发明背景

计算机和电子设备制造商越来越需要用于半导体芯片制造的纯工艺气 体。这包括需要用于掺杂、蚀刻和沉积芯片组件的更高纯度的前体。当前 体是腐蚀性的时候，存在另外的挑战是防止腐蚀性材料与储存容器反应。 例如，腐蚀性前体例如氟化氢或氯化氢可以与标准碳钢储气瓶的内壁反 应，并且污染前体。

降低这种腐蚀污染的一种方法是使用不与前体反应的材料制造(或涂 覆)储存容器。用于储存例如氯化氢的碳钢储气瓶可以在内部涂覆有非反应 性镍层。但是，常规涂覆方法可能在涂层中留下缺陷，在此反应性前体可 能渗入下面的基材。

例如，在电解电镀中，开口储气瓶充满溶解的金属盐的水溶液。施加 到该气瓶上的电压使在溶液中的金属离子被电镀出来作为气瓶内表面上 的还原金属的衬里。在金属涂层形成并且被抛光之后，可以将顶盖热锻造 或焊接在气瓶上。热锻造可能在薄金属涂层上留下很多应力，从而产生可 能被前体破坏的缺陷。腐蚀产物可能穿过有缺陷的衬里反向渗出，并且污 染前体。

另一种涂覆方法包括在精加工的储气瓶上的衬里的无电镀。由于气瓶 是完全形成的，因此当连接气瓶盖时，没有机会在衬里中形成缺陷。但是 使用无电镀形成的衬里是仍然可以与腐蚀性前体反应的化合物或合金。例 如，无电镀已经被用于形成卤化氢储气瓶的镍-磷衬里。在衬里中的磷可以 沥滤到前体中，从而降低其纯度。该衬里还是脆性的，并且具有与下面的 碳钢气瓶壁完全不同的热膨胀特性。裂纹容易在衬里中形成，从而使反应 性碳钢暴露于前体中。

在衬里中的缺陷和杂质可能将腐蚀性前体污染到它变得不可用于高纯 度应用的程度。该问题随着日益需要纯腐蚀性前体的更多应用的发展而增 加。因此，需求可以形成缺陷和杂质明显更少的惰性储存容器衬里的新涂 覆方法。本发明提出了这些方法以及由这些方法制造的带衬里的储存容 器。

发明简述

本发明的实施方案包括涂覆气体储存容器的方法。该方法可以包括如 下步骤：将化学气相前体供给到储存容器的内部空间，以及在暴露于储存 容器的内部空间中的内表面上形成金属涂层。该涂层由化学气相前体形 成。

本发明的实施方案还包括气体储存容器，该气体储存容器包含具有可 以暴露于储存气体中的内表面的气体储存罐以及在储存罐的内表面上形 成的衬里。该衬里可以包含纯度为约99重量％以上的金属或金属合金。

本发明的实施方案还可以进一步包括用于制备金属衬里的气体储存容 器的系统。该系统可以包含产生化学气相前体的化学气相前体发生器以及 前体注入组件，所述前体注入组件用于将化学气相前体输送到气体储存罐 的内部空间中。该系统还可以包含用于从气体储存罐的内部空间中移除气 体沉积产物的废气出口。化学气相前体在储存罐的内表面上形成金属衬 里。

另外的实施方案和特征是在下面的描述中部分阐明的，并且本领域的 技术人员通过查看说明书，部分将变得明显，或者可以通过本发明的实践 而获悉。本发明的特征和优点可以通过在说明书中描述的手段、组合和方 法而实现并获得。

附图简述

图1是说明在根据本发明实施方案的涂覆气体储存容器的方法中的步 骤的流程图；

图2是根据本发明实施方案的用于在气体储存容器中形成金属衬里的 系统的简化示意图；

图3是根据本发明实施方案的用于循环和再循环用于在气体储存容器 中形成衬里的前体的系统的示意图；以及

图4显示根据本发明实施方案的用于气瓶的NPT/NGT旋塞外形。

发明详述

描述了形成用于液体和气体储存容器的低缺陷、高纯度衬里(即，涂层) 的方法。所述方法可以包括在储存容器的内表面上沉积衬里的化学气相沉 积法(CVD)。CVD法可以在组装的储存容器(例如，气瓶)上进行，以减少 在衬里内由热锻造和其它组装步骤所引起的缺陷。该方法还可以使用在衬 里内留下更少杂质的原料，从而降低储存在容器中的液体和气体的污染。 可以选择原料以给衬里提供多种不同的品质，包括但不限于防腐、提高的 强度、抗震裂性、导电性、电磁反射率、耐磨损性和/或耐摩擦性。

实例包括使用金属-有机化学气相沉积(MOCVD)在碳钢储气瓶的内表 面上形成金属衬里。可以在允许金属取代物(substituent)沉积在气瓶的内表 面上的条件下，将有机金属化学气相前体供给到所述气瓶以形成金属衬 里。可以选择化学气相前体和工艺条件，以形成金属纯度为至少90重量％； 99重量％(即，2个9的纯度)；99.9重量％(3个9的纯度)；99.99重量％(4 个9的纯度)；99.999重量％(5个9的纯度)以上的金属衬里。用于制备金 属衬里的有机金属前体可以给所述气瓶提供对腐蚀性液体或气体的高耐 腐蚀性。

本发明允许金属涂层在复杂形状的内部上的可控沉积。涂层可以是均 匀的，或具有不同的厚度，并且还可以防止所选择的区域被沉积。通常可 以在所有成形操作完成之后涂覆涂层作为最终制备步骤，从而使在金属涂 层中的变形和残余应力最小。

在此描述的技术具有优于电化学手段中的电镀的优点，因为电极和基 材的几何形状可能提供沉积不能均匀地发生或根本不发生的很复杂构造。 无电方法可以保形地涂覆更复杂的结构，但是通常将化学还原剂混入沉积 材料中。

纯金属在通常难于通过其它方法涂覆或电镀的构造中的应用具有显著 的商业价值。当前，在半导体工业中需要将镍衬里气瓶用于腐蚀性气体的 应用，其中镍含量必须大于99％的纯度。用于制造这种气瓶的当前手段是 困难并且昂贵的，因为在制造工艺的中间过程中必须进行电镀。然后，将 电镀的壳体返回给气瓶制造商以进行壳体封闭以及螺纹的钻孔和攻丝。在 颈缩处理过程中，镍涂层通常由于制造工艺的应力而剥离。此外，因为在 该处理过程中镍涂层脱掉，所以必须在钻孔和攻丝之后重新电镀螺纹区。

在完全组装的气瓶上形成镍衬里的方法的实施方案中，相比于常规的 制造方法，显著地节省了原料和时间。此外，与相应的电解镍电镀气瓶相 比，通过定向化学气相沉积所涂覆的气瓶的缺陷比率低得多。

示例性涂覆方法

现在参考图1，显示了说明根据本发明实施方案的涂覆气体储存容器 的方法100中的步骤的流程图。方法100包括提供用于涂覆的储存容器 102。储存容器可以包括由碳钢、铁、铝等制成的液体/气体储气瓶。可以 将气瓶组装至已经将圆盖形顶部热锻造、焊接、钎焊、粘接和/或另外连接 到圆柱形气瓶体上的程度。

可以在顶部形成(例如，机械加工)开口，以接纳控制储存在气瓶中的 流体(即，液体和气体)的阀组件。可以使用碳钢旋塞拧入开口。可以通过 使碳钢旋塞过多地穿过开口过度地拧入开口。在螺纹被涂覆衬里材料之 后，可以将开口重新攻丝，以提供与啮合阀杆或其它带螺纹物件的适当配 合。在螺纹区的涂层还可以通过控制与螺纹接触的化学气相前体的流速而 变得更薄。流速可以用限制前体到达带螺纹开口的挡板来控制。在另外的 实施方案中，如图4所示的第二旋塞可以被用在开口的未涂覆部分，其比 NPT或NGT旋塞(taper)更接近于直线。这种第二旋塞可以在颈底部切入 (cut)得更深，并且当将开口的底部重新攻丝时，在开口的顶部留下更多的 材料以保持机械完整性。

可以将储存容器的内表面预处理，因而衬里将更好地粘附于容器基材 上。预处理可以包括用溶剂洗涤剂洗涤溶剂的内表面，以移除有机污染物。 洗涤还可以使用从容器内表面移除氧化物化合物的酸溶液来进行。

方法100还可以包括将化学气相前体104供给到储存容器中。化学气 相前体的实例可以包括有机金属前体，所述有机金属前体包含有机取代物 和金属取代物，其中有机取代物包括甲基、乙基、丙基、丁基，而金属取 代物包括镍、金、铂、铜、钛、铅、铬、铁、钨、钴和银。具体的有机金 属前体包括例如羰基镍、四乙基铅和二甲基氢化铝，以及许多其它的有机 金属前体。此外，金属取代物可以与卤素取代物结合以形成分解而在表面 上形成金属的前体。实例包括上述列出的金属与氟化物、氯化物、溴化物、 碘化物。分子的实例包括但不限于NiCl2、AsCl3、AgBr、TiCl4和WF6。

化学气相前体可以从预制备的前体源供给，或可以在沉积操作过程中 原位生成。例如，通过将金属基材与含碳反应物反应，可以原位生成有机 金属前体。金属基材可以包括例如镍、金、铂、铜、钛、铅、铬、铁、钨、 钴和/或银，以及其它的金属。含碳反应物可以包括例如C1-6烷基、CO基 和/或芳族基团，以及其它的反应物。其它实例包括供给金属卤化物化学气 相前体，比如NiCl2、AsCl3、AgBr、TiCl4和WF6。

可以将化学气相前体以纯气体形式或以包含前体和非反应性载气的气 体混合物形式供给到储存容器中。当使用气体混合物时，可以控制前体和 其它气体的分压以将前体浓度保持在预定范围内。还可以控制在储存容器 中的化学气相前体的流体动力学，以保持将前体供给到容器的所有暴露区 域。这可以包括通过延伸到容器内的多孔管或分配歧管供给前体。通过孔 从管排出的前体可以以更均匀的流速到达内容器表面(尤其是容器的底部) 的所有区域。

还可以使用气体注入组件，所述气体注入组件被插入将被涂覆的部分 内，并且被设计成将气体分配在所述部分内以使不同区域涂覆有不同厚度 金属。气体、组装歧管和所述部分的温度还可以被独立地控制，以获得均 匀的衬里厚度。组装歧管还可以包括用于惰性气体的分配管线，该惰性气 体可以被用作防止在局部区域，比如在化学反应器的透明视镜的内表面上 的衬里沉积的掩蔽层(blanket)。化学气相前体还可以用通过各种锐孔的层 流路径来控制。此外，可以通过各种通道和限制性锐孔引导前体，以获得 沉积的定向控制。

对于在暴露于高温下时分解的金属沉积前体，气体注入组件还可以包 含冷却歧管或气体的设备，以防止金属沉积在歧管本身上。冷却可以通过 例如将进入歧管的前体在进入之前进行冷却来实现，使得热传递到歧管内 的速率足够低，以致气体在排出歧管之前没有明显分解。通过将包括在歧 管内的通道用于循环冷却的传热流体强制冷却歧管，也可以进行在歧管中 前体的冷却。还可以通过减压阀使前体进入歧管进行冷却，使得膨胀气体 的热力学冷却(称作Joule-Thompson效应)充分冷却气体，以致在气体分配 歧管上不发生沉积。还可以使用另外的方法冷却在歧管中的前体。

可以将化学气相前体沉积在储存容器的内部上，以形成容器衬里106。 可以被控制以影响衬里的纯度、厚度和其它性能的沉积参数可以包括在储 存容器中的化学气相前体压力(或分压)、容器内表面的温度和前体的流速， 以及其它的条件。还可以将前体部分地分解以形成带电物种，并且还可以 通过电和磁的方式定向控制后续的带电物种。还可以以电或磁的方法控制 目标基材表面，以控制其中发生沉积的区域。

除用于分解含挥发性金属的物种的热方法之外，可以使用其它方法比 如光诱导分解、磁场诱导分解和化学诱导分解，以将金属沉积在特定的区 域内，和或将金属在各种基材上形成图案。

在沉积过程中产生的挥发性废物可以从容器108中被移除。形成衬里 的化学气相前体通常在沉积过程中产生废料。废料可以包括当在储存容器 的内表面上沉积前体的衬里部分时释放的挥发性取代物。例如，可以采用 羰基镍Ni(CO)4作为化学气相前体以沉积镍衬里。当沉积Ni原子时，一氧 化碳被释放，并且变为容器中的挥发性废产物。当衬里形成时，可以移除 CO。

一些废产物比如CO可以被再循环以生成更多的化学气相前体。可以 将这些废物从储存容器中回收并且纯化，之后重新引入金属基材中，以原 位生成更多的前体。再循环废产物这种方法可以显著降低形成衬里所需要 的原料的量，以及降低处理废物的成本。

方法100还可以包括将由化学气相前体110所形成的储存容器衬里精 加工。这种精加工可以包括将沉积的衬里进行清洁、退火、抛光等。将衬 里精加工可以是任选的，尤其是在未精加工的衬里具有所需的衬里性能 时。

示例性的储存容器涂覆系统

图2示出了根据本发明实施方案的用于在气体储存容器中形成金属衬 里的系统200。在所说明的实施方案中，系统200被构造成通过羰基镍 (Ni(CO)4)前体的化学气相沉积在气体储存容器的内部上形成镍涂层。

系统200包含前体分配歧管202和前体注入组件206，所述前体分配 歧管202与一个或多个化学气相前体发生器204连接。歧管202还可以包 含用于另外的气体(未显示)的阀控制进口208，所述其它气体可以与化学 气相前体混合。

歧管202可以由各种材料构成，所述各种材料包括但不限于与金属沉 积气体相容的金属，或限制沉积金属粘附到歧管上的聚合物比如Tefzel。 此外，歧管202可以由聚合物和金属材料的组合制成，以使涂层或衬里可 以以衬里可以被周期性替换的方式置于不锈钢管的内部。

在系统200中，涂覆工艺可以从原位生成化学气相前体开始。通过将 取代物(在该实例中，它为一氧化碳)供给到充满金属粒料(例如，镍粒料) 的发生器204中，可以生成前体。当粒料在发生器204中被加热到约80℃ 时，在约1至2个大气压下与一氧化碳接触，生成羰基镍Ni(CO)4前体。 前体在阀控制进口210处进入歧管202，并且在出口212从歧管排出。排 出的前体流过注入组件206，在此前体可以接触气体储存罐214的内表面。 储存罐214的壁的内壁可以由碳钢构成，该内壁在沉积过程中被热源(未显 示)加热。

当羰基镍前体累积到约1个大气压并且罐214被加热到约160℃时， 前体开始分解并且在内表面上沉积镍金属的涂层。对于每1分子羰基镍， 前体分解产生4分子CO，从而可以在气瓶内部导致迅速的压力增加。可 以将压力控制器(未显示)与歧管202或组件206连接，以将瓶压力保持在 预定范围内。

主要包含一氧化碳的挥发性废产物可以通过插入在罐顶部的出口216 从罐214中被移除。在所示的实施方案中，将出口216与罐214连接。在 另外的实施方案中，可以在注入组件206和/或歧管202(未显示)中形成一 个或多个废气出口。废产物可以以废气形式被处理，或再循环以提供用于 另外的化学气相前体的原料。

图3显示根据本发明实施方案的用于循环和再循环用于在气体储存容 器中形成衬里的前体的系统300。在所说明的实施方案中，系统300被构 造成将羰基镍(Ni(CO)4)前体循环，并且将一氧化碳反应产物再循环到另外 的前体中。

系统300包含将前体供给到前体分配歧管304中的前体发生器302。 由前体沉积产生的废产物被输送到净化器306，所述净化器306可以将至 少一部分废物再循环到取代物中，所述取代物可以被送回到发生器302以 帮助产生更多的前体。净化器306可以将有用的取代物(例如，CO)与污染 物比如来自储存容器壁的金属分离。在所示的实例中，通过净化器306将 在羰基镍废产物中的铁污染物以羰基铁(Fe(CO)5)的形式分离并且移除。

应当理解，系统200和300可以被用于在储存容器中形成各种低缺陷、 高纯度的衬里，并且应当不限于由羰基镍形成镍衬里。例如，系统200和 300可以被用于由合适的化学气相前体形成金、铂、铜、钛、铅、铬、铁、 钨、钴、铪、锆、钽、钌、锌、镓、铟、锗、硅、砷和/或银衬里。

钨衬里在碳钢气瓶上示例性形成

CVD涂覆工艺使用六氟化钨(WF6)，以在碳钢压缩气瓶的内部上沉积 钨金属衬里。六氟化钨可以是高纯度的(例如，以重量计的纯度为99％、 99.9％、99.99％、99.999％等)，以制备具有同等纯度水平的高纯度钨金属 衬里(例如，以重量计的钨纯度为99％、99.9％、99.99％、99.999％等的衬 里)。钨沉积操作可以从额定在例如100psi以上、1000psi以上等的压力 下储存流体的气瓶开始。与在将所述气瓶封闭、钻孔和攻丝之前使用的电 镀涂覆相反的是，所述气瓶可以已经处于它们的最终形式。这样消除了在 气瓶制造商和电镀工厂之间的很多处理和装运步骤，并且还消除了电镀粘 附和残余应力的问题。

镍衬里在碳钢气瓶上的示例性形成

CVD涂覆工艺使用羰基镍，以在用于六氟化钨供给(delivery)的碳钢压 缩气瓶的内部上沉积镍衬里。羰基法应当是相当廉价的，并且制备更好质 量的气瓶衬里。在镍涂层中的杂质和夹杂物应当是显著减少的。与在将气 瓶封闭、钻孔和攻丝之前使用的电镀涂覆相反的是，这种涂覆操作从已经 处于其最终形式的气瓶开始。这样消除了在气瓶制造商和电镀工厂之间的 很多处理和装运步骤，并且还消除了电镀粘附和残余应力的问题。这些气 瓶对于很多其它腐蚀性气体，包括卤化氢(例如氯化氢、溴化氢等)的供给 也是合适的。

当固体镍暴露于纯一氧化碳气体(CO)中时，镍(以及更小程度的钴和铁) 容易形成气体化合物羰基镍(Ni(CO)4)。下面报导了典型的工艺条件；这样 的条件对于我们的目的可能是适当的，但并不是最佳的。

在约80℃和1atm压力使用高纯度固体镍和纯CO，在轻微放热的过 程中形成羰基镍。在1atm压力和160℃，使Ni(CO)4进入碳钢气瓶的内部， 在此形成反应逆转，从而将纯镍沉积在气瓶表面上并且释放一氧化碳，所 述一氧化碳被回收并再循环。

回收的一氧化碳包含羰基镍以及羰基铁，所述羰基铁是在一氧化碳与 在暴露的气瓶表面上的暴露铁反应时形成的。在气体可以重新用于镍沉积 之前，必须移除这种羰基铁。

为了简化设计，在羰基形成罐中的压力可以比在气瓶内部的压力稍高， 以使气体在不需要压缩机的情况下流过该系统。类似地，废CO可以从气 瓶中排出到压力更低的区域。如果该气体被再循环，则必须将其再压缩。

已经对几个实施方案进行了描述，本领域技术人员应当认识到，在不 背离本发明精神的情况下，可以使用各种变更、选择性构造和等价物。另 外，为了避免不必要地使本发明不清楚，没有描述很多熟知的工艺和部件。 因此，上述描述不应当被认为限制本发明的范围。

在提供值的范围时，应当理解还具体公开了在该范围的上限和下限之 间的每一个中间值(intervening value)，到下限值的十分之一，除非上下文 已经清楚地指出。在所述的范围内的任何所述值或中间值和在该所述范围 中的其它所述值或中间值之间的每一个更小的范围均包括在内。这些更小 范围的上限和下限都可以独立地包括在该范围内或被排除，并且在任一 个、两个界限值，或者没有一个界限值包括在该更小范围内的每一个范围 也都包括在本发明之内，依所述范围内的任何具体的排除界限值而定。在 所述范围包括一个或两个界限值时，还包括排除这些包括的界限值的一个 或两个的范围。

如在此和后附权利要求中所用，单数形式＂一种(a)＂、＂一个(an)＂和＂所 述(the)＂包括多个对象，除非上下文另外清楚地指出。因此，例如，提及“一 种方法”包括多种这样的方法，而提及“所述电极”包括提及一个或多个 本领域技术人员已知的电极及其等价物，等。

而且，当在本说明书和后附权利要求中使用时，词＂包含(comprise)＂、 ＂包括(comprising)＂、＂包含(include)＂、＂包括(including)＂以及＂包含(includes)＂ 意在表示存在所述特征、整体、组件或步骤，但是它们并不排除一个或多 个其它特征、整体、组件、步骤、行为或组的存在或增加。

相关申请的交叉引用

本申请要求美国临时申请60/740,399的优先权，该临时申请在2005 年11月28日提交，并且题目为“使用化学气相沉积形成的气体储存容器 衬里(Gas Storage Container Linings Formed With Chemical Vapor Deposition)”，该申请的全部内容是为了所有目的而通过引用结合在此的。