CVD技術(shù)的應(yīng)用與進(jìn)展

2009-09-20 趙峰陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院

　　化學(xué)氣相沉積是一種材料表面強(qiáng)化技術(shù),是在相當(dāng)高的溫度下,混合氣體與工件表面相互作用,使混合氣體中的某些成分分解,并在工件表面形成一種金屬或化合物固態(tài)薄膜或鍍層。它可以利用氣相間的反應(yīng),在不改變工件基體材料的成分和不削弱基體材料強(qiáng)度的條件下,賦予工件表面一些特殊的性能。CVD的反應(yīng)溫度取決于沉淀物的特性,通常大約為900～2000 ℃。中溫CVD(MTCVD)的典型反應(yīng)溫度大約500～800℃,它通常是通過(guò)金屬有機(jī)物在較低溫度的分解來(lái)實(shí)現(xiàn)的,所以又稱為金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)。目前,化學(xué)氣相沉積技術(shù)不僅應(yīng)用于刀具材料、耐磨耐熱耐腐蝕材料、宇航工業(yè)的特殊復(fù)合材料、原子反應(yīng)堆材料及生物醫(yī)用材料等領(lǐng)域,而且被廣泛應(yīng)用于制備與合成各種粉體材料、塊體材料、新晶體材料、陶瓷纖維及金剛石薄膜等。在作為大規(guī)模集成電路技術(shù)的鐵電材料、絕緣材料、磁性材料、光電子材料的薄膜制備技術(shù)方面,更是不可或缺。本文論述了化學(xué)氣相沉積技術(shù)的基本原理、特點(diǎn)、應(yīng)用和最新發(fā)展的具有廣闊應(yīng)用前景的CVD新技術(shù),同時(shí)分析了化學(xué)氣相沉積技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),并展望其應(yīng)用前景。

1、CVD工作原理和特點(diǎn)

1.1、CVD工作原理

　　CVD是利用氣態(tài)物質(zhì)在固體表面進(jìn)行反應(yīng)生成固態(tài)沉積物的過(guò)程,是一種在高溫下利用熱能進(jìn)行熱分解和熱化合的沉積技術(shù)。它一般包括三個(gè)步驟: (1)產(chǎn)生揮發(fā)性物質(zhì); (2)將揮發(fā)性物質(zhì)輸運(yùn)到沉淀區(qū); (3)在基體上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成固態(tài)物質(zhì) 。下面就以沉積TiC為例,說(shuō)明其工作原理。CVD法沉積TiC的裝置示意圖如圖1所示。其中工件在氫氣保護(hù)下加熱到1000～1500 ℃,然后以氫氣作載流氣體把TiCl₄和CH₄氣帶入爐內(nèi)反應(yīng)室中,使TiCl₄中的Ti與CH4中的C(以及鋼件表面的C)化合,形成碳化物。反應(yīng)的副產(chǎn)物則被氣流帶出室外。其沉積反應(yīng)如下:

TiCl4(l)+CH4(g)→TiC(s)+4HCl(g)

TiCl4(l)+C(鋼中)+2H(g)→TiC(s)+4HCl(g)

　　零件在鍍前應(yīng)進(jìn)行清洗和脫脂,還應(yīng)在高溫氬氣流中作還原處理。選用氣體不僅純度要高(如氫氣純度要求99.9%以上,TiCl₄的純度要高于99.5%),而且在通入反應(yīng)室前必須經(jīng)過(guò)凈化,以除去其中的氧化性成分。沉積過(guò)程的溫度要控制適當(dāng),若沉積溫度過(guò)高,則可使TiC層厚度增加,但晶粒變粗,性能較差;若溫度過(guò)低,由TiCl₄還原出來(lái)的Ti沉積速率大于碳化物的形成速率,沉積物是多孔性的,而且與基體結(jié)合不牢固。另外,鋼鐵材料經(jīng)高溫CVD處理后,雖然鍍層的硬度很高,但基體被退火軟化,在外載下易于塌陷。因此,CVD處理后必須再進(jìn)行淬火和回火。

TiC氣相沉積裝置