CN1865497A - 一种连续化学气相淀积的方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明连续化学气相淀积方法与装置，特征是经过预处理的衬底依次通过多个衔接在一起但系统参数各自独立控制的CVD反应室，在每个反应室中分别实现一个薄膜材料层的生长或进行一种热处理工艺过程，从而连续完成多层薄膜材料的淀积制备。各层薄膜的淀积参数独立控制，在不同淀积层淀积过程中不需要改变体系的反应参数，可以大大节省升降温过程中的操作时间，同时防止设备在多次的热循环过程中影响其使用寿命。不同层材料的生长室之间采用分隔器分隔，防止上反应室尾气影响下层的淀积；本发明可以实现在大面积衬底上连续性薄膜淀积制备，并大大提高了源物质和热能的使用效率，是一种节能、节材、简单易控的产业化方法设备。
Description
技术领域：
本发明属于化学气相淀积技术领域，特别涉及制备多层薄膜材料的连续化学气相淀积的方法与装置。
背景技术：
现有的化学气相淀积(Chemical Vapor Deposition，CVD)方法，是通过向反应腔中注入气态或能汽化的液态或固态源化合物，在被加热的衬底上进行反应，生长固态薄层材料或外延薄膜生长。
据英国《材料科学进展》杂志(Progress in Materials Science，vol.48(2003)57-170)与《无机合成与制备化学》一书(徐如人，高等教育出版社，2001，P257-268)介绍，目前化学气相淀积装置主要有立式、卧式和筒式等多种构型。采用现有的这些淀积装置，一般一次只能淀积单层薄膜，完成一件(批)器件至少需要经过一次“室温放置基底(衬底)-高温淀积生长-冷却取出制品”，因此存在许多问题：1)采用现有装置很难实现一次完成多层薄膜的淀积。不同材料层的性质不一样，其淀积参数也会有很大的不同，采用现有装置进行多层材料的淀积需要多次改变和调整淀积参数，过程复杂且难以保证高重现性；2)现有技术和装置是断续性一炉一炉的生长，不能实现批量化、连续性生产，从而产品质量重现性低，生产成本高；3)源物质(precursor)气态物种流经衬底表面的停留时间短，因而一般仅有小部分反应剂转变为固态淀积物，大部分流出反应器外，利用率很低，大大提高了制造成本，因而现有的CVD是一种公认的昂贵技术。
综上所述，目前的化学气相淀积技术及相应装备，虽然在现代高技术新材料领域得到广泛应用，对人类现代文明作出了重大贡献，但其基本特点是：源材料利用率低，淀积时间长，能量消耗高，操作相对复杂。使得CVD这类原子分子水平上生长材料的技术优势(如均一性高，重现性好)，往往不能得到充分发挥，得到更高质量的制品，特别是其制造成本往往高于其它技术。
发明内容：
本发明提出一种连续化学气相淀积的方法与装置，以克服现有技术的上述缺点，在同一衬底上一次性完成多层薄膜材料淀积。
本发明的连续化学气相淀积方法，包括向CVD反应室中注入气态或能汽化的液态或固态源化合物，在被加热的经过预处理的衬底表面生成固态淀积物，并排出尾气；其特征在于：所述衬底在源物质气体的流动方向上缓慢移动，依次通过多个衔接在一起但系统参数各自独立控制的CVD区域，在每个反应区域中分别实现一个薄膜材料层的生长或进行一种热处理工艺过程，从而连续完成多层薄膜材料的生长和制备。
本发明的连续化学气相淀积装置，其特征在于：包括衬底预热段与多个CVD反应室组成的CVD系统及产品缓冷段的各腔体内部相通依次衔接，各腔体分别设有独立的加热器及控温系统；由预热段首端的驱动装置驱动的载物带贯穿所有腔体并平铺于加热器上；CVD系统的反应室个数为制备多层薄膜器件工艺中所需淀积薄膜层数与进行热处理工艺次数之和；每个反应室由顶部的透明天壁、顶部首端的源物质导入口和顶部末端的尾气出口组成，反应室长度为生长材料层或热处理工艺的时间与载物带的运动速度乘积，反应室的透明天壁上方设有光辅助系统及薄膜生长的在线监测系统；相邻反应室气氛通过分隔器分隔。
所述源物质导入口设有多孔陶瓷分散器或喷嘴，多孔陶瓷分散器用于导入气态源或汽化的液体源和固体源，喷嘴用于导入液体源；
所述载物带由耐热的金属材料或陶瓷板组成，通过传动履带或推板实现恒速运动；
所述载物带上衬底的加热采用包括电炉丝、SiC或MoSi2电热元件的加热方式，或采用感应加热方式，或采用热光源辐射加热等方式；
所述相邻反应室气氛分隔器采用注入惰性气体的方式进行分隔；
所述光辅助系统采用卤素灯或紫外光辅助激活反应物质及辐照加热衬底表面；
整个装置中的加热、载物带的运动、光辅助系统、反应剂气体导入及尾气排出系统的启动和控制均采用计算机程序控制来实现。
本发明的连续化学气相淀积装置，将化学气相淀积技术融于传统的流水线工艺，使同一衬底上制备单层或多层薄膜的反应依次在不同的CVD反应室分别独立进行，因此可以实现在大面积衬底上多层薄膜连续性淀积。由于采取将各层薄膜的淀积参数分别独立控制，因而多层薄膜材料在淀积过程中不需要改变体系的淀积参数，并可大大节省升降温过程中的操作时间，防止设备因多次热循环影响其使用寿命。相邻反应室的气氛采用分隔器进行分隔，可防止上一个反应室的尾气影响该层的淀积。采用本发明的连续化学气相淀积装置可以大大提高源物质的使用效率和热能的使用效率，本发明装置是一种节能节材、简单易控的新型产业化设备。
本发明的连续化学气相淀积方法虽然在气相合成的本质上与通常的CVD没有区别，但材料制备工艺过程则与上述传统的CVD技术完全不同。由于本发明方法采取了将多层薄膜的淀积过程一次性分配给多个衔接在一起但系统参数各自独立控制的CVD反应室去完成，从而克服了传统CVD工艺的不能连续淀积多层薄膜的缺点；多层膜淀积无需经历反复升降温过程及调整淀积参数，可以降低能源损耗，缩短制备周期，减少操作过程的人力投入；连接在一起的多个CVD反应室温度、源物质的供应处于一种稳定状态，其所完成的工艺过程不受人为操作影响，制备薄膜器件具有很高的重复性和可靠性；只要CVD反应室足够长，反应剂大部分会转化为固体，可以极大地提高源物质的利用率，降低制备成本。该方法适于进行高效率、低成本和规模化的薄膜材料器件生产。
本发明的连续化学气相淀积设备明显优于现有的CVD装置，能够实现连续CVD生长工艺，突出表现在：由于采用了连续性的结构，可以在同一衬底上一次性完成多层薄膜的这类器件的淀积且连续化操作，克服现有CVD装置不能连续性生产的致密弱点，能够实现大规模连续生产，从而担负起产业化生产之大任；本发明装置使生长体系和生长参数确定后无需改变，各CVD反应室的温度和反应剂的供应等在程序启动后都将进入稳态，薄膜材料的生长具有高度重复性；可以根据不同材料层的要求选择不同的源物质，如气态源、液态源和固态源，源物质的导入方式也可以灵活选择；同一薄膜材料的生长，可以根据需要采用多个反应室来完成，以期获得不同的生长形貌及所需要的厚度；相邻两个反应室生长的薄膜如果不需要严格控制区分其生长层组分，则不需要处理前反应段的尾气，并且能够实现生长材料体系自然的过渡，有利于不同层材料之间结合紧密；如果相邻两个反应室生长的薄膜要求严格区分时(如形成组成突变的异质结)，则可以用分隔器实现；淀积完一层薄膜材料后进入下一个反应室时，在无源物质导入的情况下可以进行退火处理或是加强烧结。
本发明在保留现有化学气相淀积其材料生长特长的前提下，克服了其缺点，从而打破了其应用限制，特别适用于制造大面积、大批量的需要降低成本的功能性材料，尤其是多层材料构成的部件和产品。
附图说明：
图1为本发明连续化学气相淀积装置的结构原理示意图。
具体实施方式：
下面结合附图说明本发明的具体实施方式。
实施例1：
采用本发明的连续化学气相淀积装置制备以Ni-YSZ金属陶瓷为阳极支撑体的陶瓷膜燃料电池(SOFC)PEN(正极—电解质—负极)构件。
以Ni-YSZ金属陶瓷为阳极支撑体，GDC作为阳极过渡层，YSZ为电解质，GDC作为阴极过渡层，LSF为阴极的单电池(多层陶瓷膜电池的结构为：(-)多孔Ni-YSZ，GDC阳极过渡层|YSZ致密层|GDC阴极过渡层，多孔LSF(+))为例进行说明：
这里的YSZ为8mol％Y2O3掺杂稳定的立方ZrO2，GDC为Gd掺杂的CeO2(Gd0.2Ce0.8O1.92)，LSF为(La0.7Sr0.3)0.9FeO3。
图1给出了本实施例连续化学气相淀积装置的结构原理示意图：该连续化学气相淀积装置由预热段I与8个反应室II(a)～II(h)组成的CVD系统II及缓冷段III衔接而成，其中II(a)、II(c)、II(e)、II(g)、II(e)分别用来淀积不同材料层，其余各单元为热处理段，各段具体参数如下(载物带运动速度为1cm/min)：
| 序号 | II(a) | II(b) | II(c) | II(d) | II(e) | II(f) | II(g) | II(h) | ||||
| 长度(m) | 3.5 | 1 | 20 | 1 | 3.5 | 1 | 4 | 1 | ||||
| 淀积材料 | GDC | 无 | YSZ | 无 | GDC | 无 | LSF | 无 | ||||
| 温度(℃) | 650 | 700 | 750 | 900 | 650 | 700 | 700 | 700 | ||||
| 源物质选择 | Gd(DPM)3Ce(DPM)4 | 无 | Y(DPM)3Zr(DPM)4 | 无 | Gd(DPM)3Ce(DPM)4 | 无 | La、Sr、Fe的硝酸盐 | 无 | ||||
| 载气及流量(SCCM) | O2 | N2 | O2 | O2 | N2 | O2 | O2 | N2 | O2 | O2 | N2 | O2 |
| 50 | 60 | 80 | 50 | 60 | 80 | 50 | 60 | 80 | 50 | 60 | 80 | |
| 源物质导入方式 | 喷嘴 | 无 | 多孔陶瓷分散器 | 无 | 喷嘴 | 无 | 喷嘴 | 无 | ||||
| 导入口个数 | 7 | 无 | 40 | 无 | 5 | 无 | 8 | 无 | ||||
| 进样方式 | 气溶胶 | 无 | 固体源 | 无 | 气溶胶 | 无 | 气溶胶 | 无 | ||||
| 光辅助系统 | 红外、紫外辅助激活及加热 | 红外辅助加热 | 红外、紫外辅助激活及辐照加执 | 红外辅助加热 | 红外、紫外辅助激活及加热 | 红外辅助加热 | 红外、紫外辅助激活及加热 | 红外辅助加热 | ||||
考虑在SOFC组件中各层材料的厚度不一样，在数微米到数十微米之间，采用这种装置制备较厚的薄膜材料时，随着反应的进行，反应物质会逐渐消耗，仅靠一个源物质导入口是不够的，因此需要设置多个源物质导入口2，基本上每隔0.5米设置一个，相应也设置多个分隔器9和尾气出口3。
具体操作过程如下：
1.采用传统的陶瓷工艺方法(如流延法或挤压成型法)制备孔隙率约为36％，Ni的体积含量比例为40vol％，厚度约为1mm，大小为100×800mm的NiO-YSZ阳极支撑体，并对衬底进行预处理；启动程序控制系统，使载物带的运动、各CVD反应室的温度、源物质的进样及尾气排出均处于稳态状态；
2.将处理好的衬底放入预热室I的载物带4上，衬底随载物带恒速运动进入到依次连接的CVD反应室进行材料层淀积；
3.在II(a)淀积GDC阳极过渡层：配制0.1M的Gd(DPM)3与Ce(DPM)4混合乙醇溶液，溶液中Gd(DPM)3与Ce(DPM)4的摩尔比和GDC的化学计量比相同。采用超声雾化技术(Aerosol-sol)将Gd(DPM)3与Ce(DPM)4乙醇溶液，雾化为直径10-20μm的微液滴，在N2的载带下进入CVD反应室，同时辅以氧气氧化，红外光及紫外光辅助激活反应，形成GDC薄膜，当衬底经过II(a)后得到厚度约5μm的GDC阳极过渡层；
4.在II(b)进一步进行氧化除碳烧结；
5.在II(c)淀积致密的YSZ电解质，采用单一混合固体源MOCVD技术制备：将Zr(DPM)4和Y(PDM)3按质量比为6∶1混合，混合固体源的气化温度为190±2℃；进样速度0.16克/分钟，通过N2载带进入CVD反应室，同时辅以氧气氧化，红外光及紫外光辅助激活，形成YSZ薄膜，当衬底经过II(c)后得到厚度约15μm的致密YSZ电解质薄膜；
6.在II(d)进一步进行氧化除碳；
7.在II(e)淀积GDC阳极过渡层：采用超声雾化技术(Aerosol-sol)将上述的Gd(DPM)3与Ce(DPM)4乙醇溶液，雾化为直径10-20μm的微液滴，在N2的载带下进入CVD反应室，同时辅以氧气氧化，红外光及紫外光辅助激活反应，形成GDC薄膜，当衬底经过II(e)后得到厚度约5μm的GDC阴极过渡层；
8.在II(f)进一步进行氧化除碳；
9.在II(h)淀积LSF阴极：按摩尔比为0.7∶0.3∶1配制0.1MLa、Sr、Fe的硝酸盐醇水溶液，采用采用超声雾化技术(Aerosol-sol)将源溶液雾化，通过N2载带进入CVD反应室，同时辅以氧气氧化，红外光及紫外光辅助激活反应，形成多孔LSF薄膜，当衬底经过II(h)后得到厚度约15μm的多孔LSF阴极；
10.在II(i)进一步进行氧化除碳，退火烧结；
11.已完成各层薄膜淀积的SOFC单电池从缓冷段III冷却取出，并对上述制备的单电池进行“削边”处理。
至此，NiO-YSZ阳极支撑的多层陶瓷膜电池：“多孔Ni-YSZ支撑体阳极+GDC阳极过渡层+YSZ致密电解质层+GDC阴过渡层+多孔LSF阴极”制备完毕。
与传统的SOFC单电池制备一般采用传统的陶瓷制备工艺和西门子—西屋的EVD/CVD技术相比，本发明制备方法具有显著优点：采用本发明的连续化学气相淀积装置和方法制备固体氧化物燃料电池单电池，避免了多层高温共烧，制备温度＜900℃，避免所得产品出现严重的热机械应力及二次烧结问题，各层的微结构可以很好地控制；可以通过调整源物质的组成配比来严格控制膜的成分；本发明使用的源物质的腐蚀性低，薄膜淀积温度低，从而使设备投资费用降低；本发明使用的源物质可以是金属有机化合物(MO)，也可以是金属盐，来源广泛。可见，采用本发明方法，淀积速度快，效率高，能耗低、环境友好，易于工业化推广。
Claims (8)
1、一种连续化学气相淀积方法，包括向CVD反应室中注入气态或能汽化的液态或固态源化合物，在被加热的经过预处理的衬底表面生成固态淀积物，并排出尾气；其特征在于：所述衬底在源物质气体的流动方向上缓慢移动，依次通过多个衔接在一起但系统参数各自独立控制的CVD区域，在每个反应区域中分别实现一个薄膜材料层的生长或进行一种热处理工艺过程，从而连续完成多层薄膜材料的生长和制备。
2、一种连续化学气相淀积装置，其特征在于：包括衬底预热段与多个CVD反应室组成的CVD系统及产品缓冷段的各腔体内部相通依次衔接，各腔体分别设有独立的加热器及控温系统；由预热段首端的驱动装置驱动的载物带贯穿所有腔体并平铺于加热器上；CVD系统的反应室个数为制备多层薄膜器件工艺中所需淀积薄膜层数与进行热处理工艺次数之和；每个反应室由顶部的透明天壁、顶部首端的源物质导入口和顶部末端的尾气出口组成，反应室长度为生长材料层或热处理工艺的时间与载物带的运动速度乘积，反应室的透明天壁上方设有光辅助系统及薄膜生长的在线监测系统；相邻反应室气氛通过分隔器分隔。
3、如权利要求2所述的连续化学气相淀积装置，特征在于所述源物质导入口设有多孔陶瓷分散器或喷嘴，多孔陶瓷分散器用于导入气态源或汽化的液体源和固体源，喷嘴用于导入液体源。
4、如权利要求2所述的连续化学气相淀积装置，特征在于所述载物带由耐热的金属材料或陶瓷板组成，通过传动履带或推板实现恒速运动。
5、如权利要求2所述的连续化学气相淀积装置，特征在于所述载物带上衬底的加热采用包括电炉丝、SiC或MoSi2电热元件的加热方式，或采用感应加热方式，或采用热光源辐射加热等方式。
6、如权利要求2所述的连续化学气相淀积装置，特征在于所述相邻反应室气氛分隔器采用注入惰性气体的方式进行分隔。
7、如权利要求2所述的连续化学气相淀积装置，特征在于所述光辅助系统采用卤素灯或紫外光辅助激活反应物质及辐照加热衬底表面。
8、如权利要求2所述的连续化学气相淀积装置，特征在于整个装置中的加热、载物带的运动、光辅助系统、反应剂气体导入及尾气排出系统的启动和控制采用计算机程序控制来实现。
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