化学气相沉积特点
化学气相沉积层技术的优点及其应用
化学气相沉积层技术的优点及其应用化学气相沉积层的优点是：膜层致密，与基体结合牢固，沉积性好，膜厚且比较均匀，膜层质量比较稳定，易于实现大批量生产等。
近几年来，CVD技术已广泛应用于机械和仪表零件、刀具和模具等的表面强化，以改善其服役性能及寿命。
1．在切削工具上的应用用CVD涂覆刀具，能有效地减少在车、铣钻孔过程中出现的磨损，在这里应用了硬质合金刀具和高速钢刀具，特别是车床的转位刀片、铣刀、刮刀和整体钻头等。
使用高耐磨性的碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物和硼化物等涂层。
TiN 与金属的亲和力小，抗粘附力和抗月牙形磨损性能比Tin涂层高。
因此，刀具上广泛使用的是TiN涂层。
目前，国外先进工业国家加工齿轮广泛使用涂层刀具，估计约有80％的齿轮滚刀和40％的插刀使用了’FiN涂层。
这些刀具的寿命增加了4-8倍，并且提高了进给量和切削速度，刀具的抗月牙形磨损性能也显着提高。
为了进一步提高涂层刀具的使用性能，除了单涂层外，近年来还发展了双涂层、三涂层及多层的复合涂层刀片。
常用的双涂层有Tic—TiN、Tic—A120，等涂层。
三涂层的组合方式很多，例如：Tic．Ti(c、N)一’riN、Tic—Ti(c、N)．A170，等涂层，还有多层如Tic-Ti-TiN-A1203等。
这些相互结合的涂层改善了涂层的结合强度和韧性，提高了耐磨性。
美国最新的涂层铣刀片使用了A1203—7FiN—Tic复合涂层，基体为专用的抗塑性变形硬质合金。
因为该硬质合金有很好的切削性能，Tic涂层和外层的越203结合，抗磨损性能优于si，N4，能显着减少月牙形磨损。
经生产实践证明，刀具、冷加工模具等经沉积覆层，其使用寿命提高3～6倍，经济效益非常显着。
化学气相沉积层降低刀具磨损的主要原因为：在切削开始时，切削与基体的直接接触减小，这样刀具和工件之间的扩散过程降低，因此降低了月牙形磨损。
即使破坏了表面涂层，仍然能阻挡进一步的磨损，保留的涂层仍然能支持切削工作。
第10章化学气相沉积
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(4)
金属的羰基化合物 金属薄膜
(180 oC)
Ni(CO)4
Ni(s) + 4CO(g)
Pt(CO)2Cl2 Pt(s) + 2CO(g)+Cl2
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(600 oC)
(5)
金属的单氨配合物
氮化物
GaCl3· NH3 GaN + 3HCl (800~900 oC)
AlCl3· NH3 AlN + 3HCl oC) (800~1000
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5. 等离子体增强的反应沉积
低真空，利用直/交流电、射频、微波
等实现气体放电产生等离子体
PECVD大大降低沉积温度 例
SiH4+ x N2O
~350º C
通常850º C 350º C
–– SiOx+…
SiH4 ––– -Si + 2H2 用于制造非晶硅太阳能电池
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6. 其他能源增强的反应沉积
超纯多晶硅的CVD生产装置
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超纯多晶硅的沉积生产装置
沉积反应室: 钟罩式的常压装置，中间是由三段 硅棒搭成的倒u型，从下部接通电源使硅棒保持 在1150℃左右，底部中央是一个进气喷口，不断 喷人三氯硅烷和氢的混合气，超纯硅就会不断被 还原析出沉积在硅棒上; 最后得到很粗的硅锭或硅块用于拉制半导体硅单 晶。
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CH4
800~1000º C
–––
C (碳黑)+ 2H2
CH4
热丝或等离子体 800~1000º C
–––
C (金刚石)+ 2H2
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其它能源增强的反应沉积
其它各种能源，例如： 火焰燃烧法，或热丝法都可以实现增强沉 积反应的目的。 燃烧法主要是增强反应速率。利用外界能 源输入能量，有时还可以改变沉积物的品 种和晶体结构。
化学气相沉积法
化学气相沉积法
化学气相沉积法是一种通过热分解气态前驱体在表面上
生长薄膜的方法，常用于制备高质量的薄膜材料，例如硅、氮化硅、氧化铝、钨等。
化学气相沉积法是一种简单、易于控制的工艺，具有良好的重复性和均匀性。
化学气相沉积法的基本原理是将气体前驱体输送到基片
表面，在高温下发生化学反应，生成固态物质，最终形成具有所需性质的薄膜。
典型的化学气相沉积系统包括前驱体输送、气体反应室和基片加热部分。
在前驱体输送部分，通常将前驱体通过压缩气体输送到
反应室内。
前驱体可为有机物或无机物，例如SiH4、NH3、
Al(CH3)3、W(CO)6等。
压缩气体可以是惰性气体，如氮、氩
或氢气。
在反应室内，前驱体和压缩气体混合形成气态反应物。
在气体反应室中，气态反应物在基片表面沉积，形成固
态薄膜。
这一过程通常需要高温条件下进行，以确保气态反应物的分解和沉积。
反应室通常用电阻器、辐射加热或激光热源进行加热。
化学气相沉积法的优点主要在于其所制备的薄膜均匀性、易于控制和高品质等，这使得它在半导体工业中得到了广泛的应用。
然而，它也存在一些问题，如膜质量受到前驱体纯度、反应物浓度、温度和气体动力学等因素的影响；反应过程中可能会形成副反应产物；反应室内的气压和流量的控制也是一个关键的问题。
化学气相沉积法已成为半导体工业中制备薄膜的重要方
法，其应用领域也在不断扩大。
它的发展将有助于推动半导体产业的进一步发展，满足人类对高性能电子产品的需求。
第四章化学气相沉积
设在生长中的薄膜表面形成了界面层，其厚度为，cg和cs分别为 反应物的原始浓度和其在衬底表面的浓度，则
扩散至衬底表面的反应物的通量为： 衬底表面消耗的反应物通量与Cs成正比
平衡时两个通量相等，得
F1 hg (Cg Cs )
F2 ksCs
F1 F2
Cs
Cg 1 ks
hg
hg为气相质量输运系数，Ks为表面化学反应速率常数
4. 氧化反应 利用氧气作为氧化剂促进反应：
SiH4(g) + O2 = SiO2(s) + H2O(g) (450℃) Si(C2H5O)4 + 8O2 = SiO2 + 10H2O + 8CO2
（Si(C2H5O)4是正硅酸乙酯 简称TEOS）
SiCl4 + O2 = SiO2 + 2Cl2 GeCl4 + O2 = GeO2 + 2Cl2
1) 反应物的
质量传输 气体传送
2) 薄膜先驱 物反应
3) 气体分 子扩散
4) 先驱物 的吸附
CVD 反应室
副产物
7) 副产物的解吸附作用
8) 副产物去除
排气
5) 先驱物扩散 到衬底中
6) 表面反应
连续膜
衬底
第四章 化学气相沉积----4.2 化学气相沉积
二、CVD动力学分析 1、CVD模型（Grove模型）
薄膜的生长过程取决于气体与衬底间界面的相互作用， 可能涉及以下几个步骤： （1）反应气体从入口区域流动到衬底表面的淀积区域 （2）气相反应导致膜先驱物（组成膜最初的原子或分
子）和副产物的形成 （3）膜先驱物附着在衬底表面
第四章 化学气相沉积----4.2 化学气相沉积
化学气相沉积与物理气相沉积的差异
化学气相沉积与物理气相沉积的差异一、化学气相沉积用化学方法使气体在基体材料表面发生化学反应并形成覆盖层的方法。
化学气相沉积是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。
它本质上属于原子范畴的气态传质过程。
采用等离子和激光辅助技术可以显著地促进化学反应，使沉积可在较低的温度下进行；涂层的化学成分可以随气相组成的改变而变化，从而获得梯度沉积物或者得到混合镀层；可以控制涂层的密度和涂层纯度；绕镀件好。
可在复杂形状的基体上以及颗粒材料上镀膜；可以通过各种反应形成多种金属、合金、陶瓷和化合物涂层。
平均自由程在一定的条件下，一个气体分子在连续两次碰撞之间可能通过的各段自由程的平均值。
用符号l表示，单位为米。
在气体分子的碰撞理论的刚球模型中，认为分子只在碰撞的一刹那发生相互作用，而在其他时间内，分子作直线运动。
相继两次碰撞间所走的路程叫分子的自由程。
由于气体分子的数目很大，碰撞频繁，运动的变化剧烈，故其自由程只有统计意义。
这个概念对研究气体的特性（如扩散）和电子或中子之类的粒子穿过固体的运动很重要。
真空在指定空间内，低于一个大气压力的气体状态。
在真空技术里，真空系针对大气而言，一特定空间内部之部份物质被排出，使其压力小于一个标准大气压，则我们通称此空间为真空或真空状态。
1真空常用帕斯卡（Pascal）或托尔（Torr）做为压力的单位思考： PbI2做成膜用什么方法最合适?PbI2多晶膜并用于室温核辐射探测器和X射线成像器件。
研究表明，PbI2膜的结晶质量、致密度及厚度是影响器件性能的关键因素。
提高PbI2膜对X光子或γ光子的光谱响应是提高器件探测性能的重要前提，而光谱响应性能受到材料微结构的影响。
我觉得PbI2做成膜用真空蒸发镀膜最合适，用真空蒸发镀膜做成的薄膜的纯度很高，易于在线检测和控制薄膜的厚度与成分，厚度控制精度最高可达单分子层量级。
也可得到不同显微结构和结晶形态（单晶、多晶或非晶等）的薄膜而且PbI2 的熔沸点也不高。
化学气相沉积中的化学反应类型与特点
化学气相沉积中的化学反应类型与特点
一、反应类型
化学气相沉积（CVD）是一种通过化学反应将气体转化为固态薄膜的过程。
在CVD中，主要的反应类型包括：
1.热分解反应：通过加热使气体或蒸汽分解，生成固态物质。
例如，加热四氯化硅（SiCl4）可生成硅（Si）。
2.还原反应：使用还原剂将气体或蒸汽还原为更简单的物质。
例如，氢气（H2）可以还原氧化铝（Al2O3）为铝（Al）。
3.化学气相沉积反应：通过两种或多种气态物质的化学反应生成固态物质。
例如，二硫化碳（CS2）和氢气（H2）反应可以生成硫化氢（H2S），然后硫化氢再与硅（Si）反应生成硫化硅（SiS）。
4.离子辅助化学气相沉积：在电场的作用下，气体分子被离子化并加速到基底表面，通过物理碰撞和化学反应在基底表面形成薄膜。
二、特点
化学气相沉积的主要特点包括：
1.适用性广：化学气相沉积可用于各种材料，包括金属、非金属、化合物等。
2.薄膜质量高：由于化学气相沉积是在高温和纯净的环境下进行的，因此生成的薄膜具有高纯度、高致密性、高附着性等特点。
3.易于控制：通过调整反应温度、气体流量等参数，可以精确控制薄膜的厚度、成分和结构。
4.适合大规模生产：化学气相沉积是一种大规模、连续的生产过
程，适合于大规模生产和工业化生产。
5.环境影响小：与传统的物理气相沉积相比，化学气相沉积使用的气体较少，对环境的影响较小。
CVD-化学气相沉积
何为化学气相沉积（CVD ）？newmakerCVD 是Chemical VaporDeposition 的简称，是指高温下的气相反应，例如，金属卤化物、有机金属、碳氢化合物等的热分解，氢还原或使它的混合气体在高温下发生化学反应以析出金属、氧化物、碳化物等无机材料的方法。
这种技术最初是作为涂层的手段而开发的，但目前，不只应用于耐热物质的涂层，而且应用于高纯度金属的精制、粉末合成、半导体薄膜等，是一个颇具特征的技术领域。
其技术特征在于：（1）高熔点物质能够在低温下合成；（2）析出物质的形态在单晶、多晶、晶须、粉末、薄膜等多种；（3）不仅可以在基片上进行涂层，而且可以在粉体表面涂层，等。
特别是在低温下可以合成高熔点物质，在节能方面做出了贡献，作为一种新技术是大有前途的。
例如，在1000℃左右可以合成a-Al2O3、SiC ，而且正向更低温度发展。
CVD 工艺大体分为二种：一种是使金属卤化物与含碳、氮、硼等的化合物进行气相反应；另一种是使加热基体表面的原料气体发生热分解。
CVD 的装置如图1所示，由气化部分、载气精练部分、反应部分和排除气体处理部分所构成。
目前，正在开发批量生产的新装置。
CVD是在含有原料气体、通过反应产生的副生气体、载气等多成分系气相中进行的，因而，当被覆涂层时，在加热基体与流体的边界上形成扩散层，该层的存在，对于涂层的致密度有很大影响。
图2所示是这种扩散层的示意图。
这样，由许多化学分子形成的扩散层虽然存在，但其析出过程是复杂的。
粉体合成时，核的生成与成长的控制是工艺的重点。
作为新的CVD技术，有以下几种：（1）采用流动层的CVD；（2）流体床；（3）热解射流；（4）等离子体CVD；（5）真空CVD，等。
应用流动层的CVD如图3所示，可以形成被覆粒子（例如，在UO2表面被覆SiC、C），应用等离子体的CVD同样也有可能在低温下析出，而且这种可能性正在进一步扩大。
(end)。
化学气相沉积的基本原理及特点
化学气相沉积——基本原理
温度对反应速率的影响： Van’t Hoff规则：反应温度每升高10℃，反应速率大约 增加2-4倍。这是一个近似的经验规则。 Arrhenius方程：
Ae
E RT
式中， A 为有效碰撞的频率因子， E 为活化能。 较低衬底温度下， τ随温度按指数规律变化。
硅化物膜等。
以上这些薄膜的CVD制备法为人们所注意。CVD法制各 的多晶硅膜在器件上得到广泛应用，这是CVD法最有效的应 用场所。
化学气相沉积——基本原理
CVD的化学反应热力学
按热力学原理，化学反应的自由能变化 Gr 可以用反 应物和生成物的标准自由能 G f 来计算，即
Gr Gf (生成物) Gf (反应物)
Gr 2.3RT log KP
K P Pi (生成物)
i 1
n
P（反应物）
j 1 j
m
例：热分解反应
AB( g ) C ( g ) A(s) BC ( g )
PBC KP PAB PC
化学气相沉积——基本原理
反应方向判据：
Gr 0
可以确定反
应温度。
CVD热力学分析的主要目的是预测某些特定条件下某些 CVD反应的可行性（化学反应的方向和限度）。 在温度、压强和反应物浓度给定的条件下，热力学计算 能从理论上给出沉积薄膜的量和所有气体的分压，但是不能 给出沉积速率。
热力学分析可作为确定CVD工艺参数的参考。
化学气相沉积——基本原理
Gr 与反应系统的化学平衡常数 K P 有关
化学气相沉积——基本原理
平衡常数 K P 的意义： 计算理论转化率 计算总压强、配料比对反应的影响
ni Pi P ni
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化学气相沉积特点
化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）是一种制备薄膜材料的技术。
它通过在气相中传输气体分子的方式沉积在物质表面上。
此技术的特点如下：
一、沉积速率高
化学气相沉积具有较高的沉积速率，且可保证薄膜均匀，均一。
沉积的速率可以调整，可以根据所需的沉积速度调整配方和条件，使得沉积速率更加精密。
二、沉积温度低
化学气相沉积不需要高的温度，对于一些高熔点的物质甚至可以在较低的温度下进行沉积，同样，高温条件下过度的热解和氧化也不会导致结构的损坏，从而更加稳定地保证了材料的性能。
三、高精度的制备
化学气相沉积具有高度的精密度，可形成非常薄的沉积物，可达到十分精细的要求。
材料的加工更加可控，可以保证形成准确的膜厚和组分。
四、匀质性好
化学气相沉积沉积的薄膜具有较好的均匀性，厚度不变性好，沉积形成的纯度也较高。
在化学气相沉积过程中，原子或分子要经过严格的反应条件才可以获取足够的能量激发，保持了物理和化学的均匀性，从热力学角度及化学途径上，可保证薄膜准确性和稳定性。
五、材料多样性
化学气相沉积的原理比较简单，同时可以取到比较好效果，因此可以制备多种材料。
通过选择不同的反应气体和沉积条件，可以制备不同的金属，半导体，绝缘体，有机材料等等。
材料的形态也可以很自由定制。
总之，化学气相沉积技术不仅应用广泛，而且具有成本低，精密度高等优势，并被广泛应用于电子、备件，航空航天等领域。
准确的
制备和可控的反应可以在保持化学和物理结构的同时，获得较高的性能。