CVD法在多孔陶瓷基體上制備氮化硅涂層的顯微結(jié)構(gòu)及性能研究.pdf

1、多孔陶瓷是一種新型陶瓷材料，具有密度低、氣孔率高、抗腐蝕、耐高溫和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，能在較大溫度范圍內(nèi)正常使用，可以作為一種理想的新型高性能透波候選材料。較高氣孔率的存在有效降低了陶瓷材料的介電常數(shù)，其主要不足之處在于吸潮現(xiàn)象導(dǎo)致的電學(xué)性能不穩(wěn)定和多孔結(jié)構(gòu)引起的力學(xué)性能降低，這一系列問題的解決可以通過在多孔結(jié)構(gòu)的表面形成致密化涂層的處理來實(shí)現(xiàn)。 氮化硅陶瓷是結(jié)構(gòu)陶瓷中綜合性能最好的材料之一，它的電學(xué)、熱學(xué)和機(jī)械性質(zhì)十分優(yōu)良，在氧

2、化氣氛中可以使用到1400℃，在中性或者還原性氣氛中可以使用到1850℃。氮化硅陶瓷既具有優(yōu)于一般陶瓷材料的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性能，又具有較低的介電常數(shù)和介電損耗，在半導(dǎo)體、航空航天工業(yè)上應(yīng)用廣泛，尤其是在航天透波材料(天線罩、天線窗)的研制方面取得了很大的進(jìn)展。 化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝被廣泛應(yīng)用于沉積碳化物、氮化物、硅化物、硼化物、氧化物等各種單晶、多晶或其它無定形態(tài)的無機(jī)涂層材料。數(shù)據(jù)顯示，與其它制備工藝相比，CVD法所得

3、氮化硅涂層介電常數(shù)更低，介電損耗隨溫度變化更小。由于先進(jìn)設(shè)備及理論探討等方面的不足，國內(nèi)在沉積工藝及機(jī)理等方面的研究工作還剛剛起步，處于初步探討階段，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到系統(tǒng)化、實(shí)用化的要求。 基于以上考慮，本論文采用低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)工藝分別在多孔石英陶瓷和多孔氮化硅陶瓷材料基體上制備致密化的氮化硅涂層。首先根據(jù)化學(xué)氣相沉積氮化硅涂層所涉及的主要化學(xué)反應(yīng)體系的特點(diǎn)，確定甲硅烷/氨氣體系為反應(yīng)前驅(qū)體，并系統(tǒng)討論了該體系化學(xué)氣相

4、沉積氮化硅涂層所涉及的相關(guān)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)過程，討論了熱力學(xué)相圖在預(yù)測(cè)指導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)過程中的作用和意義。然后在單晶硅基體上沉積氮化硅涂層，系統(tǒng)考察反應(yīng)氣體配比、沉積溫度及體系壓力等工藝參數(shù)對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響，確定最佳工藝條件。最后分別在多孔石英陶瓷基體和多孔氮化硅陶瓷基體上沉積了均勻致密的氮化硅涂層，系統(tǒng)分析了各沉積工藝參數(shù)對(duì)涂層與基體之間結(jié)合強(qiáng)度的影響，通過對(duì)所得復(fù)合材料進(jìn)行吸潮率、抗彎強(qiáng)度和介電性能的表征，探討氮化硅涂層對(duì)多孔基

5、體力學(xué)性能和介電性能的影響。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以甲硅烷與氨氣為反應(yīng)前驅(qū)體、氬氣為保護(hù)氣、氮?dú)鉃檩d氣，保持硅烷流量為200sccm、氨氣流量為1000sccm、反應(yīng)體系工作壓力為100Pa，900℃下沉積30min可以得到沉積速率較大(～85A/min)、粒徑尺寸較小(～0.2μm)、表面致密性較好的近化學(xué)計(jì)量比非晶態(tài)氮化硅涂層材料；多孔石英陶瓷材料和多孔氮化硅陶瓷材料表面沉積氮化硅涂層后，其力學(xué)性能分別提高45％和20％以上，介電

6、常數(shù)ε變化均小于0.05，介電損耗tgδ的變化均小于1×10-3，在經(jīng)歷濕熱、泡水等惡劣環(huán)境后，介電常數(shù)ε變化均小于0.09，介電損耗tgδ的變化分別小于3×10-3和4×10-3，說明氮化硅涂層有效降低了大氣環(huán)境水分對(duì)多孔石英陶瓷材料和多孔氮化硅陶瓷材料介電性能的影響，為提高此類材料使用過程中電學(xué)性能的穩(wěn)定性起到了重要作用；沉積工藝參數(shù)對(duì)涂層附著力的影響趨勢(shì)與基體材料的選擇關(guān)系不大。而且各工藝參數(shù)對(duì)涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度的影響不是單獨(dú)的，