Урок 11.9ПокрыватьГлава 11 · Покрытия и отделка поверхности

CVD-покрытие

Газы реагируют на горячей поверхности и оставляют плёнку

CVD (химическое осаждение из газовой фазы) выращивает твёрдую плёнку из газов, реагирующих на горячей поверхности. Так наносят сверхтонкие слои внутри компьютерных микросхем и прочные покрытия на многих твердосплавных режущих пластинах. В отличие от PVD, газ проникает в отверстия и огибает углы, поэтому покрытие ложится ровно на все поверхности.

Фото: NASA/GRC, Public domain, через Wikimedia Commons

CVD-покрытие · трубчатый реактор, с крупным планом поверхностной реакцииЦифры в кружках соответствуют шагам ниже; нижний блок увеличивает химию на поверхности.

Как это работает

Загрузить детали. Пластины (тонкие кремниевые диски для микросхем) или твердосплавные режущие пластины укладывают на стойки внутри реактора — герметичной трубы или камеры.
Нагреть и подать газы. Детали нагревают, для термического CVD обычно до 500–1 100 °C. Поступают газы-прекурсоры: газы, которые несут нужные атомы, например силан для кремния или метан для углерода.
Реакция на горячей поверхности. Вблизи горячей поверхности молекулы газа распадаются и вступают в реакцию. Нужные атомы остаются в виде твёрдой, прочно сцепленной плёнки.
Откачать побочные продукты. Оставшиеся газы, например водород или кислотный хлористый водород, откачивают и очищают в скруббере перед выпуском.
Вырастить, затем остудить. Плёнка ровно утолщается на каждой поверхности, которой касается газ: от нескольких нанометров на микросхемах до примерно 5–20 мкм на режущих пластинах. Затем реактор остывает, и детали извлекают.

Ключевые факты

Материалы: Плёнки: кремний, оксид и нитрид кремния, вольфрам, TiN, TiC, глинозём, алмаз, графен. Детали: кремниевые пластины, твёрдый сплав, керамика, жаропрочные металлы
Типичные детали: Пластины для микросхем, твердосплавные режущие пластины, солнечные элементы, оптические и износостойкие детали
Размер детали: Пластины диаметром до 300 мм; режущие пластины в несколько сантиметров; от сотен до тысяч деталей за загрузку
Точность: Плёнки от нескольких нанометров до примерно 20 мкм, очень равномерные, даже внутри отверстий и канавок
Качество поверхности: Гладкое и плотное, повторяет поверхность под собой; покрытия инструментов выглядят серыми, золотистыми или чёрными
Подходящая партия: Большие партии: сотни пластин или тысячи режущих пластин за загрузку
Стоимость оснастки и оборудования: От высокой до очень высокой: промышленные реакторы стоят от сотен тысяч до миллионов долларов, установки для микросхем — на верхней границе
Скорость: Медленно: цикл нанесения покрытия на инструмент обычно длится много часов; тонкие слои на микросхемах занимают от минут до часов

Сильные стороны и ограничения

Сильные стороны

Покрывает каждую поверхность, до которой добирается газ, даже внутри отверстий
Очень равномерные плотные плёнки с прочным сцеплением
Огромный выбор материалов — от кремния до алмаза
Точные слои в нанометры для микросхем или толстые износостойкие слои для инструментов

Ограничения

Сильный нагрев, часто около 1 000 °C, исключает многие стали и пластики
Токсичные, горючие или едкие газы требуют аккуратного обращения
Дорогие реакторы и долгие циклы
Трудно маскировать: покрывает и те места, где покрытие не нужно

Где применяется

ЭлектроникаИзолирующие и проводящие слои внутри микросхем, солнечные элементы
Режущий инструментТолстые слои TiCN и глинозёма на твердосплавных токарных пластинах
ОптикаТвёрдые и просветляющие покрытия, окна из синтетического алмаза
Ювелирное делоВыращенные в лаборатории алмазы
АвиацияАлюминидные покрытия, защищающие лопатки турбин от горячих газов
ИсследованияЛисты графена и углеродные нанотрубки

Как узнать процесс

Ровное покрытие, которое проникает внутрь отверстий, пазов и на обратную сторону детали.
Твердосплавные пластины с толстым золотистым, серым или чёрным покрытием, слои которого видны полосами на сколотом крае.
Радужные цвета кремниевой пластины: тонкие плёнки, часто выращенные CVD, чей цвет определяется их толщиной.
Сертификаты лабораторных алмазов с пометкой CVD.

Сравните с

PVD-покрытие11.8атомы летят по прямой от твёрдой мишени, при меньшем нагреве; CVD использует газы, которые огибают углы, но обычно требует больше тепла.Атомно-слоевое осаждение13.4пошаговая форма CVD, добавляющая один атомный слой за цикл, для сверхтонких идеальных плёнок.Гальваническое покрытие11.5наращивает металлические слои из жидкости при температуре около комнатной; CVD наращивает керамику и полупроводники из газа.

Смотрите

Massachusetts Institute of Technology (MIT) · Понятное объяснение, как работает CVD и почему это важно

Physics, Materials Science and Nano Lecture Series · Этапы реакции на поверхности в анимации

Physics, Materials Science and Nano Lecture Series · Основные варианты: при нормальном давлении, при низком давлении, с плазмой

CVDEquipment · Как выглядит настоящая установка плазменного CVD

Смотреть реальные фото

Википедия: химическое осаждение из газовой фазы — типы реакторов, материалы и применение, со ссылками на фотографии
Поиск фотографий в Wikimedia Commons

Запомните

CVD выращивает твёрдую плёнку из газов, реагирующих на горячей поверхности.
Газ проникает везде, поэтому отверстия и обратные стороны тоже получают ровное покрытие.
Слои в микросхемах, толстые покрытия на режущих пластинах и лабораторные алмазы — всё это делается CVD.