化学气相沉积技术的应用与发展.doc

化学气相沉积技术的应用与进展一、化学气相沉积技术的发展现状精细化工是当今化学工业中最具活力的新兴领域之一，是新材料的重要组成部分，现代科学和技术需要使用大量功能各异的无机新材料，这些功能材料必须是高纯的，或者是在高纯度材料中有意地掺人某种杂质形成的掺杂材料。但是，我们过去所熟悉的许多制备方法如高温熔炼、水溶液中沉淀和结晶等往往难以满足这些要求，也难以保证得到高纯度的产品。因此，无机新材料的合成就成为现代材料科学中的主要课题。化学气相沉积技术(Chemical vapor deposition，简称CVD)是近几十年发展起来的制备无机材料的新技术。化学气相沉积法已经广泛用于提纯物质、研制新晶体、沉积各种单晶、多晶或玻璃态无机薄膜材料。这些材料可以是氧化物、硫化物、氮化物、碳化物，也可以是二元或多元的元素间化合物，而且它们的物理功能可以通过气相掺杂的沉积过程精确控制。目前，用CVD技术所制备的材料不仅应用于宇航工业上的特殊复合材料、原子反应堆材料、刀具材料、耐热耐磨耐腐蚀及生物医用材料等领域，而且还被应用于制备与合成各种粉体料、新晶体材料、陶瓷纤维及金刚石薄膜等。二、化学气相沉积技术的工作原理化学气相沉积是指利用气体原料在气相中通过化学反应形成基本粒子并经过成核、生长两个阶段合成薄膜、粒子、晶须或晶体等固体材料的工艺过程。它包括5个主要阶段：反应气体向材料表面扩散；反应气体吸附于材料的表面；在材料表面发生化学反应；生成物从材料的表面脱附；(5)产物脱离材料表面。 目前CVD技术的工业应用有两种不同的沉积反应类型即热分解反应和化学合成反应。它们的共同点是：基体温度应高于气体混合物；在工件达到处理温度之前气体混合物不能被加热到分解温度以防止在气相中进行反应。三、化学气相沉积技术的特点化学气相沉积法之所以得以迅速发展，是和它本身的特点分不开的，与其他沉积方法相比，CVD技术除了具有设备简单、操作维护方便、灵活性强的优点外，还具有以下优势： (1)沉积物众多，它可以沉积金属、碳化物、氮化物、氧化物和硼化物等，这是其他方法无法做到的； (2)能均匀涂覆几何形状复杂的零件,这是因为化学气相沉积过程有高度的分散性；(3)涂层和基体结合牢固；(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)设备简单，操作方便。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，但是在实际生产过程中CVD技术也还存在一些缺陷：(1)反应温度较高，沉积速率较低，难以局部沉积；(2)参与沉积反应的气源和反应后的余气都有一定的毒性；(3)镀层很薄，已镀金属不能再磨削加工，如何防止热处理畸变是一个很大的难题，这也限制了CVD法在钢铁材料上的应用, 而多用于硬质合金。四、化学气相沉积技术的应用1、制备超细陶瓷材料超细粉表面积大, 烧结温度降低，可以使其成为一种有效的烧结添加剂。如氮化铝是一种非常重要的高导热陶瓷，做成集成元件的基板取代现有的基板材料，可以提高导热率，从而可以解决当集成元件的集成度提高时所带来的热难以迅速散发出去的问题。但是，氮化铝的稠密烧结非常困难，需靠添加氧化物烧结剂来使氮化铝稠密烧结，大量添加氧化物会使氮化铝中第二相增多，反而降低整体的导热率。添加5%10%的氮化铝超细粉，一方面可以利用烧结驱动力大的特点促进氮化铝烧结，另一方面也可以减少第二相，对提高氮化铝的导热率有较好的效果。除此之外。像碳化钨，碳化硅，氮化硅等都可以通过添加这些物质的纳米粉的方法来促进烧结。2、制备晶体或晶体薄膜由于现代科学技术对无机新材料的迫切需求，晶体生长领域的发展十分迅速。化学气相沉积法不仅能极大改善某些晶体或晶体薄膜的性能，而且还能制备出许多其他方法无法制备的晶体，由于化学气相沉积法具有设备相对简单，操作方便，适应性强的特点， 因而成为无机新晶体主要的制备方法之一，广泛应用于新晶体的研究与探索。CVD最主要的应用之一是在一定的单晶基体上沉积外延单晶层。最早的气相外延工艺是硅外延生长，其后又制备出外延化合物半导体层。气体外延技术亦广泛用于制备金属单晶薄膜及一些化合物单晶薄膜。3、制备梯度功能材料梯度功能材料是为了适应未来新技术、新设备发展的需要，在80年代后期发展起来的一类组成、结构与性能呈连续变化的高性能材料。首先在航空、航天领域中获得了系统的研究和实际应用。随着科学技术的进步及相关工业的发展，在机械工程的设计、制造中也普遍采用了梯度功能材料。目前的梯度功能材料制备方法有粉末铺层法、薄膜沉积法、CVD法、等离子喷涂法、自蔓延燃烧法等。在这些方法中，由于CVD 能按设计要求精确地控制材料的组成、结构和形态，并能使组成、结构与形态从一种组分到另一种组分连续变化，无需烧结等处理即可制备出致密的、性能优异的梯度功能材料，因而倍受人们的重视。目前，已用CVD方法成功地制备出碳碳化硅、碳碳化钛、碳化钛碳化硅等体系的梯度功能材料。五、几种新型化学气相沉积技术1、金属有机化合物化学沉积技术( MOCVD )MOCVD的发展是半导体外延沉积的需要。它是把金属烷基化合物或配位化合物与其它组分(主要是氢化物)送入反应室，然后金属有机化合物分解沉积出金属或化合物。MOCVD的主要优点是沉积温度低，这对某些不能承受常规CVD的高温基体是很有用的，如可以沉积在钢这样一类的基体上；其缺点是沉积速率低，晶体缺陷度高，膜中杂质多；且某些金属有机化合物具有高度的活性，必须加倍小心。2、激光化学气相沉积技术( LCVD )LCVD是一种在化学气相沉积过程中利用激光束的光子能量激发和促进化学反应的薄膜沉积方法。激光作为一种强度高、单色性好和方向性好的光源，在CVD中发挥着热效应和光效应。一方面激光能量对基体加热，可以促进基体表面的化学反应，从而达到化学气相沉积的目的；另一方面高能量光子可以直接促进反应物气体分子的分解。利用激光的上述效应可以实现在基体表面的选择性沉积，即只在需要沉积的地方才用激光光束照射，就可以获得所需的沉积图形。另外，利用激光辅助CVD沉积技术，可以获得快速非平衡的薄膜，膜层成分灵活，并能有效地降低CVD过程的衬底温度。如利用激光，在衬底温度为50 时也可以实现二氧化硅薄膜的沉积。目前，LCVD技术广泛用于激光光刻、大规模集成电路掩膜的修正、激光蒸发沉积以及金属化等领域。LCVD法氮化硅薄膜已达到工业应用的水平，其平均硬度可达2200HK；氮化钛、碳化硅 及碳化钛膜正处于研发阶段。3、等离子增强化学气相沉积技术( PECVD )近年来发展的等离子体增强化学气相沉积法也是一种很好的方法，最早用于半导体材料的加工，即利用有机硅在半导体材料的基片上沉积二氧化硅，该方法利用等离子中的电子动能来激发化学气相反应。PECVD将沉积温度从1000降低到600以下，最低的只有300左右。因为PECVD利用了等离子体环境诱发载体分解形成沉积物，这样就减少了对热能的大量需要，从而大大扩展了沉积材料及基体材料的范围。目前，等离子增强化学气相沉积技术除了用于半导体材料外，在刀具、模具等领域也获得成功的应用。如利用PECVD在钢件上沉积出氮化钛等多种薄膜不仅提高了模具的工作温度，也使模具的寿命大大提高。六、化学气相沉积技术的发展趋势 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。与此同时交叉、综合地使用复合的方法，不仅启用了