[发明专利]磷化硼硬质涂层的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于薄膜技术领域，涉及一种磷化硼硬质涂层的制备方法，特别是一种采用射频等离子体增强CVD技术，在工件表面制备磷化硼硬质涂层的方法。

背景技术

在某些应用领域，需要工件具有高硬度、耐磨损、耐腐蚀等特点，但一般情况下，受材料固有性质的限制，工件本身无法满足上述使用要求。针对上述情况，在工件表面涂覆硬质涂层是解决这一问题的办法之一，例如：在切削刀具或模具上涂覆单层或多层硬质涂层可改善其耐磨性能，显著提高耐用度效果；在光学元件如ZnS窗口表面涂覆DLC、Ge_1-xC_x等硬质膜层可提高其抗雨蚀、砂蚀及盐雾腐蚀的能力，从而保证其在恶劣工作环境下正常工作。

磷化硼具有高的硬度，Knoop硬度为4700kg/mm²，仅次于金刚石和立方氮化硼，同时具有良好的耐磨性、化学性能稳定、红外光学性能优良等特点，适合用作工具表面的耐磨涂层及红外光学元件的保护膜层，其制备方法主要有以下两类：

一类是高温CVD法，即在一个开管反应器中，将工件加热到900～1100℃，通入含硼气体(如B₂H₆、BCl₃、BBr₃)和含磷气体(如PH₃、PCl₃、PBr₃)及氢气即可在基体表面反应沉积得到磷化硼涂层，该方法的优点是涂层机械性能好，缺点是制备温度高。

另一类方法与本发明类似，为射频等离子体增强CVD技术，美国专利文件(U.S.Patent 5,007,689  C.J.Kelly，K.L.Lewis)中C.J.Kelly等采用此工艺制备了磷化硼并用作红外光学窗口的保护膜，工件加热温度小于600℃，反应气体为磷烷、硼烷，射频功率10～1000W，该方法的优点是加热温度低，但却存在以下缺点：(1)磷化硼的性能受制备工艺，特别是射频功率的影响很大，射频功率小时磷化硼与基体的附着力差，易脱落，射频功率大时磷化硼内应力大，生长速率小；(2)制备的磷化硼为非化学计量比，且表面存在严重的失磷现象(K.L.Lewi s，C.J.Kelly，and B.C.Monachan，Recentprogress in the development of boron phosphide as a robustcoating material for infra-red transparencies，SPIE vol.1112，407 1989.)，而磷化硼的性能受成分的影响很大，因此制备的磷化硼成分不均匀，性能不稳定，制备工艺可控性差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磷化硼硬质涂层的制备方法，采用该方法制备磷化硼，沉积温度低，制备的涂层成分均匀，应力小，与工件的附着力良好。

本发明的目的是这样实现的：

以含硼气体和含磷气体为反应气体，惰性气体为携载气体，采用射频等离子体增强CVD技术在工件表面制备磷化硼硬质涂层，实现本方法的具体步骤如下：

(1)将工件放置到PECVD设备射频阴极极板上，首先将真空室真空抽至高于3×10^-3Pa，然后将工件加热到200～700℃；

(2)向真空室充入Ar气，保持真空在1～3Pa，加射频功率1000～1500W，对工件表面轰击清洗5～10分钟；

(3)按比例通入惰性气体、含硼气体和含磷气体的混合气体，其中惰性气体为携载气体，含硼气体和含磷气体为反应气体，保持真空在1～600Pa，调节射频功率在2500W以上，沉积1～5分钟，在高的射频功率下，工件表面受到高能量的入射离子轰击，界面处被溅射出的原子将会和沉积原子发生动态的混合现象，可以使涂层和工件之间的附着力有显著的提高；然后降低射频功率至50～1500W继续沉积直至达到所需的厚度，在低射频功率下，沉积的磷化硼内应力小，内部缺陷少，沉积速率高；

(4)  沉积结束后按比例向真空室充入H₂和含磷气体组成的混合气体，保持真空在1～600Pa，将工件温度缓慢降至室温，降温速率30～100℃/小时，由于在含磷气氛中降温，避免了磷化硼中磷的挥发，保证了磷化硼表面和内部成分的均匀；降到室温后，向真空室充入氮气，打开真空室取出工件，制备过程结束。