Bài 11.9PhủChương 11 · Lớp phủ và hoàn thiện bề mặt

Phủ CVD

Các khí phản ứng trên bề mặt nóng và để lại một lớp màng

CVD (lắng đọng hơi hóa học) tạo màng rắn từ các khí phản ứng trên bề mặt nóng. Nó tạo các lớp siêu mỏng bên trong chip máy tính và lớp phủ cứng trên nhiều mảnh dao cacbua. Không như PVD, khí chui được vào lỗ và vòng quanh góc, nên mọi bề mặt đều được phủ đều.

Ảnh: NASA/GRC, Public domain, qua Wikimedia Commons

Phủ CVD · lò phản ứng dạng ống, cùng cận cảnh phản ứng bề mặtCác số trong vòng tròn khớp với các bước bên dưới; khung bên dưới phóng to phản ứng hóa học trên bề mặt.

Cách hoạt động

Nạp chi tiết. Wafer (đĩa silic mỏng làm chip) hoặc mảnh dao cacbua được xếp lên giá bên trong lò phản ứng, một ống hoặc buồng kín.
Gia nhiệt và cấp khí. Chi tiết được gia nhiệt, thường 500–1.100 °C với CVD nhiệt. Các khí tiền chất chảy vào: những khí mang nguyên tử bạn cần, như silan cho silic hoặc metan cho cacbon.
Phản ứng trên bề mặt nóng. Gần bề mặt nóng, các phân tử khí bị tách ra và phản ứng. Những nguyên tử bạn cần ở lại thành màng rắn, liên kết chặt.
Bơm hút sản phẩm phụ. Khí thừa, như hydro hay hydro clorua có tính axit, được bơm ra và làm sạch trong bộ lọc khí trước khi thải.
Phát triển, rồi làm nguội. Màng dày lên đều trên mọi bề mặt khí chạm tới, từ vài nanomet trên chip đến khoảng 5–20 µm trên mảnh dao. Sau đó lò phản ứng nguội đi và chi tiết được lấy ra.

Thông số chính

Vật liệu: Màng: silic, silic oxit và nitrit, vonfram, TiN, TiC, alumina, kim cương, graphene. Chi tiết: wafer silic, cacbua, gốm, kim loại chịu nhiệt
Chi tiết thường gặp: Wafer chip, mảnh dao cắt cacbua, pin mặt trời, chi tiết quang học và chịu mài mòn
Kích thước chi tiết: Wafer rộng đến 300 mm; mảnh dao vài centimet; hàng trăm đến hàng nghìn chi tiết mỗi mẻ
Độ chính xác: Màng từ vài nanomet đến khoảng 20 µm, rất đều, ngay cả trong lỗ và rãnh
Bề mặt hoàn thiện: Nhẵn và đặc, sao chép bề mặt bên dưới; lớp phủ dao có màu xám, vàng hoặc đen
Số lượng phù hợp: Lô lớn: hàng trăm wafer hoặc hàng nghìn mảnh dao mỗi mẻ
Chi phí khuôn dụng cụ và máy: Cao đến rất cao: lò phản ứng công nghiệp tốn hàng trăm nghìn đến hàng triệu đô la, máy cho chip ở mức cao nhất
Tốc độ: Chậm: một mẻ phủ dao thường kéo dài nhiều giờ; lớp chip mỏng mất vài phút đến vài giờ

Ưu điểm và hạn chế

Ưu điểm

Phủ mọi bề mặt khí chạm tới, ngay cả trong lỗ
Màng rất đều, đặc và liên kết chắc
Phạm vi vật liệu rất rộng, từ silic đến kim cương
Lớp nanomet chính xác cho chip, hoặc lớp chịu mài mòn dày cho dụng cụ

Hạn chế

Nhiệt độ cao, thường gần 1.000 °C, loại trừ nhiều loại thép và nhựa
Khí độc, dễ cháy hoặc ăn mòn cần xử lý cẩn thận
Lò phản ứng đắt và mẻ chạy dài
Khó che chắn: nó cũng phủ những chỗ bạn có thể không muốn

Ứng dụng

Điện tửLớp cách điện và dẫn điện bên trong chip, pin mặt trời
Dụng cụ cắtLớp TiCN và alumina dày trên mảnh dao tiện cacbua
Quang họcLớp phủ cứng và chống phản xạ, cửa sổ kim cương tổng hợp
Trang sứcKim cương nhân tạo
Hàng không vũ trụLớp phủ aluminide bảo vệ cánh tuabin khỏi khí nóng
Nghiên cứuTấm graphene và ống nano cacbon

Cách nhận biết

Một lớp phủ đều chui vào được trong lỗ, rãnh và mặt sau của chi tiết.
Mảnh dao cacbua với lớp phủ dày màu vàng, xám hoặc đen, các lớp lộ ra thành dải ở mép bị mẻ.
Màu cầu vồng của wafer silic: các màng mỏng, thường mọc bằng CVD, có độ dày quyết định màu sắc.
Giấy chứng nhận kim cương nhân tạo ghi CVD.