Lektion 11.9BeschichtenKapitel 11 · Beschichten und Oberflächenbearbeitung

CVD-Beschichtung

Gase reagieren auf einer heißen Oberfläche und hinterlassen einen Film

CVD (chemische Gasphasenabscheidung) lässt aus Gasen, die auf einer heißen Oberfläche reagieren, einen festen Film wachsen. Sie erzeugt die hauchdünnen Schichten im Inneren von Computerchips und die harten Beschichtungen auf vielen Hartmetall-Wendeschneidplatten. Anders als bei PVD dringt das Gas in Löcher und um Ecken, sodass jede Fläche eine gleichmäßige Schicht erhält.

Foto: NASA/GRC, Public domain, via Wikimedia Commons

CVD-Beschichtung · Rohrreaktor, mit einem Detail der OberflächenreaktionDie eingekreisten Zahlen entsprechen den Schritten unten; der untere Kasten zoomt auf die Chemie an der Oberfläche.

So funktioniert es

Die Teile laden. Wafer (dünne Siliziumscheiben für Chips) oder Hartmetall-Wendeschneidplatten werden auf Gestellen im Reaktor gestapelt, einem dichten Rohr oder einer Kammer.
Heizen und Gase zuführen. Die Teile werden erhitzt, bei thermischer CVD meist auf 500–1.100 °C. Präkursorgase strömen ein: Gase, die die gewünschten Atome mitbringen, etwa Silan für Silizium oder Methan für Kohlenstoff.
Auf der heißen Oberfläche reagieren. Nahe der heißen Oberfläche brechen die Gasmoleküle auseinander und reagieren. Die gewünschten Atome bleiben als fest gebundener Film zurück.
Die Nebenprodukte abpumpen. Restgase wie Wasserstoff oder saurer Chlorwasserstoff werden abgepumpt und vor der Abgabe in einem Wäscher gereinigt.
Wachsen, dann abkühlen. Der Film wird auf jeder Fläche, die das Gas berührt, gleichmäßig dicker, von wenigen Nanometern auf Chips bis etwa 5–20 µm auf Wendeschneidplatten. Dann kühlt der Reaktor ab, und die Teile kommen heraus.

Wichtige Fakten

Werkstoffe: Filme: Silizium, Siliziumoxid und -nitrid, Wolfram, TiN, TiC, Aluminiumoxid, Diamant, Graphen. Teile: Siliziumwafer, Hartmetall, Keramik, hitzebeständige Metalle
Typische Teile: Chip-Wafer, Hartmetall-Schneidplatten, Solarzellen, optische Teile und Verschleißteile
Bauteilgröße: Wafer bis 300 mm Durchmesser; Schneidplatten von einigen Zentimetern; hunderte bis tausende Teile pro Durchlauf
Präzision: Filme von wenigen Nanometern bis etwa 20 µm, sehr gleichmäßig, auch in Löchern und Gräben
Oberfläche: Glatt und dicht, kopiert die Oberfläche darunter; Werkzeugbeschichtungen sehen grau, gold oder schwarz aus
Geeignete Losgröße: Große Chargen: hunderte Wafer oder tausende Schneidplatten pro Durchlauf
Werkzeug- und Maschinenkosten: Hoch bis sehr hoch: Industriereaktoren kosten hunderttausende bis Millionen Dollar, Chipanlagen am oberen Ende
Geschwindigkeit: Langsam: Ein Durchlauf für Werkzeugbeschichtungen dauert meist viele Stunden; dünne Chipschichten brauchen Minuten bis Stunden

Stärken und Grenzen

Stärken

Beschichtet jede Fläche, die das Gas erreicht, auch in Löchern
Sehr gleichmäßige, dichte Filme mit starker Haftung
Riesige Werkstoffvielfalt, von Silizium bis Diamant
Exakte Nanometerschichten für Chips oder dicke Verschleißschichten für Werkzeuge

Grenzen

Hohe Hitze, oft nahe 1.000 °C, schließt viele Stähle und Kunststoffe aus
Giftige, brennbare oder korrosive Gase erfordern sorgfältigen Umgang
Teure Reaktoren und lange Durchläufe
Schwer abzudecken: Es beschichtet auch Stellen, die man vielleicht nicht möchte

Wo es eingesetzt wird

ElektronikIsolierende und leitende Schichten in Chips, Solarzellen
SchneidwerkzeugeDicke TiCN- und Aluminiumoxidschichten auf Hartmetall-Drehwendeplatten
OptikHarte und Antireflexbeschichtungen, Fenster aus synthetischem Diamant
SchmuckIm Labor gezüchtete Diamanten
Luft- und RaumfahrtAluminid-Schichten, die Turbinenschaufeln vor heißen Gasen schützen
ForschungGraphenschichten und Kohlenstoffnanoröhren

So erkennen Sie es

Eine gleichmäßige Beschichtung, die in Löcher, Schlitze und auf die Rückseite eines Teils reicht.
Hartmetall-Wendeplatten mit dicker goldener, grauer oder schwarzer Beschichtung, deren Lagen an einer ausgebrochenen Kante als Streifen sichtbar sind.
Die Regenbogenfarben eines Siliziumwafers: dünne Filme, oft per CVD gewachsen, deren Dicke die Farbe bestimmt.
Zertifikate für im Labor gezüchtete Diamanten, auf denen CVD steht.

Im Vergleich mit

PVD-Beschichtung11.8Atome fliegen geradlinig von einem festen Target, bei niedrigerer Hitze; CVD nutzt Gase, die um Ecken strömen, braucht aber meist mehr Hitze.Atomlagenabscheidung13.4eine schrittweise Form der CVD, die pro Zyklus eine Atomlage hinzufügt, für hauchdünne, perfekte Filme.Galvanisieren11.5baut Metallschichten aus einer Flüssigkeit nahe Raumtemperatur auf; CVD baut Keramiken und Halbleiter aus Gas auf.

Ansehen

Massachusetts Institute of Technology (MIT) · Eine klare Erklärung, wie CVD funktioniert und warum sie wichtig ist

Physics, Materials Science and Nano Lecture Series · Die Reaktionsschritte an der Oberfläche, animiert

Physics, Materials Science and Nano Lecture Series · Die wichtigsten Varianten: bei Normaldruck, bei Niederdruck, mit Plasma

CVDEquipment · Wie eine echte Plasma-CVD-Anlage aussieht

Echte Fotos ansehen

Wikipedia: Chemische Gasphasenabscheidung — Reaktortypen, Werkstoffe und Anwendungen, mit Links zu Fotos
Fotosuche auf Wikimedia Commons

Merken

CVD lässt aus Gasen, die auf einer heißen Oberfläche reagieren, einen festen Film wachsen.
Das Gas erreicht alles, daher erhalten auch Löcher und Rückseiten eine gleichmäßige Schicht.
Chipschichten, dicke Schneidplattenbeschichtungen und im Labor gezüchtete Diamanten entstehen alle durch CVD.