本发明涉及热化学沉积。更具体而言，本发明涉及扩散速率受限的热化学气相沉积涂层(diffusion-rate-limitedthermalchemicalvapordeposition)。
背景技术：
反应速率受限的热化学气相沉积(“cvd”)能够用于产生具有优异性能的可应用于大量材料的涂层。然而，反应速率受限的热cvd会产生不想要的装饰效果和/或不一致性。例如，使用加工珠为一种产生反应速率受限的热cvd涂层的技术。所述珠可导致不一致的厚度，例如产生珠斑和/或不同的染色。同样地，高浓度的分解用气体在大于1,000托的压力下也会导致相似的不想要的效果。
一些技术，例如等离子体增强化学气相沉积(pecvd)和/或溅射，造成额外的问题。所述技术会导致涂层和/或基材上的冲击。此外，所述技术可因存在的加速离子而造成损毁或限制材料。同样地，需要高热(例如高于700)℃的沉积技术会引起许多问题，例如对基材产生冶金的和/或结晶的影响。
根据物质和沉积技术，厚度也会产生问题。例如，在一些技术中，大的厚度(例如，8,000埃以上，10,000埃或20,000埃以上)会导致不想要的涂层剥落。所述剥落可遍及整个涂层或是基于一些技术中缺乏均匀厚度而局部化。
与现有技术相比显示出一个或多个改进的扩散速率受限的热化学气相沉积涂层在本领域内是需要的。
技术实现要素：
在一个实施方案中，一种制品包括基材和基材上的热化学气相沉积涂层。所述热化学气相沉积涂层包括通过扩散速率受限的热化学气相沉积产生的特性。
在另一个实施方案中，一种热化学气相沉积方法包括将气态物质引入容器内并且通过气态物质的扩散速率受限的反应在容器内在制品上产生热化学气相沉积涂层。
本发明的其他特征和优点通过参照以下详细描述、同时结合示例本发明原理的附图将是显而易见的。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施方案的扩散速率受限的热化学气相沉积涂布方法的示意性截面透视图。
只要可能，相同的附图标记将在附图中用于表示相同的部件。
具体实施方式
提供的是扩散速率受限的热化学气相沉积涂布制品和涂布方法。本发明的实施方案，例如相比于未包括在此公开的一个或多个特征的构思，能够提高涂料的一致性/重复性、窄范围的厚度公差(例如，250埃-150埃)、增加美感、允许在不使用珠的情况下完成加工、调节膜密度、允许低温操作(例如，超过10％)、改进微观结构、改进光学特性、改进多孔性、改进耐腐蚀性、改进光泽度、改进表面特征、允许更有效地产生涂层、允许宽范围几何形状(例如，窄通道/管、三维复杂几何形状、和/或隐藏的或非线性段几何形状如针状、管状、探针状、夹具状、复杂的平面和/或非平面几何形状制品、简单的非平面和/或平面几何形状制品，及其组合)的涂层、允许大量制品的涂布、或允许其组合。
参考图1，热化学气相沉积(“cvd”)方法100包括使一种或多种气体在一个或多个步骤中在一个或全部容器105和/或腔内反应(步骤102)以在制品107的表面103上形成热cvd涂层101。图1示出的制品107是一种也用作容器105的管，其内部为涂有热cvd涂层101的表面103。此外或作为替代，在其他实施方案中，容器105和/或腔为独立于待涂布制品107的结构(例如热炉室)、独立的容器结构，或具有有限体积的被配置为至少暂时封闭的任何其他结构(相比于其他技术中使用的流通装置)。
容器105和/或腔的合适尺寸包括，但不限于，具有大于5cm、大于10cm、大于20cm、大于30cm、大于100cm、大于300cm、大于1,000cm、10cm-100cm、100cm-300cm、100cm-1,000cm、300cm-1,000cm的最小宽度，能够均匀或基本上均匀加热的任何其他最小宽度，或其中的任何合适的组合、子组合、范围或子范围。
容器105和/或腔的合适体积包括，但不限于，至少1,000cm3、大于3,000cm3、大于5,000cm3、大于10,000cm3、大于20,000cm3、3,000cm3-5,000cm3、5,000cm3-10,000cm3、5,000cm3-20,000cm3、10,000cm3-20,000cm3，能够均匀或基本上均匀加热的任何其他体积，或其中的任何合适的组合、子组合、范围或子范围。
如本文使用的，措辞“热cvd”是指一种或多种气体例如在缺陷反应器构型(starvedreactorconfiguration)中的反应和/或分解，并可区别于等离子辅助cvd、自由基引发cvd、和/或催化剂辅助cvd、溅射、原子层沉积(与能够一层以上分子沉积相反，其限于每周期单层分子沉积)，和/或外延生长(例如在大于700℃下生长)。
表面103为在基材109上的层或为基材109本身。在一个实施方案中，表面103为下述表面或包括下述表面：不锈钢表面(马氏体或奥氏体)、镍基合金、金属表面、金属性表面(铁或非铁；回火或非回火；和/或等轴，定向凝固，或单晶)、陶瓷表面、陶瓷基体复合表面、玻璃表面、陶瓷基体复合表面、复合金属表面、涂覆表面、纤维表面、箔表面、薄膜、聚合体表面(如聚醚醚酮)、和/或能够承受热化学气相沉积方法100的操作条件的任何其他合适表面。
在一个实施方案中，将表面103进行处理。合适的处理包括，但不限于，暴露于水(单独，在零空气下，或在惰性气体下)、氧气(例如，在至少50重量％的浓度下)、空气(例如单独，非单独，和/或作为零空气)、一氧化二氮、臭氧、过氧化物、高温或其组合。如本文使用的，术语“零空气”是指总烃小于0.1ppm的大气。术语“空气”一般是指主要是(按重量计)氮气、同时氧气是其中第二高浓度物质的气态流体。例如，在一个实施方案中，氮气的浓度为至少70重量％(例如75重量％-76重量％)以及氧气的浓度为至少20重量％(例如23重量％-24重量％)。
在一个实施方案中，表面103(和基材105)处理的高温为大于200℃，大于300℃，大于350℃，大于370℃，大于380℃，大于390℃，大于400℃，大于410℃，大于420℃，大于430℃，大于440℃，大于450℃，300℃-450℃，350℃-450℃，380℃-450℃，或其中的任何合适的组合，子组合、范围或子范围。
在一个实施方案中，表面103由硅基材料形成，例如由氢化硅(siliconhydride)、硅烷(silane)、二甲基硅烷(例如以气体形式)、三甲基硅烷、非自燃物质(例如二烷基甲硅烷基二氢化物和/或烷基甲硅烷基三氢化物)、热反应材料(例如碳硅烷和/或羧基硅烷，例如无定形碳硅烷和/或无定形羧基硅烷)、能够使碳甲硅烷基(carbosilyl)(二硅烷基或三硅烷基片段)重组的物质、和/或任何其他合适的硅烷基材料形成。此外或作为替代，在一个实施方案中，表面103由热活性材料如氢化硅、氮化硅或其组合形成。所述硅基材料和/或热活性材料能够反复应用和/或其间例如使用惰性气体(如氮气、氦气和/或氩气作为分压稀释剂)进行吹洗。
在一个实施方案中，为应用热cvd涂层101的一种或多种气体的反应(步骤102)包括使用选自以下的气体：硅烷、氢化硅、二甲基硅烷(例如以气体形式)、三甲基硅烷、二烷基甲硅烷基二氢化物、烷基甲硅烷基三氢化物、非自燃物质(例如二烷基甲硅烷基二氢化物和/或烷基甲硅烷基三氢化物)、热反应材料(例如碳硅烷和/或羧基硅烷，例如无定形碳硅烷和/或无定形羧基硅烷)、能够使碳甲硅烷基(二硅烷基或三硅烷基片段)重组的物质、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、三甲基甲氧基硅烷、三甲基乙氧基硅烷，一种或多种含氮物质(例如氨、氮气、肼、三甲硅烷基胺(还称为tsa；硅烷胺；n,n-二甲硅烷基-二硅烷胺；2-甲硅烷基-；硅烷、次氮基三；或3sa)、双(叔丁基氨基)硅烷、1,2-双(二甲基氨基)四甲基二硅烷和/或二氯硅烷，六氯二硅烷，以及其组合。在引入多于一种物质的实施方案中，所述物质被同时(预混合或原位混合)或依序(首先引入任一物质)引入。
在一个实施方案中，反应中使用的一种或多种气体(步骤102)为包括热活性气体和惰性气体的气体混合物部分。热活性气体的合适浓度为10体积％-20体积％，10体积％-15体积％，12体积％-14体积％，10体积％-100体积％，30体积％-70体积％，500体积％-80体积％，70体积％-100体积％，80体积％-90体积％，84体积％-86体积％，或其中的任何合适的组合、子组合、范围或子范围。
合适的气体分压为10托-150托，10托-30托，20托-40托，30托-50托，60托-80托，50托-100托，50托-150托，100托-150托，小于150托，小于100托，小于50托，小于30托，或其中的任何合适的组合、子组合、范围或子范围。
在一个实施方案中，通过受控制的流动将一种或多种气体引入容器105和/或腔以完成扩散速率受限的热化学气相沉积。所述控制能够通过任何合适的技术和/或装置，例如经由限流器(例如使用从20微米压缩至5微米、从20微米压缩至10微米、从10微米压缩至2微米的垫圈或其中任何合适的组合、子组合、范围或子范围)、质量流量控制器、脉冲、阀、烧结垫圈、限制器或其组合。
在另一个实施方案中，控制/调整压力和/或温度以完成扩散速率受限的热化学气相沉积。一种或多种气体的反应(步骤102)在使气体热反应的温度范围内进行且促进沉积在表面103。合适的温度包括，但不限于，100℃-700℃、100℃-450℃、100℃-300℃、200℃-500℃、300℃-600℃、450℃-700℃、700℃、450℃、100℃、200℃-600℃、300℃-600℃、400℃-500℃、300℃、400℃、500℃、600℃，或其中的任何合适的组合、子组合、范围或子范围。
一种或多种气体的反应(步骤102)在促进热反应的压力范围内进行。合适的压力包括，但不限于，0.01psia-200psia、1.0psia-100psia、5psia-40psia、20psia-25psia、1.0psia、5psia、20psia、23psia、25psia、40psia、100psia、200psia，或其中的任何合适的组合、子组合、范围或子范围。
一种或多种气体的反应(步骤102)在促进想要的对表面103的覆盖的时间内进行。合适的持续时间包括，但不限于，至少2小时、至少3小时、至少4小时、至少5小时、至少7小时、4-10小时、6-8小时，或其中的任何合适的组合、子组合、范围或子范围。
根据公开内容，与反应速率受限的热cvd形成对比，通过热cvd法100涂布的制品107包括通过扩散速率受限的热cvd产生的特性。通过扩散速率受限的热cvd可产生的所述特性包括，但不限于，与通过反应速率受限的热cvd产生的膜密度相区别的膜密度、与通过反应速率受限的热cvd产生的厚度相区别的厚度、与通过反应速率受限的热cvd产生的高于一定厚度的耐剥落性相区别的高于一定厚度的耐剥落性、比通过反应速率受限的热cvd产生的波长范围更窄的波长范围、与通过反应速率受限的热cvd产生的波长不同的波长、与通过反应速率受限的热cvd产生的电子阻抗谱测定相区别的电子阻抗谱测定、与通过反应速率受限的热cvd产生的微观结构不同的微观结构(例如主要无定形、基本上完全无定形或完全无定形)，或其组合。
在一个实施方案中，扩散速率受限的热cvd的厚度范围适用热cvd涂层101在合适的范围113内，所述范围113基于第一厚度111和第二厚度115之差，其分别和/或共同地抗剥落。合适的范围包括，但不限于，1,000埃、500埃、300埃、200埃、150埃、100埃、80埃、50埃，或其中的任何合适的组合、子组合、范围或子范围。
在一个实施方案中，扩散速率受限的热cvd的第一厚度111和/或第二厚度113适用热cvd涂层101以下述厚度：5,000埃-30,000埃、5,000埃-20,000埃、5,000埃-10,000埃、10,000埃-20,000埃、10,000埃-15,000埃、15,000埃-20,000埃、8,000埃、12,000埃、16,000埃、19,000埃，或其中的任何合适的组合、子组合、范围或子范围。
在一个实施方案中，扩散速率受限的热cvd适用热cvd涂层101以具有以下波长：小于10nm、小于20nm、小于30nm、小于40nm、小于50nm、小于100nm，或其中的任何合适的组合、子组合、范围或子范围。符合波长范围的合适波长包括，但不限于，400nm、450nm、500nm、550nm、600nm、650nm、700nm，或其中的任何合适的组合、子组合、范围或子范围。
尽管不希望囿于理论，然而在一个实施方案中，扩散速率受限的热cvd基于至表面的流量(j1)、反应流量(j2)、气体浓度(cg)、表面浓度(cs)、气相传质系数(hg)和表面反应速率(ks)。在进一步的实施方案中，所述关系由以下方程式表示：
根据该实施方案，气相传质系数(hg)远大于表面反应速率(ks)，引起扩散速率受限的热cvd。例如，在再进一步的实施方案中，气相传质系数(hg)比表面反应速率(ks)大至少100倍、200倍、300倍、400倍、500倍、600倍、700倍、800倍、900倍、1,000倍，或其中的任何合适的组合、子组合、范围或子范围。
尽管已参照一个或多个实施方案描述了本发明，但是本领域的技术人员理解，可进行各种改变并对其要素用等同物代替，而不脱离本发明的范围。另外，可以作许多改造以使特定的情况或材料适合于本发明的教导，而不脱离其本质范围。因此，本发明并不意图限于这里作为实现本发明的最佳实施方式公开的特定实施方案，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围的所有实施方案。此外，详细说明中提出的所有数值都应被解释为精确值和近似值均被明确提及。