化学气相沉积法
新星优知识2020-11-14 15:57
摘要：
化学气相沉积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。它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。
正文：
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--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HC1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，或有很高的蒸汽压，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汽压。
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-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F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-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:1CVD设备简单，维护方便;2CVD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:5CVD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:7CVD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至1200C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:一，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、纤维碳化硅f,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。CVD技术主要是利用气相之间的反应，在各种材料或制品表面沉积-一层薄膜，赋予其一定的特殊性能。CVD膜层致密，和基体结合牢固，某些特殊膜层还具有优异的光学、热学和电学性能。此外，运用CVD技术制备的薄膜绕镀性好，膜厚度较均匀，膜层质量稳定，易于实现批量生产。因此，CVD技术在制膜方面得到了广泛的应用。王豫等人总结CVD制膜技术应用于切削工具车、铣、钻等中，其中包括硬质合金刀具和高速钢刀具。在基体表面沉积高耐磨性的碳化物、氮化物、碳氮化物、硼化物等以及金刚石薄膜。尤其是运用CVD技术在硬质合金或高速钢基体上沉积金刚石薄膜后，其具有比硬质合金高100倍以上的耐磨性。另外，金刚石涂层刀具也比无涂层工具有显著优点。周健等人利用微波等离子化学气相沉积技术，在氮化硅陶瓷工具表面沉积了一层金刚石薄膜。经过切削实验表明，在切削18%Si-Al合金时，金刚石涂层刀具比无涂层刀具的使用寿命要提高10倍以上。
另外在耐磨机械零件方面，活塞环、注射成型用缸体、挤压用螺旋桨、轴及轴承等零部件在运行过程中因滑动而易于磨损，因此，应用CVD涂层技术后使它们得到了好的耐磨性、较低的摩擦系数、并且与基体有良好的粘附性。
另外，CVD技术还可用来对沸石进行改性，以求得到更好的催化效率。诺姆娜选原硅酸四乙酯TMOS为硅源、03为氧化剂，利用反扩散CVD对沸石进行改性。结果显示，沸石晶体间的空隙被堵上了，物质只能从沸石晶体的孔道进入;而同时由于TMOS的沉积是孔道的孔径缩小。当改性后的沸石用以生产丁烷是，正丁烷的选择性达到84.4%。
结论：
化学气相沉积作为一-种非常有效的材料表而改性方法，在很多领域得到应用，它提高了材料的使用寿命，节省了大量的材料，为社会带来了显著的经济效益。随着化学气相沉积技术的发展，化学气相沉积的应用领域越来越广阔，除了在材料的表面改性方面、新材料制备方面以外，在半导体工业、光学工业、声学工业等领域，化学气相沉积也将大有作为，发挥更大的作用。尤其是其在大规模及超大规模集成电路中的应用越来越受到青睐。
另外，在制备粉体材料方面，利用高效稳定的催化剂促进CVD制粉过程，或与物理方法结合，在低温、高真空条件下制备粉体材料也成为未来化学气相沉积技术发展的方向。
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