CN105734524B - 金属有机化学气相沉积装置及使用该装置的方法 - Google Patents

Abstract

一种金属有机化学气相沉积方法及装置，实现长金属管件内表面薄膜沉积，有利于降低金属管件内表面镀膜成本。用于金属管件(5)加热用的电控系统和温控系统；与金属管件(5)两端相连接的导电夹具(3)；在金属管件上包有保温层(4)；与金属管件(5)一端相连的金属有机源导入通路；温控系统连接该端的金属管件(5)所连接的有机源挥发室(8)的温度测试的外表面热电偶(11)；与金属管件(5)另一端相连接的由机械泵(1)、真空计(2)构成的真空抽气系统；用于金属管件腔体真空保持的管件两端绝缘密封件(6)；在机械泵(1)抽真空时，在金属管件(5)腔体内形成真空状态；温控系统连接该端的金属管件(5)所连接的的温度测试的外表面热电偶(12)。

Description

金属有机化学气相沉积装置及使用该装置的方法

技术领域

本发明涉及对金属有机源气体进行分解而在金属管件内表面形成规定的薄膜的金属有机化学气相沉积装置和使用该装置的薄膜沉积方法。

背景技术

石油、煤化、化工等行业中的涉氢器件会存在氢扩散和渗透的问题，特别是对于管件。例如，在太阳能热发电用集热管中，氢的渗透和析出富集会导致集热管热损失的增加，降低集热管的发电效率。而石化行业中的抽油泵泵筒、输油管道、化工管道等在恶劣环境下工作的金属管件内壁不仅面临磨损、腐蚀，还存在严重的氢渗透问题。因此，亟需开发金属管件内表面改性技术和工艺，提高金属管件的阻氢渗透性能。

目前，成熟的薄膜沉积技术主要有物理气相沉积、化学气相沉积、等离子喷涂等。其中，物理气相沉积、等离子喷涂技术工艺成熟，薄膜致密度、均匀性优异，但是难以实现管件内表面的薄膜沉积。化学气相沉积利用气体反应源在基体表面分解获得薄膜，具有良好的保型性，可以在管件内表面实现薄膜制备。传统化学气相沉积采用了外部加热，热辐射效率达，加热效率低，此外外部加热的恒温区尺寸还受到限制，难以保证管件的温度均匀，尤其是细长管件。

发明内容

本发明的目的是在金属管件，尤其是细长金属管件的内表面实现薄膜沉积。

本发明的技术方案是：

一种金属有机化学气相沉积装置，包括：用于金属管件加热用的电控系统和温控系统；与金属管件两端相连接的导电夹具；在金属管件上包有用于保温用的保温层；与金属管件一端相连的金属有机源导入通路，该金属有机源导入通路是由储气罐连接有机源挥发室、质量流量计以及在有机源挥发室外的具有加热作用的金属有机源加热组件所组成；温控系统连接该端的金属管件所连接的有机源挥发室的温度测试的外表面热电偶；与金属管件另一端相连接的由机械泵、真空计构成的真空抽气系统；所述金属管件两端分别与密封件连接电绝缘；在机械泵抽真空状态下，可以在金属管件腔体内形成真空状态；温控系统连接该端的金属管件所连接的的温度测试的外表面热电偶。

所述的金属有机化学气相沉积装置中，所述电控系统具有输出电流调节装置。

所述的金属有机化学气相沉积装置中，所述导电夹具与金属管件外表面紧密接触。

所述的金属有机化学气相沉积装置中，所述金属管件与两端密封件电绝缘。

一种金属有机化学气相沉积方法，通过对金属管件通电使管件自身发热以获得指定的沉积温度，达到薄膜沉积的目的，具体步骤如下：

1)将金属管件安装于金属有机化学气相沉积装置上，金属管件两端与导电夹具相连接；

2)金属管件一端与金属有机源导入通路相接，另一端与真空抽气系统相连接；

3)金属管件两端由端部腔体实现真空密封，并通过真空抽气系统对金属管件腔体进行抽真空；

4)在真空压强达到10-500Pa时，通过导电夹具对金属管件加高电流实现加热，通过电源控制系统调整两端电流，使金属管件温度控制在300-500℃之间；

5)通入载气，加热金属有机源，开始薄膜沉积，沉积过程金属管件温度保持在300-500℃，保温指定时间后，关闭载气，关闭电控系统和温控系统，完成薄膜沉积。

所述的薄膜沉积方法步骤5)中，载气为H₂、Ar、N₂、H₂O中的一种或几种混合。

与现有技术相比，本发明金属有机化学气相沉积装置及方法的优点是：

1)金属管件在电加热过程中整管保持恒温，沉积薄膜均匀性更为优异。

2)金属管件采用电加热，升温速率快，成本低、效率高。

附图说明

图1是金属有机化学气相沉积装置的结构示意图。其中，1为机械泵，2为真空计，3为导电夹具，4为保温层，5为金属管件，6为密封件，7为金属有机源加热组件，8为有机源挥发室，9为质量流量计，10为储气罐，11，12为热电偶。

具体实施方式

如图1所示，本发明的金属有机化学气相沉积装置的结构为一种金属有机化学气相沉积装置，包括：用于金属管件5加热用的电控系统和温控系统；与金属管件5两端相连接的导电夹具3；在金属管件5上包有用于保温用的的保温层4；与金属管件5一端相连的金属有机源导入通路，该金属有机源导入通路是由储气罐10连接有机源挥发室8、质量流量计9以及在有机源挥发室8外的具有加热作用的金属有机源加热组件7所组成；温控系统连接该端的金属管件5所连接的有机源挥发室8的温度测试的外表面热电偶11；与金属管件5另一端相连接的由机械泵1、真空计2构成的真空抽气系统；所述金属管件5两端分别与密封件6连接电绝缘；在机械泵1抽真空状态下，在金属管件5腔体内形成真空状态；温控系统连接该端的金属管件5所连接的的温度测试的外表面热电偶12。

实施例1

将尺寸为Φ2cm×150cm的316L不锈钢管安装于金属有机化学气相沉积装置上，通过机械泵对金属管件腔体进行抽真空，在真空压强达到150Pa时，通过导电夹具对316L不锈钢管加电流实现加热，电流值为120A。当温度达到350℃后，通入H2载气，并对金属源进行加热，金属源采用乙酰丙酮铝，加热温度为120℃；当金属源达到120℃后，开始薄膜沉积，沉积过程中通过电源控制系统使316L不锈钢管温度保持在350℃；沉积120min后，依次关闭金属有机源加热、载气和电加热系统电源，完成薄膜沉积，得到Al₂O₃薄膜。薄膜与基底结合良好，表面光洁致密，厚度为460nm。

实施例2

将尺寸为Φ8cm×420cm的304不锈钢管安装于金属有机化学气相沉积装置上，通过机械泵对金属管件腔体进行抽真空，在真空压强达到150Pa时，通过导电夹具对304不锈钢管加电流实现加热，电流值为180A。304不锈钢管温度达到500℃后，通入H2并对金属源进行加热，金属源采用乙酰丙酮铬，加热温度为150℃；当金属源达到150℃后，开始薄膜沉积，沉积过程中通过电源控制系统使304不锈钢管温度保持在500℃；沉积60min后，依次关闭金属有机源加热、载气和电加热系统电源，完成薄膜沉积，得到Cr₂O₃薄膜。薄膜与基底结合良好，表面光洁致密，厚度为670nm。

实施例3

将尺寸为Φ2cm×150cm的316L不锈钢管安装于金属有机化学气相沉积装置上，通过机械泵对金属管件腔体进行抽真空，在真空压强达到150Pa时，通过导电夹具对316L不锈钢管加电流实现加热，电流值为120A。当316L不锈钢管温度达到650℃后，通入N₂并对金属源进行加热，金属源采用乙酰丙酮铒，加热温度为170℃；当金属源达到170℃后，开始薄膜沉积，沉积过程中通过电源控制系统使316L不锈钢管温度保持在650℃；沉积30min后，依次关闭金属有机源加热、载气和电加热系统电源，完成薄膜沉积，得到Er₂O₃薄膜。薄膜与基底结合良好，表面光洁致密，厚度为470nm。

Claims (4)

1.一种金属有机化学气相沉积装置，其特征在于，包括：用于金属管件加热的电控系统和温控系统；与金属管件两端相连接的导电夹具；在金属管件上包有用于保温的保温层；与金属管件一端相连的金属有机源导入通路，该金属有机源导入通路是由储气罐连接有机源挥发室、质量流量计以及在有机源挥发室外的具有加热作用的金属有机源加热组件所组成，金属管件一端连接用于有机源挥发室温度测试的外表面热电偶，温控系统的一端连接该外表面热电偶；与金属管件另一端相连接的由机械泵、真空计构成的真空抽气系统；金属管件另一端连接用于金属管件温度测试的外表面热电偶，温控系统的另一端连接该外表面热电偶；所述金属管件两端分别与密封件电绝缘连接；在机械泵抽真空状态下，在金属管件腔体内形成真空状态；所述导电夹具与金属管件外表面紧密接触。

2.根据权利要求1所述的金属有机化学气相沉积装置，其特征在于，所述电控系统具有输出电流调节装置。

3.一种使用权利要求1所述装置的金属有机化学气相沉积方法，其特征在于，通过对金属管件通电使管件自身发热以获得指定的沉积温度，达到薄膜沉积的目的，具体步骤如下：

1)将金属管件安装于金属有机化学气相沉积装置上，金属管件两端与导电夹具相连接；

2)金属管件一端与金属有机源导入通路相接，另一端与真空抽气系统相连接；

3)金属管件两端由端部腔体实现真空密封，并通过真空抽气系统对金属管件腔体进行抽真空；

4)在真空压强达到10-500Pa时，通过导电夹具对金属管件加高电流实现加热，通过电源控制系统调整两端电流，使金属管件温度控制在300-500℃之间；

5)通入载气，加热金属有机源，开始薄膜沉积，沉积过程金属管件温度保持在300-500℃，保温指定时间后，关闭载气，关闭电控系统和温控系统，完成薄膜沉积。

4.根据权利要求3所述的金属有机化学气相沉积方法，其特征在于，所述步骤5)中，载气为H₂、Ar、N₂、H₂O中的一种或几种混合。