CVD 涂层
气体在热表面上反应，留下一层薄膜
CVD（化学气相沉积）用在热表面上发生反应的气体，生长出固态薄膜。它沉积出计算机芯片内部的超薄层，以及许多硬质合金刀片上的坚韧涂层。与 PVD 不同，气体能进入孔内、绕过拐角，因此每个表面都能得到均匀的镀层。
工作原理
装入零件。 晶圆（用于芯片的薄硅片）或硬质合金刀片堆放在反应器内的架子上，反应器是一个密封的管或腔室。
加热并通入气体。 零件被加热，热 CVD 通常为 500–1,100 °C。前驱体气体流入：这些气体携带你想要的原子，例如制硅用硅烷，制碳用甲烷。
在热表面上反应。 在热表面附近，气体分子分解并发生反应。你想要的原子留下来，形成牢固结合的固态薄膜。
抽走副产物。 剩余的气体，如氢气或酸性的氯化氢，被抽出，并在洗涤器中处理后才排放。
生长，然后冷却。 薄膜在气体接触到的每个表面上均匀增厚，芯片上只有几纳米，刀片上约 5–20 µm。随后反应器冷却，取出零件。
关键数据
- 材料
- 薄膜：硅、氧化硅和氮化硅、钨、TiN、TiC、氧化铝、金刚石、石墨烯。零件：硅晶圆、硬质合金、陶瓷、耐热金属
- 典型零件
- 芯片晶圆、硬质合金切削刀片、太阳能电池、光学件和耐磨件
- 零件尺寸
- 晶圆直径最大 300 mm；刀片几厘米；每炉几百到几千件
- 精度
- 薄膜厚度从几纳米到约 20 µm，非常均匀，即使在孔和沟槽内也是如此
- 表面质量
- 光滑致密，复制底下的表面；刀具涂层呈灰色、金色或黑色
- 适合的批量
- 大批量：每炉几百片晶圆或几千个刀片
- 模具与设备成本
- 高到非常高：工业反应器要几十万到数百万美元，芯片设备处于最高端
- 速度
- 慢：刀具涂层每炉通常持续许多小时；芯片上的薄层需要几分钟到几小时
优点与局限
优点
- 气体到达的每个表面都能镀上，甚至孔内
- 膜层非常均匀、致密，结合牢固
- 材料范围极广，从硅到金刚石
- 可做芯片用的精确纳米层，也可做刀具用的厚耐磨层
局限
- 高温，常接近 1,000 °C，排除了许多钢材和塑料
- 有毒、易燃或有腐蚀性的气体需要小心处理
- 反应器昂贵，工艺周期长
- 很难遮蔽：也会镀到你不想要的地方
应用领域
- 电子芯片内的绝缘层和导电层、太阳能电池
- 切削刀具硬质合金车削刀片上的厚 TiCN 和氧化铝层
- 光学硬质涂层和减反射涂层、合成金刚石窗口
- 珠宝实验室培育钻石
- 航空航天保护涡轮叶片免受热气体侵蚀的铝化物涂层
- 研究石墨烯片和碳纳米管
如何识别
- 均匀的涂层，能到达孔、槽和零件的背面。
- 硬质合金刀片带有厚的金色、灰色或黑色涂层，崩边处能看到各层呈条带状。
- 硅晶圆的彩虹色：薄膜（常由 CVD 生长）的厚度决定颜色。
- 注明 CVD 的实验室培育钻石证书。
对比
观看
Massachusetts Institute of Technology (MIT) · 清楚讲解 CVD 如何工作及其意义
Physics, Materials Science and Nano Lecture Series · 表面上的反应步骤动画
Physics, Materials Science and Nano Lecture Series · 主要变体：常压、低压和等离子体
CVDEquipment · 真实的等离子体 CVD 设备是什么样子
查看实拍照片
- 维基百科：化学气相沉积 — 反应器类型、材料和用途，附照片链接
- 维基共享资源图片搜索
记住
- CVD 用在热表面上发生反应的气体生长出固态薄膜。
- 气体无处不到，所以孔内和背面也能得到均匀的镀层。
- 芯片层、厚的刀片涂层和实验室培育钻石，都来自 CVD。
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