Formowanie cienkich warstw metodÄ… chemicznej depozycji par CVD
Chemiczne osadzanie z fazy gazowej jedna z metod obróbki cieplno-chemicznej materiałów. Służy do nanoszenia cienkich powłok na obrabiany materiał w celu zwiększenia/zmiany właściwości fizycznych, chemicznych lub mechanicznych powierzchni obrabianego materiału.
Metoda polega na wprowadzaniu do komory reakcyjnej najczęściej gazowych substratów, gdzie na gorącym podłożu zachodzą odpowiednie reakcje chemiczne. Tradycyjne metody CVD wymagają stosowania wysokich temperatur koniecznych do zajścia pożądanych reakcji (rzędu 900 – 1100 °C lub nawet większych), umożliwiających tworzenie się warstw, co znacznie ogranicza zakres ich wykorzystania. Dla otrzymania produktów reakcji stosuje się różne substraty gazowe jak i też ciekłe – zwane prekursorami, którymi mogą być wodorki, halogenki (głównie chlorki), karbonylki a także lotne związki metaloorganiczne, krzemoorganiczne etc. Prekursory w formie gazu lub pary doprowadza się do komory reaktora najczęściej za pomocą tzw. gazów nośnych obojętnych (np. argon, hel) jak lub gazów nośnych które mogą brać udział w reakcjach chemicznych prowadzących do powstania warstw (np. azot, metan, wodór, amoniak) lub mieszaniny tych gazów. Przykładowe zastosowanie: nanoszenie warstw azotku tytanu (TiN) lub węglika tytanu (TiC) na powierzchnię narzędzi skrawających wykonanych z węglików spiekanych. Warstwy te mają bardzo wysoką twardość oraz odporność na ścieranie, przez co diametralnie zwiększają żywotność narzędzi. Uwaga - metoda CVD nie sprawdza się w przypadku gotowych narzędzi wykonanych ze stali narzędziowych. Stale te są już obrobione cieplnie, tak więc długotrwałe oddziaływanie temperatury występującej w procesie CVD wpływa niekorzystnie na ich strukturę. W takim przypadku stosuje się metodę PVD.
Techniki otrzymywania powłok CVD
Technika MOCVD
Technika MOCVD (Metallorganic CVD) ma najszersze zastosowanie w elektronice do osadzania warstw półprzewodnikowych. Cechą charakterystyczną tej techniki jest to, że prekursorami są tutaj związki metaloorganiczne takie jak alkile (metylki i etylki metali grupy III) czy wodorki, które rozkładają się we względnie niskich temperaturach (< 800°C). W taki sposób otrzymane warstwy są bardzo cienkie i zwykle epitaksjalne. Niska temperatura procesu MOCVD przydatna jest przy osadzaniu związków odpornych na ścieranie i korozję na podłożach stalowych.
Technika PACVD
Chemiczne osadzanie z fazy gazowej ze wspomaganiem plazmowym (Plasma Assisted CVD) jest techniką bardzo atrakcyjną ze względu na niską temperaturę procesu, możliwość osadzania nierównowagowych faz oraz lepszą kontrolę nad stechiometrią i czystością pokryć. Niską temperaturę procesu osadzania warstw uzyskuje się dzięki wzbudzeniu przy pomocy plazmy cząstek mieszaniny gazowej do energii zgodnej z termicznym wzbudzeniem. Wówczas nierównowagowa reakcja, w wyniku której osadza się żądany produkt, może wystąpić w temperaturze o wiele niższej (poniżej 600°C). Typowy reaktor PACVD pokazano poniżej.
Plazma generowana jest w polu elektrycznym między dwoma równoległymi płytkami, z których jedna jest katodą, a druga, na której znajdują się podłoża, jest uziemiona. W procesie PACVD stan plazmy można podtrzymywać dwoma sposobami, stałoprądowym lub zmiennym (o częstotliwości radiowej) wyładowaniem jarzeniowym.
Technika LCVD
Technika LCVD (Laser CVD) głównie używana jest w dziedzinie mikroelektroniki. Pobudzenia składników gazowych dokonuje się za pomocą wiązki laserowej padającej na reaktor. Energia wiązki laserowej jest pochłaniana przez całą objętość reaktywnych gazów znajdujących się nad podłożem. Wzbudzone cząstki mieszaniny gazowej podczas przechodzenia do stanu o wyższej energii ulegają jonizacji skutkiem czego jest powstanie wysokoaktywnych składników. Reakcje chemiczne mające miejsce w tak wzbudzonym gazie pozostają w znacznie niższej temperaturze.
Technika VPE
VPE (Vapour Phase Epitaxy) zajmuje szczególne miejsce wśród procesów CVD ze względu na wymaganą doskonałość strukturalną warstwy. Polega ona, jak i inne metody wzrostu epitaksjalnego, na osadzaniu zorientowanej warstwy krystalicznej na podłożu monokrystalicznym. Warunki prowadzenia procesu wzrostu, a przede wszystkim temperatura, ciśnienia cząsteczkowe reagentów w fazie gazowej, oraz dopasowanie sieci krystalicznej podłoża i warstwy monokrystalicznej czy też narasta warstwa polikrystaliczna czy amorficzna. Technika ta znalazła zastosowanie głównie w elektronice do osadzania materiałów półprzewodnikowych.