5　　化学气相沉积技术
5．1 概　　述
　　化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，简称CVD)是利用气态物质在固体表面上进行化学反应，生成固态沉积物。实际上，它是在一定温度条件F，混合气体与基材表面相互作用，使混合气体中某些成分分解，并在基材表面上形成金属或化合物的固态膜或薄膜镀层。
　　从沉积反应条件看，要实现沉积反应，初始的混合气体相与基材界面的作用和在沉积反应过程中必须有一定的激活能量。也就是说，产生气相沉积的化学反应必须有足够高的温度作为激活条件(当然采用等离子体、激光辅助作为激活，可使沉积反应温度降低)。
　　从工艺需要看，化学气相沉积(CVD)基本组成有初始气源及其供给系统、沉积反应加热室、真空及废气排放系统和电源控制系统等。
　　混合气体，主要是惰性气体(如Ar)、还原气体(如H2)和反应气体(如N2、CH4、CO2、水蒸气、NH3）等。有时在室温下也常用高蒸气压的液体，诸如TiCi~、SiCl：、CH3SiCl3等等，把这类液体，加热到‘定温度(<60℃)通过载体氢、氩与起泡的液体，从供气系统中把L述蒸气带人沉积反应室，也有把固态金属或化合物转变成初始气体，如气化铝就通过金属铝与氯气或者盐酸蒸气反应而形成。
　　当混合气体寻入沉积反应室后，反应室通过发热体(电阻丝、碳化硅棒、石墨)或感应加热，使沉积室十达到要求沉积反应的温度。若反应室壁的温度相当低时，称为冷壁CVD；当用外加热源加热反应室壁，热流再从反应室壁辐射到基体或工件，称为热壁CVD。反应气体从沉积反应室排出，须经气体排放处理系统，去除废气中的有害有毒成分，去除固体微粒，在进人大气前将其冷却。这套系统的结构简单与复杂程度，取决于混合气体的毒性，有害成分和安全要求。因在高温气体中包含了许多反应物质，这些反应物质，有时会带有腐蚀性(如TICl4分解后的C1)，因此在真空泵前，为防帐气体微粒的侵蚀，须加冷阱，以提高真空泵的使用寿命。图5—1是化学气相沉积没备的工艺流程示意图。工艺操作上，先把预先清洗干净的被处理工件装炉；抽真空后，使工件处于高纯度氢气中；通过加热，去除残余在工件表面的氧化物，使工件表面进一步活化；工件表面活化后，通保护气体人工作室，并升温，加热达到预定沉积温度时，即进行反应沉积处理。处理中，控制气体流量与导人的金属卤化物之间的混合、反应温度、处理时间等工艺参数。在膜层沉积过程中，排出的气体(如HCl)经淋水气体洗净装置中和、除水后达到排放标准后再排放。沉积处理完后，通过水冷，使工作室冷却，达到卸炉温度后便可取出被涂覆处理好的工件。
　　从沉积化学反应能量激活看，化学气相沉积技术可分为热CVD技术、等离子辅助化学气相沉积技术(PACVD)、激光辅助化学气相沉积技术(LCVD)和金属有机化合物沉积(MOCVD)等技术。从沉积化学反应温度来看，又可分为低温沉积(<200℃，如用高频等离子激化CVD和微波等离子激化CVD)；中温CVD(MTCVD反应处理温度为500～800℃，如硬质合金刀具沉积耐磨涂层)；高温CVD(HTCVD，反应处理温度在900～1200℃，如硬质合金铣削刀具、陶瓷和复合材料涂层)；超高温CVD(2>1200℃，如Si(：陶瓷)。从CVD涂层与基体界面结合状态看．化学气

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相沉积又可分为覆盖表层与扩散表层。从CVD沉积反应的类型看，可分为固相扩散型、热分解型、氢还原型、反应蒸镀型和置换反应型。
　　从化学气相沉积的工业应用看，主要用于材料表面改性，解决耐磨、抗氧化、抗腐蚀以及一些特殊的性能要求。
　　耐磨镀层，以氮化物、氧化物、碳化物和硼化物为主，主要应用于金属切削刀具。在切削应用中，镀层性能上主要包括硬度、化学稳定性、耐磨性、低摩擦系数、高导热与热稳定性和与基体的结合强度：这类镀层主要有TiN、TiC、TaC、HfN、A12O3、TiB2等，都已得到应用。
　　摩擦学镀层．主要降低接触的滑动面或转动面之间的摩擦系数，减少粘着、摩擦或其他原因造成的磨损：这类镀层主要是难熔化合物。在镀层性能上上要是硬度、弹性模量、断裂韧性、与基体的结合强度、晶粒尺寸等。当然从摩擦学上，还应考虑应用环境条件下摩擦镀层的化学稳定性、摩擦镀层与接触表面的性质．包括接触温度、压力、润滑的有无等因素。
　　高温应用镀层，主要是镀层的热稳定性。一般来说，高分解温度的难熔化合物，比较适合于高温环境应用。诚然，应用中还要考虑环境的影响。如在真空和惰性气氛下使用，问题不大。涉及到反应性气氛，就须考虑它的氧化和化学稳定性。这样就可选用难熔化合物和氧化物的混合物。除此之外，还有相容的热膨胀特性和强度，如环境有经常性的热震，选择难熔金属硅化物和过渡金属铝化物。这类应用包括火箭喷嘴、加力燃烧室部件、返回大气层的锥体、高温燃气轮机热交换部件和陶瓷汽车发动机缸套，活塞等。
　　此外，化学气相沉积在开发新材料方面也很有意义。诸如在阿瓷中加入微米的超细晶须，可使复合材料的韧性明显改善。化合物晶须可用化学气相沉积法来生产。如已经沉积生产出的Si3N，、TiC、A12O3、TiN、Cr3C2、SiC、ZrC、ZrN，Zr02晶须等。这使研究晶须在复合材料中的应用成为现实。
　　因此，化学气相沉积是——种在沉积金属和化合物涂镀层中极为有用的薄膜沉积技术，和其他薄膜沉积技术相比，它具有的优点是：
　　 (1)设备简单，操作维护方便，灵活性强，只需把原料做些改变，便可沉积制备性能各异的单或复合镀层。

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