Chemiczne osadzanie z fazy gazowej

Chemiczne osadzanie z fazy gazowej (używany jest skrótowiec CVD, od ang. chemical vapour deposition) – metoda obróbki cieplno-chemicznej materiałów. Służy do nanoszenia cienkich powłok na obrabiany materiał w celu polepszenia albo zmiany właściwości fizycznych, chemicznych lub mechanicznych powierzchni obrabianego materiału.

Opis metody

Metoda polega na wprowadzaniu do komory reakcyjnej najczęściej gazowych substratów, gdzie na gorącym podłożu zachodzą odpowiednie reakcje chemiczne. Tradycyjne metody chemicznego osadzania z fazy gazowej wymagają wysokich temperatur koniecznych do zajścia pożądanych reakcji (rzędu 900–1100 °C lub nawet większych), umożliwiających tworzenie się warstw, co znacznie ogranicza zakres stosowania tych metod. Do otrzymania produktów reakcji używa się różnych substratów gazowych i ciekłych – zwanych prekursorami – którymi mogą być wodorki, halogenki (głównie chlorki), karbonylki a także lotne związki metaloorganiczne, krzemoorganiczne i tym podobne. Prekursory w formie gazu lub pary doprowadza się do komory reaktora, najczęściej za pomocą gazów nośnych obojętnych (np. argonu, helu) lub takich, które mogą brać udział w reakcjach chemicznych prowadzących do powstania warstw (np. azotu, metanu, wodoru, amoniaku) lub mieszaniny tych gazów.

Przykładowe zastosowanie: nanoszenie warstw azotku tytanu (TiN) lub węgliku tytanu (TiC) na powierzchnię narzędzi skrawających wykonanych z węglików spiekanych. Warstwy te mają bardzo wysoką twardość oraz odporność na ścieranie, przez co diametralnie zwiększają trwałość narzędzi.

Uwaga: metoda chemicznego osadzania z fazy gazowej nie sprawdza się w przypadku gotowych narzędzi wykonanych ze stali narzędziowych. Stale te są już obrobione cieplnie, więc długotrwałe oddziaływanie temperatury występującej w tym procesie wpływa niekorzystnie na ich strukturę. W takim przypadku stosuje się metodę fizycznego osadzania z fazy gazowej.

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, na przykład alkilki (alkilany) – metylki i etylki – oraz wodorki metali grupy III, które rozkładają się we względnie niskich temperaturach (poniżej 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 PECVD/PACVD

Chemiczne osadzanie z fazy gazowej ze wspomaganiem plazmowym (PECVD = plasma enchanced chemical vapour deposition, rzadziej używana nazwa: PACVD = plasma assisted chemcal vapour deposition) jest techniką bardzo atrakcyjną ze względu na niską temperaturę procesu, możliwość osadzania nierównowagowych faz oraz lepszą kontrolę nad stechiometrią i czystością powłok.

Schemat reaktora PECVD.

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 (orientacyjnie 200-600 °C). Typowy reaktor PECVD pokazano poniżej.

Plazma generowana jest w polu elektrycznym między dwiema 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, czego efektem jest powstawanie składników o wysokiej aktywności. Reakcje chemiczne w tak wzbudzonym gazie przebiegają 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. Technika ta znalazła zastosowanie w elektronice, głównie do osadzania materiałów półprzewodnikowych.

Bibliografia

• Stanisław Rudnik: Metaloznawstwo. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 1998. ISBN 83-01-11520-3.brak strony w książce
• Leszek Adam Dobrzański: Metaloznawstwo z podstawami nauki o materiałach. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1999. ISBN 83-204-2415-1.brak strony w książce
• Skrypt Obróbka cieplna pod red. dr inż. Anny Rutkowskiej