JPS5938165B2 - 立方晶窒化ほう素の製造法 - Google Patents

立方晶窒化ほう素の製造法

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JPS5938165B2
JPS5938165B2 JP4056481A JP4056481A JPS5938165B2 JP S5938165 B2 JPS5938165 B2 JP S5938165B2 JP 4056481 A JP4056481 A JP 4056481A JP 4056481 A JP4056481 A JP 4056481A JP S5938165 B2 JPS5938165 B2 JP S5938165B2
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忠 遠藤
稔 岩田
脩 福長
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KAGAKU GIJUTSUCHO MUKIZAISHITSU KENKYUSHOCHO
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KAGAKU GIJUTSUCHO MUKIZAISHITSU KENKYUSHOCHO
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-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
    • C30B9/00Single-crystal growth from melt solutions using molten solvents
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-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
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/40AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
    • C30B29/403AIII-nitrides

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は立方晶窒化はう素の製造法に関する。
立方晶窒化はう素はダイヤモンド類似型結晶構造をもつ
高硬度物質であることは知られている。
硬度の点ではダイヤモンドに劣るが、一方熱的、化学的
・性質はダイヤモンドのそれより優れているので、焼入
鋼、特殊鋼、セラミックス等の新しい研摩、切削材とし
ての用途が開発されている。
また適当な元素をその結晶格子中にドープすることによ
り、P型N型両性半導体の製造が可能で、その優れた熱
伝導率を生かして電子材料としての応用への期待も大き
い。
このような観点から所望の粒径ならびに結晶形態をもつ
高純度高品質の立方晶窒化はう素の単結晶が要望されて
いる。
従来、立方晶窒化はう素は六方晶窒化はう素に触媒物質
を用いて変換させる製造法が知られている。
その触媒物質としては、元素周期律表におけるIa、I
[a、Ha族元素と、それらの窒化物あるいは合金が主
として用いられていた。
他に錫、鉛、アンチモンの単体または合金、尿素、アン
モニウム塩等も知られている。
しかしながら、前記の金属触媒を使用すると、不安定は
う化物、遊離はう素が副生成され、得られる立方晶窒化
はう素の結晶中に、はう素が混入され結晶は黒色、不透
明で、その粒子強度も著しく小さくなる欠点がある。
才だ窒化物を使用すると未反応窒化物が残留し、得られ
る立方晶窒化はう素結晶中にも窒化物がとじ込められ、
高品質のものが得られなかった。
一方、尿素またはアンモニウム塩を使用すると、得られ
る立方晶窒化はう素の粒子径は0.1〜0.5ミクロン
と極めて小さいものしか得られず、加えてこれらの触媒
で六方晶窒化はう素から立方晶窒化はう素への変換する
機構が未だ解明されず、所望の結晶を得る条件の設定が
困難である欠点がある。
また、Ba3N2.5r3N2 を触媒として使用する
ことも知られているが、HBNと窒化物との反応が均一
でないため、未反応窒化物が残留し、得られるCBN結
晶中にこれらが閉じ込められたり、過剰な窒素が不純物
として含有される。
その結果、高品位な結晶が得難く、且つ粒子強度が小さ
くなる欠点がある。
さきに、本発明者らは六方晶窒化はう素を立方晶窒化は
う素・\変換させる方法として、六方晶窒化はう素の溶
媒となる窒化はう素カルシウムを用いて、その溶融状態
を実現する温度以上、立方晶窒化はう素の熱力学的安定
圧力域下で処理する方法を発明した。
この方法により、高品質、高純度の単結晶が得られた。
。しかし、この方法により、良質結晶状態
や面の整った立方晶窒化はう素結晶を得ようとすると、
立方晶窒化はう素と六方晶窒化はう素の相平衡線の極く
近傍(温度にして30℃以内)にある圧力と温度の下に
、この反応系を数十分間保持することが必要である。
しかし、一般に立方晶窒化はう素の製造は50000気
圧以上の高圧力の下で行われるので、このような超高圧
を加えつつ、その上相平衡線の近傍の温度以内に保つこ
とは難かしく再現性に乏しい。
加うるに、より大粒の立方晶窒化はう素の単結晶を得よ
うとすると、数十時間所定の温度、圧力の条件に保持す
る必要があり、そのためには特別な注意を払うことが要
求される14しかしながら、実際には立方晶窒化はう素
の製造に際し、熱電対を高圧、反応容器内に挿入して温
度を直接測定することが困難なので、加熱温度を供給す
る電力法により制御する手段等によらざるを得なく、そ
のため温度制御が不正確となる。
従って、この製造法では精密な温度および圧力制御が達
成されない限り、技術的な限界がある。
本発明はこれらの問題点を解消しようとするものであり
、その目的は結晶粒子の大きい立方晶窒化はう素を容易
に製造し得られる方法を提供するにある。
本発明は窒化はう素ストロンチウム (Sr3B2N4)または窒化はう素バリウム(5a3
B2N4 )と六方晶窒化はう素とを、立方晶窒化はう
素の熱力学的安定圧力の下で、立方晶窒化はう素の種結
晶の存在下で、1250°C以上の温度で加熱すること
により解決し得た。
本発明の方法によると、温度、圧力領域の許容値幅が広
いので、結晶粒成長速度の制御が容易であり、しかも種
結晶が存在するため、そのため、大粒径で高純度、良質
の立方晶窒化はう素の単結晶を容易に製造することがで
きる優れた効果を有する。
本発明において使用する窒化はう素ストロンチウムは金
属ストロンチウムまたは窒化ストロンチウムと六方晶窒
化はう素とをストロンチウム対はう素のモル比で3対2
0割合で混合し、窒素気流中で950〜1200℃で2
時間以上加熱することによって得られる。
また窒化はう素バリウムも前記のストロンチウムに代え
バリウムを用いることによって同様にして得られる。
本発明の製造原料としては窒化はう素ストロンチウムま
たは窒化はう素バリウムに六方晶窒化はう素を混和する
か、あるいは、窒化はう素ストロンチウムまたは窒化は
う素バリウムを前記の方法で製造する際に過剰量の六方
晶窒化はう素を予め使用し、過剰分の六方晶窒化はう素
を含有せしめたものが使用される。
六方晶窒化はう素の混合割合は、窒化はう素ストロンチ
ウムまたは窒化はう素バリウムに対して35重量%以上
であることが好ましい。
本発明における立方晶窒化はう素の合成可能な温度、圧
力条件の関係は第1図に示す通りである。
図中、13は窒化はう素ストロンチウムを使用した場合
における立方晶窒化はう素の合成可能域と安定域との境
界曲線、14に窒化はう素バリウムを使用した場合にお
ける同じ境界曲線、15は立方晶窒化はう素と六方晶窒
化はう素との熱力学的平衡線を示す。
A域は立方晶窒化はう素の合成可能域、B域は立方晶窒
化はう素の安定域、C域は六方晶窒化はう素の安定域で
ある。
図面で明らかなように、約1350℃、1250℃はそ
れぞれ、窒化はう素ストロンチウム、窒化はう素バリウ
ムを用いて得られる立方晶窒化はう素の合成下限温度で
ある。
また原料である六方晶窒化はう素は高純度で、酸素含有
量が2〜3重量重量上以下ることが好ましい。
従って、例えは1気圧の窒素ガス雰囲気中で約2000
℃の温度にさらすと酸素含有量は1重量製以下に減少さ
せることができる。
比較例 1 第2図、第3図および第4図は試料構成の縦断面図を示
す。
第2図に示す試料構成で試験を行った。
図中1は黒鉛抵抗発熱体、2は黒鉛円板で、交流または
直流電流をその両端に印加して所定の温度を反応室内部
に供給する。
3および4はそれぞれ食塩円筒および円板で、高温下で
反応室内の圧力の均一性をはかる。
反応室は5および6のモリブデン円筒および円板により
囲まれ、食塩との直接の接触を防いでいる。
7は六方晶窒化はう素円板または栓、8は窒化はう素ス
トロンチウム粉末を錠剤成型器により2.0トン/cr
itの荷重で加圧成形したもので、六方晶窒化はう素円
板と交互に積層して充填する。
窒化はう素ストロンチウムと六方晶窒化はう素の割合は
、重量で1対3の割合とする。
これをベルト型高温高圧装置により54000気圧、1
350℃で約60分間処理した。
その後加熱電源を切り、容器の温度を急速に下げ、除圧
後結晶を取り出した。
得られた結晶をX線回折法、超硬合金板への引かき試験
および顕微鏡観察したところ、立方晶窒化はう素結晶で
あることが確認された。
反応生成物中に含まれる窒化はう素ストロンチウムは弱
酸により容易に分解するために、これによる処理により
容易に取り除かれる。
また未反応六方晶窒化はう素との境界に晶出した立方晶
窒化はう素結晶は熱濃硫酸中に弗化ナトリウムを加えた
溶液で溶解分離し、その後、重液により比重分離を行っ
た。
得られた立方晶窒化はう素は六面体と八面体の合わさっ
た形状をもつ淡黄色透明、約170ミクロン径の単結晶
であり、そのHBNからCBN−\の変換率は45%前
後であった。
なお、本比較例での圧力の値は、室温下におけるビスマ
ス、タリウム、バリウムの相転移圧点を、各々25.5
キロバール、37キロバール、55キロバールとして作
成された荷重−圧力発生曲線に基づくものである。
また試料部中央の温度は、白金−白金13係ロジウム熱
電対を用いて温度−消費電力曲線を作成、黒鉛抵抗発熱
体に印加した電力値により所定の温度を推定した。
比較例 2 比較例1において用いた食塩円筒の代りに、六方晶窒化
はう素円筒を用いた試料構成第3図のもので実験を行っ
た。
窒化はう素バリウム粉末を錠剤成型器により約2.0ト
ン/crAの荷重で成形したもの8を、六方晶窒化はう
素円板7と交互に積層し、六方晶窒化はう素円筒9内に
充填した。
これを57000気圧、1500℃で約70分間高温高
圧処理し、立方晶窒化はう索車結晶を実施例1と同様に
して得た。
結晶粒径は大で約80ミクロン(多くは60ミクロン以
下)、無色透明結晶(淡黄色透明結晶も1都合まれてい
る)で、主として八面体からなり、各(111)面は全
く平滑な美しい結晶であった。
HBNからCBN−\の変換率は30%前後であった。
実施例 1 比較例1に用いた試料構成と同様なもので、3および4
はそれぞれ食塩円筒および円板で、六方晶窒化はう素か
ら立方晶窒化はう素の変換時に生ずる体積減少に基づく
見掛けの発生圧力の低下をさける目的で、これらを第4
図に示す試料構成器内に挿入した。
黒鉛抵抗発熱体1の中央部と底部とには温度勾配を生ず
るので、六方晶窒化はう素と立方晶窒化はう素の微細結
晶(大きさ約1〜3ミクロン)を混和成形したものを高
温部7に配置し、低温部に立方晶窒化はう素(約4oo
ミクロン)の種子結晶10を配置した。
従ってこの試料構成においては下半分のみが有効試料空
間を形成している。
下半分に充填するもの11および12は、六方晶窒化は
う素、パイロフィライト、滑石、シリカガラス、食塩等
であってもよいが、高温高圧条件下で相転移または分解
を伴い体積減少しないものを用いることが好ましい。
本実施例では11に食塩円板、12に六方晶窒化はう素
円板を用いた。
なお、Fe−AA10%合金薄板を窒化はう素ストロン
チウムと立方晶窒化はう素種子結晶の間に挿入した。
これは反応初期好ましくは、窒化はう素が窒化はう素ス
トロンチウム溶液に飽和されるまで、種子結晶が窒化は
う素ストロンチウムに溶解するのをさけるために用いた
これを55000気圧、1570℃で約24時間処理し
た。
得られた立方晶窒化はう素結晶は約2.2叫径まで種子
結晶表面から成長している状況が観察された。
この結晶は(100)面を持つ八面体結晶で黄色透明で
あった。
【図面の簡単な説明】
第1図は立方晶窒化はう素の合成可能域の温度と圧力と
の関係図、第2図、第3図および第4図は試料構成の断
面図を示し、第2図及び第3図は比較例、第4図は本発
明の実施態様を示す。 、1:黒鉛抵抗発熱体、2:黒鉛円板、3:食塩円筒、
4:食塩円板、5:モリブデン円筒、6:モリブデン円
板、7:六方晶窒化はう素円板、8:溶媒部(Sr3B
2N4或いはBa3B2N4 )、9:六方晶窒化はう
素円筒、10:立方晶窒化はう素種子結晶、11:食塩
円板、12:六方晶窒化はう素円板、A:立方晶窒化は
う素の合成可能域、B:立方晶窒化はう素の安定域、C
:六方晶窒化はう素の安定域。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 窒化はう素ストロンチウムオたは窒化はう素バリウ
    ムと六方晶窒化はう素とを、立方晶窒化はう素の種結晶
    の存在下で、立方晶窒化はう素の熱力学的安定圧力下、
    1250℃以上で加熱することを特徴とする立方晶窒化
    はう素の製造方法。
JP4056481A 1981-03-20 1981-03-20 立方晶窒化ほう素の製造法 Expired JPS5938165B2 (ja)

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JPS6168398A (ja) * 1984-09-13 1986-04-08 Showa Denko Kk 立方晶型窒化硼素結晶の成長法
DE3770889D1 (de) * 1986-07-30 1991-07-25 De Beers Ind Diamond Herstellung von kubischem bornitrid.

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