Химическое осаждение из газовой фазы: методы и применение.

Введение

Метод, используемый для нанесения поверхностных покрытий
научный журнал

Химическое осаждение из газовой фазы (CVD) – это метод вакуумного осаждения, используемый для получения высококачественных и высокопроизводительных твердых материалов. Этот процесс часто применяется в полупроводниковой промышленности для производства тонких пленок. В типичном процессе CVD подложка (субстрат) подвергается воздействию одного или нескольких летучих прекурсоров, которые реагируют и/или разлагаются на поверхности подложки, образуя желаемый осадок. Как правило, также образуются летучие побочные продукты, которые удаляются потоком газа через реакционную камеру. CVD широко используется в процессах микропроизводства для осаждения материалов в различных формах, включая: монокристаллические, поликристаллические, аморфные и эпитаксиальные. К этим материалам относятся: кремний (диоксид, карбид, нитрид, оксинитрид), углерод (волокно, нановолокна, нанотрубки, алмаз и графен), фторуглероды, нити, вольфрам, нитрид титана и различные диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью. Термин «химическое осаждение из газовой фазы» был введен в 1960 году Джоном М. Блохером-младшим, который стремился отделить химическое осаждение от физического осаждения из паровой фазы (PVD).

Применение

CVD обычно используется для нанесения конформных пленок и модификации поверхности подложек способами, недоступными при использовании более традиционных методов изменения поверхности. CVD особенно полезен в процессе атомно-слоевого осаждения для получения чрезвычайно тонких слоев материала. Существует широкий спектр применений для таких пленок. Арсенид галлия применяется в некоторых интегральных схемах (ИС) и фотоэлектрических приборах. Аморфный поликремний используется в фотоэлектрических приборах. Определенные карбиды и нитриды обеспечивают износостойкость. Полимеризация с помощью CVD, пожалуй, самое универсальное из всех применений, позволяет создавать сверхтонкие покрытия с очень ценными свойствами, такими как смазывающая способность, гидрофобность и устойчивость к атмосферным воздействиям, и это лишь некоторые из них. Недавно продемонстрировано CVD металлоорганических каркасов – класса кристаллических нанопористых материалов. Недавно масштабированный до уровня интегрированного процесса в чистом помещении для нанесения покрытий на большие площади, этот метод находит применение в газовых сенсорах и диэлектриках с низкой диэлектрической проницаемостью. Методы CVD также эффективны для нанесения покрытий на мембраны, например, используемые в опреснении или очистке воды, поскольку такие покрытия могут быть достаточно однородными (конформными) и тонкими, чтобы не засорять поры мембран.

Графеновая нанолента

Несмотря на впечатляющие электронные и тепловые свойства графена, он непригоден для использования в качестве транзистора в будущих цифровых устройствах из-за отсутствия запрещенной зоны между зоной проводимости и валентной зоной. Это делает невозможным переключение между состояниями "включено" и "выключено" относительно потока электронов. Однако при уменьшении размеров графеновые наноленты шириной менее 10 нм демонстрируют наличие электронной запрещенной зоны и, следовательно, являются перспективными кандидатами для цифровых устройств. Точный контроль над их размерами и, как следствие, электронными свойствами представляет собой сложную задачу, а сами ленты обычно имеют неровные края, ухудшающие их характеристики.

Алмаз

СВД может использоваться для получения синтетического алмаза путем создания условий, необходимых для осаждения атомов углерода из газовой фазы на подложку в кристаллической форме. КВД алмазов привлек значительное внимание в материаловедении, поскольку позволяет реализовать множество новых применений, которые ранее считались слишком дорогостоящими. Рост алмазов методом КВД обычно происходит при низком давлении (1–27 кПа; 0,145–3,926 psi; 7,5–203 Торр) и включает подачу в камеру различных газов, их активацию и создание условий для роста алмаза на подложке. Газовая смесь всегда содержит источник углерода и, как правило, водород, хотя их соотношение значительно варьируется в зависимости от типа выращиваемого алмаза. В качестве источников энергии используются горячие нити, микроволновое излучение, дуговые разряды и другие. Источник энергии предназначен для генерации плазмы, в которой газы расщепляются и протекают более сложные химические реакции. Механизм химического процесса роста алмаза все еще изучается и осложняется большим разнообразием применяемых технологий. С помощью КВД можно выращивать алмазные пленки на больших площадях подложки, контролируя свойства получаемого материала. Ранее, при использовании методов высокого давления и высокой температуры (ВДВТ) для получения алмазов, обычно получали очень маленькие, свободно стоящие кристаллы различных размеров. При КВД достигнуты области роста диаметром более пятнадцати сантиметров (шесть дюймов), и в будущем, вероятно, удастся успешно покрыть алмазом гораздо большие площади. Совершенствование этого процесса является ключевым фактором для реализации ряда важных применений. Выращивание алмаза непосредственно на подложке позволяет переносить многие ценные свойства алмаза на другие материалы. Поскольку алмаз обладает самой высокой теплопроводностью среди объемных материалов, нанесение алмазного слоя на электронные компоненты, выделяющие большое количество тепла (например, оптику и транзисторы), позволяет использовать алмаз в качестве теплоотвода. Алмазные пленки выращиваются на кольцах клапанов, режущих инструментах и других изделиях, которым необходимы твердость алмаза и его исключительно низкая скорость износа. В каждом случае рост алмаза должен тщательно контролироваться для обеспечения необходимой адгезии к подложке. Очень высокая устойчивость алмаза к царапинам и его теплопроводность, в сочетании с более низким коэффициентом теплового расширения по сравнению со стеклом Pyrex, коэффициентом трения, близким к тефлону (политетрафторэтилену), и высокой липофильностью, делают его почти идеальным антипригарным покрытием для посуды, если удастся экономически эффективно покрывать большие площади подложки. КВД позволяет контролировать свойства получаемого алмаза. В области выращивания алмазов термин "алмаз" используется для обозначения любого материала, состоящего преимущественно из углерода с sp3-гибридизацией, и включает в себя множество различных типов алмазов. Регулируя параметры процесса – особенно состав газовой смеси, но также давление в системе, температуру алмаза и метод генерации плазмы – можно получать различные материалы, которые можно отнести к классу алмазов. Можно получать монокристаллические алмазы, легированные различными примесями. Возможно выращивание поликристаллического алмаза, состоящего из зерен размером от нескольких нанометров до нескольких микрометров. Некоторые поликристаллические алмазные зерна окружены тонким слоем неалмазного углерода, а другие – нет. Все эти факторы влияют на твердость, гладкость, электропроводность, оптические свойства алмаза и другие характеристики.

CVD can be used to produce a synthetic diamond by creating the circumstances necessary for carbon atoms in a gas to settle on a substrate in crystalline form. CVD of diamonds has received much attention in the materials sciences because it allows many new applications that had previously been considered too expensive. CVD diamond growth typically occurs under low pressure (1–27 kPa; 0.145–3.926 psi; 7.5–203 Torr) and involves feeding varying amounts of gases into a chamber, energizing them and providing conditions for diamond growth on the substrate. The gases always include a carbon source, and typically include hydrogen as well, though the amounts used vary greatly depending on the type of diamond being grown. Energy sources include hot filament, microwave power, and arc discharges, among others. The energy source is intended to generate a plasma in which the gases are broken down and more complex chemistries occur. The actual chemical process for diamond growth is still under study and is complicated by the very wide variety of diamond growth processes used. Using CVD, films of diamond can be grown over large areas of substrate with control over the properties of the diamond produced. In the past, when high pressure high temperature (HPHT) techniques were used to produce a diamond, the result was typically very small free standing diamonds of varying sizes. With CVD diamond, growth areas of greater than fifteen centimeters (six inches) in diameter have been achieved, and much larger areas are likely to be successfully coated with diamond in the future. Improving this process is key to enabling several important applications. The growth of diamond directly on a substrate allows the addition of many of diamond's important qualities to other materials. Since diamond has the highest thermal conductivity of any bulk material, layering diamond onto high heat producing electronics (such as optics and transistors) allows the diamond to be used as a heat sink. Diamond films are being grown on valve rings, cutting tools, and other objects that benefit from diamond's hardness and exceedingly low wear rate. In each case the diamond growth must be carefully done to achieve the necessary adhesion onto the substrate. Diamond's very high scratch resistance and thermal conductivity, combined with a lower coefficient of thermal expansion than Pyrex glass, a coefficient of friction close to that of Teflon (polytetrafluoroethylene) and strong lipophilicity would make it a nearly ideal non stick coating for cookware if large substrate areas could be coated economically. CVD growth allows one to control the properties of the diamond produced. In the area of diamond growth, the word "diamond" is used as a description of any material primarily made up of sp3 bonded carbon, and there are many different types of diamond included in this. By regulating the processing parameters—especially the gases introduced, but also including the pressure the system is operated under, the temperature of the diamond, and the method of generating plasma—many different materials that can be considered diamond can be made. Single crystal diamond can be made containing various dopants. Polycrystalline diamond consisting of grain sizes from several nanometers to several micrometers can be grown. Some polycrystalline diamond grains are surrounded by thin, non diamond carbon, while others are not. These different factors affect the diamond's hardness, smoothness, conductivity, optical properties and more.

Калькогены

В коммерческом плане, теллурид ртути-кадмия продолжает представлять интерес для детектирования инфракрасного излучения. Этот материал, состоящий из сплава CdTe и HgTe, может быть получен из диметилпроизводных соответствующих элементов.