invention, first, a boron-containing gas and a nitrogen-containing gas are preheated. As the raw material gas of the present invention used here, that is, the boron-containing gas, for example, B2H
6, BCl3, B2H6N3, BF3, etc.,
It is of course also possible to use mixtures of these gases.

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。
On the other hand, examples of the nitrogen-containing gas include N2, NH3, lower alkyl group-substituted ammonia, NO, and mixtures thereof. In this step, the raw 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。
In these reaction gases, the mixing ratio of boron-containing gas and nitrogen-containing gas is such that the ratio of boron atoms to nitrogen atoms (hereinafter abbreviated as B/N) in these gas components is 0.
.. It is preferable to set it in the range of 1 to 10.

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。
When B/N is less than 0.1, amorphous boron nitride tends to precipitate, while when it exceeds 10, boron becomes excessive and amorphous boron tends to precipitate on the substrate, so both are preferable. do not have. The total pressure and flow rate of these reactive gases, boron-containing gas and nitrogen-containing gas, are generally governed by the discharge conditions, which are the steps after preheating.

これらの反応ガスを予備加熱するための手段としては、
熱電子放射材を用いて加熱するのが好適であり、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1000℃以上の範
囲に調整することが好ましい。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。
As a means for preheating these reaction gases,
It is preferable to heat the reaction gas using a thermionic emitting material, such as a tungsten filament or a thorium-containing tungsten filament. Adjustment is preferred. If this temperature is less than 1000° C., the desired CBN cannot be deposited on the substrate, and other crystal systems will precipitate, 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、解離、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0.01〜100T
orr、高周波周波数I K Hz 〜13.56M 
Hz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〜IS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, the next step is to apply a high frequency voltage to the raw material gas mixture that has been preheated and preexcited as described above. This turns the raw gas mixture into plasma, which undergoes further excitation, dissociation, and ionization to form various molecular and atomic species, which react with particularly chemically active free boron and nitrogen under the action of the thermal energy of the heated substrate. It forms a stable SP3 bond and is deposited as cubic boron nitride on the substrate. In this process, the high-frequency voltage application conditions are a raw material gas pressure of 0.01 to 100T.
orr, high frequency frequency I KHz ~13.56M
It is preferable to set it as Hz. In addition, in order to achieve sufficient activation, it is advantageous to set the residence time of the raw material gas in the high frequency application region to 10-2 to IS, and the raw material gas flow rate and high frequency voltage application region 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C
BN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、シリコンウェーハ、モリブ
デン等およびセ°ラミック材料、例えばA1□03、S
i3N4、SiC等、および超硬合金などが挙げられる
In the substrate on which CBN is deposited, which is the object of the manufacturing method of the present invention, it is preferable to heat the substrate to a temperature of 300 to 2000°C.
Crystalline boron nitride other than BN and amorphous boron nitride are precipitated. In order to heat the substrate to the above temperature, it is usually preferable to install a heating heater under the substrate. The material of the substrate is preferably one that does not melt under the above heating conditions, such as tungsten, silicon wafer, molybdenum, etc., and ceramic materials such as A1□03, S
Examples include i3N4, SiC, etc., and cemented carbide.

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。
A specific example of the manufacturing apparatus used in the present invention is shown in FIG. This device mainly consists of a reaction gas control system that supplies a reaction gas mixture of nitrogen-containing gas and boron-containing gas to a reaction vessel and simultaneously adjusts the internal pressure of the reaction vessel, and a reaction gas control system that excites, dissociates, and reacts the reaction gas. and a CBN reaction system that deposits CBN on the substrate. In a reaction vessel 1 that can maintain airtightness, a thermionic emitting material 3 is arranged near an inlet 2 for a reaction gas inside the reaction vessel, and an outlet provided on an inner wall facing from the inlet 2 is further provided. 4
A high-frequency irradiation coil 5 is arranged near the outer periphery of the side surface of the reaction vessel.

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。
Furthermore, a substrate 6 for depositing CBN and its support stand 7 are installed at the bottom of the inner wall of the portion of the reaction vessel 1 covered by the high-frequency coil 5.

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。
Furthermore, the reaction vessel 1 is connected to reaction gas supply devices 9 and 10 via a reaction gas inlet 2 and an inlet pipe 8, and on the other hand, the reaction gas It is connected to the exhaust device 12. Moreover, a high frequency power source 13 for a high frequency irradiation coil and a power source 14 for a thermionic radiation material are provided outside the reaction vessel 1. In this device, heating of the substrate is adjusted to a predetermined temperature by the plasma output by placing the substrate in 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かられ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. Basically, the configuration is the same as that shown in FIG. 1, and the various steps of the present invention can be carried out. However, the difference from the device shown in FIG. 2, and is installed parallel to the inner wall where the inlet is located, and the substrate 6 and its support stand 7 are installed on the inner wall where the outlet 4 is located, facing the thermionic emitting material. ing. In the case of this apparatus, unlike the case of FIG. 1, the substrate 6 is slightly separated from the high frequency coil 5 that generates plasma, so a heater 15 is installed under the substrate as means for heating the substrate.

上記のような本発明に用いられる製造装置を運転してC
BNを1尋るためには、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。
C by operating the manufacturing equipment used in the present invention as described above.
In order to obtain one BN, first, the reaction chamber is equipped with an exhaust system 12,
For example, after exhausting with an oil diffusion pump or the like, the boron-containing gas and nitrogen-containing gas are evacuated using the boron-containing gas and nitrogen-containing gas supply devices 9. The containing gas is supplied, and the mixed gas is heated with the thermionic emitting material 3 so that the temperature of the mixed gas reaches a predetermined temperature. Further, a high frequency voltage is applied to generate high frequency plasma. Furthermore, the substrate 6 is heated using a heater or plasma so that a predetermined temperature is obtained.

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。
After performing such operations, CBN is deposited on the substrate by continuing to operate the apparatus.

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。
Working CBN has a diamond-shaped crystal structure in which nitrogen atoms and boron atoms form stable SP3 hybrid bonds within the 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 SP3 hybrid bond, it is necessary to excite each nitrogen atom and boron atom to an excited state in some way to create an SP3 hybrid orbital, and furthermore, by giving them an opportunity to collide with each other, the SP3 Forms molecular orbitals that become hybrid bonds. By placing the electrons of each excited atom in the molecular orbitals forming SP3 hybrid bonds, a large amount of stabilizing energy is obtained, and the system is stabilized, resulting in the excellent properties described above. We have it.

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S
P3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, it is important to find conditions that facilitate the formation of SP3 hybrid bonds from B and N sources. In this regard, according to the present invention, a series of energy supply processes are performed, such as heating the raw material mixed gas in advance with a thermionic emitting material to pre-excite it, applying a high frequency voltage to turn it into plasma, and heating the substrate. According to the above S
It became possible to generate P3 hybrid bonds, and CBN could be deposited on the substrate. Here, the preheating temperature is
The substrate temperature and plasma generation conditions are important in the present invention, and it is preferable to set the conditions within the ranges 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 relatively simple operations and inexpensive equipment, so it is economically advantageous, and is therefore useful as various tools and electronic materials as described above.

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 explained 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、基板にシリコンウェ
ーハを用い、原料ガスであるホウ素含有ガスはB 2 
Ha、窒素含有ガスはNH3を用い、それぞれ4 cc
/min、 1Qcc/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IKW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5 ’l’orr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 the substrate, and the boron-containing gas as the raw material gas was B2.
NH3 was used as Ha and nitrogen-containing gas, 4 cc each.
/min, and 1 Qcc/min into the reaction chamber. In addition, the temperature inside the reaction vessel was adjusted to 2000°C using a tungsten filament, and a high frequency voltage was applied so that the output of high frequency plasma was IKW.
With the above gas flowing, the pressure inside the reaction chamber was adjusted to 5'l'orr using an exhaust system, and the operation was continued in this state for 4 hours, and a boron nitride film with a thickness of about 8 μm was obtained. Ta.

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 crushed and subjected to X-ray diffraction, a sharp peak peculiar to CBN was observed around 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BCIs、
窒素含有ガスはNH3を用い、それぞれ5 cc/+n
in、  5 cc/minの流量で反応室に導入した
Example 2 The manufacturing apparatus shown in FIG. 2 was used, a molybdenum substrate was used as the substrate, and the boron-containing gas as the raw material gas was BCIs,
NH3 is used as the nitrogen-containing gas, 5 cc/+n each.
in, and introduced into the reaction chamber at a flow rate of 5 cc/min.

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.OkW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、1
2μm程度の膜厚の窒化ホウ素膜が得られた。
In addition, the temperature inside the reaction vessel was adjusted to 2200°C using a tungsten filament, and the output of the high-frequency plasma was adjusted to 2. Apply a high frequency voltage so that it becomes OKW,
With the above gas flowing, the pressure inside the reaction chamber was adjusted to 8 TOrr using an exhaust device. After setting the substrate temperature to 900℃, continuous operation was continued for 4 hours in this state, and 1
A boron nitride film with a thickness of about 2 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 crushed and subjected to X-ray diffraction, a sharp peak peculiar to CBN was observed around 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1.5
kw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。
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
A boron nitride film with a thickness of about 10 μm was obtained in the same manner as in Example 1 except that the film-forming time was 5 hours.

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=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。
When the obtained boron nitride film was crushed and subjected to X-ray diffraction, a sharp peak peculiar to HBN was found around 2θ=26.7° and a peak position peculiar to CBN at 2θ=43.2
A gentle peak was observed around 0.degree., and it became clear that this boron nitride film was a polycrystalline system of HBN and CBN, and moreover, HBN was contained in a larger 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。
Cutting test using boron nitride film Using the manufacturing conditions of Examples 1 to 2 and Comparative Example 1, a chip, which is a substrate, was coated with a film thickness of 3 μm, and the cutting conditions shown in Table 1, that is, the work material, cutting A cutting test was conducted under different speeds, depths of cut, and feed, and the time required to reach a relief wear width of 0.1 mm under each condition was measured. The results obtained are shown in Table 2.

また、コーティングを行なわない場合および反応性イオ
ンブ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基超超硬合金ある
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。
In addition, similar cutting tests were conducted using TNMG432, a wc-based cemented carbide, as the tip, without coating and with TiN coating using the reactive ion blating method, and the results were reported. It is shown in Table 2.

第1表 第2表 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 1 and 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. A mixture of crystal systems of boron nitride other than CBN (Comparative Example 1) shows wear resistance comparable to that of the case coated with TiN.

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C
BN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5NG435を用い、被
削材としてF C30を用い、切削速度が250m/+
nin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。
In addition, FIG. 3 shows the C
Cutting tests were conducted on BN-coated chips, TIN-coated chips, and uncoated chips, and the results are shown as a relationship between cutting speed and chip life. Figure 4 shows that 5NG435 was used as the tip, FC30 was used as the work material, and the cutting speed was 250 m/+.
Cutting tests were conducted on the CBN-coated chips, TiC-coated chips, and uncoated chips obtained in Example 2 at the time of nin, and the relationship between the fracture resistance and the number of impacts was shown. From FIGS. 3 and 4, it can be seen that the tip coated with CBN has wear resistance about 1.5 times that of the tip coated with other materials.

発明の詳細 な説明したように、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
CBN!!!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。
As described in detail, the manufacturing method of the present invention is a gas phase reaction method that does not use the conventional ultra-high pressure and high temperature sintering method, and moreover, it does not require complicated and expensive equipment such as ion beams and electron guns. This is a simple CBN manufacturing method that does not require Furthermore, the CBN of the present invention! ! ! According to the production method, it is possible to produce excellent CBN with less contamination of impurities and other crystalline boron nitrides, and its industrial value is extremely high.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

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 diagrams of a manufacturing apparatus used in the present invention. FIG. 3 is a graph plotting the relationship between cutting speed and chip life for CBN-coated chips and other chips. FIG. 4 is a graph showing the fracture resistance of CBN coated tips and other tips in cutting cast iron. (Main reference numbers) 1. Reaction vessel, 2. Reaction gas inlet, 3. Thermionic emission material, 4. Reaction gas outlet, 5. High frequency coil, 6. Substrate, 7. Substrate support stand, 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 source, 14...Power source for thermionic radiation material, 15
··heater

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)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 cubic system comprising the steps of preheating a mixture of a boron-containing gas and a nitrogen-containing gas, then irradiating the mixture with high frequency to turn it into plasma, and depositing a cubic boron nitride film on the heated substrate. A method for manufacturing a crystalline boron nitride film.
(2)上記予備加熱を1000℃以上に加熱した熱電子
放射材を用いて行なう特許請求の範囲第1項記載の立方
晶系窒化ホウ素膜の製造方法。
(2) The method for manufacturing a cubic boron nitride film according to claim 1, wherein the preheating is performed using a thermionic emitting material heated to 1000° C. or higher.
(3)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。
(3) The method for manufacturing a cubic boron nitride film according to claim 1, wherein the temperature of the heated substrate is 300 to 2000°C.
(4)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。
(4) Production of the cubic boron nitride film according to claim 1, wherein in the mixture of the boron-containing gas and the nitrogen-containing gas, the ratio B/N of boron atoms to nitrogen atoms is 0.1 to 10. Method.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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

Patent Citations (2)

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