Описание процесса и основные области применения химического осаждения из газовой фазы

Химическое осаждение из паровой (газовой) фазы (СVD – chemical vapour deposition) является процессом, в котором устойчивые твердые продукты реакции зарождаются и растут на подложке в среде с протекающими в ней химическими реакциями (диссоциация, восстановление и др.). В этом процессе используются различные источники энергии, такие, например, как плазма, ультрафиолетовое излучение и т.д., а процесс ведется в широком диапазоне давлений и температур. Метод СVD давно известный экономичный промышленный процесс экстракции и пирометаллургии.

Хорошо известны такие процессы:

– процесс Монда Ni(СО)₄ → Ni + 4СО,

– процесс Ван-Аркеля Тi₄I → Ti + 2I₂

– процесс Кролля ТiС1₄+Mg → Ti+2MgCl₂.

Метод используется также для получения порошков простой и сложной формы достаточно трудно обрабатываемых металлов, таких, например, как вольфрам:

WF₆ + 3Н₂ = W+ 6НF.

Толстые осадки вольфрама и вольфраморениевых сплавов были получены методом СVD.

Технология метода СVD достигла новых масштабов в связи с новыми воззрениями на аспекты осаждения в этом процессе. Принципиальный переход «от выделения к осаждению» превратил процесс СVD в важный метод получения новых материалов и покрытий с повышенным сопротивлением износу, эрозии и коррозии, хорошими характеристиками сопротивления термоудару и поглощения нейтронов. В настоящее время изделия от микро- до макроразмеров покрываются методом СVD. В электроламповой промышленности и электронике используется множество ранее известных процессов для производства методом СVD большого количества изделий с длительной работоспособностью и улучшенными характеристиками. В промышленном применении метода СDV был осуществлен большой скачок, когда возникла потребность в новых высокотемпературных материалах с высокими коррозионной стойкостью и прочностью во всех отраслях, где используются газовые турбины и другие изделия новой техники, в оборонной промышленности, науке, машиностроении и авиационной промышленности. Одновременно технология CVD быстро нашла применение в полупроводниковой промышленности, в основных отраслях топливной промышленности и ядерной энергетики, с кипящим слоем, нефтяной, солнечной и химической, а также в инструментальной промышленности. Твердотельные устройства, электродные материалы, термоионные устройства, эрозионно-, коррозионно- и износостойкие детали, устройства биологической защиты и многие другие изделия могут быть получены с помощью технологии CVD.

Нелегко четко определить, какие процессы относятся к методам CVD, так же, как и отнести разнообразные высокотемпературные покрытия к просто диффузионным. Иногда основные или второстепенные факторы, влияющие на процесс нанесения покрытий, сами по себе определяют классификацию. С другой стороны, кроме собственно метода CVD, его комбинации с плазменной и лазерной обработками, диффузионное насыщение в различных вариантах (из засыпки, вакуумное, реакционное и др.). Все это тоже методы, которые могут быть отнесены к процессам CVD.

Очевидно, что основной процесс CVD подчиняется ряду ограничений, например, зависит от типа возможных реакций и минимальной температуры подложки, которую нужно поддерживать. Эти обстоятельства накладывают ограничения на возможную конфигурацию системы подложка-покрытие и характер управления процессом. Усовершенствованные методики позволяют расширить набор сочетаний реагент-продукт, а также снизить температуру, уменьшить несоответствие в морфологических параметрах при зарождении и росте, изменять физико-химические свойства в желательном направлении и обеспечить лучшую связь.

С точки зрения технологии CVD для полупроводниковой промышленности наиболее приемлемыми считаются следующие аспекты:

1) широкий интервал эпитаксиальных толщин и электросопротивления кремния;

2) низкая стоимость; большая производительность процесса осаждения поликристаллического кремния, нитрида кремния и высокотемпературного диоксида кремния;

3) отработанная технология пассивирования кремниевых устройств с помощью низкотемпературного осаждения оксида и нитрида кремния.

Методом CVD может быть получена широкая гамма металлических и органических покрытий. Во многих случаях эти покрытия обладают уникальными свойствами, трудно достижимыми другими методами.

Процесс CVD перспективен для нанесения керамических покрытий на композиционные материалы потому, что нанесение покрытий на изделия сложной формы не требует существенной переделки оборудования, можно наносить множество различных покрытий и могут быть получены покрытия с уникальными свойствами.