CVD技術的應用與進展

2009-09-20 趙峰陜西國防工業職業技術學院

　　化學氣相沉積是一種材料表面強化技術,是在相當高的溫度下,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薄膜或鍍層。它可以利用氣相間的反應,在不改變工件基體材料的成分和不削弱基體材料強度的條件下,賦予工件表面一些特殊的性能。CVD的反應溫度取決于沉淀物的特性,通常大約為900～2000 ℃。中溫CVD(MTCVD)的典型反應溫度大約500～800℃,它通常是通過金屬有機物在較低溫度的分解來實現的,所以又稱為金屬有機化合物化學氣相沉積(MOCVD)。目前,化學氣相沉積技術不僅應用于刀具材料、耐磨耐熱耐腐蝕材料、宇航工業的特殊復合材料、原子反應堆材料及生物醫用材料等領域,而且被廣泛應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。在作為大規模集成電路技術的鐵電材料、絕緣材料、磁性材料、光電子材料的薄膜制備技術方面,更是不可或缺。本文論述了化學氣相沉積技術的基本原理、特點、應用和最新發展的具有廣闊應用前景的CVD新技術,同時分析了化學氣相沉積技術的發展趨勢,并展望其應用前景。

1、CVD工作原理和特點

1.1、CVD工作原理

　　CVD是利用氣態物質在固體表面進行反應生成固態沉積物的過程,是一種在高溫下利用熱能進行熱分解和熱化合的沉積技術。它一般包括三個步驟: (1)產生揮發性物質; (2)將揮發性物質輸運到沉淀區; (3)在基體上發生化學反應而生成固態物質。下面就以沉積TiC為例,說明其工作原理。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氣帶入爐內反應室中,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。反應的副產物則被氣流帶出室外。其沉積反應如下:

TiCl4(l)+CH4(g)→TiC(s)+4HCl(g)

TiCl4(l)+C(鋼中)+2H(g)→TiC(s)+4HCl(g)

　　零件在鍍前應進行清洗和脫脂,還應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%),而且在通入反應室前必須經過凈化,以除去其中的氧化性成分。沉積過程的溫度要控制適當,若沉積溫度過高,則可使TiC層厚度增加,但晶粒變粗,性能較差;若溫度過低,由TiCl₄還原出來的Ti沉積速率大于碳化物的形成速率,沉積物是多孔性的,而且與基體結合不牢固。另外,鋼鐵材料經高溫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處理后必須再進行淬火和回火。

TiC氣相沉積裝置