在粉末表面均匀镀膜的原子层沉积装置的制作方法

本实用新型涉及原子层沉积技术领域，尤其是一种在粉末表面均匀镀膜的原子层沉积装置。

背景技术：

微纳米尺寸的粉末材料，因为表现出诸多优异的物化性能而在诸如电池电极材料、催化剂等领域应用广泛，如果能在其表面均匀镀上一层纳米级薄膜，将会带来更多积极的效果。目前主要是利用固相法、液相法和气相法在微纳米粉末表面镀膜，但这些方法都无法同时解决均匀镀膜、膜厚精确控制等问题。

原子层沉积技术是一种利用反应气体在材料表面交替饱和自吸附并发生化学反应生成目标物质的气相化学气相沉积技术。到目前为止，原子层沉积方法是唯一可以在大的比表面积材料表面均匀镀膜且精确控制膜厚的技术，但这些应用多是材料表面完全暴露在空气中的情况。

对于粉末材料而言，即使是常规的原子层沉积方法也很难在其表面均匀镀膜，原因主要有两点：第一，粉末材料会出现相互接触、团聚等现象，现有改进的原子层沉积方法采用的是利用强气流吹起粉末，使其流化，但该方式的缺点在于：在强气流作用下，反应气体在粉末表面吸附能力以及表面反应的稳定性都将受到很大影响，会表现膜厚不均匀的问题。第二，常规的原子层沉积方法都从粉末外部进源（即输入反应气体和清洗气体），然后利用自由扩散、保压扩散、粉末流化扩散等方式将反应气体和清洗气体输送至粉末内部，但外部进源方式会增加很大的时间成本，这种时间成本大于粉末表面原子层沉积镀膜带来的价值提升，并且，当粉末量增加时，上述常规的进源方式甚至都无法完全将反应气体和清洗气体输送至粉末的每个区域，所以产量也很小。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术的不足，提出一种在粉末表面均匀镀膜的原子层沉积装置，高效均匀，操作简便。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型提供以下技术方案：一种在粉末表面均匀镀膜的原子层沉积装置，包括电机、旋转多孔进源器、反应腔、加热器、进气管路和抽气管路，旋转多孔进源器由空心轴和桨叶构成，空心轴两端为密封的，侧壁上设有气孔，桨叶螺旋固定在空心轴上，桨叶上设有与空心轴连通的微孔；旋转多孔进源器架设在反应腔内，上端与电机轴连接，进气管路与空心轴连通，抽气管路与反应腔连通；加热器包覆反应腔外壁上。

进一步地，桨叶为若干个，为多层螺旋设置。

进一步地，桨叶为整体螺旋状，使所述反应腔中的粉末不断上下交换。

进一步地，反应腔内设有过滤网，抽气管路与过滤网上部空腔连通。

进一步地，抽气管路上设有粉末收集器。

进一步地，桨叶材质为多孔金属、多孔陶瓷或多孔薄膜。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：采用向搅拌的粉末内部通入反应气，以及反应后及时进行清洗，循环进行，可实现在粉末表面均匀镀膜，可操纵性好。能有效解决因粉末存在刚性接触点及粉末团聚而不能在其表面均匀镀膜的问题，同时通过分布在旋转流化叶片上的大量微纳米气孔向整个粉末内部均匀注入反应气体和清洗气体，有效缩短了反应时间，提高镀膜效率。

附图说明

图1为本实用新型在粉末表面均匀镀膜的原子层沉积装置的结构示意图；

图2为旋转多孔进源器的外观示意图；

其中各附图标记为：1电机、2磁流体密封件、3反应腔、5旋转多孔进源器、6粉末过滤网、7粉末收集器、8截止阀门、9真空计、10真空泵、11ALD电磁三通阀、12第一种反应物料源瓶、13第二种反应物料源、14压力传感器、15质量流量控制器、16进气管路、17截止阀门、19加热器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本实用新型的保护范围有任何的限制作用。

如图1和2所示，一种在粉末表面均匀镀膜的原子层沉积装置，包括电机1、旋转多孔进源器5、反应腔3、加热器19、进气管路16和抽气管路，其中：

所述旋转多孔进源器5由旋转轴和叶片构成,旋转轴为两端密封的空心结构，旋转轴表面设置大量的微纳米气孔，这些气孔与旋转轴的内部空间连通，旋转轴上部连通所述进气管路16；叶片螺旋固定在旋转轴上，内部为空心，且与旋转轴的内部空间连通，叶片表面分布大量的微纳米气孔，这些气孔与叶片内部空间连通进而与旋转轴内部空间连通，最终与所述进气管路16连通。

所述旋转多孔进源器5架设在所述反应腔3内部，上端通过磁流体密封件2与所述电机1相连，所述电机1带动所述旋转多孔进源器5以设定速率旋转。

所述反应腔3内部装有粉末，粉末样品包裹在所述旋转多孔进源器5外表面周围，尤其是包裹旋转轴和叶片上的微纳米气孔；所述旋转多孔进源器5在旋转时将所述反应腔3中的粉末均匀流化。

所述进气管路16用于向所述旋转多孔进源器5空心旋转轴中输入反应气体和清洗气体，反应气体和清洗气体通过所述旋转多孔进源器5旋转轴上的及叶片上的微纳米气孔均匀注入粉末内部；利用所述旋转多孔进源器5将反应气体和清洗气体的进源口数量从单个增加到数以万亿计，这些进源口被粉末包覆并随着叶片4以特定方式运动，均匀流化粉末的同时又使得不同粉末颗粒与进源口接触的统计概率相同。

进气管路16上设有压力传感器14、质量流量控制器15和截止阀门17。

所述抽气管路对所述反应腔3抽气，用于抽走过量的反应气体、反应副产物及清洗气体，也可使得所述反应腔3内部达到目标真空度。

所述反应腔3周围设置加热器19，用于加热粉末样品，使得反应气体在设定的温度下发生原子层沉积反应，从而在粉末表面成膜。

在抽气管路上配置截止阀门8，关闭该阀门可使所述反应腔3内部处于过压状态，有益于反应气体和清洗气体渗漏进粉末内部。

所述旋转多孔进源器5的旋转轴上连接多片叶片，叶片的参数设置是为了保证不同区域的粉末与叶片上微纳米气孔接触的统计概率相同，从而使得粉末流化更均匀，且反应气体和清洗气体均匀注入粉末内部。容易理解，对叶片数量及表面结构的优化调整，可进一步提高镀膜效果。

叶片上的进气孔尺寸为微纳米级别，避免粉末进入孔中造成堵塞，叶片的材质可以是多孔金属、多孔陶瓷或其它多孔薄膜。

叶片围绕所述旋转多孔进源器5的旋转轴外壁呈螺旋组合排布，这种结构的优势是让所述反应腔3底部的粉末不断被传送到顶部，即反应腔中的粉末不断上下交换。

叶片数量为多片，每片均可独立更换，即叶片上的微纳米气孔可被更换。

在所述反应腔3中高于装入的粉末上表面的位置，设置所述粉末过滤网6，避免粉末流化过程中扬起进入抽气管路。

在所述抽气管路和所述反应腔3之间设置粉末收集器7，避免粉末被抽入真空泵。

与现有的粉末镀膜原子层沉积技术相比，本实用新型装置做了粉末流化方式和进源方式的改进，能够取得如下有益效果：

本实用新型能流化粉末，流化过程中无需强气流吹动粉末，且旋转流化的速率可根据粉末的粒径、粉末的量作调整。

当粉末样品量增加时，可只需等比例增加所述反应腔的直径尺寸、所述旋转多孔进源器的旋转半径以及所述旋转流化叶片的数量即可，使得本实用新型既可以用于少量（如1-10g）粉末的表面原子层沉积均匀镀膜，也可用于大量（如100g-100kg）粉末的表面原子层沉积均匀镀膜。

本实用新型还在所述反应腔上部设计了粉末过滤网和粉末收集器，使粉末进入抽气管路的概率降到很小的值，保证抽气管路安全以及延长真空泵的使用寿命。

本实用新型的旋转多孔进源器，均匀流化粉末和充当反应气体和清洗气体的进样器。因为旋转多孔进源器始终在旋转并且与粉末接触，所以利用其代替常规原子层沉积技术中单一的反应气体和清洗气体进气口，结合均匀旋转流化设计，将以最高的效率将反应气体和清洗气体输送到粉末的内部，提高原子层沉积在粉末表面镀膜的膜厚控制能力和镀膜效率。另一个方面，被注入粉末内部的反应气体和清洗气体不断的被带到上表面，可提高清洗步骤的效率。第三个方面，在后续清洗所述旋转多孔进源器时，将其置于清洗溶液中，通过电机带动旋转，同时向所述旋转搅拌进源器的旋转轴内部通入较高压力的气体，因为气体只能通过旋转多孔进源器上的微纳米气孔排出，可实现快速清洗，提高所述旋转多孔进源器的使用效率，降低使用成本。第四个方面，旋转多孔进源器上的叶片为多片，每片相互独立且可更换，在某一叶片出现故障后可单独更换。

在使用时，将粉末放置于反应腔3内部，关闭反应腔3舱门后执行以下操作：

（a）打开加热器19加热反应腔3；

（b）启动电机1，旋转多孔进源器5开始旋转流化样品；

（c）启动真空泵10，打开抽气管路上的截止阀门8，进气管路16上的质量流量控制器15控制清洗气体进入旋转多孔进源器5；

（d）关闭截止阀门8，第一种反应物料源瓶12管路上的ALD电磁三通阀11打开，多次间隔脉冲第一种反应物料源蒸气进入进气管路16，即反应气体I，随着载气进入旋转多孔进源器5中，反应气体I通过旋转多孔进源器5上的微纳米气孔进入粉末内部，在粉末表面饱和自吸附；

（e）打开截止阀门8，清洗气体进入旋转多孔进源器5进而注入粉末内部，清洗去除粉末内部及反应腔3中过量的反应气体I；

（f）关闭截止阀门8，第二种反应物料源瓶13管路上的ALD电磁三通阀11打开，多次间隔脉冲第二种反应物料源蒸气进入进气管路16，即反应气体II，随着载气进入微孔搅拌器5中进而注入粉末内部，与之前吸附在粉末表面的反应气体I反应生成目标物质；

（g）打开截止阀门8，清洗气体进入旋转多孔进源器5进而注入粉末内部，清洗去除粉末内部及反应腔3中过量的反应气体II和反应副产物；

（h）重复（d）-（g）步骤多次，最终得到目标厚度的粉末表面镀膜；

试验例

下面以在SiO₂粉末（粉末粒径为10um）上均匀制备一层5nm厚度的Al₂O₃薄膜为例，实际说明所述实用新型的装置及其方法。

反应开始前，先将一定量的SiO₂粉末装进反应腔，粉末上表面低于粉末过滤网位置，装上粉末过滤网，关闭反应腔舱门；原子层沉积方法制备Al₂O₃需要用到的两种反应物料三甲基铝（TMA）和纯净水（H₂O）分别装在源瓶12中和源瓶13中。

（a）打开加热器19，开始加热反应腔3，反应腔温度加热到100-400℃，优选的为200-300℃；

（b）启动电机1，旋转多孔进源器5开始旋转流化SiO₂粉末样品，所述电机1优选为转速连续可调，调节精度可达0.1转/分钟，首次开启电机时，速率应从最小转速缓慢增加，原子层沉积反应开始前，调节转速介于20～600转/分钟之间；

（c）启动真空泵10，打开抽气管路上的截止阀门8，进气管路16开始进清洗气，优选清洗气体为N₂或Ar；

（d）关闭抽气管路上的截止阀门8，经真空计9调控反应腔3真空度；打开TMA源瓶12管路上的ALD阀门11,单次打开时间为1s，一共打开10次，每次间隔5s，TMA蒸气源随着进气管路16进入旋转多孔进源器5中进而进入SiO₂粉末内部，在SiO₂粉末表面吸附一层TMA单分子层，TMA最后一次脉冲后，抽气管路上的截止阀门8继续关闭的时间不少于100s；

（e）打开抽气管路上的截止阀门8，抽走反应腔3中过量的TMA分子，时间不少于30s；

（f）关闭抽气管路上的截止阀门8，打开H₂O源瓶13管路上的ALD阀门11，单次打开时间为1s，一共打开10次，每次间隔5s，H₂O蒸气源随着进气管路16进入旋转多孔进源器5中进而进入SiO₂粉末内部，与（d）步骤中吸附在SiO₂表面的TMA分子发生原子层沉积反应，生成目标物质Al₂O₃，H₂O源最后一次脉冲后，抽气管路上的截止阀门8关闭的时间不少于100s；

（g）打开抽气管路上的截止阀门8，抽走反应腔3中过量的H₂O分子以及反应副产物CH₄分子，时间不少于30s；

（h）重复（d）-（g）步骤50次，最终得到均匀镀在SiO₂微球上的5nm厚度Al₂O₃薄膜。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。