无机材料现代合成

无机材料现代合成方法

及其应用化学气相沉积法水热与溶剂热合成自蔓延高温合成溶胶－凝胶法微波与等离子体合成微重力合成超重力合成方法化学气相沉积法化学气相沉积合成方法发展化学气相沉积法的原理化学气相沉积法的适用范围化学气相沉积合成工艺1化学气相沉积合成方法发展化学气相沉积乃是通过化学反应的方式，利用加热、等离子激励或光辐射等各种能源，在反应器内使气态或蒸汽状态的化学物质在气相或气固界面上经化学反应形成固态沉积物的技术。化学气相沉积的英文词原意是化学蒸汽沉积（ChemicalVaporDeposition,CVD），因为很多反应物质在通常条件下是液态或固态，经过汽化成蒸汽再参与反应的。化学气相沉积的古老原始形态可以追朔到古人类在取暖或烧烤时熏在岩洞壁或岩石上的黑色碳层。作为现代CVD技术发展的开始阶段在20世纪50年代主要着重于刀具涂层的应用。从20世纪60～70年代以来由于半导体和集成电路技术发展和生产的需要，CVD技术得到了更迅速和更广泛的发展。CVD技术不仅成为半导体超纯硅原料—超纯多晶硅生产的唯一方法，而且也是硅单晶外延、砷化镓等Ⅲ～Ⅴ旋半导体和Ⅱ～Ⅵ旋半导体单晶外延的基本生产方法。在集成电路生产中更广泛的使用CVD技术沉积各种掺杂的半导体单晶外延薄膜、多晶硅薄膜、半绝缘的掺氧多晶硅薄膜；绝缘的二氧化硅、氮化硅、磷硅玻璃、硼硅玻璃薄膜以及金属钨薄膜等。在制造各类特种半导体器件中，采用CVD技术生长发光器件中的磷砷化镓、氮化镓外延层等，硅锗合金外延层及碳化硅外延层等也占有很重要的地位。在集成电路及半导体器件应用的CVD技术方面，美国和日本，特别是美国占有较大的优势。日本在蓝色发光器件中关键的氮化镓外延生长方面取得突出进展，已实现批量生产。1968年K.Masashi等首次在固体表面用低汞灯照射沉积P型单晶硅膜，开始了光沉积的研究。1972年Nelson和Richardson用CO2激光聚焦束沉积出碳膜，从此发展了激光化学气相沉积的工作。继Nelson后，美国S.D.Allen，Hagerl等许多学者采用几十瓦功率的激光器沉积SiC、Si3N4等非金属膜和Fe、Ni、W、Mo等金属膜和金属氧化物膜。前苏联Deryagin

Spitsyn和Fedoseev等在20世纪70年代引入原子氢开创了激活低压CVD金刚石薄膜生长技术，80年代在全世界形成了研究热潮，也是CVD领域一项重大突破。CVD技术由于采用等离子体、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。中国CVD技术生长高温超导体薄膜和CVD基础理论方面取得了一些开创性成果。Blocher在1997年称赞中国的低压CVD(lowpressurechemicalvapordeposition,LPCVD)模拟模型的信中说：“这样的理论模型研究不仅仅在科学意义上增进了这项工艺技术的基础性了解，而且引导在微电子硅片工艺应用中生产效率的显著提高。”

1990年以来中国在激活低压CVD金刚石生长热力学方面，根据非平衡热力学原理,开拓了非平衡定态相图及其计算的新领域，第一次真正从理论和实验对比上定量化的证实反自发方向的反应可以通过热力学反应耦合依靠另一个自发反应提供的能量推动来完成。低压下从石墨转变成金刚石是一个典型的反自发方向进行的反应，它依靠自发的氢原子耦合反应的推动来实现。在生命体中确实存在着大量反自发方向进行的反应，据此可以把激活（即由外界输入能量）条件下金刚石的低压气相生长和生命体中某些现象做类比讨论。因此这是一项具有深远学术意义和应用前景的研究进展。目前，CVD反应沉积温度的中温化是一个发展方向，金属有机化学气相沉积技术(MOCVD)是一种中温进行的化学气相沉积技术，采用金属有机物作为沉积的反应物，通过金属有机物在较低温度的分解来实现化学气相沉积。近年来发展的等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)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SiO2。PECVD将沉积温度从1000℃降到600℃以下，最低的只有300℃左右，等离子体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。PECVD是一种制造器件的半导体材料的系统，生长温度低(425～600℃)，但真空度要求小于1.33×10Pa，系统的设计制造比分子束外延(MBE)容易，其主要优点是能实现多片生长。此外，化学气相沉积制膜技术还有射频加热化学气相沉积(RF/CVD)、紫外光能量辅助化学气相沉积(UV/CVD)等其它新技术不断涌现。化学气相沉积法的概念化学气相沉积乃是通过化学反应的方式，利用加热、等离子激励或光辐射等各种能源，在反应器内使气态或蒸汽状态的化学物质在气相或气固界面上经化学反应形成固态沉积物的技术。简单来说就是：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，沉积到基片表面上。从气相中析出固体的形态主要有下列几种：在固体表面上生成薄膜、晶须和晶粒，在气体中生成粒子。CVD技术的基本要求为适应CVD技术的需要，选择原料、产物及反应类型等通常应满足以下几点基本要求：(1)反应剂在室温或不太高的温度下最好是气态或有较高的蒸气压而易于挥发成蒸汽的液态或固态物质，且有很高的纯度；(2)通过沉积反应易于生成所需要的材料沉积物，而其他副产物均易挥发而留在气相排出或易于分离；(3)反应易于控制。CVD技术的特点

CVD技术是原料气或蒸汽通过气相反应沉积出固态物质，因此把CVD技术用于无机合成和材料制备时具有以下特点：（1）沉积反应如在气固界面上发生则沉积物将按照原有固态基底（又称衬底）的形状包覆一层薄膜。（2）涂层的化学成分可以随气相组成的改变而改变从而获得梯度沉积物或得到混合镀层。（3）采用某种基底材料，沉积物达到一定厚度以后又容易与基底分离，这样就可以得到各种特定形状的游离沉积物器具。（4）在CVD技术中也可以沉积生成晶体或细粉状物质，或者使沉积反应发生在气相中而不是在基底表面上，这样得到的无机合成物质可以是很细的粉末，甚至是纳米尺度的微粒称为纳米超细粉末。CVD技术的分类CVD技术根据反应类型或者压力可分为

低压CVD(LPCVD)

常压CVD(APCVD)

亚常压CVD(SACVD)

超高真空CVD(UHCVD)

等离子体增强CVD(PECVD)

高密度等离子体CVD(HDPCVD)

快热CVD(RTCVD)

金属有机物CVD(MOCVD)CVD技术常用的CVD技术(1)常压化学气相沉积、(2)低压化学气相沉积、(3)等离子体增强化学气相沉积。沉积方式优点缺点APCVD反应器结构简单沉积速率快低温沉积阶梯覆盖能差粒子污染LPCVD高纯度阶梯覆盖能力极佳产量高，适合于大规模生产高温沉积低沉积速率PECVD低温制程高沉积速率阶梯覆盖性好化学污染粒子污染三种CVD方法的优缺点2化学气相沉积法的原理

1.CVD技术的反应原理

CVD是建立在化学反应基础上的，要制备特定性能材料首先要选定一个合理的沉积反应。通常有如下所述五种反应类型。

(1)热分解反应热分解反应是最简单的沉积反应，利用热分解反应沉积材料一般在简单的单温区炉中进行，其过程通常是首先在真空或惰性气氛下将衬底加热到一定温度，然后导入反应气态源物质使之发生热分解，最后在衬底上沉积出所需的固态材料。热分解发可应用于制备金属、半导体以及绝缘材料等。

最常见的热分解反应有四种。（a）氢化物分解（b）金属有机化合物的热分解（c）氢化物和金属有机化合物体系的热分解（d）其他气态络合物及复合物的热分解(2)氧化还原反应沉积一些元素的氢化物有机烷基化合物常常是气态的或者是易于挥发的液体或固体，便于使用在CVD技术中。如果同时通入氧气，在反应器中发生氧化反应时就沉积出相应于该元素的氧化物薄膜。例如：许多金属和半导体的卤化物是气体化合物或具有较高的蒸气压，很适合作为化学气相沉积的原料，要得到相应的该元素薄膜就常常需采用氢还原的方法。氢还原法是制取高纯度金属膜的好方法，工艺温度较低，操作简单，因此有很大的实用价值。例如：

(3)化学合成反应沉积化学合成反应沉积是由两种或两种以上的反应原料气在沉积反应器中相互作用合成得到所需要的无机薄膜或其它材料形式的方法。这种方法是化学气相沉积中使用最普遍的一种方法。与热分解法比，化学合成反应沉积的应用更为广泛。因为可用于热分解沉积的化合物并不很多，而无机材料原则上都可以通过合适的反应合成得到。(4)化学输运反应沉积把所需要沉积的物质作为源物质，使之与适当的气体介质发生反应并形成一种气态化合物。这种气态化合物经化学迁移或物理载带而输运到与源区温度不同的沉积区，再发生逆向反应生成源物质而沉积出来。这样的沉积过程称为化学输运反应沉积。其中的气体介质成为输运剂。这类反应中有一些物质本身在高温下会汽化分解然后在沉积反应器稍冷的地方反应沉积生成薄膜、晶体或粉末等形式的产物。HgS就属于这一类，具体反应可以写成：也有些原料物质本身不容易发生分解，而需添加另一种物质（称为输运剂）来促进输运中间气态产物的生成。(5)等离子体增强的反应沉积在低真空条件下，利用直流电压（DC）、交流电压（AC）、射频（RF）、微波（MW）或电子回旋共振（ECR）等方法实现气体辉光放电在沉积反应器中产生等离子体。由于等离子体中正离子、电子和中性反应分子相互碰撞，可以大大降低沉积温度，例如硅烷和氨气的反应在通常条件下，约在850℃左右反应并沉积氮化硅，但在等离子体增强反应的条件下，只需在350℃左右就可以生成氮化硅。一些常用的PECVD反应有：(6)其他能源增强反应沉积随着高新技术的发展，采用激光增强化学气相沉积也是常用的一种方法。例如：

通常这一反应发生在300℃左右的衬底表面。采用激光束平行于衬底表面，激光束与衬底表面距离约1mm，结果处于室温的衬底表面上就会沉积出一层光亮的钨膜。其他各种能源例如利用火焰燃烧法，或热丝法都可以实现增强反应沉积的目的。2.CVD技术的热动力学原理化学气相沉积是把含有构成薄膜元素的气态反应剂的蒸汽及反应所需其它气体引入反应室，在衬底表面发生化学反应，并把固体产物沉积到表面生成薄膜的过程。不同物质状态的边界层对CVD沉积至关重要。所谓边界层，就是流体及物体表面因流速、浓度、温度差所形成的中间过渡范围。图1.1显示一个典型的CVD反应的反应结构分解。首先，参与反应的反应气体，将从反应器的主气流里，借着反应气体在主气流及基片表面间的浓度差，以扩散的方式，经过边界层传递到基片的表面，这些达到基片的表面的反应气体分子，有一部分将被吸附在基片的表面上，图1.1（b）。当参与反应的反应物在表面相会后，借着基片表面所提供的能量，沉积反应将发生，这包括前面所提及的化学反应，及产生的生成物在基片表面的运动（及表面迁移），一部分从基片的表面上脱离，并进入边界层，最后流入主体气流里，如图1.1(d)。这些参与反应的反应物及生成物，将一起被CVD设备里的抽气装置或真空系统所抽离，如图1.1（e）。图1.1化学气相沉积的五个主要过程(a)反应物已扩散通过界面边界层；(b)反应物吸附在基片的表面；(c)化学沉积反应发生；

(d)部分生成物已扩散通过界面边界层；(e)生成物与反应物进入主气流里，并离开系统

输送现象以化学工程的角度来看，任何流体的传递或输送现象，都会涉及到热能的传递、动量的传递及质量的传递等三大传递现象。（1）热量传递热能的传递主要有三种方式：传导、对流及辐射。因为CVD的沉积反应通常需要较高的温度，因此能量传递的情形，也会影响CVD反应的表现，尤其是沉积薄膜的均匀性。热传导是固体中热传递的主要方式，是将基片置于经加热的晶座上面，借着能量在热导体间的传导，来达到基片加热的目的，如图1.2所示。以这种方式进行的热能传递，可以下式表示。单位面积的能量传递=其中：kc为基片的热传导系数，△T为基片与加热器表面间的温度差，△X则近似于基片的厚度。图1.2以热传导方式来进行基片加热的装置物体因自身温度而具有向外发射能量的本领，这种热传递的方式叫做热辐射。热辐射能不依靠媒介把热量直接从一个系统传到另一个系统。但严格的讲起来，这种方式基本上是辐射与传导一并使用的方法，如图1.3。辐射热源先以辐射的方式将晶座加热，然后再由热的传导，将热能传给置于晶座上的基片，以便进行CVD的化学反应。下式是辐射能的传导方程式。单位面积的能量辐射=Er=hr（Ts1-Ts2）

其中：hr为“辐射热传系数”；

Ts1与Ts2则分别为辐射热原及被辐射物体表面的温度。图1.3以热辐射为主的加热对流是第三种常见的传热方式，流体通过自身各部的宏观流动实现热量传递的过程。它主要是借着流体的流动而产生。依不同的流体流动方式，对流可以区分为强制对流及自然对流两种。前者是当流体因内部的“压力梯度”而形成的流动所产生的；后者则是来自流体因温度或浓度所产生的密度差所导致的。

单位面积的能量对流=Ecov=hc（Ts1-Ts2）其中：hc即为“对流热传系数”(2)动量传递图1.4显示两种常见的流体流动的形式。其中流速与流向均平顺者称为“层流”；而另一种于流动过程中产生扰动等不均匀现象的流动形式，则称为“湍流”。在流体力学上，人们习惯以所谓的“雷诺数”，来作为流体以何种方式进行流动的评估依据。它估算的方式如下式所示

其中d微流体流经的管径，ρ为流体的密度，ν为流体的流速，而μ则为流体的粘度。图1.4两种常见的流体流动形式基本上，CVD工艺并不希望反应气体以湍流的形式流动，因为湍流会扬起反应室内的微粒或微尘，使沉积薄膜的品质受到影响。图1.5（a）显示一个简易的水平式CVD反应装置的概念图。其中被沉积的基片平放在水平的基座上，而参与反应的气体，则以层流的形式，平行的流经基片的表面。图1.5流体流经固定表面时所形成的边界层δ及δ与移动方向x之间的关系假设流体在晶座及基片表面的流速为零，则流体及基片（或晶座）表面将有一个流速梯度存在在，这个区域便是边界层。边界层的厚度δ，与反应器的设计及流体的流速有关，而可以写为：或将式1-33代入式1-34，而改写为

式中，x为流体在固体表顺着流动方向移动得距离面。也就是说，当流体流经一固体表面时，图1.6的主气流与固体表面（或基片）之间将有一个流速从零增到ν0的过渡区域存在，即边界层。这个边界层的厚度，与雷诺数倒数的平方根成正比，且随着流体在固体表面的移动而展开，如图1.6所示。CVD反应所需要的反应气体，必须通过这个边界层以达到基片的表面。而且，反应的生成气体或未反应的反应物，也必须通过边界层进入主气流内，以便随着主气流经CVD的抽气系统而排出。图1.6CVD反应物从主气流里往基片表面扩散时反应物在边界层两端所形成的浓度梯度（3）质量的传递如上所述，反应气体或生成物通过边界层，是以扩散的方式来进行的，而使气体分子进行扩散的驱动力，则是来自于气体分子局部的浓度梯度。2．CVD动力学CVDSiO2的沉积速率：将随着温度的上升而增加。但当温度超过某一个范围之后，温度对沉积速率的影响将变得迟缓且不明显。简单地说，CVD反应的进行，涉及到能量、动量、及质量的传递。反应气体是借着扩散效应，来通过主气流与基片之间的边界层，以便将反应气体传递到基片的表面。接着因能量传递，受热的基片提供反应气体足够的能量以进行化学反应，并生成固态的沉积物以及其他气态的副产物。前者便成为沉积薄膜的一部分；后者将同样利用扩散效应来通过边界层并进入主气流里。至于主气流的基片上方的分布，则主要是与气体的动量传递相关。所提及的反应步骤，彼此是相互串联的，所以CVD反应的反应速率决定步骤，取决于这几个步骤里面最慢的一项。其中最值得注意的是反应气体的扩散。反应气体通过边界层的步骤，可以用式1-40来表示。假设这个气体流量为F1，而气体分子在基片表面进行化学反应所消耗的数量，以F2来代表。则这个流量可以写为

F2=KrCs

(1-40)

式中，Kr为沉积反应的反应速率常数；Cs则是反应气体在基片表面的浓度。当图1.6的沉积反应达到平衡时，F1=F2。经整理，当CVD反应打稳定状态时，Cs可以用下式来表示（1-12）（1-41）

（1-42）其中式1-42所表示的是另一项无因此准数，称为雪木数（sherwoodnumber），以Sh来代表它。当Sh>>1，或（D/δ）

<<Kr时，式1-41及式1-42则可以写为Cg≈Cs；反之，当Sh>>1或（D/δ）<<Kr时，式(1-12)及式(1-41)则可写为Cs≈0。这两个雪木数的极端情况告诉说明，当图1.6的扩散速率表面的化学反应还来得快得多时，基片表面的气体密度Cs，将趋近于主气流里的气体密度Cg，如图1.8（a）所示；反之，当表面的化学反应较扩散还快很多时，因为扩散速率不足以提供足量的反应气体供沉积反应进行，基片表面的气体密度Cs将趋近于零，如图1.8(b)

。因为CVD反应的速率决定步骤在最慢的那一项，图1.8(a)在Sh1所发生的情形，因取决于CVD反应的速率，所以称为“表面反应限制”；另一个在Sh1所繁盛的情形，如图1.8(b)，因涉及气体扩散的能力，故称为“扩散限制”，或“质传限制”。图1.8(a)CVD反应为表面反应限制时和(b)当CVD反应为扩散限制时，反应气体从主气流里经边界层往基片表面扩散的情形

因此，CVD反应的沉积速率及温度的控制，所应考虑的参数较多。CVD的原理简单的归纳如下：(1)CVD沉积反应是由5个相串联的步骤所形成的，其速率的快慢取决于其中最慢的一项，主要是反应物的扩散及CVD的化学反应。(2)一般而言，当反应温度较低时，CVD将为表面反应限制所决定；当温度较高时，则为扩散限制所控制（但并不是绝对的）。3化学气相沉积法的适用范围1.在切削工具方面的应用用CVD涂覆刀具能有效地控制车、铣和钻孔过程中出现的磨损，主要应用硬质台金刀具和高速钢刀具。特别是车床用的转位刀片、铣刀、刮刀和整体钻头等。使用的涂层为高耐磨性的碳化物、氯化物、碳氯化台物、氧化物和硼化物等涂层。TiN与金属的亲和力小，抗粘附能力和抗月牙形磨损性能比TiC涂层优越，因此，刀具上广泛使用的是TiN涂层。目前，国外先进工业国家在齿轮上也广泛使用涂层刀具，估计约有80％的齿轮滚刀和40％的插齿刀使用了TiN涂层，涂覆后，这些刀具的寿命增加了4～8倍．并且提高了进给量和切削速度，刀具的抗月牙形磨损性能也显著提高。为了提高涂层刀具的使用性能，除了单涂层外，近年来还发展了双涂层、三涂层及多涂层的复合涂层刀片。常用的双涂层有TiC-TiN、TiC-Al2O3等涂层。三涂层的组合方式很多，例如，TiC-Ti(C、N)-TiN

，TiC-Ti(C、N)-Al2O3等涂层，这些相互结合的涂层改善了涂层的结合强度和韧性，提高了耐磨性。美国的涂层铣刀片使用了Al2O3，TiN-TiC复台涂层，基体为专用的抗塑性变形硬质合金。有很好的切削性能，TiC涂层和外层的Al2O3结台，抗磨损性能优于Si3N4，能显著减少月牙形磨损。化学气相沉积层降低磨损的作用为：切削开始时，切削与基体的直接接触减小，这样刀具和工件之间的扩散过程降低，因此降低了月牙形磨损。即使突破了表面涂层，仍然能阻挡进一步的磨损，保留的涂层仍然能支持切削工件。重要的是降低了切屑和刀具之间的摩擦因数，这样产生的热减少，因此，磨损小。与基体材料相比，沉积层的导热性更小，使更多的热保留在切屑和工件中，这样降低了磨损效应，使寿命得到提高，明显降低了成本，在切削加工材料时能获得最好的效果。不足之处:一是CVD工艺处理温度高，易造成刀具变形和材料抗弯强度的下降；二是薄膜内部为拉应力状态，使用中易导致微裂纹的产生；三是CVD工艺所排放的废气、废液会造成工业污染，对环境有一定影响，必须注意通风及防污染处理。2在模具方面的应用(1)与基体材料的结合力好，因此在成形时能转移所产生的高摩擦-剪切力。(2)有足够的弹性，模具发生少的弹性变形时．不会出现裂纹和剥落现象。(3)减少了成形材料的粘着．因此降低了“咬噬”的危险。(4)好的润滑性能，它能降低模具的磨损并能改善成形工件的表面质量。(5)高的硬度，能降低磨粒磨损。目前，CVD已应用凹模、凸模、拉模环、扩孔芯棒、卷边模和深孔模中。与未涂覆的模具相比，涂覆有TiN层模具的寿命，可提高到几倍甚至几十倍。例如，涂覆有TiN的Cr12钢模圈寿命提高6～8倍，比涂硬铬高3～5倍，Crl2MoV钢退拔模经涂覆后寿命提高20多倍。比W18Cr4V模具高2倍等等。另外在塑料注射模具上使用TiN涂层生产含有40％矿物填料的尼龙零件时，有效避免模具被浸蚀和磨损，使模具寿命从60万次增加到200万次。3．在耐磨涂层机械零件方面的应用活塞环、注射成形用缸体、挤压用螺旋浆轴及轴承等零部件在滑动中易磨损，因此，要求耐磨性好、摩擦因数低、与基体的粘附性好的材料。目前，进行研究和应用的有缸体和螺旋浆的TiC涂层，钟表轴承的B涂层．滚珠轴承的TiC、Si3N4涂层等。在许多特殊环境中使用的材料往往需要有涂层保护，以使其具有耐磨，耐腐蚀，耐高温氧化和耐辐射等功能。SiC、Si3N4、MoSi2等硅系化合物是最重要的高温耐氧化涂层。这些涂层在表面上生成致密的SiO2薄膜，起着阻止氧化的作用，在1400～1600℃下能耐氧化。Mo和W的CVD涂层亦具有优异的高温耐腐蚀性。因此，可应用于涡轮叶片，火箭发动机喷嘴、煤炭液化和气化设备、粉末鼓风机喷嘴等设备零件上。4.微电子技术在半导体器件和集成电路的基本制造流程中，有关半导体膜的外延，P-N结扩散元的形成、介质隔离、扩散掩膜和金属膜的沉积等是工艺核心步骤，化学气相沉积在制备这些材料层的过程中逐渐取代了如硅的高温氧化和高温扩散等旧工艺，在现代微电子技术中占主导地位，在超大规模集成电路中，化学气相沉积可以用来沉积多晶硅膜，钨膜、铅膜、金属硅化物，氧化硅膜以及氮化硅膜等，这些薄膜材料可以用作栅电极，多层布线的层间绝缘膜，金属布线，电阻以及散热材料等。5.超导技术CVD制备超导材料是美国无线电公司（RCA）在20世纪60年代发明的，用化学气相沉积生产的Nb3Sn低温超导材料涂层致密，厚度较易控制，力学性能好，是目前烧制高场强、小型磁体的最优材料，为提高Nb3Sn的超导性能，很多国家在掺杂、基带材料、脱氢、热处理以及镀铜稳定等方面做了大量的研究工作，使CVD法成为生产Nb3Sn的主要方法之一。现已用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NbGe、V3Ca2、Nb3Ga。6．在其他领域的应用在光学领域中，金刚石薄膜被称为未来的光学材料，它具有波段透明和极其优异的抗热冲击、抗辐射能力，可用作大功率激光器的窗口材料，导弹和航空、航天装置的球罩材料等。金刚石薄膜还是优良的紫外敏感材料。而且上海交通大学把CVD金刚石薄膜制备技术应用于拉拔模具，不仅攻克了涂层均匀涂覆、附着力等关键技术，而且解决了金刚石涂层抛光这一国际性难题。此外，化学气相沉积还可以用来制备高纯难熔金属、晶须以及无定型或玻璃态材料如硼硅玻璃、磷硅玻璃等。4化学气相沉积合成工艺1）化学气相沉积法合成生产工艺种类CVD设备的心脏，在于其用以进行反应沉积的“反应器”，而CVD反应器的种类很多。按CVD的操作压力可分为常压与低压两种。若以反应器的结构来分类，则可以分为水平式、直立式、直桶式、管状式烘盘式及连续式等。若以反应器器壁的温度控制来评断，也可以分为热壁式（hotwall）与冷壁式（coldwall）两种。若考虑CVD的能量来源及所使用的反应气体种类，也可以将CVD反应器进一步划分为等离子增强CVD(plasmaenhancedCVD，或PECVD)，TEOS-CVD，及有机金属CVD(metal-organicCVD，MOCVD)等。CVD装置通常由气源控制部件、沉积反应室、沉积温控部件、真空排气和压强控制部件等部分组成。一般而言，任何CVD系统，均包含一个反应器、一组气体传输系统、排气系统及工艺控制系统等。CVD的沉积反应室内部结构及工作原理变化较大，常常根据不同的反应类型和不同的沉积物要求进行专门设计。大体上可以把不同的沉积反应装置粗分为常压化学气相沉积（atmosphericpressurechemicalvapordeposition，APCVD）、低压化学气相沉积（lowpressurechemicalvapordeposition，

LPCVD）、等离子体增强化学气相沉积（plasmaenhancedchemicalvapordeposition，PECVD）、有机金属化学气相沉积（metalorganicchemicalvapordeposition，MOCVD）和激光化学气相沉积（laserchemicalvapordeposition，LCVD）等加以简介。1.APCVD所谓的APCVD，顾名思义，就是在压力接近常压下进行CVD反应的一种沉积方式。APCVD的操作压力接近1atm(101325Pa)，按照气体分子的平均自由径来推断，此时的气体分子间碰撞频率很高，是属于均匀成核的“气相反应”很容易发生，而产生微粒。2.LPCVD低压化学气相沉积技术早在1962年Sandor等人报道。低压CVD的设计：将反应气体在反应器内进行沉积反应时的操作能力，降低到大约100Torr(1Torr=133.332Pa)以下的一种CVD反应。由于低压下分子平均自由程增加，气态反应剂与副产品的质量传输速度加快，从而使形成沉积薄膜材料的反应速度加快，同时气体分布的不均匀性在很短时间内可以消除，所以能生长出厚度均匀的薄膜。3．PECVD在低真空的条件下，利用硅烷气体、氮气（或氨气）和氧化亚氮，通过射频电场而产生辉光放电形成等离子体，以增强化学反应，从而降低沉积温度，可以在常温至350℃条件下，沉积氮化硅膜、氧化硅膜、氮氧化硅及非晶硅膜等。在辉光放电的低温等离子体内，“电子气”的温度约比普通气体分子的平均温度高10～100倍，即当反应气体接近环境温度时，电子的能量足以使气体分子键断裂并导致化学活性粒子（活化分子、离子、原子等基团）的产生，使本来需要在高温下进行的化学反应由于反应气体的电激活而在相当低的温度下即可进行，也就是反应气体的化学键在低温下就可以被打开。所产生的活化分子。原子集团之间的相互反应最终沉积生成薄膜。人们把这种过程称之为等离子增强的化学气相沉积PCVD或PECVD，亦称为等离子体化学气相沉积，或等离子体化学蒸汽沉积。PCVD按等离子体能量源方式划分，有直流辉光放电（DC-PCVD），射频放电（RF-PCVD）和微波等离子体放电（MW-PCVD）。4.MOCVD金属有机化学气相沉积（MOCVD）是从早已熟知的化学气相沉积（CVD）发展起来的一种新的表面技术。是一种利用低温下易分解和挥发的金属有机化合物作为源物质进行化学气相沉积的方法，主要利用化合物半导体气相生长方面。在MOCVD过程中，金属有机源（MO源）可以在热解或光解作用下，在较低温度沉积出相应的各种无机材料，如金属、氧化物、氮化物、氟化物、碳化物和化合物半导体材料等的薄膜。5.LCVD激光化学沉积就是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。激光化学气相沉积的过程是激光分子与反应气分子或衬材表面分子相互作用的工程。按激光作用的机制可分为激光热解沉积和激光光解沉积两种。前者利用激光能量对衬底加热，可以促进衬底表面的化学反应，从而达到化学气相沉积的目的，后者利用高能量光子可以直接促进反应气体分子的分解。化学气相沉积法合成生产装置1.气相反应室气相反应室的核心问题是使制得的薄膜尽可能均匀。由于CVD反应是在基体物的表面上进行的，所以也必须考虑如何控制气相中的反应，能及时对基片表面充分供给氧气。此外，反应生成物还必须能放便取出。气相反应器有水平型、垂直型、圆筒型等几种。

2.常用加热方法化学气相沉积的基体物的常用加热方法是电阻加热和感应加热，其中感应加热一般是将基片放置在石墨架上，感应加热仅加热石墨，使基片保持与石墨同一温度。红外辐射加热是近年来发展起来的一种加热方法，采用聚焦加热可以进一步强化热效应，使基片或托架局部迅速加热升温。激光加热是一种非常有特色的加热方法，其特点是保持在基片上微小局部使温度迅速升高，通过移动光束斑来实现连续扫描加热的目的.3.气体控制系统在CVD反应体系中使用多种气体，如原料气、氧化剂、还原剂、载气等，为了制备优质薄膜、各种气体的配比应予以精确控制。目前使用的监控元件主要由质量流量计和针形阀。4.排气处理系统CVD反应气体大多有毒性或强烈的腐蚀性，因此需要经过处理后才可以排放。通常采用冷吸收，或通过临水水洗后，经过中和和反应后排放处理。随着全球环境恶化和环境保护的要求，排气处理系统在先进CVD设备中已成为一个非常重要的组成部分。除上述所介绍的组成部分外，还可根据不同的反应类型和不同沉积物来设计沉积反应室的内部结构，在有些装置中还需增加激励能源控制部件，如在等离子体增强型或其它能源激活型的装置中，就有这样的装置存在。下面具体介绍一些反应的生产装置。(1)常压单晶外延和多晶薄膜沉积装置图1.9是一些常压单晶外延和多晶薄膜沉积装置示意图。图1.9(a)是最简单的卧式反应器；图1.9(b)是立式反应器；图1.9(c)是桶式反应器。三种装置不仅可以用于硅外延生长，也较广泛的用于GaAs，AsPAs，GeSi合金和SiC等其它外延层生长；还可用于氧化硅、氮化硅；多晶硅基金属等薄膜的沉积。由图1.9装置的变化也可以看出逐步增加每次操作的产量，（a）装置3～4片衬底，(b)的装置中可以放6～18片/次。(c)的装置可以放置24～30片/次。但是这样的变化远远满足不了集成电路迅速发展的需要。图1-9(a)卧式反应器

图1-9(b)立式反应器

图1-9(c)桶式反应器

(2)热壁LPCVD装置图1.10所示的热壁LPCVD装置及相应工艺的出现，在20世纪70年代末被誉为集成电路制造工艺中的一项重大突破性进展。LPCVD反应器本身是以退火后的石英所构成，环绕石英制炉管外围的是一组用来对炉管进行加热的装置，因为分为三个部分，所以称为“三区加热器”。气体通常从炉管的前端，与距离炉门不远处，送入炉管内（当然也有其他不同的设计方法）。被沉积的基片，则置于同样以适应所制成的晶舟上，并随着晶舟，放入炉管的适当位置，以便进行沉积。沉积反应所剩下的废气，则经由真空系统而从CVD设备里被排出。图1.10热壁LPCVD装置示意图

图1.10示的LPCVD采用直立插片增加了硅片容量。由于通常只要求在硅片上单面沉积薄膜，所以每一格可以背靠背地安插两片硅片。如果每格的片间距为5mm，那么在600mm长的反应区就能放置200片。低压下沉积气体分子的平均自由径比常压下大得多，相应的分子扩散的速率也大得多。由于气体分子输送过程大大加快，虽然气流方向与硅片垂直，反应的气体分子仍能迅速扩散到硅片表面儿得到均匀的沉积层。在现代化的大规模集成电路工艺里。以热壁LPCVD进行沉积的材料、主要有多晶硅、二氧化硅及氮化硅等。工艺所控制的温度，大约在400～850℃左右。压力则在数个Torr到0.1Torr之间。因为这种CVD的整个反应室都在反应温度下，因此管壁也会有对等的沉积，所以炉管必须定期加以清洗。(3)等离子体增强CVD装置等离子体增强CVD装置通过等离子增强使CVD技术的沉积温度下降几百度，甚至有时可以在室温的衬底上得到CVD薄膜。图1.11显示了几种(PECVD)装置。图1.11几种等离子体化学气相沉积（PECVD）图1.11(a)是一种最简单的电感耦合产生等离子的PECVD装置，可以在实验室中使用。图1.11(b)是一种平行板结构装置。衬底放在具有温控装置的下面平板上，压强通常保持在133Pa左右，射频电压加在上下平行板之间，于是在上下平板间就会出现电容耦合式的气体放电，并产生等离子体。图1.11几种等离子体化学气相沉积（PECVD）

图1.11(c)是一种扩散炉内放置若干平行板、由电容式放电产生等等离子体的PECVD装置。它的设计主要是为了配合工厂生产的需要，增加炉产量。在PECVD工艺中，由于等离子体中高速运动的电子撞击到中性的反应气体分子，就会使中性反应气体分子变成碎片或处于激活的状态容易发生反应。衬底温度通常保持350℃在左右就可以得到良好的SiOx或SiNx薄膜，可以作为集成电路最后的钝化保护层，提高集成电路的可靠性。

图1.11几种等离子体化学气相沉积（PECVD）为了降低反应所需要的温度，以达到降低工艺热预算的目的，PECVD在CVD工艺里所占的分量，已逐渐成为主要的薄膜沉积手段之一.现在在大规模集成电路工艺上所用的PECVD反应器，大都也是采用每次只处理一片基片的“单一基片式”的设计，以确保基片表面沉积的均匀性得以控制在理想的范围之内。(4)MOCVD装置一般而言MOCVD设备由四部分组成，及反应室、气体管道系统、尾气处理和电气控制系统。该设备一般采用一炉多片的生长模式，常用的MOCVD系统分为两类；立式与卧式：在常规的立式设备中样品是水平放置的，并且可以旋转，反应气体由生长室的顶部垂直于样品进入生长室；在常规的卧式设备中，反应气体则平行于样品表面能进入生长室，垂直于样品方向没有气体进入。图1.12MOCVD装置（竖式反应室）

MOCVD设备的进一步改进主要有三个方面：获得大面积和高均匀性的薄膜材料；尽量减少管道系统的死角和缩短气体通断的间隔时间，以生长超薄层和超晶格结构材料；把MOCVD设备设计成具有多用性、灵活性和操作可变性的设备，以适应多方面的要求。(5)履带式常压CVD装置为了适应集成电路的规模化生产，同时利用硅烷（SiH4）、磷烷（PH3）和氧在400℃时会很快反应生成磷硅玻璃(SiO2·xP2O5复合物)，就设计了如图1.13所示的履带式装置，衬底硅片放在保持400℃的履带上，经过气流下方时就被一层CVD薄膜所覆盖。用这一装置也可以生长低温氧化硅薄膜等。图1.13履带式常压CVD装置

(6)模块式多室CVD装置制造集成电路的硅片上往往需要沉积多层薄膜，例如沉积Si3N4和SiO2两层膜或沉积TiN和金属钨薄膜。以往的装置一般为单式批量，即，只有一个反应室，每批处理单片或多片，装卸基片时反应室暴露，大气成分吸附在反应室内壁和室内零部件表面你，将对工艺过程产生不良影响。为了解决这些问题，多室CVD装置应运而生，这种模块式的沉积反应可以拼装组合，分别在不同的反应室中沉积不同的薄膜，见图1.14。各个反应器之间相互隔离利用机器手在低压或真空中传递衬底硅片。因此可以一次连续完成数种不同的薄膜沉积工作，可以把普通的CVD和PECVD组合在一起，也可以把沉积和干法刻蚀工艺组合在一起。图1.14模块式CVD装置

(7)桶罐式CVD反应装置对于硬质合金刀具的表面涂层常采用这一类装置，见图1.15，气体自上而下流过，它的优点是与合金刀具衬底的形状关系不大，各类刀具都可以同时沉积，而且容器很大，一次就可以装上千的数量。图1.15桶罐式CVD装置

化学气相沉积合成工艺过程、工艺参数及过程控制化学气相沉积(CVD)是半导体工业中应用最为广泛的用来沉积多种材料的技术，包括大范围的绝缘材料，大多数金属材料和金属合金材料。CVD从理论上很简单，实际上，反应室中的反应是很复杂的，有很多必须考虑的因素，沉积参数的变化范围是很宽的。反应室内的压力晶片的温度气体的流动速率气体通过晶片的路程气体的化学成份一种气体相对于另一种气体的比率反应的中间产品起的作用是否需要其它反应室外的外部能量来源加速或诱发想得到的反应沉积薄膜中的变数：在整个晶片内厚度的均匀性和在图形上的覆盖特性（后者指跨图形台阶的覆盖）薄膜的化学配比（化学成份和分布状态）结晶晶向和缺陷密度等。沉积速率也是一个重要的因素，因为它决定着反应室的产出量,高的沉积速率常常要和薄膜的高质量折中考虑。反应生成的膜不仅会沉积在晶片上，也会沉积在反应室的其他部件上，对反应室进行清洗的次数和彻底程度也是很重要的。化学家和物理学家花大量时间研究如何制得高质量的材料，总结出了了影响化学气相沉积制备材料质量的几个主要因素：(1)反应混合物的供应

毫无疑问，对于任何沉积体系，反应混合物的供应是决定材料质量的最重要因素之一。在材料研制过程中，总要通过实验选择最佳反应物分压及其相对比例。(2)沉积温度沉积温度是最主要的工艺条件之一。温度直接影响反应系统的自由能，决定反应进行的程度和方向，不同沉积温度对涂层的显微结构及化学组成有直接的影响。由于沉积机制的不同，它对沉积物质量影响因素的程度也不同。同一反应体系在不同温度下，沉积物可以是单晶、多晶、无定形物，甚至根本不发生沉积。(3)衬底材料化学气相沉积法制备无机薄膜材料，都是在一种固态基体表面（基底）上进行的。对沉积层质量来说，基体材料是一个十分关键的影响因素。涂层能与基体之间有过渡层或基体与涂层线性膨胀系数差异相对较小时，涂层与基体结合牢固。(4)系统内总压和气体总流速这一因素在封管系统中往往起着重要作用。它直接影响输运速率，由此波及生长层的质量。开管系统一般在常压下进行，很少考虑总压力的影响，但也有少数情况下是在加压或减压下进行的。在真空（一至几百帕）沉积工作日益增多的情况下，他往往会改善沉积层的均匀性和附着性等。(5)反应系统装置的因素反应系统的密封性、反应管和气体管道的材料以及反应管的结构形式对产品质量也有不可忽视的影响。(6)源材料的纯度大量事实表明，器件质量不合格往往是由于材料问题，而材料质量又往往与源材料（包括载气）的纯度有关。水热与溶剂热合成水热与溶剂热合成方法的发展水热与溶剂热合成方法原理水热与溶剂热合成工艺水热与溶剂热合成方法应用实例水热合成方法的发展最早采用水热法制备材料的是1845年K.F.Eschafhautl以硅酸为原料在水热条件下制备石英晶体一些地质学家采用水热法制备得到了许多矿物，到1900年已制备出约80种矿物，其中经鉴定确定有石英，长石，硅灰石等1900年以后，G.W.Morey和他的同事在华盛顿地球物理实验室开始进行相平衡研究，建立了水热合成理论，并研究了众多矿物系统。水热法一直主要用于地球科学研究，二战以后才逐渐用于单晶生长等材料的制备领域，此后，随着材料科学技术的发展，水热法在制备超细颗粒，无机薄膜，微孔材料等方面都得到了广泛应用。1944~1960年间，化学家致力于低温水热合成，美国联合碳化物林德分公司开发了林德A型沸石（图2.1）。图2.1林德A型沸石的结构

水热法制备出的粉体简单的氧化物：ZrO2、Al2O3、SiO2、CrO2、Fe2O3、MnO2、MoO3、TiO2、HfO2、UO2、Nb2O5、CeO2等；混合氧化物：ZrO2-SiO2、ZrO2-HfO2、UO2-ThO2

等；复合氧化物：BaFe12O19、BaZrO3、CaSiO3、PbTiO3、LaFeO3、LaCrO3、NaZrP3O12等；羟基化合物、羟基金属粉：Ca10(PO4)6(OH)2、羟基铁、羟基镍；复合材料粉体：ZrO2-C、ZrO2-CaSiO3、TiO2-C、TiO2-Al2O3等。某些种类的粉体的水热法制备已实现工业化生产：日本ShowaDenkoK.K生产的Al2O3粉，ChichibuCementCo.Ltd生产的ZrO2粉体和SakaiChemicalCo.Ltd生产的BaTiO3粉体，美国CabotCorp生产的介电陶瓷粉体，日本SakaiChem.Corp和NEC生产的PZT粉体等。溶剂热合成方法的发展1985年，Bindy首次在“Nature”杂志上发表文章报道了高压釜中利用非水溶剂合成沸石的方法，拉开了溶剂热合成的序幕。到目前为止，溶剂热合成法已得到很快的发展，并在纳米材料制备中具有越来越重要的作用。在溶剂热条件下，溶剂的物理化学性质如密度、介电常数、粘度、分散作用等相互影响，与通常条件下相差很大。相应的，它不但使反应物（通常是固体）的溶解、分散过程及化学反应活性大大增强，使得反应能够在较低的温度下发生，而且由于体系化学环境的特殊性，可能形成以前在常规条件下无法得到的亚稳相。该过程相对简单、易于控制，并且在密闭体系中可以有效地防止有毒物质的挥发和制备对空气敏感的前驱体和目标产物；另外，物相的形成，粒径的大小、形态也能够有效控制，而且产物的分散性好。更重要的是通过溶剂热合成出的纳米粉末，能够有效的避免表面羟基的存在，使得产物能稳定存在。作为反应物的盐的结晶水和反应生成的水，相对于大大过量的有机溶剂，水的量小得可以忽略。与水热法相比，溶剂热法具有以下优点：在有机溶剂中进行的反应能够有效地抑制产物的氧化过程或水中氧的污染；非水溶剂的采用使得溶剂热法可选择原料的范围大大扩大，比如氟化物，氮化物，硫化合物等均可作为溶剂热反应的原材料；同时，非水溶剂在亚临界或超临界状态下独特的物理化学性质极大地扩大了所能制备的目标产物的范围；由于有机溶剂的低沸点，在同样的条件下，它们可以达到比水热合成更高的气压，从而有利于产物的结晶；由于较低的反应温度，反应物中结构单元可以保留到产物中，且不受破坏，同时，有机溶剂官能团和反应物或产物作用，生成某些新型在催化和储能方面有潜在应用的材料；非水溶剂的种类繁多，其本身的一些特性，如极性与非极性、配位络合作用、热稳定性等，为我们从反应热力学和动力学的角度去认识化学反应的实质与晶体生长的特性，提供了研究线索。尽管水热合成的技术优势很显著，国内外也取得了很多研究成果，但它的缺陷也比较明显的，其中最为突出的是反应周期长。故近年来在水热合成技术上发展了几种新技术。

超临界水热合成法微波水热法1.超临界水热合成超临界流体（SCF）是指温度及压力都处于临界温度和临界压力之上的流体。

在超临界状态下，物质有近于液体的溶解特性以及气体的传递特性：

粘度约为普通液体的0.1～0.01；扩散系数约为普通液体的10～100倍；密度比常压气体大102～103倍。

超临界流体拥有一般溶剂所不具备的很多重要特性。SCF的密度、溶剂化能力、粘度、介电常数、扩散系数等物理化学性质随温度和压力的变化十分敏感，即在不改变化学组成的情况下，其性质可由压力来连续调节。能被用作SCF溶剂的物质很多，如二氧化碳、水、一氧化氮、乙烷、庚烷、氨等。超临界流体相图，如图2.2。TOCAP固气液B超临界流体图2.2超临界流体相图

超临界水(SCW)是指温度和压力分别高于其临界温度(647K)和临界压力(22.1MPa)，而密度高于其临界密度(0.32g/cm3)的水。在一般情况下，水是极性溶剂，可以很好的溶解包括盐在内的大多数电解质，对气体和大多数有机物则微溶或不溶。但是到达超临界状态时，这些性质都发生极大的变化：SCW具有特殊的溶解度、易改变的密度、较低的粘度、较低的表面张力和较高的扩散性。

SCW与非极性物质如烃类、戊烷、己烷、苯和甲苯等有机物可完全互溶，氧气、氮气、CO、CO2等气体也都能以任意比例溶于超临界水中.但无机物，尤其是无机盐类，在超临界水中的溶解度很小。超临界水还具有很好的传质、传热性能。

通常条件下，水的密度不随压力而改变，而SCW的密度既是温度的函数，又是压力的函数，通过改变温度和压力可以将SCW控制在气体和液体之间，温度或压力的微小变化就会引起超临界水的密度大大减小。在常温常压下，水的密度为1.0g/cm3，当温度和压强变化不大时，水的密度变化不大。水在超临界点时的密度只有0.32g/cm3，而且在较高的温度下，尤其是在超临界区域内，当压强发生微小变化时水的密度就可以大幅度地改变。例如在400℃时，当压强在0.22～2.5KPa内变化时，水的密度可由0.1g/cm3变到0.84g/cm3，因此可通过调节压强来控制超临界水的密度。SCW的溶解能力主要取决于超临界水的密度，密度增加，溶解能力增强密度减小，溶解能力减弱，甚至丧失对溶质的溶解能力。水的介电常数随密度的增加而增大，随压力的升高而增大，随温度的升高而减小。标准状态（25℃，0.101MPa）下，由于氢键的作用，介电常数较高，为78.5。在400℃，41.5MPa时，超临界水的介电常数为10.5，而在600℃，24.6MPa时为1.2。介电常数的变化引起超临界水溶解能力的变化，有利于溶解一些低挥发性物质，相应溶质的溶解度可提高5～10个数量级，所以超临界水的介电常数与常温、常压下极性有机物的介电常数相当。

因为水的介电常数在高温下很低，水很难屏蔽掉离子间的静电势能，因此溶解的离子以离子对的形式出现，在这种条件下，水表现得更像一种非极性溶剂。水的离子积对数与密度和温度有关，但密度对其影响更大。标准条件下水的离子积对数是10-14，超临界态水中的离子积比正常状态大8数量级为10-6，即中性水中的H+浓度和OH-浓度比正常条件下同时高出约104倍。在超临界点附近，由于温度升高使水的密度迅速下降，导致离子积对数减小，如450℃、25MPa时，密度约为0.1g/cm3，离子积为10-21.6；而在远离临界点时，温度对密度的影响较小，温度升高，离子积对数增大，如温度1000℃、密度为1.0g/cm3时，离子积又增加到10-6。当温度1000℃、密度2.01g/cm3时，水将是高度导电的电解质溶液。一般情况下，气体的粘度随温度的升高而增大，液体的粘度随温度的升高而减小。标准条件下水的粘度系数是1.05×10-3Pa·s，而在超临界状态下，例如在450℃与27MPa时，水的粘度系数为2.98×10-3Pa·s，在1000℃时，即使水的密度为1.0g/cm3时，水的粘度系数也只有约45×10-5Pa·s，与普通条件下空气的粘度系数(1.795×10-5Pa·s)接近。根据Stokes方程，水在密度较高的情况下，扩散系数与粘度存在反比关系。高温、高压下水的扩散系数与水的黏度、密度有关。对高密度水，扩散系数随压力的增加而增加，随温度的增加而减小对低密度水，扩散系数随压力的增加而减小，随温度的增加而增加，并且在超临界区内，水的扩散系数出现最小值。超临界水分子的扩散系数比普通水高10~100倍，使它的运动速度和分离过程的传质速率大幅度提高，因而有较好的流动性、渗透性和传递性能，利于传质和热交换。总体来看，水在超临界区的行为更像一个中等极性的有机溶剂，许多在常温常压下不溶的有机物和气体在超临界水中都有较好的溶解度，有的可增加几个数量级，像氧气等甚至可与超临界水无限混溶，这就为超临界水的应用开辟了广阔的道路。利用超临界的水热合成装置，通过改变温度和压力可以调节超临界水的介电常数和溶剂密度，从而改变超临界水中的一些化学反应。超临界水热合成在国外有较多的实验研究，得到一系列金属氧化物及其复合物，见表2.1。超临界水热合成技术是将超临界流体技术引入了传统的水热合成方法中。超临界水热合成广泛用于制备金属氧化物及其复合物，形成了其特殊的技术优越性：工艺条件，制备方法，设备加工要求都简单易行，能量消耗相对较低；产品微粒的粒径可以通过控制反应的过程参数加以有效控制，便捷易行。参数不同，可以得到不同粒径大小和分布范围的超细颗粒，并且微粒粒径分布范围较窄；该技术利用了超临界流体良好的物化性质，整个实验过程无有机溶剂的参与，环保性能良好，是可持续发展的“绿色化学”；与一般的水热合成方法相比，物料在反应器内混合，瞬间达到反应所要求的温度和压力，反应时间很短。生成的金属氧化物在超临界水中的溶解度很低，全部以超细微粒的形式析出。2.微波水热合成微波水热法是美国宾州大学的RoyR提出的,已对多种纳米粉体的合成进行了研究，引起国内外广泛重视。微波水热的显著特点是可以将反应时间大大降低，反应温度也有所下降，从而在水热过程中能以更低的温度和更短的时间进行晶核的形成和生长，反应温度和时间的降低,限制了产物微晶粒的进一步长大，有利于制备超细粉体材料。微波加热是一种内加热，具有加热速度快,加热均匀无温度梯度，无滞后效应等特点。微波对化学反应作用是非常复杂的；但有一个方面是反应物分子吸收了微波能量，提高了分子运动速度，致使分子运动杂乱无章，导致熵的增加，降低了反应活化能。凝聚液态物质在微波场中的行为与其自身的极性密切相关，也就是与物质的偶极矩在电场中的极化过程密切相关。物质的介电常数越大，吸收微波的能力越强,在相同时间内的升温越大。在微波场中，能量在体系内部直接转化，水和醇类都有过热的现象出现。在过热区域内，局部温度过高，使得反应更加容易进行，从而提高了反应速度；同时，微波对羟基的极化，使得羟基的反应活性大大增加，从而降低了反应活化能，提高了反应速度。2水热与溶剂热合成方法原理2.1水热与溶剂热合成方法的概念2.2水热与溶剂热合成的原理2.3水热与溶剂热合成方法的适用范围2.1水热与溶剂热合成方法的概念水热法(HydrothermalSynthesis)，是指在特制的密闭反应器（高压釜）中，采用水溶液作为反应体系，通过对反应体系加热、加压(或自生蒸气压），创造一个相对高温、高压的反应环境，使得通常难溶或不溶的物质溶解，并且重结晶而进行无机合成与材料处理的一种有效方法。在水热条件下，水既作为溶剂又作为矿化剂，在液态或气态还是传递压力的媒介，同时由于在高压下绝大多数反应物均能部分溶解于水，从而促使反应在液相或气相中进行。水热法近年来已广泛应用于纳米材料的合成，与其它粉体制备方法相比，水热合成纳米材料的纯度高、晶粒发育好，避免了因高温煅烧或者球磨等后处理引起的杂质和结构缺陷。但是水热法也有严重的局限性，最明显的一个缺点就是，该法往往只适用于氧化物或少数对水不敏感的硫化物的制备，而对其他一些对水敏感的化合物如III-V族半导体，新型磷（或砷）酸盐分子筛骨架结构材料的制备就不适用了。正是在这种背景下，溶剂热技术就应运而生。溶剂热法（SolvothermalSynthesis），是在水热法的基础上发展起来的一种新的材料制备方法，将水热法中的水换成有机溶剂或非水溶媒（例如：有机胺、醇、氨、四氯化碳或苯等），采用类似于水热法的原理，以制备在水溶液中无法长成，易氧化、易水解或对水敏感的材料，如III-V族半导体化合物、氮化物、硫族化合物、新型磷（砷）酸盐分子筛三维骨架结构等。在溶剂热条件下，有机溶剂也是传递压力的介质，同时起到矿化剂的作用。用有机溶剂代替水，不仅大大扩大了水热技术的应用范围，而且由于有机溶剂本身的特性，如极性、络合性能，有时可以起到奇特的效果，从溶剂热合成的角度，去研究认识化学反应的本质与晶体生长的习性，这其中包括的研究内容非常丰富，除了溶剂热反应热力学，反应动力学，反应机理和晶体生长机制等基本问题外，还有许多值得探索。2.2水热与溶剂热合成的原理水热法常用氧化物或者氢氧化物或凝胶体作为前驱物，以一定的填充比进入高压釜，它们在加热过程中溶解度随温度升高而增大，最终导致溶液过饱和，并逐步形成更稳定的新相。反应过程的驱动力是最后可溶的前驱体或中间产物与最终产物之间的溶解度差，即反应向吉布斯焓减小的方向进行。但严格的说，水热技术中几种重要的反应机理并不完全相同，即并非都可用这种“溶解-结晶”机理来解释，水热反应的微观机理是急需解决的问题。同时，反应过程中的有关矿化剂的作用，中间产物对产物的影响等也不十分清楚。水热生长体系中的晶粒形成可分为三种类型：“均匀溶液饱和析出”机制“溶解-结晶”机制“原位结晶”机制“均匀溶液饱和析出”机制由于水热反应温度和体系压力的升高，溶质在溶液中溶解度降低并达到饱和，以某种化合物结晶态形式从溶液中析出。当采用金属盐溶液为前驱物，随着水热反应温度和体系压力的增大，溶质（金属阳离子的水合物）通过水解和缩聚反应，生成相应的配位聚集体（可以是单聚体，也可以是多聚体）当其浓度达到过饱和时就开始析出晶核，最终长大成晶粒。“溶解-结晶”机制当选用的前驱体是在常温常压下不可溶的固体粉末、凝胶或沉淀时，在水热条件下，所谓“溶解”是指水热反应初期，前驱物微粒之间的团聚和联接遭到破坏，从而使微粒自身在水热介质中溶解，以离子或离子团的形式进入溶液，进而成核、结晶而形成晶粒；“结晶”是指当水热介质中溶质的浓度高于晶粒的成核所需要的过饱和度时，体系内发生晶粒的成核和生长，随着结晶过程的进行，介质中用于结晶的物料浓度又变得低于前驱物的溶解度，这使得前驱物的溶解继续进行。如此反复，只要反应时间足够长，前驱物将完全溶解，生成相应的晶粒。“原位结晶”机制当选用常温常压下不可溶的固体粉末，凝胶或沉淀为前驱物时，如果前驱物和晶相的溶解度相差不是很大时，或者“溶解-结晶”的动力学速度过慢，则前驱物可以经过脱去羟基（或脱水），原子原位重排而转变为结晶态。水热条件下纳米晶粒的形成是一个复杂过程，环境相中物质的相互作用、固-液界面上物质的运动和反应、晶相结构的组成、外延与异化可看作是这一系统的三个子系统，它们之间存在物质与能量的交换，存在着强的相互作用。因此，任何对某一子系统进行研究是没有意义的。这就是所谓的“晶体结构－晶体生长条件－晶体生长形态－晶体缺陷”这四者关系的研究，即晶体生长习性的研究。将水热条件下纳米晶粒的形成过程可分为三个阶段：生长基元与晶核的形成生长基元在固-液生长界面上的吸附与运动生长基元在界面上的结晶或脱附生长基元与晶核的形成：环境相中由于物质的相互作用，动态地形成不同结构形式的生长基元，它们不停的运动，相互转化，随时产生或消灭。当满足线度和几何构型要求时，晶核即生成。生长基元在固-液生长界面上的吸附与运动：在由于对流、热力学无规则运动或者原子吸引力，生长基元运动到固-液生长界面并被吸附，在界面上迁移运动。生长基元在界面上的结晶或脱附：在界面上吸附的生长基元，经过一定距离的运动，可能在界面某一适当位置结晶并长入晶相，使得晶相不断向环境相推移，或者脱附而重新回到环境相中。晶体内部结构，环境相状态及生长条件的变化都将直接影响晶体生长过程。环境相及生长条件的影响集中体现在生长基元的形成过程中，对于同种晶体，不同的生长条件可能产生不同形式的生长基元，最终形成具有不同生长形态的晶体。不同结构的生长基元在不同界面族上的吸附、运动、结晶或脱附过程主要与结晶相结构相关联。2.3水热与溶剂热合成方法的适用范围

制备超细（纳米）粉末合成新材料、新结构和亚稳相

制备薄膜

低温生长单晶

1.制备超细（纳米）粉末近年来，随着宇航、高温发动机、高温热交换器及现代电子工业的发展，要求陶瓷元器件精度高、可靠性好、多功能、小型化。而高性能陶瓷的微观结构以及力学、电学、磁学等宏观性能，在很大程度上取决于粉体原料的特性，如粒度大小、形貌、化学组成及其均匀性等。其关键之一就是要实现粉体原料的超纯、超细和均匀性。目前，水热法在合成超细（纳米）粉体材料方而发展很快，每年都有大量新的纳米粉体材料由水热法合成出来。下面是其研究活跃的几个方面：（1）粉体颗粒形貌的控制随着材料科学和技术的发展，人们认识到材料的性质与组成材料的粉末颗粒形貌有很大关系。水热法合成的粉体产物往往具有一定的形状如多面体、球形等，通常是在反应体系中加入形貌控制剂来合成具有特定形状的纳米颗粒。

（2）粉末颗粒度及分散度的控制粉体材料的颗粒粒度分布越窄越好。在众多的合成方法中，胶体化学法得到的产物颗粒分布最窄，但是该法所得产物颗粒形状基本上全部为球形，对于其它形貌的产物颗粒合成则具有一定难度另外，产物的分离也有一定难度。而水热法却可以通过调节反应条件或加入合适的添加剂将产物颗粒的粒度分布控制在较窄的范围内。大量的研究表明粉体的晶粒粒度与粉体形成时的成核速度有关，成核速度越快，由此制得的粉体的晶粒粒度就越小，这是因为水热法制备粉体是在物料恒定的条件下进行的，对于溶液体系，如果采取一定的措施，加快成核速度，即在相对较短的时间内形成相对较多的晶核，由于在成核过程中溶质被大量消耗，在生长过程所提供的溶质就会相对减少，则可以使产物的晶粒粒度减少。因此要想制得纳米粉体，必须增大粉体形成时的成核速度。对于水热合成体系，在不改变其它反应条件的情况下，如果在一相当短的时间内使反应物浓度有极大的增加，就可以大大加快成核速率，从而达到减小产物晶粒粒度的目的。（3）温和条件下粉体材料的水热合成，如前所述，水热反应的一大特点是在一定压力和温度下进行的。从反应控制和应用来看，温度越低，反应越易控制，未来工业化生产的设备投资越低。因此，人们最近在低温水热合成方面做了较多的研究。（4）避免水热合成中杂质对产物的污染例如，利用水热合成钙钦矿型复合氧化物时，通常用强碱NaOH、KOH等作矿化剂实验证明，碱金属离子极易污染产物，从而对产物性质造成影响。为避免碱金属离子的污染，人们试图在中性溶液中合成钙钦矿型复合氧化物，但成功的例子不多而利用非水溶剂热合成却是一个有效的途径。非氧化物如氮化物、砷（磷）化物、碳化物和硫化物等纳米材料传统上都是由金属和非金属单质或氢化物经高温反应制得。目前，国际上己发展了自蔓延高温合成技术、高温固相置换反应、金属有机化合物热分解、水热合成等方法但前两种方法所得的产物往往含有杂质，第三种方法因有些金属有机化合物难以合成且价格较贵，限制了其应用，第四种方法能用于制备氧化物和低价硫化物等，但在制备氮化物、碳化物、砷（磷）化物等非氧化物时，由于反应物或产物对水敏感而无法使用。最近，国内外研究者发展了溶剂热合成技术，设计和选择了多种新的化学反应，在较低的温度下实现了多种氮化物、磷化物、砷化物、硒化物、磅化物和碳化物等非氧化物纳米材料的制备。溶剂热法合成的材料分以下几类：Ⅲ-Ⅴ族纳米材料的溶剂热合成。金刚石及碳化物、氮化物的中温溶剂热合成。金属硫属化合物纳米材料的溶剂热合成。

一维纳米材料的溶剂热合成

（1）Ⅲ-Ⅴ族纳米材料的溶剂热合成。随着高速集成电路、微波和毫米波器件、量子阱器件及光电集成电路向微型化方向发展，对材料的纳米化提出了要求。半导体纳米粒子随着粒径减小，量子尺寸效应逐渐增大，其光学性质也随之改变。理论计算表明，Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体纳米材料的量子尺寸效应比Ⅱ-Ⅵ族化合物更为显著。但由于制备上的困难，Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的物性研究受到很大的局限。如传统上制备InAs需要很高的反应温度，或引入复杂的金属有机前驱物，所需反应条件苛刻，往往