化學氣相沉積

化學氣相沉積是一種化工技術，該技術主要是利用含有薄膜元素的一種或幾種氣相化合物或單質、在襯底表面上進行化學反應生成薄膜的方法。化學氣相澱積是近幾十年發展起來的製備無機材料的新技術。化學氣相澱積法已經廣泛用於提純物質、研製新晶體、澱積各種單晶、多晶或玻璃態無機薄膜材料。這些材料可以是氧化物、硫化物、氮化物、碳化物，也可以是III-V、II-IV、IV-VI族中的二元或多元的元素間化合物，而且它們的物理功能可以通過氣相摻雜的澱積過程精確控制。目前，化學氣相澱積已成為無機合成化學的一個新領域。

基本介紹

• 中文名：化學氣相沉積
• 外文名：Chemical VaporDeposition
• 簡稱：CVD
• 領域：化工

套用

現代科學和技術需要使用大量功能各異的無機新材料，這些功能材料必須是高純的，或者是在高純材料中有意地摻入某種雜質形成的摻雜材料。但是，我們過去所熟悉的許多製備方法如高溫熔煉、水溶液中沉澱和結晶等往往難以滿足這些要求，也難以保證得到高純度的產品。因此，無機新材料的合成就成為現代材料科學中的主要課題。

原理

化學氣相沉積技術是套用氣態物質在固體上產生化學反應和傳輸反應等並產生固態沉積物的一種工藝，它大致包含三步：

（1）形成揮發性物質 ；

（2）把上述物質轉移至沉積區域 ；

（3）在固體上產生化學反應並產生固態物質 。

最基本的化學氣相沉積反應包括熱分解反應、化學合成反應以及化學傳輸反應等集中。

特點

1）在中溫或高溫下，通過氣態的初始化合物之間的氣相化學反應而形成固體物質沉積在基體上。

2）可以在常壓或者真空條件下(負壓“進行沉積、通常真空沉積膜層質量較好）。

3）採用等離子和雷射輔助技術可以顯著地促進化學反應，使沉積可在較低的溫度下進行。

4）塗層的化學成分可以隨氣相組成的改變而變化，從而獲得梯度沉積物或者得到混合鍍層。

5）可以控制塗層的密度和塗層純度。

6）繞鍍件好。可在複雜形狀的基體上以及顆粒材料上鍍膜。適合塗覆各種複雜形狀的工件。由於它的繞鍍性能好，所以可塗覆帶有槽、溝、孔，甚至是盲孔的工件。

7）沉積層通常具有柱狀晶體結構，不耐彎曲，但可通過各種技術對化學反應進行氣相擾動，以改善其結構。

8）可以通過各種反應形成多種金屬、合金、陶瓷和化合物塗層。

技術類型

化學氣相沉積裝置最主要的元件就是反應器。按照反應器結構上的差別，我們可以把化學氣相沉積技術分成開管/封管氣流法兩種類型：

1 封管法

這種反應方式是將一定量的反應物質和集體放置於反應器的兩邊，將反應器中抽成真空， 再向其中注入部分輸運氣體，然後再次密封， 再控制反應器兩端的溫度使其有一定差別，它的優點是：①能有效夠避免外部污染；②無須持續抽氣就能使是內部保持真空。它的缺點是：①材料產生速度慢；②管中的壓力不容易掌握。

2 開管法

這種製備方法的特點是反應氣體混合物能夠隨時補充。廢氣也可以及時排出反應裝置。以加熱方法為區分，開管氣流法應分為熱壁和冷壁兩種。前者的加熱會讓整個沉積室壁都會因此變熱，所以管壁上同樣會發生沉積。 後者只有機體自身會被加熱，也就沒有上述缺點。 冷壁式加熱一般會使用感應加熱、通電加熱以及紅外加熱等等。

化學氣相沉積技術在材料製備中使用

1化學氣相沉積法生產晶體、晶體薄膜

化學氣相沉積法不但可以對晶體或者晶體薄膜性能的改善有所幫助，而且也可以生產出很多別的手段無法製備出的一些晶體。化學氣相沉積法最常見的使用方式是在某個晶體襯底上生成新的外延單晶層，最開始它是用於製備矽的，後來又製備出了外延化合物半導體層。它在金屬單晶薄膜的製備上也比較常見（比如製備 W、Mo、Pt、Ir 等）以及個別的化合物單晶薄膜（例如鐵酸鎳薄膜、釔鐵石榴石薄膜、鈷鐵氧體薄膜等）。

2生產晶須

晶須屬於一種以為發育的單晶體，它在符合材料範疇中有著很大的作用，能夠用於生產一些新型複合材料。 化學氣相沉積法在生產晶須時使用的是金屬鹵化物的氫還原性質。化學氣相沉積法不但能製備出各類金屬晶須，同時也能生產出化合物晶須，比如氧化鋁、金剛砂、碳化鈦晶須等等。

3化學氣相沉積技術生產多晶/非晶材料膜

化學氣相沉積法在半導體工業中有著比較廣泛的套用。比如作為緣介質隔離層的多晶矽沉積層。在當代，微型電子學元器件中越來越多的使用新型非晶態材料，這種材料包括磷矽玻璃、硼矽玻璃、SiO₂以及 Si₃N₄等等。此外，也有一些在未來有可能發展成開關以及存儲記憶材料，例如氧化銅-五氧化二磷、氧化銅-五氧化二釩-五氧化二磷以及五氧化二釩-五氧化二磷等都可以使用化學氣相沉積法進行生產。

化學氣相沉積法在貴金屬材料方面的使用

1化學氣相沉積法生產幾種貴金屬薄膜

貴金屬薄膜因其有著較好的抗氧化能力、高導電率、強催化活性以及極其穩定引起了研究者的興趣。和生成貴金屬薄膜的其他方式相比，化學氣相沉積法有更多技術優勢，所以大多數製備貴金屬薄膜都會採用這種方式。沉積貴金屬薄膜用的沉積員物質種類比較廣泛，不過大多是貴金屬元素的鹵化物和有機化合物，比如COCl₂、氯化碳醯鉑、氯化碳醯銥、DCPD化合物等等。

Goto 團隊在貴金屬薄膜用作電極材料上做了大量的工作。他們所使用的襯底材料有藍寶石、石英玻璃以及氧化釔穩定化的二氧化鋯（YSZ）等等。在成沉積時往裝置中通入氧氣是為了消除掉原料因熱分解產生的碳，並製備出更有金屬光澤的貴金屬薄膜，如若不然則最後得到的就是銥碳簇膜，也就是納米等級被晶碳層所包裹的銥顆粒。沉積在YSZ 上面的銥碳簇膜有著優秀的電性能和催化活性。在比較低的溫度下，銥碳簇膜的界面電導率能達到純銥或者純鉑的百倍以上。貴金屬和炭組成的簇膜是一種輸送多孔催化活性強的簇膜，在電極材料上的使用在未來將很有潛力。

2化學氣相沉積法生產貴金屬銥高溫塗層

從20世紀80年代開始，NASA 開始嘗試使用金屬有機化合物化學氣相沉積法製取出使用錸基銥作為塗層的複合噴管，並獲得了成功，這時化學氣相沉積法在生產貴金屬塗層領域才有了一定程度上的突破。

NASA 使用了C₁₅H₂₁IrO₆作為製取銥塗層的材料，並利用 C₁₅H₂₁IrO₆的熱分解反應進行沉積。銥的沉積速度很快，最高可以達到3~20μm/h。 沉積厚度也達到了50μm，C₁₅H₂₁IrO₆的製取效率高達 70%以上。

3鈀的化學氣相沉積

Pd 及其合金對氫氣有著極強的吸附作用以及特別的選擇滲透性能，是一種存儲或者淨化氫氣的理想材料。現在對於Pd 的使用大多是將鈀合金或是鈀鍍層生產氫淨化設備 。也有些學者使用化學氣相沉積法將鈀製成薄膜或薄層。具體做法是使用分解溫度極低的金屬有機化合物當做製備鈀的材料，具體包括：烯丙基[β-酮亞胺]Pd（Ⅱ）、Pd（η-C₃H₅） （η-C₅H₅）以及 Pd（η-C₃H₅）（CF₃COCHCOCF₃）之類的材料，使用這種方式能夠製取出純度很高的鈀薄膜。

化學氣相沉積技術是一種重要的材料製備方式，在對貴金屬薄膜和塗層上有著重要的作用，當前我國在航空航天領域仍處於發展期，而化學氣相沉積技術的使用還有很大的探索空間，需要我們投入更多的精力進行研究。