Depunerea chimică a vaporilor

Un diamant artificial produs prin depunerea chimică a vaporilor

Depunerea chimică a vaporilor (în engleză Chemical Vapor Deposition sau CVD) este o tehnică de sinteză care permite obținerea unui depozit de suport solid de la un precursor molecular, introdus în formă gazoasă și care se descompune pe suprafața substratului. Transportul precursorului are loc prin utilizarea unui gaz de transport, cum ar fi oxigenul , argonul , hidrogenul sau azotul , datorită căruia produsele de descompunere gazoase sunt apoi îndepărtate din sistem.

Caracteristici

Principalele caracteristici ale precursorului constau într-o presiune ridicată a vaporilor și o bună stabilitate termică, astfel încât să se evite descompunerea în timpul fazei de transport. În plus, trebuie să fie disponibil și ieftin, precum și să nu prezinte probleme specifice de mediu. Alegerea precursorului se face, desigur, în așteptarea materialului final care urmează să fie obținut și reprezintă în continuare unul dintre cele mai relevante domenii de cercetare.

Beneficii

Principalele avantaje care apar în utilizarea procesului CVD se disting prin rata mare de depunere, prin omogenitatea și puritatea stratului distribuit pe suport. Funcționând în condiții departe de echilibrul termodinamic, permite, de asemenea, obținerea depozitelor cu caracteristici greu de obținut prin alte căi sintetice. Scalabilitatea industrială a procesului este deja o realitate, având în vedere prezența reactoarelor industriale deja active în domeniul electronicii și optoelectronicii.

Dezavantaje

Dezavantajele acestei tehnici constau în utilizarea aparatelor instrumentale complexe, controlul proceselor și dezvoltarea precursorilor moleculari adecvați cu caracteristicile descrise deja.

Cele mai frecvente tipuri de reacții implicate în tehnica CVD sunt:

Piroliză - descompunere termică: siliciu din silan la 650 ° C

{\ce {SiH4(g) -> Si(s) + 2H2 (g)}}

{\ displaystyle {\ ce {SiH4 (g) -> Si (s) + 2H2 (g)}}}

{\ displaystyle {\ ce {SiH4 (g) -> Si (s) + 2H2 (g)}}}

Reducerea (adesea în _H2): wolframul de halogenuri la 300 ° C

{\ce {WF6 (g) + 3H2(g) <=> W(s) + 6HF(g)}}

{\ displaystyle {\ ce {WF6 (g) + 3H2 (g) <=> W (s) + 6HF (g)}}}

{\ displaystyle {\ ce {WF6 (g) + 3H2 (g) <=> W (s) + 6HF (g)}}}

Oxidarea (adesea în O ₂ ): _SiO2 din silan și O ₂ la 450 ° C

{\ce {SiH4(g) + O2(g) -> SiO2(s) + 2H2(g)}}

{\ displaystyle {\ ce {SiH4 (g) + O2 (g) -> SiO2 (s) + 2H2 (g)}}}

{\ displaystyle {\ ce {SiH4 (g) + O2 (g) -> SiO2 (s) + 2H2 (g)}}}

Formarea unui compus: pelicule rezistente la uzură la 1100 ° C ( nitrură de bor )

{\ce {BF3(g) + NH3(g) -> BN(s) + 3HF(g)}}

{\ displaystyle {\ ce {BF3 (g) + NH3 (g) -> BN (s) + 3HF (g)}}}

{\ displaystyle {\ ce {BF3 (g) + NH3 (g) -> BN (s) + 3HF (g)}}}

Această tehnică sa dovedit a fi revoluționară pentru a satisface cerințele diamantelor , deoarece este o metodă de sinteză a cristalului prețios. În această tehnică, un amestec de hidrogen și un carbon- de gaz care conține, cum ar fi metan _(CH4) este descompus prin încălzire la 2200 ° C, cu microunde sau un filament încălzit. Atomii de carbon sunt depuși pe o folie (de obicei siliciu ) în camera de depunere și formează încet un strat subțire de mici diamante.

Țările cele mai active în sinteza diamantelor cu CVD sunt SUA , Rusia și Japonia . Aplicațiile variază de la scule de precizie, la abrazivi , până la acoperirea difuzoarelor .

Pe lângă depunerea filmelor subțiri, tehnica CVD devine tot mai importantă pentru sinteza nanosistemelor suportate, cu diverse aplicații de la senzori la cataliză.

Tipuri de BCV

CVD termic
Photo Assisted-CVD
Plasma Enhanced-CVD (PECVD)
Presiunea atmosferică-CVD (APCVD)
Presiune scăzută-CVD (LPCVD)
Metalorganic CVD (MOCVD)

CVD termic
Plasma Enhanced-CVD

Microelectronică

CVD este, de asemenea, o tehnică larg utilizată în fabricarea dispozitivelor microelectronice, pentru depunerea de pelicule subțiri pe un substrat semiconductor (de obicei siliciu ), datorită căruia este posibil să se depună o mare varietate de materiale diferite. Acesta constă în introducerea în interiorul unei camere de temperatură ridicată a precursorilor materialului care urmează să fie depus, care se va difuza în interiorul acestuia și va reacționa la suprafața plăcii de siliciu, eliberând produse volatile și un produs nevolatil care va rămâne la suprafață .

Unele dintre motivele pentru care este utilizat pe scară largă sunt:

acoperire excelentă în trepte; adică umplerea oricăror pași prezenți pe placheta de siliciu, fără a lăsa spații goale care ar putea duce la probleme serioase.
conformitatea depunerii; deoarece filmul este crescut izotrop în toate direcțiile și nu de jos în sus, așa cum se poate întâmpla pentru alte tehnici.
calitatea filmului depus; și acesta este ridicat, iar un parametru pentru a-l verifica este dat de densitatea filmului în sine.

Aceste avantaje pot fi opuse de defectul că filmul poate avea stres rezidual datorită faptului că materialul depus este compus din molecule cu un pas reticular mai mare (sau mai mic) decât cel al substratului de siliciu și din acest motiv ar putea fi stresat în compresie (sau în tensiune ); eliberarea acestui stres ar putea crea luxații sau defecte în rețeaua substratului, care este de obicei monocristalină .

Un exemplu poate fi făcut cu depunerea nitrurii de siliciu , care are loc în jur de 800-900 ° C în condiții de presiune scăzută ( LPCVD ) prin introducerea silanului și amoniacului în cameră:

${\ce {3SiH4 + 4NH3 -> Si3N4 + 12H2}}$ ${\ displaystyle {\ ce {3SiH4 + 4NH3 -> Si3N4 + 12H2}}}$ ${\ displaystyle {\ ce {3SiH4 + 4NH3 -> Si3N4 + 12H2}}}$

Pot exista variante cu presiuni sau temperaturi diferite, dintre care cele mai importante sunt:

APCVD, depunerea chimică a vaporilor cu presiune atmosferică, este tehnica de bază din care derivă celelalte, care operează în jur de 500 ° C (poate varia în funcție de ceea ce este depus) și funcționează la presiunea atmosferică;
LPCVD, depunere de vapori chimici la presiune scăzută : funcționează la presiune scăzută (aproximativ 1 Torr sau mai puțin), crescând calitatea filmului și canalul la prețul de a avea temperaturi mai ridicate și presiuni mai mici;
PECVD, depunere chimică de vapori cu plasmă îmbunătățită : funcționează prin intermediul unei plasme de reactivi generați de un câmp electromagnetic de înaltă frecvență și are avantajul că poate fi utilizat la temperaturi mai scăzute, de exemplu în timpul back-end-ului, dar compromite calitatea finală a filmului.