内容发布更新时间 : 2024/12/31 4:48:19星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

化学气相沉积

概述

化学气相沉积(Chemical vapor deposition，简称CVD)是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。CVD技术可以生长高质量的单晶薄膜，能够获得所需的掺杂类型和厚度，易于实现大批量生产，因而在工业上得到广泛的应用。工业上利用CVD制备的外延片常有一个或多个埋层可用扩散或离子注入的方式控制器件结构和掺杂分布；外延层的氧和碳含量一般很低。但是CVD外延层容易形成自掺杂，要用一定措施来降低自掺杂。

CVD生长机理很复杂，反应中生成多种成分，也会产生一些中间成分，影响因素有很多，如：先躯体种类；工艺方法（tcvi，icvi，pcvd）；反应条件（温度，压力，流量）；触媒种类；气体浓度；衬基结构；温度梯度；炉内真空度等外延工艺有很多前后相继，彼此连贯的步骤。

原理

将两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内，然后他们相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到基体表面上。反应物多为金属氯化物，先被加热到一定温度，达到足够高的蒸汽压，用载气（一般为Ar或H2）送入反应器。如果某种金属不能形成高压氯化物蒸汽，就代之以有机金属化合物。在反应器内，被涂材料或用金属丝悬挂，或放在平面上，或沉没在粉末的流化床中，或本身就是流化床中的颗粒。化学反应器中发生，产物就会沉积到被涂物表面，废气（多为HCl或HF）被导向碱性吸收或冷阱。除了需要得到的固态沉积物外，化学反应的生成物都必须是气态 沉积物本身的饱和蒸气压应足够低，以保证它在整个反应、沉积过程中都一直保持在加热的衬底上。反应过程：（1）反应气体向衬底表面扩散（2）反应气体被吸附于衬底表面（3）在表面进行化学反应、表面移动、成核及膜生长（4）生成物从表面解吸（5）生成物在表面扩散。所选择的化学反应通常应该满足：①反应物质在室温或不太高的温度下最好是气态，或有很高的蒸气压，且有很高的纯度：②通过沉积反应能够形成所需要的材料沉积层：③反应易于控制在沉积温度下，反应物必须有足够高的蒸气压

主要设备

生长设备分为开管和闭管两种。闭管外延是将源材料，衬底，输运剂一起放在一密闭容器中，容器抽空或充气。开管系统是用载气将反应物蒸汽由源区输运到衬底区进行化学反应和外延生长，副产物被载气携带排出系统。 常压CVD反应中有立式反应器，水平式反应器，圆盘式反应器，和圆桶式反应器等。 超高真空设备有UHV/CVD反应系统。还有等离子增强CVD外延生长装置，光增强外延生长装置，氯化物VPE系统和MOCVD生长系统。

技术特点

每一个CVD系统都必须具备如下功能：①将反应气体及其稀释剂通入反应器，并能进行测量和调节；

②能为反应部位提供热量，并通过自动系统将热量反馈至加热源，以控制涂覆温度。 ③将沉积区域内的副产品气体抽走，并能安全处理。

在CVD过程中，只有发生气相-固相交界面的反应才能在基体上形成致密的固态薄膜。 CVD中的化学反应受到气相与固相表面的接触催化作用，产物的析出过程也是由气相到固相的结晶生长过程。在CVD反应中基体和气相间要保持一定的温度差和浓度差，由二者决定的过饱和度产生晶体生长的驱动力。

1）在中温或高温下，通过气态的初始化合物之间的气相化学反应而沉积固体。 （2）可以在大气压（常压）或者低于大气压下（低压）进行沉积。（3）采用等离子和激光辅助技术可以显著地促进化学反应，使沉积可在较低的温度下进行。（4）镀层的化学成分可以改变，从而获得梯度沉积物或者得到混合镀层。5）可以控制镀层的密度和纯度。（6）绕镀性好，可在复杂形状的基体上以及颗料材料上镀制。

优缺点

优点：（1） CVD设备简单，维护方便；（2）CVD设备操作简单，灵活性强 （温度，炉压等）；（3）可以制备多种金属、合金、陶瓷、化合物的涂层、复合涂层或梯度涂层 ；（4）绕镀性好，可在复杂形状的基体上以及颗粒材料上镀制；（5）CVD工艺可以制备出先进的纤维、泡沫、粉末，甚至复合材料 ；（6）因沉积温度高，沉积物与基体的结合强度高；（7）CVD工艺制备出的涂层致密、均匀，所以可以较好的控制涂层的密度，纯度、结构和晶粒度；（8）采用等离子和激光辅助技术可以显著地促进化学反应，使沉积可在较低的温度下进行；

缺点：1.CVD的最大缺点是沉积温度太高，一般在900～1200℃范围内。被处理的工件在如此高的温度下，会变形，会出现晶粒长大，会出现基材性能下降。2.反应气体、反应尾气都可能具有一定的腐蚀性，可燃性及毒性，反应尾气中还可能有粉末状以及碎片状的物质；3.镀层很薄，已镀零件不能再磨削加工。

应用及最新进展

CVD法主要应用于两大方向：（1）制备涂(镀)层，改善和提高材料或零件的表面性能（提高或改善材料或部件的抗氧化、耐磨、耐蚀以及某些电学、光学和摩擦学性能）；二。开发新型结构材料或功能材料（制备纤维增强陶瓷基复合材料、C/C复合材料等； 制备纳米材料；制备难熔材料的粉末、晶须、纤维（SiCf,Bf)；制备功能材料；）

目前CVD技术在保护膜层、微电子技术、太阳能利用、光纤通信、超导技术、制备新材料等许多方面得到广泛的应用。随着工业生产要求的不断提高， CVD的工艺及设备得到不断改进，不仅启用了各种新型的加热源，还充分利用等离子体、激光、电子束等辅助方法降低了反应温度，使其应用的范围更加广阔。 CVD今后应该朝着减少有害生成物，提高工业化生产规模的方向发展。此外，使CVD的沉积温度更加低温化，对CVD过程更精确地控制，开发厚膜沉积技术、新型膜层材料以及新材料合成技术，将会成为今后研究的主要课题。