转载：化学气相沉积（CVD）技术梳理

材料人发布制取栏目，邀约栏目高新科技咨询顾问写稿叙述各种各样制取技术性。文中由材料人栏目高新科技咨询顾问石磊写稿给予。

化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition）中的Vapor Deposition意指气相色谱堆积，其义就是指运用气相色谱中产生的物理学、有机化学全过程，在液体表层产生堆积物的技术性。依照原理其可以区划为三大类：物理学气相色谱堆积（Physical Vapor Deposition,通称PVD），化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition,通称CVD）和等离子气相色谱堆积（Plasma Chemical Vapor Deposition,通称PCVD）。^[1]现阶段CVD的运用最普遍，其技术性发展趋势及科学研究也更为完善，其普遍使用于普遍用以纯化成分、制取各种各样单晶体、多晶体或玻璃态有机物塑料薄膜原材料。

CVD和PVD中间的差别主要是，CVD堆积全过程要产生化学变化，归属于气相色谱有机化学生长发育全过程，其主要就是指运用汽态或是蒸气态的成分在液体界面上产生化学变化进而转化成固体堆积物的加工工艺全过程。简单点来说，即能够将多种多样汽体原材料导到反映房间内,使其相互之间产生化学变化转化成新型材料，最终堆积到硅片体表层的全过程。CVD这一名字最开始在Powell C F等人1966年所知名为《Vapor Deposition》的书里被初次提及，以后Chemical Vapor Deposition才为人正直普遍接纳。^[2]

CVD技术性的运用最开始可以被上溯到远古人类阶段，山洞壁或岩层上留下来了因为供暖和烤串等产生的灰黑色碳层。当代CVD技术性萌芽期于20新世纪的50时代，那时候其关键运用于制做数控刀片的镀层。20新世纪60～70时代至今，伴随着半导体材料和电子器件技术性的发展趋势，CVD技术性获得了长久的快速发展和发展。1968年Nishizawa研究组初次应用低电压汞灯科学研究了光直射对固态界面上堆积P型光伏电池膜的危害，打开了光堆积的科学研究。^[3] 1972年Nelson和Richardson用CO₂激光器对焦束堆积碳膜，开始了激光器化学气相沉积的科学研究。^[4] 继Nelson以后，学者们选用输出功率为几十瓦的激光发生器堆积SiC、Si₃N₄等非金属材料膜和Fe、Ni、W、Mo等陶瓷膜和铝合金空气氧化膜，促进了激光器化学气相沉积的发展趋势。^[5-7] 原苏联Deryagin和Fedoseev等在1970年引进分子氢开辟了激话低电压CVD金钢石塑料薄膜生长发育技术性，80时代在全球产生了科学研究风潮。^[8,9] 现阶段CVD技术性在电子器件、机械设备等产业部门中激发了关键作用，尤其对一些如金属氧化物、渗碳体、金钢石和类金钢石等作用塑料薄膜和超硬塑料薄膜的堆积。特别是在现阶段超纯硅原材料-超纯多晶硅的工作只有根据CVD技术性。

如前所述化学气相沉积是构建在化学变化以上的，挑选适宜的作用原材料和堆积反映有利于获得性能卓越的原材料。

a)高溫化合反应

CVD堆积反映里非常简单立即的形式便是分解反应反映，其基本原理主要是固体化学物质提温到一定溫度会溶解为固体总体目标物质和汽态副产品。操作过程一般是向运行或可塑性氛围下的单温区真空烘箱导进反映汽体，将温度控制升到化学物质的溶解溫度使之产生溶解，在硅片上堆积获得总体目标物质。分解反应反映的重点在于适合挥起源和溶解溫度的挑选，特别是在要需注意原料在不一样环境温度下的转化物质。现阶段常运用的原材料有氢化物、羰基化合物和金属材料有机物等，因其离子键的解离能都广泛较小，易溶解，溶解溫度相比较低，特别是在氢化物溶解后的副产品是沒有腐蚀的氡气。分解反应反映关键适用金属材料、半导体材料、绝缘物等材质的制取。

1)氢化物溶解制取多晶硅和非晶硅：SiH₄ (g) → Si (s) 2H₂ (g)    650℃

2)羰基氟化物溶解堆积贵重金属或是过渡元素：Ni(CO)₄ (s) → Ni (s) 4CO (g)     140-240℃

3)金属材料有机化合物溶解堆积Al₂O₃：2Al(OC₃H₇)₃ (s) → Al₂O₃ (s) 6C₃H₆ (g) 3H₂O (g)    420℃

b)人工合成反映

CVD堆积反映里使用最普遍的当属人工合成反映，其关键牵涉到多种多样反映汽体在硅片表层互相反映堆积转化成固态塑料薄膜的全过程，因而称之为人工合成反映，CVD堆积反映大多数都归属于该类。一般是将多种多样反映汽体进入向运行或可塑性氛围下的单温区真空烘箱中，温度控制升到适合的溫度使之在硅片上产生生成反映获得总体目标物质。人工合成反映的重点在于反映物质的挑选，标准要尽量减少副产品的转化成。由于运用分解反应堆积总体目标物质的原材料使用区域相对性狭小，而理论上随意一种无机材料都能够根据多种多样原材料的置换反应来获得。因而，与分解反应反映对比，人工合成反映运用最普遍，其关键运用于制取各种各样多晶态和玻璃态的冲积物、绝缘层膜等，如SiO₂、Al₂O₃、Si₃N₄。

1)四氯化硅外延性法生长发育硅外延片：SiCl₄ (s) 2H₂ (g) → Si (s) 4HCl (g)    1150-1200℃

2)半导体材料SiO₂掩膜加工工艺：SiH₄ (s) 2O₂ (g) → SiO₂ (s) 2H₂O (g)    325-475℃

3)Si₃N₄等绝缘层膜的堆积：3SiCl₄ (s) 4NH₃ (g) → Si₃N₄ (s) 12HCl (g)    850-900℃

c)有机化学传送反映

有机化学动力学反映将总体目标物质做为挥起源，凭借均衡反映来堆积总体目标物质，其借助汽体与之作用转化成烃类化学物质，转化成的汽态化学物质经载气运送到与蒸发区溫度不一样的堆积区产生逆向反应，在底材上转化成源成分。有机化学传送反映的重点在于输运反映管理体系和标准(溫度、输运剂的使用量这些)的挑选，这当中牵涉到一部分有机化学热学有关的专业知识，一般转化成烃类化学物质的气温通常比再次反映堆积时要高一些。

有色金属的纯化和ZnSe等单晶体的生长发育：ZnSe (s) I₂ (g)ZnI₂ (g) 1/2 Se₂ (g)

ZnS (s) I₂ (g)ZnI₂ (g) 1/2 S₂ (g)

应用CVD技术性堆积总体目标物质时，其总体目标物质、原料及反应类型的挑选通常要遵循下列3项标准：

(1)原料在较低溫度下应具备较高的蒸汽压且便于蒸发成蒸气并具备很高的纯净度，简单点来说原料蒸发成气体的溫度不能过高，一般化学气相沉积溫度都是在1000℃下列。

(2)根据络合反应和原料的挑选尽量减少副产品的转化成，若有副产品的存有，在反映溫度下副产品应容易挥发为汽态，那样便于排掉或分离出来。

(3)尽可能挑选堆积温度低的反映堆积总体目标物质，因大部分基材原材料没法承担CVD的高溫。

(4)反映全过程尽可能简易易于控制

[1] 刘艳红, 张迎春, 葛昌纯. 金属钨镀层制取技术的研究成果. 粉末冶金材料科学合理与工程项目, 2011, 16, 315-322.

[2] Powell C F, Oxley J H, Blocher J M. Vapor Deposition. sponsored by the Electrochemical Society, New York（The Electrochemical Society series） UMI Books on Demand, 1966.

[3] Kumagawa M, Sunami H, Terasaki T, Nishizawa J I. Epitaxial Growth with Light Irradiation. Japanese Journal of Applied Physics, 2014, 7, 1332-1341.

[4] Nelson L S, Richardson N L. Formation of Thin Rods of Pyrolytic Carbon by Heating with A Focused Carbon Dioxide Laser. Materials Research Bulletin, 1972, 7, 971-975.

[5] Leyendecker G, Bauerle D, Geittner P, Lydtin H. Laser Induced Chemical Vapor Deposition of Carbon. Applied Physics Letters, 1981, 39, 921-923.

[6] Kwok K, Chiu W K S. Growth of Carbon Nanotubes by Open-Air Laser-Induced Chemical Vapor Deposition. Carbon, 2005, 43, 437-446.

[7] Michaelis F B, Weatherup R S, Bayer B C, Bock M C, Sugime H, Caneva S, Robertson J, Baumberg J J, Hofmann S. Co-Catalytic Absorption Layers for Controlled Laser-Induced Chemical Vapor Deposition of Carbon Nanotubes. ACS Applied Materials & Interfaces, 2014, 6, 4025-4032.

[8] Deryagin B V, Fedoseev D V. Epitaxial Synthesis of Diamond in the Metastable Region. Russian Chemical Reviews, 1970, 39, 1661–1671.

[9] Deryagin B V, Fedoseev D V. Growth of Diamond and Graphite from the Gas

Phase, Nauka, Moscow (1977); (English translation in Diamond Growth and Films, edited by UCFMG, Elsevier, New York, 1989).

[10] 胡昌义, 李天王华. 化学气相沉积技术性与原材料制取. 有色金属, 2001, 25, 364-368.

[11] 化学气相沉积和有机物新型材料[B].

[12] 田民波. 化学气相沉积. 表面技术, 1989, 3, 33-37.

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