本發(fā)明涉及熱化學沉積。更具體而言，本發(fā)明涉及擴散速率受限的熱化學氣相沉積涂層(diffusion-rate-limitedthermalchemicalvapordeposition)。
背景技術(shù)：
反應速率受限的熱化學氣相沉積(“cvd”)能夠用于產(chǎn)生具有優(yōu)異性能的可應用于大量材料的涂層。然而，反應速率受限的熱cvd會產(chǎn)生不想要的裝飾效果和/或不一致性。例如，使用加工珠為一種產(chǎn)生反應速率受限的熱cvd涂層的技術(shù)。所述珠可導致不一致的厚度，例如產(chǎn)生珠斑和/或不同的染色。同樣地，高濃度的分解用氣體在大于1,000托的壓力下也會導致相似的不想要的效果。
一些技術(shù)，例如等離子體增強化學氣相沉積(pecvd)和/或濺射，造成額外的問題。所述技術(shù)會導致涂層和/或基材上的沖擊。此外，所述技術(shù)可因存在的加速離子而造成損毀或限制材料。同樣地，需要高熱(例如高于700)℃的沉積技術(shù)會引起許多問題，例如對基材產(chǎn)生冶金的和/或結(jié)晶的影響。
根據(jù)物質(zhì)和沉積技術(shù)，厚度也會產(chǎn)生問題。例如，在一些技術(shù)中，大的厚度(例如，8,000埃以上，10,000?；?0,000埃以上)會導致不想要的涂層剝落。所述剝落可遍及整個涂層或是基于一些技術(shù)中缺乏均勻厚度而局部化。
與現(xiàn)有技術(shù)相比顯示出一個或多個改進的擴散速率受限的熱化學氣相沉積涂層在本領(lǐng)域內(nèi)是需要的。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
在一個實施方案中，一種制品包括基材和基材上的熱化學氣相沉積涂層。所述熱化學氣相沉積涂層包括通過擴散速率受限的熱化學氣相沉積產(chǎn)生的特性。
在另一個實施方案中，一種熱化學氣相沉積方法包括將氣態(tài)物質(zhì)引入容器內(nèi)并且通過氣態(tài)物質(zhì)的擴散速率受限的反應在容器內(nèi)在制品上產(chǎn)生熱化學氣相沉積涂層。
本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點通過參照以下詳細描述、同時結(jié)合示例本發(fā)明原理的附圖將是顯而易見的。
附圖說明
圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的擴散速率受限的熱化學氣相沉積涂布方法的示意性截面透視圖。
只要可能，相同的附圖標記將在附圖中用于表示相同的部件。
具體實施方式
提供的是擴散速率受限的熱化學氣相沉積涂布制品和涂布方法。本發(fā)明的實施方案，例如相比于未包括在此公開的一個或多個特征的構(gòu)思，能夠提高涂料的一致性/重復性、窄范圍的厚度公差(例如，250埃-150埃)、增加美感、允許在不使用珠的情況下完成加工、調(diào)節(jié)膜密度、允許低溫操作(例如，超過10％)、改進微觀結(jié)構(gòu)、改進光學特性、改進多孔性、改進耐腐蝕性、改進光澤度、改進表面特征、允許更有效地產(chǎn)生涂層、允許寬范圍幾何形狀(例如，窄通道/管、三維復雜幾何形狀、和/或隱藏的或非線性段幾何形狀如針狀、管狀、探針狀、夾具狀、復雜的平面和/或非平面幾何形狀制品、簡單的非平面和/或平面幾何形狀制品，及其組合)的涂層、允許大量制品的涂布、或允許其組合。
參考圖1，熱化學氣相沉積(“cvd”)方法100包括使一種或多種氣體在一個或多個步驟中在一個或全部容器105和/或腔內(nèi)反應(步驟102)以在制品107的表面103上形成熱cvd涂層101。圖1示出的制品107是一種也用作容器105的管，其內(nèi)部為涂有熱cvd涂層101的表面103。此外或作為替代，在其他實施方案中，容器105和/或腔為獨立于待涂布制品107的結(jié)構(gòu)(例如熱爐室)、獨立的容器結(jié)構(gòu)，或具有有限體積的被配置為至少暫時封閉的任何其他結(jié)構(gòu)(相比于其他技術(shù)中使用的流通裝置)。
容器105和/或腔的合適尺寸包括，但不限于，具有大于5cm、大于10cm、大于20cm、大于30cm、大于100cm、大于300cm、大于1,000cm、10cm-100cm、100cm-300cm、100cm-1,000cm、300cm-1,000cm的最小寬度，能夠均勻或基本上均勻加熱的任何其他最小寬度，或其中的任何合適的組合、子組合、范圍或子范圍。
容器105和/或腔的合適體積包括，但不限于，至少1,000cm3、大于3,000cm3、大于5,000cm3、大于10,000cm3、大于20,000cm3、3,000cm3-5,000cm3、5,000cm3-10,000cm3、5,000cm3-20,000cm3、10,000cm3-20,000cm3，能夠均勻或基本上均勻加熱的任何其他體積，或其中的任何合適的組合、子組合、范圍或子范圍。
如本文使用的，措辭“熱cvd”是指一種或多種氣體例如在缺陷反應器構(gòu)型(starvedreactorconfiguration)中的反應和/或分解，并可區(qū)別于等離子輔助cvd、自由基引發(fā)cvd、和/或催化劑輔助cvd、濺射、原子層沉積(與能夠一層以上分子沉積相反，其限于每周期單層分子沉積)，和/或外延生長(例如在大于700℃下生長)。
表面103為在基材109上的層或為基材109本身。在一個實施方案中，表面103為下述表面或包括下述表面：不銹鋼表面(馬氏體或奧氏體)、鎳基合金、金屬表面、金屬性表面(鐵或非鐵；回火或非回火；和/或等軸，定向凝固，或單晶)、陶瓷表面、陶瓷基體復合表面、玻璃表面、陶瓷基體復合表面、復合金屬表面、涂覆表面、纖維表面、箔表面、薄膜、聚合體表面(如聚醚醚酮)、和/或能夠承受熱化學氣相沉積方法100的操作條件的任何其他合適表面。
在一個實施方案中，將表面103進行處理。合適的處理包括，但不限于，暴露于水(單獨，在零空氣下，或在惰性氣體下)、氧氣(例如，在至少50重量％的濃度下)、空氣(例如單獨，非單獨，和/或作為零空氣)、一氧化二氮、臭氧、過氧化物、高溫或其組合。如本文使用的，術(shù)語“零空氣”是指總烴小于0.1ppm的大氣。術(shù)語“空氣”一般是指主要是(按重量計)氮氣、同時氧氣是其中第二高濃度物質(zhì)的氣態(tài)流體。例如，在一個實施方案中，氮氣的濃度為至少70重量％(例如75重量％-76重量％)以及氧氣的濃度為至少20重量％(例如23重量％-24重量％)。
在一個實施方案中，表面103(和基材105)處理的高溫為大于200℃，大于300℃，大于350℃，大于370℃，大于380℃，大于390℃，大于400℃，大于410℃，大于420℃，大于430℃，大于440℃，大于450℃，300℃-450℃，350℃-450℃，380℃-450℃，或其中的任何合適的組合，子組合、范圍或子范圍。
在一個實施方案中，表面103由硅基材料形成，例如由氫化硅(siliconhydride)、硅烷(silane)、二甲基硅烷(例如以氣體形式)、三甲基硅烷、非自燃物質(zhì)(例如二烷基甲硅烷基二氫化物和/或烷基甲硅烷基三氫化物)、熱反應材料(例如碳硅烷和/或羧基硅烷，例如無定形碳硅烷和/或無定形羧基硅烷)、能夠使碳甲硅烷基(carbosilyl)(二硅烷基或三硅烷基片段)重組的物質(zhì)、和/或任何其他合適的硅烷基材料形成。此外或作為替代，在一個實施方案中，表面103由熱活性材料如氫化硅、氮化硅或其組合形成。所述硅基材料和/或熱活性材料能夠反復應用和/或其間例如使用惰性氣體(如氮氣、氦氣和/或氬氣作為分壓稀釋劑)進行吹洗。
在一個實施方案中，為應用熱cvd涂層101的一種或多種氣體的反應(步驟102)包括使用選自以下的氣體：硅烷、氫化硅、二甲基硅烷(例如以氣體形式)、三甲基硅烷、二烷基甲硅烷基二氫化物、烷基甲硅烷基三氫化物、非自燃物質(zhì)(例如二烷基甲硅烷基二氫化物和/或烷基甲硅烷基三氫化物)、熱反應材料(例如碳硅烷和/或羧基硅烷，例如無定形碳硅烷和/或無定形羧基硅烷)、能夠使碳甲硅烷基(二硅烷基或三硅烷基片段)重組的物質(zhì)、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、三甲基甲氧基硅烷、三甲基乙氧基硅烷，一種或多種含氮物質(zhì)(例如氨、氮氣、肼、三甲硅烷基胺(還稱為tsa；硅烷胺；n,n-二甲硅烷基-二硅烷胺；2-甲硅烷基-；硅烷、次氮基三；或3sa)、雙(叔丁基氨基)硅烷、1,2-雙(二甲基氨基)四甲基二硅烷和/或二氯硅烷，六氯二硅烷，以及其組合。在引入多于一種物質(zhì)的實施方案中，所述物質(zhì)被同時(預混合或原位混合)或依序(首先引入任一物質(zhì))引入。
在一個實施方案中，反應中使用的一種或多種氣體(步驟102)為包括熱活性氣體和惰性氣體的氣體混合物部分。熱活性氣體的合適濃度為10體積％-20體積％，10體積％-15體積％，12體積％-14體積％，10體積％-100體積％，30體積％-70體積％，500體積％-80體積％，70體積％-100體積％，80體積％-90體積％，84體積％-86體積％，或其中的任何合適的組合、子組合、范圍或子范圍。
合適的氣體分壓為10托-150托，10托-30托，20托-40托，30托-50托，60托-80托，50托-100托，50托-150托，100托-150托，小于150托，小于100托，小于50托，小于30托，或其中的任何合適的組合、子組合、范圍或子范圍。
在一個實施方案中，通過受控制的流動將一種或多種氣體引入容器105和/或腔以完成擴散速率受限的熱化學氣相沉積。所述控制能夠通過任何合適的技術(shù)和/或裝置，例如經(jīng)由限流器(例如使用從20微米壓縮至5微米、從20微米壓縮至10微米、從10微米壓縮至2微米的墊圈或其中任何合適的組合、子組合、范圍或子范圍)、質(zhì)量流量控制器、脈沖、閥、燒結(jié)墊圈、限制器或其組合。
在另一個實施方案中，控制/調(diào)整壓力和/或溫度以完成擴散速率受限的熱化學氣相沉積。一種或多種氣體的反應(步驟102)在使氣體熱反應的溫度范圍內(nèi)進行且促進沉積在表面103。合適的溫度包括，但不限于，100℃-700℃、100℃-450℃、100℃-300℃、200℃-500℃、300℃-600℃、450℃-700℃、700℃、450℃、100℃、200℃-600℃、300℃-600℃、400℃-500℃、300℃、400℃、500℃、600℃，或其中的任何合適的組合、子組合、范圍或子范圍。
一種或多種氣體的反應(步驟102)在促進熱反應的壓力范圍內(nèi)進行。合適的壓力包括，但不限于，0.01psia-200psia、1.0psia-100psia、5psia-40psia、20psia-25psia、1.0psia、5psia、20psia、23psia、25psia、40psia、100psia、200psia，或其中的任何合適的組合、子組合、范圍或子范圍。
一種或多種氣體的反應(步驟102)在促進想要的對表面103的覆蓋的時間內(nèi)進行。合適的持續(xù)時間包括，但不限于，至少2小時、至少3小時、至少4小時、至少5小時、至少7小時、4-10小時、6-8小時，或其中的任何合適的組合、子組合、范圍或子范圍。
根據(jù)公開內(nèi)容，與反應速率受限的熱cvd形成對比，通過熱cvd法100涂布的制品107包括通過擴散速率受限的熱cvd產(chǎn)生的特性。通過擴散速率受限的熱cvd可產(chǎn)生的所述特性包括，但不限于，與通過反應速率受限的熱cvd產(chǎn)生的膜密度相區(qū)別的膜密度、與通過反應速率受限的熱cvd產(chǎn)生的厚度相區(qū)別的厚度、與通過反應速率受限的熱cvd產(chǎn)生的高于一定厚度的耐剝落性相區(qū)別的高于一定厚度的耐剝落性、比通過反應速率受限的熱cvd產(chǎn)生的波長范圍更窄的波長范圍、與通過反應速率受限的熱cvd產(chǎn)生的波長不同的波長、與通過反應速率受限的熱cvd產(chǎn)生的電子阻抗譜測定相區(qū)別的電子阻抗譜測定、與通過反應速率受限的熱cvd產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)不同的微觀結(jié)構(gòu)(例如主要無定形、基本上完全無定形或完全無定形)，或其組合。
在一個實施方案中，擴散速率受限的熱cvd的厚度范圍適用熱cvd涂層101在合適的范圍113內(nèi)，所述范圍113基于第一厚度111和第二厚度115之差，其分別和/或共同地抗剝落。合適的范圍包括，但不限于，1,000埃、500埃、300埃、200埃、150埃、100埃、80埃、50埃，或其中的任何合適的組合、子組合、范圍或子范圍。
在一個實施方案中，擴散速率受限的熱cvd的第一厚度111和/或第二厚度113適用熱cvd涂層101以下述厚度：5,000埃-30,000埃、5,000埃-20,000埃、5,000埃-10,000埃、10,000埃-20,000埃、10,000埃-15,000埃、15,000埃-20,000埃、8,000埃、12,000埃、16,000埃、19,000埃，或其中的任何合適的組合、子組合、范圍或子范圍。
在一個實施方案中，擴散速率受限的熱cvd適用熱cvd涂層101以具有以下波長：小于10nm、小于20nm、小于30nm、小于40nm、小于50nm、小于100nm，或其中的任何合適的組合、子組合、范圍或子范圍。符合波長范圍的合適波長包括，但不限于，400nm、450nm、500nm、550nm、600nm、650nm、700nm，或其中的任何合適的組合、子組合、范圍或子范圍。
盡管不希望囿于理論，然而在一個實施方案中，擴散速率受限的熱cvd基于至表面的流量(j1)、反應流量(j2)、氣體濃度(cg)、表面濃度(cs)、氣相傳質(zhì)系數(shù)(hg)和表面反應速率(ks)。在進一步的實施方案中，所述關(guān)系由以下方程式表示：
根據(jù)該實施方案，氣相傳質(zhì)系數(shù)(hg)遠大于表面反應速率(ks)，引起擴散速率受限的熱cvd。例如，在再進一步的實施方案中，氣相傳質(zhì)系數(shù)(hg)比表面反應速率(ks)大至少100倍、200倍、300倍、400倍、500倍、600倍、700倍、800倍、900倍、1,000倍，或其中的任何合適的組合、子組合、范圍或子范圍。
盡管已參照一個或多個實施方案描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員理解，可進行各種改變并對其要素用等同物代替，而不脫離本發(fā)明的范圍。另外，可以作許多改造以使特定的情況或材料適合于本發(fā)明的教導，而不脫離其本質(zhì)范圍。因此，本發(fā)明并不意圖限于這里作為實現(xiàn)本發(fā)明的最佳實施方式公開的特定實施方案，而是本發(fā)明將包括落入所附權(quán)利要求的范圍的所有實施方案。此外，詳細說明中提出的所有數(shù)值都應被解釋為精確值和近似值均被明確提及。