中国粉体网讯 顾名思义，与物理气相沉积不同，化学气相沉积技术(CVD)利用是气态的先驱反应物，通过原子、分子间化学反应的途径生成固态薄膜的技术。
目前，由化学气相沉积技术制备的材料，不仅应用于刀具材料、耐磨耐热耐腐蚀材料、宇航工业上的特殊复合材料、原子反应堆材料及生物医用材料等领域，而且被广泛应用于制备与合成各种粉体材料、块体材料、新晶体材料、陶瓷纤维及金刚石薄膜等。在作为大规模集成电路技术的铁电材料、绝缘材料、磁性材料、光电子材料的薄膜制备技术方面，更是不可或缺。
CVD技术原理
CVD技术是把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需其它气体引入反应室，在衬底表面发生化学反应，并把固体产物沉积到表面生成薄膜的过程。下图是CVD技术原理示意图。
它包括4个主要阶段:
①反应气体向材料表面扩散；
②反应气体吸附于材料的表面；
③在材料表面发生化学反应；
④气态副产物脱离材料表面。
CVD技术的特点
由CVD技术所形成的膜层致密且均匀，膜层与基体的结合牢固，薄膜成分易控，沉积速度快，膜层质量也很稳定，某些特殊膜层还具有优异的光学、热学和电学性能，因而易于实现批量生产。但是，CVD的沉积温度通常很高，在900℃～2000℃之间，容易引起零件变形和组织上的变化，从而降低机体材料的机械性能并削弱机体材料和镀层间的结合力，使基片的选择、沉积层或所得工件的质量都受到限制。目前，CVD技术正朝着中、低温和高真空两个方向发展，并与等离子体、激光、超声波等技术相结合，形成了许多新型的CVD技术。
几种CVD技术简介
1、金属有机化合物化学气相沉积技术(MOCVD)
MOCVD是一种利用低温下易分解和挥发的金属有机化合物作为物质源进行化学气相沉积的方法，主要用于化合物半导体气相生长方面。与传统的CVD相比，MOCVD的沉积温度相对较低，能沉积超薄层甚至原子层的特殊结构表面，可在不同的基底表面沉积不同的薄膜。因此，对于那些不能承受常规CVD高温，而要求采用中低温度的基体(如钢一类的基体)有很高的应用价值。此外，用MOCVD技术生长的多晶SiO2是良好的透明导电材料，用MOCVD得到的TiO2结晶膜也用于了太阳能电池的抗反射层、水的光电解及光催化等方面。MOCVD技术最有吸引力的新应用是制备新型高温超导氧化物陶瓷薄膜。
2、等离子化学气相沉积(PCVD)
等离子化学气相沉积又称为等离子体增强化学气相沉积，它是借助气体辉光放电产生的低温等离子体来增强反应物质的化学活性，促进气体间的化学反应，从而在较低温度下沉积出优质镀层的过程。
目前，PCVD主要用于金属、陶瓷、玻璃等基材上，做保护膜、强化膜、修饰膜和功能膜。其应用的重要新进展是类金刚石膜的沉积，它一般是用射频等离子体碳氢化合物气体分解以及离子束沉积相结合制备，这类陶瓷薄膜在用作切削刀具的耐磨涂层以及激光反射镜、光导纤维薄膜等领域中具有独特的应用前景。
3、激光化学气相沉积(LCVD)
LCVD是一种在化学气相沉积过程中利用激光束的光子能量激发和促进化学反应的薄膜沉积方法。目前，LCVD技术广泛用于激光光刻、大规模集成电路掩膜的修正、激光蒸发-沉积以及金属化。LCVD法氮化硅膜已达到工业应用的水平，其平均硬度可达2200HK。
4、低压化学气相沉积(LPCVD)
LPCVD的压力范围一般在1×104～4×104Pa之间。由于低压下分子平均自由程增加，气态反应剂与副产品的质量传输速度加快，从而使形成沉积薄膜材料的反应速度加快。同时，气体分子分布的不均匀在很短的时间内可以消除，所以能生长出厚度均匀的薄膜。此外，在气体分子运输过程中，参加化学反应的反应物分子在一定的温度下吸收了一定的能量，使这些分子得以活化而处于激活状态，这就使参加化学反应的反应物气体分子间易于发生化学反应，也就是说LPCVD的沉积速率较高。现利用这种方法可以沉积多晶硅、氮化硅、二氧化硅等。
5、超真空化学气相沉积(UHVCVD)
在CVD的另一个发展方向———高真空方面，现已出现了超高真空化学气相沉积(UHVCVD)法。其生长温度低(425～600℃)，但要求真空度小于1.33×10-8Pa，系统的设计制造比分子束外延(MBE)容易，其优点是能够实现多片生长，反应系统的设计制造也不困难。与传统的外延完全不同，这种技术采用低压和低温生长，特别适合于沉积Sn:Si、Sn:Ge、Si:C、Gex:Si1-x等半导体材料。
6、超声波化学气相沉积(UWCVD)
超声波化学气相沉积是在找寻起动CVD的不同于电磁波的辐射形式的高能量能源要求形势下出现的。超声波能够提高CVD的沉积速度，形成传统CVD无法获得的平滑均匀的沉积膜。据有关报道，适当调节超声波的频率和功率，可以使CVD沉积膜晶粒细化，强韧性提高，增强沉积膜与基材的结合力，沉积膜具有强的方向性等。
由于UWCVD具有在某些其它CVD方法无法获得的优点，如沉积膜组织细小、致密，沉积膜与基材结合牢固，沉积膜有良好的强韧性等，故对此种新工艺的探讨研究是很有必要的，同时将其有效地应用到工业生产中也是很有可能的。
CVD技术的应用
1、保护涂层
在许多特殊环境中使用的材料往往需要有涂层保护，以使其具有耐磨、耐腐蚀、耐高温氧化和耐射线辐射等功能。用CVD法制备的TiN、TiC、Ti(C，N)等薄膜具有很高的硬度和耐磨性，在刀具切削面上仅覆1～3μm的TiN膜就可以使其使用寿命提高3倍以上。而其它一些金属氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、磷化物、立方氮化硼和类金刚石等膜，以及各种复合膜也表现出优异的耐磨性。另外，通过沉积获得的Al2O3、TiN等薄膜耐蚀性很好，含有铬的非晶态的耐蚀性则更高。SiC、Si3N4、MoSi2等硅系化合物是很重要的高温耐氧化涂层，这些涂层在表面上生成致密的SiO2薄膜，在1400～1600℃下能耐氧化。
2、微电子技术
在半导体器件和集成电路的基本制作流程中有关半导体膜的外延、p-n结扩散元的形成、介质隔离、扩散掩膜和金属膜的沉积等是工艺核心步骤。化学气相沉积在制备这些材料层的过程中逐渐取代了如硅的高温氧化和高温扩散等旧工艺，在现代微电子技术中占主导地位。在超大规模集成电路制作中，化学气相沉积可以用来沉积多晶硅膜、钨膜、铝膜、金属硅化物、氧化硅膜以及氮化硅膜等，这些薄膜材料可以用作栅电极、多层布线的层间绝缘膜、金属布线、电阻以及散热材料等。
3、超导技术
CVD制备超导材料是美国无线电公司(RCA)在20世纪60年代发明的，用化学气相沉积生产的Nb3Sn低温超导带材涂层致密，厚度较易控制，力学性能好，是目前烧制高场强小型磁体的最优良材料。
4、太阳能利用
太阳能是取之不尽的能源，利用无机材料的光电转换功能制成太阳能电池是利用太阳能的一个重要途径。目前制备多晶硅薄膜电池多采用CVD技术，包括LPCVD和PCVD工艺。现已试制成功的硅、砷化镓同质结电池以及利用Ⅱ～Ⅴ族、Ⅰ～Ⅵ族等半导体制成的多种异质结太阳能电池，如SiO2/Si、GaAs/GaAlAs、CdTe/CdS等，几乎全制成薄膜形式，气相沉积是它们最主要的制备技术。
5、生产晶须
晶须属于一种以为发育的单晶体，它在复合材料范畴中有着很大的作用，能够用于生产一些新型复合材料。化学气相沉积法在生产晶须时使用的是金属卤化物的氢还原性质。化学气相沉积法不但能制备出各类金属晶须，同时也能生产出化合物晶须，比如氧化铝、金刚砂、碳化钛晶须等等。
6、制备贵金属薄膜
贵金属薄膜因其有着较好的抗氧化能力、高导电率、强催化活性以及极其稳定引起了研究者的兴趣。和生成贵金属薄膜的其他方式相比，化学气相沉积法有更多技术优势，所以大多数制备贵金属薄膜都会采用这种方式。沉积贵金属薄膜用的沉积员物质种类比较广泛，不过大多是贵金属元素的卤化物和有机化合物，比如Cl3Ir、COCl2、氯化碳酰铂、氯化碳酰铱、DCPD化合物、C5H2F6O2或C5H5F3O2化合物C15H21IrO6以及C10H14O4Pt等等。
总结
化学气相沉积作为一种非常有效的材料表面改性方法，具有十分广阔的发展应用前景。它对于提高材料的使用寿命、改善材料的性能、节省材料的用量等方面起到了重要的作用，为社会带来了显著的经济效益。随着各个应用领域要求的不断提高，对化学气相沉积的研究也将进一步深化，CVD技术的发展和应用也将跨上一个新的台阶。
参考来源：
[1]杨西等.化学气相沉积技术的研究与应用进展
[2]郭展郡.化学气相沉积技术与材料制备
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