[發明專利]一種構件內壁ALD鍍膜設備及方法

在審

• 申請號: 202010183342.7
• 申請日: 2020-03-16
• 公開（公告）號: CN113403607A
• 公開（公告）日: 2021-09-17
• 發明（設計）人: 劉小勇;馬會民;馬雪松;郭金鑫;趙書軍;張楠;胡申林;張梟雄;馬大衍;朱昌發
• 申請（專利權）人: 北京動力機械研究所
• 主分類號: C23C16/455
• 分類號: C23C16/455
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提出一種構件內壁ALD鍍膜設備及方法，包括載氣裝置、前驅體裝置、反應腔、壓力測量裝置和抽真空裝置，反應腔為待鍍膜的構件內腔，待鍍膜的構件內腔通過前后法蘭構成密閉腔體，前法蘭上安裝雙通接頭，分別與載氣裝置、前驅體裝置連接，使載氣和前驅體混合后進入構件內腔中，后法蘭上安裝接頭，分別與壓力測量裝置和抽真空裝置連接。本發明通過設備改造及工藝設計，實現具有復雜細小腔道的金屬部件的內表面均勻鍍層處理，技術可廣泛應用于航空航天、機械、汽車、微電子等領域，具有較強的推廣性和實用意義。

技術領域

本發明涉及一種構件內壁ALD鍍膜設備及方法，屬于原子層沉積(ALD)技術領域。

背景技術

在工業應用中有大量金屬構件的內表面需要作表面改性處理，特別是應用最多的管件，例如汽車工業中發動機氣缸、石油行業輸油管道、化工管道和軸承等構件，可能承受高溫過程中燃油發生結焦堵塞以及輸送介質流體的沖蝕破壞等問題，使得管部件失效導致重大安全事故；同時，在軍工領域，特別是海軍艦艇上配置的艦炮炮管、魚雷發射管以及航空航天領域的發動機等苛刻環境下服役管狀零部件，其內壁表面破壞往往是其失效的主要部位，普通處理方法無法滿足復雜異型管腔內表面表面強化要求。

工件內表面改性處理不同于外表面的改性處理，主要存在以下幾個技術難題:

1、管腔內表面受到內腔形狀和尺寸的限制，傳統的表面處理方法很難實現，或者是即使能實施表面改性的效果不能得到有效的保證，特別是是對于一些超長縱橫比的構件，其縱橫比可高于1000；

2、一些處理介質(如常見的等離子體，濺射靶材)很難進入管腔內部，或者是即使進入也難以保證改性層的均勻性；

3、因構件內壁形狀或尺寸的原因，薄膜與內壁的結合力較差，限制了其使役性能的發揮。

對于解決超長縱橫比內腔表面鍍膜，最有效的方法是利用氣相沉積的方法，擺脫構件形狀和尺寸的限制，利用氣態介質進入內腔。但是傳統的氣相沉積方法，如化學氣相沉積(CVD)雖然在工作氣氛中可以處理多種復雜形狀的構件，但是所需溫度過高，會改變工件原始的晶體結構，進而影響其使用性能。此外，由于氣體源的限制，CVD方法所沉積的薄膜種類不多，用于內表面的薄膜多為類金剛石膜(DLC)或TiN膜，對于一些對薄膜種類特殊要求的構件，傳統CVD方法很難滿足。

原子層沉積技術(ALD)，又稱原子層外延，是一種特殊的化學氣相沉積技術。原子層沉積過程依靠交替的前驅體或蒸氣脈沖在基體表面的吸附，隨后的化學反應制備納米薄膜；在交替脈沖的中間，利用載氣(通常為N₂和Ar)清洗反應真空腔多余的前驅體或蒸氣。

ALD的優勢在于優異的沉積均勻性和一致性，并實現非常好的可控沉積厚度；可以沉積多種氧化物(Al₂O₃、TiO₂等)、氮化物(AlN、TiN等)和金屬單質(Ru，Pd等)。ALD的多數工藝可以在400℃以下溫度進行，可以有效減少對基體的損害。其中ALD技術具有飽和吸附特性，表面反應的自限制性有可能實現工藝自動化，同時沉積過程不需要精確的劑量控制和操作人員的持續介入。ALD制備的薄膜從原理來說就是無孔洞，均勻致密的，因此ALD特別適合于表面鈍化，阻擋層和絕緣層的制備。根據相關的文獻資料，ALD已經應用到了多種工業領域，其中包括光伏、光學、化學、水氣阻擋層、有機印刷電子、珠寶保護和醫療行業。

ALD制備薄膜過程中，因為反應腔的局限，一般僅適用于一些較小的試片表面薄膜的制備。同時，在反應腔內放置構件或樣品，因為粘性流動的特性，存在一些前驅體或蒸氣未能進入或者停留時間較短的區域，導致這部分區域的膜層質量較差，影響薄膜對基體的保護作用，對于超長縱橫比的構件，影響尤為突出。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術不足，提供了一種保證構件內表面整體膜層質量、不受ALD設備反應腔大小限制的構件內壁ALD鍍膜設備及方法。