气相沉积综述

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气相沉积技术研究现状及应用

任强，吴玉萍

（河海大学，南京）

摘要:本文主要阐述了气相沉积技术的研究现状，介绍了化学气相沉积技术和物理气相沉积技术，分析并展望了其未来的发展趋势。

关键词：材料表面工程；气相沉积；薄膜技术；

The Recent Research andApplication of Vapor

Deposition Technology

REN Qiang,Wu Yuping

(College of Mechanical and Eletronic Engineering ,Hohai University,

Nanjing,China)

Abstract:This article mainly expounds the research status quo of vapor deposition technology, introduces the chemical va por deposition technology and physical vapor deposition techno logy, analyses and prospects its development trend of the fu ture.

Keywords: Material Surface Engineering; Vapor deposition; Thin film technology

0 前言

涂层材料近十几年来的迅速发展和应用，无疑是和各种气相沉积技术的发展有着密切的关系。气相沉积技术是一种获得薄膜的技术，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。它是在真空中产生待沉积材料的蒸汽，然后将其冷凝于基体材料上，而产生所需要的膜层。主要有物理气相沉积(PV D)和化学气沉积(CVD)，以及在此基础上发展的物理化学气相沉积(PCVD)。在物理气相沉积情况下，膜层材料由熔融或固体状态经蒸发或溅射得到，而在化学气相沉积情况下，沉积物由引人到高温沉积区的气体离解所产生[1]。

由于气相沉积获得的膜层具有结构致密、厚度均匀、与基材结合力好等优点，尤其是可以制备多种功能性薄膜，因此作为一种新的表面改性技术，它引起了极大的关注和研究，得到了迅速的发展。已成功地应用于机械加工(如各种刀具等)、建筑装修、装饰、汽车、航空、航天、食品包装、微电子光学等各个领域中。

1化学气相沉积

化学气相沉积（CVD)是新发展的一种表面热处理方法，对于提高机械零件和工具的耐磨性及使用寿命有明显的效果。目前,此种工艺在国外发展较快，在国内有些单位也开始注意研究，如航空部天义电工厂已做了不少工作，取得一定进展。化学气相沉积法的普遍定义是：在任一压力的气相中，输入热能或辐射能以进行一定的化学反应，其结果可能形成经济而实用的固态物质和挥发性副产品。

1.1 化学气相沉积的方法及过程

CVD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 (1) 基体温度应高于气体混合物；(2) 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。

工程上以金属的卤族化合物(如TiCl

4

)的反应为主，以碳氢化合物(如甲烷) 作为反应介质，氢作为载气，结果形成TiC的固态反应产物。若在反应介

质中混以N

2或NH

3

气。则会形成Ti (CN) 沉积层。若气体介质中还含有硼和

硅，则可进一步改变沉积层的成分，形成B或Si 的碳化物层，如B

4

C和SIC 等。

CVD沉积物的形成涉及到各种化学平衡及化学动力学过程，这些化学过程又受反应器设计、工艺参数、气体性能和基体性能等诸多因素的影响[3]。要考虑所有的因素来描述完整的CVD工艺模型几乎是不可能的，因此必须做出某些假设。而其中最为典型的是浓度边界理论模型[2]。如图1所示，它比较简单地说明了CVD工艺中的主要现象—成核和生长的过程。

图1 浓度边界层模型示意图

图1中示意的主要过程如下：

a 反应气体从气相主体被强迫引入边界层；

b 反应气体由气相主体扩散和流动（粘滞流动）穿过边界层；

c 气体在基体表面的吸附；

d 吸附物之间的或者吸附物与气态物质之间的化学反应过程；

e 吸附物从基体解吸

f 生成气体从边界层到整体气体的扩散和流动；

g气体从边界层到整体气体的扩散和流动；

1.2 化学气相沉积的新发展

1.2.1 等离子体增强化学气相沉积（PECVD）

等离子体在低真空的条件下，利用直流电压、交流电压、射频、微波或电子回旋共振等方法实现气体辉光放电在沉积反应器中的形成。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。PEVCD即保留了CVD方法良好的绕镀性，又具有PVD过程中基体温度低的优点，而且在设备和方法上都比PVD简单，因此PECVD方法在涂层技术方面所具有的这种优越性，是其得到广泛应用的基础，同时又为新工艺的开发和理论研究提供了新领域[3]。

1.2.2 激光化学气相沉积（LCVD）

激光化学气相沉积（LCVD）是在真空室内放置基体，通入反应原料气体，在激光束作用下与基体表面及其附近的气体发生化学反应，在基体表面形成沉积薄膜。根据作用机理又分别称为：光解激光化学气相沉积、热解激光化学气相沉积和光热联合激光化学气相沉积。

等离子体化学气相沉积虽然能激发反应物质的分子，在较低温度下发生非平衡成膜反应，但是，由于技术固有特性带来的缺点，限制了某些应用。例如，它的重离子轰击、真空超紫外辐射和来自反应室的溅射以及反应物对膜层的污染等，都妨碍其应用。此外，该技术沉积过程参数控制困难。相比起等离子体化学气相沉积，激光化学气相沉积具有以下优点：

（1）沉积温度低，对于大多数材料可在500℃以下，甚至室温即可沉积成膜。

（2）局部选区精细定域沉积。

（3）不需掩膜沉积

（4）膜层纯度高，夹杂少，质量高。

（5）可用作成膜的材料范围广，几乎任何材料都可进行沉积。

1.2.3金属有机化学气相沉积

金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术的形成是半导体外沉积的需要。通常的金属化合物都是一些无机金属盐类，挥发性很低，很难作为CVD技术的原料气。而如果把无机的金属盐类转变成有机的金属盐类就会好很多。这样就逐渐的形成了利用有机烷基金属作为原料的MOCVD技术。MOCVD技术的主要优点是沉积温度低，这对某些不能承受常规CVD的高温基体材料很有用。

2物理气相沉积

物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，简称PVD法），是利用热蒸发、辉光放电或弧光放电等物理过程，在基材表面沉积所需涂层的技术。物理气相沉积一般分为真空蒸发镀膜技术（Vapor Evaporation）、真空溅射镀膜（Vapor Sputtering ）、离子镀膜（Ion Plating）等。

物理气相沉积具有以下特点：

1）沉积层的材料来自固体物质源

2）物理气相沉积获得的沉积层薄

3）沉积层是在真空的条件下获得的，涂层的纯度高

4）沉积层的组织细密、与基体的结合强度高

5）沉积是在辉光放电、弧光放电等低温等离子体的

条件下进行的，沉积层粒子的整体活性大，容易与反应

气体进行化合反应

6）容易获得单晶、多晶、非晶、多层、纳米层

结构的功能薄膜

7）在真空下进行，无污染