[发明专利]生产立方氮化硼耐磨层的工艺和应用

说明书

这项发明涉及的领域是生产耐磨的涂层，即生产具有一定的磨损特性的涂层，它涉及生产耐磨的立方体的氮化硼(CBN)涂层或者含有很高立方氮化硼成分的连接层。

热力学上不稳定的立方体的氮化硼具有只有金刚石才具有的高硬度，并具有金刚石才具有的相似的其他的特性，特别是高的导热性、突出的耐磨的特性以及很好的透明度(n=2.2)，还有极大的能带宽度，其值＞6.4电子伏特，因此立方氮化硼可以作为高电位的半导体材料。

在加工技术范围内，立方氮化硼与金刚石相比的明显的优点是它对于钢是隋性的，因此可以用来加工含铁的工件，在这个重要的生产领域内，金刚石刀具由于它的化学磨损而不能使用。

自八十年代起，首先是日本和美国的科学家从原理上证明，氮化硼的立方晶体相可以用等离子体激发的方法来生产。在全世界各地都在尽各种力量来生产立方晶体氮化硼的涂层。

例如在《应用物理杂志》1992年7月15日出版的72(2)期507页上和《材料研究杂志》1993年6月6日第八期中描写了立方晶格氮化硼的生产成功地采用了离子流支持的气化技术(IBAD)。

还有《金刚石及相关材料》1993年第二期512页描写了一种生产方法，使用离子射线枪，其中一个离子源用于喷涂硼或者六方晶格的氮化硼(hBN)的靶极，第二个离子枪用来轰击作为基片用的膜。

在《表面和涂膜技术》1990年43/44期合刊上145-153页上描写了由此得出的反应式离子镀膜工艺，它使用在氩和氮气的混合气体中借助电子射线气化器来将硼离子化并加以气化，在带负电势的基片的支架上形成镀膜，通过氩或者氮的离子轰击使镀膜增厚。

在《固体膜》1993年224期上45-51页描述了一种利用离子支持的激光增强工艺来生产立方氮化硼的方法，其中使用了一种六角晶格的氮化硼靶极，离子照射是通过直流电压来实现的。

《日本应用物理杂志》1991年2月2日第三十期344-348页刊登了一种使用微波电子回旋加速器共振的沉淀法的工艺，其中氮化硼来自氩-氮-氢化硼组成的气相并沉淀在高频偏压的基片上。

最后在《日本应用物理杂志》1990年7月7日第29期1175-1177页上描述了一种生产含有立方氮化硼晶体涂层的方法，采用该方法来溅射置于高频等离子体中的六方晶体氮化硼靶极。基片同样放置于负电势的高频偏压上，用氩离子来轰击。

完整的内容可以参阅专利DE-053810237，美国专利号4412899，美国专利4415420，美国专利号4683043和美国专利号5096740，其中同样描写了用于生产方立碳化硼或者含有立方氮化硼涂层的各种不同的方法。

从技术角度描述的物理气化沉淀法(PVD)均使用硼或者六角晶格氮化硼作为靶子或者气化材料，所有这些方法在实际的使用方面都具有明显的缺点，因此这些方法仅能用于相对面积小的沉积率慢的涂膜。

所熟知的化学气化沉淀法-电子回旋加速共振(CVD-EZR)的工艺有明显的缺点，因为沉积只能在相当高的基片温度，即大于600℃时才能发生，此外只有在电子回旋加速共振等离子体的有限膨胀发散的条件下对较小的基片进行镀膜。

在硬膜方面目前通常较多地使用物理汽化沉淀法，而出于经济上的考虑，等离子体的产生通常使用直流电弧放电的方法或者利用直流驱动的磁控管阴极，直流驱动在操作范围内除了费用上的优点外，还有一个特点是可以造出大面积的镀膜设备。

鉴于用这种方法生产立方氮化硼的涂层或含有方立氮化硼的涂层具有以下缺点，即必须使用导电的发射靶，而从技术角度又要求发射靶的材料是不导电的硼或者六角晶格的氮化硼或含有B₂H₆的气体才行。这样，这种费用较低的立方晶体氮化硼涂层的生产方法从技术角度出发来看是不可行的。

本发明的任务是提出一种生产硬质及耐磨的立方氮化硼涂层或者含有立方氮化硼的涂层的方法，从技术角度出发，所有的缺点都不存在，这样一种方法在于，在镀膜速率较高的情况下，能在较低的基片的温度下进行沉积，并且不限于只在小的基片上进行，这在经济上是合算的，并且推广的费用比较低廉。

此外，本项发明的任务为：给出这样一种形式的方法，可以高的沉积速度进行大面积的镀膜，这也就是说，这项发明的任务为PVD方法创造了条件：利用直流电弧放电方法或者利用直流电驱动的磁控管阴极产生的等离子体来生产立方氮化硼涂层或者含有立方氮化硼的涂层。

由此得出的结果是，这项发明的任务还有，以有足够导电能力的发射靶极的材料来产生立方晶体氮化硼或者含有立方晶体氮化硼的镀膜，并找出合适的工艺参数。