Реакционный аппарат для нанесения покрытий из газовой фазы

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советскик

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ -.СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительиое к авт. свид-ву(22) Заявлено 10 ° 08. 81 (21) 3349164/22-02 (Д) М. gg.ç с присоединением заявки HP(23) Приоритет—

С 23 С 11/02

Государстаенный «омнтет

СССР оо делам изобретений н открытий

Опубликовано 3001.83. Бюллетень Йо 4 (Щ УДК б21.793. .59(088.8) Дата опубликования описания 30 01. 83 (72) Авторы изобретения

А. В. Рычагов, T. С. Пискунова, А. A. Сыць

В. Н. Беликов, В. К. внучкова и A. Н. Сурко

Всесоюзный научно-исследовательский прое конструкторский и технологический институт кабельной промышленности (71) Заявитель (54) РЕАКЦИОННЫЙ АППАРАТ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ

ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ

Изобретение относится к нанесению металлических и неорганических покрытий химическим осаждением иэ газовой фазы, в частности к устройствам для осаждения материалов иэ газовой фазы, и может-быть использовано в металлургии, электронике, радиотехнике и электротехнике при создании конструкций с коррозионностойкими, жаростойкими, тугоплавкими и др. покрытиями.

Известен реакционный аппарат для : нанесения покрытий из газовой фазы, содержащий систему подачи газообразных реагентов и отвода продуктов реакции, приспособление для крепления и нагрева подложек, при этом реакци- онный аппарат выполнен вертикальным(13 .

Наиболее близок к предлагаемому реакционный аппарат для нанесения покрытий иэ газовой фазы, содержащий вертикально расположенную реакционную камеру и систему нродувки газообразных реагентов со штуцерами 12 1.

Однако известные устройства не обеспечивают возможности осуществления целового ряда процессов, связанных с использованием реагентов, образующих при контакте и протекании объемных химических реакций твердофазные пРодУкты..Например, при формировании покрытий иэ нитридов ниобия и бора по реакциям

ХЬР5 + ХНэ + Н ХЬИкр+ 5 Н Газ (1)

BFg. + NH - BN кр + ЗНР газ (2) сразу после их начала образующийся фтористый водород взаимодействует с аммиаком по реакции

HF 3 + xH3 Га Н4Р кР (3) Кроме гомогенного образования кристаллического фтористого амммония, компоненты реакции (1) пентафторид ниобия и аммиак уже при относительно низких температурах (100 С), имеющих место в смесителе вступают в химическое взаимодействие между собой также с выделением труднолетучих порошкообраэных продуктов, которые забивают транспортные линии и дальнейшее проведение процесса становится невозможным. Органиэация движения реакционных газов на потЬк в направлении вдоль подложки неизбежно приводит к обеднению парогазовой смеси по реагирующим компонентам и обогащению ее продуктами реакции и тем самым, к недостаточной однородности и равномерности получаемого осадка по длине подложки.

992611

Между теплоизоляцией и обечайкой вмонтированы нагревательные элементы.

Для практической реализации про- 35 цессов нанесения покрытий осаждением из газовой фазы реакционный аппарат выполняют двух- или трехсекционным. В первом случае отверстия в стенках камеры одной из секций выполне- 4О ны по двум симметрично расположенным образующим, а оси отверстий образуют между собой угол, вершина которого расположена на расстоянии от оси реакционной камеры, составляющем 0,30,7 ее радиуса. Во втором случае отверстия в стенках камеры двух соседних секций выполнены по симметрично расположенным образующим, а оси отверстий в них образуют между собой угол, вершина которого также расположена на расстоянии от оси реакционной камеры, составляющем 0,3-0,7 ее радиуса.

На фиг. 1 схематично показан реакционный аппарат, продольный разрез, на фиг. 2 — двухсекционный аппарат, попереченое сечение; на фиг. 3 трехсекционный аппарат, поперечное сечение.

Предлагаемый реакционный аппарат 60 состоит из вертикально выполненной реакционной камеры 1 с отверстиями

2 и 3 для ввода и вывода реагентов, обечайки 4, разделенной продольными перегородками 5 на секции ввода 6 65 рования температурного режима поступающих реагентов (интенсивное теплоизлучение подложки, тепловой экран обечайки — теплоизоляция, а при необходимости дополнительный нагрев электронагревателями, вмонтированными между теплоизоляцией и стенками камеры) на уровне, превышающем температуру перехода твердофазных продуктов в парообразное состояние.

При недостаточноти указанных техниЦель изобретения - повышение эффективности работы реакционного аппаратапутем исключения условий гомогенного образования твердофазных продуктов, улучшения равномерности и однородности получаемых покрытий.

Цоставленная цель достигается тем, что в реакционном аппарате для нанесения покрытий из газовой фазы, содержащем вертикально расположен-, ную реакционную камеру и систему про- О дувки газообразных реагентов со штуцерами, реакционная камера дополнительно снабжена теплоизолированной обечайкой, выполненной в форме усеченного конуса, а система продувки образована штуцерами, обечайкой и стенками камеры, причем пространство между обечайкой и стенками камеры герметично разделено продольными перегородками на секции, а по поверх- 20 ности стенок камеры расположены отверстия для прохода газов реагентов, сечение которых в оптимальном варианте выполнено переменным п высоте от (0,4-0,6)S в нижней части до 25 (1,3-1,7)S в верхней части (где S„ -P сечение отверстий в средней части камеры), В пространстве между степками камеры и обечайкой установлены попе- 30 речные перегородки с каналами для прохода реагентов. и вывода 7 реагентов с соответствующими штуцерами 8 и 9, токоподводов

10, введенных в реакционную камеру через уплотнительный узел 11. Обечайка снабжена теплоизоляцией 12 и нагревательными элементами 13. I3 пространстве между стенками камеры и обечайкой установлены поперечные перегородки 14 с каналами 15 для прохоI да реагентов к обрабатываемой подложке 16.

Реакционный аппарат работает следующим образом.

Через штуцер 8 продувают инертный газ. В среде инертного газа или водорода нагревают подложку 16 прямым пропусканием электрического тока до температуры осаждения. Возможны два варианта подачи газов в зону реакции. Первый (фиг, 2): в секцию б подается смесь исходных реагентов, которая через отверстия в стенках камеры равномерно распределяется по высоте подложки. Продукты реакции выводятся через отверстия противоположной секции 7, Второй (фиг. 3): основные исходные реагенты, например, при проведении химических процессов (1) и (Z) Я>1= и NIIз или BF3 и МНз подаются раздельно, каждый в свою секцию 6, через отверстия в стенках камеры они поступают в реакционное пространство, где перемешиваются вблизи подложки, встугают в химическое взаимодействие на ее нагрегой поверхности, а продукты реакции выводятся аналогично первому варианту через противоположную секцию 7, Предлагаемое выполнение реакционного аппарата обеспечивает исключение условий гомогенного образования твердофазных продуктов. Это достигается прежде всего тем, что как в пространстве между обечайкой и стенками реакционной камеры, так и внутри последней создана возможность регулических средств до полного исключения условий образования твердофазных продуктов используется раздельная подача исходных реагентов (каждого в свою секцию). В этом случае в относительно низкотемпературных пространствах между обечайкой и стенками камеры находятся чистые пары реагентов, а смесь их формируется лишь в высокотемпературной зоне вблизи подложки, d

992611

При этом в обоих случаях потоки реагентов направлены ые на подложку, а в точки, расположенные от оси последней на расстоянии 0,3-0,7 радиуса реакционной камеры (экспериментально установлено, что меньшее расстояние обуславливает местное охлаждение подложки и неравномерность получаемого покрытия, большее — возможность проскакивания парогазовой смеси по стенкам реакционной камеры, минуя подложку, и снижение степени использования реагентов). Проведенные экспериментальные исследования показали, что эффективная работа реактора предлагаемого типа возможна при выполнении обечайки в форме усеченного книзу конуса, сечения отверстий в стенках камеры — переменным по высоте при наличии поперечных перегородок в пространстве между стен- 20 ками реакционной камеры и обечайкой.

В этом случае реагенты равномерно распределялись по высоте подложки, отсутствовало расслоение парогазовой смеси и, как следствие, осаждались 25 равномерные и однородные по длине подложки покрытия, Предлагаемый аппарат прост в изготовлении и эксплуатации, может использоваться как для нанесения покрытий в статических условиях (на неподвижную подложку}, так и в динамических (на движущуюся подложку).

Предлагаемое конструктивное Выполнение реакционного аппарата обеспечивает проведение процессов по осаждению нитрида ниобия из парогазовой смеси пентафторида ниобия, аммиака и водорода, режимы которых приведены в таблице. В известном аппарате уже в первоначальный момент при контакте исходных реагентов между собой образуются труднолетучие продукты (Р 1), препятствующие дальнейшему протеканию процесса, в то, время как в предлагаемом аппарате процесс протекает стабильно в течение 120 мин (9 2) и никаких ограничений для дальнейше= го протекания процесса не наблюдается.

Осаждение ннтрида бора из парогазовой смеси трифторида бора и аммиака (2), режимы которых приведены в таблице свидетельствует, что в известном аппарате длительность процесса также ограничена образованием твердофаэных продуктов (9 5) и проведение процесса длительностью более

60 мин (наилучший достигнутый результат) не представляется возможным.

В то же время в предлагаемом решении никаких ограничений для осуществле- . ния процесса в течение 300 мин и бо лее замечено не было (Р 7). !

Данные по равномерности покрытий, осажденных в известном и предложенном аппаратах, представленные в таблице, свидетельствуют, что во всех случаях предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение равномерности осадков в 4-10 раз (в зависимости от их толщины).

Представленные в таблице данные

О фазовом составе покрытий, снятых

I с верхней и нижней части подложки длиной 680 мм, свидетельствуют о,цостижении положительного эффекта с точки зрения однородности осадка.

Это касается материалов имеющих несколько фазовых состояний и относительно узкую область гомогенности, какими являются, например, нитриды ниобия, и не относится к нитриду бора, В частности, при формировании покрытий из нитрида ниобия в известном устройстве верхняя часть осадка состояла из у = NbN (основная фаза) и р = Nb N (примесная фаза), а нижняя часть, наоборот, представляла сОбОй В ОснОВнОм P = Nb@N cl f

NbN в виде примесьной фазы (Р 3).

Осажденные в предлагаемом аппарате покрытия однородны по всей длине подложки (В 2 и 4), 3

992611

1 1

I I I

I Д 1

1 td I !

1 Н !

u i m

О! Х

О!Х

Н 1 t

2 I Ф 1 а< 2 — — — »

Х Д 1 1

O! Ol I

1 l д Х I

I »б I а б1 Е

1 Гб

1 !

Э,t.д t 0,u

„ 99090<, нх,хахехю, а! It: »d 1 х х 1,"б,! хр

ЭЦL !

0,O Z

1u! 1

R R

CCI Ф3

Ю э

Г !Ч м м х е фя д х охх

Ю»0 1 (б

p) х х 2 хнх

ЭХН ь йа еоо х и

vuu ххх о е

O0,0, и н

9

rd

Х

9 н о а хо х д

u t„.

9 Х !

»D оп

Р» н

v. v н

Id

Ы

9 н о а х 0 х о д

И 1:

9 Х

Q»0 о е

0,í и о (б

Ы х

1» 9

u U

Х U

Р Э

9 н о

Х 0 (ted g

0 ф х

» х 1 д

I М Д оааох

0,О В О Х и1!нхZ

Ю о о м о м х

1 Ю

1О

1Х !

1 до

Н !»

uolte о д х

0,OОД

ОЯНКА хюоо

U!»t»Z

0 Г»

М М (Ч (Ч б»

» и> г-.

<б 1

Ц (Р н н х о ъ х х в v

Х 9 о Е U

О Х а» хо

Д 1 еоо хлЕ х е

Ф 1.». и о

0 0»

9 td

I=t Х о

u m

9 х х

9 б» з

I1 » о сп м

СО о

М » о Г Ф! !

1 — — -

«с Р э сч х <о 4 Ц 1О хк tr, Ф»-»

М о сч со м

1

\ 1

1 «

1.х

1 0 t» г »

1 Х О I

11 а о

»-!

td »

1

1 а

I о

Ю

1Ч

%-! о о о о (Ч (Ч

»! % » о о (Ч

»-!

« !

И! и !

t:I

Ц ! о и о

5 о а о

»

l (б е аоо

1 Рвдох

Et а д х

1х х

1 Э

1 Х

<бФ хeeæ дна

Х 9

О 1» 9

»б хи

mxu9

2 >2 нхи д.ан е оохдн хиеох

UuZI 9 ххохн

ОайвХ

00, 1О

itI rd X г, - д

+ U

"е х к z с«х»= рс . а с«с 8 аз

%Р

1 Д б» О

K 9 Х

+ Е я

R g Z ,0 Р е х о о о (Ч Ю ill м lA м

» » о о а

<ч о бсср

» м ОЪ О1

М о сч сч

tA ч"1 СЧ о о о о а а

»ч м м

»-1»-1»-»

1 О

I 9

1 td

1 !»

fd р л

1 9 Д

1 0 9

I И

I х

1 Д О

I 9 Ц 1 И

1 Д 1 A

1 !» К а ! н Ф!1

U 1л. м

om o ха

1 -1»d

1Å НЕ

Н1-ХХ

1 td I ЭХ

I 0mZ

1 !б Хй ! сха саво

1»б Н И И

x v

Z9 é ой лх хх н

I нРд2

I U 9 0, Е 1! ь до О

0I XtX Х ! хди

I 2

1 Д Д Х Х

-rdХ д юдЦ

u o g

Х09 0

tK д н

1 цхок

I Двg ндох

1ООХЕ !

Эm

I ЯД! »d

I,> 1 Х

О Оп и о к д

U -OV мха о

Е I х-«ххах

Й д м;»» е 2

0 н х g u x с! (б н, л

2ххо нее е

t xZZed;

l йаах

I х9992

1аt"ХхН

euvox ! ИХХ19

О Д 1б Х Е

1Х НЕ

i 0) fQ CA O N

« а Ф

l «, « «с

1 «с «с

992611

Формула изобретения

1. Реакционный аппарат для нане« сения покрытий из газовой фазы, содержащий вертикально расположенную реакционную камеру и систему продувки газообразных реагентов со штуцерами, отличающийся тем, .что, с, целью повышения эффективности

его работы путем исключения условий гомогенного образования твердофазных 10 продуктов, улучшения равномерности и однородности получаемых покрытий, реакционная камера снабжена теплоизолированной обечайкой, выполненной в

Форме усеченного конуса, а система 15 продувки образована штуцерами,обечайкой и стенками камеры, причем пространство между.обечайкой и стенками камеры герметично разделено продольными перегородками на секции, а по щ поверхности стенок камеры выполнены отверстия для прохода газов реагентов.

2. Аппарат по п. 1, о т л и ч аю шийся тем, что в пространстве между стенками камеры и обечайкой установлены-поперечные перегородки с каналами для прохода реагентов.

3 ° Аппарат по пп. 1 и 2, о т л и-ч а ю щ н и с я тем, что теплоизолированная обечайка снабжена нагрева- ЗО тельными элементами.

4. Аппарат по пп. 1-3, о т л ич а ю щ к и с я тем, что сечение отверстий в стенках камеры выполнено переменным по высоте от (0,4-0,6)S« в нижней части до (1, 3-1, 7) Я Р в верх-ней части, где S — сечение отвер.стий в средней части камеры.

5. Аппарат по пп. 14, о т л нч а ю шийся тем, что он выполнен с двумя разделенными секциями, при этом отверстия в стенках камеры первой секции выполнены по двум сим,метрично расположенным образующим, а оси отверстий образуют между собой угол, вершина которого расположена на расстоянии от оси реакционной ка- меры, составляющем 0,3-0,7 ее радиуса.

6. Аппарат по пп. 1-4, о т. л и- ч а ю шийся тем, что он выполнен с тремя разделенными секциями, при этом отверстия в стенках камеры двух соседних секций выполнены по симметрично расположенным образующим, а оси отверстий в них образуют между собой угол, вершина которого расположена на расстоянии от оси реакционной камеры, составляющем 0,3-0,7 ее радиуса.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Раков Э. -Г. и др. Получение покрытий и изделий из вольфрама водородным восстановлением его гексафторида. - Атомная техника за рубежом", 1974, в 1, с. 26-28 °

2. Авторское свидетельство СССР

Ф 767232, кл. С 23 С 11/02, 1977.

992611

Закаэ 378/33 Тираж 954

ВНИИПИ Государственного комитета ССГР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб, д. 4/5

Подписное

Филиал ЛПП "Патент", r, Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель В. Трегубов

Редактор Л.- Пчелинская Техред М. Надь Корректор Ю, Макаренко