一种用于粉末流化原子层沉积的反应腔装置及其使用方法

本发明属于原子层沉积镀膜，具体涉及一种用于粉末流化原子层沉积的反应腔装置及其使用方法。

背景技术：

1、为使得粉末颗粒具有特殊的化学物理性质，通常会对粉末颗粒的表面进行镀膜而达到表面修饰改性的目的。对于粉末颗粒的表面镀膜，主要有固相法、液相法和气相法。其中，原子层沉积镀膜方法，是一种通过交替通入待反应前驱体气体，在待镀膜物体表面发生自限制、自饱和的表面反应的化学气相沉积方法。该方法能够通过控制通入前驱体的循环次数，达到原子层级别的厚度精确控制。因此，原子层沉积镀膜方法相较于固相镀膜、液相镀膜和气体气相镀膜方法，具有明显的优势。常用的粉末原子层沉积镀膜方法，主要包括固定床原子层沉积、旋转床原子层沉积、粉末流化原子层沉积等。粉末流化原子层沉积方法，通过引入流化气将粉末进行分散而实现原子层镀膜反应，具有分散超细粉末及实验装置可扩展的优势。

2、对于反应腔竖直放置，流化气从下至上进入反应腔对粉末进行流化的构造，在镀膜前的抽真空阶段，如果采取气体从反应腔底部进气口进入，依次经过反应腔底部滤片和堆积粉末，然后从反应腔出气口被排除的方式抽真空，一方面，会使得反应腔内的粉末因抽真空而导致粉末稀相层充满整个反应腔上部空间而损失粉末；另一方面，因排气管路经过滤片和堆积粉末，抽真空的效率会下降。此外，粉末与反应腔内壁的接触区域是比较难流化的区域，尤其对细粉末而言，容易在反应腔内壁位置聚集，影响了粉末的分散效率。

3、中国发明专利cn103451623a公布了一种包覆超细粉体的原子层沉积方法与装置，虽然采用流化气作为分散粉末的方式，但气进气口的流化方式存在不足，对反应腔内壁区域的粉末可能存在流化分散不足。此外，中国专利cn202110454248.5和cn202120874022.6公布了通过敲击反应腔的方式防止内壁粘结粉末，而中国专利cn202120874313.5公布了具有震动装置的粉末原子层沉积装置，这种依靠外力的方式可能导致粉末内气体流场的不稳定，同时会使得反应腔系统的机械部分发生松动，影响反应腔体的性能。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于粉末流化原子层沉积的反应腔装置及其使用方法，以达到有效抽取反应腔装置的真空，抑制稀相层高度，有效流化反应腔内粉末的目的。

2、本发明提供用于粉末流化原子层沉积的反应腔装置，引入流化气体从下至上分散粉末，反应腔装置包括反应腔本体、进气口、出气口、反应腔旁路、吹扫气体支路；其中：

3、所述反应腔本体，为不锈钢材质或者可伐合金管与石英玻璃封接的结构，反应腔本体分为流化段、过渡段、扩大段；具体地，流化段、扩大段为圆筒形，扩大段的直径大于流化段的直径，两者中间由过渡段连接，即所述过渡段为锥台形；其锥台母线与垂直方向的夹角(也称过渡角)为7～15°(参见图3)。

4、优选地，流化段的长度与过渡中间段和扩大段长度之和的比值为1～1.5。

5、所述进气口，设置于反应腔体底部，进气口处设置有滤片，该滤片由不锈钢金属粉末或钛金属粉末烧结而成。滤片的具体构造由以下一种或几种组合而成：

6、(1)单一孔隙圆柱滤片，孔隙10～20微米，厚度1～2mm；

7、(2)非均一孔隙圆柱滤片，中间部分滤片孔隙5～15微米，外环部分滤片孔隙15～20微米，中间滤片嵌入外环滤片的中央位置形成整体，该滤片整体厚度1～2mm；

8、(3)非均一孔隙滤片，该滤片为双层结构；上层为大孔隙滤片(孔隙15～20微米)和小孔隙圆柱环滤片(孔隙5～15微米)构成，大孔隙滤片嵌入小孔隙圆柱环滤片的中央位置而形成上层滤片结构；下层滤片为大孔隙滤片(孔隙15～20微米)，上层滤片叠放在下层滤片之上而形成滤片整体，该滤片整体的厚度为1～3mm；

9、(4)非均一孔隙滤片，所述滤片为三层结构；上层：小孔隙圆柱环滤片(孔隙5～15微米)中央位置嵌入大孔隙圆柱滤片(孔隙15～20微米)；中层：无孔隙金属支撑环(壁厚1～5mm，高度1～3mm)；下层：大孔隙圆柱滤片(孔隙15～20微米)，将上层、中层、下层滤片叠加而形成滤片整体，所述滤片整体的厚度为1～5mm。

10、优选地，进气口滤片材质为316l不锈钢粉末烧结滤片或钛金属粉末烧结滤片。

11、优选地，进气口滤片为中间部分大孔隙、外环小孔隙的构造，中间部分滤片为15～20微米孔隙，外环滤片为10～15微米孔隙，滤片整体为2mm。

12、优选地，所述圆柱环滤片中嵌入小圆柱滤片结构中，小圆柱滤片外径是圆柱环外径的1/4～1/2。

13、所述出气口，设置于反应腔顶部，出气口端与外部的真空泵连接，在连接管路上设置有隔膜阀；所述真空泵用于装置抽真空以及尾气处理。

14、出气口下方(即扩大段处)设置有过滤器，该过滤器具有不少于3个过滤芯，过滤芯为不锈钢金属粉末或钛金属粉末烧结的中空圆柱过滤芯，过滤芯孔隙为10微米～20微米；过滤芯壁厚2～3mm。

15、优选地，圆柱过滤芯孔隙为10微米。

16、所述反应腔旁路，是与反应腔气体输送主管路并联的气体输送管路，该旁路起始于反应腔底部进气端并与反应腔出气口端的隔膜阀汇接，旁路上设置有有控制阀门控制其开关状态。所述反应腔旁路主要用于对反应腔抽真空和洗气操作；

17、所述反应腔旁路的使用方法为：

18、第一步，对反应腔抽真空时，先打开反应腔旁路上的控制阀，气体通过该控制阀而被真空泵系统抽取而排除出反应腔；

19、第二步，关闭反应腔旁路上的控制阀，开启反应腔出气端的隔膜阀，对反应腔主管路进行抽真空和洗气步骤。

20、利用反应腔旁路，可提高对系统抽真空效率，同等条件下，可提高气体的抽取效率50％～100％。

21、利用反应腔旁路，可有效抑制抽真空时反应腔内粉末的稀相层高度。

22、所述吹扫气体支路，设置于反应腔顶部出气口端处，并与吹扫气体的连接管路连接，该连接管路上设置有质量流量控制器和电磁阀，用于控制吹扫气体流量；

23、反应腔顶部出气口端处还设有温度穿插部件，所述部件与反应腔内部环境被过滤芯隔离。

24、优选地，所述温度穿插件为pt100热电阻传感器或者k型热电偶传感器。

25、所述顶部过滤器与测温穿插件和气体吹扫支路耦合；

26、所述吹扫气体支路的作用主要有：在对粉末进行镀膜的过程中，因流化气从下至上分散粉末，粉末会附着在反应腔顶部出气口的过滤器上，利用吹扫气体支路间断性的对过滤器附着粉末进行吹扫，从而可有效吹扫过滤器上的附着粉末。在镀膜反应结束后，也可通过控制吹扫气体支路上的控制阀而对反应腔体进行破真空。

27、使用中间孔隙大、外环孔隙小的滤片构造，可有效流化分散反应腔侧壁区域的粉末。

28、优选地，中间滤片孔隙为15～20微米，外环滤片孔隙为10～15微米。

29、本发明反应腔装置，还包括前驱体输送支路与流化气体输送支路；所述前驱体输送支路与流化气体输送支路汇接于反应腔体的进气主管路，并且流化气体输送支路在前驱体输送支路的前端，以便当前驱体气体输送到进气主管路时，流化气体能够将前驱体气体携带进入进气主管路。

30、所述进气主管路与四通法兰连通，四通法兰与反应腔本体的底部法兰通过不锈钢连接管连接，以便进气主管路中的气体依次通过四通法兰、连接管和反应腔底部法兰进入反应腔本体中。

31、所述反应腔装置的使用方法为：

32、第一步，利用抽真空系统，通过反应腔旁路先对反应腔底部进气管路、前躯体输送支路和流化气输送支路及其相应控制阀进行抽真空和洗气；接着关闭反应腔旁路上的控制阀，开启反应腔出气口控制阀，对反应腔内部堆积粉末上部管道和吹扫气体管路抽真空；

33、第二步，对放置有粉末的反应腔本体进行加热，温度达到150～300℃并保温1小时以上，开启流化气输送支路，调节流化气气体速度，使得反应腔底部进气口出的气体速率1cm/s～10cm/s，对反应腔中的粉末流化分散5分钟以上；

34、第三步，保持真空泵系统持续抽真空，持续通入流化气体，控制出气口压力与进气口压力的差值在133pa～1330pa左右；(一)利用前驱体输送系统，通入待反应前驱体1脉冲1～10次，单次流量为30sccm-100sccm，脉冲时间30ms～100ms；(二)停止输送待反应前驱体1，利用流化气体冲洗反应腔60s～180s；(三)通入反应前驱体2脉冲1～10次，单次流量为30sccm-100sccm，脉冲时间30ms～100ms；(四)停止输送反应前驱体2，并利用流化气冲洗反应腔60s～180s；根据所需镀膜的厚度，重复操作(一)至(四)；

35、第四步，在第三步的镀膜过程中，间断性打开气体吹扫支路电磁阀给反应腔顶部出气口的过滤器进行吹扫，吹扫附着粉末；

36、第五步，镀膜结束后，待反应腔温度降低到室温，关闭反应腔出气口阀门，利用气体吹扫支路给反应腔破真空。

37、本发明与现有产品相比，具有以下有益效果：

38、(1)利用本发明的反应腔旁路及其方法，在粉末流化原子层沉积镀膜的抽真空准备阶段，可以快速地将气体管路中的残余气体抽取干净，提高管道残余气体抽取效率。

39、(2)利用本发明的反应腔装置及其方法，在抽真空阶段可有效抑制粉末稀相层的高度，便于吹扫过滤器上的附着粉末和破真空。

40、(3)利用反应腔装置及其方法，可对反应腔内部靠近其内壁区域的粉末进行有效分散。

技术特征：

1.一种用于粉末流化原子层沉积的反应腔装置，其特征在于，包括反应腔本体、进气口、出气口、反应腔旁路、吹扫气体支路；其中：

2.根据权利要求1所述的用于粉末流化原子层沉积的反应腔装置，其特征在于，还包括前驱体输送支路与流化气体输送支路；所述前驱体输送支路与流化气体输送支路汇接于反应腔体的进气主管路，并且流化气体输送支路在前驱体输送支路的前端，以便当前驱体气体输送到进气主管路时，流化气体能够将前驱体气体携带进入进气主管路；

3.根据权利要求2所述的用于粉末流化原子层沉积的反应腔装置，其特征在于，所述反应腔本体流化段的长度与过渡中间段和扩大段长度之和的比值为1～1.5。

4.根据权利要求3所述的用于粉末流化原子层沉积的反应腔装置，其特征在于，所述进气口的滤片的构造由以下一种或几种组合而成：

5.根据权利要求4所述的用于粉末流化原子层沉积的反应腔装置，其特征在于，所述圆柱环滤片中嵌入小圆柱滤片结构中，小圆柱滤片外径是圆柱环外径的1/4～1/2。

6.根据权利要求5所述的用于粉末流化原子层沉积的反应腔装置，其特征在于，所述温度穿插件为pt100热电阻传感器或者k型热电偶传感器。

7.如权利要求1-6之一所述的用于粉末流化原子层沉积的反应腔装置的使用方法，其特征在于，具体步骤为：

技术总结
本发明属于原子层沉积镀膜技术领域，具体为一种用于粉末流化原子层沉积的反应腔装置及其使用方法。本发明反应腔装置包括反应腔本体、底部进气口、顶部出气口、反应腔旁路和吹扫气体支路，反应腔旁路是与反应腔气体输送主管路并联的气体输送管路，该旁路起始于反应腔底部进气端，终止于反应腔顶部出气端的隔膜阀，该旁路的开启由控制阀控制；底部滤片为非均一孔隙的金属粉末烧结滤片，顶部过滤器上耦合有测温穿插件和气体吹扫支路。本发明利用流化气体从下至上分散反应腔内的粉末，有效提高粉末流化原子层沉积的残余气体抽取效率，抑制粉末稀相层高度，监测反应腔体内部温度，对顶部过滤器上的附着粉末进行吹扫，有效流化反应腔内的粉末。

技术研发人员：颜光辉,梅永丰,石建军
受保护的技术使用者：复旦大学义乌研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23