气相沉积原理

化学气相沉积

气相沉积技术是一种发展迅速、应用广泛的表面成膜技术，它不仅可以用来制备各种特殊力学性能（如超硬、高耐蚀、耐热和抗氧化等）的薄膜涂层，而且还可以用来制备各种功能薄膜材料和装饰薄膜涂层等。

气相沉积技术可以分为物理气相沉积（Physical Vapor Deposition,简称PVD）和化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition,简称CVD）。其中化学气相沉积应用最为广泛，技术发展及研究最为成熟。

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。目前CVD技术在电子、机械等工业部门中发挥了巨大作用，特别对一些如氧化物、碳化物、金刚石和类金刚石等功能薄膜和超硬薄膜的沉积。

化学气相沉积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。CVD和PVD相比，沉积过程要发生化学反应，是一个气象化学生长的过程。

从气相中析出的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。

一、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且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

化学气相沉积技术原理及应用前景

摘要：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。本论文简述了化学气相沉积（CVD）的发展历史，论述了化学气相沉积技术的基本原理及其特点和最新发展起来的具有广泛应用前景的几种 CVD 新技术, 同时分析展望了其应用发展前景。

关键字：化学气相沉积，CVD，热分解，MOCVD

一 化学气相沉积简介

化学气相沉积是利用气态或蒸气态的物质在气相或气固界面上反应生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气沉积(Chemical Vapor Deposition,简称CVD)，因为很多反应物质在通常条件下是液态或固态，经过汽化成蒸气再参与反应的。

这一名称是在20世纪60年代初期由美国J. M. Blocher Jr.等人在《Vapor Deposition》一书中首先提出的。Blocher还由于他对CVD国际学术交流的积极推动被尊称为“Sir CVD"，在20世纪60年代前后对这一项技术还有另一名称，即蒸气镀Vapor Plating，而Vapor

Deposition一词后来被广泛地接受。

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。这方面的发展背景是由于当时欧洲的机械工业和机械加工业的强大需求。以碳化钨作为基材的硬质合金刀具经过CVD

Al2O3 ,TiC及TiN复合涂层处理后切削性能明显地提高，使用寿命也成倍地增加，取得非常显著的经济效益，因此得到推广和实际应用。

从二十世纪六七十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级超纯硅原料-超纯多晶硅生产的惟一方法，而且也是硅单晶外延、砷化镓等Ⅲ-V族半导体和Ⅱ-Ⅵ族半导体单晶外延的基本生产方法。

气相沉积原理

气相沉积（Gas Phase Deposition）是一种用于合成薄膜的技术，其原理是将气体或蒸汽沉积在基底表面上生成薄膜。该技术通常适用于需要高纯度和均匀性的薄膜材料制备。

在气相沉积中，薄膜的合成过程分为两个阶段：气体源的转化和固体相的形成。

首先，气体源被转化成反应物，在高温和高压的条件下，通过化学反应或热分解产生反应物。这些反应物可以是气体、液体或固体的形式。

接下来，反应物将被输送到基底的表面，并发生固相沉积的过程。在此过程中，反应物分子会逐个附着到基底表面上，形成一个连续的薄膜。

在气相沉积中，有几种常见的技术，包括化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，简称CVD）和物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，简称PVD）。这些技术之间的差异在于反应物的形式和反应的机理。

化学气相沉积通常使用气体反应物，通过化学反应在表面上生成薄膜。这种方法可以实现对薄膜成分和结构的精确控制。

而物理气相沉积则使用固体反应物，通过蒸发或溅射的方式将固体转化为薄膜。这种方法主要依赖于物理过程，如固体的汽化和热扩散。

无论是化学气相沉积还是物理气相沉积，都需要精确控制反应条件和基底表面的处理，以确保薄膜的均匀性和质量。

总之，气相沉积是一种重要的薄膜制备技术，可以用于制备多种材料的薄膜。通过控制反应条件和处理基底表面，可以实现对薄膜的成分和结构的精确控制，具有广泛的应用潜力。

物理气相沉积工艺

物理气相沉积工艺（Physical Vapor Deposition，PVD）是一种将金属等物质以固体形态蒸发后，经过凝华在基底表面上形成的薄膜工艺。PVD工艺广泛应用于电子学、光电子学、能源、航空航天等领域，制备表面的功能材料。

PVD工艺可分为两类：物理气相沉积（Physical Vapor

Deposition，PVD）和化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）。其中，PVD工艺是将物质以固态流态蒸发到基底表面，化学反应相对较小，而CVD工艺则是基于在气相中反应形成的产物在固体表面沉积的工艺。

PVD工艺常包括多个步骤，如清洗、增塑、热处理等前处理工序，然后是真空环境下的耗材加热、被蒸发的材料粒子束流引导，以及在基底表面上沉积这些粒子的质量控制工艺。

工艺参数的调整需要精细化控制，如加热温度、压力、时间等。同时，基底的位置、角度和转速等也需要准确控制。除此之外，为了得到均匀和不同颜色的样品，蒸发材料的组成和厚度控制也非常重要。 在PVD工艺中，有多个不同的沉积技术可供选择。其中，常见的沉积技术有物理气相成膜、离子束成膜、磁控溅射和分子束束流沉积等。

物理气相成膜（Physical Vapor Deposition，PVD）主要是利用热蒸发等方法将材料以固态蒸发形式沉积在基底表面。物理气相成膜工艺的特点是具有高纯、高致密度、高孔隙率、高附着力等特点。适用于制备金属、合金、氧化物、氮化物、氢化物和类石墨材料等。

离子束成膜（Ion Beam Deposition,IBD）是将固态材料以蒸发形式沉积在基底表面，同时用激发的离子束改变沉积材料的蒸发方式和表面结构。其工艺特点是能在信号到噪比较低的情况下生长少量的晶体，是制备单晶薄膜的重要工艺。

磁控溅射（Sputtering）是将物质以固态的方式蒸发形成粒子束，然后利用气体离子轰击这些粒子，让它们反弹并击中到基底表面上，实现在基底表面沉积。这种工艺通常通过外加磁场来控制离子束，从而改善材料的均一性和值沉积质量。