氧化鋁陶瓷基片的表面合金化工藝的制作方法
【專利摘要】一種氧化鋁陶瓷基片的表面合金化工藝，包括如下步驟：(1)清洗基片，干燥；(2)將基片放入抽真空的氣相沉積設(shè)備中，加熱下通入Fe(CO)5和Cr(CO)6的飽和蒸汽，沉積，保溫；(3)熱擴(kuò)散退火。經(jīng)本發(fā)明的方法處理后的氧化鋁陶瓷基片有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)形態(tài)，表面合金化提高了基片的力學(xué)及電學(xué)方面的表面性能，作為表面改性的新技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于許多重要的【技術(shù)領(lǐng)域】。
【專利說明】氧化鋁陶瓷基片的表面合金化工藝

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氧化鋁陶瓷基片表面的處理工藝，尤其涉及一種利用氣相沉積在工藝氧化鋁陶瓷基片表面的合金化處理工藝。

【背景技術(shù)】
[0002]氧化鋁陶瓷是一種以氧化鋁(Al2O3)為主體的陶瓷材料，用于厚膜集成電路。氧化鋁陶瓷有較好的傳導(dǎo)性、機(jī)械強(qiáng)度和耐高溫性。氧化鋁陶瓷是一種用途廣泛的陶瓷，因為其優(yōu)越的性能，在現(xiàn)代社會的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，滿足于日用和特殊性能的需要。為了增強(qiáng)氧化鋁陶瓷，顯著提高其力學(xué)強(qiáng)度，可對其表面做一些特別的處理，如國外新推一種氧化鋁陶瓷強(qiáng)化工藝。該工藝新穎簡單，所采取的技術(shù)手段是在氧化鋁陶瓷表面，采用電子射線真空鍍膜、濺射真空鍍膜或化學(xué)氣相蒸鍍方法，鍍上一層硅化合物薄膜，在1200 °C?1580 °C的加熱處理，使氧化鋁陶瓷鋼化，從而獲得具有特殊功能的新材料。
[0003]而化學(xué)氣相沉積也是一種用于制備多種形式固體薄膜材料的常用方法。固體薄膜的形成原理和制備方法已有不少報道，薄膜的特性及應(yīng)用研宄倍受人們重視。開發(fā)具有新功能的合金膜也是一個熱點，其關(guān)鍵是研宄合金膜的成分、設(shè)計、工藝穩(wěn)定性及具有的功能特征。
[0004]如CN 101326305A公開了一種通過化學(xué)氣相沉積(CVD)法來沉積形狀記憶或超彈性薄膜的方法。該方法包括以下步驟:a.提供基材，該基材適合在其上沉積形狀記憶或超彈性金屬合金；b.使包含第一金屬原子的第一氣體物質(zhì)流入所述真空反應(yīng)器；c.使包含第二金屬原子的第二氣體物質(zhì)流入所述真空反應(yīng)器；d.其中所述基材溫度和反應(yīng)器內(nèi)的真空壓力以一種方式加以控制，從而允許所述第一氣體物質(zhì)和第二氣體物質(zhì)從氣相解離入固相，并允許由來自所述第一氣體物質(zhì)的第一金屬物質(zhì)和來自所述第二氣體物質(zhì)的第二金屬物質(zhì)共沉積在加熱的基材上，從而在所述基材上形成所述第一金屬物質(zhì)和所述第二金屬物質(zhì)的形狀記憶合金膜。
[0005]CN 101337193A公開了一種對貴金屬催化劑表面納米化改性的方法，是在鉑絲(或鉑網(wǎng)、鉑片、金絲、金片、鈀絲等，或其合金)表面通過化學(xué)或電化學(xué)沉積的方法沉積一定厚度的相對活潑金屬(如銅，銀，鎳，鋁等)，在還原性氣氛保護(hù)下退火，使活潑金屬和鉑(或金、鈀等，或其合金)之間相互擴(kuò)散形成一定厚度的合金，在適當(dāng)?shù)臈l件下把合金中的和外面沒有形成合金的活潑金屬腐蝕掉，形成表面多孔結(jié)構(gòu)。
[0006]化學(xué)氣相沉積法對金屬表面的改性是一種較有效的方法，為了進(jìn)一步擴(kuò)大該方法應(yīng)用的范圍，發(fā)明人進(jìn)行了一系列的研宄。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種氧化鋁陶瓷基片的表面合金化工藝。本發(fā)明的工藝以羰基金屬為源，采用冷壁式反應(yīng)器進(jìn)行氣相沉積，制備功能膜。與激光表面合金化相比，本發(fā)明實現(xiàn)了多組元共沉積，所形成的表面合金膜組分均勻，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。
[0008]本發(fā)明所提供的氧化鋁陶瓷基片的表面合金化工藝，包括如下步驟:
[0009]一種氧化鋁陶瓷基片的表面合金化工藝，包括如下步驟:
[0010](I)清洗基片，干燥；
[0011](2)將基片放入抽真空的氣相沉積設(shè)備中，加熱下通入Fe (CO) 5和Cr(CO) 6的飽和蒸汽，沉積，保溫；
[0012](3)熱擴(kuò)散退火。
[0013]本發(fā)明以羰基金屬為源，采用冷壁式反應(yīng)器進(jìn)行氣相沉積，制備功能膜。與激光表面合金化相比，物源能在較低溫度下分解，并可在熱敏感的基片上進(jìn)行沉積，也易于實施多組元共沉積，所形成的表面合金膜組分均勻，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。由于它是以原子、原子團(tuán)或分子在晶核上的堆積過程，因而與基底有很強(qiáng)的結(jié)合力，具有優(yōu)良的力學(xué)和電學(xué)性能，是一類具有超微粒結(jié)構(gòu)的多晶膜。此膜改變了基材表面的化學(xué)成分和顯微結(jié)構(gòu)，提高了材料的表面性能，作為表面改性的新技術(shù)，可廣泛用于許多重要的【技術(shù)領(lǐng)域】。
[0014]作為優(yōu)選技術(shù)方案，本發(fā)明所述的合金化工藝，步驟(I)中的清洗為先將基片進(jìn)行化學(xué)去污，然后超聲波清洗。
[0015]作為優(yōu)選技術(shù)方案，本發(fā)明所述的合金化工藝，步驟(2)中氣相沉積設(shè)備反應(yīng)室的真空為10-25Pa，例如為12Pa、15Pa、19Pa、24Pa等，加熱的溫度為250-350 °C，例如為255?、263?、270?、281?、290?、300?、310?、330?、345?等，優(yōu)選為 280°C。
[0016]羰基金屬氣相沉積是一個物理化學(xué)過程，羰基化合物氣相分子在基片表面的吸附與裂解產(chǎn)物CO在表面上的吸附與解吸均影響膜的沉積速率和質(zhì)量。羰基金屬沉積的速率和膜結(jié)構(gòu)與溫度及壓力有著十分密切的關(guān)系，雙組份共沉積尤其突出。不同的羰基金屬在不同的基片和壓力溫度下，有不同的沉積速率，該速率隨溫度及真空度的提高而增加，但是溫度和真空度過高時沉積速率反而下降，最終呈現(xiàn)一最佳峰值。發(fā)明人通過大量的研宄發(fā)現(xiàn)了上述的溫度和真空度的合適條件。
[0017]優(yōu)選地，氣相沉積設(shè)備的反應(yīng)室夾壁始終通水冷卻。
[0018]優(yōu)選地，步驟⑵中Fe(CO)i^P Cr(CO) 6的飽和蒸汽的純度為99%以上，優(yōu)選為99.
[0019]優(yōu)選地，步驟⑵中Fe (CO) 5和Cr (CO) 6的飽和蒸汽的流量為l_2mL.s ―1，例如為
1.1mL.s \ 1.3mL.s \ 1.5mL.s \ 1.8mL.s 1等。
[0020]優(yōu)選地，步驟⑵中？6(0))5的蒸汽溫度為5-15°〇，例如為7°〇、9°〇、11°〇、14°〇等，優(yōu)選為8 °C ;Cr (CO) 6的蒸汽溫度為50-60°C，例如為52°C、54°C、57°C、59°C等，優(yōu)選為60°C。
[0021]在兩組分共沉積的過程中，混合氣體的成分比是合金組分的決定因素。而混合氣體的組分比取決于各自的流量和飽和蒸汽壓，兩種反應(yīng)氣的濃度比和流量對膜的沉積速率、結(jié)構(gòu)和性能起實質(zhì)性作用。本發(fā)明通過通入不同溫度下的兩物源的飽和蒸汽，以其不同的蒸發(fā)速率，呈現(xiàn)混合蒸汽中的不同分壓，用轉(zhuǎn)子流量計控制進(jìn)氣速率，從而有效地控制沉積膜的組成。
[0022]優(yōu)選地，步驟⑵中沉積的時間為1min以上，例如為12min、16min、19min、25min等，優(yōu)選為15_20min。
[0023]優(yōu)選地，步驟⑵中保溫的時間為4h以上，例如為4.5h、5.2h、6.3h、7h等，優(yōu)選為
5_6h0
[0024]作為優(yōu)選技術(shù)方案，本發(fā)明所述的合金化工藝，包括如下步驟:
[0025](I)將基片進(jìn)行化學(xué)去污，然后超聲波清洗，干燥；
[0026](2)將基片放入抽真空為10_25Pa的氣相沉積設(shè)備中，加熱至250-350°C通入純度為99%以上的Fe (CO) 5和Cr (CO) 6的飽和蒸汽，沉積1min以上，保溫4h以上；其中通入的Fe (CO)5的蒸汽溫度為5-15°C，Cr(CO) 6的蒸汽溫度為50_60°C ；
[0027](3)熱擴(kuò)散退火。膜沉積初期原子排列呈非晶態(tài)合金結(jié)構(gòu)，存在短程有序而長程無序的狀態(tài)，此時原子排列在局部區(qū)域范圍內(nèi)能量穩(wěn)定，但整體而言，膜結(jié)構(gòu)不是處于能量最低狀態(tài)，而處于亞穩(wěn)狀態(tài)，一旦從外部獲得能量，膜內(nèi)原子的不斷運動，在一定時間內(nèi)原子排列會持續(xù)地從亞穩(wěn)定相到穩(wěn)定相變化。Fe，Cr合金組成在全部濃度范圍內(nèi)均呈現(xiàn)連續(xù)固溶體系，形成了超微粒結(jié)構(gòu)的多晶膜材料，薄膜制備后期的熱擴(kuò)散退火符合這一穩(wěn)態(tài)變化過程。
[0028]通過本發(fā)明的合金化工藝實現(xiàn)了多組元共沉積，所形成的表面合金膜組分均勻，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，氧化鋁陶瓷經(jīng)過本發(fā)明的合金化工藝后具有優(yōu)良的力學(xué)和電學(xué)性能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為實施例3經(jīng)過合金化處理后的膜材料的SEM照片。

【具體實施方式】
[0030]為便于理解本發(fā)明，本發(fā)明列舉實施例如下。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明了，所述實施例僅僅用于幫助理解本發(fā)明，不應(yīng)視為對本發(fā)明的具體限制。
[0031]實施例1
[0032]本發(fā)明所述的合金化工藝，包括如下步驟:
[0033](I)將基片進(jìn)行化學(xué)去污，然后超聲波清洗，干燥；
[0034](2)將基片放入抽真空為1Pa的氣相沉積設(shè)備中，加熱至350°C通入純度為99%的Fe (CO) 5和Cr (CO) 6的飽和蒸汽，沉積lOmin，保溫5h ;其中通入的Fe (CO) 5的蒸汽溫度為15°C，Cr (CO)6的蒸汽溫度為50°C ；
[0035](3)熱擴(kuò)散退火。
[0036]實施例2
[0037]本發(fā)明所述的合金化工藝，包括如下步驟:
[0038](I)將基片進(jìn)行化學(xué)去污，然后超聲波清洗，干燥；
[0039](2)將基片放入抽真空為25Pa的氣相沉積設(shè)備中，加熱至250°C通入純度為99.5%的Fe (CO) 5和Cr (CO) 6的飽和蒸汽，沉積20min，保溫4h ;其中通入的Fe (CO) 5的蒸汽溫度為5°C，Cr (CO)6的蒸汽溫度為60°C ；
[0040](3)熱擴(kuò)散退火。
[0041]實施例3
[0042]本發(fā)明所述的合金化工藝，包括如下步驟:
[0043](I)將基片進(jìn)行化學(xué)去污，然后超聲波清洗，干燥；
[0044](2)將基片放入抽真空為15Pa的氣相沉積設(shè)備中，加熱至300°C通入純度為99.9%的Fe (CO) 5和Cr (CO) 6的飽和蒸汽，沉積15min，保溫6h ;其中通入的Fe (CO) 5的蒸汽溫度為10°c，Cr (CO)6的蒸汽溫度為55°C ；
[0045](3)熱擴(kuò)散退火。
[0046]圖1為實施例3經(jīng)過合金化處理后的膜材料的SEM照片。從圖中可以看出，所述膜材料為超微粒結(jié)構(gòu)的多晶膜材料。
[0047] 申請人:聲明，本發(fā)明通過上述實施例來說明本發(fā)明的詳細(xì)工藝設(shè)備和工藝流程，但本發(fā)明并不局限于上述詳細(xì)工藝設(shè)備和工藝流程，即不意味著本發(fā)明必須依賴上述詳細(xì)工藝設(shè)備和工藝流程才能實施。所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員應(yīng)該明了，對本發(fā)明的任何改進(jìn)，對本發(fā)明產(chǎn)品各原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍和公開范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種氧化鋁陶瓷基片的表面合金化工藝，包括如下步驟: (1)清洗基片，干燥； (2)將基片放入抽真空的氣相沉積設(shè)備中，加熱下通入Fe(CO) 5和Cr (CO) 6的飽和蒸汽，沉積，保溫； (3)熱擴(kuò)散退火。
2.如權(quán)利要求1所述的合金化工藝，其特征在于，步驟(I)中的清洗為先將基片進(jìn)行化學(xué)去污，然后超聲波清洗。
3.如權(quán)利要求1所述的合金化工藝，其特征在于，步驟(2)中氣相沉積設(shè)備反應(yīng)室的真空為10-25Pa，加熱的溫度為250-350°C，優(yōu)選為280°C ； 優(yōu)選地，氣相沉積設(shè)備的反應(yīng)室夾壁始終通水冷卻。
4.如權(quán)利要求1所述的合金化工藝，其特征在于，步驟(2)中Fe(CO)5和Cr(CO) 6的飽和蒸汽的純度為99%以上，優(yōu)選為99.9%。
5.如權(quán)利要求1所述的合金化工藝，其特征在于，步驟(2)中Fe(CO)5和Cr(CO) 6的飽和蒸汽的流量為l_2mL.s'
6.如權(quán)利要求1所述的合金化工藝，其特征在于，步驟⑵中Fe(CO)5的蒸汽溫度為5-15°C，優(yōu)選為8°C ;Cr (CO)6的蒸汽溫度為50_60°C，優(yōu)選為60°C。
7.如權(quán)利要求1所述的合金化工藝，其特征在于，步驟(2)中沉積的時間為1min以上，優(yōu)選為15-20min。
8.如權(quán)利要求1所述的合金化工藝，其特征在于，步驟(2)中保溫的時間為4h以上，優(yōu)選為5_6h。
9.如權(quán)利要求1所述的合金化工藝，其特征在于，包括如下步驟: (1)將基片進(jìn)行化學(xué)去污，然后超聲波清洗，干燥； (2)將基片放入抽真空為10-25Pa的氣相沉積設(shè)備中，加熱至250-350°C通入純度為99%以上的Fe(CO)JP Cr(CO) 6的飽和蒸汽，沉積1min以上，保溫4h以上；其中通入的Fe (CO)5的蒸汽溫度為5-15°C，Cr(CO) 6的蒸汽溫度為50_60°C ； (3)熱擴(kuò)散退火。
【文檔編號】C23C16/56GK104451594SQ201410473528
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月16日
【發(fā)明者】朱忠良 申請人:朱忠良