化学气相沉积的研究综述.doc

化学气相沉积的研究综述 齐鲁工业大学机械与汽车工程学院机械11-1济南,250300 摘要：论述了化学气相沉积的由来、发展历程和最近国内外研究的现状，主要举例说明金刚石膜的研究进程和现状。讲了几种主要的化学气相沉积的关键技术应用，包括金属有机化合物化学气相沉积技术、等离子化学气相沉积、激光化学气相沉积、超声波化学气相沉积。还介绍了化学气相沉积的研究应用方向，主要包括保护涂层、微电子技术、超导技术、太阳能利用等方面。 关键字：化学气相沉积 金刚石膜 等离子 超导技术 1 概述 化学气相沉积（简称CVD）是利用气态或蒸汽态的物质在气相或气固界面反应生成固态沉积物的技术。这一名称是在20 世纪60 年代初期由美国John M Blucher Jr 等人[1]首先提出来的，后来又有人称它为蒸气镀Vapor Plating,而Vapor Deposition 一词后来被广泛的接受。人们又利用引导气体深入到多孔材料内部沉积以达到使材料致密化的目的。法国最先利用制备致密化材料的CVI 技术，即化学气相渗透CVI[2]。 化学气相沉积是一种材料表面改性技术。它可以利用气相间的反应, 在不改变基体材料的成分和不削弱基体材料的强度条件下, 赋予材料表面一些特殊的性能。目前, 由化学气相沉积技术制备的材料,不仅应用于刀具材料、耐磨耐热耐腐蚀材料、宇航工业上的特殊复合材料、原子反应堆材料及生物医用材料等领域, 而且被广泛应用于制备与合成各种粉体材料、块体材料、新晶体材料、陶瓷纤维及金刚石薄膜等。在作为大规模集成电路技术的铁电材料、绝缘材料、磁性材料、光电子材料的薄膜制备技术方面, 更是不可或缺。[3] CVD 沉积物的形成涉及到各种化学平衡及化学动力学过程，这些化学过程又受反应器设计、工艺参数、气体性能和基体性能等诸多因素的影响[4]，要考虑所有的因素来描述完整的CVD 工艺模型几乎是不可能的，因此必须做出某些简化和假设。而其中最为典型的是浓度边界层理论模型[5]。CVD 工艺中的主要现象——成核和生长的过程：a 反应气体从气相主体被强迫引人边界层；b 反应气体由气相主体扩散和流动(粘滞流动)穿过边界层；c 气体在基体表面上的吸附；d 吸附物之间的或者吸附物与气态物质之间的化学反应过程；e 吸附物从基体解吸，f 生成气体从边界层到整体气体的扩散和流动；g 气体从边界层引出到气相主体。 如今，有很多CVD 技术的理论模型和“CVD相图”理论被提出。我国在金刚石生长[6] 技术取得很大的进展 ，在这个领域的研究过程中对金刚石生长热力学及其非平衡热力学理论及理论模型也进行了很多的探讨。 从1986~ 1996年, CVD 金刚石膜的沉积速率提高了将近1000倍, 与此相应, 其制备成本也下降到原来的千分之一。金刚石膜大型工业化沉积设备也应运而生, 为CVD金刚石膜的实际应用奠定了基础。目前金刚石膜最大沉积面积已达0.5m2 (采用热丝法沉积, 用于污水处理的BDD 电极), 金刚石自支撑膜的厚度超过3 mm。光学级( Optical Grade)金刚石膜除力学性能(断裂强度)外, 所有物理化学性质都可以和最高质量的天然IIa 型金刚石单晶比美。而电子级(器件级）( Electronic Grade( Device Grade) )金刚石膜质量远远超过天然IIa 型金刚石单晶, 杂质水平低至ppb量级( 10-9 ) , 几乎不含任何杂质。[7] 纳米金刚石膜(NCD )的研究始于20世纪90年代, 而超纳米金刚石膜(UNCD )则是最近的研究热点之一。目前, 采用热丝, 微波和DC Arc Plasma Jet都可以获得NCD 和UNCD金刚石膜。研究的热点主要在于它们在摩擦磨损、电子学、电化学、MEM s (微机电系统) , 以及生物医学等诸多领域的应用。CVD 金刚石膜的同质外延生长研究可以追溯至20世纪80年代, 而CVD金刚石大单晶的生长则是最近几年的研究进展。目前最大的CVD单晶已超过10克拉。 CVD金刚石膜工具在加工各种难加工材料, 如各种有色金属及其合金(如在汽车工业中应用日益广泛的高硅铝合金和航空工业应用的铝合金)、复合材料( 包括金属基复合材料和碳纤维增强复合材料)、高分子材料和无机非金属材料(陶瓷、石墨、玻璃、甚至硬质合金)等方面与传统工具材料相比具有十分明显的优势, 在某些方面(如加工金属基复合材料和碳纤维增强复合材料) 甚至具有不可替代性。因此市场前景极佳。但除非采取特殊的冷却条件,CVD金刚石膜工具不能加工通常的钢铁材料, 这是因为金刚石是碳的一种结构形式, 在加工钢铁是刀尖