CN1297064A - 化学气相沉积与渗透工艺先驱体监控方法与设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于工业化生产的CVD/CVI工艺先驱体供给与监控方法与设备,也可用于其他工业化腐蚀性液体的供给与监控。本发明将先驱体贮存罐与鼓泡瓶连接,实现CVD/CVI设备供气系统的全封闭。采用与鼓泡瓶相连的石英玻璃腔,作为先驱体监控与观察的窗口。采用浮球连杆装置,直接反映先驱体液位的高度。利用鼓泡瓶中的微负压和贮存罐中的微正压,作为先驱体供给的驱动力。通过液位信息的采集与比较,实现CVD/CVI过程中先驱体的自动供给、监控与适时观察,保持先驱体液位的恒定,彻底消除先驱体对大气的污染和对人体的危害,显著提高产品质量。

Description

化学气相沉积与渗透工艺先驱体供给及监控方法与设备

本发明涉及一种化学气相沉积/化学气相渗透(Chemical Vapor Deposition/ChemicalVapor Infiltration，简称CVD/CVI)工艺先驱体供给与监控方法与设备，该方法适用于各种CVD/CVI工艺，也可以与各种CVD/CVI装置配套。本发明提供的方法与设备可以显著提高产品质量和彻底防止先驱体对大气的污染和对人体的危害。

CVD用于制备各种防护涂层和薄膜材料，在半导体、化工、机械加工等领域应用非常广泛。CVI主要用于制备陶瓷基复合材料，在航空航天领域具有广阔的应用前景。CVD/CVI使用各种含卤素的金属有机烷类先驱体，遇水产生酸雾，不仅给先驱体的使用和贮存带来极大的麻烦，而且对大气造成强烈污染。目前世界各国生产的CVD/CVI设备，先驱体的导入无一例外地采用鼓泡方式，即用H₂气通入盛有先驱体的鼓泡瓶，依靠鼓泡将先驱体蒸气带入反应腔。每次鼓泡瓶中的先驱体用完后都必须将先驱体从贮存罐中抽出，然后再灌进鼓泡瓶。这种先驱体直灌的供给方式存在着许多严重缺点：(1)鼓泡瓶经常打开使气体导入系统吸附空气中的水分，导致CVD/CVI工艺制备的产品氧化，严重影响产品的质量与性能。(2)每次鼓泡瓶和贮存罐打开及先驱体抽出与灌进过程中产生的酸雾，都对大气造成强烈污染和对设备造成严重腐蚀破坏。(3)先驱体与水反应除生产酸雾外还产生金属氧化物。鼓泡瓶经常打开将导致鼓泡管堵塞，使生产过程中断，造成严重经济损失。(4)先驱体贮存罐经常打开容易发生腐蚀破坏，不仅污染了先驱体，而且容易导致先驱体泄漏，造成严重大气污染和经济损失事故。(5)先驱体直灌所用的塑料制品，如桶、导管、漏斗等，寿命非常短，不仅造成了一定的经济损失，而且对环境造成二次污染。(6)由于鼓泡瓶的容积有限，不能满足大型构件的长时间连续沉积要求。(7)先驱体直灌的操作过程不仅非常复杂繁琐，而且对操作人员的身体健康危害很大。

上述这些缺点表明，先驱体的供给方式是CVD/CVI工艺与设备致命的薄弱环节。但到目前为止，即使是发达国家也未解决这一技术难题。如果将先驱体贮存罐与鼓泡瓶连接，实现先驱体的自动供给，先驱体直灌所带来的所有缺点都将得到彻底的解决，使CVD/CVI工艺与设备发生革命性的变化。要实现先驱体的自动供给，除了要解决供给过程的控制技术难题外，更重要的是要实现鼓泡瓶内先驱体液位的精确监控，因为液位的精确监控是先驱体自动供给的前提与基础。为了防止鼓泡瓶经常打开引起的腐蚀，目前的CVD/CVI设备均使用全封闭不锈钢鼓泡瓶。由于不能对液位进行监控，打开鼓泡瓶添加先驱体的时间是根据沉积时间估算的。

综上所述，本发明包括两个方面：对CVD/CVI设备鼓泡瓶内的先驱体液位进行监控和实现先驱体由贮存罐向鼓泡瓶的自动供给。这两方面结合解决了CVD/CVI工艺中的恒液位这样一个核心技术难题。在传统的CVD/CVI设备中，鼓泡瓶内的液位是随着沉积过程而变化的，而液位的变化导致鼓泡大小和程度的变化，从而引起通过鼓泡带入先驱体量的变化。这就是CVD/CVI产品质量不稳定的原因。如果通过改变气体流量来克服液位变化对鼓泡的影响，将对沉积过程的气体流场产生扰动，使沉积产物的组织结构发生变化，同样影响CVD/CVI的产品质量。因此，改善CVD/CVI产品质量的根本出路在于实现恒液位控制。本发明除带来显著的环境和经济效益外，还可以使液位基本保持恒定，提高CVD/CVI产品质量。

液位监控包括如下核心环节：(1)在鼓泡瓶上部安置与鼓泡瓶相连的全封闭石英玻璃腔，作为监控的信息采集窗口；(2)采用防腐浮球连杆装置，反应先驱体液位的变化，浮球在鼓泡瓶内，而连杆在石英玻璃腔中；(3)采用信息接收与显示装置，通过连杆的位置连续显示液位的变化。连杆位置的变化信息可用多种方式，如光敏电阻、电感式接近开关等。液位自动供给包括如下核心环节：(1)将先驱体贮存罐与鼓泡瓶相连，使CVD/CVI设备供气系统形成全封闭系统；(2)利用贮存罐中的微正压与鼓泡瓶中的微负压形成的压力差，作为先驱体自动供给的驱动力；(3)利用液位监控系统设定液位的上限与下限，控制先驱体供给电磁阀门的开与关。先驱体只有与空气接触时才具有强腐蚀性，因而全封闭的先驱体自动供给与液位监控系统中的构件对抗腐蚀性没有很高要求，这使得本发明不仅不会因为材料性能不能满足要求而难以实现，而且大幅度降低了系统的制造与运行成本。

本发明的优点是：(1)使先驱体与大气完全隔离，消除了先驱体对大气的污染和对人体健康的危害；(2)实现了CVD/CVI过程的全面自动化控制，使设备的操作更加简单；(3)避免了设备因腐蚀和先驱体供给不畅引起CVD/CVI过程的中断，大幅度提高了设备运行的可靠性；(4)基本消除了CVD/CVI过程中的氧化与不稳定，显著改善了产品质量；(5)先驱体自动供给与监控系统可进行适时观察，安全可靠；(6)先驱体的供给在CVD/CVI过程中自动供给，可以满足大型构件的超长沉积时间要求；(7)方法简单，成本低廉，而环境效益、社会效益和经济效益非常显著。

附图给出了本发明方法与设备的结构原理图，图中1-鼓泡瓶、2-先驱体、3-浮球、4-连杆、5-鼓泡瓶压力控制调节阀、6-先驱体流量调节阀、7-石英玻璃腔、8-液位传感器、9-液位监控与显示系统、10-先驱体贮存罐、11-先驱体、12-Ar气瓶。

下面，结合附图对本发明的实施作进一步的描述。

浮球(3)反映鼓泡瓶(1)中先驱体(2)的液位，液位通过连杆(4)不仅可以在石英玻璃腔(7)中直接进行观察，而且可以被液位传感器(8)接收，并传输给液位监控与显示系统(9)。在液位监控与显示系统上设定先驱体的液位高度，并与传感器接收的液位高度进行比较。H₂通入鼓泡瓶时形成气泡，将先驱体(2)带入沉积腔。通过调节阀(5)将鼓泡瓶中的压力控制为微负压。由于先驱体在经过长期供给后的压力降低较多，需补充Ar气使贮存罐(10)中始终维持微正压。当显示的液位高度小于液位设定高度时，调节阀(6)打开，先驱体(11)在压力差的作用下从贮存罐中流向鼓泡瓶；当显示的液位高度大于液位设定高度时，调节阀(6)关闭，先驱体的供给停止，最终实现CVD/CVI设备供气系统的全封闭，先驱体的全自动供给与监控。

Claims (7)

1、CVD/CVI工艺先驱体的供给与监控方法与设备，该设备主要由鼓泡瓶、贮存罐、石英玻璃腔、浮球连杆装置、液位显示与控制系统、先驱体控制阀、气体流量控制阀等部分组成，其特征在于：采用全封闭的CVD/CVI供气系统，实现先驱体的自动供给、监控与适时观察。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于：将先驱体贮存罐与鼓泡瓶连接，实现CVD/CVI设备供气系统的全封闭。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于：采用与鼓泡瓶相连的石英玻璃腔，作为先驱体监控与观察的窗口。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于：采用在鼓泡瓶中的浮球和石英玻璃腔中的连杆装置，直接反映先驱体液位的高度。

5、如权利要求1所述的方法，其特征在于：采用光敏电阻、电感式接近开关等最作为液位高度传感器并控制先驱体的供给。

6、如权利要求1所述的方法，其特征在于：利用鼓泡瓶中的微负压和贮存罐中的微正压，作为先驱体供给的驱动力。

7、如权利要求1所述的方法，其特征在于：在CVD/CVI过程中，无论沉积时间多长始终保持先驱体液位的恒定。