1、第八章 气相沉积技术,8-3 化学气相沉积（CVD）化学气相沉积是利用气态物质在固体表面发生化学反应，生成固态沉积物的过程。化学气相沉积的过程可以在常压下进行，也可以在低压下进行。CVD技术是当前获得固态薄膜的方法之一。,与物理气相沉积不同的是：化学气相沉积粒子来源于化合物的气相分解反应。在相当高的温度下，混合气体与基体的表面相互作用，使混合气体中的某些成分分解，并在基体上形成一种金属或化合物的固态薄膜或镀层。,一、 CVD反应过程及一般原理在反应器内进行的CVD过程，其化学反应是不均匀的， 可在衬底表面或衬底表面以外的空间进行。衬底表面的 大致过程如下：（1）反应气体向衬底表面扩散。（2）反
2、应气体分子被吸附于衬底表面。（3）在表面上进行化学反应、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。,（1）反应气体向衬底表面扩散。（2）反应气体分子被吸附于衬底表面。（3）在表面上进行化学反应、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。,CVD基本条件:沉积温度下必须有足够高的蒸汽压；反应生成物除所需沉积物为固态外，其余为气态；沉积物本身饱和蒸汽压足够低。,二、CVD反应,三、CVD的特点CVD与其他涂层方法相比，具有如下特点：（1）设备简单，操作维护方便，灵活性强，既可 制造金属膜、非金属膜，又可按要求制造多种成分 的合金、陶瓷和化
3、合物镀层。（2）可在常压或低真空状态下工作，镀膜的绕 射性好，形状复杂的工件或工件中的深孔、细孔都 能均匀镀膜。,（3）由于沉积温度高，涂层与基体之间结合好，这 样，经过 CVD法处理后的工件，即使用在十分恶劣 的加工条件下，涂层也不会脱落。 （4）涂层致密而均匀，并且容易控制其纯度、结构 和晶粒度。 （5）沉积层通常具有柱状晶结构，不耐弯曲。但通 过各种技术对化学反应进行气相扰动，可以得到细 晶粒的等轴沉积层。该法最大缺点是沉积温度高，一般在7001100 范围内，许多材料都经受不了这样高的温度，使其 用途受到很大的限制。,四、CVD的应用利用CVD技术，可以沉积出玻璃态薄膜， 也能制出纯度
4、高、结构高度完整的结晶薄 膜，还可沉积纯金属膜、合金膜以及金属间 化合物。这些新材料由于其特殊的功能已在复合材料、微电子学工艺、半导体光电技术、太阳能利用、光纤通信、超导电技术和保护涂层等许多新技术领域得到了广泛应用。,1.复合材料制备CVD法制备的纤维状或晶须状的沉积物在发展复 合材料方面它具有非常大的作用。如Be、B、Fe、 Al2O3、SiO2、SiC、Si3N4、AlN和BN等纤维或晶 须增强的Al、Mg、Ti、Ni、Cu及各种树脂类高分子 聚合物等的复合材料，以及纤维和晶须增强的各种 陶瓷类复合材料。,2.微电子学工艺 半导体器件，特别是大规模集成电路的制作，其基 本工艺流程都是由外
5、延、掩膜、光刻、扩散和金属 连接等过程组合而成的。其中半导体膜的外延、P N结扩散源的形成、介质隔离、扩散掩膜和金属膜的 沉积等是这些工艺的核心步骤。,3.半导体光电技术 半导体光电技术包括半导体光源、光接受、光波 导、集成光路及光导纤维等一系列基础理论和应用 技术的边缘学科。CVD法可以制备半导体激光器、 半导体发光器件、光接受器和光集成光路等。,4.太阳能利用利用无机材料的光电转换功能制成太阳能电池是 太阳能利用的一个重要途径。制成了多种异质结太 阳能电池，如 SiO2/Si， GaAs/GaAlAs等，它们几乎 全制成薄膜形式。气相沉积是最主要的制备技术。,5.光纤通信 光纤通信由于其容
6、量大、抗电磁干扰、体积小、对 地形适应性高、保密性高以及制造成本低等优点， 因此得到迅速发展。通信用的光导纤维是用化学气 相沉积技术制得的石英玻璃棒经烧结拉制而成的。 利用高纯四氯化硅和氧气可以很方便地沉积出高纯 石英玻璃。,6.超电导技术化学气相沉积生产的Nb3Sn超导材料是 目前绕制高场强小型磁体的最优良材料。化学气相沉积法生产出来的其他金属间化 合物超导材料还有V3Ga和Nb3Ga等。,7.保护涂层化学气相沉积在保护涂层领域中得到了广 泛的应用。CVD法可以沉积多种元素及其氮 化物、氧化物、硼化物、硅化物和磷化物， 在耐磨镀层中，用于金属切削刀具占主要地 位。,CVD法生产粉红色钻石,五
7、、CVD与PVD比较工艺温度高低是CVD和PVD之间的主要 区别。温度对于高速钢镀膜具有重大意 义。CVD法的工艺温度超过了高速钢的回火 温度，用CVD法镀制的高速钢工件，必须进 行镀膜后的真空热处理，以恢复硬度。镀后热处理会产生不容许的变形。,CVD与PVD比较CVD工艺对进入反应器工件的清洁要求比 PVD工艺低一些，因为附着在工件表面的一些 污物很容易在高温下烧掉。此外，高温下得 到的镀层结合强度要更好些。CVD镀层往往比各种PVD镀层略厚一些，前 者厚度在7.5m左右，后者通常不到2.5m 厚。CVD镀层的表面略比基体的表面粗糙些。 相反，PVD镀膜如实地反映材料的表面，不用 研磨就具有
8、很好的金属光泽，这在装饰镀膜方 面十分重要。,CVD与PVD比较CVD反应发生在低真空的气态环境中，具有 很好的绕镀性，所以密封在CVD反应器中的所 有工件，除去支承点之外，全部表面都能完全 镀好，甚至深孔、内壁也可镀上。所有的PVD技术由于气压较低，绕镀性较差， 因此工件背面和侧面的镀制效果不理想。,CVD与PVD比较比较CVD和PVD这两种工艺的成本比较 困难，有人认为最初的设备投资PVD是 CVD的3一4倍，而PVD工艺的生产周期是 CVD的1/10。,CVD与PVD比较在CVD的一个操作循环中，可以对各式各 样的工件进行处理，而PVD就受到很大限 制。综合比较可以看出，在两种工艺都可用
9、 的范围内，采用PVD要比CVD代价高。操作运行安全问题，PVD是一种完全没有 污染的工序，有人称它为“绿色工程”。,CVD与PVD比较而CVD的反应气体、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，因此对 设备、环境、操作人员都必须采取一定的措 施加以防范。,六、化学气相沉积的新进展气相沉积-制备各种类型的固体镀层 的重要方法。CVD-温度较高少数600以下多数都在9001000,零件的变形组织变化降低基体材料的机械性能基体材料-沉积的镀层中的合金元素 在高温下会发生相互扩散，在交界处形 成某些脆性相，从而削弱了两者之间的 结合力。,化学气相沉
10、积的新进展 金属有机化合物化学气相沉积 （MOCVD） 等离子体化学气相沉积法（PCVD） (PECVD) 激光化学气相沉积法（LCVD） 低压化学气相沉积（LPCVD）,等离子体化学气相沉积（PCVD） Plasma (Enhanced) Chemical Vapor Deposition 低压气体放电技术 化学气相沉积,直流电场 高频电场 微波场,反应气体发生辉光放电,等离子体及其性质,等离子体是气体存在的一种状态，在这种状态下，气体由离子、电子和中性原子组成，在宏观上呈电中性。等离子体可以由气体放电（辉光放电和弧光放电）或高温（火焰、电弧、核反应）产生,等离子体化学气相沉积（PCVD）,在低温等离子体中高能电子和反应气体产生非弹性碰撞，使反应气体分子电离或激发，降低了化合物分解或化合所需的能量，使反应温度降低，在低温时便可以得到化合 物涂层。,用等离子体所强化的沉积过程叫做等 离子体化学气相沉积。如采用 TiCl4，H2，N2的混合气体，沉积反应是先由TiCl4与H2作用而还原成TiCl3，TiCl2，气相分子在工件表面吸附并与N2作用而生成TiN。,金刚石薄膜 正面的SEM照片,薄膜脱离后衬底 的SEM照片,
