专利名称：一种化学气相沉积制备钨的方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及化学气相沉积法制备钨的装置和方法，属于难熔金属加工技术领域。
背景技术：
钨的熔点高达3410°C，具有高温机械性能好、防辐射能力强的特点，钨及其合金材料被广泛的应用于航空航天、电子及医疗等领域。目前钨涂层一般是采用蒸发镀、离子溅射和化学气相沉积的方法获得的。但由于蒸发镀制备钨涂层需要大功率的加热源，设备造价高，目前只能在少数研究性实验室中使用；而离子溅射法制备钨涂层的设备较复杂，需要高压装置。因此这两种方法均难以在实际生产钨涂层中得到应用。化学气相沉积法是利用前驱气体在加热基底表面分解、反应，所生成的物质沉积凝结在基底表面。它具有设备简单，运行成本低，反应速度快等特点，且可根据基底的不同形状制备出其他工艺难以制备的形状复杂的细小异形制品。利用化学气相沉积法制备的钨涂层与其他方法相比具有纯度、致密度高的优点。目前关于化学气相沉积法制备钨的研究已经有了一些报道，主要集中在WF6和 WCl6两种体系中进行沉积，其反应式分别如下
VVFt + SH2 ^W+ SHF(1)
IVCi6 +3 H2 W + SHCi(2 )
六氟化钨的沸点为17. 5°C，在常温下为淡黄色液体，价格昂贵，在使用时需要将其加热至气态并控制流量进行沉积，且生成的气体HF为有害气体，难以收集处理。六氯化钨的沸点为346. 7°C，常温下为红褐色晶体，通常用此体系进行沉积时是将纯钨置于氯气中在高温时进行氯化得到六氯化钨气体，然后再和一定比例的氢气混合进行沉积，此种方法虽然降低了生产成本，但氯化反应时的气体氯气本身就是一种有毒气体，且氯化反应通常是在800°C的高温下进行，因此，增加了实验的难度。本发明利用六氯化钨沸点高的特点，设计了一种适合于实验室用六氯化钨体系化学气相沉积钨的简易设备，改进了目前CVD沉积钨设备反应气体混合不均勻的缺点，能够在不同基底上沉积出致密、均勻的钨涂层。
发明内容
本发明的目的是制备出一种六氯化钨体系化学气相沉积钨的装置并利用此装置进行化学气相沉积钨涂层。本发明主要以石英管、法兰盘、气体三向转换阀、调压器、针阀、气体流量计、红外测温仪等组装成反应设备，以六氯化钨颗粒、氢气为反应原料，以氩气为保护气体，在自制设备中利用化学气相沉积法沉积出致密、均勻钨涂层。本发明为六氯化钨体系化学气相沉积钨装置及沉积工艺方法，其沉积方法特征在于以下方面
A.将一定量的六氯化钨颗粒(所需量与反应量的质量比大约为5:1)以固体的形态置于基体的下端，通过反应时基底自身电阻发热产生的热辐射使六氯化钨颗粒气化与氢气混合发生反应。B.反应开始前，关闭进气端上方气口和出气端下方气口，从进气端下方气口将氩气以0. 08m3/h的速度通入反应室lOmin，排出反应室内空气。关闭进气端下方气口及出气端上方气口，打开进气端上方气口及出气端下方气口，将氢气以400ml/min的速度通入反应室15分钟，用来排出氩气，并作爆鸣实验以验纯。关闭进气端上方气口及出气端下方气口， 打开进气端下方气口及出气端上方气口，将氢气以200ml/min的速度从进气端下方气口通入，打开交流电源调节电压使基底温度达到某一恒定温度(700°C、00°C)进行沉积。沉积结束后，关闭交流电源电源，将氩气以0. 08m3/h的速度从进气端下方气口通入反应室直至反应室降到室温。C.基底通过转动杆连接，在沉积过程中保持20r/mirT60r/min的速度旋转，以保证基底各部分沉积均勻。D.反应室下端装有气体搅拌器，在沉积的过程中启动，通过其搅拌使不同比重的六氯化钨和氢气混合均勻，有利于沉积的均勻性。本发明中所用到的的六氯化钨体系化学气相沉积钨装置，主要部件包括有氩气罐、氢气罐、气体流量计、气体三向转换阀、针阀、法兰盘、石英管、转动杆、石英舟、气体搅拌器、调压器、导线、尾气回收装置、红外测温仪等。其组装过程如下将欲沉积的基底(20)通过线切割机切成所需要的形状，用丙酮、酒精、去离子水依次清洗并烘干，然后将其固定在法兰盘(24)—端的转动杆(13)上；将固定有基底的法兰盘，石英管(12)和另一个法兰盘 (25)通过螺杆(26)连接组成气体反应室，通过调节转动杆(13)的位置来调整基底在反应室中的位置；反应室两端法兰盘的转动杆连接有导线(9 )，通过调压器(18 )与220V交流电源(19)连接；反应室两端法兰盘上下各有两个气口，通过气体导管与气体三向转换阀(10) (11)相接，上下气口的气体流通通过针阀控制；进气端的气体三向转换阀(10)通过气体导管与氩气罐(21)和氢气罐(22)连接，其流量通过气体流量计(7)控制；出气端的气体三向转换阀(11)通过气体导管与尾气回收装置(23 )连接；基底温度通过红外测温仪从石英管外部测量。本发明装置的特点在于反应室的进气、出气端法兰盘上下各有两个气口，在反应的不同阶段，通过调节气体三向转换阀来控制气体进出气口的闭合，利用各气体比重的不同，来达到排气及混合气体的作用；沉积室内装有气体搅拌器，基底与法兰盘上的转动杆连接，通过气体搅拌器的搅拌与转动杆的转动使基底尽量与反应气体均勻接触。
图1为本发明所设计六氟化钨体系化学气相沉积钨装置示意图。图中各数字表示如下针阀(1) (6)，气体流量计(7)，气体导管(8)，导线(9)， 气体三向转换阀(10) (11)，石英管(12)，转动杆(13) (14)，气体搅拌器(15)，石英舟 (16)，六氯化钨颗粒(17)，调压器(18)，220V交流电源(19)，基底(20)，氩气罐(21)，氢气罐(22)，尾气回收装置(23)，法兰盘(24) (25)，螺杆(26)。
具体实施例方式
以下实施例所用到设备的组装均按此方法进行将欲沉积的基底(20)通过线切割机切成所需要的形状，用丙酮、酒精、去离子水依次清洗并烘干，然后将其固定在法兰盘(24)一端的转动杆(13)上；将固定有基底的法兰盘，石英管(12)和另一个法兰盘(25)通过螺杆(26)连接组成气体反应室，通过调节转动杆(13)的位置来调整基底在反应室中的位置； 反应室两端法兰盘的转动杆连接有导线(9)，通过调压器(18)与220V交流电源(19)连接； 反应室两端法兰盘上下各有两个气口，通过气体导管与气体三向转换阀(10) (11)相接，上下气口的气体流通通过针阀控制；进气端的气体三向转换阀(10)通过气体导管与氩气罐 (21)和氢气罐(22)连接，其流量通过气体流量计(7)控制；出气端的气体三向转换阀(11) 通过气体导管与尾气回收装置(23)连接；基底温度通过红外测温仪从石英管外部测量。实施例一
本实施例中利用自制设备沉积钨涂层的过程和步骤如下 A.将设备组件按照附图1的组装方式组装完毕并检查气密性。B.本实施例所用基底为IOmmX IOmm厚度为Imm紫铜方片，用金相砂纸打磨后， 先后经丙酮、酒精和水清洗后烘干。欲沉积0. 2mm厚的钨涂层，所需WC16质量与实际反应 WC16的量大约为5:1，经计算，将IOgWCie固体颗粒放置于基底下端。C.关闭进气端上方气口和出气端下方气口，从进气端下方气口将氩气以0.08m3/ h的速度通入反应室10分钟，排出反应室内空气。D.关闭进气端下方气口及出气端上方气口，打开进气端上方气口及出气端下方气口，将氢气以400ml/min的速度通入反应室15分钟，用来排出氩气，并作爆鸣实验。E.关闭进气端上方气口及出气端下方气口，打开进气端下方气口及出气端上方气口，将氢气以200ml/min的速度从进气端下方气口通入，打开220V交流电源调节电压使基底温度保持在700°C进行沉积15分钟。沉积过程中使转动杆保持30r/min的速度，并打开气体搅拌器。F.沉积结束后，关闭220V交流电源、转动杆及气体搅拌器，将氩气以0. 08m3/h的速度从进气端下方气口通入反应室直至反应室降到室温。最终制得钨涂层。实施例二
A.将设备组件按照附图1的组装方式组装完毕并检查气密性。B.本实施例所用基底为长20mm，截面为ImmXlmm的紫铜方棒，用金相砂纸打磨后，先后经碱液、丙酮、酒精和水清洗后烘干。欲沉积0.2mm厚的钨涂层，所需WCl6质量与实际反应WCl6的量大约为5:1，经计算，将3. 5gffCl6固体颗粒放置于基底下端。C.关闭进气端上方气口和出气端下方气口，从进气端下方气口将氩气以0.08m3/h 的速度通入反应室10分钟，排出反应室内空气。D.关闭进气端下方气口及出气端上方气口，打开进气端上方气口及出气端下方气口，将氢气以400ml/min的速度通入反应室15分钟，用来排出氩气，并作爆鸣实验。E.关闭进气端上方气口及出气端下方气口，打开进气端下方气口及出气端上方气口，将氢气以200ml/min的速度从进气端下方气口通入，打开220V交流电源调节电压使基底温度保持在800°C进行沉积15分钟。沉积过程中使转动杆保持60r/min的速度，并打开气体搅拌器。F.沉积结束后，关闭220V交流电源、转动杆及气体搅拌器，将氩气以0. 08m3/h的速度从进气端下方气口通入反应室直至反应室降到室温。最终制得钨涂层。实施例中钨涂层的制备采用自制的六氯化钨体系化学气相沉积钨装置，参见图1。
权利要求
1.一种六氯化钨体系化学气相沉积钨的工艺方法，其特征是该方法具有以下步骤A.将一定量的六氯化钨以固体的形态置于基底的下端，六氯化钨所需量与反应量的质量比为5:1;B.反应开始前，关闭进气端上方气口和出气端下方气口，从进气端下方气口将氩气以0. 08m3/h的速度通入反应室lOmin，排出反应室内空气；关闭进气端下方气口及出气端上方气口，打开进气端上方气口及出气端下方气口，将氢气以400ml/min的速度通入反应室15分钟，用来排出氩气，并作爆鸣实验以验纯；关闭进气端上方气口及出气端下方气口，打开进气端下方气口及出气端上方气口，将氢气以200ml/min的速度从进气端下方气口通入，打开加热电源调节电压使基底温度达到某一恒定温度进行沉积，该恒定温度为 7000C ^goo0C ；沉积结束后，关闭加热电源，将氩气以0. OSmVh的速度从进气端下方气口通入反应室直至反应室降到室温；C.沉积基底通过转动杆连接，在沉积过程中保持20r/mirT60r/min的速度旋转，以保证基底各部分沉积均勻；D.反应室下端装有气体搅拌器，在沉积的过程中启动，通过其搅拌使不同比重的六氯化钨气体和氢气混合均勻，有利于沉积的均勻性。
2.一种用于权利要求1所述的化学气相沉积钨的装置，该装置由以下部件组成针阀 (1) (6)，气体流量计(7)，气体导管(8)，导线(9)，气体三向转换阀(10) (11)，石英管 (12)，转动杆(13) (14)，气体搅拌器(15)，石英舟(16)，六氯化钨颗粒(17)，调压器(18)， 220V交流电源(19)，基底(20)，氩气罐(21)，氢气罐(22)，尾气回收装置(23)，法兰盘(24) (25)，螺杆(26)，其特征在于反应室的进气、出气端法兰盘上下各有两个气口，在反应的不同阶段，通过调节气体三向转换阀来控制气体进出气口的闭合，利用各气体比重的不同， 来排气及混合气体；沉积室内装有气体搅拌器，基底与法兰盘上的转动杆连接，通过气体搅拌器的搅拌与转动杆的转动使基底尽量与反应气体均勻接触；基底(20)固定在法兰盘 (24)—端的转动杆(13)上；固定有基底的法兰盘，石英管(12)和另一个法兰盘(25)通过螺杆(26)连接组成气体反应室，通过调节转动杆(13)的位置来调整基底在反应室中的位置；反应室两端法兰盘的转动杆连接有导线(9)，通过调压器(18)与220V交流电源(19)连接；反应室两端法兰盘上下各有的两个气口通过橡胶导气管与气体三向转换阀(10)、(11) 相接，上下气口的气体流通通过针阀控制；进气端的气体三向转换阀(10)通过气体导管与氩气罐(21)和氢气罐(22)连接，其流量通过气体流量计(7)控制；出气端的气体三向转换阀(11)通过气体导管与尾气回收装置(23)连接；基底温度通过红外测温仪从石英管外部测量。
全文摘要
本发明涉及化学气相沉积法制备钨的装置和方法，属于难熔金属加工技术领域。本发明采用六氯化钨固体为反应原料，通过基底自身电阻发热的热辐射使六氯化钨气化发生反应；在反应室的进气、出气端上下各有两个气口，在反应的不同阶段，通过控制气体进出气口的闭合，利用各气体的不同比重，来达到混合气体及排气的目的；通过控制气体的流量与通入时间来控制反应过程。采用本设备避免了Cl2的使用对环境造成的污染，简化了步骤，其制备而成的钨涂层经过后期简单处理便可制备成用于医疗设备中X射线准直及防辐射零件。
文档编号C23C16/455GK102534543SQ20121004011
公开日2012年7月4日 申请日期2012年2月22日 优先权日2012年2月22日
发明者侯占杰, 侯培岩, 孙艳涛, 朱玉斌, 杨珺, 田军强, 郑逸锋, 黄芯颖 申请人:上海大学