專利名稱：一種連續(xù)化學(xué)氣相淀積的方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于化學(xué)氣相淀積技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及制備多層薄膜材料的連續(xù)化學(xué)氣相淀積的方法與裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的化學(xué)氣相淀積(Chemical Vapor Deposition，CVD)方法，是通過向反應(yīng)腔中注入氣態(tài)或能汽化的液態(tài)或固態(tài)源化合物，在被加熱的襯底上進(jìn)行反應(yīng)，生長固態(tài)薄層材料或外延薄膜生長。
據(jù)英國《材料科學(xué)進(jìn)展》雜志(Progress in Materials Science，vol.48(2003)57-170)與《無機(jī)合成與制備化學(xué)》一書(徐如人，高等教育出版社，2001，P257-268)介紹，目前化學(xué)氣相淀積裝置主要有立式、臥式和筒式等多種構(gòu)型。采用現(xiàn)有的這些淀積裝置，一般一次只能淀積單層薄膜，完成一件(批)器件至少需要經(jīng)過一次“室溫放置基底(襯底)-高溫淀積生長-冷卻取出制品”，因此存在許多問題1)采用現(xiàn)有裝置很難實(shí)現(xiàn)一次完成多層薄膜的淀積。不同材料層的性質(zhì)不一樣，其淀積參數(shù)也會有很大的不同，采用現(xiàn)有裝置進(jìn)行多層材料的淀積需要多次改變和調(diào)整淀積參數(shù)，過程復(fù)雜且難以保證高重現(xiàn)性；2)現(xiàn)有技術(shù)和裝置是斷續(xù)性一爐一爐的生長，不能實(shí)現(xiàn)批量化、連續(xù)性生產(chǎn)，從而產(chǎn)品質(zhì)量重現(xiàn)性低，生產(chǎn)成本高；3)源物質(zhì)(precursor)氣態(tài)物種流經(jīng)襯底表面的停留時間短，因而一般僅有小部分反應(yīng)劑轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)淀積物，大部分流出反應(yīng)器外，利用率很低，大大提高了制造成本，因而現(xiàn)有的CVD是一種公認(rèn)的昂貴技術(shù)。
綜上所述，目前的化學(xué)氣相淀積技術(shù)及相應(yīng)裝備，雖然在現(xiàn)代高技術(shù)新材料領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，對人類現(xiàn)代文明作出了重大貢獻(xiàn)，但其基本特點(diǎn)是源材料利用率低，淀積時間長，能量消耗高，操作相對復(fù)雜。使得CVD這類原子分子水平上生長材料的技術(shù)優(yōu)勢(如均一性高，重現(xiàn)性好)，往往不能得到充分發(fā)揮，得到更高質(zhì)量的制品，特別是其制造成本往往高于其它技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種連續(xù)化學(xué)氣相淀積的方法與裝置，以克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，在同一襯底上一次性完成多層薄膜材料淀積。
本發(fā)明的連續(xù)化學(xué)氣相淀積方法，包括向CVD反應(yīng)室中注入氣態(tài)或能汽化的液態(tài)或固態(tài)源化合物，在被加熱的經(jīng)過預(yù)處理的襯底表面生成固態(tài)淀積物，并排出尾氣；其特征在于所述襯底在源物質(zhì)氣體的流動方向上緩慢移動，依次通過多個銜接在一起但系統(tǒng)參數(shù)各自獨(dú)立控制的CVD區(qū)域，在每個反應(yīng)區(qū)域中分別實(shí)現(xiàn)一個薄膜材料層的生長或進(jìn)行一種熱處理工藝過程，從而連續(xù)完成多層薄膜材料的生長和制備。
本發(fā)明的連續(xù)化學(xué)氣相淀積裝置，其特征在于包括襯底預(yù)熱段與多個CVD反應(yīng)室組成的CVD系統(tǒng)及產(chǎn)品緩冷段的各腔體內(nèi)部相通依次銜接，各腔體分別設(shè)有獨(dú)立的加熱器及控溫系統(tǒng)；由預(yù)熱段首端的驅(qū)動裝置驅(qū)動的載物帶貫穿所有腔體并平鋪于加熱器上；CVD系統(tǒng)的反應(yīng)室個數(shù)為制備多層薄膜器件工藝中所需淀積薄膜層數(shù)與進(jìn)行熱處理工藝次數(shù)之和；每個反應(yīng)室由頂部的透明天壁、頂部首端的源物質(zhì)導(dǎo)入口和頂部末端的尾氣出口組成，反應(yīng)室長度為生長材料層或熱處理工藝的時間與載物帶的運(yùn)動速度乘積，反應(yīng)室的透明天壁上方設(shè)有光輔助系統(tǒng)及薄膜生長的在線監(jiān)測系統(tǒng)；相鄰反應(yīng)室氣氛通過分隔器分隔。
所述源物質(zhì)導(dǎo)入口設(shè)有多孔陶瓷分散器或噴嘴，多孔陶瓷分散器用于導(dǎo)入氣態(tài)源或汽化的液體源和固體源，噴嘴用于導(dǎo)入液體源；所述載物帶由耐熱的金屬材料或陶瓷板組成，通過傳動履帶或推板實(shí)現(xiàn)恒速運(yùn)動；所述載物帶上襯底的加熱采用包括電爐絲、SiC或MoSi2電熱元件的加熱方式，或采用感應(yīng)加熱方式，或采用熱光源輻射加熱等方式；所述相鄰反應(yīng)室氣氛分隔器采用注入惰性氣體的方式進(jìn)行分隔；所述光輔助系統(tǒng)采用鹵素?zé)艋蜃贤夤廨o助激活反應(yīng)物質(zhì)及輻照加熱襯底表面；整個裝置中的加熱、載物帶的運(yùn)動、光輔助系統(tǒng)、反應(yīng)劑氣體導(dǎo)入及尾氣排出系統(tǒng)的啟動和控制均采用計算機(jī)程序控制來實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的連續(xù)化學(xué)氣相淀積裝置，將化學(xué)氣相淀積技術(shù)融于傳統(tǒng)的流水線工藝，使同一襯底上制備單層或多層薄膜的反應(yīng)依次在不同的CVD反應(yīng)室分別獨(dú)立進(jìn)行，因此可以實(shí)現(xiàn)在大面積襯底上多層薄膜連續(xù)性淀積。由于采取將各層薄膜的淀積參數(shù)分別獨(dú)立控制，因而多層薄膜材料在淀積過程中不需要改變體系的淀積參數(shù)，并可大大節(jié)省升降溫過程中的操作時間，防止設(shè)備因多次熱循環(huán)影響其使用壽命。相鄰反應(yīng)室的氣氛采用分隔器進(jìn)行分隔，可防止上一個反應(yīng)室的尾氣影響該層的淀積。采用本發(fā)明的連續(xù)化學(xué)氣相淀積裝置可以大大提高源物質(zhì)的使用效率和熱能的使用效率，本發(fā)明裝置是一種節(jié)能節(jié)材、簡單易控的新型產(chǎn)業(yè)化設(shè)備。
本發(fā)明的連續(xù)化學(xué)氣相淀積方法雖然在氣相合成的本質(zhì)上與通常的CVD沒有區(qū)別，但材料制備工藝過程則與上述傳統(tǒng)的CVD技術(shù)完全不同。由于本發(fā)明方法采取了將多層薄膜的淀積過程一次性分配給多個銜接在一起但系統(tǒng)參數(shù)各自獨(dú)立控制的CVD反應(yīng)室去完成，從而克服了傳統(tǒng)CVD工藝的不能連續(xù)淀積多層薄膜的缺點(diǎn)；多層膜淀積無需經(jīng)歷反復(fù)升降溫過程及調(diào)整淀積參數(shù)，可以降低能源損耗，縮短制備周期，減少操作過程的人力投入；連接在一起的多個CVD反應(yīng)室溫度、源物質(zhì)的供應(yīng)處于一種穩(wěn)定狀態(tài)，其所完成的工藝過程不受人為操作影響，制備薄膜器件具有很高的重復(fù)性和可靠性；只要CVD反應(yīng)室足夠長，反應(yīng)劑大部分會轉(zhuǎn)化為固體，可以極大地提高源物質(zhì)的利用率，降低制備成本。該方法適于進(jìn)行高效率、低成本和規(guī)模化的薄膜材料器件生產(chǎn)。
本發(fā)明的連續(xù)化學(xué)氣相淀積設(shè)備明顯優(yōu)于現(xiàn)有的CVD裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)CVD生長工藝，突出表現(xiàn)在由于采用了連續(xù)性的結(jié)構(gòu)，可以在同一襯底上一次性完成多層薄膜的這類器件的淀積且連續(xù)化操作，克服現(xiàn)有CVD裝置不能連續(xù)性生產(chǎn)的致密弱點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)，從而擔(dān)負(fù)起產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)之大任；本發(fā)明裝置使生長體系和生長參數(shù)確定后無需改變，各CVD反應(yīng)室的溫度和反應(yīng)劑的供應(yīng)等在程序啟動后都將進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，薄膜材料的生長具有高度重復(fù)性；可以根據(jù)不同材料層的要求選擇不同的源物質(zhì)，如氣態(tài)源、液態(tài)源和固態(tài)源，源物質(zhì)的導(dǎo)入方式也可以靈活選擇；同一薄膜材料的生長，可以根據(jù)需要采用多個反應(yīng)室來完成，以期獲得不同的生長形貌及所需要的厚度；相鄰兩個反應(yīng)室生長的薄膜如果不需要嚴(yán)格控制區(qū)分其生長層組分，則不需要處理前反應(yīng)段的尾氣，并且能夠?qū)崿F(xiàn)生長材料體系自然的過渡，有利于不同層材料之間結(jié)合緊密；如果相鄰兩個反應(yīng)室生長的薄膜要求嚴(yán)格區(qū)分時(如形成組成突變的異質(zhì)結(jié))，則可以用分隔器實(shí)現(xiàn)；淀積完一層薄膜材料后進(jìn)入下一個反應(yīng)室時，在無源物質(zhì)導(dǎo)入的情況下可以進(jìn)行退火處理或是加強(qiáng)燒結(jié)。
本發(fā)明在保留現(xiàn)有化學(xué)氣相淀積其材料生長特長的前提下，克服了其缺點(diǎn)，從而打破了其應(yīng)用限制，特別適用于制造大面積、大批量的需要降低成本的功能性材料，尤其是多層材料構(gòu)成的部件和產(chǎn)品。


圖1為本發(fā)明連續(xù)化學(xué)氣相淀積裝置的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合

本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。
實(shí)施例1采用本發(fā)明的連續(xù)化學(xué)氣相淀積裝置制備以Ni-YSZ金屬陶瓷為陽極支撐體的陶瓷膜燃料電池(SOFC)PEN(正極—電解質(zhì)—負(fù)極)構(gòu)件。
至此，NiO-YSZ陽極支撐的多層陶瓷膜電池“多孔Ni-YSZ支撐體陽極+GDC陽極過渡層+YSZ致密電解質(zhì)層+GDC陰過渡層+多孔LSF陰極”制備完畢。
與傳統(tǒng)的SOFC單電池制備一般采用傳統(tǒng)的陶瓷制備工藝和西門子—西屋的EVD/CVD技術(shù)相比，本發(fā)明制備方法具有顯著優(yōu)點(diǎn)采用本發(fā)明的連續(xù)化學(xué)氣相淀積裝置和方法制備固體氧化物燃料電池單電池，避免了多層高溫共燒，制備溫度＜900℃，避免所得產(chǎn)品出現(xiàn)嚴(yán)重的熱機(jī)械應(yīng)力及二次燒結(jié)問題，各層的微結(jié)構(gòu)可以很好地控制；可以通過調(diào)整源物質(zhì)的組成配比來嚴(yán)格控制膜的成分；本發(fā)明使用的源物質(zhì)的腐蝕性低，薄膜淀積溫度低，從而使設(shè)備投資費(fèi)用降低；本發(fā)明使用的源物質(zhì)可以是金屬有機(jī)化合物(MO)，也可以是金屬鹽，來源廣泛?？梢?，采用本發(fā)明方法，淀積速度快，效率高，能耗低、環(huán)境友好，易于工業(yè)化推廣。
權(quán)利要求
1.一種連續(xù)化學(xué)氣相淀積方法，包括向CVD反應(yīng)室中注入氣態(tài)或能汽化的液態(tài)或固態(tài)源化合物，在被加熱的經(jīng)過預(yù)處理的襯底表面生成固態(tài)淀積物，并排出尾氣；其特征在于所述襯底在源物質(zhì)氣體的流動方向上緩慢移動，依次通過多個銜接在一起但系統(tǒng)參數(shù)各自獨(dú)立控制的CVD區(qū)域，在每個反應(yīng)區(qū)域中分別實(shí)現(xiàn)一個薄膜材料層的生長或進(jìn)行一種熱處理工藝過程，從而連續(xù)完成多層薄膜材料的生長和制備。
2.一種連續(xù)化學(xué)氣相淀積裝置，其特征在于包括襯底預(yù)熱段與多個CVD反應(yīng)室組成的CVD系統(tǒng)及產(chǎn)品緩冷段的各腔體內(nèi)部相通依次銜接，各腔體分別設(shè)有獨(dú)立的加熱器及控溫系統(tǒng)；由預(yù)熱段首端的驅(qū)動裝置驅(qū)動的載物帶貫穿所有腔體并平鋪于加熱器上；CVD系統(tǒng)的反應(yīng)室個數(shù)為制備多層薄膜器件工藝中所需淀積薄膜層數(shù)與進(jìn)行熱處理工藝次數(shù)之和；每個反應(yīng)室由頂部的透明天壁、頂部首端的源物質(zhì)導(dǎo)入口和頂部末端的尾氣出口組成，反應(yīng)室長度為生長材料層或熱處理工藝的時間與載物帶的運(yùn)動速度乘積，反應(yīng)室的透明天壁上方設(shè)有光輔助系統(tǒng)及薄膜生長的在線監(jiān)測系統(tǒng)；相鄰反應(yīng)室氣氛通過分隔器分隔。
3.如權(quán)利要求2所述的連續(xù)化學(xué)氣相淀積裝置，特征在于所述源物質(zhì)導(dǎo)入口設(shè)有多孔陶瓷分散器或噴嘴，多孔陶瓷分散器用于導(dǎo)入氣態(tài)源或汽化的液體源和固體源，噴嘴用于導(dǎo)入液體源。
4.如權(quán)利要求2所述的連續(xù)化學(xué)氣相淀積裝置，特征在于所述載物帶由耐熱的金屬材料或陶瓷板組成，通過傳動履帶或推板實(shí)現(xiàn)恒速運(yùn)動。
5.如權(quán)利要求2所述的連續(xù)化學(xué)氣相淀積裝置，特征在于所述載物帶上襯底的加熱采用包括電爐絲、SiC或MoSi2電熱元件的加熱方式，或采用感應(yīng)加熱方式，或采用熱光源輻射加熱等方式。
6.如權(quán)利要求2所述的連續(xù)化學(xué)氣相淀積裝置，特征在于所述相鄰反應(yīng)室氣氛分隔器采用注入惰性氣體的方式進(jìn)行分隔。
7.如權(quán)利要求2所述的連續(xù)化學(xué)氣相淀積裝置，特征在于所述光輔助系統(tǒng)采用鹵素?zé)艋蜃贤夤廨o助激活反應(yīng)物質(zhì)及輻照加熱襯底表面。
8.如權(quán)利要求2所述的連續(xù)化學(xué)氣相淀積裝置，特征在于整個裝置中的加熱、載物帶的運(yùn)動、光輔助系統(tǒng)、反應(yīng)劑氣體導(dǎo)入及尾氣排出系統(tǒng)的啟動和控制采用計算機(jī)程序控制來實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明連續(xù)化學(xué)氣相淀積方法與裝置，特征是經(jīng)過預(yù)處理的襯底依次通過多個銜接在一起但系統(tǒng)參數(shù)各自獨(dú)立控制的CVD反應(yīng)室，在每個反應(yīng)室中分別實(shí)現(xiàn)一個薄膜材料層的生長或進(jìn)行一種熱處理工藝過程，從而連續(xù)完成多層薄膜材料的淀積制備。各層薄膜的淀積參數(shù)獨(dú)立控制，在不同淀積層淀積過程中不需要改變體系的反應(yīng)參數(shù)，可以大大節(jié)省升降溫過程中的操作時間，同時防止設(shè)備在多次的熱循環(huán)過程中影響其使用壽命。不同層材料的生長室之間采用分隔器分隔，防止上反應(yīng)室尾氣影響下層的淀積；本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)在大面積襯底上連續(xù)性薄膜淀積制備，并大大提高了源物質(zhì)和熱能的使用效率，是一種節(jié)能、節(jié)材、簡單易控的產(chǎn)業(yè)化方法設(shè)備。
文檔編號C23C16/48GK1865497SQ200610085969
公開日2006年11月22日 申請日期2006年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月10日
發(fā)明者孟廣耀, 劉銘飛 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)