生产立方氮化硼耐磨层的工艺和应用制造技术

这项发明专利技术是有关生产耐磨的立方体氮化硼的方法，或者使用高频或直流电压以不平衡磁控管的生产方式，通过溅射喷涂，用直流电弧放电或用直流驱动的磁控管阴极等离子体产生的方法这样的溅射喷涂来生产这类耐磨涂层的方法。按照这项发明专利技术，用来生产涂层并从中移出物质的发射靶由包含硼的导电物质，最好是碳化硼，在这个过程中，用添加氮气和氩气的方法对在涂层中的硼和氮的化学计量值加以调整。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
这项专利技术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粉碎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，它使用高频等离子体将置于隋性气体中的六方晶体氮化硼靶极粉碎，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镀层具有以下缺点，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。本专利技术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，本项专利技术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，这项专利技术的任务为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，这项专利技术的任务还有，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。最好这项专利技术的任务还有给出这项工艺的可能的应用范围。按照这项工艺专利技术应解决以下的问题从工艺方面1-16项的专利内容要点，在使用方面7-22项所描述的内容要点(权利)。令人吃惊的是，除了达到所说的工艺条件外，还可以使用氮化硼(B4C)的靶，它含有20％的碳，用来沉积立方氮化硼涂膜或者含有立方氮化硼的镀膜，其中一项优点是在涂膜前有一个靶极清理过程，同时通过一个机械式的节流孔可以对基片进行分开的离子腐蚀性的净化过程。用物理气化沉淀法或相似的方法生产立方氮化硼或者含有立方氮化硼的耐磨层的工艺，其等离子体利用直流电弧放电或利用直流电驱动的磁控管阴极产生，按该项专利技术用来作为一个发射极，用来产生镀膜用的物质的剥离用的极，是由导电的物质组成的，这个电极主要由氮化硼组成，比较经济的化学组成范围为70％-90％的硼和10％到30％的碳(如B4C)，另一种工艺方法其发射极为金属(如钛、钼、铬、铜、镍、钽或铝)和/或者他们的硼化物或氮化物，只要具有良好的导电性，也可以用掺杂的硼和/或者氮化硼电极。按照专利技术的工艺，可以在送入氩和氮气发生反应的过程中对镀膜中的硼和氮的化学比例按要求加以调整。一般来说，反应的过程应这样进行，在立方氮化硼镀层或者含有立主氮化硼的镀层中，碳的含量应减少到小于5％，在目前的这项专利技术中，解决了减少镀层中碳的含量以及按要求调节氮硼的比例，整个过程可在氩氮混合气体中进行。类似于金刚石化学气化沉淀法剥离中证明的，提高工作气体中氧气的含量并通过与碳的选择性的反应，会减低涂层中碳的比例。事实证明，在涂层中立方相的成分高时，氧的分压较小更趋于有益。为了改善立方氮化硼或者含立方氮化硼的涂膜在基片上的附着性，应在立方氮化硼涂层之前不中断的抽真空的过程中再加一附加层，例如通过逐步地、连续地改变往基片上沉淀过程的气体组成成分及条件的办法。事实证明，如果在涂膜前在基片支架上涂上一层，厚度最好在0.1-0.5微米之间的碳化硼/氮化硼涂膜将是有益的。对于本专利技术的工艺应用除其他已存在的可能性之外，或应用高频阴极真空喷镀粉碎工艺要不就采用直流电压(DC)磁控管工艺。如果要使用高频阴极真空喷镀工艺，建议当靶极和基片边上通过高频输入偶合时，或者在基片一边加上直流电压(DC)，此时用一个范围为100-1000伏之间(例如300伏到500伏)的负偏压来工作，在靶极上表面积功率为每平方厘米3-17瓦(例如6瓦/厘米2)，在基板上表面积功率为每平方厘米1-11瓦之间(例如2瓦/厘米2)基片的温度保持在30℃和500℃之间(例如350℃的平衡温度)作为过程中使用的气体为氩和氮气的混合物，而氮气在混合气体中的含量在5％到近100％之间(例如10％到70％)，工作过程的压力调到1至50微巴之间(例如20微巴)。如果要使用不平衡磁控管(UBM)的直流磁控管工艺，那末推荐的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过用高频或者直流，以不平衡磁控管的工作方式和利用直流电弧放电或直流电驱动的磁控管阴极产生的等离子体进行上粉，实现生产由立方氮化硼组成的耐磨层或者含有耐磨层的工艺，其特征为：作为发射靶极使用的是导电的碳化硼做的靶极，其涂层的化学计量通过导入的氮气和氩气对反应过程的引导来加以调节的。２．按照权利要求１的工艺，其特征为：使用一个碳化硼靶极，其化学成分为７０－９０％的硼原子，１０－３０％的碳原子。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：霍尔格吕得杰，克劳斯贝维罗佳，西蒙纳达得，
申请(专利权)人：弗劳恩霍夫促进应用研究协会，
类型：发明
国别省市：DE[德国]